Transporte del Etano por Gasoducto en la Fase Densa

En el Previo del Mes (PDM) de Enero, y Febrero 2012 hemos discutido el transporte del dióxido de carbono (CO2) en la región de su fase densa. Fue ilustrado como sus propiedades termofísicas varían en la fase densa, y estudiamos su impacto sobre los cómputos para las caídas de presión. Fue demostrado que el impacto de los valores numéricos del coeficiente total de transferencia de calor es significativo en la distribución de temperatura del gasoducto.

En este PDM, estudiaremos el transporte de etano por tubería en el régimen de su fase densa. Para un caso en estudio, una mezcla de etano con mínimas concentraciones de metano, y propano fue considerado. Los perfiles de la presión y temperatura a través de la tubería fueron calculados y graficados sobre su diagrama de fases de la corriente alimentadora. Adicionalmente, la potencia de bombeo, perfiles tanto de temperatura, así como presión  para una línea sencilla, con estación de bombeo principal en su punto de entrada, fue comparada con la opción de dividir la línea en tres segmentos iguales reflejando una estación principal de entrada más otras dos intermedias.

Procedimiento para el Cómputo:

Para un compuesto puro a condiciones mayores que su presión y temperatura crítica, el sistema es frecuentemente designado como una “fase densa”, o “fluido súper crítico”, para distinguir éste de un vapor, o líquido  normal (ver la Figura 1 para el dióxido de carbono en el PDM de Diciembre 2009 [1]).

El mismo procedimiento de paso-por-paso descrito en el PDM de Febrero 2012 [2] fue aplicado para determinar los perfiles de temperatura y presión de la tubería.

En la sección que sigue ilustraremos los cómputos para las caídas de presión relacionadas con el transporte de una mezcla discreta etano en su fase densa. Par observar los detalles de éstos cómputos en las fases de vapor y líquido, referirse al PDM de Enero 2012 [3].

Caso en Estudio:

Con propósito ilustrativo, hemos considerado un caso en estudio el cual considera el transporte de  31,393 kg/h (69,209.0 lbm/hr) equivalentes a 275,000 toneladas/año de una mezcla de etano, mas C1 , y C3 citado, se presenta en la Tabla 1. Esta mezcla se considera disponible a la presión y temperatura presentada en ésta Tabla.

Tabla 1. Composición de la Alimentación, caudal y condiciones

Fueron asumidas  las siguientes condiciones:

  1. a.     Tubería Horizontal, sin cambio de elevación,
  2. Condiciones de flujo continuo,
  3. d.     La rugosidad absoluta superficial de la línea fue de  (0.046 mm, 0.0018 pul) lo cual es equivalente a una rugosidad relativa interior (factor de rugosidad), ε/D, de 0.00022.
  1. La tubería es de  1380 km (858 millas) de longitud con  diámetro interior de 208.6 mm (8.212 in), y condiciones de línea de tierra enterrada.
  1. Presión de entrega de 5.3 MPa  (769 lpca),
  2. Temperatura  ambiental del terreno fue de  18.3 ˚C,  (65 ˚F),
  3. Coeficiente total de Transferencia de Calor fue asumido en 839 W/m2-˚C (0.5 Btu/hr-pie2-˚F), para una línea enterrada en tierra.
  4. Eficiencia de las Bombas en  50%, lo cual representa el peor caso, viendo que el rango actual se ubica en los  50-85%.

Aplicación del Programa de Simulación (software): ProMax [4] aplicando la Ecuación de Estado Soave-Redlich-Kwong (SRK) [5].

Los diagramas de flujo para las dos opciones se presentan en la Figura 1. Mediante la Opción A, solo una estación de bombeo, más un solo segmento de la línea fue considerado. En la Opción B, la misma tubería y condiciones de alimentación fueron empleados, así como una bomba de entrada, mas dos estaciones de bombeo intermedias, con tres segmentos de igual longitud fueron aplicados. Cada segmento cumple con longitud de 460 km (286 millas), lo cual es 1/3 parte de la longitud total, y todos incorporan el mismo diámetro interior de   208.6 mm (8.212 pul). La presión de entrega de ambos casos fue la misma.

Resultados y Discusiones.

La Figura 2 presenta el diagrama de fases para la mezcla discreta de etano con la composición citada en la Tabla 1. De acuerdo a la Figura 2, la bomba de entrada a condiciones de succión de 0°C (32°F) y 3000 kPa (435 lpca) presentados en la  Tabla 1 se muestra en la fase líquida. Para lograr la entrega de ésta mezcla a una presión de 5.3 MPa (769 lpca), coincidentes con la opción A, el líquido debe ser llevado a una presión de 13.6 MPa (1972 lpca) antes de ser introducido a la tubería. Debido al bombeo, la temperatura del fluido se eleva desde 13.6 MPa (1972 lpca) antes de ser introducido a la tubería. Un cómputo por etapas incrementales de este bombeo indica que el incremento de temperatura es lineal con la presión. Este aumento de la temperatura es coincidente con la compresibilidad de la mezcla del etano.

Figura 2. Envolvente (Diagrama) de Fases para la mezcla de Etano.

