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Analisis del sistema de deshidratacion de gas natural con trietilenglicol de una planta de extraccion de liquidos.

Resumen

El gas natural como el petroleo, se encuentra en el subsuelo, contenido en los espacios porosos de ciertas rocas, en estructuras geologicas denominadas yacimientos y estan en contacto con agua. El agua contenida en el gas natural puede combinarse con moleculas de bajo peso molecular y formar un solido, los hidratos, estos se consideran peligrosos porque bloquean las lineas de transmision, valvulas y los equipos de proceso. Ademas, el agua puede causar corrosion cuando reacciona con el [H.sub.2]S o el C[O.sub.2] comunmente presentes en el gas natural. Para evitar esos problemas, el gas es deshidratado y una de las formas es con trietilenglicol. En el presente trabajo se realizo un analisis del efecto de la temperatura, formacion de espuma, tasa de recirculacion y perdidas de TEG del sistema de deshidratacion de gas natural con trietilenglicol de una planta de extraccion de liquidos, mediante un estudio de las propiedades fisicoquimicas del TEG y utilizando un simulador de procesos en estado estacionario (Hysys 3.2). La simulacion del proceso de deshidratacion con TEG se realizo a las condiciones de diseno y de operacion.

Palabras clave: Gas natural, deshidratacion, trietilenglicol.

Abstract

Analysis of the system of dehydration of natural gas with triethylene glicol of a plant of extraction of liquids

Natural gas and petroleum ate found in the subsoil content in the porous spaces of certain rocks, in geological structures called fields and they are in contact with water. The contained water in the natural gas can be combined with molecules of low molecular weight and that may cause hydrate formation at low--temperature conditions that may plug the valves and fittings in gas pipeline. In addition, water vapor in natural gas pipelines may condense, causing sluggish flow conditions and may cause corrosion difficulties when it reacts with hydrogen sulfide or carbon dioxide commonly present in gas streams. It is necessary to remove water vapor present in a gas streams and the most effective practice to remove water from natural gas streams is to use triethylene glycol (TEG) as the dehydrating agent. In this work we analyzed the effects of various operating parameters such as temperature, formation of foam, high consumption, circulation rate and solvents Iosses in the system of dehydration of natural gas with TEG of a liquids extraction plant, the process simulator (Hysys 3.2) is used to simulate complete TEG dehydration flowsheet.

Key words: Natural gas; dehydration; triethylene glycol (TEG).

Introduccion

El gas natural proveniente de las estaciones de flujo, se transporta hacia la planta de compresion y posteriormente se lleva a las plantas criogenicas, en donde se obtienen en estado liquido, los componentes hidrocarburos mas pesados contenidos en la corriente (principalmente proparlo e hidrocarburos mas pesados) los liquidos del gas natural LGN [1,2].

El proceso de extraccion de liquidos del gas natural, se inicia con la entrada de gas a las trampas recolectoras de liquidos, depuradores y filtros de entrada, donde se retiran las impurezas, luego pasa por los sistemas de deshidratacion que permiten en conjunto, remover el contenido de agua a niveles inferiores de 0,1 ppm en volumen [3].

La deshidratacion del gas natural es importante en la produccion de gas natural puesto que, una deshidratacion efectiva previene la formacion de hidratos [4] de gas, disminuye la corrosion en las tuberias y mejora la eficiencia en las mismas al reducir la acumulacion de liquido en la parte baja de la linea. La eliminacion del agua del gas natural se conoce como proceso de deshidratacion del gas natural, y se realiza en una columna de absorcion utilizando algun absorbente del agua, como el trietilenglicol (TEG) [5]. El TEG rico en agua, que sale de la columna debe ser regenerado mediante destilacion, para devolverlo a la columna de absorcion. Para lograr una mayor deshidratacion se utiliza la adsorcion con tamices moleculares [6].

