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Deshidratación de gas natural con glicoles

Prof. P f Alexis Al i B Bouza Enero-Marzo 2009

Deshidratación por absorción (glicoles) z

z z

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El gas natural es “secado” por lavado en contracorriente t i t con un solvente l t que tiene ti una fuerte afinidad por el agua. El solvente l t es usualmente l t un glicol. li l El gas deshidratado sale por el tope de la columna mientras que el glicol sale por el columna, fondo y es regenerado en una columna de destilación para ser reciclado en el proceso proceso. Enero-Marzo 2009

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Deshidratación por absorción (glicoles) z

Las propiedades del solvente deben ser: – – – – – –

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Fuerte afinidad por el agua. Bajo costo. N corrosivo. No i Baja afinidad por los gases ácidos y los hidrocarburos. Estabilidad térmica. Fácil regeneración. Enero-Marzo 2009

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Deshidratación por absorción (glicoles) z

Las propiedades del solvente deben ser: ( (continuación) ti ió ) – – – –

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Baja viscosidad. Baja presión de saturación a la temperatura del contactor. Baja j solubilidad en hidrocarburos. Baja tendencia a formar espuma y a emulsificarse. Enero-Marzo 2009

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Propiedades físicas de algunos glicoles comerciales Ethylene glycol

Diethylene glycol

Triethylene glycol

Tetraethylene glycol

EG

DEG

TEG

T4EG

Overall chemical formula

C2H6O2

C4H10O3

C6H14O4

C8H18O5

Molecular weight (kg/kmol)

62,068

106,122

150,175

194,228

Melting point (ºC)

-13,00

-10,45

-7,35

-5,00

Boiling point at 101325 Pa (ºC)

197,30

245,00

277,85

307,85

Vapor pressure at 25ºC 25 C (Pa)

12 24 12,24

0 27 0,27

0 05 0,05

0 007 0,007

Density at 25ºC (kg/m3)

1110

1115

1122

1122

Absolute viscosity at 25ºC (Pa.s)

0,01771

0,03021

0,03673

0,04271

Absolute viscosity at 60ºC (Pa.s)

0,00522

0,00787

0,00989

0,01063

2395

2307

2190

2165

111,11

123,89

176,67

196,11

Abbreviation

Specific heat at 25ºC (J/kg.K)

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Flash point (ºC)

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Mientras más pesados sea el glicol es más hid hidroscópicos. ó i Sin embargo, el TEG es el que ofrece la mejor j relación l ió costo/beneficio t /b fi i por llo que es el más utilizado.

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Punto de rocío obtenido para un gas en equilibrio con una solución de TEG a diferentes concentraciones en función de la temperatura.

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Diagrama de Di d flujo fl j de d una planta l t de d deshidratación con glicol

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Deshidratación por absorción (glicoles) z

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El proceso de absorción puede ser llevado a cabo tanto en una torre de platos como en una empacada. Generalmente,, en el caso de una torre de platos p se requieren de 6 a 8 etapas para obtener una especificación de 7 lb H2O/MMscf. Dependiendo de la especificación de “water water dew point”, los contactores se encuentran generalmente entre 6-12 platos. Enero-Marzo 2009

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Para contactores de diámetros pequeños (< 1 ft) se recomiendan empaques empaques, mientras que para columnas más grandes se recomiendan platos de campanas de burbujeo o perforados. La temperatura del contactor está usualmente limitada a 38ºC. Una temperatura más baja ayudaría a reducir las pérdidas por evaporación del solvente y el contenido de agua en el gas procesado.

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z

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Debido a la alta viscosidad del glicol se puede establecer una temperatura de operación de 10ºC como el límite más bajo. Después del proceso de absorción, la solución de glicol es enviada a un separador trifásico en donde los hidrocarburos líquidos arrastrados t d y ell gas di disuelto lt son separados, d seguidos por una etapa de filtrado para retirar p partículas sólidas. Enero-Marzo 2009

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z z

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El solvente es regenerado por destilación en una columna generalmente rellena con empaques empaques, y es enfriado en el tope por un serpentín a través del cual circula la solución de glicol. El reflujo generado por los vapores que condensan ayuda a reducir las pérdidas de glicol. En este tipo de torres se emplean algunas veces platos en unidades de gran capacidad.

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Del esquema de la planta, se puede observar b que lla d deshidratación hid t ió d dell gas natural demanda una alta pureza del solvente reciclado reciclado, y este grado de pureza se puede lograr bajando la presión y aumentando la temperatura p en la etapa p de regeneración.

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La temperatura de esta etapa se debe mantener por debajo de un límite aceptable para la descomposición del glicol.

