Recuperación de Hidrocarburos Líquidos del Gas Natural: Procesos, Tecnología y Eficiencia

Introducción y Justificación de la Recuperación de Hidrocarburos Líquidos

• Definición del Proceso: La recuperación de hidrocarburos líquidos es un proceso crítico que integra la obtención de productos con alto valor comercial (etano, propano, butanos y gasolinas naturales) con el acondicionamiento técnico del gas natural.
• Objetivo de Seguridad: El acondicionamiento asegura el transporte seguro del gas al evitar la formación de hidratos mediante el control del punto de rocío.
• Fundamento Tecnológico: Se basa en la alteración controlada de la temperatura y la presión para forzar la condensación selectiva de componentes pesados.
• Métodos Destacados:
  • Expansión Joule-Thomson: Enfriamiento por caída de presión.
  • Turboexpansión: Maximiza el rendimiento térmico convirtiendo la energía del gas en trabajo mecánico.
• Impacto: La optimización de estas operaciones garantiza el cumplimiento de normativas de calidad, impulsa la eficiencia energética y promueve la sostenibilidad ambiental al transformar recursos en energía limpia y rentable.
• Justificación de la Investigación: Necesidad de perfeccionar la recuperación de líquidos y procesos de licuefacción para maximizar el valor comercial y garantizar la seguridad operativa, reduciendo costos y mitigando impactos ambientales.

Objetivos e Hipótesis de la Investigación

• Objetivo General: Examinar los diversos procesos utilizados en la extracción de hidrocarburos líquidos.
• Objetivos Específicos:
  • Analizar y comparar la refrigeración convencional, absorción refrigerada, expansión Joule-Thomson, turboexpansión y estabilización de condensados.
  • Detallar equipos y mecanismos de operación con énfasis en la eficiencia de extracción.
  • Evaluar la eficacia basada en tasas de recuperación, calidad del producto y consumo energético.
  • Determinar el desempeño termodinámico, especialmente para el Gas Licuado de Petróleo ($GLP$).
• Hipótesis: La implementación de tecnologías avanzadas puede mejorar la eficiencia de extracción y el rendimiento de $GLP$, aumentando las eficiencias termodinámicas frente a métodos convencionales.

Refrigeración Simple (Convencional)

• Propósito: Enfriar el gas natural para que el vapor de agua e hidrocarburos pesados se condensen en líquidos, cumpliendo normas comerciales y recuperando $GLP$.
• Los Tres Circuitos Principales:
  • Circuito de Gas Natural: Producto principal que se enfría para extraer agua y líquidos.
  • Circuito de Glicol: Actúa como anticongelante inyectado para evitar la formación de hidratos o tapones de hielo.
  • Circuito de Propano (Refrigerante): Genera el frío absorbiendo el calor del gas al evaporarse.
• Componentes Clave:
  • Chiller (Enfriador): Intercambiador donde el propano líquido hierve para robar calor al gas natural.
  • Compresor: Aumenta la presión del vapor de propano para su reutilización.
  • Condensador: Enfría el vapor de propano (con aire o agua) para volverlo líquido.
  • Válvula de Expansión ($JT$): Reduce rápidamente la presión del propano líquido, bajando su temperatura antes del chiller.
• Etapas del Proceso:
  1. Enfriamiento inicial: Pre-enfriamiento con gas de salida.
  2. Inyección de Glicol: Prevención de congelamiento.
  3. Refrigeración Extrema: En el Chiller se alcanzan los $-40^{\circ}C$.
  4. Separación: Los Líquidos de Gas Natural ($LGN$) caen al fondo y el gas limpio sale por la parte superior.
  5. Fraccionamiento: Destilación de los líquidos en propano, butano y gasolina natural.

