endulzamiento
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ENDULZAMIENTO
DE GAS
INGENIERIA DE GAS
ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
MARCELA CAVIEDES GALINDOWILSON RODRIGUEZ RICO
ING. NICOLAS SANTOS
AGENDA
INTRODUCCIÓN ENDULZAMIENTO AMINAS TIPOS DE AMINAS
ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y OPERACIÓN DE EQUIPOS
PROBLEMAS OPERACIONALES CALCULOS DE DISEÑO
BIBLIOGRAFIA
INTRODUCCIÓN
Generalmente el gas natural que se produce a nivel nacional contiene CO2 y en ocasiones H2S. Estos compuestos son solubles en agua, cuando ellos se disuelven forman una solución medianamente acidificada, razón por la que estos compuestos son llamados gases ácidos.
ESPECIFICACIONES
Máximo 4 ppm H2S
Máximo 2% volumen CO2
Contenido de Agua 6 Lb/MPCS
GAS ÁCIDO
Se considera ácido, el gas natural transportado o destinado al consumo domestico, que contenga más de 4 ppm de H2S y/o si tiene más de 2% molar de CO2.
ENDULZAMIENTO
Cuando la purificación del gas natural involucra básicamente la remoción de gases ácidos, se habla de endulzar el gas natural, y los procesos que cumplen este objetivo, se denominan procesos de ENDULZAMIENTO.
El proceso de endulzamiento se puede realizar a través de:
• Absorción de Gases Ácidos
• A través de Lechos sólidos
• Conversión directa
• Secuestrantes Químicos
• Utilización de Membrana
• Destilación extractiva
TRATAMIENTO DE GAS POR REMOCIÓN DE GAS
ACIDO
INGENIERIA DE GAS
ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
Reacción Química: Proceso con Aminas
Reacción Física: Solventes Físicos
Reacción Combinada: Solventes Mixtos
SOLVENTES PARA TRATAMIENTO DE GAS
AMINAS
Las aminas son compuestos orgánicos derivados del Amoniaco (NH3) , y son productos de la sustitución de los hidrógenos que componen el amoniaco por sus grupos alquilo o arilos (− CH3 ).
Figura 1 . Estructura de las AminasFuente: Endulzamiento del Gas Natural. Dr Fernando Pino Morales
DIGLICOLAMINA (DGA)
TIPOS DE AMINAS
DIETANOLAMINA (DEA)
METILDIETANOLAMINA
(MDEA)
TRIETANOLAMINA (TEA)
AMINA PRIMARIA
AMINA SECUNDARIA
AMINA TERCIARIA
MONOETANOLAMINA (MEA)
DIISOPROPANOL AMINA (DIPA)
MONOETANOLAMINA (MEA)
La MEA es la más sencilla de las etanolaminas y se produce por la reacción directa del amoniaco con óxido de etileno, tal como se muestra en la figura :
Oxido de eteno Amonio MEA
Figura 2 . Reacción de Obtención de MEAFuente: Endulzamiento del Gas Natural. Dr. Fernando Pino Morales
DIGLOCOLAMINA (DGA)
La DGA es una amina primaria y tiene mayor estabilidad que la MEA.
Figura 3 . Formula Estructural de DGAFuente: Endulzamiento del Gas Natural. Dr. Fernando Pino Morales
DIETALONAMINA (DEA)
La DEA es una amina secundaria y se obtiene haciendo reaccionar a la MEA con el óxido de Etileno, tal como se muestra en la figura :
Figura 4 . Reacción de Obtención de DEAFuente: Endulzamiento del Gas Natural. Dr. Fernando Pino Morales
DI-ISOPROPANOLAMINA (DIPA)
Figura 5 . Estructura química de DIPA Fuente: Endulzamiento del Gas Natural. Dr. Fernando Pino Morales
TRIETANOLAMINA (TEA)
Se obtiene químicamente haciendo reaccionar a la DEA con óxido de etileno, tal como se muestra en la figura:
Figura 5 . Reacción de Obtención de TEAFuente: Endulzamiento del Gas Natural. Dr. Fernando Pino Morales
AMINAS
Figura 5. Diagrama AminasFuente: Presentación Repsol YPF
PROCESO TIPICO DE TRATAMIENTO
SCRUBBER
POZO DE GAS
TORRE ABSORBEDORA GAS DULCE
ALMACENAMIENTO AMINA
BOMBA
FILTRO
ESQUEMA GENERAL PROCESO DE AMINAS
SOLUCION REGENERAR
1200 PSI 35°c
AMINA POBRE
AMINA RICA
TANQUE ALMACENAMIENT
O
INTERCAMBIADOR DE CALOR
REHERVIDOR
FUENTE DE CALOR
ALIMENTO DE AMINAS Y ADITIVOS
ACUMULADOR DE REFLUJO
GAS ACIDOQUEMADOR
BOMBA REFLUJO
AMINA RICA
REGENERADOR
AMINA RICA
PROCESO REGENERACION AMINA
CONDENSADOR
AMINA REGENERAD
A
GASES ACIDOSAMINA POBRE
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y OPERACION DE EQUIPOS
Pasos cíclicos:
a. Poner en contacto el gas natural conteniendo los gases ácidos con una solución pobre a alta presión y baja temperatura en una absorbedora o contactora.
b. Regenerar la solución rica a baja presión y a alta temperatura para obtener solución pobre que luego se enfría y recircula.
