SIMULACIÓN DE PROCESOS USANDO HYSYS APLICACIONES EN TRATAMIENTO DE GAS NATURAL
Y DESTILACIÓN DE HIDROCARBUROS
Presentado a:
EMPRESA COLOMBIANA DE PETRÓLEOS - ECOPETROL GERENCIA CENTRO ORIENTE
Septiembre de 2002
Instructor:
Alonso Jaramillo Sanclemente Ingeniero Químico
PREFACIO
En las últimas décadas las industrias de procesos han evolucionado considerablemente como resultado de un mejor entendimiento del comportamiento de fases y profundos estudios termodinámicos en el equilibrio de fases de sistemas de fluidos particularmente de los hidrocarburos, obteniéndose correlaciones muy confiables para el cálculo de propiedades. Adicionalmente, el desarrollo de programas de computador para la simulación y el diseño de procesos, le permiten al ingeniero estudiar diferentes esquemas y condiciones de proceso con relativa facilidad. La sinergia de la interacción entre la ingeniería y las herramientas de diseño ayudado por computador, han dado como resultado un mejor entendimiento de los procesos y se han convertido en herramientas efectivas para el tratamiento riguroso y comprensivo de nuevas tecnologías de procesamiento.
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TABLA DE CONTENIDO
página
1.0 INTRODUCCIÓN ...1
1.1 Significado de la Simulación ...1
1.2 Modelamiento en Estado Estacionario ...1
2.0 INICIÁNDOSE EN LA SIMULACIÓN...3
2.1 El “Simulation Basis Manager”...3
2.1.1 El Ambiente “Main Flowsheet / Sub-Flowsheet / Column Sub-Flowsheet / Environment”...4
2.1.2 Ambientes Relacionados ...7
2.2 Crear un Nuevo Caso de Simulación...10
2.3 Seleccionar un Conjunto de Unidades ...12
2.4 Adición de Corrientes ...12
2.5 Adicionar un Componente Hipotético ...15
2.6 Definición de Términos Usados en Procesamiento de Gas Natural ...17
Ejercicio 1 – Cálculos “Flash” & Diagramas de Fases...18
Ejercicio 2 – Separador de Dos Fases...22
3.0 CONTENIDO DE AGUA E HIDRATOS EN EL GAS NATURAL ...30
3.1 Contenido de Agua en el Gas Natural ...30
3.2 Hidratos del Gas Natural...30
3.2.1 Calentamiento de Gas ...32
3.2.2 Prevención de Formación de Hidratos por Adición de Químicos ...34
3.2.3 Prevención de Formación de Hidrato por Deshidratación del Gas Natural .35 3.3 Saturando con Agua una Corriente en Hysys ...36
Ejercicio 3 – Saturación de un Gas Dulce ...36
3.4 Cálculos de Condiciones de Formación de Hidratos...40
Ejercicio 5 – Cálculos de Condiciones para Formación de Hidratos ...40
3.5 Inhibición de Hidratos con Solventes Químicos ...46
3.5.1 Método de Maddoz et al. ...47
Ejercicio 6 – Inhibición de Hidrato con Metanol ...48
Ejercicio 7 – Inhibición de Hidratos con Etilen Glicol...53
4.0 CONTROL DE PUNTO DE ROCÍO POR AGUA ...55
4.1 Diseño de un Deshidratador con Glicol...55
4.2 Operación de Deshidratación con Glicol ...56
4.2.1 Separador de Entrada ...56 4.2.2 Absorbedora...56 4.2.3 Tanque Flash...57 4.2.4 Despojadora ...57 4.2.5 Rehervidor ...58 4.2.6 Bomba de Glicol ...58 4.2.7 Pérdidas de Glicol...58
Ejercicio 8 – Proceso de Deshidratación y Regeneración con Trietilen Glicol...59
5.0 RECUPERACIÓN DE LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL Y CONTROL DE PUNTO DE ROCÍO POR HIDROCARBURO ...71
5.1 Absorción...71
Ejercicio 9 – Absorción con Aceite Pobre...72
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6.2 Convergencia de Torres de Destilación ...91
Ejercicio 13 – Método Riguroso & Dimensionamiento de una Columna ...94
6.3 Caracterización de Crudos ...101
6.3.1 Paso Uno – Caracterizar el Ensayo (Assay) ...101
6.3.2 Paso Dos - Generar Pseudo Componentes ...102
6.3.3 Paso Tres – Instalar el Crudo...102
6.3.4 Propiedades de Usuario ...103
6.3.5 Correlaciones ...103
Ejercicio 14 – Caracterización de Crudo ...103
Ejercicio 15 – Torre Atmosférica de Crudo...108
Ejercicio 16 – Torre Atmosférica de Crudo Mezclado...117
7.0 TRANSPORTE DE GAS NATURAL ...126
Ejercicio 17 – Gas de Baterías a Planta ...126
FIGURAS FIGURA 1 Diagrama de Flujo para Selección de un Modelo Termodinámico ... 5
FIGURA 2 Relación entre los Diferentes Ambientes de Simulación ... 8
FIGURA 3 Water Content of Hydrocarbon Gas ... 31
FIGURA 4 Sistema Típico de Destilación ... 84
FIGURA 5 Relación entre Razón de Reflujo y Número de Etapas ... 85
SIMULACIÓN DE PROCESOS
1.0 INTRODUCCIÓN
1.1 Significado de la Simulación
Simulación es el proceso de modelar un sistema real y realizar corridas con dicho modelo para alcanzar un mejor entendimiento de dicho sistema. La construcción de un modelo y la posterior simulación, tiene una gran variedad de aplicaciones como en aeronáutica, economía, biotecnología, ingeniería de procesos, etc.
El objetivo de este curso es dar algunas guías para construir casos de simulación, en procesos como tratamiento de gas y destilación de hidrocarburos, usando Hysys.Process Ver 2.4.1. Una vez alcanzado este objetivo, el participante estará en capacidad de utilizar esta herramienta construyendo casos de simulación de procesos de su propio interés.
Los paquetes de simulación no son sistemas expertos. Los ingenieros de proceso deben especificar las operaciones unitarias ha ser ejecutadas, las conexiones entre las diferentes operaciones unitarias, las condiciones de operación, y son los responsables de un óptimo diseño. Los programas de computador tan sólo ejecutan balances de masa y energía en la misma forma como si fueran realizados a mano.
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perspectiva compartiendo completamente la información de proceso, representa un avance bastante significativo en la industria.
Los diferentes componentes del programa HYSYS permiten una poderosa aproximación al modelamiento de procesos en estado estacionario. A un nivel básico, es posible seleccionar en forma sencilla métodos de cálculo de propiedades y operaciones, que le permiten al usuario modelar en forma confiable, un amplio rango de procesos. Sin embargo más importante aún, es la forma como el programa permite maximizar el tiempo de simulación empleado en la elaboración de un modelo, incrementando el entendimiento del proceso.
La clave de esta última característica, es la operación de eventos manejados “Event Driven”. Usando un enfoque de grados de libertad, los cálculos en HYSYS se ejecutan en forma automática. El programa ejecuta cálculos tan pronto como los paquetes de propiedades y las operaciones unitarias tienen la suficiente información requerida. Cualquier resultado, incluyendo información parcial cuando un cálculo completo no puede ser realizado, se propaga bidireccionalmente a través de todo el diagrama de flujo. Lo que esto quiere decir, es que usando la información disponible se puede empezar la simulación en cualquier punto del diagrama de flujo, característica que ofrece una gran ventaja. Dado que los resultados están inmediatamente disponibles, incluyendo la forma como los cálculos se ejecutan, se gana un gran entendimiento sobre cada uno de los aspectos individuales del proceso. La arquitectura de diagramas de flujo múltiples es de vital importancia en el modelamiento de procesos. Aunque HYSYS ha sido diseñado para permitir el uso de múltiples paquetes de propiedades y la creación de plantillas pre-construidas, la mayor ventaja de los diagramas de flujo múltiples, es la posibilidad de organizar procesos grandes en forma bastante eficiente. Mediante la división de grandes diagramas de flujo en componentes más pequeños, es posible aislar cualquier aspecto para un análisis detallado. Cada uno de estos subprocesos forma parte de la simulación global, y los cálculos se ejecutan automáticamente como cualquier operación.
