INGENIERÍA DE PROCESO UNIDADES DE DESHIDRATACIÓN CON TEG SEGUNDO MÓDULO
PROCESO DE ABSORCIÓN CON GLICOL
STRIPPING STILL
INTERCAMBIADOR GLICOL/GAS ABSORBEDOR O CONTACTOR
REGENERADOR DE GLICOL
BOMBAS DE GLICOL INTERCAMBIADOR GLICOL/GLICOL
SCRUBBER
FILTROS DE GLICOL SEPARADOR FLASH
DISEÑO DEL DESHIDRATADOR
La siguiente información se requiere para el diseño de la unidad de deshidratación: 1.
Flujo de gas (MMscfd)
2.
Gravedad específica del gas
3.
Presión de operación (psig)
4.
Máxima presión de operación (psig)
5.
Temperatura del gas de entrada (°F)
6.
Contenido de vapor o punto de rocío de agua de la corriente de gas a deshidratarse (lb/MMscf o °F)
7.
Contenido de vapor de agua requerido en el gas deshidratado
FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DEL DESHIDRATADOR Para el diseño de una unidad de deshidratación con glicol deben considerarse, los siguientes factores: 1.
Concentración del glicol pobre: Los regeneradores pueden re-concentrar entre 99.0 a 99.9 % en peso
2.
Tasa de circulación de glicol: Un valor de 2 a 6 gal/lb de agua removida es adecuado para los requisitos de deshidratación con glicol. Use de 2.5 a 4 gal/lb de agua removida para la mayoría de los deshidratadores de campo.
La cantidad de agua removida se define como: Wr
Wi Wo G 24
Wr: Cantidad de agua removida (lb/hr) Wi: Contenido de vapor de agua en el gas de entrada (lb/MMscf) Wo: Contenido de vapor de agua en el gas de salida (lb/MMscf) G: Flujo de gas (MMscfd)
FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DEL DESHIDRATADOR 3. Numero de etapas de equilibrio del contactor para obtener la eficiencia de deshidratación requerida o su equivalencia en depresión de dew point. La eficiencia de deshidratación se define como:
Ed
Wi Wo Wi
La depresión del “Dew Point” de agua se define como:
TWDP TWDPi TWDo ΔTWDP: Depresión de la temperatura del punto de rocío de agua TWDPi: Temperatura del punto de rocío de agua gas de entrada
TWDPo: Temperatura del punto de rocío gas de salida
DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN MÍNIMA DE TEG En equilibrio ideal (fase líquida de agua metaestable o condición termodinámicamente inestable) las temperaturas del punto de rocío de agua con mezclas binarias TEG-Agua a diferentes temperaturas de contactos, es como se muestra:
DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN MÍNIMA DE TEG En el contactor la temperatura de punto de rocío de agua es 15 a 20 °F más alta que la ideal. Esta diferencia se conoce como Approach. El procedimiento para establecer la mínima concentración de TEG, es la siguiente:
1.
Se determina la temperatura de punto de rocío de agua del gas de salida.
2.
Se establece la temperatura de punto de rocío de agua ideal
TWDPideal TWDPo Approach
3.
Con la temperatura de punto de rocío ideal y la temperatura del contactor se establece la mínima concentración de TEG
EJERCICIO No. 4
Determine la mínima concentración de TEG requerida para deshidratar un gas de la composición del Ejercicio No.1 en las siguientes condiciones: 1.
Presión de la corriente de gas de entrada: 1200 psig
2.
Temperatura de la corriente de gas de entrada: 120 °F
3.
Contenido de vapor de agua gas entrada: 66.34 lb/MMscf
4.
Contenido de vapor de agua requerido en el gas de salida: 6.0 lb/MMscf
5.
Utilice Approach: 15 °F
SOLUCIÓN WATER DEW POINT TWPDi
108.5
TWDPo
31.5
TWDPideal
16.5
EJERCICIO No. 4
Mínima concentración de TEG: 99.0 a 99.5 %w
CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECIRCULACIÓN DE GLICOL El caudal de recirculación de TEG (RTEG) expresado en gal/lb de agua removida es función de:
1.
