documento pdf- proyecto de grado

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UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIAFACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGIA

CARRERA DE INGENIERA EN GAS Y PETROLEOS

DISEO Y FACTIBILIDAD TECNICADE UNA PLANTA DE GLP POR TURBOEXPANSION.

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TTULO DE LICENCIATURA ENINGENIERA EN GAS Y PETROLEOS

POSTULANTE: Daniela Cota Vidaurre.

TUTOR: Ing. Marco Antonio Parada.

SANTA CRUZ - BOLIVIA2010

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IDEDICATORIA

A mis amados padres Victor y Alberta, a mis queridos tos Adolfo y Florinda; por

ser un ejemplo de esfuerzo, trabajo, perseverancia, quienes con palabras llenas

de amor, cario supieron inspirarme confianza, fortaleza en mis peores

momentos, porque me ensearon que la constancia,

la dedicacin , el esfuerzo siempre generan xito.

A mi querida ta Rosemary, por su generosa ayuda, por haberme brindado las

herramientas necesarias para fortalecer todos mis propsitos,

por confiar en m, por su amistad y por estar siempre a mi lado.

A mis queridos hermanos Mauricio, Gonzalo, Andreina y Graciela

por sus palabras llenas de apoyo, de confianza y de amor.

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II

AGRADECIMIENTO

A dios todo poderoso, por ser mi gua e iluminar mi camino en todo momento con

el bien hacia mi crecimiento intelectual y moral.

Gracias muy especiales a mi tutor Ing. Marco Antonio Parada, por su asesora, al

Lic. Enrique Coscio por su cooperacin, sabios consejos y apoyo incondicional,

A mi querida familia abuelos, tos, tas, primos, primas y sobrinos por ser las

personas ms importantes de mi vida, dndome el cario y apoyo para poder salir

adelante.

Deseo expresar mis ms sinceros agradecimientos a todas aquellas personas que

de alguna manera colaboraron en la elaboracin y culminacin satisfactoria de

este trabajo.

A todos

Muchas gracias!

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III

NDICE GENERAL

CAPITULO I Pagina

1.1. INTRODUCCIN. 11.2. ANTECEDENTES. 21.3. DELIMITACION 21.3.1. LIMITE GEOGRAFICO 21.3.2. LIMITE TEMPORAL 31.3.3. LIMITE SUSTANTIVO 31.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 31.5. FORMULACION DEL PROBLEMA 41.6. SISTEMATIZACION DEL PROBLEMA Y ABORDAJE DE LA SOLUCION 51.6.1. PROBLEMA 51.6.2. SOLUCION 61.7. OBJETIVOS. 61.7.1. OBJETIVO GENERAL 61.7.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 71.8. JUSTIFICACIN. 71.8.1. JUSTIFICACION CIENTIFICA 71.8.2. JUSTIFICACION ECONOMICA 71.8.3. JUSTIFICACION SOCIAL 71.8.4. JUSTIFICACION AMBIENTAL 81.8.5. JUSTIFICACION PERSONAL 8

CAPITULO II - MARCO METODOLICO Pagina

2.1. TIPO DE INVESTIGACION 92.1.1. INVESTIGACION DESCRIPTIVA 92.1.2.INVESTIGACION APLICADA 92.2. METODO DE INVESTIGACION 102.3. FUENTES DE INFORMACIN. 102.3.1. INFORMACION DOCUMENTAL 102.3.2. INFORMACION BIBLIOGRAFICA 102.3.3. INFORMACION INFORMATICA 102.4. TECNICAS O PROCEDIMIENTOS PARA RECOLECCION DE INFORMACION. 11

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IV

CAPTULO III - MARCO TERICO CONCEPTUAL Pagina

3.1. MARCO TEORICO GENERAL. 123.1.1. GAS NATURAL. 123.1.2. CLASIFICACION DEL GAS NATURAL 123.1.3. COMPOSICION DEL GAS NATURAL 163.1.4. PUNTO DE ROCIO 183.1.5. PUNTO DE BURBUJA 183.1.6. GAS LICUADO DE PETROLEO. 183.1.7. GASOLINA NATURAL 203.1.8. GPM 213.1.9. PROCESO DE REFRIGERACION 223.1.10. TECNOLOGIAS PARA LA RECUPERACION DE LICUABLES 233.1.10.1. SISTEMA DE REFRIGERACION MECANICA 233.1.10.2. ADSORCION MEDIANTE LECHOS SOLIDOS. 273.1.10.3. SISTEMAS DE JOULE THOMSON 303.1.10.4. SISTEMAS DE SEPARACION A BAJA TEMPERATURA 333.1.10.5. ABSORCION CON ACEITE POBRE A BAJA TEMPERATURA 343.1.10.6. PLANTAS DE TURBOEXPANSION 363.2. MARCO TEORICO ESPECIFICO 573.2.1. SELECCIN DE PROCESOS. 573.2.1.1. TRATAMIENTO DEL GAS NATURAL 573.2.1.2. EVOLUCION DE LA NUEVA GENERACION DE PROCESOS 593.2.1.3. PROCESOS DE RECUPERACION DE LICUABLES 643.2.1.4. EQUIPOS EMPLEADOS EN EL PROCESO 703.2.2. CAPEX 753.2.3. OPEX 75

CAPITULO IV - MARCO TEORICO REFERENCIAL Pagina

4.1. LOCALIZACION DEL PROYECTO 764.2. PRODUCCION DE GLP EN BOLIVIA 794.3. PROYECCION DE LA PRODUCCION Y LA DEMANDA DE GLP 814.4. PROYECCION DE PRODUCCION Y LA DEMANDA DE GASOLINA 844.5. MARCO TEORICO NORMATIVO 86

CAPITULO V - INGENIERA DEL PROYECTO Pagina

5.1. BASES DE DISEO PARA LA PLANTA DE LICUABLES 87

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V5.1.1. COMPOSICION DE GAS DE ENTRADA 875.1.2. PRESION DE GAS DE ALIMENTACION 885.1.3. TEMPERATURA DE GAS DE ALIMENTACION 885.1.4. CAPACIDAD NOMINAL 885.1.5. RENDIMIENTO DE RECUPERACION DE PROPANO Y ETANO 885.1.6. CONDICIONES DEL GAS RESIDUAL 885.2. CALCULO DEL GPM DEL GAS DE ALIMENTACION 895.3. DESCRIPCION Y RESULTADOS DE LA SIMULACION 905.3.1. DESCRIPCION DEL PROCESO DE PRODUCCION DE GLP CON EL PROCESO DETURBOEXPANSION 905.3.2. RESULTADOS OBTENIDOS DEL HYSYS 925.3.2.1. DATOS OBTENIDOS DEL HYSYS 945.3.2.2. EQUIPOS NECESARIOS PARA EL PROCESO 1025.4. MEMORIA DE CALCULO DE DISEO 1025.4.1. CALCULO DEL SEPARADOR 1035.4.2. FRACCIONADORAS 1075.4.3. CALCULO DE LA DEBUTANIZADORA 1075.4.3.1. MEMORIA DE CALCULO DE LA TORRE FRACCIONADORA 1075.4.3.2. CALCULO DE LA TEMPERATURA DE OPERACIN DEL PLATO SUPERIOR DELA TORRE 1105.4.3.3. CALCULO DE LA TEMPERATURA DEL REHERVIDOR 1115.4.3.4. CALCULO DEL MINIMO NUMERO DE ETAPAS 1125.4.3.5. CALCULO DE LA MINIMA RELACION DE REFLUJO 1145.4.3.6. CALCULO DEL NUMERO DE PLATOS IDEALES 1165.4.3.7. CALCULO DEL NUMERO DE PLATOS REALES 117

CAPITULO VI ANALISIS DE COSTOS. Pagina

6.1. CALCULO DEL CAPEX 1186.2. CALCULO DEL OPEX 1206.3. DETERMINACION DE INGRESOS TOTALES 122

CAPITULO VII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Pagina

7.1. CONCLUSIONES 1237.2. RECOMENDACIONES 124

BIBLIOGRAFA 125

ANEXOS 126

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VI

NDICE DE TABLAS


TABLA 3.1. COMPOSICION DEL GAS NATURAL EN BOLIVIA 17TABLA 3.2. FACTORES DE CONVERSION PARA EL CALCULO DE GPM 21TABLA 3.3. PARAMETROS TIPICOS PARA FRACCIONADORAS Y ABSORBEDORAS 56


TABLA 4.1. CAPACIDAD DE PROCESO, GAS ALIMENTO Y PRODUCCION DE GLP 2007 80TABLA 4.2. PROYECCION DE LA PRODUCCION Y DEMANDA DE GLP EN BOLIVIA 82TABLA 4.3. PROYECCION DE LA PRODUCCION Y DEMANDA DE GASOLINA ENBOLIVIA 84

