Criterios técnicos de la deshidratación, esquema típico y resultados analizados mediante gráficas. El caso fue simulado en el simulador comercial de procesos ASPEN HYSYS.

1. DESHIDRATACIÓN DEL GAS NATURAL DE LA GUAJIRA
MEMORIAS DE SIMULACIÓN
INGENIERÍA DEL GAS
Marzo 18 de 2014
Estudiante: Rafael Leonardo Rodríguez Galvis Código. 2090670.
Docente: Manuel Enrique Cabarcas Simancas.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
INTRODUCCIÓN.
La deshidratación de gases naturales se realiza para cumplir estrictas
normativas de ley (Propias para cada País ó Región) que tienen en
cuenta el contenido máximo de agua en los gases que se transportan
por gasoductos. En el caso de Colombia y según el RUT (Reglamento
único de transporte) es de 6 Lb H2O/MMscf. Para efectos de esta
simulación, y por indicación del profesor, se tomó este parámetro
como 4 Lb H2O/MMscf. Este es uno de los parámetros claves en el
diseño de una planta de deshidratación, puesto que allí se basa todo el
diseño conceptual.

2. Para poder cumplir este cometido de deshidratación existen 3 métodos
comerciales: la Absorción (deshidratación con Glicoles), la Adsorción
(Por tamiz molecular, Silica Gel ó Alumina Activada) y la Condensación
(Refrigeración con Glicol ó inyección de Metanol). El más usado de los
tres métodos es la deshidratación con glicoles y es el que se procede a
realizar en el presente trabajo. Para ello se necesitan dos equipos
primordiales: La torre Contactora (ó Absorbedora) de glicol y la
Columna de Regeneración (Regenerador). Cada uno de estos equipos
tiene un rango en el cual trabaja a condiciones óptimas, y todos los
cálculos que se realizan en el diseño se hacen para que estos dos
equipos trabajen de la mejor manera posible (la mayor eficiencia de
absorción).
Los resultados de la simulación se puede decir que fueron
completamente exitosos, pues se entendieron los parámetros clave del
diseño de plantas deshidratadoras. Se compararon dos glicoles
(Trietilén y Tetraetilén) en términos de separación, y se lograron sacar
conclusiones importantes al respecto (análisis de las gráficas). De
manera general se concluye que el TEG, aún con Gas de Stripping para
aumentar su pureza al 98,7%, se comporta de manera mucho menos
eficaz que el TREG, aunque los dos alcanzan a cumplir el requisito de
diseño de no tener más de 4 Lb H2O/MMscf en la corriente del gas que
va a ventas (gasoducto). Aunque también existen otros glicoles
comerciales como el EG (Etilénglicol), el DEG (Dietilénglicol), y el MEG
(Monoetilénglicol), el más ampliamente usado en la industria es el TEG.
BASES DE DISEÑO.
Descripción del problema:
El flujo de gas que se modeló tiene las siguientes características:
Presión de operación 1000 psia.
Temperatura de operación 85°F = 545 R.
Flujo de Gas 100 MMscfD.
Contenido de agua en la salida 4 Lb H2O/MMscf.

3. Composición del gas de entrada:
Componente Fracción molar
Nitrogen 0,00164
CO2 0,00602
H2S 0,00000
Methane 0,81504
Ethane 0,08019
Propane 0,05582
i-Butane 0,01379
n-Butane 0,01378
i-Pentane 0,00487
n-Pentane 0,00323
n-Hexane 0,00294
Mcyclopentan 0,00048
Benzene 0,00019
Cyclohexane 0,00051
n-Heptane 0,00079
Mcyclohexane 0,00001
Toluene 0,00024
n-Octane 0,00029
E-Benzene 0,00001
p-Xylene 0,00001
o-Xylene 0,00005
n-Nonane 0,00010
H2O 0,00000
TEGlycol 0,00000
DIAGRAMA DE LA PLANTA DE DESHIDRATACIÓN PROPUESTA:

5. Criterio
Técnico
Criterio
Técnico
Equipo o
proceso
afectado
Valor de la
variable
Justificación
Página del
libro John
Campbell
Temperatura Contactor
9°F – 18°F
Es necesario hacer un
approach debido a que el
gas y el TEG no alcanzan
el equilibrio.
341
Deshidratación
del Glicol
Planta
Deshidrataci
ón
Arriba de 40
°F
El proceso más usado en
sistemas de gas dulce que
requieren refrigeración
moderada (hasta -40°F) es
el de Inhibición.
333
Temperatura Rehervidor 400°F
Para el TEG (400°F) esta
temperatura depende de
parámetros como la
circulación de TEG, la
relación de flujo, la
efectividad de aislamiento
y la tasa de gas de
Stripping (si existe).
362
Absorción
Planta
Deshidrataci
ón.
0.1 ppm >=
La absorción es el proceso
más usado para obtener
bajos contenidos de agua
en bajas temperaturas de
proceso.
333
TREG
Planta
Deshidrataci
ón
122°F
Se usa en pocas
ocasiones, por ejemplo
cuando la temperatura del
gas excede el “Valor de la
Variable”
334
TEG
Regenerado
r
404 °F
La temperatura máxima en
el regenerador tiene como
limitante a la temperatura
de degradación del TEG
336

