aprovechamiento de gases de combustion en plantas de

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
COMERCIALIZACION Y NUEVOS NEGOCIOS EN GAS
“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 m3/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.
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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 106 nM2/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 CO2/O2. 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 (340-360 m3N/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, 1998.
“Recuperación de nitrógeno y dióxido de carbono de gases de combustión utilizando tecnología de
membranas”. Lara B., Rojas D. y Martín R. – Marzo, 1999.
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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).
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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 CO2). 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 CO2, 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 CO2 (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
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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 CO2, descartando el residual.
El diagrama de flujo y balance de materiales corresponde a la configuración básica
del proceso. No incluye las opciones adicionales.
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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 m2
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 m3/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.
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3.3
MODULO DE MEMBRANAS
Composición de los gases (fracción molar).
Entrada
Permeado
Residuo
Nitrógeno
0.862
0.181
0.956
Dióxido de Carbono
0.100
0.819
0.001
Oxígeno
0.038
Trazas
0.043
Agua
0.033
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.
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4.0
DIAGRAMA DE FLUJO Y BALANCE DE MATERIA
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$504.000,oo para una planta de 1.5 MM de Nm3/año. Para la planta
tema de este informe que tiene el doble de la capacidad, la inversión correspondiente
es de US$ 764.000,oo.
El costo de operación puede estar conformado por los renglones siguientes:
Depreciación (5 años)
US$153.000,oo
Energía (400 kw @ Bs45/kw-hr)
US$250.000,oo
Mano de obra (1 operador/turno)
US$57.600,oo*
Supervisión (1/2 supervisor)
US$16.000,oo**
Mantenimiento (10% inversión)
US$76.400,oo
Miscellaneos (10% costo de operación)
US$40.000,oo
TOTAL
Us$593.000,oo
Esto corresponde a US$0.20/Nm3 de nitrógeno al 95.6%.
*
Bs.600.000 mensuales de sueldo básico, 20 meses anuales de paquete total.
Bs.1.000.000 mensuales de sueldo básico, 20 meses anuales de paquete total.
**
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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.
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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
B-1
Material:
Acero al carbono
Internos:
Pantallas y discos
A/R Bomba de recirculación de agua de lavado
Tipo:
Centrífuga.
Flujo:
50 gpm
Presión de descarga: 6.0 Barg (87 psig)
K-1
A/R Soplador “Booster”.
Tipo:
Paletas
Flujo.
400 pies cúbicos/minuto
Presión de descarga: 0.1 Barg (1.5 psig).
Paquete de compresores principales.
Tipo:
Centrífugos
Etapas:
Cuatro K-2/3/4/5
Relación de compresión:
2.27 por etapa.
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Aero-Enfriadores:
Cuatro AE-1/2/3/4
Separadores:
Cinco S-1/2/3/4/5
Flujo:
Entrada
400 pies cúbicos / minuto
Salida
18 pies cúbicos / minuto
Entrada
0.1 Barg
Salida
24.2 Barg
Entrada
54.4°C (130°F) - 51.7°C (125°F)
Presión:
Temperatura:
MP-1 Módulo de Permeación
Tipo:
Fibras Huecas
Material:
Co-polímeros silicona-nitrito
Selectividad: CO2/N2
O2/N2
2.3
Area de membranas:
V-1
20.3
370 m2 (3980 pies2)
Acumulador de Nitrógeno
Material:
Acero Carbono
Presión de Diseño: 27 barg (390 psig)
Temperatura:
Medidas:
51.7°C (125°F)
Diámetro 9.3 pies
Largo (T-T) 40.0 pies
Capacidad: Cuatro horas de producción.
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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 28.25 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
16.0
5.60
10.40
Nitrógeno
15.30
5.00
10.30*
Oxígeno
0.70
0.60
0.10
(Todas las cifras en kgmol/hr)
El permeado se descarta.
*
99% en base seca
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APENDICE C
CONCENTRACION DE DIOXIDO DE CARBONO
También se puede producir una corriente de CO2 de 99% tomando la corriente 9 que
contiene 80% de CO2.
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
2.30
1.747
0.552
Nitrógeno
0.40
0.0166
0.383
Dióxido
1.81
1.641*
0.169
Agua
0.09
0.09
(Todas las cifras en kg mol/hr)
El residuo se recircula a la alimentación original.
*
99% en base seca
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