UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE TECNOLOGÍA DE PETRÓEOS
TEMA:
“DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE LICUEFACCIÓN DEL GAS NATURAL PARA IMPLEMENTARSE EN LA RECEPCIÓN DEL PRODUCTO EN UNA
PLANTA DE EXTRACCIÓN DE GAS NATURAL”.
TESIS DE GRADO PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
TECNÓLOGO DE PETRÓLEOS.
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
Director de Tesis: Ing. Raúl Baldeón L.
Quito – Ecuador
II
Del contenido del presente presente trabajo se responsabiliza el autor
III
CERTIFICACIÓN DE TUTOR
Quito DM, del 2011
Ingeniero
JORGE VITERI MOYA MBA.-MSc.
Decano Facultad de Ciencias de la Ingeniería Universidad Tecnológica Equinoccial
Presente.
Señor Decano:
Por medio del presente me permito informar que la tesis titulada “DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE LICUEFACCIÓN DEL GAS NATURAL PARA IMPLEMENTARSE EN LA RECEPCIÓN DEL PRODUCTO EN UNA PLANTA DE EXTRACCIÓN DE
GAS NATURAL”, desarrollada por el señor JOSÉ MANCHENO previa a la obtención
del título de TECNÓLOGO EN PETRÓLEOS, ha sido concluida bajo mi dirección y tutoría, por lo que solicito se dé el trámite subsiguiente.
Particular que comunico para los fines pertinentes.
Atentamente
IV
DEDICATORIA
Dedico este trabajo, con mucho cariño a mi familia, por apoyarme a lo largo de toda mi vida. Especialmente a mis padres: José Luis y Mónica por ser ejemplo y modelo a seguir, quienes nunca dejaron de luchar por mi superación, me han guiado y son el pilar fundamental en los momentos más álgidos de mi vida.
A Carolina mi novia, que me ha apoyado y motivado a realizar este trabajo, gracias por todo tu amor, cariño y comprensión.
A mi tío Jorge, por estar, siempre a mi lado, ser mi mejor amigo y un padre más, ¡Gracias por toda tu ayuda y comprensión!
A mi Papi Jorge y la institución a la cual preside porque me han orientado a crecer como persona, teniendo experiencias muy enriquecedoras, convirtiéndome en un amigo y mentor de mis queridos estudiantes que luchan, a mente partida por solucionar sus “graves problemas”.
A mami Gladys, quien demostró ser un ejemplo de lucha tenaz e incansable a pesar de sus graves enfermedades, nunca se dejó abatir y siguió adelante, gracias por tus bendiciones, espero que me sigas cuidando desde el cielo siempre estarás en nuestros corazones.
A mis grandes amigos, de toda la vida: Julio Salazar, Luis Vasco, Galo Trávez, Carlos Quinchuela, Sebastián Chávez… mil gracias por compartir los momentos más felices de nuestra juventud, ser incondicionales en lo bueno y en lo malo y, a todos, quienes me han brindado su amistad durante este largo y difícil camino…
V
AGRADECIMIENTOS
Gracias a Dios.
A mi querida Universidad Tecnológica Equinoccial por guiarnos y cultivar nosotros no solo conocimiento sino una formación en valores, creando así profesionales con excelencia académica y ciudadanos comprometidos a crear una mejor sociedad para el futuro.
A mis padres, José Luis Mancheno y Mónica Narváez Álvarez, que siempre me han dado su apoyo incondicional y a quienes debo este triunfo profesional, por todo su trabajo y dedicación para darme una formación académica y sobre todo humanista y espiritual. De ellos es este triunfo y para ellos es todo mi agradecimiento.
Al Ingeniero Raúl Baldeón por el apoyo en la realización y desarrollo de la investigación.
A todos mis amigos, amigas y todas aquellas personas que han sido importantes para mí durante todo este tiempo. A todos mis maestros que aportaron a mi formación. Para quienes me enseñaron más que el saber científico, a quienes me enseñaron a ser lo que no se aprende en salón de clase y a compartir el conocimiento con los demás.
A todos . . .
VI
ÍNDICE GENERAL
DECLARACIÓN PERSONAL……….………...….……...…..II
CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR…...…………...………….………....III
DEDICATORIA………...……….……….…...…...IV
AGRADECIMIENTO………..………...……...V
ÍNDICE GENERAL……...………..……....VI
ÍNDICE DE CONTENIDOS………..……….VII
ÍNDICE DE GRÁFICOS………...XIII
ÍNDICE DE TABLAS………..……....….XVI
RESUMEN………..………XVIII
VII
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Pag.
CAPÍTULO I……….….……….1
1.-INTRODUCCIÓN…...………...1
1.1.-OBJETIVO GENERAL… ………...…………..…2
1.2.-OBJETIVOS ESPECÍFICOS….…….………...………..………2
1.3.-JUSTIFICACIÓN….……….………...…….……….3
1.4.-IDEA A DEFENDER ………...……….5
1.5.-MARCO DE REFERENCIA….………...………..6
1.5.1.-MARCO TEÓRICO ……..………..……….………..6
1.5.2.-MARCO CONCEPTUAL……….13
1.6.-METODOLOGÍA……….………14
CAPÍTULO II: …...………..…16
2.- GAS NATURAL LICUADO………...16
2.1- PROPIEDADES DEL GAS NATURAL………...17
VIII
2.3.-TIPOS DE FLUJO………...….20
2.3.1. FLUJO SEGREGADO………..21
2.3.2. FLUJO INTERMITENTE………...…..21
2.3.3. FLUJO DISTRIBUIDO………22
2.4.- TIPOS DE ALMACENAMIENTO DE GAS NATURAL……….……...25
2.4.1.-ALMACENAMIENTO SUBTERRÁNEO.…..………...……….26
2.4.1.1. ALMACENAMIENTO EN DOMOS SALINOS………..…...27
2.4.1.2. ALMACENAMIENTO EN YACIMIENTOS AGOTADOS………31
2.4.1.3. ALMACENAMIENTO EN ACUÍFEROS………...35
2.5.- APLICACIONES Y USOS DEL GN………..39
2.6.-VENTAJAS DEL GAS NATURAL………...……….…….…41
2.7.-COMPARACIÓN ENTRE GLN Y GLP………..………44
2.8-TIPOS DE GAS NATURAL…..…………...………....…46
CAPÍTULO III: ……….…...46
3.-LICUEFACCIÓN……….…47
3.1.-RESERVAS DE GAS NATURAL EN EL ECUADOR………...……...47
IX
3.3. PROCESAMIENTO DE GLN………..50
3.4. PROCESO DE LICUEFACCIÓN………...……….51
3.5. PROCESO DE ENFRIAMIENTO………52
3.6.- ALMACENAMIENTO DE GAS EN SUPERFICIE………..53
3.6.1.-TANQUES CRIOGÉNICOS PARA ALMACENAMIENTO DE GAS…..…54
3.6.1.1. CARACTERÍSTICAS DE UN TANQUE CRIOGÉNICO……..……….59
3.6.1.2. SISTEMAS DE UN TANQUE CRIOGÉNICO………..…………..61
3.7.-VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LA MEDICIÓN DEL GAS………66
3.8.-INSTALACIÓN PARA MEDIR GAS NATURAL………..………...……....68
3.9.-TIPOS DE MEDIDORES……….69
3.9.1. MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL……….69
3.9.1.1. TIPOS DE PLACA – ORIFICIO………..……….70
3.9.2. MEDIDORES TIPO TURBINA………..……….…73
3.9.2.1. FACTORES QUE AFECTAN LA PRECISIÓN DEL MEDIDOR TIPO TURBINA………..……….75
