Modulo 4: Procesos del Gas Natural III TEMA: PROCESO DE ACONDICONAMIENTO Parte IVa
Ing. Nelson Cabrera Maráz, Msc
[email protected] N@Plus2016
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Procesos de Acondicionamiento del Gas Natural Agenda ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾
Introducción Gas licuado de petróleo (GLP) Poder Calorífico Riqueza del Gas Natural (GPM) Extracción de líquidos (LGN) Estabilización y Almacenamiento Deshidratación Puntos de Rocío Plantas de gas en Bolivia
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Procesos de Acondicionamiento del Gas Natural Nomenclatura ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾ ‾
GOSP LPG NGL GLP GPM HHV PEL GN
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Gas-Oil Separation Plant C3+C4 Natural Gas Liquid Gas Licuado de Petróleo Galones de condensable por MPCS High Heating Value Planta de Extracción de líquidos Gas Natural
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Introducción La mayor parte de gas que se produce se caracteriza porque se encuentra en el yacimiento acompañado de hidrocarburos líquidos, tales como propano, butano y fracciones mas pesadas en cantidad suficiente.
Cuando el gas presenta un alto contenido de liquido, mayor a 3 GPM de C3+, estos son los denominados gases licuados de petróleo o GLP; compuestos principalmente por propano y butano. Los hidrocarburos líquidos son mas valiosos que el gas combustible.
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Componentes de Gas Natural
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Gas licuado de petróleo El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo. Los componentes del GLP, aunque a temperatura y presión ambientales son gases, son fáciles de licuar, de ahí su nombre. En la práctica, se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y butano. El propano y butano están presentes en el petróleo crudo y el gas natural, aunque una parte se obtiene durante el refinado de petróleo, sobre todo como subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC, por sus siglas en inglés Fluid Catalytic Cracking).
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GLP de gas natural El gas natural de propano y butano que pueden ser extraídos por procesos consistentes en la reducción de la temperatura del gas hasta que estos componentes y otros más pesados se condensen. Los procesos usan refrigeración o turboexpansores para lograr temperaturas menores de -40 ºC necesarias para recuperar el propano. Subsecuentemente estos líquidos son sometidos a un proceso de purificación usando trenes de destilación para producir propano y butano líquido o directamente GLP. El GLP se caracteriza por tener un poder calorífico alto y una densidad mayor que la del aire.
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Usos del GLP Los usos principales del GLP son los siguientes: • Obtención de olefinas, utilizadas para la producción de numerosos productos, entre ellos, la mayoría de los plásticos. • Combustible para automóviles, una de cuyas variantes es el autogás. • Combustible de refinería. • Combustible doméstico (mediante garrafas o redes de distribución).
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Poder Calorífico del Gas El poder calorífico es la cantidad de calor ideal desprendido por un volumen de combustible, durante una combustión completa, a presión constante. Además, se debe especificar la humedad del combustible y si el volumen de gas es real o ideal. Esto involucra un balance de energía a condiciones estándares de presión y temperatura, 60°F y 14.69 psi (15.55°C y 101.325 kPa). El poder calorífico HHV, que incluye el calor de condensación y el poder calorífico inferior LHV, que asume que el agua permanece en estado vapor.
