INTRODUCCIÓN La deshidratación del gas natural juega una parte importante en la producción de gas natural. Una deshidratación efectiva previene la formación de hidratos de gas y la acumulación de agua en los sistemas de transmisión. El contaminante al que hay que prestarle suma importancia es el ag ua, siempre presente en el gas proveniente del yacimiento, ya que produce corrosión y formación de hidratos. Los hidratos son inclusiones sólidas que se forman cuando los hidrocarburos del gas natural están en contacto con el agua líquida bajo ciertas condiciones de presión y temperatura. El acondicionamiento del gas natural consta de dos procesos fundamentales: la deshidratación y el endulzamiento. El primero consiste en la eliminación del excedente de agua presente en la corriente gaseosa por medio de una técnica denominada deshidratación que será el tema central del presente trabajo de investigación.
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Deshidratación del gas natural por absorción
-CONCEPTOS BÁSICOS:
Absorción es un término que se vincula a absorber. Este verbo puede hacer referencia a distintas cuestiones: al amortiguamiento ejercido por un cuerpo ante una radiación que lo traspasa; a la atracción desarrollada por un sólido sobre un líquido con la intención de que las moléculas de éste logren penetrar en su sustancia; a la capacidad de un tejido o de una célula para recibir una materia que procede de su exterior.
Para la física , la absorción es una disminución en la intensidad de la radiación que atraviesa un cuerpo.
En la digestión, al procedimiento de absorción de nutrientes que se lleva a cabo al ingerir alimentos; en el mismo actúan a ctúan varios tipos de enzimas que separan aquellos elementos que pueden servir para ser transformados en energía y colaborar con el normal funcionamiento del organismo. Este proceso es posible gracias a diferentes órganos interconectados (aparato digestivo) donde cada uno cumple una función para darle al cuerpo los complementos nutritivos para vivir.
En química, la absorción es un proceso que separa los componentes de un gas a partir de la inclusión de un solvente en estado líquido, con el que crea una solución.
Deshidratación En química, una reacción de deshidratación es aquella que implica la pérdida de agua.
DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL La deshidratación de crudos es el proceso mediante el cual se separa el agua asociada con el crudo, ya sea en forma emulsionada o libre, hasta lograr reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado. Generalmente, este este porcentaje es igual o inferior al 1 % de agua.
Deshidratación de Gases con Glicoles (TEG): La deshidratación de gas es el proceso de remoción de vapor de agua en una corriente gaseosa para reducir la temperatura a la cual el agua condensará en la línea. Esta temperatura se denomina punto de rocío del gas.
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PROPIEDADES DE LOS GLICOLES
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS GLICOLES TRIETILENGLICOL (TEG) VENTAJAS
El TEG es una opción de deshidratar muy económica, con respectos a las otras.
Alta estabilidad térmica, permite una mejor r egeneración, teórica de descomposición es de 400 ºF (206,67 ºC).
El costo de instalación representa la mitad con respecto a un sistema de lecho sólido.
La caída de presión en la torre es de 10 psi, contra 30 psi en una de lecho sólido.
La cantidad de calor necesaria para la regeneración es significativamente menor.
El TEG, es más resistente a la contaminación con hidrocarburos y agua deformación que los desecantes sólidos.
Bajo costo de instalación y operación Mayor eficiencia en la regeneración, permite alcanzar valores de más del 99 % desconcentración baja perdida por evaporación.
Alta Estabilidad Térmica, Mejor Regeneración.
DESVENTAJAS
Dificultad de obtener puntos de rocío de agua más negativo que - 25 ºf (). Esto no es suficiente para procesos criogénicos, siendo necesario en estos casos utilizar desecantes sólidos.
La condición más esperada es tener una disminución del punto de rocío del orden de los 28 ºC.
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También se observa que en algunos casos, que el punto de rocío es más negativo de lo esperado esto se debe generalmente a que el ga s procesado no está saturado con agua como normalmente ocurre.
El TEG Se contamina u oxida en contacto con el aire, tornándose corrosivo.
El TEG, se caracteriza por la afinidad con los aromáticos como benceno, tolueno, etilbenceno y xileno, contenidos en el gas. Estos son absorbidos por el TEG, en la torre contactora y liberados con el vapor de agua, al producirse la regeneración del TEG, se debe hacer una evaluación y evitar esta situación operativa, debido a las reglamentaciones ambientales.
