Lecciones Aprendidas De los participantes de Natural Gas STAR NaturalGasf EPA POLLUTION PREVENTER INSTALACION DE UNIDADES DE RECUPERACION DE VAPORES EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE PETROLED (Installing Vapor Recovery Units on Crude Oil Storage Tanks) Resumen gerencial Hay aproximadamente 573,000 tanques de almacenamiento de petroleo en los Estados Unidos. Estos tanques se usan para mantener el petroleo por cortos periodos de tiempo a fin de estabilizar el flujo entre los pozos y los gaseoductos o instalaciones de transporte por carrotanque. Durante el almacenamiento, se produce evaporacion de los hidrocarburos livianos disueltos en el petroleo, entre ellos metano y otros compuestos organicos volatiles (VOC), el gas natural licuado, contaminantes del aire peligrosos (HAP) y algunos gases inertes, quedando retenidos en el espacio entre el liquido y el techo fijo del tanque. A medida que fluctua el nivel de liquido en el tanque, estos vapores a menudo son liberados a la atmosfera. Una manera de evitar las emisiones de estos gases y obtener un ahorro economico importante es instalar unidades de recuperacion de vapores (VRU, siglas en ingles) en los tanques de almacenamiento de petroleo. Las unidades de recuperacion de vapores son sistemas relativamente simples que pueden capturar aproximadamente 95 por ciento de los vapores con elevado poder calorifico (Btu) para venta o uso in situ como combustible. Actualmente hay entre 8,000 y 10,000 unidades de recuperacion de vapores instaladas en el sector de produccion de petroleo, con un promedio de cuatro tanques conectados a cada unidad de recuperacion de vapores. Los participantes de Natural Gas STAR han generado importantes ahorros a partir de la recuperacion y comercializacion de estos vapores, y simultaneamente han reducido sustancialmente las emisiones de metano y de contaminantes peligrosos del aire. Los participantes han determinado que cuando el volumen de vapores es suficiente, la instalacion de una unidad de recuperacion de vapores en uno o varies tanques de almacenamiento de petroleo crudo puede ahorrar hasta $260,060 por ano, y el periodo de recuperacion de inversion es tres meses como minimo. El estudio de Lecciones Aprendidas describe como los participantes pueden identificar cuando y donde instalar las unidades de recuperacion de vapores para obtener estos beneficios economicos y ambientales. Fuente de emisiones Tanques de almacenamiento de produccion de petroleo Volumen anual de gas perdido (mil pies cubicos) 4,900-96,000 Metodo para reducir la perdida de gas Unidades de recuperacion de vapores (VRU, siglas en ingles) Valor del gas ahorrado ($) $13,000- $260,000' Capital y costo de instalacion ($) $26,470 - $77,000 Costo anual de operation y mantenimiento ($) $5,250- $12,000 Periodo de recuperacion de la inversion 3 meses a 3.4 anos 1Supone un precio de gas de $3.00/mil pies cubicos multiplicado por 95 por ciento del volumen de gas perdido al ano. Esta publicacion es una de la serie de resumenes de Lecciones Aprendidas desarrollados por EPA en cooperacion con la industria de gas natural que tratan acerca de las aplicaciones superiores del Programa de Mejores Practicas Administrativas (BMP, siglas en ingles) de Natural Gas STAR y Oportunidades Identificadas por los Participantes (PRO, siglas en ingles). ------- Antecedentes tecnologicos El petroleo en el subsuelo contiene muchos hidrocarburos livianos en solucion. Cuando el petroleo se lleva a la superficie y se procesa, muchos de los hidrocarburos livianos disueltos (asi como el agua) se extraen mediante una serie de separadores de alta presion y baja presion. Luego el petroleo es transferido a un tanque de almacenamiento hasta su venta y transporte fuera de la instalacion; los remanente de hidrocarburos pueden convertirse en vapores al interior del tanque. Estos vapores son liberados, quemados en teas o recuperados mediante unidades de recuperacion de vapores (VRU). Las perdidas de los hidrocarburos livianos restantes se clasifican de tres maneras: * Las perdidas como resultado del gas liberado cuando baja la presion del petroleo ocurren cuando el separador o tratador, funcionando a aproximadamente 35 PSI, descarga el petroleo en los tanques de