El propósito principal de la Recuperación de Hidrocarburos es reducir el poder calorífico del gas natural que proviene de los pozos, rico en componentes líquidos.

Tal propósito se lo consigue a través de la remoción de contaminantes, tales como: Agua, CO2, N2, etc. y a través de la remoción de componentes más pesados que el C1, es decir C2, C3, C4+.

En la licuefacción, el gas natural se somete a temperaturas muy bajas, próximas a -160ºC (-256 ºF) bajo cero, a las cuales el gas se comprime hasta transformarse en líquido. En este estado se lo puede introducir en grandes depósitos de forma esférica capaces de soportar la alta presión que se origina cuando el gas vuelve a su temperatura ambiente.

Para convertir el gas natural en líquido, se enfría el gas tratado hasta aproximadamente -161 °C, que es la temperatura a la cual el metano (su componente principal) se convierte a forma líquida.

EXTRACCIÓN DE LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Y EL CONTROL DEL PUNTO DE ROCÍO POR

HIDROCARBUROS

El proceso de licuefacción es similar al de refrigeración común: se comprimen los gases refrigerantes produciendo líquidos fríos, tales como propano, etano / etileno, metano, nitrógeno o mezclas de ellos, que luego se evaporan a medida que intercambian calor con la corriente de gas natural.

De este modo, el gas natural se enfría hasta el punto en que se convierte en líquido. Una vez que el gas ha sido licuado se somete a un proceso de Joule Thompson o expansión con extracción de trabajo para poderlo almacenar a presión atmosférica.

Dos son los fundamentos de la licuefacción de los gases:a) El efecto Joule/Kelvin, que aprovecha el descenso de temperatura producido en la expansión de los gases reales, debido a que el trabajo en dicho proceso se efectúa a costa de la energía del sistema, por lo que se conoce también con el nombre de licuación del aire a expensas del trabajo interno, base del procedimiento Linde.

b) La expansión en un cilindro para producir un trabajo exterior que recupera parcialmente el consumido en la compresión se conoce como licuefacción del aire con realización de trabajo exterior, base del procedimiento Claude.

La técnica del proceso de licuación de gases consiste en enfriarlos a una temperatura inferior a la crítica y someterlos luego a una compresión isoterma que dependerá del grado de enfriamiento logrado, aunque siempre superior al valor de la presión crítica.

Cualquiera que sea el sistema que se emplee para producir la licuación, es indispensable quitar previamente al gas todas las sustancias fácilmente condensables, para evitar que se bloquee o se interrumpa la operación.

•RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS LICUABLESMÉTODO LINDE

Con el fin de explicar de una manera sencilla la licuefacción de gases, se menciona el proceso Linde, que es el más simple de todos. Este proceso consiste en alimentar un gas a un compresor para elevar su presión por arriba de la presión crítica, es necesario un enfriador para conservar la temperatura de entrada. Una vez que se tiene el fluido a alta presión, se enfría a presión constante hasta una temperatura que garantice que al ocurrir una caída de presión se obtendrá una fracción licuada del gas.

Esta expansión se logra con una válvula que está conectada a un flash, donde el líquido obtenido de la licuefacción del gas se retira del sistema, mientras que el gas que no se licuó, se recircula al intercambiador de calor para funcionar como absorbedor de calor de la corriente de gas a alta presión que va a entrar a la válvula.

En este proceso un gas se comprime hasta aproximadamente 150 bar (2.176 psi), se enfría por un intercambiador de calor y posteriormente se estrangula por una válvula donde se obtiene una nueva disminución en la temperatura del gas producto de una expansión isoentálpica aprovechando el efecto Joule-Thomson.

La mayor parte del gas regresa al intercambiador como refrigerante del gas a alta presión hasta la alimentación del compresor. Una pequeña porción del gas se licua.

A continuación se muestra la figura para mejor entendimiento del proceso de licuefacción.

Fig. Proceso Linde de licuefacción

MÉTODO JOULE-THOMPSON

Cuando un fluido pasa por una restricción como es el caso de una válvula, su presión disminuye y su entalpía permanece constante. El fluido puede experimentar una disminución en la temperatura como resultado del estrangulamiento, lo que es la base en la operación de refrigeradores y el aire acondicionado. Aunque la temperatura puede ser constante o puede incrementarse durante el proceso de estrangulamiento.

Simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

En la figura se representa el ciclo de licuefacción. El gas se alimenta (1) y se mezcla con la corriente de gas no licuado (1a) que entra a un proceso de baja presión y retira el calor del gas a alta presión. El gas se comprime y sale (2) para entrar a un intercambiador, donde se enfría con agua o con aire a condiciones ambiente (3). El gas sigue un enfriamiento más severo, aquí se pone en contacto con el gas de baja presión y baja temperatura que no licuó (4).El gas pasa por una válvula de estrangulamiento y se licúa (5), luego entra a un separador donde se regresa a proceso el gas no licuado y se obtiene como producto el gas licuado (6).

La eficiencia del proceso de licuefacción se puede mejorar si el gas se expande isoentrópicamente, por ejemplo con una turbina, en vez de isoentrópicamente a través del estrangulamiento en una válvula.

