BRENDA LARA Y DANIEL ROJAS UNIVERSIDAD METROPOLITANA. RAFAEL MARTIN OTEPI CONSULTORES Caracas, Venezuela

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1 APROVECHAMIENTO DE GASES DE COMBUSTION EN PLANTAS DE GAS PARA LA PRODUCCION DE NITROGENO BRENDA LARA Y DANIEL ROJAS UNIVERSIDAD METROPOLITANA RAFAEL MARTIN OTEPI CONSULTORES Caracas, Venezuela Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10-12, 2000 Caracas, Venezuela

2 APROVECHAMIENTO DE GASES DE COMBUSTION EN PLANTAS DE GAS PARA LA PRODUCCION DE NITROGENO Autores: Ing. Brenda Lara Universidad Metropolitana Ing. Daniel Rojas Universidad Metropolitana Ing. Rafael Martín Otepi Consultores RESUMEN Se desarrolla el análisis técnico económico de una planta para producir 3.0 MM m 3 /Año de nitrógeno de más de 95% de pureza a partir de gas de combustión disponible en muchas instalaciones industriales. Este modelo de planta puede reducir el consumo de nitrógeno criogénico o de gas natural para el uso de mantas de tanques conteniendo productos que pueden formar mezclas explosivas con aire. La escogencia de gas de combustión como materia prima tiene dos ventajas significativas: reduce la capacidad instalada de permeación requerida y abre la oportunidad de un segundo producto, el dióxido de carbono. Se presentan datos cuantitativos como balances de masa y de energía y especificaciones de los equipos principales, asimismo se presenta el diagrama de flujo del proceso con los sistemas básicos de control. Se evalúa comparativamente esta tecnología con otras usadas para producir nitrógeno, típicamente a partir de aire, tales como las criogénicas, los tamices moleculares y las propias membranas. Se concluye que habiendo disponibilidad de gases de combustión en cantidad suficiente, el tipo de planta aquí propuesto es una fuerte candidata para un abastecimiento cautivo de nitrógeno para uso cotidiano. Asimismo se evalúa el potencial de expansión de capacidad por el carácter modular de las instalaciones y el potencial de diversificación hacia el dióxido de carbono por la vía de establecer módulos aguas abajo que aumenten la pureza del mismo. Sin contar la posibilidad de recuperación del dióxido de carbono que ofrecería valor agregado adicional. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 2

3 1.0 INTRODUCCION En este trabajo se presenta, en forma cuantitativa, una aplicación de membranas permeables a gases. Se utiliza para la producción de Nitrógeno de más de 95% de pureza. La materia prima es gas de combustión usualmente disponible en instalaciones industriales incluyendo las que procesan hidrocarburos. La gran ventaja de este esquema es que para un mismo caudal y grado de pureza del Nitrógeno producido se requiere un área mucho menor en el módulo de membranas. Esto se debe a la más rápida permeabilidad del dióxido de carbono relativa a la del oxígeno. Esta idea fue sugerida en las XIII Jornadas de Gas (mayo, 1988) 1 y ha sido desarrollada conceptualmente en una Tesis de Grado (Ingeniería Química) realizada en la Universidad Metropolitana por los autores del presente trabajo (marzo, 1999) 2. Se presentan las bases de diseño para la ingeniería conceptual, el diagrama de flujo de proceso, balances de materia y lazos de control fundamentales para una planta que produzca 3.0 x 10 6 nm 2 /año de un producto conteniendo 95% mínimo de Nitrógeno por volumen. Se establece la preferencia para usar gas de combustión que tenga la relación más alta posible CO 2 /O 2. Sin embargo, para los balances y dimensionamiento de equipos se toma el caso de combustión de gas natural con 20% del exceso de aire. La capacidad seleccionada corresponde aproximadamente a los requerimientos de gas inerte durante los cambios térmicos diarios para una instalación tipo refinería de capacidad media ( m 3 N/hr promedio). El estudio económico es un nivel IV (30-40%) tal como se haría para una ingeniería conceptual. 1 2 Tecnología de permeación en el procesamiento de gases en la industria petrolera y petroquímica. Acosta, M.L. y Martín R. Mayo, Recuperación de nitrógeno y dióxido de carbono de gases de combustión utilizando tecnología de membranas. Lara B., Rojas D. y Martín R. Marzo, AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 3

