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DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL DE LA GUAJIRA
MEMORIAS DE SIMULACIÓN
INGENIERÍA DEL GAS
Marzo 18 de 2014
Estudiante: Rafael Leonardo Rodríguez Galvis Código. 2090670.
Docente: Manuel Enrique Cabarcas Simancas.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
INTRODUCCIÓN.
La deshidratación de gases naturales se realiza para cumplir estrictas normativas de ley (Propias para cada País ó Región) que tienen en cuenta el contenido máximo de agua en los gases que se transportan por gasoductos. En el caso de Colombia y según el RUT (Reglamento único de transporte) es de 6 Lb H2O/MMscf. Para efectos de esta simulación, y por indicación del profesor, se tomó este parámetro como 4 Lb H2O/MMscf. Este es uno de los parámetros claves en el diseño de una planta de deshidratación, puesto que allí se basa todo el diseño conceptual.
Para poder cumplir este cometido de deshidratación existen 3 métodos comerciales: la Absorción (deshidratación con Glicoles), la Adsorción (Por tamiz molecular, Silica Gel ó Alumina Activada) y la Condensación (Refrigeración con Glicol ó inyección de Metanol). El más usado de los tres métodos es la deshidratación con glicoles y es el que se procede a realizar en el presente trabajo. Para ello se necesitan dos equipos primordiales: La torre Contactora (ó Absorbedora) de glicol y la Columna de Regeneración (Regenerador). Cada uno de estos equipos tiene un rango en el cual trabaja a condiciones óptimas, y todos los cálculos que se realizan en el diseño se hacen para que estos dos equipos trabajen de la mejor manera posible (la mayor eficiencia de absorción).
Los resultados de la simulación se puede decir que fueron completamente exitosos, pues se entendieron los parámetros clave del diseño de plantas deshidratadoras. Se compararon dos glicoles (Trietilén y Tetraetilén) en términos de separación, y se lograron sacar conclusiones importantes al respecto (análisis de las gráficas). De manera general se concluye que el TEG, aún con Gas de Stripping para aumentar su pureza al 98,7%, se comporta de manera mucho menos eficaz que el TREG, aunque los dos alcanzan a cumplir el requisito de diseño de no tener más de 4 Lb H2O/MMscf en la corriente del gas que va a ventas (gasoducto). Aunque también existen otros glicoles comerciales como el EG (Etilénglicol), el DEG (Dietilénglicol), y el MEG (Monoetilénglicol), el más ampliamente usado en la industria es el TEG.
BASES DE DISEÑO.
Descripción del problema:
El flujo de gas que se modeló tiene las siguientes características:
Presión de operación 1000 psia.
Temperatura de operación 85°F = 545 R. Flujo de Gas 100 MMscfD. Contenido de agua en la salida 4 Lb H2O/MMscf.
Composición del gas de entrada:
Componente Fracción molar
Nitrogen 0,00164
CO2 0,00602
H2S 0,00000
Methane 0,81504
Ethane 0,08019
Propane 0,05582
i-Butane 0,01379
n-Butane 0,01378
i-Pentane 0,00487
n-Pentane 0,00323
n-Hexane 0,00294
Mcyclopentan 0,00048
Benzene 0,00019
Cyclohexane 0,00051
n-Heptane 0,00079
Mcyclohexane 0,00001
Toluene 0,00024
n-Octane 0,00029
E-Benzene 0,00001
p-Xylene 0,00001
o-Xylene 0,00005
n-Nonane 0,00010
H2O 0,00000
TEGlycol 0,00000
DIAGRAMA DE LA PLANTA DE DESHIDRATACIÓN PROPUESTA:
Criterio Técnico Criterio Técnico
Equipo o proceso afectado
Valor de la variable
Justificación Página del libro John Campbell
Temperatura Contactor 9°F – 18°F
Es necesario hacer un approach debido a que el gas y el TEG no alcanzan
el equilibrio.
341
Deshidratación del Glicol
Planta Deshidrataci
ón
Arriba de 40 °F
El proceso más usado en sistemas de gas dulce que
requieren refrigeración moderada (hasta -40°F) es
el de Inhibición.
333
Temperatura Rehervidor 400°F
Para el TEG (400°F) esta temperatura depende de
parámetros como la circulación de TEG, la
relación de flujo, la efectividad de aislamiento
y la tasa de gas de Stripping (si existe).
362
Absorción Planta
Deshidratación.
0.1 ppm >=
La absorción es el proceso
más usado para obtener bajos contenidos de agua en bajas temperaturas de
proceso.