6. Criterio
Técnico
Criterio
Técnico
Equipo o
proceso
afectado
Valor de la
variable
Justificación
Página del
libro John
Campbell
Presión en el
Flash Tank
Flash Tank 44-102 psia
Es una presión típica para
el correcto funcionamiento
de un Flash TK
334
Gas Stripping Rehervidor 98.7 wt%
Es la concentración
máxima de glicol pobre en
condiciones de equilibrio,
si se requiere una
concentración mayor a
esta, se debe optar por
introducir un proceso más
eficiente.
336
Tasa
Circulación
Absorbedor
2-5
USGAL/Lb
H2O
Es el rango más usado
para optimizar
económicamente la
energía que se consume
en la regeneración.
343
Espaciamiento Absorbedor 24 in
Es necesario que la
espuma no ocupe el
espacio del gas entre
platos, para prevenir las
perdidas excesivas de
glicol.
354
Altura
Regenerado
r
1.3 ft
Es la altura equivalente del
plato teórico para
empaques estructurados.
360
Gas Stripping
Regenerado
r
10 sfc/gal
El gas de stripping
raramente excede esta
tasa de inyección, a
excepción que se necesite
un 99.99 wt%. En ese caso
se necesitaría un proceso
DRIZO.
360

7. Criterio
Técnico
Criterio
Técnico
Equipo o
proceso
afectado
Valor de la
variable
Justificación
Página del
libro John
Campbell
Duty del
Rehervidor
Rehervidor
1430
BTU/Gal
Este valor de diseño
provee normalmente el
calor suficiente a la
entrada para llegar a
condiciones operacionales
óptimas, en condiciones
normales.
361
Diámetro
Columna
Still
4
Constante empírica
basada en los anillos de la
columna, usada para
calcular el diámetro de la
Still Column.
362
Calor
Columna
Still
20-40
BTU/h*ft2*°F
Coeficiente de
transferencia de calor en la
boina de reflujo.
362
Temperatura
Intercambia
dor L/R
9-23 °F
El glicol rico proveniente
del Contactor , entra al
intercambiador; con los
rangos especificados, más
caliente que el gas de
entrada
362
Temperatura
Intercambia
dor L/R
400°F
El glicol pobre usualmente
llega con esta temperatura
al Intercambiador. Este
glicol luego es enfriado
porque es el que calienta
la corriente de entrada al
regenerador.
362
Temperatura
Intercambia
dor L/R
140-149°F
El intercambiador está
diseñado para que el glicol
pobre alcance las
temperaturas establecidas,
principalmente por el
parámetro de temperatura
del flash Tank.
362

8. Criterio
Técnico
Criterio
Técnico
Equipo o
proceso
afectado
Valor de la
variable
Justificación
Página del
libro John
Campbell
Presión Filtros 25 psia
Máxima caída de presión
permitida en cada uno de
los filtros.
364
Temperatura Flash TK 140-158°F
Para facilitar la liberación
de hidrocarburos
livianos, el glicol debe ser
precalentado a esta
temperatura, antes de
llegar al flash tank.
365
Presión Flash TK
Pcontactor *
0.15
La presión en el FlashTank
debe ser el 15% de la
presión del Contactor
365

9. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
A continuación se procederá a realizar diferentes gráficas que
corresponden a la variación de algunos parámetros en la simulación
del proceso de deshidratación:
Gráfica 1. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TEG.
Observación: No fue posible modificar el número de platos reales en el
absorbedor con el valor de 12. Probablemente esto se debe a que se
puede sobredimensionar la columna ó puede ser debido a algún otro
tipo de inconveniente operacional. Como era de esperarse, al tener
mayor número de etapas reales, mayor tiempo van a estar en contacto
el glicol y el gas, por lo tanto más se van a acercar al equilibrio. Así
debería haber mayor eficiencia de separación y menor contenido de
agua en el gas de venta.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
WaterContent(LbmH2O/MMscf)
TEG (gal/LbmH2O)
Water Content Vs TEG Rate
N=8
N=4

