Manejo de producción de Petróleo y gas - Semestre 2014-03

Luisa Cataño EchavarríaJuan Pablo VillegasJohny Vallejo Sánchez

Deshidratación del gas

Componente YiCO2 0.00 %H2S 0.01 %N2 5.05 %C1 79.15

%C2 8.50 %C3 5.04 %i-C4 0.90 %n-C4 0.67 %i-C5 0.20 %n-C5 0.20 %C6 0.15 %C7

+ 0.10 %

1. Determinar el contenido de humedad a 50, 100 y 200 °F a 400 lpca usando dos métodos de su elección.

R/

Dado que tenemos un gas dulce (sin contenido de CO2 y el contenido de H2S es muy pequeño 0.01%) podemos aplicar el método gráfico de Mcketta-Wehe:

Y usando el método de Campbell se obtiene que:

2. Determinar el contenido de humedad a 200, 400 y 600 lpca a 100 °F, usando dos métodos de su elección.

R/

3. Describir qué es un hidrato ¿Cómo se forman? ¿Qué propiedades tienen? ¿Qué implicaciones tienen en el manejo de producción de gas?

R/Un hidrato es una molécula de agua con espacios intersticiales y solo es estable en estado sólido si suficientes de estos espacios son ocupados por las moléculas huésped (para nuestro caso moléculas de gas), de tamaño entre 2 a 9 A°. Los espacios libres son de dos tamaños: Estructura I (Fig. 1) en forma cúbica de cuerpo centrado, en la que se acomodan las moléculas de metano, etano, H2S y CO2 y de tamaño parecido, estas moléculas estabilizan el hidrato ¿Por qué?, como los hidratos se forman por el contacto agua-gas, el gas se disuelve en el agua, el hecho que haya H2S y CO2 a altas temperaturas aceleran su formación, ya que son más solubles en agua que otros compuestos hidrocarburos. La estructura II (Fig. 2) en forma de diamante (octogonal) es la de los hidratos de propano e isobutano, se dice que moléculas mayores al isobutano desestabilizan el hidrato ¿Por qué?

El número de hidratos es el máximo de moléculas que pueden acomodarse en los intersticios. Teniendo en cuenta las dos estructuras, se obtienen las siguientes aproximaciones para las fórmulas de los hidratos (1):

Compuesto Fórmula

CH4 CH4 (H2O)6

H2S H2S (H2O)6

CO2 CO2 (H2O)6

C2H6 C2H6 (H2O)8

C3H8 C3H8 (H2O)18

Hay varios factores que favorecen la formación de hidratos:a) Agua libre, dado que el hidrato, como se dijo antes se forma con el contacto

agua-gas.b) Moléculas con tamaño menor a 8A° y el enlace entre el huésped y visitante

debe ser de tipo covalente ¿Por qué?c) El gas (en estado líquido) debe ser insoluble en agua.d) Temperatura igual o inferior a la de rocío, ya que si es mayor el agua estará

en dos fases: líquido-vapor y para la formación del hidrato se requiere agua en estado líquido para que el gas se disuelva en ella.

e) Presión alta, dado que la presión es proporcional a la temperatura, las presiones mayores favorecen la formación de hidratos.

f) Solubilidad del gas en el agua, entre mayor sea la solubilidad, más fácil las moléculas de gas ocupan los espacios intersticiales vacíos.

g) La agitación favorece la solubilidad, y la solubilidad influye en la formación de hidratos como se dijo en el punto anterior.

h) Presencia de CO2 y H2S, por ser más solubles en agua que otros hidrocarburos.

4. Determine la temperatura de formación de hidratos a 1000 lpca y 2000 lpca, usando dos métodos de su elección.

R/

Usando el método de Trekell-Cambell obtenemos que:

T h=T h¿C 1+∆T ¿C 2+∆T ¿C 3+∆T ¿i−C 4+∆T ¿n−C 4+∆T ¿C5+¿ ¿

Para hallar ∆T ¿C5+¿ ¿ primero encontramos el siguiente parámetro:

A=Y C5+¿× 100

1−Y C 1−Y C5+¿=0.001×100

1−0.7915−0.001→ A=0.4819278¿

¿

T h=49.10+6+11.9+4.9+0.2+0.2→T h=72.6 ° F

El método de las constantes de Katz se basa en el equilibrio sólido-vapor y las constantes de equilibrio se expresan como:

K SV=Y ivX is

Como se dijo antes no hay formación de hidratos para moléculas más grandes que el n-butano y por tanto la fracción en la fase sólida de ese componente va a ser cero y por ende la constante Ksv será infinito.

Primero suponemos una temperatura de formación y de las gráficas leemos el valor

de Ksvi; segundo realizamos la sumatoria ∑ YiK SVi

, sí la sumatoria es uno, la

formación de hidratos es a la temperatura propuesta, si no, suponer otra temperatura, hasta que la sumatoria sea igual a uno.

