FUNDAMENTOS DE FRACCIONAMIENTO PRESENTACIÓN No.9
Presentado por: CAMILO ANDRÉS QUIROGA BERDUGO Código: 2080720 VERÓNICA VIVIANA VEGA SANDOVAL Código: 2080716 JHON JAIRO SÁNCHEZ MARTÍNEZ Código: 2080727
Presentado a: Ing. Nicolás Santos Santos
Materia: Ingeniería de Gas Grupo: D1
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS BUCARAMANGA, OCTUBRE DEL 2012 1
CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN
4
1. ETAPA DE FRACCIONAMIENTO
6
2. COMPONENTES DE LA TORRE DE FRACCIONAMIENTO
7
2.1. COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO
7
2.2. CONDENSADORES
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2.3. REHERVIDORES
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3. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO
12
4. TREN DE FRACCIONAMIENTO
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5. PRINCIPIOS CLAVES PARA EL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO
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5.1. CONCEPTO DE EQUILIBRIO
16
5.2. BALANCE DE MATERIA
17
5.3. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
17
6. PARÁMETROS DE DISEÑO
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6.1. FACTOR DE SEPARACIÓN - SF
18
6.2. VOLATILIDAD RELATIVA – α
18
6.3. PRESIÓN DE OPERACIÓN
19
6.4. MÍNIMO NÚMERO DE ETAPAS – Sm
19
6.5. MÍNIMA RELACIÓN DE REFLUJO – Rm
20
6.6. RELACIÓN DE REFLUJO – R
21
6.7. NÚMERO DE ETAPAS TEÓRICAS – S
21
6.8. NÚMERO DE ETAPAS REALES
22
6.9. EJEMPLO
22
7.
30
DIMENSIONAMIENTO TORRE CON PLATOS
2
7.1. METODO FACTOR C
30
7.2. METODO NOMOGRAMA
31
8.
DIMENSIONAMIENTO TORRE EMPACADA
33
9.
PROBLEMAS OPERACIONALES
36
CONCLUSIONES
37
BIBLIOGRAFÍA
38
3
INTRODUCCIÓN
El procesamiento del gas natural consiste en separar todos los diferentes hidrocarburos y líquidos del gas natural puro, para producir lo que se conoce como gas natural seco de calidad para transporte por gasoducto. Los principales gasoductos suelen imponer restricciones a la composición del gas natural permisibles en la tubería. Eso significa que antes de que el gas natural pueda ser transportado, éste deberá haber pasado previamente por una etapa de tratamiento y posteriormente por un procesamiento. Las plantas en donde se lleva a cabo el procesamiento del gas, por lo general se ubican cerca de las zonas productoras de gas natural, en donde el gas extraído de los diferentes pozos es transportado a través de una red de tuberías recolectoras de diámetro pequeño y a bajas presiones. La búsqueda por obtener un gas seco con altos niveles de calidad en la mayoría de los casos puede ser una tarea bastante compleja. Con la finalidad de cumplir con estos estándares de calidad, habitualmente el gas es conducido por ciertos procesos en donde se lleva a cabo la eliminación de las impurezas con las que éste venga. Estos procesos son: La eliminación de los componentes de petróleo líquido y de condensados que traiga consigo la corriente de gas. La eliminación de los componentes ácidos del gas como lo son el azufre (H2S) y el dióxido de carbono (CO2). Este proceso de endulzamiento puede realizarse ya sea con aminas ó por medio de membranas permeables, dependiendo de la composición de la corriente de alimentación y de la tecnología disponible para tal fin.
La extracción del agua libre, la cual se puede realizar por métodos de absorción, en donde la corriente de gas se hace pasar en contraflujo con una corriente de glicol (TEG); o bien por medio de lechos adsorbentes, los cuales están compuestos de sólidos desecantes (tamiz molecular).
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La separación de Líquidos del Gas Natural (LGN). Este proceso puede llevarse a cabo por diferentes técnicas, entre las cuales están el método por absorción con un aceite pobre, por medio de refrigeración mecánica, manejando el proceso de Joule Thomson, o por procesos criogénicos o de Turbo-expansión. Gracias a éstas técnicas se logra separar el metano de los demás componentes del gas y se adecúa la corriente restante para su posterior fraccionamiento.
