Gazele Naturale Si Gazele Petroliere de Sondă

Aspecte generale

Gazele naturale și gazele petroliere de sondă

Gazul metanul reprezintă un procent aproximativ de 70-90 % din totalul gazelor naturale care se găsesc în zonele potențial exploatabile, motiv pentru care denumirea generala de ,, gaze naturale ,, definește gazul metan. Celelate hidrocarburi care sa găsesc alături de metan, și care sunt numite și gaze asociate sunt în majoritatea formate din etan, propan și butan. O altă categorie este ce face parte din categoria gazelor naturale este categoria gazelor inerte precum: argonul, heliu, hidrogenul sulfurat , azotul, bioxidul de carbon, etc.

Gazele naturale se găsesc sub forma unor zacaminte asemanătoare celor de petrol, cantități mici fiind asociate cu petrol și cărbuni. Zăcămintele, după originea geologică pot avea următoarea provenienta : materia organică din rocile sedimentare de mică adâncime, de-a lungul secolelor au suferit procese de degradare biochimică, proces realizat îm general în era geologică recentă. Cel de-al doilea mod de formare al gazelor naturale este reprezentat de degradarea chimică a rezidurilor organice din rocile profunde și vechi, proces ce constituie originea celei mai mari parți a gazului metan.

Compoziția gazelor naturale depinde in general de trei factori: condițiile de temperatură și de presiune a zăcământului, structura geologica a zonei de ectracție și gradul de saturație la temperatura de iesire din zăcământ.

Dacă dorim sa facem o clasificare generalista a zăcămintelor de gaze naturale, trebuie să avem în vedere conținutul zăcămintelor de gaze naturale și astfel avem: gaze neasociate sau uscate cu un conținut de apoximativ 99,9 % metan și gaze asociate care pe lânga metan au în compoziție un conținut de hidrocarburi care pot varia în limite foarte largi intre 1-60 % . Hidrocarburile superioare C2-C4 sunt separate chiar la ieșirea din zacământ deoarece la presiunea de transport s-ar lichefia și ar produce perturbații în timpul transportului prin conducte. În ceea ce privește alți componenți, prezintă importanța compușilor cu sulf care sunt cei mai nedoriți, deoarece în procesul de prelucrare înhibează catalizatorii și produc substanțe toxice și corozive ceea ce impune înlaturarea lor înainte de utilizarea gazelor în procesele tehnologice . Compușii inerți sunt nepoluanți dar conduc la diminuarea potențilului caloric sau tehnologic. Din aceasta categorie heliu reprezintă un interes economic deosebit deoarece are o gamă din ce în ce mai largă de utilizare și pană în prezent constituie sigura sură de preparare industrială.

În funcție de natura și numărul componentelor asociat cu metanul din zăcămintele naturale, ,,gazul brut,, este supus unor procese variate de separare. De remarcat este faptul că, în concepția modernă a valorificării complexe a componentelor din gazul natural se consideră ca se pot valorifica tehnologic integrat toate aceste componente, iar eficiența economic a utilizării acestei prețioase materii prime depinde în special de randamentul cu care se transformă toate componentele în produse tehnologice sau de casnic utile.

Gazul natural în plan mondial

Utilizarea industrială a gazelor naturale a început din anul 1930 sub forma unei industrii firave. Odata cu intrarea în circuitul mondial, gazele naturale au devenit din ce în ce mai solicitate de către consumatori datorita avantajelor tehnologice și energetice pe care le prezintă. Urmare a creșterii continuă a consumului, în ultimele trei decenii se observă o preocupare permanentă pentru dezvoltarea cercetării geologice de noi surse și a cercetărilor tehnologice în scopul valorificării de noi resurse superioare a acestei forme de energie primară.

Rezerve mondiale de gaze naturale și petrol reprezentate pe principalele zone și țări sunt prezentate în tabelul urmator. O mare parte din rezervele de gaze naturale sa află în zonele îndepărtate,în țări cu o industrie mai puțin dezvoltată.

