PROCESO DE DESHIDRATACION DE GAS NATURAL

1.1 INTRODUCCION

El gas natural que se recibe de los yacimientos se caracteriza por ser un gas amargo, hidratado y húmedo; amargo por los componentes ácidos que contiene, hidratado por la presencia de agua, y húmedo por la presencia de hidrocarburos líquidos. Debido a esto, para el uso comercial o doméstico, el gas natural debe ser tratado de manera de eliminar o disminuir la concentración de aquellos compuestos indeseados. El acondicionamiento del gas natural consta de tres procesos fundamentales: el endulzamiento (elimina los componentes ácidos), la deshidratación (elimina el agua) y ajuste de punto de rocío (elimina los hidrocarburos líquidos).

La deshidratación del gas natural es el proceso de remover el vapor de agua contenido en la corriente de gas para bajar la temperatura a la cual se condensa. Esta temperatura es el punto de roció y por ello el proceso de deshidratación se llama también acondicionamiento del punto de roció. La Deshidratación del gas Natural no es más que la remoción del agua en estado vapor que está asociada con el gas. La cantidad de agua removida depende sobre todo de los requerimientos de contrato, limitaciones económicas y el tipo de deshidratación usado.

Este proceso debe ejecutarse por las siguientes razones:

a) El gas se combina con agua libre, o liquida para formar hidratos sólidos, que pueden taponar las válvulas conexiones o tuberías.

b) El agua puede condensarse en las tuberías ocasionando bolsones de líquido, causando erosiones y corrosión.

c) El agua presente en el gas natural puede combinarse con el CO2 y el H2S que pudieran estar presentes, haciendo corrosivo al gas.

d) El vapor de agua aumenta el volumen de gas a ser transportado

e) El vapor de agua disminuye el poder calorífico del gas.

f) Las operaciones de las plantas criogénicas o absorción refrigerada pueden verse entorpecidas por los congelamientos por la presencia de agua.

g) Los contratos de venta de gas y las especificaciones de transporte por los gasoductos fijan un contenido de agua máximo, generalmente 7 libras de agua por millón de pies cúbicos de gas.

PROPOSITOS DE LA DESHIDRATACION DEL GAS NATURALEl propósito de la deshidratación del gas natural, está en que el vapor de agua asociado al gas Natural, es uno de los contaminantes más comunes en el gas dado los inconvenientes que puede ocasionar tanto en procesos posteriores a los que pudiere estar sometido, como para su transporte a áreas de tratamiento y consumo. Cuando el agua libre se combina con las moléculas de gas (metano, etano, propano, etc), esta forma hidratos sólidos el cual puede taponar válvulas, equipos y algunas líneas de gas.

1.2. Objetivo 1.2.1. Objetivo General Conocer el proceso de deshidratación por inyección con MEG de la planta margarita1.2.2. Objetivos Específicos Estudiar las bases teóricas referentes al proceso de deshidratación del gas natural con MEG. Acondicionar el gas para un gas de venta que cumpla con las especificaciones

Deshidratar el gas para evitar la formación de hidratos

1.3. Proceso De Deshidratación Del Gas Natural.

La deshidratación del gas natural se define como la extracción del agua que está asociada, con el gas natural en forma de vapor y en forma libre. La mayoría de los gases naturales, contienen cantidades de agua a la presión y temperatura los cuales son extraídos del yacimiento. En general, se puede señalar, que el contenido de agua o vapor de agua en el gas, así como el contenido de hidrocarburos condensables ante un aumento de presión o disminución de temperatura, resultan inconvenientes para la conducción del gas por tuberías ya que provocaría obstrucciones de importancia. Todo gas natural de producción está totalmente saturado con agua en su fase de vapor, porque proviene de un yacimiento saturado (en equilibrio) con agua. Además generalmente el gas contiene CO2 y H2S que se remueven con soluciones acuosas tales como aminas, carbonato de potasio, etc., que saturan el gas con agua.

A fin de remover la mayor cantidad de agua, es necesario deshidratar el gas por las siguientes razones:

Evitar formación de hidratos. Cumplir con especificaciones como gas de venta. Minimizar corrosión.

Para diseñar un sistema de deshidratación se requiere información preliminar tal como presión, temperatura, composición y rata de flujo de gas. Normalmente el gas está saturado cuando llega a la planta o cuando sale de una unidad de endulzamiento. Sin embargo, por lo regular la composición de entrada se suministra en base seca; por lo tanto, el contenido de agua del gas húmedo de entrada debe ser determinado.

