UNIDAD I. FUNDAMENTOS BASICOS DE FRACCIONAMIENTO

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARIA BARALT PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA PROYECTO: INGENIERIA DE GAS FRACCIONAMIENTO DEL GAS NATURAL UNIDAD I. FUNDAMENTOS BASICOS DE FRACCIONAMIENTO Elaborada por: Ing. Deny González Msc. MAYO 2012

2 INDICE INTRODUCCION 3 1. CONCEPTOS BASICOS 3 2. ALIMENTACIONES Y PRODUCTOS TÍPICOS DE TORRES DE DESTILACIÓN DE LA INDUSTRIA PETROLERA EQUIPOS PRINCIPALES DE UNA TORRE DE FRACCIONAMIENTO 5 4. DEFINICIONES DE DISEÑO APLICADAS A PLATOS 6 5. PLATOS. CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑOS Y APLICACIONES 7 6. TIPOS DE OPERACIONES DE DESTILACION Y APLICACIONES 8 7. ESTRUCTURA UNIVERSAL DEL SISTEMA DE GAS NATURAL ASOCIADO 11 PAGINA. 8. DESCRIPCION BASICA DE SISTEMAS Y EQUIPOS DEL PROCESO DE EXTRACCION DE LIQUIDOS RECOLECCION Y ACONDICIONAMIENTO DE LIQUIDOS CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO 28

3 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 3 INTRODUCCION El Gas Natural ha ganado importancia industrial. Leyes que regulan la contaminación ambiental y el desarrollo de tecnologías de gran escala, de baja temperatura, de bajo costo y segura, hacen posible la existencia de grandes sistemas criogénicos, como el situado el Oriente de Venezuela. El valor del crudo en el mercado, la alta productividad de la industria petrolera, la conservación y expansión del mercado del crudo hacen ineludible la producción de Gas Natural asociado al Petróleo. 1. CONCEPTOS BASICOS Condensación parcial: Enfriamiento de una mezcla hasta una temperatura específica para condensar una fracción de la misma. Destilación: Proceso utilizado para separar los constituyentes de una mezcla líquida, basado en la diferencia entre sus volatilidades o presión de vapor. Destilación azeotrópica: Destilación en la cual la existencia de un azeótropo facilita la separación de un componente de una mezcla. Si el azeótropo en cuestión no se encuentra presente en el sistema, este puede formarse introduciendo a la mezcla a separar un elemento que permita su formación. La separación se facilitara en función de la variación entre el punto de ebullición del azeótropo y los componentes de la mezcla. Destilación extractiva: Proceso en el cual la adición de un solvente de alto punto de ebullición a una mezcla permite alterar las volatilidades relativas de sus componentes, lograndose disminuir el número de platos y relación de reflejo requeridas para separar la mezcla original.

4 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 4 Destilación instantánea por una expansión (single flash): Separación de una mezcla en una corriente de vapor y otra de líquido por la vaporización de la misma en un tambor de separación, en el cual se permite que la mezcla alcance el equilibrio. Destilación instantánea por expansiones sucesivas (successive flash): Consiste en dos o más vaporizaciones continuas en equilibrio, en las que los vapores formados se separan del líquido residual después de cada vaporización en equilibrio. Fraccionamiento: Sinónimo de rectificación y se aplica comúnmente a las operaciones de rectificación de la industria petrolera. Rectificación: Es una destilación realizada de tal manera que el vapor obtenido en la torre se pone en contacto con una fracción condensada del vapor previamente producido en el mismo aparato. De este contacto resulta una transferencia de material y un intercambio de calor, consiguiéndose así un mayor enriquecimiento del vapor en los elementos más volátiles del que podría alcanzarse con una simple operación de destilación que utilizara la misma cantidad de calor. Los vapores condensados que se retornan para conseguir este objetivo se denominan reflujo. Reflujo: Vapores condensados que se retornan a la torre de fraccionamiento para enriquecer el producto de tope con los elementos más volátiles. Vaporización continua en equilibrio: Proceso de destilación en el que se vaporiza parcialmente el material de alimentación en condiciones tales que hay equilibrio entre todo el vapor formado y todo el líquido restante. Las condiciones de continuidad de funcionamiento presuponen una alimentación de composición constante, a partir de la cual se forman y extraen continuamente vapor y líquido de composiciones constantes y en cantidades uniformes. Componentes claves: Son los componentes de una mezcla que determina su grado de separación por destilación. El más volátil de estos componentes es el componente clave liviano, y el menos liviano es el componente clave pesado. 2. ALIMENTACIONES Y PRODUCTOS TÍPICOS DE TORRES DE DESTILACIÓN DE LA INDUSTRIA PETROLERA. Corte: Fracción de un crudo que hierve dentro de unos límites de temperatura específicos. Normalmente los límites se toman en base a los puntos de ebullición verdaderos del ensayo del crudo. Crudo reconstruido: Crudo mezclado con una fracción específica de otro para lograr alcanzar alguna propiedad determinada. Crudo reducido: Crudo cuya densidad API se ha reducido por la destilación de los componentes más volátil. Crudo sintético: Producto del craqueo catalítico de amplio rango de ebullición.

