CAIQ-NUEVAS CORRELACIONES PARA LA ESTIMACIÓN … del gas natural a través de gasoducto en la...

VII CAIQ 2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

NUEVAS CORRELACIONES PARA LA ESTIMACIÓN DEL

PUNTO DE ROCÍO DE EQUILIBRIO DE AGUA EN EL PROCESO

DE DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL

L.A. Benitez 1*, J.P. Gutiérrez1, E. Erdmann2, L. Ale Ruiz3 y E.E. Tarifa4

(1) Instituto de Investigaciones para la Industria Química - INIQUI (CONICET-UNSa),

Consejo de Investigaciones - CIUNSa, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de

Salta - UNSa. E-mail: [email protected]

(2) Instituto Tecnológico de Buenos Aires- ITBA, Instituto de Investigaciones para la

Industria Química - INIQUI (CONICET-UNSa).

(3) Consejo de Investigaciones - CIUNSa, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional

de Salta - UNSa.

(4) CONICET. Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Jujuy.

Resumen.El agua es probablemente el componente indeseable más común

que se encuentra en el gas natural no tratado. Su presencia puede ocasionar

problemas de corrosión y formación de hidratos en tuberías y equipos. Por

estos motivos, es necesario someter el gas a un proceso de deshidratación

con trietilenglicol (TEG) para asegurar una operación eficiente en las líneas

de transporte de gas. Con la finalidad de obtener un diseño adecuado de la

unidad de deshidratación, los datos de equilibrio líquido–vapor para el

sistema TEG–agua deben ser exactos. Sin embargo, actualmente el

modelado termodinámico es aún bastante inexacto. Dos simples

correlaciones han sido desarrolladas, para la rápida y exacta predicción del

punto de rocío de agua de equilibrio de una corriente de gas natural,

mediante la evaluación de datos experimentales de bibliografía. Éstos fueron

tabulados mediante la digitalización de imágenes con el software MATLAB

versión R2012B. Las estimaciones son bastante exactas, como se demuestra

por comparación con bibliografía y resultados obtenidos con métodos más

complejos presentados en otros trabajos. Se registra un error absoluto

* A quien debe enviarse toda la correspondencia

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AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

interferir con el funcionamiento de los reguladores de presión y de los filtros,

provocando un aumento en la presión de funcionamiento y posibles daños a los equipos.

Los riesgos analizados deben ser minimizados para poder transportar el gas a los

centros de consumo y distribución. Con este fin, se debe dar cumplimiento a un

conjunto de especificaciones, como el contenido máximo de agua (expresado como

punto de rocío de agua, waterdewpoint, WDP), el contenido máximo de hidrocarburos

condensables (expresado como punto de rocío de hidrocarburos, hydrocarbondewpoint,

HDP), concentraciones máximas de CO2 y SH2, poder calorífico mínimo y contenido

máximo de sólidos permitidos (J. Cambell, 1982). Las especificaciones para el

transporte del gas natural a través de gasoducto en la Argentina están reguladas por

ENERGAS, resolución Nº 622/98.

A fin de alcanzar las especificaciones requeridas para el transporte, el gas natural

debe ser sometido a un proceso de acondicionamiento. La primera etapa de este

acondicionamiento es el ‘endulzamiento’, tiene por objeto eliminar CO2 y SH2. La

siguiente etapa es la ‘deshidratación’, controla el punto de rocío de agua. Finalmente, se

tiene una etapa de ‘control del punto de rocío de hidrocarburos’ (M. Martínez, 2000).

La deshidratación del gas natural es una operación sumamente importante en el

procesamiento del gas. Básicamente, consiste en la remoción de agua, en forma de

vapor, que se encuentra asociada con el gas. El proceso más común de deshidratación

involucra el contacto del gas con un líquido higroscópico. En la práctica, los glicoles

son los absorbentes líquidos más utilizados en el proceso de deshidratación. Los glicoles

son dioles, cuyos grupos oxidrilos les confieren una alta afinidad con el agua. En

particular el etilenglicol (EG), el dietilenglicol (DEG), el trietilenglicol (TEG) y el

tetraetilenglicol (T4EG) permiten alcanzar diversos grados de especificaciones. De todo

ellos, el TEG es el principal solvente usado en la industria de procesamiento de gas para

llevar a cabo la deshidratación (F. Gironi y col.).

