FRACCIONAMIENTO DE LOS LIQUIDOS DEL GAS NATURAL1. INTRODUCCIONLos lquidos recuperados del gas natural (LGN), forman una mezcla multicomponente la cual se separa en fracciones de compuestos individuales o mezclados, mediante una operacin de fraccionamiento. Se le llama destilacin al proceso mediante el cual se logra realizar la operacin de fraccionamiento.1.1. Descripcin del procesoEl calor se introduce al rehervidor para producir los vapores de despojo. El vapor sube atraves de la columna contactando el lquido que desciende. El vapor que sale por la cima de la columna entra al condensador donde se re mueve calo r por algn medio de enfriamiento.El lquido se retorna a la columna como reflujo para limitar las prdidas de componente pesado por la cima. Internos tales como platos o empaque promueven el contacto entre el lquido y el vapor de la columna. Un ntimo contacto entre el vapor y el lquido se requiere para que la separacin sea eficiente. El vapor que entra a una etapa de separacin se enfra con lo cual ocurre un poco de condensacin de los componentes pesados.La fase liquida se calienta resultando en alguna vaporizacin de los componentes ms livianos.De esta forma, los componentes pesados se van concentrando en la fase liquida hasta volverse producto de fondo. La fase de vapor continuamente se enriquece con componente liviano hasta volverse producto de cima. El vapor que sale por la cima de la columna puede ser totalmente o parcialmente condensada. En un condensador total, todo el vapor que entra sale como lquido, y el reflujo retorna a la columna con la misma composicin que el producto de cima destilado.En la fig. 1-1 se muestra en forma esquemtica una torre de fraccionamiento con sus diferentes componentes.FIG. 1-1 DIAGRAMA ESQUEMATICO DEL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO

1.2. Principio de la destilacin La destilacin el proceso de separacin se basa en la volatilidad relativa de los compuestos a ser separados. La separacin ocurre debido a que un componente se calienta hasta que pasa a la fase vapor y el otro componentente permanece en la fase liquida. Cuando la mezcla no es de dos componentes sino multicomponente. La separacin se selecciona entre dos componentes denominados claves, por ejemplo etano y propano. Entre mayor sea la relacin de volatilidad relativa entre los compuestos denominados claves, ser ms fcil efectuar el proceso de fraccionamiento. Por lo tanto se necesita que haya una diferencia en los puntos de ebullicin de los componentes para que se pueda utilizar la destilacin como proceso de fraccionamiento. El componente ms pesado que se vaporiza se le denomina clave pesado, y el componente ms liviano que permanece en la fase liquida se le denomina clave liviano. En la destilacin, los clculos se ejecutan usando etapas tericas de equilibrio. Una columna de fraccionamiento puede ser considerada como una serie de vaporaciones flash son dos corrientes de alimento y dos de producto. El vapor entra viene de la corriente inferior a alta temperatura y el lquido viene de la parte superior a baja temperatura. La composicin de estas fases estn consideradas con la constante de equilibrio como:

Dnde:Ki: Constante de equilibrioXi: fraccin molar del componente i en la fase liquida.YI: Fraccin molar del componente i en la fase vapor.El grado de separacin o pureza de un producto tiene un impacto directo sobre el tamao de la columna y los requerimientos de servicios. Una medida cuantitativa de la dificultad para una separacin es el factor Sf, definido como:

Volatilidad Relativa

La destilacin es una tcnica de separar componentes de acuerdo a su volatilidad relativa, la cual es una medida de la facilidad de separacin y est dada por la razn entre la tendencia a vaporizar de dos componentes. Esta variable est definida como la relacin de las constantes de equilibrio de los compuestos claves liviano y pesado as:

: Representa el factor de separacin: Constante de Equilibrio: Clave livianos (light key): Clave pesados (heavy key)

