Modulo III.- Fraccionamiento

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TEMA: Fraccionamiento del Gas, Secuencia deFraccionamiento, Tren de Fraccionamiento.

MODULO III

PROCESOS DEL GAS NATURAL

03 de Abril de 20131 R. ESTREMADOIRO



QUE ES EL FRACCIONAMIENTO?

Separación de componentes líquidos de una mezcla

Ebullición – condensación

Cambio físico Contacto vapor-líquido en equilibrio

Mezcla de componentes en vapor en equilibrio con

mezcla de componentes en líquido

Componentes más livianos se separan en vapor Componentes más pesados se separan en líquido

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Mezcla en ebullición

líquido

A + B + C + .....

A + B + C + ....

vapor

Vapor a

condensador


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Componentes más volátiles A + B (menor punto de

ebullición) se concentran en fase vapor

Componente menos volátil C + ... (mayor punto de

ebullición) se concentran en líquido

líquidox

c1+ x

c2

+ xc3

+ ….

yc1 + yc2 + yc3 + ….

vapor


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FRACCIONAMIENTO

Torres de platos (cada plato es una etapa)

Condensador

Hervidor

Producto de cabeza

Producto de cola

Alimentación

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CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN FRACCIONAMIENTO

Acumulador de Reflujo: equipo ubicado a la salida de la torre de regeneración que recibe el

fluido del tope de la torre, una vez condensado, con el fin de garantizar el reflujo y la calidad

del producto de tope. Se encuentra en las columnas de fraccionamiento y de endulzamientodel gas natural, por ejemplo. Separador ubicado inmediatamente después de un

condensador, que se usa para almacenar los líquidos que serán enviados como reflujo a la

parte superior de la torre de fraccionamiento.

Bomba de Reflujo: equipo usado para devolver a la torre una porción condensada del fluido

que sale por el tope, con el fin de garantizar el funcionamiento del sistema.

Condensador Parcial: aquel que condensa una parte de los fluidos que salen por el tope dela torre para proveer el reflujo.

Condensador Total: el que condensa totalmente los vapores que salen por el tope de la

torre. Una parte regresa a la torre en estado líquido para proveer el reflujo, y el resto se

desprende del sistema como producto del tope.

Número mínimo de platos teóricos: el que se corresponde con una torre que trabaja a reflujo

total. Se refiere al número menor de etapas de equilibrio termodinámico que debe tener una

torre de fraccionamiento para que pueda funcionar.Razón de Reflujo: término que se aplica en los procesos de destilación para dar una medida

relativa del volumen de reflujo, normalmente referida a la carga o al producto del tope. Razón

entre la cantidad de producto del tope, bien con respecto a la porción que regresa como

reflujo a los platos superiores de la columna o bien con respecto a la carga que alimenta la

torre.



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CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN FRACCIONAMIENTO (Cont.)

Reflujo: en un proceso de destilación, es la parte del condensado del tope de la columna

que se regresa a la torre para mejorar la pureza del producto del tope. Condensado del vapor

que sale por la parte superior de la torre y que regresa a la columna en estado líquido paramantener el equilibrio termodinámico del sistema. También se habla de reflujo referido al

producto del tope con respecto a la carga y al vapor que retorna al fondo de la torre,

procedente del reboiler. Se calcula con respecto al líquido total que sale del fondo de la torre

hacia el reboiler.

Reboiler: equipo por el cual se introduce la energía a la planta. Suple las deficiencias

energéticas y se encarga de balancear termodinámicamente el sistema. Recipiente querecibe los fluidos que salen por la parte inferior de la torre. El calor que se introduce en el

reboiler vaporiza parcialmente los fluidos (reflujo del fondo) y genera un vapor que regresa a

la torre para mantener el equilibrio del sistema.

Tambor de Reflujo: separador horizontal que recibe el fluido que sale del tope de la torre

una vez que pasa por el intercambiador de calor, donde se condensa de manera parcial o

total, para suplir la necesidad de reflujo que mantiene la torre en funcionamiento.