REZERVELE MONDIALE DE PETROL ȘI GAZE NATURALE

Resursele mondiale de gaze

Repartiția principalelor zăcăminte de gaze naturale de pe glob

Pentru a transporta gazul natural la mare distanță sunt necesare următoarele operațiuni: extracția, tratarea, care constă în eliminarea urmelor de apă, separarea hidrocarburilor superioare, eliminarea agenților corozivi dintre care compușii cu sulf sunt pe primul loc, pentru ca în final diminuarea efectului gazelor inerte. Pentru realizarea acestor faze de tratare sunt necesare doua tipuri de instalații: pentru desulfatare si pentru debenzenificare. După tratarea primară gazul se transportă la marii consumatori sub formă de gaz comprimat sau lichid prin conducte, sau cu cisterna, tancuri speciale care pot fi specializate pentru transportul terestru sau maritim. Deoarece locațiile dintre diverși consumatori și zone cu rezerve potențiale sunt separate de distante de multe ori mai mult decât considerabile. Trebuie remarcat faptul că varianta transportului gazului în stare lichidă este mai economica în condițiile contractelor, datorită faptului că potențialul mare producător, Orientul Mijlociu, nu este legat continental de marii consumatori precum SUA, țara cu cel mai mare consum de gaze naturale,are perspectiva cea mai apropiată a epuizării rezervelor certa in aproximativ 10 ani. Datorită acestui fapt a studiat cu precădere posibilitatea transportului de gaze naturale lichefiate la mare distanță. Dezvoltarea tehnologiilor de transport la mare distanță a deschis noi perspective consumului de gaze naturale și a tehnologiilor de prelucrare și consum.

Principalii curenți de transport marin ai gazelor naturale pe glob

Gazele petroliere

Principala sursă de componenți gazoși în rafinăriile de țiței sunt gazele petroliere, cunoscute și sub denumirea de gaze de sondă sau gaze de rafinărie – o constituie instalațiile de stabilizare a gazolinelor și benzinelor, precum și instalațiile de prelucrare termică și catalitică fracțiilor de țiței.

Conținutul inițial de hidrocarburi gazoase dizolvate în țiței și care sunt separabile în cursul operațiilor de separare primară variază mult cu natura și condițiile de extracție și transport ale țițeiurilor și se situează de obicei sub 0,3 % propan și 0,2 % – 1,4% butan. Gazele rezultate în instalațiile de degazolinare au după răcire și comprimare al 25 atm un conținut ridicat în componenți C2-C5, așa cum rezultă și din următoarea compoziție tip:

metan 0-1 % g. ;

etan 0,8-3,5 % g. ;

propan 27,32% g. ;

izobutan 11-15 % g. ;

n-butan 32-42 % g. ;

izopentan 1-2 % g. ;

alți componenți 2-4 % g.

Compoziția gazelor rezultate de la instalațiile de stabilire, este dependentă atât de modul de operare cât și de strategia tehnologică de prelucrarea a materiilor prime care determină filiera tehnologică de prelucrare. Gazele rezultate prin aplicarea procedurilor de prelucrarea termică și catalitică a țițeiului și a factorilor superiori constituie una din sursele importante de hidrocarburi C2-C5 .În funcție de compoziția diferitelor zăcăminte de hidrocarburi naturale precum și în raport cu diversitatea tehnologiilor de prelucrare primară se pot obține multiple compoziții de gaze pentru fiecare caz în parte.

Dată fiind importanța utilizării acestor materiale prime pentru industria petrochimică și a faptului că sursele naturale sunt limitate și epuizabile, in prezent se manifestă o tot mai mare producere pe plan mondial în scopul măririi producției de etan, propan și alte fracții ușoare prin producerea catalitice – folosind ca materii prime fracțiunile grele din țiței.

Curenții de transport ai acestor categorii de gaze se suprapun pe curenții de transport ai țițeiului, dinspre zonele producătoare și care posedă și facilitățile de prelucrarea respective, dar și din zonele importatoare de petrol brut pe care-l prelucrează și-l exportă ulterior sub formă de produse finite.