Además de estos procesos, frecuentemente se instalan calentadores y scrubbers en la planta. Los scrubbers sirven principalmente para retirarle la arena y otras partículas contaminantes a la corriente de gas. Por otro lado, los calentadores tienen el objetivo de asegurar que la temperatura del gas no descienda demasiado y así prevenir la formación de hidratos; esto recordando que el gas a tratar generalmente contiene cierta cantidad de agua libre, y que los hidratos tienden a formarse a condiciones de bajas temperaturas y altas presiones. A continuación se muestra un esquema general de una planta de procesamiento de gas natural para una corriente de gas rico en hidrocarburos pesados. En esta planta se maneja un proceso de endulzamiento con aminas para retirarle los componentes ácidos y un proceso criogénico para la obtención de los líquidos del gas natural.
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1. ETAPA DE FRACCIONAMIENTO
El fraccionamiento es un proceso mediante el cual se separan los componentes individuales de una corriente de líquidos de Gas Natural (LGN), aprovechando la diferencia entre las volatilidades que presentan los componentes existentes en dicha corriente. Todo esto con el fin de producir un producto líquido el cual cumpla con las especificaciones de venta y transporte. La dificultad en la separación de los componentes está directamente relacionada con la diferencia que presentan las volatilidades relativas de los mismos y de la pureza requerida en las corrientes de producto. Los hidrocarburos asociados al gas natural, conocidos como Líquidos del Gas Natural (LGN) pueden ser subproductos muy valiosos del procesamiento de gas natural. Algunos de estos líquidos son el etano, propano, butano, Iso-butano y la gasolina natural (C5+). Estos productos son vendidos por separado y tienen una variedad de usos entre los que se pueden incluir el mejoramiento de los procesos de recuperación de petróleo, la base como materia prima para refinerías ó plantas petroquímicas y finalmente como fuentes de energía. Los líquidos recuperados del gas natural (LGN), tras pasar por el proceso de separación o de recobro de líquidos, forman juntos una mezcla multi-componente, que luego de ser sometida a un proceso de fraccionamiento, generará que estos productos tengan una mayor pureza y una mejor calidad; lo que consecuentemente producirá que éstos tengan un mayor valor comercial. Es debido a esto que es posible afirmar que la venta de estos productos como un todo es considerablemente más bajo que el valor de vender las corrientes de sus componentes de forma individual.
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2. COMPONENTES DE LA TORRE DE FRACCIONAMIENTO
En la figura que se presenta a continuación se pueden detallar las unidades que generalmente componen una torre de fraccionamiento.
2.1 COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO Las columnas de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran diámetro, que están organizados internamente con el fin de extraerle a una mezcla de hidrocarburos ciertos componentes con un alto grado de pureza. Dichas columnas pueden ser de dos tipos: Columnas con Platos o Bandejas Columnas Empacadas Fuente: GPSA Engineering Data Book, Figura 19- 29.
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2.1.1 Platos o Bandejas Los platos son diseñados para darle soporte al líquido y proveer un contacto eficiente entre éste y la corriente de gas. A continuación están los tipos de platos más comunes que se pueden encontrar:
Platos de Tipo Cápsula de Burbujeo
En este mecanismo, el líquido fluye a través del plato pasa por el downcomer y atraviesa el siguiente plato en dirección opuesta. El vapor fluye por las cápsulas a través de los espacios y se mezcla con el líquido. Este tipo de plato posee un mecanismo que evita que se presente problemas de lloriqueo (weeping), dicho mecanismo se conoce como Riser y se trata de un tubo por el cual asciende el gas dentro de la cápsula. Platos Perforados
Los platos Perforados, los cuales no son más que una serie de agujeros perforados en una lámina de metal. En estos platos, el gas pasa a través de estos agujeros. El número, tamaño y espacio de los agujeros debe ser el adecuado para obtener un buen contacto entre el gas y el líquido y además para prevenir el lloriqueo (weeping). Platos de Tipo Válvulas
En los Platos con válvulas, las válvulas descansan sobre la superficie de los platos en posición cerrada, hasta que el gas que fluye es el suficiente para abrir dicha válvula. Por lo que se puede decir que en estos platos el flujo depende de las condiciones de velocidad del gas con las cuales el mecanismo (válvula) venga diseñado. Los platos con válvulas al igual que los platos perforados controlan el weeping o lloriqueo por medio de la velocidad del gas.
