TRATAMIENTO DEL GAS NATURAL ASOCIADO (ENDULZAMIENTO) PARA LA PRODUCCIÓN DE GLP EN PLANTAS DE GAS

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1 ESPECIALIZACIÓN EN INDUSTRIA PETROQUÍMICA TRABAJO INTEGRADOR FINAL TRATAMIENTO DEL GAS NATURAL ASOCIADO (ENDULZAMIENTO) PARA LA PRODUCCIÓN DE GLP EN PLANTAS DE GAS AUTOR: ING. JORGE FIDEL ESPINOZA MEJIA TUTOR: ING. CARLOS OCTTINGER JURADO: AGOSTO DE 2015

2 INDICE CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN..1 CAPÍTULO II JUSTIFICACIÓN.2 CAPÍTULO III OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Específicos...3 CAPÍTULO IV MARCO TEÓRICO El petróleo y gas natural Origen Composición del petróleo y del gas natural Reservas de petróleo y gas natural en el mundo Propiedades de los hidrocarburos Cadena de valor del gas natural Transporte de gas natural Distribución de gas Natural Gas natural asociado Procesos de tratamiento: Endulzamiento, Deshidratación Endulzamiento de gas natural Deshidratación del gas natural Endulzamiento del gas natural Métodos más usuales de endulzamiento de gas Solventes Químicos (Aminas) Endulzamiento con membranas Solventes Físicos.42

3 4.9.4 Solventes mixtos (Químicos + Físicos) Endulzamiento con Carbonato de Potasio (K2C03) Procesos Redox Endulzamiento mediante el uso de lechos fijos reactivos Producción de GLP en plantas de gas- Métodos de recuperación de hidrocarburos líquidos Usos del GLP y gasolina natural como materias primas petroquímicas...55 i) Proceso de Steam Cracking para obtención de olefinas (etileno, propileno, butileno, etc.)..55 ii). Proceso de SteamReforming 63 iii). Proceso de Oxidación parcial..64 CAPÍTULO V CASO DE APLICACIÓN DE ENDULZAMIENTO DEL GAS NATURAL ASOCIADO DEL COMPLEJO INDUSTRIAL SHUSHUFINDI DE EP PETROECUADOR -ECUADOR 5.1. Descripción del Sitio Descripción del proceso Estaciones de captación de gas Planteamiento y análisis del problema Propuesta y solución al problema planteado Selección del proceso aplicable al tratamiento (endulzamiento) del gas natural Primera Selección: Tipo de proceso Segunda selección: Uso de Tecnología Procesos de Lecho Fijo Reactivo Secuestrantes (Scavengers) líquidos de H 2 S Análisis de Frac Spread para la planta caso de análisis...87

4 CAPÍTULO VI ASPECTOS DE SEGURIDAD EN PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE GLP Y GASOLINA NATURAL 6.1. Normas de aplicación Dimensionamiento de tuberías en plantas de GLP Material a prueba de explosión (explosion proof) y seguridad Intrínseca (SI) 95 CAPÍTULO VII 7. Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Recomendaciones.98 CAPÍTULO VIII BIBLIOGRAFÍA..99

