MEJORADOR DE CRUDO: Unidad de Gas Combustible

Bienvenidos nuevamente a mi blog de ingeniería enfocado en el área petrolera. En continuación con los diferentes post relacionados con el procesamiento del hidrocarburo en un mejorador:

1. Visión General sobre el mejoramiento de crudos

2. Unidad de coquificación retardada de un mejorador de crudo

3. Proceso de tratamiento de gas en Planta de gas de un mejorador

En esta ocasión estaremos adentrándonos en otro de los procesos que forman parte del mejorador y su funcionamiento, me refiero a la unidad de gas combustible de la planta de gas.

_{Unidad de Gas Combustible [Imagen editada por @ennyta]}

Recordemos que...

El mejorador de crudo se trata de un complejo industrial el cual cumple con la finalidad de "mejorar" la calidad del crudo con el fin de aumentar la gravedad API de los hidrocarburos a través de diferentes procesos.

Como parte del proceso de los equipos en funcionamiento que cumplen su vida útil, se pueden presentar algunos problemas operacionales. En el caso de los mejoradores, los cuales están compuestos por diferentes áreas operativas y, a su vez, unidades específicas de trabajo, no se escapa de estos problemas operacionales que según la magnitud de su gravedad puede ocasionar la paralización de las operaciones del equipo o unidad, lo que se conoce como "ventana operacional" para su posterior reparación. En caso de una paralización general de todo el mejorador se conoce como "parada mayor" y esto se lleva a cabo una vez al año para realizar todos los procesos de mantenimiento pertinentes a los equipos.

Específicamente en este post estaremos conversando sobre la unidad de gas combustible que forma parte del área de coquificación retardada del mejorador Petropiar, ubicado en Venezuela y los problemas operacionales que puede presentar.

RESUMEN

Dentro de las instalaciones del mejorador se encuentra el área de coque, la cual está conformada por las unidades de coquificación retardada, planta de gas y la unidad de gas combustible cuya función principal es mezclar gas natural con gas de refinería para formar gas combustible el cual alimenta como fuente de energía a todo el mejorador. Sin embargo, esta unidad se está viendo afectada por la alta presencia de humedad en el gas (amina, hidrocarburos) lo que ha ocasionado problemas de taponamiento en los quemadores de las diferentes unidades de proceso del mejorador, a partir de esto se origina la necesidad de evaluar las mejoras mecánicas/hidráulicas requeridas en el tambor de Gas Combustible con el fin de prevenir los problemas generados por el arrastre de líquidos en el gas y mantener la operación del mejorador de manera confiable, rentable y sin afectación al ambiente.

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¿Qué es la unidad de gas combustible?

Es la encargada de realizar la mezcla de gases que alimentan dicho sistema, controlar las presiones en los cabezales y separar los líquidos existentes en el gas con la finalidad de distribuir el gas en condiciones óptimas para ser utilizado en los hornos y calderas del mejorador. Esta unidad cuenta con dos tambores, el Tambor de Gas Natural que recibe gas natural de alta presión y el Tambor de Mezcla que recibe el gas combustible y LPG proveniente de las unidades de hidroprocesamiento.

_{Unidad de gas combustible conformado por el tambor de mezcla y tambor de gas natural [Foto propiedad de @ennyta y editada por el autor]}

Características principales del gas combustible

Entre las principales características del gas combustible a tener encuenta para conocer sus especificaciones y comportamiento durante las operaciones es la densidad y el poder calorífico, además de la composición y conocer la concentración de H₂S por cuestiones de seguridad. A partir del parámetro del poder calorífico se puede estimar el flujo de gas necesario para la operación en lo sequipos pertinentes, los hornos por ejemplo y a partir de la densidad se puede determinar la pérdida de carga en las tuberías y la velocidad de circulación por las mismas.

• Poder calorífico:
  El poder calorífico del gas se refiere a la cantidad de calor o energía desprendido durante el proceso de combustión de ese gas por unidad de volumen.

• Densidad:
  La densidad del gas es la masa que ocupa un determinado un gas es una unidad de volumen.