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Las columnas con platos generalmente proveen operaciones satisfactorias en un amplio rango de la carga de vapor y líquido. Una tasa baja de vapor puede ser caracterizado por problemas de pulsación de gas, vertimiento de líquido o distribución irregular. Una alta tasa de gas causa que la torre eventualmente se inunde, ya que no permite que el líquido atraviese el plato y en consecuencia retiene todo el líquido en los downcomers. Por otro lado, una baja tasa de líquido resultará en un contacto poco eficiente con el vapor. Una tasa alta de líquido puede causar inundación dentro de la torre ya que se excede la capacidad de los downcomers. A medida que se maneja una mayor tasa de líquido, se vuelve innecesario hacer que el líquido fluya a través de toda la torre debido a la caída de presión que esto implica. Es por esto que en ciertos casos el plato es dividido para que en el existan más de un paso. Esto reduce el paso del flujo y consecuentemente reduce la caída de presión por plato. Una desventaja de esto es que igualmente se reduce el área para el flujo de gas. 2.1.2 Empaques Los empaques deben ser capaces de producir una película delgada y una trayectoria de flujo turbulento, incluso a bajos caudales de flujo. También deben presentar una baja caída de presión y tener la capacidad de mantener tanto el líquido como el gas en su interior. Estructuralmente, no deben degradarse térmicamente y deben ser químicamente impermeables. Una de sus desventajas es que pueden traer limitaciones al momento de realizar la inspección o cambio ya que si llegado el caso el empaque falla es necesario desarmar toda la columna. Algunos de los tipos de empaques más nombrados tenemos:
Empaques Aleatorios
En este mecanismo diferentes piezas de empaque son ubicadas de manera aleatoria en un armazón o cubierta. Estas piezas pueden ser de diferentes diseños, cada uno posee un área superficial y una caída de presión característica.
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Pueden ser de materiales como el plástico, fibra de vidrio reforzado con polipropileno y de metales resistentes a la corrosión. Empaques Estructurados
Los empaques estructurados se refieren a unidades fabricadas y dispuestas de una forma y geometría definida. Por lo general son hechas de malla tejida ó de tipo de placas o tubos de metal los cuales son doblados, torcidos, enrollados, sellados o dispuestos de alguna manera para que logre presentar una amplia área superficial por unidad de volumen.
Estos empaques son generalmente utilizados en aplicaciones de baja carga de líquido (las cuales están por debajo de los 20 gpm/ft2). Empaques Enmallados
Los Grids o Mallas son empaques sistemáticamente arreglados que usan estructuras que se asemejan a una red. Este tipo de empaque es utilizado en aplicaciones con bajas caídas de presión.
2.2 CONDENSADORES Su función es la de condensar los componentes que no se desean obtener en el producto de tope. Son utilizados para mejorar la pureza del producto a obtener por medio de la corriente de reflujo que se genera tras su ingreso. Estos condensadores pueden ser refrigerados por: Aire: Los cuales manejan temperaturas de salida entre 15 – 20 °F por encima de la temperatura ambiente. Agua: Los cuales manejan temperaturas de salida entre 5 – 10 °F por encima de la temperatura ambiente.
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Refrigerantes: Los cuales manejan temperaturas de salida entre +5 y -5 °F de la temperatura ambiente.
2.3 REHERVIDORES Su función es la de vaporizar los componentes que se desean obtener después del proceso. Este componente puede ser ya sea interno o de tipo externo. Existen varias configuraciones que pueden ser usadas en el proceso de fraccionamiento, las más comunes son:
Circulación natural Es el tipo de rehervidor más usado en un gran número de instalaciones. En este tipo de arreglo, todo el líquido en el plato de fondo es circulado directamente hacia el rehervidor, donde es parcialmente vaporizado. Los componentes que no son vaporizados son aquellos que se obtienen como producto de fondo. Este tipo de rehervidor no requiere de una bomba, ya que como su nombre lo indica el flujo se da por la presión que generan los líquidos del fondo de la columna.
Circulación Forzada En estos rehervidores todo el líquido del plato inferior se lleva por un downcomer para reducir el nivel de líquido en el fondo de la columna. El líquido puede ser circulado a través del intercambiador de calor tantas veces como sea económicamente viable para controlar el porcentaje de componentes vaporizados. Este tipo de disposición se utiliza normalmente en instalaciones donde la caída de presión en las tuberías es tan alta que la circulación natural no es práctica, por lo que su diseño incluye una bomba que envía el líquido hacia el rehervidor. El costo de funcionamiento continuo de la bomba hace de la circulación natural un diseño más deseable.
