Obtención de GNL en La Planta Separadora de Líquidos Rio Grande

“Obtención de GNL en la

Planta de Licuefacción de Gas Natural de Rio Grande” Presentado Presentado por: Antony Antony Jhon Paz Ramos

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA  Identificación Identificaci ón del Problema •

Existe la necesidad de transporta Gas Natural a todas las comunidades de Bolivia bajo la política del Gobierno “Gas para lo loss Bolivianos”; es esto to de dem man and da de in infr frae aest stru ruct ctur uraa (g (gas aso odu duct ctos os lo loss cu cual ales es de dem mand ndaan tiem ti emp po y di dine nerro. Por lo qu quee la mej ejor or res esp pue uest staa es el tr tran ansp spor orte te de LN LNG G o GN GNL. L.

Formulaci Fo rmulación ón del Probl Problema ema •

Par araa la re real aliz izac ació ión n de dell tr tran ansp spor orte te de Ga Gass Na Natu tura rall ví víaa GN GNL L se re requ quie iere re un unaa Pl Plan anta ta de Li Licu cuef efac acci ción ón

•

¿Cóm ¿C ómo o se re real aliz izaa el pr proc oces eso o y co como mo se di dise seña ña un unaa Pl Plan anta ta de Li Licu cuef efac acci ción ón??

OBJETIVOS Objetivo General •

Elegir el mejor proceso de licuefacción para obtener 200-500 Toneladas de Gas y establece r su diseño.

Objetivos Específico •

Para el logro del Objetivo General propuesto, se ha identificado los siguientes Objetivos Específicos:

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Establecer la composición del Gas de ingreso a planta procedente del gas residual de la Planta de Separación de Líquidos

•

Establecer la composición del Gas de ingreso a planta procedente directamente del gaseoducto.

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 Verificar los datos de la cantidad máxima de agua que puede contener el gas.

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 Analizar y determinar la cantidad de nitrógeno requerido para la planta de GNL.

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Describir el funcionamiento de las etapas para la licuefacción del gas.

•

Determinar la capacidad cada equipo.

MARCO TEÓRICO •

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Gas Natural El gas natural es un hidryacimientos, sólo o en compañía de petróleo. En el primer caso se denomina gas libre mientras que el segundo se conoce como gas asociado. Sus componentes pueden variar según el yacimiento ocarburo que puede encontrarse en pero en general posee la siguiente composición:

Tabla 1 Composición del Gas Natural 

MARCO TEÓRICO •

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Gas Natural Licuado (GNL) El GNL es gas natural que ha sido sometido a un proceso de licuefacción, que consiste en llevarlo a una temperatura aproximada de -160ºC con lo que se consigue reducir su volumen en 600 veces. Esto permite transportar una cantidad importante de gas en buques llamados metaneros. El GNL se halla en estado líquido mientras que el gas seco (que viaja por gasoducto) se encuentra en estado gaseoso.

MARCO TEÓRICO •

Etapas dela cadena de GNL

Excluyendo la producción delgas, los procesos incluidosdentrode la cadena de GNL son: •

Licuefacción

Es el proceso destinado a licuarel gas natural, y se realiza en módulos de procesamiento llamados trenes. Los procesos involucrados son los siguientes: a.1 Deshidratación Se hace un proceso de deshidratación y filtrado para llevar el gas a valores inferiores a 1 ppm (partículas por millón). a.2 Tratamiento: el proceso de tratamiento es usado para la remoción de gases ácidos,CO2, H2S y otros componentes de azufre. El proceso incluye: a.3 Recuperaciónde azufre Los procesos hasta aquí mencionados (a.1, a.2 y a.3) tienencomo objetivo eliminar loscomponentes no deseadosy aquellos susceptiblesde congelarse. La licuefacciónse completa conotros dos pasos: a.4 Circuito de refrigeración: se elimina el calor sensible y latente delgas natural, de forma quese transforma de estado gaseoso a alta presión a estado líquido a presión atmosférica. Después de licuar el gasnatural, éste es subenfriado antes de seralmacenado. a.5 Almacenamiento delgas natural licuado: Los depósitos de GNL poseen tanque interior metálico (acero al 9% de Ni) y tanque exterior de hormigón pretensado. Este es capaz de contener una eventual fuga de GNL desde el tanque interior. Entre los dos tanques existeun material aislante, con el fin de minimizar la entrada de calor desde el ambiente