3.9.3. MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE………...………..76
3.10. TRANSPORTE DE GAS NATURAL..………...………...77
X
3.10.2. TRANSPORTE MARÍTIMO DE GAS NATURAL……..………81
3.11.-COMBUSTIBLES QUE EL GAS NATURAL PUEDE SUSTITUIR….……..…84
CAPÍTULO IV………..85
4. PLANTA DE GAS NATURAL………....85
4.1. GAS NATURAL DE ANCÓN………...………..87
4.1.1. CARACTERIZACIÓN DE LOS RESERVORIOS………88
4.1.2. PROPIEDADES FÍSICO – QUÍMICAS DE LOS COMPONENTES DEL GAS NATURAL………...88
4.1.3. PERFIL DE PRODUCCIÓN DE GAS………...92
4.2. PROCESO DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL…………...…………...98
4.3. IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA POBLACIÓN BENEFICIARIA………...……….101
4.4. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES DEL SISTEMA DE GASODUCTO MACHALA – EL CHORRILLO- LA TRONCAL – CUENCA………...105
4.4.1. ESTACIÓN COMPRESORA MACHALA……...………....105
XI
4.4.3. ESTACIÓN CUENCA………108
4.4.4. ESTACIÓN El CHORRILLO……….109
4.5. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DEL GASODUCTO Y PLANTA DE GAS NATURAL………...………..110
4.5.1 SISTEMAS DE SEGURIDAD………...…..110
4.5.2. SISTEMA DE LIMPIEZA INTERIOR DE GASODUCTO………...111
4.5.3. GENERADOR DE EMERGENCIA………...………113
4.5.4. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN………...………..113
4.5.5. CENTRO DE CONTROL DE MOTORES……….………114
4.5.6. FUENTE ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)……….115
4.5.7. SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y TRANSITORIAS………..…....115
4.5.8. SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA………..116
4.5.9. ÁREA ELECTRÓNICA Y DE CONTROL………118
4.5.10. SISTEMA DE MEDICIÓN DE FLUJO………...…….119
4.5.11. SISTEMA DE DESPACHO DE GAS NATURAL A AUTO-TANQUES..120
XII
4.5.13. SISTEMA DE DETECCIÓN Y EXTINCIÓN DE INCENDIOS…………121
4.5.14. SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN………124
4.5.14.1. VÁLVULAS CONTROL DE PRESIÓN………..…………125
4.5.14.2. VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN Y TÉRMICAS………126
4.5.14.3. VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN EN RECIPIENTES……….126
4.5.14.4. INTERCONEXIÓN CON EQUIPOS PAQUETE………126
4.5.14.5. TELECOMUNICACIONES………...………...127
CAPÍTULO V……….128
5.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……….128
5.1. CONCLUSIONES………...128
5.2. RECOMENDACIONES...………..……129
GLOSARIO………...……….130
BIBLIOGRAFÍA………...……….132
SIMBOLOGÍA………...133
XIII
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICO N°1 PLANTA DE GAS NATURAL...………16
GRÁFICO N° 2 COMPOSICIÓN TÍPICA DEL GNL, GNC, LGN, GLP, GAL………..18
GRÁFICO N° 3 COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL………..20
GRÁFICO N° 4 TIPOS DE FLUJO DE GAS EN UN POZO……….23
GRÁFICO N° 5 TIPOS DE FLUJO EN EL INTERIOR DE UNA TUBERÍA…………...24
GRÁFICO N° 6 DIAGRAMA DE FLUJO EN LA TUBERIA EN TRES DIMENSIONES………25
GRÁFICO N° 7 ALMACENAMIENTO SUBTERRÁNEO………...…26
GRÁFICO N° 8 ALMACENAMIENTO EN DOMOS SALINOS………..28
GRÁFICO N° 9 ALMACENAMIENTO EN DOMO SALINO DE GAS NATURAL…...29
GRÁFICO N° 10 DISEÑO CONCEPTUAL DE GAS EN UN DOMO SALINO………..31
GRÁFICO N° 11 ALMACENAMIENTO EN YACIMIENTOS AGOTADOS…………..32
GRÁFICO N° 12 PROCESO DE ALMACENAMIENTO EN POZOS DEPLETADOS Y ACUÍFEROS……….34
GRÁFICO N° 13 CIERRE ESTRUCTURAL DE UNACUÍFERO………35
XIV
GRÁFICO N° 15 RESERVAS DE GAS NATURAL COMPROBADAS EN EL
ECUADOR………...49
GRÁFICO N° 16 COMPARACIÓN DE VOLUMEN ENTRE EL GAS NATURAL Y EL GAS NATURAL LICUADO………....53
GRÁFICO N° 17 ESTRUCTURA DE UN TANQUE CRIOGÉNICO………...…58
GRÁFICO N° 18 SISTEMAS E INSTRUMENTACIÓN TÍPICA DE UN TANQUE CRIOGÉNICO………...64
GRÁFICO N° 19 CAÍDA DE PRESIÓN EN UNA PLACA - ORIFICIO………...70
GRÁFICO N° 20 TIPOS DE PLACA-ORIFICIO………71
GRÁFICOS N° 21 EJEMPLOS DE MEDIDORES TIPO TURBINA……....………74
GRÁFICO N° 22 ROTÁMETRO……….77
GRÁFICO N°23 EJEMPLOS DE TANQUES CISTERNAS CRIOGÉNICOS…………..79
GRÁFICO N° 24 BUQUE GASERO DE GNL………...81
GRÁFICO N°25 ELEMENTOS DE UN BUQUE DE GLN………...83
GRÁFICO N° 26 PLANTA DE GAS NATURAL………...………85
GRÁFICO Nº 27 PERFIL DE PRODUCCIÓN DIARIA EN LOS PRÓXIMOS 9 AÑOS DE GAS NATURAL………97
XV
GRÁFICO N° 29 SISTEMA DE ÁNODO DE MAGNESIO PARA INHIBIR
CORROSIÓN EXTERNA………..117
GRÁFICO N° 30 EQUIPOS PRINCIPALES DE UN SISTEMA DE CONTROL……...118
XVI
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA N° 1 COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA DEL GAS NATURAL………....17
TABLA N° 2 COMPOSICIÓN TÍPICA DEL GAS NATURAL……….19
TABLA N° 3 VENTAJAS DE ALMACENAMIENTOS SUBTERRÁNEOS………36
TABLA N° 4 COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO SUBTERRÁNEOS………..….37
TABLA N° 5 COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTOS SUBTERRÁNEOS………...38
TABLA N° 6 APLICACIONES DEL GAS NATURAL……….39
TABLA N° 7 COMPARACIÓN DE EMISIONES ENTRE COMBUSTIBLES…………42
TABLA N° 8 EFECTOS DE CONTAMINANTES………43
TABLA N° 9 RESERVAS DE GAS NATURAL EN ECUADOR……….48
TABLA N° 10 ESPECIFICACIONES FÍSICAS DE TANQUES CRIOGÉNICOS……...56
TABLA N° 11 CARACTERÍSTICAS DE UN TANQUE CRIOGÉNICO……….…60
TABLA N° 12 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA PLACA – ORIFICIO…………73
XVII
TABLA Nº 14 CROMATOGRAFÍAS DE GASES DE DOS MUESTRAS DE LA
SECCIÓN 67……….89
TABLA Nº 15 CROMATOGRAFÍAS DE GASES DE TRES MUESTRAS DE LA SECCIÓN TIGRE……….90
TABLA Nº 16 CROMATOGRAFÍAS DE GASES DE TRES MUESTRAS DEL ÁREA NAVARRA………...91
TABLA Nº 17 CAPTACIÓN DE POZOS EN SECCIÓN TIGRE………..92
TABLA Nº 18 CAPTACIÓN DE POZOS EN SECCIÓN 67………..94
TABLA Nº 19 CAPTACIÓN DE POZOS ÁREA NAVARRA………95
TABLA Nº20 PRODUCCIONES ANUALES Y DIARIAS DE GAS……….96
TABLA N°21 CONSUMO POR SECTORES PROVINCIA DE EL ORO…………..….102
TABLA N°22 CONSUMO POR SECTORES PROVINCIA DE AZUAY……..……….103
TABLA N°23 CONSUMO POR SECTORES PROVINCIA DE GUAYAS……..……..104
TABLA N°24 CONSUMO DE GAS NATURAL EL PRIMER AÑO EN PIES CÚBICOS DÍA (PCD)………..134
TABLA N° 25 COMPONENTES PLANTA Y GASODUCTO………....135
XVIII RESUMEN
En este trabajo se ha realizado una investigación a los siguientes temas: gas natural, licuefacción, plantas de licuefacción de gas natural, sus procesos, instrumentación y equipos utilizados en una planta de gas natural.
