Cap03-Deshidratacion de Gas

MD. III - CAP. III: Pag. 1

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MDULO III - CAPITULO III ACONDICIONAMIENTO Y DESHIDRATACION DEL GAS

III - I III - I - I III - I - II III - I - III III - I - IV

CONDICIONES GENERALES Transporte y Consumo en campo Componentes del gas Sistema de agua + hidrocarburo lquido Parmetros operativos

3 3 4 7 9

III - II III - II - I

RECUPERACION DE HIDROCARBUROS LIQUIDOS Instalacin prctica para recuperar condensados

11 11

III - III III - III - I III - III - II III - III - III III - III - IV III - III - V III - III - VI

DESHIDRATACION DEL GAS Determinacin del Punto de Roco Caractersticas de los glicoles Absorcin fsica por Torre de Contacto Absorcin fsica por Inyeccin Planta y proceso de Regeneracin de Glicol Variables de Operacin

17 17 19 21 24 26 32

III - IV III - IV- I III - IV- II

DESHIDRATACIN POR ADSORCION Proceso de Adsorcin Desecantes y Aplicaciones

34 34 36




MDULO III - CAPITULO III - ACONDICIONAMIENTO Y DESHIDRATACIN DEL GAS III I III I I CONDICIONES GENERALES

Transporte y consumo en campo

La tecnologa del gas y la industria petrolera operan con flluidos gaseosos y lquidos en contacto ntimo que luegon necesitan ser acondicionados, separados y tratados para su utilizacin. Estos tratamientos se pueden considerar bajo dos grandes grupos: 1. Si ha de ser transportado una cierta distancia dentro del yacimiento (o hasta la Planta de Tratamiento), deber ser acondicionado para el transporte; entendiendo por tal, ponerlo en condiciones ptimas para lograr una mxima eficiencia en su transporte y no tener inconvenientes y problemas durante el mismo. 2. Asimismo, para su utilizacin interna, ya sea como combustible o materia prima para procesos posteriores ms complejos. Segn la utilizacin que se haga del gas y las condiciones en que se produce, tendr o no que ser sometido a procesos de tratamiento, entendiendo por tal eliminar del gas todo aquel elemento contaminante o impurezas que no admitan los equipos donde se utilizar, o estn por encima de los valores admitidos por normas y reglamentaciones. El acondicionamiento es una tarea inevitable, ya que el gas proveniente de bateras o plantas separadoras de petrleo se encuentra con contenidos de agua y gasolina. Si la eficiencia de los separadores es baja o si tienen problemas de descarga, contendr tambin petrleo lquido. Estos componentes pueden estar gasificados y mezclados con el resto del gas natural, pero a determinadas condiciones de presin y temperatura pueden condensar y pasar al estado lquido. Adems, como ocurre en algunos de los yacimientos, es necesario calentar el hidrocarburo para poder desplazarlo (viscosidad) o evitar obstrucciones (hidratos); lo que produce la evaporacin de los hidrocarburos ms livianos, y cuando esto ocurre antes de un separador, stos derivados livianos saldrn por la parte superior del separador en forma de gas y luego, con el enfriamiento natural dentro de las lneas de gas, se condensar pasando al estado lquido, lo que traer problemas en el transporte, o en los equipos que lo consuman. Si se pretende tener un transporte de gas por gasoductos internos, eficiente y sin interrupciones, ser imprescindible acondicionarlo.


El tratamiento en cambio, depender de los posibles contaminantes presentes en el gas, del aprovechamiento y estabilizacin de los licuables comerciales, condiciones contractuales o especificaciones de venta.

III I II

Componentes del Gas

El componente predominante del gas natural es el metano con cantidades ms pequeas de otros hidrocarburos. La siguiente tabla brinda ejemplos de algunos pocos componentes comunes del gas natural y su fase y uso luego del Tratamiento.Hidrocarburos Componente Metano Frmula Qumica CH4 Uso Reserva de alimentacin qumica y de combustible. Existe como gas. Mezclado con metano, como combustible gaseoso y solo como reserva de alimentacin qumica. Existe como gas. Reserva de alimentacin qumica o combustible lquido. Se requiere almacenamiento de presin. Reserva de alimentacin qumica o combustible lquido. Se requiere almacenamiento de presin. Componentes de condensado. No se requiere almacenamiento de presin. Componentes de condensado. No se requiere almacenamiento de presin.

Etano

C2H6

Propano Butanos Pentanos Hexanos

C3H8 C4H10 C5H12 C6H14

No Hidrocarburos: Componente Sulfuro de Hidrgeno (gas cido) Dixido de Carbono (gas cido) Nitrgeno Agua

Frmula Qumica H2S

Uso Componente de gas venenoso del gas natural. Removido y convertido a azufre elemental. Removido del gas natural si se encuentra en exceso con respecto a las especificaciones de venta. Normalmente no removido. Gas inerte sin valor de calentamiento en el gas natural. Removida por especificacin de venta.

