Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

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DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN KATHERINE PRADA PALOMO JUAN PABLO RAMIREZ DÍAZ LUZ ADRIANA RUEDA GUARÍN UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS INGENIERÍA DE GAS BUACARAMANGA 2011

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Page 1: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN

KATHERINE PRADA PALOMO

JUAN PABLO RAMIREZ DÍAZ

LUZ ADRIANA RUEDA GUARÍN

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

INGENIERÍA DE GAS

BUACARAMANGA

2011

Page 2: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN

KATHERINE PRADA PALOMO

Cód. 2061770

JUAN PABLO RAMIREZ DÍAZ

Cód. 2063393

LUZ ADRIANA RUEDA GUARÍN

Cód. 2073163

Grupo O2 Subgrupo 4

HELENA MARGARITA RIBÓN BARRIOS

Ingeniera de Petróleos

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

INGENIERÍA DE GAS

BUACARAMANGA

2011

Page 3: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

3

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 7

1. ASPECTOS GENERALES 8

1.1 Deshidratación del gas natural 8

1.2 Efectos de la presencia de agua 9

1.3 Procesos de deshidratación 9

2. DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN 11

2.1 Tipos de adsorción 13

2.2 Aplicaciones 13

3. DESECANTES SÓLIDOS 15

3.1 Alúmina activada 15

3.2 Gel de sílice 16

3.3 Tamiz molecular 16

3.4 Acerca de los desecantes 20

3.5 Selección del desecante 21

4. DIAGRAMA DEL PROCESO 24

4.1 Unidad de dos torres 24

4.2 Unidad de tres torres 26

4.3 Ciclo de adsorción 28

4.4 Características operativas 29

5. DISEÑO DE ADSORCIÓN-REGENERACIÓN 30

5.1 Diseño del adsorbente 30

5.2 Diseño del regenerador 35

5.3 Gráfica del ciclo de regeneración 36

Page 4: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

4

5.4 Consideraciones de diseño 38

6. PROBLEMAS OPERACIONALES 38

7. DISEÑO DE TORRE DE ADSORCIÓN (APLICACIÓN) 43

7.1 Planteamiento del problema 43

7.2 Solución 43

7.3 Resultados 61

BIBLIOGRAFÍA 62

Page 5: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

5

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1: Efectos de la presencia de agua en el gas natural. 8

Figura 2: Procesos de deshidratación 10

Figura 3: Procesos de deshidratación (Imágenes representativas) 10

Figura 4: Aplicaciones de la adsorción con lecho sólido 11

Figura 5: Tipos de desecantes sólidos 15

Figura 6: Alúmina activada 16

Figura 7: Gel de sílice 17

Figura 8: Tamiz molecular 18

Figura 9: Unidad de deshidratación de dos torres. 25

Figura 10: Unidad de deshidratación de 3 torres. 27

Figura 11: Zona activa inicialmente y zonas en el ciclo de adsorción 29

Figura 12: Diseño de torre de adsorción típica. 34

Figura 13: Curva de regeneración para unidad de dos torres. 37

Figura 14: Gráfica de factor de compresibilidad 45

Figura 15: Gráfica para determinar la viscosidad del gas 46

Figura 16: Gráfica de contenido de agua en el gas por Macketta 51

Figura 17: Gráfica de corrección por saturación de agua. 52

Figura 18: Gráfica de corrección por temperatura 52

Figura 19: Gráfica para determinar las entalpias 59

Page 6: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

6

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones. 19

Tabla 2: Características operativas de un tamiz molecular 20

Tabla 3: Propiedades de los desecantes 23

Tabla 4: Características operativas de una planta de adsorción. 30

Tabla 5: Carga de masa de agua por masa de desecante. 32

Tabla 6: Constantes B y C según tipo de partícula 48

Tabla 7: Constante Z dependiendo el tamiz. 54

Tabla 8: Densidad del tamiz molecular según tipo de partícula 54

Tabla 9: Parámetros de diseño del problema 61

Page 7: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

7

INTRODUCCIÓN

La deshidratación del gas natural constituye una de las etapas

fundamentales en el tratamiento del gas la cual consiste básicamente en la

remoción de las impurezas del gas producido en cabeza de pozo. La

deshidratación por desecantes sólidos se fundamenta en el principio de

adsorción, en el cual el vapor de agua presente se adhiere a la superficie de

los desecantes, permitiendo así la remoción del contenido de agua no

deseado.

La deshidratación con desecantes o con lecho sólido constituye una

alternativa cuando se desea remover el contenido de agua a una cantidad

mínima ya sea el caso para ingresar el gas a una planta criogénica o se

desee remover agua y componentes ácidos simultáneamente. En

comparación con la deshidratación con glicol resulta ser más costosa, menos

contaminante pero con puntos de rocío de agua menores a la salida.

En el presente trabajo se describen cada uno de los tipos de desecantes más

comunes con sus respectiva aplicaciones, el diagrama del proceso de la

unidad de deshidratación ya sea de dos o tres torres, como se lleva a cabo

el proceso de adsorción y de regeneración en la unidad de deshidratación, y

finalmente el diseño de la torre de adsorción haciendo énfasis en el diseño

del adsorbente y del regenerador, para lo cual se presenta el diseño

preliminar de una unidad de adsorción de dos torres.

Page 8: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

8

DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN

Los tamices moleculares han encontrado una amplia aceptación en la

industria de proceso de gas para la alimentación de plantas criogénicas de

aplicaciones de condicionamiento y algunas aplicaciones de gas agrio con

fórmulas de ataduras resistentes especiales al ácido.

1. ASPECTOS GENERALES

1.1 DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL

El gas natural, como está producido, contiene normalmente vapor de agua.

El agua deberá ser removida a un punto típico de un contenido de 7 lb/MMscf

para la mayoría de los sistemas de transmisión de gas a puntos de

condensación al menos de -150°F de un tratamiento aguas arriba de equipos

criogénicos. El retiro del agua, o deshidratación, se realiza para prevenir la

formación de hidrato o corrosión en la recolección de gas, sistema de

transmisión o planta de tratamiento, como se presenta en la figura 1.

Figura 1: Efectos de la presencia de agua en el gas natural.

Fuente: Autores

Presencia de

Agua

Líneas de flujo

Hidratos

Corrosión

Agua Libre

Productos

Transporte (RUT)

Poder Calorífico

Recobro de

HCs

Procesos

Criogénicos

Page 9: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

9

1.2 EFECTOS DE LA PRESENCIA DE AGUA

En líneas de flujo: formación de hidratos ya que es una de las

condiciones fundamentales para que se forme además de la presencia

de hidrocarburos y condiciones adecuadas de presión y temperatura

(altas y bajas respectivamente), corrosión por la presencia de oxígeno, y

agua libre que debe retirarse del gas. El agua líquida se remueve con el

equipo adecuado, el agua remanente, en estado de vapor, debe

reducirse de manera que el gas alcance las especificaciones requeridas,

es decir un valor de 6lbs agua/MMscf.

En productos: debe cumplirse con el valor mínimo permisible establecido

por el RUT, especificación de transporte de gas en tuberías y debe

retirarse el contenido de agua ya que disminuye el poder calorífico del

gas.

