La unidad de Joule- Thomson

Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / UNIDAD IX – Sistemas de refrigeración:
La unidad de Joule-Thomson
Unidad IX:
Sistemas
Thomson
de
Refrigeración:
1. El ajuste del punto de rocío
1.1. Condiciones de aplicación de la unidad J-T
2. Funcionamiento de la unidad J-T convencional
3. Funcionamiento de la unidad J-T subenfriada
1
La
unidad
de
Joule-
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / UNIDAD IX – Sistemas de refrigeración:
La unidad de Joule-Thomson
Durante el tratamiento del gas es necesario realizar un proceso llamado ajuste del punto de
rocío que se realiza a partir de un proceso de reducción de la temperatura. De este modo se
evita la condensación de los hidrocarburos más pesados durante el transporte y distribución
del gas.
Para este proceso se utilizan distintos tipos de sistemas de refrigeración. En esta unidad
presentaremos y analizaremos especialmente el proceso de refrigeración por efecto
denominado Joule-Thomson.
Veamos dónde se ubica éste tema en el esquema general del proceso:
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La unidad de Joule-Thomson
1. El ajuste del punto de rocío
El principal objetivo de las unidades de ajuste del punto de rocío es evitar la formación de condensados
durante el transporte del gas, producidos por la disminución de la presión, de la temperatura o de ambas.
Esto se logra enfriando el gas hasta una temperatura inferior a la temperatura más baja que por cualquier
razón pudiera alcanzar el gas en su recorrido.
Este valor de la temperatura mínima está fijado por las normas locales. En Argentina, la Resolución Nº 622
de Enargas, especifica el punto de rocío límite que debe tener el gas en todo el territorio.
En las unidades de ajuste de punto de rocío se obtiene como subproducto una cantidad de condensado,
compuesto por propano y superiores, denominados LPG. Si la cantidad producida lo justifica, el LPG se
fracciona separando sus componentes que son posteriormente comercializados.
En la mayoría de los casos, el enfriamiento se logra mediante refrigeración mecánica, utilizando propano en
circuito cerrado como refrigerante. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, el enfriamiento del gas se logra
también por simple expansión del fluido, en una unidad Joule–Thomson (J-T) o auto refrigerante. Lleva este
nombre en referencia al efecto Joule-Thomson que indica que cuando un gas se expande, se enfría.
Este principio, se aplica a la mayoría de los hidrocarburos aunque no sea rigurosamente cierto. En las
condiciones en que se encuentran los hidrocarburos a la salida de los pozos, este efecto se cumple.
Controlando las condiciones de presión y temperatura en la expansión, es posible enfriar el gas y reducir el
punto de rocío al valor especificado por la norma.
1.1.
Condiciones de aplicación de la unidad J-T
¿Cuáles son las condiciones de aplicación de la unidad J-T?
Caudal de gas
relativamente pequeño
(menor de 0.3
MMSm3/d).
Adecuada caída de
presión para generar el
efecto refrigerante.
Necesidad de condensar
pequeñas cantidades para
que el gas entre en
especificaciones
Las unidades J-T, cuando son aplicables, tienen la ventaja de no requerir energía externa ni servicios,
excepto una pequeña cantidad de metanol. El metanol se inyecta en la corriente de gas para neutralizar el
agua libre y evitar el taponamiento por formación de hidratos.
2.
Funcionamiento de la unidad J-T convencional
El proceso de funcionamiento de la unidad J-T es muy simple. Consiste en enfriar la corriente de gas
caliente y de alta presión, con gas frío ya procesado en un intercambiador. Así, se logra que, antes de la
expansión, el gas esté tan frío como sea posible. Cuanto más baja sea la temperatura, mayor será la
condensación.
Analicemos cómo funciona una unidad J-T:
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La unidad de Joule-Thomson
1. El gas a procesar ingresa a la unidad a través de un intercambiador gas-gas.
2. Una vez pre-enfriado, el gas se expande a través de una válvula J-T. La expansión produce la
condensación de parte de la fracción más pesada.
3. El condensado se separa en un separador convencional. Desde allí, sale el gas frío hacia el
intercambiador de entrada. Luego, pasa a compresión o directamente al gasoducto. El líquido separado
se procesa según su cantidad y calidad.
Desde punto de vista del proceso, es conveniente que el gas se enfríe tanto como sea posible. De todos
modos, existe una limitación dada por la resistencia de los materiales con que están construidos los
equipos. El material, generalmente acero al carbono, soporta una temperatura de hasta –20º F (-29 °C). A
menores temperaturas se deben considerar otros materiales o bien, ensayos adicionales al acero al
carbono, detallados en las normas de fabricación.
Generalmente, el separador utilizado es uno de los que se emplea en separas gas-líquido. Si fuera
necesaria una inyección de glicol para evitar la formación de hidratos, se utiliza un separador trifásico
convencional.
Es posible una inyección de metanol en vez de glicol. En este caso, como el metanol es soluble en agua, no
será posible separarlo por diferencia de densidad y se perderá con el agua.
3.
Funcionamiento de la unidad J-T subenfriada
Es posible aumentar el subenfriamiento para aumentar la cantidad de condensado. Además de preenfriar el
gas con el gas frío ya procesado como en la unidad convencional, en la unidad J-T subenfriada se enfría
luego, con el condensado separado, en un intercambio de calor gas-líquido.
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La unidad de Joule-Thomson
Analicemos cómo funciona una unidad J-T subenfriada:
1. El gas a procesar se preenfría en un intercambiador gas-gas.
2. El pre-enfriamiento del gas continua en un intercambiador gas-líquido. El subenfriamiento logrado en
el gas de alta presión, provoca la condensación de algo de líquido.
3. El líquido condensado en alta presión, se separa en un separador convencional antes de la
expansión en la válvula J-T. De este modo, el gas llega seco y más frío que en una unidad convencional
a la válvula J-T.
4. Luego se expande el gas en la válvula J-T. Se logra condensar así, una mayor cantidad de LPG, con
una disminución mayor del punto de rocío del gas.
5. Los líquidos condensados luego de la expansión en la J-T se separan en un separador convencional.
Desde el separador, los líquidos se conducen al intercambiador gas-líquido para preenfriar el gas. El
gas seco y frío se conduce al intercambiador gas-gas para el mismo propósito.
El diseño de los equipos que conforman estas unidades, depende del caudal, composición y propiedades
del gas. También, de la ingeniería del fabricante que puede variar en los detalles, aunque no en lo
fundamental.
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La unidad de Joule-Thomson
En el cuadro que sigue se representa esquemáticamente una síntesis de los contenidos de la unidad.
Sistemas de refrigeración
Ajuste del punto de
rocío
Separación del
condensado
Refrigeración por
expansión a través de una
válvula:
unidad Joule-Thomson
Separador convencional
o
Separador trifásico
6
convencional
Con subenfriamiento