5 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 5 Destilados medios: Material que hierve dentro de un intervalo general de 330 a 750 F. Este rango incluye normalmente kerosén, combustible diesel, aceite de calefacción y combustibles ligeros. Los puntos reales de corte inicial y final se determina mediante las especificaciones de los productos deseados. Gasoil: Corte de la torre atmosférica que hierve en el rango de 300 a 700 F. El corte exacto se determina por las especificaciones de los productos. Kerosén: Producto destilado medio compuesto de material de 300 a 550 F. El corte exacto viene determinado por las diversas especificaciones del kerosén acabado. Nafta: Corte de la torre atmosférica en el intervalo C5 420 F. Las naftas se subdividen de acuerdo con los cortes reales de la torre en naftas vírgenes ligeras (C5 160 F), intermedias ( F), pesadas ( F) y extra pesadas ( F). Las naftas, principales componentes de las gasolinas, necesitan generalmente procesarse para obtener gasolinas de óptima calidad. 3. EQUIPOS PRINCIPALES DE UNA TORRE DE FRACCIONAMIENTO Rehervidor: Equipo cuyo único propósito es el vaporizar parte de los líquidos que están en el fondo de la torre produciendo vapores que fluyen desde el fondo hacia el tope de la torre. Cualquier líquido que no se vaporice en el rehervidor pasa a ser producto de fondo. Precalentador de la alimentación: El propósito de este equipo es el de incrementar el flujo de vapor en la sección de la torre localizada por encima de la alimentación. El vapor en la torre puede ser producido en el rehervidor o en el precalentador. El vapor generado por el rehervidor pasa por todos los platos de la torre, pero el vapor producido en el precalentador solamente pasa por encima del plato de alimentación. Para efectos de la separación el vapor del rehervidor es más efectivo, pero puede ser más económico suplir calor al precalentador que al rehervidor. La relación líquido/vapor en la alimentación frecuentemente es similar a la relación tope/producto de fondo. Condensador: El propósito del condensador es el de condensar los vapores del tope de la torre. En el caso de un producto de tope líquido se condensa todo el flujo de vapor (condensador total). Si el producto de tope es un vapor se condensa suficiente vapor para el reflujo (condensador parcial). Tambor de destilado: El propósito del tambor de destilado es proporcionar un flujo estable de reflujo y producto de tope. El tambor debe ser lo suficientemente grande como para absorber variaciones pequeñas en el flujo de condensación. También ayuda en la separación del vapor y del líquido y en algunos casos es usado para separar dos fases líquidas inmiscibles. Dispositivos de contacto: El propósito de los dispositivos de contacto es el de lograr el equilibrio entre las fases líquido y vapor. Los platos o relleno en una torre están diseñados para mezclar el vapor ascendente y el líquido que desciende. El flujo puede de esta manera tender al equilibrio por la transferencia de calor y/o de materia de los componentes. De esta

6 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 6 manera, los dispositivos de contacto tienen el mismo efecto que una serie de etapas de vaporizaciones en equilibrio. 4. DEFINICIONES DE DISEÑO APLICADAS A PLATOS Agujeros de drenaje: Por razones de operación y de seguridad los agujeros de drenaje o aliviaderos son construidos en los platos o en los vertederos en sitios donde el líquido pudiera acumularse, previendo un drenaje total durante una parada de la torre. Algo de líquido puede pasar hacia los agujeros mientras la torre está en operación, por lo tanto es importante que el tamaño, número y localización de los mismos sean cuidadosamente seleccionados. Por otra parte, a bajos flujos de líquido, la fuga a través de los agujeros de drenaje puede causar que una gran cantidad de líquido no pase a través de la zona de contacto. Arrastre: El arrastre consiste en una dispersión fina o neblina de líquido en el plato, el cual comienza a ser arrastrado hacia el plato superior. Esto es causado por una excesiva velocidad del vapor a través de los orificios de los platos para una carga de líquido relativamente baja. La alta velocidad a través de los orificios es causada por una carga de vapor alta y/o bajo porcentaje de área abierta en el plato. Capacidad máxima: La capacidad máxima es la carga máxima de vapor que la torre puede manejar, la cual depende principalmente de las propiedades del sistema. La carga de vapor no puede ser incrementada por cambios en el diseño del plato o aumentos en el espaciamiento entre los platos, sino solamente por aumentos en el área libre de la torre. Eficiencia de plato: Es una medida de la efectividad del contacto líquido vapor en el plato. Expresa la separación que se tiene realmente en comparación con la separación que se obtendrá teóricamente en estado de equilibrio. Toma en cuenta la no idealidad del plato. El número de platos ideales (teóricos), es igual al número de platos no ideales (reales) multiplicado por la eficiencia del plato. Goteo (Weeping): El punto de goteo se define como el flujo de vapor al cual el líquido comienza a pasar a través de los orificios del plato en forma continua. Esto no es necesariamente el límite inferior de operación para una buena eficiencia del plato. Para sistemas con altas relaciones de líquido, una pequeña cantidad de líquido pasando a través de los orificios no reducirá considerablemente la eficiencia del plato. Flexibilidad operacional (Turndown ratio): La flexibilidad operacional se define como la relación entre la carga de vapor en operación normal (o diseño) y la carga de vapor mínima permitida. La mínima carga permitida generalmente está en el límite de goteo excesivo, mientras que la carga para operación normal está separada con un margen de seguridad del límite donde la inundación comienza a ser relevante. Esta da a la torre un rango de operación que asegura un funcionamiento satisfactorio de los platos y por ende la calidad de los productos. Normalmente se toma como referencia que la eficiencia del plato permanezca aproximadamente en 90% de su valor máximo.

