Deshidratacion de gas natural con glicoles

Deshidratación de gas natural con
glicoles
Prof.
P
f Alexis
Al i B
Bouza
Enero-Marzo 2009
Deshidratación por absorción (glicoles)
z
z
z
2
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.
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z
Las propiedades del solvente deben ser:
–
–
–
–
–
–
3
Fuerte afinidad por el agua.
Bajo costo.
N corrosivo.
No
i
Baja afinidad por los gases ácidos y los
hidrocarburos.
Estabilidad térmica.
Fácil regeneración.
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z
Las propiedades del solvente deben ser:
(
(continuación)
ti
ió )
–
–
–
–
4
Baja viscosidad.
Baja presión de saturación a la temperatura del
contactor.
Baja
j solubilidad en hidrocarburos.
Baja tendencia a formar espuma y a
emulsificarse.
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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)
5
Flash point (ºC)
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z
z
6
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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z
7
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
8
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Deshidratación por absorción (glicoles)
z
z
z
9
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.
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z
z
10
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
z
11
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.
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z
z
z
12
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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z
13
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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14
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
z
15
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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z
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
16
Por ejemplo: La inyección de 45 m3/m3 de TEG ayudaría
a purificar el solvente entre 99
99,4-99,9%.
4 99 9%
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–
Inyectar un componente (octano o tolueno) en el
rehervidor para formar un azeótropo con el agua
agua.
z
z
17
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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z
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
18
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z
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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z
Criterios de diseño:
–
20
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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z
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
21
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Criterios de diseño:
–
22
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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z
Criterios de diseño:
–
23
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
24
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.
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z
Criterios de diseño:
–
Temperatura del glicol recirculado
(continuación).
z
25
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
26
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
27
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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z
Criterios de diseño:
–
T
Temperatura
t
del
d l rehervidor.
h
id
z
28
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
29
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.
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Criterios de diseño:
–
Presión del rehervidor.
z
z
30
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.
–
31
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.
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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.
–
32
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.
–
34
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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z
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
36
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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
–
z
37
La temperatura recomendada en el tope es de 225ºF.
225 F.
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