I.- INTRODUCCIONLa deshidratacin del gas natural constituye una
de las etapas fundamentales en el tratamiento del gas la cual
consiste bsicamente en la remocin de las impurezas del gas
producido en cabeza de pozo. La deshidratacin por desecantes slidos
se fundamenta en el principio de adsorcin, en el cual el vapor de
agua presente se adhiere a la superficie de los desecantes,
permitiendo as la remocin del contenido de agua no deseado.
La deshidratacin con desecantes o con lecho slido constituye una
alternativa cuando se desea remover el contenido de agua a una
cantidad mnima ya sea el caso para ingresar el gas a una planta
criognica o se desee remover agua y componentes cidos
simultneamente. En comparacin con la deshidratacin con glicol
resulta ser ms costosa, menos contaminante pero con puntos de roco
de agua menores a la salida.
En el presente trabajo se describen cada uno de los tipos de
desecantes ms comunes con sus respectiva aplicaciones, el diagrama
del proceso de la unidad de deshidratacin ya sea de dos o tres
torres, como se lleva a cabo el proceso de adsorcin y de
regeneracin en la unidad de deshidratacin, y finalmente el diseo de
la torre de adsorcin haciendo nfasis en el diseo del adsorbente y
del regenerador, para lo cual se presenta el diseo preliminar de
una unidad de adsorcin de dos torres.
II.- SELECCIN E IDENTIFICACIN DE LOS PROCESOSLos tamices
moleculares han encontrado una amplia aceptacin en la industria de
proceso de gas para la alimentacin de plantas criognicas de
aplicaciones de condicionamiento y algunas aplicaciones de gas
agrio con frmulas de ataduras resistentes especiales al
cido.ASPECTOS GENERALESDESHIDRATACIN DEL GAS NATURALEl gas natural,
como est producido, contiene normalmente vapor de agua. El agua
deber ser removida a un punto tpico de un contenido de 7 lb/MMscf
para la mayora de los sistemas de transmisin de gas a puntos de
condensacin al menos de -150F de un tratamiento aguas arriba de
equipos criognicos. El retiro del agua, o deshidratacin, se realiza
para prevenir la formacin de hidrato o corrosin en la recoleccin de
gas, sistema de transmisin o planta de tratamiento, como se
presenta en la figura 1.
Figura 1: Efectos de la presencia de agua en el gas natural.
EFECTOS DE LA PRESENCIA DE AGUA En lneas de flujo: formacin de
hidratos ya que es una de las condiciones fundamentales para que se
forme adems de la presencia de hidrocarburos y condiciones
adecuadas de presin y temperatura (altas y bajas respectivamente),
corrosin por la presencia de oxgeno, y agua libre que debe
retirarse del gas. El agua lquida se remueve con el equipo
adecuado, el agua remanente, en estado de vapor, debe reducirse de
manera que el gas alcance las especificaciones requeridas, es decir
un valor de 6lbs agua/MMscf. En productos: debe cumplirse con el
valor mnimo permisible establecido por el RUT, especificacin de
transporte de gas en tuberas y debe retirarse el contenido de agua
ya que disminuye el poder calorfico del gas. En el recobro de
lquidos: ya que los procesos implicados se llevan a cabo a valores
de temperaturas criognicas, por ejemplo, recuperacin de etanol, lo
cual requiere de que el gas natural ingrese al menor valor posible
de contenido de agua como vapor de agua.PROCESOS DE
DESHIDRATACINLos procesos presentados en las figuras 2 y 3 para
retirar el contenido de agua del gas natural estn basados en una
combinacin de factores como: Especificacin del contenido de agua
mxima
Contenido de agua inicial
Caractersticas del proceso
Disposicin de la operacin
Factores econmicos
La deshidratacin con adsorcin o con desecantes slidos puede
tener las aplicaciones como deshidratar el gas natural, para el
recobro de lquidos del gas natural o para algunos desecantes con
alta selectividad remover el contenido de compuestos sulfurosos
como se presenta en la figura 4.
Es importante aclarar que el contaminante ms comn del gas
natural es el agua, as como otro tipo de impurezas como pueden ser
los compuestos sulfurosos, entro otros.
