GASOTECNIA

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Proceso de Deshidratacin del Gas Natural. La deshidratacin del gas natural se define como la extraccin del agua que esta asociada, con el gas natural en forma de vapor y en forma libre. La mayora de los gases naturales, contienen cantidades de agua a la presin y temperatura los cuales son extrados del yacimiento. En general, se puede sealar, que el contenido de agua o vapor de agua en el gas, as como el contenido de hidrocarburos condensables ante un aumento de presin o disminucin de temperatura, resultan inconvenientes para la conduccin del gas por tuberas ya que provocara obstrucciones de importancia Es por ello que el gas natural debe ser sometido a un proceso de deshidratacin

y de extraccin de gasolina, las razones del porque se debe aplicar el proceso de deshidratacin son:

Justificacin del Proceso de Deshidratacin:

a.- Evitar la formacin de hidratos, en vista que estos componentes pueden detener y/o entorpecer el flujo de gas por tuberas La verdad es que hay que evitar la formacin de hidratos La formacin de hidratos ocurre siempre, que el gas natural contenga agua, y esta a su vez se condense dentro de la tubera y otros recipientes, que sirvan de transporte del gas Los hidratos son compuestos cristalinos blanquecinos, parecidos a la nieve, y que se forman por la reaccin entre los hidrocarburos livianos o gases cidos y el agua lquida. La composicin de los hidratos, por lo general es 10% de hidrocarburos y 90% de agua. La gravedad especfica de los hidratos anda por el orden de 0,98 y flotan en el agua pero se hunden en los hidrocarburos lquidos.

La formacin de hidratos en el gas natural, ocurre siempre que haya agua libre y se enfre el gas por debajo de la temperatura de formacin de hidratos .Lo lgico sera establecer las normas para evitar la formacin de hidratos, en vista que si estos se llegan a formar los problemas operaciones se incrementan, ya que los hidratos taponan la tubera de transporte. Uno de los correctivos que se puede aplicar para evitar la formacin de hidratos es el metanol o monoetilenglicol, con los cuales se baja el punto de roco y se impide la formacin de hidratos. La formacin de hidratos se fundamenta en lo siguiente:

a.- Condiciones Primarias

1.- El gas debe encontrarse a una temperatura igual o inferior al punto de roco del agua en el gas o en presencia de agua libre.

2.- Presencia de hidrocarburos livianos y/o gases cidos

3.- El proceso se encuentra a bajas temperaturas a las presiones de operacin, y

4.- Altas presiones a la temperatura de operacin.

b.- Condiciones Secundarias:

1.- Altas velocidades de los fluidos

2.- Presiones pulsantes o inestables

3.- Fluidos sometidos a cualquier tipo de agitacin, y

4.- Introduccin del gas en un pequeo cristal de hidratos

La Formacin de Hidratos en el Gas Natural, ocurre fundamentalmente, porque la humedad del gas al condensarse da origen, mediante su combinacin con los hidrocarburos a baja temperatura. Es as, entonces, que como consecuencia de la fuerte reduccin de presin, que puede ocurrir en las vlvulas reguladoras de presin de la Planta, se origina una importante disminucin de temperatura como consecuencia de la brusca expansin del gas, provocando la formacin de hidratos, los que se cristalizan formando hielo o una especie de nieve en la instalacin. Por dicho motivo, es necesario que en instalaciones en que se produzcan fuertes cadas de presin, adoptar medidas tendientes a evitar este problema, dado que dichos hidratos afectan el normal funcionamiento de la instalacin .Para ello se admite la utilizacin de dos mtodos Que son : Inyeccin de hidratantes y Calentamiento del Gas.

Para evitar la formacin de hidratos se requiere una presin elevada y una temperatura baja. A cada valor de presin corresponde un valor de temperatura por debajo de la cual pueden formarse hidratos si existe humedad. A mayor presin es tambin mayor aquella temperatura. Por ello este inconveniente es ms comn a mayores presiones. Para evitarlo debe procederse a deshidratar el gas, es decir, bajar su punto de roco hasta temperaturas inferiores a 32F. Ello se efecta mediante procesos que emplean como absorbedores agentes slidos o lquidos Tambin se logra impedir la formacin de hidratos mediante la inyeccin en el gas de sustancias inhibidoras, tales como el metanol. En lo que respecta a los hidrocarburos condensables, ellos se extraen en forma de gasolina y gas licuado, en plantas especiales que pueden utilizar diversos procesos, tales como compresin y enfriamiento, absorcin con kerosn, etc. La formacin de hidratos en el gas natural ocurrir si existe agua libre y se enfra por debajo de la temperatura de formacin de hidratos. La temperatura y presin a las cuales puede ocurrir la formacin de hidratos puede predecirse en forma grfica, como tambin se puede determinar a travs de ecuaciones matemticas, que pueden indicar en forma aproximada la temperatura de formacin de hidratos, una de esas frmulas matemticas es:

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En donde: P es la presin del sistema En las situaciones donde los clculos predicen la formacin de hidratos, se puede evitar dicha formacin removiendo el agua del gas antes del enfriamiento de los hidrocarburos por debajo de la temperatura a la cual podran aparecer los problemas mediante el uso de inhibidores que se mezclan con el agua que se ha condensado.

b.-Satisfacer los requerimientos, para transportar gas a los centros de consumo y distribucin Al gas que se transporta se le extrae el agua que contiene, hasta los niveles necesarios para que cumplan con la norma establecida, y que respondan al destino que, ha sido establecido para el gas. Por ejemplo, para poder transportar el gas, por un sistema de redes y tuberas de gas, debe tener un mximo de 5- 7 libras de agua por cada milln de pies cbicos normales de gas (5- 7 lb H20/ MM PCN. Aunque, el mximo contenido de agua del gas depende del tipo de clima, ya que en climas fros la cantidad aceptada es 1-2 lb de H20/ MM PCN. La cantidad 5-7 lb de H20 /MM PCN, es vlida para climas tropicales, con ello se garantiza que el punto de roco ocurra a 32F. Lo que significa que el fluido trabajara a temperatura por encima de 32 F sin que se produzca condensacin del agua. El punto de roco del agua es la temperatura a la cual se condensa el agua, a una presin previamente establecida

c.- Evitar la congelacin del agua en los procesos criognicos. Cuando el gas ser utilizado en los procesos criognicos. La norma vlida para transportar gas por una tubera que es 7 lb H20/ MM PCN no es aplicable. En vista que los procesos criognicos deben de trabajar a una temperatura menor a la crtica, luego el agua en esas condiciones se congelara, y ser un impedimento, para la eficiencia del proceso. Luego en estos casos la cantidad de agua permisible en el gas debe de ser mucho menos.