Este documento tiene como finalidad servir de una fuente de consulta para personas afines a la industria del petróleo y para la sociedad en general, facilitando así la comprensión de temas que no han sido lo suficientemente analizados.
Aquí se presenta también al gas natural como una solución al problema que presenta nuestro país con la importación y subsidio de gas licuado de petróleo, ya que el gas natural puede reemplazar al gas licuado en varios sectores como son: el sector energético, ambiental, vehicular y otros más.
Se presentan también las condiciones y tipos de almacenamiento del gas natural, ya sea de forma subterránea mediante la inyección de gas en: domos salinos, pozos depletados y acuíferos, o también en la superficie por medio de almacenamiento en tanques criogénicos a una determinada presión y temperatura cumpliendo así con las normas establecidas por las agencias de control y fiscalización de hidrocarburos.
XIX SUMMARY
This researching has conducted an investigation on the following topics: natural gas liquefaction plants, natural gas liquefaction, processes, instrumentation and equipment’s used in a natural gas plant.
This document is intended to serve as a resource for people close to the oil industry and society in general. It tries to make easier the understanding of topics that have not been sufficiently analyzed.
Here is also the natural gas as a solution to the problem presented by our country because our country spend a lot of money importing liquefied petroleum gas and natural gas can replace liquefied gas in various sectors such as: energy, environmental, vehicular and more.
We also present conditions and types of natural gas storage, either underground by injecting gas, salt domes, depleted wells and aquifers, or in the surface by means of cryogenic storage tanks at a certain pressure and temperature thus complying with the standards set by the agencies of control and supervision of hydrocarbons.
1
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
En la producción de un pozo de petróleo se encuentra una cantidad considerable de gas natural disuelto o asociado al petróleo. Este gas es un combustible gaseoso, el cual está formado por una mezcla de hidrocarburos livianos, siendo el componente principal el metano (CH4).
El gas natural (GN) se denominada así debido a que en su composición química no ha intervenido ningún proceso y este es limpio y entre sus características no posee color, ni olor. El gas natural es más ligero que el aire y el GLP, por lo que al producirse una fuga de gas natural este se elevará y se disipará hacia la atmósfera disminuyendo el riesgo en su uso, lo cual es una ventaja en comparación con el GLP que es más pesado y no se disipa fácilmente.
Al extraer el gas natural de los yacimientos, generalmente poseen componentes que deben ser eliminados antes de que pueda ser licuado para su comercialización, entre los componentes que deben eliminarse se encuentran: el azufre, mercurio, hidrocarburos pesados, especialmente benceno, y dióxido de carbono que puede congelarse y producir bloqueos en el equipo de licuefacción.
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nitrógeno o mezclas de ellos, que luego se evaporan a medida que intercambian calor con una corriente independiente de gas natural que es el que va a ser licuado al llegar a los -161 °C. A una presión atmosférica normal, si el gas natural se enfría a una temperatura de - 161°C aproximadamente, se condensa bajo la forma de un líquido llamado gas natural licuado (GLN). Un volumen de este líquido ocupa casi 600 veces menos espacio que el gas natural y es dos veces menos pesado que el agua (45% aproximadamente). Es inodoro, incoloro, no es corrosivo ni tóxico. Cuando se evapora se quema solamente en concentraciones del % al 15% mezclado con el aire. Ni el GLN ni su vapor pueden explotar al aire libre. Puesto que el gas natural licuado ocupa menos espacio, el gas natural se licúa para facilitar su transporte y almacenaje.
Este trabajo pretende desarrollar los conceptos y elementos aplicados al proceso de licuefacción
1.1. OBJETIVO GENERAL
Describir el sistema de licuefacción de gas natural para la recepción de producto dentro de una planta de almacenamiento y distribución de Gas Natural.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
3
Describir las cualidades y beneficios del GLN natural
Describir los elementos que componen una planta de GLN y sus procesos.
1.3. JUSTIFICACIÓN
Una vez que un pozo de petróleo, o en yacimientos que contienen solamente gas, se pone en producción se obtiene una cantidad considerable de gas natural, el cual puede encontrarse de forma disuelta o asociada con el petróleo, el cual para ser aprovechado como combustible para consumo en la industria debe pasar por un sistema de licuefacción de gas, para eliminar componentes contaminantes que deben eliminarse, este proceso es muy importante conocerlo debido a que el gas natural es un tipo de energía que se quema de manera más limpia y produce menos CO2, y por lo tanto un menor impacto ambiental, además el gas natural es más ligero y se disipa con mayor facilidad que el gas licuado de petróleo y así se pueden evitar percances debido a una intoxicación por gases.
1.3.1. IMPACTO SOCIAL
4
1.3.2. IMPACTO PRÁCTICO
Este estudio permitirá conocer los equipos existentes en la planta de almacenamiento y distribución de EP- PETROECUADOR en Machala, su funcionamiento, sus condiciones y la regulación del proceso de licuefacción por normas, leyes y sus condiciones de seguridad.
1.3.3. IMPACTO METODOLÓGICO
Esta investigación se basará en la recolección de datos proporcionados por EP- PETROECUADOR y la extracción de información de material bibliográfico existente.
1.3.4. IMPACTO TEÓRICO
El estudio se basará en un marco teórico de nivel universitario, aplicando las leyes y normativas impuestas en nuestro país para el tratamiento, transporte y consumo del gas natural.
1.3.5. IMPACTO AMBIENTAL
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cual es un producto mucho más limpio y que puede ser utilizado como una fuente de energía en la industria.
1.4. IDEA A DEFENDER:
Esta investigación se la realiza por la falta de información en el país y la falta de explotación del gas natural, además conocer las condiciones y reglamentos para su transporte y almacenamiento. Este estudio se lo realiza con la finalidad de beneficiar a la industria sirviendo para el personal que lo opera como información en su trabajo y a la sociedad utilizando una fuente de energía más limpia como lo es el Gas Natural Licuado. Además permitirá evitar daños en los equipos y pérdidas humanas, sirviendo como una guía para evitar accidentes.
1.4.1. IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES
Las variables a ser consideradas son:
1.4.1.1. VARIABLES INDEPENDIENTES:
La cualidad del gas. El tipo de gas
6
1.4.1.2. VARIABLES DEPENDIENTES:
Capacidad de uso y comercialización Las diferentes formas de almacenamiento
Las diferentes formas de manejo, control y seguridad
1.5. MARCO DE REFERENCIA
El marco teórico utilizado en la investigación se regirá a fuentes especializadas en el tema del gas natural y el proceso de licuefacción.
1.5.1. MARCO TEÓRICO:
CONCEPTO DE GAS NATURAL: Es un combustible gaseoso constituido por una mezcla de hidrocarburos livianos cuyo componente principal es el metano (CH4). Se denomina con el término "Natural" porque en su constitución química no interviene ningún proceso; es limpio, sin color y sin olor. Se le agrega un odorizante para la distribución sólo como medida de seguridad.
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El gas natural no requiere de almacenamiento en cilindros o tanques, se suministra por tuberías en forma similar al agua potable.
COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL: El gas natural se puede encontrar en forma "asociado", cuando en el yacimiento aparece acompañado de petróleo, o gas natural "no asociado" cuando está acompañado únicamente por pequeñas cantidades de otros hidrocarburos o gases.
La composición del gas natural incluye variedad de hidrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el 90%, y en proporciones menores etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes como dióxido de carbono y nitrógeno. La composición del gas varía según el yacimiento.
Composición del Gas Natural
Impurezas como son, el helio, oxígeno, vapor de agua.
