Un gas natural con presencia de CO2 y H2S se conoce como gas agrio y estos gases, especial mente el H2S, son altamente perjudiciales. EI CO2 en presencia de agua liquida forma el acido carbonico que puede inducir problemas de corrosion; ademas cuando el gas se somete a procesos criogenicos se solidifica. Por su parte el H2S es altamente toxico y en presencia de agua tambien arigina problemas de corrosion y simultaneamente la fragilizacion del acero. EI H2S Yel CO2 se conocen como gases acidos.
EI control de la composicion del gas, buscando que tenga un contenido minima de hidrocarburos intermedios, se hace a traves de su poder calorifico, el indice de Wobe y el punto de rocio. EI indice de Wobe es un para metro importante cuando se debe mezclar gases 0 cuando se requiere intercambiabilidad; para que la combustion no se afecte al mezclar 0 intercambiar gases, los gases involucrados no deben tener diferencias mayores de un 10% en su indice de Wobe EI punto de rocio es un indicativo del contenido de hidrocarburos intermedios, mientras mas bajo sea este a unas condiciones de presion dadas, menor sera el contenido de este tipo de hidrocarburos.
La presion y la temperatura de entrega del gas en el campo son importantes para garantizar que el gas puede lIegar sin problemas al punto de consumo; si la presion no es suficiente sera necesario instalar sistemas de compresion, modificar el sistema de produccion 0 reducir el volumen de entrega. La temperatura de entrega es importante para garantizar que no haya problemas de condensacion 0 de formacion de hidratos en la linea del gasoducto La tabla 3 muestra las principales caracteristicas que se deben controlar en el gas y los valores tipicos promedios que narmalmente se establecen para cada una de elias; estos valores pueden variar de una region a otra 0 de un paiS a otro.
Un esquema general de procesos de tratamiento del gas se muestra en la figura 3.
EI gas lIega a la cabeza de los pozos a unas condiciones de presion y temperatura altas yes necesario bajarle la presion. AI hacer esto el gas se enfria y puede ser necesario calentarlo para evitar problemas de condensacion y formacion de hidratos; el calentamiento se puede hacer con intercambiadores 0 unidades L TX.
En la separacion a alta presion se separa el gas y el liquido, el liquido normalmente es agua e hidrocarburos y tambien se pueden separar en el mismo recipiente de alta presion. Los hidrocarburos liquidos pasan a un proceso de estabilizacion donde se termina de remover los hidrocarburos que se evaporan al disminuir la presion; estos hidrocarburos gaseosos se comprimen y se mezclan con el gas separado en la separacion a alta presion.
EI gas separado en la separacion a alta presion y el gas obtenido en el proceso de estabilizacion, pueden estar calientes y requeriran enfriamientos para continuar el proceso; la alta temperatura del gas en este punta se puede deber a 10 siguiente: AI comprimir el gas, este se calienta y par otra parte el gas que sale de la separacion a alta presion puede estar caliente por el proceso de calentamiento aplicado 0 porque el gas proveniente de los pozos no fue sometido a expansion y por tanto no ~e enfrio.
Oespues del enfriamiento, si fue necesario, el gas pasa al proceso conocido unas veces como tratamiento y otras veces como endulzamiento; en el el gas es liberado de los gases acidos CO2 y H2S Existen diferentes metodos de endulzamiento y el que se vaya a usar depende de factores como composicion del gas, contenido de CO2 y H2S selectividad del proceso y niveles a los que se debe bajar el contenido de CO2 , EI proceso de tratamiento involucra la regeneracion del material 0 equipo usado en el proceso y la disposicion final del azufre. Oespl contel remoll yader pasar En la ( agua • deshidl se prell compo~ por MF aplicaci, conteni( proceso Oespue~ procesar basicam. especific humedos proceso ~ propano 1 es 10 que listo para hacer en 1 caso el ga
•
La configl condicione caracterist medio de tl respecto a manejo, et. configuraci( yacimiento produccion Problema 1 La tabla 5 m•
calidad que ( Se requiere ( definir el tlPO Soluci6n. La tabla 6 m superficie. Lo~ la mezcla se 0 30•
e conoce como gas agrio y estos gases,
es. EI CO2 en presencia de agua liquida emas de corr(lc:ir.n ' _ . ' 'do el gas ;<;0 y en acion I de yel :ciar ~ al ; de de as, ar te :ir oDespues del endulzamiento el gas debe salir con los niveles requeridos de CO2 y H2S pero el contenido de agua es alto porque esta que esta en forma de vapor en el gas, no ha sido removida, aunque existen algunos procesos de endulzamiento que tambien remueven agua, y ademas muchos de los procesos de endulzamiento involucran agua; por tanto el gas debe pasar a deshidratacion.