almacenamiento, los cuales estan a la presion atmosferica. * Las perdidas debido al efecto del piston al llenar y vaciar el tanque se refieren a los vapores liberados debido a la fluctuacion en niveles de fluido y la agitacion del contenido del tanque asociados con la circulacion de petroleo fresco a traves de los tanques de almacenamiento. * Las perdidas por evaporizacion son las perdidas que ocurren cuando cambia la temperatura diaria y estacional. El volumen de vapor de gas proveniente de un tanque de almacenamiento depende de muchos factores. El petroleo liviano (gravedad API >36°) emite mas vapores de hidrocarburos que el petroleo mas pesado (gravedad API <36°). En tanques de almacenamiento con muchos ciclos de llenado y rendimiento efectivo es alto, se liberaran mas "vapores debido al efecto del piston de llenar y vaciar el tanque" que en tanques con rendimiento efectivo bajo y donde el petroleo se mantiene por periodos de tiempo mas largos para aclimatarse. Finalmente, la presion y temperatura del petroleo en la camara de descarga hacia el tanque afectara el volumen de los gases que resultan de la evaporacion del petroleo. La composicion de estos vapores varia, pero el principal componente es el metano (entre 40 y 60 por ciento). Otros componentes incluyen compuestos de hidrocarburos mas complejos tales como propano, butano y etano; gases inertes naturales tales como nitrogeno y dioxido de carbono; y contaminantes peligrosos del aire tales como benceno, tolueno, etil-benceno y xileno (conjuntamente, estos contaminantes peligrosos del aire se denominan BTEX). Las unidades de recuperacion de vapores pueden recuperar mas del 95 por ciento de las emisiones de hidrocarburos que se acumulan en los tanques de almacenamiento. Puesto que los vapores recuperados contienen gas natural licuado (aun despues de que el producto de la condensacion ha sido capturado por el depurador de succion), contienen poder calorifico mayor que el del gas natural enviado por el gasoducto (entre 950 y 1,100 Btu por pie cubico). Dependiendo del volumen de gas natural licuado en los vapores, el poder calorifico puede llegar hasta 2,000 Btu por pie cubico. Por lo tanto, segun base volumetrica, los vapores recuperados pueden ser mas valiosos que unicamente el metano solo. ------- El Cuadro 1 ilustra una unidad de recuperacion de vapores en un solo tanque de almacenamiento de petroleo (tambien son comunes las instalaciones para multiples tanques). Los vapores de hidrocarburos se extraen del tanque de almacenamiento por baja presion, normalmente entre cuatro onzas y dos libras por pulgada cuadrada (psi), y primero son conducidos por tuberia a un separador (depurador de succion) para recolectar condensado. Los liquidos generalmente son reciclados nuevamente al tanque de almacenamiento. Desde el separador, los vapores fluyen a traves de un compresor que proporciona succion de baja presion para el sistema de la unidad de recuperacion de vapores. (Para evitar la creacion de un vacio en la parte superior de un tanque cuando se extrae y se reduce el nivel de petroleo, las unidades de recuperacion de vapores estan equipadas con un piloto de control para desactivar el compresor y permitir el contraflujo de vapores al interior del tanque). Luego los vapores se miden y se extraen del sistema de la unidad de recuperacion de vapores para venta a oleoducto o suministro de combustible in situ. Beneficios economicos y para el medio ambiente Cuadro 1: Sistema de recuperacion de vapores de tanque de producto estandar Valvulade contrapresion de linea de liberacion Tanque(s) de producto de petroleo crudo + \J ^Bombade I "*-—-^ transferencia _ Retorno de de liquido condensacion Las unidades de recuperacion de vapores pueden proporcionar beneficios ambientales y economicos importantes para los productores de petroleo y gas. Los gases evaporados del petroleo y capturados por las unidades de recuperacion de vapores pueden venderse y rendir utilidades, o usarse en las operaciones de la planta. Estos vapores recuperados pueden: * Conducirse por tuberia a gasoductos de recoleccion de gas para venta a precio alto como gas natural de alto poder calorifico. * Usarse como combustible para las operaciones in situ. * Conducirse por tuberia a una unidad separadora para separar el gas natural licuado y el metano cuando el volumen y precio del gas natural licuado son atractivos. 