curso deshidratacion gas parte i[1]

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DESHIDRATACION DELGAS NATURAL

Carlos SuárezIngeniero QuímicoMsc Gerencia de Empresas Consultor Senior en Procesos Petroleros – NCT Energy Group



Referencias Bibliográficas

American Society of Mechanical Engineers (ASME).

American Petroleum Institute (API).

American Society for Testing and Material (ASTM).

Organización Internacional para la Estandarización (ISO).

National Association of Corrosion Engineers (NACE)

Normas, Códigos y Buenas Practicas de PEMEX



Environmental Protection Agency (EPA).

Engineering Data Book (GPSA).

API Specification 12GDU. Specification for Glycol-Type Gas Dehydration Units.

Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA)

National Fire Protection Asociation (NFPA).

John M. Campbell: Gas Conditioning and ProcessingVolúmenes 1 y 2. Campbell PetroleumSeries.

API 12J: Specification for Oil and Gas Separator

Referencias Bibliográficas



REGLA DE ORO

CUANDO SE TRATA DE NORMAS, EL ORDEN ES:

NORMAS NACIONALES.

NORMAS DE LA INDUSTRIA PETROLERA.

NORMAS INTERNACIONALES QUE RIGEN LA MATERIA.



REGLAS DEL CURSO

EL INSTRUCTOR PREGUNTA BASTANTE.

SE REALIZARAN EJERCICIOS RAPIDOS.

ES INTERACTIVO, NO SER CONVIDADOS DE PIEDRA.

CONSULTA EXTRA HORARIO.



CONTENIDOINTRODUCCION AL SISTEMA DE PRODUCCION

Sistema de ProducciónObtención del gas naturalProcesos en las plantas de gas natural

CONCEPTOS BASICOSPropiedades del gas naturalLeyes que rigen el comportamiento del gas naturalComposición del gas naturalTipos de gases

MEDICION DEL CORTE DE AGUA

TEORIA BASICA DE INTERCAMBIO DE CALORGeneralidadesMecanismos de transferencia de calorDiferencia de temperatura global



CONTENIDO

CONTENIDO DE AGUA EN EL GAS NATURALGases DulcesGases Amargos

FORMACION DE HIDRATOSPredicciónEliminación e Inhibición

DESHIDRATACION DEL GAS NATURAL POR ABSORCIONDescripción del procesoDiseñoProblemas operacionalesMejoradores de la pureza del glicolRequerimientos ambientales



CONTENIDODESHIDRATACION DEL GAS NATURAL POR ADSORCION

Descripción del procesoDiseñoContaminantes del Sólido HigroscópicoProblemas operacionales

OTROS PROCESOS DE DESHIDRATACION DEL GAS NATURALDeshidratación del gas natural con CaCL2Deshidratación del gas natural por refrigeraciónDeshidratación del gas natural por membrana permeable



Exploración y Producción

Geología dee Yacimiento

Geociencias Ingeniería de Petróleo

Ingeniería deFacilidades

Diseño deInstalacionesde Procesos

Geofísica

Geología deExploración

Perforación

Simulación deYacimientos

Gerencia de Yacimientos

Gerencia deProducción

Definición deSistemas de

Pozos

Definición deProcesos

Poliductos

Manifolds

Automatización

IngenieríaProducción

Descripción deYacimientos

Sistema de Producción



RemociónH2S

SuavizamientoDesaeracion

ClarificaciónFiltraciónDesnatador

Limpieza

Tratamiento Deshidratación

RemociónAzufre

RemociónCondensado

Condensado

CompresiónGasoductosReinyecciónQuemado

Ventas

Quemado

Azufre

Gas Acido

Pozo Recolección SeparaciónFases

Gas

Aceite

Agua

ArenaDisposal

DisposalReinyección

AlmacenamientoOleoducto

AlmacenamientoPoliductosEstabilización

DeshidrataciónDesalación Estabilización




Obtención del gas natural




Yacimientos marítimos o en tierra.

Obtención del gas natural




Producción de crudo con gas asociado

Obtención del gas naturalSistema de Producción



Producción de Gas libre




Importación por gasoductos




Importación por barcos metaneros.

