EXTRACCIÓN DE LIQUIDOS DEL GAS NATURAL INTRODUCCIÓN El gas natural es una de las fuentes de energía más utilizadas a nivel mundial y también una de las más limpias, el manejo del mismo desde el pozo pozo has hasta el usua usuarrio nal nal com compren prende de etapa tapas s de extra tracció cción n de comp compon onen ente tes s líu líuido idos, s, elim elimin inac ació ión n de cont contam amina inant ntes es,, comp comprresió esión n y tran transp spor orte te!! Este Este proc proces esam amie ient nto o del del gas, gas, cubr cubre e una una ampl amplia ia gama gama de oper operac acio ione nes s con con la nal nalid idad ad de prep prepar arar ar el gas gas a las las cond condic icio ione nes s del del mercado! "a extra extracci cción ón de compon component entes es líuid líuidos os es una etapa etapa impor importan tante te de la cadena de valor del gas natural debido a ue, a#n cuando el gas natural está está form formado ado princi principa palme lmente nte de metano metano,, puede puede inclui incluirr tambi también én etano etano,, prop propan ano, o, buta butano no y pent pentan anos os!! "a sepa separa raci ción ón o extr extrac acci ción ón de dich dichos os compuestos del del gas natural son de interés interés económico debido debido a ue estos componentes tienen un alto valor cuando son vendidos por separados! "a composición del gas tiene un mayor impacto en la economía en cuanto al recobro recobro de "$% y la selección de los procesos de extracción! &ientras &ientras el gas contenga mayor cantidad de hidrocarburos hidrocarburos licuables, o sea más rico, mayor es la cantidad de productos ue se le puede extraer! "a unidad de medida de los líuidos lí uidos recobrados recobrados o extraídos extraídos del gas natural, es decir para conocer si es rico o no, se utiliza la unidad de $'& ($alones por mil pie c#bicos), nor normalm malmen ente te apli aplica cado do al prop propan ano o y comp compo onent nentes es más más pesa pesado dos s y frecuentemente se incluye el etano! "os procesos de extracción de líuidos se pueden alcanzar desde un simple control del punto de rocío hasta una profunda extracción de etano de la corriente de gas natural aplicando diferentes métodos! * medida ue las exigencias de extracción sean mayores, mayores, igualmente lo será la complejidad y el costo de las instalaciones de proceso! +esd +esde e prin princi cipi pios os del del sigl siglo o los los proc proces esos os de extr extrac acci ción ón de líu líuido idos s consisten en comprimir y enfriar la corriente de gas! El proceso de *bsorción de petróleo crudo fue desarrollado en la década de -./0 para incrementar el recobro de gasolina y producir productos con mayores cantidades de butano! En la década de -.10 fue desarrollado el proceso de *bsorción de petró petróleo leo crudo crudo refr refrige igerad rado o para para incre incremen menta tarr más más a#n a#n la produ producci cción ón de líuidos! *un en el siglo /- se utiliza la refrigeración para extraer de la corriente del gas natural el propano y componentes más pesados! Esto puede lograrse, ya sea por2 3 4efrigeración &ecánica (4efrigeración directa) 3 5istema de *bsorción (6ransferencia de masa)
3 'rocesos 6hompson)
7riogénicos
(6urbo8expansión
y9o
expansión
:oule8
6ambién se han desarrollado y aplicado nuevas técnicas como refrigeración en cascada, mezcla de refrigerantes y la tecnología de turbo expansores con la nalidad de alcanzar temperaturas a#n más bajas en los procesos de extracción de líuidos! 7on la utilización de éstas técnicas, se ha logrado incrementar signicativamente el recobro de líuidos de la corriente del gas natural! "os primeros procesos de extracción lograban un 10; de recobro de etano, mientras, con los #ltimos adelantos en procesos de refrigeración se logran hasta un .0; de recobro! "os procesos de refrigeración criogénica, en comparación con el método de absorción, permiten la separación de las fracciones más livianas de los líuidos, al producir la condensación de las mismas por una disminución de la temperatura! "as instalaciones modernas de procesamiento de gas producen etano y productos más pesados, los cuales son enviados a otras plantas de proceso para extraer otros productos comercializables (ya sea para las petrouímicas, plantas de fraccionamientos o comerciarlizarlos)!
