Seleccion de Tecnologia Para Deshidratacion de Gas Natural en Una Planta Compresora

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

SELECCION DE TECNOLOGIA PARA DESHIDRATACION DE GAS NATURAL EN UNA PLANTA COMPRESORA

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO QUIMICO

PRESENTADO POR:

BR. ARAQUE VERA, MIGUEL ANGEL CI. 17.085.515

TUTOR ACADEMICO TUTOR INDUSTRIAL Ing. Carla Lopez Ing. Andrés Parra

MARACAIBO, 6 DE JUNIO DE 2008

DERECHOS RESERVADOS

SELECCION DE TECNOLOGIA PARA DESHIDRATACION DE GAS NATURAL EN UNA PLANTA COMPRESORA

DERECHOS RESERVADOS

iii

AGRADECIMEINTO

A mis padres y familiares, por haberme brindado la oportunidad y el apoyo

para convertirme en un profesional.

Al equipo de N&V, Ing. Andrés Parra, Ing. Ana Virginia Bolìvar, Ing. Carlos

Ewing, y al Ing. Jose Luis Gutierrez por su preocupación, colaboración, y la

enseñanza que me dejaron en el desarrollo de esta investigación.

A N&V consultores, por haberme permitido formar parte de su gran equipo

que ejerce una excelente labor.

A la Ing. Carla Lopez. Por haberme brindado su completo apoyo, en el área

de simulación, y dimensionamiento, de esta investigación

A la Ing. Mónica Molero. Gracias a sus tutorías metodológicas y al interés

completo que le dio día a día a esta investigación.

A todos los que directa o indirectamente ayudaron a la culminación de esta

investigación se los agradezco de todo corazón.

Muchísimas gracias…

Miguel Angel Araque Vera

DERECHOS RESERVADOS

iv

DEDICATORIA

A Dios todo poderoso, por darme la vida protegerme y guiarme por el buen

camino.

A mi mama Milagros, por darme la vida, el carácter, fuerza, y apoyo

incondicional para seguir adelante

A mi papa Rafael, por darme la vida, la inteligencia, la paciencia, la razón y

el apoyo incondicional para culminar mis estudios

A mis hermanos Rafael Enrique y Maritza Elena, por ser mis hermanos,

darme la astucia para defenderme cada día y que gracias a ellos soy lo que soy

hoy día.

A todos mis familiares, amigos y a todos aquellos que de una u otra manera

pudieron influenciarme en la culminación de mi carrera y mi investigación

Esto es para ustedes…

Miguel Angel Araque Vera

DERECHOS RESERVADOS

v

ÍNDICE GENERAL

Pág.

AGRADECIMIENTOS ...................................................................................... iii DEDICATORIA ................................................................................................ iv ÍNDICE GENERAL........................................................................................... v ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................ vii ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................... viii RESUMEN ...................................................................................................... ix ABSTRACT...................................................................................................... x INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1

CAPÍTULO I. FUNDAMENTACIÓN

1. Planteamiento y Formulación del Problema................................................. 5 2. Objetivo de la Investigación ......................................................................... 8

2.1. Objetivo General.................................................................................... 8 2.2. Objetivos Específicos ............................................................................ 8

3. Justificación de la Investigación ................................................................... 8 4. Delimitación de la Investigación ................................................................... 9 4.1. Delimitación Espacial ................................................................................ 9 4.2. Delimitación Temporal .............................................................................. 9

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO 1. Descripción de la Empresa .......................................................................... 11 2. Antecedentes de la Investigación................................................................. 15 3. Bases Teóricas ............................................................................................ 20

3.1. Naturaleza de Gas Natural y Composición Química............................ 20 3.2. Compresión del Gas ........................................................................... 24 3.3. Contenido de Agua en Gas Natural .................................................... 29 3.4. Problemas que representa la presencia de Agua en Gas Natural ...... 31 3.5. Inhibidores de Hidratos ....................................................................... 34 3.6. Sistema deshidratación de Gas Natural............................................. 37 3.7. Simuladores Comerciales ................................................................... 57

4. Mapa de Variable ......................................................................................... 62 5. Definición de Términos Básicos ................................................................... 63

DERECHOS RESERVADOS

vi

CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO

3.1 .Tipo de Investigación ................................................................................ 71 3.2.. Diseño de la Investigación ....................................................................... 72 3.3. Población .................................................................................................. 73 3.4. Técnicas de Recolección de Datos ........................................................... 74 3.5. Fase de la Investigación............................................................................ 74 CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 1. Análisis e Interpretación de los resultados. .................................................. 108

CONCLUSIONES ............................................................................................ 137 RECOMENDACIONES .................................................................................... 140 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS................................................................ 141

DERECHOS RESERVADOS

vii

ÍNDICE DE TABLAS

1. Composición Típica de Gas Natural............................................................. .24

2. Propiedades Físicas de Inhibidores de Formación de Hidratos ................... .36

3. Propiedades Típicas de Desecantes Sólidos............................................... .42

4. Porcentaje de ácidos en la mezcla............................................................... .77

5. Características de Desecante ...................................................................... 104

6. Propiedades Físicas de la Regeneración..................................................... 108

7. Formato de Matriz de Evaluación para Sistemas de deshidratación de gas

natural .............................................................................................................. 112

8. Especificación de Corriente de Descarga Planta Compresora.................... 115

9. Composición en Base Seca ......................................................................... 116

10. Composición en Base Húmeda.................................................................. 117

11. Intercambiador de calor Glicol Rico/Glicol Pobre ...................................... 120

12. Intercambiador de calor Glicol Pobre /Glicol Rico ...................................... 121

13. Intercambiador de Gas/Glicol Regenerado ................................................ 121

14. Columna de Absorción............................................................................... 121

15. Columna de Regeneración (estándar) ....................................................... 122

16. Bomba de Glicol......................................................................................... 122

17. Energía Requerida en Equipos del Proceso .............................................. 122

18. Balance de Masa Columna Absorbedora................................................... 123

20. Balance de Masa Columna Desorbedora................................................... 125

21. Condiciones de entrada lecho de Adsorción ............................................. 128

22. Dimensionamiento Planta de Adsorción con Alúmina Activada ................. 129

23. Energía Requerida en Equipos de Proceso ............................................... 131

23. Consumo de Energía por Volumen de Gas............................................... 131

24. Matriz de Evaluación Sistemas de deshidratación de gas natural…………..135

DERECHOS RESERVADOS

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

1. Planta Compresora MOPORO II .................................................................. 29

2. Planta Deshidratadora de Gas Natural con Desencantes Sólidos .............. 47

3. Planta de Deshidratación de Gas Natural por Absorción ............................ 52

4. Contribución del CO2 en Contenido de Agua en el Gas, a varias

Temperaturas y Presiones. .............................................................................. 78

5. Contenido de agua en gas dulce.................................................................. 82

6. Equilibrio Punto de Rocío de H2O vs Temperatura a Varias Concentraciones

de T.E.G........................................................................................................... 86

7. Remoción de Agua Vs Tasa de Circulación de T.E.G a Varias

Concentraciones de T.E.G............................................................................... 88

8. Selección de Ecuación de Estado (EOS)..................................................... 93

9. Diagrama de Flujo de Proceso: Deshidratación por T.E.G .......................... 95

10. Saturación con H2O de Corriente de Gas de Proceso............................... 96

11. Ingreso de Datos en Torre Absorbedora.................................................... 97

12. Ingreso de Datos en Intercambiadores de Calor........................................ 98

13. Ingreso de Datos en Válvulas de Expansión.............................................. 99

14. Ingreso de Datos de Columna de Regeneración (Rehervidor)................... 100

15. Ingreso de Datos de Bomba de Glicol........................................................ 101

16. Ingreso de Datos de Mezclador. ................................................................ 102

DERECHOS RESERVADOS

ix

Araque V., Miguel Angel. “SELECCION DE TECNOLOGÍA PARA DESHIDRATACIÓN DE GAS NATURAL EN UNA PLANTA COMPRESORA”. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Trabajo especial de Grado. Maracaibo, Junio, 2008. 135p.

RESUMEN

La presente investigación tuvo como objetivo la evaluación de tecnologías de deshidratación de gas natural para la planta compresora MOPORO II, con el propósito de diseñar y evaluar las diferentes alternativas tecnológicas presentes en la industria para la deshidratación de gas natural y poder determinar diferencias entre ellas , a través del establecimiento de criterios de selección, pre-dimensionamiento, y simulación de los procesos estudiados de acuerdo a las consideraciones del proceso, y los requerimientos de PDVSA. La metodología aplicada a la investigación fue de tipo descriptiva, ésta estuvo apoyada por datos tomados en campo, revisiones bibliográficas y el uso de la herramienta para la simulación de los procesos ASPEN HYSYS (2006.5). Para llevar acabo el dimensionamiento y simulación de los procesos, se preseleccionaron las tecnologías de absorción por trietilénglicol y adsorción con alúmina activada, donde a cada planta se le hicieron cálculos, de balance de masa y energía, cálculos de regeneración del desecante, y cantidades de desecantes requeridas, así como también se probó un nuevo modelo termodinámico como fue el “glycol package” y a su vez se empleó el modelo Peng-robinson todo en función a los requerimientos exigidos por PDVSA a la descarga de la deshidratadora. A través de los resultados obtenidos y el intercambio de información con los fabricantes, se concluyó, que la tecnología de absorción con trietilénglicol era la más indicada, ya que tenía la facultad de procesar el máximo flujo de gas proveniente de la planta compresora y sus requerimientos energéticos de regeneración versus los de una planta de adsorción eran menores al igual que su numero de equipos. Aunque ambas tenían la capacidad de deshidratar a los requerimientos de PDVSA, la tecnología de deshidratación por adsorción con alúmina activada, además de lo anteriormente mencionado, requería de adecuación previa a la entrada de la planta, el contenido de agua en la mezcla debía ser reducido a las especificaciones del fabricante para que el adsorbente pudiera manejar ese flujo de gas.

PALABRAS CLAVES: Evaluación, Trietilénglicol, Alúmina activada, Absorción, Adsorción [email protected]

DERECHOS RESERVADOS

x

Araque V., Miguel Angel. “TECNOLOGY SELECTION FOR NATURAL GAS DEHYDRATION IN A COMPRESSOR PLANT”. Universidad Rafael Urdaneta. Faculty of Engineering. School of Chemical Engineering. Thesis Work. Maracaibo, June, 2008.

ABSTRACT

The present investigation had as objective the evaluation of technologies of natural gas dehydration for a compressor plant, defined for the project “Compressor plant MOPORO II”, in order to design and to evaluate the different present technological alternatives in the industry for the natural gas dehydration and to be able to determine differences among them, through establishment of selection criteria, presizing, and simulation of the processes studied according to the considerations of the process, and the requirements of PDVSA. The type of methodology applied for this investigation was of descriptive, this was supported by data taken in field, bibliographical revisions and the simulation of the processes thru ASPEN HYSYS, in order to validate the manual calculations of the preselected processes. the technologies of absorption by triethylene glycol and adsorption with activated alumina, were selected, where calculations, of mass balance and energy, calculations of regeneration of the desiccant, and amounts of required desiccant, were estimated to each selected process as well as a new thermodynamic model was tested such as the “glycol package”, though in the end the Peng-Robinson model was the one that delivered the most reliable results, everything in function to the requirements demanded by PDVSA to the outlet of the dehydrator module. Through the obtained results and the exchange of information with the manufacturers, the investigation concluded, that the technology of absorption with triethylene glycol was the most appropriate since it had the capacity to process the maximum flow required by the compressor plant, its energy requirements of regeneration versus those of an adsorption plant were much smaller, also the number of equipment is smaller too, although both had the capacity to dehydrate to PDVSA requirements, the technology of adsorption with activated alumina, in addition to the previous issues mentioned required of previous adéquation to the entrance of the plant, the water content in the mixture had to be reduced to the specifications of the manufacturer. KEY WORDS: Evaluation, triethylene glycol activated Alumina, Absorption, and Adsorption. [email protected]

DERECHOS RESERVADOS

1

INTRODUCCIÓN

El gas natural, utilizado por los consumidores, es muy diferente al gas natural

que es traído desde la cabeza del pozo. Aunque el acondicionamiento de gas

natural es en muchos aspectos, menos complicado que el procesamiento y

refinación de petróleo crudo, es igualmente necesario antes de que pueda ser

usado por los usuarios al final de la cadena.

La deshidratación del gas natural juega una parte importante en la

producción de gas natural. Una deshidratación efectiva previene la formación de

hidratos de gas y la acumulación de agua en los sistemas de transmisión.

Actualmente en el Distrito Tomoporo se requiere disponer de un sistema de

gas lift para el levantamiento artificial de pozos para elevar su productividad, para

esto se le propuso a N&V consultores el diseño de la planta compresora

MOPORO II. De acuerdo a los requerimientos de PDVSA se requiere acondicionar

la corriente de gas de proceso a la descarga de la planta compresora a un mínimo

de 7 LBH2O/MMPCED con la finalidad de evitar la aparición de condensados a la

hora de la transmisión de la corriente hasta el pozo

El siguiente trabajo se formula basándose en la necesidad de N&V, C.A de

evaluar de forma técnica que sistema de deshidratación es el más apropiado para

las condiciones de alta presión a las que se encuentra este gas a ser inyectado en

los pozos, ya que, en la industria no son comunes procesos de deshidratación a

estas condiciones. Se plantea por medio de la selección según criterios previos,

DERECHOS RESERVADOS

2

dimensionamiento, simulación de los procesos de deshidratación e intercambio de

información con los fabricantes, conocer qué tecnología se adapta más a este

proceso en particular, con la finalidad de obtener una planta eficiente, de bajo

consumo de energía, vida prolongada y fácil operación.

En el capítulo I de la presente investigación se establece el planteamiento del

problema, los objetivos, la justificación, el alcance y la delimitación de la

investigación; posteriormente, se describe las generalidades de la empresa baja

estudio, para obtener un conocimiento global sobre esta.

El capítulo II, contiene el marco teórico, donde se presentan algunos

trabajos realizados anteriormente sobre el tema, y se explica teóricamente las

características de los procesos a estudiar, conceptos básicos que soportan el

desarrollo del presente estudio y que, permitió utilizarse como aporte documental y

técnico para su desarrollo.

El capítulo III, define el tipo y diseño de la investigación y la metodología

utilizada para la realización de cada uno de los objetivos establecidos;

especificando las técnicas de recolección de datos.

En el capítulo IV se establecen, los resultados que arrojaron la simulación y

dimensionamientos previos de los equipos y la interpretación de estos. Por último,

en el capítulo IV se establecen las conclusiones resultantes del estudio realizado,

y las recomendaciones propuestas.

DERECHOS RESERVADOS

Capitulo I: El problema

CAPITULO I EL PROBLEMA

DERECHOS RESERVADOS


4

C A P Í T U L O I

E L P R O B L E M A

1. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Actualmente, Venezuela cuenta con amplias reservas de Gas Natural por el

orden de 147.5 BPC, ubicándose como el octavo país del mundo con mayores

reservas probadas de Gas Natural y el primero de América Latina, constituyendo

un cuadro fuerte de oferta a largo plazo de este recurso estratégico. El gas natural

tiene una participación del 46% en el mercado energético nacional, ahorrando

grandes cantidades de petróleo.

El 71% de las reservas probadas se encuentran en la zona oriental del país,

24% en la zona occidental, 2.5% en el Norte de Paria, 2.4% en la Plataforma

Deltana y el 0.14% en la zona sur. El 90.8% de estas reservas probadas de Gas

Natural corresponden a gas asociado al petróleo y 9.2% de gas no asociado. Las

expectativas sobre descubrimiento de reservas de gas libre están en el orden de

los 39 TPC. (PDVSA Gas, sitio web)

DERECHOS RESERVADOS


5

El gas natural está formado principalmente de metano (70-90%), también

puede incluir el etano, propano, butano, pentano, nitrógeno, vapor de agua, sulfuro

de hidrogeno, helio y dióxido de carbono.

El procesamiento de gas natural consiste en la separación de todos los

diversos hidrocarburos líquidos de la corriente de gas natural puro (Metano), para

producir lo que se denomina en ingles "Pipeline quality" gas natural seco. Los

principales gasoductos de transporte imponen restricciones sobre la composición

del gas natural que está permitido en la tubería. Esto significa que, antes de que

el gas natural pueda ser transportado debe ser purificado. Mientras que el etano,

propano, butano, pentano, nitrógeno, helio, sulfuro de hidrogeno, vapor de agua y

otros deben ser retirados como sub-producto, pero esto no significa que todos

ellos sean productos de desecho, pues la industria nacional dispone de ellos de

forma valiosa en el caso de la industria de refinación y petroquímica.

La deshidratación de las corrientes de gas natural por presencia de

concentraciones elevadas de vapor de agua, forma parte de las especificaciones

para su transporte ya que gran cantidad del agua contenida en las corrientes viene

de forma asociada y no puede ser sencillamente retirada con procedimientos fuera

de yacimiento, es por esto que se recurren a tratamientos más complejos

denominados “deshidratación de gas natural“, los cuales usualmente son de dos

tipos, por absorción o adsorción.

DERECHOS RESERVADOS


6

La presencia de concentraciones no permitidas de agua en corrientes de gas

natural a alta presión en conjunto con la presencia de niveles suficientes de

dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, trae consigo formación de hidratos de

carbono que a su vez como consecuencia genera taponamientos y corrosión que

se traducen en altos costos de reparación de tuberías y pérdidas económicas para

la industria petrolera.

El gas natural puede ser utilizado como medio de estimulación de pozos o

Levantamiento Artificial por Gas (“Gas Lift”), para ello se requiere comprimirlo para

elevar la presión hasta la condición de estimulación requerida. Para esto se debe

deshidratar el gas, para eliminar la presencia de líquidos y potenciales

condensados que puedan estar presentes a la hora de la transmisión del gas

hacia el pozo.

Actualmente, Petróleos de Venezuela S.A., en el Campo Ceuta - Moporo

del Distrito Tomoporo, está desarrollando, a través de N&V C.A., el proyecto

“Planta Compresora Moporo II”, en la fase de Ingeniería Básica, con la finalidad

de manejar los volúmenes de gas asociados al crudo y cumplir con los

requerimientos de gas para levantamiento artificial, según requerimiento del Plan

de Negocios 2007-2012.

De allí, deriva la necesidad para N&V, C.A. de realizar estudios de tipo

conceptual con el objeto de determinar las tecnologías de deshidratación de gas

DERECHOS RESERVADOS


7

natural que mas satisfagan las necesidades técnicas para el proyecto “Planta

Compresora Moporo II”.

¿Cuál es la tecnología más adecuada para deshidratación de gas natural a

alta presión?

2. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

2.1. OBJETIVO GENERAL

Seleccionar la tecnología más adecuada para la deshidratación del gas

natural en la futura Planta Compresora Moporo II.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Identificar la corriente de gas de proceso.

2. Determinar el contenido de agua presente en el gas natural entrante a

la unidad de deshidratación.

3. Preseleccionar las tecnologías de deshidratación de gas factibles para

este proceso.

4. Desarrollar los cálculos específicos de dimensionamiento para cada

tecnología de deshidratación.

5. Seleccionar la tecnología que represente el esquema técnico mas

apropiado para el proceso.

DERECHOS RESERVADOS


8

3. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN

La empresa N&V C.A., como responsable del diseño básico del proyecto

“Planta Compresora Moporo II”, persigue con este trabajo de investigación,

evaluar las alternativas de deshidratación de gas natural que puedan contrastar

con los sistemas de deshidratación por glicoles instalados en la mayor parte del

occidente de Venezuela con la finalidad de conseguir procesos de menor costos

y de larga duración que garanticen mejoras en los procesos para así lograr un

mayor alcance en la satisfacción de las necesidades de los clientes. Para esta

planta compresora, de alta presión de descarga (2500 psig), se requiere

determinar a partir de este estudio, que tecnologías de deshidratación serían las

más adecuadas para operar a esta presión.

Así mismo, se desea que esta investigación sea de gran aporte para la

Universidad Rafael Urdaneta y sirva de referencia para futuros trabajos de

investigación enfocados en el área de deshidratación de gas natural.

4. DELIMITACIÓN

4.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL

El trabajo Especial de Grado se desarrolló en la empresa N&V C.A, en el

Departamento de Ingeniería II. La sede está ubicada en la calle 71 esquina con

Av.16 Nº 16-33, Sector Paraíso, Maracaibo, Edo. Zulia.

4.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL

DERECHOS RESERVADOS


9

Este trabajo se llevó a cabo en un periodo de (6) meses comprendidos entre

junio del 2008 y diciembre del 2008

DERECHOS RESERVADOS

CAPITULO II MARCO TEÓRICO

DERECHOS RESERVADOS

Capitulo II: Marco Teórico

11

C A P Í T U L O I I

M A R C O T E Ó R I C O

1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

N&V, C.A, es una empresa privada netamente venezolana, fundada en

junio 1988, por un grupo de ingenieros venezolanos,

especializada fundamentalmente, en la prestación de servicios en el área de la

Ingeniería de Consulta, Construcción, Mantenimiento, Pruebas y Puesta en

Marcha de Instalaciones Eléctricas de la Industria Nacional, dotada de un espíritu

de profesionalismo en la asistencia prestada para responder a las necesidades del

mercado y de todo el parque industrial del país.