7 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 7 Plato teórico: Unidad teórica de contacto que representa una etapa ideal de destilación (etapa teórica), la cual cumple con las siguientes condiciones ideales: (1) opera en estado estacionario, obteniendo un producto líquido que entra a la etapa están perfectamente mezclados y en contacto íntimo; (3) todo el vapor y líquido que sale de dicha etapa está en equilibrio a las condiciones de temperatura y presión de la misma. Un plato o bandeja de un fraccionador real es generalmente menos eficaz que un plato teórico. La relación del número de platos teóricos necesarios para realizar una separación por destilación entre el número de platos reales utilizados, proporciona la eficiencia del plato. Relación de reflujo: Cantidad de reflujo por cantidad unitaria de destilado que sale del proceso como producto. 5. PLATOS. CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑOS Y APLICACIONES 5.1. PLATOS TIPOS VALVULA Los platos tipo válvula no son recomendados para servicios sucios, corrosivos, o con formación de coque, tal como una fraccionadora de livianos en craqueo con vapor, fraccionadoras de viscoreducción, etc. Para estos servicios se prefiere platos perforados. Si se prevé una severa formación de coque, se deberían usar placas deflectoras. En la mayoría de las torres, los platos perforados con una flexibilidad de 2/1 ó 3/1 son normalmente adecuados y su uso es altamente recomendado. Si se requiere una mayor flexibilidad, los platos tipo válvula pueden ser especificados. La experiencia ha demostrado que las válvulas se desgastan, por ejemplo en varias unidades de destilación al vacío se ha presentado este problema. Para solventarlo, las torres de destilación al vacío deben ser dotadas con dispositivos para evitar el giro o rotación de las válvulas, y adicionalmente deben ser planas para prevenir, en todas las aplicaciones, el contacto completo de la válvula con la bandeja ó soporte del plato. En otros servicios, el uso de los platos tipo válvulas es recomendable cuando se quiere obtener una alta flexibilidad. Algunos ejemplos de servicios donde se requiere un amplio rango de flexibilidad son: Cuando los flujos de vapor cambian considerablemente (y a menudo impredeciblemente) en alguna sección de la torre (ejemplo: Torres de reflujo propio). Cuando una torre es utilizada en operación bloqueada a flujos y composiciones de alimentación variable. Cuando se requiere operar las torres a bajos flujos (menor al 30% del diseño), debido a fluctuaciones en el flujo de alimentación, por el cambio de las demandas debido a las estaciones, demanda de clientes, etc. Cuando se requiere mantenimiento a equipos auxiliares y la unidad entera se debe operar a bajas cargas. El diseño apropiado de un plato tipo válvula da como resultado una configuración de plato que en las condiciones de operación a las que se verá sometido realizará su función de separación con eficiencia razonable, será estable y no presentará comportamientos

8 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 8 inadecuados tales como inundación por chorro, soplado, vaciado, capacidad máxima o mala distribución de vapor, todo ello sin incurrir en costos excesivos PLATOS TIPOS PERFORADOS Los platos perforados pueden ser usados en casi todos los servicios de destilación, incluyendo los sistemas donde hay transferencia de calor. Pueden ser diseñados para operar satisfactoriamente dentro de una amplia variedad de condiciones de operación. Poseen una capacidad igual o mayor que los platos tipo casquete de burbujeo bien diseñados, debido a que el arrastre no se hace significativo hasta que el flujo de vapor alcanza un 90% del punto de inundación. Además, las pruebas en planta muestran que la eficiencia puede ser tan alta como la de cualquier otro plato comercial. Los platos perforados no son recomendados para servicios que requieran de una alta flexibilidad (mayor de 3:1), en estos casos es preferible usar dispositivos de sellado positivo (casquetes de burbujeo o válvula) aunque esto aumente los costos. Estos platos pueden ser usados en servicios donde hay ensuciamiento, pero en estos casos es necesario considerar grandes orificios de hasta 3/4 a 1 pulg. Para llevar a cabo un diseño exitoso es imprescindible entender la hidrodinámica de vapor y de líquido en el plato, por lo cual primeramente se describirá la hidráulica en el plato y las condiciones limitantes de operabilidad. Posteriormente, se hará una discusión de las distintas variables que afectan de una u otra forma el diseño de platos perforados. 6. TIPOS DE OPERACIONES DE DESTILACION Y APLICACIONES La destilación es una operación lograda en las torres de fraccionamiento. Las operaciones de destilación se puede agrupar en: destilación continua que es la operación más usada a escala comercial, y la destilación simple intermitente conocida como destilación batch, empleada hoy día a nivel de laboratorio y a pequeña escala. Una mejor clasificación incluye el número de etapas empleadas y la presión de operación (atmosférica, vacío y superatmosférica). Las destilaciones extractivas y azeotrópicas se consideran operaciones especiales. A continuación se describen brevemente los tipos de destilación más usados: 6.1 DESTILACIÓN POR LOTES BATCH En una etapa simple: Consiste en separar una cantidad específica de una alimentación en sus componentes. La alimentación se introduce en un recipiente cilíndrico y se calienta hasta ebullición. Los vapores condensados se separan por el tope en un acumulador mientras que los componentes restantes requieren de una separación adicional, la mayor parte del componente volátil se debe retirar del lote antes de continuar el proceso. Este tipo de equipos simple proporciona un sólo plato teórico de separación y su uso se limita a trabajos preliminares. Es muy usada para caracterizar corrientes líquidas tal como la curva de destilación ASTM.

