I.- INTRODUCCIONLa deshidratacin del gas natural constituye una de las etapas fundamentales en el tratamiento del gas la cual consiste bsicamente en la remocin de las impurezas del gas producido en cabeza de pozo. La deshidratacin por desecantes slidos se fundamenta en el principio de adsorcin, en el cual el vapor de agua presente se adhiere a la superficie de los desecantes, permitiendo as la remocin del contenido de agua no deseado.

La deshidratacin con desecantes o con lecho slido constituye una alternativa cuando se desea remover el contenido de agua a una cantidad mnima ya sea el caso para ingresar el gas a una planta criognica o se desee remover agua y componentes cidos simultneamente. En comparacin con la deshidratacin con glicol resulta ser ms costosa, menos contaminante pero con puntos de roco de agua menores a la salida.

En el presente trabajo se describen cada uno de los tipos de desecantes ms comunes con sus respectiva aplicaciones, el diagrama del proceso de la unidad de deshidratacin ya sea de dos o tres torres, como se lleva a cabo el proceso de adsorcin y de regeneracin en la unidad de deshidratacin, y finalmente el diseo de la torre de adsorcin haciendo nfasis en el diseo del adsorbente y del regenerador, para lo cual se presenta el diseo preliminar de una unidad de adsorcin de dos torres.

II.- SELECCIN E IDENTIFICACIN DE LOS PROCESOSLos tamices moleculares han encontrado una amplia aceptacin en la industria de proceso de gas para la alimentacin de plantas criognicas de aplicaciones de condicionamiento y algunas aplicaciones de gas agrio con frmulas de ataduras resistentes especiales al cido.ASPECTOS GENERALESDESHIDRATACIN DEL GAS NATURALEl gas natural, como est producido, contiene normalmente vapor de agua. El agua deber ser removida a un punto tpico de un contenido de 7 lb/MMscf para la mayora de los sistemas de transmisin de gas a puntos de condensacin al menos de -150F de un tratamiento aguas arriba de equipos criognicos. El retiro del agua, o deshidratacin, se realiza para prevenir la formacin de hidrato o corrosin en la recoleccin de gas, sistema de transmisin o planta de tratamiento, como se presenta en la figura 1.

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

EFECTOS DE LA PRESENCIA DE AGUA En lneas de flujo: formacin de hidratos ya que es una de las condiciones fundamentales para que se forme adems de la presencia de hidrocarburos y condiciones adecuadas de presin y temperatura (altas y bajas respectivamente), corrosin por la presencia de oxgeno, y agua libre que debe retirarse del gas. El agua lquida se remueve con el equipo adecuado, el agua remanente, en estado de vapor, debe reducirse de manera que el gas alcance las especificaciones requeridas, es decir un valor de 6lbs agua/MMscf. En productos: debe cumplirse con el valor mnimo permisible establecido por el RUT, especificacin de transporte de gas en tuberas y debe retirarse el contenido de agua ya que disminuye el poder calorfico del gas. En el recobro de lquidos: ya que los procesos implicados se llevan a cabo a valores de temperaturas criognicas, por ejemplo, recuperacin de etanol, lo cual requiere de que el gas natural ingrese al menor valor posible de contenido de agua como vapor de agua.PROCESOS DE DESHIDRATACINLos procesos presentados en las figuras 2 y 3 para retirar el contenido de agua del gas natural estn basados en una combinacin de factores como: Especificacin del contenido de agua mxima

Contenido de agua inicial

Caractersticas del proceso

Disposicin de la operacin

Factores econmicos

La deshidratacin con adsorcin o con desecantes slidos puede tener las aplicaciones como deshidratar el gas natural, para el recobro de lquidos del gas natural o para algunos desecantes con alta selectividad remover el contenido de compuestos sulfurosos como se presenta en la figura 4.

Es importante aclarar que el contaminante ms comn del gas natural es el agua, as como otro tipo de impurezas como pueden ser los compuestos sulfurosos, entro otros.