C02

N2 H20



Los pentanos y los hexanos se muestran en la tabla como componentes de condensado. El condensado tambin incluye lquidos ms pesados que el hexano. Los butanos tambin pueden estar presentes en el condensado. El gas entonces, tanto proveniente de produccin asociada con petrleo como el producido por pozos gasferos, no debe ser utilizado como combustible sin previamente extraerle los hidrocarburos pesados (lquidos), debido a que el gas se encuentra saturado en agua y contiene adems otros hidrocarburos lquidos que lo convierten en un flujo bifsico con la posterior interferencia tanto en el transporte como en su utilizacin. El gas natural de pozos gasferos tal como se lo recibe en la separacin, es una mezcla de hidrocarburos de diferentes encadenamientos cuyo principal componente es el metano (80 al 90%) y el resto puede llegar a tener componentes hasta del orden de C8. Adems es probable que se encuentre saturado en agua. Para mayor claridad se puede decir que el gas obtenido puede no tener ningn lquido bajo ciertas condiciones de presin y temperatura y ese mismo gas, dentro de las lneas de consumo en la operacin, puede contener tanta cantidad de agua y/ o gasolina que presenta serias dificultades para ser usado, particularmente en reas con inviernos muy fros.TEMPERATURAS DE EBULLICION Lo que ocurre se explica si se A PRESIN DE UNA ATMSFERA considera el cambio de estado de los hidrocarburos livianos, ante variaciones de las condiC F GAS ciones de presin y temperatu- Metano C1 -161,51 -258,72 ra a las que se ve sometido. Etano C2 -88,59 -127,46 Propano C3 -43,07 -43,73 Como ejemplo grfico, se obIso - Butano iC4 -11,79 10,78 serva claramente el comportaNormal - Butano nC4 -0,51 31,08 miento de los posibles compoiC5 27,83 82,09 nentes de la mezcla, a presin Iso -Pentano nC5 36,05 96,89 constante de una atmsfera, si Normal - Pentano la temperatura es considerada Hexanos nC6 68,72 155,70 la variable. Heptanos nC7 98,37 209,07 Se han resaltado en rojo, los Octanos nC8 125,65 258,17 componentes que podran camNonanos nC9 150,78 303,40 biar de estado, ante una simple nC10 174,11 345,4 variacin de la temperatura am- Decanos N2 -195,80 -320,44 biente. Se han resaltado en ver- Nitrgeno CO2 -78,46 -109,23 de, los componentes que, en Dixido de Carbono condiciones normales atmosf- Sulfuro de Hidrgeno SH2 -60,27 -76,49 ricas se encontraran en esta- Oxgeno O2 -182,95 -297,32 do gaseoso; y en negro en es- Vapor de Agua H2O 99,97 211,95 tado lquido. Aire -194,34 -317,81


Al lquido condensado se lo llama gasolina, elemento comercial y muy til, siempre que est separado del gas, del agua y estabilizada. En mayor o menor medida, el gas producido se encuentra conteniendo agua, y mediante la siguiente tabla puede estimarse la cantidad de agua a distintas presiones y temperaturas. Se determina en Libras por MMCFD (milln de pie cubico da).



En stas condiciones es previsible que se sucedan inconvenientes de transporte y consumo, que consecuentemente traern aparejados grandes perjuicios de carcter operativo. Se plantea entonces la necesidad de su acondicionamiento. En Yacimientos extensos, el acondicionamiento del gas se comienza a realizar en el propio Campo, antes de su arribo a las Plantas de Tratamiento. En los que las distancias son menores, la tarea normalmente se centraliza en las instalaciones de Tratamiento. III I III Sistema agua + hidrocarburo liquido

El agua presente en el gas, bajo ciertas condiciones de presin, baja temperatura, flujo en torbellinos y en presencia de algunos hidrocarburos ms pesados, provoca la formacin de hidratos. El grfico presentado anteriormente, que da el contenido de vapor de agua en un gas hmedo en funcin de la temperatura y presin, permite asimismo estimar que si la temperatura decrece para una presin dada, tambin decrece el agua requerida para la saturacin del gas y se producir entonces una condensacin de esa agua por saturacin del gas cuando este es enfriado. Los hidratos son sistemas slidos cristalinos agua + hidrocarburos, que tienen la particularidad fsica de presentarse como slidos en temperaturas an superiores a 0C. En un principio exista la creencia de que el hidrato era el resultado de la congelacin del agua existente en el gas. Se ha comprobado que los vapores de agua e hidrocarburos (gasolina) se combinan para formar el hidrato (4 a 1), el que bajo ciertas condiciones puede formarse a temperaturas an por encima del punto de congelacin del agua. Los factores que afectan la velocidad de formacin del hidrato son, entre otras: la composicin del gas, altas velocidades de flujo, pulsacin de la presin, pequeos cristales, y la existencia de lugares apropiados para su acumulacin y expansin. Dado que para la formacin de hidratos es necesario la presencia de agua lquida, pudiendo predecir la temperatura a la que aparecer el agua lquida ayudar tambin a predecir la formacin de los hidratos. Esta caracterstica, provocada de exprofeso operativamente, contribuye al acondicionamiento del gas; ocurrida fuera de control o accidentalmente, puede manifestar se en la formacin de slidos en el transporte o proceso. Los hidratos solidificados ocasionan graves perjuicios en los conductos y vlvulas pues producen taponamientos que disminuyen y hasta llegan a interrumpir el pasaje de gas. El siguiente grfico puede ser usado para estimar la formacin de hidratos en varios gases a distintas gravedad especfica segn la presin y la temperatura a la que est sometida la mezcla.


Las acciones que se pueden tomar para evitar la formacin de los hidratos son: a. b. c. d. e. Separar el agua de los hidrocarburos lquidos o viceversa. Modificar las condiciones de presin. Llevar el punto de roco del agua por debajo de la temperatura de operacin. Introducir sustancias que bajan la temperatura de formacin de hidratos (inhibidores). Elevar la temperatura del gas (calentar).

Una vez formado el hidrato, para producir su disolucin no queda otra alternativa que disminuir la presin que se ejerca sobre la mezcla. Tal operacin trae consecuentemente la necesidad de sacar de servicio equipos o lneas de conduccin, con prdida del gas



venteado a la atmsfera y el perjuicio econmico por la interrupcin en el suministro. La gasolina, adems de combinarse en la formacin de hidratos, se condensa a lo largo de los conductos creando tambin problemas en el transporte, que si bien no llega a interrumpir el suministro provoca considerables prdidas de carga y por lo tanto disminucin en el caudal transportado, a energa de compresin constante o aumento de dicha energa para mantener el suministro. No deben descartarse tampoco los graves inconvenientes que puede ocasionar en los compresores u otros sistemas (mediciones), la presencia de estos condensados.

