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PROCESAMIENTO DE GAS Y PETRÓLEO II

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MI ISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENS UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNIC DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA NUCLEO TRUJILLO

GYP-37124 - PROCESAM ENTO DE GAS Y PETROLEO II - INGENIE ÍA DE GAS ING. J. ISIDRO CHIRINO HERNÁNDEZ PERIODO: II – II – 2011 SEMESTRE: VIII Ciclo Profesional Ingeniería en Gas, UNEFA, Trujillo

UNIDAD 1. INTRODUC IÓN AL FRACCIONAMIENTO DE GAS Y PETRÓLEO. 1. DESTILACIÓN La destilación es un método para separar los c omponentes de una solución; depende de la distribución de las sustancias entre una fase gaseosa y una líquida, y se aplica a los casos en que todos los componentes están presentes n las dos fases. En vez de introducir una nueva sustancia en la mezcla, on el fin de obtener la segunda fase (como se hace en la absorción o desorción de gases) la nueva fase se crea por evaporación condensación a partir de la solución original. Cuando s separa una solución de sal común en agua, el agua puede evaporarse co mpletamente de la solución sin eliminar la sal, puesto qu esta última, para todos los fines prácticos, casi no es volátil en las condici ones predominantes. Esta es la operación de evaporació . Por otra parte, la destilación se refiere a separ r soluciones en que todos los componentes son aprecia lemente volátiles. Cuando un líquido se calienta por encima de su punto de ebullición, de acuerdo al diagrama de fases el líq uido hierve y se producen grandes cantidades de vapor que escapan de él, si estos vapores s enfrían vuelven a pasar al estado líquido. Este pro eso hecho en un sistema cerrado de manera que no se pierdan los vapores, y el líquido cond nsado pueda separarse de líquido hirviente, puede servir para separar diferentes componentes de una mezcla y se conoce como destilación. El esquema de al lado representa una instalació de destilación simple. Al aplicar calor a la mezcla de líquidos, esta hierve y los vapores se conducen por un tubo a un condensador por el que circula un refrigerante, estos vapores al entrar en contacto con las paredes frías, vuelven a condensar y terminan en el recipiente colec tor de abajo. En el cas de mezclas de líquidos con diferentes temperaturas de ebullición, los primeros vapores q e se forman durante el calentamiento son muy ricos en los componentes más volátiles, d e manera que la primera parte del destilado contiene grandes cantidades de los líquidos más volátiles y va quedando en el recipiente la mezcla e los componentes menos volátiles, sii este proceso se repite varias veces bajo determinadas ondiciones, las mezclas de líquidos pueden separarse en sus componentes individuales o e mezclas más simples de componentes con diferente grado de volatilidad y se denomina destilación fraccionada. Fig. 1 Destilación Simple A esta categoría corresponde la separación d e los componentes de una solución líquida, de amonia o y agua. Si la solución de amoniaco en agua se pone en contacto con ire, el cual es básicamente insoluble en el líquido, el a oniaco puede desorberse, pero entonces el amoniaco no se obtiene en f rma pura, porque se mezcla con el vapor de agua y el ai re. Por otra parte, aplicando calor, es posible evaporar parcialmente la sol ución y crear, de esta forma, una fase gaseosa que co nsta únicamente de agua y amoniaco. Y puesto que el gas es más rico en amoniaco que el líquido residual, se ha logrado cierto gr do de separación. Mediante la manipulación adecuada de las fas es, o mediante evaporaciones y condensaciones repetid s, es generalmente posible lograr una separación tan completa como se q uiera y recobrar, en consecuencia, los dos componentes de la mezcla con la pureza deseada. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Son claras las ventajas de un método de separación como éste. En la destilación, la nueva fase difiere de la original por su contenido calorífico, pero el calor se incrementa o se elimina sin dificultad; por supuesto, debe considerarse inevitablemente el costo de aumentarlo o eliminarlo. Por otra parte, las operaciones de absorción o desorción, que dependen de introducir una sustancia extraña, proporcionan una nueva solución, que a su vez quizá tendría que separarse mediante alguno de los procesos difusivos, a menos que la nueva solución fuera útil directamente. Algunos aspectos importantes para recordar de d e la destilación: La destilación es un PROCESO DE SEPARACIÓN SEPARACIÓN TIPO COLUMNA. Sin tener en cuenta que sustancias se están  separando, los principios básicos básicos de diseño para la destilación siempre son similares. similares. La asunción que las etapas en una columna de destilación están en equilibrio permite cálculos de concentraciones y  temperaturas sin conocimiento detallado de modelos de flujo y calor, y velocidades de transferencia transferencia de masa. Esta asunción es una simplificación mayor.  Un rehervidor ("reboiler”) tipo calderín y un condensador parcial son cada uno una etapa de equilibrio. En general, si no están involucrados ningún ningún azeotropo o corrientes laterales, se pueden separar n productos con n-1  columnas. Es necesario que las composiciones del vapor y composiciones de líquido sean diferentes a las condiciones de equilibrio  que uno planea usar (es decir ningún azeotropo), por otra parte ninguna separación ocurrirá más allá de la condición azeotrópica.  La destilación es diferente de la evaporación porque ambos componentes en destilación son apreciablemente volátiles. En evaporación, normalmente sólo un componente se vaporiza. Los productos necesitan ser térmicamente estables encima del rango de temperatura de operación.  Ningún componente corrosivo debe estar presente.   Ningún componente que reaccione exotérmicamente exotérmicamente (es decir genere calor) debe estar presente. presente. Estas reacciones pueden "desbocarse" ("runawey") ("runawey") y formar condiciones explosivas. explosivas.  La destilación es diferente de la absorción porque en la absorción se aprovecha las diferencias de solubilidad (absorción física) o las reacciones específicas (absorción química).

CLASIFICACIÓN DE LA DESTILACIÓN El proceso de destilación puede clasificarse: 

A.- De acuerdo al número de componentes

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B.- De acuerdo al tipo de separación.

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C.- De acuerdo a su operación.

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Algunos tipos de destilación son: 1. Destilación simple 2. Destilación extractiva 3. Destilación destructiva 4. Destilación azeotrópica ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Binaria: cuando hay dos componentes Multicomponentes: cuando hay más de dos componentes Complejas: cuando el número y componentes individual no están identificados como componentes, seudocomponentes. Destilación en equilibrio, instantánea o Flash Destilación diferencial, simple por carga Destilación por arrastre de vapor Destilación fraccionada Por lotes, carga o Batch Continua Atmosférica Al vacío Con vapor directo, etc.

Destilación al vacío Destilación por membranas Destilación por congelación Destilación por arrastre de vapor

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Destilación molecular centrífuga Destilación de equilibrio o Flash Destilación por lotes o Batch Destilación continúa o por fraccionamiento 2


DESTILACIÓN EXTRACTIVA La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente, cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar. El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla, por tal razón debe tener baja volatilidad para asegurar su permanencia en la fase líquida, además, para garantizar el contacto con la mezcla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a separar y se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador, por encima de la etapa de mezcla azeotrópica. La configuración típica para un proceso de destilación extractiva es mostrado en la fig. 2, en la cual se separan metil ciclohexano y tolueno. Estos dos componentes no forman un azeotropo, pero su volatilidad relativa es menos que 1,01 a bajas composiciones de tolueno. La volatilidad relativa de metil ciclohexano a tolueno es aumentada por la adición de un solvente. Esto permite la separación de estos dos componentes en menores etapas que las requeridas en destilación simple El solvente elegido es menos volátil que cualquiera de los dos componentes y, en razón a mantener una alta concentración Fig. 2. Diagrama de flujo simplificado para proceso de destilación extractiva para separar tolueno y metil ciclohexano de solvente a lo largo de toda la columna, debe introducirse a la columna de destilación extractiva por encima del plato de alimentación DESTILACIÓN DESTRUCTIVA Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva. La destilación destructiva o seca se utiliza para convertir materiales en bruto, por ejemplo, derivados de la madera, en productos químicos útiles. Los procesos típicos de destilación, como la desalinización, sólo llevan a cabo la separación física de los componentes. En cambio, la destilación destructiva es una transformación química; los productos finales (metanol, carbón de leña) no pueden ser reconvertidos en madera. Fig. 3. Proceso de destilación destructiva

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DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA Mezcla azeotropica es aquella mezcla líquida de dos o más componentes que poseen una temperatura de ebullición constante y fija, esta mezcla azeotropica se forma debido a que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, es decir como si fuese un solo componente (fig. 4), esto se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo positivo y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo negativo. La mayoría de azeótropos son del tipo negativo. Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple, por lo que es necesario añadir otro componente para romper la mezcla azeotrópica. Si las temperaturas son muy altas, se puede utilizar la destilación al vacio, lo que disminuye los puntos de ebullición de las sustancias, así como la proporción de las mezclas. La composición de la mezcla azeotrópica cambia si cambia la presión exterior, pudiendo incluso a desaparecer dicha mezcla. Esto ocurre porque la temperatura de ebullición depende de la presión exterior. En los grandes complejos petroquímicos, la destilación azeotrópica es utilizada desde decenios, siendo todavía el procedimiento más actual en el tratamiento de disolventes termolábiles no miscibles con agua e impurificados con contaminantes líquidos.