9 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 9 En etapas múltiples: Una vez que la alimentación se introduce en el recipiente cilíndrico, se calienta hasta ebullición y los vapores condensados son recuperados por el tope y parte de ellos se retornan como reflujo a la columna, con el fin de mejorar el funcionamiento de la torre. Se pueden hacer cortes, pasando los productos de tope por acumuladores alternos, lo que permite la flexibilidad de modificar las condiciones operacionales. Toda la torre funciona como una sección de enriquecimiento y a medida que transcurre el tiempo, la composición del material que se destila se va haciendo cada vez menos rica en el componente más volátil y se detiene la destilación de un corte cuando el destilado alcanza la composición deseada. El equipo permite obtener productos con un rango estrecho de composiciones con el uso de la rectificación. El diseño se basa en la cantidad a procesar y la relación necesaria de vaporización. Hoy en día se usa poco y probablemente se encuentra a pequeña escala en la industria química o en laboratorios analíticos, en la caracterización de corrientes tal como la curva de destilación TBP. 6.2 DESTILACIÓN CONTINUA En una etapa simple: Es la más sencilla de las operaciones e involucra una sola etapa teórica, usualmente llamada vaporización instantánea Flash. Consiste en vaporizar parcialmente la alimentación en una operación de una etapa simple dentro de un recipiente cilíndrico llamado tambor de vapor flash drum a una temperatura y presión dada. En etapas múltiples: El proceso involucra más de una etapa en las cuales los vapores ascendentes y líquidos en contracorriente pasan a través de varios internos que promueven la transferencia de masa entre las dos corrientes. Esta operación se denomina también destilación fraccional o fraccionamiento. La alimentación puede ser introducida en cualquier punto de la torre, los productos de tope salen como vapor y en el fondo como líquido, otros productos también se obtienen de puntos intermedios. Las torres convencionales pueden presentar dos tipos de condensadores: total o parcial. En el caso del condensador total los vapores que salen del plato en el tope son condensados, mientras que el condensador parcial, los vapores que salen en el tope son condensados parcialmente y el líquido producido es reciclado nuevamente a la torre como reflujo. En este tipo de dispositivo están presentes dos secciones: rectificación y despojamiento. La sección de rectificación permite aumentar la pureza del producto más liviano y se encuentra localizada aguas arriba del plato de alimentación. La sección de despojamiento permite mejorar la recuperación del producto de tope y se encuentra localizada debajo del plato de alimentación. El condensador en el tope y el rehervidor en el fondo de la columna son considerados como etapas teóricas adicionales. Son muy frecuentes las operaciones industriales que utilizan este tipo de destilación. 6.3 DESTILACIÓN A PRESIÓN Las destilaciones a nivel comercial se llevan a cabo en un amplio rango de presiones. En la industria de refinación la presión puede variar entre 1 psia y 400 psia. Sin embargo, el factor más influyente en la presión de operación son las volatilidades relativas de los componentes alimentados y las temperaturas del medio de calor y/o enfriamientos utilizados, siendo vapor

10 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 10 y agua los más comunes. Existen otros factores que deben considerarse como la estabilidad de los componentes y sus temperatura crítica. Destilación a presión atmosférica: La destilación a presión atmosférica no es más que una destilación continua multietapas donde se logran separar los componentes por punto de ebullición o rango de ebullición. Destilación a alta presión: Cuando compuestos volátiles son destilados (como gases a condiciones atmosféricas), se emplean altas presiones para aumentar su temperatura de condensación. Existen casos en que la presión está limitada por el calor sensible del producto de fondo o por su temperatura crítica. La temperatura de fondo debe ser más baja que la temperatura crítica de los productos pesados, de otra manera no estaríamos hablando de destilación. Se emplea en la manufactura del etileno. Destilación al vacío: Cuando la alimentación está integrada por componentes de alto punto de ebullición que son demasiado alto para destilarlos en un torre a presión atmosférica, la destilación se lleva a cabo a presiones de vacío para reducir la temperatura de la torre. Las propiedades del producto de fondo usualmente determinan el tipo de vacío a ser usado, por ejemplo los hidrocarburos saturados pueden calentarse cerca de 750 F antes de que comiencen a craquearse. Como una alternativa al vacío las alimentaciones pueden ser destiladas a presión atmosférica por el uso de vapor para reducir la presión parcial de los componentes alimentados y entonces permitir su vaporización a temperaturas por debajo de su punto de ebullición normal. 6.4 DESTILACIÓN EXTRACTIVA Y AZEOTRÓPICA Las destilaciones azeotrópicas y extractivas son fraccionamientos que se facilitan con la adición de un solvente al sistema, el cual es capaz de desplazar el equilibrio vapor líquido en el sentido favorable como agente separador. La destilación simple no puede ser usada para separar azeótropos y en algunos casos es factible por modificaciones en el proceso de destilación. Separaciones como benceno parafinas y butenos a partir de butanos son posibles comercialmente porque sus componentes químicamente son similares a pesar de tener un punto de ebullición muy cercanos. Este tipo de operación es del tipo de destilación continua de mezclas no ideales, por lo que los cálculos aproximados son engorrosos. Cuando el solvente es menos volátil que la alimentación la operación es llamada destilación extractiva y su función es similar a la operación de extracción con solvente. En la destilación azeotrópica, el solvente es más volátil que la alimentación y puede ser introducido con la alimentación. La destilación azeotrópica también se refiere a un proceso en el cual un solvente se adiciona porque las presiones de vapor de los componentes son muy similares. Es muy usado en la separación de alcoholes tal como etanol/agua con pentano. La destilación extractiva se refiere a esos procesos en que el solvente de alto punto de ebullición se adiciona en un plato en la columna para alterar las volatilidades relativas de los componentes alimentados. El solvente usualmente ebulle a temperaturas muy por encima de los componentes de tal manera que la formación de un nuevo azeótropo es imposible. La base de esta destilación es el cambio de volatilidad producido por la introducción del solvente, el cual no es igual para

11 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 11 cada componente y la diferencia de volatilidades permite el fraccionamiento de los componentes alimentados. Requiere de una torre con menor número de platos y una relación de reflujo más bajo que la destilación convencional. El hecho de que el solvente pueda ser recuperado por destilación simple posteriormente hace la destilación extractiva un proceso menos complejo y más útil que la destilación azeotrópica. Un ejemplo de destilación extractiva es la separación de n heptano y tolueno empleando fenol. 7. ESTRUCTURA UNIVERSAL DEL SISTEMA DE GAS NATURAL ASOCIADO La producción del gas natural asociado al petróleo está aliada con las metas de producción del crudo. La declinación de los pozos productores de crudo, la eficiencia de la tecnología del gas han hecho más concordante esta relación. El gas natural es en los países donde una sola casa matriz maneja el negocio del crudo y del gas, un factor básico en la recuperación secundaria de yacimientos. El sistema del gas natural asociado al crudo, tiene una estructura que está definida en base a los factores: calidad del gas, estructura del mercado externo al sistema del gas, y al gas como factor de recuperación de yacimientos. La figura se representa la Estructura Universal del Sistema del Gas Natural. En Venezuela en (PDVSA) el negocio del gas está estructurado así: recolección, segregación y tratamiento conforman la gerencia de suministro. Las secciones de procesamiento, distribución y mercado y venta se corresponden con lo establecido en la figura.

