INTRODUCCION AL PETROLEO Y GAS GAS NATURAL
Al igual que el carbón y el petróleo, se origina como consecuencia consecuencia de la descomposición de la materia orgánica en el interior de la Tierra. El Gas natural viene de yacimientos debajo de la superficie de la tierra. Algunas veces, sube a la superficie naturalmente y es producido solo : gas no-asociado, otras veces llega a la superficie con petróleo: g as asociado (contiene grandes cantidades de hidrocarburos como etano, propano, butano y naftas), y otras veces es producido constantemente como en vertederos de basura. El gas natural es un combustible fósil, o sea, proviene de un material orgánico depositado y enterrado en la tierra hace millones de años atrás. Otros combustibles fósiles son el carbón y el petróleo. Juntos el petróleo y el gas constituyen un tipo de combustible fósil llamado “hidrocarburos”, porque las moléculas de estos combustibles son combinaciones de hidrogeno y átomos de carbono.El origen del gas natural data desde la antigüedad, cuando se dio
lugar la descomposición de restos de plantas y animales que quedaron atrapados en el fondo de lagos y océanos en el mundo. La acumulación del lodos, rocas arena y otros sedimentos durante miles de años, indujo un incremento de presión y calor sobre la materia orgánica, convirtiendo dicha materia en gas y petróleo. El procesamiento del gas natural procesamiento del gas son los procesos industriales que transforman el gas natural extraído del subsuelo en: •Gas Seco o Gas Natural Comercial GN •Gas Licuado de Petróleo GLP
El gas natural o gas licuado licuado de petróleo (GLP) es una mezcla de hidrocarburos hidrocarburos gaseosos a temperatura y presión ambiental. Está compuesto principalmente de propano y butano, pudiendo contener otros hidrocarburos en porciones menores. Contiene además elementos orgánicos importantes como materias primas para la industria petrolera y química.
La composición del gas puede variar dependiendo del tipo de yacimiento en el que se localice, la profundidad, la ubicación, y las condiciones geológicas del área. Según el tipo de hidrocarburo que predomine.
Petróleo a base de parafina (fluidos). Petróleo a base asfáltica (viscosos). tipo cíclicos saturados como los ciclo pentanos y ciclo hexanos. Petróleo a base mixta.
Hay dos formas principales de transportar gas seco (gas natural comercial) de los centros productores al mercado de consumo,por gasoductos o en forma de Gas Natural Licuado (GNL).
Según el tipo de yacimiento distinguimos el gas seco y el gas húmedo.
Se denomina gas húmedo al que aparece junto apequeñas cantidades de petróleo. Está formado en su mayor parte por los hidrocarburos gaseosos: metano (CH4); etano (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10). Cuando la ausencia de petróleo es total, se le denomina gas seco y está formado por metano y etano junto a pequeñas cantidades de hidrógeno y nitrógeno. Se conoce al gas natural como gas amargo debido principalmente a la presencia de bióxido de carbono y ácido sulfhídrico (CO 2 y H2S, mercaptanos) dentro de su composición, estas sustancias son indeseables por lo que es necesario removerlas por medio de un proceso para obtener las condiciones para su uso industrial o comercial, libre de los contaminantes se denomina gas dulce. Gas dulce: Libre de derivados del azufre, se obtiene generalmente al endulzar el gas amargo utilizando solventes químicos o físicos, o adsorbentes
El gas natural que se extrae de los yacimientos tiene un poder calorífico que llega a alcanzar las 11.500 kcal/m3 y puede aprovecharse direc t amente como combustible, ya que apenas presenta impurezas. Tan solo contiene algo de sulfuro de hidrógeno (H2S), que se elimina fácilmente antes de que llegue al consumidor. Después de su extracción, el gas se almacena en grandes depósitos denominados gasómetros. De ahí se distribuye mediante canalizaciones denominadas gasoductos o en forma de gas licuado, utilizando tecnología criogenética. Cada vez se utiliza más como combustible doméstico o industrial. Los contaminantes gaseosos más comunes son: ácido sulfhídrico, dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles. compuestos clorados volátiles, compuestos fluorados volátiles, compuestos de nitrógeno, monóxido de carbono..etc. El gas natural comercial generalmente está compuesto de 95% de metano y otros hidrocarburos como etano, propano y butano, ademas de otros elementos considerados como impurezas, nitrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, ácido sulfhidrico y agua . El gas natural se considera como un combustible fósil limpio, ya que sus emisiones están constituidas en su mayoría por vapor de agua y dióxido de carbono. El Gas Natural tiene que procesarse para poder cumplir con estándares de calidad Los estándares son especificados por las compañías de transmisión y