CAPITULO V - INGENIERA DEL PROYECTO Pagina

TABLA 5.1. COMPOSICION QUIMICA DEL GAS NATURAL DE ALIMENTACION 87TABLA 5.2. CALCULO DEL GPM DEL GAS DE ALIMENTACION 89TABLA 5.3. PROPIEDADES DE LA CORRIENTE QUE INGRESA A LA SIMULACION 94TABLA 5.4. PROPIEDADES DE LA CORRIENTE DEL GAS RESIDUAL 96TABLA 5.5. PROPIEDADES DE LA CORRIENTE DE GLP 98TABLA 5.6. PROPIEDADES DE LA CORRIENTE DE GASOLINA NATURAL 100TABLA 5.7. CANTIDAD DE EQUIPOS REQUERIDOS PARA EL PROCESO 102TABLA 5.8. CORRIENTE DE GAS QUE INGRESA A LA TORRE DEBUTANIZADORA 108TABLA 5.9. BALANCE DE MATERIA DE LA TORRE DEBUTANIZADORA 109TABLA 5.10. VOLATILIDADES RELATIVAS RESPECTO A C6 115

CAPITULO VI ANALISIS DE COSTOS. Pagina

TABLA 6.1. COSTO TOTAL DE EQUIPOS PARA LA PLANTA 118TABLA 6.2. DETERMINACION DEL CAPEX 119TABLA 6.3. COSTOS DE OPERACIN DIRECTA DE PLANTA 120TABLA 6.4. DETERMINACION DEL OPEX 121TABLA 6.5. INGRESOS POR LOS PRODUCTOS OBTENIDOS 122

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VII

NDICE DE FIGURAS


FIGURA 3.1. DIAGRAMA DE FASES PARA EL GAS HUMEDO 14FIGURA 3.2. DIAGRAMA DE FASES PARAS EL GAS SECO 15FIGURA 3.3. COMPONENTES TIPICOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA 16FIGURA 3.4. ESQUEMA DE PROCESO DE UNA PLANTA POR REFRIGERACIONMECANICA 24FIGURA 3.5. SISTEMA DE REFRIGERACION A SIMPLE ETAPA 26FIGURA 3.6. SISTEMA DE REFRIGERACION DE DOS ETAPAS 26FIGURA 3.7. SISTEMA DE REFRIGERACION DE TRES ETAPAS 27FIGURA 3.8. ESQUEMA DE PROCESO DE UNA PLANTA DE ADSORCION MEDIANTELECHOS SOLIDOS 29FIGURA 3.9. ESQUEMA DE PROCESO DE UNA PLANTA JOULE THOMSON 32FIGURA 3.10. ESQUEMA DE PROCESO DE UNA PLANTA DE ABSORCION CON ACEITEPOBRE A BAJA TEMPERATURA 35FIGURA 3.11. ESQUEMA DE PROCESO DE UNA PLANTA POR TURBOEXPANSION 37FIGURA 3.12. DIAGRAMA P-T DEL PROCESO DE TURBOEXPANSION 39FIGURA 3.13. DESCRIPCION DEL PROCESO 41FIGURA 3.14. TREN DE FRACCIONAMIENTO Y RENDIMIENTOS 49FIGURA 3.15. EFICIENCIA DE PLATOS PARA FRACCIONADORES 55FIGURA 3.16. PROCESO DE EXPANSION VINTAGE 58FIGURA 3.17. PROCESO DE EXTRACCION OPTIMIZADO CON REFLUJO 60FIGURA 3.18. ESQUEMA DEL PROCESO DE GAS SUBENFRIADO 62FIGURA 3.19. ESQUEMA DEL PROCESO DE RECICLO DE CABEZA 64FIGURA 3.20. ESQUEMA DEL PROCESO DE REFLUJO DE RESIDUO FRIO 65FIGURA 3.21. ESQUEMA DEL PROCESO DE RECICLO DE DESVIACION DE VAPOR 67FIGURA 3.22. ESQUEMA DEL PROCESO DE VAPOR DE RECICLO CONENRIQUECIMIENTO 69FIGURA 3.23. SEPARADOR VERTICAL 71


FIGURA 4.1. MAPA DE LOS CAMPOS A PROCESAR 79FIGURA 4.2. LOCALIZACION DE PLANTAS DE GLP EN BOLIVIA 81FIGURA 4.3. PROYECCION DE LA PRODUCCION Y DEMANDA DE GLP EN BOLIVIA 83FIGURA 4.4. PROYECCION DE LA PRODUCCION Y DEMANDA DE GASOLINA ENBOLIVIA 85

CAPITULO V - INGENIERA DEL PROYECTO PaginaFIGURA 5.1. PROCESO TURBOEXPANSION (RSVE) 93

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CAPITULO I

DISEO Y FACTIBILIDAD TECNICA DE UNA PLANTA DE GLP POR TURBOEXPANSION. 1

CAPITULO I

INTRODUCCION

1.1. Introduccin.

Las polticas bolivianas aplicadas a la industria de los hidrocarburos ha sido

extremadamente variable en los ltimos aos, pasando el sector de ser un

negocio estatal a uno capitalizado por empresas extranjeras, para despus ser

nuevamente un sector estatal a travs de una nacionalizacin llevada a cabo por

el ltimo gobierno en el ao 2006. En virtud que el GLP se ha mantenido como un

producto subvencionado por el estado boliviano desde las pocas de la empresa

estatal del petrleo o YPFB y a lo largo del tiempo de la capitalizacin, es que las

empresas transnacionales concesionarias de la produccin del gas natural en el

pas, restaron inters en la extraccin de los significativos volmenes de licuables

presentes en la produccin del gas natural de los nuevos campos gasferos

destinados a cubrir la exportacin en un principio al Brasil, y luego a la Argentina.

Consecuentemente, el incremento en la demanda de la ltima dcada ha puesto

al pas en una situacin de escasez de este combustible, y de llegar a la

necesidad de tener que importar volmenes importantes para cubrir el consumo

interno. Pero no solamente el GLP de nuestro gas de exportacin puede

satisfacer la demanda insatisfecha del pas, sino que tambin existe capacidad de

produccin que puede ser comercializada de forma factible a los mercados de

pases internacionales. Los estudios de mercado nacional e internacional

efectuados en los ltimos aos por el sector de hidrocarburos, demuestran la

oportunidad potencial de desarrollar un proyecto de una megaplanta de extraccin

de licuables con el objeto de procesar la produccin de los megacampos del sur

del pas con una capacidad de 700 MMPCD. En base a estos anlisis, el objetivo

de este proyecto de grado es efectuar el diseo, la factibilidad tcnica de una

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CAPITULO I


planta de extraccin de licuables mediante turboexpansin por etapas y por

mdulos de 400 MMPCD cada uno. La sntesis y anlisis del conjunto de

alternativas de procesos evaluadas en la etapa de conceptualizacin recomiendan

la seleccin de una configuracin de proceso criognico reconocido como Proceso

de Vapor de Reciclo con Enriquecimiento (RSVE).

1.2. Antecedentes.

La Refinacin en Bolivia, inici operaciones con la instalacin de pequeas

unidades rudimentarias de destilacin primaria en 1931. Aos ms tarde, luego de

la fundacin de Yacimientos Petrolferos Fiscales Bolivianos (YPFB) en 1936 se

pusieron en marcha las plantas refineras de Sanandita (Tarija) y Camiri (Santa

Cruz), Sucre, Cochabamba y Santa Cruz de la Sierra, con capacidades de 500,

1.500, 3.000, 6.000 y 2.000 barriles de petrleo da (Bpd) respectivamente.

Las primeras plantas de extraccin de GLP que Bolivian Gulf Oil Company instal

en Bolivia fueron las plantas de Ro Grande y Colpa, posteriormente YPFB instal

las plantas Vuelta Grande y Carrasco y las ltimas instaladas fueron Paloma por

la empresa Maxus y, despus de la capitalizacin, fue instalada la planta Kanata

por la empresa Chaco.

En Bolivia existen tres tipos de tecnologa de extraccin de GLP a partir del gas

natural: Absorcin con aceite y refrigeracin con propano en Ro Grande,

Turboexpansin en Carrasco, Kanata, Paloma y Vuelta Grande, y Refrigeracin

con propano en Colpa. 1

1.3. Delimitacin.

1.3.1. Lmite geogrfico.

El presente proyecto ser desarrollado en el departamento de Tarija en la

provincia de Gran Chaco.

1 Estrategia Boliviana de Hidrocarburos, pg. 211.

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CAPITULO I


Fuente: Elaboracion propia.

1.3.2. Lmite temporal.

El proyecto ser realizado en el periodo que abarca entre los meses de Marzo a

Julio del ao 2010.

1.3.3. Lmite sustantivo.

En el presente proyecto se realizara el diseo de una planta de extraccin de

licuables mediante turboexpansin en la provincia Gran Chaco del departamento

de Tarija, con el fin de abastecer al mercado interno viendo a esta planta como

una alternativa al retraso que se tiene en la construccin de la planta de Rio

Grande.

