7.3 Deshidratación Con LECHOS SÓLIDOSl

Curso de Procesos

DESHIDRATACION CON LECHOS SOLIDOS

HT

Deshidratación con Lechos Sólidos 7.3. 1

Deshidratación Con Lechos Sólidos Teoría  Trabaja con el principio de ADSORCION. 

La adsorción es un fenómeno en el cual una sustancia (Adsorbado) es condensada y sostenida en estado líquido en la superficie de un adsorbente.



La adsorción es una forma de adhesión entre el vapor de agua del gas y la superficie del sólido desecante.



El adsorbente posee una afinidad o atracción por el componente específico debido a las fuerzas de Van derr Waal de Waalss o atra atracc cció ión n capi capila lar. r.

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Deshidratación Con Lechos Sólidos Teoría  Trabaja con el principio de ADSORCION. 

La adsorción es un fenómeno en el cual una sustancia (Adsorbado) es condensada y sostenida en estado líquido en la superficie de un adsorbente.



La adsorción es una forma de adhesión entre el vapor de agua del gas y la superficie del sólido desecante.



El adsorbente posee una afinidad o atracción por el componente específico debido a las fuerzas de Van derr Waal de Waalss o atra atracc cció ión n capi capila lar. r.

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Deshidratación Con Lechos Sólidos Teoría (continuación)  El adsorbente o desecante es un sólido con un área superficial muy grande por unidad de peso, debido a multitud de poros microscópicos y aperturas capilares. 

Un desecante típico puede tener hasta 4 millones de ft² de área área superf superfici icial/l al/lb. b.



El agua permanece en el adsorbente hasta que sea regenerado.

HT


Deshidratación Con Lechos Sólidos Ventajas del Proceso  Produce puntos de rocío muy bajos, por lo que se usan en plantas criogénicas.  El gas no arrastra líquidos, por lo que los ductos mantienen una alta eficiencia.  Es adaptable para grandes cambio en flujos.  Puede manejar temperaturas de contacto altas.  Menores emisiones de C1, VOC, HAP a la atmósfera  Es un dispositivo sencillo; no tiene partes móviles y no necesita un suministro de energía externo, por lo tanto, es ideal para las zonas remotas.  Funcionan mejor con flujos de Gas ≤ 5 MMCFD, y a T° bajas y P altas.

HT


Deshidratación Con Lechos Sólidos Desventajas del Proceso  El costo inicial es más alto que un sistema con glicol. 

La caída de presión global es de 15 – 50 psi (sistema con glicol: 5 psi)



Los desecantes son sensibles al envenenamiento con líquidos u otras impurezas



Si la temperatura de entrada del gas es demasiado alta, los desecantes forman hidratos que se precipitan de la solución y causan problemas de drenado de agua y apelmazamiento. Aunque es posible enfriar o comprimir el gas producido para poder usar los deshidratadores desecantes, estas medidas aumentan la complejidad del sistema y por lo general son muy costosos. HT


Deshidratación Con Lechos Sólidos Tabla 1: Condiciones óptimas de operación para las tecnologías de deshidratación

Presión baja (<100 psig)

Presión alta (>100 psig)

Baja temperatura (<70°F)

Desecante/glicol1

Desecante

Alta temperatura (>70°F)

Glicol

Glicol/desecante2

1 El gas quizás tenga que calentarse para usar un deshidratador de glicol, o comprimirse para usar un deshidratador desecante. 2 El gas quizás tenga que enfriarse para usar un deshidratador desecante.

HT


Deshidratación Con Lechos Sólidos – Descripción del Proceso Gráfico 1: Esquema de un deshidratador de lecho sólido

HT


Deshidratación Con Lechos Descripción del Proceso

Sólidos

–

Consideraciones Generales 

Se instalan al menos 2 torres de lechos desecantes para tener operación cíclica de secado de gas.



