INTRODUCCION

Los sistemas de refrigeración son muy comunes en las industrias

encargadas del procesamiento del gas natural y procesos relacionados con

la refinación del petróleo, petroquímicas e industrias químicas. Entre estos

usos se resalta la utilización de sistemas de refrigeración para el recobro de

LGN y GLP así como también para el control del punto de rocío de

hidrocarburos, condensación de reflujo en torres de fraccionamiento y

plantas de gas natural licuado (GNL).

El funcionamiento de un sistema de refrigeración típico de una planta de

procesamiento de gas natural está determinado generalmente por el uso de

intercambiadores de calor, los cuales son equipos compuestos por una

carcasa o cuerpo y un arreglo interno de tubos o segmentos de tubería para

lograr el intercambio térmico entre fluidos.

El fluido refrigerante se hace pasar por el lado de los tubos y el producto

que se desea enfriar por el lado de la carcasa, el resultado es el intercambio

de temperatura entre fluidos lográndose así la temperatura deseada. La

selección del fluido refrigerante depende de los requerimientos de

temperatura, disponibilidad, economía y experiencia previa.

El sistema de refrigeración de la planta de Fraccionamiento GLP Bajo

Grande es un sistema cerrado, el cual utiliza propano como medio

refrigerante y un compresor centrifugo de tres etapas (K-301A/B/C/D). La

función de este sistema es enfriar los productos fraccionados en la Planta

previo a su almacenaje en los tanques refrigerados.

El pentano y sus isómeros son componentes de la gasolina y de

diferentes fracciones volátiles de la destilación petrolífera. Se emplean en

numerosos procesos de síntesis, incluyendo la fabricación de productos

intermedios, agentes portadores y propelentes, en reacciones de

polimerización y como disolventes de extracción, así como también en la

fabricación de termómetros de baja temperatura.

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En Venezuela, específicamente en la región occidente, el pentano está

contenido en la gasolina natural producida en las principales plantas de la

región, por lo tanto su uso depende del inicio de su producción.

El CCO enviará un flujo de pentano hacia la planta de fraccionamiento

bajo grande para su refrigeración, en tal sentido se puede indicar que, se

requiere una infraestructura para el enfriamiento del pentano ya que

actualmente la planta no cuenta con un sistema de refrigeración de este

producto.

El pentano se debe conservar a temperaturas que estén por debajo de la

temperatura ambiente, ya que según el diagrama Presión-Entalpia de la

GPSA tiene un punto de burbuja a presión atmosférica aproximadamente de

97 ºF (36 ºC), lo que significa que en condiciones ambientales el producto se

evapora. Por esta razón se debe refrigerar para evitar pérdidas de producto

hacia la atmosfera y garantizar la estabilidad del proceso.

Dada la carencia de un sistema de refrigeración de pentano en la planta

de fraccionamiento Bajo Grande, y acudiendo a la necesidad de lo antes

citado, se considera imperiosa la necesidad de diseñar dicho sistema que

permita adecuar la temperatura a la requerida en planta.

El siguiente trabajo de investigación consta de 4 capítulos. En el 1capitulo

se aborda, el planteamiento del problema; se describe de manera amplia el

problema a estudiar, sus objetivos, justificación e importancia de nuestro

proyecto y la delimitación que puedan influir en la realización de esta

investigación.

El capitulo 2, contiene el marco teórico, el cual contiene de manera muy

completa los antecedentes previos a este proyecto, todas las bases teóricas

necesarias para comprender el estudio en cuestión y algunas definiciones

para facilitar la comprensión del mismo.

El capitulo 3 lo constituye el Marco Metodológico, donde se define el tipo

de investigación, el diseño de la investigación, así como también las fuentes

y técnicas de recolección de la información, y la unidad de análisis.

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CAPITULO IEL PROBLEMA

Planteamiento del problema El gas natural es una fuente de energía valiosa que puede ser utilizada

para la obtención de derivados, como combustible o para producir energía.

Asimismo representa una alternativa para sustituir el combustible vehicular

bajo un esquema de combustible más limpio. Actualmente en el mundo

existen reservas probadas que sobrepasan los 200 Trillones de pies cúbicos

lo que abre las puertas de la economía de las naciones que poseen esa

valiosa fuente de energía hacia un mejor futuro.

El gas natural está formado por los miembros más volátiles de la serie

parafínica de hidrocarburos, principalmente metano, cantidades menores de

etano, propano, butano y finalmente puede contener porcentajes muy

pequeños de compuestos más pesados (Martínez 1994).

