CICLO DE REFRIGERACIÓN LINDE - STATOIL PARA OBTENCIÓN DE GAS NATURAL LICUADO
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1.- INTRODUCCIÓN El proceso de licuefacción de gas natural consiste en disminuir su temperatura hasta que pase a estado líquido a una temperatura entre -155°C y -165°C, disminuyendo su volumen en una relación 6!1, lo cual permite el transporte de importantes vol"menes de gas natural# $revio a la licuefacción, el gas natural producido de los yacimientos es tratado para eliminar contaminantes %&'(, agua, C)', mercurio* y procesado para separar en fase líquida, los elementos m+s pesados del gas luego la fase gaseosa de ese procesamiento es sometida a la etapa de licuefacción, mencionado anteriormente# as tecnologías de licuefacción est+n .asadas en un ciclo de refrigeración donde el refrigerante es sometido a sucesivas etapas de e/pansión y compresión, transportando calor desde muy altas a .a0as temperaturas# El refrigerante puede ser parte de la corriente de alimentación del gas natural %proceso ciclo a.ierto* o un fluido separado recirculado continuamente a travs del proceso %ciclo cerrado*# 2e igual forma el refrigerante puede poner varios componentes puros, pueden ser alimentados al proceso a una o varias presiones#
2.- SOBRE EL GAS NATURAL LICUADO El gas natural licuado %34* es gas natural que ha sido procesado para ser transportado en forma líquida, lo cual ocurre a una temperatura apro/imada de -16 C a presión atmosfrica# a licuación reduce el volumen del gas apro/imadamente 6 veces hacindolo así m+s económico para transportarlo a grandes distancias en em.arcaciones marítimas especiales# Es la me0or alternativa para monetiar reservas en sitios apartados donde no es económico llevar el gas al mercado directamente a travs de los sistemas de gasoductos tradicionales ya que resultan menos atractivos económicamente y podrían ser tcnica o políticamente no facti.les# 2e esta manera, la tecnología del 34 hace disponi.le el gas natural a la totalidad del mundo# El proceso de licuación del gas natural requiere de la e/tracción de algunos de sus componentes no-metano como el agua y el dió/ido de car.ono esto se hace para evitar que se solidifiquen cuando el gas es enfriado a la temperatura del 34 %-16 C*# 7 consecuencia de esto, el 34 est+ típicamente compuesto de metano#
3.- PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL os procesos para la licuefacción de gas natural se pueden clasificar en tres grupos! proceso en cascada, proceso de licuefacción 89, y de e/pansión o de proceso a .ase de tur.ina# a clasificación de los procesos de licuefacción de gas natural mencionados se muestra en la siguiente figura! 2
Fuente: Natural Ga Pr!"e#n$ Te"%n!l!$& an' En$#neer#n$ De#$n( A. Ba%a'!r# ).- PLANTAS DE GAS NATURAL LICUADO ONS*ORE as plantas m+s tempranas utilia.an procesos de licuación .astantes simples, .asados en el proceso de refrigeración en cascada o en el de refrigerante mi/to y con una capacidad de tren menor de un millón de toneladas por a:o# En 1;<', se utilió el primer proceso de licuación de dos ciclos usando un refrigerante mi/to con propano pre-enfriado# Este proceso empeó a dominar la tecnología de los procesos de licuación a finales de la dcada de los < y hoy en día, contin"a siendo uno de los preferidos de la industria de 34# 2urante este periodo, diversas empresas han llevado a ca.o significativas me0oras en el proceso original, adem+s la economía de escala me0oró las herramientas de simulación de procesos y el rendimiento de los equipos lo que todo 0unto ha llevado a una disminución dr+stica de
