DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN
KATHERINE PRADA PALOMO JUAN PABLO RAMIREZ DÍAZ LUZ ADRIANA RUEDA GUARÍN
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS INGENIERÍA DE GAS BUACARAMANGA 2011
DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN
KATHERINE PRADA PALOMO Cód. 2061770 JUAN PABLO RAMIREZ DÍAZ Cód. 2063393 LUZ ADRIANA RUEDA GUARÍN Cód. 2073163
Grupo O2 Subgrupo 4
HELENA MARGARITA RIBÓN BARRIOS Ingeniera de Petróleos
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS INGENIERÍA DE GAS BUACARAMANGA 2011
DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN
KATHERINE PRADA PALOMO Cód. 2061770 JUAN PABLO RAMIREZ DÍAZ Cód. 2063393 LUZ ADRIANA RUEDA GUARÍN Cód. 2073163
Grupo O2 Subgrupo 4
HELENA MARGARITA RIBÓN BARRIOS Ingeniera de Petróleos
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS INGENIERÍA DE GAS BUACARAMANGA 2011
CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN
7
1.
ASPECTOS GENERALES
8
1.1
Deshidratación del gas natural
8
1.2
Efectos de la presencia de agua
9
1.3
Procesos de deshidratación
9
2.
DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN
11
2.1
Tipos de adsorción
13
2.2
Aplicaciones
13
3.
DESECANTES SÓLIDOS
15
3.1
Alúmina activada
15
3.2
Gel de sílice
16
3.3
Tamiz molecular
16
3.4
Acerca de los desecantes
20
3.5
Selección del desecante
21
4.
DIAGRAMA DEL PROCESO
24
4.1
Unidad de dos torres
24
4.2
Unidad de tres torres
26
4.3
Ciclo de adsorción
28
4.4
Características operativas
29
5.
DISEÑO DE ADSORCIÓN-REGENERACIÓN
30
5.1
Diseño del adsorbente
30
5.2
Diseño del regenerador
35
5.3
Gráfica del ciclo de regeneración
36
3
5.4
Consideraciones de diseño
38
6.
PROBLEMAS OPERACIONALES
38
7.
DISEÑO DE TORRE DE ADSORCIÓN (APLICACIÓN)
43
7.1
Planteamiento del problema
43
7.2
Solución
43
7.3
Resultados
61
BIBLIOGRAFÍA
62
4
LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1: Efectos de la presencia de agua en el gas natural.
8
Figura 2: Procesos de deshidratación
10
Figura 3: Procesos de deshidratación (Imágenes representativas)
10
Figura 4: Aplicaciones de la adsorción con lecho sólido
11
Figura 5: Tipos de desecantes sólidos
15
Figura 6: Alúmina activada
16
Figura 7: Gel de sílice
17
Figura 8: Tamiz molecular
18
Figura 9: Unidad de deshidratación de dos torres.
25
Figura 10: Unidad de deshidratación de 3 torres.
27
Figura 11: Zona activa inicialmente y zonas en el ciclo de adsorción
29
Figura 12: Diseño de torre de adsorción típica.
34
Figura 13: Curva de regeneración para unidad de dos torres.
37
Figura 14: Gráfica de factor de compresibilidad
45
Figura 15: Gráfica para determinar la viscosidad del gas
46
Figura 16: Gráfica de contenido de agua en el gas por Macketta
51
Figura 17: Gráfica de corrección por saturación de agua.
52
Figura 18: Gráfica de corrección por temperatura
52
Figura 19: Gráfica para determinar las entalpias
59
5
LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones.
19
Tabla 2: Características operativas de un tamiz molecular
20
Tabla 3: Propiedades de los desecantes
23
Tabla 4: Características operativas de una planta de adsorción.
30
Tabla 5: Carga de masa de agua por masa de desecante.
32
Tabla 6: Constantes B y C según tipo de partícula
48
Tabla 7: Constante Z dependiendo el tamiz.
54
Tabla 8: Densidad del tamiz molecular según tipo de partícula
54
Tabla 9: Parámetros de diseño del problema
61
6
INTRODUCCIÓN
La deshidratación del gas natural constituye una de las etapas fundamentales en el tratamiento del gas la cual consiste básicamente en la remoción de las impurezas del gas producido en cabeza de pozo. La deshidratación por desecantes sólidos se fundamenta en el principio de adsorción, en el cual el vapor de agua presente se adhiere a la superficie de los desecantes, permitiendo así la remoción del contenido de agua no deseado. La deshidratación con desecantes o con lecho sólido constituye una alternativa cuando se desea remover el contenido de agua a una cantidad mínima ya sea el caso para ingresar el gas a una planta criogénica o se desee remover agua y componentes ácidos simultáneamente. En comparación con la deshidratación con glicol resulta ser más costosa, menos contaminante pero con puntos de rocío de agua menores a la salida. En el presente trabajo se describen cada uno de los tipos de desecantes más comunes con sus respectiva aplicaciones, el diagrama del proceso de la unidad de deshidratación ya sea de dos o tres torres, como se lleva a cabo el proceso de adsorción y de regeneración en la unidad de deshidratación, y finalmente el diseño de la torre de adsorción haciendo énfasis en el diseño del adsorbente y del regenerador, para lo cual se presenta el diseño preliminar de una unidad de adsorción de dos torres.
7
DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN Los tamices moleculares han encontrado una amplia aceptación en la industria de proceso de gas para la alimentación de plantas criogénicas de aplicaciones de condicionamiento y algunas aplicaciones de gas agrio con fórmulas de ataduras resistentes especiales al ácido.
1. ASPECTOS GENERALES 1.1 DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL El gas natural, como está producido, contiene normalmente vapor de agua. El agua deberá ser removida a un punto típico de un contenido de 7 lb/MMscf para la mayoría de los sistemas de transmisión de gas a puntos de condensación al menos de -150°F de un tratamiento aguas arriba de equipos criogénicos. El retiro del agua, o deshidratación, se realiza para prevenir la formación de hidrato o corrosión en la recolección de gas, sistema de transmisión o planta de tratamiento, como se presenta en la figura 1.
Figura 1: Efectos de la presencia de agua en el gas natural. Hidratos Líneas de flujo
Corrosión Agua Libre
Presencia de Agua
Transporte (RUT) Productos Poder Calorífico Recobro de HCs
Fuente: Autores
8
Procesos Criogénicos
1.2 EFECTOS DE LA PRESENCIA DE AGUA
En líneas de flujo: formación de hidratos ya que es una de las
condiciones fundamentales para que se forme además de la presencia de hidrocarburos y condiciones adecuadas de presión y temperatura (altas y bajas respectivamente), corrosión por la presencia de oxígeno, y agua libre que debe retirarse del gas. El agua líquida se remueve con el equipo adecuado, el agua remanente, en estado de vapor, debe reducirse de manera que el gas alcance las especificaciones requeridas, es decir un valor de 6lbs agua/MMscf.