3 ------- Proceso de decision Las unidades de recuperacion de vapores tambien capturan contaminantes del aire peligrosos y pueden reducir las emisiones del operador a un nivel por debajo de los valores especificados en el Titulo V de la Ley de Aire Limpio (USA). Al capturar el metano, las unidades de recuperacion de vapores tambien reducen las emisiones de un potente gas de efecto invernadero. Las companias que usan tanques de almacenamiento de petroleo de techo fijo pueden evaluar los aspectos economicos de las unidades de recuperacion de vapores mediante los pasos siguientes. Paso 1: Identificar las posibles ubicaciones para la instalacion de la unidad de recuperacion de vapores. Practicamente cualquier bateria de tanques es un lugar potencial para una unidad de recuperacion de vapores. Las claves de los proyectos exitosos de unidades de recuperacion de vapores son una fuente estable y una cantidad de adecuada de vapores de petroleo ademas de una salida economica para el producto recolectado. El volumen potencial de los vapores depende de la composicion del aceite y de la velocidad de flujo a traves de los tanques. Al seleccionar los lugares de instalacion para las unidades de recuperacion de vapores, para conducir los vapores fuera del area. Cinco pasos para evaluar los aspectos economicos de la unidad de recuperacion de vapores: 1. Identificar las posibles ubicaciones para la instalacion de la unidad de recuperacion de vapores; 2. Cuantificar el volumen de las emisiones de vapores; 3. Determinar el valor de las emisiones recuperadas; 4. Determinar el costo de un proyecto de unidad de recuperacion de vapores; y 5. Evaluar los aspectos economicos del proyecto de unidad de recuperacion de vapores. debe considerarse el costo de transporte Paso 2: Cuantificar el volumen de las emisiones de vapores. Las emisiones pueden medirse o calcularse. Puede usarse medidor de gases y un manometro para medir la tasa maxima de emisiones ya que la tasa maxima se utiliza para determinar el tamano de una unidad de recuperacion de vapores. Sin embargo, los medidores de gases quizas no sean apropiados para medir el volumen total a traves del tiempo debido a las bajas presiones en los tanques. Calcular el total de emisiones de vapor de los tanques de combustible puede ser complicado debido a los muchos factores que afectan la cantidad de gas que se liberara de un tanque de petroleo, tales como: 1. La presion de operacion y la temperatura del separador que descarga el petroleo al tanque y la presion en el tanque; 2. La composicion del petroleo crudo y la gravedad API; 3. Las caracteristicas de operacion del tanque (por ej., ciclos de llenado, tamano del tanque); y 4. La temperatura ambiente. Hay dos metodos para calcular la cantidad de emisiones de vapor de los tanques de petroleo. Ambos usan la relacion gas/petroleo (GOR, siglas en ingles) a una presion y temperatura dadas y se expresan en pies cubicos estandar por barril de petroleo (pies cubicos estandar por barril). El primer metodo analiza la gravedad API y la presion del separador para determinar la relacion gas/petroleo (Cuadro 2). Estas curvas se elaboraron usando datos de ------- evaporacion empiricos de estudios de laboratorio y mediciones de campo. Como se ilustra, este grafico puede usarse para hallar el total aproximado de las emisiones potenciales de vapor de un barril de petroleo. Por ejemplo, dada una cierta gravedad API del petroleo (por ej. 38°) y la presion de descarga de la camara (por ej., 40 libras por pulgada cuadrada), el volumen total de vapores puede calcularse por barril de petroleo (por ej., 43 pies cubicos por barril). Una vez que se ha calculado la tasa de emisiones por barril, puede determinarse la cantidad total de emisiones del tanque multiplicando el calculo por barril por la cantidad total de petroleo que ingresa al tanque. Para continuar con el ejemplo anterior, suponga un rendimiento efectivo promedio de 1,000 barriles por dia (barril por dia), el total de emisiones se calcularia como 43 mil pies cubicos por dia (Cuadro 3). Cuadro 2: Volumen calculado de vapores del tanque de almacenamiento §1 'o ^ S :2 110 100 so 80 70 60 50 43 40 30 20 10 10 20 30 40 50 GO 70 80 Presion de la camara que descarga al tanque (libras por pulgada cuadrada lefdas en el manometro [psig]) El inconveniente de este metodo es que no genera informacion acerca de la composicion de los vapores emitidos. En particular, no puede distinguir entre compuestos organicos volatiles y contaminantes del aire peligrosos, lo cual puede ser significative para el monitoreo de la calidad del aire asi como para determinar el valor de los vapores emitidos. Cuadro 3: Cantidad (Q) de emisiones de vapor de hidrocarburos Teniendo en cuenta los datos siguientes: Gravedad API = 38° Presion de separador = 40 libras por pulgada cuadrada Petroleo reciclado = 1,000 barril/dia Tasa de emisiones de vapor = 43 pies cubicos estandar/barril (del Cuadro 2) Q = 43 pies cubicos estandar/barril x 1,000 barriles/dia = 43 mil pies cubicos por dia El segundo metodo es usar el paquete de software E&P Tank, version 2.0.f Esta es ------- la version modificada del software previo; el American Petroleum Institute (API) introdujo varies cambios en este modelo para facilitar su uso. Los participates del Programa de Natural Gas STAR recomiendan el software E&P Tank como la mejor herramienta disponible para calcular las emisiones de los tanques. Disenado por API y el Gas Research Institute (actualmente el Gas Technology Institute), este software calcula las emisiones de las tres fuentes: como resultado del gas liberado cuando baja la presion del petroleo, debido al efecto del piston al llenar y vaciar el tanque y por evaporacion, usando calculos de evaporacion termodinamica para perdidas como resultado del gas liberado cuando baja la presion del petroleo y un modelo de simulacion de tanque de techo fijo para perdidas debido al efecto del piston al llenar y vaciar el tanque y por evaporizacion. Un operador debe tener varies tipos de informacion antes de usar el software E&P Tank, tales como: 1. Presion y temperatura del separador. 2. Composicion del petroleo del separador. 3. Presion de referenda. 4. Presion de vapor (metodo Reid) de petroleo. 5. Tasa de produccion de petroleo. 6. Gravedad API del petroleo. El software E&P Tank tambien permite que los operadores introduzcan informacion mas detallada acerca de las condiciones de operacion, lo cual ayuda a refinar los calculos de las emisiones. Con datos adicionales acerca del tamano y la forma del tanque, temperaturas internas y temperaturas ambientales, el software puede producir calculos mas precisos. Esta flexibilidad en el diseno del modelo permite que los usuarios empleen para aprovechar la informacion disponible. Puesto que la composicion del petroleo del separador es un dato clave en el modelo, el software E&P Tank incluye un muestreo detallado y un protocolo de analisis para el petroleo del separador. Se estan desarrollando futuras versiones del software para calcular tambien las perdidas por emisiones de los tanques de agua de produccion. Paso 3: Determinar el valor de las emisiones recuperadas. El valor de los vapores recuperados por las unidades de recuperacion de vapores y logrados por los productores depende de como se usen: 1. Usar los vapores recuperados in situ como combustible rinde un valor equivalente al combustible comprado que se desplaza, normalmente gas natural. 2. Conducir por tuberia los vapores (liquidos gaseosos naturales-metano enriquecido) a un oleoducto de recoleccion de gas natural debe rendir un precio que refleje el mayor contenido de Btu por mil pies cubicos de vapores. 3. Conducir por tuberia los vapores a una planta de procesamiento que separara el gas natural licuado del flujo de gas del metano y los vendera separadamente tambien debe capturar el valor del contenido total de Btu de los vapores. El Cuadro 4 ilustra un metodo para calcular el valor de los 1EPA no ha llevado a cabo evaluaciones extensas del software E&P Tank y por lo tanto no puede aprobar el software como herramienta de precision para calcular las emisiones. Sin embargo, los participantes del Programa Natural Gas STAR recomiendan el software E&P Tank como la mejor herramienta disponible para calcular las emisiones de vapores de los tanques. ------- Cuadro 4: Valor de los vapores recuperados R = QxP R = El ingreso bruto Q = La tasa de recuperacion de vapores (mil pies cubicos por dia) P = El precio del gas natural Calcular: Q = 41 mil pies cubicos por dia (95% de 43 segun Cuadro 3) P = $3.00/mil pies cubicos R = 41 mil pies cubicos por dia x $3/mil pies cubicos = $123/dfa $3,800/mes $45,600/ano vapores recuperados usando un precio promedio de $3.00 por mil pies cubicos (lo cual supone 1,000 Btu por pie cubico estandar). Cuando el contenido de Btu de los vapores es mayor, el precio por mil pies cubicos tambien debe ser mayor. Paso 4: Determinar el costo de un proyecto de unidad de recuperacion de vapores. Los principales elementos de costo de las unidades de recuperacion de vapores son el capital inicial para el equipo y los costos de instalacion y operacion. Varies fabricantes suministran sistemas de unidades de recuperacion de vapores. Los costos del equipo se determinan segun la capacidad de manejo de volumen de la unidad; la presion de la linea de ventas, el numero de tanques en la bateria; el tamano y tipo del compresor; y el grado de automatizacion. Los principales componentes de las unidades de recuperacion de vapores son los depuradores de succion, el compresor y la unidad de control automatizado. La medicion de gas es un costo adicional para la mayoria de unidades. Los precios de las unidades de recuperacion de vapores tipicas y costos relacionados se muestran en el Cuadro 5. Al determinar el tamano de una unidad de recuperacion de vapores, la regla general de la industria es duplicar el volumen diario promedio para calcular la maxima tasa de emisiones. Por lo tanto, para manejar 43 mil pies cubicos/dia (Cuadro 3), debe seleccionarse una unidad capaz de manejar por lo menos 86 mil pies cubicos/dia. Los participantes que han instalado unidades de recuperacion de vapores y los Cuadro 5: Tamanos y costos de unidades de recuperacion de vapores Capacidad (miles de pies cubicos/dia) 25 50 100 200 500 Potencia del compresor 5-10 10-15 15-25 30-50 60-80 Costos de capital ($) 15,125 19,500 23,500 31,500 44,000 Nota: Information de costos proporcionada por los s< de unidades de recuperacion de vapores. Costos de instalacion ($) 7,560-15,125 9,750-19,500 11,750-23,500 15,750-31,500 cios de Natural Gas S Costos de operacion y mantenimiento ($/ano) 5,250 6,000 7,200 8,400 AR y los fabricantes ------- fabricantes de estas unidades informan que los costos de instalacion pueden anadir de 50 a 100 por ciento al costo inicial de la unidad. Los costos de instalacion pueden variar considerablemente segun la ubicacion (los lugares remotos probablemente resultaran en costos de instalacion mas altos) y el numero de tanques (para multiples tanques se requeriran sistemas de unidades de recuperacion de vapores de mayor tamano). Al calcular los costos de instalacion tambien deben considerarse los gastos de transporte, preparacion del sitio, construccion del alojamiento de la unidad de recuperacion de vapores (para proteccion contra clima frio) y equipo suplementario (para operaciones remotas sin personal de operacion). Los gastos de operacion y mantenimiento (O&M, siglas en ingles) pueden variar segun la ubicacion de la unidad de recuperacion de vapores (las unidades instaladas en lugares de climas extremes sufren mayor desgaste), los costos de electricidad y el tipo de petroleo producido. Por ejemplo, el petroleo basado en parafina puede causar obstruccion en las unidades de recuperacion de vapores y estas requeriran mas servicio de mantenimiento. Finalmente, el costo de un oleoducto para interconectar el sitio de la bateria del tanque con una planta de procesamiento u oleoducto es un factor en el aspecto economico total de la unidad de recuperacion de vapores. Dichos costos son altamente especificos segun el sitio y no se tratan en este documento. Paso 5: Evaluar los aspectos economicos del proyecto de unidad de recuperacion de vapores. Instalar una unidad de recuperacion de vapores puede ser muy rentable, y depende del valor de los vapores recuperados en el mercado local. El Cuadro 6 calcula el rendimiento de la inversion (ROI, siglas en ingles) para los tamanos de unidad de recuperacion de vapores y costos listados en el Cuadro 5. Aun usando un calculo conservador del valor de los vapores