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DESHIDRATACION DESHIDRAT ACION POR ADSORCION ADSO RCION
DESHIDRATACIÓN DESHIDRATACIÓN POR LECHO SÓLIDO
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Los sistemas de deshidratación por lecho sólido trabajan basados en el principio de adsorción, que involucra una forma de adhesión entre la superficie del desecante sólido y el vapor de agua que está en el gas. El agua forma una película extremadamente fina que se adhiere a la superficie del desecante por las fuerzas de atracción, pero no hay interacciones interacciones químicas. La media secante es un sólido granulado con un área superficial efectiva extremadamente grande por unidad de peso, debido a una gran cantidad de poros microscópicos y aberturas capilares Cuando el gas contacta las partículas sólidas del desecante el agua es adsorbida hasta que que se alcan alcanza za un equil equilibr ibrio, io, que que está está gene general ralme ment nte e descr descrito ito en términ términos os de tres tres varia variable bles: s: temp tempera eratur tura a de conta contacto cto (ºF o ºC), ºC), cont conteni enido do de agua agua del del desec desecan ante, te, o capacidad estática (peso de H2O / peso de desecante seco), y contenido de agua del gas (presión parcial del agua - mmHg o punto de rocío al agua, en ºF o en ºC). En general los procesos procesos de adsorción son multicomponentes, multicomponentes, es decir, además del agua hay otros compuestos que son adsorbidos. Hay un orden de preferencia, que en una escal escala a de adsor adsorba babil bilida idad d de mayo mayorr a meno menorr son: son: agua agua,, metan metanol, ol, H2S, H2S, RSH, RSH, CO2, CO2, hexanos y C6+, luego pentanos, butanos, propanos, etano y por último el metano.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y RESPECTIVOS EQUIPAMIENTOS EQUIPAMIENTOS Si el secado del gas debe ser hecho en una operación continua es necesario tener lechos de desecante múltiples, múltiples, ya que estos operan en una forma cíclica. Hay tres ciclos que se ejecutan alternadamente en cada deshidratador: Ciclo de adsorción, o deshidratado. Ciclo de calor o regeneración del lecho. Ciclo de enfriamiento del mismo. Los componentes típicos de cualquier unidad de desecante sólido son: 1. Separador del gas de entrada 2. Dos o más contactores de adsorción llenos con un desecante sólido. 3. Un calentador de alta temperatura para proveer el gas caliente de regeneración para reactivar el desecante en las torres. 4. Un enfri enfriad ador or del del gas gas de regen regenera eració ción n para para conde condens nsar ar el agua agua del gas gas de regeneración. 5. Un sepa separa rado dorr del del gas gas de rege regene nera raci ción ón para para quit quitar ar el agua agua que que se ha condensado del gas de regeneración. Tubería rías, s, distri distribui buido dores res,, válvu válvula las s conmu conmuta tado doras ras y contr controle oles s para para dirigi dirigirr y 6. Tube controlar el flujo de los gases de acuerdo a los requerimientos del proceso. Antes de ingresar ingresar al primer ciclo de adsorción, adsorción, el gas natural natural pasa por un separador separador de donde quedan retenidos los líquidos libres, que pueden dañar o destruir el lecho de desec desecan ante, te, hume humeda dad d de acarr acarreo eo,, y partí partícul culas as sólida sólidas s que que pued pueden en tapon taponarl arlo. o. Este Este separador debe tener las alarmas y cierres correspondientes a niveles de líquido altos. Si la unid unidad ad de adso adsorc rció ión n está está agua aguas s abaj abajo o de una una unid unidad ad de amin amina, a, de glic glicol ol,, o compresores, compresores, se prefiere un separador filtro o un coalescedor. coalescedor. Todas Todas las gotitas mayores de 10 mm, y un 99% de las comprendidas entre 0.5 a 10 mm, deberían ser sacadas.
