Fraccionamiento de LGN

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

FRACCIONAMIENTO DE GAS NATURAL

CÁTEDRA: Industrias Químicas CATEDRÁTICO: Ing. MSc. Abraham Palacios Velásquez ALUMNOS: Baldeón Ortiz Henry Casas Inga Luis Miguel

SEMESTRE: VII “A” FECHA: 26/04/2010

2010 - I

Control de Calidad

INTRODUCCION

Los líquidos recuperados del gas natural (LGN), forman una mezcla multicomponente la cual se separa en fracciones de compuestos individuales o mezclados, mediante una operación de fraccionamiento. Se le llama destilación al proceso mediante el cual se logra realizar la operación de fraccionamiento. En forma general cuando el gas natural de producción tiene 1.3 % mol de propano, puede ser económico recuperar gases licuados del petróleo (GLP) según el GPSA. Cuando el porcentaje es inferior a dicho valor, debe hacerse un análisis de alternativas minucioso antes de instalar facilidades para recuperación de GLP.

Control de Calidad

CONTENIDO

I.

DESCRIPCION DEL PROCESO La destilación es probablemente el método más económico para separar una mezcla en sus componentes individuales.

La separación es fácil si la

volatilidad relativa de los compuestos clave liviano y clave pesado es substancialmente mayor que uno. Los componentes más livianos (producto de cima), se separan de los más pesados (producto de fondo). De esta forma, el producto de fondo de una columna es el alimento a la próxima columna, la cual puede operar a una presión menor pero a temperatura mayor. La altura de la columna, número de platos o altura de empaque, depende de la volatilidad relativa. Entre más baja sea la volatilidad relativa, la altura de la columna será mayor. En la Fig. 1.1 se muestra en forma esquemática una torre de fraccionamiento con sus diferentes componentes. El calor se introduce al re hervidor para producir los vapores de despojo. El vapor sube a través de la columna contactando el líquido que desciende. El vapor que sale por la cima de la columna entra al condensador donde se remueve calor por algún medio de enfriamiento. El líquido se retorna a la columna como reflujo para limitar las pérdidas de componente pesado por la cima. Internos tales como platos o empaque promueven el contacto entre el líquido y el vapor en la columna. Un íntimo contacto entre el vapor y el líquido se requiere para que la separación sea eficiente. El vapor que entra a una etapa de separación se enfría con lo cual ocurre un poco de condensación de los componentes pesados. La fase líquida se calienta resultando en alguna vaporización de los componentes livianos. De esta forma, los componentes pesados se van concentrando en la fase líquida 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 líquido, y el reflujo retorna a la columna con la misma composición que el producto de cima destilado.

Control de Calidad

Fig. 1.1 Diagrama esquemático del proceso de fraccionamiento

Control de Calidad

II.

PRINCIPIO DE LA DESTILACION En la destilación el proceso de separación se basa en la volatilidad relativa de los compuestos a ser separados. La separación ocurre debido a que un componente se calienta hasta que pasa a la fase de vapor y el otro componente permanece en la fase líquida. Cuando la mezcla no es de dos componentes sino multicomponente. La separación se selecciona entre dos componentes denominados claves, por ejemplo etano y propano. Se aplica calor hasta que todo el etano y los compuestos más livianos se vaporizan, mientras que a la presión y temperatura de operación, el propano y los compuestos más pesados permanecen en la fase líquida. Entre mayor sea la diferencia en volatilidad de los dos compuestos claves seleccionados, más fácil será efectuar la separación. Por lo tanto, en el proceso destilación se requiere que haya una diferencia en los puntos de ebullición a la presión de operación, y que los compuestos sean estables térmicamente para que no se descompongan. El componente más pesado que se vaporiza se denomina “componente clave liviano” y el componente más liviano que permanece en la fase líquida se denomina “componente clave pesado“. En la destilación todos los cálculos se ejecutan usando etapas teóricas 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. 1.2. El vapor entra al flash desde la etapa inferior a alta temperatura y la corriente de líquido 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 estén en el punto de burbuja de líquido y en el punto de rocío de vapor, a la misma temperatura y presión. Las composiciones de estas fases están relacionadas por la constante de equilibrio así:

yi = Ki*xi

Control de Calidad

Ec. l

La relación entre los balances de materia y energía para cada etapa es la base para el diseño de toda la torre de fraccionamiento. Dos consideraciones importantes que afectan el tamaño y costo de una columna de fraccionamiento son el grado de separación y la volatilidad de los componentes.

Fig. 1.2 Diagrama básico de fraccionamiento

Control de Calidad

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

SF= (XD/XB)LK (XB/XD)HK

Ec. 2

Típicamente para la mayoría de los problemas de separación este factor está en el rango de 500 a 2,000. Sin embargo, para separaciones muy puras este valor puede llegar a 10,000. El número de platos aproximadamente será el logaritmo del factor de separación para un determinado sistema.

La volatilidad de los componentes solamente se expresa como volatilidad relativa. Esta variable está definida como la relación de las constantes de equilibrio de los compuestos claves liviano y pesado así: α = KLK / KHK

Ec. 3

Para sistemas de hidrocarburo en dos fases, compuestos que están en una fase estarán también presentes en la otra fase, en proporción al valor de su constante de equilibrio K. Por lo tanto, es necesario tener muchas etapas de contacto gas/líquido, para provocar una concentración gradual de los componentes livianos en la fase gaseosa, y los componentes pesados en la fase líquida. Esto requiere que la columna de destilación tenga muchas etapas de separación, que se agregue calor al fondo de la columna para suministrar la energía de despojo, y que se aplique condensación en la cima para licuar los componentes que se retornan a la cima de la torre como reflujo.