PROBLEMAS OPERACIONALES:
Espuma
Degradación del glicol
Temperatura del glicol a absorción
Taponamiento con sales de la columna regeneradora
Perdida del glicol por picaduras en HX o serpentín del regenerodor
Perdida del glicol por sellos
Aromáticos
ESPUMA GENERADA POR:
Absorción de aromáticos o compuestos de azufre
Arrastre de los líquidos
Productos de corrosión
CONSIDERACIONES
Distancia entre platos
Inyección de antiespumante ojo con sobre dosif icación y productos adecuados
DEGRADACION GENERADA POR:
exposición glicol al oxigeno
alta temperatura regeneración >400 °F
hidrólisis de sales
compuestos de azufre absorbidos en glicol
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CONSIDERACIONES
filtración 100%
inertizacion de trietanolamina
TEMPERATURA AL ABSORBEDOR TEMPERATURA ALTA.- perdida de glicol TEMPERATURA BAJA.- Absorción de pesados CONSIDERAR:
Diferencia de temperatura glicol gas igual 15 °F
Alejar el gas del punto de rocío
Adicionar área de intercambio de calor
TAPONAMIENTO DE SALES GENERADO POR:
Arrastre de fluidos de producción con sales
EFECTOS:
Taponamiento de platos y empaques depósitos en tubos del rehervidor ph
CONSIDERAR:
mejorar la separación de aguas arriba
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DISEÑO DE PLANTAS DE GLICOL Una Planta Deshidratadora es una instalación compuesta fundamentalmente por equipos destinados a separar el agua que el gas o el petróleo puede contener en el momento de su extracción. Estos equipos están complementados con los de bombeo, calentamiento y accesorios necesarios.
TECNICA PARA UNA DESHIDRATACION CON GLICOL Además, la deshidratación a punto de rocío por debajo de la temperatura operativa del gas, previene formación de hidratos y corrosión por agua condensada. La capacidad de una corriente gaseosa para mantener vapor de agua es reducida si se comprime o enfría luego el agua puede también ser removida de la corriente gaseosa comprimiendo o enfriando la misma. El proceso con glicol se basa en el contacto del gas con un líquido higroscópico tal como un glicol. Es un proceso de absorción donde el vapor de agua presente en el gas se disuelve en la corriente de glicol líquido puro. La performance de una unidad deshidratadora es medida por su habilidad para reducir el punto de rocío del gas. En un proceso típico el gas húmedo pasa a través de un (scrubber) removedor de líquidos libres. Luego, el gas ingresa al contactor e “intercambia” el agua con el glicol que circula en contracorriente. El agua es absorbida por el glicol y el gas deja el co ntactor a través de un removedor de niebla (demister) para reducir el transporte de glicol en el gas de salida a la línea de venta. El glicol rico (en agua) es bombeado a través de un filtro y luego a un intercambiador glicol – glicol que eleva la temperatura del glicol rico antes que ingrese al regenerador. El glicol es separado del agua y los contaminantes de bajo punto de ebullición en la columna del regenerador (reboiler) reteniéndose estos últimos. El reboiler usualmente es del tipo tubos de fuego y funciona produciendo la temperatura requerida para alcanzar la eficiencia de remoción de agua buscada. Un acumulador almacena el glicol reconcentrado que luego pasa al intercambiador glicol – glicol que reduce la temperatura a un nivel que no dañe las bombas. Usualmente, antes de las bombas se intercala un filtro para remover contaminantes que cause excesivo desgaste de la bomba.
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DESHIDRATACION POR ABSORCION (GLICOLES)
CRITERIOS DE DISEÑO
TEMPERATURA DEL GAS DE ENTRADA o
A presion constante el contenido de agua en el gas se incrementa a medida que la temperatura sube, por lo tanto, a mayores temperaturas la solucion de glicol debera remover mas agua para alcanzar la especificacion (7 lb/MMscf)
o
Un incremento en la temperatura del gas puede resultar un incremento del diametro de contactor (moyor caudal------moyor velocidad------mayor diametro)
o
Es bastante comun colocar un enfriador de gas para bajar su temperatura por debajo de 50ªC, antes de entrar en el contactor ya que mientra mas frio entre el gas (siempre por encima de la temperatura de formacion de hidratos) mas pequeño sera el contactor (diametro).
o
Existe un compromiso entre el sistema de enfriamiento del gas y el tamaño del contactor (intercambiadores mas grandes-----torres mas pequeñas)
o
Tipicamente las unidades de TEG se diseñan para operar con un gas de entrada a una temperatura entre 27-43ºC.