Absorción Refrigerada (Lean Oil)

• Mecanismo: Uso de un líquido llamado aceite de absorción ($"Lean Oil"$) para atrapar componentes pesados (propano y butano).
• El Aceite de Absorción: Funciona como una esponja; debe tener baja viscosidad y bajo peso molecular para mayor eficiencia.
• Pasos del Proceso:
  1. Enfriamiento y Limpieza: El gas húmedo se enfría en un Chiller y recibe inyección de glicol.
  2. Torre Absorbedora: El gas sube y el aceite baja; el aceite atrapa pesados convirtiéndose en "aceite rico".
  3. Separación (Flash): El aceite rico reduce su presión para liberar gases livianos atrapados.
  4. Destilación: El aceite rico se calienta para separar el $GLP$ del aceite.
  5. Reciclaje: El aceite se enfría (vuelve a ser "pobre") y se reinicia el ciclo.
• Rendimiento: Recuperación del $90-95\%$ del propano y $100\%$ de los butanos.
• Estado Actual: Es raro ver plantas nuevas de este tipo debido a la dificultad operativa y al deterioro del aceite con el tiempo.

Expansión Isoentálpica Joule-Thomson ($JT$)

• Fenómeno Físico: Cambio natural de temperatura de un gas al pasar de alta a baja presión (estrangulamiento) bajo condiciones adiabáticas (entalpía constante).
• Aplicaciones Industriales:
  • Licuefacción: Conversión de gas a líquido.
  • Separación a Baja Temperatura ($LTS$): Ideal para volúmenes pequeños ($5$ a $10\text{ MMPCD}$) tanto en tierra como en mar; separa agua e hidrocarburos en una sola unidad.
• Proceso de Recuperación de Líquidos ($LGN$):
  • Se utiliza un intercambiador previo para pre-enfriar el gas.
  • La válvula $JT$ enfría el gas para retirar componentes pesados.
• Diferencia de Métodos:
  • Isoentálpica ($JT$): Más simple, ocurre a través de una válvula.
  • Isentrópica (Turbo): Más efectiva, produce trabajo extra en una turbina.

Proceso de Turboexpansión

• Definición: Método avanzado para alcanzar temperaturas criogénicas (hasta $-65^{\circ}C$ o menores) y recuperar etano y propano para la petroquímica.
• Funcionamiento Dual del Turboexpansor:
  1. Enfriamiento: Expansión rápida que desploma la temperatura.
  2. Generación de Energía: El gas mueve el eje de una turbina, produciendo trabajo útil para accionar un compresor.
• Etapas Operativas:
  1. Deshidratación: Eliminación total de agua para evitar hielo.
  2. Enfriamiento Previo: Intercambiadores de calor iniciales.
  3. Expansión y Separación: Condensación de etano y propano.
  4. Recuperación: Los líquidos se separan en una torre desmetanizadora.
• Beneficios: Mayor eficiencia (hasta $98\%$ de recuperación de propano), ahorro energético (usa la propia presión del gas) y sostenibilidad.

Metodología de la Investigación

• Enfoque: Cuantitativo, numérico y comparativo.
• Naturaleza: No experimental, basada en simulaciones computacionales de escenarios reales.
• Modelo Termodinámico: Se utilizó la ecuación de estado de Peng-Robinson para realismo en las simulaciones.
• Procedimiento de Simulación:
  1. Definición de la composición del gas natural.
  2. Selección del modelo matemático.
  3. Evaluación de $4$ tecnologías: Refrigeración Mecánica, Joule-Thomson, Turboexpansión y Absorción.
  4. Registro de consumo energético y balance de masa.
  5. Comparación de eficiencias.

Desarrollo Práctico: Resultados Numéricos por Proceso

7.1 Refrigeración Mecánica

• Condiciones Iniciales: Entrada a $30^{\circ}C$ y $5,000\text{ kPa}$ ($100\%$ vapor).
• Temperaturas: Pre-enfriamiento a $0^{\circ}C$; enfriamiento intenso hasta $-74.64^{\circ}C$.
• Resultados de Separación (V-100): De una alimentación de $69,910\text{ kg/h}$, se recuperaron $40,598\text{ kg/h}$ de líquido ($29,048\text{ kg/h}$ enviados a la corriente principal).

