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TEMA: Fraccionamiento del Gas, Secuencia deFraccionamiento, Tren de Fraccionamiento.
MODULO III
PROCESOS DEL GAS NATURAL
03 de Abril de 20131 R. ESTREMADOIRO
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QUE ES EL FRACCIONAMIENTO?
Separación de componentes líquidos de una mezcla
Ebullición – condensación
Cambio físico Contacto vapor-líquido en equilibrio
Mezcla de componentes en vapor en equilibrio con
mezcla de componentes en líquido
Componentes más livianos se separan en vapor Componentes más pesados se separan en líquido
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Mezcla en ebullición
líquido
A + B + C + .....
A + B + C + ....
vapor
Vapor a
condensador
QUE ES EL FRACCIONAMIENTO?
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Componentes más volátiles A + B (menor punto de
ebullición) se concentran en fase vapor
Componente menos volátil C + ... (mayor punto de
ebullición) se concentran en líquido
líquidox
c1+ x
c2
+ xc3
+ ….
yc1 + yc2 + yc3 + ….
vapor
QUE ES EL FRACCIONAMIENTO?
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FRACCIONAMIENTO
Torres de platos (cada plato es una etapa)
Condensador
Hervidor
Producto de cabeza
Producto de cola
Alimentación
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CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN FRACCIONAMIENTO
Acumulador de Reflujo: equipo ubicado a la salida de la torre de regeneración que recibe el
fluido del tope de la torre, una vez condensado, con el fin de garantizar el reflujo y la calidad
del producto de tope. Se encuentra en las columnas de fraccionamiento y de endulzamientodel gas natural, por ejemplo. Separador ubicado inmediatamente después de un
condensador, que se usa para almacenar los líquidos que serán enviados como reflujo a la
parte superior de la torre de fraccionamiento.
Bomba de Reflujo: equipo usado para devolver a la torre una porción condensada del fluido
que sale por el tope, con el fin de garantizar el funcionamiento del sistema.
Condensador Parcial: aquel que condensa una parte de los fluidos que salen por el tope dela torre para proveer el reflujo.
Condensador Total: el que condensa totalmente los vapores que salen por el tope de la
torre. Una parte regresa a la torre en estado líquido para proveer el reflujo, y el resto se
desprende del sistema como producto del tope.
Número mínimo de platos teóricos: el que se corresponde con una torre que trabaja a reflujo
total. Se refiere al número menor de etapas de equilibrio termodinámico que debe tener una
torre de fraccionamiento para que pueda funcionar.Razón de Reflujo: término que se aplica en los procesos de destilación para dar una medida
relativa del volumen de reflujo, normalmente referida a la carga o al producto del tope. Razón
entre la cantidad de producto del tope, bien con respecto a la porción que regresa como
reflujo a los platos superiores de la columna o bien con respecto a la carga que alimenta la
torre.
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CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN FRACCIONAMIENTO (Cont.)
Reflujo: en un proceso de destilación, es la parte del condensado del tope de la columna
que se regresa a la torre para mejorar la pureza del producto del tope. Condensado del vapor
que sale por la parte superior de la torre y que regresa a la columna en estado líquido paramantener el equilibrio termodinámico del sistema. También se habla de reflujo referido al
producto del tope con respecto a la carga y al vapor que retorna al fondo de la torre,
procedente del reboiler. Se calcula con respecto al líquido total que sale del fondo de la torre
hacia el reboiler.
Reboiler: equipo por el cual se introduce la energía a la planta. Suple las deficiencias
energéticas y se encarga de balancear termodinámicamente el sistema. Recipiente querecibe los fluidos que salen por la parte inferior de la torre. El calor que se introduce en el
reboiler vaporiza parcialmente los fluidos (reflujo del fondo) y genera un vapor que regresa a
la torre para mantener el equilibrio del sistema.
Tambor de Reflujo: separador horizontal que recibe el fluido que sale del tope de la torre
una vez que pasa por el intercambiador de calor, donde se condensa de manera parcial o
total, para suplir la necesidad de reflujo que mantiene la torre en funcionamiento.