La ventaja fundamental que posee el GNL, es que su volumen se reduce unas 600 veces al licuarlo, así es de mayor facilidad y menor costo su transporte.




Los barcos metaneros son barcos sofisticados y de alta tecnología. Todos cuentan con doble casco y tienen habilitados uno o varios depósitos criogénicos que permiten mantener la carga a -161 oC.

En función del aislamiento de los tanques, estos transportes pueden ser principalmente de dos tipos, ambos igualmente idóneos, de modo que resulta muy difícil distinguir el mejor:

•El diseño esférico (tipo “Moss")•El diseño de membrana

Los metaneros Moss incorporan varios depósitos construidos en una aleación de aluminio y de forma esférica. Los metaneros de membrana se denominan así porque sus tanques disponen de una membrana de acero corrugado y expandible.




Demanda de energía

40%

27%

7%

3%

23%

PETROLEO CARBON NUCLEAR HIDRAULICA GAS

1994

37%

28%6%

6%

23%

PETROLEO CARBON NUCLEAR HIDRAULICA GAS

2010

Fuente: DOE




Transporte de?

Separación y filtrado

Compresión y expansión

Transferencia de calor

Deshidratación

Operaciones unitarias?•Absorción y absorción

•Fraccionamiento

•Extracción de líquidos

•Secado

Endulzamiento

Procesos en las plantas de Gas NaturalSistema de Producción



RECOBROAZUFRE

SEPARACIONDE FASES

DESHIDRATACION

ESTABILIZACION

ENDULZAMIENTO

CONDENSADO

GASES ACIDOSCO2 y H2S

AZUFRE

REMOCIONDE LIQUIDOS

QUEMADOR

LIQUIDOS PARAALMACENAMIENTO/

TRANSPORTE

GAS A COMPRESIONTRANSPORTE/REINYECCION/

QUEMADOR

AGUACRUDO/AGUA




Contenido de agua.Concentración máxima permitida de CO2, H2S, etc.Contenido calórico.Punto de rocío de hidrocarburo en la mezcla de gas.

La razón principal de el porque se procesa el gas natural es que antes que pueda ser transportado para su uso comercial, se debe cumplir con ciertas especificaciones:

Porque se procesa el Gas Natural?Sistema de Producción



Contenido de agua:Necesario para prevenir condensación de agua liquida en los poliductos que es causa de formación de hidratos.

Contenido de H2S y CO2: Causa de acidez en el gas. H2S es uno de los más peligrosos de los gases industriales. Es considerado letal en concentraciones por arriba de 0.06%.

Valor calorífico:Necesario para que el consumidor pueda contar con un apropiado valor en equipos de calentamiento.

Punto de rocío de hidrocarburo:Necesario para prevenir la condensación de hidrocarburos líquidos en las tuberías de transporte de gas.

Razones de las especificaciones del Gas NaturalSistema de Producción



Temperatura de entrega:Necesario para validar la medición; y para la protección del revestimiento del gasoducto.

Presión de entrega:Necesario para un apropiado diseño del sistema de gasoductos.

Razones de las especificaciones del Gas NaturalSistema de Producción



Absorción:Proceso de atracción y retención de vapor de agua por un liquido (Glicol), de una corriente de gas.

Bandeja real:El número de bandejas instaladas en un contactor o el equivalente en una columna empacada. El numero de bandejas reales es igual al número de bandejas teóricas divididas entre la eficiencia de bandeja total.

Contactor (o absorbedor):Un recipiente vertical presurizado donde el gas y el glicol se ponen en contacto en contracorriente para remover el vapor de agua del gas. El contactor usualmente utiliza casquetes de burbujeo, platos o empaque.

Deshidratación de gas:Es la remoción del vapor de agua del gas. El máximo contenido de agua en un gas deshidratado es normalmente 7 lbH2O/MMPCE.

Conceptos BásicosSistema de Gas Natural



Punto de rocío:La temperatura a la cual el vapor comienza a condensar en un sistema particular presurizado. En una corriente de gas natural se puede hablar de dos puntos de rocío: hidrocarburo y agua.

Depresión de Punto de rocío (Dew Point Depression):Es la diferencia en la temperatura del punto de rocío del agua, entre el gas a la entrada y a la salida del contactor.