En el recobro de líquidos: ya que los procesos implicados se llevan a

cabo a valores de temperaturas criogénicas, por ejemplo, recuperación

de etanol, lo cual requiere de que el gas natural ingrese al menor valor

posible de contenido de agua como vapor de agua.

1.3 PROCESOS DE DESHIDRATACIÓN

Los procesos presentados en las figuras 2 y 3 para retirar el contenido de

agua del gas natural están basados en una combinación de factores como:

Especificación del contenido de agua máxima

Contenido de agua inicial

Características del proceso

Disposición de la operación

Factores económicos

Page 10: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

10

Figura 2: Procesos de deshidratación

Fuente: Autores

Figura 3: Procesos de deshidratación (Imágenes representativas)

Deshidratación

Desecante líquidos

Desecante sólidos

Delicuescencia

Expansión-

refrigeración

Membranas

permeables

Tecnología Twister

Absorción con glicol Delicuescencia

Membranas permeables

TP

Expansión-Refrigeración

Adsorción con lecho sólido

Tecnología Twister

Page 11: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

11

La deshidratación con adsorción o con desecantes sólidos puede tener las

aplicaciones como deshidratar el gas natural, para el recobro de líquidos del

gas natural o para algunos desecantes con alta selectividad remover el

contenido de compuestos sulfurosos como se presenta en la figura 4.

Figura 4: Aplicaciones de la adsorción con lecho sólido

Fuente: Autores

Es importante aclarar que el contaminante más común del gas natural es el

agua, así como otro tipo de impurezas como pueden ser los compuestos

sulfurosos, entro otros.

Adsorción con

lecho sólido

Deshidratación del

gas natural

Recobro de

líquidos del gas

natural

Remover H2S

(Algunas veces)

Etanol

Agua

H2S

Page 12: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

12

2. DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN

Los sistemas de deshidratación con desecantes sólidos operan o trabajan

con el principio de adsorción,

La adsorción implica una forma de adhesión entre la superficie del desecante

sólido y el vapor de agua en el gas. El agua forma una capa extremadamente

fina que se adhiere a la superficie del desecante sólido por fuerzas de

atracción, pero no hay reacción química.

Los desecantes sólidos son usados para deshidratar porque son típicamente

más efectivos que el glicol, ya que pueden deshidratar o secar el gas a

menos de 0,1 ppm (0,5 lb/MMscf), sin embargo con el fin de reducir el

tamaño de la unidad de deshidratación con desecante sólido, con frecuencia

es usada la unidad de deshidratación con glicol para remover el agua de la

corriente de gas. La unidad de glicol reducirá el contenido de agua hasta

valores alrededor de 4 lb/MMscf, lo que reduciría la masa de desecante

sólido a utilizar para el secado final. El uso de desecantes sólidos como

alternativas diferentes al uso de glicol puede representar beneficios

ambientales, minimizar los compuestos hidrocarburos volátiles y

contaminantes peligrosos del aire (BTEX).

Los costos de compra y operación de las unidades de desecantes sólidos

generalmente son mayores que los de las unidades de glicol. Por lo tanto, su

uso esta típicamente limitado a aplicaciones tales como un alto contenido de

H2S en el gas, requerimientos de un punto de rocío muy bajo, control

simultaneo de agua e hidrocarburos y casos especiales como gases con

contenidos de oxígeno, etc.

Hay muchos desecantes sólidos los cuales poseen características físicas

para adsorber el agua del gas natural. Estos desecantes generalmente son

usados en los sistemas de deshidratación los cuales consisten de dos o más

Page 13: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

13

torres y asociado a equipos de regeneración. Una torre está adsorbiendo el

agua del gas mientras que la otra torre está siendo regenerada y enfriada. El

gas caliente es usado para eliminar el agua adsorbida por el desecante,

después de la cual la torre es enfriada con un corriente de gas fría así parte

de gas secado es usado para la regeneración y el enfriamiento, y es

reciclado a la entrada del separador. Otras corrientes pueden ser usadas si

están suficientemente secas, como parte del gas residual.

2.1 TIPOS DE ADSORCIÓN

La adsorción es definida como la adhesión de una capa de moléculas a la

superficie de un sólido o un líquido. Esta es su diferencia con la absorción,

que es la transferencia de moléculas a través de una interface dentro de un

volumen de un sólido o un líquido. Dos tipos de adsorción en sólidos existen

1. Adsorción química, es la unión química de las moléculas a la superficie de

los átomos. La quimisorción ocurre cuando un enlace químico, o intercambio

de electrones, se forma. El resultado es la fijación de la molécula en la

superficie a través de una adsorción química.

2. Adsorción física, la que ocurre por fuerzas del tipo Van der Waals, entre un

átomo o una molécula y la superficie. En este caso no existe arreglo

electrónico en el sistema y sólo las fuerzas de atracción electrostáticas o

atracciones dipolares son puestas en juego, interacción que ocurre sin

modificación alguna de la molécula, fisisorción.

2.2 APLICACIONES

Adsorción versus absorción: La deshidratación con glicol es usada para la

mayoría de las aplicaciones donde se requiere la deshidratación del gas

Page 14: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

14

natural para cumplir con las especificaciones de transporte en las tuberías,

debido a que las unidades de glicol y la operación de las mismas representan

menos costos. La deshidratación con lecho solido (también llamada

deshidratación con desecante seco o por adsorción) es frecuentemente la

alternativa superior en aplicaciones como:

1. La deshidratación a puntos de rocío del agua menores de -40ºF a -58 ºF,

tales como aquellos requeridos aguas arriba de las plantas de extracción

de LGN utilizando expansores y plantas de LGN.

2. Las unidades de control del punto de rocío de los hidrocarburos donde la

extracción simultanea de hidrocarburos y agua es requerida para

satisfacer las especificaciones de venta. Esto es usado para controlar el

punto de rocío de los hidrocarburos en flujos de gas pobre a altas

presiones.

3. Deshidratación y eliminación simultanea de H2S del gas natural

4. Deshidratación de gases que contienen H2S donde la solubilidad del H2S

en el glicol puede causar problemas de emisiones

5. Deshidratación y eliminación de compuestos de azufre (H2S, COS, CO2,

mercaptanos) para flujos de GLP y LNG.

La viabilidad de la desulfuración depende de lo que se hace con la

regeneración del gas, porque si el gas se mezcla con residuos este se puede

volver acido de nuevo. El proceso de adsorción ocurre tanto en lechos fijos y

en lechos móviles (menos usados por la complejidad mecánica). En lechos

móviles, la operación es continua con el fluido y el contacto con el

adsorbente es en contracorriente.

Page 15: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

15

3. DESECANTES SÓLIDOS

Un desecante comercial debe tener afinidad por el agua, una gran área

superficial por unidad de volumen, alta resistencia mecánica, resistencia a la

abrasión, ser inertes químicamente, y tener un precio razonable. Tres

materiales básicos que se usan con frecuencia debido a que poseen estas

características en una manera satisfactoria son los que se presenta en la

figura 5.

Figura 5: Tipos de desecantes sólidos

Fuente: http: //sorbeadindia.tradeindia.com/

3.1 ALÚMINA ACTIVADA

La estructura del producto es amorfa y no cristalina. Su estructura la alúmina

es una forma hidratada del óxido de aluminio (Al2O3). Es usado para

Alúmina Activada Gel de Sílice

Pellet Bead

Tamiz Molecular

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16

deshidratación de líquidos y gases y data pontos de rocío a la salida

aproximadamente de -90ºF.