Un proceso típico de deshidratación con TEG puede dividirse en dos partes: la

deshidratación del gas y la regeneración del solvente. En la deshidratación, como ya se

explicó, el agua se extrae del gas mediante el uso de TEG; mientras que en la

regeneración, el agua absorbida es removida del solvente, por lo cual es posible

emplearlo nuevamente en la columna de absorción. En la Figura 2 se presenta el

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Para poder evaluar un sistema de deshidratación con TEG, se debe establecer

primero la concentración mínima requerida de TEG para cumplir con la especificación

del punto de rocío de agua en el gas de salida. En consecuencia, con la finalidad de

obtener un diseño adecuado de la unidad de deshidratación, los datos de equilibrio

líquido–vapor (ELV) para el sistema TEG–agua deben ser exactos, especialmente para

altas concentraciones de TEG. En ese sentido, existen gráficas y correlaciones

complejas que muestran el punto de rocío de agua de equilibrio de una corriente de gas

natural, a diferentes temperaturas y concentraciones de TEG (Worley, Rosman and

Parrish) (GPSA, 2004). Con estas herramientas, puede estimarse la concentración

necesaria de TEG para una aplicación particular o, el caso inverso, el punto de rocío que

producirá una determinada concentración de TEG a una dada temperatura del contactor.

Una alternativa menos engorrosa que las gráficas y correlaciones complejas es

emplear la correlación presentada por Bahadori y Vuthaluru (2009). Ésta fue

desarrollada para la estimación rápida del punto de rocío de agua en una corriente de

gas natural, en equilibrio con una solución de TEG, a diferentes temperaturas y

concentraciones de TEG (Bahadori y col., 2008).

A pesar de ser técnicas muy utilizadas, el modelado termodinámico del sistema de

TEG–agua es todavía bastante inexacta, especialmente para los sistemas a altas

temperaturas y altas concentraciones de TEG (C.H. Twu y col., 2005). Es una gran

limitación ya que estas son precisamente las condiciones típicas de operación de la

columna de absorción. De este modo, una alternativa intermedia, para las condiciones

que no son adecuadamente manejadas por los modelos termodinámicos con que

actualmente se cuenta, es el desarrollo de correlaciones más simples que conserven la

exactitud.

En este trabajo se presentan dos nuevas correlaciones que sirven para la rápida y

exacta predicción del punto de rocío de agua en el gas natural tratado con TEG. Estas

recientes correlaciones son notablemente más simples que la desarrollada por Bahadori

y Vuthaluru (2009), sin embargo, tienen una exactitud comparable. Las correlaciones

propuestas adoptan la forma de ecuaciones algebraicas, las que por su simplicidad

pueden ser rápidamente implementadas en una planilla de cálculo.



Las ecuaciones fueron obtenidas por regresión de datos experimentales de

bibliografía. Las estimaciones logradas son bastante exactas, como se demuestra por

comparación con datos de literatura. Tienen un gran valor práctico debido a la

simplicidad y exactitud que presentan. Permitirán que los ingenieros de procesos puedan

realizar un rápido control del punto de rocío de agua a diferentes condiciones, evitando

el uso engorroso de expresiones complejas y de gráficos. Al mismo tiempo, éstas son

también útiles en el diseño de la torre absorbedora empleada en el proceso de

deshidratación.

2. Procedimiento

2.1. Metodología para el Desarrollo de una Correlación Lineal

Dos nuevas correlaciones han sido desarrolladas con una estructura matemática

sencilla. Éstas ofrecen una exactitud comparable a la que es posible obtener con

fórmulas más complejas presentadas en otros trabajos.

Se considera que el punto de rocío del agua (Td) de una corriente de gas natural en

equilibrio con una solución de TEG es una función lineal de la temperatura del

contactor (Tc) para diferentes concentraciones de TEG en por ciento en peso (W).