Hay 3 ciclos de operación alternados para cada lecho: – Adsorción o secado de gas – Calentamiento o regeneración – Enfriamiento. HT



Sólidos

–

Componentes principales del Proceso  Separador de gas de entrada.  2 o más torres de adsorción llenados con desecante sólido.  Un calentador de alta temperatura para calentar el gas de regeneración usado en para reactivar el desecante.  Un enfriador del gas de regeneración para condensar el agua del gas de regeneración caliente.  Un separador del gas de regeneración para remover el agua condensada.  Válvulas de cambio y controles. HT



Sólidos

–

Ciclo de secado o adsorción  El gas húmedo entra al separador donde los líquidos libres y partículas sólidas son removidas (líquidos libres pueden dañar o destruir el desecante).  El gas pasa a la torre, a través de válvulas de distribución on-off, en flujo descendente, donde se adsorben las moléculas de agua.  La tasa de adsorción dependerá de la naturaleza química del desecante, el tamaño de sus moléculas y el tamaño de los poros.  Los hidrocarburos líquidos también serán adsorbidos y llenarán los espacios de los poros que deberían estar disponibles para las moléculas de agua.  La adsorción se da hasta que el contenido de agua en el gas esté en equilibrio con el contenido de agua en el adsorbente. HT



Sólidos

–

Ciclo de secado o adsorción (continuación)  Para cada componente del gas de entrada, habrá una sección de altura o longitud de lecho, desde el tope hasta abajo, donde el desecante es saturado con ese componente y donde el desecante inferior empieza a adsorber ese componente.  Esta altura de lecho se llama Zona de Transferencia de Masa.  Conforme el gas continua entrando, esta capa crece y la zona de transferencia se mueve hacia abajo, hasta que finalmente todo el lecho está saturado y el gas de salida es igual de húmedo que el gas de entrada.  Antes que esto suceda debe cambiarse de torres y pasarse al ciclo de regeneración. HT



Sólidos

–

Gráfico 2 - Ciclo de secado o adsorción – Zonas de Saturación Adsorbente  El fenómeno de adsorbente saturado, zona de transferencia y zona de mínima concentración se observa en este gráfico.  El lecho permanece en servicio hasta que la zona de transferencia alcance el fondo, lo que se llama RUPTURA.  La práctica normal dicta que el ciclo de adsorción termine antes de la ruptura.

HT



Sólidos

–

Ciclo de regeneración o reactivación o calentamiento  Al menos una vez en el tiempo una de las torres estará adsorbiendo mientras que la otra estará siendo calentada o enfriada para regenerar el desecante.  En este ciclo 3 – 10% del flujo de gas húmedo, proveniente del separador, bajo control de flujo es calentado a 450 -600°F en el calentador de alta temperatura.  El gas de regeneración que entra al calentador es saturado o casi saturado. Cuando sale del calentador a 500 -600°F, es muy insaturado con agua.  El gas caliente insaturado entra por la parte baja de la torre y contacta con el desecante o adsorbente saturado y calienta el adsorbente, el agua del adsorbente y el recipiente. HT



Sólidos

–

Ciclo de regeneración o reactivación o calentamiento (continuación)  Conforme la temperatura dentro de la torre se incrementa, el agua capturada dentro de los poros del desecante se vaporiza y es absorbida por el gas de regeneración.  El proceso de regeneración o desorción es ayudado debido a que la capacidad de adsorción de la mayoría de adsorbentes decrece a elevadas temperaturas.  El gas sale por el tope de la torre y enfriado en el enfriador de gas de regeneración hasta una temperatura cercana a la temperatura de entrada del gas húmedo y por tanto el agua es condensada.  El fluido bifásico va al separador de gas de regeneración para separar el agua y el gas de regeneración saturado es reciclado para ser deshidratado. HT



Sólidos

–

Ciclo de enfriamiento  Una vez que el lecho de una torre se ha secado, debe ser enfriado para ponerla de nuevo en el ciclo de adsorción.  El gas usado como enfriamiento puede ser el gas húmedo o el gas que ya ha sido deshidratado.  Si se usa gas húmedo debe ser deshidratado luego de enfriar la torre.  Una torre caliente no deshidratará el gas suficientemente.  Temperatura operativa de la torre = 100°F – 120°F.  El cambio de lechos o torres es controlado por un controlador de tiempos o ciclos estos cambios en tiempos especificados. HT



Sólidos

–

Generales 

La duración de cada ciclo dependerá del diseño que se tenga.



Ciclo con tiempos más largos requerirán lechos más grandes, serán más caros pero se incrementará la vida útil del lecho.



Un diseño de 2 lechos, puede tener un ciclo de 8 para la adsorción, 6 horas de calentamiento o regeneración y 2 horas de enfriamiento.



