DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL DE LA GUAJIRA

MEMORIAS DE SIMULACIÓN

INGENIERÍA DEL GAS

Marzo 18 de 2014

Estudiante: Rafael Leonardo Rodríguez Galvis Código. 2090670.

Docente: Manuel Enrique Cabarcas Simancas.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

INTRODUCCIÓN.

La deshidratación de gases naturales se realiza para cumplir estrictas normativas de ley (Propias para cada País ó Región) que tienen en cuenta el contenido máximo de agua en los gases que se transportan por gasoductos. En el caso de Colombia y según el RUT (Reglamento único de transporte) es de 6 Lb H2O/MMscf. Para efectos de esta simulación, y por indicación del profesor, se tomó este parámetro como 4 Lb H2O/MMscf. Este es uno de los parámetros claves en el diseño de una planta de deshidratación, puesto que allí se basa todo el diseño conceptual.

Para poder cumplir este cometido de deshidratación existen 3 métodos comerciales: la Absorción (deshidratación con Glicoles), la Adsorción (Por tamiz molecular, Silica Gel ó Alumina Activada) y la Condensación (Refrigeración con Glicol ó inyección de Metanol). El más usado de los tres métodos es la deshidratación con glicoles y es el que se procede a realizar en el presente trabajo. Para ello se necesitan dos equipos primordiales: La torre Contactora (ó Absorbedora) de glicol y la Columna de Regeneración (Regenerador). Cada uno de estos equipos tiene un rango en el cual trabaja a condiciones óptimas, y todos los cálculos que se realizan en el diseño se hacen para que estos dos equipos trabajen de la mejor manera posible (la mayor eficiencia de absorción).

Los resultados de la simulación se puede decir que fueron completamente exitosos, pues se entendieron los parámetros clave del diseño de plantas deshidratadoras. Se compararon dos glicoles (Trietilén y Tetraetilén) en términos de separación, y se lograron sacar conclusiones importantes al respecto (análisis de las gráficas). De manera general se concluye que el TEG, aún con Gas de Stripping para aumentar su pureza al 98,7%, se comporta de manera mucho menos eficaz que el TREG, aunque los dos alcanzan a cumplir el requisito de diseño de no tener más de 4 Lb H2O/MMscf en la corriente del gas que va a ventas (gasoducto). Aunque también existen otros glicoles comerciales como el EG (Etilénglicol), el DEG (Dietilénglicol), y el MEG (Monoetilénglicol), el más ampliamente usado en la industria es el TEG.

BASES DE DISEÑO.

Descripción del problema:

El flujo de gas que se modeló tiene las siguientes características:

Presión de operación 1000 psia.

Temperatura de operación 85°F = 545 R. Flujo de Gas 100 MMscfD. Contenido de agua en la salida 4 Lb H2O/MMscf.

Composición del gas de entrada:

Componente Fracción molar

Nitrogen 0,00164

CO2 0,00602

H2S 0,00000

Methane 0,81504

Ethane 0,08019

Propane 0,05582

i-Butane 0,01379

n-Butane 0,01378

i-Pentane 0,00487

n-Pentane 0,00323

n-Hexane 0,00294

Mcyclopentan 0,00048

Benzene 0,00019

Cyclohexane 0,00051

n-Heptane 0,00079

Mcyclohexane 0,00001

Toluene 0,00024

n-Octane 0,00029

E-Benzene 0,00001

p-Xylene 0,00001

o-Xylene 0,00005

n-Nonane 0,00010

H2O 0,00000

TEGlycol 0,00000

DIAGRAMA DE LA PLANTA DE DESHIDRATACIÓN PROPUESTA:

Criterio Técnico Criterio Técnico

Equipo o proceso afectado

Valor de la variable

Justificación Página del libro John Campbell

Temperatura Contactor 9°F – 18°F

Es necesario hacer un approach debido a que el gas y el TEG no alcanzan

el equilibrio.

341

Deshidratación del Glicol

Planta Deshidrataci

ón

Arriba de 40 °F

El proceso más usado en sistemas de gas dulce que

requieren refrigeración moderada (hasta -40°F) es

el de Inhibición.

333

Temperatura Rehervidor 400°F

Para el TEG (400°F) esta temperatura depende de

parámetros como la circulación de TEG, la

relación de flujo, la efectividad de aislamiento

y la tasa de gas de Stripping (si existe).

362

Absorción Planta

Deshidratación.

0.1 ppm >=

La absorción es el proceso

más usado para obtener bajos contenidos de agua en bajas temperaturas de

proceso.

