02-Proceso de Acondicionamiento GN

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Modulo 4: Procesos del Gas Natural III

Ing. Nelson Cabrera Maráz, Msc

[email protected]

N@Plus2016

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TEMA: PROCESO DE ACONDICONAMIENTOParte IVb

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Agenda

‾ Formación de hidratos

‾ Condiciones que promueven la formación

‾ Tecnologías disponibles

‾ Refrigeración mecánica

‾ Turbo Expansión

Procesos de Acondicionamiento del Gas Natural


El gas proveniente de los pozos deproducción contienen agua libre y agua enforma de vapor.

Los hidratos son estructuras cristalinas deagua congelada que forma una jaulaalrededor de una molécula de gas como sepuede observar.

Las moléculas de agua se entrelazan paraformar las estructuras.

Source: U.S. Geological Survey

Gas Natural - Acondicionamiento

Temperatura - Hidratos


Ocasionan taponamiento en tuberías y equipos.

El gas que es atrapado puede ser: Metano, Dióxido de Carbón , Sulfuro de Hidrogeno, Etano, Butano y Propano.

Source: U.S. Geological Survey




Type I Type II Type H

Tipo I: De

pequeño

tamaño.

Atrapa gases

livianos

(Metano,

Etano)

La jaula puede tomar varias formas.

Tipo II: De

mayor

tamaño.

Atrapa hasta

butanos

Un pie cúbico

de hidrato

contiene 160

pies cúbicos de

gas en

Condiciones

estandardes.




La formación de hidratos requiere los siguientes ingredientes:

Agua: H2O

Gas CH4, CO2, C2H6, H2S, etc.

Presión (mayor presión)

Temperatura (menor temperatura)

Nucleación (lugar físico donde se da: greda, tubería, etc.)




Sistemas de Recolección



Las Tecnologías de Proceso enfocadas solo al ajuste del punto

de rocío son:

• Expansión Joule-Thompson

• Refrigeración Mecánica

• Absorción Refrigerada

• Refrigeración por Turbo Expansión

Las Tecnologías de Proceso que además pueden generar sub-

productos son:



REFRIGERACION MECANICA


Es una de las tecnologías mas sencillas y antiguas que existen

para el procesamiento del gas. En el proceso de refrigeración, la

corriente de gas natural es enfriada a -30°F mediante un sistema

externo de refrigeración. Los líquidos condensados, son separados

en un separador de baja temperatura y estabilizados en una

columna deetanizadora hasta cumplir con las especificaciones del

LGN.

Refrigeración Mecánica



Consta de dos secciones básicas: La generación de líquidos (Enfriador y Chiller), y Acondicionamiento deproductos (torre desetanizadora)

El Chiller es un intercambiador de tubo y carcaza, en el que el fluido de proceso circula por los tubos y elliquido refrigerante por la carcaza



La refrigeración mecánica abarca las etapas de Expansión, Evaporización, Compresión, y condensación de refrigerante



El enfriamiento se realiza a través de un Ciclo de

Refrigeración Standard, produciéndose el enfriamiento en el

“evaporador” (Propano, Amoniaco).

En este proceso se logra recuperar hasta un 50% de propano

y 80% de butanos.

El Fluido refrigerante mas utilizado es el Propano puro que

permite alcanzar temperaturas hasta de -40 °C.

Debido a las bajas temperaturas alcanzadas también se logra

condensar el agua, deshidratándose así el gas.



El gas crudo proveniente de los campos contiene hidrocarburo

líquido y agua libre. Estos son separados al ingreso de la unidad de

acondicionamiento en un separador trifasico (Separación Primaria)

El gas rico es pre-enfriado en un intercambiador de calor también

conocido como “Recuperador de Calor” ya que intercambia calor

con la corriente fría de gas ya acondicionado. (Intercambiador

Gas/Gas)

El gas ingresa a un segundo intercambiador de calor llamado

“Chiller” donde sufre el enfriamiento final por evaporación del

propano liquido del lado de la coraza. Como consecuencia del

enfriamiento los componentes más pesados de la corriente (hasta

C3) condensan.



La mezcla bifásica formada es separada en un separador

llamado LTS (Low Temperature Separator).

El gas ya acondicionado que sale por la parte superior del

separador LTS se calienta en el recuperador de calor (Gas/Gas)

Si el gas de venta no tiene la presión suficiente para ingresar al

gasoducto este debe ser comprimido.

Los hidrocarburos condensados (gasolinas) son estabilizados

(control del contenido de butanos a través de la Tensión de

Vapor Reid) en una columna denominada “Estabilizadora”.



Para evitar la formación de hidratos se hace necesaria la

inyección de un inhibidor (Glicol o metanol)

Se utiliza una solución de Monoetilenglicol (MEG) como inhibidor

de formación de hidratos, con viscosidad moderada a baja

temperatura, lo que permite una buena dispersión en la corriente

de gas.



