Planta Glicol

DESHIDRATACION DEL GAS NATURAL CON GLICOL 1. INTRODUCCION En 1930 EG. Hammerschmidth asoció las dificultades experimentadas en la trasmisión de gas natural por las tuberías, con la formación de hidratos generados del agua y los compuestos de peso molecular bajo en el gas. La información técnica presentada indicaba que el hidrato no se formaría en ausencia de agua libre. Por lo que se comenzó el proceso de deshidratación del gas hasta un punto de rocío de tal manera que estuviera por debajo de la temperatura más baja en la tubería de transmisión.

2. HIDRATOS El gas natural está asociado normalmente con el agua en forma de vapor, a la temperatura y presión a las cuales es transportado transp ortado en la tubería. Los hidratos son cristales formados por la combinación de agua con hidrocarburos livianos (butanos, propano, etano y metano) y/o gases ácidos (CO2 y H2S) a las siguientes condiciones: •

Principales: Baja temperatura. Alta presión. Gas con agua libre o cerca del punto de rocío.   

•

Secundarias: Alta velocidad. Cualquier agitación. Pulsaciones de presión. Introducción de cristales de hidratos. Presencia de termopozos o escamas en la tubería.     

3. TÉCNICAS PARA DESHIDRATAR GAS NATURAL La deshidratación del gas natural puede hacerse con los siguientes procesos: • •

Absorción: Usando un líquido hidroscópico como los glicoles. Adsorción: Utilizando un sólido que adsorbe el agua específicamente, como el tamiz molecular, gel de sílice y aluminatos. • Expansión: Reduciendo la presión de vapor del gas con válvulas de expansión y luego separando la fase líquida que se forma. • Inyección: Bombeando un líquido reductor del punto de rocío como el metanol.

Hernando Ramírez Plazas

Página 1 de 11

4. PROCESO DE ABSORCION CON GLICOL Existen muchas clases de glicoles, pero los más utilizados en la deshidratación del gas natural son: etilenglicol (EG), dietilenglicol (DEG) y trietilenglicol (TEG). Los factores que influyen para la selección del glicol son: • • • • • • • •

Costos. Viscosidad, por debajo de 100 – 150 cp. Reducción del punto de rocío. Solubilidad del glicol en la fase de hidrocarburos. Punto de congelación de la solución de agua. Presión de vapor. Temperatura de la fase líquida y gaseosa en el separador de baja temperatura. Relación gas/hidrocarburos líquidos.

Tabla 1. Propiedades de los glicoles. Propiedades

Etilenglicol

Dietilenglicol

Trietilenglicol

Tetraetilenglicol

Peso Molecular Punto de Ebullición (ºC) Presión de Vapor (mmHg @25ºC) Densidad @25ºC Libras por galón @25ºC Punto de Congelamiento (ºF) Pour Point (ºF) Viscosidad Absoluta (cp @25ºC) Tensión Superficial (dinas/cm @25ºC) Índice de Refractividad @25ºC Calor Específico (Btu/lb/ºF @25ºC) Punto de Flash (ºF) Punto de Fuego (ºF)

62.1 197.3 <0.12 1.110 9.26 8 16.5 47 1.43 0.58 240 245

106.1 244.8 <0.01 1.113 9.29 17 -65 28.2 44 1.446 0.55 280 290

150.2 285.5 <0.01 1.119 9.34 19 -73 37.3 45 1.454 0.53 320 330

194.2 314.0 <0.01 1.120 9.34 22 -42 39.9 45 1.457 0.52 365 375

5. VISCOSIDAD Los fluidos que tienen viscosidad de 100 a 150 centipoises, fluyen con dificultad, por esto es importante conocer la concentración del glicol y temperatura de trabajo del equipo deshidratador.

6. REDUCCIÓN DEL PUNTO DE ROCIO Cuando el glicol absorbe agua, se reduce la temperatura de rocío del gas natural, a esto se llama reducción del punto de rocío. La reducción del punto de rocío se ve afectada por: • • • •

Rata de flujo de glicol. Temperatura de contacto en el tope del absorbedor. Eficiencia del contacto glicol/gas. Concentración del glicol pobre.


