UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

INGENIERÍA EN GAS Y PETROLEOS

PLANTA CRIOGENICA

ESTUDIANTES: Jhon Alex Chinchilla Vargas

Ervin Serna Breton

Daniel Escobar Montenegro

DOCENTE: Ing.: Carlos CruzVeizaga

MATERIA: PROCESOS DEL GAS NATURAL

FECHA: 2/10/2015

COCHABAMBA - BOLIVIA

1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años, a propósito del gas natural se hace referencia

frecuentemente a las plantas criogénicas. Sin embargo, muchos no tenemos claro

qué proceso, por qué y para qué se usa esta tecnología, y cuáles son sus

alcances. Por ello, es que el presente Informe que busca explicar de forma sencilla

lo que implica el proceso de la criogenia, sus características y otros datos de

importancia.

La criogenia o denominada también el congelamiento ultra frío, es una técnica

utilizada para enfriar materiales a temperaturas muy bajas - como la temperatura

de ebullición del nitrógeno (-195.79 ºC) e incluso más bajas. Para lograr estas

temperaturas se usan diversos productos siendo los más conocidos el nitrógeno y

el helio. La criogenia tiene una gran variedad de aplicaciones, entre las que

podemos destacar el procesamiento de metales y de hidrocarburos, el

almacenamiento o preservación de vacunas, alimentos u otros insumos, y a futuro

– actualmente en investigación - la posibilidad de criogenizar personas con el fin

de acceder a curas de males que los aquejan en el futuro.

Su uso en la industria de los hidrocarburos se ha incrementado en los últimos

tiempos con especial interés en el gas natural, ya que los procesos criogénicos

han permitido que el gas natural pueda ser licuefactado1 y, por ende, transportado

mediante buques especialmente acondicionados a destinos muy lejanos.

2. ANALISIS DE COSTOS EN EL PROCESO CRIOGENICO

La producción y consumo del gas natural y su disponibilidad en el mundo

facilita su transporte y utilización, así como sus características de combustión

limpia.

La emergente comodidad del gas natural por lo tanto ha creado competencia

entre los procesadores de gas natural. Es necesario optimizar los procesos debido

al incremento de los márgenes de operación entre los costos de procesamiento y

los precios en el mercado.

Los costos de procesamiento para el gas natural pueden ser divididos en dos

categorías.

- Remoción de contaminantes

- Recuperación de líquidos

El CO2 es el contaminante común encontrado en el gas natural, la mayoría de

las compañías de transporte de gas y consumidores pueden aceptar una

concentración de CO2 permisible contenidos en las corrientes del gas natural.

Muchos procesos requieren remover el CO2 para evitar la formación de

hidratos como CO2-7H2O, en las secciones frías de la planta de procesamiento.

La flexibilidad de operar los procesos ya sea para recuperar o rechazar etano sin

sacrificar la recuperación de propano, es frecuentemente un factor crítico en la

determinación del aprovechamiento de una planta procesadora de gas.

Con las consecuentes variaciones en los precios de etano es vital para los

procesadores de gas responder a los cambios de mercado para maximizar los

beneficios.

3. EVOLUCION HISTORICA DEL PROCESO CRIOGENICO

Las primeras plantas de absorción o circulaban aceite pobre pesado para la

recuperación de propano a condiciones ambientales o refrigeraban el gas para

separar líquidos más pesados sin el aceite pobre.

El concepto de aceite pobre se expandió significativamente a finales de los

50’s y a principios de los 60’s refrigerando el aceite pobre circulante y utilizando el

aceite más ligero para mejorar la eficiencia de absorción. Los procesos de

absorción con solvente ligero convencionales operan con solvente con un peso

molecular que varía de 140 a 180 gr/grmol.

Los procesos criogénicos con turboexpansor ingresaron comercialmente al

mercado en los 60’s con sus diseños iniciales teniendo la mínima integración de

calor y poco o ningún reflujo.

Durante los 70’s Ortloff desarrolló y patentó varios procesos para la

recuperación de líquidos más eficientes y tolerantes al CO2 que básicamente se

basaban en:

- GSP Proceso de Gas Subenfriado, para recuperación de etano

- OHR Proceso de Recirculación en el Domo, para recuperación de propano

Durante los 80’s estos procesos fueron mejorados aumentando su eficiencia en

las recuperaciones de etano y propano.

