En el último Previo del Mes (PDM/TOTM), hemos demostrado que una de las primeros problemas a ser resuelto por el Ingeniero de Procesos trabajando en una Planta de Gas o facilidad de producción se identifica en donde opera la planta con relación con el diagrama de fases del gas. Un conocimiento general, sino uno detallado, permitirá al Ingeniero de Diseño, y el Operador de la Facilidad tomar decisiones inteligentes que impactan significativamente la utilidad de una facilidad de producción.
La mejor manera de prevenir la formación de hidratos (y corrosión) es mantener las cañerías, tuberías, y equipos secos del agua libre. En este PDM demostraremos como se desplazan las curvas del punto de rocío e hidratación a través de un diagrama de fases convencional mientras que se deshidrata un gas natural.
Caso en Estudio:
Para poder demostrar el comportamiento fásico de los gases naturales conteniendo agua y el impacto del contenido de agua sobre las temperaturas de punto de rocío, e hidratación, consideremos el gas natural indicado en la Tabla 1. Para generar los diagramas en este PDM, hemos aplicado el ProMax [1] el cual se basa en la ecuación de estado Peng-Robinson (PR EDE/EOS) [2].
Tabla 1. Composición del Gas Seco
| Component | Mole % |
| C1 | 80.0 |
| C2 | 10.0 |
| C3 | 4.0 |
| iC4 | 3.0 |
| nC4 | 3.0 |
| Sum | 100.0 |
Resultados y Discusión:
La Figura 1 presenta la envolvente de fases, formación de hidratos, y curvas de punto de rocío de este gas con un contenido de agua de 0.06 porcentaje molar, equivalente a 28.5 lbm/MMPCS (456 kg/106 Sm3).Nótese que a una presión de aproximadamente 414 lpca (2854 kPa), la curva de punto de rocío se ubica ligeramente a la izquierda de la línea de formación de hidratos. Esto indica que el gas se encuentra sub saturado con agua a presiones menores que este nivel. Esto también indica que se encuentra termodinámicamente inestable y no formará en fase líquida de agua. Toda el agua se convierte a un hidrato y este estado se identifica como el estado de equilibro ¨meta-estable¨. Para mayor detalle sobre este estado meta-estable, vea el PDM de Diciembre 2010. Comportamiento similar se demuestra en la Figura 2 para la cual el contenido de agua se redujo a 0.0247 porcentaje molar, equivalente a 20.3 lbm/MMPCS (324.6 kg/106 Sm3). En este caso las curvas del punto de rocío de agua, y de hidratación se cruzan a una presión mayor que 1000 lpca (6895 kPa). A presiones menores que ésta el gas es sub-saturado y posee un estado de equilibrio meta estable. De esta manera, la curva del punto de rocío de agua se ubica a la izquierda de la de formación de hidratos., pero más arriba de la presión de intersección se desplaza a la derecha de la curva de formación de hidratos donde el contenido de agua es mayor que el de saturación.
(Figura 1. Curvas de envolvente de fases, formación de hidratos y de punto de rocío para un gas natural con contenido de agua de 0.06 % molar, equivalente a 28.5 lbm/MMPCS (456 kg/106 Sm3).)
La Figura 3 presenta la superimposición de las Figuras 1, y 2 conteniendo curvas de punto de rocío y formación de hidratos para dos contenidos de agua (0.06 and 0.0427 mole%). Nótese que las curvas de formación de hidratos de ambos casos coinciden uno con otro para presiones mayores que 1000 lpca (6895 kPa) .
La Figura 4 presenta el diagrama de fases junto con las curvas de punto de rocío de agua y formación de hidratos para el mismo gas mientras que el contenido de agua se redujo a 0.0427, 0.03, 0.0148, and 0.00422 % mole correspondientes a 20.3, 14.2, 7, 2 lbm/MMPCS (324.6, 228, 112, 32 kg/106 Sm3) respectivamente. Nótese para todos los casos en donde el gas es sub saturado con agua, las curvas del punto de rocío se ubican a la izquierda de las curvas correspondientes de formación de hidratación. Bajo ésas condiciones el estado de equilibrio es termodinámicamente inestable (meta-estable), y no formará una fase libre acuosa. Sin embargo, si el contenido de de agua es mayor que su punto de saturación, el punto de rocío de agua se ubicará a la derecha de la curva de formación de hidratos y se formaría un fase libre acuosa.
(Figura 2. Curvas para el diagrama de fases, formación de hidratos, y punto de rocío de agua para un gas natural con contenido de agua de 0.0427 % molar equivalente a 20.3 lbm/MMPCS (324.6 kg/106 Sm3))
(Figura 3. Curvas para el diagrama de fases, formación de hidratos, y punto de rocío de agua para un gas con contenido de agua de 0.0427, y 0.06 % molar)
Conclusiones
Hemos demostrado el impacto del contenido de agua sobre el comportamiento de fases de un gas natural. El énfasis fue colocado en la interacción de las curvas del punto de rocío de agua, y la de hidratación. Fue demostrado que la ubicación relativa de las curvas del punto de rocío del agua, y la de formación de hidratos con respecto de una con la otra es una función importante del contenido de agua. También fue demostrado para los casos donde el contenido de agua es mayor que el punto de saturación, la curva del punto de rocío se ubica a la derecha de la curva de hidratación. Bajo estas condiciones se condensa el agua libre y los hidratos pueden formarse si las condiciones son las precisas. Esto es lo que normalmente se espera como se expone en los textos. Sin embargo, si el contenido de agua es sub saturado, la curva del punto de rocío se ubica a la izquierda de la de hidratación, y el estado de equilibrio es inestable en términos termodinámicos (meta-estable), y formará una fase libre acuosa.
Como fuera discutido en el PDM del mes pasado, ingenieros de facilidades deben determinar la manera en que esta ocurrencia impacta sus operaciones. Estos diagramas de fase sugieren que, a bajas concentraciones de agua, los hidratos pueden precipitarse aun cuando del agua libre no esté presente. Efectivamente este fenómeno ha sido observado. A condiciones criogénicas, cuando el agua es removida por las tamices moleculares, la cantidad de agua meta-estable es de cantidad mínima, por lo cual no debe causar problemas operacionales.
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By: Dr. Mahmood Moshfeghian
Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford
Reference:
- ProMax 3.2, Bryan Research and Engineering, Inc, Bryan, Texas, 2010.
- Peng, D. Y. and Robinson, D. B., I. and E. C. Fund, Vol. 15, p. 59, 1976.
(Figura 4. Curvas de punto de rocío, formación de hidratos , y diagrama de fase para un gas natural de contenido de agua entre 0.0427 a 0.00422 % molar )
One comment
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