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ACONDICIONAMIENTO DEL GAS, MANEJO Y RECUPERACIÓN DE LÍQUIDOS PRODUCCIÓN GAS ANACO – INGENIERÍA CONCEPTUAL

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GERENCIA INFRAESTRUCTURA – PRODUCCIÓN GAS ANACO

ESTUDIO DE DESHIDRATACIÓN GAS

CN-FORM Rev.0 - 01/06/2000

DISCIPLINA: PROCESOS

1

23/06/03

Incorporación Comentarios de PDVSA

H.M.

E.A.

L.B

E.M.

0

27/11/02

Emisión Final

C.F.

E.A.

L.B

C.L

C

06/11/02

Emisión con Comentarios de PDVSA

C.F.

E.A.

L.B

C.L

B

04/10/02

Emisión Para Revisión de PDVSA

C.F.

E.A.

L.B

C.L

A

03/10/02

Emisión Para Revisión Interna

C.F.

E.A.

L.B

REV.

FECHA

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INICIALES FIRMA ELABORADO POR

INICIALES FIRMA VERIFICADO POR

INICIALES FIRMA APROBADO DH

C.L INICIALES FIRMA APROBADO PDVSA

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CONTENIDO 1

INTRODUCCIÓN

4

2

OBJETIVO

4

3

ALCANCE

4

4

ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL

5

5

METODOLOGÍA Y CRITERIOS DE SELECCIÓN

5

Recolección y manejo de información

5

5.1 5.1.1

deshidratación del gas natural.

5

Análisis de ventajas comparativas de procesos estudiados

5

Selección del proceso de deshidratación

6

FUNDAMENTO TEÓRICO

6

6.1

Manipulación de las condiciones de procesos para inhibir la formación de hidratos

6

6.2

Deshidratación del Gas Natural

7

6.2.1

Deshidratación por sólidos desecantes

7

6.2.2

Absorción usando líquidos desecantes.

11

6.2.3

Deshidratación con cloruro de calcio, CaCl2

17

6.2.4

Deshidratación por refrigeración

18

6.2.5

Deshidratación mediante el uso de membranas

19

Inhibición de la formación de hidratos en la fase de agua libre

20

6.3.1

Inyección de Glicol

20

6.3.2

Inyección de Metanol

21

ANÁLISIS COMPARATIVO DE OPCIONES

22

Deshidratación por sólidos desecantes

22

7.1.1

Ventajas

22

7.1.2

Desventajas

22

Absorción usando líquidos desecantes.

23

7.2.1

Ventajas

23

7.2.2

Desventajas

24

7.2.3

Comparación de Glicoles Usados en la Deshidratación de Gas Natural

24

5.1.2 5.2 6

6.3

7 7.1 CN-FORM Rev.0 - 01/06/2000

Recopilación de la información referente a los procesos existentes en el mercado para la

7.2

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7.3

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Deshidratación con Cloruro de Calcio, CaCl2

26

7.3.1

Ventajas

26

7.3.2

Desventajas

26

Deshidratación por refrigeración

27

7.4.1

Ventajas

27

7.4.2

Desventajas

27

Deshidratación con membranas

28

7.5.1

Ventajas

28

7.5.2

Desventajas

28

SELECCIÓN DEL PROCESO DE DESHIDRATACIÓN DEL GAS

30

8.1

Criterios de selección

30

8.2

Selección definitiva de la tecnología de deshidratación

35

Selección del glicol para la deshidratación

35

9

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

41

10

GLOSARIO

42

11

BIBLIOGRAFÍA

43

12

ANEXOS

44

7.4

7.5

8

8.2.1

Minutas de reunión con licenciantes. Tecnologías NATCO para la deshidratación del gas natural

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Tecnologías PROSERNAT para la deshidratación del gas natural

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INTRODUCCIÓN El vapor de agua es una de las impurezas normalmente presentes en el gas natural. Usualmente el vapor no es un contaminante como tal, sin embargo, su fase líquida o sólida puede precipitar del gas cuando este es comprimido o enfriado. El agua en fase líquida acelera la corrosión y los hidratos pueden taponar válvulas, accesorios y hasta gasoductos. Para prevenir este fenómeno, todo gas que va a ser transportado por tuberías debe ser deshidratado. Los procesos comerciales utilizados comúnmente para deshidratar el gas natural son los siguientes: • • • • •

Adsorción usando sólidos desecantes Absorción usando líquidos desecantes Deshidratación con Cloruro de Calcio, CaCl2 Deshidratación por refrigeración Deshidratación mediante el uso de membranas

El gas a tratar se encuentra en equilibrio con el agua, lo que corresponde a 80 lb agua/MMSCF de gas (obtenido a las condiciones de proceso, según se especifica en las Bases y Criterios de Diseño 1200 psig y 110 °F, usando la correlación de McCarthy, Boyd y Reid (GPSA, 1998)). El proceso a seleccionar será una tecnología que permita retirar el vapor de agua presente en el gas natural hasta concentraciones menores a 7 lb agua/ MMSCF de gas, correspondiente a un punto de rocío del agua de 32 °F, de acuerdo a la norma COVENIN 3568-1:2000. De acuerdo a las conclusiones del estudio 1135-01-CN-00-08-03 (Estudio de Segregación de Gas) se requiere la deshidratación de 600 MMSCFD para que en conjunto con las unidades existentes se logre la remoción de H2O hasta el valor establecido en la norma. Otros aspectos a considerar en la selección de la tecnología son los siguientes: • Volumen del gas a ser procesado. • Flexibilidad de estas tecnologías para operar con hidrocarburos pesados. • La inversión y los costos de operación y de mantenimiento. 2

OBJETIVO Evaluar las diferentes opciones para la deshidratación de gas natural del Sistema de Transmisión de Gas de 1200 psig – Producción Gas Anaco, mediante el análisis de las diferentes tecnologías disponibles en el mercado para la deshidratación del gas natural de manera de seleccionar la mas conveniente, en base a sus ventajas y desventajas.

