DESHIDRATACION DEL GAS NATURAL Constanza Vargas Castellanos
Proceso de remover el vapor de agua que está asociado al gas. El vapor de agua es probablemente la impureza más común en un flujo de gas.
formación de hidratos Razones para remover el vapor de agua
corrosión Taponamientos Cumplir especificaciones
Transporte en tuberías Comercialización
Proceso de remover el vapor de agua que está asociado al gas. El vapor de agua es probablemente la impureza más común en un flujo de gas.
formación de hidratos Razones para remover el vapor de agua
corrosión Taponamientos Cumplir especificaciones
Transporte en tuberías Comercialización
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
DELICUESCENCIA Propiedad de sales y óxidos de absorber moléculas de vapor de agua del gas húmedo. Sales usadas: CaCl2, Cloruro de Calcio FeCl3, Cloruro de Hierro (III) MgCl2, Cloruro de Magnesio ZnCl2, Coluro de Zinc K2CO3, Carbonato de Potasio KOH, Hidróxido de Potasio NaOH, Hidróxido de Sodio
DIAGRAMA DEL PROCESO • GE
de la salmuera 1.4
• El
proceso se regenera cuando queda 2 ft de lecho
• La
salmuera gotea de plato a plato absorbiendo el agua
• Contenido
MMPCs
esperado 2LbH2O /
Usos en Zonas Remotas •
Generalmente, se usan varias unidades de deshidratación y se aplican en locaciones remotas donde no hay disponibilidad de personal para el monitoreo. Por ser un sistema cerrado no presenta problemas por emisiones de BTEX (benceno, tolueno, etilenbenceno y xileno) y VOCs (compuestos orgánicos volátiles), pero sí genera el problema ambiental de la disposición de la salmuera producida.
Costos Operacionales • Debido
a que el equipo necesario para el proceso de deshidratación por delicuescencia es más simple que el requerido por las plantas de absorción, adsorción y membranas permeables, generalmente, los costos de equipo son menores.
•
Los costos operacionales son afectados por la temperatura, por la presión, y por cuánto vapor de agua debe ser removido, y por lo tanto deben calcularse para cada aplicación
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
EXPANSI N REFRIGERACIÓN Se hace pasar el gas natural por un reductor de presión ocasionando enfriamiento por efecto Joule-Thomson, que conlleva a la condensación del agua. Efecto de Joule-Thompson, es el cambio de temperatura que se produce en un gas que se expande a partir de una presión constante más baja, sin transmisión de calor.
•
La obtención de líquidos se logra mediante la reducción de la temperatura causando que los líquidos mas pesados se condensen.
• El
GN se lleva a condiciones de saturación para reducir la temperatura y lograr el condensado.
•
Reducción de la presión del gas con válvulas de expansión (isoentálpicos) y turboexpansores (isoentrópico) y luego debido a la disminución de temperatura el agua se
Tipos de expansiones • Isentálpica:
Recuperación de líquidos a alta presión. El GN pasa por una válvula expansora, la temperatura disminuye y los componentes pesados se condensan.
• Isentrópica:
El gas húmedo entra a un turboexpansor donde se disminuye la temperatura y se obtiene una cantidad de trabajo, con ella se recupera parte de líquidos y movimiento de equipos de
DIAGRAMA DEL PROCESO
Concluyendo En este método, el gas se enfría adiabáticamente (refrigeración mecánica); al bajar la temperatura se produce condensación de líquido entre los cuales está el agua. Puede utilizarse con o sin inhibidor. El proceso sin inhibidor se utiliza únicamente cuando la caída de presión disponible permite que el agua alcance el punto de rocío requerido sin formación de hidratos. El proceso con inhibidor, se mezcla el metanol o el glicol con el gas para enfriar el gas a temperaturas muy bajas. La mezcla agua – inhibidor se retira y el inhibidor se recupera en una columna de despojo.
Ventajas Las principales ventajas del proceso son: • Puede • Solo • Sin
obtener puntos de rocío en el rango de -100 a -150 °F (-70 a -100°C).
requiere suministro de calor para el regenerador de metanol.
embargo, requiere refrigeración externa para enfriar el gas, y minimizar las pérdidas de metanol en la despojadora.
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
PERMEACIÓN DEL GAS • Se
basa en el principio de transferencia de masa por la difusión de gas a través de una membrana.
•
Una membrana es una barrera semipermeable entre dos fases, que permite el paso de varios solutos. (moléculas transportadas a través de la membrana)
• El
funcionamiento de una membrana cualquiera se puede comparar al de un filtro: es una barrera que deja pasar ciertos compuestos (permeado),
Las membranas se clasifican por su tipos: inorgánicas y orgánicas o poliméricas.
naturaleza
en
dos
Las membranas inorgánicas pueden ser metálicas o cerámicas.
Las de tipo orgánico son las más utilizadas y se dividen por su estructura en porosas y densas o no porosas.
•
Las membranas porosas efectúan una separación basada en el tamaño y distribución de los poros.
• Las
membranas densas se consideran membranas no porosas o "no defectuosas" ya que el tamaño de poro es extremadamente pequeño y sus propiedades de separación dependerán mucho de las interacciones de la matriz polimérica y el componente a separar.
• Las
membranas son usadas en la industria del gas natural principalmente para remover dióxido de carbono (CO2 ), agua y sulfuro de hidrogeno (H 2S).
• Muchas
unidades tratan el gas a las especificaciones de tubería directo en cabeza de pozo para alcanzar los requerimientos de calidad: CO2 < 2%, H 2S< 4 ppm y contenido de agua.
• Este
proceso opera bajo la aplicación de una fuerza motriz entre ambos lados de la membrana (gradiente de concentración o de presión) (Pandey y Chauhan, 2001).