10. Gráfica 2. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de glicol.
Observación: Los datos obtenidos concuerdan perfectamente con la
teoría. El Tetraetiléngicol (que es más costoso) debe tener una mejor
eficiencia al momento de deshidratar una corriente de gas,
comparándolo con el Trietilénglicol. Esto se puede corroborar con la
tabla informativa del libro de John Campbell (pág 336) donde anticipan
que, habiendo alcanzado el equilibrio, las concentraciones máximas
que se tienen de TREG son mayores que las de TEG. Por lo tanto el
TREG sería más puro en todo el proceso y separaría mayor cantidad de
agua.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
WaterContent(LbmH2O/MMscf)
Glycol Rate (gal/LbmH2O)
Water Content Vs Glycol Rate
TEG
TREG

11. Gráfica 3. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TEG.
Observación: A diferentes temperaturas de salida en el Rehervidor, las
eficiencias de remoción de agua del gas van a cambiar. Teniendo el
valor de T=400°F en la salida del Rehervidor (Temperatura sugerida) y
comparándolo con los demás (valores menores) se puede concluir que,
entre menor sea la Temperatura de separación de TEG, mayor
impureza tendrá el TEG a la salida del Rehervidor. De este modo el
glicol separará menos agua en el gas de venta. Esta teoría analizada
concuerda fielmente con los resultados obtenidos que se muestran en
la gráfica.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
WaterContent(LbmH2O/MMscf)
TEG Rate (gal/LbmH2O)
Water Content Vs TEG Rate
T=400 F
T=395 F
T=375 F
T=355 F

12. Gráfica 4. Agua en el gas de venta Vs. Tasa de circulación de TREG.
Observación: El análisis para el TREG es similar al realizado para el TEG
(del punto anterior). A diferentes temperaturas de salida en el
Rehervidor, las eficiencias de remoción de agua del gas van a cambiar.
Teniendo el valor de T=450°F en la salida del Rehervidor (Temperatura
sugerida) y comparándolo con los demás (valores menores) se puede
concluir que, entre menor sea la Temperatura de separación de TREG,
mayor impureza tendrá el TREG a la salida del Rehervidor y por lo tanto
menos agua separará en el gas de venta. Los resultados obtenidos en la
práctica con el simulador siguen fielmente lo descrito en el análisis
teórico.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
WaterContent(LbmH2O/MMscf)
TREG Rate (gal/LbmH2O)
Water Content Vs TREG Rate
T=400 F
T=410 F
T=420 F
T=450 F

13. Gráfica 5. Agua en el gas de venta Vs. Temperatura del gas a la
entrada del Contactor. TEG.
Observación: Durante el curso de ingeniería del gas hemos venido
aprendiendo que cada equipo utilizado tiene un rango óptimo de
operación, y que por fuera de él la eficiencia del equipo ó se ve
afectada negativamente, o simplemente no puede funcionar. En esta
gráfica nos podemos dar cuenta de que, a medida que la temperatura
del Gas de entrada se hace mayor, menor eficiencia se va a tener en el
Contactor. Por lo tanto se va a evidenciar un mayor contenido de agua
en la corriente de gas que va a ventas.
2
2,5
3
3,5
4
85 90 95 100 105 110 115
WaterContent(LbmH2O/MMscf)
Gas Temp. (°F)
Water Content Vs Gas Inlet Temperature
(Reb-390 °F)
TEG

14. Gráfica 6. Agua en el gas de venta Vs. Temperatura del gas a la
entrada del Contactor. TREG.
Observación: Esta gráfica se analiza de manera similar al caso anterior
para el TEG. A medida que el gas de entrada entre con más
Temperatura (Dependiendo de la temperatura ambiente de la zona en
la que esté ubicada la planta), mayor será el contenido de agua en el
gas de ventas. Esto se debe a que el perfil de temperaturas en la
columna de absorción va a ser más cerrado (el glicol que entra por
arriba y el gas que entra por abajo tienen cada vez temperaturas más
parecidas). Debido a la cada vez más poca diferencia de Temperatura
entre las entradas al Contactor (a medida que aumenta la T del gas de
entrada), lo más seguro es que el glicol y el gas no alcancen el
equilibrio térmico para lograr una deshidratación eficiente
0
2
4
6
8
10
12
80 90 100 110 120 130 140
WaterContent(LbmH2O/MMscf)
Gas Temp. (°F)
Water Content Vs Gas Inlet Temp. (Reb-
420F)
TREG

