Planta de Fraccionamiento de Gas Natural Por Turbo Expander

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Trabajo Práctico N° 22 Planta de Fraccionamiento de Gas Natural por Turboexpander INTRODUCCIÓN La mayoría del gas natural proveniente de yacimientos se procesa para eliminarle los hidrocarburos líquidos más pesados. Éstos, comúnmente llamados líquidos del gas natural (LGN, en inglés NGL), incluyen etano, propano, butanos, y gasolina natural (condensado). La recuperación de los componentes NGL en el gas no sólo se realiza como método de control del punto de rocío de la corriente de gas natural, sino también como una fuente de ingresos, ya que los LGN generalmente tienen un valor más alto como productos separados que como parte de la corriente de gas natural. Las fracciones LGN más livianas, como el etano, el propano y los butanos, pueden venderse como combustibles o materias primas de refinerías y plantas petroquímicas, mientas que las porciones más pesadas pueden utilizarse como cortes en el blending de naftas. Existen varios procesos para recuperar LGN pero los más comunes son los de compresión, absorción, adsorción, y refrigeración criogénica (o turboexpansión). El proceso de refrigeración criogénica es el tipo de recuperación de LGN más avanzado que se utiliza hoy en día. Combina altos niveles de recuperación (generalmente permite la recuperación total de propano y componentes más pesados y entre el 50 y el 90% del etano) con bajos costos de capital y fácil operación. Sin embargo, es menos atractivo en el caso de procesamiento de gases muy ricos ya que estos pueden tratarse mediante refrigeración simple o donde los productos livianos de LGN (C2 y C3) no son comercializables.

DESCRIPCIÓN GENERAL En una planta turbo-expander, el chiller o la válvula J-T de los procesos de refrigeración simple se reemplazan por una turbina de expansión. A medida que el gas entrante se expande, le entrega trabajo al eje de la turbina por lo que se reduce la entalpía del gas. Esta disminución de la entalpía causa una mayor caída de temperatura que la que se obtendría mediante una expansión Joule-Thompson simple (a entalpía constante). La turbina puede estar conectada a un compresor, el cual recomprime el gas con una sólo una pequeña pérdida en la presión global. Esto genera una presión más elevada del gas tratado, Materias Primas Petroquímicas – 2010 1

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que puede aumentarse hasta la especificación de transporte en gasoducto mediante una segunda etapa de compresión. A pesar de que existen muchas variantes en el diseño de plantas de turbo expansión, la mayoría de las mimas tiene el mismo diagrama básico que el que se muestra a continuación.

El gas de entrada se enfría primero en un intercambiador gas/gas de alta temperatura y luego en un enfriador con propano (chiller). La alimentación de gas parcialmente condensado se envía a un separador. El líquido del separador se alimenta a la desmetanizadora, el gas se enfría aún más en el intercambiador gas/gas de baja temperatura y se alimenta a un segundo separador frío. El gas del separador frío se expande a través de la turbina hasta la presión de la desmetanizadora, que generalmente varía entre 100 y 400 psia (6,8 y 27,2 atm). El turbo expander produce simultáneamente enfriamiento y condensación del gas, y trabajo útil que puede utilizarse para recomprimir el gas de salida. Generalmente entre el 10 y el 15 % del gas alimentado se condensa en el separador frío, a temperaturas entre -15 y 0 ºC. La turbina disminuye la presión del gas de entrada (generalmente 600 a 900 psia, o sea 40 a 60 atm) hasta la presión de la desmetanizadora. Las temperatura típica del gas que ingresa a la desmetanizadora es -55 a -65 ºC, lo suficientemente baja como para que una parte importante del etano se encuentre licuado. La columna desmetanizadora es una columna de destilación de baja temperatura que realiza la separación entre metano y etano. El metano y los componentes más livianos que él, como el nitrógeno, son los principales productos de cabeza de la torre, mientras que el etano y los componentes más pesados, como el propano, butanos, e hidrocarburos más pesados, son los principales componentes del fondo de la columna. La relación molar de metano a etano en el producto de fondo es típicamente 0,01 a 0,03. Debido a que la salida del turbo expander es un flujo bifásico, el líquido producido en este sirve como reflujo en la columna. El producto de fondo de la desmetanizadora puede ser fraccionado luego para producir corrientes de etano, propano, butanos, y gasolina natural. La temperatura de fondo del producto se encuentre frecuentemente por debajo de la Materias Primas Petroquímicas – 2010 2

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temperatura ambiente, entonces el gas de alimentación puede utilizarse como medio de transferencia de calor en el reboiler. Esto representa mayor refrigeración de la alimentación y origina rendimientos más altos de recuperación de etano, generalmente 80%. El producto de cabeza de la desmetanizadora, luego de intercambiar calor con el gas de entrada, se recomprime a la presión de gasoducto y se vende como gas residual.