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Ciclo de adsorción
Consta de la a torre de adsorción, la cual es un recipiente cilíndrico con dos distribuidores de las corrientes de gas en ambos extremos, soportes para el lecho colocados en su parte inferior, una carga de adsorbente, conexiones para la remoción del mismo y un muestrador. El soporte del lecho debe soportar tanto el peso muerto del desecante, como la carga viva de la presión fluyente. El gas se introduce en la parte superior de la torre, en forma radial y a baja velocidad. Esta torre debe estar aislada externa o internamente, porque permite ahorros de hasta 30% en el calor requerido para la regeneración.
FIG.3.1.: “Deshidratación por absorción
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Descripción del proceso En el ciclo de adsorción el gas húmedo de entrada fluye hacia abajo a través de la torre. Los componentes a ser retirados son adsorbidos a tasas que dependen de su naturaleza química, el tamaño de las moléculas y el tamaño de poros del adsorbente. Las moléculas de agua se adsorben primero en las camadas superiores del lecho. Los gases hidrocarbonados secos se adsorben a través del lecho. A medida que las capas superiores del desecante se saturan con agua, el agua en la corriente de gas húmedo comienza a desplazar los hidrocarburos previamente adsorbidos en las camadas más bajas. Los Hidrocarburos líquidos también serán adsorbidos, y llenarán espacios porosos que, de otro modo, estarían disponibles para moléculas de agua.
Ciclo de regeneración 1.- Calentador de regeneración En cualquier tiempo dado, al menos una de las torres debe estar adsorbiendo mientras las otras torres están siendo calentadas o enfriadas para regenerar el desecante. Cuando a una torre se la conmuta al ciclo de regeneración, algo del gas húmedo, es decir, una pequeña parte de la corriente del gas de entrada (5 a 10 %) es desviada y se calienta a temperaturas entre 450º y 600º F, en el calentador de alta temperatura, que puede ser de cualquier tipo (fuego directo, aceite caliente, baño de sales, gases de la salida del compresor, etc.). El diseño debe ser cuidadoso porque los tubos deben soportar las presiones de línea además de altas temperaturas.
2.- Descripción del proceso En el siguiente esquema la corriente principal fluye a través de una válvula reductora de presión, la cual controla el flujo del gas de regeneración, induciendo una caída de presión en la corriente principal.
FIG.3.3.: Diagrama de descripción del proceso
El flujo principal, continúa hacia la torre seleccionada (en éste caso la N°1), donde se adsorberán los vapores de agua, para seguir su curso hacia el resto del proceso. El flujo de regeneración por su parte, es tomado aguas arriba de la válvula reductora, y por diferencia de presión con el sector aguas abajo, circula hacia ésa conexión pasando por un calentador primero, la otra torre (N°2) en contracorriente permitiendo la remoción de la humedad retenida anteriormente, para condensarla a su posterior paso por un enfriador, y finalmente separarla en un depurador desde donde será eliminada. El gas ya sin presencia de agua en estado líquido, se reciclará hasta la conexión mencionada, aguas debajo de la válvula reductora de presión.
3.- Ciclo de enfriamiento 11 3.1.- Enfriador de regeneración 10
Este enfriador de regeneración trabaja con aire, agua o gas natural, pero generalmente se usa aire para enfriar la corriente de regeneración, dentro de 15 a 20 º F con respecto a la temperatura del aire.
FIG.3.4.: Diagrama de descripción de regeneració
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13.1.1 Descripción del proceso El agua condensada en el enfriador se separa en el separador del gas de regeneración, que es un recipiente horizontal trifásico dimensionado para acomodar cualquier acumulación que surgiere. Una vez que se ha secado el lecho, es necesario enviar gas frío para volverlo a las temperaturas de operación normales (100-120 º F). La conmutación de las torres se hace por un controlador de tiempo que ejecuta las operaciones de conmutación a tiempos especificados en el ciclo.
14 4.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO
La longitud de las diferentes fases puede variar considerablemente. Ciclos de tiempos más largos requerirán lechos más grandes, pero aumentará la vida del lecho. Un ciclo típico de dos lechos puede tener un período de adsorción de 8 horas, seis horas para calentamiento y dos horas para enfriamiento. Puede usarse aislaciones internas y externas para los adsorbedores. El propósito principal de la aislación interna es reducir los requerimientos y el costo total del gas de regeneración. La aislación interna elimina la necesidad de calentar y enfriar las paredes de acero del recipiente de adsorción. 15
4.1.- Sentido del flujo Se recomienda flujo hacia abajo cuando se trata de deshidratación de gas, y flujo hacia arriba cuando se trata de deshidratación de hidrocarburos líquidos.