Fig. 4. Diagrama binario de una mezcla azeotrópica

DESTILACIÓN AL VACÍO Debido a que muchas sustancias, que se desean separar por destilación, no pueden calentarse ni siquiera a temperaturas próximas a sus puntos normales de ebullición (a una atmósfera de presión), por que se descompondrían químicamente, o bien, otras sustancias con puntos de ebullición muy elevados demandarían gran cantidad de energía para su destilación a la presión ordinaria, se emplea el método de destilación al vacío o a presión reducida. El cual consiste en reducir la presión de operación para obtener la ebullición a temperaturas bajas, ya que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor iguala la presión de operación. Se deben utilizar torres empacadas para destilaciones a presiones absolutas del orden de 7 a 35 KN/m 2, se pueden diseñar platos de capucha y perforados con caídas de presión cercanas a 350 KN/m 2, torres de aspersión para caídas de presión de 0,015 psi, y columnas de aspersión agitadas mecánicamente y las de paredes mojadas para caídas de presión aún más pequeñas. La destilación al vacío se utiliza en productos naturales, como en la separación de vitaminas a partir de aceites animales y de pescado, lo mismo que en la separación de muchos productos sintéticos industriales (como plastificantes). Un ejemplo usual sería la destilación al vacío como operación complementaria en la destilación del crudo (petróleo), una vez destilado a presión ordinaria, como se muestra en la figura siguiente.


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Fig. 5. Componentes generales de una torre al vacío.

DESTILACIÓN POR MEMBRANAS Destilación por membranas, esta es una técnica por membrana* que involucra transporte de vapor de agua a través de los poros de una membrana hidrofobia debido a la fuerza que ejerce la presión de vapor provista por la temperatura y/o la diferencia de concentración del soluto a través de la membrana. En este método, las superficies de las membranas están en contacto directo con dos fases líquidas, una solución caliente y una fría. Como ha sido entendido, hay una diferencia de temperaturas pero el equilibrio térmico está bien establecido. Este método está basado en un flujo a contracorriente de un fluido con diferentes temperaturas. La corriente de entrada de agua de mar fría fluye a través de un condensador de paredes no permeables.

Fig. 6. Diagrama de flujo de una destilación por membrana.

Este sistema trabaja con un par de tubos, un condensador y un evaporador. Estos tubos están separados por un hueco de aire. La pared del evaporador está hecha de una membrana hidrofobia. Las membranas recomendadas son aquellas con un 60-80% de porosidad y un tamaño de poro de 0.1-0.5x10-6 m. vapor de agua puro pasa a través de las membranas, mientras los sólidos (sales, minerales, etc.) se quedan del otro lado de la membrana. Como fue mencionado, la diferencia de temperaturas de los fluidos, generan una diferencia de presión de vapor, la cual, obliga al vapor para que pase a través de los poros de la membrana del tubo del evaporador y este se condensa en el hueco de aire, de esta forma el calor es parcialmente recuperado.

*Las membranas son las películas finas de material poroso que se pueden utilizar para varias separaciones químicas. Aunque muchas membranas se hacen de las películas del polímero, también pueden estar hechas de cerámica, de fibra de carbón, y de sustratos metálicos con poros. Los poros pueden medirse en dimensiones atómicas (< 10 angstrom) hasta 100+ micrones. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Fig. 7. Proceso de destilación por membranas

DESTILACIÓN POR CONGELACIÓN La destilación por congelación es un interesante proceso, pues pudiera considerarse contraria a lo que se conoce como destilación, no en cuanto a sus resultados, sino en cuanto a su proceso, mientras que la destilación "común" basa su principio de separación en las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes, la destilación por congelación opera por la diferencia en los puntos de congelación, dicho de otra manera, las fases pueden separarse gracias que una (o varias) de ellas, se encuentra en estado sólido. Como es de esperarse hay sistemas en los cuales este proceso cuenta con una efectividad mucho mayor que la destilación común (es de esperarse que esto dependa de las propiedades del sistema), entonces ¿por qué no es tan difundido este proceso? Pondremos 2 ejemplos para ilustrar este detalle: 1. La desalación a fin de obtener agua potable, aunque este proceso no se considera propiamente una destilación, algunos autores insisten en mencionarla como tal, sin embargo esto resulta bastante ilustrativo: Resulta que energéticamente, contrario a lo que se piense, el proceso es más rentable, pues la relación entre el calor latente de vaporización y el de fusión del agua es de 6 aproximadamente, es decir que solamente se ocupa un sexto de la energía para cambios de estado, además, el hielo es separable de las sales que pueda contener, entonces ¿por qué la desalación de agua no se hace por congelación? Respuesta.- por la dificultad mecánica para manejar el hielo, este ejemplo nos ilustra el hecho de que aunque un proceso pueda resultar mejor que otro, tienen que analizarse los pasos siguientes con el fin de estudiar la rentabilidad adecuada del proyecto 2. En la preparación de vodkas finos, puede apreciarse que el agua y el alcohol son separables por evaporación, el punto de evaporación del alcohol oscila por el orden de los 76ºC y el del agua los 100ºC, sin embargo el pequeños detalle de un azeotropo origina una limitante, ahora si tomamos como referencia que el alcohol pudiera ser un anticongelante (su punto de fusión se encuentra a los -117ºC) y que el punto de fusión del agua se encuentra alrededor de los 0°C, resulta clara que la limitante no es la naturaleza de los componentes, a su vez como se menciono anteriormente la cuestión energética más bien es una ventaja, entonces ¿cuál es la limitante en este sistema? Respuesta: la cuestión económica, como se menciono anteriormente resulta que la utilización de este procedimiento eleva el costo del producto, un ejemplo es el Stolichnaya Elit un vodka de origen ruso, cuyo valor en el mercado es superior a los 60 dólares, ¿Entonces, por que se utiliza este sistema?, porque de esta manera se presume que el vodka cuenta con un sabor sedoso, profundo, supremo. además de las cuestiones sociales, como que este vodka únicamente se comercializa en tiendas de delikatessen, restaurantes elegantes y hoteles de 5 estrellas, los creadores advierten que únicamente debe ser consumido con hielo, agua fría o ingredientes fríos, nada de jugos de fruta u otros elementos que enmascaren su sabor superior.


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Un punto a resaltar es que este proceso se as emeja mucho a su antigua manera de purificación (recordar que en Rusia las temperaturas descienden de los cero grados centígrados co n frecuencia) del vodka, la cual se consideraba muy rudimentaria. Este interesante fenómeno además, se pres nta de forma "casera" al congelar diversos líquidos, un caso que algu a vez se ha presenciado es el de la soda, (eso explica el mejor sabo , pues esta se encuentra más concentrada) y otras bebidas gasificadas, así como jugos y vinagre, entre otros.

