UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERFACULTAD DE INGENIERA QUMICA

FRACCIONAMIENTO DE GAS NATURAL

CTEDRA: Industrias Qumicas CATEDRTICO: Ing. MSc. Abraham Palacios Velsquez ALUMNOS: Balden Ortiz Henry Casas Inga Luis Miguel

SEMESTRE: VII A FECHA: 26/04/2010

2010 - I

Control de Calidad

INTRODUCCION

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.

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CONTENIDO

I.

DESCRIPCION 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). 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. 1.1 se muestra en forma esquemtica 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 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. La 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.

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Fig. 1.1 Diagrama esquemtico del proceso de fraccionamiento

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II.

PRINCIPIO DE LA DESTILACION 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. 1.2. 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*xi

Ec. l

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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. 1.2 Diagrama bsico de fraccionamiento

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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)HK

Ec. 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. 3

Para sistemas de hidrocarburo en dos fases, compuestos que estn en una fase estarn tambin presentes en la otra fase, en proporcin al valor de su constante de equilibrio K. Por lo tanto, es necesario tener muchas etapas de contacto gas/lquido, para provocar una concentracin gradual de los componentes livianos en la fase gaseosa, y los componentes pesados en la fase lquida. Esto 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.

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2.1

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.

2.2

TIPOS 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. Demetanizador Deetanizador Depropanizadora Debutanizadora Control de Calidad

III.

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 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 ms pesadas (C 5+), y 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 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. 1.3 se ilustra una instalacin tpica para estabilizacin de condensado. El 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. 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

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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. 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. 1.5, 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 re hervidor 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.

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Fig. 1.3 Proceso tpico de estabilizacin de condensados

Fig. 1.4 Tren de fraccionamiento y rendimientos

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Fig. 1.5 Desmetanizador

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ANEXOS

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Columnas de fraccionamiento

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Consola de control de una torre debutanizadora

Torre depropanizadora

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BIBLIOGRAFIA

MARCO ANTONIO CALLE MARTINEZ (2007): Procesamiento de gas natural. Universidad Autnoma de Madrid, Espaa. 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.

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