UNIVERSIDADE POTIGUAR
CST – PETRÓLEO E GÁS
TURMA – 5MA
DISCIPLINA – PROCESSAMENTO DO GÁS NATURAL
PROFESSOR (a) – VIMARIA DA CRUZ VICTOR
PROCESSO TURBO-EXPANSÃO
ALUNO
Francisco Almir de Assis Cândido
MOSSORÓ, 28 DE OUTUBRO DE 2010
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Turbo-Expansão
Tipologia: Notas de estudo
2011
1 / 18
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UNIVERSIDADE POTIGUAR
CST – PETRÓLEO E GÁS
TURMA – 5MA
DISCIPLINA – PROCESSAMENTO DO GÁS NATURAL
PROFESSOR (a) – VIMARIA DA CRUZ VICTOR
PROCESSO TURBO-EXPANSÃO
ALUNO
Francisco Almir de Assis Cândido
MOSSORÓ, 28 DE OUTUBRO DE 2010
Aluno
Francisco Almir de Assis Cândido
Processo Turbo-expansão
Trabalho desenvolvido durante a disciplina de processamento do gás natural, como parte da primeira avaliação da segunda unidade.
Professor (a): Vimaria da Cruz Victor
Mossoró/
Processo Turbo-Expansão
O processo turbo-expansão é o mais eficiente processo termodinâmico atualmente utilizado em unidades de processamento de gás natural. Possui excelente rendimento na recuperação do propano, sendo capaz de praticamente zerar o teor desse componente no gás processado. Também é o único processo capaz de separar etano petroquímico, tendo um alto rendimento na recuperação desse componente, de forma que o gás processado gerado é constituído basicamente por metano.
Possui alto custo, necessitando, dessa forma, de uma vazão elevada que garanta o retorno do investimento. Esse tipo de unidade necessita ter capacidade nominal igual ou acima de 2.500,000 m³/d para que se tenha retorno adequado.
Fundamento Termodinâmico
A liquefação dos componentes mais pesados do gás natural neste processo é garantida pela expansão do gás natural em uma turbina, a qual libera energia que é utilizada para acionar um compressor auxiliar (booster) do sistema principal de compressão de gás processado ou gás carga da unidade. Um conjunto turbo-expansor é responsável por essa etapa de expansão isentrópica (expansão mantendo entropia constante, com geração de trabalho).
Devido à redução de temperatura proporcionada pela expansão isentrópica com a realização de trabalho, o processo consegue atingir temperaturas abaixo de -95°c. No caso de processamento de gás com alto teor de pesados, a unidade recebe um ciclo de refrigeração a propano para propiciar a liquefação das frações mais pesadas, sem comprometer o desempenho da etapa de expansão do gás natural no turbo-expansor.
Principais Características
Expansão isentrópica (Δs = 0), com realização de trabalho; Proporciona a temperatura mais baixa de todos os processos; Maior eficiência (riqueza residual do gás processado tende a zero); Único com possibilidade de gerar etano para petroquímica; Total recuperação de propano; Alta recuperação de etano; Necessita de alto investimento.
Descrição básica do processo
O gás natural previamente separado da fase liquida (condensado de gás natural) e da água livre presente na corrente de hidrocarbonetos é comprimido para fazer a carga da unidade. Essa compressão inicial assegura a pressão necessária para a etapa de expansão posterior. Após a compressão, o gás é tratado para retirada de compostos sulfurados, normalmente em reatores com leitos de compostos à base de óxidos de ferro
ou zinco. O isento de componentes que geram corrosão passa, então, para a etapa de desidratação, por meio da utilização de um sistema de peneiras moleculares.
O gás desidratado é refrigerado, primeiro pelas correntes de saída e, depois, pelo sistema de refrigeração a propano, quando ocorre a condensação das frações mais pesadas do gás. Após essa etapa de refrigeração, o gás sofre expansão isentrópica, com geração de trabalho, por meio de uma turbina de expansão, quando, então, a temperatura abaixa o suficiente para que ocorra a liquefação de todos os mais pesados que o componente metano, gerando uma corrente bifásica.