d.- Evitar la congelacin de agua durante el transporte del gas Cuando el gas natural contiene agua, que se condensa dentro de las tuberas se forman hidratos, que son causantes de taponamiento de los gasoductos e impiden que el gas pueda circular, por la tubera. Lo normal es que el ingeniero analice las condiciones de formacin de hidratos y aplique los correctivos a tiempo, para evitar la formacin de hidratos. Adems, si el gas transportado entra a una caldera y contiene baches de agua, de seguro habr una explosin, ya que el agua a evaporarse aumenta 1700 veces su volumen. La magnitud de la explosin depender de la cantidad de agua que llegue a la caldera y de la temperatura a la que se encuentren.

Determinacin de la Cantidad de Agua en el gas Natural La cantidad de agua que los hidrocarburos gaseosos puedan transportar se puede determinar con Equipo denominados Medidores del Punto de Roco. Aunque este parmetro no hace la diferencia entre hidrocarburos lquidos y agua propiamente tal. La presin y/o temperatura del gas natural incide en la cantidad de agua que pueda retener. Si, por ejemplo la presin es constante, a medida que se enfra un volumen dado del gas, su capacidad de retencin de agua disminuye.

La figura 6 (Denominada Grfica de Mc Ketta- Webe), permite determinar la cantidad de agua que pueda retener el gas natural saturado a diversas condiciones de presin y temperatura

Figura 6 Contenido de agua en los hidrocarburos, segn Mc Ketta- Webe

Lo que significa, que para utilizar la figura 6 se necesita conocer las condiciones de presin y temperatura de operacin, con estos valores, se transporta en la grfica y se determina en contenido de agua que contiene la muestra de gas analizada

La figura 6 permite determinar la cantidad de agua que transporta el gas. Pero, esto es vlido si el gas esta saturado. La cantidad de agua se expresa en libras de agua por cada milln de pies cbicos normales (60 F y 14,7 lpca) y temperatura a la cual se encuentra la mezcla de gas natural ( lb de H20 / MM PCN). En la figura 5 se puede determinar la temperatura de formacin de hidratos. El contenido de agua en esta figura esta en funcin del gas dulce. Si el gas natural que se esta analizando contiene gases cidos, es necesario determinar el contenido de agua que pueden contener estos componentes, y con ello determinar el contenido total de agua en el gas. El contenido de agua que contiene, el C02 se presenta en la figura 6, mientras que la figura 7 representa el Contenido de agua en el H2S.Figura 7 Contenido de agua en C02 saturado en Mezclas de Gas Natural

Luego para determinar la cantidad total de agua en la mezcla de gas natural, se suman la cantidad de agua obtenida en la grfica del gas dulce y la cantidad de agua que se obtiene en las figuras 7 del C02 y 8 del H2S, para la obtencin del contenido total de agua en el gas se utiliza la siguiente ecuacin:W(GA)= Y(HCS)(Wc(HCS)+Y(C02)(Wc(C02)+Y(H2S)(Wc(H2S)(10)

En donde: Wc(GA)= contenido de vapor de agua en la mezcla cida; Y(HCS)= Fraccin molar de los hidrocarburos en el gas dulce; (Wc(HCS)= Contenido de agua en el gas dulce; Y(C02)= Fraccin molar del en el gas Wc(C02) = Contenido de agua en Dixido de Carbono puro; Y(H2S)= Fraccin molar del sulfuro de hidrgeno en el gas natural y Wc(H2S)= Contenido de agua en el Sulfuro de Hidrgeno puro. Esta frmula permite determinar la cantidad de agua

que se encuentra en un gas natural, incluido la cantidad de impurezas, que puede

Figura 8 Contenido de Agua en el Sulfuro de Hidrgeno

tener tambin alguna en su composicin.Ejemplo Cul es el contenido de agua de una mezcla de gas que esta sometido

a una presin de 2000 lpca y una temperatura de 120F, y que adems contiene 3,50 % de H2S y 8,25% de C02? contenido de agua en el gas dulce es 70 lb H20/ MM PCN. La figura 4 indica que el contenido de agua en C02 puro es 80 lb H20 /

MM PCN, mientras que la figura 5 indica que el contenido de agua en H2S puro es 190 lb de H20 / MM PCN, luego la cantidad de agua total en gas a las condiciones de temperatura y presin de operacin es:

W(GA)=0,8825x70+0,0825x80+0,035x190=75 lb de agua /MM PCN.

