ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA “Mcal.Antonio José de Sucre” Unidad Académica de Santa Cruz DESHIDRATACION DEL GAS NATURAL POR ADSORCION AUTORES: Guido Arturo Aracena Agreda Roger Liaño Marinkovic Walter Ivan Salazar Maldonado Edsson Duberty Lith Paredes INGENIERIA PETROLERA CARRERA: MATERIA: TECNOLOGIA DEL GAS NATURAL II TUTOR: Ing. Orlando Melgar Santa Cruz, Noviembre del 2007 1 DEDICATORIA Esta monografía esta dedicada a toda la comunidad estudiantil de la Escuela Militar de Ingeniería, con el fin de mejorar el aprendizaje y brindarles un apoyo para la materia de Tecnología del Gas. 2 AGRADECIMIENTO Queremos agradecer profundamente al Ing. Orlando Melgar por motivarnos a llevar a cabo este proyecto y brindarnos apoyo con su conocimiento y consejos. A la Universidad por brindarnos las facilidades de obtención de datos. Y a nuestros compañeros por el apoyo que nos brindamos mutuamente para realizar las distintas monografías. PREFACIO 3 La monografía que nos permitimos presentar, se encuadra dentro de los programas de estudio de la carrera de Ingeniería Petrolera y que corresponde a la materia de Tecnología del Gas Natural II, dentro la cual se ha previsto la asignación de temas específicos para que puedan ser desarrollados por los brindar un texto de apoyo a la estudiantes con el objetivo fundamental de la Ingeniería del Gas Natural. Producto del trabajo desarrollado durante todo el semestre de la presente gestión, es el documento que nos permitimos presentar como uno de nuestros aportes a la producción académica e intelectual que nosotros como estudiantes hemos realizado mediante la recopilación de información de bibliografías consultadas para este propósito, las mismas que se encuentra citadas al final de este documento, y además ha sido compendiada dentro de esta monografía En esta monografía presentaremos los principales conceptos sobre la comunidad Universitaria de la EMI desarrollando los temas mas importantes de deshidratación del gas natural por adsorción permitiendo al lector conocer el funcionamiento de los materiales aplicados en la deshidrataron y los pasos que se realizan para lograr la optimización del proceso de la forma mas eficiente posible, para mejor entendimiento del lector se utilizaran ejemplos de cálculos, gráficos, tablas, entre otros. Para complementar los conocimientos sobre la ingeniería del gas natural, se encuentran disponibles otras monografías similares a la presente que serán de mucha ayuda para formar el criterio de futuros ingenieros especialmente a los estudiantes de ingeniería petrolera e industrial. INDICE 4 DESHIDRATACIÓN DE GAS NATURAL POR ADSORCION Introducción 1. Contenido de agua en la región de hidratos 2. Hidratos en sistema de gas natural 3. Control de hidratos 4. Deshidratación con sólidos desecantes 5. Tamices moleculares 6. Esquema del proceso de flujo 7. Ciclo de regeneración 8. Análisis del proceso de adsorción 9. Diseño de variables para el proceso de 7 8 11 13 14 18 22 19 23 25 25 26 28 29 29 30 30 31 32 33 33 34 35 35 35 35 35 36 36 37 37 adsorción 9.1 Tiempo del ciclo 9.2 La Capacidad de Desecante 9.3 Diseño del lecho adsorbente 9.4 La Proporción aceptable de Flujo de Gas 9.5 Carga de agua 9.6 Extensión De La Zona 9.7 Tiempo de penetración 9.8 Mínima extensión del lecho 10. Diseño de un sistema de deshidratación 10.1 Tipo de desecante y cantidad requerida 10.2 Volumen de desecantes en una camada 10.3 Diámetro y longitud del adsorbedor 10.4 Regeneración 10.5 Calor latente de vaporización del agua 10.6 Calor de desorcion del agua 10.7 Calor necesario para calentar el agua hasta la temperatura de evaporación 10.8 Calor necesario para calentar el desecante 10.9 Calor necesario para calentar el recipiente, tuberías , etc. 10.10 Perdidas de Calor 10.11 Intercambiadores de calor 11. Consideraciones basicas sobre el diseño de un deshidratador con tamices moleculares 5 2 13.3 Tiempo de contacto 11.5 14.1 Capacidad de adsorción de algunos tipos de 37 37 37 38 38 38 39 39 39 40 41 45 48 49 50 51 desecantes Procedimientos de Cálculo Parámetros básicos para el diseño Volumen requerido de desecante Tamaño del recipiente Gas para la regeneración Cálculo de la carga calorífica Operación de una planta de deshidratación por tamices moleculares 15. BIBLIOGRAFIA DESHIDRATACIÓN DE GAS NATURAL POR ADSORCION Introduccion 6 .3 13.1 Prueba de saturación (“breakthrough test’) 13.1 13.2 Presión de operación 11. Optimización de la operación 15.4 13. Problemas operacionales 12.1 Temperatura de contacto 11.4 Tamaño de las partículas del tamiz 12. 13.11. 16. El efecto de la composición incrementa con la presión y es particularmente importante si el agua contiene CO2 y/o H2S. De todos modos. especialmente para la predicción del contenido de agua a presiones por debajo de los 1500 psia. 1.CONTENIDO DE AGUA EN LOS GASES La saturación de agua contenida en un gas depende de la composición. pobre que contenga sobre 70% de metano y una pequeña cantidad de hidrocarburos pesados. se encuentran disponibles correlaciones generalizadas de presión – temperatura para muchas aplicaciones. 1 esta basada en la suposición en la cual la fase de agua condensada es un líquido. Para un gas natural dulce. La fig. Las correlaciones de la gravedad del gas no deberían ser usadas para explicar la presencia de H2S y CO2 y no siempre puede ser adecuada para algunos efectos de los hidrocarburos. a temperaturas menores que las de hidratación del 7 . CONTENIDO DE AGUA EN LA REGIÓN DE HIDRATO. La línea de la formación de hidratos es aproximada y no deberá ser utilizada para predecir las condiciones en la formación de hidratos. presión y temperatura. La figura 1 es un ejemplo de dicha correlación la cual ha sido ampliamente usada durante muchos años en el diseño del deshidratador de gas natural dulce. Fue publicado por primera vez en 1958 y estaba basado en datos experimentales de la época. El contenido de agua de un gas en equilibrio con un hidrato va a ser menor que el equilibrio con un líquido meta estable. Datos de la RR-50 se presentan en la fig. Esto esta reconocido en la advertencia de la figura 1. la fase condensada va a ser sólida (hidrato). GPA RR-4511. 2. 5010 y 8012 presenta datos experimentales mostrando el equilibrio del contenido de agua en los gases por encima de los hidratos. Durante este transito “periodo de la formación de hidratos” el agua liquida presente esta en termino “liquido meta estable”. La formación de hidratos es un proceso dependiente del tiempo. 8 .gas. el grado de agitación entre otros. El agua meta estable es agua liquida la cual en equilibrio existirá como un hidrato. El ritmo al cual se forman los cristales de hidrato depende de diversos factores incluyendo la composición del gas. 1. Contenido de agua en el Gas de Hidrocarburo 9 .Fig. 2 no se la debe extrapolar para otras composiciones. se presenta también el contenido de agua meta estable de la fig. 2. es necesario determinar el contenido de agua de el gas en equilibrio con un hidrato utilizando la correlación como se mostró en la fig. Si se utiliza una correlación meta estable. una va a sobrestimar la saturación de agua del gas en la especificación del punto de rocío.31% C3/94. Cuando se diseñan los sistemas de deshidratación (particularmente los sistemas TEG) para conocer las especificaciones del punto de roció del agua mas bajo. el contenido de agua en los gases en la región de hidratada es una composición de función fuerte. Contenido de agua en un gas con 5. 