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los costos de instalación en las plantas de licuación y ha incrementado la capacidad de los trenes de licuación# &istóricamente, la selección del ciclo de licuación era una elección sencilla de hacer! el proceso de licuación de dos ciclos usando un refrigerante mi/to con propano preenfriado# a ta.la muestra trenes de licuación actualmente operando %actualiada a 4oviem.re de '=*, y previstos %en el caso del proceso de tres refrigerantes en cascada>7$-?*#
F#$ura: Trene 'e GNL +!r +r!"e! 'e L#"ue,a""#n
Fuente: Te"n!l!$a +ara la L#"ue,a""#n & Re$a#,#"a"#n 'el Ga Natural( /. 0ar"an! @a.la ' ilustra dos puntos clave! - El proceso de un solo refrigerante mi/to con un ciclo de pre-enfriamiento %CA89* de la compa:ía 7$CB domina la industria - &a ha.ido una considera.le diversificación en los procesos de licuación en los "ltimos 15 a:os# Este incremento en la competencia ha llevado a un incremento en la capacidad de los trenes, una me0ora en la integración de los controladores, y una reducción en los costes de capital#
.- Trata#ent! 'el $a natural ante 'e la l#"ue,a""#n a producción de 43 requiere temperaturas tan .a0as como -16°C, punto de e.ullición normal del metano, consecuentemente los niveles de impureas permisi.les en un gas para ser licuado son mucho m+s .a0os que el de un gas para ser transportado por un gasoducto, $or e0emplo, el gas por tu.erías dirigido a clientes residenciales puede contener un m+/imo de A a = en moles de dió/ido de car.ono, pero el gas para 4
la licuefacción de.e tener un contenido de C)' de menos de 5 ppmv# En la siguiente ta.la se presenta las composiciones permitidas!
Tala: Retr#""#!ne en la "!+!#"#n 'e la al#enta"#n +ara LNG ! tuera 'e $a. Componente 7gua &'( C)' 7ufre total %&'(, C)(, aufre org+nico* 4itrógeno 8ercurio utanos $entanosF 7rom+ticos
7limentación a planta de 34 D #1 ppmv D = ppmv D 5 ppmv D ' ppmv D 1 mol D#1 ug>4mA 'mol ma/ #1 mol ma/ D ' ppmv
@u.ería de gas 15 ppmv #'5-#A gr>1scf A a = mol 5-' gr>1scf A mol
Fuente: Fun'aental !, Natural Ga Pr!"e#n$( A. 4#'na& & 5. Parr#% ).viamente, el gas procesado para 34 de.e tener una eliminación mucho m+s agresiva de agua, nitrógeno y dió/ido de car.ono que el destinado a ser transportado para tu.ería# as especificaciones estrictas en todos los componentes anteriores, e/cepto para el nitrógeno y mercurio, son necesarios para evitar la deposición de sólidos que podr+ conectar los intercam.iadores de calor# En primer lugar hay que tener en cuenta que el gas que llega a la planta de licuefacción ha e/perimentado durante su transporte una nota.le caída de presión por la prdida de carga de.ido a la e/pansión y enfriamiento del gas diversas fracciones de vapor se ha.r+n condensado arrastrando adem+s con ellas algunas impureas# Consecuentemente la primera instalación a la entrada de la planta ha de ser un separador de condensados por gravedad y un .uen filtro de partículas capa de retener tama:os superiores a 1 Gm# 7 continuación, y dependiendo del proceso, la presión del gas de.e ser aumentada hasta valores compati.les con las transformaciones termodin+micas que va a sufrir la corriente de gas durante su licuación# 3eneralmente el proceso en cascada requiere unos =,5 H 16 $a mientras que el de refrigerante mi/to necesita al menos 5,6 H 16 $a# (eg"n el caudal y la presión se puede utiliar desde un compresor centrífugo movido por una tur.ina de gas, hasta un compresor alternativo movido por un motor elctrico# En caso de que no fuera necesario comprimir el gas, ha.ría que instalar un calentador ya que la etapa siguiente requiere que el gas se encuentre a una temperatura superior a = °C#
.1.- El##na"#n 'e N#tr$en!