Empaque:Anillos, sillas de montar u otras piezas de empaque instaladas en el contactor, columna de destilación o columna de despojamiento del rehervidor, que provee una superficie grande para el contacto entre el liquido y el vapor durante los procesos de absorción o destilación.

pH:Medida de la acidez de un liquido en escala del 0 al 14, siendo el valor de 7 neutral. De 0 a 7 es ácido, y de 7 a 14 es alcalino.




Calor Especifico:Es la energía necesaria para elevar en 1 grado la temperatura de 1 gramo de una sustancia. Para elevar la temperatura del agua se necesita mucho calor, ya que se deben romper enlaces de hidrógeno

Calor Sensible:Es la cantidad de calor absorbido o perdido por una sustancia que causa un cambio en la temperatura de la sustancia. Puede ser medida.

Calor Latente:Es la cantidad de energía calórica absorbida o perdida por una sustancia cuando cambia de fases.

Conceptos Básicos

)TT(WCqsensible 12 −=

)(Wqlatente λ= λ: calor latente, BTU/lb

Sistema de Gas Natural



Carga de calor para corrientes multifasicas:Cuando en un proceso existen corrientes de una o más fases, la carga de calor del proceso puede ser calculada por la siguiente ecuación:

Conceptos Básicos

wogp qqqq ++=

donde:qp: carga de calor total del proceso, BTU/hrqg: carga de calor del gas, BTU/hrqo: carga de calor del aceite, BTU/hrqw: carga de calor del agua, BTU/hr


Adsorción:Proceso de atracción y retención de vapor de agua por un sólido, de una corriente de gas.



Materia: En física moderna se entiende por materia cualquier campo, entidad o discontinuidad que se propaga a través del espacio-tiempo a una velocidad inferior a la de la luz y a la que se pueda asociar energía.

Átomo:Es la menor fracción en que puede dividirse un elemento simple sin que pierda sus propiedades químicas y pudiendo ser objeto de una reacción química.

Moléculas:Combinación de átomos similares u otros átomos, y tiene que satisfacer:

•Los átomos se han combinado químicamente.•El compuesto tiene propiedades diferentes.

Peso atómico:Es la masa en gramos de un mol de átomos de un elemento.




Pesos moleculares: Es la suma de los pesos atómicos de los átomos que forman la molécula.

Mol: Es la unidad de cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de 12C

Gas: ?????

Características de los gases:• Fáciles de comprimir• Se expanden hasta llenar el envase• Ocupan más espacio que líquidos y sólidos




Leyes que afectan el comportamiento de los gases:

Ley de Boyle:Si la temperatura de una determinada cantidad de gas permanececonstante, el volumen de dicho gas varia inversamente proporcional a la presión absoluta.

Conceptos Básicos

1

2

2

1

V

V

P

P=

tetanconsPV =2211 VPVP =ó ó

2

112 P

PVV =

Si se requiere calcular el volumen para las condiciones finales, entonces la formula queda:




Ley de Charles y Gay-Lussac:Esta tiene dos partes: 1.- Si la presión de una cantidad de gas permanece constante, entonces el volumen variará directamente proporcional con la temperatura absoluta.

Leyes que afectan el comportamiento de los gases:Conceptos Básicos

2

1

2

1

T

T

V

V=

2.- Si el volumen de una cantidad de gas permanece constante, entonces la presión absoluta variará directamente proporcional con la temperatura absoluta.

2

1

2

1

T

T

P

P=




Leyes que afectan el comportamiento de los gases:Ley de Dalton:Establece que en una mezcla de gases, cada gas ejerce su presión como si los restantes gases no estuvieran presentes.

Conceptos Básicos

nT P.......PPP ++= 21

Hipótesis de Avogrado:A una temperatura y presión dadas, el número de partículas en volúmenes iguales de gases era el mismo: 6,022 x 1023. Una libra-mol de un gas ideal ocupa 378.6 ft3 a 60 oF y 14.73 psia (condiciones estándares).