Torre de Fraccionamiento: cilindro hueco en el cual se coloca un relleno o platos deburbujeo para separar los hidrocarburos aprovechando sus propiedades. La presión es más

o menos constante, pero la temperatura aumenta del tope al fondo. Los vapores del fondo

van subiendo hasta el tope a medida que se van purificando, hasta lograr la separación

deseada. El diseñador escoge la forma de hacer la separación y, en consecuencia, aparecen

el diámetro, la altura, las condiciones de presión, la temperatura, el reflujo y el número de

platos necesarios para efectuar el trabajo.



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FRACCIONAMIENTO

Una vez que los hidrocarburos líquidos han sido retirados de la corriente de gas,

deben ser separados en corrientes de productos que puedan ser aprovechadospor el mercado interno y externo.

Las corrientes de productos más comunes son el C3, C4 y C5+. Por lo general en

la etapa de producción, el C3 y 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 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.



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La unidad de fraccionamiento se utiliza para separar mezclas complejas de gas en productos

individuales. El fraccionamiento de la mezcla en sus componentes se efectúa basándose en

la volatilidad 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 técnicas normalizadas, para su posterior comercialización.

En el regenerador se aplica calor para gasificar al líquido. 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 enfriamiento, se

convierte al estado líquido.

Una vez licuado, ingresa nuevamente en la torre como reflujo, para evitar que el componente

más “pesado” salga por la parte superior con la corriente gaseosa.

A los efectos de lograr una eficiente separación de los componentes, es necesario que las

dos fases tengan un íntimo contacto entre sí, para lo cual se intercalan en la torre a

determinados espaciamientos, bandejas o laberintos que provoca justamente este contacto

entre el líquido y la corriente de gas dentro de la columna.



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CONCEPTOS DE EQUILIBRIO DE LAS ETAPAS

Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de flashes,

con dos alimentaciones y dos corrientes de flujos en contracorriente.

En la figura de la siguiente diapositiva, se puede observar que el gas entra desde

la parte inferior de la columna a alta temperatura y el líquido se incorpora por la

parte superior a baja temperatura.

Se producirá la transferencia de calor y masas de tal manera que en la columna deprocesamiento se presentará el punto de evaporación en el líquido y el punto de

rocío o condensación en el vapor bajo las mismas condiciones de presión y

temperatura.

La composición de estas fases es relativa a la relación de equilibrio.

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.



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El grado de separación o

pureza de un producto tiene un

impacto directo sobre el tamaño

de la columna y losrequerimientos de servicios.

Alta pureza requiere más

platos, más reflujo, mayor

diámetro y o reducida cantidad

de producto.



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TIPOS DE FRACCIONADORAS

El tipo de torre fraccionadora depende del producto que se necesita obtener y del

producto de alimentación disponible. Los típicos equipos de fraccionamientoutilizados para obtener los productos del gas natural son los siguientes:

• Deetanizadora

• Deetanizadora

• Depropanizadora

• Debutanizadora• Gasolina Natural



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Descripción del proceso Tren de Fraccionamiento:



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Para describir el proceso de fraccionamiento de este tren, asumimos que el

producto de ingreso contiene alta cantidad de etano y por lo tanto será tratado

como una columna Deetanizadora.

Esta columna está diseñada para operar a 425 psia y la cromatografía presentada

en la gráfica anterior.

El proceso descrito, prevé la elevación de l temperatura en el fondo a 240°F y el

acondicionamiento a 95°F en el tope de la torre para el reflujo. Bajo tales

condiciones el etano saldrá por la parte superior de la torre hasta un circuito degas 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 135°F de temperatura de reflujo y 280°F para el proceso el

líquido en el fondo, se obtendrá el propano por la parte superior de la torre y los

componentes más pesados ingresará en la tercer torre.