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Calculo del Poder Calorífico del Gas Condiciones Normales
Componente CO2 N2 C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6 C7+ H2S www.inegas.edu.bo
Fraccion Molar (%) 4.03 1.44 85.55 5.74 1.79 0.41 0.41 0.20 0.13 0.15 0.15 0.00 100.00
Valor tabla GPA-2145 hv Hv Ideal Net Ideal Gross (BTU/scf) (BTU/scf) 0.0 0.0 0.0 0.0 909.4 1010.3 1618.7 1769.7 2314.9 2516.1 3000.4 3251.9 3010.8 3262.3 3699.0 4000.9 3703.9 4008.9 4403.9 4755.9 5100.3 5502.5 586.8 637.1
P=14.696 psia T=60ºF Poder Calorifico Ideal Net (BTU/scf) 0.0000 0.0000 777.9917 92.9134 41.4367 12.3016 12.3443 7.3980 4.8151 6.6059 7.6505 0.0001 963.4572
Ideal Gross (BTU/scf) 0.0000 0.0000 864.3117 101.5808 45.0382 13.3328 13.3754 8.0018 5.2116 7.1339 8.2538 0.0001 1066.2399 10
Volumen del Gas Natural Es conveniente medir el volumen ocupado por 1 lb-mol de gas a una temperatura y presión de referencia, por lo general a condiciones normales de 14.7 psia y 60°F. El volumen normal se define como el volumen ocupado por UNA Lb-mol de un gas ideal a condiciones normales: 379.4 lb-mol/pcn
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Riqueza del Gas Natural La riqueza del gas natural producido se mide en GPM, unidad que se define como el contenido de líquidos de componentes C3+ presentes en el gas natural.
El GPM significa cantidad de galones de líquidos obtenidos por el propano y de mas pesados (C3+) por cada mil pies cúbicos de gas natural a condiciones normales. Mientras mayor sea el GPM del gas, éste se considera más rico, por contener mayor proporción de componentes pesados, lo cual permite extraer mayores volúmenes de LGN.
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Riqueza del Gas Natural Lb-Mol @ Cond. Std (1000/379.49)--->
379.49 ft3 2.6351 Lb-moles x 1000 scf Valores de Tabla
Fraccion Yi Comp Molar Moles (FraMol/100) (%) Yi x 2.6351 CO2 N2 C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6 C7+ H2S
4.03 1.44 85.55 5.74 1.79 0.41 0.41 0.20 0.13 0.15 0.15 0.00 100.00
0.0403 0.0144 0.8555 0.0574 0.0179 0.0041 0.0041 0.0020 0.0013 0.0015 0.0015 0.0000 1.0000
0.1062 0.0379 2.2543 0.1513 0.0472 0.0108 0.0108 0.0053 0.0034 0.0040 0.0040 0.0000 2.6351
Mwi
Tci(ºR)
Pci(psia)
44.010 28.013 16.043 30.070 44.097 58.124 58.124 72.151 72.151 83.178 147.000 34.076
547.87 227.30 343.37 550.09 666.01 734.98 765.65 829.10 845.70 913.70 1112.00 672.60
1071.00 493.00 667.80 707.00 616.30 529.10 550.70 490.70 488.60 436.90 304.00 1036.00
Condiciones Normales
Poder Calorifico (BTU/scf) 0.0 0.0 909.4 1618.7 2314.9 3000.4 3010.8 3699.0 3703.9 4403.9 6000.0
Valores de Tabla Densidad Densidad Liquido Liquido (Lb/gal) (Gal/Lb mol) D1 D2
2.970 4.231 4.684 4.861 5.261 5.206 5.535 6.424
10.126 10.433 12.386 11.937 13.860 13.713 15.566 17.468
GPM(Gal/MPCS)
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P=14.696 psia T=60ºF GPM (Gal(MPCS) Yi*Mwi/D1
Moles * D2
0.5812 0.1866 0.0509 0.0490 0.0274 0.0180 0.0225 0.0343
1.5316 0.4921 0.1338 0.1290 0.0730 0.0470 0.0615 0.0690
0.9700
2.5371
2.5561
2.5371
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Procesamiento del Gas Natural El procesamiento del gas consiste principalmente en acondicionar el gas para su entrega o venta, extraer y recuperar líquidos del gas, o ambos.
El acondicionamiento del gas abarca la eliminación de compuestos ácidos o procesos de endulzamiento, de acuerdo con las características del gas producido.
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Procesamiento del Gas Natural Otros tratamientos del gas: • La recuperación de etano e hidrocarburos licuables mediante procesos criogénicos (uso de bajas temperaturas) para la generación de un liquido separable por destilación fraccionada; • La separación de isobutano del n-butano, • La recuperación de azufre de los gases ácidos por endulzamiento, y • La estabilización y almacenamiento.
