MÓDULO 3: PROCESOS DEL GAS II Docente: Msc Ing. Enrique J. Cuellar Correo:
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PROCESOS DEL GAS II AGENDA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Introd Intr oduc ucci ción ón Contam Con tamina inante ntess del gas nat natura ural. l. Remoci Rem oción ón de com compue puesto stoss no des desead eados. os. Clasificac Clasi ficación ión de los proce procesos sos de remoc remoción ión del gas natur natural al Defini Def inició ción n de pro proces cesos os de Ads Adsorc orción ión Defini Def inició ción n de pro proces cesos os de Abs Absorc orción ión Definición Defin ición de deshi deshidratac dratación ión del gas
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PROCESOS DEL GAS II AGENDA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Introd Intr oduc ucci ción ón Contam Con tamina inante ntess del gas nat natura ural. l. Remoci Rem oción ón de com compue puesto stoss no des desead eados. os. Clasificac Clasi ficación ión de los proce procesos sos de remoc remoción ión del gas natur natural al Defini Def inició ción n de pro proces cesos os de Ads Adsorc orción ión Defini Def inició ción n de pro proces cesos os de Abs Absorc orción ión Definición Defin ición de deshi deshidratac dratación ión del gas
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DESHIDRA DESHID RAT TACIÓN DE GAS NA NATURAL TURAL
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POR QUE LA DESHIDRATACIÓN DE GAS NATURAL “El
va vapor de agua asociado al gas natural, es uno de los contaminantes más comunes en el gas dado por los inconvenientes que puede ocasionar tanto en procesos post po ster erio iore res s a lo los s qu que e pu pudi dier ere e es esta tarr so some meti tido do,, co como mo pa para ra su transporte a áreas de tratamiento y consumo. Bajo condiciones normales de producción, el gas natural está saturado con agua.
Por lo Por los s in incr crem emen ento tos s de pr pres esió ión n o re redu ducc cció ión n de te temp mper erat atur ura a el agua en el gas natural se condensa.
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y se forma en agua liquida. Cuando el agua libre se combina con las moléculas de gas (metano, etano, propano, etc.), esta forma hidratos sólidos el cual puede taponar válvulas, equipos y algunas líneas de gas.
La presencia de agua líquida puede incrementar la corrosividad del gas natural, especialmente cuando el gas contiene H2S y CO2. Sin embargo el contenido de agua en el gas natural puede ser reducido para evitar la formación de hidratos y reducir la corrosión en tuberías antes que sea transportado.
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La deshidratación del gas natural se define como el proceso de remover el vapor de agua que esta asociado al mismo. Para lograr la deshidratación se disponen de varios métodos operacionales entre los cuales el mas usado es el tratamiento del gas con glicol o proceso de absorción. En este proceso se usa un liquido higroscópico para remover el vapor de agua del gas, los líquidos que se usan son el dietilen glicol y trietilen glicol.
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El trietilen glicol tiene las siguientes ventajas:
Regeneración mas fácil a altos niveles de concentración ( 98 – 99,5 % peso ) por su alto punto de ebullición. Temperatura de descomposición alta , aprox. 404 °F a presión atmosférica. Bajas perdidas por evaporación. Sistema de regeneración sencillo y de fácil operación. Menores costos de inversión y operación.
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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Diagrama general del proceso
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La deshidratación con glicol es relativamente económica por que el agua puede ser evaporada fácilmente del glicol mediante la adición de calor (regeneración) y permite que el glicol sea nuevamente utilizado con un mínimo de perdidas. La mayoría de los procesos son continuos, es decir que tanto el gas como el glicol fluyen continuamente a través del contactor donde entran en contacto y el glicol absorbe el agua contenida en el gas para después ser regenerado donde el agua es removida y el glicol enviado nuevamente a la contactora.
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El glicol puede absorber HC pesados líquidos presentes en la corriente de gas, por eso antes de que el gas entre a la contactora debe pasar por un separador de condensados (scrubber) para remover los líquidos e impurezas solidas. El gas seco que sale de la torre contactora fluye a través de un intercambiador de calor gas/glicol. En este intercambiador el glicol es enfriado para aumentar su capacidad de absorción y disminuir su tendencia a vaporizarse y perderse en la corriente de gas seco.
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El glicol rico húmedo que sale de la base de la torre contactora pasa a través de un condensador de flujo , luego hacia un intercambiador de calor glicol/glicol donde el glicol rico es calentado por el glicol pobre a aproximadamente 170 – 200 °F. Después de este calentamiento el glicol fluye a un separador de baja (35 . 50 psig) donde el gas que entra con el glicol y cualquier HC liquido es removido. Este separador es trifásico para un tiempo de residencia de 15 30 minutos.
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El glicol húmedo que sale del separador pasa por un filtro de carbón para absorber los HC líquidos que pueden ser arrastrados en el glicol. Luego el glicol pasa a través de un intercambiador de calor glicol/glicol la cual opera a presión atmosférica. A medida que el glicol pasa es calentado por los vapores de salen de los líquidos en ebullición en el reherbidor.