La ruta de las condiciones de presión-temperatura para la Opción A se ven graficados en la Envolvente, y presentados en la Figura 3. Como se observa de ésta la mezcla de etano en la descarga de la bomba (alimentación de la línea) se ubica en la región super – crítica (fase densa). La Figura 3 muestra que mientras la corriente alimenta la línea de transmisión, su temperatura desciende considerablemente, para luego mantenerse constante y muy cercana a la temperatura ambiental.

Figura 3. Envolvente (Diagrama) de Fases indicando ruta de bombeo y perfil de presión –temperatura de la line de transmisión

La Figura 4 presenta los perfiles de presión calculados para la línea en escenario de ambos casos A y B. Para la opción A, la presión de entrada es de  13.6 MPa (1972 lpca) , para asegurar la entrega de la mezcla de etano a  5.3 MPa (769 lpca).  De igual manera, la Opción B refleja un aumento de presión hasta to 8.2 MPa (1189 lpca) en cada estación de rebombéo.

La Figura 5 presenta los perfiles de temperatura para ambas opciones A, y B. La temperatura ambiental de 18.3˚C y (65˚F) igual se ve graficada. En la opción B, la temperatura de descarga para la bomba de entrada es 11.2˚C , (52.1˚F) la cual se ubica por debajo de la ambiental. Para ambas opciones, la temperatura dinámica (fluyente) de la línea se aproxima rápidamente a la ambiental dentro de los primeros 50 km (31 millas).

Las Figuras 6, y 7 presentan el perfil de la densidad fluyente, así como la velocidad a través de la línea, respectivamente. Para una tubería de transporte de crudo por tierra, el rango de la velocidad se ubica entre 1.5 hasta 2.5 m/s (5 to 8 pie/s). El cambio abrupto de la densidad, y por consiguiente la velocidad, dentro de los primeros 60 km (37.3 millas) se debe a la disminución de la mezcla del etano, la cual se aproxima a la ambiental de tierra.

Figura 4. Perfiles de Presión para las Opciones A, y B

Figura 5. Perfiles de Temperatura para las Opciones A, y B

Figura 6. Perfil de la Densidad del Fluido para la Opción A

Figura 7. Perfil de Velocidad del Fluido para la Opción A

Los requerimientos de potencia total d bombeo con eficiencias de 50% para las Opciones A y B son de 457 and 504 kW (381.6 y 420.8 hp), respectivamente. Esto se presenta solo con carácter de estimado inicial. Normalmente, se trabaja con los fabricantes de las bombas para lograr mejores eficiencias basadas en el CAPEX, y OPEX del sistema.

Conclusiones:

Basados en los resultados obtenidos para el caso en estudio considerado en este PDM, se pueden arrojar las siguientes conclusiones:

1.     Durante el bombeo de la mezcla de etano, la temperatura se vio incrementada de forma lineal con la presión (Figura 2).
2.     La temperatura de la alimentación se aproxima rápidamente a la ambiental de tierra. Es posible que este cuadro no se presente para menores coeficientes totales de transferencia de calor (Figura 5
3.      Una tubería con una sola bomba de entrada A (Opción A) requiere menos potencia en comparación con la Opción B de implantar una bomba de entrada más dos adicionales de re-bombeo. Debido a la mayor presión de la Opción A, se requiere mayor espesor de la pared de la línea.
4.     Un análisis complete de los costos asociados con bombeo vs costo de la tubería debe efectuarse para determinar el diámetro óptimo de la línea, así como el espesor de misma y los requerimientos de potencia.

El punto que no fue considerado, pero que vale citar es que el etano es compuesto que presenta dificultadas en su sellado. Es preciso trabajar con los fabricantes, y ensambladores de las bombas para seleccionar los sellos secos. Ésta selección podría impactar la confiabilidad total del sistema.

Para informarse adicionalmente sobre casos similares y como minimizar sus problemas operacionales, sugerimos su asistencia a nuestras Sesiones Técnicas G40 (Process/Facility Fundamentals), G4 (Gas Conditioning and Processing), PF81 (CO2 Surface Facilities), PF4 (Oil Production and Processing Facilities), and PL4 (Fundamentals of Onshore and Offshore Pipeline Systems.

La consultoría John M. Campbell Consulting (JMCC), le ofrece su extensa experiencia en este tema y múltiples adicionales. Para mayor información sobre los servicios que ofrece la JMCC, le invitamos que visite nuestra dirección en la red a  www.jmcampbellconsulting.com, o nos envían correo a consulting@jmcampbell.com.

By: Dr. Mahmood Moshfeghian

Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford

Reference:

  1. Bothamley, M.E. and Moshfeghian, M., “Variation of properties in the dese phase region; Part 1 – Pure compounds,” TOTM, http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2009/12/variation-of-properties-in-the-dense-phase-region-part-1-pure-compounds/, Dec 2009.
  2. Moshfeghian, M., ”Transportation of CO2 in the Dense Phase,” TOTM, http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2012/02/ , Feb 2012
  3. Moshfeghian, M., ”Transportation of CO2 in the Dense Phase,” TOTM, http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2012/01/, Jan 2012
  4. ProMax 3.2, Bryan Research and Engineering, Inc, Bryan, Texas, 2014.
  5. Soave, G., Chem. Eng. Sci. 27, 1197-1203, 1972.

 

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