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Extracción de líquidos La recuperación de líquidos involucra, la separación primaria del gas desde los líquidos libres que acompañan al gas: petróleo y/o condensados, agua de formación.
Extracción de componentes líquidos, etano, propano y gasolinas a través de procesos de compresión, separación a baja temperatura y/o turbo-expansión y por ultimo, fraccionamiento de los líquidos extraídos.
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Extracción de líquidos El proceso de recuperación de líquidos del gas también puede ser llevado a cabo utilizando un proceso de separación por DESTILACION. Este proceso viene acompañado de un proceso de ENFRIAMIENTO. La combinación de estos dos procesos da origen a la denominada PLANTA DE EXTRACCION DE LIQUIDOS. El gas entra al sistema de enfriamiento originando una mezcla gasliquido, la cual se separa en un separador frío. Los hidrocarburos líquidos fluyen a una torre de destilación y el gas sale por el tope. Si se desea recuperar etano, la columna se llama demetanizadora. Si solo se quiere recuperar propano y componentes mas pesados la torre se llama deetanizadora. Para recuperar butanos y componentes mas pesados la torre se llama debutanizadora. www.inegas.edu.bo
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Planta de fraccionamiento de LGN
Rich gas is separated by gas processing into dry gas and NGLs. The NGLs may be sold to a refinery or petrochemical complex, or separated by fractionation into individual hydrocarbon liquids. www.inegas.edu.bo
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Planta de fraccionamiento de LGN
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Extracción de líquidos En algunas ocasiones los hidrocarburos pesados son removidos para controlar el punto de rocío del gas y para prevenir la condensación de líquidos en la transmisión de gas por tuberías y en sistemas de gas combustible. En este caso los líquidos son un subproducto del procesamiento y si no existe mercado para los líquidos ellos pueden ser usados como combustible.
Alternativamente, los líquidos puede ser estabilizados y vendidos como condensado.
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Tren de Fraccionamiento – 3 productos
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Estabilización Es el Proceso donde se incrementa la cantidad de componentes intermedios (C3 a C5) y componentes pesados (C6+) en la fase liquida. Los componentes obtenidos por esta vía tiene un mayor valor como liquido que como gas. La columna estabilizadora opera a una presión reducida en el separador frío y tiene un rehervidor que genera un producto con una presión de vapor establecida.
Después de la estabilización, el producto se enfría y es enviado a almacenamiento. www.inegas.edu.bo
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Almacenamiento de líquidos Las instalaciones para el almacenaje de fracciones livianas y líquidos volátiles inflamables como etileno, butadieno, propileno, líquidos del gas natural y otros, representan una de las áreas de mas alto riesgo de una refinería o una planta de gas. Si estos materiales no se almacenan a presión o con refrigeración, se generaría un gran volumen de vapores que resultarían en perdidas de producto valioso así como en contaminación ambiental. El Gas Licuado se debe mantener en su punto de ebullición o por debajo. Es posible utilizar la refrigeración, pero la practica habitual consiste en el enfriamiento por evaporación. La cantidad de liquido evaporado se minimiza mediante aislamiento. El vapor se descarga a la atmósfera, comprimirse y volverse a licuar o utilizarse. www.inegas.edu.bo
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DESHIDRATACION DEL GAS NATURAL
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Operaciones Tratamiento Del Gas Compresión Gas Extracción
Recolección
Proceso Del Gas
Separación Tratamiento Crudo
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Almacenaje Medición Y Bombeo
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Planta de Procesamiento de Gas.
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PLANTA DESHIDRATADORA
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PLANTAS DESHIDRATADORAS: Requerimientos para el transporte : • • • • • • • •
Punto de Rocío de HC: PCS: CO2: Inertes totales: H2S: H2O: O2: Partículas sólidas:
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-4 °C a 800 psia 995 – 1046 BTU/ft3 2 % molar 4 % molar 3 mg/ m3 o 2.1 ppm 4 lb / MMft3 o 85 ppm 0.2 % molar 1.4 lb / MMft3
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PLANTAS DESHIDRATADORAS: Requerimientos para el transporte: Partículas liquidas: 2,8 lt/ MMft3 Libre de arena, polvo, gomas, aceites, etc. La medición del contenido de agua esta estandarizada por ASTM D – 1142.
