Continuando el Previo del Mes (PDM) de Enero 2019, este previo investigará el impacto de la caracterización de las fracciones pesadas sobre el rendimiento de una planta de refrigeración mecánica aplicando la inyección del mono etilén glicol (EG o MEG) para el control del punto de rocío de los hidrocarburos (PRHC). Específicamente el impacto de estas fracciones sobre las cargas térmicas del intercambiador de calor gas-gas, y el enfriador (chiller), el sistema de refrigeración mecánica, más la recuperación del propano líquido serán investigadas y presentadas. Los detalles de una planta de refrigeración mecánica con inyección del MEG y sistema de regeneración se presentan en los Capítulos 6 y 15 de los Volúmenes 1, y 2 del Gas Conditioning and Processing [2,3] respectivamente.

 

La Figura 1 presenta el diagrama de flujo de procesos para una planta típica de refrigeración mecánica con inyección del MEG. Es este previo todas las simulaciones se efectuaron aplicando el conjunto de cómputos (software) UniSim Design R443 [4] , empleando la ecuación de estado Peng-Robinson.

 

 

 

Figura 1. Diagrama de flujo de procesos para una planta de refrigeración mecánica empleando un economizador sub-enfriado y sistema de inyección del MEG

 

 

Caso en Estudio:

Consideremos un gas rico con las composiciones y condiciones expuestas en la Tabla 1. Basado en el peso molecular y la densidad relativa documentada para las fracciones C7+, la Tabla 2 presenta el punto de ebullición normal (PEN), propiedades críticas, y factor excéntrico, los culkes son requeridos para la ecuación de estado. El objetivo es de cumplir con el punto de rocío de diseño de -20 °C [-4 °F] a una presión aproximada de 4000 kPa (580 lpca) para el gas de venta removiendo calor en el intercambiador “Gas/Gas” (IC) con un acercamiento del lateral caliente de 5°C [9°F]  más en el enfriador (chiller) de propano y rechazando éste al ambiente mediante un condensador de propano (“E-103”) at 37.8°C [100°F].

 

Tabla 1. Composición y condiciones del gas rico de alimentación

 

 

Tabla 2. Propiedades Estimadas del C7+ [4]

 

 

El gas de entrada es sometido a un equilibrio instantáneo (flash) en el Separador de Entrada a 30 °C (86 °F) y 4000 kPa (580 lpca) para remover el condensado. El vapor de entrada (corriente 2) es saturada con vapor de agua con el conjunto “Saturate – 100” para formar la corriente “2 Húmeda” aguas arriba al mezclado del inhibidor de hidratos MEG, corriente “EG1” y la corriente de vapor de reciclaje “18A” del tope de la de-etanizadora (la cual se encuentra a mano derecha de la Fig. 1). La temperatura estimada de formación de hidratos de las corrientes “2 Húmeda” es de 14.7 °C (58.4 °F). El inhibidor de hidratos es inyectado al ingreso del IC “Gas / Gas” por la corriente “EG1” y al chiller por la corriente “EG2”. La 5 es enfriada a unos  -8 °C (17.6 °F) y la “7” hasta la temperatura especificada de -20 °C (-4 °F) la cual es menor que la de formación de hidratos (TFH) de 14.7 °C (58.4 °F). Los gastos de inyección de “EG1” y “EG2” para una corriente de  80% por peso del MEG pobre y agua se estiman por la herramienta de ajuste del UniSim. Un margen de diseño 1.1 °C (2 °F) TFH por debajo de la temperatura fría de las corrientes “5” y “7” fueron estimadas. La Tabla 2 presenta los caudales de inyección del inhibidor de hidratos.

 

 

Tabla 3. Caudales estimados para la corriente de MEG pobre de 80 % de peso

 

 

Suponiendo una temperatura de 5°C  (9°F) y  6.9 kPa (1 lpc) de caída de presión en el chiller de propano (“RefChiller”) lateral de carcaza, la presión del vapor de propano saturado despojado de la unidad es de  203.3 kPa (29.5 lpca), y una temperatura de -25°C (-13°F). Si se asume despreciable fricción en loa línea de succión al compresor “K-101”, la presión de succión resultante es de 203.3 kPa (29.5 lpca).

 

 

La presión el propano en condensación a la temperatura especificada de 37.8 °C (100 °F) es   1303 kPa (189 lpc). Las pérdidas de presión en el condensador “E-103”, más las correspondientes a las líneas de conexión de la descarga del compresor al condensador se asumen en 34.5 kPa ( 5 lpc); de manera que la presión de descarga de la unidad es 1338 kPa (194 lpca). La eficiencia adiabática de compresión se asume en 75%.