En la deshidratacion se remueve el agua que esta en el gas en estado de vapor, ya que el agua que esta en estado liquido se removio en la separacion a alta presion La deshidratacion es necesaria aplicarla cuando el contenido de agua en el gas es alto 0 cuando se preve que se pueden presentar hidratos. EI contenido de agua en un gas depende de la composicion de este, la presion y la temperatura; puede ser tan alto como 500 0 mas libras por MPCN . Basicamente se tienen en aplicacion dos metodos de deshidratacion y la aplicacion de uno u otro depende del contenido inicial de agua, el volumen de gas y el contenido final de agua aceptable en el gas. En la deshidratacion tambien esta incluido el proceso de regeneracion para el material 0 equipo utilizado para deshidratar.
Despues de la deshidratacion, el gas puede ser sometido a un proceso conocido como procesamiento 0 fraccionamiento, en el cual se Ie remueven los componentes mas pesados, basicamente del C2 en adelante, con el fin de ajustar el gas a los requerimientos de calor especifico, punto de rocio 0 indice de Wobe. Este paso se aplica basicamente a los gases humedos, asociados 0 gases provenientes de un yacimiento de condensado. En este proceso se obtiene el etano que es un material muy valioso en las plantas petroquimicas, el propano y butano (LPG) y la gasolina natural. La fase gaseosa que sale de este ultimo paso es 10 que se conoce como gas natural, en su composicion es basicamente metano, y esta listo para ser lIevado a los consumidores de gas como combustible; su transporte se puede hacer en forma gaseosa a traves de tuberias 0 en forma liquida en metaneros, en este ultimo
..
caso el gas se debe someter a un proceso de licuefaccion conocido como criogenia .La configuracion de un sistema de tratamiento para el gas depende de facto res como condiciones de temperatura y presion a las que esta lIegando el fluido a superficie, caracteristicas de la mezcia producida, requerimientos de calidad de los productos finales, medio de transporte que se va a utilizar para los productos y ubicacion del campo de gas con respecto a los sitios de consumo, regulaciones legales para las actividades de produccion y manejo, etc. La tabla 4 muestra un resumen de algunos de estos factores. Ademas esta configuracion normalmente varia con el tiempo porque a medida que se va produciendo el yacimiento las caracteristicas de la produccion cambian al igual que los esquemas de produccion y desarrollo del campo(7) y (8
Problema 1.1
La tabla 5 muestra los datos de un caso tipico de produccion de gas y los requerimientos de calidad que debe tener el gas para entregarlo a los consumidores
Se requiere calcular las propiedades ffsicas del gas al lIegar a superficie y con base en elias definir el tipo de tratamiento que requiere.
Soluci6n.
La tabla 6 muestra las principales propiedades de los componentes del gas al Ilegar a superficie. Los datos relativos a las propiedades fisicas de los componentes individuales de la mezcla se obtuvieron de la tabla 1
Tabla 3. Caracteristicas Requeridas en el Gas.
* Poder Calorifico:
Del Orden de 1000 BTU/PCN.
* Contenido de Agua:
Normalmente de 5-10 Ibs.lMPCN. Cuando se va a aplicar procesos criogenicos deben se de
1 PPM aproximadamente.
* Contenido de CO2 :
Normalmente 2% V. Cuando el gas se va a someter a procesos criogenicos deben ser
mucho menor
* Contenido de H2S:
Normalmente 1/4 de grana /100 PCN (4 PPM en volumen).
* Indice de Wobe:
P
o
d
e
r
Ca
lori
ficoBruto
W = 1/ 2
Y
g* Contenido de Hidrocarburos intermedios:
Poder calorifico ~ 1000 BTU/PCN.
,
..
Punto de Rocio 18°F a 1000LPC
* Contenido de Nitrogeno:
Afecta poder calorifico Se pueden producir gases de Nitrogeno perjudiciales.