El sistema de deshidratacion con trietilenglicol puede presentar una variedad de problemas operacionales (inadecuada relacion gas/glicol al absorbedor, alta temperatura en los rehervidores [7], presencia de solidos en el glicol entre otros) que de una u otra forma afectan su eficiencia en la remocion de agua hasta los niveles esperados (4-5 lb/MMPCE) e igualmente puede incrementar las perdidas de TEG.

La importancia de este trabajo radica en el estudio de las causas que ocasionan las perdidas de TEG, debido al consumo excesivo de este quimico que actualmente se origina en el sistema de deshidratacion de gas natural con glicol.

Procedimiento

La metodologia empleada en el presente trabajo consta de varias etapas las cuales se mencionan a continuacion.

1. Simulacion del proceso de deshidratacion con TEG

Para simular el proceso de deshidratacion de gas natural con TEG, se utilizo el simulador de proceso HYSYS 3.2. Los criterios de simulacion utilizados fueron: ecuacion de estado [8] Peng-Robinson, la cual se selecciono en funcion de los componentes de las corrientes y de los rangos de temperatura y presion manejados, la eficiencia de la columna absorbedora 62%, la columna de destilacion consta de un condensador total, un rehervidor y tres platos ideales, la temperatura del rehervidor se fijo en 400[grados]F y del condensador en 212[grados]F. Las variables de diseno y operacion fueron tomadas de una planta de deshidratacion con TEG, existente en el Oriente de Venezuela y que a su vez tambien sirvieron como referencia en la aceptacion del modelo de simulacion [9].

Los equipos involucrados en el proceso que fueron simulados en el caso diseno son: Filtro/separador de gas de entrada, contactor TEG, desasfaltenizador TEG, flash tank de glycol, tambor KO. de glicol, columnas destiladoras de glicol, despojadores de glicol, acumulador de glicol, intercambiadores de glicol pobre/glicol rico No. 1, intercambiadores de glicol pobre/glicol rico No 2, rehervidores de glicol, bombas de glicol y enfriador de aire del glicol pobre. En la Figura 1 se observa un esquema del proceso.

Las condiciones de entrada del gas a la planta deshidratadora fueron: temperatura 120[grados]F, presion 1.205 psia, flujo de gas 44.023,9 Ibmol/h. El glicol que entra a la torre absorbedora presenta las siguientes caracteristicas: temperatura 130[grados]F, presion 1.255 psia, flujo

450 lbmol/h. La validacion [10] del esquema de simulacion caso diseno, se realizo con los datos de operacion real y luego se procedio a comparar los resultados.

2. Alto consumo de trietilenglicol

Se realizo un seguimiento en la planta de extraccion de liquidos del gas natural, de las ope

raciones en el sistema de deshidratacion con TEG [11]. Normalmente las perdidas de glicol que estan asociadas a la operacion, se encuentran en un rango comprendido entre 0,05 y 0,10 galones de TEG/MMPCE de gas tratado [2]. En la Tabla 1, se presentan los consumos de glicol y el flujo de gas de entrada promedio.

[FIGURA 1 OMITIR]

El GPSA (Gas Processing Society American) [12], establece como posibles causas de perdidas de glicol en sistemas de deshidratacion utilizando torres de absorcion, y sistemas de regeneracion con rehervidores, los siguientes: la formacion de espuma, alta velocidad del gas en el absorbedor, temperatura de solucion de glicol pobre muy alta, taponamiento de platos en el absorbedor, alto flujo del gas de despojamiento, degradacion de la solucion de glicol, vaporizacion de glicol por el tope de la columna destiladora, fugas en la bomba de glicol y niveles inadecuados en los equipos del sistema.

a. Perdidas de glicol en el contactor TEG

La formacion de espuma es uno de los problemas operacionales de mayor gravedad para un sistema de deshidratacion con glicol. Para determinar su existencia, se tomaron muestras de soluciones de glicol circulante (glicol pobre y glicol rico) en la planta, se analizaron sus propieda des fisicoquimicas, especialmente los parametros de altura y estabilidad de formacion.

