Este previo del mes muestra la manera en que un Método Resumido (MR) posterior a una Prueba De Rendimiento (PDR) puede ser empleada para pronosticar la vida útil de una Tamiz Molecular tipo 4A en proceso de deshidratación de alimentación de un gas natural saturado de agua.

 

El previo del Mes de Mayo 2015 [1] discutió los beneficios del tiempo de espera. En ese previo (al cual el lector se le sugiere revisitar) un estudio de caso fue presentado para un sistema de tres torres de deshidratación. Este sistema fue diseñado para cumplir con una vida operacional útil de tres años; sin embargo, una PR después de un año de servicio produjo resultados que indicaban solo dos años de servicio de la unidad. Aplicando el tiempo de espera disponible para las tamices, su vida útil fue extendida a unos 3.7 años.

 

Los resultados citados  calculados se lograron aplicando los conceptos resumidos en el Capítulo 18 del Volumen 2 del texto “Gas Conditioning and Processing”: Volume 2 – “The Equipment Modules”, (9ª Edición) [2]. Debido al resultado no lineal del proceso de modelaje, los cómputos manuales son tediosos. El PDM de Junio 2016 [3] indicó la manera en que un modelo de computación preparado para el conjunto de cómputos por computadora “computer software” para el programa GCAP de la PetroSkills-John M. Campbell [4] podría ser aplicado para cumplir con el mismo cómputo. Entre otras habilidades, el módulo GCAP calcula directamente el factor de vida FL, el cual genera resultados de mayor consistencia comparada con un examen visual de las curvas Genéricas de Declinación de las Tamices Moleculares (Figura 1).

 

 

Figura 1. Una Figura de Curvas de Declinación Genérica para las Tamices Moleculares 

 

 

 

Método Resumido (MR):

 

Efectuando unas presunciones simplificando el tema, se puede proceder con los cómputos manuales ligeros en su aplicación. Este MR le permite a un Operador o Ingeniero de la Facilidad determinar rápidamente la durabilidad de vida de las tamices moleculares. Estas presunciones, las cuales consideran la mayoría de las facilidades de deshidratación en el campo incluyen:

 

  1. Gas Natural saturado con agua en el campo
  2. Las condiciones de alimentación se mantienen relativamente constantes durante la vida útil del sistema de las Tamices
  3. Gránulos Tipo 4A-de 1/8 pul. (3 mm) o los de 4×8 son aplicado.
  4. La carga de equilibrio inicial sobre el lecho es de 23 por ciento en peso de agua
  5. La carga residual del agua es de 4 por ciento
  6. 5 % del peso del lecho se concentra en la Zona de Transferencia de Masa (ZTM)
  7. El desgaste normal de vida útil es mostrado en las curvas de la Figura 1. Si se presentan desajustes tales como la irrigación del lecho por líquidos, fallas en soporte del lecho, alteraciones de las válvulas, contaminantes en el gas de regeneración, canalización del flujo, las tendencias de la citada Figura serán algo distintas.

 

 

El Capítulo 18 del Volumen 2 de la serie “Gas Conditioning and Pocessing” , Vol. 2 “The Equipment Modules” [2] ( 9ª Edición ) [2] contiene las ecuaciones que permiten el computo de la masa total de las tamices, la carga lograda en el tiempo de erupción (CTE, o la Carga Util ) , más la carga “envejecida” de equilibrio. Aplicando la presunción detallada, junto con las ecuaciones del Capítulo 18 podemos justificar que:

 

FL = BTL/18       (1)

donde:

FL        = Factor de Vida

BTL (CTE)= (100)(masa del agua removida/masa tamiz molecular)   (2)

 

Lo restante de este Previo del Mes efectuará comparaciones del MR con aquellos obtenidos de los cómputos rigorosos manuales y el método generado por computadora.

 

 

MR vs el Método Rigoroso:

 

La Figura 2 indica el Diagrama de Flujo del proceso aplicado en el Caso de Estudio [2]. Las Tablas 1 arroja el Criterio de Diseño. La Tabla 2 presenta el resumen de Diseño. La Tabla 3 muestra los resultados. La Tabla 3 presenta los resultados de la PDR luego de un año de operación (nótese que el gasto de la alimentación y la temperatura durante este lapso son algo distinta a la de las bases de diseño).