Estas características son determinadas en el laboratorio del mejorador a través de un cromatógrafo de gases y los resultados son reportados de la siguiente manera:

_{Reporte diario del gas combustible del tambor de mezcla [Imagen propiedad de @ennyta]}

Algunos términos que debemos saber:

• Gas combustible: Es un gas compuesto por la unión de gas de refinería y gas natural, este último se emplea para aumentar el poder calorífico del gas combustible. Este gas se usa como combustible para producir energía durante el proceso de combustión. Es usado por diferentes equipos en el mejorador como los hornos y calderas.

• Gas de refinería: Es el gas obtenido como producto del proceso de fraccionamiento o destilación en la columna. Este gas es producido en el mismo mejorador en la planta de gas del área de coquificación retardada e hidroprocesamiento. El gas de refinería se trata con amina con el fin de reducir el contenido de azufre (H₂S) en una concentración inferior a 160 ppmv. El gas tratado se envía a la unidad de gas combustible, en donde se mezcla con gas natural de alta presión y desde donde se suministra a los usuarios dentro del mejorador como gas combustible.

• Gas natural: Es un gas compuesto por las trazas más livianas de hidrocarburo. Se obtiene directamente del proceso de explotación de los yacimientos de gas. El gas natural del mejorador es adquirido directamente por el distribuidor de gas natural (PDVSA Gas) para ser mezclado con el gas de refinería y así obtener un gas combustible con mejores características. El gas natural se recibe a través de una tubería de alta presión y se envía hacia la unidad de gas combustible. En esta unidad se reduce la presión del gas natural, siendo este gas a baja presión el que se denominará con el nombre de Gas Natural LP. Una parte del Gas Natural LP se distribuirá a lo largo de todo el mejorador para utilizarse como gas del piloto, gas de manto y gas de proceso en la unidad de recuperación de azufre. El resto del Gas Natural LP se mezclará con el Gas de Refinería para después usarse como Gas Combustible.

_{Representación de los equipos que forman parte de la unidad de gas combustible [Imagen creada por el autor: @ennyta]}

Objetivos de la unidad de gas combustible

El sistema de gas combustible se compone del conjunto de gas de refinería, la distribución de gas combustible y la distribución de gas natural.

Entre los objetivos a cumplir está:

• Mezclar el gas tratado proveniente de la unidad de hidroproceso y planta de gas (del área de coque) con gas natural de alta presión importado.

• Remover hidrocarburo líquido en el gas (condensado).

• Mantener la presión en los cabezales del mejorador.

• Suministrar gas combustible al resto de los procesos del mejorador que lo requieran.

_{Representación de los equipos que forman parte de la unidad de gas combustible [Imagen creada por el autor: @ennyta]}

Variables del proceso

• Presión
  La presión del gas se define como la fuerza que ejerce las moleculas gaseosas que lo componen sobre la superficie del tambor y las tuberías. Cuanto mayor sea el choque de esas moléculas mayor será la presión ejercida y esto es directamente proporcional a la temperatura del sistema, es decir, mientras mayor sea la temperatura mayor es el choque molecular y por lo tanto mayor es la presión del gas.

La presión del cabezal del gas combustible es una variable de operación controlada. El equipo de combustión para los hornos se especifica basándose en que el gas combustible estará disponible en el rango de 60 a 70 psig de presión. El gas de refinería se controlará a una presión de 70 psig en el Tambor de Mezcla de Gas Combustible.

• Flujo

El caudal del flujo del gas natural, del gas natural LP y del gas combustible son variables importantes del proceso en la unidad de gas combustible, según el flujo de gas necesario en la operación depende del poder calorífico del gas y sus especificaciones de composición. Estos caudales de flujo se miden en la unidad, sin embargo la unidad no controla los caudales de flujo ya que estas se fijan por el consumo de gas combustible y de gas natural en las diferentes partes del complejo mejorador en donde estos se requieran.

• Temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética, en el caso del gas es la capacidad que tienen las moléculas gaseosas de moverse y chocar unas de otras. Mientras mayor sea la temperatura del gas, las moléculas se moverán con mayor velocidad. La unidad de gas combustible no tiene control sobre la temperatura, ya que esta se fija por la temperatura del gas proveniente del condominio.