•
El flujo de compuesto permeado por unidad de área se denomina flux .
•
La separación de dos compuestos, por ejemplo, resulta de la diferencia entre sus velocidades de transporte a través de la membrana, las cuales son función de la fuerza motriz que actúa sobre cada uno de ellos, de su movilidad y de su concentración en la interfaz de la membrana.
• La
movilidad y la concentración determinan el flujo que atraviesa la membrana bajo una fuerza motriz aplicada. La movilidad, a su vez, es función del tamaño molecular del compuesto que penetra la membrana y de la estructura de ésta, mientras que la concentración depende de la compatibilidad química entre ambos.
•
La permeación selectiva da lugar al enriquecimiento de un compuesto ya sea en el residuo o en el permeado.
• La
cantidad de flujo de un gas que atraviesa una membrana de un esp spe esor dado, debido a un gra rad dient nte e de pre resi sió ón, determina el coeficiente el coeficiente de permeabilidad del permeabilidad del mismo en la membrana.
• Las
diferencias entre los coeficientes de permeabilidad de diversos compuestos que atraviesan una misma membrana resultan, entre otra ot rass ra razo zone nes, s, de la lass in inte tera racc ccio ione ness fi fisi sico coqu quím ímic icas as en entr tre e el ello loss (Pandey y Chauhan, 2001).
• Entre
mayor sea el coeficiente de permeabilidad de un compuesto frente fre nte a una me memb mbran rana, a, me meno norr es la sup super erfi fici cie e de in inte terca rcamb mbio io requerida para tratar una corriente gaseosa, lo cual reduce el costo de las unidades de operación.
•
La alta se sellect ctiivida dad d se tra rad duce en una alta pureza del gas recuperado o tratado. Sin embargo, a pesar de las mejoras en las pro rop piedades est strructu tura ralles de los materi ria ales para fabri rica carr memb me mbra ranas nas,, se ha ob obse serva rvado do qu que e el au aume menta ntarr la per perme meab abil ilid idad ad com co mpro rom mete la se sellectivida dad d de una membrana y vicever ersa sa
• Los
mecanismos de separación mediante la permeación de vapor dependerán del tipo de material utilizado como membrana.
• La
transferencia de materia en las membranas porosas puede ser de tipo Knudsen tipo Knudsen o o de flujo viscoso.
• En
las membranas densas o no porosas dicha transferencia está gobe go bern rnad ada a po porr el me meca can nis ism mo de soluci solución ón di difu fusi sión ón.. En este meca me cani nism smo o lo loss co com mpo pone nent nte es a se sepa para rarr so son n so sorb rbid idos os so sobr bre e la superficie de la membrana del lado de la alimentación, se difunden a través del espesor de la membrana y finalmente se desorben del lado del residuo.
La fuerza motriz que permite esta transferencia es generalmente un gradi gra dien ente te de pre presi sión ón,, ge gene nerad rado o ya se sea a me medi dian ante te la ap apli lica caci ción ón de vacío o haciendo circular un gas inerte del lado del permeado, o usando un compresor para incrementar la presión de la alim al ime ent ntac ació ión; n; un una a co comb mbiina naci ción ón de am ambo boss ta tamb mbié ién n pu pue ede se serr contemplada para aumentar la tasa de transferencia de masa.
Mecanismos de Transferencia de Materia
Debido a su simplicidad, a que ocupan menor espacio y peso en comparación con los sistemas tradicionales (Plantas de absorción), las membranas permeables se convierten en una alternativa para aplicaciones costa afuera. El pretratamiento del alimento es un componente crítico de un proceso con membranas. • El
gas de entrada debe estar libre de sólidos y gotas mayores a 3 micras.
• La
temperatura del gas de entrada debe estar al menos 20ºF (10ºC) por encima del punto de rocío de agua para evitar condensación en la membrana (51).
FIBRAS HUECAS
PLANAS CAPILARES
Los Módulos de Membranas TUBULARES
ESPIRALES
Los Módulos de Membranas •
Las membranas pueden fabricarse en forma de hojas planas, tubulares, espirales, capilares o como fibras huecas y ser acomodadas en dispositivos llamados módulos confiriendo a las membranas áreas específicas (relación entre el área de la membrana y el volumen ocupado por el módulo) diferentes.
• Este
es un criterio importante en la aplicación de la permeación de vapor a escala industrial.
• Las
configuraciones más usadas son las de tipo fibra hueca, capilares y espirales.
• Los
módulos de fibras huecas y los capilares presentan altos coeficientes globales de transferencia de materia debido a su gran superficial, lo cual incrementa el flux área de permeado (Majumdar y col., 2001).
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
TECNOLOGÍA TWISTER Como proceso alternativo al convencional y con base en los principios de la intensificación de procesos la compañía Twister BV ha diseñado un dispositivo de separación supersónico capaz de reunir la deshidratación y el control de Dew Point del proceso convencional en un mismo equipo.
TECNOLOGÍA TWISTER • Atractiva
aplicación costa afuera debido a su simplicidad, su pequeño tamaño y bajo costo.
• Consta
de procesos físicos conocidos:
expansión, separación
gas/Líquido y recompresión en un solo dispositivo. • Condensados
de H2O e HC’s pesados
Separador Supersonico Twister Simplificado
Este dispositivo cuenta con un conjunto de álabes que generan un alto vórtice o
Posteriormente el gas atraviesa una tobera convergente-divergente, donde alcanza un número de Mach igual a 1 en la garganta y luego se expande a velocidad supersónica, generando una reducción en la presión y en la temperatura, debido al efecto del enfriamiento adiabático. Es allí donde se produce la
El remolino generado por los álabes a la entrada dirige las gotas hacia las paredes del
Las corrientes separadas son desaceleradas en difusores, recuperando entre el 70 y el 85% de la presión. El gas que puede ser arrastrado por las gotas de líquido es removido por medio de
VENTAJAS DEL DISPOSITIVO • Tiempo
de residencia milésimas de segundo.