La tercera etapa opera a 100 psia para obtener un reflujo de 135°F y un

acondicionamiento en el fondo a 250°F. De esta forma se recupera por la parte

superior el butano y por la parte inferior se obtendrá Gasolina Natural Estabilizada.



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A continuación se observa un corte de una torre fraccionadora con el objeto de

mostrar el diseño interior para obtener un íntimo contacto de las fases, donde se

aprecian las bandejas y el detalle de las torres de burbujeo.



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En las siguientes figuras, se podrán observar otros esquemas mostrando también

los diseños interiores de estas torres con el sistema de contacto en la disposición

de laberintos de uno, dos, tres y cuatro pasos.



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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.El circuito de circulación puede ser por termosifón o bien por circulación forzada

por bombas como se observa en el siguiente esquema:



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PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE UNACOLUMNA

En la siguiente figura, se muestra un diagrama esquemático de una torre defraccionamiento. Se observan algunos parámetros

importantes que caracterizan el

funcionamiento del sistema:

• Tope de la Torre, sección de

rectificación.

• Zona inferior, sección dedespojamiento.

• Plato de alimentación.

• Condensador de reflujo y medio

de enfriamiento.

• Bomba de reflujo.

• Acumulador de reflujo.• Reboiler.

• Gradiente de temperatura dentro

de la torre.



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Empecemos con el análisis del lugar donde la alimentación entra a la torre. En ese plato es

conveniente que el fluido llegue a su punto de burbujeo (completamente líquido y listo para

empezarse a evaporar). Al entrar a la destiladora el fluido llena el plato de alimentación y, al

rebosarlo, empieza a caer hacia los platos del fondo. A medida que desciende encuentra

temperaturas más elevadas que vaporizan las porciones livianas, produciendo un líquidocada vez más pesado.

Este fluido recircula en el reboiler y se calienta evaporando una parte del mismo, que regresa

a la torre como un reflujo de fondo en estado gaseoso. El vapor, cargado de componentes

pesados, sube y, a medida que asciende, encuentra puntos fríos donde se condensan las

partes pesadas que, a su vez, contribuyen a llenar cada bandeja.

El vapor - en permanente ascenso dentro de la torre - va quedando libre de las partes

pesadas hasta que llega al tope y sale de la columna. De allí pasa por el condensador de

reflujo en el cual se licua parcial o totalmente.

Un condensador parcial es aquel que corresponde a un producto de tope en estado gaseoso.

En ese caso solamente se condensa la porción que regresa a la torre como reflujo. Cuando

se trata de un condensador “total”, los fluidos del tope salen en estado líquido y así se llevan

al mercado. La producción sale por el fondo de la torre también en estado líquido y, por lo

general, a su punto de burbujeo. Es obvio que si sale parcialmente vaporizado va a producir

cavitación en las bombas.



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En consecuencia, el condensador parcial, se diseña para el punto de rocío del

producto del tope, mientras que el condensador total, debe trabajar a su punto de

burbujeo. Así, cuando los vapores que abandonan el último plato, se condensan

totalmente, una parte sale del sistema, en estado líquido; y la otra, regresa a latorre como reflujo. Este condensador estará diseñado para trabajar a su punto de

rocío, en el cual, se fija la temperatura al nivel necesario para producir la cantidad

de líquido que requiere la torre (el reflujo).

De aquí se deduce que, cuando se establece la manera como ha de separarse la

alimentación, se está decidiendo sobre las condiciones de trabajo de la torre. Y dela misma manera, el grado de pureza que se desea en el producto del tope define

la cantidad de flujo que se debe retornar y el número de platos que se requieren

para garantizar la operación.

Obsérvese de nuevo la figura que nos sirve de referencia, la cantidad de líquido

que regresa al tope de la torre, procedente el tambor de reflujo, llena el platosuperior y actúa como un filtro, en estado líquido, que retiene las partículas

pesadas que todavía transporta el gas antes de salir de la torre. Si se elimina el

reflujo desaparece el filtro que evita el arrastre de líquido fuera de la torre y,

obviamente, se produce una cantidad excesiva de condensado en el separador o

en las tuberías. Adicionalmente, el producto del tope sale fuera de

especificaciones.