Los procesos criogénicos solo pueden utilizarse de la presión de gas luego de la expansión es suficientemente alta para que transcurra la condensación de los componentes más pesados. Sin embargo, si el gas llega a baja presión (digamos menos de 50 atm), debe utilizarse refrigeración mecánica externa para enfriarlo hasta la temperatura especificada. Por otro lado, si el contenido del LGN del gas es relativamente bajo (menos de 2,5-3 GPM galones por mil pie cúbicos), basta con auto-refrigeración (intercambiador gas/gas). Sin embargo, para alimentaciones moderadamente ricas (>3GPM), debe considerarse la refrigeración mecánica para obtener alta recuperación de etano de forma más económica. Nótese que en esta aplicación, se requiere una deshidratación aguas arriba del gas para prevenir la formación de hidratos. La técnica generalmente utilizada es la deshidratación sobre lecho sólido. Algunas veces, se agregan pequeñas cantidades de metanol o glicol antes del turbo expander.

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NUEVOS DISEÑOS El desarrollo de la industria y la creciente demanda en la recuperación más eficiente de etano ha llevado al desarrollo de nuevos diseños muy ingeniosos. A partir de allí, los procesos de gas sub-enfriado Ortloff (GPS, siglas en inglés) y partición del residuo vapor (RSV) de Ortloff han sido la referencia en la recuperación eficiente de NGL/GLP a partir de gas natural, particularmente en aquellos gases con concentraciones significantes de CO2.

Proceso de gas sub-enfriado de Ortloff (GSP) Para mejorar la recuperación de etano más allá del 80% del diseño convencional, es necesario desarrollar una fuente de reflujo para la desmetanizadora. El proceso GPS fue desarrollado para solucionar este problema y otros relacionados con el esquema convencional. En este proceso, que se muestra a continuación, una porción del gas del separador frío se envía a un intercambiador de calor donde se condensa totalmente y se sub-enfría con la corriente de cabeza. Esta corriente es luego flasheada en la cabeza de la desmetanizadora, generando el reflujo de la misma. La alimentación del turbo expander se ingresa a la columna varios platos por debajo de la cabeza de la columna. Debido a esta modificación, el separador frio opera en condiciones más cálidas y alejadas del sistema crítico. Adicionalmente, la recompresión del residuo es menor que la del proceso original.

El diseño GSP ha tenido muchas modificaciones. Una de ellas es tomar una porción del líquido de separador frío junto con el gas y llevarlos hacia el intercambiador de cabeza. Esto ayuda a reducir la potencia requerida para la recompresión. Además, el proceso puede ser diseñado para usar una porción del líquido del separador frío como reflujo. Esta modificación se utiliza generalmente con gases más ricos que 3 GPM (C2+). Materias Primas Petroquímicas – 2010 4

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El diseño GSP es muy tolerante al CO2, pueden tratarse corrientes con más de 2%. Cuando el dióxido de carbono está presente en la alimentación, las concentraciones más altas de los componentes C2+ en los líquidos fríos ayudan a reducir la cantidad de CO2 que se concentra arriba, en la sección fría de la torre, permitiendo recuperar mayores niveles de etano sin que se congele el CO2. Este mismo proceso puede utilizarse para expulsar etano, pero la eficiencia de la recuperación de propano se ve seriamente afectada cuando se opera en este modo debido a la mayor concentración de propano presente en la alimentación superior. Desde comienzos de la década de 1980, el proceso GSP de Ortloff ha sido el pionero en las plantas de alta recuperación de etano. Las tecnologías posteriores se basan en mejoras de este.

Proceso de partición del residuo vapor de Ortloff (RSV) Otro método para producir reflujo es reciclar una parte del gas residual, luego de la recompresión, hacia la cabeza de la torre. En esto se basa el proceso RSV. Como se muestra en la figura, el diseño es similar al GSP excepto por el hecho de que una porción del gas residual se recicla hacia el intercambiador de calor. En este punto, la corriente está totalmente condensada y a la presión del gasoducto. La corriente se vaporiza instantáneamente en la cabeza de la columna para proveer el reflujo. La entrada de gas sub-enfriada y la corriente de salida del turbo expander entran más debajo de la columna. El reflujo provee más refrigeración al sistema y permite alcanzar una alta recuperación de etano. El nivel de recuperación es función de la cantidad de reciclo en el diseño. El proceso RSV ha sido utilizado satisfactoriamente en muchas industrias. Tolera bien el CO2 y la recuperación puede ajustarse cambiando la cantidad de reciclo. Este proceso puede usarse para muy altas recuperaciones de etano siendo sólo limitado por la cantidad de potencia provista.

