Calculos de Hidratos

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

SIMULACIÓN DE PROCESOS USANDO HYSYS APLICACIONES EN TRATAMIENTO DE GAS NATURAL Y DESTILACIÓN DE HIDROCARBUROS

Presentado a: EMPRESA COLOMBIANA DE PETRÓLEOS - ECOPETROL GERENCIA CENTRO ORIENTE Septiembre de 2002

Instructor: Alonso Jaramillo Sanclemente Ingeniero Químico Especialista en Ingeniería de Gas y Economía de Procesos

Hysys – Aplicaciones en Simulación de Procesos

PREFACIO

En

las

últimas

décadas

las

industrias

de

procesos

han

evolucionado

considerablemente como resultado de un mejor entendimiento del comportamiento de fases y profundos estudios termodinámicos en el equilibrio de fases de sistemas de fluidos particularmente de los hidrocarburos, obteniéndose correlaciones muy confiables para el cálculo de propiedades. Adicionalmente, el desarrollo de programas de computador para la simulación y el diseño de procesos, le permiten al ingeniero estudiar diferentes esquemas y condiciones de proceso con relativa facilidad. La sinergia de la interacción entre la ingeniería y las herramientas de diseño ayudado por computador, han dado como resultado un mejor entendimiento de los procesos y se han convertido en herramientas efectivas para el tratamiento riguroso y comprensivo de nuevas tecnologías de procesamiento.

ii


TABLA DE CONTENIDO

página

1.0

INTRODUCCIÓN .........................................................................................1

1.1 1.2

Significado de la Simulación ...........................................................................1 Modelamiento en Estado Estacionario ............................................................1

2.0

INICIÁNDOSE EN LA SIMULACIÓN......................................................3

2.1 2.1.1

El “Simulation Basis Manager”.......................................................................3 El Ambiente “Main Flowsheet / Sub-Flowsheet / Column Sub-Flowsheet / Environment”................................................................................................4 Ambientes Relacionados ................................................................................7 Crear un Nuevo Caso de Simulación.............................................................10 Seleccionar un Conjunto de Unidades ...........................................................12 Adición de Corrientes ....................................................................................12 Adicionar un Componente Hipotético ...........................................................15 Definición de Términos Usados en Procesamiento de Gas Natural ..............17

2.1.2 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Ejercicio 1 – Cálculos “Flash” & Diagramas de Fases..............................................18 Ejercicio 2 – Separador de Dos Fases........................................................................22 3.0

CONTENIDO DE AGUA E HIDRATOS EN EL GAS NATURAL ......30

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3

Contenido de Agua en el Gas Natural ...........................................................30 Hidratos del Gas Natural................................................................................30 Calentamiento de Gas ...................................................................................32 Prevención de Formación de Hidratos por Adición de Químicos ................34 Prevención de Formación de Hidrato por Deshidratación del Gas Natural .35 Saturando con Agua una Corriente en Hysys ................................................36

Ejercicio 3 – Saturación de un Gas Dulce .................................................................36 Ejercicio 4 – Saturación de un Gas Agrio..................................................................39 iii


3.4

Cálculos de Condiciones de Formación de Hidratos.....................................40

Ejercicio 5 – Cálculos de Condiciones para Formación de Hidratos ........................40 3.5 3.5.1

Inhibición de Hidratos con Solventes Químicos ...........................................46 Método de Maddoz et al. ..............................................................................47

Ejercicio 6 – Inhibición de Hidrato con Metanol ......................................................48 Ejercicio 7 – Inhibición de Hidratos con Etilen Glicol..............................................53 4.0

CONTROL DE PUNTO DE ROCÍO POR AGUA ..................................55

4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7

Diseño de un Deshidratador con Glicol.........................................................55 Operación de Deshidratación con Glicol .......................................................56 Separador de Entrada ....................................................................................56 Absorbedora..................................................................................................56 Tanque Flash.................................................................................................57 Despojadora ..................................................................................................57 Rehervidor ....................................................................................................58 Bomba de Glicol ...........................................................................................58 Pérdidas de Glicol.........................................................................................58

Ejercicio 8 – Proceso de Deshidratación y Regeneración con Trietilen Glicol.........59 5.0

RECUPERACIÓN DE LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Y CONTROL DE PUNTO DE ROCÍO POR HIDROCARBURO ............71

5.1

Absorción.......................................................................................................71

Ejercicio 9 – Absorción con Aceite Pobre.................................................................72 5.2

Condensación.................................................................................................75

Ejercicio 10 – Proceso de Refrigeración con Propano ..............................................76 Ejercicio 11 – Procesamiento de Gas por Refrigeración ...........................................79 6.0

DESTILACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE CRUDOS......................83

6.1

Destilación .....................................................................................................83

Ejercicio 12 – Método Corto de Destilación .............................................................86 iv


6.2

Convergencia de Torres de Destilación .........................................................91

Ejercicio 13 – Método Riguroso & Dimensionamiento de una Columna .................94 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5

Caracterización de Crudos ...........................................................................101 Paso Uno – Caracterizar el Ensayo (Assay) ...............................................101 Paso Dos - Generar Pseudo Componentes .................................................102 Paso Tres – Instalar el Crudo......................................................................102 Propiedades de Usuario ..............................................................................103 Correlaciones ..............................................................................................103

Ejercicio 14 – Caracterización de Crudo .................................................................103 Ejercicio 15 – Torre Atmosférica de Crudo.............................................................108 Ejercicio 16 – Torre Atmosférica de Crudo Mezclado............................................117 7.0

TRANSPORTE DE GAS NATURAL .....................................................126

Ejercicio 17 – Gas de Baterías a Planta ...................................................................126

FIGURAS

FIGURA 1 FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 FIGURA 5 FIGURA 6

Diagrama de Flujo para Selección de un Modelo Termodinámico .............................................................................. 5 Relación entre los Diferentes Ambientes de Simulación ................ 8 Water Content of Hydrocarbon Gas .............................................. 31 Sistema Típico de Destilación ....................................................... 84 Relación entre Razón de Reflujo y Número de Etapas .................. 85 Caracterización de Crudos ........................................................... 102

v


SIMULACIÓN DE PROCESOS

1.0

INTRODUCCIÓN

1.1

Significado de la Simulación

Simulación es el proceso de modelar un sistema real y realizar corridas con dicho modelo para alcanzar un mejor entendimiento de dicho sistema. La construcción de un modelo y la posterior simulación, tiene una gran variedad de aplicaciones como en aeronáutica, economía, biotecnología, ingeniería de procesos, etc. El objetivo de este curso es dar algunas guías para construir casos de simulación, en procesos como tratamiento de gas y destilación de hidrocarburos, usando Hysys.Process Ver 2.4.1. Una vez alcanzado este objetivo, el participante estará en capacidad de utilizar esta herramienta construyendo casos de simulación de procesos de su propio interés. Los paquetes de simulación no son sistemas expertos. Los ingenieros de proceso deben especificar las operaciones unitarias ha ser ejecutadas, las conexiones entre las diferentes operaciones unitarias, las condiciones de operación, y son los responsables de un óptimo diseño. Los programas de computador tan sólo ejecutan balances de masa y energía en la misma forma como si fueran realizados a mano.

1.2

Modelamiento en Estado Estacionario

HYSYS ha sido excepcionalmente creado en relación con la arquitectura del programa, el diseño de la interfase, capacidades de ingeniería y operación interactiva. La capacidad integrada de modelamiento en estado estacionario y dinámico, mediante la cual el mismo modelo puede ser evaluado desde cualquier

1


perspectiva compartiendo completamente la información de proceso, representa un avance bastante significativo en la industria. Los diferentes componentes del programa HYSYS permiten una poderosa aproximación al modelamiento de procesos en estado estacionario. A un nivel básico, es posible seleccionar en forma sencilla métodos de cálculo de propiedades y operaciones, que le permiten al usuario modelar en forma confiable, un amplio rango de procesos. Sin embargo más importante aún, es la forma como el programa permite maximizar el tiempo de simulación empleado en la elaboración de un modelo, incrementando el entendimiento del proceso. La clave de esta última característica, es la operación de eventos manejados “Event Driven”. Usando un enfoque de grados de libertad, los cálculos en HYSYS se ejecutan en forma automática. El programa ejecuta cálculos tan pronto como los paquetes de propiedades y las operaciones unitarias tienen la suficiente información requerida. Cualquier resultado, incluyendo información parcial cuando un cálculo completo no puede ser realizado, se propaga bidireccionalmente a través de todo el diagrama de flujo. Lo que esto quiere decir, es que usando la información disponible se puede empezar la simulación en cualquier punto del diagrama de flujo, característica que ofrece una gran ventaja. Dado que los resultados están inmediatamente disponibles, incluyendo la forma como los cálculos se ejecutan, se gana un gran entendimiento sobre cada uno de los aspectos individuales del proceso. La arquitectura de diagramas de flujo múltiples es de vital importancia en el modelamiento de procesos. Aunque HYSYS ha sido diseñado para permitir el uso de múltiples paquetes de propiedades y la creación de plantillas pre-construidas, la mayor ventaja de los diagramas de flujo múltiples, es la posibilidad de organizar procesos grandes en forma bastante eficiente. Mediante la división de grandes diagramas de flujo en componentes más pequeños, es posible aislar cualquier aspecto para un análisis detallado. Cada uno de estos subprocesos forma parte de la simulación global, y los cálculos se ejecutan automáticamente como cualquier operación. El diseño de la interface en HYSYS es consistente con esta forma de hacer el modelamiento. El acceso a la información es el aspecto más importante para un modelamiento exitoso, dando como hecho que se cumple con los requerimientos fundamentales para disponer de una información precisa. No solamente se tiene acceso a cualquier información cuando se necesite, sino que la misma se puede encontrar simultáneamente en varias localizaciones. Así como no hay una forma estándar para construir un modelo, no hay una única forma para mirar un resultado. En HYSYS se usan una gran variedad de métodos para mostrar la información de 2


proceso tales como: ventana individual de propiedades, el diagrama de flujo de proceso “PFD”, el “Workbook”, el “DataBook”, los “Graphical Performance Profiles” y los “Tabular Summaries”. No solamente toda esta información está simultáneamente disponible, sino que cualquier componente de información se actualiza automáticamente siempre que cambien las condiciones de proceso. La flexibilidad de HYSYS permite el uso de programas diseñados por terceras partes, y la construcción de operaciones unitarias por el cliente. La conexión con HYSYS se hace a través de la característica de extensión OLE.

2.0

INICIÁNDOSE EN LA SIMULACIÓN

2.1

El “Simulation Basis Manager”

HYSYS usa el concepto de paquete de fluido el cual contiene toda la información necesaria para realizar cálculos de equilibrio y de propiedades físicas. Permite definir toda la información (modelo termodinámico, componentes puros e hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc.) dentro de una entrada sencilla. Esta característica permite tres ventajas claves: • • •

Toda la información está definida en una localización sencilla, lo cual permite fácilmente su creación y modificación. Los modelos termodinámicos se pueden almacenar como una entidad completamente definida para su uso en cualquier simulación. Se pueden usar múltiples modelos termodinámicos en la misma simulación. Sin embargo, todos ellos están definidos dentro del “Basis Manager” común.

El “Simulation Basis Manager” es una pantalla que permite crear y manipular cualquier modelo termodinámico en la simulación. Siempre que se abre un nuevo caso, HYSYS va directamente a esta localización. La pestaña Fluid Pkgs del Simulation Basis Manager contiene un listado y suministra el acceso para la definición del modelo termodinámico. Se pueden usar uno o varios modelos termodinámicos en una simulación, como se explicó anteriormente. Los programas actuales de simulación de procesos, presentan un gran número de modelos termodinámicos suministrados para ejecutar cálculos de sistemas de fluidos químicos. Con esta gran variedad de modelos disponibles, cómo se decide que 3


modelo usar para determinado sistema? Habiendo seleccionado un modelo, qué verificaciones adicionales se requieren para validar si el modelo seleccionado es adecuado? Es responsabilidad del ingeniero que está simulando tener una apreciación sobre las debilidades de cada modelo, ya sea por las suposiciones hechas en el desarrollo del modelo matemático, o por la precisión de las propiedades que predice. El ingeniero necesita tener un entendimiento general del comportamiento de fases de los sistemas, puesto que esto tendrá un gran efecto sobre la interpretación que le dé a los resultados de la simulación. La Figura 1 (en la próxima página) se puede usar como una guía para seleccionar el modelo más apropiado de equilibrio líquido-vapor para una mezcla determinada. Puesto que Hysys maneja varios ambientes de simulación, a continuación se presenta una explicación sobre los ambientes de simulación que corresponden al diagrama de flujo principal “Main Flowsheet” que tiene relación con la plantilla subdiagrama de flujo “Template Sub-Flowsheet”, y al ambiente Oil Characterization Environment. En el ambiente principal “Main Flowsheet” o en el “Template Sub-Flowsheet”, cualquier operación disponible en HYSYS se puede accesar vía el “Palette”, (excepto aquellas específicamente asociadas con columnas tales como secciones de platos, rehervidores, etc.). Cuando se está dentro de una plantilla “Column SubFlowsheet” se dispone de un “Palette” específico. El “Palette” y su función se explica más adelante con la construcción del primer caso de simulación. El otro ambiente principal es el Oil Characterization Environment el cual permite caracterizar un crudo creando y definiendo ensayos “Assays” y mezclas “Blends”. Con el procedimiento para caracterización de un crudo se generan pseudo componentes de petróleo para usarlos en los paquetes de propiedades. El “Oil Environment” es accesible únicamente desde el ambiente “Simulation Basis Environment”. Estos dos tipos de ambientes tienen un gran significado en lo que respecta con la interacción entre el diagrama de flujo principal y los subdiagramas.

2.1.1 El Ambiente “Main Flowsheet / Sub-Flowsheet / Column Sub-Flowsheet / Environment” Se dice que el Main Flowsheet es el diagrama de flujo padre para los SubFlowsheets que contiene. Un Sub-Flowsheet puede también ser un diagrama de 4

FIGURA 1 DIAGRAMA DE FLUJO PARA SELECCIÓN DE UN MODELO TERMODINÁMICO A

SUBSTANCIA

Peng Robinson

Si

Si Si Es agua pura ?

ASTM 1967 Steam Package

Si

Si Sour PR o Sour SRK

No P < 10 atm ?

Grayson-Streed

No

Si

Peng Robinson (SRK, PRSV, Chao, Grayson)

No

hidrocarburos)

Peng Robinson (SRK, PRSV)

No Es gas natural + Endulzamiento ?

P < 1,000 psia ?

No Aplican las restricciones de Chao-Seader ?

No Es agua agria ? ( H2O, CO2, H2S, NH3 +

Tiene bastante H2 ?

Si

Amines

Si P < 100 mm Hg ? No

Package

5 No

Presión de Vapor

Presión de Vapor

Es gas natural + Agua ?

Si

Peng

PRSV, Modelo Actividad con RK-Fase Vapor Ideal

No Tiene aceite ?

(PR, SRK, PRSV)

Robinson

Si

A

No Tiene compuestos polares ?

Si

B

No

P < 10 atm ? Si Modelos de Actividad

Si

Fase Líquida Si

Fase Vapor

Peng Robinson División Fases ?

(SRK, PRSV, Chao, Grayson)

Si

No Peng Robinson (SRK, PRSV)

B

PRSV

No Aplican las restricciones de Chao-Seader ?

No Cerca de Pto. Crítico ?

Restricciones de Chao-Seader : * 0
Uniquac, NRTL, Margules, Van Laar

No Wilson, Uniquac, NRTL, Margules, Van Laar

Dimerización Fase Vapor ?

No

Si Virial

Ley de Gas Ideal


flujo padre si contiene otros Sub-Flowsheets. El “Main Flowsheet Environment” es la localización en la cual se realiza la mayoría del trabajo, instalación y definición de - corrientes, operaciones unitarias, columnas y subdiagramas de flujo. Este diagrama de flujo sirve como el nivel base o diagrama de flujo principal para el caso completo de simulación. Cualquier número de subdiagramas pueden ser generados desde este diagrama de flujo principal. Mientras que hay solamente un ambiente para el diagrama de flujo principal, cada subdiagrama que se instale tiene su propio ambiente. El escritorio para el ambiente del diagrama de flujo principal contiene Barra de Menús y Barra de Botones diseñados para construir y correr los casos de simulación. Hay dos ventanas principales del caso de simulación el Workbook y el PFD. El ambiente del subdiagrama es muy parecido al ambiente del diagrama de flujo principal, en el cual se pueden instalar corrientes, operaciones y otros subdiagramas. Una diferencia es que mientras se está en el ambiente de un subdiagrama, los cálculos en estado estacionario en otras áreas de la simulación quedan en espera, y no se realizan hasta tanto no se retorne al ambiente del diagrama de flujo principal. Entre la apariencia de los escritorios para el ambiente de los subdiagramas y del diagrama de flujo principal, hay una pequeña diferencia representada en la adición a la barra de botones, de un botón para el ambiente de simulación padre.

Enter Parent Simulator Environment

En forma similar a lo descrito anteriormente para el ambiente de un subdiagrama, el ambiente Column Environment es donde se instalan y definen las corrientes y operaciones contenidas en un subdiagrama columna Column Sub-Flowsheet. Ejemplos de operaciones unitarias disponibles para usar en un subdiagrama columna incluyen secciones de platos, condensadores, rehervidores, despojadoras laterales, intercambiadores de calor y bombas. HYSYS contiene plantillas pre-construidas para subdiagramas columna con las cuales rápidamente se puede instalar una columna de determinado tipo y luego si es necesario, se adecua de acuerdo con su propio ambiente requerido.

6


Una plantilla o Template puede ser una plantilla para un Subdiagrama Columna con un archivo de extensión *.col, o una plantilla subdiagrama “Sub-Flowsheet Template”, que corresponde a un diagrama normal de flujo de HYSYS con alguna información adicional contenida en sus propiedades principales, y con un archivo de extensión diferente usado cuando es almacenado en disco ( *.tpl ). La Barra de Menús, la Barra de Botones y las ventanas principales para el ambiente “Column Environment” han sido diseñadas exclusivamente para el diseño, la modificación y la convergencia de los subdiagramas de flujo Columna. Por ejemplo, una ventana adicional (el Column Runner) ha sido adicionada con su correspondiente menú de entrada y Barra de Botones, para suministrar el acceso. Aún con estos cambios, la apariencia del escritorio para el ambiente “Column Environment” continúa siendo muy similar a la apariencia del escritorio convencional para el ambiente del diagrama de flujo principal.

Column Runner

Por la naturaleza del método de solución de un subdiagrama Columna, este no soporta otros subdiagramas de flujo.

2.1.2 Ambientes Relacionados

El diagrama en la Figura 2 muestra la relación que existe entre los diferentes ambientes. Las flechas indican las direcciones en las cuales normalmente uno se mueve entre los ambientes, cuando se está construyendo un caso de simulación con HYSYS. El proceso típico para construir un caso de simulación es como sigue:

1. Crear un nuevo caso de simulación y definir las opciones a seguir en el Simulation Basis Environment. 2. Estando en el Simulation Basis Environment se puede hacer lo siguiente:

7


FIGURA 2 RELACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES AMBIENTES DE SIMULACIÓN Start HYSYS & Create a New Simulation Case

Environment

Oil Characterization Environment

Column

Main Flowsheet

Sub-Flowsheet

Environment

Environment

Environment

Simulation Basis

Sub-Flowsheet Environment

•

Escoger un método termodinámico y los componentes puros de la librería de componentes de HYSYS.

•

Crear y definir componentes hipotéticos.

•

Definir reacciones. 8


En este punto se tienen dos posibilidades. Si se dispone de un fluido de petróleo para caracterizar, proceder con el paso 3. Si no, proceder con el paso 5. 3. Entrar al ambiente Oil Characterization Environment en el cual es posible hacer lo siguiente: •

Definir uno o más Ensayos “Assays” y Mezclas “Blends”.

•

Generar pseudocomponentes del petróleo los cuales representan el crudo.

4. Volver al ambiente Simulation Basis Environment. 5. Entrar al ambiente Main Flowsheet Environment, en el cual es posible hacer lo siguiente: •

Instalar y definir corrientes y operaciones unitarias en el diagrama de flujo principal para el caso de simulación.

•

Instalar operaciones columna “Columns”, operaciones pre-construidas como plantillas de procesos “Process Templates” y subdiagramas de flujo “SubFlowsheets”.

6. Entrar al ambiente Column o Sub-Flowsheet Environment cuando se requiera hacer cambios en la topología, o si se quiere sacar ventaja del escritorio propio del ambiente del subdiagrama de flujo.

Tener presente que en cualquier momento durante la simulación, es posible moverse entre los diferentes ambientes de diagramas de flujo. Las flechas en el diagrama de la Figura 2 muestran que los ambientes Column y Sub-Flowsheet Environments, son accesibles solamente desde el diagrama de flujo principal Main Flowsheet. Sin embargo, esta es solamente la forma típica de moverse entre los diferentes ambientes. El Navigator permite moverse directamente de un diagrama de flujo a otro. La única restricción es que el Oil Environment solamente puede ser accesado desde el Simulation Basis Environment.

Navigator Button

9


2.2

Crear un Nuevo Caso de Simulación

1. Empezar un nuevo caso seleccionando el botón New Case.

New Case

2. Crear un paquete de propiedades seleccionando el botón Add desde la pantalla del “Simulation Basis Manager”. 3. Seleccionar “EOSs” para escoger una Ecuación de Estado. 4. Un buen modelo para hidrocarburos líquidos y gaseosos es Peng Robinson. Escoger el modelo de Ecuación de Estado de Peng Robinson.

10


5. Ir a la pestaña Components. Desde esta pestaña se adicionan los componentes para el caso. En el cuadro que dice Match, escribir H2O y presionar “Enter”, escribir N2 y presionar “Enter”, escribir CO2 y presionar “Enter”, escribir H2S y presionar “Enter”. Usando el “mouse”, seleccionar desde Methane hasta nHeptane y presionar “Enter”. Hacer “Click” sobre “X” para cerrar la ventana

del paquete de fluido y presionar el botón Enter Simulation Environment…. Ahora se puede empezar a construir un caso de simulación, iniciando en la pantalla que se observa a continuación, la cual corresponde a la ventana del diagrama de flujo de proceso “PFD”.