Gaze lichefiate transportate pe mare

Prin lichefierea gazelor se înțelege trecerea unui gaz în stare lichidă, lichefierea fâcându-se prin urmatoarele procedee:

Lichefierea prin răcire. Prin acest procedeu, gazul aflat inițial la parametrii atmosferici, este răcit la o presiune atmosferică constantă până la atingerea temperaturii de saturație corespunzătoare temperaturilor atmosferei.

Lichefierea prin comprimare. Prin acest procedeu gazul este comprimat în una sau mai multe etape, până la atingerea presiunii de saturați corespunzătoare temperaturii atmosferice. Pentru ca acest lucru sa fie posibil, este necesar ca parametri critici ai gazului să fie superiori parametrilor atmosferici .Un gaz răcit sub temperatura sa critică poate fi lichefiată și prin creșterea presiunii exercitate asupra sa.

Cele mai uzuale transporturi de gaze lichefiate transportate pe mare cuprind următoarele categorii:

Gazele petroliere lichefiate – LPG – ( liquefied petroleum gas ), din care fac parte butanul, propanul, isoprenul, butadiena, butilena, propilena, etc. .

Gaze chimice lichefiate -CLG- ( chemical liquefied gas ), din care fac parte amoniacul, clorura de vinil ( VCM ), oxidul de etilenă, oxidul de propilenă, clorul, etc.

Etilena ( etylene ) .

Gazul natural lichefiat -LNG- ( liquefied natural gas ), care este în principal un amestec format in principal pe bază de metan și in proporții mai mici gazele asociate (etan, propan și butan) precum și alte componente ca azotul, bioxidul de carbon, hidrogennul sulfurat, heliu, argonnul și alte gaze inerte.

Transportul pe mare al gazelor lichefiate a început prin anii 1920 , odată cu transportul primelor încărcături de propan și butan în tancuri presurizate, la temperatura mediului ambiant. Prin anii 1950 gazele lichefiate au început să fie parțial refrigerate, iar navele să fie dotate cu cargo-tancuri pentru temperaturi scăzute. Începând cu anii 1960 au apărut navele complet refrigerate care transportau LPG, LNG și etilena la presiunea atmosferică. În același timp, transportul amoniacului a devenit o operațiune obișnuită, iar transportul gazelor chimice ca butadiena, a devenit o operațiune obișnuită.

Marfa gazoasă este transportă în stare lichefiată, întrucât lichidul ocupa un volum de 850 mai mic decât volumul ocupat de gaz, ceea ce înseamnă că se poate transporta o cantitate mult mai mare de gaz. Dacă marfa este transportată presurizată, la temperatura medie, ambiantă, cargo-tancurile trebuie să reziste la presiuni mari iar materialele din care sunt confecționate trebuie să fie ductibile la temperaturi mari și să fie compatibile cu aceasta. De asemenea, cargo-tancurile trebuie să fie izolate.

Gazul, în stare lichidă, dintr-un rezervor este în echilibru de presiune cu vaporii săi. Orice modificare a temperaturii în rezervor produce o evaporare ( dacă există un aport de căldură) sau o condensare ( dacă există o răcire) până ce reapare un nou echilibru sub o presiune mai mare,respectiv mai mică. Cuplul temperatură – presiune este deci un parametru caracteristic condițiilor de transport al produsului. Temperaturile atmosferei întâlnite pe mare variază între -25 g.C. si +45 g.C. Din această cauză, condițiile de referință pentru transportul de gaze a fost fixat la temperatura de +45 g.C. și la o presiune atmosferică de 1,013 bar. Acesta înseamnă că navele trebuie să păstreze și să transporte produse de încărcătura lichidă în aceste condiții. În special la navele care transportă produse al căror punct de fierbere la presiunea atmosferică este inferior vaporilor de + 45 g.C. va trebui să fie dotate cu două instalații de răcire capabile să mențină produsele sub formă lichidă sau să posede o izolație pentru a întârzia cât mai mult evaporarea.