333
TREG Planta
Deshidratación
122°F
Se usa en pocas ocasiones, por ejemplo
cuando la temperatura del gas excede el “Valor de la
Variable”
334
TEG Regenerado
r 404 °F
La temperatura máxima en el regenerador tiene como limitante a la temperatura de degradación del TEG
336
Criterio Técnico Criterio Técnico
Equipo o proceso afectado
Valor de la variable
Justificación Página del libro John Campbell
Presión en el Flash Tank
Flash Tank 44-102 psia
Es una presión típica para el correcto funcionamiento
de un Flash TK
334
Gas Stripping Rehervidor 98.7 wt%
Es la concentración máxima de glicol pobre en condiciones de equilibrio,
si se requiere una concentración mayor a esta, se debe optar por
introducir un proceso más eficiente.
336
Tasa Circulación
Absorbedor 2-5
USGAL/Lb H2O
Es el rango más usado para optimizar
económicamente la energía que se consume
en la regeneración.
343
Espaciamiento Absorbedor 24 in
Es necesario que la espuma no ocupe el espacio del gas entre
platos, para prevenir las perdidas excesivas de
glicol.
354
Altura Regenerado
r 1.3 ft
Es la altura equivalente del plato teórico para
empaques estructurados.
360
Gas Stripping Regenerado
r 10 sfc/gal
El gas de stripping raramente excede esta
tasa de inyección, a excepción que se necesite un 99.99 wt%. En ese caso se necesitaría un proceso
DRIZO.
360
Criterio Técnico Criterio Técnico
Equipo o proceso afectado
Valor de la variable
Justificación Página del libro John Campbell
Duty del Rehervidor
Rehervidor 1430
BTU/Gal
Este valor de diseño provee normalmente el
calor suficiente a la entrada para llegar a
condiciones operacionales óptimas, en condiciones
normales.
361
Diámetro Columna
Still 4
Constante empírica basada en los anillos de la
columna, usada para calcular el diámetro de la
Still Column.
362
Calor Columna
Still 20-40
BTU/h*ft2*°F
Coeficiente de transferencia de calor en la
boina de reflujo.
362
Temperatura Intercambia
dor L/R 9-23 °F
El glicol rico proveniente del Contactor , entra al intercambiador; con los
rangos especificados, más caliente que el gas de
entrada
362
Temperatura Intercambia
dor L/R 400°F
El glicol pobre usualmente llega con esta temperatura
al Intercambiador. Este glicol luego es enfriado
porque es el que calienta la corriente de entrada al
regenerador.
362
Temperatura Intercambia
dor L/R 140-149°F
El intercambiador está diseñado para que el glicol
pobre alcance las temperaturas establecidas,
principalmente por el parámetro de temperatura
del flash Tank.
362
Criterio Técnico Criterio Técnico
Equipo o proceso afectado
Valor de la variable
Justificación Página del libro John Campbell
Presión Filtros 25 psia
Máxima caída de presión permitida en cada uno de
los filtros.
364
Temperatura Flash TK 140-158°F
Para facilitar la liberación de hidrocarburos
livianos, el glicol debe ser precalentado a esta
temperatura, antes de llegar al flash tank.
365
Presión Flash TK Pcontactor *
0.15
La presión en el FlashTank debe ser el 15% de la presión del Contactor
365
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
A continuación se procederá a realizar diferentes gráficas que corresponden a la variación de algunos parámetros en la simulación del proceso de deshidratación:
Gráfica 1. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TEG.
Observación: No fue posible modificar el número de platos reales en el absorbedor con el valor de 12. Probablemente esto se debe a que se puede sobredimensionar la columna ó puede ser debido a algún otro tipo de inconveniente operacional. Como era de esperarse, al tener mayor número de etapas reales, mayor tiempo van a estar en contacto el glicol y el gas, por lo tanto más se van a acercar al equilibrio. Así debería haber mayor eficiencia de separación y menor contenido de agua en el gas de venta.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
Wat
er
Co
nte
nt
(Lb
mH
2O
/MM
scf)
TEG (gal/LbmH2O)
Water Content Vs TEG Rate
N=8
N=4
Gráfica 2. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de glicol.