Control de Calidad

2.1

TORRE DE FRACCIONAMIENTO Las torres de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran

diámetro, que suelen configurar el entorno de una refinería. Aunque tal cosa no se descubre a simple vista, están organizados para sacarle al petróleo los diferentes componentes, desde los más livianos hasta los más pesados. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porción a la cadena de hidrocarburos. Al comienzo saldrán los más livianos y, progresivamente, los pesados; hasta dejar los bitúmenes pastosos que ya no aceptan mayores cortes. Con el gas natural ocurre lo mismo, pero en este caso se trata de la separación de los integrantes más livianos de la cadena de hidrocarburos. El diseño 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 composición del gas natural que debe llegar a la planta dependerá la filosofía 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 producción, se podrá iniciar el análisis del proceso. De allí la importancia que tiene, a los efectos de un diseño, conocer a cabalidad la materia prima que alimentará la primera torre. Si esa primera parte es dudosa, en el mismo grado se habrá impactado la economía del proceso. La torre tiene una presión más o menos estable en toda su longitud. La única diferencia de presión que hay entre el tope y el fondo es debido al peso propio de los fluidos. En cambio la temperatura del tope es mucho más baja que la del fondo de la torre.

2.2

TIPOS DE FRACCIONADORES El número y tipo de fraccionador requerido depende del número de

productos a ser producidos y la composición de la alimentación. Los productos típicos son los líquidos del gas natural, los cuales son los siguientes procesos de fraccionamiento. -

Demetanizador

-

Deetanizador

-

Depropanizadora

-

Debutanizadora Control de Calidad

III.

PROPÓSITO DEL FRACCIONAMIENTO

Cualquier planta de procesamiento de gas que produce líquidos del gas natural (LGN), requiere de al menos una fraccionadora para producir un líquido que cumpla con las especificaciones para venta. Por lo tanto, el propósito del fraccionamiento es obtener de una mezcla de hidrocarburos líquidos, ciertas fracciones que como productos deben cumplir especificaciones. Para separar una corriente líquida de hidrocarburos en varias fracciones, se requiere una torre de destilación por fracción. De otra forma silo 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 más pesadas (C 5+), y se utiliza una torre estabilizadora en la cual se separan las fracciones de pentano y más pesados, los cuales salen por el fondo y las fracciones de butano más livianos (C4-), las cuales salen por la cima. Generalmente esta fracción de cima de butano y más 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 presión de vapor Reid (RVP), con la cual se determina el tipo de tanque de almacenamiento requerido (Para gasolina natural 10–34 RVP, se recomiendan tanques esféricos, cilíndricos horizontales o verticales con domo; para gasolina 5-14 RVP tanques con techo flotante o de techo fijo con venteo). En la Fig. 1.3 se ilustra una instalación típica para estabilización de condensado. El número total de columnas de destilación depende de la composición del alimento y del número de productos a ser recuperado. En un sistema en el cual se recupera etano, GLP (mezcla de C3„s y C4„s) y el balance como C5+, se requiere un mínimo de tres columnas de destilación para las separaciones siguientes: -

Separar el metano de los hidrocarburos de dos y más carbonos.

-

Separar el etano de los hidrocarburos de tres y más carbonos.

-

Separar el GLP y los C5+. En la Fig. 1.4 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

Control de Calidad

deetanizadora se recicla a la planta de procesamiento aguas arriba, o se envía 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 C4„s y gasolina que va a la tercera columna. Esta es una debutanizadora, en la cual se separan los productos butano y gasolina. Esta separación es controlada por la limitación de presión 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 aplicación como materia prima para petroquímicos. La demetanizadora es otra clase de fraccionadora, la cual no usa condensador de reflujo externo para producir líquido para el contacto con los vapores en la torre. Esta torre se encuentra en plantas criogénicas. Como puede verse en la Fig. 1.5, el alimento al plato de cima compuesto por 12% mol como líquido a baja temperatura, suministra el líquido de reflujo. Este líquido junto con las otras corrientes de alimento, es la carga líquida a la torre. El re hervidor es el punto de control para la pureza del producto de fondo. La composición de cima es función de las unidades de proceso aguas arriba. Esta es una aproximación económica para obtener un solo producto, pero la eficiencia de separación está limitada. Una mejor recuperación o una separación más fina, se logra adicionando un condensador de reflujo y una sección de rectificación.

Control de Calidad

Fig. 1.3 Proceso típico de estabilización de condensados

Fig. 1.4 Tren de fraccionamiento y rendimientos

Control de Calidad

Fig. 1.5 Desmetanizador

Control de Calidad

ANEXOS

Control de Calidad

Columnas de fraccionamiento

Control de Calidad

Consola de control de una torre debutanizadora

Torre depropanizadora

Control de Calidad

BIBLIOGRAFIA   

MARCO ANTONIO CALLE MARTINEZ (2007): Procesamiento de gas natural. Universidad Autónoma de Madrid, España. http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=889882 24 abril de 2010 5.15p.m. http://www.petroblogger.com/2009/05/fraccionamiento-de-gas.html 24 abril de 2010 3.45 p.m.

Control de Calidad