Procesamiento del gas natral El gas natural, libre o asociado, procedente de los yacimientos es tratado y acondicionado por medio de procesos adecuados, para satisfacer las especicaciones de calidad en función de sus diferentes usos 3 "a eliminación de compuestos ácidos (5) y (70/), a través de un proceso denominado Endulzamiento, el cual consiste en el uso de tecnologías basadas en sistemas de absorción, utilizando un solvente selectivo! El gas alimentado se denomina =amargo>, y el producto =gas dulce>! 3 "a eliminación del agua a través de la deshidratación, con el n de evitar la formación de hidratos en el proceso! 3 "a recuperación de etano e hidrocarburos licuables mediante procesos criogénicos (procesos en los ue se usa temperaturas muy bajas, ue permiten la generación de líuidos), previo proceso de deshidratación para evitar la formación de hidratos! 3 4ecuperación de azufre de los gases ácidos ue se generan durante el proceso de endulzamiento! 3 ?raccionamiento de los hidrocarburos líuidos recuperados, obteniendo corrientes ricas en etano, propano, butanos y gasolina!
L!"idos del gas natral #LGN$ 5on mezclas de hidrocarburos de peso molecular mayor ue el del metano ue se pueden extraer en consecuencia del tratamiento y procesamiento al cual están sometidos el gas natural! "os "$% son una valiosa fuente de componentes ue pueden ser utilizados como combustibles o como materia prima en la industria petrouímica! ?ormado por etano, propano, butano y otros componentes hidrocarburos más pesados! Entre los clientes nacionales de la industria del "$% se encuentran2 mercado interno de propano, 'euiven, 4enería de 'uerto "a 7ruz, 4enería El 'alito, las plantas de 7arenero, $uamache, 'unta 7ardón y 5uper @ctanosA así como el mercado doméstico, en especial las zonas populares! 'or otro lado, B-; de la producción de este hidrocarburo abastece los mercados internacionales2 7uba, países del 7*4C7@&, EE! DD!, &éxico, 7hile, rasil, 7urazao, 'uerto 4ico y Europa!
In%raestrctra de LGN& • • • •
B plantas de fraccionamiento2 :ose, Dlé y ajo $rande! B plantas de extracción2 5an :oauín, 5anta árbara y :usepín! B muelles de embarue2 :ose, "a 5alinas y ajo $rande! Existen F1 plantas de llenado ue cubren casi todo el país y ue surten a /B0 empresas privadas distribuidoras y comercializadoras de gas "os líuidos del gas natural ("$%) producidos en estas plantas son llevados al 7omplejo ?raccionamiento de :osé, en donde son
separados y llevados al mercado nacional e internacional! El gas residual ue sale de estas plantas es llevado por gasoductos a los clientes del mercado nacional, o a la reinyección de pozos
La ri"e'a del gas natral #GP($ "a riueza del gas natural se mide en $'&, este se dene como los galones de "$% ue se pueden obtener por cada mil pies c#bicos de gas naturalen condiciones normales (-G!1 psig y H0 I?), mientras mayor sea el valor de $'& del gas, este se considera más rico, porue se le pueden extraer mayores vol#menes de líuidos de gas natural ($as rico $'& J B)! Es un factor muy usado en plantas de extracción de líuidos de gas naturalA debido a ue solo el propano y compuestos más pesados pueden recuperarse como líuidosA aunue el etano también puede ser objeto de recuperación!
GPM =∑
(
( 1000 )∗Y i∗ ρi 379,6
)
+onde2 • • •
Ki2 fracción molar 'i2 densidad líuida (gal9mol) $'&2 $al9-000 pie cubicos de gas
E)tracci*n de l!"idos 'roceso en donde se somete el gas natural rico o humedo libre de impurezas, es decir, previamente endulzado y deshidratado, con la nalidad de separar el gas metano de los llamados "$%! "os componentes más livianos de la mezcla como metano y etano, se concentran en la fase gaseosa, mientras ue los más pesados propano, butanos, pentanos y más
pesados se acumulan en la fase líuida, para ser enviados a las plantas de fraccionamiento! "os procesos de extracción de líuidos del gas natural cubren una gran variedad de tecnologías! *lgunas de estas tecnologías operan a temperaturas de nivel criogénico, condiciones a la cuales, de haber agua presente, formaría hidratos y9o congelaría el proceso! "a selección del proceso a utilizar, su complejidad y el costo dependen del grado de recobro de líuidos ue se desea obtener! 5in embargo, a la hora de la selección del proceso de extracción, el factor más importante es la composición del gas! En general, un gas rico reuiere mayores gastos de energía a la hora de realizar la refrigeración, mientras ue un gas pobre reuiere condiciones de proceso más severas (menores temperaturas) para alcanzar un recobro alto! "a recuperación de líuidos del gas natural se obtiene mediante cambios de las condiciones del gas! +e esta manera, al producirse cambios en el euilibrio de los componentes del gas natural se puede lograr ue algunos de ellos se condensen y otros se evaporicen!$eneralmente, las condiciones ue más suelen cambiar son presión y temperatura! Esto puede lograrse, ya sea por2 3 4efrigeración &ecánica (4efrigeración directa) 3 5istema de *bsorción (6ransferencia de masa) 3 'rocesos 6hompson)
7riogénicos
(6urbo8expansión
y9o
expansión
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+e estas tres, la tecnología ue hoy en día está más aanzada en nuestro país es la #ltima, debido a su alta eciencia en la recuperación de líuidos!