En los procesos criogénicos, la expansión de gases produce frío. Todos los sistemas criogénicos consisten de un compresor, un intercambiador de calor y un expansor. Hay dos métodos básicos para producir frío. Ambos son procesos que manejan gases y hacen uso del hecho de que calor del compresor se transfiere al ambiente y el gas es entonces expandido y enfriado.

REFRIGERACIÓN EXTERNA La refrigeración externa tiene un rol muy importante en los procesos de recuperación de hidrocarburos. Como es usado para el enfriamiento de la corriente de gas, una importante cantidad de C3+ es recuperada y el gas enfriado se encuentra listo para otras etapas de recuperación. Cuando las presiones de entrada son bajas es la única manera de refrigerar el gas.

(Entropía=intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes, proceso por el cual la energía pierde su capacidad de generar trabajo útil o, mejor dicho, se transforma en otra energía que es menos aprovechable)

PROCESO BÁSICO DE REFRIGERACIÓN DEL PROPANO

El ciclo de refrigeración consiste de cuatro etapas: 1.Compresión de vapor saturado frió en el punto A, a una presión encima de su presión de vapor a temperatura ambiente en el punto B.

2. Condensación hasta el punto C por intercambio de calor con un fluido enfriante comúnmente aire (refrigerante).

3. Expansión a través de una válvula Joule Thomson para su enfriamiento y condensación del refrigerante en el punto D.

4. Intercambio de calor con el fluido a ser enfriado por la evaporación del refrigerante y empieza al ciclo en A nuevamente.

A continuación se muestra un diagrama para la refrigeración del propano de una simple etapa:

Entalpia=expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.

Esquema del ciclo de refrigeración en una grafica de presión y entalpía

PROCESAMIENTO DE LOS COMPONENTES

PROCESO DE REFRIGERACIÓN BÁSICO DE PROPANO EN UNA ETAPA ETAPA DE COMPRESIÓN

vapor de propano a 14,5 psia y -40ºF, comprimido a 250 psia (punto A-punto B) El trabajo de compresión es:

: eficiencia adiabática del compresor.

Entalpía al final de la expansión es:

La potencia del compresor para el sistema de refrigeración es:

PROCESO DE REFRIGERACIÓN BÁSICO DE PROPANO EN UNA ETAPA

ETAPA DE CONDENSACIÓN

El gas caliente va a un condensador enfriado por aire o agua, donde el propano enfría de 100 a 120 ºF, condensa totalmente, y es recogido en un tanque:

PROCESO DE REFRIGERACIÓN BÁSICO DE PROPANO EN UNA ETAPA

ETAPA DE EXPANSIÓN

El propano líquido circula a través de una válvula J-T, temp. -40ºF y presión 16 psia (punto C-punto D). Si existe pérdida de calor , entonces:

La fracción f , del propano condensado es calculada conociendo la entalpía inicial y las entalpías del líquido y vapor a la temperatura de condensación:

Asumiendo que el vapor deja el chiller como un vapor saturado

ETAPA DE REFRIGERACIÓN

El propano frío va a un intercambiador de calor, el chiller, donde este enfría la corriente por evaporación (Punto D-Punto A). El propano retorna a la succión del compresor a -40ºF. El calor absorbido por el propano es:

Normalmente el chiller tiene dos zonas de transferencia de calor. La primera es de intercambio de propano en ebullición con gas sobre su punto de rocío e involucrará sólo calor sensible. La segunda zona tiene vapores condensantes desde la corriente y el propano en ebullición, el cual da un coeficiente de transferencia de calor total más elevado. El coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeración (COP), que es la razón de refrigeración obtenida dividida entre el trabajo requerido.

ACUMULADOR ECONOMIZADOR CHILLER

DEPURADORCOMPRESORCOOLER

1 .- ETAPA DE COMPRESIÓN

2 .- ETAPA DE CONDENSACIÓN

3 .- ETAPA DE EXPANSIÓN

4 .- ETAPA DE REFRIGERACIÓN en el Chiller

CICLO DE REFRIGERACIÓN

• Calcular la carga de calor en el condensador, la fracción líquida producida y el coeficiente de actuación (COP-Coeficient of Performance) para el sistema de refrigeración con propano con las condiciones básicas mostradas en el diagrama. Ignorar la fuga de calor dentro del sistema y asumiendo que la eficiencia del compresor es del 77% y la entalpía a 250 psia es de 240 Btu/lb. Utilizar las tablas de saturación.