Para sistemas de hidrocarburo en dos fases, compuestos que estn en una fase estarn tambin presentes en la otra fase, en proporcin al valor de su constante de equilibrio K. Por lo tanto, es necesario tener muchas etapas de contacto gas/lquido, para provocar una concentracin gradual de los componentes livianos en la fase gaseosa, y los componentes pesados en la fase lquida. Esto requiere que la columna de destilacin tenga muchas etapas de separacin, que se agregue calor al fondo de la columna para suministrar la energa de despojo, y que se aplique condensacin en la cima para licuar los componentes que se retornan a la cima de la torre como reflujo.2. TORRES DE FRACCIONAMIENTOLas torres de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran dimetro. Donde configuran el contorno de la refinera. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porcin a la cadena de hidrocarburos. En el caso del gas ocurre lo mismo pero en este caso se trata de la separacin de los integrantes ms livianos de la cadena de hidrocarburos.El diseo de la torre de fraccionamiento comienza con la indagatoria del fluido de fondo, de la composicin y conocimiento que se tiene del gas a tratar, una vez que se sepa la composicin y la produccin est garantizada se puede empezar el anlisis de diseo. La torre tiene una presin estable en toda la longitud, la nica diferencia que hay entre el tope y el fondo es debido al peso propio de los fluidos. En cambio la temperatura del tope es mucho ms baja que la del fondo de la torre.

2.1. Tipos de fraccionadores

El nmero y tipo de fraccionador requerido depende del nmero de productos a ser producidos y la compresin de la alimentacin, los productos tpicos son los lquidos del gas natural, los cuales son los siguientes procesos de fraccionamiento. Demetanizador Deetanizador Depropanizadora Debutanizadora El tipo de torre fraccionadora depende del producto que se necesita obtener y del producto de alimentacin disponible. Los tpicos equipos de fraccionamiento son para obtener los siguientes productos: Etano Mezcla de etano propano Propano comercial. Butano Butano y gasolinas Gasolinas naturales Mezclas de gases con especificaciones determinadas

El nmero y tipo de fraccionadores depende del nmero de productos a ser producidos y la composicin de la alimentacin. Figura 1: Tren de Fraccionamiento

Fuente: Fig 19-4, GPSA ENGINEERING DATA BOOK, 12th Edition, 2004, pag 19-3.

2.2. Proceso de fraccionamientoPara describir el proceso de fraccionamiento de este tren asumimos que el producto de ingreso contiene una alta cantidad de etano y por lo tanto ser tratado en una columna deetanizadora. Esta columna estar diseada para operar con 425 psia. El proceso descripto, evita la elevacin de la 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 saldr por la parte superior de la torre hacia un circuito de gas combustible o planta de procesamiento de otros derivados y por la parte inferior se obtendrn los ms pesados, como el propano y superiores.En la segunda etapa del tren de proceso, mediante el mismo sistema y bajo 313 psia de presin, con 135 F de temperatura de reflujo y 280 F para el proceso del lquido en el fondo, se obtendr el propano por la parte superior de la torre y los componentes ms pesados , ingresarn 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 recuperar por la parte superior el butano y por la inferior se obtendr gasolina natural estabilizada.En la Fig. 1-2 se muestran dos alternativas de secuencias en un tren de fraccionamiento de dos torres, las cuales fsicamente son viables pero hay una que es la ptima.El arreglo ptimo depende del nmero y cantidad de compuesto a ser separados de la volatilidad relativa, de la pureza requerida, etc.King hizo un anlisis generalizado para una mezcla de n componente a ser separados en n productos utilizando n-1 torres, y recomienda las siguientes cuatro reglas del dedo gordo, con base principalmente en consideraciones de ahorro de energa y dificultad para la separacin:1. La secuencia directa de separar los compuestos uno a uno es la que ms se favorece, a menos que aplique uno de los siguientes eventos.2. Se debe dar la prelacin en la secuencia, a la separacin que resulte en una divisin equimolar entre el producto de cima y el producto de fondo.3. Componentes adyacentes cuya volatilidad relativa est cercana a la unidad deben separarse sin presencia de otros componentes; por lo tanto, esta separacin debe reservarse para la ltima torre en la secuencia.4. La separacin que exija una alta recuperacin de las fracciones debe dejarse para lo ltimo en la secuencia.

