2008-ST-24-spa

Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas

ENDULZAMIENTO CON MEMBRANAS:

EXPERIENCIAS EN YUCAL PLACER

AUTOR: ACOSTA WENCES, GONZALEZ CESAR, UZCATEGUI ELIO INTRODUCCION

El Campo Yucal, ubicado en el Estado Gurico, se caracteriza por presentar

formaciones de yacimientos de gas seco sometidos a altas temperaturas, cuya

composicin molar presenta valores de CO2 que varan entre 12-25% mientras que

los niveles de H2S encontrado oscilan entre 18-40 ppm. Se estima que valores

superiores de estos parmetros estn presentes en las formaciones mas profundas.

Cualquier desarrollo a implementar en este campo necesariamente debe

contar con un sistema de tratamiento adecuado que garantice el cumplimiento de la

normativa vigente. En la actualidad, este requerimiento se ubica para el CO2 en

8,5%, para el H2S en 12 ppm y para el H2O en 7 lbs/MMpcn. Sin embargo, esta

exigencia se torna ms estricta a corto plazo. Para el 2013, se estima que todo el

sistema de distribucin del pas debe transportar gas, entre otras cosas, con

concentraciones de CO2 a 2%, H2S a 4,16 ppm y H2O a 5,6 lbs/MMpcn.

El sistema de endulzamiento utilizado en Yucal Placer consiste en unidades

de membranas polimricas. La separacin en este tipo de membranas se basa en

que los gases se disuelven y difunden a travs de ellas. Una corriente de gas con

presencia de CO2, H2S y H2O es transformada en otras dos al pasar a travs del

sistema. Se obtiene una corriente residual o tratada de menor concentracin de CO2,

H2S y H2O, cuyos valores dependen de las condiciones de operacin del sistema (P,

T y Q); del nmero y dimensiones de las membranas utilizadas as como del nivel de

XVIII Convencin de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008 Pgina 1


selectividad y permeabilidad de las mismas. De la misma manera, otra corriente de

permeado con concentraciones mayores de CO2, H2S y H2O es obtenida.

Este trabajo presenta un resumen de las experiencias obtenidas en el Campo

Yucal Placer utilizando ese sistema de endulzamiento y trata de ilustrar, entre otras

cosas, la configuracin y condiciones de operacin, los problemas operativos

encontrados, los agentes que afectan el funcionamiento adecuado del sistema y

algunas de las acciones tomadas para enfrentarlos.

Finalmente, se hace un anlisis comparativo de dos (2) tipos de membranas

utilizado bajo conceptos de rendimiento y eficiencia, resaltando en funcin de las

experiencias obtenidas nuestra percepcin sobre este sistema de tratamiento.

CONSIDERACIONES TEORICAS

Una membrana es definida como una barrera que separa 2 sistemas conexos

y restringe el transporte de varios componentes de un sistema a otro de una manera

selectiva. Para atravesar una membrana, es necesaria la existencia de un gradiente

de potencial qumico. Para gases, ese gradiente es a menudo aproximado a la

diferencia de presiones parciales entre la alimentacin (sistema de presin parcial

alta) y permeados (sistema de presin baja). Para lquidos, ese gradiente viene dado

por la diferencia de concentraciones entre un sistema y otro.

Independientemente, de que los componentes sean lquidos o gases, el

proceso de permeacin a travs de membranas de solucin - difusin consiste de 3

etapas. La primera, donde ocurre tanto la absorcin como la adsorcin de un

componente en el material de la membrana. La segunda, donde se difunde el

componente previamente disuelto a travs de toda la estructura de la membrana, y

una tercera etapa llamada des-absorcin y des-adsorcin donde el componente

se separa de las membranas y se incorpora en la corriente saliente.



En gases, el sistema de endulzamiento por separacin utilizando membranas

est diseado para reducir selectivamente el contenido de CO2, H2S y H2O existente

en los gases naturales. La separacin est basada en el principio de que los gases

se disuelven y difunden, unos con mayor intensidad que otros, a travs de

membranas de tipos polimricas. Ciertos componentes del gas natural,

especialmente CO2, H2S y H2O pasarn o permearn a travs de este tipo de

membranas ms rpido que los componentes hidrocarburos presentes en el gas,

debido a la diferencia de solubilidad de estos componentes en el polmero y a la

variacin de la tasa a la cual ellos se difunden a travs de la estructura de las

membranas polimricas.