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El gas que se separa del liquido lleva mas vapor de agua y pequeñas cantidades de glicol. A medida que pasa el glicol se vuelve mas pobre en agua. Teniendo en cuenta que hay una diferencia entre los puntos de ebullición ( TEG 546 °F, agua 212 °F). Temperaturas muy altas pueden evaporar una mayor cantidad de agua, pero también pueden degradar el glicol.
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El glicol pobre pasa desde el reherbidor a un tanque de balance . Este tanque debe ser lo suficientemente largo para permitir la expansión del glicol y tiempo razonables entre las adiciones del glicol. El glicol pobre es bombeado desde el tanque de balance hacia la torre contactora para completar el ciclo. Dependiendo del diseño de bombeo el glicol pobre es enfriado por los intercambiadores de calor antes de las bombas.
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EFECTO DE LAS VARIABLES DE OPERACIÓN La deshidratación del gas natural es afectado por:
Temperatura del gas a la entrada.
Presión del gas de entrada.
Temperatura del glicol a la entrada.
Numero de platos de la absorbedora.
Concentración del glicol a la entrada de la contactora.
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TEMPERATURA DEL GAS DE ENTRADA La temperatura tiene efecto sobre el contenido de agua que entra a la contactora.
Si se aumenta la temperatura del gas, mientras se mantiene en contacto con el gas libre de gas absorberá vapor de agua adicional. Si la temperatura es superior a la temperatura ambiente, el gas húmedo intercambia calor con el medio ambiente y una condensación de HC pesados. Estos líquidos se acumulan en el sistema, contaminando el glicol.
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PRESIÓN DEL GAS DE ENTRADA Normalmente la presión del gas de entrada no presenta fluctuaciones como para ser considerado un factor critico. Si la presión es muy baja el contenido de agua en el gas será muy alto. La operación por debajo de la presión de diseño ocasiona menor remoción de vapor de agua a los mismos caudales de circulación del glicol y/o la concentración del glicol pobre.
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TEMPERATURA DEL GLICOL DE ENTRADA A LA CONTACTORA Esta temperatura tiene un efecto considerable sobre el descenso del punto de rocío del gas, esta debe mantenerse 10 – 20 °F sobre la temperatura del gas de entrada. Si la temperatura es superior ocurren perdidas de glicol y punto de rocío mas altos.
Si la temperatura es mas baja, la viscosidad del glicol aumenta y disminuye su eficiencia.
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NÚMERO DE PLATOS EN LA TORRE CONTACTORA Normalmente las unidades tienen 5 platos. A medida que se adicionan platos o bandejas se obtienen descensos mayores del punto de rocío. Muy rara vez se fabrican torres contactoras de mas de 10 platos o bandejas.
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CONCENTRACIÓN DE ENTRADA DEL GLICOL El único cambio que puede efectuarse para lograr un descenso del punto de rocío es el grado de reconcentración del glicol que se puede obtener por medio de la regeneración, que es posible lograr una concentración hasta del 99,1 % por elevación de la temperatura sobre los 400 °F.
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Los HC pesados pasan al tanque de almacenamiento de glicol, si no se retiran podrían Inundar el sistema. La evaporación de los HC contenidos en el vapor pueden inundar la fraccionadora e incrementar los requerimientos de calor del reherbidor y existir perdidas de glicol.
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SCRUBBER O SEPARADOR DE ENTRADA Este remueve el agua liquida, HC pesados, salmueras, solidos, arena óxidos, etc. que trae el gas de entrada. Para grandes caudales de gas se usan separadores de filtro como scrubbers para reducir la contaminación del glicol. En unidades pequeñas una sección en el fondo de la torre contactora se usa como scrubber vertical.
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Mientras mas limpio sea el gas menores serán los problemas operacionales. La cantidad de agua liquida diluirá el glicol y bajara la eficiencia de la torre, requerirá mayor caudal de circulación de glicol, incrementara la carga de vapor y aumenta la demanda de calor y como resultado perdidas de glicol y gas húmedo.
Si los HC líquidos están presentes, estos pasaran a la fraccionadora y al reherbidor. Las fracciones mas livianas pasan al tope como vapor y crean peligro de incendio.
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TORRE CONTACTORA El proceso consiste en poner en contacto un gas con un liquido que tiene propiedades higroscópicas ( afín al agua ) presentándose una transferencia de masa entre los dos fluidos, debido a la diferencia de concentración de vapor de agua entre el glicol y el gas.
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INTERCAMBIADOR DE CALOR GAS/ GLICOL El intercambiador puede ser un serpentín en la cima de la torre de absorción. Cuando se tiene que evitar el calentamiento del gas se puede usar un intercambiador de calor enfriado por agua y aire.
Este intercambiador puede acumular depósitos que obstruyen la superficie y reducen el caudal de transferencia de calor e incrementar la temperatura del glicol pobre.
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ALMACENAMIENTO DEL GLICOL POBRE El proceso exige el disponer un tanque para almacenar el glicol regenerado que es bombeado a la torre absorbedora.
El glicol pobre almacenado puede arrastrar gases y vapor por efecto de las altas temperaturas, por lo que se instala un venteo al tanque acumulador para evitar presurizarlo y generar problemas a la bomba de glicol.