distribución, las cuales varían dependiendo del diseño del sistema de ductos y de las necesidades del mercado que se quiere atender REQUERIMIENTOS El poder calorífico del gas (en México, debe ser entre 34 y 40 MJ/m3). 950 BTU/pc- 1148 BTU/pc La ausencia de partículas sólidas y agua líquida, para prevenir erosión y corrosión de los gasoductos) Los porcentajes máximos de componentes como el H2S, N, mercaptanos y vapor de agua Índice de Wobbe: Es la relación del poder calorífico superior con respecto a la raíz cuadrada de la densidad relativa:
En México: 43.0-47.5 1312,97- 1392,65 BTU/pc
El índice de Wobbe es una forma de clasificar los combustibles gaseosos, por ejemplo el índice de Wobbe para el gas natural debería estar entre 9.680 y 13.850 kcal/Nm³. En las mismas condiciones se encuentra el aire propanado. Gas natural - aire propanado 9680 - 13850 kcal/Nm³ 40559 - 58032 kJ/Nm³ 38413 - 54961 BTU/Nm³ Gas de coquería y gas de mezcla hidrocarburo-aire 5700 - 7500 kcal/Nm³ 23883 - 31425 kJ/Nm³ 22619 - 29762 BTU/Nm³ Gases licuados del petróleo 18500 - 22070 kcal/Nm³ 77515 - 92474 kJ/Nm³ 73414 - 87581 BTU/Nm³
Se controla este índice para asegurar la combustión satisfactoria del gas en el quemador. Si no se cumple esta especificación, la cantidad de aire que se mezcla con el gas será la incorrecta. El GNL ofrece mayor flexibilidad para el intercambio que el transporte a través de gasoductos, permitiendo cargamentos de gas natural ser llevadas y entregadas donde la necesidad es mayor y los términos comerciales son mas competitivos. Licuando el gas natural y transportándolo, resulta más económico que transportarlo en gaseoductos Gases licuados del petróleo
Los últimos productos que se obtienen en la destilación fraccionada del petróleo son gaseosos a la temperatura y presión ambientales. Industrialmente se les conoce como GLP (Gases Licuados del Petróleo} ya que se comercializan envasa dos recipientes de alta presión, a la que son líquidos. Entre estos productos se encuentran el propano y el butano. •
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El gas propano (C3H8) tiene un poder calorífico de 24.000 kcal/m3 . Se comercializa en bombonas de acero de dos tamaños, que pueden contener 11 kg o 35 kg También se almacenan en grandes tanques fijos que suministran el gas a viviendas o industrias. Estos tanques se recargan periódicamente mediante camiones cisterna. El gas butano (C4H10) tiene un poder calorífico algo mayor que el propano 20.500 kcal/m3. se comercializa en bombonas de 12,5 kg, exclusivamente para su uso como combustible doméstico.
Composición del Gas Natural y GNL(Gas Natural Licuado)
El gas natural está compuesto principalmente por metano, pero también contiene etano, propano e hidrocarburos más pesados. Pequeñas cantidades de nitrógeno, oxigeno, dióxido de carbono, compuesto de azufre y agua también pueden ser encontrados en el gas natural.
El grafico de arriba, proporciona una composición típica del gas natural. El gas natural licuado (GNL) es gas natural que ha sido enfriado hasta el punto que se condensa a un liquido, lo cual ocurre a una temperatura de aproximadamente 161 C y presión atmosférica. La licuefacción reduce el volumen aproximadamente 600 veces haciéndolo así mas económico para transportar entre continentes, en embarcaciones marítimas especiales, donde sistemas de transporte por tuberías tradicionales serian menos atractivos económicamente y podrían ser técnica o políticamente no factibles. De esta manera, la tecnología del GNL hace disponible el gas natural a través del mundo. La licuefacción del gas natural elevo la posibilidad de su transporte a lugares lejanos.Es una mezcla de propano, butanos, pentanos y otros hidrocarburos mas pesados. Es un producto intermedio en el procesamiento del gas natural. El proceso de licuefacción requiere de la extracción de algunos de los componentes no-metano como el agua y el dióxido de carbono del gas natural producido, para evitar que se solidifiquen cuando el gas es enfriado a la temperatura del GNL (-256 °F). Como resultado, el GNL esta típicamente compuesto de metano, como esta demostrado en el grafico siguiente.
