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FUNDAMENTOS DE FRACCIONAMIENTO
PRESENTACIÓN No.9
Presentado por:
CAMILO ANDRÉS QUIROGA BERDUGO
Código: 2080720
VERÓNICA VIVIANA VEGA SANDOVAL
Código: 2080716
JHON JAIRO SÁNCHEZ MARTÍNEZ
Código: 2080727
Presentado a:
Ing. Nicolás Santos Santos
Materia: Ingeniería de Gas
Grupo: D1
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
BUCARAMANGA, OCTUBRE DEL 2012
2
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 4
1. ETAPA DE FRACCIONAMIENTO 6
2. COMPONENTES DE LA TORRE DE FRACCIONAMIENTO 7
2.1. COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO 7
2.2. CONDENSADORES 10
2.3. REHERVIDORES 11
3. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO 12
4. TREN DE FRACCIONAMIENTO 14
5. PRINCIPIOS CLAVES PARA EL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE
FRACCIONAMIENTO 16
5.1. CONCEPTO DE EQUILIBRIO 16
5.2. BALANCE DE MATERIA 17
5.3. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA 17
6. PARÁMETROS DE DISEÑO 18
6.1. FACTOR DE SEPARACIÓN - SF 18
6.2. VOLATILIDAD RELATIVA – α 18
6.3. PRESIÓN DE OPERACIÓN 19
6.4. MÍNIMO NÚMERO DE ETAPAS – Sm 19
6.5. MÍNIMA RELACIÓN DE REFLUJO – Rm 20
6.6. RELACIÓN DE REFLUJO – R 21
6.7. NÚMERO DE ETAPAS TEÓRICAS – S 21
6.8. NÚMERO DE ETAPAS REALES 22
6.9. EJEMPLO 22
7. DIMENSIONAMIENTO TORRE CON PLATOS 30
3
7.1. METODO FACTOR C 30
7.2. METODO NOMOGRAMA 31
8. DIMENSIONAMIENTO TORRE EMPACADA 33
9. PROBLEMAS OPERACIONALES 36
CONCLUSIONES 37
BIBLIOGRAFÍA 38
4
INTRODUCCIÓN
El procesamiento del gas natural consiste en separar todos los diferentes hidrocarburos y
líquidos del gas natural puro, para producir lo que se conoce como gas natural seco de
calidad para transporte por gasoducto. Los principales gasoductos suelen imponer
restricciones a la composición del gas natural permisibles en la tubería. Eso significa que
antes de que el gas natural pueda ser transportado, éste deberá haber pasado
previamente por una etapa de tratamiento y posteriormente por un procesamiento.
Las plantas en donde se lleva a cabo el procesamiento del gas, por lo general se ubican
cerca de las zonas productoras de gas natural, en donde el gas extraído de los diferentes
pozos es transportado a través de una red de tuberías recolectoras de diámetro pequeño
y a bajas presiones.
La búsqueda por obtener un gas seco con altos niveles de calidad en la mayoría de los
casos puede ser una tarea bastante compleja. Con la finalidad de cumplir con estos
estándares de calidad, habitualmente el gas es conducido por ciertos procesos en donde
se lleva a cabo la eliminación de las impurezas con las que éste venga. Estos procesos
son:
La eliminación de los componentes de petróleo líquido y de condensados que traiga
consigo la corriente de gas.
La eliminación de los componentes ácidos del gas como lo son el azufre (H2S) y el
dióxido de carbono (CO2). Este proceso de endulzamiento puede realizarse ya sea
con aminas ó por medio de membranas permeables, dependiendo de la composición
de la corriente de alimentación y de la tecnología disponible para tal fin.
La extracción del agua libre, la cual se puede realizar por métodos de absorción, en
donde la corriente de gas se hace pasar en contraflujo con una corriente de glicol
(TEG); o bien por medio de lechos adsorbentes, los cuales están compuestos de
sólidos desecantes (tamiz molecular).
5
La separación de Líquidos del Gas Natural (LGN). Este proceso puede llevarse a
cabo por diferentes técnicas, entre las cuales están el método por absorción con un
aceite pobre, por medio de refrigeración mecánica, manejando el proceso de Joule
Thomson, o por procesos criogénicos o de Turbo-expansión. Gracias a éstas técnicas
se logra separar el metano de los demás componentes del gas y se adecúa la
corriente restante para su posterior fraccionamiento.