 

 

 

Economizador Externo Sub-Enfriado

 

La corriente fría 7 logra equilibrio instantáneo (flash) en el separador trifásico  “V-102” a -20 °C (-°4F) y 3931 kPa (570 lpca).La corriente de vapor “4” del separador frio se aplica para enfriar el gas caliente de entrada en el IC “Gas / Gas” La corriente pesada “8B”(carga rica MEG) de esta unidad es regenerada en la unidad correspondiente ( no se muestra en la Figura 1) y la corriente pobre de 80% MEG es reciclada y empleada en las corrientes “EG1”, y “EG2”. La corriente fría del LGN “8” (fase liquida liviana) del separador frio “V-102” es combinada con la carga de condensados entrantes a la planta “Separador Entrada” (corriente 3) en el mezclador “Mix-101”para formar la corriente “9”en unos  5 °C (41 °F) y 3945 kPa (572.2 lpca). Para preparar el líquido a ser alimentado a la deetanizadora, las especificaciones de proceso es de aumentar la temperatura del producto LGN , corriente “9A” desde  -4°C (25°F) y 1535 kPa (222.6 lpca) hasta 20 °C (68 °F) y 1500 kPa   (217.6 lpca) en el  “E-102” IC. La carga térmica requerida será suministrada por el economizador sub – enfriado “E-104” IC. La carga térmica del proceso y la temperatura del producto LGN se fijan por los requerimientos térmicos de la deetanizadora, de manera que la citada carga del economizador sub-enfriado es fijada.

 

El economizador sub-enfriado enfría el propano condensado (corriente refrigerante “ R4”) desde 37.8°C (100 °F) a 1303 kPa (189 lpca) a una temperatura menor a 1269 kPa (184 lpca), dependiendo del gasto de propano (corriente“R5”). Las ciadas de presión en los IC  “E-102” y “E-104” son 35 kPa (5 lpc); respectivamente. El calor extraído por el citado economizador se fija por la carga de procesos requerida en calentar la corriente del LGN “9A”.

 

 

Especificaciones y rendimiento del de-etanizador:

 

Las especificaciones de la citada columna son las siguientes:

  1. Recuperar 90 % molar del propano en la corriente alimentadora en el producto de fondo, y
  2. Relación molar Etano a Propano  igual a  5 % en el producto de fondo
  3. Presiones de Tope y Fondo de 1450 and 1500 kPa (210.3 and 217.6 lpca); respectivamente
  4. Numero de etapas teóricas igual a 12 más el condensador y el re hervidor (determinados por el balance de materiales y los cómputos de modulo resumido de la columna)

 

Los resultados de simulación de la columna deetanizadora se resumen en la Tabla 3.

 

 

Tabla 4. Resumen de los parámetros claves de la deetanizadora  para los C7+

 

 

Impacto de la caracterización de las Fracciones Pesadas:

La Figura 2 presenta las envolventes para las corrientes calves de entrada ( “Dry Feed”) , separador de entrada ( corriente “2”), y la de ventas ( Corriente “4”). Todas estas se generan en base seca Como es esperado las curvas de punto de burbuja se ven muy cercanas, pero existen grandes desviaciones en las líneas de punto de rocío. Se ven diagramas similares para las supuestas fracciones pesadas nC7, y nC8  expuestas en el Apéndice A, respectivamente.

 

 

Figura 2. Diagramas de Fases para las Corrientes claves en los casos del C7+ como fracción pesada

 

 

Las Figuras 3, 4, y 5 muestran el impacto de las fracciones pesadas sobre la  envolvente dee las corrientes de alimentación, vapor del separador (corriente “2”), y el gas de venta (corriente ”4”), respectivamente. Estas figuras indican que mientras se eliminan estas fracciones pesadas en el “Separador de Entrada”, y el separador frio (“V-102”) de la corriente de procesos, el impacto de los pesados sobre la envolvente se mitiga y casi desaparece en el gas de ventas (corriente “4”) en la Figura 5.

 

 

Figura 3. Impacto de la fracción pesada sobre la envolvente de la corriente de alimentación

 

 

Figura 4. Impacto de la corriente pesada sobre la envolvente del vapor en el separador de entrada

 

Figura 5. El impacto de la fracción pesada sobre la envolvente del gas de venta (corriente 4)

 

 

La Tabla 4 presenta el impacto de las fracciones pesadas sobre el IC “Gas/Gas” y el “Chiller” y las cargas correspondientes. Nótese que la carga del “Gas/Gas” se controla pro la composición y gasto de la corriente “4”. Basado en las envolventes de la Figura 5, el gas de ventas es prácticamente independiente de las citadas fracciones  debido a que se eliminan del gas de ventas pero son de mayor impacto en las composiciones de las corrientes “2”.

