26. PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO

1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de absorción o destilación y una bomba 1.2. Simular columnas de destilación o de absorción 1.3. Simular una planta que transforma dos corrientes de gas natural en varios productos hidrocarbonados enriquecidos en alguno de ellos 2. PROCESO ESTUDIADO En el proceso a simular a continuación se utiliza un tren de tres columnas separadoras que utilizan como materia prima dos corrientes con un cierto contenido de hidrocarburos saturados. En la primera se obtiene un gas natural de alto contenido en metano; en la segunda se obtienen dos productos en forma de vapor y líquido enriquecidos en etano y en la tercera se obtienen dos productos líquidos concentrados, el uno en propano y el otro en los hidrocarburos mas pesados. La primera columna es un absorbedor con rehervidor, la segunda es una columna de destilación con condensador parcial y la tercera es una columna con condensador total. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final de la planta descrita La primera columna o desmetanizadora es un absorbedor con rehervidor, dos alimentos y una carga calórica. El vapor producido es rico en metano y los fondos son bombeados a una segunda columna. Para C componentes y N etapas de equilibrio, los grados de libertad requeridos para una completa especificación en esta columna son

Nie = 2C + 2N + 10

(26.1)

Si se especifican, completamente, la dos corrientes de alimentación los grados de libertad requeridos para el diseño están dados por

Nie = 2N + 6

(26.2)

Por lo tanto, se requieren seis especificaciones si el simulador asigna 2N especificaciones por defecto. La bomba utilizada para impulsar los fondos, requiere de C + 4 especificaciones. Si se conocen las condiciones de la corriente de entrada, queda en definitiva un faltante de dos especificaciones. La segunda columna o desetanizadora y la tercera columna o despropanizadora requieren de nueve especificaciones, de acuerdo a lo planteado en la introducción de la Práctica 23.

La recuperación de líquidos del gas natural es muy común en el procesamiento de este. Tiene como propósito, usualmente: 1. Producir gas transportable ( libre de hidrocarburos pesados que puedan condensar en la tubería) 2. Producir un gas con especificaciones comerciales 3. Maximizar la recuperación de líquido (cuando los productos líquidos son mas valiosos que el gas)

Figura 1. Planta de gas natural licuado

3. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: N2, CO2, C1 – C8 c. Unidades: Field 2. Instale las siguientes dos corrientes materiales Nombre: Temperatura: Presión: Flujo molar: Composición (Fracción Mol) Nitrógeno: Dióxido de carbono: Metano: Etano: Propano: i-Butano:

F1 - 139 °F 330 psia 3575 lbmol/h

F2 - 120 °F 332 psia 475 lbmol/h

0.0025 0.0048 0.7041 0.1921 0.0706 0.0112

0.0057 0.0029 0.7227 0.1176 0.0750 0.0204 170

n-Butano: i-Pentano: n-Pentano: n-Hexano: n-Heptano: n-Octano:

0.0085 0.0036 0.0020 0.0003 0.0002 0.0001

0.0197 0.0147 0.0102 0.0037 0.0047 0.0027

3. Instale la columna Desmetanizadora con el nombre “T-100” seleccionando el icono de nombre “Reboiled Absorber” que aparece en la paleta de objetos, y por medio del asistente, conecte las corrientes como lo muestra la Figura 2. La corriente “Qe” conectada al plato cuatro es una corriente de energía con un flujo calórico de 2.0e +06 Btu/h

Figura 2. Corrientes conectadas a la columna desmetanizadora

4. Presione el botón “Next” para abrir la página (2 de 4) siguiente e introduzca la siguiente información Top Stage Pressure Reboiler Pressure

330 psia 335 psia

5. Presione el botón “Next” para abrir la siguiente página (3 de 4) e introducir los siguientes estimativos opcionales de temperatura Optional Top Stage Temperature Estimate Optional Reboiler Temperature Estimate

- 126.4 °F 80.60 °F

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6. Presione el botón “Next” para continuar. Para este caso, no se suministra información sobre la última página del asistente y, por lo tanto, presione el botón “Done”. HYSYS abrirá, entonces, la ventana de propiedades de la columna que se observará como lo muestra la Figura 3. ¿Cuántas especificaciones se han introducido hasta ahora?

Figura 3. Ventana de propiedades de la columna desmetanizadora

7. Haga clic sobre la página “Monitor” de la pestaña “Design” y observará por la banda roja, como se muestra en la Figura 4, que la columna no ha convergido. En el cuadro “Degrees of Freedom” se nota que hay cero grado de libertad porque la especificación Flujo del Producto de Tope o “Ovhd Prod Rate” se encuentra verificada como activa, pero no se le ha asignado un valor numérico 8. En la especificación “Ovhd Prod Rate” introduzca un valor de 2950 lbmol/h, señalándola como especificación activa y desactivando las otras, si lo están 9. Presione el botón “Run”, si es necesario, para que la simulación alcance su convergencia como se observa en la banda verde. Observe los perfiles de temperatura, presión y flujos a través de la columna. ¿Cuánto es la fracción mol del metano en la corriente “V”? Aunque la columna convergió, no es práctico especificar flujos porque pueden resultar columnas que no pueden converger o que producen corrientes de productos con propiedades indeseables si cambian las condiciones del alimento. Una alternativa es especificar o concentraciones o recuperaciones de componentes para las corrientes de producto de la columna

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Figura 4. Especificaciones de la columna desmetanizadora

10. Haga clic sobre la página “Specs” de la pestaña “Design” de la ventana de propiedades de la columna 11. Presione el botón “Add” en el grupo “Column Specifications” para crear una nueva especificación 12. Seleccione la opción “Column Component Fractions” que aparece dentro del grupo “Column Specification Types” en la ventana desplegada y presione el botón “Add Specs” que aparece en la parte inferior 13. Para introducir una especificación de 0.96 como fracción mol en la corriente de vapor que sale de la primera etapa de la columna, llene la ventana desplegada como lo muestra la Figura 5. 14. Elimine la ventana anterior. La página “Specs” muestra un valor de cero para los grados de libertad aunque se ha añadido otra especificación. Esto se debe a que la especificación se añadió como un estimativo y no como una especificación activa 15. Abra la página “Monitor” y desactive la especificación “Ovhd Prod Rate” y active la especificación “Component Fraction” creada. La columna debe converger observándose la página “Monitor” como se muestra en la Figura 6. ¿Cuánto es el flujo del vapor de tope de la columna desmetanizadora?