4 lb de agua / MMft3 www.inegas.edu.bo
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Deshidratación del gas natural El vapor de agua asociado al gas natural, es uno de los contaminantes más comunes en el gas dado por los inconvenientes que puede ocasionar tanto en procesos posteriores a los que pudiere estar sometido, como para su transporte a áreas de tratamiento y consumo. Bajo condiciones normales de producción, el gas natural está saturado con agua. Por los incrementos de presión o reducción de temperatura el agua en el gas natural se condensa y se forma en agua liquida.
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Deshidratación del gas natural
Cuando el agua libre se combina con las moléculas de gas (metano, etano, propano, etc.), esta forma hidratos sólidos el cual puede taponar válvulas, equipos y algunas líneas de gas. La presencia de agua líquida puede incrementar la corrosividad del gas natural, especialmente cuando el gas contiene H2S y CO2. Sin embargo el contenido de agua en el gas natural puede ser reducido para evitar la formación de hidratos y reducir la corrosión en tuberías antes que sea transportado.
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DESHIDRATACION del gas natural …
Si el agua acumulada es producto de la condensación de su fase vapor y es llamada “agua fresca”. Si contiene minerales, cloruros de calcio, sodio y magnesio se caracteriza por tener un sabor amargo y es una indicación de que se ha producido un poco de agua de formación.
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DESHIDRATACION del gas natural … Las principales dificultades causadas por la humedad se clasifican en: Formación de hidratos de gas, que taponan las líneas y los mecanismos de control de presión. Acumulación de agua liquida en los gasoductos que reduce efectivamente el diámetro y la capacidad de transmisión. Corrosión interna de tubería, accesorios, equipos de producción, etc. El control apropiado del contenido de humedad es la solución mas simple y económica para estos problemas, lo que da origen al desarrollo del proceso de deshidratación. www.inegas.edu.bo
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DESHIDRATACION del gas natural … El tratamiento del gas natural mas aplicado por la industria es conocido como deshidratación y consiste en remover agua presente en el gas. Una deshidratación efectiva previene la formación de hidratos de gas y la acumulación de agua en los sistemas de transmisión.
El hidrogeno y nitrógeno son gases inertes que afectan el poder calorífico del gas. El anhídrido carbónico (CO2) y el sulfuro de hidrogeno, forman ácidos o soluciones acidas en presencia del agua contenida en el gas. El contaminante al que hay que prestarle suma importancia es el AGUA, siempre presente en el gas proveniente del yacimiento, ya que produce corrosión y formación de hidratos. www.inegas.edu.bo
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DESHIDRATACION del gas natural La deshidratación del gas natural se define como el proceso de remover el vapor de agua que esta asociado al gas.
Para lograr la deshidratación se disponen de varios métodos operacionales entre los cuales el mas usado es el tratamiento del gas con glicol o proceso de absorción. En este proceso se usa un liquido higroscópico para remover el vapor de agua del gas, los líquidos que se usan son el dietilen glicol y trietilen glicol.
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Punto de Rocío (Dew Point) Definición El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja. El Punto de Rocío de Hidrocarburos (HCDP): Es la temperatura a la cual empieza a aparecer liquido condensado de hidrocarburos. No hay condensación a temperaturas superiores al punto de rocío. Cuando la temperatura cae por debajo del punto de rocío, cada vez se forma mas liquido condensado. Los puntos de rocío de hidrocarburos dependen de la composición del gas natural y de la presión. www.inegas.edu.bo
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Punto de Rocío de Hidrocarburos. ISO14532: HCDP como “la temperatura por encima de la cual no ocurre ninguna condensación de hidrocarburo detectable a una presión especificada”. API 14.1: Temperatura en la cual los condensados de hidrocarburos comienza primero a formar un deposito visible de gotas en la superficie, cuando el gas se enfría a una presión constante. El punto de rocío se define como las condiciones de presión y temperatura donde el fluido se encuentra en estado gaseoso con una cantidad infinitesimal de liquido en equilibrio.
