REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PP PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARIA BARALT” PROGRAMA: INGENIERIA DE GAS ASIGNATURA: FRACCIONAMIENTO
REALIZADO POR: ING. ANDREEDUIS RODRIGUEZ
CIUDAD OJEDA 2010
Introducción
Los líquidos recuperados del gas natural (LGN) forman una mezcla multicomponente la cual se separa en fracciones de compuestos individuales o mezclados, y es mediante una operación de fraccionamiento llamada destilación que se logra esto. En forma general cuando el gas natural contiene un 1.3% mol de Propano (C3), puede ser económico recuperar gases licuados de petróleo (GLP) según el GPSA. Cuando el porcentaje es inferior a dicho valor debe hacerse un análisis minucioso de alternativas antes de instalar facilidades de superficie para recuperación de GLP.
2
DESTILACIÓN La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a separar. La destilación se da en forma natural debajo del punto de ebullición (100 ºC en el caso del agua), luego se condensa formando nubes y finalmente llueve. También se puede definir la Destilación como el proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos. Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los dos componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación completa en una destilación individual. El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de sólidos disueltos (principalmente sal común), puede purificarse fácilmente evaporando el agua, y condensando después el vapor para recoger el producto: agua destilada. Para la mayoría de los propósitos, este producto es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la más importante el dióxido de carbono. Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100 °C, y alcohol, que hierve 3
a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones.
ALAMBIQUE El alambique (del árabe al-inbiq arap odazilitu otarapa le se )األن ب يقdestilación de líquidos mediante un proceso de evaporación por calentamiento y posterior condensación por enfriamiento. Fue inventado por los árabes alrededor del siglo X de nuestra era y se usa para producir perfumes, medicinas y el alcohol procedente de frutas fermentadas. Como el alcohol hierve a una temperatura inferior al agua los vapores que primero se forman son los de aquél, aunque mezclados con una pequeña proporción del de agua, y se consigue destilar una sustancia con mayor grado alcohólico que la original. Los alambiques de laboratorio suelen ser de vidrio, pero los utilizados para destilar bebidas alcohólicas se fabrican normalmente de cobre, porque este material no proporciona sabor al alcohol, resiste los ácidos y conduce bien el calor. Es una herramienta de destilación simple que está constituida por una caldera o retorta, donde se calienta la mezcla. Los vapores emitidos salen por la parte superior y se enfrían en un serpentín situado en un recipiente refrigerado por agua. El líquido resultante se recoge en el depósito final.
Figura 1. Esquema de un Alambique 4
EBULLICIÓN La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión.Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la masa gaseosa. Este proceso es muy distinto a la evaporación, que es paulatino y para el que no es necesario el calentamiento de toda la masa. Este proceso es también el inverso a la condensación PUNTO DE EBULLICIÓN El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido.En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido. La temperatura de una sustancia o cuerpo es una medida de la energía cinética de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. CONDENSACIÓN Se denomina condensación al proceso físico que consiste en el paso de una sustancia en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa.
5
a De Solido Liquido Gas Plasma
Solido N/A Solidificación Sublimación inversa -
Liquido Fusión N/A Condensación
Gas Sublimación Ebullición/Evaporación N/A
Plasma ionización
-
Recombinación/Deionización
N/A
Tabla 1 Transformacion de una sustancia de un estado a otro
Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licuefacción. El proceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de rocío. Sin embargo este punto también puede ser alcanzado variando la presión. El equipo industrial o de laboratorio necesario para realizar este proceso de manera artificial se llama condensador CONDENSACIÓN EN LA NATURALEZA En la naturaleza se da el proceso de la condensación de vapor de agua al bajar la temperatura, por ejemplo, con el rocío en la madrugada. El vapor sólo se condensa en una superficie cuando la temperatura de dicha superficie es menor que la temperatura del vapor. Durante este proceso la molécula de agua libera energía en forma de calor, esto tiene parte de la responsabilidad de la sensación de temperatura mayor en un ambiente muy cálido y muy húmedo: la humedad que condensa en nuestra piel nos está transmitiendo un calor adicional. Adicionalmente, esta humedad hace inútil el proceso natural de refrigeración por sudor y evaporación. La temperatura ambiental también aumenta ligeramente.
6
VAPORIZACIÓN La Vaporización es el cambio de estado de líquido a gaseoso. Hay dos tipos de vaporización: la ebullición y la evaporación. La Ebullición es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. A la temperatura durante la cual se dice que un determinado líquido hierve se la llama punto de ebullición. La diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido. Cuando se realiza una destilación, para separar dos o más líquidos de diferente punto de ebullición, la temperatura permanece constante en el punto de ebullición de cada uno de los líquidos que se desea separar de la mezcla.
PUNTO DE ROCÍO (DEW POINT) Estado de un sistema completamente gaseoso en equilibrio con una cantidad infinitesimal de liquido, condiciones de presión y temperatura favorables para la formación de la primera gota de liquido en una masa de gas. El punto de rocío de hidrocarburo en Gas Naturales un parámetro importante de calidad, estipulado en especificaciones contractuales a través de la red de suministro, desde productores hasta consumidores finales, pasando por empresas transportadoras y distribuidoras. En consecuencia, un exacto monitoreo de temperatura de punto de rocío de hidrocarburo en gas natural, es importante para mantener la calidad y la integridad del gas como así también para cumplir con los acuerdos. El punto de rocío de hidrocarburo es la temperatura a la cual el hidrocarburo comienza a condensarse cuando el gas natural es enfriado a presión constante y en consecuencia deja de ser totalmente gaseoso. En muchos casos el evitar la formación de tales líquidos en gas natural es muy importante.