MARCO TEÓRICO •

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Diferencias técnicas entre GNL, GNS, GNC, gas licuado de petróleo y GTL (gas a líquido) Como se dijo previamente, el GNL y GNS (gas natural seco) poseen los mismos componentes químicos ya que son el mismo hidrocarburo (la mayoría es metano con un pequeño porcentaje de etano). La diferencia es el estado en que se encuentra cada uno: mientras que el segundo se halla seco (en estado gaseoso), el primero se halla en estado líquido, para lo cual se ha disminuido su temperatura (por ende, al mantenerse su presión igual a la atmosférica, su volumen es casi 600 veces inferior). El GNC es también gas natural con la diferencia de que en lugar de cambiar su estado de gaseoso a líquido, se conserva como gas en tanques metálicos a una presión de alrededor 200 bar. La tecnología de GTL se utiliza para la fabricación de naftas, gasoil y otros combustibles a partir de gas natural.

MARCO PRÁCTICO •

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Generalidades de la Planta de GNL de Rio Grande La Planta de GNL de Río Grande se ha diseñado para poder procesar y licuar gas natural procedente, bien del gas residual de la Planta de Separación de Líquidos adyacente o bien directamente del gaseoducto (GASYRG). La Planta de GNL de Río Grande tiene una capacidad de producción nominal de 210 toneladas al día de GNL, en unas condiciones, a la salida de la Cold-Box de aproximadamente 2 barg de presión y -165 ºC de temperatura. La planta será capaz de operar en un rango comprendido entre el 30% y el 100% de la capacidad nominal y tendrá una operación anual prevista de 8500 horas.

MARCO PRÁCTICO •

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Plano de ubicación de la planta de GNL – Rio Grande La Planta de GNL se localiza en Río Grande (Provincia de Andrés Ibáñez, Departamento de Santa Cruz), a unos 60 km al sudeste de Santa Cruz de la Sierra, cercana a la Planta de  Absorción e Inyección de YPFB Andina y junto a la Planta de Separación de Líquidos de YPFB, actualmente en operación.

MARCO PRÁCTICO •

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Composición del Gas Natural Se establecen dos composiciones para el gas de ingreso a la Planta de GNL:

Condiciones del Gas de Ingreso a Com p. Presión Temperatura

Comp. Pobre

Comp. Rica

Barg

57,5

57,5

ºC

29,4

29,4

Condiciones del Gas Residual Planta de Separación de Liq. Comp. Diseño

29,4

Com p.

Com p.

57,5 /

57,5 /

57,5 /

48,9

48,9

48,9

0,613

Composición (en base seca)

Gas de ingreso a planta procedente del gas residual de la Planta de Separación de Líquidos, sin hidrocarburos pesados y prácticamente exentos de agua: se prevé que dicha composición se dé un 97% del tiempo de funcionamiento de la planta. •

Gas de ingreso a planta procedente directamente del gaseoducto y por lo tanto con presencia de hidrocarburos pesados: se prevé que dicha composición se dé en un 3% del tiempo de funcionamiento de la planta. Para esta composición debe tenerse en cuenta que la cantidad máxima de agua que puede contener el gas es de 5,92 lb/MMSCF. •

 Nitrógeno

%mol

0,567

0,486

0,591

0,588

0,503

CO2

%mol

1,793

1,922

1,756

1,857

1,988

1,821

Metano

%mol

87,898

88,278

87,377

91,033

91,313

90,622

Etano

%mol

6,300

6,004

6,649

6,479

6,166

6,849

Propano

%mol

2,235

2,166

2,379

0,043

0,030

0,095

i-Butano

%mol

0,384

0,366

0,401

0,000

0,000

0,000

n-Butano

%mol

0,498

0,463

0,525

0,000

0,000

0,000

i-Pentano

%mol

0,146

0,139

0,150

0,000

0,000

0,000

n-Pentano

%mol

0,090

0,085

0,093

0,000

0,000

0,000

Hexano

%mol

0,068

0,062

0,068

0,000

0,000

0,000

Heptano

%mol

0,013

0,019

0,008

0,000

0,000

0,000

Octano

%mol

0,006

0,008

0,003

0,000

0,000

0,000

 Nonano

%mol

0,001

0,001

0,000

0,000

0,000

0,000

Selección del proceso de licuación •

Los principales ciclos de refrigeración utilizados actualmente en la industria del GNL son: un ciclo frigorífico con expansión libre, con expansión con trabajo, o bien los denominados ciclos en cascada. Cada uno tiene sus ventajas y, dependiendo de la capacidad de la planta, más de uno podría ser económicamente viable.A grandes rasgos:

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- Procesos con refrigerante mixto

•

Es un ciclo de refrigeración tradicional que utiliza como fluido refrigerante una mezcla de propano, etileno, metano y nitrógeno.

