Fraccionamiento Del Gas Natural

FRACCIONAMIENTO DE LOS LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL

1. INTRODUCCION

Hoy por hoy en las condiciones energéticas en las que se encuentra nuestro país; la

sobredemanda interna de crudo; nos llevado a mirar al gas natural como nuestro

principal objetivo a la hora de buscar hidrocarburos, pero al igual que el mismo crudo,

el gas natural también debe ser sometido a una serie de procesos para poder ser

transportado y puesto en comercialización, debido a las normas mínimas establecidas

por el API para la composición química del mismo.

Mediante el presente documento se demostrara la serie de procesos a los cuales es

sometido el gas natural después de ser extraído del reservorio, cabe recalcar que no

todos los procesos están incluidos en este informe, debido a que solo se han considerado

los procesos convencionales y los ocupados en nuestro país y latinoamerica.

2. OBJETIVO

Informar del porque se debe tratar el gas natural.

Dar una instrucción completa a todos los estudiantes de ingeniería petrolera

sobre los procesos del gas.

Que dicha instrucción sea en base a los campos gasíferos bolivianos.

3. DESAROLLO

3.1 Contaminantes Del Gas Natural

El gas natural, sin ser tratado, presenta contaminantes de diferentes

características al igual que producen diferentes daños a las instalaciones, mayores

costos operativos y al ambiente, por lo que el gas necesita de un sistema de

tratamientos que eliminen de la composición dichos contaminantes.

Entre los principales contaminantes del gas natural se encuentran los siguientes:

Sulfuro de Hidrógeno H2S Monóxido de Carbono CO Dióxido de Carbono CO2

39


Nitrógeno N2

Agua H2O Oxígeno O2

Sulfuro de Carbonilo COS Disulfuro de Carbono CS2

Mercaptanos RSH Mercurio Hg

Estos contaminantes tienen efectos diversos sobre la cadena del gas natural, a

continuación mostramos los efectos principales de los mismos.

Efectos Del Sulfuro De Hidrógeno (H 2S), Mercaptanos, Disulfuros de Carbono, Sulfuro de Carbonilo y compuestos sulfurados similares.

Los efectos de estos contaminantes del gas natural, son variados de acuerdo a la cantidad disuelta en el aire, a continuación se presentan en la Tabla 1-1, los diferentes efectos de acuerdo a la concentración del sulfuro de hidrógeno.

Tabla 1-1. Efectos de exposición de H2S al ser humano

CANTIDAD EFECTO10 ppm, v Cantidad de H2S a la cual se puede exponer una persona

durante ocho horas sin que sea afectada.70 – 150 ppm, v

Ligeros síntomas, después de varias horas de exposición.

170 – 300 ppm, v

Máxima concentración que se puede inhalar sin que afecte el sistema respiratorio.

400 – 500 ppm, v

Peligroso: durante 30 minutos a una hora.

600 – 800 ppm, v

Fatal: en menos de 30 minutos.

Fuente: “Ingeniería de Gas, Principios y Aplicaciones” – Marcías J. Martínez

El sulfuro de hidrógeno presente en el gas natural no se encuentra en contacto

directo con los consumidores, pero pequeñas concentraciones pueden producir

corrosión en las líneas. Las normas internacionales prescriben por lo general un

contenido máximo de 4 ppm,v para estos compuestos sulfurados.

40


Si se exceden las concentraciones recomendadas esto puede dar lugar a la

corrosión de las instalaciones. La Condición de Humedad y H2S propician la

corrosión y son definidas con una concentración de H2S igual o mayor a 50 ppm/w en

fase acuosa.

El caso típico de agrietamiento por H2S es el de Agrietamiento por Tensión

en presencia de H2S (Sulfide Stress Cracking - SSC): Ruptura del metal por la

acción combinada de esfuerzo de tensión y corrosión producido por agua y H2S. SSC

envuelve ruptura (embrittlement) del metal por el efecto atómico del hidrógeno a nivel

superficial.