7
Por ejemplo: en las cañerías de transporte de gas la presencia de hidrocarburo líquido en combinación con trazas de vapor de agua llevan a la formación de hidratos como masa sólida. En condiciones de operación pueden ocasionar daños por impacto en los compresores y restringir y aún bloquear las cañerías. Algunos usuarios tienen necesidades críticas respecto al punto de rocío de hidrocarburo. La última generación de generadores con turbinas de gas diseñadas para baja emisión de NOX requieren al menos 28ºC de "supercalentamiento" - la diferencia entre el punto de rocío y la temperatura de entrega del gas a la entrada del sistema de premezcla. Si esto no se cumple, el efecto enfriador de la expansión del gas provoca la formación de líquido resultando el posible retorno de la llama desde la boquilla de ignición hacia la cámara de mezcla. Por otro lado, para el productor de gas natural, el control del punto de rocío de hidrocarburo puede resultar en un aspecto costoso del procesamiento del gas natural. Ya sea por los costos en recomprimir el gas luego del procesamiento como por la baja en el poder calorífico al extraerle los líquidos al gas natural. En consecuencia, resulta de interés para los productores monitorear y controlar las plantas reductoras de punto de rocío para mantenerlas dentro de límites ajustados minimizando los costos de proceso. Esto hace que se deba mantener el punto de rocío lo más próximo posible a los valores acordados o exigidos. Esto hace necesario medir el punto de rocío de hidrocarburo no solo en la etapa de producción sino también en las cañerías de transporte, en los puntos de transferencia, en la distribución y en grandes consumidores finales. Incluso, al incrementarse las redes de interconexión entre paises hace necesario el control de la calidad del gas que se comercializa.
PUNTO DE BURBUJA O BURBUJEO (BUBBLE POINT) Estado de un sistema gaseoso completamente líquido en equilibrio con una cantidad infinitesimal de gas, condiciones de presión y temperatura favorables para la formación de la primera burbuja de gas en una masa liquida
8
PRINCIPIO DE LA DESTILACIÓN La Destilacion se define como aquel proceso en el que un líquido o vapor de la mezcla de dos o más sustancias se separa en sus componentes fracciones de pureza deseado, por la aplicación y la eliminación de calor. Se basa en el hecho de que el vapor de una mezcla de ebullicion sera mas rico en los componentes que tienen puntos de ebullicion mas bajo.
Por lo tanto, cuando este vapor es enfriado y condensado, el condensado contendrá componentes más volátiles.
Al mismo tiempo, la mezcla original que
contiene más de los materiales menos volátiles. La destilación es probablemente el método mas económico para separa una mezcla en sus componentes individuales, la separación es fácil si la volatilidad relativa de los compuestos claves livianos y clave pesado es substancialmente mayor que uno, los componentes mas livianos (producto de cima) se separan de los mas pesados (producto de fondo). El proceso de separación por destilación se basa en la volatilidad relativa de los compuestos a ser separados la separación ocurre debido a que un componente se calienta hasta que pasa a la fase de vapor y el otro componente permanece en la fase liquida, cuando la mezcla es multicomponente la separación se selecciona entre dos componentes denominados claves, por ejemplo el etano y el propano. El proceso consiste en aplicar calor hasta que todo el etano y los compuestos mas livianos se vaporizan mientras que a la presión y temperatura de operación el propano y los compuestos mas pesados permanecen en la fase liquida, entre mayor sea la diferencia en la volatilidad de los componentes claves seleccionados mas fácil será efectuar la separación, por lo tanto en el proceso de destilación se requiere que haya una diferencia en los puntos de ebullición a la presión de operación y que los compuestos sean estables térmicamente para que no se descompongan.
9
DESTILACIÓN SIMPLE En la destilación simplificada los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los refresca y condensa de modo que la destilación no sea pura. Su composición será idéntica a la composición de los vapores de la temperatura dada y a la presión y pueden ser computados por la ley de Raoult. Como resultado, la destilación sencilla se usa para separar aquellos líquidos cuyos puntos de ebullición difieren extraordinariamente (la medida son 30 °C) o para separar líquidos de sólidos no volátiles. Para éstos casos, las presiones de los componentes del vapor, normalmente son suficientemente diferentes de modo que la ley de Raoult puede descartarse debido a la insignificante contribución del componente menos volátil. En este caso, el destilado puede ser suficientemente puro para el propósito intencionado. En el esquema que se muestra a continuación puede observarse un aparato de destilación simple básico:
Figura 2. Alambique Experimental 10
Descripción de los componentes 1. Mechero, proporciona calor a la mezcla a destilar. 2. Retorta o matraz de fondo redondo, que deberá contener pequeños trozos de material poroso (cerámica, o material similar) para evitar sobresaltos repentinos por sobrecalentamientos. 3. Cabeza de destilación: No es necesario si la retorta tiene una tubuladura lateral. 4. Termómetro: El bulbo del termómetro siempre se ubica a la misma altura que la salida a la entrada del refrigerador. Para saber si la temperatura es la real, el bulbo deberá tener al menos una gota de líquido. Puede ser necesario un tapón de goma para sostener al termómetro y evitar que se escapen los gases (muy importante cuando se trabaja con líquidos inflamables). 5. Tubo refrigerante. 6. Entrada de agua: El líquido siempre debe entrar por la parte inferior, para que el tubo permanezca lleno con agua. 7. Salida de agua: Casi siempre puede conectarse la salida de uno a la entrada de otro, porque no se calienta mucho el líquido. 8. Se recoge en un balón, vaso de precipitados, u otro recipiente. 9. Fuente de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica. 10. Adaptador de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica
Figura 3. Destilación sencilla 11
Para la destilación sencilla se utiliza el aparato representado en la figura superior montado sobre dos soportes. Consta de un matraz de destilación, provisto de un termómetro, que descansa sobre una placa calefactora. El matraz de destilación va unido a un refrigerante con camisa de refrigeración por la que circula agua en contracorriente. Finalmente el extremo inferior del refrigerante se monta la cola de destilación junto con un recipiente (Erlenmeyer o vaso de precipitados) donde se recogerá el destilado. DESTILACIÓN SENCILLA Se usa para separar de líquidos con puntos de ebullición inferiores a 150ºC de impurezas no volátiles, o bien para separar mezclas de dos componentes que hiervan con una diferencia de puntos de ebullición de al menos 60-80°C. Mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieren de 30-60°C se pueden separar por destilaciones sencillas repetidas, recogiendo durante la primera destilación fracciones enriquecidas en uno de los componentes, las cuales se vuelven a destilar. Para que la ebullición sea homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato poroso (o agitación magnética). El líquido que se quiere destilar se pone en el matraz (que no debe llenarse mucho más de la mitad de su capacidad) y se calienta con la placa calefactora. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición del líquido comienza la producción apreciable de vapor, condensándose parte del mismo en el termómetro y en las paredes del matraz. La mayor parte del vapor pasa al refrigerante donde se condensa debido a la corriente de agua fría que asciende por la camisa de este. El destilado (vapor condensado)
escurre
al
matraz
colector
a
través
de
la
alargadera.
