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MÓDULO 3: PROCESOS DEL GAS II Docente: Msc Ing. Enrique J. Cuellar Correo: [email protected]

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Procesos del Gas II

1. Introducción 2. Contaminantes del gas natural 3. Remoción de compuestos no deseados 4. Clasificación de los procesos de remoción del gas natural 5. Definición de Procesos de Absorción 6. Definición de Procesos de Adsorción 7. Definición de Deshidratación del Gas www.inegas.edu.bo

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Del pozo se extrae una mezcla de :

   

Hidrocarburos líquidos y gaseosos Agua y sales disueltas Arena Otros contaminantes

En las unidades de tratamiento se separan unos de otros y se acondicionan para su venta o disposición

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Primero se separan las fases obteniéndose :    

Hidrocarburos en fase gaseosos Hidrocarburos en fase liquida Fase acuosa Fase solida

Algunos productos no deseados pueden estar presentes en una o mas fases

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Los gases se tratan para:      

Remover gases ácidos y mercurio Remover vapor de agua ( Deshidratación ) Remover GLP ( Ajuste del punto de rocío ) Recuperar GLP ( Turbo expansión ) Compresión a presión de gasoducto Medición e inyección a gasoducto

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En la purificación del gas natural es importante la remoción de los gases ácidos contaminantes Los mas importantes son el dióxido de carbono ( CO2 ) y acido sulfhídrico ( H2S ) Deben ser removidos para :    

Evitar la toxicidad del H2S Evitar la corrosión en equipos y tuberías Mantener el poder calorífico del gas Respetar las especificaciones

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Los hidrocarburos líquidos se tratan para :     

Separar el agua libre y el agua emulsionada Separar los solidos arrastrados Separar gases disueltos Reducir el contenido de sales Bombeo a presión del oleoducto

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El agua separada se trata para:  Reducir el contenido de hidrocarburos  Eliminar los solidos en suspensión  Bombeo Otros tratamientos según el origen y destino  Disposición en pozos o medio ambiente  Recuperación secundaria

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PLANTAS DESHIDRATADORAS: Requerimientos para el transporte :

       

Punto de Rocio de HC : -4 °C a 800 psia PCS : 995 – 1046 BTU/ft3 CO2 : 2 % molar Inertes totales : 4 % molar H2S : 3 mg/ m3 o 2,1 ppm H2O : 4 lb / MMft3 o 85 ppm O2 : 0,2 % molar Partículas solidas : 1,4 lb / MMft3

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PLANTAS DESHIDRATADORAS: Requerimientos para el transporte :

Partículas liquidas : 2,8 lt/ MMft3 Libre de arena, polvo, gomas, aceites, etc.

La medición del contenido de agua esta estandarizada por ASTM D – 1142

4 lb de agua / MMft3 www.inegas.edu.bo

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CONTENIDO DE AGUA EN GAS NATURAL LIBRE DE GASES ÁCIDOS

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CONTENIDO DE AGUA EN ÁCIDO SULFHÍDRICO

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PROCESOS DE ADSORCION

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El término adsorción se deriva de un proceso general denominado sorción, que describe la transferencia periódica de energía en dos subprocesos, en los cuales un medio sólido adsorbente bajo transferencia de energía adsorbe y desorbe una materia en estado gaseoso. Los dos subprocesos son clasificados en

Adsorción y desorción.

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La adsorción es el fenómeno en el cual un cuerpo sólido, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidad de materia gaseosa, cuyo efecto contrario, o sea, la separación de la materia gaseosa del cuerpo sólido mediante entrega de calor a dicho cuerpo, se reconoce como desorción

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La adsorción se utiliza para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separarse liga de forma física o química a una superficie sólida. El componente eliminado por adsorción de una mezcla gaseosa o líquida puede ser el producto deseado, pero también una impureza. Este último es el caso, por ejemplo, de la depuración de gases residuales. www.inegas.edu.bo

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El sólido recibe el nombre de adsorbente, y el componente que se adsorbe en él se denomina adsorbato. El adsorbente se debería ligar, en lo posible, sólo a un adsorbato, y no los demás componentes de la mezcla a separar. Otros requisitos que debe cumplir el adsorbente son: una gran superficie específica (gran porosidad) y tener una buena capacidad de regeneración www.inegas.edu.bo

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Un adsorbente muy utilizado es el carbón activo.