Además de estos procesos, frecuentemente se instalan calentadores y scrubbers en la
planta. Los scrubbers sirven principalmente para retirarle la arena y otras partículas
contaminantes a la corriente de gas. Por otro lado, los calentadores tienen el objetivo de
asegurar que la temperatura del gas no descienda demasiado y así prevenir la formación
de hidratos; esto recordando que el gas a tratar generalmente contiene cierta cantidad de
agua libre, y que los hidratos tienden a formarse a condiciones de bajas temperaturas y
altas presiones.
A continuación se muestra un esquema general de una planta de procesamiento de gas
natural para una corriente de gas rico en hidrocarburos pesados. En esta planta se
maneja un proceso de endulzamiento con aminas para retirarle los componentes ácidos y
un proceso criogénico para la obtención de los líquidos del gas natural.
6
1. ETAPA DE FRACCIONAMIENTO
El fraccionamiento es un proceso mediante el cual se separan los componentes
individuales de una corriente de líquidos de Gas Natural (LGN), aprovechando la
diferencia entre las volatilidades que presentan los componentes existentes en dicha
corriente. Todo esto con el fin de producir un producto líquido el cual cumpla con las
especificaciones de venta y transporte.
La dificultad en la separación de los componentes está directamente relacionada con la
diferencia que presentan las volatilidades relativas de los mismos y de la pureza requerida
en las corrientes de producto.
Los hidrocarburos asociados al gas natural, conocidos como Líquidos del Gas Natural
(LGN) pueden ser subproductos muy valiosos del procesamiento de gas natural. Algunos
de estos líquidos son el etano, propano, butano, Iso-butano y la gasolina natural (C5+).
Estos productos son vendidos por separado y tienen una variedad de usos entre los que
se pueden incluir el mejoramiento de los procesos de recuperación de petróleo, la base
como materia prima para refinerías ó plantas petroquímicas y finalmente como fuentes de
energía.
Los líquidos recuperados del gas natural (LGN), tras pasar por el proceso de separación o
de recobro de líquidos, forman juntos una mezcla multi-componente, que luego de ser
sometida a un proceso de fraccionamiento, generará que estos productos tengan una
mayor pureza y una mejor calidad; lo que consecuentemente producirá que éstos tengan
un mayor valor comercial. Es debido a esto que es posible afirmar que la venta de estos
productos como un todo es considerablemente más bajo que el valor de vender las
corrientes de sus componentes de forma individual.
7
2. COMPONENTES DE LA TORRE DE FRACCIONAMIENTO
En la figura que se presenta a continuación se pueden detallar las unidades que
generalmente componen una torre de fraccionamiento.
2.1 COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO
Las columnas de fraccionamiento son cilindros
verticales, altos y de gran diámetro, que están
organizados internamente con el fin de extraerle a
una mezcla de hidrocarburos ciertos componentes
con un alto grado de pureza.
Dichas columnas pueden ser de dos tipos:
Columnas con Platos o Bandejas
Columnas Empacadas
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Figura 19- 29.
8
2.1.1 Platos o Bandejas
Los platos son diseñados para darle soporte al líquido y proveer un contacto eficiente
entre éste y la corriente de gas.
A continuación están los tipos de platos más comunes que se pueden encontrar:
Platos de Tipo Cápsula de Burbujeo
En este mecanismo, el líquido fluye a través del plato pasa por el downcomer y
atraviesa el siguiente plato en dirección opuesta. El vapor fluye por las cápsulas a
través de los espacios y se mezcla con el líquido. Este tipo de plato posee un
mecanismo que evita que se presente problemas de lloriqueo (weeping), dicho
mecanismo se conoce como Riser y se trata de un tubo por el cual asciende el gas
dentro de la cápsula.
Platos Perforados
Los platos Perforados, los cuales no son más que una serie de agujeros
perforados en una lámina de metal. En estos platos, el gas pasa a través de estos
agujeros. El número, tamaño y espacio de los agujeros debe ser el adecuado para
obtener un buen contacto entre el gas y el líquido y además para prevenir el
lloriqueo (weeping).
Platos de Tipo Válvulas
En los Platos con válvulas, las válvulas descansan sobre la superficie de los platos
en posición cerrada, hasta que el gas que fluye es el suficiente para abrir dicha
válvula. Por lo que se puede decir que en estos platos el flujo depende de las
condiciones de velocidad del gas con las cuales el mecanismo (válvula) venga
diseñado. Los platos con válvulas al igual que los platos perforados controlan el
weeping o lloriqueo por medio de la velocidad del gas.
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Las columnas con platos generalmente proveen operaciones satisfactorias en un amplio
rango de la carga de vapor y líquido.