El diseño de la interface en HYSYS es consistente con esta forma de hacer el modelamiento. El acceso a la información es el aspecto más importante para un modelamiento exitoso, dando como hecho que se cumple con los requerimientos fundamentales para disponer de una información precisa. No solamente se tiene acceso a cualquier información cuando se necesite, sino que la misma se puede encontrar simultáneamente en varias localizaciones. Así como no hay una forma estándar para construir un modelo, no hay una única forma para mirar un resultado. En HYSYS se usan una gran variedad de métodos para mostrar la información de
proceso tales como: ventana individual de propiedades, el diagrama de flujo de proceso “PFD”, el “Workbook”, el “DataBook”, los “Graphical Performance Profiles” y los “Tabular Summaries”. No solamente toda esta información está simultáneamente disponible, sino que cualquier componente de información se actualiza automáticamente siempre que cambien las condiciones de proceso.
La flexibilidad de HYSYS permite el uso de programas diseñados por terceras partes, y la construcción de operaciones unitarias por el cliente. La conexión con HYSYS se hace a través de la característica de extensión OLE.
2.0 INICIÁNDOSE EN LA SIMULACIÓN
2.1 El “Simulation Basis Manager”
HYSYS usa el concepto de paquete de fluido el cual contiene toda la información necesaria para realizar cálculos de equilibrio y de propiedades físicas. Permite definir toda la información (modelo termodinámico, componentes puros e hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc.) dentro de una entrada sencilla. Esta característica permite tres ventajas claves:
• Toda la información está definida en una localización sencilla, lo cual permite
fácilmente su creación y modificación.
• Los modelos termodinámicos se pueden almacenar como una entidad
completamente definida para su uso en cualquier simulación.
• Se pueden usar múltiples modelos termodinámicos en la misma simulación. Sin
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modelo usar para determinado sistema? Habiendo seleccionado un modelo, qué verificaciones adicionales se requieren para validar si el modelo seleccionado es adecuado? Es responsabilidad del ingeniero que está simulando tener una apreciación sobre las debilidades de cada modelo, ya sea por las suposiciones hechas en el desarrollo del modelo matemático, o por la precisión de las propiedades que predice. El ingeniero necesita tener un entendimiento general del comportamiento de fases de los sistemas, puesto que esto tendrá un gran efecto sobre la interpretación que le dé a los resultados de la simulación.
La Figura 1 (en la próxima página) se puede usar como una guía para seleccionar el modelo más apropiado de equilibrio líquido-vapor para una mezcla determinada. Puesto que Hysys maneja varios ambientes de simulación, a continuación se presenta una explicación sobre los ambientes de simulación que corresponden al diagrama de flujo principal “Main Flowsheet” que tiene relación con la plantilla subdiagrama de flujo “Template Sub-Flowsheet”, y al ambiente Oil
Characterization Environment.
En el ambiente principal “Main Flowsheet” o en el “Template Sub-Flowsheet”, cualquier operación disponible en HYSYS se puede accesar vía el “Palette”, (excepto aquellas específicamente asociadas con columnas tales como secciones de platos, rehervidores, etc.). Cuando se está dentro de una plantilla “Column Sub-Flowsheet” se dispone de un “Palette” específico. El “Palette” y su función se explica más adelante con la construcción del primer caso de simulación.
El otro ambiente principal es el Oil Characterization Environment el cual permite caracterizar un crudo creando y definiendo ensayos “Assays” y mezclas “Blends”. Con el procedimiento para caracterización de un crudo se generan pseudo componentes de petróleo para usarlos en los paquetes de propiedades. El “Oil Environment” es accesible únicamente desde el ambiente “Simulation Basis Environment”.
Estos dos tipos de ambientes tienen un gran significado en lo que respecta con la interacción entre el diagrama de flujo principal y los subdiagramas.
2.1.1 El Ambiente “Main Flowsheet / Sub-Flowsheet / Column Sub-Flowsheet / Environment”
Se dice que el Main Flowsheet es el diagrama de flujo padre para los
Peng Robinson
Tiene bastante H2 ? P < 1,000 psia ? Es agua pura ? ASTM 1967 Steam Package P < 10 atm ? Grayson-Streed
Aplican las restricciones Peng Robinson
Es agua agria ? de Chao-Seader ? (SRK, PRSV, Chao, Grayson)
( H2O, CO2, H2S, NH3 + Sour PR o Sour SRK
hidrocarburos)
Peng Robinson (SRK, PRSV)
Es gas natural + Amines
Endulzamiento ? Package P < 100 mm Hg ? Presión de Vapor
Presión de Vapor
Es gas natural + Peng (PR, SRK, PRSV)
Agua ? Robinson Si Si Si No Si No No Si No Si No No No Si No Si Si No A PRSV, Modelo Actividad SUBSTANCIA 5
6 flujo padre si contiene otros Sub-Flowsheets.
El “Main Flowsheet Environment” es la localización en la cual se realiza la mayoría del trabajo, instalación y definición de - corrientes, operaciones unitarias, columnas y subdiagramas de flujo. Este diagrama de flujo sirve como el nivel base o diagrama de flujo principal para el caso completo de simulación. Cualquier número de subdiagramas pueden ser generados desde este diagrama de flujo principal. Mientras que hay solamente un ambiente para el diagrama de flujo principal, cada subdiagrama que se instale tiene su propio ambiente.
El escritorio para el ambiente del diagrama de flujo principal contiene Barra de
Menús y Barra de Botones diseñados para construir y correr los casos de
simulación. Hay dos ventanas principales del caso de simulación el Workbook y el
PFD.
El ambiente del subdiagrama es muy parecido al ambiente del diagrama de flujo principal, en el cual se pueden instalar corrientes, operaciones y otros subdiagramas. Una diferencia es que mientras se está en el ambiente de un subdiagrama, los cálculos en estado estacionario en otras áreas de la simulación quedan en espera, y no se realizan hasta tanto no se retorne al ambiente del diagrama de flujo principal. Entre la apariencia de los escritorios para el ambiente de los subdiagramas y del diagrama de flujo principal, hay una pequeña diferencia representada en la adición a la barra de botones, de un botón para el ambiente de simulación padre.
En forma similar a lo descrito anteriormente para el ambiente de un subdiagrama, el ambiente Column Environment es donde se instalan y definen las corrientes y operaciones contenidas en un subdiagrama columna Column Sub-Flowsheet. Ejemplos de operaciones unitarias disponibles para usar en un subdiagrama columna incluyen secciones de platos, condensadores, rehervidores, despojadoras laterales, intercambiadores de calor y bombas. HYSYS contiene plantillas pre-construidas para subdiagramas columna con las cuales rápidamente se puede instalar una columna de determinado tipo y luego si es necesario, se adecua de acuerdo con su propio ambiente requerido.
Enter Parent Simulator Environment
Una plantilla o Template puede ser una plantilla para un Subdiagrama Columna con un archivo de extensión *.col, o una plantilla subdiagrama “Sub-Flowsheet Template”, que corresponde a un diagrama normal de flujo de HYSYS con alguna información adicional contenida en sus propiedades principales, y con un archivo de extensión diferente usado cuando es almacenado en disco ( *.tpl ).
La Barra de Menús, la Barra de Botones y las ventanas principales para el ambiente “Column Environment” han sido diseñadas exclusivamente para el diseño, la modificación y la convergencia de los subdiagramas de flujo Columna. Por ejemplo, una ventana adicional (el Column Runner) ha sido adicionada con su correspondiente menú de entrada y Barra de Botones, para suministrar el acceso. Aún con estos cambios, la apariencia del escritorio para el ambiente “Column Environment” continúa siendo muy similar a la apariencia del escritorio convencional para el ambiente del diagrama de flujo principal.
Por la naturaleza del método de solución de un subdiagrama Columna, este no soporta otros subdiagramas de flujo.
2.1.2 Ambientes Relacionados
El diagrama en la Figura 2 muestra la relación que existe entre los diferentes ambientes. Las flechas indican las direcciones en las cuales normalmente uno se
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FIGURA 2
RELACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES AMBIENTES DE SIMULACIÓN
• Escoger un método termodinámico y los componentes puros de la librería de
componentes de HYSYS.
• Crear y definir componentes hipotéticos.
• Definir reacciones.
Start HYSYS & Create a New Simulation Case Simulation Basis Environment Oil Characterization Environment Sub-Flowsheet Environment Main Flowsheet Environment Column Environment Sub-Flowsheet Environment
En este punto se tienen dos posibilidades. Si se dispone de un fluido de petróleo para caracterizar, proceder con el paso 3. Si no, proceder con el paso 5.
3. Entrar al ambiente Oil Characterization Environment en el cual es posible hacer lo siguiente:
• Definir uno o más Ensayos “Assays” y Mezclas “Blends”.
