Deshidratacion Por Adsorcion

DESHIDRATACION POR ADSORCION

IVONN SANDOVAL MEJIAJOHANA ARANGO MURILLO

LAURA MORANTESJOSE RODRIGO BUITRAGO

Ingeniería Del GasIng. Helena Margarita Ribón

Escuela de Ingeniería de Petróleos

AGENDARESUMEN

INTRODUCCION

GENERALIDADES

TIPOS DE ADSORCION

CAPACIDAD DEL DESECANTE

SELECCIÓN DEL DESECANTE

TIPOS DE DESECANTES

CARACTERISTICAS DEL DESECANTE

PROPIEDADES DEL DESECANTE

PROCESO DE ADSORCION

DISEÑO Y OPERACION

PROBLEMAS OPERACIONALES

EJEMPLO

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

PREGUNTAS

RESUMEN

TRATAMIENTO

DESHIDRATACION

ABSORCION

GLICOL

ADSORCION

ALUMINA ACTIVADA GEL DE SILICE TAMICES

MOLECULARES

EXPANSION-REFRIGERACION DELICUESENCIA TECNOLOGIA

TWISTER

ENDULZAMIENTO

SOLVENTES QUIMICOS

AMINAS

MEMBRANAS PERMEABLES

MEMBRANAS HUECA

MEMBRANA EN ESPIRAL

INTRODUCCION Los sistemas de deshidratación por desecantes sólidos trabajan con el

principio de adsorción. Estos deshidratadores son mas efectivos que el glicol, ya que pueden secar el gas no a menos de 0.1ppm en volumen (0.05lbagua/MMcf). El uso de estos deshidratadores sólidos producen importantes beneficios económicos y ambientales, como la reducción de costos de operación y mantenimiento, a diferencia del uso de glicol.

DESECANTES SOLIDOS

Gel de sílice

Alúmina activada

Tamices moleculares Mas eficientes

GENERALIDADES

La Adsorción es el proceso por el cual los componentes gaseosos son adsorbidos en los sólidos, debido a la atracción molecular de la superficie sólida. El agua forma una película muy delgada que se forma en la superficie del desecante por las fuerzas de atracción, pero no hay reacción química.

ADSORCION

TIPOS DE ADSORCION EN SOLIDOS

• Atracción entre las moléculas de gas y la superficie, formando de este modo múltiples capas adsorbentes en la superficie.

ADSORCION FISICA

CAPACIDAD DEL DESECANTE SOLIDO

Un desecante solido es una sustancia que se usa para eliminar humedad del aire o de alguna otra

sustancia

La capacidad de un desecante solido depende varios factores:

Humedad relativa del gas de entrada Caudal del gas

Temperatura de la zona de adsorción Tamaño del poro

Duración del ciclo

Grado de contaminación del desecante

SELECCIÓN DEL DESECANTE Existe una variedad de desecantes disponibles en el mercado para

aplicaciones especificas. Algunos son buenos solo para deshidratar el gas mientras que otros son capaces de realizar tanto la deshidratación como la eliminación de componentes de hidrocarburos pesados.

• Esto reduce al mínimo la eliminación de componentes no deseados.

Alta selectividad por el agua

• La regeneración a bajas temperaturas minimiza la necesidad de energía y gastos de operación.

Fácil regeneración

• Esto reduce el requerimiento de volumen de adsorbente, lo que permite el uso de recipientes mas pequeños.

Alta capacidad de adsorción en equilibrio

Baja caída de presión

TIPOS DE DESECANTES SOLIDOS

Gel de Sílice

Alúmina Activada

Tamices Moleculares

Un desecante debe poseer afinidad por el agua, una gran área superficial, alta resistencia mecánica a la abrasión, ser químicamente inerte y tener un precio razonable.

Los desecantes comerciales mas comúnmente usados en los deshidratadores de lecho seco son:

GEL DE SILICE

Es un nombre genérico para una gel formada a partir de acido sulfúrico y silicato de sodio, es ampliamente utilizado para la deshidratación y la recuperación de hidrocarburos líquidos del gas natural, Es un material duro, rugoso, amorfo con buenas características de resistencia al desgaste. Se caracteriza por lo siguiente:

No es el mas adecuado para la deshidratación del GN (Debido a que es amorfo, será adsorbido por todas las moléculas).