Para un sistema que contiene CO2 y CH4, siendo el CO2 el componente ms

permeable en membranas polimricas pasar ms rpido a travs de ellas hacia el

lado de menor presin conformando la corriente de permeado. El CH4 permanece del

lado de mayor presin y sale por la corriente tratada como un residuo prcticamente

sin prdidas de presin. La corriente residual sale con mayor concentracin de CH4 y

la corriente de permeado sale con mayor concentracin de CO2. Bsicamente, los

componentes que permean ms rpido (CO2) saldrn enriquecidos en la corriente de

permeado de menor presin mientras que aquellos ms lentos (hidrocarburos)

estarn ms concentrados en la corriente residual de mayor presin.

Figura N 1: Flujo en el Elemento de Membrana

La velocidad de permeacin es el producto del trmino relacionado con la solubilidad

de un componente en el material polimrico y que determina la cantidad de ese



componente presente en las membranas mientras que el trmino de movilidad

seala que tan rpido se mueve la cantidad de componente disuelto en la matriz de

la membrana. Este producto tambin representa la cantidad de ese componente que

pasa a travs de las membranas; es decir el permeado de ese componente.

En sistemas ideales, los trminos de solubilidad y movilidad serian constantes

llamadas coeficientes de solubilidad y difusin, respectivamente. De la misma

manera, en esos sistemas la permeabilidad representara una constante resultante

del producto de ambos trminos. En sistemas reales, estas constantes son en

realidad tensores, donde las propiedades no solo vara en direccin y sentido

dependiendo de la homogeneidad isotropa del material, sino tambin con el tiempo

en la medida que el material de membranas se degrada por uso.

S = F(x, y, z, q); M = F(x, y, z, q) y K = F (x, y, z, q)

La separacin de componentes de gas por membranas es un proceso

impulsado por las diferencias de concentraciones, que para el caso de gases, est

directamente relacionada con la presin de entrada de gas a las membranas y por la

presin de los permeados. La separacin de cada componente, en realidad, es

controlada por la diferencial de presin parcial de cada componente que pasa a

travs de las membranas polimricas. En su expresin ms sencilla, la ecuacin

resultante seria:

Qxpermeado = Nelementos Kx Px = Nelementos Kx* (Cxalimentacion Ppromedio entrada - Cxpermeado Ppermeado)

El grado de separacin de los componentes del gas est controlado por la

selectividad de las membranas, definida como la relacin KCO2/KCH4, y por los

condiciones de separacin (P, T, Q, C). Para un rea de membrana dada, la presin

de entrada, la presin de permeado, la selectividad o factor de separacin

determinaran la eficiencia de operacin; es decir la cantidad y composicin del gas



que va a permear. La permeabilidad del CO2 determinar la cantidad de rea de

membrana que se requieren para lograr un determinado valor de especificacin.

Esta eficiencia se puede medir determinando la cantidad de CO2 que es

removida en el proceso y que llamaremos rendimiento Rco2 definida de la siguiente

manera:

Rco2 = (Qalimentacion Xco2 alimentacion Qtratado Xco2 tratado) / Qalimentacion Xco2 alimentacion

En cualquier sistema de membranas, se puede caracterizar la variacin de la permeabilidad, selectividad y rendimiento producto del uso y desgaste a que han sido

sometidas las membranas para unas condiciones de operacin determinadas. Esta

caracterizacin sirve de base para modelar y predecir el comportamiento futuro de

las mismas.

SISTEMA DE PRODUCCION - PROCESO

Las operaciones en el campo Yucal Placer estn conformadas por 2 Cluster

de pozos, 1 localizados al Sur (S1) y el otro localizado al Norte (N1) de las facilidades

de produccin central (CPF) instaladas. La corriente de gas proveniente del Cluster

del Sur, situado a 20 Kms de CPF, es enfriada para garantizar la solucin y efectivo

funcionamiento de un anticorrosivo que es aadido a la misma. La corriente del

Cluster del Norte, situado a 100 mts de CPF, se mezcla con la corriente del Sur antes

de ser recibida en un slug catcher en CPF donde 95% del volumen de agua

producido es recolectado. El restante 5% de agua producida, proviene de la

condensacin inducida, luego del slug catcher, al enfriar adicionalmente el gas antes

de su incorporacin a una torre contactora utilizada como separador primario y luego

en una unidad MFS.