Dado que la adsorción se favorece por temperaturas bajas y presiones altas, para la regeneración, es decir, para la desorción, se emplean temperaturas altas y presiones bajas. De este modo, para la regeneración del adsorbente se puede utilizar, por ejemplo, vapor de agua o un gas inerte caliente

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Curva ideal de ruptura de un adsorbedor de lecho fijo: Co concentración de entrada de adsorbato en el fluido, C(t)concentración de adsorbato en el fluido en la salida del adsorbedor

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Según transcurre el tiempo, disminuye la capacidad de adsorción en la zona inferior del lecho fijo. El adsorbato se va ligando al adsorbente en zonas cada vez más altas. Esto equivale a la migración de la zona de transferencia de materia(Mass Transfer Zone, MTZ) con el tiempo. Una vez la MTZ ha migrado completamente a través del lecho fijo (ruptura).

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Hay muchas sustancias con esta capacidad, pero las mas utilizadas en la práctica son el : carbón vegetal activado las zeolitas, las tierras diatomeas y otras.

Como los procesos de absorción y adsorción son en principio muy similares en cuanto a su resultado neto, la refrigeración por adsorción solo se diferencia de la de por absorción en la naturaleza de las sustancias adsorbedoras, el refrigerante y sus temperaturas de trabajo. www.inegas.edu.bo

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ADSORCIÓN Es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de gas o de soluto en su superficie tras entrar en contacto con éste.

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 ADSORBENTE: sólido poroso

 SUSTRATO: superficie sólida sobre la que tienen lugar la adsorción.  ADSORVATO: partículas a ser retenidas  RECUBRIMIENTO: medida de la extensión de la adsorción de especies en una superficie

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El adsorbente dispone de nano poros, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya

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Nano poros del adsorbente = Centros Activos Características de los centros activos: Las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas.

Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado www.inegas.edu.bo

 Las moléculas pueden enlazarse de dos formas a una superficie:  Adsorción Física o Fisisorción: La adsorción física consiste en un enlace débil originado por fuerzas de Van der Waals, y en principio no hay una redistribución de carga en la molécula/átomo y la superficie  Adsorción química o Quimisorción: La adsorción química implica un cambio sustancial en la densidad electrónica entre substrato y adsorbato. La naturaleza del enlace puede ser intermedia entre iónico y covalente

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La base del estudio lo constituyen las isotermas de adsorción.

(representaciones gráficas de la cantidad de sustancia adsorbida frente a otras variables como la presión o la concentración, y la temperatura

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Área 1

Área 1: bajas presiones Adsorción directamente proporcional a la presión

Área 2 Área 3

Área 2: presiones media A mayor presión mayor adsorción Área 3: altas presiones La adsorción se mantiene constante a pesar del incremento de presión En cuanto a la temperatura a mayor temperatura menor adsorción

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PROCESOS DE REFRIGERACION MECANICA

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La refrigeración mecánica es el proceso más simple y más directo para la recuperación de LGN. La refrigeración mecánica o externa es suplida por un ciclo de refrigeración y compresión de vapor que utiliza propano como el refrigerante y compresores centrífugos o reciprocantes para mover el refrigerante desde las condiciones de operación de baja presión a las de alta presión

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En la figura se presenta un esquema de este tipo de proceso, en este esquema puede verse que el gas de entrada es pre-enfriado en el intercambiador de calor gas-gas usando la corriente de gas de salida del separador, para así de este modo aprovechar parte de la energía utilizada para la refrigeración. El enfriador es una unidad de tubo y carcasa tipo en el cual el gas pasa por los tubos y le transmite la energía al líquido refrigerante que rodea los tubos.

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El refrigerante se vaporiza y deja el enfriador esencialmente como vapor saturado. Si hay presente agua, la formación de hidratos es prevenida por la inyección de un inhibidor de hidratos, como el metanol.

