Deshidratación de gas natural con glicoles. Prof. Alexis Bouza Enero-Marzo 2009

Transcripción

1 Deshidratación de gas natural con glicoles

2 El gas natural es secado por lavado en contracorriente t con un solvente que tiene una fuerte afinidad por el agua. El solvente es usualmente un glicol. l El gas deshidratado sale por el tope de la columna, mientras que el glicol sale por el fondo y es regenerado en una columna de destilación para ser reciclado en el proceso. 2

3 Las propiedades del solvente deben ser: Fuerte afinidad por el agua. Bajo costo. No corrosivo. Baja afinidad por los gases ácidos y los hidrocarburos. Estabilidad térmica. Fácil regeneración. 3

4 Las propiedades del solvente deben ser: (continuación) ió Baja viscosidad. Baja presión de saturación a la temperatura del contactor. Baja solubilidad en hidrocarburos. Baja tendencia a formar espuma y a emulsificarse. 4

5 Propiedades físicas de algunos glicoles comerciales Ethylene Diethylene Triethylene Tetraethylene glycol glycol glycol glycol Abbreviation EG DEG TEG T 4 EG 5 Overall chemical formula C 2 H 6 O 2 C 4 H 10 O 3 C 6 H 14 O 4 C 8 H 18 O 5 Molecular weight (kg/kmol) 62, , , ,228 Melting point (ºC) -13,00-10,45-7,35-5,00 Boiling point at Pa (ºC) 197,30 245,00 277,85 307,85 Vapor pressure at 25ºC (Pa) 12, , , ,007 Density at 25ºC (kg/m 3 ) Absolute viscosity at 25ºC (Pa.s) 0, , , ,04271 Absolute viscosity at 60ºC (Pa.s) 0, , , ,01063 Specific heat at 25ºC (J/kg.K) Flash point (ºC) 111,11 123,89 176,67 196,11

6 Mientras más pesados sea el glicol es más hidroscópicos. i Sin embargo, el TEG es el que ofrece la mejor relación costo/beneficio i por lo que es el más utilizado. 6

7 Punto de rocío obtenido para un gas en equilibrio con una solución de TEG a diferentes concentraciones en función de la temperatura. 7 Enero Marzo 2009

8 Diagrama de flujo de una planta de deshidratación con glicol 8

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 se requieren de 6 a 8 etapas para obtener una especificación de 7 lb H 2 O/MMscf. Dependiendo de la especificación de water dew point, los contactores se encuentran generalmente entre 6-12 platos. 9

10 Para contactores de diámetros pequeños (< 1 ft) se recomiendan 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. 10

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 y el gas disuelto son separados, seguidos por una etapa de filtrado para retirar partículas sólidas. 11

12 El solvente es regenerado por destilación en una columna generalmente rellena con 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. 12

13 Del esquema de la planta, se puede observar que la deshidratación ió del gas natural demanda una alta pureza del solvente reciclado, y este grado de pureza se puede lograr bajando la presión y aumentando la temperatura en la etapa de regeneración. 13

14 La temperatura de esta etapa se debe mantener por debajo de un límite aceptable para la descomposición del glicol. Glicol T (ºC) DEG 177 TEG 204 T 4 EG o TREG

15 Para el caso del ejemplo, se lograba alcanzar un contenido de agua de 35 g/1000 Sm 3 en el gas procesado. Si se incrementa la recirculación ió de solvente se podría alcanzar un contenido de agua de 20 g/1000 Sm 3. 15

16 Si se requiere disminuir el contenido de agua a valores del orden de ppm, se debe 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. Por ejemplo: La inyección de 45 m 3 /m 3 de TEG ayudaría a purificar el solvente entre 99,4-99,9%. 9% 16

17 Inyectar un componente (octano o tolueno) en el rehervidor para formar un azeótropo con el agua. Este heteroazeótropo sube hasta el tope de la columna y luego de la condensación de los vapores, el hidrocarburo es separado por simple decantación y luego es reciclado. La concentración de TEG obtenida puede ser superior a 99,9%. 9% 17

18 Temperatura del gas de entrada. A presión constante, el contenido de agua del gas se incrementa a medida que la temperatura sube, por lo tanto, a mayores temperaturas la solución de glicol deberá remover más agua para alcanzar la especificación (7 lb/mmscf). Un incremento en la temperatura del gas puede resultar en un incremento del diámetro del contactor (mayor caudal mayor velocidad mayor diámetro) 18

19 Temperatura del gas de entrada (continuación). 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 por encima de la temperatura de formación de hidratos) más pequeño será el contactor (diámetro). 19

