guia 1 fraccionamiento

39
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PP PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARIA BARALT” PROGRAMA: INGENIERIA DE GAS ASIGNATURA: FRACCIONAMIENTO REALIZADO POR: ING. ANDREEDUIS RODRIGUEZ CIUDAD OJEDA 2010

Upload: andreeduis-rodriguez

Post on 04-Aug-2015

176 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

Page 1: Guia 1 Fraccionamiento

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PP PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARIA BARALT” PROGRAMA: INGENIERIA DE GAS

ASIGNATURA: FRACCIONAMIENTO

REALIZADO POR:

ING. ANDREEDUIS RODRIGUEZ

CIUDAD OJEDA 2010

Page 2: Guia 1 Fraccionamiento

2

Introducción

Los líquidos recuperados del gas natural (LGN) forman una mezcla

multicomponente la cual se separa en fracciones de compuestos individuales o

mezclados, y es mediante una operación de fraccionamiento llamada destilación que se

logra esto.

En forma general cuando el gas natural contiene un 1.3% mol de Propano (C3),

puede ser económico recuperar gases licuados de petróleo (GLP) según el GPSA.

Cuando el porcentaje es inferior a dicho valor debe hacerse un análisis minucioso de

alternativas antes de instalar facilidades de superficie para recuperación de GLP.

Page 3: Guia 1 Fraccionamiento

3

DESTILACIÓN

La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los

diferentes componentes líquidos de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de

ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a separar. La

destilación se da en forma natural debajo del punto de ebullición (100 ºC en el caso del

agua), luego se condensa formando nubes y finalmente llueve.

También se puede definir la Destilación como el proceso que consiste en

calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor

y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida

por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una

mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar

los materiales volátiles de los no volátiles.

En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el

componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha.

Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más

volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el

agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el

alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos.

Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los dos

componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación completa en una

destilación individual. El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de sólidos

disueltos (principalmente sal común), puede purificarse fácilmente evaporando el agua,

y condensando después el vapor para recoger el producto: agua destilada. Para la

mayoría de los propósitos, este producto es equivalente al agua pura, aunque en

realidad contiene algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la más

importante el dióxido de carbono.

Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren

ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación individual. Un

ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100 °C, y alcohol, que hierve

Page 4: Guia 1 Fraccionamiento

4

a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico

en alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol

puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la

que puede obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un

50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o dos veces

más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones.

ALAMBIQUE

El alambique (del árabe al-inbiq arap odazilitu otarapa le se )يق ب destilaciónاألن

de líquidos mediante un proceso de evaporación por calentamiento y posterior

condensación por enfriamiento. Fue inventado por los árabes alrededor del siglo X de

nuestra era y se usa para producir perfumes, medicinas y el alcohol procedente de

frutas fermentadas. Como el alcohol hierve a una temperatura inferior al agua los

vapores que primero se forman son los de aquél, aunque mezclados con una pequeña

proporción del de agua, y se consigue destilar una sustancia con mayor grado

alcohólico que la original.

Los alambiques de laboratorio suelen ser de vidrio, pero los utilizados para

destilar bebidas alcohólicas se fabrican normalmente de cobre, porque este material no

proporciona sabor al alcohol, resiste los ácidos y conduce bien el calor. Es una

herramienta de destilación simple que está constituida por una caldera o retorta, donde

se calienta la mezcla. Los vapores emitidos salen por la parte superior y se enfrían en

un serpentín situado en un recipiente refrigerado por agua. El líquido resultante se

recoge en el depósito final.

Figura 1. Esquema de un Alambique

Page 5: Guia 1 Fraccionamiento

5

EBULLICIÓN

La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se

realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del

líquido a esa presión.Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero

sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado

líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado

gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la masa gaseosa.

Este proceso es muy distinto a la evaporación, que es paulatino y para el que no

es necesario el calentamiento de toda la masa. Este proceso es también el inverso a la

condensación

PUNTO DE EBULLICIÓN

El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual la presión de

vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido.En esas

condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido.

La temperatura de una sustancia o cuerpo es una medida de la energía cinética

de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña

fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión

superficial y escapar.

CONDENSACIÓN

Se denomina condensación al proceso físico que consiste en el paso de una

sustancia en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si

se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso

es llamado sublimación inversa.

Page 6: Guia 1 Fraccionamiento

6

a

De Solido Liquido Gas Plasma

Solido N/A Fusión Sublimación -

Liquido Solidificación N/A Ebullición/Evaporación -

Gas Sublimación

inversa

Condensación N/A ionización

Plasma - - Recombinación/Deionización N/A

Tabla 1

Transformacion de una sustancia de un estado a otro

Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de

la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a

presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para

forzar esta transición, el proceso se denomina licuefacción.

El proceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado hasta

su punto de rocío. Sin embargo este punto también puede ser alcanzado variando la

presión. El equipo industrial o de laboratorio necesario para realizar este proceso de

manera artificial se llama condensador

CONDENSACIÓN EN LA NATURALEZA

En la naturaleza se da el proceso de la condensación de vapor de agua al bajar

la temperatura, por ejemplo, con el rocío en la madrugada. El vapor sólo se condensa

en una superficie cuando la temperatura de dicha superficie es menor que la

temperatura del vapor. Durante este proceso la molécula de agua libera energía en

forma de calor, esto tiene parte de la responsabilidad de la sensación de temperatura

mayor en un ambiente muy cálido y muy húmedo: la humedad que condensa en

nuestra piel nos está transmitiendo un calor adicional. Adicionalmente, esta humedad

hace inútil el proceso natural de refrigeración por sudor y evaporación. La temperatura

ambiental también aumenta ligeramente.