El contenido de agua en el gas dulce se puede determinar, tambin por la correlacin de R Bukacek ,a partir de la presin del gas ,para ello se utiliza la siguiente ecuacin:

Cuadro 3 Constantes de R. BukaceK

T(F)ABT(F)ABT(F)AB

60122005,7762131006,0864140006,41

66150006,7468161007,1070172007,17

72185007,8574197008,2576211008,67

78225009,1180241009,57822570010,00

842740010,50862920011,10883110011,60

903320012,20923530012,70943750013,30

963990014,00984240014,801004510015,30

1024790016,01045080016,701065390017,50

1085710018,301106050019,101126410020,0

1146790020,91167180021,81187600022,70

1208040023,701228490024,701248970025,6

1269470026,912810000028,013010600029,10

13211100030,3013411700031,613612400032,90

13813000034,2014013700035,6014214400037,0

14415200038,5014616000040,0014816800041,60

15017700043,2015218600044,9015419500046,60

15620500048,4015821500050,2016022500052,10

16223600054,1016424800056,1016625900058,20

16827200060,3017028500062,5017229800064,80

17431200067,1017632600069,5017834100072,00

18035700074,8018237200077,2018439000079,90

18640700082,7018842500085,8019044300088,40

19246300091,4019448300094,8019650400097,70

198525000101,00200547000104,00202570000118,00

204594000111,00206619000115,00208644000119,00

210671000122,00212690000126,00214725000130,00

216755400134,00218785000139,00220818000143,00

222848000148,00224881000152,00226915000157,00

228950000162,00230987000166,002321020000171,00

2341060000177,002361140000187,002401190000192,00

2421230000198,002441270000204,002461320000210,0

2481370000216,002501420000222,002521470000229,00

2541520000235,002561570000242,002581630000248,00

2601680000255,002802340000333,003003180000430,00

3204260000543,003405610000692,003607270000869,00

38093000001090,0400117000001360,0420147000001700,0

440181000002130,0460222000002550,0

W= A/ P(lpca) + B (lb/MM PCN)

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Las constantes A y B se tabulan en funcin de la temperatura, en el Cuadro 3 para determinar el contenido de agua del problema anterior, se tendra que:

W(H20)=80400/2000+23,7 =64 lb H20/ MM PCN

Parmetros que participan en la Deshidratacin del Gas Natural Existen varios mtodos para deshidratar el gas natural .La seleccin de un proceso, depender fundamentalmente del grado de deshidratacin necesario y d la evaluacin econmica del proceso seleccionado. Los procesos ms conocidos son:

a.- Enfriamiento Directo Este proceso se lleva a cabo mediante el uso de refrigeracin mecnica con adicin de Inhibidores de Hidratos. En estos casos se sabe, que el contenido de agua saturada en un gas natural decrece con un aumento en la presin o con una disminucin en la temperatura. Lo que significa, que los gases calientes saturados con vapor de agua pueden ser parcialmente deshidratados por Enfriamiento Directo. Por ejemplo. Los gases que sern comprimidos por lo normal son enfriados antes de ser transportados a las lneas

de distribucin. Desde luego en este proceso de enfriamiento se puede remover

agua del gas. En este caso el proceso ser de naturaleza cclica. Esto, es porque el fluido refrigerante recibir calor del sistema a enfriar.

Posteriormente, este calor se disipa en el medio ambiente o se transmite a otro sistema, que acta como receptor de esa energa calorfica. Cuando la energa calorfica se disipa, el fluido refrigerante inicia de nuevo el ciclo. Los fluidos refrigerantes de mayor uso, en la industria del gas natural son el Propano y Metano. En este proceso hay que tener mucho cuidado con la cantidad de lquido que se acumula en los equipos. de enfriamiento del gas natural, se utiliza el Efecto de Joule- Thomson con adicin o sin adicin de inhibidores de hidratos El efecto de Joule- Thompson es el cambio en la temperatura del gas que se origina cuando el gas es expandido en condiciones isentlpicas En coeficiente de Joule y Thompson se define a travs de la siguiente ecuacin:

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b.- Expansin del Gas a una Baja Presin. En este proceso para obtener el El descenso de la presin de una corriente de gas produce enfriamiento, excepto cuando se trata del Helio (He) y del Hidrgeno (H).:Luego se puede concluir que

el Efecto de Joule- Thompson, es el cambio de temperatura que se produce en un

gas que se expande a partir de una presin constante ms baja, sin transmisin

de calor. Los procesos de transmisin de calor ocurren por medio de al Conduccin, Conversin y Radiacin La Expansin del gas a una baja presin, como forma de enfriamiento se puede realizar a travs de dos diferentes procesos:1.- Expansin Isentlpica Este proceso se utiliza cuando se necesita aumentar la recuperacin de lquidos de un gas hmedo proveniente del pozo, por lo general con alta presin. En el proceso en flujo de gas hmedo es pasado a travs de una vlvula expansora, donde la temperatura del gas disminuye, con ello se logra que una fraccin de los componentes intermisos y pesados presentes en la mezcla de gas natural se condensen. Luego los lquidos condensados son retirados del flujo de gas usando, para ello un separador de baja presin. El gas fro y seco se utiliza para preenfriar la corriente de gas hmedo que alimenta el sistema.

2.- Expansin Isentrpica. Este proceso se produce cuando la corriente de gas hmedo pasa a travs de un turboexpansor. En este caso disminuye, ocurre una disminucin de la temperatura del gas y se obtiene una cierta cantidad de trabajo, el cual se utiliza para mover los equipos de bombeo. Tambin esta disminucin de la temperatura, que la mayora de los casos es un valor apreciable, se utiliza para recuperar lquidos del gas natural. Este es el principal principio de los procesos criognicos. Es necesario hacer resaltar que la expansin isentrpica es un proceso de mucho ms efectividad, pero los costos de instalacin de equipos, son mucho mayores.

Transferencia de Calor: Este parmetro existe, siempre que hay una diferencia de temperatura en el universo, la energa se transfiere de la regin de mayor temperatura a la de menor temperatura. De acuerdo con los conceptos de la termodinmica, esta energa transmitida se denomina calor. Las leyes de la termodinmica tratan de la transferencia de energa, pero siempre se refieren a sistemas que estn en equilibrio, y solo pueden utilizarse para predecir la cantidad de energa requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro, por lo que no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios. La ciencia llamada transmisin o transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinmica clsica, proporcionando los mtodos de anlisis que pueden utilizarse para predecir la velocidad de la transmisin del calor, adems de los parmetros variables durante el proceso en funcin del tiempo

Para un anlisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar mecanismos fundamentales de transmisin: conduccin, conveccin y radiacin, adems del mecanismo de acumulacin. El anlisis de los sistemas y modelos de intercambio de calor requieren familiaridad con cada uno de estos mecanismos y sus fundamentos, as como de sus interacciones El calor puede transmitirse de tres maneras.