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3. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO
Conocidos los componentes de la columna o torre de fraccionamiento, continuaremos con la descripción del proceso del fraccionamiento como tal. El aprendizaje del proceso de fraccionamiento se dará de forma escalonada, desde lo más sencillo hasta lo más complejo, eso quiere decir que poco a poco se irá desarrollando el conocimiento de este. El objetivo de la siguiente figura es el de conocer los recorridos de las corrientes presentes en la columna de fraccionamiento (Corriente de entrada o alimento, producto de fondo, componentes livianos en fase vapor, corriente de reflujo, producto de overhead o cima). Figura: Corrientes presentes en el proceso de fraccionamiento.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19.
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La corriente de entrada desciende a través de los platos hasta llegar a un rehervidor, allí debido a un aumento de la temperatura, se liberan componentes livianos en fase vapor, los cuales ascenderán por la torre hasta llegar al condensador, el líquido de la corriente de alimento que no se evaporó, será el producto de fondo. Del condensador se obtienen dos corrientes, la de reflujo y la de los productos de overead. La condensación puede ser parcial o total, si es total ambas corrientes estarán en fase líquida y tendrán la misma composición, en cambio si es parcial, la corriente de reflujo serán los condensados, mientras la de overhead continuará en fase vapor. Comprendidas las corrientes en la torre, ahora se definirán las zonas de rectificación y la de despojo presentes en una torre de fraccionamiento. Figura: Zona de rectificación y de despojo.
Fuente: Wikipedia, imagen de torre de destilación.
La sección de rectificación tiene como objetivo controlar la pureza del producto de cima por medio de la condensación de los pesados (componentes que no deseo en el producto de cima o tope) que se encuentran en la fase vapor que se encuentra ascendiendo por la torre. Por otro lado, la sección de despojo tiene como objetivo controlar la pureza la
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pureza del producto de fondo despojando los livianos del líquido que se encuentra descendiendo por la torre. Para comprender como se da ese despojo de los componentes livianos y esa condensación de los componentes pesados, es necesario conocer el principio de estos procesos, la transferencia de masa. La transferencia de masa se puede expresar con la siguiente ecuación.
Donde, Qm : transferencia de masa entre fases. KG : Coef. de transf. de masa (Empírico). A : Área de contacto vapor – líquido. C1 : Concentración mayor. C2 : Concentración menor. De la ecuación de transferencia de masa se puede observar que al aumentar el área de contacto vapor – líquido, aumenta la transferencia, esto se obtiene con la utilización de los platos o empaques situados en la torre de fraccionamiento.
4. TREN DE FRACCIONAMIENTO Comprendido el funcionamiento de la torre de fraccionamiento, es importante conocer la configuración de las torres en un tren de fraccionamiento. El número de columnas de fraccionamiento requeridas depende del número de productos deseados y de la composición del líquido de la corriente de entrada. A continuación, en la figura se observará un ejemplo de un tren de fraccionamiento usado para producir tres productos (Propano, Butano y Gasolina Natural).
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Figura: Tren de fraccionamiento.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, gráfica 19-4. a) DESETANIZADORA: La corriente de alimento contiene mucho etano para ser incluido en los productos, por lo tanto, la primera columna es una desetanizadora. El producto de overhead que en su mayoría es etano, se dispondrá como combustible.
b) DESPROPANIZADORA: La segunda columna, la despropanizadora, obtiene como producto de overhead el propano con las especificaciones solicitadas, Mientras que el producto de fondo es una mezcla de butano y gasolina natural. (Suele comercializarse sin procesarla).
c) DESBUTANIZADORA: La tercera columna es una desbutanizadora, donde se separa el butano de la gasolina natural, para controlar la presión de vapor de esta última. El butano obtenido en overhead puede ser comercializado o puede ser separado en isobutano y normal butano.
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5. PRINCIPIOS CLAVES PARA EL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO
5.1. CONCEPTO DE EQUILIBRIO Todos los cálculos son desarrollados asumiendo (por conveniencia) un equilibrio vapor líquido en cada una de las etapas o platos (Ver constantes de equilibrio vapor – líquido, Ki = yi / xi). Figura: Equilibrio vapor - líquido.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Figura 19- 3.
