FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALCAPTULO 2FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL2.1 Introduccin 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. Se le llama destilacin al proceso mediante el cual se logra realizar la 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. 2.2 Descripcin del proceso La Destilacin es probablemente el mtodo ms econmico para separar una mezcla en sus componentes individuales. La separacin es fcil si la volatilidad relativa de los compuestos clave liviano y clave pesado es substancialmentemayorqueuno. Loscomponentesmslivianos(productode cima), se separan de los ms pesados (producto de fondo). 39FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALDe esta forma, el producto de fondo de una columna es el alimento a la prxima columna, la cual puede operar a una presin menor pero a temperatura mayor. La altura de la columna, nmero de platos o altura de empaque, depende de la volatilidad relativa. Entre ms baja sea la volatilidad relativa, la altura de la columna ser mayor. En la Fig. 2 -1 se muestra en forma esquemtica una torre de fraccionamiento con sus diferentes componentes. El calor se introduce al rehervidor para producir los vapores de despojo. El vapor sube a travs de la columna contactando el lquido que desciende. El vapor que sale por la cima de la columna entra al condensador donde se remueve calor por algn medio de enfriamiento. El lquido se retorna a la columna como reflujo para limitar las prdidas de componente pesado por la cima. Internos tales como platos o empaque promueven el contacto entre el lquido yel vapor enlacolumna. Unntimocontactoentreel vaporyel lquidose requiere para que la separacin sea eficiente. El vapor que entra a una etapa de separacin se enfra con lo cual ocurre un poco de condensacin de los componentes pesados. La fase lquida se calienta resultandoen alguna vaporizacinde los componentes livianos. De esta forma, los componentes pesados se van concentrando en la fase lquida hasta volverse producto de fondo. 40FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL41FIG. 2 - 1Diagrama Esquemtico Del Proceso De FraccionamientoFRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALLafasedevapor continuamenteseenriquececoncomponenteliviano hasta volverse producto de cima. El vapor que sale por la cima de la columna puede ser totalmente o parcialmente condensada En un condensador total, todo el vapor que entra sale como lquido, y el reflujo retorna a la columna con la misma composicin que el producto de cima destilado. 2.3 Principio De La Destilacin En la destilacin el proceso de separacin se basa en la volatilidad relativa de los compuestos a ser separados. La separacinocurre 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 se selecciona entre dos 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 en volatilidad de los dos compuestos claves seleccionados, ms fcil ser efectuar la separacin. Por lo tanto, en el proceso 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. 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. 42FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL En la destilacin todos los clculos se ejecutan usando etapas tericas de equilibrio. Unacolumnadefraccionamientopuedeserconsideradacomouna serie de equilibrios flash con dos corrientes de alimento y dos de producto, como se muestra en la Fig. 2-2. El vapor entraal flashdesdelaetapainferior aaltatemperaturayla corriente de lquido entra desde la etapa 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 as: yi=Ki*xiEc. l