4 Dado que una de las virtudes de este concepto es su flexibilidad hacia aumentos de capacidad y cambios de calidad y variedad de productos, se plantean dos opciones adicionales. - Como aumentar la pureza del Nitrógeno (a 99% o más) - Como aumentar la pureza de la corriente de dióxido de carbono (a 95% o más). AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 4

5 2.0 DESCRIPCION DEL PROCESO Para esta descripción referirse al DFP que se presenta en la sección 4.0: El gas de combustión se recibe en límite de batería a 350 C y presión ligeramente más alta que la atmosférica. Este gas se enfría y lava por contacto directo con agua en la columna C-1. Esta columna tiene un arreglo de discos y pantallas minimizando caída de presión sin detrimento del debido contacto. El flujo de agua es tal que permite que el cambio de temperatura del agua no exceda de unos 3 C. Una porción del agua (un 8%) se descarta para reducir sólidos suspendidos y control de temperatura. Así mismo, una pequeñísima cantidad de agua sale con el permeado (corriente rica en CO 2 ). Esta agua perdida (algo más del 8%) es repuesta. No se necesita más ya que el agua que queda en el gas se recupera en las distintas etapas de compresión y enfriamiento. El sistema de compresión para succionar el gas de la columna C-1 consta de 4 etapas (relación de compresión 2.27/1 en cada una) para elevar la presión del gas a la requerida por el sistema de membranas (24.2 barg ó 351 xsig). El módulo de membranas están conformados por membranas poliméricas en configuración de fibras huecas. De estos módulos salen dos corrientes: Un permeado que contiene cerca de 80% de CO 2, el resto siendo nitrógeno, agua y oxígeno. Un residuo que es el producto principal que contiene 95.6% de nitrógeno en base molar, el resto siendo oxígeno y algo de CO 2 (trazas). Este producto está a presión alta (22.4 Barg o 325 xsig). Dos adiciones pueden hacerse a este proceso que son independientes entre sí. Una consiste en enviar el residual a un compresor booster (una etapa) y pasarlo por un segundo módulo de membranas buscando una pureza de 99% o más en el AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 5

6 contenido de nitrógeno. El permeado se retornaría a la alimentación primaria. La otra consiste en comprimir el permeado y pasarlo por otro módulo para recuperar un permeado con alta concentración de CO 2, descartando el residual. El diagrama de flujo y balance de materiales corresponde a la configuración básica del proceso. No incluye las opciones adicionales. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 6

7 3.0 BASES DE DISEÑO 3.1 ALIMENTACION Condiciones al límite de batería. Presión 0 barg Temperatura 350 C Composición (% molar) Nitrógeno 73.33% Dióxido de carbono 8.5% Oxígeno 3.2% Agua 15.0% Se asume que el gas combustible es de un peso molecular de 20 kg/kg mol y que se usó un 20% de exceso de aire en la combustión. Se alimentan a la planta aproximadamente 21.5 kg mols/pr de este gas (482 m 2 N/hr). 3.2 LAVADO Y COMPRESION La tasa de agua de lavado de gas es de aproximadamente 25/1 en base molar. La tasa de recirculación es aproximadamente 9.7 m 3 /hr (43 gpm). El sistema de compresión consta de cuatro etapas en una relación de compresión 2.27/1 en cada etapa. Recibe 482 m2 N/Hr) a presión atmosférica y entrega el gas a 24.2 bar g (35 psig) al módulo de membranas. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 7

8 3.3 MODULO DE MEMBRANAS Composición de los gases (fracción molar). Entrada Permeado Residuo Nitrógeno Dióxido de Carbono Oxígeno Trazas Agua Trazas Trazas La temperatura de descarga es de 51.7 C y la presión es de 22.4 barg en el residual y de 0.0 barg en el permeado. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 8