Page 7: Guia 1 Fraccionamiento

7

VAPORIZACIÓN

La Vaporización es el cambio de estado de líquido a gaseoso. Hay dos tipos de

vaporización: la ebullición y la evaporación. La Ebullición es el cambio de estado que

ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. Para que ello

ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. A la temperatura

durante la cual se dice que un determinado líquido hierve se la llama punto de

ebullición.

La diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la evaporación, el

cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido. Cuando se realiza una

destilación, para separar dos o más líquidos de diferente punto de ebullición, la

temperatura permanece constante en el punto de ebullición de cada uno de los líquidos

que se desea separar de la mezcla.

PUNTO DE ROCÍO (DEW POINT)

Estado de un sistema completamente gaseoso en equilibrio con una cantidad

infinitesimal de liquido, condiciones de presión y temperatura favorables para la

formación de la primera gota de liquido en una masa de gas.

El punto de rocío de hidrocarburo en Gas Naturales un parámetro importante de

calidad, estipulado en especificaciones contractuales a través de la red de suministro,

desde productores hasta consumidores finales, pasando por empresas transportadoras

y distribuidoras. En consecuencia, un exacto monitoreo de temperatura de punto de

rocío de hidrocarburo en gas natural, es importante para mantener la calidad y la

integridad del gas como así también para cumplir con los acuerdos.

El punto de rocío de hidrocarburo es la temperatura a la cual el hidrocarburo

comienza a condensarse cuando el gas natural es enfriado a presión constante y en

consecuencia deja de ser totalmente gaseoso. En muchos casos el evitar la formación

de tales líquidos en gas natural es muy importante.

Page 8: Guia 1 Fraccionamiento

8

Por ejemplo: en las cañerías de transporte de gas la presencia de hidrocarburo

líquido en combinación con trazas de vapor de agua llevan a la formación de hidratos

como masa sólida. En condiciones de operación pueden ocasionar daños por impacto

en los compresores y restringir y aún bloquear las cañerías. Algunos usuarios tienen

necesidades críticas respecto al punto de rocío de hidrocarburo. La última generación

de generadores con turbinas de gas diseñadas para baja emisión de NOX requieren al

menos 28ºC de "supercalentamiento" - la diferencia entre el punto de rocío y la

temperatura de entrega del gas a la entrada del sistema de premezcla.

Si esto no se cumple, el efecto enfriador de la expansión del gas provoca la

formación de líquido resultando el posible retorno de la llama desde la boquilla de

ignición hacia la cámara de mezcla. Por otro lado, para el productor de gas natural, el

control del punto de rocío de hidrocarburo puede resultar en un aspecto costoso del

procesamiento del gas natural. Ya sea por los costos en recomprimir el gas luego del

procesamiento como por la baja en el poder calorífico al extraerle los líquidos al gas

natural.

En consecuencia, resulta de interés para los productores monitorear y controlar

las plantas reductoras de punto de rocío para mantenerlas dentro de límites ajustados

minimizando los costos de proceso. Esto hace que se deba mantener el punto de rocío

lo más próximo posible a los valores acordados o exigidos. Esto hace necesario medir

el punto de rocío de hidrocarburo no solo en la etapa de producción sino también en las

cañerías de transporte, en los puntos de transferencia, en la distribución y en grandes

consumidores finales. Incluso, al incrementarse las redes de interconexión entre paises

hace necesario el control de la calidad del gas que se comercializa.

PUNTO DE BURBUJA O BURBUJEO (BUBBLE POINT)

Estado de un sistema gaseoso completamente líquido en equilibrio con una

cantidad infinitesimal de gas, condiciones de presión y temperatura favorables para la

formación de la primera burbuja de gas en una masa liquida

Page 9: Guia 1 Fraccionamiento

9

PRINCIPIO DE LA DESTILACIÓN

La Destilacion se define como aquel proceso en el que un líquido o vapor de la

mezcla de dos o más sustancias se separa en sus componentes fracciones de pureza

deseado, por la aplicación y la eliminación de calor. Se basa en el hecho de que el

vapor de una mezcla de ebullicion sera mas rico en los componentes que tienen puntos

de ebullicion mas bajo.

Por lo tanto, cuando este vapor es enfriado y condensado, el condensado

contendrá componentes más volátiles. Al mismo tiempo, la mezcla original que

contiene más de los materiales menos volátiles. La destilación es probablemente el

método mas económico para separa una mezcla en sus componentes individuales, la

separación es fácil si la volatilidad relativa de los compuestos claves livianos y clave

pesado es substancialmente mayor que uno, los componentes mas livianos (producto

de cima) se separan de los mas pesados (producto de fondo).

El proceso de separación por destilación 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

liquida, cuando la mezcla es multicomponente la separación se selecciona entre dos

componentes denominados claves, por ejemplo el etano y el propano.

El proceso consiste en aplicar calor hasta que todo el etano y los compuestos

mas livianos se vaporizan mientras que a la presión y temperatura de operación el

propano y los compuestos mas pesados permanecen en la fase liquida, entre mayor

sea la diferencia en la volatilidad de los componentes claves seleccionados mas fácil

será efectuar la separación, por lo tanto en el proceso de destilación se requiere que

haya una diferencia en los puntos de ebullición a la presión de operación y que los

compuestos sean estables térmicamente para que no se descompongan.

Page 10: Guia 1 Fraccionamiento

10

DESTILACIÓN SIMPLE

En la destilación simplificada los vapores producidos son inmediatamente

canalizados hacia un condensador, el cual los refresca y condensa de modo que la

destilación no sea pura. Su composición será idéntica a la composición de los vapores

de la temperatura dada y a la presión y pueden ser computados por la ley de Raoult.

