2008-st-24-spa
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endulsamiento de menbranasTRANSCRIPT
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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 Gurico, se caracteriza por presentar
formaciones de yacimientos de gas seco sometidos a altas temperaturas, cuya
composicin molar presenta valores de CO2 que varan entre 12-25% mientras que
los niveles de H2S encontrado oscilan entre 18-40 ppm. Se estima que valores
superiores de estos parmetros estn 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 ms estricta a corto plazo. Para el 2013, se estima que todo el
sistema de distribucin del pas 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 polimricas. La separacin en este tipo de membranas se basa en
que los gases se disuelven y difunden a travs de ellas. Una corriente de gas con
presencia de CO2, H2S y H2O es transformada en otras dos al pasar a travs del
sistema. Se obtiene una corriente residual o tratada de menor concentracin de CO2,
H2S y H2O, cuyos valores dependen de las condiciones de operacin del sistema (P,
T y Q); del nmero y dimensiones de las membranas utilizadas as 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 configuracin y condiciones de operacin, 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 anlisis comparativo de dos (2) tipos de membranas
utilizado bajo conceptos de rendimiento y eficiencia, resaltando en funcin de las
experiencias obtenidas nuestra percepcin 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 qumico. Para gases, ese gradiente es a menudo aproximado a la
diferencia de presiones parciales entre la alimentacin (sistema de presin parcial
alta) y permeados (sistema de presin baja). Para lquidos, ese gradiente viene dado
por la diferencia de concentraciones entre un sistema y otro.
Independientemente, de que los componentes sean lquidos o gases, el
proceso de permeacin a travs de membranas de solucin - difusin consiste de 3
etapas. La primera, donde ocurre tanto la absorcin como la adsorcin de un
componente en el material de la membrana. La segunda, donde se difunde el
componente previamente disuelto a travs de toda la estructura de la membrana, y
una tercera etapa llamada des-absorcin y des-adsorcin 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 separacin utilizando membranas
est diseado para reducir selectivamente el contenido de CO2, H2S y H2O existente
en los gases naturales. La separacin est basada en el principio de que los gases
se disuelven y difunden, unos con mayor intensidad que otros, a travs de
membranas de tipos polimricas. Ciertos componentes del gas natural,
especialmente CO2, H2S y H2O pasarn o permearn a travs de este tipo de
membranas ms rpido que los componentes hidrocarburos presentes en el gas,
debido a la diferencia de solubilidad de estos componentes en el polmero y a la
variacin de la tasa a la cual ellos se difunden a travs de la estructura de las
membranas polimricas.
Para un sistema que contiene CO2 y CH4, siendo el CO2 el componente ms
permeable en membranas polimricas pasar ms rpido a travs de ellas hacia el
lado de menor presin conformando la corriente de permeado. El CH4 permanece del
lado de mayor presin y sale por la corriente tratada como un residuo prcticamente
sin prdidas de presin. La corriente residual sale con mayor concentracin de CH4 y
la corriente de permeado sale con mayor concentracin de CO2. Bsicamente, los
componentes que permean ms rpido (CO2) saldrn enriquecidos en la corriente de
permeado de menor presin mientras que aquellos ms lentos (hidrocarburos)
estarn ms concentrados en la corriente residual de mayor presin.
Figura N 1: Flujo en el Elemento de Membrana
La velocidad de permeacin es el producto del trmino relacionado con la solubilidad
de un componente en el material polimrico y que determina la cantidad de ese
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componente presente en las membranas mientras que el trmino de movilidad
seala que tan rpido se mueve la cantidad de componente disuelto en la matriz de
la membrana. Este producto tambin representa la cantidad de ese componente que
pasa a travs de las membranas; es decir el permeado de ese componente.