La relacin entre los balances de materia y energa para cada etapa es la base para el diseo de toda la torre de fraccionamiento. Dosconsideracionesimportantesqueafectanel tamaoycostodeuna columna de fraccionamiento son el grado de separacin y la volatilidad de los componentes. 43FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2-2Modelo Bsico De Fraccionamiento44FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEl grado de separacin o pureza de un producto tiene un impacto directo sobreeltamaodelacolumnaylosrequerimientosdeservicios. Altapureza requierems platos, ms reflujo, mayor dimetroyoreducida cantidadde producto. Unamedidacuantitativadeladificultadparaunaseparacinesel factor de separacin SF, definido como: SF = (XD/XB)LK (XB/XD)HKEc. 2Tpicamente para la mayora de los problemas de separacin este factor est en el rango de 500 a 2000. Sin embargo, para separaciones muy puras este valor puede llegar a 10000. 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. Estavariableestdefinidacomolarelacindelas constantes de equilibrio de los compuestos claves liviano y pesado as: = KLK / KHKEc. 3Para 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. Porlotamo, esnecesariotenermuchasetapasdecontactogas/lquido, para provocar una concentracin gradual de los componentes livianos en la fase gaseosa, y los componentes pesados en la fase lquida. 45FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEstorequiere que la columna de destilacintenga muchas etapas de separacin, queseagreguecalor al fondodelacolumnaparasuministrar la energadedespojo, yqueseapliquecondensacinenlacimaparalicuarlos componentes que se retornan a la cima de la torre como reflujo. TORRE DE FRACCIONAMIENTO Las torres de fraccionamiento son cilindros verticales, altos y de gran dimetro, que suelen configurar el entorno de una refinera. Aunque tal cosa no se descubre a simple vista, estn organizados para sacarle al petrleo los diferentes componentes, desde los ms livianos hasta los ms pesados. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porcin a la cadena de hidrocarburos. Al comienzo saldrn los ms livianos y, progresivamente, los pesados; hasta dejar los bitmenes pastosos que ya no aceptan mayores cortes. Con el gas natural ocurre lo mismo, pero en este caso se trata de la separacin de los integrantes ms livianos de la cadena de hidrocarburos. El diseo 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 composicin del gas natural que debe llegar a la planta depender la filosofa 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 produccin, se podr iniciar el anlisis del proceso. De all la importancia que tiene, a los efectos de un diseo, conoceracabalidadlamateriaprimaquealimentarlaprimeratorre. Si esa primera parte es dudosa, en el mismo grado se habr impactado la economa del proceso.La torre tiene una presin ms o menos estable en toda su longitud. La nica diferencia de presin que hay entre el tope y el fondo es debido al peso propio de los fluidos. En cambio la temperatura del tope es mucho ms baja que 46FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALla del fondo de la torre. Cuando se trata de una columna fraccionadora, la parte liviana se ir al tope de la torre mientras que la porcin pesada quedar en el fondo (Flujo de Vapor).FLUJO DE VAPORFuente: GPSA-98, Fig. 19-9TIPO DE FRACCIONADORESEl nmero y tipo de fraccionador requerido depende del nmero de productos a ser producidos y la composicin de la alimentacin Los productos tpicos son los lquidos del gas natural, los cuales son los siguientes procesos de fraccionamiento.o Demetanizadoro Deetanizadoro Depropanizadora47FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALo Debutanizadora2.4 Propsito Del Fraccionamiento Cualquierplantadeprocesamientodegasqueproducelquidosdelgas natural (LGN), requiere de al menos una fraccionadora para producir un lquido quecumplaconlasespecificacionesparaventa. Porlotanto, elpropsitodel fraccionamientoesobtenerdeunamezcladehidrocarburoslquidosyciertas fracciones que como productos deben cumplir especificaciones.Para separar una corriente lquida de hidrocarburos en varias fracciones, se requiere una torre de destilacin por fraccin. De otra forma si lo que se quiere es estabilizar la corriente del hidrocarburo condensado recolectado en el separador de entrada a la planta, para recuperar las fracciones de pentano y ms pesadas (C5+), se utiliza una torre estabilizadora en la cual se separan las fracciones de pentano y ms pesados, los cuales salen por el fondo y las fracciones de butano y ms livianos (C4-), las cuales salen por la cima. 