Endulzamiento con Membranas: Experiencias en Yucal Placer

Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
ENDULZAMIENTO CON MEMBRANAS:
EXPERIENCIAS EN YUCAL PLACER
AUTOR: ACOSTA WENCES, GONZALEZ CESAR, UZCATEGUI ELIO
INTRODUCCION
El Campo Yucal, ubicado en el Estado Guárico, se caracteriza por presentar
formaciones de yacimientos de gas seco sometidos a altas temperaturas, cuya
composición molar presenta valores de CO2 que varían entre 12-25% mientras que
los niveles de H2S encontrado oscilan entre 18-40 ppm. Se estima que valores
superiores de estos parámetros estén presentes en las formaciones mas profundas.
Cualquier desarrollo a implementar en este campo necesariamente debe
contar con un sistema de tratamiento adecuado que garantice el cumplimiento de la
normativa vigente. En la actualidad, este requerimiento se ubica para el CO2 en
8,5%, para el H2S en 12 ppm y para el H2O en 7 lbs/MMpcn. Sin embargo, esta
exigencia se torna más estricta a corto plazo. Para el 2013, se estima que todo el
sistema de distribución del país debe transportar gas, entre otras cosas, con
concentraciones de CO2 a 2%, H2S a 4,16 ppm y H2O a 5,6 lbs/MMpcn.
El sistema de endulzamiento utilizado en Yucal Placer consiste en unidades
de membranas poliméricas. La separación en este tipo de membranas se basa en
que los gases se disuelven y difunden a través de ellas. Una corriente de gas con
presencia de CO2, H2S y H2O es transformada en otras dos al pasar a través del
sistema. Se obtiene una corriente residual o tratada de menor concentración de CO2,
H2S y H2O, cuyos valores dependen de las condiciones de operación del sistema (P,
T y Q); del número y dimensiones de las membranas utilizadas así como del nivel de
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selectividad y permeabilidad de las mismas. De la misma manera, otra corriente de
permeado con concentraciones mayores de CO2, H2S y H2O es obtenida.
Este trabajo presenta un resumen de las experiencias obtenidas en el Campo
Yucal Placer utilizando ese sistema de endulzamiento y trata de ilustrar, entre otras
cosas, la configuración y condiciones de operación, los problemas operativos
encontrados, los agentes que afectan el funcionamiento adecuado del sistema y
algunas de las acciones tomadas para enfrentarlos.
Finalmente, se hace un análisis comparativo de dos (2) tipos de membranas
utilizado bajo conceptos de rendimiento y eficiencia, resaltando en función de las
experiencias obtenidas nuestra percepción sobre este sistema de tratamiento.
CONSIDERACIONES TEORICAS
Una membrana es definida como una barrera que separa 2 sistemas conexos
y restringe el transporte de varios componentes de un sistema a otro de una manera
selectiva. Para atravesar una membrana, es necesaria la existencia de un gradiente
de potencial químico. Para gases, ese gradiente es a menudo aproximado a la
diferencia de presiones parciales entre la alimentación (sistema de presión parcial
alta) y permeados (sistema de presión baja). Para líquidos, ese gradiente viene dado
por la diferencia de concentraciones entre un sistema y otro.
Independientemente, de que los componentes sean líquidos o gases, el
proceso de permeación a través de membranas de solución - difusión consiste de 3
etapas. La primera, donde ocurre tanto la absorción como la adsorción de un
componente en el material de la membrana. La segunda, donde se difunde el
componente previamente disuelto a través de toda la estructura de la membrana, y
una tercera etapa llamada “des-absorción” y “des-adsorción” donde el componente
se separa de las membranas y se incorpora en la corriente saliente.
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En gases, el sistema de endulzamiento por separación utilizando membranas
está diseñado para reducir selectivamente el contenido de CO2, H2S y H2O existente
en los gases naturales. La separación está basada en el principio de que los gases
se disuelven y difunden, unos con mayor intensidad que otros, a través de
membranas
de
tipos
poliméricas.
Ciertos
especialmente CO2, H2S y H2O pasarán
componentes
del
gas
natural,
o permearán a través de este tipo de
membranas más rápido que los componentes hidrocarburos presentes en el gas,
debido a la diferencia de solubilidad de estos componentes en el polímero y a la
variación de la tasa a la cual ellos se difunden a través de la estructura de las
membranas poliméricas.