En sistemas ideales, los trminos de solubilidad y movilidad serian constantes
llamadas coeficientes de solubilidad y difusin, respectivamente. De la misma
manera, en esos sistemas la permeabilidad representara una constante resultante
del producto de ambos trminos. En sistemas reales, estas constantes son en
realidad tensores, donde las propiedades no solo vara en direccin y sentido
dependiendo de la homogeneidad isotropa del material, sino tambin 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 separacin de componentes de gas por membranas es un proceso
impulsado por las diferencias de concentraciones, que para el caso de gases, est
directamente relacionada con la presin de entrada de gas a las membranas y por la
presin de los permeados. La separacin de cada componente, en realidad, es
controlada por la diferencial de presin parcial de cada componente que pasa a
travs de las membranas polimricas. En su expresin ms sencilla, la ecuacin
resultante seria:
Qxpermeado = Nelementos Kx Px = Nelementos Kx* (Cxalimentacion Ppromedio entrada - Cxpermeado Ppermeado)
El grado de separacin de los componentes del gas est controlado por la
selectividad de las membranas, definida como la relacin KCO2/KCH4, y por los
condiciones de separacin (P, T, Q, C). Para un rea de membrana dada, la presin
de entrada, la presin de permeado, la selectividad o factor de separacin
determinaran la eficiencia de operacin; es decir la cantidad y composicin del gas
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que va a permear. La permeabilidad del CO2 determinar la cantidad de rea de
membrana que se requieren para lograr un determinado valor de especificacin.
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 variacin de la permeabilidad, selectividad y rendimiento producto del uso y desgaste a que han sido
sometidas las membranas para unas condiciones de operacin determinadas. Esta
caracterizacin sirve de base para modelar y predecir el comportamiento futuro de
las mismas.
SISTEMA DE PRODUCCION - PROCESO
Las operaciones en el campo Yucal Placer estn conformadas por 2 Cluster
de pozos, 1 localizados al Sur (S1) y el otro localizado al Norte (N1) de las facilidades
de produccin central (CPF) instaladas. La corriente de gas proveniente del Cluster
del Sur, situado a 20 Kms de CPF, es enfriada para garantizar la solucin y efectivo
funcionamiento de un anticorrosivo que es aadido 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
condensacin inducida, luego del slug catcher, al enfriar adicionalmente el gas antes
de su incorporacin 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 carbn activado y otro pulidor. El
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propsito de este sistema es garantizar la inexistencia de agua liquida y/o
hidrocarburos pesados y aumentar la temperatura (15 C) de la corriente de entrada
a las unidades de membranas a los efectos de evitar condensacin de lquidos en
ella. Finalmente, el gas es enviado a 2 unidades de membranas donde la separacin
de CO2, H2S y H2O ocurre.
El gas tratado resultante del proceso de separacin, 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 N 2: Diagrama del Sistema de Produccin- Proceso
UNIDADES DE MEMBRANAS
A.- Configuracin 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 nmero de membranas. Este nmero puede
variar dependiendo del tipo de membranas que se utilicen, de las condiciones de
operacin y de la eficiencia mostrada por ellas en el proceso de separacin. 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 podran 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 N 3: Diagrama del Sistema de Produccin- Proceso
Cada banco puede contener una configuracin de membranas con diferentes
niveles de degradacin 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 N 4: Configuracin 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 anlisis peridicos 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 tpica ronda semanal de anlisis
cromatogrficos de laboratorio banco por banco para un tren de membranas.
