MARCO TERICO 1.Fundamentos Tericos Bsicos. 1.1.El Gas Natural. Esunamezcladehidrocarburoscompuestaprincipalmenteporgas metano y en proporciones menores de otros hidrocarburos, como etano, propano, butanos, pentanos, etc.; tambin contiene impurezas como vapor de agua, azufre, dixido de carbono, nitrgeno e inclusive helio. Elgasseacumulaenyacimientossubterrneosenregionesgeolgicas conocidas como "cuencas sedimentarias de hidrocarburos" y puede existir en ellas en forma aislada o mezclado con el petrleo. El gas natural se caracteriza por su abundancia, disponibilidad, economa y experiencia previa. Su uso es diverso, pues se emplea en programas de inyeccin degas,conpropsitosderecuperacinadicionaldepetrleoascomopara conservarloparausosfuturos,comocombustibleparapropsitosdegeneracin deelectricidadovapor,enprocesosdedesulfuracinseempleaparaobtener hidrgeno,pararemoverazufredelpetrleoyascumplirconlosrequerimientos ambientalesdelosmercadosdelpetrleoyfinalmenteparalaproduccinde lquidos del gas natural, LGN, cuyo uso se incrementa cada da para este fin. Se empleanmsfrecuentementeetanoyelpropano,mientrasqueenplantas petroqumicas se utiliza el etileno y el propileno. 1.2.Nomenclatura del gas natural Ladiversidaddeelementosdehidrocarburosydeotroscomponentes qumicosgaseososqueconformanelgasnaturalcontenidoenlosyacimientos origina una nomenclatura propia del sector. Esta nomenclatura est asociada con losprocesosindustrialesquesederivandelaprovechamientoeconmicodelas sustancias que estn contenidas en el gas natural. -La fraccin ms liviana del gas natural es el metano, tambin llamado simplemente gas natural. -Como GLP, o gases licuados de petrleo, se denomina al gas propano o las mezclas de ste con gas butano en forma lquida a cerca de -43 gradoscentgradosypresinatmosfrica.Estafraccindelgas naturalsecomercializaalminoreo,enbombonasocilindros,oal mayoreo, en gndolas o barcos especializados. -Como LGN o lquidos del gas natural se conoce la fraccin licuable del gas natural, ms pesada que el metano. al gas etano Incluye al GLP, y lasgasolinasnaturales.Eletanoesmuyapreciadoenlaindustria petroqumica por su conversin final en plsticos-GNLoGasNaturalLicuado,sedenominaalmetanolicuado,esto ocurre cuando el gas es enfriado a temperaturas de aproximadamente -260F (temperaturas criognicas) a presin atmosfrica se condensa aunlquidoysereducesuvolumenen 600vecesparatransportarlo en buques dedicados y especializados llamados "metaneros" hacia los centros de consumo. -LaGasolinaNatural,esunamezcladepentano,hexanoyotros hidrocarburosmspesados.Seusaenlasrefinerasparala preparacin de gasolinas de uso automotor y como materia prima para la petroqumica. -El Gas Natural Comprimido (GNC), es el gas natural seco comprimido a200bar.Sealmacenaencilindrosaaltapresinyseusacomo combustible alternativo en reemplazo de las gasolinas. 1.3.Composicin del Gas Sucomposicinpuedevariardependiendodesielgasesasociadoono conelpetrleo,osihasidoprocesadoonoenplantasindustriales.La composicin bsica abarca metano,etano, propanoehidrocarburosde alto peso molecular (en pequeas proporciones). Normalmentetieneunbajocontenidodecontaminantes,talescomo: nitrgeno, dixido de carbono, agua y sulfuros. Algasnaturalprovenientedelaactividaddeproduccindelcrudosele denominagasnaturalasociado,mientrasquealgasqueseproducedeun yacimiento que no contiene petrleo se le conoce como gas natural no asociado. Elgasnaturalasociadocontienemayorescantidadesdecomponentespesados que el no asociado (propano, butano, pentano, hexano y otros).Sedenominagasricoaquelquecontienemayorproporcinde componentespesadosyalque,porlotanto,selepuedenextraermayores volmenesdelquidosdelgasnatural.Sellamagaspobreaquelquecontiene principalmente metano y cantidades insignificantes de los otros hidrocarburos.Lacomposicindelgastieneunimpactoprincipalenlaeconomadela recuperacindeLGNylaseleccindelproceso.Engeneral,elgascon cantidadesmayoresdeproductosdehidrocarburoslicuablesproducemayor cantidad de productos y por consiguiente grandes ingresos para las facilidades de procesamiento de gas. Sielgasesmsricotendrcargasderefrigeracinmsgrandes.Los gases pobres por lo general requieren condiciones de proceso ms severas (bajas temperaturas) para alcanzar altas eficiencias de recuperacin 1.4.Volumen del Gas Natural Para muchos clculos de ingeniera del gas natural, es conveniente medir elvolumenocupadopor1lb-moldegasaunatemperaturaypresinde referencia.Estascondicionesdereferenciaporlogeneralson14,7lpcay60F, queseconocencomolascondicionesnormalesi.Elvolumennormalsedefine entoncescomoelvolumenocupadopor1lb-moldeungasidealacondiciones normales, que se calcula de la siguiente manera: ( )CNCNCNPT * R * 1V = Ec. 1 Sustituyendo por la presin y la temperatura, produce VCN = 379,4 pcn/lb-mole Donde: VCN= volumen a condiciones normales, pcn/lb-mole TCN= temperatura a condiciones normales, R PCN = presin a condiciones normales, lpca 1.5.Riqueza del Gas Natural LariquezadelgasnaturalproducidosemideenGPM,unidadquese definecomoelcontenidodelquidosdecomponentesC3+presentesenelgas natural.El GPM significa cantidad de galones de lquidos obtenidos por el propano ydemspesados(C3+),porcadamilpiescbicosdegasnaturalacondiciones