Es de mas fácil regeneración y mas económico que los tamices moleculares. Alta capacidad de agua, puede adsorber hasta un 45% de su propio peso en agua. Deshidratan a valores de 10ppm. Pueden tratar gases ácidos (H₂S < 5-6%). Posee una fuerte afinidad por lo HC pesados (C5

+).

ALUMINA ACTIVADA La alúmina activada se obtiene por calentamiento de trihidrato de

aluminio o se presenta naturalmente en forma de óxidos de aluminio que se activan por calentamiento. Es amorfa , porosa y no cristalina.

Temperatura de regeneración relativamente baja. Es alcalino (no usar en presencia de gases ácidos). Alta tendencia a adsorber hidrocarburos pesados. Baja resistencia a desintegración por agitación mecánica .

TAMICES MOLECULARES Los tamices moleculares son zeolitas cristalinas o metales alumino-silicatos con

una uniforme estructura interconectada en tres dimensiones de alúmina y sílice tetraedral. Altamente porosos, con un estrecho rango de tamaño de poro, y una alta área superficial.

Criterios de aplicación:

Capacidad de deshidratación de no menos de 0,1ppm de contenido de agua. Excelente para deshidratar, por su alta temperatura de deshidratación, y una

eliminación altamente selectiva. Mas costoso, pero ofrece una mayor deshidratación. Requieren temperaturas mas altas para la regeneración por lo tanto tiene un mayor costo de operación.

DIAMETRO DEL PORO (A)

FORMULA USO

TIPO 3A 3 K12 [(AlO2)12 (SiO2)12]*x H2O Secar oleofinas, metanol y etanol.

TIPO 4A 4 Na12 [(AlO2)12 (SiO2)12]*x H2O Secar gases y líquidos y remoción de H₂S.

TIPO 5A 5 Ca6 [(AlO2)12 (SiO2)12]*x H2O Separar parafinas.

TIPO 13X 10 Na86 [(AlO2)86 (SiO2)106]*y H2O Remover H₂S, CO₂ Y Agua.

Tamices moleculares estándar.

Fabricados en 2 tipos de cristales:

• Cubo simple o tipo A Sodio, Calcio y Potasio• Cubo centrado en el cuerpo o tipo X Sodio y Calcio

Los tamices de sodio son los más comunes

CARACTERISTICAS DE LOS DESECANTE SOLIDO

Amplia área superficial y buena retención

Alta tasa de transferencia de masa

Fácil y económica regeneración

Pequeña resistencia del flujo de gas

No toxico, no corrosivo, químicamente inerte

Ningún desecante es perfecto o el mejor para todas las aplicaciones. En algunas aplicaciones la elección del desecante está determinada principalmente por la economía.

PROPIEDADES DE LOS DESECANTES SOLIDOS

DESECANTE REFERENCIA

GEL DE SILICEDavidson (03)

ALUMINA ACTIVADAAlcoa (F-200)

TAMIZ MOLECULARZeochem (1989)

Diámetro de poro (Angstroms)

10 a 90 15 3,4,5,10

Densidad aparente (lb/ft³)

45 44-48 43-47

Min. Temperatura de rocío (ºF)

-60 -90 -150

Temperatura de regeneración (ºF)

300-500 350-500 425-600

Max. Temperatura de entrada (°F)

120 125 150

Fuente: Oilfield Processing of Petroleum, Pag 175

Los valores mínimos de punto de roció normalmente se obtienen con una unidad de diseño y funcionamiento apropiado.

SISTEMA DE 2 TORRESPara un sistema de dos torres, el tiempo disponible para la regeneración es igual al tiempo de adsorción. Para el sistema de tres torres el tiempo disponible es la mitad del tiempo de adsorción.

