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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

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