12 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 12 En la tabla se muestran análisis de los gases calificados como rico y pobre. Subsistema mayor: planta de extracción universal, criogénica con turboexpansión de líquido del gas natural. La extracción de líquidos del gas natural por proceso criogénico con turbo expansión se realiza en las plantas San Joaquín y Santa Bárbara.

13 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 13 Los líquidos del gas natural producidos en estas plantas son llevados al Complejo de Fraccionamiento de José, en donde son separados y llevados al mercado nacional e internacional. El gas residual que sale de estas plantas es llevado por gasoductos a los clientes del mercado nacional. La estructura de las plantas de extracción viene dada básicamente por la calidad del gas que maneja, la tecnología que se utiliza y el marco de productos requeridos. En la tabla se hace una comparación de la capacidad de extracción de líquidos entre una tecnología de extracción criogénica y la tecnología de control de punto de rocío. Alimentación para ambas plantas = 720 MMPCND GPM C3+ = 3,29 La tecnología criogénica con turboexpansión se ha establecido como la más eficiente y confiable tecnología para la extracción de líquidos del gas natural. Los equipos generadores de líquido en la planta se sitúan entre la deshidratación y las torres de recobro y acondicionamiento de productos. Pueden agruparse en un subsistema menor, ya que sus funciones están orientadas al logro de la generación de los líquidos. Este subsistema menor es identificable en toda planta de extracción de líquidos del gas natural que utilice turboexpansores.

14 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 14 El nombre de este subsistema en la planta de extracción criogénica universal con turboexpansores es: Subsistema Menor de Generación de Líquidos. Los líquidos generados son enviados al subsistema menor de recobro y acondicionamiento de productos que son un grupo de equipos destinados en la planta a recolectar, separar y acondicionar los líquidos productos hasta llevarlos a especificación. En las plantas de extracción criogénica por turboexpansores existe un grupo de equipos destinados a reponer la presión de operación del gas residual que sale de la planta y que constituye más del 80% molar del gas que entró a la planta. Este subsistema menor se designa como: Subsistema Menor de Recompresión de Gas Residual. Las plantas de extracción criogénica por turboexpansión requieren de una serie de módulos auxiliares que no forman parte de la línea básica de procesamiento pero son en presión doble para el funcionamiento de la planta. A este subsistema menor se le da el nombre de: Subsistema Menor de Módulos de Apoyo. Entre los módulos auxiliares están: agua de enfriamiento, Mechurrios, refrigeración mecánica (Chiller), otros. En la siguiente figura, se representa la planta de extracción criogénica de Santa Bárbara identificando en ella, los subsistemas menores de la planta universal. En la planta Santa Bárbara se representan los subsistemas menores con los números asignados en la figura. El subsistema menor endulzamiento, en muchos casos se localizará aguas arriba de la planta, pero es una demanda de la planta. Cuando proveniente del yacimiento es dulce y no se intenta el recobro profundo de etano, el subsistema menor de endulzamiento sale de la planta universal, mas no invalida el concepto de planta universal.

15 PROF. DENY GONZALEZ / PAG DESCRIPCION BASICA DE SISTEMAS Y EQUIPOS DEL PROCESO DE EXTRACCION DE LIQUIDOS ENDULZAMIENTO Endulzamiento con aminas, se refiere a la tecnología utilizada para extraer los gases ácidos del gas agrio y llevarlo a las especificaciones del requerimiento o del contrato (ver figura 1). Consiste en una reacción, a baja temperatura y alta presión, que permite la unión de los gases ácidos con las aminas. La regeneración de las aminas es la reacción contraria o de disociación, para la cual se requiere baja presión y alta temperatura. En los procesos de desacidificación con aminas, la solución de amina circula continuamente en la planta, absorbe el gas ácido en el contactor y se regenera en la torre de regeneración. Adicionalmente, la planta requiere de intercambiadores de calor, un separador trifásico horizontal que trabaja como tanque de venteo, las bombas que impulsan la solución y el tanque de almacenamiento.

16 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 16 La reacción de la amina con los gases ácidos se realiza a alta presión y baja temperatura. Cada tipo de amina trabaja según especificaciones predeterminadas; por ejemplo: 3,4 moles de MDEA por cada mol de gas ácido que se deba retener. La amina, a su vez, se disuelve en agua en un porcentaje por peso, previamente establecido. Las condiciones necesarias para realizar la reacción se suplen en el contactor (figura 2). La amina se disuelve en agua para mejorar el área de contacto y acelerar el mecanismo de la reacción; en el absorbedor los gases ácidos que viajan en el gas natural burbujean en la solución amina-agua para producir la reacción química. La amina cargada con los gases ácidos (amina rica) sale de la torre de absorción e inicia un recorrido hacia el regenerador. En este trayecto debe bajar la presión desde 1200 LPCM

