Diseño de sistemas de deshidratación

DISEÑO DE SISTEMAS DE DESHIDRATACIÓN Propósito de los sistemas El gas natural puro requiere deshidratación para evitar la formación de hidratos, reducir la corrosión y cumplir las especificaciones de ventas antes de que pueda venderse al mercado y utilizarse para calentar nuestras casas, calentar los tanques de agua entre otros. Existen diferentes sistemas de remoción del vapor de agua presente en el gas, siendo el de absorción mediante glicoles y el de adsorción con tamices moleculares los de más uso en la Industria de los Hidrocarburos gaseosos. DISEÑO DE DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ABSORCIÓN CON GLICOLES Para el diseño de un sistema de absorción hay que tomar en cuenta. Los factores que influyen en la selección del glicol para la deshidratación del gas natural a.- Bajo costo: El costo de glicol no es muy alto, luego este factor provoca que sea de gran utilidad en el proceso de deshidratación en cualquier industria. Su bajo costo es de gran importancia, sobre todo cuando se hace una evaluación de la parte económica del proyecto, factor que hay que tener bien en cuenta, cuando se analice la factibilidad del proyecto. b.- Viscosidad, un valor de viscosidad por debajo de 100 - 150 CPS. Hace que los fluidos fluyan con dificultad. Luego se requiere conocer la concentración del glicol y la temperatura del trabajo del equipo deshidratador. En la figura 7 se presenta los valores de la viscosidad en (CPS), para diferentes mezclas de (TEG) con agua, a diferentes temperaturas. El (TEG) es uno de los mayores componentes utilizados en el proceso de deshidratación del gas natural. En la figura 1 se observa, que si el proceso se realiza a una temperatura de 90F. La mezcla de concentración 50% P/P tendrá un valor de viscosidad de 4,2 (CPS), mientras que la mezcla de 75% P/P el valor es 12,5, el TEG puro el valor es 28. Figura 1 Viscosidad de las Mezclas Agua- TEG Analizando la figura (1), que tiene en el eje de la “Y” a la viscosidad en (CPS), y en el eje de las “X” a la temperatura en (F). Indica que el valor de la viscosidad se incrementa a medida que el glicol se hace más puro, es decir que se incremente la concentración, que en este caso se representa el porcentaje peso sobre peso. c.- Reducción del Punto de Rocío. En el momento en que el glicol absorbe agua, disminuye la temperatura de rocío del gas natural (este glicol pasa a denominarse glicol rico, glicol que tiene un alto contenido de agua). La disminución del punto de rocío se simboliza como (DPR). La reducción del (DPR) es influenciada por. La tasa de flujo del glicol; temperatura de contacto en el absorbedor, eficiencia de contacto del glicol/gas, y concentración del glicol pobre (glicol con poco contenido de agua). Cuando el proceso de deshidratación del gas natural se realiza con (TEG) a 100 F y una concentración de 95 %P/P, se puede reducir el punto de rocío hasta 46 F. Mientras que el (DEG) a la misma concentración, reduce el punto de rocío en 54F. Pero, esta situación cambia al aumenta la concentración, si la concentración del glicol en el agua es por ejemplo 99% P/P EL (DPR) es en 90 F, mientras que si se utiliza (DEG) es 84F. Luego estas observaciones es conveniente tenerlas en cuenta, cuando se quiera seleccionar el tipo de glicol más apropiado y eficiente para una operación. Si el gas que se va a deshidratar no tiene contaminantes ácidos, se puede obtener un (DPR) de hasta 65F, para ello se necesita subir la temperatura del horno. La reducción del Punto de Rocío se puede determinar por la Ecuación de Hammerschmidth. Esta ecuación se sustenta en el caso en cuando se agrega un soluto desciende el punto de congelamiento del solvente, según la siguiente ecuación. (5) Donde: (d)= descenso del punto de rocío; (M)= peso molecular y (W)= concentración del glicol en la fase líquida en la relación %P/P. Este es un parámetro de gran importancia, ya que para que el proceso de deshidratación sea efectivo la concentración del glicol debe de ser alta Además la reducción del punto de rocío se ve afectada por. La tasa de flujo del glicol; temperatura de contacto en el topo del absorberdor, de la eficiencia del contacto glicol/gas y de la concentración del glicol pobre. En forma gráfica se pueden establecer comparaciones entre la efectividad del (DEG) y (TEG), trabajando a temperatura y concentraciones de los glicoles, en relación a la disminución del punto de rocío. Por, ejemplo cuando se deshidrata un gas natural a una temperatura de 100F utilizando (TEG) a una concentración de 95% P/P, se puede reducir el punto de rocío de la mezcla hasta 46 F, mientras, que cuando se utiliza (DEG) a la misma temperatura y concentración la reducción puede ocurrir hasta una temperatura de 54F. Pero, la situación cambia de manera progresiva a medida que aumenta la concentración de los glicoles. Si se utiliza (TEG) a una concentración de 99% P/P el punto de rocío se reduce en 90F, mientras que si se utiliza (DEG) la reducción ocurre hasta 84 F. Diseño de un Sistema de Deshidratación de