DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN

DESHIDRATACIÓN POR ADSORCIÓN DESARROLLO La adsorción es definida como la adhesión de una capa de moléculas a la superficie de un sólido o un líquido. Esta es su diferencia con la absorción, que es la transferencia de moléculas a través de una interface dentro de un volumen de un sólido o un líquido. Dos tipos de adsorción en sólidos existen 1. Adsorción química , es la unión química de las moléculas a la superficie de los átomos. La quimisorción ocurre cuando un enlace químico, o intercambio de electrones, se forma. El resultado es la fijación de la molécula en la superficie a través de una adsorción química. 2. Adsorción física , la que ocurre por fuerzas del tipo Van der Waals, entre un átomo o una molécula y la superficie. En este caso no existe arreglo electrónico en el sistema y sólo las fuerzas de atracción electrostáticas o atracciones dipolares son puestas en juego, interacción que ocurre sin modificación alguna de la molécula, fisisorción. Adsorción versus absorción:  La

deshidratación con glicol es usada para la mayoría de las aplicaciones donde se requiere la deshidratación del gas natural para cumplir con las especificaciones de transporte en las tuberías, debido a que las unidades de glicol y la operación de las mismas representan menos costos. La deshidratación con lecho solido (también llamada deshidratación con desecante seco o por adsorción) es frecuentemente la alternativa superior en aplicaciones como: 1. La deshidratación a puntos de rocío del agua menores de -40ºF a -58 ºF, tales como aquellos requeridos aguas arriba de las plantas de extracción de LGN utilizando expansores y plantas de LGN. 2. Las unidades de control del punto de rocío de los hidrocarburos donde la extracción simultanea de hidrocarburos y agua es requerida para satisfacer las especificaciones de venta. Esto es usado para controlar el punto de rocío de los hidrocarburos en flujos de gas pobre a altas presiones. 3. Deshidratación y eliminación simultanea de H2S del gas natural 4. Deshidratación de gases que contienen H2S donde la solubilidad del H2S en el glicol puede causar problemas de emisiones 5. Deshidratación y eliminación de compuestos de azufre (H2S, COS, CO2, mercaptanos) para flujos de GLP y LNG. La viabilidad de la desulfuración depende de lo que se hace con la regeneración del gas, porque si el gas se mezcla con residuos este se puede volver acido de nuevo. El proceso de adsorción ocurre tanto en lechos fijos y en lechos móviles (menos usados por la complejidad mecánica). En lechos móviles, la operación es continua con el fluido y el contacto con el adsorbente es en contracorriente. contracorriente. Desecantes sólidos.- Un desecante comercial debe tener afinidad por el agua, una gran área superficial por unidad de volumen, alta resistencia mecánica, resistencia a la abrasión, ser inertes químicamente, y tener un precio razonable. Tres materiales básicos que se usan con frecuencia debido a que poseen estas características en una manera satisfactoria son los que se presenta en la figura 5. Figura 5: Tipos de desecantes sólidos

Alúmina activada.- La estructura del producto es amorfa y no cristalina. Su estructura la alúmina es una forma hidratada del óxido de aluminio (Al2O3). Es usado para deshidratación de líquidos y gases y data pontos de rocío a la salida aproximadamente de -90ºF. Figura 6: Alúmina activada

Características Menos calor es requerido para regenerar alúmina y gel de sílice que para los tamices moleculares 

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La temperatura de regeneración es más baja.

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Los tamices moleculares dan menores puntos de rocío del agua a la salida, es decir deshidratan más.

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La alúmina activada se utiliza para secar gases y líquidos.

No han sido probadas en campo. La alúmina activada es usada raramente en plantas de gas natural. Gel de sílice.-El gel de sílice es dióxido de silicio amorfo (SiO2). Se fabrica mediante la adicción de silicato de sodio acuoso al ácido sulfúrico. Es usado para la deshidratación de gas y líquidos y el recobro de hidrocarburos (iC5+) del gas natural. Cuando se usa para eliminar hidrocarburos, las unidades son frecuentemente llamadas HTUs (unidades de recobro de hidrocarburos) o SCUs (unidades de ciclo corto). Cuando se usa para deshidratación, el gel de sílice dará punto de rocío de salido de aproximadamente -60ºF. Ampliamente usado como desecante, el cual puede ser usado para deshidratación de gas y recobro de líquidos del gas natural. Figura 7: Gel de sílice

Características: Más adecuada para deshidratación del gas natural. 