SOLUCIÓN• Cálculo del trabajo de compresión

Donde de tablas: Entonces:

• Entalpía actual final de la expansión debido a la no idealidad del compresor

LS

Fº40psia,14.5psia250

LS

ABS η

hhη

hhW

Btu/lb182h Fº40psia,14.5

lbBtu75

0.77182240WS

SFº40psia,14.5SAB' WhWhh lbBtu25775182hB'

Paso de condensación

• Cálculo de la carga de calor en el condensador

Donde de tablas:Entonces:

luego

B'Fº120psia,240B'C hhhhq

Btu/lb98.7h Fº120psia,242

lbBtu158.3lb

Btu158.325798.7q

• Cálculo de la fracción másica condensada

Donde de tablas:

Entonces:

• Cálculo del COP

LFº40

VFº40

Fº120psia,240V

Fº40LDA

DA

hhhh

hhhh

f

Btu/lb0h

Btu/lb182.2h

Btu/lb98.7h

LFº40

VFº40

Fº120psia,240

0.460-182.2

98.7-182.2f

S

LFº40

VFº40

S

LDA

Whh

fW

hhfCOP

1.1

750182.20.46COP

El procesamiento del gas natural generalmente es de dos tipos de procesos:

•Procesos de extracción de líquidos de gas naturalEstos procesos efectúan la extracción de los licuables del gas

natural por efecto de la refrigeración ó absorción y condensación de los mismos.

•Procesos de fraccionamiento de gas naturalEstos procesos realizan la división o partición de una mezcla de hidrocarburos por destilación, de tal modo que las partes

separadas tengan las propiedades específicas que exige el mercado. Algunas tecnologías efectúan este trabajo y combinan los dos anteriores proceso y son:

•Ciclos cortos de adsorción•Refrigeración mecánica•Absorción con aceite pobre•Turboexpansión

ETAPA DE EXPANSIÓN

Siguiendo el circuito de propano, vemos que es un ciclo simple de refrigeración conformado por:

•Expansión•Evaporación•Compresión•Condensación

Este ciclo de refrigeración por compresión de vapor se representa por la Fig. 1-3 y se muestran las cuatro etapas que lo conforman.

El punto de inicio del ciclo de refrigeración es la disponibilidad del refrigerante líquido. El punto A en la Fig. 1-3 representa un líquido en su punto de burbuja a la presión de saturación PA, y entalpía hLA .

FIG. 1-3 Diagrama de flujo del proceso – diagrama Entalpía - presión

En la etapa de expansión la presión y la temperatura se reducen al pasar a través de la válvula de control en la cual cae la presión al valor de PB, el cual lo determina la temperatura deseada del refrigerante TB.

En el punto B la entalpía del líquido saturado es hLB y la entalpía correspondiente para vapor saturado es hVB. Como la expansión entre A y B ocurre a través de una válvula de expansión y no hay intercambio de energía, el proceso se considera isoentálpico, por lo que la entalpía a la entrada y salida de las válvula es la misma hLA.

Como el punto B esta dentro de la envolvente, vapor y líquido saturado coexisten. Para determinar la cantidad de vapor formado en el proceso de expansión, hacemos X la fracción de líquido a la presión PB con una entalpía hLB.

La fracción de vapor formada con una entalpía hVB es (1 –X). Las ecuaciones para el balance de calor y la fracción de líquido formado son:

(X)hLB + (1-X)hVB = hLA Ec. 1

X= (hVB- hLA) / (hVB- hLB) Ec. 2

(1-X) = (hLA- hLB) / (hVB- hLB) Ec. 3

ETAPA DE EVAPORACIÓN

El vapor formado en el proceso de expansión (A-B) no suministra ninguna refrigeración al proceso. Calor es absorbido del proceso por la evaporación de la parte líquida de refrigerante.

La entalpía del vapor en el punto C es hVB.

Físicamente la evaporación ocurre en un intercambiador de calor denominado evaporador o chiller. El líquido frío X suministra la refrigeración y su efecto refrigerante está definido como X(hVB-hLB) y sustituyendo en la Ec. 2 dicho efecto se representa como:

EfectoR = hVB-hLA Ec. 4

Un Chiller es una unidad enfriadora de líquidos. Los aires acondicionados y los deshumidificadores acondicionan el aire, mientras que un chiller, usando la misma operación de refrigeración, enfría el agua, aceite o cualquier otro fluido. Esta solución enfriada puede ser usada en un amplio rango de operaciones.Los Chillers pueden ser enfriadores de aire o agua. Los chillers para enfriar el agua, incorporan el uso de torres de enfriamiento las cuales mejoran la termodinámica de los chillers en comparación con los chillers para enfriar aire.

La capacidad de refrigeración o “duty” referido a la cantidad total de calor absorbido en el chiller por el proceso, generalmente se expresa como toneladas de refrigeración o BTU/ unidad de tiempo.

La rata de flujo de refrigerante está dada por la siguiente expresión.

m= Qref / (hVB –hLA) Ec.5

ETAPA DE COMPRESIÓN Los vapores de refrigerante salen del chiller a la presión de saturación

Pc y la correspondiente temperatura Tc con una entalpía hVB. La entropía en este punto C es SC.

 Los vapores se comprimen isentrópicamente a la presión PA a través

de la línea CD’ ( Fig 1-3). El trabajo isentrópico (ideal) Wi, por comprimir el refrigerante desde

PB a PA está dado por: 

Wi = m (h’VD – hVB) Ec. 6

El valor h’VD está determinado por las propiedades del refrigerante a PA y una entropía SC. Como el refrigerante no es un fluido ideal y los compresores no operan idealmente, se define el término eficiencia isentrópica ηi para compensar las ineficiencias en el proceso de compresión (Esta eficiencia se denomina también adiabática.