Como resultado, la destilación sencilla se usa para separar aquellos líquidos

cuyos puntos de ebullición difieren extraordinariamente (la medida son 30 °C) o para

separar líquidos de sólidos no volátiles. Para éstos casos, las presiones de los

componentes del vapor, normalmente son suficientemente diferentes de modo que la

ley de Raoult puede descartarse debido a la insignificante contribución del componente

menos volátil. En este caso, el destilado puede ser suficientemente puro para el

propósito intencionado.

En el esquema que se muestra a continuación puede observarse un aparato de

destilación simple básico:

Figura 2. Alambique Experimental

Page 11: Guia 1 Fraccionamiento

11

Descripción de los componentes

1. Mechero, proporciona calor a la mezcla a destilar.

2. Retorta o matraz de fondo redondo, que deberá contener pequeños trozos de

material poroso (cerámica, o material similar) para evitar sobresaltos repentinos

por sobrecalentamientos.

3. Cabeza de destilación: No es necesario si la retorta tiene una tubuladura lateral.

4. Termómetro: El bulbo del termómetro siempre se ubica a la misma altura que la

salida a la entrada del refrigerador. Para saber si la temperatura es la real, el

bulbo deberá tener al menos una gota de líquido. Puede ser necesario un tapón

de goma para sostener al termómetro y evitar que se escapen los gases (muy

importante cuando se trabaja con líquidos inflamables).

5. Tubo refrigerante.

6. Entrada de agua: El líquido siempre debe entrar por la parte inferior, para que el

tubo permanezca lleno con agua.

7. Salida de agua: Casi siempre puede conectarse la salida de uno a la entrada de

otro, porque no se calienta mucho el líquido.

8. Se recoge en un balón, vaso de precipitados, u otro recipiente.

9. Fuente de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica.

10. Adaptador de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica

Figura 3. Destilación sencilla

Page 12: Guia 1 Fraccionamiento

12

Para la destilación sencilla se utiliza el aparato representado en la figura superior

montado sobre dos soportes. Consta de un matraz de destilación, provisto de un

termómetro, que descansa sobre una placa calefactora. El matraz de destilación va

unido a un refrigerante con camisa de refrigeración por la que circula agua en

contracorriente. Finalmente el extremo inferior del refrigerante se monta la cola de

destilación junto con un recipiente (Erlenmeyer o vaso de precipitados) donde se

recogerá el destilado.

DESTILACIÓN SENCILLA

Se usa para separar de líquidos con puntos de ebullición inferiores a 150ºC de

impurezas no volátiles, o bien para separar mezclas de dos componentes que hiervan

con una diferencia de puntos de ebullición de al menos 60-80°C. Mezclas de sustancias

cuyos puntos de ebullición difieren de 30-60°C se pueden separar por destilaciones

sencillas repetidas, recogiendo durante la primera destilación fracciones enriquecidas

en uno de los componentes, las cuales se vuelven a destilar. Para que la ebullición sea

homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato

poroso (o agitación magnética).

El líquido que se quiere destilar se pone en el matraz (que no debe llenarse

mucho más de la mitad de su capacidad) y se calienta con la placa calefactora. Cuando

se alcanza la temperatura de ebullición del líquido comienza la producción apreciable

de vapor, condensándose parte del mismo en el termómetro y en las paredes del

matraz.

La mayor parte del vapor pasa al refrigerante donde se condensa debido a la

corriente de agua fría que asciende por la camisa de este. El destilado (vapor

condensado) escurre al matraz colector a través de la alargadera.

La existencia de una capa de sólido en el fondo del matraz de destilación puede ser

causa de violentos saltos durante la destilación, especialmente si se utiliza una

calefacción local fuerte en el fondo del matraz. La calefacción de un matraz que lleva

cierta cantidad de sólido depositado en el fondo se debe realizar siempre mediante un

baño líquido.

Page 13: Guia 1 Fraccionamiento

13

DESTILACIÓN FRACCIONADA

Figura 4. Destilación fraccionada

Al calentar la mezcla el vapor se va enriqueciendo en el componente más volátil,

conforme asciende en la columna, y los líquidos al caer se enriquecen en el

componente menos volátil, consiguiendo así su separación. Es una técnica que permite

la realización de una serie de destilaciones sencillas en una sola operación continua. Se

usa para separar componentes líquidos que difieren menos de 25ºC en el punto de

ebullición. Es un montaje similar a la destilación simple en el que se ha intercalado

entre el matraz y la cabeza de destilación una columna que puede rellenarse con

cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran superficie, por ejemplo anillos o

hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos de porcelana, etc.

Figura 5. Columnas de Destilación

a) Columna de relleno sencilla b) Columna Vigreux

Page 14: Guia 1 Fraccionamiento

14

La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado en química para

separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un

amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea

principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de

ebullición distintos pero cercanos. Algunos de los ejemplos más comunes son el

petróleo, y la producción de etanol.

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una

columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que

ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes

"platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los

líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los

líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de

sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido.

La mezcla se pone en el aparato de destilación, que suele consistir en un matraz

(u otro recipiente en general esférico), en cuya parte inferior hay unas piedrecillas que

impiden que el líquido hierva demasiado rápido. En la boca del recipiente, en la parte

superior, hay una columna de fraccionamiento, consistente en un tubo grueso, con unas

placas de vidrio en posición horizontal. Mientras la mezcla hierve, el vapor producido

asciende por la columna, se va condensando en las sucesivas placas de vidrio y vuelve

a caer hacia el líquido, produciendo un reflujo destilado. La columna se calienta desde

abajo y, por tanto, la placa de vidrio más caliente está en la parte inferior, y la más fría

en la superior.