2. Esto también podría resultar en un diseño de deshidratación el cual seria inútil para conocer la remoción de agua requerida. La fig. 10 .69% C1 en equilibrio con el hidrato Para propósito comparativo.Fig. 2. Los hidratos de estructura II son más estables que los de estructura I. Pero si tiene un efecto significante en las presiones y temperaturas a la cuales se forman los hidratos. Moléculas más largas (C3H8. Desde un punto de vista practico. CO2.6 11 . i-C4H10. n-C4H10) forman una cadena como diamante llamada estructura II. Existen tres estructuras cristalinas reconocidas para loas hidratos. De todas formas. Su formación en sistemas de gas o GNL puede taponar tuberías. 3. Gases mixtos generalmente forman la estructura II. se utiliza una correlación basada en el sonido termodinámico que puede proveer o estimar la cantidad de agua en equilibrio con hidratos. el tipo de estructura no afecta la apariencia. 2. Moléculas de parafina normal más largas que el n-C4H10 no forman hidratos de estructura I Y II ya que son muy largos para estabilizar la cadena. HIDRATOS EN SISTEMAS DE GAS NATURAL. H2S) estabilizan un cuerpo cúbico centrado llamado estructura I. algunas isoparafinas y ciclo alcanos más largos que el pentano forman la estructura H hidratos. En ambos. nitrógeno. equipos e instrumentos restringiendo o interrumpiendo el flujo. El numero limite de hidratos es calculado utilizando el tamaño de las moléculas del gas y el tamaño en las cavidades en la estructura del agua. las moléculas de agua construyen el encerrado y los hidrocarburos. propiedades o problemas causados por el hidrato. A 1000 psia un gas de 0. Moléculas mas pequeñas (CH4. CO2 y H2S ocupa las cavidades. Es por eso que los gases que contienen C3H8 y i-C4H10 van a formar hidratos a mayores temperaturas que los gases mixtos similares los cuales no contiene estos componentes. C2H6. Un hidrato es una combinación física de agua y otras pequeñas moléculas para producir un solidó similar al hielo pero que procesa una estructura diferente.Donde no se encuentran disponibles datos experimentales. El efecto del C3H8 y i-C4H10 en las condiciones de la formación de hidratos pueden ser vistas en la Fig. La composición del gas determina la estructura. Las condiciones que afectan la formación de hidratos son: Condiciones primarias. La presencia de H2S en mezclas de gas natural resulta en una temperatura de formación de hidratos substancialmente mas caliente a una presión dada. Curvas de Temperatura – Presión para predecir la formación del hidrato El CO2 en general tiene un impacto mucho menor y frecuentemente reduce la temperatura de la formación de hidratos a presiones modificadas para un hidrocarburo de gas mixto. 3. • El gas o el liquido deben estar en el o por debajo del punto de roció del agua o a la condición de saturación (NOTA: el agua liquida no tiene que estar presente para la formación de hidratos) • • Temperatura Presión 12 .sp. Tiene una temperatura de formación de hidrato de 12-13º más que el metano puro. Fig. gr. Esta última es la que mejor aceptación tiene actualmente en el mercado. CONTROL DE HIDRATOS: En aquellas situaciones donde los cálculos precisen la formación de hidratos. suelen emplearse procesos de deshidratación con glicol seguidos de otros procesos de adsorcion. 13 . En esos casos utilizan sólidos como la alumina activa. la silica gel o mallas moleculares para remover el agua del gas natural. como el de las mallas moleculares.1 ppmv. Los representantes de los nuevos procesos de deshidratación como ser drizo y ecoteg garantizan que estos sistemas compitan perfectamente con los procesos de adsorcion. cuyo objetivo es recuperar LGN utilizan normalmente procesos a bajas temperaturas. así en un proceso criogénico donde se alcance un nivel de 125º F la cantidad de agua permisible será de menos de 0. 3.• Composición Condiciones secundarias. Las plantas de procesamiento de gas. Para lograr deshidratar un gas a ese nivel. En estos casos es necesario deshidratar el gas natural para que la planta pueda operar sin peligro de formación de sólidos. lo cual se realiza mediante el uso de un inhibidor que se mezcle con el agua en estado líquido. • • • • Mezclado Espacio físico para la formación del cristal Salinidad En general la formación de hidratos va ocurrir a medida que la presión aumenta y la temperatura disminuye hasta la condición de formación. la profundidad de la deshidratación dependerá del nivel de la temperatura del proceso. ello puede evitarse removiendo el agua del gas antes del enfriamiento de los hidrocarburos por debajo de la temperatura a la cual podrían aparecer los problemas. es decir un lecho fijo esta en adsorción mientras el otro se regenera. 4. Cuando eso sucede es necesario exprimir la esponja y saturarla de nuevo. mientras uno de ellos esta en adsorción el otro en regeneración. A continuación veremos la Fig. es un proceso continuo. se puede utilizar una esponja para adsorber el agua. al exprimirla la estaremos regenerando para restituirle la capacidad de adsorcion. 14 . en otras palabras. DESHIDRATACION CON SÓLIDOS DESECANTES En la industria se utilizan lechos fijos de desecantes para deshidratar gas. las líneas continuas representan el gas en proceso de secado mientras que las punteadas muestran la regeneración. sin embargo si es mucho agua derramada se satura rápidamente. deshidratantes típicos son silica gel. la regeneración del sólido se lleva a cabo calentándolo por medio de una resistencia eléctrica o haciendo pasar gas caliente a través del lecho.Un buen ejemplo para indicar la manera como se produce la adsorcion es una esponja. 4 que ilustra un diagrama de flujo de una unidad de deshidratación de lecho fijo. alumina activada y los tamices moleculares. Un deshidratador de lecho fijo generalmente tiene por lo menos dos recipientes llenos de desecante. si se derrama agua en el suelo. 15 . A mayor temperatura menor será el caudal de gas requerido. Cuando se regenera en la misma dirección en la cual se realiza la absorción el desecante se empobrece rápidamente. embargo si la temperatura es muy alta perdiendo su propiedad de absorber. pasando a través del lecho. ello depende tanto del volumen como de la temperatura del gas. Los lechos deben ser regenerados apropiadamente para que la capacidad de adsorción se mantenga.Fig. Nº 4 La restitución del desecante requiere de calentamiento y posterior etapa de enfriamiento. sin puede degradarse el desecante. después de calentar el deshidratador para remover el agua. El flujo de adsorción es generalmente hacia abajo. el de calentamiento puede ser en cualquier dirección aunque por lo general se regenera en contracorriente. el horno de gas se apaga y el lecho se enfría antes de pasar a la adsorción. Con el uso apropiado una camada de deshidratación puede durar cinco años. la deshidratación con sólidos desecantes es preferida en ves de la inyección de metanol para prevenir la formación de hielos e hidratos. Algunas recomendaciones pueden contribuir a prolongarle la vida a la camada: • • Evite la mala practica durante la operación El descenso de la presión en el sistema puede canalizar la camada. el operador debe evitar el arrastre El cambio sucesivo de la presión del sistema contribuye a fracturar el tamiz. Los sólidos desecantes también son usados para secar y endulzar los líquidos del Gas Natural. el uso de esta aplicación esta típicamente limitado a gases con alto contenido de H 2S. control simultaneo del punto de roció del agua e hidrocarburos y casos especiales como gases con contenido de oxígeno. así se puede operar la planta mientras se determina la causa de la falla. bajo punto de roció. En procesos donde se encuentran temperaturas criogénicas. con lo cual se produce un polvo de silicatos de aluminio que taponan las instalaciones ubicadas aguas debajo de la planta. el operador debe acortar los ciclos de secado. etc. Alumina – es una forma manufacturada o natural de oxido de aluminio que se activa con el calor. este aspecto es muy importante cuando existen intercambiadores criogénicos en el sistema Las unidades de sólidos desecantes generalmente son más costosas y difíciles de operar que las unidades de glicol. Los desecantes en uso comercial caen en alguna de estas tres categorías: Geles – Geles de Alúmina o Sílice manufacturados o confeccionados para tener una afinidad al agua. en ese caso se crea un camino preferencial y se pierde el tamiz. el tamiz se diseña dentro de un rango determinado en el limite de velocidad • • La vigilancia del comportamiento del separador evitara que el gas arrastre petróleo hacia el tamiz molecular. incrementar el caudal de gas de regeneración o ambas cosas. Por lo tanto. 