IV – II II PROCESAMIENTO DEL GAS El tratamiento en Plantas de gas consiste en la combinación de los procesos básicos donde se acondiciona las fases a requerimiento del Proceso o Comercialización posterior; sumados a los necesarios para la obtención de otros productos. Los procesos específicos a partir de los l os básicos ya realizados, pueden obtener productos libres de gases contaminantes, en condiciones de Poder Calorífico requeridas, y/o el fraccionamiento de algunos productos como pueden ser los licuables Propano y Butano, como describe el esquema siguiente. Se requiere entonces para esta tarea, contar con el equipamiento necesario para realizar intercambios de calor, enfriamiento, fraccionamiento y para contactar y separar las corrientes a medida que son procesadas.
IV - II - I Fraccionamiento Fraccionamiento 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 C 3, C4 y C5+. Por lo general en la etapa de producción, el C 3 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 utilizaci ón de torres de fraccionamiento. El número de torres de fraccionamiento requeridas está en función de los productos licuables a obtener. En la figura siguiente se muestra un esquema de las torres de fraccionamiento que se utilizarían en la recuperación de hidrocarburos líquidos.
La unidad de fraccionamiento se utiliza para separar mezclas complejas de gas en productos individuales. El fraccionamiento de la mezcla en sus s us componentes se efectúa basándose en la volatil idad 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 tecnicas normalizadas, para su posterior comercialización. En el regenerador se aplica calor para gasificar al líquido. lí quido. 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 enfriami ento, se convierte al estado líquido. Una vez licuado, ingresa nuevamente en la torre c omo reflujo, para evitar que el componente más “pesado” salga por la parte superior con la corriente gaseosa. A los efectos de lograr una eficiente eficient e separación de los componentes, es necesario que la s dos fases tengan un intimo 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 cabez a de la columna, puede ser total o parcialmente par cialmente condensado. En un condensador total, todo el vapor será condensado y en forma de líquido regresará a la columna componiendo el “reflujo”, manteniendo la 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.
IV - II - II Conceptos de equilibrio de las etapas Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de instantáneas transformaciones (flashes) de equilibrio, con dos al imentaciones 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 c olumna a alta temperatura y el líquido se incorpora por la parte superior a baja temperatura. Se producirá la transferencia de calor cal or y masas de tal manera que en la columna de procesamiento se presentará el punto de evaporación en el líquido y el punto punto de rocío o condensación en el vapor bajo bajo las mismas condiciones de presión y temperatura. MÓD. III - CAP. IV: Pag. 12 12
La composición de estas fases es relativa a la relación de equilibrio. Esta relación, que analizaremos más adelante, compromete al calor aplicado y las consideraciones del balance de materiales materiale s y compone la base para todo diseño de torres fraccionadoras.
IV - II - III Tipos de fraccionadoras fraccionadoras El tipo de torre fraccionadora depende del producto que se necesit a obtener y del producto de alimentación disponible. Los típicos equipos de fraccionamiento son para obtener los siguientes productos: ETANO MEZCLA DE ETANO – ETANO – PROPANO PROPANO PROPANO COMERCIAL. BUTANO BUTANO Y GASOLINAS GASOLINAS NATURALES MEZCLAS DE GASES CON ESPECIFICACIONES DETERMINADAS DETERMINADAS En el siguiente esquema se aprecia un ejemplo ej emplo de un sistema de fraccionamiento en cascada casc ada o tren de fraccionamiento: fraccionamiento:
Para describir el proceso de fraccionamiento de este tren asumimos que el producto de ingreso contiene una alta cantidad de etano y por lo tanto será tratado en una columna deetanizadora. deetanizadora . Esta columna estará diseñada para operar con 425 psia que recibirá 380 moles hora de producto crudo, con 170 de propano (C 3), 1,5 de metano me tano (C1), 24,6 de etano (C 2), 106 de butano (C 4) y 76,5 de componentes más pesados. El proceso descripto, prevé la elevación de la t emperatura en el fondo a 240 ºF y el acondicionamiento a 95 ºF en el tope de la torre para el reflujo. Bajo tales condiciones el etano saldrá por la parte superior de la torre hacia un circuito de gas combustible o planta de procesamiento de otros derivados y por la parte inferior se obtendrán los más pesados, como el propano y superiores. En la segunda etapa del tren de proceso, mediante el mismo sistema y bajo 313 psia de presión, con 135º F de temperatura de reflujo y 280 ºF para el proceso del líquido en el fondo, fondo, se obtendrá el propano por la parte superior de la torre y los componentes componentes más pesados , ingresarán en la tercer torre. La tercera etapa opera a 100 psia para obtener un reflujo de 135º F y un acondicionamiento en el fondo a 250 ºF. De esta forma se recuperará por la parte superior el butano y por la inferior s e obtendrá gasolina natural estabilizada. De esta forma, tal como se muestra en el cuadro anterior, el proceso obtiene los componentes más livianos en cada etapa, o dicho de otra forma, en todas las etapas el producto liviano se va por la parte superior y el más pesado por la inferior, fraccionando los diferentes elementos del compuesto que tendrán finalmente distintas aplicaciones y condiciones de venta, se gún sus usos. A continuación se observa un corte de una torre fraccionadora con el objeto de mostrar el diseño interior para obtener un intimo contacto de las fases, donde se aprecian las bandejas y el detalle de las torres de burbujeo.