Problema operacional presentado en el tambor de mezcla

A lo largo de la operación del mejorador se ha observado que el tambor de gas natural no ha presentado nivel de líquido recolectado, a pesar de que por diseño cuenta con un eliminador de niebla el cual es un separador de partículas líquida del gas, este eliminador de niebla o demister se encuentra ubicado en la parte superior del tambor, lo que quiere decir que los líquidos no deberían pasar hacia el tambor de mezcla, sino precipitar en el tambor de gas natural; esto con el fin de evitar problemas en la composición y especificación del gas combustible como producto final. Sin embargo, estudiando las tendencias operacionales del tambor de mezcla se ha observado una continua acumulación de líquido, tal como se observa en el gráfico representado por los niveles del tambor a los largo del período de estudio, esto representa un importante problema puesto que el gas combustible obtenido presenta un alto contenido de humedad, lo que ha ocasionado problemas de ensuciamiento en los quemadores de los hornos de las diferentes unidades del mejorador. Esto es generado por el arrastre de líquidos lo que genera que el mejorador requiera frecuentes acciones de mantenimiento en quemadores, pérdidas económicas por pérdida de amina e incumplimiento de las leyes ambientales vigentes.

_{Representación gráfica del porcentaje de nivel alcanzado en el tambor de mezcla durante el período de estudio. Imagen tomada desde software de seguimiento operacional Aspen Process Explorer [Imagen tomada por el autor: @ennyta]}

Según los análisis realizados a los líquidos recolectados en este sistema, demostraron que están compuestos principalmente por amina proveniente de la torre de endulzamiento de la planta de gas, columna que se encuentra aguas arriba del tambor e hidrocarburos condensados.

El tambor de mezcla no cuenta con un demister o eliminador de niebla, como es el caso del tambor de gas natural, para evitar que estas partículas líquidas formen parte del gas combustible. Es por esta razón que se presentan estos problemas operacionales y la contaminación del gas por arrastre de amina que a su vez provoca otros malestares en el proceso como ensuciamiento y deterioro prematuro de los quemadores de los hornos de las diferentes unidades del mejorador. Afecta directamente la operación del mejorador al requerirse frecuentes acciones de mantenimiento en quemadores, pérdidas económicas por perdida de amina e incumplimiento de las leyes ambientales vigentes, al descargar al mar efluentes fuera de especificaciones.

¿Cómo mejorar este problema?

Con la finalidad de optimizar la separación de líquidos en el tambor de mezcla del sistema de gas combustible y evitar la contaminación de los procesos por arrastre de amina, se proponen una serie de mejoras mecánicas/hidráulicas enmarcadas en el fiel cumplimiento de mantener la operación del mejorador de manera confiable, rentable y sin afectación al ambiente.

Dentro de las mejoras se incluye:

• La instalación de un dispositivo eliminador de niebla (Demister) con lo cual se reducirá el arrastre de líquidos hacia el sistema de gas combustible, cumpliendo el objetivo de retener todas las partículas líquidas en la malla del eliminador de niebla y mantener como producto un gas seco y dentro de las especificaciones.

_{Representación de los equipos que forman parte de la unidad de gas combustible con eliminador de niebla instalado en albos equipos. [Foto de eliminador de niebla propiedad de @ennyta]}

• La instalación de una línea de drenaje ubicada en el fondo del tambor de mezcla hasta el tambor de recuperación de amina, con el fin de que si el demister falla y aún se sigue acumulando líquido en el fondo del tambor, éste pueda ser drenado por una tubería especial para esto.

• La instalación de un preventor de torbellinos (rompe vórtice), en el lado interno de la boquilla de drenaje del tambor para evitar problemas de succión al momento de drenar los líquidos. Los torbellinos o vórtices son aquellos flujos que fluyen de gorma circular o rotatorio de manera turbulenta y con mucha velocidad, para evitar este fenómeno se instalan dispositivos conocidos como rompe vórtices y evitar problemas operacionales.

_{Representación de la instalación de rompe vórtices en el tambor de mezcla [Imagen editada por el autor: @ennyta]}

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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

• Manual de operación del área de Coquificación Retardada. Petrolera Ameriven. 1998

• Descripción del proceso de la Unidad de Gas Combustible (Unidad 45). Petrolera Ameriven. 1998

• Características principales de los gases combustibles. [Documento en línea] Disponible en: http://www.dcgasextremadura.es/el-gas-natural/caracteristicas-principales-de-los-gases-combustibles/

• Efecto de la composición del gas de refinería sobre las características del proceso de combustión. [Documento en línea]. Disponible en: https://revistas.udem.edu.co/index.php/ingenierias/article/view/700/867

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