DESHIDRATACIN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIN

KATHERINE PRADA PALOMO

JUAN PABLO RAMIREZ DAZ

LUZ ADRIANA RUEDA GUARN

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEOS

INGENIERA DE GAS

BUACARAMANGA

2011

DESHIDRATACIN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIN

KATHERINE PRADA PALOMO

Cd. 2061770

JUAN PABLO RAMIREZ DAZ

Cd. 2063393

LUZ ADRIANA RUEDA GUARN

Cd. 2073163

Grupo O2 Subgrupo 4

HELENA MARGARITA RIBN BARRIOS

Ingeniera de Petrleos

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEOS

INGENIERA DE GAS

BUACARAMANGA

2011

3

CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN 7

1. ASPECTOS GENERALES 8

1.1 Deshidratacin del gas natural 8

1.2 Efectos de la presencia de agua 9

1.3 Procesos de deshidratacin 9

2. DESHIDRATACIN POR ADSORCIN 11

2.1 Tipos de adsorcin 13

2.2 Aplicaciones 13

3. DESECANTES SLIDOS 15

3.1 Almina activada 15

3.2 Gel de slice 16

3.3 Tamiz molecular 16

3.4 Acerca de los desecantes 20

3.5 Seleccin del desecante 21

4. DIAGRAMA DEL PROCESO 24

4.1 Unidad de dos torres 24

4.2 Unidad de tres torres 26

4.3 Ciclo de adsorcin 28

4.4 Caractersticas operativas 29

5. DISEO DE ADSORCIN-REGENERACIN 30

5.1 Diseo del adsorbente 30

5.2 Diseo del regenerador 35

5.3 Grfica del ciclo de regeneracin 36

4

5.4 Consideraciones de diseo 38

6. PROBLEMAS OPERACIONALES 38

7. DISEO DE TORRE DE ADSORCIN (APLICACIN) 43

7.1 Planteamiento del problema 43

7.2 Solucin 43

7.3 Resultados 61

BIBLIOGRAFA 62

5

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1: Efectos de la presencia de agua en el gas natural. 8

Figura 2: Procesos de deshidratacin 10

Figura 3: Procesos de deshidratacin (Imgenes representativas) 10

Figura 4: Aplicaciones de la adsorcin con lecho slido 11

Figura 5: Tipos de desecantes slidos 15

Figura 6: Almina activada 16

Figura 7: Gel de slice 17

Figura 8: Tamiz molecular 18

Figura 9: Unidad de deshidratacin de dos torres. 25

Figura 10: Unidad de deshidratacin de 3 torres. 27

Figura 11: Zona activa inicialmente y zonas en el ciclo de adsorcin 29

Figura 12: Diseo de torre de adsorcin tpica. 34

Figura 13: Curva de regeneracin para unidad de dos torres. 37

Figura 14: Grfica de factor de compresibilidad 45

Figura 15: Grfica para determinar la viscosidad del gas 46

Figura 16: Grfica de contenido de agua en el gas por Macketta 51

Figura 17: Grfica de correccin por saturacin de agua. 52

Figura 18: Grfica de correccin por temperatura 52

Figura 19: Grfica para determinar las entalpias 59

6

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones. 19

Tabla 2: Caractersticas operativas de un tamiz molecular 20

Tabla 3: Propiedades de los desecantes 23

Tabla 4: Caractersticas operativas de una planta de adsorcin. 30

Tabla 5: Carga de masa de agua por masa de desecante. 32

Tabla 6: Constantes B y C segn tipo de partcula 48

Tabla 7: Constante Z dependiendo el tamiz. 54

Tabla 8: Densidad del tamiz molecular segn tipo de partcula 54

Tabla 9: Parmetros de diseo del problema 61

7

INTRODUCCIN

La 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.

8

DESHIDRATACIN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIN

Los 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.

1. ASPECTOS GENERALES

1.1 DESHIDRATACIN DEL GAS NATURAL

El 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.

Fuente: Autores

Presencia de

Agua

Lneas de flujo

Hidratos

Corrosin

Agua Libre

Productos

Transporte (RUT)

Poder Calorfico

Recobro de

HCs

Procesos

Criognicos

9

1.2 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.

1.3 PROCESOS DE DESHIDRATACIN

Los 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

10

Figura 2: Procesos de deshidratacin

Fuente: Autores

Figura 3: Procesos de deshidratacin (Imgenes representativas)

Deshidratacin

Desecante lquidos

Desecante slidos

Delicuescencia

Expansin-

refrigeracin

Membranas

permeables

Tecnologa Twister

Absorcin con glicol Delicuescencia

Membranas permeables

TP

Expansin-Refrigeracin

Adsorcin con lecho slido

Tecnologa Twister

11

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.

Figura 4: Aplicaciones de la adsorcin con lecho slido

Fuente: Autores

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.

Adsorcin con

lecho slido

Deshidratacin del

gas natural

Recobro de

lquidos del gas

natural

Remover H2S

(Algunas veces)

Etanol

Agua

H2S

12

2. DESHIDRATACIN POR ADSORCIN

Los 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.

Hay muchos desecantes slidos los cuales poseen caractersticas fsicas

para adsorber el agua del gas natural. Estos desecantes generalmente son

usados en los sistemas de deshidratacin los cuales consisten de dos o ms

13

torres y asociado a equipos de regeneracin. Una torre est adsorbiendo el

agua del gas mientras que la otra torre est siendo regenerada y enfriada. El

gas caliente es usado para eliminar el agua adsorbida por el desecante,

despus de la cual la torre es enfriada con un corriente de gas fra as parte

de gas secado es usado para la regeneracin y el enfriamiento, y es

reciclado a la entrada del separador. Otras corrientes pueden ser usadas si

estn suficientemente secas, como parte del gas residual.