Re%rigeraci*n mec+nica Es una de las tecnologías más sencillas y antiguas ue existen para el procesamiento de gas! "a refrigeración mecánica se produce mediante la disminución de temperatura, y se basa en el intercambio de calor con un Luido refrigerante mediante un sistema de refrigeración utilizando evaporadores de enfriamiento! 5e realiza a presión constante, donde ocurre la condensación de los componentes más pesados! Este proceso permite mantener la presión del sistema, siendo esta una ventaja, pero representa un alto costo en euipos de refrigeración! "a selección del refrigerante se basa en los reuisitos de temperatura, disponibilidad y economía! 'or ejemplo, en un proceso de gas natural, el etano y propano pueden estar a disposiciónA por lo tanto éstos se usarán como refrigerantes! En la práctica, el propano, etileno, metano y los freones, son los Luidos refrigerantes más com#nmente utilizados por las planta de refrigeración mecánica del gas natural!
En el proceso ue usa un compresor para aumentar la presión de un refrigerante a una presión condensable! Esto se lleva a cabo mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo! El ciclo de refrigeración puede ser clasicado en cuatro fases diferentes mediante el uso del diagrama presiónMentalpía ('M<)! Estas fases son2 expansión, evaporación, compresión y condensación
,ase e)-ansi*n •
•
•
En la etapa de expansión la presión y la temperatura se reduce al pasar a través de la válvula de control en la cual cae la presión al valor del ' el cual lo determina la temperatura deseada del refrigerante 6b en ' ! En el ' la entalpia del liuido saturada es hlb y la entalpia correspondiente para vapor saturado es h N! 7omo la expansión entre * y ocurre a través de una válvula de expansión y no hay intercambio de energía, el proceso se considera isentalpico, por lo ue la entalpia a la entrada y salida en la misma h "*! 7omo el ' esta dentro de la envolvente, vapor y liuido saturado coexisten! 'ara determinar la cantidad de vapor formado en el proceso de expansión!
Etapa de evaporación •
El vapor formado en el proceso de expansión (*8) no suministra ninguna refrigeración al proceso! El calor es absorbido del proceso de evaporación de la parte de la parte liuida de refrigerante! 7omo se muestra en la g -8B esto es a temperatura y presión constante
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"a entalpia del vapor en el punto 7 es hN físicamente la evaporación ocurre en un intercambiador de calor denominado evaporador o chiller! El liuido frio suministro la refrigeración y su efecto refrigerante está denido como2
"a capacidad de refrigeración referido a la cantidad total de calor absorbido en el chiller por el proceso, generalmente se expresa como toneladas de refrigeración o 6D9unidad de tiempo "a rata de Lujo de refrigerante está dada por la siguiente expresión
Eta-a de com-resi*n "os valores de refrigerante salen del chiller a la presión de saturación 'c y las correspondientes temperaturas 6c con una entalpia hvb! "a entropía en este punto 7 es 57! "os valores se comprimen isotrópicamente a la presión '* a través de la línea 7+ g ! -8B El trabajo isotrópico (ideal) Oi! 'or comprimir el refrigerante desde 'b a 'a esta dado por2
El valor de hPvd esta determinado por las propiedades del refrigerante a ' y una entropía 5c! 7omo el refrigerante no es un Luido ideal y los compresores no operan idealmente, se dene el termino eciencia isentropica ni para compensar las ineciencias en el proceso de compresión (esta eciencia se denomina también adiabática)! El trabajo real de compresión puede ser calculado asi2
"a entalpía a la descarga esta dada por2
El trabajo de compresión puede expresarse como2
Eta-a de condensaci*n •
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El refrigerante sobrecalentado ue sale del compresor 'a y 'd (punto + gura -8B)! 5e enfría a la temperatura de punto de roció 6a a condición muy cercana de presión constante y se condensa a temperatura constante +urante el proceso de sobrecalentamiento y condensación, todo el calor y trabajo acondicionados al refrigerante durante los procesos de evaporación y compresión, deben ser removidos de forma tal ue se
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complete el ciclo llegando al punto de inicio *, en el diagrama @8< ue se muestra en la g -8B! *condicionado, el duty de refrigeración al calor de compresión! 5e calcula el duty de condensación Qcd con la siguiente expresión2
"a presión de condensación del refrigerante es una función del medio de enfriamiento disponible2 aire, agua de enfriamiento u otro refrigerante!