Separación de una bebida gasific da utilizando el método de destilación por congelación

DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR Es una técnica aplicada en la separación de s stancias poco solubles en agua. La destilación por arras re de vapor se emplea para separar una sustancia de una mezcla que pos e un punto de ebullición muy alto y que se descompone al destilar. De otra manera, la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiv del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volá iles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de apor de agua directamente en el seno de la mezcla, denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la e "arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz forman o otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la ezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se tendrán la pr esencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilaci ón (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos e jercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido pu ro a una temperatura de referencia. También se empl a para purificar sustancias contaminadas por grandes cantidades de im urezas resinosas y para separar disolventes de alto pu nto de ebullición de sólidos que no se arrastran. En 1918 Hausbra d publicó un diagrama de presión de vapor útil para la destilación por arrastre. Se graf icó Ptotal - PºH2O contra temperatura a tres presiones totales: 760, 300 y 70 mmHg (cur vas descendentes) a las cuales se les cono ce como curvas de agua. A su vez graficó la presión parcial (Pº) contra temperatura para diversos materiales a destilar (curvas as endentes). La intersección de la curva de a ua con la del material a destilar nos proporciona la temperatura a la cual se dará la des ilación por arrastre. Fig. 8. Diagrama de ausbrand


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La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado (volátil) formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente.

DESTILACIÓN MOLECULAR CENTRÍFUGA Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Por ejemplo, la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen dos isótopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por medio de la destilación molecular centrífuga. La destilación molecular centrifuga es una técnica de depuración que tiene una amplia utilización en la industria química, procesamiento de alimentos, productos farmacéuticos y las industrias del petróleo, así como la industria de productos químicos especiales. 1. Bomba de vacío 2. Bomba de difusión/ alto vacio 3. Chamber Trap 4. Vacuum Chamber w/Condensador 5. Rotor 6. . Rotor calentador 7. . Línea de la válvula 8. Hi-VCA de válvulas 9. . Trap Válvula 10. Degas válvula 11. Colector de residuos áspero / válvula de ventilación 12. Áspero destilado de colección / válvula de ventilación 13. Colector de residuos 14. Destilado de colección 15. Destilado Colección de válvulas 16. Válvula de recogida de residuos 17. Rotor de alimentación de válvulas 18. Válvula de reciclaje de residuos 19. Desgasificador de válvulas de alimentación 20. .Desbaste válvula P - manómetro de vacío

Fig. 9. Equipo utilizado en la destilación molecular centrifuga.


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DESTILACIÓN EN EQUILIBRIO O FLASH La destilación flash o destilación en equilibrio, es una técnica de separación de una sola etapa. Si la mezcla que se desea separar es líquida, se alimenta a un intercambiador de calor donde se aumenta su temperatura y entalpía vaporizando parte de la mezcla, luego la mezcla entra a un volumen suficientemente grande (tambor de separación) donde el líquido y el vapor se separan. Como el vapor y el líquido están en un estrecho contacto, ocurre que las dos fases se aproximan al equilibrio. Los procesos de separación flash son muy comunes en la industria, particularmente en la refinación de petróleo. Aunque se utilicen otros métodos de separación, no es raro encontrar destilaciones flashes preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos. DESTILACIÓN POR LOTES O BATCH En las destilaciones por lotes, llamadas también Batch, se carga al equipo una determinada cantidad de la mezcla de interés para que, durante la operación, uno o más compuestos se vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo común corresponde a las destilaciones que ocurren en los laboratorios, donde el líquido es vaciado en un recipiente y calentado hasta hervir. El vapor formado se retira continuamente por condensación, que corresponde al compuesto más volátil. En las separaciones por lotes no hay estado estable y la composición de la carga inicial cambia con el tiempo. Esto trae consigo un incremento en la temperatura del recipiente y decremento en la cantidad de los componentes menos volátiles a medida que avanza la destilación. La destilación por lotes se utiliza en los siguientes casos: 1. Cuando la capacidad requerida es tan pequeña que no permite la operación continúa a una velocidad práctica. Las bombas, reboiler, tuberías y equipos de instrumentación generalmente tienen una capacidad mínima de operación industrial. Fig 10. Columna de destilación por lotes con rectificación 2. Los requerimientos de operación fluctúan mucho con las características del material alimentado y con la velocidad de procesamiento. El equipo para operación por lotes generalmente tiene mayor flexibilidad de operación que los que operan en forma continua. Esta es la razón por la cual predomina el equipo de operación por lotes en plantas piloto. 3. La destilación intermitente se utiliza también cuando la mezcla a separar tiene un alto contenido de sólidos. El uso de una unidad por lotes puede mantener a los sólidos separados y permitir que se remuevan fácilmente al final del proceso. DESTILACIÓN FRACCIONADA La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Fig.12. Diagrama del proceso de destilación del etanol

Fig. 11. Diagrama de la destilación fraccionada del petróleo Fig.13. Imagen de la destilación de etanol a nivel industrial

1.1. FRACCIONAMIENTO DEL PETRÓLEO Y GAS El petróleo, cuando se extrae del pozo, no es un componente útil prácticamente; para ello, es fundamental sepáralo en diferente fracciones para aprovechar sus características. A dicho proceso se le llama refino del petróleo. La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuel óleo y asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil y los aceites lubricantes. El petróleo bruto contiene todos estos productos en potencia porque está compuesto casi exclusivamente de hidrocarburos, cuyos dos elementos son el carbón y el hidrógeno. Ambos elementos al combinarse entre sí pueden formar infinita variedad de moléculas y cadenas de moléculas. Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo crudo en productos útiles para las personas. El conjunto de operaciones que se realizan en las refinerías para conseguir estos productos son denominados “procesos de refinamiento”. Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización y de forma general, en destilación, conversión y tratamiento.


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Antes de comenzar este proceso se realiza u n análisis de laboratorio del petróleo, puesto que no todos los petróleos son iguales, ni de todos se pueden extraer las mismas sustancias. A continuación se realizan una serie de refinados “piloto” donde se e perimentan a pequeña escala todas las operaciones de refino. Un vez comprobados los pasos a realizar, se inicia el proceso. La rectificación continua, o fraccionamiento, es una operación de destilación a contracorriente en varias etapas. Por lo general, para una solución binaria, con algunas excepcione s, es posible separar mediante este método la solución de sus c mponentes y recuperar cada componente en el estado de p reza que se desee, Probablemente, la rectificación es el método de separación utilizado con mayor frecuencia, aunque es relativament nuevo. El número de torres de fraccionamiento reque ridas está en función de los productos licuables a obtener. En la fi ura 14 se muestra un esquema de las torres de fraccionamiento ue se utilizarían en la recuperación de hidrocarburos líquidos. La unidad de fraccionamiento se utiliza para separar mezclas complejas de gas en productos individuales. El fraccionamiento de la mezcla en sus componentes se efectúa bas ándose en la volatilidad relativa ( α ) de cada uno. Las dificultades en la separación están directamente relacionadas con la volatilidad relativa y la uniformidad del componente básico. Virtualmente todo el gas que se procesa en una planta para obtener hidrocarburos licua les, requiere al menos una torre de fraccionamiento para pone r al producto en las especificaciones técnicas normalizadas, para su posterior comercialización.

Fig. 14. Columna d Fraccionamiento

En el regenerador se aplica calor para gasifica r al líquido. Este gas asciende por la columna mientras v contactando al líquido que desciende y deja la columna por la parte su erior ingresando en un condensador, donde debido a la acción de un sistema de enfriamiento, se convierte al estado líquido. Una vez licuado, ingresa nuevamente en la t orre como reflujo, para evitar que el componente más pesado” salga por la parte superior con la corriente gaseosa. A los efectos de lograr una eficiente separaci ón de los componentes, es necesario que las dos fase tengan un íntimo contacto entre sí, para lo cual se intercalan en la torre determinados espaciamientos, bandejas o laberintos qu e provocan justamente este contacto entre el líquido y la corriente de gas d entro de la columna. Una vez que los hidrocarburos líquidos han si do retirados de la corriente de gas, deben ser separados en corrientes de productos vendibles. Las corrientes de productos más co munes son el C3, C4 y C5+. Por lo general en la etapa e producción, el C3 y el C4 se encuentran combinados y se los llama Gas s licuados de petróleo (GLP). ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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La fase gaseosa en esta etapa, será enfriada dando como resultado la condensación de alguno de los componentes más pesados mientras la fase líquida será calentada desprendiendo los componentes más livianos. En realidad los componentes más pesados se alojarán en el fondo de la torre y el producto es denominado usualmente “producto de fondo”. En el proceso, la fase líquida es continuamente enriquecida por los componentes livianos, conformando el “producto de la cabeza”. La parte gaseosa saliendo por la cabeza de la columna, puede ser total o parcialmente condensado. En un condensador total, todo el vapor será condensado y en forma de líquido regresará a la columna componiendo el “reflujo”, manteniendo la misma composición que el destilado que sale por la cabeza de la columna o torre. En la mayoría de los casos, sólo una parte de la fase gaseosa entra en el condensador para convertirse en el líquido necesario para el proceso de reflujo. El gas, en condiciones de equilibrio con el líquido, continuará el circuito de proceso, fuera de la torre. La separación de estas corrientes de productos se denomina fraccionamiento y se lleva a cabo por medio de la utilización de torres de fraccionamiento.