En 1997, Advancedextraction Technologies Inc., Houston, se reintrodujo

comercialmente mediante la utilización en Canadá de un solvente mejorado para

absorción, incorporando mejoras en la presaturación y en las ubicaciones de

enfriamiento. Esta incorporación permitió el uso del C5+ como componente de

líquidos del gas natural para utilizarse como solvente preferido.

La tecnología de Mehra para procesos de Absorción mejorada utiliza como

solvente el C5+, su esquema básico de procesamiento es diseñado para recuperar

en corrientes de gas natural hasta 96% de etano y 99% de propano.

Para elegir la tecnología de procesamiento más eficiente y a menor costo se

requieren considerar varios factores. Con la reciente comercialización en la

evolución de solventes mejorados del proceso de absorción, es oportuno

cuestionar la noción que "los procesos criogénicos han reemplazado a los

procesos de absorción".

Para elegir entre el proceso criogénico y el de absorción mejorado deben

considerarse todas las variables de las bases de diseño con que se cuenta para

determinar qué tecnología ofrece mayor eficiencia a menor costo.

4. PROCESO CRIOGENICO

Se caracterizan porque el gas se enfría a temperaturas de -100 a -150 °F

(Temperaturas Criogénicas); en este caso se requiere que el gas después de la

deshidratación tenga un contenido de agua de unas pocas ppm, además se

necesita que el gas se pueda despresurizar para poderlo enfriar. Las plantas

criogénicas son la de mayor rendimiento en líquidos recobrados, son más fáciles

de operar y más compactas aunque un poco más costosas que las de

refrigeración. La selección de una planta criogénica se recomienda cuando se

presenta una o más de las siguientes condiciones:

• Disponibilidad de caída de presión en la mezcla gaseosa

• Gas pobre.

• Se requiere un recobro alto de etano (mayor del 30%).

• Poca disponibilidad de espacio.

• Flexibilidad de operación (es decir fácilmente adaptable a variaciones

amplias en presión y productos).

Como el gas se somete a caída de presión, el gas residual debe ser

recomprimido y por esta razón la expansión del gas, en lugar de hacerse a través

de una válvula, se hace a través de un turbo expandir para aprovechar parte de la

energía liberada en la expansión.

5. DIAGRAMA DEL PROCESO CRIOGENICO

UN DIAGRAMA BASICO DE UN PROCESO CRIOGENICO ES LA SIGUIENTE:

6. DESCRIPCION DEL PROCESO

El gas inicialmente se hace pasar por un separador de alta presión para

eliminar los líquidos (agua y condensados). Luego se pasa por una unidad de

deshidratación para bajarle el contenido de agua a valores de ppm; por esto la

unidad de deshidratación debe ser de adsorción y el disecante del tipo mallas

moleculares.

De la unidad de deshidratación el gas intercambia calor con el gas que sale de

las desmetanizadora a aproximadamente -150 °F y luego pasa a un separador de

baja temperatura. De este separador el líquido y el gas salen aproximadamente a -

90 °F y el líquido entra a la desmetanizadora por un punto donde la temperatura

de esta sea aproximadamente -90 °F. El gas que sale de este separador pasa por

el turbo expandir donde la presión cae a unos 225 IPC y la temperatura cae a -150

°F y a esas condiciones entra a la desmetanizadora.

En la desmetanizadora la temperatura varía desde uno 40 °F en el fondo,

donde hay una zona de calentamiento, y -150 °F en el tope.

El gas que sale del tope a -150 °F y 225 LPC intercambia calor con el gas que

sale de la unidad de deshidratación y luego pasa a un compresor que es activado

por el turbo expandir, aprovechando parte de la energía cedida por la expansión

del gas, y luego otro compresor termina de comprimir el gas para llevarlo a la

presión requerida.

Como el gas se calienta por la compresión al salir del último compresor, parte

de este gas se usa para mantener el fondo de la desmetanizadora a 40 °F y el

resto se hace pasar por un enfriador para llevarlo a la temperatura adecuada.

Todo este es el gas residual, que en su composición es básicamente metano.