Observación: Los datos obtenidos concuerdan perfectamente con la teoría. El Tetraetiléngicol (que es más costoso) debe tener una mejor eficiencia al momento de deshidratar una corriente de gas, comparándolo con el Trietilénglicol. Esto se puede corroborar con la tabla informativa del libro de John Campbell (pág 336) donde anticipan que, habiendo alcanzado el equilibrio, las concentraciones máximas que se tienen de TREG son mayores que las de TEG. Por lo tanto el TREG sería más puro en todo el proceso y separaría mayor cantidad de agua.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
Wat
er
Co
nte
nt
(Lb
mH
2O
/MM
scf)
Glycol Rate (gal/LbmH2O)
Water Content Vs Glycol Rate
TEG
TREG
Gráfica 3. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TEG.
Observación: A diferentes temperaturas de salida en el Rehervidor, las eficiencias de remoción de agua del gas van a cambiar. Teniendo el valor de T=400°F en la salida del Rehervidor (Temperatura sugerida) y comparándolo con los demás (valores menores) se puede concluir que, entre menor sea la Temperatura de separación de TEG, mayor impureza tendrá el TEG a la salida del Rehervidor. De este modo el glicol separará menos agua en el gas de venta. Esta teoría analizada concuerda fielmente con los resultados obtenidos que se muestran en la gráfica.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000Wat
er
Co
nte
nt
(Lb
mH
2O
/MM
scf)
TEG Rate (gal/LbmH2O)
Water Content Vs TEG Rate
T=400 F
T=395 F
T=375 F
T=355 F
Gráfica 4. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TREG.
Observación: El análisis para el TREG es similar al realizado para el TEG (del punto anterior). A diferentes temperaturas de salida en el Rehervidor, las eficiencias de remoción de agua del gas van a cambiar. Teniendo el valor de T=450°F en la salida del Rehervidor (Temperatura sugerida) y comparándolo con los demás (valores menores) se puede concluir que, entre menor sea la Temperatura de separación de TREG, mayor impureza tendrá el TREG a la salida del Rehervidor y por lo tanto menos agua separará en el gas de venta. Los resultados obtenidos en la práctica con el simulador siguen fielmente lo descrito en el análisis teórico.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000Wat
er
Co
nte
nt
(Lb
mH
2O
/MM
scf)
TREG Rate (gal/LbmH2O)
Water Content Vs TREG Rate
T=400 F
T=410 F
T=420 F
T=450 F
Gráfica 5. Agua en el gas de venta Vs. Temperatura del gas a la entrada del Contactor. TEG.
Observación: Durante el curso de ingeniería del gas hemos venido aprendiendo que cada equipo utilizado tiene un rango óptimo de operación, y que por fuera de él la eficiencia del equipo ó se ve afectada negativamente, o simplemente no puede funcionar. En esta gráfica nos podemos dar cuenta de que, a medida que la temperatura del Gas de entrada se hace mayor, menor eficiencia se va a tener en el Contactor. Por lo tanto se va a evidenciar un mayor contenido de agua en la corriente de gas que va a ventas.
2
2,5
3
3,5
4
85 90 95 100 105 110 115
Wat
er
Co
nte
nt
(Lb
mH
2O
/MM
scf)
Gas Temp. (°F)
Water Content Vs Gas Inlet Temperature (Reb-390 °F)
TEG
Gráfica 6. Agua en el gas de venta Vs. Temperatura del gas a la entrada del Contactor. TREG.
Observación: Esta gráfica se analiza de manera similar al caso anterior para el TEG. A medida que el gas de entrada entre con más Temperatura (Dependiendo de la temperatura ambiente de la zona en la que esté ubicada la planta), mayor será el contenido de agua en el gas de ventas. Esto se debe a que el perfil de temperaturas en la columna de absorción va a ser más cerrado (el glicol que entra por arriba y el gas que entra por abajo tienen cada vez temperaturas más parecidas). Debido a la cada vez más poca diferencia de Temperatura entre las entradas al Contactor (a medida que aumenta la T del gas de entrada), lo más seguro es que el glicol y el gas no alcancen el equilibrio térmico para lograr una deshidratación eficiente
0
2
4
6
8
10
12
80 90 100 110 120 130 140
Wat
er
Co
nte
nt
(Lb
mH
2O
/MM
scf)
Gas Temp. (°F)
Water Content Vs Gas Inlet Temp. (Reb-420F)
TREG
Gráfica 7. Pérdida de glicol en los vapores del Contactor Vs. Tasa de circulación de Glicol
Observación: Los resultados arrojan que el TREG NO tiene pérdidas de glicol en la corriente de gas que sale del Contactor. Esto se puede interpretar como que en los platos de la columna se alcanza el equilibrio (o bien se llega muy cerca a él) y debido a esto todo el glicol alcanza a deshidratar la corriente de gas. Este fenómeno no sucede con el TEG. Por el contrario, el trietilénglicol sí muestra pérdidas de glicol en esta corriente separada de gas.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
5 7 9 11 13 15
Pé
rdid
as G
lico
l (Lb
m/h
r)
Glycol Rate (GPM)
Pérdidas de Glicol (Vapores Columna de Despojo) Vs Tasa de Glicol
TREG
TEG
Gráfica 9. % de Absorción de glicol en el Contactor Vs. Productos BTEX (Benceno, Tolueno, o Xileno, m Xileno, e Benceno).