Actualmente N&V, C.A, responde a la Industria Petrolera, Petroquímica,

Carbonífera, Eléctrica y de Manufactura Nacional en General, con servicios

Multidisciplinarios, apoyándose en una organización estable que soporta y

contempla todas sus operaciones, a través de un equipo de profesionales y

técnicos que actúan conjuntamente con sus proveedores y clientes, en un

ambiente de alta sinergia, empeñados en proporcionar un resultado exitoso con la

culminación de sus trabajos.

DERECHOS RESERVADOS


12

• Misión de N&V C.A

Proveer a los diversos sectores económicos nacionales e internacionales

de los Servicios de Ingeniería, Asistencia Técnica, Construcción,

Mantenimiento y Pruebas de Instalaciones, con excelencia y solidez corporativa

garantizando la satisfacción de nuestros Clientes y contribuyendo con el desarrollo

social.

• Visión de N&V C.A

Consolidarse como una empresa líder a nivel nacional e internacional en la

prestación de servicios de Ingeniería, Construcción, Mantenimiento y Pruebas de

Instalaciones, garantizando la plena satisfacción de nuestros clientes.

• Objetivos

1. Desarrollar y mejorar la capacidad para cumplir con los requisitos

acordados con los clientes en cada proyecto, obra o servicio.

2. Mejorar continuamente los niveles de satisfacción de los clientes.

3. Mejorar continuamente los procesos existentes e implementar nuevos

procesos eficaces que permitan un mejoramiento continuo en la organización y en

el Sistema de Gestión de la Calidad.

4. Proporcionar una formación acorde a las competencias requeridas por el

personal para realizar las actividades asignadas.

DERECHOS RESERVADOS


13

• 0Políticas de N&V C.A

Proveer Servicios de Ingeniería, Asistencia Técnica, Construcción,

Mantenimiento y Pruebas de Instalaciones, logrando la satisfacción de nuestros

clientes a través del cumplimiento de los requisitos de nuestro Sistema de Gestión

de la Calidad y Mejorando continuamente su eficacia, apoyados en la alta

competencia de nuestro personal y en la gestión eficiente de los procesos y

recursos. Es el Compromiso de la Alta Dirección velar el cumplimiento de esta

Política.

• Seguridad, Higiene y Ambiente

Asegurar que las diferentes actividades realizadas por N&V C.A., se ejecuten

en condiciones óptimas de Seguridad, Higiene y Ambiente.

Garantizar en todo momento la integridad física de los trabajadores

notificando los riesgos a los que pudiesen estar expuestos; así como también la

protección de las instalaciones, equipos y propiedades propios y de terceros.Evitar

la generación de contaminación que pueda afectar negativamente a la comunidad

y al ambiente.

Dar a conocer a todo el personal Gerencial, Administrativo,

Supervisorio y Técnico las normas y procedimientos, así como el marco legal

vigente, a fin de garantizar una operación segura en todas las actividades que se

ejecuten.

DERECHOS RESERVADOS


14

Servicios

• Áreas

La experiencia acumulada en 20 años, ha permitido ejecutar innumerables

proyectos y/o trabajos en el desarrollo de Ingeniería, en la ejecución de Montajes

Especializados, en la Construcción, Mantenimiento, Pruebas y Puesta en Marcha

de diferentes instalaciones tales como:

1. Subestaciones Eléctricas en Alta, Media Y Baja Tensión.

2. Líneas de Transmisión y Distribución.

3. Plantas de Generación Eléctricas, a Vapor, a Gas y Eólicas.

4. Facilidades de Producción y Manejo Petrolera y Gasífera.

5. Instalaciones Petroleras de Refinación y Procesamiento de Crudos.

6. Plantas Petroquímicas.

7. Plantas Industriales de Proceso y Manufactura.

8. Plantas Para Tratamiento de Agua.

• Actividades

Los servicios que ofrece, en las instalaciones referidas, incluyen actividades

tales como:

CONSULTORÍA: Estudios, Asesorías, Evaluaciones, etc.

DISEÑOS: Ingenierías en Fase Conceptual, Básica y de Detalle.

PROYECTOS: IC / IPC / IPGC.

DERECHOS RESERVADOS


15

MONTAJES: Equipos Eléctricos Mayores, Auxiliares e Instrumentos.

PRUEBAS: De Arranque y Puesta en Marcha.

MANTENIMIENTO: Eléctrico y de Instrumentos en General.

ASISTENCIA TÉCNICA: Supervisiones e Inspecciones de Fabricación de Equipos

y Obras.

2. ANTECEDENTES

Ciangherotti Ballestero, Marielena; Rodríguez González, Maureen

Vanessa (2004), realizaron el trabajo especial de grado “Factibilidad Técnico

Económica para la Extracción de Líquidos del Gas Natural del Campo Mara

Este” para optar al título de Ingeniero Químico en La Universidad Del Zulia. El

trabajo tuvo como Objetivo retomar el proceso de extracción de líquidos en el

Campo “Mara Este” que no está en funcionamiento, y por medio de la evaluación

de tres procesos incluyendo al previo ya instalado, demostrar cual se ajustaba

más a los criterios técnicos y económicos.

Para el desarrollo de este proyecto se utilizaron las investigaciones de los

siguientes autores como marco de sustentación; 1) Fang, Y., González, V.

“Optimización del Sistema de Extracción de los Líquidos del Gas natural y

del Gas rico en Etano en una Planta Compresora”. Universidad del Zulia.

Maracaibo (2004). 2) De Turris, A. “Metodología de Selección de Esquemas de

Proceso para la Recuperación de Líquidos del Gas natural (LGN)”.

Universidad del Zulia. Maracaibo (2002). 3) Castro, k. “Evaluación de

DERECHOS RESERVADOS


16

Alternativas en Procesos de Extracción de Líquidos del Gas Natural”.

Universidad del Zulia. Maracaibo (2001).

Para abordar metodológicamente la investigación (Factibilidad Técnico

Económica para la Extracción de Líquidos del Gas Natural del Campo Mara

Este) se compararon tres procesos de extracción, entre ellos el utilizado

anteriormente en la planta. Los procesos comparados fueron: absorción

refrigerada, refrigeración en cascada y turboexpansión. Luego se realizó la

simulación a través del programa PRO/II, obteniéndose los balances de masa y

energía. Se diseñaron los equipos y se analizó la rentabilidad del proyecto

utilizando los indicadores de Valor presente Neto y Tasa interna de Retorno.

Como Resultado de dicha comparación mediante criterios técnicos y

económicos, el proceso por turboexpansión resulto ser el más adecuado. Se

concluyó que el proyecto era económicamente atractivo, por lo que se recomendó

realizar un estudio de ingeniería de detalle y de integración de secciones de

tratamiento del gas natural y fraccionamiento del producto obtenido.

Este trabajo de investigación sirvió de apoyo para esta investigación ya que

estableció criterios técnicos y económicos para el diseño de plantas de extracción

de líquidos del gas natural, cuestión que se encuentra en común con este

presente proyecto y da una cierta orientación en cuanto qué criterios se deben

tomar en cuenta a razón de la selección de equipos, dimensionamiento, y EOS

DERECHOS RESERVADOS


17

(ecuaciones de estado). Es por ello que el proyecto anteriormente mencionado

representó una gran ayuda para esta investigación en desarrollo.

Leal Montiel, Carlos Alberto (2003), realizó el trabajo especial de grado

“Evaluación Técnico-Económica de Procesos para el Control de Punto de

Roció de un Gas Natural” para optar al título de Ingeniero Químico en La

Universidad Del Zulia. Este trabajo tuvo como objetivo el diseño y evaluación de

diferentes plantas de control de punto de roció a través del simulador de procesos

PRO/II 5.0, con el fin de proporcionar y establecer diferencias que definieran el

sistema de deshidratación más conveniente de acuerdo a los requerimientos

establecidos y así luego evaluar económicamente el sistema más apropiado en

función de costos, y capacidad optima de operación.


siguientes autores como marco de sustentación; 1) Gil, V. Marilaura, Bracho,

Gustavo. “Evaluación del Sistema de Purificación del Propano de Reciclo de

una Planta de Olefinas” Tesis de grado. Universidad del Zulia (2000). 2) Izarra,

S. Jorge, E. “Simulación de una Planta de manufactura de Solventes

Alifáticos Livianos” Tesis de Grado, Universidad del Zulia (2002).

Para llevar a cabo los diseños y simulaciones, se hizo una revisión a los

sistemas y los equipos que lograran satisfacer dichas necesidades. Se hicieron

evaluaciones típicas tales como: Balance de masa y energía, selección de equipos

dependiendo del sistema que se fuera a utilizar, todo en función a las

composiciones de entrega del gas que se fuera a tratar. Luego del

DERECHOS RESERVADOS


18

dimensionamiento de los equipos y los sistemas, se procedió a simular para lo

cual se selecciono la EOS (Peng-Robinson).

Como resultado de dicha investigación se concluyó, a través de la

comparación de dichos sistemas diseñados y evaluados técnico-económicamente,

que a las condiciones de operación para la planta de deshidratación, se podría

trabajar sin limitante y acorde a su capacidad de procesamiento requerida.

El modelo termodinámico específico de glicol ayudó, por medio del

simulador, a reproducir resultados satisfactorios de la torre absorbedora,

regenadora e intercambiadores de calor, dónde el intercambio de calor de fluidos

(Glicol pobre y Glicol regenerado), no presentaron ninguna limitación en cuanto a

capacidad de calor transferido entre fluidos.

Y por último, se pudo demostrar que la planta más conveniente para el

control de punto de rocío, fuera por medio de enfriamiento por separación, dado a

que al comparar los análisis económicos, se pudo observar una diferencia notable

en cuanto a los bajos costos de este sistema comparado a las otras plantas

seleccionadas.

Los trabajos de investigación representan aportes muy valiosos en este

proyecto debido al enfoque que se le da a los criterios de selección de

tecnologías, selección de EOS (ecuación de estado), y simulador de procesos, y

se puede apreciar que está íntimamente relacionado con esta investigación debido

DERECHOS RESERVADOS


19

a su carácter evaluativo, además de orientar en cuanto a qué criterios utilizar para

su diseño, evaluación, tanto técnico como económicamente.

Bohórquez Naverán, Juan Carlos (2002), realizó el trabajo especial de

grado “Evaluación del Sistema de Deshidratación de Propano de la Planta de

Fraccionamiento Bajo Grande”, para optar al título de Ingeniero Químico en La

Universidad Del Zulia. El presente trabajo tuvo como objetivo la evaluación del

sistema de deshidratación de la Planta de Fraccionamiento Bajo Grande con la

finalidad de mejorar la eficiencia del proceso debido a los altos contenidos de

humedad en el propano producido en la planta.


siguientes autores como marco de sustentación; 1) Giannetto, G., Montes, A.,

Rodríguez, G. “Zeolitas, Características, Propiedades y aplicaciones

Industriales”. Editorial Innovación Tecnológica Facultad de Ingeniería,

Universidad Central de Venezuela (2000). 2) Graterol, J., Medina, E. “Evaluación

de Algunos Parámetros de Deshidratación y Endulza miento de Gas Natural

con Tamices Moleculares”. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia,

Octubre (1981).

Para este estudio se evaluó el contenido de humedad en las alimentaciones

de la planta, y en las corrientes de entrada y salida de las torres secadoras M-301

A/B, rellenas con tamices moleculares, también se recolectaron los datos de

operación de diseño y de operación real de manera que a través de simulaciones

DERECHOS RESERVADOS


20

de proceso se pudiera predecir el contenido de humedad en la corriente de

propano. Posteriormente se evaluó la operación de los ciclos de regeneración de

los lechos de tamiz.

Luego de seleccionada la EOS (Peng-Robinson) se simuló la torre

despropanizadora, y se realizaron los cálculos para estimar los tiempos de ruptura

de las torres secadoras, se midió la presión, flujo y temperatura durante el proceso

de secado.

Como resultado se encontró que la corriente de LGN proveniente de la

planta Lamar Liquido era la que aportaba mas humedad a la corriente del sistema.

El contenido de humedad en la corriente de salida de las torres secadoras M-301

A/B variaba continuamente debido a que el proceso de adsorción era muy sensible

a las variaciones de temperatura que eran producto de la corriente de tope de la

columna V-301 que alimentaba propano a las torres secadoras. Por último la

presencia residual de humedad en el lecho de tamiz luego de un ciclo de

regeneración, reducía el tiempo de operación de secado para mantener la

humedad en los niveles especificados y en consecuencia aumentando el número

de ciclos de operación. Por último era factible la formación de hidratos en los

tubos enfriadores en los sistemas de refrigeración de la planta, si las condiciones

de operación presentes en el estudio continuaran.

3. BASES TEORICAS

3.1. NATURALEZA DE GAS NATURAL Y COMPOSICION QUIMICA

DERECHOS RESERVADOS


21

El gas natural es una mezcla en proporciones variables de compuestos

gaseosos de naturaleza tanto orgánica como inorgánica. El grupo de naturaleza

orgánica, está constituido por hidrocarburos parafínicos o también denominados

alcanos. Estos, aportan normalmente mas del noventa (90%) en volumen del gas

natural y están formados por los siguientes componentes: metano (CH4), etano

(C2H6), propano (C3H8), iso-butano (C4H10), iso-pentano (C5H12), hexanos (C6H14) y

heptanos y más pesados (C7+), este último, es la representación de la sumatoria

de los componentes orgánicos restantes más pesados, causado por la

composición de cada uno de ellos en forma individual, la cual es muy pequeña y

por ende resulta impráctico expresarlos de esa forma.

Los cinco primeros de la serie nombrada (metano- butanos) son gases a

temperatura y presión ambiente, los restantes pentanos y más pesados, son

líquidos más ligeros comparados con el agua e insolubles en ella, pero si los son

en otros compuestos orgánicos (alcohol, éter, benceno). Todos son excelentes

combustibles reaccionando con el oxigeno del aire para generar abundante calor y

producir dióxido de carbono y agua.

CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 (1)

Esta afinidad por el oxigeno en reacciones de combustión, es de tal

naturaleza, que para ciertas mezclas de aire-alcanos la reacción es tan violenta

DERECHOS RESERVADOS


22

que resulta explosiva. Estructuralmente, las moléculas de estos componentes

orgánicos están formadas por átomos de carbono e hidrogeno enlazados

mediante uniones electrónicas covalentes y formando cadenas lineales

ramificadas.

El segundo grupo de componentes que forman el gas natural, lo constituyen

los componentes inorgánicos estos aportan normalmente menos del 10% en

volumen del gas natural y están representados por dióxido de carbono (CO2),

sulfuro de hidrogeno (H2S) y nitrógeno (N2), además de los componentes

anteriores, también se encuentra presente el agua (H2O) en cantidades variable,

dependiendo de las condiciones de presión y temperatura a la cual se encuentra el

gas. El agua a condiciones de bajas temperaturas y altas presiones, al mezclarse

con los hidrocarburos presentes en el gas natural forma unos compuestos sólidos

de composición variable denominados Hidratos.

CH4 + nH2O → CH4 • n(H2O) (2)

Los hidratos bloquean las líneas, reducen la capacidad de transferencia de

intercambiadores de calor, taponan válvulas y en general, cuando se dan las

condiciones señaladas de temperatura y presión, la formación de hidratos

constituye un serio problema en el manejo y procesamiento del gas natural; por

esta razón el gas se trata en unidades deshidratadoras con glicol o lechos fijos de

DERECHOS RESERVADOS


23

algún desecante solido como agentes deshidratantes, tema que es profundamente

desarrollado posteriormente en esta investigación.

Algunos compuestos aromáticos tales como el Benceno, tolueno y Xileno

también pueden presentarse, es por ello que deben incrementarse las medidas de

seguridad debido a la toxicidad que representan. Otros componentes

contaminantes ácidos en bajos porcentajes se pueden presentar como los

mercaptanos (R-SH), sulfuro de carbonilo (COS) y disulfúro de carbono (CS2)

pueden estar presentes en pequeñas cantidades (Barberii, E. 1998)

El gas natural recibe denominaciones de acuerdo a sus condiciones en el

yacimiento, la proporción de sus componentes, su contenido de azufre y los

productos obtenidos a partir de su procesamiento.

DERECHOS RESERVADOS


24

Composición Típica de Gas Natural

Compuesto Fracción Molar

Metano 0.8407

Etano 0.0586

Propano 0.0220

I-Butano 0.0035

n-Butano 0.0058

i-Pentano 0.0027

n-Pentano 0.0025

Hexano 0.0028

Heptanos y más pesados 0.0076

Dióxido de Carbono 0.0130

Sulfuro de Hidrogeno 0.0063

Nitrógeno 0.0345

Total 1.0000

Tabla.No1. Natural Gas Engeneering Handbook, Guo & Ghalambor, 2005

3.2. COMPRESION DE GAS NATURAL I. Gas Comprimido

El gas se transporta por tuberías “gasoductos” cuyos diámetros pueden

variar, según el volumen y la presión requerida de transmisión. La longitud del gas

ducto puede ser de unos cientos de metros a miles de kilómetros, según la fuente

de origen del gas y los mercados que lo requieran.

DERECHOS RESERVADOS


25

A medida que las distancias para transportar gas sean más largas, se

presenta la consideración de comprimir el gas a presiones más elevadas para que

llegue a los diferentes puntos de entrega en la ruta de la red de gasoductos. Esto

significa la necesidad de instalar estaciones de compresión en ciertos puntos. La

compresión es un factor económico importante en la transmisión de gas por

gasoductos largos (Barberii, E. 1998).

II. Planta de Compresión de Gas

La compresión del gas se puede hacer por etapas. Generalmente se

emplean tres etapas de compresión para satisfacer las presiones requeridas, al

tomarse en consideración la presión de entrada y la de salida, la relación de

compresión, la temperatura de entrada y de salida, el peso molecular del gas, para

determinar la potencia de compresión requerida para determinado volumen fijo de

gas. A esto se le denomina “Planta de Compresión”. En la práctica,

considerando todos los rangos de las variables antes mencionadas, la potencia de

la primera etapa puede estar entre 30 y 120 caballos de potencia (c.d.p), la

segunda, entre 120 y 250, y la tercera, entre 250 y 325. Estos rangos de etapas y

potencia cubren presiones de descarga desde 25 a 3500 Lppc, ósea desde 1,75 a

246 kg/cm2. (Barberii, E. 1998).

DERECHOS RESERVADOS


26

III. Gas Lift.

La compresión de gas es usada en todos los aspectos de la industria de

gas natural incluyendo “Gas lift”. Consiste en inyectar gas a presión en la tubería

para alivianar la columna de petróleo y hacerlo llegar a la superficie. La inyección

de gas se hace en varios sitios de la tubería a través de válvulas reguladas que

abren y cierran al gas automáticamente. Este procedimiento se suele comenzar a

aplicar antes de que la producción natural cese completamente.

IV. Descripción del Proceso (Planta Compresora Moporo II)

El gas proveniente del cabezal de baja presión, próximo a la estación de

flujo EF 8-7, ingresará al depurador de entrada V-3101 con un flujo máximo de

165,0 MMPCED, 90,0 ºF y una presión controlada de 55,0 psig. La corriente de

tope del depurador, será dirigida hacia los tres (3) módulos de compresión.

En el Módulo de Compresión 2A, la corriente será recibida en el depurador

1era. Etapa V-32A01. El gas de salida de éste se dirigirá al compresor de baja

presión, K-32A01, donde será comprimido desde 50,0 psig / 83,85 ºF hasta 204,5

psig / 248,6 ºF, y enviado hacia el enfriador por aire 1era. Etapa, E-32A01, para

bajar la temperatura del gas hasta 120,0 ºF. Luego, el gas ingresará al depurador

de 2da. Etapa V-32A02. En caso de ser requerido, debido a que el compresor de

baja presión se aproxime al punto de oleaje, una fracción de la corriente de salida

DERECHOS RESERVADOS


27

del enfriador E-32A01 será empleada como recirculación y enviada nuevamente

hacia la entrada del depurador 1era. Etapa, V-32A01.

El gas de tope del depurador 2da. Etapa V-32A02 irá a la succión del

compresor de media presión, K-32A02, donde será comprimido desde 198,5 psig /

117,7 ºF hasta 727,7 psig / 294,8 ºF, y enviada al enfriador por aire 2da. Etapa, E-

32A02, para bajar la temperatura del gas hasta 120,0 ºF. Luego, el gas ingresará

al depurador de 3era. Etapa V-32A02. En caso de ser requerido, debido a que el

compresor de media presión se aproxime al punto de oleaje, una fracción de la

corriente de salida del enfriador E-32A02 será empleada como recirculación y

enviada nuevamente hacia la entrada del depurador 2da. Etapa V-32A02.