Las propiedades del gas natural según la composición del cuadro anterior son: Densidad Relativa : 0,65
Poder Calorífico : 9.032 Kcal/m3
Cp (Calor específico a presión Cte) : 8.57 cal/mol.ºC Cv (Calor específico a volumen Cte) : 6.56 cal/mol.ºC
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naturales o a los líquidos de gas natural, para lo cual se utilizan los procesos de absorción o criogénicos. Las estaciones de compresión proveen la energía necesaria para hacer llegar el gas natural a través del territorio nacional. Para que un consumidor tenga acceso al gas natural es necesario que interconecte sus instalaciones al sistema de transporte existente, o a una red de distribución cercana.
PLANTAS DE PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL: Plantas en las cuales se procesa gas natural para recuperar líquidos así como también azufre y otras impurezas que posea el gas natural.
El gas natural es incoloro, inodoro, insípido, sin forma particular y más ligero que el aire. Se presenta en su forma gaseosa por debajo de los -161º C. Por razones de seguridad, se le añade mercaptano, un agente químico que le da un olor a huevo podrido, con el propósito de detectar una posible fuga de gas.
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densidad de 0,60, inferior a la del aire (1,00), el gas natural tiene tendencia a elevarse y puede, consecuentemente, desaparecer fácilmente del sitio donde se encuentra por cualquier grieta.
A una presión atmosférica normal, si el gas natural se enfría a una temperatura de - 161°C aproximadamente, se condensa bajo la forma de un líquido llamado gas natural licuado (GNL). Un volumen de este líquido ocupa casi 600 veces menos espacio que el gas natural y es dos veces menos pesado que el agua (45% aproximadamente). Es inodoro, incoloro, no es corrosivo ni tóxico. Cuando se evapora se quema solamente en concentraciones del % al 15% mezclado con el aire. Ni el GNL ni su vapor pueden explotar al aire libre. Puesto que el gas natural licuado ocupa menos espacio, el gas natural se licúa para facilitar su transporte y almacenaje.
El gas natural es considerado como un combustible limpio. Bajo su forma comercializada, casi no contiene azufre y virtualmente no genera dióxidos de azufre (SO2). Sus emisiones de óxidos de nitrógeno.
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Diversos análisis sobre el valor Kcal del gas natural son realizados en cada etapa de la cadena del producto. Se utilizan para esto analizadores con proceso cromatográfico del gas, para poder realizar análisis fraccionales de las corrientes de gas natural, separando el gas natural en sus componentes identificables. Los componentes y sus concentraciones se convierten en valor calorífico bruto en Kcal /m3.
La composición del gas natural varía según la zona geográfica, la formación o la reserva de la que es extraído. Los diferentes hidrocarburos que forman el gas natural pueden ser separados utilizando sus propiedades físicas respectivas (peso, temperatura de ebullición, presión de vaporización).
Normalmente, el gas natural tal cual se presenta después de su extracción no se puede transportar, ni tiene una utilización comercial, pues necesita antes una primera transformación. El gas natural comercializable se compone casi exclusivamente de metano y de etano, excluyendo las impurezas que como la humedad deben ser removidas del gas natural bruto. El transporte por gasoductos impone a su vez reglas sobre la calidad del gas natural. En cualquier caso, el gas natural debe ser tratado con el fin de eliminar el vapor de agua, los sólidos y los otros contaminantes y separarlo de ciertos hidrocarburos cuyo valor es más elevado como producto separado que como producto mezclado.
La normatividad peruana vigente especifica que el gas natural deberá ser entregado por el concesionario en las siguientes condiciones:
Libre de arena, polvo, gomas; aceites, glicoles y otras impurezas indeseables.
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No contendrá dióxido de carbono en más de tres y medio por ciento (3.5%) de su volumen y una cantidad de gases inertes totales no mayor de seis por ciento (6%) de su volumen; entendiéndose como gases inertes a la suma del contenido de nitrógeno y otros gases diferentes al dióxido de carbono.
Estará libre de agua en estado líquido y contendrá como máximo sesenta y cinco miligramos por metro cúbico (65mg/m3 (st)) de vapor de agua.
No superará una temperatura de cincuenta grados centígrados (50º C).
Con un contenido calorífico bruto comprendido entre 8 450 Kcal/m3 y 10300 Kcal/m3 (st). Hoy en día el gas natural es la elección de energía ambiental. El uso del gas natural puede ayudar a evitar muchas de las preocupaciones a nivel ambiental incluyendo la contaminación, la lluvia ácida y las emisiones de gas efecto invernadero. Su composición química simple y natural hace que el gas natural sea un combustible inherentemente limpio y eficiente: tiene menos emisiones que el carbón o el petróleo, que no se queman del todo y así son llevadas a la atmósfera. Por el contrario, la combustión del gas natural prácticamente no tiene emisiones atmosféricas de dióxido, y muchas menos emisiones de monóxido de carbón, hidrocarburos reactivos, óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono que la combustión de otros combustibles fósiles.
Además, el gas natural tiene un precio de mercado menor al de cualquier otro combustible fósil, es seguro, reduce los costos de mantenimiento, y aumenta la eficiencia en el proceso de generación.
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vehicular, ha inducido a la búsqueda de combustibles más "limpios". El gas natural es el combustible que menos contamina el ambiente, debido a que en su combustión no se generan gases tóxicos, cenizas ni residuos. Su transporte y distribución se realiza mediante tuberías subterráneas por lo que no daña el paisaje ni atenta contra la vida animal o vegetal. A diferencia del GLP, que en nuestro país es distribuido principalmente en balones haciendo uso de vehículos pesados que circulan constantemente por la ciudad incrementando el tráfico, deteriorando el pavimento y contaminando el ambiente. Con el gas natural usted cuida su salud, la de su familia y también su ciudad.
El GNV posee innumerables beneficios medio ambientales entre los cuales podemos mencionar:
No contiene Azufre ni plomo.
Reducción de hasta 97% en emisiones de monóxido de carbono (CO) con respecto a los combustibles líquidos.
Reducción de hasta 100% de emisiones de partículas.
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1.5.2. MARCO CONCEPTUAL:
G.N.C.: Gas natural comprimido, es el gas natural almacenado a altas presiones (entre 200 y 250 bar).
G.L.N.: Gas natural licuado, cuando no es rentable la construcción de gasoducto, se encuentra en forma líquida y es más fácil transportarlo.
G.L.P.: Mezcla de propano, butano y otros hidrocarburos ligeros derivados de la refinación del petróleo crudo. Esta mezcla de gases puede ser enfriada o sometida a una presión moderada para ser transformada en un estado líquido y así facilitar su transporte y almacenamiento.
Aire Puro: El aire puro es una mezcla de varios componentes como nitrógeno, oxígeno, neón, helio, criptón, bióxido de carbono, metano e hidrógeno; mezcla que se presenta como una atmósfera terrestre ideal.
Ambiente: Es el conjunto de elementos bióticos y abióticos que interactúan en un espacio y tiempo determinados.
Autotanques: Se utilizan para el transporte de productos derivados. Concentración.- La concentración de una solución se refiere a la cantidad
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1.6. METODOLOGÍA
La metodología a usarse en esta investigación será la siguiente:
1.6.1. DISEÑO O TIPO DE INVESTIGACIÓN
De tipo inductiva deductiva, porque permite la recolección de datos para su tratamiento, análisis y esquematización con el fin de ofrecer un compendio básico para su entendimiento por parte de personal involucrado en los procesos de GLP y describirlos adecuadamente.
1.6.2. MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN
Para la elaboración de esta tesis se emplea los siguientes métodos:
1.6.2.1. MÉTODO DEDUCTIVO: Recopilando toda la información posible con
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1.6.3. TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN:
Se esta investigación se usará las siguientes técnicas:
•Revisión de literatura técnica relacionada con la licuefacción y refinación de gas en una
planta de gas natural de la empresa EP-PETROECUADOR.
16 CAPÍTULO II
2. GAS NATURAL LICUADO
El Gas Natural Licuado o GNL es un fluido comprimido a ciertas condiciones de temperatura, presión, gravedad específica, etc.