Una tasa baja de vapor puede ser caracterizado por problemas de pulsación de gas,
vertimiento de líquido o distribución irregular. Una alta tasa de gas causa que la torre
eventualmente se inunde, ya que no permite que el líquido atraviese el plato y en
consecuencia retiene todo el líquido en los downcomers. Por otro lado, una baja tasa de
líquido resultará en un contacto poco eficiente con el vapor. Una tasa alta de líquido
puede causar inundación dentro de la torre ya que se excede la capacidad de los
downcomers.
A medida que se maneja una mayor tasa de líquido, se vuelve innecesario hacer que el
líquido fluya a través de toda la torre debido a la caída de presión que esto implica. Es por
esto que en ciertos casos el plato es dividido para que en el existan más de un paso. Esto
reduce el paso del flujo y consecuentemente reduce la caída de presión por plato. Una
desventaja de esto es que igualmente se reduce el área para el flujo de gas.
2.1.2 Empaques
Los empaques deben ser capaces de producir una película delgada y una trayectoria de
flujo turbulento, incluso a bajos caudales de flujo. También deben presentar una baja
caída de presión y tener la capacidad de mantener tanto el líquido como el gas en su
interior. Estructuralmente, no deben degradarse térmicamente y deben ser químicamente
impermeables. Una de sus desventajas es que pueden traer limitaciones al momento de
realizar la inspección o cambio ya que si llegado el caso el empaque falla es necesario
desarmar toda la columna.
Algunos de los tipos de empaques más nombrados tenemos:
Empaques Aleatorios
En este mecanismo diferentes piezas de empaque son ubicadas de manera
aleatoria en un armazón o cubierta. Estas piezas pueden ser de diferentes
diseños, cada uno posee un área superficial y una caída de presión característica.
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Pueden ser de materiales como el plástico, fibra de vidrio reforzado con
polipropileno y de metales resistentes a la corrosión.
Empaques Estructurados
Los empaques estructurados se refieren a unidades fabricadas y dispuestas de
una forma y geometría definida. Por lo general son hechas de malla tejida ó de tipo
de placas o tubos de metal los cuales son doblados, torcidos, enrollados, sellados
o dispuestos de alguna manera para que logre presentar una amplia área
superficial por unidad de volumen.
Estos empaques son generalmente utilizados en aplicaciones de baja carga de
líquido (las cuales están por debajo de los 20 gpm/ft2).
Empaques Enmallados
Los Grids o Mallas son empaques sistemáticamente arreglados que usan
estructuras que se asemejan a una red. Este tipo de empaque es utilizado en
aplicaciones con bajas caídas de presión.
2.2 CONDENSADORES
Su función es la de condensar los componentes que no se desean obtener en el producto
de tope. Son utilizados para mejorar la pureza del producto a obtener por medio de la
corriente de reflujo que se genera tras su ingreso.
Estos condensadores pueden ser refrigerados por:
Aire: Los cuales manejan temperaturas de salida entre 15 – 20 °F por encima de
la temperatura ambiente.
Agua: Los cuales manejan temperaturas de salida entre 5 – 10 °F por encima de
la temperatura ambiente.
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Refrigerantes: Los cuales manejan temperaturas de salida entre +5 y -5 °F de la
temperatura ambiente.
2.3 REHERVIDORES
Su función es la de vaporizar los componentes que se desean obtener después del
proceso. Este componente puede ser ya sea interno o de tipo externo.
Existen varias configuraciones que pueden ser usadas en el proceso de fraccionamiento,
las más comunes son:
Circulación natural
Es el tipo de rehervidor más usado en un gran número de instalaciones. En este tipo de
arreglo, todo el líquido en el plato de fondo es circulado directamente hacia el rehervidor,
donde es parcialmente vaporizado. Los componentes que no son vaporizados son
aquellos que se obtienen como producto de fondo. Este tipo de rehervidor no requiere de
una bomba, ya que como su nombre lo indica el flujo se da por la presión que generan los
líquidos del fondo de la columna.
Circulación Forzada
En estos rehervidores todo el líquido del plato inferior se lleva por un downcomer para
reducir el nivel de líquido en el fondo de la columna. El líquido puede ser circulado a
través del intercambiador de calor tantas veces como sea económicamente viable para
controlar el porcentaje de componentes vaporizados. Este tipo de disposición se utiliza
normalmente en instalaciones donde la caída de presión en las tuberías es tan alta que la
circulación natural no es práctica, por lo que su diseño incluye una bomba que envía el
líquido hacia el rehervidor. El costo de funcionamiento continuo de la bomba hace de la
circulación natural un diseño más deseable.