El gas es posteriormente pasado a un sistema de pre-tratamiento consistente

en un filtro coalescente, un horno, un filtro de carbn activado y otro pulidor. El



propsito de este sistema es garantizar la inexistencia de agua liquida y/o

hidrocarburos pesados y aumentar la temperatura (15 C) de la corriente de entrada

a las unidades de membranas a los efectos de evitar condensacin de lquidos en

ella. Finalmente, el gas es enviado a 2 unidades de membranas donde la separacin

de CO2, H2S y H2O ocurre.

El gas tratado resultante del proceso de separacin, es colocado a la venta

mientras que el gas permeado con alto contenido CO2, H2S y H2O es quemado de

manera temporal, hasta lograr el almacenamiento adecuado del mismo a condiciones

de yacimientos.

Figura N 2: Diagrama del Sistema de Produccin- Proceso

UNIDADES DE MEMBRANAS

A.- Configuracin del Sistema:

El sistema de endulzamiento consiste de 2 unidades de tratamiento

independientes capaces de procesar hasta 65 MMPCND de gas cada una. Cada

unidad puede alojar un determinado nmero de membranas. Este nmero puede

variar dependiendo del tipo de membranas que se utilicen, de las condiciones de

operacin y de la eficiencia mostrada por ellas en el proceso de separacin. Cada

unidad de membranas esta conformada por 6 bancos de 4 tubos cada uno con



capacidad para colocar en cada tubo hasta 8 membranas. Un total de 192

membranas podran ser instaladas en cada unidad de endulzamiento.

La figura siguiente muestras una vista lateral de una de las unidades de

membranas instaladas en el campo Yucal Placer

Figura N 3: Diagrama del Sistema de Produccin- Proceso

Cada banco puede contener una configuracin de membranas con diferentes

niveles de degradacin y tiempo de uso, permitiendo la oportunidad, inclusive de

probar modelos distintos, tal como es ilustrado abajo. En Yucal Placer, se han

utilizados 3 modelos diferentes de membranas. A los efectos del presente trabajo, las

denominaremos tipo 1, tipo 2 y tipo 3, siendo las 2 primeras provenientes de un

mismo proveedor.

Figura N 4: Configuracin de Tipos y Elementos de Membranas



B.- Programa de Seguimiento de Comportamiento

El comportamiento de cada banco, cada tren y de todo el sistema de

membranas puede ser monitoreado mediante anlisis peridicos de sus corrientes de

entrada y salida. Cada banco contiene una corriente de entrada, una de tratado y dos

de permeado. El cuadro abajo presenta una tpica ronda semanal de anlisis

cromatogrficos de laboratorio banco por banco para un tren de membranas.

Tabla N 1: Anlisis Cromatogrfico Banco por Banco en MB 870

En lneas generales, un set completo de medicin debera incluir la posibilidad

determinar para cada banco, para cada tren de membrana y para todo el sistema

completo de endulzamiento:

- Presin, Temperatura y Flujo de Entrada - Presin, Temperatura y Flujo de Permeado

- Presin, Temperatura y Flujo de Tratado

- CO2entrada, CO2tratado y CO2permeado

A continuacin se presentan algunas de las graficas que se utilizan para hacer

seguimiento continuo de las membranas en el campo Yucal Placer.




SISTEMA DE MEMBRANASCO2 ENTRADA, TRATADO y PERMEADO

MB-0860: APEB2 (01nov07)

1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)

TV-0851: Ajuste T (53C) (17jul07)MB-0870: CPEB1 (04jul07)

MB-0860: CB4 (02jul07)

MB-0860: CB5 (30jun07)

CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)

CPF: Parada d e PLimpieza elementos

lanta (14nov07)

MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1(12sep07) SD 2 S1 (13sep07)

(14sep07)2 CPF & SD

APEB1 MB-0870

MB-0870: Camb B3. Apertura B1io B1. B2 y(01abr08)

MB-0860: AB4 (04mar08)

MB-0860: APEB4 (28feb08)

MB-0860: CB2 (21nov07)

MB-0860: CPSB2 (20nov07)

S1: Tratam a PLA13iento escal(09oct07)

MB-0860: APSB6 (2sep07)

CPF: Trabajo Pozos S1 Limpieza MB-0860 (7ago07)

CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)

MB-0870: APEB1 (26jul07)

MB-0860: CPSB6 (03jul07)

CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 P)Cambio carbn / cermic

y B5 (2-4 UOa (26-28jun07)

MB-0860: APEB2 (12ene08)

S1: DB-PLA13 (16ene08)

S1: DB-PLA13 (14dic07)

CPF: Prueba TEG (22feb08)

MB-0860: AB5

0

4

8

12

16

20

24

28

32

36

40

44

48

52

56

60

26-e

ne-0

7

26-fe

b-07

26-m

ar-0

7

26-a

br-0

7

26-m

ay-0

7

26-ju

n-07

26-ju

l-07

26-a

go-0

7

26-s

ep-0

7

26-o

ct-0

7

26-n

ov-0

7

26-d

ic-0

7

26-e

ne-0

8

26-fe

b-08

26-m

ar-0

8

26-a

br-0

8

26-m

ay-0

8

26-ju

n-08

26-ju

l-08

Fecha

CO2 (%

)

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

SELE

CTI

VIDA

(27feb08)

D

CO2 (%)Permeado

CO2 (%)Alimentacin

%CO2 TratadoMembranas

Selectividad

Figura N 5: Comportamiento de CO2 Tratado, Permeado y Selectividad en Membrana

SISTEMA DE MEMBRANASFLUJO DE ENTRADA, TRATADO y PERMEADO

MB-0860: CB2 (21nov07)S1: Tratam la PLA13iento esca

(09oct07)

MB-0860: APSB6 (2sep07)

TV-0851: Ajuste T (53C) (17jul07)


MB-0870: AB1 (01abr08)

MB-0860: APSB2 (15feb08)

CPF: Trabajo Pozos S1 Limpieza MB-0860 (7ago07)


CPF: MB-0870: Cam B3. AperturaB1. bio B1, B2 y(01abr08)




MB-0860: APEB2 (12ene08)

MB-0860: CPSB2 (20nov07)

CPF: Parada d e PLimpieza elementos

lanta (14nov07)

MB-0860: APEB2 (01nov07)


AP (14sep07)2 CPF & SD

EB1 MB-0870


MB-0870: APEB1 (26jul07)

MB-0870: CPEB1 (04jul07)

MB-0860: CPSB6 (03jul07)

MB-0860: CB4 (02jul07)

MB-0860: CB5 (30jun07)CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 y P)

Cambio carbn / cermica B5 (2-4 UO

(26-28jun07)

MB-0860: AB5 (27feb08)

MB-0860: AB4 (04mar08)

MB-0860: APEB4

05

101520253035404550556065707580859095

100105110

26-e

ne-0

7

26-fe

b-07

26-m

ar-0

7

26-a

br-0

7

26-m

ay-0

7

26-ju

n-07

26-ju

l-07

26-a

go-0

7

26-sep

-07

26-o

ct-0

7

26-n

ov-0

7

26-d

ic-0

7

26-e

ne-0

8

26-fe

b-08

26-m

ar-0

8

26-a

br-0

8

26-m

ay-0

8

26-ju

n-08

26-ju

l-08

26-a

go-0

8

26-sep

-08

26-o

ct-0

8

26-n

ov-0

8

26-d

ic-0

8

Fecha

Qg

ENTR

ADA y T

RATA

DO (M

MPC

ND

(28feb08)

)

0

10

20

30

40

50

60

Qg

PERMEA

DO (M

MPC

ND)

Aliment.Membranas (MMPCND)

Gas Tratado (MMPCND)

Permeado (MMPCND)

Figura N 6: Comportamiento de Flujos en Membrana

C.- Anlisis de Funcionamiento del Sistema

Para una determinada condicin de operacin (P, T), utilizando la informacin

sealada anteriormente, las variables rendimiento, selectividad y permeabilidad

pueden ser calculadas para cada banco y as determinar como vara su nivel de

deterioro en el tiempo. Si suponemos que no existen agentes externos afectando el

comportamiento de membranas, que las instalaciones mecnicas se hicieron



adecuadamente y que la conformacin interna de cada elemento de membranas es

similar, entonces la degradacin debera ser una funcin directa del uso o cantidad

de gas procesado por cada elemento de membrana bajo las misma condiciones de

operacin, por lo tanto debera ser posible obtener pseudo-valores de estos

parmetros por cada banco, muy a pesar de que se sabe que la cantidad de gas

procesado por el primer elemento es superior al ltimo elemento en cada banco.