III.- DESCRIPCIN DEL PROCESOLos sistemas de deshidratacin con
desecantes slidos operan o trabajan con el principio de adsorcin.La
adsorcin implica una forma de adhesin entre la superficie del
desecante slido y el vapor de agua en el gas. El agua forma una
capa extremadamente fina que se adhiere a la superficie del
desecante slido por fuerzas de atraccin, pero no hay reaccin
qumica.Los desecantes slidos son usados para deshidratar porque son
tpicamente ms efectivos que el glicol, ya que pueden deshidratar o
secar el gas a menos de 0,1 ppm (0,5 lb/MMscf), sin embargo con el
fin de reducir el tamao de la unidad de deshidratacin con desecante
slido, con frecuencia es usada la unidad de deshidratacin con
glicol para remover el agua de la corriente de gas. La unidad de
glicol reducir el contenido de agua hasta valores alrededor de 4
lb/MMscf, lo que reducira la masa de desecante slido a utilizar
para el secado final. El uso de desecantes slidos como alternativas
diferentes al uso de glicol puede representar beneficios
ambientales, minimizar los compuestos hidrocarburos voltiles y
contaminantes peligrosos del aire (BTEX).Los costos de compra y
operacin de las unidades de desecantes slidos generalmente son
mayores que los de las unidades de glicol. Por lo tanto, su uso
esta tpicamente limitado a aplicaciones tales como un alto
contenido de H2S en el gas, requerimientos de un punto de roco muy
bajo, control simultaneo de agua e hidrocarburos y casos especiales
como gases con contenidos de oxgeno, etc.
3.1. DESCRIPCIN LITERALUNIDAD DE DOS TORRESEl gas hmedo entra
por la parte de arriba de la torre debido a que el flujo
ascendente, incluso a bajas velocidades, causa levantamiento y
rebote del lecho. El tiempo depende de la capacidad del lecho y la
cantidad de agua que debe eliminarse. Mientras que el lecho se usa
para el seca, el segundo lecho est siendo regenerado. Otra
corriente que por lo general es el 5-10% de la corriente total, se
calienta de (400-600 F). el gas entra por la parte inferior del
lecho a ser regenerado y a medida que el desecante es calentado el
agua es eliminada. El gas caliente de regeneracin es enfriado para
condensar la mayor parte del agua y luego se lleva al proceso de
separacin y la corriente de gas es devuelta a la corriente de gas
principal de gas hmedo. Al final del ciclo de calentamiento el
lecho puede estar entre 400- 550F, este lecho debe ser enfriado
antes de ser puesto en funcionamiento.
En el sistema ms simple se evita el calentador y se contina
pasando el gas de regeneracin hasta que el gas de salida tenga una
temperatura de 25-30F por encima de la temperatura del gas de
entrada. Y una vez que la torre se conecta para la deshidratacin
este se enfra a la temperatura del gas. El flujo de enfriamiento se
hace en la misma direccin del flujo de calentamiento con un flujo
ascendente.
Si para refrigeracin se usa un gas hmedo se debe hacer en la
misma direccin de la adsorcin pero es ms costoso debido a que se
deben agregar un juego de vlvulas adicionales.
UNIDAD DE TRES TORRESDos lechos estn conectados en paralelo o
serie para adsorcin, mientras que el tercer lecho se regenera.-EN
PARALELOEn paralelo los tiempos de ciclo son alternados, debido a q
los lechos se quitan de la corriente para la regeneracin y retornan
a la adsorcin uno a la vez, en este el frente de saturacin del
lecho 1 est ms abajo que el del lecho 2, ya que ha estado ms tiempo
en adsorcin y cuando se llega a la ruptura el lecho 1 pasa a
regeneracin y los lechos 2 y 3 pasan a adsorcin para la regeneracin
se usa el gas seco.-ENSERIEEn serie, el primer lecho se satura
completamente mientras que el segundo est funcionando en adsorcin,
cuando el primer lecho se saca de la corriente de adsorcin el
segundo lecho pasa a ocupar la posicin del primero y el lecho
regenerado para a ocupar la posicin del segundo. El funcionamiento
en serie no es muy utilizado.
