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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
35
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.