Modul de transformare al gazelor lichefiate este pus în evidență de caracteristicile termodinamice ale gazelor. Principalelor caracteristici ale celor mai uzuale gaze întâlnite în transporturile comerciale sunt compuse din urmatoarele:

Presiunea

Prin presiune se înțelege raportul dintre mărimea forței care apasă normal și uniform pe o suprafață practic plană și aria acelei suprafețe. În cazul gazelor întâlnim următoarele noțiuni în legătură cu presiunea:

Presiunea gazoasă – este presiunea exercitată de un gaz asupra pereților vasului în care este depozitat, fiind produs de ciocnirea moleculelor gazului de pereții vasului;

Presiunea absolută – este presiunea față de vidul absolut, respectiv presiunea zero, fiind numit și presiunea barometrică;

Presiunea atmosferică – este presiunea exercitată de atmosferă, și este egală cu aproximativ cu 1,033 kg/cm.p. Presiunea atmosferică variază în funcție de condițiile atmosferice locale, dar și în funcție de altitudinea locului;

Presiunea de vapori – este presiunea exercitată de către vaporii unui lichid asupra pereților vasului în care este depozitat lichidul. Aceasta presiune are un maxim care depinde numai de natura substanței și de temperatură;

Presiunea de vaporizare – este presiune la care loc trecerea trecerea unui lichid in stare de vapori, la o temperatură dată.

Temperatura

Prin temperatură se definește temperatura caracteristică a stării termice a unui corp.

Acesta poate fi:

Temperatura absolută – este temperatura măsurată pe scara absolută ( Kelvin ). Punctul zero al scării absolute, se ia temperatura de -273,16 g.C., la care moleculele unui gaz perfect nu mai posedă energia cinetica. Pentru a transforma gradele Celsius în grade absolute se adaugă gradele Celsius la valoarea punctului zero.

Temperatura critică a gazului este temperatura peste care gazul nu mai poate fi lichefiata numai prin simpla comprimare,prin presiune. Se disting astfel gaze ce pot fi lichefiate numai prin simpla compresie, cele ce au temperatura critică peste temperatura mediului ambiant ( propan, butan, butadienă, amoniac etc. ), temperatura lor de lichefiere fiind întotdeauna superioara temperaturii de -50 g.C. și gazele care au temperatura critică sub mediul ambiant. Acestea trebuie să fie puternic refrigerate pentru a fi transportate în stare lichidă ( metan, etilenă ). Temperatura lor de lichefiere la presiunea atmosferică este inferioară temperaturii de -100 g.C. .

Temperatura de fierbere, este temperatura la care o substanță. Valoare ei depinde de temperatura exterioară. Se numește temperatură normală de fierbere, temperatura la care substanța fierbe sub o presiune de 760 mm Hg.

Starea lichidă

Această stare reprezintă o stare intermediară, între starea lichidă și starea gazoasă. Un corp în stare lichidă are un volum definit dar nu are forma proprie.

Starea de vapori

Vaporii sunt gaze reale care se află în apropierea punctului de lichefiere. Orice gaz poate lichefia în anumite condiții de presiune și lichefiere. La presiuni scăzute și temperaturi ridicate, vaporii tind către comportamentul gazului perfect. Pe timpul procesului de vaporizare temperatura lichidului rămâne constantă. Procesul de vaporizare continuă până la transformarea integrală a lichidului în vapori.

Vaporizarea

Vaporizarea reprezintă trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare de vapori. Când aceasta are loc la o temperatură la care presiunea vaporilor produși este egală cu presiunea exterioară sub care se afla lichidul, acesta fierbe. Vaporizarea poate fi:

discontinuă, atunci când vaporii din partea superioară a tancului sunt extrași, producând fierberea lichidului din tanc și având ca efect scăderea temperaturii;

brusca, vaporizarea are loc atunci când lichidul este extras de la parte înferioară a tancului și este introdus într-un vaporizator unde are loc vaporizarea unui amestec rămas.