En las siguientes figuras, se podrán observar otros esquemas mostrando tambien los diseños interiores de estas torres con el sistema si stema de contacto en la disposición disposic ión de laberintos de uno, dos, tres y cuatro pasos.
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:
IV – II II – V V Columnas Absorbentes y de Fraccionamiento Fraccionamiento Para resumir se puede expresar que todas t odas las columnas de la planta tienen como propósito permitir la provisión de una mezcla para facilitar una buena separación de los componentes, ya ya sea por absorción, adsorción o por destilación. Columnas de Fraccionamiento: Fraccionamiento : La mezcla de producto recuperada de los procesos de gas, como la absorción o compresión, se separan en varios productos individuales utilizando un sistema de fraccionamiento. En un sistema completo de fraccionamiento el primer equipamiento, denominado desetanizador ( o deetanizador), retira todo el metano, la mayor parte del etano y algo de propano de la parte superior de la columna. Durante una operación normal, los butanos y los hidrocarburos más pesados no abandonan la parte superior de esta columna. El depropanizador es la próxima columna y aquí el propano líquido es el producto de cabeza de columna. La condensación total se logra en el condensador con el producto líquido que se lleva a almacenamiento almacenamie nto y con la cantidad requerida de reflujo que se está bombeando otra vez hacia la parte superior de la columna fraccionadora. La última columna, llamada debutanizadora, debutanizadora, produce butano como producto de cabeza de columna con condensado de la presión de vapor deseada como producto de fondo. La presión de vapor del condensado se puede variar según se desee, ajustando la cantidad de butano en el producto producto de fondo. Las variaciones de la secuencia sec uencia de fraccionamiento son comunes, así como lo son las columnas adicionales para dividir el producto butano en iso-butano y butano normal o para despentanizar el condensado. condensado. El calor resulta fundamental para la separación y es agregado al rehervidor para suministrar los vapores que hacen la remoción. El intercambio continuo de componentes entre líquido y la fase gaseosa ocurre etapa por etapa dentro de las columnas. Los componentes livianos se gasifican y se mueven hacia ar riba, mientras que los componentes más pesados se condensan y se mueven hacia abajo. La parte gaseosa deja la parte superior de la columna y se condensa.
El producto de cabeza de columna neto deja el sis tema y el reflujo es bombeado nuevamente hacia la columna para llevar a cabo el contacto de vapor líquido de contracorriente.