Após a etapa de expansão, a mistura bifásica entra na torre desmetanizadora, que dá o corte final entre o gás processado (basicamente metano puro que sai pelo topo da torre pronto para venda após troca térmica) e o produto de fundo, composto pela fração C 2 ++,^ que segue para fracionamento.
O produto de fundo da torre desmetanizadora, basicamente LGN etanizado de alta pressão de vapor, é então, fracionado nos produtos de interesse nas torres fracionadas subseqüentes. Os produtos gerados a partir do LGN etanizado dependem sobretudo da demanda dos consumidores locais, sendo, inclusive, possível a geração de uma corrente de etano pura, se houver demanda comercial para esse produto.
O trabalho gerado durante a etapa de expansão do gás é utilizado, normalmente, por um compressor conjugado ao turbo-expansor, o qual tem a função de aumentar a pressão do gás processado antes da compressão final para transporte, aproveitando a energia gerada pela expansão do gás que está sendo resfriado. Essa energia também pode ser aproveitada em um compressor booster do sistema de compressão do gás carga da unidade, de acordo com a experiência do projetista.
As etapas do processo podem sofrer alguma alteração, em função de especialidades de cada projeto, porém, de uma forma geral, atendem as seguintes premissas:
Compressão inicial – aumento do nível de pressão para processamento; Dessulfurização – remoção de compostos de enxofre do gás natural; Desidratação – remoção de umidade do gás natural; Regeneração – remoção de umidade das peneiras moleculares; Pré-resfriamento – recuperação de energia por troca térmica em permutadores; Ciclo de refrigeração a propano – utilizado para resfriamento do gás natural; Expansão do gás natural – liquefação das frações pesadas do gás natural; Desmetanização – separação das fases liquida e gasosa, com liberação do metano; Compressão do gás residual – aumento do nível de pressão para escoamento; Fracionamento do LGN – separação do liquido de gás natural em correntes puras de produtos especificados.
gerar as temperaturas baixas previstas no projeto e, com isso, seja garantida a geração dos produtos na quantidade e qualidade esperadas.
Principal malha de controle
Devido à necessidade de garantia de pressão mínima, esta é a variável mais importante dessa etapa. O controle de pressão ocorre pela atuação na descarga do compressor, permitindo uma estabilização do fluxo de carga e garantindo o grau de expansão adequado para o processo. As outras malhas dessa etapa são as referentes ao controle operacional do compressor de carga, visto que os valores das variáveis dependem das pressões existentes e do grau de expansão necessário para a garantia da qualidade dos produtos gerados. Os valores usuais de pressão de descarga do gás natural proveniente da estação de compressão são da ordem de 6,9 MPa a 7,9 MPa (70, kgf/cm^2 a 80,0 kgf/cm^2 ).
Etapa de dessulfurização
O gás natural com alta pressão e saturado em água alimenta os vasos de remoção de H 2 S, constituídos por um leito fixo de óxidos sintéticos metálicos (ferro ou zinco). O teor de H 2 S na saída desse processo é de, no máximo, 0,10cm³/m³. Essa etapa é necessária devido à ocorrência de concentração de H 2 S na corrente liquida formada pela fração C 2 +^ produzida pela unidade. De outra forma, a movimentação dessa corrente com altos teores de H 2 S poderia gerar graves problemas. O gás necessariamente deve estar saturado em água, para que as reações de neutralização ocorram com a eficiência desejada.