Las reservas probadas de gas en nuestro país, se caracterizan por

estar asociadas al petróleo, por lo que gran parte de la producción de gas se

inyecta o se ventea. Conviene resaltar como prueba evidente del tardío

interés de Venezuela por el gas natural, que hasta el año 1969 no se aprobó

un decreto por el que se regulaba la conservación de los recursos

hidrocarburos, cuyo objetivo principal era reglamentar el quemado del gas en

los llamados mecheros. (PDVSA, 2005)

En tal sentido, La importancia del gas natural radica en la obtención de los

líquidos del gas natural (LGN), los cuales están formados por propano,

butano, pentano y otros componentes hidrocarburos más pesados, y son

utilizados en el mercado interno como combustible y materia prima, así como

el mercado doméstico. Por otro lado, 31% de la producción abastece los

mercados internacionales. La industria más importante de Venezuela,

PDVSA, a través de su filial PDVSA Gas, está orientada a Extraer, fraccionar,

almacenar, despachar y comercializar los líquidos de gas natural (LGN). De

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esta manera al procesarse el gas, los compuestos resultantes (LGN) se

fraccionan, es decir, se separa la mezcla en productos individuales, los

mismos deben ser refrigerados dentro de especificaciones para su

almacenamiento y posterior despacho a buques. (PDVSA Gas 2010)

La Planta de Fraccionamiento GLP Bajo Grande, adscrita a la gerencia de

Procesamiento de Gas Occidente y perteneciente a PDVSA Gas, se encarga

del Fraccionamiento de los Líquidos del Gas Natural (LGN) y su

refrigeración, mediante un sistema que utiliza propano como medio

refrigerante y consta de tres niveles de refrigeración 32 °C, 0 °C y –26 °C. El

propano se almacena en el tambor acumulador V-311 y desde allí se

alimenta las carcasas de los enfriadores E-305 (propano), E-318 (n-butano),

E-316 (iso-butano) y E-307 (gasolina).

Este sistema de refrigeración está conformado por: Un sistema de

refrigeración de propano, uno de iso-butano, un sistema de refrigeración de

normal-butano y por ultimo uno de gasolina natural, cada uno de estos

sistemas están acoplados a una línea de suministro de un agente

refrigerante (propano) proveniente de un tanque acumulador, este sistema

opera bajo un esquema de ciclo cerrado.

Cabe destacar, que La Planta de Fraccionamiento Bajo Grande fue

construida entre los años 1968 y 1969 y entró en funcionamiento en junio de

1970, Se encuentra ubicada en el Municipio La Cañada de Urdaneta, al sur

de la ciudad de Maracaibo sobre una extensión de 195 hectáreas y en ella se

recogen los líquidos del gas natural (G.L.P.) provenientes de las plantas

Lama y Lamarlíquido; y mezclas de butanos y más pesados suministrados

por las plantas de LGN El Tablazo I y II.

Esta alimentación se procesa para obtener propano, iso-butano, n-butano

y gasolina natural la cual comprende la fracción de pentano en adelante

(C5+). Estos productos sirven de materia prima para la industria Petroquímica

y de Refinación. Funcionalmente la planta GLP Bajo Grande está

conformada por tres secciones operacionales: Fraccionamiento,

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Almacenamiento y Despacho de productos. Originalmente, esta planta se

diseñó para producir 11505 BPD de propano, 5173 BPD de iso-butano, 9526

BPD de n-butano y 5538 BPD de gasolina natural ya que adicionalmente a

las alimentaciones de las plantas Lama, Lamarlíquido y El Tablazo; existía

una alimentación de butanos proveniente de la planta La Paz.

Posteriormente con la salida de servicio de planta La Paz en 1987, la planta

GLP Bajo Grande quedó con capacidad para procesar 25600 BPD de GLP

para obtener 11505 BPD de C3, 2567 BPD de i-C4, 5990 BPD de n-C4 y 5538

BPD de C5+.

El producto final obtenido en el proceso de fraccionamiento, la gasolina

natural, está compuesta por pentano (Iso y Normal pentano) y otros

hidrocarburos más pesados, esto conlleva a que la gasolina producida en la

planta posea un alto RVP de 17 psia (Gasolina Natural no Estabilizada)

gracias al contenido de pentanos.

