Deshidratación por Adsorción: Sistemas de Dos y Tres Contactores

Existen distintas configuraciones de proceso para la deshidratación por adsorción. Los arreglos más comunes son de dos y tres contactores. Uno puede informarse sobre éstos y la descripción de los procesos en el Capítulo 18 del Texto de la John M. Campbell [1]. Las Figuras 1, y 2 presentan un diagrama de flujo de proceso simplificado para los citados sistemas de dos, y tres contactores, respectivamente. Estas unidades pueden reducir el contenido de agua de una corriente de gas a menos de 0.1 ppmv. La Industria del Gas normalmente aplica los sistemas de deshidratación por adsorción aguas arriba al proceso de licuefacción en una Planta de Gas Natural Licuado (GNL) en donde la temperatura se reduce a menos de -160 °C (-256 °F) y -100 °C (-148 °F), respectivamente. Remoción del vapor de agua del gas a estos valores mínimos es esencial para evitar un escenario de congelamiento.

En un Sistema de dos – torres, mientras las Torre A se encuentra en proceso de adsorción, la Torre B se ve en regeneración. Posterior al ciclo de adsorción por la Unidad A,  ésta es cambiada al modo de regeneración y la Torre B inicia su proceso de Adsorción. A cualquier momento una de las Torres se ve adsorbiendo el vapor de agua mientras que la otra está en proceso de regeneración.

En la configuración de Tres Torres, a cualquier tiempo, dos torres (e.i. A y B) operan mediante el  proceso de adsorción en paralelo escalonado, mientras que la tercera torre (e.i C) ésta en regeneración. En esta configuración, la mitad del gas de proceso es admitida a la Torre A, y el resto se admite por la Torre B, como se observa en el gráfico de operación insertado en la Figura 2.

Los Previos del Mes (PDM) de Mayo y Octubre del 2015 [3] discutieron la eficiente operación de las unidades de deshidratación mediante las tamices moleculares. Específicamente, es discutido el beneficio de tiempo de espera en el proceso de adsorción más el impacto de las condiciones del gas de alimentación.

Este previo del mes (PDM) compara las dimensiones requeridas para el equipo mayor relacionado con Unidades de Dos y Tres Torres. Esta compracación considera los siguientes parametros.

1. Masa del Adsorbente
2. Diametro del Lecho
3. Altura del Lecho
4. Gasto del Gas de Regeneración
5. Carga Térmica de Calentamiento del Gas de Regeneración
6. Carga Térmica de Enfriamiento del Gas de Regeneración
7. Carga Térmica de Regeneración del Gas
8. Espesor de la Chapa del Contactor y la masa.

La Tabla 1 presenta la descripción de éstas dos configuraciones.

Tabla 1. Configuración de las Torres (Contactores)

Esta discusión asume un gasto de gas de alimentación de 2.83×10⁶ m³S/d (100 MMPCSD) con torres externamente aisladas. Examina dos condiciones de alimentación de:

6. 30°C (86°F) y 6.207 MPaa (900 lpca)
   • Contenido estimado de agua de = 699 kg/10⁶ m³S (43.7 lb_m/MMPCS)
     • Carga de agua por torre de 2-Torres por hora = 4 kg/h (182 lb_m/hr)
       • Carga de agua por Torre por ciclo = 989 kg (2185 lb_m)
     • Carga de agua por torre para 3-Torres por hora = 2 kg/h (91 lb_m/hr)
       • Carga de agua por Torre por ciclo = 662 kg (1456 lb_m)

8. 40°C (104°F) y 8.0 MPaa (1160 lpca)
   • Contenido estimado de agua de = 974 kg/10⁶ Sm³ (61 lb_m/MMPCS)
     • Carga de agua por torre de 2-Torres por hora = 115 kg/h (254 lb_m/hr)
       • Carga de agua por Torre por ciclo = 1378 kg (3050 lb_m)
     • Carga de agua por torre para 3-Torres por hora = 5 kg/h (127 lb_m/hr)
       • Carga de agua por Torre por ciclo = 920 kg (2033 lb_m)

Los remanentes parámetros especificados son:

1. Adsorbente = Tamiz Molecular Tipo 4A, 3.2 mm (1/8 pul) diametro
2. Carga de Equilibrio del Adsorbente, ΔX_new = 19 peso% (masa de agua/100 masa de adsorbente)
3. Factor de Vida del Adsorbente F_L = 0.6 (Basado en 3 años y rendimiento promedio)
4. Densidad del Adsorbente = 705 kg/m³ (44 lb_m/pie³)
5. Capcidad de Calor del Adsorbente = 1.0 kJ/kg-°C (0.24 Btu/lb_m-°F)
6. Capacidad de Calor de la Chapa = 0.5 kJ/kg-°C (0.12 Btu/lb_m-°F)
7. Densidad Relativa del Gas de Alimentación = 0.7
8. Densidad Relativa del Gas Seco de Regeneración = 0.59
9. Presión del Gas de Regeneración = 2.07 MPaa (300 lpca)
10. Temperatura del gas de Regeneración al Calentador = Temperatura gas Entrada
11. Temperatura del Gas del Calentador = 288 °C (550 °F)
12. Temperatura de reposo del lecho antes del enfriamiento = 260 °C (500 °F).

Resultados de los Cómputos

Basado en el procedimiento más los paso del Capítulo 18 [1], este PDM utiliza la versión actualizada del “Conjunto Electrónico de Cómputos” (Software) de la PetroSkills/Campbell, GCAP para lograr los resultados de todos los cómputos.

