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FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL

Introduccin Los 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.

En forma general cuando el gas natural de produccin tiene 1.3 % mol de propano, puede ser econmico recuperar gases licuados del petrleo (GLP) segn el GPSA.Cuando el porcentaje es inferior a dicho valor, debe hacerse un anlisis de alternativas minucioso antes de instalar facilidades para recuperacin de GLP.

Descripcin del proceso La Destilacin es probablemente el mtodo ms econmico para separar una mezcla en sus componentes individuales. La separacin es fcil si la volatilidad relativa de los compuestos clave liviano y clave pesado es substancialmente mayor que uno. Los componentes ms livianos (producto de cima), se separan de los ms pesados (producto de fondo). Es la particin de la mezcla de hidrocarburos en sus diferentes componentes aprovechando las diferencias entre las propiedades especficas de los integrantes de la mezcla.El Fraccionamiento

De esta forma, el producto de fondo de una columna es el alimento a la prxima columna, la cual puede operar a una presin menor pero a temperatura mayor.

La altura de la columna, nmero de platos o altura de empaque, depende de la volatilidad relativa. Entre ms baja sea la volatilidad relativa, la altura de la columna ser mayor. En la Fig. 2 -1 se muestra en forma esquemtica una torre de fraccionamiento con sus diferentes componentes.

El calor se introduce al rehervidor para producir los vapores de despojo. El vapor sube a travs de la columna contactando el lquido que desciende. El vapor que sale por la cima de la columna entra al condensador donde se remueve calor 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 en 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.

Proceso de fraccionamiento (De propanizador)C10.01C20.97C353.58iC413.20nC415.53iC54.47nC52.56C65.75C72.45C80.53C90.70C100.25C10.0182C21.7689C398.201iC40.0003nC40.0001C30.00001iC428.6211nC434.3789iC59.8976nC55.6684C612.7319C75.4249C81.1735C91.5500C100.5536La fase lquida se calienta resultando en alguna vaporizacin de los componentes livianos. De esta forma, los componentes pesados se van concentrando en la fase lquida 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.

FIG. 2 - 1 Diagrama Esquemtico Del Proceso De Fraccionamiento

Esquema de fraccionadorFraccionadorProducto de fondoCondensador de reflujoProducto de topeRehervidorIntercam.Principio De La Destilacin

En 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 de vapor y el otro componente permanece en la fase lquida. Cuando la mezcla no es de dos componentes sino multicomponente. La separacin se selecciona entre dos componentes denominados claves, por ejemplo etano y propano.

Se aplica calor hasta que todo el etano y los compuestos ms livianos se vaporizan, mientras que a la presin y temperatura de operacin, el propano y los compuestos ms pesados permanecen en la fase lquida.

Entre mayor sea la diferencia en volatilidad de los dos compuestos claves seleccionados, ms fcil ser efectuar la separacin. Por lo tanto, en el proceso destilacin se requiere que haya una diferencia en los puntos de ebullicin a la presin de operacin, y que los compuestos sean estables trmicamente para que no se descompongan.

El componente ms pesado que se vaporiza se denomina componente clave liviano y el componente ms liviano que permanece en la fase lquida se denomina componente clave pesado.

En la destilacin todos los clculos se ejecutan usando etapas tericas de equilibrio. Una columna de fraccionamiento puede ser considerada como una serie de equilibrios flash con dos corrientes de alimento y dos de producto, como se muestra en la Fig. 2-2.

El vapor entra al flash desde la etapa inferior a alta temperatura y la corriente de lquido entra desde la etapa superior a baja temperatura. En esta etapa ocurre transferencia de calor y de masa de forma tal, que las corrientes que salen estn en el punto de burbuja de lquido y en el punto de roco de vapor, a la misma temperatura y presin. Las composiciones de estas fases estn relacionadas por la constante de equilibrio as:

yi = Ki*xiEc. 1

La relacin entre los balances de materia y energa para cada etapa es la base para el diseo de toda la torre de fraccionamiento.

Dos consideraciones importantes que afectan el tamao y costo de una columna de fraccionamiento son el grado de separacin y la volatilidad de los componentes.