normales.MientrasmayorseaelGPMdelgas,steseconsideramsrico,por contenermayorproporcindecomponentespesados,locualpermiteextraer mayores volmenes de LGN. 1.6.Valor de Calentamiento (HHV) La otra consideracin principal en la evaluacin de la recuperacin de LGN eslaespecificacindelgasdeventaresidual.Laespecificacindeventaest relacionadoconelmnimovalordecalentamientooHHV(HigherHeatingValue) del gas, pero en algunas ocasiones puede considerarse tambin el mximo HHV. Desde hace tiempo la condensacin retrograda ha sido muy conocida, sta ocurreacondicionesdelyacimiento.Tambinsehadescubiertoqueocurrea condiciones de procesamiento normales, como resultado de los clculos utilizando ecuaciones de estado para predecir el comportamiento vapor-lquido.En la curva del punto de roco se muestra que en la medida que la presin se reduce, se forma lquido. Cuanto ms pesado sea el hidrocarburo, mayor es el incrementodelatemperaturadelpuntoderocoenlamedidaquelapresinse reduce. Elcricondentrmicodelacurvadepuntosderocosedetermina principalmente por la naturaleza del componente mas pesado en el gas, que por la cantidad total del componente pesado en la alimentacin del gas. 2.Procesamiento del Gas Natural. Elprocesamientodelgasconsisteprincipalmenteenacondiconarelgas para su entrega o venta, extraer y recuperar lquidos del gas, o ambosv. El acondicionamiento del gas abarca la eliminacin de compuestos cidos oprocesosdeendulzamiento,deacuerdoconlascaractersticasdelgas producido, es decir, si fuese necesario, y aplicacin de procesos de deshidratacin para evitar la formacin de slidos. Otrostratamientosimportantesdelgassonlarecuperacindeetanoe hidrocarburos licuables mediante procesos criognicos (uso de bajas temperaturas paralageneracindeunlquidoseparablepordestilacinfraccionada),en ocasionesresultaconvenienteelfraccionamientodeloshidrocarburoslquidos recuperados,dondeseobtienencorrientesricasenetano,propano,butanosy gasolina;ytambinseparacindelisobutanodeln-butanoparausosmuy especficos, recuperacin del azufre de los gases cidos que se generan durante el proceso de endulzamiento y por ltimo la estabilizacin y almacenamiento. 2.1.Deshidratacin Eltratamientodegasnaturalmsaplicadoporlaindustriaesconocido comodeshidratacinyconsisteenremoveraguapresenteenelgas,mediante procesosdeabsorcin,debidoaqueelaguaproducecorrosinentuberasy equipos.La deshidratacin de un gas es el proceso de remocin de vapor de agua delacorrientegaseosaparadisminuirlatemperaturaalacualelagua condensar. Esta temperatura es llamada punto de roco del gas. La mayora de los contratos de venta especifican un valor mximo para la cantidad de vapor de agua permitido en el gas. 2.2.Endulzamiento Este proceso consiste en laeliminacin de los compuestos cidos del gas natural, porlogeneraleldixidodecarbonoCO2yelsulfurodehidrgenoH2Sii, loscualestienencaractersticascidassimilares.Losbeneficiosobtenidosdela remocindeambosgasescidospermiteladisminucindeefectoscorrosivos, principalmente en presencia de agua en forma lquidaiii. Estosellevaacabomedianteelusodetecnologasquesebasanen sistemasdeabsorcin-agotamientoutilizandounsolventeselectivo.Elgas alimentadosedenominaagrio,elproductogasdulceyelprocesoseconoce generalmente como endulzamiento. Este tratamiento del gas se hace para acondicionarlo previamente antes de ser utilizado, ya sea como fluido de inyeccin,como combustible o como materia prima, o por razones de salud y de prevencin de la corrosin. 2.3.Extraccin de lquidos En trminos generales, la recuperacin de lquidos involucra, la separacin primariadelgasdesdeloslquidoslibresqueacompaanalgas:petrleoy/o condensados,aguadeformacin,lafiltracindelgasdesdelaseparacin primaria, y tratamiento del gas filtrado para obtener un producto a condiciones de venta deseables y por ltimo extraccin de componentes liquidos, etano, propano ygasolinasatravsdeprocesosdecompresin,separacinabajatemperatura y/o turbo-expansin y por ltimo, fraccionamiento de los lquidos extrados.Endichoprocesamiento,otrosproductos,talescomoelcondensadolibre queacompaaalgas,lagasolinacondensaday/ogaseslicuadosdepetrleo (GLP),sonasimismorefinadosparasuventa.Estosproductosrefinados,son utilizadoscomogascombustibley/ocomomateriaprimaparalasindustrias qumica y petroqumica. LosprimerosesfuerzosenelsigloXXparalarecuperacindelquidos involucraron compresin y enfriamiento de la corriente de gas y estabilizacin del producto gasolinado. El proceso de absorcin con aceite fue desarrollado en 1920 para incrementar la recuperacin de gasolina y producir productos con cantidades abundantes de butano.El proceso de recuperacin de lquidos del gas tambin puede ser llevado acaboutilizandounprocesodeseparacinpordestilacin.Esteprocesode separacin viene acompaado de un proceso de enfriamiento. La combinacin de estos dos procesos da origen a la denominada planta de extraccin de lquidos.Deestamanera,elgasentraalsistemadeenfriamientooriginandouna mezclagas-lquido,lacualseseparaenunseparadorfro.Loshidrocarburos lquidosfluyenaunatorrededestilacinyelgassaleporeltope.Sisedesea recuperaretano,lacolumnasellamadesmetanizadora.Sislosequiere recuperar propano y componentes ms pesados la torre se llama desetanizadora. Sisedesearecuperarbutanosycomponentesmspesadoslatorresellamara desbutanizadora. Enalgunasocasionesloshidrocarburospesadossonremovidospara controlar el punto de roco del gas y para prevenir la condensacin de lquidos en la transmisin de gas por tuberas y en sistemas de gas combustible. En este caso los lquidos son un subproducto del procesamiento y si no existe mercado para los lquidos ellos pueden ser usados como combustible. Alternativamente, los lquidos pueden ser estabilizados y vendidos como condensado. 