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EXTRACCION DE LIQUIDOS DEL GAS NATURAL Y EL CONTROL DEL PUNTO DE ROCIO POR HC
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1 INTRODUCCIN
Los lquidos del gas natural comprenden los componentes que se pueden extraer
del gas natural para mantenerlos en estado lquido; por lo tanto, es la parte ms
pesada de la mezcla de hidrocarburos y se refiere al propano y los componentes
ms pesados. De ordinario, se habla del GPM, indicando con esta expresin la
cantidad de galones de lquido C3+ que se pueden separar por mil pies cbicos
de gas, medidos en condiciones normales. La bibliografa habla del GPM = 3
como un gas rico, es decir con un elevado contenido de C3+, por otra parte, en
la actualidad valores menores de GPM se consideran rentables debido al alza
del precio del petrleo y los dems hidrocarburos a nivel mundial. Tambin se
pueden calcular valores de GPM C2+ GPM C1+ de acuerdo a los
requerimientos de la norma.
El punto de roco de los hidrocarburos (PRH), para una presin determinada, es
la temperatura a la cual se empiezan a condensar los hidrocarburos de la mezcla
de gas. Dado que el punto de roco por hidrocarburo vara con la composicin,
la presin y la temperatura, la definicin de punto de roco por hidrocarburo
incluye los parmetros de presin y temperatura. El procesamiento del gas
natural generalmente de dos tipos de procesos:
a) Procesos de extraccin de lquidos de gas natural
Estos procesos efectan la extraccin de los licuables del gas natural por efecto
de la refrigeracin o absorcin y condensacin de los mismos.
b) Procesos de fraccionamiento de gas natural
Estos procesos realizan la divisin o particin de una mezcla de hidrocarburos
por destilacin, de tal modo que las partes separadas tengan las propiedades
especficas que exige el mercado.
Algunas tecnologas efectan este trabajo y combinan los dos anteriores proceso
y son:
Ciclos cortos de adsorcin
Refrigeracin mecnica
Absorcin con aceite pobre
Turbo expansin
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Segn el GPSA la seleccin de uno de estos procesos para una aplicacin
especfica depende de:
Composicin del gas
Caudal de flujo de gas
Economa de la extraccin de GLP
Economa de la recuperacin de etano
A continuacin se describen los anteriores procesos explicando con detalle las
variables de funcionamiento.
2. CICLO CORTO DE ADSORCIN.
Este proceso es similar al proceso de adsorcin cubierto en deshidratacin, pero
con ciclos mucho ms cortos. Se usa normalmente para corrientes de gas con
muy bajos contenidos de propano y butano, pero con suficiente cantidad de C5 y
ms pesados, que hacen imposible cumplir con la especificacin de punto de
roco por hidrocarburo.
Este proceso es apropiado para gases que contengan menos de 1 GPM
(Galones de propano y ms pesados por 1000 pies cbicos normales). El
adsorbente utilizado generalmente es slica gel. Hay dos diferencias bsicas
entre estos procesos para control de punto de roco por agua y por hidrocarburo
como son, para control por hidrocarburo se requieren tres torres y el tiempo de
duracin del ciclo en cada torre es ms corto, usualmente entre 20 a 30 minutos
contra 8 a 10 horas para deshidratacin.
La caracterstica atractiva en un ciclo corto de adsorcin, es que recupera entre
el 60 a 70 % de los pentanos y ms pesados contenidos en el gas, y que se
cumple con el punto de roco por hidrocarburo, como por agua. En la Fig.1 se
muestra un arreglo tpico de una unidad de ciclo corto de adsorcin con tres
torres. Es muy importante que un separador antes de esta unidad remueva todo
el lquido libre y los slidos que traiga el gas en produccin.
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3. REFRIGERACIN MECNICA
El proceso de refrigeracin se usa para cumplir con las especificaciones de punto
de roco por hidrocarburo y por agua para el gas de venta. La temperatura a la cual
debe ser enfriado el gas depende del nivel requerido para alcanzar las
especificaciones de punto de roco.
La recuperacin adicional de GLP se consigue enfriando el gas a temperaturas tan
bajas como -20 a -40 F o por contacto del gas con aceite pobre en una torre
absorbedora. Puesto que el gas que entra a la unidad de refrigeracin est saturado
con vapor de agua y la temperatura a la cual se enfra esta sustancialmente por
debajo del punto de congelacin del agua, se requiere prevenir la formacin de hielo
o hidratos. Como puede observarse en la Fig. 2, en dicho proceso se encuentran
tres circuitos totalmente definidos como son:
Circuito de gas natural, al cual se le remueve agua y lquidos para
acondicionarlo a gas de venta.