a.-Conduccin de Calor Puesto que el calor es la energa de la actividad molecular, una forma simple de transferencia, ser la comunicacin directa de la energa molecular a travs de una sustancia por medio de colisiones entre sus molculas, esta forma de transferir el calor se denomina conduccin Los metales son buenos conductores de electricidad, por tener electrones libres, y como estos electrones libres contribuyen poderosamente a la conduccin del calor, lo que hace que los metales sean excelentes conductores de electricidad

b.- Conveccin de Calor. Esta es una forma de transmisin del calor de un lugar a otro por movimiento de la materia caliente La transferencia de calor por conveccin de un cuerpo comprende el movimiento de un fluido en relacin con el cuerpo. Si el movimiento es provocado por las diferencias de densidad debidas a la diferencia de temperatura en las diferentes localidades del fluido, se conoce como conveccin natural. Si el movimiento del fluido es provocado por un agente externo como un ventilador, se denomina conveccin forzada. La transferencia de calor por corrientes de conveccin en un lquido o en un gas, est asociada con cambios de presin, debidos comnmente a cambios locales de densidad. Un aumento de temperatura en un fluido va acompaado por un descenso de su densidad.

c.- La Combinacin de Radiacin y Absorcin Este es otro tipo de transferencia de calor. En la radiacin, la energa trmica se transforma en energa radiante, similar en su naturaleza a la luz. En realidad, una parte de esta radiacin es luminosa. En esta forma, la energa radiante puede atravesar distancias enormes antes de ser absorbida por un cuerpo y transformada de nuevo en calo. La radiacin es la transferencia de calor por radiacin no requiere ningn medio material intermedio en el proceso. La energa se traslada desde la superficie del sol hasta la tierra, donde es absorbida y convertida en energa calorfica. La radiacin es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta

temperatura a un cuerpo de baja temperatura

Reacciones Qumicas en el Proceso de Deshidratacin de Gas. El fundamento de este proceso es entre las reacciones qumicas, que ocurren entre el agua y ciertas sustancias qumicas. Lo que involucra, por lo general un proceso de alta efectividad, cuando se aplica a la deshidratacin del gas natural. Pero, el proceso de regeneracin de la sustancias puede convertirse en un proceso muy complejo. Y, desde luego le quita la posibilidad de utilizarlo a nivel industrial. Y convierte al proceso a condiciones de laboratorio, y se utiliza fundamentalmente para determinar el contenido de agua en el gas natural.

d.- -Deshidratacin por Absorcin. Este es uno de los procesos de mayor utilidad, en la industria del gas natural. El proceso consiste en remover el vapor de agua de la corriente de gas natural, por medio de un contacto lquido. El lquido que sirve como superficie absorbente debe cumplir con una serie de condiciones, como por ejemplo: 1.- Alta afinidad pon el agua ,y ser de bajo costo,

2.-Poseer estabilidad hacia los componentes del gas y bajo perfil corrosivo,

3.-Estabilidad para regeneracin

4.- Viscosidad baja,

5.- Baja presin de vapor a la temperatura de contacto,

6.- Baja solubilidad con las fracciones lquidas del gas natural

7.- Baja tendencia a la formacin de emulsiones y produccin de espumas. Los glicoles y el metano son los lquidos de mayor uso en la deshidratacin del gas natural El metanol, como agente deshidratantes es de alto costo, por lo que su uso tiene unas ciertas limitaciones, y se selecciona por lo general en los casos siguientes:

Instalaciones temporales y es deseable aplazar las decisiones relativas en los equipos permanentes del manejo de gas. Las condiciones operacionales a las cuales puede ocurrir la formacin de hidratos son de alta inestabilidad. La temperatura de operacin es tan baja que las viscosidades de otras sustancias puedan ser muy altas.

Deshidratacin del Gas Natural con Glicoles Estos componentes se encuentran en una gran cantidad, pero los que ms se utilizan en el proceso de deshidratacin del gas natural son:1.- Etilnglicol (EG) cuya Frmula qumica es H0C2H40H, luego su peso molecular es 62,10 (lb/lbmol), tiene su punto de congelamiento en 8 F

2.-Dietilnglicol (DEG): Frmula qumica es 0H (C2H40)2H, su peso molecular es de 106,1 (lb/lbmol), mientras que el punto de congelacin es 17 F

3.- Trietilnglicol (TEG) :Frmula qumica es 0H(C2H40)3H. El peso molecular alcanza un valor de 150,2 (lb/lbmol), y su punto de congelacin es 19 F

4.- Tetraetilnglico (TTEG) Frmula Qumica es 0H(C2H40)4H, su peso molecular

es 194, 2 (lb/lbmol), y su punto de congelacin es 22 F.

Los glicoles son usados corrientemente en torres de absorcin, ya que permiten obtener temperaturas inferiores al punto de roco, con lo las prdidas de vapor son menores que las obtenidas con otros compuestos. Pero el TEG no debe utilizarse a temperaturas inferiores a 50 F, ya que se incrementa mucho la viscosidad. El EG y DEG se utilizan con frecuencia inyectados en la corriente de gas, tanto en los procesos de refrigeracin y expansin. Ninguno de los dos debe usarse a una temperatura menos a 20 F

Los factores que influyen en la seleccin del glicol son:

a.- Bajo costo: El costo de glicol no es muy alto, luego este factor provoca que sea de gran utilidad en el proceso de deshidratacin en cualquier industria.

b.- Viscosidad, un valor de viscosidad por debajo de 100 - 150 CPS. Hace que los fluidos fluyan con dificultad. Luego se requiere conocer la concentracin del glicol y la temperatura del trabajo del equipo deshidratador.

c.- Reduccin del Punto de Roco. En el momento en que el glicol absorbe agua, disminuye la temperatura de roco del gas natural. Este proceso el Descenso del