III I IV

Parmetros operativos

Tanto el agua como la gasolina, si se encuentran en estado de vapor en el seno del gas, no ocasionan mayores inconvenientes; stos se presentan cuando algunos de los elementos citados se condensan. Por lo tanto, desde el punto de vista operativo, no interesa tanto conocer las cantidades mximas admisibles de vapores en el gas, tanto sea de agua como de gasolina, sino saber a qu presin y temperatura se produce la condensacin. Esta temperatura es la que se llama Punto de Roco y se define de la siguiente manera: Punto de roco es la temperatura a la cual condensa la primer gota de lquido cuando a una mezcla constituida por un vapor y un gas se la enfra a presi6n constante. De lo anteriormente expuesto surge que dos son los parmetros a fijar y son los denominados: a) Punto de Roco de Agua. b) Punto de Roco de Hidrocarburos. Ambos son medidos en grados centgrados. Siempre debe indicarse la presin a que corresponde la temperatura de roco, de lo contrario se tendr una indeterminacin. Es de destacar que los valores citados son slo ejemplos, y susceptibles a variaciones segn sea en poca estival o invernal. En esta ltima es cuando mayores deben ser los controles, no slo por las bajas temperaturas a que est sometido el gas sino tambin porque es cuando se tiene mayor demanda.


En el transporte de importantes gasoductos y a fin de asegurar la calidad del gas inyectado, se efectan controles peridicos de los puntos de roco de agua e hidrocarburos. Tal control no solo brinda el conocimiento de los puntos de roco, sino que mediante el mismo es posible evaluar las condiciones de trabajo de las plantas acondicionadoras. Adems, en el caso de tener varias corrientes que aporten a un mismo gasoducto, conociendo los distintos valores se pueden adoptar decisiones que permitan aceptar alguna desviacin parcial, si de resultas de la mezcla surgen valores encuadrados dentro de las especificaciones de transporte. La medicin de campo se efecta mediante el mtodo de Bureau of Mines, que consiste en la determinacin directa mediante un aparato, de los puntos de roco de agua e hidrocarburos. Dicho instrumento tiene una cmara de presin para contener el gas, con su correspondiente vlvula para controlar el pasaje de mismo. Un visor de plstico transparente permite la observacin del interior de la cmara y de un espejo sobre el cual se produce la condensacin del vapor contenido en el gas, cuando al mismo se lo enfra gradualmente mediante la expansin del gas propano en una cmara adyacente. El punto de roco ser la temperatura leda simultneamente cuando se observa la condensacin sobre el espejo, a la presin a que est sometido el gas en ese momento. Cuanto menor sea el contenido de agua, menor va a ser la temperatura a la que inicie la condensacin, a igual presin. Existen en el mercado otros instrumentos electrnicos que dan con alta precisin directamente el dato de temperatura y cantidad de agua contenida, por unidad de volumen de gas. El contenido de agua en el gas que deba ser transportado por gasoductos y destinado a la venta, est regido por normas de aceptacin internacional. Algunos lmites se colocan en no aceptar ms de 1,5 litros de agua por cada 10.000 metros cbicos de gas, o lo que es lo mismo en unidades inglesas, 7 libras de agua por cada milln de pies cbicos de gas (MMCF).



III II

RECUPERACIN DE HIDROCARBUROS LIQUIDOS

En los procesos para obtener gasolina comercial se requieren una Plantas de Tratamiento por cualquiera de los mtodos de refrigeracin, comprimiendo y expandiendo gases refrigerantes en intercambiadores de calor, pero esto si bien es eficiente para su uso en productos comerciales, no lo ser en las bateras de yacimientos para consumo interno del gas. En los yacimientos, cuando el gas es utilizado para consumo interno, se pueden utilizar mtodos de recuperacin de estos hidrocarburos que resulten econmicos y sin demasiada complejidad tcnica, tal como la instalacin de radiadores y depuradores o scrubber, sin necesidad de instalar complejas plantas de recuperacin de gasolina por enfriamiento como ocurre en el transporte de grandes volmenes por gasoductos. El procedimiento que se describe a continuacin es una adaptacin prctica de lo que se conoce como separacin a baja temperatura, tan slo que en este caso se adapta a realizar la separacin de los lquidos a temperatura ambiente, considerando que esa ser entonces la menor temperatura que el gas encontrar en su recorrido diario. Se trata de enfriar la corriente de gas hasta la temperatura ambiente, de manera de tener a lo largo de la lnea del gas una temperatura siempre mayor que en el punto de enfriamiento. III II - I Instalacin prctica para recuperar condensados

Para bajar la temperatura al valor ambiente se puede instalar un radiador fabricado con tubos aletados con una superficie de irradiacin lo suficientemente grande para llevar ese caudal a la temperatura ambiente. El departamento de ingeniera podr disear la cantidad de tubos, sus dimetros y el de las aletas intercambiadoras. Hay muy buenas experiencias en la construccin del modelo para 100.000 m3 de gas por da, compuesto de dos circuitos de 10 tubos paralelos del 1" de dimetro c/u, con 200 aletas por metro, 2" de dimetro y 6 m de longitud por tubo. Todo montado sobre dos colectores colocados en forma vertical. La instalacin, sobre todo en zonas con temperaturas por debajo del punto de congelamiento, deben montarse con la precaucin de que el enfriador este por arriba del nivel del separador e inclinado facilitar la salida del lquido antes de convertirse en slido y, si an presenta algn tipo de problema, un by pass gobernado por una termovlvula o termostato convertir el sistema en automtico. Desde ya que una vez obtenido el condensado debe eliminarse de inmediato mediante el uso de un separador o Scrubber y de esta forma, el gas continuar su recorrido sin producir lquidos a esa temperatura.


Un modelo de instalacin se muestra en las figuras siguientes:



La eliminacin de los condensados de hidrocarburos no solo minimizar los problemas de congelamiento de las lneas, sino que adems mejorar sensiblemente los posteriores procesos de deshidratacin por absorcin, ya sea con alcoholes o con slicagel. Particularmente las gasolinas emulsionan el glicol quitndole la propiedad absorbente y al bajarle la densidad permitir su atomizacin y se ir a la lnea de gas porque los retenedores de la torre de contacto no lo pueden impedir. Otro fenmeno que se debe considerar en la extraccin del condensado del gas es cuando por disminucin de la presin se produce un enfriamiento. Esta disminucin de la temperatura puede suceder por una o dos causas. Cuando el gas se expande de un estado de alta presin a uno de baja presin sin transferencia de calor o cuando se realiza un trabajo, hay una cada de temperatura por un efecto Joule Thompson. Cuando la cada de presin se produce en una turbina, el trabajo es realizado por el gas y se produce un enfriamiento tambin; la ventaja est en que la cada de presin se produce a una ms baja temperatura de separacin, producindose entonces una mayor condensacin de lquido del gas natural. La expansin del gas produce un enfriamiento por la cada de presin producida en la conduccin del gas, desde un punto de alta presin a uno de baja presin. Si esta expansin ocurre a travs de un orificio, el efecto refrigerante depender de la temperatura del gas aguas arriba del orificio, de la presin diferencial a ambos lados del orificio y de la cantidad de lquido formado. En la figura se observa un grfico que brinda el enfriamiento de una corriente de gas.