El trabajo real de compresión puede ser calculado asi:

W = Wi /ηi = m(h’VD – hVB)/ ηi Ec. 7

La entalpía a la descarga está dada por: hVD = (h’VD – hVB)/ ηi + hVB Ec. 8

El trabajo de compresión puede expresarse como:

GHP = W/2544.4 Ec. 9

Donde 2544.4 Btu/h = 1 hp

ETAPA DE CONDENSACIÓN

El refrigerante sobrecalentado que sale del compresor PA y TD (Punto D en Fig. 1-3), se enfría a la temperatura de punto de rocío TA a condición muy cercana de presión constante y se condensa a temperatura constante.

Durante el proceso de sobrecalentamiento y condensación, todo el calor y trabajo acondicionados al refrigerante durante los procesos de evaporación y compresión, deben ser removidos de forma tal que se complete el ciclo llegando al punto de inicio A, en el diagrama P-H que se muestra en la Fig. 1-3.

Acondicionado el duty de refrigeración al calor de compresión, se calcula el duty de condensación QCD con la siguiente expresión:

QCD = m[(hVB – hLA) + (hVD – hVB)]

QCD = m(hVD – hLA) Ec. 10

La presión de condensación del refrigerante es una función del medio de enfriamiento disponible: aire, agua de enfriamiento u otro refrigerante.

EJEMPLO 1 (GPSA)

Se van a enfriar 51.4 MMscfd del gas (gravedad específica 0.6564 y capacidad calorífica 0.67 Btu/lb·ºF) desde 80ºF a -35ºF, mediante un sistema de refrigeración con propano. De la masa de gas que entra al chiller se condensa el 3.5% y el calor de condensación λc es 200 Btu/lb. El chiller de propano opera a -10 ºF. La eficiencia isentrópica del compresor es 75%.

Ver diagrama de flujo del proceso en Fig. 1-3. Calcular:

a. El duty del chiller (rendimiento del chiller)b. La fracción de líquido y vapor después de la expansiónc. El flujo de refrigerante líquido propano en gpm y vapor en MMscfd.d. El trabajo real del compresor y los caballos de fuerza de gas (GHP)e. El calor de compresión y el duty del condensador

SOLUCIÓN:

a.Calcular el duty del chiller:

γ(gas) = PM(gas) / PM(aire) = 0.6564

PM(aire) = 28.9625 lb/lb mol

PM(gas) = 0.6564(28.9625) = 19.01 lb/lb mol

m(gas)= (51.4*106)scf/d*lb mol/380 scf*19.01lb/lbmol * d/24h m(gas)= 107,140 lb/h

Masa de líquido condensado,

mlc = 107,140 * 0.035 = 3,750lb/h

Q(chiller) = m(gas)Cp(gas)ΔT + mlcλc = Qref

Q(chiller) = 107,140lb/h * 0.67Btu/lb·ºF * 115ºF + 3.750lb/h * 200Btu/lb

= 6.19*106Btu/h

b. Calcular la fracción de líquido y vapor después de la expansión

 De la Ec 2,  

X = (hVB – hLA)/(hVB – hLB)

= (415 – 300)/(415 – 245) = 0.68 fracción en peso de líquido Entonces:

(1 – X) = 1 – 0.68 = 0.32 fracción en peso de vapor 

c. Calcular el flujo de refrigerante líquido propano en gpm y vapor en MMscfd

De la Ec. 5,

m = Qref /(hVB – hLA) = (6.19*106 Btu/h)/(415 – 300)Btu/lb = 53.838 lb/h

Conociendo propiedades fisicoquímicas: PM(C3) = 44.097 lb/ lb-mol ρ(C3)=4.2268lb/gal

Refrigerante líquido = 53.838 lb/h * gal/4.2268 lb * h/60min = 212 gpm

Refrigerante vapor = 53.838 lb/h * lb-mol/44.097lb * 380scf/lb-mol * 24 h/d

= 11.13 MMscfd

d. Calcular el trabajo real del compresor y los caballos de fuerza de gas

(GHP).

Ubicar punto D’ a la salida del condensador,@(compresión isentrópica de C a D’ hasta PA=145 psia), se lee h’VD=445Btu/lb

De Ec. 6 Wi = m(h’VD – hVB) = 53.838(445 – 415) = 1.62*106 Btu/h

De Ec. 7 W = Wi / ηi = 1.62*106/0.75 = 2.15*106Btu/h

De Ec. 9 GHP = W/2544.4 = (2.15*106Btu/h*hp)/2544.4Btu/h = 846hp

e. Calcular el calor de compresión y el duty del condensador

De Ec. 8hVD = (h’VD – hVB)/ηi + hVB= ((445 – 415)/0.75) + 415 = 455 Btu/lb

Calor de compresión = m(hVD – hVB) = 53.838(455– 415) = 2.15*106Btu/h

De Ec. 10 QCD = m(hVD – hLA) = 53.838(455 – 300) = 8.34*106 Btu/h

245 (hLB)

(hLA) 415 (hVB)

445(h´VD) 455

(hVD)

CALCULOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACIONEJEMPLO ( cont.)