Object Palette

El Object Palette se puede usar para instalar corrientes y operaciones. El Object Palette se puede abrir o cerrar desde la opción Flowsheet en la Barra de Menús o usando la tecla . 11


2.3

Seleccionar un Conjunto de Unidades

En HYSYS es posible cambiar el conjunto de unidades usadas para mostrar las diferentes variables. En este curso trabajaremos principalmente con el conjunto de unidades Field. 1. Desde la Barra de Menús escoger Tools y seleccionar Preferences. 2. Cambiar a la pestaña Variables y seleccionar Units.

3. Seleccionar el conjunto de unidades Field. 4. Hacer click sobre “X” para regresar al ambiente de simulación.

2.4

Adición de Corrientes

En HYSYS hay dos tipos de corrientes, de Materia y de Energía. Las corrientes de Materia tienen una composición y parámetros tales como temperatura, presión y ratas de flujo. Estas se usan para representar corrientes de proceso. Las corrientes de

12


Energía tienen solamente un parámetro, flujo de calor. Se usan para representar el duty suministrado a, o retirado de, una operación unitaria.

La ventana del PFD se puede maximizar haciendo click sobre el respectivo botón de función localizado en la parte superior derecha del PFD:

Para ver todos los objetos en una misma ventana, se hace click sobre el respectivo botón de función:

Zoom All

Hay una gran variedad de formas para adicionar una corriente, una de ellas es usando el Object Palette. 1. Seleccionar el Object Palette presionando , colocar el puntero del mouse sobre la flecha azul de corriente de materia, mantener presionado el botón secundario del mouse y arrastrarlo a la localización deseada en el PFD. Liberar el botón del mouse y la corriente quedará instalada. Otra forma es, 2. Desde el Palette hacer click sobre la flecha azul de la corriente de materia, colocar el puntero del mouse en la localización deseada sobre el PFD y hacer nuevamente click. 3. Hacer doble click sobre la corriente 1 para desplegar la ventana de propiedades de la corriente. Hacer click sobre el cajón Stream Name y escribir Gas de Producción, presionar la tecla Enter. 4. Hacer doble click sobre la celda Molar Flow para entrar la fracción mol del gas. 5. Entrar la siguiente composición molar: H2O = 0.0000, N2 = 0.0094, CO2 = 0.0562, H2S = 0.0187, C1 = 0.7114, C2 = 0.0654, C3 = 0.0328, iC4 =

13


0.0169, nC4 = 0.0084, iC5 = 0.0478, nC5 = 0.0095, nC6 = 0.0169 y nC7 = 0.0066.

6. Presionar el botón OK cuando se hayan entrado todas las fracciones molares. 7. Entrar los siguientes datos: Temperature = 178 ºF, Pressure = 966.8 psia y Molar Flow = 6,527 lbmole/h. 8. Como puede verse en la Fig. A, HYSYS ha calculado un equilibrio flash P – T. La corriente está en fase vapor porque - Vapour/Phase Fraction = 1.00000. 9. Para realizar un cálculo de punto de rocío, borrar la temperatura y entrar 1.00000 en la celda Vapour/Phase Fraction. La temperatura calculada es 177.86 °F siendo ésta la temperatura de punto de rocío, porque la composición del gas está dada en base seca (libre de agua). Borrar el valor de 1.0000 en la celda Vapour/Phase Fraction y entrar una temperatura de 178 ºF. 10. Hacer clik sobre “X” para regresar al PFD. 11. Desde la Barra de Menús hacer click sobre File, seleccionar Save As... y escribir Cálculo Flash para archivar el caso.

14


Fig. A. P - T Flash

Fig. B. Dew Point Temperature

Las celdas con datos en color azul son para datos de entrada, las celdas con datos en color negro son datos calculados y no es posible modificarlos.

2.5

Adicionar un Componente Hipotético

Es muy frecuente encontrar en el gas natural cantidades significativas de C6+ (nhexano y más pesados) o C7+ (n-heptano y más pesados). El cálculo de las propiedades termodinámicas y el comportamiento de fases para estas fracciones, es muy importante en el comportamiento de la mezcla gaseosa. Para asegurar un comportamiento de fases adecuado, es necesario la caracterización apropiada de estas fracciones. Si la mezcla gaseosa contiene C7+, la caracterización de esta fracción tendrá una influencia importante sobre la forma de la envolvente de fases que se genere, particularmente en la determinación de puntos de rocío. El C7+ es el componente más pesado en la mezcla y dictará las características de la línea de punto de rocío y de la región retrógrada, puesto que será el primer componente de la mezcla que condensa. Para cálculos termodinámicos y de comportamiento de fases, es necesario conocer ciertas propiedades del C7+, incluyendo temperatura crítica, presión crítica, peso 15


molecular y acentricidad. En muchos casos, estas propiedades se desconocen y deben ser calculadas mediante correlaciones empíricas, desarrolladas específicamente para una fracción típica del petróleo en un rango determinado de ebullición. Hidrocarburos pesados como el C7+ pueden ser caracterizados en HYSYS como pseudocomponentes o componentes hipotéticos. 1. Abrir un nuevo caso y escoger el conjunto de unidades Field. Hacer click sobre “X” para cerrar la ventana. 2. Adicionar la ecuación de estado de Peng-Robinson, ir a la página Components en el “Fluid Package”. 3. Adicionar los siguientes componentes puros N2, CO2, H2S, C1, C2, C3, iC4, nC4, iC5, nC5 and nC6. 4. Seleccionar el radio-botón Hypothetical en el “Add Comps group” para adicionar un componente hipotético al “Fluid Package”. Un componente hipotético se puede usar para modelar componentes que no se encuentran dentro de la librería, para mezclas definidas, mezclas indefinidas o para sólidos. Nosotros vamos a usar un componente hipotético para modelar los componentes en la mezcla gaseosa más pesados que el hexano. Para crear este componente hipotético, seleccionar el botón Quick Create A Hypo Comp…. 5. En la pestaña de identificación ID de la pantalla componente hipotético, suministrar el nombre del componente Component Name C7+. En este caso, no conocemos la estructura del componente hipotético y puesto que estamos modelando una mezcla, el “Structure Builder” no será usado. 6. Ir a la pestaña critical. La única propiedad suministrada por el laboratorio para el componente C7+ es el Normal Boiling Pt. Entrar un valor de 230 °F. Presionar el botón Estimate Unknown Props para estimar todas las otras propiedades y definir completamente el componente hipotético. 7. Una vez definido el componente hipotético, regresar al Fluid Package cerrando la pantalla del componente hipotético (hacer click sobre “X”). 8. Adicionar el componente hipotético al listado “Current Component List” seleccionándolo en el grupo Hypo Components y luego presionando el botón Add Hypo. 16


Todo componente hipotético que se cree forma parte del grupo “Hypo Group”. Por definición, este componente hipotético es localizado en el grupo “HypoGroup1”. Es posible agregar grupos adicionales y mover hipotéticos entre ellos. Esto se hace en la pestaña “Hypotheticals” del “Simulation Basis Manager”. 9. Hacer click sobre “X” para cerrar la pantalla “Fluid Package” y presionar el botón Enter Simulation Environment… . 10. En la Barra de Menús hacer click sobre File, seleccionar Save As... y escribir Ejercicio 1 para archivar el caso.

2.6

Definición de Términos Usados en Procesamiento de Gas Natural

Es deseable definir algunos de los términos más comúnmente usados. A continuación se indican algunos de ellos:

Gas Natural Crudo (Raw Gas)

Gas sin tratar desde o dentro del yacimiento.

Gas Residual o de Venta

Gas que tiene la calidad para ser un combustible domestico o industrial. Cumple con las especificaciones impuestas por la compañía de transmisión y/o distribución.

Gas Agrio (Sour Gas)

Gas que contiene más de 1 grain de H2S/100 SCF ( 16 ppm ). Generalmente mucho más que esto.

Gas Dulce (Sweet Gas)

Gas cuyo contenido de sulfuro de hidrógeno es menor que 1 grain / 100 SCF.

Gas Húmedo (Wet Gas)

Gas que contiene más de 0.1 galones (US) de condensado por 1000 CF de gas.

Gas Seco (Dry Gas)

Gas que contiene menos de 0.1 galones de condensado por 1000 CF de gas.

17


GPM para un gas

Galones del líquido por 1000 CF de gas. Esto puede ser galones US or Imperial.

Gas Rico (Rich Gas)

Gas que contiene una gran cantidad de compuestos más pesados que el etano, alrededor de 0.7 galones US de C3+ por 1000 CF de gas.

Gas Pobre (Lean Gas)

Gas que contiene muy poco propano y más pesados - o el gas efluente de una unidad de recuperación de líquidos.

Pentanos +

Los pentanos y fracciones de hidrocarburo líquido más pesadas.

Condensado

La fracción de hidrocarburos líquida obtenida de una corriente de gas conteniendo esencialmente pentanos +.

Gasolina Natural

Un líquido recuperado del gas natural con determinada presión de vapor. Ver el GPSA Data Book para varios grados.

Aceite Pobre (Lean Oil)

Aceite de absorción absorbedora.

Aceite Rico (Rich Oil)

Aceite de absorción conteniendo material absorbido. El efluente de una absorbedora.

Solución Pobre (Lean Solution)

Una solución para endulzamiento despojada.

Solución Rica (Rich Solution)

Una solución para endulzamiento que contiene ácido absorbido

regenerado

enviado

a

una

Ejercicio 1 – Cálculos “Flash” & Diagramas de Fases

HYSYS puede realizar tres tipos de Cálculos Flash para una corriente: P - T, Vf - P and Vf - T. Una vez conocidas la composición y un par de los siguientes parámetros - temperatura, presión o fracción de vapor, HYSYS realiza cálculos flash para la corriente, determinando el tercer parámetro. 18


Mediante estas características de HYSYS, es posible realizar cálculos de puntos de rocío y de burbuja. Especificando una fracción de vapor de 1.0 y presión o temperatura de la corriente, HYSYS calculará la temperatura o presión de rocío. Para calcular la temperatura o presión de burbuja, se especifica una fracción de vapor de 0.0 y se entra bien sea la temperatura o la presión. 1. Abrir el archivo Ejercicio 1. 2. Adicionar cuatro corrientes de materia, abrir la ventana de propiedades de las corrientes y entrar los nombres y las composiciones molares de ellas según la tabla siguiente.

Gas Seco

N2 CO2 H2 S C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 nC6 C7+

0.70 0.89 0.00 92.32 3.25 1.80 0.43 0.61 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

TIPO DE GAS Gas Rico Gas en Solución Composición Molar 0.98 0.52 0.87 0.82 0.00 0.00 82.13 77.70 8.25 10.35 4.53 6.85 1.05 0.77 1.45 1.73 0.28 0.36 0.35 0.41 0.09 0.25 0.02 0.24 100.00 100.00

Gas Agrio

0.38 2.62 7.09 75.41 5.33 3.74 1.22 0.92 0.51 0.38 0.19 2.21 100.00

3. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Workbook para realizar el Ejercicio 1.

(Salvar como “Ejercicio 1” presionando el botón para salvar)

19


4. Realizar cálculos flash y llenar la tabla siguiente:

Gas Seco

Gas Rico

Gas en Solución

Gas Agrio

- Punto de Rocío a 300 psia, T = ? - Punto de Burbuja a 300 psia, T = ? - Flash a 900 psia y 50 ºF, Vf = ?

(Salvar como “Ejercicio 1” presionando el botón para salvar)

HYSYS tiene disponible un conjunto de herramientas muy prácticas denominadas Utilities, que permiten interactuar con el proceso que se está simulando, suministrando información adicional o análisis de operaciones o corrientes. Una vez instalada la utilidad, se vuelve parte del diagrama de flujo, calculando automáticamente cuando cambian las condiciones en la corriente o la operación a la cual está unida. Como en la mayoría de los objetos en HYSYS, hay varias formas de unir Utilities a las corrientes. La herramienta Envelope Utility permite examinar la relación entre parámetros seleccionados para una corriente de composición conocida, incluyendo corrientes con un solo componente. Envolventes Vapor-Líquido se pueden graficar para las siguientes variables: • • • • • • •

Presión - Temperatura Presión-Volumen Presión - Entalpía Presión-Entropía Temperatura - Volumen Temperatura - Entalpía Temperatura - Entropía

20


A continuación se adicionará una utilidad Envelope Utility para la corriente Gas Seco, desde la ventana de propiedades de la corriente. 5. Abrir la ventana de propiedades de la corriente, desde el Workbook haciendo doble click sobre el nombre Name de la corriente Gas Seco. 6. Ir a la pestaña Attachments, seleccionar Utilities y presionar el botón Create... para acceder a la ventana “Available Utilities”. Seleccionar Envelope y luego presionar el botón Add Utility para desplegar la ventana “Envelope Utility”. En la celda Name escribir “Envolvente Gas Seco”. En la ventana “Envelope” se muestran los valores para temperatura y presión critica, así como el “Cricondentherm” y el “Cricondenbar”. 7. Cambiar a la pestaña Performance para ver la envolvente según se prefiera (PT, P-V, P-H, P-S, T-V, T-H and T-S). Presionar el botón Table... para ver los datos de la envolvente en forma de tabla.

Usar la utilidad Envelope Utility para crear las envolventes – Envolvente Gas Rico, Envolvente Gas en Solución y Envolvente Gas Agrio – y llenar la tabla siguiente:

Gas Seco

Gas Rico

Gas en Solución

Gas Agrio

- Critical Temperature, ºF - Critical Pressure, psia - Cricondentherm, ºF - Cricondenbar, psia

(Salvar como “Ejercicio 1” presionando el botón Save Case)

• El Cricondentherm es la máxima temperatura a la cual pueden existir las dos fases líquido-vapor. • El Cricondenbar es la máxima presión a la cual pueden existir las dos fases líquido-vapor.

21


Ejercicio 2 – Separador de Dos Fases Un flujo molar de 6,527 lbmole/h de gas saturado con agua a 966.8 psia y 178 ºF, está yendo desde un separador de producción en una facilidad de recolección, hasta el separador de entrada de una planta de gas que está a 915 psia y 100 ºF. Calcular las ratas de flujo del gas y líquido y dimensionar el separador de dos fases. Considerar una tubería de 16” de diámetro, cédula 40 con una longitud de 139,000 ft.

1. Abrir el caso Cálculo Flash. 2. Adicionar la corriente Agua de Producción. Hacer doble click sobre la celda Molar Flow y entrar una fracción molar de agua (H2O) de 1.0000, presionar el botón Normalize y luego el botón OK. 3. Entrar una temperatura de 178 ºF y una presión de 966.8 psia. Hacer click sobre “X” para cerrar la ventana de propiedades de la corriente. 4. Adicionar una operación Balance. Desde el “Palette”, hacer click sobre el icono Balance, mover el puntero del mouse y hacer click sobre la localización del PFD en la cual se desea colocar la nueva operación.

22


Balance

5. Desde el PFD, hacer doble click sobre el icono Balance para desplegar la ventana de propiedades “Balance”. Sobre la pestaña Connections entrar la información mostrada en la figura a continuación: -

Inlet Streams = “Agua de Producción”, “Gas de Producción” Outlet Streams = “Gas de Producción con Agua”

6. Desde la pestaña Parameters, hacer click sobre el cajón para marca Mole. Presionar la pestaña Worksheet, especificar una temperatura de 178 ºF y una presión de 966.8 psia para la corriente “Gas de Producción con Agua”. Hacer click sobre “X” para regresar al PFD. 7. Desde la Barra de Botones, hacer click sobre el botón Workbook:

8. Ajustar manualmente el flujo másico de la corriente “Agua de Producción” hasta que se genere una pequeña cantidad de agua libre (la Vapour Fraction de la 23


corriente “Gas de Producción con Agua” debe ser un poco menor que 1.0000). De esta manera, para un valor de 1,000 lb/h la fracción de vapor es 1.0000, para un valor de 1,115 lb/h es 0.9999, para un valor de 1,114 lb/h es 1.0000, escoger este último valor. 9. Desde la Barra de Botones, presionar el botón PFD para regresar al ambiente del diagrama de flujo de proceso:

10. Desde la Barra de Menús hacer click sobre File, seleccionar Save As... y escribir Ejercicio 2 para archivar el caso. La ventana del PFD se puede maximizar haciendo click sobre el botón de función localizado en la esquina superior derecha del PFD

11. Desde el “Palette” adicionar una operación Pipe Segment:

Pipe Segment

12. Desde el PFD, hacer doble click sobre el icono Pipe Segment para desplegar la ventana de propiedades del segmento de tubería Pipe Segment. Sobre la pestaña Design, escoger Connections y entrar la información sobre las corrientes que se indica a continuación: -

Inlet = “Gas de Producción con Agua” Outlet = “Gas de Llegada” Energy = “EP-100”

13. Sobre la pestaña Design, escoger Parameters y seleccionar la correlación de Beggs and Brill la cual es muy usada para cálculos de flujo en dos fases (VL). Sobre la pestaña Rating, se construye el perfil longitud-elevación para el segmento de tubería “Pipe Segment”. Cada sección de tubería y accesorio es marcado como un 24


segmento “segment”. Para definir completamente los segmentos de secciones de tubería, se debe especificar la cédula de la tubería “pipe schedule”, el diámetro, el material y el número de incrementos “Increments”. Secciones de tubería horizontal tienen una elevación de 0. Una elevación positiva indica que la salida está más alta que la entrada.

14. Presionar la pestaña Rating, escoger Sizing, presionar el botón Append Segment y especificar la siguiente información para el segmento: -

Fitting/Pipe = Pipe Length = 139,000 ft Elevation Change = 0.0000 Hacer doble click sobre la celda Outer Diameter Pipe Schedule = Schedule 40 Señalar 16.00 in en el cuadro Available Nominal Diameters, hacer click sobre el botón Specify y nuevamente click sobre “X” para cerrar la ventana Pipe Info. Usar el Material que se encuentra por defecto, Mild Steel.

15. Sobre la pestaña Rating, escoger Heat Transfer y especificar la siguiente información: - Ambient Temp = 90 ºF - Heat Transfer Coefficient Estimation = click sobre el cajón para marca Outside - Click sobre el cajón para marca Estimate Outer HTC - Ambient Medium = Ground - Ground Type = Wet Clay 25


16. Click sobre “X” para regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 2” presionando el botón Save Case)

17. Desde el Palette adicionar una operación Separator: Separator

26


18. Desde el PFD, hacer doble click sobre el icono Separator para desplegar la ventana de propiedades “Separator”. Sobre la pestaña Design, escoger Connections y entrar la siguiente información: -

Inlets = “Gas de Llegada” Vapour Outlet = “Gas” Liquid Outlet = “Líquido”

19. Click sobre “X” para regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 2” presionando el botón Save Case)

20. A continuación se adiciona la utilidad Vessel Sizing para dimensionar vasijas: -

-

Desde la Barra de Menús hacer click sobre Tools, seleccionar Utilities. Escoger Vessel Sizing, presionar el botón Add Utility. Seleccionar Connection, entrar la siguiente información: Name = Separador de Entrada, presionar el botón Select Separator..., en el cajón Object seleccionar V-100 y presionar el botón OK, hacer click sobre el cajón para marca Horizontal.

Escoger Sizing, ir a la tabla Available Specifications y seleccionar Demister Thickness, presionar el botón Add Spec. Ir a la tabla Active 27


Sizing Specifications, entrar la siguiente información: L/D Ratio = 5.9, Liq. Res. Time = 000:15:0.00, Demister Thickn = 6 in.

-

Escoger Construction, entrar la siguiente información: Material Type = Carbon Steel, Shell Thickness = 2.25 in, Corrosion Allowance = 0.0625 in, Efficiency of Joints = 0.85.

-

Seleccionar la pestaña Performance y ver los cálculos:

28


-

Hacer click sobre “X” para cerrar la ventana Vessel Sizing, hacer click sobre “X” para cerrar la ventana Available Utilities y regresar al PFD.


29


3.0

CONTENIDO DE AGUA E HIDRATOS EN EL GAS NATURAL

3.1

Contenido de Agua en el Gas Natural

Todo gas natural proveniente de un yacimiento está completamente saturado con agua en fase vapor. Puesto que las especificaciones del gas de venta limitan el contenido de vapor de agua a una pequeña fracción de la cantidad de agua contenida a saturación, es necesario procesar el gas crudo a fin de remover el agua. Este proceso comúnmente se llama deshidratación. La Figura 3 es conocida como la carta de McKetta & Wehe, en la cual se encuentra el contenido de agua para un gas natural a saturación, para un amplio rango de condiciones presión y temperatura. Esta carta se encuentra en la Figura 20-3 del GPSA(1). La correlación fue desarrollada en los años 1950's para gas natural. Se ha determinado que para gases que contienen cantidades apreciables de H2S y C02, el contenido de vapor de agua a presiones elevadas es mucho más alto que para gas natural dulce. El GPSA suministra cartas adicionales para este tipo de gases como las que se muestran en las Figuras 20-8 a 20-11, las cuales se usan para mejorar el estimado de contenido de agua de un gas natural que contiene gas ácido.

3.2

Hidratos del Gas Natural

Los hidratos son complejos sólidos cristalinos estables parecidos al hielo, que se forman a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, cuando hay presencia de agua líquida con el gas natural a presiones elevadas. La temperatura de formación de hidratos a una presión dada depende de la composición del gas. Hay dos estructuras de hidratos que se forman con el gas natural, llamadas simplemente Estructura 1 y Estructura 2. Las moléculas de agua forman el enrejado de las estructuras que contienen los espacios huecos, dentro de los cuales entran las moléculas de gas. Cuando se forman los hidratos, se aglutinan dentro de una corriente y bloquean el flujo de la misma. Es muy común que se tapen las tomas de presión en los medidores de presión diferencial, produciendo falsas lecturas de presión y por tanto errores de medición. Una vez formados los hidratos, su remoción es bastante difícil 30 (1) ENGINEERING DATA BOOK, Gas Processors Suppliers Association – GPSA, Eleven Edition – FPS, 1,998.