Para obtener la mxima extraccin de hidrocarburos lquidos de un gas, para una presin diferencial y una presin de entrega del gas dadas, se tendr que obtener la ms baja temperatura en el separador dentro de lmites razonables. En la siguiente figura se puede observar un equipo que es utilizado para producir la separacin a baja temperatura de hidrocarburos mediante el enfriamiento de la corriente de gas.

Asumiendo que la corriente de gas contiene una mnima cantidad de agua libre y la suficiente temperatura para prevenir la formacin de hidratos, el proceso se desarrolla de la siguiente forma: El flujo de gas ingresa al equipo pasando por un serpentn intercambiador de calor y luego por un orificio regulable donde se produce la expansin del gas, ingresando al separador en forma tangencial.



El serpentn es enfriado por los lquidos que se han condensado, produciendo la absorcin del calor de la corriente gaseosa, que causan la licuefaccin de los hidratos que se han formado al expandirse el gas a travs del orificio y que han cado a la parte inferior del separador. El nivel del lquido es mantenido por un controlador de nivel de tal manera que el serpentn quede siempre sumergido en el lquido. Los lquidos condensados se descargan a travs de una vlvula del separador de baja temperatura hacia el siguiente proceso. Este procedimiento tiene algunos problemas derivados de la formacin de hidratos si las temperaturas del gas antes del orificio o de la entrada al Separador de Baja Temperatura estn muy cercanos a la formacin de hidratos, que de solidificarse obstruirn las serpentinas del separador, en algunos casos solucionables con la inyeccin de metanol . En otras oportunidades entonces, ser necesario retirar parte del vapor de agua presente en el flujo de gas, asociando a las instalaciones mencionadas un sistema de absorcin utilizado comunmente.




III - III

DESHIDRATACIN

Las diferentes razones expuestas con anterioridad, adems de las posibilidades de adecuada comercializacin donde la calidad del gas est reglamentada, son suficientes para implementar Plantas de Tratamiento de Gas para adecuarlo a las especificaciones requeridas, y/o para la separacin de productos comercializables como el Gas Licuado o la Gasolina Estabilizada. Las particulares caractersticas de algunas mezclas de gases, tambin comprometen al inicio de la fase de tratamiento, donde puede requerirse la eliminacin de gases contaminantes como el Dixido de Carbono o el Sulfuro de Hidrgeno. La eliminacin del agua contenida en el gas o deshidratacin, se efecta con un proceso muy generalizado, denominado de absorcin fsica que bsicamente consiste en hacer tomar contacto al gas hmedo con una corriente de algn agente que sea altamente absorbedor del agua, como son por ejemplo los alcoholes. En este caso, este agente absorbedor estar en estado lquido, pero pueden utilizarse otros agentes, como la slicagel que se presentan en estado slido, denominndose el sistema como de adsorcin. En el primer caso se trata de poner el gas en contacto con el glicol para que este se quede con el agua y luego se regenere el glicol para su reciclaje. Este proceso se realiza por dos procedimientos de diferentes carctersticas, no obstante la regeneracin del glicol se realice con los mismos principios o equipos. Las posibilidades de absorcin fsica son por Torre de Contacto de Glicol, donde los flujos a contracorriente de glicol y gas se encuentran en una torre, recuperndose cada uno por diferentes descargas; o por Inyeccin de Glicol, donde el mismo se inyecta en un punto del curso de gas, recuperndose luego de un proceso de fro, en un separador trifsico. El segundo caso es con el uso de otro absorbente del agua en estado slido que es el slica gel tambin regenerable para el reciclaje. III - III - I Determinacin del Punto de Roco

El gas en su flujo tiene como se ha visto contenidos de agua y gasolina. La gasolina, se supone que ha sido retenida y eliminada por el proceso de condensacin al que fue sometida, luego le quedar el agua que ser necesario eliminar. El primer paso para saber de que manera o en que magnitud contiene agua, es conocer la cantidad de agua por unidad de volumen de gas y una forma de determinarlo, es mediante la lectura del punto de roco o dew point del gas. El punto de roco ser entonces, el momento en que el agua contenida en el gas comienza a condensarse en valores de presin y temperatura conocidos.


Como ejemplo, el aparato medidor de este parmetro se compone de un visor, un espejo y un gas refrigerante en una cmara de expansin de tal manera que se hace pasar el flujo del gas a medir frente al espejo y se refrigera bajando lentamente la temperatura (se lee en el termmetro instalado en contacto con el espejo) hasta que se comience a empaar el espejo. La presin y la temperatura de ese momento es precisamente la medicin del punto de roco, que es el punto donde se inicia la condensacin bajo esas condiciones. Con cualquiera de los mtodos, se podr determinar el tipo y forma de tratamiento o bien la eficiencia del mismo, en una planta deshidratadora de gas en operacin. El contenido de agua aceptable para la comercializacin y el transporte, est regido por normas de asociaciones internacionales y por convenios entre empresas. De todas formas se pueden tomar valores conocidos como un lmite mximo de 7 libras de agua por cada milln de pies cbicos de gas o en el sistema decimal 0,15 cm3 de agua por cada metro cbico de gas o 1,5 litros de agua por cada 10.000 metros cbicos de gas. Observando nuevamente la tabla de la Pgina 6, que representa el contenido de agua en el gas natural a distintas temperaturas y presiones, se explican las variaciones que sufre el punto de roco del vapor de agua en el gas con la temperatura (depresin del punto de roco). Se puede observar que la temperatura del punto de roco del vapor de agua en el gas es la misma que la temperatura de saturacin para una dada presin. Nuevamente, si se tiene un flujo de gas a 1000 PSI y a 100F, el contenido de agua es de 62 lb./ MMCF y si manteniendo la presin, y el contenido de agua pasa a ser de slo 7 lb./MMCF la temperatura del punto de roco ahora es de 33F. Entonces el equipo deshidratador, al reducir el contenido de agua de 62 a 7 lb./MMCF ha sido capaz de bajar el punto de roco de 100F a 33F. Visto de otra manera, si se requiriera operativamente bajar el punto de roco de un flujo de gas como el del ejemplo, a 33F, se debera provocar un contacto que absorviera 65 libras de agua por cada milln de pi cbico de gas. Por lo tanto y resumiendo, dados un caudal, temperatura y presin iniciales, y presin y temperatura finales; es posible determinar por ste procedimiento la cantidad de agua a absorver, para eliminar la posibilidad de presencia de la misma en estado liquido, en el resto del proceso.