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DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE TGS (Gral. Cerri, Bahía Blanca) INTRODUCCIÓN La planta separadora de gases, ubicada en Gral. Cerri, localidad cercana a la Ciudad de Bahía Blanca, tiene por objetivo separar los gases de etano, propano y butano, que serán utilizados (en especial el primero) por PBB-Polisur, para obtener etileno, que es la materia prima básica para la obtención de polietileno. La planta extractora se ha diseñado según el proceso de turboexpansión de la empresa FIRST INTERNATIONAL ENGINEERS (Houston, Texas, E.E.U.U.). La planta pro-cesa normalmente 18.000.000 m3/día de gas natural, en dos trenes en paralelo.

PROCESO GENERAL. DESCRIPCIÓN. El gas natural que se recibe en esta instalación está compuesto por:






85% de metano, 5,5% de etano, 2,5% de propano. 1,0% de butano y pentano e hidrocarburos de mayor nº de átomos de C, El resto lo completan N2, CO, CO2 y H2O.

Este gas, ingresa a la planta con las siguientes especificaciones de estado:
A una temperatura de 20 ºC.
Y a una presión de 35 kg/cm2. La primera operación que sufre el flujo de gas consiste en un filtrado a los efectos de eliminar cualquier partícula sólida que pueda ser arrastrada, luego se calienta hasta 39 ºC por intercambio de calor con gas residual. El contenido de CO2 no debe superar el 1,5%, ya que éste solidifica a la presión y temperatura a la que opera la planta, este proceso se realiza mediante absorción gaslíquido (con aceites que solubilizan el CO2), aunque actualmente no opera debido a que el contenido de dióxido de carbono en el gas natural es mucho menor que el permitido. Por idénticas razones el agua debe ser reducida a porcentajes muy bajos. Para ello, el gas se comprime hasta unos 60 kg/cm2, y luego se enfría mediante enfriadores de aire forzado hasta los 49 ºC, luego es deshidratado mediante tamices moleculares. El sistema de deshidratación por absorción emplea 6 torres, de las cuales, sólo 4 se encuentran activas. El gas que las atraviesa sale de ellas, con un punto de rocío de – 100 ºC. Las otras dos torres, se encuentran en el período de regeneración. El proceso es el siguiente: una parte del gas deshidratado es comprimido y circula por la torre recién regenerada, enfriándola. Luego el gas se calienta hasta unos 300 ºC y atraviesa el segundo lecho. Este gas, que contiene el agua que había en el lecho es enfriado con aire en circulación forzada, Materias Primas Petroquímicas – 2010 6

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esto hace condensar y separar el agua, luego este gas se reúne con el gas que ingresa a las cuatro torres activas para la deshidratación. El gas deshidratado se divide a la salida de las torres de secado en dos derivaciones, que alimentan a dos trenes idénticos, por cada tren circula la mitad del caudal total. Parte del caudal correspondiente a cada tren (aproximadamente las 2/3 partes) intercambia calor con el gas residual proveniente de la cabeza de la torre desmetanizadora, la cual provoca el enfriamiento de la corriente principal desde 49 a –59 ºC. El 1/3 restante del caudal intercambia calor con el producto del fondo de la torre desmetanizadora y luego en los hervidores de fondo y laterales hasta alcanzar también –59 ºC. Al retornar este gas a la torre provee el calor necesario a los hervidores para la operación de la columna. Ambas corrientes, a – 59 ºC y 58 kg/cm2, se reúnen e ingresan a un tanque separador. El enfriamiento hasta la temperatura de –59 ºC ha producido la condensación de aproximadamente un 30% (en peso) del gas original. Del tanque separador se extraen dos corrientes: •

•

Una Corriente Gaseosa: la cual fluye a un turbo expansor, en donde se produce una disminución de presión hasta 20 kg/cm2 por la tanto una disminución de temperatura, de –59ºC, a – 94ºC. Esta disminución de temperatura, produce una condensación adicional, enviando este flujo (de dos fases) al tope de la sección de fraccionamiento de la torre desmetanizadora. Una corriente Líquida: la cual fluye a través de una válvula reductora de presión, la que produce vapor el que ingresa en un punto inferior de la torre de fraccionamiento de la columna desmetanizadora, a una temperatura de – 91ºC.