Para un sistema que contiene CO2 y CH4, siendo el CO2 el componente más
permeable en membranas poliméricas pasará más rápido a través de ellas hacia el
lado de menor presión conformando la corriente de permeado. El CH4 permanece del
lado de mayor presión y sale por la corriente tratada como un residuo prácticamente
sin pérdidas de presión. La corriente residual sale con mayor concentración de CH4 y
la corriente de permeado sale con mayor concentración de CO2. Básicamente, los
componentes que permean más rápido (CO2) saldrán enriquecidos en la corriente de
permeado de menor presión mientras que aquellos más lentos (hidrocarburos)
estarán más concentrados en la corriente residual de mayor presión.
Figura Nº 1: Flujo en el Elemento de Membrana
La velocidad de permeación es el producto del término relacionado con la solubilidad
de un componente en el material polimérico y que determina la cantidad de ese
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componente presente en las membranas mientras que el término de movilidad
señala que tan rápido se mueve la cantidad de componente disuelto en la matriz de
la membrana. Este producto también representa la cantidad de ese componente que
pasa a través de las membranas; es decir el permeado de ese componente.
En sistemas ideales, los términos de solubilidad y movilidad serian constantes
llamadas coeficientes de solubilidad y difusión, respectivamente. De la misma
manera, en esos sistemas la permeabilidad representaría una constante resultante
del producto de ambos términos. En sistemas reales, estas constantes son en
realidad tensores, donde las propiedades no solo varía en dirección y sentido
dependiendo de la homogeneidad é isotropía del material, sino también con el tiempo
en la medida que el material de membranas se degrada por uso.
S = F(x, y, z, q);
M = F(x, y, z, q) y
K = F (x, y, z, q)
La separación de componentes de gas por membranas es un proceso
impulsado por las diferencias de concentraciones, que para el caso de gases, está
directamente relacionada con la presión de entrada de gas a las membranas y por la
presión de los permeados. La separación de cada componente, en realidad, es
controlada por la diferencial de presión parcial de cada componente que pasa a
través de las membranas poliméricas. En su expresión más sencilla, la ecuación
resultante seria:
Qxpermeado = Nelementos Kx ∆P’x = Nelementos Kx* (Cxalimentacion P’promedio entrada - Cxpermeado P’permeado)
El grado de separación de los componentes del gas está controlado por la
selectividad de las membranas, definida como la relación KCO2/KCH4, y por los
condiciones de separación (P, T, Q, C). Para un área de membrana dada, la presión
de entrada, la presión de permeado, la selectividad o factor de separación
determinaran la eficiencia de operación; es decir la cantidad y composición del gas
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que va a permear. La permeabilidad del CO2 determinará la cantidad de área de
membrana que se requieren para lograr un determinado valor de especificación.
Esta eficiencia se puede medir determinando la cantidad de CO2 que es
removida en el proceso y que llamaremos rendimiento “Rco2” definida de la siguiente
manera:
Rco2 = (Qalimentacion Xco2 alimentacion – Qtratado Xco2 tratado) / Qalimentacion Xco2 alimentacion
En cualquier sistema de membranas, se puede caracterizar la variación de la
permeabilidad, selectividad y rendimiento producto del uso y desgaste a que han sido
sometidas las membranas para unas condiciones de operación determinadas. Esta
caracterización sirve de base para modelar y predecir el comportamiento futuro de
las mismas.
SISTEMA DE PRODUCCION - PROCESO
Las operaciones en el campo Yucal Placer están conformadas por 2 Cluster
de pozos, 1 localizados al Sur (S1) y el otro localizado al Norte (N1) de las facilidades
de producción central (CPF) instaladas. La corriente de gas proveniente del Cluster
del Sur, situado a 20 Kms de CPF, es enfriada para garantizar la solución y efectivo
funcionamiento de un anticorrosivo que es añadido a la misma. La corriente del
Cluster del Norte, situado a 100 mts de CPF, se mezcla con la corriente del Sur antes
de ser recibida en un slug catcher en CPF donde 95% del volumen de agua
producido es recolectado. El restante 5% de agua producida, proviene de la
condensación inducida, luego del slug catcher, al enfriar adicionalmente el gas antes
de su incorporación a una torre contactora utilizada como separador primario y luego
en una unidad MFS.
