hi904-006 degradación de tamiz molecular
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Aplicación de Software Matemático para pronosticar el efecto
de la Degradación de Tamiz Molecular en la productividad de
Planta Procesamiento Gas Natural
HI904-006
Javier F. Huaytan Ponce; Dante Pissani Castro
Maestría en Ciencias con Mención en Ingeniería de Petróleo y Gas Natural, Univ.Nacional de Ingeniería Lima – Perú
22 Agosto 2015
Resumen
El agua es una de las impurezas más importantes del gas natural, y los tamices moleculares son los elementos más aplicados en
la industria. Sin embargo, el ciclo de vida de estos es muy cortó (3-4 años). El riesgo de congelamiento en Planta se observa al
final de su ciclo de vida. Debido a que la capacidad de adsorción de agua se ve reducida en el tiempo y la caída de presión
aumenta constantemente haciendo más difícil la operación. Asimismo, en muchos casos se puede observar una reducción en la
productividad. Todos estos efectos pueden ser identificados y estimados mediante ecuaciones matemáticas.
Este paper reúne todas estas variables y ecuaciones, y los resuelve mediante un software matemático (MATLAB). A fin de
estimar los efectos del desgaste del tamiz molecular con la productividad de LGN (recuperación en %C3+)
Las constantes empleadas en este paper son basadas data histórica de PGP. Sin embargo, estas pueden ser obtenidas mediante
una prueba saturación total.
Abstract
Water is one of the most important impurities of natural gas, and molecular sieve is the most effective adsorbent applied in
natural gas industry, however its life cycle is short (3-4 years). By the end of molecular sieve life there is a certainly increased risk
of Plant freeze-up. Because of, the sieve water capacity will continue to drop over time and pressure drop will continue to climb,
making stable operation more difficult and in many case a reduction of productivity will be observed. All these effects can be
identified and estimate from mathematical equations and historical data regressions
This paper collects all this variables and equations, and develops them by mathematical software (MATLAB) applying Runge-
Kutta (ode 45). In order to, estimate the effect on LNG productivity.
Constants applied in this paper are based on PGP historical data; however, it will be also obtained by a breakthrough test.
Introducción
El desarrollo de este documento se basa en la
información histórica de Planta Procesado de Gas
Pariñas S.A.C. [PGP]. PGP, es una empresa
procesadora de gas natural, productora de gas licuado
de petróleo (GLP) y otros productos derivados como
hidrocarburo alifático liviano (HAL). Entre otros,
brinda a favor de Savia Perú los servicios de secado y
recuperación de Líquidos de Gas Natural proveniente
de sus pozos productores de Gas Natural Asociado
ubicados en el Lote Z-2B al norte de Perú (Piura).
Las siguientes etapas o unidades forman parte del
esquema general del proceso de secado y
recuperación de líquidos de gas natural en la empresa
PGP:
• Acondicionamiento del Gas - Deshidratación.
• Separación Criogénica.
• Fraccionamiento o Destilación.
• Refrigeración y Servicios.
• Almacenamiento y Despacho de Productos – GLP /
HAL.
En el año 2012, durante una parada de planta
programada de 4 días, se decidió reemplazar el tamiz
molecular de la unidad de Deshidratación – Etapa de
Acondicionamiento – luego de aproximadamente 6
años de operación, ya que esta venia presentando un
aumento en la caída de presión y una perdida en la
capacidad de adsorción de agua (principal
contaminante en etapa criogénica) producida por la
formación de costras (ver figura 1). Otro efecto
registrado fue la disminución de la eficiencia de
recuperación de Líquidos de Gas Natural (LGN) por
una menor expansión aguas arriba del equipo turbo-
expansor, unidad en donde se produce la mayor
reducción de temperatura del procesos criogénico,
necesaria para el cambio de fase y su recuperación.
Como referencia de los fabricantes de tamices
moleculares, el tiempo de reemplazo de estos es de
aproximadamente 3-4 años, considerando condiciones
de saturación total del gas de entrada. Sin embargo, el
tiempo de vida real depende de las condiciones de
operación, la rutina de regeneración, la calidad del gas
de entrada (% saturación), entre otras variables que
serán consideradas en este documento para estimar
la evolución del desgaste y sus efectos en la
recuperación de LGN, con ayuda del software
matemático MATLAB.
Entidades reconocidas de la industria del Gas Natural
como: Gas Processors Association (GPA) y Gas
Processors Supliers Association (GPSA) han
desarrollado diversos trabajos orientados a la
prevención del desgaste y/o inicio de formación de
costras; así como a la extensión del tiempo de vida útil
en los tamices moleculares, los cuales fueron tomados
como referencias para formular las ecuaciones
matemáticas que los relacionan y se recogieron
también las estadísticas de operación en Planta PGP
para realizar una regresión matemática que relacione
la caída de presión con la eficiencia de recuperación.