En productos: debe cumplirse con el valor mínimo permisible establecido
por el RUT, especificación de transporte de gas en tuberías y debe retirarse el contenido de agua ya que disminuye el poder calorífico del gas.
En el recobro de líquidos: ya que los procesos implicados se llevan a
cabo a valores de temperaturas criogénicas, por ejemplo, recuperación de etanol, lo cual requiere de que el gas natural ingrese al menor valor posible de contenido de agua como vapor de agua.
1.3 PROCESOS DE DESHIDRATACIÓN Los procesos presentados en las figuras 2 y 3 para retirar el contenido de agua del gas natural están basados en una combinación de factores como:
Especificación del contenido de agua máxima Contenido de agua inicial Características del proceso Disposición de la operación Factores económicos
9
Figura 2: Procesos de deshidratación Desecante líquidos Desecante sólidos Delicuescencia Deshidratación
Expansiónrefrigeración Membranas permeables Tecnología Twister
Fuente: Autores
Figura 3: Procesos de deshidratación (Imágenes representativas) Absorción con glicol
Expansión-Refrigeración
Adsorción con lecho sólido
Membranas permeables
10
Delicuescencia
Tecnología Twister
La deshidratación con adsorción o con desecantes sólidos puede tener las aplicaciones como deshidratar el gas natural, para el recobro de líquidos del gas natural o para algunos desecantes con alta selectividad remover el contenido de compuestos sulfurosos como se presenta en la figura 4.
Figura 4: Aplicaciones de la adsorción con lecho sólido
Deshidratación del gas natural Agua
Adsorción con lecho sólido
Recobro de líquidos del gas natural Etanol
Remover H2S (Algunas veces) H2S
Fuente: Autores
Es importante aclarar que el contaminante más común del gas natural es el agua, así como otro tipo de impurezas como pueden ser los compuestos sulfurosos, entro otros.
11
2. DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN Los sistemas de deshidratación con desecantes sólidos operan o trabajan con el principio de adsorción , La adsorción implica una forma de adhesión entre la superficie del desecante sólido y el vapor de agua en el gas. El agua forma una capa extremadamente fina que se adhiere a la superficie del desecante sólido por fuerzas de atracción, pero no hay reacción química. Los desecantes sólidos son usados para deshidratar porque son típicamente más efectivos que el glicol, ya que pueden deshidratar o secar el gas a menos de 0,1 ppm (0,5 lb/MMscf), sin embargo con el fin de reducir el tamaño de la unidad de deshidratación con desecante sólido, con frecuencia es usada la unidad de deshidratación con glicol para remover el agua de la corriente de gas. La unidad de glicol reducirá el contenido de agua hasta valores alrededor de 4 lb/MMscf, lo que reduciría la masa de desecante sólido a utilizar para el secado final. 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. Por lo tanto, su uso esta típicamente limitado a aplicaciones tales como un alto contenido de H2S en el gas, requerimientos de un punto de rocío muy bajo, control simultaneo de agua e hidrocarburos y casos especiales como gases con contenidos de oxígeno, etc. Hay muchos desecantes sólidos los cuales poseen características físicas para adsorber el agua del gas natural. Estos desecantes generalmente son usados en los sistemas de deshidratación los cuales consisten de dos o más
12
torres y asociado a equipos de regeneración. Una torre está adsorbiendo el agua del gas mientras que la otra torre está siendo regenerada y enfriada. El gas caliente es usado para eliminar el agua adsorbida por el desecante, después de la cual la torre es enfriada con un corriente de gas fría así parte de gas secado es usado para la regeneración y el enfriamiento, y es reciclado a la entrada del separador. Otras corrientes pueden ser usadas si están suficientemente secas, como parte del gas residual.
2.1 TIPOS DE ADSORCIÓN La adsorción es definida como la adhesión de una capa de moléculas a la superficie de un sólido o un líquido. Esta es su diferencia con la absorción, que es la transferencia de moléculas a través de una interface dentro de un volumen de un sólido o un líquido. Dos tipos de adsorción en sólidos existen 1. Adsorción química , es la unión química de las moléculas a la superficie de los átomos. La quimisorción ocurre cuando un enlace químico, o intercambio de electrones, se forma. El resultado es la fijación de la molécula en la superficie a través de una adsorción química. 2. Adsorción física , la que ocurre por fuerzas del tipo Van der Waals, entre un átomo o una molécula y la superficie. En este caso no existe arreglo electrónico en el sistema y sólo las fuerzas de atracción electrostáticas o atracciones dipolares son puestas en juego, interacción que ocurre sin modificación alguna de la molécula, fisisorción.
2.2 APLICACIONES Adsorción versus absorción: La deshidratación con glicol es usada para la
mayoría de las aplicaciones donde se requiere la deshidratación del gas
13
natural para cumplir con las especificaciones de transporte en las tuberías, debido a que las unidades de glicol y la operación de las mismas representan menos costos. La deshidratación con lecho solido (también llamada deshidratación con desecante seco o por adsorción) es frecuentemente la alternativa superior en aplicaciones como: 1. La deshidratación a puntos de rocío del agua menores de -40ºF a -58 ºF, tales como aquellos requeridos aguas arriba de las plantas de extracción de LGN utilizando expansores y plantas de LGN. 2. Las unidades de control del punto de rocío de los hidrocarburos donde la extracción simultanea de hidrocarburos y agua es requerida para satisfacer las especificaciones de venta. Esto es usado para controlar el punto de rocío de los hidrocarburos en flujos de gas pobre a altas presiones. 3. Deshidratación y eliminación simultanea de H2S del gas natural 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 (H2S, COS, CO2, mercaptanos) para flujos de GLP y LNG. La viabilidad de la desulfuración depende de lo que se hace con la regeneración del gas, porque si el gas se mezcla con residuos este se puede volver acido de nuevo. El proceso de adsorción ocurre tanto en lechos fijos y en lechos móviles (menos usados por la complejidad mecánica). En lechos móviles, la operación es continua con el fluido y el contacto con el adsorbente es en contracorriente.
14
3. DESECANTES SÓLIDOS Un desecante comercial debe tener afinidad por el agua, una gran área superficial por unidad de volumen, alta resistencia mecánica, resistencia a la abrasión, ser inertes químicamente, y tener un precio razonable. Tres materiales básicos que se usan con frecuencia debido a que poseen estas características en una manera satisfactoria son los que se presenta en la figura 5.
Figura 5: Tipos de desecantes sólidos Alúm na Activada
e l d e S í l ic e
am iz M olecular
Pellet
Bead
Fuente: http: //sorbeadindia.tradeindia.com/
3.1 ALÚMINA ACTIVADA La estructura del producto es amorfa y no cristalina. Su estructura la alúmina es una forma hidratada del óxido de aluminio (Al 2O3). Es usado para
15
deshidratación de líquidos y gases y data pontos de rocío a la salida aproximadamente de -90ºF.