Tomando como ejemplo el siguiente caso: Caudal de gas a deshidratar: 1.8 MMCFD (1.800.000 pie3/da) Punto de roco del gas a la entrada de la torre de contacto: 40 F Presin de operacin: l00 psi.

Si se adopta el valor limite de 7 lb. agua/MMCF, se desarrolla: 1. Contenido de agua del gas a la entrada; (del grfico) 40 0F y 100 psi, indica que el gas puede contener 67 Lb. agua/MMCF. 2. Punto de roco del gas a la salida; del grfico para 7 Lb. agua/MMCF y 100 psi, se obtiene: -15 F. Depresin del punto de roco Agua a eliminar: 40 - (-15) = 67 7 = 550F. 60 Lb. agua por MMCF

Ms adelante veremos cmo es el proceso de eliminacin del agua del gas, mediante la utilizacin de los glicoles y cmo calcular el caudal y el volumen del glicol a utilizar.

III III II

Caractersticas de los Glicoles

Por su alta capacidad higroscpica (afinidad con el agua) se utilizan glicoles para la deshidratacin del gas natural. Esta capacidad est directamente relacionada con la concentracin de la solucin agua-glicol. El glicol es un producto qumico orgnico, de la familia de los alcoholes, que naturalmente tiene gran avidez por el agua; es prcticamente imposible mantenerlo en mxima pureza en contacto con el ambiente porque absorbe la humedad del aire. Esta importante propiedad es aprovechada para estos procesos de deshidratacin, porque adems son muy estables, con una elevada temperatura de degradacin, de tal manera que los convierten en ptimos para ponerlos en contacto con gases reteniendo el agua contenida en cualquiera de sus formas. Existen tres compuestos glicoles muy utilizados, el etilenglicol, el dietilenglicol y el trietilenglicol. La temperatura mxima a la que se puede someter el etilenglicol y el dietilenglicol, es de 165C (328F) y para el trietilenglicol este valor es de 205C (404F), temperaturas que deben respetarse rigurosamente en la operacin cuando se regenera el glicol, porque de no ser as se degradara cambiando su estructura qumica inutilizndose como absorbente. La concentracin del glicol no debe estar por debajo del 98,5% y el estado optimo de mximo rendimiento es de 99,5. En el caso que tuviera 98,5%, el 1,5% restante ser contenido de agua, con la consecuencia de la disminucin, en la misma medida, de la capacidad de absorcin.


La concentracin estar directamente relacionada con la eficiencia del regenerador de glicol hmedo. El dietilenglicol (DEG) fue el primer glicol que hall aplicacin comercial en la deshidratacin de gas natural. Este compuesto otorga una buena depresin del punto de roco y tiene la habilidad para absorber agua en un amplio rango de concentraciones. Sin embargo tiene ciertas limitaciones para lograr las concentraciones requeridas. En cambio, con el trietilenglicol (TEG) concentraciones del 97,5% al 98,5% son fcilmente obtenibles, dada la mayor temperatura de ebullicin que tiene respecto a los otros dos, adems de la conveniencia de tener tambin una mayor temperatura de degradacin. Es comn que las ventajas del T.E.G. sobre el D.E.G. hagan que aquel sea el favorito en los procesos de deshidratacin con glicoles, no obstante y dadas sus caractersticas y costo, se ha establecido el uso del T.E.G. para procesos por Torre de Contacto, y el M.E.G. para los efectuados por Inyeccin.



III III III

Absorcin Fsica por Torre de Contacto

La puesta en contacto del gas a deshidratar con el absorbente, requiere de un recipiente denominado torre de contacto, que por conveniencia operativa se construye con el aspecto de un separador bifsico vertical, como se observa en la figura siguiente. Su tamao estar en funcin del volumen de gas a tratar, del diseo interior y de la cantidad de agua a extraer; en definitiva el tamao determinar el tiempo de contacto glicol - gas. En algunos casos, la torre dispone de un sector inferior que cumplir la funcin de depurador de la corriente de gas de entrada, a fines de asegurar la eliminacin de lquidos en el flujo de contacto. En la siguiente figura se puede observar un esquema simplificado de un diagrama de flujo de una planta de tratamiento de gas por glicol por absorcin en torre de contacto.