¿QUÉ ES UNA TORRE DE FRACCIONAMIENTO? Es cada uno de los cilindros verticales, altos y de gran diámetro, que suelen configurar el entorno de una refinería. Aunque tal cosa no se descubre a simple vista, están organizados para sacarle al petróleo los diferentes componentes, desde los más livianos hasta los más pesados. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porción a la cadena de hidrocarburos. Al comienzo saldrán los más livianos y, progresivamente, los pesados; hasta dejar los bitúmenes pastosos que ya no aceptan mayores cortes. Con el gas natural ocurre lo mismo, pero en este caso se trata de la separación de los integrantes más livianos de la cadena de hidrocarburos.

COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO Una columna de fraccionamiento, también llamada columna de platos o columna de platillos, es un aparato que permite realizar una destilación fraccionada. Una destilación fraccionada es una técnica que permite realizar una serie completa de destilaciones simples en una sola operación sencilla y continua. La destilación fraccionada es una operación básica en la industria química y afines, y se utiliza fundamentalmente en la separación de mezclas de componentes líquidos.

Fundamento teórico El fundamento teórico del proceso consiste en el calentamiento de la mezcla, que da lugar a un vapor más rico que la mezcla en el componente más volátil (destilación simple). El vapor pasa a la parte superior de la columna donde condensa. Como la temperatura sigue aumentando, a su vez este condensado se calienta dando lugar a un vapor aún más rico en el componente más volátil (más ligero, de menor punto de ebullición), que vuelve a ascender en la columna (nueva destilación simple). De la misma forma el líquido condensado de cada paso va refluyendo hacia la parte baja de la columna, haciéndose cada vez más rico en el componente menos volátil. Esto tiene como consecuencia una serie completa de evaporaciones y condensaciones parciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento. Estos ciclos de evaporacióncondensación equivalen a múltiples destilaciones simples, por lo que la destilación fraccionada es mucho más eficiente que la simple, y permite separar incluso líquidos de puntos de ebullición parecidos. El proceso se repite tantas veces como sea necesario, y a cada uno de estos pasos se le denomina etapa o plato. Con un número de platos suficiente se obtiene por la parte superior el componente más volátil de la mezcla y por la parte inferior el menos volátil.


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Cuanto más arriba estamos en la columna de fraccionamiento, menor es la temperatura y mayor la riq eza en el componente más volátil. Y a la inversa, cuanto más abajo estam os en la columna de fraccionamiento, mayor es la tempe ratura y mayor la riqueza en el componente menos volátil. Es necesario cal entar continuamente para que el proceso continúe.

Clases. La columna de fraccionamiento pue e ser tanto un aparato de laboratorio como una instal ción industrial propia de la ingeniería química o ingeniería de gas, pero n ambos casos existe en la parte inferior un aparato qu e calienta la mezcla y en la parte superior un condensador. En el caso de un aparato de laboratorio normalmente la columna es d vidrio y está rellena de un material que asegure el máximo contacto entr e la fase líquida y la fase de vapor, como bolitas de vidri , trozos de tubo de vidrio o similares. En el caso de una instalación industrial la colu mna está formada por una serie de platos, cada uno de llos atravesado por un tubo que permite el ascenso del vapor desde el pla to inferior, pero rematado por una cazoleta invertida que obliga al vapor a borbotear sobre el líquido contenido en el plato. Así se a segura el contacto entre el líquido condensado en el plat o y el vapor que ha ebullido en el plato inferior. Aquí todos los componente s son habitualmente metálicos. Diseño. El número de etapas o de platos nec esario para una determinada separación se puede calcu lar teóricamente, ya que no es más que la combinación de una serie de d stilaciones simples. En la práctica el número de platos r ales necesarios es siempre superior al de platos teóricos calculados. De la misma manera en función del resultado buscado s diseñan el diámetro de la columna, el tipo de relleno o de platos, etc. a eficiencia de la separación depende de múltiples fac ores como la diferencia de puntos de ebullición de los componentes de la mezcla, la presión a la que se trabaje y otros pará etros fisicoquímicos de los componentes. Aplicación. La principal aplicación en el labor atorio es la separación de sustancias de puntos de ebulli ión próximos. Y el principal uso industrial, con mucha mayor importancia ue cualquier otro, es la destilación fraccionada del petr leo o del gas natural. En el caso de este último, se utiliza para separar o fraccionar componentes propios de dicho gas como el etano, etano, butano, entre otros, con la finalidad de obtener dicho compo ente libre de otros con los que normalmente viene acompañado. La destilación fraccionada se usa mucho en la industr ia y en especial para la separación de los petróleos naturales en sus deriv ados básicos (gasolina, queroseno etc). La figura a la izquierda muestra un esquema de una típica instalación de destilación f accionada del petróleo natural, para dividirlo en las fr cciones comerciales. En una torre real se separan mas fracciones, el esquema es olo ilustrativo. bsérvese que el petróleo calentado por el quemador entra vaporizado a un punto i termedio de la torre de destilación. n esta torre se controla la temperatura para obtener la condensación de las diferentes mezclas a diferentes niveles, de donde son extraídas. Las fracciones ás pesadas terminan en la parte más baja mientras que las más ligeras salen por l parte superior. La presencia de cenizas y componentes casi sólidos n el petróleo natural, la diversidad de los petróleos naturales, la inmensa canti ad de componentes y la naturaleza compleja de las mezclas a obtener, hace qu este proceso no es tan simple como la destilación de una mezcla de simples líqui os. El porcentaje de extracción con respecto a la cantidad total del crudo, la temperatura de ebullición partir de la cantidad de átomos de carbono de cada componente, se pueden ver en la siguiente tabla:

% Salida 2 15 a 20 5 a 20 10 a 40 Residuo ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

Temp. de Ebullición (°C) < 30 0 – 200 200 – 300 300 – 400 de 400

Átomos de C 1a5 5 a12 12 a 15 15 a 25 + de 25

los productos obtenidos a

Productos O tenidos Hidrocarburos ligeros Gasolinas, naftas Queros no Gas-oil Lubricantes, lquitrán 13


Como la temperatura cambia a lo largo de la t orre; en la parte superior se tiene la más baja, donde se encuentran en equilibrio los componentes más ligeros (y de menor punto d e ebullición). Por el contrario, en la parte inferior la temp ratura es mucho más alta y lo es también la proporción de los component s pesados y menos volátiles. Como se colocan diversas salidas laterales en la torre, el petróleo crudo logra separarse en varias fracciones, cada una con un diferente intervalo de te mperaturas de ebullición e hidrocarburos de diferente número de carbono s en su cadena (tabla 1).

Tabla 1. Fracciones del petróleo que abandonan la torre de destilación. Nombre Gas incondensable Éter de petróleo Gasolina Querosina Aceite ligero Aceite lubricante y grasas Cera Asfalto Residuo

Intervalo de temperatura de ebullición (°C) menor de 20 20 - 80 35 - 220 200 - 315 250 - 375 mayor de 350 sóliido que funde entre 50 y 60 sólido viscoso sólido

Número de carbonos 1a4 5a7 5 a 12 12 a 16 15 a 18 16 a 20 20 a 30 ---------

Uso combustible disolvente co bustible de autos combustible de aviones c mbustible diésel lubricante velas pavimento combustible

1.2. PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN L FUNCIONAMIENTO DE LA COLUMNA. La Fig. 15, nos entrega un diagrama esquem ático de una torre de fraccionamiento, en el cual se ob servan algunos parámetros fundamentales que caracterizan el funcionami nto del sistema:

1. Tope de la torre, sección de rectificación. 2. Zona inferior, sección d despojamiento. 3. Plato de alimentación. 4. Condensador de refl jo y medio de enfriamiento. 5. Bomba de reflujo. 6. Acumulador o tambor de reflujo. 7. Rehervidor. 8. Gradiente de temperatur a dentro de la torre.