Principais malhas de controle
As principais malhas de controle operacional do sistema de dessulfurização e os valores usualmente praticados em sua operação são os seguintes:
Vazão de alimentação de cada vaso de sulfatreat – esta variável não é controlada diretamente por ação de válvulas de controle; Pressão diferencial dos leitos sulfatreat – monitora a perda de carga em cada leito da unidade; Nível de fundo do vaso separador de líquido – controla o nível do vaso responsável por drenar o excesso de água (água livre) injetado no gás para a garantia da saturação em água; Teor de H 2 S no gás de entrada na unidade de tratamento – monitora o teor de H 2 S no gás que será tratado; Teor de H 2 S no gás tratado – monitora o teor de H 2 S no gás tratado.
Etapa de desidratação
O gás proveniente da unidade de tratamento de gás natural chega ao vaso separador de líquido para separação de condensado e água livre arrastada. O gás livre de líquido é enviado para os vasos secadores de gás natural. Cada secador contém um leito fixo de peneira molecular para adsorção do vapor d’água em equilíbrio com o gás natural (umidade do gás natural). A altura do leito é calculada para conferir a autonomia de, no mínimo 15 horas de operação. Após um ciclo de operação de aproximadamente 15 horas, o leito da peneira fica saturado em água, sendo necessário, então iniciar a etapa de regeneração da peneira, a qual dura aproximadamente 6 horas.
Após a regeneração, ainda é necessária a de resfriamento do leito, antes que este entre em operação normal. O resfriamento se completa em quatro horas, no máximo, podendo ser concluído assim que a temperatura do gás atingir 50°c. Enquanto um leito esta sendo regenerado, outro está em operação normal, desidratando o gás natural carga da unidade (pode também ser utilizado para controle do tempo de regeneração, um limite de tempo para que o decréscimo de temperatura do leito seja inferior a 1°c).
As peneiras moleculares constituem-se de um complexo de compostos, formados por alumínio, silício, oxigênio e sódio. Esses componentes são combinados a fim de formar uma mistura de cerâmica estável. Durante o processo de fabricação são formadas cavidades rígidas na estrutura, em que a molécula de água fica armazenada após o processo de adsorção que ocorre durante a passagem do gás úmido pelo leito da peneira. As moléculas de uma peneira molecular se unem naturalmente, formando uma estrutura semelhante a um cristal, o qual contém uma rede de cavidades formadas pelas “paredes” das moléculas da peneira. Podem ser fabricados vários tipos de cristais diferentes, com grande variação de tamanho e configuração dos poros (cavidades), conforme for o objetivo do processo (qual o tipo de molécula deverá ser retida pela peneira).
Os cristais das peneiras utilizados nos sistemas de desidratação de gás natural são normalmente ligados com um tipo de argila, para formar pequenas esferas de tamanho controlado (pellets ou pelotas). O processo de fabricação da peneira é a tecnologia que o fabricante guarda com cuidado, pois está aí o valor agregado do processo. Exemplo de maquete do leito fixo das peneiras moleculares: --->
Etapa de pré-resfriamento
Esta etapa permite economia do projeto, traduzida em menores equipamentos de refrigeração e menor custo com eletricidade. As frações frias trocam calor com a carga de gás natural mais quente em permutadores de alumínio tipo trocadores de placas (ou originalmente chamados plate fin heat exchanger ). Antes de sair da unidade para destinação final.
Os permutadores tipo plate fin heat exchanger são constituídos por placas de alumínio fundido, formadas por blocos de camadas alternadas entre passagens estreitas e alertas corrugadas. As camadas são separadas umas das outras por chapas seladas ao longo das extremidades por meio de barras laterais. Esse tipo de permutador possui uma grande área de transferência térmica por volume, devido ás placas ser dispostas muito próximas entre si e o alumínio permitir uma alta taxa de transferência de calor entre as correntes.
O gás natural seco é submetido a cinco estágios de pré-resfriamento, por meio do aproveitamento da corrente fria de gás residual proveniente da torre desmetanizadora e de um ciclo de refrigeração a propano. A seqüência de passagem pelos permutadores é a seguinte: Primeiro permutador gás-gás, primeiro resfriador de gás a propano, segundo permutador gás-gás. Nota-se que os permutadores de aproveitamento de energia estão misturados com os permutadores a propano, de forma a aperfeiçoar o resfriamento do gás natural, com o menor gasto de energia.