FIG. 1-2 ALTERNATIVAS DE SECUENCIA DE TREN DE FRACCIONAMIENTO.

3. CONSIDERACIONES DE DISEO.Las principales consideraciones de diseo, se muestran a continuacin: Presin de Operacin. Temperatura de Operacin. Relacin de reflujo. Nmero de etapas.

3.1. presin de operacin.Antes de hacer cualquier clculo en un problema de fraccionamiento, se debe determinar la presin de operacin de la torre. Una de las consideraciones primarias, es el medio de enfriamiento disponible para el condensador de reflujo.Tpicamente los medios de enfriamiento usados son aire, agua y un refrigerante. El enfriamiento con aire normalmente es el menos costoso. Un diseo prctico limita el proceso a 20 F de aproximacin con la temperatura ambiente en verano. Esto resulta en una temperatura de procesos entre 115 y 125 F en la mayora de los lugares.Con agua de enfriamiento se puede conseguir temperaturas del proceso entre 95 y 105 F. Para temperaturas por debajo de 95 F se requiere refrigeracin mecnica, la cual es el medio de enfriamiento ms costoso. Generalmente es deseable operar a la presin ms baja posible para minimizar la volatilidad relativa entre los componentes claves de separacin. Sin embargo, en la medida que se reduzca presin se requiere el cambio a un medio de enfriamiento ms costoso, lo cual no es una opcin deseable.A manera de gua, mantener la temperatura de fondo en 50F por debajo de la temperatura crtica favorece La separacin. Adicionalmente, la presin no puede exceder la presin crtica del producto de cima deseado.La seleccin de un condensador parcial o total se fija segn sea el producto de tope requerido. Hay casos inclusive en los cuales la licuefaccin aguas abajo es ms econmica. En muchos casos, el sistema de fraccionamiento con un condensador parcial es ms econmico y debe compararse contra el costo adicional de los equipos aguas abajo. Antes de cualquier comparacin econmica, el diseo de la columna debe hacerse para ambos tipos de condensador, con varias relaciones de reflujo y varias presiones de operacin.

3.2. Relacin de reflujo y nmero de etapas

El diseo de una columna de fraccionamiento es un problema de balance entre el costo de inversin y el costo de energa. Los parmetros primarios son el nmero de etapas y la relacin de relujo.La relacin de reflujo se puede definir de varias formas; en muchos clculos, la relacin de reflujo est definida como la relacin de la rata molar de relujo lquido dividida por la rata molar de producto neto de cima. El duty del rehervidor es una funcin directa de la relacin de reflujo, mientras se mantiene en la columna de fraccionamiento un balance total de materia y calor para una separacin dada. Una columna de fraccionamiento puede producir solamente una separacin deseada entre los lmites de reflujo mnimo y el mnimo nmero de etapas. Para mnimo reflujo se requiere un nmero infinito de etapas. Para reflujo total, se requiere un mnimo nmero de etapas. Ninguna de estas dos situaciones representa la operacin real, pero son los extremos de la configuracin de diseo posible. Para calcular ambos casos se han desarrollado mtodos rigurosos; sin embargo, se requiere una solucin por computador para ejecutar clculos plato a plato. Para iniciar un diseo detallado, se hacen estimativos de la relacin mnima de reflujo y el mnimo nmero de platos, usando mtodos simples de anlisis de componentes binarios claves.

3.3. Mnimo nmero de etapasEl nmero mnimo de etapas puede ser calculado para la mayora de los sistemas multicomponentes por la ecuacin de Fenske.

Dnde:= Volatilidad relativa promedio= Numero de etapas mnimo.= Factor de separacin.

En esta ecuacin incluye un rehervidor parcial y un condensador parcial si ellos se usan.La es la volatilidad relativa promedio (en la columna para los componentes claves en la separacin. El promedio ms comnmente usado es el aritmtico.