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El gel de sílice se utiliza principalmente como un desecante es menos catalítico que la alúmina activada o los tamices moleculares. Debido a que es amorfo, Absorberá todas las moléculas. Éste tendrá una capacidad reducida para el agua si se utiliza para secar un gas saturado. Debido a su capacidad de adsorción de varios tipos de moléculas, la gel de sílice es usada a menudo para control del punto de roció de hidrocarburos, corrientes de gas natural de altas presiones. El gel de sílice adsorbe la mayoría de las moléculas de C5+ así como las del agua, alcanzando efectivamente los dos puntos de rocíos específicos.

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Se regenera más fácilmente en comparación con los tamices moleculares.

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Alta capacidad de adsorción, puede adsorber el 45% de su propio peso en agua.

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Menos costoso que el tamiz molecular.

Poca capacidad para el recobro de líquidos Tamiz molecular.- Los tamices moleculares son fabricados en dos tipos de cristal, un cubo simple o un cristal tipo A y un cubo centrado en el cuerpo o cristal tipo X. El tamiz tipo A esta disponible en sodio, calcio y potasio. Los tipo X están disponible en sodio y calcio. Los tamices de sodio son los más comunes y se muestran a continuación en las fórmulas de óxido. Figura 8: Tamiz molecular 

Cristales de metales alcalino y de aluminio silicatos comprendidos en una interconexión tridimensional de sílice y alúmina, la estructura es una matriz de cavidades conectadas por poros uniformes con diámetros en el rango de 3 a 10°A (1A° =1 m*10^-10), dependiendo del tipo de tamiz, el tamiz molecular el adsorbente más versátil porque puede ser fabricado para un tamaño especifico de poro, dependiendo de la aplicación. Características Capaz de deshidratar el gas a un contenido de agua menor de 0,1 ppm Se prefiere para deshidratar el gas antes de procesos criogénicos especialmente para GNL. Excelente para remover el ácido sulfúrico, CO2, deshidratación, altas temperaturas de deshidratación, líquidos hidrocarburos pesados y alta selectividad. Más costosos que el gel de sílice, pero ofrece mayor deshidratación. Requiere altas temperaturas para regeneración, lo que resulta en un alto costo de operación. Los tamices moleculares deshidratadores son usados comúnmente antes de las plantas de recuperación de LGN diseñadas para recuperar etano. Los puntos de rocío del agua menores de 150ºF pueden ser logrados con un diseño especial y parámetros de operación estricta. En la tabla 1 se presentan características relevantes de los principales tipo de tamices moleculares, con su diámetro y sus respectivas aplicaciones y en la tabla 2 las características operativas de un tamiz molecular. Tabla 1: Tipos de tamices y aplicaciones.   