Principal malha de controle
Para monitoração do estado dos filtros na entrada dos permutadores, são instalados medidores de pressão diferencial a montante e a jusante do filtro.
Etapa de refrigeração a propano
As unidades de turbo-expansão podem utilizar resfriamento apenas a partir da expansão do gás turbo-expansor ou ainda utilizar uma etapa de resfriamento da carga, por meio de um ciclo de refrigeração a propano em regime fechado. O calor latente da vaporização do propano é a fonte de refrigeração do gás natural.
Dentro dos resfriadores ocorre a etapa de vaporização do ciclo. O vapor de propano oriundo do resfriador de gás natural do segundo estágio é encaminhado para o vaso economizador de propano e daí para a sucção do segundo estágio do compressor. O vapor oriundo do resfriador do primeiro estágio é encaminhado para o vaso separador de gás do turbo-expansor (vaso de topo de torre desmetanizadora).
Principais malhas de controle
Controle de nível do vaso do segundo estágio do compressor; Controle de nível do resfriador a propano do primeiro estágio – esta variável controla a taxa de condensação de pesados do gás. Quanto mais alto for o nível de propano, mais frações pesadas são condensadas; Controle de nível do resfriador a propano do segundo estágio – esta variável também controla a taxa de condensação de pesados do gás. A contrapartida é o que o nível alto do resfriador tende a aumentar a pressão da descarga do compressor de propano; Controle de pressão do primeiro estágio do compressor – esta variável controla a temperatura do primeiro estágio do compressor; Controle de pressão do vaso do primeiro estágio do compressor – esta variável controla a pressão de sucção do compressor; Controle de pressão do vaso do segundo estágio do compressor – está variável controla a pressão interestágio do compressor; Controle de pressão do vaso acumulador – esta variável controla a pressão de descarga do compressor.
Etapa de expansão isentrópica
É o sistema mais importante e mais complexo da unidade, sendo responsável pelas baixas temperaturas necessárias à liquefação da fração C 2 +^ do gás natural. A correta operação do turbo-expansor, principal equipamento da unidade, define, em ultima instância, se a unidade obterá os produtos desejados, na quantidade e qualidade esperadas.
(Conjunto rotativo do turbo-expansor da URL Cabiúnas) (Turbo-expansor da URL de Cabiúnas)
A partir do vaso de sucção do turbo-expansor, o gás natural é dividido em duas correntes, a primeira enviada para resfriamento no condensador de topo da torre
Principais malhas de controle para produção de etano
Controle de nível do vaso de topo ; Controle de pressão da torre desmetanizadora ; Controle de vazão de refluxo da torre; Controle de temperatura do fundo da torre; Controle de vazão do refervedor da torre; Controle da razão entre as vazões de alimentação intermediárias da torre.
Segunda alternativa – operação com rejeição de etano para o gás
Nesta alternativa, a corrente de gás de saída do vaso de alimentação do turbo- expansor é dividida em três correntes: a primeira segue para o condensador, onde é resfriada e parcialmente condensada para entrar na torre como refluxo interno desta, nesse caso, opera como uma desetanizadora. A terceira corrente vai para o turbo- expansor, onde o gás é expandido, resfriado e parcialmente condensado na torre, compondo o refluxo interno desta.
Principais malhas de controle para rejeição de etano
Controle de temperatura do topo da torre (para rejeição de etano); Controle de temperatura do fundo da torre (para rejeição de etano); Controle de pressão para torre desmetanizadora.