GRÁFICO N°1 PLANTA DE GAS NATURAL
Fuente: Gas Natural EMPRESA PYMEX.
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
17 2.1. PROPIEDADES DEL GAS NATURAL
El gas natural está compuesto por hidrocarburos livianos que van desde el metano (C1) hasta el hexano (C6), su composición volumétrica básicamente es la siguiente: Ver Tabla N°1
TABLA N° 1 COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA DEL GAS NATURAL
COMPONENTES COMPOSICIÓN
Metano, C1 75% al 98%
Etano, C2 1 al 10%
Propano, C3 0.02 al 5 %
Butano, (isobutano iC4 y normal butano
nC4)
0 al 4 %
Pentano, (isopentano iC5 y normal
pentano nC5)
0 al 3 %
Hexanos, C6 0 al 3 %
Fuente: Medición de gas natural, de PEDRO A. GOMEZ RIVAS
18
Además existentes impurezas como por ejemplo las siguientes:
Dióxido de Carbono, CO2
Oxígeno, O2
Nitrógeno, N2
Sulfuro de Hidrógeno, SH2
Cloruros y otros componentes los cuales deben ser eliminados para la comercialización y consumo del gas natural licuado. La composición de varios gases se puede observar en el Gráfico N°2.
GRÁFICO N° 2 COMPOSICIÓN TÍPICA DEL GNL, GNC, LGN, GLP, GAL
Fuente: Centrales de gases comprimidos del ING. Alirio Algarra Cárdenas.
19
2.2. COMPOSICIÓN TÍPICA DEL GAS NATURAL
La composición del gas natural incluye diversos hidrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el 90%, y en proporciones menores etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes como dióxido de carbono y nitrógeno. Ver Tabla N° 2 y el Gráfico N° 3:
TABLA N° 2 COMPOSICIÓN TÍPICA DEL GAS NATURAL
HIDROCARBURO
COMPOSICIÓN
QUÍMICA
RANGO EN
PORCENTAJE
(%)
Metano CH4 91 – 95
Etano C2H6 2 – 6
Dióxido de Carbono CO2 0 – 2
Propano C3H8 0 – 2
Nitrógeno N2 0 – 1
Fuente: Empresa INNERGY, soluciones energéticas
20
GRÁFICO N° 3 COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL
Fuente: Empresa INNERGY, Soluciones Energéticas
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
2.3. TIPOS DE FLUJO
21 2.3.1. FLUJO SEGREGADO
Flujo Estratificado: La fase líquida fluye por el fondo de la tubería mientras que el gas se desplaza sobre la interfase gas-líquido.
Flujo Ondulado: Muy similar al flujo estratificado pero su diferencia radica en que la fase gaseosa se mueve a mayor velocidad que la fase líquida y la interfase gas-líquido se encuentra formada por ondas que se desplazan en la dirección del flujo.
Flujo Anular: La fase líquida forma una película alrededor del interior de la tubería y el gas fluye por la parte central a alta velocidad.
2.3.2. FLUJO INTERMITENTE
Flujo Tipo Tapón: En este tipo de flujo se alternan tapones de líquido y de gas en la parte superior de la tubería.
22 2.3.3. FLUJO DISTRIBUIDO
Flujo Tipo Burbuja: Las burbujas de gas se transportan por la parte superior de la tubería a la misma velocidad que el líquido.
Flujo Tipo Niebla: El líquido fluye disperso en forma de niebla.
En el siguiente gráfico se puede observar el flujo de gas en un pozo petrolero, ascendiendo desde el interior del pozo hacia la superficie, en su ascenso debido a la caída de presión el gas que se encuentra asociado al petróleo se libera con mayor velocidad, esto hace que se creen diversos tipos de flujo en el interior de la tubería vertical hacia el cabezal del pozo.
Se puede observar los siguientes flujos: flujo tipo niebla, flujo anular, flujo tipo tapón y flujo tipo burbuja.
23
GRÁFICO N° 4 TIPOS DE FLUJO DE GAS EN UN POZO
Fuente: Natural Gas Engineering; Dr. Boyun Guo
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
En un medio de una fase gaseosa, para realizar mediciones del flujo de gas, se deben considerar dos tipos de flujo en función de las pérdidas de presión debido a la fricción:
24
Flujo Turbulento: Flujo con un número de Reynolds mayor a 2300. Ver Gráfico N°5 y Gráfico N°6.
GRÁFICO N° 5 TIPOS DE FLUJO EN EL INTERIOR DE UNA TUBERÍA
Fuente: Medición de Gas Natural; Pedro A. Gómez Rivas
25
GRÁFICO N° 6 DIAGRAMA DE FLUJO EN LA TUBERIA EN TRES
DIMENSIONES
Fuente: Medición de Gas Natural; Pedro A. Gómez Rivas
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
2.4. TIPOS DE ALMACENAMIENTO DE GAS NATURAL
Las instalaciones de almacenamiento tienen un papel importante para garantizar la seguridad y un margen adecuado de capacidad disponible de recepción.
26 2.4.1. ALMACENAMIENTO SUBTERRÁNEO
Este consiste en depósitos naturales o minados que permiten acumular volúmenes excedentes de la producción de gas durante un período de bajo consumo y extraerlo en periodos de alta demanda. Estos se desarrollan cerca de los centros de consumo, y evitando la formación de cuellos de botella, que constituyen los gasoductos en la estación invernal.
GRÁFICO N° 7 ALMACENAMIENTO SUBTERRÁNEO
Fuente: Schlumberger
27
El almacenamiento subterráneo de gas natural se emplea generalmente para cuatro fines:
Manejar variaciones en la operación diaria en las inyecciones y extracciones de los sistemas de transporte.
Manejar variaciones estacionales en la demanda. Aprovechar las fluctuaciones de precios.
Almacenamiento estratégico.
2.4.1.1. ALMACENAMIENTO EN DOMOS SALINOS
28
GRÁFICO N° 8 ALMACENAMIENTO EN DOMOS SALINOS
Fuente: Schlumberger
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
Para obtener la sal por la técnica de minería por disolución en los Domos salinos se perforan pozos entre 1000 y 15500 metros de profundidad creando cavidades herméticas dentro de la masa salina.
29
GRÁFICO N° 9 ALMACENAMIENTO EN DOMO SALINO DE GAS NATURAL
Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
2.4.1.1.1. FUNCIONAMIENTO DEL ALMACENAMIENTO DE GAS EN DOMOS
SALINOS
30
Las cavidades de mantienen siempre llenas con salmuera con una presión mínima determinada para:
Asegurar la calidad de la salmuera Asegurar la estabilidad del domo salino.
Los domos salinos que sirven como almacenamiento de gas natural operan siempre en fase gaseosa. En este tipo de almacenamiento subterráneo no existe licuación ni condensación del gas natural. El gas desplaza a la salmuera. En todos los casos, se requiere una cantidad fija establecida de gas natural, para generar la presión mínima a la cual se debe operar la caverna. A este gas se le denomina gas base. Este gas base se inyecta al domo salino por medio de los compresores. El gas natural que se inyecta al domo más el gas base es denominado gas de trabajo. Sobre esta cantidad de gas se pueden realizar extracciones.
La inyección de gas de trabajo incrementa la presión en el interior del domo. Existe un límite de gas de trabajo que se puede inyectar, y esto está determinado por las características de la formación, después de sobrepasar esta cantidad de gas de trabajo, se puede afectar a la estructura del domo o a las tuberías colocadas dentro de la formación.
31
GRÁFICO N° 10 DISEÑO CONCEPTUAL DE GAS EN UN DOMO SALINO
Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
2.4.1.2. ALMACENAMIENTO EN YACIMIENTOS AGOTADOS
Son los generalmente más utilizados para ser adecuados como unidades de almacenamiento subterráneo de gas natural.
32
GRÁFICO N° 11 ALMACENAMIENTO EN YACIMIENTOS AGOTADOS
Fuente: Schlumberger
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
La conversión de un campo depletado en un campo de almacenamiento tiene la ventaja de que ya existen pozos, sistemas de recolección y conexiones de ductos.