FIGURA 3

31


Baillie & Wichert desarrollaron una carta para estimar las condiciones de formación de hidratos para el gas natural agrio, la cual se puede usar también para gas dulce. Esta carta se encuentra en la Fig. 20-27 del GPSA. Adicionalmente el GPSA suministra un método para estimar las condiciones de presión y temperatura de formación de hidratos, mediante el uso de relaciones de equilibrio vapor/sólido. En una tubería es posible prevenir la formación de hidratos, mediante el uso de uno de los siguientes tres métodos convencionales: 1. Calentamiento del gas 2. Adición de un químico 3. Deshidratación

3.2.1 Calentamiento de Gas

Un método comúnmente usado en climas muy fríos es calentar el gas mediante calentadores indirectos y transportarlo a través de tuberías con aislamiento. Si las distancias son muy grandes, se instalan calentadores intermedios normalmente cada 5 a 8 kilómetros, aunque esto puede variar dependiendo de muchas condiciones. El combustible para los calentadores se puede suministrar tomando el gas de la línea de alta presión. La rata de transferencia de calor desde el lado del gas caliente dentro de la tubería hacia el suelo, puede ser estimado por la siguiente fórmula:  (T1 − t ) − (T 2 − t )  ∆H = U A    ln (T1 − t ) / (T 2 − t ) 

Bajo condiciones de estado estacionario, la rata de calor ganado por o transferido al suelo es igual a la rata de calor perdido por el gas, la cual se determina por: ∆H = q Cp (T1 – T2) Las unidades para estas ecuaciones son:

32


Término Rata de transferencia de calor al suelo Coeficiente global de transferencia de calor Área de transferencia de calor (superficie de tubería) Temperatura aguas arriba Temperatura aguas abajo Temperatura del suelo a la profundidad de la tubería Flujo másico del gas Calor específico del gas

Símbolo

Unidades

∆H U

Btu/hr Btu/(hr ft2 ºF)

A T1 T2

ft2 ºF ºF

t q Cp

ºF lbs/hr Btu/(lb ºF)

La rata de flujo volumétrico de gas a condiciones estándar se puede convertir a flujo másico, mediante la siguiente expresión: q, lbs/hr = 3.18 x 103 G Q donde G es la masa molar relativa (gravedad específica del gas, con base en gravedad del aire = 1) y Q es el flujo volumétrico del gas en MMscf/d. Las anteriores ecuaciones de pérdida de calor se pueden combinar como sigue:  (T 1 − t ) − (T 2 − t )   q Cp (T 1 − T 2 ) = U A   ln (T 1 − t )/ (T 2 − t ) 

El calor específico del gas dentro de la tubería, Cp, depende de la composición del gas y las condiciones de presión y temperatura en la línea. Un punto muy importante es determinar si hay o no algún cambio de fase durante el enfriamiento del gas entre T1 and T2. Si no hay cambio de fase y la presión está alrededor de 1,000 psig, un valor para Cp de 0.62 Btu/lb es razonablemente válido. Si se forman líquidos en la línea, o si hay una cantidad considerable de líquido fluyendo con el gas, el valor efectivo de Cp será por supuesto mucho mayor, siendo necesario incluir el calor latente de condensación y el Cp de los líquidos. El coeficiente global de transferencia de calor, U, depende fuertemente del tipo de suelo en el cual está enterrada la línea, de si la línea tiene o no aislamiento y del espesor de dicho aislamiento. Valores típicos para U se indican a continuación:

33


VALORES TÍPICOS DE U PARA VARIOS TIPOS DE SUELO

Tipo de Suelo

U, Btu/(hr ft2 ºF)

Clay and Gravel Shale and muskeg mix Silty Gravel

0.618 0.500 0.600

Para líneas con aislamiento, se puede usar un valor de 0.015 Btu/(hr ft2 ºF).

3.2.2 Prevención de Formación de Hidratos por Adición de Químicos

El segundo método para prevención de formación de hidratos en tuberías, es la adición continua de químicos tales como metanol o glicol al gas agrio. La adición de químicos es costosa y solamente se usa bajo ciertas condiciones en las cuales el químico pueda ser recuperado. En muy pocos sistemas de recolección se usa este método para evitar formación de hidratos en las tuberías, exceptuando medidas temporales como en procesos de arrancada o una situación especial. El metanol es el químico comúnmente más usado. Se debe inyectar a la línea de recolección suficiente metanol, para bajar la temperatura de formación de hidrato en el gas alrededor de 5 ºF, por debajo de la mínima temperatura de operación a la cual se va a enfriar el gas. Debe también hacerse una provisión por la cantidad de metanol que se pierde con el gas en fase vapor. La Figura 20-51 del GPSA se puede usar para este propósito. Si hay presencia de hidrocarburo líquido en la línea, se requiere de la inyección adicional de metanol para saturar la fase de hidrocarburo líquido. La cantidad de metanol requerida para bajar la temperatura de formación de hidrato (depresión de la temperatura de hidrato) a un valor de operación segura en una línea de gas, se puede estimar usando la ecuación de Nielsen - Bucklin: d = - 129.6 ln(XH20) donde, d = depresión de temperatura de hidrato, ºF, XH20 = fracción mol de agua en la mezcla final metanol/agua.

34


Es necesario convertir el valor de fracción mol de agua (X H20) a porcentaje en peso de metanol (wt. % ME) en la solución final de metanol y agua, para facilitar los cálculos. Esta conversión se puede hacer con la siguiente fórmula: wt. % ME = 100 / (1 + 0.5622 X H20 / (1 - XH20)) En la Figura 20-45 del GPSA se encuentra una carta para convertir XH2O a wt. % ME. Estimando la cantidad de agua en la fase líquida dentro de la tubería a la condición de diseño de 5 ºF por debajo de la temperatura final del gas, se puede determinar la cantidad de metanol que debe inyectarse a la línea en base porcentaje peso wt. %. Como se ha mencionado, es necesario incluir dentro de la cantidad de metanol a ser inyectada, el metanol requerido para saturar las fases de hidrocarburo gaseoso y líquido condensado. Otro químico que a veces se utiliza para depresión de temperatura de hidrato es el etilen glicol. La concentración de glicol en la solución final se puede estimar con la ecuación de Hammerschmidt, la cual puede también usarse con metanol para concentraciones hasta de 20 wt. %: d = 2335 x wt. % /(MW x (100 - wt. %)) donde, d = depresión de temperatura de hidrato, ºF. wt. % = porcentaje en peso del químico en el agua y del químico mezclado a temperatura de diseño. MW = peso molecular del químico (etilen glicol 62.1; metanol = 32.042). Una ventaja del glicol sobre el metanol es que la solubilidad del glicol en las fases de hidrocarburo líquido y gaseoso se puede despreciar. Una segunda ventaja es que el glicol puede ser más fácilmente regenerado que el metanol.

3.2.3 Prevención de Formación de Hidrato por Deshidratación del Gas Natural La Deshidratación es el tercer método que tiene aplicación especial cuando el gas

35


natural debe ser transportado a grandes distancias hacia una facilidad central de tratamiento. La deshidratación se puede hacer mediante desecantes sólidos como la silica gel o tamices moleculares, o con desecantes líquidos, principalmente el trietilen glicol (TEG). En la Fig. 20-53 de la Sección 20 del GPSA se muestra un deshidratador de glicol típico. La rata de circulación de glicol usualmente está en el orden de 3 a 4 galones U.S. por libra de agua en el gas que entra al deshidratador de glicol. Hay algunos factores que influyen en el grado de remoción de agua tales como, pureza del glicol, rata de circulación, presión y temperatura de la absorbedora, número de etapas de contacto o platos de la absorbedora.

3.3

Saturando con Agua una Corriente en Hysys

Los laboratorios usualmente reportan la composición del gas en base seca. Generalmente para la simulación, es necesario considerar el contenido de agua en la corriente, por lo tanto el agua debe incluirse como un componente en la mezcla gaseosa y se debe determinar la cantidad de agua necesaria para saturar dicha corriente. El tratamiento para saturar con agua una corriente, es un poco diferente si se tiene una corriente en dos fases en lugar de una sola fase. En el caso de dos fases, es necesario separar primero las fases hidrocarburo líquido y vapor, el vapor es saturado con agua y posteriormente esta corriente de vapor de hidrocarburo saturado, se recombina con la corriente de hidrocarburo líquido.

Ejercicio 3 – Saturación de un Gas Dulce

Determinar la cantidad de agua para saturar un gas dulce a 150 °F y 1,000 psia. La composición molar de la mezcla gaseosa es 80% CH4, 20% C2H6. 1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. 2. Adicionar los siguientes componentes H2O, CO2, H2S, CH4 y C2H6, ir al PFD y maximizar dicha pantalla.

36


3. A continuación se adicionará un conjunto de unidades: Desde la Barra de Menús hacer click sobre Tools, seleccionar Preferences. Presionar la pestaña Variables, seleccionar Field, hacer click sobre el botón Clone, en el cajón Unit Set Name entrar “Usuario 01”. En la tabla Display Units seleccionar la celda Flow. En la parte superior de esta pantalla, hacer click sobre lbmole/hr y seleccionar MMSCFH. Hacer click sobre el botón Save Preference Set..., seleccionar la ruta y la carpeta para salvar el conjunto de unidades Usuario 01, hacer click sobre Guardar, nuevamente click sobre “X” para cerrar la pantalla “Session Preferences”. 4. Adicionar una corriente de material y entrar la siguiente información: Stream Name = Gas Dulce, Temperature = 150 ºF, Pressure = 1000 psia. 5. Doble click sobre la celda Molar Flow y entrar la siguiente composición: H2O = 0.00, CO2 = 0.00, H2S = 0.00, C1 = 0.80 y C2 = 0.20. Click sobre el botón OK, en la celda Molar Flow entrar 1.0 MMSCFH y regresar al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 3.hsc 6. Adicionar otra corriente de material, abrir la pantalla de propiedades de la corriente y entrar la siguiente información: Stream Name = Agua, Temperature = 150 ºF, Pressure = 1000 psia. Double click sobre la celda Molar Flow y entrar H2O = 1.0, click sobre el botón Normalize y nuevamente click sobre el botón OK. Regresar al PFD. 7. Desde el “Palette” adicionar la operación Balance al PFD. Abrir la pantalla de propiedades de la operación Balance, en la pestaña Connections entrar la siguiente información: Inlet Streams = “Agua”, “Gas Dulce”, Outlet Streams = “Gas con Agua”. Escoger la pestaña Parameters, hacer click sobre el cajón para marca Mole, presionar la pestaña Worksheet, en la corriente Gas con Agua entrar una temperatura de 150 ºF y una presión de 1,000 psia. Click sobre “X” para regresar al PFD. Para asegurar que la corriente de gas está completamente saturada, se instalará una operación separador “Separator”. 8. Desde el Palette adicionar una operación Separator al PFD. Abrir la pantalla de propiedades de dicha operación y entrar la siguiente información: Inlets = Gas con Agua, Vapour Outlet = Gas Saturado, Liquid Outlet = Agua Libre. Regresar al PFD. 37


9. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Workbook, en la celda Mass Flow de la corriente Agua, entrar valores hasta que el flujo másico de la corriente líquida de salida del separador - “Agua Libre” sea un valor muy pequeño ligeramente mayor que 0. De esta forma la corriente de vapor que sale del separador – “Gas Saturado” está ahora saturada con agua.


El PFD y los resultados pueden observarse a continuación:

Agua Water Saturated Gas Saturado G Gas Gas with con Sweet Gas Gas Dulce Free AguaWater Libre

38


Ejercicio 4 – Saturación de un Gas Agrio

Determinar la cantidad de agua para saturar un gas agrio a 100 °F y 2,000 psia. La composición molar de la mezcla gaseosa es 45% CH4, 15% H2S y 40% CO2. 1. Abrir el caso Ejercicio 3 y salvarlo como Ejercicio 4. 2. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Solver Holding.

3. Abrir la ventana de propiedades de la corriente Gas Dulce y cambiarle el nombre por Gas Agrio, entrar una temperatura de 100 ºF, una presión de 2,000 psia y la siguiente composición molar: H2O = 0.00, CO2 = 0.40, H2S = 0.15, CH4 = 0.45 y C2H6 = 0.00. Hacer click sobre el botón OK y nuevamente sobre “X”. 4. Hacer click sobre el botón Workbook, entrar una temperatura de 100 ºF y una presión de 2,000 psia para las corrientes “Agua” y “Gas con Agua”. Hacer click sobre el botón Solver Active.

5. En la celda Mass Flow de la corriente Agua, entrar valores hasta que la corriente líquida “Agua Libre” de salida del separador sea un valor muy pequeño ligeramente mayor que cero. El contenido de agua calculado con el simulador para saturar el gas agrio es: lb/MMscf


Con base en comparación de datos experimentales para gases ácidos, el contenido de agua a saturación se predice razonablemente bien hasta una presión de 800 psig, por 39


encima de este valor, los modelos de ecuaciones de estado de los simuladores comerciales sobrepredicen sustancialmente el contenido de agua. Cuando se diseñan sistemas de deshidratación (particularmente sistemas con TEG) y se requiere cumplir con especificaciones de punto de rocío por agua extremadamente bajos, es necesario determinar con muy buena precisión el contenido de agua en equilibrio con un hidrato. Si se sobrestima el contenido de agua para saturación, se puede hacer un diseño pobre que no permite cumplir con la remoción de agua requerida.

3.4

Cálculos de Condiciones de Formación de Hidratos

HYSYS puede predecir en forma segura la temperatura de formación de hidratos (o la presión) para un amplio rango de composiciones de gas, a diferentes temperaturas y presiones. Con la utilidad Hydrate Formation se calcula el punto incipiente de formación de sólido para los hidratos del gas. Los modelos predictivos están basados en principios fundamentales de la termodinámica y usan ecuaciones de estado, con las cuales las propiedades son generadas con base en cálculos de condiciones de equilibrio. Estos modelos predictivos pueden ser aplicados para diferentes composiciones de gases a condiciones extremas de operación, obteniéndose un grado alto de confiabilidad con respecto a los cálculos que se pueden esperar mediante expresiones empíricas o cartas.

Ejercicio 5 – Cálculos de Condiciones para Formación de Hidratos

En este ejemplo, se determinará la cantidad de gas y líquidos producidos de un fluido de yacimiento. Este fluido de yacimiento se depresuriza en el sitio del pozo hasta la presión del gasoducto (870 psia) y se calienta para prevenir la formación de hidratos. Cualquier cantidad de agua libre que se forme es separada. A continuación se muestra un diagrama de flujo de las facilidades de superficie. 1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson y el conjunto de unidades Field. 40


2. Adicionar los siguientes componentes puros H2O, N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, iC4, nC4, iC5 y nC5. Caracterizar el componente C6+ como un componente hipotético con punto de ebullición de 257 ºF. Hacer click sobre el botón Enter Simulation Environment.... 3. Salvar el caso como Ejercicio 5. 4. Adicionar una corriente de materia presionando la tecla “F11” para desplegar la ventana de propiedades de la corriente y entrar la siguiente información:

Nombre Molar Flow Components H2 O N2 H2 S CO2 C1 C2 C3 iC4 NC4 iC5 NC5 C6+

Fluido de Y/to 1,250 Mole % 0.00 0.02 4.06 1.42 82.53 6.15 2.55 0.79 1.34 0.35 0.42 0.37

5. Adicionar una segunda corriente con las siguientes propiedades: Name = Agua de Y/to, fracción molar de H2O = 1.00, hacer click sobre el botón Normalize y nuevamente sobre el botón OK. Regresar al PFD. 6. Adicionar una operación Balance, en las celdas Inlet Streams entrar las corrientes “Agua de Y/to” y “Fluido de Y/to”, en las celdas Outlet Streams entrar la corriente “1”, escoger balance tipo Mole y regresar al PFD.

41


Fluido con Agua Agua de Y/to Fluido de Y/to

Cabeza de Pozo

Alimento

Agua Libre - 1

Condensado

Tubo - Q

Agua Libre - 2

7. Desde la Barra de Botones, hacer click sobre el botón Workbook, para la corriente 1, entrar una temperatura de 200 ºF y una presión de 4,590 psia. Ajustar manualmente el “Liquid Volume Flow” (barrel/day - entre 5 y 10) de la corriente Agua de Y/to, hasta que se obtenga una muy pequeña cantidad de agua libre (la fracción de vapor de la corriente 1 debe ser ligeramente menor que 1.0000, dejar el valor con el cual cambia de 0.9999 a 1.0000). Regresar al PFD. 8. Adicionar una operación Separator y abrir su ventana de propiedades. En la pestaña Design escoger Connections y entrar la siguiente información: - Inlets = 1 - Vapour Outlet = Fluido con Agua - Liquid Outlet = Agua Libre - 1 Hacer click sobre “X” para regresar al PFD. 9. Mientras se produce el fluido de yacimiento, este experimenta pérdidas tanto de presión cómo de calor. Para simular estos efectos se instala un enfriador. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación Cooler:

Cooler

42


Abrir la ventana de propiedades de la operación Cooler y entrar la siguiente información: Inlet = Fluido con Agua, Outlet = Cabeza de Pozo, Energy = EE100, regresar al PFD. Seleccionar el botón Workbook y entrar para la corriente “Cabeza de Pozo” una temperatura de 83 ºF y una presión de 2,226 psia. Regresar al PFD. 10. Para prevenir formación de hidrato a la presión del gasoducto, se debe calentar el fluido. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación Heater:

Heater

Abrir la ventana de propiedades de la operación Heater y entrar la siguiente información: Inlet = Cabeza de Pozo, Outlet = Alimento, Energy = EE-101, seleccionar Parameters y entrar una caída de presión “Delta P” de 7.25 psi. Regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 5” presionando el botón Save Case)

11. La presión del fluido se reduce cayendo a través de la válvula. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación Valve:

Valve

Abrir la ventana de propiedades para la operación Valve y entrar la siguiente información: Inlet = Alimento, Outlet = 2, regresar al PFD. 12. Hacer click sobre el botón Workbook, entrar para la corriente 2 una temperatura de 79 ºF y una presión de 870 psia. La temperatura de la corriente 2 debe ser más alta que la temperatura de formación de hidratos, un margen de seguridad aceptable está alrededor de 5-10 ºF.

43


13. Verificar la temperatura de formación de hidratos de la corriente 2 haciendo doble click sobre el nombre de la corriente para desplegar su ventana de propiedades. Seleccionar la pestaña Attachments y escoger Utilities, hacer click sobre el botón Create..., seleccionar Hydrate Formation y hacer click sobre el botón Add Utility. Seleccionar la pestaña Hydrate P/T, mirar la temperatura de formación de hidratos y contestar las siguientes preguntas:


Cuál es la temperatura de formación de hidratos para la corriente 2? ºF Es posible que se formen hidratos en la corriente 2? Si No Por qué?

14. Cerrar las ventanas de la utilidad “Hydrate Formation Utility” y de la corriente “2”. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación 3-Phase Separator: 3-Phase Separator

Abrir la ventana de propiedades para la operación 3-Phase Separator y entrar la siguiente información: Inlets = 2, Vapour = Gas, Light Liquid = Condensado, Heavy Liquid = Agua Libre - 2. Click sobre “X” para regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 5” presionando el botón Save Case)

44


15. Para evitar formación de hidratos durante el transporte del gas en el gasoducto, instalar un segundo calentador y suministrar la siguiente información: Inlet = Gas, Outlet = 3, Energy = EE-102, seleccionar Parameters y entrar una caída de presión “Delta P” de 7.25 psi. Regresar al PFD. 16. Desde el Palette adicionar al PFD la operación Pipe Segment. Abrir la ventana de propiedades para la operación Pipe Segment y entrar la siguiente información: -

Inlet = 3 Outlet = 4 Energy = Tubo - Q

17. Escoger Parameters y seleccionar la correlación de Beggs and Brill. 18. Hacer click sobre la pestaña Rating y seleccionar Sizing. Click sobre el botón Append Segment y entrar la siguiente información: -

Fitting/Pipe = Pipe Length = 3,280 ft Elevation Change = 0.0000 Outer Diameter = double click Pipe Schedule = Schedule 40 Nominal Diameter = 8.00 in, click sobre el botón Specify y nuevamente click sobre “X”.

19. Seleccionar Heat Transfer, en el cajón Heat Transfer Summary entrar la siguiente información: - Ambient Temp = 32 ºF - Overall HTC = 0.98 Btu / (h-ft2-ºF). - Click sobre “X” para regresar al PFD. 20. Abrir la ventana de propiedades de la corriente 4 y suministrar una temperatura de 79 ºF. (Salvar como “Ejercicio 5” presionando el botón Save Case)

45


3.5

Inhibición de Hidratos con Solventes Químicos

Para inhibir la formación de hidratos en una corriente con HYSYS, se debe instalar una corriente que contenga el solvente (por ejemplo, metanol o glicol). Usar la operación Mixer para mezclar esta corriente con la corriente de proceso. Encontrar la nueva temperatura de formación de hidrato mediante la utilidad Hydrate. Como resultado de la inyección de solvente, se reducen las condiciones a las cuales se forma el hidrato, por la asociación del agua con el inhibidor en la fase respectiva (vapor o líquida). Para hacer el cálculo flash, HYSYS ejecuta un flash en tres fases y calcula en forma rigurosa la distribución de los componentes en cada fase, incluyendo el agua y el solvente. Posteriormente, el programa calcula adecuadamente las pérdidas de solvente en las fases gaseosa y líquida. Aunque la ecuación de Peng Robinson originalmente no fue diseñada para componentes no ideales tales como metanol o glicol, ajustes hechos para el programa HYSYS garantizan que la distribución de los componentes en todas las fases es satisfactoria, especialmente si existen tres fases. Los resultados que se obtienen con HYSYS son mucho más seguros que los que normalmente se predicen con la ecuación de Hammerschmidt, la cual fue desarrollada para soluciones diluidas o agentes anticongelantes. La ecuación de Hammerschmidt aplica solamente para mezclas de gas natural típicas, concentraciones finales de etilen glicol hasta de 50 wt% y concentraciones finales de metanol hasta de 25 wt%, por encima de estos valores los cálculos son imprecisos. Para concentraciones de metanol hasta de 50 wt%, se recomienda usar la ecuación de Nielsen-Bucklin. Los dos métodos anteriores se encuentran en el GPSA. Para concentraciones finales de etilen glicol mayores de 50 wt% y concentraciones finales de metanol hasta de 75 wt%, se recomienda usar el método de Maddox et al. Usando HYSYS, los cálculos de temperatura de hidrato se realizan adicionando inhibidor hasta que la temperatura de hidrato para la corriente gaseosa sea deprimida por debajo de la temperatura de operación. Si la temperatura de hidratos no decrece adicionando una considerable cantidad de inhibidor, el resultado debe verificarse contra el método manual de Maddoz et al. Si los resultados son consistentes, se debe probar para el caso del etilen glicol, con una solución más pobre (de mayor concentración). Sin embargo, cuando se incrementa la concentración de EG, es necesario tener mucho cuidado con la viscosidad de la solución.