12
3. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO
Conocidos los componentes de la columna o torre de fraccionamiento, continuaremos con
la descripción del proceso del fraccionamiento como tal.
El aprendizaje del proceso de fraccionamiento se dará de forma escalonada, desde lo
más sencillo hasta lo más complejo, eso quiere decir que poco a poco se irá desarrollando
el conocimiento de este.
El objetivo de la siguiente figura es el de conocer los recorridos de las corrientes
presentes en la columna de fraccionamiento (Corriente de entrada o alimento, producto de
fondo, componentes livianos en fase vapor, corriente de reflujo, producto de overhead o
cima).
Figura: Corrientes presentes en el proceso de fraccionamiento.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19.
13
La corriente de entrada desciende a través de los platos hasta llegar a un rehervidor, allí
debido a un aumento de la temperatura, se liberan componentes livianos en fase vapor,
los cuales ascenderán por la torre hasta llegar al condensador, el líquido de la corriente
de alimento que no se evaporó, será el producto de fondo. Del condensador se obtienen
dos corrientes, la de reflujo y la de los productos de overead. La condensación puede ser
parcial o total, si es total ambas corrientes estarán en fase líquida y tendrán la misma
composición, en cambio si es parcial, la corriente de reflujo serán los condensados,
mientras la de overhead continuará en fase vapor.
Comprendidas las corrientes en la torre, ahora se definirán las zonas de rectificación y la
de despojo presentes en una torre de fraccionamiento.
Figura: Zona de rectificación y de despojo.
Fuente: Wikipedia, imagen de torre de destilación.
La sección de rectificación tiene como objetivo controlar la pureza del producto de cima
por medio de la condensación de los pesados (componentes que no deseo en el producto
de cima o tope) que se encuentran en la fase vapor que se encuentra ascendiendo por la
torre. Por otro lado, la sección de despojo tiene como objetivo controlar la pureza la
14
pureza del producto de fondo despojando los livianos del líquido que se encuentra
descendiendo por la torre.
Para comprender como se da ese despojo de los componentes livianos y esa
condensación de los componentes pesados, es necesario conocer el principio de estos
procesos, la transferencia de masa.
La transferencia de masa se puede expresar con la siguiente ecuación.
Donde,
Qm : transferencia de masa entre fases.
KG : Coef. de transf. de masa (Empírico).
A : Área de contacto vapor – líquido.
C1 : Concentración mayor.
C2 : Concentración menor.
De la ecuación de transferencia de masa se puede observar que al aumentar el área de
contacto vapor – líquido, aumenta la transferencia, esto se obtiene con la utilización de los
platos o empaques situados en la torre de fraccionamiento.
4. TREN DE FRACCIONAMIENTO
Comprendido el funcionamiento de la torre de fraccionamiento, es importante conocer la
configuración de las torres en un tren de fraccionamiento. El número de columnas de
fraccionamiento requeridas depende del número de productos deseados y de la
composición del líquido de la corriente de entrada.
A continuación, en la figura se observará un ejemplo de un tren de fraccionamiento usado
para producir tres productos (Propano, Butano y Gasolina Natural).
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Figura: Tren de fraccionamiento.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, gráfica 19-4.
a) DESETANIZADORA: La corriente de alimento contiene mucho etano para ser incluido
en los productos, por lo tanto, la primera columna es una desetanizadora. El producto
de overhead que en su mayoría es etano, se dispondrá como combustible.
b) DESPROPANIZADORA: La segunda columna, la despropanizadora, obtiene como
producto de overhead el propano con las especificaciones solicitadas, Mientras que el
producto de fondo es una mezcla de butano y gasolina natural. (Suele comercializarse
sin procesarla).
c) DESBUTANIZADORA: La tercera columna es una desbutanizadora, donde se separa
el butano de la gasolina natural, para controlar la presión de vapor de esta última. El
butano obtenido en overhead puede ser comercializado o puede ser separado en iso-
butano y normal butano.
16
5. PRINCIPIOS CLAVES PARA EL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE
FRACCIONAMIENTO
5.1. CONCEPTO DE EQUILIBRIO
Todos los cálculos son desarrollados asumiendo (por conveniencia) un equilibrio vapor -
líquido en cada una de las etapas o platos (Ver constantes de equilibrio vapor – líquido, Ki
= yi / xi).
Figura: Equilibrio vapor - líquido.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Figura 19- 3.