Esta informacin en su conjunto permitir caracterizar los modelos de

simulacin de membranas que posteriormente sern utilizados para realizar los

estimados de comportamiento futuro. De la misma forma, permite hacer un anlisis

comparativo por banco identificando los grados de deterioro para precisar cuales

necesitan reemplazo o alguna otra accin adicional.

SISTEMA DE MEMBRANASPermeabilidad, Rendimiento, Selectividad y Tratado

MB-0870: CPEB1 (04jul07)

MB-0870: AB1 (01abr08)

CPF: MB-0870.Ca y B3 (2-4UOP)mbio B1, B2(01abr08)

MB-0860: APSB2 (15feb08)


MB-0860: APEB2 (12ene08)


MB-0860: CB2 (21nov07)

MB-0860: CPSB2 (20nov07)

CPF: Parada deLimpieza elementos

Planta (14nov07)

MB-0860: APEB2 (01nov07)

MB-0860: APSB6 (2sep07)

CPF: C y-pass ierre parcial b(21-22ago07)

CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 P)Cambio carbn / cermica

y B5 (2-4 UO (26-28 jun07)

MB-0860: CB5 (30jun07)MB-0860: CB4 (02jul07)

MB-0860: CPSB6 (03jul07)

TV-0851: Ajuste T (53C) (17jul07)


MB-0870: APEB1 (26jul07)

CPF: Trabajo PoLimpieza MB-086

zos S10 (7ago07) MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1

(12sep07) SD2 S1 (13sep07)AP 0 (14sep07)

CPF & SD2EB1 MB-087


MB-0860: AB5 (27feb08)

MB-0860: APEB4 (28feb08)

MB-0860: AB4 (04mar08)


S1: Tratam la (PLA13iento esca(09oct07) MB-0870: AB1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

26-ene

-07

26-fe

b-07

26-m

ar-07

26-abr

-07

26-m

ay-07

26-ju

n-07

26-ju

l-07

26-ago

-07

26-sep

-07

26-o

ct-07

26-n

ov-07

26-d

ic-07

26-ene

-08

26-fe

b-08

26-m

ar-08

26-abr

-08

26-m

ay-08

26-ju

n-08

26-ju

l-08

T (C

); CO2 tratad

o (%

), R (

(01abr08)

%)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

Kco

2 y Kch

4

Temp.Aliment. (C)%CO2 Tratado MembranasReduccin CO2 (%)SelectividadPerm.CO2 NormalizadaPerm.C1 Normalizada

Figura N 7: Comportamiento de Rendimiento, Selectividad y Permeabilidad en Membranas

En la grfica superior se muestra una porcin histrica de las variables antes

sealadas para todo el sistema de membranas. Se puede precisar como ocurre el

nivel de degradacin, la estrecha correlacin que existe entre permeabilidad,

selectividad y rendimiento y como los distintos eventos y acciones tomadas afectan

su comportamiento.



En las 4 imgenes siguientes, se presentan un tpico anlisis banco por banco

de un tren de membranas, en el cual se pueden precisar, entre otras cosa, la

diferencia notable en comportamiento de las membranas tipo 1 y tipo 2, siendo que

los bancos 5 y 6 contienen membranas tipo 2 mientras que los restantes son de tipo

1. De igual manera, se puede observar como el banco 1 sufre un desperfecto,

determinado posteriormente como de tipo mecnico, luego de haber sido

intencionalmente cerrado su lado de permeado de entrada para tratar de disminuir el

porcentaje de CO2 que va a la corriente de permeado. SISTEMA TREN 860 DE MEMBRANAS

Analisis Tratado Banco por Banco



AP (14sep07)2 CPF & SD

EB1 MB-0870


CPF: Trabajo PoLimpieza MB-0860

zos S1(7ago07)

M8-0870: AB1 (2-4UOP) (01abr08)

CB2-0870: CB3 801abr08)

CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 P)Cambio carbn / cermica

y B5 (2-4 UO (26-28jun07)

MB-0860: CB5 (30jun07)

MB-0860: CB4 (02jul07)

S1: DB-PLA-13 (14dic07)

MB-0860: CPEB1 (04jul07)

MB-0860: CPSB6 (03jul07)

MB-0860: CB2 (20-21nov07)

CPF: Parada de pllimpieza membrana

anta(14nov07)


MB-0870:CB2 (01abr08)


S1: Tratamiento escala PLA13 (09oct07)