46


Como guía operacional es de anotar, que la cantidad de inhibidor que se utiliza generalmente, es el doble de la cantidad calculada en forma teórica.

3.5.1 Método de Maddoz et al.

Modelo Termodinámico: Ln(XH2O * ϑH2O) = -2063(1/T – 1/To)

Ec. 1

donde: XH2O = ϑH2O =

fracción molar final de agua coeficiente de actividad del agua en el inhibidor, se estima con la ecuación de Margules: ϑH2O = exp(C1Xi2 + C2Xi3)

Xi T To

= = =

Ec. 2

fracción molar de inhibidor temperatura de hidrato con inhibidor, °R temperatura de hidrato sin inhibidor, °R

Etilen Glicol: C1 = -83.712 + 0.11843T + 11119.64/T C2 = 478.42 – 16.65T1/2 – 49132.20/T Metanol: C1 = -62.898 + 2142.93/T1/2 – 17738.77/T C2 = 119.69 – 4084.47/T1/2 + 33883.03/T

El procedimiento de cálculo consiste en una prueba y error, en la cual primero se estima la temperatura T para calcular el coeficiente de actividad. Luego, se resuelve la Ecuación 1 para calcular la temperatura T. El procedimiento paso a paso se indica a continuación: 47


1. Determinar To, usando cualquier método para calcular temperatura de hidrato sin inhibidor. 2. Asumir una concentración de inhibidor en fracción molar Xi. Usando la Ecuación 2, determinar ϑH2O a To para Xi. 3. Resolver la Ecuación 1 para T (XH2O = 1 - Xi ). 4. Usando la Ecuación 2, determinar ϑH2O a T. 5. Repetir desde el Paso 3 hasta que los valores de T sean lo más cercano posible (diferencia no mayor de 1 °R). 6. Si el valor calculado de T equivale a la temperatura de hidrato que se desea con la adición de inhibidor, el valor asumido para la concentración de inhibidor Xi es el adecuado; sino, asumir otro valor de Xi y repetir desde el Paso 2.

Ejercicio 6 – Inhibición de Hidrato con Metanol

100 MMscfd de gas natural salen de una plataforma costa afuera a 100 °F y 1,200 psia. La composición molar del gas es: C1 = 0.88, C2 = 0.01, C3 = 0.06, iC4 = 0.04 y nC4 = 0.01. El gas llega a la costa a 40 ºF y 900 psia. La temperatura de hidrato del gas sin inhibidor es 70 ºF. Calcular la cantidad de metanol requerida para prevenir la formación de hidratos dentro de la tubería.

Metanol

Gas en la Costa

Gas Costa Afuera

Gas Inhibido

Gas Saturado

Condensado

Metanol - Agua Agua

48


1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. 2. Adicionar los siguientes componentes C1, C2, C3, iC4, nC4, Metanol y H2O. Regresar al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 6. 3. Cargar el conjunto de unidades “Usuario 01” para definir la variable Flow en MMscfd: Desde la Barra de Menús, escoger Tools, seleccionar Preferences, escoger la pestaña Variables, si se encuentra “Usuario 01” en el cajón Available Units Set, seleccionarlo y en la celda Flow, cambiar MMscfh por MMscfd, hacer click sobre “X” para regresar al PFD. Si “Usuario 01” no se encuentra, hacer click sobre el botón Load Preference Set..., encontrar y abrir el archivo “Usuario 01”. Desde la Barra de Menús escoger nuevamente Tools, Preferences y seleccionar “Usuario 01”, en la celda Flow cambiar MMscfh por MMscfd, hacer click sobre “X” para regresar al PFD. 4. Adicionar tres corrientes de materia, abrir la ventana de propiedades para la # 1 y entrar la siguiente información: Name = Gas, Temperature = 100 ºF y Pressure = 1,200 psia. Suministrar la composición molar mostrada anteriormente, normalizar, hacer click sobre el botón OK y entrar Flow = 100 MMscfd. Regresar al PFD. 5. Abrir la ventana de propiedades para la corriente # 2 y entrar la siguiente información: Name = Agua, Temperature = 100 ºF y Pressure = 1,200 psia. Suministrar una composición molar de 1.0 para H2O, normalizar, hacer click sobre el botón OK y regresar al PFD. 6. Adicionar una operación Balance, en la celda Inlet Streams entrar “Agua” y “Gas”, en las celdas Outlet Streams entrar “Gas Saturado”, escoger balance tipo Mole, seleccionar la pestaña Worksheet y entrar para la corriente “Gas Saturado” una temperatura de 100 ºF y una presión de 1,200 psia. Regresar al PFD. 7. Desde la Barra de Botones, escoger el botón Workbook, ajustar manualmente el flujo másico de la corriente “Agua” hasta que se genere y una pequeña cantidad de agua libre (la fracción de vapor Vapour Fraction de la corriente “Gas Saturado” debe ser ligeramente menor que 1.0000). escoger el valor correspondiente al cambio desde 0.9999 a 1.000. 8. Desde la ventana Workbook, abrir la ventana de propiedades para la corriente # 3 y entrar la siguiente información: Name = Metanol, Temperature = 100 ºF y Pressure = 1,200 psia. Suministrar una composición molar de 1.0 para el 49


Metanol, normalizar, hacer click sobre el botón OK y entrar un flujo másico “Mass Flow” de 0.0 lb/hr. Regresar al PFD. 9. Adicionar una operación Balance, en las celdas “Inlet Streams” entrar “Metanol” y “Gas Saturado”, en las celdas “Outlet Streams” entrar “Gas Costa Afuera”, escoger balance tipo Mole, escoger la pestaña Worksheet y entrar para la corriente “Gas Costa Afuera” una temperatura de 100 ºF y una presión de 1,200 psia. Regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 6” presionando el botón Save Case)

10. Entre la plataforma y la costa, el gas experimenta pérdidas de presión y de calor. Para simular estos efectos se instala un enfriador. Adicionar al PFD una operación Cooler, abrir la ventana de propiedades para la operación Cooler y entrar la siguiente información: Inlet = Gas Costa Afuera, Outlet = Gas Inhibido, Energy = EE-100, seleccionar la pestaña Worksheet y entrar para la corriente “Gas Inhibido” una temperatura de 40 ºF y una presión de 900 psia. Regresar al PFD. 11. Desde la Barra de Menús escoger Tools, hacer click sobre Utilities, seleccionar la utilidad Hydrate Formation Utility y hacer click sobre el botón Add Utility. Entrar Name = Hidrato Gas Inhibido, hacer click sobre el botón Select Stream…, en el cajón Object, seleccionar Gas Inhibido y hacer click sobre el botón OK. Escoger la pestaña Performance y ver la temperatura de formación calculada (69.8587 °F ≈ 70 ºF) a la presión de operación de la corriente. Este valor corresponde al gas sin inhibidor porque en este momento el flujo másico de la corriente Metanol es 0.0 lb/h. 12. Esconder el Object Palette (presionar F4), mover la ventana “Hydrate Formation Utility” hacia el lado derecho de la pantalla, hacer click sobre “X” para cerrar la ventana Available Utilities, cerrar la ventana del PFD. 13. Ir a la ventana Workbook y moverla hacia el lado izquierdo de la pantalla para ver simultáneamente las ventanas “Workbook” y “Hydrate Formation Utility”. En la ventana “Workbook” seleccionar la celda Mass Flow para la corriente “Metanol”, entrar valores hasta que la temperatura de formación de hidrato para la corriente “Gas Inhibido” caiga a un valor ligeramente por debajo de 40 ºF. Para un valor de 244 lb/h de metanol se calcula una temperatura de deformación de hidrato de 39.9447 ºF como se observa a continuación: 50



14. Regresar al PFD y maximizarlo. Adicionar una operación 3-Phase Separator, abrir la ventana de propiedades para dicha operación y entrar la siguiente 51


información: Inlets = Gas Inhibido, Vapour = Gas en la Costa, Light Liquid = Condensado and Heavy Liquid = Metanol-Agua, regresar al PFD. 15. La concentración en peso para metanol en la fase pesada de líquido se puede ver haciendo doble click sobre la corriente “Metanol-Agua”, seleccionar Composition, hacer click sobre el botón Basis..., seleccionar el radio-botón Mass Fractions y hacer click sobre “X”. El flujo másico para la corriente metanol en la fase pesada de líquido se puede ver haciendo click sobre el botón Basis..., seleccionar el radio-botón Mass Flows y hacer click sobre “X”. A continuación se muestran los resultados:

16. Para ver las pérdidas por evaporación (en la fase vapor de hidrocarburo), abrir la ventana de propiedades para la corriente Gas en la Costa y seguir el procedimiento anteriormente descrito para el flujo másico. 17. Para ver las pérdidas de metanol en la fase líquida de hidrocarburo, abrir la ventana de propiedades para la corriente Condensado y seguir el procedimiento anteriormente descrito para el flujo másico. (Salvar como “Ejercicio 6” presionando el botón Save Case)

52


Ejercicio 7 – Inhibición de Hidratos con Etilen Glicol

Cambiar el inhibidor metanol del Ejercicio 6 por etilen glicol (EG) con una concentración en peso de 80 wt% (el resto es agua). Encontrar la concentración en peso y el flujo másico de EG en la fase de líquido pesado.

1. Abrir el archivo “Ejercicio 6.hsc” y salvarlo como “Ejercicio 7.hsc”. Cargar el conjunto de unidades Usuario 01. 2. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Enter Basis Environment,

hacer click sobre el botón View..., seleccionar Metanol, en la celda Match escribir EG, hacer click sobre el botón , regresar al PFD haciendo click en NO para el mensaje “... left in HOLDING mode ...”. 3. Abrir la ventana de propiedades de la corriente “Metanol” y remplazar el nombre por “EG-80%”, entrar una fracción en masa de 0.80 en la celda EGlycol y de 0.20 en la celda H2O, normalizar, hacer click sobre el botón OK, en la 53


celda Mass Flow entrar un valor de 0.0 lb/hr y regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “Metanol-Agua” y remplazar el nombre por “EG-Agua”, regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 7” presionando el botón Save Case)

4. Cerrar todas las ventanas abiertas incluyendo el PFD, desde la Barra de Menús hacer click sobre Tools, seleccionar Utilities, hacer click sobre el botón View Utility…, escoger la pestaña Performance y mover la ventana de la utilidad Hydrate Formation hacia el lado derecho de la pantalla.. En la ventana Available Utilities hacer click sobre “X” para cerrarla. Activar la ventana Workbook y moverla hacia el lado izquierdo de la pantalla para ver simultáneamente ambas ventanas. Entrar valores de flujo másico para la corriente EG-80% y observar la temperatura de formación de hidrato de la corriente “Gas Inhibido”. Cuanto EG 80 wt% se requiere para obtener una temperatura de formación de hidrato de la corriente “Gas Inhibido” ligeramente menor que 40 °F? lb/h (

) lb/d

Cuales son la concentración en peso y el flujo másico de EG en la fase de líquido pesado? lb/h (

) lb/d ,

fracción en peso

Como puede verse en las corrientes “Gas en la Costa” y “Condensado”, las pérdidas de glicol en las fases de hidrocarburo vapor y líquido son despreciables.

54


4.0

CONTROL DE PUNTO DE ROCÍO POR AGUA

El punto de rocío por agua es la temperatura a determinada presión, a la cual el gas natural se encuentra saturado con agua, y a la cual el agua empieza a condensar en una mezcla de gas. Dado que el gas de venta tiene una especificación de mínimo contenido de agua en masa por volumen, por ejemplo una norma internacional es 4 lbs per MMscf, es necesario determinar cuál debe ser la temperatura de rocío a la presión de tratamiento para fijar las condiciones del proceso de deshidratación. Generalmente, en plantas de gas se usa una unidad de deshidratación para cumplir con la especificación de punto de rocío. Hay diferentes procesos disponibles para deshidratación: glicoles, silica gel, o tamices moleculares. La industria del gas natural comúnmente usa trietilen glicol (TEG) para deshidratación, cuando se requieren muy bajos puntos de rocío en el gas.

4.1

Diseño de un Deshidratador con Glicol

Básicamente hay tres tipos de arreglos de internos para una contactora de glicol: -

Cocas de burbujeo (bubble cap) Empaque al azar (random packing) Empaque estructurado (structured packing)

Para cada tipo de elementos de contacto, el diseño depende de las variables siguientes: -

rata de flujo de gas temperatura del gas a la entrada de la contactora presión de operación depresión requerida del punto de rocío.

Una vez se determinan estas variables, se puede calcular el diámetro de la contactora mediante el procedimiento mostrado en la página 20-32 del GPSA. La pureza y la rata de circulación de glicol requeridas para alcanzar la depresión necesaria del punto de rocío, se pueden establecer con relación a un número determinado de etapas teóricas. 55


Como se ilustra en la Figura 20-54 del GPSA, la pureza del glicol tiene la mayor influencia sobre el punto de rocío del gas que puede conseguirse en una operación de deshidratación. En el GPSA se discuten algunas técnicas que se pueden usar para mejorar la pureza del glicol.

4.2

Operación de Deshidratación con Glicol

El proceso de deshidratación con glicol es el más ampliamente usado en operaciones de gas natural. Los equipos pueden funcionar sin problemas si se operan dentro de los límites de diseño y se tiene un programa adecuado de mantenimiento. A continuación se hará una revisión de los principales equipos en una unidad de deshidratación con glicol, indicando los problemas que podrían presentarse si no hay una adecuada operación.

4.2.1 Separador de Entrada

Prácticamente en todas las aplicaciones de separación, si el separador no cumple su función, los procesos aguas abajo del separador tendrán dificultades. En una unidad de glicol, el separador debe prevenir el arrastre de líquidos tales como agua y condensado, dentro de la contactora. Si entra agua líquida en pequeñas gotas a la contactora, lo más probable que es que no se alcance la depresión requerida de punto de rocío. El hidrocarburo condensado puede generar problemas de espuma dentro de la contactora, además es absorbido por el glicol y pasa a la sección de regeneración, causando dificultades en este equipo. La temperatura del gas no debe exceder el valor máximo de diseño, ni debe estar por debajo de 50 ºF, puesto que a temperaturas bajas el glicol tiende a volverse muy viscoso y se dificulta la absorción del agua.

4.2.2 Absorbedora Para una absorbedora de platos, durante la arrancada de una unidad nueva o después de que ésta ha sido abierta para inspección, el aire debe ser totalmente purgado con 56


gas. Antes de la presurización total de la vasija, se debe arrancar la bomba de glicol y establecer su circulación para inundar todos los platos de la absorbedora, y llenar las secciones de los bajantes. Posteriormente se continúa admitiendo gas, para presurizar la vasija a su nivel de presión de operación. En este punto se puede establecer la operación normal. Cuando se producen cambios en la rata de flujo de gas, deben hacerse en forma lenta, haciendo igualmente los cambios apropiados en la rata de circulación de glicol.

4.2.3 Tanque Flash

El tanque flash ofrece la posibilidad de retirar la mayor cantidad posible de gas natural absorbido en la solución, el cual se envía hacia las facilidades de gas combustible. La presión de operación debe ser lo suficientemente baja para promover la separación del gas de la solución, pero lo suficientemente alta para que pueda entrar al separador de gas combustible. El control de nivel de líquido en el tanque flash tank debe ser de tipo regulatorio en lugar de ser de acción rápida, para asegurar un flujo estable de glicol rico hacia la unidad de generación.

4.2.4 Despojadora

La despojadora contiene una sección enfriada en la cima de la columna a través de la cual fluye glicol rico, con el propósito de enfriar los vapores que están subiendo de la sección inferior. Esto genera por condensación un reflujo de líquido con lo cual se minimizan las pérdidas de glicol con los vapores de agua caliente que salen como producto de cima de la despojadora. Por debajo de la boquilla de entrada del glicol rico hay una sección empacada, usualmente con sillas de cerámica. Normalmente se dispone de un distribuidor tipo coca “cap” encima del empaque, para ayudar a la distribución del líquido. Si la solución de glicol rico viene con hidrocarburo, se tienen problemas en la sección empacada porque puede ocurrir una evaporación súbita, lo cual hace que se levanten las sillas de cerámica. Si el glicol absorbe hidrocarburo en la contactora, este pasa a la despojadora y ensucia el empaque. 57


4.2.5 Rehervidor El rehervidor debe ser diseñado para que suministre el calor requerido para elevar la temperatura del glicol rico a un valor adecuado, y se pueda conseguir la reconcentración necesaria del glicol. El tubo de fuego debe tener el área de transferencia de calor adecuada sin exceder cierto límite, alrededor de 6,000 Btu/hr/ft2. El quemador debe considerar la entrega de un flujo de calor de 10,000 Btu/hr/ft2 hacia el área del tubo de fuego. La llama debe estar bien distribuida a lo largo del tubo de fuego. La entrada de calor por diseño debe estar en el orden de 1,500 Btu por galón de glicol circulado. La temperatura del trietilen glicol no debe exceder 400 ºF, para evitar la descomposición de la molécula. Temperaturas un poco más bajas son deseables, pero esto depende de la pureza necesaria del glicol para alcanzar el valor de diseño de depresión del punto de rocío. Si se depositan sales u otros sólidos sobre el tubo de fuego por el lado glicol, pueden aparecer problemas de puntos calientes en el rehervidor y producirse fallas.

4.2.6 Bomba de Glicol La bomba de glicol circula el solvente a través de los equipos. La bomba puede ser manejada por un motor eléctrico, o mediante glicol rico con la asistencia de gas a alta presión. Se debe tener cuidado para que el empaque de la bomba no presente escape excesivo. Si el empaque está muy ajustado, se puede rayar el pistón. La rata de flujo de la bomba se ajusta de acuerdo con la rata de gas y la cantidad de agua a ser removida. Si se bombea demasiado glicol, puede suceder que el rehervidor no alcance la temperatura requerida para la regeneración.

4.2.7 Pérdidas de Glicol Pérdidas aceptables de glicol están en el orden de 0.1 galón per MMscf de gas tratado, lo cual representa menos de l lb de glicol por MMscf. Las pérdidas ocurren en la cima de la contactora y dependen de su temperatura y presión. Otras pérdidas ocurren en la regeneración, por escapes en bombas, filtros, tuberías y por limpieza de filtros.

58


Ejercicio 8 – Proceso de Deshidratación y Regeneración con Trietilen Glicol Un flujo molar de gas húmedo de 4,479 lbmol/h entra a las facilidades de deshidratación a 100 ºF y 850 psig. La composición molar libre de agua es: N2 = 0.0121, C1 = 0.9012, C2 = 0.0764, C3 = 0.0099, iC4 = 0.0003 y nC4 = 0.0001. El gas húmedo entra en contacto con una solución a alta concentración de TEG en una absorbedora (contactora). El TEG remueve agua del gas y pasa a una columna de destilación en la cual dicha agua es separada, aplicando calor a la solución de TEG. El TEG regenerado (solvente pobre) se recircula a la contactora para continuar el ciclo. Mientras la contactora opera a alta presión, la regeneradora opera a presión prácticamente atmosférica. La regeneradora es una columna de destilación generalmente empacada. La regeneradora se opera controlando las temperaturas de cima y del rehervidor. Puesto que opera a presión atmosférica y el vapor producido por la cima es principalmente agua, la temperatura de cima es esencialmente el punto de ebullición del agua a 1 atmósfera. El TEG se degrada a temperaturas por encima de 400 ºF, por lo tanto este valor se usa como límite en la especificación de temperatura del rehervidor. El vapor producido en las cima de la regeneradora se envía directamente a la atmósfera o a un sistema de tea si contiene sustancias nocivas. Aunque el TEG tiene baja presión de vapor, se pierde un poco por la cima de la absorbedora y la regeneradora. Por esta razón, se debe adicionar al proceso una pequeña cantidad como corriente de reposición. En este ejercicio el gas de ventas debe cumplir con una especificación de punto de rocío de 14 ºF.

1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. 2. Adicionar los componentes N2, C1, C2, C3, iC4, nC4, H2O y TEG. Ir al PFD. Desde la Barra de Menús hacer click sobre Tools, seleccionar Preferences. Presionar la pestaña Variables, seleccionar Field, hacer click sobre el botón Clone, en el cajón Unit Set Name entrar “Usuario 02”. En la tabla Display Units, seleccionar la celda Liq. Vol. Flow. En la parte superior de la pantalla, hacer click sobre barrel/day y seleccionar “USGPM”. Hacer click sobre el botón Save Preference Set..., seleccionar la ruta y carpeta para salvar el archivo con el conjunto de unidades Usuario 02, hacer click sobre “Save”, hacer click sobre “X” para cerrar la ventana “Session Preferences”. En este punto se tiene la 59

Ejercicio 8

Unidad de Deshidratación con TEG

60



rata de flujo líquido en “USGPM”. Hacer click sobre el botón Workbook, desde la Barra de Menús hacer click sobre Workbook, seleccionar Setup..., en el cajón Variables hacer click sobre el botón Add..., seleccionar Std Gas Flow, hacer click sobre el botón OK y nuevamente hacer click sobre “X”. De esta forma se ha añadido al “Workbook”, el flujo estándar de gas en “MMscfd”. 3. Ir al PFD, maximizarlo y adicionar dos corrientes de materia. Abrir la ventana de propiedades para la corriente 1 y llamar esta corriente Gas de Entrada, entrar una temperatura de 100 ºF y una presión de 865 psia. Entrar la composición molar indicada anteriormente, normalizar, suministrar un flujo molar de 4,479 lbmol/h y regresar al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 8.hsc 4. Abrir la ventana de propiedades para la corriente 2 y llamarla Agua, entrar una temperatura de 100 ºF y una presión de 865 psia., para H2O entrar una fracción molar de 1.0, normalizar y regresar al PFD. 5. Adicionar una operación Balance, en las celdas Inlet Streams entrar “Agua” y “Gas de Entrada”, en las celdas Outlet Streams entrar “Gas con H2O”, escoger un balance tipo Mole y regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “Gas con H2O” y entrar una temperatura de 100 ºF y una presión de 865 psia, regresar al PFD. 6. Adicionar una operación Separator y abrir su correspondiente ventana de propiedades. En la pestaña Design escoger Connections y entrar: Inlets = Gas con H2O, Vapour Outlet = Gas a la Contactora, Liquid Outlet = Agua Libre, regresar al PFD. 7. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Workbook, en la celda Mass Flow de la corriente “Agua”, entrar valores hasta que el flujo másico de la corriente líquida - “Agua Libre” que sale del separador sea un valor ligeramente mayor que cero.