En el caso de los hidrocarburos líquidos, como éstos siempre llevan algo de componentes gaseosos, el flujo hacia arriba permite que las burbujas de gas pasen a través del lecho de deshidratación. 16
4.2.- Temperatura Las plantas de adsorción son muy sensibles a la temperatura del gas de entrada, ya que la eficiencia disminuye a medida que la temperatura aumenta. La temperatura del gas de regeneración que se mezcla con el gas húmedo de entrada por delante del deshidratador es también importante. Si la temperatura de esas dos corrientes de gases difiere en más que 15 a 20 º F, el agua líquida y los hidrocarburos condensarán a medida que el gas más caliente se enfría. Los líquidos condensados acortarán la vida del desecante sólido. La temperatura del gas caliente que entra y deja la torre desecante durante el ciclo de calentamiento afecta tanto a la eficiencia de la planta como a la vida del desecante. Normalmente se usa una temperatura entre 450 a 600 º F.
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4.3.- Presión Generalmente la capacidad de adsorción de una unidad de secado decrece a medida que la presión desciende. Si los deshidratadores se operan muy por debajo de la presión de diseño, el desecante tendrá que trabajar más para sacar el agua y mantener el punto de rocío deseado para el efluente.
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4.4.- Ciclos de tiempo La mayoría de los adsorbedores operan con un ciclo de tiempo de secado fijo, que frecuentemente se establece para las peores condiciones. Sin embargo la capacidad del absorbente no es un valor fijo, ya que va declinando con el uso. Para los primeros meses de operación, un desecante nuevo tiene una muy alta capacidad de remoción de agua. Si se usa un analizador de humedad en el gas efluente, puede lograrse un ciclo de secado inicial más prolongado. A medida que el desecante envejece, el ciclo se acortará automáticamente. Esto ahorrará gastos de combustible de regeneración y mejorará la vida del desecante.
4.4.- Velocidades del gas
La habilidad del desecante para deshidratar el gas aumenta cuando la velocidad del gas disminuye durante el ciclo de secado. Por lo tanto sería deseable operar a velocidades mínimas para usar plenamente al desecante. Sin embargo a bajas velocidades se requiere torres con grandes áreas transversales para manejar un dado flujo de gas, el cual, además puede canalizar a través del lecho desecante y no quedar deshidratado apropiadamente. Por consiguiente, al seleccionar la velocidad de diseño hay un compromiso entre el diámetro de la torre y el máximo uso del desecante. 19
4.5.- Relación diámetro a altura del lecho Un absorbedor es una torre cilíndrica llena con un desecante sólido, cuya profundidad puede variar desde unos pocos pies hasta unos 30 pies o más. El diámetro del recipiente puede variar desde unas pocas pulga das hasta 10 o 15 pies. Una relación de altura/ diámetro (L/D) conveniente sería de más de 2.5. Las relaciones por debajo de ese valor de 2.5 no son aconsejables porque no permiten una buena deshidratación, ya que se producen canalizaciones porque no hay flujo uniforme y el tiempo de contacto no siempre es el adecuado.
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4.6.- Caída de presión Las torres están dimensionadas para una caída de presión de diseño de unas 5 psi a través del desecante.
20.1 DESECANTES SOLIDOS
El desecante es un sólido, un secador granular o un medio de deshidratación; con una enorme área de superficie efectiva por unidad de peso, con un número alto de poros microscópicos y capilares abiertos. Un típico sólido desecante puede tener como máximo 4 millones de pies cuadrados de área superficial por libra.
