7.3 deshidratación con lechos sÓlidosl

Deshidratacin con Lechos Slidos 7.3. 1HT

DESHIDRATACION CON LECHOS SOLIDOS

Curso de Procesos


Deshidratacin Con Lechos SlidosTeora Trabaja con el principio de ADSORCION.

La adsorcin es un fenmeno en el cual una sustancia (Adsorbado) es condensada y sostenida en estado lquido en la superficie de un adsorbente.

La adsorcin es una forma de adhesin entre el vapor de agua del gas y la superficie del slido desecante.

El adsorbente posee una afinidad o atraccin por el componente especfico debido a las fuerzas de Van der Waals o atraccin capilar.


Deshidratacin Con Lechos SlidosTeora (continuacin) El adsorbente o desecante es un slido con un rea

superficial muy grande por unidad de peso, debido a multitud de poros microscpicos y aperturas capilares.

Un desecante tpico puede tener hasta 4 millones de ft de rea superficial/lb.

El agua permanece en el adsorbente hasta que sea regenerado.


Deshidratacin Con Lechos SlidosVentajas del Proceso Produce puntos de roco muy bajos, por lo que se usan en

plantas criognicas. El gas no arrastra lquidos, por lo que los ductos

mantienen una alta eficiencia. Es adaptable para grandes cambio en flujos. Puede manejar temperaturas de contacto altas. Menores emisiones de C1, VOC, HAP a la atmsfera Es un dispositivo sencillo; no tiene partes mviles y no

necesita un suministro de energa externo, por lo tanto, es ideal para las zonas remotas.

Funcionan mejor con flujos de Gas 5 MMCFD, y a Tbajas y P altas.


Deshidratacin Con Lechos SlidosDesventajas del Proceso El costo inicial es ms alto que un sistema con glicol.

La cada de presin global es de 15 50 psi (sistema con glicol: 5 psi)

Los desecantes son sensibles al envenenamiento con lquidos u otras impurezas

Si la temperatura de entrada del gas es demasiado alta, los desecantes forman hidratos que se precipitan de la solucin y causan problemas de drenado de agua y apelmazamiento. Aunque es posible enfriar o comprimir el gas producido para poder usar los deshidratadores desecantes, estas medidas aumentan la complejidad del sistema y por lo general son muy costosos.


Deshidratacin Con Lechos Slidos

Tabla 1: Condiciones ptimas de operacin para las tecnologas de deshidratacin

Glicol/desecante2Glicol Alta temperatura (>70F)

Desecante Desecante/glicol1 Baja temperatura (100 psig)Presin baja (


Deshidratacin Con Lechos Slidos Descripcin del Proceso

Grfico 1: Esquema de un deshidratador de lecho slido



Consideraciones Generales

Se instalan al menos 2 torres de lechos desecantes para tener operacin cclica de secado de gas.

Hay 3 ciclos de operacin alternados para cada lecho: Adsorcin o secado de gas Calentamiento o regeneracin Enfriamiento.



Componentes principales del Proceso Separador de gas de entrada. 2 o ms torres de adsorcin llenados con

desecante slido. Un calentador de alta temperatura para

calentar el gas de regeneracin usado en para reactivar el desecante.

Un enfriador del gas de regeneracin para condensar el agua del gas de regeneracin caliente.

Un separador del gas de regeneracin para remover el agua condensada.

Vlvulas de cambio y controles.



Ciclo de secado o adsorcin El gas hmedo entra al separador donde los lquidos

libres y partculas slidas son removidas (lquidos libres pueden daar o destruir el desecante).

El gas pasa a la torre, a travs de vlvulas de distribucin on-off, en flujo descendente, donde se adsorben las molculas de agua.

La tasa de adsorcin depender de la naturaleza qumica del desecante, el tamao de sus molculas y el tamao de los poros.

Los hidrocarburos lquidos tambin sern adsorbidos y llenarn los espacios de los poros que deberan estar disponibles para las molculas de agua.

La adsorcin se da hasta que el contenido de agua en el gas est en equilibrio con el contenido de agua en el adsorbente.



Ciclo de secado o adsorcin (continuacin) Para cada componente del gas de entrada, habr una

seccin de altura o longitud de lecho, desde el tope hasta abajo, donde el desecante es saturado con ese componente y donde el desecante inferior empieza a adsorber ese componente.