Tabla N 1: Anlisis Cromatogrfico Banco por Banco en MB 870
En lneas generales, un set completo de medicin debera incluir la posibilidad
determinar para cada banco, para cada tren de membrana y para todo el sistema
completo de endulzamiento:
- Presin, Temperatura y Flujo de Entrada - Presin, Temperatura y Flujo de Permeado
- Presin, Temperatura y Flujo de Tratado
- CO2entrada, CO2tratado y CO2permeado
A continuacin 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 MEMBRANASCO2 ENTRADA, TRATADO y PERMEADO
MB-0860: APEB2 (01nov07)
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
TV-0851: Ajuste T (53C) (17jul07)MB-0870: CPEB1 (04jul07)
MB-0860: CB4 (02jul07)
MB-0860: CB5 (30jun07)
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
CPF: Parada d e PLimpieza elementos
lanta (14nov07)
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1(12sep07) SD 2 S1 (13sep07)
(14sep07)2 CPF & SD
APEB1 MB-0870
MB-0870: Camb B3. Apertura B1io B1. B2 y(01abr08)
MB-0860: AB4 (04mar08)
MB-0860: APEB4 (28feb08)
MB-0860: CB2 (21nov07)
MB-0860: CPSB2 (20nov07)
S1: Tratam a PLA13iento escal(09oct07)
MB-0860: APSB6 (2sep07)
CPF: Trabajo Pozos S1 Limpieza MB-0860 (7ago07)
CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)
MB-0870: APEB1 (26jul07)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 P)Cambio carbn / cermic
y B5 (2-4 UOa (26-28jun07)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
S1: DB-PLA13 (14dic07)
CPF: Prueba TEG (22feb08)
MB-0860: AB5
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
48
52
56
60
26-e
ne-0
7
26-fe
b-07
26-m
ar-0
7
26-a
br-0
7
26-m
ay-0
7
26-ju
n-07
26-ju
l-07
26-a
go-0
7
26-s
ep-0
7
26-o
ct-0
7
26-n
ov-0
7
26-d
ic-0
7
26-e
ne-0
8
26-fe
b-08
26-m
ar-0
8
26-a
br-0
8
26-m
ay-0
8
26-ju
n-08
26-ju
l-08
Fecha
CO2 (%
)
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
SELE
CTI
VIDA
(27feb08)
D
CO2 (%)Permeado
CO2 (%)Alimentacin
%CO2 TratadoMembranas
Selectividad
Figura N 5: Comportamiento de CO2 Tratado, Permeado y Selectividad en Membrana
SISTEMA DE MEMBRANASFLUJO DE ENTRADA, TRATADO y PERMEADO
MB-0860: CB2 (21nov07)S1: Tratam la PLA13iento esca
(09oct07)
MB-0860: APSB6 (2sep07)
TV-0851: Ajuste T (53C) (17jul07)
CPF: Prueba TEG (22feb08)
MB-0870: AB1 (01abr08)
MB-0860: APSB2 (15feb08)
CPF: Trabajo Pozos S1 Limpieza MB-0860 (7ago07)
CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)
CPF: MB-0870: Cam B3. AperturaB1. bio B1, B2 y(01abr08)
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
S1: DB-PLA13 (14dic07)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
MB-0860: CPSB2 (20nov07)
CPF: Parada d e PLimpieza elementos
lanta (14nov07)
MB-0860: APEB2 (01nov07)
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1(12sep07) SD 2 S1 (13sep07)
AP (14sep07)2 CPF & SD
EB1 MB-0870
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
MB-0870: APEB1 (26jul07)
MB-0870: CPEB1 (04jul07)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
MB-0860: CB4 (02jul07)
MB-0860: CB5 (30jun07)CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 y P)
Cambio carbn / cermica B5 (2-4 UO
(26-28jun07)
MB-0860: AB5 (27feb08)
MB-0860: AB4 (04mar08)
MB-0860: APEB4
05
101520253035404550556065707580859095
100105110
26-e
ne-0
7
26-fe
b-07
26-m
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7
26-a
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n-07
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ct-0
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8
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8
26-ju
n-08
26-ju
l-08
26-a
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-08
26-o
ct-0
8
26-n
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8
26-d
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8
Fecha
Qg
ENTR
ADA y T
RATA
DO (M
MPC
ND
(28feb08)
)
0
10
20
30
40
50
60
Qg
PERMEA
DO (M
MPC
ND)
Aliment.Membranas (MMPCND)
Gas Tratado (MMPCND)
Permeado (MMPCND)
Figura N 6: Comportamiento de Flujos en Membrana
C.- Anlisis de Funcionamiento del Sistema
Para una determinada condicin de operacin (P, T), utilizando la informacin
sealada anteriormente, las variables rendimiento, selectividad y permeabilidad
pueden ser calculadas para cada banco y as determinar como vara su nivel de
deterioro en el tiempo. Si suponemos que no existen agentes externos afectando el
comportamiento de membranas, que las instalaciones mecnicas se hicieron
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adecuadamente y que la conformacin interna de cada elemento de membranas es
similar, entonces la degradacin debera ser una funcin directa del uso o cantidad
de gas procesado por cada elemento de membrana bajo las misma condiciones de
operacin, por lo tanto debera ser posible obtener pseudo-valores de estos
parmetros por cada banco, muy a pesar de que se sabe que la cantidad de gas
procesado por el primer elemento es superior al ltimo elemento en cada banco.