Nave specializate pentru transportul gazelor lichefiate

Cu toate progresele considerabile realizate în economia și tehnologia transportului de gaze prin conducte și cu toate că în prezent, acest mijloc de transport se folosește pentru aproape 99% din gaze consumate în lume, depășirea barierelor oceanice și deci, posibilitatea fizică de a realiza schimburi intercontinentale a fost posibilă numai odată cu dezvoltarea unor tehnologi speciale care au făcut posibil transportul gazelo naturale pe cale maritima. Realizarea transportului maritim se poate face numai în stare lichidă, deoarece în stare gazoasă acest transport nu ar fi fost niciodată economic, întrucât cantitatea de energie transportată ar fi fost de 1000 de ori mai mică decât cea corespunzătoare petrolului.

Printre primele problemele ce au apărut încă de la început au fost cel legate de lichefierea gazelor în condiții de presiune normală, fapt ce necesită o temperatura de -160 g.C. Din punctul de vedere teoretic, lichefierea nu prezintă probleme deosebite. Încă din anul 1917 se reușește realizarea lichefierii gazelor naturale, dar menținerea gazului n stare lichidă pe timpul transportului, comportarea materialelor și a materialelor izolatoare la aceste temperaturi nu erau încă rezolvate. La șfărșitul anilor 1930, lichefierea a început să se folosească în SUA în condiții economice, numai pentru depozitarea temporară a gazului. Spre mijlocul anilor 1950, un raport publicat de banca mondială despre anumite experiențe de acest tip realizate in SUA a trezit interesele firmelor Continental Oil și Gas General. Despre această problemă, fapt ce a făcut ca în anul 1959 să se reușească realizare vasului ,,Methane Pioneer,, pentru transportul de gaze lichefiate. Succesul primelor încercări realizat pe această nava a făcut ca multe companii să se intereseze de acest sistem și astfel în 1964 trei nave special construite, au început transportului regulat al gazelor naturale din Algeria către Franța și Marea Britanie, deschizând o noua epoca în istoria transporturilor maritime. Capacitatea de transport a navelor a crescut continuu, de la 650 m.c. în anul 1960, la aproximativ 200.000 m.c. în momentul de față.

Tipuri de nave pentru transportul gazelor lichefiate

Până în momentul de fată, transportul gazelor lichefiate este asigurat de cinci tipuri de nave. La fiecare dintre transportatoarele de gaze lichefiate, zona de marfă este separată de celelalte părți ale navei, iar sistemele marfă sunt complet izolate față de spațiile de locuit, compartimentul mașinii și căldare, cât și de celelalte spații de muncă.

Ținând cont de acestea, se impune următoarele definiții :

,, tanc de marfă ,, – este o închidere metalică, etanșă la lichid, construită pentru a forma sistemul primar de stocare a mărfii. Cargo tancul poate fi prevăzut sau nu cu izolație și barieră secundară.

,, sistem de stocare ,, – este dispozitivul destinat să conțină marfa și cuprinde, dacă sunt prevăzute, barierele primare și auxiliare, izolația asociată si toate spațiile intermediare și structurile adiacente necesare susținerii acestor elemente.

,, spațiul rezervorului ,,- este spațiul închis prin structuri ale navei prin care se află un sistem de stocare a mărfii.

,, zona de marfă ,, – această zona reprezintă porțiunea din nava care conține sistemul de stocare al mărfii, casa pompelor, casa compresoarelor de marfă și zona de punte pe toată lungimea și lățimea navei, situată sub spațiile menționate.

,, spațiul liber de gaz ,, – înseamnă un spațiu în care, în nici o situație nu se pot forma gaze periculoase.

