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DISEO DE UNA COLUMNA DEETANIZADORA Y EQUIPOS ASOCIADOS EN UNA PLANTA DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURALPostulacin al cargo de DocenteLima Marzo 2015Facultad de Ingeniera de Petrleo, Gas Natural y Petroqumica - FIPP

NDICEIntroduccinFundamentosCriterios de DiseoCaso de Estudio

INDICE1. INTRODUCCIN

INTRODUCCINA diferencia del petrleo, el gas natural no requiere de plantas de refinacin para procesarlo y obtener productos comerciales. Las impurezas que pueda contener el gas natural pueden ser separadas por procesos fsicos relativamente sencillos.

Proceso de SeparacinMediante este proceso se obtiene:Gas natural seco (metano y etano) que se transporta por gasoductos a los centros de consumo.Lquidos de gas natural (propano, butano, pentano y mas pesados) que se transporta por poliductos hasta una planta de fraccionamiento.Otros componentes : Agua, Nitrgeno, CO2, H2S y otras impurezas que no tienen valor comercial.

Proceso de Fraccionamiento Es un proceso que consiste en separar los lquidos del gas natural (LGN) en gas licuado de petrleo (GLP) y gasolina natural.

PLANTAS DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL EN EL PER

Aguayta Energy del Per S.R.L. Planta de Procesamiento de Gas Natural, Curiman y Planta de Fraccionamiento de Lquidos de Gas Natural, Yarinacocha.Graa y Montero Petrolera S.A. Planta de Procesamiento de Gas Natural Verdn y Parias, Talara.Pluspetrol Per Corporation S.A. Planta de Procesamiento de Gas Natural, Malvinas y Planta de Fraccionamiento de Lquidos de Gas Natural, Pisco.Procesadora de Gas Parias S.A.C. Planta Criognica de Gas Natural, Parias.

INTRODUCCIN

INTRODUCCINPLANTAS DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL EN EL PER

INTRODUCCINPLANTAS DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL EN EL PERPlanta de Procesamiento de Gas Natural, MalvinasPlanta de Fraccionamiento de Lquidos de Gas Natural, Pisco

INTRODUCCINPLANTAS DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL EN EL PERPlanta de Procesamiento de Gas Natural, PariasPlanta Criognica de Gas Natural, Parias

INTRODUCCINPLANTAS DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL EN EL PERPlanta de Procesamiento de Gas Natural, CurimanPlanta de Fraccionamiento de Lquidos de Gas Natural, Yarinacocha

INDICE2. FUNDAMENTOS

FUNDAMENTOS PROCESO DE ABSORCION REFRIGERADAEL PROCESO PARA LA RECUPERACION DE LOS COMPONENTES PESADOS DEL GAS SE DA A TRAVS DE UNA ABSORCION FSICA PROMOVIDA POR EL CONTACTO DEL GAS RICO CON UN ACEITE DE ABSORCION

RECUPERACIONES COMUNES OBTENIDAS:

ETANOMAXIMO 50% MOLARPROPANO90/95 % MOLARBUTANO Y MS PESADOS100 % MOLAR

FUNDAMENTOSPLANTA DE PROCES. DE GAS NATURAL PARIAS (MEHRA)

FUNDAMENTOSEL ESQUEMA DE RECUPERACION DE LQUIDOS CONSISTE BSICAMENTE EN EL ENFRIAMIENTO DEL GAS RICO POR MEDIO DE CORRIENTES FRAS COMO EL PROPANO, SEGUIDO DE UNA EXPANSION EN EL TURBO-EXPANSOR.

LA TURBO-EXPANSION GENERA UNA BRUSCA REDUCCION DE LA TEMPERATURA Y CONSECUENTE CONDENSACION DE LOS HCs.

RECUPERACIONES COMUNES OBTENIDAS:

ETANO85% MOLARPROPANO99% MOLARBUTANO Y MS PESADOS100 % MOLAR

PROCESO DE TURBO EXPANSION

FUNDAMENTOSPLANTA DE PROCES. DE GAS NATURAL CURIMAN

FUNDAMENTOSPLANTA DE PROCES. DE GAS NATURAL MALVINAS

FUNDAMENTOS

FUNDAMENTOSEl proceso SCORE extrae un producto en vapor de la deetanizadora debajo del plato de alimentacin del Turbo Expander. Este vapor es enfriado y parcialmente condensado en intercambio cruzado con el vapor de tope de la deetanizadora. El vapor y lquido son separados en el Acumulador de Reflujo y el lquido es bombeado a la deetanizadora para usarlo como reflujo en las secciones despojadora y absorbedora correspondientes. La mitad de arriba de la desetanizadora es bsicamente absorbedora, y la parte baja es considerada despojadora.