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 vende como un condensado estabilizado, al cual se le controla en la torre la presin de vapor Reid (RVP), con la cual se determina eltipodetanquedealmacenamientorequerido(Paragasolinanatural10-34 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). EnlaFig. 2-3seilustraunainstalacintpicaparaestabilizacinde condensado. El nmero total de columnas de destilacin depende de la composicindelalimento y del nmero deproductosa serrecuperado.En un sistema en el cual se recupera etano, GLP (mezcla de C3s y C4s) y el balance comoC5+, se requiere unmnimode tres columnas de destilacinpara 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. 48FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL- Separar el GLP y los C5+. En la Fig. 2-4 se muestra un tren de fraccionamiento usado para producir tres productos. La corriente de alimento 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 a la segunda columna llamada depropanizadora; en la cual se obtiene como producto de cima, propano en especificaciones. El producto de fondo es una mezcla de C4s y gasolina que va a la tercera columna. Esta es una debutanizadora, en la cual se separan los productos butano y gasolina. Esta separacin es controlada por la limitacin de presin de vapor en la gasolina. El butanoproductosepuedevendercomounamezcla, osepuede separar en otra torre en iso-butano y normal-butano, productos que tienen aplicacin como materia prima para petroqumicos.La demetanizadora es otra clase de fraccionadora, la cual no usa condensadordereflujoexternoparaproducirlquidoparael contactoconlos vapores en la torre. Esta torre se encuentra en plantas criognicas. Como puede verse en la Fig. 2-5, el alimento al plato de cima compuesto por 12% mol como lquido a baja temperatura, suministra el lquido de reflujo. Este lquido junto con las otras corrientes de alimento, es la carga lquida a la torre. El rehervidor es el punto de control para la pureza del producto de fondo. La composicin de cima es funcin de las unidades de proceso aguas arriba. Esta es una aproximacin econmica para obtener un solo producto, pero la eficiencia de separacin est limitada. 49FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALUna mejor recuperacin o una separacin ms fina, se logra adicionando un condensador de reflujo y una seccin de rectificacin . 50FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2-3Proceso Tpico De Estabilizacin De Condensados51FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2.4Tren De Fraccionamiento y Rendimientos52FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL Galones / daC1 1,5 1,5C2 24,6 22,2 2,4 2,4C3 170,3 7,5 162,8 161,9 0,9 0,9iC4 31,0 31,0 0,9 30,1 30,1nC4 76,7 76,7 76,7 72,1 4,6C5+ 76,5 76,5 76,5 0,9 75,6Total 380,6 31,2 349,4 184,2 104,0 80,2gal/day 41340,0 31160,0 29290,01234567FIG. 2.4Tren De Fraccionamiento y Rendimientos (Continuacin)53FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2. 5Demetanizador54FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEn la Fig. 2.6 se muestran dos alternativas de secuencias en un tren de fraccionamiento de dos torres, las cuales fsicamente son viables pero hay una que es la ptima. El arregloptimodependedel nmeroycantidaddecompuestosaser separados, de la volatilidad relativa, de la pureza requerida, etc. King hizo un anlisis generalizado para una mezcla de n componentes a ser separados en n productos utilizando n- 1 torres, y recomienda las siguientes cuatro reglas del dedo gordo, con base principalmente en consideraciones de ahorro de energa y dificultad para la separacin: 1. La secuencia directa de separar los compuestos uno a uno es la que ms se favorece, a menos que aplique uno de los siguientes eventos.2. Se debe dar prelacin en la secuencia, a la separacin que resulte en una divisin equimolar entre el producto de cima y el de fondo. 