43

Expansion Joule-Tompson

El uso del efecto JouleTompson(J-T) para recuperara liquidos es una alternativa atractiva en muchas aplicaciones. El concepto general es para enfriar el gas por expansion del gas a traves de una valvula J-T.

Con un intercambio apropiado de calor y una diferencial de presion grande a traves de la valvula J-T, temperaturas criogenicas pueden lograrse resultando en altas extracciones eficientes.

La gran diferencia entre un diseno J-T y los turboexpanders, es que, la expansion es adiabatica a traves de la valvula, en cambio en el turbo expander es casi isentropica.

Ademas el diseno J-T tiende a ser menos eficiente por unidad de energia expandida que en el turboexpander. Los procesos J-T ofrecen algunas ventajas sobre los turboexpander y procesos de refrigeracion en las siguientes situaciones.

1. bajas tasas de gas y modestas recuperaciones de etano2. el proceso puede ser disenado sin equipos rotativos.3 amplio ranfo de flujos.4. simplicidad del diseno y operacion

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Proceso turboexpanderEl uso del turbo expander en el las plantas de proceso de gas comenzo en los años 70. La mayoria de las nuevas plantas de proceso para a la recuperacion de etano y propano fueron diseñadas para incorporar caracteristicas particulares ventajosas de un truboexpander produciendo trabajo util. El proceso que domina el diseño de la planta de recuperacion de etano es el Proceso turboexpander. Este proceso usa la presion del gas de entrada requerida para producir enfriamiento por expansion a traves de la turbina (turboexpansor).

El turboexpander utiliza totalmente el trabajo util de esta expansion del gas.Tipicamente el expander esta ligado a un compresor centrifugo para recomprimir el gas residual del proceso. Debiodo a esto la expansion es casi isentropica, el turboexpansor reduce significatimente a la temperatura mas que la expansion a traves de la valvula J-T.

El proceso turboexpander a sido aplicado a un amplio rango de condiciones de procesos y ademas a la proyectos de recuperacion de etanos, a menudo , es usado para una alta recuperacion de propano.

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La seleccion de un proceso turboexpander se indica cuando existen uno o mas de las siguientes condiciones :

1. Caida de presion libre la corriente de gas.2. Gas pobre3. Requerimientos de alta recuperacion de etano. ( por encima

del 30%).4. Requerimientos compactos de distribucion de plantas.5. Flexibilidad de operacion ( facilemente adaptable a amplio

rango de presion y productos)

Hay multiples factores ademas de los indicados arriba que afectan la selecion del proceso Final. Si dos o mas de las condicones de arriba existen generalmente un proceso de turboexpander sera la mejor elecccion.

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Turboexpansion• Herrín en 1966 describió la primera planta con el uso de un

turboexpander antes de ello el único método conocido era la expansión por caída de presión a través de válvulas Joule Thompson.

• La válvula J – T, es una válvula de control con un orificio fijo o variable, tiene bajo costo y es muy usada para una amplia variedad de procesos de refrigeración.

• Actualmente los turboexpansores están siendo ampliamente

utilizados en las plantas de gas para la recuperación de líquidos a partir del gas.

• Los turboexpansores son en esencia compresores centrífugos que giran en sentido contrario.

• El proceso de expansión Joule Thompson es isoentálpico, aunque idealmente es isoentrópico .

• El trabajo máximo reversible requerido para la compresión es isoentrópico.

Vista en corte de un turboexpansor

TURBOEXPANSION• El expansor es la unidad de

la derecha y a la izquierda esta el compresor; el gas entra al expansor a través de la tubería al tope derecho, y es guiado hacia la turbina por aerodinámica formando las hélices, completando la expansión. Las altas velocidades de giro del gas de entrada son transferidas a la turbina y transferida parte de la energía a la turbina y parte al eje y sale a través de las toberas.

Diferencias sustanciales entre J – T y Turboexpander

J - T

La Planta es mucho más simple.

En caso de requerirse compresión del gas el

proceso J – T es preferible.

Para una recuperación apreciable de etano se

requiere de una presión aproximada

de 1.000 psi.

Turboexpander

Requieren de gas de sello y agentes de

lubricación.

No es muy flexible bajo condiciones de operación en planta.

CONSIDERACIONES GENERALES

• TWISTEREs un nuevo dispositivo para el control del punto de rocío y la deshidratación, el gas entra y se expande a través de las boquillas a una velocidad sónica, donde las caídas de presión y temperatura causan la formación de gotas. Una mezcla de dos fases que en contacto con el ala crea un remolino actuando fuerzas de separación de las fases por fuerza centrifuga. El gas y el liquido son separados en el difusor donde el liquido es recolectado por las paredes y el gas seco atraviesa la parte central del sistema.

Twister• Para controlar el punto de rocío y la deshidratación. El gas

entra y se expande a través de las toberas a velocidades sónicas. La mezcla de dos fases cuando entran en contacto se crea un remolino y se realiza la separación por fuerza centrifuga. El gas y el líquido son separados en el difusor, el líquido es colectado por la pared y el gas sale por el medio.

Ventajas• Simplicidad.• Pequeño y bajo peso.

Con una garganta de 1 pulg. y dos metros de largo puede llegar a procesar 35 MMscfd a 1.450 psia.