Separador de Entrada
La temperatura de los fluidos que entran no debe estar a más de 5 a 10 ᵒF por encima de la temperatura de formación de hidratos a la presión de operación (≈1000 psia). Para facilitar la condensación de hidrocarburos pesados.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y OPERACION DE EQUIPOS
CompresiónEl gas tiene que ser comprimido a la presión requerida, tanto para tratamiento como para entrega a las líneas de gas de venta.
Absorbedora o Contactora
Transferencia de masa de los gases ácidos contenidos en el gas, al solvente de endulzamiento.Presión : 950 a 1000 psiaProblema: Espuma
Sol vente Amina
La absorción es por reacción química la cual es exotérmica y hace que se eleve la temperatura de salida de la solución.
Tambor flash • Reducir erosión en los intercambiadores amina rica- amina pobre
• Minimizar el contenido de hidrocarburos en el gas ácido.
• Reducir la carga de vapores en la despojadora.
• Permitir usar el gas que sale como combustible, mediante endulzamiento en una pequeña torre en la parte superior del tambor.
Intercambiador de calor
Problemas: corrosión y ensuciamiento
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y OPERACION DE EQUIPOS
Despojadora • Se baja la presión 12 a 15 psig• Temperatura de ebullición de la solución a
estas presiones.
Rehervidor • Suministra el calor para la regeneración del solvente.
• No debe sobrepasar los 340 ᵒF
Reclaimer• Cuando se usa MEA y DGA. Remueve
productos de la degradación del solvente, sales, sólidos suspendidos, ácidos y compuestos de hierro.
Condensador • Minimizar las pérdidas de solvente y agua en fase vapor en el gas ácido.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y OPERACION DE EQUIPOS
Tambor de reflujo
El líquido condensado principalmente agua con una pequeña cantidad de solvente químico, se bombea a la cima de la despojadora como reflujo.
Bomba de solución Eleva la presión del solvente pobre a la presión
de la contactora. Normalmente son centrífugas y la rata de circulación se controla con una válvula de control.
Filtración Evitar la formación de espumas
a. Filtros tipo cartuchob. Filtros con carbón activado
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y OPERACION DE EQUIPOS
PROBLEMAS OPERACIONALES
•Dificultad para alcanzar la especificación de H2S para el gas de venta.
•Formación de espuma en la solución, en la contactora o en la regeneradora.
•Corrosión en tuberías y vasijas
•Pérdidas de solvente
CÁLCULOS SIMPLES PROCESOS DE ENDULZAMIENTO
Rata de Circulación del solvente en gpm (galones por minuto)
)%**(
%***219.0gpm) US.(
)min(
)min(
pesoAML
AGQPMCirc
aa
aa
Remoción de gas ácido de la solución en scf de gas ácido/galón de solución
)min(
)min( %***72.31 ácido gas deRemoción
aa
aa
PM
pesoAML
EJERCICIO
Un flujo de gas de 56 MMscfd (γ=0.7273, Z=0.8706) con un contenido de gas ácido de 8.19% mol de CO2, se alimenta a una absorbedora a 120 ᵒF y 1000 psia, para retirarle el CO2 con un solvente químico. Los solventes a considerar son MDEA y K2CO3.
Determinar la rata de circulación y la remoción de gas ácido de cada uno de estos solventes, si las concentraciones son 35 y 30% peso respectivamente, y las cargas molares 0.5 y 0.3 moles de gas ácido/mol de solvente.
Estimar el diámetro interno de la absorbedora con la ecuación de velocidad vertical terminal si K=0.13.
DESARROLLO
lbmol
lbPM aire 96.287273.0
aire
gasgas PM
PM
lbmol
lbPM gas 06.21)96.28(*7273.0
lbmolR
ftpsiaR
*
*73.10
3
Peso Molecular del Gas
Densidad del Gas
389.3
8706.0*580*73.10
06.21*1000
**
*
ft
lb
zTR
PMPgas
DESARROLLO
Densidad de MDEA
De la Figura 21-8 de la GPSA @ 35% peso de MDEA
)(035.1 )(
)( aguaMDEA
MDEA
34.62ft
lbagua
3)( 58.644.62*035.1ft
lbMDEA
Peso Molecular de MDEA
En la Figura 21-5 del GPSA se encuentra el peso molecular de las aminas.