Observación: Los productos BTEX que entran con la corriente de entrada de Gas son los mismos componentes que potencialmente van a contaminar el Glicol luego de que este pase por el Contactor. De acuerdo con la tesis anterior, y teniendo en cuenta que el TEG es el glicol que más se contamina, los resultados obtenidos son congruentes. El TREG tiene una menor absorción de productos BTEX en la columna de Absorción.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Benceno Tolueno o Xileno e Benceno m Xileno
% A
bso
rció
n
% Absorción (Glicol) Vs Compuestos
TEG
TREG
Gráfica 10. % de Absorción de glicol Vs. Productos Alcanos (C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6).
Observación: Los productos alcanos que entran con la corriente de entrada de Gas son los mismos componentes que se van a ver afectados principalmente en la corriente de gas seco que sale del Contactor. De acuerdo con lo anterior, y teniendo en cuenta que el TEG es el glicol que más se contamina, los resultados obtenidos son congruentes. El TREG tiene una mayor absorción de productos alcanos en la columna de Absorción y por ende una menor absorción de productos BTEX (contaminantes).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
C1 C2 C3 IC4 NC4 IC5 NC5 NC6
% A
bso
rció
n
% Absorción (Glicol) Vs Compuestos
TEG
TREG
Gráfica 11. % de Emisión de glicol en la columna Still Vs. Productos BTEX (Benceno, Tolueno, o Xileno, m Xileno, e Benceno).
Observación: Ya se sabe de antemano (del análisis de la gráfica 9) que el contenido de productos BTEX en el glicol que sale del Contactor es mayor cuando se trabaja con TEG como glicol de proceso, que cuando se trabaja con TREG. Ahora, si se compara este valor de composición con el de los vapores de la Columna Still, se encontrará que, en porcentaje, sigue siendo mayor la cantidad de BTEX para el caso del TEG. ¿Por qué? Podría explicarse analizando que en el reboiler del TREG se tiene más temperatura y que el TREG no admite ser contaminado tan fácilmente. Esto podría hacer que los productos BTEX mantengan su concentración mayormente cuando se trabaja con TEG.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Benceno Tolueno o Xileno e Benceno m Xileno
% E
mis
ión
%Emisión (Glicol) Vs Compuestos
TEG
TREG
Gráfica 12. Viscosidad del TREG Vs. Temperatura
Observación: Durante el anillo de circulación de TREG, el glicol va adquiriendo diferentes temperaturas, determinadas según conveniencia en este caso por Intercambiadores de calor (y teniendo en cuenta también las pérdidas por ineficiencias térmicas y emisión al ambiente). Esta gráfica se puede ver afectada por la composición másica que tenga en cada instante, sobre todo por la cantidad de agua que contenga. Los datos graficados como TREG Dow Chemical son tomados del documento informativo de TREG de la empresa Dow, y son leídos a 100% de porcentaje en peso de TREG. La interpretación de esta gráfica se puede hacer teniendo en cuenta que a medida que el TREG avanza en su camino a ser “reciclado” tiene diferentes temperaturas y diferentes contenidos de agua, así se puede explicar el desfase entre las dos series.
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Vis
cosi
dad
(cP
)
Temperatura (°F)
Viscosidad Vs Temperatura
TREG Hysys
TREG Dow Chemical
Gráfica 13. Presión del gas de venta Vs. Temperatura del Gas de venta.
Observación: La envolvente de fase del gas de venta dependerá principalmente de su composición, así que vale la pena analizar qué ocurre cuando se tiene un gas más puro que otro (con menor contenido de agua). La envolvente de fases de un gas más puro que otro se ve afectada con una tendencia a desplazar todos sus puntos hacia la izquierda (menor temperatura). Así, en la simulación notamos un pequeñísimo cambio en la envolvente del TREG con respecto a la del TEG.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150
Pre
sió
n (
psi
)
Temperatura (°F)
Envolvente de Fases
TEG
TREG
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