5 RESUMEN El presente trabajo final de grado consiste de dos partes fundamentales: La primera incluye los fundamentos teóricos e incluye una descripción y análisis de las principales alternativas de endulzamiento de gas natural, una descripción de cada método aplicable, sus ventajas y desventajas dependiendo de varios factores. La segunda es un caso de aplicación a una planta de gas existente en la Amazonía Ecuatoriana. El análisis se realizó para endulzar el gas natural asociado que se capta e ingresa como carga a la planta de gas de Refinería Shushufindi de EP Petroecuador. La refinería Shushufindi tiene entre sus instalaciones una planta industrial para procesar gas natural asociado que se capta desde los campos petroleros Libertador, Cuyabeno y Sacha, operados por la estatal Petroamazonas EP. La captación actual de gas natural asociado para procesarla en la planta de gas bordea los 21 MMSCFD, lo cual permite obtener aproximadamente 280 Tm de GLP y 1200 BLSD de gasolina natural, más un remanente de gas residual combustible de 9,6 MMSCFD. Actualmente el gas natural asociado captado por EP Petroecuador no es sometido a ningún tipo de tratamiento para eliminar compuestos de azufre La información requerida para el análisis y propuesta de tratamiento (endulzamiento) se recopiló a partir de datos de campo. Esta información comprende cromatografías de gas, datos de producción, análisis de campo con tubos colorimétricos (para determinar la concentración de H2S del gas), entre otras. Con los datos de campo actuales y en función de los fundamentos teóricos se realiza un análisis de la condición actual de captación de gas a la planta existente, y se va restringiendo el número de posibilidades para las diferentes alternativas de endulzamiento, en función del tipo de proceso y en función de la tecnología aplicable al caso. El respectivo análisis y evaluación de resultados indica que el método más factible para endulzar el gas natural asociado captado y reducir su contenido de azufre en la condición

6 planteada actual, atendiendo a diversos factores establecidos en el análisis, es usando lechos fijos reactivos. La inversión total requerida para implantar el proyecto es de U$ ,6 para tres años de operación. Como alcance al análisis de endulzamiento del gas natural asociado, también se realizó un análisis de Frac Spread para la planta de gas, tomando en consideración factores como el poder calórico del gas, el balance de producción diaria, costos de refinación, precios internacionales de GLP y gasolinas, entre otros. Para este análisis se tomó en cuenta un precio internacional actual para el gas natural asociado de 2,87 U$/MMBTU, lo que con el flujo del gas natural disponible (si se lo vendiera en lugar de procesarlo) daría una utilidad bruta por venta de U$ ,00/día. Procesando este gas en la planta existente y restando la suma de costos operativos y del gas natural asociado (materia prima), el análisis de frac spread da un valor de U$ ,3/día (margen adicional), lo cual claramente indica que es mucho más rentable separar los líquidos de gas natural (LGN) para obtener GLP y gasolina natural, venderlos por separado, que vender solo el gas natural asociado. Atendiendo a factores ambientales, uno de los mayores beneficios por la aplicación del proyecto será el uso de tecnologías que no dejan compuestos de azufre difíciles de tratar, es más, el lecho fijo reactivo gastado puede ser dispuesto de manera amigable con el medio ambiente.

7 GLOSARIO DE TÉRMINOS BLSD: Barriles por día BTU: British Termic Unit (Unidad Térmica Británica) utilizada en la industria de la energía C3+: Propano y más pesados CROMATOGRAFÍA: Conjunto de técnicas basadas en el principio de adsorción selectiva, cuyo fin es separar los componentes de una mezcla gaseosa. EP PETROECUADOR: Empresa Pública PETROECUADOR GAS RESIDUAL: Gas combustible que queda del proceso de obtención de líquidos de gas natural en una planta de gas. Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura del proceso en este gas predominan los compuestos metano y etano. GASOLINA NATURAL: Mezcla de hidrocarburos a partir de pentano y más pesados obtenidos como subproducto del procesamiento del gas natural asociado. GLP: Gas Licuado de Petróleo GPM: Galones por minuto GPSA: Gas Processors Suppliers Association (Asociación de Proveedores de Procesadores de Gas) H2S: Sulfuro de hidrógeno (gas sulfhídrico) LGN: Líquidos de Gas Natural LHV: Lower Heating Value (Poder calorico inferior). Una medida de la cantidad de calor que desprenden los combustibles al ser quemados LICUABLES: Hidrocarburos líquidos obtenidos por efecto de la compresión del gas natural asociado, solo una fracción del gas natural que se comprime se licua. MMBTU: Millones de BTU MMSCFD: Millones de píes cúbicos estándar por día (medidos a 60 F y presión de 1 atmósfera) Tm: Tonelada Métrica