Fig. 15. Partes importantes de una t rre de fraccionamiento Empecemos con el análisis del lugar donde la alimentación entra a la torre. En ese plato es convenie te que el fluido llegue a su punto de burbujeo (completamente líquido y li sto para empezarse a evaporar). Al entrar a la destilado ra el fluido llena el plato de alimentación y, al rebosarlo, empieza a caer hacia los platos del fondo. A medida que desciende encuentra temperaturas más elevadas que vaporizan las porciones livianas, produciendo un líquido cada vez más pesado. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Este fluido recircula en el rehervidor y se calie ta evaporando una parte del mismo, que regresa a la to re como un reflujo de fondo en estado gaseoso. El vapor, cargado de com ponentes pesados, sube y, a medida que asciende, encu entra puntos fríos donde se condensan las partes pesadas que, a su vez, ontribuyen a llenar cada bandeja. El vapor - en permanente ascenso dentro de la torre - va quedando libre de las partes pesadas hasta ue llega al tope y sale de la columna. De allí pasa por el condensador de r eflujo en el cual se licua parcial o totalmente. Un condensador parcial es aquel que corresp nde a un producto de tope en estado gaseoso. En ese caso solamente se condensa la porción que regresa a la torre como refluj . Cuando se trata de un condensador “total”, los fluido s del tope salen en estado líquido y así se llevan al mercado. La produc ción sale por el fondo de la torre también en estado líq uido y, por lo general, a su punto de burbujeo. Es obvio que si sale parcial mente vaporizado va a producir cavitación en las bomba . En consecuencia, el condensador parcial, s diseña para el punto de rocío del producto del tope, mientras que el condensador total, debe trabajar a su punto de burbujeo. Así, cuando los vapores que abandonan el último plato, se condensan totalmente, una parte sale del sistema, en estado líquido; y la tra, regresa a la torre como reflujo. Este condensador e tará diseñado para trabajar a su punto de rocío, en el cual, se fija la temp ratura al nivel necesario para producir la cantidad de líq ido que requiere la torre (el reflujo). De aquí se deduce que, cuando se establec e la manera como ha de separarse la alimentación, s está decidiendo sobre las condiciones de trabajo de la torre. Y de la m isma manera, el grado de pureza que se desea en el producto del tope define la cantidad de flujo que se debe retornar y el nú ero de platos que se requieren para garantizar la operación. Obsérvese de nuevo la figura que nos sirv de referencia. (Fig. 15), la cantidad de líquido que r egresa al tope de la torre, procedente el tambor de reflujo, llena el plato uperior y actúa como un filtro, en estado líquido, que re iene las partículas pesadas que todavía transporta el gas antes de salir d e la torre. Si se elimina el reflujo desaparece el filtro qu evita el arrastre de líquido fuera de la torre y, obviamente, se produ ce una cantidad excesiva de condensado en el sep arador o en las tuberías. Adicionalmente, el producto del tope sale fuera de especificaciones. La figura 16, presenta un esquema real de un torre depropanizadora con la composición y los diferen es parámetros de presión y temperatura. El análisis detallado de la figura c ontribuirá a entender mejor las condiciones del diseño.

Fig. 16. Compo ición de los hidrocarburos en la torre depropanizadora


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A su vez, la figura 17, describe los diagramas de fases de los diferentes productos en la torre depropa izadora (Alimentación, tope y fondo) de una torre tomada como ejemplo, lo cual permite apreciar las características de estos fl idos y la manera como, la composición de la alimentación y la separació que se haga de ella, determina el diseño de la torre.

Fig. 17. Diagrama de fases superpuestas en la depropanizadora El tope, con un 98,0 % de propano, se comporta como un producto puro, o con alto grado de pureza, ientras que la alimentación y el fondo de la torre se corresponden con m ezclas de multicomponentes. En los diagramas de fase respectivos se aprecia las condiciones de trabajo (presión y temperatura) con cada uno de los productos. La figura 18, presenta un esquema con la distribución molar de los productos en el tope. En el cual se aprecia lo siguiente: 

  

Tasa molar del producto que sale por el tope, en estado gaseoso (V). Destilado o producto del tope, en estado líquido (D). Reflujo (tasa molar) que regresa a la torre (L). Razón de reflujo con respecto al tope (L/D).

Las cifras, explican – por sí solas – el comportamiento del reflujo en el sistema.

Fig. 18. Parámetros más importantes de un a torre ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Obsérvese que la cantidad de fluido que regresa a la destiladora es mucho mayor que el producto del tope. En este ejemplo, se debe retornar a la torre, como reflujo, casi el doble de lo que se produce por la parte superior. Eso nos habla de la importancia del reflujo y la necesidad de hacer estos cálculos durante el diseño de la planta. Es conveniente advertir que este comportamiento está definido por la composición de los productos que lleguen a la torre y la partición que de ellos se haga. Así, cuando la alimentación entra parcialmente vaporizada, todo el vapor en exceso deberá condensarse para devolverlo a la columna en estado líquido. En ese caso estamos operando de manera indebida. El costo de la condensación excesiva representa gastos innecesarios. Más aún si recordamos que la cantidad de energía que se retira por el tope se debe compensar inyectando calor por el rehervidor, para mantener el sistema termodinámicamente equilibrado. Y, de la misma manera, cuando la torre tiene un número de platos menor de lo debido se debe aumentar el reflujo para operar en condiciones satisfactorias, de donde la operación resulta antieconómica.

EL REFLUJO Y EL NÚMERO DE PLATOS EN LA TORRE. El reflujo está íntimamente ligado al número de platos que tenga la columna, en la Fig. 18 se aprecia el comportamiento. Las expresiones que siguen ayudarán a entender el tema: Número mínimo de platos: establece el menor número de bandejas o etapas de burbujeo que debe tener la torre para que pueda funcionar. Lo cual supone que todo el producto del tope se condensa y se regresa a la torre. Reflujo mínimo: indica la menor cantidad de líquido que debería retornar a la torre si se utilizara un número infinito de etapas de equilibrio. Obviamente son conceptos teóricos que establecen los límites de la operación. Por lo general una razón de reflujo (L/D) igual a 1,25 -1,8 nos conduce al número de etapas o platos de burbujeo con las cuales la torre podría trabajar de manera satisfactoria. Esto nos habla de la conveniencia de diseñar con los platos requeridos para hacer funcionar la columna dentro de un esquema óptimo-económico. Ya hemos dicho que, en condiciones normales de operación, la alimentación debe entrar a su punto de burbujeo. Imaginemos ahora que el producto entre a la torre con un alto grado de vaporización: La cantidad de gas que se mueve hacia el tope de la torre será excesiva.  El producto en exceso se debe condensar, para regresarlo como reflujo.  Para obtener la condensación excesiva se debe incrementar la tasa del fluido de enfriamiento en el condensador de reflujo.   Como consecuencia de lo anterior, también se debe aumentar la cantidad de calor en el rehervidor, con el fin de mantener el equilibrio termodinámico. Lo cual implica el empleo de una mayor tasa energética en el condensador.  Al incrementar el costo de la energía, el producto pudiera salir demasiado costoso y, por lo tanto, quedaría fuera de competencia en el mercado. Así se observa que las condiciones a las cuales entra la carga a la torre y el reflujo correspondiente están íntimamente ligadas con:  La carga calorífica del condensador.  La carga calorífica del rehervidor.  La capacidad del acumulador de reflujo. La capacidad máxima y mínima de los platos de burbujeo instalados en la torre.  Lo que, en efecto establece una permanente correlación entre los diferentes parámetros y equipos del sistema. Una revisión ligera del glosario nos permitirá reforzar los conceptos y comprender mejor el comportamiento del sistema:

Acumulador de reflujo: equipo ubicado a la salida de la torre de regeneración que recibe el fluido del tope de la torre, una vez condensado, con el fin de garantizar el reflujo y la calidad del producto de tope. Se encuentra en las columnas de fraccionamiento y de endulzamiento del gas natural, por ejemplo. Separador ubicado inmediatamente después de un condensador, que se usa para almacenar los líquidos que serán enviados como reflujo a la parte superior de la torre de fraccionamiento. Bomba de reflujo: equipo usado para devolver a la torre una porción condensada del fluido que sale por el tope, con el fin de garantizar el funcionamiento del sistema. Condensador parcial: aquel que condensa una parte de los fluidos que salen por el tope de la torre para proveer el reflujo. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Condensador total: el que condensa totalmente los vapores que salen por el tope de la torre. Una parte regresa a la torre en estado líquido para proveer el reflujo, y el resto se desprende del sistema como producto del tope. Número mínimo de platos teóricos: el que se corresponde con una torre que trabaja a reflujo total. Se refiere al número menor de etapas de equilibrio termodinámico que debe tener una torre de fraccionamiento para que pueda funcionar. Razón de reflujo: término que se aplica en los procesos de destilación para dar una medida relativa del volumen de reflujo, normalmente referida a la carga o al producto del tope. Razón entre la cantidad de producto del tope, bien con respecto a la porción que regresa como reflujo a los platos superiores de la columna o bien con respecto a la carga que alimenta la torre. Reflujo: en un proceso de destilación, es la parte del condensado del tope de la columna que se regresa a la torre para mejorar la pureza del producto del tope. Condensado del vapor que sale por la parte superior de la torre y que regresa a la columna en estado líquido para mantener el equilibrio termodinámico del sistema. También se habla de reflujo referido al producto del tope con respecto a la carga y al vapor que retorna al fondo de la torre, procedente del rehervidor. Se calcula con respecto al líquido total que sale del fondo de la torre hacia el rehervidor. Rehervidor: equipo por el cual se introduce la energía a la planta. Suple las deficiencias energéticas y se encarga de balancear termodinámicamente el sistema. Recipiente que recibe los fluidos que salen por la parte inferior de la torre. El calor que se introduce en el rehervidor vaporiza parcialmente los fluidos (reflujo del fondo) y genera un vapor que regresa a la torre para mantener el equilibrio del sistema. Relación de reflujo: razón entre el número de moles que salen por el tope de la torre con respecto al número de moles que regresa como reflujo. De manera general se dice que el reflujo puede estar en el orden de 1,25 veces lo que sale por el tope. Tambor de reflujo: separador horizontal que recibe el fluido que sale del tope de la torre una vez que pasa por el intercambiador de calor, donde se condensa de manera parcial o total, para suplir la necesidad de reflujo que mantiene la torre en funcionamiento. Torre de fraccionamiento: cilindro hueco en el cual se coloca un relleno o platos de burbujeo para separar los hidrocarburos aprovechando sus propiedades. La presión es más o menos constante, pero la temperatura aumenta del tope al fondo. Los vapores del fondo van subiendo hasta el tope a medida que se van purificando, hasta lograr la separación deseada. El diseñador escoge la forma de hacer la separación y, en consecuencia, aparecen el diámetro, la altura, las condiciones de presión, la temperatura, el reflujo y el número de platos necesarios para efectuar el trabajo. CONCEPTOS DE EQUILIBRIO DE LAS ETAPAS. Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de instantáneas transformaciones (flashes) de equilibrio, con dos alimentaciones y dos corrientes de flujos en contracorriente. En la figura 19, se puede observar que el gas entra desde la parte inferior de la columna a alta temperatura y el líquido se incorpora por la parte superior a baja temperatura. Se producirá la transferencia de calor y masas de tal manera que en la columna de procesamiento se presentará el punto de evaporación en el líquido y el punto de rocío o condensación en el vapor bajo las mismas condiciones de presión y temperatura. La composición de estas fases es relativa a la relación de equilibrio. Esta relación, que analizaremos más adelante, compromete al calor aplicado y las consideraciones del balance de materiales y compone la base para todo diseño de torres fraccionadoras. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

Fig. 19. Modelo de fraccionamiento básico. 18


TIPOS DE FRACCIONADORAS El número y tipo de torre fraccionadora depen de del producto que se necesita obtener y del producto de alimentación disponible. Los típicos equipos de fraccionamiento para la obtención de productos típicos de NLG son:         

Desmetanizadora [Demethanized Pro duct (C2+)] Deetanizadora [Deethanized Product (C3+)] Mezclas de Etano/Propano [Ethane/P ropane mixtures (EP)] Propano Comercial Mezclas de Propano/Butano (LPG) Butano(s) Butano/Mezclas Gasolina Gasolina Natural Mezclas con presiones de vapor espe cíficas.

Fraccionadora de diferentes tipos más común ente utilizadas en plantas de gas:

Tipo de Fraccionadora Demethanizer Deethanizer Depropanizer

C1/C2 LP Fondos del deetanizador

Producto de Tope (Top product) Metano Etano Propano

Debuthanizer

Fondos del Despropanizador

Butanos (iso + n)

Deisobutanizer

Tope del Debutanizador

Isobutano

Aliment ción

Ejemplo de una Columna Debutanizadora


Producto de Fondo (Bottom product) Etano Propano plus (C3+) utano plus (C4+) Gas lina Natural (Pentano plus C5+) Butano Normal

En el siguiente esquema se aprecia un ej mplo de un sistema de fraccionamiento en cascada o tren de fraccionami nto:

19


Para describir el proceso de fraccionamiento de este tren asumimos que el producto de ingreso co tiene una alta cantidad de etano y por lo tanto será tratado en una col mna deetanizadora. Esta columna estará diseñada par a operar con 425 psia que recibirá 380 moles hora de producto crudo, co n 170 de propano (C3), 1,5 de metano (C1), 24,6 de eta o (C2), 106 de butano (C4) y 76,5 de componentes más pesados. El proceso descripto, prevé la elevación de la t emperatura en el fondo a 240 ºF y el acondicionamiento a 95ºF en el tope de la torre para el reflujo. Bajo tales condiciones el etano saldrá por la parte superior de la torre hacia un circuito e gas combustible o planta de procesamiento de otros derivados y por la arte inferior se obtendrán los más pesados, como el pro ano y superiores. En la segunda etapa del tren de proceso, me diante el mismo sistema y bajo 313 psia de presión, co 135º F de temperatura de reflujo y 280 ºF para el proceso del líquido en el fondo, se obtendrá el propano por la parte superior d la torre y los componentes más pesados , ingresarán en la tercer torre. La tercera etapa opera a 100 psia para obte er un reflujo de 135º F y un acondicionamiento en el fondo a 250 ºF. De e ta forma se recuperará por la parte superior el butano y por la inferior e obtendrá gasolina natural estabilizada. De esta forma, tal como se mu stra en el cuadro anterior, el proceso obtiene los componentes más livian s en cada etapa, o dicho de otra forma, en todas las etapas el product o liviano se va por la parte superior y el más pesado por la inferior, fraccionando los diferentes elementos del compuesto que tendrán final ente distintas aplicaciones y condiciones de venta, según sus usos. A continuación se observa un corte de una tor re fraccionadora (fig. derecha) con el objeto de mostrar el diseño interior pa ra obtener un intimo contacto de las fases, donde se aprecian las bandeja y el detalle de las torres de burbujeo. En las siguientes figuras, (fig. abajo), se pod rán observar otros esquemas mostrando también los diseños interiores de stas torres con el sistema de contacto en la disposición de laberintos de uno , dos, tres y cuatro pasos.

Reboiler de la c lumna fraccionadora La reconversión en el fondo de la torre de frac ionamiento de los líquidos en gases se hace por el incre mento de la temperatura del líquido que pasa por el calentador o caldera, s perando la temperatura de burbuja para las condiciones de presión establecidas. Este es el caso de la utilización del reboiler o calentador, pero el intercambio de calor o la incorp ración del calor al líquido, también puede ser realizado con intercambiad res con aceite caliente o gas. El circuito de circulación puede ser por term sifón o bien por circulación forzada por bombas como se observa en el siguiente esquema: ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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CIRCUITO POR TERMOSIFON

TERMOSIFONES VERTICAL Y HORIZONTA

EJEMPLO DE CALENTAMIENTO E INTERC MBIO DE CALOR


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En cuanto al producto líquido estabilizado de llas columnas, se obtiene del fondo de la torre como el q ue se procesará calentando para el reciclo. Las posibles formas de recole ción y distribución del líquido hacia las distintas corrient s, se muestran en la figura adjunta.

