PROCESO CRIOGÉNICO
DE EXTRACCIÓN DE LÍQUIDOSY EQUIPOS A
UTILIZAR
En este capítulo veremos los
equipos que se utilizaran en este proceso más sus ecuaciones y funcionalidades,
además de una breve descripción del proceso criogénico por turboexpansion.
Descripción
general de la Planta de Fraccionamiento de Gas Natural por Turboexpander
En una planta
turbo-expander, el chiller o la válvula J-T de los procesos de refrigeración simple se reemplazan por una
turbina de expansión. A medida que el gas entrante se expande, le entrega
trabajo al eje de la turbina por lo que se reduce la entalpía del gas. Esta
disminución de la entalpía causa una mayor caída de temperatura que la que se
obtendría mediante una expansión Joule-Thompson simple (a entalpía constante).
La turbina puede estar conectada a un compresor, el cual recomprime el gas con
una sólo una pequeña pérdida en la presión global. Esto genera una presión más
elevada del gas tratado ,que puede aumentarse hasta la especificación de
transporte en gasoducto mediante una segunda etapa de compresión.
Diagrama básico del diseño de planta de turbo expansión (materias primas petroquímicas)
El gas de entrada se enfría
primero en un intercambiador gas/gas de alta
temperatura y luego en un enfriador con propano (chiller). La
alimentación de gas parcialmente condensado se envía a un separador. El líquido
del separador se alimenta a la desmetanizadora, el gas se enfría aún más en el
intercambiador gas/gas de baja temperatura y se alimenta a un segundo separador
frío. El gas del separador frío se expande a través de la turbina hasta la
presión de la desmetanizadora, que generalmente varía entre 100 y 400 psia (6,8
y 27,2 atm).
El turbo expander produce
simultáneamente enfriamiento y condensación del gas, y trabajo útil que puede
utilizarse para recomprimir el gas de salida. Generalmente entre el 10 y el 15
% del gas alimentado se condensa en el separador frío, a temperaturas entre -15
y 0 ºC. La turbina disminuye la presión del gas de entrada (generalmente 600 a
900 psia, o sea 40 a 60 atm) hasta la
presión de la desmetanizadora. Las
temperatura típica del gas que ingresa a la desmetanizadora es -55 a -65 ºC, lo
suficientemente baja como para que una parte importante del etano se encuentre
licuado.
La columna desmetanizadora
es una columna de destilación de baja temperatura que realiza la separación
entre metano y etano. El metano y los componentes más livianos que él, como el
nitrógeno, son los principales productos de cabeza de la torre, mientras que el
etano y los componentes más pesados, como el propano, butanos, e hidrocarburos
más pesados, son los principales componentes del fondo de la columna. La
relación molar de metano a etano en el producto de fondo es típicamente 0,01 a
0,03. Debido a que la salida del turbo expander es un flujo bifásico, el
líquido producido en este sirve como reflujo en la columna. El producto de
fondo de la desmetanizadora puede ser fraccionado luego para producir
corrientes de etano, propano, butanos, y gasolina natural. La temperatura de fondo
del producto se encuentre frecuentemente por debajo de la temperatura ambiente,
entonces el gas de alimentación puede utilizarse como medio de transferencia de
calor en el reboiler. Esto representa mayor refrigeración de la alimentación y
origina rendimientos más altos de recuperación de etano, generalmente 80%. El
producto de cabeza de la desmetanizadora, luego de intercambiar calor con el
gas de entrada, se recomprime a la presión de gasoducto y se vende como gas
residual.
Los procesos criogénicos
solo pueden utilizarse de la presión de gas luego de la expansión es suficientemente alta para que
transcurra la condensación de los componentes más pesados. Sin embargo, si el
gas llega a baja presión (digamos menos de 50 atm), debe utilizarse
refrigeración mecánica externa para enfriarlo hasta la temperatura
especificada. Por otro lado, si el contenido del LGN del gas es relativamente
bajo (menos de 2,5-3 GPM galones por mil
pie cúbicos), basta con auto-refrigeración (intercambiador gas/gas). Sin
embargo, para alimentaciones moderadamente ricas (>3GPM), debe considerarse la refrigeración mecánica para
obtener alta recuperación de etano de forma más económica.
Debemos considerar que se
requiere una deshidratación aguas arriba del gas para prevenir la formación de
hidratos. La técnica generalmente utilizada es la deshidratación sobre lecho
sólido. Algunas veces, se agregan pequeñas cantidades de metanol o glicol antes
del turbo expander.
A continuación se
mencionaran los procesos de gas sub enfriado (GPS) y el proceso de partición
del residuo vapor (RSV) , los cuales han
sido la referencia en la recuperación eficiente de NGL/GLP a partir del gas
natural, particularmente en aquellos gases con concentraciones significantes de
CO2.
·
Proceso de gas
sub-enfriado de Ortloff (GSP)
Para mejorar la recuperación
de etano más allá del 80% del diseño convencional, es necesario desarrollar una fuente de reflujo
para la desmetanizadora. El proceso GPS fue desarrollado para solucionar este
problema y otros relacionados con el esquema convencional.
En este proceso, una porción
del gas del separador frío se envía a un
intercambiador de calor donde se condensa totalmente y se sub-enfría con la
corriente de cabeza. Esta corriente es luego flasheada en la cabeza de la
desmetanizadora, generando el reflujo de la misma. La alimentación del turbo
expander se ingresa a la columna varios platos por debajo de la cabeza de la
columna. Debido a esta modificación, el separador frio opera en condiciones más
cálidas y alejadas del sistema crítico. Adicionalmente, la recompresión del
residuo es menor que la del proceso original.
