Analysis of the system of dehydration of natural
gas with triethylene glicol of a plant of extraction
of liquids
Fidelina Moncada*, David Molina, Hernán Raven e Iliana Salazar
Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui.Barcelona, Venezuela. Fax (0281) 4203245. * fidelina@cantv.net
Abstract
Natural gas and petroleum are found in the subsoil content in the porous spaces of certain rocks, in geological structures called fields and they are in contact with water. The contained water in the natural gas can be combined with molecules of low molecular weight and that may cause hydrate formation at low—temperature conditions that may plug the valves and fittings in gas pipeline. In addition, water vapor in natural gas pipelines may condense, causing sluggish flow conditions and may cause corrosion difficul-ties when it reacts with hydrogen sulfide or carbon dioxide commonly present in gas streams. It is neces-sary to remove water vapor present in a gas streams and the most effective practice to remove water from natural gas streams is to use triethylene glycol (TEG) as the dehydrating agent. In this work we analyzed the effects of various operating parameters such as temperature, formation of foam, high consumption, circulation rate and solvents losses in the system of dehydration of natural gas with TEG of a liquids ex-traction plant, the process simulator (Hysys 3.2) is used to simulate complete TEG dehydration flowsheet.
Key words: Natural gas; dehydration; triethylene glycol (TEG).
Análisis del sistema de deshidratación de gas natural
con trietilenglicol de una planta de extracción
de líquidos
Resumen
El gas natural como el petróleo, se encuentra en el subsuelo, contenido en los espacios porosos de ciertas rocas, en estructuras geológicas denominadas yacimientos y están en contacto con agua. El agua contenida en el gas natural puede combinarse con moléculas de bajo peso molecular y formar un sólido, los hidratos, estos se consideran peligrosos porque bloquean las líneas de transmisión, válvulas y los equipos de proceso. Además, el agua puede causar corrosión cuando reacciona con el H2S o el CO2
co-múnmente presentes en el gas natural. Para evitar esos problemas, el gas es deshidratado y una de las for-mas es con trietilenglicol. En el presente trabajo se realizó un análisis del efecto de la temperatura, forma-ción de espuma, tasa de recirculaforma-ción y pérdidas de TEG del sistema de deshidrataforma-ción de gas natural con trietilenglicol de una planta de extracción de líquidos, mediante un estudio de las propiedades fisicoquí-micas del TEG y utilizando un simulador de procesos en estado estacionario (Hysys 3.2). La simulación del proceso de deshidratación con TEG se realizó a las condiciones de diseño y de operación.
Introducción
El gas natural proveniente de las estaciones de flujo, se transporta hacia la planta de compre-sión y posteriormente se lleva a las plantas crio-génicas, en donde se obtienen en estado líquido, los componentes hidrocarburos más pesados contenidos en la corriente (principalmente pro-pano e hidrocarburos más pesados) los líquidos del gas natural LGN [1, 2].
El proceso de extracción de líquidos del gas natural, se inicia con la entrada de gas a las trampas recolectoras de líquidos, depuradores y filtros de entrada, donde se retiran las impure-zas, luego pasa por los sistemas de deshidrata-ción que permiten en conjunto, remover el conte-nido de agua a niveles inferiores de 0,1 ppm en volumen [3].
La deshidratación del gas natural es impor-tante en la producción de gas natural puesto que, una deshidratación efectiva previene la forma-ción de hidratos [4] de gas, disminuye la corro-sión en las tuberías y mejora la eficiencia en las mismas al reducir la acumulación de líquido en la parte baja de la línea. La eliminación del agua del gas natural se conoce como proceso de deshi-dratación del gas natural, y se realiza en una co-lumna de absorción utilizando algún absorbente del agua, como el trietilenglicol (TEG) [5]. El TEG rico en agua, que sale de la columna debe ser re-generado mediante destilación, para devolverlo a la columna de absorción. Para lograr una mayor deshidratación se utiliza la adsorción con tami-ces moleculares [6].
El sistema de deshidratación con trietilen-glicol puede presentar una variedad de proble-mas operacionales (inadecuada relación gas/gli-col al absorbedor, alta temperatura en los reher-vidores [7], presencia de sólidos en el glicol entre otros) que de una u otra forma afectan su eficien-cia en la remoción de agua hasta los niveles espe-rados (4-5 lb/MMPCE) e igualmente puede incre-mentar las pérdidas de TEG.
La importancia de este trabajo radica en el estudio de las causas que ocasionan las pérdidas de TEG, debido al consumo excesivo de este quí-mico que actualmente se origina en el sistema de deshidratación de gas natural con glicol.