Figura 6: Alúmina activada

Características

Menos calor es requerido para regenerar alúmina y gel de sílice que para

los tamices moleculares

La temperatura de regeneración es más baja.

Los tamices moleculares dan menores puntos de rocío del agua a la

salida, es decir deshidratan más.

La alúmina activada se utiliza para secar gases y líquidos.

No han sido probadas en campo. La alúmina activada es usada raramente

en plantas de gas natural.

3.2 GEL DE SÍLICE

El gel de sílice es dióxido de silicio amorfo (SiO2). Se fabrica mediante la

adicción de silicato de sodio acuoso al ácido sulfúrico. Es usado para la

deshidratación de gas y líquidos y el recobro de hidrocarburos (iC5+) del gas

natural. Cuando se usa para eliminar hidrocarburos, las unidades son

frecuentemente llamadas HTUs (unidades de recobro de hidrocarburos) o

Page 17: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

17

SCUs (unidades de ciclo corto). Cuando se usa para deshidratación, el gel

de sílice dará punto de rocío de salido de aproximadamente -60ºF.

Ampliamente usado como desecante, el cual puede ser usado para

deshidratación de gas y recobro de líquidos del gas natural.

Figura 7: Gel de sílice

Características:

Más adecuada para deshidratación del gas natural.

El gel de sílice se utiliza principalmente como un desecante es menos

catalítico que la alúmina activada o los tamices moleculares.

Debido a que es amorfo, Absorberá todas las moléculas. Éste tendrá una

capacidad reducida para el agua si se utiliza para secar un gas saturado.

Debido a su capacidad de adsorción de varios tipos de moléculas, la gel

de sílice es usada a menudo para control del punto de roció de

hidrocarburos, corrientes de gas natural de altas presiones.

El gel de sílice adsorbe la mayoría de las moléculas de C5+ así como las

del agua, alcanzando efectivamente los dos puntos de rocíos específicos.

Se regenera más fácilmente en comparación con los tamices moleculares.

Alta capacidad de adsorción, puede adsorber el 45% de su propio peso en

agua.

Menos costoso que el tamiz molecular.

Poca capacidad para el recobro de líquidos

Page 18: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

18

3.3 TAMIZ MOLECULAR

Los tamices moleculares son fabricados en dos tipos de cristal, un cubo

simple o un cristal tipo A y un cubo centrado en el cuerpo o cristal tipo X. El

tamiz tipo A esta disponible en sodio, calcio y potasio. Los tipo X están

disponible en sodio y calcio. Los tamices de sodio son los más comunes y se

muestran a continuación en las fórmulas de óxido.

Figura 8: Tamiz molecular

Cristales de metales alcalino y de aluminio silicatos comprendidos en una

interconexión tridimensional de sílice y alúmina, la estructura es una matriz

de cavidades conectadas por poros uniformes con diámetros en el rango de

3 a 10°A (1A° =1 m*10^-10), dependiendo del tipo de tamiz, el tamiz

molecular el adsorbente más versátil porque puede ser fabricado para un

tamaño especifico de poro, dependiendo de la aplicación.

Características

Capaz de deshidratar el gas a un contenido de agua menor de 0,1 ppm

Se prefiere para deshidratar el gas antes de procesos criogénicos

especialmente para GNL.

Excelente para remover el ácido sulfúrico, CO2, deshidratación, altas

temperaturas de deshidratación, líquidos hidrocarburos pesados y alta

selectividad.

Page 19: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

19

Más costosos que el gel de sílice, pero ofrece mayor deshidratación.

Requiere altas temperaturas para regeneración, lo que resulta en un alto

costo de operación.

Los tamices moleculares deshidratadores son usados comúnmente antes

de las plantas de recuperación de LGN diseñadas para recuperar etano.

Los puntos de rocío del agua menores de -150ºF pueden ser logrados

con un diseño especial y parámetros de operación estricta.

En la tabla 1 se presentan características relevantes de los principales tipo

de tamices moleculares, con su diámetro y sus respectivas aplicaciones y en

la tabla 2 las características operativas de un tamiz molecular.

Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones.

Tipo de

tamiz

Diámetro

(Å) APLICACIÓN

3 A 3 Deshidratar olefinas, metanol y etanol

4 A 4.2 Deshidratar gases y líquidos, remover

H2S

5 A 5 Separar parafinas normales de cadenas

ramificadas e HC cíclicos, remover H2S

13 X 10

Remover mercaptanos y H2S, remover

H2O y CO2 de un planta alimentada de

aire

Fuente: Modificada CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the

Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003

Page 20: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

20

Tabla 2: Características operativas de un tamiz molecular

PARÁMETRO RANGO

Tasa de flujo 10 a 1500 MMscfd (0,3 a 42MMsm3d

Velocidad superficial Aproximadamente de 30 a 35 ft/min (9 a

11 m/min)

Caída de presión Aproximadamente de 5 psi (35 Kpa) y que

no exceda 10 psi (69 Kpa)

Tiempo de ciclo 4 a 24 horas, 8 horas o un múltiple de este

TEMPERATURAS Y PRESIONES

-Adsorción Temperaturas: 50 a 115°F (10 a 45°C)

Presiones: 1500 psig (100 Barg)

-Regeneración

Temperaturas: 400 a 600°F (200 a 315 °C)

Presiones: Presiones de adsorción o

menores

Fuente: KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural

Gas Processing. © 2006 by Taylor and Francis Group.

3.4 ACERCA DE LOS DESECANTES

Puede notarse que ningún desecante es perfecto o el mejor para todas las

aplicaciones, en algunas aplicaciones la elección es determinada

principalmente por el aspecto económico. Algunas veces las condiciones de

control del proceso inciden en la selección del desecante, si una unidad está

diseñada correctamente es muy raro que los desecantes puedan ser

intercambiables, lo que a menudo es posible es reemplazar en una clase de

adsorbentes el tamiz molecular de un proveedor por el de otro.

Page 21: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

21

Las alúminas tienen el menos costo por unidad de capacidad de

deshidratación. El gel de sílice es el siguiente. Los tamices moleculares son

los más costosos lo que se justifica por sus características especiales.

Todas las sustancias nombradas pueden ser adsorbidas dentro de alúmina y

gel de sílice. No así para los tamices moleculares 4A y 5A. Por lo tanto los

tamices moleculares tienen un grado de selectividad para las moléculas que

pueden adsorber. Las de la tabla 3 son las temperaturas de entrada en las

cuales el desecante normalmente no es económicamente viable. Los puntos

de rocío mostrados son los valores mínimos normalmente alcanzados con un

diseño y una unidad de operaciones adecuados.

Pequeñas cantidades de compuestos de sulfuro puede ser tolerada por los

otros 3 desecantes, sin embargo, las alúminas y la del de sílice generalmente

no son efectivas en la eliminación o remoción de estos componentes. El

sulfuro de hidrogeno y el dióxido de carbono pueden eliminarse por medio de

los tamices moleculares.

Las unidades comerciales están construidas para propósitos específicos. Los

tamices moleculares recobran cualquier molécula de hidrocarburo pequeña y

suficiente para entrar en la estructura cristalina la cual para una 4A podría

ser solo metano y etano en la serie de parafinas.