Figura 6: Alúmina activada
Características
Menos calor es requerido para regenerar alúmina y gel de sílice que para los tamices moleculares La temperatura de regeneración es más baja. Los tamices moleculares dan menores puntos de rocío del agua a la salida, es decir deshidratan más. La alúmina activada se utiliza para secar gases y líquidos.
No han sido probadas en campo. La alúmina activada es usada raramente en plantas de gas natural.
3.2 GEL DE SÍLICE El gel de sílice es dióxido de silicio amorfo (SiO2). Se fabrica mediante la adicción de silicato de sodio acuoso al ácido sulfúrico. Es usado para la deshidratación de gas y líquidos y el recobro de hidrocarburos (iC 5+) del gas natural. Cuando se usa para eliminar hidrocarburos, las unidades son frecuentemente llamadas HTUs (unidades de recobro de hidrocarburos) o
16
SCUs (unidades de ciclo corto). Cuando se usa para deshidratación, el gel de sílice dará punto de rocío de salido de aproximadamente -60ºF. Ampliamente usado como desecante, el cual puede ser usado para deshidratación de gas y recobro de líquidos del gas natural.
Figura 7: Gel de sílice
Características:
Más adecuada para deshidratación del gas natural. El gel de sílice se utiliza principalmente como un desecante es menos catalítico que la alúmina activada o los tamices moleculares. Debido a que es amorfo, Absorberá todas las moléculas. Éste tendrá una capacidad reducida para el agua si se utiliza para secar un gas saturado. Debido a su capacidad de adsorción de varios tipos de moléculas, la gel de sílice es usada a menudo para control del punto de roció de hidrocarburos, corrientes de gas natural de altas presiones. El gel de sílice adsorbe la mayoría de las moléculas de C5+ así como las del agua, alcanzando efectivamente los dos puntos de rocíos específicos. Se regenera más fácilmente en comparación con los tamices moleculares. Alta capacidad de adsorción, puede adsorber el 45% de su propio peso en agua.
Menos costoso que el tamiz molecular.
Poca capacidad para el recobro de líquidos
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3.3 TAMIZ MOLECULAR Los tamices moleculares son fabricados en dos tipos de cristal, un cubo simple o un cristal tipo A y un cubo centrado en el cuerpo o cristal tipo X. El tamiz tipo A esta disponible en sodio, calcio y potasio. Los tipo X están disponible en sodio y calcio. Los tamices de sodio son los más comunes y se muestran a continuación en las fórmulas de óxido.
Figura 8: Tamiz molecular
Cristales de metales alcalino y de aluminio silicatos comprendidos en una interconexión tridimensional de sílice y alúmina, la estructura es una matriz de cavidades conectadas por poros uniformes con diámetros en el rango de 3 a 10°A (1A° =1 m*10^-10), dependiendo del tipo de tamiz, el tamiz molecular el adsorbente más versátil porque puede ser fabricado para un tamaño especifico de poro, dependiendo de la aplicación.
Características
Capaz de deshidratar el gas a un contenido de agua menor de 0,1 ppm Se prefiere para deshidratar el gas antes de procesos criogénicos especialmente para GNL. Excelente para remover el ácido sulfúrico, CO2, deshidratación, altas temperaturas de deshidratación, líquidos hidrocarburos pesados y alta selectividad.
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Más costosos que el gel de sílice, pero ofrece mayor deshidratación. Requiere altas temperaturas para regeneración, lo que resulta en un alto costo de operación. Los tamices moleculares deshidratadores son usados comúnmente antes de las plantas de recuperación de LGN diseñadas para recuperar etano. Los puntos de rocío del agua menores de -150ºF pueden ser logrados con un diseño especial y parámetros de operación estricta.
En la tabla 1 se presentan características relevantes de los principales tipo de tamices moleculares, con su diámetro y sus respectivas aplicaciones y en la tabla 2 las características operativas de un tamiz molecular.
Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones. Tipo de tamiz
Diámetro (Å)
APLICACIÓN
3A
3
Deshidratar olefinas, metanol y etanol
4A
4.2
Deshidratar gases y líquidos, remover H2S
5A
5
Separar parafinas normales de cadenas ramificadas e HC cíclicos, remover H2S
10
Remover mercaptanos y H2S, remover H2O y CO2 de un planta alimentada de aire
13 X
Fuente: Modificada CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003
19
Tabla 2: Características operativas de un tamiz molecular RANGO
PARÁMETRO Tasa de flujo
10 a 1500 MMscfd (0,3 a 42MMsm3d
Velocidad superficial
Aproximadamente de 30 a 35 ft/min (9 a 11 m/min)
Caída de presión
Aproximadamente de 5 psi (35 Kpa) y que no exceda 10 psi (69 Kpa)
Tiempo de ciclo
4 a 24 horas, 8 horas o un múltiple de este
TEMPERATURAS Y PRESIONES -Adsorción
Temperaturas: 50 a 115°F (10 a 45°C) Presiones: 1500 psig (100 Barg)
-Regeneración
Temperaturas: 400 a 600°F (200 a 315 °C) Presiones: Presiones de adsorción o menores
Fuente: KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. © 2006 by Taylor and Francis Group.
3.4 ACERCA DE LOS DESECANTES Puede notarse que ningún desecante es perfecto o el mejor para todas las aplicaciones, en algunas aplicaciones la elección es determinada principalmente por el aspecto económico. Algunas veces las condiciones de control del proceso inciden en la selección del desecante, si una unidad está diseñada correctamente es muy raro que los desecantes puedan ser intercambiables, lo que a menudo es posible es reemplazar en una clase de adsorbentes el tamiz molecular de un proveedor por el de otro.
20
Las alúminas tienen el menos costo por unidad de capacidad de deshidratación. El gel de sílice es el siguiente. Los tamices moleculares son los más costosos lo que se justifica por sus características especiales. Todas las sustancias nombradas pueden ser adsorbidas dentro de alúmina y gel de sílice. No así para los tamices moleculares 4A y 5A. Por lo tanto los tamices moleculares tienen un grado de selectividad para las moléculas que pueden adsorber. Las de la tabla 3 son las temperaturas de entrada en las cuales el desecante normalmente no es económicamente viable. Los puntos de rocío mostrados son los valores mínimos normalmente alcanzados con un diseño y una unidad de operaciones adecuados. Pequeñas cantidades de compuestos de sulfuro puede ser tolerada por los otros 3 desecantes, sin embargo, las alúminas y la del de sílice generalmente no son efectivas en la eliminación o remoción de estos componentes. El sulfuro de hidrogeno y el dióxido de carbono pueden eliminarse por medio de los tamices moleculares. Las unidades comerciales están construidas para propósitos específicos. Los tamices moleculares recobran cualquier molécula de hidrocarburo pequeña y suficiente para entrar en la estructura cristalina la cual para una 4A podría ser solo metano y etano en la serie de parafinas.