61


Cual es la temperatura de hidrato de la corriente “Gas a la Contactora”? ºF Cual es el contenido de agua de la corriente “Gas a la Contactora”? lb H2O/MMscf de gas

Guías para resolver estas preguntas: *

Adicionar una utilidad “Hydrate Formation” y llamarla Hidrato a Contactora, seleccionar la corriente Gas a Contactora y leer la temperatura de formación de hidrato.

*

En la ventana del Workbook, hacer doble click sobre la celda Mass Flow de la corriente Gas a Contactora, seleccionar el radio-botón Mass Flows y manualmente convertir el flujo másico para H2O de lb/h a lb/d. Calcular la relación (lb/d) de agua / (MMscfd) de gas, para la corriente “Gas a la Contactora”.

Adición de la Contactora de TEG

La contactora de TEG será modelada como una columna absorbedora “Absorber Column” con 3 etapas ideales. 8. Desde el Palette adicionar una operación columna Absorber. Abrir la ventana

Absorber

de propiedades para la operación Absorber y entrar la siguiente información, usando la lista desplegable para las corrientes existentes en la simulación: Top Stage Inlet = Carga de TEG, Bottom Stage Inlet = Gas a Contactora, Numb Stages n = 3, Ovhd Vapour Outlet = Gas Seco, Bottoms Liquid Outlet = TEG Rico, hacer click sobre el botón Next>, Top Stage Pressure = 865 psia, Bottom 62


Stage Pressure = 865 psia, hacer click sobre el botón Next>, Optional Top Stage Temperature Estimate = 120 ºF, Optional Bottom Stage Temperature Estimate = 100 ºF, click sobre el botón Done... y click nuevamente sobre “X” para regresar al PFD. 9. Abrir la ventana de propiedades para la corriente Carga de TEG y entrar la siguiente información: 120 ºF, 865 psia, hacer doble click sobre la celda Mass Flow y entrar H2O = 0.01, TEGlycol = 0.99, normalizar, hacer click sobre el botón OK, en la celda Liquid Volume Flow entrar 4.0 USGPM (según guías de diseño y operación este valor está entre 2 – 5 galones de TEG / lb de agua removida), regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la Absorbedora “T-100” y hacer click sobre el botón Run para hacer correr esta operación. Regresar al PFD. Cual es el contenido de agua para la corriente “Gas Seco”? lb H2O/MMscf de gas

10. La corriente “TEG Rico” se vaporiza súbitamente al pasar a través de una válvula y la presión decrece hasta un valor de 26 psia. Desde el Palette adicionar una operación Valve y entrar la siguiente información: Inlet = TEG Rico, Outlet = TEG BP. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “TEG BP” y entrar la presión de salida de la válvula. Esta corriente entra al intercambiador de calor solvente pobre/rico por el lado tubos. 11. Desde el Palette adicionar una operación Heat Exchanger, abrir la ventana de propiedades para esta operación y entrar la siguiente información:

Heat Exchanger

Tube Side Inlet = TEG BP, Tube Side Outlet = TEG a Regen, Shell Side Inlet = TEG Reg, Shell Side Outlet = TEG Reg de R/P, seleccionar Parameters y entrar las caídas de presión lados tubos y casco, Tube Side Delta P = 10.0 psi, Shell Side Delta P = 0.10 psi, regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “TEG a Regen” y entrar una temperatura de 260 ºF, regresar al PFD. 63


Adición de la Regeneradora de TEG

La Regeneradora de TEG se simula como una columna de destilación con una etapa ideal, un condensador y un rehervidor. Para evitar las pérdidas de TEG un valor apropiado de temperatura del condensador es 210 ºF y una temperatura límite para el rehervidor es 400 ºF. 12. Desde el Palette adicionar una operación Distillation Column. Abrir la ventana de propiedades para dicha operación y entrar la siguiente información: Distillation Column

Numb Stages n = 1, en el cajón Inlet Streams entrar “TEG a Regen” en la celda Stream, entrar “1_Main TS” en la celda Inlet Stage, en el cajón Condenser seleccionar el radio-botón Full Rflx, Ovhd Vapour Oulet = Vapores, Bottoms Liquid Outlet = TEG Reg, Condenser Energy Stream = Cond Q, Reboiler Energy Stream = Reb Q, hacer click sobre el botón Next>, Condenser Pressure = 14.7 psia, Condenser Pressure Drop = 0.3 psi, click sobre el botón Next> y nuevamente sobre el botón Next>, Vapour Rate = 1.0 lbmol/h, Reflux Ratio = 1.0, Flow Basis = Molar, click sobre el botón Done..., escoger la pestaña Design y seleccionar Specs, click sobre el botón Add..., seleccionar Column Temperature, click sobre el botón Add Spec(s)..., entrar la siguiente información: Name = Temperatura Condensador, Stage = Condenser, Spec Value = 210 ºF, click sobre “X”, click sobre el botón Add..., seleccionar Column Temperature, click sobre el botón Add Spec(s)..., entrar la siguiente información: Name = Temperatura Rehervidor, Stage = Reboiler, Spec Value = 425 ºF, click sobre “X”, seleccionar Monitor, en la columna Active hacer click sobre los cajones de las dos primeras especificaciones “Reflux Ratio” y “Ovhd Vap Rate” para desactivarlos (los grados de libertad “Degrees of Freedom” son ahora 2). Para tener la columna totalmente especificada los grados de libertad deben ser igual a 0. En el cajón Specifications, colocar en posición activa las especificaciones “Temperatura Condensador” y “Temperatura Rehervidor” (Ahora los grados de libertad son 0), la columna debe converger. Ir a la celda Specified Value para Temperatura Rehervidor y cambiar el valor

64


de la especificación al valor recomendado de máximo 400 °F. La columna debe converger. Regresar al PFD y rearreglarlo. (Salvar como “Ejercicio 8” presionando el botón Save Case)

Cuál es la concentración en masa para la corriente “TEG Reg”? Comparar con la concentración escogida de 0.9900 en el paso 9, este valor es: Mayor Menor ?

Reposición de Pérdidas El TEG se pierde en pequeñas cantidades por lo tanto se requiere una reposición que asegure el balance de material. Como no es posible anticipar las pérdidas de TEG, el flujo para la corriente de reposición de TEG se especifica indirectamente, al fijar el flujo de la corriente total de mezcla. 13. Desde el Palette adicionar una operación Mixer, abrir la ventana de propiedades para esta operación y entrar la siguiente información:

Mixer

En la pestaña Design seleccionar Connections y hacer Inlets = “TEG Reg de R/P”, “Reposición TEG”, Outlet = TEG a Bomba, seleccionar Parameters y hacer click sobre el radio-botón Equalize All, regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “Reposición TEG” y entrar una temperatura de 90 ºF, hacer doble click sobre la celda Mass Flow y entrar H2O = 0.001, TEGlycol = 0.999, normalizar, hacer click sobre el botón OK y nuevamente sobre “X”. 65


14. Desde el Palette adicionar una operación Pump, abrir la ventana de propiedades de esta operación y entrar la siguiente información: Pump

Inlet = TEG a Bomba, Outlet = TEG de Bomba, Energy = Bomba Q, regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente TEG de Bomba y entrar una presión de 875 psia, regresar al PFD.

Enfriamiento y Reciclo de TEG a la Contactora Se adiciona un segundo intercambiador de calor para enfriar el TEG que regresa a la Contactora. 15. Adicionar una operación Heat Exchanger, abrir la ventana de propiedades correspondiente a esta operación y entrar la siguiente información: Tube Side Inlet = TEG de Bomba, Tube Side Outlet = TEG a Reciclo, Shell Side Inlet = Gas Seco, Shell Side Outlet = Gas de Venta, seleccionar Parameters y entrar Tube Side Delta P = 10.0 psi, Shell Side Delta P = 5.0 psi, regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “TEG a Reciclo” y entrar una temperatura de 120 ºF, regresar al PFD. 16. Adicionar una operación Recycle, abrir la ventana de propiedades para esta corriente y entrar la siguiente información: Inlet = TEG a Reciclo, Outlet = Carga de TEG, regresar al PFD. A

S

R

Recycle

17. Para mantener actualizado el valor de la corriente “TEG a Bomba”, cada vez que se cambie el valor de la corriente de reciclo “Carga de TEG a la Contactora”, se instalará una operación SET. A

S

R

Set

66


Desde el Palette adicionar una operación SET, abrir su respectiva ventana de propiedades y hacer click sobre el botón Select Var..., en la columna Object, seleccionar la corriente TEG a Bomba, en la columna Variable, seleccionar Liquid Volume Flow, hacer click sobre el botón OK, en el cajón Source para la lista desplegable Object, seleccionar la corriente Carga de TEG, hacer click sobre la pestaña Parameters y entrar Multiplier = 1.0, Offset [USGPM] = 0.0, regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 8” presionando el botón Save Case)

Determinación del Punto de Rocío por Agua

Con frecuencia la eficiencia de un proceso de deshidratación se mide según sea el punto de rocío por agua del gas seco. El punto de rocío por agua se determina enfriando el gas hasta que empieza a condensarce agua libre. La temperatura a la cual esto ocurre, se denomina temperatura de rocío por agua. 18. Adicionar una operación TEE, abrir su respectiva ventana de propiedades y entrar la siguiente información:

Tee

Inlet = Gas de Venta, Outlets = “Gas de Despojo”, “Gas Venta”, regresar al PFD. Entrar un flujo másico Mass Flow = 0.0 lb/h para la corriente “Gas de Despojo”, regresar al PFD.

Puesto que el TEG afecta el cálculo de punto de rocío en una corriente, este debe ser removido de la corriente “Gas”. La forma de hacerlo es mediante una operación Component Splitter.

67


19. Adicionar una operación Component Splitter para remover el TEG de la corriente “Gas”. Component Splitter

Abrir la ventana de propiedades para la operación Component Splitter y entrar la siguiente información: Inlets = Gas Venta, Energy Streams = Split, Overhead Outlet = TEG, Bottoms Outlet = Punto Rocío Gas, seleccionar Parameters y entrar Overhead Pressure = 860 psia, Bottoms Pressure = 860 psia, seleccionar Splits, hacer click sobre el botón All 0, entrar en la celda TEGlycol un valor de 1.0000, regresar al PFD. 20. Adicionar una operación Separator para remover cualquier agua libre que se haya formado. Abrir la ventana de propiedades para la operación Separator y entrar la siguiente información: Inlets = Punto Rocío Gas, Vapour Outlet = Gas, Liquid Outlet = Primera Gota, regresar al PFD. Para la corriente Punto Rocío Gas entrar en una temperatura de 20 ºF, regresar al PFD.

La temperatura puede ser ajustada manualmente, sin embargo la operación Adjust ejecutará este cálculo automáticamente en forma rápida. 21. Adicionar una operación Adjust, abrir la ventana de propiedades para Adjust

A

S

R

esta operación y ejecutar las siguientes instrucciones: en el cajón Adjusted Variable, hacer click sobre el botón Select Var..., en la columna Object seleccionar Punto Rocío Gas, en la columna Variable seleccionar Temperature, hacer click sobre el botón OK, en el cajón Target Variable, hacer click sobre el botón Select Var..., en la columna Object seleccionar Primera Gota, en la columna Variable seleccionar Comp Mass Flow, en la columna Variable Specifics seleccionar H2O, hacer click sobre el botón OK, en la celda Specified Target Value entrar 0.01 lb/h, escoger la pestaña Parameters y entrar Method = Secant, Tolerance = 0.005 lb/h, Step Size = 5 ºF, Maximum Iterations = 50, hacer click sobre el botón Start. La operación debe converger, regresar al PFD. 68



Cual es la temperatura de rocío por agua para la corriente “Gas de Venta”? ºF Cual es la fracción en masa para la corriente “TEG Reg”?

Gas de Despojo a la Regeneradora Si se adiciona gas de despojo en la Regeneradora, se puede mejorar su capacidad para remover agua al trietilen glicol rico. 22. Adicionar una operación Balance, en las celdas Inlet Streams entrar “Gas de Despojo”, en las celdas Outlet Streams entrar “GDD a Regen”, escoger un Balance tipo Mole y regresar al PFD. Abrir la ventana de propiedades para la corriente “GDD a Regen” y entrar una temperatura de 160 ºF y una presión de 15 psia, regresar al PFD. 23. Abrir la ventana de propiedades para la regeneradora “T-101”, escoger la pestaña Design, seleccionar Connections, en el cajón Inlet Streams adicionar <> “GDD a Regen”, en la celda Inlet Stage entrar “Reboiler” seleccionándolo de la lista desplegable, hacer click sobre el botón Run, la columna debe converger. Regresar al PFD. 24. Entrar un flujo másico de 68 lb/h para la corriente “Gas de Despojo”. (Salvar como “Ejercicio 8” presionando el botón Save Case)

69


Cual es el punto de rocío por agua para la corriente “Gas de Venta”? ºF Cual es la fracción en masa para la corriente “TEG Reg”?

Cual es el contenido de agua para la corriente “Gas de Venta”? lb H2O/MMscf of gas

70


5.0

RECUPERACIÓN DE LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Y CONTROL DE PUNTO DE ROCÍO POR HIDROCARBURO

Generalmente los líquidos del gas natural - “Natural Gas Liquids - NGL”, tales como etano, propano, butanos y pentanos y más pesados, se recuperan del gas natural crudo. Cuando el gas crudo contiene 1.3 % molar, puede ser económico recuperar el gas licuado del petróleo – “Liquefied Petroleum Gas” – LPG, que es una mezcla de propano y butanos. Existen comercialmente algunos procesos para recuperar estos líquidos (NGL), los cuales se clasifican con base en el principio físico involucrado así: • ABSORCIÓN • CONDENSACIÓN : - Refrigeración mecánica - Expansión isentálpica (Joule – Thompson) - Expansión isentrópica (Turbo – Expander) • ADSORCIÓN • PERMEACIÓN EN MEMBRANAS Los procesos de absorción con aceite pobre y refrigeración mecánica serán simulados mediante los ejercicios 9 a 11, respectivamente.

5.1

Absorción

Absorción es una de las operaciones unitarias más antiguas usada en la industria de procesamiento de gas para recuperar NGL. El gas rico entra por el fondo de la absorbedora y fluye hacia arriba poniéndose en contacto con una corriente de aceite pobre en contracorriente. El aceite pobre absorbe preferentemente los componentes del gas más pesados y de esta forma se denomina “aceite rico”. Este aceite rico se envía a una despojadora (destiladora), en la cual por calentamiento y/o despojo con vapor, se remueven los componentes absorbidos. El aceite pobre se recircula a la absorbedora para cerrar el ciclo. 71


Para un determinado gas, la fracción de cada uno de los componentes del gas que es absorbida por el aceite, está en función de la relación entre el equilibrio de fases de los componentes y el aceite pobre, de las ratas relativas de flujo y de las etapas de contacto. La relación de fases es función de la presión, la temperatura y la composición del aceite pobre. A medida que se absorben los componentes, la temperatura de las fases gas y aceite se incrementará, debido al calor de absorción. El calor liberado es proporcional a la cantidad de gas absorbido. En muchos casos, se usan enfriadores laterales a la absorbedora, para limitar el incremento de temperatura y ayudar en la operación de absorción. Un buen aceite de absorción debe ser parafínico, pero no cera, ni aromático, ni olefínico; tener un rango de destilación angosto y un peso molecular en el rango 100 a 200. Para absorbedoras a temperatura ambiente, se usa un aceite pobre con un peso molecular en el rango 180 a 200. Para absorbedoras refrigeradas, se usa un aceite pobre más liviano en el rango de peso molecular 120 to 140. Entre más bajo el peso molecular del aceite pobre, este contiene más moles por galón, resultando en una más baja rata de circulación. Sin embargo, el aceite pobre de bajo peso molecular, tendrá más pérdidas por evaporación. Lo más deseable es que exista una gran diferencia entre el punto inicial de ebullición del aceite pobre y el punto final de ebullición de los líquidos del gas, para que no se vaya mucho aceite pobre por la cima de la absorbedora con el gas procesado. La columna de despojo se opera a baja presión y alta temperatura. En plantas viejas, se inyecta vapor “vivo” por el fondo de la columna para despojar el aceite pobre de los componentes líquidos del gas - NGL. El vapor baja la presión parcial de los hidrocarburos livianos, lo cual es equivalente a disminuir la presión de operación. Normalmente las plantas con aceite pobre refrigerado, usan calentadores de fuego directo para vaporizar una parte del aceite pobre en la despojadora, a fin de suministrar el despojo necesario.

Ejercicio 9 – Absorción con Aceite Pobre

Se va a usar aceite de absorción para recuperar 70 % de C3 de una corriente de 5,350 lbmole/h de gas rico a 105 ºF y 885 psia con la siguiente composición molar: N2 = 0.0112, C1 = 0.8341, C2 = 0.0707, C3 = 0.0305, iC4 = 0.0130, nC4 = 0.0059, iC5 = 72


0.0248, nC5 = 0.0044, nC6 = 0.0045 y nC7 = 0.0009. La absorbedora tiene 8 platos teóricos con una presión en la cima de 875 psia (etapa 1) y una presión en el fondo de 880 psia (etapa 8). Asumir el componente nC14 como el aceite pobre, el cual es refrigerado y entra a la absorbedora a 55 ºF y 890 psia.

1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. Adicionar los componentes del gas rico y el aceite pobre. Ir al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 9.hsc 2. Cargar el conjunto de unidades “Usuario 02” para tener el Liq. Vol. Flow en USGPM. Adicionar la corriente Gas a Contactora con la composición y condiciones de operación mostradas anteriormente. 3. Adicionar la corriente Aceite Pobre con las respectivas condiciones de operación y una fracción molar para el nC14 = 1.0000. Entrar un Liq. Vol. Flow de 375 USGPM. 4. Adicionar una operación Absorber y entrar la siguiente información: Numb Stages n = 8, Top Stage Inlet = Aceite Pobre, Bottom Stage Inlet = Gas a Contactora, Ovhd Vapour Outlet = Gas a Deshidratación, Bottoms Liquid Outlet = Aceite Rico, click sobre el botón Next>, Top Stage Pressure = 875 psia,

73


Absorber

Bottom Stage Pressure = 880 psia, click sobre el botón Next>, click sobre el botón Done y nuevamente sobre el botón Run. La columna debe converger. Regresar al PFD. (Salvar como “Ejercicio 9” presionando el botón Save Case)

Cual es la cantidad de C3 en lbmol/h para la corriente “Gas a Contactora”? Cual debe ser la cantidad de C3 en lbmol/h para la corriente “Aceite Rico” si se recupera el 70 %? Cual es la cantidad actual de C3 en lbmol/h para la corriente “Aceite Rico”? , cumple con el 70 % de recuperación?

Para que el programa calcule en forma automática la rata de circulación de aceite pobre requerida para recuperar el 70 % del C3 de carga a la contactora, se utiliza una operación “Adjust” así: 5. Instalar una operación “Adjust”, editarla e ingresar la siguiente información: en el cuadro “Adjusted Variable”, hacer click en “Select Var...”, en la columna “Object” seleccionar “Aceite Pobre”, en la columna “Variable” seleccionar “Liquid Volume Flow”, hacer click en “OK”, en el cuadro “Target Variable”, hacer click en “Select Var...”, en la columna “Object” seleccionar “Aceite Rico”, en la columna “Variable” seleccionar “Comp Molar Flow”, en la columna “Variable Specifics” seleccionar “Propane”, hacer click en “OK”, en el campo “Specified Target Value” ingresar 114.23 lbmole/h, ir a la pestaña “Parameters” e ingresar Method = Secant, Tolerance = 0.01 lbmole/h, Step Size = 50 USGPM, Maximum Iterations = 50, hacer click en “Start”, la operación debe converger, regresar al PFD. 74



Cual es la nueva cantidad calculada de C3 en lbmol/h para la corriente “Aceite Rico”? Cumple con el 70 % de recuperación?

5.2

Condensación

El principio físico de condensación se usa para remover hidrocarburo líquido del gas de producción, para asegurar que este no condense durante su transporte como gas de venta. Una especificación típica es el punto de rocío por hidrocarburo (usualmente 15 ºF a 850 psia). Hay dos métodos mediante los cuales se puede acondicionar el gas para que cumpla con dicha especificación. Uno es una planta Joule-Thompson y el otro es una planta de refrigeración. En una planta J-T se reduce la presión de la corriente, lo cual enfría el gas por el efecto Joule-Thompson. Este enfriamiento origina la condensación de hidrocarburo líquido pesado, con la consecuente disminución de la temperatura del punto de rocío por hidrocarburo. Una planta J-T es un proceso sencillo y económico y es común que esté montada en patines. Es muy apropiada para mezcla de gases con bajo contenido de contaminantes, especialmente C02 y H2S. El gas que se ha enfriado en el proceso J-T puede usarse para enfriar otra corriente de proceso, con lo cual se obtiene una fuente “gratis” de energía. La desventaja en una planta J-T es que si la presión cae por debajo de la requerida para el transporte por gasoducto, se requiere compresión. Si el gas contiene alto contenido de contaminantes o es necesario un procesamiento posterior, se requiere de una planta de refrigeración. El gas es enfriado por un refrigerante que generalmente es propano. La cantidad de enfriamiento se controla manipulando el flujo de refrigerante. 75


En un proceso típico de refrigeración, se comprime propano y luego se enfría. Su presión se reduce a través de una válvula, resultando en una caída de temperatura. El propano frío se usa para enfriar una corriente de gas, al vaporizarse el propano líquido. Por último, el propano gaseoso va a la succión de un compresor, en el cual se incrementa la presión y se repite el ciclo. El circuito de refrigeración con propano es un proceso cerrado en el cual las pérdidas de propano deben ser mínimas, por lo cual es muy importante conocer la cantidad correcta de propano requerida para enfriar la corriente de proceso.