Refrigeración Mecánica - Ciclo Propano

Doble etapa de compresión

El propano esevaporado a P y Tconstantes , enfriandoel fluido de proceso

PropanoVapor

PropanoLíquido

En el economizador sesepara el liquido delvapor de la 1°etapa deexpansión


Refrigeración Mecánica - Ciclo Propano

12 Evaporación isobarica e

isotermica (Chiller)

23 1° Etapa de compresión

34 Enfriamiento 1°Etapa

45 2° Etapa de compresión

56 Condensación isobarica

67 Expansión isoentalpica

(Joule Thompson)

78 Separacion de Vapor en el

Economizador

81 Expansión isoentalpica

(Joule Thompson)


SISTEMA DE REFRIGERACION

TURBOEXPANSION


El tratamiento de gas requiere de una serie de procesos necesarios

para ponerlo en especificaciones de ese modo ser apto para

consumo.

El gas en especificaciones puede contener algunos elementos como

el etano, por ejemplo, que tienen valor comercial independiente. En

las plantas de tratamiento, muchas veces, se incluye la separación de

este tipo de elementos para aumentar la cadena de valor del proceso.

Los componentes del gas de cadenas superiores al etano (C2)

separados del gas se conocen generalmente como Líquidos del Gas

Natural, LGN.

Para la separación del etano y la máxima recuperación de los LGN es

necesario llevar el gas a temperaturas extremadamente bajas. Estas

bajas temperaturas se logran mediante un proceso denominado

TURBOEXPANSION.

Turbo Expansión


La producción de frío también se puede obtener por baja súbita de

presión del gas que se desea enfriar o expansión del gas, este hecho

dio lugar al desarrollo del proceso de “turbo-expansión”.

El proceso turboexpander permite la recuperación de

hidrocarburos líquidos del gas natural, deshidratación y control

de punto de rocío.

La carga es gas natural libre de compuestos sulfurosos, limitado

contenido de CO2 y se obtiene productos: gas apto para transporte

por gasoducto, etano, propano e hidrocarburos pesados.

Turbo Expansión


Esquema general del proceso

Turboexpansión


Síntesis de los contenidos de la unidad TURBOEXPANSION


En las unidades de ajuste de punto de rocío se obtiene como

subproducto una cantidad de condensado, compuesto de propano y

superiores, denominado GLP.

El objeto de las unidades de turboexpansión es separar, del gas

natural, la mayor parte de etano y la totalidad de los demás

componentes más pesados que contiene el gas. Se consigue a la vez

una reducción en el punto de rocío mucho mas drástica que la obtenida

mediante otros procesos.

La unidad de turboexpansión o TEF (Turbo Expander Facility) se usa

también en los casos en que, por las condiciones ambientales, es

necesario bajar la temperatura por debajo de los valores que se

obtienen con las unidades convencionales de ajuste de punto de rocío,

aunque no sea necesario ni conveniente alcanzar temperaturas

criogénicas.

Ajuste del punto de rocío en la unidad de Turbo Expansión


El equipo central de la unidad es el TURBOEXPANSOR

(TurboExpander). En este equipo se realiza la expansión que entrega la

energía que habitualmente se utiliza en la recompresión del gas pobre

expandido, o en la generación de energía eléctrica.

El gas a tratar debe ser exhaustivamente deshidratado antes de

ingresar al turboexpansor. El proceso de deshidratación más usado es

el de absorción como tamiz molecular porque reduce el contenido de

agua a unas pocas partes por millón.



Diagrama de Flujo de una Unidad de TurboExpansión


1. Una parte del gas deshidratado se deriva al reboiler de la

deetanizadora en una fracción controlada para mantener la

temperatura de fondo de la torre.

2. El resto del gas se preenfria en una serie de intercambiadores

gas-gas, entre los que se puede agregar un chiller si el proceso

requiriera un mayor descenso de temperatura.

3. El gas así pre-enfriado, junto con la fracción que retorna del

reboiler, se envía a un separador bifásico. Allí, se separan los

condensados producidos aguas arriba durante el pre-enfriamiento.

4. El gas seco se expande en la turbina bajo control de presión, y

luego, se alimenta al tope de la torre deetanizadora.

Procesos en una unidad de Turboexpansión


5. El condensado separado se alimenta también al tope de la

deetanizadora a manera de reflujo frio, que condensa los

componentes más pesados que ascienden desde el fondo de

la torre. El gas pobre sale del tope de la deetanizadora a bajo

temperatura y presión. Desde allí, se deriva a los

intercambiadores gas-gas (2).

6. Desde el intercambiador gas-gas, a primera etapa de

compresión en el compresor acoplado al turboexpansor.

7. Se requiere una segunda etapa de compresión para alcanzar

la presión del gasoducto.

8. El liquido del fondo de la torre se procesa en una planta de

fraccionamiento, fuera de la unidad TEF.

Procesos en una unidad de Turboexpansión


Consideraciones generales de unidad de turboexpansión con respecto a:



Proceso más eficiente al generar temperaturas más bajas y permitir

la extracción de LGN (100%), C3 (99%) y C2 (85%).

Este proceso es una modificación del LTS donde la válvula de

expansión es reemplazada por un Turbo Expander (Turbina).