Torre de Fraccionamiento: cilindro hueco en el cual se coloca un relleno o platos deburbujeo para separar los hidrocarburos aprovechando sus propiedades. La presión es más
o menos constante, pero la temperatura aumenta del tope al fondo. Los vapores del fondo
van subiendo hasta el tope a medida que se van purificando, hasta lograr la separación
deseada. El diseñador escoge la forma de hacer la separación y, en consecuencia, aparecen
el diámetro, la altura, las condiciones de presión, la temperatura, el reflujo y el número de
platos necesarios para efectuar el trabajo.
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FRACCIONAMIENTO
Una vez que los hidrocarburos líquidos han sido retirados de la corriente de gas,
deben ser separados en corrientes de productos que puedan ser aprovechadospor el mercado interno y externo.
Las corrientes de productos más comunes son el C3, C4 y C5+. Por lo general en
la etapa de producción, el C3 y C4 se encuentran combinados y se los llama
Gases Licuados de Petróleo (GLP). La separación de estas corrientes de
productos se denomina fraccionamiento y se lleva a cabo por medio de la
utilización de torres de fraccionamiento.
El número de torres de fraccionamiento requeridas está en función de los
productos licuables a obtener. En la figura siguiente se muestra un esquema de las
torres de fraccionamiento que se utilizarían en la recuperación de hidrocarburos
líquidos.
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La unidad de fraccionamiento se utiliza para separar mezclas complejas de gas en productos
individuales. El fraccionamiento de la mezcla en sus componentes se efectúa basándose en
la volatilidad relativa de cada uno. Las dificultades en la separación están directamente
relacionadas con la volatilidad relativa y la uniformidad del componente básico.
Virtualmente todo el gas que se procesa en una planta para obtener hidrocarburos licuables,
requiere al menos una torre de fraccionamiento para poner al producto en las
especificaciones técnicas normalizadas, para su posterior comercialización.
En el regenerador se aplica calor para gasificar al líquido. Este Gas asciende por la columna
mientras va contactando al líquido que desciende y deja la columna por la parte superior ingresando en un condensador, donde debido a la acción de un sistema de enfriamiento, se
convierte al estado líquido.
Una vez licuado, ingresa nuevamente en la torre como reflujo, para evitar que el componente
más “pesado” salga por la parte superior con la corriente gaseosa.
A los efectos de lograr una eficiente separación de los componentes, es necesario que las
dos fases tengan un íntimo contacto entre sí, para lo cual se intercalan en la torre a
determinados espaciamientos, bandejas o laberintos que provoca justamente este contacto
entre el líquido y la corriente de gas dentro de la columna.
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CONCEPTOS DE EQUILIBRIO DE LAS ETAPAS
Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de flashes,
con dos alimentaciones y dos corrientes de flujos en contracorriente.
En la figura de la siguiente diapositiva, se puede observar que el gas entra desde
la parte inferior de la columna a alta temperatura y el líquido se incorpora por la
parte superior a baja temperatura.
Se producirá la transferencia de calor y masas de tal manera que en la columna deprocesamiento se presentará el punto de evaporación en el líquido y el punto de
rocío o condensación en el vapor bajo las mismas condiciones de presión y
temperatura.
La composición de estas fases es relativa a la relación de equilibrio.
El número de torres de fraccionamiento requeridas está en función de los
productos licuables a obtener. En la figura siguiente se muestra un esquema de las
torres de fraccionamiento que se utilizarían en la recuperación de hidrocarburos
líquidos.
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El grado de separación o
pureza de un producto tiene un
impacto directo sobre el tamaño
de la columna y losrequerimientos de servicios.
Alta pureza requiere más
platos, más reflujo, mayor
diámetro y o reducida cantidad
de producto.
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TIPOS DE FRACCIONADORAS
El tipo de torre fraccionadora depende del producto que se necesita obtener y del
producto de alimentación disponible. Los típicos equipos de fraccionamientoutilizados para obtener los productos del gas natural son los siguientes:
• Deetanizadora
• Deetanizadora
• Depropanizadora
• Debutanizadora• Gasolina Natural
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Descripción del proceso Tren de Fraccionamiento:
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Para describir el proceso de fraccionamiento de este tren, asumimos que el
producto de ingreso contiene alta cantidad de etano y por lo tanto será tratado
como una columna Deetanizadora.
Esta columna está diseñada para operar a 425 psia y la cromatografía presentada
en la gráfica anterior.