Procedimiento
La metodología empleada en el presente trabajo consta de varias etapas las cuales se mencionan a continuación.
1. Simulación del proceso de deshidratación con TEG
Para simular el proceso de deshidratación de gas natural con TEG, se utilizó el simulador de proceso HYSYS 3.2. Los criterios de simulación utilizados fueron: ecuación de estado [8] Peng-Ro-binson, la cual se seleccionó en función de los componentes de las corrientes y de los rangos de temperatura y presión manejados, la eficiencia de la columna absorbedora 62%, la columna de des-tilación consta de un condensador total, un reher-vidor y tres platos ideales, la temperatura del rehervidor se fijó en 400°F y del condensador en 212°F. Las variables de diseño y operación fueron tomadas de una planta de deshidratación con TEG, existente en el Oriente de Venezuela y que a su vez también sirvieron como referencia en la aceptación del modelo de simulación [9].
Los equipos involucrados en el proceso que fueron simulados en el caso diseño son: Fil-tro/separador de gas de entrada, contactor TEG, desasfaltenizador TEG, flash tank de glycol, tam-bor KO. de glicol, columnas destiladoras de gli-col, despojadores de gligli-col, acumulador de gligli-col, intercambiadores de glicol pobre/glicol rico No.1, intercambiadores de glicol pobre/ glicol rico Nº 2, rehervidores de glicol, bombas de glicol y enfria-dor de aire del glicol pobre. En la Figura 1 se ob-serva un esquema del proceso.
Las condiciones de entrada del gas a la plan-ta deshidraplan-tadora fueron: temperatura 120°F, presión 1.205 psia, flujo de gas 44.023,9 lbmol/h. El glicol que entra a la torre absorbedora presenta las siguientes características: temperatura 130°F, presión 1.255 psia, flujo 450 lbmol/ h. La valida-ción [10] del esquema de simulavalida-ción caso diseño, se realizó con los datos de operación real y luego se procedió a comparar los resultados.
2. Alto consumo de trietilenglicol
Se realizó un seguimiento en la planta de extracción de líquidos del gas natural, de las
ope-raciones en el sistema de deshidratación con TEG [11]. Normalmente las pérdidas de glicol que están asociadas a la operación, se encuentran en un rango comprendido entre 0,05 y 0,10 galones de TEG/MMPCE de gas tratado [2]. En la Tabla 1, se presentan los consumos de glicol y el flujo de gas de entrada promedio.
El GPSA (Gas Processing Society American) [12], establece como posibles causas de pérdidas de glicol en sistemas de deshidratación utilizan-do torres de absorción, y sistemas de regenera-ción con rehervidores, los siguientes: la forma-ción de espuma, alta velocidad del gas en el ab-sorbedor, temperatura de solución de glicol pobre muy alta, taponamiento de platos en el absorbe-dor, alto flujo del gas de despojamiento, degrada-ción de la soludegrada-ción de glicol, vaporizadegrada-ción de gli-col por el tope de la gli-columna destiladora, fugas en la bomba de glicol y niveles inadecuados en los equipos del sistema.
a. Pérdidas de glicol en el contactor TEG
La formación de espuma es uno de los pro-blemas operacionales de mayor gravedad para un sistema de deshidratación con glicol. Para de-terminar su existencia, se tomaron muestras de soluciones de glicol circulante (glicol pobre y gli-col rico) en la planta, se analizaron sus
propieda-des fisicoquímicas, especialmente los paráme-tros de altura y estabilidad de formación.
La velocidad excesiva del gas dentro de la torre contactora es una de las causas de pérdidas de glicol por arrastre; éstas pueden disminuirse utilizando un eliminador de neblina. Para el de-sarrollo de este punto se estimó la velocidad del gas en el absorbedor, la cual es una torre con pla-tos de burbujeo y tiene eliminador de niebla de malla alambre.
Si en la columna de absorción el diferencial de la temperatura entre el gas de entrada y el gli-col pobre es alto, puede inducir la formación de espuma en el equipo, dependiendo del contenido de hidrocarburos que contenga el glicol en el mo-mento de entrada a la torre de absorción. Para
REGENERADOR ABSORBEDORA
TANQUE DE EXPANSIÓN
Figura 1. Diagrama de Flujo de una Unidad Típica de Deshidratación con TEG.