PRESION DEL CONTACTOR o
A temperatura constante, el contenido de agua del gas disminuye a medida que la presion aumenta, por lo tanto, menos agua habra que remover si el gas es deshidratado a mayores presiones.
o
Adicionalmente a altas presiones se requiere de torres mas bajos (menor caudal-----menor velocidad-----menor diametro)
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o
Presiones mas bajas permiten espesores de pared mas bajos, por lo que existe un compromiso economico entre la presion de operación y el costo del equipo.
o
Tipicamente, una presion entre 500-1200 psia conducen a los diseños mas economicos.
NUMERO DE ESTAPAS DEL CONTACTOR o
Generalmente se encuentra entre 6-12, pero tipicamente se diseña para tener entre 6-8.
o
Se emplean platos perforados o de campana de burbujeo espaciados 24 in.
o
La eficiencia global se encuentra alrededor de 25%.
TEMPERATURA DEL GLICOL RECIRCULADO o
Afecta notablemente el conteniado de agua en el gas.
o
Se debe mantener baja para minimizar la velocidad de circulacion.
o
Si el glicol entra muy caliente, se puede producir muchas perdidas con el gas que sale del contactor.
o
Si el glicol entra a una temperatura por debajo de la del contactor , se podrian condensar algunos hidrocarburos que estraian en la capacidad de for,ar espuma con el.
o
Tipicamente, se diseña para que la temperatura del glicol sea 10ºF (6ºC) por encima de la temperatura de salida del contactor.
CONCENTRACION DEL GLICOL RECIRCULADO o
El "dew point” real que del gas que sale del contactor estara entre 5-10 ºC
popr encima de la condicion de equilibrio. o
Depende de la temperaturra del rehervidor, la velocidad el gas de arrastre y la preion del rehervidor.
o
La concentracion de glicol mas comun en diseño esta entre 98-99%.
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COLUMNAS COLUMNAS DE PLATOS Generalmente la operación de absorción de gases, igual que en otras operaciones básicas, como pueden ser la desorción y la rectificación, se realizan en columnas que son iguales que en el caso de una torre o columna de absorción con relleno. Son cuerpos cilíndricos dispuestos en posición vertical. En su interior se pueden encontrar unos dispositivos (bandejas, platos, ...) El objetivo principal de estos platos es proporcionar una gran superficie de contacto entre las dos fases: la fase gaseosa y la fase líquida. El diseño de las columnas de platos se basa en los principios de los cálculos para la determinación del número de platos teóricos, para conseguir una concentración determinada a partir de la técnica de absorción de gases. La utilización de las columnas de platos se realiza básicamente en operaciones a gran escala. Las características de aplicación son: - Tienen un contacto discontinuo con el gas. - Gran diámetro del gas. - Se utilizan cuando hay sólidos en suspensión. - Se aplica en los casos que puedan haber cambios bruscos de temperatura. - Se utilizan cuando de debe trabajar con presiones elevadas.
Tipos de platos - Platos perforados: Son placas con perforaciones que pueden ser de diferentes tamaños. Su construcción es la más sencilla de todas.
Esquema de un plato perforado.
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Ejemplo real de un plato perforado.
- Platos de “campana de barboteo”:
Son los más utilizados a lo largo de la historia, i por lo tanto hay de muchas formas y tamaños. Las campanas están colocadas encima de unos conductos de subida.
Esquema de un plato de barboteo
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Ejemplo real de un plato de campanas de barboteo.
- Platos de válvula: Es un modelo que se encuentra en el medio de los dos tipos de platos anteriores. Su construcción consiste en un agujero donde encima hay una válvula, la cual se eleva con el paso del corriente líquido. Es muy similar al de campana de barboteo.
Esquema i tipos de platos de válvulas. Aún que el más utilizado es el plato perforado, debido a du facilidad de construcción, si se requiere una mayor flexibilidad, de deben utilizar los otros tipos de platos. Los platos de barboteo se suelen utilizar para controlar el tiempo de residencia óptimo para conseguir determinadas reacciones químicas.