3.5 SELECCIÓN DEL DESECANTE

Una variedad de desecantes sólidos están disponibles en el mercado para

aplicaciones específicas, algunos son buenos únicamente para deshidratar el

gas, sin embargo otros son capaces de realizar ambas deshidratar y remover

componentes hidrocarburos pesados. La selección del desecante apropiado

para una aplicación dada es un problema complejo. Para los desecantes

sólidos usados en deshidratación las siguientes propiedades son deseadas:

Page 22: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

22

1. Alta capacidad de adsorción en equilibrio: esto reduce el volumen

de adsorbente necesario, teniendo en cuenta el uso de torres más

pequeños con los gastos de capital reducido y la entrada de

calor reducida para la regeneración.

2. Alta selectividad: minimiza la eliminación indeseada de componentes

valiosos y reduce los gastos generales de funcionamiento.

3. Fácil regeneración: la temperatura de regeneración relativamente baja

reduce al mínimo las necesidades globales de energía y gastos de

operación.

4. Baja caída de presión.

5. Buenas propiedades mecánicas (alta resistencia al aplastamiento,

resistencia al desgaste, estabilidad contra el envejecimiento), estos

factores disminuyen las necesidad totales de mantenimiento mediante

reducción de la frecuencia de cambio del adsorbente y minimizar las

pérdidas relacionadas con el tiempo de inactividad en la producción.

6. Económico, no corrosivo, no tóxico, químicamente inerte, alta densidad y

sin ningún cambio significativo en el volumen de adsorción y desorción de

agua.

7. El punto de rocío del agua requerido a la salida.

8. Recobro simultáneo de líquidos.

En conclusión los desecantes usados comercialmente están dentro de una

de las tres categorías: Geles, el gel de sílice y la alúmina son fabricados y

Page 23: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

23

acondicionados para tener una afinidad por el agua, Alúmina, es una forma

natural o fabricada del óxido de aluminio que es activada mediante

calentamiento, Tamices moleculares, producidos naturalmente o fabricados

de los aluminosilicatos presentan un grado de selectividad que se basa en la

estructura cristalina en su adsorción de los constituyentes del gas natural.

En la tabla 3 se presenta las propiedades de los principales desecantes.

Tabla 3: Propiedades de los desecantes

DESECANTE

Referencia

Alúmina

Activada

Alcoa (F-200)

Sílice Gel

Davidson (03)

Tamiz

Molecular

Zeochem

(1989)

Diámetro de

Poro

(Angstroms)

15 10 a 90 3, 4, 5, 10

Densidad

Aparente

(lb/ft3)

44 a 48 45 43 a 47

Poder

Calorífico

(Btu/bl °F)

0.24 0.22 0.23

Máxima

Temperatura

de entrada

125 120 150

Mínima

Temperatura

Rocío

(°F)

-90 -60 --150

Temp.

Regeneración

(°F)

350 a 500 300 a 500 425 a 550

Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003

Page 24: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

24

4. DIAGRAMA DEL PROCESO

4.1 UNIDAD DE DOS TORRES

El gas húmedo entra por la parte de arriba de la torre debido a que el flujo

ascendente, incluso a bajas velocidades, causa levantamiento y rebote del

lecho. El tiempo depende de la capacidad del lecho y la cantidad de agua

que debe eliminarse. Mientras que el lecho se usa para el seca, el segundo

lecho está siendo regenerado. Otra corriente que por lo general es el 5-10%

de la corriente total, se calienta de (400-600 ºF). el gas entra por la parte

inferior del lecho a ser regenerado y a medida que el desecante es calentado

el agua es eliminada. El gas caliente de regeneración es enfriado para

condensar la mayor parte del agua y luego se lleva al proceso de separación

y la corriente de gas es devuelta a la corriente de gas principal de gas

húmedo. Al final del ciclo de calentamiento el lecho puede estar entre 400-

550ºF, este lecho debe ser enfriado antes de ser puesto en funcionamiento.

En el sistema más simple se evita el calentador y se continúa pasando el gas

de regeneración hasta que el gas de salida tenga una temperatura de 25-

30ºF por encima de la temperatura del gas de entrada. Y una vez que la torre

se conecta para la deshidratación este se enfría a la temperatura del gas. El

flujo de enfriamiento se hace en la misma dirección del flujo de calentamiento

con un flujo ascendente.

Si para refrigeración se usa un gas húmedo se debe hacer en la misma

dirección de la adsorción pero es más costoso debido a que se deben

agregar un juego de válvulas adicionales.

Page 25: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

25

Figura 9: Unidad de deshidratación de dos torres.

Fuente: Modificada KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. © 2006 by Taylor

and Francis Group, LLC.

GAS HUMEDO

Separador

de Entrada

Torres de Adsorción

Filtro de

finos

GAS SECO

Calentador de gas

de regeneración

Condensador

Separador

Agua Libre

Gas reciclado de regeneraciónCompresor

Cerrado Abierto

Ad

so

rbedo

r 1

Ad

so

rbedo

r 2

Page 26: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

26

4.2 UNIDAD DE TRES TORRES

Dos lechos están conectados en paralelo o serie para adsorción, mientras que el

tercer lecho se regenera.

-EN PARALELO

En paralelo los tiempos de ciclo son alternados, debido a q los lechos se quitan de

la corriente para la regeneración y retornan a la adsorción uno a la vez, en este el

frente de saturación del lecho 1 está más abajo que el del lecho 2, ya que ha

estado más tiempo en adsorción y cuando se llega a la ruptura el lecho 1 pasa a

regeneración y los lechos 2 y 3 pasan a adsorción para la regeneración se usa el

gas seco.

-ENSERIE

En serie, el primer lecho se satura completamente mientras que el segundo está

funcionando en adsorción, cuando el primer lecho se saca de la corriente de

adsorción el segundo lecho pasa a ocupar la posición del primero y el lecho

regenerado para a ocupar la posición del segundo. El funcionamiento en serie no

es muy utilizado.

Page 27: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

27

Figura 10: Unidad de deshidratación de 3 torres.

Fuente: Modificada KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. © 2006 by Taylor

and Francis Group, LLC

Tam

iz 3

Tam

iz 2

Tam

iz 1

sep

arado

r

Intercambiador

de calor

Tamices

Moleculares

Gas seco a

separar

De la etapa

previa

Filtro

Agua

Enfriador

Cerrado Abierto

Page 28: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

28

4.3 CICLO DE ADSORCIÓN

Durante el funcionamiento normal en el ciclo de secado (adsorción), existen

tres zonas separadas en el lecho como se presenta en la figura 11.

La zona de equilibrio

La zona de transferencia de masa (MTZ)

La zona activa

En la zona de equilibrio el desecante, está saturado con agua. Se ha

alcanzado el equilibrio de la capacidad de adsorción de agua basado en las

condiciones de entrada del gas y no tiene más capacidad para adsorber el

agua.

Virtualmente toda la transferencia de masa ocurre en la MTZ. Existe un

gradiente de concentración a lo largo de la MTZ. La saturación de agua en el

lecho es 0% en el borde de avance de la MTZ y 100% en el borde superior

de la MTZ, el que tiene contacto con la zona de equilibrio.