Página 2 de 11

7. SOLUBILIDAD El glicol es soluble en condensados. El trietilenglicol es más soluble que el dietilenglicol, la solubilidad del TEG es de 500 ppm a 90ºF, mientras que la del DEG es solamente de 350 ppm. En el caso de hidrocarburos aromáticos la solubilidad del glicol es todavía mayor.

8. PRESIÓN DE VAPOR Es importante conocer la presión de vapor del glicol para determinar las pérdidas por evaporación. Tabla 2. Presión de vapor de glicoles a distintas temperaturas.

Temperatura EG DEG TEG

-30 0.00003 0.000003 0.00000002

10 0.001 0.0001 0.000007

50 0.016 0.002 0.00013

75 0.07 0.075 0.0012

100 0.3 0.023 0.0045

Las pérdidas de glicol por evaporación también deben ser consideradas cuidadosamente. En el regenerador se producen altas pérdidas de EG por efectos de la evaporación, al tratar de alcanzar concentraciones del 95%, mientras no sucede lo mismo cuando se requiere purezas del 98.5% de TEG. Por ejemplo a 60ºF y 95% se registra una pérdida de 0.002 lb/MMpcn de TEG, esta cantidad aumenta hasta 0.1 lb/MMpcn cuando se trata del EG.

9. PROCESO El sistema de deshidratación está formado por:

9.1. Absorbedor de Glicol. También se conoce como contactor. Es una torre de platos o empacada donde el gas, cargado con agua, se pone en contacto (en contracorriente) con el glicol limpio. Cuando se calcula por primera vez el número teórico de platos de burbujeo que se deben instalar en la torre, normalmente se concluye que con cuatro platos el sistema puede trabajar de manera adecuada, pero es beneficioso instalar hasta 7 o 9, para aumentar la eficiencia del sistema de deshidratación. La eficiencia de las copas de burbujeo es de 25%, mientras que las de tipo válvula es de 33%. Debido a la tendencia del glicol a formar espuma, es recomendable un mínimo de 24 pulgadas de separación entre platos. Esto garantiza una mejor operación de la torre y facilita posteriormente las labores de inspección y mantenimiento. A pesar de que, desde el punto de vista teórico, la concentración de glicol que se debe utilizar para adsorber una cierta cantidad de agua a determinadas condiciones de presión y temperatura se puede calcular de manera exacta, para efectos de operación se acostumbra a disponer de valores prácticos que le faciliten los cálculos a los ingenieros de campo. A continuación se presentan algunas cifras que muestran una idea sobre la humedad del gas que ha sido deshidratado cuando se trabaja con una


Página 3 de 11

determinada concentración de glicol a una rata conocida (en galones por libra de agua absorbida). Tabla 3. Humedad del gas deshidratado a varias concentraciones de glicol. Humedad del Gas (lb/MMpcn) 6–7 1–2 0.1 – 0.2

Concentración de glicol pobre 98.5 – 99 98.3 – 99.6 99.95 – 99.98

Flujo de glicol (Gal/lb H2O) 1–2 3–4 6 – 10

9.2. Válvula de Expansión. Como el glicol en el horno está a presión atmosférica y en el contactor existe alta presión, se debe usar una válvula para lograr: caída de presión y control de nivel de glicol en el contactor. 9.3. Separador de Glicol/Hidrocarburos Líquidos. Es el lugar donde se separa el gas y el condensado que arrastra el glicol desde el absorbedor. El tiempo de retención se calcula en 20 a 30 minutos. La presión de trabajo del separador está entre 50 y 75 psia. No se instala en plantas que manejan 3 MM pcnd porque no se justifica. 9.4. Filtros. Sirve para separar impurezas tales como: productos de degradación del glicol, hidrocarburos de alto peso molecular, productos de corrosión y otras impurezas arrastradas por el gas. El filtro más usado es el tipo elemento, capaz de retener partículas de 5 a 10 micrones, a una diferencia de presión de 2 psia cuando está sucio. También se usa carbón activado.