3.2. DIAGRAMA DE BLOQUESUNIDAD DE DOS TORRES
UNIDAD DE TRES TORRES
3.3. DIAGRAMA DE FLUJO
IV.- CONSIDERACIONES DE INGENIERIA / DISEO CICLO DE ADSORCIN
Durante el funcionamiento normal en el ciclo de secado (adsorcin),
existen tres zonas separadas en el lecho como se presenta en la
figura 11. La zona de equilibrio La zona de transferencia de masa
(MTZ) La zona activa En la zona de equilibrio el desecante, est
saturado con agua. Se ha alcanzado el equilibrio de la capacidad de
adsorcin de agua basado en las condiciones de entrada del gas y no
tiene ms capacidad para adsorber el agua. Virtualmente toda la
transferencia de masa ocurre en la MTZ. Existe un gradiente de
concentracin a lo largo de la MTZ. La saturacin de agua en el lecho
es 0% en el borde de avance de la MTZ y 100% en el borde superior
de la MTZ, el que tiene contacto con la zona de equilibrio. La
longitud de la MTZ generalmente se ver afectada por los siguientes
factores: la velocidad del gas, los contaminantes, el contenido de
agua y la saturacin relativa del gas de entrada. Un aumento en la
velocidad del gas aumenta la longitud de la MTZ al igual que los
contaminantes los cuales proporcionar resistencia adicional por lo
cual retardan el proceso La tercera zona es la zona activa. En la
zona activa el desecante tiene toda la capacidad para adsorber el
agua y solo contiene agua residual que quedo del ciclo de
regeneracin. Cuando el borde de avance de la MTZ alcanza el final
del lecho, ocurre la ruptura. Si se permite que el proceso de la
adsorcin contine, el contenido de agua del gas de salida aumentar
hasta que la concentracin del agua en la salida sea igual al de la
entrada.
CARACTERSTICAS OPERATIVASExisten una serie de caractersticas
generales que se pueden tener cuando se realiza un proceso de
deshidratacin por adsorcin, a continuacin se muestran las ms
relevantes en el diseo e implementacin de este proceso, tabla
DISEO DE ADSORCIN-REGENERACINDISEO DEL ADSORBENTEEl primer paso
es determinar el dimetro del lecho, el cual depende de la velocidad
superficial. Un dimetro muy grande requerir una alta tasa de gas de
regeneracin para prevenir la canalizacin. Un dimetro muy pequeo
causar una alta cada de presin.
Donde las constantes B y C se sacan de datos de tabla, segn el
tipo de partcula. Regla de la mano derecha AP/L = 0,33 psi/ft;
asumiendo una composicin del gas y una temperatura. Una cada de
presin de diseo mayor a 8 psi no es recomendada cuando el desecante
es frgil y puede ser aplastado por el peso total del lecho y las
fuerzas de la cada de presin.
CLCULO DEL DIAMETRO MNIMO
El valor de (AP/L) en esta ecuacin depende del tipo de tamiz el
tamao y la forma, pero un valor tpico para diseo es 0,33
psi/ft.
CLCULO DE LA MASA DEL DESECANTEEl prximo paso es escoger un
periodo de adsorcin y calcular la masa del desecante requerido. Los
periodos de adsorcin comunes son de 8 a 12 horas. Largos perodos de
adsorcin significan menos regeneracin y una vida del tamiz ms
larga, pero grandes lechos y capital de inversin adicional.Tabla:
Carga de masa de agua por masa de desecante.
Para determinar la masa del desecante requerido en la zona de
saturacin, se calcula la cantidad de agua a ser eliminada durante
el ciclo y se divide por la capacidad efectiva.
Donde:Wr = La cantidad de agua a remover Css = Correccin por
saturacin de agua CT = Correccin por temperatura
CLCULO DE LA ATURA TOTAL DEL LECHOLa altura total del lecho es
la suma de la zona de saturacin y de la altura de la zona de
transferencia de masa. Esta debe ser no menor que el dimetro
interno de la torre.LT = LMTZ + LSDonde:LT : Longitud total del
lechoLMTZ : Longitud de la zona MTZLS: Longitud de la zona de
saturacin.
La altura real de la torre ser la altura del lecho ms la altura
de los soportes del lecho y el espacio suficiente para asegurar una
buena distribucin flujo en la parte superior del lecho. Esta altura
adicional es generalmente 1 a 1,5 m [3,3-5] pies. Una torre de
absorcin tpica se muestra en la figura 12.Figura 12: Diseo de torre
de adsorcin tpica.
Antes de proceder con los clculos de regeneracin una comprobacin
rpida de la realidad es hecha. La relacin longitud del lecho
deseada sobre dimetro del lecho (hB/d) debe estar entre
aproximadamente 2,5-6.Un valor inferior a 2,5 puede resultar en una
menor capacidad til del desecante debido a la relacin relativamente
alta de MTZ/hB. Un valor superior a 6 puede resultar en una
excesiva P. El total de P a travs de una torre de adsorcin no debe
exceder de 55-70 kPa (8-10psi). Si el lecho es demasiado corto, el
tiempo del ciclo o el nmero de lechos sebe ser aumentado. Si el
lecho es demasiado largo es lo contrario.