Punto de Roco (DPR).La reduccin del (DPR) es influenciada por. La tasa de flujo del glicol; temperatura de contacto glicol /gas en el tope del absorbedor, eficiencia de contacto del glicol pobre. Cuando el proceso de deshidratacin del gas natural se realiza con (TEG) a 100 F y una concentracin de 95 %P/P, se puede reducir el punto de roco hasta 46 F. Mientras que el (DEG) a la misma concentracin, reduce el punto de roco en 54F. Pero, esta situacin cambia al aumenta la concentracin, si la concentracin del glicol en el agua es por ejemplo 99% P/P

EL (DPR) es en 90 F, mientras que si se utiliza (DEG) es 84F. Luego estas observaciones es conveniente tenerlas en cuenta, cuando se quiera seleccionar el tipo de glicol ms apropiado y eficiente para una operacin. Si el gas que se va a deshidratar no tiene contaminantes cidos, se puede obtener un (DPR) de hasta 65F, para ello se necesita subir la temperatura del horno. La reduccin del Punto de Roco se puede determinar por la Ecuacin de Hammerschmidth:

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Donde: (d)= descenso del punto de roco; (M)= peso molecular y (W)= concentracin del glicol en la fase lquida en la relacin %P/P. Este es un parmetro de gran importancia, ya que para que el proceso de deshidratacin sea efectivo la concentracin del glicol debe de ser alta.

d.- Solubilidad del Glicol. Este compuesto es soluble en condensado. Adems se puede demostrar que el TEG es ms soluble que el DEG. La solubilidad del TEG es de quinientas partes por milln (500 ppm) , a 90 F, mientras que la del DEG es 350 ppm. Cuando hay hidrocarburos aromticos, la solubilidad del glicol es todava ms alta.

e Presin de Vapor. Este parmetro es importante de conocerlo, en vista que permite determinar la cantidad de glicol que se sale de la planta por evaporacin. Tericamente se sabe, que las prdidas de glicol aumentan, cuando la presin de vapor se hace ms alta. Para determinar las prdidas por evaporizacin se utiliza la siguiente frmula:

Prdidas =

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Donde: (PV) = presin de vapor del glicol en mm de Hg; (M)= peso molecular del glicol ;(T)= temperatura de operacin en F y (P)= presin de operacin en lpcm.

Factores de Deterioro del Glicol Los principales factores de deterioro son:

a.- La acidez en el proceso de absorcin con glicol se produce por la presencia de los gases cidos, tambin por la descomposicin del glicol en presencia de oxgeno y excesivo calor en el horno. S el pH esta por debajo de 5,5 el glicol s autoxida, con la formacin de perxidos, aldehdos y cidos orgnicos. Luego para evitar la formacin de estos productos se recomienda mantener el pH entre un valor de 6 y 8,5, pero el valor ptimo es 7,3. Las sustancias, que ms se emplean para subir el valor del pH son las alcanolaminas. El uso de estas sustancias se fundamenta en que:

b.- La solubilidad de las aminas en glicol no depende del contenido de agua.

1.- Las aminas son fcilmente determinadas en condiciones de laboratorio

2.- La reaccin amina- gas es reversible, luego las aminas son retenidas en el horno y se puede reutilizar

c.- Contaminacin con Sales, Hidrocarburos y Parafinas. En algunos casos el gas natural, que ser sometido al proceso de deshidratacin puede arrastrar sales de los pozos, luego al entrar el gas al deshidratador las sales se depositan en las paredes de los tubos del horno y puede provocar el rompimiento del tubo produciendo graves problemas operacionales. Ahora si el gas es del tipo parafnico, puede dejar depsitos de cera en los puntos fros del sistema, esto tambin produce problemas operaciones al proceso de deshidratacin.

d.- Formacin de Espumas. Este factor es de alta incidencia en la eficiencia del proceso de deshidratacin. La formacin de espuma, puede ser de tipo mecnica, se considera que es mecnica, cuando la cada de presin a travs del absorbedor aumenta en 20 libras y el glicol removido del sistema no forma espuma. La formacin de espuma del tipo mecnico produce turbulencia. Es decir altas velocidades del gas a travs del absorbedor. El otro tipo de espuma es de tipo qumico. El espumaje tipo qumico se puede detectar batiendo el glicol en una botella, si se produce altas prdidas de glicol, entonces la espuma es del tipo qumico. Esta espuma es contaminante, para algunos compuestos, como hidrocarburos. Los hidrocarburos pueden entrar al sistema de glicol si el separador de entrada esta daado, como tambin si se permite que la temperatura del glicol pobre este por debajo de la temperatura de entrada del gas al separador, con lo cual se condensan los hidrocarburos pesados en la unidad.

En general la espuma, tanto mecnica, como qumica produce deshidratacin pobre y prdidas de glicol muy altas. Para evitar la formacin de espumas se puede utilizar antiespumante, pero esto debe ser temporal hasta que se encuentre la verdadera causa de la formacin de espumas.

e.- Absorcin de Hidrocarburos. Si el punto de roco de los hidrocarburos es alto, el glicol tiende a absorberlos., esto todava es mayor cuando hay presencia de aromticos.

f.- Punto de congelamiento de la solucin agua glicol. Esto permite conocer la formacin de los primeros cristales de hielo en la solucin de glicol- agua.

Pasos de un Proceso de Deshidratacin con Glicol En Etilenoglicol y el Dietilenoglicol se utilizan con frecuencia inyectados en la corriente de gas en procesos de refrigeracin y expansin, pero hay que tener en cuenta que no pueden utilizarse a temperatura menores a 20F. En la figura 9 se presenta una Tpica Planta de Deshidratacin con Glicol.