17 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 17 (caso de la planta Muscar) hasta 18 LPCM (el rango es aproximado), y subir la temperatura desde el nivel del ambiente hasta el de regeneración. Una vez purificada, recibe el calificativo de amina pobre. La amina rica (cargada con gas ácido), al salir del contactor, entra al tanque de venteo, donde se separan los hidrocarburos absorbidos, y sigue hacia el regenerador, pasando por el intercambiador amina rica - amina pobre, en el cual aprovecha la energía disponible para acercarse a la temperatura de burbujeo requerida para la regeneración. El tanque de venteo es un separador horizontal que trabaja como tanque de abastecimiento. En este recipiente se separan los hidrocarburos absorbidos en estado gaseoso, los cuales se pueden usar como combustible, y los hidrocarburos líquidos que se hayan condensado en el contactor. La acumulación de hidrocarburos en la amina conduce a la formación de espuma. La amina rica llega al regenerador a una presión muy cercana a la atmosférica y con una temperatura aproximada de 195 F. Es necesario evitar que los vapores ácidos se separen antes de entrar al regenerador, porque ello produce una alta corrosividad en las tuberías. Entre el contactor y el regenerador se requiere una caída de presión (por las condiciones termodinámicas de la reacción) que se realiza con una válvula ubicada a la salida del contactor. La regeneración de la mezcla amina-agua se lleva a cabo a la temperatura de burbujeo de la solución. Para alcanzar esta temperatura, el calor requerido en el regenerador se obtiene de vapor de agua (en una relación cercana a 1 libra de vapor/libra de amina) o utilizando aceite caliente. La amina pobre, que sale del regenerador caliente y a baja presión, se debe llevar a condiciones de baja temperatura y alta presión, para introducirla en el contactor. La temperatura se empieza a bajar en el intercambiador amina-amina, y se completa el enfriamiento con un enfriador ubicado a la entrada del contactor. La presión se eleva con una bomba de alta presión que alimenta el contactor con la amina pobre. La amina, por su naturaleza misma, se degrada en contacto con el aire, por efecto de las temperaturas elevadas, por la entrada de impurezas a la planta y por muchas otras razones. Al formarse espuma, ésta es arrastrada por el gas dulce saliendo del contactor. La planta se complementa con filtros mecánicos y de carbón. Para recoger la amina que sale del sistema se utilizan trampas. También se requiere de un tanque de abastecimiento para reponer la amina que se pierde o se deteriora y, en ocasiones, se instala un recuperador de amina, capaz de retener los sólidos que se han ido acumulando en la solución (véase Fig. 2) 8.2. DESHIDRATACION CON TEG La planta deshidratadora está constituida por dos equipos mayores básicos: una Absorbedora en la cual, por contacto, en contracorriente, a baja temperatura y alta presión, el TEG pobre absorbe la humedad del gas de alimentación, y una Regeneradora en la cual el TEG rico cede el agua a alta temperatura y baja presión, regresando luego a la primera unidad para reiniciar el ciclo Secado/Regeneración.

18 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 18 El gas húmedo (1) (ver Figura No.1) circula a través del separador de entrada (2) donde se desprende de algunas impurezas, entra a la absorbedora justamente a su punto de rocío. inicia su recorrido ascendente (3), se pone en contacto con el TEG pobre que a su vez desciende desde el tope de la columna (4), se seca durante el ascenso y deja finalmente la unidad por su parte superior (5), como gas seco. Esta corriente intercambia calor con el TEG pobre (10), siendo su temperatura final, 108ºF. El TEG rico sale del fondo de la absorbedora (6) a 100ºF, a través de una válvula reguladora reduce su presión, desprendiendo en consecuencia los hidrocarburos que haya absorbido en la columna. A su paso por el tope de la chimenea del regenerador (7) circula en un serpentín que actúa como condensador de glicol, pasando posteriormente a un tanque de venteo (8) en donde se separan los gases desorbidos. Del tanque de venteo el TEG rico se filtra e intercambia calor con el TEG pobre procedente del tanque de almacenamiento (9), y luego, mediante bombeo, alimenta al regenerador a 275ºF. La temperatura en esta unidad crece considerablemente para promover la separación de TEG (11) del vapor de agua. El calor se suministra al regenerador mediante un rehervidor a fuego directo, que usa gas combustible. El TEG regenerado (pobre) pasa del regenerador al acumulador (12), y de éste al tren de intercambiadores mediante bombeo. Se alimenta al tope de la regeneradora para repetir toda la secuencia de secado de la corriente contínua del gas de alimentación y de regeneración para conformar su uso en un lazo cerrado de flujo.

19 8.3. DESHIDRATACION CON TAMICES MOLECULARES (MALLAS) FRACCIONAMIENTO DEL GAS NATURAL. PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 19 La deshidratación con tamices (mallas) moleculares es un proceso continuo de adsorción de agua en lechos de mallas moleculares, que lleva el gas natural de 7 lb/mmpcn de humedad hasta 0,1 PPmV. El proceso es un ciclo de: Adsorción del agua, seguido de la regeneración (desorción), enfriamiento y vuelta a la adsorción en las mallas moleculares. La planta de deshidratación con mallas moleculares, se inicia con un filtro y lechos desecantes sólidos, que protegen los lechos de mallas moleculares (Figura No. 1). La estructura de esta parte inicial de la planta deshidratadora se justifica, por la necesidad de proteger los lechos de mallas moleculares que son muy costosos, y porque se ha de enfriarse el gas de proceso procedente del contactor de TEG. El gas más frío puede generar líquidos que podrían taponar los lechos de mallas moleculares. Estos líquidos son retenidos por filtros. Los lechos de sílica gel completan la protección de las mallas moleculares absorbiendo ceras y otros contaminantes. La capacidad de retención de agua en los lechos de mallas moleculares aumenta cuando baja la temperatura del gas de proceso. El enfriamiento del gas natural asegura el secado del gas en las mallas y un punto de rocío más bajo del gas a procesar en la zona criogénica de la planta de extracción de líquidos del gas natural con turboexpansor. En esta tecnología el gas se enfría intercambiando calor, en el recorrido entre el contactor de TEG y el secado con mallas moleculares. En Santa Bárbara (Venezuela) el enfriamiento se hace con un ciclo de refrigeración con propano. La segunda sección de la planta deshidratadora por mallas moleculares está constituida por los lechos rellenos de estas mallas.