16 .Cuando se detecta que el gas tratado no llena los requisitos del proceso o del contrato de ventas. Tamices Moleculares – Aluminosilicatos manufacturados o naturales que exhiben un grado de selectividad basados en la estructura cristalina para la adsorción de los componenetes del gas natural. diseñadas para recuperar etano. y pueden ser usados simultáneamente en gases y líquidos dulces o secos. Los tamices moleculares dan menores puntos de rocío de salida. Los deshidratadores de tamices moleculares son comúnmente usados en las plantas de recuperación de líquidos. También son usualmente más costosos. SiO 2. el gel de sílice dará puntos de rocío de salida de -70º a -80º F. Puntos de roció de agua menores a -150º F se pueden lograr con diseños especiales y estrictos parámetros de operación. Se requiere menos calor para regenerar Alumina que para tamices moleculares. La tabla 1 que se muestra a continuación muestra las propiedades de los desecantes sólidos comerciales. Estas plantas son usualmente operadas a bajas temperaturas y requieren de gases bien secos para prevenir la formación de hidratos. Gel de Sílice es un nombre genérico para un gel manufacturado de acido sulfúrico y silicato de sodio. El equilibrio de la capacidad de agua es mucho menos dependiente de la temperatura de adsorción y la humedad relativa. y la temperatura de regeneración es menor. 17 . producen los mas bajos puntos de roció. Cuando se usan para recuperación de líquidos las unidades son llamadas Unidades de recuperación de Hidrocarburos o HRUs (Hydrocarbon Recovery Units). Cuando se usa para la deshidratación. Es usado para la deshidratación de gases y líquidos y recuperación de líquidos (iC5+) del gas natural. Es esencialmente puro dióxido de Silicio. Los tamices moleculares son una clase de aluminosilicatos y poseen las mas altas capacidades retención de agua. Es usado para la deshidratación de gases y líquidos y dará puntos de roció de salida en el rango de -100º F. Alúmina es una forma hidratada del oxido de aluminio (Al2O3). La deshidratación a -150º F de punto de roció es posible con los tamices moleculares. para tener una idea de la estructura del cristal . Tamices moleculares: Los tamices moleculares son desde el punto de vista químico. el cristal queda en el mismo estado químico que estaba antes de la adsorcion. en otras palabras cuando la molécula adsorbida es posteriormente liberada por la aplicación de calor. La desorcion de agua en los tamices es un proceso reversible siempre que no ocurra condensación de hidrocarburos pesados de punto de burbujeo muy elevado caso en el cual el lecho podría perder parcialmente su capacidad para deshidratar. Los tamices moleculares no solo adsorben moléculas basadas en tamaño y configuración.Tabla 1. sino también en polaridad y grado de saturación. La superficie externa de los cristales esta disponible para la adsorcion de moléculas de todos los tamaños . silicatos de aluminio y están disponibles en el mercado tanto en forma de pastillas como en forma de polvo. Están diseñadas para retener adsorbatos por fuerzas físicas más que por químicas. basta decir que el área externa es solo 1% del área total . mientras que la superficie interna es alcanzable solo por aquellas moléculas cuyo tamaño sea suficientemente pequeño como para pasar por los poros . Propiedades de los desecantes típicos 5. 18 . En una mezcla de moléculas capaces de pasar a través de los poros. Estos cationes actúan como puntos de fuerte carga positiva que atraen electrostaticamente los extremos negativos de las moléculas polares. a mayor momento bipolar de una película. la más polar o la más insaturada será mas fuertemente adsorbida que las demás. La fuerza de adsorcion de los tamices moleculares se debe principalmente a los cationes que forman parte del retículo cristalino. C1 o N2 son asimétricas. mas fuertemente será adsorbida. S. ocurriendo una adsorcion posterior . en consecuencia un tamiz molecular adsorberá el CO antes que el argon como veremos en el siguiente ejemplo También puede ocurrir que esos puntos de fuerte carga positiva induzcan dipolos en otras moléculas . Cualquier incremento adicional en la concentración a temperatura constante no ocasiona aumento en el monto adsorbido ese equilibrio normalmente indica que se han llenado completamente los espacios vacíos del cristal. la menos volátil. En los tamices moleculares la cantidad del compuesto adsorbido aumenta rápidamente a un valor de saturación medida que se incrementa la concentración de dicho compuesto en la fase externa al tamiz. 19 . no obstante dentro del mismo recipiente se acostumbra a colocar camadas para retener el mercurio o el sulfato de hidrogeno. mientras mas insaturadas es una molécula mas polarizable es y por lo tanto mas fácil será adsorbida . Por esta propiedades los tamices son utilizados para eliminar contaminantes indeseables en determinadas sustancias el proceso en el cual se emplean con mayor frecuencia es en la deshidratación del gas natural. ejemplo de tales moléculas son aquellas que contienen átomos de O2. así un tamiz molecular adsorberá etileno . una molécula insaturada de un hidrocarburo saturado. glicoles y metanol. Diagrama de flujo para una planta de deshidratación de lecho sólido de 2 torres 20 . ESQUEMA DEL PROCESO DE FLUJO El esquema general de proceso de flujo para lecho sólido de tratamiento de gas se muestra en la fig. Fig. Por lo tanto. y para un mayor tiempo de vida del desecante. Para una operación continua se usan dos lechos en paralelo. 5. La mayoría de los adsorventes tienden a adsorver hidrocarburos pesados. el flujo de gas de entrada es limpiado completamente para remover todos los líquidos y sólidos. Estos componentes son difíciles de remover durante la regeneración. para un desempeño eficiente del desecante. resultando en contaminación y una reducción de la capacidad desecante.6. El proceso de adsorción es cíclico. 