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3

ALCANCE Este estudio reflejará los resultados del análisis realizado para la deshidratación del gas natural del Sistema de Transmisión de Gas de 1200 psig. Como en los otros estudios de este proyecto, el mismo se realizó para dos escenarios de endulzamiento de gas: FASE I: Gas a ventas. Endulzamiento de gas natural hasta satisfacer las especificaciones de Gas a Ventas. FASE II: Proyecto Etano. Endulzamiento del gas natural hasta valores de remoción de CO2 de 200 ppm.

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De acuerdo a las conclusiones del estudio 1135-01-CN-00-08-03 (Estudio de Segregación de Gas), se requiere la deshidratación de 600 MMSCFD en el año 2007. Esta necesidad corresponde solamente a la Fase II, es decir, al endulzamiento de gas natural hasta valores de remoción de CO2 de 200 ppm. Este estudio no aplica para el escenario A donde se requiere cumplir con especificaciones de gas a ventas En este estudio se desarrollarán los siguientes aspectos: • • • 4

Análisis de las tecnologías existentes en el mercado para la deshidratación del gas natural. Análisis comparativo de las diversas alternativas. El resultado de una matriz de alternativas donde se seleccionarán y se propondrán las opciones técnicamente viables para lograr los requerimientos previstos.

ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL El Sistema de Transmisión de Gas de 1200 psig de Producción Gas Anaco posee una capacidad instalada que garantiza la deshidratación del gas que por el se transporta, no obstante como parte del estudio 1135-01-CN-00-08-03 (Estudio de Segregación de Gas), se analizó la flexibilidad operacional de las unidades existentes y su capacidad para tratar el gas producto del aumento en la producción pronosticado para el período 2003 – 2021. Como resultado de este informe se recomendó ubicar una planta de deshidratación aguas arriba de la planta de extracción (Planta Nueva, Fase II). Dicha planta tendrá una capacidad de deshidratación de 600 MMSCFD.

5

METODOLOGÍA Y CRITERIOS DE SELECCIÓN La metodología utilizada para la elaboración de este estudio de selección de tecnología fue la siguiente: 5.1

Recolección y manejo de información Para la elaboración de este estudio se ejecutaron los siguientes pasos: 5.1.1 Recopilación de la información referente a los procesos existentes en el mercado para la deshidratación del gas natural. •

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• • • • •

Consultas de la base de datos y del personal experimentado en esta materia de nuestra casa matriz (TECHNIP-Paris). Consulta directa con licenciantes Consulta de estudios de deshidratación previamente elaborados. Búsqueda de información por Internet. Visita al CIT de la empresa PDVSA-INTEVEP. Visita al Centro de Información de la empresa PEQUIVEN, Caracas.

El producto del manejo y disposición de esta información recopilada permitieron realizar una revisión bibliográfica de los procesos de deshidratación de gas natural, además del análisis comparativo de las diferentes tecnologías disponibles en el mercado para este fin. 5.1.2 Análisis de ventajas comparativas de procesos estudiados •

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Para comprender las ventajas comparativas de cada proceso en estudio, es necesario el contacto con licenciantes de tecnologías de deshidratación. Esta consulta, acompañada

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del análisis de publicaciones existentes, concluirá con la descripción detallada de las ventajas y desventajas que presentan cada uno de los procesos. Las conclusiones de las reuniones sostenidas con los licenciantes de tecnologías (conferencias telefónicas y personales, además, de contactos realizados vía correo electrónico) quedaron reflejadas en las minutas de reunión con las siguientes empresas: DOW-UOP. KVAERNER PROSERNAT 5.2 Selección del proceso de deshidratación Las diferentes alternativas tecnológicas para la deshidratación del gas natural, se analizarán de manera cuantitativa desde el punto de vista técnico. Este análisis se realizará según una matriz de evaluación que toma en cuenta los siguientes aspectos: la especificación en relación a la concentración de agua en la corriente tratada, el impacto ambiental, la experiencia de TECHNIP sobre estos procesos, la complejidad de cada proceso, la flexibilidad operacional y la aplicabilidad de cada una de las tecnologías. Se asignó un peso para cada uno de los factores tomados en consideración y una escala de 1-10 (siendo 10 la máxima puntuación) para cada una de las alternativas de deshidratación estudiadas. 6

FUNDAMENTO TEÓRICO Los procesos de deshidratación son aquellos usados para remover agua del gas natural y de líquidos del gas natural, y son requeridos para: •

• •

Prevenir la formación de hidratos y la condensación de agua libre en unidades de procesamiento y de transporte de gas. Un hidrato es la combinación física de agua y otras pequeñas moléculas para producir un sólido cristalino que posee una apariencia parecida al hielo pero con una estructura diferente a éste. El vapor de agua puede causar la formación de estos hidratos a bajas temperaturas y altas presiones cuando se pone en contacto con H2S , CO2 e hidrocarburos. Alcanzar las especificaciones de contenido de agua. Prevenir la corrosión.