3.5 SELECCIÓN DEL DESECANTE Una variedad de desecantes sólidos están disponibles en el mercado para aplicaciones específicas, algunos son buenos únicamente para deshidratar el gas, sin embargo otros son capaces de realizar ambas deshidratar y remover componentes hidrocarburos pesados. La selección del desecante apropiado para una aplicación dada es un problema complejo. Para los desecantes sólidos usados en deshidratación las siguientes propiedades son deseadas:
21
1. Alta capacidad de adsorción en equilibrio: esto reduce el volumen de adsorbente necesario, teniendo en cuenta el uso de torres más pequeños con los gastos de capital reducido y la entrada de calor reducida para la regeneración. 2. Alta selectividad: minimiza la eliminación indeseada de componentes valiosos y reduce los gastos generales de funcionamiento. 3. Fácil regeneración: la temperatura de regeneración relativamente baja reduce al mínimo las necesidades globales de energía y gastos de operación. 4. Baja caída de presión. 5. Buenas propiedades mecánicas (alta resistencia al aplastamiento, resistencia al desgaste, estabilidad contra el envejecimiento), estos factores disminuyen las necesidad totales de mantenimiento mediante reducción de la frecuencia de cambio del adsorbente y minimizar las pérdidas relacionadas con el tiempo de inactividad en la producción. 6. Económico, no corrosivo, no tóxico, químicamente químicamente inerte, alta densidad y sin ningún cambio significativo en el volumen de adsorción y desorción de agua. 7. El punto de rocío del agua requerido a la salida. 8. Recobro simultáneo de líquidos. En conclusión los desecantes usados comercialmente están dentro de una de las tres categorías: Geles, el gel de sílice y la alúmina son fabricados y 22
acondicionados para tener una afinidad por el agua, Alúmina, es una forma natural o fabricada del óxido de aluminio que es activada mediante calentamiento, Tamices moleculares, producidos naturalmente o fabricados de los aluminosilicatos presentan un grado de selectividad que se basa en la estructura cristalina en su adsorción de los constituyentes del gas natural. En la tabla 3 se presenta las propiedades de los principales desecantes.
Tabla 3: Propiedades de los desecantes
DESECANTE Referencia Diámetro de Poro (Angstroms) Densidad Aparente (lb/ft3) Poder Calorífico (Btu/bl °F) Máxima Temperatura de entrada Mínima Temperatura Rocío (°F) Temp. Regeneración (°F)
Alúmina Activada Alcoa (F-200)
Sílice Gel Davidson (03)
Tamiz Molecular Zeochem (1989)
15
10 a 90
3, 4, 5, 10
44 a 48
45
43 a 47
0.24
0.22
0.23
125
120
150
-90
-60
--150
350 a 500
300 a 500
425 a 550
Fuente: CAMPBELL, CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003
23
4. DIAGRAMA DEL PROCESO 4.1 UNIDAD DE DOS TORRES El gas húmedo entra por la parte de arriba de la torre debido a que el flujo ascendente, incluso a bajas velocidades, causa levantamiento y rebote del lecho. El tiempo depende de la capacidad del lecho y la cantidad de agua que debe eliminarse. Mientras que el lecho se usa para el seca, el segundo lecho está siendo regenerado. Otra corriente que por lo general es el 5-10% de la corriente total, se calienta calienta de (400-600 ºF). el gas entra por la la parte inferior del lecho a ser regenerado y a medida que el desecante es calentado el agua es eliminada. El gas caliente de regeneración es enfriado para condensar la mayor parte del agua y luego se lleva al proceso de separación y la corriente de gas es devuelta a la corriente de gas principal de gas húmedo. Al final del ciclo de calentamiento el lecho puede estar entre 400- 550ºF , este lecho debe ser enfriado antes de ser puesto en funcionamiento. En el sistema más simple se evita el calentador y se continúa pasando el gas de regeneración hasta que el gas de salida tenga una temperatura de 2530ºF por encima de la temperatura del gas de entrada. Y una vez que la torre se conecta para la deshidratación este se enfría a la temperatura temperatura del gas. El flujo de enfriamiento se hace en la misma dirección del flujo de calentamiento con un flujo ascendente .
Si para refrigeración se usa un gas húmedo se debe hacer en la misma dirección de la adsorción pero es más costoso debido a que se deben agregar un juego de válvulas adicionales.
24
Figura 9: Unidad de deshidratación de dos torres. Compresor
Gas reciclado de regeneración Separador Condensador
Agua Libre
GA S HUMEDO
Torres de Adsorción GAS S EC
Separador de Entrada
Cerrado
Calentador de gas de regeneración
Filtro de finos
Abierto
Fuente: Modificada KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. © 2006 by Taylor and Francis Group, LLC.
25
4.2 UNIDAD DE TRES TORRES Dos lechos están conectados en paralelo o serie para adsorción, mientras que el tercer lecho se regenera.
-EN PARALELO En paralelo los tiempos de ciclo son alternados, debido a q los lechos se quitan de la corriente para la regeneración y retornan a la adsorción uno a la vez, en este el frente de saturación del lecho 1 está más abajo que el del lecho 2, ya que ha estado más tiempo en adsorción y cuando se llega a la ruptura el lecho 1 pasa a regeneración y los lechos 2 y 3 pasan a adsorción para la regeneración se usa el gas seco.
4.2 UNIDAD DE TRES TORRES Dos lechos están conectados en paralelo o serie para adsorción, mientras que el tercer lecho se regenera.
-EN PARALELO En paralelo los tiempos de ciclo son alternados, debido a q los lechos se quitan de la corriente para la regeneración y retornan a la adsorción uno a la vez, en este el frente de saturación del lecho 1 está más abajo que el del lecho 2, ya que ha estado más tiempo en adsorción y cuando se llega a la ruptura el lecho 1 pasa a regeneración y los lechos 2 y 3 pasan a adsorción para la regeneración se usa el gas seco.
-ENSERIE En serie , el primer lecho se satura completamente mientras que el segundo está funcionando en adsorción, cuando el primer lecho se saca de la corriente de adsorción el segundo lecho pasa a ocupar la posición del primero y el lecho regenerado para a ocupar la posición del segundo. El funcionamiento en serie no es muy utilizado.
26
Figura 10: Unidad de deshidratación de 3 torres.
Enfriador
De l a etapa previa
Agua
1
Tamices Moleculares
Intercambiador de calor
Abierto
Cerrado
Filtro
Gas seco a separar
Fuente: Modificada KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. © 2006 by Taylor and Francis Group, LLC
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4.3 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 11.
La zona de equilibrio
La zona de transferencia de masa (MTZ)
La zona activa
En la zona de equilibrio el desecante, está saturado con agua. Se ha alcanzado el equilibrio de la capacidad de adsorción de agua basado en las condiciones de entrada del gas y no tiene más capacidad para adsorber el
4.3 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 11.