Esta informacin en su conjunto permitir caracterizar los modelos de
simulacin de membranas que posteriormente sern utilizados para realizar los
estimados de comportamiento futuro. De la misma forma, permite hacer un anlisis
comparativo por banco identificando los grados de deterioro para precisar cuales
necesitan reemplazo o alguna otra accin adicional.
SISTEMA DE MEMBRANASPermeabilidad, Rendimiento, Selectividad y Tratado
MB-0870: CPEB1 (04jul07)
MB-0870: AB1 (01abr08)
CPF: MB-0870.Ca y B3 (2-4UOP)mbio B1, B2(01abr08)
MB-0860: APSB2 (15feb08)
S1: DB-PLA13 (14dic07)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
MB-0860: CB2 (21nov07)
MB-0860: CPSB2 (20nov07)
CPF: Parada deLimpieza elementos
Planta (14nov07)
MB-0860: APEB2 (01nov07)
MB-0860: APSB6 (2sep07)
CPF: C y-pass ierre parcial b(21-22ago07)
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 P)Cambio carbn / cermica
y B5 (2-4 UO (26-28 jun07)
MB-0860: CB5 (30jun07)MB-0860: CB4 (02jul07)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
TV-0851: Ajuste T (53C) (17jul07)
1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
MB-0870: APEB1 (26jul07)
CPF: Trabajo PoLimpieza MB-086
zos S10 (7ago07) MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1
(12sep07) SD2 S1 (13sep07)AP 0 (14sep07)
CPF & SD2EB1 MB-087
CPF: Prueba TEG (22feb08)
MB-0860: AB5 (27feb08)
MB-0860: APEB4 (28feb08)
MB-0860: AB4 (04mar08)
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
S1: Tratam la (PLA13iento esca(09oct07) MB-0870: AB1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
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80
85
26-ene
-07
26-fe
b-07
26-m
ar-07
26-abr
-07
26-m
ay-07
26-ju
n-07
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26-ago
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26-sep
-07
26-o
ct-07
26-n
ov-07
26-d
ic-07
26-ene
-08
26-fe
b-08
26-m
ar-08
26-abr
-08
26-m
ay-08
26-ju
n-08
26-ju
l-08
T (C
); CO2 tratad
o (%
), R (
(01abr08)
%)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
Kco
2 y Kch
4
Temp.Aliment. (C)%CO2 Tratado MembranasReduccin CO2 (%)SelectividadPerm.CO2 NormalizadaPerm.C1 Normalizada
Figura N 7: Comportamiento de Rendimiento, Selectividad y Permeabilidad en Membranas
En la grfica superior se muestra una porcin histrica de las variables antes
sealadas para todo el sistema de membranas. Se puede precisar como ocurre el
nivel de degradacin, la estrecha correlacin 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 imgenes siguientes, se presentan un tpico anlisis 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 mecnico, 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. SISTEMA TREN 860 DE MEMBRANAS
Analisis Tratado Banco por Banco
CPF: Prueba TEG (22feb08)
MB-0860: APEB3 & MB-0870: CPEB1(12sep07) SD 2 S1 (13sep07)
AP (14sep07)2 CPF & SD
EB1 MB-0870
CPF: Cierre parcial by-pass (21-22ago07)
CPF: Trabajo PoLimpieza MB-0860
zos S1(7ago07)
M8-0870: AB1 (2-4UOP) (01abr08)
CB2-0870: CB3 801abr08)
CPF: MB-0860 Cambio B1, B4 P)Cambio carbn / cermica
y B5 (2-4 UO (26-28jun07)
