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Modulo 4: Procesos del Gas Natural III
Ing. Nelson Cabrera Maráz, Msc
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
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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
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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
Gas Natural - Acondicionamiento
Temperatura - Hidratos
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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.
Gas Natural - Acondicionamiento
Temperatura - Hidratos
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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.)
Gas Natural - Acondicionamiento
Temperatura - Hidratos
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Sistemas de Recolección
Temperatura - Hidratos
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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:
Gas Natural - Acondicionamiento
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REFRIGERACION MECANICA
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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
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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
Refrigeración Mecánica
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La refrigeración mecánica abarca las etapas de Expansión, Evaporización, Compresión, y condensación de refrigerante
Refrigeración Mecánica
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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.
Refrigeración Mecánica
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Refrigeración Mecánica
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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.
Refrigeración Mecánica
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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”.
Refrigeración Mecánica
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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
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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
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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)
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SISTEMA DE REFRIGERACION
TURBOEXPANSION
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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
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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
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Esquema general del proceso
Turboexpansión
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Síntesis de los contenidos de la unidad TURBOEXPANSION
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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
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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.
Ajuste del punto de rocío en la unidad de Turbo Expansión
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Diagrama de Flujo de una Unidad de TurboExpansión
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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
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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
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Consideraciones generales de unidad de turboexpansión con respecto a:
Ajuste del punto de rocío en la unidad de Turbo Expansión
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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Corte de una Turbina de Expansión
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Corte de una Turbina de Expansión
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Turbo - Expander
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Turbo - Expander
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Proceso Isoentalpico
Proceso Isoentropico
Turbo - Expander
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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
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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
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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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