Gas Natural: La experiencia ha demostrado que la utilización del (TEG), hace que la deshidratación sea de mayor eficiencia. En el proceso el (TEG) se pone en contacto en contracorriente, en una columna vertical de transferencia de masa, con una corriente de gas hidratado para absorber el vapor de agua contenido en el gas. El gas natural deshidratado sale por la parte superior de la torre de absorción o contactor. El (TEG) rico en agua se envía a un separador de baja presión de tres fases (gas- aceite- glicol). Esto es, por lo general conocido como tanque de expansión. Los hidrocarburos líquidos sobrenadantes se recogen en el este tanque, el cual se coloca aguas debajo de la torre de absorción y se vacían a una instalación de tratamientos de aguas de desecho, que también tiene ser tratada, si se quiere volver a utilizar, sea para otros tratamiento o para el consumo humano, en ambos casos el agua tiene que estar dentro de la norma establecida. El (TEG) rico provee de reflujo a la columna destiladora. Al salir del contactor pasa por un serpentín (TEG-Vapor de agua), el cual esta situado en el tope de la columna y llega al tanque de venteo, luego se filtra, se precalienta en un intercambiador de calor glicol/glicol y entra a la columna donde es contactado en contracorriente por los vapores que salen del rehervidor. El glicol regenerado fluye a través del rehervidor y rebosa a un tanque de compensación. Después del intercambio de calor con glicol rico, el glicol reconcentrado se recoge con la bomba de circulación y se recicla a la torre contactora, a la cual entra a través de un intercambiador de calor integral gas/glicol para su enfriamiento final En la figura 2 se presenta una planta típica de deshidratación de gas natural con TEG, en la cual se observa lo siguiente: Figura 2 Planta de Deshidratadora con TEG a.- Columna de Absorción: La columna de absorción o contactor, es una columna rellena de platos donde un producto líquido adsorbe a otro, es decir que en este proceso el gas a deshidratar se pone en contacto con el glicol que entra por el tope de la columna de deshidratación para retener el agua. . La columna de absorción puede tener un depurador incorporado, para la remoción de líquidos y sólidos aguas arriba del contactor de glicol. La pureza del glicol es de gran importancia para un eficiente proceso de deshidratación: b.- La Tasa de Flujo del Glicol: para una solución de primera prueba, se puede suponer una tasa de circulación de glicol de tres (3) galones de glicol por libra de vapor de agua en el gas de entrada (3 galones de glicol/libra de vapor de agua). Al analizar las diversas variables que intervienen en el diseño, tales como el número de platos del contactor, los cambios climáticos y temperatura de entrada del gas a la planta, se podrá definir mejor la tasa de flujo. Las plantas de glicol normalmente usan una tasa de circulación de 2 a 4 galones de TEG por libra extraída de agua y una temperatura de operación entre 60 y 120 F. c.- La Concentración del Glicol: La cantidad de glicol en la torre de absorción es una de las variables que mayor influencia ejerce en el proceso de deshidratación. La importancia de este parámetro, es que el punto de rocío del agua en el glicol puede ser controlado mediante los ajustes de concentración del glicol. La concentración del glicol depende de la eficiencia de liberación del agua en el regenerador. Generalmente en el proceso de regeneración a presión atmosférica y usando unidades de campo, se pueden obtener concentraciones de TEG en el rango de 98 a 98.7%.P/P En este caso, las temperaturas del regenerador son alrededor de 400F. Para evitar que se descomponga el glicol, se recomienda no pasar las temperaturas de regeneración de los niveles que se indican a continuación en el cuadro 4. d.- Platos de Burbujeo: Los platos de burbujeo son unas: bandejas de burbujeo, que ocupan un lugar de la torre de fraccionamiento, deshidratadora o de endulzamiento donde se encuentran la corriente de gas que está siendo tratada y el componente líquido que viene del tope. Lugar donde se produce el intercambio de materiales entre el gas que sube dentro de la torre con el líquido que desciende desde el tope o el punto de entrada. En cada uno de estos platos, debe haber un equilibrio termodinámico entre los gases y el líquido con el cual están en contacto. El contactor posee bandejas de casquetes de burbujeo para el contacto gas/glicol El número de platos de burbujeo y la concentración del glicol son variables que dependen entre si. Si se fija el número de platos y la tasa de circulación, entonces la eficiencia del proceso de deshidratación solo dependerá de la concentración del glicol. El glicol que llega por la parte superior del absorbedor, va bajando a medida que llena los platos o bandejas de burbujeo, mientras tanto el gas que sube, entra por la parte inferior y se pone en contacto con el glicol que baña los platos; rompe el sello líquido y sale a la superficie para entrar, nuevamente en contacto íntimo con el glicol de la bandeja superior. Cuando