El proceso descrito, prevé la elevación de l temperatura en el fondo a 240°F y el
acondicionamiento a 95°F en el tope de la torre para el reflujo. Bajo tales
condiciones el etano saldrá por la parte superior de la torre hasta un circuito degas combustible o planta de procesamiento de otros derivados y por la parte
inferior se obtendrán los más pesados, como el propano y superiores.
En la segunda etapa del tren de proceso, mediante el mismo sistema y bajo 313
psia de presión, con 135°F de temperatura de reflujo y 280°F para el proceso el
líquido en el fondo, se obtendrá el propano por la parte superior de la torre y los
componentes más pesados ingresará en la tercer torre.
La tercera etapa opera a 100 psia para obtener un reflujo de 135°F y un
acondicionamiento en el fondo a 250°F. De esta forma se recupera por la parte
superior el butano y por la parte inferior se obtendrá Gasolina Natural Estabilizada.
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A continuación se observa un corte de una torre fraccionadora con el objeto de
mostrar el diseño interior para obtener un íntimo contacto de las fases, donde se
aprecian las bandejas y el detalle de las torres de burbujeo.
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En las siguientes figuras, se podrán observar otros esquemas mostrando también
los diseños interiores de estas torres con el sistema de contacto en la disposición
de laberintos de uno, dos, tres y cuatro pasos.
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La reconversión en el fondo de la torre de fraccionamiento de los líquidos en gases
se hace por el incremento de la temperatura del líquido que pasa por el calentador
o caldera, superando la temperatura de burbuja para las condiciones de presión
establecidas.El circuito de circulación puede ser por termosifón o bien por circulación forzada
por bombas como se observa en el siguiente esquema:
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PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE UNACOLUMNA
En la siguiente figura, se muestra un diagrama esquemático de una torre defraccionamiento. Se observan algunos parámetros
importantes que caracterizan el
funcionamiento del sistema:
• Tope de la Torre, sección de
rectificación.
• Zona inferior, sección dedespojamiento.
• Plato de alimentación.
• Condensador de reflujo y medio
de enfriamiento.
• Bomba de reflujo.
• Acumulador de reflujo.• Reboiler.
• Gradiente de temperatura dentro
de la torre.
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Empecemos con el análisis del lugar donde la alimentación entra a la torre. En ese plato es
conveniente que el fluido llegue a su punto de burbujeo (completamente líquido y listo para
empezarse a evaporar). Al entrar a la destiladora el fluido llena el plato de alimentación y, al
rebosarlo, empieza a caer hacia los platos del fondo. A medida que desciende encuentra
temperaturas más elevadas que vaporizan las porciones livianas, produciendo un líquidocada vez más pesado.
Este fluido recircula en el reboiler y se calienta evaporando una parte del mismo, que regresa
a la torre como un reflujo de fondo en estado gaseoso. El vapor, cargado de componentes
pesados, sube y, a medida que asciende, encuentra puntos fríos donde se condensan las
partes pesadas que, a su vez, contribuyen a llenar cada bandeja.
El vapor - en permanente ascenso dentro de la torre - va quedando libre de las partes
pesadas hasta que llega al tope y sale de la columna. De allí pasa por el condensador de
reflujo en el cual se licua parcial o totalmente.
Un condensador parcial es aquel que corresponde a un producto de tope en estado gaseoso.
En ese caso solamente se condensa la porción que regresa a la torre como reflujo. Cuando
se trata de un condensador “total”, los fluidos del tope salen en estado líquido y así se llevan
al mercado. La producción sale por el fondo de la torre también en estado líquido y, por lo
general, a su punto de burbujeo. Es obvio que si sale parcialmente vaporizado va a producir
cavitación en las bombas.
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En consecuencia, el condensador parcial, se diseña para el punto de rocío del
producto del tope, mientras que el condensador total, debe trabajar a su punto de
burbujeo. Así, cuando los vapores que abandonan el último plato, se condensan
totalmente, una parte sale del sistema, en estado líquido; y la otra, regresa a latorre como reflujo. Este condensador estará diseñado para trabajar a su punto de
rocío, en el cual, se fija la temperatura al nivel necesario para producir la cantidad
de líquido que requiere la torre (el reflujo).
De aquí se deduce que, cuando se establece la manera como ha de separarse la
alimentación, se está decidiendo sobre las condiciones de trabajo de la torre. Y dela misma manera, el grado de pureza que se desea en el producto del tope define
la cantidad de flujo que se debe retornar y el número de platos que se requieren
para garantizar la operación.
