Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas

EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD Y EFICIENCIA DE LOS CONDENSADORES DE LOS TRENES A Y C DE LA PLANTA DE FRACCIONAMIENTO DESPACHO Y JOSE PONENTE: ROBERT MONTOYA ASESOR: KEYLA MORAO

PDVSA-GAS PDVSA-GAS

La planta de fraccionamiento, Almacenaje y despacho Jose posee tres trenes de fraccionamiento

con

cuatro

columnas

de

destilación:

despropanizadora,

debutanizadora, separadora de butanos y la fraccionadora de gasolina. La despropanizadora y separadora de butanos poseen dos condensadores tipo Fin-Fan en donde se condensan el propano y el iso-butano respectivamente. Actualmente se presentan problemas por perdida de eficiencia y limitaciones en producción cuando los trenes de proceso operan con carga de LGN mayor de 44.000 y 49.000 BPD para los trenes A y C. Recientemente fue realizada la limpieza química a los condensadores del tren C, luego de la limpieza éstos no mostraron mejoras significativas. A los condensadores del Tren A no se ha realizado limpieza de ningún tipo hace más de 5 años. En el presente estudio se realizó la evaluación, determinando la capacidad de enfriamiento del condensador, midiendo la velocidad del viento que se utiliza para enfriar utilizando un anemómetro y tomando los datos necesarios para calcular la capacidad calorífica de enfriamiento que tienen los condensadores. El segundo paso fue realizar la evaluación de la eficiencia, se utilizó el simulador PRO II para determinar el factor fouling, porcentaje de área disponible para compensar la disminución del U. El tercer y último paso consistió en realizar una inspección visual con la finalidad de constatar el estado de las aletas. Los resultados mostraron que; la capacidad de los condensadores disminuyó en un

20% con

respecto a la capacidad de diseño; existe un aumento en el fouling de un 80%; y la inspección demostró, que la limpieza realizada a los condensadores nunca ha sido efectiva. Razón por la cual deben ser revisados los procedimientos de limpieza de los condensadores tipo Fin-Fan y programar el reemplazo de los condensadores de los trenes de fraccionamiento. XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008

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INTRODUCCION La planta de fraccionamiento, Almacenaje y despacho Jose, ubicada en el Estado Anzoátegui, junto con las plantas de Extracción San Joaquín, Santa Bárbara y Jusepín conforma el Complejo Criogénico de Oriente. Inicia sus operaciones en año de 1985. La planta de fraccionamiento cuenta con las facilidades para fraccionar, almacenar y despachar los líquidos del gas natural que llegan a la misma y obtener propano, propano, i-butano, n-butano, pentano, gasolina y componentes pesados, de gran aplicación en sector doméstico e industrial del país, así como también en el sector petroquímico y para la exportación. La Figura 1 muestra, la ubicación geográfica del Complejo Criogénico de Oriente.

JOSE

JUSEPIN

SANTA BARBARA

SAN JOAQUIN

REF. SAN JOAQUIN

FIGURA 1. UBICACION DEL COMPLEJO CRIOGENICO DE ORIENTE

La planta de fraccionamiento de Jose, fue diseñada para recibir 70000 barriles por día de líquidos, que serían procesados en dos trenes de fraccionamiento idénticos A y B, cada uno con capacidad de 35 MBD. Con la expansión del Complejo Criogénico de Oriente (proyecto ACCRO I), se expande la capacidad de fraccionamiento a 100 MBD y posteriormente con el ACCRO II en 1.995 entró en operación un tercer Tren XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008

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de 35 MBPD expandido a 50 MBPD a finales del año 1998. La planta consiste en las siguientes unidades o secciones básicas: instalaciones de entrada a la planta de fraccionamiento, tres trenes idénticos de capacidad de 50 MBD cada uno para un total de 150 MBD. Conformados por cuatro torres de destilación despropanizadora, desbutanizadora, separadora de butanos y fraccionadora de gasolina, tratamiento y secado de propano, sistema de refrigeración de proceso, almacenamiento de productos, despacho por muelle y llenadero, sistema de aceite de calentamiento, tratamiento de efluentes, mechurrio de emergencia, mechurrio de servicios, sistema de gas combustible, sistema de agua contra incendio, generación de energía eléctrica, sala de control.