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El nitrógeno es un diluyente vol+til que, a concentraciones m+s altas, puede aumentar el potencial de estratificación y vuelco# El mercurio presenta serios pro.lemas en las operaciones en criognicas, ste se condensa en los intercam.iadores de calor criognicos y forma una amalgama con el aluminio que puede conducir al fallo del intercam.iador# $or consiguiente, el mercurio de.e ser eliminado a un nivel de ,1 mg>4mA#
.2.- Trata#ent! Es el primer proceso de purificación el proceso de tratamiento es usado para la remoción de gases +cidos, C)', &'( y otros componentes de aufre# El proceso incluye! a* (olventes Itiles para tratar los gases +cidos# El C)' se e/trae al hacer pasar el gas por medio de corriente inversa de solución de mono-etanol-amina# .* 7.sor.entes Como ser filtros moleculares# (on usados para remover los rastros de componentes de aufre# En el futuro el nfasis estar+ en reducir las reacciones como puede ser la formación de C)(# c* (eparación por destilación# El C)' puede separarse usando el mtodo de 9yan&olmes, en el que se usa vapor de 43 %natural gas liquid* para suprimir el frío del C)'# Es "til para recuperar grandes cantidades de C)'# d* $rocesos 9edo/# (e .usca la o/idación de &'( para producir sulfuro elemental# J/idos de metales como ó/ido de inc han sido usados varios a:os en la industria petroquímica para desulfuración a temperaturas elevadas %A C*# 7vances han e/tendido su aplicación a temperaturas am.iente, m+s comunes en el procesamiento del gas natural# %7rias, '6*
.2.1.- De"r#+"#n 'el +r!"e! 'e trata#ent! 'e GN En todos los casos el gas natural caliente y a alta presión entra en la columna de a.sorción por a.a0o y reacciona contra-corriente con la solución de amina en las .ande0as de contacto que se encuentran en el interior de la misma# a amina conteniendo los +cidos se drena por el fondo de la columna# a reacción es reversi.le y el a.sor.ente se regenera %a alta temperatura y>o .a0a presión* en un ciclo separado y se vuelve a utiliar# El ciclo de regeneración de las aminas contiene una torre de separación, una caldera, dos intercam.iadores, aerorrefrigerantes, depósitos de regulación y varias .om.as! por sí solo, el ciclo representa unas = veces el coste de la columna de a.sorción# 7lgunos procesos tienen la capacidad adicional de capturar una parte importante de los hidrocar.uros arom+ticos %los m+s peligrosos ya que son los que solidifican m+s f+cilmente y, adem+s, en forma de ceras*# )tros tienen el inconveniente de que a.sor.en hidrocar.uros ligeros con los gases +cidos y posteriormente hay que recuperarlos# En algunos casos no se consigue el nivel de retención de gases +cidos requerido por el 6
proceso posterior# En definitiva la selección del proceso de a.sorción de.e tener en cuenta la composición del gas a la entrada de la planta, las condiciones termodin+micas y el coste de la instalación y del a.sor.ente# En la Kigura =#1 se muestra el proceso de depuración del gas mediante a.sorción#
F#$ura: 'e+ura"#n 'el $a e'#ante a!r"#n
Fuente: Tren 'e L#"ue,a""#n "!n l#"en"#a L#n'e 'e la Planta 'e 0el6!&a( P. 0u7!8 .3.- De%#'rata"#n Lna ve eliminadas las impureas y los gases +cidos, la corriente principal de gas natural est+ saturada de agua %los a.sor.entes para la eliminación de gases +cidos siempre se utilian disueltos en agua*# (e hace un proceso de deshidratación y filtrado para llevar el gas a valores inferiores a 1 ppm %partículas por millón*# El proceso de glicol ha sido me0orado con el advenimiento de agentes aeotrópicos que permiten remover rastros de agua presentes en el mismo, permitiendo una deshidratación m+s completa y reduciendo las emisiones indeseadas de hidrocar.uros arom+ticos a la atmósfera# Es decir, la deshidratación previene la formación de gases hidratados reduciendo la corrosión en las líneas de transmisión# os mtodos m+s usados son!