Obsérvese de nuevo la figura que nos sirve de referencia, la cantidad de líquido
que regresa al tope de la torre, procedente el tambor de reflujo, llena el platosuperior y actúa como un filtro, en estado líquido, que retiene las partículas
pesadas que todavía transporta el gas antes de salir de la torre. Si se elimina el
reflujo desaparece el filtro que evita el arrastre de líquido fuera de la torre y,
obviamente, se produce una cantidad excesiva de condensado en el separador o
en las tuberías. Adicionalmente, el producto del tope sale fuera de
especificaciones.
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En la siguiente figura, presenta un esquema real de una torre Depropanizadora
con la composición y los diferentes parámetros de presión y temperatura. El
análisis detallado de la figura contribuirá a entender mejor las condiciones del
diseño.
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En la siguiente figura, se describe los diagramas de fases de los diferentes
productos en la torre Depropanizadora (Alimentación, tope y fondo) de una torre
tomada como ejemplo, lo cual permite apreciar las características de estos fluidos
y la manera como, la composición de la alimentación y la separación que se hagade ella, determina el diseño de la torre. El tope, con un 98,0
% de propano, se
comporta como un
producto puro, o con
alto grado de pureza,
mientras que laalimentación y el
fondo de la torre se
corresponden con
mezclas de
multicomponente. En
los diagramas de
fases respectivos seaprecia las
condiciones de
trabajo (presión y
temperatura) con
cada uno de los
productos.
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REFLUJO Y NUMERO DE PLATOS EN LA TORRE
El reflujo está íntimamente ligado al número de platos que tenga la columna, en la Figura de
abajo se aprecia el comportamiento. Las expresiones que siguen ayudarán a entender el
tema:Número mínimo de platos: establece el
menor número de bandejas o etapas de
burbujeo que debe tener la torre para que
pueda funcionar. Lo cual supone que todo el
producto del tope se condensa y se regresa a
la torre.Reflujo mínimo: indica la menor cantidad de
líquido que debería retornar a la torre si se
utilizara un número infinito de etapas de
equilibrio. Obviamente son conceptos
teóricos que establecen los límites de la
operación. Por lo general una razón de reflujo
(L/D) igual a 1,25 -1,8 nos conduce alnúmero de etapas o platos de burbujeo con
las cuales la torre podría trabajar de manera
satisfactoria. Esto nos habla de la
conveniencia de diseñar con los platos
requeridos para hacer funcionar la columna
dentro de un esquema óptimo-económico.
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P&ID TORRE DEPROPANIZADORA
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PANTALLA DEL DELTA V TORRE DESETANIZADORA
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PANTALLA DEL DELTA V TORRE DEBUTANIZADORA
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PANTALLA DEL DELTA V ALMACENAJE DE GLP
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SISTEMA DE ESTABILIZACIÓN DE CONDENSADO
El producto a estabilizar entonces, podrá ser proveniente del sistema de refrigeración
(Separador Frío), tanto como lo descargado por los separadores de la entrada de la Planta.
El condensado pasa posteriormente a la torre
estabilizadora. Esta es un tipo de fraccionadora con o
sin reflujo de cabeza y un calentamiento de fondo por
circulación a través de los hornos, con los que se
logra el calor necesario para la estabilización.
Por la cabeza de la estabilizadora se obtiene unacorriente gaseosa caliente que circulan a través de
un enfriador, condensándose los compuestos
pesados, para luego ser bombeados desde el
acumulador o tanque de reflujo, nuevamente a la
torre. La parte liviana en forma de gas, es desalojada
para reunirse con el gas destinado al resto del
proceso.Finalmente el hidrocarburo líquido estabilizado
depositado en el fondo de la torre, es descargado a
través de un intercambiador (intercambiando con el
producto de entrada a la torre) hacia un enfriador y
posterior al tanque de almacenaje.
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PROCESO TÍPICO DE ESTABILIZACIÓN DE CONDENSADOS
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DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO (PFD) SISTEMA DE ESTABILIZACIÓN
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PANTALLA DEL DELTA V ESTABILIZACIÓN
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TABLA TÍPICA DE PARÁMETROS DE FRACCIONADORES
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