1.4. Planteamiento del problema.

La demanda de GLP en el mercado interno, se ha incrementado llegando a

valores cercanos al de la oferta (produccin), lo cual representa dficit del

CampoMargarita

Campo SanAntonio

Campo SanAlberto

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CAPITULO I


producto, que obliga a importar este combustible. No se efectuaron inversiones en

ampliacin de la capacidad de extraccin de GLP de gas natural.2

Es necesario la construccin de nuevas plantas de GLP en el corto y mediano

plazo para abastecer la creciente demanda del mercado interno, evitar la

importacin y obtener ingresos por la exportacin de excedentes.3

Sobre el estado en el proyecto de la planta de GLP en Rio Grande paralizada

despus del escndalo de corrupcin vinculado a Santos Ramrez. En este marco,

se estima que la planta de Rio Grande producira alrededor de 200TMD, aunque

su construccin se prev hasta 2012.4

Por lo anteriormente mencionado el presente proyecto se toma como una

alternativa para el abastecimiento de GLP frente al retraso de las obras.

1.5. Formulacin del problema.

Con el diseo de una nueva planta de GLP se podr dar abastecimiento a la

demanda de gas existente en el pas?

2 Estrategia Boliviana de Hidrocarburos, pg. 252.3 Estrategia Boliviana de Hidrocarburos, pg. 252.4 Energy Press, Junio 2009, pg. 9.

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CAPITULO I


1.6. Sistematizacin del problema y abordaje de la solucin.

1.6.1. Problema.

Escasez en la produccin deGLP para abastecer lademanda de la poblacin.

Limitado desarrollo enla capacidad deproduccin de GLP.

Poblacin bolivianainsatisfecha frente adesabastecimiento.

Produccin limitada deGLP en el pas.

Carencia de capitalpara inversin ennuevas plantas

Capacidad deoperacin deficiente enla obtencin de GLP enplantas actuales.

Declinacin de laproduccin en loscampos gasferos delpas.

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CAPITULO I


1.6.2. Solucin.

1.7. Objetivos.

1.7.1. Objetivo general.

Disear una planta de extraccin de licuables GLP y Gasolina natural mediante

turboexpansin por etapas y por mdulos de 400 MMPCD cada uno.

Diseo de una plantaextractora de licuables.

Abastecer de GLP a lapoblacin.

Desarrollar latecnologa en elproceso de obtencinde GLP.

Optimizar la produccinde la nueva planta.

Extender la capacidad

produccin en el pas.

Incrementar laexplotacin de loscampos gasferos en elpas.

Establecer la tecnologaadecuada para laplanta.

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CAPITULO I


1.7.2. Objetivos especficos.

Dentro de los objetivos especficos para el presente proyecto estn:

Investigar la literatura existente y representativa relacionada con el proyecto.

Sintetizar y analizar las alternativas de configuracin de procesos

Recopilar datos de cromatografa de gas de entrada

Simular el proceso seleccionado

Analizar los costos preliminares.

1.8. Justificacin.

1.8.1. Justificacin cientfica.

Se realizaran los estudios tcnicos necesarios para contar con los equipos de

ltima tecnologa llegando as a la optimizacin de la produccin de GLP en la

planta.

1.8.2. Justificacin econmica.

El proyecto traer beneficios econmicos al pas y a los inversionistas,

considerando que ya no existirn ms las especulaciones respecto al precio del

GLP.

1.8.3. Justificacin social.

En nuestro pas la demanda de GLP ha crecido de manera considerable por

considerarse un producto de la canasta familiar; llegando a la insatisfaccin de la

poblacin por la escasez del mismo.

Con el proyecto se pretende cubrir la expectativa de la demanda y as aliviar la

insatisfaccin de la poblacin.

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CAPITULO I


1.8.4. Justificacin ambiental.

Se cumplir con las leyes ambientales referidas a la diseo de plantas de gas

establecidas por ley cuidando el ecosistema de nuestro pas.

1.8.5. Justificacin personal.

El presente trabajo permite a su autor obtener el ttulo a nivel Licenciatura en

Ingeniera en Gas y Petrleo; para que de esta manera pueda ofrecer y aplicar los

conocimientos adquiridos en la Universidad.

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CAPITULO II


CAPITULO II

MARCO METODOLOGICO

2.1. Tipo de investigacin.

En el presente proyecto de grado se presentaran segn a su naturaleza y finalidad

se aplicaran los siguientes tipos de investigacin.

2.1.1. Investigacin descriptiva

El objetivo de la investigacin descriptiva consiste en llegar a conocer las

situaciones, costumbres y actitudes predominantes a travs de la descripcin

exacta de las actividades, objetos, procesos y personas. Su meta no se limita a la

recoleccin de datos, sino a la prediccin e identificacin de las relaciones que

existen entre dos o ms variables.

Mediante este tipo de investigacin que utiliza el mtodo de anlisis, se logra

caracterizar el objeto de estudio o una situacin concreta del perfil, sealando sus

caractersticas y propiedades. Combinada con ciertos criterios de clasificacin

sirve para ordenar, agrupar o sistematizar los objetos involucrados en el trabajo.

Este estudio tambin puede servir de base para investigacin que requiere un

mayor nivel de profundidad.

2.1.2. Investigacin Aplicada

Este tipo de investigacin tambin recibe el nombre de prctica o emprica. Se

caracteriza porque busca la aplicacin o utilizacin de los conocimientos que se

adquieren. La investigacin aplicada se encuentra estrechamente vinculada con la

investigacin bsica, pues depende de los resultados y avances de esta ltima;

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CAPITULO II


esto queda aclarado si nos percatamos de que toda investigacin aplicada

requiere de un marco terico.

2.2. Mtodo de investigacin.

La investigacin para este proyecto ser descriptiva porque se detallaran y

describirn las necesidades tcnicas requeridas con respecto al diseo de la

planta.

2.3. Fuentes de informacin.

Las fuentes de informacin que se utilizaran en el proyecto son de tipo:

Documental Bibliogrfica. Informtica.

2.3.1. Documental

Seleccin de documentos, informacin estadstica, manual; institucional.

2.3.2. Bibliogrfica

Recopilacin de material bibliogrfico.

2.3.3. Informtica

Recopilacin de informacin mediante pginas de internet que se relacionan con

el tema.

2.4. Tcnicas o procedimientos para la recoleccin y tratamiento de la

informacin.

Entrevistas a especialistas en el rubro del diseo de plantas de gas en elpas.

Recoleccin de datos en campo.

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CAPITULO II


Investigar la literatura existente y representativa relacionada con elproyecto.

Sintetizar y analizar las alternativas de configuracin de procesos Recopilar datos de cromatografa de gas de entrada Elaboracin del proyecto. Formulacin de conclusiones y recomendaciones. Redaccin del documento preliminar. Presentacin definitiva.

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CAPITULO III


CAPITULO III

MARCO TEORICO CONCEPTUAL

3.1. Marco terico general.

3.1.1. Gas natural.

Mezcla gaseosa que se extrae asociada con el petrleo o de los yacimientos que

son nicamente de gas. Sus componentes principales en orden decreciente de

cantidad son el metano, etano, propano, butanos, pentanos y hexanos. Cuando se

extrae de los pozos, generalmente contiene cido sulfhdrico, mercaptanos,

bixido de carbono y vapor de agua como impurezas. Las impurezas se eliminan

en las plantas de tratamiento de gas, mediante el uso de solventes o absorbentes.

Para poderse comprimir y transportar a grandes distancias es conveniente separar

los componentes ms pesados, como el hexano, pentano, butanos y propano y en

ocasiones el etano, dando lugar estos ltimos a las gasolinas naturales o a los

lquidos del gas natural, para lo cual se utilizan los procesos criognicos.

3.1.2. Clasificacin del gas natural.

El gas natural se clasifica de diferente manera, atendiendo a diversas

circunstancias, algunas de las cuales estableceremos aqu:

3.1.2.1. Por la forma como se encuentra en el yacimiento.

3.1.2.1.1. Gas asociado.

El gas que se produce en los yacimientos de petrleo, de gas-petrleo, recibe el

nombre de gas asociado, ya que se produce conjuntamente con hidrocarburos

lquidos.

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CAPITULO III


3.1.2.1.2. Gas no asociado o libre.

El gas que se genera en yacimientos de gas seco se denomina gas no asociado o

gas libre y sus partes lquidas son mnimos.

3.1.2.2. Por la concentracin de impurezas que contenga.

Segn la cantidad de impurezas corrosivas que contenga el gas natural

este se clasifica como:

3.1.2.2.1. Gas natural cido.

Es un gas que contiene altas concentraciones de componentes azufrados

(sulfuro de hidrgeno, mercaptanos y otros) y/o dixido de carbono que

hacen impracticable su uso sin una previa purificacin, debido a los efectos

txicos y/o corrosivos en las tuberas y equipos.

3.1.2.2.2. Gas natural dulce.

Es un gas natural que contiene compuestos de azufre en pequeas

cantidades, segn una normatividad lo que hace que pueda ser usado sin

necesidad de un proceso de purificacin.

3.1.2.3. Por su contenido de fracciones condensables.

Por la cantidad de componentes fcilmente condensables como el propano,

butano y pentano, el gas natural se clasifica en:

3.1.2.3.1. Gas hmedo.

Que tiene componentes licuables, de GPM alto. Capaz de generar gasolina en

cantidades comerciales.