La existencia de una capa de sólido en el fondo del matraz de destilación puede ser causa de violentos saltos durante la destilación, especialmente si se utiliza una calefacción local fuerte en el fondo del matraz. La calefacción de un matraz que lleva cierta cantidad de sólido depositado en el fondo se debe realizar siempre mediante un baño líquido. 12
DESTILACIÓN FRACCIONADA
Figura 4. Destilación fraccionada Al calentar la mezcla el vapor se va enriqueciendo en el componente más volátil, conforme asciende en la columna, y los líquidos al caer se enriquecen en el componente menos volátil, consiguiendo así su separación. Es una técnica que permite la realización de una serie de destilaciones sencillas en una sola operación continua. Se usa para separar componentes líquidos que difieren menos de 25ºC en el punto de ebullición. Es un montaje similar a la destilación simple en el que se ha intercalado entre el matraz y la cabeza de destilación una columna que puede rellenarse con cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran superficie, por ejemplo anillos o hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos de porcelana, etc.
Figura 5. Columnas de Destilación a) Columna de relleno sencilla b) Columna Vigreux 13
La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado en química para separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. La mezcla se pone en el aparato de destilación, que suele consistir en un matraz (u otro recipiente en general esférico), en cuya parte inferior hay unas piedrecillas que impiden que el líquido hierva demasiado rápido. En la boca del recipiente, en la parte superior, hay una columna de fraccionamiento, consistente en un tubo grueso, con unas placas de vidrio en posición horizontal. Mientras la mezcla hierve, el vapor producido asciende por la columna, se va condensando en las sucesivas placas de vidrio y vuelve a caer hacia el líquido, produciendo un reflujo destilado. La columna se calienta desde abajo y, por tanto, la placa de vidrio más caliente está en la parte inferior, y la más fría en la superior. En condiciones estables, el vapor y el líquido de cada placa de vidrio están en equilibrio y, solamente los vapores más volátiles llegan a la parte superior en estado gaseoso. Este vapor pasa al condensador, que lo enfría y lo dirige hacia otro recipiente, donde se licúa de nuevo. Se consigue un destilado más puro cuánto más placas de vidrio haya en la columna. La parte condensada en la placa más cercana al azeótropo contiene gradualmente menos etanol y más agua, hasta que todo el etanol queda separado de la mezcla inicial. Este punto se puede reconocer mediante el termómetro ya que la temperatura se elevará bruscamente. 14
PROCESO DE EXTRACCIÓN DE LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL El proceso de extracción de líquidos del gas natural es al que se somete el gas natural rico libre de impurezas, con la finalidad de separar el gas Metano seco (CH4 ) de los llamados Líquidos del Gas Natural (LGN), integrados por Etano (C2 H 6 ), Propano ( C3 H8); Butanos (C4 H 10 ), Pentanos (C5 H 12 ), etc.
El principal objetivo del proceso de extracción es el estudio del comportamiento de las mezclas de hidrocarburos en equilibrio bifásico. Los componentes más livianos de la mezcla Como Metano(CH4 ) y Etano (C2 H 6 ) , los cuales principalmente se concentran en la fase de vapor, mientras que los más pesados Propano( C3 H8) ; Butanos (C4 H 10 ), Pentanos (C5 H 12 ), se acumulan en la fase líquida, y por lo tanto serán los que deban de ser separados en el procesos de extracción de los líquidos del gas natural.
La distribución de los componentes que se encuentran presentes en ambas fases se predice mediante las constantes de equilibrio bajo las condiciones de presión y temperatura. Al disminuir la temperatura y aumentar la presión se favorece la concentración de los compuestos pesados en la fase líquida y se obtienen los (LGN). Esto explica la necesidad de los procesos de extracción de líquidos de operar a temperaturas bajas. El gas natural que se envía a las plantas de extracción está constituido por metano, etano, propano, butano e hidrocarburos más pesados, así como por impurezas tales como el azufre, y otros componentes de gas natural y que de alguna forma pueden hacer que el proceso que se evalúa tenga una baja eficiencia, y por lo tanto cause problemas de rentabilidad.
LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Son los hidrocarburos que se pueden extraer del gas natural para mantenerlos en estado líquido en condiciones normales de presión y temperatura. Puede decirse que son la parte más pesada de la mezcla de hidrocarburos que, al partirse, se conserva en estado líquido. Se dice del propano y de los componentes más pesados. De ordinario, se habla del GPM, indicando con esta expresión la cantidad de galones de 15
líquido que se pueden separar de cada mil pies cúbicos de gas, medidos en condiciones normales. Los hidrocarburos líquidos son compuestos con enlace simple de carbono, los cuales bien sea por la alta presión o baja temperatura, pueden ser mantenidos en estado líquido. Esta característica permite que sean almacenados y transportados de manera fácil y eficiente. De igual forma su capacidad como fuente de energía o de insumo como materia prima para la obtención de hidrocarburos más complejos hace que los Líquidos del Gas Natural (LGN) tengan una alta cotización del mercado nacional e internacional.
Se consideran que en los (LGN), se encuentran presentes los compuestas Etano: (C2),Propano (C3) y Butanos (C4), los cuales son gas en condiciones atmosféricas. También se encuentran presente el Pentano (C5), Gasolina Natural, Residual, estos componentes por lo general se denominan Pentano y compuestos más pesados (C5+), el cual es un líquido en condiciones atmosféricas, por lo que permite su transporte en forma líquida. Se le conoce LGN a la mezcla de componentes licuables del gas natural, generalmente esta constituido por los componentes mas pesados que el propano (C3+), aunque en los últimos años las mejoras en los procesos de extracción de LGN, específicamente procesos de extracción con turboexpansión han logrado también licuar el etano en la mezcla, así que se puede decir que el LGN puede ser también los mas pesados que el etano (C2+).
USO DE LOS LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Los Líquidos del Gas Natural (LGN) pueden ser utilizados como fuente de energía o como combustible doméstico o vehicular, aunque, también pueden ser utilizados como aditivo para ciertos procesos industriales o como materia prima para la obtención de otros hidrocarburos. En Venezuela los (LGN) son comercializados tanto en el mercado nacional como en el internacional.