La eficiencia de deshidratación
2.
La concentración de glicol pobre
3.
El número de etapas de equilibrio
Ed
Wi Wo Wi
CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECIRCULACIÓN DE GLICOL El caudal de recirculación de TEG (RTEG) expresado en gal/lb de agua removida se obtiene de las siguientes gráficas:
CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECIRCULACIÓN DE GLICOL El caudal de recirculación de TEG (RTEG) expresado en gal/lb de agua removida se obtiene de las siguientes gráficas:
CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECIRCULACIÓN DE GLICOL El caudal de recirculación de TEG (RTEG) expresado en gal/lb de agua removida se obtiene de las siguientes gráficas:
CÁLCULO DEL CAUDAL DE RECIRCULACIÓN DE GLICOL El caudal de recirculación de TEG (RTEG) expresado en gal/lb de agua removida se obtiene de las siguientes gráficas:
EJERCICIO No. 5
Determine la tasa de recirculación de glicol requerida para deshidratar 150 MMscfd de un gas de la composición y condiciones fijadas en el Ejercicio No.4. SOLUCIÓN
De las condiciones del ejercicio anterior: Wi (lb/MMscf)
66.34
Wo (lb/MMscf)
6.00
Ed
0.9095 ~ 0.91
EJERCICIO No. 5 Para una concentración mínima de TEG del 99.0% en peso y 1.5 etapas teóricas a una temperatura de contacto
EJERCICIO No. 5 Para una concentración mínima de TEG del 99.0% en peso y 2.0 etapas teóricas
EJERCICIO No. 5
De las gráficas anteriores, para una temperatura de contacto de 100 °F: No. Etapas Teóricas
Recirculación (gal/lb de agua removida)
1.5
4.0
2.0
2.3
Se requiere una tasa de recirculación de 2.3 gal/lb de agua removida. El flujo de glicol a circulante, sería: Wi (lb/MMscf)
66.34
Wo (lb/MMscf)
6.00
ΔW (lb/MMscf)
60.34
Wr (lb/min)
6.28
GTEG (gal/min)
14.45
CÁLCULO DEL NÚMERO DE ETAPAS TEÓRICAS GLICOL Para temperaturas de contacto superiores a 100 °F, se requiere corregir el número de etapas teóricas calculadas con las gráficas utilizadas en el ejercicio No.5. Para determinar el número de etapas teóricas es necesario construir el diagrama de Mc Cabe Thiele la cual consta de:
1.
Curva de Equilibrio: Construida a partir de los contenidos de vapor de agua obtenidos a diferentes concentraciones de glicol a las condiciones temperatura y presión del contacto.
2.
Curva de operación: Construida con el contenido de vapor y concentraciones de glicol en los puntos extremos donde se inicia y finaliza el contacto.
CÁLCULO DEL NÚMERO DE PLATOS TÉORICOS (CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE TEG RICO) La concentración de TEG rico se calcula en forma aproximada con la siguiente fórmula:
WTEG RICH TEG
ρ LEAN TEG G TEG WTEG LEAN TEG 60 ρ LEAN TEG G TEG 60 Wr
ρ LEAN TEG ρTEG WTEG LEAN TEG ρ WATER WWATER LEAN TEG
W: Fracción en peso de TEG o agua según el subíndice. ρ: Densidad de agua o glicol pobre. Según el subíndice (lb/gal). GTEG: Flujo de circulación de glicol (gal/min)
EJERCICIO No. 6 Calcule la concentración de glicol rico con los valores obtenidos en el Ejercicio No. 5.