III.- DESCRIPCIN DEL PROCESOLos sistemas de deshidratacin con desecantes slidos operan o trabajan con el principio de adsorcin.La adsorcin implica una forma de adhesin entre la superficie del desecante slido y el vapor de agua en el gas. El agua forma una capa extremadamente fina que se adhiere a la superficie del desecante slido por fuerzas de atraccin, pero no hay reaccin qumica.Los desecantes slidos son usados para deshidratar porque son tpicamente ms efectivos que el glicol, ya que pueden deshidratar o secar el gas a menos de 0,1 ppm (0,5 lb/MMscf), sin embargo con el fin de reducir el tamao de la unidad de deshidratacin con desecante slido, con frecuencia es usada la unidad de deshidratacin con glicol para remover el agua de la corriente de gas. La unidad de glicol reducir el contenido de agua hasta valores alrededor de 4 lb/MMscf, lo que reducira la masa de desecante slido a utilizar para el secado final. El uso de desecantes slidos como alternativas diferentes al uso de glicol puede representar beneficios ambientales, minimizar los compuestos hidrocarburos voltiles y contaminantes peligrosos del aire (BTEX).Los costos de compra y operacin de las unidades de desecantes slidos generalmente son mayores que los de las unidades de glicol. Por lo tanto, su uso esta tpicamente limitado a aplicaciones tales como un alto contenido de H2S en el gas, requerimientos de un punto de roco muy bajo, control simultaneo de agua e hidrocarburos y casos especiales como gases con contenidos de oxgeno, etc.

3.1. DESCRIPCIN LITERALUNIDAD DE DOS TORRESEl gas hmedo entra por la parte de arriba de la torre debido a que el flujo ascendente, incluso a bajas velocidades, causa levantamiento y rebote del lecho. El tiempo depende de la capacidad del lecho y la cantidad de agua que debe eliminarse. Mientras que el lecho se usa para el seca, el segundo lecho est siendo regenerado. Otra corriente que por lo general es el 5-10% de la corriente total, se calienta de (400-600 F). el gas entra por la parte inferior del lecho a ser regenerado y a medida que el desecante es calentado el agua es eliminada. El gas caliente de regeneracin es enfriado para condensar la mayor parte del agua y luego se lleva al proceso de separacin y la corriente de gas es devuelta a la corriente de gas principal de gas hmedo. Al final del ciclo de calentamiento el lecho puede estar entre 400- 550F, este lecho debe ser enfriado antes de ser puesto en funcionamiento.

En el sistema ms simple se evita el calentador y se contina pasando el gas de regeneracin hasta que el gas de salida tenga una temperatura de 25-30F por encima de la temperatura del gas de entrada. Y una vez que la torre se conecta para la deshidratacin este se enfra a la temperatura del gas. El flujo de enfriamiento se hace en la misma direccin del flujo de calentamiento con un flujo ascendente.

Si para refrigeracin se usa un gas hmedo se debe hacer en la misma direccin de la adsorcin pero es ms costoso debido a que se deben agregar un juego de vlvulas adicionales.

UNIDAD DE TRES TORRESDos lechos estn conectados en paralelo o serie para adsorcin, mientras que el tercer lecho se regenera.-EN PARALELOEn paralelo los tiempos de ciclo son alternados, debido a q los lechos se quitan de la corriente para la regeneracin y retornan a la adsorcin uno a la vez, en este el frente de saturacin del lecho 1 est ms abajo que el del lecho 2, ya que ha estado ms tiempo en adsorcin y cuando se llega a la ruptura el lecho 1 pasa a regeneracin y los lechos 2 y 3 pasan a adsorcin para la regeneracin se usa el gas seco.-ENSERIEEn serie, el primer lecho se satura completamente mientras que el segundo est funcionando en adsorcin, cuando el primer lecho se saca de la corriente de adsorcin el segundo lecho pasa a ocupar la posicin del primero y el lecho regenerado para a ocupar la posicin del segundo. El funcionamiento en serie no es muy utilizado.

