GUÍAS DE DISEÑO Y OPERACIÓN PARA INHIBICIÓN DE HIDRATOS Y DESHIDRATACIÓN CON GLICOL 1.
Como criterio de diseño el flujo real de inhibidor debe ser aproximadamente el doble del flujo calculado en forma teórica.
2.
Cuando se utiliza el glicol para prevenir formación de hidratos, la regeneración se hace hasta 60-80 % peso.
3.
Cuando se utiliza glicol en el proceso de deshidratación, la regeneración se hace a la mayor pureza posible 99 .5 % peso o más.
4.
Si en una instalación existen los procesos de inhibición de hidratos y
deshidratación
con
glicol,
se
requieren
dos
sistemas
independientes para su regeneración. 5.
Como en la operación real no se da la condición de equilibrio sino una condición dinámica, para diseño se usan aproximaciones como por ejemplo, si el objetivo es una depresión hasta O °F, se trabaja con -10 / -20 °F o sea una aproximación de 10/20 °F. Si los cálculos dan que se requiere una pureza de glicol de 99 %, se trabaja con 99.5 %.
ABSORBEDORA 6.
El enfriamiento del glicol pobre que se recicla a la cima de la absorbedora se debe hacer alrededor de 5 – 10 °F por encima de la temperatura de entrada del gas húmedo en el fondo, a fin de evitar
condensación de hidrocarburos del gas que causen formación de espuma. 7.
Diseños económicos utilizan ratas de circulación de 2 – 5 gal TEG/lb H2O absorbida.
8.
El número de platos teóricos típicos entre 1 – 3, los platos reales entre 4 y 12. La conversión de etapas de equilibrio a platos reales puede hacerse asumiendo una eficiencia global de plato entre 25 % para platos de burbujeo y 33 % para platos de válvulas. Para empaque, la relación de altura equivalente de empaque a plato teórico (HETP) varía con la rata de circulación de TEG, el flujo y la densidad del gas; pero un valor de 36 – 60 pulgadas es normalmente adecuado.
9.
La temperatura de entrada del gas húmedo debe estar entre 60 – 120 °F. Cuando la temperatura de la absorbedora está por debajo de 60 °F, el incremento en la viscosidad del TEG puede reducir la eficiencia en la transferencia de masa.
10. El espaciamiento típico entre platos en la absorbedora es 24 pulgadas. Sin embargo, la altura total de la torre estará de acuerdo con el número de platos o la altura de empaque requerida, más de 6 – 10 adicionales para permitir el retiro de vapor al líquido por encima del plato de cima, distribución del gas de entrada por debajo del plato de fondo y espacio para colectar glicol rico en el fondo. 11. Tradicionalmente se han usado platos de burbujeo en absorbedores de glicol, porque permiten bajas ratas de líquido vs. Flujo de gas; sin
embargo, el empaque estructurado está siendo muy aceptado, porque permite reducción significativas en diámetro, y alguna reducción en altura. 12. El diámetro de la absorbedora se fija con la velocidad del gas v o G, en forma similar a como se hace para separadores. Valores recomendados para los factores K y C se dan en la Tabla 1.
K
v=
L g g
, ft/s
ó
G=
C g ( L g )
; lb/(h-ft2)
Para platos, D
59,4 * Q * z * T Pv
, in
Ec. 3-9
Para empaque estructurado,
D
C platoburbuja C empaque estructurado
* ( D platoburbuja )
Ec. 3-10
13. Los vendedores de empaque estructurado utilizan una variable F, para dimensionar absorbedoras de glicol, definida como:
Fs = v
v
Ec. 3-11
Valores de Fs = 2,5 – 3,0 generalmente suministran un buen estimativo del diámetro de la absorbedora con empaque estructurado. TABLA 3-1 Factores k – c para velocidad de vapor
K factores
C factor
ft/s
ft/h
20”
0,14
504
24”
0,16
576
0,17
612
0,3 a 0,4 *
1080 a 1440 *
1 inch Pall rings
0,13 – 0,18
468 - 648
2 inch Pall rings
0,19 -0,26
Plato de burbujeo, espaciamiento
30” Empaque Estructurado Al azar
684 - 936
* Depende de la densidad del empaque y el vendedor.
TAMBOR FLASH 14. Para desgasificación se requiere un tiempo de retención mínima de 3 – 5 minutos. Si se va a remover hidrocarburo líquido, se requiere un tiempo de retención de 20 – 30 minutos. 15. Presión de operación = 60 psig. 16. Temperatura de operación = 140 – 160 °F si a continuación se en encuentra el intercambiador glicol rico – glicol pobre. INTERCAMBIADOR GLICOL RICO – GLICOL POBRE 17. Temperatura de alimento a la despojadora de agua ≈ 300 °F. 18. Temperatura del glicol pobre frío ≈ 150 °F.