20 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 20 Usualmente consta de dos o más lechos; mientras uno está en regeneración los restantes están en operación (adsorción). La alimentación del gas a secar se hace por el tope del lecho deshidratante. El gas de regeneración, seco y a alta temperatura (400 F o más) se alimenta por el fondo del lecho. Esto evita el arrastre del agua a la zona más seca del tope del lecho. El gas de regeneración sale del lecho se enfría y pasa luego a un depurador en donde se le extrae la humedad, para usarlo como gas combustible. Si hay un exceso, se envía a ventas. En la línea de gas de proceso, a la salida de las mallas, se colocan filtros para polvillo. Estos filtros deben ser revisados continuamente, ya que su buen funcionamiento impide el paso del polvillo a equipos fundamentales de éstas tecnologías, como el intercambiador criogénico (caja fría) y los turboexpansores GENERACION DE LIQUIDOS El subsistema menor de la planta universal de extracción criogénica de gas natural, enfría el gas y se introduce en las zonas termodinámicas de equilibrio líquido/vapor. Los niveles criogénicos de enfriamiento se logran con intercambio de calor, enfriamiento mecánico y con turboexpansores isoentrópicos en combinación con válvulas J.T. de expansión Iso-entálpicas. El gas natural rico y seco es procesado en este subsistema con el objetivo de obtener el máximo de líquido, con el menor costo de refrigeración y compresión y con niveles adecuados de acondicionamientos de productos. Si el etano no es recobrado el manejo termodinámico del gas en el subsistema busca evitar la solidificación del CO2. El manejo del gas en el sistema de enfriamiento busca lo más eficiente y económico posible. En la planta de Extracción de Líquidos se Santa Barbara, Venezuela, el gas de proceso se enfría primeramente en el enfriador de propano, situado entre la deshidratación con TEG y mallas moleculares. Esta situación justifica el enfriamiento del gas, puesto en que las mallas moleculares el gas es dividido en dos líneas: la de más volumen intercambia calor con los rehervidores laterales de la columna de recobro; la otra sube hasta la caja fría y se recombina antes de entrar en el enfriador de propano. El gas entra al enfriador a 20 F y sale a 4 F de temperatura.

21 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 21 El gas entra al separador de entrada del expansor, el cual es alimentado con parte de los gases del separador. La presión de entrada al expansor es de 1140 psig y sale a una presión cercana 420 psig y una temperatura de 70 F y es alimentado al plato No 1 de la torre de recobro. El líquido de salida del separador de entrada al expansor, el cual se expande en una J.T. antes de entrar a la columna de recobro entre los platos 4 y 5, a una temperatura de 47 F. Parte del gas de salida del separador de entrada al expansor se envían a la caja fría de donde salen a - 87 F, se expande en una J.T. hasta 118 F y a 440 psig de presión y son alimentados al tope de la torre de recobro. Del tope de la torre de recobro sale gas residual (C1, C2 y CO2) a una temperatura de 101 F y se convierte en la línea base de intercambio de calor en la caja fría ENFRIADOR DE PROPANO El enfriador por propano extrae calor de la masa de gas en procesamiento. Este equipo forma parte del ciclo de refrigeración del propano. En el enfriador el propano se expande absorbiendo calor del gas procesado. El enfriador es un equipo costoso y se usa dentro del esquema de la planta para enfriar el gas, a niveles en los que puede ser alimentado a los equipos de enfriamiento por expansión,

22 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 22 que completan el enfriamiento del gas en el proceso de extracción. El equipo suple la necesidad de una etapa limitada de enfriamiento dentro del manejo criogénico de gas rico en la planta INTERCAMBIADOR COMPLEJO DE PLATOS (CAJA FRÍA) Es un intercambiador diseñado con los mismos principios que los intercambiadores de tubo y concha construido con gran superficie de transferencia de calor y materiales de resistencia adecuada a nivel criogénico. Esto hace a este equipo compacto y muy útil para el intercambio másico de calor en plantas de extracción criogénicas con turboexpansores. En las plantas de extracción de líquidos del gas natural con turboexpansor se presentan líneas de flujo de alto volumen con muy bajo nivel de temperatura que deben ser llevadas a temperatura ambiente, caso gas residual de salida de las columnas de recobro. Fig. Intercambiador complejo de platos (caja fría) El gas de entrada al subsistema menor de generación de líquidos, es un gas de alto volumen y a temperatura cercana a la ambiente. El intercambiador complejo criogénico de plantas es una buena solución para el intercambio de calor entre estas líneas, por su alta eficiencia en la transferencia de calor y el poco espacio que ocupa en la planta. En algunas patentes se localizan más de una caja fría en al estructura del proceso, siempre maximizando el intercambio de calor entre líneas de la planta TURBOEXPANSOR El turboexpansor es un equipo rotacional que expande gas bajando su temperatura se mueve cerca de un proceso isoentrópico y genera un trabajo, por lo que siempre va acoplado a un turbocompresor.

23 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 23 Fig. Turboexpansor acoplado un turbocompresor El turboexpansor baja la temperatura del gas a nivel criogénico, en forma confiable y de bajo costo. Al turboexpansor de baja presión, se alimenta un gas del cual se ha hecho separaciones previas de líquido, bajando su temperatura con intercambio convencional de calor y a presión casi constante. El turboexpansor expande el gas y lo enfría a bajas temperaturas, posibilitando un mayor recobro de los hidrocarburos livianos como el C3. Usualmente el gas de salida del tubo expansor sale por condición de diseño a temperatura y presión de entrada a la torre de recobro, mejorando así el recobro de los líquidos del gas natural. Los gases de salida del turboexpansor puede ir a un separador bifásico. Este separador recibe el nombre de separador de salida del turboexpansor VALVULA DE EXPASION J.T La válvula de expansión J.T. es un elemento del proceso que baja la presión y la temperatura del gas. La válvula J.T. se expande isoentálpicamente. En la fig. No. 8, la válvula se sitúa en paralelo al expansor. El flujo de gas puede pasar a través de la válvula, en parada de expansor. La válvula J.T. tienen muy bajo costo en comparación con el expansor y puede ser colocados como complemento a la función de estos en muchos lugares de la planta.