Los adsorbentes más comúnmente usados para secar fluidos de petróleo son: sílica gel, bolitas de sílica gel, alúmina activada, bauxita activada y tamices moleculares. El término “gel” indica que la fabricación involucra la formación de un precipitado gelatinoso que luego es coagulado, lavado y secado a forma sólida, partículas duras. Las capacidades de adsorción son variables, pudiendo inicialmente retener 20 libras de agua por cada 100 libras de desecante. Sin embargo, ésta capacidad decrece rápidamente al 10% y de allí lentamente hasta que llega el momento de su reemplazo, (Anexo VII). La duración de los desecantes dependerá de la aplicación a que se los someta. Bajo condiciones ideales puede durar hasta 10 años, bajo condiciones muy rigurosas puede requerir de su reemplazo en el término de menos de un año. Se debe considerar, que además de dañarse con los hidrocarburos pesados, las capas desecantes pueden ser contaminadas con SH2 en presencia de oxígeno y NH3 en presencia de CO2
Tipos de desecantes 20.1.1.1 Geles de sílice
20.1.1
Es esencialmente SiO2.nH2O. Por ejemplo el tipo Davison es 99.71 % en peso de SiO2 con trazas de Al2O3. CaO, Na2O, ZrO2, TiO2 y Fe2O3. La sílica gel es un material duro, áspero, con buenas características de resistencia a la atrición (desgaste por fricción), y está disponible comercialmente en forma de polvo, gránulos o esferas de varios tamaños.
20.1.1.2
Bolitas de sílica gel
Como la Sorbead de Mobil, que consiste de 97 % de sílice (SiO2) y un 3% de alúmina (Al2O3). La capacidad de adsorción es la misma que la de la sílica gel común, sólo que la densidad bruta y la capacidad por unidad de volumen es mayor.
20.1.1.3
Alúmina activada
Es una alúmina parcialmente hidratada, porosa, amorfa, compuesta de 94% de Al2O3, 5.5% H2O, 0.3 % Na2O y 0.2 % de Fe2O3 (por ejemplo para Alcoa grado F-200).
20.1.1.4
Tamices moleculares
Son zeolitas cristalinas o alúmino-silicatos metálicos que tienen una estructura uniforme tridimensional interconectada, de tetrahedros de sílice y de aluminio. Estos cristales de zeolita sintética se fabrican para que contengan cavidades de interconexión de tamaño uniforme, separados por poros o aberturas estrechas igualmente uniformes (Anexo VIII). Los tetraedros de sílica y alúmina forman una jaula de sodalita. Se obtienen diferentes estructuras de los cristales variando el catión metálico (Na, K o Ca) y la relación alúmina a sílice.
FIG.3.6.: Torre de adsorción con tamices moleculares
20.1.2
Propiedades de agentes desecantes:
FIG.3.9.: Colocación Mallas Moleculares
20.1.3
Proceso con Mallas Moleculares
Las mallas moleculares son prefabricadas a partir de aluminosilicatos de metales alcalinos mediante la remoción de agua de tal forma que queda un sólido poroso con un rango de tamaño de poros reducido y además con puntos en su superficie con concentración de cargas; esto hace que tenga afinidad por moléculas polares como las de H2S y H2O; además debido a que sus tamaños de poro son bastante uniformes son selectivas en cuanto a las moléculas que remueve. Dentro de los poros la estructura cristalina crea un gran número de cargas polares localizadas llamadas sitios activos. Las moléculas polares, tales como las de H2S y agua, que entran a los poros forman enlaces iónicos débiles en los sitios activos, en cambio las moléculas no polares como las parafinas no se ligarán a estos sitios activos; por lo tanto las mallas moleculares podrán endulzar y deshidratar simultáneamente el gas (Anexo IX).
Los procesos con mallas moleculares se realizan a presiones moderadas, es común presiones de unas 450 Lpca. Las mallas se regeneran circulando gas dulce caliente a temperaturas entre 300 y 400 °F. No sufren degradación química y se pueden regenerar indefinidamente; sin embargo se debe tener cuidado de no dañarlas mecánicamente pues esto afecta la estructura de los poros y finalmente la eficiencia del lecho. La principal causa de daño mecánico son los cambios bruscos de presión o temperatura cuando se pasa la contactora de operación a regeneración o viceversa. Se usan generalmente para mejorar el endulzamiento o deshidratación realizado con otros procesos o para deshidratación de gases dulces cuando se exigen niveles muy bajos de agua, por ejemplo gas para procesos criogénicos.