DISEO DEL REGENERADOREn el diseo del regenerador, el
calentamiento debe cumplir con las siguientes caractersticas:
Calentar el desecante por lo menos a 204-288C Calentar y despus
vaporizar el agua adsorbida. Calentar y luego vaporizar los
hidrocarburos en el lecho. Calentar la torre y e interior del
acero.Calentar las vlvulas y la tubera en la lnea entre el
calentador de regeneracin y las torres.Suministrar el calor perdido
a travs del aislamiento. El primer paso para calcular el calor
total requerido para desorber el agua y calentar el desecante y la
torre. Un 10% del calor perdido es asumido.La temperatura, Trg, es
la temperatura a la cual el lecho y la torre deben ser calentado
basado en el aislante exterior de la torre. Esto es aproximadamente
50F por debajo de la temperatura del gas caliente de regeneracin
que entra a la torre. Para la determinacin de la tasa del gas de
regeneracin, se calcula la carga total de regeneracin. El tiempo de
calentamiento es usualmente de 50% a 60% del tiempo total de
regeneracin el cual debe incluir el periodo de enfriamiento.
Calor requerido para desorber el agua
Calor requerido para calentar el material del lecho
Donde:Trg: Temperatura de regeneracin (F) Ti: temperatura
inicial (F) Calor requerido para calentar el acero
Prdidas de calor a la atmsfera
GRFICA DEL CICLO DE REGENERACIN Finalmente calculo el gas de
regeneracin:La temperatura TH es la del gas de regeneracin dentro
del lecho. El perfil de temperatura T1 -T4 es la temperatura de
salida del gas de salida del lecho. En este caso, cuando la
temperatura de salida del lecho (T4) es de unos 176 C [350 F], el
ciclo de calentamiento ha terminado y empieza el ciclo de
enfriamiento. El perfil T4 - T5 muestra la temperatura de salida
del lecho durante el ciclo de enfriamiento.
El ciclo completo de regeneracin se puede dividir en cuatro (4)
intervalos de tiempo especficos, como se presenta en la figura 13.
Intervalo A (QA) es prcticamente todo el calor sensible. Representa
el tiempo necesario para calentar el lecho, el acero y agua
adsorbida de T1 a T2. A la T2, el agua comienza a evaporizarse del
desecante. El intervalo B (QB) es donde la mayor parte del agua es
expulsada del lecho. Esto requiere calor suficiente para no slo
revaporizar el agua, sino tambin para romper las fuerzas de
atraccin que unen el agua a la superficie del adsorbente. Esto a
menudo se denomina calor de humedecimiento. La suma del calor
latente y el calor de humedecimiento es el calor de desorcin.
El intervalo C (Qc) representa el tiempo requerido para eliminar
los contaminantes pesados y el agua residual. El perfil de
temperatura para Qc es de T3 a T4. Cuando el lecho alcanza T4, el
gas de enfriamiento se introduce en el lecho. Intervalo D (QD)
representa el ciclo de enfriamiento. Todo esto es calor sensible y
el perfil de temperatura es de T4 a T5. El ciclo de refrigeracin es
normalmente finalizado cuando T5 T1 = 0.
Figura 13: Curva de regeneracin para unidad de dos torres.
Fuente. CAMPBELL, Jhon. Curvas de temperatura para un sistema de
dos torres adsorbedoras.CONSIDERACIONES DE DISEOVelocidad
superficial del gas: Durante el ciclo de adsorcin, la disminucin de
la velocidad de flujo aumenta la capacidad del desecante para
deshidratar el gas.Longitud y espesor del lecho: En su forma ms
simple un adsorbedor es una torre cilndrica llenada con el
desecante slido.Capacidad del desecante: Razonable nicamente dentro
del un rango de presin, temperatura y mecanismos de envejecimiento,
composicin.Longitud de la MTZ: La longitud de la MTZ depende de la
composicin del gas, la tasa de flujo el valor de saturacin relativa
del agua en el gas, y de la capacidad de carga del desecante.Tiempo
de ruptura: El tiempo de ruptura o de irrupcin para el agua
formada.
4.1. BALANCE DE MATERIA4.2. BALANCE DE ENERGIAV.- ASPECTOS
ECONMICOSVI.- CONCLUSIN