Ejercicio 10 – Proceso de Refrigeración con Propano Una mezcla de 5,644 lbmol/h con la siguiente composición molar: N2 = 0.0116, C1 = 0.8674, C2 = 0.0754, C3 = 0.0241, iC4 = 0.0066, nC4 = 0.0068, iC5 = 0.0017, nC5 = 0.0025, nC6 = 0.0023 y nC7 = 0.0016, se va a enfriar desde 60°F hasta 0°F. La presión de la mezcla es 970 psia. El propano sale del chiller a –10 ºF y del condensador a 80 ºF. La eficiencia adiabática (isentrópica) del compresor es 75 %. El refrigerante es propano puro. Determinar la rata de flujo de propano requerido para enfriar la mezcla.

76


1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. Adicionar los componentes de la mezcla. Ir al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 10.hsc 2. Cargar el conjunto de unidades “Usuario 02”. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Workbook, desde la Barra de Menús hacer click sobre Workbook, seleccionar Setup, en la parte derecha inferior de la ventana para el cuadro “Variables” hacer click sobre el botón Add…, en el cajón “Variable” seleccionar Std Gas Flow, hacer click sobre el botón OK y click sobre “X” para cerrar la ventana “Setup view”. Ingresar la corriente “A” de propano líquido saturado a la temperatura de salida del condensador. 3. Ingresar una operación Valve y llamarla “Expansión”, a esta operación entra la corriente “A” y sale la corriente “B”, a la temperatura de operación del chiller. 4. Ingresar la operación Heat Exchanger y llamarla “Evaporación”. Por el lado tubos entra la corriente “Mezcla” a 60 ºF y 970 psia con el flujo y composición molar indicados arriba, y sale la corriente “Mezcla Fría” a 0 ºF. Por el lado casco entra la corriente “B” y sale la corriente “C” en su punto de rocío. Despreciar la caída de presión por ambos lados. Salvar el caso como Ejercicio 10.hsc

5. Instalar la operación Compressor y llamarla “Compresión”, ingresar la siguiente información: Compressor

Inlet = C, Outlet = D, Energy = Q Compresor, señalar “Parameters” e ingresar Adiabatic Efficiency = 75 % (eficiencia isentrópica), regresar al PFD.

77


6. Instalar la operación Cooler y llamarla “Condensación”, ingresar Inlet = D, Outlet = A, Energy = Q Condensador, despreciar la caída de presión, regresar al PFD. 7. El diagrama P-H para propano, puede reproducirse con el simulador mediante la utilidad “Envelope” así: Desde la Barra de Menús presionar Tools, seleccionar Utilities, escoger Envelope Utility y hacer click en el botón Add Utility, ingresar lo siguiente: Name = P-H Propano, hacer click sobre el botón Select Stream..., en el cajón “Object” señalar “A” y hacer click en el botón OK. Ir a la pestaña “Performance”, en el cajón “Envelope Type” hacer click en el radiobotón PH, en el cuadro “Curves” ingresar 114.4 ºF para “Isotherm 1” (temperatura de la corriente D), 80 ºF para “Isotherm 2” (temperatura de la corriente A) y –10 ºF para “Isotherm 3” (temperatura de las corrientes B y C). Regresar al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 10.hsc

El diagrama se puede acondicionar para imprimir y sobre él se pueden indicar las cuatro corrientes A, B, C, y D que conforman el ciclo de refrigeración así:

R

D

A B

78

C


Con base en los resultados obtenidos en la simulación responder las siguientes preguntas:

Cual es el duty del Evaporador (Chiller)? MMBtu/h Cuanto propano líquido hay después de la expansión? lb/h Cual es la fracción en masa de propano líquido después de la expansión? (Usar las lb/h de propano líquido de la pregunta anterior)

Cual es el flujo de propano líquido? “Std Liq Vol Flow – Corriente A” USGPM Cual es el flujo de propano vapor? MMscfd Cual es el trabajo real del compresor? MMBtu/h Cual es el duty del condensador? MMBtu/h

Ejercicio 11 – Procesamiento de Gas por Refrigeración

Una carga con la siguiente composición en lbmole/h: N2 = 10.98, CO2 = 54.90, H2S = 5.49, C1 = 867.46, C2 = 87.84, C3 = 38.43, iC4 = 5.49, nC4 = 10.98, iC5 = 2.20, nC5 = 3.29, C6+ = 10.98 entra a 60 °F y 1,000 psia al separador de entrada de una planta de gas, en el cual se separa el líquido libre. El gas de este separador se enfría en dos etapas antes de ser enviado al sistema de transmisión a los clientes. 79


En el sistema de refrigeración el gas frío sale del chiller y entra al separador de baja temperatura, en el cual todo el líquido condensado se separa del gas. Estos condensados generalmente se estabilizan, para cumplir con especificaciones de presión de vapor (presión de punto de burbuja), y se almacenan antes de ser enviados a otras facilidades de procesamiento. Encontrar la temperatura del gas frío que sale del chiller (corriente Alimento SBT) requerida para controlar un punto de rocío por hidrocarburo de 12 °F en el gas de venta, haciendo las consideraciones siguientes: • La temperatura del propano líquido que sale del condensador (corriente A) es 120 °F. • La temperatura de la corriente Gas de Venta está 30 °F por debajo de la temperatura del gas que sale del separador de entrada. • La temperatura del propano que sale del chiller está 5 °F por debajo de la temperatura de la corriente Alimento SBT.

1. Abrir el caso Ejercicio 10.hsc y salvarlo como Ejercicio 11.hsc. 2. Borrar las corrientes Mezcla and Mezcla Fría. Cambiar la temperatura de la corriente A a 120 ºF. Borrar la temperatura de la corriente B.

80


3. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Enter Basis Environment, nuevamente sobre el botón View..., seleccionar y remover los componentes nHexane y n-Heptane, a continuación del componente Nitrogen adicionar los componentes CO2 y H2S. A continuación del componente n-Pentane adicionar el componente hipotético C6+ (normal boiling point = 230 °F). 4. Hacer click en “X” y nuevamente sobre el botón Return to Simulation Environment...” contestando Si a la pregunta “Do you wish to be left in HOLDING mode...……”. 5. Adicionar una nueva corriente y entrar la siguiente información: Name = Alimento, Temperature = 60 ºF, Pressure = 1,000 psia y la composición en lbmole/h indicada anteriormente. 6. Ingresar las siguientes operaciones (ver el diagrama de flujo de la página anterior para identificación de corrientes y secuencia de las operaciones): No olvide salvar frecuentemente • Separator “V-100”. • Heat Exchanger “E-100”: ∆P shell and tubes = 10 psi. • Abrir la vista de propiedades para la operación Heat Exchanger Evaporación e ingresar las corrientes lado tubos. • Separator “V-101”. • Mixer “MIX-100” 7. Fijar la temperatura de la corriente Gas de Venta 30 ºF por debajo de la temperatura de la corriente 2, mediante una operación SET en la cual sobre la pestaña Parameters se ingresan los siguientes datos: Multiplier = 1.0, Offset [F] = -30. 8. Fijar la temperatura de la corriente C 5 ºF por debajo de la temperatura de la corriente Alimento SBT, mediante una operación SET en la cual sobre la pestaña Parameters se ingresan los siguientes datos: Multiplier = 1.0, Offset [F] = -5. 9. Adicionar una operación Balance tipo mole, para calcular el punto de rocío del por hidrocarburo (ver las corrientes en el diagrama de flujo). 10. Editar la corriente Punto de Rocío x HC y entrar una presión de 815 psia y el valor requerido para fracción de vapor. 81


11. El punto de rocío por hidrocarburo se controla con el enfriamiento de la corriente Alimento SBT. Para iniciar, dar un valor de temperatura de 0 ºF para ésta corriente. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Solver Active.

Cual es el punto de rocío por hidrocarburo para el gas de venta? ºF.

12. Adicionar una operación Adjust para encontrar automáticamente la temperatura del gas frío a la salida del chiller (corriente Alimento SBT), requerida para controlar un punto de rocío de 12 °F en el gas de venta (corriente Punto de Rocío x HC). Estando en la pestaña Parameters entrar Tolerance = 0.01 y Step Size = 5.0. Hacer click sobre el botón Start.

Cual es el valor de temperatura de la corriente Alimento SBT requerido para controlar 12 °F en la corriente Punto de Rocío x HC? ºF. Cual es el requerimiento de refrigerante? lb/h.

82


6.0

DESTILACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE CRUDOS

6.1

Destilación

En el proceso de destilación se separan diferentes componentes mediante cambios en la temperatura producidos por la aplicación de calor. Una mezcla se separa en un producto de cima más volátil y un producto de fondo menos volátil. La dificultad para la separación, se puede medir por la diferencia de los puntos de ebullición de los componentes a presión atmosférica. A continuación se indican los puntos de ebullición para algunos de los componentes de las mezclas de gases:

Component

B.P. ( °F )

Methane Ethylene Ethane Propylene Propane i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane

-258.7 -154.6 -127.5 -53.9 -43.9 10.9 31.1 82.1 96.9 155.7

Esto muestra que la separación entre C3 e iC4 es más fácil que entre iC5 y n-C5. Una forma más precisa para medir la dificultad de separación es la volatilidad relativa, la cual se expresa como: α = KLK / KHK donde KLK es la constante de equilibrio para el componente clave liviano y KHK es la constante de equilibrio para el componente clave pesado involucrados en la separación, estando ambos a la misma temperatura y presión. Los componentes claves en una separación multicomponente, son aquellos que están siendo separados o componentes que son considerados como impurezas en los productos de cima o fondo. Los componentes aparecen tanto en la cima como en el fondo de la columna, el clave liviano aparece casi todo en la cima y muy poco en el fondo, por ejemplo es 83


el componente más liviano en el fondo. Lo opuesto es verdad para el componente clave pesado. Aparece casi todo en el fondo y es el componente más pesado en la cima. La separación es fácil cuando el valor de la volatilidad relativa es grande. La figura siguiente muestra un sistema típico de destilación. FIGURA 4 SISTEMA TÍPICO DE DESTILACIÓN

Reflujo Condensador Rectificación Producto de Cima V

Alimento

L Platos/Etapas

Despojo

Rehervidor

Producto de Fondo El problema más común en destilación es determinar el número de etapas requeridas para separa una mezcla multicomponente. Puesto que no es posible con anterioridad, definir completamente las composiciones de los productos de cima y fondo, se dificulta el cálculo de las cantidades de los productos. Se hace necesario escoger una cantidad de destilado, el número de etapas ideales y variar la relación de reflujo, 84


para conseguir las especificaciones de los productos. La composición del producto de cima es una función de la cantidad de destilado, del número de etapas ideales, de la cantidad de reflujo y los datos de equilibrio para el sistema líquido-vapor. Estos cálculos se pueden hacer con un computador mediante métodos cortos o rigurosos. En HYSYS la operación Short Cut Distillation ejecuta el método corto de FenskeUnderwood para torres simples con reflujo. Se calcula el mínimo número de etapas de Fenske y el reflujo mínimo de Underwood. Posteriormente se puede usar una relación de reflujo especificada para calcular: las ratas de flujo para el tráfico de líquido y vapor en las secciones de enriquecimiento y despojo, la cantidad de calor (duty) del condensador y rehervidor, el número de platos ideales y el plato óptimo de alimentación. Una columna de fraccionamiento puede producir una separación deseada solamente entre los límites de reflujo mínimo y etapas mínimas. La figura de abajo ilustra la relación entre la razón de reflujo y el número de etapas para una separación dada. A reflujo mínimo, se requiere un infinito número de etapas. A reflujo total, se requiere un mínimo número de etapas. Ninguna de estas situaciones representa una operación real, pero son los extremos límites de configuraciones de diseño posibles. Se han desarrollado métodos para calcular ambos casos de una manera rigurosa.

∞ Etapas

Número de Etapas

FIGURA 5 RELACIÓN ENTRE RAZÓN DE REFLUJO Y NÚMERO DE ETAPAS

Etapas Mínimas Reflujo Total Razón de Reflujo Reflujo Mínimo

85


La operación Short Cut Distillation es solamente un estimado del comportamiento de la columna y está limitada a columnas simples con reflujo. Para obtener resultados confiables se debe usar un método riguroso como es la operación Distillation Column de Hysys; en la cual se puede usar como información estimada, los cálculos hechos con el método corto.

Ejercicio 12 – Método Corto de Destilación

Una corriente en su punto de burbuja se alimenta a una fraccionadora con la siguiente composición en lbmole/h: C2 = 21.5, C3 = 505.6, iC4 = 105.0, nC4 = 250.1, iC5 = 56.2, nC5 = 50.0 y C6+ = 50.4. Se desea recuperar el 98 % del propano como producto de cima, el cual tiene un contenido de iC4 de 1.0 % mol. La temperatura del condensador es 120 ºF y la presión en la torre se considera constante e igual a la presión de la corriente de alimento. R externo = 1.3Rmin. Usar nC7 = C6+. 1. Abrir un nuevo caso, seleccionar la EOS de Peng Robinson e ingresar los componentes de la corriente de carga. Ir al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 12.hsc 2. Seleccionar el conjunto de unidades “Field”, ingresar una corriente, editarla llamarla “Alimento” e ingresar la composición en lbmol/h de cada componente, regresar al PFD. Para estimar la presión de la torre se requiere hacer un cálculo de punto de burbuja con la composición del producto de cima, a la temperatura del condensador. Por lo tanto, se necesita calcular la distribución de los componentes en el producto de cima. Se escoge como componente clave liviano el C3 y pesado el iC4. Se asume que los componentes mas livianos que el clave liviano y los mas pesados que el clave pesado, se separan perfectamente. 3. Ingresar una corriente, editarla y llamarla “Presión Torre”, regresar al PFD. Para calcular el balance composicional alrededor de la torre se usará la operación hoja de cálculo “Spreadsheet”.

86


Fondos con C3

Adición de una Operación Hoja de Cálculo (Spreadsheet) Esta operación aplica la funcionalidad de los programas hoja de cálculo al modelamiento con diagrama de flujo. La operación Spreadsheet es bastante poderosa, tiene acceso a todas las variables de proceso y por tanto muchas aplicaciones en HYSYS. Spreadsheet se puede usar para manipular o ejecutar cálculos de usuario con las variables del diagrama de flujo. Puesto que es una operación, los cálculos se realizan automáticamente; las celdas de la hoja de cálculo se actualizan cuando cambian los valores de las variables en el diagrama de flujo. Se pueden crear fórmulas matemáticas complejas, usando una sintaxis similar a la de una hoja de cálculo convencional. Funciones aritméticas, logarítmicas y trigonométricas, son ejemplos de la funcionalidad matemática disponible. Adicionalmente, además de la capacidad de comprensión matemática, permite hacer programación lógica. Soporta la lógica Booleana, con la cual se pueden comparar los valores de dos o mas variables usando operadores lógicos, y luego ejecutar la acción apropiada, dependiendo del resultado. Se puede importar cualquier variable de la simulación a la hoja de cálculo, y exportar el valor de una celda a cualquier campo especificable de la simulación. 87


4. Adicionar una operación Spreadsheet, editarla, escoger la pestaña Spreadsheet y entrar la siguiente información en cada una de las celdas como se indica a continuación:

Spreadsheet

En la celda A1 escribir “Componente”, y dar “enter”, en la A2 escribir “C2” y dar “enter”, en A3 escribir “C3” y dar “enter”, en A4 “iC4” y dar “enter”, en A5 “nC4” y dar “enter”, en A6 “iC5” y dar “enter”, en A7 “nC5” y dar “enter” y en A8 “C6+” y dar “enter”. Ir a la celda B9, escribir “Total Cima =” y dar “enter”. Ir a la celda B1, escribir “Alimento” y dar “enter”, ir a C1, escribir “Cima” y dar “enter”, ir a D1, escribir “Frac mol Cima” y dar “enter”. Nota: cuando se diga hacer click, es con el botón izquierdo del mouse. Cuando se requiera hacer click con el botón derecho, se indica que es con dicho botón. 5. Con el botón derecho del mouse hacer click en la celda B2, hacer click en “Import Variable”, en “Object” seleccionar “Alimento”, en “Variable” seleccionar “Comp Molar Flow”, en “Variable Specifics” seleccionar “Ethane” y hacer click en “OK”. 6. Repetir las instrucciones del paso anterior para las celdas B3 a B8 y los componentes “Propane” a C6+ = “n-Heptane”.

Ingreso de Fórmulas 7. Hacer click en la celda C2, presionar la tecla “+”, escribir b2 y dar “enter”. 8. Hacer click en la celda C3, presionar la tecla “+”, escribir b3*0.98 y dar “enter”. 9. Hacer click en la celda C4, presionar la tecla “+”, escribir c9*0.01 y dar “enter”, (aparece ). 10. Escribir 0 y dar “enter” en cada celda C5 a C8.

88


11. Hacer click en la celda C9, presionar la tecla “+”, escribir (c2+c3)/0.99 y dar “enter”. 12. Hacer click en la celda D2, presionar la tecla “+”, escribir c2/c9 y dar “enter”, hacer click en la celda D3, presionar la tecla “+”, escribir c3/c9 y dar “enter”, hacer click en la celda D4, presionar la tecla “+”, escribir c4/c9 y dar “enter”, hacer click en la celda D5, presionar la tecla “+”, escribir c5/c9 y dar “enter”, hacer click en la celda D6, presionar la tecla “+”, escribir c6/c9 y dar “enter”, hacer click en la celda D7, presionar la tecla “+”, escribir c7/c9 y dar “enter”, hacer click en la celda D8, presionar la tecla “+”, escribir c8/c9 y dar “enter”. 13. Con el botón derecho del mouse hacer click en la celda C9, hacer click en “Export Formula Result”, en “Object” seleccionar “Presión Torre”, en “Variable” seleccionar “Molar Flow” y hacer click en “OK”. 14. Con el botón derecho del mouse hacer click en la celda D2, hacer click en “Export Formula Result”, en “Object” seleccionar “Presión Torre”, en “Variable” seleccionar “Comp Mole Frac”, en “Variable Specifics” seleccionar “Ethane” y hacer click en “OK”. 15. Repetir las instrucciones del paso anterior para las celdas D3 a D8 y los componentes “Propane” a “n-Heptane”, hacer click en “X” para regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 12” presionando el botón “Save Case”)

Cálculo Presión de Burbuja a la Temperatura del Condensador 16. Editar la corriente “Presión Torre”, en “Vapour/Phase Fraction” entrar 0.0000, en “Temperature” entrar 120 ºF. Cual es la presión de la torre? psia

Regresar al PFD.

89


Método Corto de Destilación – Operación “Short Cut Distillation” Para simular esta operación se requiere dar como dato de entrada la composición del componente clave liviano (C3) en el producto de fondo, la cual en este momento no se conoce; y la composición del componente clave pesado (iC4) en el producto de cima, que es 1.0 % mol. Para calcular la composición del componente clave liviano (C3) en el producto de fondo, se procede así: 17. Instalar una operación “Balance”, editarla e ingresar como corriente de entrada “Alimento” y corrientes de salida “Presión Torre” y “Fondos con C3”, especificar tipo “Mole” y regresar al PFD. 18. Como el alimento está en el punto de burbuja a la presión de la torre, editar la corriente “Alimento” y calcular la temperatura de burbuja a 263 psia. 19. Como el producto de fondos está a la presión de la torre, editar la corriente “C3 en Fondos” y calcular la temperatura de burbuja a 263 psia. Cual es la composición del componente clave liviano (C3) en el producto de fondo (Fondos con C3)? fracción mol

20. Adicionar una operación “Short Cut Distillation”, editarla e ingresar la siguiente

Short Cut Distillation

información: Inlet = Alimento, Condenser Duty = Cond Q, Distillate = Cima, Reboiler Duty = Reb Q, Bottoms = Fondos, señalar “Parameters” e ingresar en “Component” – “Light Key in Bottoms” = Propane y en el campo “Mole Fraction” = 0.0196. Para el campo “Component” – “Heavy Key in Distillate” = i-Butane y en el campo “Mole Fraction” = 0.01. En el cuadro “Pressures” ingresar el valor calculado anteriormente de presión en la torre “263” psia, tanto para el condensador como el rehervidor (se asumió que la presión es constante en toda la torre). Cual es el valor de la mínima relación de reflujo?

90


21. En el cuadro “Reflux Ratios” ingresar para el campo “External Reflux Ratio” el valor calculado por el programa para “Minimum Reflux Ratio” multiplicado por 1.3 (R = 1.3Rmin), ir a la pestaña “Performance”. Cual es el mínimo número de platos requerido?

Cual es el número de platos calculado para R = 1.3Rmin?

Cual es la temperatura de fondos (Reboiler)? ºF Regresar al PFD. Cual es el flujo molar de producto de cima? lbmol/h Cual es el flujo molar de producto de fondo? lbmol/h

(Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 12” presionando el botón “Save Case”)

6.2

Convergencia de Torres de Destilación

A continuación se presentan ejercicios de destilación que utilizan un método riguroso de cálculo. El principal problema para el manejo del método riguroso es obtener convergencia en los diferentes tipos de torres. Para reducir el riesgo de tener este tipo de problema, se dan las siguientes guías.