En el mercado internacional PDVSA Gas cotiza mayormente el (C3); (nC4) y (iC4), gasolina natural y (C5). Mientras que en el mercado interno, la comercialización 16
de los LGN se encuentra dividida en función del uso final que se le da a los mismos. Este uso puede ser como fuente energética/combustible, como aditivo de procesos industriales o como materia prima para algunos procesos industriales de gran importancia, desde el punto de vista económico y social, entre los componentes obtenidos tenemos: Etano(C2), Propano (C3), Butano (C4) GLP El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases condensables presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo. Los componentes del GLP, aunque a temperatura y presión ambientales son gases, son fáciles de condensar, de ahí su nombre. En la práctica, se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y butano. Mezcla de hidrocarburos livianos, gaseosos, predominantemente propano y butano, obtenida en las Unidades de Procesamiento de Gas Natural (UPGN) o a través de proceso convencional en las refinerías de petróleo. . Conocido como "gas de cocina" (gas doméstico) por emplearse principalmente en la cocción de alimentos. También se le utiliza en apiladoras, soldaduras, esterilización industrial, prueba en cocinas, sopletes y otras aplicaciones industriales. Se almacena en estado líquido a través de la elevación de la presión o reducción de la temperatura. El propano y butano están presentes en el petróleo crudo y el gas natural, aunque una parte se obtiene durante el refino de petróleo, sobre todo como subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC, por sus siglas en inglés Fluid Catalytic Cracking). PROPIEDADES DEL GLP El GLP de fuentes naturales consiste principalmente de propano, isobutano y butano normal. Sin embargo el GLP manufacturado, es decir proveniente de los procesos de craqueo de refinerías contiene además cantidades substanciales de propileno y butilenos. Además en el GLP pueden estar presentes pequeñas cantidades de etano, etileno, isopentano y pentano normal. La presión de vapor ejercida por un GLP a una temperatura dada depende de los porcentajes y presiones de vapor de los gases individuales que lo componen. 17
El GLP y todos los hidrocarburos que lo componen son fácilmente inflamables. Esta propiedad hace sea usado como combustible, se torne peligroso si no se lo maneja correcta y cuidadosamente. Todos los hidrocarburos que componen el GLP son mas pesados que el aire y es importante tenerlo en cuenta porque cuando se escapa de un confinamiento, especialmente en grandes cantidades, tiende a asentarse en las partes bajas tales como sótanos, huecos y otras cavidades. El GLP producido del gas natural es incoloro, insípido e inodoro, por lo tanto debe agregársele una substancia odorizante para que el olor sirva de aviso indicador de fugas o escapes de gas y de que una posible mezcla explosiva esté presente. El GLP no es tóxico. Sin embargo, donde existe una alta concentración de gas a menudo hay deficiencia de oxigeno (falta de aire) y como 17% por volumen de oxigeno es necesario para mantener la vida humana (el aire tiene 21%) la inhalación de altas concentraciones puede ser peligrosa.Aunque el GLP existe en estado gaseoso bajo condiciones normales de presión temperatura, puede licuarse prontamente de las siguientes maneras: 1. Reduciendo la temperatura 2. Aplicando presión 3. Reduciendo la temperatura y aplicando presión. Luego puede ser transportado, almacenado y manejado fácilmente como líquido, reteniendo todas las ventajas de un combustible gaseoso. Por lo tanto es importante, si ha de usarse como un gas, que todos los hidrocarburos que lo componen pasen a la fase gaseosa a cualquier temperatura sobre sus puntos de ebullición cuando descargan a la atmósfera. Los usos principales del GLP son los siguientes: Obtención de olefinas, utilizadas para la producción de numerosos productos, entre ellos, la mayoría de los plásticos. Combustible para automóviles Combustible de refinería. Combustible doméstico (mediante garrafas o redes de distribución). 18
COMPORTAMIENTO DEL GLP DURANTE UN INCENDIO O EXPLOSIÓN La gasolina y líquidos inflamables similares, a menos que contengan cantidades excepcionales de compuestos altamente volátiles tales como propano y butano, permanecen como líquidos cuando se descarga de un envase, excepto por una evaporación lenta a la atmósfera. Cuando el GLP se descarga, se expande rápidamente del estado liquido al gaseoso. Mezclado con aire en las proporciones apropiadas y próximo a una fuente de ignición arderá; y si la mezcla esta confinada la combustión puede tomar la forma de una explosión El margen explosivo o inflamable para el butano normal puro por volumen en aire es 1.8 % a 8.4 %, para propano puro 2.4 % a 9.5 %, para gasolina 1.3 % a 6 % y para gas manufacturado 5 % a 45 %. Cuando el GLP se descarga o derrama en pequeñas cantidades, se vaporiza rápidamente y se mezcla con el aire. Generalmente se disipará sin peligro, pero si esto no ocurre y se prende por una chispa, una llama libre, u otra fuente de ignición, queman rápidamente. Sin embargo, el incendio, probablemente no será serio a menos que el GLP este confinado. Por el contrario cuando el GLP se derrama en grandes cantidades, el volumen puede ser tal que el gas se esparcirá sobre un extensa área, en concentraciones que son inflamables. Si hay una fuente de ignición en ese área resultará una combustión acelerada.
Aún cuando los gases no estén confinados, la expansión de grandes volúmenes incendiados es algunas veces tan grande que la fuerza es casi tan violenta como si hubiera ocurrido una explosión. Una idea de la magnitud de los volúmenes de gas presentes en una emergencia se ilustra por el hecho de que 4.000 galones de propano liquido (15142 litros), cuando se descargan a la atmósfera, se expanden rápidamente del estado liquido al gaseoso en una relación de 270 a 1 y sé convierten en algo mas de 1.000.000 de galones (aproximadamente 130.000 pies cúbicos) de gas altamente inflamable.
19
GASOLINA NATURAL Producto resultante del procesamiento de gas natural. Compuesta básicamente por pentano, hexano y heptano. Los métodos utilizados para su elaboración son la absorción con aceite pesado, la absorción con carbón vegetal, compresión y refinación. Se utiliza para la mezcla con gasolina que se produce en las refinerías o con el petróleo para mejorar la densidad de ese producto y aumentar su valor comercial extraída del gas natural, es una mezcla de hidrocarburos que se encuentra en la fase líquida, en determinadas condiciones de presión y temperatura, compuesta de pentano (C5) y otros hidrocarburos pesados. Obtenida en separadores especiales o en UPGN. Puede mezclarse a la gasolina para especificación, procesarse nuevamente o agregarse a la cadena del petróleo.