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5.2. BALANCE DE MATERIA El balance de materia es el primer paso en los cálculos del diseño de la columna de fraccionamiento. Para ello, se debe asumir la composición del producto que se desea obtener por medio de las siguientes maneras: 1. Con el porcentaje de recobro de un componente en la corriente de fondo o tope. 2. Con la composición de un componente en cualquier corriente, fondo o tope. 3. Con la presión de vapor de cualquier corriente de producto. Con las dos primeras formas de especificar el producto se puede realizar el balance de materia directamente, pero con la presión de vapor, primero se supone una especificación y después se mira si la presión de vapor del producto corresponde a la asumida, y así hasta que concuerden. En una mezcla multicomponente, generalmente existen dos componentes que son “CLAVES” para la separación, estos son: Componente clave liviano (LK): Es el componente más liviano presente en el producto de fondo en cantidades significativas. Todos los componentes más livianos que él se producen por la parte superior de la torre. Componente clave pesado (HK): Es el componente más pesado presente en el producto superior en cantidades significativas. Todos los componentes más pesados que él se producen por la parte inferior de la torre. 5.3. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA No se puede obviar que junto con la transferencia de masa se presenta también transferencia de energía. No se entrará en detalle en este tema pues no es el objetivo de la presentación, pero sí hay que destacar que por cada unidad de masa condensada, existe una liberación de energía y que por cada unidad de masa evaporada hay energía que es absorbida.
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6. PARÁMETROS DE DISEÑO
6.1. FACTOR DE SEPARACIÓN - SF El factor de separación o grado de pureza es una medida cuantitativa de la dificultad de separación. Generalmente, para la mayoría de los problemas de fraccionamiento, los rangos de este factor están entre 500 y 2000, pero en separaciones con alto grado de pureza puede estar en un rango hasta 10000.
Donde, X [moles/unidad de t] D: destilado o cabeza. B: fondo. LK: componente clave liviano. HK: componente clave pesado.
6.2. VOLATILIDAD RELATIVA – α Esta variable está definida como la relación entre las constantes de equilibrio de los componentes clave liviano y clave pesado. La volatilidad relativa es una medida de la facilidad de separación. Cuanto mayor sea α, más fácil es la separación.
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6.3. PRESIÓN DE OPERACIÓN Debemos determinarla antes de cualquier cálculo de fraccionamiento. El medio de enfriamiento disponible (aire, agua, refrigerante) para el condensador y la composición del producto a separar son consideraciones primordiales y conocidas para poderla estimar.
Fuente: GPSA Engineering Data Book. Capítulo 19.
El procedimiento para calcular la presión de operación varia según la disposición del producto de tope u “overhead”, es decir si este será un producto en fase líquida o en fase vapor. Entonces usando las aplicaciones de la constante de equilibrio vapor – líquido obtenemos las siguientes sumatorias para producto líquido y producto en fase vapor respectivamente:
6.4. MÍNIMO NÚMERO DE ETAPAS – Sm El mínimo número de etapas o platos pueden ser calculados por la ecuación de Fenske (1932):
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Este valor mínimo de número de etapas ya incluye el plato utilizado en el rehervidor y en el condensador. 6.5. MÍNIMA RELACIÓN DE REFLUJO – Rm La mínima relación de reflujo hace referencia a los moles de reflujo por los moles totales del producto de cabeza.
Donde, D: Tasa de Producto de cabeza [moles/t] Lo: Tasa de reflujo [moles/t] La mínima relación de reflujo puede ser calculada con el método de Underwood (1948), en donde el primer paso es hallar θ por prueba y error, para posteriormente determinar la mínima relación de reflujo.
Donde, q: Moles de líq. saturado en el alimento por mol de alimento. XFi: Fracción molar de la corriente de alimento. θ: Parámetro de correlación. αi: Volatilidad relativa promedio respecto C6+.
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Donde, Rm: Mínima relación de reflujo. Lo: Tasa de reflujo [moles/t] D: Tasa de Producto de cabeza [moles/t] XDi: Fracción molar de la corriente de alimento. θ: Parámetro de correlación. αi: Volatilidad relativa promedio respecto C6+. 6.6. RELACIÓN DE REFLUJO – R La relación de reflujo óptima de operación, es un valor muy cercano al mínimo, en el orden de 1,2 a 1,3 veces la mínima de relación de reflujo. (Fair, J. H., y Bolles, W. L., 1968). 6.7. NÚMERO DE ETAPAS TEÓRICAS – S El número de etapas teóricas o de platos teóricos requeridos para una separación dada, se determina por medio de la correlación de Erbar-Maddox (1961).