• No
permite formación de hidratos.
• No
necesita sistemas de regeneración.
• Evita
el uso de inhibidores y sistemas de recuperación químicos.
• Aparato
compacto, bajo peso, bajo costo.
OTRAS APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA TWISTER Este equipo hace posible recuperar los LGN de forma rápida y eficiente sin incurrir en el uso de agentes externos como inhibidores de formación de hidratos o agentes desecantes de gas natural. El principio físico bajo el cual opera el separador supersónico es la generación de un flujo circular que se abre paso a lo largo de una tobera en cuya garganta se alcanzan las más bajas temperaturas y presiones, condiciones a las cuales se condensan los LGN de interés y se forman posibles sólidos. Las fuerzas generadas por el flujo circular (500.000 g) hacen que las fases pesadas se concentren en las áreas alejadas del eje del equipo, tomando provecho de esto se ubica después de la garganta del equipo un recolector
CONDICIONES DE OPERACION Este equipo debe operar a altas presiones por lo cual en muchas ocasiones se requiere de una etapa de compresión previa.
Alcanza bajas temperaturas, tem peraturas, del orden de 45ºF (7.2 °C) de acuerdo a las especificaciones que deba cumplir el gas.
Esto hace que la operación sea complicada, ya que se debe tener control preciso de la temperatura y presión del gas.
Además se deben implementar robustos sistemas de cont co ntro roll qu que e co cons nsid ider eren en el co comp mpor orta tami mien ento to di diná námi mico co altamente inestable del fluido de trabajo, ya que habrá un gran número de fluctuaciones e inestabilidades debidas a cambios en el comportamiento de los pozos y condiciones meteorológicas principalmente.
Debido a la complejidad del equipo se diseñan varios var ios di dispo sposit sitivo ivos s par para a car cargas gas pe peque queñas ñas que oscilan entre 10 y 20 MMscfd (Millones de pies cúbicos estándar por día) con el fin de operar varios en paralelo y así dar flexibilidad al proceso.
Cada batería de estos equipos tiene entre 4 y 6 separadores supersónicos conectados en para pa rale lelo lo co con n un se sepa para rado dorr de fa fase ses s ce cent ntra rall al cual cu al ll lleg egan an la las s co corr rrie ient ntes es de lo los s re reco cole lect ctor ores es,, esto con el fin de recuperar el gas que se pierde con los LGN, el agua y los sólidos.
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración
Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
DESHIDRATACIÓN POR ABSORCIÓN •
Es un fenómeno de transferencia de masa desde una fase gaseosa hacia una fase líquida; esto es posible mediante la adición de un líquido con alta facilidad para retirar el agua.
•
El proceso consiste en remover el vapor de agua de la corriente de gas natural, por medio de un contacto líquido.
•
El contacto tiene lugar en una torre empacada o de platos.
CONDICIONES DEL LIQUIDO ABSORBENTE 1.- Alta afinidad con el agua, y ser de bajo costo. 2.- Poseer estabilidad hacia los componentes del gas y bajo perfil corrosivo. 3.- Estabilidad para regeneración 4.- Viscosidad baja. 5.- Baja presión de vapor a la temperatura de contacto. 6.- Baja solubilidad con las fracciones líquidas del gas natural. 7.- Baja tendencia a la formación de emulsiones y producción de espumas.
LIQUIDOS ABSORBENTES MAS COMUNES: ETILEN GLICOL, (EG) DIETILENGLICOL, (DEG) TRIETILENGLICOL (TEG). Ventajas de usar TEG: • Puede ser regenerado con facilidad • Menores pérdidas por vaporización
Limitación del TEG: • No es apto para procesos criogénicos
TEG • El
trietilenglicol ha ganado la aceptación universal como el más efectivo de los glicoles, debido a que logra mayor depresión del punto de rocío y tiene bajos costos de operación.
• Es
un líquido higroscópico no volátil, inodoro e incoloro,
Ha sido usado para deshidratar gases dulces y ácidos en los siguientes rangos de operación:
Depresión del punto de rocío: 40-140ºF Presión: 25-2500 psi Temperatura: 40-160ºF
Ventajas de usar TEG:
Puede ser regenerado con facilidad Menores pérdidas por vaporización
Limitación del TEG:
No es apto para procesos criogénicos
Es corrosivo si se contamina con H2S
Diagrama del Proceso Una planta deshidratadora que utiliza TEG se compone de dos zonas: • la zona de deshidratación, la cual es favorecida por las altas presiones y las bajas temperaturas y • la zona de regeneración, la cual es favorecida por bajas presiones y altas temperaturas.
Dos operaciones complementarias, • limpieza del gas húmedo que entra a la torre de absorción y • descontaminación del glicol Se debe tener en cuenta que la absorción del vapor de agua y la reconcentración del glicol están gobernadas por
Torre Absorbedora El glicol regenerado o pobre se bombea continuamente al plato superior de la torre absorbedora, donde fluye a través de los tubos de descenso de líquido que comunican cada plato o bandeja de contacto. El gas natural asciende con contenido de vapor de agua, el gas fluye a través de las cápsulas de burbujeo o de las válvulas colocadas en cada plato. Este proceso se repite en cada plato de contacto: el líquido que desciende va absorbiendo el vapor de agua y el gas natural que asciende se va secando
Regeneración del Glicol • Durante
la absorción, el glicol también remueve componentes aromáticos como benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BTEX-Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylenes) y componentes orgánicos volátiles (VOCs-Volatil Organic Compounds) del gas natural.