17
5.2. BALANCE DE MATERIA
El balance de materia es el primer paso en los cálculos del diseño de la columna de
fraccionamiento. Para ello, se debe asumir la composición del producto que se desea
obtener por medio de las siguientes maneras:
1. Con el porcentaje de recobro de un componente en la corriente de fondo o tope.
2. Con la composición de un componente en cualquier corriente, fondo o tope.
3. Con la presión de vapor de cualquier corriente de producto.
Con las dos primeras formas de especificar el producto se puede realizar el balance de
materia directamente, pero con la presión de vapor, primero se supone una especificación
y después se mira si la presión de vapor del producto corresponde a la asumida, y así
hasta que concuerden.
En una mezcla multicomponente, generalmente existen dos componentes que son
“CLAVES” para la separación, estos son:
Componente clave liviano (LK): Es el componente más liviano presente en el
producto de fondo en cantidades significativas. Todos los componentes más livianos
que él se producen por la parte superior de la torre.
Componente clave pesado (HK): Es el componente más pesado presente en el
producto superior en cantidades significativas. Todos los componentes más pesados
que él se producen por la parte inferior de la torre.
5.3. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
No se puede obviar que junto con la transferencia de masa se presenta también
transferencia de energía. No se entrará en detalle en este tema pues no es el objetivo de
la presentación, pero sí hay que destacar que por cada unidad de masa condensada,
existe una liberación de energía y que por cada unidad de masa evaporada hay energía
que es absorbida.
18
6. PARÁMETROS DE DISEÑO
6.1. FACTOR DE SEPARACIÓN - SF
El factor de separación o grado de pureza es una medida cuantitativa de la dificultad de
separación. Generalmente, para la mayoría de los problemas de fraccionamiento, los
rangos de este factor están entre 500 y 2000, pero en separaciones con alto grado de
pureza puede estar en un rango hasta 10000.
Donde,
X [moles/unidad de t]
D: destilado o cabeza.
B: fondo.
LK: componente clave liviano.
HK: componente clave pesado.
6.2. VOLATILIDAD RELATIVA – α
Esta variable está definida como la relación entre las constantes de equilibrio de los
componentes clave liviano y clave pesado. La volatilidad relativa es una medida de la
facilidad de separación. Cuanto mayor sea α, más fácil es la separación.
19
6.3. PRESIÓN DE OPERACIÓN
Debemos determinarla antes de cualquier cálculo de fraccionamiento. El medio de
enfriamiento disponible (aire, agua, refrigerante) para el condensador y la composición del
producto a separar son consideraciones primordiales y conocidas para poderla estimar.
Fuente: GPSA Engineering Data Book. Capítulo 19.
El procedimiento para calcular la presión de operación varia según la disposición del
producto de tope u “overhead”, es decir si este será un producto en fase líquida o en fase
vapor. Entonces usando las aplicaciones de la constante de equilibrio vapor – líquido
obtenemos las siguientes sumatorias para producto líquido y producto en fase vapor
respectivamente:
6.4. MÍNIMO NÚMERO DE ETAPAS – Sm
El mínimo número de etapas o platos pueden ser calculados por la ecuación de Fenske
(1932):
20
Este valor mínimo de número de etapas ya incluye el plato utilizado en el rehervidor y en
el condensador.
6.5. MÍNIMA RELACIÓN DE REFLUJO – Rm
La mínima relación de reflujo hace referencia a los moles de reflujo por los moles totales
del producto de cabeza.
Donde,
D: Tasa de Producto de cabeza [moles/t]
Lo: Tasa de reflujo [moles/t]
La mínima relación de reflujo puede ser calculada con el método de Underwood (1948),
en donde el primer paso es hallar θ por prueba y error, para posteriormente determinar la
mínima relación de reflujo.
Donde,
q: Moles de líq. saturado en el alimento por mol de alimento.
XFi: Fracción molar de la corriente de alimento.
θ: Parámetro de correlación.
αi: Volatilidad relativa promedio respecto C6+.
21
Donde,
Rm: Mínima relación de reflujo.
Lo: Tasa de reflujo [moles/t]
D: Tasa de Producto de cabeza [moles/t]
XDi: Fracción molar de la corriente de alimento.
θ: Parámetro de correlación.
αi: Volatilidad relativa promedio respecto C6+.
6.6. RELACIÓN DE REFLUJO – R
La relación de reflujo óptima de operación, es un valor muy cercano al mínimo, en el
orden de 1,2 a 1,3 veces la mínima de relación de reflujo. (Fair, J. H., y Bolles, W. L.,
1968).