• Generar pseudocomponentes del petróleo los cuales representan el crudo.
4. Volver al ambiente Simulation Basis Environment.
5. Entrar al ambiente Main Flowsheet Environment, en el cual es posible hacer lo siguiente:
• Instalar y definir corrientes y operaciones unitarias en el diagrama de flujo principal para el caso de simulación.
• Instalar operaciones columna “Columns”, operaciones pre-construidas como
plantillas de procesos “Process Templates” y subdiagramas de flujo “Sub-Flowsheets”.
6. Entrar al ambiente Column o Sub-Flowsheet Environment cuando se requiera hacer cambios en la topología, o si se quiere sacar ventaja del escritorio propio del ambiente del subdiagrama de flujo.
Tener presente que en cualquier momento durante la simulación, es posible moverse entre los diferentes ambientes de diagramas de flujo. Las flechas en el diagrama de la Figura 2 muestran que los ambientes Column y Sub-Flowsheet Environments, son accesibles solamente desde el diagrama de flujo principal Main Flowsheet. Sin
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2.2 Crear un Nuevo Caso de Simulación
1. Empezar un nuevo caso seleccionando el botón New Case.
2. Crear un paquete de propiedades seleccionando el botón Add desde la pantalla del “Simulation Basis Manager”.
3. Seleccionar “EOSs” para escoger una Ecuación de Estado.
4. Un buen modelo para hidrocarburos líquidos y gaseosos es Peng Robinson. Escoger el modelo de Ecuación de Estado de Peng Robinson.
5. Ir a la pestaña Components. Desde esta pestaña se adicionan los componentes para el caso. En el cuadro que dice Match, escribir H2O y presionar “Enter”, escribir N2 y presionar “Enter”, escribir CO2 y presionar “Enter”, escribir H2S y presionar “Enter”. Usando el “mouse”, seleccionar desde Methane hasta
n-Heptane y presionar “Enter”. Hacer “Click” sobre “X” para cerrar la ventana
del paquete de fluido y presionar el botón Enter Simulation Environment…. Ahora se puede empezar a construir un caso de simulación, iniciando en la pantalla que se observa a continuación, la cual corresponde a la ventana del diagrama de flujo de proceso “PFD”.
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2.3 Seleccionar un Conjunto de Unidades
En HYSYS es posible cambiar el conjunto de unidades usadas para mostrar las diferentes variables. En este curso trabajaremos principalmente con el conjunto de unidades Field.
1. Desde la Barra de Menús escoger Tools y seleccionar Preferences. 2. Cambiar a la pestaña Variables y seleccionar Units.
3. Seleccionar el conjunto de unidades Field.
4. Hacer click sobre “X” para regresar al ambiente de simulación.
2.4 Adición de Corrientes
En HYSYS hay dos tipos de corrientes, de Materia y de Energía. Las corrientes de Materia tienen una composición y parámetros tales como temperatura, presión y ratas de flujo. Estas se usan para representar corrientes de proceso. Las corrientes de
Energía tienen solamente un parámetro, flujo de calor. Se usan para representar el duty suministrado a, o retirado de, una operación unitaria.
La ventana del PFD se puede maximizar haciendo click sobre el respectivo botón de función localizado en la parte superior derecha del PFD:
Para ver todos los objetos en una misma ventana, se hace click sobre el respectivo botón de función:
Hay una gran variedad de formas para adicionar una corriente, una de ellas es usando el Object Palette.
1. Seleccionar el Object Palette presionando <F4>, colocar el puntero del mouse sobre la flecha azul de corriente de materia, mantener presionado el botón secundario del mouse y arrastrarlo a la localización deseada en el PFD. Liberar el botón del mouse y la corriente quedará instalada.
Otra forma es,
2. Desde el Palette hacer click sobre la flecha azul de la corriente de materia, colocar el puntero del mouse en la localización deseada sobre el PFD y hacer nuevamente click.
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0.0169, nC4 = 0.0084, iC5 = 0.0478, nC5 = 0.0095, nC6 = 0.0169 y nC7 =
0.0066.
6. Presionar el botón OK cuando se hayan entrado todas las fracciones molares. 7. Entrar los siguientes datos: Temperature = 178 ºF, Pressure = 966.8 psia y
Molar Flow = 6,527 lbmole/h.
8. Como puede verse en la Fig. A, HYSYS ha calculado un equilibrio flash P – T. La corriente está en fase vapor porque - Vapour/Phase Fraction = 1.00000. 9. Para realizar un cálculo de punto de rocío, borrar la temperatura y entrar
1.00000 en la celda Vapour/Phase Fraction. La temperatura calculada es 177.86 °F siendo ésta la temperatura de punto de rocío, porque la composición del gas está dada en base seca (libre de agua). Borrar el valor de 1.0000 en la celda Vapour/Phase Fraction y entrar una temperatura de 178 ºF.
10. Hacer clik sobre “X” para regresar al PFD.
11. Desde la Barra de Menús hacer click sobre File, seleccionar Save As... y escribir
Las celdas con datos en color azul son para datos de entrada, las celdas con datos en color negro son datos calculados y no es posible modificarlos.
2.5 Adicionar un Componente Hipotético
Es muy frecuente encontrar en el gas natural cantidades significativas de C6+
(n-hexano y más pesados) o C7+ (n-heptano y más pesados). El cálculo de las
propiedades termodinámicas y el comportamiento de fases para estas fracciones, es muy importante en el comportamiento de la mezcla gaseosa. Para asegurar un comportamiento de fases adecuado, es necesario la caracterización apropiada de estas fracciones.
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molecular y acentricidad. En muchos casos, estas propiedades se desconocen y deben ser calculadas mediante correlaciones empíricas, desarrolladas específicamente para una fracción típica del petróleo en un rango determinado de
ebullición. Hidrocarburos pesados como el C7+ pueden ser caracterizados en
HYSYS como pseudocomponentes o componentes hipotéticos.
1. Abrir un nuevo caso y escoger el conjunto de unidades Field. Hacer click sobre “X” para cerrar la ventana.
2. Adicionar la ecuación de estado de Peng-Robinson, ir a la página Components en el “Fluid Package”.
3. Adicionar los siguientes componentes puros N2, CO2, H2S, C1, C2, C3, iC4, nC4,
iC5, nC5 and nC6.
4. Seleccionar el radio-botón Hypothetical en el “Add Comps group” para adicionar un componente hipotético al “Fluid Package”.
Un componente hipotético se puede usar para modelar componentes que no se encuentran dentro de la librería, para mezclas definidas, mezclas indefinidas o para sólidos. Nosotros vamos a usar un componente hipotético para modelar los componentes en la mezcla gaseosa más pesados que el hexano. Para crear este componente hipotético, seleccionar el botón Quick Create A Hypo Comp….
5. En la pestaña de identificación ID de la pantalla componente hipotético,
suministrar el nombre del componente Component Name C7+.
En este caso, no conocemos la estructura del componente hipotético y puesto que estamos modelando una mezcla, el “Structure Builder” no será usado.
6. Ir a la pestaña critical. La única propiedad suministrada por el laboratorio para
el componente C7+ es el Normal Boiling Pt. Entrar un valor de 230 °F.
Presionar el botón Estimate Unknown Props para estimar todas las otras propiedades y definir completamente el componente hipotético.
7. Una vez definido el componente hipotético, regresar al Fluid Package cerrando la pantalla del componente hipotético (hacer click sobre “X”).
8. Adicionar el componente hipotético al listado “Current Component List” seleccionándolo en el grupo Hypo Components y luego presionando el botón
Todo componente hipotético que se cree forma parte del grupo “Hypo Group”. Por definición, este componente hipotético es localizado en el grupo “HypoGroup1”. Es posible agregar grupos adicionales y mover hipotéticos entre ellos. Esto se hace en la pestaña “Hypotheticals” del “Simulation Basis Manager”.
9. Hacer click sobre “X” para cerrar la pantalla “Fluid Package” y presionar el botón Enter Simulation Environment… .
10. En la Barra de Menús hacer click sobre File, seleccionar Save As... y escribir
Ejercicio 1 para archivar el caso.
2.6 Definición de Términos Usados en Procesamiento de Gas Natural
Es deseable definir algunos de los términos más comúnmente usados. A continuación se indican algunos de ellos:
Gas Natural Crudo Gas sin tratar desde o dentro del yacimiento.