Los datos bibliográficos necesarios para generar la correlación se presentan en la

Figura 20.54 del GPSA (Gas Processors and SuppliersAssociationEngineering Data

Book, 2004). Esta figura se basa en los datos de equilibrio de Parrish et al. (1986) , que

abarcan datos ELV del sistema TEG-agua para temperaturas del contactor entre 70ºF a

140ºF, mientras que el rango de concentraciones de TEG va desde 95% hasta 99,99%.

Estos datos fueron adquiridos y tabulados mediante un proceso de digitalización de

imágenes utilizando el software MATLAB versión R2012B. MATLAB y el

ImageProcessingToolbox ofrece un amplio conjunto de herramientas que le permite al

usuario fácilmente manipular, procesar y analizar datos de imágenes de diversos

formatos.

La ecuación se ha realizado en dos etapas. En la primera etapa, el punto de rocío de

agua de una corriente de gas natural en equilibrio con TEG se correlacionó como una

función lineal de la temperatura del contactor, para diferentes concentraciones de TEG.

En la segunda etapa, los coeficientes obtenidos de las correlaciones lineales fueron



correlacionados en función de las correspondientes concentraciones de TEG para las

que fueron calculados.

La metodología que se aplicó para desarrollar la primera correlación propuesta se

resume en los siguientes pasos:

1. Empleando una función lineal Ec. (1)se correlacionó el punto de rocío de agua Td

de una corriente de gas natural en equilibrio con una solución de TEG, en función

de la temperatura Tc del contactor, para una determinada concentración Wi. Como

resultado de esta regresión, se obtuvieron los valores de ai y bi que están

asociados a la concentración Wi.

2. Se repitió el paso 1 para distintas concentraciones de TEG.

3. Se correlacionaron los coeficientes ai y bi, que fueron obtenidos en los pasos

anteriores para la concentración Wi de TEG. Es decir, se determinaron las

funciones fa(W) y fb(W) que proveen el mejor ajuste a los valores ai y bi,

respectivamente. Para lograr la estructura adecuada de cada una de las funciones

mencionadas, se recurrió a un banco de funciones de ajuste, cuyos parámetros

fueron ajustados por regresión. Las funciones que originaron el mejor ajuste

fueron seleccionadas para ser parte de la correlación. La bondad del ajuste

logrado con las funciones seleccionadas puede apreciarse en la Figura 3 (a) y (b).

De esta manera, se obtuvo la primera correlación propuesta, la cual se lista a

continuación:

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Se observa una buena concordancia entre los resultados obtenidos con la correlación

lineal y los valores reportados en la literatura. Existe un error absoluto promedio de

0,35% respecto a los datos base (GPSA, 2004), que se utilizaron en la etapa de ajuste.

Además, se registra un error máximo de 1,00% y un mínimo de 0,01%. En la Tabla 2 se

comparan los resultados que brinda la correlación propuesta con los resultados de las

correlaciones de Bahadori y Vuthaluru (A. Bahadori y col., 2009) ajustada con los

datos de Parrish et al., 1986 (GPSA, 2004); Herskowitz and Gottlieb (1984),

observándose un error absoluto promedio de 1,40%. Por lo tanto, la correlación

propuesta tiene una exactitud más que aceptable.

Tabla 2. Estimación lineal, comparación con los datos reportados en bibliografía

(Bahadori y Vuthaluru; Parrish et al., 1986; Herskowitz y Gottlieb, 1984)

Concentraciones de TEG en por ciento

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Datos Reportados

en Bibliografía

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Error Absoluto Promedio Porcentual (EAPP) 1,40

2.2. Metodología para el desarrollo de una correlación no lineal

Es posible plantear una correlación con una cantidad menor de coeficientes de

regresión. Esta nueva correlaciónEc. (4) vincula de forma directa el punto de rocío de

agua de una corriente de gas natural, en equilibrio con una solución de TEG, con la

temperatura del contactor y la concentración de TEG.

. . . . (4)



Para su desarrollo, nuevamente se emplearon los datos publicados en la Figura 20.54

del GPSA (2004) siguiendo la metodología descripta para la correlación lineal. La

Tabla 3 muestra los valores obtenidos por regresión para los coeficientes de la nueva

correlación.