El GNL no tiene olor, ni color, es anticorrosivo y no es tóxico. Sin embargo, como cualquier material gaseoso además del aire y oxígeno, el gas natural vaporizado del GNL puede causar asfixia en un lugar sin ventilación.
ENDULZAMIENTO DEL GAS NATURAL Etapas de procesamiento del gas natural
El proceso de endulzamiento del gas natural se refiere a la purificación del gas, eliminando especialmente el ácido sulhídrico y el dióxido de carbono, debido a que son altamente corrosivos en presencia de agua y tienen un impacto negativo en la capacidad calorífica del gas natural. Dicha operación involucra la remoción de impurezas presentes en fase gaseosa. Una planta de endulzamiento de gas natural consta de cuatro equipos principales Torre absorbedora, lavador (scrubber), evaporador (flash) y torre regenerados (stripper)
El proceso de endulzamiento del gas natural se refiere a la purificación del gas, eliminando especialmente el ácido sulhídrico y el dióxido de carbono, debido a que son altamente corrosivos en presencia de agua y tienen un impacto negativo en la capacidad calorífica del gas natural. Dicha operación involucra la remoción de impurezas presentes en fase gaseosa. Una planta de endulzamiento de gas natural consta de cuatro equipos principales Torre absorbedora, lavador (scrubber), evaporador (flash) y torre regenerados (stripper)
Antes de ser introducido a la torre de absorción, es necesario remover cualquier contaminante líquido en el gas natural. Existen dos tipos de absorción: física y química.
La absorción química emplea soluciones acuosas de alcanolaminas(monoetanolamina- MEA, dietanolamina DEA, MDEA entre otras) para remover el CO2 de la corriente de gas. El gas natural es endulzado en una torre de absorción a una temperatura de aproximadamente 50°C.Posteriormente, las alcanolaminas son regeneradas a temperaturas entre 110 y 120°C. Este es un proceso muy empleado a nivel comercial aunque su costo de operación es alto debido a la cantidad de energía que se emplea para la regeneración del solvente.
En el caso de la Absorción física, los solventes empleados son glicoles u otros solventes orgánicos en donde la interacción con el CO2 no es tan fuerte en comparación con las alcanolaminas. y se requiere menor cantidad de energia en la regeneración.
Estos procesos se realizan para cumplir con la especificaciones de calidad. El poder calorífico del gas entre 34 y 40 MJ/m3 (varia en los paises). La tecnología más empleada es la absorción química con soluciones acuosas de alcanolaminas. Este proceso remueve gases ácidos como SO2, CO2 H2S. Los condensados se envian a una refineria de petróleo y el agua se desecha. Etapa 1. Remoción de condensados y agua.
Remoción de condensados y agua líquidaLos condensados son llamados también gasolina natural, porque se compone de hidrocarburos cuyo punto de ebullición está en el rango de la gasolina La ausencia de partículas sólidas y agua líquida, para prevenir erosión y corrosión de los gasoductos)Los porcentajes máximos de componentes como el H2S, N, mercaptanos y vapor de agua Estos contaminantes pueden provocar espumación, corrosión, contaminación del gas natural en la torre de absorción, lo que ocasiona baja calidad del gas Su composición puede ser: H2S Mercaptanos CO2 Alcanos (de entre 2 y 12 átomos de carbono) Ciclohexano (C6H12) Aromáticos (benceno, tolueno, xileno, etilbenceno)
Esto es posible mediante sistemas de impacto, como deshumificadores los cuales remueven líquidos. Algunos de los contaminantes que se obtienen de este proceso son: aceites que provienen de compresores, hidrocarburos líquidos, salmuera, entre otros. Etapa 2. Endulzamiento.
Los productos de éste proceso, son gas dulce húmedo y gases ácidos sale el gas libre de estos contaminantes, o al menos con un contenido de estos igual o por debajo de los contenidos aceptables.