333

TREG Planta

Deshidratación

122°F

Se usa en pocas ocasiones, por ejemplo

cuando la temperatura del gas excede el “Valor de la

Variable”

334

TEG Regenerado

r 404 °F

La temperatura máxima en el regenerador tiene como limitante a la temperatura de degradación del TEG

336

Criterio Técnico Criterio Técnico

Equipo o proceso afectado

Valor de la variable

Justificación Página del libro John Campbell

Presión en el Flash Tank

Flash Tank 44-102 psia

Es una presión típica para el correcto funcionamiento

de un Flash TK

334

Gas Stripping Rehervidor 98.7 wt%

Es la concentración máxima de glicol pobre en condiciones de equilibrio,

si se requiere una concentración mayor a esta, se debe optar por

introducir un proceso más eficiente.

336

Tasa Circulación

Absorbedor 2-5

USGAL/Lb H2O

Es el rango más usado para optimizar

económicamente la energía que se consume

en la regeneración.

343

Espaciamiento Absorbedor 24 in

Es necesario que la espuma no ocupe el espacio del gas entre

platos, para prevenir las perdidas excesivas de

glicol.

354

Altura Regenerado

r 1.3 ft

Es la altura equivalente del plato teórico para

empaques estructurados.

360

Gas Stripping Regenerado

r 10 sfc/gal

El gas de stripping raramente excede esta

tasa de inyección, a excepción que se necesite un 99.99 wt%. En ese caso se necesitaría un proceso

DRIZO.

360

Criterio Técnico Criterio Técnico

Equipo o proceso afectado

Valor de la variable

Justificación Página del libro John Campbell

Duty del Rehervidor

Rehervidor 1430

BTU/Gal

Este valor de diseño provee normalmente el

calor suficiente a la entrada para llegar a

condiciones operacionales óptimas, en condiciones

normales.

361

Diámetro Columna

Still 4

Constante empírica basada en los anillos de la

columna, usada para calcular el diámetro de la

Still Column.

362

Calor Columna

Still 20-40

BTU/h*ft2*°F

Coeficiente de transferencia de calor en la

boina de reflujo.

362

Temperatura Intercambia

dor L/R 9-23 °F

El glicol rico proveniente del Contactor , entra al intercambiador; con los

rangos especificados, más caliente que el gas de

entrada

362

Temperatura Intercambia

dor L/R 400°F

El glicol pobre usualmente llega con esta temperatura

al Intercambiador. Este glicol luego es enfriado

porque es el que calienta la corriente de entrada al

regenerador.

362

Temperatura Intercambia

dor L/R 140-149°F

El intercambiador está diseñado para que el glicol

pobre alcance las temperaturas establecidas,

principalmente por el parámetro de temperatura

del flash Tank.

362

Criterio Técnico Criterio Técnico

Equipo o proceso afectado

Valor de la variable

Justificación Página del libro John Campbell

Presión Filtros 25 psia

Máxima caída de presión permitida en cada uno de

los filtros.

364

Temperatura Flash TK 140-158°F

Para facilitar la liberación de hidrocarburos

livianos, el glicol debe ser precalentado a esta

temperatura, antes de llegar al flash tank.

365

Presión Flash TK Pcontactor *

0.15

La presión en el FlashTank debe ser el 15% de la presión del Contactor

365

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

A continuación se procederá a realizar diferentes gráficas que corresponden a la variación de algunos parámetros en la simulación del proceso de deshidratación:

Gráfica 1. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TEG.

Observación: No fue posible modificar el número de platos reales en el absorbedor con el valor de 12. Probablemente esto se debe a que se puede sobredimensionar la columna ó puede ser debido a algún otro tipo de inconveniente operacional. Como era de esperarse, al tener mayor número de etapas reales, mayor tiempo van a estar en contacto el glicol y el gas, por lo tanto más se van a acercar al equilibrio. Así debería haber mayor eficiencia de separación y menor contenido de agua en el gas de venta.

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

Wat

er

Co

nte

nt

(Lb

mH

2O

/MM

scf)

TEG (gal/LbmH2O)

Water Content Vs TEG Rate

N=8

N=4

Gráfica 2. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de glicol.

Observación: Los datos obtenidos concuerdan perfectamente con la teoría. El Tetraetiléngicol (que es más costoso) debe tener una mejor eficiencia al momento de deshidratar una corriente de gas, comparándolo con el Trietilénglicol. Esto se puede corroborar con la tabla informativa del libro de John Campbell (pág 336) donde anticipan que, habiendo alcanzado el equilibrio, las concentraciones máximas que se tienen de TREG son mayores que las de TEG. Por lo tanto el TREG sería más puro en todo el proceso y separaría mayor cantidad de agua.