Procesos Criogénicos Dn proceso de expansión se conoce como auel en el cual un Luido pasa de mayor a menor presión! Esta disminución de presión, trae asociado una disminución de la temperatura con el propósito de condensar una mayor cantidad de componentes! Proceso de Turbo-expansión
"os turbo8expansores son turbo8máuinas destinadas a disminuir la presión y la temperatura de los gases, aumentando su volumen para así poder licuarlos o condensarlos, aprovechando el trabajo producido para generar potencia!'ara la separación del etano y la máxima recuperación de los "$% es necesario llevar el gas a temperaturas extremadamente bajas! Estas bajas temperaturas se logran mediante un proceso denominado turboexpansión, ya ue consigue a la vez una reducción en el punto de rocío mucho más drástica ue la obtenida mediante otros procesos El turbo8expansor es una turbina de un solo impeler o rueda similar a una turbina de vapor! Es una máuina de libre circulación ue reduce la presión y la temperatura de una corriente del gas y convierte la energía de la presión de gas en trabajo #til! El turboexpansor habitualmente entrega la energía al compresor ue se utiliza para comprimir el gas pobre expandido (el gas después de ue se hayan extraído los líuidos condensados de "$%), o en la generación de energía eléctrica! "as ruedas del expansor y del compresor están unidas por los extremos de un eje com#n! Esta combinación del expansor y del compresor en una sola máuina es conocida como expander9compressor (expansor9compresor), el cual es el corazón de la planta criogénica!
Descri-ci*n del -roceso -! Dna parte del gas deshidratado se deriva al reboiler de la deetanizadora en una fracción controlada para mantener la temperatura en el fondo de la torre! /! El resto del gas se preenfría en una serie de intercambiadores gas8gas, entre los ue se puede agregar un chiller si el proceso reuiriera un mayor descenso de temperatura! B! El gas así pre8enfriado, junto con la fracción ue retorna del reboiler, se envían a un separador bifásico! *llí, se separan los condensados producidos aguas arriba durante el pre8enfriamiento! G! El gas seco se expande en la turbina bajo control de presión, y luego, se alimenta al tope de la torre deetanizadora! 1! El condensado separado se alimenta también al tope de la deetanizadora a manera de reLujo frío, ue condensa los componentes más pesados ue ascienden desde el fondo de la torre! El gas pobre sale del tope de la deetanizadora a baja temperatura y presión! +esde allí, se deriva a los intercambiadores gas8gas (/)! H! +esde el intercambiador gas8gas, a primera etapa de compresión en el compresor acoplado al turboexpansor! R! 5e reuiere una segunda etapa de compresión para alcanzar la presión del gasoducto! F! El líuido del fondo de la torre se procesa en una planta de fraccionamiento
"a turbina de expansión cumple una función semejante a la válvula expansora en las unidades :oule6hompson! "a diferencia es ue en la turbina de expansión el gas, además de enfriarse, produce trabajo! "a válvula :!6! tienen muy bajo costo en comparación con el expansor y puede ser colocados como complemento a la función de estos en muchos lugares de la planta!