5. El flujo de gas limpio fluye hacia abajo durante la deshidratación a través de un adsorvedor que contiene un lecho deshidratante. De esta manera el lecho actúa como una especie de intercambiador de calor regenerativo. El lecho del desecante puede ser rearreglado. Subsecuentemente. mientras que el otro adsorvedor esta siendo regenerado por un flujo de gas del calentador de gas de regeneración. que es mayor que la temperatura final de regeneración del lecho por alrededor de 50-100 ºF. formando agua y CO2 que son adsorbidos y que provocan en algunos casos. Este gas de enfriamiento es usualmente circulado hacia abajo a través del lecho. para alargar la vida de desecante. Por otra parte el gas de regeneración. El ciclo de regeneración consiste de dos partes: el calentamiento y el enfriamiento. El gas de regeneración caliente y el gas de enfriamiento. es enfriado mediante la circulación de gas regenerado. Algunas veces. El flujo de gas es hacia abajo durante la deshidratación para disminuir los disturbios en el lecho debido a la alta velocidad del gas. después de fluir a través del lecho. y después es mandado al lecho de regeneración. inclusive en pocas cantidades. insuficiente deshidratación del 21 . para minimizar el gasto de reemplazo del desecante. es mandado hacia arriba a través del adsorvedor para asegurar una total regeneración desde el fondo del lecho. La mayoría de la contaminación ocurre en el tope de la torre. y mandando el gas de regeneración hacia arriba. Primero el gas de regeneración es calentado a una temperatura de 400-600 ºF. El oxigeno. o apagando el calentador de gas de regeneración. puede reaccionar con los hidrocarburos durante el ciclo de regeneración. el lecho caliente regenerado. son enviados al enfriador de gas de regeneración para remover el agua adsorbida. o la dirección de flujo del gas revertida. para que solamente el tope del lecho adsorba agua del gas. que es la ultima parte que hace contacto con e gas que es deshidratado. y por lo tanto permite altos caudales de flujo. estos contaminantes pueden ser removidos sin hacerlos pasar por todo el lecho. solo el tope de la torre es recargado con desecantes. 4). 22 . C y D en el ciclo de regeneración. 6. Fig.4. tiempo para una planta de desecantes secos se muestra en la figura 5. y la temperatura ambiente del gas para un ciclo de regeneración típico de 8 horas. respectivamente como se muestra en la figura. Tb. Si se sospecha la existencia de oxigeno en el flujo de entrada del gas. 7. A los 240 ºF (T2) el agua comienza a vaporizarse. se requerirán modificaciones especiales de diseño. Existen 4 intervalos A. B. EL CICLO DE REGENERACION Una grafica típica de temperatura vs. con temperaturas promedio de Ta. Una grafica típica de temperatura vs.gas. Inicialmente el gas de regeneración calienta la torre y el desecante (De T1 a T2 en la figura 5. tiempo para la regeneración del gas y lecho de sólidos para un deshidratador con sólidos desecantes Nos referiremos a la curva de salida del gas de regeneración como curva 2 en la figura 6. Tc y Td. Muestra la relación entre la temperatura de regeneración del gas en la entrada y en la salida de flujo. El lecho comienza a calentarse a un ritmo mas lento (la pendiente disminuye). . todos los componentes entrantes han sido removidos del gas. En la cama de un disecante seco. donde toda el agua en le desecante ha sido evaporada. Luego de un corto tiempo de comenzado el proceso. seguidos de los hidrocarburos más pesados. 8. y finalmente por agua que constituye la última zona. 1984) La figura 5-41a ilustra el movimiento de un frente en la zona de adsorcion como función del tiempo. el lecho ha sido apropiadamente regenerado cuando la temperatura del gas de salida ha alcanzado los 350-375 ºF (punto T4).porque una considerable porción del vapor de entrada es usada en vaporizar el agua del desecante. porque si se enfría mas puede causar que el agua se condense del flujo de gas húmedo y se adsorba en el lecho. delante de la zona la concentración del componente es cero (amenos que exista el residuo de una concentración adsorbida de un ciclo). La temperatura promedio de evaporación del agua. La secuencia de adsorcion: C1 y C2 son adsorbidos casi instantáneamente. Aunque la figura 6 es para un ciclo de 8 hrs. Tb. La distancia entre el frente de la zona de adsorcion sucesiva es un indicativo de la longitud de la cama envuelta en la adsorcion de un componente dado. van apareciendo una serie de zonas de adsorcion. Análisis del proceso de adsorcion (después de Campbell. Casi todos los hidrocarburos son removidos después de 30-40 minutos y la deshidratación comienza. El agua desplaza a los hidrocarburos en la superficie adsorbente si se encuentra disponible el tiempo suficiente. El ciclo de enfriamiento es usualmente terminado a 125ºF (punto T5). es usualmente asumida en el diseño alrededor de los 250 ºF. Detrás de la zona. la longitud del ciclo es crítico. como se muestra en la figura 5-41b. Para un tiempo de ciclo de 4 horas o más. los componentes adsorbibles son adsorbidos a distintos ritmos. hasta que se alcanza el punto T3. el tiempo relativo de calentamiento y enfriamiento es de alrededor de 4 horas. El calentamiento continúa de T3 a T4 para remover cualquier hidrocarburo pesado o contaminante. El gas de regeneración tiene ahora un alto contenido de agua (mas hidrocarburos y contaminantes). Ciclos de longitudes cortas 23 . Esto termina con el ciclo de calentamiento y el lecho de enfriamiento comienza. Entonces. las curvas 2 y 3 son para un caso real donde la zona frontal de adsorcion se propaga por la longitud de una cama. 24 . es mejor la separación obtenida.se están volviendo cada vez más populares. La ordenada C/Co es el proporción. C/Co aumenta hasta el tiempo te. C/Co es igual a cero hasta que la zona frontal alcanza el desagüe de la cama (breakthrough) a un tiempo tb. Subsecuentemente. C/Co se vuelve mayor a 1. La curva 1. Esta forma de C/Co versus la curva t esta relacionado a la eficiencia de separación. de la fracción molar de un componente dado en el gas que sale a su fracción molar en el gas que entra. Note que mientras más se propaga más difícil será delinear el gas seco del gas parcialmente húmedo cuando el breakthrough del agua ocurra. para limitar las altas presiones que pueden resultar. después de que ya no pueda ocurrir una adsorcion primaria. mientras más pequeño el disecante.0 por un corto periodo de tiempo cuando un componente es remplazado por otro. La figura 5-41c muestra la curva del breakthrough. FIGURA 5.41: Representación esquemática del proceso de adsorcion. El tamaño del disecante tiene un efecto pronunciado en la propagación (o longitud) de la zona de adsorcion. a cualquier tiempo. El disecante de menor tamaño posible debe ser usado. ya que estos pueden controlar simultáneamente el punto de rocío del agua y del hidrocarburo a un costo mínimo. una línea recta vertical. En la práctica. Como se muestra en la figura 5-41d. representa un caso ideal donde el movimiento de la zona frontal de adsorcion es esencialmente como la de un pistón. tema del curso. Entonces. Rata de flujo de gas disponible 3. Punto de rocío requerido del flujo de agua de salida. Equipo de regeneración y enfriamiento 3. y otros varían para rendir un plan óptimo. En el diseño de estos componentes.9. Torres adsorbentes 2. Tiempo del ciclo y capacidad 25 . Los requisitos de la regeneración 7. 5. las variables del proceso que deben ser consideradas son: 1. Capacidad del disecante. La cantidad total de agua que debe ser quitado 6. 