Flujo del gas hmedo: Saliendo del separador ya sin condensados, la corriente de gas hmedo se introduce en la torre de contacto por un nivel inferior y se la hace circular ascendiendo y pasando por lechos de relleno o bandejas de burbujeo, diseadas especialmente para que el gas tome contacto ntimo con el glicol. El gas se mezcla en cada una de las bandejas con la solucin de glicol, cediendo al mismo el vapor de agua que contenga. Una vez que ha cedido el agua al glicol, el flujo de gas seco pasa a travs de un eliminador de niebla en la parte superior del absorbedor para dejar pequeas partculas de lquido arrastrado y abandona el equipo como gas seco, pasando previamente por un intercambiador de calor para enfriar el glicol que ingresa. En la figura de la pgina siguiente, tambin se observan detalles de una copa y de una bandeja de burbujeo, donde el gas es obligado a pasar a travs del lecho lquido del glicol de manera de establecer entre ambos un contacto ntimo y facilitar la absorcin del agua por el glicol. Flujo de glicol pobre o seco: El glicol proveniente de la Planta Regeneradora, entra a la torre por la parte superior, intercambiando calor inicialmente para adecuarse a la temperatura de operacin, luego va circulando hacia abajo pasando por rebase de bandeja en bandeja, tomando contacto ntimo con el gas y quedndose con el contenido de agua. Flujo de glicol rico o hmedo: Es tomado a menor temperatura del fondo de la torre de absorcin y descargado generalmente por un mecanismo de controlador de nivel y vlvula de descarga, hacia la Planta Regeneradora, donde debe ser tratado para eliminarle el contenido de agua a fin de poder ser utilizado nuevamente en la torre de contacto, de manera de tener un ciclo de operacin continuo. Para ello se lo bombea a travs de una serie de equipos donde bsicamente se lo somete a una temperatura superior al punto de ebullicin del agua como para que la misma se desprenda en estado de vapor. El glicol, que se mantiene en estado lquido debido a que su temperatura de ebullicin es muy superior a la del agua, es nuevamente acondicionado para su reutilizacin.




III III IV

Absorcin Fsica por Inyeccin

El tipo de instalacin que se describir a continuacin permite cumplir los dos objetivos del acondicionamiento simultneamente, la deshidratacin y el desgasolinaje, y son las llamadas Dew Point o Plantas de Ajuste de Punto de Roco. Bsicamente el proceso consiste en provocar la condensacin del vapor de agua y de los hidrocarburos pesados mediante enfriamiento. Observando las curvas temperatura de roco del agua se ve claramente que la condensacin se favorecer a altas presiones. Es evidente que esta sencilla operacin necesita de otro agente a efectos de impedir la formacin de hidratos en la instalacin al reducir considerablemente la temperatura del gas, a tal fin se utilizan los glicoles, por su doble accin, como absorbente y como anticongelante. Atendiendo las bajas temperaturas de trabajo el ms apto es el monoetilenglicol. Soluciones al 70% son altamente higroscpicas y de muy bajo punto de congelamiento. Se puede decir que prcticamente soluciones que oscilen entre el 60% y 80% no congelan. Por lo general en ste tipo de Plantas, se encuentran instalados intercambiadores Gas-Gas que optimizan el rendimiento de la misma, calentando el gas de salida merced al enfriamiento del gas de entrada. Una solucin de monoetileneglicol pobre, es inyectada antes y en el intercambiador gas-gas. El gas es dirigido a un enfriador (chiller) que constituye el evaporador de un ciclo frigorfico, donde se lo lleva por debajo del punto de roco establecido para su inyeccin a gasoducto.



El lquido posteriormente es extrado en un separador de alta presin de tres fases comnmente llamado trifsico o separador de fro, donde la fase gaseosa constituye el llamado gas residual seco que se enva a gasoducto o al proceso restante. La fase lquida se subdivide en dos, una constituida por la solucin glicol-agua y la restante por gasolina, debido a la inmiscibilidad de ambos y su apreciable diferencia de densidad, son fcilmente separables. La corriente de glicol enriquecido con agua es enviada a la Planta Regeneradora o Rectificadora, donde a presin atmosfrica y mediante la entrega de calor, se la despoja del agua absorbida. La gasolina obtenida en estas condiciones contiene apreciable cantidad de hidrocarburos livianos, como ser propano y butano, razn por la cual se los debe eliminar de la misma, transformndola en gasolina estabilizada. El propano y butano se puede inyectar a gasoducto separarlos para su utilizacin como gas licuado de petrleo. La experiencia ha mostrado que este tipo de instalacin es muy confiable y ofrece resultados satisfactorios. Los problemas ms comunes son ms bien de carcter mecnico y fcilmente solucionables a saber: a.- Deficiente pulverizaci6n del glicol en su inyeccin, con lo que no se consigue un contacto intimo glicol-gas. Debe revisarse el diseo del inyector o su control peridico. En algunas oportunidades, el desplazamiento de carbn activado de los filtros de la Planta Regeneradora, origina el taponamiento de los inyectores. b.- Problemas de separacin de condensado en el separador trifsico, generando arrastres de condensados y glicol al circuito posterior. Esta dificultad se mejora no sobrepasando los caudales de diseo, evitando disminuir el tiempo de residencia de los fluidos en el separador y respetando los adecuados niveles de operacin. Los dos sistemas de absorcin por contacto del flujo de gas con el TEG en la torre, o por inyeccin de MEG en el flujo, para un posterior enfriamiento, separacin y recuperacin; requieren de estar complementados con un sistema que regenere ste producto absorvedor, separando y eliminando la mayor parte del agua contenida. Ambos equipos de rectificacin o Planta Regeneradora son similares, y se basan en elevar la temperatura de la mezcla hasta valores suficientes para evaporar el agua y no el glicol, eliminando el agua en forma de vapor.


III III V

Planta y Proceso de Regeneracin de Glicol

En la siguiente figura se puede observar, en el recuadro inferior resaltado, un esquema de la Planta Regeneradora de Glicol, como parte de un proceso de absorcin por inyeccin.

Para la regeneracin del glicol, el mismo es bombeado previamente a travs de un condensador de reflujo enfriador en el tope de la columna de condensacin para condensar parte de los vapores que son descargados, pasando luego a travs de una serpentina de precalentamiento produciendo un intercambio de calor glicol-glicol, donde el glicol seco concentrado es enfriado y el glicol hmedo es precalentado, reducindose as la carga del calentador y evitando una ebullicin violenta. En la siguiente figura, se esquematiza el flujo descripto de recuperacin de glicol, para una Planta de una sola columna.



Luego pasa a travs de un filtro, y por ltimo es inyectado por la parte superior de una torre o columna de destilacin donde en primer lugar es parcialmente extrada o absorbida el agua por el contacto producido en la contracorriente con los vapores que se producen en el reboiler y luego, aprovechando la diferente temperatura para el cambio de estado fsico que tienen el agua y el glicol, se produce la vaporizacin del agua debido a la temperatura de este proceso.