La corriente de tope del depurador 3era. Etapa V-32A03 irá a la succión del

compresor de alta presión K-32A03, donde será comprimida desde 721,7 psig /

119,9 ºF hasta 2.500,0 psig / 300,8 ºF, y enviada al enfriador por aire 3ra. Etapa,

E-32A03, para bajar la temperatura del gas hasta 120,0 ºF. Luego, el gas

ingresará al depurador descarga V-32A04. En caso de ser requerido, debido a que

el compresor de alta presión se aproxime al punto de oleaje, una fracción de la

corriente de salida del enfriador E-32A03 será empleada como recirculación y

enviada nuevamente hacia la entrada del depurador 3era. Etapa V-32A03.

La corriente de tope del depurador descarga V-32A04 se unirá con la

corriente de descarga de los otros dos módulos de compresión, constituyendo la

corriente de gas que será enviada hacia el cabezal de inyección de gas a pozos.

DERECHOS RESERVADOS


28

En todo el proceso, los condensados generados en cada etapa de

compresión serán recuperados en forma de cascada, desde la etapa de mayor

presión a la de menor presión, enviándolos desde el depurador descarga V-32A04

hacia el depurador de 3ra. Etapa V-32A03, luego al depurador 2da. Etapa V-

32A02, y, finalmente, al depurador 1ra. Etapa V-32A01. Luego, los condensados

se descargarán hacia el separador atmosférico V-3103. Desde éste, el líquido se

enviará, mediante las bombas P-3103 A/B, hacia el recolector de condensado V-

3102, y desde aquí, a través de las bombas P-3102 A/B, hacia el cabezal de

producción de la estación de flujo EF 8-7.

La presión de la corriente de alimentación de gas al depurador de entrada V-

3101 y al depurador 1ra. Etapa V-32A01 será controlada en 55,0 y 50, 0 psig,

respectivamente, mediante las válvulas controladoras de presión que estarán

ubicadas en las líneas de alimentación al depurador de entrada V-3101 y al

depurador 1ra. Etapa V-32A01.

El flujo de recirculación o anti-oleaje, en cada etapa del compresor, será

regulado por una válvula controladora de flujo que recibirá la señal del PLC de

Control de la unidad de compresión, de acuerdo a la estrategia de control anti-

oleaje.

La variable de control de proceso en los depuradores de 1era, 2da, 3era

etapa y del depurador de descarga V-32A01, V-32A02, V-32A03 y V-32A04,

DERECHOS RESERVADOS


29

respectivamente, será el nivel de líquido, regulado por las respectivas válvulas de

control de nivel.

Planta Compresora MOPORO II

Figura No1 Diagrama de flujo planta compresora MOPORO II, N&V, C.A.

3.3. CONTENIDO DE AGUA I. Contenido de Agua en Gas Natural

La solubilidad del agua en el gas natural se incrementa con la temperatura y

disminuye con el aumento en la presión. La presión de sales en el líquido reduce

el contenido de agua en el gas. El contenido de agua en gas natural no procesado

generalmente esta alrededor de unos pocos cientos de libras de agua por millón

pies cúbicos estándar de gas (LBM/MMPCED), mientras que normalmente en los

DERECHOS RESERVADOS


30

gasoductos se requiere como especificación el contenido de agua en un rango de

6-8 (Lb/MMPCND) (Natural Gas Engineering Handbook,Guo & Ghalambor, 2005)

II. Control de Punto de Rocío.

El contenido de agua en un gas natural es indirectamente indicado por el

punto de rocío, definido como la temperatura y presión a la que el gas natural está

saturado con agua. En el punto de rocío el gas esta en equilibrio con el agua

líquida, cualquier descenso en la temperatura o incremento en la presión causará

que el vapor de agua empiece a condensar. La diferencia entre la temperatura de

punto de roció de una corriente saturada en agua y la misma corriente luego de

ser deshidratada se le denomina depresión del punto de rocío (Natural Gas

Engineering Handbook,Guo & Ghalambor, 2005).

Esta especificación es necesaria para prevenir la condensación de agua en

las tuberías debido a que la presencia de agua libre es propicia a la formación de

hidratos. Por ejemplo una especificación de 14 lbs de agua/MMPCED es

equivalente a un punto de roció de -9 °C.

III. Determinación del Contenido de Agua

Es esencial estimar con precisión el vapor de agua saturado contenido en

una corriente de gas natural, para el adecuado diseño y operación de un sistema

de deshidratación. Para muchos sistemas la tabla de Mcketta y Wehe (1958),

generada con datos empíricos, proporciona un estándar para determinación de

contenido de agua en gas. Esta tabla puede ser utilizada para predecir el

DERECHOS RESERVADOS


31

contenido de agua saturada en corrientes de gas dulce, en gasoductos de gas

natural. Otros métodos están disponibles para este fin, incluida la de correlaciones

McCarthy, Boyd, y Reid (1950), y la ley de Dalton de presiones parciales, la cual

es válida para estimar el vapor de agua contenido en el gas cerca de presiones

atmosféricas (Natural Gas Engineering Handbook,Guo & Ghalambor, 2005).

El H2S y CO2 pueden contener más agua saturados, que el metano o

cualquier otra mezcla de gas dulce. Las cantidades relativas pueden variar

dependiendo de la temperatura y presión. Para sistemas de gases ácidos las

tablas 20-8,20-9, de el GPSA son de común uso para determinar el contenido de

agua en una mezcla acida.

3.4. PROBLEMAS QUE REPRESENTA LA PRESENCIA DE AGUA EN GAS

NATURAL

Como anteriormente mencionado, cuando el gas natural contiene agua, que

a la vez, condensa dentro de las tuberías y otros recipientes, puede generar

problemas que pudieran llegar a ser graves. A continuación se mencionan algunos

de ellos.

I. Formación de Hidratos

Los hidratos de gas natural son compuestos sólidos cristalinos formados por

la combinación química de gas natural y agua bajo presión y temperatura

considerablemente por encima del punto de congelamiento del agua. Los hidratos

DERECHOS RESERVADOS


32

frecuentemente se consideran responsables por dificultades operativas en

cabezales de pozo (Wellheads), gasoductos, y otros equipos de procesamiento de

gas natural.

Los hidratos se forman cuando la temperatura está por debajo de cierto

grado específico, a esta temperatura se le llama punto de formación de hidrato. El

punto de formación de hidrato podría ser menor o igual que la temperatura de

punto de roció del gas.

Las formulas químicas de algunos hidratos de gas natural son:

Hidratos de Metano: CH4 • 7H2O

Hidratos de Etano: C2H6 • 8H2O

Hidratos de Propano: C3H8 • 18H2O

Los cristales de los hidratos se asemejan a hielo o a nieve en apariencia,

pero no tiene la estructura sólida del hielo, son mucho menos densos, y exhiben

propiedades que generalmente están asociadas a componentes químicos. El

componente principal en su estructura es el agua en un 90%. Para disminuir el

punto de rocío y corregir la formación de hidratos se utiliza metanol, etilénglicol,

trietilénglicol, dietilénglicol, y tetraetilénglicol.

Condiciones principales que favorecen su formación

Durante la operación gas natural, es necesario definir, y por tanto evitar,

condiciones que promuevan la formación de hidratos. Esto es esencial porque los

DERECHOS RESERVADOS


33

hidratos pueden obstruir tuberías, reducir la capacidad de transferencia de

intercambiadores de calor, tapar válvulas, formar ácidos y en su consecuencia

generar corrosión. Estas condiciones se pueden describir de la siguiente manera

(Deshidratación del Gas natural, Marcías J. Martínez):

a. Condiciones primarias.

‐ El gas debe estar en o por debajo del punto de roció del agua.

‐ Bajas temperaturas.

‐ Altas presiones.

b. Condiciones secundarias.

• Altas velocidades.

• Pulsaciones de presión.

• Cualquier tipo de agitación.

• La introducción de un pequeño cristal de los hidratos.

• La presencia de termopozos o escamas en la tubería

Principales razones para prevenir la formación de hidratos son:

• Prevenir el taponamiento de las tuberías de transmisión debido a los

procesos fríos (descensos de las temperaturas)

• Prevenir la corrosión de la tubería por la presencia de H2S y CO2.

DERECHOS RESERVADOS


34

• Obtener el punto de rocío requerido para la venta de gas equivalente a 7

Lb/MMPCED.

• Evitar los daños que se le producen a los alabes de las turbinas y demás

equipos rotativos.

• Evitar el taponamiento de los intercambiadores criogénicos o cajas frías.

3.5. INHIBIDORES DE HIDRATOS

En aquellas situaciones donde los cálculos predicen la formación de hidratos,

ello puede prevenirse mediante la deshidratación del gas o liquido, para eliminar la

condensación de agua en cualquier fase (liquida o sólida). En algunos casos la

deshidratación de gas no suele ser una solución práctica ni económicamente

viable. En estos casos la inhibición puede ser un método efectivo para prevenir la

formación de hidratos.

La inhibición utiliza inyección de uno de los glicoles o metanol a una corriente

de proceso, donde se puede combinar con la fase acuosa condensada para bajar

la temperatura de formación de hidratos a una presión determinada. Ambos glicol

y metanol, pueden ser recuperados en la solución acuosa, regenerados y

reinyectados. Para procesos de inyección continua con temperaturas de -40°F,

uno de los glicoles usualmente ofrece una alternativa económica positiva, en

comparación al metanol el cual es obtenido por recuperación en un proceso de

destilación. A condiciones criogénicas (por debajo de -40°F) el metanol

DERECHOS RESERVADOS


35

usualmente es preferible, porque la viscosidad del glicol a esas temperaturas

hace que la separación sea un proceso poco efectivo.

El etilénglicol (EG), dietilénglicol (DEG), y trietilénglicol (TEG) son los más

comúnmente usados para la inhibición de formación de hidratos por medio de

inyección. El más popular ha sido el etilen glicol por su bajo costo, baja viscosidad,

y baja solubilidad en hidrocarburos líquidos (Gas Processors Suppliers

Association, 1998).

A continuación se presenta las propiedades físicas de los inhibidores de

formación de hidratos.

DERECHOS RESERVADOS


36

‐ Propiedades Físicas de Inhibidores de Formación de Hidratos

Etilen Glicol

Dietilen glicol

Trietilen glicol

Tetraetilen glicol Metanol

Formula C2H6O2 C4H10O3 C6H14O4 C6H18O5 CH3OH Peso Molecular 62.1 106.1 150.2 194.2 32.04 Punto de Ebullición @ 760mmhg,°F 387.1 472.6 545.9 597.2 148.1

Punto de Ebullición @ 760mmHg,°C 197.3 244.8 285.5 314 64.5

Presión de Vapor @ 77°F (25°C), mmHg 0.12 < 0.01 <0.01 <0.01 120

Densidad (g/cc) @ 77°F (25°C) 1.110 1.113 1.119 1.1120 0.790

Densidad (g/cc) @ 140°F (60°C) 1.085 1.088 1.092 1.092 0.790

Libras por Galón @ 77°F (25°C) 9.26 9.29 9.34 9.34 6.59

Punto de Congelacion,°F 8 17 19 22 -144.0

Punto Pobre(Pour Point), °F - -65 -73 -42

Viscosidad en Centipoise @ 77°F (25°C)

16.5 28.2 37.3 44.6 0.52

Viscosidad en Centipoise @ 140°F (60°C)

4.68 6.99 8.77 10.2 0.52

Tensión de Superficie (surface tensión) @ 77°F (25°C), dynes/cm

47 44 45 45 22.5

Índice de Refracción @ 77°F (25°C) 1.430 1.446 1.454 1.457 0.328

Calor Especifico @ 77°F (25°C) Btu/Lb x °F

0.58 0.55 0.53 0.52 0.60

Punto de Encendido, °F (PMCC)

240 255 350 400 53.6

Punto de Inflamacion,°F (C.O.C)

245 290 330 375

Tabla No2. Gas Processors Suppliers Association, 1998

DERECHOS RESERVADOS


37

3.6. SISTEMAS DE DESHIDRATACION DE GAS NATURAL

La deshidratación del gas natural consiste en la disminución del contenido de

vapor de agua asociado como no asociado en estado liquido o de vapor que se

encuentra en equilibrio con la masa gaseosa, y es removida por las siguientes

razones (Handbook of Natural gas Transmissión and Processing).

1. Gas natural a condiciones específicas puede mezclarse con líquido o

vapor libre para formar hidratos que pueden tapar las líneas.

2. El agua puede condensar en la línea, causando “slug flow” es decir un

flujo viscoso o en forma de lodo, ocasionando posible erosión o corrosión en las

líneas.

3. El contenido de agua incrementa el volumen y disminuye la carga

calórica del gas natural.

4. Para requerimientos comerciales de las líneas el contenido de agua en el

gas debe cumplir con la especificación de 7 lb de H2O por MMPCED como

máximo, eso dependerá de las necesidades que plantee cada proceso.

Técnicas para deshidratar gas natural

La deshidratación del gas natural puede hacerse con los siguientes procesos

(Deshidratación del Gas natural, Marcías J. Martínez):

I. Adsorción; utilizando un sólido que adsorbe el agua específicamente,

como el tamiz molecular (molecular sieves), gel de sílice (sílica gel y aluminatos.

II. Absorción; usando un liquido higroscópico como el glicol.

III. Inyección; bombeando un liquido reductor del punto de rocío, como el

metanol o monoetilénglicol.

DERECHOS RESERVADOS


38

IV. Expansión; reduciendo la presión del gas con válvulas de expansión

(Joule-thomson) o un turboexpansor y, luego, separando la fase liquida que se

forma.

De estos procesos fueron evaluadas las tecnologías de adsorción y

absorción debido a que las otras dos alternativas ofrecidas presentaban

restricciones en su implantación que no las hacían viables, restricciones que son

explicadas en el capitulo III de esta investigación.

I. Deshidratación por Adsorción Con Desecantes Sólidos

Los sistemas de deshidratación por desecantes sólidos se fundamentan en el

principio de adsorción, lo cual involucra 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 en la superficie del desecante que se forma a través de la

fuerza de atracción que hay entre ellas, pero no hay reacción química.

Los deshidratadores de desecantes sólidos son típicamente más efectivos

que los sistemas de deshidratación por glicol, ya que pueden deshidratar el gas

hasta un punto menor de 0.1 ppmv (0.05 Lb/MMPCED). Sin embargo, con el fin

de reducir el tamaño del deshidratador de desecante sólido, una unidad de

deshidratación por glicol es frecuentemente usada para remover grandes masas

de agua (“bulk wáter”) aguas arriba de la unidad de desecantes sólidos, la unidad

de glicol removería alrededor de 60ppmV en contenido de agua, lo cual ayudaría a

reducir la masa de desecante solido en la unidad en el secado final.

DERECHOS RESERVADOS


39

El uso de sistemas de deshidratación por desecantes sólidos como

alternativa versus deshidratadores por glicol puede representar una disminución

significativa , tanto en la parte económica como también para el cuidado del

medio ambiente, esto se refiere a la reducción de costos de inversión en equipos,

reducción de los costos de mantenimiento ,operación, y una mínima cantidad de

VOC (compuestos orgánicos volátiles) y peligrosos contaminantes del aire como

el BTEX (bencenos, xilenos, toluenos, etil-bencenos) (Handbook of Natural gas

Transmissión and Processing). .

I.1. Capacidad del desecante

La capacidad que tiene un desecante de retener agua es normalmente

expresada en masa de agua adsorbida por masa de desecante. La capacidad de

absorción de humedad dinámica dependerá de un número de factores, tales

como la humedad relativa del gas de entrada, el caudal de gas, la temperatura de

la zona de adsorción, el tamaño de la malla del granulo, la duración del servicio ,

el grado de contaminación del desecante (Huntington, 1950) y por ultimo

dependerá del tipo de desecante. La capacidad de absorber humedad no es

afectada por variaciones de presión, pero las otras variables si lo son. Hay tres

términos de capacidad usados por el autor (Campbell, 1992) (Handbook of Natural

gas Transmissión and Processing):

• Capacidad de equilibrio estático: el agua en un desecante nuevo y virgen es

determinada en una celda de equilibrio sin flujo alguno (correspondiendo a la

isoterma de adsorción).

DERECHOS RESERVADOS


40

• Capacidad de equilibrio dinámico: es la determinación de la capacidad de

retención de agua de un desecante mientras está en contacto continuo con un

flujo determinado a una tasa comercial.

• Capacidad útil: es la capacidad de diseño, que reconoce la pérdida de

capacidad de retención de agua del desecante con respecto al tiempo,

determinado por experiencia y consideraciones económicas, y el hecho de que

ningún lecho desecante puede ser utilizado completamente.

I.2. Selección del Desecante

Una variedad de desecantes sólidos están disponibles en el mercado para

aplicaciones específicas. Algunos son buenos sólo para la deshidratación del gas,

mientras que otros son capaces de realizar tanto la deshidratación y la eliminación

de componentes de hidrocarburos pesados. La selección del desecante adecuado

para una aplicación determinada es un problema complejo. Para desecantes

sólidos utilizados en la deshidratación de gas, las siguientes propiedades son

deseables (Campbell, 1992; Daiminger y Lind, 2004).

1. Alta capacidad de adsorción en equilibrio. Esto reduce el volumen de

adsorbente requerido, permitiendo el uso de recipientes más pequeños con

reducción de los gastos de capital y la reducción de calor para la regeneración.

2. Alta selectividad. Esto minimiza la indeseable eliminación de compuestos

valiosos y reduce los gastos de funcionamiento operacional general.

DERECHOS RESERVADOS


41

3. Fácil regeneración. La relativa baja temperatura de regeneración

minimiza las necesidades generales de energía y gastos de funcionamiento.

4. Baja caída de presión.

5. Buenas propiedades mecánicas (como la alta resistencia a la compresión,

bajo desgaste, baja formación de polvo y gran estabilidad contra el

envejecimiento). Estos factores reducen los requisitos de mantenimiento en

general al disminuir la frecuencia con la que se cambian los adsorbentes por

adsorbentes vírgenes y en consecuencia minimiza el tiempo de parada de la

unidad y así evitar pérdidas asociadas a la producción.

6. Asequible, no corrosivo, no tóxico, químicamente inerte, de alta

densidad y cambios no significativos de volumen en la adsorción, y desorcion de

agua.

I.3. Tipos de Desecantes

Los desecantes comerciales más comunes, utilizados en lechos

deshidratadores, son los de silica gel, tamices moleculares, alúmina activada,

bauxita, bauxita purificada.

A continuación se muestran las propiedades típicas de los desecantes.

DERECHOS RESERVADOS


42

Propiedades Típicas de Desecantes Sólidos

Desecante Forma Densidad

Mayor (Lb/Ft3)

Tamaño de partícula

Capacidad Calórica

(Btu/Lb x °F)

Contenido de humedad mínimo de efluentes de gas aproximado.(ppmw)

Alúmina Gel Alcoa H-151 Esférica 52 1/4” 0.20 5-10

Activated Alúmina Alcoa F-1 Granular 52 1/4”-8 Malla 0.1

Silica Gel Sorbead -R Esférica 49 4-8 Malla 0.25 5-10

Silica Gel Sorbead -H Esférica 45 3-8 Malla 0.25 5-10

Tamiz Molecular Davison-4A Esférica 42-45 4-8 o 8-2

Malla 0.24 0.1

Tamiz Molecular Linde-4A

cilindro extruido 40-44 1/8” o 1/16” 0.24 0.1

Tabla No 3. Gas Processors Suppliers Association, 1998

• Silica gel

Es el nombre genérico para un gel fabricado a partir de ácido sulfúrico y

silicato de sodio, es ampliamente utilizado como desecante, que puede utilizarse

para la deshidratación de gases y líquidos, y la recuperación de hidrocarburos de

gas natural.

La Sílica gel se caracteriza por lo siguiente.

1. Es muy adecuada para la normal deshidratación de gas natural.

2. Más fácilmente regenerada que los desecantes por tamices moleculares.

DERECHOS RESERVADOS


43

3. tiene alta capacidad de retención de agua, puede absorber hasta un 45%

de su propio peso en agua.

4. Sus costos son menores comparados a los tamices moleculares y la

alùmina activada.

5. tiene la capacidad de alcanzar puntos de rocío de -140°F.

La Silica gel utilizada para el secado de gas natural debe ser la de tipo

Sorbead. La mayoría de los otros tipos de silica gel producirían finos en contacto

con el agua. Es por eso que Engelhard Sorbead es un desecante de alto

rendimiento.

• Alúmina Activada

Las alúminas son materiales compuestos de oxido de aluminio (Al2O3). Las

alúminas activadas están generalmente referidas a una clase de óxidos de

aluminio hidrófilo y posee un alto grado de porosidad. Como resultado, exhiben

gran capacidad de adsorber agua. El valor de las alúminas activadas se puede

denominar intermedio, es decir superior a la sílica, pero inferior a los tamices

moleculares, su fundamental utilidad viene siendo la deshidratación de aire, gas

natural, y otros solventes orgánicos. La fuerza de atracción que ejerce la alúmina

hacia el agua es mayor que la que ejerce la sílica ejerce sobre el agua. La alúmina

tiene excelente capacidad de mantener su forma después de haber estado en

contacto con agua y es resistente a la acción de ácidos.