4. algunos son fijos para cualquier cálculo. La gota de presión aceptable No todas estas variables son independientes. Diseño de variables para el proceso de adsorcion Los tres componentes basicos de una planta de adsorcion son: 1. Tuberías y equipos principalmente en función a la caída de presión disponible y al esquema de flujo deseado.capacidad de diseño como capacidad útil o efectiva. Ciclo tiempo/longitud 2. Una reducción más dramática en la capacidad del desecante ocurre cuando se bloquean el capilar pequeño o aperturas de la celosía que contienen la mayoría del área de la superficie eficaz para la adsorción. La Capacidad de Desecante Todos los desecantes se degradan en el servicio. para una unidad del ciclo rápido. Algunas propiedades de desecante común son (Campbell. un desecante exhibe la degradación normal rápida en las fases iniciales que entonces se ponen más graduales. El tiempo del ciclo.2. Este último proceso. aminas. se causa por el materiales tales como los aceites pesados. 9. a tiempos mayores de 8 horas. desde que el agua generalmente salada en el gas de la entrada se evaporará y lo llenará con sal. Durante su vida útil.del desecante son las variables más importantes diseñando una planta de adsorción 9. glicoles e inhibidores de corrosión que no pueden quitarse por la regeneración.1. Tiempo del ciclo Varía en menos de 1 Hr. La degradación es determinada como normal si hay sólo una pérdida de área de la superficie. su vida útil está en el rango de 1. 1984b) material Densidad Lbm/ft^3 Alumina Alumina gel Silica gel Tamices 50-55 52-55 45 43-45 Área de la superficie m^2/gm 210 350 750-830 650-800 26 Capacidad del plan Lb H20/100lb 4-7 7-9 7-9 9-12 . el tiempo del ciclo tiene que ser bastante tiempo. También. Ninguna agua líquida debe permitirse en el gas de la entrada. bastante para permitir la regeneración y refrescado de las torres que no deshidratan actualmente.4 años. es limitado por la capacidad del desecante para no exceder las especificaciones de toma de corriente de gas. denominada la degradación anormal. La capacidad útil del desecante generalmente es menor que la capacidad dinámica. asumiendo una adsorción del monolayer. es proporcional a la densidad del desecante. y el área disponible para la adsorción La capacidad dinámica del desecante esta en función de la capacidad relativa del agua. la capacidad del desecante potencial.moleculares La capacidad del plan debe realizar con el objetivo de obtener una economica vida del desecante. 27 . esta capacidad útil se la puede calcular de la siguiente manera: Donde: X = es la capacidad útil del desecante y esta en lb de agua / 100 lb de desecante Xs = es al capacidad dinámica del desecante y esta en lb de h2o/100 lb Desc. La temperatura corregida es requerida par trabajar con geles y la alúmina pero no para trabajar con tamices moleculares. C* = es una constante empírica en función de la extensión de la zona A continuación podemos ver las graficas de los parámetros que hemos mencionado con anterioridad. El valor de C* para el factor de corrección de temperatura fue designado luego de varias pruebas y ha tenido variaciones en el rango de 0.1416D^2 /4) = 1499. el ft/hr. proporción de flujo de gas aceptable y gota de presión. generalmente el valor de 0. Un término a menudo-usado en el contexto de plan de adsorber la torre es la velocidad del gas basada en el diámetro de la cama.45 para C* es usado en la designación de resultados. Es determinado convirtiendo la proporción de gas a las condiciones normales.52 para un amplio rango de aplicación. la carga de agua (la rata de remoción de agua del gas).3.73q ZT/(pD^2) Donde: Vg: la velocidad de gas superficial. 1984b) El diseño de la torre de adsorción esta determinada por la capacidad del desecante. 28 . tiempo del descubrimiento. la longitud de la zona.7/520)/(3. Diseño del lecho adsorvente (Después de Campbell. q. conocido como la velocidad de gas superficial. Se discuten relaciones para éstos en la sucesión que ellos son calculados.: Vg:(10^6 q/24)(ZT/p)(14.40 – 0. 9. a las condiciones que opera. 600 [ donde el pg Cp g p d d p g ] : la densidad del gas a las condiciones que opera. el lbm/ft^3. w. el producto de su velocidad Vg y densidad: w: 139. MMscfd. ft^2 del lbm/(hr) Mg: el peso molecular del gas Para el flujo máximo descendente del gas . g: la aceleración debido a la gravedad (=32. La Proporción aceptable de Flujo de Gas Esto generalmente se expresa por lo que se refiere a la velocidad de flujo de masa del gas. flujo velocidad aceptable del gas . Z: el factor de compresibilidad del gas a la temperatura que opera T (ºR) y presión p (en psia) D: el diámetro de la cama del adsorber.2).q: la proporción de flujo de gas las condiciones normales. lbm / el ft^3 dp: diámetro medio de la partícula de desecante. se da por: w = 3. el pie.025-0.033 El factor de conversión de 3600 para el máximo caudal de flujo esta en ( lb*m/ec*ft2 ) .77qMg/D^2 donde: w: la velocidad de flujo de masa.4.5. Carga de agua: 29 . 9. p d : la densidad del desecante. Sustituyendo el factor de g = 32.2 ft/sec2 . este valor también podemos obtenerlo en ( lb*m/hr*ft2 ). ft. ft/sec ^2 C: la constante empírica en el rango de 0. tenemos : 9. Tiempo de penetración: El tiempo de penetración para la zona de agua formada en horas puede ser estimada con la siguiente formula: 30 . 9. saturación relativa de agua.6. Extensión De La Zona: La extensión de la zona depende de la composición del gas. Ahora para el caso que trabajemos con alumina y tamices moleculares la extensión de la zona será calculada utilizando la misma ecuación soplo que se multiplica a la respuesta un factor de 0.7. de la siguiente manera: Donde: hz = es la extensión de la zona y esta en pies Sr = es la saturación relativa de agua en el gas de entrada y esta en Porcentaje.8 si es alumina y un factor de 0. capacidad de carga de desecante. caudal del flujo.Sabemos que el caudal de agua removida requerida por unidad de area de lecho es conocida como carga de agua y puede ser calculada con la siguiente ecuación: Donde qw = a la carga de agua que se encuentra en lb de agua / hr*ft2 Wi = agua contenida en el gas entrante que se encuentra en lb de agua /MMscf 9.6 si son tamices moleculares. Ahora cuando hablamos de silica gel la extensión de la zona puede ser estimada utilizando la formula SIMPSON y CUMMINGS 1964. 7 de gravedad de gas a 1000 psia y 100 ºF .8. Ejemplo: Se designa un absorbedor para deshidratar 20 MMscfd de 0. lo que se desea es continuar con el agua útil hasta el final que generalmente es hasta que se termine el desecante.88 31 .220 lb*m/day Esta cantidad de agua removida por ciclo sera: 406.01 tiene la unidad de lb de agua /100 lb de desecante 9. asumir que trabajamos con 2 torres en nuestra planta con 8 horas cada ciclo y 15 pies de longitud de lecho de silica gel. además es menor que el lecho. significa que no se utiliza la totalidad del lecho.67 lbm/ciclo El factor de compresibilidad del gas: Z : 0. Mínima extensión del lecho: La cantidad de agua que puede ser removida cada ciclo por el desecante puede ser calculada por la siguiente formula: La mínima extensión del lecho de desecante es el resultado de la siguiente formula: Esta mínima extensión es también definida como la distancia que existe entre el ingreso y el frente de la zona de agua. • • • • Calculamos el contenido de agua del gas entrante con la grafica anterior 61 MMscfd Asumimos que toda el agua es removida a un caudal de remoción de 1.Donde: el factor de 0. DISEÑO DE UN SISTEMA DE DESHIDRATACIÓN CON DESECANTES SECOS 32 . 10.800 pie/hr También calculamos la carga de agua y la extensión de la zona Ese valor lo redondeamos a 15 por el factor de la grafica explicada con anterioridad y concluimos con el cálculo. El resultado que tengamos supera las 8 horas nos dirá que se producirá gas seco. es por eso que se toman muy en cuenta los factores para la degradación del desecante.