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EFICACIA DE LOS PLATOS Y DE LOS PLATOS REALES NECESARIOS Para poder determinar la eficacia se debe tener en cuenta las siguientes funciones: - Diseño de los platos. - Propiedades del fluido. - Modelo de flujo. Si los platos están bien diseñados y la velocidad del flujo esta aproximada al límite de la capacidad entonces la eficacia depende principalmente de las propiedades físicas de los fluidos. Se suelen seguir los siguientes métodos para estimar la eficacia de una determinada columna: - Por comparación de datos con otras columnas que se encuentren en operaciones en plantas industriales que contengan los mismos sistemas o que sean similares. - Utilizando modelos empíricos obtenidos a partir de los datos obtenidos. - Utilizando modelos semiteóricos basados en la transferencia de materia y de calor. Por lo tanto la eficacia se puede definir como la aproximación fraccionaria etapa en el equilibrio que se obtiene con un plato real. Se puede calcular la eficacia a partir de la eficacia global de una columna mediante la ecuación siguiente:
Dónde: Nt: es el número de platos teóricos. Na: es el número de platos reales.
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Otro método para calcular la eficacia es mediante la eficacia de todo el plato según Murphree, la cual se realiza con la siguiente ecuación:
Dónde: EMV: es la eficacia de Murphree para el vapor en la etapa n. yn *: es la composición del vapor en el equilibrio con el líquido que sale de la etapa n. También existe la opción de calcular la eficacia de Murphree gráficamente. Para ello gráficamente es suficiente hacer estos cálculos en tres o cuatro puntos y entonces se traza un línea, entra la línea de operación y la de equilibrio, en la gráfica, a una distancia vertical fraccionaria desde la línea de operación que sea igual a la efi ciencia de Murhpree del gas predominante. El valor de la eficacia del vapor, EMV, por el plato inferior es la relación entre las líneas AB / AC. La nueva línea formada será la que se utilizará para calcular el número de platos reales, en vez de utilizar la línea de operación, como en el caso de los platos teóricos.
Ejemplo del cálculo gráfico para encontrar la eficacia de una columna de platos.
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En el caso de que la eficacia de Murphree es constante en todos los platos y en condiciones en el que la línea de operación y las curvas en el equilibrio sean rectas, esta eficacia se puede calcular analíticamente mediante la ecuación:
Dónde: A: el factor de absorción
COLUMNAS DE RELLENO En las columnas de relleno la transferencia de materia se hace de forma continuada. Estas columnas también son llamadas columnas empaquetadas. La torre de relleno más común es la que consiste en una carcasa cilíndrica que contiene el material inerte en su interior. Este material inerte es el que recibe el nombre de relleno. El objetivo principal del relleno es proporcionar una superficie de contacto más amplia entre el vapor y el líquido extractor, de esta manera aumenta su turbulencia y por tanto, mejora su eficacia. Hay rellenos de muchas formas y dimensiones diferentes. Se pueden situar de forma ordenada, si el volumen del relleno es grande (5-20cm) o desordenada si el volumen del relleno es pequeño (5-50mm). Lo que suelen utilizar son los anillos Rasching mayores de 5-8cm de diámetro y se sitúan de forma ordenada. A medida que aumenta el tamaño del relleno, la eficacia de la transferencia de materia, va disminuyendo y por tanto aumentan las pérdidas de carga. En conclusión, para poder determinar cuál es el tamaño óptimo del relleno se deben tener en cuenta dos factores: La selección del material del relleno. La ordenación del material inerte, relleno.
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Esquema de una columna de absorción de gases y rellenos. Las características de los rellenos son: -Deben ser químicamente inertes. - Deben tener una cierta resistencia mecánica elevada. - Deben permitir el paso adecuado de las dos corrientes. - Deben permitir un buen contacto entre las dos fases. - Deben ser de costes bajos, es decir, económicos. La mayoría de los rellenos son hecho de material barato, inerte y ligero. Ejemplo: arcilla, grafito, porcelana... tan se pueden utilizar las formas irregulares como las regulares. Los rellenos que están ordenados dentro de la columna y, por lo tanto, tienen unas dimensiones relativamente grandes, presentan canales interrumpidos a través de la cama y originan caídas de presión menores que las colocadas al azar, donde el gas se ve obligado frecuentemente a cambiar de velocidad y de dirección.
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Rellenos de una columna Las características de aplicación: - Tienen un contacto continuo con el gas. - Diámetro del gas. - Se utilizan cuando hay compuestos corrosivos en la mezcla de gases. I también cuando hay líquidos espumosos. - Se aplica en los casos que hayan cambios bruscos de temperatura. . - Se utilizan cuando se trabaja con presiones bajas.