PROPÓSITO DEL FRACCIONAMIENTO. Cualquier planta de procesamiento de gas que produce líquidos del gas natural (LGN), requiere de l menos una fraccionadora para producir un líquido que cumpla con las e pecificaciones de venta. Por lo tanto, el propósito del fra ccionamiento es obtener de una mezcla de hidrocarburos líquidos, ciertas f racciones que como productos deben cumplir especificaciones. Para separar una corriente líquida de hidrocar buros en varias fracciones, se requiere una torre de dest ilación por fracción. De otra forma si lo que se requiere es estabilizar la c orriente de hidrocarburo condensado recolectado en el separador de entrada de la planta, para recuperar las fracciones de penta no y más pesados (C5+), se utiliza una torre estabilizado ra en la cual se separan las fracciones de pentano y más pesados, los cu ales salen por el fondo y las fracciones de butano y m s livianos (C4-), las cuales salen por la cima. Generalmente esta fracción de cima (tope) de butano y más liviano, se consume dentro de la misma pla nta como gas combustible. El producto de fondo se vende como condens do estabilizado, al cual se le controla en la torre la presi n de vapor Reid (RVP), con la cual se determina el tipo de tanque de alma cenamiento requerido (para gasolina natural 10 – 34 R P, se recomiendan tanques esféricos, cilíndricos horizontales o verticales on domo; para gasolinas 5 – 14 RVP tanques con lech flotante o de techo fijo con venteo). El número total de columnas de destilación de pende de la composición del alimento y del número de p oductos a ser recuperados. En un sistema en el cual se recupera etano, LP (mezcla de C3´s y C4´s) y el balance como C5+, se requiere un mínimo de tres columnas de destilación para las separaciones siguientes:   

Separar el metano de los hidrocarbur s de dos y más carbonos. Separar el etano de los hidrocarburos de tres y más carbonos. Separar el GLP y los C5+.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO. Antes de hacer cualquier cálculo en un proble ma de fraccionamiento, se debe determinar la presión d operación de la torre. Una de las consideraciones primarias, es el medio e enfriamiento disponible para el condensador de reflujo . El producto de tope estará a las condiciones el punto de burbuja para un producto líquido o del punt de rocío para un producto vapor. La presión para cualquiera de estos pu tos, se fija por la separación deseada de un component y la temperatura del medio de enfriamiento. Típicamente los medios de enfriamiento usado s son aire, agua y un refrigerante. El enfriamiento con air e normalmente es el menos caro. Un diseño práctico limita el proceso a 2 0°F de aproximación con la temperatura ambiente en erano. Esto resulta en una temperatura de proceso entre 115° y 125°F en la mayoría de los sitios. Con agua de enfriamiento se pueden conseguir temperaturas de proceso entre 95 7 105°F. Para temp raturas por debajo de 95°F se requiere refrigeración mecánica, la cual s el medio de enfriamiento más costoso. Generalment e es deseable operar a la ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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presión más baja posible para maximizar la volatilidad relativa entre los componentes claves de la separación. Sin embargo, en la medida que se reduzca la presión se requiere el cambio a un medio de enfriamiento más caro, lo cual no es una opción deseable. En algunos casos el producto de cima de una columna debe ser comprimido, en este caso una presión de operación alta es deseable para reducir la potencia de compresión. Otros puntos que deben ser considerados en la selección de presión son por ejemplo, el hecho de que si la presión de operación es muy alta, la temperatura crítica del producto de fondo puede superarse y la separación deseada no se alcanza. A manera de guía, mantener la temperatura de fondo es 50°F por debajo de la temperatura crítica favorece la separación. Adicionalmente, la presión no puede exceder la presión crítica del producto de cima deseado. La selección de un condensador parcial o total se fija según sea el producto de cima requerido. Para un producto líquido se utiliza un condensador total y para un producto vapor se utiliza un condensador parcial. Sin embargo, un producto final líquido puede ser producido en una torre como vapor y posteriormente ser enfriado a comprimido para producir el líquido deseado. Hay casos inclusive en los cuales la licuefacción aguas abajo es más económica. En muchos casos, el sistema de fraccionamiento con un condensador parcial es más económico y debe compararse contra costo adicional de los equipos aguas abajo. Antes de cualquier comparación económica, el diseño de la columna debe hacerse para ambos tipos de condensador, con varias relaciones de reflujo y varias presiones de operación.

BALANCE DE MASA Y ENERGIA. Ley de conservación de la materia Acumulación dentro del sistema

≡

Entrada por los límites del sistema

-

Salida por los límites del sistema

+

Generación dentro del sistema

-

Consumo dentro del sitema

Si no hay generación o consumo de materia dentro del sistema Acumulación = Entradas – Salidas Si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado estacionario o uniforme. Entradas = Salidas Si no existen flujos de entrada y salida, se reduce al concepto básico la conservación de la materia dentro de un sistema cerrado o aislado. Para todo balance de materia debe definirse un sistema, se entiende por este a cualquier porción arbitraria o total de un proceso. El método general para resolver balances de masa (BM) es simple: 1. Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso. 2. Colocar en el diagrama los datos disponibles. 3. Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente. 4. Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo. 5. Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base. 6. Asegurarse de que el sistema esté bien definido. Una vez logrado lo anterior, se estará preparado para efectuar el número necesario de balances de materia.  Un BM total. Un BM para cada componente presente. 


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Diagr ama cualitativo de operación de destilación. Balances combinados de materia y energía

Qc: calor perdido en el condensador. Qr: calor cedido por el reboiler. Hi: entalpía de cada corriente por unidad de masa tomándola respecto a una T de referencia. Si seleccionamos como sistema al conjunto total podremos escribir las ecuaciones del balance d e material. a) balance de material global F = D +W b) balance de material por componen te Componente A Fx AenF

=

Dx AenD + Wx AenW

Componente B Fx BenF

=

DxBenD + WxBenW

c) es posible también escribir el balance de en ergía que será como bien dijimos global (no es posible hacerlo por componentes). FH F

+ Qr =

DH D + WHW + Qc

Estas ecuaciones surgen de haber tomado omo sistema al conjunto total, pero podríamos haber escrito otras ecuaciones si hubiéramos tomado a la torre exclusivamente, al reboiler o al condensador por separado.

Ejercicios. 1- Una columna de destilación procesa 100 K /h de una mezcla 60% de NH3 y 40% de H2O. El produ to de cabeza contiene 99% de NH3 y el fondo 0,5% de NH3. En el conden sador se extraen 1.000.000 Kcal/h. Todas las entalpías se tomaron de la T de flujo correspondiente y con respecto a la misma T de referen ia. ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Se desea conocer qué cantidad de destilado y de producto de fondo se obtendrá y qué calor debe entr egarse en el evaporador de fondo. HD= 119 Kcal/Kg HB= 195 Kcal/Kg HF= 133 Kcal/Kg

Balance total 100= D + B Balance de NH3 100*0,6 = D *0,99 + B *0, 05 ………….(1)

Despejando D = 100 - B y reemplazando en (1) 100* 0, 6 = (100 − B ) *0,99 + B *0, 05 60 = 99 − 0,99 B + 0, 05 60 = 99 − 0,94 B B = F

=

39

=

0,94

41,5Kg / h

D+B

D = F

−B

D = 100 − 41, 5 = 58, 5 g / h

Balance de energía total FH F 100

+ Qr =

Kg h

DH D

*133

+ BH B + Qc

KCal Kg

+ Qr =

58,5

Kg h

*119 + 41, 5

Kg h

*196 + 1000000

KCal h

Qr = 6960 + 8120 + 1000000 − 13300 Qr = 1001780

KCal h

2- El estudio energético de una columna de estilación que realiza una determinada separación arroj ó los siguientes resultados, calcular el caudal de agua (Kg/h) si ∆T= 20°C, y hv1 si L/D=3,3206.