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Curva de equilibrio Liquido-Vapor típica para GN
Temperatura Cricondentérmica: Es la temperatura de rocío mas alta encontrada en una curva de equilibrio liquido-vapor para un gas de composición especifica en un rango de presiones. www.inegas.edu.bo
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Importancia de la medición del HCDP y WDP Prevenir hidratos y condensados: Formaciones de cristales sólidos y líquidos que limitan los gasoductos y dañan los compresores y válvulas Limitar la corrosión de las líneas:
El agua en exceso lleva a fugas y fatigas del caño Lograr requerimientos de supercalentamiento: Especificaciones de gas combustible para plantas termoeléctricas de
turbinas a gas.
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Aplicaciones de DewPoint HC Medición de calidad de gas en puntos de transferencia de custodia Definición de los parámetros de calidad del HCDP y WDP en los contratos de venta Especificaciones típicas para la transmisión de gas Contratos de provisión por medio de interconexión de gasoductos (desregulación, introducción de practicas competitivas en la provisión y minoreo de gas) Almacenamiento y comercialización de gas (alm. Subterráneo para la provisión futura de gas) Generación eléctrica por turbina de gas
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Aplicaciones de DewPoint HC Ejemplos CONTRATOS GSAs entre Bolivia-Brasil y Bolivia-Argentina
Parte de la cláusula del contrato YPFB-ENARSA
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Aspectos Claves del HCDP En el gas natural se hace distinción de los puntos de rocío de agua (WDP) y de los Hidrocarburos (HCDP) El gas natural contiene hidrocarburos líquidos de amplio rango de peso molecular, encontrándose en menor proporción los mas pesados. El compuesto mas pesado es el primero en condensar y es el que define el punto de rocío del gas. El HCDP es un parámetro importante de calidad del gas, indica la temperatura y la presión a la cual los hidrocarburos que conforman la mezcla del gas natural empiezan a cambiar de fase gaseosa a liquida. Los condensados representan perdidas de gas que causan errores en la determinación de flujos volumétricos, poder calorífico y otros cálculos de propiedades que se hacen en las mediciones de transferencia de custodia. Los líquidos causan problemas serios tanto en tubería como en equipos de proceso que el gas alimenta (turbinas de motores a gas). www.inegas.edu.bo
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Especificaciones para el HCDP Métodos para establecer la calidad de gas natural con respecto al contenido de líquidos: Definición del máximo contenido de compuestos C5+ o C6+: GPM (Galones de liquido MPCS) Porcentaje molar Especificaciones del HCDP Estableciendo una máxima temperatura de HCDP a la presión de operación Determinación de la temperatura cricondentérmica
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Especificaciones para el HCDP
El punto de rocío se especifica como una temperatura máxima a una presión seleccionada. Un valor típico es 15 °F a 800 psia. Este valor de presión se selecciona porque generalmente está cerca de la temperatura cricondentérmica para el gas de venta.
La razón para el valor 15 °F es para asegurar que no se formen hidrocarburos líquidos en la tubería, cuando la línea se enfría a la temperatura de la tierra, o cuando hay enfriamiento debido a expansión.
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Procesos de Reducción de HCDP Para alcanzar la especificación de HCDP, es necesario tratar el gas para remover prácticamente todos los hidrocarburos pesados de la mezcla. Procesos disponibles:
- Ciclo corto de adsorción - Refrigeración - Absorción con aceite pobre - Turbo-expansión o expansión criogénica
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Procesos de Reducción de HCDP
La selección de uno de estos procesos para una aplicación especifica depende de:
composición del gas, caudal de flujo de gas, presiones de entrada y salida del gas, economía de la extracción del GLP, eficiencias de recuperación de los productos, economía de la recuperación del etano.
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Plantas de Gas en Bolivia
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Plantas de Gas en Bolivia
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