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La formación de hidratos puede ser prevenida mediante la utilización de uno de los siguientes métodos: • • • 6.1

Ajuste de la temperatura y la presión hasta que la formación del hidrato sea inhibida. Deshidratación del gas para prevenir la presencia de agua libre. Inhibición de la formación de hidratos en la fase de agua libre. Manipulación de las condiciones de procesos para inhibir la formación de hidratos [BEHRENS, S., 1999] Las condiciones del proceso, pueden ser manipuladas para prevenir o retardar la formación de hidratos en los equipos de procesos o en las tuberías. Por ejemplo, la utilización de un calentador puede servir para mantener las temperaturas de operación por encima de aquella en

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la que ocurre la formación de hidratos. Además de esto, la reducción en la presión puede impedir el proceso de formación de hidratos. Si no es posible el ajuste de la temperatura o de la presión en la corriente de gas, existen otros métodos alternativos para la inhibición de formación de hidratos que pueden ser usados. 6.2

Deshidratación del Gas Natural Los procesos más comunes para la deshidratación del gas natural son los siguientes: • • • • •

Adsorción usando sólidos desecantes Absorción usando líquidos desecantes Deshidratación con cloruro de calcio, CaCl2 Deshidratación por refrigeración Deshidratación mediante el uso de membranas

6.2.1 Deshidratación por sólidos desecantes [Kolh, 1985 y GPSA, 1998] Muchos sólidos desecantes poseen las características físicas necesarias para adsorber agua del gas natural. Los siguientes son algunos de los más comunes adsorbentes comerciales: •

Geles: sílica gel o alúmina gel manufacturados o acondicionados para tener una afinidad por el agua, pueden venir en formas como: gránulos de sílica gel, bolas de alúmina gel, etc.

•

Alúmina: Corresponde a una formulación o forma natural de óxido de aluminio que se activa mediante su calentamiento. . Tamices Moleculares: son aluminosilicatos sintetizados o naturales que exhiben un grado de selectividad en la adsorción de componentes del gas natural debido a su estructura cristalina.

•

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Un diagrama de flujo simplificado de una unidad para la deshidratación con desecantes sólidos se muestra a continuación:

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Pág. 8 / 44 Gas de Regeneración y enfriamiento

Enfriador

Gas hidratado

Separador Agua

Adsorbedor

Regenerador

Gas de Regeneración Calentador

Gas deshidratado

Gas de Regeneración Figura 1. Deshidratación con sólidos desecantes. 6.2.1.1 Silica gel [Kolh, 1985; GPSA, 1998 y GRI, 1989] Sílica gel es un nombre genérico de un gel manufacturado a partir de ácido sulfúrico y silicato de sodio, siendo esencialmente dióxido de silicio, SiO2. Es usado para la deshidratación de gas y líquido, y para la recuperación de hidrocarburos (iC5+) del gas natural. 6.2.1.1.1

Condiciones de operación •

Adsorción

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Temperatura: La temperatura del gas de entrada debería estar por encima del punto de formación de hidratos, pero las temperaturas de operación deben ser mantenidas por encima de 120°F (para mantener una alta capacidad del desecante)

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Regeneración Temperatura: La temperatura de salida del gas debe estar en rango de 350 °F a 450 °F (temperaturas más altas de regeneración aumentan la capacidad de regeneración pero acortan la vida efectiva del lecho).

6.2.1.1.2

Niveles de Purificación Cuando la sílica gel es usada para la deshidratación, produce puntos de rocío de aproximadamente –70 °F a –80°F. Estos valores pueden ser logrados siempre y cuando el frente de líquido no alcance el final del lecho.

6.2.1.1.3

Limitaciones Estos desecantes se degradan cuando la superficie externa se recubre de contaminantes que bloquean el acceso de agua al interior del mismo. La causa de degradación incluyen glicoles, aminas, aceites pesados (los aceites lubricantes pesados son especialmente venenosos para el desecante) y azufre elemental. La degradación reduce la capacidad del desecante y frecuentemente se requiere de reemplazo del mismo. La capacidad de una unidad particular disminuye con la presión. La caída de presión es más alta en sistemas de desecantes secos que en sistemas de desecantes líquidos. Para aquellas aplicaciones donde se requiere de presiones de salida altas, una alta caída de presión provoca un aumento considerable de los hp requeridos del compresor. Cuando los flujos están por debajo de la capacidad de la unidad, el calor suministrado para la regeneración es alto con respecto a la cantidad de gas procesado.

6.2.1.2 Alúmina Activada [Kolh, 1985; GPSA, 1998 y GRI, 1989] La alúmina es una forma hidratada de óxido de aluminio (Al2O3) que absorbe físicamente el agua presente en el gas natural. 6.2.1.2.1

Condiciones de operación Tanto en la adsorción como en la regeneración, las condiciones de temperatura y presión son similares a aquellas en las que operan la sílica gel.

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6.2.1.2.2

Niveles de Purificación Produce puntos de rocío de alrededor de –100 °F.

6.2.1.2.3

Limitaciones Como en el caso de la sílica gel, estos desecantes se degradan debido a capas de contaminantes que recubren la superficie externa de estas sustancias.