9.5. Intercambiadores. El glicol rico a temperatura ambiente, se utiliza para enfriar el glicol pobre que viene del horno, usando intercambiadores de tubo y carcaza o de doble tubo. Algunas veces se usa serpentín en el acumulador de glicol, pero no es eficiente. El glicol rico se puede calentar hasta 300ºF utilizando la solución caliente que sale del horno, con el fin de ahorrar combustible. A la salida del intercambiador, el glicol pobre puede ser enfriado hasta 200ºF. La temperatura de la solución que regresa al absorbedor puede bajarse aun más, tratando de que el tope del absorbedor esté 10ºF a 15ºF más caliente que el gas que entra al contactor. Para ello se puede usar enfriador de aire o un intercambiador de glicol – gas de salida. Este último puede estar fuera del contactor o dentro, en forma de serpentín.

9.6. Horno. El horno puede calentarse con vapor de agua, aceite de calentamiento o fuego directo. La máxima temperatura en la pared del tubo podría limitarse a 475ºF y el flujo de calor a 6800 Btu/pie2/hora. El diseño del horno debe asegurar la evaporación del agua hasta alcanzar la concentración deseada. Hernando Ramírez Plazas

Página 4 de 11

Los vapores de agua son venteados a través de un despojador que consiste de una columna rellena con un serpentín en la parte superior o de 2 o 3 platos dentro de la columna. Este serpentín condensa parte del vapor para formar un reflujo en la columna que permite remover la mayor cantidad de agua. En el caso del TEG se puede lograr un grado de pureza del 98.7% por peso. Para evitar que se descomponga el glicol, se recomienda no pasar las temperaturas de regeneración de los niveles que se indican a continuación:

Temperatura Límite (ºF) 330 360 400

Tipo de Glicol EG DEG TEG

9.7. Bomba. El tipo más utilizado es el desplazamiento positivo, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: • La velocidad de la bomba estaría limitada a 300 – 350 RPM. • El lubricante no puede estar en contacto con el glicol. • La máxi8ma temperatura de bombeo podría limitarse a 170ºF. Para asegurar el bombeo de glicol se instala un acumulador de glicol.

10. FACTORES DE DETERIORO DEL GLICOL Los factores principales que influyen en el deterioro del glicol son:

10.1. Condiciones de Acidez. Esta resulta de la absorción de constituyentes ácidos del gas natural. También por la descomposición del glicol en presencia de oxígeno y excesivo calor en el horno. Para combatir la oxidación se debe evitar que el glicol tenga contacto con aire, utilizando gas natural o un gas inerte en ele tanque de almacenamiento. Algunas sustancias ayudan a retardar la formación de ácidos, debido a la oxidación, como Borax y KHPO4. También se recomienda mantener el flujo de calor en el horno en 6800 BTU/pie2/horas. 10.2. pH Bajo. A niveles de pH por debajo de 5.5 el glicol se autoxida; esto es el resultado de la formación de peróxidos, aldehídos y ácidos orgánicos, como ácido fórmico y acético. Por lo tanto se recomienda mantener el pH entre 7 y 8.5. 10.3. Contaminación con sal – hidrocarburos – parafinas. Algunas veces el gas natural puede arrastrar sales de los pozos, que al pasar al sistema de deshidratación se depositan en las paredes de los hornos hasta que el metal se rompe por recalentamiento. Estas sales se pueden reducir mejorando el diseño del separador de gas. Cuando el gas natural es del tipo parafínico, puede dejar depósitos de cera en los puntos fríos del sistema, desde donde son arrastradas por el glicol hasta el horno. Por


Página 5 de 11

efecto del calentamiento en el regenarador las partes más livianas se evaporan y reducen la eficiencia del contacto gas – glicol. Este problema se reduce instalando un separador glicol/petróleo antes del horno.