La zona de equilibrio
La zona de transferencia de masa (MTZ)
La zona activa
En la zona de equilibrio el desecante, está saturado con agua. Se ha alcanzado el equilibrio de la capacidad de adsorción de agua basado en las condiciones de entrada del gas y no tiene más capacidad para adsorber el agua. Virtualmente toda la transferencia de masa ocurre en la MTZ. Existe un gradiente de concentración a lo largo de la MTZ. La saturación de agua en el lecho es 0% en el borde de avance de la MTZ y 100% en el borde superior de la MTZ, el que tiene contacto con la zona de equilibrio. La longitud de la MTZ generalmente se verá afectada por los siguientes factores: la velocidad del gas, los contaminantes, el contenido de agua y la saturación relativa del gas de entrada. Un aumento en la velocidad del gas aumenta la longitud de la MTZ al igual que los contaminantes los cuales proporcionar resistencia adicional por lo cual retardan el proceso La tercera zona es la zona activa. En la zona activa el desecante tiene toda la capacidad para adsorber el agua y solo contiene agua residual que quedo del ciclo de regeneración. Cuando el borde de avance de la MTZ alcanza el final del lecho, ocurre la ruptura. Si se permite que el proceso de la adsorción continúe, el contenido de agua del gas de salida aumentará hasta que la concentración del agua en la salida sea igual al de la entrada.
28
Figura 11: Zona activa inicialmente y zonas en el ciclo de adsorción
Fuente Modificada: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003
4.4 CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS Existen una serie de características generales que se pueden tener cuando se realiza un proceso de deshidratación por adsorción, a continuación se 29
muestran las más relevantes en el diseño e implementación de este proceso, tabla 4.
Tabla 4: Características operativas de una planta de adsorción.
Tiempo de vida del desecante
T> 50ºC para utilizar capacidad de secado, gas por encima del punto de hidratos, sin limitaciones en P 3 a 5 años limitado por hidrocarburos, polvo y rompimiento
Deshidratación obtenida
-75 a -125ºC (-103ºF a -193ºF)
Duración del ciclo
Varía dependiendo la carga de agua y la tasa de gas entre 8 y 24 horas
Flujo de Gas
Descendente para adsorción ascendente para regeneración
Rango operativo
Regeneración
Depende del tipo de desecante Límite de temperatura (400-600ºF) Porcentaje de la corriente de gas seco (1015%) Tiempo de ciclo (60% del tiempo de regeneración es para calentamiento)
Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.
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5. DISEÑO DE ADSORCIÓN-REGENERACIÓN 5.1 DISEÑO DEL ADSORBENTE El primer paso es determinar el diámetro del lecho, el cual depende de la velocidad superficial. Un diámetro muy grande requerirá una alta tasa de gas de regeneración para prevenir la canalización. Un diámetro muy pequeño causará una alta caída de presión.
Donde las constantes B y C se sacan de datos de tabla, según el tipo de partícula. Regla de la mano derecha del gas y una temperatura.
⁄
= 0,33 psi/ft; asumiendo una composición
Una caída de presión de diseño mayor a 8 psi no es recomendada cuando el desecante es frágil y puede ser aplastado por el peso total del lecho y las fuerzas de la caída de presión.
-CÁLCULO DEL DIAMETRO MÍNIMO
() ̇ ()
Necesito hallar q y Vmáx, para poder hallar Dmín.
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()
⁄
El valor de en esta ecuación depende del tipo de tamiz el tamaño y la forma, pero un valor típico para diseño es 0,33 psi/ft.
-CÁLCULO DE LA MASA DEL DESECANTE El próximo paso es escoger un periodo de adsorción y calcular la masa del desecante requerido. Los periodos de adsorción comunes son de 8 a 12 horas. Largos períodos de adsorción significan menos regeneración y una vida del tamiz más larga, pero grandes lechos y capital de inversión adicional.
Tabla 5: Carga de masa de agua por masa de desecante. Tipo de desecante
Carga masa de agua/ masa desecante
Alúmina
4-7%
Gel de Sílice
7-9%
Tamiz molecular
9-12%
Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003. Para determinar la masa del desecante requerido en la zona de saturación, se calcula la cantidad de agua a ser eliminada durante el ciclo y se divide por la capacidad efectiva.
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Donde:
Wr = La cantidad de agua a remover Css = Corrección por saturación de agua CT = Corrección por temperatura
-CÁLCULO DE LA ATURA TOTAL DEL LECHO La altura total del lecho es la suma de la zona de saturación y de la altura de la zona de transferencia de masa. Esta debe ser no menor que el diámetro interno de la torre. LT = LMTZ + LS Donde:
LT : Longitud total del lecho LMTZ : Longitud de la zona MTZ LS: Longitud de la zona de saturación. Ahora para verificar los parámetros de diseño:
14-17 ° C [ 25-30 F].
⁄
La altura real de la torre será la altura del lecho más la altura de los soportes del lecho y el espacio suficiente para asegurar una buena distribución flujo
33
en la parte superior del lecho. Esta altura adicional es generalmente 1 a 1,5 m [3,3-5] pies. Una torre de absorción típica se muestra en la figura 12.
Figura 12: Diseño de torre de adsorción típica.
Fuente. CAMPBELL, Jhon. Adsorbente con distribuidor de gas y bolas de cerámica. Antes de proceder con los cálculos de regeneración una comprobación rápida de la realidad es hecha. La relación longitud del lecho deseada sobre diámetro del lecho (hB /d) debe estar entre aproximadamente 2,5-6.Un valor inferior a 2,5 puede resultar en una menor capacidad útil del desecante debido a la relación relativamente alta de MTZ/hB. Un valor superior a 6 puede resultar en una excesiva ∆P. El total de ∆P a través de una torre de
adsorción no debe exceder de 55-70 kPa (8-10psi). Si el lecho es demasiado corto, el tiempo del ciclo o el número de lechos sebe ser aumentado. Si el lecho es demasiado largo es lo contrario.
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5.2 DISEÑO DEL REGENERADOR En el diseño del regenerador, el calentamiento debe cumplir con las siguientes características:
Calentar el desecante por lo menos a 204-288°C
Calentar y después vaporizar el agua adsorbida.
Calentar y luego vaporizar los hidrocarburos en el lecho.
Calentar la torre y e interior del acero.
Calentar las válvulas y la tubería en la línea entre el calentador de regeneración y las torres. Suministrar el calor perdido a través del aislamiento. El primer paso para calcular el calor total requerido para desorber el agua y calentar el desecante y la torre. Un 10% del calor perdido es asumido.
La temperatura, Trg, es la temperatura a la cual el lecho y la torre deben ser calentado basado en el aislante exterior de la torre. Esto es aproximadamente 50ºF por debajo de la temperatura del gas caliente de regeneración que entra a la torre. Para la determinación de la tasa del gas de regeneración, se calcula la carga total de regeneración. El tiempo de calentamiento es usualmente de 50% a 60% del tiempo total de regeneración el cual debe incluir el periodo de enfriamiento.