Además, con base en la composición húmeda, debe determinarse la temperatura de hidrato a una presión dada, a fin de que el gas pueda ser deshidratado lo suficiente para evitar la formación de hidratos y cumplir con la especificación de contenido de agua. La cantidad de agua a ser removida del gas húmedo o el contenido de agua en el gas seco, depende de cuál de las razones 1 o 2 sea la que controla. En cualquier caso, se establece el contenido de agua en el gas seco que sale, o el correspondiente punto de rocío por agua.

1.4 Fundamento de la Deshidratación del gas Natural El gas es considerado saturado con vapor de agua cuando este proviene de los pozos. La cantidad de agua transportada por el gas puede ser determinada por un método útil que indica el contenido de agua en el gas es en términos del punto de rocío del agua. El punto de rocío es la temperatura a la cual el vapor llega a condensar. Normalmente las especificaciones de transporte de gas en tuberías requieren no más de 7 lbs de agua/MMscf. Esto corresponde a 32ºF de punto de rocío a 1000 psia. Por tanto un gas a 100ºF y 1000 psia debe tener aproximadamente 68ºF de descenso del punto de rocío para encontrar el contenido de agua en la línea dentro de especificación. La Deshidratación es el proceso de remoción de vapor de agua de la corriente de gas. Por lo general, para lograr el objetivo se emplean plantas industriales cuyos diseños específicos conducen a la eliminación del agua en el gas Natural. Las más comunes son las Plantas de glicol (Ver Fig.1) y las que usan adsorbentes sólidos como los tamices moleculares. Esta remoción puede ser realizada por muchos métodos. El proceso en este caso es el llamado absorción. En este proceso un líquido higroscópico es usado para remover el vapor de agua del gas. El glicol comúnmente usado para la deshidratación es Trietilen glicol o TEG.

Fig. 1 Planta de deshidratación con TEG

En una Planta de Deshidratación con glicol, el gas ingresa por la parte inferior de una torre de absorción y asciende mientras burbujea en el glicol que desciende en contracorriente del tope, llenando las bandejas, platos de burbujeo o zona de empaque (Ver Fig. 2) en los cuales se produce la transferencia de masa. A medida que sube el gas dentro de la torre, cede el agua que contiene. Así el glicol que llega al absorbedor con muy poco contenido de agua (glicol pobre) se enriquece a medida que entra en contacto con el gas y sale por el fondo “cargado” de agua (glicol rico). Luego se bombea hacia la torre de regeneración donde el glicol se regenera y queda en condiciones de volver a absorber.

Fig. 2. Burbujeo dentro de la torre

1.5 Métodos de Deshidratación del gas Natural Para lograr deshidratar un gas a ese nivel, suelen emplearse procesos como:

Adsorción.- La adsorción es definida como la adhesión de una capa de moléculas a la superficie de un sólido o un líquido. Esta es su diferencia con la absorción, que es la transferencia de moléculas a través de una interface dentro de un volumen de un sólido o un líquido. Dos tipos de adsorción en sólidos existen: Adsorción química, Adsorción física. Los sistemas de deshidratación con desecantes sólidos como (tamiz molecular, gel de sílice o alumunatos), operan o trabajan con el principio de adsorción.

Absorción.-Es un proceso químico que utiliza un líquido hidrocóspico como el glicol. Inyección.- Se bombea un líquido reductor del punto de rocío, como por ejemplo el metanol. Por expansión.- Reduciendo la presión del gas con válvulas de expansión y luego separando la

fase liquida que se forma. Deshidratación por refrigeración.- Enfriamiento con refrigerantes tales como propano.

Expansión del gas para alcanzar el enfriamiento mediante el efecto Joule-Thompson.La refrigeración por expansión y la refrigeración por expansión con inhibidores de hidratos son usadas para deshidratación de la corriente de gas en conjunto con la recuperación de hidrocarburos. Estos procesos son basados en el principio de que el gas bajo presión puede experimentar una elevada caída de temperatura durante una brusca reducción de la presión. Este fenómeno es conocido como el efecto de Joule-Thompson. La caída de presión obtenida y la cantidad de hidrocarburo líquido en la fase gas podría determinar la cantidad de enfriamiento que debería de alcanzarse. Un enfriamiento adicional puede obtenerse por la expansión del gas a través de una turbina. Algunas unidades son operadas con serpentines de intercambiadores de calor en el fondo del separador tal que la formación de hidratos puede ser prevenida. Esta técnica es claramente exitosa en corrientes de gas con altas proporciones de recuperación de hidrocarburos de forma que temperaturas extremadamente bajas no son necesarias en la sección del separador.1.6.- Tipos De Glicoles Normalmente Usados Para La Deshidratación Del Gas Natural.