Esta altura de lecho se llama Zona de Transferencia de Masa.

Conforme el gas continua entrando, esta capa crece y la zona de transferencia se mueve hacia abajo, hasta que finalmente todo el lecho est saturado y el gas de salida es igual de hmedo que el gas de entrada.

Antes que esto suceda debe cambiarse de torres y pasarse al ciclo de regeneracin.



Grfico 2 - Ciclo de secado o adsorcin Zonas de Saturacin Adsorbente

El fenmeno de adsorbente saturado, zona de transferencia y zona de mnima concentracin se observa en este grfico.

El lecho permanece en servicio hasta que la zona de transferencia alcance el fondo, lo que se llama RUPTURA.

La prctica normal dicta que el ciclo de adsorcin termine antes de la ruptura.



Ciclo de regeneracin o reactivacin o calentamiento Al menos una vez en el tiempo una de las torres estar

adsorbiendo mientras que la otra estar siendo calentada o enfriada para regenerar el desecante.

En este ciclo 3 10% del flujo de gas hmedo, proveniente del separador, bajo control de flujo es calentado a 450 -600F en el calentador de alta temperatura.

El gas de regeneracin que entra al calentador es saturado o casi saturado. Cuando sale del calentador a 500 -600F, es muy insaturado con agua.

El gas caliente insaturado entra por la parte baja de la torre y contacta con el desecante o adsorbente saturado y calienta el adsorbente, el agua del adsorbente y el recipiente.



Ciclo de regeneracin o reactivacin o calentamiento (continuacin)

Conforme la temperatura dentro de la torre se incrementa, el agua capturada dentro de los poros del desecante se vaporiza y es absorbida por el gas de regeneracin.

El proceso de regeneracin o desorcin es ayudado debido a que la capacidad de adsorcin de la mayora de adsorbentes decrece a elevadas temperaturas.

El gas sale por el tope de la torre y enfriado en el enfriador de gas de regeneracin hasta una temperatura cercana a la temperatura de entrada del gas hmedo y por tanto el agua es condensada.

El fluido bifsico va al separador de gas de regeneracin para separar el agua y el gas de regeneracin saturado es reciclado para ser deshidratado.


Deshidratacin Con Lechos Slidos Descripcin del ProcesoCiclo de enfriamiento Una vez que el lecho de una torre se ha secado, debe ser

enfriado para ponerla de nuevo en el ciclo de adsorcin. El gas usado como enfriamiento puede ser el gas hmedo

o el gas que ya ha sido deshidratado. Si se usa gas hmedo debe ser deshidratado luego de

enfriar la torre. Una torre caliente no deshidratar el gas

suficientemente. Temperatura operativa de la torre = 100F 120F. El cambio de lechos o torres es controlado por un

controlador de tiempos o ciclos estos cambios en tiempos especificados.



Generales La duracin de cada ciclo depender del diseo que se

tenga. Ciclo con tiempos ms largos requerirn lechos ms

grandes, sern ms caros pero se incrementar la vida til del lecho.

Un diseo de 2 lechos, puede tener un ciclo de 8 para la adsorcin, 6 horas de calentamiento o regeneracin y 2 horas de enfriamiento.

El aislamiento interno de torres elimina la necesidad de calentar y enfriar la torre y a reducir tiempos, cantidad de gas y costos.


Deshidratacin Con Lechos Slidos Consideraciones de Diseo

Torre de Adsorcin La funcin de la torre es contener el adsorbente. Principales elementos: soporte de lecho, distribuidor de la

corriente de proceso, adsorbente y conexiones para remocin. El soporte de lecho sostiene el material del lecho en el

recipiente y previene la prdida de material. Un soporte debe tener la suficiente resistencia: Carga Muerta

(peso del adsorbente) + Carga Viva (cada de presin del fluido de proceso) y no causar un P excesivo por s mismo.

Bolas de soporte cermicos: en el fondo + en el intermedio + arriba.

El distribuidor: asegura una distribucin adecuada del fluido a travs del lecho, sin canalizaciones y sirve como absorbedor de momentos si es que lquidos libres entran en la corriente de gas.

Las conexiones para descarga de adsorbente de suficiente tamao: 6 -8



Duracin de los Ciclos La Planta opera con duracin de ciclos fijos y

normalmente para la peor condicin.