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CAPITULO III


A continuacin se presentan las caractersticas ms resaltantes de los

yacimientos de gas hmedo: 5

La temperatura del yacimiento es mayor que la temperatura

cricondentrmica.

Los hidrocarburos se mantienen en fase gaseosa en el yacimiento, pero

una vez en superficie entran a la regin bifsica.

El lquido producido es de incoloro a amarillo claro.

Poseen una gravedad API mayor a 60.

En comparacin con los gases secos, hay una mayor acumulacin de

componentes intermedios.

Figura. 3.1.

Diagrama de fases para el gas hmedo.

Fuente: http://blogpetrolero.blogspot.com

3.1.2.3.2. Gas seco.

Est formado principalmente por metano y algunos intermedios. El diagrama de

fases muestra una mezcla de hidrocarburos gaseosa tanto en superficie como en

5 Pagina web: http://blogpetrolero.blogspot.com

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CAPITULO III


el yacimiento. No hay presencia de lquidos ni en yacimiento ni superficie. Sin

embargo, a temperaturas criognicas, menores de 50 F, se puede obtener fluidos

de estos gases.

A continuacin se presentan las caractersticas ms resaltantes de los

yacimientos de gas seco:6

Los hidrocarburos se mantienen en fase gaseosa en el yacimiento y en

superficie; es decir, que al disminuir la presin no se condensa el gas.

Solo se puede extraer lquido por procesos criognicos (temperaturas por

debajo de 0F).

No se presenta condensacin retrgrada.

Gas mayormente metano, mayor a 90%.

Figura. 3.2.

Diagrama de fases para el gas seco.

Fuente: http://blogpetrolero.blogspot.com

6 Pagina web: http://blogpetrolero.blogspot.com

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CAPITULO III


Figura 3.3.

Componentes tpicos de la Industria Petrolera.

Componentes CO2 H2S N2 C1 C2 C3 i-C4 n-C4 i-C5 n-C5 C6 C7+

Gas inerte * *

Gas cido. * * *

GNL. * * * * * *

Gas natural. * * * * * * * * * * * *

GLP. * * * *

Gasolinanatural.

* * * * * * *

LGN. * * * * * * * *

Condensado(estabilizado)

* * * * * *

Fuente: GPSA - Engineering Data Book.

3.1.3. Composicin del gas natural.

Su composicin puede variar dependiendo de si el gas es asociado o no con el

petrleo, o si ha sido procesado o no en plantas industriales. La composicin

bsica abarca metano, etano, propano e hidrocarburos de alto peso molecular (en

pequeas proporciones).

Normalmente tiene un bajo contenido de contaminantes, tales como: nitrgeno,

dixido de carbono, agua y sulfuros.

Se denomina gas rico aquel que contiene mayor proporcin de componentes

pesados y al que, por lo tanto, se le pueden extraer mayores volmenes de

lquidos del gas natural. Se llama gas pobre aquel que contiene principalmente

metano y cantidades insignificantes de los otros hidrocarburos.

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CAPITULO III


La composicin del gas tiene un impacto principal en la economa de la

recuperacin de LGN y la seleccin del proceso. En general, el gas con

cantidades mayores de productos de hidrocarburos licuables produce mayor

cantidad de productos y por consiguiente grandes ingresos para las facilidades de

procesamiento de gas.

Si el gas es rico tendr cargas de refrigeracin ms grandes. Los gases pobres

por lo general requieren condiciones de proceso ms severas (bajas

temperaturas) para alcanzar altas eficiencias de recuperacin7

Tabla. 3.1.

Composicin del gas natural en Bolivia

Componente

(Sustancia)

Mezcla Bolivia

(% Vol.)

Metano 89,03

Etano 6,12

Propano 1,75

Butanos 0,66

Pentanos y superiores 0,26

Dixido de Carbono 1,40

Nitrgeno 0,78

Fuente: Ministerio de Hidrocarburos y Energa, en base a datos de YPFB.

7 Trabajo De Grado de Moraima Morillo M, Universidad de Zulia.

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CAPITULO III


3.1.4. Punto de roci.

Temperatura y presin a la cual la primera gota de condensado se forma en un

vapor multicomponente.

La medida del punto de condensacin del hidrocarburo del gas natural es crucial

en la determinacin de si el gas se puede transportar con seguridad a travs de

redes nacionales e internacionales de la tubera.

Los niveles legislativos mximos para el punto de condensacin del hidrocarburo

se fijan para prevenir la formacin del condensado lquido en la tubera, que

podra tener consecuencias severas para el transporte seguro del gas natural.

3.1.5. Punto de burbuja.

Temperatura y presin a la cuales la primera burbuja subsuperficial de vapor es

formada en un lquido multicomponente.

3.1.6. Gas licuado de petrleo (GLP).

El Gas Licuado de Petrleo es una mezcla de hidrocarburos livianos, compuesta

principalmente de propano y butanos en proporciones variables y que en

determinadas condiciones fsicas pasa al estado liquido. Existen dos formas de

obtener GLP, una es la produccin de GLP de plantas de extraccin de gas

natural y la segunda consiste en la produccin del GLP derivado del petrleo, el

cual se obtiene de las refineras del pas. En el ao 2007 aproximadamente el

74% de la produccin de GLP provino de las plantas de extraccin de gas natural

mientras que el 26% restante fue el aporte de las refineras.8

8 Estrategia Boliviana de Hidrocarburos, pg. 227.

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CAPITULO III


3.1.6.1. Propiedades fsicas y qumicas del GLP.

* Apariencia:Gas incoloro a temperaturaambiente y 1 atmosfera de presin;es liquido bajo presionesmoderadas o por enfriamiento atemperaturas inferiores al punto deebullicin.

* Punto de inflamacin: (- 74) (- 98) C

* Temperatura de ebullicin: (-32.5) (-40) C

* Temperatura de Auto ignicin: 426 - 537 C

* Solubilidad Insoluble en agua, soluble en alcohol,benceno, cloroformo y ter.

* Limites de explosividad: Inferior 1.8%

Superior 9.3 %

Nota: una sustancia con punto de inflamacin de 38C o menor se considera

peligrosa; entre 38 y 93 C, moderadamente inflamable; mayor de 93 C la

inflamabilidad es baja (combustible). El punto de inflamacin del GLP (- 98 C) lo

hace un compuesto sumamente peligroso.

Los G.L.P. comerciales, no son gases puros, sino que llevan un porcentaje

mximo de otros gases y un porcentaje mnimo del gas que les da nombre. Una

composicin tpica de un propano comercial es la mostrada en la siguiente tabla:

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CAPITULO III


PROPORCIONES EN VOLUMEN

Propano comercial Butano comercial

Propano (C3) Min 80% Max 20%

Butano (C4) Max 20% Min 80%

Fuente: Manual de Instalaciones de GLP (CEPSA)

3.1.6.2. Consideraciones para el manejo de GLP.

Los GLP se almacenan licuados, un volumen en fase liquida se transforma en

aproximadamente 240 volmenes en fase gaseosa. Una pequea fuga en fase

liquida se convierte en grandes volmenes en fase gas.

Cualquier llama o punto caliente puede iniciar la combustin de una mezcla de

GLP y aire siempre que se encuentren en la proporcin adecuada. Una llama viva

y azulada indica buena combustin, sin embargo la llama rojiza es seal de

combustin defectuosa.

Al igual que ocurre con otros combustibles, una combustin incompleta produce

monxido de carbono cuya inhalacin llega a ser mortal por asfixia qumica

(intoxicacin).9

3.1.7. Gasolina natural.

Producto resultante del procesamiento de gas natural. Compuesta bsicamente por

pentano, hexano y heptano. Los mtodos utilizados para su elaboracin son la

absorcin con aceite pesado, la absorcin con carbn vegetal, compresin y

refinacin. Se utiliza para la mezcla con gasolina que se produce en las refineras

9 Manual de especificaciones tcnicas para instalaciones de gases licuados de petrleo.

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CAPITULO III


o con el petrleo para mejorar la densidad de ese producto y aumentar su valor

comercial.

3.1.8. GPM.

El GPM es un indicador de la cantidad de licuables extrables de un gas natural de

caractersticas especficas. La obtencin se realiza por medio de las fracciones

moleculares obtenidas de anlisis cromatograficos y las propiedades fsicas de los

componentes puros C3 y ms pesados como el peso molecular y la densidad

expresada en libras por cada galn.

A continuacin se muestra una tabla publicada por ICONSA SA que muestra el

clculo directo a partir de informacin composicional de las muestras.10

GPM= Fraccin molar * Factor de conversin.

Tabla 3.2.

Factores de conversin para el clculo de GPM

ComponenteFactor de conversin.

Fc.

C3 27,4816

i-C4 32,626

n-C4 31,4433

i-C5 36,1189

n-C5 36,1189

i5 - C6 41,3897

10 Principios de ingeniera del gas, Tomo I, Cap. 2. MSc. Marco Calle Martnez.

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CAPITULO III


C6 41,0157

C7 46,002

C8 51,0516

C9 56,1354

C10 61,2298

=

Fuente: Procesamiento del gas natural, MSc. Marco Calle Martnez.