Tabla 1
Consumo de TEG y gas de entrada Mes Consumo TEG
(gal) Gas de Entrada (MMPCED) Enero 2.100 387 Febrero 1.680 389 Marzo 2.100 387 Abril 2.893 377
este caso, se obtuvieron los datos de las tempera-turas del glicol a la entrada del contactor TEG y el diferencial de temperatura de glicol (TEG) con el gas de entrada.
b. Pérdidas de glicol en la unidad de regeneración
En el sistema de regeneración del TEG se utiliza gas de despojamiento, este flujo no debe ser tan alto para evitar que los vapores que as-cienden en la columna de destilación y que salen por el tope de la columna arrastren el glicol. Para un mejor análisis, se emplearon como parámete-ros los flujos de gas de despojo y los caudales de TEG rico.
La vaporización del glicol por el tope de la columna de destilación, es una de las causas de pérdida más común en el sistema de deshidrata-ción. El condensador de reflujo o serpentín ubi-cado a la salida de las torre destiladoras es quien mantiene la temperatura adecuada para no va-porizar en exceso el glicol. Por esta razón, se revi-só la temperatura del tope de las columnas desti-ladoras de glicol.
3. Análisis de las soluciones de trietilenglicol
Mediante la caracterización realizada a muestras de trietilenglicol (pobre y rico) de la to-rre absorbedora y del tanque de almacenamiento se determinó el contenido de hidrocarburos, sóli-dos, agua y otros.
Esta evaluación permitió identificar pro-blemas operacionales (contaminación de glicol, corrosión, formación de espuma, etc.), los cua-les afectan la eficiencia del proceso. Las propie-dades fisicoquímicas determinadas pueden ser comparadas con especificaciones establecidas en el diseño.
El análisis de variables de las corrientes y equipos involucrados en el proceso de deshidra-tación con TEG fue fortalecido con la recolección de datos de los diferentes parámetros de opera-ción en el sistema de control ubicado en la sala de control de la planta, permitiendo un estudio de-tallado de las variaciones ocurridas en el sistema deshidratador, así como reconocer las operacio-nes que se efectúan actualmente que no están de acuerdo con el proceso original.
Resultados y Discusión
1. Simulación del proceso de deshidratación con TEG
La creación del esquema de simulación para el caso diseño del sistema de deshidratación con TEG, se desarrolló introduciendo valores de temperatura, presión, flujo y composición sumi-nistradas por las especificaciones de diseño (data sheets) para las distintas corrientes del modelo, las cuales sirvieron como medio de comparación entre los valores de la simulación.
En la Tabla 2, se observa que los porcenta-jes reproducen las especificaciones obtenidas de los diseñadores de la planta y representan un margen de error aceptable siendo menores al 8,57% para la temperatura de la corriente VAPORES FLASH, confirmando la similitud entre las variables de mayor importancia del mismo proceso de deshidratación.
2. Alto consumo de trietilenglicol
Las operaciones que normalmente se hacen en plantas de glicol se encuentran vinculadas a pérdidas de la solución, encontrándose entre 0,05 y 0,10 galones de TEG por MMPCE de gas tratado [2]. En la Tabla 3 se encuentran los volú-menes de glicol suministrados al sistema y las pérdidas en galones por millón de pies cúbicos estándar. Los datos indican que existen irregula-ridades en el sistema, debido a las condiciones actuales en la que se desarrolla la operación de absorción y regeneración, reportándose pérdidas que se encuentran entre 0,144 y 0,256 gal/ MMPCE, las cuales se calcularon con el flujo de agua que sale por el tope de la regeneradora y las fracciones molares de agua y TEG.
El consumo de TEG, dependiendo del flujo de gas tratado, se considera alto motivado por las pérdidas de solución de glicol. En la Figura 2 se muestran los cambios con respecto a las pérdi-das en el año en curso.