MB-0860: CB5 (30jun07)
MB-0860: CB4 (02jul07)
S1: DB-PLA-13 (14dic07)
MB-0860: CPEB1 (04jul07)
MB-0860: CPSB6 (03jul07)
MB-0860: CB2 (20-21nov07)
CPF: Parada de pllimpieza membrana
anta(14nov07)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
MB-0870:CB2 (01abr08)
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
S1: Tratamiento escala PLA13 (09oct07)
MB-0860: APSB6 (02sep07)1-F-0840: Rotura de Filtro PM (21jul07)
MB-0860: APEB2
1,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,09,5
10,010,511,011,512,012,513,0
27-e
ne-0
7
27-fe
b-07
27-m
ar-0
7
27-a
br-0
7
27-m
ay-0
7
27-ju
n-07
27-ju
l-07
27-a
go-0
7
27-s
ep-0
7
27-o
ct-0
7
27-n
ov-0
7
27-d
ic-0
7
27-e
ne-0
8
27-fe
b-08
27-m
ar-0
8
27-a
br-0
8
27-m
ay-0
8
27-ju
n-08
27-ju
l-08
CO2 TR
ATA
DO (%
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
CO2 EN
TRADA (%
(12ene08)
)
%CO2 Tratado Banco 1 %CO2 Tratado Banco 2%CO2 Tratado Banco 3 %CO2 Tratado Banco 4%CO2 Tratado Banco 5 %CO2 Tratado Banco 6%CO2 Alimentacin
Figura N 8: Comportamiento Banco por Banco de CO2 Tratado en MB 870
SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS Analisis Permeado Banco por Banco
30313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960
27-e
ne-0
7
27-fe
b-07
27-m
ar-0
7
27-a
br-0
7
27-m
ay-0
7
27-ju
n-07
27-ju
l-07
27-a
go-0
7
27-s
ep-0
7
27-o
ct-07
27-n
ov-0
7
27-d
ic-07
27-e
ne-0
8
27-fe
b-08
27-m
ar-0
8
27-a
br-0
8
27-m
ay-0
8
27-ju
n-08
27-ju
l-08
Fecha
CO2 (%
)
%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
%CO2 permeado Entrada Banco 6
Figura N 9: Comportamiento Banco por Banco de CO2 Permeado de entrada en MB 870
-
Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS Analisis Rendimiento Banco por Banco
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
01-E
ne-07
01-Feb
-07
01-M
ar-07
01-A
br-07
01-M
ay-07
01-Jun
-07
01-Jul-07
01-A
go-07
01-S
ep-07
01-O
ct-07
01-N
ov-07
01-D
ic-07
01-E
ne-08
01-Feb
-08
01-M
ar-08
01-A
br-08
01-M
ay-08
01-Jun
-08
01-Jul-08
Fecha
Ren
dimiento (%
)Reduccin CO2 (%) B1-0870Reduccin CO2 (%) B2Reduccin CO2 (%) B3Reduccin CO2 (%) B4Reduccin CO2 (%) B5Reduccin CO2 (%) B6
Figura N 10: Comportamiento Banco por Banco de Rendimiento en MB 870
SISTEMA TREN 870 DE MEMBRANAS Analisis Permeabilida CO2 Banco por Banco
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
01-E
ne-07
01-F
eb-07
01-M
ar-07
01-A
br-07
01-M
ay-07
01-Jun
-07
01-Jul-07
01-A
go-07
01-S
ep-07
01-O
ct-07
01-N
ov-07
01-D
ic-07
01-E
ne-08
01-F
eb-08
01-M
ar-08
01-A
br-08
01-M
ay-08
01-Jun
-08
01-Jul-08
Perm
eabilid
ad C
O2
Permeab. CO2 Normalizada B1Permeab. CO2 Normalizada B2Permeab. CO2 Normalizada B3Permeab. CO2 Normalizada B4Permeab. CO2 Normalizada B5Permeab. CO2 Normalizada B6
Figura N 11: Comportamiento Banco por Banco de Permeabilidad en MB 870
En los grficos siguientes se muestra un anlisis comparativo de los diferentes
tipos de membranas. Se pueden observar como las membranas tipo 3 no alcanzan
los niveles de degradacin y presentan mejor rendimiento que las membranas tipo 1