La longitud de la MTZ generalmente se verá afectada por los siguientes

factores: la velocidad del gas, los contaminantes, el contenido de agua y la

saturación relativa del gas de entrada. Un aumento en la velocidad del gas

aumenta la longitud de la MTZ al igual que los contaminantes los cuales

proporcionar resistencia adicional por lo cual retardan el proceso

La tercera zona es la zona activa. En la zona activa el desecante tiene toda

la capacidad para adsorber el agua y solo contiene agua residual que quedo

del ciclo de regeneración.

Cuando el borde de avance de la MTZ alcanza el final del lecho, ocurre la

ruptura. Si se permite que el proceso de la adsorción continúe, el contenido

de agua del gas de salida aumentará hasta que la concentración del agua en

la salida sea igual al de la entrada.

Page 29: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

29

Figura 11: Zona activa inicialmente y zonas en el ciclo de adsorción

Fuente Modificada: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the

Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003

4.4 CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS

Existen una serie de características generales que se pueden tener cuando

se realiza un proceso de deshidratación por adsorción, a continuación se

Page 30: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

30

muestran las más relevantes en el diseño e implementación de este

proceso, tabla 4.

Tabla 4: Características operativas de una planta de adsorción.

Rango operativo

T> 50ºC para utilizar capacidad de

secado, gas por encima del punto de

hidratos, sin limitaciones en P

Tiempo de vida del

desecante

3 a 5 años limitado por hidrocarburos, polvo

y rompimiento

Deshidratación obtenida -75 a -125ºC (-103ºF a -193ºF)

Duración del ciclo Varía dependiendo la carga de agua y la

tasa de gas entre 8 y 24 horas

Flujo de Gas Descendente para adsorción ascendente

para regeneración

Regeneración

Depende del tipo de desecante

Límite de temperatura (400-600ºF)

Porcentaje de la corriente de gas seco (10-

15%)

Tiempo de ciclo (60% del tiempo de

regeneración es para calentamiento)

Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.

Page 31: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

31

5. DISEÑO DE ADSORCIÓN-REGENERACIÓN

5.1 DISEÑO DEL ADSORBENTE

El primer paso es determinar el diámetro del lecho, el cual depende de la

velocidad superficial. Un diámetro muy grande requerirá una alta tasa de gas

de regeneración para prevenir la canalización. Un diámetro muy pequeño

causará una alta caída de presión.

Donde las constantes B y C se sacan de datos de tabla, según el tipo de

partícula.

Regla de la mano derecha ⁄ = 0,33 psi/ft; asumiendo una composición

del gas y una temperatura.

Una caída de presión de diseño mayor a 8 psi no es recomendada cuando el

desecante es frágil y puede ser aplastado por el peso total del lecho y las

fuerzas de la caída de presión.

-CÁLCULO DEL DIAMETRO MÍNIMO

(

)

Necesito hallar q y Vmáx, para poder hallar Dmín.

(

)

((

) (

)

)

Page 32: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

32

(

)

El valor de ( ⁄ ) en esta ecuación depende del tipo de tamiz el tamaño

y la forma, pero un valor típico para diseño es 0,33 psi/ft.

-CÁLCULO DE LA MASA DEL DESECANTE

El próximo paso es escoger un periodo de adsorción y calcular la masa del

desecante requerido. Los periodos de adsorción comunes son de 8 a 12

horas. Largos períodos de adsorción significan menos regeneración y una

vida del tamiz más larga, pero grandes lechos y capital de inversión

adicional.

Tabla 5: Carga de masa de agua por masa de desecante.

Tipo de desecante Carga masa de agua/ masa

desecante

Alúmina 4-7%

Gel de Sílice 7-9%

Tamiz molecular 9-12%

Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.

Para determinar la masa del desecante requerido en la zona de saturación,

se calcula la cantidad de agua a ser eliminada durante el ciclo y se divide por

la capacidad efectiva.

Page 33: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

33

Donde:

Wr = La cantidad de agua a remover

Css = Corrección por saturación de agua

CT = Corrección por temperatura

-CÁLCULO DE LA ATURA TOTAL DEL LECHO

La altura total del lecho es la suma de la zona de saturación y de la altura de

la zona de transferencia de masa. Esta debe ser no menor que el diámetro

interno de la torre.

LT = LMTZ + LS

Donde:

LT : Longitud total del lecho

LMTZ : Longitud de la zona MTZ

LS: Longitud de la zona de saturación.

Ahora para verificar los parámetros de diseño:

( ⁄ )

14-17 ° C [ 25-30 F].

La altura real de la torre será la altura del lecho más la altura de los soportes

del lecho y el espacio suficiente para asegurar una buena distribución flujo

Page 34: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

34

en la parte superior del lecho. Esta altura adicional es generalmente 1 a 1,5

m [3,3-5] pies. Una torre de absorción típica se muestra en la figura 12.

Figura 12: Diseño de torre de adsorción típica.

Fuente. CAMPBELL, Jhon. Adsorbente con distribuidor de gas y bolas de

cerámica.

Antes de proceder con los cálculos de regeneración una comprobación

rápida de la realidad es hecha. La relación longitud del lecho deseada sobre

diámetro del lecho (hB/d) debe estar entre aproximadamente 2,5-6.Un valor

inferior a 2,5 puede resultar en una menor capacidad útil del desecante

debido a la relación relativamente alta de MTZ/hB. Un valor superior a 6

puede resultar en una excesiva ∆P. El total de ∆P a través de una torre de

adsorción no debe exceder de 55-70 kPa (8-10psi). Si el lecho es

demasiado corto, el tiempo del ciclo o el número de lechos sebe ser

aumentado. Si el lecho es demasiado largo es lo contrario.

Page 35: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

35

5.2 DISEÑO DEL REGENERADOR

En el diseño del regenerador, el calentamiento debe cumplir con las

siguientes características:

Calentar el desecante por lo menos a 204-288°C

Calentar y después vaporizar el agua adsorbida.

Calentar y luego vaporizar los hidrocarburos en el lecho.

Calentar la torre y e interior del acero.

Calentar las válvulas y la tubería en la línea entre el calentador de

regeneración y las torres.

Suministrar el calor perdido a través del aislamiento. El primer paso para

calcular el calor total requerido para desorber el agua y calentar el

desecante y la torre. Un 10% del calor perdido es asumido.

La temperatura, Trg, es la temperatura a la cual el lecho y la torre deben ser

calentado basado en el aislante exterior de la torre. Esto es

aproximadamente 50ºF por debajo de la temperatura del gas caliente de

regeneración que entra a la torre. Para la determinación de la tasa del gas de

regeneración, se calcula la carga total de regeneración. El tiempo de

calentamiento es usualmente de 50% a 60% del tiempo total de regeneración

el cual debe incluir el periodo de enfriamiento.

Calor requerido para desorber el agua

Calor requerido para calentar el material del lecho

Page 36: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

36

Donde:

Trg: Temperatura de regeneración (°F)

Ti: temperatura inicial (°F)

Calor requerido para calentar el acero

Pérdidas de calor a la atmósfera

5.3 GRÁFICA DEL CICLO DE REGENERACIÓN

Finalmente calculo el gas de regeneración:

La temperatura TH es la del gas de regeneración dentro del lecho. El perfil de

temperatura T1 -T4 es la temperatura de salida del gas de salida del lecho. En

este caso, cuando la temperatura de salida del lecho (T4) es de unos 176 ° C

[350 °F], el ciclo de calentamiento ha terminado y empieza el ciclo de

enfriamiento. El perfil T4 - T5 muestra la temperatura de salida del lecho

durante el ciclo de enfriamiento.