DESCRIPCION DEL PROCESO Los líquidos provenientes de las plantas de extracción son separados en propano, iso-butano, normal butano, pentano, gasolina y residual en tres trenes de fraccionamiento (A, B y C) cada uno con una capacidad de 50 MBPD. El proceso de fraccionamiento consiste en una destilación en serie a través de cuatro torres por cada tren; basado en las diferencias de puntos de ebullición de los componentes de la alimentación.

El LGN se distribuye simultáneamente en ocho recipientes horizontales denominados tambores acumuladores o balas de almacenamiento, donde se busca amortiguar las oscilaciones del flujo de alimentación. Estas balas están provistas con botas que son utilizadas para drenar agua presente en forma libre, proveen compensación ante cualquier irregularidad en el suministro mediante líneas de igualación de vapor y líquido para asegurar que la alimentación se distribuya uniformemente. La figura 2 muestra el esquema del proceso de fraccionamiento de LGN. Luego que la alimentación ha pasado por el sistema de precalentamiento, está llega a la despropanizadora primera torre de fraccionamiento. Esta torre es sencilla desde

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el punto de vista de diseño y de operación. Opera a una presión de 245 psig y una temperatura de 124 °F en el acumulador de tope. Tiene un diámetro de 12’ 6’’, contiene 50 bandejas y usa un solo rehervidor de termosifón horizontal. La alimentación entra a la torre en la bandeja 23. La torre está diseñada para producir propano con 96% mínimo de pureza. El producto propano pasa por el condensador del tope en donde se condensa luego, por medio de bombas una fracción es enviada como reflujo a la torre y el resto es llevado a los tratadores de propano para remover el sulfuro de hidrógeno, sulfuro de carbonilo, mercaptanos y el agua presente. Después, del tratamiento el producto propano va hacia el área de refrigeración. LGN

Pr opano

i- But ano

Bal as Al m acen am i en t o A R E A

Sep. Bu t an os Tr at ador es de C3

D E

n- But ano n- Pent ano Precalentamiento

Gasolina

Depr opan i zador a

A L M A C E N A M I E N T O

Y R E F R I G E R A C I O N

3 8 0

Fr acc. Gasol i n a

Debu t an i zador a

Residual

Figura 2. Esquema del proceso de fraccionamiento de LGN.

El producto del fondo de la despropanizadora sale de la torre a una temperatura de 257 °F luego de vaporizarse en un 50,66 % en una válvula de control de flujo, se envía al precalentador de la alimentación de la debutanizadora, y después la alimenta a la altura del plato 19. Todos los butanos se separan, salen por el tope de la torre y alimentarán luego a la separadora de butanos. Por una corriente lateral (bandeja 35) sale pentano con una pureza mínima de 80 % por volumen de líquido,

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éste producto es almacenado en esferas presurizadas. Esta torre opera a una presión de 145 psig.

La alimentación de la separadora de butanos proviene del acumulador de reflujo de la desbutanizadora. La torre opera a una presión de 90 psig en el acumulador de reflujo y, según diseño, la alimentación está en la bandeja 38. Esta torre consta de 80 bandejas y es la más alta de la planta ya que la columna separa el tope de la desbutanizadora en iso-butano y normal butano que son isómeros y tienen parecidos puntos de ebullición. La separadora de butanos fue diseñada para obtener un producto iso-butano de una pureza mínima de 96 % y un producto normal butano de 95 % de pureza.