= Volatilidad relativa promedio= Volatilidad relativa en el tope de la torre.= Volatilidad relativa en el fondo de la torre.

Si la volatilidad vara ampliamente, se usa la aproximacin de Winn en la cual se modifica la volatilidad.

Dnde:=Factor de Volatilidad.= Exponente obtenido de graficas de la constante de equilibrio sobre los rangos de inters.El mnimo nmero de etapas se calcula con la siguiente expresin:

= Numero de etapas mnimo.=Factor de Volatilidad.= Exponente obtenido de graficas de la constante de equilibrio sobre los rangos de inters.: Fraccin molar del lquido, Moles/Tiempo: Tasa de productos de fondo, Moles/Tiempo : Tasa de productos destilados, Moles/Tiempo: Componentes livianos (light key): Componentes pesados (heavy key)El mnimo nmero de platos incluye el condensador parcial y el rehervido parcial si ellos se usan.

3.4. Mnima relacin de reflujo.El mtodo de Undenvood es el ms usado para calcular la mnima relacin de reflujo. Se asumen constantes la volatilidad relativa y la relacin molar lquido/vapor. El primer paso es evaluar e por prueba y error

= Moles de lquido saturado en el alimento por mol de alimento.= Parmetro de ajuste de la ecuacin.= Masa de entrada mol/tiempo.= Volatilidad relativa del componente i respeto al componente ms pesado de la mezcla.

Dnde:= Representa el factor de separacin= Constante de Equilibrio= Cada uno de los componentes de la mezcla.= Componente ms pesado de la mezcla.

Luego de calcular el valor de por ensayo y error, se calcula la mnima relacin de reflujo as:

Parmetro de ajuste de la ecuacin. Tasa de reflujo liquido, mol/Tiempo Mnima relacin de reflujo. Tasa de productos destilados, Moles/Tiempo

3.5. Nmero de etapasEl nmero de etapas tericas requeridas para una separacin dada a una relacin de relujo entre el mnimo y el reflujo total, se puede determinar por relaciones empricas. Erbar y Maddox hicieron una extensa investigacin de clculos de fraccionamiento plato a plato y desarrollaron la correlacin de la siguiente figura:Figura 9: Correlacin de Erbar y Madoxx que relaciona el reflujo y el nmero de etapas.

Fuente: Fig 19-7, GPSA ENGINEERING DATA BOOK, 12th Edition, 2004, pag 19-7.Esta correlacin relaciona la razn mnimo nmero de etapas a etapas tericas (Sm/S), con la mnima relacin de reflujo (Rm) y la relacin de relujo de operacin (R).

La figura 9 se puede usar para determinar el reflujo de operacin para un nmero dado de etapas tericas, entrando a la figura con el valor de Sm/S, movindose hacia arriba hasta la lnea que representa el valor de Rm/ (Rm+l)= (Lo/Vi)m y se lee sobre las ordenadas a la izquierda, un valor de R/(R+l)=Lo/Vi. La relacin de relujo ptima de operacin se encuentra cerca a la mnima relacin de relujo. Valores de 1.2 a 1.3 veces el mnimo son comunes. Luego para una R dada se puede determinar el valor de S en la Figura 9.Generalmente,

Esta correlacin se gener sobre la base que el alimento est en su punto de burbuja. Si el alimento est entre el punto de burbuja y el punto de roco, el reflujo de operacin debe corregirse.Erbar y Maddox propusieron la siguiente relacin para ajustar la rata de vapor del plato de cima, para un alimento que no est en su punto de burbuja:

=Tasa de reflujo liquido, mol/Tiempo.= Flujo de vapor en la seccin de rectificacin a condiciones distintas al punto de burbuja, Mol/Tiempo.= Flujo de vapor en la seccin de rectificacin en el punto de burbuja, Mol/Tiempo. Duty del condensador, BUT/hr. Tasa de productos destilados, Moles/Tiempo.= Masa de entrada mol/tiempo. Entalpia de la Corriente vaporizada de alimentacin, BTU/Lb. Entalpia de la Corriente de alimentacin en punto de burbuja, BTU/Lb.