3.1.9. Proceso de Refrigeracin.

En general se define la refrigeracin como cualquier proceso de eliminacin de

calor. Refrigerar una corriente de gas natural, es fundamentalmente reducir

notablemente su temperatura para condensar como lquido en mayor o menor

porcentaje los diversos componentes que constituyen la mezcla, de acuerdo al

nivel de temperatura alcanzado.

Especficamente en el caso de las plantas de fraccionamiento de gas, el sistema

de refrigeracin permite producir hidrocarburos lquidos por enfriamiento de las

corrientes de productos destilados.

La refrigeracin del gas puede ser llevada a cabo desde un proceso relativamente

simple de Joule Thomson (J.T.) o plantas de choque, de plantas de refrigeracin

mecnica, hasta procesos muy sofisticados como lo es la Turboexpansin, en

donde se recupera 90% de propano y fracciones pesadas.

En un sistema de refrigeracin mecnica el gas se enfra a una temperatura

suficientemente baja para condensar la fraccin deseada de gas licuado del

petrleo (GLP) o lquidos del gas natural (LGN).

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CAPITULO III


Con el fin de alcanzar temperaturas de procesamiento mucho ms bajas, se han

desarrollado tecnologas de refrigeracin en cascada, de refrigerantes mixtos y

Turboexpansin. Con estas tecnologas, la recuperacin de lquidos puede

incrementarse significativamente para alcanzar mayor recuperacin de

hidrocarburos lquidos.

3.1.10. Tecnologas para la recuperacin de licuables.

La extraccin de licuables est basada generalmente en algunas de las siguientes

tecnologas:

Refrigeracin mecnica. Adsorcin mediante lechos slidos. Expansin Joule-Thomson. Sistemas de separacin a baja temperatura. Absorcin con aceite pobre a baja temperatura. Plantas de Turboexpansin.

3.1.10.1. Sistema de Refrigeracin Mecnica.

Refrigeracin mecnica es el proceso ms simple y directo para la recuperacin

de GNL. Refrigeracin mecnica o externa, como se muestra en la Fig. 3.4, es

suministrada por un vapor de ciclo de refrigeracin por compresin que por lo

general utiliza propano como refrigerante y de los tipos alternativos de

compresores centrfugos o para mover los refrigerantes de bajo a las condiciones

de funcionamiento de alta presin. Como se muestra en la Figura 3.4, gas-

intercambiador de calor el gas se recupera de refrigeracin adicional al pasar el

gas, dejando el separador de fro en contracorriente a la entrada de los gases

calientes. La temperatura de la corriente de gas fro dejando este intercambiador

"enfoques" que de la entrada de los gases calientes. Econmicamente, este

enfoque puede ser tan estrecho como 5 F.

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CAPITULO III


El refrigerante (a menudo propano) hierve y deja el espacio de vapor de

refrigeracin esencialmente como un vapor saturado.

Cuando el agua est presente en el gas natural procesado por la refrigeracin, la

formacin de hidratos de impedimento, ya sea por deshidratacin del gas o por la

inyeccin de un inhibidor de hidratos. Si la temperatura de procesamiento es

relativamente baja, el gas es normalmente deshidratado antes de la etapa de

refrigeracin. 11

Figura 3.4.

Esquema de proceso de una Planta por Refrigeracin Mecnica.

Fuente: Presentacin Repsol YPF, Introduccin al procesamiento de NGLs

11 Handbook of Natural gas transmission and processing, Page 367.

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CAPITULO III


3.1.10.1.1. Eleccin del refrigerante.

El refrigerante ideal no es txico, no corrosivo, tiene presin-volumen-temperatura

(PVT) propiedades fsicas y compatible con el sistema necesita, y tiene un alto

calor latente de vaporizacin. La eleccin se reduce a una prctica, que tiene

propiedades fsicas deseables y se vaporizan y condensan a presiones

razonables en los niveles de temperatura deseada. En general, el lmite inferior

de la prctica de cualquier refrigerante es su punto de ebullicin a presin

atmosfrica. Es conveniente llevar un poco de presin positiva en el enfriador

para obtener una mayor eficiencia en el compresor. El propano es, con mucho, el

refrigerante ms popular en aplicaciones de procesamiento de gas. Es fcilmente

disponibles (a menudo fabricados en el sitio), de bajo costo, y tiene una "buena"

curva de presin de vapor. Es inflamable pero esto no es un problema

significativo si se da la debida consideracin en el diseo y el funcionamiento de

las instalaciones.

Refrigerantes ms comunes Propano, amoniaco y fren

Refrigerantes para temperaturas

criognicas

Etileno y Propileno.

3.1.10.1.2. Etapas de refrigeracin.

Los sistemas de refrigeracin que utilizan uno, dos, tres, o cuatro etapas de

compresin se han operado con xito en varios servicios. El nmero de niveles de

refrigeracin en general, depende del nmero de etapas de compresin necesaria,

las cargas de calor entre las etapas, la economa, y el tipo de compresin.

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CAPITULO III


Figura 3.5.

Sistema de refrigeracin de simple etapa.


Figura 3.6.

Sistema de refrigeracin de dos etapas.


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CAPITULO III


Figura 3.7.

Sistema de refrigeracin de tres etapas.


3.1.10.1.3. Aplicacin del sistema de refrigeracin mecnica.

Las principales aplicaciones de este sistema son:

Recuperacin de lquidos del gas natural como productos Gasolina Naturaly Condensado.

Recuperacin del gas natural licuado. Control del punto de roco de hidrocarburos.

3.1.10.2. Adsorcin mediante lechos slidos.

Este mtodo utiliza adsorbentes que tienen la capacidad de adsorcin de

hidrocarburos pesados del gas natural. El adsorbente puede ser de gel de slice o

carbn activado, almina activada. Tenga en cuenta que el diseo de un sistema

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CAPITULO III


basado en adsorbentes para la eliminacin de hidrocarburos pesados es ms

complicado que la de un sistema para la eliminacin de agua solamente. Por

ejemplo, los diferentes grados de adsorbente puede ser necesario, y el sistema

tambin debe ser diseado para adaptarse a la adsorcin de ms de un

componente.

El proceso de absorcin necesaria para eliminar los hidrocarburos pesados se

muestra esquemticamente en la Figura 3.8. El condensado se recupera de los

gases de regeneracin por enfriamiento, la condensacin y la separacin de

fases.

Este proceso es apropiado para concentraciones relativamente bajas de

hidrocarburos pesados. Tambin puede ser apropiado si el gas est a alta

presin, cerca de la cricondembarica. En este caso, los procesos de refrigeracin

se vuelven ineficaces y la separacin por adsorcin puede ofrecer la nica manera

de obtener las especificaciones requeridas.

Sin embargo, los lechos de adsorcin son de peso pesado y caro. Esta opcin

proceso no se utiliza a menudo, pero puede ser considera en aplicaciones

especiales, tales como control de punto de roco de hidrocarburos en lugares

remotos.12

12 Handbook of Natural gas transmission and processing, Page 377.

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CAPITULO III


Figura 3.8.

Esquema de proceso de una Planta de Adsorcin mediante lechos slidos.

Fuente: Handbook of Natural gas transmission and processing

3.1.10.2.1. Descripcin del proceso.

En la Fig. 3.8. Se muestra al gas que entra a depurador, pasa luego por el ciclo de

adsorcin a travs de la torre, y finalmente va a gas comercial. Una corriente

secundaria del gas, donde la temperatura se eleva hasta 500 o 600 F. Luego se

enva a la torre del ciclo regenerador donde se vaporizan el agua y los

hidrocarburos absorbidos. Estos vapores calientes, saturados con el absorbato

procedente de la torre, se enfran y el lquido condensado se separa de la fase

gaseosa en el depurador del ciclo de regeneracin.

El gas se enva como combustible de planta, el agua va al sistema de eliminacin

de aguas y el condensado fluye a la unidad de estabilizacin del condensado. El

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CAPITULO III


sistema de proceso usa, un slido desecante para adsorber los hidrocarburos ms

pesados, mientras deja a los hidrocarburos ms livianos hasta el final.

Inicialmente el gas hmedo (rico), se pone en contacto con el lecho. El arreglo es

como sigue: Agua, Pentanos plus, Propano, y butanos son adsorbidos en ese

orden.

3.1.10.2.2. Aplicacin.

Las cribas o tamices moleculares constituyen un tipo especial de adsorbentes que

puede utilizarse para deshidratacin, desulfuracin y especialmente, para la

recuperacin de hidrocarburos lquidos.

Uno de los usos ms populares de los tamices moleculares en la industria del gas

natural es el Endulzamiento de Lquidos del Gas Natural (LNG). Se eliminan as

los problemas asociados con el manejo y el descarte de soluciones causticas,

como ocurre en los procesos convencionales de depuracin.

Separacin de parafinas normales/isoparafinas. La separacin de paraxileno. Para extraer las olefinas.