•
Pequeñas cantidades de estos componentes se liberan del glicol rico en el regenerador que opera a altas temperaturas y bajas presiones.
• Aunque
la mayoría de los BTEX y VOCs son separados del glicol en la despojadora, con el fin de cumplir con las especificaciones ambientales, estas emisiones deben medirse, monitorearse y adoptar estrategias que permitan minimizarlas
Para el diseño de plantas de deshidratación con glicol se debe disponer de la siguiente información: Tasa de flujo de gas, Gravedad específica del gas, Presión de operación, Máxima presión de trabajo de la torre contactora, Temperatura de entrada del gas, Contenido de agua requerido a la salida.
De igual manera, también deben tenerse en cuenta dos criterios de diseño fundamentales para un adecuado desempeño de la planta: Relación Glicol/Agua (GWR – Glicol to Water Ratio) y Concentración del TEG pobre o seco.
Diseño
Diseño Se considera apropiado un valor de 2 a 6 gal TEG/lb H2O Muy frecuentemente, un valor de 3 gal TEG/lb H2O es usado en las deshidratadoras. Normalmente, la concentración del TEG pobre o seco es de 98 a 99.5% en peso, ésta puede determinarse con base en la temperatura de la torre y la depresión o disminución del punto de rocío. Existen varios procesos y principios para obtener una pureza de TEG mayor al 98% en peso, la cual corresponde a la pureza del TEG que se obtiene por calentamiento a 400°F y a presión atmosférica. El método más común para aumentar la concentración del glicol ha sido el uso de gas de despojo o por medio de vacío en el rehervidor. Otros procesos patentados que se usan para aumentar la pureza del glicol y así lograr una mayor disminución del punto de rocío del agua son el proceso DRIZO
PROBLEMAS OPERACIONALES 1.
Contaminación del glicol por presencia de materiales extraños suspendidos, que causan espuma en la contactora y por ende, arrastre de glicol por parte del gas.
2.
Para evitar presencia de líquido (agua, hidrocarburos livianos) en el gas de entrada a la planta, se debe colocar un separador despojador (Scrubber) antes de la contactora o absorbedora.
3.
Problemas de bombeo cuando se manejan bajas temperaturas, que aumentan la viscosidad de las soluciones de glicol altamente concentradas.
4.
Las pérdidas de glicol deben ser controladas a menos de 0.1 galón por cada MMPCS de gas tratado.
5.
El uso de glicol conlleva a problemas de corrosión. Esto se agrava si el gas a tratar es ácido. El glicol se vuelve altamente corrosivo si su pH es menor de 6. Los problemas de corrosión se controlan al agregar un galón
PROBLEMAS OPERACIONALES A pesar de los problemas asociados a su operación, la absorción con glicol es el método tradicional de deshidratación de gas, ya que ha demostrado ser eficiente para conseguir las especificaciones de calidad requeridas, y a que su operación es bastante conocida. Para mitigar las limitaciones de espacio en locaciones offshore, las plataformas más nuevas están usando empaque estructurado en las contactoras con glicol para reducir su diámetro y peso. Estas unidades deben conseguir un contenido de agua menor que (4 lbH2O / MMSCF) y se operan entre 1000-1200 psig.
Un flujo de gas natural húmedo de 51,4 MMscfd Gravedad específica γ = 0,6564 z = 0,8629 Entra a una contactora con TEG a 950 psia y 100 °F. Calcular el diámetro y la altura para platos de burbujeo y empaque estructurado si: -La especificación de humedad para el gas de salida es 7 lb de H2O/MMscfd. -El número de platos reales de la contactora es 8 (eficiencia del 25 % y espaciamiento de 24”) -Se usa una temperatura de aproximación de 10 °F para el punto de rocío.
1. Determinar el contenido de agua en el gas de entrada En la gráfica de Contenido de agua en hidrocarburos gaseosos, con los valores de P y T de la torre contactora, con el valor de temperatura de 100°F y presión de 950 psi. Se lee las lbs de agua por millón de pie cubico a 60°F y 14,7 psi
64 lb H2O/MMscf.
2. Determinar el contenido de agua a ser removida: Δ H2O = H2O gas entrada – H2O gas salida H2O gas entrada = 64 lb / MMsdf (obtenido en el paso 1) H2O gas salida = 7 lb / MMsdf (datos de CREG) Δ H2O = (64 - 7) lb H2O/MMsdf = 57 lb H2O/MMsdf
3. Determinar el punto de rocío por agua del gas de salida En la gráfica de Contenido de agua en hidrocarburos gaseosos, con los valores de H2O del gas de entrada y P de la torre contactora: H2O gas entrada = 64 lb / MMsdf a 60 °F y 14,7 psi (obtenido en el paso 1) P = 950 psi (dato del ejercicio). Se lee el punto de rocío PR
31 °F
4. Calculo del punto de rocío incluyendo la aproximación. Para calcular el PR considerando la aproximación: se considera la PR (leída del paso 3 y la aproximación dada en el ejercicio.