Fig. 2-2 Modelo Bsico De FraccionamientoFraccionamiento

El grado de separacin o pureza de un producto tiene un impacto directo sobre el tamao de la columna y los requerimientos de servicios. Alta pureza requiere ms platos, ms reflujo, mayor dimetro y o reducida cantidad de producto. Una medida cuantitativa de la dificultad para una separacin es el factor de separacin SF, definido como:

SF = (XD/XB)LK (XB/XD)HKEc. 2

Tpicamente para la mayora de los problemas de separacin este factor est en el rango de 500 a 2,000. Sin embargo, para separaciones muy puras este valor puede llegar a 10,000. El nmero de platos aproximadamente ser el logaritmo del factor de separacin para un determinado sistema.

La volatilidad de los componentes solamente se expresa como volatilidad relativa . Esta variable est definida como la relacin de las constantes de equilibrio de los compuestos claves liviano y pesado as:

= KLK / KHK Ec. 3Esto 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.

Torre de Fraccionamiento

Las torres de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran dimetro, que suelen configurar el entorno de una refinera. Aunque tal cosa no se descubre a simple vista, estn organizados para sacarle al petrleo los diferentes componentes, desde los ms livianos hasta los ms pesados. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porcin a la cadena de hidrocarburos. Al comienzo saldrn los ms livianos y, progresivamente, los pesados; hasta dejar los bitmenes pastosos que ya no aceptan mayores cortes.

Con el gas natural 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 una torre comienza con la indagatoria a fondo del fluido que se va a procesar. Del conocimiento y la seguridad que se tenga de la composicin del gas natural que debe llegar a la planta depender la filosofa que soporte todas y cada una de las decisiones. Una vez que se conozcan los diversos componentes que integran la muestra y se tenga garantizada la produccin, se podr iniciar el anlisis del proceso. De all la importancia que tiene, a los efectos de un diseo, conocer a cabalidad la materia prima que alimentar la primera torre. Si esa primera parte es dudosa, en el mismo grado se habr impactado la economa del proceso.

La torre tiene una presin ms o menos estable en toda su longitud. La nica diferencia de presin 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.

Cuando se trata de una columna fraccionadora, la parte liviana se ir al tope de la torre mientras que la porcin pesada quedar en el fondo (Flujo de Vapor).

TIPO DE FRACCIONADORES

El nmero y tipo de fraccionador requerido depende del nmero de productos a ser producidos y la composicin de la alimentacin Los productos tpicos son los lquidos del gas natural, los cuales son los siguientes procesos de fraccionamiento.

DemetanizadorDeetanizadorDepropanizadoraDebutanizadora FLUJO DE VAPOR

Propsito Del Fraccionamiento

Cualquier planta de procesamiento de gas que produce lquidos del gas natural (LGN), requiere de al menos una fraccionadora para producir un lquido que cumpla con las especificaciones para venta. Por lo tanto, el propsito del fraccionamiento es obtener de una mezcla de hidrocarburos lquidos, ciertas fracciones que como productos deben cumplir especificaciones.

Para separar una corriente lquida de hidrocarburos en varias fracciones, se requiere una torre de destilacin por fraccin. De otra forma si lo que se quiere es estabilizar la corriente del hidrocarburo condensado recolectado en el separador de entrada a la planta, para recuperar las fracciones de pentano y ms pesadas (C5+), se utiliza una torre estabilizadora en la cual se separan las fracciones de pentano y ms pesados, los cuales salen por el fondo y las fracciones de butano y ms livianos (C4-), las cuales salen por la cima.

Generalmente esta fraccin de cima de butano y ms livianos, se consume dentro de la misma planta como gas combustible. El producto de fondo se vende como un condensado estabilizado, al cual se le controla en la torre la presin de vapor Reid (RVP), con la cual se determina el tipo de tanque de almacenamiento requerido (Para gasolina natural 1034 RVP, se recomiendan tanques esfricos, cilndricos horizontales o verticales con domo; para gasolina 5-14 RVP tanques con techo flotante o de techo fijo con venteo). En la Fig. 2-3 se ilustra una instalacin tpica para estabilizacin de condensado.