În funcție de particularitățile constructive și modul de lichefiere și de stocare a gazelor, tipurile de nave folosite pentru transportul de gaze lichefiate sunt următoarele:

Nave complet presurizate

Acest tip de nave transportă gaze în cargo-tancuri, tip cisterne de presiune confecționate din oțel moale, destinate sa reziste la o putere de 17 bari. În general aceste nave sunt de mici dimensiuni și au o capacitate de transport în jur de 1000 mc .Uzual marfa este transportată în doua cargo-tancuri de formă cilindrică, dispuse în poziție orizontală, dar există nave ce au un număr mai mare de cargo-tancuri, de formă sferică sau cilindrică dispuși vertical, sau o combinație a acestora.

Navele complet presurizate, în modul normal sunt destinate să transporte LPG sau amoniac, în voiaje de scurtă durată. Navele dispun de tancuri de balast în zona dublului fund, și în unele cazuri și de tancuri superioare de balast. Cargo-tancurile sunt dispuse în cala navei ( spațiul rezervoarelor) care este ventilat cu aer uscat sau gaz inert.

Nave complet refrigerate

Navele din această categorie sunt destinate transportului de LPG la temperaturi cuprinse între -47 gr. C. și -55 gr. C. în de conținutul de etan al gazului. Navele mai pot fi echipate și pentru transportul amoniacului și sunt adecvate pentru transportul unui lung lanț de hidrocarburi la temperaturi de sub -55 gr. C. .

Cargo-tancurile sunt construite din oțel carbon-mangan și sunt prevăzute cu izolație. Navele sunt de mari dimensiuni, cu o capacitate de marfă de la 5000 mc la paste 100.000 mc.

Uzual, navele sunt echipate cu trei până la șase cargo-tancuri extinse pe toată lungimea navei. Nava dispune de tancuri prismatice ce sunt susținute pe suporți din lemn care, la rândul lor, sunt susținuți de structura metalică a corpului navei pentru a le permite contracția și expansiunea. Uzual, acest tip de cargo-tanc dispune de un perete interior, etanș, dispus în plan longitudinal-central, care are rol mde a reduce efectul negativ al suprafețelor libere de lichid ți astfel, de a îmbunătăți stabilitatea navei.

Cargo-tancurile dispun de barieră secundară prin folosirea unor oțeluri speciale la construcția părții superioare a tancurilor, la centura corpului navei și a tancurilor superioare. Spațiul calei se menține în stare inertă când se transportă marfă inflamabilă, sau se mențin umplute cu aer uscat când se transporta amoniac.

Nave semi-refrigerate

Amenajarea generala a navelor de tip semi-refrigerat este de aceeași natură cu aceea a navelor complet presurizate. La ora actuală , acesta este tipul de navă cel mai folosit, întrucât corespunde cel mai bine cerințelor de transport internațional.

Sistemul de marfă al navei constă în cargo-tancuri tip rezervor de presiune care este adaptată pentru transportul mărfii la temperaturi situate sub temperatura mediului ambiant. Limita de temperatură este dictată de tipul de oțel folosit la construcția cargo-tancurilor. Temperatura uzuală este de – 33 gr. C. pentru transportul amoniacului și de 55 gr. C. pentru transportul LP, presiunea de serviciu fiind cuprinsă între 4 și 7 bari. Toate cargo-tancurile sunt prevăzute cu izolație.

Navele de mari dimensiuni au o capacitate de marfă mai mare de 15.000 mc ți sunt prevăzute cu instalații de re-lichefiere. Navele sunt angajate atât în transportul de cabotaj, cât și în cel de cursă lungă. Cargo-tancurile pot fi de tip cilindric, conice, de lobi și de tancuri deasupra punții, fapt care permite navei să folosească foarte eficient volumul spațiului de marfă. În mod normal, nava este prevăzută cu dublu fund pe toată lungimea și în unele cazuri, dispune și de tancuri superioare de balast. Cargo-tancurile nu dispun de bariera secundară. Spațiul calei este ventilat cu aer proaspăt sau aer uscat, iar unele situații navele de acest tip dispun de instalații de re-lichefiere de mare capacitate.