(Raw Gas)
Gas Residual o de Venta Gas que tiene la calidad para ser un combustible
domestico o industrial. Cumple con las especificaciones impuestas por la compañía de transmisión y/o distribución.
Gas Agrio (Sour Gas) Gas que contiene más de 1 grain de H2S/100 SCF ( 16
ppm ). Generalmente mucho más que esto.
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GPM para un gas Galones del líquido por 1000 CF de gas. Esto puede ser
galones US or Imperial.
Gas Rico (Rich Gas) Gas que contiene una gran cantidad de compuestos más
pesados que el etano, alrededor de 0.7 galones US de C3+
por 1000 CF de gas.
Gas Pobre (Lean Gas) Gas que contiene muy poco propano y más pesados - o el
gas efluente de una unidad de recuperación de líquidos.
Pentanos + Los pentanos y fracciones de hidrocarburo líquido más
pesadas.
Condensado La fracción de hidrocarburos líquida obtenida de una
corriente de gas conteniendo esencialmente pentanos +.
Gasolina Natural Un líquido recuperado del gas natural con determinada
presión de vapor. Ver el GPSA Data Book para varios grados.
Aceite Pobre (Lean Oil) Aceite de absorción regenerado enviado a una
absorbedora.
Aceite Rico (Rich Oil) Aceite de absorción conteniendo material absorbido. El efluente de una absorbedora.
Solución Pobre Una solución para endulzamiento despojada.
(Lean Solution)
Solución Rica Una solución para endulzamiento que contiene ácido
(Rich Solution) absorbido
Ejercicio 1 – Cálculos “Flash” & Diagramas de Fases
HYSYS puede realizar tres tipos de Cálculos Flash para una corriente: P - T, Vf - P
and Vf - T. Una vez conocidas la composición y un par de los siguientes parámetros
- temperatura, presión o fracción de vapor, HYSYS realiza cálculos flash para la corriente, determinando el tercer parámetro.
Mediante estas características de HYSYS, es posible realizar cálculos de puntos de rocío y de burbuja. Especificando una fracción de vapor de 1.0 y presión o temperatura de la corriente, HYSYS calculará la temperatura o presión de rocío. Para calcular la temperatura o presión de burbuja, se especifica una fracción de vapor de 0.0 y se entra bien sea la temperatura o la presión.
1. Abrir el archivo Ejercicio 1.
2. Adicionar cuatro corrientes de materia, abrir la ventana de propiedades de las corrientes y entrar los nombres y las composiciones molares de ellas según la tabla siguiente.
TIPO DE GAS
Gas Seco Gas Rico Gas en
Solución Gas Agrio Composición Molar N2 0.70 0.98 0.52 0.38 CO2 0.89 0.87 0.82 2.62 H2S 0.00 0.00 0.00 7.09 C1 92.32 82.13 77.70 75.41 C2 3.25 8.25 10.35 5.33 C3 1.80 4.53 6.85 3.74 iC4 0.43 1.05 0.77 1.22 nC4 0.61 1.45 1.73 0.92 iC5 0.00 0.28 0.36 0.51 nC5 0.00 0.35 0.41 0.38 nC6 0.00 0.09 0.25 0.19 C7+ 0.00 0.02 0.24 2.21 100.00 100.00 100.00 100.00
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4. Realizar cálculos flash y llenar la tabla siguiente:
Gas Seco Gas Rico Gas en Solución
Gas Agrio - Punto de Rocío a 300 psia, T = ?
- Punto de Burbuja a 300 psia, T = ? - Flash a 900 psia y 50 ºF, Vf = ?
(Salvar como “Ejercicio 1” presionando el botón para salvar)
HYSYS tiene disponible un conjunto de herramientas muy prácticas denominadas
Utilities, que permiten interactuar con el proceso que se está simulando,
suministrando información adicional o análisis de operaciones o corrientes. Una vez instalada la utilidad, se vuelve parte del diagrama de flujo, calculando automáticamente cuando cambian las condiciones en la corriente o la operación a la cual está unida.
Como en la mayoría de los objetos en HYSYS, hay varias formas de unir Utilities a las corrientes.
La herramienta Envelope Utility permite examinar la relación entre parámetros seleccionados para una corriente de composición conocida, incluyendo corrientes con un solo componente. Envolventes Vapor-Líquido se pueden graficar para las siguientes variables: • Presión - Temperatura • Presión-Volumen • Presión - Entalpía • Presión-Entropía • Temperatura - Volumen • Temperatura - Entalpía • Temperatura - Entropía
A continuación se adicionará una utilidad Envelope Utility para la corriente Gas Seco, desde la ventana de propiedades de la corriente.
5. Abrir la ventana de propiedades de la corriente, desde el Workbook haciendo doble click sobre el nombre Name de la corriente Gas Seco.
6. Ir a la pestaña Attachments, seleccionar Utilities y presionar el botón Create... para acceder a la ventana “Available Utilities”. Seleccionar Envelope y luego presionar el botón Add Utility para desplegar la ventana “Envelope Utility”. En la celda Name escribir “Envolvente Gas Seco”. En la ventana “Envelope” se muestran los valores para temperatura y presión critica, así como el “Cricondentherm” y el “Cricondenbar”.
7. Cambiar a la pestaña Performance para ver la envolvente según se prefiera (P-T, P-V, P-H, P-S, T-V, T-H and T-S). Presionar el botón Table... para ver los datos de la envolvente en forma de tabla.
Usar la utilidad Envelope Utility para crear las envolventes – Envolvente Gas Rico, Envolvente Gas en Solución y Envolvente Gas Agrio – y llenar la tabla siguiente:
Gas Seco Gas Rico Gas en Solución
Gas Agrio - Critical Temperature, ºF
- Critical Pressure, psia - Cricondentherm, ºF - Cricondenbar, psia
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Ejercicio 2 – Separador de Dos Fases
Un flujo molar de 6,527 lbmole/h de gas saturado con agua a 966.8 psia y 178 ºF, está yendo desde un separador de producción en una facilidad de recolección, hasta el separador de entrada de una planta de gas que está a 915 psia y 100 ºF. Calcular las ratas de flujo del gas y líquido y dimensionar el separador de dos fases. Considerar una tubería de 16” de diámetro, cédula 40 con una longitud de 139,000 ft.
1. Abrir el caso Cálculo Flash.
2. Adicionar la corriente Agua de Producción. Hacer doble click sobre la celda
Molar Flow y entrar una fracción molar de agua (H2O) de 1.0000, presionar el
botón Normalize y luego el botón OK.
3. Entrar una temperatura de 178 ºF y una presión de 966.8 psia. Hacer click sobre “X” para cerrar la ventana de propiedades de la corriente.
4. Adicionar una operación Balance. Desde el “Palette”, hacer click sobre el icono
Balance, mover el puntero del mouse y hacer click sobre la localización del
5. Desde el PFD, hacer doble click sobre el icono Balance para desplegar la ventana de propiedades “Balance”. Sobre la pestaña Connections entrar la información mostrada en la figura a continuación:
- Inlet Streams = “Agua de Producción”, “Gas de Producción” - Outlet Streams = “Gas de Producción con Agua”
6. Desde la pestaña Parameters, hacer click sobre el cajón para marca Mole. Presionar la pestaña Worksheet, especificar una temperatura de 178 ºF y una
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corriente “Gas de Producción con Agua” debe ser un poco menor que 1.0000). De esta manera, para un valor de 1,000 lb/h la fracción de vapor es 1.0000, para un valor de 1,115 lb/h es 0.9999, para un valor de 1,114 lb/h es 1.0000, escoger este último valor.
9. Desde la Barra de Botones, presionar el botón PFD para regresar al ambiente del diagrama de flujo de proceso:
10. Desde la Barra de Menús hacer click sobre File, seleccionar Save As... y escribir
Ejercicio 2 para archivar el caso.
La ventana del PFD se puede maximizar haciendo click sobre el botón de función localizado en la esquina superior derecha del PFD
11. Desde el “Palette” adicionar una operación Pipe Segment:
12. Desde el PFD, hacer doble click sobre el icono Pipe Segment para desplegar la ventana de propiedades del segmento de tubería Pipe Segment. Sobre la pestaña
Design, escoger Connections y entrar la información sobre las corrientes que se
indica a continuación:
- Inlet = “Gas de Producción con Agua” - Outlet = “Gas de Llegada”
- Energy = “EP-100”
13. Sobre la pestaña Design, escoger Parameters y seleccionar la correlación de
Beggs and Brill la cual es muy usada para cálculos de flujo en dos fases (VL).