El líquido que sale de la desmetanizadora son los componentes pesados del

gas y se envía a almacenamiento, o a fraccionamiento para obtener C2, C3 y C4

(o LPG) y NGL.

En una planta criogénica los rendimientos en componentes recuperados son:

C2 > 60%, C3 > 90% y C4+ 100%.

7. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO CRIOGÉNICO CONVENCIONAL

En el proceso con turboexpansor, el gas de alimentación se enfría por medio

de un tren de enfriamiento, en el cual se aprovecha el gas residual frío proveniente

del domo de la torre demetanizadora y se complementa el enfriamiento con

evaporadores de un sistema de refrigeración a base de propano, los condensados

son separados y flasheados por una válvula de expansión y alimentados a la torre

demetanizadora, la carga principal de la demetanizadora son los vapores

provenientes del tren de enfriamiento, una vez separados pasan por un expansor

hasta lograr la temperatura de operación de la torre logrando así el máximo

enfriamiento y es alimentado en el domo de la columna.

8. PROCESO CRIOGÉNICO GSP (PROCESO DE GAS SUBENFRIADO)

El proceso GSP es empleado principalmente para la recuperación de etano.

Este proceso el gas de alimentación es subenfriado, después del enfriamiento se

separan los condensados y flasheados por una válvula de expansión y

alimentados en la torre demetanizadora en la parte inferior. Los vapores

separados de los condensados son separados en dos corrientes; la primera es

pasada por un expansor y alimentada en una o más partes intermedias, la

segunda corriente es subenfriada y flasheada por una válvula de expansión y

alimentada al domo de la torre actuando como reflujo, rectificando el vapor

proveniente del expansor absorbiendo para la recuperación de los componentes

del etano plus como producto del fondo de la torre.

A mediados de los 80’s Ortloff investigó nuevos métodos de procesamiento de

gas para la recuperación de etano basados en el proceso GSP:

8.1PROCESO CRIOGÉNICO CRR REFLUJO DE RESIDUAL FRÍO

Como adición al Proceso GSP, parte del gas residual del domo de la torre es

comprimido enfriado y flasheado por una válvula de expansión y utilizado como

reflujo de gas residual frío.

8.2PROCESO CRIOGÉNICO RSV VAPORES FRÍOS RECICLADOS

Como adición al proceso GSP, del gas seco de alta presión, se subenfría y se

flashea por una válvula de expansión utilizándolo como vapores fríos reciclados.

8.3PROCESO CRIOGÉNICO RSVE ENRIQUECIMIENTO CON VAPORES

FRÍOS RECICLADOS

Como adición al proceso GSP, el gas seco de alta presión se mezcla con los

vapores separados a la salida del tren de enfriamiento, esta mezcla es subenfriada

y se flashea por una válvula de expansión utilizándolo como vapores fríos

reciclados.

9. PROCESO CRÍOGENICO OHR (PROCESO RECIRCULACIÓN DEL

DOMO)

El Proceso OHR es utilizado para plantas de recuperación de Propano plus,

normalmente se emplean diseños con dos columnas una de destilación y la otra

de absorción, del domo de la torre de destilación los vapores son condensados y

utilizados como reflujo en la torre de absorción, estos líquidos condensados

rectifican los vapores provenientes del expansor alimentados en el fondo de la

columna absorbiendo los componentes del propano plus que son bombeados a la

columna de destilación para recuperarlos como producto por el fondo.

Este proceso es más eficiente para la recuperación de propano e hidrocarburos

más pesados que los diseños de GSP, pero no es muy satisfactorio para la

recuperación de etano.

A mediados de los 80’s Ortloff investigó nuevos métodos de procesamiento de

gas para la recuperación de propano basados en el proceso OHR:

9.1PROCESO CRIOGÉNICO SFR REFLUJO DE FLUJO FRÍO

Este proceso se basa en el diseño del GSP, por lo que es limitado para la

recuperación de propano cuando es operado con rechazo de etano por los efectos

que los hidrocarburos pesados provenientes de los vapores del separador del tren

de enfriamiento se encuentran en equilibrio en el domo de la torre de destilación

con reabsorbedor.

Una forma de superar estas limitaciones de equilibrio es flasheando estos

vapores en un enfriador para enfriar el domo de la torre y generar el reflujo.