La velocidad excesiva del gas dentro de la torre contactora es una de las causas de perdidas de glicol por arrastre; estas pueden disminuirse utilizando un eliminador de neblina. Para el desarollo de este punto se estimo la velocidad del gas en el absorbedor, la cual es una torre con platos de burbujeo y tiene eliminador de niebla de malla alambre.

Si en la columna de absorcion el diferencial de la temperatura entre el gas de entrada y el glicol pobre es alto, puede inducir la formacion de espuma en el equipo, dependiendo del contenido de hidrocarburos que contenga el glicol en el momento de entrada a la torre de absorcion. Para este caso, se obtuvieron los datos de las temperaturas del glicol a la entrada del contactor TEG y el diferencial de temperatura de glicol (TEG) con el gas de entrada.

b. Perdidas de glicol en la unidad de regeneracion

En el sistema de regeneracion del TEG se utiliza gas de despojamiento, este flujo no debe ser tan alto para evitar que los vapores que ascienden en la columna de destilacion y que salen por el tope de la columna arrastren el glicol. Para un mejor analisis, se emplearon como parameteros los flujos de gas de despojo y los caudales de TEG rico.

La vaporizacion del glicol por el tope de la columna de destilacion, es una de las causas de perdida mas comun en el sistema de deshidratacion. El condensador de reflujo o serpentin ubicado a la salida de las torre destiladoras es quien mantiene la temperatura adecuada para no vaporizar en exceso el glicol. Por esta razon, se reviso la temperatura del tope de las columnas destiladoras de glicol.

3. Analisis de las soluciones de trietilenglicol

Mediante la caracterizacion realizada a muestras de trietilenglicol (pobre y rico) de la torre absorbedora y del tanque de almacenamiento se determino el contenido de hidrocarburos, solidos, agua y otros.

Esta evaluacion permitio identificar problemas operacionales (contaminacion de glicol, corrosion, formacion de espuma, etc.), los cuales afectan la eficiencia del proceso. Las propiedades fisicoquimicas determinadas pueden ser comparadas con especificaciones establecidas en el diseno.

El analisis de variables de las corrientes y equipos involucrados en el proceso de deshidratacion con TEG fue fortalecido con la recoleccion de datos de los diferentes parametros de operacion en el sistema de control ubicado en la sala de control de la planta, permitiendo un estudio detallado de las variaciones ocurridas en el sistema deshidratador, asi como reconocer las operaciones que se efectuan actualmente que no estan de acuerdo con el proceso original.

Resultados y Discusion

1. Simulacion del proceso de deshidratacion con TEG

La creacion del esquema de simulacion para el caso diseno del sistema de deshidratacion con TEG, se desarrollo introduciendo valores de temperatura, presion, flujo y composicion suministradas por las especificaciones de diseno (data sheets) para las distintas corrientes del modelo, las cuales sirvieron como medio de comparacion entre los valores de la simulacion.

En la Tabla 2, se observa que los porcentajes reproducen las especificaciones obtenidas de los disenadores de la planta y representan un margen de error aceptable siendo menores al 8,57% para la temperatura de la corriente VAPORES FLASH, confirmando la similitud entre las variables de mayor importancia del mismo proceso de deshidratacion.

2. Alto consumo de trietilenglicol

Las operaciones que normalmente se hacen en plantas de glicol se encuentran vinculadas a perdidas de la solucion, encontrandose entre 0,05 y 0,10 galones de TEG por MMPCE de gas tratado [2]. En la Tabla 3 se encuentran los volumenes de glicol suministrados al sistema y las perdidas en galones por millon de pies cubicos estandar. Los datos indican que existen irregularidades en el sistema, debido a las condiciones actuales en la que se desarrolla la operacion de absorcion y regeneracion, reportandose perdidas que se encuentran entre 0,144 y 0,256 gal/ MMPCE, las cuales se calcularon con el flujo de agua que sale por el tope de la regeneradora y las fracciones molares de agua y TEG.