Sobre la pestaña Rating, se construye el perfil longitud-elevación para el segmento de tubería “Pipe Segment”. Cada sección de tubería y accesorio es marcado como un
segmento “segment”. Para definir completamente los segmentos de secciones de tubería, se debe especificar la cédula de la tubería “pipe schedule”, el diámetro, el material y el número de incrementos “Increments”.
Secciones de tubería horizontal tienen una elevación de 0. Una elevación positiva indica que la salida está más alta que la entrada.
14. Presionar la pestaña Rating, escoger Sizing, presionar el botón Append
Segment y especificar la siguiente información para el segmento:
- Fitting/Pipe = Pipe - Length = 139,000 ft
- Elevation Change = 0.0000
- Hacer doble click sobre la celda Outer Diameter - Pipe Schedule = Schedule 40
- Señalar 16.00 in en el cuadro Available Nominal Diameters, hacer click sobre el botón Specify y nuevamente click sobre “X” para cerrar la ventana
26 16. Click sobre “X” para regresar al PFD.
(Salvar como “Ejercicio 2” presionando el botón Save Case)
17. Desde el Palette adicionar una operación Separator:
18. Desde el PFD, hacer doble click sobre el icono Separator para desplegar la ventana de propiedades “Separator”. Sobre la pestaña Design, escoger
Connections y entrar la siguiente información:
- Inlets = “Gas de Llegada” - Vapour Outlet = “Gas” - Liquid Outlet = “Líquido”
19. Click sobre “X” para regresar al PFD.
(Salvar como “Ejercicio 2” presionando el botón Save Case)
20. A continuación se adiciona la utilidad Vessel Sizing para dimensionar vasijas: - Desde la Barra de Menús hacer click sobre Tools, seleccionar Utilities.
Escoger Vessel Sizing, presionar el botón Add Utility.
- Seleccionar Connection, entrar la siguiente información: Name = Separador de Entrada, presionar el botón Select Separator..., en el cajón Object seleccionar V-100 y presionar el botón OK, hacer click sobre el cajón para marca Horizontal.
28
Sizing Specifications, entrar la siguiente información: L/D Ratio = 5.9, Liq.
Res. Time = 000:15:0.00, Demister Thickn = 6 in.
- Escoger Construction, entrar la siguiente información: Material Type = Carbon Steel, Shell Thickness = 2.25 in, Corrosion Allowance = 0.0625 in, Efficiency of Joints = 0.85.
- Hacer click sobre “X” para cerrar la ventana Vessel Sizing, hacer click sobre “X” para cerrar la ventana Available Utilities y regresar al PFD.
30
(1) ENGINEERING DATA BOOK, Gas Processors Suppliers Association – GPSA, Eleven Edition – FPS, 1,998.
3.0 CONTENIDO DE AGUA E HIDRATOS EN EL GAS NATURAL
3.1 Contenido de Agua en el Gas Natural
Todo gas natural proveniente de un yacimiento está completamente saturado con agua en fase vapor. Puesto que las especificaciones del gas de venta limitan el contenido de vapor de agua a una pequeña fracción de la cantidad de agua contenida a saturación, es necesario procesar el gas crudo a fin de remover el agua. Este proceso comúnmente se llama deshidratación.
La Figura 3 es conocida como la carta de McKetta & Wehe, en la cual se encuentra el contenido de agua para un gas natural a saturación, para un amplio rango de condiciones presión y temperatura. Esta carta se encuentra en la Figura 20-3 del GPSA(1). La correlación fue desarrollada en los años 1950's para gas natural. Se ha determinado que para gases que contienen cantidades apreciables de H2S y C02, el contenido de vapor de agua a presiones elevadas es mucho más alto que para gas natural dulce. El GPSA suministra cartas adicionales para este tipo de gases como las que se muestran en las Figuras 20-8 a 20-11, las cuales se usan para mejorar el estimado de contenido de agua de un gas natural que contiene gas ácido.
3.2 Hidratos del Gas Natural
Los hidratos son complejos sólidos cristalinos estables parecidos al hielo, que se forman a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, cuando hay presencia de agua líquida con el gas natural a presiones elevadas. La temperatura de formación de hidratos a una presión dada depende de la composición del gas. Hay dos estructuras de hidratos que se forman con el gas natural, llamadas simplemente Estructura 1 y Estructura 2. Las moléculas de agua forman el enrejado de las estructuras que contienen los espacios huecos, dentro de los cuales entran las moléculas de gas.
Cuando se forman los hidratos, se aglutinan dentro de una corriente y bloquean el flujo de la misma. Es muy común que se tapen las tomas de presión en los medidores de presión diferencial, produciendo falsas lecturas de presión y por tanto errores de medición. Una vez formados los hidratos, su remoción es bastante difícil
32
Baillie & Wichert desarrollaron una carta para estimar las condiciones de formación de hidratos para el gas natural agrio, la cual se puede usar también para gas dulce. Esta carta se encuentra en la Fig. 20-27 del GPSA. Adicionalmente el GPSA suministra un método para estimar las condiciones de presión y temperatura de formación de hidratos, mediante el uso de relaciones de equilibrio vapor/sólido. En una tubería es posible prevenir la formación de hidratos, mediante el uso de uno de los siguientes tres métodos convencionales:
1. Calentamiento del gas 2. Adición de un químico 3. Deshidratación
3.2.1 Calentamiento de Gas
Un método comúnmente usado en climas muy fríos es calentar el gas mediante calentadores indirectos y transportarlo a través de tuberías con aislamiento. Si las distancias son muy grandes, se instalan calentadores intermedios normalmente cada 5 a 8 kilómetros, aunque esto puede variar dependiendo de muchas condiciones. El combustible para los calentadores se puede suministrar tomando el gas de la línea de alta presión. La rata de transferencia de calor desde el lado del gas caliente dentro de la tubería hacia el suelo, puede ser estimado por la siguiente fórmula:
(
) (
)
(
) (
)
− − − − − = ∆ t T / t T ln t T t T A U H 2 1 2 1Bajo condiciones de estado estacionario, la rata de calor ganado por o transferido al suelo es igual a la rata de calor perdido por el gas, la cual se determina por:
∆H = q Cp (T1 – T2)
Término Símbolo Unidades
Rata de transferencia de calor al suelo ∆H Btu/hr
Coeficiente global de transferencia de calor U Btu/(hr ft2 ºF)
Área de transferencia de calor
(superficie de tubería) A ft2
Temperatura aguas arriba T1 ºF
Temperatura aguas abajo T2 ºF
Temperatura del suelo a la profundidad
de la tubería t ºF
Flujo másico del gas q lbs/hr
Calor específico del gas Cp Btu/(lb ºF)
La rata de flujo volumétrico de gas a condiciones estándar se puede convertir a flujo másico, mediante la siguiente expresión:
q, lbs/hr = 3.18 x 103 G Q
donde G es la masa molar relativa (gravedad específica del gas, con base en gravedad del aire = 1) y Q es el flujo volumétrico del gas en MMscf/d.
Las anteriores ecuaciones de pérdida de calor se pueden combinar como sigue:
(
−)
= (
(
−−) (
−) (
−−)
)
t T t T t T t T A U T T C q p 2 1 2 1 2 1 / lnEl calor específico del gas dentro de la tubería, Cp, depende de la composición del
gas y las condiciones de presión y temperatura en la línea. Un punto muy importante es determinar si hay o no algún cambio de fase durante el enfriamiento del gas entre T1 and T2. Si no hay cambio de fase y la presión está alrededor de 1,000 psig, un
34
VALORES TÍPICOS DE U PARA VARIOS TIPOS DE SUELO
Tipo de Suelo U, Btu/(hr ft2 ºF)
Clay and Gravel 0.618
Shale and muskeg mix 0.500
Silty Gravel 0.600
Para líneas con aislamiento, se puede usar un valor de 0.015 Btu/(hr ft2 ºF).
3.2.2 Prevención de Formación de Hidratos por Adición de Químicos
El segundo método para prevención de formación de hidratos en tuberías, es la adición continua de químicos tales como metanol o glicol al gas agrio. La adición de químicos es costosa y solamente se usa bajo ciertas condiciones en las cuales el químico pueda ser recuperado. En muy pocos sistemas de recolección se usa este método para evitar formación de hidratos en las tuberías, exceptuando medidas temporales como en procesos de arrancada o una situación especial. El metanol es el químico comúnmente más usado. Se debe inyectar a la línea de recolección suficiente metanol, para bajar la temperatura de formación de hidrato en el gas alrededor de 5 ºF, por debajo de la mínima temperatura de operación a la cual se va a enfriar el gas. Debe también hacerse una provisión por la cantidad de metanol que se pierde con el gas en fase vapor. La Figura 20-51 del GPSA se puede usar para este propósito. Si hay presencia de hidrocarburo líquido en la línea, se requiere de la inyección adicional de metanol para saturar la fase de hidrocarburo líquido.