• Asumimos una velocidad del gas de 1. ) Problemas de operación Tipo del desecante. Tipo de desecante y cantidad requerida La escogencia del desecante es una funcion del descenso de punto de rocio requerido en el gas que se deshidrata. Alumina Silicato aluminio-alcali NOMBRE COMERCIAL Florite.1. entre otros. Algunas variedades son: Tabla No. molibilbeads Sorbeads. La actividad previa a estos cálculos es determinar los parámetros fundamentales asociados a la instalación y a los contratos de venta. ( el cual es una funcion de las otras variables y del costo).2. calculo del sistema de regeneración y suministro de calor 4. H-151 “Molecular sieves” o tamices molecular 10.etc Alumina activada Silica gel. cantidad requerida del desecante 2.. 10. determinación de la secuencia apropiada en el diseño. 1-2 Diferentes tipos de desecantes TIPO Bauxita Bauxita purificada Silica-gel. electricidad. entre ellos • • • • Descenso requerido del punto de rocío Servicio disponibles ( agua. tamaño de los intercambiadores de calor 5. Porocel. Volumen de desecantes en una camada 33 . etc. tambien pesa algo la preferencia individual de diseñador. vida util y costo. Dri-o-cel. determinación del diámetro y longitud del lecho 3.El diseño básico de un sistema de deshidratación con desecantes secos involucra los siguientes cálculos: 1. se puede calcular con la siguiente formula: md md Q .ρ D CD . ( dato el fabricante) Qg = flujo de gas a deshidratar ( MM pcdn) PR1 Y PR2 = cantidad de agua en el gas antes y después de la deshidratación ( lbs H2O/MM pcnd) 10. Qg ( MMpcdn) Area. Diámetro y longitud del adsorbedor Muchos diseñadores establecen una relacion practica de L/D = 4 o L= 4 D.D 2 Vd = .El volumen de material deshidratante que requiere una camada. ( pie 2 ) 34 .asi π .transversal .D 3 4 D=3 Vd π En este punto es conveniente verificar la velocidad que el gas tendra en el lecho y el seudo tiempo de contacto.2.ρ D Vd = Donde: VD = Volumen del desecante md = masa requerida del desacante ρ d = densidad del desecante ( dato del fabricante) ma = masa de agua que se debe retirar del gas Cd = capacidad del desecante en lbs H20/ lb de desecantes.F .. Los diseñadores estipulan que la velocidad del gas debe estar entre 30 a 45 pies/ min.L = π . para evitar altas caidas de presion que compactarian el lecho.( PR1 − PR2 ) = = G ρ d CD . .Velocidad del gas = Donde F es el factor dias a minutos El seudo –tiempo de contacto ( Stc) puede ahora calcularse: Longitus ( pie) Velocidade.gas.. Calor necesario para calentar el agua hasta la temperatura de evaporacion Qa = ma xC p x∆T Donde: ma = masa del agua a resorber Cp = calor especifico del agua ( normalmente 1 BTU/lb..5.. La temperatura final del lecho dependera de la presion de los servicios existentes y del desecante que se utilce. 10. ( pie / min) Stc = Se requieren algunos segundos como minimo para permitir la adsorcion del agua en el desecante 10.6. Calor de desorcion del agua A falta de datos del fabricante puede suponer un 10% del calor de vaporizacion 10. °F) 35 .7.del. Regeneración El caudal de gas requerido para la regeneracion dependera de la cantidad de calor que se necesite para calentar el lecho y del calor especifico del gas que se use. Calor latente de vaporizacion del agua Qv = masa de agua a desriber x calor latente de vaporizacion del agua 10.4. 1(QV + Qa + Qd + Q f ) Las perdidas de calor suelen estimarse en 10% de Q por lo que la carga calorica total Qt = 1. tuberías . etc.11 BTU/lb °F) 10. añadiendo un 10% por tuberías conexas Cp = Calor especifico del acero normalmente ( 0. Qr = mr xC p x∆T Donde: mr = masa del recipiente que puede estimarse conociendo el tamaño ( L y D) y el espesor de pared [ espesor= f ( presion de trabajo)].3.1 x Q En este nivel se puede calcular la cantidad de gas requerida para la regeneración Qreg = m g xC P x∆T Donde: Qreg = Qt mg = ( ya calculado) masa del gas = ( flujo del gas) x ( tiempo de regeneracion) x (densidad) 36 .25 BTU/lb °F) ∆T = ( T final – T inicial) del hecho 10. Calor necesario para calentar el recipiente.∆T = ( Tfinal-Tinicial) del hecho 5.9.7.10. Calor necesario para calentar el desecante Qd = md xC p x∆T Donde: md = masa del desecante Cp = calor especifico del desecante ( normalmente 0. Perdidas de calor Si : Q = 1. Cp = Calor especifico del gas utilizado ( depende de la composición) y puede obtenerse utilizando la Fig No.1. ello puede variar.2. Intercambiadores de calor Otros calculos asociados con el diseño son el del calentador. a mayor temperatura de contacto. Temperatura de contacto La temperatura de contacto afecta considerablemente la capacidad de los tamices. 11. la cantidad de adsorbato que pueden retener. Estos calculos entraran en el capitulo de diseño de intercambiadores de calor. es decir. El rango usual de temperatura de deshidratación con un desecante sólido es entre 80 y 100°F aunque dependiendo del proceso. 11. para llevar el gas de regeneracion desde la temperatura de la tubería a la temperatura requerida en la entrada del lecho. 1-21 ∆T = T1 − T2 siendo T1 = temperatura del gas al entrar al lecho T2= temperatura del gas al salir del lecho 10. para llevar el gas de regeneracion hasta la condicion ambiental. menor es la cantidad de agua absorbible. CONSIDERACIONES BASICAS SOBRE EL DISEÑO DE UN DESHIDRATADOR CON TAMICES MOLECULARES Examinaremos primero algunas consideraciones generales que deben tomarse en cuenta al diseñar el lecho de tamices moleculares destinados a deshidratar gas natural. y del enfriador. 11.11. Presión de operación 37 . así como. Tiempo de contacto Es recomendable que el tiempo de contacto se ajuste a los requerimientos del tamiz para garantizar el descenso programado del punto de rocío.4. se podrían romper las partículas del tamiz hasta formar una masa compacta sin capacidad de adsorción. estos problemas pueden evitarse con un buen diseño mecánico. condensados. Los cambios bruscos de presión. hay que tomar en cuenta la caída de presión en el lecho que inducirán las altas velocidades pues. tales como. 38 . esto se logra con una velocidad apropiada en el fluido. 11. Por otro lado. a medida que se reduce el tamaño de la partícula. Para evitarlo deben utilizarse: filtros o lechos de Sílica Gel o Bauxita aguas arribas del adsorbedor. la velocidad excesiva del gas y los movimientos del lecho debido al calentamiento y enfriamiento pueden causar compactación del empaque desecante. no obstante el diseñador no debe olvidar que a mayor presión.La presión tiene efecto despreciable sobre la capacidad. antes del absorbedor. las presiones bajas aumentan el tamaño de los equipos mientras que altas presiones aumentan el espesor de los recipientes. desde este ángulo. Se suele utilizar una velocidad del gas de 30 a 45 pies/mm. pero también aumenta la caída de presión a través del lecho. para evitarlo debe utilízarse una trampa o separador a la entrada de la planta.3. El problema más usual y dañino para los lechos es la contaminación del tamiz con hidrocarburos pesados. Esto puede indicar que. Tamaño de las partículas del tamiz Para un mismo tipo de material. la cantidad de agua que puede transportar el gas que entra a la planta. menor será el volumen ocupado por el gas. Problemas operacionales Los baches o tapones de agua dañan en cierto grado los lechos de los tamices moleculares. se incrementa la superficie de adsorción y por lo tanto la capacidad. aceite de adsorción y/o aceites lubricantes. destilados. 11. 12. 13. a menudo se utilizan sólidos cuya capacidad de adsorción es fundamental cuando se trabaja con un gas a alta presión.1. 