El consumo de TEG, dependiendo del flujo de gas tratado, se considera alto motivado por las perdidas de solucion de glicol. En la Figura 2 se muestran los cambios con respecto a las perdidas en el ano en curso.

En la Figura 3 se observa que este problema operacional tambien se refleja en los volumenes consumidos por el sistema en los distintos meses en que se realizo el seguimiento, donde el valor maximo es de 10.950 L/mes, con un minimo obtenido en operacion de 6.360 L/mes, su perando ampliamente lo recomendado por el fabricante (2.782 L/mes).

[FIGURA 2 OMITIR]

[FIGURA 3 OMITIR]

a. Perdidas de glicol en el contactor TEG

Para el estudio de las perdidas de glicol en la columna de absorcion se analizaron los siguientes parametros: formacion de espuma, velocidad del gas, temperatura del TEG a la entrada de la columna de absorcion.

En el analisis de la altura de formacion y tiempo de estabilidad en la espuma formada en el glicol pobre y glicol rico (se coloco una muestra de glicol dentro de un cilindro graduado de vidrio o plastico, se sello y agito el cilindro fuertemente por 10 segundos, se coloco en una superficie horizontal en reposo), se encontro que como no sobrepasan los valores recomendados de 200 mL y 5 segundos, se considera muy estable. Esta estabilidad en el tiempo de ruptura puede traer como consecuencia una relacion inadecuada entre el gas y el glicol pobre causando perdidas de la solucion por arrastre y una ineficiente remocion de agua contenida en el gas de entrada.

Con respecto al analisis de glicol rico, los resultados obtenidos en estas soluciones fueron mayores de 700 mL para la altura de formacion y tiempos de estabilidad superiores a 3.600 segundos, claramente por encima de los valores recomendados para las caracteristicas de las espumas. En el glicol rico se puede esperar que los parametros recomendados, referentes a las caracteristicas que presenta una espuma, sean superados debido a la condensacion de hidrocarburos en el contactor TEG, el cual puede aumentar dependiendo de la riqueza del gas de entrada pero es importante tratar de disminuir la estabilidad de dichas espumas, ya que segun estos analisis la espuma se esta formando en los equipos de regeneracion de glicol.

El flujo de gas de entrada promedio que se debe manejar por diseno en la absorbedora es de 358,66 MMPCED, actualmente se estaba manejando un flujo de gas de entrada promedio de 373 MMPCED, excediendo el valor permisible, este caudal puede ocasionar altas perdidas de TEG al ser arrastrado por el flujo de gas, lo cual se observo aguas abajo del sistema de deshidratacion con glicol. Las velocidades altas danan el eliminador de neblina permitiendo que el arrastre de TEG sea mayor, ya que el gas a estas condiciones levanta el glicol llevandoselo aguas abajo del sistema de deshidratacion.

Con respecto a la temperatura del glicol de entrada, se obtuvieron los diferenciales de temperatura entre el gas de entrada al contactor TEG y el glicol pobre circulado. Los datos muestran variaciones de temperatura entre los dias que fueron evaluados a diferentes condiciones de temperatura del gas a la entrada.

Segun Martinez y Campbell [2,13] la temperatura de la solucion de glicol pobre debe estar de 10 a 15[grados]F por encima de la temperatura del gas; en los datos tomados del sistema de control, se observaron cambios en la temperatura del glicol pobre que van de 10 a 18[grados]F superando los valores recomendados. En consecuencia es posible la formacion de espuma en el contactor TEG dependiendo del contenido de hidrocarburos que pueda tener la solucion de glicol a una temperatura mas alta pero en las fechas en que se produjo esa operacion las caracteristicas de la espuma cumplian con los parametros recomendados.