MB-0860: APSB6 (02sep07)1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)

MB-0860: APEB2

1,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,09,5

10,010,511,011,512,012,513,0

27-e

ne-0

7

27-fe

b-07

27-m

ar-0

7

27-a

br-0

7

27-m

ay-0

7

27-ju

n-07

27-ju

l-07

27-a

go-0

7

27-s

ep-0

7

27-o

ct-0

7

27-n

ov-0

7

27-d

ic-0

7

27-e

ne-0

8

27-fe

b-08

27-m

ar-0

8

27-a

br-0

8

27-m

ay-0

8

27-ju

n-08

27-ju

l-08

CO2 TR

ATA

DO (%

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

CO2 EN

TRADA (%

(12ene08)

)

%CO2 Tratado Banco 1 %CO2 Tratado Banco 2%CO2 Tratado Banco 3 %CO2 Tratado Banco 4%CO2 Tratado Banco 5 %CO2 Tratado Banco 6%CO2 Alimentacin

Figura N 8: Comportamiento Banco por Banco de CO2 Tratado en MB 870

SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS Analisis Permeado Banco por Banco

30313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960

27-e

ne-0

7

27-fe

b-07

27-m

ar-0

7

27-a

br-0

7

27-m

ay-0

7

27-ju

n-07

27-ju

l-07

27-a

go-0

7

27-s

ep-0

7

27-o

ct-07

27-n

ov-0

7

27-d

ic-07

27-e

ne-0

8

27-fe

b-08

27-m

ar-0

8

27-a

br-0

8

27-m

ay-0

8

27-ju

n-08

27-ju

l-08

Fecha

CO2 (%

)

%CO2 permeado Entrada Banco 1






Figura N 9: Comportamiento Banco por Banco de CO2 Permeado de entrada en MB 870


SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS Analisis Rendimiento Banco por Banco

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

01-E

ne-07

01-Feb

-07

01-M

ar-07

01-A

br-07

01-M

ay-07

01-Jun

-07

01-Jul-07

01-A

go-07

01-S

ep-07

01-O

ct-07

01-N

ov-07

01-D

ic-07

01-E

ne-08

01-Feb

-08

01-M

ar-08

01-A

br-08

01-M

ay-08

01-Jun

-08

01-Jul-08

Fecha

Ren

dimiento (%

)Reduccin CO2 (%) B1-0870Reduccin CO2 (%) B2Reduccin CO2 (%) B3Reduccin CO2 (%) B4Reduccin CO2 (%) B5Reduccin CO2 (%) B6

Figura N 10: Comportamiento Banco por Banco de Rendimiento en MB 870

SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS Analisis Permeabilida CO2 Banco por Banco

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

01-E

ne-07

01-F

eb-07

01-M

ar-07

01-A

br-07

01-M

ay-07

01-Jun

-07

01-Jul-07

01-A

go-07

01-S

ep-07

01-O

ct-07

01-N

ov-07

01-D

ic-07

01-E

ne-08

01-F

eb-08

01-M

ar-08

01-A

br-08

01-M

ay-08

01-Jun

-08

01-Jul-08

Perm

eabilid

ad C

O2

Permeab. CO2 Normalizada B1Permeab. CO2 Normalizada B2Permeab. CO2 Normalizada B3Permeab. CO2 Normalizada B4Permeab. CO2 Normalizada B5Permeab. CO2 Normalizada B6

Figura N 11: Comportamiento Banco por Banco de Permeabilidad en MB 870

En los grficos siguientes se muestra un anlisis comparativo de los diferentes

tipos de membranas. Se pueden observar como las membranas tipo 3 no alcanzan

los niveles de degradacin y presentan mejor rendimiento que las membranas tipo 1

y 2, y adems sufren un proceso de regeneracin hasta ahora no completamente

entendido, luego de un breve periodo de desuso, que no se manifiesta en los

restantes tipo de membranas. Sin embargo, las membranas tipo 1 y 2 presentan

mejores valores de CO2 en la corriente de permeado. Las membranas tipo 2 se

comportan mejor en toda sus facetas que las membranas tipo 1.