Las variables más importantes que afectan la terminación de la separación de los componentes son los números de etapas o bandejas y la cantidad de r eflujo devuelto a la columna. EJEMPLO DE COLUMNA DEBUTANIZADORA
IV - V PROCESAMIENTO CRIOGENICO DEL GAS IV - V - I Características del Sistema La relativamente alta recuperación del etano puede llevarse a cabo a través de la combinación de baja temperatura y circulación de aceite seco en una planta de absorción. Otros tipos de proceso para el fraccionamiento no usan el sistema de equilibrio por reflujo de productos condensados. El más importante de ellos es el sistema criogénico. El significado de la palabra de por sí identifica al proceso como transformaciones sobre la base de enfriamientos. La principal característica de estos sistemas es el concepto denominado “split“split -vapor”, que consiste en dividir en dividir la corriente de gas de entrada al proceso (feed gas) para generar reflujo en las torres demetanizadora o deetanizadora. Para dar un ejemplo del funcionamiento del sistema se describirá una columna demetanizadora que no posee reflujo de condensados externos y opera con muy bajas temperaturas. Si bien el diseño de la torre depende de muchos aspectos relacionados con los volúmenes y la calidad de los distintos componentes, se puede decir que el rendimiento, la ef iciencia y la pureza del producto obtenido por este sistema tienen un mejor resultado que los obtenidos por el proceso común de reflujo. Las bajas temperaturas se pueden obtener mediante el principio de turbo expansión o por enfriamiento en cámaras de refrigerantes tipo chillers. La figura de la página siguiente muestra el proceso criogénico en una torre demetanizadora con la la composición del porcentaje molar en cada etapa. El ingreso en la columna de fraccionamiento se produce en difer entes lugares en función de la temperatura necesaria de tratamiento. Tal como se puede apreciar en la figura, la eliminación del metano por la parte superior se producirá con el ingreso a contracorriente del flujo en la parte superior con – 166 166 ºF de temperatura, en la parte media con – con – 137 137 ºF y en la parte más baja del ingreso con – con – 32 32 ºF.
Por la parte inferior o fondo de torre se obtendrá líquido en equilibrio sin componente de metano a una temperatura de 8 ºF. La composición y porcentaje molar de componentes se indica claramente en cada tramo del ingreso a la torre demetanizadora. Observando el aspecto técnico fundamental del proceso de fraccionamiento, permite determinar la importancia del equilibrio de los parámetros físicos, fís icos, tanto en el punto de conden MÓD. III - CAP. IV: Pag. 38
sación (rocío) como en el punto de evaporación (burbuja)y este se podrá mantener si el volumen de reflujo y el tiempo de contacto entre el líquido descendente y el gas ascendente en la columna es el adecuado. Desde el punto de vista operativo, es de suma importancia conocer el volumen de reflujo necesario para un equilibrio perfecto y la composición de las bandejas o sistema de contacto dentro de la torre. También es de suma importancia mantener los circuitos, libres de sólidos e impurezas efectuando un mantenimiento adecuado.
IV - V - II Turboexpansión Bajo determinadas circunstancias entonces, resulta económico procesar el gas para una alta recuperación del etano utilizando sólo temperaturas extremadamente bajas con presión moderada como las plantas criogénicas; las que son prácticas y económicas para la industria de procesamiento de gas natural con el desarrollo del turbo expander .
Este tipo de proceso resulta más apropiado en aquellos casos donde el gas de alta presión se encuentre disponible y el uso final del gas a baja presión presi ón y relativamente cerca del punto de procesamiento. En este sistema más moderno y de alto rendimiento, r endimiento, mediante turbinas se logra una expansión, logrando temperaturas muy bajas, lo cual permite la más eficiente separación de todos los pesados, logrando una calidad comercial excelente de cualquier producto. A medida que el gas de alimento fluye a través t ravés del expansor , se despresuriza y enfría. Allí trasmite un empuje al compresor , mediante el desbalance provocado por las diferencia s de presión entre la succión s ucción del compresor y la descarga del expansor. El límite entre ambas presiones generalmente no debe exceder las 20 psi. Para diferenciales mayores se requerirá de un conjunto de trabajo en etapas. En el esquema de una planta que se observa en las próximas páginas, se puede determinar los valores de trabajo como: Entrada al expansor aproximadamente 700 psi y – 65 65 °F. Salida del expansor 215 psi y – 135 135 °F. Hacia la entrada de la torre demetanizadora. Entrada al compresor aproximadamente 200 psi . Proveniente de la salida de gases de cabez a de la torre demetanizadora, por varios intercambiadores donde entrega frío recibiendo calor. Descarga del compresor estimada en 250 psi , para un posterior enfriado, compresión y comercializaci ón.