Figura 9 Unidad de Deshidratacin con TEG

En la figura 9 se observa, que el gas hmedo, que ha sido previamente pasado por un depurador, entra por en fondo de la torre de absorcin. Luego el gas viaja hacia el tope de al torre en contracorriente al glicol que viaja del tope al fondo de la torre. El gas entra en contacto con el glicol en cada bandeja con copas, con lo cual hace posible que el glicol absorba el vapor de agua contenido en la corriente de gas. El gas seco, sale por el tope de la torre y pasa a travs de un separador, en donde se separan las gotas de glicol que pueda contener el gas. El glicol hmedo abandona la torre por el fondo. Es de hacer notar que el glicol hmedo no solo absorbe el vapor de agua de la corriente de gas, sino que tambin absorbe las fracciones de hidrocarburos. Posteriormente, el glicol pasa a travs de un tanque de vaporizacin a baja presin. Aqu la mayora de los hidrocarburos se evaporan y se envan al quemador del rehervidos. En general, se puede sealar que la eficiencia de un proceso de deshidratacin con glicol depende principalmente de las siguientes variables:

Pasos Para un Diseo de un Deshidratador de Gas Natura

a.- La Concentracin del Glicol La cantidad de glicol en la torre de absorcin es una de las variables que mayor influencia ejerce en el proceso de deshidratacin. La importancia de este parmetro, es que el punto de roco del agua en el glicol puede ser controlado mediante los ajustes de concentracin del glicol. La concentracin del glicol depende de la eficiencia de liberacin del agua en el regenerador.

b.- La Tasa de Flujo del Glicol. Las plantas de glicol por lo general utilizan una tasa de circulacin de 2 a 4 galones de TEG / lb de agua extrada.

c.- El Nmero de Platos. Este parmetro y la concentracin del glicol son variables que dependen entre si. Si se fija el nmero de platos y la tasa de circulacin, entonces la eficiencia del proceso de deshidratacin solo depender de la concentracin del glicol.

Principales Equipos de una Planta de Deshidratacin

a.-Torre de Absorcin. Una torre de absorcin puede estar constituida por platos con copa (se usa cuando el flujo de lquido es bajo y el gas alto) o pueda estar empacada. El nmero de platos, con lo cual debe de estar conformado una torre de absorcin se determina a travs de equilibrios dinmicos.

b.- Rehervidor. La fuente de energa de un equipo rehervidor puede ser de fuente directa o indirecta.

c.- Filtros En el caso del glicol, los filtros de mayor uso son filtros tipo tamiz

d.- Bombas. Las bombas de desplazamiento positivo son las que ms se usan

e.- Acumulador de Glicol. Este acumulador debe de estar provisto de un nivel de lquido y de un aparato para determinar la temperatura del glicol pobre.

En la zona de Orocual Repblica Bolivariana de Venezuela, existe una planta deshidratadora de gas. El gas llega a la estacin a una presin de 1300 (lpcm). La funcin de la planta deshidratadora es extraer el agua de la corriente de gas, que entra a la planta para dejarlo dentro de la Norma (. El gas deshidratado es utilizar para recuperacin secundaria, as como su transferencia hacia la zona industrial de Maturn, donde es utilizado como fuente energtica. Parte del gas es enviado tambin al Centro de Acondicionamiento de gas, en el Complejo Jusepn, Estado Monagas. En la figura 10 se muestra un esquema de la Planta Deshidratadora de Gas de Orocual.

La figura 10 representa en esquema del proceso de deshidratacin de gas natural. La deshidratacin se realiza a travs del Proceso de Absorcin con Trietilenglicol, Este compuesto tiene una concentracin mayor al 99% P/P. Lo que indica que su contenido de agua es menor al 1% de agua. La concentracin del componente deshidratador es de mucha importancia, para la eficiencia del proceso. La deshidratacin se inicia con la entrada del gas hmedo por la parte inferior de la torre contactora, donde ocurre la separacin del agua del gas. La corriente de gas hmedo, despus de incesar a la torre contactora fluye hacia los niveles superiores de la torre, donde entra en contacto con el glicol, el cual absorbe el agua. El gas una vez seco sale de la torre pasa por un intercambiador de calor gas/glicol y sale hacia el cabezal de segregacin y distribucin.

Figura 10 Esquema de la Planta Deshidratadora Orocual

Deshidratacin del Gas Natural por Adsorcin Este proceso describe cualquier proceso, donde las molculas de un fluido lquido o gaseoso puede ser retenidos en la superficie de una superficie slida o lquida, debido fundamentalmente a las fuerzas superficiales de la superficie. Los cuerpos slidos se mantienen juntos, debido a fuerzas cohesivas que generalmente no estn balanceadas en su superficie. Por esta razn, las molculas superficiales pueden atraer molculas de otros cuerpos. Lo que significa que un cuerpo slido, puede atraer otras molculas de una corriente de fluido de una manera similar a las fuerzas de atraccin magnticas. Con, lo que puede causar la adhesin de molculas del fluido a molculas de la superficie slida. Lo que en este caso concreto ocurre, ya que las molculas del agua son atradas, por las molculas de la superficie slida. Para que el proceso de adsorcin sea de alta eficiencia se requiere que el rea de adsorcin sea extremadamente grande. Luego para conseguir esta superficie se le comprime y se le coloca en envase pequeo, de tal forma que se expanda cuando tome contacto con la sustancia, que ser adsorbida El proceso de adsorcin puede ser fsico o qumico

a.- Adsorcin Qumica En este caso los principales adsorbentes se caracterizan por reacciones qumicas entre el fluido a tratar y el material adsorbente. Esta adsorcin tiene muy poca aplicabilidad en la deshidratacin del gas natural

b.- Adsorcin Fsica Si es Fsico requiere del uso de un material adsorbente, y que debe de tener las siguientes caractersticas. Una gran rea para el tratamiento de altos caudales; una actividad alta para los componentes a ser removidos, una alta tasa de transferencia de masa, una regeneracin econmica y de baja complejidad. La adsorcin fsica requiere del uso de un material adsorbente, que debe de tener las siguientes caractersticas:

Una gran rea de superficie, una actividad con los elementos que sern removidos del fluido, una tasa de transferencia de masa relativamente grande, una regeneracin de fcil manejo, una resistencia mecnica alta, debe de ser econmico y no corrosivo, ni txico, y adems poseer una alta densidad de masa, tampoco debe de presentar cambios apreciables, en relacin con el volumen durante el proceso de adsorcin, mantener al resistencia mecnica.