24 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 24 Fig. Válvulas J.T. en distintos lugares de la planta 9. RECOLECCION Y ACONDICIONAMIENTO DE LIQUIDOS. Este subsistema colecta los condensados de la planta. Mientras la estabilizadora colecta los condensados de alta presión, la desetanizadora hace lo mismo con los de baja presión. Ambas los separan en producto de tope, gas residual, y producto de fondo, L.G.N., este último alimentación de la planta de fraccionamiento de JOSE. El esquema operativo descrito anteriormente, en el cual las dos columnas de fraccionamiento operan en paralelo, se aplica, preferentemente, a plantas alimentadas con un gas natural de baja riqueza (caso de la planta de San Joaquín, Venezuela). Para plantas alimentadas con gas natural de mayor riqueza, el esquema operativo del subsistema varía hacia niveles de temperatura más bajas, introduciendo alimentaciones múltiples a la primera columna (recuperadora de condensados), cuyo producto de fondo se convierte en la alimentación de la desetanizadora (caso de la planta de Santa Barbara, Venezuela), y recurriendo a refrigeración externa, para condensar todos los líquidos potenciales contenidos en su riqueza ESTABILIZADORA DE CONDENSADOS Los condensados del gas de proceso generados en la sección de alta presión de la planta se recogen en el tanque flash de la torre estabilizadora, donde se acondicionan a la presión y temperatura de alimentación a la torre, y entran a ella en el plato de tope. La torre estabilizadora en recuperación de propano, separa una mezcla de los livianos, C1, C2 y CO2, por el tope, y otra de C3 e hidrocarburos más pesados por el fondo. El vapor del tope se comprime y recircula a la corriente de entrada al tren, mientras que el líquido de fondo se mezcla con el producto de fondo de la desetanizadora y se bombea a la planta de fraccionamiento (ver figura No. 1).

25 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 25 En el rehervidor, el líquido que sale del plato inferior de la torre absorbe calor del aceite caliente y vuelve a la estabilizadora por debajo del plato de fondo. Este líquido de fondo entra al tanque pulmón, cuyas condiciones de operación son iguales a las del fondo de la columna, antes de emerger como producto de fondo DESETANIZADORA Las plantas de extracción de líquidos se diseñan de acuerdo a la composición particular del gas, a los niveles de recuperación de líquido y a las condiciones de flujo de entrada. Para la extracción de líquidos de un gas pobre la desetanizadora recibe los líquidos obtenidos en los separadores de entrada y salida del expansor de baja presión y en el caso de un gas rico, recibe el producto de fondo de la estabilizadora. La desetanizadora separa C, C2 y CO2 por el tope, que constituye el gas residual, y C3 como producto de fondo. Los vapores del tope pasan por el condensador de reflujo donde condensan parcialmente y luego al acumulador de reflujo donde se separan; el gas se une con la corriente de gas residual y el líquido retorna a la desetanizadora por el plato del tope.

26 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 26 La desetanizadora tiene como función principal separar las dos corrientes que constituyen los dos productos básicos de la planta, recuperados a partir de la expansión de baja presión. El producto de tope, vapores de C1, C2, CO2, con trazas de C3 y C4, conforman el gas residual destinado al mercado de combustibles, y el producto de fondo, líquidos de C3 constituye los líquidos de gas natural, remitidos a JOSE para fraccionamiento. La desetanizadora es una torre de platos, diseñada de tal manera que garantice la transferencia de masa y calor necesaria en cada etapa (platos) para una separación eficiente y operacionalmente segura. El gas de alimentación tratado en los lechos de tamices moleculares, luego de intercambiar calor con el gas de tope de la desetanizadora, se ha enfriado considerablemente y produce líquidos en el separador de entrada del expansor de baja presión. Estos líquidos combinados con los producidos en el separador de salida del mismo equipo, constituyen la alimentación de la desetanizadora, en un caso análogo al de la estabilizadora de condensados. Las dos corrientes de alimentación constituyen reflujos en esta columna que también opera como una rectificadora. El equilibrio L/V produce una separación neta en el peso molecular de los productos de tope y fondo. El primero va como gas residual mientras el segundo constituye una corriente de LGN con destino a fraccionamiento. Para el caso de la planta de San Joaquín, la columna desetanizadora consta de dos secciones de diferentes diámetros: una inferior de 96 y otra superior de 108, con altura total de 96-6 de costura a costura. Contiene 28 platos de válvulas de doble paso, de las cuales 11 corresponden a la sección superior y 17 a la sección inferior. Para lograr máxima eficiencia, se requiere que la columna opere entre 80 y 100 % de la capacidad de diseño. Durante la operación en rechazo de etano, el vapor de tope de la desetanizadora fluye del tope de la columna a 188 lpcm y -45 C por la carcasa del condensador de reflujo, donde se enfría a -65 C, condensando así, algunos hidrocarburos del vapor.

27 PROF. DENY GONZALEZ / PAG. 27 La temperatura de salida del condensador de reflujo se controla desviando vapor de tope del condensador, a través de una válvula de control de temperatura. Una válvula manual de mariposa se coloca en la entrada del condensador, ajustándola para balancear la caída de presión a través del intercambiador y del desvío, de manera que el vapor fluya libremente por la línea del desvío, según el requerimiento del control de temperatura TORRE ESTABILIZADORA La torre estabilizadora de condensados es la unidad dedicada a la recuperación de gas residual y líquidos de gas natural retenidos en los separadores de entrada y salida de la expansión de alta presión del subsistema Generación de Líquidos en la planta recuperadora de LGN. Los líquidos del tambor de condensado que pasan a través del tanque flash de alimentación a la estabilizadora se liberan de agua y livianos, se alimentan como reflujo de la torre estabilizadora, que opera como una columna rectificadora. Esta operación es necesaria para ajustar la composición tanto del gas residual como del líquido de fondo, mediante el intercambio de material que tiene lugar en las etapas de equilibrio L/V dentro de la columna. La fuente de calor necesaria para vaporizar los líquidos dentro de la columna, proviene del aceite caliente usado en el rehervidor de fondo de la estabilizadora (cuya carga térmica de diseño es 11 MM Btu/h para el caso de la planta de Santa Barbara). El permite mantener la corriente ascendente de vapor, en contacto con el líquido de alimentación que fluye por gravedad a través de las etapas de equilibrio.