 

 

Figura 2. Diagrama de Proceso de Flujo típico para un sistema de 3-Torres de Deshidratación [2]

 

 

Tabla 1. Bases de Diseño para el Caso en Estudio

Tabla 2. Resumen de Diseño para el Caso en Estudio

Tabla 3. Resultados de la Prueba de Rendimiento (PDR) después de 12 meses de operación

 

 

Información adicional aplicada en el Caso en Estudio:

► Sistema de 3 torres ( 2 torres en adsorción , 1 en regeneración)

► Aislamiento Externo

► DI de la Torre  = 2.9 m (9.5 pies)

► Cada Unidad contiene  24630 kg [54300 lbm] de gránulos de tamiz tipo  4A 4×8 y es diseñada para una duración de tres años.

► Circuito de Regeneración capaz de manejar un 15% de flujo adicional

► Unidad de operada en tiempo de ciclos fijos

► No se asumen cambios discordantes tales como el arrastre de líquidos, inadecuada distribución de flujo, etc.

 

 

 

Lo siguiente es un récipe para la aplicación del MR:

 

  1. Aplicar la Ecuación 2 para calcular el diseño del CTE = 10.6 wt %
    1. BTL (CTE) =100 (16 hr)(163 kg agua removida/hr)/(24630 kg tamiz mol =10.6%
    2. BTL (CTE) =100 (16 hr)(360 lbm agua removida/hr)/(54300 lbm mol sieve) =10.6%
  2. Emplear la Ecuación 1 para calcular el FL de diseño FL   = 10.6/18 = 0.59
  3. Ubicar el FL de diseño en 1095 ciclos en la Figura 3, Factor de Vida Calculado (FL=0.59 & 3 años de ciclos de  24-horas  por torre es  equivalente a 1095 ciclos).  Este es el punto de Diseño FL.
  4. Aplicar la Ecuación 2 para calcular  el PDR CTE = 12.0 wt %
    1. CTE =100 (20.9 hr)(141 kg agua removida/hr)/(24630 kg tamiz mol) =12%
    2. BTL =100 (20.9 hr)(312 lbm water removed/hr)/(54300 lbm tamiz mol ) =12%
  5. Aplicar la Ecuación 1 para calcular PDR FL = 12/18 = 0.67
  6. Ubicar PDR FL a 365 ciclos en la  Figura 3, Factor de Vida Calculada (FL=0.67 & un año de ciclos de 24-horas por torre es equivalente a 365 ciclos).  Este es el punto PDR FL.
  7. Por cuanto el punto PDR FL Point se ubica por debajo de la curva más baja que la del diseño del punto FL de diseño debemos estar algo preocupados sobre el caso.  Interpolando y  extrapolando la curva de declinación de capacidad del punto PDR FL, podemos observar un  FL de 0.67 (el de Diseño del FL) sucederá posterior a unos 750 ciclos totales. Esto representa un periodo de un año menos que el esperado de vida útil para la unidad.

 

 

Figura 3. Factores de Vida Calculados

 

 

Por cuanto la unidad posee un circuito de regeneración que maneja un 15 % adicional de flujo el ciclo completo (calentamiento, enfriamiento, despresuización – represurización) puede ser reducido a 7 horas. Esto permite que los lechos tengan ciclo más rápido. Aplicando el ciclo reducido (es ahora 21 horas vs 24 horas originales) y las condiciones de la base original con el récipe del MR:

 

  1. Calcular Fin de Vida CTE = 9.3 % peso (Ecuación 2)
    1. CTE = 100(14 hr)(163 kg agua removida/h)/(24630 kg tamiz mol) = 9.3%
    2. CTE = 100(14 hr)(360 lbm agua removida/h)/(54300 lbm tamiz mol) = 9.3%
  2. Calcular Fin de Vida FL = 9.3/18 = 0.52 (Ecuación 1). Esto se ve por cuanto menos agua se adsorbe por ciclo.