El gas es posteriormente pasado a un sistema de pre-tratamiento consistente
en un filtro coalescente, un horno, un filtro de carbón activado y otro pulidor. El
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propósito de este sistema es garantizar la inexistencia de agua liquida y/o
hidrocarburos pesados y aumentar la temperatura (15 ºC) de la corriente de entrada
a las unidades de membranas a los efectos de evitar condensación de líquidos en
ella. Finalmente, el gas es enviado a 2 unidades de membranas donde la separación
de CO2, H2S y H2O ocurre.
El gas tratado resultante del proceso de separación, es colocado a la venta
mientras que el gas permeado con alto contenido CO2, H2S y H2O es quemado de
manera temporal, hasta lograr el almacenamiento adecuado del mismo a condiciones
de yacimientos.
Figura Nº 2: Diagrama del Sistema de Producción- Proceso
UNIDADES DE MEMBRANAS
A.- Configuración del Sistema:
El sistema de endulzamiento consiste de 2 unidades de tratamiento
independientes capaces de procesar hasta 65 MMPCND de gas cada una. Cada
unidad puede alojar un determinado número de membranas. Este número puede
variar dependiendo del tipo de membranas que se utilicen, de las condiciones de
operación y de la eficiencia mostrada por ellas en el proceso de separación. Cada
unidad de membranas esta conformada por 6 bancos de 4 tubos cada uno con
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capacidad para colocar en cada tubo hasta 8 membranas.
Un total de 192
membranas podrían ser instaladas en cada unidad de endulzamiento.
La figura siguiente muestras una vista lateral de una de las unidades de
membranas instaladas en el campo Yucal Placer
Figura Nº 3: Diagrama del Sistema de Producción- Proceso
Cada banco puede contener una configuración de membranas con diferentes
niveles de degradación y tiempo de uso, permitiendo la oportunidad, inclusive de
probar modelos distintos, tal como es ilustrado abajo. En Yucal Placer, se han
utilizados 3 modelos diferentes de membranas. A los efectos del presente trabajo, las
denominaremos tipo 1, tipo 2 y tipo 3, siendo las 2 primeras provenientes de un
mismo proveedor.
Figura Nº 4: Configuración de Tipos y Elementos de Membranas
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B.- Programa de Seguimiento de Comportamiento
El comportamiento de cada banco, cada tren y de todo el sistema de
membranas puede ser monitoreado mediante análisis periódicos de sus corrientes de
entrada y salida. Cada banco contiene una corriente de entrada, una de tratado y dos
de permeado. El cuadro abajo presenta una típica ronda semanal de análisis
cromatográficos de laboratorio “banco por banco” para un tren de membranas.
Tabla Nº 1: Análisis Cromatográfico Banco por Banco en MB 870
En líneas generales, un set completo de medición debería incluir la posibilidad
determinar para cada banco, para cada tren de membrana y para todo el sistema
completo de endulzamiento:
- Presión, Temperatura y Flujo de Entrada
- Presión, Temperatura y Flujo de Permeado
- Presión, Temperatura y Flujo de Tratado
- CO2entrada, CO2tratado y CO2permeado
A continuación se presentan algunas de las graficas que se utilizan para hacer
seguimiento continuo de las membranas en el campo Yucal Placer.
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SISTEMA DE MEMBRANAS
CO2 ENTRADA, TRATADO y PERMEADO
60
2,000
CO2 (%)
Permeado
56
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
CO2 (%)
Alimentación
MB-0860: CB5 (30jun07)
48
%CO2 Tratado
Membranas
44
Selectividad
MB-0860: APEB2 (01nov07)
40
36
S1: DB-PLA13 (14dic07)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)
32
CO2(%)
1,500
TV-0851: Ajuste T (53°C) (17jul07)
MB-0870: CPEB1 (04jul07)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
S1: Tratam iento escal a PLA13
(09oct07)
MB-0860: AB5 (27feb08)
28
1,000
MB-0860: APEB4 (28feb08)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