Sin embargo, hay que destacar que el diferencial de temperatura solo fue excedido en un valor maximo de 3[grados]F.

b. Perdidas de glicol en la unidad de regeneracion

Existen valores recomendados de gas de despojamiento de 2 a 7,8 PCE/gal TEG para los rehervidores de glicol, que permiten una mejor remocion de agua en el glicol rico. Las relaciones de gas de despojamiento por volumen de glicol que se .obtuvieron estan por debajo de los parametros de recomendacion en los minimos obtenidos.

Cuando se circulaba un mayor caudal de glicol rico, se observo que se realizaron inyecciones de gas de despojamiento en menor cantidad; debido a esta situacion, se tendia a la disminucion de la relacion entre los volumenes de gas de despojamiento y del trietilenglicol, pero tambien sucedia lo contrario: para un caudal de glicol menor se suministraba una cantidad mayor de gas para despojamiento (stripping), aumentando la relacion antes mencionada. Mantener estas variables en los valores recomendados incrementara el nivel de regeneracion de TEG, debido a que a mayor flujo de gas de despojamiento menor sera el contenido de agua en la solucion de glicol, obteniendose una mayor remocion.

Las perdidas de TEG por vaporizacion actualmente son excesivas y estan alejadas de los valores recomendados. De acuerdo a los datos adquiridos, en la Figura 4 se observan las temperaturas de tope o chimenea de las columnas destiladoras de glicol del sistema de deshidratacion. Estas temperaturas altas son debidas a los bajos flujos de glicol que pasan por los serpentines, resultando en una transferencia de calor baja entre el TEG rico y los vapores salientes por el tope de las columnas destiladoras de glicol, permitiendo que el trietilenglicol fluya con los gases de salida a la atmosfera.

En las columnas en estudio, las temperaturas en el tope son diferentes, siendo la de valor mas elevado en esta variable la que presenta mayores perdidas de TEG, sin embargo, ambas columnas vaporizan altas cantidades de trietilen glicol. Del agua total que sale vaporizada del sistema de regeneracion, la concentracion de TEG debe estar en 0,5% p/p como maximo [2]. En estos momentos para las columnas destiladoras de glicol es de 1,25% p/p y 1,11% p/p, respectivamente.

[FIGURA 4 OMITIR]

3. Analisis del sistema de deshidratacion con trietilenglicol

El nivel de glicol en la absorbedora es muy bajo, siendo de 0,3%. En este equipo, se debe mantener un nivel de 30% de glicol como minimo para obtener un sello de liquido en la parte inferior de la absorbedora [14]; esta importante variable de operacion no ha sido alcanzada en mucho tiempo.

A este nivel menor de 1%, no existe sello de glicol que evite que el gas fluya por el area abierta en la parte baja de este recipiente, en lugar de pasar a traves de los platos y ponerse en contacto con el TEG pobre que desciende. Otro problema que se agrega a la perdida de nivel en la columna de absorcion de TEG, y la falta de sello liquido, es que el gas de entrada a alta presion pasa al sistema de regeneracion, que es de baja presion.

La valvula encargada de controlar el nivel de glicol en el absorbedor de TEG y la disminucion de la presion de trietilenglicol rico que pasa a la regeneracion, esta operando manualmente por no haber nivel en el equipo; dicha valvula en operacion normal deberia ser automatica. Para obtener un nivel de TEG apropiado en el adsorbedor, se le debe suministrar un volumen de 3.229,16 litros.

Con la realizacion de esta operacion el glicol contenido en las bandejas estara menos expuesto al arrastre por parte del gas disminuyendo el consumo de TEG por velocidad alta del gas de entrada.

Conclusiones

Los altos consumos de TEG en el sistema de deshidratacion con glicol, son causados por la alta velocidad del gas en la columna de absorcion de TEG, vaporizacion del glicol en las columnas destiladoras y niveles inadecuados en los equipos del sistema.

El aumento de flujo de glicol rico hacia los serpentines permite disminuir las temperaturas en el tope de las columnas destiladoras y en el flash tank de glicol.