En este sentido, se pudo conocer que el problema radica en que se

requiere reducir el valor de la Presión de Vapor de Reíd (RVP) de la gasolina

hasta un valor máximo de 7 Psia, a fin cumplir con las exigencias

internacionales de regulación de emisión de vapores orgánicos a la

atmosfera, y esto se logra mediante la remoción del contenido de pentanos.

(PDVSA Gas 2010).

El pentano, es un producto particular en la producción de líquidos de la

industria de extracción del LGN, ya que comúnmente está contenido en la

gasolina natural (C5+). Cuando estos son producidos pueden ser tratados

técnicamente como N-butano. Con lo antes expuesto, se puede indicar que

el pentano puede ser almacenado como producto refrigerado a presión

atmosférica o como producto presurizado.

Como producto refrigerado puede ser almacenado en tanques de techo

fijo (o doble techo flotante) a presiones alrededores de 0.1 Psig y

temperaturas de aproximadamente 75 ºF, para lo cual es necesario contar

con un sistema de refrigeración.

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Por su parte como producto presurizado, el pentano en grandes

volúmenes, a presiones de 25 Psig y temperatura ambiente debe ser

almacenado en esferas. Debido a que la factibilidad técnico-económica

apunta hacia la opción del almacenamiento refrigerado del pentano que será

producido en la planta, y el flujo proveniente del Nuevo Tren de

Fraccionamiento del Complejo Criogénico de Occidente (NTF-CCO), se

requiere un sistema que permita su enfriamiento.

En consecuencia, se pudo conocer que el problema radica en que la

planta de fraccionamiento bajo grande no cuenta con un sistema de

refrigeración de pentano, debido a esta situación surge la necesidad de

diseñar un sistema de refrigeración de pentano para La Planta de

Fraccionamiento GLP Bajo Grande, que pueda acoplarse a la línea de

suministro de propano refrigerante, y coloque al pentano en especificaciones

requeridas, ya que la planta no cuenta con un enfriador de pentano en su

sistema de refrigeración.

El pentano producto, se visualiza utilizar como: Alimentación de la

industria Petroquímica Refinería Paraguana, Alimentación a la Industria

Petroquímica Conversión Olefinas II, Combustible Turbinas Generadoras,

Mercado de Exportación, En la actualidad las plantas existentes en la región

de Occidente, no cuentan con facilidades para el almacenamiento de

pentano, lo que hace imperante la necesidad del diseño y construcción de

nuevas instalaciones para el almacenaje y despacho de dicho producto.

Cabe destacar, que Anteriormente sería dirigido hacia el Terminal Lacustre

La Salina ubicado en Cabimas, estado Zulia, para su refrigeración y

almacenamiento.

Aunque luego, estudios realizados determinaron que no era viable

estratégica y económicamente llevar a cabo este proceso en La Salina, ya

que dentro de la planta de fraccionamiento Bajo Grande se producirá

pentano y es más factible refrigerarlo en la propia planta debido a que se

cuenta con espacio físico para colocar nuevos equipos y/o recipientes.

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Formulación del Problema Dentro de este marco, y basados en la situación planteada resulta

conveniente efectuarse la siguiente pregunta:

¿Cuáles son las características que debe poseer un sistema de

refrigeración de pentano en la planta de fraccionamiento Bajo Grande, que

permita adecuar las condiciones de temperatura del pentano para su

almacenamiento?

Objetivos de la Investigación

Objetivo general Diseñar un sistema de refrigeración de pentano en la planta de

fraccionamiento GLP Bajo Grande.

Objetivos Específicos Describir los sistemas de refrigeración de Iso-butano, Normal-butano, y

Gasolina Natural existentes en la planta de fraccionamiento GLP bajo

grande.

Establecer los parámetros operacionales y de diseño del nuevo sistema de

refrigeración de pentano en la planta GLP Bajo Grande.

Plantear los elementos (chiller y líneas asociadas) del nuevo sistema de

refrigeración de pentano de la planta de fraccionamiento GLP bajo grande.

Proponer un sistema de refrigeración de pentano para la planta de

fraccionamiento GLP bajo grande.

Justificación de la Investigación Producto de la obsolescencia de plantas productoras de pentano en la

región occidente, y por ende de sistemas de enfriamiento de pentano, se

hace imperiosa la necesidad de crear un sistema que permita su

refrigeración, en este sentido se realizará la búsqueda de teorías y

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conceptos, entre otros aspectos, que permitan fundamentar el diseño de

dicho sistema. Por esta razón el presente trabajo sirve de base para futuras

investigaciones que se puedan llevar a cabo en la institución, dada a la

variedad de información existente.