13. Capacidad de adsorción de diferentes desecantes sólidos.7 lpca y .12.0 lpc 90°F 10°F 5% W (sílica o alúmina) 8 hrs Gas natural Gas natural Vertical 30 pies/mm. Procedimientos de Cálculo Con el fin de presentar el diseño de un sistema de adsorción se desglosarán los diferentes aspectos que se consideran parámetros básicos para el diseño.70 39 10 MM pcdn en el cálculo a 14. Capacidad de adsorción de algunos tipos de desecantes Para propósitos de diseño. 95°F 0.1. Tabla No. 1-3. del gas a la entrada: • Gravedad especifica del gas: 1000. Parámetros básicos para el diseño • Tasa del flujo del gas: 60°F • Presión a la entrada: • Punto de rocio a la entrada: • Punto de rocio a la salida: • Capacidad de adsorción: • Duración del ciclo: • Regeneración: • Enfriamiento: • Tipo de Torre: • Velocidad permisible: • Temp. Este procedimiento se apoya en la experiencia y normalmente se calcula para el área transversal de la torre vacía. cada torre debe tener: Si el deshidratante tiene una densidad bruta de aproximadamente 50 lbs/pie3.9 lbs/MM pcn. el volumen requerido (V1) seria: 13. Tamaño del recipiente Algunos operadores limitan la velocidad del gas dentro de la torre a 30 45 pieslmin.2. utilizando las leyes de los gases y la velocidad real. Tasa de flujo del gas Área de la sección: 40 . con el fin de disminuir las pérdidas de presión en la torre y la rotura del sólido. lo cual totaliza: En un cido de ocho horas. El resultado es una cifra de quasi velocidad.3. el deshidratante debe retener: Con un 5% por peso. Volumen requerido de desecante El contenido de agua del gas en la entrada a la planta es de 46 lbs/MM pcn y en la salida: 2..13. se obtienen mejores 41 . permite estimar un determinado seudo tiempo de contacto del gas con el deshidratante: Se requieren. La nueva área transversal seda de: La longitud de la camada seria: EL tamaño del recipiente dependerá del diseño mecánico. La mayoría de estos diseños dan un servicio satisfactorio. La escogencia de la altura. la escogencia normalmente depende de la preferencia individual y/o del precio. Tratando de darle un margen de seguridad al diseño. hemos preferido escoger el recipiente comercial ligeramente mayor de 30”. ellas difieren con el fabricante. con el fin de permitir la tasa de adsorción del agua en el desecante. que utilice el fabricante. Hay procedimientos más rigurosos. Las torres pueden ser horizontales o verticales. a su vez. aunque rio por ello. de varios segundos como tiempo de contacto. se puede escoger un recipiente de 24” de diámetro interno. para evitar la canalización Pocas veces estos requerimientos pueden causar el uso de una cantidad mayor del desecante que el que se obtenga mediante los cálculos realizados a partir del contenido de agua del gas. normalmente los cabezales se consiguen solo en incrementos de 6°.Debido a que. En cualquier caso se recomienda que la carnada tenga por lo menos de 2 a 3 pies de espesor. por lo tanto es de esperarse que el diseño interno también sea diferente. por lo menos. 3. Gas para la regeneración La cantidad de gas requerido para la regeneración. pero las referencias indicadas son fáciles de usar y dan resultados satisfactorios. Calor sensible para calentar el desecante. Calor de desorción del agua. de los servicios existentes y en algún grado. Hay muchas formas de calcular el calor específico y/o los cambios de entalpia del gas. aproximadamente. se puede subdividir como sigue: 1. el gas sale del calentador. La temperatura de descarga es del orden de 325 a 350°F. 1-4. para comenzar el proceso de regeneración a 400°F. Calor sensible para calentar el agua hasta la temperatura de evaporación 4. Cuando no se dispone de los gráficos se puede suponer un valor de CP= 064 42 . lo cual por lo general es satisfactorio. 2. 6. Los siguientes valores de calor sensible suelen dar buenos resultados. 13. Los puntos 1 y 2 se pueden combinar agregándole un 10% al calor latente de vaporización del agua.4. sin embargo. ya que no se dispone de datos sobre la desorción. La temperatura final de la carnada que se regenere dependerá de la presión. Pérdidas del calor. los diagramas entalpia son excelentes. Calor especifico de algunos materiales. Tabla No. Calor sensible para calentar la carcasa. Cuando se dispone de ellos. Calor latente de vaporización del agua. La carga calorífica total. 5. obviamente dependerá del calor necesario para calentar la carnada y del calor específico del gas que se use.resultados. del desecante que se utilice. no obstante.0 pc.°F como calor especifico del gas. La Fig. 43 . por lo menos. No. 1-21. Algunos fabricantes resuelven este problema cambiando la carga calorífica empíricamente La experiencia de campo indica que. esto no es exacto porque la carga calorifica varia en cada hora.BTU/lb. es necesario suministrar suficiente gas para la regeneración y diseñar el calentador para que pueda suministrar la carga máxima durante cualquier período. permite calcular el calor específico de los hidrocarburos en estado gaseoso y la Fig. las dos terceras partes del agua se evapora durante la hora siguiente después del momento en que la carnada llega a 250°F. A presiones por debajo de 1000. 1-22 en estado liquido. Un método de cálculo lo seria determinar la carga calorífica total y luego dividir por la duración del ciclo para estimar la carga horaria. No. Por lo tanto. 44 . El peso estimado del recipiente es = Calor específico del gas (y 0. en una hora: Carga calorifica total 45 . 0. Calor de adsorción: Calor sensible para calentar el agua. F = 072) = Usando acero ASTMA212.13. Grado B a 212°F.70. T = 325°F) = Temperatura al comienzo del periodo = Temperatura al final del periodo = Temperatura promedio = Libras de agua absorbida en un periodo de 8 horas = Calor latente del agua a 1000.0.0 lpcm = 0.0. P = 100.1. se puede calcular a partir de los siguientes datos: Espesor de la pared de la torre (P = 1000. = 30”.64 250°F 275°F 263°F 144 lbs. Cálculo de la carga calorífica La carga calorífica total requerida para la regeneración. S = 22500. despreciando la carga calorifica por los hidrocarburos absorbidos por el desecante. 5500. 650 BTU/lb. en una hora: Calentamiento del recipiente.0 lbs.5. se puede hacer el siguiente balance. en una hora: Calor requerido para calentar la carnada.925” Por lo tanto. 0. el gas requerido para la regeneración. se puede determinar sabiendo que entra a T = 400°F y sale a una T = 263°F. ED = 0.83% del total tratado (10 MM pcdn). se tiene que: 153.000. desde la temperatura de la línea a la temperatura de entrada para efectos de regeneración. El calentador debe llevar gas.Al agregarle un 10% por las pérdidas de calor en el recipiente La cantidad de gas requerido para este periodo de una hora.64)*(400 . hasta 400°F: donde: EC = 0. Siendo X. Normalmente este porcentaje varía entre 6 y el 16%.70 Es la eficiencia de un calentador bien construido. por lo tanto se necesita calcular la carga calorífica en 46 .25 Es el factor de segundad en el diseño que pudiera afectar la carga calorífica. la cantidad de gas que se necesita para regenerar la carnada. La experiencia demuestra que esta forma es segura y barata. representa el 7. Al dejar la torre.0 = X*(0.263) lo cual representa: Por lo tanto. el gas húmedo y caliente debe ser enfriado para condensar y separar el agua recogida. aproximadamente. por lo tanto se puede escribir el siguiente balance. ya que la variación de entalpía es una diferencial termodinámicamente completa. es satisfactorio utilizar solamente las condiciones iniciales. suponiendo que T1 es la temperatura final de la corriente principal. usando una temperatura del gas de