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INTERCAMBIADOR DE CALOR GAS RICO/ GLICOL POBRE El glicol pobre que ha sido regenerado sale del rehervidor a alta temperatura y transfiere calor al glicol rico que sale de la torre contactora.
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REGENERACIÓN DEL GLICOL Se realiza por medio de la destilación, separación agua – glicol favorecidos por la diferencia del punto de ebullición entre los 2 componentes. ( 225 °F para el agua a 10 psig y 404 °F para el glicol) La torre de destilación por lo general empacada separa el agua y el glicol por destilación fraccionada.
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REHERVIDOR Este equipo proporciona calor para separar el glicol y el agua por destilación simple. Por lo general esta equipado con una caja de ignición de fuego directo, usando una porción del gas para combustible, otros usan petróleo caliente o vapor.
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GAS DE DESPOJO Este gas se usa para alcanzar altas concentraciones del glicol, las cuales no se pueden obtener con la regeneración normal. Esto no da una mas alta depresión del punto de rocío y mayor deshidratación. El gas de despojo se usa para remover el agua residual después de que el glicol se ha reconcentrado en la regeneración. Hay varios métodos para introducir el gas de despojo al sistema.
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BOMBA DE CIRCULACIÓN DE GLICOL Se usa para introducir el glicol al sistema, puede ser eléctrica, o de otro tipo dependiendo de las condiciones de operación y localización en la planta. Comúnmente se usa la bomba de gas – glicol accionada por gas glicol usa el glicol rico de alta presión en la torre para proveer parte de la energía para su operación.
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SEPARADOR FLASH Es opcional que se usa para recobrar el gas de la bomba y los HC gaseosos provenientes del glicol rico. Estos gases se pueden usar como combustible para el rehervidor. Este separador es de baja presión y puede estar localizado entre la bomba y el tanque de almacenamiento.
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ABSORCIÓN DE GAS Absorción gaseosa es una operación donde se separan uno o mas componentes de una mezcla por medio de un liquido en el que son solubles. El mecanismo del paso de este componente de una a otra fase comprende de una parte, las relaciones de equilibrio y de otra, la velocidad con la que se desarrolla el proceso.
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EQUILIBRIO DE FASES La transferencia de materia alcanza un límite cuando las dos fases llegar al equilibrio.
Al mismo tiempo los gradientes de concentración, indican el alejamiento de la posición de equilibrio que existe entre las fases. Si se establece el equilibrio, los gradientes de concentración y por ende la rapidez de difusión descenderá a cero.
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En este proceso, el vapor de agua es muy soluble en glicol, una parte de las moléculas de agua se transfieren del gas al liquido, cruzando la superficie interfacial que separa las dos fases. Parte de las moléculas de agua regresaran al gas, con una rapidez proporcional a su concentración en el liquido. Conforme mas moléculas de agua entren en el liquido, tanto mayor será la rapidez con la cual el agua regresa al gas, pero en algún momento serán iguales.
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Al mismo tiempo por difusión las concentraciones en cada fase se vuelven uniformes. Ahora existe un equilibrio dinámico, aun cuando las moléculas de agua continúan transfiriéndose de una fase a otra y las concentraciones entro de cada fase ya no cambian. Los siguientes principios son comunes a todos los sistemas en que ocurra la distribución de sustancias entre dos fases insolubles.
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* En un conjunto fijo de condiciones existe, con referencia a la temperatura y presión una serie de relaciones en el equilibrio, dichas relaciones pueden mostrarse gráficamente en la forma de una curva de distribución en el equilibrio para cada sustancia distribuida. Con este propósito se grafican las concentraciones en el equilibrio de las sustancias en las dos fases.
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* Para un sistema en el equilibrio, no hay difusión neta de los componentes entre las fases.
* Cuando un sistema no esta en equilibrio, la difusión de los componentes entre la fases sucede de tal forma que el sistema alcanza una condición de equilibrio. Si hay tiempo suficiente, prevalecerán concentraciones en el equilibrio.
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SOLUBILIDAD GAS – LÍQUIDO La rapidez con la cual se disolverá un componente gaseoso de una mezcla en un líquido absorbente depende de la desviación del equilibrio que existe, por lo tanto es necesario considerar las características del equilibrio de los sistemas gas – líquido.
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Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido no volátil se llevan al equilibrio, la concentración resultante del gas disuelto en el líquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presión predominante. A una temperatura dada la solubilidad aumentará con la presión.
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Si una mezcla de gases se ponen en contacto con un líquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas será independiente de la de los demás, siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales de la mezcla gaseosa. Si todos los componente del gas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñas que no modifican la solubilidad del componente soluble, entonces se puede aplicar la generalización de dos componentes.
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DIFUSIÓN MOLECULAR Es el movimiento debido a un estímulo físico de un componente a través de la mezcla.
La principal causa es la existencia de un gradiente de concentración del componente que se difunde. Un gradiente de concentración provoca movimiento del componente en una dirección tal que tiende a igualar las concentraciones y destruir las concentraciones.
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