19. Aproximación “approach” lado caliente ≈ 40 °F.
DESPOJADORA DE AGUA 20. Presión ≈ atmosférica. 21. Temperatura de fondos:
TEG < 400 °F (preferible 380 °F) TEG > 340 °F (preferible 320 °F)
22. Temperatura de cima para minimizar pérdidas de glicol = 210 °F. 23. Reflujo para minimizar pérdidas
≈
30 % del efluente de la
absorbedora. 24. Cantidad de calor “Duty” en condensador para minimizar pérdidas ≈ 25% del calor de vaporización del agua absorbida. 25. Número de platos teóricos 3 – 4 (Rehervidor, 1 – 2 platos teóricos y condensador). 26. La cantidad de calor “Duty” del rehervidor está en el orden de 1 500 Btu/gal de glicol recirculado.
ENFRIADOR DE GLICOL POBRE
27. Temperatura del glicol pobre a la absorbedora = Temperatura de entrada del gas húmedo + 5 a 10 °F. A continuación con el Ejemplo 12, se explican los cálculos paso a paso para el dimensionamiento de una torre absorbedora de trietilen glicol con platos de burbujeo y con empaque estructurado. Fig 3-1 Contenido De Agua – Método De Mcketta
EJEMPLO 3-12
Un flujo de gas natural húmedo de 51,4 MMscfd con gravedad específica γ = 0,6564 y z = 0,8629 entra a una contactora con TEG a 950 psia y 100 °F. La especificación de humedad para el gas de salida es 7 lb de H2O/MMscf. El número de platos reales de la contactora es 8. Calcular el diámetro y la altura para platos de burbujeo y empaque estructurado. Usar una temperatura de aproximación de 10 °F para el punto de rocío. Para la torre despojadora de agua o regeneradora, calcular la cantidad de calor “duty” del rehervidor, si la carga a la despojadora entra a 280 °F y la temperatura del rehervidor es 370 °F. SOLUCIÓN.1. Determinar el contenido de agua en el gas de entrada a P y T: En la Figura 3-1, (@ 100 °F, 950 psia),
Win
= 64 lb
H2O/MMscf. 2. Determinar el contenido de agua a ser removida: Δ H2O = Win - Wout = 64 - 7 = 57 lb H2O/MMsdf 3. Determinar el punto de rocío por agua del gas deshidratado: En la Figura 3-1, (@ 7 lb H2O/MMscf, 950 psia), Punto de rocío = 31 °F
4. Descontar la temperatura de aproximación al punto de rocío por agua: T punto de rocío con aproximación = 31 - 10 = 21 °F 5. Determinar la concentración de TEG para la temperatura de equilibrio del punto de rocío con aproximación: En la Figura 3-21 (@Pto. Rocio del equi. = 21 °F y T contactora = 100 °F), Concentración de TEG = 98,5 % peso. 6. Determinar (Win - Wout) / Win : (Win - Wout)/ Win = (64 – 7)/64 = 0,89 7. Determinar el número de platos teóricos: Para platos de burbujeo se toma una eficiencia de 25 % N = NR * 0,25 = 8 * 0,25 = 2 8. Determinar rata de circulación de TEG en gal de TEG/lb H2O: En Figura 3-22 (@ (Win - Wout) / Win = 0,89 Concentracíon de TEG = 98,5 % peso). Rata de circulación de TEG = 2,54 TEG/lb H2O 9. Determinar la rata mínima de circulación de TEG:
GPM
(Q) MMscf / d * (H 2 O)lb / MMscf * (TEG) gal / lbH 2 O 24h / d * 60 min/ h
GPM
(51,4) MMscf / d * (57)lb / MMscf * (2,54) gal / lbH 2 O 5,17 gpm 24h / d * 60 min/ h
10.Determinar la densidad de TEG: En Figura 3-23 (@ T contactora = 100 °F y Concentración de TEG = 98,5 % peso). Densidad Relativa de TEG = 1,109 ρTEG = 1,109 * 62,4 lb/ft3 11.Determinar la densidad del gas: ρgas = (2,7*P*γgas) / (z*T) ρgas = (2,7*950*0,6564) / (0,8629*560) = 3,48 lb/ft3 12.Determinar la velocidad permisible del gas: De la Tabla 3-1. (@ Espaciamiento de platos de burbujeo 24”), K = 0,16 ft/s
K
Velocidad permisible del gas, v =
L g g
0,16
=
69,2 3,48 3,48
v = 0,659 ft/s 13. Determinar el diámetro de la contactora y altura de platos y empaque: Para platos de burbujeo,
D
D
59,4 * Q * z * T Pv
59,4 * 51,4 * 0,8629 * 560 47,27 in 950 * 0,659
D ≈ 48 in = 4.0 ft. Altura para platos = NR * espaciamiento = 8 * 24 in/ (12 in/ft) = 16 ft. Para empaque estructurado, De la Tabla 3-1. (@ Espaciamiento platos de burbujeo 24”), C = 576 ft/h De la Tabla 3-1. (@ Empaque estructurado), C = 1200 ft/h Con la Ec. 3-10,
D
D
C platoburbuja C empaque estructurado
* ( D platoburbuja )
576 * ( 4.0) 2,77 ft 1200
D ≈ 3.0 ft.