el gas natural burbujea en el líquido se va produciendo una transferencia de masas, en la cual le entrega al glicol el agua que transporta. En la figura 3 se muestra la estructura interna de un absorberdor, donde se presentan todos los componentes que hacen que el proceso de deshidratación de gas natural, con los glicoles se realice en forma eficiente. Figura 3 Estructura Interna de un absorbedor En la figura 3 se debe saber que el glicol llega a la torre con un porcentaje aproximado del 98,7 % P/P y sale por el fondo habiendo absorbido el agua que debe retirar de la corriente de gas, por lo cual su pureza baja a 95,3 % P/P aproximadamente Es de hacer notar, que cuanto más alta sea la pureza a la cual entra el glicol, mejor será su capacidad de absorción, de allí la importancia de una buena regeneración y del uso de gas de despojamiento. Para un mayor número de platos de burbujeo, mayor capacidad de retención de agua. Con diez platos en el contactor, se puede trabajar usando un galonaje mucho más bajo que con cinco bandejas, lo cual representa ahorros considerables en la deshidratación de cada millón de pies cúbicos. Cuando se calcula por primera vez el número teórico de platos de burbujeo que se deben instalar en la torre, normalmente se concluye que con cuatro platos el sistema puede trabajar de manera adecuada, pero es beneficioso instalar hasta 10, para aumentar la eficiencia del sistema de deshidratación. La figura 4 se puede utilizar para determinar el número de platos de burbujeo reales que se de deben de utilizar en un proceso de deshidratación de gas natural. Figura 4 Número de Platos Reales de Burbujeo para el TEG al 98,7% P/P La figura 4 se realiza a una temperatura de 100F, y en la misma se observa una curva que relaciona el número de platos reales de la torre con la tasa de circulación de TEG correspondiente al 98.7 %P/P, a una temperatura de contacto de 100F para un determinado descenso del punto de rocío, por ejemplo 45 F, luego el número de platos de burbujeo que se debe de utilizar es de 4 platos. Lo que indica que analizando la figura se puede verificar el número de platos que debería tener la torre para lograr determinado descenso del punto de rocío en el gas, desde luego se debe de utilizar un galonaje previamente especificado. Con esta curva se puede trabajar de manera segura, logrando descensos del punto de rocío suficientemente buenos para conducir el gas por las tuberías. Bajo las circunstancias señaladas no hay riesgo a que se deposite agua en el sistema, y se produzca algún problema operacional en el proceso. Cuando se trabaja con el grado de pureza del TEG indicado en la figura, se minimizan los problemas operacionales, sin embargo, es bueno aclarar que la calidad del trabajo también se ve afectada por el tipo de platos de burbujeo instalados en el absorbedor. A manera de ejemplo, se puede decir que la eficiencia de las copas de burbujeo es del 25%, mientras que para las de tipo válvula es de 33%. La innovación tecnológica que se ha producido en la producción de platos de burbujeo durante los últimos años mejora de manera notable la eficiencia de las torres.. Aunque es necesario, tener en cuenta que debido a la tendencia del glicol a formar espuma, se recomienda un mínimo de 24 pulgadas de separación entre los platos. Esto garantiza una mejor operación de la torre y facilita posteriormente las labores de inspección y mantenimiento. El número de platos .de burbujeo y la concentración del glicol son variables que dependen entre si. Si se fija el número de platos y la tasa de circulación, entonces la eficiencia del proceso de deshidratación solo dependerá de la concentración del glicol. El número de bandejas requeridas en el absorbedor se puede determinar en forma gráfica, tal como se describió en la figura 3, en donde el número de platos de burbujeo se relaciona con el descenso del punto de rocío, pero también se puede utilizar la figura 5, la cual se denomina Diagrama de Mc Cabe Thiele, que también permite estimar el número de platos a utilizar en el proceso. Figura 5 Diagrama de Mc- Cabe Thiele para el Absorbedor La figura 5, que representa en el eje de las “Y” las libras de agua por millones de pies cúbicos normales de gas (lb de agua /MMPCN) en el gas, mientras que en el eje de las “X” representa la concentración del TEG en %P/P. La interpretación de la figura 5 se sustenta en colocar en el punto (A) la pureza del glicol, a la entrada del absorberdor, la cual por lo general es de 98,7 %P/P, aquí también se coloca la calidad del gas tratado (7 lb de agua/MMPCN), mientras que en el punto (B) se coloca la calidad del TEG en la solución que sale del absorbedor , la cual tiene un valor aproximado de 98,4% P/P y la cantidad de agua que llega con el gas que ingresa a la planta. La curva de equilibrio mostrada en la parte inferior del diagrama, se obtiene de otros gráficos relacionados con el tema. La intersección indica que con un solo plato teórico se hace el trabajo (un plato teórico es equivalente a cuatro platos reales) La figura 5 permite establecer, que con un solo plato teórico se hace el trabajo, tal como se indico equivale a 4 platos, el sistema puede trabajar de manera adecuada. Aunque, la experiencia indica que es beneficioso instalar hasta 10 bandejas, con lo que se incrementa el proceso de deshidratación, ya que será menor la cantidad de glicol requerido por cada libra de agua que deba de ser retirada del gas, para lo cual es requerido que se realicen los cálculos correspondientes en forma precisa. e.