Descripción del Sistema de Deshidratación –
Condiciones de Operación
Para evitar la formación de hidratos en la sección
Criogénica de la planta, el agua contenida en el gas
debe ser reducida a bajos niveles (menor a 1.0 ppm).
En el caso de Planta PGP esto se logra por la adsorción
del agua en tamices moleculares (Zeochem 4A [Z4-
04]), según los diferentes análisis del gas natural que
ingresa a Planta se observó que este tiene un bajo
contenido de agua (menor a saturación) y bajo
contenido en contaminantes (H2S, CO2, otros).
Figura Nº1. Representación del estado de tamiz molecular
gastado (Presencia de Costras)
El sistema de deshidratación cuenta con dos columnas
o recipientes [Figura Nº2], mientras una columna se
encuentra en etapa o ciclo de adsorción (el vapor de
agua es retirado y retenido en el lecho del tamiz
molecular durante esta etapa), el otro está siendo
regenerado. A la salida del tamiz molecular se mide la
temperatura de rocío del gas natural, y luego este
pasa a través de filtros de polvo para asegurar que
algunos pellets que son arrastrados por la velocidad
del gas no lleguen a la etapa de Separación
Criogénica.
Las condiciones de operación típicas del gas entrada a
Planta PGP (wet feed gas) son:
Contenido de Agua
Saturada en el Gas
Natural
Caudal
(MMSCFD)
Temp.
(ºF)
Presión
(PSIA)
Teórico
(100% Sat.)
Estimado
Saturación
42 110 355 138
lbs/MMSCF
43%
Como datos generales y diseño del tamiz molecular se
tiene:
- Tipo: Z4-04-PG (4-A)
- Diseño Downflow: 44.5 MMSCFD
- Temperatura diseño: 100 °F
- Presión Diseño: 373 psig
- Flujo Destructivo / cama = 55.86 MMSCFD
- Diámetro = 6.5ft
- Altura = 20.5 ft
- Caída de Presión Adsorción = 4.24 psi
- Capacidad de Saturación del tamiz = 11.55%
Resolución de Ecuaciones Matemáticas en Software
Matlab
Se distinguen tres sistemas de ecuaciones a
desarrollar
� Caída de Presión en el tiempo
� Capacidad de adsorción – Desgaste del
Tamiz o formación de costras
� Relación de recuperación de LGN con
caída de presión
Figura Nº2. Representación del Sistema de Deshidratación
Fórmulas Matemáticas:
Cambio de la caída de presión, se representa por:
)*exp(* tBAL
P ≈∆
Basándose en la estadística de operación se tiene:
% Saturación del G.N. A B
100 % 3.813 0.0279
40 % 2.1791 0.0227
Por tanto, derivando la ecuación anterior respecto al
tiempo se obtiene:
� ∆�� � � ∗ � ∗ exp � ∗ ����
L: pies y t: meses
Se puede asumir:
�� � � ∗ exp � ∗ �� → ���� � � ∗ ��0 � � ∗ exp ��
Se considera w0 como el valor de w en el tiempo
inicial, primer mes [t=1]
Se puede considerar “w” a: condiciones de diseño,
porcentaje de saturación igual a 40%; o saturación
total igual 100%.
A partir de esto se puede correlacionar y obtener la
caída de presión a diferentes porcentajes de
saturación de agua en el gas natural, según:
]*)*008.0019.0exp[(*)*723.2089.1( tSatSatLP ++≈∆
Perdida de la capacidad de saturación
Esta se basa en la ecuación de Velocidad Superficial a
través del tamiz [Ecuación de Ergun]1
2gVCVB
L
Pg ⋅⋅+⋅⋅≈∆ ρµ
≈
lecho
gasg A
QV
Dónde:
Métrico Ingles
Tipo de
partícula
B C B C
1/8”
extruida
5,36 0,00189 0,0722 0,000124
1 Ecuación 20.14 – GPSA ENGINEERING DATA BOOK
Métrico Ingles
[ΔP/L] Caída de presión kPa/m Psi/pie
[μ] Viscosidad del gas cP cP
[Vg] Velocidad superficial de gas m/min Pie/min
[ρ] Densidad del lecho Kg/m3 Lb/pie
3
B,C Constantes
Y la ecuación 20.21 de GPSA Engineering Data Book
2
max)/33.0(
≈∆V
Vadjustedftpsi
L
P
Tomando como base las condiciones de diseño del
tamiz molecular, las condiciones de operación y de la
ecuación 20.14 se obtiene “Vadjusted”; por otro lado,
de los datos de especificación del tamiz (diseño) se
obtiene “Vmax”. Por lo tanto ΔP/L = 0.1914 psi/ft
- L= longitud del tamiz molecular activo: [L
(MTZ) + L(S)]
De ecuación 20.19 [GPSA] se tiene:
�� � ��� 4�� ��� ������ �!�"� Dónde:
Ss = Cantidad de tamiz molecular activo requerido en
zona de saturación
D= diámetro
Bulk density = 42-46 lb/ft3 para partículas esféricas
De la ecuación 20.20 [GPSA] se tiene:
�#$% � &'()*+,-(35 �0.2 ∗ 3
Dónde:
Z = 1.70 ft para lechos de 1/8”
Debido a que se asumen condiciones de operación no
varían considerablemente la velocidad ajustada
“Vadjusted” se se considera constante, es decir LMTZ =
cte.