 

 

Tabla 5. Impacto de las fracciones pesadas sobre las cargas del IC Gas/Gas y Chiller

 

 

La Tabla 4 indica que mientras las fracciones pesadas aumentan reflejan mayor peso,

 

  1. el gasto de la corriente “2” disminuye por cuanto aumenta el líquido despojado del “Separador de Entrada”
  2. La corriente “4” aumenta en caudal en un  0.27% (nC7 al C7+) por cuanto  la mayoría de los C7 + han sido extraídos
  3. La Carga del IC “Gas/Gas” HX  se fija por el gasto de la “4”  con un ΔT= 25 – (-20) = 45 °C (81 °F) igual constante por cuanto  Q = mΔ(HSalesgas – H4)
  4. La Carga del IC “Gas/Gas” aumenta levemente, menos de 0.8 %, por cuanto la Corriente “4” es incrementada en un  0.27%
  5. La corriente “2A” disminuye en caudal, Carga del IC “Gas/Gas” aumenta,  la corriente “5A” enfría, el chiller ΔT disminuye de manera que la carga del  “Chiller” disminuye

 

 

Asumiendo un C8 de diseño para la fracción pesada, y la de entrada es un C7+, no el de diseño. Se generan más líquidos en la descarga del IC “Gas/Gas” así reduciendo la carga térmica del Chiller  en un 38%. Sin embargo la carga adicional para condensar los líquidos en el IC “Gas/Gas” tienen que originarse en algún lugar. Si esta unidad tuviese área adicional para cumplir con esta carga, entonces si aumentaría la carga del Chiller. Si no es el caso la carga citada aumenta.

 

 

Si el gas de alimenatación se aliviana, y la fracción pesada es nC7, no la de diseño C8, mayor gas se enviaría al Chiller (meno liquido de descarga del IC), así que la carga del Chiller aumentaría por un 20%. En este caso el chiller tendría que incorporar mayor capacidad.

 

 

Esto indica que el cambio de la caracterización del gas de alimentación tendría impacto sobre la habilidad de un sistema de refrigeración en lograr sus especificaciones. Para ver la referencia con mayor comodidad véase la Figura 6

 

 

Figura 6. Esquema simplificado del segmento de entrada del diagrama de flujo de proceso

 

 

La Tabla 5 presenta el impacto de las fracciones pesada sobre el sistema de refrigeración. Esta indica que el gasto, potencia de compresión, cargas térmicas del condensador y sub-enfriador disminuyen mientras aumentan en peso las citadas fracciones.  La Tabla 5 igual indica que el caudal, potencia de compresión, y carga del condensador sub enfriado son menores comparados con un sistema sencillo (unta etapa). Por cuanto la carga del chiller disminuye, las dimensiones del sistema de refrigeración son menores, causando decremento en el OPEX, y CAPEX.

 

 

Tabla 6. Impacto de las fracciones pesadas sobre los paramentros claves del Sistema de refrigeración

 

 

El calor extraído por el economizado sub – enfriado “E-104” se aplica para calentar la corriente “9Aª” en el IC “E- 102” . Ubicación de este IC más las corrientes “9A”, y “9B” se muestran en la Figura 7.

 

 

Figura 7. Esquematico simplificado del fondo del diagrama de flujo de proceso

 

 

Table 7 presents the impact of heavy ends on the rates and the molecular weights for stream “3” from the “Inlet Separator” and stream “8” from the cold separator (“V-102”) and the combined NGL stream “9”. This table indicates that as the heavy end becomes heavier, rate of stream “3” increases but the rate of stream “8” decreases. Because the rate of heavy ends entering the “Gas-Gas” HX and “Chiller” decrease, the chiller duty decreases and condensation of components decrease resulting lower streams “8” and “9” rates. Table 1A in the Appendix present components flow rates for streams “3” and “8”.