Figura N 12: Comportamiento Comparativo de CO2 Tratado para diferentes Tipos de Membranas

Figura N 13: Comportamiento Comparativo de CO2 Permeado para diferentes Tipos de Membranas

Figura N 14: Comportamiento Comparativo de Rendimiento para diferentes Tipos de Membranas



D.- Agentes Externos que afectan el Sistema

AGUA, GLICOL E HIDROCARBUROS PESADOS

El sistema de membranas inicialmente configurado contemplaba un sistema

de deshidratacin del gas con glicol previo a un sistema de pre-tratamiento y

aumento de la temperatura antes de su llegada a membranas. Durante la fase inicial

de implementacin en Diciembre de 2004, el sistema de membranas cargado con

membranas tipo 1 se deterioro rpidamente no pudiendo extender su vida til ms

all de 3 semanas. Entre las razones aparentemente sugeridas para explicar tal

comportamiento figuraba la presencia lquidos tal como de agua, partculas de glicol

y/o hidrocarburos pesados.

Anlisis extendidos de la composicin del gas demostr que la concentracin

de aquellos componentes hidrocarburos pesados presentes en el gas era muy

pequeos como para afectar el comportamiento de membranas, por lo que las

razones estaban mayormente dirigidas a la presencia de agua y/ glicol.

Se hicieron modificaciones utilizando deep cut para dividir la corriente de gas

y enviar al sistema de membranas una porcin de gas que no pasara por la torre de

TEG. Este gas luego de ser procesado, se mezclara con la corriente que se

deshidrataba en TEG, pero que no era procesada por membranas. Si bien el

comportamiento mejor notablemente en comparacin con la experiencia inicial, aun

los niveles de degradacin eran superiores a los estimados por los proveedores

(20% anual), por lo que se asumi que la presencia de agua podra ser la razn.

Se instalo un MFS (filtro coalescente de alta capacidad), se elimin la torre

TEG para colocar toda la corriente a travs de membranas y se instal un sistema de

seguimiento de agua mediante drenajes en los puntos de la tubera. Los resultados

confirmaron la existencia de agua en fase liquida previo al sistema de membrana,

luego de un corte periodo de operacin sin presencia de agua.




Finalmente se re-instal la torre TEG y se utiliz como separador primario

previo al MFS. Los resultados sealaron la presencia de agua en el sistema de pre-

tratamiento, luego de un periodo ligeramente ms extenso que el anterior.

Posteriormente, la torre TEG fue utilizada como deshidratador bajo el supuesto de

que el MFS detendra las gotas de glicol que pudiese ser arrastrada.

Los resultados estn ilustrados en la grafica de abajo. La degradacin de

membranas an con la presencia de agua se ubicaba alrededor del 30% anual,

durante la prueba con glicol alcanz niveles alarmantes de deterioro. Por el contrario,

luego de finalizada la prueba y suspendida la utilizacin de glicol no se detect la

presencia de agua por 34 das en el pre-tratamiento y el comportamiento de

membranas resultante era completamente estabilizado.

EFECTOS DEL AGUA y GLICOLPermeabilidad, Rendimiento, Selectividad y Tratado


MB-0860: AB4 (04mar08)

MB-0860: APEB4 (28feb08)

MB-0860: AB5 (27feb08)



MB-0860: APEB2 (12ene08)

MB-0860: APSB2 (15feb08)

CPF: MB-0870.Ca y B3 (2-4UOP)mbio B1, B2(01abr08)

MB-0870: AB1 (01abr08)

MB-0870: AB1

02468

1012141618202224262830323436384042444648505254565860

01-ene

-08

08-ene

-08

15-ene

-08

22-ene

-08

29-ene

-08

05-fe

b-08

12-fe

b-08

19-fe

b-08

26-fe

b-08

04-m

ar-08

11-m

ar-08

18-m

ar-08

25-m

ar-08

01-abr

-08

08-abr

-08

15-abr

-08

22-abr

-08

29-abr

-08

06-m

ay-0

8

13-m

ay-0

8

20-m

ay-0

8

T (C

); CO2 tratad

o (%

), R (

(01abr08)

%)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

Kco

2 y Kch

4

Temp.Aliment. (C)%CO2 Tratado MembranasReduccin CO2 (%)SelectividadPerm.CO2 NormalizadaPerm.C1 Normalizada

PRESENCIA DE AGUA

PRUEBA TEG

INEXISTENCIA DE AGUA

Figura N 15: Efectos de Glicol y Agua sobre Membranas

CARBN ACTIVADO

Durante una programada se sobrecarg la cantidad de carbn activado

excediendo los lmites de altura de diseo del filtro contenedor. Esto origin un efecto

de desintegracin en pequeas partculas del carbn colocado en exceso en la parte


superior del filtro que posteriormente migr hacia el filtro polishing que colaps

luego de alcanzar su presin de estallido. El carbn activado migr

considerablemente hasta membranas aumentando la presin diferencial en la

corriente de alta presin, tal como es ilustrado en la graficas siguiente.