Ley de los estados correspondientes:• Presión reducida• Temperatura reducida• Volumen reducido




donde:P: presión del gas, psiaV: volumen del gas, ft3N: Numero de moles, Lb-moleR: constante universal de los gases, 10.73 (psia)(ft3)/(Lb-mole)(oR)T: Temperatura del gas, oR

Ley de los gases ideales:Conceptos Básicos

nRTpV =




Ejercicio

En un recipiente se tienen metano, etano, CO2 y H2S, a una temperatura T1, si se agrega propano con una presión Pp. Que le pasa a:

•La presión?•La temperatura?•El volumen?

En un recipiente se tienen metano y CO2 se comienza a incrementar la temperatura, que le pasa a:

•Volumen?•Número de moles?•Presión atmosférica?




Gases Reales

En algunos casos de gases en condiciones normales, y en el de casi todos los gases a alta presión, los valores predichos para las propiedades de los gases que se obtienen empleando la ley de los gases ideales se apartanconsiderablemente de los resultados experimentales.

ZnRTpV =donde:

p: presión absoluta del gasV: volumen total ocupado por el gasn: numero de moles de gasR: constante de los gases ideales en las unidades apropiadasT: temperatura absoluta del gas.Z: factor de compresibilidad




• Estado critico: para la transición gas-liquido es el conjunto de condiciones físicas en las que la densidad y otras propiedades del liquido y del vapor se hacen idénticas.

• Parámetros reducidos: son condiciones de temperatura, presión y volumen corregidas o normalizadas, mediante la división entre sus condiciones criticas.

cr TTT /= cr PPP /= cr VVV /ˆˆ =donde:

Tr: Temperatura reducida, oRTc: Temperatura critica, oRPr: Presión reducida, psiaPc: Presión critica, psiaVr: Volumen reducido, pie3

Vc: Volumen critico, pie3

Conceptos BásicosGases Reales




cii'c PYP ∑= cii

'c TYT ∑=

donde:P’c: Presión seudo critica, psiaYi: fracción molar de cada componente, adimensionalPci: Presión critica de cada componente, psiaT’c: Temperatura seudo critica, oRTc: Temperatura critica de cada componente, oR

Cálculo de la densidad y del factor de compresibilidad

• Correlación de Katz y Regla de Kay’s

Gases Dulces




'c

'r T/TT ='

c'r P/PP =

donde:T’r: Temperatura seudo reducida, oRT: Temperatura del gas, oRT’c: Temperatura seudo critica, oRP’r: Presión seudo reducida, psiaP: Presión del gas, psiaP’c: Presión seudo critica, psia

Cálculo de la densidad y del factor de compresibilidad

• Correlación de Katz y Regla de Kay’s

Gases Dulces




iia MWyMW ∑=

9728.MWa

g =γ

donde:δg: gravedad especifica del gasMWa: peso molecular aparente del gasMWi: peso molecular de cada componente del gasyi: fracción molar de cada componente del gas

Cálculo de la Gravedad Especifica del Gas

La gravedad especifica del gas (δg) es definida como el radio del peso molecular aparente del gas entre el peso molecular del aire. El peso molecular del aire es usualmente tomado como 28.97 (aproximadamente 79% denitrógeno y 21% de oxígeno).

Donde el peso molecular aparente puede ser calculado de la composición del gas, de la siguiente manera:




Ejercicio

100,000 pc de un gas dulce a una presión de 2021 psi y a una temperatura de 331 oF, esta fluyendo en una tubería. Calcular la densidad del gas y su peso molecular. La composición del gas se indica en la próxima diapositiva.




728464890,0002nC5

163436680,8414C1

3467313060,1438H2S

4454810710,0030CO2

282274930,0046N2

735

665

550

Tc(oR)

Pc’=ΣYi*Pc

529

616

708

Pc(psia)

1,000Valor

580,0003IC4

440,0008C3

300,0059C2

PM’=ΣYi*PMPMTc’=ΣYi*TcYiCOMP.

EjercicioGases Dulces




donde:ε = factor de ajuste por temperatura crítica, oRA = fracción de H2S + fracción de CO2 en el gas.B = fracción de H2S en el gas.