* Contenido de S
• Presion y Temperatura de Entrega.
Con los datos de la tabla 6 se pueden hacer los siguientes calculos
" y
MW
•
MW
=
~
'.
-
'
=19.48
=MW
=
I
r;.MW
,
= 19.48
=
0
6
7
r~
MWa
2
9
2
9
.
VC = L:Y; * PC, = 964.9 BTU/PCN Pc = L:Yi Pc; = 641 .17 Ipca 32..
'
.
'
.
POZOS "t CAL E f'JTAMI E NTO~
TRATAMIEf\lTD DEL GASr
Ef '~ FRIAMIE NTO1..
r
SEPARACIO ~~ A•
AL TA PRESIO~ J+
lI'" PETROLEOL
..
E
S
T
ABIUZACION
-.. PARA V E f\JT AS...
MANE.JO DE ..-CRUDDY' AGU,A, Figura 3 -. Diagrama General del Proceso de Tratamiento del Gas Natural. 33 CD Q. 0 CD CD 0 ::::l CD ::::l (f) CD (f) Q. CD ... CD ~'
.
"
DESHIDR.ATR.~,CI()N
---. PR OCESAMIEf'JTO DEL GAS,...
..
J
COMPRESION ~•
•
GAS F'ARA VEf\JTASTabla 4. Factores que Afectan el Diseno de un Sistema para Tratamiento del Gas. Tabla 6. F Cantidad y Calidad del Fluido a Procesar.
Demanda de los Productos a Obtener (Cantidad y Precio) .
Reglamentaciones Legales. Prohibiciones de Quemar Gas, Prorrateo, Contratos, Convenios, etc.
Factores Ambientales Disponibilidad y Calidad de Mano de Obra, Clima, Costumbres Locales,
Densidad de Poblacion, Disponibilidad de Equipos y Servicios, etc ..
Niveles de Riesgo Tecnologicos, Politicos, Economicos.
Cantidad y Calidad de Datos Disponibles
;.
..
C
1 CO2 N2 H2S ( C, C2C
3 i - C4 n - C4 i - Cs -n -Cs C6 -C7Tabla 5.Caso Tipico de Produccion de un Pozo de Gas qq
Presion Estatica
Presion Inicial en Cabeza de Pozo
Presion Final en Cabeza de Pozo temr:>eratura Inicial en Cabeza de Pozo Temperatura Final en Cabeza de Pozo
Tem~eratura del Yacimiento
Composicion del Gas Componente CO 2 N2 C, C2 C3 i-C4 n-C4 i-Cs n-Cs C6
c
:
I -H2SM
W
(" 7= 147
Pc
) .
( ,=304
Lpca.0)
( ,'
=11
2°R
Produccion de Condensado 60 Bls.lMPCN de 52 .3°API Produccion Final de Agua 15 Bls.lMPCN100MPCNID 8000Lpcm . 4000L[)cm 1000 Lpcm 120°F 175 of 224 of % Molar 403 1.44 85.55 5.74 1.79 0.41 0.41 0.20 0.13 0.15 0.15 19PPM
"
CPM
=
~
3
W=
100 Ib~ EI contenid( Como se pi una presior que el exigi, despresuriz enfriamientc•
Calidad Exigida del Gas 1000 Lpca. , W= 7 Lbs.lMPCN, 4ppm de H2S, 2%C02
Sistema para Tratamiento del Gas. Tabla 6. Propiedades Fisieas de los Componentes del Gas del Problema 1.1 as, Convenios, etc. Costumbres Locales, C1 Yi MWi Tei (OR) Pei (Ipea) PC (BTU/PCN) p (Ibs.lgal) CO2 0.0403 44.01 547 .87 1071 .0 0 N2 0.0144 28.013 22730 4930 0 H2S 0.000019 34 .076 672 .60 1036.0 0 C, 0.855 16.043 34337 667. 8 909.10 C2 0.0574 30.070 550.09 7070 1617.80
C
3 0.0179 44.097 666.01 616.3 2315.90 4.231 i - C4 0.0041 58.124 734.98 529.1 3001 4684 n - C4 0.0041 58.124 765 .65 550.70 3010.50 4.861 i - Cs 0.002 72 .151 829.10 490.70 389790 5.261 n - Cs 0.0013 72.151 845.70 488.60 3706 .80 5.206 C6 - t rOO1o ~o. 1(0 9-13.78 436.90 4395.0 5.535 C/ 0.0015 147.0 1112.0 304 .0 6000.0 6424 GPM =1000
*
:t
y,
M 1 =0
.