2.4.Estabilizacin Elprocesodondeseincrementalacantidaddecomponentesintermedios(C3aC5)ycomponentespesados(C6+)enlafaselquidaseconocecomo estabilizacin.Loscomponentesobtenidosporestavatienenunmayorvalor como lquidos que como gas.Loslquidossepuedenestabilizarporflashingaunapresinmsbajao mediante el uso de una columna estabilizadora,dando como resultado productos demayorcalidadymejorcontrolados.Cuandoelcondensadoseseparaauna presinmsbaja,seliberanhidrocarburoslivianos,loscualessepuedenutilizar como gas combustible. La columna de estabilizacin opera a una presin reducida en el separador froytieneunrehervidorquegeneraunproductoconunapresindevapor establecida.Lacolumnapuedeserdeplatosoempacadaparaproporcionarla transferenciademasanecesariaparalaestabilizacindellquidoalimentado. Despusdelaestabilizacin,elproductoseenfrayesenviadoa almacenamiento. 2.5.Almacenamiento de Lquidos Lasinstalacionesparaelalmacenajedefraccioneslivianasylquidos voltiles inflamables como etileno, butadieno, propileno, lquidos del gas natural y otros.representanunadelasreasdemsaltoriesgodeunarefineraouna planta de gas. Si estos materiales no se almacenan a presin o con refrigeracin, se generara un gran volumen de vapores que resultaran en prdidas de producto valioso as como en contaminacin ambiental. Eldiseodeinstalacionesdealmacenajeparaestetipodefluidosdebe incluir:proteccincontralasobrepresin,proteccincontraincendiosy aislamiento. El gas licuadose debe mantener en su punto de ebullicin o por debajo de l.Esposibleutilizarlarefrigeracin,perolaprcticahabitualconsisteenel enfriamientoporevaporacin.Lacantidaddelquidoevaporadoseminimiza medianteaislamiento.Elvaporsepuededescargaralaatmsfera(desecho), comprimirse y volverse a licuar; o utilizarse. 3.Proceso de Refrigeracin. Engeneralsedefinelarefrigeracincomocualquierprocesode eliminacin de calor. Refrigerar una corriente de gas natural, es fundamentalmente reducirnotablementesutemperaturaparacondensarcomolquidoenmayoro menorporcentajelosdiversoscomponentesqueconstituyenlamezcla,de acuerdo al nivel de temperatura alcanzando.Especficamenteenelcasodelasplantasdefraccionamientodegas,el sistemaderefrigeracinpermiteproducirhidrocarburoslquidosporenfriamiento de las corrientes de productos destiladosiv. Larefrigeracindelgaspuedeserllevadaacabodesdeunproceso relativamente simple de Joule Thomson (J.T.) o plantas de choque, de plantas de refrigeracinmecnica,hastaprocesosmuysofisticadoscomoloesla turboexpansin, en donde se recupera 90% de propano y fracciones pesadas.Conelfindeseleccionarelprocesoadecuado,esnecesarioconocerel valordecadacorrientedeproducto(incluyendolacorrientedegas)yloscostos deservicios (incluyendo gas combustible). Si los costos son aceptables se puede recomendar un diseo ptimo basado en el costo de capital, costos de operacin y elvalordeldineroen eltiempo. Todosestosprocesosincluyenladeshidratacin de la corriente de gas (y en algunos casos de corrientes de hidrocarburos lquidos) Enunsistemaderefrigeracinmecnicaelgasseenfraauna temperaturasuficientementebajaparacondensarlafraccindeseadadegas licuadodelpetrleo(GLP)olquidosdelgasnatural(LGN).Esteprocesoocurre en un equipo intercambiador denominado chiller Elchilleresunenfriadorquegeneralmenteesunintercambiadortipo kettle, el cual puede utilizar refrigerantes tales como: el fren o el propano. El fren es capaz de enfriar el gas hasta aproximadamente -15 F, mientras que el propano puede enfriarse hasta-45 F. El propano se utiliza algunas veces si se requieren temperaturas inferiores del gas y eficiencias de recuperacin ms altas. Conelfindealcanzartemperaturasdeprocesamientomuchomsbajas, sehandesarrolladotecnologasderefrigeracinencascada,derefrigerantes mixtos y turboexpansin. Con estas tecnologas, la recuperacin de lquidos puede incrementarsesignificativamenteparaalcanzarmayorrecuperacinde hidrocarburos lquidos.Acontinuacinsedescribirntresmtodosgeneralesderefrigeracinlos cuales pueden ser utilizados para alcanzar las condiciones necesarias para lograr altos niveles de recuperacin de lquidos: -Expansin isentlpica (efecto Joule-Thomson). -Refrigeracin externa (ciclo de propano) -Expansin con turbina.3.1.Expansin isentlpica (efecto Joule-Thomson). AntesdeentraradescribirelprocesoJouleThomson,sehacenecesario estudiar el conocido como Efecto Joule Thomson. Elefectodelcambioentemperaturaparauncambioisentlpicoest representado por el coeficiente Joule Thomson, JT, definido por: hJTPT|.|