- Intercambiador de Calor: El enfriamiento final de glicol se logra con in intercambiador gas /glicol. f.- Filtro: Un filtro de flujo completo con alivio interno o externo es esencial, para que el proceso de deshidratación tenga un alto grado de eficiencia, y sea también rentable. g.- Columnas Destiladoras: columna destiladora: torre en la cual se separa el producto que ha sido absorbido, se considera que son las regeneradoras de glicol o de amina. Estas pequeñas columnas contienen una sección empacadora el contacto líquido/gas, y con ello mantienen el calor adecuado para un proceso de alta eficiencia. h.- Sistema de Calentamiento: En el diseño del rehervidor se debe mantener sumergido el elemento calentador. i.- Temperatura Máxima del Rehervidor: En el diseño de una planta de deshidratación es importante conocer la máxima temperatura del proceso. k.- Tanque de Almacenamiento; Tener un tanque alternativo de glicol es de gran importancia para el proceso de deshidratación del gas natural. l.- Bomba de Glicol: Esta bomba generalmente se instala como un espaldo, en caso que sea necesario, dar uso a una cantidad de glicol adicionar. El glicol no debe de estar en contacto con productos lubricantes de ninguna clase porque se produce espuma en el sistema y el producto se sale de las especificaciones. Parámetros que se deben de Considerar para el Diseño. Para comprender en forma clara los parámetros necesarios en este punto se tomará un ejemplo concreto, para lo cual se tiene lo siguiente: Se requiere determinar el número de bandejas, para deshidratar 50 MMPCND, el cual tiene una gravedad al aire de 0,67, presión de entrada 900 lpca, temperatura de contacto 110 F, contenido de agua en el gas a deshidratar 90 lb de agua /MMPCN, contenido de agua en el gas deshidratado 6lb de agua/MMPCN, se encuentra que el punto de rocío correspondiente a un contenido de agua de lb 6/MMPCN es de 26F. Las principales variables que se deben de considerar para el diseño de una planta de deshidratación de gas natural son concentración del glicol, tasa de circulación del glicol y número de bandejas en el contactor. Para tener claramente establecido se debe tener en cuenta lo siguiente: a.- Especificaciones del Gas Tratado: En muchos casos las especificaciones del gas a deshidratar se expresan en términos de contenido máximo de agua permisible, lo que puede significa en libras de vapor de agua por millones de pies cúbicos normales de gas, la cual se determina a una presión de operación determinada. Las caídas de presión del gas a través de las unidades de deshidratación del glicol debidamente diseñadas son de 2 a 3 lpcm y pueden ser ignoradas. En casi todos los casos, el gas se supondrá saturado con vapor de agua a las condiciones de temperatura y presión de entrada a la planta, pero debe de ser examinada la configuración aguas arribas del proceso, de tal forma de estar totalmente seguro de esta aseveración. En casi todos los casos, el gas se supondrá saturado con vapor de agua a las condiciones de temperatura y presión de entrada a la planta, con lo cual se puede determinar el contenido de agua en el gas en lb de agua/MMPCN. b.- Determinación del Descenso del Punto de Rocío: La diferencia de temperatura entre la condición de entrada y el punto de rocío del gas a la salida, se conoce como “depresión o descenso del punto de rocío”.Es de gran importancia el manejo de la concentración del glicol, de tal forma de poder obtener en forma clara el descenso del punto de rocío (DPR).Esto es de vital importancia, tal como conociendo el (DPR) se puede determinar el número de platos de burbujeo a utilizar en el proceso de deshidratación del gas natural. La determinación del (DPR) es también importante, para que no quede ninguna duda de poder alcanzar una temperatura de equilibrio, dentro del rango establecido. Para una primera prueba se puede suponer una tasa de circulación de glicol de tres (3) galones del glicol por libra de vapor de agua en el gas a la entrada. Posteriormente, al analizar las diversas variables que intervienen en el diseño se puede definir mejor la tasa de circulación del glicol. En la figura 20 puede ser utilizada para determinar el descenso del punto de rocío La figura 6 indica que para una temperatura del equilibrio del punto de rocío de 110F de contacto y una concentración del (TEG) de 98,9% P/P: La temperatura de (DPR) tiene un valor de 18F, valor que esta por debajo del punto de roció requerido, por lo tanto el uso de una concentración del (TEG) de 98,9 a 99, 0% P/P es adecuado, para el proceso de deshidratación de gas