Circuito de glicol, el cual se utiliza para inhibir la formacin de hidratos en el
intercambiador de calor y el chiller y est formado por la unidad de
regeneracin donde se retira el agua al glicol por evaporacin.
Circuito del refrigerante propano, el cual al evaporarse en el caso del chiller
enfra-el-gas-natural-que-pasa-por-los-tubos.
Enfriamiento Calentamiento
Adsorcin
M
Gas rico
Fig. N1 iclo corto de adsorcin
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FIG. N2 Proceso de refrigeracin con propano (Sistema tpico de inyeccin de glicol)
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FIG. N3 Diagrama de flujo del proceso diagrama Entalpa - presin
Diagrama de flujo del proceso
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Este ciclo de refrigeracin por compresin de vapor se representa por la Fig. 3 y se
muestran las cuatro etapas que lo conforman se explican a continuacin.
Expansin
Evaporacin
Compresin
Condensacin
ETAPA DE EXPANSIN
En la etapa de expansin la presin y la temperatura se reducen al pasar a travs
de la vlvula de control en la cual cae la presin al valor de PB, el cual lo determina
la temperatura deseada del refrigerante TB.
En el punto B la entalpa del lquido saturado es hLB y la entalpa correspondiente
para vapor saturado es hVB. Como la expansin entre A y B ocurre a travs de una
vlvula de expansin y no hay intercambio de energa, el proceso se considera
isentlpico, por lo que la entalpa a la entrada y salida de la vlvula es la misma hLA.
Como el punto B est dentro de la envolvente, vapor y lquido saturado coexisten.
Para determinar la cantidad d vapor formado en el proceso de expansin, hacemos
X la fraccin de lquido a la presin PB con una entalpa hLB. La fraccin de vapor
formada con una entalpa hVB es (1 X). Las ecuaciones para el balance de calor y
la fraccin de lquido formado son:
FIG N4 Vlvula de expansin electrnica
CAREL E2V
(X)hLB
+ (1-X)hVB
= hLA
[Ec. 1] X= (hVB-
hLA
) / (hVB-
hLB
) [Ec. 2
(1-X) = (hLA-
hLB
) / (hVB-
hLB
) [Ec. 3]
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ETAPA DE EVAPORACIN
El vapor formado en el proceso de expansin (A-B) no suministra ninguna
refrigeracin al proceso. Calor es absorbido del proceso por la evaporacin de la
parte lquida de refrigerante. Como se muestra en la Fig.3, esto es a temperatura y
presin constante. La entalpa del vapor en el punto C es hVB.
Fsicamente la evaporacin ocurre en un intercambiador de calor denominado
evaporador o chiller. El lquido fro X suministra la refrigeracin y su efecto
refrigerante est definido como X (hVB-hLB) y sustituyendo en la Ec. 2 dicho efecto
se representa como:
EfectoR = hVB-hLA Ec. 4
La capacidad de refrigeracin o duty referido a la cantidad total de calor absorbido
en el chiller por el proceso, generalmente se expresa como toneladas de
refrigeracin o BTU/ unidad de tiempo.
FIG. N5 Condensador evaporativo
ETAPA DE COMPRESIN
Los vapores de refrigerante salen del chiller a la presin de saturacin Pc y la
correspondiente temperatura Tc con una entalpa hVB. La entropa en este punto C
es SC. Los vapores se comprimen isentrpicamente a la presin PA a travs de la
lnea CD (Fig. 3). El trabajo isentrpico (ideal) W i, por comprimir el refrigerante
desde PB a PA est dado por:
Wi = m (hVD hVB) Ec. 6
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El valor hVD est determinado por las propiedades del refrigerante a PA y una
entropa SC. Como el refrigerante no es un fluido ideal y los compresores no operan
idealmente, se define el trmino eficiencia isentrpica i para compensar las
ineficiencias en el proceso de compresin (Esta eficiencia se denomina tambin
adiabtica).
FIG. N6 Compresor del ciclo de refrigeracin
A B ETAPA DE CONDENSACIN
El refrigerante sobrecalentado que sale del compresor PA y TD (Punto D en Fig.3),
se enfra a la temperatura de punto de roco TA a condicin muy cercana de presin
constante y se condensa a temperatura constante.