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El costo de inversión es menor que para la sílica gel y para los tamices moleculares. Para su regeneración se requiere menos calor que el usado para la regeneración de tamices moleculares. Por lo general producirán puntos de rocío mayores que aquellos producidos por los tamices moleculares. Como en el caso anterior, la capacidad de una unidad en particular dismuniye con la presión. 6.2.1.3 Tamices Moleculares [GPSA, 1998, GRI, 1989] Los tamices moleculares son una clase de los aluminosilicatos y poseen la mayor capacidad para la adsorción de agua, producirán los menores puntos de rocío y pueden ser usados tanto para endulzar como para secar gases y líquidos. La capacidad en equilibrio de adsorción de agua es mucho menos dependiente de la temperatura de adsorción y la humedad relativa. Dependiendo del tipo, los tamices moleculares son capaces de adsorber varias moléculas incluyendo agua, NH3, H2S, CO2, SO2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 a C22H46, n-C4H9OH, n-C4H10, isoparafinas y/o olefinas. Comparados con otros sólidos desecantes, los tamices moleculares poseen la mayor capacidad de adsorción para bajas presiones parciales de agua. Estos desecantes producirán los puntos de rocío más bajos y pueden ser usados simultáneamente para endulzar gases y líquidos. Los tamices moleculares son comúnmente usados antes de plantas de recuperación de LGN, diseñadas para la recuperación de etano. Estas plantas operan por lo general a temperaturas muy bajas y requieren gas muy seco para prevenir la formación de hidratos. La deshidratación hasta –150 °F de punto de rocío es posible con tamices moleculares. Puntos de rocío del agua menores que –150 °F pueden obtenerse con diseños especiales y con parámetros estrictos de operación. La tabla No. 1, presenta diversas características típicas de algunos desecantes: Tabla No. 1 Propiedades de algunos desecantes

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Desecante

Alúmina Gel Alcoa H – 151 Alúmina Activada Alcoa F – 1 Sílica Gel Sorbead ® -R Sílica Gel Sorbead ® -H Mole Sieve Davison – 4A Mole Sieve Linde – 4A

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Tamaño de partícula

Capacidad calórica Btu / (lb⋅°F)

Contenido mínimo aprox. de humedad del gas efluente (ppm)

1/4’’

0.20

5 – 10

Forma

Densidad lb/pie3

Esférica

52

Granular

52

1/4’’ – mesh

Esférica

49

4- 8 mesh

0.25

5 – 10

Esférica

45

3 – 8 mesh

0.25

5 – 10

Esférica

42 – 45

0.24

0.1

Filamento cilíndrico

40 – 44

4 – 8 mesh o 8 – 12 mesh 1/8’’ o 1/16’’

0.24

0.1

8

0.1

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El equipo y los diferentes esquemas de flujos de proceso para cada uno de los adsorbentes, son esencialmente los mismos con la posible excepción de los tamices moleculares, que normalmente requieren de temperaturas de regeneración más elevadas. Una planta típica para la remoción de vapor de agua por adsorción, consistirá de dos tanques con un desecante granular junto a una serie de equipos auxiliares para la regeneración del desecante. 6.2.2 Absorción usando líquidos desecantes. [GPSA, 1998 y Orlogge-Hernandez, 2002] La deshidratación con glicol es un proceso muy usado para remover agua del gas natural, y su principio de operación se fundamenta en la gran afinidad que tienen los glicoles por el agua. Los glicoles son usados para aquellas aplicaciones donde la depresión del punto de rocío se encuentran en el orden de 60 °F a 120°F. En este proceso, el trietilenglicol (TEG), el dietilenglicol (DEG) o el tetraetilenglicol (TREG) son usados como líquidos desecantes siendo el TEG el desecante más utilizado para la deshidratación del gas natural. Una unidad de deshidratación con glicol generalmente posee un tambor de separación, intercambiadores de calor y un regenerador como se muestra en la Figura 2, que corresponde a un diagrama de flujo de procesos típico para una planta de deshidratación con glicol. El glicol entra al tope de una torre de contacto y absorbe agua a medida que desciende hacia el fondo de la misma. El gas seco sale por el tope del contactor y puede ser usado para enfriar el glicol regenerado que entra a la torre.

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La corriente rica fluye hacia un depurador, donde los hidrocarburos que fueron absorbidos junto con el agua en la torre de contacto son liberados y usados como combustible. Finalmente, el glicol es regenerado en la torre despojadora mediante la ebullición del agua y es recirculado al contactor. Para procesos que requieran gases con puntos de rocío muy bajos, es posible la utilización de un vapor de despojo que ayude a la regeneración. Para un despojo profundo del líquido desecante, este vapor es inyectado a una pequeña columna localizada en el fondo del rehervidor, sin embargo, el gas puede ser inyectado directamente al rehervidor.