natural. Figura 6 DPR del gas en función de la temperatura del Glicol 34290070485 . La figura 6 permite indicar que cuando se utiliza una concentración del 98,9% P/P de TEG, se obtiene un descenso del punto de rocío de 90F, para alcanzar una temperatura de equilibrio 20F. Lo que indica que debe de evitarse el uso de gas de despojamiento, ya que la tasa de circulación y el número de bandejas puede mantenerse dentro de valores razonables de tal forma que el procese se lleve a cabo con un alto grado de eficiencia. La figura 6, permite entonces determinar el descenso del punto de rocío, el cual se puede utilizar para determinar el número de platos de burbujeo a utilizar, en el proceso de deshidratación de gas natural. Mientras que la figura 21 sirve de orientación sobre la manera de calcular el número de platos que debe de llevar el absorbedor. La figura 7 se denomina Diagrama de Mc Cabe Thiele, según Normativa PDVSA. Lo que indica, que los resultados obtenidos se sustentan en las normas utilizados por PDVSA, en el proceso de deshidratación del gas natural. Para la interpretación de la figura 7, se debe de conocer el valor de la concentración del (TEG) rico en el fondo de la columna, lo que según las gráficas indican que su valor es 95,8%P/P. Mientras que el contenido de agua, determinando en forma gráfica, a la entrada tiene un valor de 86,3 libras de agua por cada millón de pies cúbicos normales de gas. Esta cantidad de agua se puede obtener en forma gráfica o a través de correlaciones. También, se sabe que en el tope de la columna la concentración del (TEG) es 98,9% P/P, y la cantidad de agua en el gas de salida es 6 libras de agua /MMPCN. Lo que significa que en el proceso de deshidratación se deben de eliminar 80,3 libras de agua por cada millón de pies cúbicos normales del gas a deshidratar. Figura 7 Diagrama de Mc Cabe Thiele, según Normativa PDVSA La figura 7 tiene en el eje de las “Y” las libras de agua por MMPCN del gas, mientras que en el eje de las “X” la concentración del glicol. Luego para determinar el número de bandejas teóricas, se traza una línea vertical desde el punto (A), hasta la línea de equilibrio en punto (C), que representa una bandeja teórica. Desde el punto (C) se pasa una línea horizontal, de tal forma de intersectar la línea de operación en (D) Trazar una línea vertical desde el punto (D), para intersectar de nuevo la línea de equilibrio en el punto €. Esta línea vertical representa una segunda bandeja teórica. En la figura 21 se obtiene que en el punto (E) representa 3,4 lb de agua/MMPCN. Luego, realizando los cálculos necesarios se obtiene que son necesarias 7 bandejas Todo lo mencionado se apoyará en los datos mostrados en el cuadro 6 Cuadro 6 Puntos que sirven de Apoyo para la Construcción Curva de equilibrio PuntoConcentración %Punto de Rocío deEquilibrio (F)Contenido de aguaA 900 lpca199,0103,0297,0398,8395,04611,5 Los puntos mostrado en el cuadro 6 no están instalados sobre una línea recta de la figura 6, por lo que es necesario trazar una curva de equilibrio, con la mayor precisión posible, curva que debe de ser trazada desde el origen y con el juego de puntos. La línea de operación se construye, calculando la concentración de glicol en el fondo de la columna, esto se realiza sustentado en una tasa supuesta de circulación de glicol es de 3 galones de TEG/lb de vapor de agua en la entrada. Luego se obtiene lo siguiente: Agua saturada en el gas a 900 lpca y 110F90 lb/MMPCN Contenido de agua a la salida del proceso6 lb/MMPCN Vapor de agua removido del gas 84 lb/MMPCN c.- Concentración del Glicol Pobre Cuando se habla de glicol pobre se refiere al glicol regenerado o tratado. La concentración de este glicol se puede obtener sin necesidad de utilizar gas de despojamiento, por ejemplo a una temperatura del rehervidor de 400F, solo hay que tener en cuenta que a mayor elevación de terreno mejorara la eficiencia del proceso, debido a la menor presión atmosférica, aunque algunos operadores de proceso prefieren trabajar a una temperatura menor en el rehervidod para proteger la solución de glicol. Luego aquí, también es importante determinar la temperatura de roció del gas sin agua o gas deshidratado o gas anhidro d.- Determinación del Incremento de Temperatura en la Torre de Absorción: Los diseños están fundamentado en una temperatura constante en toda la columna. Pero, esta observación debe de verificarse, para ello se supone que cada libra de agua absorbida por el (TEG) contribuye con una energía calorífica de 1.100 (BTU) a la corriente de gas, luego el aumento en la temperatura se calcula, asumiendo que en un millón de pies cúbicos normales de gas hay: , luego se tiene El resulto obtenido introduce una mejora en el diseño, ya que permite calcular el incremento de temperatura en el sistema, aunque los incrementos de temperatura menores a 5 F pueden despreciarse, pero cualquier aumento mayor a los 5 F debe de tenerse en cuenta, con el incremento correspondiente a la temperatura del contactor (saturación )de diseño. Los gases, tales como Dióxido de carbono y Sulfuro de Hidrógeno son absorbidos por el (TEG), luego deben de incluirse en el sistema. e.