91


A. ESPECIFICACIONES - Usar datos bien confiables; normalmente temperaturas y flujos son medidos en forma segura. - Si hay subenfriamiento en condensador, no especificar temperatura de salida del condensador. - Puntos de ebullición 90 o 95 % son más fáciles para convergencia que 100 %. - No variar ratas de pumparounds para alcanzar otras especificaciones. Se pueden variar esta ratas para alcanzar ratas internas de reflujo o temperaturas. - Para torres de vacío con retiro total, especificar una baja rata interna (por ejemplo 0.1 barril/día) en lugar de la rata de retiro en la etapa. B. COINCIDENCIA DE DATOS - Si la temperatura del plato de fondo es muy alta: * Revisar el duty, si hay rehervidor. * Si hay vapor de despojo, posiblemente la eficiencia del plato es muy alta. * La rata de flujo del fondo es muy baja. - Si la temperatura del plato de fondo es muy baja: * Lo contrario a la indicado anteriormente. - Si el duty del condensador es muy alto: * Revisar la temperatura del alimento. * Revisar el tráfico en la zona flash (ratas internas vapor/líquido). Típicamente estas deben estar entre el 3 y 5 % de la rata de flujo del alimento. Esto tiene también un gran efecto sobre el duty del horno del alimento. C. OVERFLASH - Tiene un gran efecto sobre los duties del horno y condensador, así como sobre las temperaturas en la zona flash.

92


- Afecta las curvas de destilación del retiro de productos más cercanos, usualmente el punto del 95 % del gasóleo atmosférico y el 5 % del residuo. - Siempre para la primera corrida, incluya un intercambiador de calor sobre el plato de alimento y fije la rata de overflash para determinar la temperatura correcta del alimento.

D. CARACTERIZACIÓN DE LA CARGA - Una buena caracterización de la carga es muy importante para evitar problemas de convergencia en una torre. - Revisar que el 50 % de los puntos de destilación de los productos, cumple con los datos de la planta. Si esto no ocurre, hay problemas con los datos medidos. - Retromezcla, (por ejemplo mezclar los productos para obtener la carga, es la forma más segura para representar un alimento).

E. ETAPAS - Evitar usar solamente propiedades globales o de mezcla para la curva de destilación de un alimento. - El alimento de un crudo no se debe mover más de dos etapas. - Usualmente las despojadoras laterales tienen 4 – 5 etapas ideales sin son con rehervidor, o 2 – 3 si son con vapor de despojo. Las eficiencias para despojadoras laterales con rehervidor son mucho más altas que las con vapor de despojo. - La cantidad de platos entre retiro y retorno de pumparounds debe limitarse a 1 – 2, dado que su función es solamente transferir calor dentro de la columna. - Secciones de distribución en torres (por ejemplo, platos de disco y buñuelo, bafles, etc.), tienen muy baja eficiencia y deben representarse como una etapa ideal.

93


- Adicionar o quitar platos tiene muy poco efecto sobre los productos de otras secciones de la torre.

- La adición de una etapa ideal amplía el espacio (gap) entre los cortes de los productos de dicha sección hasta en 5 ºC.

F. ESTIMADOS - Torres en unidades de cracking – FCCU y crudo: Condensador Despojadora lateral #1 Despojadora lateral #2 Despojadora lateral #3 Fondos

110 ºF 350 ºF 450 ºF 550 ºF 700 ºF

- Ratas de flujo de vapor: 0.2 – 0.34 lb/h por barril/día de producto de fondos. - Ratas de flujo de pumparounds y duties: 1000 barriles/día de pumparound por millón de Btu/hr de duty. - Reflujo: 0.5 para fraccionadora principal de cracking. 3.0 para torres de crudo. - Overflash 3 – 5 % de la rata de flujo del alimento.

Ejercicio 13 – Método Riguroso & Dimensionamiento de una Columna

Se desea separar en productos comercializables una mezcla de NGL (natural gas liquids) de 403 lbmol/h con la siguiente composición: C2 = 0.0107, C3 = 0.2834, iC4 = 0.1697, nC4 = 0.0772, iC5 = 0.3285, nC5 = 0.0585, nC6 = 0.0596 y nC7 = 0.0124, 94


la cual entra a una depropanizadora a 70 ºF y 280 psia. El producto de cima es propano con una especificación de mínimo 90 % mol, el producto de fondo se alimenta a 170 psia a una torre debutanizadora, en la cual se obtiene GLP con un contenido máximo de pentanos de 1.0 % mol y gasolina natural cuya presión de vapor Reid (RVP) debe cumplir con la especificación ASTM D-323 (ver GPSA Sect. 2). Las torres tienen los siguientes parámetros:

Número de platos teóricos Plato de alimento Temperatura en condensador, ºF Presión en condensador, psia Presión de cima, psia Caída de presión en la torre, psi Tipo condensador

Depropanizadora

Debutanizadora

24 9 120 260 270 10 Total

20 11 120 140 150 10 Total

1. Abrir un nuevo caso, seleccionar la EOS de Peng Robinson, ingresar los componentes de la mezcla de NGL, ir al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 13.hsc

95


2. Seleccionar el conjunto de unidades “Field”, ingresar una corriente, editarla, llamarla “NGL” e ingresar 70 ºF, 280 psia, la composición molar y el flujo total de 403 lbmol/h, regresar al PFD. 3. Adicionar una operación Distillation Column

Editarla e ingresar la siguiente información: Numb Stages n = 24, en el cuadro “Inlet Streams” para el campo “Stream” = NGL, en el campo “Inlet Stage” = 9_Main TS, en la lista “Condenser” señalar “Total”, Ovhd Liquid Outlet = Propano, Bottoms Liquid Outlet = C4+, Condenser Energy Stream = Cond1 Q, Reboiler Energy Stream = Reb1 Q, después de dar “enter” hacer click en “Next>”, Condenser Pressure = 260 psia, Condenser Pressure Drop = 10 psi, Reboiler Pressure = 280 psia, hacer click” en “Next>” y nuevamente en “Next>”, Liquid Rate = 100 lbmole/h, Reflux Ratio = 1.0, Flow Basis = Molar, hacer click en “Done”, ir a la pestaña “Design” y marcar “Specs”, hacer click en “Add...”, seleccionar “Column Temperature”, hacer click en “Add Spec(s)...”, ingresar lo siguiente: Name = Temperatura Condensador, Stage = Condenser, Spec Value = 120 ºF, hacer click en “X”, hacer click en “Add...”, seleccionar “Column Component Fraction”, hacer click en “Add Spec(s)...”, ingresar lo siguiente: Name = Comp. min. C3, Stage = Condenser, Flow Basis = Mole Fraction, Phase = Liquid, Spec Value = 0.91, Components = Propane, hacer click en “X”, señalar “Monitor”, en la columna “Active” hacer click en las dos primeras especificaciones “Reflux Ratio” y “Distillate Rate” para desactivarlas, en el cuadro “Specifications” activar las dos últimas “Temperatura Condensador” y “Comp. min. C3, la columna debe converger. Regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 13” presionando el botón “Save Case”)

Cual es el contenido de propano en el producto de cima? fracción mol Cumple con el valor de la especificación mínima?

96


4. Adicionar una operación “Valve” a la cual entra la corriente “C4+” y sale “Carga a Debutanizadora”, regresar al PFD, editar la corriente “Carga a Debutanizadora” e ingresar una presión de 170 psia, regresar al PFD. 5. Adicionar otra operación “Distillation Column” editarla e ingresar la siguiente información: Numb Stages n = 20, en el cuadro “Inlet Streams” para el campo “Stream” = Carga a Debutanizadora, en el campo “Inlet Stage” = 11_Main TS, en la lista “Condenser” señalar “Total”, Ovhd Liquid Outlet = GLP, Bottoms Liquid Outlet = Gasolina Natural, Condenser Energy Stream = Cond2 Q, Reboiler Energy Stream = Reb2 Q, después de dar “enter” hacer click en “Next>”, Condenser Pressure = 140 psia, Condenser Pressure Drop = 10 psi, Reboiler Pressure = 160 psia, hacer click” en “Next>” y nuevamente en “Next>”, Liquid Rate = 60 lbmole/h, Reflux Ratio = 1.0, Flow Basis = Molar, hacer click en “Done”, ir a la pestaña “Design” y marcar “Specs”, hacer click en “Add...”, seleccionar “Column Temperature”, hacer click en “Add Spec(s)...”, ingresar lo siguiente: Name = Temperatura Condensador, Stage = Condenser, Spec Value = 120 ºF, hacer click en “X”, hacer click en “Add...”, seleccionar “Column Component Fraction”, hacer click en “Add Spec(s)...”, ingresar lo siguiente: Name = Comp. max. C5’s, Stage = Condenser, Flow Basis = Mole Fraction, Phase = Liquid, Spec Value = 0.009, Components = i-Pentane, nPentane, hacer click en “X”, hacer click en “Add...”, seleccionar “Column Vapour Pressure Spec”, hacer click en “Add Spec(s)...”, ingresar lo siguiente: Name = RVP, Stage = Reboiler, Type = Reid Vap Pressure, Phase = Liquid, Spec Value = 26, hacer click en “X”, señalar “Monitor”, en la columna “Active” hacer click en las dos primeras especificaciones “Reflux Ratio” y “Distillate Rate” para desactivarlas. En el cuadro “Specifications” activar “Temperatura Condensador”, y “RVP” (Degrees of Freedom = 0), la columna debe converger. Regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 13” presionando el botón “Save Case”)

Cual es el contenido de pentanos en el GLP? fracción mol Cumple con la especificación de máximo contenido?

97


6. Editar la torre debutanizadora operación “T-101”, señalar “Monitor” ir al cuadro “Specifications” desactivar “RVP” y activar “Comp. max. C5’s”, la columna debe converger. Regresar al PFD. 7. Para conocer el RVP de la corriente “Gasolina Natural”, en la barra de menús ir a “Tools”, “Utilities”, señalar “Cold Properties”, hacer click en “Add Utility”, entrar Name = RVP, hacer click en “Select Stream...”, seleccionar “Gasolina Natural” y hacer click en “OK”.

Cual es el valor del RVP?

psia

Cumple con la especificación ASTM D-323 para RVP?

Regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 13” presionando el botón “Save Case”)

Cual es el contenido de pentanos en el GLP? fracción mol Cumple con la especificación de máximo contenido?

Dimensionamiento de una Columna La utilidad para dimensionamiento de platos en HYSYS simplifica el trabajo de diseño de una columna. Se puede dimensionar o revisar una torre completa o secciones de torre, mediante la especificación de la información relacionada con los platos, los internos de la columna, los bajantes y los vertederos. Con la utilidad Tray Sizing, el procedimiento mas común es identificar una sección de plato, dimensionar la torre en secciones con HYSYS (con base en los datos que se le suministren); y si se desea, realizar un análisis tipo “rating” de las secciones generadas por HYSYS.

98


Con Auto Section se calculan las dimensiones de una columna usando valores predefinidos de los internos (platos), dimensiones (espaciamiento entre platos, altura de vertedero, espaciamiento entre orificios, etc.) y parámetros (max % de inundación, caída de presión, etc,). El algoritmo de dimensionamiento monitorea los cálculos para cualquier parámetro que exceda los límites definidos. Por ejemplo, si el porcentaje de inundación calculado excede 85 %; HYSYS incrementa el diámetro o el número de pasos, dependiendo de cual de ellos tiene un impacto mas favorable sobre los demás parámetros. En la página Results, se presenta un resumen de los cálculos del dimensionamiento. La información presentada suministra un vistazo de los datos para el dimensionamiento de la columna. A continuación se presenta una breve explicación sobre algunos de los términos: • Number of Flow Paths (número de pasos): El número de veces que el líquido cruza a través del plato, la mayoría de los platos son de paso sencillo, o sea tienen un NFP de 1. • Maximum Downcomer Backup (líquido máximo en el bajante): Representa la máxima cantidad de líquido retenido en el bajante que puede ser tolerada por la columna antes de que ocurra inundación. • Maximum Weir Loading (carga máxima del vertedero): Mide la cantidad de líquido sobre el vertedero. • Pressure drops (caídas de presión): Caída de presión por sección y máxima por plato. En el modo Rating Mode, HYSYS permite realizar cálculos tipo “rating” con base en un diámetro especificado de torre y una configuración fija de plato. Si se desea, se pueden dejar algunas de las dimensiones del plato sin especificar y HYSYS automáticamente calcula valores de diseño para ellos. Vamos a obtener las dimensiones de los platos y los parámetros de operación para las dos torres que se han simulado, la Depropanizadora (T-100) y la Debutanizadora (T-101). Las columnas deben cumplir con las características siguientes: • • • •

Máximo % de inundación - % Flood Máxima carga sobre el vertedero - Weir Loading Máxima caída de presión sobre la columna Máximo líquido sobre el bajante - Downcomer Backup 99

= = = =

85 80 USGPM/ft 2 psi 50 %


8. Desde la Barra de Menús seleccionar Tools/Utilities y crear la utilidad Tray Sizing. En el cajón Name escribir Depropanizadora. 9. Presionar el botón Select TS… y seleccionar T-100 como el “Flowsheet” y Main TS como el “Object”, hacer click sobre el botón OK. 10. Presionar el botón Add Section… para adicionar una sección de plato a la utilidad. 11. Aceptar todos los parámetros predefinidos como punto de partida para el dimensionamiento. 12. Escoger la pestaña Performance y marcar Results para ver los resultados de la sección de platos (Parámetros & Geometría). Se cumple con todas las características especificadas? Que diámetro de plato calculó HYSYS? * Depropanizadora (T-100)

ft

13. Repetir los pasos 8 a 12 para la Debutanizadora (T-101). Se cumple con todas las características especificadas? Que diámetro de plato calculó HYSYS? * Debutanizadora (T-101)

ft

Si la rata de flujo de NGL es 800 lbmol/h y en la fábrica hay los siguientes platos en existencia: Type I = 5.0 ft de diámetro - 2 NFP (pasos) y Type II = 6.0 ft de diámetro – 1 NFP (pasos), escoger el tipo de plato que mejor cumple con las restricciones para la torre Depropanizadora (T-100). 14. Ir a la utilidad para dimensionamiento de plato “Tray Sizing” de la Depropanizadora (T-100), en la pestaña Design marcar Specs y fijar el modo de cálculo en Rating. Para cada caso, fijar el diámetro y el número de pasos, ir a la pestaña Performance y marcar Results. Llenar la tabla siguiente marcando el tipo de plato escogido. 100


Type (Marcar la elección) Tray diameter , ft NFP Weir Load , (80) % Flood , (85) DC Back Up , (50) Total Delta P , ( 2 )

6.3

I 5.0 2

II 6.0 1

Caracterización de Crudos

En Hysys un crudo o mezcla de crudos, está compuesto por cualquier número de Ensayos (Assays). Cada Assay individual contiene información específica con respecto a las propiedades globales (Bulk Properties), la curva de puntos de ebullición (Boiling Point Curve) y las curvas de propiedades (Property Curves). Para las propiedades globales se puede suministrar el peso molecular, la densidad másica, el factor de caracterización de Watson (UOP) K y/o la viscosidad. La curva de puntos de ebullición se puede suministrar en cualquiera de los formatos mostrados en la Figura 6. Durante los cálculos, HYSYS automáticamente convierte todas las curvas a la básica TBP. También se tiene la opción de suministrar curvas de peso molecular, de densidad másica y/o viscosidad.

Hay tres pasos generales que se deben seguir cada vez que se vaya a crear un crudo (OIL): 1. Caracterizar el ensayo (Assay). 2. Generar Pseudo Componentes. 3. Instalar el crudo (OIL) en el PFD

6.3.1 Paso Uno – Caracterizar el Ensayo (Assay)

Entrar a HYSYS la información del Assay mediante la pestaña Assay de la ventana Oil Characterization. HYSYS usará la información suministrada del Assay para generar internamente las curvas TBP, peso molecular, densidad y viscosidad. 101


FIGURA 6 CARACTERIZACIÓN DE CRUDOS

6.3.2 Paso Dos - Generar Pseudo Componentes

Los pseudo componentes son generados por las curvas de trabajo desde la pestaña Cut/Blend de la ventana Oil Characterization.

6.3.3 Paso Tres – Instalar el Crudo

Una vez la mezcla (Blend) ha sido caracterizada satisfactoriamente, instalar los pseudo componentes en el caso de HYSYS desde la pestaña Install Oil de la ventana Oil Characterization. Se puede instalar el crudo (OIL) como una corriente definida, mediante la entrada de un nombre de corriente (Stream name). Los pseudo 102


componentes son adicionados al respectivo Hypo Group y al Fluid Package asociado.

6.3.4 Propiedades de Usuario

Adicionalmente a los tres pasos básicos requeridos para caracterizar un crudo en HYSYS, se pueden adicionar, modificar, clonar o borrar propiedades de usuario. Una propiedad de usuario es cualquiera que se pueda calcular con base en la composición.

6.3.5 Correlaciones A través de la pestaña Correlation de la ventana Oil Characterization, se pueden seleccionar correlaciones. HYSYS permite escoger de una amplia variedad de correlaciones, las que se deseen para determinar tanto las curvas de trabajo como para la generación de los pseudo componentes.

Ejercicio 14 – Caracterización de Crudo Caracterizar un crudo usando la información del Ensayo (Assay) dada en la tabla a continuación:

103


BULK PROPERTIES Densidad Estándar LIGHT ENDS C1 C2 C3 iC4 nC4 H2 O Total Gases ASSAY LIQ. VOLUME % 0.0 4.5 9.0 14.5 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 76.0 80.0 85.0

29 °API LIQ. VOLUME % 0.0065 0.0225 0.3200 0.2400 0.8200 0.0000 1.409 TBP , °F 15.0 90.0 165.0 240.0 310.0 435.0 524.0 620.0 740.0 885.0 969.0 1015.0 1050.0

1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la EOS de Peng-Robinson. Adicionar los componentes puros correspondientes a los light ends. Cerrar la ventana Fluid Package haciendo click en “X”. Escoger la pestaña Oil Manager, hacer click en el botón Enter Oil Environment... para abrir la ventana Oil Characterization. 2. Hacer click en el botón Add..., entrar en Name = Crudo, en la ventana desplegable Bulk Properties escoger Used y entrar la siguiente información: en la celda Standard Density escribir 29, ir a la lista desplegable donde dice lb/ft3 ubicada en la esquina superior derecha y escoger API_60, la densidad se convierte automáticamente a 54.93 lb/ft3. En la lista desplegable Assay Data Type escoger TBP, en la lista desplegable Assay Basis escoger LiquidVolume, 104


hacer click en el botón Edit Assay y entrar la información de la TBP. Hacer click en el botón OK. 3. En la lista desplegable Light Ends escoger Input Composition, en Input Data seleccionar el radio-botón Light Ends y entrar el % volumen liq. para los light ends. Click en el botón Calculate y nuevamente en “X” para regresar a la ventana Oil Characterization.

4. Seleccionar la pestaña Cut/Blend y hacer click en el botón Add..., desde Available Assays seleccionar Crudo y hacer click en el botón Add···> para calcular las fracciones y propiedades de la mezcla Blend-1. Para seleccionar los cortes estimar que se tiene una columna de crudo con 6 corrientes de salida y que cada una de las corrientes de salida debe contener mínimo 5 pseudo componentes. De esta manera, el total de componentes es de 30. Desde el menú desplegable Cut Option Selection, seleccionar User Points, y especificar Number of Cuts = 30. 5. Cerrar la ventana Blend para retornar a la ventana Oil Characterization, escoger la pestaña Install Oil y escribir Crudo en la primera celda de Stream Name, presionar “Enter” para finalizar el proceso de caracterización. Hacer click en el 105


botón Return to Basis Environment y nuevamente en Enter Environment.... La corriente Crudo debe aparecer en el PFD.

Simulation

Seleccionar el conjunto de unidades Field y entrar la siguiente información para la corriente Crudo: Temperature = 140 °F, Pressure = 18.0 psia, Liquid Volume Flow = 100,000 barrel/day.

Salvar el caso como Ejercicio 14.hsc

El crudo será bombeado a una refinería que se encuentra a 50 kms de las facilidades de producción. Considerando una caída máxima de presión de 0.5 psi/100 ft de tubería, encontrar el diámetro del oleoducto, la temperatura del crudo a la entrada de la refinería y la presión de descarga requerida por la bomba, si la rata de flujo de crudo es 100,000 barriles por día. El crudo se almacena en un tanque donde la cabeza estática es 30 psia. El oleoducto va sobre el suelo expuesto al aire y la refinería está 300 mts más alta que las facilidades de producción.

6. Desde la Barra de Menús hacer click en Tools, seleccionar Preferences..., en el cajón Available Unit Sets seleccionar Field, hacer click en el botón Clone, nuevamente en la celda Unit Set Name y escribir Usuario 03, en el cajón Display Units seleccionar PressPerLenght y desde la lista desplegable ubicada en la parte superior derecha escoger psi/100_ft, cerrar la ventana. Desde la Barra de Menús hacer click en Tools, seleccionar Utilities, seleccionar Pipe Sizing, hacer click en el botón Add Utility, nuevamente en el botón Select Stream..., en Object seleccionar Crudo, hacer click en el botón OK, de nuevo en la celda Schedule, desde la lista desplegable ubicada en la parte superior derecha escoger None, hacer click en la celda Pressure Drop [psi/100 ft], entrar 0.5 y presionar la tecla “Enter”. El diámetro interno de la tubería calculado por HYSYS es 13.25", por lo tanto se escoge un diámetro nominal para la operación Pipe Segment de 14” Sch 40, cuyo diámetro interno es 13.124. Hacer click en “X” para cerrar la ventana y nuevamente en “X” para regresar al PFD. 7. Adicionar una operación Pump y entrar la siguiente información: Inlet = Crudo, Outlet = Crudo1, Energy = Potencia P-100, regresar al PFD.

106


8. Adicionar una operación Pipe Segment, en la pestaña Design seleccionar Connections y entrar la siguiente información: Inlet = Crudo1, Outlet = Crudo en Refinería y Energy = EPIPE. 9. Seleccionar Parameters y escoger la correlación de Beggs and Brill para flujo en dos fases. 10. Escoger la pestaña Rating, seleccionar Sizing, hacer click en el botón Append Segment y entrar la siguiente información: -

Fitting/Pipe = Pipe Length = 50,000 m Elevation Change = 300 m Outer Diameter, hacer doble click sobre la celda Pipe Schedule = Schedule 40 Nominal Diameter = 14.00 in, hacer click en el botón Specify y nuevamente en “X” Increments = 400

11. Seleccionar Heat Transfer y entrar la siguiente información: -

Ambient Temp = 90 ºF Heat Transfer Coefficient Estimation = seleccionar el radio-botón Outside Seleccionar Estimate Outer HTC Ambient Medium = Air 107


Hacer click en “X” para regresar al PFD. 12. Desde la Barra de Botones hacer click en el botón Workbook, en la celda Pressure para la corriente Crudo1 entrar un valor de 1201.11 psia. De esta forma, la presión a la entrada de la refinería es 30 psia (requerida por la cabeza estática del tanque de crudo), la temperatura es 113.9 ºF.

(Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 14” presionando el botón “Save Case”)

Ejercicio 15 – Torre Atmosférica de Crudo

Después de pasar por un tren de precalentamiento, 100,000 barriles por día de un crudo de 29 °API se alimenta a un separador “pre-flash” que opera a 450 °F y 75 psia. El vapor del separador “bypasea” el horno de crudo y se mezcla con el crudo caliente que sale del horno, para ir como alimento a una columna de destilación atmosférica. La columna opera con un condensador total, tres despojadoras laterales y tres circuitos “pump around”.

108


Como producto de cima se obtiene gasolina, de la primera despojadora lateral que tiene rehervidor se obtiene queroseno, de la segunda despojadora lateral que es con vapor de agua, se obtiene diesel y de la tercera despojadora lateral con vapor de agua, se obtiene gasóleo atmosférico (AGO). El producto de fondo de la torre se denomina crudo reducido. La simulación en estado estacionario de este caso, se adelantará en dos etapas principales: A. Simular el tren de prefraccionamiento que consiste en el separador “pre-flash”, el horno de crudo y un mezclador que recombina el vapor del separador con la corriente de salida del horno. B. Definir e instalar las corrientes de entrada de vapor de agua de despojo, e instalar la columna de destilación atmosférica de crudo, mediante una operación de destilación que usa un método riguroso de cálculo

1. Abrir el caso Ejercicio 14.hsc y salvarlo como Ejercicio 15.hsc. Regresar al PFD. Crear una nueva corriente fuera del PFD existente y editarla, hacer click en el botón Define from Other Stream..., en el cajón Available Streams seleccionar la corriente Crudo, hacer click en el botón OK y cerrar la ventana de la corriente 1. Presionar el botón primario del mouse y arrastrar el cursor hasta seleccionar todas las corrientes y operaciones del PFD existente, excepto la corriente 1. Presionar la tecla del computador para borrar y contestar Aceptar a la pregunta “Are you sure you want to delete these 7 items?”. Desde la Barra de Menús escoger Tools select Utilities y borrar la utilidad Pipe Sizing-1 haciendo click en el botón Delete Utility. Regresar al PFD. Editar la corriente 1 y entrar la siguiente información: Stream Name = Crudo, Temperature = 450 ºF y Pressure = 75 psia. Regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 15” presionando el botón “Save Case”)

2. Adicionar una operación Separator y entrar la siguiente información: -

Inlets = Crudo Vapour Outlet = PreFlash Vap Liquid Outlet = PreFlash Liq

109


3. Adicionar una operación Heater y entrar la siguiente información: Inlet = PreFlash Liq, Outlet = Crudo Caliente, Energy = Duty Crudo, seleccionar Parameters y entrar Delta P = 10.0 psi, regresar al PFD. 4. Para cambiar la apariencia del icono del calentador hacer click derecho en el dibujo del calentador, de la lista desplegable escoger Change Icon ..., seleccionar el último icono y hacer click en el botón OK. Para la corriente Crudo Caliente entrar una temperatura de 650 °F y regresar al PFD. 5. Adicionar una operación Mixer y entrar la siguiente información: Inlets = PreFlash Vap y Crudo Caliente, Outlet = Carga Torre, regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 15” presionando el botón “Save Case”)

Antes de simular la torre atmosférica de crudo, se deben definir las corrientes de carga de vapor así como la corriente de energía (Q-Trim – representa un intercambiador lateral sobre la etapa 28). Se van a alimentar tres corrientes de vapor a diferentes sitios de la torre (composición de H20 = 1.0000). La corriente Q-Trim no requiere especificaciones y será calculada por la Columna. La columna principal “Torre Atms”, se representa con 29 etapas ideales (sin incluir el condensador). La presión en la salida del condensador de cima es 19.7 psia con una caída de presión a través de él de 9 psi, la etapa del fondo está a 32.7 psia. Los estimados de temperatura en el condensador, la etapa de cima y la de fondo son 100 ºF, 250 ºF y 600 ºF, respectivamente. El agua condensada se retira del condensador mediante un retiro lateral de agua. Del condensador salen tres fases, gas, hidrocarburo y agua. 110


6. Adicionar una nueva corriente y entrar la siguiente información: Stream Name = Main Vapor, Temperature = 375 ºF, Pressure = 150 psia, Mass Flow = 7500 lb/hr, doble click en la celda Molar Flow y entrar una fracción molar para H2O = 1.0000, hacer click en el botón Normalize y nuevamente en OK, regresar al PFD. 7. Adicionar dos corrientes mas con una fracción molar para H2O = 1.0000 y la siguiente información: Stream Name = Diesel Vapor, Temperature = 300 ºF, Pressure = 50 psia, Mass Flow = 3000 lb/hr y Stream Name = AGO Vapor, Temperature = 300 ºF, Pressure = 50 psia, Mass Flow = 2500 lb/hr. 8. Adicionar una corriente de energía y llamarla Q-Trim, regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 15” presionando el botón “Save Case”)

El paso siguiente es instalar la torre atmosférica de crudo usando una plantilla que viene con Hysys, y que ya tiene un modelo de columna de crudo con 3 despojadoras laterales (una con rehervidor y dos con vapor de despojo), un condensador y 3 pump arounds. 9. En el Object Palette hacer click sobre el botón Custom Column, ir al PFD y hacer click nuevamente en el lugar que se desea, seleccionar el botón Read an Existing Column Template. Abrir el archivo 3sscrude.col para instalar la columna. Hacer click en el cajón Column Name y escribir “Torre Atms”, dar “Enter”.

Custom Column

La plantilla 3sscrude.col instala 40 platos, uno como condensador, 29 en la sección principal, 3 en cada una de las despojadoras laterales y uno como rehervidor en la primera despojadora lateral. 10. En la ventana Column Runner pestaña Design página Connections, se conectan las corrientes de entrada y salida Inlet y Outlet a la columna en el Sub-Flowsheet usando las celdas External Stream, así: hacer click en la 111


primera celda azul <>, click en el menú desplegable de la parte superior y seleccionar Main Vapor, click sobre el menú desplegable y

seleccionar Carga Torre, click sobre el menú desplegable y seleccionar QTrim, hacer click en la celda azul <> correspondiente a la External Stream - Diesel Steam, de nuevo click sobre el menú desplegable y seleccionar Diesel Vapor, click sobre el menú desplegable y seleccionar AGO Vapor. En el cajón Outlet Streams hacer click en la primera celda azul <> y escribir el nombre Residuo, click sobre la siguiente celda azul <> y escribir el nombre Gas Off, click sobre la siguiente celda azul <> y escribir el nombre Agua Desecho, click sobre la siguiente celda azul <> y escribir Nafta, hacer click sobre la celda azul <> correspondiente a la External Stream - Kerosene y escribir el nombre Queroseno, click sobre la siguiente celda azul <> y escribir el nombre Diesel, click sobre la siguiente celda azul <> y escribir AGO, presionar la tecla “Enter”. En la celda dP Top a la derecha, entrar una caída de presión en el condensador de 9.0 psi, en la celda P Top entrar una presión a la salida del condensador de 19.7 psia. 11. Escoger la pestaña Side Ops página Side Strippers, hacer click en la primera celda de la columna Liq Draw Stage, click en el menú desplegable de la parte superior y seleccionar 9__Main TS, click en la siguiente celda y del menú desplegable seleccionar 17__Main TS, click en la siguiente celda y del menú desplegable seleccionar 22__Main TS. Hacer click en la primera celda de la columna Vap Return Stage y seleccionar del menú desplegable 8__Main TS, click en la siguiente celda y del menú desplegable seleccionar 16__Main TS, click en la siguiente celda y del menú desplegable seleccionar 21__Main TS. 12. Seleccionar la página Pump Arounds y en la columna Draw Stage entrar en las celdas respectivas, 2__Main TS, 17__Main TS y 22__Main TS; en las celdas para la columna Return Stage entrar: 1__Main TS, 16__Main TS y 21__Main TS.

112


13. Hacer click en la pestaña Parameters, seleccionar la celda Pressure de la Stage 30 correspondiente a 29__Main TS y entrar un valor de 32.7 psia, se debe ver una presión en el Condenser de 19.7 psia y una presión en la Stage 2 de 28.7 psia para 1__Main TS. Seleccionar la celda Condenser Temp para la Stage 1 y entrar una temperatura de 100 °F, de igual manera entrar 250 °F y 600 °F para 1__Main TS y 29__Main TS. 14. Ir a la pestaña Design página Monitor, en la columna Specified Value hacer click en la celda Kero_SS BoilUp Ratio, click en el botón View… para desplegar la ventana para Boil Up Ratio Spec, click en el botón Delete, seleccionar la última celda correspondiente a la especificación Residue Rate, click en el botón View… para desplegar la ventana de Draw Spec: Residue Rate, click en el botón Delete. 15. En la columna Specified Value, hacer click en la celda Reflux Ratio y entrar un valor de 1.0. En la columna Active hacer click en la marca “X” para quitar la especificación de Reflux Ratio y que quede como Estimate. En la celda para Degrees of Freedom debe quedar un valor de 3. Para que la columna esté completamente especificada este valor debe ser 0. Ir a la primera celda de la columna Specified Value, hacer click en el botón View… para desplegar la ventana Draw Spec: Kero_SS Prod Flow, en la celda Flow Basis seleccionar Volume desde la lista desplegable de la parte superior, en la celda Spec Value entrar 9300 barrel/day y cerrar la ventana. Ir a la próxima celda, hacer click en el botón View… para desplegar la ventana Draw Spec: Diesel_SS Prod Flow, en la celda Flow Basis seleccionar Volume desde la lista desplegable, la celda Spec Value entrar 19250 barrel/day cerrar la ventana. Ir a la siguiente celda, click en el botón View… para desplegar la ventana Draw Spec: AGO_SS Prod Flow, en la celda Flow Basis seleccionar Volume, en la celda Spec Value entrar 4500 barrel/day y cerrar la ventana. Ir a la celda siguiente, desplegar la ventana PA_1_Rate(PA) Spec, en la celda Flow Basis seleccionar Volume, en la celda Spec Value entrar 50000 barrel/day y cerrar la ventana. Ir a la celda siguiente, desplegar la ventana para PA_1_ Dt (PA) Spec, para Spec Type seleccionar Duty de la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar un valor negativo de -55000000 Btu/hr y cerrar la ventana. Ir a la celda siguiente, desplegar la ventana para PA_2_Rate(PA) Spec, en la celda Flow Basis seleccionar Volume, en la celda Spec Value entrar 30000 barrel/day y cerrar la ventana. Ir a la celda siguiente, desplegar la ventana para PA_2_ Dt (PA) Spec, para Spec Type seleccionar Duty de la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar un valor negativo de -35000000 Btu/hr y cerrar la ventana. Ir a la celda siguiente, desplegar la ventana para PA_3_Rate(PA) 113


Spec, en la celda Flow Basis seleccionar Volume, en la celda Spec Value entrar 30000 barrel/day y cerrar la ventana. Ir a la celda siguiente, desplegar la ventana para PA_3_ Dt (PA) Spec, para Spec Type seleccionar Duty de la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar un valor negativo de -35000000 Btu/hr y cerrar la ventana. Ir a la última celda, desplegar la ventana para Draw Spec: Naphtha Prod Rate, en la celda Flow Basis seleccionar Volume desde la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar 23000 barrel/day y cerrar la ventana. 16. Para adicionar una nueva especificación, ir a la página Specs page, hacer click en el botón Add..., seleccionar Column Liquid Flow, click en el botón Add Spec(s)...”, en la celda Stage seleccionar 27_Main TS desde la lista desplegable de la parte superior, en la celda Flow Basis seleccionar Volume desde la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar 3500 barrel/day y cerrar la ventana. 17. Hacer click en el botón Add... para adicionar otra especificación. Seleccionar Column Duty, click en el botón Add Spec(s)..., en la celda Name escribir Quero Reb Duty, en la celda Energy Stream seleccionar Kero_SS_Energy @COL1 desde la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar 7500000 Btu/hr y cerrar la ventana. 18. Hacer click en el botón Add... para adicionar otra especificación. Seleccionar Column Vapour Flow, click en el botón Add Spec(s)..., en la celda Name escribir Flujo Vap Prod, en la celda Stage seleccionar Condenser desde la lista desplegable, en la celda Spec Value entrar 0.0000 lbmole/hr y cerrar la ventana. Ir a la página Monitor y ver un valor de 0 para Degrees of Freedom, lo cual significa que la columna está completamente especificada. Las especificaciones finales se muestran en la próxima figura. 19. Para correr la comuna, hacer click en el botón Run y debe converger. Regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 15” presionando el botón “Save Case”)

114


Los resultados de las corrientes de materia para el diagrama de flujo principal Workbook - Case (Main) y para el subdiagrama de flujo Workbook - Torre Atms (COL1), se muestran a continuación con su respectivo diagrama de flujo:

Workbook - Case (Main)

115


Workbook – Torre Atms (COL1)

116


Ejercicio 16 – Torre Atmosférica de Crudo Mezclado

Caracterizar la siguiente mezcla de crudos (Castilla 65 % vol. - Apiay 35 %vol.) utilizando los “Assay's” que se muestran a continuación. Cargar 2500 BPD de esta mezcla en una torre de destilación atmosférica para producir nafta (PFE = 280 ºF), queroseno (PFE = 550 ºF) y ACPM (PFE = 680 ºF). En el condensador de cima se subenfrían los productos hasta 115 ºF.

117


ASSAY CRUDO APIAY BULK PROPERTIES Densidad estándar Factor de Caracterización – UOP K Viscosidad

23.70 °API 11.6 @ 100 ºF - 22.43 cP @ 140 ºF - 10.21 cP

LIGHT ENDS C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 nC6 H2 O TOTAL Total Gas en Crudo

LIQ. VOLUME % 0.00 0.20 13.10 14.70 26.30 17.90 14.30 13.50 0.00 100.00 0.60

ASSAY LIQ. VOLUME % 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 82.4

TBP , °F 205 300 370 425 470 507 542 576 663 775 862 960 1000

118


ASSAY CRUDO CASTILLA

BULK PROPERTIES Densidad estándar Viscosidad

13.6 °API @ 77 ºF - 4500 cP @ 140 ºF - 310 cP

ASSAY LIQ. VOLUME % 5.0 10.0 15.0 20.0 30.0 40.0 50.0 51.5

TBP , °F 390 480 575 640 740 830 920 935

A continuación se dan las guías para hacer el ejercicio: 1. Abrir un caso nuevo, fijar las unidades Field, seleccionar la EOS de Peng Robinson e ingresar los componentes livianos incluyendo el agua. Salvar el caso como Ejercicio 16.hsc 2. Ir al Oil Manager para entrar al ambiente de caracterización de crudo. 3. Adicionar el primer Assay con el nombre Apiay e ingresar las propiedades físicas generales, el Assay tipo TBP, la composición de los livianos incluyendo su porcentaje en volumen con respecto al crudo y calcular el Assay. 4. Adicionar el segundo Assay con el nombre Castilla e ingresar las propiedades físicas generales, el Assay tipo TBP y calcular el Assay. Se ignoran los livianos por cuanto no se conocen. 5. Adicionar el Blend-1, pasar al cuadro Oil Flow Information los dos Assay’s Apiay con un flujo de 875 BPD (35 %vol.) y Castilla 1625 BPD (65 % vol.) para un total de 2500 BPD. Entrar 25 cortes (5 por cada producto de la torre atmosférica) gases, nafta, queroseno, ACPM, crudo reducido. 119


25

6. Ir a Install Oil e instalar el Blend-1 en la corriente Crudo Mezcla, regresar al ambiente de simulación PFD. Editar la corriente Crudo Mezcla e ingresar 150 ºF y 40 psia. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 16” presionando el botón “Save Case”)

7. Instalar una operación Heat Exchanger al cual entra por los tubos la corriente Crudo Mezcla y sale Precaliente, por el casco entra Crudo Reducido y sale Residuo. La caída de presión tanto en tubos como en casco es 5 psi, la temperatura de la corriente Precaliente es 350 ºF. 8. Instalar una operación Heater y darle aspecto de horno, entra la corriente Precaliente y sale Carga Torre, la corriente de energía es Duty Horno, la caída de presión en el horno es 5 psi y la temperatura de la corriente Carga Torre es 660 ºF. La torre de destilación atmosférica que se va a instalar para la simulación, consta de un condensador de tres fases, 28 platos reales con una eficiencia de 70 % y dos despojadoras laterales de cuatro platos con vapor de despojo. A fin de construir el modelo deseado se procede de la siguiente forma: 9. Ingresar tres corrientes de materia con la información del vapor de despojo tanto a la columna principal como a las despojadoras: • Vapor Fondos : 375 ºF, 150 psia, 500 lb/hr, MoleFraction = 1.0000 H2O 120


• Vapor Quero : 375 ºF, 150 psia, 100 lb/hr, MoleFraction = 1.0000 H2O • Vapor ACPM : 375 ºF, 150 psia, 170 lb/hr, MoleFraction = 1.0000 H2O 10. Instalar una operación Refluxed Absorber e ingresar la información siguiente:

Duty Cond Gases

Nafta Agua Carga Torre

22_Main 1 28

Vapor Fondos

Crudo Reducido

20.00 psia

3.000 psia

25.00 psia

121


0.0000

3.000

hacer “click”

122

Molar


11. Instalar las despojadoras con vapor laterales así:

ACPM-SS

Quero-SS

16_Main TS

8_Main TS

9_Main TS

17_Main TS 4

4

Vapor ACPM

Vapor Quero

Queroseno

ACPM

Regresar al PFD. (Salvar el caso con el mismo nombre “Ejercicio 16” presionando el botón “Save Case”)

Maximizando la ventana y rearreglando el diagrama de flujo principal [PFD – Case (Main)] se le puede dar la siguiente apariencia:

123


12. Desde la Barra de Botones hacer click en el botón Object Navigator, en el

cuadro Flowsheets seleccionar T-100 (COL1) y hacer click en el botón Build para editar el subdiagrama de flujo para la columna de crudo T-100. Maximizando la ventana y rearreglando este subdiagrama de flujo [PFD – T-100 (COL1)] se le puede dar la siguiente apariencia:

13. Para regresar al PFD principal, hacer click en el botón Object Navigator, en el cuadro Flowsheets seleccionar Case (Main) y hacer click en el botón Build. Editar la torre T-100, ir a la pestaña Design página Subcooling e ingresar en el cajón Subcool To una temperatura de 115 ºF. 14. Ir a la pestaña Parameters página Profiles e ingresar las temperaturas de 115 °F para el condensador (Stage = 1, Pressure = 20 psia) y de 630 °F para el plato 28_Main TS (Stage = 29, Pressure = 25 psia). 15. Ir a la página Efficiencies e ingresar 0.7 para los platos de la columna principal que van desde 1_Main TS hasta 28_Main TS. 124


16. Ir a la pestaña Design página Monitor para adicionar y activar las especificaciones requeridas para tener completamente especificada la columna (Degrees of Freedom = 0). Para conseguir la convergencia inicial adicionar y activar las siguientes especificaciones: • • • •

Flujo de Gases Temperatura Plato 1 Queroseno ACPM

= = = =

0.0000 lbmol/hr 235 ºF 410 BPD 110 BPD

- Column Draw Rate - @COL1 - Column Temperature 1_Main TS - Column Draw Rate - @COL1 - Column Draw Rate - @COL1

17. A fin de conseguir un ajuste fino con respecto a la calidad de los productos deseados, una vez se ha conseguido convergencia con las especificaciones anteriores, adicionar y activar las siguientes: •

Flujo de Gases=

0.0000 lbmol/hr - Column Draw

PFE Nafta PFE Quero PFE ACPM

280 ºF - TBP Column Cut Point 550 ºF - TBP Column Cut Point 680 ºF - TBP Column Cut Point

Rate - @COL1 • • •

= = =

125


7.0

TRANSPORTE DE GAS NATURAL

Ejercicio 17 – Gas de Baterías a Planta

Con base en la calidad de los gases producidos en las baterías A, B y C indicada en la tabla a continuación y las condiciones mostradas en el esquema, estimar los flujos de gas en cada uno de los puntos A, B y C para obtener una presión en el punto 6 de 20.0 psia. Calcular la temperatura final en el punto 6.

N2 CO2 H2 S C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 nC6 nC7

A 0.18 0.92 1.28 48.67 10.40 7.32 3.91 3.00 3.80 5.85 6.85 7.82 100.00

BATERÍA B 0.21 1.07 0.15 41.16 2.14 2.61 12.57 12.31 10.06 9.55 7.54 0.63 100.00

C 0.39 0.65 3.23 51.45 3.49 3.23 3.88 2.91 2.59 8.51 9.45 10.22 100.00

UNIDADES • Cargar conjunto de unidades USUARIO 01 en el cual Molar Flow está definido en MMSCFD. Estimar el flujo en cada batería según el diámetro de cada tramo, de forma que el valor inicial total sea de 11.0 MMSCFD.

PIPE SEGMENT • Increments

= 50 126


• • • •

T ambiente Heat Transfer Coefficient Estimation Estimate Outer HTC Ground Type

= = = =

90 °F Outside Activado Wet Clay

= = = = =

Activado 0.1 0.25 MMSCFD 1.0 MMSCFD 10.0 MMSCFD

ADJUST • • • • •

Simultaneous Solution Tolerance Step Size Minimum Maximum

65 psia 170 ºF

5 Kms - θ = 10" sch 40

A 70 psia 145 ºF B

8 Kms - θ = 12" sch 40

1 2

T final = ? P final = 20 psia

12 Kms - θ = 16" sch 40 4

3

6

Gas

5 40 psia 160 ºF C

3 Kms - θ = 8" sch 40 Condensado

127

Calculos de Hidratos

Recommend Documents