3.Componentes adyacentes cuyavolatilidadrelativaestcercanaala unidad deben separarse sin presencia de otros componentes; por lo tanto, esta separacin debe reservarse para la ltima torre en la secuencia. 4.La separacin que exija una alta recuperacin de las fracciones debe dejarse para lo ltimo en la secuencia. EJEMPLO 2-1 (GPSA) Para la siguiente corriente de alimento en moles C2 = 2.4, C3 = 162.8, iC4 = 31.0, nC4 = 76.7 y C5 = 76.5, el 98% del propano se recupera como producto de cima, el cual tiene un contenido mximo de iC4 de 1.0% mol. 55FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALSeleccionar los componentes clave liviano y pesado. Estimar las composiciones de los productos de cima y fondo. - Seseleccionael C3comocomponenteclavelivianopor ser el ms pesado de los componentes que se vaporiza. -Seseleccionael iC4comocomponenteclavepesado, porserel ms liviano de los componentes que permanece en la fase lquida. Para propano: - Moles en la cima = (0.98) * 162.8 = 159.5 moles de C3 - Moles en el fondo = 162.8 159.5 = 3.3 moles de C3 Para etano:- Moles en la cima = 100 % del alimento = 2.4 moles de C2 Calcular el total de moles en la cima: - Como el iC4 es el 1 % mol del producto de cima, la suma de C3 + C2 ser el 99% (todo el C4 y C5+ estn en el fondo). Entonces:Moles de cima*0.99 = C3 + C2Moles de cima = (C3 + C2)/0.99 = (159.5+2.4)/0.99= 161.9/0.99 = 163.5Moles de iC4 en la cima = 163.5 161.9 = 1.6 56FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEn una operacin real los componentes ms livianos que el clave liviano (C3), ylos componentes ms pesados queel clavepesado(iC4), nosesepararn perfectamente. Parapropsitosdeestimativosyclculosamano, asumiruna separacin perfecta de los componentes no claves es una simplificacin muy til. FIG. 2-6Alternativas De Secuencias De Tren De Fraccionamiento57FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEl balance global ser: 2.5 Consideraciones De Diseo Las principales consideraciones de diseo, se muestran a continuacin: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. Componentes AlimentoProducto de cimaProducto de fondo moles moles % mol moles % mol C22.4 24 1.5 - -C3162.8 159.5 97.5 3.3 1.8iC431.0 1.6 1.0 29.4 15.8nC476.7 - - 76.7 41.2C576.5 - - 76.5 41.2Total349.4 163.5 100.0 185.9 100.058FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEl 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. Tpicamentelos medios deenfriamientousados sonaire, aguayun refrigerante. El enfriamiento con aire normalmente es el menos caro. Un diseo prctico limita el proceso a 20 F de aproximacin con la temperatura ambiente en verano. Esto resulta en una temperatura de proceso entre 115 y 125 F (46 52 C) en la mayora de los sitios. Con agua de enfriamiento se pueden conseguir temperaturas de proceso entre95y105F(3540,5C). Paratemperaturaspor debajode95Fse 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 debenser considerados enla 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. A manera de gua, mantener la temperatura de fondo en 50 F (10 C) por debajo de la temperatura crtica favorece la separacin. Adicionalmente, la presin no puede exceder la presin crtica del producto de cima deseado. 59FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL 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. Haycasos inclusiveenlos cuales lalicuefaccinaguas abajoes ms econmica. En muchos casos, el sistema de fraccionamiento con un condensador parcial esmseconmicoydebecompararsecontrael costoadicional delos equipos aguas abajo. Antes de cualquier comparacin econmica, el diseo de la columna debe hacerseparaambostiposdecondensador, convariasrelacionesdereflujoy varias presiones de operacin. 