La fraccionadora de gasolina es la última torre y más pequeña de la planta de fraccionamiento, su objetivo es obtener gasolina, minimizando la producción del corte de componentes más pesados. El producto de fondo de la desbutanizadora es alimentado en la bandeja 13 a la fraccionadora de gasolina. Del fondo de esta columna se obtiene un producto residual y en el tope se obtiene gasolina natural. Esta torre tiene un diámetro de 60” y está provista de 18 bandejas.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El sistema de condensación de vapores asociados a las torres de proceso de la planta de fraccionamiento y despacho Jose, ha venido disminuyendo la capacidad de transferencia

de

calor,

esto

principalmente

evidenciado

en

las

torres

despropanizadora y en la separadora de butanos, trayendo como consecuencia se ha hecho necesario la implementación de estrategia operacionales y de mantenimiento para mitigar el impacto que ocasiona en el proceso y así poder mantener la continuidad operacional bajo los estándares de calidad. Recientemente se realizó un estudio en los trenes A y C, con la finalidad de evaluar condiciones y determinar el factor de ensuciamiento o fouling y el flujo de calor XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008

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transferido, corroborándose la pérdida de eficiencia en la condensación cuando los trenes de procesos operan con cargas de LGN superiores a 44000 y 49000 BPD para los trenes A y C respectivamente. En las figuras 3 y 4 se muestran los comportamientos de los trenes A y C cuando la alimentación se incrementa. Se observa que a medida que se aumenta la alimentación de LGN a los trenes, la temperatura de salida de los condensadores de propano e iso-butano llega a alcanzar valores de 124 y 125°F respectivamente (la presión de vapor de los productos aumenta por encima de 245 y 90 psig). Esta situación puede provocar: la presurización de los tambores de reflujo y la disminución en el perfil de temperatura en las columnas de destilación; consecuencias que producen inestabilidad en el proceso, lo cual amerita la aplicación de estrategias operacionales y de mantenimiento en algunos casos. Para compensar la falta de condensación, se establece como estrategia operacional rociar agua sobre los condensadores ó disminuir la carga a los trenes, como es caso que se muestra en las figuras 3 y 4. Al rociar agua sobre los condensadores se crean problemas de corrosión en las rejillas protectoras de las cajas de viento, el aumento significativamente de la frecuencia de mantenimiento en los motores de los ventiladores, corrosión en las aletas y el gasto inadecuado del sistema de agua dulce. Cabe destacar, que también ha aumentado la frecuencia de limpieza externa de las aletas, disminuyendo la vida útil de estas.

Recientemente (octubre de 2007) se realizó limpieza química de la parte superior de los enfriadores de propano e iso-butano del tren C y no se lograron detectar mejoras significativas en la condensación posterior al mantenimiento.

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T re n A 130

50000 45000

125 40000 120

35000 30000

115

25000 110

20000 15000

105

10000 100 5000 95

06 :2 4 07 :0 0 07 :3 6 08 :1 2 08 :4 8 09 :2 4 10 :0 0 10 :3 6 11 :1 2 11 :4 8 12 :2 4 01 :0 0 01 :3 6 02 :4 8 03 :2 4 04 :0 0 04 :3 6 05 :1 2 05 :4 8 06 :2 4 07 :0 0 07 :3 6

0

L G N A lim e n ta c ió n (B P D )

T s C o n d e n s a d o r d e C 3 (° F )

T s C o n d e n s a d o r d e i-C 4 (° F )

Figura 3. Comportamiento de la temperatura de salida de los condensadores del tren A con en aumento de alimentación al tren.

Tren C 48500

130

48000

125 120

47500

115

47000

110

46500

105

46000

100

08

08

07

:2 4

90

:5 4 09 :2 4 09 :5 4 10 :2 4 10 :5 4 11 :2 4 11 :5 4 12 :2 4 12 :5 4 01 :2 4 01 :5 4 03 :0 0 03 :3 0 04 :0 0 04 :3 0 05 :0 0 05 :3 0 06 :0 0 06 :3 0 07 :0 0 07 :3 0

95

45000 :5 4

45500

LGN Alim entación al tren (BPD)

Ts Condensador de C3 (°F)

Ts Condensador i-C4 (°F)

Figura 4. Comportamiento de la temperatura de salida de los condensadores del tren C con en aumento de alimentación al tren.