5. Explique el proceso de deshidratación con glicoles y el impacto de las variables del proceso.

R/

El gas húmedo se hace pasar por un despojador para removerle hidrocarburos y agua líquidos, arena y otros materiales sólidos. Estas impurezas deben ser removidas porque pueden afectar el funcionamiento de algunas partes de la planta o alterar las

características del disecante. En algunos casos el gas para salir del despojador se hace pasar por un extractor de humedad para asegurar una mejor limpieza del gas. El gas sale del despojador y entra a la torre contactora, llamada también absorbedora, por la parte inferior y al ascender va estableciendo contacto con el disecante, glicol, que ha entrado a la contactora, con una concentración muy baja de agua, por la parte superior; el contacto gas disecante se realiza en la torre a través de una serie de platos (torres de platos) o a través de una especie de filtro (torres empacadas). El gas deshidratado sale por la parte superior de la torre y se hace pasar por un intercambiador de calor en el cual enfría el glicol que va a entrar a la torre, el intercambiador es del tipo tubo carcasa y el gas va por el tubo interior y el glicol por el anular formado por el tubo interior y el exterior.

Variables del proceso:

Temperatura: Un incremento en la temperatura del gas que entra implica mayor contenido de agua en el gas y mayor diámetro de la torre.

La temperatura por debajo de unos 70°F el glicol puede formar una emulsión estable con los hidrocarburos líquidos e inducir tendencias espumantes en la contactora.

Si se tiene temperaturas altas en la columna despojadora se pueden presentar pérdidas altas de glicol.

A mayor presión menor tasa de circulación de solución en la contactora y esto también implica menor diámetro requerido de la misma.

Presiones altas implican mayor espesor de lámina de la contactora y menor contenido de agua.

Cuando el rehervidor trabaja a presiones por encima de la atmosférica se reduce la concentración del glicol y la eficiencia de la deshidratación

La concentración de glicol afecta el punto de rocio La tasa de circulación afecta la cantidad de agua a remover

Una tasa alta de glicol puede afectar el funcionamiento del rehervidor en cuanto a calidad del glicol y requerimientos de calor.

Aumentando el número de platos se puede reducir la tasa de circulación de glicol lo cual implica reducción en los requerimientos de calor y de gas de despojamiento en el regenerador para obtener una 173 determinada depresión del punto de rocío.

El gas de despojamiento se usa cuando se requiere aumentar la concentración del glicol por encima de 98 - 99%.

6. Explique el proceso de deshidratación con torres de adsorción y el impacto de las variables del proceso.

R/

En el proceso de deshidratación por adsorción el agua se remueve del gas al poner éste en contacto con un sólido que tiene afinidad por el agua y por tanto ésta se adhiere a él. El contacto también se realiza en una torre llamada contactora y el gas entra con el agua por la parte superior y sale con el contenido de agua requerido por la parte inferior.

Consta de 3 etapas secuenciales cuando hay una sola torre contactora y simultaneas si hay 2 o mas torres. Una torre deshidrata y la otra regenera. Antes de entrar a la torre pasa por el despojador para remover sólidos y líquidos. En el proceso de regeneración se dan 2 etapas (calentamiento y enfriamiento) para poder mantener las condiciones necesarias de operación.

Variables del proceso:

Calidad del gas de entrada: El contenido de agua y el rango de componentes hidrocarburos afectan el diseño y el funcionamiento del sistema

La capacidad de la mayoría de los disecantes sólidos aumenta al disminuir la temperatura

La capacidad de adsorción del disecante disminuye al bajar la presión porque el contenido de agua en el gas aumenta.

Duración del ciclo: Para los primeros meses de operación un disecante nuevo tiene mayor capacidad de adsorción; con un analizador de humedad a la salida de la contactora se puede tener un uso mas eficiente del disecante y disminuir costos por regeneración

A menor velocidad del gas menor contenido de agua en el gas al salir y mayor duración de los ciclos; pero velocidades bajas requieren un mayor tamaño de torre en diámetro, para una misma cantidad de gas a tratar.

La fuente del gas para regeneración depende de los requerimientos de la planta y de la disponibilidad del gas.

La dirección de flujo afecta la pureza del efluente, los requerimientos de gas de regeneración y la vida del disecante.

En algunos casos la selección del disecante se hace de acuerdo con criterios netamente económicos, en otros de acuerdo con las condiciones del proceso.

La secuencia en la cual las moléculas son removidas del disecante es inversa a la secuencia en la que son adsorbidas.

7. ¿Qué otras tecnologías existen para la deshidratación del gas? Descríbalas.