La aplicabilidad de alúmina activada es preferencial cuando:

DERECHOS RESERVADOS


44

1. Presencia de alto a moderado contenido de agua en la alimentación.

2. Se requiere un punto de rocío moderado

3. La capacidad de regeneración es moderada.

4. Resistencia química requerida (ácidos)

• Tamices Moleculares

Los tamices moleculares son, desde el punto de vista químico, silicatos de

aluminio – álcali- están disponibles en el mercado tanto en forma de pastillas

(1/16” a un 1/8”), como en forma de polvo (10 micrones).

Los tamices moleculares retienen adsorbatos (elementos adsorbibles) por

fuerzas físicas más que por químicas, en otras palabras, cuando las molécula

adsorbida es posteriormente liberada por la aplicación de calor, el cristal queda en

el mismo estado químico que estaba antes de la adsorción, la desorción de agua

en los tamices es un proceso reversible siempre que no ocurra condensación de

hidrocarburos pesados de punto de burbujeo muy elevado, caso en el cual el

lecho podría perder parcialmente su capacidad para deshidratar.

La superficie externa de los cristales está disponible para la adsorción de

moléculas de todos los tamaños, mientras que la superficie interna es alcanzable

solo por aquellas moléculas cuyo tamaño sea suficientemente pequeño como para

pasar por los poros. Para tener una idea de la estructura del cristal, basta decir

que el área externa es solo 1 % del área total.

DERECHOS RESERVADOS


45

Los tamices moleculares no solo adsorben moléculas basados en tamaño y

configuración, sino también polaridad y grado de saturación. En una mezcla de

moléculas capaces de pasar a través de los poros, la menos volátil, la más polar o

la más insaturada será más fuertemente adsorbida que las demás.

La fuerza de adsorción de los tamices moleculares se debe principalmente a

los cationes que forman parte del retículo cristalino. Estos cationes (Na, Ca),

actúan como puntos de fuerte carga positiva que atraen electroestáticamente los

extremos negativos de las moléculas polares, a mayor momento dipolar de una

molécula, más fuertemente será adsorbida. Ejemplo de tales moléculas son

aquellas que contienen átomos de O2, S, C1 ó N2. Son asimétricas; en

consecuencia, un tamiz molecular adsorberá antes CO (molécula dipolar), que

argón (molécula no polar), por citar un ejemplo.

También puede ocurrir que esos puntos de fuerte carga positiva induzcan

dipolo en otras moléculas, ocurriendo una adsorción posterior; mientras más

insaturada es una molécula, mas polarizadle es y, por lo tanto, más fácil será

adsorbida. Así, un tamiz molecular adsorberá etileno, una molécula insaturada de

un hidrocarburo saturado.

Por estas propiedades, los tamices son utilizados para eliminar

contaminantes indeseables en determinadas sustancias. En los tamices

moleculares la cantidad del compuesto adsorbido aumenta rápidamente a un valor

DERECHOS RESERVADOS


46

de saturación a medida que se incrementa la concentración de dicho compuesto

en la fase externa al tamiz. Cualquier incremento adicional en la concentración a

temperatura constante no ocasiona aumento en el monto adsorbido; ese equilibrio

normalmente indica que se han llenado completamente los espacios vacios de

cristal (Marcías J. Martínez).

Los tamices moleculares se caracterizan por lo siguiente.

1. Capacidad de deshidratación a menos de 0,1 ppm de contenido de agua.

2. Excelente para eliminación de H2S, CO2, deshidratación, deshidratación a

altas temperaturas, eliminación de hidrocarburos líquidos pesados, y eliminación

altamente selectiva de componentes específicos.

3. Más costoso que el silica gel, pero ofrece una mayor deshidratación.

4. Requiere temperaturas más altas para la regeneración, por lo tanto tiene

mayores costos de operación.

I.4. Descripción del Proceso

Antes que todo el gas húmedo entrante debe ser filtrado y separado de sus

impurezas solidas y contaminantes líquidos. Esta corriente de gas filtrado fluye

hacia abajo durante la deshidratación a través de un lecho desecante. El arreglo

de corriente descendiente reduce las perturbaciones del lecho causadas por gases

a altas velocidades durante la adsorción (Natural Gas Engeneering Handbook,Guo

& Ghalambor, 2005)

DERECHOS RESERVADOS


47

Como muestra la Figura 1 Un deshidratador de lecho fijo, generalmente,

tiene por lo menos dos recipientes llenos de desecante, mientras uno de ellos está

en adsorción el otro está en regeneración en otras palabras, es un proceso

continuo.

Planta Deshidratadora De Gas Natural Con Desecante Solido

Figura No2. Deshidratación del Gas natural, Marcías J. Martínez.

La regeneración del desecante requiere de calentamiento y posterior

enfriamiento. Después de calentar el deshidratador para remover el agua, el horno

de gas (que también puede ser un intercambiador de calor con vapor de agua o

aceite caliente), se apaga y el lecho se enfría antes de pasar a la etapa de

adsorción. el flujo de adsorción como ya dicho es generalmente hacia abajo,

DERECHOS RESERVADOS


48

pasando a través del lecho, para la regeneración el flujo de calentamiento puede

ser en cualquier dirección, aunque por lo general se regenera en contracorriente

para asegurar en profundad la regeneración de la parte inferior del lecho, lo cual

es el ultimo que hiso contacto con el gas deshidratado.

El lecho caliente ya regenerado debe ser enfriado y el sistema de

calentamiento debe ser apagado o desviado. Ahora una corriente de gas para

enfriamiento fluye hacia abajo a través del lecho, de modo que cualquier

contenido de agua que pueda ser adsorbida en esta etapa sea en la parte superior

del lecho y no sea desòrbida en el gas durante el paso de deshidratación.

Los lechos deben ser regenerados apropiadamente para que la capacidad de

adsorción se mantenga, ello depende tanto el volumen como de la temperatura del

gas. A mayor temperatura, menor será el caudal de gas requerido, sin embargo, si

la temperatura es muy alta, puede degradarse el desecante, perdiendo su

propiedad de adsorber (Marcías J. Martínez).

I.5. Consideraciones Básicas de Diseño

El diseño básico de un sistema de deshidratación con desecantes secos

involucra los siguientes cálculos.

1. Cantidad requerida del desecante.

2. Determinación del diámetro y longitud del lecho.

3. Calculo del sistema de regeneración y suministro de calor.

DERECHOS RESERVADOS


49

4. Tamaño de los intercambiadores de calor

5. Determinación de la secuencia apropiada en el diseño.

Estas consideraciones dependerán fundamentalmente de:

• Servicios disponibles (agua, electricidad, etc.),

• Descenso requerido del punto de rocío.

• Tipo de desecante.

I.6. Ventajas y Desventajas de los Sistemas de Deshidratación por

Desecantes Sólidos

Las ventajas que traen los sistemas de deshidratación incluyen.

1. Pueden reducir el punto de rocío, hasta logar un contenido de agua

inferior a 1.0 Lb/MMPCED.

2. Algunos adsorbentes pueden tolerar altas temperaturas de contacto

3. Buena tolerancia a variaciones repentinas de flujo sobretodo en el

arranque.

4. Arranque rápido tras parada.

5. Alta adaptabilidad para el recobro de ciertos líquidos de hidrocarburos

además de sus funciones de deshidratación de agua.

Los problemas operativos que presentan los lechos desecantes

incluyen.

DERECHOS RESERVADOS


50

1. Alto costo de inversión.

2. Provoca alta caída de presión.

3. Susceptibilidad a la ruptura y envenenamiento del lecho.

4. Altos requerimientos de calor.

5. Los adsorbentes se degeneran con el uso y requieren reemplazo.

6. El tiempo máximo de deshidratación permisible gradualmente se reduce

con el tiempo debido al desgaste de los desecantes.

II. Deshidratación por absorción con Glicol

Entre los diferentes procesos de deshidratación, la absorción es la técnica

más comúnmente utilizada. El vapor de agua es removido del gas por íntimo

contacto con un desecante higroscópico líquido. El contacto es logrado

generalmente por torres empacadas o por bandejas. La deshidratación por glicol

es usualmente una alternativa económica frente a los sistemas de deshidratación

por desecantes sólidos cuando ambos tienen la capacidad de lograr los puntos de

roció requeridos.

II.1. Tipos de Desecantes Líquidos

Entre los glicoles usados para la deshidratación del gas natural tenemos el

etilénglicol (EG), dietilénglicol (DEG), trietilénglicol (TEG), y tetraetilénglicol

(TTEG). Normalmente un solo tipo puro de glicol es usado para deshidratar pero a

veces una mezcla de ellos puede ser una alternativa económica.

Las funciones que se les dan a estos glicoles dependen de lo siguiente:

DERECHOS RESERVADOS


51

1. Monoetilénglicol (MEG); muestra un alto equilibrio de vapor en el gas

procesado, por esto, tiende haber muchas perdidas en el contactor. Es mas

apropiado como inhibidor de hidratos, donde puede ser recuperado de un gas por

separación a temperaturas por debajo de 50ºF.

2. Dietilénglicol (DEG); Una alta presión de vapor conlleva a grandes

perdidas en el contactor. Para conseguir una baja descomposición del solvente se

requiere bajas temperaturas del regenerador (315-340ªF) y en consecuencia no

se logra obtener una suficiente pureza para la mayoría de los casos.

3. Trietilénglicol (TEG); Es el mas común. Se puede regenerar a 340-400ªF

para alcanzar mayor pureza. A temperaturas de contacto mayores a 120ºF, hay

tendencia a producir perdidas en fase de vapor. Las depresiones del punto de

rocío llegan hasta 150ºF con el uso de gas de despojamiento.

El (TEG) es el desecante líquido más comúnmente utilizado para la

deshidratación del gas natural.

1. El TEG se puede regenerar a concentraciones de 98-99% más fácilmente

en un desorbedor atmosférico, por razón de sus puntos de burbujeo y temperatura

de descomposición.

2. El TEG tiene una temperatura de descomposición inicial de 404°F,

mientras que la temperatura teórica de descomposición del etilen glicol es de tan

solo 328°F (Ballard, 1996).

DERECHOS RESERVADOS


52

3. Las perdidas por evaporación son menores que las del monoetilénglicol y

las del dietilénglicol. Por lo tanto el TEG puede fácilmente ser regenerado y lograr

las altas concentraciones requeridas para las especificaciones de contenido de

agua en las líneas.

4. Los costos inversión y operación son menores.

II.2. Descripción del Proceso

Como se puede ver en la Figura 2, en una planta de deshidratación con

glicol, el gas entra por la parte inferior de una torre de absorción y asciende en

contracorriente mientras burbujea en el glicol que cae del tope llenando las

bandejas o platos de burbujeo en los cuales se produce la transferencia de masas.

Planta de Deshidratación de Gas Natural por Absorción

Figura No3. Natural Gas Processing Principles And Technology, 2004.

DERECHOS RESERVADOS


53

El TEG también absorbe compuestos orgánicos volátiles (VOC), que se

evaporan con el agua en el rehervidor. A medida que sube, dentro de la torre, el

gas cede el agua que contiene. Así el glicol que llega al absorbedor con muy poco

contenido de agua (glicol pobre) se enriquece a medida que entra en contacto con

el gas y sale por el fondo cargado (glicol rico). El gas natural seco que sale por el

tope de la torre absorbedora pasa a través de un intercambiador de calor

gas/glicol para pasar después a una línea de transmisión donde se dispondrá de

ella para diversos fines. El gas húmedo rico en glicol es bombeado a un

intercambiador de calor donde es precalentado por glicol pobre.

Luego de pasar por el intercambiador de calor glicol-glicol, el glicol rico entra

a un separador flash, donde por medio de una caida de presion se separa los

compuestos pesados del glicol, luego pasa a una columna desorbedora

(regeneración) y fluye hacia abajo a través del lecho empacado hasta llegar al

rehervidor. El vapor generado en el rehervidor retira el agua absorbida y VOC del

glicol a medida que asciende por el lecho empacado.

El vapor de agua y el gas natural desorbido del glicol son venteados por el

tope de la torre de desorcion. El glicol pobre regenerado caliente fluye

fuera del rehervidor hacia un acumulador de flujo (tanque de reposo) donde es

enfriado por un intercambiador con glicol rico proveniente, por ultimo es

bombeado a un intercambiador de calor glicol/gas y de retorno al tope

DERECHOS RESERVADOS


54

de la torre absorbedora. Se debe recordar antes que todo que el gas de

alimentación a la planta deshidratadora debe ser depurado de las partículas

liquidas y solidas mediante separadores o filtros que eviten la contaminación del

glicol.

II.3. Consideraciones Básicas de Diseño

Los sistemas de deshidratación por TEG tanto por bandejas como por

empaques, pueden ser dimensionados de acuerdo a la siguiente información.

• Flujo del gas.

• Gravedad especifica.

• Presión de operación.

• Máxima temperatura y presión.

• Requerimiento del punto de rocío o contenido de agua en la salida del gas.

De acuerdo a estas características se podrá calcular.

1. La mínima concentración de TEG en la solución pobre que entra por el

tope, requerido para satisfacer la especificación de agua en el gas.

2. La velocidad de circulación de TEG pobre requerida para absorber del gas

la cantidad de agua necesaria para satisfacer los requerimientos de concentración

de agua en el gas.

DERECHOS RESERVADOS


55

3. La cantidad requerida de contacto gas – glicol en la torre para producir el

necesario acercamiento al equilibrio la tasa de circulación elegida.

II.4. Ventajas y Desventajas de los Sistemas de Deshidratación por

Desecantes Líquidos.

Los deshidratadores por glicol ofrecen varias ventajas incluyendo las

siguientes.

1. Bajo costo inicial de equipos.

2. Bajas caídas de presión.

3. Fácilmente adaptable a nuevos requerimientos.

4. La regeneración de las torres no presenta inconvenientes

5. La planta podrá ser usada satisfactoriamente en la presencia de

materiales que podrían causar mal funcionamiento de algunos sistemas por lechos

adsorbentes.

Deshidratadores por glicol también presentan varios problemas operativos

incluyendo.

• Materiales suspendidos, tales como tierra, y oxido de hierro, pueden

contaminar la solución de glicol.

• La formación de lodos en la superficie de transferencia, puede causar una

perdida en la eficiencia y en el peor de los casos, completo paro del flujo.

DERECHOS RESERVADOS


56

• Cuando el oxigeno y el sulfuro de hidrogeno están presentes, la corrosión

puede convertirse en un problema debido a la formación acido en la solución de

glicol.

• Líquidos como, el agua, hidrocarburos líquidos, o aceites lubricantes, en el

gas de entrada requerirán de la instalación de un separador aguas arriba del

absorbedor. La entrada de agua altamente mineralizada en el gas al sistema,

puede después de largos periodos de tiempo cristalizarse y llenar el rehervidor de

sales solidas.

• La formación de espumas puede ocurrir con el consiguiente arrastre de

líquido. La adición de una pequeña cantidad de compuesto anti-espumante

generalmente remedia el problema.

• Soluciones altamente concentradas de glicol tienden a volverse viscosas a

bajas temperaturas, y por lo tanto son difíciles de bombear. Las líneas de glicol

pueden llegar a solidificarse completamente a bajas temperaturas cuando la planta

no está operando. En ambientes fríos, la circulación continua de parte de la

solución a través del calentador es recomendable. Esta práctica también puede

prevenir el congelamiento en enfriadores de agua.

• Para arrancar una planta absorbedora, todas las bandejas deben estar

llenas con solución de glicol antes de que pueda esperarse un buen contacto gas

– líquido. Esto también puede convertirse en un problema a bajas tasas de

DERECHOS RESERVADOS


57

circulación porque algunos orificios de las bandejas podrían drenar solución tan

rápido como es introducida

• Aumentos repentinos de flujo deben ser evitados tanto en el arranque como

en la parada de la planta. De lo contrario se podrían producir grandes pérdidas de

solución por arrastre.

3.7. SIMULADORES COMERCIALES.

Un simulador de procesos es la representación de modelos matemáticos,

que reproducen las operaciones unitarias de un proceso dado, y están basados en

balances de masa y energía, principios de termodinámica y fenómenos de

transporte, además pueden incluir el comportamiento de los controladores

discretos y continuos del proceso a simular. Los simuladores de procesos utilizan

software especializado, los cuales mediante las ecuaciones de estado, modelos

matemáticos y las diferentes ecuaciones de diseño aplicables para cada

operación, calculan las diferentes variables operacionales de cada una de ellas.

La simulación de procesos tiene como ventaja.

1. Reducción del tiempo de trabajo.

2. Permite al equipo de diseñadores probar rápidamente entre diferentes

configuraciones de equipos.

3. Permite mejorar procesos ya existentes, ya que responde a la pregunta

¿y qué ocurre si? Puede modificarse alguna variable del proceso y observar su

DERECHOS RESERVADOS


58

comportamiento antes de llevarlo al caso real, ya que esto representaría un riesgo

para la planta.

4. Determina las condiciones óptimas de proceso, respetando las

restricciones.

5. Asiste en la detección de cuellos de botella del proceso.

6. Realiza la evaluación económica de una planta de proceso.

Todas estas ventajas traen como consecuencia la baja en los costos de

operación y también fundamentalmente la reducción de riesgos para el personal y

para la planta. Para este trabajo de investigación se utilizo como herramienta de

simulación de procesos, el simulador comercial ASPEN HYSYS (2006.5)

I. Simulador de Procesos ASPEN HYSYS

Este simulador tiene la particularidad de estar diseñado en un lenguaje

interactivo, el cual permite una fácil instalación y manejo de las operaciones

unitarias.

Los simuladores estáticos o simuladores en estado estacionario, se encargan

de predecir el comportamiento de los diferentes equipos y propiedades de las

diferentes corrientes luego de establecerse el estado estable en el sistema, estos

se utilizan ampliamente para revisar y evaluar el comportamiento de una planta, y

para conocer el impacto de cambios en condiciones de operación del sistema, sin

necesidad de evaluar este impacto a nivel de campo. Esto ha contribuido a reducir

DERECHOS RESERVADOS


59

por ensayos de cambios en el proceso y ha permitido trabajar en forma preventiva

ante problemas que pueden ocurrir en una planta determinada.

Los paquetes de simulación de procesos tienen por lo general la misma

estructura básica, cambian en la manera de introducir los datos, algunas

ecuaciones de estado y métodos termodinámicos utilizados, la disponibilidad de

datos experimentales en biblioteca interna, el número y tipo de componentes

manejados, la precisión y rapidez en los cálculos y la presencia o ausencia de una

operación.

Este simulador estático de procesos tiene la particularidad de estar diseñado

en un lenguaje interactivo permitiendo una fácil instalación y manejo de las

unidades de proceso, entre sus opciones principales cuenta con una hoja de

trabajo, la cual permite una rápida identificación de las condiciones y propiedades

de las corrientes involucradas en el procesos, y se permite cambiar de forma

sencilla los valores de composición, flujo, temperatura y presión en las corrientes

especificadas. Provee un diagrama del proceso en el cual, mediante comandos

específicos, presenta las condiciones de presión, temperatura, flujo y/o entalpias

de las diferentes corrientes que intervienen en el proceso.

II. Selección de la Ecuación de Estado (EOS)

Es importante elegir apropiadamente el modelo de determinación de las

propiedades físicas dado que afecta grandemente la predicción de la simulación.

DERECHOS RESERVADOS


60

Los cuatro factores que podrían considerarse para escoger el modelo

termodinámico son.

1. La naturaleza de las fuerzas de interés.

2. La composición de la mezcla

3. El rango de presión y temperatura de operación

4. La disponibilidad de los parámetros.

En muchas aplicaciones donde están presentes moléculas no polares (tales

como en procesamiento y refinación de hidrocarburos), la mezcla están compleja

que en vez de representarla por todos los constituyentes conocidos es más fácil

agrupar los constituyentes por algunas propiedades útiles tales como el punto de

ebullición, peso molecular, temperatura critica, presión critica. En este caso una

mezcla de cientos de constituyentes puede reducirse a treinta o menos. Las

propiedades de estos componentes agrupados llamados “Pseudocomponentes”

son el punto de ebullición, la gravedad especifica y el peso molecular promedio.

La selección de los modelos termodinámicos para estimar las propiedades

termodinámicas (entalpias, entropías) y las constantes de equilibrio, es de vital

importancia para la validación de las simulaciones. Los simuladores de proceso

cuentan con diferentes herramientas para hacer estos cálculos: Ecuaciones de

Estado, correlaciones generalizadas o métodos de coeficiente de actividad.

DERECHOS RESERVADOS


61

Estimar con certeza estas propiedades permitirá la resolución rigurosa de los

algoritmos de los cálculos de las distintas operaciones unitarias.