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

Wat

er

Co

nte

nt

(Lb

mH

2O

/MM

scf)

Glycol Rate (gal/LbmH2O)

Water Content Vs Glycol Rate

TEG

TREG

Gráfica 3. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TEG.

Observación: A diferentes temperaturas de salida en el Rehervidor, las eficiencias de remoción de agua del gas van a cambiar. Teniendo el valor de T=400°F en la salida del Rehervidor (Temperatura sugerida) y comparándolo con los demás (valores menores) se puede concluir que, entre menor sea la Temperatura de separación de TEG, mayor impureza tendrá el TEG a la salida del Rehervidor. De este modo el glicol separará menos agua en el gas de venta. Esta teoría analizada concuerda fielmente con los resultados obtenidos que se muestran en la gráfica.

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000Wat

er

Co

nte

nt

(Lb

mH

2O

/MM

scf)

TEG Rate (gal/LbmH2O)

Water Content Vs TEG Rate

T=400 F

T=395 F

T=375 F

T=355 F

Gráfica 4. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TREG.

Observación: El análisis para el TREG es similar al realizado para el TEG (del punto anterior). A diferentes temperaturas de salida en el Rehervidor, las eficiencias de remoción de agua del gas van a cambiar. Teniendo el valor de T=450°F en la salida del Rehervidor (Temperatura sugerida) y comparándolo con los demás (valores menores) se puede concluir que, entre menor sea la Temperatura de separación de TREG, mayor impureza tendrá el TREG a la salida del Rehervidor y por lo tanto menos agua separará en el gas de venta. Los resultados obtenidos en la práctica con el simulador siguen fielmente lo descrito en el análisis teórico.

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000Wat

er

Co

nte

nt

(Lb

mH

2O

/MM

scf)

TREG Rate (gal/LbmH2O)

Water Content Vs TREG Rate

T=400 F

T=410 F

T=420 F

T=450 F

Gráfica 5. Agua en el gas de venta Vs. Temperatura del gas a la entrada del Contactor. TEG.

Observación: Durante el curso de ingeniería del gas hemos venido aprendiendo que cada equipo utilizado tiene un rango óptimo de operación, y que por fuera de él la eficiencia del equipo ó se ve afectada negativamente, o simplemente no puede funcionar. En esta gráfica nos podemos dar cuenta de que, a medida que la temperatura del Gas de entrada se hace mayor, menor eficiencia se va a tener en el Contactor. Por lo tanto se va a evidenciar un mayor contenido de agua en la corriente de gas que va a ventas.

2

2,5

3

3,5

4

85 90 95 100 105 110 115

Wat

er

Co

nte

nt

(Lb

mH

2O

/MM

scf)

Gas Temp. (°F)

Water Content Vs Gas Inlet Temperature (Reb-390 °F)

TEG

Gráfica 6. Agua en el gas de venta Vs. Temperatura del gas a la entrada del Contactor. TREG.

Observación: Esta gráfica se analiza de manera similar al caso anterior para el TEG. A medida que el gas de entrada entre con más Temperatura (Dependiendo de la temperatura ambiente de la zona en la que esté ubicada la planta), mayor será el contenido de agua en el gas de ventas. Esto se debe a que el perfil de temperaturas en la columna de absorción va a ser más cerrado (el glicol que entra por arriba y el gas que entra por abajo tienen cada vez temperaturas más parecidas). Debido a la cada vez más poca diferencia de Temperatura entre las entradas al Contactor (a medida que aumenta la T del gas de entrada), lo más seguro es que el glicol y el gas no alcancen el equilibrio térmico para lograr una deshidratación eficiente

0

2

4

6

8

10

12

80 90 100 110 120 130 140

Wat

er

Co

nte

nt

(Lb

mH

2O

/MM

scf)

Gas Temp. (°F)

Water Content Vs Gas Inlet Temp. (Reb-420F)

TREG

Gráfica 7. Pérdida de glicol en los vapores del Contactor Vs. Tasa de circulación de Glicol

Observación: Los resultados arrojan que el TREG NO tiene pérdidas de glicol en la corriente de gas que sale del Contactor. Esto se puede interpretar como que en los platos de la columna se alcanza el equilibrio (o bien se llega muy cerca a él) y debido a esto todo el glicol alcanza a deshidratar la corriente de gas. Este fenómeno no sucede con el TEG. Por el contrario, el trietilénglicol sí muestra pérdidas de glicol en esta corriente separada de gas.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

5 7 9 11 13 15

Pé

rdid

as G

lico

l (Lb

m/h

r)

Glycol Rate (GPM)

Pérdidas de Glicol (Vapores Columna de Despojo) Vs Tasa de Glicol

TREG

TEG

Gráfica 9. % de Absorción de glicol en el Contactor Vs. Productos BTEX (Benceno, Tolueno, o Xileno, m Xileno, e Benceno).