Calor requerido para desorber el agua
Calor requerido para calentar el material del lecho
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Donde:
Trg: Temperatura de regeneración (°F) Ti: temperatura inicial (°F)
Calor requerido para calentar el acero
Pérdidas de calor a la atmósfera
5.3 GRÁFICA DEL CICLO DE REGENERACIÓN Finalmente calculo el gas de regeneración: La temperatura TH es la del gas de regeneración dentro del lecho. El perfil de temperatura T1 -T4 es la temperatura de salida del gas de salida del lecho. En este caso, cuando la temperatura de salida del lecho (T4) es de unos 176 ° C [350 °F], el ciclo de calentamiento ha terminado y empieza el ciclo de enfriamiento. El perfil T4 - T5 muestra la temperatura de salida del lecho durante el ciclo de enfriamiento. El ciclo completo de regeneración se puede dividir en cuatro (4) intervalos de tiempo específicos, como se presenta en la figura 13. Intervalo A (QA) es prácticamente todo el calor sensible. Representa el tiempo necesario para calentar el lecho, el acero y agua adsorbida de T1 a T2. A la T2, el agua comienza a evaporizarse del desecante. El intervalo B (QB) es donde la mayor parte del agua es expulsada del lecho. Esto requiere calor suficiente para no sólo revaporizar el agua, sino también para romper las fuerzas de
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atracción que unen el agua a la superficie del adsorbente. Esto a menudo se denomina calor de humedecimiento. La suma del calor latente y el calor de humedecimiento es el calor de desorción. El intervalo C (Qc) representa el tiempo requerido para eliminar los contaminantes pesados y el agua residual. El perfil de temperatura para Qc es de T3 a T4. Cuando el lecho alcanza T4, el gas de enfriamiento se introduce en el lecho. Intervalo D (QD) representa el ciclo de enfriamiento. Todo esto es calor sensible y el perfil de temperatura es de T4 a T5. El ciclo de refrigeración es normalmente finalizado cuando T5 – T1 = 0.
Figura 13: Curva de regeneración para unidad de dos torres.
Fuente. CAMPBELL, Jhon. Curvas de temperatura para un sistema de dos torres adsorbedoras.
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5.4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Velocidad superficial del gas: Durante el ciclo de adsorción, la
disminución de la velocidad de flujo aumenta la capacidad del desecante para deshidratar el gas.
Longitud y espesor del lecho: En su forma más simple un adsorbedor es
una torre cilíndrica llenada con el desecante sólido.
Capacidad del desecante: Razonable únicamente dentro del un rango de
presión, temperatura y mecanismos de envejecimiento, composición.
Longitud de la MTZ: La longitud de la MTZ depende de la composición
del gas, la tasa de flujo el valor de saturación relativa del agua en el gas, y de la capacidad de carga del desecante.
Tiempo de ruptura: El tiempo de ruptura o de irrupción para el agua
formada.
6. PROBLEMAS OPERACIONALES Las unidades de deshidratación con tamiz molecular son confiables y por lo tanto requieren muy poca atención en la operación de las mismas. El principal problema que se puede presentar es la contaminación del lecho debido a un mal acondicionamiento de la corriente de entrada, pero en general pueden ser:
Contaminación del lecho
Altos puntos de rocío
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Tiempo de ruptura temprano
Daño en el soporte de fondo
Pobre distribución del gas
Perdida de calor y de eficiencia
- ACONDICIONAMIENTO DE LA CORRIENTE DE ENTRADA El problema operacional más frecuente es sin duda el acondicionamiento de la corriente de gas de entrada, el gas que va a entrar al lecho debe estar libre de hidrocarburos y otras sustancias utilizadas en tratamiento químicos anteriores (glicol, aminas, metanol), agua libre y sólidos. Algunos están diseñados para tolerar ciertas cantidades de estos componentes pero si persisten y están en gran cantidad reduce la capacidad del lecho y ocasiona daños mecánicos al material del desecante. Se debe instalar aguas arriba de cualquier sistema de deshidratación con lecho solido un separador apropiado para la composición de la corriente de entrada seguido por un separador por coalescencia y un filtro. Si el gas de alimentación se encuentra en un punto de rocío retrogrado (presión superior a la presión cricondenbárica) se recomienda calentar ligeramente la corriente de entrada unos 9ºF para evitar la condensación retrograda. Algunos de los contaminantes del lecho más comunes se menciona a continuación:
Hidrocarburos: Hidrocarburos pesados y fracciones de aceites lubricantes
que son adsorbidos en macro poros los cuales son más grandes que los sitios activos para el agua. Estos podrían desencadenar reacciones como de polimerización y craqueo, generando residuos y resulta en una pérdida del equilibrio dinámico y una ruptura prematura. En el caso de
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hidrocarburos livianos como GNL pueden ser adsorbidos en los macro poros no dejan residuos.
Glicoles: similar a lo que ocurre con los crudos pesados. Estos son
adsorbidos en los macroporos y se descomponen durante la regeneración. Esto pude dar lugar a la formación de coke en el tamiz o a la cementación de este formando “bloques”. Esto incentiva la canalización
del gas el cual a su vez causa la ruptura temprana del mismo.
Aminas: Como los hidrocarburos y los glicoles pueden contribuir al coking.
además se produciría amonio durante la regeneración. este podría dañar la estructura física del tamiz. Se recomienda colocar dos o tres “bandejas de lavado de agua” en la parte superior de la torre contactora en la cual la
corriente de alimentación contenga aminas para minimizar la entrada de aminas a el lecho.
Sal: usualmente ingresa al lecho del desecante disuelta en el agua de
entrada. Desafortunadamente no sale cuando el agua es vaporizada y removida del lecho durante la regeneración. Por lo tanto la sal solida se acumulan y bloquea los poros, los macroporos y une los beads formando “bloques”. una vez se presenta esta acumulación se reduce la capacidad
del adsorbente por debajo del nivel requerido para mantener los ciclos de tiempo, y se hace necesario reemplazar el adsorbente. Ocurre en gas en formaciones de domos salinos.
Oxigeno: si existe algo de oxígeno en el sistema o en la regeneración del
gas, éste reaccionará con el H2S, con algunos de los otros componentes de sulfuro que están en la superficie de los tamices y con depósitos de azufre elemental. En casos extremos, esto no solo bloqueara los poros sino también el espacio entre las partículas de los tamices, lo que
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resultara en la formación de un bloque que serán muy difícil a ser removidos. Las complicaciones resultantes del oxígeno en el sistema de hidrocarburos no están limitadas a la producción de sulfuro. La reacción con los hidrocarburos presentes, especialmente durante el calentamiento del ciclo de regeneración, puede generar coke muy pesado que se deposita en el lecho y lo contamina. Debido a que el oxígeno puede entrar al sistema por diferentes formas, es una buena idea determinar la cantidad de oxígeno en un análisis de rutina de la corriente de entrada. Si se detectan pequeñas cantidades y además la fuente de donde provienen y se soluciona el problema evitando la entrada del oxígeno a la corriente de alimentación, es posible prevenir daños severos en los tamices.