FIG.3.10.: Descripción Membranas Moleculares
20.1.3.1
Ventajas de la deshidratación con mallas moleculares
Son económicamente favorables para endulzar gases con bajo contenido de H2S. Pueden ser muy selectivas y dejar casi el 100% de CO2. Cuando hay presencia de agua pueden endulzar y deshidratar simultáneamente.
20.1.3.2
Desventajas de la deshidratación con mallas moleculares
El gas que sale de la regeneración en algunos casos no se puede mezclar con los gases de combustión del proceso de incineración.
Se puede formar COS en la malla molecular por reacción entre el CO2 y el H2S y por lo tanto en el proceso de regeneración se va a obtener un gas de salida que no estaba presente en el gas agrio.
20.1.4
Deshidratación de gas con zeolitas
Las zeolitas (una familia de minerales), son aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa con diámetros de poro mínimos ósea de 3 a 10 angstroms. Las zeolitas son tectosilicatos y constituyen el mayor grupo de esta categoría; constan de un andamiaje de tetraedros SiO4, que es el esqueleto de la estructura cristalina. En los huecos abiertos de la estructura se introducen las moléculas de agua sin participar en la cohesión de la red, por lo que estas forman espuma al calentarse y es en esta forma es decir calentándose que se realiza la eliminación del agua del interior de las zeolitas, es decir se regeneran térmicamente. Resulta que también constituyen una estructura que forma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con gran libertad de movimiento, que permiten el intercambio iónico y la deshidratación reversible. Una de las propiedades más importantes de las zeolitas que las hace de uso obligado en los procesos de deshidratación de gases, es su gran estabilidad térmica y el aumento de su capacidad de adsorción con la temperatura [Pedro Bosch 1988]. En el Anexo IX se muestra el grafico de la capacidad de adsorción de las zeolitas contra la temperatura, en donde puede observarse claramente la propiedad antes mencionada. Para tener una idea de los procesos de deshidratación de gases con zeolitas se muestra un diagrama conceptual en la figura 3.13. GAS DE PROCESO
GAS SECO
La utilización de las zeolitas a nivel industrial fue posible hasta el momento en que se logro su síntesis a gran escala y de manera económica. Su uso estuvo supeditado a varios factores diferentes al económico. Los relacionados con la actividad catalítica, a la FIG.3.13.: Proceso básico de Deshidratación FUENTE: GPSA selectividad en la obtención de un producto determinado y a la estabilidad química.
20.1.5
Parámetros de selección del desecante
La elección del desecante se basa en lo económico y en las condiciones del proceso. Muchas veces son intercambiables, y el equipo diseñado para un producto puede ser efectivamente operado con otro (Anexo X). Todos los desecantes tienen una disminución en su capacidad de diseño al aumentar la temperatura. Los tamices moleculares tienden a no ser tan afectados como las alúminas. Estos dos productos actúan como catalizadores con el H2S para formar COS. Cuando se regenera el lecho, el azufre queda y tapona los espacios. Los hidrocarburos líquidos también presentan problemas de taponamiento a todos los desecantes, siendo los tamices moleculares los más resistentes a esta contaminación. Los geles de sílice se astillan en presencia de agua libre, y son químicamente atacados por muchos inhibidores de corrosión. El ataque químico destruye permanentemente los geles de sílice. Los otros desecantes no son tan sensibles al agua libre y al ataque producido por los inhibidores. Los geles de alúmina, las alúminas activadas y los tamices moleculares son todos atacados químicamente por ácidos minerales fuertes, y su capacidad de desorción declina rápidamente. La elección del desecante debe ser hecha cuidadosamente sobre la base de las siguientes consideraciones: 1. Punto de rocío al agua requerido a la salida. Requerimientos de recuperación de hidrocarburos Costos de capital y de operación •
•
•
2. 3.