Durante el proceso de sobrecalentamiento y condensacin, todo el calor y trabajo
acondicionados al refrigerante durante los procesos de evaporacin y compresin,
deben ser removidos de forma tal que se complete el ciclo llegando al punto de inicio
A, en el diagrama P-H que se muestra en la Fig.3
Acondicionado el duty de refrigeracin al calor de compresin, se calcula el duty de
condensacin QCD con la siguiente expresin:
QCD = m [(hVB hLA) + (hVD hVB)]
QCD = m (hVD hLA) Ec. 10
La presin de condensacin del refrigerante es una funcin del medio de
enfriamiento disponible: aire, agua de enfriamiento u otro refrigerante.
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FIG N7 Condensadores del ciclo
4. PROCESO IFPEXOL
Como se observ en el proceso de refrigeracin anterior, es necesario usar glicol
para prevenir la formacin de hielo e hidratos, y por tanto se requiere la
incorporacin de un proceso de regeneracin del glicol, el cual adiciona costos de
inversin y operacin.
En este proceso se previene la formacin de hidratos adicionando metanol a la
corriente de gas natural que se va a enfriar. Regularmente el metanol se recupera
por destilacin; sin embargo, la separacin del metanol del agua es difcil. El
proceso IFPEXOL se usa una innovacin para recuperar la mayor parte del metanol
sin regeneracin.
En este proceso la corriente de gas que entra, se separa en dos, una parte se pone
en contacto en contracorriente con una solucin de metanol rico agua. Como la
corriente de gas est saturada con agua, no tomar agua adicional; sin embargo,
ella no contiene metanol en la entrada de la contactora.
Como el gas est en ntimo contacto con la solucin metanol agua, la mayora del
metanol sale del agua y entra a la fase de hidrocarburo gaseoso. Esto hace que se
conserve gran parte del metanol que entra a la contactora. La corriente de gas que
sale de la contactora se une a la otra parte del gas de carga antes del proceso fro.
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Metanol adicional se inyecta a esta corriente para saturar completamente el gas con
metanol, Como el metanol est contenido en la fase de vapor, no se requiere
distribuir el metanol lquido en el haz de tubos como en el caso de la inhibicin con
glicol.
El gas se enfra en los tubos del intercambiador gas gas y el enfriador chiller del
proceso fro, con lo cual el metanol se condensa con el agua previniendo la
formacin de hidratos.
Las ventajas del proceso IFPEXOL es que es ms simple en equipos y operacin,
comparado con el proceso de inyeccin y regeneracin de glicol. Adicionalmente,
como se dijo en el captulo anterior, el glicol absorbe hidrocarburos incluyendo
aromticos, adicionando costos por no liberarlos a la atmsfera, lo cual no ocurre
en el proceso IFPEXOL. La debilidad del proceso IFPEXOL es la prdida de
metanol, el cual tiene que ser repuesto en forma continua.
5. ABSORCIN CON ACEITE POBRE
Este proceso consiste en poner en contacto el gas natural con un aceite en una
absorbedora, con lo cual compuestos del gas se disuelven en el aceite.
FIG. N8 Proceso IFPEXOL
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FIG. N9 Absorcin de lquidos
La absorcin de licuables se realiza en trenes absorbedores, utilizando un aceite
absorbente de elevado peso molecular, el cual despus de la seccin de absorcin
donde se obtiene el gas natural, pasa a un reabsorbedor donde se produce gas
combustible por la parte superior y el aceite con los lquidos absorbidos por la parte
inferior, posteriormente pasan a una seccin de vaporizacin y finalmente a la
seccin de destilacin donde se separan los hidrocarburos ligeros obtenindose al
final una corriente lquida de etano ms pesados, similar a las de las plantas
criognicas, la cual pasa a la seccin de fraccionamiento.
Por el fondo de la torre de destilacin se obtiene el aceite absorbente pobre, que
pasa a un proceso de deshidratacin para retornar nuevamente a las torre
absorbedora y reabsorbedora para continuar con el proceso de absorcin. Uno de
los productos principales de esta planta es Gas natural seco (Gas natural,
bsicamente metano, listo para su comercializacin) el cual es inyectado al Sistema
Nacional de Ductos para su distribucin.
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No menos importante es el producto denominado Lquidos del gas natural, el cual
es una corriente en estado lquido constituida por hidrocarburos licuables (Etano
ms pesados) esta corriente constituye la carga a las plantas fraccionadoras.