9.2PROCESO CRIOGÉNICO IOR DOMO MEJORADO RECICLADO

En este proceso los líquidos del fondo del absorbedor son aprovechados para

reducir la temperatura en el tren de enfriamiento, una parte del reflujo producido

por el condensador y tomado por el domo del absorbedor es utilizado para

rectificar los vapores del domo de la deetanizadora.

10.PROCESO DE ABSORCIÓN CON ACEITE LIGERO

En este proceso el gas de alimentación es enfriado por un tren de enfriamiento

y alimentado en el fondo de el (los) absorbedor (es), donde en contracorriente el

solvente ligero que entra por el domo le absorbe los hidrocarburos más pesados,

el solvente rico que sale por el fondo del absorbedor es fraccionado primero con la

torre demetanizadora obteniendo una corriente rica de metano por el domo,

posteriormente es pasado por una torre deetanizadora donde se separa una

corriente rica en etano por el domo y por último en el domo de la torre agotadora

se separa los hidrocarburos licuables de gas natural con propano plus.

Del fondo de la torre agotadora el solvente ha sido desprendido de los licuables

del gas natural obteniendo como producto el solvente pobre, como el fondo de la

torre agotadora es calentada a fuego directo y la máxima temperatura del proceso

se aprovecha este calor para calentar los rehervidores de las torres de proceso y

por último ya frío se presatura con metano proveniente de la torre demetanizadora

completando así su ciclo.

11.PROCESO DE ABSORCIÓN MEJORADA (MEHRA)

El proceso Mehra para la recuperación de licuables del gas natural utiliza

tecnología de absorción no criogénica para la recuperación de etano plus o

propano plus.

El gas de alimentación es pasado por un tren de enfriamiento y es alimentado

por el fondo de la columna absorbedora, por el domo de la columna entra el

solvente pobre como C5+ el domo controla a 30°F, los líquidos del gas absorbidos

en el solvente rico que salen por el fondo del absorbedor son fraccionados en la

columna regeneradora del solvente, los licuables del gas son separados por el

domo del regenerador y el solvente pobre es producido por el fondo, después de

la recuperación de calor el solvente pobre es presaturado con gases del domo del

absorbedor. El solvente enfriado con el evaporador refrigerante fluye al domo del

absorbedor.

12.APLICACIONES

Su uso en la industria de los hidrocarburos permiten que el gas natural pueda ser licuefactado y, por ende, transportado mediante buques especialmente acondicionados a destinos muy lejanos

12.1 MEDIANTE LA DESTILACIÓN CRIOGÉNICA, SE OBTENE:

Etano Propano Isobutano n-Butano Pentanos

12.2 LAS PLANTAS CRIOGÉNICAS Y LOS HIDROCARBUROS

En términos muy sencillos, una planta criogénica es un complejo industrial que hace uso de procesos de enfriamiento a muy bajas temperaturas para conseguir objetivos determinados.

12.2.1 SEPARAR EL GAS NATURAL DE SUS LÍQUIDOS

Gas natural licuefactado es aquel gas que ha sido reducido en volumen – hasta en 600 veces su tamaña original - y convertido a líquido, con la finalidad de hacer su envío física y económicamente viable a través de grandes distancias. Buque de transporte de Gas Natural Licuefactado (LNG)

El gas natural, al igual que el petróleo, es una combinación de hidrocarburos . En un yacimiento de gas natural es posible encontrar gas natural combinado con petróleo, con otros hidrocarburos e incluso en algunos casos con agua. No obstante, para que el gas natural extraído del yacimiento pueda ser usado por los consumidores finales este debe pasar por un proceso para obtener lo que se

conoce como gas natural seco, es decir, un gas natural al cual se le han extraído ciertos componentes que en conjunto formarán lo que se conoce como líquidos de gas natural. Existen 3 tipos de procedimientos para realizar esta separación:

absorción refrigeración criogenización

Este último el más eficiente y un poco más costoso.

1. Una vez extraído el gas natural (compuesto de metano, etano y líquidos en fase vaporizada) del yacimiento, el producto es trasladado hasta la unidad de deshidratación, en la cual se reduce la cantidad de agua presente en él a pequeñas cantidades (incluso partículas por millón)

2. Seguidamente, el gas natural pasa a un separador de baja temperatura, del cual se obtiene como resultado final gas natural húmedo por un lado y los líquidos más pesados de gas natural por otro.