La capacidad del adsorbente declina con el tiempo. En los primero meses la capacidad desecante es alta.

Por ello, algunos instalan analizadores de humedad en el gas efluente y ajustan la duracin del ciclo con ello.

El ajuste del ciclo con analizadores de humedad ahorra costos de combustible para regeneracin y alarga la vida til del desecante.



Velocidad del Gas

A menor velocidad de gas mayor capacidad del desecante para deshidratar, por lo que puede ser deseable operar a una velocidad mnima.

Pero, bajas velocidad de gas requieren torres con rea transversal grandes para un flujo dado de gas.

Hay que balancear entre l dimetro de la torre y el mximo uso del desecante.

El mnimo dimetro interno de la torre para una determinada velocidad superficial est dada por:



Velocidad del Gas (continuacin)

Ecuacin (1)

d = dimetro interno del recipiente, pulgadas Qg = Flujo de Gas, MMSCFD T = Temperatura del gas, R Z = Factor de compresibilidad Vm = Velocidad superficial del gas, ft/min P = Presin del gas, psia

PVTZQ

dm

g36002 =



Grfico 3 Mxima Velocidad de Diseo - Adsorbedores de Lecho Slido



Relacin Altura de Lecho / Dimetro L/D > 2.5 para evitar deshidrataciones pobres

causadas por flujos no uniformes y canalizaciones e inadecuado tiempo de contacto entre el gas hmedo y el desecante.

Cada de Presin Las torres se disean para un P 5 psi a travs del

desecante , disear para P > 8 psi no es recomendado, pues el desecante es frgil y puede ser aplastado por el peso total del lecho y las fuerzas de las cadas de presin.

Se debe verificar el P obtenido luego de calcular la altura del lecho con:



Cada de Presin (continuacin)

Ecuacin (2)

P = Cada de Presin, psi L = Longitud del lecho, ft m = Viscosidad del gas. Cp r = Densidad del gas, lb/ft Vm = Velocidad del gas superficial, ft/min B, C = Constantes (ver Tabla 2)

2mm VCVBL

P +=



Cada de Presin (continuacin) Tabla 2 - Las constantes B y C estn dadas por:

0,0002100,2381/16" extrudado0,0001360,1521/16" perla0,0001240,07221/8" extrudado

0,00008890,0561/8" perlaCBTamao y Forma


Deshidratacin Con Lechos Slidos Seleccin del Desecante

Factores para Seleccin del desecante Debe tener afinidad para los componentes a ser

removidos

Debe ser fcilmente regenerable

Debe mantener su actividad por un periodo de tiempo extendido

Debe poseer alta resistencia mecnica al aplastamiento y a la formacin de polvo, sobre todo en condiciones hmedas o saturadas.

Debe tener una baja resistencia al flujo del fluido.



Clasificacin y caractersticas de los desecantes

Todos tienen un rea superficial muy grande en relacin al peso 1.5 MMft/lb 300 m/gr), debido a la existencia poros muy finos o capilares.

Los ms comnmente usados: Tamices Moleculares Slica gel Almina activada



Clasificacin y caractersticas de los desecantes1. Tamices Moleculares Son zeolitas cristalinas en forma de silicatos de almina y metal,

generalmente sodio. Dimetro de poro = 3 -10 Angstroms Seleccionando el metal puede controlarse el tamao de poro, por

lo que puede fabricarse hecho a la medida para casi cualquier aplicacin.

Como los otros, tiene preferencia por el agua. Aplicaciones:

Deshidratacin de gas natural y de lquidos a niveles de agua de hasta 1 ppm.

Remocin de gases cidos (H2S, CO2, mercaptanos) del gas natural y de lquidos.

A diferencia de los otros desecantes tiene una curva de capacidad de adsorcin de agua casi plana:



Clasificacin y caractersticas de los desecantes1. Tamices Moleculares (continuacin)

El tamiz tiene una fuerte atraccin para varios componentes, por lo que debe ser regenerado a altas temperaturas (450F 600F).

Al ser usado en aplicaciones crticas, es regenerado con una parte de la corriente del efluente purificado.

Ha sido considerado como un material que adsorbe hidrocarburos por su estructura de poro controlada.