En condiciones estables, el vapor y el líquido de cada placa de vidrio están en

equilibrio y, solamente los vapores más volátiles llegan a la parte superior en estado

gaseoso. Este vapor pasa al condensador, que lo enfría y lo dirige hacia otro recipiente,

donde se licúa de nuevo. Se consigue un destilado más puro cuánto más placas de

vidrio haya en la columna. La parte condensada en la placa más cercana al azeótropo

contiene gradualmente menos etanol y más agua, hasta que todo el etanol queda

separado de la mezcla inicial. Este punto se puede reconocer mediante el termómetro

ya que la temperatura se elevará bruscamente.

Page 15: Guia 1 Fraccionamiento

15

PROCESO DE EXTRACCIÓN DE LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL

El proceso de extracción de líquidos del gas natural es al que se somete el gas

natural rico libre de impurezas, con la finalidad de separar el gas Metano seco (CH4 )

de los llamados Líquidos del Gas Natural (LGN), integrados por Etano (C2 H 6 ),

Propano ( C3 H8); Butanos (C4 H 10 ), Pentanos (C5 H 12 ), etc.

El principal objetivo del proceso de extracción es el estudio del comportamiento

de las mezclas de hidrocarburos en equilibrio bifásico. Los componentes más livianos

de la mezcla Como Metano(CH4 ) y Etano (C2 H 6 ) , los cuales principalmente se

concentran en la fase de vapor, mientras que los más pesados Propano( C3 H8) ;

Butanos (C4 H 10 ), Pentanos (C5 H 12 ), se acumulan en la fase líquida, y por lo

tanto serán los que deban de ser separados en el procesos de extracción de los

líquidos del gas natural.

La distribución de los componentes que se encuentran presentes en ambas

fases se predice mediante las constantes de equilibrio bajo las condiciones de presión y

temperatura. Al disminuir la temperatura y aumentar la presión se favorece la

concentración de los compuestos pesados en la fase líquida y se obtienen los (LGN).

Esto explica la necesidad de los procesos de extracción de líquidos de operar a

temperaturas bajas. El gas natural que se envía a las plantas de extracción está

constituido por metano, etano, propano, butano e hidrocarburos más pesados, así como

por impurezas tales como el azufre, y otros componentes de gas natural y que de

alguna forma pueden hacer que el proceso que se evalúa tenga una baja eficiencia, y

por lo tanto cause problemas de rentabilidad.

LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL

Son los hidrocarburos que se pueden extraer del gas natural para mantenerlos

en estado líquido en condiciones normales de presión y temperatura. Puede decirse

que son la parte más pesada de la mezcla de hidrocarburos que, al partirse, se

conserva en estado líquido. Se dice del propano y de los componentes más pesados.

De ordinario, se habla del GPM, indicando con esta expresión la cantidad de galones de

Page 16: Guia 1 Fraccionamiento

16

líquido que se pueden separar de cada mil pies cúbicos de gas, medidos en

condiciones normales.

Los hidrocarburos líquidos son compuestos con enlace simple de carbono, los

cuales bien sea por la alta presión o baja temperatura, pueden ser mantenidos en

estado líquido. Esta característica permite que sean almacenados y transportados de

manera fácil y eficiente. De igual forma su capacidad como fuente de energía o de

insumo como materia prima para la obtención de hidrocarburos más complejos hace

que los Líquidos del Gas Natural (LGN) tengan una alta cotización del mercado

nacional e internacional.

Se consideran que en los (LGN), se encuentran presentes los compuestas

Etano: (C2),Propano (C3) y Butanos (C4), los cuales son gas en condiciones

atmosféricas. También se encuentran presente el Pentano (C5), Gasolina Natural,

Residual, estos componentes por lo general se denominan Pentano y compuestos más

pesados (C5+), el cual es un líquido en condiciones atmosféricas, por lo que permite su

transporte en forma líquida. Se le conoce LGN a la mezcla de componentes licuables

del gas natural, generalmente esta constituido por los componentes mas pesados que

el propano (C3+), aunque en los últimos años las mejoras en los procesos de extracción

de LGN, específicamente procesos de extracción con turboexpansión han logrado

también licuar el etano en la mezcla, así que se puede decir que el LGN puede ser

también los mas pesados que el etano (C2+).

USO DE LOS LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Los Líquidos del Gas Natural (LGN) pueden ser utilizados como fuente de

energía o como combustible doméstico o vehicular, aunque, también pueden ser

utilizados como aditivo para ciertos procesos industriales o como materia prima para la

obtención de otros hidrocarburos. En Venezuela los (LGN) son comercializados tanto

en el mercado nacional como en el internacional.

En el mercado internacional PDVSA Gas cotiza mayormente el (C3); (nC4) y

(iC4), gasolina natural y (C5). Mientras que en el mercado interno, la comercialización

Page 17: Guia 1 Fraccionamiento

17

de los LGN se encuentra dividida en función del uso final que se le da a los mismos.

Este uso puede ser como fuente energética/combustible, como aditivo de procesos

industriales o como materia prima para algunos procesos industriales de gran

importancia, desde el punto de vista económico y social, entre los componentes

obtenidos tenemos: Etano(C2), Propano (C3), Butano (C4)

GLP

El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases condensables presentes

en el gas natural o disueltos en el petróleo. Los componentes del GLP, aunque a

temperatura y presión ambientales son gases, son fáciles de condensar, de ahí su

nombre. En la práctica, se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y

butano. Mezcla de hidrocarburos livianos, gaseosos, predominantemente propano y

butano, obtenida en las Unidades de Procesamiento de Gas Natural (UPGN) o a través

de proceso convencional en las refinerías de petróleo. . Conocido como "gas de cocina"

(gas doméstico) por emplearse principalmente en la cocción de alimentos. También se

le utiliza en apiladoras, soldaduras, esterilización industrial, prueba en cocinas, sopletes

y otras aplicaciones industriales. Se almacena en estado líquido a través de la

elevación de la presión o reducción de la temperatura.