2.1 TIPOS DE ADSORCIN

La adsorcin es definida como la adhesin de una capa de molculas a la

superficie de un slido o un lquido. Esta es su diferencia con la absorcin,

que es la transferencia de molculas a travs de una interface dentro de un

volumen de un slido o un lquido. Dos tipos de adsorcin en slidos existen

1. Adsorcin qumica, es la unin qumica de las molculas a la superficie de

los tomos. La quimisorcin ocurre cuando un enlace qumico, o intercambio

de electrones, se forma. El resultado es la fijacin de la molcula en la

superficie a travs de una adsorcin qumica.

2. Adsorcin fsica, la que ocurre por fuerzas del tipo Van der Waals, entre un

tomo o una molcula y la superficie. En este caso no existe arreglo

electrnico en el sistema y slo las fuerzas de atraccin electrostticas o

atracciones dipolares son puestas en juego, interaccin que ocurre sin

modificacin alguna de la molcula, fisisorcin.

2.2 APLICACIONES

Adsorcin versus absorcin: La deshidratacin con glicol es usada para la

mayora de las aplicaciones donde se requiere la deshidratacin del gas

14

natural para cumplir con las especificaciones de transporte en las tuberas,

debido a que las unidades de glicol y la operacin de las mismas representan

menos costos. La deshidratacin con lecho solido (tambin llamada

deshidratacin con desecante seco o por adsorcin) es frecuentemente la

alternativa superior en aplicaciones como:

1. La deshidratacin a puntos de roco del agua menores de -40F a -58 F,

tales como aquellos requeridos aguas arriba de las plantas de extraccin

de LGN utilizando expansores y plantas de LGN.

2. Las unidades de control del punto de roco de los hidrocarburos donde la

extraccin simultanea de hidrocarburos y agua es requerida para

satisfacer las especificaciones de venta. Esto es usado para controlar el

punto de roco de los hidrocarburos en flujos de gas pobre a altas

presiones.

3. Deshidratacin y eliminacin simultanea de H2S del gas natural

4. Deshidratacin de gases que contienen H2S donde la solubilidad del H2S

en el glicol puede causar problemas de emisiones

5. Deshidratacin y eliminacin de compuestos de azufre (H2S, COS, CO2,

mercaptanos) para flujos de GLP y LNG.

La viabilidad de la desulfuracin depende de lo que se hace con la

regeneracin del gas, porque si el gas se mezcla con residuos este se puede

volver acido de nuevo. El proceso de adsorcin ocurre tanto en lechos fijos y

en lechos mviles (menos usados por la complejidad mecnica). En lechos

mviles, la operacin es continua con el fluido y el contacto con el

adsorbente es en contracorriente.

15

3. DESECANTES SLIDOS

Un desecante comercial debe tener afinidad por el agua, una gran rea

superficial por unidad de volumen, alta resistencia mecnica, resistencia a la

abrasin, ser inertes qumicamente, y tener un precio razonable. Tres

materiales bsicos que se usan con frecuencia debido a que poseen estas

caractersticas en una manera satisfactoria son los que se presenta en la

figura 5.

Figura 5: Tipos de desecantes slidos

Fuente: http: //sorbeadindia.tradeindia.com/

3.1 ALMINA ACTIVADA

La estructura del producto es amorfa y no cristalina. Su estructura la almina

es una forma hidratada del xido de aluminio (Al2O3). Es usado para

Almina Activada Gel de Slice

Pellet Bead

Tamiz Molecular

16

deshidratacin de lquidos y gases y data pontos de roco a la salida

aproximadamente de -90F.

Figura 6: Almina activada

Caractersticas

Menos calor es requerido para regenerar almina y gel de slice que para

los tamices moleculares

La temperatura de regeneracin es ms baja.

Los tamices moleculares dan menores puntos de roco del agua a la

salida, es decir deshidratan ms.

La almina activada se utiliza para secar gases y lquidos.

No han sido probadas en campo. La almina activada es usada raramente

en plantas de gas natural.

3.2 GEL DE SLICE

El gel de slice es dixido de silicio amorfo (SiO2). Se fabrica mediante la

adiccin de silicato de sodio acuoso al cido sulfrico. Es usado para la

deshidratacin de gas y lquidos y el recobro de hidrocarburos (iC5+) del gas

natural. Cuando se usa para eliminar hidrocarburos, las unidades son

frecuentemente llamadas HTUs (unidades de recobro de hidrocarburos) o

17

SCUs (unidades de ciclo corto). Cuando se usa para deshidratacin, el gel

de slice dar punto de roco de salido de aproximadamente -60F.

Ampliamente usado como desecante, el cual puede ser usado para

deshidratacin de gas y recobro de lquidos del gas natural.

Figura 7: Gel de slice

Caractersticas:

Ms adecuada para deshidratacin del gas natural.

El gel de slice se utiliza principalmente como un desecante es menos

cataltico que la almina activada o los tamices moleculares.

Debido a que es amorfo, Absorber todas las molculas. ste tendr una

capacidad reducida para el agua si se utiliza para secar un gas saturado.

Debido a su capacidad de adsorcin de varios tipos de molculas, la gel

de slice es usada a menudo para control del punto de roci de

hidrocarburos, corrientes de gas natural de altas presiones.

El gel de slice adsorbe la mayora de las molculas de C5+ as como las

del agua, alcanzando efectivamente los dos puntos de rocos especficos.