•

- Procesos en cascada

•

•

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Presenta dos primeras etapas (una de propano y otra de etileno) que respetan el ciclo frigorífico tradicional. La licuación s e produce al final por el efecto Joule-Thompson, al dejar expandir el gas hasta la presión atmosférica. - Proceso Expander Los procesos expander y varias de sus variaciones pueden ser considerados para aplicaciones de GNL. Los ciclos de expansión usan nitrógeno como refrigerante y no lo almacenan, lo cual reduce el espacio requerido. Gracias a esto habrá menor distancia entr e equipos debido a la naturaleza no inflamable del nitrógeno. Es el más adaptable para la deseable disposición, sin embargo, la eficiencia del proceso es la más baja según vemos en la comparación de la tabla, pero es posiblemente el proceso más seguro.

Comparación de Procesos GNL

Proceso de licuación basado en expansión de nitrógeno •

El proceso basado en la expansión de nitrógeno es una tecnología bien conocida, que se utiliza ampliamente en la separación industrial de aire para la producción de N2 líquido y O2. El proceso utiliza un ciclo inverso de Brayton para crear refrigeración mediante la compresión de nitrógeno, eliminando el calor de compresión, expansionando el nitrógeno a través de un turbo-expander para crear una corriente fría y calentando la corriente contra la carga de calor.

Proceso con doble expansión de nitrógeno •

La figura muestra el proceso con doble expansión de nitrógeno. En ella podemos ver que el nitrógeno se comprime y entra en un economizador en el que se enfría. La mayor parte del nitrógeno se separa en un punto intermedio del economizador, expandiéndose a través de un turboexpander para reducir su temperatura, y entra en el intercambiador de licuefacción para proporcionar la mayor parte del trabajo de refrigeración para licuar el gas natural. El nitrógeno remanente se enfría aún más en el economizador antes de ser expandido

 Justificación de la Selección •

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La selección del ciclo para un proyecto en particular dependerá de las características del gas de alimentación, capacidad del tren, selección de los generadores eléctricos, La intención del proyecto es la de diseñar una planta cuya capacidad sea aproximadamente de un millón de toneladas por año, por lo que a la hora de seleccionar el proceso estaremos restringidos por este parámetro.

Descripción General del Proceso de Planta de GNL •

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Recepción del Gas Natural Para producir 210 toneladas diarias de GNL, cuando la planta opera al 100%, se necesita un caudal de 11284 kg/h (equivalente a 15100 Nm3/h) de gas natural procedente de la PSL. En el caso de que el gas natural proceda del gaseoducto, el caudal másico requerido es mayor, concretamente de unos 12564 kg/h (equivalentes a unos 15070 Nm3/h), debido a su contenido en hidrocarburos pesados. El gas natural que ingresa a la Planta de GNL, bien desde la Planta de Separación de Líquidos, o bien desde el gaseoducto, pasa a través de unos filtros coalescentes (02F-01/02), donde se retienen la arena, y otras pequeñas partículas, para prevenir el bloqueo de las distintas válvulas y tuberías.

Descripción General del Proceso de Planta de GNL •

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Pre-tratamiento del gas natural El gas natural a 32 barg de presión pasa por una etapa de pre-tratamiento, previa a la licuefacción, en la que se eliminan las trazas de mercurio, el contenido en CO2, así como la humedad del gas y un porcentaje de los hidrocarburos pesados.

Descripción General del Proceso de Planta de GNL •

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•

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Licuefacción del gas natural Para la licuefacción del Gas Natural se emplea un ciclo dual de expansión de nitrógeno. El gas natural purificado en la etapa de pretratamiento se envía a una presión de unos 30 barg a un intercambiador de calor de aluminio, instalado en la caja fría o cold-box donde es enfriado hasta su licuefacción. Como fluido refrigerante se emplea nitrógeno, con lo que el proceso de producción de GNL es muy seguro ya que el nitrógeno es un gas inerte. El nitrógeno empleado como refrigerante opera en un ciclo cerrado en el que inicialmente es comprimido desde una presión de unos 5.5 barg hasta alcanzar los 25 barg, en el compresor de reciclo de nitrógeno. Posteriormente se comprime de nuevo, mediante los compresores booster, hasta alcanzar unos 46 barg y se enfría con agua de refrigeración hasta los 40 ºC y en estas condiciones se envía a la cold-box donde es empleado como fluido refrigerante para el enfriamiento y licuefacción del gas natural. El nitrógeno a 46 barg se extrae de la cold-box y se expansiona hasta alcanzar unos 6 barg  aproximadamente. En esta despresurización el nitrógeno alcanza temperaturas de hasta -170ºC.