\|cc= Ec.2 La mayora de los sistemas prcticos de licuefaccin utilizan una vlvula de expansin vlvula Joule Thomson para producir bajas temperaturas. Si se aplica laprimeraleyparaflujoestableaunavlvuladeexpansinenlacualnohay transferenciadecalorniserealizatrabajo,yparacambiosdespreciablesde energa cintica y potencial, se encuentra que la entalpa a la entrada es igual a la entalpa a la salida, h1 = h2. Aunqueelflujodentrodelavlvulaesirreversibleynoesunproceso isentlpico,losestadosalaentradayalasalidapermanecensobrelamisma curva de entalpa. Esposiblegraficarunaseriedepuntosdecondicionesdesalidapara condiciones de entrada dadas y obtener lneas de entalpa constante. Para un gas ideal,dichogrficomuestraunareginenlacualunaexpansinatravsdela vlvula (decrecimiento en presin) produce un aumento en temperatura, mientras que en otra regin la expansin resulta en un decrecimiento en temperaturav.Obviamente,sedeseaoperarlavlvuladeexpansinenunsistemade licuefaccin en la regin donde resulta un decrecimiento neto de temperatura. La curva que separa estas dos regiones es llamada Curva de Inversin. Figura1. Curva de Inversin Observamosque,elcoeficienteJouleThomsoneslapendientedelas lneas isentlpicas en la Figura1. El coeficiente Joule Thomson es cero a lo largo de la curva de inversin, ya que un punto sobre esta curva es aquel para el cual la pendientedelalneaisentlpicaescero.Paraunaumentodelatemperatura durantelaexpansin,elcoeficienteJouleThomsonesnegativo;parauna disminucin de temperatura es positivo. El uso del efecto Joule-Thompson (J-T) para recuperar lquidos representa una alternativa atractiva en muchas aplicaciones. El concepto general es enfriar el gaspormediodeunaexpansinadiabticaatravsdeunavlvulaJoule-Thomson. Esteprocesorequirierealtaspresionesdeentradadelgas.Con intercambiadores de calor apropiados y grandes diferenciales de presin a travs de la vlvula, se pueden alcanzar temperaturas criognicas y como consecuencia altas eficiencias de extraccin. La clave para este proceso es la fuerza impulsora de la presin a travs de lavlvulaJ-Tylacantidaddesuperficiedeintercambiodecalorincluidaenla planta de intercambio de calor. El proceso puede operar por encima de un amplio rangodecondicionesdelgasdeentradayproductosdeespecificacin positivo esPTH|.|

\|cc negativo esPTH|.|

\|cc T producidos.Elprocesoesentoncesmuysimpledeoperaryesconfrecuencia operado como una instalacin desatendida o parcialmente atendida. Enalgunoscasoselgasalimentadonoestaunapresinlo suficientemente alta o el gas es rico en hidrocarburos licuables. La ubicacin de la vlvula J-T es dependiente de la presin del gas y la composicin involucrada. Las ventajasdelarefrigeracinpermitenutilizarbajapresindealimentacino,la columnadefraccionamientopuedeoperarseaaltaspresionesdemodoquese reduzca la compresin del gas residual. LadiferenciaprincipalentreeldiseoJ-Tyturboexpansinesquela expansindelgasesadiabticaatravsdelavlvula.Enunturboexpansorla expansin sigue una ruta ms cercana a la isentrpica. De modo que el diseo de laJ-Ttiendesermenoseficienteporunidaddeenergaconsumidaqueel turboexpansor. 3.2.Refrigeracin Mecnica3.2.1.Ciclo de Refrigeracin Elcicloderefrigeracindecompresindevaporestrepresentadoenel diagramadeflujodelaFigura2,enlpuedendistinguirsecuatroetapasbien diferenciadas:vi -Expansin del gas. -Evaporacin. -Compresin del gas. -Condensacin del gas. Figura2. Ciclo de Refrigeracin de Compresin de Vapor. Etapa de expansin: El punto de partida en un ciclo de refrigeracin est enladisponibilidaddellquidorefrigerante.ElpuntoArepresentaelpuntode burbuja en el lquido a su presin de saturacin PA, y entalpa hLA. En la etapa de expansin, la presin y la temperatura se reducen por la vaporizacin del lquido a travs de la vlvula de control a la presin PB.LapresinmsbajaPB,sedeterminaalatemperaturadeseadadel refrigerante TB, en el punto B.La entalpa del lquido saturado es hLB, mientras que la entalpa correspondiente del vapor saturado es hVB. Puesto que la etapa de expansin(AB)ocurreatravsdeunavlvuladeexpansinynohay intercambiodeenerga,esteprocesoseconsideraisentlpico.Deestemodo,la entalpatotaldelacorrientealasalidadelavlvulaeslamismaqueenla entrada, hLA. Ya que el punto B se encuentra dentro de la envolvente, las fases lquido y vapor coexisten. Para determinar la cantidad de vapor formado en el proceso de expansin denominamos x a la fraccin de lquido a la presin PB con una entalpa hLB.Lafraccindevaporformadoduranteelprocesodeexpansinconuna entalpa hVB, es (1-x). Realizando un balance de calor y de la fraccin de lquido, se obtienen las ecuaciones: COMPRESOREVAPORADORVALVULA DEEXPANSIONCONDENSADORBCADLA VB LBh h ) x 1 ( h ) x ( = + Ec.3 ) h h () h h (xLB VBLA VB=Ec.4 ) h h () h h () x 1 (LB VBLB LA= Ec.5 Etapa de Evaporacin: El vapor formado en el proceso de expansin (A B)noproporcionaningunarefrigeracinalproceso.Elcaloresabsorbidoenel procesoporlaevaporacindeunaporcindellquidorefrigerante.steesun procesoatemperaturaconstante,enlaetapadepresinconstante(BC).La entalpa del vapor en el punto C es hVB. Fsicamente,laevaporacintienelugarenunintercambiadordecalor identificadocomounevaporadorochiller.Elprocesoderefrigeracines proporcionadoporellquidofrox,ysuefectorefrigerantepuededefinirsecomo x(hVB hLB) y sustituyendo el efecto se convierte en: Efecto = hVB hLBEc.6 Lacargaderefrigeracinocapacidadderefrigeracin,serefiereala cantidad total de calor absorbido en el evaporador por el proceso, y generalmente se expresa como toneladas de refrigeracin, en BTU/ unidad de tiempo. El flujo de refrigerante est dado por: ) h h (QmLA VBref=Ec.7 Etapadecompresin:Elrefrigeranteenformadevaporsaledel evaporadoralapresindesaturacinPC.Latemperaturacorrespondientede refrigeracin es igual a TC a la entalpa hVB. La entropa en este punto es SC. Estos vapores se comprimen Isentrpicamente hasta la presin PA a lo largo de la lnea (C D). Eltrabajoisentrpico(ideal)Wi,paracomprimirelrefrigerantedesdePB hasta PA est dado por: Wi = m(hVD hVB)Ec.8 La cantidad hVD se determina a partir de las propiedades del refrigerante a la presin PA y una entropa SC.Dado que el refrigerante no es un fluido ideal y puestoqueloscompresoresparatalesserviciosnooperanidealmente,la eficiencia isentrpica qi, se define para compensar las ineficiencias del proceso de compresin. El trabajo real de compresin Wi, puede calcularse por: ) h h ( m) h ' h ( m WWVB VDiVB VDii =q=q=Ec.9 La entalpa a la descarga est dada por: VBiVB VDVDh) h ' h (h +q=Ec.10 El trabajo de compresin tambin puede expresarse como: 4 . 2544WGHP =Ec.11 donde 2544.4 BTU/ hr = 1 hp. Etapa de condensacin: el refrigerante en forma de vapor sobrecalentado quesaledelcompresoralapresinPDytemperatura TD(puntoDenlaFigura2) es enfriado a presin casi constante hasta la temperatura de roco TA, y el vapor comienza a condensar a temperatura constante. Durante el proceso de sobrecalentamiento y condensacin, todo el calor y trabajoaadidoalrefrigerantedurantelasetapasdeevaporacinycompresin son removidos de manera que el ciclo se pueda completar hasta alcanzar el punto A (punto de partida) en el diagrama P H de la Figura2. Porlaadicindelacargaderefrigeracin,alcalordecompresinse puede calcular el calor de condensacin QCD, a partir de: QCD = m[(hVB hLA) + (hVD hVB)] = m(hVD hLA)Ec.12 Lapresindecondensacindelrefrigeranteesunafuncindelmediode enfriamientodisponible(aire,aguadeenfriamientoocualquierotrorefrigerante). El medio de enfriamiento es el sumidero de calor para el ciclo de refrigeracin. Debido a que la descarga del compresor es vapor sobrecalentado, la curva decondensacindelrefrigerantenoesunalnearecta.Esunacombinacinde sobrecalentamientoycondensacinatemperaturaconstante.Estehechodebe considerarse para un diseo apropiado del condensador. 3.2.2.Etapas de Refrigeracin Lossistemasderefrigeracinusanuna,dos,tresocuatroetapasde compresinlascualeshansidooperadasexitosamenteenmuchasaplicaciones. Elnmerodeetapasderefrigeracingeneralmentedependedelnmerode etapasdecompresinrequeridas,delacargainter-etapas,dela economaydel tipo de compresin. Sistemasdeunasolaetapaderefrigeracin.Unsistematpicode refrigeracinsemuestraenlaFigura3,dondelosdatosseaplicanparaun sistema con propano puro como refrigerante, con un evaporador de una sola etapa y su curva de enfriamiento asociada. Figura3. Sistema de una Sola Etapa de Refrigeracin. Sistemasdedosetapasderefrigeracin.Sepuedenobtenerahorros hastadel20%consistemasderefrigeracindedosetapasyuneconomizador flashinter-etapa.Puedenalcanzarseahorrosadicionalesremoviendocalordel proceso a nivel de la inter-etapa que en la etapa de baja presin. Un sistema tpico de dos etapas con una carga intermedia se muestra en la Figura4, con los datos para propano puro como refrigerante. 35 MMBtu/hr8070-35 FRefrigerasnte @ -40 FCurvas de Enfriamiento y CalentamientoTemperatura, |FCarga Calorfica, MMBtu/hrGas deAlimentacin80 F70 FREFRIGERACINCON PROPANO@ - 40 F35 MMBtu/HR-35 FGas ResidualLQUIDO AFRACCIONAMIENTOEtapa Simple de Enfriamiento Figura4. Sistema de dos etapas de refrigeracin. Sistemasdetresetapasderefrigeracin.Enestossistemaspueden lograrse ahorros adicionales de potencia, utilizando un sistema de compresin de tresetapas.Comoenlossistemasdedosetapas,puedenutilizarse economizadores flash y/o cargas intermedias. Los ahorros que aunque no son tan dramticoscomoenelcasodedosetapasversuseldeunaetapa,puedenser significativosparajustificarelequipoadicional.Unsistematpicodetresetapas con propano se muestra en la Figura5. Figura5. Sistema de tres etapas de Refrigeracin 1 2 3Cooling Water3.3.Expansin con turbina.Este se ha convertido en el proceso de refrigeracin ms utilizado debido a su simplicidad. En este proceso el gas se expande a travs de un turboexpansor y luego se separa por destilacin a temperaturas criognicas. Losciclosexpansorescorrespondenalosbienconocidosprincipiosde auto-refrigeracin,enstosseexpandeungascomprimidoisentrpicamentea travs de una turbina o mquina para extraer trabajo, y al mismo tiempo se baja la temperatura del fluido de operacin. Existenmuchasvariacionesqueincluyenciclosabiertos,cerrados,y combinaciones, dependiendo del criterio particular que se utilice y de la capacidad inventivadeldiseadordelproceso,paraaproximaralamximareversibilidad, dentrodeladisponibilidaddemaquinaria,yconsideracionesdelasvariables econmicas aplicables al caso. Elusodelosexpansoresresultaeconmicocuandoserequiere recompresin del gas residual.En los casos en los que slo se requiere producir propanoyfraccionesmspesadas,noesnecesariollegaratemperaturastan bajasapesarquepuedenobtenerse,porlotantolosexpansoresposeen aplicaciones a mayores temperaturas que las mnimas obtenibles. Paraobtenerlatemperaturadesalidadelexpansordeseadasedeben aplicar procesos iterativos. El primer paso es asumir un valor de T2 terico con dicho valor se procede arealizarunclculoflashalapresindesalidadeseada,afindeestablecerla formacin de dos fases a la salida del turboexpansor. Ver Figura6. PosteriormenteseverificasilaTasumidacumpleconlacondicin isentrpica de la turbina (S1 = S2), de ser as se determina el valor de H2. 