El aislamiento interno de torres elimina la necesidad de calentar y enfriar la torre y a reducir tiempos, cantidad de gas y costos. HT


Deshidratación Con Lechos Consideraciones de Diseño

Sólidos

–

Torre de Adsorción  La función de la torre es contener el adsorbente.  Principales elementos: soporte de lecho, distribuidor de la corriente de proceso, adsorbente y conexiones para remoción.  El soporte de lecho sostiene el material del lecho en el recipiente y previene la pérdida de material.  Un soporte debe tener la suficiente resistencia: Carga Muerta (peso del adsorbente) + Carga Viva (caída de presión del fluido de proceso) y no causar un P excesivo por sí mismo.  Bolas de soporte cerámicos: ¾” en el fondo + ¼” en el intermedio + ⅛” arriba.  El distribuidor: asegura una distribución adecuada del fluido a través del lecho, sin canalizaciones y sirve como absorbedor de momentos si es que líquidos libres entran en la corriente de gas.  Las conexiones para descarga de adsorbente de suficiente tamaño: 6 -8” HT



Sólidos

–

Duración de los Ciclos  La Planta opera con duración de ciclos fijos y normalmente para la peor condición. 

La capacidad del adsorbente declina con el tiempo. En los primero meses la capacidad desecante es alta.



Por ello, algunos instalan analizadores de humedad en el gas efluente y ajustan la duración del ciclo con ello.



El ajuste del ciclo con analizadores de humedad ahorra costos de combustible para regeneración y alarga la vida útil del desecante. HT



Sólidos

–

Velocidad del Gas 

A menor velocidad de gas mayor capacidad del desecante para deshidratar, por lo que puede ser deseable operar a una velocidad mínima.



Pero, bajas velocidad de gas requieren torres con área transversal grandes para un flujo dado de gas.



Hay que balancear entre l diámetro de la torre y el máximo uso del desecante.



El mínimo diámetro interno de la torre para una determinada velocidad superficial está dada por: HT



Sólidos

–

Velocidad del Gas (continuación) 

Ecuación (1) 2

d

= 3600

Qg TZ V m P



d = diámetro interno del recipiente, pulgadas



Qg = Flujo de Gas, MMSCFD



T = Temperatura del gas, °R



Z = Factor de compresibilidad



Vm = Velocidad superficial del gas, ft/min



P = Presión del gas, psia HT



Sólidos

–

Gráfico 3 – Máxima Velocidad de Diseño - Adsorbedores de Lecho Sólido

HT



Sólidos

–

Relación Altura de Lecho / Diámetro  L/D > 2.5 para evitar deshidrataciones pobres causadas por flujos no uniformes y canalizaciones e inadecuado tiempo de contacto entre el gas húmedo y el desecante. Caída de Presión P ≈ 5 psi a través del  Las torres se diseñan para un desecante , diseñar para P > 8 psi no es recomendado, pues el desecante es frágil y puede ser aplastado por el peso total del lecho y las fuerzas de las caídas de presión. P obtenido luego de calcular la  Se debe verificar el altura del lecho con: HT



Sólidos

–

Caída de Presión (continuación) ∆P

– Ecuación (2)

–

L

2

= Bµ V m + C ρ V m

P = Caída de Presión, psi

– L = Longitud del lecho, ft –

= Viscosidad del gas. Cp

–

= Densidad del gas, lb/ft²

– Vm = Velocidad del gas superficial, ft/min – B, C = Constantes (ver Tabla 2)

HT



Sólidos

–

Caída de Presión (continuación) 

Tabla 2 - Las constantes B y C están dadas por:

Tamaño y Forma

B

1/8" perla

C 0,056

0,0000889

0,0722

0,000124

1/16" perla

0,152

0,000136

1/16" extrudado

0,238

0,000210

1/8" extrudado

HT


Deshidratación Con Lechos Selección del Desecante

Sólidos

–

Factores para Selección del desecante  Debe tener afinidad para los componentes a ser removidos 

Debe ser fácilmente regenerable



Debe mantener su actividad por un periodo de tiempo extendido



Debe poseer alta resistencia mecánica al aplastamiento y a la formación de polvo, sobre todo en condiciones húmedas o saturadas.



Debe tener una baja resistencia al flujo del fluido. HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 

Todos tienen un área superficial muy grande en relación al peso 1.5 MMft²/lb ó 300 m²/gr), debido a la existencia poros muy finos o capilares.