9 4.0 DIAGRAMA DE FLUJO Y BALANCE DE MATERIA

10 5.0 INVERSION Y COSTO DE OPERACIÓN En el trabajo de tesis (2) que se menciona en la Introducción se estimó una inversión de capital de US$ ,oo para una planta de 1.5 MM de Nm 3 /año. Para la planta tema de este informe que tiene el doble de la capacidad, la inversión correspondiente es de US$ ,oo. El costo de operación puede estar conformado por los renglones siguientes: Depreciación (5 años) Energía (400 Bs45/kw-hr) US$ ,oo US$ ,oo Mano de obra (1 operador/turno) US$57.600,oo * Supervisión (1/2 supervisor) US$16.000,oo ** Mantenimiento (10% inversión) Miscellaneos (10% costo de operación) TOTAL US$76.400,oo US$40.000,oo Us$ ,oo Esto corresponde a US$0.20/Nm3 de nitrógeno al 95.6%. * Bs mensuales de sueldo básico, 20 meses anuales de paquete total. ** Bs mensuales de sueldo básico, 20 meses anuales de paquete total.

11 6.0 CONCLUSIONES De esta presentación se desprende de que hay posibilidad de desarrollar comercialmente una planta modular para la producción de nitrógeno (95%+) a partir de gases de combustión generados con 20% o menos de exceso de aire. El uso de este nitrógeno sería dentro de la planta generadora del gas de combustión como gas de cobertura de tanques de techo fijo con líquidos volátiles. La capacidad de diseño se propone para cubrir la demanda típicamente generada por el ciclo diario y el proceso de llenado y vaciado de los tanques. El concepto básico es desarrollable a conseguir aún más alta pureza del nitrógeno (99%+) y a la recuperación de dióxido de carbono como subproducto. El desarrollo de estas mejoras se continuará. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 11

12 APENDICE A EQUIPOS PRINCIPALES Los equipos principales de esta unidad son: C-1 Columna de lavado y enfriado. Medidas: Diámetro 5.4 pies Altura (T-T) 20.0 pies Material: Internos: Acero al carbono Pantallas y discos B-1 A/R Bomba de recirculación de agua de lavado Tipo: Flujo: Centrífuga. 50 gpm Presión de descarga: 6.0 Barg (87 psig) K-1 A/R Soplador Booster. Tipo: Flujo. Paletas 400 pies cúbicos/minuto Presión de descarga: 0.1 Barg (1.5 psig). Paquete de compresores principales. Tipo: Etapas: Centrífugos Cuatro K-2/3/4/5 Relación de compresión: 2.27 por etapa. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 12

13 Aero-Enfriadores: Separadores: Cuatro AE-1/2/3/4 Cinco S-1/2/3/4/5 Flujo: Entrada 400 pies cúbicos / minuto Salida 18 pies cúbicos / minuto Presión: Entrada 0.1 Barg Salida 24.2 Barg Temperatura: Entrada 54.4 C (130 F) C (125 F) MP-1 Módulo de Permeación Tipo: Material: Fibras Huecas Co-polímeros silicona-nitrito Selectividad: CO 2 /N O 2 /N Area de membranas: 370 m 2 (3980 pies 2 ) V-1 Acumulador de Nitrógeno Material: Acero Carbono Presión de Diseño: 27 barg (390 psig) Temperatura: 51.7 C (125 F) Medidas: Diámetro 9.3 pies Largo (T-T) 40.0 pies Capacidad: Cuatro horas de producción. AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 13

14 APENDICE B CONCENTRACION ADICIONAL DE NITROGENO Para lograr una concentración mayor de nitrógeno (>99%) se puede añadir un compresor booster (relaciónd e compresión 1.25, presión de descarga Barg) y pasar la corriente por un segundo módulo de membranas (MP-2). Tomando un factor de permeación de 35% y alimentando la corriente No10 se obtendrían los resultados siguientes: Alimentación Permeado Residuo Total Nitrógeno * Oxígeno (Todas las cifras en kgmol/hr) El permeado se descarta. * 99% en base seca AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 14

15 APENDICE C CONCENTRACION DE DIOXIDO DE CARBONO También se puede producir una corriente de CO 2 de 99% tomando la corriente 9 que contiene 80% de CO 2. Para ello se requeriría un paquete de compresor para llevar la presión a 20 barg mínimo y un módulo de membrana adicional (MP-3). Asumiendo un permeado de 99% CO2 y 75% de recuperación, se obtendría (corriente 9). Alimentación Permeado Residuo Total Nitrógeno Dióxido * Agua (Todas las cifras en kg mol/hr) El residuo se recircula a la alimentación original. * 99% en base seca AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, Página 15