El endulzamiento se hace con el fin de remover el H2S y el CO2del GN, se llama así porque se remueven los olores amargos y sucios) Se llaman gases ácidos, porque en presencia de agua forman ácidos Existen varios procesos: Tratamiento de gas con aminas o o Proceso Benfield Unidad PSA o
Los productos de éste proceso, son gas dulce húmedo y gases ácidos
El gas contaminado o gas amargo entra al sistema por la parte inferior de la torre absorbedora, donde después de ser procesado, sale como gas limpio o gas dulce. Dentro de la torre, los gases ácidos se absorben por una solución líquida de alcanolamina que entra por la parte superior de la torre. La solución líquida de alcanolaminas entra a la torre como amina pobre y sale por la parte inferior como amina rica en gases ácidos. Las plantas de tratamiento de la amina remueven el CO 2 y el H2S del gas natural. El gas amargo o ácido es muy corrosivo y causa frecuentes fallas de los flujómetros sumergidos o requiere medidas muy costosas para soportar las condiciones duras. Posteriormente, la corriente de disolvente rico en gases ácidos se manda a una torre regeneradora donde, mediante un aumento de temperatura y una caída de presión, se separa la solución de alcanolaminas de los gases ácidos. Una vez que la corriente de alcanolaminas se encuentra limpia y libre de gases ácidos, es enviada a la torre de absorción para continuar su ciclo en el proceso de endulzamiento La corriente rica en gases ácidos se hace pasar por un tanque flash donde se separan los hidrocarburos disueltos en esta corriente mediante una caída de presión, los hidrocarburos ligeros se separan de los pesados y son separados posteriormente de las alcanolaminas. Posteriormente, la corriente es sometida a un intercambio de calor para entrar a la torre regeneradora.El diseño de la torre regeneradora es el mismo que el de la torre absorbedora, a diferencia que dentro de ella, la solución de alcanolaminas entra por la parte superior de la torre y a contracorriente al vapor de gases ácidos que se generan en el hervidor de la torre. El vapor que fluye hacia arriba de la torre pasa por un condensador que separa la solución de alcanolaminas vaporizadas de los gases ácidos. En el diseño de la torre regeneradora es recomendable utilizar acero inoxidable para su construcción porque sufre problemas de corrosión En el proceso de regeneración de las soluciones de alcanolaminas, normalmente es necesario el uso adicional de equipos auxiliares que favorezcan dicho proceso, como filtraciones con carbón activado, o la adición de sosa cáustica o carbonato de sodio para neutralizar los compuestos térmicamente estables Etapa 3. Recuperación del azufre.
El gas ácido compuesto de H2S y CO2 proveniente del proceso de endulzamiento, se envía a una unidad de recuperación de azufre . En esta unidad alrededor de entre 90 y 97% del H2S contenido en el gas, es convertido en azufre elemental o en ácido sulfúrico. El proceso Claus es el más común para recuperar azufre El proceso de contacto y el proceso WPA se utilizan para recuperar ácido sulfúrico
Posteriormente, la corriente de disolvente rico en gases ácidos se manda a una torre regeneradora donde, mediante un aumento de temperatura y una caída de presión, se separa la solución de alcanolaminas de los gases ácidos. Una vez que la corriente de alcanolaminas se encuentra limpia y libre de gases ácidos, es enviada a la torre de absorción para continuar su ciclo en el proceso de endulzamiento Dentro de la torre absorbedora, el contacto líquido - gas usualmente se hace por medio de platos o empaques que permiten el continuo contacto de la solución de alcanolaminas y el gas natural. En la torre de platos la transferencia de masa se da en cada uno de los platos de la columna, mientras que, en la torre empacada, los empaques proporcionan un contacto muy grande para la transferencia de masa, de manera que principalmente el CO2y H2S se transfieran de la corriente gaseosa a la corriente líquida. La cantidad de gas ácidoremovido de la corriente depende del número de platos o la altura de la torre empacada, usualmente las torres de platos cuentan con veinte platos distribuidos en la torre como estándar de construcción para el proceso. La corriente rica en gases ácidos se hace pasar por un tanque flash donde se separan los hidrocarburos disueltos en esta corriente mediante una caída de presión, los hidrocarburos ligeros se separan de los pesados y son separados posteriormente de las alcanolaminas. Posteriormente, la corriente es sometida a un intercambio de calor para entrar a la torre regeneradora. El diseño de la torre regeneradora es el mismo que el de la torre absorbedora, a diferencia que dentro de ella, la solución de alcanolaminas entra por la parte superior de la torre y a contracorriente al vapor de gases ácidos que se generan en el hervidor de la torre. El vapor que fluye hacia arriba de la torre pasa por un condensador que separa la solución de alcanolaminas vaporizadas