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Puede notarse que ningún desecante es perfecto o el mejor para todas las aplicaciones, en algunas aplicaciones la elección es determinada principalmente por el aspecto económico. Algunas veces las condiciones de control del proceso inciden en la selección del desecante, si una unidad está diseñada correctamente es muy raro que los desecantes puedan ser intercambiables, lo que a menudo es posible es reemplazar en una clase de adsorbentes el tamiz molecular de un proveedor por el de otro. Las alúminas tienen el menos costo por unidad de capacidad de deshidratación. El gel de sílice es el siguiente. Los tamices moleculares son los más costosos lo que se justifica por sus características especiales. Todas las sustancias nombradas pueden ser adsorbidas dentro de alúmina y gel de sílice. No así para los tamices moleculares 4A y 5A. Por lo tanto los tamices moleculares tienen un grado de selectividad para las moléculas que pueden adsorber. Las de la tabla 3 son las temperaturas de entrada en las cuales el desecante normalmente no es económicamente viable. Los puntos de rocío mostrados son los valores mínimos normalmente alcanzados con un diseño y una unidad de operaciones adecuados. Pequeñas cantidades de compuestos de sulfuro puede ser tolerada por los otros 3 desecantes, sin embargo, las alúminas y la del de sílice generalmente no son efectivas en la eliminación o remoción de estos componentes. El sulfuro de hidrogeno y el dióxido de carbono pueden eliminarse por medio de los tamices moleculares. Las unidades comerciales están construidas para propósitos específicos. Los tamices moleculares recobran cualquier molécula de hidrocarburo pequeña y suficiente para entrar en la estructura cristalina la cual para una 4A podría ser solo metano y etano en la serie de parafinas. DESCRIPCION DEL EQUIPO A. UNIDAD DE DOS TORRES El gas húmedo entra por la parte de arriba de la torre debido a que el flujo ascendente, incluso a bajas velocidades, causa levantamiento y rebote del lecho. El tiempo depende de la capacidad del lecho y la cantidad de agua que debe eliminarse. Mientras que el lecho se usa para el seca, el segundo lecho está siendo regenerado. Otra corriente que por lo general es el 5-10% de la corriente total, se calienta de (400-600 ºF). el gas entra por la parte inferior del lecho a ser regenerado y a medida que el desecante es calentado el agua es eliminada. El gas caliente de regeneración es enfriado para condensar la mayor parte del agua y luego se lleva al proceso de separación y la corriente de gas es devuelta a la corriente de gas principal de gas húmedo. Al final del ciclo de calentamiento el lecho puede estar entre 400-550ºF , este lecho debe ser enfriado antes de ser puesto en funcionamiento. En el sistema más simple se evita el calentador y se continúa pasando el gas de regeneración hasta que el gas de salida tenga una temperatura de 25-30ºF por encima de la temperatura del gas de entrada. Y una vez que la torre se conecta para la deshidratación este se enfría a la temperatura del gas. El flujo de enfriamiento se hace en la  misma dirección del flujo de calentamiento con un flujo ascendente . Si para refrigeración se usa un gas húmedo se debe hacer en la misma dirección de la adsorción pero es más costoso debido a que se deben agregar un juego de válvulas adicionales.

B. UNIDAD DE TRES TORRES Dos lechos están conectados en paralelo o serie para adsorción, mientras que el tercer lecho se regenera. -En paralelo.- En paralelo los tiempos de ciclo son alternados, debido a q los lechos se quitan de la corriente para la regeneración y retornan a la adsorción uno a la vez, en este el frente de saturación del lecho 1 está más abajo que el del lecho 2, ya que ha estado más tiempo en adsorción y cuando se llega a la ruptura el lecho 1 pasa a regeneración y los lechos 2 y 3 pasan a adsorción para la regeneración se usa el gas seco. -Enserie.- En serie , el primer lecho se satura completamente mientras que el segundo está funcionando en adsorción, cuando el primer lecho se saca de la corriente de adsorción el segundo lecho pasa a ocupar la posición del primero y el lecho regenerado para a ocupar la posición del segundo. El funcionamiento en serie no es muy utilizado.

Ciclo de adsorción.- Durante el funcionamiento normal en el ciclo de secado (adsorción), existen tres zonas separadas en el lecho como se presenta en la figura 11. La zona de equilibrio 

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La zona de transferencia de masa (MTZ)

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La zona activa

En la zona de equilibrio el desecante, está saturado con agua. Se ha alcanzado el equilibrio de la capacidad de adsorción de agua basado en las condiciones de entrada del gas y no tiene más capacidad para adsorber el agua.

Virtualmente toda la transferencia de masa ocurre en la MTZ. Existe un gradiente de concentración a lo largo de la MTZ. La saturación de agua en el lecho es 0% en el borde de avance de la MTZ y 100% en el borde superior de la MTZ, el que tiene contacto con la zona de equilibrio. La longitud de la MTZ generalmente se verá afectada por los siguientes factores: la velocidad del gas, los contaminantes, el contenido de agua y la saturación relativa del gas de entrada. Un aumento en la velocidad del gas aumenta la longitud de la MTZ al igual que los contaminantes los cuales proporcionar resistencia adicional por lo cual retardan el proceso La tercera zona es la zona activa. En la zona activa el desecante tiene toda la capacidad para adsorber el agua y solo contiene agua residual que quedo del ciclo de regeneración. Cuando el borde de avance de la MTZ alcanza el final del lecho, ocurre la ruptura. Si se permite que el proceso de la adsorción continúe, el contenido de agua del gas de salida aumentará hasta que la concentración del agua en la salida sea igual al de la entrada.