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. Larelacinde reflujosepuede definir de varias formas; enmuchos 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 dutydel rehervidoresunafuncindirectadelarelacindereflujo, mientras semantieneenlacolumnadefraccionamientounbalancetotal de materia y calor para una separacin dada. 60FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALUna columna de fraccionamiento puede producir solamente una separacin deseada entre los lmites de reflujo mnimo y el mnimo nmero de etapas. Para mnimo reflujoserequiereunnmeroinfinito deetapas.Para reflujo total,se requiere un mnimo nmero de etapas. Ninguna de estas dos situaciones representa la operacin real, pero son los extremos de la configuracin de diseo posible. Paracalcular ambos casos sehandesarrolladomtodos rigurosos; sin embargo, se requiere una solucin por computador para ejecutar clculos plato a plato. Para iniciar undiseodetallado, se hacenestimativos de la relacin mnima de reflujo yel mnimonmerodeplatos,usandomtodossimples de anlisis de componentes binarios claves. MNIMO NMERO DE ETAPAS El nmeromnimodeetapaspuedesercalculadoparalamayoradelos sistemas multicomponentes por la ecuacin de FenskeSm = log(SF)/log(pro) Ec. 4Sm en esta ecuacin incluye un rehervidor parcial y un condensador parcial si ellos se usan. Laproes la volatilidad relativa promedio en la columna para los componentes claves en la separacin. El promedio ms comnmente usado es el aritmtico. pro = (cima + fondo)/2 Ec. 561FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALSi la volatilidad vara ampliamente, se usa la aproximacin de Winn en la cual se modifica la volatilidad. ij = KLK/KbHKEc. 6donde el exponente b se obtiene de las figuras para los valores de K en el rango de inters. El mnimo nmero de etapas se calcula con la siguiente expresin: ijbbHKDBLKBDmDBXXXXS loglog111]1

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Ec.7Sm incluye el condensador parcial y el rehervidor parcial si ellos se usan. MNIMA RELACIN DE REFLUJO El mtodo de Undenvood es el ms usado para calcular la mnima relacin de reflujo. Se asumen constantes la volatilidad relativa y la relacin molar lquido/vapor. El primer paso es evaluar e por prueba y error: ( ) ni i iFixq1/1 Ec.8Luego de calcular 8, se calcula la mnima relacin de reflujo as: ( )( ) + +ni i iDim mxR D L10/1 1 / Ec.962FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALNMERO DE ETAPAS El nmero de etapas tericas requeridas para una separacin dada a una relacindereflujoentre el mnimo yelreflujototal, sepuede determinarpor relaciones empricas. Erbar y Maddox hicieron una extensa investigacin de clculos de fraccionamiento plato a plato y desarrollaron la correlacin de la Fig. 2-7 (Fig. 19-7 del GPSA). Estacorrelacinrelacionalaraznmnimonmerodeetapasaetapas tericas (Sm/S), con la mnima relacin de reflujo (Rm) y la relacin de reflujo de operacin (R), donde R = L0/D. La Fig. 2-7 se puede usar para determinar el reflujo de operacin para un nmerodadodeetapas tericas, entrandoalafiguraconel valor deSm/S, movindose hacia arriba hasta la lnea que representa el valor de Rm/(Rm+1)=(L0/V1)myseleesobrelasordenadasalaizquierda, unvalor deR/(R+1)=L0/V1. La relacin de reflujo ptima de operacin se encuentra cerca a la mnima relacin de reflujo. Valores de 1.2 a 1.3 veces el mnimo son comunes. Luego para una R dada se puede determinar el valor de S en la Fig. 2-7. Esta correlacin se gener sobre la base que el alimento est en su punto de burbuja. Si el alimento est entre el punto de burbuja y el punto de roco, el reflujo de operacin debe corregirse. Erbar y Maddox propusieron la siguiente relacin para ajustar la rata de vapor del plato de cima, para un alimento que no est en su punto de burbuja: 63FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL( ) [ ]calccBP VFcalc corrLQH H FFDV V