entrada de 340°F. lo cual lo convierte en un trabajo económico. con un T aproximado de 15°F y con el gas de la línea a 95°F. Se necesitaría de una serie de cálculos sucesivos antes de que se logre dicho equilibrio. A pesar de que no ocurre así. aumenta ligeramente la temperatura de la línea lo cual. El gas de regeneración dejarla el intercambiador a 110 °F. Para propósitos del balance es más fácil suponer que el vapor de agua se calienta a la temperatura a la cual el gas deja la torre. No obstante. ya que el efecto de este cambio cíclico sobre la porción de calor latente en el balance. Esta cantidad de calor seria suministrada por la corriente principal. como consecuencia. este proceso alcanza el equilibrio. incrementa la temperatura en el intercambiador. A pesar de ello. El gas natural. Muchos contratos de venta limitan la temperatura de descarga de 110 a 120F. a menudo se utiliza la corriente de gas para este propósito. Lógicamente. a su vez. conducirá a respuestas correctas en los cálculos. que se agrega a la corriente principal a 95°F. manteniendo constante el calor latente. a 110°F. si la temperatura de salida es superior se deben considerar 47 .el intercambiador que se utiliza. es pequeño. En ausencia de servicios. el agua se adsorbe y el gas se deshidrata hasta 0. se recomienda el enfriamiento con agua. Si la temperatura del ambiente es muy alta. El propósito de estos lechos es retener cualquier sólido parafínico (“wax”) contenido en el gas. Del filtro. podría utilizarse un pre enfriamiento con aire y se utilizarla la comente principal para la última etapa. La experiencia nos indica que el uso de este método de cálculo conduce a la obtención de los elementos básicos de un deshidratador con suficiente exactitud. siempre que exista en cantidad suficiente. el gas pasa a través de los filtros de salida donde se retiene el polvo o 48 . fluye desde el expansor de alta presión al separador/filtro de entrada y a la planta deshidratadora. A medida que el gas fluye a través de los tamices. Operación de una planta de deshidratación por tamices moleculares A título de ejemplo. 1-20. Si se dispone de electricidad. en ausencia de agua. se recolectaría en dos botas para ser enviado a sistema de condensado. No. De existir liquido. el gas pasa a través de dos recipientes que contienen un lecho protector de das pies de sllica gel.1 ppmv. este separador retiene cualquier líquido libre que pudiera dañar los tamices que están aguas abajo.otros métodos de enfriamiento. El gas natural frío a 710 lpcm y 34F. Los cálculos de la superficie de los intercambiadores se trasladan al fabricante. El uso de la corriente principal como medio de enfriamiento tiene la desventaja que introduce una mayor calda de presión en el sistema. El diseño en detalle de los componentes individuales debe ser manejado por gente de experiencia debido a los factores prácticos que afectan el diseño. De allí. apoyándose en el diagrama presentado en la Fig. De los lechos de sílice gel el gas natural pasa a los deshidratadores de tamices moleculares (cuatro en total en el caso del ejemplo). ya que el coeficiente de transferencia varía con el diseño. 14. se describirá en forma somera el funcionamiento de una planta de adsorción. con gas a 600°F. Una mirada a los diagramas de las Figs. 49 .cualquier particula sólida que provenga de los deshidratadores evitando daños a los equipos rotativos (expansores y compresores centrifugos) que están instalados aguas abajo. • En las dos primeras horas ocurre la regeneración propiamente dicha. instalado en la salida de cada tamiz. • Se subenfria el lecho hasta 40°F cuando queda disponible por el resto de las 8 horas para entrar de nuevo en la etapa de deshidratación. es importante analizar qué cambios se deben hacer en la operación de deshidratación. por esta razón se utiliza un microprocesador (PLC). para controlar la secuencia de operación. fluyendo a través del lecho (de abajo hacia arriba): el gas obtiene su temperatura al pasar por el horno o calentador de gas de regeneración. con gas de proceso. puede dar una idea de la complejidad del sistema de válvulas. da una indicación continua del punto de rocio y asimismo se sabe cuando ocurre la saturación del lecho (‘breakthrough”). Durante ese ciclo ocurren los siguientes pasos: • Se despresuriza el lecho durante 15 minutos hasta unas cuantas lpcm. que dura 8 horas. Optimización de la operación Sucede con frecuencia que las condiciones de operación de una planta o del gas procesado varían a lo largo de su vida útil: cuando esto ocurre. tres están deshidratando gas en cualquier momento mientras el cuarto está en regeneración. 15. Cada lecho está trabajando durante 24 horas y luego es sacado fuera de servicio para su ciclo de regeneración. • El lecho es enfriado durante 1 3/4 horas con gas a 120F periodo durante el cual el horno de regeneración es apagado. 1-23 a la 1-25. Un analizador de humedad del gas de línea. a fin de mantener la eficiencia. • Se presuriza la carnada durante 20 minutos. Los cuatro lechos de tamiz molecular se regeneran periódicamente. Nos. : 2 horas • Tiempo de espera: 7 horas • Tiempo de adsorción obtenido en la prueba de saturación: 18 horas • Tiempo de regeneración obtenido en la prueba de saturación: 4 horas Las viejas condiciones implicaban 3 regeneraciones en un periodo de tres días (1 regeneración por dia). o se sospeche que tiene una parte ociosa. Los resultados de esta prueba hipotética indican que el 50 . se debe parar inmediatamente y proceder con el paso de regeneración. Prueba de saturación (“breakthrough test’) Cuando exista incertidumbre sobre la capacidad de un lecho. se puede realizar una prueba de saturación a fin de ajustar el tiempo de adsorción.1. pues ello indica que el lecho se ha saturado completamente y el gas húmedo comienza a pasar hacia el proceso. Lapsos del proceso de regeneración • Tiempo normal de adsorción: 12 horas • Tiempo normal del ciclo de regeneración: 3 horas • Tiempo despresurización. represurización. se mantiene el lecho en el lazo de adsorción (pasando a manual el control automático) y verificando de cerca el punto de rocío indicado por el analizador de humedad instalado en la salida del lecho. 15. dándole tiempo al operador a proceder a los cambios sin someter a riesgo el sistema. eso le permitirá introducir los cambios adecuados o bien corroborar la buena operación del sistema. cuando se observe un incremento rápido en el punto de rocio.Otras veces cuando el ingeniero llega a una planta que tiene mucho tiempo en operación. observa que las condiciones originales de diseño son diferentes a las condiciones actuales. etc. Por lo general. el indicador de saturación esta colocado en el lecho de tal manera que todavia permita unos cuantos minutos antes de que se sature totalmente. Tomando las precauciones necesarias para no causar un paro de planta. lecho puede trabajar con dos limpiezas cada tres dias. puede trabajar con un lapso mucho mayor al especificado en el diseño. Por lo general. al poner en funcionamiento el tamiz. 51 . reduciéndose el gasto de gas combustible y aumentándose la vida del tamiz por la reducción de ciclos de regeneración en el tiempo. 52 . BIBLIOGRAFÍA Deshidratación del Gas Natural – Marcias Martinez o Informacion extraida de las páginas 40 a 58 Gas Production Engineering – Sanjay Kumar o Informacion traducida de las paginas 235 a 250 Gas Processors Suppliers Association Handbook o Informacion extraida de: Section 20.16. Dehydration 53 .
Report "Deshidratacion Del Gas Natural Por Adsorcion"