3.2. DIAGRAMA DE BLOQUESUNIDAD DE DOS TORRES

UNIDAD DE TRES TORRES

3.3. DIAGRAMA DE FLUJO

IV.- CONSIDERACIONES DE INGENIERIA / DISEO CICLO DE ADSORCIN Durante el funcionamiento normal en el ciclo de secado (adsorcin), existen tres zonas separadas en el lecho como se presenta en la figura 11. La zona de equilibrio La zona de transferencia de masa (MTZ) La zona activa En la zona de equilibrio el desecante, est saturado con agua. Se ha alcanzado el equilibrio de la capacidad de adsorcin de agua basado en las condiciones de entrada del gas y no tiene ms capacidad para adsorber el agua. Virtualmente toda la transferencia de masa ocurre en la MTZ. Existe un gradiente de concentracin a lo largo de la MTZ. La saturacin de agua en el lecho es 0% en el borde de avance de la MTZ y 100% en el borde superior de la MTZ, el que tiene contacto con la zona de equilibrio. La longitud de la MTZ generalmente se ver afectada por los siguientes factores: la velocidad del gas, los contaminantes, el contenido de agua y la saturacin relativa del gas de entrada. Un aumento en la velocidad del gas aumenta la longitud de la MTZ al igual que los contaminantes los cuales proporcionar resistencia adicional por lo cual retardan el proceso La tercera zona es la zona activa. En la zona activa el desecante tiene toda la capacidad para adsorber el agua y solo contiene agua residual que quedo del ciclo de regeneracin. Cuando el borde de avance de la MTZ alcanza el final del lecho, ocurre la ruptura. Si se permite que el proceso de la adsorcin contine, el contenido de agua del gas de salida aumentar hasta que la concentracin del agua en la salida sea igual al de la entrada.

CARACTERSTICAS OPERATIVASExisten una serie de caractersticas generales que se pueden tener cuando se realiza un proceso de deshidratacin por adsorcin, a continuacin se muestran las ms relevantes en el diseo e implementacin de este proceso, tabla

DISEO DE ADSORCIN-REGENERACINDISEO DEL ADSORBENTEEl primer paso es determinar el dimetro del lecho, el cual depende de la velocidad superficial. Un dimetro muy grande requerir una alta tasa de gas de regeneracin para prevenir la canalizacin. Un dimetro muy pequeo causar una alta cada de presin.

Donde las constantes B y C se sacan de datos de tabla, segn el tipo de partcula. Regla de la mano derecha AP/L = 0,33 psi/ft; asumiendo una composicin del gas y una temperatura. Una cada de presin de diseo mayor a 8 psi no es recomendada cuando el desecante es frgil y puede ser aplastado por el peso total del lecho y las fuerzas de la cada de presin.

CLCULO DEL DIAMETRO MNIMO

El valor de (AP/L) en esta ecuacin depende del tipo de tamiz el tamao y la forma, pero un valor tpico para diseo es 0,33 psi/ft.

CLCULO DE LA MASA DEL DESECANTEEl prximo paso es escoger un periodo de adsorcin y calcular la masa del desecante requerido. Los periodos de adsorcin comunes son de 8 a 12 horas. Largos perodos de adsorcin significan menos regeneracin y una vida del tamiz ms larga, pero grandes lechos y capital de inversin adicional.Tabla: Carga de masa de agua por masa de desecante.

Para determinar la masa del desecante requerido en la zona de saturacin, se calcula la cantidad de agua a ser eliminada durante el ciclo y se divide por la capacidad efectiva.

Donde:Wr = La cantidad de agua a remover Css = Correccin por saturacin de agua CT = Correccin por temperatura

CLCULO DE LA ATURA TOTAL DEL LECHOLa altura total del lecho es la suma de la zona de saturacin y de la altura de la zona de transferencia de masa. Esta debe ser no menor que el dimetro interno de la torre.LT = LMTZ + LSDonde:LT : Longitud total del lechoLMTZ : Longitud de la zona MTZLS: Longitud de la zona de saturacin.

La altura real de la torre ser la altura del lecho ms la altura de los soportes del lecho y el espacio suficiente para asegurar una buena distribucin flujo en la parte superior del lecho. Esta altura adicional es generalmente 1 a 1,5 m [3,3-5] pies. Una torre de absorcin tpica se muestra en la figura 12.Figura 12: Diseo de torre de adsorcin tpica.

Antes de proceder con los clculos de regeneracin una comprobacin rpida de la realidad es hecha. La relacin longitud del lecho deseada sobre dimetro del lecho (hB/d) debe estar entre aproximadamente 2,5-6.Un valor inferior a 2,5 puede resultar en una menor capacidad til del desecante debido a la relacin relativamente alta de MTZ/hB. Un valor superior a 6 puede resultar en una excesiva P. El total de P a travs de una torre de adsorcin no debe exceder de 55-70 kPa (8-10psi). Si el lecho es demasiado corto, el tiempo del ciclo o el nmero de lechos sebe ser aumentado. Si el lecho es demasiado largo es lo contrario.