El propano y butano están presentes en el petróleo crudo y el gas natural,

aunque una parte se obtiene durante el refino de petróleo, sobre todo como

subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC, por sus siglas en inglés Fluid

Catalytic Cracking).

PROPIEDADES DEL GLP

El GLP de fuentes naturales consiste principalmente de propano, isobutano y

butano normal. Sin embargo el GLP manufacturado, es decir proveniente de los

procesos de craqueo de refinerías contiene además cantidades substanciales de

propileno y butilenos. Además en el GLP pueden estar presentes pequeñas cantidades

de etano, etileno, isopentano y pentano normal. La presión de vapor ejercida por un

GLP a una temperatura dada depende de los porcentajes y presiones de vapor de los

gases individuales que lo componen.

Page 18: Guia 1 Fraccionamiento

18

El GLP y todos los hidrocarburos que lo componen son fácilmente inflamables.

Esta propiedad hace sea usado como combustible, se torne peligroso si no se lo

maneja correcta y cuidadosamente. Todos los hidrocarburos que componen el GLP son

mas pesados que el aire y es importante tenerlo en cuenta porque cuando se escapa

de un confinamiento, especialmente en grandes cantidades, tiende a asentarse en las

partes bajas tales como sótanos, huecos y otras cavidades.

El GLP producido del gas natural es incoloro, insípido e inodoro, por lo tanto

debe agregársele una substancia odorizante para que el olor sirva de aviso indicador de

fugas o escapes de gas y de que una posible mezcla explosiva esté presente. El GLP

no es tóxico. Sin embargo, donde existe una alta concentración de gas a menudo hay

deficiencia de oxigeno (falta de aire) y como 17% por volumen de oxigeno es necesario

para mantener la vida humana (el aire tiene 21%) la inhalación de altas concentraciones

puede ser peligrosa.Aunque el GLP existe en estado gaseoso bajo condiciones

normales de presión temperatura, puede licuarse prontamente de las siguientes

maneras:

1. Reduciendo la temperatura

2. Aplicando presión

3. Reduciendo la temperatura y aplicando presión.

Luego puede ser transportado, almacenado y manejado fácilmente como líquido,

reteniendo todas las ventajas de un combustible gaseoso. Por lo tanto es importante, si

ha de usarse como un gas, que todos los hidrocarburos que lo componen pasen a la

fase gaseosa a cualquier temperatura sobre sus puntos de ebullición cuando descargan

a la atmósfera.

Los usos principales del GLP son los siguientes:

Obtención de olefinas, utilizadas para la producción de numerosos productos,

entre ellos, la mayoría de los plásticos.

Combustible para automóviles

Combustible de refinería.

Combustible doméstico (mediante garrafas o redes de distribución).

Page 19: Guia 1 Fraccionamiento

19

COMPORTAMIENTO DEL GLP DURANTE UN INCENDIO O EXPLOSIÓN

La gasolina y líquidos inflamables similares, a menos que contengan cantidades

excepcionales de compuestos altamente volátiles tales como propano y butano,

permanecen como líquidos cuando se descarga de un envase, excepto por una

evaporación lenta a la atmósfera. Cuando el GLP se descarga, se expande

rápidamente del estado liquido al gaseoso. Mezclado con aire en las proporciones

apropiadas y próximo a una fuente de ignición arderá; y si la mezcla esta confinada la

combustión puede tomar la forma de una explosión El margen explosivo o inflamable

para el butano normal puro por volumen en aire es 1.8 % a 8.4 %, para propano puro

2.4 % a 9.5 %, para gasolina 1.3 % a 6 % y para gas manufacturado 5 % a 45 %.

Cuando el GLP se descarga o derrama en pequeñas cantidades, se vaporiza

rápidamente y se mezcla con el aire. Generalmente se disipará sin peligro, pero si esto

no ocurre y se prende por una chispa, una llama libre, u otra fuente de ignición, queman

rápidamente. Sin embargo, el incendio, probablemente no será serio a menos que el

GLP este confinado. Por el contrario cuando el GLP se derrama en grandes cantidades,

el volumen puede ser tal que el gas se esparcirá sobre un extensa área, en

concentraciones que son inflamables. Si hay una fuente de ignición en ese área

resultará una combustión acelerada.

Aún cuando los gases no estén confinados, la expansión de grandes volúmenes

incendiados es algunas veces tan grande que la fuerza es casi tan violenta como si

hubiera ocurrido una explosión. Una idea de la magnitud de los volúmenes de gas

presentes en una emergencia se ilustra por el hecho de que 4.000 galones de propano

liquido (15142 litros), cuando se descargan a la atmósfera, se expanden rápidamente

del estado liquido al gaseoso en una relación de 270 a 1 y sé convierten en algo mas de

1.000.000 de galones (aproximadamente 130.000 pies cúbicos) de gas altamente

inflamable.

Page 20: Guia 1 Fraccionamiento

20

GASOLINA NATURAL

Producto resultante del procesamiento de gas natural. Compuesta básicamente

por pentano, hexano y heptano. Los métodos utilizados para su elaboración son la

absorción con aceite pesado, la absorción con carbón vegetal, compresión y refinación.

Se utiliza para la mezcla con gasolina que se produce en las refinerías o con el petróleo

para mejorar la densidad de ese producto y aumentar su valor comercial extraída del

gas natural, es una mezcla de hidrocarburos que se encuentra en la fase líquida, en

determinadas condiciones de presión y temperatura, compuesta de pentano (C5) y

otros hidrocarburos pesados. Obtenida en separadores especiales o en UPGN. Puede

mezclarse a la gasolina para especificación, procesarse nuevamente o agregarse a la

cadena del petróleo.