3.1.10.3. Sistemas de Joule Thomson.

En el problema de la licuefaccin de gases se considera incluidos aquellos que no

pueden existir como lquidos a temperaturas superficies a 200 K (100 F). De este

modo la cuestin es equivalente a la obtencin de temperaturas muy bajas,

entendemos por tales las inferiores a los citados 200 K (-73 C, 100 F). La

obtencin de estas temperaturas muy bajas se basa en los mtodos ya conocidos

de expansin isoentlpica de gases. Para licuar un gas es necesario llevarlo hasta

una temperatura, que es en funcin de la presin, inferior a la temperatura critica

de los gases aumentan las dificultades de licuefaccin y no solo por el mayor

intervalo de temperatura a salvar, sino tambin por intervencin de otros factores

mecnicos o por dificultades operatorias.

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CAPITULO III


Cuando el gas natural es expandido de una presin alta a una presin ms baja

(debajo de 5.000 Psig), sin transferir calor o trabajo (Expansin a H=Ctte), existe

una disminucin de temperatura o efecto de refrigeracin, el cual es normalmente

referido como efecto Joule Thomson.

3.1.10.3.1. Efecto Joule Thomson.

El procedimiento hasta la fecha ms importante para la licuefaccin de gases

aprovecha el efecto trmico Joule Thomson. En termodinmica se conoce con

este nombre la variacin de temperatura debida a la expansin isoentlpica de un

gas sin produccin de trabajo externo. Cuantitativamente se expresa por la

ecuacin:

3.1.

Este efecto es caracterstico de los gases reales, y no se da para el gas perfecto,

ya que para este se anula el numerador del segundo miembro de la ecuacin 3.1.

El efecto Joule Thomson solo da lugar a enfriamiento cuando el gas se encuentra

inicialmente dentro de un determinado intervalo de presin y temperatura, que

varia con su naturaleza. En condiciones normales, casi todos los gases se enfran

el expandirse isoentlpicamente.

El enfriamiento por expansin isoentlpica entre dos presiones dadas, se

determina por diferencia de las temperaturas correspondientes a los puntos inicial

y final. El punto inicial se fija en funcin de la presin y temperaturas dadas, y el

punto final, por la presin y la condicin de tener que estar situado sobre la

isoentlpica. El rendimiento del refrigerante obtenido con el efecto Joule Thomson

vara mucho con la temperatura de trabajo, para un mismo intervalo de presion. La

temperatura ptima depende de la naturaleza del gas, ya que est relacionada

con la curva de inversin del efecto. Para el aire, y tambin para otros muchos

gases, el grado de licuefaccin aumenta notablemente al disminuir la temperatura

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CAPITULO III


de la isoterma de compresin. Esta disminucin solo puede lograrse a expensas

del enfriamiento en un intercambiador externo con un fluido refrigerado.


La aplicacin de las plantas Joule Thomson:

Recuperacin de los componentes pesados del gas natural. Licuefaccin por expansin para licuar el gas natural alimento obteniendo

como subproductos: GLP, Gasolina Natural, Etano lquido, etc.

Extraccin del GNL (gas natural licuado).Figura 3.9.

Esquema de proceso de una Planta Joule Thomson.

Fuente: Presentacin Repsol YPF, Introduccin al procesamiento de NGLs.

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CAPITULO III


3.1.10.4. Sistemas de Separacin a Baja Temperatura (LTS).

Las plantas de separacin a baja temperatura (SBT) o Low Temperature

Separator (LTS), no son nada nuevo en las plantas de tratamiento del gas natural,

donde la produccin por el sistema de separacin a baja Temperatura es utilizada

para lograr dos objetivos:

Separar los vapores de agua del gas. Obtener mayores volmenes del gas natural licuado.

El principio bsico es el uso de reduccin de presin. Esto va acompaado por

una expansin de la corriente del Gas y por lo tanto enfriamiento. El enfriamiento

produce la condensacin del agua y de los vapores de hidrocarburos en la

corriente de Gas natural.

La unidad bsica para la separacin a baja temperatura, incluye especialmente un

chocke, separador y un cambiador de calor (tipo serpentn). Presumiendo que la

entrada de gas alimento a proceso contiene una cantidad mnima de agua libre y

temperatura suficiente para prevenir la formacin de hidratos corriente arriba del

chocke.

Los hidratos y condensado decantado se juntan en el fondo del separador, donde

ellos absorben calor desde la entrada del serpentn, originando que los hidratos

sean disueltos. El nivel de los lquidos es mantenido por un controlador de nivel

semejante, tal que el serpentn este siempre sumergido en el lquido. Esto es

evidente que dos posibles problemas de operacin podran ocurrir en este sistema

simple. Un problema sera que la corriente de gas del pozo pueden estar prximos

a la temperatura de formacin de hidrato y mas frio puede ocasionar formacin de

hidratos corriente arriba del chocke, y el otro problema podra existir insuficiente

calor del liquido en el fondo causando formacin de hidratos para elaborar dentro

del separador.

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CAPITULO III


La solucin ms reciente ha sido el uso de un generador de vapor (energa) en

lugar del calentador indirecto. La temperatura de la corriente del pozo, corriente

arriba del chocke es controlada regulando el flujo a travs del serpentn en el

generador de vapor. De cualquier forma el fondo del LTS, estn mantenidos a una

temperatura dada, por el uso de un serpentn con vapor en lugar de la corriente de

pozo dentro del serpentn mencionado anteriormente. Los termostatos regulan el

flujo de vapor a travs del serpentn para controlar la temperatura de fondo.

3.1.10.4.1. Aplicaciones.

El sistema LTS, como instalacin de pre tratamiento, cumple las siguientes

aplicaciones:

Separacin de gas condensado. Disminucin del punto de roco del agua por medio de una separacin a

baja temperatura.

Recuperacin de hidrocarburos licuables.

3.1.10.5. Absorcin con Aceite Pobre a baja temperatura.

La absorcin, es una atapa en la fabricacin de Gasolina Natural y GLP (gas

licuado de petrleo). Tiene lugar una torre de absorcin. Esta es un recipiente de

acero, cilndrico, vertical. Tpicamente, la torre de absorcin tiene un dimetro de 5

pies a 10 pies y una altura de 50 pies a 100 pies. La operacin consiste en pasar

una corriente de gas hacia arriba a travs de la torre, pasando simultneamente

una corriente de Aceite de absorcin hacia abajo.

Este aceite es por lo general kerosn o cualquier otra clase de aceite de petrleo

similar.

El objetivo es absorber en el aceite los componentes ms pesados y ms fciles

de licuar de la corriente de petrleo. Por lo regular esto se refiere a vapores

butano y pentano (C4 yC5), despus, estos vapores se recuperan por destilacin y

se condensan para formar lquidos de hidrocarburos.

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CAPITULO III


Figura. 3.10.

Esquema de proceso de una Planta de Absorcin con aceite pobre a baja

temperatura.



El sistema de Absorcin con aceite pobre a baja temperatura, cumple las

siguientes aplicaciones:

En la separacin de los componentes deseados en el liquido y lospreferidos en el gas natural alimento a planta.

Tratamiento del gas natural. Tratamiento de las olefinas.

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CAPITULO III


Recuperacin de hidrocarburos licuables como ser GLP y Gasolina Natural.

3.1.10.6. Plantas de Turboexpansin.

Los procesos de refrigeracin criognicos han sido tradicionalmente utilizados

para la recuperacin de NGL. En la planta criognica de turboexpansin, el

refrigerador o Joule Thomson (JT) de la vlvula utilizada en dos procesos

anteriores se sustituye por una turbina de expansin. A medida que el gas que

entra se expande, que suministra el trabajo en el eje de la turbina, lo que reduce la

entalpa de gas. Esta disminucin de la entalpa provoca un descenso de la

temperatura mucho mayor que la encontrada en el proceso JT simple (entalpa

constante).

Definimos la criogenia (del griego Kryos y genes, o sea produccin de frio) como

la ciencia que estudia tanto las propiedades de la materia y los fenmenos que

aparecen a temperaturas bajas, como la generacin y la utilizacin de dichas

temperaturas. Podemos decir entonces que la criognica se extiende desde el

cero de la escala centgrada hasta el cero de la escala Kelvin (cero absoluto),

aunque ms estrictamente, se considera que el dominio de la criognica empieza

en -100 C (173 K, -148 F). A estas temperaturas tan bajas los gases del aire se

convierten en lquidos y slidos.

3.1.10.6.1. Condiciones de las seleccin.

La seleccin de un ciclo de proceso Turboexpansin se justifica cuando uno o

ms de las siguientes condiciones existen:

1) Disponibilidad de energa en la corriente de gas alimento que permita una

cada libre de presin (P>500Psig).

2) Gas pobre.

3) Requerir alta recuperacin de etano (por ejemplo, sobre 30 % de

recuperacin de C2).

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CAPITULO III


4) Requerir una ubicacin compacta de la planta.

5) Alta utilidad en costo.

6) Flexibilidad en operaciones (fcilmente adaptados para variar de presin y

productos).

Existen mltiples factores que adicionar dentro de lo indicado anteriormente que

afectan en la seleccin final del proceso. Si dos o ms de las condiciones

anteriores son coexistentes, generalmente la seleccin de un proceso de

turboexpansor, sera la mejor seleccin.

Figura 3.11.

Esquema de proceso de una Planta por Turboexpansin.