La planta puede ser operada en el modo GSP en lugar del modo SCORE, pero esto conlleva a obtener una menor recuperacin de propano. Debido a esto, el modo GSP debe ser utilizado nicamente cuando sea absolutamente necesario. El GSP usa el separador fro de tope como la fuente de reflujo. El reflujo es usado nicamente para la cima de la deetanizadora, la seccin de absorcin.PLANTA DE PROCES. DE GAS NATURAL MALVINAS

FUNDAMENTOS

FUNDAMENTOSCARACTERSTICAS DE LA COLUMNA DE-C2 POR PLANTA

COLUMNA DEETANIZADORAALTURA, mDIMETRO, m# PLATOS / EMPAQUESGMP281.736 PlatosAGUAYTA ENERGY291.534 PlatosPLUSPETROL403.8 (Abs. Sec.)/ 3.4 (Str. Sec.)4 Lechos de Empaques

FUNDAMENTOS CARACTERSTICAS DE LA COLUMNA DE-C2 POR PLANTA

COLUMNA DEETANIZADORAC3 Recov, %C2/C3 in NGL, %Presin Tope, PsigTemp. Reboiler, FGMP67-285320AGUAYTA ENERGY843.2385290PLUSPETROL (GSP Process)88< 2.0365210PLUSPETROL (SCORE Process)99.5

FUNDAMENTOSDISPOSITIVOS DE CONTACTO:

FUNDAMENTOSESTRUCTURA INTERNA DE COLUMNAS CON PLATOS:

FUNDAMENTOSColumnas de Platos - Internos Asegurar el sello de lquido (generalmente: Weir Height > D.C. Clearance) Tope del downcomer: permitir desgasificacin de lquido (velocidad mxima)Downcomers rectos(ms usuales)Downcomers inclinados(mayor D.C. Top width que para el downcomer recto equivalente: mayor capacidad para lquido)Flow Path Length

FUNDAMENTOSColumnas de Platos - Internos (cont.)Radius tipsDisminuye DP en la salida del downcomerInlet Weir / Recessed Seal Pan Formas de asegurar el sello de lquido / obtener extracciones laterales Disminuyen el rea activa

Adjustable weirs

FUNDAMENTOSColumnas de Platos - Internos (cont.)Swept back weirs Mayor capacidad para lquido (disminuye weir load) Menor capacidad para pasaje de gas (quita rea activa)Picket fence weirs Permite aumentar weir loads para casos de baja carga de lquido

FUNDAMENTOSColumna con Platos - Nmero de Pasos

FUNDAMENTOSTipo de Platos:Platos con Copas.Platos con Vlvulas Fijas.Platos con Vlvulas Flotantes.Platos con Orificios o Perforados.

Los Platos con Vlvulas Flotantes son los ms comnmente usados.Poseen un mayor Turndown que los platos perforados.Presentan un costo mayor a los platos perforados (10 20 %).Su desventaja principal es que no son recomendados para servicios sucios. En estos casos, los Platos con Vlvulas Fijas son una opcin.

Los Platos Perforados son los mejores en costo y mantenimiento.Son los ms recomendados para servicios sucios.Su desventaja es que no son recomendables para un Turndown menor a 50%

Los Platos con Copas son raramente usados puestos que son excesivamente caros, (80 100% ms que los perforados), presentan una elevada cada de presin y no son recomendados para servicios sucios.

FUNDAMENTOSPLATO CON COPAS

FUNDAMENTOSPLATO CON VLVULAS MVILES

FUNDAMENTOSPLATO CON VLVULAS FIJAS

FUNDAMENTOSPLATO CON ORIFICIOS O PERFORADOS

FUNDAMENTOSEficiencia vs Capacidad de Carga de los Platos:

FUNDAMENTOSTIPOS DE EMPAQUES

INDICE4. CRITERIOS DE DISEO

CRITERIOS DE DISEOConsideraciones Generales de Clculo Recopilar los criterios de diseo y/o normativas aplicables al proyecto. Identificar los casos del balance de masa y energa / establecer los escenarios de operacin (verano, invierno, turndown, etc.) que condicionan el diseo de la columna. Para todos los escenarios observar los perfiles gas-lquido: caudales actuales de cada fase y su relacin. Determinar las secciones de la columna (usualmente delimitadas por entradas / salidas laterales). Determinar las etapas tericas de mayor / menor inundacin (tope y fondo de cada seccin en general condicionan el diseo). Realizar el diseo de cada seccin: debe alcanzarse una geometra que verifique todos los parmetros hidrulicos bajo los distintos escenarios.