- Determinación de la Carga Calorífica en el Rehervidor. Se entiende por carga calorífica a la cantidad de calor que necesita el sistema y que se debe inyectar para mantener el equilibrio termodinámico del proceso. Para realizar este cálculo se necesita determinarla tasa requerida de glicol pobre en el rehervidor, lo que se puede obtener a través de los factores de conversión, y tomando como ejemplo las condiciones del fluido previamente establecido, de tal forma de trabajar con un ejemplo concreto, para ello se tiene: A la tasa de glicol pobre debe agregarse el agua removida El rehervidor debe de ser adecuado para suministrar calor sensible al glicol,calor latente al agua neta rechazada y el reflujo necesario para la operación de la columna. Con, el objetivo de calcular las variables es necesario hacer suposiciones referente al aumento de temperatura en el intercambiador de calor glicol rico /glicol pobre. La temperatura promedio de la solución rica es 300F En forma gráfica se obtiene que el calor específico promedio correspondiente a una solución de TEG rico de 95,8% P/P es 0,685 (BTU/lbxF), luego queda: El valor de (,15) corresponde al rechazo y reflujo f.- Cálculo del Diámetro del Absorbedor: El diámetro se calcula por: (7) Donde:= velocidad de masa del gas a través del área de la sección transversal total de la torre ;(C)= factor relacionado con la tensión superficial del líquido y espacio entre bandejas; densidad del líquido en (lb/pie3) y = densidad del gas en (lb/pie3). La literatura indica que hay una relación entre el factor (C) tiene una similitud con la constante (K) de Souders y Brown, luego en la torre absorberdora se puede utilizar los valores mostrados en el cuadro 7: Cuadro 7 Valores de la constante (K), en el absorbedor Espacio de la bandeja (pulgadasK240,161260,167280,172300,175Extractor de niebla de malla de alambre0,350 g.- Densidad del Gas Para el cálculo de la densidad del gas se necesita el factor de compresibilidad (Z) a las condiciones operacionales, el cual se puede determinar en forma gráfica o a través de las ecuaciones cúbicas de estado, y se trata de una mezcla se utiliza la regla de mezclado, y se encuentra que es 0,88, luego se tiene para la densidad del gas: =0,73(pie/s) h.- Caudal Volumétrico Para determinar el caudal en pies cúbicos por segundo se utilizan los factores de conversión y se obtiene: (8) Donde: (A) es el área transversal ==3,98(pie)=47,82 pulgadas i.- Cálculo del Diámetro del Extractor de Niebla Se entiende por extractor de niebla al elemento de choque para retirar del gas las partículas de líquido que transporta. Equipo instalado en el tope de los separadores y torres cuya función es retener las partículas líquidas que transporta el gas natural. Que evita el arrastre de partículas. El diámetro del extractor de niebla se determina, por: xpulgadas DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL POR ADSORCIÓN Para el Diseño de un Deshidratador con Tamices Moleculares Hay una serie de consideraciones que deben de ser tomados en cuenta a la hora de diseñar un sistema de deshidratación de gas natural, con tamices moleculares, como por ejemplo se tiene: Variables de Operación: Se entiende por variable de operación a los: parámetros que afectan el comportamiento de la planta o del sistema, en este caso se tiene:. a.- Temperatura de Contacto: Este parámetro afecta en forma considerable la capacidad de los tamices moleculares, lo que significa la cantidad de adsorbato que puede retener, la literatura indica que a mayor temperatura de contacto, menor es la cantidad de agua adsorbible. El rango usual de temperatura de deshidratación con un desecante sólido es entre 80 y 100F, aunque desde luego este puede variar dependiendo del proceso. b.- Presión de Contacto: Los efectos de este parámetro son despreciables, en todo caso el diseñador no debe de olvidar que a mayor presión, menor será el volumen ocupado por el gas, así como la cantidad de agua que puede transportar el gas que entra a la planta. Es posible que las bajas presiones aumenten el tamaño de los equipos, mientras que altas presiones aumente el espesor de los recipientes, lo que pueden causar graves problemas operacionales al proceso de deshidratación del gas natural, a través de los tamices moleculares, y por ende a través del proceso de adsorción. c.- Tiempo de Contacto: Es recomendable que este parámetro sufre una reducción mínima, de tal forma de garantizar un descenso drástico del punto de rocío, lo cual se logra con una alta velocidad del fluido. Por, otro lado es necesario tener en cuenta la caída de presión en el lecho que inducirán altas velocidades, ya que se podrían romper las partículas del tamiz hasta formar una masa compacta sin capacidad de adsorción. En todo, caso se suele utilizar una velocidad de 30 a 45 pie/minuto, lo suficiente para que el proceso de deshidratación del gas natural sea lo suficientemente eficiente. d.