PRapr= PR - aproximación PR = 31°F (paso 3) Aproximación = 10 °F (dato del ejercicio)
PRapr= (31-10) ºF = 21 ºF
5. Determinar la concentración de TEG para la temperatura de equilibrio del punto de rocío De la gráfica de equilibrio del punto de rocío vs la temperatura del contactor a diferentes concentraciones de TEG. Se entra con los valores de: PUNTO DE ROCIO APROX = 21 °F TEMPERATURA DE LA TORRE = 100 °F Y en el punto de intercepción se lee la concentración de TEG
98,5
7. Determinar el número de platos teóricos: El cálculo del número de platos teórico se hace considerando los datos del ejercicio -El número de platos reales de la contactora es 8 (eficiencia del 25 % y espaciamiento de 24”)
N = NR*eficiencia NR= 8 Platos Eficiencia = 0,25
N = 8*0,25 = 2
8. Determinar rata de circulación de TEG en gal de TEG/lb H20 en Figura 3-22 Para calcular la rata de circulación de TEG se debe considerar el % de agua que debe ser removida en la torre H2O gas entrada – H2O gas salida H2O gas entrada H2O gas entrada = 64 lb H2O/MMsdf H2O gas salida = 7 lb H2O/MMsdf
64–7
= 0,89
8. Determinar rata de circulación de TEG en gal de TEG/lb H20 en Figura 3-22 Seguidamente en la gráfica de remoción de agua vs rata de circulación de TEG a varias concentraciones de TEG, se lee el valor de la rata de circulación de TEG. Se entra con el porcentaje de agua a ser removida en la torre y el valor de concentración de TEG % agua a ser removida = 0,89 (Paso 8 parte 1) Concentración de TEG = 98,5 (paso 6)
2,54
9. Determinar la rata mínima de circulación de TEG:
La rata mínima de circulación de determina con: Q∗ Δ H2O∗ GPM= /∗ /
Q = flujo de gas húmedo = 51,4 MMscf/d (del ejercicio) = 57 lb H2O/MMsdf (paso 2) Δ H2O Rata TEG = 2,54 gal/lb H2O (paso 8) (51,4 MMscf/d)∗(57lb/MMscf)∗(2,54gal/lbH2O) GPM= = 5,17 gpm /∗ /
10. Determinar la densidad de TEG: En la gráfica de densidades de soluciones acuosas de TEG, con la temperatura de la torre y la concentración de TEG: Temperatura de la torre = 100 ªF (del ejercicio) Concentración de TEG = 98,5% (paso 6)
69,2 lb/ft3 9,25 lb/gal
11. Determinar la densidad del gas La densidad del gas está definida por
ρgas=
∗∗γ ∗∗
P = 950 psia presión de la torre (dato del ejercicio) PM aire = 28,9 lb/lbmol Y = gravedad especìfica del gas = 0,6564 (dato del ejercicio) R = 10,73
∗ º∗
T = temperatura de la torre en °R = 560°R (dato ejercicio) z= factor de compresibilidad = 0,8629 (dato del ejercicio)
ρgas=
∗,/∗, ,
∗
∗º∗,
= 3,48 lb/ft3
12. Determinar la velocidad permisible del gas La velocidad permisible del gas esta dada por Velocidad permisible del gas =k
ρ− ρ ρ
k = factor de velocidad (ver tabla de factores k para vel de vapor) ρ = densidad líquido (paso 10) ρ = densidad gas (paso 11)
V =0,16
−
= 0,659 ft/s
13. Determinar el diámetro de la contactora y altura de platos y empaque:
59,4∗Q∗Z∗T D= Pv
Para platos de burbujeo:
Q = caudal de flujo del gas = 51,4 MMSCF(dato del ejercicio) P = Presión de la torre = 950 psia T = temperatura de la torre en °R = 560°R (dato ejercicio) z= factor de compresibilidad = 0,8629 (dato del ejercicio) v = velocidad de vapor = 0,659 ft/seg (paso 12) D=
59,4∗51,4∗0,8629∗ 5 6 0 = 47,27 950∗0,659
D= 48 = 4ft
13b. Determinar el diámetro de la contactora y altura de platos y empaque: Para platos de burbujeo:
Altura para platos = NR*espaciamiento NR = número de platos reales en la torre (dato del ejercicio) Espaciamiento = 24 in/ft (dato del ejercicio)
Altura = 8 * 24 in/ (12 in/ft) = 16ft.
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN Delicuescencia Expansión-Refrigeración
Deshidratación
Permeación del gas Tecnología Twister Absorción Adsorción
DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN La adsorción involucra una forma de adhesión entre las partículas del desecante sólido y el vapor de agua en el gas. La deshidratación con sólidos es mucho más eficiente que la deshidratación con glicol, con esta técnica se alcanza un contenido de agua de 0,05 lb H2O/MMPCS. Sin embargo, con el fin de reducir el tamaño de la adsorbedora, frecuentemente se usa una absorbedora con glicol para realizar una deshidratación inicial, con lo que se reduce la masa de desecante sólido necesaria para la deshidratación final
DESECANTES - ADSORBENTES • Un desecante es una sustancia que se usa para eliminar humedad del aire o de alguna otra sustancia, como combustibles orgánicos. (en nuestro caso particular del gas natural) • El fenómeno físico que tiene lugar para la deshumidificación del gas es el de adsorción, por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material
• Diagrama proceso adsorción (simplificado)
Características del desecante Un desecante comercial debe poseer: • Afinidad • Un
por el agua,
área superficial por unidad de volumen grande,
• Alta
resistencia mecánica,
• Resistencia • Inerte
a la abrasión,
químicamente,
• Costos
razonables.
Los desecantes sólidos más usados son: gel de sílice, alúmina y tamiz
• Los
desecantes sólidos pueden deshidratar el gas a menos de 0,1 ppm (0,5 lb/MMscf).
• El
uso de desecantes sólidos como alternativas diferentes al uso de glicol puede representar beneficios ambientales, minimizar los compuestos hidrocarburos volátiles y contaminantes peligrosos del aire (BTEX).