SISTEMA DE 3 TORRESDos torres para adsorción y la tercera para regeneración. El área sombreada muestra el interior de la torre 1 y 2 mostrando el progreso de la adsorción del agua en el lecho o la porción del lecho que es esencialmente saturado con agua.

Separador de Entrada

Torres de Adsorción

Filtro de finos

GAS SECO

Calentador de gas de regeneración

Enfriador

Agua Libre

Gas reciclado de regeneración

Compresor

Cerrado Abierto

1. CICLO DE ADSORCIÓN 2. CICLO DE REGENERACIÓN

En adsorción

En regeneración

GAS HUMEDO

600 ºF

400 A 600 ºF

Water Knockout

Tabla de Condiciones de Operación para unidades de

Tamiz Molecular PARAMETRO CONDICIONES DE APLICACIÓN

Caudal 10 a 1500 MMscfd (0,3 a 42 MMSm3/d)Velocidad Superficial Aproximadamente 30 a 35 ft/min (9 a 11 m/min)

Caida de Presión Aproximadamente 5 psi (35 Kpa), no exceder de 10 psi (69 Kpa)Tiempo de Ciclo 4 hasta 24 horas; 8 o multiplos de él son comunes

Temperaturas y PresionesAdsorción Temperaturas: 50 a 115 °F (10 a 45 °C)

Presiones: Hasta 1500 psig (100 barg)Regeneración Temperaturas: 400 a 600 °F (200 a 315 °C)

Presiones: Presión de adsorción o menores

Fuente: Fundamentals of Natural Gas Processing (Kidnay), Pág. 153

PROCESO DE ADSORCION

•En la zona de equilibrio es donde el desecante saturado con agua ha llegado a su límite.

1. ZONA DE EQUILIBRIO

•Prácticamente toda la de transferencia de masa se da lugar en el MTZ.

2. MTZ•Es donde el desecante tiene la capacidad de retener la cantidad de residuos de agua que queda del ciclo de regeneración.

3. ZONA ACTIVA

1

2

3

CONSIDERACIONES PARA UN DISEÑO DE ADSORCIÓN

Velocidad del gas

Diámetro y espesor del lecho adsorbente

Cantidad necesaria del desecante

Longitud del lecho

2ggg VCVB

L

P

Donde:

• ΔP/L: caída de presión/longitud (psi/ft).• μ: viscosidad del gas (cp).• ρg: densidad del gas (lbm/ft³).• Vg: velocidad superficial del gas (ft/min).

1. Determinar la velocidad del gas

Tipo de partícula B C

1/8´´ Bead (4x8 mesh) 0,0560 0,0000889

1/8´´ Extrudate 0,0722 0,000124

1/16´´ Bead (8x12 mesh) 0,152 0,000136

1/16´´ Extrudate 0,238 0,000210

Una deshidratación de gas óptima ocurre cuando la velocidad del gas hacia abajo es lo suficientemente baja para no dañar las partículas de desecante y de este modo aumenta la capacidad del desecante para deshidratar el gas.

• Determinar el diámetro de la torre

2.

maxmin

4

v

qD

CAUDAL ACTUAL

ZT

T

P

Pqq

S

ss

1440VELOCIDAD DEL GAS

g

g

Av

A= 55 1/8¨

A=40 1/16¨

𝑉𝑚𝑎𝑥= ൬0,33𝐶∗𝜌൰0,5 −൮

ቀ𝐵𝐶ቁ∗ቀ𝜇𝜌ቁ2 ൲

𝑉𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎𝑑𝑎 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 ൬𝐷𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜𝐷𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 ൰2

3

Wr=Agua en el gas lbagua/MMscf

Css= Factor de corrección para el tamiz por saturación

C= Factor de corrección por temperatura

TIPO DE DESECANTE

MASA DE AGUA ABSORBIDA/DESECANTE EN

MASA)

Alúmina 4-7%

Gel de sílice 7-9%

Tamiz molecular 9-14%

Calcular la masa del desecante

Longitud del lecho4.