20 Temperatura del gas de entrada (continuación). Existe un compromiso entre el sistema de enfriamiento del gas y el tamaño del contactor (intercambiadores más grandes torres más pequeñas). Típicamente las unidades de TEG se diseñan para operar con un gas de entrada a una temperatura entre 27-43ºC. 20

21 Presión del contactor. A temperatura constante, el contenido de agua del gas disminuye a medida que la presión aumenta, por lo tanto, menos agua habrá que remover si el gas es deshidratado a mayores presiones. Adicionalmente, a altas presiones se requieren diámetros de torre más bajos (menor caudal menor velocidad menor diámetro). 21

22 Presión del contactor (continuación). Presiones más bajas permiten espesores de pared más bajos, por lo que existe un compromiso económico entre la presión de operación y el costo del equipo. Típicamente, una presión entre psia conducen a los diseños más económicos. 22

23 Número de etapas del contactor. Generalmente se encuentran entre 6-12, pero típicamente se diseña para tener entre 6-8. Se emplean platos perforados o de campana de burbujeo espaciados 24 in. La eficiencia global se encuentra alrededor de 25%. 23

24 Temperatura del glicol recirculado. 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. 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. 24

25 Temperatura del glicol recirculado (continuación). Típicamente, se diseña para que la temperatura del glicol sea 10ºF (6ºC) por encima de la temperatura del gas de salida del contactor. 25

26 Concentración del glicol l recirculado. 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. 26

27 Concentración del glicol recirculado. El dew point real del gas que sale del contactor estará entre 5-10ºC por encima de la condición de equilibrio. 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%. 27

28 Temperatura del rehervidor. A mayor temperatura, mayor será la concentración del glicol. 28

29 29 Temperatura del rehervidor (continuación). ió 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. Todos los diseños que emplean TEG operan entre ºF 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.

30 Presión del rehervidor. Presiones por encima de la atmosférica pueden reducir de manera significativa la concentración del glicol, y por lo tanto, la eficiencia del proceso de deshidratación. A presiones más bajas que la atmosférica, la temperatura de ebullición del solvente gastado disminuye, por lo que la concentración de glicol que se puede obtener sería mucho mayor a la misma temperatura del rehervidor. 30

31 Presión del rehervidor (continuación). ió 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. Normalmente es más barato utilizar un gas de arrastre. Si se requiere una concentración de 99,5% se puede considerar utilizar una presión en el rehervidor de 500 mmhg. Algunas veces el uso de una presión de vacío ayuda a extender la vida útil del sistema de glicol. 31

32 Gas de arrastre. La concentración de glicol se puede incrementar notablemente haciendo contactar el glicol con un gas de arrastre. Generalmente se utiliza gas saturado con agua a temperatura ambiente y a una presión entre 25 y 100 psia. Por ejemplo, si se tiene gas saturado a 25 psia y 100ºF, el contenido de agua es 1500 lb H 2 O/MMscf. 32

33 Gas de arrastre (continuación). A una presión atmosférica (presión del rehervidor) y a la temperatura normal de operación del rehervidor, el contenido de humedad está alrededor de lb H 2 O/MMscf, es decir, el gas podría absorber casi lb H 2 O/MMscf. 33

34 Gas de arrastre (continuación). Efecto de inyectar gas de arrastre a diferentes temperaturas de rehervidor. El gas es inyectado directamente en el rehervidor. 34

35 Velocidad de circulación de glicol. Cuando el número de etapas y la concentración de glicol están fijadas, la depresión del dew point es una función del flujo de glicol. Bajo esta premisa, la concentración del glicol controla el punto de rocío, mientras que su flujo controla la cantidad de agua que se puede remover. Mínimo flujo 2 gal/lb H 2 O a remover Máximo flujo 7 gal/lb H 2O a remover 35

36 36 Velocidad de circulación de glicol (continuación). Típicamente, los diseños son enfocados hacia el manejo de 3 gal de glicol / lb H 2 O a remover. El calor requerido en el rehervidor es proporcional a la velocidad de recirculación del glicol. Incremento Disminucion Disminucion Disminucion veloc.de de la temp. de la concent. de la cantidad i dl l circulacion del rehervidor de glicol de agua removida

37 Temperatura en el tope del regenerador. Temperaturas muy altas incrementarían las pérdidas de glicol debido a la excesiva vaporización. Temperatura de ebullición H 2 O 212ºF Temperatura de ebullición TEG 546ºF La temperatura recomendada en el tope es de 225ºF. 37