Se regenera ms fcilmente en comparacin con los tamices moleculares.

Alta capacidad de adsorcin, puede adsorber el 45% de su propio peso en

agua.

Menos costoso que el tamiz molecular.

Poca capacidad para el recobro de lquidos

18

3.3 TAMIZ MOLECULAR

Los tamices moleculares son fabricados en dos tipos de cristal, un cubo

simple o un cristal tipo A y un cubo centrado en el cuerpo o cristal tipo X. El

tamiz tipo A esta disponible en sodio, calcio y potasio. Los tipo X estn

disponible en sodio y calcio. Los tamices de sodio son los ms comunes y se

muestran a continuacin en las frmulas de xido.

Figura 8: Tamiz molecular

Cristales de metales alcalino y de aluminio silicatos comprendidos en una

interconexin tridimensional de slice y almina, la estructura es una matriz

de cavidades conectadas por poros uniformes con dimetros en el rango de

3 a 10A (1A =1 m*10^-10), dependiendo del tipo de tamiz, el tamiz

molecular el adsorbente ms verstil porque puede ser fabricado para un

tamao especifico de poro, dependiendo de la aplicacin.

Caractersticas

Capaz de deshidratar el gas a un contenido de agua menor de 0,1 ppm

Se prefiere para deshidratar el gas antes de procesos criognicos

especialmente para GNL.

Excelente para remover el cido sulfrico, CO2, deshidratacin, altas

temperaturas de deshidratacin, lquidos hidrocarburos pesados y alta

selectividad.

19

Ms costosos que el gel de slice, pero ofrece mayor deshidratacin.

Requiere altas temperaturas para regeneracin, lo que resulta en un alto

costo de operacin.

Los tamices moleculares deshidratadores son usados comnmente antes

de las plantas de recuperacin de LGN diseadas para recuperar etano.

Los puntos de roco del agua menores de -150F pueden ser logrados

con un diseo especial y parmetros de operacin estricta.

En la tabla 1 se presentan caractersticas relevantes de los principales tipo

de tamices moleculares, con su dimetro y sus respectivas aplicaciones y en

la tabla 2 las caractersticas operativas de un tamiz molecular.

Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones.

Tipo de

tamiz

Dimetro

() APLICACIN

3 A 3 Deshidratar olefinas, metanol y etanol

4 A 4.2 Deshidratar gases y lquidos, remover

H2S

5 A 5 Separar parafinas normales de cadenas

ramificadas e HC cclicos, remover H2S

13 X 10

Remover mercaptanos y H2S, remover

H2O y CO2 de un planta alimentada de

aire

Fuente: Modificada CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the

Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003

20

Tabla 2: Caractersticas operativas de un tamiz molecular

PARMETRO RANGO

Tasa de flujo 10 a 1500 MMscfd (0,3 a 42MMsm3d

Velocidad superficial Aproximadamente de 30 a 35 ft/min (9 a

11 m/min)

Cada de presin Aproximadamente de 5 psi (35 Kpa) y que

no exceda 10 psi (69 Kpa)

Tiempo de ciclo 4 a 24 horas, 8 horas o un mltiple de este

TEMPERATURAS Y PRESIONES

-Adsorcin Temperaturas: 50 a 115F (10 a 45C)

Presiones: 1500 psig (100 Barg)

-Regeneracin

Temperaturas: 400 a 600F (200 a 315 C)

Presiones: Presiones de adsorcin o

menores

Fuente: KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural

Gas Processing. 2006 by Taylor and Francis Group.

3.4 ACERCA DE LOS DESECANTES

Puede notarse que ningn desecante es perfecto o el mejor para todas las

aplicaciones, en algunas aplicaciones la eleccin es determinada

principalmente por el aspecto econmico. Algunas veces las condiciones de

control del proceso inciden en la seleccin del desecante, si una unidad est

diseada correctamente es muy raro que los desecantes puedan ser

intercambiables, lo que a menudo es posible es reemplazar en una clase de

adsorbentes el tamiz molecular de un proveedor por el de otro.

21

Las alminas tienen el menos costo por unidad de capacidad de

deshidratacin. El gel de slice es el siguiente. Los tamices moleculares son

los ms costosos lo que se justifica por sus caractersticas especiales.

Todas las sustancias nombradas pueden ser adsorbidas dentro de almina y

gel de slice. No as para los tamices moleculares 4A y 5A. Por lo tanto los

tamices moleculares tienen un grado de selectividad para las molculas que

pueden adsorber. Las de la tabla 3 son las temperaturas de entrada en las

cuales el desecante normalmente no es econmicamente viable. Los puntos

de roco mostrados son los valores mnimos normalmente alcanzados con un

diseo y una unidad de operaciones adecuados.

Pequeas cantidades de compuestos de sulfuro puede ser tolerada por los

otros 3 desecantes, sin embargo, las alminas y la del de slice generalmente

no son efectivas en la eliminacin o remocin de estos componentes. El

sulfuro de hidrogeno y el dixido de carbono pueden eliminarse por medio de

los tamices moleculares.

Las unidades comerciales estn construidas para propsitos especficos. Los

tamices moleculares recobran cualquier molcula de hidrocarburo pequea y

suficiente para entrar en la estructura cristalina la cual para una 4A podra

ser solo metano y etano en la serie de parafinas.