En las simulaciones, la selección del modelo termodinámico puede hacerse

en arreglos predefinidos o escogiendo un modelo para cada propiedad

termodinámica o física, también se pueden especificar distintos modelos

termodinámicos en una operación unitaria si así se requiere.

Para la selección del modelo termodinámico es necesario tener en cuenta la

naturaleza de los compuestos presentes en las corrientes, la presión, la

temperatura, y la composición. En los manuales de operación de los simuladores y

en la literatura especializada en el cálculo de las propiedades termodinámicas y

físicas se puede obtener la información necesaria para la selección primaria de los

modelos termodinámicos, los cuales deben validarse.

En los procesos industriales, normalmente se encuentran sistemas vapor-

liquido, los cuales se caracterizan por distintos modelos termodinámicos

dependiendo de las condiciones de operación y del mismo sistema.

Los modelos termodinámicos predicen el comportamiento en el equilibrio de

una mezcla vapor-liquido, la exactitud de los resultados depende mucho más de la

caracterización de la corriente del modelo termodinámico seleccionado.

DERECHOS RESERVADOS


62

Las unidades separadoras vapor-liquido como las fraccionadoras de

hidrocarburos, son representativas de sistemas de baja presión, por lo tanto estas

unidades exhiben un comportamiento casi ideal, de esta manera pueden utilizarse

de manera satisfactoria modelos termodinámicos muy sencillos.

Entre los modelos comúnmente más utilizados en los sistemas de baja

presión se encuentran.

• Modelo Soave-Redlich-Kwong (SRK)

• Modelo Peng-Robinson (PR)

• Modelo Grayson-Streed (GS)

• Modelo Braun K-10 (BK10)

Para efectos de esta investigación se selecciono el modelo termodinámico

Peng-Robinson (PR) para las simulaciones en HYSYS, la cual se adapta a las

siguientes consideraciones.

1. Puede ser aplicado en el cálculo de equilibrio de fases para sistemas

operando a bajas temperaturas criogénicas (> -456 °F) como altas temperaturas y

altas presiones (<15.000 lpca).

2. Resuelve sistemas de una fase, bifásicos y trifásicos con alta eficiencia y

en un amplio rango de condiciones.

DERECHOS RESERVADOS


63

3. Predice satisfactoriamente la distribución de componentes para sistemas

de hidrocarburos pesados, sistemas con soluciones de glicol acuoso y metanol,

sistemas con gases ácidos y agua agria.

Cabe destacar que el proceso estudiado en este trabajo de investigación,

trabaja a presiones por encima de 2000 lpca, lo cual hace que el modelo

termodinámico Peng-Robinson encaje de manera satisfactoria en el cálculo debido

a su tolerancia a altos rangos de presión.

4. MAPA DE VARIABLES

• Objetivo General

Seleccionar la tecnología más adecuada para la deshidratación del gas

natural en la futura Planta Compresora Moporo II

• Variable

Tecnologías de deshidratación Gas natural.

• Definición Conceptual de Variable.

La deshidratación del gas natural consiste en la disminución del contenido

de vapor de agua asociado como no asociado en estado liquido o de vapor que se

encuentra en equilibrio con la masa gaseosa. Entre los métodos más importantes

DERECHOS RESERVADOS


64

para la deshidratación se encuentran tecnologías por absorción, adsorción y

refrigeración.

• Definición Operacional de Variable. Los sistemas de deshidratación de gas natural, son utilizados para disminuir

el contenido de agua en mezclas gaseosas, su finalidad es la de prevenir la

formación de hidratos en las líneas de transmisión, la corrosión por la mezcla de

agua con compuestos ácidos y así como también disminuir el punto de roció del

fluido para cumplir con especificaciones comerciales.

DERECHOS RESERVADOS

65

OBJETIVOS VARIABLES SUB-VARIABLE O DIMENSION INDICADOR Identificar la corriente de gas de proceso a ser tratado.

Condiciones de gas de proceso.

Flujo, Gravedad especifica, Temperatura, Presión, Contenido de agua, Composición.

Determinar el contenido de agua presente en el gas natural entrante a la unidad de deshidratación.

Contenido de agua. LbH20/MMPCED

Preseleccionar las tecnologías de deshidratación de gas factibles para este proceso.

Criterios de selección. 7LbH20/MMPCED<. ∆P<15psi.

Desarrollar los cálculos específicos de dimensionamiento para cada Tecnología de Deshidratación .

Cálculos específicos. Diseño, Dimensionamiento y la Simulación del proceso.

Seleccionar la tecnología que represente el esquema técnico más apropiado para el proceso.

Tecnologías para la Deshidrataciones de

gas natural.

Tecnología más Apropiada. Matriz Evaluativa.

65

DERECHOS RESERVADOS

66

5. DEFINICION DE TERMINOS BASICOS.

Absorción: La absorción de gas es una operación unitaria en la cual los

componentes solubles de una mezcla gaseosa se disuelven en un líquido. La

operación inversa, llamada separación o desorción, se utiliza cuando se quieren

transferir los componentes volátiles de una mezcla liquida a un gas. (Manual del

Ingeniero Químico (Perry), 1992)

Adsorción: la sorción o adsorción es la transferencia selectiva de uno u más

solutos de una fase fluida a un lote de partículas solidas. La selectividad común de

un sorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible

la separación de ciertos solutos presentes en el fluido portador o entre sí. (Manual

del Ingeniero Químico (Perry), 1992)

Adsorbente: los adsorbentes son materiales naturales o sintéticos de estructura

amorfa y microcristalina. (Manual del Ingeniero Químico (Perry), 1992)

Glicol: El glicol (HO-CH2CH2-OH) se denomina sistemáticamente etan-1,2-diol.

Se trata del diol más sencillo, nombre que también se emplea para cualquier

poliol. Su nombre deriva del griego glicos (dulce) y se refiere al

sabor dulce de esta sustancia. El glicol es una sustancia ligeramente viscosa,

incolora e inolora con un elevado punto de ebullición y un punto de fusión de

DERECHOS RESERVADOS

67

aproximadamente -12 °C (261 K). Se mezcla con agua en cualquier proporción.

(http://es.wikipedia.org).

Monoetilénglicol (MEG): Glicol que tiene alto equilibrio de vapor en gas natural,

se tiende a disipar en la fase gaseosa en un contactor. Se utiliza de inhibidor de

hidratos, donde puede ser recuperado después del gas por separación a

temperaturas por debajo de 50°F. (Natural Gas Engineering Handbook. 2005).

Dietilénglicol (DEG): Es un líquido viscoso, incoloro e inodoro de sabor dulce. Es

higroscópico, miscible en agua, alcohol, etilenglicol, etc. Posee una densidad de

1,118. El punto de ebullición es 244-245 °C. (http://es.wikipedia.org).

Trietilénglicol (TEG): Trietilénglicol (TEG) es una molécula más grande que el

MEG, DEG y tiene dos grupos éter. Es menos claro y menos higroscópico que

DEG, pero tiene mayor punto de ebullición, densidad y viscosidad. Las

propiedades de TEG se asemejan a los de DEG, pero es más pesado. TEG es

también distinguido por sus propiedades antibacterianas.

(http://www.sabic.com/me/en/productsandservices/chemicals/teg.aspx).

Hidrato: son compuestos sólidos que se forman como cristales, tomando

apariencia de nieve, se forman por una reacción entre el gas natural y el agua y su

composición es aproximadamente un 10% hidrocarburos y un 90% de agua.

(Ingeniería de gas, principios y aplicaciones, Marcia J. Martínez)

DERECHOS RESERVADOS

68

Punto de Roció: El punto de rocío es la temperatura a la que empieza a

condensar el vapor de agua contenido en el aire a una presión dada, produciendo

rocío, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja,

escarcha.

Gas asociado: se encuentra en un yacimiento donde predominan los

hidrocarburos líquidos en forma de petróleo condensando. (Gas Processors

Suppliers Association, 1998)

Gas no asociado: llamado también gas libre. Es el producto único o con una

proporción baja de hidrocarburos líquidos encontrado en el yacimiento. . (Gas

Processors Suppliers Association, 1998),

Gas Húmedo: gas con alto contenido de propano en todos los siguientes hasta

heptano. (Gas Processors Suppliers Association, 1998),

Gas dulce: gas con bajo contenido de azufre. (Gas Processors Suppliers

Association, 1998),

Gas agrio: gas con alto contenido de azufre. (Gas Processors Suppliers

Association, 1998),

Gasoducto: Un gasoducto es una conducción que sirve para transportar gases

combustibles a gran escala. Es muy importante su función en la actividad

económica actual. (http://es.wikipedia.org).

DERECHOS RESERVADOS

69

DERECHOS RESERVADOS

CAPITULO III

MARCO METODOLOGICO

DERECHOS RESERVADOS

Capitulo III: Marco Metodológico

71

C A P Í T U L O I I I

M A R C O M E T O D O L Ó G I C O

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN

Para Arias (2006), “La investigación científica es un proceso metódico y

sistemático dirigido a la solución de problemas o preguntas científicas, mediante la

producción de nuevos conocimientos, los cuales constituyen la solución o

respuesta a tales interrogantes”.

Barrera (2006), define que “Los métodos, técnicas, tácticas y estrategias no

son genéricos para cualquier investigación; los métodos son diferentes en función

del tipo de investigación y del objetivo que se pretende lograr”.

Según Best, J.W, citado por Tamayo y Tamayo (2007),” la investigación

descriptiva comprende la descripción, registro, análisis e interpretación de la

naturaleza actual, y la composición o procesos de los fenómenos. El enfoque se

hace sobre la conclusiones dominantes o sobre como una persona, grupo o cosa

se conduce o funciona en el presente”.

DERECHOS RESERVADOS


72

Arias (2006) establece que, “La investigación descriptiva consiste en la

caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con el fin de establecer

su estructura o comportamiento”.

Es por ello que esta investigación se clasifica como descriptiva ya que

detalla el proceso de selección de una alternativa rentable y eficiente para la

deshidratación del gas de proceso en la descarga de la “Planta Compresora

Moporo II”, por medio de la evaluación sistemática de un conjunto de tecnologías

de deshidratación de gas natural, lo cual desprende un estudio y un consecuente

análisis que describe las pautas seguidas para la selección de una tecnología que

más se ajusta a las necesidades y requerimientos de este proceso estudiado.

3.2 DISEÑO DE INVESTIGACIÓN

Arias (2006), define el diseño de investigación como “La estrategia general

que adopta el investigador para responder al problema planteado. En atención al

diseño, la investigación se clasifica en: documental, de campo y experimental”.

Según Barrera (2006), “El “donde” del diseño alude a las fuentes: si son

fuentes vivas, y la información se recoge en su ambiente natural, el diseño se

denomina de campo, pero si la información se recoge en un ambiente artificial o

creado, se habla de diseño de laboratorio. Por el contrario, si las fuentes no son

vivas, sino documentos o restos, el diseño es documental. También pueden

utilizarse diseños de fuente mixta”.

DERECHOS RESERVADOS


73

De acuerdo a lo planteado por dichos autores se establece que esta

investigación lleva un diseño mixto, ya que se recurre a datos recolectados en

campo, y a su vez también se remitió a numerosos documentos para el desarrollo

de cálculos y dimensionamiento de los equipos que fueron preliminarmente

diseñados.

3.3 POBLACIÓN

De acuerdo a Arias (2006), “La población, o en términos más precisos

población objetivo, es un conjunto finito o infinito de elementos con características

comunes para los cuales serán extensivas las conclusiones de la investigación.

Esta queda delimitada por el problema y por los objetivos del estudio”.

Para esta investigación se tomo como población todas las tecnologías

conocidas para la deshidratación de gas natural tomado del GPSA (2004), las

cuales comprenden.

• Deshidratación por Adsorción.

• Deshidratación por Absorción.

• Deshidratación por Inyección

• Deshidratación por Expansión

DERECHOS RESERVADOS


74

3.4 TÉCNICA DE RECOLECCIÓN DE DATOS

De acuerdo a Arias (2006), “Se entenderá por técnica, el procedimiento o

forma particular de obtener datos o información”

La técnica utilizada para esta investigación es la de observación indirecta y

observación documental ya que “el investigador no pertenece al grupo observado

y sólo se hace presente con el propósito de obtener información. El investigador

utiliza información obtenida por otros, ya sea de testimonios orales o escritos de

personas que han tenido contacto de primera mano con la fuente que proporciona

esos datos” Arias (1999).

3.5 FASES DE LA INVESTIGACIÓN

Para el cumplimiento satisfactorio de la investigación se desglosaron los

objetivos específicos de la siguiente forma.

• Identificar la corriente de gas de proceso.

• Determinar el contenido de agua presente en el gas natural entrante a la

unidad de deshidratación

• Preseleccionar las tecnologías de deshidratación de gas factibles para este

proceso.

• Desarrollar los cálculos específicos de dimensionamiento para cada

tecnología de deshidratación

DERECHOS RESERVADOS


75

• Seleccionar la tecnología que represente el esquema técnico más


I. Identificación de la corriente de gas de proceso.

Antes de establecer el contenido de agua presente en la corriente primero se

debe conocer las propiedades y características de la corriente de gas a estudiar.

Esta información fue suministrada por la empresa y representa las condiciones de

descarga de la planta compresora en el simulador ASPEN Hysys, para lo cual se

requiere diseñar dos unidades de deshidratación con las siguientes condiciones

de proceso.

Se aclara que la capacidad máxima de descarga de la planta compresora

será de 165MMPCND es decir un sobre diseño del 10%, para los cuales se

requiere adaptar dos “skids” de deshidratación que sean capaces de tratar el flujo

a un caudal máximo de 82.5 MMCPND.

II. Determinar el contenido de agua presente en el gas natural entrante a

la unidad de deshidratación

Luego de identificar la corriente de gas de proceso que debe entrar a la

unidad deshidratadora, se requirió calcular de forma analítica el contenido de

agua en la mezcla, para luego así comparar con los valores suministrados por el

DERECHOS RESERVADOS


76

simulador ASPEN HYSYS y con esto poder identificar alguna desviación con

respecto a valores de contenido de agua ya tabulados en la literatura.

Primeramente se debió llevar la composición suministrada a base seca, es

decir, se normalizó la mezcla eliminando la fracción de agua presente para poder

hallar el verdadero contenido de agua por tabla. Para esto se utilizó la siguiente

ecuación.

(1)

Donde:

Xbase Seca: Composición del componente normalizado.

Xi: Composición del componente en presencia de agua.

XH2O: Fracción de agua.

Luego, se determinó el contenido de H2O/MMPCND en los hidrocarburos por

medio de la correlación de R, Bukacek (Tabla No.1-1. Martínez J. Marcías

“Deshidratación del Gas Natural”).

DERECHOS RESERVADOS


77

Donde:

W: Contenido de agua presente en la mezcla de gas dulce

A: Constante obtenida a una temperatura determinada

B: Constante obtenida a una temperatura determinada

P: Presión del sistema (atmosférica)

Se puede observar que en la mezcla hay una cantidad representativa de

gases ácidos (H2s, CO2) y se sabe que los ácidos pueden absorber más agua que

los hidrocarburos, es por esto que se debe corregir el valor de contenido de agua

por acides, para lograr este objetivo se debe tener en cuenta que él % de acido en

la corriente debe ser mayor al 5% para poder ser tomado en cuenta. El H2S es

despreciado ya que está por debajo del valor requerido,

% ácidos en la mezcla

%de CO2 7.659958 % de H2S 0.010013

Tabla No4.Porcentaje de ácidos en la mezcla.

Mientras que el CO2 si es tomado en cuenta y se procedió a encontrar su

valor de contenido de agua entrando en la tabla.

DERECHOS RESERVADOS


78

Contenido de Agua en CO2 en mezclas de gas natural vs Temperatura a

varias presiones

Fig. No4. ”Contribución del CO2 en el contenido de agua en el gas, a varias

temperaturas y presiones”.

Fuente: GPSA, SI, 1998.

Los datos de entrada para esta figura son temperatura y presión, con la

lectura de temperatura se corta la curva de presión y se lee el contenido de agua

en CO2.

Una vez que calculado el contenido de agua para gases ácidos se procede a

calcular el contenido de agua total en la mezcla gaseosa.

DERECHOS RESERVADOS


79

Donde:

Wt: Contenido de agua total en una mezcla de gas acido

WHC: Contenido de agua en hidrocarburos

YHC: Fracción de hidrocarburos

WH2S: Contenido de agua en H2S

YH2S: Fracción de H2S

WCO2: Contenido de agua en CO2

YCO2: Fracción de CO2

Ahora con el verdadero contenido de agua ya obtenido se procede a

determinar la fracción molar de agua presente en la mezcla, lo cual se calcula de

la siguiente forma.

(4)

Donde:

Wt; Contenido de agua (lbh2O/MMPCND)

Volumen Molar: 379.5 (Pie3)

Peso Molecular H2O: 18.015 (lb/lbmol) Ese % molar es normalizado en la mezcla para obtener la concentración de

componentes en base húmeda, es decir, se está saturando la mezcla con agua, ya

DERECHOS RESERVADOS


80

que para entrar en un simulador, la corriente debe estar saturada igual que en las

tablas. Para normalizar se utilizo el siguiente factor de ajuste.

(5)

Donde:

Xi: Fracción normalizada

Xj: Fracción en base seca

Xh20: Fracción de H2O.

Luego, se desea saber cuál debe ser la fracción molar presente a la descarga

de la unidad deshidratadora tomando en cuenta el requerimiento exigido de

7lbH2O/MMPCND.

(6)

Donde:

Wt: 7lb/MMPCND

Volumen Molar: 379.5 (Pie3)

Peso Molecular H2O: 18.015 (lb/lbmol).

Igualmente se procede a normalizar ahora la composición nuevamente,

multiplicando por el factor de ajuste. Ahora se conoce la composición requerida a

la descarga del modulo de deshidratación, cabe destacar que esta composición se

DERECHOS RESERVADOS


81

podría llamar ideal ya que a la hora de entrar en un simulador los valores de salida

difieren por un cierto margen de desviación. Con esto ya calculado se pueden ya

determinar varios parámetros, tales como, contenido de agua removida, punto de

rocío requerido a la descarga de la unidad, y el descenso del punto de rocío.

La cantidad de Agua removida se puede calcular de la siguiente forma:

(LbH2O/MMPCND) (7)

Donde:

Win: Contenido agua a la entrada de la unidad deshidratadora

Wout: Contenido de agua a la salida de la unida deshidratadora

El punto de rocío requerido a la descarga de la unidad deshidratadora, se

obtiene accesando a las tablas de contenido de agua de J.M Campbell, donde el

eje de las X representa la temperatura de saturación de la mezcla, el eje de las Y

el contenido de agua presente, y las curvas, la presión de trabajo del gas.

DERECHOS RESERVADOS


82

Contenido de Agua en Gas Dulce

-

Fig. No5. “Contenido de agua en gas dulce”.

Fuente: Gas Conditioning and Processing, 1992

Se lee el contenido de agua deseado en la mezcla para la descarga de la

unidad deshidratadora, luego se corta horizontalmente la curva de presión y se

DERECHOS RESERVADOS


83

traza una recta vertical hacia el eje de las X que corresponde a las temperaturas

de saturación. Esta lectura será el punto de rocío para un contenido de agua

requerido a la descarga de la unidad deshidratadora.

Ahora con este valor podemos calcular el descenso del punto de rocío.

(8)

Donde:

Tent: Temperatura de rocío a la entrada de la unidad (°F).

Tsal: Temperatura de rocío a la salida de la unidad (°F).

III. Preseleccionar las tecnologías de deshidratación factibles para este

proceso.

Para poder llegar a la etapa de diseño y entrar en una matriz de evaluación

donde se encuentren las tecnologías más apropiadas, primero se requería

determinar la factibilidad de estas en el proceso en estudio. Para esto se

establecieron criterios preliminares los cuales fueron capacidad de deshidratación,

y diferencial de presión. Estos criterios representaban las variables más

importantes a tomar en cuenta debido a su importancia en el proceso, ya que se

requerían procesos que pudieran deshidratar la corriente bajo las especificaciones

del cliente en el marco de la norma COVENIN (Norma COVENIN 3568-2-00-B), y

DERECHOS RESERVADOS


84

lograr un diferencial de presión lo suficientemente bajo que garantizara el

producto deseado a la hora de la estimulación de pozos.

A través de revisiones bibliográficas, y consultas a trabajos de

investigación, las tecnologías estudiadas fueron las siguientes



• Deshidratación por Inyección.

• Deshidratación por Expansión.

IV. Desarrollar los cálculos específicos de dimensionamiento para cada

tecnología de deshidratación

• Diseño preliminar de unidad deshidratadora de absorción con

trietilénglicol (T.E.G).

Para efectos de esta investigación se requiere hacer un diseño preliminar de

una torre de absorción, donde se recurre al cálculo manual de ciertas variables,

para luego poder ingresar a un simulador donde se pudo comprobar el

funcionamiento del sistema, la norma PDVSA (P–201–P Deshidratadores con

Glicol) y GPSA (11th edition) fueron utilizados como referencia para este diseño.