15. Gráfica 7. Pérdida de glicol en los vapores del Contactor Vs. Tasa de
circulación de Glicol
Observación: Los resultados arrojan que el TREG NO tiene pérdidas de
glicol en la corriente de gas que sale del Contactor. Esto se puede
interpretar como que en los platos de la columna se alcanza el
equilibrio (o bien se llega muy cerca a él) y debido a esto todo el glicol
alcanza a deshidratar la corriente de gas. Este fenómeno no sucede con
el TEG. Por el contrario, el trietilénglicol sí muestra pérdidas de glicol
en esta corriente separada de gas.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
5 7 9 11 13 15
PérdidasGlicol(Lbm/hr)
Glycol Rate (GPM)
Pérdidas de Glicol (Vapores Columna de
Despojo) Vs Tasa de Glicol
TREG
TEG

16. Gráfica 9. % de Absorción de glicol en el Contactor Vs. Productos
BTEX (Benceno, Tolueno, o Xileno, m Xileno, e Benceno).
Observación: Los productos BTEX que entran con la corriente de
entrada de Gas son los mismos componentes que potencialmente van
a contaminar el Glicol luego de que este pase por el Contactor. De
acuerdo con la tesis anterior, y teniendo en cuenta que el TEG es el
glicol que más se contamina, los resultados obtenidos son
congruentes. El TREG tiene una menor absorción de productos BTEX en
la columna de Absorción.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Benceno Tolueno o Xileno e Benceno m Xileno
%Absorción
% Absorción (Glicol) Vs Compuestos
TEG
TREG

17. Gráfica 10. % de Absorción de glicol Vs. Productos Alcanos (C1, C2, C3,
i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6).
Observación: Los productos alcanos que entran con la corriente de
entrada de Gas son los mismos componentes que se van a ver
afectados principalmente en la corriente de gas seco que sale del
Contactor. De acuerdo con lo anterior, y teniendo en cuenta que el TEG
es el glicol que más se contamina, los resultados obtenidos son
congruentes. El TREG tiene una mayor absorción de productos alcanos
en la columna de Absorción y por ende una menor absorción de
productos BTEX (contaminantes).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
C1 C2 C3 IC4 NC4 IC5 NC5 NC6
%Absorción
% Absorción (Glicol) Vs Compuestos
TEG
TREG

18. Gráfica 11. % de Emisión de glicol en la columna Still Vs. Productos
BTEX (Benceno, Tolueno, o Xileno, m Xileno, e Benceno).
Observación: Ya se sabe de antemano (del análisis de la gráfica 9) que
el contenido de productos BTEX en el glicol que sale del Contactor es
mayor cuando se trabaja con TEG como glicol de proceso, que cuando
se trabaja con TREG. Ahora, si se compara este valor de composición
con el de los vapores de la Columna Still, se encontrará que, en
porcentaje, sigue siendo mayor la cantidad de BTEX para el caso del
TEG. ¿Por qué? Podría explicarse analizando que en el reboiler del
TREG se tiene más temperatura y que el TREG no admite ser
contaminado tan fácilmente. Esto podría hacer que los productos BTEX
mantengan su concentración mayormente cuando se trabaja con TEG.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Benceno Tolueno o Xileno e Benceno m Xileno
%Emisión
%Emisión (Glicol) Vs Compuestos
TEG
TREG

19. Gráfica 12. Viscosidad del TREG Vs. Temperatura
Observación: Durante el anillo de circulación de TREG, el glicol va
adquiriendo diferentes temperaturas, determinadas según
conveniencia en este caso por Intercambiadores de calor (y teniendo
en cuenta también las pérdidas por ineficiencias térmicas y emisión al
ambiente). Esta gráfica se puede ver afectada por la composición
másica que tenga en cada instante, sobre todo por la cantidad de agua
que contenga. Los datos graficados como TREG Dow Chemical son
tomados del documento informativo de TREG de la empresa Dow, y
son leídos a 100% de porcentaje en peso de TREG. La interpretación de
esta gráfica se puede hacer teniendo en cuenta que a medida que el
TREG avanza en su camino a ser “reciclado” tiene diferentes
temperaturas y diferentes contenidos de agua, así se puede explicar el
desfase entre las dos series.
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Viscosidad(cP)
Temperatura (°F)
Viscosidad Vs Temperatura
TREG Hysys
TREG Dow Chemical

20. Gráfica 13. Presión del gas de venta Vs. Temperatura del Gas de
venta.
Observación: La envolvente de fase del gas de venta dependerá
principalmente de su composición, así que vale la pena analizar qué
ocurre cuando se tiene un gas más puro que otro (con menor
contenido de agua). La envolvente de fases de un gas más puro que
otro se ve afectada con una tendencia a desplazar todos sus puntos
hacia la izquierda (menor temperatura). Así, en la simulación notamos
un pequeñísimo cambio en la envolvente del TREG con respecto a la
del TEG.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150
Presión(psi)
Temperatura (°F)
Envolvente de Fases
TEG
TREG