CONCEPTO DE ETAPAS DE EQUILIBRIOS

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

equilibrio Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de

instantáneas transformaciones (flashes) de equilibrio, con dos alimentaciones 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 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

de procesamiento 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, las composiciones de estas fases están relacionadas por la constante de

equilibrio por la siguiente ecuación.

Ec. 1

Donde: xi = fracción molar del componente en la fase liquida

yi = fracción molar del componente en la fase vapor

ki = Constante de equilibrio

Page 21: Guia 1 Fraccionamiento

21

Figura 6 Etapas de equlibrio

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 mas

platos, mas 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.

Ec. 2

Típicamente para la mayoría de los problemas de separación este factor esta en

el rango de 500 a 2000. Sin embargo para separaciones muy puras este valor puede

llegar a 10000, el numero 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

( ). Esta variable esta definida como la relación de las constantes de equilibrio de los

compuestos clave liviano y pesado, expresado en la siguiente ecuación.

Page 22: Guia 1 Fraccionamiento

22

Ec. 3

Para sistemas de hidrocarburos en dos fases, los compuestos que están en una

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

de equilibrio (K). Por lo tanto es necesario tener muchas etapas de contacto gas/liquido

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

gaseosa y los componentes pesados en la fase liquida, esto requiere que la columna de

destilación tenga muchas etapas de separación, que se agregue mas 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 dela torre como reflujo.

TIPOS DE FRACCIONADORAS Interiormente, la torre de fraccionamiento tiene una presión, la cual se considera

estable en toda su longitud la única diferencia de presión que hay entre el tope y el

fondo de la torre de fraccionamiento es debido al peso propio de los fluidos que

participan en el proceso. En cambio la temperatura del tope es mucho más baja que la

del fondo de la torre. Aquí está la clave de la separación, es decir el fraccionamiento de

los hidrocarburos se sustenta el capacidad que tienen los elementos más volátiles para

ascender en una columna fraccionadora, desde luego la parte más liviana se irá al tope

de la torre, mientras que la porción más pesada quedará en el fondo. En la figura Nº 7

se presenta un ejemplo de fraccionamiento en relación a lo anteriormente descrito

Figura 7

Page 23: Guia 1 Fraccionamiento

23

En la tabla 2 se presenta la composición porcentual de los componentes de

hidrocarburos que en encuentran en cada uno de tren del proceso de fraccionamiento

Tabla 2

En la figura Nº 7 se observa que el fluido entra al tren de fraccionamiento (1), el

cual está sometido a una presión de 425 (lpcm) y temperatura de 240ºF, tal como lo

indica la tabla 2, en la composición del fluido predominan los líquidos del gas natural. La

temperatura en el tope de esta torre alcanza un valor de 95ºF, el fluido entra a la torre

donde se recupera el etano líquido, donde la concentración de este componente

alcanza un valor de 71,1538%, por la parte posterior de esta torre sale el gas residual.

En la parte de abajo del tren de fraccionamiento (1) quedan los componentes más

pesados de fluido, que llega al proceso de fraccionamiento, estos hidrocarburos entran

al tren de fraccionamiento 3, en el cual la presión tiene un valor de 315 (lpcm), mientras

que la temperatura en el fondo es 280ºF y en el tope es 135ºF.

El fluido que entra al tren de fraccionamiento 3 está libre de gas metano, por la

diferencia de temperatura en el tren 3 la fracción más liviana ingresa a la torre donde se

recupera el propano, que es la torre 4, y tal como lo indica el cuadro Nº 2,

prácticamente está conformado solo por propano. En vista que el valor de la

temperatura de fondo de tren 3 es de 280ºF, permite la acumulación de la fracción más

pesada, y que controlada por válvula ingrese al tren de fraccionamiento 5, que se

encuentra sometido a una presión de 100 (lpcm), siendo la temperatura de fondo de

250ºF.

Page 24: Guia 1 Fraccionamiento

24

En la tabla Nº 2 se puede observar que el fluido que llega a esta torre, está libre

de metano, etano y propano. El valor de la temperatura en el tope de este tren es

135ºF, por lo que hay una elevación de los hidrocarburos más livianos de esta fracción,

que hace que ingrese a la torre, donde se recupera el butano, mientras que en el fondo,

donde quedo la fracción más pesada se recuperará la gasolina natural, y todavía queda

una parte del butano, que se recupero en la torre debutanizadora.

PLATOS DE BURBUJEO EN EL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO Se entiende por plato de burbujeo o bandeja de burbujeo, a un equipo que se

encuentra en la torre de fraccionamiento, plantas deshidratadora o de endulzamiento de

gas natural, donde se encuentran la corriente de gas que está siendo tratada y el

componente líquido que viene del tope. Lugar donde se produce el intercambio de

materiales entre el gas que sube dentro de la torre con el líquido que desciende desde

el tope o el punto de entrada. En cada uno de estos platos, debe haber un equilibrio

termodinámico entre los gases y el líquido con el cual están en contacto.

Las fracciones más pesadas de los hidrocarburos, que llegan al proceso de

fraccionamiento necesitan mayor temperatura para evaporarse, es por ello que la torre

irá estratificando los fluidos en función de sus respectivos puntos de burbujeo Los más

pesados hacia el fondo y los más livianos en los platos del tope. El operador podrá

decidir de qué plato debe retirar un determinado producto para satisfacer los

requerimientos previamente establecidos.