recuperados de $3.00 por mil pies cubicos, el rendimiento potencial es atractivo, especialmente para unidades de gran tamano. Cuadro 6: Analisis financiero para proyecto de unidad de recuperacion de vapores Capacidad (miles de pies cubicos/dfa) 25 50 100 200 500 Costos de instalacion y capital1 ($) 26,470 34,125 41,125 55,125 77,000 Operacion y mantenimiento ($/ano) 5,250 6,000 7,200 8,400 12,000 Valor del gas2 ($/ano) 13,000 26,000 52,015 104,025 260,060 Perfodo de recuperacion de la inversion3 3.4 anos 1.7 anos 9 meses 6 months 3 months Rendimiento de la inversion" (%) 14 51 106 172 322 1 Costo de la unidad mas costo estimado de instalacion de 75% del costo de la unidad. El costo real puede ser mayor dependiendo de los gastos de transporte, preparacion del sitio, equipo suplementario, etc. 2 95% del total de gases recuperados a $3 por mil pies cubicos x 1/2 capacidad x 365. 3 Basado en tasa de descuento de 10%. 4 Calculo para 5 anos. ------- La experiencia de un participante En 1996 Chevron USA Production Company instalo ocho unidades de recuperacion de vapores en tanques de petroleo. Como resultado Chevron logro una reduccion estimada en emisiones de metano de 21.9 millones de pies cubicos por ano por cada unidad. Suponiendo un valor de $3 por mil pies cubicos, esto corresponde a un ahorro de aproximadamente $65,700 por unidad, o $525,600 por las ocho unidades. El calculo de los costos de capital e instalacion es $240,000 ($30,000 por unidad). El perfodo de recuperacion de la inversion del proyecto es menos de un ano. Lecciones aprendidas El uso de unidades de recuperacion de vapores puede reducir de manera rentable las emisiones de los tanques de almacenamiento de petroleo. Los participantes ofrecen las siguientes lecciones aprendidas: * El software E&P Tank puede ser una herramienta eficaz para calcular la cantidad y composicion de vapores de los tanques de petroleo. * La recuperacion de vapores puede ofrecer un alto rendimiento debido al costo relativamente bajo de la tecnologia y en los casos en que existe salida de mercado para los vapores con alto poder calorifico. * Las unidades de recuperacion de vapores deben instalarse cuando resulta rentable hacerlo, teniendo en consideracion los beneficios tanto ambientales como economicos. * Debido a la muy baja presion diferencial entre el tanque de almacenamiento y el compresor, se recomienda usar una tuberia de gran diametro para proporcionar una menor resistencia al flujo de gas. * El tamano de una unidad de recuperacion de valores debe ser apropiado para manejar el maximo volumen de vapores previsto de los tanques de almacenamiento (una regla general es duplicar el volumen diario promedio). * Se recomienda el uso de compresores de alabes giratorios para que las unidades de recuperacion de vapores desplacen bajos volumenes de gas a baja presion. * Es muy importante elegir sistemas de control confiables y sensibles porque las valvulas de flujo de gas automatizadas deben abrirse y cerrarse ante diferencias de muy baja presion. * Incluya la reduccion de emisiones de metano provenientes de la instalacion de unidades de recuperacion de vapores en los informes anuales presentados como parte del Programa de Natural Gas STAR. Nota: La informacion de costo provista en este documento se basa en calculos para Estados Unidos. Los costos de equipo, mano de obra y el valor del gas vari- aran dependiendo del lugar, y podrian ser mayores o menores que en los Estados Unidos. La informacion sobre costo presentada en este documento solamente debe usarse como guia al determinar si las tecnologias y las practicas son conve- nientes economicamente para sus operaciones. ------- Referencias 10 ------- Bigelow, Tom y Renee Wash. 1983. "VRUs Turn Vented Gas Into Dollars." Northeast Oil Reporter. Octubre de 1983. pp. 46-47. Choi, M.S. 1993. API Tank Vapors Project. Presentado en la Conferencia Tecnica de SPE de 1993, Houston, TX, 3-6 de octubre de 1993. Informe Tecnico de SPE No. 26588. Dailey, Dirk, Universal Compression, contacto personal. Evans, G.B. y Ralph Nelson. 1968. Applications of Vapor Recovery to Crude Oil Production. Hy-Bon Engineering Company. Midland, TX. Informe Tecnico de SPE No. 2089. 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