7.2 Proceso Joule-Thomson ($JT$)

• Intercambiador E-100: Temperatura baja de $30.00^{\circ}C$ a $-35.00^{\circ}C$.
• Separador V-100: El $97.32\%$ permanece como gas y el $2.68\%$ condensa a $4,200\text{ kPa}$.
• Efecto válvula de expansión: Presión cae de $4,200\text{ kPa}$ a $3,000\text{ kPa}$, bajando la temperatura a $-44.29^{\circ}C$.
• Producto Final ($NGL$): Flujo de calor total de $-14,686,125.60\text{ kJ/h}$.

7.3 Turboexpansión

• Enfriamiento inicial: De $30^{\circ}C$ a $-6.67^{\circ}C$.
• Acción del Expansor: Temperatura cae a $-45.51^{\circ}C$; presión baja de $4,500\text{ kPa}$ a $1,917\text{ kPa}$.
• Generación de Energía: Trabajo mecánico de $3,997,042\text{ kJ/h}$.
• Estado Post-Expansión: $98.3\%$ vapor y $1.7\%$ condensado.
• Compresión Final: El gas residual sube de $-9.78^{\circ}C$ a $21.81^{\circ}C$.

7.4 Absorción con Amoníaco-Agua

• Mezcla: $50\%$ Amoníaco y $50\%$ Agua.
• Condición Criogénica Inicial: $-49.80^{\circ}C$ a $10\text{ kPa}$.
• Flujo Procesado: $17,522\text{ kg/h}$.
• Aircooler: Baja la temperatura del vapor de $30^{\circ}C$ a $-10^{\circ}C$.
• Calentador de Seguridad: Eleva vapor de $-10^{\circ}C$ a $40^{\circ}C$ para evitar daños por líquidos en equipos.

Análisis de Eficiencia Energética y Resultados de Pureza

• Pureza de Metano:
  • Refrigeración Mecánica: Incremento del $87\%$ al $95\%$ ($0.947$ molar).
  • Joule-Thomson: Incremento de $87.1\%$ a $88.8\%$.
  • Turboexpansión: Incremento de $87.1\%$ a $88.4\%$.
• Desempeño Energético:
  • Refrigeración Mecánica: $COP$ de $3.6$ ($q_{comp} = 8,287,015.20\text{ kJ/h}$; calor extraído $q_{enf} = 29,821,350.94\text{ kJ/h}$).
  • Turboexpander: Energía extraída ($q_{exp}$) de $3,997,042.07\text{ kJ/h}$ con un consumo de bomba despreciable de $18,453.74\text{ kJ/h}$.
  • Absorción: Requiere aporte térmico ($q_{he} = 1,082,135.73\text{ kJ/h}$) pero tiene un gasto de energía en bomba de $0.00\text{ kJ/h}$.

Conclusiones del Estudio

• Eficiencia en Condensados: En refrigeración mecánica a $-25^{\circ}C$, se alcanzan fracciones molares en el condensado de $0.126$ (etano), $0.187$ (propano) y $0.127$ (n-butano).
• Relación Selectividad-Rendimiento: Se validó que a mayor riqueza de pesados en el condensado, la cantidad volumétrica disminuye ($115,223.15\text{ kg/h}$ de líquido vs $404,407.45\text{ kg/h}$ de gas).
• Optimización por Proceso:
  • Joule-Thomson: El punto óptimo a la salida de la válvula es aproximadamente $1,000\text{ kPa}$ para maximizar condensados.
  • Turboexpander: La salida debe ser de aproximadamente $4,000\text{ kPa}$ para optimizar la riqueza en licuables.
• Equipamiento: El proceso $JT$ requiere menos equipos, mientras que la Turboexpansión ofrece la mejor recuperación aunque el sistema es más complejo.