PLANTA DE DESHIDRATACION DE GAS NATURAL CON GLICOL (Ejemplo 8.1 del Libro de Stewart) Se va a deshidratar un gas usando TEG (98.5%) hasta una rata de 7 lb/MMpcs; no se utiliza gas de despojamiento. Se cuenta con los siguientes datos:

Caudal Gravedad Específica Presión de Operación del Contactor Temperatura de Operación del Contactor CD TPC PPC

98 MMpcsd 0.67 1015 psia 100ºF (560oR) 0.852 376oR 669 psia

Calcular: 1. Diámetro del contactor. 2. Determinar la tasa de circulación del glicol. 3. Estimar la carga calórica del rehervidor. 4. Calcular los requerimientos calóricos para el precalentador y el calentador glicol/glicol y para el intercambiador gas/glicol. SOLUCIÓN: TZQg ⎡⎛ ρ g ⎞ CD ⎤ 2 ⎟ ⎥ 1. d = 5040 ⎢⎜⎜ P ⎢⎣⎝ ρ 1 − ρ g ⎠⎟ dm ⎥⎦

1

2

(0.67)(1015) = 3.79 lb 3 ft (560)(0.865) dm = 125 micras T = 560oR P = 1015 psia Qg = 98 MMpcsd 560 Tr = = 1.49 376 1015 = 1.52 Pr = 669 Z = 0.865 3 l = 70 lb/pie (densidad del glicol) ρ g

= 2.7


Página 6 de 11

(560)(0.865)(98) ⎡⎛ 3.79 ⎞ 0.852 ⎤ d 2 = 5040 ⎢⎜ 70 − 3.79 ⎟ 125 ⎥ 1015 ⎠ ⎣⎝ ⎦

1

2

= 68.2 pulg

Respuesta: Se debe usar un diámetro interno del contador de 72 pulg. 2. Wi = 63 lb/MMpcs (Fig. 8-1) Wo = 7 lb/MMpcs → TR = 32oF @ 1015 psia (Fig. 8-1) ∆W = 63-7 = 56 lb/MMpcs ∆W/Wi = 56/63 = 0.889 (Fracción de agua removida). De la fig. 8-8 se obtiene que el porcentaje mínimo de TEG requerido para obtener un ∆W/Wi de 0.889 es de 97%. 3. Eficiencia Teórica del Proceso = 25% (1 etapa teórica = 4 etapas reales) En el rehervidor la Tmáx = 400oF por el efecto de descomposición del glicol, es por eso que en este ejercicio se tomará un rango entre 350-380oF. En la siguiente tabla se muestra la concentración de TEG a la presión atmosférica y a la temperatura respectiva:

T (oF) 350 380

% TEG 98 99

Tomando un promedio, %TEG = 98.5, de la tabla 8-10 la temperatura del glicol en el rehervidor es 353oF. Al no usarse gas de despojamiento, el porcentaje de TEG está entre 98 y 99%. El gas de despojamiento permite aumentar la concentración hasta 99.7% sin incrementar la temperatura. Con (∆W/Wi = 0.889) y %TEG = 98.5 leemos en las figuras 8-12, 8-13 y 8-14 la tasa de glicol. Para 2 etapas teóricas = 8 etapas reales (figura 8-14) es posible remover la cantidad de agua requerida, con una tasa de glicol igual a 3 gal/lb de agua. Q=

3 gal

1 día 1 hora × lb MMpcs 24 horas 60 min Q = 11.4 gpm de TEG. ×

56 lb

×

Estimar la carga calórica del rehervidor. q = 862 BTU/gal (Tabla 8-1) 862 Btu 11.4 gal 60 min q= × × = 590 MBTU hora min gal hora Usar 750 MBTU/hr (Suponiendo una pérdida calórica del 27%)


Página 7 de 11

4. Calcular los requerimientos calóricos de los intercambiadores de calor.

PRECALENTADOR GLICOL/GLI COL: TEG rico → T1 = 110oF (Temperatura del Contactor) T2 = 200oF Composición del glicol pobre (98.5% sale del acumulador e ingresa al contador) Base de cálculo = 1 galón de glicol pobre. 70 lb ft3 W TEG = 0.985 × 3 × = 9.22 TEG gal deglicol pobre 7.48 gal ft