Los equipos del proceso se muestran en la Figura 10. El gas rico entra a la torre de
absorcin y fluye hacia arriba a travs de la absorbedora, la cual contiene platos o
empaque.
A medida que el gas fluye hacia arriba, entra en contacto ntimo con el aceite, el
cual entra a la torre por la parte superior. Cuando el gas sale por la cima de la torre,
se ha despojado de la mayor parte de los componentes pesados.
El aceite rico sale por el fondo de la torre bajo control de nivel, intercambia calor con
la corriente de aceite pobre y entra al tanque flash, el cual opera alrededor de la
mitad de la presin de la torre de absorcin. Una gran cantidad de compuestos
livianos absorbidos, tales como el Metano son liberados y se envan a la
recompresin.
fig. N10 sistema de extraccin con aceite pobre
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En facilidades de recuperacin de propano y ms pesados, el aceite entra a la
columna deetanizadora, en la cual se separan del aceite el resto de metano y el
etano.
Estos gases van a una vasija de presaturacin y luego a recompresin para juntarse
con la corriente principal de gas tratado. De la torre deetanizadora, el Aceite Pobre
va a una torre de destilacin, donde se separan el aceite y los componentes
absorbidos.
Posteriormente el Aceite pobre va a travs de los tubos de los intercambiadores de
calor y los enfriadores, a la vasija de presaturacin en la cual se satura parcialmente
con metano y etano y se bombea de regreso a la absorbedora de alta presin,
pasando por otro enfriador para asegurar que la temperatura del aceite pobre no es
mayor que la del gas de carga, para maximizar la absorcin.
6. PROCESO DE TURBO-EXPANDER
El proceso turbo-expander fue desarrollado en los aos sesentas. Su aplicacin
principal es recuperar etano del gas natural, puesto que el etano es una materia
prima muy importante para la industria petroqumica.
Con el proceso se alcanzan temperaturas bastante bajas y por tanto se licua una
parte sustancial de etano y componentes ms pesados del gas natural.
Las bajas temperaturas se alcanzan por expansin de gas a alta presin, el cual ha
sido considerablemente enfriado a travs de intercambiadores de calor y por
refrigeracin como puede verse en la Fig. 11, y pasa a travs de la turbina en la cual
se extrae trabajo o energa al gas. Una vez que el gas ha sido enfriado y una buena
porcin de etano y la mayora del propano y ms pesados han sido licuados, los
lquidos se separan del gas fro.
La corriente de gas del separador intercambia calor con el gas de carga y regresa
al compresor movido por la turbina en el cual se restablece parcialmente la presin
y va al compresor de gas de venta donde se eleva la presin al nivel requerido para
transporte.
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NOMENCLATURA
A, B, C, D = puntos de operacin en diagramas de Fig. 1-3 y 1-4
A = factor de absorcin usado en Ec. 1
Fa = eficiencia de absorcin en Ec. 2
GHP = caballos de potencia de gas, hp
hLA = entalpa de lquido saturado en punto A y de mezcla lquido-vapor en punto
B, Btu/lb
hLB = entalpa de lquido saturado en punto B. Btu/lb
hVB = entalpa de vapor saturado en punto C, Btu/lb
hVD = entalpa de vapor sobrecalentado en punto D, Btu/lb
hVD = entalpa isentrpica o de vapor sobrecalentado en punto D, Btu/lb
Kavg = constante de equilibrio K = y/x a temperatura promedio de la absorbedora
L0= aceite pobre que entra a la absorbedora, moles/unidad de tiempo
I = moles de cada componente del gas en el aceite rico que sale de la
absorbedora, moles/unidad de tiempo
FIG. N11 instalaciones tpicas del proceso turbo- expander
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m = flujo msico de refrigerante, lb/h
n = nmero de platos tericos
QCD = cantidad de calor duty de condensacin, Btu/h
Qref = cantidad de calor duty de refrigeracin, Btu/h
Vn+1 = gas rico que entra a la absorbedora, moles/unidad de tiempo
W = trabajo de compresin real, Btu/h
W. = trabajo de compresin ideal, Btu/h
X = fraccin en peso
Y0 = moles de cada componente del gas en equilibrio con el aceite pobre que
entra a la absorbedora, por mol de gas rico
Y1 = moles de cada componente del gas pobre que sale de la absorbedora, por
mol de gas rico
Yn-1 = moles de cada componente del gas rico que entra a la absorbedora, por mol
de gas rico
= gravedad especfica
i = eficiencia isentrpica