H 2S y componentes de azufre: Son adsorbidos en los tamices 4 A Y 5 A.
En efecto los tamices moleculares en algunas ocasiones son usados para remover ácido sulfúrico de la corriente de gas natural. Cuando H2S y CO2 están presentes en la corriente de alimentación del gas, se deben utilizar tamices especiales para minimizar la formación de COS. Otro tema en el cual es importante considerar la concentración de H 2S es durante la regeneración del lecho durante los últimos 5-15 minutos. En otras palabras, todo el H 2S adsorbido en el desecante durante el ciclo de adsorción es removido del lecho en intervalo corto de 5-15 minutos. Esto puede aumentar la concentración de H2S en el gas de regeneración a cientos o algunas veces miles de ppm. Dependiendo de la disposición del gas de regeneración esto puede requerir quema temporal o la posterior eliminación de H2S en el gas de regeneración. 41
Desafortunadamente, todos los componentes de azufre no están diseñados para una fácil eliminación de los tamices. Los mercaptanos más pesados y otras moléculas más grandes, con alto punto de ebullición, los compuestos de azufre, no proporcionan una eliminación eficiente durante un ciclo normal de regeneración de los tamices moleculares. En consecuencia, tienden a influir en la edad del lecho y producir una reducción de la capacidad de este.
Metanol: Este es frecuentemente utilizado como inhibidor de hidratos en
los sistemas de producción y recolección. La presión de vapor del metanol es mayor que la del agua, por lo que cantidades significativas de metanol pueden estar presentes en la fase vapor de la corriente de gas de entrada. Metanol es adsorbido en el tamiz 4 A, y reducir la capacidad del desecante para adsorber agua. Si el metanol está presente en la corriente de gas de alimentación, se debe incluir una capacidad adicional en el diseño. En algunas ha resultado el uso del tamiz 3 A para evitar la adsorción del metanol.
-ALTOS PUNTOS DE ROCÍO Se puede presentar que el gas de salida tenga un punto de rocío superior al punto de rocío esperado o seleccionado en el diseño del tamiz y esto puede ser causado por una regeneración incompleta del desecante o por una refrigeración incompleta del desecante, manifestados en disminución de la capacidad de adsorción, por una ruptura temprana que puede ser causada por un incremento en la longitud de la zona de transferencia de masa, o por un excesivo contenido de agua en la corriente de entrada del gas húmedo que puede ser causado por el incremento en la tasa de flujo, las altas temperaturas o presiones muy bajas.
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-TIEMPO DE RUPTURA PREMATURO La capacidad de los desecantes tiende a disminuir o a estabilizarse en un 55 a un 70% de la capacidad inicial debido al “envejecimiento”. Y puede ser
causado por un aumento no conocido del agua en la corriente de entrada, un aumento en la cantidad de hidrocarburos pesados en el gas de alimentación, la contaminación del desecante o por una regeneración incompleta.
-DAÑO EN EL SOPORTE DE FONDO Una caída de presión muy brusca o un aumento en la velocidad superficial del gas pueden causar el daño de los soportes y causar la aparición de fugas en el lecho. Como resultado se debe reemplazar el lecho entero, siendo muy importante contar con el diseño mecánico apropiado para el soporte, instalar la correcta cantidad y calidad de bolas cerámicas.
-POBRE DISTRIBUCIÓN DEL GAS DENTRO DE LA TORRE Cuando las bolas de cerámica, las mallas o los distribuidores de gas que se instalan en la torre presentan problemas causan una pobre distribución del gas dentro de la torre lo que puede ocasionar la canalización del gas dentro del lecho lo que puede llevar a una ruptura temprana en el lecho y además a la no utilización del lecho completo tanto en la adsorción como en la regeneración.
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7. DISEÑO DE TORRE DE ADSORCIÓN (APLICACIÓN) A continuación se presenta el planteamiento de un problema para el diseño preliminar de una torre de adsorción para una unidad de dos torres, con su respectiva solución o parámetros de diseño.
7.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
100 MMscfd de gas natural con peso molecular de 18 lb/lb-mol es procesado para recuperar etano. El gas está saturado con agua a 600 psia y 100°F y debe ser secado para obtener un punto de rocío de -150°F. Determinar el contenido de agua y la cantidad de agua que debe ser removida y hacer el diseño preliminar de un sistema de deshidratación de dos torres con tamiz molecular de 4A -1/8´´ Beads. El gas de regeneración es parte del gas residual de la planta, el cual está a 600 pisa y 100°F y tiene un peso molecular de 17 lb/lb-mol. El lecho debe ser calentado a 500°F para la regeneración.
7.2
SOLUCIÓN
Se recomienda seguir el siguiente procedimiento para el diseño preliminar de las torres de adsorción.
a) Calcular las propiedades del gas
Gravedad específica : Utilizando la definición
Teniendo en cuenta que el peso molecular del aire es 28,9586 lb/lbmol
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Factor de compresibilidad: Teniendo en cuenta la presión del gas de 600 psia y la Temperatura de 100 ºF se usa la Figura 23-5 de la GPSA para hallar el factor de compresibilidad, como se presenta en la figura 14 del presente trabajo.
Figura 14: Gráfica de factor de compresibilidad
Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.
Densidad del gas: Se usa la ecuación de los gases reales
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Teniendo en cuenta las propiedades del gas
Viscosidad del gas: teniendo en cuenta la Temperatura de entrada del gas de 100 ºF la gravedad especifica hallada de 0,62 y la presión de 600 psia se usa la Figura 23-23 de la GPSA, como se presenta en la figura 15 del presente trabajo.
Figura 15: Gráfica para determinar la viscosidad del gas
Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.
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b) Dimensionamiento de las torres
Cálculo del diámetro mínimo El diámetro mínimo se halla mediante la siguiente ecuación
En esta ecuación se desconoce el caudal y la velocidad máxima por lo cual hallamos estos valores de la siguiente forma Caudal
Para hallar el caudal primero necesitamos encontrar el flujo másico
Con el valor anterior y la densidad hallada anteriormente se halla el caudal.
Velocidad máxima
Se halla mediante la siguiente ecuación
Donde
Vmáx= Velocidad máxima B= constante dependiente del tipo de partícula C= constante dependiente del tipo de partícula ρ= Densidad del gas µ = Viscosidad del gas
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Para la anterior ecuación debemos tener en cuenta las propiedades del gas calculadas anteriormente y además el valor de ∆P/L=0,33psi/ft debido a que
es el valor máximo permisible y los valores de las constantes C y B se toman de la tabla 6.
Tabla 6: Constantes B y C según tipo de partícula Tipo de partícula 1/8 inch (3 mm) bead 1/8 inch (3 mm) pellets 1/16 inch (1,5 mm) bead 1/16 inch (1,5 mm) pellets
B 0,0560 0,0722
C 0,0000889 0,000124
0,152
0,000136
0,238
0,000210
Fuente: SAIED, Mokhatab, POE, William A. SPEIGHT, James G. Handbook of NATURAL GAS TRANSMISSION and PROCESSING. Elsevier 2006.