3.5 SELECCIN DEL DESECANTE

Una variedad de desecantes slidos estn disponibles en el mercado para

aplicaciones especficas, algunos son buenos nicamente para deshidratar el

gas, sin embargo otros son capaces de realizar ambas deshidratar y remover

componentes hidrocarburos pesados. La seleccin del desecante apropiado

para una aplicacin dada es un problema complejo. Para los desecantes

slidos usados en deshidratacin las siguientes propiedades son deseadas:

22

1. Alta capacidad de adsorcin en equilibrio: esto reduce el volumen

de adsorbente necesario, teniendo en cuenta el uso de torres ms

pequeos con los gastos de capital reducido y la entrada de

calor reducida para la regeneracin.

2. Alta selectividad: minimiza la eliminacin indeseada de componentes

valiosos y reduce los gastos generales de funcionamiento.

3. Fcil regeneracin: la temperatura de regeneracin relativamente baja

reduce al mnimo las necesidades globales de energa y gastos de

operacin.

4. Baja cada de presin.

5. Buenas propiedades mecnicas (alta resistencia al aplastamiento,

resistencia al desgaste, estabilidad contra el envejecimiento), estos

factores disminuyen las necesidad totales de mantenimiento mediante

reduccin de la frecuencia de cambio del adsorbente y minimizar las

prdidas relacionadas con el tiempo de inactividad en la produccin.

6. Econmico, no corrosivo, no txico, qumicamente inerte, alta densidad y

sin ningn cambio significativo en el volumen de adsorcin y desorcin de

agua.

7. El punto de roco del agua requerido a la salida.

8. Recobro simultneo de lquidos.

En conclusin los desecantes usados comercialmente estn dentro de una

de las tres categoras: Geles, el gel de slice y la almina son fabricados y

23

acondicionados para tener una afinidad por el agua, Almina, es una forma

natural o fabricada del xido de aluminio que es activada mediante

calentamiento, Tamices moleculares, producidos naturalmente o fabricados

de los aluminosilicatos presentan un grado de selectividad que se basa en la

estructura cristalina en su adsorcin de los constituyentes del gas natural.

En la tabla 3 se presenta las propiedades de los principales desecantes.

Tabla 3: Propiedades de los desecantes

DESECANTE

Referencia

Almina

Activada

Alcoa (F-200)

Slice Gel

Davidson (03)

Tamiz

Molecular

Zeochem

(1989)

Dimetro de

Poro

(Angstroms)

15 10 a 90 3, 4, 5, 10

Densidad

Aparente

(lb/ft3)

44 a 48 45 43 a 47

Poder

Calorfico

(Btu/bl F)

0.24 0.22 0.23

Mxima

Temperatura

de entrada

125 120 150

Mnima

Temperatura

Roco

(F)

-90 -60 --150

Temp.

Regeneracin

(F)

350 a 500 300 a 500 425 a 550

Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003

24

4. DIAGRAMA DEL PROCESO

4.1 UNIDAD DE DOS TORRES

El 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.

25

Figura 9: Unidad de deshidratacin de dos torres.

Fuente: Modificada KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. 2006 by Taylor

and Francis Group, LLC.

GAS HUMEDO

Separador

de Entrada

Torres de Adsorcin

Filtro de

finos

GAS SECO

Calentador de gas

de regeneracin

Condensador

Separador

Agua Libre

Gas reciclado de regeneracinCompresor

Cerrado Abierto

Ad

so

rbedo

r 1

Ad

so

rbedo

r 2

26

4.2 UNIDAD DE TRES TORRES

Dos lechos estn conectados en paralelo o serie para adsorcin, mientras que el

tercer lecho se regenera.

-EN PARALELO

En 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.

-ENSERIE

En 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.

27

Figura 10: Unidad de deshidratacin de 3 torres.

Fuente: Modificada KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas Processing. 2006 by Taylor

and Francis Group, LLC

Tam

iz 3

Tam

iz 2

Tam

iz 1

sep

arado

r

Intercambiador

de calor

Tamices

Moleculares

Gas seco a

separar

De la etapa

previa

Filtro

Agua

Enfriador

Cerrado Abierto

28

4.3 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.

29

Figura 11: Zona activa inicialmente y zonas en el ciclo de adsorcin

Fuente Modificada: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the

Design, Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003

4.4 CARACTERSTICAS OPERATIVAS

Existen una serie de caractersticas generales que se pueden tener cuando

se realiza un proceso de deshidratacin por adsorcin, a continuacin se

30

muestran las ms relevantes en el diseo e implementacin de este

proceso, tabla 4.

Tabla 4: Caractersticas operativas de una planta de adsorcin.

Rango operativo

T> 50C para utilizar capacidad de

secado, gas por encima del punto de

hidratos, sin limitaciones en P

Tiempo de vida del

desecante

3 a 5 aos limitado por hidrocarburos, polvo

y rompimiento

Deshidratacin obtenida -75 a -125C (-103F a -193F)

Duracin del ciclo Vara dependiendo la carga de agua y la

tasa de gas entre 8 y 24 horas

Flujo de Gas Descendente para adsorcin ascendente

para regeneracin

Regeneracin

Depende del tipo de desecante

Lmite de temperatura (400-600F)

Porcentaje de la corriente de gas seco (10-

15%)

Tiempo de ciclo (60% del tiempo de

regeneracin es para calentamiento)

Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.

31

5. DISEO DE ADSORCIN-REGENERACIN

5.1 DISEO DEL ADSORBENTE

El 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 = 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

(

)

Necesito hallar q y Vmx, para poder hallar Dmn.

(

)

((

) (

)

)

32

(

)

El valor de ( ) 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 DESECANTE

El 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 5: Carga de masa de agua por masa de desecante.