lbmol
lbPM MDEA 16.119)(
DESARROLLO
SUSTITUYENDO ECUACIONES
gpmgpmcirc 661)35*035.1*5.0(
19.8*56*16.119*219.0)(
Para MDEA :
Remoción de gas acido16.119
35*035.1*5.0*72.31
Remoción de gas acido = 4.82 scf de gas ácido/gal de MDEA
Diámetro de la Absorbedora de MDEA
s
ftKv
g
glt 514.0
89.3
89.358.64*13.0*
tVP
TzQd
*
***4.59
ftd 5"60"2.57514.0*1000
580*8706.0*56*4.59
SUSTITUYENDO ECUACIONES
1.035
Figura 21.5 Propiedades Físicas de los productos químicos para el Tratamiento de gasFuente: GPSA
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
Los tipos de equipos y los métodos de diseño son similares para sistemas de MEA, DEA y DGA:
Para MEA:
Se asume una carga de 0.33 moles de gas ácido por mol de MEA
41*( / )GPM Qy x
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
GPM: Tasa de Circulación de Aminas en Galones por minuto
Q : Tasa de Flujo de Gas MMSCF
y = Moles de gas ácido por mol de gas de entrada
X = Concentración de aminas en solución líquida
• Para DEA convencional:
Se asume una carga de 0.5 moles de gas ácido por mol de DEA
• Para DEA de alta carga:
Se asume una carga de 0.7 moles de gas ácido por mol de DEA
• Para DGA de alta carga: Se asume una carga de 0.39 moles de gas ácido por mol de
DGA
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
44* /
Donde:
MMscf de gas al contactor
Presión del contactor en psia
Diámetro del contactor en pulgadas
C
C
D Q P
Q
P
D
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
Solvente % Peso Circulacion (gpm)
MEA 18 1475
DGA 60 870
DEA 25 865
MDEA 35 865
VELOCIDADES DE CIRCULACIÓN DE LA BOMBA
Requerimientos de Intercambio de calorRequerimientos
(Btu / hr)Área (ft2)
Rehervidor 72000*GPM 11.30*GPM
Intercambiador de Amina Rica-Pobre 45000*GPM 11.25*GPM
Enfriador de Amina 15000*GPM 10.20*GPMCondensador de
Reflujo 30000*GPM 5.20*GPM
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
Figura 21-9 Requerimientos de Intercambio de CalorFuente: GPSA
Requerimientos de Potencia (HP)
Bomba de Aminas GPM*PSIG*0.00065
Bombas de Reflujo GPM*0.06
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
Figura 21-10 Requerimientos de PotenciaFuente: GPSA
Diámetro
regenera-dora
Rata circulación
solución
GPM
Tanque
de surgencia
Diam Long
Acumulador de reflujo
Diam Long
Tambor flash
Diam Long
Filtro de carbón
Diam Long
10
25
50
100
200
300
400
24
30
42
60
72 84
1624
42
48
60
84
84
96
72
96
144
192
288
384
384
16
24
30
42
60
72
84
36
48
96
96
96
96
96
24
42
48
60
84
84
96
72
96
144
192
288
384
384
16
24
36
48
60
72
84
84
84
96
96
96
96
96
CÁLCULOS SIMPLIFICADOS DE DISEÑO
EJERCICIO
30 MMscf de gas disponible a 850 psig y con 0.6% de H2S y 2.8% de CO2, deben ser tratados utilizando una solución al 20% de DEA. Si se utilizará un sistema de DEA convencional, que tasa de circulación de amina es requerida, y cuales serán los principales parámetros para el sistema de tratamiento de DEA.
SOLUCION
La circulación de solución requerida es:
El diámetro del contactor es:
45*( / )
= 45* 30*3.4/20
=230 galones por minuto
GPM Qy x
44* /
= 44* 30/ 865
= 44.4 in o 48 in redondeado
CD Q P
Requerimientos de calor:
6
6
Reboiler
H = 72000*GPM
H = 72000*230 = 16.6*10 Btu/hr
Intercambiador de Aminas
H = 45000* GPM
H = 45000*230 = 10.4*10 Btu/hr
6
6
Enfriador
H = 15000*GPM
H = 15000*230 = 3.45*10 Btu/hr
Condensador de reflujo
H = 30000*GPM
H = 30000*230 = 6.9*10 Btu/hr
SOLUCION
Requerimientos de potencia
Bomba de Amina
HP = GPM*PSIG*0.00065
HP = 230*850*0.00065=127
Bomba de Reflujo
HP = GPM*0.06
HP = 230*0.06 = 14
SOLUCION
De la tabla se calcula el tamaño de vasijas principales (a 230 GPM)
Diámetro del regenerador = 66 in
Diámetro tanque de surgencia = 84 in
Longitud tanque de surgencia = 317 in
SOLUCION
Diámetro acumulador de reflujo = 66 in Longitud acumulador de reflujo = 96 in
Diámetro tanque flash = 84 in
Longitud tanque flash = 317 in
Diámetro filtro de carbón = 66 in
Longitud filtro de carbón = 96 in
SOLUCION
Bibliografía
• GPSA. Engineering Data Book. 12th Edition. Volumen I y II.
• Endulzamiento de Gas Natural. Universidad de Oriente. Dr Fernando Pino Morales.
• Presentación. Introducción al Tratamiento de Gas. Repsol YPF.