21Figura6. Expansin con Turbina. Una vezque la H2 terica es encontrada, se procede a calcular el trabajo real por medio de la siguiente ecuacin: ( ) ( )IDEAL REALH * H A q = AEc. 13 donde: (AH)REAL = H2 H1,(AH)IDEAL = H2 H1, yq= eficiencia isentrpica LuegosecalculalaH2realparadeterminarelvalordelaT2real.La temperatura de salida real ser mayor que la temperatura de salida terica debido a que el trabajo real producido es menor que el trabajo terico producido. Latemperaturafinalalasalidadelturboexpansordependedelarelacin depresiones,lacantidaddelquidoproducidoylacantidaddetrabajoreal removido.Enlamayoradeloscasosenlosquesehautilizadolarecuperacin criognica, se ha alcanzado el mximo AT posible de la recuperacin de etano en procesos de licuefaccin total. Debidoaquelascorrientescalientesenlosintercambiadoresdecalor estn generalmente a baja presin, el calor especfico es relativamente constante sobreelrangodetemperaturasexistentesenlosintercambiadores.Porlotanto, para minimizar las diferencias de temperatura en ellos, es importante seleccionar unapresindelacorrientealacualestaselice,yelcalorespecficosea relativamente constante sobre el rango de temperatura existente. Normalmente se escoge una temperatura a la entrada del expansor, la cual correspondaaunatemperaturaalasalidacercanaalpuntoderocodelgas expandido. Posteriormente se determina la fraccin de flujo total de gas enviado a travs del expansor con el objeto de lograr diferencias mnimas de temperatura en los intercambiadores de calor. Esteprocesoeselmseficienteparalaseparacindelquidosdelgas natural.Laeficienciadeseparacinpuedealcanzarvaloresentre95-98%de propano (% en volumen) en plantas que producen el etano.Lacantidadderefrigeracinrequeridaesproporcionalalamasanetade lquidoaserproducida,yladisponibilidad,esproporcionalalvolumendegas pasado a travs del expansor, y aproximadamente al logaritmo de la razn de las presiones de entrada y descarga del expansor. La mnima temperatura a la salida est limitada por la composicin del gas y la naturaleza de los contaminantes, para as minimizar la formacin del lquido dentro del expansor. Elexpansordesarrollatrabajoexterno,bienenlaformadeenerga elctrica, gas comprimido o lquido bombeado, dependiendo del mtodo de carga del expansor que se emplee. Eldiseodeuncicloexpansorrequiereeliminarirreversibilidadesenel proceso, lo cual se logra manteniendo pequeas diferencias de temperaturas en el intercambiadordecalor.Comoconsecuenciaseproducenpequeoscambiosde entropasenelgasquepasaatravsdelosexpansores,yportanto,enuna utilizacineficientedeltrabajoproducidoporlaexpansin.Algunasdelas variablesdelprocesoqueafectanlaeficienciadelcicloson:presionesde operacin,etapasdeexpansin,eficienciadeexpansindelaturbinayel subenfriamiento del lquido antes de la expansin. Existenmltiplesfactoresadicionalesalosnombradosarribaqueafectan la seleccin final del proceso. Si dos o ms de estas condiciones pueden coexistir, generalmente un turbo-expansor ser la mejor opcin. 3.4.Equipos de Refrigeracin Compresores de Refrigeracin Existentrestiposprincipalesdecompresoresqueseutilizanparaciclos bsicosderefrigeracinporvapor,empleandolosrefrigerantescomunes,que incluyenelcompresorcentrfugo,elcompresorreciprocanteyelcompresor hmedo tipo tornillo rotatorio. Eltipoderefrigeranteutilizado,ascomolacargaderefrigeracininfluye enlaseleccindeltipodecompresor.Lossistemasdegrancapacidadse manejan de una manera ms econmica por medio de mquinas centrfugas. Los compresores reciprocantes se aplican de un modo ms adecuado en sistemas de 150toneladasderefrigeracinomenos,conrequisitosdeacondicionamientode aireyparatrabajosespecializadosabajastemperaturas,cuandolosvolmenes del gas de entrada no son muy grandes.Los compresores de refrigeracin se pueden encontrar de etapa sencilla o multi-etapa.Elnmerodeetapasdecompresinsedeterminadeacuerdoala relacin de compresin. La relacin de compresin por etapas vara en el orden de 1.5a3.0poretapadependiendodelacargaderefrigeracinylavelocidaddel motor. 3.4.1.1.Compresores Centrfugos Los compresores centrfugos estn constituidos por una cubierta con uno o mselementosrotatorios(labes)quedesplazanunvolumenfijoalrotar.Alas temperaturasnormalesencontradasenlaindustriadeprocesamientodegas,se requierencompresorescentrfugosdetresocuatroetapasparaserviciosde refrigeracin.Estetipodecompresoresofrecelaposibilidaddeutilizareconomizadores flashinteretapasypermitemltiplesnivelesdetemperaturadeenfriamiento;lo cualreducelapotenciadecompresin. Los compresorescentrfugosusualmente nosoneconmicospordebajode373kW(500hp)conmotoreselctricos,y alrededorde597kW(800hp)conmotoresdeturbinadegas,encambio,por encimade746kW(1000hp)elusodestoscompresoressevuelvems econmico.La capacidad de un compresor centrfugo se controla variando la velocidad delmotororeduciendolapresindesuccinodescarga.Lareduccindela presin de descarga puede causar oleaje, por lo cual tambin es posible recircular losvaporesdeladescargadelcompresorhacialasuccincuandoestese encuentreoperandoabajacarga;estoconelfindeevitarparodelequipoo tambin problemas de oleaje. Sin embargo, estarecirculacin resulta en potencia desperdiciadaytambinesunadelasprincipalesdesventajasdeutilizar compresores centrfugos. 