3.6. Pasos para los clculos de diseo de una torre fraccionadora.

1. Establecer la composicin del alimento, la rata de lujo, la temperatura y la presin. 2. Hacer una particin de los productos en la columna y establecer la temperatura y la presin. Con la presin de la columna calcular la temperatura del rehervidor. 3. Calcular el mnimo nmero de etapas tericas con la ecuacin de Fenske.4. Calcular la mnima relacin de reflujo por el mtodo de Underwood.5. Obtener la relacin etapas tericas / reflujo de operacin de la figura 9. 6. Ajustar el reflujo real para vaporizacin del alimento si es necesario

4. EJEMPLO 2: CLCULOS DE DISEO DE TORRE FRACCIONADORA.

Una corriente de. 291,000 gal/d en su punto de burbuja, se alimenta a una torre de fraccionamiento con la composicin molar que se indica a continuacin:

Composicin de la corriente de entrada a una torre despropanizadora.COMPOSICIN DE LA CORREINTE DE ENTRADAMoles/hr

C221,5

C3505,6

iC4105

nC4250,1

iC556,2

nC550

C650,4

TOTAL1038,8

Determinar:a) El mnimo de platos requeridos.b) La relacin de reflujo mnima.c) El nmero de platos tericos a 1,3 veces la mnima relacin de flujo.

Solucin:a) El mnimo de platos requeridos.Balance molar general en la torre despropanizadora.

Se determinan las constantes de equilibrio liquido vapor (k) de acuerdo a la presin y temperatura en las grficas de la seccin 25 del libro GPSA.Constantes de equilibrio para cada componente a la presin y temperatura especificada en el tope de la torre.

Constantes de equilibrio para cada componente a la presin y temperatura especificada en el fondo de la torre.

Se determina la volatilidad relativa promedio de los componentes clave liviano y clave pesado.

Con el valor de la volatilidad relativa de los componentes clave y las composiciones de los componentes a la salida tanto en el tope como en el fondo se determina el factor de separacin de la mezcla.

=932,14

Ahora se determinara el mnimo nmero de platos tericos por el mtodo de winn.

(Condensador) *(1) (Re-hervidor) *(2)Divido la ecuacin *(1) en la ecuacin *(2) y obtengo el valor de b.

Luego el valor de b es remplazado en cualquiera de las dos ecuaciones anteriores y se determina el valor para . Finalmente se halla el nmero de platos mnimo.

Una vez calculado el mnimo nmero de platos se determina la mnima relacin de reflujo.b) La relacin de reflujo mnima.Se realiza el proceso iterativo para determinar el valor de , que en este caso es de 15,975, partiendo de los valores de .Seccin 25 Libro GPSA. Se determinan los valores de las constantes de equilibrio para cada uno de los componentes de la mezcla a una temperatura de alimento y a presin de 280 Psi y se registran en una tabla para hallar el valor de .

Se realiza el proceso iterativo para determinar el valor de , que en este caso es de 15,975, partiendo de los valores de .

Se debe tener como punto de inicio que el valor de oscila entre las volatilidades relativas del C3 y C4 en la siguiente tabla. 13,83Clculo del valor de

Con el valor de se determina la mnima relacin de reflujo.

Calculo de la mnima relacin de reflujo.

c) El nmero de platos tericos a 1,3 veces la mnima relacin de flujo.Se determinan los valores de y de con los cuales se entra a la grfica de Erbar y Madoxx para determinar el nmero de platos tericos.

Correlacin de Erbar y Madoxx que relaciona el reflujo y el nmero de etapas.

Fuente: Figura 19-7, GPSA ENGINEERING DATA BOOK, 12th Edition, 2004, pag 19-7.

Como se puede observar en la grfica, el valor de (Sm/S) es de 0,54. Y con el valor mnimo de platos determinado anteriormente se determina el nmero de platos tericos.