CRITERIOS DE DISEOConsideraciones Generales de Clculo

CRITERIOS DE DISEOConsideraciones Generales de Clculo

Eficiencia de PlatoNmero real de platos / nmero terico de platosFuncin de la composicin, presin y temperaturaValores recomendados:

Tope de Demetanizadora (Criognicas):55%Fondo de Demetanizadora (Criognicas):65%Absorbedora de Deetanizadora (Criognicas):60%Fondo de Deetanizadora (Criognicas):70%Deetanizadora (Fraccionamiento):75% a 85% Depropanizadora:85%Debutanizadora:85%Deisobutanizadora:95%Depentanizadora:85%Estabilizadora de Condensado:40%(Fracc) a 60%(DPP)

CRITERIOS DE DISEO

CRITERIOS DE DISEODeterminacin del Dimetro y Nmero de Pasos de la ColumnaTendencias del diseo: En general el dimetro queda definido por el caudal de gas de la columna. El nmero de pasos y la configuracin del downcomer quedan definidos por el caudal de lquido.

CRITERIOS DE DISEODeterminacin de la Altura de la ColumnaLa altura de la seccin de platos se calcula a partir del nmero de platos y el espaciado (valor estndar: 24).Un menor espaciado permite reducir la altura de la seccin, pero disminuye el tiempo de separacin de fases en el downcomer y aumenta el porcentaje de inundacin.Deben tenerse en cuenta: - Distancias necesarias de entradas fondo/tope.- Distancias necesarias de entradas y/o extracciones laterales.- Mayor distancia entre platos si se instalan manholes.- Transiciones entre secciones de distinto nmero de pasos.- Niveles de lquido en el fondo de la columna.

CRITERIOS DE DISEODimensionamiento Preeliminar

Usando el factor de barril se puede hacer una excelente estimacin del dimetro de la columna.

Factor de barril = F / d2 F = BPD de cargad = dimetro de la columna expresado en pies

El factor de barril debe ser obtenido de unidades en operacin o de diseos pasadosEstos valores pueden ser afectados por:

Precalentamiento de la cargaRelacin de reflujoPresin de la columna

ServicioFactor de BarrilBaseColumna de crudo100 - 150EvaporadoColumna de vaco50 - 65EvaporadoDespojadora lateral450ProductosDebutanizadora175 - 200CargaDeetanizadora100CargaSpliter C3/C4150 - 200Carga

CRITERIOS DE DISEODETERMINACIN DEL DIMETRO DE LA COLUMNA

CRITERIOS DE DISEOESPACIAMIENTO ENTRE PLATOS

CRITERIOS DE DISEODETERMINACIN DE NMERO DE PASOS

CRITERIOS DE DISEODIMENSIONES DEL PLATO

CRITERIOS DE DISEODIMENSIONAMIENTO DE LA BAJANTE

CRITERIOS DE DISEOCADA DE PRESIN DEL PLATO

CRITERIOS DE DISEO

CRITERIOS DE DISEOParmetros de Diseo Hidrulico de una Columna con Platos

PARMETROS DE DISEO HIDRULICOVALORESMximo porcentaje de Inundacin en el plato, %85Mxima carga de lquido en el vertedero, gpm/ft100Mxima cada de presin por plato, psi0.20Mximo porcentaje de nivel de lquido en la bajante, %60

CRITERIOS DE DISEOParmetros de Diseo Hidrulico de una Columna con Empaques

PARMETROS DE DISEO HIDRULICOVALORESMximo porcentaje de Inundacin, %70Factor de Inundacin1.0Mxima cada de presin por plato, psi/ft0.02

FUNDAMENTOSESPECIFICACINES TPICAS PARA EL MODELAMIENTO

EQUIPOOPERACINDISEO/EVALUACINDeetanizadorasTemperatura de Fondo o Temperatura de Reboiler.Frac. Mol. de C2 en la corriente de Fondo o Ratio C2/C3 en corriente de Fondo (Comn: 2% mx.). DebutanizadorasTemperatura de Fondo o Temperatura de Reboiler.Caudal de Reflujo o Ratio de Reflujo.RVP en la corriente de Fondo (Comn: 12 psia mx.).Ratio de Reflujo (Comn: 0.5 a 1.0).EstabilizadorasTemperatura de Fondo o Temperatura de Reboiler.RVP en la corriente de Fondo (Comn: 12 psia mx.).