24
CPF: Trabajo Pozos S1 Limpieza MB-0860 (7ago07)
20
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 y B5 (2-4 UOP)
Cambio carbón / cerámica (26-28jun07)
MB-0860: APSB6 (2sep07)
MB-0870: Cambio B1. B2 y B3. Apertura B1
(01abr08)
CPF: Prueba TEG (22feb08)
SELECTIVIDAD
MB-0860: CB4 (02jul07)
52
MB-0860: AB4 (04mar08)
MB-0860: CPSB2 (20nov07)
16
0,500
12
MB-0860: CB2 (21nov07)
MB-0870: APEB1 (26jul07)
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
8
26-jul-08
26-jun-08
26-may-08
26-abr-08
26-mar-08
26-feb-08
26-ene-08
26-dic-07
26-oct-07
26-nov-07
CPF: Parada d e Planta
Limpieza elementos (14nov07)
26-sep-07
26-ago-07
26-jun-07
26-may-07
26-abr-07
26-mar-07
26-feb-07
26-ene-07
0
26-jul-07
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1
(12sep07) SD2 CPF & SD2 S1 (13sep07)
APEB1 MB-0870 (14sep07)
4
0,000
Fecha
Figura Nº 5: Comportamiento de CO2 Tratado, Permeado y Selectividad en Membrana
SISTEMA DE MEMBRANAS
FLUJO DE ENTRADA, TRATADO y PERMEADO
110
105
60
Aliment.Membranas (MMPCND)
TV-0851: Ajuste T (53°C) (17jul07)
100
MB-0860: APSB6 (2sep07)
Gas Tratado (MMPCND)
CPF: Prueba TEG (22feb08)
95
S1: Tratamiento escala PLA13
(09oct07)
MB-0860: CB2 (21nov07)
Permeado (MMPCND)
50
85
80
40
70
MB-0870: AB1 (01abr08)
MB-0860: APSB2 (15feb08)
65
CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)
60
55
30
S1: DB-PLA13 (14dic07)
50
45
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 y B5 (2-4 UOP)
Cambio carbón / cerámica (26-28jun07)
40
MB-0860: CB5 (30jun07)
CPF: Parada d e Planta
Limpieza elementos (14nov07)
CPF: MB-0870:
25
Cambio B1, B2 y B3. AperturaB1.
(01abr08)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
20
MB-0860: AB4 (04mar08)
MB-0870: CPEB1 (04jul07)
26-dic-08
26-nov-08
26-oct-08
26-sep-08
26-ago-08
26-jul-08
26-jun-08
26-may-08
26-abr-08
26-mar-08
26-feb-08
26-ago-07
26-jul-07
26-jun-07
26-may-07
26-abr-07
26-mar-07
26-feb-07
MB-0860: APEB2 (12ene08)
26-ene-08
MB-0870: APEB1 (26jul07)
26-dic-07
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1
(12sep07) SD2 CPF & SD2 S1 (13sep07)
APEB1 MB-0870 (14sep07)
5
26-ene-07
MB-0860: AB5 (27feb08)
MB-0860: CPSB2 (20nov07)
26-nov-07
10
10
MB-0860: APEB2 (01nov07)
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
26-oct-07
15
Fecha
20
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
30
0
MB-0860: APEB4 (28feb08)
MB-0860: CB4 (02jul07)
35
QgPERMEADO(MMPCND)
CPF: Trabajo Pozos S1 Limpieza MB-0860 (7ago07)
75
26-sep-07
QgENTRADAyTRATADO(MMPCND)
90
0
Figura Nº 6: Comportamiento de Flujos en Membrana
C.- Análisis de Funcionamiento del Sistema
Para una determinada condición de operación (P, T), utilizando la información
señalada anteriormente, las variables rendimiento, selectividad y permeabilidad
pueden ser calculadas para cada banco y así determinar como varía su nivel de
deterioro en el tiempo. Si suponemos que no existen agentes externos afectando el
comportamiento de membranas, que las instalaciones mecánicas se hicieron
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adecuadamente y que la conformación interna de cada elemento de membranas es
similar, entonces la degradación debería ser una función directa del uso o cantidad
de gas procesado por cada elemento de membrana bajo las misma condiciones de
operación, por lo tanto debería ser posible obtener pseudo-valores de estos
parámetros por cada banco, muy a pesar de que se sabe que la cantidad de gas
procesado por el primer elemento es superior al último elemento en cada banco.
Esta información en su conjunto permitirá caracterizar los modelos de
simulación de membranas que posteriormente serán utilizados para realizar los
estimados de comportamiento futuro. De la misma forma, permite hacer un análisis
comparativo por banco identificando los grados de deterioro para precisar cuales
necesitan reemplazo o alguna otra acción adicional.