El ciclo completo de regeneración se puede dividir en cuatro (4) intervalos

de tiempo específicos, como se presenta en la figura 13. Intervalo A (QA) es

prácticamente todo el calor sensible. Representa el tiempo necesario para

calentar el lecho, el acero y agua adsorbida de T1 a T2. A la T2, el agua

comienza a evaporizarse del desecante. El intervalo B (QB) es donde la

mayor parte del agua es expulsada del lecho. Esto requiere calor suficiente

para no sólo revaporizar el agua, sino también para romper las fuerzas de

Page 37: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

37

atracción que unen el agua a la superficie del adsorbente. Esto a menudo se

denomina calor de humedecimiento. La suma del calor latente y el calor de

humedecimiento es el calor de desorción.

El intervalo C (Qc) representa el tiempo requerido para eliminar los

contaminantes pesados y el agua residual. El perfil de temperatura para Qc

es de T3 a T4. Cuando el lecho alcanza T4, el gas de enfriamiento se

introduce en el lecho. Intervalo D (QD) representa el ciclo de enfriamiento.

Todo esto es calor sensible y el perfil de temperatura es de T4 a T5. El ciclo

de refrigeración es normalmente finalizado cuando T5 – T1 = 0.

Figura 13: Curva de regeneración para unidad de dos torres.

Fuente. CAMPBELL, Jhon. Curvas de temperatura para un sistema de dos

torres adsorbedoras.

Page 38: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

38

5.4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Velocidad superficial del gas: Durante el ciclo de adsorción, la

disminución de la velocidad de flujo aumenta la capacidad del desecante

para deshidratar el gas.

Longitud y espesor del lecho: En su forma más simple un adsorbedor es

una torre cilíndrica llenada con el desecante sólido.

Capacidad del desecante: Razonable únicamente dentro del un rango de

presión, temperatura y mecanismos de envejecimiento, composición.

Longitud de la MTZ: La longitud de la MTZ depende de la composición

del gas, la tasa de flujo el valor de saturación relativa del agua en el gas,

y de la capacidad de carga del desecante.

Tiempo de ruptura: El tiempo de ruptura o de irrupción para el agua

formada.

6. PROBLEMAS OPERACIONALES

Las unidades de deshidratación con tamiz molecular son confiables y por lo

tanto requieren muy poca atención en la operación de las mismas. El

principal problema que se puede presentar es la contaminación del lecho

debido a un mal acondicionamiento de la corriente de entrada, pero en

general pueden ser:

Contaminación del lecho

Altos puntos de rocío

Page 39: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

39

Tiempo de ruptura temprano

Daño en el soporte de fondo

Pobre distribución del gas

Perdida de calor y de eficiencia

- ACONDICIONAMIENTO DE LA CORRIENTE DE ENTRADA

El problema operacional más frecuente es sin duda el acondicionamiento de

la corriente de gas de entrada, el gas que va a entrar al lecho debe estar libre

de hidrocarburos y otras sustancias utilizadas en tratamiento químicos

anteriores (glicol, aminas, metanol), agua libre y sólidos. Algunos están

diseñados para tolerar ciertas cantidades de estos componentes pero si

persisten y están en gran cantidad reduce la capacidad del lecho y ocasiona

daños mecánicos al material del desecante.

Se debe instalar aguas arriba de cualquier sistema de deshidratación con

lecho solido un separador apropiado para la composición de la corriente de

entrada seguido por un separador por coalescencia y un filtro. Si el gas de

alimentación se encuentra en un punto de rocío retrogrado (presión superior

a la presión cricondenbárica) se recomienda calentar ligeramente la corriente

de entrada unos 9ºF para evitar la condensación retrograda.

Algunos de los contaminantes del lecho más comunes se menciona a

continuación:

Hidrocarburos: Hidrocarburos pesados y fracciones de aceites lubricantes

que son adsorbidos en macro poros los cuales son más grandes que los

sitios activos para el agua. Estos podrían desencadenar reacciones como

de polimerización y craqueo, generando residuos y resulta en una pérdida

del equilibrio dinámico y una ruptura prematura. En el caso de

Page 40: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

40

hidrocarburos livianos como GNL pueden ser adsorbidos en los macro

poros no dejan residuos.

Glicoles: similar a lo que ocurre con los crudos pesados. Estos son

adsorbidos en los macroporos y se descomponen durante la

regeneración. Esto pude dar lugar a la formación de coke en el tamiz o a

la cementación de este formando “bloques”. Esto incentiva la canalización

del gas el cual a su vez causa la ruptura temprana del mismo.

Aminas: Como los hidrocarburos y los glicoles pueden contribuir al coking.

además se produciría amonio durante la regeneración. este podría dañar

la estructura física del tamiz. Se recomienda colocar dos o tres “bandejas

de lavado de agua” en la parte superior de la torre contactora en la cual la

corriente de alimentación contenga aminas para minimizar la entrada de

aminas a el lecho.

Sal: usualmente ingresa al lecho del desecante disuelta en el agua de

entrada. Desafortunadamente no sale cuando el agua es vaporizada y

removida del lecho durante la regeneración. Por lo tanto la sal solida se

acumulan y bloquea los poros, los macroporos y une los beads formando

“bloques”. una vez se presenta esta acumulación se reduce la capacidad

del adsorbente por debajo del nivel requerido para mantener los ciclos de

tiempo, y se hace necesario reemplazar el adsorbente. Ocurre en gas en

formaciones de domos salinos.

Oxigeno: si existe algo de oxígeno en el sistema o en la regeneración del

gas, éste reaccionará con el H2S, con algunos de los otros componentes

de sulfuro que están en la superficie de los tamices y con depósitos de

azufre elemental. En casos extremos, esto no solo bloqueara los poros

sino también el espacio entre las partículas de los tamices, lo que

Page 41: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

41

resultara en la formación de un bloque que serán muy difícil a ser

removidos.

Las complicaciones resultantes del oxígeno en el sistema de

hidrocarburos no están limitadas a la producción de sulfuro. La reacción

con los hidrocarburos presentes, especialmente durante el calentamiento

del ciclo de regeneración, puede generar coke muy pesado que se

deposita en el lecho y lo contamina.

Debido a que el oxígeno puede entrar al sistema por diferentes formas, es

una buena idea determinar la cantidad de oxígeno en un análisis de rutina

de la corriente de entrada. Si se detectan pequeñas cantidades y además

la fuente de donde provienen y se soluciona el problema evitando la

entrada del oxígeno a la corriente de alimentación, es posible prevenir

daños severos en los tamices.

H2S y componentes de azufre: Son adsorbidos en los tamices 4 A Y 5 A.

En efecto los tamices moleculares en algunas ocasiones son usados para

remover ácido sulfúrico de la corriente de gas natural. Cuando H2S y CO2

están presentes en la corriente de alimentación del gas, se deben utilizar

tamices especiales para minimizar la formación de COS.