El enfriamiento se realiza a través de una expansión isoentrópica

del gas en el TurboExpander con la consecuente realización de

TRABAJO.

El trabajo generado puede ser utilizado para restaurar parcialmente

la presión del gas, lo cual requiere compresión adicional.

Turbo - Expander


Turbo - Expander

Requiere una Deshidratación profunda previa (Glycol y Tamices < 1

ppm H2O)

Alto recobro (hasta 70% C2)

Columna Demetanizadora requerida para fraccionar las corrientes.

Proceso termodinámicamente eficiente

Unidades de elevado costo por el material requerido (Aceros

inoxidables) por las bajas temperaturas alcanzadas y los

requerimientos adicionales de deshidratación y refrigeración.


La selección de un proceso de Turboexpansor se requiere cuando las

siguientes condiciones son exigidas:

Gas Sello

Alta caída de presión en la corriente de gas de

entrada

Alto recobro de etano o propano

Requerimiento de distribución de planta

Alta utilidad de costo

Flexibilidad operacional (cambio de presión)

Si uno de estos factores coexiste generalmente el proceso de

turboexpansión es seleccionado.

Turbo - Expander


Un elemento importante a considerar en la selección de la máquina,

es su eficiencia.

La eficiencia se mide como una relación entre la energía liberada

durante la expansión, y la energía realmente aprovechada en la

máquina accionada. Si bien hay muchos factores que influyen en la

eficiencia de la turbina, como la presencia de líquido, por ejemplo, se

ha determinado que la maxima eficiencia obtenida está en el orden

del 80%.

Turbo - Expander


El turboexpansor es un dispositivo conformado por

Expansor/Compresor, utilizado para enfriar el gas de proceso y

recomprimir el gas residual. Su construcción es opuesta a un

compresor centrífugo, el gas a alta presión ingresa a lo que

normalmente sería el extremo de descarga de un compresor y fluye en

sentido contrario, luego sale por la succión del mismo a menor presión.

Un gas a una temperatura por encima del cero absoluto contiene

energía interna. No se puede visualizar la energía pero existe, porque

puede producir trabajo, esta energía es usada para accionar un

compresor acoplado al expansor, el máximo enfriamiento del gas en un

expansor ocurrirá a la máxima reducción de presión del gas, es decir, la

mínima presión de salida del expansor y cuando el compresor acoplado

tenga su carga completa.

Turbo - Expander


La energía contenida en un fluido no puede ser creada o destruida perosi se remueve o se suministra energía de un fluido tal como un gas,entonces habrá un cambio correspondiente en el contenido calórico delgas (temperatura), presión o velocidad.

El gas de proceso entra al expansor, el cual es dirigido a la parte exteriorde los álabes del impeler causando rotación, mientras fluye al centro delimpeler y sale del expansor a una menor presión. La velocidad delexpansor depende del volumen de gas manejado y la caída de presión alpasar por la unidad. En caso de que baje la presión de operación en elproceso, por paro del expansor y no suministre tal presión, actuará laválvula de expansión (J-T) asociada al sistema para compensarla.

La energía desarrollada en el expansor es usada por intermedio de uneje para mover un compresor de una etapa acoplado en el otro extremo,el gas residual entra por el centro del impeler del compresor y sale porlos extremos de los álabes del impeler a mayor presión.

Turbo - Expander


Corte de una Turbina de Expansión


Turbo - Expander


Proceso Isoentalpico

Proceso Isoentropico

Turbo - Expander


El gas rico es pre-enfriado en un

intercambiador multi pasos

(recuperador de calor).

Con ello se minimiza el tamaño de

la turbina al requerirse menor

gradiente de temperatura.

Los líquidos condensados se

extraen en un separador previo al

ingreso a la turbina y enviados a la

torre de-metanizadora

El gas separado es enfriado en

una segunda etapa en el Turbo

Expander. Como consecuencia del

enfriamiento los componentes más

pesados de la corriente (hasta C2)

condensan.

Turbo - Expander


Como resultado de la expansión se produce trabajo que puede ser

utilizado para comprimir el gas de venta libre de HC pesados.

La válvula J-T en paralelo se instala para puestas en marcha y

cuando el gas que ingresa no es tan rico, no se requiere la

producción de etano o GLP (mercado) o bajo caudal de gas.

La corriente bifásica generada se fracciona en la de-metanizadora.

El metano y componentes livianos como el nitrógeno se constituyen

en el productos de cabeza.

El etano, propano y demás HC pesados se separan por el fondo de

la columna.

Turbo - Expander


Las corrientes frías generadas en la cabeza y fondo de la torre se

calientan intercambiando calor con el gas de ingreso en el

intercambiador multi pasos.

La potencia generada en el Turbo Expander se utiliza para comprimir

el gas en una primera etapa, requiriéndose una segunda etapa de

compresión para alcanzar las presiones del gasoducto.

Como se alcanzan muy bajas temperaturas, el gas que ingresa a

este tipo de unidades debe estar totalmente libre de agua. Se

requieren unidades de deshidratación agua arriba. (TEG, Tamices

Moleculares).

Turbo - Expander


…

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