3. El gas natural húmedo es enviado a una des-etanizadora tras haber pasado por un “Turbo Expander” en el cual se reduce la presión y la temperatura del mismo. Producto de este proceso se obtienen el gas natural seco y líquidos livianos de gas natural.

4. El gas natural es reducido en volumen para poder ser enviado a su siguiente destino, siendo en el caso del Perú, enviado a través de un gasoducto.

5. Por su parte los líquidos de gas natural resultantes están listos para ser enviados a almacenar, o en caso contrario, para ser enviados a la planta de procesamiento

12.3 PARA LICUEFACTAR EL GAS NATURAL

con la finalidad de hacer viable su transporte a puntos lejanos. Tras la separación del gas natural de sus líquidos, éste puede ser enviado directamente en fase gas para su uso directo por industrias y otros usuarios, o puede tener como destino la exportación a otro país. No obstante, el gas natural es poco denso y ello dificulta

su transporte para ser exportado desde el lugar donde fue extraído hasta el lugar en el que finalmente será consumido.

Por este motivo, el gas natural debe ser comprimido en estaciones de compresión que se intercalan a lo largo de los gasoductos o licuefactado en plantas especiales, con la finalidad de aumentar su densidad (hasta en 600 veces, en el caso de la licuefacción) y hacer su transporte física y económicamente viable. En estos procesos se usan sistemas criogénicos en la medida en que son llevados a cabo a temperaturas muy bajas. El gas natural para ser licuefactado es sometido a temperaturas de hasta –163.1 ºC.

1. El gas natural proveniente del yacimiento es recibido en la planta de licuefacción y es enviado a una columna de aminas en la cual se remueve el dióxido de carbono –así como otros compuestos que pudiesen estar presentes- para evitar que este pueda causar problemas en los procesos posteriores.

2. Posteriormente, el gas natural es enviado a una unidad de deshidratación para secar el gas hasta que contenga menos de 1 parte por millón de agua en volumen, y con ello evitar su posible congelamiento en los procesos posteriores.

3. Una vez deshidratado el gas natural pasa a una unidad en la cual se inicia los procesos de pre-enfriamiento utilizando fluidos frigoríficos como el propano, en ciclos termodinámicos de refrigeración.

4. Seguidamente, el gas natural pasa a la unidad criogénica, en la cual su temperatura se reduce considerablemente - hasta -161 ºC que es la temperatura en la cual el metano, principal componente del gas natural, se convierte en líquido - hasta ser condensado por medio de otro ciclo de refrigeración.

5. Finalmente, el gas natural en forma líquida es enviado a los tanques de almacenamiento a una temperatura aproximada de -163 ºC y con una presión de 1,08 bar esperando a que sean embarcados en buques especiales o camiones cisterna que cuentan con sistemas que permiten mantener la temperatura y características del gas natural líquido hasta que llegan a su punto de destino.

13.CONCLUSIONES

Un uso muy común de las plantas criogénicas es para el tratamiento de hidrocarburos, para los cuales se pueden realizar dos cosas en este tipo de plantas. La primera es separar el gas natural de sus líquidos, estos se pueden obtener por procesos criogénicos gracias a la condensación de dichos líquidos y luego son extraídos por un proceso de extracción o un fraccionamiento de líquidos.

El segundo fin de la tecnología criogénica en los hidrocarburos es licuefactar el gas natural, ¿Cuál es la finalidad de esto? la licuefacción se realiza exclusivamente para hacer viable el transporte del gas natural, ya que al licuefactar el gas, lo que se está haciendo es pasarlo a su estado líquido, debido a que es mucho más fácil transportar en pipas un líquido a un gas.

REFERENCIA BIBLIOGRAFÍA.

Pitman Richard, Hudson Hank y Wilkinson John. 1998, “Next generation

processes for NGL recovery”. 77ª convención de la Gas Processors

Association, Ortloff Engineers, Ltd, Dallas, Texas. P 13.

MehraYuv y Gaskin Thomas,1999, “Guidelines offered for cryogenics or

absorption for gas processing”. En Gas Processing.