Materiales Utilizados en la Adsorcin de Agua en el Gas Natural Existen una gran cantidad de materiales que satisfacen algunas de los requerimientos, entre los ms utilizados son los tamices moleculares, almina activada, silica gel y carbn activado.

a.- Tamices Moleculares. Estos son compuestos cristalinos, que por lo general son silicatos. Los cuales, son desecantes altamente especializados y manufacturados para un tamao de poros definidos, con lo cual permite que el desecante sea utilizado para la adsorcin selectiva de un componente dado. Por lo general el tamao de poros de los tamices moleculares anda por el orden de los 3-10 angstroms (3-10 A). Los tamices moleculares tienen una alta aplicabilidad, en el gas que servir como materia prima para los procesos criognicos.

b.- Almina Activada. Este material esta compuesto fundamentalmente por Oxido de Aluminio . El compuesto puede ser utilizado para deshidratar corrientes de gas y lquidos, y lo mismo adsorbe hidrocarburos pesados que puedan estar presentes en la corriente de gas, pero estos hidrocarburos son difciles de remover. El desecante es alcalino y puede reaccionar con cidos. Con este material se pueden condiciones muy favorables en los puntos de roco de hasta menos cien grados (-100F). Este material tiene una gran utilidad, por ser altamente econmico y de alta densidad msica

c.- Silica Gel. Este es uno de los desecantes slidos de gran utilidad, esta conformado principalmente por Oxido de Silicio y se pueden obtener puntos de roco de hasta (-100F). El compuesto tambin puede adsorber hidrocarburos pesados, siendo ms fciles para remover en el proceso de regeneracin, lo que hace que el silica gel se recomiende para controlar los hidrocarburos con el punto de roco del agua en ciertas aplicaciones. El tamao promedio de los poros de la silica gel es de 20 A. El desecante es un material cido y puede reaccionar con componentes bsicos.

d.- Carbn Activado El carbn activa es un producto tratado y activado qumicamente para que tenga la capacidad de adsorcin. Se utiliza, por lo general para adsorber hidrocarburos pesados y/o solventes aplicados en la corriente de gas natural, tiene poca aplicabilidad en el proceso de deshidratacin del gas natural

Ejemplo de un Proceso de Deshidratacin de Gas Natural Por Adsorcin. En este proceso el fluido al secarse es pasado a travs de una torre empacada. Tal como se muestra en la figura 11

Figura 11 Unidad de Deshidratacin por Adsorcin

La figura 11 representa un diagrama tpico de una planta de deshidratacin de gas natural por adsorcin En figura 11 se puede observar que mientras en una torre se deshidrata el gas, en la otra se regenera el material adsorbente. La mayor parte del gas es pasado por el tope de la torre de adsorcin

En el fondo se obtiene gas seco. El gas que deja la torre de regeneracin se enfra y se le hace pasar por un separador, donde es despojado del agua e hidrocarburos

Componentes Utilizados en un Proceso de Deshidratacin del Gas Natural con TEG Para el diseo de una planta de deshidratacin, hay que tener en cuenta que la eficiencia de este proceso, esta muy relacionada con los clculos necesarios que se deben de utilizar:

a.- Torre de Absorcin. Para el diseo se tienen los siguientes datos:

Caudal del Gas a Tratar

Gravedad especfica del gas al aire

Presin de operacin de la torre

Contenido de agua en el gas a tratar

El contenido de agua en el gas de alimentacin se puede determinar en forma

grfica o a travs de la correlacin de BukaceK. En este caso se determina el contenido de agua en el gas dulce (WCAGD)

Los grficos 5 y 6 indicar que el C02 contiene 96, mientras que el H2S contiene 220, luego el contenido de agua en el gas total es:

WCAGT=77,3x0,889+96x0,0935+220x0,0175= 81,46 (lb de H20/ MM PCN. Luego el porcentaje molar del agua en el gas de alimentacin es:

%Molar de H20 en el gas=

Contenido de agua requerida a la salida de la planta

Concentracin del TEG que entra a la torre de absorcin es 99,5%P/P

b.- Temperatura de Operacin de la Torre se Absorcin. Este parmetro se determina en forma grfica para ello se utiliza la cantidad de agua a la entrada y la presin de operacin, con lo cual se obtiene la temperatura de saturacin del gas. Este valor es aproximadamente igual a la temperatura de operacin de la torre de absorcin. Se asume que el diseo de la torre, ser con platos, luego la correccin para la temperatura es de 0,991, lo que indica que la temperatura de operacin es

c.-.Gravedad Especfica del Gas. Este parmetro se corrige, en tablas donde se obtiene que el factor de correccin para el valor de 0,67 es 1,024, luego el valor es:

d.- Construccin de la lnea de Operacin. Para el diseo de este parmetro se necesita: definir los siguientes aspectos:

Flujo msico de Gas Hmedo que entra a la torre de absorcin en (lb/da) =

Flujo Msico de gas seco (lb/da)= Este flujo msico de gas seco es igual al flujo msico de gas saturado con agua que entra a la torre de absorcin menos el flujo de agua que viaja en la fase de vapor con el gas, luego se tiene que:

(mH20 en V2)=MMPCN=xMMPCND = 3258,4

(mH20 en V2)=2094283,07-3258,4= 2091024,67

Relacin de peso, del agua al gas seco, que entra a la torre de absorcin, en

(lb de agua /lb de gas seco)= m H20 en V2/=

=

EMBED Equation.3

Flujo Msico de gas tratado que sale de la torre de absorcin, en (lb/da)=

V2-(m H20 absorbida)=2094283,07-(3258,4-7x40)=2091304,67

Relacin de peso del agua al gas seco que sale en el gas tratado, en lbH20/lb de gas seco = (mH20 en V1)/(m de gas seco)=

Flujo msico de la solucin TEG regenerada que entra a la torre de absorcin en (lb/da)