En algunos casos o diseos, se utilizan dos torres por donde pasa el glicol a regenerar: 1) Una torre llamada torre ciega donde ingresa el glicol previamente calentado y donde se separa parte del agua que sale al exterior en forma de vapor. 2) Otra torre, llamada torre de destilacin en la que el glicol entra en contacto a contra corriente con los vapores de agua y pequeas cantidades de vapores de glicol y gasolina generados en el calentador. El glicol que fuera arrastrado con el vapor que sube, se condensa en la seccin de productos de cabeza y vuelve al calentador. El vapor no condensado deja la parte superior de la columna y es enviado al tanque de eliminacin.


En el siguiente esquema se observa un corte de ambas torres y del calentador de glicol.



Como se ha visto anteriormente, la temperatura de degradacin de cualquiera de los glicoles mencionados est muy por encima del punto de ebullicin del agua. Por ejemplo, calentando si es trietilenglicol, hasta unos 193C (380F), el agua saldr por la torre de destilados en forma de vapor y el glicol rebasar por el vertedero al tanque de reserva. El glicol as regenerado cae por un vertedero en el calentador y de all al acumulador, de donde es enviado a la torre de contacto en donde ingresa a travs de un intercambiador (glicol-gas) de calor para enfriarse y comenzar nuevamente el ciclo. En circuitos instalados en Plantas de tratamiento, cmo por ejemplo las Plantas de Ajuste de Punto de Roco, se observa en la linea de glicol rico y posterior al precalentamiento del mismo (antes de los filtros); la presencia de un separador o "flash tank" que contribuir a despojar el gas asociado al glicol rico, proveniente del proceso de absorcin. En los siguientes esquemas se puede observar el detalle del conjunto en diversas variables.




ESQUEMA TIPICO DE UN CIRCUITO DE ABSORCION Y REGENERACION EN UN SISTEMA POR TORRE DE CONTACTO

ESQUEMA TIPICO DE UN CIRCUITO DE ABSORCION Y REGENERACION EN UN SISTEMA POR INYECCION


III III VI

Variables de Operacin

La presin y la temperatura son parmetros que influyen en la absorcin; se puede decir como regla general que altas presiones y bajas temperaturas son las condiciones ms favorables. No obstante hay ciertas limitaciones que es menester considerar: Temperatura: una condicin que es de suma importancia en la calidad del proceso es la de conservar las caractersticas fsicas optimas del glicol, las que se ven afectadas por la temperatura a lo largo de la operacin. A presin constante y considerando que al gas se lo recibe saturado en agua, a mayor temperatura el contenido de vapor de agua en el gas aumenta. Por lo tanto, cuanto mayor sea la temperatura de proceso, mayor ser la cantidad de agua que debe eliminar la torre y mayor ser la depresin del punto de roco. Pero si la temperatura aumenta mucho el glicol ser arrastrado por el flujo de gas y el retenedor de niebla ser superado, con la consecuente prdida del producto por la lnea de gas. Por otro lado bajar la temperatura del proceso tampoco es aconsejable ya que si la temperatura baja los 10C (50F) el glicol tiende a formar espuma y la viscosidad aumenta, a tal punto que el gas formar canales que no permitirn un buen contacto, reduciendo la eficiencia del proceso. El rango ptimo de temperatura se ubica entre 10C y 38C (50F y 100F). Presin: la presin tiene un marcado efecto sobre la viscosidad. Por ejemplo a 1000 psi (70 Kg/cm2) la viscosidad del D.E.G. se hace 3 a 4 veces la viscosidad que tiene a presin atmosfrica. Esto significa que para una concentracin dada del glicol a la entrada, la velocidad de circulacin del mismo debe ser aumentada en el absorbedor, para compensar la prdida en la eficiencia del plato a causa de su mayor viscosidad. En consecuencia, a medida que aumentan las presiones, la circulacin del glicol no es una funcin directa del contenido de agua en el gas, sino del cambio de las condiciones fsicas. Concentracin del glicol: El glicol que sale de la torre de contacto (glicol hmedo) se deshidrata en la planta rectificadora de glicol para luego volver al ciclo. Cuanto ms concentrado (seco) sea el glicol que entra a la torre de contacto, mayor ser la eficiencia de deshidratacin del gas. El grado de deshidratacin del glicol que pueda lograrse, depende en primer lugar de las especificaciones de diseo de la planta de glicol. As por ejemplo, tendremos plantas cuyo diseo garantiza una eficiencia de concentracin del glicol de: 98,5 %; 99,0 %; 99,5 %; etc. Esto significa que si la eficiencia de una planta de glicol es de 98,5 %, la concentracin de glicol ser 98,5 % y el resto, 1,5 %, es agua incorporada al glicol en el proceso (que la planta no elimina). Conocida entonces la eficiencia de la planta, podr determinarse si la misma trabaja de acuerdo a las especificaciones de diseo. Para ello se realiza un anlisis de determinacin de agua; la muestra de glicol se debe tomar a la salida del tanque de glicol seco.