Estos componentes se encuentran en una gran cantidad, pero los que más se utilizan en el proceso de deshidratación del gas natural son:

MONOETILENGLICOL (MEG): cuya Fórmula química es H0C2H40H, luego su peso Molecular es 62,10 (lb/lb-mol), tiene su punto de congelamiento en 8 F. Presenta alto equilibrio de vapor con el gas tendiendo a pérdidas hacia la fase gas en la contactora.

DIETILENGLICOL (DEG): Fórmula química es 0H (C2H40)2H, su peso molecular es de 106,1 (lb/lb-mol), mientras que el punto de congelación es 17 F. Presenta alta presión de vapor conduciendo a altas pérdidas en la contactora. Baja temperatura de descomposición térmica, requiere menores temperaturas para ser regenerado (315 -340 F) así queda puro y puede ser utilizado en otras aplicaciones.

TRIETILÉNGLICOL (TEG): Fórmula química es 0H (C2H40)3H. El peso molecular alcanza un valor de 150,2 (lb/lb-mol), y su punto de congelación es 19 F. Es el de uso más común. Es regenerado a400 F para obtener una alta pureza. A temperaturas en la contactora mayores a 120 F tiende a altas pérdidas por vaporización. Descensos del punto de rocío hasta 150 F son posibles con el uso de Stripping gas.

TETRAETILÉNGLICOL (TTEG): Fórmula Química es 0H (C2H40)4H, su peso molecular es 194, 2 (lb/lb-mol), y su punto de congelación es 22 F. Tiene mayor costo que el Trietilenglicol, pero menores pérdidas a altas temperaturas de contacto con el gas. Su regeneración está entre 400 F a 430 F. Los glicoles son usados corrientemente en torres de absorción, ya que permiten obtener temperaturas inferiores al punto de rocío, con lo las pérdidas de vapor son menores que las obtenidas con otros compuestos. Pero el TEG no debe utilizarse a temperaturas inferiores a 50F, ya que se incrementa mucho la viscosidad.

1.7.- LOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN DEL GLICOL.

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.

Viscosidad.

Un valor de viscosidad por debajo de 100 - 150 Cp. Los fluidos que tienen viscosidades mayores de 150 centipoise fluyen con dificultad, por eso es importante conocer la temperatura y la concentración del glicol.

Reducción del Punto de Rocío (RDR).

En el momento en que el glicol absorbe agua, disminuye la temperatura de rocío del gas natural. Este proceso el Descenso del Punto de Rocío (DPR).La reducción del (DPR) es influenciada por la tasa de flujo del glicol; temperatura de contacto glicol /gas en el tope

del absorvedor, eficiencia de contacto del glicol pobre. 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. En la (RDR), el agua pase antes a la fase líquida y el glicol simplemente la atrapa. 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

Solubilidad del Glicol.

Este compuesto es soluble en condensado. Además se puede demostrar que el TEG es más soluble que el DEG. La solubilidad del TEG es de quinientas partes por millón (500 ppm), a 90 F, mientras que la del DEG es 350 ppm.

Presión de Vapor.

Este parámetro es importante de conocerlo, en vista que permite determinar la cantidad de glicol que se sale de la planta por evaporación. Teóricamente se sabe, que las pérdidas de glicol aumentan, cuando la presión de vapor se hace más alta.

1.8.-FACTORES DEL DETERIORO DEL GLICOL

Entre los factores principales tenemos:

Condiciones de acidez.

Se produce por absorción de los constituyentes ácidos del gas natural, también por la descomposición del glicol en presencia de oxígeno y excesivo calor en el re hervidor. Para prevenir la corrosión se debe evitar que el glicol tenga contacto con el aire, utilizando gas natural o gas inerte en el tanque de almacenamiento.

PH bajo.

A niveles de pH debajo de 5.5 el glicol se auto-oxida, esto es el resultado de la formación de peróxidos, aldehídos y ácidos orgánicos como el ácido fórmico y acético. Por lo tanto se recomienda mantener el pH entre 6 y 8.5 con un nivel óptimo de 7.3.

Contaminación con sales, hidrocarburo y parafinas.

En ocasiones el gas puede arrastrar sales de los pozos, que al pasar al sistema de deshidratación se depositan en las paredes de los tubos del horno hasta que el metal se rompe por calentamiento. Estos depósitos son conocidos como "manchas calientes" debido a que producen un color rojo intenso. Estas sales se pueden reducir mejorando el diseño del separador de gas. Cuando el gas natural es del tipo parafínicos (los alcanos), pueden dejar depósitos de cera en los puntos fríos del sistema, desde donde son arrastradas por el glicol hasta el horno o re hervidor. Por este efecto se reduce la eficiencia del contacto gas-glicol.