Flujo Msico de la solucin TEF que sale de al torre de absorcin, en (lb/da)

Relacin de peso del agua al TEG puro que entra a la torre de Absorcin en ( lb de agua/lb TEG)

Relacin de peso del agua al TEG puro que sale de la torre de absorcin en

lb de agua/lb TEG

Flujo Msico del TEG puro (lb/da)

En forma grfica utilizando la cantidad de agua a la salida de la torre

y la presin de operacin se obtiene la temperatura a la cual el

gas natural y el agua estn en equilibrio, que en este caso es 28F. Con este valor y la temperatura de operacin de al torre de absorcin, se obtiene en forma grfica la concentracin del TEG en % P/P del TEG a la salida de la torre, la cual en este caso es 98%P/P. El balance total de masa en la torre de absorcin es:

El balance de TEG puro en la torre de absorcin es:

(%TEG en L1) x(%TEG en L2)

EMBED Equation.3 .

;

La cantidad de TEG puro que entra a la corriente de la solucin Agua- Glicol que entra a la torre de absorcin es:

(%TEG en L1)xL1=(0,995x195688,8=194710,36

La tasa de agua en la corriente de solucin Agua- Glicol que entra a la torre de absorcin es:

(mH20 en L1)=(1-(%TEG en L1(L1=

Luego se obtiene que:

La tasa agua la corriente de solucin Agua- Glicol que sale de la torre de absorcin es:

(mH20 en L2)L2=(1-(%TEG en L2(L2=

Despus de haber realizados todos los clculos necesarios para el diseo de la torre de absorcin, para el diseo se necesita determinar lo siguiente:

a.- Construccin de la Curva de Equilibrio Lquido (X)- Vapor (Y). La curva de equilibrio se obtiene de graficar la relacin de peso del agua al gas seco (Y), en funcin de la relacin del agua al TEG puro(X)

b.- Clculo del Nmero de Platos Reales de la Torre de Absorcin. Este clculo se realiza en forma grfica

c.- Determinacin del Dimetro de la Torre de Absorcin. En este caso es necesario calcular las reas de flujo correspondiente al lquido y gas, como tambin la velocidad del lquido, rea correspondiente al gas, tambin la velocidad de la fase gaseosa.

d.- Clculo de los Orificios de entrada y salida del Gas en la Torre de Absorcin

e.- Diseo del Regenerador. Para el diseo del Regenerador se necesita definir los siguientes parmetros:

EMBED Equation.3 Flujo msico de la solucin de TEG que viene de la torre de absorcin y entra a la torre de regeneracin en (lb/da). El valor de

al flujo msico del TEG que abandona la torre de absorcin, es decir

Flujo msico de la solucin de TEG que sale de al torre de regeneracin en lb/da

Flujo Msico de vapor de agua y gas de burbujeo que sale del rehervidor y entra a la torre de regeneracin, en lb/da.

Flujo Msico de vapor de agua, gas de burbujeo y TEG(perdido), que sale de la torre de regeneracin, en lb/da: Este flujo msico que sale de la torre de regeneracin es igual:

(mH20 en )+(mTEg perdido)+(mgas de burbujeo). La concentracin de la

solucin del TEG a la salida de una unidad de regeneracin depende de la eficiencia de despojamiento del agua que se tenga en esa solucin, los datos indican que por lo general se utilizan 10 PCN/gal de TEG como gas de burbujeo

Flujo Msico de la solucin de TEG regenerada que sale del rehervidor y es enviado a la torre de absorcin, en lb/da

Q= Calor total cedido en el Rehervidos para evaporar el agua en exceso contenida

en TEG , en (TBU/hora). Este parmetro se determina a partir de la frmula siguiente:

, y desde luego se puede determinar el calor del agua y del TEG, y con ello se determina el calor total. En vista que el calor cedido al agua es igual al calor sensible necesario para obtener agua saturada ms el calor latente necesario para evaporar el agua, hasta lograr vapor saturado

Principales Equipos Utilizados en una Planta de Deshidratacin con Glicoles

a.-Absorbedor de Glicol. Es una torre donde el gas cargado con agua, se pone en contacto en contracorriente con el glicol limpio o deshidratado,

b.- Vlvulas de Expansin. En vista que, por lo general el glicol en el horno se encuentra a presin atmosfrica y en absorbedor existe alta presin, se debe de utilizar una vlvula para lograr controlar los siguientes aspectos, que son la cada de presin y el control del nivel de glicol en el absorbedor

c.- Separador de Glicol e Hidrocarburos lquidos. Es equipo se encarga de la separacin del gas y el condensado que arrastra el glicol desde al absorbedor

d.- Filtros. Estos equipos sirven para separar las impurezas

e.- Intercambiadores. En este aparato el glicol rico a temperatura ambiente es utilizado para enfriar el glicol pobre que viene del horno. Para que este proceso ocurra se utilizan intercambiadores de tubo y carcasa. El glicol rico se puede calentar hasta una temperatura de 300F, mientras que el glicol pobre puede ser enfriado hasta 200 F.

f.- Regenerador. La parte principal de este aparato se encuentra en el horno. El

regenerador puede calentarse con vapores de agua, con aceite de calentamiento o fuego directo.

El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una creciente importancia, en los procesos industriales, en vista que los usuarios han considerado la necesidad de ahorrar energa. Luego se desea obtener un equipo, que optimice el proceso, y por lo tanto pueda ahorrar energa, en la realizacin del proceso con una alta eficiencia. La optimizacin del proceso, no solo se debe realizar en funcin de un anlisis trmico y rendimiento econmico de lo invertido, sino tambin en funcin del aprovechamiento energtico del sistema. En trminos generales se puede sealar, que un intercambiador de calor consiste en un lmite slido, buen conductor, que separa dos fluidos que se intercambian energa por transmisin de calor. En la industria los intercambiadores de calor utilizados son los intercambiadores de carcasa y tubos, y su funcin consiste en evaluar el coeficiente global de calor entre las dos corrientes fluidas.

11

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