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Vapor de Agua

Gas Seco

Glicol Pobre Flash

Torre de Contacto

Rehervidor Glicol Rico Gas húmedo Filtro Líquido Libre Figura 2. Unidad típica de deshidratación de gas con glicol 6.2.2.1 Emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOC) [COERR, S., 1995.; EBELING, H. 2001] Los glicoles absorben compuestos orgánicos volátiles como BTEX y otros como hexano y ciclopentano. Estos compuestos son considerados contaminantes, existiendo controles ambientales estrictos que regulan la emisión de estos compuestos (25 ton/año del total de VOC). Estas emisiones se deben minimizar, existiendo diversas estrategias: CN-FORM Rev.0 - 01/06/2000

La incineración de los gases venteados en el regenerador reduce las emisiones de VOC, sin embargo este procedimiento puede involucrar consumo de combustible en el incinerador además de un costo de inversión adicional. Condensar los gases venteados en el regenerador para recobrar BTEX y los VOC. Esta estrategia aunque mas económica que la incineración, presenta

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un problema relacionado con la disposición del agua que contienen los compuestos BTEX. Remoción de BTEX del glicol rico en una columna despojadora de BTEX. La disminución de la tasa de recirculación de glicol reduce la emisión de BTEX. Una menor tasa de recirculación significa una menor absorción de BTEX. Disminución de la presión y el aumento de la temperatura en el contactor tiende a la reducción de las emisiones de VOC. A pesar de ser efectivo en la reducción de emisiones, la disminución de la presión puede no ser posible ya que involucra un costo en la recompresión de gas. La alternativa de menor costo consiste en la reducción de la absorción de BTEX y VOC absorbidos inicialmente (antes de que sean venteados en el regenerador) ya que no se requiere de equipos adicionales. Esto se puede conseguir mediante el uso de la menor tasa de recirculación de glicol posible. Generalmente las unidades de glicol que actualmente se instalan son diseñadas con unidades de recuperación de BTEX y VOC (columna despojadora de BTEX). 6.2.2.2 Condiciones de Operación [GRI, 1989 y GPSA 1998] Debido a que los glicoles se descomponen a temperaturas muy cercanas a sus puntos de ebullición, las temperaturas de operación del rehervidor deberían mantenerse en los valores máximos que se exponen a continuación: Tabla No. 2. Temperatura máxima de operación del rehervidor Líquido desecante

Temperatura máxima de operación

Etilenglicol, EG

325 °F

Dietilenglicol, DEG

350 °F

Trietilenglicol, TEG

400 °F

Tetraetilenglicol, TREG

435 °F

6.2.2.3 Niveles de Purificación [GRI, 1989]

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Con las temperaturas mostradas en la Tabla No. 2, la máxima reducción en el punto de rocío (“dew point depresion”) cuando se opera a nivel del mar y con un rehervidor atmosférico son las siguientes: Tabla No. 3. Grado de purificación obtenidos con diferentes líquidos desecantes Líquido desecante EG DEG

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Grado de purificación 53 °F (95.8% en concentración de glicol) 60 °F (97.0% en concentración de glicol)

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TEG TREG

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85 °F (98.7% en concentración de glicol) 95 °F (99.3% en concentración de glicol)

6.2.2.4 Limitaciones [GRI, 1989] Cuando se requiere de una gran reducción del punto de rocío, las soluciones de glicol pueden ser regeneradas usando técnicas especializadas para lograr un mayor grado de purificación, ejemplo de éstas son: el despojo con gas caliente, regeneración al vacío, o procesos patentados como DRIZO®, COLDFINGER®, entre otros (ver punto 5.2.2.5.1). El TEG no debe ser usado para deshidratación a bajas temperaturas (aproximadamente 50 °F) debido a los posibles problemas de viscosidad, además de esto, el TEG no debe ser calentado a temperaturas por encima de 400°F debido a que experimenta descomposición térmica.1 6.2.2.5 Comercialización (GRI, 1989) TEG posee una ventaja general sobre los otros glicoles, por su costo es el más eficiente de los glicoles puros, además de ser el más usado comúnmente. TREG es usado para aquellos casos donde los puntos de rocío requeridos se encuentran fuera de los límites que se obtienen en plantas que usan el TEG, y de aquellas unidades que usan el TEG regenerado hasta altas concentraciones por despojo con gas caliente, regeneración al vacío, etc.

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Las formulaciones de glicol (glicoles mixtos) cuestan menos que los puros, ya que pueden consistir simplemente en cortes de fondo de destilación con pocas aplicaciones. Su eficiencia es por ello variable, dependiendo del tipo y la calidad de la mezcla.

1

Después de exposición prolongada con el oxígeno, el glicol se convierte en corrosivo. Para reducir la absorción potencial de oxígeno, se requiere la inertización con metano o nitrógeno del tanque de glicol. Se deben además, tomar precauciones si la corriente de alimentación contiene oxígeno. Un bajo pH promueve la descomposición de glicoles. Bases (trietanolamina, bórax, o mercaptobenzotriazol de sodio entre otros) pueden ser usadas para mantener el pH. 1135-01-CN-00-08-03-1

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6.2.2.5.1

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Unidades de regeneración exhaustiva del líquido desecante [GPSA, 1998] Existen varios principios y procesos para la obtención de una mayor pureza del TEG (mayor del 98.7%, que corresponde a la pureza obtenida al rehervir a 400 °F y a presión atmosférica). Todos los métodos están basados en el principio de la reducción de la presión parcial efectiva del agua en la región de vapor en el rehervidor, obteniendo de esta manera una mayor concentración del glicol para la misma temperatura de operación. El método más común para este fin ha sido el uso de gas de despojo o el uso de presiones de vacío en el rehervidor. Otros procesos patentados para el aumento de la pureza del glicol en la regeneración, con los que se logran alcanzar puntos de rocío más bajos son los siguientes: •

DRIZO ® La tecnología DRIZO® es un proceso de deshidratación mediante el uso de glicol. El proceso usa un solvente que es vaporizado y usado como agente despojador en la columna. El vapor del rehervidor de glicol es condensado en una unidad junto con el vapor que proviene de la columna de despojamiento. El solvente y todos los compuestos de BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno presentes en la corriente de entrada) son condensados en esta unidad antes de ser venteados a la atmósfera. Las ventajas más importantes de este sistema son las siguientes: •

Los compuestos de BTEX son recuperados antes de ser enviados a la atmósfera.