Otro tema en el cual es importante considerar la concentración de H2S es

durante la regeneración del lecho durante los últimos 5-15 minutos. En

otras palabras, todo el H2S adsorbido en el desecante durante el ciclo de

adsorción es removido del lecho en intervalo corto de 5-15 minutos. Esto

puede aumentar la concentración de H2S en el gas de regeneración a

cientos o algunas veces miles de ppm. Dependiendo de la disposición del

gas de regeneración esto puede requerir quema temporal o la posterior

eliminación de H2S en el gas de regeneración.

Page 42: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

42

Desafortunadamente, todos los componentes de azufre no están

diseñados para una fácil eliminación de los tamices. Los mercaptanos

más pesados y otras moléculas más grandes, con alto punto de

ebullición, los compuestos de azufre, no proporcionan una eliminación

eficiente durante un ciclo normal de regeneración de los tamices

moleculares. En consecuencia, tienden a influir en la edad del lecho y

producir una reducción de la capacidad de este.

Metanol: Este es frecuentemente utilizado como inhibidor de hidratos en

los sistemas de producción y recolección. La presión de vapor del

metanol es mayor que la del agua, por lo que cantidades significativas

de metanol pueden estar presentes en la fase vapor de la corriente de

gas de entrada. Metanol es adsorbido en el tamiz 4 A, y reducir la

capacidad del desecante para adsorber agua. Si el metanol está

presente en la corriente de gas de alimentación, se debe incluir una

capacidad adicional en el diseño. En algunas ha resultado el uso del

tamiz 3 A para evitar la adsorción del metanol.

-ALTOS PUNTOS DE ROCÍO

Se puede presentar que el gas de salida tenga un punto de rocío superior al

punto de rocío esperado o seleccionado en el diseño del tamiz y esto puede

ser causado por una regeneración incompleta del desecante o por una

refrigeración incompleta del desecante, manifestados en disminución de la

capacidad de adsorción, por una ruptura temprana que puede ser causada

por un incremento en la longitud de la zona de transferencia de masa, o por

un excesivo contenido de agua en la corriente de entrada del gas húmedo

que puede ser causado por el incremento en la tasa de flujo, las altas

temperaturas o presiones muy bajas.

Page 43: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

43

-TIEMPO DE RUPTURA PREMATURO

La capacidad de los desecantes tiende a disminuir o a estabilizarse en un 55

a un 70% de la capacidad inicial debido al “envejecimiento”. Y puede ser

causado por un aumento no conocido del agua en la corriente de entrada, un

aumento en la cantidad de hidrocarburos pesados en el gas de alimentación,

la contaminación del desecante o por una regeneración incompleta.

-DAÑO EN EL SOPORTE DE FONDO

Una caída de presión muy brusca o un aumento en la velocidad superficial

del gas pueden causar el daño de los soportes y causar la aparición de fugas

en el lecho. Como resultado se debe reemplazar el lecho entero, siendo muy

importante contar con el diseño mecánico apropiado para el soporte, instalar

la correcta cantidad y calidad de bolas cerámicas.

-POBRE DISTRIBUCIÓN DEL GAS DENTRO DE LA TORRE

Cuando las bolas de cerámica, las mallas o los distribuidores de gas que se

instalan en la torre presentan problemas causan una pobre distribución del

gas dentro de la torre lo que puede ocasionar la canalización del gas dentro

del lecho lo que puede llevar a una ruptura temprana en el lecho y además a

la no utilización del lecho completo tanto en la adsorción como en la

regeneración.

Page 44: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

44

7. DISEÑO DE TORRE DE ADSORCIÓN (APLICACIÓN)

A continuación se presenta el planteamiento de un problema para el diseño

preliminar de una torre de adsorción para una unidad de dos torres, con su

respectiva solución o parámetros de diseño.

7.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

100 MMscfd de gas natural con peso molecular de 18 lb/lb-mol es procesado

para recuperar etano. El gas está saturado con agua a 600 psia y 100°F y

debe ser secado para obtener un punto de rocío de -150°F. Determinar el

contenido de agua y la cantidad de agua que debe ser removida y hacer el

diseño preliminar de un sistema de deshidratación de dos torres con tamiz

molecular de 4A -1/8´´ Beads.

El gas de regeneración es parte del gas residual de la planta, el cual está a

600 pisa y 100°F y tiene un peso molecular de 17 lb/lb-mol. El lecho debe ser

calentado a 500°F para la regeneración.

7.2 SOLUCIÓN

Se recomienda seguir el siguiente procedimiento para el diseño preliminar de

las torres de adsorción.

a) Calcular las propiedades del gas

Gravedad específica : Utilizando la definición

Teniendo en cuenta que el peso molecular del aire es 28,9586 lb/lbmol

Page 45: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

45

Factor de compresibilidad: Teniendo en cuenta la presión del gas de 600

psia y la Temperatura de 100 ºF se usa la Figura 23-5 de la GPSA para

hallar el factor de compresibilidad, como se presenta en la figura 14 del

presente trabajo.

Figura 14: Gráfica de factor de compresibilidad

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Densidad del gas: Se usa la ecuación de los gases reales

Page 46: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

46

Teniendo en cuenta las propiedades del gas

Viscosidad del gas: teniendo en cuenta la Temperatura de entrada del

gas de 100 ºF la gravedad especifica hallada de 0,62 y la presión de 600

psia se usa la Figura 23-23 de la GPSA, como se presenta en la figura 15

del presente trabajo.

Figura 15: Gráfica para determinar la viscosidad del gas

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Page 47: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

47

b) Dimensionamiento de las torres

Cálculo del diámetro mínimo

El diámetro mínimo se halla mediante la siguiente ecuación

En esta ecuación se desconoce el caudal y la velocidad máxima por lo

cual hallamos estos valores de la siguiente forma

Caudal

Para hallar el caudal primero necesitamos encontrar el flujo másico

Con el valor anterior y la densidad hallada anteriormente se halla el caudal.

Velocidad máxima Se halla mediante la siguiente ecuación

Donde Vmáx= Velocidad máxima

B= constante dependiente del tipo de partícula

C= constante dependiente del tipo de partícula

ρ= Densidad del gas

µ = Viscosidad del gas

Page 48: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

48

Para la anterior ecuación debemos tener en cuenta las propiedades del gas

calculadas anteriormente y además el valor de ∆P/L=0,33psi/ft debido a que

es el valor máximo permisible y los valores de las constantes C y B se toman

de la tabla 6.

Tabla 6: Constantes B y C según tipo de partícula

Tipo de partícula B C

1/8 inch (3 mm) bead 0,0560 0,0000889

1/8 inch (3 mm) pellets 0,0722 0,000124

1/16 inch (1,5 mm) bead 0,152 0,000136

1/16 inch (1,5 mm) pellets 0,238 0,000210

Fuente: SAIED, Mokhatab, POE, William A. SPEIGHT, James G. Handbook

of NATURAL GAS TRANSMISSION and PROCESSING. Elsevier 2006.

Ya conociendo los valores anteriores se puede calcular el diámetro mínimo

del lecho:

Page 49: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

49

Se debe seleccionar el diámetro estándar más cercano al diámetro mínimo

hallado anteriormente por lo tanto el diámetro seleccionado es 7,5 ft.