Ya conociendo los valores anteriores se puede calcular el diámetro mínimo del lecho:
48
Se debe seleccionar el diámetro estándar más cercano al diámetro mínimo hallado anteriormente por lo tanto el diámetro seleccionado es 7,5 ft. Debido a que el diámetro seleccionado es diferente que el mínimo se debe realizar un ajuste tanto a la velocidad como a la caída de presión.
c) Cálculo de la cantidad de desecante (lb) La cantidad del desecante se puede hallar mediante la siguiente ecuación
Donde:
Ss= cantidad del desecante (lb) Wr= libras de agua a remover por ciclo Css= Corrección por saturación de agua CT= Corrección por Temperatura
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Cantidad de agua a remover: Se halla mediante la siguiente ecuación
Donde
QG= caudal de gas de entrada Wi= cantidad de agua inicial Wo= cantidad de agua requerida a la salida Wr= Cantidad de agua a remover La cantidad de agua inicial se halla mediante la gráfica de Macketta y Wehe de la GPSA teniendo en cuenta las condiciones de entrada del gas de 100 ºF y 600 psia y se encuentra un valor de 88 lb de agua/MMscf. La cantidad de agua de salida se considera 0 debido a que la condición requerida de salida es un punto de rocío de -150ºF. Por lo tanto el agua a remover
Debido a que se definió un tiempo de adsorción de 12 horas el agua a remover por ciclo es
50
Figura 16: Gráfica de contenido de agua en el gas por Macketta and Wehe
Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.
Corrección por Saturación de agua:
Con la temperatura de entrada mediante la figura 20-84 de la GPSA se halla realizando una extrapolación la Css= 1, ver figura 17 del presente trabajo. 51
Corrección por Temperatura
Con la Temperatura de 100ºF se halla CT=0,93 mediante la figura 20-85 de la GPSA, ver figura 18 del presente trabajo.
Figura 17: Gráfica de corrección por saturación de agua.
. Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.
Figura 18: Gráfica de corrección por temperatura
Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004. 52
Con los valores hallados anteriormente se encuentra la cantidad de desecante por lecho:
A la cantidad de desecante hallada se le debe realizar una corrección como indica la siguiente ecuación
Teniendo en cuenta que
Donde
Sst= Cantidad de desecante corregida Ls= Longitud de la zona de saturación LMTZ= Longitud de la zona de transferencia de masa LT= Longitud total del lecho Ss= Cantidad de desecante Para realizar la corrección se debe hallar.
Longitud de la MTZ: se calcula mediante la siguiente ecuación
Donde
Z= constante dependiendo del tamiz. Para determinar la constante Z se presenta la tabla 7.
53
Tabla 7: Constante Z dependiendo el tamiz. Z
Tamiz
1,7
1/8 in
1/16 in 0,85 Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004. Por lo tanto
Longitud de la zona de saturación: se halla mediante la siguiente ecuación
Donde Ss= Cantidad de desecante D= Diámetro seleccionado ρdesec= Densidad del desecante Para determinar la densidad del desecante se presenta la tabla 8.
Tabla 8: Densidad del tamiz molecular según tipo de partícula Tamiz molecular Beads
Densidad
Pellets
40-44 lb/ft3
42-46 lb/ft3
Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.
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Por lo tanto:
Conociendo los valores anteriores se puede hallar la longitud total del lecho:
La cantidad de desecante corregida es:
d) Verificación de los parámetros de diseño Se debe verificar que la caída de presión este entre el valor normal de 5 psia y el valor máximo permitido de 8 psia mediante la siguiente ecuación:
Donde verificamos que si cumple con estas condiciones por lo cual los parámetros de diseño hallados están dentro de los rangos permitidos.
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e) Cálculo del calor de regeneración El calor de regeneración se calcula mediante la siguiente ecuación
Donde
QT= Calor total de regeneración del lecho (Btu) Qw= Calor para desorber el agua (Btu) Qsi=Calor para calentar el material del lecho (Btu) Qst= Calor para calentar el acero (Btu) Qlh=Perdidas de calor a la atmosfera (Btu)
Calor para desorber el agua: el calor necesario para calentar el agua a evaporar en el proceso de regeneración se calcula mediante la siguiente ecuación
Calor necesario para calentar el lecho:
Donde
Trg= Temperatura de regeneración ºF Ti= Temperatura inicial del lecho ºF
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Calor para calentar el acero:
Para hallar las libras de acero se sigue la siguiente ecuación
Donde
t= espesor de la lámina para la construcción de la torre D= diámetro seleccionado de la torre Ls= Longitud de la zona de saturación LMTZ= Longitud de la zona de transferencia de masa. Se debe encontrar el valor del espesor de la lámina mediante la siguiente ecuación:
Donde por regla de la mano derecha la presión de diseño es igual al 110% de la presión de operación
Por lo tanto las libras de acero serán
57
Con los valores obtenidos anteriormente se puede calcular el calor necesario para calentar el acero
Calor perdido a la atmósfera: se consideran que son el 10% del total de la suma de los calores calculados anteriormente
Por lo tanto el calor total necesario para la regeneración
El calor total es:
f) Cálculo del caudal de gas de regeneración El cálculo se realiza mediante la siguiente ecuación
Donde
mrg= la cantidad de gas de regeneración QT= El calor total de regeneración necesario Cp= Capacidad calorífica Thot= temperatura caliente Tb= Temperatura inicial th= tiempo de calentamiento 58
Teniendo en cuenta que por regla de la mano derecha el tiempo de calentamiento es el 60% del tiempo de regeneración:
Y que la Temperatura Caliente es 50º por encima de la Temperatura de operación Thot= 550 °F Para hallar la capacidad calorífica se deben encontrar las entalpias a la T caliente y a la inicial y se realiza mediante la Figura 24-11 de la GPSA teniendo en cuenta el peso molecular del gas de regeneración de 17 lb/lbmol, ver figura 19.
Figura 19: Gráfica para determinar las entalpias
Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.
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Por lo tanto la capacidad calorífica definida de la siguiente manera se halla
Con los datos anteriores se puede hallar el caudal de gas de regeneración
g) Verificación El gas de regeneración debe cumplir la siguiente condición
Donde
B y C= constantes dependiendo del tamiz µ= viscosidad del gas ρ= densidad del gas
V= Velocidad superficial
60
Se calculan de nuevo las propiedades para el gas de regeneración con un peso molecular de 17 lb/lbmol siguiendo el procedimiento del paso a) y se toman las constates C y B del paso b) Donde se obtiene los resultados presentados en la tabla 9.
Tabla 9: Parámetros de diseño del problema GAS DE REGENERACIÓN 17 lb/lbmol M 0,94 lb/ft3 ρ 331,9 ft3/min q V µ
6,91 ft/min
B C
0,056
0,023 cP 0,000089
Se reemplazan los valores y se obtiene
Por lo tanto si cumple.
61