Normalmente ocurre en aceros altamente tensionados o en zonas de soldadura

endurecidas del acero.

A continuación se pueden ver las siguientes fotografías que muestran los cortes

corrosivos de H2S sobre los metales:

Fig. 1-1 Corrosión de H2S en ambiente húmedo

41


Fuente: Base de datos Worldoil

Fig. 1-2 Corrosión de H2S en un sistema de endulzamiento de gas


Fig. 1-3 Corrosión de H2S en un sistema de endulzamiento

42



Efectos Del Dióxido de Carbono (CO 2)

El dióxido de carbono es un gas relativamente inerte, pero en medio acuoso,

tiene gran potencial corrosivo que se acentúa con la presencia de agua y presión

elevada. Se recomienda una concentración máxima del 2% en CO2 para transporte y

43


transmisión. La gráfica muestra el mecanismo de corrosión de las tuberías en

presencia de CO2.

Fig. 1-4 Corrosión por CO2 en función de la presión parcial

Las reacciones químicas comprenden la formación de ácido carbónico, el cuál

se disocia y ataca al hierro oxidándolo aumentando su valencia y formando sales. Esta

formación de sales disminuye el espesor del acero con la reducción de la resistencia

estructural de las instalaciones. Las reacciones químicas se muestran el las Fig. 1-5 y

Fig. 1-6.

Fig. 1-5 Reacciones químicas de corrosión causadas por CO2

44


Fig. 1-6 Reacciones químicas de corrosión causadas por CO2

La corrosión se incrementa a bajas o moderadas temperaturas como se muestra

en la Fig. 1-7 y también a presiones elevadas como se ilustra en la Fig. 1-8.

Fig. 1-7

45


Fig. 1-8

Una norma bastante generalizada es de 30 psi (2,11 kg/cm2) como presión

parcial de CO2 para evitar un riesgo inminente de corrosión por el CO2.

En el caso de la presión a la salida de una planta de compresión que se

encuentra en un rango de 1400 a 1550 psia (98,43 a 108,98 kg/cm2) y un máximo de

2% en volumen de CO2, calculando la presión parcial a 1550 psia, la presión parcial

es:

46


PCO2= XCO2 * PT Ec. 1-1

Efectos Del Agua

El agua (H2O) como acompañante del H2S y CO2 es un promotor de la corrosión.

Por otra parte, el agua puede formar hidratos de metano, el cuál esta formado por

moléculas simples de gas natural encerradas en jaulas cristalinas formadas por

moléculas de agua congelada (Fig. 1-9).

El hidrato de carbono tiene la apariencia del hielo algo gris, pero si se le acerca un

cerillo puede arder.

Las compañías petroleras tienen conocimiento del hidrato de metano desde la

década de los 30, cuando comenzaron a usar gasoductos para transportar el gas a alta

presión en lugares de clima frío.

A menos que se disminuya la concentración de agua del gas en las tuberías,

grandes cantidades de metano impedirán el flujo de gas en los ductos. Para transporte

la norma es de 7 lb/MMPCN como máximo y 3-5 ppm,v para las plantas criogénicas.

Efectos del Mercurio

El mercurio en el gas natural puede ocasionar la corrosión del material de las

“cajas frías” o intercambiadores de calor de placas y alta eficiencia por que estos se

construyen con aleaciones de aluminio, elemento que reacciona con el mercurio. En

las instalaciones criogénicas se usan filtros desmercurizadores para eliminarlo. Las

normas exigen 0,01 microgramos / m3 como máximo para plantas criogénicas y 50

microgramos / m3 para condiciones ambientales.

Efectos de Nitrógeno

47


El nitrógeno tiene naturaleza inerte y no combustible, en concentraciones elevadas

reduce el poder calorífico del gas y aumenta los costos de transporte por que se

transporta un gas que no se utiliza para generar energía.

Por lo general, las compañías de transporte de gas penalizan las altas

concentraciones de gas nitrógeno, se puede recomendar un 2% molar como máximo

en gas de transmisión, cabe destacar que existen normas más exigentes.