6.7. NÚMERO DE ETAPAS TEÓRICAS – S
El número de etapas teóricas o de platos teóricos requeridos para una separación dada,
se determina por medio de la correlación de Erbar-Maddox (1961).
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19. Figura 19-7.
22
6.8. NÚMERO DE ETAPAS REALES
Todos los diseños de fraccionamiento son realizados usando platos teóricos, una
columna real requiere de un número mayor de etapas para obtener la separación
deseada.
O’Connell en 1946 desarrolló una correlación con la cual se puede obtener la eficiencia de
los platos para las torres de fraccionamiento y absorción, conociendo la volatilidad relativa
promedio y la viscosidad de la corriente de entrada.
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19. Figura 19-18.
6.9 EJEMPLO 19.2
Dada la siguiente composición de entrada de 291000 gal/dia (composición a punto de
burbuja)
98% en cabeza
1% en cabeza (Relación con la corriente)
23
Temperatura del condensador: 120°F
Composición alimento Mol % Moles/hr
C2 2.07 21.5
C3 48.67 505.6
iC4 10.11 105.0
nC4 24.08 250.1
iC5 5.41 56.2
nC5 4.81 50.0
C6 4.85 50.4
100.00 1038.8
HALLAR:
Mínimo numero de etapas requeridos
Mínima tasa de reflujo
Numero de platos con 1,3 veces la tasa de reflujo mínima
DESARROLLO
En primera medida se realiza el balance de materia, explicado anteriormente, de este se
obtiene que la light key es el propano y la heavy key es el butano.
Cabeza Fondo
Moles Mol % Moles Mol %
C2 21,5 4,1 - -
C3 495,4 94,9 10,2 2,0
iC4 5,2 1,0 99,8 19,3
nC4 - - 250,1 48,4
iC5 - - 56,2 10,9
nC5 - - 50,0 9,7
C6 - - 50,4 9,7
TOTAL 522,1 100 516,7 100
24
Seguidamente se calcula la presión de operación de la torre, para esto, se debe realizar
mínimo dos iteraciones con el fin de cumplir la siguiente relación de 100% líquido:
Por tanto como dato semilla, se basara en la siguiente tabla, la cual indicara un rango
promedio de presiones de operación de las respetivas torres. En esta se tomara el rango
correspondiente al propano, debido a que el 94.9% de moles en cabeza son de este
componente. De este rango se tomo un dato de partida de 250psig para empezar las
iteraciones. Esto no indica que la presion de operación de la torre este contenida entre
240-270psig, debido a que no se obtiene 100% propano, para cumpli la especificacion del
cliente que requiere parte de isobutano y etano, este rango da una idea del valor de
partida y asi empezar la iteracion.
Por tal motivo, el primer cálculo asumiendo una Poperación=250psig, temperatura del
condensador de 120°F y con las tablas de las constates de equilibrio, obtenemos, los
diferentes valores de K para cada componente obtenido en cabeza. Aplicamos la relación
anteriormente descrita y tenemos:
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19 . Figura 19-19.
1*1
n
i
ii xk
25
Componente Xi Ki KiXi
C2 0,004 2.9 0,0116
C3 0,949 1,0 0,949
iC4 0,001 0,48 0,00048
TOTAL 1 - 0,96118
Como se puede observar la sumatoria no da 1, por tanto realizamos los cálculos
asumiendo una segunda presión que para este problema será de 280psig. Se repite el
mismo procedimiento y finalmente se obtiene:
Componente Xi Ki KiXi
C2 0,004 2,8 0,0112
C3 0,949 0,93 0,8825
iC4 0,001 0,45 0,00045
TOTAL 1 - 0,998
En este caso, la sumatoria da 0.998 muy cercano a 1, por tanto, se escogerá la presión de
280psig como la presión de operación de la torre, la cual permanecerá constate a lo
largo de esta y del proceso.
Seguidamente calculamos la temperatura del re-hervidor, con el mismo procedimiento que
se uso para hallar la presión de operación. Dado el caso, con dos iteraciones, no se
obtiene el valor de la sumatoria igual a 1, se realiza una interpolación de las temperaturas
y el valor de la sumatoria. Para este caso se asumió una temperatura del re-hervidor que
es equivalente a la temperatura de burbuja de la corriente de fondo, junto con la presión
de operación de 280psig y las constantes de equilibrio de los componentes de fondo,
obteniendo así:
26
La sumatoria dio 1, lo que permite concluir que
250°F es la temperatura del re-hervidor.