Cuando se comienza el trabajo dentro de la secuencia de torres, luego se

empieza el trabajo con la primera columna, en este caso la pregunta es ¿Qué

características se deben considerar en el diseño? ¿Cómo debe ser ese producto que

está llegando al sistema? Es necesario que esté completamente líquido y listo para

empezarse a evaporar. Es decir que esté a su punto de burbujeo. En los niveles de

ingeniería es fácil calcular, para una determinada composición del fluido y, a una

presión determinada, cuál debe ser la temperatura a la cual se empieza a evaporar el

fluido. Así, al conocer la presión de la torre en el sitio donde se introduce la

Page 25: Guia 1 Fraccionamiento

25

alimentación, en las torres de fraccionamiento de los líquidos del gas natural, una vez

determina la presión queda, que se debe de determinar la temperatura a la cual se

debe introducir el fluido, para asegurarse de que entre en estado líquido y próximo a

empezar la evaporación.

Cuando el fluido rebosa el plato de entrada (plato de alimentación) y cae al

sector inmediatamente inferior, se empieza a evaporar porque consigue temperaturas

más altas y, finalmente, el que llega al plato del fondo de la torre, también estará a su

punto de burbujeo, en estado líquido, y listo para entrar a la próxima columna para

continuar el proceso de separación. En la figura Nº 8 se presenta un esquema de platos

superiores en una columna de burbujeo.

Figura 8

Si la torre de fraccionamiento está llena con una serie de platos igualmente

distanciados entre el tope y el fondo, de tal manera que los líquidos vayan cayendo, de

uno a otro plato, hasta llegar al fondo. En cada uno de esos recipientes habrá burbujeo

y desprendimiento de la porción más volátil.

Page 26: Guia 1 Fraccionamiento

26

Por cuanto hay líquidos que entran a la torre de manera continua a la altura del

plato de carga, ubicado en su zona media, los platos de burbujeo estarán siempre

llenos y existirá en equilibrio una porción de vapor que, desde cada plato, asciende

hacia el tope, así como, una porción de líquidos que baja hasta el fondo de la columna.

La zona superior se llena de líquido gracias al reflujo, también en estado líquido, que

entra al primer plato para completar la operación.

Así que, con este aporte, todos los platos de la torre estarán llenos de líquido y,

al entrar en contacto con los vapores que suben, garantizarán el equilibrio

termodinámico en cada una de las etapas o platos de burbujeo. Además, como se

indico antes la temperatura del fondo de la torre, tiene un valor mayor, con respecto al

tope, será fácil entender que, dentro de la torre, existe un gradiente de temperatura. Es

decir que, desde el tope hacia el fondo, la temperatura en cada plato es cada vez más

alta. Eso permite que los fluidos se vayan evaporando a medida que descienden.

PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA

COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO

En la Figura. Nº 9, se observa un diagrama esquemático de una torre de

fraccionamiento,

Figura Nº 9. Partes importantes de una torre de fraccionamiento

Page 27: Guia 1 Fraccionamiento

27

Algunos de los parámetros fundamentales que caracterizan el funcionamiento

del sistema:

Tope de la torre, sección de rectificación.

Zona inferior, sección de despojamiento.

Plato de alimentación.

Condensador de reflujo y medio de enfriamiento.

Bomba de reflujo.

Acumulador o tambor de reflujo.

Rehervidor.

Gradiente de temperatura dentro de la torre.

Se comienza en el 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 líquido cada vez más pesado.

Este fluido recircula en el rehervidor 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

Page 28: Guia 1 Fraccionamiento

28

parcialmente vaporizado va a producir cavitación en las bombas. 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 la torre 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 la 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. (Fig. Nº 9), la cantidad

de líquido que regresa al tope de la torre, procedente el tambor de reflujo, llena el plato

superior 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

EL REFLUJO Y EL NÚMERO DE PLATOS EN LA TORRE

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

la Figura Nº 10 se aprecia el comportamiento. Las expresiones que siguen ayudarán a

entender el tema:

Page 29: Guia 1 Fraccionamiento

29

Figura 10

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 al número 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.

En condiciones normales de operación, la alimentación debe entrar a su punto de

burbujeo. Si el producto entre a la torre con un alto grado de vaporización, la cantidad

de gas que se mueve hacia el tope de la torre será excesiva, el producto en exceso se

debe condensar, para regresarlo como reflujo. Para obtener la condensación excesiva

se debe incrementar la tasa del fluido de enfriamiento en el condensador de reflujo.

Como consecuencia de lo anterior, se debe aumentar la cantidad de calor en el

rehervidor, con el fin de mantener el equilibrio termodinámico.

Page 30: Guia 1 Fraccionamiento

30

Lo cual implica el empleo de una mayor tasa energética en el condensador. Al

incrementar el costo de la energía, el producto pudiera salir demasiado costoso y, por lo

tanto, quedaría fuera de competencia en el mercado. Así se observa que las

condiciones a las cuales entra la carga a la torre y el reflujo correspondiente están

íntimamente ligadas con:

La carga calorífica del condensador.

La carga calorífica del rehervidor.

La capacidad del acumulador de reflujo.

La capacidad máxima y mínima de los platos de burbujeo instalados en

la torre. lo que, en efecto establece una permanente correlación entre los

diferentes parámetros y equipos del sistema.

BASES PARA EL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO

Para diseñar una columna de fraccionamiento es necesario seguir los siguientes

pasos:

1.- Definir la alimentación, recuperación de productos (Tasa de Flujo) y

especificaciones de los mismos (Caracterización)

2.- Definir el componente Clave Pesado y el componente Clave Liviano.

3.- Establecer la presión de la columna de acuerdo al medio enfriamiento en el

condensador.

4.- Calcular el punto de rocío para el destilado (Temperatura de tope) y el punto

de burbujeo para el fondo. (Temperatura de fondo).

5.- Calcular el mínimo número de platos teóricos.