8 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN El uso del gas natural como combustible se ha usado por más de 150 años, pero en los últimos 25 años ha adquirido mucha importancia debido a los usos como materia prima petroquímica y gas combustible en redes de distribución. El gas natural tiene la ventaja de ser un combustible limpio en comparación a los derivados del petróleo. Desde que comenzó la era petrolera y del gas natural, los esfuerzos se han encaminado a la localización y producción de petróleo y gas. Al hablar de gas natural asociado, se explica que la mayor parte de los yacimientos descubiertos de petróleo son de gas en solución, por lo que se hace necesaria la producción conjunta de petróleo y gas asociado. Por otro lado, en los campos petroleros, el principal producto es el petróleo y el gas natural asociado pasa a ser un subproducto, que en muchos casos tiene una gran importancia debido a la cantidad de líquidos de gas natural (LGN) que se puede obtener del mismo. En el gas natural asociado suele existir la presencia de compuestos de azufre (contaminantes del gas) como sulfuro de hidrógeno, mercaptanos livianos y sulfuro de carbonilo, atendiendo al peso molecular y cantidad de compuestos como propano y butanos que contiene el gas. Estos compuestos de azufre (que en la mayoría de ocasiones se combinan con agua libre o en estado de saturación) son los causantes de múltiples inconvenientes asociados a problemas de corrosión, que ocasionan pérdidas económicas y aumentan los factores de riesgo durante el procesamiento del gas, principalmente por las altas presiones de operación que se tienen. Trabajo Integrador Final Página 1 Especialidad en Industria Petroquímica

9 CAPÍTULO II JUSTIFICACIÓN Tomando en cuenta que el gas natural asociado es un combustible fósil al igual que el petróleo, es claro indicar que las reservas del mismo son limitadas y sujetas a la producción petrolera. Es más, la producción de gas natural asociado disminuye con el tiempo en una proporción mayor que la producción de petróleo de la cual se obtiene dicho gas. Para que este gas natural asociado se pueda usar de una manera más segura y confiable, es necesario dar tratamiento al gas, atendiendo a los diferentes contaminantes que posee el mismo. Uno de estos contaminantes es el azufre, que generalmente se encuentra combinado formando principalmente sulfuro de hidrógeno en pequeñas concentraciones, mismo que debe ser eliminado o retirado en su mayor parte. La operación de retirar los componentes de azufre del gas se denomina endulzamiento, siendo una operación fundamental encaminada a la reducción del contenido de compuestos ácidos del gas natural, sea este asociado o no. Las principales razones para endulzar el gas (eliminación de compuestos ácidos) son: cumplir con ciertas condiciones requeridas del proceso y especificaciones comerciales, reducir la corrosión al eliminar compuestos ácidos del gas, evitar daños materiales de tuberías y equipos de proceso permitiendo mantener los niveles de producción. El gas natural asociado tratado y sometido de un proceso de refinación, mediante el empleo de procesos criogénicos permite obtener Gas Licuado de Petróleo (GLP) y gasolina natural que pueden ser usados como combustibles o materia prima de la industria petroquímica. Trabajo Integrador Final Página 2 Especialidad en Industria Petroquímica

10 CAPÍTULO III OBJETIVOS 3.1. Objetivo General Realizar un análisis de los principales procesos para el endulzamiento del gas natural asociado y su uso, para la producción de GLP y Gasolina Natural, utilizados como combustibles o materias prima petroquímicas Objetivos Específicos Describir las actividades de producción de gas natural desde la extracción hasta el procesamiento Describir los principales métodos de endulzamiento aplicables al gas natural y establecer criterios de selección Describir los usos del gas licuado de petróleo GLP y gasolina natural como materia prima petroquímica, principales aspectos de las tecnologías disponibles Establecer un caso de aplicación para el endulzamiento de gas natural asociado y producción de GLP en una planta de gas existente Realizar un análisis de Frac Spread para en una planta de gas existente Realizar un análisis de los principales aspectos de seguridad en plantas de obtención de GLP. Trabajo Integrador Final Página 3 Especialidad en Industria Petroquímica