Los yacimientos de gas y crudo son los que más frecuentemente se utilizan para el almacenamiento subterráneo porque hay una amplia disponibilidad de ellos.
33
La roca que tiene una buena porosidad, es fisurada con buena permeabilidad y tiene formaciones impermeables que la rodean, impidiendo que el gas almacenado escape tanto vertical como horizontalmente, son los estratos más idóneos para tener almacenamiento en el subsuelo.
Generalmente hablando, areniscas, dolomitas, limonitas porosas o rocas fracturadas son las adecuadas para este tipo de almacenamiento.
Para este tipo de almacenamiento se requiere un estudio profundo de ingeniería de yacimientos y en especial un conocimiento detallado del comportamiento histórico del yacimiento depletado.
34
GRÁFICO N° 12 PROCESO DE ALMACENAMIENTO EN POZOS DEPLETADOS
Y ACUÍFEROS
Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
35 2.4.1.3. ALMACENAMIENTO EN ACUÍFEROS
En este tipo de almacenamiento subterráneo se debe tener en cuenta la geología y los parámetros de la formación debido a que son poco conocidos y el yacimiento se encuentra parcial o totalmente saturado de agua.
En algunas áreas, los acuíferos se han convertido en yacimientos para almacenar gas. Un acuífero es propicio para almacenar gas si la formación tiene en la parte superior una capa de roca impermeable. El comportamiento de los acuíferos es similar al de los yacimientos depletados. El espacio de almacenamiento en un acuífero es creado por inyectar gas a presión para desplazar el agua libre. En el siguiente Gráfico N° 13 se representa el cierre estructural de un acuífero en el cual se realiza el almacenamiento de gas.
GRÁFICO N° 13 CIERRE ESTRUCTURAL DE UN ACUÍFERO
Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
36
2.4.1.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS ALMACENAMIENTO
SUBTERRÁNEOS
En las siguientes tablas se puede observar las ventajas y desventajas de cada uno de los tipos de almacenamiento subterráneo de gas natural. Ver Tablas N° 3, N° 4, N° 5.
TABLA N° 3 VENTAJAS DE ALMACENAMIENTOS SUBTERRÁNEOS
YACIMIENTOS
AGOTADOS
ACUÍFEROS
DOMOS
SALINOS
Relación gas de trabajo/gas de colchón
1:1 0,5 - 1:1 2:1
Capacidad de gas de trabajo (MMm3)
100 – 4000 100 – 4000 20 – 75
Tiempo de exploración (años)
Corto (2-3) Largo (4) Corto (1-2)
Tiempo de construcción Corto Corto Largo
Costos de instalación comparados Menor (se incrementan en yacimientos offshore) Mayores costos de investigación y de gas colchón
Mayores que los otros tipos por la
planta de lixiviado Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
37
TABLA N° 4 COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTOS
SUBTERRÁNEOS
YACIMIENTOS
AGOTADOS
ACUÍFEROS
DOMOS
SALINOS
Profundidad (m)
1000 - 1200 800 - 1000 900 – 1500
Tipo de estructura Anticlinal Anticlinal Domo/capa
Potencia (m) 20 – 50 15 – 40 -
Litología Arenisca, caliza Arenisca, caliza -
Permeabilidad (mD) 100 600 -
Porosidad (%) 18 - 25 18 - 25 -
Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
38
TABLA N° 5 COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTOS
SUBTERRÁNEOS DOMO DE SAL YACIMIENTO AGOTADO DE GAS YACIMIENTO AGOTADO DE PETRÓLEO ACUÍFERO Exploración (riesgo)
Moderado a alto Bajo Bajo Moderado a alto
Inversión
(capital)
Alta Baja Moderada Moderada
Gas colchón Bajo
Bajo a moderado
Moderado Moderado a alto
Gas de
Trabajo
Bajo Alto Moderado a alto Moderado a alto
Capacidad de
Extracción
Alta Moderada a alta Moderada a alta Moderada
Fuente: Sistemas de Almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
39 2.5. APLICACIONES Y USOS DEL GN
El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, la generación eléctrica, en el sector residencial y como un combustible para vehículos para el transporte de pasajeros.
Además el gas natural es utilizado como materia prima en diversos procesos químicos e industriales. Ya que este puede ser convertido a hidrógeno, etileno o metanol, para elaborar diversos tipos de plásticos y fertilizantes, de una manera relativamente fácil y económica.
En la siguiente tabla se presentan algunas aplicaciones más comunes del gas natural. Ver Tabla N° 6.
TABLA N° 6 APLICACIONES DEL GAS NATURAL
SECTOR APLICACIONES/PROCESOS
Industrial
Generación de vapor Industria de alimentos Secado
Cocción de productos cerámicos Fundición de metales
Temple y recocido de metales Generación eléctrica
40
TABLA N° 6 CONTINUACIÓN
SECTOR APLICACIONES/PROCESOS
Sistemas de calefacción
Hornos de Fusión
Comercio y Servicios
Calefacción central
Aire acondicionado
Cocción/preparación de alimentos
Energía
Cogeneración eléctrica
Centrales térmicas
Residencial
Cocina
Calefacción Agua caliente
Transporte de pasajeros Combustible para taxis y buses
Fuente: Empresa INNERGY, Soluciones Energéticas
41 2.6. VENTAJAS DEL GAS NATURAL
El gas natural es un combustible de menor precio, obteniéndose así un ahorro en comparación con otro tipo de combustibles.
Además el gas natural es mucho más seguro, ya que no es tóxico, ni corrosivo y por ser más liviano se disipa con mayor facilidad hacia la atmósfera en un caso de fuga minimizándose así los riesgos en su uso.
Se le agrega un odorizante para detectarlo con facilidad mediante un olor característico.
Se lo puede distribuir por medio de tubería directamente si necesidad de almacenarlo en tanques o cilindros, constituyéndose así en un suministro continuo.
Su combustión es mucho más limpia en comparación con los otros combustibles, lo cual facilita el cumplimiento de las normas ambientales más exigentes.
Las emisiones de material particulado cumplen con las normas medioambientales más rigurosas, sin necesidad de invertir en equipos costosos de tratamiento de gases.
42
TABLA N° 7 COMPARACIÓN DE EMISIONES ENTRE COMBUSTIBLES
Combustible
MP
Material
Particulado
SO2
Dióxido de Sulfuro
NO
Óxido de
Nitrógeno
Gas Natural 1 1 1
Gas Licuado 3 61 0,5
Kerosene 3,4 269 1,5
Diesel 3,3 1.209 1,5
Fuel Oil N° 5 15 4.470 4
Fuel Oil N° 6 39,4 4.433 4
Carbón 157 5.283 6
Leña 140 13 2
Fuente: Empresa INNERGY, Soluciones Energéticas
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
43
TABLA N° 8 EFECTOS DE CONTAMINANTES
CONTAMINANTE
EFECTOS SOBRE
PERSONAS MEDIOAMBIENTE
MP ( MATERIAL PARTICULADO)
Disminución de la visibilidad.
Aumento de afecciones respiratorias.
Tos crónica. Ronquera Bronquitis
Acceso de asma bronquial
Daño directo a la vegetación (dificultad en la
fotosíntesis)
SO2 (DIÓXIDO DE SULFURO)
Altamente nocivo en presencia de humedad
Lluvia Ácida NO (ÓXIDO DE NITRÓGENO) Irritante Potencialmente cancerígeno Lluvia Ácida Problemas con el Ozono
Fuente: Empresa INNERGY, Soluciones Energéticas
44
El gas natural es el combustible que menos contamina al ambiente, debido a su composición química y a que en su combustión no se generan gases tóxicos, cenizas ni residuos.
2.7. COMPARACIÓN ENTRE GNL Y GLP
El GLP o gas licuado de petróleo está formado principalmente por propano o mezclas de butano y propano, este es un gas producido por el hombre, más pesado que el aire, se almacena en cilindros en forma líquida. El GLP permanece en estado líquido conservándolo a gran presión.