6.- Calcular el reflujo mínimo.

7.- Determinar el punto de operación de reflujo y el número de platos teóricos.

Page 31: Guia 1 Fraccionamiento

31

8.- Determinar el plato de alimentación.

9.- Calcular la eficiencia de la columna (o plato) y determinar el número de

platos.

10.- Calcular el diámetro y altura de la torre.

FUNDAMENTOS DEL FRACCIONAMIENTO

El fraccionamiento es un proceso que consiste en separar los líquidos del gas

natural (LGN) en gas licuado de petróleo (GLP) y gasolina natural (GN). El proceso de

fraccionamiento es un proceso de separación de las fracciones licuables del gas

natural, tal y como se muestra en la Figura 11 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 C3, C4 y C5+. Por lo general

en la etapa de producción, el C3 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 de torres de

fraccionamiento.

Figura 11

Page 32: Guia 1 Fraccionamiento

32

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

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 de la columna, puede ser total o

parcialmente condensado. En un condensador total, todo el vapor será condensado y

en forma de líquido regresará a la columna componiendo el “reflujo”, manteniendo la

Page 33: Guia 1 Fraccionamiento

33

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.

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:

Figura 12

TORRE DE FRACCIONAMIENTO

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

que suelen configurar el entomo 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.

Page 34: Guia 1 Fraccionamiento

34

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 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.

TIPOS DE TORRES DE FRACCIONAMIENTO-VENTAJAS

La elección del tipo de equipo, las partes interiores de esos equipos, la relación

liquido/gas, el diámetro y la altura de la columna tienen efectos importantes desde el

punto de vista económico al para una operación de fraccionamiento. En este caso

nombraremos algunas ventajas importantes para la selección de las torres, entre:

Hay muchos casos en que las torres empacadas tienen ventajas importantes.

Entre estas se incluyen:

1.- Operaciones al vacio: La caída de presión en una torre empacada se puede

diseñar con frecuencia para un nivel más bajo que en el caso de una torre de platos y,

obtener, de todos modos, un contacto adecuado en el vapor y el liquido.

2.- Los líquidos espumantes se pueden manejar con frecuencia en forma más

satisfactoria en una torre empacada.

Page 35: Guia 1 Fraccionamiento

35

3.- La retención de líquido suele ser generalmente menor, por lo que se puede

manejar materiales sensibles at calor junto con procesos que pueden tener reacciones

secundarias indeseables.

4.- La construcción suele ser más sencilla y barata cuando el sistema es

corrosivo para los materiales de construcción normales.

5.- Para columnas pequeñas (menores que, aproximadamente, 2 pies de

diámetros), las torres empacadas serán casi siempre más baratas que las de platos.

TORRES EMPACADAS

Figura 13

CARACTERISTICAS DEL RELLENO

Cada uno de los rellenos, presentan características distintas,según sea su

forma,diseño,material y tamaño.Dichas características son importantes tomar encuenta

al momento de diseñar una torre empacada,ya que el relleno de una torre es el que

proporciona el área de contacto entre las fases involucradas,y mientras mayor sea el

Page 36: Guia 1 Fraccionamiento

36

área de transferencia de menor altura será la torre.Pero también se debe tomar

encuenta los costos involucrados. En la tabla que se presenta a continuación se da

información sobre las características de algunos tipos de rellenos

Figura 3

Page 37: Guia 1 Fraccionamiento

37

TORRES DE PLATOS

Las torres del tipo de platos tienen ventajas importantes en muchos campos:

1.- Se instalan con facilidad serpentines de enfriamiento en los platos, lo que las

hace más convenientes cuando el calor de solución requiere enfriamiento interno.

2.- Con el diseño apropiado para la longitud del flujo transversal de líquido, las

torres de platos pueden manejar flujos más altos de líquido.

3.- Para flujos de líquido extremadamente bajos (por ejemplo, en la

deshidratación de gas natural en el cual se utiliza un glicol), las torres de platos tienen

ventajas, puesto que se pueden diseñar para retener una cantidad dada de líquido en el

plato.

4.- Se puede preferir ciertos tipos de torres de plato, cuando hay deposiciones de

materiales sólidos que se deben retirar periódicamente. La limpieza de las otras torres

de platos se puede hacer por bocas de acceso, mientras que las torres empacadas

requieren que caiga el empaque para facilitar la limpieza

5.- El peso total de la torre de platos suele ser menor que el de una torre

empacada, diseñada para el mismo servicio. La resistencia limitada a la trituración de

muchos materiales de relleno puede hacer obligatorio el use de platos múltiples de

soporte del empaque, para sostener el peso alto, de la columna empacada.

6.- Se prefieren en general columnas de platos para las operaciones que

requieren un gran número de unidades de transferencia o platos teóricos. Las torres

empacadas tienden a someterse al encauzamiento de las corrientes de vapor y liquido y

la distribución adecuada es difícil de mantener, sin patrones bastantes elaborados de

redistribución.

Page 38: Guia 1 Fraccionamiento

38

COMPONENTES PRINCIPALES DE LAS COLUMNAS DE DESTILACION

Las columnas de destilación se componen de varios componentes, cada uno de

ellos se utiliza principalmente para la transferencia de calor, o mejorar la transferencia

de masa. Un típico esquema de destilación contiene varios componentes principales:

Figura 14

PROPÓSITO DEL FRACCIONAMIENTO

Cualquier planta de procesamiento de gas que produce Iíquidos 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, 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 separado de

entrada a la planta, para recuperar las fracciones de pentano y más pesadas (C5), se

Page 39: Guia 1 Fraccionamiento

39

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).

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 y C4) y el balance como C5+, se requiere un

mínimo de tres columnas de destilación para las separaciones siguientes:

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 el C5+