Procedimiento de diseño analítico

DERECHOS RESERVADOS


85

Para poder llegar a un diseño apropiado de una unidad deshidratación por

glicol se debe conocer, la tasa de flujo de gas, la temperatura máxima y presión,

composición del gas y punto de rocío requerido a la salida de la unidad, cálculos

que ya fueron previamente mencionados en los puntos anteriores a partir de estos

podemos llegar a lo siguiente.

- La concentración mínima de T.E.G en la solución pobre, entrando al

contactor por el tope, requerido para deshidratar el gas hasta su especificación.

- La tasa de circulación de T.E.G requerida que pueda recoger del gas la

cantidad de agua necesaria para deshidratar a especificación de descarga

- La cantidad de contacto requerido para producir una aproximación más

cercana al equilibrio que se podrá lograr a una tasa de circulación ya elegida, con

un número de platos determinados.

- Concentración mínima requerida de T.E.G.

Para determinar la concentración mínima requerida de glicol se recurrió a la

siguiente figura:

DERECHOS RESERVADOS


86

Fig. No6. “Equilibrio punto de rocío de H2O vs Temperatura a varias

concentraciones de T.E.G”.

Fuente: GPSA, SI. 1998.

En este grafico tenemos tres variables, punto de rocío (ordenada),

temperatura de contacto (abscisas) y curva de concentración de T.E.G, para

conseguir la concentración de glicol mínima deseada se entra con la temperatura

de contacto en el eje de las abscisas y se traza una línea vertical, luego se busca

en el eje de las ordenadas el punto de rocío correspondiente al requerido en la

descarga, ya previamente calculado, se traza una línea horizontal, y se procede a

tomar lectura a la concentración de T.E.G correspondiente. Cabe destacar que en

una torre de absorción a condiciones reales, el gas y T.E.G no están en contacto

durante suficiente tiempo para llegar al equilibrio, es por esto que se aplica una

DERECHOS RESERVADOS


87

aproximación al equilibrio que corresponde a un rango de 10 -15 °F menos del

valor calculado.

- Tasa de circulación de glicol requerida

Muchos diseños económicos trabajan con tasas de circulación en los

rangos de 2 – 5 T.E.G gal/LbH2O absorbida. Para efectos de simplificación del

cálculo se asumió un valor comúnmente utilizado 3 T.E.G gal/ LbH2o absorbida

que luego se pudo ajustar a través de la simulación.

- Contacto en el Absorbedor

El contacto eficiente del T.E.G con el gas tiene una relación directa con la

cantidad de platos suministrados en la torre, es decir, a medida que se aumenta el

números de platos se garantiza un mayor contacto glicol/gas y se disminuye la

necesidad de incrementar la tasa de circulación de glicol como también,

inversamente, a medida que se disminuye la cantidad de platos es lógico que se

debe aumentar la tasa de glicol en el sistema.

Para determinar el número de etapas teóricas, se utilizaron las siguientes

formulas.

Eficiencia de remoción de agua.

(9)

Donde:

Win: Contenido de agua en la entrada de la torre (LbH2O/MMPCND)

Wout: Contenido de agua en la mezcla a la salida de la torre (LbH2O/MMPCND)

DERECHOS RESERVADOS


88

E: Eficiencia de remoción de agua

Ahora para determinar el número de etapas teóricas se debe ir a la figura 7

con los valores obtenidos.

Fig.No7. “Remoción de agua Vs Tasa de circulación de T.E.G a varias

concentraciones de T.E.G (N=1.5)”.

Fuente: GPSA, SI. 1998

En esta figura el eje de las ordenadas corresponde a la eficiencia de

remoción de agua y el eje de las abscisas a la tasa de circulación de glicol, donde

se encuentran 4 curvas a diferentes concentraciones de glicol. La función de esta

figura es encontrar un valor de eficiencia de remoción de agua igual o parecido al

calculado, si el valor en efecto lo es, significara que hemos obtenido el numero

de etapas teóricas correspondientes para el absorbedor (N=1.5), tomando en

DERECHOS RESERVADOS


89

cuenta una eficiencia de absorción de los platos del 25%, es decir, una etapa

teórica resulta en 4 etapas reales.

Para entrar a esta figura se traza una línea vertical correspondiente al valor

de la tasa de circulación de glicol elegida y se corta con la curva de concentración

calculada, luego, se traza una horizontal en ese punto y se lee el valor en la

ordenada.

Para el tipo de platos en este proceso, los de burbujeo (bubble cap trays) son

los más recomendables, así como en cuanto al espaciamiento entre los platos, fue

sugerido un espacio de 24 pulgadas entre cada plato, para así garantizar que no

haya formación de espumas en el glicol.

Para el tamaño del contactor se utilizaron las siguientes ecuaciones.

(10)

Donde:

G: Constante de cálculo (Lb/ ft2 x hr)

C: Constante tomada para un espaciamiento de 24 pulg

ρv; densidad del gas Lb/ft3

ρL: densidad del líquido Lb/ft3

Luego, se calculó el flujo másico.

DERECHOS RESERVADOS


90

Donde:

M: flujo másico (lb/hr)

Volumen molar: 379.5 pie3

γ: gravedad especifica del gas

PM: peso molecular del H2O

Ahora con el valor de G y M se calcula el Área.

Donde:

A: Área de la torre (Pie2)

M: Flujo másico (Lb/hr)

G: Constante de cálculo (Lb/ ft2 x hr)

Con esto se pudo determinar el diámetro y la altura.

Donde:

D: diámetro (pie)

A: Área (pie2)

La altura será

DERECHOS RESERVADOS


91

Donde:

h: Altura de la torre

Ei: Espaciamiento entre cada plato (24 pulg)

Nr: Numero de platos reales

Y como dato final determinamos la caída de presión en la torre.

Donde:

σ: gradiente

ρl: densidad del glicol (lb/ft3)

Factor de ajuste de unidades: 144

Con este valor se calcula el ΔP en la torre de la siguiente forma.

Donde:

ΔP: Caída de presión en la torre contactora (psi).

h: Altura de la torre (pie).

σ: Gradiente (psi/pie).

Con este último calculo se da por finalizado los cálculos analíticos

necesarios para prediseñar una torre contactora gas/T.E.G.

DERECHOS RESERVADOS


92

Simulación del proceso

Anterior a este punto se procedió a calcular de forma analítica una serie de

parámetros para prediseñar una torre contactora, estos parámetros sirvieron de

datos de entrada para entrar a un simulador.

La simulación se hizo con el objetivo de.

- Comprobar el contenido de agua a la salida de la torre

- Calcular las cargas de energía requeridas para los equipos (bombas,

regenerador, intercambiadores)

- Calcular la temperatura exacta de regeneración de T.E.G de forma sencilla

- Tanteo de parámetros del contactor, para conseguir la configuración más

apropiada.

El procedimiento utilizado para la simulación fue el siguiente.

Ecuación de estado (EOS)

El simulador ASPEN HYSYS trae como novedad un paquete de ecuaciones

llamado Glycol package. Inicialmente por la misma recomendación del simulador

se utilizo este modelo. Tras diversas iteraciones se compararon los valores

obtenidos entre la EOS glicol package y Peng-Robingson, se prefirió recurrir

nuevamente a la clásica ecuación de estado Peng – Robinson, el cual mostro una

DERECHOS RESERVADOS


93

notable diferencia en su comportamiento y un acercamiento mas a los valores

calculados analíticamente.

Selección de Ecuación de Estado (EOS)

Fig. No8 “Simulador ASPEN HYSYS 2006”

Diagrama de Flujo.

Se construyo el diagrama de flujo de la planta con los siguientes equipos.

• Separador de entrada.

• 2 intercambiadores de calor de tubo y carcasa Glicol/Glicol.

DERECHOS RESERVADOS


94

• 1 intercambiadores de calor de tubo y carcasa Gas/Glicol.

• Torre Absorbedora por glicol.

• 2 válvulas de expansión.

• Separador flash.

• Columna de regeneración (rehervidor).

• Bomba.

• Mezclador glicol-makeup/glicol regenerado.

• Bloque de reciclo.

• Saturador.

Se ingresaron los valores correspondientes a flujos molares, temperatura,

presión y composición, como datos de entrada para las corrientes iníciales. Al

diagrama de flujo como equipos extras se le anexóun separador de entrada, y un

intercambiador (precalentador). El separador de entrada tiene la función de

asegurar que la corriente que entra al contactor está saturada (agua en su punto

de rocío). El intercambiador extra actúa como precalentamiento para la entrada del

separador flash, de esta manera garantizar una mejor separación de los

componentes.

El bloque de reciclo es una herramienta que tiene el simulador para poder

ajustar la corriente de recirculación de la columna de regeneración con la corriente

de entrada al tope de torre contactora.

DERECHOS RESERVADOS


95

Diagrama de Flujo de Proceso: Deshidratación por T.E.G.


El separador flash tiene la función, de asegurar que no haya arrastre de

hidrocarburos por el glicol a través de la corriente de fondo y además asegurar

que la fase del fluido que se dirige hacia el regenerador sea liquida.

Ahora para poder introducir una corriente de gas en el contactor se debe

asegurar que está saturada con agua, es por esto que se utiliza una herramienta

DERECHOS RESERVADOS


96

el cual satura la corriente entrante en base seca, según unos parámetros

predeterminados por el simulado.

Saturación con H2O de Corriente de Gas de Proceso.


Este método de saturación tiene un grado de desviación del contenido de

agua con respecto al calculado analíticamente, el cual puede ser determinado y

es discutido posteriormente.

DERECHOS RESERVADOS


97

(17)

Donde:

Wtsim: contenido de agua calculado por el simulador.

Wtcalc: contenido de agua calculado analíticamente.

Ingreso de Datos en Torre Absorbedora.


Para la torre absorbedora se ingresan los valores obtenidos anteriormente

analíticamente como datos de entrada, es decir, concentración de glicol, numero

DERECHOS RESERVADOS


98

de platos, caída de presión, diámetro , tipo de platos, espaciamiento entre platos,

tasa de circulación de glicol.

Ingreso de Datos en Intercambiadores de Calor.


Se seleccionan intercambiadores de tubo y carcasa y se fijaron las

temperaturas de salida requeridas. Para cada intercambiador se le especificaro

unas caídas de presión mínima (gas/glicol, glicol/glicol) obtenidas a través de la

DERECHOS RESERVADOS


99

norma PDVSA del manual de diseño de intercambiadores de calor (MDP–05–E–

01. “Principios básicos”)

Ingreso de Datos en Válvulas de Expansión.


Luego, en las válvulas de expansión se ingresaron los valores de caída de

presión requeridos para cada válvula. Para el caso de la válvula instalada antes

DERECHOS RESERVADOS


100

del separador flash se ingresa una caída de presión que garantizara la menor

perdida de glicol posible por el tope del flash.

Ingreso de Datos de Columna de Regeneración (Rehervidor).


DERECHOS RESERVADOS


101

Para la columna de regeneración o también llamado rehervidor se ingresan

los siguientes parámetros, numero de etapas, caída de presión, composición

requerida de glicol a la salida.

Ingreso de Datos de Bomba de Glicol


DERECHOS RESERVADOS


102

Luego, para la bomba se le ingresó la presión requerida para transportar el

flujo desde la presión a la salida de la columna de regeneración (2 psig) hasta la

presión de operación de la columna absorbedora.

Ingreso de Datos de Mezclador.


DERECHOS RESERVADOS


103

Y por el último el mezclador, el cual tiene la función de mezclar la corriente

de glicol pobre que viene de la columna regeneradora con la corriente de glicol

makeup que no es más que la compensación de glicol por las pérdidas generadas

a través del proceso.

Al finalizar la simulación generamos el reporte y se logró ver.

- Flujos de Energía, masa, fracción molar, de cada equipo

- Específicamente la energía requerida para el funcionamiento de cada

equipo.

- Temperatura, presión, fase a la entrada y salida de cada equipo donde se

pudo establecer, como ejemplo, la temperatura requerida para la regeneración del

glicol en la columna de regeneración.

• Diseño preliminar de unidad de deshidratación por Adsorción

El diseño básico de un sistema de deshidratación con desecantes sólidos

involucra los siguientes cálculos.

- Tipo del desecante, (el cual es una función de las otras variables y del

costo).

- Cantidad requerida del desecante

- Determinación del diámetro y longitud del lecho

- Calculo del sistema de regeneración y suministro de calor

- Tamaño de los intercambiadores de calor

DERECHOS RESERVADOS


104

- Descenso requerido del punto de rocío

Tipo de desecante

Primero para empezar el diseño se debe elegir el desecante que más se

adapte a este proceso, en este caso fue seleccionado el alúmina activada dryocel

848 por su alta selectividad al agua.

Características de Desecante

Características desecante Dryocel 848 Figura Esférica Diámetro (mm) 3,0 - 5,0 Densidad bruta (lb/ft3) 47 Tasa de desgaste (%) 0,2 Fuerza de rompimiento (lb) 65 Capacidad de Adsorción (w) 22%

Tabla No5. Características del desecante dryiocel (848). Fuente: Proquim C.A.

Cantidad requerida del desecante

Primero se procede a establecer cuánta agua es removida por día.

(18)

Donde:

Q: flujo de gas entrante a la unidad (MMPCND)

Wtin: contenido de agua a la entrada

Wout: contenido de agua a la salida

DERECHOS RESERVADOS


105

Ahora se asume que la unidad deshidratadora tiene un ciclo de trabajo de 8

horas antes de ser regenerada.

(19)

Donde:

Wtremovida: es la cantidad de agua removida por día.

Wciclo: cantidad de agua removida por ciclo.

Y finalmente, con esto podemos determinar la cantidad de desecante

requerida en el lecho.

(20)

Donde:

Mdsc: Masa del desecante (lb).

Wciclo: cantidad de agua removida por ciclo (LBH2O/ciclo).

Capacidad de absorción en peso del desecante: 0.22.

Determinación del diámetro y longitud del lecho

Primeramente se debe determinar el volumen que ocupa el desecante en el

lecho, esto se puede hacer a través de la siguiente formula.

DERECHOS RESERVADOS


106

(21)

Donde:

Vdsc: volumen del desecante (pie3)

Mdsc: masa del desecante (lb)

ρdsc: densidad del desecante (lb/pie3)

Algunos operadores limitan la velocidad del gas dentro de la torre a 30

pies/min, con el fin de de disminuir las pérdidas de presión en la torre y la rotura

del sólido. Este procedimiento se apoya en la experiencia y normalmente se

calcula para el área transversal de la torre vacía, utilizando las leyes de los gases

y la velocidad real. El resultado es una cifra de cuasi velocidad. (Deshidratación

del gas natural, Martínez. J. Marcías).

Se procede a llevar el caudal de gas a condiciones reales.

(22)

Con esto ahora calculamos el diámetro, sabemos que.

(23)

Donde:

A: Área transversal del lecho (pie2).

D: diámetro del lecho (pie).

DERECHOS RESERVADOS


107

Y por consiguiente.

(24)

Donde:


Q: flujo real de gas (pie3/min).

V: velocidad asumida del gas (30 pies/min).

Luego de acuerdo con la norma PDVSA (MDP–03–S–03 Separadores

Liquido- Vapor), con la relación L/D se procede a calcular la longitud del lecho

P>500psig 4.0<L/D<6.0 (25)

Donde:

L: Longitud del lecho (pie).


Y Por último se calcula la velocidad requerida para este proceso.

(26)

Donde:

Qg: flujo de gas real (pie3/min).

DERECHOS RESERVADOS


108

A: Área transversal del lecho (pie2).

Ѵ: Velocidad requerida en el lecho (pie/min).

Calculo del sistema de regeneración y suministro de calor.

Los datos necesarios para calcular la regeneración del sistema son los

siguientes.

Propiedades Físicas de la Regeneración

Cp Desecante (Btu/lbºF) 0,24 Cp Acero (Btu/lbºF) 0,11 Cp Gas (Btu/lbºF) 0,798 Cp H20 (Btu/lbºF) 1 Calor de Vaporización H20 (btu/lb) @ 2500 (psig) 348,6 Tabla No6. Capacidades caloríficas y calores latentes de vaporización

El caudal de gas requerido para la regeneración dependerá de la cantidad de

calor que se necesite para calentar el lecho, y del calor específico del gas que se

use.

La temperatura final del lecho dependerá de la presión de los servicios

existentes y del desecante que se utilice. (Martínez J. Marcías “Deshidratación del

Gas Natural”).

Se debe tomar en cuenta para la carga de calor total, el calentamiento del

recipiente, desecante, y el calor de vaporización del agua a las condiciones dadas

de presión y temperatura. A su vez un se asume un 10% de pérdidas de calor en

DERECHOS RESERVADOS


109

el recipiente y corregir la diferencia entre la temperatura de entrada y salida

utilizando un factor de ajuste a la carga total.

Para el cálculo de calor se utilizo la siguiente fórmula:

TCpMQ Δ××=

(27)

Donde:

Q: Calor (recipiente, desecante, agua,) (Btu/hr)

M: Masa (recipiente, desecante, agua) (lb)

∆T: Diferencial de temperatura (ºF).

Y donde la carga calorífica total vendrá dada por:

QrQaQhQvQt +++=

(28)

Donde:

Qt: Calor total requerido de regeneración (Btu/hr).

Qv: Calor de vaporización del H20 (Btu/hr).

Qh: Calor requerido para calentar la camada (Btu/hr).

Qa: Calor sensible del H20 (Btu/hr).

Qr: Calor requerido para calentar el recipiente (Btu/hr).

Luego se procedió a calcular la cantidad de gas de regeneración requerido

para calentar la camada, esto se logro a partir del siguiente despeje:

DERECHOS RESERVADOS


110

tCpQtM

Δ×=

(29)

Donde:

Qt: Calor total requerido de regeneración (Btu/hr)

Cp: capacidad calorífica del gas.

V. Seleccionar la tecnología que represente el esquema técnico más


En la siguiente tabla se muestra la matriz de evaluación considerada para

realizar el análisis de opciones para un modulo de deshidratación por absorción

con trietilénglicol y un sistema de deshidratación por adsorción con alúmina

activada para la descarga de la planta compresora Moporo II. En cada uno de los

aspectos a evaluar (Flexibilidad, Confiabilidad, Complejidad, Consumo de Energía,

Mantenimiento, Impacto Ambiental y Operación Simple.), con su respectivo peso.

Están incluidas las características particulares relativas al aspecto evaluado. El

rango de calificación de las tecnologías fueron entre uno (1) y tres (3), donde uno

es la mínima y más básica calificación que se podría obtener, dos es la calificación

media, y tres la más alta y máxima calificación.

DERECHOS RESERVADOS


111

Peso

Deshidratación T.E.G

Deshidratación

A.A

Aspecto a Evaluar

% Eval. Ptos. Eval. Ptos.

Flexibilidad

Incluye aspectos como:

• Permite operar dentro de un rango amplio de carga respecto al nivel de producción estimado.

• Permite aumento de capacidad.

• Permite variación en condiciones de proceso.

• La salida de servicio del modulo de deshidratación puede ser manejada sin afectar en gran medida los niveles de producción en este sistema.

Total

Confiabilidad


• Bajo diferencial de presión.

• Cumple con la especificación de proceso y la capacidad establecida por diseño.

• Menor frecuencia de reemplazo de consumibles.

• Menor afectación por falla de servicios.

• Garantiza la continuidad operacional cuando cambien los niveles de producción.

Total

Complejidad


• Facilidad para operar (arranque) y controlar el proceso.

• Menor cantidad de subsistemas.

• Mayor cantidad de referencias de procesos en operación.

• Experiencia en el manejo del proceso.

Total

Consumo de Energía

• Mínimo consumo de energía (btu/hr)

Total

Mantenimiento


• Disponibilidad de repuestos.

• Disponibilidad de asistencia técnica.

DERECHOS RESERVADOS


112

Peso

Deshidratación T.E.G

Deshidratación

A.A

Aspecto a Evaluar


• Menor frecuencia de mantenimiento.

Total

Operación Simple.

• Fácil Operación

• Sistemas regenerativo

• Solventes de larga duración,

Total

Impacto Ambiental.


• Riesgo de derrame de sustancias toxicas al medio ambiente.

• Emisiones de gases tóxicos al ambiente

Total

Total 100

Tabla No7. Formato matriz de evaluación para sistemas de deshidratación de gas natural. Fuente: N&V, C.A.

DERECHOS RESERVADOS


113

DERECHOS RESERVADOS

CAPITULO IV ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS

DERECHOS RESERVADOS

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

Los resultados obtenidos en este trabajo fueron los siguientes.