3896
Gals.! kPCN379
1=1 PII W=
100 Ibs/MPCNEI contenido de agua se calculo usando la correlacion de McKetta - Wehe.
Como se puede apreciar al gas inicialmente habra que despresurizarlo pues esta IIegando a una presion muy alta (4000Lpca.), deshidratarlo porque tiene un contenido de agua mayor que el exigido y removerle el H2S y los hidrocarburos pesados. Ademas es posible que por la despresurizacion inicial al bajarle la presion de 4000 a 1000 Lpca. se presente un enfriamiento apreciable del gas y luego sea necesario calentarlo.
35
PROBLEMAS
1. Un tanque de 500 PC contiene 10 Ibs de metano y 20 de etano a gO°F. gases ideales. Considerando a. b. c. d.
Cuantos moles existen en el tanque?
Cual es la presion en el tanque en Ipca y Ipcm? Cual es el peso molecular de la mezcia? Cual es la gravedad especifica de la mezcla?
2. Un gas tiene la siguiente composicion por mol: metano 80%, etano 20%. Calcular a. Porcentaje por peso.
b Porcentaje por volumen .
c Peso molecular aparente y gravedad especifica. d. Presion y temperatura seudocritica.
e. Presion y temperatura reducida a 1000 Ipca y 60°F. Factor Z a estas condiciones f. Presiones parciales si la presion total es de 1000 Ipca.
3. Un gas tiene la siguiente composicion:
I
Comp.%V
I
~o
. . i
Calcular la riqueza del gas en GPM para los componentes del C4 (inclusive en adelante).
4 Se mezcia a 2500 Icpa y 300°F los siguientes volumenes de gases dados en pies3 67 de C1, 30 de C2, 1 de C3 y 2 de CO2 Encontrar el factor de compresibilidad de la mezcia resultante.
•
lano y 20 de etano a 90°F. Considerando , en 67 ~ la
-Referencias Bibliograficas1-. Kumar, S "Gas Production Engineeringf, Chap. 3, Gulf Publishing Company. Book Division, Houston, TX, USA, 1987.
2-. Gas Processors and Suppliers Association (GPSA), "Engineering Data Book". Section 2,
tenth edition, Tulsa, Okla., USA, 1987.
3-. Perez, R. "Ingenierfa del Gas Natural. Propiedades Ffsicas y Comportamiento de Fases",
Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellin, 1980.
4-. Ahmed, T. "Hydrocarbon Phase Behavior", Chaps. 1,3, Gulf Publishing Company. Book Division, Houston, TX, USA, 1989.
5-. Naranjo, A. "Propiedades Ffsicas de Rocas y Fluidos de Yacimiento" (Notas para un curso
de Yacimientos I), Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellin, 1989. 6- McCain, W. D. "Reservoir - Fluid Property Correlations", SPERE 05/91, Pag 266
7-. Sood, L.K and Jamsheer, A.S. "Design of Surface Facilities for Khuff Gas", SPEPE 07/86,
Pag 303.
8-. Chambers, M.J, Eager, K.D. and Matisson, SA, "Hydrocarbon Management - Surface processing Facilities in the Prudhoe bay Field of Alaska", SPEPF 05/97, Pag73
.. ;
•
~
*
2. CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DEL GAS~
*
EI gas puede Ilegar a superficie a temperaturas muy altas y a traves de los diferentes procesos a que es sometido puede alcanzar temperaturas muy bajas, por ejemplo cuando
oc~ sion, 0 .!!illy _altas,_ PDf ejemplo cU2 ndo se somete a c0rTlpre§.Lon. L as
temperaturas altas 0 bajas pueden afectar lei eficiencia de los procesos de tratamiento del gas y en algunos casos ocasionar problemas; por esto es necesario lIevar el gas a los diferentes procesos a la temperatura adecuada y para ello es necesario someter el gas, en algunos casos, antes de entrar a un proceso determinado, a enfriamiento 0 calentamiento TambiEm se presentan temperaturas altas del gas cuando es el fluido caliente usado en el proceso de regeneracion de lechos de deshidrataci6n por adsorcion.