1.9. Descripción Del Proceso De Una Planta De Deshidratación Con Glicol. Inyección de MEG vs. TEG, en la deshidratación

"Use MEG cuando tenga que enfriar el gas para retirar los líquidos". No obstante toda regla tiene sus excepciones, son muchas las plantas de extracción donde se emplea TEG seguido de mallas moleculares.

Empecemos por analizar los términos. La Fig. 3 presenta un sistema típico de refrigeración utilizado para el control del punto de rocío y la recuperación moderada de líquidos del gas natural. En ese caso se inyecta MEG en los extremos calientes de los intercambiadores de calor. La temperatura de los "chillers" se ajusta en función de la recuperación deseada de condensados.

PLANTA DE DESHIDRATACION POR INYECCION CON MEG (MONOETILENGLICOL)

Fig.3. Diagrama de flujo de una planta de deshidratación por inyección con MEG

El gas frío, que sale conjuntamente con el MEG y los condensados, entra en un separador trifásico, donde se remueve el agua. El glicol se envía a la columna de regeneración y después de regenerarlo se devuelve al proceso.

En este diagrama de flujo se producen dos efectos: la reducción de la temperatura del gas para condensar tanto el agua como los hidrocarburos y el sistema de inyección de MEG con subsiguiente regeneración, para prevenir la formación de hidratos.

En la Fig. 3 se observan la mayoría de los equipos, incluyendo el "chiller". No se presenta el compresor del sistema de refrigeración. Para bajar la temperatura también se puede utilizar una válvula JT o un turbo-expansor. Para cualquiera de estas opciones lo que menos pesa es la inyección de MEG y el equipo de regeneración.

En este esquema, el gas de ventas que sale del intercambiador gas-gas tiene un punto de rocío al agua y a los hidrocarburos fijado por la temperatura del separador frío. Lo esencial de esta parte es el sistema de enfriamiento con lo cual se debe recordar que tanto el agua como los hidrocarburos se condensan a la temperatura a la cual se fije el chiller. La separación del agua y los condensados se lleva a cabo en el separador trifásico.

El propósito, al inyectar MEG, no es deshidratar el gas sino prevenir la formación de hidratos. Con las concentraciones de MEG que normalmente se emplean (80-85 % p/p.) el glicol absorbe una pequeña cantidad del agua contenida en el gas natural.

ANÁLISIS COMPARATIVO DE SISTEMAS DE DESHIDRATACIÓN

MEG

El gas se enfría con un sistema de refrigeración mecánico hasta el punto de rocío deseado.

Su principal objetivo es evitar la formación de hidratos. El gas deshidratado sale con un punto de rocío con respecto al agua y -

simultáneamente - un punto de rocío a los hidrocarburos igual a la temperatura más baja del sistema frío.

Este sistema se recomienda para retirar el agua y los condensados simultáneamente.

El sistema MEG tiene mucho más equipos asociados al proceso pero no utiliza el contactor, cuyo costo incide mucho en el valor de la planta.

Con el MEG se recuperan cantidades moderadas de condensados. Para regenerar el MEG se utilizan temperaturas más bajas que las empleadas con

TEG.

TEG

Su principal objetivo es deshidratar el gas hasta 5-7 lbs/MM pcn, con plantas convencionales.

Cuando se requiere mayores descensos del punto de rocío se puede utilizar gas de despojamiento.

El gas tratado debe salir con un punto de rocío al agua fijado en las condiciones de diseño y operación; y un punto de rocío a los hidrocarburos igual a aquel con el cual entró al absorbedor. Teóricamente el gas no pierde componentes licuables.

Se recomienda para deshidratar el gas que va a ser conducido por tuberías. Utiliza caudales moderados de TEG pero mayor cantidad de energía en la

regeneración En las operaciones ordinarias se trabaja a alta pureza, Ej. 98,9% p/p, sin "stripping

gas"; 99,9% p/p o más, con stripping gas (gas de arrastre) Por la temperatura requerida para regenerar el TEG se utilizan temperaturas más

altas y, por lo tanto, mayores requerimientos de energía.

Puede utilizar gas de despojamiento (stripping gas) con el cual se eleva considerablemente la eficiencia del proceso en la deshidratación del gas.