R/ Adsorción por sólidos desecantes

La adsorción es definida como la habilidad de una sustancia de atrapar gases o líquidos sobre su propia superficie. El gas natural fluye a través de una cama de sólidos granulados que tienen una alta afinidad por el agua. El agua es entonces retenida sobre la superficie de las partículas del material sólido, este proceso se lleva a cabo en la unidad de procesos denominada contactor o adsorbedor. El sólido utilizado es conocido como desecante.

Existen muchos desecantes sólidos que poseen la característica física de adsorber agua del gas natural. Los arreglos para colocar estos desecantes varían, sin embargo los más usados son dos torres de adsorción con un equipo regenerador. Por lo general una torre se encuentra en operación adsorbiendo agua de la corriente de gas natural mientras que la otra se encuentra en el proceso de regeneración y enfriamiento. Gas natural caliente o aire generalmente son usados para remover el

agua adsorbida del desecante, posteriormente este debe ser enfriado con una corriente de gas sub-enfriada. Entre los desecantes más comunes en el mercado se encuentran: geles, alúmina y tamices moleculares [1].

Absorción por líquidos desecantes

La absorción es un proceso en el cual el vapor de agua es removido de la corriente de gas natural mediante el contacto en contra corriente del gas burbujeante con un líquido que tiene cierta afinidad por el agua. 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 el punto de rocío del agua requerido se encuentra en el orden de 60 °F a 120°F.

Los desecantes líquidos se pueden utilizar en gases ácidos, pero se deben tomar precauciones adicionales en el diseño debido a la solubilidad de estos gases en la

solución desecante. Incluso si el gas es muy ácido y se opera a relativas altas presiones, el glicol puede también ser soluble en el gas [1].

Deshidratación con cloruro de calcio CaCl2

La deshidratación con cloruro de calcio, ha sido reportada como un proceso de deshidratación pioneros en los años 1930, siendo unos de los primeros procesos desarrollados en la industria

El cloruro de calcio (CaCl2) se puede utilizar como desecante no regenerable para la deshidratación del gas natural. En general, se puede decir que el proceso de deshidratación se basa en la combinación del sólido anhidro de CaCl2 con agua, para formar varios hidratos (CaCl2·XH2O). A medida que la molécula de CaCl2 va absorbiendo agua, esta cambia a mayores estados de hidratación incluso hasta

convertirse en una salmuera. El cloruro de calcio peletizado (pellets de 3/8 in a ¾ in de diámetro) se instala en un lecho muy similar al de una torre de deshidratación que usa desecantes sólidos donde el gas húmedo entra por el fondo y se recoge seco por el tope de la torre. El diseño más eficiente utiliza de 3 a 4 platos antes del lecho sólido para hacer un pre-contacto del gas con una solución de salmuera de CaCl2. 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.

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.

Los deshidratadores de CaCl2 ofrecen una alternativa viable a las unidades de glicol para yacimientos gasíferos secos, de poco volumen y remotos [1].

Deshidratación por membranas permeables

La fuerza impulsora para la separación de componentes del gas a través de las membranas es la diferencia entre sus presiones parciales a través de la misma. Como la alimentación del gas entra presurizada al separador, los componentes del gas más permeables, tales como el agua y el CO2, pasan a través de la membrana. Estos compuestos se recogen a bajas presiones mientras que la corriente que no pudo pasar a través de la membrana (es decir el gas natural deshidratado), sale del separador a una presión sólo un poco menor a la de la alimentación. Cabe resaltar que el proceso con membranas es modular, por lo tanto se instalaran tantas unidades sean necesarias para tratar la cantidad de gas requerida y cumplir con las especificación de agua del gas natural a la salida del proceso.

Las membranas pueden realizar simultáneamente los procesos de deshidratación y endulzamiento. No son altamente selectivas a la hora de remover el agua solamente,

ellas remueven en conjunto el H2S, CO2 y el H2O. Para hacer las membranas competitivas, este sistema debe minimizar las pérdidas de metano cuando remueve el agua de la corriente de gas, situación inusual con las plantas de glicol. Este proceso puede ser combinado con un segundo proceso de purificación como condensación, absorción o adsorción [1].

Deshidratación por refrigeración

La deshidratación del gas natural puede hacerse también por refrigeración y/o procesamiento criogénico a una temperatura de –150°F, en presencia de metanol y protección anticongelante. Por lo general, la adición de metanol a la corriente de gas es para prevenir la formación de hidratos. Debido a la baja volatilidad relativa del metanol, la separación de este compuesto del agua se hace difícil. Es por esta razón que, las corrientes de agua condensada y de metanol (mezcla metanol/agua) decantadas en la refrigeración pueden ser regeneradas por un proceso de destilación. Este proceso trata cualquier gas para su deshidratación, inhibición de hidratos y control de punto de rocío, una parte de la corriente de entrada del gas se carga a la torre absorbedora donde se pone en contacto con la mezcla de metanol y agua que es reciclada del proceso de refrigeración que ocurre en el proceso frío [1].