Los Previos del Mes (PDM) de Diciembre 2012 [1] y Enero 2016 [2] trataron el comportamiento de fases de unas mezclas del gas natural contenientes de alto contenido de Sulfuro de Hidrógeno, dióxido de carbono, o nitrógeno. Específicamente, fue mostrado que el nitrógeno y dióxido de carbono inhiben levemente la formación de los hidratos mientras que el sulfuro de hidrógeno aúpa esta condición considerablemente. Este previo extenderá estos previos estudios sobre el fenómeno de equilibrio fásico durante la formación de hidratos. Específicamente, se estudiará el impacto de los hidrocarburos liviano (ligeros) sobre esta formación de los hidratos en una mezcla de gases naturales.
La temperatura de formación de hidratos de un gas depende de la presión y composición. Existen varios métodos para el cómputo de las condiciones de ésta formación en los gases [3-6]. Las referencias [3-4] presentan métodos rigorosos mientras que [5-6] arrojan métodos recortados aceptables para los cómputos a mano. Este estudio aplica un método rigoroso empleando la ecuación de estado Soave-Redlich-Kwong (SRK) [7] en el “software” ProMax [8].
La Tabla 1 presenta la composición (mol%) de los gases en estudio. Nótese para los gases no-hidrocarburos ( gases B, C, y D) como un 18 %molar del metano es reemplazado con un 20 %molar de una selección nitrógeno, dióxido de carbono, o sulfuro de hidrógeno. Estas composiciones son para una corriente de gas despojada de un separador a 100 °F y 1000 lpca (37.8 °C y 6900 kPaa) saturado con agua.
Tabla 1. Composiciones (%molar) de los gases saturados con agua en studio
La Figura 1 presenta el valor calculado para la formación de hidratos mas la región del punto de rocío en la envolvente (curvas continuas) para un gas natural dulce ( gas E de la Tabla 1) conteniendo 0 %molar de C2H6. La Figura igual presenta el punto de rocío y formación de hidratos (curvas intermitentes) para el gas F de la Tabla 1 conteniendo 17.8 %molar del C2H6.
Figura 1. El impacto del C2H6 sobre el punto de rocío del hidrocarburo y curva de formación de hidratos
La Figura 1 indica que la presencia de 17.8 % molar de C2H6 imparta efecto despreciable sobre la curva de formación de hidratos. Nótese que los puntos de la izquierda presenta la región de formación de los hidratos. Desde un punto de vista operacional, esta región debe ser evitada. La Figura también indica que la presencia del C2H6 disminuyen la cricondenbara, y la cricondenterma; de manera que la región bi-fásica (gas + líquido) dentro de la envolvente se encoje.
La Figura 2 presenta la formación de los hidratos y la porción del punto de rocío de la envolvente (curvas continuas) para un gas natural dulce (Gas G de la Tabla 1) conteniendo 0 % molar de C3H8. La Figura igual presenta el punto de rocío y curva de formación de hidratos (curvas intermitentes) para el Gas H de la Tabla 1 conteniendo 12.7 mol % C3H8. La Figura 2 muestra que la presencia de 12.7 mol % C3H8 desplaza la curva de formación de hidratos hacia la derecha promoviendo las condiciones de formación de éstos. Esta Figura igual indica que la presencia de C3H8 disminuye la cricondenbara mientras que la cricondenterma muestra poco impacto; la región de dos fases (gas – líquido) dentro de la envolvente se encoje.
De manera similar, la Figura 3 presenta el impacto de los 12.7 % molar de iC4H10 sobre el punto de rocío y curva de hidratos para los gases I mas J de la Tabla 1. Esta figura indica que el iC4H10 como el C3H8 es un promotor de los hidratos y desplaza la curva hacia la derecha.
Figura 2. Impacto del C3H8 sobre el punto de rocío de los hidrocarburos y curvas de formación de hidratos.
Figura 3. Impacto del iC4H10 sobre el punto de rocío de los hidrocarburos y curvas de formación de hidratos.
Similarmente, la Figura 4 presetna el impacto de 11.4 % molar de nC4H10 sobre el punto de rocío y curva de formación de hidratos para los gases K, y L de la Tabla 1. Esta figura indica que contrario al iC4H10, el nC4H10 es un inhibidor de los hidratos y desplaza la curva hacia la izquierda. Ambos compuestos iC4H10 and nC4H10 disminuyen la cricondenterma y aumentan la cricondenbara.
Figura 4. Impacto del nC4H10 sobre el punto de rocío de los hidrocarburos y curvas de formación de hidratos.
La Figura 5 presenta un resumen de las curvas de formación de hidratos para el gas dulce A de la
Tabla 1 (Curva continua). Y los gases B (20 % molar H2S), gas C (20 % molar CO2), gas D (20 % molar N2), gas F (17.8 % molar C2H6), gas H (12.7 % molar C3H8), gas J (12.7 % molar iC4H10), gas L (11.4 % molar C4H10) (Curvas intermitentes).