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En la siguiente figura, presenta un esquema real de una torre Depropanizadora

con la composición y los diferentes parámetros de presión y temperatura. El

análisis detallado de la figura contribuirá a entender mejor las condiciones del

diseño.



R. ESTREMADOIRO24

En la siguiente figura, se describe los diagramas de fases de los diferentes

productos en la torre Depropanizadora (Alimentación, tope y fondo) de una torre

tomada como ejemplo, lo cual permite apreciar las características de estos fluidos

y la manera como, la composición de la alimentación y la separación que se hagade ella, determina el diseño de la torre. El tope, con un 98,0

% de propano, se

comporta como un

producto puro, o con

alto grado de pureza,

mientras que laalimentación y el

fondo de la torre se

corresponden con

mezclas de

multicomponente. En

los diagramas de

fases respectivos seaprecia las

condiciones de

trabajo (presión y

temperatura) con

cada uno de los

productos.



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REFLUJO Y NUMERO DE PLATOS EN LA TORRE

El reflujo está íntimamente ligado al número de platos que tenga la columna, en la Figura de

abajo se aprecia el comportamiento. Las expresiones que siguen ayudarán a entender el

tema:Número mínimo de platos: establece el

menor número de bandejas o etapas de

burbujeo que debe tener la torre para que

pueda funcionar. Lo cual supone que todo el

producto del tope se condensa y se regresa a

la torre.Reflujo mínimo: indica la menor cantidad de

líquido que debería retornar a la torre si se

utilizara un número infinito de etapas de

equilibrio. Obviamente son conceptos

teóricos que establecen los límites de la

operación. Por lo general una razón de reflujo

(L/D) igual a 1,25 -1,8 nos conduce alnúmero de etapas o platos de burbujeo con

las cuales la torre podría trabajar de manera

satisfactoria. Esto nos habla de la

conveniencia de diseñar con los platos

requeridos para hacer funcionar la columna

dentro de un esquema óptimo-económico.



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P&ID TORRE DEPROPANIZADORA



R. ESTREMADOIRO27

PANTALLA DEL DELTA V TORRE DESETANIZADORA



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PANTALLA DEL DELTA V TORRE DEBUTANIZADORA



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PANTALLA DEL DELTA V ALMACENAJE DE GLP



R. ESTREMADOIRO30

SISTEMA DE ESTABILIZACIÓN DE CONDENSADO

El producto a estabilizar entonces, podrá ser proveniente del sistema de refrigeración

(Separador Frío), tanto como lo descargado por los separadores de la entrada de la Planta.

El condensado pasa posteriormente a la torre

estabilizadora. Esta es un tipo de fraccionadora con o

sin reflujo de cabeza y un calentamiento de fondo por

circulación a través de los hornos, con los que se

logra el calor necesario para la estabilización.

Por la cabeza de la estabilizadora se obtiene unacorriente gaseosa caliente que circulan a través de

un enfriador, condensándose los compuestos

pesados, para luego ser bombeados desde el

acumulador o tanque de reflujo, nuevamente a la

torre. La parte liviana en forma de gas, es desalojada

para reunirse con el gas destinado al resto del

proceso.Finalmente el hidrocarburo líquido estabilizado

depositado en el fondo de la torre, es descargado a

través de un intercambiador (intercambiando con el

producto de entrada a la torre) hacia un enfriador y

posterior al tanque de almacenaje.



R. ESTREMADOIRO31

PROCESO TÍPICO DE ESTABILIZACIÓN DE CONDENSADOS



R. ESTREMADOIRO32

DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO (PFD) SISTEMA DE ESTABILIZACIÓN



R. ESTREMADOIRO34

PANTALLA DEL DELTA V ESTABILIZACIÓN



R. ESTREMADOIRO35

TABLA TÍPICA DE PARÁMETROS DE FRACCIONADORES



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