El Sistema de deshidratacion de gas natural con TEG sera mas eficiente al reponer los niveles de TEG en equipos como el Contactor TEG, Desasfaltenizador TEG, Flash Tank de Glicol y Acumulador de Glicol.

Recibido el 30 de Junio de 2006

En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Referencias bibliograficas

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Conf and Exhibit, SPE 84350, Denver Colorado, October. (2003).

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[14.] Manning, W.P.; Wood, H.S. "Guidelines for glycol dehydrator design", Hydrocarbon Processing; Vol/Issue: 72:2, Pages: 87-92. (1993).

Fidelina Moncada *, David Molina, Hernan Raven e Iliana Salazar

Departamento de Ingenieria Quimica, Universidad de Oriente, Nucleo de Anzoategui. Barcelona, Venezuela. Fax (0281) 4203245. *fidelina@cantv.net
Tabla 1

Consumo de TEG y gas de entrada

          Consumo TEG   Gas de Entrada
Mes          (gal)         (MMPCED)

Enero        2.100           387
Febrero      1.680           389
Marzo        2.100           387
Abril        2.893           377

Tabla 2

Comparacion de los valores de las variables obtenidas en la
simulacion caso diseno

                                              Valor     Valor
Corrientes          Variables                 Teorico   Simulado

Gas Contactor       Temperatura ([grados]F)   120       120

TEG Pobre           Flujo (lbmol/h)           450       468,8

Gas Seco            Temperatura ([grados]F)   123       122,8
                    Presion (psia)            1200      1200
                    Flujo (lbmol/h)           43907,5   43810

TEG Rico            Temperatura ([grados]F)   122       121,2
                    Presion (psia)            1203      1203
                    Flujo (lbmol/h)           566,43    581

Vapores Flash       Temperatura ([grados]F)   175       190
                    Presion (psia)            40        40
                    Flujo (lbmol/h)           0,88      0,9114

TEG Rico 2          Presion (psia)            25        25
                    Flujo (lbmol/h)           539,6     554,8

Vapor Agua          Temperatura ([grados]F)   201       212
                    Presion (psia)            15        15

Gas Stripping       Flujo (lbmol/h)           124,7     122,9

Alimentacion TEG    Flujo (lbmol/h)           35        36,7
                    Presion (psia)            15        15

A Gas Combustible   Temperatura ([grados]F)   135       135
                    Presion (psia)            65        65
                    Flujo (lbmol/h)           25,94     26,11

Corrientes          Variables                 % Desviacion

Gas Contactor       Temperatura ([grados]F)   0,00

TEG Pobre           Flujo (lbmol/h)           4,18

Gas Seco            Temperatura ([grados]F)   0,163
                    Presion (psia)            0,00
                    Flujo (lbmol/h)           0,222

TEG Rico            Temperatura ([grados]F)   6,56
                    Presion (psia)            0,00
                    Flujo (lbmol/h)           2,57

Vapores Flash       Temperatura ([grados]F)   8,57
                    Presion (psia)            0,00
                    Flujo (lbmol/h)           3,57

TEG Rico 2          Presion (psia)            0,00
                    Flujo (lbmol/h)           2,82

Vapor Agua          Temperatura ([grados]F)   5,47
                    Presion (psia)            0,00

Gas Stripping       Flujo (lbmol/h)           1,44

Alimentacion TEG    Flujo (lbmol/h)           4,86
                    Presion (psia)            0,00

A Gas Combustible   Temperatura ([grados]F)   0,00
                    Presion (psia)            0,00
                    Flujo (lbmol/h)           0,655

Tabla 3 Consumo y perdidas de TEG

         Consumo      Perdidas
Mes        (L)     (gal TEG/MMPCE)

Enero      7.950        0,181
Febrero    6.360        0,144
Marzo      7.950        0,181
Abril     10.950        0,256
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Author:Moncada, Fidelina; Molina, David; Raven, Hernan; Salazar, Iliana
Publication:Revista Tecnica
Date:Nov 1, 2007
Words:4347
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