Tipo de desecante Carga masa de agua/ masa

desecante

Almina 4-7%

Gel de Slice 7-9%

Tamiz molecular 9-12%

Fuente: CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.

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.

33

Donde:

Wr = La cantidad de agua a remover

Css = Correccin por saturacin de agua

CT = Correccin por temperatura

-CLCULO DE LA ATURA TOTAL DEL LECHO

La 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 + LS

Donde:

LT : Longitud total del lecho

LMTZ : Longitud de la zona MTZ

LS: Longitud de la zona de saturacin.

Ahora para verificar los parmetros de diseo:

( )

14-17 C [ 25-30 F].

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

34

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.

Fuente. CAMPBELL, Jhon. Adsorbente con distribuidor de gas y bolas de

cermica.

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.

35

5.2 DISEO DEL REGENERADOR

En 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

36

Donde:

Trg: Temperatura de regeneracin (F)

Ti: temperatura inicial (F)

Calor requerido para calentar el acero

Prdidas de calor a la atmsfera

5.3 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

37

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.

38

5.4 CONSIDERACIONES DE DISEO

Velocidad 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.

6. PROBLEMAS OPERACIONALES

Las unidades de deshidratacin con tamiz molecular son confiables y por lo

tanto requieren muy poca atencin en la operacin de las mismas. El

principal problema que se puede presentar es la contaminacin del lecho

debido a un mal acondicionamiento de la corriente de entrada, pero en

general pueden ser:

Contaminacin del lecho

Altos puntos de roco

39

Tiempo de ruptura temprano

Dao en el soporte de fondo

Pobre distribucin del gas

Perdida de calor y de eficiencia

- ACONDICIONAMIENTO DE LA CORRIENTE DE ENTRADA

El problema operacional ms frecuente es sin duda el acondicionamiento de

la corriente de gas de entrada, el gas que va a entrar al lecho debe estar libre

de hidrocarburos y otras sustancias utilizadas en tratamiento qumicos

anteriores (glicol, aminas, metanol), agua libre y slidos. Algunos estn

diseados para tolerar ciertas cantidades de estos componentes pero si

persisten y estn en gran cantidad reduce la capacidad del lecho y ocasiona

daos mecnicos al material del desecante.

Se debe instalar aguas arriba de cualquier sistema de deshidratacin con

lecho solido un separador apropiado para la composicin de la corriente de

entrada seguido por un separador por coalescencia y un filtro. Si el gas de

alimentacin se encuentra en un punto de roco retrogrado (presin superior

a la presin cricondenbrica) se recomienda calentar ligeramente la corriente

de entrada unos 9F para evitar la condensacin retrograda.

Algunos de los contaminantes del lecho ms comunes se menciona a

continuacin:

Hidrocarburos: Hidrocarburos pesados y fracciones de aceites lubricantes

que son adsorbidos en macro poros los cuales son ms grandes que los

sitios activos para el agua. Estos podran desencadenar reacciones como

de polimerizacin y craqueo, generando residuos y resulta en una prdida

del equilibrio dinmico y una ruptura prematura. En el caso de

40

hidrocarburos livianos como GNL pueden ser adsorbidos en los macro

poros no dejan residuos.

Glicoles: similar a lo que ocurre con los crudos pesados. Estos son

adsorbidos en los macroporos y se descomponen durante la

regeneracin. Esto pude dar lugar a la formacin de coke en el tamiz o a

la cementacin de este formando bloques. Esto incentiva la canalizacin

del gas el cual a su vez causa la ruptura temprana del mismo.

Aminas: Como los hidrocarburos y los glicoles pueden contribuir al coking.

adems se producira amonio durante la regeneracin. este podra daar

la estructura fsica del tamiz. Se recomienda colocar dos o tres bandejas

de lavado de agua en la parte superior de la torre contactora en la cual la

corriente de alimentacin contenga aminas para minimizar la entrada de

aminas a el lecho.

Sal: usualmente ingresa al lecho del desecante disuelta en el agua de

entrada. Desafortunadamente no sale cuando el agua es vaporizada y

removida del lecho durante la regeneracin. Por lo tanto la sal solida se

acumulan y bloquea los poros, los macroporos y une los beads formando

bloques. una vez se presenta esta acumulacin se reduce la capacidad

del adsorbente por debajo del nivel requerido para mantener los ciclos de

tiempo, y se hace necesario reemplazar el adsorbente. Ocurre en gas en

formaciones de domos salinos.

Oxigeno: si existe algo de oxgeno en el sistema o en la regeneracin del

gas, ste reaccionar con el H2S, con algunos de los otros componentes

de sulfuro que estn en la superficie de los tamices y con depsitos de

azufre elemental. En casos extremos, esto no solo bloqueara los poros

sino tambin el espacio entre las partculas de los tamices, lo que

41

resultara en la formacin de un bloque que sern muy difcil a ser

removidos.

Las complicaciones resultantes del oxgeno en el sistema de

hidrocarburos no estn limitadas a la produccin de sulfuro. La reaccin

con los hidrocarburos presentes, especialmente durante el calentamiento

del ciclo de regeneracin, puede generar coke muy pesado que se

deposita en el lecho y lo contamina.

Debido a que el oxgeno puede entrar al sistema por diferentes formas, es

una buena idea determinar la cantidad de oxgeno en un anlisis de rutina

de la corriente de entrada. Si se detectan pequeas cantidades y adems

la fuente de donde provienen y se soluciona el problema evitando la

entrada del oxgeno a la corriente de alimentacin, es posible prevenir

daos severos en los tamices.

H2S y componentes de azufre: Son adsorbidos en los tamices 4 A Y 5 A.