METODOLOGIA Sobre esta base se requiere realizar una evaluación de la pérdida de eficiencia de los condensadores. Para ello, se necesitan datos del comportamiento real de estos equipos

que ayuden a determinar las causas que han estado incidiendo en la

pérdida de condensación de los intercambiadores de calor.

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La metodología de trabajo se basó en la determinación de la capacidad actual de enfriamiento, la evaluación de la transferencia de calor y la inspección para verificar la condición actual de las aletas. El cálculo de la capacidad y la evaluación de la transferencia de calor se realizaron período.

- Determinación de la capacidad actual de enfriamiento: Para determinar la capacidad actual de transferencia calor, se calculó el máximo flujo de calor que el condensador puede retirar del producto:

Q = v × A × ρ × Cp × ΔT

(1)

Donde: Q: Cantidad de calor capaz de disiparse por los Fin-Fan. v : Velocidad del viento utilizado para enfriar.

A: Superficie frontal del intercambiador de calor.

ρ : Densidad del aire. Cp: Capacidad calorífica del aire.

ΔT : Es la diferencia de temperatura del aire utilizado. La velocidad del viento fue medida utilizando un anemómetro; las temperaturas de entrada y de salida fueron medidas con un sensor de temperatura del mismo anemómetro. La ecuación 1 representa el flujo máximo de calor que el condensador es capaz de retirar. Cuando el flujo de calor que se requiere retirar es mayor a éste, el condensador no estará suficiente cumplir con tal fin.

- Evaluación de la transferencia de calor: Para la evaluación se utilizó el paquete de simulación PROII.

Inicialmente, se validaron los condensadores con las

condiciones de diseño. Luego se procedió a tomar las siguientes variables: 9 Temperatura de entrada y salida de los condensadores de propano e iso-butano de los trenes A y C.

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9 Flujo de producto hacia almacenaje (destilado) y reflujo de las despropanizadora y separadora de butanos de los trenes A y C.

La toma de datos se realizó durante horas del mediodía en un lapso de cuatro días, promedio 6 min. La capacidad de los trenes fue de: tren C 49.980 BPD y 44.457 BPD tren A, no se pudo llevar la alimentación a 50.000 BPD en los trenes A y C, ya que la deficiencia en la condensación no lo permitió.

La despropanizadora y separadora de butanos tienen en el tope una línea que conecta los vapores de tope con el tambor de reflujo, con la finalidad de mantener los tambores a 245 y 90 psig. En vista de que no existen medidores de flujo en el tope para la recolección de los datos de flujo la válvula que conecta los vapores con los tambores se cerró durante una hora y se mantuvo constante, el nivel del tambor de reflujo, para de esta manera medir el producto entrante al enfriador como el reflujo más el destilado. Una vez obtenidos los datos necesarios, se evaluaron utilizando el simulador PRO II los condensadores con cada dato y luego se promediaron los coeficientes de transferencia de calor limpio, actual y el flujo de calor. Con el coeficiente de calor limpio y actual se determinó la resistencia a la transferencia de calor y el porcentaje de área disponible para compensar la disminución del U (coeficiente global de transferencia de calor).

- Inspección visual de las aletas: Para realizar la inspección visual se procedió abrir la boca de visita ubicada en la parte inferior del enfriador, previo acondicionamiento de la celda a inspeccionar.

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RESULTADOS, ANALISIS Y DISCUSION A continuación se presentan las tablas con los datos y resultados obtenidos en los trenes A y C:

Determinación de la Capacidad Actual de Enfriamiento: Tabla 1.- Datos y resultados promedio obtenidos para el aire para los distintos equipos.