• Los
costos de compra y operación de las unidades de desecantes sólidos generalmente son mayores que los de las unidades de glicol.
Aplicaciones 1
• La deshidratación a puntos de rocío del agua menores de 40ºF a -58 ºF
2
• Controlar el punto de rocío de los hidrocarburos en flujos de gas pobre a altas presiones
3
• Deshidratación y eliminación simultanea de H2S
4
• Deshidratación de gases que contienen H2S donde la solubilidad del H2S en el glicol puede causar problemas de emisiones
5
• Deshidratación y eliminación de compuestos de azufre (H 2S, COS, CO2, mercaptanos) para flujos de GLP y LNG.
CONDICIONES DE USO •
•
•
•
Temperatura: Menor a 50ºC para utilizar la capacidad del desecante.
mayor
“Dew point”: Depende del desecante: -73ºC a -90ºC. Longitud del ciclo: De 8 a 24 h. Dirección del flu jo de gas: “Down flow” para bajar la vibración del lecho debido a la alta velocidad del gas (1800 ft/h).
Temperatura: Depende principalmente del sólido. muchos casos casos se recomienda recomienda de 175-300ºC 175-300ºC [347 – En muchos 572ºF]. escoge una tempe temperat ratura ura mayor mayor se aumen aumenta ta la – Si se escoge capacidad del desecante desecante pero se acorta su vida útil. – La mayor mayor cantida cantidad d de agua se elimina elimina a 125ºC 125ºC (257 (257 F) con un un gas que que sale de los los calent calentad ador ores es de 200200350ºC [392-662ºF]. [392-662ºF]. –
•
Dirección del flujo de gas: – Generalmente
se utiliza flujo utiliza flujo ascendente para ascendente para asegurar la regeneración del fondo de la torre que fue la última parte del lecho que estuvo en contacto contacto con el gas.
– La
contaminación del lecho (por otros compuestos distintos al agua, p.e., hidrocarburos) hidrocarburos) ocurre principalmente principalmente en el tope de la torre torre,, por por lo tant tanto, o, hac haciend iendo o flui fluirr el gas gas hacia arriba se evita que estos contaminantes atraviesen el lecho completo.
•
Flujo de gas: de gas: – De
•
5-15% del flujo de gas total a deshidratar. deshidratar.
Tiempo: – Norm ormalme alment nte e
donde enfriar.
se emp emplean ean cicl iclos de 8h en 6h son para regenerar y 2h para
Capacidad del desecante Se expresa en masa de agua adsorbida por unidad masa de sóli do desecante. •
de
Capacidad estática de equilibrio: Es la determinada en una celda de equilibrio sin flujo de fluido. •
Capacidad dinámica de equilibrio: Es la capacidad del desecante cuando se hace circular fluido a través de él a una velocidad comercial. •
Capacidad útil: Representa la capacidad de diseño. Toma en cuenta la pérdida de capacidad del sólido en el tiempo, y que no todo el sólido en el lecho es utilizado completamente. •
Principios de adsorción Si se tiene un lecho adsorbente en donde se alimenta una corriente de gas que tiene una cierta concentración de contaminante (y E), la concentración de salida (yO) en función del tiempo sigue la siguiente tendencia:
•
•
Tiempo de ruptura (tb): instante de tiempo transcurrido para que yO=0,05yE. Tiempo de saturación (tE): instante de tiempo
en donde
yO=0,95yE. •
Tiempo estequiométrico: aquel en donde se ubica el centro de
•
•
Cuando la zona de transferencia de masa alcanza el final del lecho, se llega al tiempo de ruptura. De manera general, la longitud de la zona de transferencia de masa depende de la composición del gas, velocidad de flujo, condiciones del proceso (T y P) y capacidad del adsorbente.
CICLO DE ADSORCIÓN Durante el funcionamiento normal en el ciclo de secado (adsorción), existen tres zonas separadas en el lecho como se presenta en la figura • La
zona de equilibrio
• La
zona de transferencia de masa (MTZ)
• La
zona activa
•
En el sólido se puede ver el siguiente efecto:
•
Para sílica gel se puede utilizar la siguiente correlación para estimar la longitud de la zona de transferencia de masa:
h z
•
297,7q w 0,7895 vg 0,55060,2646
Para alúmina: h z 0,8hz silicagel
he hz ha
•
Para tamiz molecular: h z 0,6hz silicagel
qw: velocidad de remoción de agua por unidad de área del lecho [lb/h ft2] vg: velocidad superficial del gas [ft/h]
Proceso: Diagrama de dos torres El gas húmedo al entrar a la planta pasa inicialmente por un separador (Scrubber) para remover todos los sólidos y líquidos.
Proceso: Diagrama de dos torres El gas fluye hacia la parte superior de la adsorbedora que contiene un lecho desecante.
Proceso: Diagrama de dos torres Mientras una torre adsorbedora está deshidratando, la otra se está regenerando mediante una corriente de gas caliente
Proceso: Diagrama de dos torres El gas que va a ser procesado pasa a través del lecho adsorbente, en donde el agua es retenida selectivamente.
Proceso: Diagrama de dos torres Cuando el lecho se satura, se hace pasar una corriente de gas caliente en contra flujo al lecho adsorbente para su regeneración.
Proceso: Diagrama de dos torres Luego de la regeneración y antes de la adsorción, el lecho debe enfriarse, esto se logra circulando gas frío por el lecho de adsorción en la misma dirección de flujo.
Proceso: Diagrama de dos torres El cambio de lechos se realiza mediante un controlador de tiempo, el cual ejecuta los cambios en las operaciones a determinados tiempos dependiendo del ciclo. Ciclos de tiempo demasiado largos, requieren grandes lechos y una inversión de capital adicional, pero de esta manera se incrementará la vida útil del lecho.