Etapa de compressão de gás seco
O gás de saída da torre desmetanizadora troca calor nos permutadores plate fin da unidade e flui para o vaso separador de gás seco, no qual ocorre a remoção eventual de líquido. O gás seco segue para o compressor auxiliar (compressor acoplado ao turbo- expansor) e, então, para o compressor principal de gás residual, sendo resfriado no permutador de gás seco antes de ser, finalmente, encaminhado para o gasoduto de transferência.
(Compressor de gás residual da URL de Cabiúnas)
Principais malhas de controle
Controle de pressão de descarga do compressor – esta variável controla a pressão de entrada do gás na malha de transporte para entrega ao consumidor final;
Controle anti - surge do compressor – feito por uma válvula de controle de fluxo, o controle garante a vazão mínima necessária que impede a ocorrência do fenômeno chamado surge no compressor.
Etapa de fracionamento do LGN
O LGN etanizado segue para a área de fracionamento para ser separado nas frações de hidrocarbonetos de interesse comercial, por meio da passagem do LGN por uma seqüência em série de torres destiladores. A seqüência de fracionamento de fracionamento do LGN é:
Torre desetanizadora – separa a corrente de etano do LGN; Torre despropanizadora – separa a corrente de propano do LGN; Torre desbutanizadora – separa a corrente de butano do LGN; Torre deisopentanizadora – separa a corrente de isopentano pelo topo e a corrente C 5 +^ pelo fundo.
Existe apenas uma bomba, chamada bomba de carga da área de fracionamento, que alimenta a primeira torre da série, a desetanizadora. Para a alimentação das demais torres da seqüência, as pressões de operação são definidas de forma a permitir o escoamento seqüencial do LGN apenas por diferença de pressão, sem necessidade de bombas intermediárias.
Principais malhas de controle
Controle de pressão das torres; Controle de temperatura de topo das torres; Controle de temperatura de fundo das torres; Controle de nível dos vasos de topo; Vazão de refluxo.
Processo turbo-expansão para produção de etano – Exemplos de aplicação
Projeto Cabiúnas
Os objetivos principais do projeto Cabiúnas são ampliar a capacidade de transporte de gás natural produzido na Bacia de Campos e garantir o fornecimento de insumos ao pólo Gás-Químico do Rio de Janeiro. O aumento da produção de gás natural da Bacia de Campos exigiu um proporcional aumento da capacidade de escoamento deste para possibilitar o seu aproveitamento nos grandes centros consumidores. O projeto Cabiúnas, por meio de um complexo industrial de processamento de gás natural, veio proporcionar as condições técnicas ideais para a movimentação de gás a partir dos campos produtores até a entrega de produtos acabados aos consumidores finais de gás e ao pólo Gás Químico.
Concepção básica do projeto
Parada dos compressores de propano
A parada do compressor de propano normalmente está relacionada à qualidade do propano do ciclo. Altos teores de etano presentes no propano refrigerante acarretam pressões altas na descarga da máquina, o que pode determinar a queda do compressor.
Falha do forno da desmetanizadora
Os principais problemas envolvendo a área quente dessa unidade estão relacionados de alguma forma à falha do forno, sendo a mais comum causada por falha da instrumentação de controle e segurança do equipamento. Problemas, como má qualidade do combustível, queda de refratário, furo da serpentina e travamento do abafador, também podem gerar paradas do equipamento.
Isolamento térmico frio danificado
Quando ocorre algum fato que impacta o nível de isolamento térmico dos sistemas a frio da unidade, a perda de eficiência é imediata, implicando, muitas vezes, a necessidade de paradas não programadas para recuperação do isolamento.
Conclusão
Concluiu-se que o processo de turbo-expansão é de grande importância e apresenta-se bastante eficiente no procedimento de tratamento do gás natural utilizado nos dia atuais pelas unidades de tratamento do gás. Para o bom desempenho deste procedimento é necessário ainda que a equipe possua o bom entendimento do processo termodinâmico apresentado durante a operação, e que conheça bem a cada uma das etapas que envolvem o procedimento.