La cantidad de metanol requerida para bajar la temperatura de formación de hidrato (depresión de la temperatura de hidrato) a un valor de operación segura en una línea de gas, se puede estimar usando la ecuación de Nielsen - Bucklin:
d = - 129.6 ln(XH20) donde,
d = depresión de temperatura de hidrato, ºF,
Es necesario convertir el valor de fracción mol de agua (X H20) a porcentaje en peso
de metanol (wt. % ME) en la solución final de metanol y agua, para facilitar los cálculos. Esta conversión se puede hacer con la siguiente fórmula:
wt. % ME = 100 / (1 + 0.5622 X H20 / (1 - XH20))
En la Figura 20-45 del GPSA se encuentra una carta para convertir XH2O a wt. %
ME.
Estimando la cantidad de agua en la fase líquida dentro de la tubería a la condición de diseño de 5 ºF por debajo de la temperatura final del gas, se puede determinar la cantidad de metanol que debe inyectarse a la línea en base porcentaje peso wt. %. Como se ha mencionado, es necesario incluir dentro de la cantidad de metanol a ser inyectada, el metanol requerido para saturar las fases de hidrocarburo gaseoso y líquido condensado.
Otro químico que a veces se utiliza para depresión de temperatura de hidrato es el etilen glicol. La concentración de glicol en la solución final se puede estimar con la ecuación de Hammerschmidt, la cual puede también usarse con metanol para concentraciones hasta de 20 wt. %:
d = 2335 x wt. % /(MW x (100 - wt. %)) donde,
d = depresión de temperatura de hidrato, ºF.
wt. % = porcentaje en peso del químico en el agua y del químico mezclado a temperatura de diseño.
MW = peso molecular del químico (etilen glicol 62.1; metanol = 32.042).
Una ventaja del glicol sobre el metanol es que la solubilidad del glicol en las fases de hidrocarburo líquido y gaseoso se puede despreciar. Una segunda ventaja es que
36
natural debe ser transportado a grandes distancias hacia una facilidad central de tratamiento. La deshidratación se puede hacer mediante desecantes sólidos como la silica gel o tamices moleculares, o con desecantes líquidos, principalmente el trietilen glicol (TEG). En la Fig. 20-53 de la Sección 20 del GPSA se muestra un deshidratador de glicol típico. La rata de circulación de glicol usualmente está en el orden de 3 a 4 galones U.S. por libra de agua en el gas que entra al deshidratador de glicol. Hay algunos factores que influyen en el grado de remoción de agua tales como, pureza del glicol, rata de circulación, presión y temperatura de la absorbedora, número de etapas de contacto o platos de la absorbedora.
3.3 Saturando con Agua una Corriente en Hysys
Los laboratorios usualmente reportan la composición del gas en base seca. Generalmente para la simulación, es necesario considerar el contenido de agua en la corriente, por lo tanto el agua debe incluirse como un componente en la mezcla gaseosa y se debe determinar la cantidad de agua necesaria para saturar dicha corriente.
El tratamiento para saturar con agua una corriente, es un poco diferente si se tiene una corriente en dos fases en lugar de una sola fase. En el caso de dos fases, es necesario separar primero las fases hidrocarburo líquido y vapor, el vapor es saturado con agua y posteriormente esta corriente de vapor de hidrocarburo saturado, se recombina con la corriente de hidrocarburo líquido.
Ejercicio 3 – Saturación de un Gas Dulce
Determinar la cantidad de agua para saturar un gas dulce a 150 °F y 1,000 psia. La composición molar de la mezcla gaseosa es 80% CH4, 20% C2H6.
1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. 2. Adicionar los siguientes componentes H2O, CO2, H2S, CH4 y C2H6, ir al PFD y
3. A continuación se adicionará un conjunto de unidades:
Desde la Barra de Menús hacer click sobre Tools, seleccionar Preferences. Presionar la pestaña Variables, seleccionar Field, hacer click sobre el botón
Clone, en el cajón Unit Set Name entrar “Usuario 01”. En la tabla Display
Units seleccionar la celda Flow. En la parte superior de esta pantalla, hacer click
sobre lbmole/hr y seleccionar MMSCFH. Hacer click sobre el botón Save
Preference Set..., seleccionar la ruta y la carpeta para salvar el conjunto de
unidades Usuario 01, hacer click sobre Guardar, nuevamente click sobre “X” para cerrar la pantalla “Session Preferences”.
4. Adicionar una corriente de material y entrar la siguiente información: Stream Name = Gas Dulce, Temperature = 150 ºF, Pressure = 1000 psia.
5. Doble click sobre la celda Molar Flow y entrar la siguiente composición: H2O =
0.00, CO2 = 0.00, H2S = 0.00, C1 = 0.80 y C2 = 0.20. Click sobre el botón OK, en la celda Molar Flow entrar 1.0 MMSCFH y regresar al PFD.
Salvar el caso como Ejercicio 3.hsc
6. Adicionar otra corriente de material, abrir la pantalla de propiedades de la corriente y entrar la siguiente información: Stream Name = Agua, Temperature = 150 ºF, Pressure = 1000 psia. Double click sobre la celda Molar Flow y entrar
H2O = 1.0, click sobre el botón Normalize y nuevamente click sobre el botón
OK. Regresar al PFD.
7. Desde el “Palette” adicionar la operación Balance al PFD. Abrir la pantalla de propiedades de la operación Balance, en la pestaña Connections entrar la siguiente información: Inlet Streams = “Agua”, “Gas Dulce”, Outlet Streams = “Gas con Agua”. Escoger la pestaña Parameters, hacer click sobre el cajón para marca Mole, presionar la pestaña Worksheet, en la corriente Gas con Agua entrar una temperatura de 150 ºF y una presión de 1,000 psia. Click sobre “X”
38
9. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Workbook, en la celda
Mass Flow de la corriente Agua, entrar valores hasta que el flujo másico de la
corriente líquida de salida del separador - “Agua Libre” sea un valor muy pequeño ligeramente mayor que 0. De esta forma la corriente de vapor que sale del separador – “Gas Saturado” está ahora saturada con agua.
(Salvar como “Ejercicio 3” presionando el botón Save Case)
El PFD y los resultados pueden observarse a continuación:
Water
Sweet
Gas
Gas
with
Saturated
G
Free Water
Agua
Gas
Dulce
Gas
con
Agua Libre
Gas Saturado
Ejercicio 4 – Saturación de un Gas Agrio
Determinar la cantidad de agua para saturar un gas agrio a 100 °F y 2,000 psia. La composición molar de la mezcla gaseosa es 45% CH4, 15% H2S y 40% CO2.
1. Abrir el caso Ejercicio 3 y salvarlo como Ejercicio 4.
2. Desde la Barra de Botones hacer click sobre el botón Solver Holding.
3. Abrir la ventana de propiedades de la corriente Gas Dulce y cambiarle el nombre por Gas Agrio, entrar una temperatura de 100 ºF, una presión de 2,000 psia y la siguiente composición molar: H2O = 0.00, CO2 = 0.40, H2S = 0.15,
CH4 = 0.45 y C2H6 = 0.00. Hacer click sobre el botón OK y nuevamente sobre “X”.
4. Hacer click sobre el botón Workbook, entrar una temperatura de 100 ºF y una presión de 2,000 psia para las corrientes “Agua” y “Gas con Agua”. Hacer click sobre el botón Solver Active.
5. En la celda Mass Flow de la corriente Agua, entrar valores hasta que la corriente líquida “Agua Libre” de salida del separador sea un valor muy pequeño ligeramente mayor que cero.
40
encima de este valor, los modelos de ecuaciones de estado de los simuladores comerciales sobrepredicen sustancialmente el contenido de agua.
Cuando se diseñan sistemas de deshidratación (particularmente sistemas con TEG) y se requiere cumplir con especificaciones de punto de rocío por agua extremadamente bajos, es necesario determinar con muy buena precisión el contenido de agua en equilibrio con un hidrato. Si se sobrestima el contenido de agua para saturación, se puede hacer un diseño pobre que no permite cumplir con la remoción de agua requerida.