Por lo tanto: ∆�� � 0.1914 → ∆� � 0.1914 ∗ �#$% 6 �+�
�∆��� � 0.1914 ∗ ����� � 0.1914 ∗ 4� ∗ �� ∗ ������ �!�" ����� Derivando la ecuación 20.18 [GPSA] se tiene:
tCtCssWt
Wr
t
Ss
∂
∂≈∂
∂ 1**
Dónde:
Wr= agua removida por ciclo
Wt= capacidad de saturación con agua del tamiz
molecular [disminuye con desgaste]
De figura 20.82 [GPSA] se asume Ct=0.93 (a
condiciones de operación)
De figura 20.81 [GPSA] se obtiene mediante regresión:
Css=0.085*Ln(%Sat)+0.6255
Por tanto, se relaciona la caída de presión en el tamiz
molecular con la pérdida de capacidad de saturación
(desgaste tamiz) por formación de costras, según:
)]6255.0)ln(*085.0(**7525*/[ +∂≈∂
∂SatCtPWr
t
Wt
Relación de la eficiencia de recuperación con la caída
de presión a través de tamiz molecular. Esta se
obtiene como una regresión matemática de la data
estadística disponible en Planta PGP:
001.984989.01066.03% 2 +∆+∆−=∆ PPCResolviendo en Matlab se tendrían dos ficheros:
- Para aplicación de Ruge kutta [Ode45]
- Para estimación del efecto de formación de
costras – flujo de gas a diferentes porcentajes
de saturación de agua.
Creación de fichero en Matlab
Del desarrollo del software se obtiene las gráficas
representativas del efecto de formación de costras
con el aumento de la caída de presión a condiciones
de diseño, saturación completa y a cualquier
porcentaje de saturación (Ventana Figure 1-Matlab).
Asimismo, se muestra las gráficas comparativas de la
pérdida de la capacidad de adsorción en el tiempo y
su efecto en la eficiencia de recuperación LGN - %C3
(Ventana Figure 2-Matlab).
Conclusiones
• El desarrollo de las ecuaciones matemáticas
pueden ser utilizadas por separado para observar:
• Comportamiento de la caída de presión en el
tiempo para diferentes condiciones de saturación
en gas entrada a procesos – en transporte de gas
natural.
• Aumento de formación de costras en tamiz
molecular y su efecto en la recuperación de LGN –
en plantas procesamiento de gas natural.
• Si bien las constantes mostradas en este paper
son aplicables solo a Planta PGP (ya que fueron
obtenidas en base a su data histórica). Estas
pueden obtenerse, en algún otro caso, mediante
una prueba de saturación total – breakthrough
test.
• Se recomienda mantener condiciones de
operación (Presión, temperatura y flujo) de
entrada y salida de gas natural a Planta de
Procesamiento fijas durante esta prueba para
obtener las constantes.
• Operativamente en plantas de procesamiento de
GN, a partir de estas gráficas y asumiendo
diferentes condiciones de saturación del gas
natural, los operadores de Planta PGP pueden
programar el cambio en los tiempos de
deshidratación para evitar pase de agua a sección
criogénica.
• El tiempo de deshidratación a un determinado
flujo de gas natural indica la cantidad de agua
removida por ciclo [Wr] y esta se relaciona
directamente con la capacidad de adsorción del
tamiz por medio de ecuación 20.18 [GPSA] y la
Figure2-Matlab.
• Supervisores y otros encargados de Planta pueden
prevenir el efecto del aumento de caída de
presión por formación de costras con el
rendimiento de Planta a través de Figure2-Matlab.
• Gerentes y otros encargados de compras pueden
estimar el tiempo de reemplazo real del tamiz
molecular e incluirlo en su presupuesto CAPEX, al
año donde se pronostica se tendrá el mayor
efecto en la productividad por el desgaste o
formación de costras.
Referencias Bibliográficas
- GPSA Engineering Data Book 12th Edition Volume
II
- Gas Conditioning Processing Volume II by John M.
Campbell
- Registro electrónico “BASE DE DATOS
DESHIDRATACION”.xlsx – Planta PGP
- Data histórica de software de proceso Delta V –
Planta PGP
- Curso Matemática Aplicada – Maestría de
Petróleo y Gas Natural:
- Taller Matemática Aplicada N°3: EDO Problemas
de Valor Inicial
- Taller Matemática Aplicada N°4: EDO Sistema de
Ecuaciones Diferenciales