CRITERIOS DE DISEOProgramas de proveedores de dispositivos internosSulcol:Sulzer (antes: Sulpak y Sultray).KG-Tower:Koch-Glitsch.Valve Tray Expert:ACS (soft slo para platos).

Otros programasHysys(Tray Sizing Utility).Promax(En la operacin de Columna).

CRITERIOS DE DISEOSOFTWARE SULCOL

CRITERIOS DE DISEOSOFTWARESULCOL

CRITERIOS DE DISEOSOFTWAREKG-TOWER

CRITERIOS DE DISEOSOFTWARE HYSYS (TRAY SIZING UTILITY)

INDICE4. CASOS DE ESTUDIO

CASO DE ESTUDIO

Franklin Santiago Suclla PodestIngeniero de ProcesosGMI S.A. - Divisin Oil & GasTelf: 9657 - 65180E-mail: [email protected] [email protected]

FUNDAMENTOSCAUSAS DE PROBLEMAS EN LA DESTILACIN:

FUNDAMENTOSDIAGRAMA DE DESEMPEO TPICO DE LOS PLATOS:

FUNDAMENTOSINUNDACIN INCIPIENTE:

FUNDAMENTOSRelacin Vertedero-Bajante vs. Hidrulica en los platos:

La altura de la bajante est asociada a 4 factores:

La altura del vertedero.La altura de la cresta de lquido por encima del vertedero.La prdida de presin entre la bajante y el plato.La cada de presin del vapor que fluye por el plato.


El incremento de Inundacin por encima de la Inundacin Incipiente causa:

Incremento de componentes pesados en el producto de Tope.Incremento de la Cada de Presin entre los Platos de la Columna.Disminucin de la diferencia de Temperaturas entre el Tope y el Fondo de la Columna.


Al aumentar la tasa de reflujo para intentar llevar el componente pesado hacia el fondo de la columna, el calor del re-hervidor comienza a aumentar, con lo cual el flujo msico de vapor aumenta simultneamente. Al subir el flujo msico de vapor a travs de la columna suceden dos cosas:

La cada de presin a lo largo de los platos aumenta, el nivel de lquido en las bajantes y en los platos aumenta, con lo cual la inundacin en los platos tambin aumenta.

La velocidad del vapor que sube por los platos aumenta, la altura del spray de los platos aumenta, con lo cual el arrastre de componentes pesados aumenta; y por ende, la inundacin.

FUNDAMENTOSINUNDACIN INCIPIENTE:Al disminuir la presin de operacin de una Columna de Destilacin, manteniendo el calor del re-hervidor constante suceden dos cosas:

La volatilidad relativa entre los componentes del fluido aumenta, con lo cual se mejora el fraccionamiento entre dichos componentes.

La velocidad del vapor a travs de los platos aumenta, la altura del spray de los platos aumenta, con lo cual el arrastre de componentes pesados aumenta; y por ende, la inundacin.

CRITERIOS DE DISEO Y/O EVALUACINCARACTERSTICAS DE LOS TIPOS DE PLATOS

CRITERIOS DE DISEO Y/O EVALUACINCADA DE PRESIN E INUNDACIN

Se ha correlacionado (Lieberman) el punto de mejor eficiencia para platos de vlvulas y perforados, comparando la cada de presin medida en varias columnas de destilacin.

CRITERIOS DE DISEO Y/O EVALUACINCADA DE PRESIN E INUNDACIN

K= 0.18 0.25: La Operacin de la Etapa esta cerca a su punto de mejor eficiencia.

K= 0.35 0.40: La Etapa sufre arrastre de lquido incremento en reflujo, reduce notablemente la eficiencia de la etapa.

K>= 0.5: La Etapa esta en inundacin completamente desarrollada abrir un venteo en la lnea de vapor de tope, liberar liquido con vapor.

K= 0.10 0.12: La bandeja sufre de baja eficiencia, debido a fugas en la superficie de la bandeja.

K= 0.00: El nivel de lquido en la bandeja es cero, y muy probablemente las bandejas estn tendidas en el fondo de la columna.

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