Tipos de desecantes
Geles Alúmina Tamices
•
•
La elección del desecante algunas veces obedece a razones económicas y otras a las condiciones del proceso. Grado de deshidratación que se puede lograr Desecante
Dew Point
Alúmina
-73ºC (-100ºF)
Sílica gel
-60ºC (-76ºF) [10 ppm]
Tamiz molecular
-90ºC (-130ºF) [1 ppm]
CAPACIDAD DE ADSORCI N DE ALGUNOS TIPOS DE DESECANTES: TIPO DE DESECANTE
Lbs H20 / 100 Lbs de desecante
BAUXITA ACTIVADA
3@6
ALUMINA ACTIVADA
3@6
SILICA GEL
5 @ 7.5
TAMICES MOLECULARES
22
Capacidad del Desecante
Tipos de desecantes
Geles Alúmina Tamices
Características
GEL DE SÍLICE
Es menos catalítico que la alúmina activada o los tamices moleculares.
Absorberá todas las moléculas.
Alta capacidad de adsorción, puede adsorber el 45% de su propio peso en agua.
Menos costoso que el tamiz molecular.
Sílica Gel
Sílica Gel
Tipos de desecantes
Geles Alúmina Tamices
ALÚMINA ACTIVADA Características El calor es requerido para regenerar alúmina es bajo
La temperatura de regeneración es más baja
No han sido probadas en campo. La alúmina activada es usada raramente en plantas de gas natural.
Alúmina Activada
Tipos de desecantes
Geles Alúmina Tamices
TAMIZ MOLECULAR Capaz de deshidratar el gas a un contenido de agua menor de 0,1 ppm
Excelente para remover el ácido sulfúrico, CO 2, deshidratación.
Más costosos que el gel de sílice.
Requiere altas temperaturas para regeneración
Tamices Moleculares
Tamices Moleculares
Tamices Moleculares En sistemas de gas natural los más usados son los tamices moleculares, los cuales son formas cristalinas de aluminosilicatos que exhiben un alto grado de adsorción de agua. Permiten obtener un punto de rocío de –150°F y se pueden usar tanto para endulzar como para deshidratar el gas natural. Los tamices moleculares en su estructura forman cavidades que se conectan por poros uniformes de diámetros de 3 a 10 ° A, dependiendo del tipo de tamiz. Como se elaboran de acuerdo a un tamaño de poro específico, los tamices moleculares permiten que la adsorción sea selectiva, es decir, se adsorben solamente las moléculas cuyo diámetro es menor que el tamaño del poro del tamiz molecular.
Los tamices moleculares no solo adsorben moléculas dependiendo de su tamaño y configuración, estos también lo hacen basados en su polaridad y grado de saturación.
En una mezcla de moléculas que logra pasar a través de los poros, la menos volátil, la más polar y la menos saturada será la que se adhiera con más fuerza a la superficie del tamiz molecular
CARACTERÍSTICA FUNDAMENTAL: La desorción de agua en los tamices es un proceso reversible, esto se logra mediante la aplicación de calor, generando así la liberación de las moléculas adsorbidas. En caso de que se condensen hidrocarburos pesados de alto punto de burbujeo en los tamices moleculares, estos pueden perder sus propiedades de deshidratación.
EFECTO DE LOS IONES: La fuerza de adsorción está ligada a los cationes presentes en el retículo cristalino. Estos generan puntos de carga positiva los cuales atraen a las moléculas polares. A mayor momento dipolar, mayor atracción (O2, S, C, N) Moléculas insaturadas pueden ser polarizables fácilmente. Adsorciones posteriores por dipolos inducidos.
Tipo de Tamiz y Aplicación
CAPACIDAD DE ADSORCIÓN La superficie externa es alcanzada por moléculas de todos los tamaños, pero la superficie interna solo será alcanzada por moléculas de cierto tamaño
REGENERACIÓN DEL TAMIZ MOLECULAR: Desorción de moléculas presentes en el tamiz molecular; el objetivo es dejar el tamiz molecular listo para un nuevo proceso de adsorción. Este proceso se logra mediante el calentamiento y posterior evaporación del agua adsorbida.
PROBLEMAS OPERACIONALES: Baches o tapones de agua pueden dañar el tamiz molecular.
Cambios bruscos de presión, alta velocidad del gas, movimiento del lecho debido al calentamiento y enfriamiento (compactación)
Contaminación del lecho hidrocarburos pesados
con
VARIABLES DE OPERACIÓN A TENER EN CUENTA: Temperatura de contacto: afecta la capacidad de los tamices, a mayor temperatura de contacto menor es la cantidad de moléculas que se pueden retener (80
Presión de operación: No presenta efectos importantes sobre el tamiz, pero si sobre el volumen del gas.
Tiempo de contacto: Este debe ser ajustado con el fin de cumplir los requerimientos en cuanto a la velocidad del gas
Tamaño de las partículas del tamiz: disminuir el tamaño de las partículas del material me brinda una mayor superficie de adsorción, pero también aumenta las caídas de presión.
DISEÑO DE UN SISTEMA DE DESHIDRATACIÓN CON DESECANTES SÓLIDOS (TAMICES MOLECULARES) Cantidad requerida. 2. Determinación del diámetro y longitud del lecho. 3. Calculo del sistema de regeneración y suministro de calor. 3.1 Calor de desorción del agua 3.2 Calor latente de vaporización del agua 3.3 Calor sensible de evaporización del agua 3.4 Calor sensible para calentar el tamiz 3.5 Calor sensible para calentar la carcasa 3.6 Pérdidas de calor 4. Determinación de la secuencia apropiada de diseño. 1.