La Figura 3A indica la variación de la masa requerida del adsorbente por torre con el contenido de agua del gas de entrada para las configuraciones de dos y tres torres. Mientras la carga de agua aumenta, le masa requerida aumenta fijando el tiempo de adsorción. Nótese que ésta carga de agua de entrada aumenta con el aumento de temperatura pero disminuye con un aumento en la presión. La carga de agua por torre es función de éste contenido de agua de alimentación, tiempo de adsorción, y gasto del gas existente en la torre.

Para obtener esencialmente la misma masa total adsorbida en las dos configuraciones, se aplicó la siguiente relación:

θ_A = 0.75 θ_B

Donde θ_A es el tiempo de adsorción por torre para una sistema de dos-contactores y   θ_B     es el tiempo total para un sistema de tres – contactores. Ésta relación es obtenida de:

(Caudal Total)(θ_A)(2 Torres) = (1/2 Caudal Total) (θ_B)(3 Torres)

La masa total requerida por las configuraciones de dos-torres y las de tres son distintas por cuanto la longitud de la zona de transferencia de masa de la unidad de tres torres es menor que la de dos. Por cuanto  el adsorbente es vendido en incrementos de 300 lb_m (136.1 kg), la mas de cada torre fue “redondeada” hacia la próxima unidad de 300 lb_m (136.1 kg). La masa total calculada de los adsorbentes de la configuración de dos – torres son de   19323 y 25855 kg (42600 y 57000 lb_m) para la alimentación de menor y mayor contenido de agua respectivamente. Las masas correspondientes de la unidad de tres – torres  son de 18779 y 25719 kg (41400 y 56700 lb_m).  Similarmente, la Figura 3B presenta la masa requerida del hierro por torre como función del contenido de vapor de agua en el gas de alimentación y numero de torres.

La masa del adsorbente en la torre y criterio de caída de presión establecen el diámetro de ésta y altura del lecho. Éste cómputo es uno de ensayo y error. La Figura 4 indica la variación del diámetro de la unidad con  el contenido de agua del gas de entrada, y numero de torres.

Como el caudal del gas por torre de un sistema de dos – torres es el doble del caudal del sistema de tres, el diámetro de los contactores de dos torres debe ser  mayor que el de tres para cumplir con la caída de presión permisible de menos de 41 kPa (6 lpc).  La Figura 4 indica que el factor limitante es la caída de presión y el contenido de agua de entrada posee mínimo impacto sobre el diámetro del lecho. La velocidad superficial del gas para todos los casos mostró variación entre 0.10 – 0.15 m/s (20 – 30 pie/min).

Después de determinar el diámetro del lecho (torre), es posible calcular la altura del lecho conociendo la masa del mismo, diámetro de la torre, y la densidad del adsorbente. De la Figura 5 se observa la variación de la altura mínima del adsorbente con contenido de agua de entrada y numero de torres.  Esta figura indica que con mayores contenidos de carga de agua la altura del lecho aumenta, mientras que menores cargas de agua requieren menor altura de lecho. Como el diámetro de un sistema de dos torres es el mayor, su altura es menor.

La  Figura 6 indica la variación del gas de regeneración con contenido de agua del gas de alimentación asumiendo tiempos constantes para el calentamiento y enfriamiento. Esta figura muestra que  para mayores cargas de vapor de agua de entrada se requiere mayor gas de regeneración. Sin embargo, el gas de regeneración es prácticamente el mismo para las dos configuraciones en consideración.

De manera similar, las Figuras 7,8, y 9 indican las variaciones de las cargas térmicas de calentamiento más enfriamiento, y en adición la del gas de regeneración en función de la carga de agua del gas de entrada y el número de torres. Como las torres de un sistema de dos son de mayor diámetro que las de un sistema de tres, las cargas térmicas tanto de calentamiento como enfriamiento son mayores que las de un sistema de tres torres (figuras 7, y 8). Sin embargo, la Figura 9 muestra que los requerimientos de calor para el gas de regeneración son casi iguales para las dos configuraciones.

Resumen:

El contenido de agua en un gas de alimentación afectado por le temperatura, presión y caudal del gas es el parámetros clave en el dimensionamiento de un sistema de deshidratación por adsorción. Mayores contenidos de agua requieren un lecho de mayor masa, mayores cargas térmicas de calentamiento y enfriamiento, y mayores gastos del gas de regeneración.

En los casos evaluados en este Previo del Mes (PDM), los diámetros en los sistemas de dos – torres son mayores que los de tres, pero su longitud es menor. La masa del adsorbente y masa del hierro (chapa) por torre en el sistema de dos – torres son mayores que los de tres. De manera que, las cargas térmicas de calentamiento y enfriamiento son mayores en el sistema de tres – torres. Las cargas térmicas para el gas de regeneración son casi las mismas para ambos escenarios.

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Dr. Mahmood Moshfeghian

Traducido al Español por : Dr. Frank E. Ashford

References:

1. Campbell, J.M., Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Equipment Modules, 9^th Edition, 2^nd Printing, Editors Hubbard, R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 2014.
2. Malino, H. M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2015/05/benefits-of-standby-time-in-adsorption-dehydration-process/
3. Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2015/10/what-is-the-impact-of-feed-gas-conditions-on-the-adsorption-dehydration-system/
4. GCAP Version 9.1.1, Gas Conditioning and Processing Software, Editor Moshfeghian, M., PetroSkills/Campbell, Norman, Oklahoma, 2015.