FIG. 2-3 Proceso Tpico De Estabilizacin De CondensadosEl nmero total de columnas de destilacin depende de la composicin del alimento y del nmero de productos a ser recuperado. En un sistema en el cual se recupera etano, GLP (mezcla de C3s y C4s) y el balance como C5+, se requiere un mnimo de tres columnas de destilacin para las separaciones siguientes:

Separar el metano de los hidrocarburos de dos y ms carbonos. Separar el etano de los hidrocarburos de tres y ms carbonos. Separar el GLP y los C5+.

En la Fig. 2-4 se muestra un tren de fraccionamiento usado para producir tres productos. La corriente de alimento contiene mucho etano para ser incluido en los productos; por eso, la primera columna es una deetanizadora. La corriente de cima de la deetanizadora se recicla a la planta de procesamiento aguas arriba, o se enva al sistema de gas combustible.

El producto de fondo de dicha columna, es la carga a la segunda columna llamada depropanizadora; en la cual se obtiene como producto de cima, propano en especificaciones. El producto de fondo es una mezcla de C4s y gasolina que va a la tercera columna. Esta es una debutanizadora, en la cual se separan los productos butano y gasolina.

Fig. 2.4 Tren De Fraccionamiento y Rendimientos

Esta separacin es controlada por la limitacin de presin de vapor en la gasolina. El butano producto se puede vender como una mezcla, o se puede separar en otra torre en iso-butano y normal-butano, productos que tienen aplicacin como materia prima para petroqumicos.

La demetanizadora es otra clase de fraccionadora, la cual no usa condensador de reflujo externo para producir lquido para el contacto con los vapores en la torre. Esta torre se encuentra en plantas criognicas. Como puede verse en la Fig. 2-5, el alimento al plato de cima compuesto por 12% mol como lquido a baja temperatura, suministra el lquido de reflujo. Este lquido junto con las otras corrientes de alimento, es la carga lquida a la torre. El rehervidor es el punto de control para la pureza del producto de fondo. La composicin de cima es funcin de las unidades de proceso aguas arriba. Esta es una aproximacin econmica para obtener un solo producto, pero la eficiencia de separacin est limitada. Una mejor recuperacin o una separacin ms fina, se logra adicionando un condensador de reflujo y una seccin de rectificacin.

FIG. 2. 5 DemetanizadorProceso tpico de estabilizacin

Proceso tpico de estabilizacin

BalasLGN92 F330 psigTREN DE FRACCIONAMIENTOEtanoDeetanizadora225 F420 psig131 F34 F395 psigPropanoDepropanizadora257 F260 psig106 F255 psigi-C4, n-C4DebutanizadoraPentanos340 F155 psig177 F150 psigFracc. de Butanosi-Butanon-Butano158 F102 psig125 F90 psigFracc. de GasolinaGasolinaResidual312 F20 psig125 F15 psig

Composicin de los hidrocarburos en una torre depropanizadoraC10.01C20.97C353.58iC413.20nC415.53iC54.47nC52.56C65.75C72.45C80.53C90.70C100.25depropanizadorProducto de fondoCondensador de reflujoProducto de topeRehervidorC10.0182C21.7689C397.681iC40.0043nC40.0068C30.03iC428.5913nC434.3789iC59.8976nC55.6684C612.7319C75.4249C81.1735C91.5500C100.5536Alimentac.ESTABILIZACIN DE CONDENSADOSLa estabilizacin es significado de la remocin de estos hidrocarburos livianos a partir del liquido presente en el fondo de las bajas temperaturas del separador con mnima perdida de hidrocarburos pesados. El resultado de la estabilizacin es tener grandes volmenes de lquido en los tanques de almacenamiento disponibles para la venta.

30PLANTA DE PROCESAMIENTO DE GAS

31PROCESO DE FRACCIONAMIENTOEl nmero de columnas de fraccionamiento requerido depende del nmero de productos a separar y de las caractersticas de los lquidos a los cuales sirven como alimento.Existen torres sencillas, dobles y tripe segn sean los productos a fraccionar.32PROCESO DE FRACCIONAMIENTO

33PROCESO DE FRACCIONAMIENTO

34PROCESO DE FRACCIONAMIENTO

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EJEMPLO 2-1 (GPSA)

Para la siguiente corriente de alimento en moles C2=2.4, C3=162.8, iC4=31.0, nC4=76.7 y C5=76.5, el 98% del propano se recupera como producto de cima, el cual tiene un contenido mximo de iC4 de 1.0% mol.