Expansión Joule-Thomson "a expansión en válvulas :!6! es muy similar a la del turbo8expansor debido a ue consiste en disminuir la presión para lograr la licuefacción de los componentes del gas natural! Dna válvula :!6! o de estrangulamiento es simplemente una restricción al Lujo, si bien se reduce la presión, no realiza trabajo y por lo general la transferencia de calor es peueSa! El proceso de :oule86hompson consiste en el paso desde una presión constante a otra presión también constante y menor ('fT 'i), de un gas a través de un estrangulamiento o una pared porosa! El gas se expande adiabáticamente en el paso de una presión a otra, y se produce una variación en su temperatura! "a variación de temperatura depende de las presiones, inicial y nal, y del gas utilizado! Este enfriamiento ocurre por expansión isoentálpica, es decir, la entalpía del gas permanece constante durante la expansión!
El proceso de funcionamiento de la unidad :86 es muy simple! 7onsiste en enfriar la corriente de gas caliente y de alta presión, con gas frío ya procesado en un intercambiador! *sí, se logra ue, antes de la expansión, el gas esté tan frío como sea posible! 7uanto más baja sea la temperatura, mayor será la condensación!
Descri-ci*n del -roceso -! El gas a procesar ingresa a la unidad a través de un intercambiador gas8 gas! /! Dna vez pre8enfriado, el gas se expande a través de una válvula :86! "a expansión produce la condensación de parte de la fracción más pesada! B! El condensado se separa en un separador convencional! +esde allí, sale el gas frío hacia el intercambiador de entrada! "uego, pasa a compresión o directamente al gasoducto! El líuido separado se procesa seg#n su cantidad y calidad! +esde punto de vista del proceso, es conveniente ue el gas se enfríe tanto como sea posible!
$eneralmente, el separador utilizado es uno de los ue se emplea en separas gas8líuido! 5i fuera necesaria una inyección de glicol para evitar la formación de hidratos, se utiliza un separador trifásico convencional!
SISTE(A DE A.SORCIÓN El proceso de extracción de líuidos mediante absorción puede realizarse a temperatura ambiente o bajo condiciones refrigeradas, y consiste en poner el gas en contacto con un líuido aceite pobre, el cual contiene cantidades ínmas casi nulas, de los productos líuidos del gas natural, permitiéndose así ue el líuido absorba o disuelva parte del gas en una torre de absorción! El líuido ue abandona el fondo de esta torre es llamado aceite rico, debido a ue es rico en los productos líuidos del gas natural, mientras ue el gas residual, es auel ue resulta de haberle extraído todos los líuidos al gas de alimentación! El aceite rico se dirige a una torre desentanizadora y su función es separar el etano y demás fracciones livianas ue se hayan absorbido en el aceite, con la nalidad de acondicionar los productos líuidos, permitiendo así ue entren en especicación! En la gura /!F, se observa el proceso de extracción mediante absorción
Este método posee alta eciencia en la recuperación de etano (hasta valores de 10 ;) y para el caso de recobro de propano se pueden alcanzar valores de hasta .. ;, con la limitante de los altos costos de capital ue se tiene con el solvente y las recurrentes perdidas por arrastre!
.scar otra de/nici*n de adsorci*n
PUNTO DE E.ULLICIÓN A 01 2C DE 3IDROCAR.UROS
Diagrama de (ollier El diagrama de entalpía o diagrama de &ollier permite simplicar los cálculos generales ue se encuentran en refrigeración! Esto permite en particular encontrar los valores siguientes2 'resión del condensador, 'resión del evaporador, 4elación de compresión, 7alor máximo del líuido, 7alor máximo del vapor, 7alor latente del Luido refrigerante, 'roducción frigoríca, Nolumen especíco del gas de salida del evaporador, Entropía del gas, 6emperatura del gas después de la compresión, Energía necesaria de trabajo de compresión, 7alor disipado en el condensador! @tro fenómeno termodinámico ue resulta importante recordar es ue el cambio de fase líuido8vapor de un Luido se produce de distinta manera dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, seg#n el diagrama de &ollierH para ese Luido! 'or #ltimo está el efecto :oule86homson2 estos dos cientícos observaron ue la temperatura de un as a presión disminuía sensiblemente al expandirlo a través de una válvula reguladora! 4esumiendo, hay tres conceptos directores del proceso de licuación, ue son los siguientes2 -) * la temperatura de ebullición (o a la de fusión) el proceso de calentamiento se estanca y aunue se siga aportando calor la temperatura no sube hasta pasado un tiempo /) El cambio de fase líuido8vapor de un Luido se produce de distinta manera dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, seg#n el diagrama de &ollier para ese Luido!
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