SISTEMA DE MEMBRANAS
Permeabilidad, Rendimiento, Selectividad y Tratado
85
3,0
Temp.Aliment. (°C)
80
75
MB-0860: CB5 (30jun07)
Reducción CO2 (%)
MB-0860: CB4 (02jul07)
Selectividad
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
70
TV-0851: Ajuste T (53°C) (17jul07)
2,6
Perm.CO2 Normalizada
CPF: Parada de Planta
Limpieza elementos (14nov07)
Perm.C1 Normalizada
2,4
MB-0870: APEB1 (26jul07)
65
MB-0870: CPEB1 (04jul07)
MB-0860: CPSB2 (20nov07)
CPF: Cierre parcial by-pass
(21-22ago07)
60
S1: DB-PLA13 (16ene08)
2,2
S1: DB-PLA13 (14dic07)
CPF: Prueba TEG (22feb08)
2,0
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
55
MB-0860: CB2 (21nov07)
MB-0860: APEB2 (01nov07)
MB-0870: AB1 (01abr08)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
1,8
CPF: MB-0870.Cambio B1, B2 y B3 (2-4UOP)
(01abr08)
50
MB-0860: AB4 (04mar08)
45
1,6
MB-0860: APSB2 (15feb08)
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 y B5 (2-4 UOP)
Cambio carbón / cerámica (26-28 jun07)
MB-0860: APEB4 (28feb08)
MB-0860: AB5 (27feb08)
40
1,4
MB-0860: APSB6 (2sep07)
35
S1: Tratam iento escala (PLA13
(09oct07)
Kco2yKch4
T(C); CO2tratado(%
), R(%
)
2,8
%CO2 Tratado Membranas
1,2
MB-0870: AB1 (01abr08)
30
1,0
25
0,8
20
CPF: Trabajo Pozos S1
Limpieza MB-0860 (7ago07)
15
0,6
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1
(12sep07) SD2 CPF & SD2 S1 (13sep07)
APEB1 MB-0870 (14sep07)
0,4
10
26-jul-08
26-jun-08
26-m
ay-08
26-abr-08
26-m
ar-08
26-feb-08
26-ene-08
26-dic-07
26-nov-07
26-oct-07
26-sep-07
26-ago-07
26-jul-07
26-jun-07
26-m
ay-07
26-abr-07
26-m
ar-07
0,0
26-feb-07
0,2
0
26-ene-07
5
Figura Nº 7: Comportamiento de Rendimiento, Selectividad y Permeabilidad en Membranas
En la gráfica superior se muestra una porción histórica de las variables antes
señaladas para todo el sistema de membranas. Se puede precisar como ocurre el
nivel de degradación, la estrecha correlación que existe entre permeabilidad,
selectividad y rendimiento y como los distintos eventos y acciones tomadas afectan
su comportamiento.
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En las 4 imágenes siguientes, se presentan un típico análisis banco por banco
de un tren de membranas, en el cual se pueden precisar, entre otras cosa, la
diferencia notable en comportamiento de las membranas tipo 1 y tipo 2, siendo que
los bancos 5 y 6 contienen membranas tipo 2 mientras que los restantes son de tipo
1. De igual manera, se puede observar como el banco 1 sufre un desperfecto,
determinado posteriormente como de tipo mecánico, luego de haber sido
intencionalmente cerrado su lado de permeado de entrada para tratar de disminuir el
porcentaje de CO2 que va a la corriente de permeado.
