PROCESAMIENTO DEL GAS NATURALCRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA PROCESAMIENTO DEL GAS El tratamiento en Plantas de gas consiste en la combinación de los procesos básicos donde se acondiciona las fases a requerimiento del Proceso o Comercialización posterior; sumados a los necesarios para la obtención de otros productos. . 1 el cual entra a una sección de deshidratado. PROCESO CRIOGÉNICO.). La principal característica de estos sistemas es el concepto denominado “Split-vapor”. 2 . donde se remueve el agua casi en su totalidad. propano. etc. Mediante el enfriamiento y la alta presión del gas es posible la condensación de los hidrocarburos pesados (etano. butano. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA SISTEMA DE PROCESO DE GAS *Endulzadora de gas *Endulzadora de líquidos *Recuperación de azufre *Criogénico *Absorción *Fraccionamiento PROCESAMIENTO CRIOGENICO DEL GAS Características del Sistema Son transformaciones sobre la base de enfriamientos.- El proceso criogénico recibe gas dulce húmedo de las plantas endulzadoras de gas y en algunos casos directamente de los campos productores. los cuales son separados y enviados a rectificación en la torre desmetanizadora. que consiste en dividir la corriente de gas de entrada al proceso (feed gas) para generar reflujo en las torres demetanizadora o deetanizadora. posteriormente es enfriado por corrientes frías del proceso y por un sistema de refrigeración mecánica externo. No menos importante es el producto denominado líquidos del gas natural. lo cual permite la más eficiente separación de todos los pesados. donde se provoca una diferencial de presión (expansión) súbita. las que son prácticas y económicas para la industria de procesamiento de gas natural con el desarrollo del turbo expander. Allí trasmite un empuje al compresor. para un posterior enfriado. resulta económico procesar el gas para una alta recuperación del etano utilizando sólo temperaturas extremadamente bajas con presión moderada como las plantas criogénicas. Turbo expansión Bajo determinadas circunstancias entonces. el cual es una corriente en estado líquido constituida por hidrocarburos licuables. El producto principal de esta planta es el gas residual (gas natural. A medida que el gas de alimento fluye a través del expansor. Salida del expansor 215 psi y – 135 °F. por varios intercambiadores donde entrega frío recibiendo calor. se despresuriza y enfría. Descarga del compresor estimada en 250 psi. básicamente metano. listo para su comercialización). El límite entre ambas presiones generalmente no debe exceder las 20 psi. la cual se alimenta en la parte superior de la torre desmetanizadora. En este sistema más moderno y de alto rendimiento. Hacia la entrada de la torre demetanizadora. mediante el desbalance provocado por las diferencias de presión entre la succión del compresor y la descarga del expansor. se usa como bombeo neumático. logrando una calidad comercial excelente de cualquier producto. compresión y comercialización. Proveniente de la salida de gases de cabeza de la torre demetanizadora. en algunos lugares. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA El gas obtenido en la separación pasa a un turboexpansor. 3 . En el esquema de una planta que se observa en las próximas páginas. Para diferenciales mayores se requerirá de un conjunto de trabajo en etapas. logrando temperaturas muy bajas. Entrada al compresor aproximadamente 200 psi. el cual es inyectado al Sistema Nacional de Ductos para su distribución y. enfriando aún más esta corriente. mediante turbinas se logra una expansión. se puede determinar los valores de trabajo como: Entrada al expansor aproximadamente 700 psi y – 65 °F. esta corriente constituye la carga de las plantas fraccionadoras. Este tipo de proceso resulta más apropiado en aquellos casos donde el gas de alta presión se encuentre disponible y el uso final del gas a baja presión y relativamente cerca del punto de procesamiento. luego de pasar por el expander ingresa directamente en la torre Deetanizadora. El gas que desprende el separador el separador criogénico de alta. El sistema (J-T). es desviado mediante cierre y apertura de válvulas hacia el sistema auxiliar J-T. motivo por el cual se produce la condensación de los hidrocarburos pesados. Industrial Single Stage (ISS): Se puede apreciar que la corriente alimentación Gas ingresa al separador frío y su corriente de gas. dando como resultado una disminución notable en la recuperación de G. ya que tiene menor rendimiento comparado al Expansor-Compresor. y