El GNL o Gas Natural Licuado se licúa a presión atmosférica pero a una muy baja temperatura (aprox. -161°C). Entre las características del GLN están: el gas natural es más ligero que el aire así que se dispersa rápidamente y se diluye en el aire, por lo que en caso de fuga puede ser ventilado fácilmente abriendo puertas y ventanas, en contraste con los componentes del GLP que son más pesados que el aire. El almacenamiento del GLP bajo presión, frente al almacenamiento de GNL a muy baja temperatura, requiere el uso de materiales completamente diferentes y estándares.
45
utilizan para habilitar el gas natural para el consumo, pero son mínimos comparados con el GLP.
2.8. TIPOS DE GAS NATURAL
Por su procedencia, se clasifican en dos grandes grupos:
Gas Natural Asociado: Se denomina así al gas que viene mezclado junto con el petróleo al salir del pozo, y posteriormente es separado en los Separadores del CPF.
La medida de cuanto gas viene con el petróleo es el GOR, expresado en miles de pies cúbicos de gas por cada barril de petróleo.
A este gas se lo denomina Gas Rico o Gas Húmedo, debido a que en su composición existe una abundante presencia de hidrocarburos líquidos, tales como el propano, butano, pentano, hexano, etc.
Gas Natural No Asociado: Es el gas producido directamente de pozos gasíferos.
La presión de reservorio del gas es la que hace fluir el gas hacia la superficie con diferentes presiones. Las diferentes presiones dependen del volumen de gas contenido en la formación o reservorio.
46
CAPÍTULO III
3. LICUEFACCIÓN
Licuefacción de los gases o licuación es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado gaseoso al líquido, por acción de la temperatura y el aumento de presión, llegando a una sobrepresión elevada, hecho que diferencia a la licuefacción de la condensación. En el siguiente gráfico, se muestran los instrumentos de laboratorio para licuefacción de gases.
GRÁFICO N° 14 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO PARA LICUEFACCIÓN
DE GASES
Fuente: http://fisica.usac.edu.gt/public/tesis_lic/waleska_a/node17.html
47
La licuefacción de los gases fue descubierta por Michael Faraday en el año 1818.
En este capítulo se describirá el proceso de licuefacción y la relación que este tiene con la refinación, transporte, almacenamiento de gas natural licuado para su comercialización y consumo.
3.1. RESERVAS DE GAS NATURAL EN EL ECUADOR
Esta variable es la cantidad total de reservas comprobadas de gas natural en metros cúbicos. Reservas comprobadas son las cantidades de gas natural que, mediante el análisis de datos geológicos y de ingeniería, se pueden estimar con un alto grado de confianza que pueden ser recuperables comercialmente a partir de una fecha determinada, de yacimientos explorados, y bajo las condiciones económicas actuales.
48
TABLA N° 9 RESERVAS DE GAS NATURAL EN ECUADOR
Fuente: INDEX MUNDI; http://www.indexmundi.com/es/ecuador/gas_natural_reservas_comprobadas.html
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez AÑO
GAS NATURAL –
RESERVAS
COMPROBADAS
POSICIÓN
CAMBIO
PORCENTUAL
FECHA DE LA
INFORMACIÓN
2003 106.500.000.000 48 Enero 2002
2004 106.500.000.000 48 0,00 % 1 Enero 2002
2005 106.500.000.000 49 0,00 % 2004
2006 9.769.000.000 80 -90,83 % 2004
2007 9.769.000.000 80 0,00 % 1 Enero 2005
2008 9.369.000.000 78 -4,09 % 1 Enero 2006
2009 9.369.000.000 79 0,00 % 1 Enero 2006
2010 7.985.000.000 81 -14,77 % 1 Enero 2010
GRÁFICO N° 15 RESERVAS DE GAS NATURAL COMPROBADAS EN EL ECUADOR
:
Fuente: INDEX MUNDI; http://www.indexmundi.com/es/ecuador/gas_natural_reservas_comprobadas.html
50 3.2. GNL
El gas natural licuado (GNL) es gas natural que ha sido procesado para ser transportado en forma líquida. El gas natural se transporta utilizando gasoductos, pero en el caso de existir grandes distancias, resulta más rentable transportarlo por auto – tanques o buques gaseros. Para transportarlo así es necesario licuarlo, debido que a temperatura ambiente y presión atmosférica el gas natural ocupa un volumen considerable. El proceso de licuefacción reduce el volumen del gas natural 600 veces con respecto al volumen que originalmente poseía. Además la licuefacción permite transportarlo, con más seguridad. El gas natural debe encontrarse a una presión atmosférica y a -161°C. Por este motivo se requieren plantas y tuberías con una cantidad grande de aislación.
3.3. PROCESAMIENTO DE GNL
Un proyecto de GNL posee complejidades técnicas muy altas y comerciales. Las etapas de estos proyectos se pueden resumir en:
1. Explotación del Yacimiento.
2. Tratamiento preliminar en los pozos.
51 3.4. PROCESO DE LICUEFACCIÓN
Cuando se extrae el gas natural de los yacimientos subterráneos, a menudo contiene materiales y componentes que deben ser eliminados antes de ser licuado para su uso como por ejemplo:
Helio: Por su alto valor económico y por los problemas que puede ocasionar durante el licuado.
Azufre: Debido a su carácter corrosivo.
Dióxido de Carbono: Este componente del gas natural se solidifica en las condiciones de licuefacción.
Mercurio: Este componente puede depositarse en los instrumentos y generar errores en las mediciones.
Agua: Al entrar en contacto con el gas se congela formando hielo o hidratos que podrían generar bloqueos en el equipo si no se eliminan.
52 3.5. PROCESO DE ENFRIAMIENTO
Para transformar el gas natural en líquido, se enfría el gas tratado hasta aproximadamente -161°C, que es la temperatura a la cual el metano, el cual es el componente principal, se convierte a forma líquida.
El proceso de licuefacción es similar al de refrigeración común: se comprimen los gases refrigerantes produciendo líquidos fríos tales como el propano, etano, metano, nitrógeno o una mezcla de ellos, que luego se evaporan a medida que intercambian calor con la corriente de gas natural. De esta manera el gas natural se enfría hasta llegar al punto de convertirse en líquido. El GNL producido se almacena en tanques especiales para luego ser transferido a auto – tanques o buques tanques especiales de transporte.
En el diseño de una planta de extracción de gas natural se debe tomar en cuenta las normas y regulaciones de cada país. En la industria de GNL hay cuatro diseños de plantas utilizados industrialmente:
Proceso con intercambiadores de tubos en espiral de Air Products. Cascada optimizada de Philips.
Triple ciclo refrigerante de Linde
53
Todos estos tipos de procesos son usados en la industria de GNL y competencias de diseño son realizadas para seleccionar el proceso que va a generar el proyecto más rentable a lo largo de toda su vida útil.
3.6. ALMACENAMIENTO DE GAS EN SUPERFICIE
En estado líquido (GNL): El gas natural también puede ser almacenado como gas natural licuado (GNL), debido a que el gas natural licuado ocupa mucho menos espacio para enviar o almacenar. Como se puede observar en el siguiente gráfico de comparación de volumen entre el gas natural y el gas natural licuado. Ver Gráfico N° 10.
GRÁFICO N° 16 COMPARACIÓN DE VOLUMEN ENTRE EL GAS NATURAL Y
EL GAS NATURAL LICUADO
Fuente: Irradia. Gas natural en movimiento
54
El GNL se almacena a -161°C y a una presión atmosférica en tanques criogénicos para mantener una baja temperatura.
El tanque de GNL típico posee una pared doble: una pared externa de hormigón armado, recubierto con acero al carbono, y una pared interna de acero niquelado al 9%. La seguridad y la resistencia son las condiciones de diseño primarias para la fabricación de estos tanques, los cuales se diseñan para soportar terremotos y fuertes vientos.
3.6.1. TANQUES CRIOGÉNICOS PARA ALMACENAMIENTO DE GAS
Tanque criogénico es aquel que generalmente consta de dos o más recipientes concéntricos, los cuales se colocan siempre uno dentro del otro y que se utilizan para contener líquidos criogénicos.