16
MB-0860: CPEB1 (04jul07)
CPF: Trabajo Pozos S1
Limpieza MB-0860 (7ago07)
14
CPF: Prueba TEG (22feb08)
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1
(12sep07) SD2 CPF & SD2 S1 (13sep07)
APEB1 MB-0870 (14sep07)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
CB2-0870: CB3 801abr08)
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 y B5 (2-4 UOP)
Cambio carbón / cerámica (26-28jun07)
12
MB-0870:CB2 (01abr08)
S1: DB-PLA-13 (14dic07)
10
MB-0860: CB2 (20-21nov07)
MB-0860: CB4 (02jul07)
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
MB-0860: CB5 (30jun07)
8
S1: DB-PLA13 (16ene08)
CPF: Parada de pl anta
limpieza membrana (14nov07)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
S1: Tratamiento escala PLA13 (09oct07)
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
M8-0870: AB1 (2-4UOP) (01abr08)
6
MB-0860: APSB6 (02sep07)
CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)
4
2
27-jul-08
27-jun-08
27-may-08
27-abr-08
27-mar-08
%CO2 Tratado Banco 2
%CO2 Tratado Banco 4
%CO2 Tratado Banco 6
27-feb-08
27-ene-08
Tratado Banco 1
Tratado Banco 3
Tratado Banco 5
Alimentación
27-dic-07
27-nov-07
27-oct-07
27-sep-07
27-ago-07
27-jul-07
27-jun-07
27-may-07
27-abr-07
27-feb-07
27-mar-07
%CO2
%CO2
%CO2
%CO2
27-ene-07
13,0
12,5
12,0
11,5
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
CO2ENTRADA(%)
CO2TRATADO(%)
SISTEMA TREN 860 DE MEMBRANAS
Analisis Tratado Banco por Banco
0
Figura Nº 8: Comportamiento Banco por Banco de CO2 Tratado en MB 870
%CO2 permeado Entrada Banco 1
%CO2 permeado Entrada Banco 2
%CO2 permeado Entrada Banco 3
%CO2 permeado Entrada Banco 4
%CO2 permeado Entrada Banco 5
27-jul-08
27-jun-08
27-m
ay-08
27-abr-08
27-m
ar-08
27-feb-08
27-ene-08
27-dic-07
27-nov-07
27-oct-07
27-sep-07
27-ago-07
27-jul-07
27-jun-07
27-m
ay-07
27-abr-07
27-m
ar-07
27-feb-07
%CO2 permeado Entrada Banco 6
27-ene-07
CO2(%
)
SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS
Analisis Permeado Banco por Banco
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
Fecha
Figura Nº 9: Comportamiento Banco por Banco de CO2 Permeado de entrada en MB 870
XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS
Analisis Rendimiento Banco por Banco
100
Reducción CO2 (%) B1-0870
95
Reducción CO2 (%) B2
90
Reducción CO2 (%) B3
Reducción CO2 (%) B4
85
Reducción CO2 (%) B5
80
Reducción CO2 (%) B6
75
R
endim
iento(%
)
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
01-Jul-08
01-Jun-08
01-M
ay-08
01-A
br-08
01-M
ar-08
01-Feb-08
01-E
ne-08
01-D
ic-07
01-N
ov-07
01-O
ct-07
01-S
ep-07
01-A
go-07
01-Jul-07
01-Jun-07
01-M
ay-07
01-A
br-07
01-M
ar-07
01-Feb-07
10
01-E
ne-07
15
Fecha
Figura Nº 10: Comportamiento Banco por Banco de Rendimiento en MB 870
SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS
Analisis Permeabilida CO2 Banco por Banco
2,4
2,2
Permeab.
Permeab.
Permeab.
Permeab.
Permeab.
Permeab.
2,0
Perm
eabilidadCO2
1,8
1,6
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
Normalizada
Normalizada
Normalizada
Normalizada
Normalizada
Normalizada
B1
B2
B3
B4
B5
B6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
01-Jul-08
01-Jun-08
01-M
ay-08
01-Abr-08
01-M
ar-08
01-Feb-08
01-Ene-08
01-Dic-07
01-Nov-07
01-O
ct-07
01-Sep-07
01-Ago-07
01-Jul-07
01-Jun-07
01-M
ay-07
01-Abr-07
01-M
ar-07
01-Feb-07
0,0
01-Ene-07
0,2
Figura Nº 11: Comportamiento Banco por Banco de Permeabilidad en MB 870
En los gráficos siguientes se muestra un análisis comparativo de los diferentes
tipos de membranas. Se pueden observar como las membranas tipo 3 no alcanzan
los niveles de degradación y presentan mejor rendimiento que las membranas tipo 1
y 2, y además sufren un proceso de regeneración hasta ahora no completamente
entendido, luego de un breve periodo de desuso, que no se manifiesta en los
restantes tipo de membranas. Sin embargo, las membranas tipo 1 y 2 presentan
mejores valores de CO2 en la corriente de permeado. Las membranas tipo 2 se
comportan mejor en toda sus facetas que las membranas tipo 1.
XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
Figura Nº 12: Comportamiento Comparativo de CO2 Tratado para diferentes Tipos de Membranas
Figura Nº 13: Comportamiento Comparativo de CO2 Permeado para diferentes Tipos de Membranas
Figura Nº 14: Comportamiento Comparativo de Rendimiento para diferentes Tipos de Membranas
XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
D.- Agentes Externos que afectan el Sistema
AGUA, GLICOL E HIDROCARBUROS PESADOS
El sistema de membranas inicialmente configurado contemplaba un sistema
de deshidratación del gas con glicol previo a un sistema de pre-tratamiento y
aumento de la temperatura antes de su llegada a membranas. Durante la fase inicial
de implementación en Diciembre de 2004, el sistema de membranas cargado con
membranas tipo 1 se deterioro rápidamente no pudiendo extender su vida útil más
allá de 3 semanas. Entre las razones aparentemente sugeridas para explicar tal
comportamiento figuraba la presencia líquidos tal como de agua, partículas de glicol
y/o hidrocarburos pesados.