- Tamaño de las Partículas: Para un mismo tipo de material, a medida que se reduce el tamaño de las partículas se incrementa la superficie de adsorción y por lo tanto, la capacidad, aunque también se incrementa la caída de presión a través del lecho. e.- Regeneración: Este es un proceso por el cual se adsorbe el agua del lecho y el tamiz queda preparado para el próximo ciclo de adsorción, lo cual se logra calentando la camada y evaporando el agua. El proceso se hace más efectivo si se pasa el gas de regeneración en sentido contrario al del flujo del gas en el paso de adsorción, lo que indica, que se regenera primero la parte final del lecho empujando el agua hacia la parte más saturada del mismo, de esta forma se elimina la posibilidad de contaminar el gas seco al comienzo del ciclo siguiente. Por lo normal se utiliza un periodo de enfriamiento para prevenir temperaturas excesivas en el lecho y así aumentar su eficiencia. Para el cálculo de la carga térmica y regeneración debe tomarse en cuenta el tamiz en el recipiente y las tuberías, los calores latentes y de evaporación del agua y las pérdidas de calor. f.- Problemas operacionales: En el proceso de deshidratación los tapones de agua formados, dañan en cierto grado los lechos de tamices moleculares, para evitar el daño debe de utilizarse un separador a la entrada de la planta, antes del absorbedor. Los cambios bruscos de presión, la velocidad excesiva del gas y los movimientos del lecho, debido al calentamiento y enfriamiento pueden causar compactación del empaque desecante; estos problemas pueden evitarse con un buen diseño mecánico. El problema más usual y dañino para los lechos es la contaminación del tamiz con hidrocarburos pesados, tales como, los destilados, condensados, aceites de adsorción y/o aceites lubricantes. Para evitar, los daños deben de utilizarse filtros o lecho de silica gel o bauxita aguas arriba del absorbedor. g.- Capacidad de Adsorción de algunos tipos de Desecantes: En los diseños a menudo se utilizan sólidos cuyas capacidades de adsorción son fundamentales, cuando se trabaja con un gas de alta presión. En el cuadro 14 se presentan las capacidades de adsorción de una serie de materiales, materiales que por lo general, se manejan en forma intensiva, en el proceso de deshidratación de gas natural a través de la adsorción. Cuadro 14 Capacidad de Adsorción de Algunos Desecantes: Tipo de materiallb de agua/100 lb de desecanteBauxita activada3 a 6Alúmina activada3 a 6Silica gel5 a 7,5Mallas moleculares22 Los tamices moleculares no solo adsorben moléculas basadas en el tamaño, sino también por la polaridad y grado de saturación. La fuerza de adsorción se debe fundamentalmente a los cationes que forman parte del retículo cristalino los cuales actúan como punto de cargas positiva que atraen en forma electrostática los extremos negativos de las moléculas polares En los tamices moleculares la cantidad del compuesto adsorbida aumenta rápidamente a un valor de saturación a medida que se incrementa la concentración de dicho compuesto en la fase externa del tamiz. ETAPAS QUE SE DEBEN DE CUMPLIR EN UN PROCESO DE DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL A TRAVÉS DEL PROCESO DE ADSORCIÓN (DESECANTES SÓLIDOS) Un diseño de esta índole involucra: a.- Cantidad requerida del material b.- Determinación del diámetro y longitud del lecho c.- Calculo del sistema de regeneración y suministro de calor d.- Tamaño de los intercambiadores de calor e.- Determinación de la secuencia apropiada en el diseño. La actividad previa a estos cálculos es determinar los parámetros fundamentales asociados a la instalación y a los contratos de venta. Entre los puntos resaltantes están: El descenso del punto de rocío, servicios disponibles, problemas operacionales, tipo de material utilizado como material adsorbente. El volumen de material deshidratante que se requiere para un proceso de adsorción se puede calcular, utilizando ecuaciones matemática. La precisión y exactitud de los resultados dependerá del conocimiento, que se tenga del proceso que se realizará, ya que todo tiene que ser evaluado, para determinar la sustentabilidad del proceso, una de las fórmulas matemáticas es: (17) Donde: (V) = volumen del desecante; masa requerida del desecante; () densidad del desecante; capacidad del desecante en libras de agua por libras del desecante y cantidad de agua en el gas antes y después de la deshidratación en libras de agua por millón de pies cúbicos normales del gas por día (lb de agua/MMPCND). Se expresa en esta unidad, por ser la unidad que se utiliza en el Sistema Británico de Unidades, desde luego fácilmente se puede convertir a otro sistema de unidades. La escogencia del desecante es una función del descenso de punto de rocío requerido en el gas que se deshidrata, vida útil y costo, entre otros; también pesa algo la preferencia individual del diseñador. Algunas variedades de desecante se presentan en el cuadro15. Cuadro 15 Tipos de Desecantes Utilizados en el proceso de adsorción TIPONOMBRE COMERCIALBauxitaFlorite, Dri-o-cel, Porocel, Etc.Bauxita purificadaAlúmina