20.2 VARIABLES DE OPERACIÓN 20.2.1
Colocación del desecante
Debe colocarse cuidadosa y uniformemente, usando una manga de tela o plástico que se extienda desde la tobera de carga en el tope hasta los soportes del lecho en el fondo. El desecante normalmente se asienta un 5 a un 7 % durante las primeras semanas de operación. Por eso a veces se llena la torre con desecante adicional, y luego se instala la malla y las bolas de soporte de la parte superior. 20.2.2
Arranque
Es esencial que haya un buen secado para arrancar, lo cual es difícil tomando en cuenta que las pruebas son hidrostáticas. Se recomienda el uso de metanol para purgar y drenar todos los recipientes, tuberías ciegas, puntos bajos, corazas de intercambiadores de calor, etc. 20.2.3
Conmutación
Si se va a usar gas de regeneración de baja presión, nunca hay que re presurizar más rápido que 50 pies/min, o despresurizar más rápido que 50 pies /min. 20.2.4
Datos operativos
Los registros diarios son esenciales para tener una operación con el mínimo de problemas. Al menos debería registrarse los siguientes datos: 1. Caudal del gas de entrada, presión y temperatura, al menos una vez al día 2. Análisis completo del gas de alimentación, al menos una vez al mes. 3. Humedad del gas de salida continuamente si es que la unidad alimenta a una planta criogénica. 4. Los perfiles de temperatura del gas que entra y que sale de la torre de regeneración, tanto para el enfriamiento como para el calentamiento. 5. Las torres deben estar equipadas con derivaciones de presión para que la caída de presión a través del lecho de desecante pueda monitorearse del modo deseado.
20.3 DETECCIÓN DE PROBLEMAS EN LA ADSORCION La mayoría de las unidades de desecantes sólidos son confiables y requieren poca atención en la operación. Sin embargo, cuando el diseño es demasiado pobre, la operación y el mantenimiento pueden ocasionar gastos innecesarios como cambios frecuentes del desecante, excesivas paradas de planta y reemplazo de partes del equipo. A continuación se describen algunos puntos a tener en cuenta con el fin de evitar problemas operativos: 20.3.1
Contaminación del lecho
La causa más común es la remoción incompleta de los contaminantes en el gas de entrada. Otra causa puede ser que haya entrado aceite lubricante de los compresores usados para elevar la presión del gas de regeneración. Además, si el gas de regeneración que deja el separador está mezclado con el gas de alimentación que va a la torre deshidratadora, un mal funcionamiento del separador puede vaciar hidrocarburos líquidos y agua dentro del desecante. 20.3.2
Punto de rocío alto
Es uno de los problemas que causan dificultades en la operación. Las posibles causas son: 1. Fracturas de la aislación interna, estas fracturas en el revestidor o en la aislación pueden detectarse por puntos calientes de las pinturas sobre la parte exterior de la carcasa. 2. Incompleta regeneración del desecante. 3. Cambios en las condiciones del gas a ser procesado, como ser contenido de agua excesivo en el gas de alimentación húmedo, debido a un caudal aumentado (MMscfD), a mayores temperaturas o a menores presiones.
20.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LA DESHIDRATACION CON DESECANTES SÓLIDOS Desventajas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Costos de capital más elevados y caídas de presión más altas a través del sistema. Puede producirse envenenamiento del desecante por hidrocarburos pesados, H2S, CO2, etc. u otras impurezas contenidas en el gas. Puede producirse ruptura mecánica de las partículas del desecante Altos requerimientos de espacio y peso Altos requerimientos de calor de regeneración y altos costos de utilidades La desventaja es que es un proceso en batch El costo inicial para una unidad de deshidratación con sólidos desecantes excede a las unidades de deshidratación con glicol.
Ventajas: 1. 2. 3. 4. 5. 21
El secado de estos lechos tiene la ventaja de producir descensos muy pequeños de puntos de rocío. Son menos afectado por pequeños cambios en la presión del gas, temperatura o caudal. Son menos susceptible a la corrosión o al espumamiento. Requeridos para Plantas Criogénicas. Es adaptable a enormes cambios en el flujo de gas.