CONCEPTO DE ETAPAS DE EQUILIBRIOS En la destilación todos los cálculos se ejecutan usando etapas teóricas de equilibrio Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de instantáneas transformaciones (flashes) de equilibrio, con dos alimentaciones y dos corrientes de flujos en contracorriente. En la figura de la página siguiente, se puede observar 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.
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, las composiciones de estas fases están relacionadas por la constante de equilibrio por la siguiente ecuación. Ec. 1 Donde: xi = fracción molar del componente en la fase liquida yi = fracción molar del componente en la fase vapor ki = Constante de equilibrio
20
Figura 6 Etapas de equlibrio El grado de separación o pureza de un producto tiene un impacto directo sobre el tamaño de la columna y los requerimientos de servicios, alta pureza requiere mas platos, mas reflujo, mayor diámetro y/o reducida cantidad de producto. Una medida cuantitativa de la dificultad para una separación es el factor de separación Sf, definido como. Ec. 2 Típicamente para la mayoría de los problemas de separación este factor esta en el rango de 500 a 2000. Sin embargo para separaciones muy puras este valor puede llegar a 10000, el numero de platos aproximadamente será el logaritmo del factor de separación para un determinado sistema.
La volatilidad de los componentes solamente se expresa como volatilidad relativa ( ). Esta variable esta definida como la relación de las constantes de equilibrio de los compuestos clave liviano y pesado, expresado en la siguiente ecuación. 21
Ec. 3
Para sistemas de hidrocarburos en dos fases, los compuestos que están en una fase estarán también presentes en la otra fase, en proporción al valor de su constante de equilibrio (K). Por lo tanto es necesario tener muchas etapas de contacto gas/liquido para provocar una concentración gradual de los componentes livianos en la fase gaseosa y los componentes pesados en la fase liquida, esto requiere que la columna de destilación tenga muchas etapas de separación, que se agregue mas calor al fondo de la columna para suministrar la energía de despojo y que se aplique condensación en la cima para licuar los componentes que se retornan a la cima dela torre como reflujo. TIPOS DE FRACCIONADORAS Interiormente, la torre de fraccionamiento tiene una presión, la cual se considera estable en toda su longitud la única diferencia de presión que hay entre el tope y el fondo de la torre de fraccionamiento es debido al peso propio de los fluidos que participan en el proceso. En cambio la temperatura del tope es mucho más baja que la del fondo de la torre. Aquí está la clave de la separación, es decir el fraccionamiento de los hidrocarburos se sustenta el capacidad que tienen los elementos más volátiles para ascender en una columna fraccionadora, desde luego la parte más liviana se irá al tope de la torre, mientras que la porción más pesada quedará en el fondo. En la figura Nº 7 se presenta un ejemplo de fraccionamiento en relación a lo anteriormente descrito
Figura 7 22
En la tabla 2 se presenta la composición porcentual de los componentes de hidrocarburos que en encuentran en cada uno de tren del proceso de fraccionamiento
Tabla 2 En la figura Nº 7 se observa que el fluido entra al tren de fraccionamiento (1), el cual está sometido a una presión de 425 (lpcm) y temperatura de 240ºF, tal como lo indica la tabla 2, en la composición del fluido predominan los líquidos del gas natural. La temperatura en el tope de esta torre alcanza un valor de 95ºF, el fluido entra a la torre donde se recupera el etano líquido, donde la concentración de este componente alcanza un valor de 71,1538%, por la parte posterior de esta torre sale el gas residual. En la parte de abajo del tren de fraccionamiento (1) quedan los componentes más pesados de fluido, que llega al proceso de fraccionamiento, estos hidrocarburos entran al tren de fraccionamiento 3, en el cual la presión tiene un valor de 315 (lpcm), mientras que la temperatura en el fondo es 280ºF y en el tope es 135ºF.
El fluido que entra al tren de fraccionamiento 3 está libre de gas metano, por la diferencia de temperatura en el tren 3 la fracción más liviana ingresa a la torre donde se recupera el propano, que es la torre 4, y tal como lo indica el cuadro Nº 2, prácticamente está conformado solo por propano. En vista que el valor de la temperatura de fondo de tren 3 es de 280ºF, permite la acumulación de la fracción más pesada, y que controlada por válvula ingrese al tren de fraccionamiento 5, que se encuentra sometido a una presión de 100 (lpcm), siendo la temperatura de fondo de 250ºF. 23
En la tabla Nº 2 se puede observar que el fluido que llega a esta torre, está libre de metano, etano y propano. El valor de la temperatura en el tope de este tren es 135ºF, por lo que hay una elevación de los hidrocarburos más livianos de esta fracción, que hace que ingrese a la torre, donde se recupera el butano, mientras que en el fondo, donde quedo la fracción más pesada se recuperará la gasolina natural, y todavía queda una parte del butano, que se recupero en la torre debutanizadora. PLATOS DE BURBUJEO EN EL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO Se entiende por plato de burbujeo o bandeja de burbujeo, a un equipo que se encuentra en la torre de fraccionamiento, plantas deshidratadora o de endulzamiento de gas natural, donde se encuentran la corriente de gas que está siendo tratada y el componente líquido que viene del tope. Lugar donde se produce el intercambio de materiales entre el gas que sube dentro de la torre con el líquido que desciende desde el tope o el punto de entrada. En cada uno de estos platos, debe haber un equilibrio termodinámico entre los gases y el líquido con el cual están en contacto.