Altura de empaque = N * 60 in/plato teórico = 2 * 60 = 120 in = 10 ft. 14.Determinar la cantidad de calor “Duty” del rehervidor, a) Calor sensible para elevarla temperatura del glicol desde la T de entrada hasta la T del rehervidor: Se toma como base 1 gal de TEG De la Figura 20-32 (@ 60 °F y Concentración de TEG = 98,5 % peso), m = 9,38 lb/gal. Se determina Cp a T promedio = (370 + 280) / 2 = 325 °F De la Figura 20-38 del GPSA, extrapolando sus ejes (@ 325 °F y Concentración de TEG = 98,5 % peso), Cp = 0,655 Btu/lb °F. Qs = m * Cp * ΔT = 9,38 * 0,655 * (370 – 280) Qs = 553 Btu/gal de TEG b) Calor de vaporización del agua absorbida:
De la Figura 23-2 del GPSA, se lee el calor de vaporización del agua a presión atmosférica, ΔHv = 970 Btu/lb de H2O. 970 Btu Qv lbH 2 O
lbH 2 O 382 Btu / gal TEG 2,54 galTEG
c) Calor de reflujo o “Duty” del condensador: Qr = 0,25 * Qv = 0,25 * 382 = 95,5 Btu/gal TEG d) Cantidad de calor “Duty” del rehervidor incluyendo 10 % de pérdidas. Qrb = (Qs + Qv + Qr) * 1,1 = (553 + 382 + 95,5) * 1,1 Qrb = 1133,6 Btu/gal TEG
El nivel de deshidratación del gas depende de la composición del glicol pobre alcanzada en la regeneradora. Como la temperatura en el rehervidor no puede ser superior a 400 °F para evitar la degradación del TEG, su pureza está limitada a 98,4 - 98,8 % en peso. Si se requiere una pureza mayor para secar el gas, debe hacerse mejoras al proceso de regeneración tales como gas de despojo, adición de un hidrocarburo líquido volátil (DRIZO) o el proceso COLDFINGER. Estos procesos mejorados se describen en las páginas del GPSA, desde la página 24 hasta la página 34.
Para dietilen glicol (DEG) la temperatura del rehervidor está limitada a 320 °F, lo cual a su vez limita la pureza a 96 – 97 % peso.
Fig. 3-21 (Fuente: GPSA)
FIGURA 3-22
FIGURA 3-23
FIGURA 3-24
LISTA DE PASOS SENCILLOS PARA EL DISEÑO DE UNA ABSORBEDORA DE TEG.-
1. Hallar la cantidad de agua presente en el gas (puede usarse el Método de Mcketa). 2. Determinar la cantidad d agua removida Δ H2O = Win - Wout 3. Hallar el Punto de Rocío del Gas (Tr ) , usar gráfica del Método de Mcketa. 4. Definir el Punto de Rocío por aproximación. Tra = Tr - Ap 5. Hallar la pureza del TEG mediante la Figura 20-54 del GPSA. 6. Determinar el número de platos teóricos de la absorbedora. N = NR * EF Para platos de burbuja
EF = 0,25
Para platos tipo válvula EF = 0,33
7. Hallar la relación:
Win Wout Win
8. Hallar la Tasa de TEG con la Figura 20-57 del GPSA. 9. Calcular el caudal de TEG:
QTEG
Qgas ( MMscfd ) * H 2 O(lbH 2 O / MMscf * Tasa ( gal / lbH 2 O) 60 * 24
10.Calcular la densidad del TEG De la Figura 20-32 , hallar:
γTEG
ρTEG = γTEG * 62,4 [lb/ft3]
11.Calcular la densidad del gas: ρgas = (2,7*P*γgas) / (z*T)
12.Hallar la velocidad K
v=
L g g
[ft/s] , hallar K de Tabla 1.