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Figura 5. Especificación de la fracción mol de metano en el vapor “V”

. Figura 6. Monitor de las especificaciones de la columna desmetanizadora

16. Observe el comportamiento y desempeño de la columna desplegando las ventanas de las pestañas “Parameters”, “Performance” y “Worksheet” 17. Instale una bomba para impulsar los fondos de la columna desmetanizadora como alimento a la columna desetanizadora y especifíquela de la siguiente manera:

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a. Pestaña Design i. Name. ii. Inlet iii. Outlet iv. Energy

Página Connections P-100 F3 F4 W1

b. Pestaña Worksheet Página Conditions i. Corriente F4 1. Pressure 405 psia 18. Instale la columna desetanizadora, haciendo doble clic sobre el icono “Distillation Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 2760 kPa, contiene 14 etapas de equilibrio y su objetivo es producir un producto de fondo que contenga etano en una relación de 0.01 con respecto al propano. Introduzca la siguiente información Connections

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Name No. of Stages Feed Stream / Stage Condenser Type Overhead Outlets Bottoms Liquid Outlet Reboiler Energy Stream Condenser Energy Stream

T-101 14 F4 / 6 Partial V1, D1 F5 Qr1 Qc1

Pressure Profile

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Condenser Pressure Condenser Pressure Drop Reboiler Pressure

395 psia 5 psi 405 psia

Optional Estimates

Página 3 de 4

Optional Condenser Temperature Estimate Optional Reboiler Temperature Estimate

25 °F 200 °F

19. Presione el botón “Done” en la página 4 y haga clic sobre la página “Monitor” de la ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas como activas. Overhead Vapour Rate Distillate Rate Reflux Ratio

700 lbmole / hr 0 kgmole / hr 2.5 (Molar)

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20. Presione el botón “Run” para correr la columna. ¿Cuánto es el flujo de etano y propano en la corriente de fondos de la columna desetanizadora? ¿Cuánto es la relación de dichos flujos? ¿Se cumple la relación deseada? 21. Abra la página “Specs” y presione el botón “Add” para crear una nueva especificación 22. Seleccione la opción “Column Component Ratio” como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 7

Figura 7. Relación entre etano y propano en los fondos de la desetanizadora

23. En la página “Monitor” desactive la especificación “Ovhd Vap Rate” y active la especificación “C2 / C3” creada. La simulación debe converger porque se ha especificado completamente. ¿Cuánto es la concentración de etano y propano en la corriente de fondos de la desetanizadora? ¿Cuánto es la relación entre sus flujos en dicha corriente? ¿Se cumple la relación especificada 24. Observe el desempeño de la columna de destilación 25. Instale una válvula con el objeto de expandir la corriente de fondos de la columna desetanizadora antes de alimentarse a la columna despropanizadora. Especifique la válvula de la siguiente manera. a. Pestaña Design i. Nombre ii. Entrada iii. Salida

Página Connections VLV-100 F5 F6

b. Pestaña Worksheet i. F6

Página Conditions 245 psia 176

26. Instale la columna despropanizadora, haciendo doble clic sobre el icono “Distillation Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 1520 kPa, contiene 24 etapas de equilibrio. Se buscan dos objetivos con esta columna. El primero es producir un producto de cabeza que no contenga mas del 1.5 % molar de i-C4 y n-C4, y el segundo es que la concentración de propano en el producto de fondo debe ser menor que 2 % molar. Introduzca la siguiente información Connections

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Name No. of Stages Feed Stream / Stage Condenser Type Overhd Liquid Outlet Bottoms Liquid Outlet Reboiler Energy Stream Condenser Energy Stream

T-102 24 F6 / 11 Total D2 F5 Qr2 Qc2

Pressure Profile

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Condenser Pressure Condenser Pressure Drop Reboiler Pressure

230 psia 5 psi 240 psia

27. Presione el botón “Done” y haga clic sobre la página “Monitor” de la ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas como activas. Distillate Rate Reflux Ratio

240 kgmole / hr 1.0 (Molar)

28. Presione el botón “Run” para correr la columna. ¿Cuánto es la fracción molar de propano en las corrientes de tope y fondo de la columna despropanizadora? 29. Abra la página “Specs” y presione el botón “Add” para crear dos nuevas especificaciones. 30. Para especificar la composición de los butanos en el tope de la columna, seleccione la opción “Column Component Fraction” como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 8 31. Para especificar la concentración de propano en el fondo, seleccione la opción “Column Component Fraction” como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 9.

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Figura 8. Fracción molar de butanos en el condensador de la despropanizadora

Figura 9. Concentración de propano en el fondo de la despropanizadora

32. En la página “Monitor” desactive las especificaciones “Distillate Rate” y “Reflux Ratio” y active las especificaciones “i-C4 + n-C3” y “C3” creadas 33. Observe los resultados sobre el comportamiento de la columna después que la simulación haya convergido

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