%WH2O = 100-%WTEG = 100-98.5 = 1.5% WH 2O

ft3 = 0.015 × 3 × = 0.14 lb H 2 O gal de glicol pobre 7.48 gal ft

70 lb

COMPOSICIÓN DEL GLICOL RICO: Base de cálculo = 1 galón de glicol rico WTEG = 9.22 lb TEG/gal de glicol pobre Tasa de circulación de glicol = 3 gal/lb de agua removida (Véase cálculo en el punto 2) W * H 2O = 0.14 +

1lbH 2 O

= 0.473 lbH 2 O gal deglicol pobre 3 gal deglicol pobre

WGlicol Rico = WTEG + W*H2O = 9.22+0.4773 = 9.693 lb 9.22 Wt = = 95.1% 9.22 + 0.473

RATA DE F LUJ O DEL GLICOL RICO (Wrico) Wrico = (9.22 + 0.473)

min lb gal × 11.4 × 60 = 6630 lb hora min gal hora

REQUERIMI ENTO ALÓRIC DEL GLICOL RICO (qrico) EN EL PECALENTADOR:

Cp(95.1% TEG) = 0.56 @ 110oF (Fig. 8-15) = 0.63 @ 200oF 6630 lb 0.6 BTU qrico = × × (200 − 110º F ) = 358 MBTU hora hora lbº F


Página 8 de 11

INTERCAMBIADOR GLI COL/GLICOL (CALENTADOR) Glicol rico: T1 = 200oF T2 = 300oF Glicol Pobre: T3 = 353oF T4 = ?

REQUERIMIENTO CALÓRCO DEL GLI COL RI CO (EN EL CALENTADOR) Cp(95.1% TEG) = 0.63 @ 200oF = 0.7 @ 300oF Cp(prom) = 0.67 BTU/lboF qrico =

(fig. 8-15)

6630 lb 0.67 Btu × × (300 − 200º F ) = 444 MBtu hora ºF hora

RATA DE F LUJ O DEL GLI COL POBRE (Wpobre) 11.4 gal 70 lb 60 min ft3 Wpobre = × 3 × × = 6401lbhora min 7 . 48 gal hora ft Para hallar T4, suponemosT4 = 250oF


Página 9 de 11

Tpromedio =

353 + 250 = 302º F 2

Cp(prom)(98.5% TEG) = 0.67 BTU/lboF

(fig. 8-15)

qpobre = Wpobre x Cp x (T4-T3) q obre = -qrico T4 = T3 −

qrico 444000 = 353 − = 249º F (6401 × 0.67 ) Wpobre × C p ( prom)

PRECALENTADOR GLI COL/GLICOL : Glicol pobre = T4 = 249oF T5 = ? Asumimos T5 = 175oF Tpromedio =

249 + 175 = 212º F 2

Cp(prom)(98.5% TEG) = 0.61 BTU/lboF

(fig. 8-15)

qpobre = Wpobre x Cp x (T4-T5) q obre = -qrico T5 = T4 −

qrico 358000 = 249 − = 157º F (6401 × 0.61) Wpobre × C p ( prom)

Esta temperatura (157ºF) es menor que la temperatura máxima permitida por el fabricante de la bomba (210oF).

REQUERIMIENTO CALÓRCO DEL INTERCAMBIADOR Glicol pobre: T1 = 157oF T2 = 110oF Cp(98.5% TEG) = 0.57 @ 157oF (fig. 8-15) = 0.53 @ 110oF Cp(prom) = 0.55 BTU/lboF qpobre = 6401 x 0.55 x (110-157)oF = -165 MBTU/hr


Página 10 de 11

EJEMPLO 8.1 SISTEMA DE DESHIDRATACION CON GLICOL


Página 11 de 11

Planta Glicol

Recommend Documents