13.Calcular el diámetro de la torre:
D
14.
59,4 * Q * z * T Pv
Hallar la altura de la torre:
gal / min
H = espaciamiento (20-60) * NR
15.
Para empaque estructurado: D
C platoburbuja C empaque estructurado
* ( D platoburbuja )
Altura de empaque = N * 60 in/plato teórico EJEMPLO 3-13 Para el gas y las condiciones del anterior, con viscosidades de 0,014 cP, calcular el diámetro, la altura, la caída de presión y la cantidad en lbs de desecante sólido para una absorbedora con tamiz molecular de 1/8” cilindro comprimido (extrudate). SOLUCIÓN: Calcular el flujo real de gas q (@ 950 psia y 560 °R) en ft3/min. q = (19,44 * MMscfd * Z * T) / P , ft3/min q = (19,44 * 51,4 * 0,08629 * 560) / 950
= 508,3 ft3/min
Calcular la velocidad superficial V en ft/min, De la Figura 3-29 (@ 950 psia y 1/8” extrudante) 22 ft/min
V
=
Calcular el diámetro del lecho D en ft De la Ec. 3-13, D
D
4q , V
ft
4 * 508,3 5,42 ft usar * 22
5,50 ft
Calcular la cantidad de agua en el gas, De la Fig. 3-1 (@ 950 psia y 100 °F) W = 64 lb H2O/MMscf Calcular el factor de corrección de saturación para tamiz Css. De la Fig.3-30 (@ 100 °F)
Css = 1,0
Calcular el factor de corrección por temperatura CT, De la Fig. 3-31 (@ 100 °F)
CT = 0,93
Calcular la cantidad de tamiz molecular requerida en zona de saturación Ss, se asume que se remueve toda el agua presente en el gas y un ciclo de 12 hrs (0,5 días): De la Ec. 3-14,
Ss
Wr , lb (0,13) * (C ss ) * (C r )
Wr = W * Q * t
Ss
(64)lb / MMscf (51,4) MMscfd * (0,5)d (0,13) * (1,0) * (0,93)
Ss = 13605 lb de tamiz molecular en zona de saturación Determinar la densidad del tamiz molecular, ρms De Figura 20-67 del GPSA (@ 1/8” y Linde 4A Extrude Cylinder) ρms = 42 lb/ft3 Calcular la longitud del lecho empacado en la zona de saturación LS, De la Ec. 3-15, Ls
Ls
4 * Ss , * D 2 * ( ms )
lb
4 *13605 13,63 ft * 5,5 2 * (42)
Calcular la longitud del lecho empacado en la zona de transferencia LMTZ, De la Ec. 3-16, LMTZ = (V/35)0,3 * (Z) Donde,
Z = 1,70 para tamiz molecular de 1/8” Z = 0,85 para tamiz molecular de 1/16”
LMTZ = (22/35)0,3 * (1,70) = 1,48 ft. Calcular la longitud total del lecho empacado, LT LT = Ls + L MTZ LT = 13,63 + 1,48 = 15,11 ft. Usar LT = 15,5 ft (se redondea a fracción 0,0 ó 0,5) y dejar 6 ft por encima y 6 ft por debajo del lecho. Calcular la caída de presión a través del lecho, γ(gas) = PM(gas) / PM(aire) 0,6564 PM(aire) = 28,9625 lb/lb mol PM(gas) = 0,6564 * 28,9625 = 19,01 lb/lb mol R = 10, 73 psia ft3/ °R lb mol Densidad del gas, ( gas)
P( PM ) (950)(19,01) 3,48 lb / ft 3 RTZ (10,73)(560)(0,8629)
De la Ec. 3-12 y la Tabla 3-2,
P BV CV 2 , psi / ft L
P 0,0722(0,014)( 22) 0,000124(3,48)( 22) 2 L
P 0,2311 psi / ft L
ΔP = 0,2311 psi/ft * 15.5 ft = 3.58 psi Valor de Diseño es 5 psi, por lo que el cálculo esta en norma.
Calcular volumen total de tamiz,
V ms
D 2 (5,5) 2 ( LT ) (15,5) 4 4
Vms = 368 ft3
Calcular masa total de tamiz, Mms = Vms * ρms = 368 * 42 = 15,456 lb.
Fig. 3-29
Fuente: “GPSA (Gas Processors Suppliers Association)”
FIGURA 3-30
Fuente: “GPSA (Gas Processors Suppliers Association)”
FIGURA 3-31
Fuente: “GPSA (Gas Processors Suppliers Association)”