Seleccionar los componentes clave liviano y pesado. Estimar las composiciones de los productos de cima y fondo.

SOLUCIN:

- Se selecciona el C3 como componente clave liviano por ser el ms pesado de los componentes que se vaporiza. - Se selecciona el iC4 como componente clave pesado, por ser el ms liviano de los componentes que permanece en la fase lquida.

Para propano: - Moles en la cima = (0.98) * 162.8 = 159.5 moles de C3 - Moles en el fondo = 162.8 159.5 = 3.3 moles de C3

Para etano:- Moles en la cima = 100 % del alimento = 2.4 moles de C2 COMPONENTEALIMENTOMOLESC22.4C3162.8iC431.0nC476.7C576.5Calcular el total de moles en la cima:

Como el iC4 es el 1 % mol del producto de cima, la suma de C3 + C2 ser el 99% (todo el C4 y C5+ estn en el fondo).

Entonces:

Moles de cima*0.99 = C3 + C2Moles de cima = (C3 + C2)/0.99 = (159.5+2.4)/0.99 = 161.9/0.99 = 163.5

(C3 + C2)= (159.5+2.4) = 161.9Moles de iC4 en la cima = 163.5 161.9 = 1.6

En una operacin real los componentes ms livianos que el clave liviano (C3), y los componentes ms pesados que el clave pesado (iC4), no se separarn perfectamente. Para propsitos de estimativos y clculos a mano, asumir una separacin perfecta de los componentes no claves es una simplificacin muy til.

El balance global ser:

Componentes Alimento Producto de cima Producto de fondo molesmoles% molmoles% mol C2 2,42,41.5--C3 162,8159,597.53,31.8iC4 311,61.029,415.8nC4 76,7--76,741.2C5 76,5--76,541.2Total 349,4163,5100.0185,9100.0Componentes Alimento Producto de cima Producto de fondo molesmoles% molmoles% mol C2 2,42,41.5--C3 162,8159,597.53,31.8C3=98%0,98iC4 31,01,61.029,415.8Ic4=99%nC4 76,7--76,741.2C5 76,5--76,541.2Total 349,4163,5100.0185,9100.0PARA EL PROPANO:MOLES EN LA CIMA DE C30,98162,8159,5PROD. CIMAMOLES EN EL FONDO DE C3162,8159,53,3PROD. FONDPARA EL ETANO:MOLES EN LA CIMA DE C2:100%2,4PARA EL iC4(C2+C3) =2,4159,5161,9Moles de cima *0,99 = C2+C3 moles de cima=(2,4+159)/0,99=163,5Moles de cima de iC4 =163,5-161,9=1,6Consideraciones De Diseo

Las principales consideraciones de diseo, se muestran a continuacin:

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 caro. Un diseo prctico limita el proceso a 20F de aproximacin con la temperatura ambiente.

Con agua de enfriamiento se pueden conseguir temperaturas de proceso entre 95 y 105F. Para temperaturas por debajo de 95F se requiere refrigeracin mecnica, la cual es el medio de enfriamiento ms costoso. Generalmente es deseable operar a la presin ms baja posible para maximizar la volatilidad relativa entre los componentes claves de la separacin.

En algunos casos el producto de cima de una columna debe ser comprimido, en este caso una presin de operacin alta es deseable para reducir la potencia de compresin. 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 reflujo.

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 reflujo lquido dividida por la rata molar de producto neto de cima.

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.

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. MNIMO NMERO DE ETAPAS El nmero mnimo de etapas puede ser calculado para la mayora de los sistemas multicomponentes por la ecuacin de Fenske

Sm = log(SF)/log(pro)Ec. 4

Sm en esta ecuacin incluye un rehervidor parcial y un condensador parcial si ellos se usan.