•

Se logra una pureza de TEG hasta 99,999% además de que no se requiere de gas de despojo externo.

La tecnología DRIZO® puede ser adaptada a unidades existentes debido a nuevos requerimientos de pureza de glicol o para controles más estrictos de BTEX y CO2. Este proceso es licenciado por la compañía DOW Chemical CO.

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•

CLEANOL+® CLEANOL+® corresponde a una tecnología de deshidratación con glicol. Bajo el mismo nombre posee dos patentes; una es dedicada al aumento en la pureza del glicol y la otra a la protección ambiental contra la contaminación del aire. Ambas patentes aplican a la unidad del despojamiento con gas.

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El proceso usa un agente despojador que esta compuesto principalmente de aromáticos (BTEX) atrapados en el contactor de glicol y recuperados del vapor de tope de la columna del rehervidor. El BTEX y algo de agua son condensados de este vapor. El BTEX líquido y el agua son separados y el flujo requerido de BTEX seco es vaporizado e inyectado en la columna de despojo. Cualquier exceso de BTEX es recuperado como condensado. El agua condensada contaminada con BTEX es vaporizada y reciclada para la recuperación de BTEX y el agua libre de estos compuestos es almacenada. El CLEANOL+® puede lograr una pureza de 99,99%. Este proceso puede ser agregado fácilmente a un sistema de regeneración de glicol. El proceso no usa gas externo para el despojamiento y no descarga a la atmósfera BTEX o CO2 a través del sistema de venteo. •

COLDFINGER ® El principio fundamental de esta tecnología es el de condensar y recuperar agua e hidrocarburos de la fase vapor del rehervidor y separarlo del sistema. Un condensador COLDFINGER® con un plato recolector se localiza en la fase vapor del rehervidor de un sistema convencional de regeneración de glicol. El agua y condensado recuperados por el sistema COLDFINGER® se disponen en un acumulador de donde es periódicamente bombeado al contactor del rehervidor. El proceso COLDFINGER® puede lograr una pureza de TEG de aproximadamente 99,96%. Este sistema no usa gas de despojamiento.

•

PROGLY® Este proceso esta basado en el uso de presiones de vacío para la regeneración. La mayor diferencia entre este sistema y los convencionales de generación al vacío radica en que las presiones de vacío son aplicadas a una parte limitada del sistema. El vacío es aplicado a un tanque que recibe el vapor directamente del rehervidor, reduciendo de esta manera el tamaño de la bomba de vacío. Este proceso no requiere que el rehervidor sea localizado encima del tanque “surge”, como es requerido en sistemas convencionales, dando de esta manera más flexibilidad para la disposición y ubicación de equipos en planta.

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El proceso no requiere de gas de despojo concentraciones de TEG que llegan al 99,9%.

y

se

logran

El proceso puede ser adaptado a un sistema de regeneración de glicol convencional. Una unidad adicional de recuperación de BTEX puede ser instalada como parte del sistema.

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•

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ECOTEG El proceso ECOTEG es muy similar a los procesos que usan gas de despojo, no obstante en este proceso dicho gas es reciclado. El sistema usa sopladores para reciclar el gas de despojo y de esta manera reduce el venteo de vapor a la atmósfera. Una unidad ECOTEG puede lograr una concentración de aproximadamente 99,98%. Diversos rangos de concentración de glicol, con el uso de varios procesos de regeneración exhaustiva del líquido desecante, se pueden ver en la tabla siguiente:

Tabla No.4 Procesos de regeneración de glicol [GPSA, 1998] TEG

Reducción del punto de

Concentración, % Peso

rocío, °F

Vacío

99,2 a 99,9

100 a 150

COLDFINGER®

99,96

100 a 150

DRIZO®

99,99+

180 a 220

Gas de despojo

99,2 a 99,98%

100 a 150

Procesos

6.2.3 Deshidratación con cloruro de calcio, CaCl2 [GPSA, 1998] El cloruro de calcio (CaCl2) puede ser usado como desecante consumible para la deshidratación del gas natural. El sólido anhidro de CaCl2 se combina con agua para formar varios hidratos (CaCl2·XH2O). Al absorber agua, la molécula de CaCl2 cambia a varios estados de hidratación, la cantidad de moléculas de agua aumenta a medida que avanza la absorción hasta que el CaCl2 se convierte en una salmuera. El carbonato de calcio peletizado (pellets de 3/8” a 3/4” de diámetro) se instala en un lecho muy similar a una torre de deshidratación que usa desecantes sólidos. El gas entra por el fondo y se recoge por el tope de la torre. El diseño más eficiente utiliza de 3 a 4 platos antes del lecho sólido para hacer un precontacto del gas con la solución de salmuera. Esto remueve una porción de agua antes de que el gas entre en contacto con el lecho sólido de CaCl2 y aumenta la capacidad de la unidad. En la Figura No. 3 se puede observar una unidad de deshidratación con CaCl2.