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AUTO-REFRIGERACIÓN Como se observa en la figura en oposición a la refrigeración externa, en los procesos de auto-refrigeración el gas de entrada es pre-enfriado usando el gas tratado, a través de un intercambiador gas-gas, y luego se enfría aún más por una expansión isoentálpica, o expansión Joule-Thomson, a través de una válvula, esto produce que los hidrocarburos pesados y el agua condensen. En este proceso el comportamiento no ideal del gas de entrada causa que la temperatura del gas disminuya con la reducción de presión, y el cambio de temperatura depende principalmente de la caída de presión

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Los líquidos condensados son removidos en uno o más separadores para alcanzar las especificaciones de presión de vapor y composición, el gas de salida del separador de baja temperatura, que satisface dichas especificaciones es calentado usando el gas de entrada. En muchos casos el gas tratado debe ser comprimido nuevamente a la presión de la línea de distribución requerida, ya que ha sido expandido hasta una presión más baja, esto penaliza el proceso debido a que tiene que tomarse en cuenta el requerimiento de potencia de recompresión.

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Por esto el proceso es favorecido cuando el gas es producido a una muy alta presión y puede ser expandido hasta la presión de la línea de distribución sin necesidad de compresión El enfriamiento en este proceso está limitado con frecuencia por la temperatura de formación de hidratos a la presión aguas arriba de la planta de extracción, a menos que se le inyecte un inhibidor de hidratos, como por ejemplo, el metanol o glicol. En este caso, el condensado compuesto de hidrocarburos y glicol húmedo son calentados y

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separados en un separador trifásico, luego de esto el glicol puede ser regenerado en una columna despojadora. Este proceso es muy efectivo si el objetivo es recobrar etano o mayor cantidad de propano que la obtenida por refrigeración mecánica, la autorefrigeración es aplicable particularmente para volúmenes de gas pequeños, de 5 a 10 MMSCFD

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REFRIGERACIÓN CRIOGÉNICA Cuando la presión disponible es insuficiente para alcanzar el punto de rocío requerido con el proceso de auto-refrigeración, la refrigeración criogénica puede ser considerada.

Los procesos de refrigeración criogénica se usan tradicionalmente para la recuperación de líquidos del gas natural, debido a que aún cuando tienen un alto costo de capital poseen bajos costos operacionales; sin embargo, contienen numerosas partes movibles y son complicadas de operar www.inegas.edu.bo

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En la figura se muestra un esquema de este tipo de plantas, las mismas se caracterizan por el uso de una turbina de expansión, en sustitución del enfriador y de la válvula JT usada en la refrigeración mecánica y la auto-refrigeración respectivamente, por lo cual son conocidas como plantas turbo-expansoras

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El gas que entra a la planta se expande, esta energía proporcionada por la expansión es suplida en forma de trabajo a la turbina, lo que produce una reducción de la entalpía del gas, y de esta manera se alcanza una disminución de la temperatura aún mayor que la alcanzada por el procesos JT simple (entalpía constante). La turbina puede estar conectada a un compresor, el cual vuelve a comprimir el gas con una pequeña pérdida en la presión total. www.inegas.edu.bo

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PROCESOS DE ABSORCIÓN EN ACEITE POBRE El método de absorción para recuperación de líquidos del gas natural es muy similar al usado para endulzamiento y para deshidratación. En este caso se utiliza un aceite pobre como medio de absorción, el cual tiene una gran afinidad por los hidrocarburos pesados (C3 – C7+). En la figura se muestra un esquema de este tipo de plantas, el gas a ser procesado es puesto en contacto con el aceite de absorción (aceite pobre) en una columna empacada o de platos, la cual opera típicamente a la temperatura ambiente y a una presión cercana a la del gas de venta www.inegas.edu.bo

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El gas que sale por el tope es enviado hacia los consumidores finales, mientras que el aceite ahora rico en hidrocarburos pesados se expande para liberar la mayor parte del metano absorbido, y luego se dirige hacia el sistema de regeneración. La recuperación de líquidos es típicamente 99% del butano y la gasolina natural, 65-75% del propano, y 15-25% del etano contenido en el gas

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