de los gases ácidos. En el diseño de la torre regeneradora es recomendable utilizar acero inoxidable para su construcción porque sufre problemas de corrosión En el proceso de regeneración de las soluciones de alcanolaminas, normalmente es necesario el uso adicional de equipos auxiliares que favorezcan dicho proceso, como filtraciones con carbón activado, o la adición de sosa cáustica o carbonato de sodio para neutralizar los compuestos térmicamente estables Alcanolaminas. Las alcanolaminas son solventes nitrogenados empleados para remover los gases ácidos de la composición del gas natural mediante absorción química, esto se facilita por su alta selectividad hacia los gases ácidos Limpieza del gas residual
El gas producto de la unidad recuperadora de azufre, contiene de un 3 a un 10% de H2S Existen varios procesos que continúan la recuperación de azufre y envían el resto de vuelta a la unidad recuperadora de azufre: Proceso Scot Proceso Clauspol
Son procesos derivados del Proceso Claus que ayudan a recuperar más azufre Incineracion
El gas producto de los procesos anteriores de limpieza, aún contiene entre 0.3 y 1% de H 2S. Se envía a una unidad incineradora para convertirlo en SO2 que es menos contaminante para no enviarlo directamente a la atmósfera. Este incinerador es indispensable en toda planta de endulzamiento
Etapa 4. Deshidratación y remoción de mercurio
Se remueve el vapor de agua mediante alguno de los siguientes procesos:
Unidad de glicol – Liquido disecante que adsorbe el agua por contacto, usualmente trietilen glicol Unidad PSA – Se utiliza un adsorbente sólido, como la zeolita que es un silicato de aluminio
Remoción de mercurio
La remoción del mercurio se lleva a cabo mediante: Carbón activado Tamiz molecular. Es un material que contiene poros pequeños de tamaño preciso y uniforme, usado como agente adsorbente, funciona como un filtro pero que opera a nivel molecular atrapando el mercurio, que es venenoso y perjudicial para las tuberías de aluminio
Etapa 5. Rechazo de nitrógeno
Existen tres métodos básicos para remover el nitrógeno del gas natural: Destilación criogénica Adsorción Separación por membranas
Se utiliza otra destilación criogénica, para obtener:
Etano Propano Isobutano n-Butano Pentanos
Separación criogénica
MERCADO
El mercado del gas natural se ha caracterizado por un mayor uso en los sectores de consumo, resultado de su disponibilidad y otros beneficios ecológicos y económicos que ofrece respecto a otros combustibles lo que ha llevado a convertirlo en la tercer fuente de energía primaria más importante. Su empleo presenta ventajas económicas y ecológicas acorde a las políticas de sustentabilidad actuales que se orientan al empleo de combustibles limpios y eficientes. En el año 2007, se consumieron 282,701 millones de pies cubicos diarios.
RESERVAS DE GAS NATURAL
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Emisiones del gas natural
Emisiones de CO2 40-50% menores que las del carbón 25-30% menores que las del combustóleo
Emisiones de NOX Dos veces menores que el carbón Dos veces y media menores que el combustóleo
Emisiones de SO2 150 veces menores que el diesel Entre 70 y 1500 veces menos que el carbón 2500 veces menos que el combustóleo
USOS
Los principales productos que se obtienen a partir del gas: 1. Gas natural seco: viene a ser el metano con pequeñas cantidades de 2.
3. 4. 5.
etano. Es el gas que se usa como combustible e insumo en la industria. Líquidos de gas natural (LGN) Es una mezcla de propano, butanos, pentanos y otros hidrocarburos mas pesados. Es un producto intermedio en el procesamiento del gas natural. Gas licuado de petróleo (GLP): Es una mezcla de propano y butano. Se transporta en tanques y balones para utilizarse como combustible. Gasolina natural o NAFTAS: Es una mezcla de pentano, hexano y otros hidrocarburos mas pesados. Gas natural comprimido (GNC): El GNC es el gas natural seco comprimido a 200 bar. Se almacena en cilindros a alta presión y se usa como combustible alternativo en reemplazo de las gasolinas.
6. Gas natural licuado (GNL) : Es el gas natural seco que a sido
licuefactado mediante un proceso de enfriamiento, en el cual se disminuye su temperatura hasta -160°C con una reducción de su volumen en aproximadamente 600 veces. De esta forma el gas natural puede ser exportado a través de “barcos metaneros” a los centros de consumo.El gas seco (gas natural comercial) se utiliza como: 1. Combustible en: a. Transporte (autobuses y taxis) b. Hogares (calentadores de agua, estufas, calefacción) c. Comercios (aire acondicionado, calentadores de gua, hornos) d. Industrias (sistema de calefacción, secado, eneración de vapor, hornos) 2. Generación de energía eléctrica por medio de plantas De ciclo combinado CCC esta tecnología consiste en utilizar la combustión del gas natural y el vapor que Producen los gases de escape para generar electricidad de manera complementaria. 3. Materia prima en la elaboración de productos petroquímicos ya que de forma relativamente fácil y económica puede ser convertido a hidrógeno, etileno, o etanol, para fabricar diversos tipos de plásticos y fertilizantes