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EL lecho sólido de CaCl2 cerca del fondo del lecho tendrá la forma de CaCl2·4H2O o CaCl2·6H2O y en el tope del lecho será entonces CaCl2 anhidro o CaCl2·H2O. De esta manera el gas entra en contacto con el cloruro de calcio a medida que asciende en la torre y en teoría, deja el lecho en equilibrio con el CaCl2 en el tope de la columna. Las velocidades superficiales en el lecho (superficial bed velocities) están comprendidas entre 20 y 30 pies/min y la relación entre la longitud y el radio de la torre debe ser por lo menos en el rango entre 3 1 lb/h

IV. Absorción de aromáticos Los glicoles absorben compuestos orgánicos volátiles (VOC) como aromáticos, BTEX junto con otros compuestos orgánicos volátiles como hexano, ciclopentano, heptano, entre otros. Estos compuestos son considerados contaminantes y deben ser recuperados antes de ser venteados en la columna del regenerador. La solubilidad del glicol sobre esos compuestos fue evaluada, el rango de valores de este parámetro se muestra a continuación:

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Tabla No. 26 Rango de valores de la absorción de aromáticos. CALIFICACIÓN

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CUALITATIVA

CUANTITATIVA

Cumple No Cumple

10 1

RANGO DE VALORES < 1 ton/año > 1 ton/año

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V. Aplicabilidad Es necesario que el glicol seleccionado se adapte al sistema en estudio, escogiendo un desecante adecuado para la absorción en estudio. Tabla No. 27 Rango de valores de la aplicabilidad para los diferentes desecantes líquidos CALIFICACIÓN CUALITATIVA

Cuantitativa

RANGO DE VALORES Glicol que deshidrata el gas del sistema a las

Cumple

10

Eficientemente

condiciones

de

entrada

hasta las especificaciones requeridas. El glicol deshidrata el gas

No Cumple

1

hasta

especificaciones

diferentes a las requeridas. VI. Costos de cada desecante líquido Este parámetro fue tomado en cuenta de acuerdo a valores referenciales obtenidos de contactos directos con proveedores. Tabla No. 28 Rango de valores del costo para los diferentes desecantes líquidos CALIFICACIÓN CUALITATIVA Cumple Eficientemente Cumple

Cuantitativa

RANGO DE VALORES

10

< 1,7 $/kg

5

> 1,7 $/kg

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Como en la selección de la tecnología de deshidratación, para establecer la importancia relativa de cada criterio en comparación con los restantes, se desarrolló una MATRIZ DE VALORACIÓN DE CRITERIOS (M.V.C). La escala utilizada para puntuar los resultados de esas comparaciones fue la misma utilizada en la Tabla No. 19. Los valores de esta M.V.C, se muestran a continuación:

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Tabla No. 29 M.V.C para la selección del líquido desecante MATRIZ DE VALORACION DE CRITERIOS

II

III

IV

V

VI

TOTAL FILA

%

1,000

0,500

0,500

0,500

1,000

2,500

0,11

1,000

1,000

2,000

1,000

5,000

0,21

0,500

0,500

1,000

4,000

0,17

2,000

2,000

7,000

0,30

1,000

5,000

0,21

5,000

0,21

23,500

1,00

I

I

II

1,000

III

2,000

1,000

IV

2,000

1,000

2,000

V

2,000

0,500

2,000

0,500

VI

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

TOTAL COLUMNA

7,000

3,500

5,500

2,500

5,000

6,000

En base a los tantos por uno obtenidos en la Matriz de Valoración de criterios, se ordenan estos de más importante a menos importante. Los resultados finales de las ponderaciones se muestran en una tabla similar a la mostrada a continuación y ordenados por sus pesos relativos: Tabla No. 30 Puntaje ponderado de lo diferentes criterios para la evaluación

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CRITERIOS

PONDERACIÓN (P)

Absorción de aromáticos (IV)

0,30

Grado de Deshidratación (II)

0,21

Aplicabilidad (V)

0,21

A Costos de cada desecante líquido (VI)

0,21

Pérdidas del glicol (III)

0,17

Temperatura de degradación (I)

0,11 1,00

TOTAL

A cada criterio se le asignó una puntuación de acuerdo al rango descrito anteriormente. Esta puntuación se ponderó con el peso obtenido en la matriz de valoración de criterios. Con estos dos parámetros fue posible la aplicación de una matriz de evaluación tecnológica:

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Las alternativas que tengan un puntaje mayor o igual a 70% (7 puntos) son las que se consideraran como técnicamente viables y serán evaluadas en una matriz de selección económica. Tabla No. 31 Matriz de Evaluación Tecnológica OPCIÓN

EG

FACTOR

DEG

Peso

Puntaje

Valor Pond.

Puntaje

Valor Pond.

Absorción de aromáticos (IV)

0,26

10

2,61

1

Grado de Deshidratación (II)

0,17

1

0,17

1

Aplicabilidad (V)

0,17

1

0,17

Costos de cada desecante líquido (VI)

0,14

10

Pérdidas del glicol (III)

0,14

Temperatura de degradación (I)

0,10

Total

1,00

TEG Puntaje

Valor Pond.

0,26

1

0,26

0,17

10

1,74

1

0,17

10

1,74

1,45

5

0,72

5

0,72

1

0,14

1

0,14

10

1,45

1

0,10

1

0,10

10

1,01

4,7

1,6

6,9

Para la remoción de agua hasta alcanzar la especificación que se debe cumplir en la Fase II (4,5 lb H2O/MMSCF) se requiere de la deshidratación con glicol. Después de un análisis comparativo de los diferentes glicoles existentes en el mercado, se seleccionó el Trietilenglicol, TEG para el tratamiento.