Fraccionamiento de los líquidos

La Destilación es probablemente el método más económico para separar

una mezcla en sus componentes individuales. La separación es fácil si la

volatilidad relativa de los compuestos clave liviano y clave pesado es

substancialmente mayor que uno. Los componentes más livianos (producto de

cima), se separan de los más pesados (producto de fondo).

De esta forma, el producto de fondo de una columna es el alimento a la

próxima columna, la cual puede operar a una presión menor pero a

temperatura mayor.

La altura de la columna, número de platos o altura de empaque, depende

de la volatilidad relativa. Entre más baja sea la volatilidad relativa, la altura de la

columna será mayor. En la Fig. 2 -1 se muestra en forma esquemática una torre

de fraccionamiento con sus diferentes componentes.

El calor se introduce al rehervidor para producir los vapores de despojo. El

vapor sube a través de la columna contactando el líquido que desciende. El

48


vapor que sale por la cima de la columna entra al condensador donde se

remueve calor por algún medio de enfriamiento.

El líquido se retorna a la columna como reflujo para limitar las pérdidas

de componente pesado por la cima.

Internos tales como platos o empaque promueven el contacto entre el

líquido y el vapor en la columna. Un íntimo contacto entre el vapor y el líquido

se requiere para que la separación sea eficiente. El vapor que entra a una etapa

de separación se enfría con lo cual ocurre un poco de condensación de los

componentes pesados.

La fase líquida se calienta resultando en alguna vaporización de los

componentes livianos. De esta forma, los componentes pesados se van

concentrando en la fase líquida hasta volverse producto de fondo.

49

FIG. 2 - 1 Diagrama Esquemático Del Proceso De Fraccionamiento


50


La fase de vapor continuamente se enriquece con componente liviano

hasta volverse producto de cima. El vapor que sale por la cima de la columna

puede ser totalmente o parcialmente condensada En un condensador total,

todo el vapor que entra sale como líquido, y el reflujo retorna a la columna con

la misma composición que el producto de cima destilado.

2.3 Principio De La Destilación

En la destilación el proceso de separación 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 líquida.

Cuando la mezcla no es de dos componentes sino multicomponente. La

separación se selecciona entre dos componentes denominados claves, por

ejemplo etano y propano.

Se aplica calor hasta que todo el etano y los compuestos más livianos se

vaporizan, mientras que a la presión y temperatura de operación, el propano y

los compuestos más pesados permanecen en la fase líquida.

Entre mayor sea la diferencia en volatilidad de los dos compuestos claves

seleccionados, más fácil será efectuar la separación. Por lo tanto, en el proceso

destilación se requiere que haya una diferencia en los puntos de ebullición a la

51


presión de operación, y que los compuestos sean estables térmicamente para

que no se descompongan.

El componente más pesado que se vaporiza se denomina “componente

clave liviano” y el componente más liviano que permanece en la fase líquida se

denomina “componente clave pesado”.

En la destilación todos los cálculos se ejecutan usando etapas teóricas de

equilibrio. Una columna de fraccionamiento puede ser considerada como una

serie de equilibrios flash con dos corrientes de alimento y dos de producto,

como se muestra en la Fig. 2-2.

El vapor entra al flash desde la etapa inferior a alta temperatura y la

corriente de líquido entra desde la etapa superior a baja temperatura.

En esta etapa ocurre transferencia de calor y de masa de forma tal, que

las corrientes que salen estén en el punto de burbuja de líquido y en el punto de

rocío de vapor, a la misma temperatura y presión.

Las composiciones de estas fases están relacionadas por la constante de

equilibrio así:

yi=Ki*xi Ec. l

52


La relación entre los balances de materia y energía para cada etapa es la

base para el diseño de toda la torre de fraccionamiento.

Dos consideraciones importantes que afectan el tamaño y costo de una

columna de fraccionamiento son el grado de separación y la volatilidad de los

componentes.

