ECUACION DE ESTADO UTILIZADA EN LA EVALUACIÓN DE LA TORRE DE ENDULZAMIENTO DE CRUDO CON GAS NATURAL C-101 DE PETROREGIONAL DEL LAGO. | Guías, Proyectos, Investigaciones de Ingeniería de Procesos

ECUACION DE ESTADO UTILIZADA EN LA EVALUACIÓN DE LA TORRE

DE ENDULZAMIENTO DE CRUDO CON GAS NATURAL C-101 DE

PETROREGIONAL DEL LAGO.

STATE EQUATION USED IN THE EVALUATION OF THE CRUDE

SWEETENING TOWER WITH NATURAL GAS C-101 OF PETROREGIONAL

DEL LAGO.

David Méndez

Universidad de Oriente, Núcleo Monagas, Coordinación General de Postgrado,

Maestría en Ingeniería de Gas, Maturín/Monagas/Venezuela

mendezdp@gmail.com

Resumen: La empresa mixta Petroregional del Lago prevé un incremento en su producción en los años

futuros y para ello requirió la evaluación de los equipos de proceso de la Estación Principal, entre los

cuales se encuentra la torre de endulzamiento C-101, debido a la cantidad de agua presente en el crudo,

se debió seleccionar una ecuación de estado acorde y para ello se revisó la bibliografía pertinente y se

seleccionó la ecuación de estado de Peng Robinson-Huron Vidal que incorpora su regla de mezclado

para componentes acuosos, en donde los resultados obtenidos arrojaron que la torre C-101 tiene la

capacidad de manejar los diferentes escenarios de producción cumpliendo con la calidad requerida del

crudo.

Palabras clave: Regla de Mezclado Huron-Vidal, Factor de Inundación y Eficiencia de Platos.

Abstract: The Petroregional del Lago company foresees an increase in its production in future years and

for this it required the evaluation of the processing equipment of the Main Station, among which is the

C-101 sweetening tower, due to the amount of water present in the crude oil, an appropriate equation of

state had to be selected and for this, the pertinent bibliography was reviewed and the Peng Robinson-

Huron Vidal equation of state was selected, which incorporates its mixing rule for aqueous components,

where the results obtained They showed that the C-101 tower has the capacity to handle the different

production scenarios complying with the required quality of the crude oil.

Keywords: Mixing rule Huron-Vidal, Flood Factor and Plate Efficiency.

1. Introducción

El endulzamiento del crudo se hace con el fin de eliminar el H2S y el CO2 contenido. Como se

sabe el H2S y el CO2 son contaminantes que pueden estar presentes y pueden en algunos casos,

especialmente el H2S, ocasionar problemas en el manejo y procesamiento de los hidrocarburos; por esto

hay que eliminarlos para llevar el contenido de éstos a los niveles exigidos por los consumidores del

crudo. El H2S y el CO2 se conocen como gases ácidos, porque en presencia de agua forman ácidos, y el

crudo que posea estos contaminantes se conoce como crudo agrio.

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ECUACION DE ESTADO UTILIZADA EN LA EVALUACIÓN DE LA TORRE

DE ENDULZAMIENTO DE CRUDO CON GAS NATURAL C-101 DE

PETROREGIONAL DEL LAGO.

STATE EQUATION USED IN THE EVALUATION OF THE CRUDE

SWEETENING TOWER WITH NATURAL GAS C-101 OF PETROREGIONAL

DEL LAGO.

David Méndez Universidad de Oriente, Núcleo Monagas, Coordinación General de Postgrado, Maestría en Ingeniería de Gas, Maturín/Monagas/Venezuela mendezdp@gmail.com Resumen: La empresa mixta Petroregional del Lago prevé un incremento en su producción en los años futuros y para ello requirió la evaluación de los equipos de proceso de la Estación Principal, entre los cuales se encuentra la torre de endulzamiento C-101, debido a la cantidad de agua presente en el crudo, se debió seleccionar una ecuación de estado acorde y para ello se revisó la bibliografía pertinente y se seleccionó la ecuación de estado de Peng Robinson-Huron Vidal que incorpora su regla de mezclado para componentes acuosos, en donde los resultados obtenidos arrojaron que la torre C-101 tiene la capacidad de manejar los diferentes escenarios de producción cumpliendo con la calidad requerida del crudo. Palabras clave: Regla de Mezclado Huron-Vidal, Factor de Inundación y Eficiencia de Platos. Abstract: The Petroregional del Lago company foresees an increase in its production in future years and for this it required the evaluation of the processing equipment of the Main Station, among which is the C-101 sweetening tower, due to the amount of water present in the crude oil, an appropriate equation of state had to be selected and for this, the pertinent bibliography was reviewed and the Peng Robinson- Huron Vidal equation of state was selected, which incorporates its mixing rule for aqueous components, where the results obtained They showed that the C-101 tower has the capacity to handle the different production scenarios complying with the required quality of the crude oil. Keywords: Mixing rule Huron-Vidal, Flood Factor and Plate Efficiency.