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3. Una mezcla que contiene 46% en peso de cetona (CH3COCH3), 27% de ácido acético (CH 3COOH) y 27% de anhídrido acético (CH3CO-O-OCCH3) se destila a presión atm sférica. La alimentación entra a una columna de de tilación a T= 348 K a una velocidad de 15000 kg/h. El destilado (que sal e por el tope de la torre de destilación) es esencialmente acetona pura, y el producto de la parte inferior contiene 1% de la acetona n la alimentación. El vapor de salida de la cabeza de la colu na entra a un condensador a 329 K y sale como líq ido a 303 K. La mitad del condensado se extrae del sistema en tanto qu e el resto se retorna como reflujo a la columna. El líquid que sale por la base de la torre va a un calentador de vapor, donde es p rcialmente evaporado. La fracción vaporizada (3.2 % de acetona, 73.8 % de ácido y 23 % de anhídrido acético) vuelve a la column a a una temperatura de 398 K, y el líquido residual, tam bién a 398 K y en equilibrio con el vapor, constituye el producto inferior o t mbién llamado producto de cola de la torre. Determine: a.- Las velocidades de flujo y las composic iones de los flujos de productos b.- El calor que es necesario retirar en el c ndensador, QC (kJ/h)

4. Una columna de destilación separa 10000 lb/h de una mezcla formada por 50% de benceno y 5 % de tolueno. El producto recuperado del condensador en la parte alta d e la columna tiene una concentración de benceno de 96%. La corriente que entra al condensador proviene del tope de la columna es de 8000 lb/h. Una porción de este producto se regres a a la columna como reflujo y el resto se separa. Supóngase que la comp osición en el tope de la columna, el destilado y el reflujo son idénticos. Encontrar la relación entre la cantidad de producto de reflujo y el producto separado (destilado). Todas las composiciones se conoc n y dos pesos son desconocidos. Debido a que no hay ele entos de correlación se hace necesaria la resolución por el método algebraico. Mediante un BM total se puede encontrar D. Una vez conocido D, el BM alrededor del condensador permitirá deter minar R.

BM total: 10000 = D+B  D = 10000-B

BM de benceno F. XF=D. XD + B. XB 10000. 0.50 = D. 0.96 + B. 0.04 Resolviendo dos ecuaciones simultáneas enemos: 5000=0,96 (10000-B) + 0.04. B B= 5000 lb/h D= 5000 lb/h


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BM alrededor del condensador V=R+D 8000= R+5000 R= 3000 lb/h R/D= 3000/5000 = 0.60 5. Plantear el BM del sistema. Determinar cau al y composición del residuo.

6. En la sección donde se prepara la carga e alimentación para una planta de gasolina natural se limina isopentano (IC5) de gasolina exenta de butano. Supóngase, para simplificar, que el proceso y los componentes son com los que muestra la figura. ¿Qué fracción de la gasolina exenta de butano pasa a través de la columna donde se elimina el IC5?

Base de cálculo: 100 lbmol/h de alimentación Balance de materia: A=D+F 100 = D + F ….. (1) ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

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Balance de materia en IC5 0,2*100 = D + 0,1*F …….(2)

Sustituyendo en la ecuación (2) tenemos:

Balance de materia en C5

20 = D + 0,1(88,89)

C 5 A

= C 5 F ⇒ C 5 F = 80

20 = D + 8,889

C 5 F

=

F =

20 = D + 0,1* F

D = 20 − 8, 889

0,9 * F

C 5 F 0, 9

=

80 0, 9

D = 11,11

= 88,89

Corriente Comp nC5 iC5 Total

A lbmol/h 80 20 100

D % 80 10 90

F

lbmol/h ----11,11 11,11

% --100 100

lbmol/h 80,00 8,89 88,89

Balance de materia en componentes

%iC 5 B

=

iC 5C

11,11

8,89

= iC 5 F = 8,89

C 5C

+ C 5E = C 5 F

C 5C

+ C 5E = 80

C 5 B

= C 5 E

=

B C

=

B

% 90 10 100

%iC 5 C ⇒

C

C B

=

8,89 11,11

0,80

Por lo tanto C = 0,8* B Balance de materia en el punto de mezcla (1) A=B+C

Asumimos que en la división que existe en el punto de mezcla (1) las composiciones van a ser las mismas, es decir, las composiciones de los compuestos en B y C son las mismas, por lo tanto se calcula la relación que existe entre las corrientes:

100 = B + 0,8B 100 = 1,8 B B =

100

→

1,8

B = 55,56

C = 44,44

Corriente Comp nC5 iC5 Total

B lbmol/h 44,45 11,11 55,56

C % 80 20 100

lbmol/h 35,55 8,89 44,44

E % 80 20 100

lbmol/h 44,45 ----44,45

% 100 ---100

7. El análisis de un gas natural es como sigue: CO2, 4.0 %; CH4, 72.0 %; C2H6, 12.0 %; N2, 12.0 %. ¿Cuál es la composición en peso? ¿Qué peso molecular tiene? ¿Qué densidad a 60 ºF y 30.0 plg de Hg? ¿Cuál es el peso específico comparado con el del metano? Solución W(CO2) = 4 x 44 = 176 lb a) Base: 100 moles de gas natural W(C2H6) = 12 x 30 = 360 lb n(CO2) = 4 W(CH4) = 72 x 16 = 1152 lb n(C2H6) = 12 W(N2) = 12 x 28 = 336 lb n(CH4) = 72 n(N2) = 12 W(total) = 176 + 1152 + 360 + 336 = 2024 lb b) Composición en peso: ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

d) Densidad: 28


C2 H 6

360

=

PM

*100 = 17, 79%

2024 336 *100 = 16, 60%  2 = 2024 1152 *100 = 56, 92% CH 4 = 2024 176 *100 = 8, 70% CO2 = 2024

ρ gas

= ρ RT ⇒ ρ =

PM

RT 1, 003atm * 20, 24lb / lbmol = 3 atm. ft 0, 7302 *520° R lbmol.°R

= 5,35 x10

−2

lb ft

3

=

0, 001

g cm

3

e) Peso específico: p.e =

ρ gas ρ me tan o

=

0,001 0,71466 x10−3

= 1,399

c) Para hallar el peso molecular del gas procedemos mediante la fórmula: M mezcla M mezcla

=

=

M CO2 X CO2

+

M CH4 X CH 4

+ M C2 H6

X C2 H 6

44 *0, 04 + 16 *0, 72 + 30 *0,12 + 28* 0,12

+ M 2

= 20, 24 lb /

X  2

lbmol

GRAVEDAD API La gravedad API, de sus siglas en inglés American Petroleum Institute, es una medida de densidad que describe cuán pesado o liviano es el petróleo comparándolo con el agua. Si los grados API son mayores a 10, es más liviano que el agua, y por lo tanto flotaría en ésta. Fórmula de la gravedad API

La fórmula usada para obtener la gravedad API es la siguiente: Gravedad API = (141,5/GE a 60 °F) - 131,5 La fórmula usada para obtener la gravedad específica del líquido derivada de los grados API es la siguiente: GE a 60 °F = 141,5/(Gravedad API + 131,5) 60 °F (o 15 5/9 °C) es usado como el valor estándar para la medición y reportes de mediciones. Por lo tanto, un crudo pesado con una gravedad específica de 1 (esta es la densidad del agua pura a 60 °F) tendrá la siguiente gravedad API: (141,5/1,0) - 131,5 = 10,0 grados API.

CLASIFICACIÓN DE LOS GRADOS Generalmente hablando, un mayor valor de gravedad API en un producto de refinería representa que éste tiene un mayor valor comercial. Esto básicamente debido a la facilidad (operacional y económica) de producir destilados valiosos como gasolina, jet fuel y gasóleo con alimentaciones de crudos livianos y a los altos rendimientos de los mismos. Esta regla es válida hasta los 45 grados API, más allá de este valor las cadenas moleculares son tan cortas que hacen que los productos tengan menor valor comercial. El Petróleo es clasificado en liviano, mediano, pesado y extrapesado, de acuerdo con su medición de gravedad API. Crudo liviano es definido como el que tiene gravedades API mayores a 31,1 °API Crudo mediano es aquel que tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1 °API. Crudo Pesado es definido como aquel que tiene gravedades API entre 10 y 22,3 °API. Crudos extrapesados son aquellos que tienen gravedades API menores a 10 ° API.


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Guia 1

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