En efecto los tamices moleculares en algunas ocasiones son usados para

remover cido sulfrico de la corriente de gas natural. Cuando H2S y CO2

estn presentes en la corriente de alimentacin del gas, se deben utilizar

tamices especiales para minimizar la formacin de COS.

Otro tema en el cual es importante considerar la concentracin de H2S es

durante la regeneracin del lecho durante los ltimos 5-15 minutos. En

otras palabras, todo el H2S adsorbido en el desecante durante el ciclo de

adsorcin es removido del lecho en intervalo corto de 5-15 minutos. Esto

puede aumentar la concentracin de H2S en el gas de regeneracin a

cientos o algunas veces miles de ppm. Dependiendo de la disposicin del

gas de regeneracin esto puede requerir quema temporal o la posterior

eliminacin de H2S en el gas de regeneracin.

42

Desafortunadamente, todos los componentes de azufre no estn

diseados para una fcil eliminacin de los tamices. Los mercaptanos

ms pesados y otras molculas ms grandes, con alto punto de

ebullicin, los compuestos de azufre, no proporcionan una eliminacin

eficiente durante un ciclo normal de regeneracin de los tamices

moleculares. En consecuencia, tienden a influir en la edad del lecho y

producir una reduccin de la capacidad de este.

Metanol: Este es frecuentemente utilizado como inhibidor de hidratos en

los sistemas de produccin y recoleccin. La presin de vapor del

metanol es mayor que la del agua, por lo que cantidades significativas

de metanol pueden estar presentes en la fase vapor de la corriente de

gas de entrada. Metanol es adsorbido en el tamiz 4 A, y reducir la

capacidad del desecante para adsorber agua. Si el metanol est

presente en la corriente de gas de alimentacin, se debe incluir una

capacidad adicional en el diseo. En algunas ha resultado el uso del

tamiz 3 A para evitar la adsorcin del metanol.

-ALTOS PUNTOS DE ROCO

Se puede presentar que el gas de salida tenga un punto de roco superior al

punto de roco esperado o seleccionado en el diseo del tamiz y esto puede

ser causado por una regeneracin incompleta del desecante o por una

refrigeracin incompleta del desecante, manifestados en disminucin de la

capacidad de adsorcin, por una ruptura temprana que puede ser causada

por un incremento en la longitud de la zona de transferencia de masa, o por

un excesivo contenido de agua en la corriente de entrada del gas hmedo

que puede ser causado por el incremento en la tasa de flujo, las altas

temperaturas o presiones muy bajas.

43

-TIEMPO DE RUPTURA PREMATURO

La capacidad de los desecantes tiende a disminuir o a estabilizarse en un 55

a un 70% de la capacidad inicial debido al envejecimiento. Y puede ser

causado por un aumento no conocido del agua en la corriente de entrada, un

aumento en la cantidad de hidrocarburos pesados en el gas de alimentacin,

la contaminacin del desecante o por una regeneracin incompleta.

-DAO EN EL SOPORTE DE FONDO

Una cada de presin muy brusca o un aumento en la velocidad superficial

del gas pueden causar el dao de los soportes y causar la aparicin de fugas

en el lecho. Como resultado se debe reemplazar el lecho entero, siendo muy

importante contar con el diseo mecnico apropiado para el soporte, instalar

la correcta cantidad y calidad de bolas cermicas.

-POBRE DISTRIBUCIN DEL GAS DENTRO DE LA TORRE

Cuando las bolas de cermica, las mallas o los distribuidores de gas que se

instalan en la torre presentan problemas causan una pobre distribucin del

gas dentro de la torre lo que puede ocasionar la canalizacin del gas dentro

del lecho lo que puede llevar a una ruptura temprana en el lecho y adems a

la no utilizacin del lecho completo tanto en la adsorcin como en la

regeneracin.

44

7. DISEO DE TORRE DE ADSORCIN (APLICACIN)

A continuacin se presenta el planteamiento de un problema para el diseo

preliminar de una torre de adsorcin para una unidad de dos torres, con su

respectiva solucin o parmetros de diseo.

7.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

100 MMscfd de gas natural con peso molecular de 18 lb/lb-mol es procesado

para recuperar etano. El gas est saturado con agua a 600 psia y 100F y

debe ser secado para obtener un punto de roco de -150F. Determinar el

contenido de agua y la cantidad de agua que debe ser removida y hacer el

diseo preliminar de un sistema de deshidratacin de dos torres con tamiz

molecular de 4A -1/8 Beads.

El gas de regeneracin es parte del gas residual de la planta, el cual est a

600 pisa y 100F y tiene un peso molecular de 17 lb/lb-mol. El lecho debe ser

calentado a 500F para la regeneracin.

7.2 SOLUCIN

Se recomienda seguir el siguiente procedimiento para el diseo preliminar de

las torres de adsorcin.

a) Calcular las propiedades del gas

Gravedad especfica : Utilizando la definicin

Teniendo en cuenta que el peso molecular del aire es 28,9586 lb/lbmol

45

Factor de compresibilidad: Teniendo en cuenta la presin del gas de 600

psia y la Temperatura de 100 F se usa la Figura 23-5 de la GPSA para

hallar el factor de compresibilidad, como se presenta en la figura 14 del

presente trabajo.

Figura 14: Grfica de factor de compresibilidad

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Densidad del gas: Se usa la ecuacin de los gases reales

46

Teniendo en cuenta las propiedades del gas

Viscosidad del gas: teniendo en cuenta la Temperatura de entrada del

gas de 100 F la gravedad especifica hallada de 0,62 y la presin de 600

psia se usa la Figura 23-23 de la GPSA, como se presenta en la figura 15

del presente trabajo.