Introducción El endulzamiento del crudo se hace con el fin de eliminar el H2S y el CO2 contenido. Como se sabe el H2S y el CO2 son contaminantes que pueden estar presentes y pueden en algunos casos, especialmente el H2S, ocasionar problemas en el manejo y procesamiento de los hidrocarburos; por esto hay que eliminarlos para llevar el contenido de éstos a los niveles exigidos por los consumidores del crudo. El H2S y el CO2 se conocen como gases ácidos, porque en presencia de agua forman ácidos, y el crudo que posea estos contaminantes se conoce como crudo agrio.

Para llevar el contenido de H2S y CO2 a los valores deseados, se debe diseñar una planta de tratamiento denominada Planta de Endulzamiento, donde se elimina por algún mecanismo de contacto estos contaminantes y cuyo equipo principal es una torre de despojamiento (endulzamiento). La empresa mixta Petroregional del Lago prevé en los años futuros un aumento en su producción, por tal motivo, se requiere realizar la evaluación de capacidad de la torre de endulzamiento de crudo C- 101 con los escenarios de producción previstos y para ello se debe utilizar una EoS (ecuación de estado) que nos permitan modelar las condiciones reales y futuras y poder así realizar una buena evaluación de este equipo principal.

Materiales y Métodos Descripción del Proceso La columna de endulzamiento de crudo C-101, está diseñada para disminuir el contenido de H2S del crudo liviano proveniente del separador general V-101, a menos de 10 ppm (wt), ver figura 1. Esta requiere de la inyección de gas dulce para el despoja del H2S del crudo. El crudo entra en la parte superior de la columna a través de un dispositivo Schoepentoeter (difusor) y fluye hacia abajo sobre 24 platos de burbujeo que incrementan el área del fluido que se encuentra en contacto con el gas. La columna opera a una presión de 1,25 bar (g) que representa una etapa intermedia de separación. El gas agrio sale por la parte superior del equipo y fluye hacia el Paquete de Compresión de la Unidad Recuperadora de Vapores (VRU). El petróleo fluye desde la base de la Torre hacia los separadores de producción V-102 y V-103 mediante un controlador de nivel.

Tabla 1. Datos de Proceso Los cálculos realizados permiten estimar los siguientes parámetros de la Torre: Flujo de Gas de despojo para cumplir con los 10 ppm de H2S a la salida de líquido de la torre, presión de salida de las corrientes de la torre (gas agrio y líquido endulzado), cantidad de H2S (ppm) a la salida del gas y líquido, eficiencia de los platos y el porcentaje de inundación de los platos (FF). En la Tabla 2 se muestra la composición molar de entrada utilizada para los tres (3) escenarios y en la Tabla 3 se muestran las propiedades de los pseudo componentes RN, CN e ICE utilizados en la simulación de la torre C-101.

Tabla 2. Composición Molar Corrientes de Entrada Torre C- Tabla 3. Propiedades de los Pseudo-Componentes Modelo Termodinámico Los diferentes escenarios de producción de Petroregional del Lago, prevé entre un 64-72% molar de agua en la corriente de alimentación a la torre de endulzamiento C-101.

por lo que en realidad se requieren cinco parámetros para cada binario. Sin considerar pares de componentes idénticos, una mezcla de componentes N tiene N * (N-1) / 2 pares de componentes diferentes. Con cinco parámetros de modelo para cada binario, el número total de parámetros es 2.5 * N

(N-1). El modelo de Huron y Vidal solo necesita parámetros de interacción para binarios con al menos un componente acuoso. Los parámetros restantes se encuentran a partir de la ecuación clásica de parámetros de estado. Por lo descrito anteriormente, se seleccionó para esta evaluación la EoS de Peng Robinson-Huron Vidal como se describe a continuación. La ecuación de estado es del tipo Peng-Robinson trasladada en el volumen que puede plantearse como sigue (Forero y Velásquez, 2016a): Los parámetros a, b y c de la mezcla se pueden calcular a partir de las reglas de mezcla de Huron- Vidal. La regla de mezcla utilizada combina las fortalezas de los modelos de actividad (modelamiento de equilibrio de fases de mezclas complejas a bajas presiones) con las fortalezas de las EoS cúbicas (modelamiento de equilibrio de fases de mezclas simples a altas presiones) (Kontogeorgis y Coutsikos, 2012). El punto de arranque para derivar la mayoría de estas reglas de mezcla viene de igualar la GE que se obtiene a partir de la EoS cúbica con la GE del modelo de actividad a una presión dada. Las reglas de mezcla de Huron-Vidal fueron las primeras de este tipo (Huron y Vidal, 1979), la cual utiliza como referencia una presión infinita. La selección de estas reglas de mezcla sobre otras disponibles se discute ampliamente en otra publicación (Forero y Velásquez, 2016b). Utilizando el modelo de actividad NRTL el cálculo de los parámetros a, b y c de la mezcla con estas reglas es como sigue:

Las ecuaciones (2), (3) y (4) constituyen las reglas de mezcla. La ecuación (5) representa la expresión para GE según el modelo NRTL (Renon y Prausnitz, 1968). Los parámetros de las sustancias puras ai, bi y ci se calculan a partir de la temperatura del sistema, las propiedades críticas (TCi, PCi), el factor acéntrico i y el factor polar de Halm-Stiel (1967) i mediante las siguientes expresiones: Las ecuaciones (6) y (7) son las definiciones del factor acéntrico y el factor polar respectivamente. La ecuación (8) muestra el cálculo de ai utilizando la función alfa propuesta por Heyen (1980). La ecuación (9) ilustra el cálculo de bi. El parámetro de traslación ci se calcula según la ecuación (10) requiriendo un volumen molar experimental para el líquido a Tr= 0.7. Las ecuaciones (11) a (14) muestran como calcular los parámetros de la función alfa de Heyen en términos de los factores acéntrico

 El crudo entra a la torre a través de un dispositivo de Schoepentoeter (Difusor) por el tope de la torre hacia el plato N° 1 y el gas de despojo por el fondo hacia el plato N° 24.  La eficiencia de los platos será calculada por las ecuaciones de Murphree y debe ser del 80% según la norma PDVSA MDP-04-CF-14.  El porcentaje del factor de inundación (%FF) será de 85% de acuerdo a la norma PDVSA MDP- 04-CF-12. Metodología Utilizada Se utilizó la siguiente metodología:  Se ingresaron los datos de entrada del fluido, EoS y los de la torre contactora en el simulador de acuerdo a lo indicado en el punto “Datos del Proceso”.  El simulador realiza los cálculos correspondientes: flujos de salida con su composición, la caída de presión dentro de la torre, su capacidad volumétrica, la eficiencia de los platos y el factor de inundación.  Se verifican los resultados obtenidos con los criterios especificados.

Resultados y Discusión En la figura 2 se muestra el esquemático de la simulación de la torre contactora C-101: Figura 2. Esquemático de Simulación

En las Tabla 4 y en el Gráfico 1, se presentan los resultados de la evaluación realizada al escenario 1, máxima volumetría de crudo. Tabla 4. Resultados Escenario 1 (Máxima Volumetría de Crudo) Gráfico 1. Eficiencia y Factor de Inundación (FF) Escenario 1 En el escenario de máxima volumetría de crudo se observa: el flujo de gas requerido para cumplir con lo estipulado (10 ppm H2S) está por encima del flujo de diseño, sin embargo, el factor de inundación se encuentra en el orden del 60% lo que indica que la torre está sobredimensionada y la eficiencia de los platos es del 80% (cumple con el criterio de la norma de PDVSA MDP-04-CF-14 del 80%). En la Tabla 5 y en el Gráfico 2, se presentan los resultados de la evaluación realizada al escenario

Tabla 6. Resultados Escenario 3 (Volumetría Intermedia) Gráfico 2. Eficiencia y Factor de Inundación (FF) Escenario 3 En la tabla y la gráfica anterior se observa, que el factor de inundación se encuentra en el orden del 45% lo que indica que la torre está sobredimensionada y la eficiencia de los platos se encuentra alrededor del 78% (cumple con el criterio de la norma de PDVSA MDP-04-CF-14). En la Tabla 7 se muestra la evaluación de las boquillas realizadas a la torre C-101 con el escenario de máximo gas, ya que éste manejará los mayores volúmenes de fluido.

Tabla 7. Resultados Evaluación de Boquillas

Conclusiones  Debido al alto porcentaje molar de agua presente en la corriente de entrada a la torre C-101, se utilizó la EoS de Peng Robinson con la regla de mezclado de Huron Vidal ya que da una mejor predicción de las propiedades del fluido, como lo indican los diferentes expertos consultados en este artículo.  El mayor caudal esperado para la torre C-101 no es el del escenario de máxima volumetría de crudo sino el escenario de máxima volumetría de gas, debido a que, el incremento de producción de crudo será mayor para el campo Icotea, el cual no alimenta a la torre.  Los porcentajes de inundación en los tres (3) escenarios se encuentran por debajo de lo especificado por diseño (85%), lo que indica que la torre está sobredimensionada.  Para los escenarios 1 y 2 la eficiencia de los platos está en 80%, mientras que para el escenario 3 es de 78%, cumpliendo con el criterio establecido.  Los platos tipo válvula manejan un rango volumétrico mayor que los otros tipos de platos pero son muy susceptibles a componentes corrosivos y a taponamiento por asfaltenos, que es el caso de los fluidos manejados en la PPP, por lo tanto, se recomienda inyectar inhibidor de corrosión y líquido antiasfalténico.  Las boquillas de entrada y de salida de la torre cumplen con la norma PDVSA MDP-03-S-03.  La torre C-101 puede manejar los escenarios de producción descritos cumpliendo con la calidad requerida a la salida de líquidos (menor a 10 ppm de H2S).

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