Gasolina Natural. se dirige al separador criogénico de baja presión. sin generar reflujo en la misma 4 . con una presión de 1185 psig y una temperatura alrededor de -16 ºF. en caso de que el Expansor-Compresor no esté en funcionamiento por algún motivo particular. Diferentes Procesos Criogénicos El Proceso denominado ISS (Industrial Single Stage) conformaba en esquema Estándar para Plantas de Turbo expansión. cambiando las condiciones de operación en la descarga a 475 psig y -40 ºF. Esta válvula tiene una disminución de diámetro interno en su entrada y luego un aumento brusco en el mismo (diámetro) en la parte central.P. En este paso es donde ocurre la expansión del gas. obtiene un porcentaje promedio de recuperación de hidrocarburos licuables alrededor del 50%. La descarga de este sistema compuesto por líquido (condensado) y gases livianos.L. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Válvula Joule-Thompson (J-T) El sistema criogénico cuenta con la válvula Joule-Thompson (J-T) como sistema auxiliar. sin congelamiento del dióxido de carbono. para su recuperación en los productos de la parte inferior (pie de torre). En este proceso. 5 . Ha sido la versión más utilizada para plantas de recuperación de etano. que consiste en dividir la corriente de gas de entrada al proceso (feed gas) para generar reflujo en las torres demetanizadora o deetanizadora. permitiendo una recuperación superior de niveles de etano. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Gas Subcooled Process (GSP): La principal característica de estos procesos fue el concepto denominado “split- vapor”. El resto de la corriente “feed gas” se expande en el turboexpansor e ingresa a la torre en uno o más puntos intermedios de la misma. Las elevadas concentraciones de propano en la corriente de líquido fría colaboran para reducir la cantidad de dióxido de carbono que se concentra en la parte superior y más fría de la torre. parte de la corriente “feed gas” es condensada. subenfriada y flasheada hasta la presión de operación de la torre e ingresada en el tope de la misma. contactando y rectificando el vapor que sale del expansor. Los líquidos fríos que ingresan en el tope de la torre actúan como reflujo. por absorción de los componentes C2+. con más de 200 instaladas en el mundo. retirando la corriente de vapor del tope de la torre absorbedora que ingresa al condensador para generar el reflujo a la parte superior de la torre absorbedora. Los líquidos fríos producidos por contacto y rectificación del vapor que sale del expander. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA OverHead Recycle Process (OHR): Emplea la configuración de dos columnas. 6 . absorben los componentes C3+ en el pie de la segunda columna. Split-Flow Reflux (SFR): La corriente split- vapor flasheada es usada para enfriar la corriente de salida de tope de deetanizadora. Improved Overhead Recycle (IOR): El líquido producido en la parte superior de la torre absorbedora. reduciendo la carga de enfriamiento de la planta y la carga en el reboiler de la deetanizadora. mientras que el líquido del pie de la torre absorbedora es parcialmente vaporizado para enfriar la corriente de gas de entrada al proceso. es separado y retornado a la parte superior de la torre como reflujo. antes de alimentarla a un punto intermedio de la misma. es inyectado a la deetanizadora como su corriente de tope para rectificar los vapores que fluyen hacia arriba en dicha torre. los siguientes. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA En la década de los ’80 se desarrolla una nueva generación de procesos de los cuales se describen. 7 . El líquido condensado de la corriente de salida del tope de la torre. para el caso de recuperación de Propano y superiores. haciendo uso más eficiente de la refrigeración disponible y teniendo en consecuencia considerables ventajas en términos de costos de inversión de la planta 8 . se integran el sistema de 2 columnas de los procesos OHR o IOR. como una sola columna compuesta con una extracción intermedia lateral de gas. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Ya para los ’90 se desarrolla el proceso SCORE Single Column Overhead Recycle Process (SCORE): En él. Por lo general en la etapa de producción.