CANTIDAD REQUERIDA DE DESECANTE. Volumen del desecante en una camada:
=
=
∗
=
( ) ∗
= = ρ = ( ) = = [ ] = ℎ = [ ]
CORRELACIONES CALCULO Z Brown GG = 677 + 135 37.5 ∗ = [] = 168 + 325 12.5 ∗ = []
=
=
DIAMETRO Y LONGITUD DEL LECHO: Primero. Calcular el caudal del gas a condiciones de operación: ∗ − = 1.9610 ∗ ∗ = Segundo. Calcular el área de flujo:
ℎ = (
4
)=
[/]
= [ ]
Tercero. Calcular la Longitud, a partir del volumen de desecante: = ∗ = 4 4 Cuarto. Calcular la esbeltez:
se debe cumplir que
>4
Pseudo Tiempo de Contato =
[/]
REGENERACIÓN Y CALOR: Pérdidas de calor: = ( + + + ) = 1.1 ∗ ∗ = 1.1 ∗ ∗ ∗△ ℎ = 1.1 ∗ ∗ ∗△ = 1.1 ∗ ∗ ∗△ = 1.1 1.
Calculo del sistema de regeneración y suministro de calor. 3.1 calor de desorción del agua 3.2 Calor latente de vaporización del agua 3.3 Calor sensible de evaporización del agua 3.4 Calor sensible para calentar el tamiz 3.5 Calor sensible para calentar la carcasa
REGENERACIÓN Y CALOR: Cantidad de gas requerida para la regeneración: = ∗ ∗△ = = = í △ = ℎ
EJERCICIO. Tasa de flujo del gas: 10 MMpcnd @ 14.7 psia, 60 °F Presión a la entrada: 1000 psi Punto de rocío a la entrada: 90 °F Punto de rocío a la salida: 10 °F Capacidad de adsorción: 0.05 Duración del ciclo: 8 hrs Regeneración: Gas Natural Enfriamiento: Gas Natural
Velocidad permisible: 30 ft/min Temperatura del gas a la entrada: 95 °F Gravedad específica del gas: 0.7 Contenido de agua del gas a la entrada: 46 lbs / MMpcn Contenido de agua del gas a la salida: 2.9 lbs / MMpcn Eficiencia del calentador= 0.7 Factor de seguridad del calentador= 0.25 Temperatura al inicio de la regeneración= 275 °F Temperatura al final de la regeneración= 263 °F Peso del recipiente=5500 lbs
PASO 1. Calculo del volumen del lecho. Cálculo de la cantidad de agua que se debe retirar en la torre, tomando los valores de entrada y salida dadas por el ejercicio. Contenido de agua del gas a la entrada: 46 lbs / MMpcn Contenido de agua del gas a la salida: 2.9 lbs / MMpcn
= 46 2.9 = 43.1
2
PASO 1. Calculo del volumen del lecho. Considerando los datos de entrada del ejercicio: Tasa de flujo del gas: 10 MMpcnd @ 14.7 psia, 60 °F Capacidad de adsorción: 0.05 Densidad del desecante: 50 (datos fabricante) lb/gal 1/3 hace ref a las 8 horas que es 173 de día
=
=
=
∗
( ) ∗ ρ
=
∗
1 ∗ 43.1 3 = 57.5 50 ∗ 0 05
10 ∗ =
( )
Calculo factor Z = 677 + 135 ∗ 0.7 37.5 ∗ 0.7 = 669.125 [] = 168 + 325 ∗ 0.7 12.5 ∗ 0.7 = 389.375
=
1014.7 669.125
=
550 389.375
Cálculo del diámetro del recipiente: = 1.9610− ∗ ∗ = 1.9610
−
∗ 10.000.000 ∗
ℎ = ( 4
=
)=
4 88.04 30
∗
550 ∗ 0.82 1014.7 [/]
= 88.04
= [ ]
= 2.93
= 1.94 = 23.28 ℎ = 30 ℎ = 2.5
=
Calculo de la longitud del recipiente: = ∗ = 4 4 57.5 = = 11.71 2.5 4 se cumple:
= 4.7 > 4
PERDIDAS DE CALOR: Cálculo de calor de desorción del agua: Masa adsorbida de agua en 8 horas:
∗ ∗△ = 10 ∗
1 3
∗ 43.1 = 143.7 20
= 143.7 2 ∗ 650 = 93405
Calentamiento de agua: = 143.7 ∗ 1 ∗ 275 250 = 3592.5
Calentamiento del lecho: ℎ = ρ ∗ = 50 ∗ 57.5 = 2875 ℎ = 2875 ∗ 0.25 ∗ 275 250 = 17968.75
Calentamiento del recipiente: = 5500 ∗ 0.11 ∗ 275 250 = 15125 = 93405 + 3592 + 17968.75 + 15125 = 130090.75
Utilizando factor de seguridad de 1.1 = 1.1 ∗ 130090.75 = 143099 , asumimos que este es el calor necesario para un periodo de 1 hora
Masa del gas requerida para la regeneración del tamiz:
= ∗ ∗△ , =
=
[] =
143099.825 0.64 ∗ (400 253)
∗△
= 1632.069
1632.069 ∗ 24 ∗ 1014.7 ∗ 520 0.7 ∗ 28.96 ∗ 14.7 ∗ 550
ℎ
ℎ
= 126099.7251
Equivalente al 1.26% de la corriente de entrada de gas
Calor suministrado por el calentador:
=
1632.09 ∗ 0.64 ∗ 400 95 ∗ 1.25 0.7
Donde: 1.25 factor de seguridad del calentador 0.7 eficiencia del calentador
= 318583.968 ,