Tabla 3. Coeficientes empleados en la correlación no lineal en Tc

Coeficientes 95% < TEG < 99,99%

A3 6,107109E+01

B3 1,346193E+01

C3 1,101468E+01

D3 3,014112E+00

E3 7,489034E-01

F3 4,499560E+00

G3 -1,073135E+03

H3 -5,953315E+00

I3 5,952720E+02

En la Tabla 4 se comparan los resultados obtenidos con los resultados de las

correlación de Bahadori y Vuthaluru (A. Bahadori y col., 2009) ajustada con los datos

de Parrish et al., 1986 (GPSA, 2004); Herskowitz and Gottlieb (1984), donde el error

absoluto promedio observada es 2,41 %. Nuevamente se tiene una exactitud aceptable.

Se registra un error absoluto promedio de 0,46% respecto a los datos empleados para

realizar el ajuste, con una desviación máxima de 1,43% y mínima de 0,01%. Una vez

más, se demuestra que los resultados alcanzados mediante el uso de este método tienen

una excelente precisión y rendimiento. Si bien el error absoluto de esta correlación es

un 70% mayor que la desviación lograda con la primera correlación, la cantidad de

coeficientes empleados se redujo a la mitad.



Tabla 2.Estimación no lineal, comparación con los datos reportados en bibliografía

(Bahadori y Vuthaluru; Parrish et al., 1986; Herskowitz y Gottlieb, 1984)

Concentraciones de TEG en por ciento en peso

(W)

Temperatura del

Contactor Tc (K)

Datos Reportados

en Bibliografía

Correlación no Lineal

Td (K)

Error Absoluto

Porcentual

95 303,15 278,15 280,41 0,81 97 318,15 284,65 282,44 0,78 98 333,15 290,65 284,86 1,99 99 283,15 243,15 239,11 1,66 99,9 303,15 232,65 227,86 2,06 99,97 283,15 210,00 197,17 6,11 99,99 303,15 211,70 204,37 3,46

Error Absoluto Promedio Porcentual (EAPP) 2,41

2.3. Errores Asociados

Cuando el gas húmedo entra en contacto en contracorriente con la solución

concentrada de TEG en la torre contactora, a presión y temperatura constante, se puede

suponer en primera instancia que la corriente de gas está en equilibrio con la corriente

de TEG. Sin embargo, dado que el gas y el TEG no están en contacto durante un tiempo

suficientemente largo como para alcanzar el equilibrio, el punto de rocío de agua que se

obtiene realmente es siempre mayor que el punto de rocío de equilibrio (Td,eq). En

consecuencia, el punto de rocío real del gas de salida (Td,act) dependerá de la velocidad

de circulación del TEG, como así también del número de etapas de equilibrio de la

contactora. Una unidad bien diseñada y operada tendrá un punto de rocío real de 6ºC a

11ºC más alta que el punto de rocío de equilibrio (P.Gandhidasan, 2003).

, , 6 ó 11 ºC (5)

Debido a que las torres absorbedora suelen operar en los procesos de deshidratación

a temperaturas menores a 70°C, las regresiones se realizaron empleando datos

correspondientes a temperatura inferiores a dicho límite. En cuanto a la presión de

trabajo, debido a que los puntos de rocío de equilibrio son relativamente insensibles a la



presión, las correlaciones propuestas pueden ser utilizadas hasta 10300 kPa (abs) con

poco error (GPSA, 2004) (A. Bahadori y col., 2009).

3. Ejemplo de Aplicación

Se presenta un ejemplo para mostrar la simplicidad asociada al uso de las

correlaciones propuestas.

0.85 millones Sm3/día de una corriente de gas natural entra a una torre contactora de

TEG a 38ºC y 4100 kPa (abs). Se desea alcanzar una especificación de 4ºC de punto de

rocío (269,15 K). Calcular la concentración necesaria de la corriente de TEG pobre. Se

asume 6ºC de desviación con respecto al equilibrio (GPSA, 2004) (A. Bahadori y col.,

2009) (M. Herskowitz y col, 1984).

Para encontrar la solución del problema propuesto, se itera hasta encontrar el valor

de W que hace que el punto de rocío real Td, act=Td+6 Ksea igual a 269,15 K. A

continuación se realizan los cálculos correspondientes empleando las dos correlaciones

propuestas en este trabajo.