- El proceso de fraccionamiento recibe líquidos del gas del proceso criogénico y condensados dulces. El etano se comercializa como carga de las plantas de etileno. C4 y C5+. que pueden provenir de las plantas endulzadoras de líquidos o directamente de los campos productores. En la primera columna se separa el etano. deben ser separados en corrientes de productos vendibles. como se muestra en la figura. La unidad de fraccionamiento se utiliza para separar mezclas complejas de gas en productos individuales. Las corrientes de productos más comunes son el C3. DESCRIPCION DEL PROCESO. El fraccionamiento de la mezcla en sus componentes se efectúa basándose en la volatilidad relativa de cada uno. y en caso necesario. el C3 y el C4 se encuentran combinados y se los llama Gases licuados de petróleo (GLP). Consiste en varias etapas de separación que se logran a través de la destilación. en la columna despropanizadora se puede separar también el propano y butano y finalmente la nafta (pentanos. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Fraccionamiento Una vez que los hidrocarburos líquidos han sido retirados de la corriente de gas. Las dificultades en la separación están directamente relacionadas con la volatilidad relativa y la uniformidad del componente 9 . hexanos más pesados). en la segunda el gas licuado (propano y butano). Con lo anterior se logra la separación de cada uno de los productos. el gas licuado se almacena y distribuye para su consumo nacional y la nafta se comercializa. La separación de estas corrientes de productos se denomina fraccionamiento y se lleva a cabo por medio de la utilización de torres de fraccionamiento. El gas. compromete al calor aplicado y las consideraciones del balance de materiales y compone la base para todo diseño de torres fraccionadoras. Se producirá la transferencia de calor y masas de tal manera que en la columna de procesamiento se presentará el punto de evaporación en el líquido y el punto de rocío o condensación en el vapor bajo las mismas condiciones de presión y temperatura. Esta relación. La composición de estas fases es relativa a la relación de equilibrio. En la figura se observa que el gas entra desde la parte inferior de la columna a alta temperatura y el líquido se incorpora por la parte superior a baja temperatura. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA básico. fuera de la torre. en condiciones de equilibrio con el líquido. 10 . que analizaremos más adelante. con dos alimentaciones y dos corrientes de flujos en contracorriente. continuará el circuito de proceso. Conceptos de equilibrio de las etapas Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de instantáneas transformaciones (flashes) de equilibrio. 11 . requiere al menos una torre de fraccionamiento para poner al producto en las especificaciones técnicas normalizadas. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA TORRES DE FRACCIONAMIENTO El número de torres de fraccionamiento requeridas está en función de los productos licuables a obtener. para su posterior comercialización. Virtualmente todo el gas que se procesa en una planta para obtener hidrocarburos licuables. En la figura siguiente se muestra un esquema de las torres de fraccionamiento que se utilizarían en la recuperación de hidrocarburos líquidos. la sección del tope se llama zona de rectificación y la del fondo. En ese plato es conveniente que el fluido llegue a su punto de burbujeo (completamente líquido y listo para empezarse a evaporar). Gradiente de temperatura dentro de la torre. Un diagrama esquemático de una torre de fraccionamiento. La producción sale por el fondo de la torre también en estado líquido y. Condensador de reflujo y medio de enfriamiento. al rebosarlo. Cuando se trata de un condensador “total”. sección de rectificación. Al entrar a la destiladora el fluido llena el plato de alimentación y. a su vez. empieza a caer hacia los platos del fondo. contribuyen a llenar cada bandeja. tiene una mayor cantidad de líquido que de vapor. Cuando la columna se opera a reflujo total. la cantidad de líquido y vapor. mientras en la zona de rectificación ocurre lo contrario. produciendo un líquido cada vez más pesado. Rehervidor. De allí pasa por el condensador de reflujo en el cual se licua parcial o totalmente. se hacen igual en ambas secciones. zona de despojamiento (stripping). A medida que desciende encuentra temperaturas más elevadas que vaporizan las porciones livianas. Parámetros que intervienen en el funcionamiento de la columna. por lo general.en permanente ascenso dentro de la torre . que dejan cada plato. los fluidos del tope salen en estado líquido y así se llevan al mercado. cada plato. Empecemos con el análisis del lugar donde la alimentación entra a la torre. sube y. En el fondo el mismo componente se separa del resto de los hidrocarburos para generar un producto de presión de vapor previamente especificada. Plato de alimentación. Un condensador parcial es aquel que corresponde a un producto de tope en estado gaseoso. En la zona superior el componente más volátil es enriquecido o rectificado. cargado de componentes pesados. a medida que asciende. que regresa a la torre como un reflujo de fondo en estado gaseoso. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Comportamiento De Una Torre De Fraccionamiento La columna está dividida en dos secciones a ambos lados del plato de carga. Este fluido recircula en el rehervidor y se calienta evaporando una parte del mismo. En la zona de despojamiento. Es obvio que si sale parcialmente vaporizado va a producir cavitación en las bombas. encuentra puntos fríos donde se condensan las partes pesadas que. En ese caso solamente se condensa la porción que regresa a la torre como reflujo. en el cual se observan algunos parámetros fundamentales que caracterizan el funcionamiento del sistema: Tope de la torre. Bomba de reflujo. El vapor. Zona inferior. a su punto de burbujeo.va quedando libre de las partes pesadas hasta que llega al tope y sale de la columna. Acumulador o tambor de reflujo. El vapor . sección de despojamiento. 12 . el grado de pureza que se desea en el producto del tope define la cantidad de flujo que se debe retornar y el número de platos que se requieren para garantizar la operación. Si se elimina el reflujo desaparece el filtro que evita el arrastre de líquido fuera de la torre y. El producto en exceso se debe condensar. Lo cual supone que todo el producto del tope se condensa y se regresa a la torre. se está decidiendo sobre las condiciones de trabajo de la torre. Así.8 nos conduce al número de etapas o platos de burbujeo con las cuales la torre podría trabajar de manera satisfactoria. El reflujo y el número de platos en la torre. se produce una cantidad excesiva de condensado en el separador o en las tuberías. en condiciones normales de operación. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA En consecuencia. mientras que el condensador total. de donde la operación resulta antieconómica. En ese caso estamos operando de manera indebida. Para obtener la condensación excesiva se debe incrementar la tasa del fluido de enfriamiento en el condensador de reflujo. El costo de la condensación excesiva representa gastos innecesarios. cuando la torre tiene un número de platos menor de lo debido se debe aumentar el reflujo para operar en condiciones satisfactorias. procedente el tambor de reflujo. Cuando se establece la manera como ha de separarse la alimentación. Este condensador estará diseñado para trabajar a su punto de rocío. para mantener el sistema termodinámicamente equilibrado. cuando los vapores que abandonan el último plato. se condensan totalmente. en estado líquido. Imaginemos ahora que el producto entre a la torre con un alto grado de vaporización: La cantidad de gas que se mueve hacia el tope de la torre será excesiva. se diseña para el punto de rocío del producto del tope. Más aún si recordamos que la cantidad de energía que se retira por el tope se debe compensar inyectando calor por el rehervidor. que retiene las partículas pesadas que todavía transporta el gas antes de salir de la torre. Y. Número mínimo de platos: establece el menor número de bandejas o etapas de burbujeo que debe tener la torre para que pueda funcionar. todo el vapor en exceso deberá condensarse para devolverlo a la columna en estado líquido. debe trabajar a su punto de burbujeo. una parte sale del sistema. Obviamente son conceptos teóricos que establecen los límites de la operación. cuando la alimentación entra parcialmente vaporizada. Por lo general una razón de reflujo (L/D) igual a 1. Adicionalmente. obviamente. Y de la misma manera. Esto nos habla de la conveniencia de diseñar con los platos requeridos para hacer funcionar la columna dentro de un esquema óptimo- económico. la alimentación debe entrar a su punto de burbujeo. el condensador parcial. en el cual. y la otra. Así. 13 . llena el plato superior y actúa como un filtro. La cantidad de líquido que regresa al tope de la torre. el producto del tope sale fuera de especificaciones. regresa a la torre como reflujo. Ya hemos dicho que. en estado líquido.25 -1. se fija la temperatura al nivel necesario para producir la cantidad de líquido que requiere la torre (el reflujo). de la misma manera. para regresarlo como reflujo. Reflujo mínimo: Indica la menor cantidad de líquido que debería retornar a la torre si se utilizara un número infinito de etapas de equilibrio. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Tipos de fraccionadoras El tipo de torre fraccionadora depende del producto que se necesita obtener y del producto de alimentación disponible. Los típicos equipos de fraccionamiento son para obtener los siguientes productos: ETANO MEZCLA DE ETANO –PROPANO PROPANO COMERCIAL. 14 . BUTANO BUTANO Y GASOLINAS GASOLINAS NATURALES MEZCLAS DE GASES CON ESPECIFICACIONES DETERMINADAS En el siguiente esquema se aprecia un ejemplo de un sistema de fraccionamiento en cascada o tren de fraccionamiento: Para describir el proceso de fraccionamiento de este tren asumimos que el producto de ingreso contiene una alta cantidad de etano y por lo tanto será tratado en una columna deetanizadora. según sus usos. el proceso obtiene los componentes más livianos en cada etapa. DEBUTANIZADORA. con 135º F de temperatura de reflujo y 280 ºF para el proceso del líquido en el fondo. prevé la elevación de la temperatura en el fondo a 240 ºF y el acondicionamiento a 95 ºF en el tope de la torre para el reflujo. EL DEPROPANIZADOR.Es la próxima columna y aquí el propano líquido es el producto de cabeza de columna. En la segunda etapa del tren de proceso. Retira la mayor parte del etano y algo de propano de la parte superior de la columna. De esta forma se recuperará por la parte superior el butano y por la inferior se obtendrá gasolina natural estabilizada. 1. Sistema completo de fraccionamiento En un sistema completo de fraccionamiento el primer equipamiento es denominado: DEMETANIZADOR: Equipo que separa el metano por el tope de la torre y el C2+ (etano y más pesados) por el fondo.6 de etano (C 2). El proceso descripto. fraccionando los diferentes elementos del compuesto que tendrán finalmente distintas aplicaciones y condiciones de venta. los butanos y los hidrocarburos más pesados no abandonan la parte superior de esta columna. Durante una operación normal. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA Esta columna estará diseñada para operar con 425 psia que recibirá 380 moles hora de producto crudo. tal como se muestra en el cuadro anterior. El intercambio continuo de 15 . con 170 de propano (C 3). 24. La condensación total se logra en el condensador con el producto líquido que se lleva a almacenamiento y con la cantidad requerida de reflujo que se está bombeando otra vez hacia la parte superior de la columna fraccionadora. en todas las etapas el producto liviano se va por la parte superior y el más pesado por la inferior. así como lo son las columnas adicionales para dividir el producto butano en iso-butano y butano normal o para despentanizar el condensado. se obtendrá el propano por la parte superior de la torre y los componentes más pesados . La tercera etapa opera a 100 psia para obtener un reflujo de 135º F y un acondicionamiento en el fondo a 250 ºF. o dicho de otra forma. DESETANIZADOR ( O DEETANIZADOR). ingresarán en la tercer torre. Las variaciones de la secuencia de fraccionamiento son comunes. El calor resulta fundamental para la separación y es agregado al rehervidor para suministrar los vapores que hacen la remoción. mediante el mismo sistema y bajo 313 psia de presión. esta última columna produce butano como producto de cabeza de columna con condensado de la presión de vapor deseada como producto de fondo.5 de metano (C1).. ajustando la cantidad de butano en el producto de fondo. 106 de butano (C 4) y 76. como el propano y superiores. La presión de vapor del condensado se puede variar según se desee.5 de componentes más pesados. Bajo tales condiciones el etano saldrá por la parte superior de la torre hacia un circuito de gas combustible o planta de procesamiento de otros derivados y por la parte inferior se obtendrán los más pesados. De esta forma. 16 . PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA componentes entre líquido y la fase gaseosa ocurre etapa por etapa dentro de las columnas. La parte gaseosa deja la parte superior de la columna y se condensa. El producto de cabeza de columna neto deja el sistema y el reflujo es bombeado nuevamente hacia la columna para llevar a cabo el contacto de vapor líquido de contracorriente. mientras que los componentes más pesados se condensan y se mueven hacia abajo. Las variables más importantes que afectan la terminación de la separación de los componentes son los números de etapas o bandejas y la cantidad de reflujo devuelto a la columna. Los componentes livianos se gasifican y se mueven hacia arriba. PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL CRIOGÉNICO-FRACCIONAMIENTO DISEÑO DE PLANTA 17 .