Figura 15: Grfica para determinar la viscosidad del gas

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

47

b) Dimensionamiento de las torres

Clculo del dimetro mnimo

El dimetro mnimo se halla mediante la siguiente ecuacin

En esta ecuacin se desconoce el caudal y la velocidad mxima por lo

cual hallamos estos valores de la siguiente forma

Caudal

Para hallar el caudal primero necesitamos encontrar el flujo msico

Con el valor anterior y la densidad hallada anteriormente se halla el caudal.

Velocidad mxima Se halla mediante la siguiente ecuacin

Donde Vmx= Velocidad mxima

B= constante dependiente del tipo de partcula

C= constante dependiente del tipo de partcula

= Densidad del gas

= Viscosidad del gas

48

Para la anterior ecuacin debemos tener en cuenta las propiedades del gas

calculadas anteriormente y adems el valor de P/L=0,33psi/ft debido a que

es el valor mximo permisible y los valores de las constantes C y B se toman

de la tabla 6.

Tabla 6: Constantes B y C segn tipo de partcula

Tipo de partcula B C

1/8 inch (3 mm) bead 0,0560 0,0000889

1/8 inch (3 mm) pellets 0,0722 0,000124

1/16 inch (1,5 mm) bead 0,152 0,000136

1/16 inch (1,5 mm) pellets 0,238 0,000210

Fuente: SAIED, Mokhatab, POE, William A. SPEIGHT, James G. Handbook

of NATURAL GAS TRANSMISSION and PROCESSING. Elsevier 2006.

Ya conociendo los valores anteriores se puede calcular el dimetro mnimo

del lecho:

49

Se debe seleccionar el dimetro estndar ms cercano al dimetro mnimo

hallado anteriormente por lo tanto el dimetro seleccionado es 7,5 ft.

Debido a que el dimetro seleccionado es diferente que el mnimo se debe

realizar un ajuste tanto a la velocidad como a la cada de presin.

c) Clculo de la cantidad de desecante (lb)

La cantidad del desecante se puede hallar mediante la siguiente ecuacin

Donde:

Ss= cantidad del desecante (lb)

Wr= libras de agua a remover por ciclo

Css= Correccin por saturacin de agua

CT= Correccin por Temperatura

50

Cantidad de agua a remover: Se halla mediante la siguiente ecuacin

Donde

QG= caudal de gas de entrada

Wi= cantidad de agua inicial

Wo= cantidad de agua requerida a la salida

Wr= Cantidad de agua a remover

La cantidad de agua inicial se halla mediante la grfica de Macketta y Wehe

de la GPSA teniendo en cuenta las condiciones de entrada del gas de 100 F

y 600 psia y se encuentra un valor de 88 lb de agua/MMscf.

La cantidad de agua de salida se considera 0 debido a que la condicin

requerida de salida es un punto de roco de -150F. Por lo tanto el agua a

remover

Debido a que se defini un tiempo de adsorcin de 12 horas el agua a

remover por ciclo es

51

Figura 16: Grfica de contenido de agua en el gas por Macketta and Wehe

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Correccin por Saturacin de agua:

Con la temperatura de entrada mediante la figura 20-84 de la GPSA se halla

realizando una extrapolacin la Css= 1, ver figura 17 del presente trabajo.

52

Correccin por Temperatura

Con la Temperatura de 100F se halla CT=0,93 mediante la figura 20-85 de

la GPSA, ver figura 18 del presente trabajo.

Figura 17: Grfica de correccin por saturacin de agua.

.

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Figura 18: Grfica de correccin por temperatura

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

53

Con los valores hallados anteriormente se encuentra la cantidad de

desecante por lecho:

A la cantidad de desecante hallada se le debe realizar una correccin como

indica la siguiente ecuacin

Teniendo en cuenta que

Donde

Sst= Cantidad de desecante corregida

Ls= Longitud de la zona de saturacin

LMTZ= Longitud de la zona de transferencia de masa

LT= Longitud total del lecho

Ss= Cantidad de desecante

Para realizar la correccin se debe hallar.

Longitud de la MTZ: se calcula mediante la siguiente ecuacin

Donde

Z= constante dependiendo del tamiz.

Para determinar la constante Z se presenta la tabla 7.

54

Tabla 7: Constante Z dependiendo el tamiz.

Z Tamiz

1,7 1/8 in

0,85 1/16 in

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

Por lo tanto

Longitud de la zona de saturacin: se halla mediante la siguiente ecuacin

Donde

Ss= Cantidad de desecante

D= Dimetro seleccionado

desec= Densidad del desecante

Para determinar la densidad del desecante se presenta la tabla 8.

Tabla 8: Densidad del tamiz molecular segn tipo de partcula

Tamiz molecular

Densidad

Beads 42-46 lb/ft3

Pellets 40-44 lb/ft3

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

55

Por lo tanto:

Conociendo los valores anteriores se puede hallar la longitud total del lecho:

La cantidad de desecante corregida es:

d) Verificacin de los parmetros de diseo

Se debe verificar que la cada de presin este entre el valor normal de 5 psia

y el valor mximo permitido de 8 psia mediante la siguiente ecuacin:

Donde verificamos que si cumple con estas condiciones por lo cual los

parmetros de diseo hallados estn dentro de los rangos permitidos.