Longitud total del lecho

Zona de saturación

Zona de transferencia de masa

MTZST LLL

SL

MTZL

Z Tamiz

1,7 1/8 in

0,85 1/16 in

Determinar la altura de la torre

5

Longitud del lecho

Base de apoyo

Distribuidor de gas

Altura de la torre

Longitud de apoyo del lecho

Se debe dejar un espacio suficiente en la torre para asegurar la buena distribución, y

flujo de gas en la parte superior del

lecho. Esta altura adicional es generalmente

3.3 a 5 pies.

DISEÑO DE REGENERACIONLa corriente de evaporación debe cumplir con las siguientes características:

Calentar el desecante por lo menos a 204-288°C (400-550°F).

Calentar la carcasa y el interior de acero.

Calentar y luego vaporizar el agua adsorbida

Calentar y luego vaporizar los HC en el lecho.

Suministrar calor perdido a través del aislamiento

Calcular el calor total necesario para la desorción del agua, calentar el desecante y la torre.

1.

Calor necesario para la desorcion del agua

Calor necesario para calentar el desecante

Calor necesario para calentar la torre

Perdidas de calor

Se asume un 10% del calor perdido.

DISEÑO DE REGENERACION

2

DISEÑO DE REGENERACION

lhstsiWT QQQQQ 5,2

Calor total de regeneración del lecho

hbhotp

trrg

tTTC

Qm

.

Masa de gas de regeneración

3

4


Contaminación del lecho adsorbente

Alta Temperatura de Rocío.

Ruptura Prematura

Soporté de Fondo

Pobre distribución de gas dentro de la torre


Contaminación del Lecho Adsorbente

La causa más frecuente es la eliminación incompleta de los contaminantes en el separador de gas de entrada.

La regeneración incompleta del desecante dará lugar a una pérdida repentina en la capacidad de adsorción y una ruptura prematura significativa.

Excesivo contenido de agua en la entrada de gas húmedo debido a incrementos de caudal de flujo, altas temperaturas, y bajas presiones.

Alta Temperatura de Rocío

Ruptura Prematura

La capacidad del desecante puede disminuir con el uso, pero debe estabilizarse a una capacidad de entre 55-70% de la inicial. (Debido al desgaste natural-”envejecimiento”)


generado por: Aumento de Hc’s pesados (C4+) en el gas de alimentación. La contaminación del desecante. Regeneración incompleta.

Soporte de Fondo

A veces los operadores tienen problemas con la red de apoyo y las fugas de tamices moleculares a través de la red de apoyo. Como resultado, tienen que reemplazar todo el lecho.


EJERCICIO

100 MMscfd de gas natural con un peso molecular de 18lb/lbm va ha ser

tratado para la recuperación de etano. El gas esta saturado con agua a 600 psia y 100 ° F y debe ser secado para obtener un punto de rocío de -150 ° F. Determinar el contenido de agua y la cantidad de agua que debe ser removida y hacer el diseño preliminar de un sistema de deshidratación de dos torres con tamiz molecular 4A- 1/8” Beads. El gas de la regeneración es parte del gas residual de la planta, que está a 600 psia y 100 ° F y tiene un peso molecular de 17lb/lbmol. El lecho debe ser calentado a 500 ° F para la regeneración.

PROPIEDADES DEL GAS A TRATAR

q 100 MMscfd

PM 18 lb/lb-mol

P 600 psia

T 100°F

PROPIEDADES DEL GAS DE REGENERACIÓN

P 600 psia

T 100 °F

PM 17 lb/lb-mol

CRITERIOS DEL DISEÑO

Sistema de 2 torres

Tamiz molecular 4A-1/8¨Beads

Temp. de regeneración 500°F

Tem de rocío -150°F

Tiempo proceso 24 hr

SOLUCION

1. PASO Calcular las propiedades del gas

62,09586,28

18

aireg PM

PMGE

lbmollbPM aire /9586,28

GE del gas

Factor de compresibilidad Z

0,93

Z=0.93


FIGURA 23-5 GPSA

Densidad del gas

393,156093,072,10

60018

7210ftlb

TZ,

PPMg


Viscosidad del gas

0.015

cpg 015.0

GE

GE


FIGURA 23-23 GPSA

2. PASO Calcular las dimensiones de la torreDiámetro mínimo del

lecho

max

4min V

qD

Calculo del caudal

𝑞 = 𝑚ሶ60𝜌

min1710

min60

1

93,1

198000 3

3

.

fth

ftlb

hlbm

q

m

hrlblbmol

lb

scf

lbmol

hr

d

d

scfxm 198000

18*

4.379

1*

24

1´*10100 6

.