I. Identificación de la corriente de gas natural.

Las características y propiedades del flujo entrante a los módulos de

deshidratación, fueron suministrados por el simulador ASPEN HYSYS a la

descarga de la planta compresora Moporo II, con una capacidad máxima de

descarga de la planta compresora de 165 MMPCND es decir un sobre diseño del

10%(150MMPCND), para los cuales se requiere adaptar dos “skids” de

deshidratación que sean capaces de tratar el flujo a un caudal máximo de 82.5

MMCPND, y son mostrados en la tabla 9.

II. Determinar el contenido de agua presente en el gas natural

entrante a la unidad de deshidratación

A partir de la formula 1 (Capítulo III) se eliminó la fracción de agua y se llevo a

base seca para determinar el contenido de agua de forma analítica, lo cual al

normalizar resultó de la siguiente forma en la tabla 10.

DERECHOS RESERVADOS

Especificación de Corrientes de Descarga Planta Compresora

Tabla No8. Descarga Planta Compresora Moporo II. Fuente: ASPEN HYSYS.

Condiciones de Proceso Especificación

Fracción de Vapor 1 Temperatura (°F) 120 Presión (Psig) 2500 Flujo Molar (MMPCND) 82.5 Flujo Másico (Lb/hr) 2,41E+05 Flujo Calórico (Btu/hr) 3,54E+00

Componentes Fracción Molar Agua 0,0015 Sulfuro de Hidrógeno 0,0001 Dióxido de Carbono 0,0765 Nitrógeno 0,006 Metano 0,6089 Etano 0,1581 Propano 0,0914 i-Butano 0,015 n-Butano 0,0255 i-Pentano 0,0064 n-Hexano 0,0057 n-Heptano 0,0008 n-Octano 0,0006 n-Nonano 0,0003 n-Decano 0,0001 Peso Molecular 25,8127 Z 0,6417 Gravedad Especifica 0,8936 Wt% (lbH2O/MMPCND) 71.19

DERECHOS RESERVADOS

Composición en Base Seca

Componentes Fracción Molar

H20 H2S 0,0001 CO2 0,0765 N2 0,0060 C1 0,6096 C2 0,1583 C3 0,0915

I-C4 0,0150 N-C4 0,0255 I-C5 0,0064 N-C5 0,0057 C6 0,0033 C7 0,0008 C8 0,0006 C9 0,0003 C10 0,0001 ∑ 1.0000

Tabla No9. Composición del Gas de proceso base seca.

Fuente Miguel Araque, 2009.

Luego a través del método bukacek (2) se calculó el contenido de agua para

un gas dulce, posteriormente se determinó el contenido de agua en la fracción

acida de la corriente a partir de la figura 4, y por último se determinó el contenido

de agua corregido según la ecuación (3) correspondiente a 57.22

lbH2O/MMPCND.

Con esto se obtuvo una nueva fracción de agua a partir de la ecuación (4)

la cual se normalizó y se llevo a base húmeda según se puede ver en la tabla 11:

DERECHOS RESERVADOS

Composición en Base Húmeda.

Fracción Molar

H20 0,0012 H2S 0,0001 CO2 0,0765 N2 0,0060 C1 0,6089 C2 0,1581 C3 0,0914

I-C4 0,0150 N-C4 0,0255 I-C5 0,0064 N-C5 0,0057 C6 0,0033 C7 0,0008 C8 0,0006 C9 0,0003

C10 0,0001 ∑ 1.0000

Tabla No10. Composición del Gas de proceso base húmeda.

Fuente. Miguel Araque

Se observa que la fracción de agua suministrada por el simulador a la

descarga de la planta compresora de 0.0015 molar (71.22 lbH2O/MMPCND) es

diferente al obtenido de forma manual de 0.0012 (57.22 lbh2O/MMPCND), esto es

porque la precisión del cálculo de contenido de agua en el simulador ASPEN

HYSYS disminuye a medida que se incrementa la presión, esta desviación se

tomó en cuenta, lo cual fue del 24%. Esta desviación en el contenido de agua

correspondiente al simulador, se consideró como condición más desfavorable a la

hora del diseño del sistema de deshidratación con T.E.G.

Luego a partir del volumen de agua requerido a la descarga del modulo de

deshidratación (7lbh2O/MMPCND) y el contenido de agua presente en el gas

DERECHOS RESERVADOS

obtenido de forma manual, se obtuvo un descenso del punto de rocío de 73°F a

través de la ecuación (8), y a partir de esto se obtuvo la cantidad de agua que

debe ser removida fue de 50 lbh2O/MMPCND por la ecuación (7).

Todas estas características y propiedades funcionaron como datos de

entrada a la hora del pre-diseño de ambas unidades de deshidratación.

III. Preseleccionar las tecnologías de deshidratación factibles para

este proceso.

Como ya mencionado en el capítulo II y III las tecnologías disponibles

para la deshidratación fueron las siguientes.

I. Adsorción; utilizando un sólido que adsorbe el agua específicamente,

como el tamiz molecular (molecular sieves), gel de sílice (sílica gel y aluminatos.

II. Absorción; usando un liquido higroscópico como el glicol.

III. Inyección; bombeando un liquido reductor del punto de rocío, como el

metanol o monoetilénglicol.

IV. Expansión; reduciendo la presión del gas con válvulas de expansión

(Joule-thomson) o un turboexpansor y, luego, separando la fase liquida que se

forma.

Para la selección preliminar de tecnologías a estudiar se tomo como premisa

las tecnologías que pudieran deshidratar el gas para alcanzar un contenido de

agua menor o igual a 7LbH20/MMPCED (Norma COVENIN 3568-2-00-B)

requerido por PDVSA y que la caída de presión fuera menor a 15 (psig) según la

DERECHOS RESERVADOS

norma para deshidratadores con glicol (NORMA PDVSA P-201-P) es por ello que

del universo de tecnologías se tomaron



Para la tecnología de deshidratación por expansión se puede decir lo siguiente.

Aunque tiene la capacidad de deshidratar el gas hasta 7LbH20/MMPCED, se

descarta ya que el gas requiere expandirse para poder condensar los líquidos

presentes en la corriente, produciéndose una disminución de la presión del gas de

inyección a pozos y un aumento en los costos de recomprensión de este gas

hasta las especificaciones de presión a la descarga de la planta compresora.

En cuanto a la tecnología de inyección de glicoles, aunque la mezcla de una

corriente de glicol con una corriente de gas puede producir una pequeña absorción

de hidrocarburos pesados y agua, la finalidad de este sistema, es reducir el punto

de formación de hidratos, por lo tanto su función principal no es deshidratar, ya

que luego de ser inyectado el glicol, la mezcla descarga aguas abajo del sistema

con el mismo contenido de agua que entro.

IV. Desarrollar los cálculos específicos de dimensionamiento para

cada tecnología de deshidratación.

Tecnología de Deshidratación con Trietilénglicol.

DERECHOS RESERVADOS

A partir del procedimiento descrito en el capítulo anterior, se utilizaron los

datos de entrada calculados manualmente tales como, concentración de glicol,

flujo de glicol, numero de platos, altura y diámetro de la torre, para simular el

proceso de deshidratación y a través de la iteración de diferentes parámetros

como el flujo de glicol, concentración del glicol, y el numero de platos, para

determinar la configuración más eficiente.

A continuación se describen las dimensiones de los equipos mayores

utilizados en la simulación:

Intercambiador de calor Glicol Rico/Glicol Pobre Intercambiador de tubo y carcasa glicol rico/glicol pobre (fondo absorbedor) Caída de presión (psi) 10Pasos por carcasa 1Pasos de tubo por carcasa 2UT (btu/°f*hr) 238,7Calor de intercambio (MMbtu/hr) 0,02651Tabla No11. Dimensiones preliminares intercambiador absorbedor #1. Fuente: ASPEN HYSYS.

Se utilizaron tres intercambiadores de tubo y carcasa en este proceso de tal

manera que se pudiera aprovechar al máximo la corriente de calor proveniente de

la columna de regeneración de glicol.

Los parámetros necesarios para el simulador, fueron los de temperatura de

entrada, temperatura de salida, y diferencial de presión. A manera de facilitar el

cálculo se utilizaron las caídas de presión ubicadas en la norma Pdvsa (MDP-05-

E01,“Intercambiadores de calor”). Para determinar las temperaturas requeridas

para cada intercambiador de calor, se procedió a un proceso iterativo tomando

DERECHOS RESERVADOS

como constante la temperatura de entrada al rehervidor de 275°F y la temperatura

de fondo del absorbedor 120 °F.

Intercambiador de calor Glicol Pobre/Glicol Rico Intercambiador de tubo y carcasa glicol pobre/glicol rico (entrada al regenerador) Caída de presión (psi) 10Pasos por carcasa 1Pasos de tubo por carcasa 2UT (btu/°f*hr) 4458Calor de intercambio (MMbtu/hr) 0,4037Tabla No12. Dimensiones preliminares intercambiador absorbedor #2. Fuente: ASPEN HYSYS.

Intercambiador de calor Gas/Glicol Regenerado Intercambiador de tubo y carcasa gas/glicol tope del absorbedor Caída de presión (psi) 5Pasos por carcasa 1Pasos de tubo por carcasa 2UT (btu/°f*hr) 6758Calor de intercambio (MMbtu/hr) 0,2764Tabla No13. Dimensiones preliminares intercambiador absorbedor #3. Fuente: ASPEN HYSYS.

Columna de Absorción Presión de diseño (psig) 2750Numero de platos 7Tipos de plato Platos de burbujeoEspaciamiento entre platos (pulg) 24Longitud (pies) 14Diámetro (pies) 4Caída de presión en la torre (psi) 7Peso de columna vacía (Lb) 45182,5Espesor de la columna (pulg) 4Concentración de glicol (%p/p) 98.5Flujo de glicol (gal/lbh2o) 3.2Material ASTM-A516 grado 70Tabla No14. Dimensiones preliminares columna absorbedor #1. Fuente: ASPEN HYSYS.

DERECHOS RESERVADOS

Debido a las altas presiones se puede observar que la columna de

absorción requiere un espesor de 4 pulgadas, motivado a esto, cabe la posibilidad

de que se deba colocar una torre adicional, con la finalidad de disminuir los

espesores y en consecuencia los costos de inversión.

Columna de Regeneración (estándar)

Presión de diseño (psig) 14,7Diámetro (pies) 1,16667Longitud (pies) 11Rehervidor Elemento de calentamiento por inmersión (btu/hr) 6800Presión de diseño (psi) 14,9Tabla No15. Dimensiones preliminares columna absorbedor #2. Fuente: ASPEN HYSYS.

Bomba de glicol Bomba de glicol Potencia (HP) 18,9625Tipo ReciprocanteTemperatura de succión (°F) 374,4Tabla No16. Dimensiones preliminares bomba absorbedor. Fuente: ASPEN HYSYS.

A continuación se describe la energía requerida a través del proceso.

Energía Requerida en Equipos del Proceso

Intercambiador glicol rico/glicol pobre salida absorbedor (btu/hr) 26510 intercambiador glicol rico/glicol pobre entrada Regenerador (btu/hr) 403700 intercambiador glicol pobre/gas salida absorbedor (btu/hr) 276400 Rehervidor (btu/hr) 509700 Bomba de glicol (btu/hr) 48344,2 Energia total 1264654,2 Tabla No17. Transferencia de calor equipos mayores absorbedor. Fuente: ASPEN HYSYS.

DERECHOS RESERVADOS

A través de la simulación se destacaron los balances de masa para los

equipos más importantes

Balance de Masa Columna Absorbedora

Tope la Columna Producto fondo de la columna

Fase 1,00 Fase 0,00

Temperatura (°F) 121,00 Temperatura (°F) 120,80

Presión (Psig) 2494,00 Presión (psig) 2500,00Flujo Molar (MMSCFD) 82,48 Flujo Molar (MMSCFD) 0,46

Flujo Másico (lb/hr) 234000,00 Flujo Másico (lb/hr) 5065,00Entalpia molar (btu/lbmole) -47770,00 Entalpia molar (btu/lbmole) -251700000,00

Flujo de calor (btu/hr) -432600000,00 Flujo de calor (btu/hr) -12810000,00

Composición Composición

Componentes Fracción

Molar Flujo Másico

(lb/hr) Componentes Fracción

Molar Flujo Másico

(lb/hr)

H20 0,000144 23,566100 H20 0,317900 291,452100

H2S 0,000100 30,717500 H2S 0,000100 0,191400

CO2 0,076400 30470,722800 CO2 0,030200 67,608700

N2 0,006000 1521,670500 N2 0,002000 2,895800

C1 0,609700 88584,507900 C1 0,026600 21,732000

C2 0,158300 43111,520200 C2 0,008700 13,249000

C3 0,091500 36548,818400 C3 0,004400 9,877500

I-C4 0,015000 7907,632500 I-C4 0,000200 0,650700

N-C4 0,025500 13442,982000 N-C4 0,000400 1,099400

I-C5 0,006400 4188,321700 I-C5 0,000000 0,171300

N-C5 0,005700 3730,228000 N-C5 0,000000 0,148500

C6 0,003300 2579,509300 C6 0,000000 0,048800

C7 0,000800 727,128300 C7 0,000000 0,006300

C8 0,000600 621,688400 C8 0,000000 0,002500

C9 0,000300 349,014800 C9 0,000000 0,000600

C10 0,000100 129,060800 C10 0,000000 0,000100

TEGlycol 0,000010 1,093000 TEGlycol 0,609400 4656,341800Tabla No18. Resultados simulación columna de absorción Fuente: ASPEN HYSYS.

DERECHOS RESERVADOS

Como se puede ver, tanto la concentración como el flujo de glicol seleccionado,

cumplieron la función de llevar la corriente según las especificaciones requeridas

por PDVSA (COVENIN 3568)

Aunque teóricamente se podría pensar que a altas presiones el glicol se

solubiliza más en la corriente de gas (GPSA 98), el arrastre por el tope de la

columna es mínimo según esta simulación, lo cual lo hace técnicamente muy

aceptable.

Balance de Masa Columna Desorbedora

Tope de la Columna Fondo de la Columna

Fase 1,000000 Fase 0,000000Temperatura (°F) 279,100000 Temperatura (°F) 374,400000Presión (psig) 1,450000 Presión (psig) 2,000000Flujo Molar (MMSCFD) 0,112400 Flujo Molar (MMSCFD) 0,317500Flujo Másico (lb/hr) 235,900000 Flujo Másico (lb/hr) 4717,000000Entalpia molar (btu/lbmole) -104000,000000 Entalpia molar (btu/lbmole) -294300,000000Flujo de calor (btu/hr) -1283000,000000 Flujo de calor (btu/hr) -10260000,000000

Componentes Fracción Molar

Flujo Másico (lb/hr) Componentes Fracción

Molar Flujo Másico (lb/hr)

H20 0,978200 217,518900 H20 0,112600 70,756700H2S 0,000100 0,057500 H2S 0,000000 0,000000CO2 0,012600 6,831400 CO2 0,000000 0,000000N2 0,000300 0,114700 N2 0,000000 0,000000C1 0,001200 0,230400 C1 0,000000 0,000000C2 0,001100 0,399500 C2 0,000000 0,000000C3 0,000900 0,516400 C3 0,000000 0,000000

I-C4 0,000000 0,020200 I-C4 0,000000 0,000000N-C4 0,000100 0,039000 N-C4 0,000000 0,000000I-C5 0,000000 0,005600 I-C5 0,000000 0,000000N-C5 0,000000 0,005300 N-C5 0,000000 0,000000C6 0,000000 0,001700 C6 0,000000 0,000000C7 0,000000 0,000200 C7 0,000000 0,000000C8 0,000000 0,000100 C8 0,000000 0,000000C9 0,000000 0,000000 C9 0,000000 0,000000

C10 0,000000 0,000000 C10 0,000000 0,000000TEGlycol 0,005500 10,112000 TEGlycol 0,887400 4646,202300

Tabla No20. Resultados simulación columna de deserción. Fuente: ASPEN HYSYS

DERECHOS RESERVADOS

Según, el Ingeniero Marcías Martínez la temperatura necesaria para

regeneración en un rehervidor generalmente debe ser de 400 °F para obtener una

máxima pureza del glicol. Para la concentración de 98.5 % p/p, según los

resultados de la simulación mostrados en la tabla 18 la temperatura debe alcanzar

374.4°F para garantizar la evaporación completa del agua y minimizar la emisión

de vapor de glicol por el tope de la columna, como se puede ver en la tabla las

perdidas por vaporización se pueden considerar aceptables.

Con respecto al estándar (0.1gal/MMPCN), las perdidas totales en el proceso

de la planta tanto por vaporización como por arrastre son un total de 264 lb/d,

eso es igual a 0.3gal/MMPCN.

En el proceso se pudo separar efectivamente los hidrocarburos pesados

arrastrados por la corriente de glicol, tanto a través del proceso de separación

flash como por la columna desorbedora, garantizando así ningún arrastre de

hidrocarburos al reciclo del proceso.

Luego de esto, se le envió esta información a la empresa Natco Group en

Venezuela un fabricante especializado en diseño de sistemas de deshidratación

con trietilénglicol.

Los sistemas que ofrece Natco Group de deshidratación con T.E.G operan

a presiones a un máximo de 2160 psig, lo cual es restrictivo para el proceso en

diseño ya que requiere una presión de trabajo de 2500 psig, para esto el

fabricante expreso que aunque técnicamente era factible se requería un diseño

DERECHOS RESERVADOS

especializado por lo tanto podía ser más costoso debido a que no se encuentra en

inventario, debido a que columnas de absorción con espesores tan elevados no

son comunes.

También se debe acotar que otros fabricantes tales como Alco Gas & Oil,

diseñan sistemas de deshidratación, a un máximo de 1800 (psig), esto debido a

que luego de pasar un rango determinado de presión, los sistemas de absorción

con T.E.G se comportan de forma crítica, es decir es posible que se formen

espumas en el glicol y se generen mayores pérdidas de glicol debido al arrastre

del gas por el tope de la columna. Para evitar esto se recomienda instalar un

sistema de deshidratación en la segunda etapa de compresión (727.7psig) de la

planta compresora, de manera de evitar los costos de inversión inicial por las altas

presiones de descarga.

Tecnología de Adsorción con Alúmina Activada.

Para el proceso de adsorción se seleccionó como desecante la alúmina

activada en especifico la alúmina Dryocel 848 recomendada por el fabricante, ya

que la alúmina es un desecante de tipo medio es decir de mayor capacidad de

deshidratación que la sílica gel, puede alcanzar contenidos de agua menores a 7

lbh2O/MMPCND, es de menor costo y menores requerimientos regenerativos.

Aunque no se dispone de ningún método de simulación para comprobar la

capacidad de un lecho de adsorción con alúmina activada, si se pudieron simular

los intercambiadores de calor del sistema, anterior a esto se procedió a llenar una

DERECHOS RESERVADOS

serie de especificaciones (cantidad de desecante requerida, diámetro, longitud,

longitud del lecho, volumen requerido del desecante, peso del recipiente vacio,

seudotiempo de contacto, velocidad del gas, calor de regeneración requerido) a

partir del método descrito en el capitulo anterior, que luego fueron remitidas a un

fabricante que ajustó y comprobó los datos, mostrados en la tabla 21. Los valores

de diseño consignados al fabricante fueron los siguientes (tabla 20).

Condiciones de Entrada Lecho de Adsorción

Tabla No21. Condiciones de entrada de torre de contacto por adsorción. Fuente Miguel Araque

Q (MMPCND) 82,5 Pent (Psig) 2500 Tent (ºF) 120 T. rocío salida (ºF) 47 Duración de ciclo (h) 8 Regeneración Gas natural Enfriamiento Gas natural Tipo de Torre Vertical Velocidad permisible (pie/min) 30 Gravedad especifica 0,8936 PM 25,826015 Wt%inicial (Lbh20/MMPCND) 57 Wt%final (Lbh20/MMPCND) 7 Peso de la torre vacía (lb) 37876,6

DERECHOS RESERVADOS

Dimensionamiento Planta de Adsorción con Alúmina Activada

Lecho de Adsorción Presión de diseño (psig) 2750Diámetro (pies) 6.0Longitud (pies) 16,588Longitud del lecho (pies) 14.87Peso de recipiente vacio (lb) 37876,6Material ASTM-A516 grado 70Tipo de desecante Dryocel 848 1/8"Cantidad de desecante (lb) 20183Soportes del lecho Durocel 222 1/8"Caída de presión (psi) 1,312Gas de regeneración Gas de procesoPresión de regeneración (psig) 50 psigTemperatura de regeneración (°F) 500Flujo de gas de regeneración (MMPCND) 9,64Seudotiempo de contacto (s) 68Duración del ciclo (h) 18Configuración de los lechos 2 camas en paraleloVelocidad del gas (pie/min) 13.2Calor de Regeneración requerido (btu/hr) 5188606.488Tabla No22. Datos de dimensionamiento preliminar para lecho de adsorción. Fuente Miguel Araque.

Al intercambiar información con el fabricante, este dejo claro lo siguiente.