La pro es la volatilidad relativa promedio en la columna para los componentes claves en la separacin. El promedio ms comnmente usado es el aritmtico.

pro = (cima + fondo)/2Ec. 5

Si la volatilidad vara ampliamente, se usa la aproximacin de Winn en la cual se modifica la volatilidad. ij = KLK/KbHKEc. 6donde el exponente b se obtiene de las figuras para los valores de K en el rango de inters.

El mnimo nmero de etapas se calcula con la siguiente expresin:

Sm incluye el condensador parcial y el rehervidor parcial si ellos se usan. Ec. 7Mnima relacin de reflujo

COMPONENTESLb-mol/hC221.5C3505.6iC4105.0nC4250.1iC556.2nC550.0C6+50.41,038.8EJEMPLO (GPSA)

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

Se desea recuperar el 98% del propano como producto de cima, el cual tiene un contenido de iC4 de 1.0% mol. La temperatura del condensador es 120 F, la cual se consigue mediante enfriamiento con aire. Calcular:Mnimo nmero de platos requerido Mnima relacin de reflujoNmero de platos ideales a 1.3 veces la mnima relacin de reflujoSOLUCIN:Mnimo nmero de platos requerido: Seleccin de componentes claves,

Componente clave liviano = C3 = LK Componente clave pesado = iC4 = HK

Estimar separacin de productos:

AlimentoCimaFondosMoles% molMoles% molMoles% molC2 21.5 2.07 21.5 4.1 - - C3 -- LK 505.6 48.67 (a) 495.5 94.9 10.1 2.0 iC4 -- HK105.0 10.11 (c) 5.2 1.0 99.8 19.3 nC4 250.1 24.08 - 250.1 48.4 iC5 56.2 5.41 - 56.2 10.9 nC5 50.0 4.81 - 50.0 9.7 C6+50.44.85-50.49.8Totales1038.8100.00(b) 522.2100.0516.6100.0(a) 505.6 * 0.98 = 495.5 moles/h(b) (21.5+495.5)/0.99 = 522.2 moles/h(c) 522.2 (21.5+495.5) = 5.2 moles / h

Luego:

Encontrar presin de la torre mediante clculo de punto de burbuja a 120 F:

Se asume P y lee K (@ 120 F ) en el GPSA o Grficas de Campbell del Tomo I.KiC2 2.8 C3 0.93 C4 0.45 Presin de punto de burbuja = 280 psia

De la Ec. 3, cima = KLK/KHK = 0.93/0.45 = 2.067Aproximado segn texto Real : C3 = 0.79; C4 = 0.39

Estimar temperatura de fondos mediante clculo de temperatura de burbuja a 280 psia (se asume despreciable la cada de presin en la torre):

Se asume T y lee K (@ 280 psia), Temperatura del punto de burbuja = 250 F

(*)Los valores de K para C6+ se tomande la figura para heptano.

De la Ec. 3,fondo = KLK/KHK = 2.30/1.40 = 1.643Ki C3 2.30 iC4 1.40 nC4 1.15 iC5 0.68 nC5 0.62 C6+(*) 0.15 Totales = De la Ec. 5,pro = (cima + fondo)/2 = (2.067+1.643)/2 = 1.855

De la Ec. 2,SF =(XD/XB)LK (XB/XD)HK = (495.5/10.1)LK (99.8/5.2)HK = 932.14

De la Ec. 4,Sm = log(SF)/log(pro) = log(932.14)/log(1.855) = 11.07 platos

Calcular Sm corrigiendo por cambios en volatilidad relativa usando la Ec. 6

De Ec. 6, ij = KLK/KbHK, se calcula b usando los valores de KLK y KHK

en cima y fondo: KLK(cima) = 0.93 = ij(0.45)bKLK(fondo) = 2.30 = ij(1.40)b

Dividiendo las dos expresiones (fondo/cima) se obtiene:

2.473 = (3.111)b , donde b=log(2.473)/log(3.111) = 0.798

ij = 0.93/(0.45)0.798 = 1.759

De la Ec. 7,

Como puede observarse en los dos clculos de Sm, en este caso corregir por cambios en volatilidad relativa no afecta el resultado.