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En,r#a#ent! '#re"t!:
El agua saturada contenida en el gas natural disminuye con el incremento de presión o la disminución de temperatura# 7
(e hace pasar la corriente de gas por un intercam.iador de calor %a presión constante* o por una tur.ina de e/pansión %si se pudiera .a0ar la presión*# Lna venta0a de este mtodo es que, adem+s del agua, varios hidrocar.uros pesados condensan al mismo tiempo y se separan f+cilmente#
9 A!r"#n 'e a$ua en $l#"!le: (e hace pasar el gas por un filtro de glicol, normalmente @E3, el cual se com.ina con el agua# a corriente de glicol de.e ser recargada constantemente ya que algo de @E3 podría reaccionar y formar molculas no deseadas# "9
A'!r"#n 'e a$ua +!r l#'!.
Ltiliando desecantes sólidos como la al"mina, la silicagel o, el m+s popular, los cristales de eolita sinttica# Este "ltimo se fa.rica en granos de tama:o micromtrico cuya forma se dise:a para que MatrapenN las molculas .ipolares del agua los granos est+n agrupados en pelets de ' mm a A mm de di+metro# El gas a alta presión se hace pasar por unas columnas que contienen el desecante dispuesto en tamices horiontales# $eriódicamente cada columna se somete a un proceso de regeneración del desecante, que consiste simplemente en soplar gas caliente a .a0a presión y en contracorriente# a tendencia mayoritaria hoy en día es la de utiliar tamices moleculares con desecantes sólidos %especialmente si los hidrocar.uros m+s pesados se van a separar m+s adelante en una torre de fraccionamiento*, porque se consiguen puntos de rocío de -15 °C y es el proceso m+s .arato, sencillo y eficiente energticamente# (in em.argo el proceso requiere que se enfríe el gas, para lo que se utilian ventiladores elctricos normalmente, y que se instalen filtros separadores de gas y líquido antes de las columnas de secado, al o.0eto de aliviar la tarea de los tamices moleculares y me0orar su eficacia# Con el gas ya seco, dulce y limpio, por "ltimo se le hace pasar por las columnas de eliminación de mercurio las cuales contienen lechos con car.ón activado impregnado en un compuesto especial de aufre# Cuando el car.ón activado se satura hay que cam.iar los lechos ya que no es regenera.le, aunque de.ido a los ínfimos contenidos de mercurio en la mayoría de los casos el intervalo entre sustituciones no suele ser inferior a ' a:os#
.- FRACCIONA0IENTO En las especificaciones para la venta del 34 indica cuanto puede contener de propano, .utano y otros hidrocar.uros pesados en el gas, y su valor calorífico# $ara satisfacer estos requerimientos los componentes m+s pesados del gas de.en ser separados# Estos son com"nmente conocidos como los líquidos del gas natural %34*# El proceso de separación se llama fraccionamiento# El gas es primero enfriado un poco y luego se lleva a una columna de fraccionamiento# os gases que son e/traídos por la 8
parte superior de la torre son ante todo metano y etano, los que contin"an en el proceso de licuefacción# os productos separados en la .ase de la torre consisten principalmente en propano, .utano y otros hidrocar.uros pesados %3$ y gasolinas*# Estos son enviados a la planta para su licuefacción# En la siguiente figura se muestra un esquema en el que el gas de color amarillo viene hacia la torre y los componentes m+s pesados en color naran0a descienden por la torre#