Los más comúnmente usados: – Tamices Moleculares – Sílica gel – Alúmina activada

HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 1. Tamices Moleculares  Son zeolitas cristalinas en forma de silicatos de alúmina y metal, generalmente sodio.  Diámetro de poro = 3 -10 Angstroms  Seleccionando el metal puede controlarse el tamaño de poro, por lo que puede fabricarse “hecho a la medida” para casi cualquier aplicación.  Como los otros, tiene preferencia por el agua.  Aplicaciones: – Deshidratación de gas natural y de líquidos a niveles de agua de hasta 1 ppm. – Remoción de gases ácidos (H2S, CO2, mercaptanos) del gas natural y de líquidos.  A diferencia de los otros desecantes tiene una curva de capacidad de adsorción de agua casi plana: HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 1. Tamices Moleculares (continuación)







Humedad Relativa

Capacidad de adsorción

2%

15 lb/100 lb tamiz

10%

20 lb/100 lb tamiz

20%

22 lb/100 lb tamiz

50%

23 lb/100 lb tamiz

100% (saturado)

23 lb/100 lb tamiz

El tamiz tiene una fuerte atracción para varios componentes, por lo que debe ser regenerado a altas temperaturas (450°F – 600°F). Al ser usado en aplicaciones críticas, es regenerado con una parte de la corriente del efluente purificado. Ha sido considerado como un material que adsorbe hidrocarburos por su estructura de poro controlada.

HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 1. Tamices Moleculares (continuación) 

En resumen, los tamices moleculares poseen la más alta capacidad de adsorción de agua (ver Tabla 3) y saca los puntos de rocío más bajos.



Puede ser usado tanto para endulzamiento como para deshidratación de gases y líquidos.



Su capacidad de agua en equilibrio es menos dependiente de la temperatura de adsorción y de la humedad relativa.



Son generalmente más caros.

HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 2. Sílica Gel  Es el nombre genérico para el gel cuyo principal componente es SiO2.  Está disponible en forma granular y en perlas, las 2 tienen la misma capacidad de adsorción.  Se usa para deshidratar el gas natural hasta especificaciones para ductos (4 – 7 lb/ MMSCF) y para extracción de líquidos de las corrientes de gas.  Es un compuesto inerte que no es afectado por los gases ácidos.  Su capacidad de adsorción se reduce cuando está expuesto a amoníaco y a aminas. HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 2. Sílica Gel (continuación)  Hidrocarburos pesados y glicoles tienden a cubrir la sílica gel.  Puede ser regenerado en temperaturas de: 425°F 500°F.  Sílica del tipo perlas es más susceptible a rotura que la granular causada por líquidos libres arrastrados y son químicamente atacados por algunos inhibidores de corrosión.  Da puntos de rocío entre -70°F y -80°F.  La curva de adsorción de agua es la siguiente:

HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 2. Sílica Gel (continuación) Humedad Relativa


10%

6 lb/100 lb gel

20%

10 lb/100 lb gel

40%

22 lb/100 lb gel

60%

35 lb/100 lb gel

80%

40 lb/100 lb gel

100% (saturado)

42 lb/100 lb gel

HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 3. Alúmina activada 

Es la forma hidratada del Al 2O3 , es realmente una alúmina gel.



Está disponible en forma granular y en perlas, siendo esta última la más usada.



Tiene más alta resistencia mecánica que el sílica gel y es menos susceptible a la rotura. Puede adsorber hidrocarburos pesados de la corriente de gas, los cuales son más difíciles de regenerar comparando con la sílica gel.



Puede ser regenerado en temperaturas de: 350°F - 400°F.



Las alúminas son las más afectadas con el incremento de temperatura.



Da puntos de rocío en -100°F. (el tamiz puede llegar hasta -150°F).



La curva de adsorción de agua es la siguiente:

HT



Sólidos

–

Clasificación y características de los desecantes 3. Alúmina activada Humedad Relativa


10%

7 lb/100 lb alúmina

20%


40%


60%


80%


100% (saturado)


HT



Sólidos

–

Tabla 3 - Propiedades de los Desecantes Sólidos Desecante

Forma

Densidad lb/ft³

Cp Btu/lb °F

Tamaño

Capacidad de Adsorción de Diseño, %P

Temp. de regeneración

Alúmina Activada

Granular

51

0.24

¼” – malla 8

7

350 - 600

Mobil Sílica Gel SorbeadR

Esférica

49

0.25

Malla 4 -8

6

300 - 500

Alúmina Gel Alcoa H-151

Esférica

52

0.24

⅛” - ¼ ”

7

350 - 850

Tamiz molecular 4A

Esférica / cilindro extrudado

45

0.25

⅛”

14

450-550

HT



Sólidos

–

Gráfico 4- Capacidad de Adsorción vs Humedad Relativa de Desecantes Sólidos

HT


7.3 Deshidratación Con LECHOS SÓLIDOSl

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