Velocidad máxima

Diámetro mínimo del lecho

𝑉𝑚𝑎𝑥= ൬0,33𝐶∗𝜌൰0,5 −൮

ቀ𝐵𝐶ቁ∗ቀ𝜇𝜌ቁ2 ൲

min4.41

2

93.1015.00000889.0/056.0

93.10000889.0

33.05.0

max ftV

ftft

ft

V

qD 25.7

min4.41

min17104

max

4 3

min

Tipo de partícula B C

1/8´´ Bead (4x8 mesh) 0,0560 0,0000889

1/8´´ Extrudate 0,0722 0,000124

1/16´´ Bead (8x12 mesh) 0,152 0,000136

1/16´´ Extrudate 0,238 0,000210

Dselec=7.5ft

2. PASO Calcular las dimensiones de la torre

Velocidad ajustada

min7,387,5

25,74,41

D

22

Selec

minmax

ftDVV ajus

Diámetro mínimo del lecho

Corrección del ∆P/L

22

max 4.41

7.3833.0

V

V

L

P

L

P adj

Adj

ftpsi

L

P

Adj

29,0

2. PASOCalcular las dimensiones de la torre

3. PASO Calcular la Cantidad de desecante

))()(13,0( Tss

rs CC

WS

rW Cantidad de agua a remover

SSC Corrección por tamiz

TC Corrección por temperatura

Cantidad de agua a remover

24

oiGr

WWQW

88

/hlb 367

24

088100

rW

Duración ciclo de adsorción=12hr

ciclolbaguaWr /440412367

3. PASO Calcular la cantidad del desecante

McKetta

Corrección por concentración de agua

Css=1

figura 20-84 GPSA


Corrección por temperatura

0.93

figura 20-85 GPSA



))()(13,0( Tss

rs CC

WS

3643793.00.113.0

4404

SS Lb de desecante

3.a Corrección cantidad del desecante

)(lbSL

Ls

S

TstS MTZsT LLL


Longitud de la MTZ

ZV

L ajustadaMTZ

3.0

35

Z Tamiz

1,7 1/8 in

0,85 1/16 in

ftLMTZ 8.17.135

7.383.0

Longitud de la zona saturada

antede

SS D

SL

sec2

4

ft 3,18455,7

3642742

SL

Tamiz molecular

Densidad aparente

Beads 42-46 lb/ft3

Pelets 40-44 lb/ft3


ftLT 1,208,13,18

lblbSL

Ls

S

TstS 4001036427

3.18

1.20)(

3.a Corrección cantidad del desecante



4. PASO Verificación parámetros de diseño

85

Tajustable

LL

P

8,51,2029,0

Tadj

LL

P

SI SE CUMPLE CON LOS PARAMETROS DE DISEÑO

5. PASO Calcular el calor de regeneración

lhstsiWT QQQQQ 5,2

TQ

WQ

siQ

stQ

lhQ

Calor total de regeneración, BTU

Calor necesario para desorber el agua, BTU

Calor necesario para calentar el material del lecho, BTU

Calor necesario para calentar la torre y tuberías, BTU

Perdidas de calor, BTU

Calor para desorber el agua, BTU

)4404(18001800 lbslb

BtuAgualbs

lb

BtuQW

BtuQW 7927000

Calor para calentar el material del lecho, BTU

)100500(24.0

)40010(24,0

FFFlb

BtulbTT

Flb

BtusieveoflbQ irgsi

BtuQsi 3841000


Calor para calentar la torre y tubería, BTU

irgst TTFlb

BtuacerooflbQ

12,0

Lb Acero

DD,LL,t MTZs 37501250155Acero) (lb Wsteel

Espesor de la lamina de acero de la torre

inP

PDt

design

design 614,1)6602,1(37600

6605,712

2,137600

12

operacióndesign %PP 110


Calor necesario para calentar el acero, BTU

Lb Acero

5,735,77508,13,181250614,1155Acero) (lbWsteel ,,

libras 58070Acero de lbs

DD,LL,t MTZs 37501250155Acero) (lbWsteel