3.4.1.2.Compresores Reciprocantes. Loscompresoresreciprocantesconsistendeunoomscilindrosconun pistn que se mueve desplazando un volumen positivo en su movimiento. Lastemperaturasdeprocesogeneralmenteindicandosetapasde compresinparaequiposreciprocantes.Estodalaoportunidaddeutilizarun economizador interetapa y tambin un nivel adicional de enfriamiento. El ajuste de lacapacidadserealizamediantevariacindelavelocidad,espaciolibrevariable enlosseparadores,desmontadoresdevlvulasyrecirculacindelrefrigerante hacia la succin. Aligualqueconloscompresorescentrfugos,larecirculacinresultaen potenciadesperdiciada.Tambinesposiblerestringirlapresindesuccindel refrigerante entre el enfriador y el compresor para reducir la capacidad del cilindro. Sin embargo, el control de la presin de succin puede ocasionar desperdicio de potenciaylaposibilidaddepresionesdesuccininferioresalaatmosfrica,lo cual debe evitarse. 3.4.1.3.Compresores Rotatorios. Existeunaaplicacinlimitadaparaloscompresoresrotatorios;staeselcampo de baja temperatura en el cual el compresor rotatorio sirve con el propsito deunaltovolumenenlaetapainferiorodebajapresin(compresorbooster). Estosequipossonaplicablesacondicionesdesaturacinenlasuccinquevan desde87 C hasta 20.6 C con R-12, R-22, amonaco y propano.Tipos de Enfriadores 3.4.1.4.Enfriador Tipo Caldera (Kettle Type Chiller) El tipo ms comn de enfriador empleado en la industria de procesamiento degaseseldetipocaldera.Elrefrigeranteseexpandedentrodelacarcasa dondeelniveldelquidosemantieneparasumergircompletamenteelhazde tubosdeproceso.Uncontroldenivelmantienelacantidadapropiadade refrigerante lquido en la carcasa. Cuando se utiliza un enfriador tipo caldera, debe tomarse la precaucin de proveer un espacio adecuado para la expansin del vapor por encima del nivel de refrigerantelquido.Estetipodechillerdiseadouoperadoinadecuadamentees probablemente la mayor causa de falla del compresor debido a arrastre de lquido.Lasiguienteecuacinpermiteladeterminacindelacargapermisiblede refrigeracin en lb/hr por pie cbico de espacio de vapor: ARL = V LVF S 869 . 0) 3980 )( .)( . (Ec. 14 donde: S.F. : factor de seguridad = : tensin superficial (dinas/cm) V: densidad del vapor (lb/pie3) L: densidad del lquido (lb/pie3) 3.4.1.5.Enfriador de Placa (Plate-Fin Chiller) Lasplantascriognicasmodernasfrecuentementeemplean intercambiadoresdeplacaparacondensacinyenfriamientodegas.Cuandoel diseorequieredeunintercambiadorgas-gas,unenfriadordegasyun intercambiadorgasfro-gasinstaladosensecuencia,esconvenienteponerestas operacionesenunintercambiadorsimpledeplacas.Estosequipostambin ofrecenahorrossignificativosparaaplicacionesabajastemperaturasdondese requiereaceroinoxidableparaunidadesdetuboycarcasa.Tambinsepueden obtener ahorros importantes en la cada de presin utilizando unidades simples o mltiples para servicios de refrigeracin.4.Proceso de Fraccionamiento 4.1.Conceptos Fundamentales. Elprocesodefraccionamientoesunaoperacinunitariaempleadapara separarmezclasdecomponentesenproductosindividuales,steesposible cuando los productos a ser separados tienen diferentes puntos de ebullicinvi.La dificultad del fraccionamiento puede estar relacionada con la diferencia existente entre los puntos de ebullicin de los productos deseados, usualmente se remueve primero el o los elementos ms livianos de la mezcla. Unplatodeequilibriotericoestdefinidocomo aquelenelque elvapor queabandonael platoestaenequilibrioconellquidoquelo abandona(yi=k.xi). Ambos abandonan el plato a la misma temperatura y presin, de esta manera, si conocemoslacomposicindelvaporqueabandonaelplatoysutemperaturay presin, podemos utilizar la relacin de equilibrio para calcular la composicin de la fase lquida. El plato real no alcanzar el equilibrio debido a que hay insuficiente tiempo de contacto vapor-lquido para alcanzarlo, es decir que ni el vapor ni el lquido que abandonan el plato real estarn en equilibrio, por lo tanto se requieren ms platos reales que tericos para llevar a cabo la misma operacin. La cantidad, de eficiencia global expresada como fraccin, se define por: Reales PlatosTerico PlatosGlobal Eficiencia = Ec.15 4.2.Especificaciones de Diseo. Inicialmente se va a establecer al menos las siguientes especificacionesvii: -Temperatura, presin, composicin y flujo de la alimentacin. -Presin de la destilacin (con frecuencia fijada por la temperatura del agua disponibledeenfriamiento,conlacualdebepodersecondensarelvapor destilado para proporcionar el reflujo). -La alimentacin se va a introducir en el plato que tenga como resultado el nmerototalmenordeplatos(localizacinptimadelplatode alimentacin). -Prdidas de calor (an si se supone que son cero). Enestascondiciones,sehademostradoqueslolequedanaldiseador tres puntos adicionales que puede especificar. Escogidos los tres, todas las dems caractersticasdelfraccionadorquedanfijas.Eldiseadorslopuedecalcular cules sern, arbitrariamente puede asignarles valores provisionales, con el fin de realizarlosclculosporensayoyerroryverificarlosposteriormente.Dela siguientelistapuedenescogerselostrespuntos;cadaunodelospuntoscuenta por uno: -Nmero total de platos tericos. -Relacin de reflujo. -Relacindelrehervidor,osea,relacinentreelvaporproducidoporel rehervidor y el residuo separado. -Concentracindeuncomponenteeneldestiladoyelflujodelmismo componenteenelresiduo,oseparacindelcomponente(puede escogerse un mximo de dos). -Relacin entre el destilado total y el residuo total. 