Calor

Calor

(MMBTU/h)

(MMBTU/h)

calculado

Diseño

115

67.2

70.33

11

89

113

56.8

70.77

20

5.1

90

115

72.9

78.93

8

5.0

90

113

64.5

73.09

12

v

T entrada

(m/s)

aire (ºF)

D2.50508

4.7

89

D2.50615

5.0

D2.100508 D2.100615

Equipo

T salida aire

(ºF)

% Discrepancia

La capacidad de retirar calor de cada uno de los condensadores se encuentra por debajo de la capacidad de diseño; siendo el caso más crítico en la separadora de butanos en ambos trenes (tabla 1). Esto indica que bajo condiciones de flujo de diseño los condensadores no podrían soportar y se tendría que recurrir a algunas de las estrategias operacionales nombradas anteriormente.

De esta manera se

determinó que la limitación en la capacidad de los trenes de fraccionamiento viene dada por los condensadores de la separadora de butanos, limitando al tren A en 45.000-47.500 BPD y al tren C en 47.000-49.750. BPD.

La velocidad mínima del aire para enfriadores por aire o tipo fin-fan debe estar entre 4.5-5 m/s. En nuestro caso la velocidad se encuentra en el limite ( ver tabla 1). Esto se debe a la baja altura a la cual se encuentran ubicados, los condensadores y a la disminución del desempeño en los motores de los ventiladores.

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Evaluación de la transferencia de calor: Tabla 2.- Datos promedio obtenidos para lado producto en los distintos equipos.

Equipo

Flujo

T entrada

T entrada

T salida

T salida

Presión

Presión

(GPM)

operación

diseño

operación

diseño

operación

Diseño

(ºF)

(ºF)

(ºF)

(ºF)

(psig)

(psig)

D2.50508

1734

130.5

129

125

124

236

245

D2.50615

1590

128

129

125

125

86

90

D2.100508

1946

133

128

124

123

238

245

D2.100615

1784

129

130

126

125

86

90

Tabla 3.- Resultados promedio para los distintos equipos.

Equipo

Q

% de área

F

F

%

operación

disponible para

Calculado

Diseño

Discrepancia

(MMBTU/h)

compensar la

2

2

(hpie ºF)/BTU

(hpie ºF)/BTU

Fouling

disminución del U D2.50508

57.05

5.46

0.0088

0.001

89

D2.50615

58.27

5.6

0.0081

0.001

88

D2.100508

64.1

5.1

0.0082

0.001

88

D2.100615

65.6

5.4

0.0081

0.001

88

Los resultados de las tablas 2 y 3 se puede apreciar que porcentaje de área disponible para compensar la disminución del U es muy bajo. El porcentaje generalmente se encuentra entre 40-60%; éste valor indica que el exceso de área que tiene el condensador para soportar la suciedad ha disminuido la eficiencia considerablemente, a medida que éste disminuye lo hace también la capacidad de enfriamiento, afectando, con el tiempo, la vida útil del equipo. Las discrepancias entre los coeficientes de ensuciamiento entre el diseño y el actual para todos los condensadores, se ubican por encima del 80%, número alto considerando que el intercambiador tiene un sobrediseño de 20%.

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La suciedad en las aletas, ha tenido una fuerte influencia en los altos coeficientes de ensuciamiento (fouling) de los condensadores. Las incrustaciones que se van acumulando en las aletas hacen que pierdan su rendimiento y por ende la capacidad de transferencia de calor del condensador. Cabe recordar que la disipación de calor de los productos se hace a través de las aletas que seguidamente son enfriadas por el aire.

Inspección visual de las aletas:

Tubos desnudos, Condensador Despropanizadora Tren A

Suciedad en las aletas, Condensador Despropanizadora Tren A

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Suciedad en las aletas Condensador Separadora de Butanos