y 2, y adems sufren un proceso de regeneracin 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 Convencin de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008 Pgina 12
-
Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
Figura N 12: Comportamiento Comparativo de CO2 Tratado para diferentes Tipos de Membranas
Figura N 13: Comportamiento Comparativo de CO2 Permeado para diferentes Tipos de Membranas
Figura N 14: Comportamiento Comparativo de Rendimiento para diferentes Tipos de Membranas
XVIII Convencin de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008 Pgina 13
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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 deshidratacin 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 implementacin en Diciembre de 2004, el sistema de membranas cargado con
membranas tipo 1 se deterioro rpidamente no pudiendo extender su vida til ms
all de 3 semanas. Entre las razones aparentemente sugeridas para explicar tal
comportamiento figuraba la presencia lquidos tal como de agua, partculas de glicol
y/o hidrocarburos pesados.
Anlisis extendidos de la composicin del gas demostr que la concentracin
de aquellos componentes hidrocarburos pesados presentes en el gas era muy
pequeos 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 porcin de gas que no pasara por la torre de
TEG. Este gas luego de ser procesado, se mezclara con la corriente que se
deshidrataba en TEG, pero que no era procesada por membranas. Si bien el
comportamiento mejor notablemente en comparacin con la experiencia inicial, aun
los niveles de degradacin eran superiores a los estimados por los proveedores
(20% anual), por lo que se asumi que la presencia de agua podra ser la razn.
Se instalo un MFS (filtro coalescente de alta capacidad), se elimin la torre
TEG para colocar toda la corriente a travs de membranas y se instal un sistema de
seguimiento de agua mediante drenajes en los puntos de la tubera. Los resultados
confirmaron la existencia de agua en fase liquida previo al sistema de membrana,
luego de un corte periodo de operacin sin presencia de agua.
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
XVIII Convencin de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008 Pgina 15
Finalmente se re-instal la torre TEG y se utiliz como separador primario
previo al MFS. Los resultados sealaron la presencia de agua en el sistema de pre-
tratamiento, luego de un periodo ligeramente ms extenso que el anterior.
Posteriormente, la torre TEG fue utilizada como deshidratador bajo el supuesto de
que el MFS detendra las gotas de glicol que pudiese ser arrastrada.
Los resultados estn ilustrados en la grafica de abajo. La degradacin de
membranas an con la presencia de agua se ubicaba alrededor del 30% anual,
durante la prueba con glicol alcanz niveles alarmantes de deterioro. Por el contrario,
luego de finalizada la prueba y suspendida la utilizacin de glicol no se detect la
presencia de agua por 34 das en el pre-tratamiento y el comportamiento de
membranas resultante era completamente estabilizado.