Los tanques se encuentran aislados mediante vacío y aislante térmico con objeto de mantener la baja temperatura en su interior.
Un líquido criogénico es aquel que se encuentra a temperaturas inferiores a –73°C a la presión atmosférica.
55
La palabra "criogénico" significa "que produce, o se relaciona a, bajas temperaturas," y todos los líquidos criogénicos están extremadamente fríos.
Los líquidos criogénicos tienen puntos de ebullición por debajo de los 150°C (-238°F) (El dióxido de carbono y el óxido nitroso, que tienen puntos de ebullición levemente más altos a veces se incluyen en esta categoría).
Todos los líquidos criogénicos son gases a temperaturas y presiones normales.
Estos gases se deben enfriar por debajo de la temperatura ambiente antes de hacerlos líquidos mediante un aumento en la presión. Los diferentes criogenes se hacen líquidos bajo diferentes condiciones de temperatura y presión, pero todos tienen dos propiedades en común: son extremadamente fríos y pequeñas cantidades de líquido se pueden expandir a grandes volúmenes de gas.
Un concepto muy importante es también el espacio anular el cual se encuentra entre los dos recipientes que constituyen el tanque.
Estos tanques almacenan gases en fase liquida a baja presión, por lo tanto deben mantener temperaturas muy bajas para reducir la evaporación al mínimo y mantener la fase liquida en este estado.
56
TABLA N° 10 ESPECIFICACIONES FÍSICAS DE TANQUES CRIOGÉNICOS
TIPOS PRESIÓN DE TRABAJO, RECIPIENTE INTERIOR EN Kg/cm2 RESISTENCIA AL COLAPSO, RECIPIENTE EXTERIOR EN Kg/cm2 EVAPORACIÓN EN % TEMPERATURA EN °C
1 DE 1.2 A 5 1.033
En función de la capacidad
Menor de -73
2 Mayor de 5 hasta 14 1.033
En función de la capacidad
Menor de -73
3 Mayor de 14 1.033
En función de la capacidad
Menor de -73
Fuente: Centrales de gases comprimidos. Ing. Alirio Algarra Cárdenas.
Elaborado por: José Luis Mancheno Narváez
57
Capacidad.- Esta debe fijarse mediante un acuerdo entre el comprador y el fabricante.
Soldaduras.- Las soldaduras de los tanques deben cumplir con lo establecido en las normas industriales para cada país.
Disco de seguridad.- El recipiente exterior del tanque criogénico debe llevar un disco de seguridad en el cuerpo, con el objeto de evitar que estalle en caso de haber una falla en el recipiente interior.
Espacio de presurización.- El recipiente interior del tanque criogénico debe tener un espacio de presurización comprendido entre el 4% y el 10% de su volumen total. Este espacio debe siempre conservarse sin líquido.
Vaporizador.- Los tanques criogénicos pueden ser suministrados con un vaporizador, siendo éste de acuerdo con el tipo y tamaño del tanque criogénico.
La estructura básica del tanque criogénico es esencialmente un tanque cilíndrico de pared doble.
El espacio anular entre el recipiente interior y el recipiente exterior del tanque es llenado con material aislante sometido a alto vacío para lograr minimizar las pérdidas por evaporación.
58
GRÁFICO N° 17 ESTRUCTURA DE UN TANQUE CRIOGÉNICO
Fuente: Centrales de gases comprimidos. Ing. Alirio Algarra Cárdenas.
59
3.6.1.1. CARACTERÍSTICAS DE UN TANQUE CRIOGÉNICO
El diseño de un tanque criogénico es un recipiente compacto, robusto y fácil de operar. Para su operación la carga superior reduce la presión dentro del tanque, mientras que la carga inferior la incrementa. El sistema de presurización permite al operador incrementar la presión durante la descarga de líquido a un tanque o a una línea de gas a los evaporadores. Regulando la apertura de las válvulas de llenado de tope y de fondo, no ocurre ningún cambio significativo de la presión durante el envío de líquido. Esto resulta en un suministro de líquido constante a los vaporizadores.
Un tanque criogénico generalmente contiene las siguientes características:
Mínimas pérdidas por evaporación debido al alto grado de vacío y llenado del espacio anular, el cual contiene polvo aislante expendido.
Instalación simple, costos bajos y fácil mantenimiento.
Construcción robusta, recipiente interior de acero inoxidable y exterior de acero de carbono.
Equipado con indicador de nivel de líquido, válvulas de seguridad, manómetro, sensor de vacío, válvula de sobrepresión y otros accesorios.
Instrumentos ubicados adecuadamente para fácil acceso y operación.
60
TABLA N° 11 CARACTERÍSTICAS DE UN TANQUE CRIOGÉNICO
TYPE TIPO MOX ** DIMENSIONES (mm) PESO VACÍO (KG) CAPACIDAD (LT)
BAR INCREMENTO
PRESIÓN N2 – 24 H
A B C
GEO MET.
REAL EFFE
TT.
1380 / 15 1.603 3.330 2.130 1.560 1.390 1.320 15 0,95
3.080 /15 1.900 3.950 2.400 2.750 3.210 3.050 15 0,85
6.080 / 15 1.900 3.950 2.400 2.570 3.210 3.050 15 0,50
12.580/15 2.540 5.450 3.010 6.550 12.437 11.815 15 0,30
22.580/15 2.540 8.450 3.010 10.300 22.291 21.176 15 0,15
32.080/15 2.540 11.500 3.010 15.260 32.145 30.538 15 0,10
50.080/17 3.100 12.600 3.600 25.230 52.900 50.255 17 0,10
**MODELO OXICAR
Fuente: Sistemas de almacenamiento. Dr. Jorge Pazmiño Urquizo
61
3.6.1.2. SISTEMAS DE UN TANQUE CRIOGÉNICO
Los sistemas que conforman un tanque criogénico se observan en el gráfico N°18 y son:
Sistema de Llenado.- Es el sistema por el cual se efectúa el llenado del tanque, este
llenado es posible efectuarlo por dos puntos: por el fondo, por encima o por ambos en conjunto.
Este sistema está compuesto por la conexión de llenado (Nº22) y las válvulas Nº 2 y Nº3.
Las válvulas serán usadas según sea el proceso elegido.
Sistema de Aumento de Presión.- Los Tanques Criogénicos deben mantenerse a
una presión a la de trabajo del cliente, es por ello que existe este sistema ya que permite elevar la presión del tanque cuando esta cae por debajo de lo graduado.
El sistema está compuesto por un vaporizador (Nº 21), un filtro (Nº 12), una válvula de retención (check) (Nº 9), una válvula criogénica de compuerta (Nº 1) y un regulador (Nº 11).
Sistema de Economizador.- Este sistema permite la salida de gas por el tubo de
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Además, ofrece otra ventaja, ya que no permite que el tanque alcance presiones superiores a las de trabajo. El sistema economizador está compuesto por el regulador economizador (Nº 10) la válvula de retención (Nº 23) y la válvula de compuerta (Nº 6).
Sistema de Seguridad.- Este sistema está compuesto por un de alta presión y el
otro de baja presión (vacío).
Sistema Alta Presión: la presión de trabajo del tanque es 15 BAR, si por cualquier
causa la presión se eleva por encima de esta, se disparan dos válvulas de seguridad calibradas a esta presión y aún para mayor seguridad si la presión sigue aumentando.
Alcanzando los 350 psig, se rompe un disco de ruptura, que permite el desahogo total del gas en el tanque.
Este sistema está compuesto por dos válvulas de seguridad (Nº 7) y un disco de ruptura (Nº 24).
Sistema de Vacío: por cualquier causa una sobre - presión interna por pérdida de vacío,
etc. existe una válvula de seguridad de 4'' que permite un desahogo total del tanque. Sistema compuesto por una válvula de ruptura (Nº 20).
Sistema de Medición de Nivel.- Es el sistema que permite medir el volumen de