P1=5,5 barg.  T1=28ªC

P2=25barg.  T=90ºc

P3=46 barg .  T=110ºc

Enfría con agua T=40ºc P=6 barg .  T=-170ºc P=30 bar  T=40ºc

P=3,5bar  T=-170ºc

Descripción General del Proceso de Planta de GNL •

 A la hora de explicar la simulación, se puede dividir ésta en dos ciclos, los cuales son interdependientes entre sí; el ciclo de licuación de gas natural (en la figura en color rojo) por intercambio de calor con dicho refrigerante (tiene lugar en lo que denominamos caja fría o cold box) y el ciclo cerrado de nitrógeno, que se puede  ver en la figura en color verde.

Descripción General del Proceso de Planta de GNL •

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Diagrama de flujo  A continuación se hace una relación de los nombres dados a cada equipo para seguir de una forma más sencilla la descripción del diagrama.

Dimensionamiento de los Equipos •

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La planta de licuación tendrá un flujo de entrada de feed gas de 3,523 kg/s, y una producción de GNL de 3,237 kg/s, con una eficiencia térmica de planta del 90 % Dichas condiciones son; el caudal de nitrógeno que se empleará como refrigerante en la licuefacción del gas natural y el caudal de agua que se empleará como refrigerante del nitrógeno en la refrigeración intermedia de la compresión

Dimensionamiento de los Equipos •

Intercambiadores de carcasa y tubos

Para intercambiadores de carcasa y tubos, hay que definir el número de pasos por los tubos, el diámetro de los tubos el paso entre ellos y la disposición de los tubos. Con estos datos, se puede calcular el número de tubos necesarios y el diámetro de la carcasa. •

Los valores típicos y siguiendo la referencia T.EM.A. serán:

- Diámetro del tubo: 0,0254 m (1”) - BWG :16 - Longitud tubo: 3,048 m (10 ft) - Paso: triangular - Pitch: 0,03175 m (1” ¼  )

Dimensionamiento de los Equipos •

Intercambiadores criogénicos

El nitrógeno a 46 barg se extrae de la cold-box y se expansiona hasta alcanzar unos 6 barg  aproximadamente. En esta despresurización el nitrógeno alcanza temperaturas de hasta -170ºC.

Dimensionamiento de los Equipos La relación básica que sirve para calcular el área de transferencia de calor en cualquier intercambiador, la encontramos en la siguiente ecuación:

Donde

Estos intercambiadores suelen tener un coeficiente de transferencia de calor estimado en 900 Btu/F hr.

Dimensionamiento de los Equipos El cálculo del área de transferencia de calor se realiza mediante la siguiente ecuación:

Donde N es el númerode tubos D es el diámetro del cilindro que representa el tubo hueco central d es el diámetro del tubo que representa el haz de tubos

Dimensionamiento de los Equipos •

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Compresores El nitrógeno empleado como refrigerante opera en un ciclo cerrado en el que inicialmente es comprimido desde una presión de unos 5.5 barg hasta alcanzar los 25 barg, en el compresor de reciclo de nitrógeno. Posteriormente se comprime de nuevo, mediante los compresores booster, hasta alcanzar unos 46 barg  Las temperaturas de entrada y salida son: Te= 301,15 K=28ºc Ts= 383,15 K=110ºc Qnitrógeno = 47,5 kg/s  Así la potencia consumida por el compresor:

Dimensionamiento de los Equipos •

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Bombas Una bomba se define como un medio para convertir energía mecánica en energía fluida. Se calcula la potencia que consume la bomba. p= 300 kPa QH2O= 528 kg/s H2O= 1033,227 kg/m3

Wbomba = 153 kW

Conclusiones y Recomendaciones •

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Como se pudo apreciar existen varios procesos para la licuefacción, el más adecuado a la capacidad que opera la Planta de Rio Grande es la expansión por Nitrógeno Este tiene un diseño sencillo y adecuándolo puede llegar hasta producir un millón  Tonelada por Año; por lo que se recomienda aumentar las plantas regasificadoras en todo el país y la adecuación de la planta para esta capacidad  También recomendamos la exploración en todo Bolivia para que no exista caída en el suministro de la Planta además para su ampliación sin poner en riesgo nuestro compromisos de Exportación al Brasil