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+ 01Ec.10La rata de reflujo se ajusta posteriormente por el balance de materia as: L0=V1D Ec.11Procedimiento de Clculo Para determinar los parmetros de diseo para un problema de fraccionamiento, se recomienda el siguiente mtodo corto: 1. Establecer la composicin del alimento, la rata de flujo, la temperatura y la presin. 2. Hacer una particin de los productos en la columna y establecer la temperatura y la presin. Con la presin de la columna calcular la temperatura del rehervidor. 3. Calcular el mnimo nmero de etapas tericas con la ecuacin de Fenske (Ec 4).4. Calcular la mnima relacinde reflujopor el mtodode Underwood (Ecuaciones 8, 9). 64FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL5. Obtener la relacin etapas tericas / reflujodeoperacindelaFig. 2-7.6. Ajustar el reflujoreal para vaporizacindel alimentosi es necesario (Ecuaciones. 10, 11).65FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFuente: GPSAFIG. 2-7Correlacin De Erbar Y Maddox66FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEJEMPLO 2-2 (GPSA) Una corriente de 291000 gal/d en su punto de burbuja, se alimenta a una fraccionadora con la composicin molar que se indica a continuacin: COMPONENTES Lb-mol/hC221.5C3505.6iC4105.0nC4250.1iC556.2nC550.0C6+50.41,038.8 Se desea recuperar el 98% del propano como producto de cima, el cual tiene un contenido de iC4 de 1.0% mol. Latemperaturadel condensadores120F(49C)lacual seconsigue mediante enfriamiento con aire. Calcular:a. Mnimo nmero de platos requerido b. Mnima relacin de reflujoc. Nmero de platos ideales a 1.3 veces la mnima relacin de reflujo SOLUCIN:a. Mnimo nmero de platos requerido: Seleccin de componentes claves, Componente clave liviano = C3 = LK Componente clave pesado = iC4 = HK Estimar separacin de productos: 67FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL(a) 505.6 * 0.98 = 495.5 moles/h(b) (21.5+495.5)/0.99 = 522.2 moles/h(c) 522.2 (21.5+495.5) = 5.2 moles / hEncontrar presindelatorremedianteclculodepuntodeburbujaa 120F(49 C): Se asume P y lee K (@ 120 F) en el GPSA Grficas de Campbell del Tomo I.Alimento Cima FondosMoles % mol Moles % mol Moles % molC221.52.0721.54.1- -C3

-- LK505.648.67(a)495.594.910.12.0 iC4 -- HK105.010.11(c) 5.21.099.819.3 nC4250.124.08- 250.148.4 iC556.25.41- 56.210.9 nC550.04.81- 50.09.7 C6+50.4 4.85 - 50.4 9.8Totales1038.8100.00 (b) 522.2 100.0 516.6 100.068FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALPresin de punto de burbuja = 280 psiaDe la Ec. 3,cima = KLK/KHK = 0.93/0.45 = 2.067Estimar temperatura de fondos mediante clculo de temperatura de burbuja a 280 psia [19,7 kg/cm2] (se asume despreciable la cada de presin en la torre): Se asume T y lee K (@ 280 psia), Temperatura del punto de burbuja = 250F(*) Los valores de K para C6+ se tomande la figura para heptano.De la Ec. 3, cima= KLK/KHK= 2.30/1.40 = 1.643De la Ec. 5, pro = (cima + fondo)/2 = (2.067+1.643)/2 = 1.855De la Ec. 2, SF=(XD/XB)LK(XB/XD)HK= (495.4/10.2)LK(99.8/5.2)HK= 932.14Ki xDi*Ki C22.80.12 C3 0.93 0.88 C4 0.45 0.00 =1.00 KixBi*Ki C3 2.30 0.05 iC4 1.40 0.27 nC4 1.15 0.56 iC5 0.68 0.07 nC5 0.62 0.06 C6+(*) 0.15 0.01 Totales=1.02 69FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALDe la Ec. 4, Sm= log(SF)/log(pro) =log(932.14)/log(1.855) =11.07 platosCalcular Sm corrigiendo por cambios en volatilidad relativa usando la Ec. 7De Ec. 6,ij = KLK/KbHK, se calcula b usando los valores de KLK y KHK en cima y fondo: KLK(cima)= 0.93 = ij(0.45)bKLK(fondo) = 2.30 = ij(1.40)bDividiendo las dos expresiones (fondo/cima) se obtiene:2.473 = (3.111)b , donde b=log(2.473)/log(3.111) = 0.798ij = 0.93/(0.45)0.798 = 1.759 De la Ec. 7,platos SDBXXXXSmijbbHKDBLKBDm05 . 11) 759 . 1 log(1 . 5227 . 5162 . 58 . 992 . 104 . 495logloglog798 . 0 1 798 . 0111]1