La concentración de agua de 1205ppmv (57.22lbH2O/MMPCND) es mayor

que la concentración de saturación a esa presión y temperatura permitida para

este tipo de desecante 673.8ppmv (32lbH2O/MMPCND), por lo tanto se debe

adecuar la planta por medio de la instalación aguas arriba de filtros coalescentes,

con la finalidad de remover los excedentes de agua para que puedan entrar a las

especificaciones requeridas por el diseño. También se recomendó agregar

calentadores aguas abajo de los filtros que eleven la temperatura 50°F por encima

DERECHOS RESERVADOS

de la temperatura de proceso, para garantizar que no haya presencia de

condensados al entrar al sistema, con todo esto existe riesgo de arrastre de

exceso de agua/hidrocarburos, lo cual reduce la vida del lecho, que es de 3 años.

Como observación del cálculo se tiene que a diferencia de la columna de

absorción la caída de presión en este sistema es baja (1,312 (psi)), lo cual fue un

factor tomado en cuenta, pero a su vez, el lecho es muy sensible a los cambios

repentinos en las cargas es decir cualquier cambio repentino de presión puede

producir un aumento en la velocidad del gas debido a que la energía perdida por

la caída de presión es transformada en velocidad y en consecuencia puede

producir acanalamiento y desgaste en los desecantes. El gas de regeneración

representa un 11% del gas total de entrada, esto está dentro de los rangos

aceptables (6-16%) según Marcías Martínez. Los gastos de energía para

recomprimir y reintroducir el gas de regeneración a la entrada de la planta

compresora son ciertamente elevados a la hora de compararlo con el sistema de

absorción con glicol, esto lo hace un proceso muy costoso en términos de

consumo energético. A continuación se tiene el consumo energético requerido

para los equipos calculados a través del simulador Aspen Hysys.

DERECHOS RESERVADOS

Energía Requerida en Equipos de Proceso

Fired Heater (btu/hr) 5554890

Enfriador por aire (btu/hr) 2808482,384Compresor de reflujo (btu/hr) 105340Calor total 8468712,384Tabla No23. Transferencia de calor lecho de adsorción. Fuente: ASPEN HYSYS.

Se compara el consumo energético de cada planta a través de la siguiente

tabla:

Consumo de Energía por Volumen de Gas

Planta de Absorción por T.E.G Planta de Adsorción con Alùmina

activada Intercambiador glicol rico/glicol pobre salida absorbedor (btu/MMPCND) 321,333

Fired Heater (btu/MMPCND) 67332

intercambiador glicol rico/glicol pobre entrada Regenerador (btu/MMPCND) 4893,333

Enfriador por aire (btu/MMPCND) 34042,21

intercambiador glicol pobre/gas salida absorbedor (btu/MMPCND) 3350,303

Compresor de reflujo (btu/MMPCND) 1276,848

Rehervidor (btu/MMPCND) 6178,182

Bomba de glicol (btu/MMPCND) 585,9903

Consumo Total 15329,14 102651,1Tabla No24. Consumo de energía planta de absorción vs planta de adsorción. Fuente Miguel Araque.

Se observa que el consumo por regeneración de la planta de adsorción es

mucho mayor que el consumo requerido para la regeneración del T.E.G, esto es

por los altos requerimientos de calor necesarios para calentar el lecho y las altas

temperaturas necesarias para lograr esto.

DERECHOS RESERVADOS

V. Seleccionar la tecnología que represente el esquema técnico más


De acuerdo a las referencias bibliográficas y la revisión de trabajos de

investigación mencionados en el capítulo II de este mismo, los criterios

establecidos para la selección de la tecnología más apropiada para este proceso

fueron los siguientes.

• Operación simple: Orientada a la selección de procesos de fácil operación,

que involucre sistemas de regeneración de solventes químicos/físicos, de

larga duración, para así poder disminuir los costos, por reposición de

químicos y reducir las paradas por remplazo de consumibles. Peso: 10

• Flexibilidad operacional: Procesos fácilmente adaptables a la variación en

las condiciones de flujo, temperatura, presión y composición del gas de

alimentación. Peso: 20

• Bajo impacto ambiental: Minimización del nivel de emisiones de gases y

efluentes contaminantes que afecten negativamente al medio ambiente.

Peso: 5

• Consumo de Energía: Se prefiere un proceso de bajo consumo eléctrico,

contribuyendo a disminuir los costos a partir del ahorro energético. Peso: 15

• Complejidad: Número de plantas instaladas similares en la industria

petrolera, con la misma aplicación y proceso. Peso: 20

DERECHOS RESERVADOS

• Confiabilidad: Se buscan procesos que puedan entregar el producto bajo

las especificaciones, con la menor frecuencia de remplazo de consumibles

posible. Peso: 20

• Mantenimiento: Procesos continuos con facilidades de mantenimiento sin

impacto en la producción, con acceso abierto a repuestos y asistencia

técnica. Peso: 10

A continuación se presentan los resultados obtenidos a través de la matriz

de evaluación, desarrollada a partir de los criterios de selección y el esquema

de evaluación, según el objetivo cinco del capítulo anterior de esta

investigación.

DERECHOS RESERVADOS

Peso Deshidratación T.E.G

Deshidratación A.A

Aspecto a Evaluar


Flexibilidad


• Permite operar dentro de un rango amplio de carga respecto al nivel de producción estimado.

3 1

• Permite aumento de capacidad. 1 1

• Permite variación en condiciones de proceso. 2 1

Total

20

6

120

3

60

Confiabilidad


• Bajo diferencial de presión. 1 3

• Cumple con la especificación de proceso y la capacidad establecida por diseño.

3 2

• Menor frecuencia de reemplazo de consumibles. 3 2

• Menor afectación por falla de servicios. 3 1

• Garantiza la continuidad operacional cuando cambien los niveles de producción.

2 1

Total

20

12

240

9

180

Complejidad


• Facilidad para operar (arranque) y controlar el proceso.

1 3

• Menor cantidad de subsistemas. 3 1

• Mayor cantidad de referencias de procesos en operación.

3 1

• Experiencia en el manejo del proceso. 3 1

Total

20

10

200

6

120

Consumo de Energía

• Mínimo consumo de energía (btu/hr) 3 1

Total

15

3

45

1

15

Mantenimiento


• Disponibilidad de repuestos. 3 3

• Disponibilidad de asistencia técnica. 3 3

• Menor frecuencia de mantenimiento. 2 1

Total

10

8

80

7

70

Operación Simple. 10 80 70

DERECHOS RESERVADOS

Peso Deshidratación T.E.G

Deshidratación A.A

Aspecto a Evaluar


• Fácil Operación 2 3

• Sistemas regenerativo sencillos

• Solventes de larga duración,

3 2

3 2

Total 8 7

Impacto Ambiental.


• Riesgo de derrame de sustancias toxicas al medio ambiente.

2 1

• Emisiones de gases tóxicos al ambiente 1 1

Total

5

3

15

2

10

Total 100 780 525

Tabla No24. Matriz de Evaluación Sistemas de deshidratación de gas

natural. Fuente: N&V, C.A.

Actualmente en occidente se encuentran operativas tres plantas de

deshidratación por trietilénglicol y hay planes futuros de adicionar 24 plantas más

a la descarga de todas las plantas, esto sirve de referencia y da una perspectiva

de la experiencia que se tiene en el manejo de esta tecnología. Las pérdidas de

glicol por vaporización que se producen en este proceso aunque están por encima

del rango estándar son aceptables ya que a altas presiones se espera una mayor

pérdida debido a altas velocidades del gas. La tecnología de deshidratación puede

lograr un contenido de agua de 7 lbh2O/MMPCND y permite un aumento de su

capacidad dentro de su rango de diseño. El impacto hacia el ambiente es nulo ya

que el riesgo de emisiones de BTEX y VOC no existe, debido a que no hay

compuestos aromáticos presentes en la composición del gas de alimentación a la

planta.

DERECHOS RESERVADOS

Con respecto a la tecnología de deshidratación con alúmina activada no se

tienen referencias en occidente de su instalación y operación. Los requerimientos

energéticos de regeneración del desecante son muy altos en comparación con la

otra alternativa, también requiere de calentamiento adicional e instalación de filtros

coalescentes aguas arriba del proceso, para la adecuación del contenido de agua

tolerable por el desecante, con la finalidad de evitar la formación de condensados,

contaminación del lecho, y saturación del desecante antes de tiempo. Esta serie

de detalles la hace una tecnología inviable debido a la frecuente atención que se

le debe hacer a su mantenimiento y operación, es por esto que como esquema

más apropiado para este proceso se seleccionó la tecnología de deshidratación

con T.E.G.

DERECHOS RESERVADOS

Capítulo IV: Análisis e interpretación de resultados

129

Conclusiones

Se selecciono como opción a instalar la planta de absorción por trietilenglicol,

ya que esta planta cuenta con un mayor rango de flexibilidad operacional, menor

cantidad de equipos rotativos, bajo impacto ambiental debido a que no hay

presencia de compuestos aromáticos en la corriente que puedan causar algún tipo

de daño al ambiente ,no necesita adecuación aguas arriba de la planta, operación

simple y cuenta con requerimientos energéticos muchos menores a los exigidos

por la otra alternativa evaluada.

Con respecto a los objetivos de la investigación se concluye lo siguiente.

• Debido a la alta presión, el simulador muestra un contenido de agua

diferente al calculado manualmente.

• Con respecto al diseño de la deshidratadora con trietilénglicol se determinó

que las pérdidas de glicol llegan a 0.3 gal/MMPCND. Aunque mayores al rango

estándar (0.1 gal/MMPCND) es aceptable.

• Al dimensionar los procesos de deshidratación seleccionados a las

condiciones de temperatura y alta presión del proceso, se logro determinar a

través de la simulación e intercambio de información con los fabricantes, que el

comportamiento a estas condiciones es crítico, esto quiere decir que se pueden

DERECHOS RESERVADOS


130

esperar formación de espumas, arrastre, acanalamiento y otros problemas

operacionales debido a la alta velocidad que puede tener el gas, En consecuencia

son sensibles a cualquier cambio en las variables de operación.

• Con respecto al diseño de la deshidratadora por absorción con alúmina

activada Dryocel 848 ,se determinó que no puede deshidratar el contenido de

agua directamente de la planta compresora, ya que debe ser adecuada para un

contenido de agua mínimo, con el fin de cumplir los requerimientos de salida y no

saturarse antes de tiempo.

• El gasto energético adicional en recomprensión del gas de regeneración

del proceso de adsorción para ser recirculado a la planta compresora, resulta

elevado comparado con el poco consumo generado por la regeneración de la

tecnología de absorción

• El precalentamiento recomendado aguas abajo de los filtros coalescentes

para el lecho de adsorción para evitar condensados, representa más gastos

energéticos que se traducirían en incrementos en los costos de operación e

inversión.

• El sistema de adsorción con alúmina activada aunque produce una caída de

presión durante su proceso menor a la del sistema de absorción con T.E.G, es

muy sensible a los cambios en su carga, es decir si en algún momento la planta

DERECHOS RESERVADOS


131

compresora disminuye su presión, la velocidad del gas aumentaría y produciría

daños al lecho.

• El sistema de absorción presenta una caída de presión mayor a la del

sistema de adsorción, pero operacionalmente es más flexible, debido a que si en

algún momento se presenta un cambio en las variables de operación la planta

tendrá un rango de capacidad de aumentar o disminuir su contacto.

DERECHOS RESERVADOS


132

Recomendaciones

• A la hora de simular procesos de deshidratación, siempre se debe calcular

la desviación en el contenido de agua que muestre el simulador con

respecto al calculado de forma manual, para así constatar que tan lejano

esta de su valor real.

• Estudiar la factibilidad de incrementar la capacidad de enfriamiento en los

intercambiadores de calor inter-etapa de compresión con la finalidad de

obtener mayor cantidad de condensados, en los depuradores inter-etapa,

para asi reducir los requerimientos de deshidratación a la descarga de la

planta compresora.

• La planta absorbedora aunque técnicamente es factible, debe ser evaluada

económicamente ya que las columnas pueden presentar un elevado

espesor debido a las condiciones de presión y cabe la posibilidad de

instalar una columna adicional para la disminución de los costos.

DERECHOS RESERVADOS

Referencias Bobliograficas

133

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA

TEXTOS:

BOHÓRQUEZ NAVERÁN, Juan Carlos. Evaluación del Sistema de Deshidratación de Propano de la Planta de Fraccionamiento Bajo Grande. La Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Trabajo Especial de Grado. 2002.

CAMPBELL M, John. Gas conditioning and processing volume II. 7ma edición;

USA: editado por Campbell Petroleum Series, 1992. 459pp. CIANGHEROTTI BALLESTERO, Marielena y RODRIGUEZ GONZÁLEZ, Maureen

Vanesa. Factibilidad Técnico Económica para la extracción de Líquidos del Gas Natural del campo Mara Este. La Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Trabajo Especial de Grado. 2004.

COVENIN Normas 3568-2:2000. Gas Natural. Características Mínimas de Calidad.

Parte 2: Gas de Uso general para Sistemas de Transporte Troncales de Libre Acceso.

COVINGTON C, Kimberly y COLLIE III, John T. Selection of Hydrate Suppression

Methods for Gas Streams. Bryan Research and Engineering –Technical Papers, 2006. 10pp.

FIDIAS G, Arias. El proceso de investigación. Quinta edición. Editorial Episteme.

Caracas, Venezuela, 2006. GAS PROCESSORS SUPPLIERS ASSOCIATION (GPSA). Engineering data book

tome I y II. 12ava edición; USA: Editado por Gas Processors Association, 2004. 821pp

GUO, Boyun y GHALAMBOR, Ali. Natural gas engineering handbook, Edición

original; USA: editado por Gulf publishing Company, 2005. 665pp. IKOKU U. Chi. Natural gas production engineering. Edición original; USA: editado

por Krieger publishing company, 1992. 354pp.

DERECHOS RESERVADOS


134

KOHL L, Arthur y NIELSEN B, Richard. Gas purification. 5ta edición; USA: editado por Gulf publishing Company, 1997. 1414pp

LARS, Erik y SELST TYVAND, Elizabeth. Process Simulation of Glycol Regeneration. Documento técnico presentado en convención de GPA Europa, 2002. 11pp.

LEAL MONTIEL, Carlos Alberto. Evaluación Técnico-Económica de Procesos para

el Control de Punto de Roció de un Gas Natural. La Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Trabajo Especial de Grado. 2003.

MANUALES Y TEXTOS GUÍAS: MARTINEZ J, Marcías. Deshidratación del Gas Natural. 2da edición; Venezuela:

Ediciones Astro data, S.A, 2005. 406pp MOKHATAB, Saeid, POE A, William y SPEIGHT G, James. Handbook of natural

gas transmission and processing. USA: editado por Gulf publishing Company, 2006. 672pp.

PDVSA Normas Mdp–03–s–03. Separadores Liquido-Vapor. PDVSA Normas Mdp–05–e–01. Intercambiadores de Calor: Principios Básicos. PDVSA Normas P-201-P. Deshidratadores con Glicol. PERRY H, Robert. Perry's Chemical Engineering Handbook. 7ma edición;

Venezuela: Mcgraw-Hill, 1997. 660pp. TAMAYO Y TAMAYO, Mario. El proceso de la Investigación Científica.

2da.edición.; México: Editorial Limusa, S.A, 1987. 161pp.Trabajos especiales:

TWU H, Chorng, WAYNE D, Sim y TASSONE, Vince. Getting a Handle on

Advanced Cubic Equations of State. CEPmagazine, 2002. 8pp. VERA ARAQUE, Maritza Elena y MARQUEZ PERALTA, Alejandra. Evaluación

Técnico Económica para la Optimización del Proceso de Extracción de LGN Definido para el Complejo Criogénico de Occidente. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Trabajo Especial de Grado. 2002.

DERECHOS RESERVADOS


135

YOUNGER, A.H. Natural gas processing principles and technology – part I & II. Edición original; University of Calgary, 2004. 448pp.

PAGINAS WEB.

• http://www.jmcampbell.com

• http://www.aiche.org/CEP

• http://www.ogj.com/

• http://www.cheresources.com/invision/

• http://es.wikipedia.org

• http://www.naturalgas.org/

• http://www.epa.gov/gasstar/

DERECHOS RESERVADOS

ANEXOS

DERECHOS RESERVADOS

MEMORIA DE CALCULO

DERECHOS RESERVADOS

Contenido de agua en la mezcla Contenido de Agua Metodo Bucacek

PCND)(lbsH2O/MM 55,672004670.237.2514

80400=+=W

Contenido de agua total en la mezcla.

=Wt PCND)(lbsH2O/MM 57,220765.0769233.055,67 =×+× Fracción molar presente en la mezcla

015.18105.379.22.572%

4−××=OH = 0.120537

Contenido de agua deshidratado

00015.0015.18

105.379.72%4

=××

=−

OH

Agua que debe ser removida

DERECHOS RESERVADOS

MMPCNDOLbsHw /222.50722.57 =−=Δ

Descenso del punto de rocío Descenso del punto de rocio TsalTent −= Fº7347120 =−= Diseño preliminar de unidad deshidratadora de absorción con trietilenglicol (T.E.G). Contacto en el absorbedor

Eficiencia de absorcion:

0877622.57

722.57=

−=E

Dimensiones de columna. Constante de cálculo:

( )[ ] 64061.1676327.1633.6827.16576 5.0 =−=G

DERECHOS RESERVADOS

Flujo masico:

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

2418936.0826015.25

5.3791105.82 6xM = 209041.00547 Lb/hr

Area:

)(4699.1264061.1676300547.209041 2pieA ==

Diámetro:

)(9892.38477.124 pieD =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×

=π

Altura:

lg)(144624 puh =×=

DERECHOS RESERVADOS

Caída de presión:

474513.0144

33.68==σ

)(76431.6474513.014 psiP ≅=×=Δ Diseño preliminar de unidad de deshidratación por Adsorción: Cantidad requerida del desecante.

Primero se procede a establecer cuánta agua es removida por día

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=−=

diaOLbHWtremovida 2.4168722.575.82

Cantidad de agua por cada ciclo de 8 horas.

DERECHOS RESERVADOS

( )ciclo

OLbHWciclo 242.13893

4168==

Masa de desecante requerida en el lecho.

lbMdsc 694722.0

42.1389== ; Desecante Dryocel 848

Volumen requerido de desecante.

( )373125.14448

6947 pieVdsc =

Condiciones reales del gas.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

××××××

=min

1589.241605207.251424

6417.05807.141025.8 6 piexQg

Dimensiones del lecho. Diametro.

DERECHOS RESERVADOS

Se aproxima al valor mas cercano comercial.

( ) ( ) ( )lg40lg40.3820.3301589.241 pupupieD ≅===

Area.

( )22

7249.84

33.3 pieA =×

=π

Longitud.

6=DL ; P>500psig 4.0<L/D<6.0

Norma PDVSA (MDP–03–S–03 Separadores Liquido- Vapor)

( ) ( )pieL 20333.36 == Nueva velocidad del gas.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

min6403.27

72.81589.241 piev

DERECHOS RESERVADOS

Seudo tiempo de contacto.

( )min⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=VLStc

segStc 4148.43min7235.06403.2720

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Calculo de sistema de regeneración. Calor latente de adsorción de agua.

hvapMQ Δ×=

A faltan de datos del fabricante se supuso un 10% del calor de vaporización

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=××=

lbbtuQv 9932.5327896.3481.142.1389

Calor requerido para calentar el agua en una hora.

TCpMQ Δ××=

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=−××=

lbbtuQa 5.347352502750.142.1389 .

Calor requerido para calentar la camada en una hora.

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=−××=

lbbtuQh 41682025050024.06947

Calor requerido para calentar el recipiente en una hora.

DERECHOS RESERVADOS

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=−××=

lbbtuQr 5.90242325050011.032815

Calor total requerido para la regeneración del lecho

QrQaQhQvQt +++=

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=+++=

hrbtuQt 488.51886065.9024234168205.347359932.5327895.2

Donde 2.5 es un factor de ajuste que corrige la diferencia entre la temperatura de

entrada y salida a la carga total.

Flujo de gas necesario para la regeneración del lecho.

tCpQtMΔ×

=

( ) ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

−=

hrlbM 6546.27434

2635007980.085188606348

Llevándolo a condiciones normales.

( ) ( )MMPCNDPCND 642912.96088.964291296.288936.0

5.379246546.27434==

×××

Esto representa un 11.617% de la corriente de entrada 82.5 (MMPCND).

Normalmente este porcentaje varia entre 6 y el 16% (Martínez J. Marcías

“Deshidratación del Gas Natural”)

DERECHOS RESERVADOS

SOPORTES PARA LECHOS DE ADSORCION CON

ALUMINA ACTIVADA

DERECHOS RESERVADOS

DESECANTES PARA LECHOS DE ADSORCION

CON ALUMINA ACTIVADA

DERECHOS RESERVADOS

Seleccion de Tecnologia Para Deshidratacion de Gas Natural en Una Planta Compresora

Documents

Transcript of Seleccion de Tecnologia Para Deshidratacion de Gas Natural en Una Planta Compresora