Asimismo, este instrumento sirve de guía para futuros investigadores que

tengan la necesidad de crear un sistema similar y no tengan a mano las

herramientas requeridas para iniciar y más aún si se tiene una vasta idea al

respecto. También permite agregar un instrumento más para seguir dándole

bases a la ingeniería de gas que poco a poco va recibiendo aportes

necesarios que cubren la escasez de información, dada la relativamente

nueva creación de la carrera en el país.

Por otra parte, se ha podido investigar que gran parte de la información

referente la carrera ingeniería de gas, se encuentra definido en otros

idiomas, ya que países extranjeros tienen una extensa trayectoria iniciada

hace largo tiempo, la cual ha permitido escribir experiencias de campo e

investigaciones realizadas que le sirven de instrumento para la ejecución de

procedimientos, diseño de equipos, diseño de sistemas de refrigeración,

procesamiento del gas natural, entre otros.

También desde el punto de vista ecológico se destaca la importancia de

prevenir la emanación de los vapores de la gasolina no estabilizada a la

atmosfera, lo que ocasiona la contaminación de la misma, al ventear estos

vapores por causa del incremento de la presión en el tanque de

almacenamiento.

Por otra parte, desde el punto de vista técnico se resalta la importancia

que constituye el diseño del sistema de refrigeración, debido a que las

propiedades del pentano permiten su evaporación en condiciones normales

(ambientales) y en consecuencia al existir vapores dentro del tanque de

almacenamiento, esto hace que se eleve la presión, lo que a su vez conlleva

a la activación de las válvulas de alivio, calibradas para soportar una

determinada presión, para ventear el exceso de vapor hacia la atmosfera.

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Cabe resaltar que para el almacenamiento del pentano se estudiaron dos

alternativas, bajo las cuales es posible almacenar el pentano y que

determinaron la selección de la mejor opción: A) almacenamiento refrigerado

a presión atmosférica o B) como producto presurizado.

Para la opción “A” se determinó su factibilidad económica y operacional,

en base a los requerimientos que se desean incorporar para el

almacenamiento del producto, para el cual se requieren dos tanques de

90000 bbl C/U de techo fijo con aislamiento y tiene una inversión de 29,94

MMBsF.

Mientras que la opción B, es decir como producto presurizado a

temperatura ambiente se necesitan seis (6) tanques tipo esfera de 30000 bbl,

lo cual tiene una inversión de 64,19 MMBsF. En consecuencia la mejor

alternativa es el almacenamiento refrigerado (opción A) ya que por un lado

existe un menor costo en infraestructura, y por otro lado se resalta que este

proyecto no genera ingresos ya que un sistema de almacenamiento es una

infraestructura de apoyo operacional por lo tanto será un proyecto de solo

costos y la alternativa menos costosa será la opción más favorable. En

consecuencia, la opción elegida representa una razón de peso que justifica el

presente estudio.

También la selección del almacenamiento refrigerado del pentano se

debe a que estudios realizados por personal de PDVSA Gas revelaron la

factibilidad del este sistema, que a su vez busca el procesamiento adecuado

del pentano, en el marco de proyectos destinados producción de

hidrocarburos que posee PDVSA Gas para satisfacer las demandas del

mercado como es el caso del proyecto “Complejo Criogénico de Occidente”

el cual enviará aproximadamente 7800 BPD a la planta Bajo Grande de

pentano para su refrigeración sumado a 1400 BPD que se estima se

produzcan en la planta en el marco de la instalación de la nueva unidad

despentanizadora. Por esta razón se evidencia la necesidad de diseñar un

sistema de refrigeración de pentano.

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Delimitación de la Investigación

Espacial El presente trabajo se realizará en La planta de Fraccionamiento Bajo

Grande, adscrita a la gerencia de Procesamiento de Gas Occidente y

perteneciente a PDVSA Gas, y se encuentra ubicada al margen de la

carretera vía La Cañada, a la altura del km 16, en El Municipio La Cañada de

Urdaneta, Estado Zulia, esta se encarga del Fraccionamiento de los Líquidos

del Gas Natural (LGN), para la producción de Propano, Isobutano,

Normalbutano y Gasolina Natural.

Temporal El tiempo estimado para la ejecución y desarrollo del trabajo de

investigación es de seis (6) meses, comenzando el 04 del mes de mayo del

presente año 2011 y culminando el 11 de noviembre de 2011.

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