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3.1.10.6.2. Descripcin del proceso.

En la Fig. 3.11. Muestra un tpico proceso de turboexpansor para la recuperacin

de etano (C2) e hidrocarburos ms pesados a partir de la corriente de Gas Natural.

En Fig. 3.12. Representa el diagrama P-T para este proceso. La curva de trazo

continuo representa en el diagrama de fases las condiciones de entrada del Gas

Natural a la planta. La lnea de trazo continuo a la derecha es la curva del punto

de roco. A una presin fija de entrada y, si la temperatura indicada en el diagrama

de fase estara ubicado a la derecha de la curva del punto de roco significa que la

mezcla gaseosa est contenida al 100 % de vapor. Tanto el enfriamiento contine,

mas liquido es condensado hasta alcanzar la curva del punto de burbujeo, que

est representada por la lnea envolvente del lazo izquierdo de la figura. En este

punto todo el gas es lquido, al incremento del frio resultara en un lquido ms frio.

Corriente abajo del equipo de tratamiento, el gas de entrada est representado

por el punto (1) en la figura 3.12. Tanto el gas es enfriado por el intercambiador

Gas-Gas de entrada y por el intercambiador lateral de la demetanizadora, su

temperatura cambia a lo largo de la lnea de trazo discontinuo hacia el punto (2).

En el punto (2) el gas entra en el separador de alimento al expansor donde el

lquido condensado es separado del vapor. Este vapor tiene su propio diagrama

de fases P, T, como est representado en la curva de trazos discontinuos a la

entrada del expansor, el gas esta sobre su lnea del punto de roco.

Como el gas fluye a travs del expansor, su ubicacin de P, T esta mostrada por

la lnea segmentada del punto 2 al punto 3. El punto 3 representa la salida del

expansor. La importancia de usar el expansor es transmitir el trabajo a un

compresor, se puede ver en la Fig. 3.11. Si el gas ha sido expandido sin realizar

algn tipo de trabajo (no mover compresor), la ruta de expansin ser del punto 2

al punto 4. Este es el efecto de Joule Thomson o expansin a entalpia constante.

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La presin y temperatura de salida deberan ser ms altas que aquella conseguida

en el proceso de expansin con el expansor (casi entropa constante, S=Ctte),

note que la presin en el punto (4) no es tan baja como aquella obtenida por el

flujo a travs del expansor (punto 3).

Esto es porque se asume para este ejemplo la no realizacin de trabajo en el

expansor, que el proceso no puede restaurar el vapor de cabeza de la

demetanizadora para la presin del gas residual solo usando el recompresor

separado. Tambin porque el camino al punto (4), es adiabtico sin que el gas

produzca trabajo. El gas no entra a tan baja temperatura como en el punto (3).

Que es, el camino (2) a (3) es una expansin a S=Ctte., produciendo trabajo y por

lo tanto genera mayor enfriamiento en el gas por simple expansin isoentlpica. El

resultado de obtener mayor temperatura en este proceso es que se reduce la

recuperacin del producto.

Figura 3.12.

Diagrama Presin - Temperatura del proceso de turboexpansin.


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3.1.10.6.3. Aplicaciones.

3.1.10.6.3.1. Separacin del aire.

Luego el aire es enfriado en un intercambiador de calor cerca a su punto de

licuefaccin, siendo la corriente dividida en dos porciones.

Una se dirige al expansor donde es removido algo ms de calor con el finde licuar una parte ms de la corriente de gas.

La otra se dirige a la torre de destilacin.

El producto que se obtiene en cabeza de la torre es el N2 gaseoso y como

productos de fondo se obtienen dos corrientes de oxigeno, siendo una liquida

(producto final) y otra gaseosa.

La corriente gaseosa sirve como un medio enfriante al intercambiador de calor. La

separacin de aire se puede efectuar alimentando el aire al expansor con una

presin comprendida entre 75-85 Psia.

3.1.10.6.3.2. Recuperacin de etano y GLP.

La Fig. 3.13. Muestra un proceso tpico de separacin de hidrocarburos licuables.

En esta figura brevemente se explicara la descripcin del proceso. El gas alimento

de alta presin entra (1), despus de un tratamiento del gas por el tambor

deshidratante de liquido, el gas se dirige a un intercambiador de calor donde es

enfriada hasta una temperatura subcero. El punto (2) representa un turboexpansor

el cual sera necesario si la presin esta debajo de la presin critica del metano.

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Figura 3.13.

Descripcin del Proceso


Esta descarga dentro del fondo de la torre de fraccionamiento y el gas pasa hacia

arriba en contacto contra la corriente, con un reflujo de lquido. En el tope de la

torre un expansor (3), enfra el gas residual mientras produce refrigeracin

adicional para la creacin del reflujo, mostrando esquemticamente como se usa

un serpentn de refrigeracin. Este gas residual frio entonces puede fluir, a travs

de un intercambiador de calor para refrigerar. El lquido condensado que se

acumula en el fondo de la torre, es descargado y drenado al intercambiador

principal; gran cantidad de metano y etano (C1 y C2), son vaporizados y el lquido

es parcialmente estabilizado.

Este gas vaporizado es rico en constituyentes licuables el cual es devuelto a la

corriente de entrada para su procesamiento. En este proceso el intercambiador de

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calor tiene una diferencia de temperatura uniforme y estrecha. La torre tiene

simplemente que hacer una separacin entre etano y propano (o metano y etano).

Por esta razn, pocas bandejas son requeridas. Es aparente que el requerimiento

del equipo es simple excepto para el turboexpansor y su confiabilidad y

simplicidad hace el proceso muy atractivo. Existen muchas variaciones en este

proceso dependiendo de los requerimientos de operacin y especificaciones de

los productos a obtener.

En Fig. 3.13. Muestra una aplicacin de un proceso turboexpansor donde la

separacin de C3 y componentes ms pesados de la corriente de gas natural

alimento debe tener las siguientes caractersticas:

Contenido de agua 0,2 Lbs. H2O/MMPCS gas. Contenido de CO2 2,0 % (en volumen) Contenido de H2S 0,0 % (ausencia total)

3.1.10.6.3.3. Licuefaccin del Gas Natural (LNG).

Otro uso de los turboexpansores es la licuefaccin del metano, existen dos tipos

generales de estas aplicaciones de sistema de proceso. Una aplicacin usa la

cada de la presin disponible para la generacin de refrigeracin y otra para

condensar una porcin de la corriente, generalmente del 10 al 15 %. El otro tipo

de planta de proceso de lquidos del gas natural, es para la licuefaccin de la

corriente entera del gas (completa) donde la recompresin es necesaria. En esta

aplicacin la economa poltica es ms favorable si la presin es alta, del orden de

1000 psi expandindose por debajo de 200 psi aproximadamente. Adems, que la

energa de refrigeracin necesaria para facilidad de licuar metano es concentrada

a baja temperatura. Si los niveles ms altos de temperatura de enfriamiento son

econmicamente llevados a cabo, como por la refrigeracin mecnica este ciclo

es altamente eficiente y armoniza lo mejor.

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3.1.10.6.4. Ventajas.

Estadsticamente las cualidades que un turboexpansor debe tener se mencionan a

continuacin en orden decreciente al valor econmico:

Cojinetes confiables de gran resistencia. Boquillas variables solidas, seguras para rechazo de capacidad con un

orificio mnimo de eficiencia.

Alta eficiencia. Fcil mantenimiento y la disponibilidad de servicio y repuestos confiables. Equipo de soporte e instrumentacin confiables. Buen sistema de sello para la conservacin de gas y prevencin de entrada

de lubricante dentro de la corriente fra del proceso.

Costo. Utilizacin de la energa del subproducto. Su funcin termodinmicamente es provocar una expansin isoentropica

irreversibles para producir trabajo til.

3.1.10.6.5. Desventajas.

Los problemas encontrados en los procesos de turboexpansor son los siguientes:

Preparacin del gas alimento. Desmetanizacion del producto. Condensacin del metano. Sensible a las condiciones de presin y temperatura. Material seleccionado. Inconvenientes con el CO2.

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3.1.10.6.6. Fraccionamiento.

Es la fase final para obtener GLP, Gasolina Natural y dems hidrocarburos.

Los lquidos recuperados del gas natural (LGN), forman una mezcla

multicomponente la cual se separa en fracciones de compuestos individuales o

mezclados, mediante una operacin de fraccionamiento.

En forma general cuando el gas natural de produccin tiene 1.3 % mol de

propano, puede ser econmico recuperar gases licuados del petrleo (GLP) segn

el GPSA. Cuando el porcentaje es inferior a dicho valor, debe hacerse un anlisis

de alternativas minucioso antes de instalar facilidades para recuperacin de GLP.

3.1.10.6.6.1. Principio de la destilacin.

En la destilacin el proceso de separacin se basa en la volatilidad relativa de los

compuestos a ser separados. La separacin ocurre debido a que un componente

se calienta hasta que pasa a la fase de vapor y el otro componente permanece en

la fase lquida.

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

separacin deseada viene fijado por la eleccin de componentes denominados

claves, por ejemplo etano y propano.