3.1. Correlación Lineal en Tc

a- Se asume una concentración de TEG igual a W= 98%

Aplicando las Ec. (2) y Ec. (3), se obtiene: a=15,9124886 y b=0,82334051

El punto de rocío de equilibrio de agua para la corriente de gas, calculado mediante

la Ec.(1), es Td,eq=272,09 K. El punto de rocío real es Td, act=278,09 K

b- Se asume una concentración de TEG igual a W= 98,9%

Aplicando las Ec. (2) y Ec. (3), se obtiene: a = 23,2088603 y b = 0,77423461


la Ec.(1), es Td,eq = 264,11K. El punto de rocío real es Td, act = 270,11 K.

c- Se asume una concentración de TEG igual a = 98,97%

Aplicando las Ec. (2) y Ec. (3), se obtiene: a = 23,9550366 y b = 0,76887996


la ecuación Ec.(1), es Td,eq = 263,19 K. El punto de rocío real es Td, act = 269,19 K.



3.2. Correlación No Lineal en Tc

a- Se asume una concentración de TEG igual a W= 98%


la Ec.(4) es Td,eq = 271,85 K. El punto de rocío real es Td, act = 277,85 K.

b- Se asume una concentración de TEG igual a W= 98,9%



c- Se asume una concentración de TEG igual a W= 98,91%



4. Resultados y Discusiones

El resultado obtenido empleando la correlación lineal es de Td,act=269,19 K. Este

presenta buena concordancia con el resultado esperado del punto de roció de agua (Td =

269,15 K). Por lo tanto, la concentración de TEG necesaria para cumplir con las

especificaciones es de W = 98,97%.

El resultado empleando la correlación no lineal es de Td,act=269,14 K. Este presenta

buena concordancia con el resultado esperado del punto de roció de agua (Td = 269,15

K). Por lo tanto, la concentración de TEG necesaria para cumplir con las

especificaciones es de W = 98,91%.

Empleando la ecuación de Bahadori y Vuthaluru (2009) para resolver el ejemplo

propuesto se obtiene como resultado una concentración de TEG igual a W = 99,02%. Lo

que demuestra el excelente comportamiento de las correlaciones propuestas en este

trabajo.

5. Conclusiones

Dos correlaciones sencillas fueron desarrolladas para la rápida estimación del punto

de rocío de agua de una corriente de gas natural, en equilibrio con una solución de TEG,

para distintas concentraciones y temperaturas. Ellas permiten remplazar el uso



engorroso de tablas y gráficos, generalmente empleados en el diseño y operación de un

sistema de deshidratación de gas. De hecho, son ecuaciones algebraicas básicas que se

pueden implementar fácilmente en una planilla de cálculo.

Las nuevas correlaciones fueron obtenidas por regresión de datos experimentales de

bibliografía. Estos datos fueron obtenidos y tabulados mediante un proceso de

digitalización de imágenes mediante el software MATLAB versión R2012B. Las

estimaciones logradas a partir tienen una exactitud comparable con los resultados

obtenidos usando los métodos más complejos presentados en trabajos anteriores. Se

registra un error absoluto promedio respecto de los datos de bibliografía para la

correlación lineal en Tc de 1,40 %. Mientras que se presenta un error absoluto promedio

respecto de los datos bibliográficos para la correlación no lineal en Tc de 2,41 %.

La región de validez de las ecuaciones cubre datos de equilibrio EVL para el sistema

TEG – agua para temperaturas de la torre contactora que van desde 70ºF hasta 140ºF, y

concentraciones de TEG que van desde 95% hasta 99,99%. Las estimaciones son

bastante exactas, tal como lo demostraron las comparaciones realizadas con datos de

otros trabajos.

Las correlaciones desarrolladas tienen un gran valor práctico debido a su simplicidad

y exactitud. Éstas permitirán que los ingenieros de procesos puedan realizar un rápido

control del punto de rocío de agua en el gas para diferentes condiciones y utilizarlas en

el preciso diseño de la torre absorbedora para el proceso de deshidratación.

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