BOMBA DE CIRCULACIÓN DE GLICOL Provee de circulación de TEG pobre a las contactoras e impulsa la presión del TEG aproximadamente a 1300 psia. Las bombas de glicol son las únicas partes movibles de toda la unidad, retorna el glicol pobre de baja presión al contactor de alta presión, se usan de tres tipos: operación a alta presión (texsteam), operadas con líquido a alta presión (Kimray) y las impulsadas por motor eléctrico. Para unidades más grandes de deshidratación se usan bombas de desplazamiento positivo, de cilindros múltiples. Montadas horizontalmente e impulsada por un motor eléctrico.
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BOMBAS DE ALIMENTACIÓN DE TEG Estas bombas son del tipo reciprocantes (desplazamiento positivo) de simple Efecto. Su estructura se puede decir que está compuesta por tres partes Esenciales:
Motor Eléctrico.
Cuerpo de la Bomba.
Cuerpo de válvulas.
El motor eléctrico, es quien le entrega a la bomba la energía necesaria para funcionar, es trifásico y gira a 1800 rpm; este equipo se encuentra acoplado al cigüeñal, ubicado en el cuerpo de la bomba, donde se produce una reducción de la velocidad de giro hasta 300 rpm; este movimiento es transmitido hasta los pistones por medio de las bielas. Los pistones se encuentran alojados dentro de unos émbolos y solidarios a ellos se encuentran un conjunto de barras (1 por pistón), por medio de las cuales se transmite el movimiento hasta las barras del cuerpo de válvulas, y es aquí donde se produce la succión y descarga del glicol. Esto se logra por medio de tres válvulas de succión, de apertura por presión diferencial, que permiten la entrada del fluido hacia el émbolo donde es bombeado por la acción intermitente del pistón.
TANQUE DE FLASHEO O SEPARADOR DE GAS -CONDENSADO – GLICOL El Tanque Flash conocido también como Tanque de Venteo o Tanque de Vaporización instantánea, es considerado muchas veces una pieza opci onal de un Sistema de Deshidratación, es usado para remover hidrocarburos gaseosos que han sido absorbidos por el glicol rico al entrar en contacto íntimo en la contactora gas-glicol y antes que este llegue a la columna despojadora de glicol. Los gases disueltos son flasheados y separados de la solución de TEG en el Tanque Flash como resultado de la caída de presión y elevación de Temperatura del TEG rico. El gas recuperado puede ser usado como combustible para el rehervidor y/o Stripping gas (gas despojador). El Tanque Flash normalmente trabaja bien en un rango de temperatura de 110ºF a 130ºF. y el proceso, ocurre a una presión constante de 80 psig. Durante la separación, el gas se ubica en la parte superior de recipiente por ser menos denso, mientras que los condensados y el glicol se separan por medio de unos rebosaderos que posee el equipo. Estas dos últimas fases siguen caminos diferentes, los condensados son vaciados hacia el drenaje cerrado y dirigidos a la fosa de quema y el glicol rico continúa en el proceso para su regeneración.
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CONCLUSIÓN
El gas natural que se obtiene principalmente en baterías de separación está constituido por metano con proporciones variables de otros hidrocarburos (etano, propano, butanos, pentanos y gasolina natural) y de contaminantes diversos. Representa aproximadamente el 47 % de los combustibles utilizados en el país y el 72 % de nuestra petroquímica se deriva del metano y etano contenido en el gas, de ahí la importancia de este recurso como energético y como petroquímico. Algunos pozos de gas natural suministran gas con un grado de pureza muy alta que es prácticamente metano puro. De cualquier forma, la mayoría de los hidrocarburos son mezclas complejas de cientos de diferentes compuestos. Un típico fluido de un pozo es una mezcla constantemente expansiva de gases e hidrocarburos íntimamente mezclada con agua, sólidos y otros contaminantes, con gran velocidad y turbulencia. La razón más común de deshidratación es prevenir la formación de hidratos en los gasoductos. Los hidratos de gas natural son compuestos sólidos cristalinos formados por la combinación de gas natural y agua bajo presión a temperaturas considerablemente por encima del punto de congelación del agua. En la presencia de agua libre, los hidratos se formaran cuando la temperatura este por debajo del punto llamado temperatura del hidrato, la necesidad de prevenir la formación de los hidratos es obvia, es la manera más sencilla de eliminar los hidratos es para remover substancialmente el agua de flujo del gas natural. El método más eficiente para remover el agua presente en el flujo de gas natural es por adsorción con un desecante sólido como un filtro molecular o alúmina activada.
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