53


FIG. 2-2 Modelo Básico De Fraccionamiento

54


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 más platos, más 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:

SF = (XD/XB)LK (XB/XD)HK Ec. 2

Típicamente para la mayoría de los problemas de separación este factor

está en el rango de 500 a 2000. Sin embargo, para separaciones muy puras este

valor puede llegar a 10000. El número 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 α. Esta variable está definida como la relación de las constantes de

equilibrio de los compuestos claves liviano y pesado así:

α = KLK / KHK Ec. 3

Para sistemas de hidrocarburo en dos fases, compuestos que están en una

55


fase estarán también presentes en la otra fase, en proporción al valor de su

constante de equilibrio K.

Por lo tamo, es necesario tener muchas etapas de contacto gas/líquido,

para provocar una concentración gradual de los componentes livianos en la fase

gaseosa, y los componentes pesados en la fase líquida.

Esto requiere que la columna de destilación tenga muchas etapas de

separación, que se agregue 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 de la torre como reflujo.

TORRE DE FRACCIONAMIENTO

Las torres de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran

diámetro, que suelen configurar el entorno 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.

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

56

http://www.gas-training.com/Articulos/pf_01.jpg


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. Cuando se trata de una columna fraccionadora, la parte

liviana se irá al tope de la torre mientras que la porción pesada quedará en el

fondo (Flujo de Vapor).

FLUJO DE VAPOR

57






Fuente: GPSA-98, Fig. 19-9

TIPO DE FRACCIONADORES

El número y tipo de fraccionador requerido depende del número de

productos a ser producidos y la composición de la alimentación Los productos

típicos son los líquidos del gas natural, los cuales son los siguientes procesos de

fraccionamiento.

o Demetanizadoro Deetanizadoro Depropanizadorao Debutanizadora

2.4 Propósito Del Fraccionamiento

58


Cualquier planta de procesamiento de gas que produce líquidos 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 y 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

separador de entrada a la planta, para recuperar las fracciones de pentano y

más pesadas (C5+), se 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). En la Fig. 2-3 se ilustra una instalación típica para

estabilización de condensado. 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’s y

C4’s) y el balance como C5+, se requiere un mínimo de tres columnas de

destilación para las separaciones siguientes:

59


- 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 los C5+.

En la Fig. 2-4 se muestra un tren de fraccionamiento usado para producir

tres productos. La corriente de alimento contiene mucho etano para ser

incluido en los productos; por eso, la primera columna es una deetanizadora. La

corriente de cima de la deetanizadora se recicla a la planta de procesamiento

aguas arriba, o se envía al sistema de gas combustible.

El producto de fondo de dicha columna, es la carga a la segunda columna

llamada depropanizadora; en la cual se obtiene como producto de cima,

propano en especificaciones. El producto de fondo es una mezcla de C4’s y

gasolina que va a la tercera columna. Esta es una debutanizadora, en la cual se

separan los productos butano y gasolina.

Esta separación es controlada por la limitación de presión de vapor en la

gasolina. El butano producto se puede vender como una mezcla, o se puede

separar en otra torre en iso-butano y normal-butano, productos que tienen

aplicación como materia prima para petroquímicos.

La demetanizadora es otra clase de fraccionadora, la cual no usa

condensador de reflujo externo para producir líquido para el contacto con los

vapores en la torre. Esta torre se encuentra en plantas criogénicas. Como puede

verse en la Fig. 2-5, el alimento al plato de cima compuesto por 12% mol como

líquido a baja temperatura, suministra el líquido de reflujo. Este líquido junto

con las otras corrientes de alimento, es la carga líquida a la torre.

60


El rehervidor es el punto de control para la pureza del producto de fondo.

La composición de cima es función de las unidades de proceso aguas arriba. Esta

es una aproximación económica para obtener un solo producto, pero la

eficiencia de separación está limitada.

Una mejor recuperación o una separación más fina, se logra adicionando

un condensador de reflujo y una sección de rectificación .