Debido a que el diámetro seleccionado es diferente que el mínimo se debe

realizar un ajuste tanto a la velocidad como a la caída de presión.

c) Cálculo de la cantidad de desecante (lb)

La cantidad del desecante se puede hallar mediante la siguiente ecuación

Donde:

Ss= cantidad del desecante (lb)

Wr= libras de agua a remover por ciclo

Css= Corrección por saturación de agua

CT= Corrección por Temperatura

Page 50: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

50

Cantidad de agua a remover: Se halla mediante la siguiente ecuación

Donde

QG= caudal de gas de entrada

Wi= cantidad de agua inicial

Wo= cantidad de agua requerida a la salida

Wr= Cantidad de agua a remover

La cantidad de agua inicial se halla mediante la gráfica de Macketta y Wehe

de la GPSA teniendo en cuenta las condiciones de entrada del gas de 100 ºF

y 600 psia y se encuentra un valor de 88 lb de agua/MMscf.

La cantidad de agua de salida se considera 0 debido a que la condición

requerida de salida es un punto de rocío de -150ºF. Por lo tanto el agua a

remover

Debido a que se definió un tiempo de adsorción de 12 horas el agua a

remover por ciclo es

Page 51: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

51

Figura 16: Gráfica de contenido de agua en el gas por Macketta and Wehe

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Corrección por Saturación de agua:

Con la temperatura de entrada mediante la figura 20-84 de la GPSA se halla

realizando una extrapolación la Css= 1, ver figura 17 del presente trabajo.

Page 52: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

52

Corrección por Temperatura

Con la Temperatura de 100ºF se halla CT=0,93 mediante la figura 20-85 de

la GPSA, ver figura 18 del presente trabajo.

Figura 17: Gráfica de corrección por saturación de agua.

.

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Figura 18: Gráfica de corrección por temperatura

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Page 53: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

53

Con los valores hallados anteriormente se encuentra la cantidad de

desecante por lecho:

A la cantidad de desecante hallada se le debe realizar una corrección como

indica la siguiente ecuación

Teniendo en cuenta que

Donde

Sst= Cantidad de desecante corregida

Ls= Longitud de la zona de saturación

LMTZ= Longitud de la zona de transferencia de masa

LT= Longitud total del lecho

Ss= Cantidad de desecante

Para realizar la corrección se debe hallar.

Longitud de la MTZ: se calcula mediante la siguiente ecuación

Donde

Z= constante dependiendo del tamiz.

Para determinar la constante Z se presenta la tabla 7.

Page 54: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

54

Tabla 7: Constante Z dependiendo el tamiz.

Z Tamiz

1,7 1/8 in

0,85 1/16 in

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Por lo tanto

Longitud de la zona de saturación: se halla mediante la siguiente ecuación

Donde

Ss= Cantidad de desecante

D= Diámetro seleccionado

ρdesec= Densidad del desecante

Para determinar la densidad del desecante se presenta la tabla 8.

Tabla 8: Densidad del tamiz molecular según tipo de partícula

Tamiz molecular

Densidad

Beads 42-46 lb/ft3

Pellets 40-44 lb/ft3

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Page 55: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

55

Por lo tanto:

Conociendo los valores anteriores se puede hallar la longitud total del lecho:

La cantidad de desecante corregida es:

d) Verificación de los parámetros de diseño

Se debe verificar que la caída de presión este entre el valor normal de 5 psia

y el valor máximo permitido de 8 psia mediante la siguiente ecuación:

Donde verificamos que si cumple con estas condiciones por lo cual los

parámetros de diseño hallados están dentro de los rangos permitidos.

Page 56: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

56

e) Cálculo del calor de regeneración

El calor de regeneración se calcula mediante la siguiente ecuación

Donde

QT= Calor total de regeneración del lecho (Btu)

Qw= Calor para desorber el agua (Btu)

Qsi=Calor para calentar el material del lecho (Btu)

Qst= Calor para calentar el acero (Btu)

Qlh=Perdidas de calor a la atmosfera (Btu)

Calor para desorber el agua: el calor necesario para calentar el agua a

evaporar en el proceso de regeneración se calcula mediante la siguiente

ecuación

Calor necesario para calentar el lecho:

Donde

Trg= Temperatura de regeneración ºF

Ti= Temperatura inicial del lecho ºF

Page 57: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

57

Calor para calentar el acero:

Para hallar las libras de acero se sigue la siguiente ecuación

Donde

t= espesor de la lámina para la construcción de la torre

D= diámetro seleccionado de la torre

Ls= Longitud de la zona de saturación

LMTZ= Longitud de la zona de transferencia de masa.

Se debe encontrar el valor del espesor de la lámina mediante la siguiente

ecuación:

Donde por regla de la mano derecha la presión de diseño es igual al 110%

de la presión de operación

Por lo tanto las libras de acero serán

Page 58: Deshidratacion de Gas Natural Por Adsorcion

58

Con los valores obtenidos anteriormente se puede calcular el calor necesario

para calentar el acero

Calor perdido a la atmósfera: se consideran que son el 10% del total de la

suma de los calores calculados anteriormente

Por lo tanto el calor total necesario para la regeneración

El calor total es:

f) Cálculo del caudal de gas de regeneración

El cálculo se realiza mediante la siguiente ecuación

Donde

mrg= la cantidad de gas de regeneración

QT= El calor total de regeneración necesario

Cp= Capacidad calorífica

Thot= temperatura caliente

Tb= Temperatura inicial

th= tiempo de calentamiento

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Teniendo en cuenta que por regla de la mano derecha el tiempo de

calentamiento es el 60% del tiempo de regeneración:

Y que la Temperatura Caliente es 50º por encima de la Temperatura de

operación Thot= 550 °F

Para hallar la capacidad calorífica se deben encontrar las entalpias a la T

caliente y a la inicial y se realiza mediante la Figura 24-11 de la GPSA

teniendo en cuenta el peso molecular del gas de regeneración de 17 lb/lbmol,

ver figura 19.

Figura 19: Gráfica para determinar las entalpias

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

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Por lo tanto la capacidad calorífica definida de la siguiente manera se halla

Con los datos anteriores se puede hallar el caudal de gas de regeneración

g) Verificación

El gas de regeneración debe cumplir la siguiente condición

Donde

B y C= constantes dependiendo del tamiz

µ= viscosidad del gas

ρ= densidad del gas

V= Velocidad superficial

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Se calculan de nuevo las propiedades para el gas de regeneración con un

peso molecular de 17 lb/lbmol siguiendo el procedimiento del paso a) y se

toman las constates C y B del paso b)

Donde se obtiene los resultados presentados en la tabla 9.

Tabla 9: Parámetros de diseño del problema

GAS DE REGENERACIÓN

M 17 lb/lbmol

ρ 0,94 lb/ft3

q 331,9 ft3/min

V 6,91 ft/min

µ 0,023 cP

B 0,056

C 0,000089

Se reemplazan los valores y se obtiene

Por lo tanto si cumple.

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BIBLIOGRAFÍA

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Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.

Gas Processors Suppliers Association (GPSA) Chapter 20, 23 y 24. 2004.

http://molecularsievedesiccant.com/

http://sorbeadindia.tradeindia.com/

KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas

Processing. © 2006 by Taylor and Francis Group, LLC.

SAIED, Mokhatab, POE, William A. SPEIGHT, James G. Handbook of

NATURAL GAS TRANSMISSION and PROCESSING. Elsevier 2006.