Utilice los siguientes valores:
ρTEG = 9.20 lb/gal
ρWATER = 8.22 lb/gal
Wr = 376.8 lb/hr
ρ LEAN TEG 0.99 9.20 lb/gal 0.01 8.22 lb/gal 9.19 lb/gal
WTEG RICH TEG
0.99 9.19 lb/gal 14.45 gal/min 60 min/hr 0.94 9.19 lb/gal 14.45 gal/min 60 min/hr 376.8 lb/hr
EJERCICIO No. 7 Calcule el número de etapas teóricas requeridas para deshidratar 150 MMscfd de gas en las condiciones del ejercicio No. 4:
Los datos para construir el diagrama de Mc Cabe Thiele, son los indicados en las siguientes tablas: CURVA DE EQUILIBRIO %w TEG
WDP (°F)
W(lb/MMscf)
90.0
89.7
39.10
95.0
70.0
21.66
98.0
45.0
9.60
98.5
38.0
7.54
99.0
26.0
4.92
99.5
9.0
2.60
CURVA DE OPERACIÓN FONDO %w TEG
94.0
WDP (°F)
66.34 TOPE
%w TEG
99.0
WDP (°F)
6.0
EJERCICIO No. 7 El diagrama de Mc Cabe Thiele, es el siguiente:
6 Etapas Teóricas
ECUACIONES DE ESTADO
ECUACIONES DE ESTADO
Verificación de los cálculos
SCRUBBER DE GAS DE ENTRADA Un buen scrubber de gas de entrada es esencial para la operación eficiente de una unidad de deshidratación.
PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN
La separación de gases y líquidos o sólidos se fundamenta en los tres principios básicos de toda separación física: Momentum Asentamiento por gravedad Coalescencia Cualquier separador puede emplear uno o más de estos principios pero funciona sólo sí las fases no son miscibles y tienen entre sí diferencias de densidades.
DISEÑO DE SEPARADORES GAS-LÍQUIDO ECUACIONES BÁSICAS DE DISEÑO Los separadores que emplean extractores de neblina, se dimensionan mediante la siguiente ecuación:
Separadores Verticales y Horizontales menores de 10 pies de largo. Vt = K[(l - g)/ (g)]1/2 Separadores Horizontales mayores de 10 pies de largo
Vt = K[[(l - g)/ (g)]1/2](L/10)0.56 K: Constante de Souders and Brown L: Longitud costura a costura del separador.
EJERCICIO No. 8 Calcular el diámetro del scrubber requerido para separar un corriente gas natural en las siguientes condiciones:
CONDICIONES DE SEPARACIÓN Presión (psig)
1200
Temperatura (°F)
120
Flujo másico de Gas (lb/hr)
269490
Flujo másico de agua (lb/hr)
1000
PROPIEDADES ρl (lb/ft3)
3.59
ρg (lb/ft3)
52.21 SOLUCIÓN
Diámetro (ft)
5.0
ABSORBEDOR DE GLICOL (CONTACTOR) Es una torre de platos o empacada donde el gas, con alto contenido de vapor de agua, se pone en contacto en contracorriente con glicol limpio.
ABSORBEDOR DE GLICOL (CONTACTOR) Es una torre de platos o empacada donde el gas, con alto contenido de vapor de agua, se pone en contacto en contracorriente con glicol limpio.
ABSORBEDOR DE GLICOL (DIMENSIONES) EFICIENCIA Dependiendo del tipo de internos, la eficiencia de para torres de platos, son las siguientes:
TIPO DE INTERNO
EFICIENCIA (ET)
Campanas de Burbujeo El número de platos reales de un contactor de glicol está determinado por:
Válvulas
25% 33 ⅓%
Normalmente el espaciamiento entre los platos es de 24 pulg.