Casos frecuentes en los que se requiere enfriamiento 0 calentamiento en el tratamiento del gas son los siguientes
• Cuando el gas lIega a superficie, si lIega a presiones muy altas, situacion comun en pozos de gas nuevos, se debe someter a reducci6n de presion y si la caida de presion es alta el enfriamiento puede ser excesivo ocasionando la formacion de condensados y de hidratos; estos ultimos pueden ocasionar taponamientos de valvulas 0 tuberias y por ello despues de la despresurizacion es necesario calentar el gas antes de continuar el proceso de trata mien to.
• Cuando no es necesario despresurizar el gas al lIegar a la superficie, lIegara a temperatura alta a la separacion de alta presion y al salir el gas de esta etapa, antes de ser sometido a endulzamiento y deshidratacion se debe enfriar. Tambien requiere enfriamiento el gas que se obtiene en la etapa de estabilizacion 'antes de pasarlo par com presion y el gas que sale de 'compresion antes de mezclarlo con el gas obtenido en la separacion de alta presion.
• En las etapas de endulzamiento y deshidratacion se requiere calentamiento para regenerar el material utilizado en el proceso.
• Durante el procesamiento del gas tambien se requiere calentamiento y/o enfriamiento entre las diferentes eta pas del proceso.
EI enfriamiento del gas se hace con equipos conocidos como intercambiadores de calor y el calentamiento a traves de calentadores que pueden ser directos (tubulares y pirotubulares) 0 indirectos (intercambiadores de calor) y unidades LTX (unidades de separacion a baJa temperatura).
En los intercambiadores 0 calentadores indirectos el gas se enfria 0 calienta, estableciendo contacto con un fluido mas frio 0 mas caliente; en los calentadores directos el gas se calienta aplicando directamente calor.
2.1 -.FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
EI calor es energia que se transfiere de un sistema a otro 0 de una parte del sistema a otra parte del mismo a causa de una diferencia en temperatura y usando como mecanismo
Conduccion Conveccion • Radiacion .
---2.1.1-. Transferencia de Calor por Conducci6n. Es cuando el calor se transmite a traves Aplicand(
tiene
de un solido.
EI primero en estudiar el problema de conduccion de calor fue J.B. Fourier, quien finalmente
y a base de estudios experimentales establecio la_Ley de Fourier, la cual se puede plantear
.
""
---
- - , as!:
donde C E
L Dividiendo
Q
,
Supongamos un solido de un espesor L y una de cuyas caras esta a una temperatura alta Th
y la otra cara a una temperatura baja TL. La cantidad de calor que se puede transferir a
traves del solido desde la cara de temperatura alta a la temperatura baja, se puede plantear Pero Q~.
como:
Q~\
=-11
0=
-KA
*
dT
(21 )~ dX
donde K es la conductividad termica del solido, A es el area de la superficie del solido a
traves de la cual se presenta la transferencia de calor, T es la temperatura y X es la direccion
d
de la transferencia de calor. Las unidades de !a conductividad termica son: energia/longitud
Itemperatura. y dividiendo i
Wall
[K] =
energia
/
d
l
/ongitud
*
temperatura
cm.oC
•
dXLa conductividad termica K, es una propiedad termica que depende del tipo de material y la La ecuacion
temperatura , para la mayoria de los materiales aumenta con la temperatura pero para conductividad
algunos disminuye. Materiales con una conductividad muy baja se conocen como aislantes,
por ejemplo la fibra de vidrio.
• Suponie
-. Ecuaci6n General Para la Transferencia de Calor por Conducci6n.
q
,
-=
+
Supongamos un solido que tiene en una de sus caras una temperatura alta representada por
K
:'
(
Th y en la cara opuesta una temperatura baja representada por TL . A traves de este solido
habra transferencia de calor desde la cara de temperatura alta hasta la cara de temperatura Suponier
baja. En un punto X a traves del s61ido la cantidad de calor que esta pasando es
O
x
y en unpunto X+dX el calor que esta pasando sera O X+dX ' Llamando
(j
b
-=
+
x
K
5.
• Si el matE02T
=
OX2
La ecuacion (2 . homogeneo, quQ
K
,
X
transferencia deOK, la cantidad de calor transferido por conductividad