Seguidamente se realiza el cálculo de la
volatilidad relativa promedio, tanto para tope,
como para fondo de la siguiente manera:
Calculo en tope:
Calculo de fondo:
K
C3 2,30 1,643
Ic4 1,40
nC4 1,15
iC5 0,68
nC5 0,62
C6 0,15
K
C2 2,80
C3 0,93 2,067
iC4 0,45
27
Por tanto:
Con el valor de la volatilidad relativa promedio, podemos hallar el número de platos
mínimos requeridos, de la siguiente manera:
Donde
Entonces:
Por tanto el número de etapas mínimas es 11. Ahora se prosigue con el cálculo de la
tasa mínima de reflujo, para este procedimiento se deben realizar iteraciones cuyo fin será
calcular la variable que es indispensable en la formulación matemática:
Estamos suponiendo que la corriente de alimento a la torre en 100% liquida, entonces q=0
y realizamos el numero de iteraciones necesarias con el fin de cumplir que la sumatoria
sea igual a cero, por tanto, el finalmente será aquel cuya sumatoria sea lo mas cercana
posible a cero. Posteriormente se efectua el calculo de la volatilidad relativa con respecto
)log(
log
promedio
f
m
SS
28
al C6+ , es decir, cada constante de equilibrio de cada componente de entrada, es dividida
por la constante de equilibrio correspondiente al C6+ así:
Xi Ki
)
@185°F y
280 psia
relativa a
C6+
Ɵ=16 Ɵ=15 Ɵ=15.8 Ɵ=15.9
C2 0.0207 4.10 68.3333 0.0270 0.0265 0.0269 0.0270
C3 0.4867 1.60 26.6667 1.2168 1.1125 1.1944 1.2055
iC4 0.1011 0.83 13.8333 -0.6453 -1.1985 -0.7110 -0.6766
nC4 0.2408 0.66 11.0000 -0.5297 -0.6621 -0.5517 -0.5405
iC5 0.0541 0.35 5.8333 -0.0310 -0.0344 -0.0317 -0.0313
nC5 0.0481 0.30 5.0000 -0.0219 -0.0241 -0.0223 -0.0221
C6 0.0485 0.06 1.0000 -0.0032 -0.0035 -0.0033 -0.0033
SUMATORIA 1 - - 0.0925 -0.7832 -0.0986 -0.0413
En este caso el óptimo es 15.9 porque su sumatoria es la mas aproximada a cero. Para
obtener los diferentes valores de las constantes de equilibrio para cada componente de
entrada, se asume halla con las tablas, asumiendo presión de operación de la torre como
280psig (hallada anteriormente) y temperatura promedio.
Por tanto con 280psig y 185°F se obtienen los diferentes valores de K para cada
componente de la tabla. Lo anterior lo se emplea para remplazar en la formula de relación
minima de reflujo, de la siguiente manera:
psiayFTT
Tfondotope
prom 2801852
250120
2
29
La fracción molar de la formula (XDi) hace referencia a la fracción molar de todos los
componentes del destilado, es decir, del producto tope de la torre, reemplezamos los
valores y obtenemos:
Finalmente para el calculo de numero de platos teóricos cuando R=1.3(Rm)=1.737, se
emplean las siguientes formulaciones de Erbar-Maddox:
Entramos a la grafica y obtenemos S/Sm. Como Sm (Numero de platos mínimo) es un
valor conocido despejamos S (Numero de platos teóricos):
=1,336
0,635
0,54
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-7 Correlación Erbar-Maddox.
30
Es decir, se necesitan aproximadamente 21 platos teóricos para que la torres funcione
eficientemente.
7. DIMENSIONAMIENTO TORRE CON PLATOS
Existen dos métodos para el cálculo del diámetro de una torre fraccionadora con platos: El
método del factor C y el método del nomograma.
7.1 MÉTODO DEL FACTOR C:
Para su uso debemos hallar la constante C, a partir de la siguiente grafica (C Vs El
espaciamiento de los platos)
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-13.
31
Con esto hallamos el valor de velocidad máxima de la torre asi:
Donde:
C=constante
= Densidad líquido (lb/ft3)
= Densidad vapor (lb/ft3)
Y finalmente remplazamos en la siguiente ecuación y hallamos el diámetro de la torre en
pies.