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Glicol

T (ºC)

DEG

177

TEG

204

T4EG o TREG

224

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z

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Para el caso del ejemplo, se lograba alcanzar l un contenido t id d de agua d de 35 g/1000 /1000 Sm3 en el gas procesado. Si se iincrementa t lla recirculación i l ió d de solvente l t se podría alcanzar un contenido de agua de 20 g/1000 Sm3.

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Si se requiere disminuir el contenido de agua a valores l d dell orden d d de ppm, se d debe b incrementar la concentración del solvente y esto se puede hacer a través de dos maneras: –

Inyectar el gas deshidratado en el rehervidor para bajar la presión parcial del agua por arrastre. z

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Por ejemplo: La inyección de 45 m3/m3 de TEG ayudaría a purificar el solvente entre 99 99,4-99,9%. 4 99 9% Enero-Marzo 2009

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Deshidratación por absorción (glicoles) –

Inyectar un componente (octano o tolueno) en el rehervidor para formar un azeótropo con el agua agua. z

z

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Este heteroazeótropo sube hasta el tope de la columna y luego de la condensación de los vapores, el hid hidrocarburo b es separado d por simple i l d decantación t ió y luego es reciclado. La concentración de TEG obtenida puede ser superior a 99 9% 99,9%.

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Criterios de diseño: –

Temperatura del gas de entrada. A presión constante, el contenido de agua del gas se incrementa a medida q que la temperatura p sube,, p por lo tanto, a mayores temperaturas la solución de glicol deberá remover más agua para alcanzar la especificación (7 lb/MMscf). z Un incremento en la temperatura del gas puede resultar en un incremento del diámetro del contactor ((mayor y caudal → mayor y velocidad → mayor y diámetro)) z

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Criterios de diseño: –

Temperatura del gas de entrada (continuación). z

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Es bastante común colocar un enfriador de gas para bajar su temperatura por debajo de 50ºC, antes de entrar en el contactor ya que mientras más frío entre el gas ((siempre g p p por encima de la temperatura p de formación de hidratos) más pequeño será el contactor (diámetro).

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Criterios de diseño: –

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Temperatura del gas de entrada (continuación). z

Existe un compromiso entre el sistema de enfriamiento del g gas y el tamaño del contactor (intercambiadores más grandes → torres más pequeñas).

z

Típicamente las unidades de TEG se diseñan para operar con un gas de entrada a una temperatura entre 27-43ºC.

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Criterios de diseño: –

Presión del contactor. A temperatura constante, el contenido de agua del gas disminuye y a medida q que la p presión aumenta,, p por lo tanto, menos agua habrá que remover si el gas es deshidratado a mayores presiones. z Adicionalmente,, a altas presiones p se requieren q diámetros de torre más bajos (menor caudal → menor velocidad → menor diámetro). z

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Criterios de diseño: –

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Presión del contactor (continuación). z

Presiones más bajas permiten espesores de pared más bajos, j ,p por lo q que existe un compromiso p económico entre la presión de operación y el costo del equipo.

z

Típicamente, una presión entre 500-1200 Típicamente 500 1200 psia conducen a los diseños más económicos.

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Criterios de diseño: –

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Número de etapas del contactor. z

Generalmente se encuentran entre 6-12, pero típicamente p se diseña p para tener entre 6-8.

z

Se emplean platos perforados o de campana de burbujeo espaciados 24 in in.

z

La eficiencia global se encuentra alrededor de 25%.

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Criterios de diseño: –

Temperatura del glicol recirculado. z z z z

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Afecta notablemente el contenido de agua del gas. Se debe mantener baja para minimizar la velocidad de circulación. Si el glicol entra muy caliente, se pueden producir muchas pérdidas con el gas que sale del contactor contactor. Si el glicol entra a una temperatura por debajo de la del contactor, se podrían condensar algunos hidrocarburos que estarían en la capacidad de formar espuma con él. Enero-Marzo 2009

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Criterios de diseño: –

Temperatura del glicol recirculado (continuación). z

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Típicamente, se diseña para que la temperatura del Típicamente glicol sea 10ºF (6ºC) por encima de la temperatura del gas de salida del contactor.

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Criterios de diseño: –

C Concentración t ió del d l glicol li l recirculado. i l d z

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A mayor concentración del glicol, mayor será la depresión del punto de rocío para un flujo de glicol dado y un número de etapas fijas. fijas

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Criterios de diseño: –

Concentración del glicol recirculado. z z z

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El “dew point” real del gas que sale del contactor estará entre 5-10ºC p por encima de la condición de equilibrio. q Depende de la temperatura del rehervidor, la velocidad de gas de arrastre y la presión del rehervidor. La concentración de glicol más común en diseño está entre 98 y 99%.