El diseño GSP ha tenido
muchas modificaciones. Una de ellas es tomar una porción del líquido de separador frío junto con el
gas y llevarlos hacia el intercambiador de cabeza.
Esto ayuda a reducir la
potencia requerida para la recompresión. Además, el proceso puede ser diseñado
para usar una porción del líquido del separador frío como reflujo. Esta
modificación se utiliza generalmente con gases más ricos que 3 GPM (CO2
+).
El diseño GSP es muy
tolerante al CO2, pueden tratarse corrientes con más de 2%. Cuando
el dióxido de carbono está presente en la alimentación, las concentraciones más
altas de los componentes CO2+ en los líquidos fríos ayudan a reducir
la cantidad de CO2 que se
concentra arriba, en la sección fría de la torre, permitiendo recuperar mayores
niveles de etano sin que se congele el CO2. Este mismo proceso puede
utilizarse para expulsar etano, pero la eficiencia de la recuperación de
propano se ve seriamente afectada cuando se opera en este modo debido a la
mayor concentración de propano presente en la alimentación superior.
·
Proceso de partición
del residuo vapor de Ortloff (RSV)
Otro método para producir
reflujo es reciclar una parte del gas residual, luego de la recompresión, hacia
la cabeza de la torre. En esto se basa el proceso RSV, el diseño es similar al
GSP excepto por el hecho de que una porción del gas residual se recicla hacia
el intercambiador de calor. En este punto, la corriente está totalmente
condensada y a la presión del gasoducto. La corriente se vaporiza
instantáneamente en la cabeza de la columna para proveer el reflujo. La entrada
de gas sub-enfriada y la corriente de salida del turbo expansor entran más
debajo de la columna.
El reflujo provee más
refrigeración al sistema y permite alcanzar una alta recuperación de etano. El
nivel de recuperación es función de la cantidad de reciclo en el diseño.
El proceso RSV ha sido
utilizado satisfactoriamente en muchas industrias. Tolera bien el CO2
y la recuperación puede ajustarse cambiando la cantidad de reciclo. Este
proceso puede usarse para muy altas recuperaciones de etano siendo sólo
limitado por la cantidad de potencia provista.
Los
intercambiadores de placas con aletas o de láminas aleteadas consisten
en una serie de láminas
paralelas de aluminio, entre las cuales se encuentran formando
“sándwich”, hojas corrugadas de aluminio. Las corrugaciones actúan como aletas, previendo así el área de superficie extendida para la transferencia de calor. De esta manera se le da a la unidad un mayor número
de canales de flujo paralelos.
El lado de cada “sándwich” está sellado con barras de aluminio, formado así el paso completo de flujo, y la construcción completa se suelda sumergida
en un baño de sal derretida.
Los cabezales de aluminio son luego soldados a los extremos
del cuerpo del intercambiador.
Algunas de las ventajas relacionadas con la construcción de intercambio de
láminas aleadas son las siguientes:
·
Se puede alcanzar un alto grado de compacticidad. El
cociente de 1480 m2/m3 (450 pie2/pie3) entre superficie de área y volumen es
bastante común, y valores hasta de 2530
m2/m3 (770 pie2/pie3) han
sido reportados. En comparación, las
unidades convencionales de
tubo y carcasa
tienen un cociente de 165 a 245
m2/m3 (50 a 75 pie2/pie3).
·
Tres o
cuatro (3 o
4) corrientes de
proceso pueden ser
acomodadas fácilmente en una
sola unidad con
el espaciado de
las láminas y la
construcción de las aletas optimizadas para cada una de las corrientes. Estas
unidades de corrientes múltiples son ideales para operar como unidades
reversibles en el desplazamiento de impurezas.
·
Los intercambiadores
pueden ser usados individualmente o conectados en serie y/o en paralelo.
·
El tamaño pequeño y el
peso liviano permiten que las instalaciones sean compactas con un mínimo de
fluctuaciones y de estructuras de soporte.
Características
de intercambiadores de placa – aleta
Esquema del
proceso del Intercambiador de placas (Exchanger Selection & Desing in an
LPG Recovery Unit)
·
Intercambiadores de placa -
aleta de / intercambiadores de aluminio de Brazed / de Exchangers de LNG
·
La construcción simple y el
diseño ligero
·
Puede tratar con más de 2
flujos
·
Útil para las aplicaciones de
temperatura bajas
·
Puede manejar el cambio de fase
·
Puede manejar el enfoque de
temperatura cerca que se pone muy difícil Con concha y intercambiadores de tubo
·
No cambistas propenso a los
problemas de vibración como en Shell y tubo frente Servicio de gas – gas
Un ejemplo de un
intercambiador de calor de placas y aletas con múltiples corrientes se muestra
en la figura 16.
La presión máxima de
la placa en estos intercambiadores de calor varía de cero a más de 100 bar. Es
posible tener más de diez corrientes de proceso a distintas presiones en un
mismo intercambiador de calor.
La temperatura máxima
suele ser fijada en 65 °C. Un límite máximo de 65°C es adecuado para las
mayorías de las aplicaciones y permite a los fabricantes el uso del aluminio
5083, que es más económico; sin embargo los diseños se encuentran disponibles
para un máximo de 204 °C a las presiones más bajas. Por otra parte, la mínima
temperatura de diseño es de -269 °C.
Los intercambiadores
de aluminio con placas y aletas son capaces de manejar una amplia variedad de
fluidos en diferentes tipos de aplicaciones. En general los líquidos deben
estar limpios, secos y no
corrosivos para el aluminio. Libres
de agentes contaminantes tales como: H2S, NH3, CO2, SO2, NO2, CO, y otros
agentes que causan problemas de corrosión en las corrientes que contienen algún
porcentaje de agua.
Con el fin
de establecer la terminología estándar.
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