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Como puede observarse en los dos clculos de Sm, en este caso corregir por cambios en volatilidad relativa no afecta el resultado. b. Calcular la mnima relacin de reflujo: 70FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEl primer paso es evaluar O por prueba y error con Ec. 8: ( ) ( )0/11 1 ni iFi ini i iFix xq q = 1 porque el alimento est en el punto de burbuja. Se calcula propara el alimento a Tpro = (Tcima + Tfondo)/2 = (120+250)/2 = 185F y 280psia Kipro,ipro,i*xFi/(pro,i )xFi@ 185F y 280psiaRelativa a C6+=15.8 =16.0C2 0.0207 4.1O68.330.02690.0270 C30.4867 1.6026.671.19411.2165 iC4 0.1011 0.8313.83-0.7098-0.6443 nC4 0.2408 0.6611.00-0.5518-0.5298 iC5 0.0541 0.355.83-0.0316-0.0310 nC5 0.0481 0.305.00-0.0223-0.0219 C6+ 0.0485 0.061.00-0.0033-0.0032 Totales 1.0000 --0.09780.0133 71FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL = 15.9De la Ec. 9,( ) +ni i iDimxR1/1 3367 . 13367 . 29 . 15 83 . 1301 . 0 * 83 . 139 . 15 67 . 26949 . 0 * 67 . 269 . 15 33 . 68041 . 0 * 33 . 681++ +mmRRc. Calcularelnmerodeplatosidealesa1.3veceslamnimarelacinde reflujo: Relacin de reflujo R (1.3)*Rm = 1.3*(1.3367) = 1.738. R/(R+1) = L0/V1 = 1.738/(1.738+1) = 0.635 Rm/(Rm+1) = (L0/V1)m = 1.337/(1.337+1) = 0.572 De Fig. 2-7 (@L0/V1 = 0.635 y (L0/V1)m = 0.572), Sm/S = 0.54 S = 11/0.54 = 20.4, usar 21 platos ideales EFICIENCIA DE PLATO Losclculosparael diseodelascolumnassehacenusandoplatos tericos. Enunplatoreal nosealcanzael equilibriopor laslimitacionesen tiempo de contacto entre el lquido y el vapor. Por lo tanto, en una columna real se requieren ms platos de los calculados tericamente, para obtener una separacin deseada. 72FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALPara determinar el nmero de platos reales se usa una eficiencia global de plato definida como: = Platos Tericos / Platos reales Ec. 12 OConnell correlacion 38 sistemas de los cuales 27 son fraccionadoras de hidrocarburos, como se muestra en la Fig. 2-8 (Fig. 19-18 del GPSA), relacionando la eficiencia global de plato () con la viscosidad relativa multiplicada por la viscosidad del alimento (*) a la temperatura promedio de la columna. En la Tabla 2-1 se indican algunos parmetros tpicos para fraccionadoras y absorbedoras. 73FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2-8Eficiencias De Platos Para Fraccionadores74FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALTABLA 2-1 parmetros tpicos para fraccionadoras y absorbedoras75Presin de Operacin PuigNmero de Platos RealesRelacin de Reflujo L0/D mol/molRelacin de Reflujo L0/F gal/galEficiencia de Plato %Demetanizadora 200 - 400 18 - 26Plato cimaPlato cima45 - 60Deetanizadora375 - 450 25 - 35 0.9 - 2.0 0.6 1.0 50 - 70Depropanizadora240 - 270 30 - 40 1.8 - 3.5 0.9 1.1 80 - 90Debutanizadora70 90 25 - 35 1.2 - 1.5 0.8 0.9 85 - 95Separadora de butanos 80 - 100 60 - 80 6.0 - 14.0 3.015 90 - 110Despojadora aceite rico 130 - 160 20 - 30 1.75 - 2.0 0.350.4Cima 67Fondo 50Deetanizadora aceite rico 200 - 250 40 - -Cima25- 40Fondo 40 - 60Estabilizadora condensado 100 - 400 16 - 24Plato cimaPlato cima40 - 60Separadora de nafta 70Separadora gasleos 30Despojadora agua agria 33Separadora C37C3 90Absorbedora con aceite 25 - 35Absorbedora deetanizadora 40FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALEJEMPLO 2-3Calcular el nmero de platos reales para el Ejemplo 2-2 si la viscosidad del alimento a 185 F es 0.076 cP. Temperatura promedio de la columna = (120 + 250)/2 = 185F pro = 1.855(*) = (1.855)(0.076) = 0.141De Fig. 2-8 (@(*)=0.141), = 80% Del ejemplo 2-2 el nmero de platos ideales requerido es 21 incluyendo el rehervidor, luego los platos dentro de la torre son 21 - 1. De Ec. 12,Platos reales = Platos Tericos / = (21-1)/0.80 = 25 platos.Tpicamente se adiciona unplato extra por cada alimento y por cada intercambiador de calor lateral. En este caso hay un alimento, luego utilizando este criterio el nmero de platos reales dentro de la torre sera 26.76FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALPROCEDIMIENTO DE CLCULO PARA DISEO DE FRACCIONADORESSeutilizanlossiguientespasosparadeterminarlosprincipalesparmetrosde