100500

12,058070

Flb

BtuacerolbQst

BtuQst 2787000


Perdidas de calor, BTU

)10.0( stsiWhl QQQQ

BtuQhl 145500010,0278700038410007927000

Calor total necesario para la regeneración, BTU

14550002787000384100079270005,2 TQ

BTUQT 40025000


6. PASO Calcular el caudal del gas de la regeneración.

tiempo calentamiento es el 60% del tiempo de regeneración

Thot es 50° por encima de la T operación

hrth 2.7%6012

heatbhotp

Trg

tTTC

Qm

)(

.

hotT

Fthot 55050500

heatt


bhot

ihotp TT

HHFLb

BtuC

Capacidad calorífica, Cp

FIGURA 24-12 GPSA

PM

ENTA

LPIA

TO

TAL

Btu/

lb

545

250

Flb

BtuC p

66,0

100550

250545

pC

FIGURA 24-12 GPSA


heatbhotp

Trg

tTTC

Qm

)(

.

hr

lbmrg

2.7)100550(66.0

40025000.

hrlbmrg 18717.

7. PASO Verificar que ∆P/L ≥ 0.01 psi/ft @ 550°F.

2minVCVB

L

P

Se determinan las propiedades del gas

de regeneración siguiendo los paso 1 y 2 para adsorción.

GAS DE REGENERACIÓN

PM 17 lb/lbmol

µ 0,023 cp

B 0,056

C 0,000089

01,0

ft

psi

L

P

GE del gas de regeneración

59,09586,28

17GE

3

94,055046073,10

600ol/lb][17

ft

lbpsilbm

Densidad del gas de regeneración

min9,331

)94,0)(min(60

18717 3ft

hr

hrlbq

Caudal del gas de regeneración

min91,6

5,7

9,3314422

min

min

ft

D

qV

Velocidad del gas de regeneración

Verificar

2minVCVB

L

P

01,0

ft

psi

L

P

μ=0.023

ft

psi

L

P013,091,694,0000089,091,6023,0056,0 2

01,0013,0

ft

psi

L

P

Número de torres 2

Presión de diseño 660 psia

Temperatura de diseño 100 °F

ID torre 90 in-7,5 ft

Altura torre 23,1 ft

W tamiz molecular 2X40010 lb agua

Q gas de regeneración 18717 lb/hr (10,026 MMscfd)

T gas de regeneración 550 °F

Tiempo ciclo 24 horas

Tiempo adsorción 12 horas

Tiempo regeneración 12 horas

RESULTADOS DEL DISEÑO

7.2 hr

4.8 hr

CONCLUSIONES Las alúminas son las mas económicas , sigue la gel de sílice y los tamices

moleculares son los mas costosos pero esta justificado por sus características especificas.

La capacidad de todos los desecantes disminuye al aumentar la temperatura.

Pequeñas cantidades de compuestos de azufre pueden ser tolerados por el gel de sílice, mas no son generalmente eficaces en la eliminación de estos componentes.

El acido sulfurico y dióxido de carbono pueden ser removidos por tamices moleculares. Unidades comerciales son construidas para estos propósitos específicos.

La temperatura y la presión de condensación es un parámetro crítico que rige la economía de la planta.

BIBLIOGRAFIA

CAMPBELL, John. Gas Processing and Conditioning. Sections 8 y 9.

MOKHATAB, Saied. Handbook of Natural Gas Transmission & Processing. Capitulo 9.4.

Gas Processors Suppliers Association (GPSA) Chapter 20, 23 y 24. 2004.

GRACIAS!!!

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