Las fracciones más pesadas de los hidrocarburos, que llegan al proceso de fraccionamiento necesitan mayor temperatura para evaporarse, es por ello que la torre irá estratificando los fluidos en función de sus respectivos puntos de burbujeo Los más pesados hacia el fondo y los más livianos en los platos del tope. El operador podrá decidir de qué plato debe retirar un determinado producto para satisfacer los requerimientos previamente establecidos. Cuando se comienza el trabajo dentro de la secuencia de torres, luego se empieza el trabajo con la primera columna, en este caso la pregunta es ¿Qué características se deben considerar en el diseño? ¿Cómo debe ser ese producto que está llegando al sistema? Es necesario que esté completamente líquido y listo para empezarse a evaporar. Es decir que esté a su punto de burbujeo. En los niveles de ingeniería es fácil calcular, para una determinada composición del fluido y, a una presión determinada, cuál debe ser la temperatura a la cual se empieza a evaporar el fluido. Así, al conocer la presión de la torre en el sitio donde se introduce la 24
alimentación, en las torres de fraccionamiento de los líquidos del gas natural, una vez determina la presión queda, que se debe de determinar la temperatura a la cual se debe introducir el fluido, para asegurarse de que entre en estado líquido y próximo a empezar la evaporación. Cuando el fluido rebosa el plato de entrada (plato de alimentación) y cae al sector inmediatamente inferior, se empieza a evaporar porque consigue temperaturas más altas y, finalmente, el que llega al plato del fondo de la torre, también estará a su punto de burbujeo, en estado líquido, y listo para entrar a la próxima columna para continuar el proceso de separación. En la figura Nº 8 se presenta un esquema de platos superiores en una columna de burbujeo.
Figura 8 Si la torre de fraccionamiento está llena con una serie de platos igualmente distanciados entre el tope y el fondo, de tal manera que los líquidos vayan cayendo, de uno a otro plato, hasta llegar al fondo. En cada uno de esos recipientes habrá burbujeo y desprendimiento de la porción más volátil.
25
Por cuanto hay líquidos que entran a la torre de manera continua a la altura del plato de carga, ubicado en su zona media, los platos de burbujeo estarán siempre llenos y existirá en equilibrio una porción de vapor que, desde cada plato, asciende hacia el tope, así como, una porción de líquidos que baja hasta el fondo de la columna. La zona superior se llena de líquido gracias al reflujo, también en estado líquido, que entra al primer plato para completar la operación.
Así que, con este aporte, todos los platos de la torre estarán llenos de líquido y, al entrar en contacto con los vapores que suben, garantizarán el equilibrio termodinámico en cada una de las etapas o platos de burbujeo. Además, como se indico antes la temperatura del fondo de la torre, tiene un valor mayor, con respecto al tope, será fácil entender que, dentro de la torre, existe un gradiente de temperatura. Es decir que, desde el tope hacia el fondo, la temperatura en cada plato es cada vez más alta. Eso permite que los fluidos se vayan evaporando a medida que descienden. PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO En la Figura. Nº 9, se observa un diagrama esquemático de una torre de fraccionamiento,
Figura Nº 9. Partes importantes de una torre de fraccionamiento 26
Algunos de los parámetros fundamentales que caracterizan el funcionamiento del sistema:
Tope de la torre, sección de rectificación. Zona inferior, sección de despojamiento. Plato de alimentación. Condensador de reflujo y medio de enfriamiento. Bomba de reflujo. Acumulador o tambor de reflujo. Rehervidor. Gradiente de temperatura dentro de la torre.
Se comienza en el lugar donde la alimentación entra a la torre. En ese plato es conveniente que el fluido llegue a su punto de burbujeo (completamente líquido y listo para empezarse a evaporar). Al entrar a la destiladora el fluido llena el plato de alimentación y, al rebosarlo, empieza a caer hacia los platos del fondo. A medida que desciende encuentra temperaturas más elevadas que vaporizan las porciones livianas, produciendo un líquido cada vez más pesado. Este fluido recircula en el rehervidor y se calienta evaporando una parte del mismo, que regresa a la torre como un reflujo de fondo en estado gaseoso. El vapor, cargado de componentes pesados, sube y, a medida que asciende, encuentra puntos fríos donde se condensan las partes pesadas que, a su vez, contribuyen a llenar cada bandeja. El vapor en permanente ascenso dentro de la torre va quedando libre de las partes pesadas hasta que llega al tope y sale de la columna. De allí pasa por el condensador de reflujo en el cual se licua parcial o totalmente.
Un condensador parcial es aquel que corresponde a un producto de tope en estado gaseoso. En ese caso solamente se condensa la porción que regresa a la torre como reflujo. Cuando se trata de un condensador “total”, los fluidos del tope salen en estado líquido y así se llevan al mercado. La producción sale por el fondo de la torre también en estado líquido y, por lo general, a su punto de burbujeo. Es obvio que si sale 27
parcialmente vaporizado va a producir cavitación en las bombas. En consecuencia, el condensador parcial, se diseña para el punto de rocío del producto del tope, mientras que el condensador total, debe trabajar a su punto de burbujeo. Así, cuando los vapores que abandonan el último plato, se condensan totalmente, una parte sale del sistema, en estado líquido; y la otra, regresa a la torre como reflujo. Este condensador estará diseñado para trabajar a su punto de rocío, en el cual, se fija la temperatura al nivel necesario para producir la cantidad de líquido que requiere la torre (el reflujo). De aquí se deduce que, cuando se establece la manera como ha de separarse la alimentación, se está decidiendo sobre las condiciones de trabajo de la torre. Y la misma manera, 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.
Obsérvese de nuevo la figura que nos sirve de referencia. (Fig. Nº 9), la cantidad de líquido que regresa al tope de la torre, procedente el tambor de reflujo, llena el plato superior y actúa como un filtro, en estado líquido, que retiene las partículas pesadas que todavía transporta el gas antes de salir de la torre. Si se elimina el reflujo desaparece el filtro que evita el arrastre de líquido fuera de la torre y, obviamente, se produce una cantidad excesiva de condensado en el separador o en las tuberías. Adicionalmente, el producto del tope sale fuera de especificaciones EL REFLUJO Y EL NÚMERO DE PLATOS EN LA TORRE
El reflujo está íntimamente ligado al número de platos que tenga la columna, en la Figura Nº 10 se aprecia el comportamiento. Las expresiones que siguen ayudarán a entender el tema:
28
Figura 10 Número mínimo de platos: establece el menor número de bandejas o etapas de burbujeo que debe tener la torre para que pueda funcionar. Lo cual supone que todo el producto del tope se condensa y se regresa a la torre.
Reflujo mínimo: indica la menor cantidad de líquido que debería retornar a la torre si se utilizara un número infinito de etapas de equilibrio. Obviamente son conceptos teóricos que establecen los límites de la operación. Por lo general una razón de reflujo (L/D) igual a 1,25 -1,8 nos conduce al número de etapas o platos de burbujeo con las cuales la torre podría trabajar de manera satisfactoria. Esto nos habla de la conveniencia de diseñar con los platos requeridos para hacer funcionar la columna dentro de un esquema óptimo económico.