diseo de fraccionadores:1. Establecer lacomposicindel alimento, laratadeflujo, latemperaturayla presin.2. Hacer una particin de los productos en la columna y establecer la temperatura y lapresindetope. Conlapresindelacolumnacalcular latemperaturadel rehervidor.3. Calcular el mnimo nmero de etapas tericas con la ecuacin de Fenske.4. Calcular la relacin de reflujo por el mtodo de Underwood.5. Obtener la relacin etapas tericas/reflujo de la figura Erbar-Maddox Correlation of Stages vs Reflux.6. Ajustar el reflujo real para vaporizacin de la alimentacin si es necesario.7. Determinar la configuracin de fondo y reflujo del rehervidor realizando balances de materia.8. Obtener las cargas de condensacinyrehervidor por mediode balances de materia y energa.77FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2-9 (A).Fotografas de torres de fraccionamiento78FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL FIG. 2-9 (B).Fotografas de torres de fraccionamiento79FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2-10Fotografas de torres de fraccionamiento iluminadas de noche80FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL 81FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL FIG. 2-11 Consola de control de una torre debutanizadora 82FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURAL83FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALFIG. 2-12 Torre DepronizadoraComposicin de los hidrocarburos en una torre depropanizadoraC1 0.01C2 0.97C3 53.58iC4 13.20nC4 15.53iC5 4.47nC5 2.56C6 5.75C7 2.45C8 0.53C9 0.70C10 0.25depropanizadorProducto de fondoCondensador de reflujoProducto de topeRehervidorC1 0.0182C2 1.7689C3 97.681iC4 0.0043nC4 0.0068C3 0.03iC4 28.5913nC4 34.3789iC5 9.8976nC5 5.6684C6 12.7319C7 5.4249C8 1.1735C9 1.5500C10 0.5536Alimentac.84FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALComposicin de los hidrocarburos en una torre depropanizadoraC1 0.01C2 0.97C3 53.58iC4 13.20nC4 15.53iC5 4.47nC5 2.56C6 5.75C7 2.45C8 0.53C9 0.70C10 0.25depropanizadorProducto de fondoCondensador de reflujoProducto de topeRehervidorC1 0.0182C2 1.7689C3 97.681iC4 0.0043nC4 0.0068C3 0.03iC4 28.5913nC4 34.3789iC5 9.8976nC5 5.6684C6 12.7319C7 5.4249C8 1.1735C9 1.5500C10 0.5536Alimentac.85FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALNOMENCLATURAb = exponente en las Ecs. 6-6, 6-7 B = flujo molar total de producto de fondos, moles/unidad de tiempo D = flujo molar total de producto destilado de cima, moles/unidad de tiempo F = flujo molar total de alimento, moles/unidad de tiempo F = flujo volumtrico total de alimento, galones/unidad de tiempo H = entalpa, Btu/lb K = constante de equilibrio L0 = flujo molar total de reflujo lquido, moles/unidad de tiempo L0 = flujo volumtrico total de reflujo lquido, galones/unidad de tiempoQc = duty del condensador, Btu/h q = moles de lquido saturado en el alimento por mol de alimentoR = relacin de reflujo, moles de reflujo (L0) dividido por molesde producto neto (destilado) de cima (D) S = nmero de etapas tericasSF = factor de separacin definido por la Ec. 6-2 V = flujo molar total de vapor, moles/unidad de tiempo V1 = flujo molar total de vapores del plato de cuna, moles/unidad de tiempo x = fraccin molar de lquido X = flujo molar lquido de un componente en una corriente,moles/unidad de tiempo y = fraccin molar de vapor LETRAS GRIEGAS = volatilidad relativa 86FRACCIONAMIENTO DE LOS LQUIDOS DEL GAS NATURALij = factor de volatilidad definido por Ec. 6 = eficiencia global de plato, % = parmetro de correlacin en Les. 8, 9 = viscosidad, cP SUBNDICESB = fondosBP = punto de burbuja corriente de alimento calc = valor calculado cima = cima de la columna corr = valor corregido D = destilado (cima) F = alimento fondo = fondo de la columna HK = componente clave pesado i = componente puro LK = componente clave liviano m = mnino n = plato nmero pro = promedio VF = corriente vaporizada de alimento 87