En la Figura 3 se observa que este proble-ma operacional también se refleja en los volúme-nes consumidos por el sistema en los distintos meses en que se realizó el seguimiento, donde el valor máximo es de 10.950 L/mes, con un míni-mo obtenido en operación de 6.360 L/mes,
su-Tabla 2
Comparación de los valores de las variables obtenidas en la simulación caso diseño Corrientes Variables Valor Teórico Valor Simulado % Desviación
Gas Contactor Temperatura (°F) 120 120 0,00
TEG Pobre Flujo (lbmol/h) 450 468,8 4,18
Gas Seco Temperatura (°F) 123 122,8 0,163 Presión (psia) 1200 1200 0,00 Flujo (lbmol/h) 43907,5 43810 0,222 TEG Rico Temperatura (°F) 122 121,2 0,656 Presión (psia) 1203 1203 0,00 Flujo (lbmol/h) 566,43 581 2,57 Vapores Flash Temperatura (°F) 175 190 8,57 Presión (psia) 40 40 0,00 Flujo (lbmol/h) 0,88 0,9114 3,57 TEG Rico 2 Presión (psia) 25 25 0,00 Flujo (lbmol/h) 539,6 554,8 2,82 Vapor Agua Temperatura (°F) 201 212 5,47 Presión (psia) 15 15 0,00 Flujo (lbmol/h) 124,7 122,9 1,44
Gas Stripping Flujo (lbmol/h) 35 36,7 4,86
Alimentacion TEG Presión (psia) 15 15 0,00
A Gas Combustible
Temperatura (°F) 135 135 0,00
Presión (psia) 65 65 0,00
Flujo (lbmol/h) 25,94 26,11 0,655
Tabla 3
Consumo y pérdidas de TEG
Mes Consumo (L) Pérdidas (gal TEG/MMPCE) Enero 7.950 0,181 Febrero 6.360 0,144 Marzo 7.950 0,181 Abril 10.950 0,256 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Enero Febrero Marzo Abril MES P E R D IDAS (g al /M M P CE) PERDIDAS TEG ACEPTABLE
Figura 2. Pérdidas de trietilenglicol por gas procesado.
perando ampliamente lo recomendado por el fa-bricante (2.782 L/mes).
a. Pérdidas de glicol en el contactor TEG
Para el estudio de las pérdidas de glicol en la columna de absorción se analizaron los si-guientes parámetros: formación de espuma, ve-locidad del gas, temperatura del TEG a la entrada de la columna de absorción.
En el análisis de la altura de formación y tiempo de estabilidad en la espuma formada en el glicol pobre y glicol rico (se colocó una muestra de glicol dentro de un cilindro graduado de vidrio o plástico, se selló y agitó el cilindro fuertemente por 10 segundos, se colocó en una superficie ho-rizontal en reposo), se encontró que como no so-brepasan los valores recomendados de 200 mL y 5 segundos, se considera muy estable. Esta esta-bilidad en el tiempo de ruptura puede traer como consecuencia una relación inadecuada entre el gas y el glicol pobre causando pérdidas de la so-lución por arrastre y una ineficiente remoción de agua contenida en el gas de entrada.
Con respecto al análisis de glicol rico, los re-sultados obtenidos en estas soluciones fueron mayores de 700 mL para la altura de formación y tiempos de estabilidad superiores a 3.600 segun-dos, claramente por encima de los valores reco-mendados para las características de las espu-mas. En el glicol rico se puede esperar que los pa-rámetros recomendados, referentes a las carac-terísticas que presenta una espuma, sean supe-rados debido a la condensación de hidrocarburos
en el contactor TEG, el cual puede aumentar de-pendiendo de la riqueza del gas de entrada pero es importante tratar de disminuir la estabilidad de dichas espumas, ya que según estos análisis la espuma se está formando en los equipos de re-generación de glicol.
El flujo de gas de entrada promedio que se debe manejar por diseño en la absorbedora es de 358,66 MMPCED, actualmente se estaba mane-jando un flujo de gas de entrada promedio de 373 MMPCED, excediendo el valor permisible, este caudal puede ocasionar altas pérdidas de TEG al ser arrastrado por el flujo de gas, lo cual se obser-vó aguas abajo del sistema de deshidratación con glicol. Las velocidades altas dañan el eliminador de neblina permitiendo que el arrastre de TEG sea mayor, ya que el gas a estas condiciones le-vanta el glicol llevándoselo aguas abajo del siste-ma de deshidratación.
Con respecto a la temperatura del glicol de entrada, se obtuvieron los diferenciales de tem-peratura entre el gas de entrada al contactor TEG y el glicol pobre circulado. Los datos muestran variaciones de temperatura entre los días que fueron evaluados a diferentes condiciones de temperatura del gas a la entrada.
Según Martinez y Campbell [2, 13] la tem-peratura de la solución de glicol pobre debe estar de 10 a 15°F por encima de la temperatura del gas; en los datos tomados del sistema de control, se observaron cambios en la temperatura del gli-col pobre que van de 10 a 18°F superando los va-lores recomendados. En consecuencia es posible la formación de espuma en el contactor TEG de-pendiendo del contenido de hidrocarburos que pueda tener la solución de glicol a una tempera-tura más alta pero en las fechas en que se produ-jo esa operación las características de la espuma cumplían con los parámetros recomendados.