23 lb/100 lb tamiz100% (saturado)23 lb/100 lb tamiz50%22 lb/100 lb tamiz20%20 lb/100 lb tamiz10%15 lb/100 lb tamiz2%Capacidad de adsorcinHumedad Relativa



Clasificacin y caractersticas de los desecantes1. Tamices Moleculares (continuacin) En resumen, los tamices moleculares poseen la ms

alta capacidad de adsorcin de agua (ver Tabla 3) y saca los puntos de roco ms bajos.

Puede ser usado tanto para endulzamiento como para deshidratacin de gases y lquidos.

Su capacidad de agua en equilibrio es menos dependiente de la temperatura de adsorcin y de la humedad relativa.

Son generalmente ms caros.



Clasificacin y caractersticas de los desecantes2. Slica Gel Es el nombre genrico para el gel cuyo principal

componente es SiO2. Est disponible en forma granular y en perlas, las 2

tienen la misma capacidad de adsorcin. Se usa para deshidratar el gas natural hasta

especificaciones para ductos (4 7 lb/ MMSCF) y para extraccin de lquidos de las corrientes de gas.

Es un compuesto inerte que no es afectado por los gases cidos.

Su capacidad de adsorcin se reduce cuando estexpuesto a amonaco y a aminas.



Clasificacin y caractersticas de los desecantes2. Slica Gel (continuacin) Hidrocarburos pesados y glicoles tienden a cubrir la

slica gel. Puede ser regenerado en temperaturas de: 425F -

500F. Slica del tipo perlas es ms susceptible a rotura que la

granular causada por lquidos libres arrastrados y son qumicamente atacados por algunos inhibidores de corrosin.

Da puntos de roco entre -70F y -80F. La curva de adsorcin de agua es la siguiente:



Clasificacin y caractersticas de los desecantes2. Slica Gel (continuacin)

10 lb/100 lb gel20%

42 lb/100 lb gel100% (saturado)40 lb/100 lb gel80%35 lb/100 lb gel60%22 lb/100 lb gel40%

6 lb/100 lb gel10%Capacidad de adsorcinHumedad Relativa



Clasificacin y caractersticas de los desecantes3. Almina activada Es la forma hidratada del Al2O3, es realmente una almina gel. Est disponible en forma granular y en perlas, siendo esta ltima la

ms usada. Tiene ms alta resistencia mecnica que el slica gel y es menos

susceptible a la rotura. Puede adsorber hidrocarburos pesados de la corriente de gas, los cuales son ms difciles de regenerar comparando con la slica gel.

Puede ser regenerado en temperaturas de: 350F - 400F. Las alminas son las ms afectadas con el incremento de

temperatura. Da puntos de roco en -100F. (el tamiz puede llegar hasta -150F). La curva de adsorcin de agua es la siguiente:



Clasificacin y caractersticas de los desecantes3. Almina activada

11 lb/100 lb almina20%

42 lb/100 lb almina100% (saturado)37 lb/100 lb almina80%22 lb/100 lb almina60%16 lb/100 lb almina40%

7 lb/100 lb almina10%Capacidad de adsorcinHumedad Relativa



Tabla 3 - Propiedades de los Desecantes Slidos

450-550140.2545Esfrica / cilindro

extrudado

Tamiz molecular 4A

350 - 8507 - 0.2452EsfricaAlmina Gel AlcoaH-151

300 - 5006Malla 4 -8

0.2549EsfricaMobilSlica GelSorbead-R

350 - 6007 malla 8

0.2451GranularAlmina Activada

Temp. de regeneracin

Capacidad de Adsorcin de Diseo, %P

TamaoCpBtu/lb F

Densidad lb/ft

FormaDesecante



Grfico 4- Capacidad de Adsorcin vs Humedad Relativa de Desecantes Slidos


Deshidratacin Con Lechos Slidos Ejemplo de ClculoCalcular la cantidad de agua adsorbida, la carga de desecante necesaria y el tamao de la torre requerida para tratar el siguiente gas:

Flujo de Gas: 50 MMSCFDPeso Molecular: 17.4Densidad: 1.70 lb/ftTemperatura de Operacin: 110FPresin de Operacin: 600 psiaPunto de roco a la entrada: 100F 90 lb de agua/MMCFPunto de roco a la salida: 1 ppm de agua

7.3 deshidratación con lechos sÓlidosl

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