7.2 MÉTODO DEL NOMOGRAMA
Para su uso debemos hallar el Vload (Carga de vapor), usando la siguiente expresión:
Donde:
= Densidad líquido (lb/ft3)
= Densidad vapor (lb/ft3)
32
Con el valor de Vload (ft3/seg) y conociendo la tasa de liquido (GPM), unimos en el
nomograma esos dos puntos y donde corten las dos líneas ubicadas en el centro, son los
diámetros correspondientes. Hay que aclarar que las dos líneas hacen referencia a
diferentes configuraciones de la torre. La mas larga es el diámetro de una torres de “single
pass-tray”, es decir, con un solo dowmcomer por plato, y la segunda línea (pequeña) es
para una torre con “two pass-tray” es decir con dos dowmcomer de por medio por cada
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-14.
33
plato. Esta última configuración se realiza para aumentar la capacidad de liquido en la
torre y evitar problemas operacionales.
8. DIMESIONAMIENTO TORRE EMPACADA
El primer paso a seguir para el cálculo del diámetro en una torre empacada es determinar
la tasa de flujo másico de la corriente de gas y liquido dentro de la torre. Para este calculo
tomamos como dato base la tasa de circulación del gas y liquido y por medio de
conversión de unidades, ayudado con las respectivas densidades, de obtiene la tasa de
flujo másico en lb/hr de cada fase en la torre.
Seguidamente usamos la siguiente relación:
Donde:
= Tasa flujo másico del liquido (lb/hr)
= Tasa flujo másico del gas (lb/hr)
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-12.
34
=Carga de liquido (lb/(ft2*seg))
=Carga de gas (lb/(ft2*seg))
= Densidad líquido (lb/ft3)
= Densidad vapor (lb/ft3)
Posteriormente usamos la siguiente grafica cuya abscisa es
y su ordenada
. Con esto obtengo un valor para el eje de las ordenadas y
posteriormente despejo el nuevo Gp.
Todos los valores del eje de las ordenadas son conocidos a excepción de Gp y Fp que
corresponden sucesivamente a la carga de gas en la torre y al factor de
empaquetamiento, el cual se conoce de la siguiente tabla (teniendo en cuenta el tipo de
material del empaque y su pulgada):
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-26. Correlación de Eckert generalizacada para la caída de presión.
35
Una vez despejado el nuevo Gp, hallamos el área transversal y con esta finalmente el
diámetro de la torre, de la siguiente manera:
Fuente: GPSA Engineering Data Book, Capítulo 19, Figura 19-25.
36
9. PROBLEMAS OPERACIONALES
Los problemas más comunes asociados a columnas fraccionadoras de platos es cuando
se alcanza el máximo de capacidad. Las causas más frecuentes a estos problemas son
defectos en las consideraciones de diseño reflejado en las velocidades de vapor y liquido
en la columna; disminuyendo la eficiencia.
Otros problemas asociados a este tipo de torres es cuando el producto de tope está
contaminado con el producto de fondo, o el producto de fondo está contaminado con el
producto de tope o en su defecto ambos productos son malos. Por otra parte los
problemas operacionales más comunes son los siguientes:
Espumas: Se incrementa el flujo de vapor, alcanzando una expansión desde la
ranura inferior hasta la ranura superior del plato provocando la formación de
espumas.
Inundación: El líquido ocupa el espacio entre platos, produciendo una caída de
presión en el plato debido al aumento de velocidad del líquido que fluye a través
del plato hacia el bajante.
Lloriqueo: El lloriqueo se da cuando la velocidad del gas es muy pequeña a través
de los orificios, causando que fluyan baches de líquido a través de los orificios
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CONCLUSIONES
El fraccionamiento es una operación mediante la cual, se separa en fracciones de
compuestos los líquidos recuperados del gas natural. Este proceso se basa en la
separación de componentes por volatilidad relativa y en la pureza de la corriente
de productos deseada.
La destilación es probablemente el método más económico para separar una
mezcla en sus componentes individuales. Está separación es fácil si la volatilidad
relativa de los compuestos clave liviano y clave pesado es substancialmente
mayor que uno.
En cada etapa de equilibrio en la torre fraccionadora se realiza un intercambio de
masa y de calor buscando un equilibrio termodinámico
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BIBLIOGRAFÍA
GAS PROCESSORS SUPPLIERS ASSOCIATION. ENGINEERING DATA BOOK.
Tulsa, Oklahoma. Twelfth Edition. 2004. Chapter 19th.
JOHN, CAMPBELL. GAS CONDITIONING AND PROCESSING. Volume 2: The
Equipment Modules. Norman Oklahoma. Seventh Edition. 1984. Chapter 17th.