Observación: Los productos BTEX que entran con la corriente de entrada de Gas son los mismos componentes que potencialmente van a contaminar el Glicol luego de que este pase por el Contactor. De acuerdo con la tesis anterior, y teniendo en cuenta que el TEG es el glicol que más se contamina, los resultados obtenidos son congruentes. El TREG tiene una menor absorción de productos BTEX en la columna de Absorción.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Benceno Tolueno o Xileno e Benceno m Xileno

% A

bso

rció

n

% Absorción (Glicol) Vs Compuestos

TEG

TREG

Gráfica 10. % de Absorción de glicol Vs. Productos Alcanos (C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6).

Observación: Los productos alcanos que entran con la corriente de entrada de Gas son los mismos componentes que se van a ver afectados principalmente en la corriente de gas seco que sale del Contactor. De acuerdo con lo anterior, y teniendo en cuenta que el TEG es el glicol que más se contamina, los resultados obtenidos son congruentes. El TREG tiene una mayor absorción de productos alcanos en la columna de Absorción y por ende una menor absorción de productos BTEX (contaminantes).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

C1 C2 C3 IC4 NC4 IC5 NC5 NC6

% A

bso

rció

n

% Absorción (Glicol) Vs Compuestos

TEG

TREG

Gráfica 11. % de Emisión de glicol en la columna Still Vs. Productos BTEX (Benceno, Tolueno, o Xileno, m Xileno, e Benceno).

Observación: Ya se sabe de antemano (del análisis de la gráfica 9) que el contenido de productos BTEX en el glicol que sale del Contactor es mayor cuando se trabaja con TEG como glicol de proceso, que cuando se trabaja con TREG. Ahora, si se compara este valor de composición con el de los vapores de la Columna Still, se encontrará que, en porcentaje, sigue siendo mayor la cantidad de BTEX para el caso del TEG. ¿Por qué? Podría explicarse analizando que en el reboiler del TREG se tiene más temperatura y que el TREG no admite ser contaminado tan fácilmente. Esto podría hacer que los productos BTEX mantengan su concentración mayormente cuando se trabaja con TEG.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Benceno Tolueno o Xileno e Benceno m Xileno

% E

mis

ión

%Emisión (Glicol) Vs Compuestos

TEG

TREG

Gráfica 12. Viscosidad del TREG Vs. Temperatura

Observación: Durante el anillo de circulación de TREG, el glicol va adquiriendo diferentes temperaturas, determinadas según conveniencia en este caso por Intercambiadores de calor (y teniendo en cuenta también las pérdidas por ineficiencias térmicas y emisión al ambiente). Esta gráfica se puede ver afectada por la composición másica que tenga en cada instante, sobre todo por la cantidad de agua que contenga. Los datos graficados como TREG Dow Chemical son tomados del documento informativo de TREG de la empresa Dow, y son leídos a 100% de porcentaje en peso de TREG. La interpretación de esta gráfica se puede hacer teniendo en cuenta que a medida que el TREG avanza en su camino a ser “reciclado” tiene diferentes temperaturas y diferentes contenidos de agua, así se puede explicar el desfase entre las dos series.

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Vis

cosi

dad

(cP

)

Temperatura (°F)

Viscosidad Vs Temperatura

TREG Hysys

TREG Dow Chemical

Gráfica 13. Presión del gas de venta Vs. Temperatura del Gas de venta.

Observación: La envolvente de fase del gas de venta dependerá principalmente de su composición, así que vale la pena analizar qué ocurre cuando se tiene un gas más puro que otro (con menor contenido de agua). La envolvente de fases de un gas más puro que otro se ve afectada con una tendencia a desplazar todos sus puntos hacia la izquierda (menor temperatura). Así, en la simulación notamos un pequeñísimo cambio en la envolvente del TREG con respecto a la del TEG.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150

Pre

sió

n (

psi

)

Temperatura (°F)

Envolvente de Fases

TEG

TREG