Corrosión en las aletas, Condensador Separadora de Butanos

Tren A

Tren A

Corrosión en las aletas Condensador Despropanizadora Tren C

Corrosión y suciedad en las aletas Condensador Despropanizadora Tren C

Corrosión y suciedad Condensador Separadora de Butanos Tren

Corrosión y suciedad Condensador Separadora de Butanos Tren

C

C

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Con respecto a la inspección visual realizada en los equipos evaluados, se pudo verificar que el condensador de la despropanizadora del tren A se encuentra en un estado bastante deteriorado. Existen tubos que se encuentran desnudos (sin aletas), en esta zona el intercambio de calor prácticamente es mínimo y la suciedad que existe se encuentra incrustada en las aletas, una limpieza química podría terminar de empeorar la integridad física de las aletas, ya que las mismas se encuentran frágiles debido al estado de corrosión y difícilmente soportarían la limpieza. En los pasos 2 y 3 se pudo observar presencia significativa de material sólido lo cual incide directamente en la restricción al paso de aire para disipar el calor de las aletas, y por ende disminuye la capacidad de condensación. En el condensador de Iso-butano del Tren A, las condiciones físicas son similares a las del condensador de la despropanizadora del mismo tren.

En cuanto a los condensadores del tren C, a los cuales recientemente se les realizó una limpieza, se comprobó que la misma no fue eficiente, también fue realizada sólo por la parte superior del intercambiador, obviándose la limpieza de la mayor parte de los pasos del condensador. Estos intercambiadores son de 4 pasos, durante la inspección se pudo observar que una limpieza por la parte superior no es efectiva, considerando el número de pasos de los condensadores. Se deben buscar mecanismos para limpiar tanto por la parte inferior como la superior, además de que dicha limpieza sea eficaz, capaz de extraer la suciedad incrustada, ya que como se observa es necesario alta presión y esta podría causar daños en las aletas. Durante la inspección fueron tomadas muestras de aletas de los condensadores, a simple vista se pudo detectar corrosión, estas muestras van a ser llevadas para INTEVEP (Instituto de Tecnología Venezolana para el Petróleo) con la finalidad de determinar el tipo de corrosión y el agente causal de la misma.

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Cabe destacar que las condiciones del medio que se utilizaron para el diseño, no son las mismas que las actuales, por el contrario son desfavorables para el proceso de transferencia de calor.

CONCLUSIONES

-

La cantidad de calor capaz de retirar por los condensadores de tope de las torres despropanizadora y separadora de butanos de los trenes A y C, se encuentra entre 8 y 20% por debajo del flujo de calor de diseño.

-

La limitación en la alimentación de LGN en los trenes A y C, prevalece en los condensadores de la separadora de butanos.

-

La limpieza a los condensadores de los trenes no es realizada de la manera más adecuada, esto trae como consecuencia que la vida útil de los equipos se reduzca de una manera importante.

-

El condensador de Tope de la Despropanizadora del Tren A, presenta un deterioro bastante grave con respecto integridad de las aletas.

-

Los condensadores de tope de la separadora de butanos del tren A y C, y el condensador de la despropanizadora del tren C, presentan un aumento del ensuciamiento de hasta un 80% y porcentaje de área disponible para compensar la disminución del U hasta un valor de 5.6.

- La suciedad existente en las aletas es la que más contribuye a la disminución del coeficiente de transferencia de calor, hecho reflejado en el aumento del fouling de los condensadores.

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RECOMENDACIONES -

Rediseñar los procedimientos de limpieza de los condensadores tipo Fin-Fan de la planta de fraccionamiento y despacho Jose.

-

Construir un piso de cemento debajo de los condensadores, para disminuir la rata de ensuciamiento de los mismos, ya que la succión de los ventiladores está muy cerca del piso y arrastra el polvo hacia las aletas.

-

Instalar un deposito de agua debajo de cada celda, con la finalidad de humidificar el aire de enfriamiento.

-

Debe programarse el reemplazo progresivo de los condensadores en los trenes de fraccionamiento, los condensadores tienen 22 años en servicio.

-

Realizar seguimiento a los condensadores de butano de los trenes A y C, ya que estos presentan un coeficiente de ensuciamiento bastante alto, además que la capacidad actual de estos condensadores se encuentra bastante limitada con respecto a las condiciones de diseño (ver tabla 1).

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