EFECTOS DEL AGUA y GLICOLPermeabilidad, Rendimiento, Selectividad y Tratado
CPF: Ajuste Damper 1-H-0850 (11mar08)
MB-0860: AB4 (04mar08)
MB-0860: APEB4 (28feb08)
MB-0860: AB5 (27feb08)
CPF: Prueba TEG (22feb08)
S1: DB-PLA13 (16ene08)
MB-0860: APEB2 (12ene08)
MB-0860: APSB2 (15feb08)
CPF: MB-0870.Ca y B3 (2-4UOP)mbio B1, B2(01abr08)
MB-0870: AB1 (01abr08)
MB-0870: AB1
02468
1012141618202224262830323436384042444648505254565860
01-ene
-08
08-ene
-08
15-ene
-08
22-ene
-08
29-ene
-08
05-fe
b-08
12-fe
b-08
19-fe
b-08
26-fe
b-08
04-m
ar-08
11-m
ar-08
18-m
ar-08
25-m
ar-08
01-abr
-08
08-abr
-08
15-abr
-08
22-abr
-08
29-abr
-08
06-m
ay-0
8
13-m
ay-0
8
20-m
ay-0
8
T (C
); CO2 tratad
o (%
), R (
(01abr08)
%)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
Kco
2 y Kch
4
Temp.Aliment. (C)%CO2 Tratado MembranasReduccin CO2 (%)SelectividadPerm.CO2 NormalizadaPerm.C1 Normalizada
PRESENCIA DE AGUA
PRUEBA TEG
INEXISTENCIA DE AGUA
Figura N 15: Efectos de Glicol y Agua sobre Membranas
CARBN ACTIVADO
Durante una programada se sobrecarg la cantidad de carbn activado
excediendo los lmites de altura de diseo del filtro contenedor. Esto origin un efecto
de desintegracin en pequeas partculas del carbn colocado en exceso en la parte
-
Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
superior del filtro que posteriormente migr hacia el filtro polishing que colaps
luego de alcanzar su presin de estallido. El carbn activado migr
considerablemente hasta membranas aumentando la presin diferencial en la
corriente de alta presin, tal como es ilustrado en la graficas siguiente.
Figura N 16: Efecto de Migracin de Carbn Activado sobre Membranas
El comportamiento de CO2 tratado se degrad ligeramente por reduccin del
rea 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 observ deterioro del
material.
CONCLUSIONES
- El comportamiento de membranas es afectadas por las condiciones de
operacin (P, T) del sistema as como del caudal y las concentraciones de CO2, H2S
y H2O existentes en el gas a ser procesado.
- Una versin simplificada de la Ley de Ficks con caracterizacin de
permeabilidad y selectividad puede ser utilizada para simular el comportamiento del
sistema si las condiciones de operacin no varan mucho. Sin embargo, una
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Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas
formulacin que considere las diferencias de presin parciales y de concentraciones
de gas as como las variaciones de temperatura y el rea expuesta a permeacin se
considera indispensable para caracterizar la variacin de la selectividad y
permeabilidad de las membranas en funcin del volumen de gas procesado.
- Los niveles de degradacin de membranas parecen ser ms acentuados por
efectos de la presencia de glicol que por agua.
- El impacto de la presencia de carbn activado dentro de cada membrana
parece tener un efecto ms atenuado sobre la eficiencia de las membranas que los
otros agente externos, a pesar de que reduce el rea de permeacin a travs de ella
originando un aumento de la presin diferencial. No se observa evidencias de
deterioro en el material de membranas producto de la presencia del carbn activado.
- Las membranas tipo 3 presentan mejor capacidad para reducir la
concentracin de CO2, H2S y H2O que las otras mientras que las membranas tipo 2
presentan mejor selectividad (> 50%).
- La velocidad y niveles de degradacin de las membranas tipo 3 son menores
a aquellos alcanzados por las restantes. Las membranas tipo1 son las que muestran
mayor degradacin 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. Adems,
muestran un proceso de regeneracin; luego de un breve tiempo de desuso hasta
ahora no completamente entendido.
NOMENCLATURAS y UNIDADES
Cxalimentacion = Concentracin del componente X en la corriente de alimentacin, % molar
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-
Mejoras Operacionales en Procesamiento de Gas Cxpermeado= Concentracin del componente X en la corriente de permeado, % molar CO2 = Dixido de Carbono, adimensional
DP = Diferencial de presin, bar
H2S = Acido Sulfrico, adimensional
H2O = Agua, adimensional
Kx = Permeabilidad a travs de la membrana del componente X, MMPCN/Bar
Nelementos = Numero de elementos de membranas, adimensional
M = Movilidad
P = Presin, bar
Ppromedio entrada = Presin promedio de entrada a las unidades de membranas, bar Ppermeado = Presin 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 polimrico de membranas
Px = 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.
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