No. Etapas Teóricas No. Platos Reales ET
ABSORBEDOR DE GLICOL (DIMENSIONES) EFICIENCIA Para torres empacadas la eficiencia se mide en altura equivalente de platos teóricos (HETP). Generalmente la HETP varía en un rango entre 12 a 36 pulgadas
ABSORBEDOR DE GLICOL (DIMENSIONES) DIÁMETRO
Un método sencillo de calcular el diámetro de una torre contactora de platos es con la ecuación de Souders and brown:
G m C ρg ρl ρg mg
Gm: Máxima velocidad másica del gas lb/(hr-ft2)
A
ρg y ρl: Densidad de gas y de líquido a condiciones de flujo (lb/ft3)
Gm
mg: Flujo másico de gas (lb/hr) A: Area (ft2)
4A D
EJERCICIO No. 9 Calcule el diámetro de la contactora de glicol calculada en los ejercicios Nos. 4 a 7:
DATOS
RESULTADOS
mg (lb/hr)
269490
Gm (lb/hr-ft2)
18339
ρg (lb/ft3)
3.591
A (ft2)
14.70
ρl (lb/ft3)
68.63
D (ft)
4.32
C (ft/hr)
1200
Dcomercial (ft)
4.50
EJERCICIO No. 9 Los glicoles tienden a formar espumas en presencia de hidrocarburos. El diámetro debe corregirse con los siguientes factores dependiendo del servicio:
Diámetro corregido DIAMETRO CORREGIDO Diámetro final (ft)
5.0
ABSORBEDOR DE GLICOL (DIMENSIONES) ALTURA
Las medidas típicas de una torre de absorción son las siguientes:
DRY GAS OUT
N2
C14
MAN WAY LEAN GLYCOL INLET
C3
LIQUID DISTRIBUTOR DISTRIBUTOR SUPPORT
24" TRAY SPACING
STRUCTURED PACKING
PACKING SUPPORT
N1
VAPOR DISTRIBUTOR
M1 C4
WET GAS INLET
V-BAFFLE
C2
RICH GLYCOL OUT
Decantación vapor: 6.0 ft Sumidero Líquido: 4.0 ft Hs: Altura de sección Para torre de platos Hs: (Nth-1)*2 (ft) Para torre empacada Hs: HETP*Nth Ht≈ 10 ft + Hs
EJERCICIO No. 10 Calcule la altura de contactora de glicol calculada en los ejercicios Nos. 4 a 7, utilizando los siguientes datos: DATOS Tipo de Interno
Empaque estructurado
Plato del Calculo
Fondo CARGAS Líquido
Flujo másico (lb/hr)
Vapor
8571
269500
Densidad (lb/ft3)
68.63
3.591
Viscosidad (cP)
10.76
0.01410
Tensión Superficial (dyna/cm)
42.85
---
EJERCICIO No. 10 Tipo de empaque a utilizar: Montz B1-250
EJERCICIO No. 10 RESULTADOS
RESULTADOS Fs [ft/sec(lb/ft3)^0.5)]
2.07
HETP (inch)
13.12
Hs (inch)
105.0
ABSORBEDOR DE GLICOL (LÍMITES DE DISEÑO) Los siguientes factores deben considerarse en el diseño:
LIMITES PLATOS
EMPAQUE
CAMPANA
VÁLVULA
24
24
HETP
Factor de Espuma
0.73
0.73
0.73
Max. ΔP/plato (inch liquido)
8.00
6.00
---
---
---
---
85.00
85.00
70.00
Espaciamiento/platos (inch)
Max. ΔP (inch de agua/ft) Max. Inundación (%)
ABSORBEDOR DE GLICOL (LÍMITES DE DISEÑO)
SEPARADOR FLASH Separador trifásico que separa el gas y los condensados que arrastra el glicol desde el absorbedor
FACTORES DE DISEÑO Presión de operación: 40 a 75 psig Tiempo de retención de gas: 3 a 5 min. Tiempo de retención de líquidos: 20 a 30 min.
FILTROS DE GLICOL Sirven para separar impurezas tales como: productos de degradación de glicol, hidrocarburos de alto peso molecular (parafinas), productos de corrosión y otras impurezas arrastradas por el gas. Pueden ser de elementos o de carbón activado
FACTORES DE DISEÑO ΔP inicial < 2.0 psid ΔP para cambio: 8 a 10 psid Máxima Temperatura de Operación ≈ 300 °F
REGENERADOR DE GLICOL El regenerador está constituido por un rehervidor y columna de despojamiento “stripping still”
FACTORES DE DISEÑO
Max. Temperatura de pared tubo: 475 °F Flujo de calor: 6800 BTU/hr-ft2 Despojador: 2 o 3 platos equivalentes Presión normal de Operación: Atmósfera
EJERCICIO No. 11 Determinar la máxima concentración de TEG que se puede obtener en un regenerador que opera a presión atmosférica y a una temperatura de 400 °F.
Máxima Concentración: 99.05%
REGENERADOR DE GLICOL La máxima concentración de TEG que puede obtenerse en un regenerador atmosférico sin usar gas de despojo es de 99.05% en peso Para obtener concentraciones mayores al 99.05% TEG es necesario utilizar gas de despojo.