Ya existen procesos con TEG en el mercado que compiten con las mallas moleculares

1.10 . Principales Equipos Utilizados En Una Planta De Deshidratación Con Glicoles

Torre contactora: torre de platos o empaque, donde el gas natural se pone en contacto (en contracorriente) con la solución de glicol, tiene generalmente de 6-12 platos de burbujeo. Por la tendencia del teg a formar espumas, se recomienda una separación entre platos de 24 pulgadas. Los empaques estructurados ofrecen mayor capacidad y eficiencia que los platos de burbujeo. Pueden manejar caudales menores a su capacidad máxima y requieren menor altura de contacto que las columnas de platos. Trabaja a la presión del gas. La temperatura de entrada de la solución debe estar 10 ºF (5,6 c) por encima de la temperatura del gas húmedo, para evitar la condensación de los hidrocarburos. Cuando cambia el caudal, se deben ajustar las Condiciones de flujo de la solución, hasta donde eso sea posible. Válvulas de expansión: en vista que, por lo general el glicol en el horno se encuentra a presión atmosférica y en el absorbedor existe alta presión, se debe de utilizar una válvula para lograr controlar los siguientes aspectos, que son la caíd a de presión y el control del nivel de glicol en el absorbedor.

Separador de glicol e hidrocarburos líquidos: el equipo se encarga de la separación del gas y el condensado que arrastra el glicol desde al absorbedor. El tiempo de retención para efectos de diseño es de 20 a 45 min. La presión de trabajo está entre 50 y 75 psig. La tasa del gas debe ser menor a 3 mmpcnd.

Filtros: estos equipos sirven para separar las impurezas tales como productos de degradación del glicol, hidrocarburos de alto peso molecular, productos de corrosión y otras impurezas arrastradas por el gas. El filtro más usado en el tipo De elemento, capaz de retener partículas de 5 a 10 micrones a una diferencia de presión de 2 psig cuando está limpio y de 20 psig cuando está sucio. También se usa carbón activado. Intercambiadores. Intercambiadores glicol-glicol son necesarios debido a consideraciones operacionales y económicas especialmente para unidades grandes. ellos son diseñados para reducir el calor que demanda el reboiler y para obtener el máximo calor recuperado del glicol pobre saliendo del rehervidor. Este intercambiador precalienta el glicol rico antes de entrar a la columna despojadora del rehervidor por cruce de intercambio con el "caliente" glicol pobre proveniente del rehervidor de glicol. El glicol rico es aproximadamente precalentado a 300 f antes que este sea alimentación a la columna

despojadora. Temperaturas por encima de 300 f podrían causar excesiva vaporización y alta velocidad de alimentación a la columna despojadora del rehervidor. Este intercambiador recupera energía del glicol y actúa para enfriar el glicol de 400 f a 234 f antes de ser alimentación a las bombas de circulación de glicol. Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío y nec esita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos.

1.11 Proceso De Deshidratación Con Glicol

Cuando la inhibición de hidratos no es factible o práctica, se usa el proceso de deshidratación que puede ser con un desecante líquido o sólido; aunque usualmente es más económico el proceso con líquido, cuando se cumple con las especificaciones de deshidratación requeridas.

El glicol más comúnmente usado para deshidratación del gas natural es el trietilen glicol (TEG) con el cual se pueden alcanzar contenidos de agua de 4 lb/MMscf que no son posibles con otros glicoles.

Los otros glicoles que pueden usarse son el dietilen glicol (DEG) con el cual se puede llegar a un contenido de agua de 7 lb/MMscf y el tetraetilen glicol (TREG).

La absorción por TEG es la más común en las plantas gasíferas de todo el mundo, debido a su alto rendimiento y eficiencia. Por ello se utiliza en la planta de deshidratación por glicol y cribas moleculares.

El glicol (Trietilen-Glicol TEG), en su proceso de absorción (deshidratación del gas), se presenta en dos estados que son:

Glicol Pobre.- Es el glicol puro, de fábrica o ya regenerado que mantiene un alto porcentaje de su pureza inicial (96–98%), está en el tanque de surgencia del circuito de regeneración, de donde a un determinado caudal y temperatura va hacia la torre contactora a cumplir con su función de absorción.

Glicol Rico.- Es el glicol que ha sobresaturado sus moléculas con agua presente en el gas que fluye en sentido inverso en la torre contactora, tiene una pureza de 91-93%

aproximadamente; Luego sufre un proceso de regeneración para adquirir sus condiciones iníciales y llegar al tanque surgencia e iniciar un nuevo ciclo.

Los glicoles usados en los procesos de deshidratación son :

MEG: Mono Etilén Glicol.

DEG: Di Etilén Glicol.

TEG: Tri Etilén Glicol.

TREG: Tetra Etilén Glicol.

Se prefiere el TEG porque permite mayor depresión y menores pérdidas.