3.4 Cálculos de Condiciones de Formación de Hidratos
HYSYS puede predecir en forma segura la temperatura de formación de hidratos (o la presión) para un amplio rango de composiciones de gas, a diferentes temperaturas y presiones.
Con la utilidad Hydrate Formation se calcula el punto incipiente de formación de sólido para los hidratos del gas. Los modelos predictivos están basados en principios fundamentales de la termodinámica y usan ecuaciones de estado, con las cuales las propiedades son generadas con base en cálculos de condiciones de equilibrio. Estos modelos predictivos pueden ser aplicados para diferentes composiciones de gases a condiciones extremas de operación, obteniéndose un grado alto de confiabilidad con respecto a los cálculos que se pueden esperar mediante expresiones empíricas o cartas.
Ejercicio 5 – Cálculos de Condiciones para Formación de Hidratos
En este ejemplo, se determinará la cantidad de gas y líquidos producidos de un fluido de yacimiento. Este fluido de yacimiento se depresuriza en el sitio del pozo hasta la presión del gasoducto (870 psia) y se calienta para prevenir la formación de hidratos. Cualquier cantidad de agua libre que se forme es separada. A continuación se muestra un diagrama de flujo de las facilidades de superficie.
1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson y el conjunto de unidades Field.
2. Adicionar los siguientes componentes puros H2O, N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, iC4,
nC4, iC5 y nC5. Caracterizar el componente C6+ como un componente hipotético con punto de ebullición de 257 ºF. Hacer click sobre el botón Enter Simulation
Environment....
3. Salvar el caso como Ejercicio 5.
4. Adicionar una corriente de materia presionando la tecla “F11” para desplegar la ventana de propiedades de la corriente y entrar la siguiente información:
Nombre Fluido de Y/to
Molar Flow 1,250 Components Mole % H2O 0.00 N2 0.02 H2S 4.06 CO2 1.42 C1 82.53 C2 6.15 C3 2.55 iC4 0.79 NC4 1.34 iC5 0.35 NC5 0.42 C6+ 0.37
42
7. Desde la Barra de Botones, hacer click sobre el botón Workbook, para la corriente 1, entrar una temperatura de 200 ºF y una presión de 4,590 psia. Ajustar manualmente el “Liquid Volume Flow” (barrel/day - entre 5 y 10) de la corriente Agua de Y/to, hasta que se obtenga una muy pequeña cantidad de agua libre (la fracción de vapor de la corriente 1 debe ser ligeramente menor que 1.0000, dejar el valor con el cual cambia de 0.9999 a 1.0000). Regresar al PFD. 8. Adicionar una operación Separator y abrir su ventana de propiedades. En la
pestaña Design escoger Connections y entrar la siguiente información: - Inlets = 1
- Vapour Outlet = Fluido con Agua - Liquid Outlet = Agua Libre - 1
Hacer click sobre “X” para regresar al PFD.
9. Mientras se produce el fluido de yacimiento, este experimenta pérdidas tanto de presión cómo de calor. Para simular estos efectos se instala un enfriador. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación Cooler:
Fluido de Y/to
Agua de Y/to
Fluido con Agua
Agua Libre - 1 Agua Libre - 2 Condensado Tubo - Q Alimento Cabeza de Pozo Cooler
Abrir la ventana de propiedades de la operación Cooler y entrar la siguiente información: Inlet = Fluido con Agua, Outlet = Cabeza de Pozo, Energy = EE-100, regresar al PFD. Seleccionar el botón Workbook y entrar para la corriente “Cabeza de Pozo” una temperatura de 83 ºF y una presión de 2,226 psia. Regresar al PFD.
10. Para prevenir formación de hidrato a la presión del gasoducto, se debe calentar el fluido. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación Heater:
Abrir la ventana de propiedades de la operación Heater y entrar la siguiente información: Inlet = Cabeza de Pozo, Outlet = Alimento, Energy = EE-101, seleccionar Parameters y entrar una caída de presión “Delta P” de 7.25 psi. Regresar al PFD.
(Salvar como “Ejercicio 5” presionando el botón Save Case)
11. La presión del fluido se reduce cayendo a través de la válvula. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación Valve:
Heater
44
13. Verificar la temperatura de formación de hidratos de la corriente 2 haciendo doble click sobre el nombre de la corriente para desplegar su ventana de propiedades. Seleccionar la pestaña Attachments y escoger Utilities, hacer click sobre el botón Create..., seleccionar Hydrate Formation y hacer click sobre el botón Add Utility. Seleccionar la pestaña Hydrate P/T, mirar la temperatura de formación de hidratos y contestar las siguientes preguntas:
(Salvar como “Ejercicio 5” presionando el botón Save Case)
14. Cerrar las ventanas de la utilidad “Hydrate Formation Utility” y de la corriente “2”. Desde el Palette, adicionar al PFD una operación 3-Phase Separator:
Abrir la ventana de propiedades para la operación 3-Phase Separator y entrar la siguiente información: Inlets = 2, Vapour = Gas, Light Liquid = Condensado, Heavy Liquid = Agua Libre - 2. Click sobre “X” para regresar al PFD.
(Salvar como “Ejercicio 5” presionando el botón Save Case)
Cuál es la temperatura de formación de hidratos para la corriente 2? ºF
Es posible que se formen hidratos en la corriente 2? Si No
Por qué?
15. Para evitar formación de hidratos durante el transporte del gas en el gasoducto, instalar un segundo calentador y suministrar la siguiente información: Inlet = Gas, Outlet = 3, Energy = EE-102, seleccionar Parameters y entrar una caída de presión “Delta P” de 7.25 psi. Regresar al PFD.
16. Desde el Palette adicionar al PFD la operación Pipe Segment. Abrir la ventana de propiedades para la operación Pipe Segment y entrar la siguiente información:
- Inlet = 3 - Outlet = 4
- Energy = Tubo - Q
17. Escoger Parameters y seleccionar la correlación de Beggs and Brill.
18. Hacer click sobre la pestaña Rating y seleccionar Sizing. Click sobre el botón
Append Segment y entrar la siguiente información:
- Fitting/Pipe = Pipe - Length = 3,280 ft
- Elevation Change = 0.0000 - Outer Diameter = double click - Pipe Schedule = Schedule 40
- Nominal Diameter = 8.00 in, click sobre el botón Specify y nuevamente click sobre “X”.
19. Seleccionar Heat Transfer, en el cajón Heat Transfer Summary entrar la siguiente información:
- Ambient Temp = 32 ºF
- Overall HTC = 0.98 Btu / (h-ft2-ºF). - Click sobre “X” para regresar al PFD.
46
3.5 Inhibición de Hidratos con Solventes Químicos
Para inhibir la formación de hidratos en una corriente con HYSYS, se debe instalar una corriente que contenga el solvente (por ejemplo, metanol o glicol). Usar la operación Mixer para mezclar esta corriente con la corriente de proceso. Encontrar la nueva temperatura de formación de hidrato mediante la utilidad Hydrate.
Como resultado de la inyección de solvente, se reducen las condiciones a las cuales se forma el hidrato, por la asociación del agua con el inhibidor en la fase respectiva (vapor o líquida). Para hacer el cálculo flash, HYSYS ejecuta un flash en tres fases y calcula en forma rigurosa la distribución de los componentes en cada fase, incluyendo el agua y el solvente. Posteriormente, el programa calcula adecuadamente las pérdidas de solvente en las fases gaseosa y líquida.
Aunque la ecuación de Peng Robinson originalmente no fue diseñada para componentes no ideales tales como metanol o glicol, ajustes hechos para el programa HYSYS garantizan que la distribución de los componentes en todas las fases es satisfactoria, especialmente si existen tres fases.
Los resultados que se obtienen con HYSYS son mucho más seguros que los que normalmente se predicen con la ecuación de Hammerschmidt, la cual fue desarrollada para soluciones diluidas o agentes anticongelantes. La ecuación de Hammerschmidt aplica solamente para mezclas de gas natural típicas, concentraciones finales de etilen glicol hasta de 50 wt% y concentraciones finales de metanol hasta de 25 wt%, por encima de estos valores los cálculos son imprecisos. Para concentraciones de metanol hasta de 50 wt%, se recomienda usar la ecuación de Nielsen-Bucklin. Los dos métodos anteriores se encuentran en el GPSA. Para concentraciones finales de etilen glicol mayores de 50 wt% y concentraciones finales de metanol hasta de 75 wt%, se recomienda usar el método de Maddox et al. Usando HYSYS, los cálculos de temperatura de hidrato se realizan adicionando inhibidor hasta que la temperatura de hidrato para la corriente gaseosa sea deprimida por debajo de la temperatura de operación. Si la temperatura de hidratos no decrece adicionando una considerable cantidad de inhibidor, el resultado debe verificarse contra el método manual de Maddoz et al. Si los resultados son consistentes, se debe probar para el caso del etilen glicol, con una solución más pobre (de mayor concentración). Sin embargo, cuando se incrementa la concentración de EG, es necesario tener mucho cuidado con la viscosidad de la solución.