• No tiene presión absoluta.

• Baja pérdida de presión (65 a 80%).

• Alta eficiencia isoentrópica. (10%+Turboexpander).

Desventajas• Requiere una

corriente de gas libre de sólidos.

• Capacidad de flujo limitada. Sin embargo, para eliminar esta desventaja se puede instalar twisters en paralelo.

Tubo Vortex Utilizan la caída de presión para refrigerar el gas, pero generan una

corriente fría y caliente de gas. Para el control del Punto de Rocío y Deshidratación, el equipo consta del

tubo vortex y un acumulador de líquido conectado al tubo. El gas ingresa a través de un gran número de boquillas, se expande, y

viaja en forma espiral a velocidad sónica hasta el final del tubo. A medida que ocurre esto, el gas frío se separa del gas caliente, de este

modo, el gas frío se concentra en el centro del tubo, mientras que el gas caliente se ventea en dirección radial al final.

La condensación se da a través del gas frío, y la parte líquida se dirige hacia las paredes y se recolecta hasta el acumulador.

El proceso es muy parecido a la válvula J – T con un separador a baja temperatura en una sola etapa.

La presión de operación es alrededor de 500 a 3.500 psig y los caudales entre 20 a 140 MMm3/d.

Es muy útil cuando no se requiere de compresión del gas natural.

Tubo vortex Usa la presión de rocío para enfriar la fase gaseosa pero genera una corriente de gas frío y caliente. Si las corrientes son recombinadas el efecto es comparable a la expansión de Joule Thompson.El gas entra tangencialmente a través de las toberas hasta el final del tubo, se expande, y viaja en espiral a velocidades cercanas a la sónica hasta el otro tope.

d) Membranas• Son usadas en muchas áreas de los procesos de gas incluyendo el punto de rocío. El gas entra a la membrana en el lugar de descarga del compresor y el gas residual proporciona el combustible al motor del compresor o turbina.• El proceso es simple y no requieres partes móviles es relativamente pequeño y liviano

PROCESOS DE RECUPERACIÓN DE LICUABLES

Las siguientes tres secciones discuten los tres sistemas de recuperación de hidrocarburos:

• 1. control del punto de rocío y condiciones de combustible • 2. baja recuperación de etano • 3. alta recuperación de etano

PUNTO DE ROCIO Y CONTROL DE COMBUSTIBLE

• Separadores de baja temperatura• También llamados unidades de extracción de baja temperatura

son usados tanto en offshore y onshore. El proceso consiste del enfriamiento y condensación parcial de la corriente de gas, seguido por un separador de baja temperatura. Cuando la presión de entrada es muy alta se debe bajar esta temperatura para hacer que la presión sea aceptable, el enfriamiento es obtenido por expansión a través de una válvula de Joule Thompson o turboexpander.

Baja recuperación de etano• El objetivo en esta sección es remover los componentes

más pesados (C3+) para evitar la condensación o valores bajos de poder calorífico.

• Los procesos usados en las plantas convencionales de gas tienen por objetivo producir un gas liviano y recuperar aproximadamente un 60% de etano.

• Dos procesos son usados para obtener esos niveles de etano:

a) Enfriamiento por expansión o refrigeración externa

b) Absorción con lean oil

Enfriamiento por expansión o refrigeración externa

• El gas de entrada es enfriada con gas residual frío y el liquido frío del separador pasa al chiller de propano y luego al separador frío. El liquido va al fraccionador para recuperar productos líquidos.

Absorción de crudo liviano El proceso comprende tres pasos:

• Absorción.- Un absorbedor contacta el lean oil para absorber C2+ plus del gas natural.

• Estabilización.- El demetanizador de oil rico extrae el metano y componentes livianos de oil rico.

• Separación.- El still separa los componentes recuperados de GNL como productos de crudo rico y el lean oil retorna la absorbedor

Recuperación Alta de Etano.Los procesos mostrados proveen un limite en la recuperación del etano.

Si se quiere porcentajes mayores de recuperación (80 a 90 %) se requiere temperaturas de separación por debajo de la temperatura del propano utilizado como refrigerante. Cuando se recupera altas cantidades de metano se tiene que tener en cuenta las especificaciones de venta del gas, ya que el poder calorífico disminuye.

La figura muestra un esquema simplificado de una planta convencional de expansión. Esta consiste en un intercambiador de calor gas a gas con cinco corrientes gaseosas que ingresan a diferentes temperaturas al separador frío, turboexpansor y demetanizador.

La válvula J-T esta siempre instalada paralelamente al turboexpander, esta configuración es útil al iniciar la planta además de permitir manejar mas fácilmente el exceso de flujo del gas.

Figura. Proceso Convencional de Turbo expansión sin recirculación de la torre demetanizadora

Absorción con Lean Oil (Aceite rico) .

Pocas plantas de procesamiento en la actualidad utilizan absorbedores de lean oil para recuperación de líquidos del gas natural. La figura muestra un diagrama representativo de un sistema de refrigeración de propano y lean oil.