En condiciones normales de operación, la alimentación debe entrar a su punto de burbujeo. Si 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, el producto en exceso se debe condensar, para regresarlo como reflujo. Para obtener la condensación excesiva se debe incrementar la tasa del fluido de enfriamiento en el condensador de reflujo. Como consecuencia de lo anterior, se debe aumentar la cantidad de calor en el rehervidor, con el fin de mantener el equilibrio termodinámico.
29
Lo cual implica el empleo de una mayor tasa energética en el condensador. Al incrementar el costo de la energía, el producto pudiera salir demasiado costoso y, por lo tanto, quedaría fuera de competencia en el mercado. Así se observa que las condiciones a las cuales entra la carga a la torre y el reflujo correspondiente están íntimamente ligadas con:
La carga calorífica del condensador. La carga calorífica del rehervidor. La capacidad del acumulador de reflujo. La capacidad máxima y mínima de los platos de burbujeo instalados en la torre. lo que, en efecto establece una permanente correlación entre los diferentes parámetros y equipos del sistema.
BASES PARA EL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO Para diseñar una columna de fraccionamiento es necesario seguir los siguientes pasos: 1.- Definir la alimentación, recuperación de productos (Tasa de Flujo) y especificaciones de los mismos (Caracterización)
2.- Definir el componente Clave Pesado y el componente Clave Liviano.
3.- Establecer la presión de la columna de acuerdo al medio enfriamiento en el condensador.
4.- Calcular el punto de rocío para el destilado (Temperatura de tope) y el punto de burbujeo para el fondo. (Temperatura de fondo).
5.- Calcular el mínimo número de platos teóricos. 6.- Calcular el reflujo mínimo. 7.- Determinar el punto de operación de reflujo y el número de platos teóricos. 30
8.- Determinar el plato de alimentación. 9.- Calcular la eficiencia de la columna (o plato) y determinar el número de platos. 10.- Calcular el diámetro y altura de la torre. FUNDAMENTOS DEL FRACCIONAMIENTO El fraccionamiento es un proceso que consiste en separar los líquidos del gas natural (LGN) en gas licuado de petróleo (GLP) y gasolina natural (GN). El proceso de fraccionamiento es un proceso de separación de las fracciones licuables del gas natural, tal y como se muestra en la Figura 11 Una vez que los hidrocarburos líquidos han sido retirados de la corriente de gas, deben ser separados en corrientes de productos vendibles.
Las corrientes de productos más comunes son el C3, C4 y C5+. Por lo general en la etapa de producción, el C3 y el C4 se encuentran combinados y se los llama Gases licuados de petróleo (GLP). La separación de estas corrientes de productos se denomina fraccionamiento y se lleva a cabo por medio de la utilización de torres de fraccionamiento.
Figura 11 31
La unidad de fraccionamiento se utiliza para separar mezclas complejas de gas en productos individuales. El fraccionamiento de la mezcla en sus componentes se efectúa basándose en la volatilidad relativa ( ) de cada uno. Las dificultades en la separación están directamente relacionadas con la volatilidad relativa y la uniformidad del componente básico.
Virtualmente todo el gas que se procesa en una planta para obtener hidrocarburos licuables, requiere al menos una torre de fraccionamiento para poner al producto
en
las
especificaciones
técnicas
normalizadas,
para
su
posterior
comercialización. En el regenerador se aplica calor para gasificar al líquido. Este gas asciende por la columna mientras va contactando al líquido que desciende y deja la columna por la parte superior ingresando en un condensador, donde debido a la acción de un sistema de enfriamiento, se convierte al estado líquido. Una vez licuado, ingresa nuevamente en la torre como reflujo, para evitar que el componente más “pesado” salga por la parte superior con la corriente gaseosa.
A los efectos de lograr una eficiente separación de los componentes, es necesario que las dos fases tengan un íntimo contacto entre sí, para lo cual se intercalan en la torre a determinados espaciamientos, bandejas o laberintos que provocan justamente este contacto entre el líquido y la corriente de gas dentro de la columna. La fase gaseosa en esta etapa, será enfriada dando como resultado la condensación de alguno de los componentes más pesados mientras la fase líquida será calentada desprendiendo los componentes más livianos. En realidad los componentes más pesados se alojarán en el fondo de la torre y el producto es denominado usualmente “producto de fondo”. En el proceso, la fase líquida es continuamente enriquecida por los componentes livianos, conformando el “producto de la cabeza”.
La parte gaseosa saliendo por la cabeza de la columna, puede ser total o parcialmente condensado. En un condensador total, todo el vapor será condensado y en forma de líquido regresará a la columna componiendo el “reflujo”, manteniendo la 32
misma composición que el destilado que sale por la cabeza de la columna o torre. En la mayoría de los casos, sólo una parte de la fase gaseosa entra en el condensador para convertirse en el líquido necesario para el proceso de reflujo. El gas, en condiciones de equilibrio con el líquido, continuará el circuito de proceso, fuera de la torre. La reconversión en el fondo de la torre de fraccionamiento de los líquidos en gases se hace por el incremento de la temperatura del líquido que pasa por el calentador o caldera, superando la temperatura de burbuja para las condiciones de presión establecidas. Este es el caso de la utilización del reboiler o calentador, pero el intercambio de calor o la incorporación del calor al líquido, también puede ser realizada con intercambiadores con aceite caliente o gas. El circuito de circulación puede ser por termosifón o bien por circulación forzada por bombas como se observa en el siguiente esquema:
Figura 12
TORRE DE FRACCIONAMIENTO Las torres de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran diámetro, que suelen configurar el entomo de una refinería. Aunque tal cosa no se descubre a simple vista, están organizados para sacarle al petróleo los diferentes componentes, desde los más livianos hasta los más. pesados. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porción a la cadena de hidrocarburos. Al comienzo saldrán los más livianos y, progresivamente, los pesados; hasta dejar los bitúmenes pastosos que ya no aceptan mayores cortes. 33
Con el gas natural ocurre lo mismo, pero en este caso se trata de la separación de los integrantes más livianos de la cadena de hidrocarburos. El diseño de una torre comienza con la indagatoria a fondo del fluido que se va a procesar. Del conocimiento y la seguridad que se tenga de la composición del gas natural que debe llegar a la planta dependerá la filosofía que soporte todas y cada una de las decisiones.