Para los casos en estudio, esta figura indica claramente que el impacto del N2 es mucho menor que el de H2S y levemente menor que el CO2. Nitrógeno, el Dióxido de Carbono y el nC4H10 , deprimen las condiciones de hidratación (desplazan la curva hacia la izquierda).
Entre estos tres componentes, el nC4H10 imparte mayor efecto de depresión aun cuando su % molar es menor. Mientras el C2H6 imparte el mismo efecto que el CH4 sobre las condiciones de hidratación (ningún desplazamiento en la curva de formación), C3H8, iC4H10, y el H2S aúpan la formación de éstos. Entre los citados que aumentan el ambiente de formación de hidratos el H2S posee la mayor contribución aun cuando solo por 10 % molar. Nótese que el “Gas Dulce” se refiere al gas de la Tabla 1.
Figura 5. El impacto del nitrógeno, gases ácidos y gas de hidrocarburos ligeros sobre la curva de formación de hidratos
Conclusiones:
Todas las moléculas analizadas en este estudio son formadores de hidratos. Algunas aumentan la formación de hidratos del metano y otros la disminuyen. Katz y sus colaboradores [9] desarrollaron un juego de constantes de equilibrio vapor – sólido (Kv-s) aplicadas para la predicción de la hidratación. En el método Katz como descrito en la página 161 del Capítulo 6 de la Referencia [7] “nitrógeno es un formador de hidratos, y es probable que algo de nitrógeno permanezca en las enredadas de hidratos en sistemas típicos de producción del gas natural. Sin embargo, no es factor en la determinación de las condiciones de formación de hidratos al menos que las condiciones son de mezclas de nitrógeno con metano las cuales se presentan en lechos de producción de gases carboníferos. En estos casos la mezcla de N2-CH4 exhibirá menor temperatura de hidratación que el metano puro. Como interpretación práctica la aplicación del Kv-s = (infinito) para el nitrógeno arroja resultados satisfactorios para las mezclas de los gases naturales.
Este estudio ha demostrado que mientras el C2H6 posee el mismo impacto que el CH4; N2, CO2, nC4H10 arrojan efectos opuestos sobre la formación de los hidratos de un gas dulce en comparación con los gases ligeros de hidrocarburos de C3H8, iC4H10, and H2S. Mientras que el impacto del N2, CO2, y nC4H10 es ligera en la misma dirección el C3H8, iC4H10, y H2S poseen impacto considerable sobre las condiciones de formación de los hidratos. Para la composición y condición estudiada (Tabla 1), N2, nC4H10, y el CO2 reducen ligeramente la formación de hidratos (desplaza la curva de hidratación hacia la izquierda) mientras que C3H8, iC4H10, y H2S la desplazan hacia la derecha considerablemente, promoviendo las condiciones de formación de los hidratos, y puede incurrir en severos problemas operacionales. La Tabla 1 igual indica que el contenido de agua pronosticado para los gases dulces (Gases A, y D hasta el L) es prácticamente independiente de la composición del gas. Estos resultados no están acorde en completo con las curvas presentadas indicadas por el método Trekell-Campbell [5], el cual muestra la contribución de cada uno de estos componentes contra la curva de formación de hidratos del metano puro.
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By: Dr. Mahmood Moshfeghian
Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford
Reference:
- Moshfeghian, M.,http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2012/12/sour-gas-hydrate-formation-phase-behavior/
- Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2016/01/what-is-the-impact-of-nitrogen-on-the-natural-gas-hydrate-formation-conditions/
- Parrish, W.R., and J.M. Prausnitz, “Dissociation pressures of gas hydrates formed by gas mixtures,” Ind. Eng. Chem.Proc. Dev. 11: 26, 1972.
- Holder, G. D., Gorbin, G. and Papadopoulo, K.D, “Thermodynamic and molecular properties of gas hydrates from mixtures containing methane. argon, and krypton,” Ind. Eng.Chem. Fund. 19(3): 282, 1980.
- Campbell, J.M., Gas Conditioning and Processing, Volume 1: The Basic Principles, 9th Edition, 2nd Printing, Editors Hubbard, R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 2014.
- Gas Processors Suppliers Association; “ENGINEERING DATA BOOK” 13th Edition – FPS; Tulsa, Oklahoma, USA, 2012.
- G. Soave, Chem. Eng. Sci. 27, 1197-1203, 1972.
- ProMax 3.2, Bryan Research and Engineering, Inc, Bryan, Texas, 2015.
Carson, D. B. and D. L. Katz, Trans. AIME, Vol. 146, p. 150, 1942.
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