61


FIG. 2-3 Proceso Típico De Estabilización De Condensados

62


FIG. 2.4 Tren De Fraccionamiento y Rendimientos

63


64


Galones / día

C1 1,5 1,5

C2 24,6 22,2 2,4 2,4

C3 170,3 7,5 162,8 161,9 0,9 0,9

iC4 31,0 31,0 0,9 30,1 30,1

1 2 3 4 5 6 7

FIG. 2.4 Tren De Fraccionamiento y Rendimientos (Continuación)

65


nC4 76,7 76,7 76,7 72,1 4,6

C5 + 76,5 76,5 76,5 0,9 75,6

Total 380,6 31,2 349,4 184,2 104,0 80,2

gal/day 41340,0 31160,0 29290,0

66


FIG. 2. 5 Demetanizador

67


En la Fig. 2.6 se muestran dos alternativas de secuencias en un tren de

fraccionamiento de dos torres, las cuales físicamente son viables pero hay una

que es la óptima.

El arreglo óptimo depende del número y cantidad de compuestos a ser

separados, de la volatilidad relativa, de la pureza requerida, etc.

King hizo un análisis generalizado para una mezcla de n componentes a

ser separados en n productos utilizando n- 1 torres, y recomienda las siguientes

cuatro “reglas del dedo gordo”, con base principalmente en consideraciones de

ahorro de energía y dificultad para la separación:

1. La secuencia directa de separar los compuestos uno a uno es la que

más se favorece, a menos que aplique uno de los siguientes eventos.

2. Se debe dar prelación en la secuencia, a la separación que resulte en

una división equimolar entre el producto de cima y el de fondo.

3. Componentes adyacentes cuya volatilidad relativa está cercana a la

unidad deben separarse sin presencia de otros componentes; por lo

tanto, esta separación debe reservarse para la última torre en la

secuencia.

4. La separación que exija una alta recuperación de las fracciones debe

dejarse para lo último en la secuencia.

68


EJEMPLO 2-1 (GPSA)

Para la siguiente corriente de alimento en moles C2 = 2.4, C3 = 162.8, iC4 =

31.0, nC4 = 76.7 y C5 = 76.5, el 98% del propano se recupera como producto de

cima, el cual tiene un contenido máximo de iC4 de 1.0% mol.

Seleccionar los componentes clave liviano y pesado. Estimar las

composiciones de los productos de cima y fondo.

- Se selecciona el C3 como componente clave liviano por ser el más

pesado de los componentes que se vaporiza.

- Se selecciona el iC4 como componente clave pesado, por ser el más

liviano de los componentes que permanece en la fase líquida.

Para propano:

- Moles en la cima = (0.98) * 162.8 = 159.5 moles de C3

- Moles en el fondo = 162.8 — 159.5 = 3.3 moles de C3

Para etano:

69


- Moles en la cima = 100 % del alimento = 2.4 moles de C2

Calcular el total de moles en la cima:

- Como el iC4 es el 1 % mol del producto de cima, la suma de C3 + C2

será el 99% (todo el C4 y C5+ están en el fondo). Entonces:

Moles de cima*0.99 = C3 + C2

Moles de cima = (C3 + C2)/0.99 = (159.5+2.4)/0.99

= 161.9/0.99 = 163.5

Moles de iC4 en la cima = 163.5 — 161.9 = 1.6

70


En una operación real los componentes más livianos que el clave liviano (C3),

y los componentes más pesados que el clave pesado (iC4), no se separarán

FIG. 2-6 Alternativas De Secuencias De Tren De Fraccionamiento

71


perfectamente. Para propósitos de estimativos y cálculos a mano, asumir una

separación perfecta de los componentes no claves es una simplificación muy

útil.

El balance global será:

Componentes Alimento Producto de cima Producto de fondo

moles moles % mol moles % mol

C2 2.4 24 1.5 - -

C3 162.8 159.5 97.5 3.3 1.8

iC4 31.0 1.6 1.0 29.4 15.8

nC4 76.7 - - 76.7 41.2

C5 76.5 - - 76.5 41.2

Total 349.4 163.5 100.0 185.9 100.0

72

Documents

Fraccionamiento Del Gas Natural