Sin embargo, hay que destacar que el dife-rencial de temperatura sólo fue excedido en un valor máximo de 3°F.
b. Pérdidas de glicol en la unidad de regeneración
Existen valores recomendados de gas de despojamiento de 2 a 7,8 PCE/gal TEG para los rehervidores de glicol, que permiten una mejor re-moción de agua en el glicol rico. Las relaciones de gas de despojamiento por volumen de glicol que se 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Enero Febrero Marzo Abril MES V O LU M E N (L) CONSUMO TEG RECOMENDADO
obtuvieron están por debajo de los parámetros de recomendación en los mínimos obtenidos.
Cuando se circulaba un mayor caudal de glicol rico, se observó que se realizaron inyeccio-nes de gas de despojamiento en menor cantidad; debido a esta situación, se tendía a la disminu-ción de la reladisminu-ción entre los volúmenes de gas de despojamiento y del trietilenglicol, pero también sucedía lo contrario: para un caudal de glicol me-nor se suministraba una cantidad mayor de gas para despojamiento (stripping), aumentando la relación antes mencionada. Mantener estas va-riables en los valores recomendados incrementa-rá el nivel de regeneración de TEG, debido a que a mayor flujo de gas de despojamiento menor será el contenido de agua en la solución de glicol, ob-teniéndose una mayor remoción.
Las pérdidas de TEG por vaporización ac-tualmente son excesivas y están alejadas de los valores recomendados. De acuerdo a los datos adquiridos, en la Figura 4 se observan las tempe-raturas de tope o chimenea de las columnas des-tiladoras de glicol del sistema de deshidratación. Estas temperaturas altas son debidas a los bajos flujos de glicol que pasan por los serpentines, re-sultando en una transferencia de calor baja entre el TEG rico y los vapores salientes por el tope de las columnas destiladoras de glicol, permitiendo que el trietilenglicol fluya con los gases de salida a la atmósfera.
En las columnas en estudio, las temperatu-ras en el tope son diferentes, siendo la de valor más elevado en esta variable la que presenta ma-yores pérdidas de TEG, sin embargo, ambas co-lumnas vaporizan altas cantidades de
trietilen-glicol. Del agua total que sale vaporizada del sis-tema de regeneración, la concentración de TEG debe estar en 0,5% p/p como máximo [2]. En es-tos momenes-tos para las columnas destiladoras de glicol es de 1,25% p/p y 1,11% p/p, respectiva-mente.
3. Análisis del sistema de
deshidratación con trietilenglicol El nivel de glicol en la absorbedora es muy bajo, siendo de 0,3%. En este equipo, se debe man-tener un nivel de 30% de glicol como mínimo para obtener un sello de líquido en la parte inferior de la absorbedora [14]; esta importante variable de ope-ración no ha sido alcanzada en mucho tiempo.
A este nivel menor de 1%, no existe sello de glicol que evite que el gas fluya por el área abier-ta en la parte baja de este recipiente, en lugar de pasar a través de los platos y ponerse en contac-to con el TEG pobre que desciende. Otro proble-ma que se agrega a la pérdida de nivel en la co-lumna de absorción de TEG, y la falta de sello lí-quido, es que el gas de entrada a alta presión pasa al sistema de regeneración, que es de baja presión.
La válvula encargada de controlar el nivel de glicol en el absorbedor de TEG y la disminu-ción de la presión de trietilenglicol rico que pasa a la regeneración, está operando manualmente por no haber nivel en el equipo; dicha válvula en operación normal debería ser automática. Para obtener un nivel de TEG apropiado en el adsor-bedor, se le debe suministrar un volumen de 3.229,16 litros. 195 200 205 210 215 220 225 230 235 11/0 4 13/04 15/0 4 17/04 19/04 21/0 4 23/04 25/0 4 27/04 29/04 01/0 5 03/05 05/0 5 DIA
Tem
p
eratura
(F
)
D2.12.0306 D2.12.0335Con la realización de esta operación el glicol contenido en las bandejas estará menos expues-to al arrastre por parte del gas disminuyendo el consumo de TEG por velocidad alta del gas de en-trada.
Conclusiones
Los altos consumos de TEG en el sistema de deshidratación con glicol, son causados por la alta velocidad del gas en la columna de absorción de TEG, vaporización del glicol en las columnas destiladoras y niveles inadecuados en los equi-pos del sistema.
El aumento de flujo de glicol rico hacia los serpentines permite disminuir las temperaturas en el tope de las columnas destiladoras y en el flash tank de glicol.
El Sistema de deshidratación de gas natu-ral con TEG será más eficiente al reponer los ni-veles de TEG en equipos como el Contactor TEG, Desasfaltenizador TEG, Flash Tank de Glicol y Acumulador de Glicol.
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Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007