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

vaporizan, mientras que a la presin y temperatura de operacin, el propano y los

compuestos ms pesados permanecen en la fase lquida.

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

seleccionados, ms fcil ser efectuar la separacin. Por lo tanto, en el proceso

de destilacin se requiere que haya una diferencia en los puntos de ebullicin a la

presin de operacin, y que los compuestos sean estables trmicamente para que

no se descompongan.

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CAPITULO III


El componente ms pesado que se vaporiza se denomina componente clave

liviano y el componente ms liviano que permanece en la fase lquida se

denomina componente clave pesado.

En cada equilibrio el vapor entra desde el plato inferior a alta temperatura y la

corriente de lquido entra desde el plato superior a baja temperatura.

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

corrientes que salen estn en el punto de burbuja de lquido y en el punto de roco

de vapor, a la misma temperatura y presin.

Las composiciones de estas fases estn relacionadas por la constante de

equilibrio:

Ec. 3.2.

Donde:

Fraccin molar del lquido.

Constante de equilibrio.

Fraccin molar del vapor.

La relacin entre los balances de materia y energa para cada equilibrio es la base

para el diseo de toda la torre de fraccionamiento. Dos consideraciones

importantes que afectan el tamao y costo de una columna de fraccionamiento

son el grado de separacin y la volatilidad de los componentes.

El grado de separacin o pureza de un producto tiene un impacto directo sobre el

tamao de la columna y los requerimientos de servicios. Alta pureza requiere ms

platos, ms reflujo, mayor dimetro y o reducida cantidad de producto. Una

medida cuantitativa de la dificultad para una separacin es el factor de separacin

SF, definido como:

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CAPITULO III


Ec. 3.3.

Donde:

Flujo molar del componente del destilado pesado.

Flujo molar del componente del destilado liviano

Tpicamente para la mayora de los problemas de separacin este factor est en

el rango de 500 a 2,000. Sin embargo, para separaciones muy puras este valor

puede llegar a 10,000. El nmero de platos aproximadamente ser el logaritmo del

factor de separacin para un determinado sistema.

La volatilidad de los componentes solamente se expresa como volatilidad relativa

. Esta variable est definida como la relacin de las constantes de equilibrio de

los compuestos claves liviano y pesado as:

Ec. 3.4.

Donde:

Volatilidad relativa

Constante de equilibrio del componente clave liviano

Constante de equilibrio del componente clave pesado.

Para sistemas de hidrocarburo en dos fases, compuestos que estn en una fase

estarn tambin presentes en la otra fase, en proporcin al valor de su constante

de equilibrio K. Por lo tanto, es necesario tener muchas etapas de contacto

gas/lquido, para realizar una concentracin gradual de los componentes livianos

en la fase gaseosa, y los componentes pesados en la fase lquida.

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CAPITULO III


Esto requiere que la columna de destilacin tenga muchos equilibrios de

separacin, que se agregue calor al fondo de la columna para suministrar la

energa de despojo, y que se aplique condensacin en la cima para licuar los

componentes que se retornan a la cima de la torre como reflujo.

3.1.10.6.6.1.1. Tipos de fraccionadores.

El nmero y tipo de fraccionador requerido depende del nmero de productos a

ser separados y la composicin de la alimentacin Los gases separados son los

componentes del gas natural, los cuales dan nombre a las torres de

fraccionamiento.

Demetanizadora Deetanizador Depropanizadora Debutanizadora

3.1.10.6.6.1.2. Propsito del fraccionamiento.

Cualquier planta de procesamiento de gas que produce lquidos del gas natural

(LGN), requiere de al menos una fraccionadora para producir un lquido que

cumpla con las especificaciones para venta. Por lo tanto, el propsito del

fraccionamiento es obtener de una mezcla de hidrocarburos lquidos, ciertas

fracciones que como productos deben cumplir especificaciones.

Para separar una corriente lquida de hidrocarburos en varias fracciones, se

requiere una torre de fraccionamiento. De otra forma se quiere estabilizar el

condensado recolectado en el separador de la entrada a la planta, para recuperar

las fracciones de pentano y ms pesadas (C5+), se utiliza una torre de destilacin

en la cual se separan las fracciones de pentano y ms pesados por el fondo y las

fracciones de butano y ms livianos por la cima de la torre.

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CAPITULO III


Generalmente esta fraccin de cima de butano y ms livianos, se consume dentro

de la misma planta como gas combustible.

El producto de fondo se comercializa como un condensado estabilizado, al cual se

le controla en la torre la presin 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 esfricos, cilndricos horizontales o verticales con domo;

para gasolina 5-14 RVP tanques con techo flotante o de techo fijo con venteo).

El nmero total de columnas de destilacin depende de la composicin de la

alimento y del nmero 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

mnimo de tres columnas de destilacin para las separaciones siguientes:

Separar el metano de los hidrocarburos de dos y ms carbonos. Separar el etano de los hidrocarburos de tres y ms carbonos. Separar el GLP y los C5+.

En la Fig. 3.14. se muestra un tren de fraccionamiento usado para producir tres

productos. La corriente de alimentacin contiene mucho etano para ser incluido en

los productos; por eso, la primera columna es una deetanizadora. La corriente de

cima de la deetanizadora se recicla a la planta de procesamiento aguas arriba, o

se enva al sistema de gas combustible.

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

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

El producto de fondo es una mezcla de C4+ y gasolina que va a la tercera

columna.

Esta es una Debutanizadora, en la cual se separan los productos butano y

gasolina.

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CAPITULO III


Esta separacin es controlada por la limitacin de presin de vapor en la gasolina.

El butano producto se puede vender como una mezcla, o se puede separar en

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

materia prima para petroqumica.

Figura. 3.14.

Tren de Fraccionamiento y Rendimientos.

Fuente: Procesamiento del gas natural, MSc. Marco Calle Martnez.

3.1.10.6.6.1.3. Consideraciones de diseo.

Las principales consideraciones de diseo, se muestran a continuacin:

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3.1.10.6.6.1.3.1. Presin de operacin.

Antes de hacer cualquier clculo en un problema de fraccionamiento, se debe

determinar la presin de operacin de la torre. Una de las consideraciones

primarias, es el medio de enfriamiento disponible para el condensador de reflujo.

El producto de cima estar a las condiciones del punto de burbuja, para un

producto lquido o del punto de roco para un producto vapor. La presin para

cualquiera de estos puntos, se fija por la separacin deseada de un componente y

la temperatura del medio de enfriamiento.

Tpicamente los medios de enfriamiento usados son aire, agua y un refrigerante.

El enfriamiento con aire normalmente es el menos caro. Un diseo prctico limita

el proceso a 20F de aproximacin con la temperatura ambiente en verano. Esto

resulta en una temperatura de proceso entre 115 y 125F en la mayora de los

sitios.

Con agua de enfriamiento se pueden conseguir temperaturas de proceso entre 95

y 105F. Para temperaturas por debajo de 95F se requiere refrigeracin

mecnica, la cual es el medio de enfriamiento ms costoso. Generalmente es

deseable operar a la presin ms baja posible para maximizar la volatilidad

relativa entre los componentes claves de la separacin. Sin embargo, en la

medida que se reduzca la presin se requiere el cambio a un medio de

enfriamiento ms caro, lo cual no es una opcin deseable.

En algunos casos el producto de cima de una columna debe ser comprimido, en

este caso una presin de operacin alta es deseable para reducir la potencia de

compresin. Otros puntos que deben ser considerados en la seleccin de presin

son por ejemplo, el hecho de que si la presin de operacin es muy alta, la

temperatura crtica del producto de fondo puede superarse y la separacin

deseada no se alcanza.

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CAPITULO III


A manera de gua, mantener la temperatura de fondo en 50F por debajo de la

temperatura crtica favorece la separacin. Adicionalmente, la presin no puede

exceder la presin crtica del producto de cima deseado.

La seleccin de un condensador parcial o total se fija segn sea el producto de

cima requerido. Para un producto lquido se utiliza un condensador total y para un

producto vapor se utiliza un condensador parcial. Sin embargo, un producto final

lquido puede ser producido en una torre como vapor y posteriormente ser

enfriado o comprimido para producir el lquido deseado.

Hay casos inclusive en los cuales la licuefaccin aguas abajo es ms econmica.

En muchos casos, el sistema de fraccionamiento con un condensador parcial es

ms econmico y debe compararse contra el costo adicional de los equipos aguas

abajo.

Antes de cualquier comparacin econmica, el diseo de la columna debe

hacerse para ambos tipos de condensador, con varias relaciones de reflujo y

varias presiones de operacin.

3.1.10.6.6.1.3.2. Relacin de reflujo y nmero de etapas.

El diseo de una columna de fraccionamiento es un problema de balance entre el

costo de inversin y el costo de energa. Los parmetros primarios son el nmero

de etapas y la relacin de reflujo.

La relacin de reflujo se puede definir de varias formas; en muchos clculos, la

relacin de reflujo est definida como la relacin de la rata molar de reflujo lquido

dividida por la rata molar de producto neto de cima.

El duty del rehervidor es una funcin directa de la relacin de refluj

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