Como guía operacional es de anotar, que la cantidad de inhibidor que se utiliza generalmente, es el doble de la cantidad calculada en forma teórica.
3.5.1 Método de Maddoz et al.
Modelo Termodinámico:
Ln(XH2O * ϑH2O) = -2063(1/T – 1/To) Ec. 1
donde:
XH2O = fracción molar final de agua
ϑH2O = coeficiente de actividad del agua en el inhibidor, se estima con la
ecuación de Margules:
ϑH2O = exp(C1Xi2 + C2Xi3) Ec. 2
Xi = fracción molar de inhibidor
T = temperatura de hidrato con inhibidor, °R
To = temperatura de hidrato sin inhibidor, °R
Etilen Glicol:
C1 = -83.712 + 0.11843T + 11119.64/T
C2 = 478.42 – 16.65T1/2 – 49132.20/T Metanol:
48
1. Determinar To, usando cualquier método para calcular temperatura de hidrato sin inhibidor.
2. Asumir una concentración de inhibidor en fracción molar Xi. Usando la
Ecuación 2, determinar ϑH2O a To para Xi. 3. Resolver la Ecuación 1 para T (XH2O = 1 - Xi ). 4. Usando la Ecuación 2, determinar ϑH2O a T.
5. Repetir desde el Paso 3 hasta que los valores de T sean lo más cercano posible (diferencia no mayor de 1 °R).
6. Si el valor calculado de T equivale a la temperatura de hidrato que se desea con la adición de inhibidor, el valor asumido para la concentración de inhibidor Xi es el adecuado; sino, asumir otro valor de Xi y repetir desde el Paso 2.
Ejercicio 6 – Inhibición de Hidrato con Metanol
100 MMscfd de gas natural salen de una plataforma costa afuera a 100 °F y 1,200 psia. La composición molar del gas es: C1 = 0.88, C2 = 0.01, C3 = 0.06, iC4 = 0.04 y
nC4 = 0.01. El gas llega a la costa a 40 ºF y 900 psia. La temperatura de hidrato del gas sin inhibidor es 70 ºF. Calcular la cantidad de metanol requerida para prevenir la formación de hidratos dentro de la tubería.
Metanol Condensado Gas Saturado Agua Gas Costa Afuera Metanol - Agua Gas Inhibido Gas en la Costa
1. Abrir un nuevo caso y seleccionar la ecuación de estado de Peng-Robinson. 2. Adicionar los siguientes componentes C1, C2, C3, iC4, nC4, Metanol y H2O.
Regresar al PFD. Salvar el caso como Ejercicio 6.
3. Cargar el conjunto de unidades “Usuario 01” para definir la variable Flow en MMscfd: Desde la Barra de Menús, escoger Tools, seleccionar Preferences, escoger la pestaña Variables, si se encuentra “Usuario 01” en el cajón
Available Units Set, seleccionarlo y en la celda Flow, cambiar MMscfh por
MMscfd, hacer click sobre “X” para regresar al PFD. Si “Usuario 01” no se encuentra, hacer click sobre el botón Load Preference Set..., encontrar y abrir el archivo “Usuario 01”. Desde la Barra de Menús escoger nuevamente Tools,
Preferences y seleccionar “Usuario 01”, en la celda Flow cambiar MMscfh por
MMscfd, hacer click sobre “X” para regresar al PFD.
4. Adicionar tres corrientes de materia, abrir la ventana de propiedades para la # 1 y entrar la siguiente información: Name = Gas, Temperature = 100 ºF y Pressure = 1,200 psia. Suministrar la composición molar mostrada anteriormente, normalizar, hacer click sobre el botón OK y entrar Flow = 100 MMscfd. Regresar al PFD.
5. Abrir la ventana de propiedades para la corriente # 2 y entrar la siguiente información: Name = Agua, Temperature = 100 ºF y Pressure = 1,200 psia. Suministrar una composición molar de 1.0 para H2O, normalizar, hacer click sobre el botón OK y regresar al PFD.
6. Adicionar una operación Balance, en la celda Inlet Streams entrar “Agua” y “Gas”, en las celdas Outlet Streams entrar “Gas Saturado”, escoger balance tipo Mole, seleccionar la pestaña Worksheet y entrar para la corriente “Gas Saturado” una temperatura de 100 ºF y una presión de 1,200 psia. Regresar al PFD.
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Metanol, normalizar, hacer click sobre el botón OK y entrar un flujo másico “Mass Flow” de 0.0 lb/hr. Regresar al PFD.
9. Adicionar una operación Balance, en las celdas “Inlet Streams” entrar “Metanol” y “Gas Saturado”, en las celdas “Outlet Streams” entrar “Gas Costa Afuera”, escoger balance tipo Mole, escoger la pestaña Worksheet y entrar para la corriente “Gas Costa Afuera” una temperatura de 100 ºF y una presión de 1,200 psia. Regresar al PFD.
(Salvar como “Ejercicio 6” presionando el botón Save Case)
10. Entre la plataforma y la costa, el gas experimenta pérdidas de presión y de calor. Para simular estos efectos se instala un enfriador. Adicionar al PFD una operación Cooler, abrir la ventana de propiedades para la operación Cooler y entrar la siguiente información: Inlet = Gas Costa Afuera, Outlet = Gas Inhibido, Energy = EE-100, seleccionar la pestaña Worksheet y entrar para la corriente “Gas Inhibido” una temperatura de 40 ºF y una presión de 900 psia. Regresar al PFD.
11. Desde la Barra de Menús escoger Tools, hacer click sobre Utilities, seleccionar la utilidad Hydrate Formation Utility y hacer click sobre el botón Add Utility. Entrar Name = Hidrato Gas Inhibido, hacer click sobre el botón Select
Stream…, en el cajón Object, seleccionar Gas Inhibido y hacer click sobre el
botón OK. Escoger la pestaña Performance y ver la temperatura de formación calculada (69.8587 °F ≈ 70 ºF) a la presión de operación de la corriente. Este valor corresponde al gas sin inhibidor porque en este momento el flujo másico de la corriente Metanol es 0.0 lb/h.
12. Esconder el Object Palette (presionar F4), mover la ventana “Hydrate Formation Utility” hacia el lado derecho de la pantalla, hacer click sobre “X” para cerrar la ventana Available Utilities, cerrar la ventana del PFD.
13. Ir a la ventana Workbook y moverla hacia el lado izquierdo de la pantalla para ver simultáneamente las ventanas “Workbook” y “Hydrate Formation Utility”. En la ventana “Workbook” seleccionar la celda Mass Flow para la corriente “Metanol”, entrar valores hasta que la temperatura de formación de hidrato para la corriente “Gas Inhibido” caiga a un valor ligeramente por debajo de 40 ºF. Para un valor de 244 lb/h de metanol se calcula una temperatura de deformación de hidrato de 39.9447 ºF como se observa a continuación:
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información: Inlets = Gas Inhibido, Vapour = Gas en la Costa, Light Liquid = Condensado and Heavy Liquid = Metanol-Agua, regresar al PFD.
15. La concentración en peso para metanol en la fase pesada de líquido se puede ver haciendo doble click sobre la corriente “Metanol-Agua”, seleccionar
Composition, hacer click sobre el botón Basis..., seleccionar el radio-botón Mass Fractions y hacer click sobre “X”.
El flujo másico para la corriente metanol en la fase pesada de líquido se puede ver haciendo click sobre el botón Basis..., seleccionar el radio-botón Mass
Flows y hacer click sobre “X”.
A continuación se muestran los resultados:
16. Para ver las pérdidas por evaporación (en la fase vapor de hidrocarburo), abrir la ventana de propiedades para la corriente Gas en la Costa y seguir el procedimiento anteriormente descrito para el flujo másico.
17. Para ver las pérdidas de metanol en la fase líquida de hidrocarburo, abrir la ventana de propiedades para la corriente Condensado y seguir el procedimiento anteriormente descrito para el flujo másico.