“Obtención de GNL en la
“Obtención de GNL en la
Planta de Licuefacción de Gas
Planta de Licuefacción de Gas
Natural de Rio Grande
Natural de Rio Grande
”
”
Prese
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Identificaci
Identificación del ón del ProblemaProblema
•
• EExxiissttee llaa nneecceessiiddaadd ddee ttrraannssppoorrttaa GGaass NNaattuurraall aa ttooddaass llaass ccoommuunniiddaaddeess ddee BBoolliivviiaa bbaajjoo llaa ppoollííttiiccaa ddeell
Gobierno
Gobierno “Gas“Gas ppaarraa loloss Bolivianos”Bolivianos”;; esestoto dedemmananddaa dede ininfrfraeaeststruructctururaa (g(gasasooduductctosos loloss cucualaleses dedemmaandndaann
ti
tiememppooyydidinenerroo..PPoorrloloququeelalammejejororrresesppueueststaaeseseleltrtrananspsporortetededeLNLNGG ooGNGNL.L.
Fo
FormulacirmulaciónóndeldelProblProblemaema
•
• PPararaalalarerealalizizacacióiónndedelltrtrananspsporortetededeGaGassNaNatuturarallvívíaaGNGNLLseserereququieierereununaaPlPlanantatadedeLiLicucuefefacacciciónón
•
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:
• 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.
• Verificar los datos de la cantidad máxima de agua que puede contener el gas. • Analizar y determinar la cantidad de nitrógeno requerido para la planta de GNL. • Describir el funcionamiento de las etapas para la licuefacción del gas.
MARCO TEÓRICO
•
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:
MARCO TEÓRICO
•
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
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
• 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
MARCO PRÁCTICO
• 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
MARCO PRÁCTICO
•
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
• Composición del Gas Natural
• Se establecen dos composiciones para el gas de ingreso
a la Planta de GNL:
• 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.
Condiciones del Gas de Ingreso a
Condiciones del Gas Residual Planta de Separación de Liq. Com p. Comp. Pobre Comp. Rica
Comp. Diseño Com p.
Com p. Presión Barg 57,5 57,5 57,5 / 57,5 / 57,5 / Temperatura ºC 29,4 29,4 29,4 48,9 48,9 48,9
Composición (en base seca)
Nitrógeno %mol 0,567 0,486 0,591 0,588 0,503 0,613 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:
• - 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
• 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.
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 turbo-expander 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
• 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
•
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 (02-F-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
•
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
• 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
P=30 bar T=40ºc P=6 barg . T=-170ºc P=3,5bar T=-170ºc Enfría con agua T=40ºc P1=5,5 barg. T1=28ªC P2=25barg. T=90ºc P3=46 barg . T=110ºc
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
•
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
• 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
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
• 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
Dimensionamiento de los Equipos
•
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
Conclusiones y Recomendaciones
• 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