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Criterios de diseño: –

T Temperatura t del d l rehervidor. h id z

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A mayor temperatura, mayor será la concentración del glicol.

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Criterios de diseño: –

T Temperatura t del d l rehervidor h id (continuación). ( ti ió ) z

z

z

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Con TEG, la temperatura está limitada a 204ºC (400ºF), lo cual limita la concentración máxima de glicol que se puede alcanzar sin utilizar un gas de arrastre arrastre. Todos los diseños que emplean TEG operan entre 370390ºF para minimizar la descomposición del glicol, limitando la concentración de glicol a un rango entre 98,5 y 98,9%. Si se requieren concentraciones más elevadas de glicol se puede utilizar un gas de arrastre o trabajar a condiciones de vacío. Enero-Marzo 2009

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Criterios de diseño: –

Presión del rehervidor. z

z

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Presiones por encima de la atmosférica pueden reducir de manera significativa g la concentración del g glicol,, y p por lo tanto, la eficiencia del proceso de deshidratación. A presiones más bajas que la atmosférica, la temperatura p de ebullición del solvente g gastado disminuye, por lo que la concentración de glicol que se puede obtener sería mucho mayor a la misma temperatura del rehervidor.

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Criterios de diseño: –

P Presión ió del d l rehervidor h id (continuación). ( ti ió ) z

Los rehervidores son operados a condiciones de vacío en casos muy aislados debido a la complejidad inherente y al hecho de que cualquier entrada de aire en el proceso puede resultar en una degradación del glicol. –

z

Si se requiere una concentración de 99,5% se puede considerar utilizar una presión en el rehervidor de 500 mmHg. –

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Normalmente es más barato utilizar un gas de arrastre.

Algunas veces el uso de una presión de vacío ayuda a extender la vida útil del sistema de glicol glicol. Enero-Marzo 2009

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Criterios de diseño: –

Gas de arrastre. z

z

La concentración de glicol se puede incrementar notablemente haciendo contactar el g glicol con un g gas de arrastre. Generalmente se utiliza gas saturado con agua a temperatura p ambiente y a una p presión entre 25 y 100 psia. –

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Por ejemplo, si se tiene gas saturado a 25 psia y 100ºF, el contenido de agua es 1500 lb H2O/MMscf.

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Criterios de diseño: –

Gas de arrastre (continuación). z

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A una presión atmosférica (presión del rehervidor) y a la temperatura p normal de operación p del rehervidor,, el contenido de humedad está alrededor de 100000 lb H2O/MMscf, es decir, el gas podría absorber casi 100000 lb H2O/MMscf.

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Criterios de diseño: –

Gas de G d arrastre t (continuación). z

Efecto de inyectar gas de arrastre a diferentes temperaturas de rehervidor. –

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El gas es inyectado directamente en el rehervidor.

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Criterios de diseño: –

Velocidad de circulación de glicol. z

z

Cuando el número de etapas y la concentración de glicol están fijadas, g j , la depresión p del “dew p point” es una función del flujo de glicol. Bajo esta premisa, la concentración del glicol controla el punto de rocío,, mientras q p que su flujo j controla la cantidad de agua que se puede remover. Mínimo flujo → 2 gal/lb H2O a remover – Máximo flujo j → 7 gal/lb g H2O a remover –

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Criterios de diseño: –

Velocidad de circulación de glicol (continuación).

Típicamente, los diseños son enfocados hacia el Típicamente manejo de 3 gal de glicol / lb H2O a remover. z El calor requerido en el rehervidor es proporcional a la velocidad de recirculación del glicol glicol. ⎧Incremento⎫ ⎧Disminucion ⎫ ⎧Disminucion ⎫ ⎧Disminucion ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ → → → veloc. de de la temp. de la concent. de la cantidad ⎨ ⎬ ⎨ ⎬ ⎨ ⎬ ⎨ ⎬ ⎪circulacio ⎪ ⎪d l rehervidor ⎪ ⎪de h id ⎪⎭ ⎪⎩de d glicol li l id ⎪⎭ ⎩ i l i n ⎭ ⎩del ⎭ ⎩d agua removida z

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Criterios de diseño: –

Temperatura en el tope del regenerador. z

Temperaturas muy altas incrementarían las pérdidas de glicol debido a la excesiva vaporización. g p Temperatura de ebullición H2O → 212ºF – Temperatura de ebullición TEG → 546ºF –

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La temperatura recomendada en el tope es de 225ºF. 225 F.

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