Análisis extendidos de la composición del gas demostró que la concentración
de aquellos componentes hidrocarburos pesados presentes en el gas era muy
pequeños como para afectar el comportamiento de membranas, por lo que las
razones estaban mayormente dirigidas a la presencia de agua y/ glicol.
Se hicieron modificaciones utilizando “deep cut” para dividir la corriente de gas
y enviar al sistema de membranas una porción de gas que no pasaría por la torre de
TEG. Este gas luego de ser procesado, se mezclaría con la corriente que se
deshidrataba en TEG, pero que no era procesada por membranas. Si bien el
comportamiento mejoró notablemente en comparación con la experiencia inicial, aun
los niveles de degradación eran superiores a los estimados por los proveedores
(20% anual), por lo que se asumió que la presencia de agua podría ser la razón.
Se instalo un MFS (filtro coalescente de alta capacidad), se eliminó la torre
TEG para colocar toda la corriente a través de membranas y se instaló un sistema de
seguimiento de agua mediante drenajes en los puntos de la tubería. Los resultados
confirmaron la existencia de agua en fase liquida previo al sistema de membrana,
luego de un corte periodo de operación sin presencia de agua.
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
Finalmente se re-instaló la torre TEG y se utilizó como separador primario
previo al MFS. Los resultados señalaron la presencia de agua en el sistema de pretratamiento, luego de un periodo ligeramente más extenso que el anterior.
Posteriormente, la torre TEG fue utilizada como deshidratador bajo el supuesto de
que el MFS detendría las gotas de glicol que pudiese ser arrastrada.
Los resultados están ilustrados en la grafica de abajo. La degradación de
membranas aún con la presencia de agua se ubicaba alrededor del 30% anual,
durante la prueba con glicol alcanzó niveles alarmantes de deterioro. Por el contrario,
luego de finalizada la prueba y suspendida la utilización de glicol no se detectó la
presencia de agua por 34 días en el pre-tratamiento y el comportamiento de
membranas resultante era completamente estabilizado.
EFECTOS DEL AGUA y GLICOL
Permeabilidad, Rendimiento, Selectividad y Tratado
S1: DB-PLA13 (16ene08)
60
3,0
58
CPF: Prueba TEG (22feb08)
2,8
56
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
54
MB-0870: AB1 (01abr08)
52
2,6
CPF: MB-0870.Cambio B1, B2 y B3 (2-4UOP)
(01abr08)
50MB-0860: APEB2 (12ene08)
48
MB-0860: APSB2 (15feb08)
46
2,4
MB-0860: AB4 (04mar08)
MB-0860: APEB4 (28feb08)
2,2
MB-0860: AB5 (27feb08)
42
40
INEXISTENCIA DE AGUA
PRESENCIA DE AGUA
38
2,0
Temp.Aliment. (°C)
%CO2 Tratado Membranas
36
Reducción CO2 (%)
PRUEBA TEG
34
1,8
Selectividad
Perm.CO2 Normalizada
32
1,6
Perm.C1 Normalizada
30
28
1,4
26
24
Kco2yKch4
T(C); CO2tratado(%
), R(%
)
44
1,2
MB-0870: AB1 (01abr08)
22
20
1,0
18
16
0,8
14
12
0,6
10
8
0,4
6
4
0,2
20-m
ay-08
13-m
ay-08
06-m
ay-08
29-abr-08
22-abr-08
15-abr-08
08-abr-08
01-abr-08
25-m
ar-08
18-m
ar-08
11-m
ar-08
04-m
ar-08
26-feb-08
19-feb-08
12-feb-08
05-feb-08
29-ene-08
22-ene-08
15-ene-08
08-ene-08
0
01-ene-08
2
0,0
Figura Nº 15: Efectos de Glicol y Agua sobre Membranas
CARBÓN ACTIVADO
Durante una programada se sobrecargó la cantidad de carbón activado
excediendo los límites de altura de diseño del filtro contenedor. Esto originó un efecto
de desintegración en pequeñas partículas del carbón colocado en exceso en la parte
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
superior del filtro que posteriormente migró hacia el filtro “polishing” que colapsó
luego
de
alcanzar
su
presión
de
estallido.