La columna desmetanizadora es la encargada de separar componentes como metano y etano. El producto de cabeza es metano, con la totalidad del N2, parte del CO2, una cantidad aproximada (25% del total) de etano, una porción menor de propano y algo de butano. El producto de fondo comprende la mayor parte de etano, la casi totalidad de hidrocarburos superiores, algo de metano y de CO2. La alimentación de esta columna está constituida por una corriente bifásica (vapor y líquida) proveniente del proceso que se lleva a cabo en el turboexpansión. La mezcla bifásica se separa en la cabeza de la torre, y el vapor así producido constituye una fracción importante del gas residual. El calor necesario para vaporizar parcialmente el líquido que circula hacia abajo es provisto por parte del gas natural calentado en los intercambia-dores antes de su ingreso al separador. El gas residual que sale de la torre a – 94 ºC, intercambia calor con una parte del gas natural calentándose hasta 43 ºC, para luego circular por un compresor accionado por el turboexpansor, en donde se aumenta su presión hasta 22,5 kg/cm2, se lo enfría mediante aire forzado (enfriador) y luego se comprime en compresoras accionados por turbinas de gas hasta una presión de 42,5 kg/cm2 y es enfriado posteriormente en un enfriador con

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aire forzado, por intercambio de gas que ingresa a la planta y en un refrigerante final con propano hasta una temperatura de 20ºC, condición en la que sale de planta. Previamente se controla el poder calorífico del gas residual, reinyectándose en la cañería gasolina si dicho valor es menor que el establecido como mínimo. El producto de fondo de la desmetanizadora después de intercambiar calor con el gas natural, es enviado a la planta de fraccionamiento, que constituye un tren único, y que se compone de tres columnas de destilación. La primera columna recibe como alimentación el producto de fondo de la torre desmetanizadora, y tiene como función separar componentes del etano al propano. La columna desetanizadora opera a 32 kg/cm2, empleando como fluido calefactor vapor a 2,8 kg/cm2, y propano como fluido refrigerante para producir el reflujo. Por cabeza se extrae etano (un 99% respecto de la alimentación) con algo de propano (3% respecto del etano) y la totalidad del CO2 y CH4. Antes de ser enviado a depósito el etano se trata con una solución al 10% de monoetanolamina (MEA), que absorbe la totalidad del CO2, y luego con trietilenglicol que absorbe el agua que pasa al etano en la eliminación del CO2. El producto de fondo de la desetanizadora contiene una pequeña cantidad de etano y la casi totalidad de los hidrocarburos superiores a éste separados en la desmetanizadora. Esta mezcla es la alimentación a la despropanizadora, columna a plato de válvulas que opera a 20kg/cm2, que separa componentes del propano al butano. El fluido calefactor es vapor a 2,8 kg/cm2 y el enfriamiento necesario para el reflujo se realiza en refrigerantes a aire forzado. El producto destilado se envía a un tanque depósito. El producto de fondo de la columna se envía a l desbutanizadora, que separa componentes de C4 y C5. La columna es a platos de válvula, opera a 6 kg/cm2, emplea el mismo vapor a 2,8 kg/cm2 y refrigerantes de aire para el reflujo. Por cabeza, sale butano, que luego de ser comprimido y enfriado se envía a almacenaje. Por el fondo, se obtiene gasolina que se enfría, se comprime y se almacena.

BIBLIOGRAFÍA • • •

MOKHATAB, S., POE, W.A., SPEIGHT, J.G. Handbook of Natural Gas Transmission and Processing. Burlington, MA (USA), Gulf Professional Publishing, 2006. 636 p. BEGGS, H.D. Gas Production Operations. Tulsa, Oklahoma (USA), Oil & Gas Consultants International, Inc., 1984. 287 p. MATERIAS PRIMAS PETROQUÍMICAS. Material de Cátedra. San Rafael, Mendoza (Argentina), Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria, UNCuyo.

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PLANTA SEPARADORA DE GASES Aerorrefrigerante

ETANO A TRATAMIENTO

Aerorrefrigerante M

M

PROPANO Compresor 2 22,5 kg/cm

GAS RESIDUAL (20 ºC)

Refrigerante con propano

Tuboexpansor -94ºC, 20 kg/cm2

Turbina de gas M

Compresor residual

BUTANO

20 kg/ cm2, -95ºC

32 kg/cm

DE

43 ºC

2

20 kg/cm2

5 kg/cm 2

DP

DB

20 kg/cm 2 -59ºC

Aerorrefrigerante

GAS RESIDUAL

39 ºC 1/3

2/3

Deshidaratdo con tamices moleculares

GAS DE ENTRADA, 3 18.000.000 m /día, 20 ºC, 35 kg/cm2

-59 ºC 49ºC Refrig era dor gas a limenta ción

Filtro Separador

GASOLINA Hervidor lateral

Tratamiento con DEA

Hervidor inferior

Absorción con aceite A FRACCIONAMIENTO

A TREN B

DE TREN B

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