Para gas acido

( ) ( )4506190 15120 BBAA ... −+−=ε

ε−= 'Tc"Tc ε)B(B'Tc"Tc'Pc"Pc x

−+=

1

• Wichert y Aziz

Calculo de la densidad y del factor de compresibilidadSistema de Gas Natural



Para gas acido EjercicioSistema de Gas Natural



Ejercicio

100,000 pc de gas acido tiene la composición mostrada en la lamina siguiente. Determinar el factor de compresibilidad y la densidad a 1000 psi y a una temperatura de 100 oF.




163436680,6C1

3467313060,2H2S

4454810710,1CO2

282274930,05N2

550

Tc(oR)

Pc’=ΣYi*Pc

708

Pc(psia)

1,000Valor

300,05C2

PM’=ΣYi*PMPMTc’=ΣYi*TcYiCOMP.

EjercicioGases ácidos




Composición del gas natural




Composición del GNL Composición del LPG

FUENTE: BRITISH GAS.

Líquidos del Gas NaturalSistema de Gas Natural



El gas natural es un combustible fósil que no es sometido a transformaciones químicas, para su uso.

Se trata de una mezcla de hidrocarburos en la que predomina el metano, normalmente alrededor de un 80%.

Composición del Gas NaturalSistema de Gas Natural



En el 2005, las reservas probadas de gas natural a nivel mundial eran de 161.430 trillones de m3.

Reservas del Gas NaturalSistema de Gas Natural

Fuente: BP Statistical Review of World Energy, June 2005



Reservas del Gas NaturalSistema de Gas Natural




Consumo del Gas NaturalSistema de Gas Natural




Movimientos del Gas Natural y sus líquidosSistema de Gas Natural




COMPONENTE % MOLARNITROGENO 0.36DIOXIDO DE CARBONO 7,80H2S 0.005METANO 70,9ETANO 11,0PROPANO 5,70I-BUTANO 0.82N-BUTANO 1.90I-PENTANO 0,50N-PENTANO 0,47N-HEXANO 0,34N-HEXTANO+ 0,205

GRAVEDAD ESPECIFICA: 0,818PESO MOLECULAR: 23,43

Componentes del Gas NaturalSistema de Gas Natural



1.- Determinar dióxido de carbono y H2S.

2.- Identificar presencia de hidrocarburos aromáticos y no-parafínicos.

3.- Caracterización apropiada de fracciones pesadas.

“Warning” en el análisis del gas naturalSistema de Gas Natural



Tipos de gases



Gas amargo:Contiene importantes cantidades de H2S y CO2.

Gas pobre:Esta formado principalmente por metano (85-90%) y pequeñas cantidades de componentes condensables.

Gas dulce:No contiene o contiene muy pocas cantidad (trazas) de H2S y CO2.

Sistema de Gas NaturalTipos de gases



Gas húmedo:Es el producido en los separadores de producción de las baterías (estaciones de flujo) y que esta saturado en vapor de agua.

Gas seco:Es el gas con un punto de rocío mucho menor que sus condiciones reales de temperatura y presión.

Gas rico:Contiene alta proporción de componentes pesados. De el se pueden obtener apreciables cantidades de hidrocarburos líquidos.

Sistema de Gas NaturalTipos de gases



Medidores de calidad del Gas



Análisis de composición y calidad:Valor calorífico.Punto de rocío.Gravedad especifica.Densidad.

Si el sistema de transporte posee múltiples fuentes de gases con diferentes líneas troncales, el punto de análisis dependerá del cliente al que se entregara el gas. Los resultados de los análisis, de ser requeridos para los cálculos de volumen, deberán ser procesados y alimentados en forma automática a los equipos electrónicos de medición y cálculo de volumen de gas.

Todos estos medidores analizan muestras de la línea principal y son comparadas con patrones que han sido calibrados con anterioridad. Los medidores deberá instalarse en la línea troncal principal de transporte del gas, preferiblemente a la salida de la planta de procesamiento o de la última planta o etapa de compresión del sistema de transporte de gas.

Medición de Gas



Medidores de calidad de fluido

Medidores de valor calorífico

Medición de Gas



Medidores de punto de rocío

Medidores de calidad de fluido (cont..)

Medición de Gas



Medidores de densidad


Medición de Gas



Medidores de gravedad especifica


Medición de Gas



Medición de calidad:Muestreo manual y análisis de laboratorio.

Muestreo automático y análisis en laboratorio.

Medición de corte de agua

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