Concentración de TEG
Tipo de Despojador
Hasta 99.05%
Una columna despojadora
De 99.05 a 99.5
Una columna más gas de despojo
Mayor a 99.5
Doble columna más gas de despojo
REGENERADOR DE GLICOL (CARGA DE CALOR) La carga de calor requerida en el rehervidor puede estimarse con la siguiente ecuación:
GTEG: Flujo de circulación de glicol (gal/hr)
Q t 2000 G TEG
Para un calculo detallado de la carga de calor del rehervidor pueden utilizarse las siguientes formulas:
Q1 G TEG ρ l Cp T2 T1 Q w 970.3 Wr Q r 0.25 Q w Q h 5000 a 20000 BTU/hr dependiendo del tamaño Q t Q1 Q w Q r Q h
REGENERADOR DE GLICOL (CARGA DE CALOR) Donde:
Qt: Carga total de calor del rehervidor Q1Calor sensible requerido por el glicol (BTU/hr) Qw: Calor de vaporización requerido para el agua (BTU/hr) Qr: Calor requerido para vaporizar el agua de reflujo de la columna despojadora (BTU/hr). Qh: Pérdidas de calor del rehervidor (BTU/hr) ρl: Densidad del TEG a la temperatura promedio del rehervidor (lb/gal) Cp: Calor específico del TEG a la temperatura promedio del rehervidor BTU/lb-°F T1: Temperatura de entrada del TEG (°F) T2: Temperatura de salida del TEG (°F)
EJERCICIO No. 11 Determinar la carga de calor querida y el tamaño de columna despojadora que recircula 14.45 gal/min de TEG
SOLUCIÓN
Tamaño de la Columna Despojadora
Qt (BTU/hr)
Diámetro (inch)
1,734,000
20
EL REGENERADOR OPCIONES DE REGENERACION GAS STRIPPING
EL INTERCAMBIADOR DE CALOR Glicol pobre al enfriador: max: 140-150 oF Approach Típico: 30-40 oF Glicol al trifásico y reboiler:
Glicol rico de columna: Tgas Glicol pobre del reboiler: 400 oF
EFECTO IMPORTANTE EN LA CARGA REQUERIDA DEL REBOILER
EL ENFRIADOR DE GLICOL PUEDE NO SER NECESARIO EN UNIDADES PEQUEÑAS
LA BOMBA DE GLICOL
ALTERNATIVA
DOSIFICADORAS
CENTRIFUGA VELOCIDAD O
MULTIETAPA
O
ALTA
REVISIÓN FINAL
Las siguientes especificaciones corresponden a las suministradas por Hanover para la nueva unidad de deshidratación a instalar en el campo de Ballena. 1. Especificaciones 2. Verificación
REVISIÓN FINAL
ESTIMACIÓN DE EMISIONES
En el proceso de deshidratación en especial el realizado con glicoles, se absorben cantidades significativas de compuestos volátiles y aromáticos que finalmente son evacuados a la atmosfera a tráves de los desfogues del separador flash y del regenerador. BTEX es una sigla para los compuestos orgánicos aromáticos benceno, tolueno, etil-benceno y xilenos. El Gas Research Institute, muestra al tolueno, etil-benceno y xilenos como compuestos irritantes y de efectos narcóticos. El benceno, adicional a los efectos anteriores es un agente cancerígeno. En el título III de EPA se incluyeron diversos compuestos aromáticos entre ellos benceno, tolueno, etil-benceno y xileno en una lista de 189 contaminantes peligrosos del aire. Las agencias de regulación limitan las emisiones de las unidades o conjunto de unidades de deshidratación a 10 tons/año de cada uno de los compuestos contaminantes o 25 tons/año del total de contaminantes.
EJERCICIO No. 12
Utilizando la composición suministrada, estime la cantidad total de emisiones contaminantes para la nueva unidad de deshidratación. SOLUCIÓN
EMISIONES (tons/año) Total Hidrocarburos
39.22
VOC
33.23
HAP
31.31
BTEX
31.31