56

e) Clculo del calor de regeneracin

El calor de regeneracin se calcula mediante la siguiente ecuacin

Donde

QT= Calor total de regeneracin del lecho (Btu)

Qw= Calor para desorber el agua (Btu)

Qsi=Calor para calentar el material del lecho (Btu)

Qst= Calor para calentar el acero (Btu)

Qlh=Perdidas de calor a la atmosfera (Btu)

Calor para desorber el agua: el calor necesario para calentar el agua a

evaporar en el proceso de regeneracin se calcula mediante la siguiente

ecuacin

Calor necesario para calentar el lecho:

Donde

Trg= Temperatura de regeneracin F

Ti= Temperatura inicial del lecho F

57

Calor para calentar el acero:

Para hallar las libras de acero se sigue la siguiente ecuacin

Donde

t= espesor de la lmina para la construccin de la torre

D= dimetro seleccionado de la torre

Ls= Longitud de la zona de saturacin

LMTZ= Longitud de la zona de transferencia de masa.

Se debe encontrar el valor del espesor de la lmina mediante la siguiente

ecuacin:

Donde por regla de la mano derecha la presin de diseo es igual al 110%

de la presin de operacin

Por lo tanto las libras de acero sern

58

Con los valores obtenidos anteriormente se puede calcular el calor necesario

para calentar el acero

Calor perdido a la atmsfera: se consideran que son el 10% del total de la

suma de los calores calculados anteriormente

Por lo tanto el calor total necesario para la regeneracin

El calor total es:

f) Clculo del caudal de gas de regeneracin

El clculo se realiza mediante la siguiente ecuacin

Donde

mrg= la cantidad de gas de regeneracin

QT= El calor total de regeneracin necesario

Cp= Capacidad calorfica

Thot= temperatura caliente

Tb= Temperatura inicial

th= tiempo de calentamiento

59

Teniendo en cuenta que por regla de la mano derecha el tiempo de

calentamiento es el 60% del tiempo de regeneracin:

Y que la Temperatura Caliente es 50 por encima de la Temperatura de

operacin Thot= 550 F

Para hallar la capacidad calorfica se deben encontrar las entalpias a la T

caliente y a la inicial y se realiza mediante la Figura 24-11 de la GPSA

teniendo en cuenta el peso molecular del gas de regeneracin de 17 lb/lbmol,

ver figura 19.

Figura 19: Grfica para determinar las entalpias

Fuente: Gas Processors Suppliers Association (GPSA) 2004.

60

Por lo tanto la capacidad calorfica definida de la siguiente manera se halla

Con los datos anteriores se puede hallar el caudal de gas de regeneracin

g) Verificacin

El gas de regeneracin debe cumplir la siguiente condicin

Donde

B y C= constantes dependiendo del tamiz

= viscosidad del gas

= densidad del gas

V= Velocidad superficial

61

Se calculan de nuevo las propiedades para el gas de regeneracin con un

peso molecular de 17 lb/lbmol siguiendo el procedimiento del paso a) y se

toman las constates C y B del paso b)

Donde se obtiene los resultados presentados en la tabla 9.

Tabla 9: Parmetros de diseo del problema

GAS DE REGENERACIN

M 17 lb/lbmol

0,94 lb/ft3

q 331,9 ft3/min

V 6,91 ft/min

0,023 cP

B 0,056

C 0,000089

Se reemplazan los valores y se obtiene

Por lo tanto si cumple.

62

BIBLIOGRAFA

CAMPBELL, Jhon. Technical Assistance Service for the Design,

Operation, and Maintenance of Gas Plants. 2003.

Gas Processors Suppliers Association (GPSA) Chapter 20, 23 y 24. 2004.

http://molecularsievedesiccant.com/

http://sorbeadindia.tradeindia.com/

KIDNAY, Arthur J, PARRISH, Williman G. Fundamentals of Natural Gas

Processing. 2006 by Taylor and Francis Group, LLC.

SAIED, Mokhatab, POE, William A. SPEIGHT, James G. Handbook of

NATURAL GAS TRANSMISSION and PROCESSING. Elsevier 2006.

CONTENIDOINTRODUCCINDESHIDRATACIN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIN1. Aspectos generales1.1.Deshidratacion del GN1.2.Efectos de la Presencia de Agua1.3.Procesos de Deshidratacion

2. Deshidratacin por adsorcin2.1.Tipos de Adsorcion2.2.Aplicaciones

3. Desecantes slidos3.1.Alumina Activada3.2.Gel de Silice3.3.Tamiz Molecular3.4.Acerca de los Desecantes3.5.Seleccion del Desecante

4. Diagrama del proceso4.1.Unidad de Dos Torres4.2.Unidad de Tres Torres4.3.Ciclo de Adsorcion4.4.Caracteristicas Operativas

5. Diseo de adsorcin-regeneracin5.1.Diseo del Adsorbente-Calculo del Diametro Minimo-Calculo de la Masa del Desecante-Calculo de la Altura Total del Lecho

5.2.Diseo del Regenerador5.3.Grafica del Ciclo de Regeneracion5.4.Consideraciones de Diseo

6. Problemas operacionales-Acondicionamiento de la Corriente de Entrada-Altos Puntos de Rocio-Tiempo de Ruptura Prematuro-Dao en el Soporte de Fondo-Pobre Distribucion del Gas dentro de la Torre

7. Diseo de torre de adsorcin (Aplicacin)7.1.Plantemiento del Problema7.2.Soluciona)Calcular las propiedades del gasb)Dimensionamiento de las torresc)Calculo de la cantidad de desecante (lb)d)Verificacion de los parametros de diseoe)Calculo del calor de regeneracionf)Calculo del caudal de gas de regeneraciong)Verificacion

BIBLIOGRAFA