8.2.1.2 Disposición de Subproductos Gas de venteo en la torre regeneradora Corresponden a gases que pueden ser venteados a la atmósfera junto con el vapor de agua que abandona la torre regeneradora por el tope de la misma. Estos gases incluyen BTEX y otros compuestos orgánicos volátiles (VOC). Las emisiones de BTEX han sido el foco de estrictas regulaciones ambientales. Las deshidratadoras con glicol deben ser diseñadas con unidades de recuperación de BTEX y VOC para de esta manera reducir las emisiones al ambiente. Condensados

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Puede ocurrir condensación de agua e hidrocarburos en las paredes de la chimenea que se encuentra por encima de la sección de destilación del regenerador. Este condensado puede ser recuperado a través de un drenado en la chimenea o se pueden instalar condensadores en la torre del regenerador para recuperar mas hidrocarburos. En ambos casos, el líquido recuperado puede ser decantado y vendido.

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Glicol usado Cuando el glicol es irrecuperable debido al ensuciamiento por la acumulación de contaminantes como: hidrocarburos pesados, químicos añadidos en el yacimiento, productos de la corrosión y sales minerales, es ocasionalmente reemplazado de las unidades. La presencia de estos contaminantes pueden repercutir en el ensuciamiento de equipos, formación de espuma y una deshidratación deficiente. El glicol puede ser destilado y recuperado, lo que resulta en un volumen menor de glicol perdido, además de un producto reusable. Cuando esto último ocurre, es necesario utilizar los servicios de una compañía que disponga del glicol usado. La alternativa más recomendada por los usuarios de esta tecnología es la de controlar la acidez de la solución con un buffer (usualmente se usa la dietanolamina, DEA) para así preservar la capacidad deshidratadora del desecante. Filtros Usados

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Los filtros son necesarios para retirar los contaminantes disueltos y suspendidos en la solución y de esta manera mantener la calidad de la solución. Los filtros de medias son los mas usados para este fin. Muchas unidades también usan filtros de carbón para remover hidrocarburos pesados y surfactantes de la solución. Estos filtros deben ser reemplazados con regularidad. Estos filtros generan un desecho sólido que requiere de su disposición.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los procesos de mayor aceptación para la deshidratación de gas natural son: • • • • •

Adsorción usando sólidos desecantes Absorción usando líquidos desecantes Deshidratación con cloruro de calcio CaCl2 Deshidratación por refrigeración Deshidratación mediante el uso de membranas

La adsorción con sólidos desecantes no se adapta al sistema en estudio, ya que generalmente estos procesos se usan (seguidos de procesos como el de absorción con glicol) para lograr una deshidratación profunda (concentraciones mucho menores de 7 lb de agua /MMSCF). Al usar la adsorción se debe proteger el lecho desecante de un contenido de agua a deshidratar tan elevado para evitar tener costos muy grandes de regeneración. La deshidratación con CaCl2, además de ser un proceso discontinuo y poco aplicable al sistema en estudio, impone ciertos problemas con el manejo de la sal, ya que corroe electrolíticamente, además de ser nociva para la salud. En relación a las tecnologías que usan la refrigeración para la deshidratación, tienen la desventaja de ser procesos muy complicados desde el punto de operación, además de que poseen costos importantes de instalación y operación . Las membranas son sistemas muy sencillos, sin embargo no son flexibles en su operación, además de tener la tendencia de remover hidrocarburos pesados al deshidratar. El proceso seleccionado que se adapta a los requerimientos del sistema fue el de absorción con líquidos desecantes. Este resultado fue la consecuencia de un análisis comparativo de cada uno de ellos, que concluyó en la realización de una matriz de selección. Se seleccionó el trietilenglicol, TEG como desecante, ya que por su estabilidad, se puede regenerar a temperaturas mayores que los otros, logrando de esta manera mayor purificación. Se debe buscar en el diseño, la maximización de la confiabilidad de las instalaciones buscando el respaldo de los equipos que puedan presentar fallas y dificulten la operación continua de las unidades.

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El diseño y construcción de las plantas de deshidratación debe ser realizada en coordinación con los licenciantes de tecnologías.

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GLOSARIO •

Absorción: Es un proceso de separación que involucra la transferencia de una sustancia de la fase gaseosa a una fase líquida a través de la interfase.

•

Adsorción: Es un proceso de separación que involucra la remoción de una sustancia de una corriente gaseosa por la cohesión física en la superficie de un material sólido.

•

BTEX: Agrupa los siguientes compuestos: benceno, tolueno, etilbenceno y xileno.

•

Buffer: agente químico que controla la acidez de una solución

•

Líquido Desecante: Especie química en estado líquido que permite la absorción de agua de una corriente de gas natural.

•

Permeación: Difusión de moléculas de agua a través de una membrana.

•

Permeado: corriente rica en agua que permeó hacia tubo de permeado en la membrana.

•

Sólido desecante: Sólido que permite la adsorción del agua de una corriente de gas natural.

•

VOC (Volatile organic compounds), compuestos orgánicos volátiles presentes en el gas

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natural. Entre ellos: hexano, ciclopentano, heptano, ciclohexano.

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ANEXOS

Minutas de reunión con licenciantes. Tecnologías NATCO para la deshidratación del gas natural

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Tecnologías PROSERNAT para la deshidratación del gas natural

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