El proceso envuelve tres pasos:

1. Absorción. En un absorbedor el lean oil retiene al C2+ de la corriente del gas natural

2. Estabilización. El demetanizador de aceite rico quita el metano del aceite rico.

3. Separación. El still separa los componentes líquidos recuperados como productos del aceite rico, y el lean oil retorna al absorbedor

Figura. Proceso de Absorción Refrigerada con Lean Oil

Planta criogénica - Carrasco

• La unidad criogénica está diseñada para bajar la temperatura de gas a aproximadamente –100 °F. La planta Carrasco está diseñada para recuperar aproximadamente 95% del propano y virtualmente todo los componentes más pesados.

• La corriente gaseosa, proveniente de la unidad de deshidratación por tamices moleculares, ingresa a 1200 PSI y 98 °F aproximadamente.

• La unidad criogénica funciona gracias al turboexpander, ya que cuenta en un extremo con una válvula expansora y en el otro con una válvula compresora.

• El proceso es auxiliado por una válvula JT, válvula que también provoca una caída de presión, pero no tan eficiente como la anterior.

• Dentro de esta unidad se encuentran varias columnas contactoras con distintos fines, entre ellas tenemos a la columna DHX (recuperación de butanos), columna Deetanizadora y la columna debutanizadora.

Carrasco - Esquema de funcionamiento

Deshidratacion

Slug catcher

Torre DHX

Turboexpander

Válvula JT

Válvula JT

Metano y EtanoR>10%

Liquidos

280 PSI - -98°F

1200 PSI – 98 °F

Torre Debutanizadora/Depropanizadora

GLP

C5+

211 PSI – 340 °F

Productos obtenidos

• Gas residual, libre de hidrocarburos pesados y con una relación etano/metano menor al 10 %, que se comprime en los compresores (K-410 A/B/C/D y E) previo a su inyección en el gasoducto. Por medio de los compresores 7 y 8 también puede ser reinyectado al reservorio, de forma tal de poder respetar los convenios de venta e incrementar la recuperación de hidrocarburos pesados.

• Gas licuado de petróleo (propano y butano), que es almacenado en tanques hasta su despacho en cisternas.

• Gasolina liviana, formada por una mezcla de pentano, hexano y octano, que es reinyectada a la corriente de petróleo emergente del separador gas líquido.

Planta de Absorción – Río Grande

• El Lean Oil es el compuesto clave en el proceso de absorción y se utiliza para fraccionar el alimento en Gas Residual, Gas de Reciclo y una mezcla de pesados de GLP + gasolina de las torres Absorbedora, Deetanizadora y Destiladora respectivamente.

• La corriente fluye hacia arriba de la torre y entra en contacto con el Lean Oil o Aceite Pobre, que es un hidrocarburo encargado de absorber los hidrocarburos licuables y la gasolina natural que contiene el gas rico y de transmitir calor en la mayoría de los intercambiadores de calor, este se une al gas que sale por la parte superior de la torre, o gas pobre, y luego pasan a la segunda sección del chiller para bajar su temperatura hasta aproximadamente 1 °F y luego pasan al pre-saturador que es básicamente un depurador vertical donde por la parte superior se desprende el gas residual que ya está listo para ser enviado a la planta de Inyección, por la parte inferior sale el lean oil con los hidrocarburos absorbidos, los cuales ingresan a la torre de absorción por la parte superior para tomar contacto con el gas rico.

• El lean oil rico que queda en el fondo de la torre absorbedora pasa a un expansor y entra a una primera atrapa de expansión en la cual se provoca una caída de presión hasta 500 Psi con el fin de liberar los gases livianos que podrían haber sido arrastrados por el lean oil en el anterior proceso.

Planta de Absorción – Río Grande

• La parte líquida que queda en esta etapa del expansor es enviada luego a la segunda etapa del expansor, en la cual la presión vuelve a caer hasta 300 psi provocando un nuevo desprendimiento de gases del lean oil.

• Ambos gases liberados (500 y 300 Psi) son enviados a sus respectivos depuradores y posteriormente pasan a la sección de compresión en la cual los gases de 300 Psi ingresan como succión, los gases de 500 Psi ingresan como succión a la etapa intermedia de compresión y finalmente son descargados a 900 Psi, los cuales luego de pasar por un enfriador, son enviados a la planta de Inyección.

• El aceite rico luego de la segunda etapa de expansión, es pre-calentado en el intercambiador Aceite Magro – Aceite Rico para luego ser enviado al proceso de Deetanización.

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Río Grande - Esquema de funcionamiento

Torre de absorcion

Precalentador 55°F

Cooler

Intercambiador lateral 220°F

Torre C2 Horno

Calentador

Acumulador

900 PSI – 11°F

1° 600 PSI / - 10°F2° 350 PSI / -14°F

Lean oil pobre

Inyección Lean oil

300 PSI / 430°F 550°F

Hacia circuito Debutanizacion

Depropanizacion

435°F

560°F

Cooler

Productos obtenidos

• Gas de reciclo en la misma planta (Aprox. 17 MMPCD).

• Gas residual enviado a la planta de Inyección (Aprox. 150 MMPCD).

• Gas combustible para ambas plantas (Aprox. 4 MMPCD).

• Gas para la exportación y consumo interno del país.