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19. Figura 19-7.
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6.8. NÚMERO DE ETAPAS REALES Todos los diseños de fraccionamiento son realizados usando platos teóricos, una columna real requiere de un número mayor de etapas para obtener la separación deseada.
O’Connell en 1946 desarrolló una correlación con la cual se puede obtener la eficiencia de los platos para las torres de fraccionamiento y absorción, conociendo la volatilidad relativa promedio y la viscosidad de la corriente de entrada.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19. Figura 19-18.
6.9 EJEMPLO 19.2 Dada la siguiente composición de entrada de 291000 gal/dia (composición a punto de burbuja)
98%
1%
en cabeza en cabeza (Relación con la corriente)
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Temperatura del condensador: 120°F
Composición alimento
Mol %
Moles/hr
C2
2.07
21.5
C3
48.67
505.6
iC4
10.11
105.0
nC4
24.08
250.1
iC5
5.41
56.2
nC5
4.81
50.0
C6
4.85
50.4
100.00
1038.8
HALLAR: Mínimo numero de etapas requeridos Mínima tasa de reflujo Numero de platos con 1,3 veces la tasa de reflujo mínima DESARROLLO En primera medida se realiza el balance de materia, explicado anteriormente, de este se obtiene que la light key es el propano y la heavy key es el butano. Cabeza
Fondo
Moles
Mol %
Moles
Mol %
C2
21,5
4,1
-
-
C3
495,4
94,9
10,2
2,0
iC4
5,2
1,0
99,8
19,3
nC4
-
-
250,1
48,4
iC5
-
-
56,2
10,9
nC5
-
-
50,0
9,7
C6
-
-
50,4
9,7
TOTAL
522,1
100
516,7
100
23
Seguidamente se calcula la presión de operación de la torre, para esto, se debe realizar mínimo dos iteraciones con el fin de cumplir la siguiente relación de 100% líquido: n
k *x i 1
i
i
1
Por tanto como dato semilla, se basara en la siguiente tabla, la cual indicara un rango promedio de presiones de operación de las respetivas torres. En esta se tomara el rango correspondiente al propano, debido a que el 94.9% de moles en cabeza son de este componente. De este rango se tomo un dato de partida de 250psig para empezar las iteraciones. Esto no indica que la presion de operación de la torre este contenida entre 240-270psig, debido a que no se obtiene 100% propano, para cumpli la especificacion del cliente que requiere parte de isobutano y etano, este rango da una idea del valor de partida y asi empezar la iteracion.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19 . Figura 19-19.
Por tal motivo, el primer cálculo asumiendo una Poperación=250psig, temperatura del condensador de 120°F y con las tablas de las constates de equilibrio, obtenemos, los diferentes valores de K para cada componente obtenido en cabeza. Aplicamos la relación anteriormente descrita y tenemos:
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Componente Xi
Ki
KiXi
C2
0,004 2.9
0,0116
C3
0,949 1,0
0,949
iC4
0,001 0,48 0,00048
TOTAL
1
-
0,96118
Como se puede observar la sumatoria no da 1, por tanto realizamos los cálculos asumiendo una segunda presión que para este problema será de 280psig. Se repite el mismo procedimiento y finalmente se obtiene:
Componente Xi
Ki
KiXi
C2
0,004 2,8
C3
0,949 0,93 0,8825
iC4
0,001 0,45 0,00045
TOTAL
1
-
0,0112
0,998
En este caso, la sumatoria da 0.998 muy cercano a 1, por tanto, se escogerá la presión de 280psig como la presión de operación de la torre, la cual permanecerá constate a lo largo de esta y del proceso. Seguidamente calculamos la temperatura del re-hervidor, con el mismo procedimiento que se uso para hallar la presión de operación. Dado el caso, con dos iteraciones, no se obtiene el valor de la sumatoria igual a 1, se realiza una interpolación de las temperaturas y el valor de la sumatoria. Para este caso se asumió una temperatura del re-hervidor que es equivalente a la temperatura de burbuja de la corriente de fondo, junto con la presión de operación de 280psig y las constantes de equilibrio de los componentes de fondo, obteniendo así:
25
La sumatoria dio 1, lo que permite concluir que 250°F es la temperatura del re-hervidor. Seguidamente se realiza el cálculo de la volatilidad relativa promedio, tanto para tope, como para fondo de la siguiente manera:
Calculo en tope: K C2
2,80
C3
0,93
iC4
0,45
2,067
Calculo de fondo: K C3
2,30
Ic4
1,40
nC4
1,15
iC5
0,68
nC5
0,62
C6
0,15
1,643
26
Por tanto:
Con el valor de la volatilidad relativa promedio, podemos hallar el número de platos mínimos requeridos, de la siguiente manera:
Sm
log S f log( promedio)
Donde
Entonces:
Por tanto el número de etapas mínimas es 11. Ahora se prosigue con el cálculo de la tasa mínima de reflujo, para este procedimiento se deben realizar iteraciones cuyo fin será calcular la variable
que es indispensable en la formulación matemática:
Estamos suponiendo que la corriente de alimento a la torre en 100% liquida, entonces q=0 y realizamos el numero de iteraciones necesarias con el fin de cumplir que la sumatoria sea igual a cero, por tanto, el
finalmente será aquel cuya sumatoria sea lo mas cercana
posible a cero. Posteriormente se efectua el calculo de la volatilidad relativa con respecto
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al C6+ , es decir, cada constante de equilibrio de cada componente de entrada, es dividida por la constante de equilibrio correspondiente al C6+ así: Xi
Ki
)
@185°F y
relativa a
280 psia
C6+
Ɵ=16
Ɵ=15
Ɵ=15.8
Ɵ=15.9
C2
0.0207
4.10
68.3333
0.0270
0.0265
0.0269
0.0270
C3
0.4867
1.60
26.6667
1.2168
1.1125
1.1944
1.2055
iC4
0.1011
0.83
13.8333
-0.6453
-1.1985
-0.7110
-0.6766
nC4
0.2408
0.66
11.0000
-0.5297
-0.6621
-0.5517
-0.5405
iC5
0.0541
0.35
5.8333
-0.0310
-0.0344
-0.0317
-0.0313
nC5
0.0481
0.30
5.0000
-0.0219
-0.0241
-0.0223
-0.0221
C6
0.0485
0.06
1.0000
-0.0032
-0.0035
-0.0033
-0.0033
SUMATORIA
1
-
-
0.0925
-0.7832
-0.0986
-0.0413
En este caso el
óptimo es 15.9 porque su sumatoria es la mas aproximada a cero. Para
obtener los diferentes valores de las constantes de equilibrio para cada componente de entrada, se asume halla con las tablas, asumiendo presión de operación de la torre como 280psig (hallada anteriormente) y temperatura promedio.
Tprom
Ttope T fondo 2
120 250 185F y 280 psia 2
Por tanto con 280psig y 185°F se obtienen los diferentes valores de K para cada componente de la tabla. Lo anterior lo se emplea para remplazar en la formula de relación minima de reflujo, de la siguiente manera:
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La fracción molar de la formula (XDi) hace referencia a la fracción molar de todos los componentes del destilado, es decir, del producto tope de la torre, reemplezamos los valores y obtenemos:
=1,336
Finalmente para el calculo de numero de platos teóricos cuando R=1.3(Rm)=1.737, se emplean las siguientes formulaciones de Erbar-Maddox:
Entramos a la grafica y obtenemos S/Sm. Como Sm (Numero de platos mínimo) es un valor conocido despejamos S (Numero de platos teóricos):
0,635
0,54
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-7 Correlación Erbar-Maddox.
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Es decir, se necesitan aproximadamente 21 platos teóricos para que la torres funcione eficientemente.
7. DIMENSIONAMIENTO TORRE CON PLATOS Existen dos métodos para el cálculo del diámetro de una torre fraccionadora con platos: El método del factor C y el método del nomograma. 7.1 MÉTODO DEL FACTOR C: Para su uso debemos hallar la constante C, a partir de la siguiente grafica (C Vs El espaciamiento de los platos)
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-13.
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Con esto hallamos el valor de velocidad máxima de la torre asi:
Donde: C=constante = Densidad líquido (lb/ft3) = Densidad vapor (lb/ft3)
Y finalmente remplazamos en la siguiente ecuación y hallamos el diámetro de la torre en pies.