;.- PROCESO LINDE-STATOIL Este proceso tam.in denominado en cascada de fluido mi/to %8KC$ en sus siglas en ingls*, se ha dise:ado especialmente para plantas de licuefacción particularmente adecuadas para las condiciones del 8ar del 4orte# Este proceso cumple con los o.0etivos .a0o los cuales fue dise:ado, los que fueron, una alta eficiencia 0unto con la adaptación especial a las condiciones del +rtico para producir grandes cantidades# a e/celente eficiencia y la adaptación al clima frío se han conseguido con el uso e/clusivo de la mecla de refrigerantes# El potencial de procesamiento de grandes trenes de licuefacción se .asa en el uso de los tres sistemas de refrigeración, lo que permite por lo menos un 5 m+s de capacidad comparado con los sistemas tradicionales con solamente tres sistemas de refrigeración# os refrigerantes mi/tos que en este caso contienen parafinas livianas como metano, etano, propano así como nitrógeno, cam.ian la temperatura durante la vaporiación a presión constante, lo que enriquece la fase líquida de los componentes pesados# Lna fase gaseosa puede ser usada para el dise:o de los intercam.iadores de calor con una diferencia mínima de temperatura entre corrientes ti.ias y frías# Este contacto de temperaturas cercanas reduce el consumo de energía, pero requiere intercam.iadores de calor con grandes superficies de contacto# (e usan intercam.iadores de platos %dise:o 9
$K&?*, que .rindan una gran superficie de contacto y una .a0a caída de presión a un coste moderado# El tipo de intercam.iadores son usados en la sección de preenfriamiento# En la licuefacción y su.-enfriamiento del gas natural, es necesario un mayor cam.io trmico# Este elevado intercam.io requiere un dise:o m+s fle/i.le, lo que se consigue con un intercam.iador en espiral %dise:o (O&?*# Estos intercam.iadores pueden ser dise:ados en unidades mayores que los de plato %$K&?*, pero son m+s costosos y causan una mayor caída de presión en el flu0o# a elección correcta de los intercam.iadores en cada fase de la licuefacción permite tra.a0ar con una .a0a caída de presión y una temperatura apro/imadamente cercana en todo el sistema# <#1#- 2e"r#+"#n 'el +r!"e! (e .asa en tres ciclos de refrigerante mi/to separados y en cascada, en los cuales el gas natural es pre-enfriado, licuado y su.-enfriado# El frío del ciclo de preenfriamiento es transferido al gas natural a travs de evaporadores o intercam.iadores de calor de placas con aletas, mientras que el frío de los ciclos de licuefacción y su.enfriamiento se transmite mediante evaporadores o intercam.iadores de calor en espiral o .o.ina#
F#$ura: Pr!"e! L#n'e-Stat!#l
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En la Kigura se muestra el proceso, donde se pueden o.servar los tres ciclos de refrigeración en cascada# El ciclo de pre-enfriamiento parte de una mecla de etano y propano, que se comprime en un compresor %C1*, se lic"a mediante un refrigerante de agua de mar %CO1* y se su.-enfría en un intercam.iador de calor de placas con aletas %E17*, y a la salida, una parte pasa por una v+lvula de presión intermedia y se usa como refrigerante en el propio intercam.iador de calor, mientras que el resto se su.-enfría en un segundo intercam.iador de calor de placas %E1*# 7 su ve, la salida de este segundo intercam.iador de calor se divide tam.in en dos, utili+ndose la corriente menor como refrigerante en el intercam.iador %E1* y se hace circular hasta el primer compresor %C1*# El ciclo de licuefacción utilia una mecla de etano, propano y metano, que se comprime en el segundo compresor %C'*, se enfría en los refrigeradores de agua de mar correspondientes %CO'7 y CO'* y se enfría a"n m+s en los intercam.iadores de calor citados %E17 y E1* y el intercam.iador de calor en espiral %E'*, utiliando una v+lvula reguladora para hacer pasar parte al propio intercam.iador de calor como refrigerante# $or "ltimo, el ciclo de su.-enfriamiento se .asa en un compresor %CA*, dos refrigeradores de agua de mar %COA7 y COA*, un su.-enfriamiento en los intercam.iadores de calor %E17, E1, E' y EA* y una e/pansión en la tur.ina de líquido %?1*, haciendo circular parte al propio evaporador de esta etapa %EA*# a corriente de gas natural entrante en el primer intercam.iador de calor %E17* va sucesivamente pasando por el resto de intercam.iadores %E1, E' y EA*, saliendo de ste "ltimo ya como gas natural licuado#
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