• GLP para consumo interno (275 TM).

• Gasolina natural (600 BPD).

Los Pozos que se encuentran en los Campos Carrasco, Bulo Bulo, Kanata Sur, Kanata Norte, Kanata Este, Kanata Footwall y Carrasco FootWall se encuentran en la Provincia Carrasco del Departamento de Cochabamba. La población más importante del sector es Entre Ríos, distante a 208 Km de la ciudad de Santa Cruz.

UBICACION GEOGRÁFICA AREA

CARRASCO

ACTIVIDADES OPERATIVAS

Posteriormente se acondiciona, deshidrata y procesa el gas en la Planta Criogénica para obtener GLP y Gasolina Natural.

En el proceso primario se separan los fluidos en líquidos (Condensado y Agua) y gaseosos. Esto se realiza en los Separadores.

PROCESO DE SEPARACIÓN

V- Gas Natural

Condensado con alto contenido de gas en solución

1200 lbs, 85º F

1190 lbs, 75º F

Sigue hacia el separador de baja Presión

Entrada

SEPARADOR DE ALTA

V-400

V-

Condensado inestable

Gas Natural de Baja PresiónSigue hacia la segunda etapa del compresor nro 5.

400 lbs, 70º F

400 lbs, 75º F

Sigue hacia la etapa de estabilización

Fase líquida separada en el Separador de Alta

SEPARADOR DE BAJA

V-03

Agua de Formación al Skud

Intercabiador Gas / Gas

Entrada del Separador

1190 lbs, 75º F

Entrada Glycol1200 lbs, 180º F

Salida al Cliente

1190 lbs, 25º F

1190 lbs, 10º F

1190 lbs, 65º F

Separador de Producto Frio

Salida al chiller

Separador

El Gas pasa a los intercambiadores Gas-Gas E-221A y E-221B por la parte de tubos donde es paulatinamente enfriado por el gas que va saliendo del separador frío y al mismo tiempo se le inyecta Etilenglicol para atrapar el agua que lleva (Esto evita el taponamiento de la cañería por formación de hidratos).

221A

221B

Entrada al chiller del Intercambiador a 1190 lbs, 25º F

Salida del gas Propano a 24 lbs, 5º F

Entrada del gas, datos antes de la valvula Propano a 165 lbs, 5º F

Salida al Separador Frio Intercambiador a 1190 lbs, 10º F

Chiller

Intercambiador Gas / GasSeparador

Luego pasa al Enfriador (Chiller) E-223 por la parte de Tubos donde el Gas es enfriado para condensar los hidrocarburos pesados y llegar a las condiciones de Punto de Rocío. (Esto evita formación de líquidos durante su transporte por el gasoducto).

E-223

Separador de Producto Frio a 1190 lbs, 10º F

Salida al Separador Frio Intercambiador a 1190 lbs, 10º F

Gasolina

Monoetilenicol

Regenerador de Glycol

Al Intercambiador de fondo del estabilizador

Separador Frio

El Gas sigue su recorrido pasando al Separador Frío V-422 donde se produce la separación del Gas, los hidrocarburos condensados y glicol con agua.

V-422

El Gas frío retorna por el cuerpo de los Intercambiadores Gas-Gas E-221A Y E-221B, donde enfría al gas de entrada y al mismo tiempo se calienta a la temperatura de entrada.

PLANTA CARRASCO

Estas plantas de procesamiento de gas son del tipo Criogénica con Turbo Expansor. Los productos finales que se obtienen son: Gasolina, GLP y Gas Residual que son distribuidos en el mercado interno.

CIRCUITO DEL PROPANO• El propano líquido que hay en el Acumulador V-425,

pasa a la parte del cuerpo del Enfriador Chiller E-223, a través de una válvula, donde la presión cae produciendo expansión y por consiguiente, enfriamiento.

• El Gas que pasa por la parte de tubos del Enfriador Chiller E-223 es enfriado y al mismo tiempo hace que el propano se evapore, el propano en vapor pasa por el Depurador de succión y es re-comprimido por los Compresores de Propano C-601, C-602 y C-603, para elevarle nuevamente la presión. Es enviado al Condensador A-321 donde se vuelve líquido, luego pasa el Acumulador V-425 para seguir circulando.

Chiller E-223

Gasolina

etilenglicol

Separador frio

Cooler

Compresor

Separador

Depurador de succionRefrigerant Suction Srubber

EconomizadorEconomizer

Circuito del Gas Propano

Intercambiador

Intercambiador Gas / Gas

160 psi

92ºF

Acumulador de PropanoRefrigerant Accumilator

V-425

-16ºF26 psi

ReclaimerV-428

27ºF

14ºF

84ºF

78ºF

68ºF

165 psi

27 psi

ESTABILIZACIÓN DE CONDENSADO

Condensado

Agua

Torre EstabilizadoraT – 120

Tanque deSurgenciaV-115

Al la primera etapa del compresor de baja

Intercambiador E-116

Air Cooler125

Al tanque de almacenaje

Reboiler E-130Aceite Caliente

270ºF100 psi

Al quemador

335ºF

250ºF228ºF

270ºF

74ºF

90ºF192 psi