7.2 MÉTODO DEL NOMOGRAMA Para su uso debemos hallar el Vload (Carga de vapor), usando la siguiente expresión:
Donde: = Densidad líquido (lb/ft3) = Densidad vapor (lb/ft3)
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Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-14.
Con el valor de Vload (ft3/seg) y conociendo la tasa de liquido (GPM), unimos en el nomograma esos dos puntos y donde corten las dos líneas ubicadas en el centro, son los diámetros correspondientes. Hay que aclarar que las dos líneas hacen referencia a diferentes configuraciones de la torre. La mas larga es el diámetro de una torres de “single pass-tray”, es decir, con un solo dowmcomer por plato, y la segunda línea (pequeña) es para una torre con “two pass-tray” es decir con dos dowmcomer de por medio por cada
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plato. Esta última configuración se realiza para aumentar la capacidad de liquido en la torre y evitar problemas operacionales.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-12.
8. DIMESIONAMIENTO TORRE EMPACADA El primer paso a seguir para el cálculo del diámetro en una torre empacada es determinar la tasa de flujo másico de la corriente de gas y liquido dentro de la torre. Para este calculo tomamos como dato base la tasa de circulación del gas y liquido y por medio de conversión de unidades, ayudado con las respectivas densidades, de obtiene la tasa de flujo másico en lb/hr de cada fase en la torre. Seguidamente usamos la siguiente relación:
Donde: = Tasa flujo másico del liquido (lb/hr) = Tasa flujo másico del gas (lb/hr)
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=Carga de liquido (lb/(ft2*seg)) =Carga de gas (lb/(ft2*seg)) = Densidad líquido (lb/ft3) = Densidad vapor (lb/ft3)
Posteriormente usamos la siguiente grafica cuya abscisa es
y su ordenada
. Con esto obtengo un valor para el eje de las ordenadas y posteriormente despejo el nuevo Gp.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-26. Correlación de Eckert generalizacada para la caída de presión.
Todos los valores del eje de las ordenadas son conocidos a excepción de Gp y Fp que corresponden sucesivamente a la carga de gas en la torre y al factor de empaquetamiento, el cual se conoce de la siguiente tabla (teniendo en cuenta el tipo de material del empaque y su pulgada):
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Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-25.
Una vez despejado el nuevo Gp, hallamos el área transversal y con esta finalmente el diámetro de la torre, de la siguiente manera:
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9. PROBLEMAS OPERACIONALES
Los problemas más comunes asociados a columnas fraccionadoras de platos es cuando se alcanza el máximo de capacidad. Las causas más frecuentes a estos problemas son defectos en las consideraciones de diseño reflejado en las velocidades de vapor y liquido en la columna; disminuyendo la eficiencia. Otros problemas asociados a este tipo de torres es cuando el producto de tope está contaminado con el producto de fondo, o el producto de fondo está contaminado con el producto de tope o en su defecto ambos productos son malos. Por otra parte los problemas operacionales más comunes son los siguientes:
Espumas: Se incrementa el flujo de vapor, alcanzando una expansión desde la ranura inferior hasta la ranura superior del plato provocando la formación de espumas. Inundación: El líquido ocupa el espacio entre platos, produciendo una caída de presión en el plato debido al aumento de velocidad del líquido que fluye a través del plato hacia el bajante. Lloriqueo: El lloriqueo se da cuando la velocidad del gas es muy pequeña a través de los orificios, causando que fluyan baches de líquido a través de los orificios
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CONCLUSIONES El fraccionamiento es una operación mediante la cual, se separa en fracciones de compuestos los líquidos recuperados del gas natural. Este proceso se basa en la separación de componentes por volatilidad relativa y en la pureza de la corriente de productos deseada. La destilación es probablemente el método más económico para separar una mezcla en sus componentes individuales. Está separación es fácil si la volatilidad relativa de los compuestos clave liviano y clave pesado es substancialmente mayor que uno. En cada etapa de equilibrio en la torre fraccionadora se realiza un intercambio de masa y de calor buscando un equilibrio termodinámico
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BIBLIOGRAFÍA
GAS PROCESSORS SUPPLIERS ASSOCIATION. ENGINEERING DATA BOOK. Tulsa, Oklahoma. Twelfth Edition. 2004. Chapter 19th. JOHN, CAMPBELL. GAS CONDITIONING AND PROCESSING. Volume 2: The Equipment Modules. Norman Oklahoma. Seventh Edition. 1984. Chapter 17th.
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