Otros factores que influyen en el grado de deshidratacin del glicol son la capacidad de tratamiento de la planta que est relacionada con el caudal de circulacin del glicol y la temperatura del calentador. Para lograr una concentracin adecuada del trietilenglicol, la temperatura del calentador debe mantenerse entre 375 0F y 390 0F. Es importante controlar el valor mximo de temperatura para evitar la degradacin del TEG, la que se inicia a los 404 0F. Es una condicin de suma importancia en lo que hace a la regeneracin, observar un adecuado funcionamiento proporcional de los sistemas de control de temperatura del regenerador. Un funcionamiento si/no del controlador del mismo (que no es otra cosa que un Calentador Directo), propondr momentos de mximo rendimiento del quemador, con serias posibilidades de degradacin del glicol circulante, merced a las altas temperaturas generadas en el rea inmediata al tubo de fuego. Caudal de circulacin de glicol: Cuando se conoce la concentracin del glicol y el nmero de platos de burbujeo que tiene la torre de contacto, la depresin del punto de roco del gas saturado es funcin de la velocidad de circulacin del glicol. Las torres de contacto estndar tienen 4 a 8 platos de burbujeo. La circulacin del glicol vara de 3 a 5 galones por libras de agua en el gas. El valor prctico es 3 gal/lb de agua a eliminar. En general es ms favorable aumentar la concentracin del glicol que el caudal de circulacin. Esta determinacin depende de la capacidad de absorcin del glicol, o dicho de otra forma el TEG puede retener 1 libra de agua cada 3 a 5 galones. Continuando con el ejemplo de la pgina 19, donde tenamos que eliminar un total de 60 libras de agua, calculemos ahora el total de circulacin de glicol. Total de agua a eliminar por da: 1.800.000 pie3/ da de gas x 60 lb./MMCF gas = 108 lb. de agua/da Caudal de circulacin del glicol: adoptando el valor prctico de 3 gal/lb. agua se obtiene: Q glicol = 3 gal/Lb. agua x 108 Lb agua/da = 324 gal. glicol / dia. Q glicol = 324 / 24 = 13.5 gal / hora Con el dato de 13,5 gal/hora se puede recurrir al grfico de caudales de la bomba suministrado por el fabricante y determinar los golpes por minuto a que debe trabajar la misma para mantener dicho caudal horario de glicol en el sistema. En caso de no contarse con los grficos de la bomba, el caudal puede determinarse intercalando en el sistema un medidor de caudal del tipo de desplazamiento positivo, por calculo conociendo la carrera y dimetro del pistn, o contrastando la misma en servicio contra un recipiente calibrado. Como comentario final respecto a este tipo de plantas es de destacar su simplicidad de operacin, ya que las mismas requieren de una mnima atencin y no necesitan de personal permanente de operacin. Es conveniente un control diario de la temperatura de regeneracin y del caudal, y semanalmente del Ph y de la concentracin del glicol.


III IV DESHIDRATACION POR ADSORCION CON SLIDOS

El proceso de adsorcin es una forma de adhesin entre una superficie slida y el vapor de agua que aparece como una capa muy delgada, y se sostiene segn la propiedad de atraccin de los materiales y las caractersticas particulares de los mismos. La cantidad de agua adsorbida, vara con la naturaleza vara con la naturaleza y el rea superficial del desecante utilizado. Los desecantes ms efectivos, son los que tienen una alta relacin entre el rea superficial y su volumen. Probablemente, a sta caracterstica se sume que parte del agua se condense y sea retenida en los canales capilares en el interior del desecante (condensacin capilar).

III IV I

Procesos de Adsorcin

En general ste tipo de instalaciones estn equipadas inicialmente con un separador de entrada, utilizado para interceptar y separar los lquidos presentes en el flujo, evitando inconvenientes en el proceso que puedan reducir la capacidad del adsorbente. La corriente principal de gas pasar por una de las dos Torres de Secado, tomando contacto con el desecante que permitir la remocin de los vapores de agua. Otro flujo de reciclo o regeneracin, pasar a contracorriente por la segunda Torre, donde el agua adsorbida en el ciclo anterior por la misma, ser barrida por el gas caliente (generalmente un 10% de la corriente principal, y entre 350 F a 450F, dependiendo del tipo de desecante utilizado) hacia un enfriador y un posterior separador del agua condensada. Alternativamente entonces, una Torre est adsorbiendo los vapores de agua del flujo principal, mientras en la otra se est regenerando el desecante. Controladores cclicos o temporizadores, permiten el cambio automtico de las torres segn un programa horario establecido. Basados en las caractersticas y mtodos mencionados, son dos las variables generalmente utilizadas por aspectos prcticos y econmicos. La principal diferencia, radica en el punto dnde se toma el gas para el flujo de regeneracin.



En el siguiente esquema la corriente principal fluye a travs de una vlvula reductora de presin, la cual controla el flujo del gas de regeneracin, induciendo una cada de presin en la corriente principal.

El flujo principal entonces, contina hacia la torre seleccionada (en ste caso la N1), donde se adsorbern los vapores de agua, para seguir su curso hacia el resto del proceso. El flujo de regeneracin por su parte, es tomado aguas arriba de la vlvula reductora, y por diferencia de presin con el sector aguas abajo, circula hacia sa conexin pasando por un calentador primero, la otra torre (N2) en contracorriente permitiendo la remocin de la humedad retenida anteriormente, para condensarla a su posterior paso por un enfriador, y finalmente separarla en un depurador desde donde ser eliminada. El gas ya sin presencia de agua en estado lquido, se reciclar hasta la conexin mencionada, aguas debajo de la vlvula reductora de presin.

En otra de las posibilidades particulares del proceso (figura en la pgina siguiente), el gas de regeneracin es tomado de la salida de gas seco de la torre en uso, calentado, circulado por la torre a regenerar, posteriormente enfriado y separada el agua, para ser comprimido y reinyectado a la entrada del sistema.


El siguiente croquis, refleja la mencionada modalidad.

III IV II

Desecantes y Aplicaciones

Se pueden utilizar varios productos adsorbentes, cuya seleccin depender del tipo de problemas y de las condiciones de operacin. Los desecantes granulares son generalmente slica gel o almina activada. El primero es un material altamente silceo en forma de partculas sumamente irregulares, con densidad variable de 45 a 55 Lb/pi3. Las capacidades de adsorcin son variables, pudiendo inicialmente retener 20 libras de agua por cada 100 libras de desecante. Sin embargo, sta capacidad decrece rpidamente al 10% y de all lentamente hasta que llega el momento de su reemplazo. La duracin de los desecantes depender de la aplicacin a que se los someta. Bajo condiciones ideales puede durar hasta 10 aos, bajo condiciones muy rigurosas puede requerir de su reemplazo en el trmino de menos de un ao. Se debe considerar, que adems de daarse con los hidrocarburos pesados, las capas desecantes pueden ser contaminadas con SH2 en presencia de oxgeno y NH3 en presencia de CO2. El sistema es aplicable cuando se pretende un contenido de agua menor a 1 libra por milln de pies cbicos standard. Observando un cuidadoso diseo, pueden obtenerse Puntos de Roco cercanos a los 90F.

Cap03-Deshidratacion de Gas

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