Interpolando y extrapolando del  PDR punto FL, se observa el FL de fin de vida de 0.52 el cual ocurre en unos 1400 ciclos (ver Figura 4). Como 365 de estos ya han sido ejecutados y el futuro pretende un tiempo reducido de regeneración, se pronostica la vida util de las tamices en 3.5 años

 

 

Figura 4. Factores de Vida Calculados Aplicando Tiempo de Espera

 

 

La Tabla 4 compara los resultados de la MR al mas rigoroso por computos manules (Previo del Mes Mayo 2105) y los resultados generados por computadora (Previo del Mes de Junio 2016).

 

 

Tabla 4. Comparación de los Tres Métodos

 

 

La diferencia entre la vida pronosticada aplicando el tiempo de espera indicado por el modelo de computación y los dos métodos manuales se observa a la inherente discordancia en la interpolación de la data de las Figuras 3, 4. El modela de computación produce el mismo resultado en cada ocasión. Esto no se puede confirmar cuando los resultados son visuales con lectura de las citadas Figuras. La Figura 5 indica los resultados del modelo de Computación GCAP [3]. Nótese que cuando se emplea una sola curva, cuando mayor el FDV FL, menor Número de Ciclos (NDC) remanentes hasta que los lechos deben reponerse.

 

La PDR en el caso citado fue prevista después de 365 ciclos. La pendiente de la curva es algo inclinada en esta región y cambios mínimos en la data pueden impactar las predicciones notablemente sobre la vida util. Mientras que el usuario puede obtener una buena indicación de las condiciones de declinación de su unidad de Tamices, programando PDR’s adicionales es altamente recomendado. Finalmente, curvas genéricas se aplican para estas Figuras. A pesar de estas variaciones, el MR ofrece una manera rápida y fácil para evaluar la declinación de capacidad de su unidad de tamiz molecular.

 

Figura 5. Factor de Vida Proyectado (LF = 54.3 % , y Num. Ciclos 1251.4 si se usa tempo de espera

 

 

RESUMEN:

Podemos arrojar las siguientes conclusiones de este estudio de caso:

  1. El método Resumido le permite al usuario la rápida determinación de la declinación de su adsorbente basado en solo una prueba de rendimiento para la deshidratación por tamices moleculares aplicando regeneración de baja presión. Esto permite un plan factible de acción. El método resumido se compara favorablemente con otros métodos más rigorosos manuales así como el proceso por proceso de computación los cuales  requieren una sol prueba de rendimiento.
  2. Ambos métodos manuales se apoyan en interpolaciones y extrapolaciones visuales de las curvas genéricas de declinación de las tamices moleculares. Los resultados generados por modelos de computación arrojan resultados de mayor consistencia.
  3. Todos los métodos presentados en estos Previos del Mes son tecnologías de “arte – abierto”. Los vendedores de las tamices aplican sus métodos propietarios específicos a sus técnicas de manufactura. Consecuentemente los resultados de las técnicas aplicadas en estos previos deben ser usadas para generar tendencias en vez de valores absolutas.
  4. Factores específicos al sitio deben determinar la declinación de rendimiento de la unidad. Ejecución de más de una prueba de rendimiento es altamente recomendado.
  5. El tiempo de espera ofrece una amplia flexibilidad de operación pos cunato las curvas de declinación tienden a estabilizarse; siempre se debe considerar esta opción para el diseño de las tamices.
  6. La Capacidad de Adsorción es función del número de ciclos, y no el tiempo calendario.
  7. Se debe instalar un filtro coalescedor o un filtro separador aguas arriba del Sistema de adsorción para no permitir la entrada de contaminantes al Sistema

To learn more about similar cases and how to minimize operational problems, we suggest attending ourG4 (Gas Conditioning and Processing) and PF-4 (Oil Production and Processing Facilities) courses.

 

Written by: Harvey H. Malino, P.E.

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References

1. Malino, H.M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2015/05/benefits-of-standby-time-in-adsorption-dehydration-process/, PetroSkills – John M. Campbell, 2015

2. Campbell, J.M., “Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Equipment Modules,” 9th Edition, 3nd Printing, Editors Hubbard, R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 2018.

3. Moshfeghian, M.  http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2016/06/projecting-the-performance-of-adsorption-dehydration-process/, PetroSkills – John M. Campbell, 2016

4. GCAP 9.2.1 Software, PetroSkills – John M Campbell “Gas Conditioning and Processing Computer Program,” Editor Moshfeghian, M., PetroSkills, Katy, Texas, 2016.