Una vez que se conozcan los diversos componentes que integran la muestra y se tenga garantizada la producción, se podrá iniciar el análisis del proceso. De allí la importancia que tiene, a los efectos de un diseño, conocer a cabalidad la materia prima que alimentará la primera torre, Si esa primera parte es dudosa, en el mismo grado se habrá impactado la economía del proceso. La torre tiene una presión más o menos estable en toda su longitud. La única diferencia de presión que hay entre el tope y el fondo es debido al peso propio de los fluidos. En cambio la temperatura del tope es.mucho más baja que la del fondo de la torre. TIPOS DE TORRES DE FRACCIONAMIENTO-VENTAJAS La elección del tipo de equipo, las partes interiores de esos equipos, la relación liquido/gas, el diámetro y la altura de la columna tienen efectos importantes desde el punto de vista económico al para una operación de fraccionamiento. En este caso nombraremos algunas ventajas importantes para la selección de las torres, entre: Hay muchos casos en que las torres empacadas tienen ventajas importantes. Entre estas se incluyen: 1.- Operaciones al vacio: La caída de presión en una torre empacada se puede diseñar con frecuencia para un nivel más bajo que en el caso de una torre de platos y, obtener, de todos modos, un contacto adecuado en el vapor y el liquido. 2.- Los líquidos espumantes se pueden manejar con frecuencia en forma más satisfactoria en una torre empacada.
34
3.- La retención de líquido suele ser generalmente menor, por lo que se puede manejar materiales sensibles at calor junto con procesos que pueden tener reacciones secundarias indeseables. 4.- La construcción suele ser más sencilla y barata cuando el sistema es corrosivo para los materiales de construcción normales. 5.- Para columnas pequeñas (menores que, aproximadamente, 2 pies de diámetros), las torres empacadas serán casi siempre más baratas que las de platos. TORRES EMPACADAS
Figura 13 CARACTERISTICAS DEL RELLENO Cada uno de los rellenos, presentan características distintas,según sea su forma,diseño,material y tamaño.Dichas características son importantes tomar encuenta al momento de diseñar una torre empacada,ya que el relleno de una torre es el que proporciona el área de contacto entre las fases involucradas,y mientras mayor sea el 35
área de transferencia de menor altura será la torre.Pero también se debe tomar encuenta los costos involucrados. En la tabla que se presenta a continuación se da información sobre las características de algunos tipos de rellenos
Figura 3
36
TORRES DE PLATOS Las torres del tipo de platos tienen ventajas importantes en muchos campos:
1.- Se instalan con facilidad serpentines de enfriamiento en los platos, lo que las hace más convenientes cuando el calor de solución requiere enfriamiento interno. 2.- Con el diseño apropiado para la longitud del flujo transversal de líquido, las torres de platos pueden manejar flujos más altos de líquido.
3.- Para flujos de líquido extremadamente bajos (por ejemplo, en la deshidratación de gas natural en el cual se utiliza un glicol), las torres de platos tienen ventajas, puesto que se pueden diseñar para retener una cantidad dada de líquido en el plato. 4.- Se puede preferir ciertos tipos de torres de plato, cuando hay deposiciones de materiales sólidos que se deben retirar periódicamente. La limpieza de las otras torres de platos se puede hacer por bocas de acceso, mientras que las torres empacadas requieren que caiga el empaque para facilitar la limpieza
5.- El peso total de la torre de platos suele ser menor que el de una torre empacada, diseñada para el mismo servicio. La resistencia limitada a la trituración de muchos materiales de relleno puede hacer obligatorio el use de platos múltiples de soporte del empaque, para sostener el peso alto, de la columna empacada.
6.- Se prefieren en general columnas de platos para las operaciones que requieren un gran número de unidades de transferencia o platos teóricos. Las torres empacadas tienden a someterse al encauzamiento de las corrientes de vapor y liquido y la distribución adecuada es difícil de mantener, sin patrones bastantes elaborados de redistribución.
37
COMPONENTES PRINCIPALES DE LAS COLUMNAS DE DESTILACION Las columnas de destilación se componen de varios componentes, cada uno de ellos se utiliza principalmente para la transferencia de calor, o mejorar la transferencia de masa. Un típico esquema de destilación contiene varios componentes principales:
Figura 14
PROPÓSITO DEL FRACCIONAMIENTO Cualquier planta de procesamiento de gas que produce Iíquidos del gas natural (LGN), requiere de al menos una fraccionadora para producir un líquido que cumpla con las especificaciones para venta. Por lo tanto,el propósito del fraccionamiento es obtener de una mezcla de hidrocarburos líquidos, ciertas fracciones que como productos deben cumplir especificaciones.
Para separar una corriente líquida de hidrocarburos en varias fracciones, se requiere una torre de destilación por fracción. De otra forma si lo que se quiere es estabilizar la corriente del hidrocarburo condensado recolectado en el separado de entrada a la planta, para recuperar las fracciones de pentano y más pesadas (C5), se 38
utiliza una torre estabilizadora en la cual se separan las fracciones de pentano y más pesados, los cuales salen por el fondo y las fracciones de butano y más livianos (C4), las cuales salen por la cima. Generalmente esta fracción de cima de butano y más livianos, se consume dentro de la misma planta como gas combustible. El producto de fondo se vende como un condensado estabilizado, al cual se le controla en la torre la presión de vapor Reid (RVP), con la cual se determina el tipo de tanque de almacenamiento requerido (para gasolina natural 10-34 RVP, se recomiendan tanques esféricos, cilíndricos horizontales o verticales con domo; para gasolina 5-14 RVP tanques con techo flotante o de techo fijo con venteo).
El número total de columnas de destilación depende de la composición del alimento y del número de productos a ser recuperado. En un sistema en el cual se recupera etano, GLP (mezcla de C3 y C4) y el balance como C5+, se requiere un mínimo de tres columnas de destilación para las separaciones siguientes: Separar el metano de los hidrocarburos de dos y más carbonos. Separar el etano de los hidrocarburos de tres y más carbonos Separar el GLP y el C5+
39