 

 

Tabla 7. IImpacto de las fracciones pesadas sobre las Corrientes “3” y “8” y la combinada “9” y sus pesos moleculares

 

 

Empleando “VLV – 100”, la presión de la corriente 9 se reduce de 3945 kPa (572.2 lpca) hasta 1535 kPa (222.6 lpca). La Tabla 7 muestra las propiedades de las corrientes combinadas “9A”, y “9B” (ver Figura 7). Esta tabla indica que mientras aumenta la fracción pesada en PM, la carga del IC “E-102” se ve reducido por cuanto el gasto combinado de los LGN disminuye. El calor exigido por este IC se proporciona por el IC Sub-enfriado (“E-104’) del conjunto.

 

 

La Tabla 8 presenta el impacto de la fracción pesada sobre el balance de materiales general de la planta. Esta información implica que mientras aumentan en peso las fracciones pesadas,

 

  1. El caudal del as de venta aumenta. (Corriente 4)
  2. La alimentación de la deetanizadora ( Corrientes combinadas 9) disminuye por cuanto es de ventas ( corriente 6) aumenta
  3. La temperatura del vapor del tope de la deetanizadora se mantiene por cuanto su composición es relativamente constante.
  4. La corriente del tope de la deetanizadora disminuye por cuanto la alimentación de la unidad ha disminuido
  5. El gasto del LGN de la deetanizadora disminuye debido a menos alimentación
  6. La recuperación del propano del fondo de la deetanizadora disminuye debido as que se eliminan mayor cantidad de líquidos en el separador de entrada el cual actúa como aceite liviano así aumentando el volumen de metano y etano alimentando la deetanizadora lo cual disminuye la recuperación del C3.
  7. La temperatura del fondo de la deetanizadora aumenta por cuanto se recupera menor volumen de propano

 

 

Tabla 8. Impacto de la fracción pesada sobre las propiedades de las corrientes combinadas del LGN “9ª”, y “9B”

 

 

 

Tabla 9. Impacto de la fracción pesada sobre la recuperación de propano

 

 

El vapor del tope de la deetanizadora es comprimido de 1450 kPa (210.3 lpca) a la presión del gas de alimentación de 4000 kPa (580 lpca) por el compresor de reciclaje (“K-100”) y enfriado a la temperatura de este gas a  30 °C (86 °F) en el IC  “E-101”. El liquido del depurador de  succión del  compresor es reciclado y combinado con la alimentación de la deetanizadora por la bomba de reciclaje. La Tabla 9 presenta la potencia de compresión y de bombeo y los requerimientos de carga térmica del IC “E-101”. La Tabla 9 indica que mientras la fracción pesada se pronuncia más, las potencias del compresor de reciclaje y la bomba disminuyen por cuanto la corriente de reciclaje disminuye.

 

Tabla 10.

Impacto de los pesados en el compresor de reciclaje, la bomba y enfriador

 

 

RESUMEN:

El análisis de la alimentación y/o caracterización  de la fracciones pesadas en el gas natural juegan un papel muy impactante en el dimensionamiento de los equipos y diseño de proceso. Análisis de esta corriente puede cambiar cuando se incorporan distintos pozos de composiciones ligeramente distintas a la facilidad de producción. Este previo ha demostrado el impacto de las fracciones pesadas en el gas de alimentación sobre las corrientes dentro del proceso, su comportamiento de fases, dimensiones de los equipos y los requerimientos de refrigeración debido al cambio de los C7+ con n-heptano (nC7), y n-octano (NC8). Todas la demás especificaciones y condiciones de operación no fueron alteradas.

 

Como denostado en el previo, sería muy buena práctica poder dimensionar los equipos con margen de diseño de 1.2 a 1.3 para incorporar los eventuales cambios en las condiciones de composición y caracterización de las fracciones pesadas del gas de alimentación

 

To learn more about similar cases and how to minimize operational problems, we suggest attending ourG4 (Gas Conditioning and Processing), G5 (Practical Computer Simulation Applications in Gas Processing) and G6 (Gas Treating and Sulfur Recovery) courses.

 

By: Dr. Mahmood Moshfeghian

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References

1. Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2019/01/optimizing-performance-of-refrigeration-system-with-an-external-sub-cool-economizer/,  PetroSkills -John M. Campbell Tip of the Month, January 2019.

2. Campbell, J.M., “Gas Conditioning and Processing, Volume 1: The Fundamentals,” 9th Edition, 3rd Printing, Editors Hubbard, R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum

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

4. UniSim Design R443, Build 19153, Honeywell International Inc., 2017.

 

 

Appendix

 

Figure 1A. Phase diagrams for the key streams for the case of nC7 as the heavy end

 

 

Figure 2A. Phase diagrams for the key streams for the case of nC8 as the heavy end

 

Table 1A. Impact of heavy ends on the flow rates of streams “3” and “8”