El
carbón
activado
migró
considerablemente hasta membranas aumentando la presión diferencial en la
corriente de alta presión, tal como es ilustrado en la graficas siguiente.
Figura Nº 16: Efecto de Migración de Carbón Activado sobre Membranas
El comportamiento de CO2 tratado se degradó ligeramente por reducción del
área de permeado, pero luego de un proceso de limpieza en Noviembre de 2007, las
membranas recuperaron su comportamiento original, por lo que el efecto parece
estar limitado y puede ser parcialmente reversible. No se observó deterioro del
material.
CONCLUSIONES
- El comportamiento de membranas es afectadas por las condiciones de
operación (P, T) del sistema así como del caudal y las concentraciones de CO2, H2S
y H2O existentes en el gas a ser procesado.
- Una versión simplificada de la Ley de Fick´s con caracterización de
permeabilidad y selectividad puede ser utilizada para simular el comportamiento del
sistema si las condiciones de operación no varían mucho. Sin embargo, una
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
formulación que considere las diferencias de presión parciales y de concentraciones
de gas así como las variaciones de temperatura y el área expuesta a permeación se
considera indispensable para caracterizar la variación de la selectividad y
permeabilidad de las membranas en función del volumen de gas procesado.
- Los niveles de degradación de membranas parecen ser más acentuados por
efectos de la presencia de glicol que por agua.
- El impacto de la presencia de carbón activado dentro de cada membrana
parece tener un efecto más atenuado sobre la eficiencia de las membranas que los
otros agente externos, a pesar de que reduce el área de permeación a través de ella
originando un aumento de la presión diferencial. No se observa evidencias de
deterioro en el material de membranas producto de la presencia del carbón activado.
- Las membranas tipo 3 presentan mejor capacidad para reducir la
concentración de CO2, H2S y H2O que las otras mientras que las membranas tipo 2
presentan mejor selectividad (> 50%).
- La velocidad y niveles de degradación de las membranas tipo 3 son menores
a aquellos alcanzados por las restantes. Las membranas tipo1 son las que muestran
mayor degradación y menor resistencia a condiciones adversas.
- Las membranas tipo 3 presentan mejor resistencias a proceso adversos
como paradas no programadas y/o variaciones repentinas de flujo. Además,
muestran un proceso de regeneración; luego de un breve tiempo de desuso hasta
ahora no completamente entendido.
NOMENCLATURAS y UNIDADES
Cxalimentacion = Concentración del componente X en la corriente de alimentación, % molar
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
Cxpermeado= Concentración del componente X en la corriente de permeado, % molar
CO2 = Dióxido de Carbono, adimensional
DP = Diferencial de presión, bar
H2S = Acido Sulfúrico, adimensional
H2O = Agua, adimensional
Kx = Permeabilidad a través de la membrana del componente X, MMPCN/Bar
Nelementos = Numero de elementos de membranas, adimensional
M = Movilidad
P = Presión, bar
P’promedio entrada = Presión promedio de entrada a las unidades de membranas, bar
P’permeado = Presión de salida de las membranas en la corriente de permeados, bar
Q = Flujo de gas, MMPCND
Qxpermeado = Flujo de gas del componentes X en la corriente de permeado, MMPCND
T = Temperatura, ◦C
S = Solubilidad del Componentes en el componente X en el material polimérico de membranas
∆P’x = Diferencias de presiones parciales del componente X, bar
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1.- Meyers, H.S and J.P Gamez, Gas Separation Membranes: Coning Age of
Carbon Dioxide Removal from Natural Gas, presented at the Laurance Reid Gas
Conditioning Conference, page 284, 1995.
2.- Weiland, R.H and J.C. Dingman, Effect of Blend Formulation on Selectivity in
Gas Treating, presented at the Laurance Reid Gas Conditioning Conference, page
268, 1995.
3.- Sanders, E.S, Membrane based CO2 Removal for Oil and Gas Applications,
presented at the Laurance Reid Gas Conditioning Conference, page 284, 2002.
4.- Echt, W., Hybrid Systems: Combining technologies to more Efficient Gas
Conditioning, presented at the Laurance Reid Gas Conditioning Conference, page
284, 2002.
XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008
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