activadaSílica-gel, AlúminaSílica gel, molibilbead, sorbeads, H-151Silicato alumino – álcaliMolecular sieves o tamices moleculares Diámetro y Longitud del Absorbedor: En este punto muchos diseñadores de equipos establecen una relación práctica para la longitud y el diámetro, la cual es D x L =4, desde luego en este punto es conveniente verificar la velocidad que tendrá el gas en el lecho y el seudotiempo de contacto, y se tiene que cumplir lo siguiente: (18) Donde: es la velocidad del gas en (pie/minuto). Los diseñadores indican que la velocidad del gas debe de tener valores entre 30 a 45 (pie/minuto), esto es para evitar altas caídas de presión que compactarían el lecho Todo esto permite cuantificar el seudotiempo de contacto, para lo cual se utiliza la ecuación: (19) Se requieren algunos segundos como mínimo para permitir la adsorción del agua en el desecante, y la velocidad del gas se puede determinar a través de la siguiente ecuación: (20) En la ecuación (20) F es el factor de conversión de días a minutos Regeneración: El caudal de gas requerido para la regeneración dependerá fundamentalmente de la cantidad de calor que sea necesaria para calentar el lecho, como también del calor específico de gas que se utilice. La temperatura final del lecho será una función de la presión de los servicios existentes del desecante que se utilice, todo lo cual puede ser fácilmente determinado. La carga calorífica se puede dividir, según lo siguiente: a.- Calor Latente de Vaporización del Agua Se entiende por: calor latente, al calor que sin aumentar la temperatura del cuerpo que lo recibe, se invierte en cambios de estado, como el de los cuerpos sólidos que pasan al estado líquido y el de los líquidos al convertirse en gases o vapores. El calor latente de vaporización del agua se relaciona con la masa de agua a adsorber por el calor latente de vaporización del agua y se rige por la siguiente ecuación: (21) Donde: (m) es la masa de agua, (Cp) es la capacidad calorífica del agua y es la diferencia de temperatura del proceso b.- Calor de Desorción del Agua. El calor de deserción es el calor: que se origina cuando un componente se separa de otro. Que se debe agregar para que un componente se separe de otro. En el caso que no se disponga de suficientes datos se puede suponer, para este parámetro un 10% del calor latente de vaporización del agua, y se puede utilizar la ecuación (21): c.- Calor Necesario para Calentar el Agua hasta la Temperatura de Evaporización. En este caso se utiliza la siguiente fórmula: (22) Donde: = calor necesario; = masa del agua a resorber; = Calor específico del agua a presión constante, en el Sistema Británico de Unidades se expresa en (BTU/lb x F) y = = diferencia de temperatura del lecho a utilizar. Es bien importante el correcto manejo de unidades físicas que se haga en estos casos, sobretodo para evitar errores. d.- Calor Necesario Para Calentar el desecante: Aquí se aplica lo siguiente: (23) Donde; = calor del desecante; = masa del desecante; = Calor Específico del desecante, normalmente se utiliza (0,25 BTU/lbxF). e.- Calor Necesario para calentar el Recipiente La ecuación que se utiliza es: (24) Donde:= Calor del recipiente, o tubería, = masa del recipiente que puede estimarse si se conoce el tamaño (L) y el espesor de la pared (D). Este espesor se considera que es una función de la presión de trabajo, al cual se añade un 10% por tuberías conexas, = Calor específico del acero, por lo normal se utiliza un valor de 0,11(BTU/lb xF). f.- Pérdidas de Calor: En este caso se considera que: )(25) Las pérdidas de calor suelen estimarse en un 10% del calor total, por lo que la carga calorífica toral es (26) Luego el calor necesario para la regeneración es: (27) Donde: = calor de regeneración =; = masa del gas, la cual es igual a = Flujo del gas x tiempo de regeneración x densidad; = calor específico del gas utilizado, este parámetro depende de la composición del gas y puede estimarse en forma gráfica; = diferencia de temperatura, siendo: la temperatura del gas a la entrada del lecho y la temperatura del gas a la salida del lecho En los cálculos del calor se deben de considerar también el calor que requieren los intercambiadores de calor, que viene a ser el calor necesario para llevar el gas de regeneración desde la temperatura de la tubería a la temperatura requerida en la entrada del lecho y del enfriador, para llevar el gas de regeneración para la condición ambiental estimada. Todo es necesario tener claramente en cuenta, para no incurrir en errores innecesarios, y que puedan influir en la eficiencia del proceso de deshidratación del gas natural, a través de los tamices moleculares, y por ende a través del proceso de adsorción. Intercambiadores de calor Otros cálculos asociados con el diseño es el del calentador, para llevar el gas de regeneración desde la temperatura de la tubería a la temperatura requerida en la entrada del lecho, y del enfriador, para llevar el gas de regeneración hasta la condición ambiental.

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