DISEO DEL REGENERADOREn el diseo del regenerador, el calentamiento debe cumplir con las siguientes caractersticas: Calentar el desecante por lo menos a 204-288C Calentar y despus vaporizar el agua adsorbida. Calentar y luego vaporizar los hidrocarburos en el lecho. Calentar la torre y e interior del acero.Calentar las vlvulas y la tubera en la lnea entre el calentador de regeneracin y las torres.Suministrar el calor perdido a travs del aislamiento. El primer paso para calcular el calor total requerido para desorber el agua y calentar el desecante y la torre. Un 10% del calor perdido es asumido.La temperatura, Trg, es la temperatura a la cual el lecho y la torre deben ser calentado basado en el aislante exterior de la torre. Esto es aproximadamente 50F por debajo de la temperatura del gas caliente de regeneracin que entra a la torre. Para la determinacin de la tasa del gas de regeneracin, se calcula la carga total de regeneracin. El tiempo de calentamiento es usualmente de 50% a 60% del tiempo total de regeneracin el cual debe incluir el periodo de enfriamiento.

Calor requerido para desorber el agua

Calor requerido para calentar el material del lecho

Donde:Trg: Temperatura de regeneracin (F) Ti: temperatura inicial (F) Calor requerido para calentar el acero

Prdidas de calor a la atmsfera

GRFICA DEL CICLO DE REGENERACIN Finalmente calculo el gas de regeneracin:La temperatura TH es la del gas de regeneracin dentro del lecho. El perfil de temperatura T1 -T4 es la temperatura de salida del gas de salida del lecho. En este caso, cuando la temperatura de salida del lecho (T4) es de unos 176 C [350 F], el ciclo de calentamiento ha terminado y empieza el ciclo de enfriamiento. El perfil T4 - T5 muestra la temperatura de salida del lecho durante el ciclo de enfriamiento.

El ciclo completo de regeneracin se puede dividir en cuatro (4) intervalos de tiempo especficos, como se presenta en la figura 13. Intervalo A (QA) es prcticamente todo el calor sensible. Representa el tiempo necesario para calentar el lecho, el acero y agua adsorbida de T1 a T2. A la T2, el agua comienza a evaporizarse del desecante. El intervalo B (QB) es donde la mayor parte del agua es expulsada del lecho. Esto requiere calor suficiente para no slo revaporizar el agua, sino tambin para romper las fuerzas de atraccin que unen el agua a la superficie del adsorbente. Esto a menudo se denomina calor de humedecimiento. La suma del calor latente y el calor de humedecimiento es el calor de desorcin.

El intervalo C (Qc) representa el tiempo requerido para eliminar los contaminantes pesados y el agua residual. El perfil de temperatura para Qc es de T3 a T4. Cuando el lecho alcanza T4, el gas de enfriamiento se introduce en el lecho. Intervalo D (QD) representa el ciclo de enfriamiento. Todo esto es calor sensible y el perfil de temperatura es de T4 a T5. El ciclo de refrigeracin es normalmente finalizado cuando T5 T1 = 0.

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

Fuente. CAMPBELL, Jhon. Curvas de temperatura para un sistema de dos torres adsorbedoras.CONSIDERACIONES DE DISEOVelocidad superficial del gas: Durante el ciclo de adsorcin, la disminucin de la velocidad de flujo aumenta la capacidad del desecante para deshidratar el gas.Longitud y espesor del lecho: En su forma ms simple un adsorbedor es una torre cilndrica llenada con el desecante slido.Capacidad del desecante: Razonable nicamente dentro del un rango de presin, temperatura y mecanismos de envejecimiento, composicin.Longitud de la MTZ: La longitud de la MTZ depende de la composicin del gas, la tasa de flujo el valor de saturacin relativa del agua en el gas, y de la capacidad de carga del desecante.Tiempo de ruptura: El tiempo de ruptura o de irrupcin para el agua formada.

4.1. BALANCE DE MATERIA4.2. BALANCE DE ENERGIAV.- ASPECTOS ECONMICOSVI.- CONCLUSIN