4.3.Aplicaciones de Fraccionamiento. Los sistemas fraccionadores son llamados generalmente segn el nombre de producto de tope. Por consiguiente, una desetanizadora indica que el producto de tope de la torre es etano; para una despropanizadora el producto separado es propano obtenido por el tope.Elnmeroytipodefraccionadoresdependedelnmerodeproductosa realizarylacomposicindelaalimentacin.LosproductosNGLtpicosdeun proceso de fraccionamiento incluyen:viii -Producto desmetanizado (C2+) -Producto Desetanizado (C3+) -Mezcla Etano/Propano (EP) -Propano Comercial. -Mezcla Propano/Butano (GLP) -Butano(s) -Butano/Mezcla de gasolina -Gasolina Natural -Mezclas con una especificacin de presin de vapor. 4.4.Sntesis de Clculos. Losclculosdeestaaplicacinsontediososyconsumenmuchotiempo sobre todo cuando se aplican rigurosamente, por ello es muy raro que se realicen, casinunca,amenosqueseutiliceunacomputadoradigitalconunprograma especializado.Sinembargo,existenalgunosmtodoscortosapropiadoscomo regladeclculoloscualessonextremadamentetiles.Losprogramasde computadoraoperacionalesseencuentranfcilmentedisponibles,perostosno pueden suplir los anlisis cortos. 4.5.Equipos de Fraccionamiento. Enesenciatodaslasplantasdeprocesamientodelgasnaturalrequieren porlomenosunafraccionadoraparaproducirunproductolquidoelcualreunir las especificaciones de venta. Laspartesprincipalesdeunsistemadefraccionamientoson:latorre fraccionadota(1),uncondensadordelproductodetope(2),untambordereflujo (3)unrehervidordefondo(4).Losdiferentescomponentesdelsistemase muestran esquemticamente en la Figura7. Figura7.Columna Fraccionadora. Las plantas de fraccionamiento son requeridas generalmente para obtener productospuros,entoncesdebeexistirmuchocontactoentrelquidosyvapores dentro de la torre. Para conseguir este contacto se requiere de un gran nmero de platos en la torre, gran cantidad de calor proporcionada por el rehervidor de fondo y una porcin de producto enfriado por el acumulador de reflujo y el condensador. Serequiereelcontactontimodelasfasesdevaporylquidoparauna separacineficiente.Losinternostalescomoplatosoempaquesestimulanel contacto entre las corrientes de lquido y vapor en la columna.Columnas de Platos Lascolumnasdeplatosqueseutilizanparaelcontactolquido-gas.Se puedeclasificar segn el tipo de flujo en sus dispositivos internos de contacto: -Platos de flujo cruzado. -Platos de flujo a contracorriente. Elplatodeflujocruzadoutilizaunductodescendenteparalquidosyse emplea ms que el plato en contracorriente debido a las ventajas deeficiencia de transferencia y al tiempo operacional que es ms amplio. Lamayorpartedelosdiseosdeplatosdeflujocruzadoutilizan perforacionesparadispersarelgasenellquidosobrelosplatos.Estas perforacionespuedenserorificiosredondossimplesocontenervlvulasmviles conorificiosvariablesenformacircular,estossedenominanplatosdemallay platos de vlvula respectivamenteix. Columnas Empacadas Tradicionalmentelamayoradelascolumnasdefraccionamientoenlas plantasdeprocesamientodegasfuerondiseadasconplatos.Sinembargouna opcin adicional es utilizar empaques.Existen tres tipos de columna empacadas vi: -Empaquesaleatoriosendondediferentespiezasdeempaqueson descargadasenunaformaaleatoriadentrodelacarcazadelacolumna.Estos empaques vienen en una gran variedad de diseos, cada un tiene caractersticas particulares en cuanto a rea superficial, cada depresin y eficiencia. -Empaquesapiladosestossondescargadosalacolumnademaneratal que permita proveer un arreglo ms uniforme de empacamiento. -Empaqueestructuradoelarreglosellevaacabomedianteuna configuracin geomtrica especfica.

iAhmed,T.:HydrocarbonPhaseBehavior.Volumen7.Serieseditor: GeorgeV.Chillingar,UniversityofSouthernCalifornia.GulfPublishingCompany. 1989. 424 pginas. ii Martnez, M.: Ingeniera de Gas Principios y Aplicaciones, Endulzamiento del Gas Natural. Ingenieros Consultores, Maracaibo, 1995. 340 pginas. iiiKatz,D.:HandbookofNaturalGasEngineering.EditadoporMcGraw Hill Company. 1959. 802 pginas. ivLopez,Z.:EvaluacindelSistemadeRefrigeracindelaPlantade Fraccionamiento Bajo Grande. Tesis de Grado, Postgrado de Ingeniera de Gas, Facultad de Ingeniera, Universidad del Zulia. 2002. 60 pginas. v Campbell,J.:GasConditioningandProcessing.Volumen2:TheEquipmentModules.CampbellPetroleumSeries.Norman,Oklahoma.1994.444 pginas. vi Gas Processors Suppliers Association. Engineering Data Book. Editado por GPSA. Vol II. 1984. vii Treybal,R.OperacionesdeTransferenciademasa.Segundaedicin. McGraw Hill Company. 1996. 858 pginas. viii Gas Processors Suppliers Association. Engineering Data Book. Editado por GPSA. Volumen I. 1984 ixPerry,R..ManualdelIngenieroQumico.EditadoporMcGrawHill Company. Tomo V. Seccin 18: Sistemas Lquido Gas.1996. 97 pginas.