Figura N 16: Efecto de Migracin de Carbn Activado sobre Membranas

El comportamiento de CO2 tratado se degrad ligeramente por reduccin del

rea de permeado, pero luego de un proceso de limpieza en Noviembre de 2007, las

membranas recuperaron su comportamiento original, por lo que el efecto parece

estar limitado y puede ser parcialmente reversible. No se observ deterioro del

material.

CONCLUSIONES

- El comportamiento de membranas es afectadas por las condiciones de

operacin (P, T) del sistema as como del caudal y las concentraciones de CO2, H2S

y H2O existentes en el gas a ser procesado.

- Una versin simplificada de la Ley de Ficks con caracterizacin de

permeabilidad y selectividad puede ser utilizada para simular el comportamiento del

sistema si las condiciones de operacin no varan mucho. Sin embargo, una



formulacin que considere las diferencias de presin parciales y de concentraciones

de gas as como las variaciones de temperatura y el rea expuesta a permeacin se

considera indispensable para caracterizar la variacin de la selectividad y

permeabilidad de las membranas en funcin del volumen de gas procesado.

- Los niveles de degradacin de membranas parecen ser ms acentuados por

efectos de la presencia de glicol que por agua.

- El impacto de la presencia de carbn activado dentro de cada membrana

parece tener un efecto ms atenuado sobre la eficiencia de las membranas que los

otros agente externos, a pesar de que reduce el rea de permeacin a travs de ella

originando un aumento de la presin diferencial. No se observa evidencias de

deterioro en el material de membranas producto de la presencia del carbn activado.

- Las membranas tipo 3 presentan mejor capacidad para reducir la

concentracin de CO2, H2S y H2O que las otras mientras que las membranas tipo 2

presentan mejor selectividad (> 50%).

- La velocidad y niveles de degradacin de las membranas tipo 3 son menores

a aquellos alcanzados por las restantes. Las membranas tipo1 son las que muestran

mayor degradacin y menor resistencia a condiciones adversas.

- Las membranas tipo 3 presentan mejor resistencias a proceso adversos

como paradas no programadas y/o variaciones repentinas de flujo. Adems,

muestran un proceso de regeneracin; luego de un breve tiempo de desuso hasta

ahora no completamente entendido.

NOMENCLATURAS y UNIDADES

Cxalimentacion = Concentracin del componente X en la corriente de alimentacin, % molar


Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas Cxpermeado= Concentracin del componente X en la corriente de permeado, % molar CO2 = Dixido de Carbono, adimensional

DP = Diferencial de presin, bar

H2S = Acido Sulfrico, adimensional

H2O = Agua, adimensional

Kx = Permeabilidad a travs de la membrana del componente X, MMPCN/Bar

Nelementos = Numero de elementos de membranas, adimensional

M = Movilidad

P = Presin, bar

Ppromedio entrada = Presin promedio de entrada a las unidades de membranas, bar Ppermeado = Presin de salida de las membranas en la corriente de permeados, bar Q = Flujo de gas, MMPCND

Qxpermeado = Flujo de gas del componentes X en la corriente de permeado, MMPCND

T = Temperatura, C

S = Solubilidad del Componentes en el componente X en el material polimrico de membranas

Px = Diferencias de presiones parciales del componente X, bar

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1.- Meyers, H.S and J.P Gamez, Gas Separation Membranes: Coning Age of

Carbon Dioxide Removal from Natural Gas, presented at the Laurance Reid Gas

Conditioning Conference, page 284, 1995.

2.- Weiland, R.H and J.C. Dingman, Effect of Blend Formulation on Selectivity in

Gas Treating, presented at the Laurance Reid Gas Conditioning Conference, page

268, 1995.

3.- Sanders, E.S, Membrane based CO2 Removal for Oil and Gas Applications,

presented at the Laurance Reid Gas Conditioning Conference, page 284, 2002.

4.- Echt, W., Hybrid Systems: Combining technologies to more Efficient Gas

Conditioning, presented at the Laurance Reid Gas Conditioning Conference, page

284, 2002.


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