Plantas de procesamiento del gas natural • i) Endulzamiento. Donde se le remueve por algún mecanismo de contacto el H2S y el CO2 al gas. Esto se realiza en una unidad de endulzamiento y de ella 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 del gas se hace con el fin de eliminar el H2S y el CO2 del gas natural. Como se sabe el H2S y el CO2 son gases que pueden estar presentes en el gas natural y pueden en algunos casos, especialmente el H2S, ocasionar problemas en el manejo y procesamiento del gas; por esto hay que eliminarlos para llevar el contenido de estos gases ácidos a los niveles exigidos por los consumidores del gas. El H2S y el CO2 se conocen como gases ácidos, porque en presencia de agua forman ácidos, y un gas natural que posea estos contaminantes se conoce como gas agrio.
• ii) Regeneración. En esta etapa la sustancia que removió los gases ácidos se somete a un proceso de separación donde se le remueve los gases ácidos con el fin de poderla reciclar para una nueva etapa de endulzamiento. Los gases que se deben separar son obviamente en primer lugar el H2S y el CO2 pero también es posible que haya otros compuestos sulfurados como mercaptanos (RSR), sulfuros de carbonilo (SCO) y disulfuro de carbono (CS2).
Entre los problemas que se pueden tener por la presencia de H2S y CO2 en un gas se pueden mencionar: - Toxicidad del H2S. - Corrosión por presencia de H2S y CO2.
• iii) Recuperación del Azufre. Como el H2S es un gas altamente tóxico y de difícil manejo, es preferible convertirlo a azufre elemental, esto se hace en la unidad recuperadora de azufre. Esta unidad no siempre se tiene en los procesos de endulzamiento pero cuando la cantidad de H2S es alta se hace necesaria. En la unidad recuperadora de azufre se transforma del 90 al 97% del H2S en azufre sólido o líquido. El objetivo fundamental de la unidad recuperadora de azufre es la transformación del H2S, aunque el azufre obtenido es de calidad aceptable, la mayoría de las veces, para comercializarlo.
- En la combustión se puede formar SO2 que es también altamente tóxico y corrosivo. - Disminución del poder calorífico del gas. - Promoción de la formación de hidratos. - Cuando el gas se va a someter a procesos criogénicos es necesario eliminar el CO2 porque de lo contrario se solidifica. - Los compuestos sulfurados (mercaptanos (RSR), sulfuros de carbonilo (SCO) y disulfuro de carbono (CS2)) tienen olores bastante desagradables y tienden a concentrarse en los líquidos que se obtienen en las plantas de gas; estos compuestos se deben eliminar antes de que los compuestos se puedan usar.
• iv) Limpieza del gas de cola. El gas que sale de la unidad recuperadora de azufre aún posee de un 3 a un 10% del H2S eliminado del gas natural y es necesario eliminarlo, dependiendo de la cantidad de H2S y las reglamentaciones ambientales y de seguridad. La unidad de limpieza del gas de cola continua la remoción del H2S bien sea transformándolo en azufre o enviándolo a la unidad recuperadora de azufre. El gas de cola al salir de la unidad de limpieza debe contener solo entre el 1 y 0.3% del H2S removido. La unidad de limpieza del gas de cola solo existirá si existe unidad recuperadora.
La concentración del H2S en el aire o en un gas natural se acostumbra a dar en diferentes unidades. La conversión de un sistema de unidades a otro se puede hacer teniendo en cuenta lo siguiente: 1 grano = 0,064798 g Peso molecular del H2S = 34. ppm (V) = %(V)*104 Granos/100PCN = (5.1)
• v) Incineración. Aunque el gas que sale de la unidad de limpieza del gas de cola sólo posee entre el 1 y 0.3% del H2S removido, aun así no es recomendable descargarlo a la atmósferay por eso se envía a una unidad de incineración donde mediante combustión el H2S es convertido en SO2, un gas que es menos contaminante que el H2S. Esta unidad debe estar en toda planta de endulzamiento.
Miligramos/m³ = (5.2) Donde, %(V) es la concentración en porcentaje por volumen y ppm (V) es la concentración en partes por millón por volumen. Un proceso de endulzamiento se puede decir, en general, que consta de cinco etapas 1
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1
1 TIPOS DE PROCESOS
Tipos de procesos
Los procesos que se aplican para eliminar H2S y CO2 se pueden agrupar en cinco categorías de acuerdo a su tipo y pueden ser desde demasiado sencillos hasta complejos dependiendo de si es necesario recuperar o no los gases removidos y el material usado para eliminarlos. En algunos casos no hay regeneración con recobro de azufre y en otros si. Las cinco categorías son: - Absorción química. ( procesos con aminas y carbonato de potasio). La regeneración se hace con incremento de temperatura y decremento de presión. - Absorción Física. La regeneración no requiere calor. - Híbridos. Utiliza una mezcla de solventes químicos y físicos. El objetivo es aprovechar las ventajas de los absorbentes químicos en cuanto a capacidad para remover los gases ácidos y de los absorbentes físicos en cuanto a bajos requerimientos de calor para regeneración. - Procesos de conversión directa. El H2S es convertido directamente a azufre. - Procesos de lecho seco. El gas agrio se pone en contacto con un sólido que tiene afinidad por los gases ácidos. Se conocen también como procesos de adsorción.
0.02 200 12.59 288.06 Pérdida del olfato rápidamente. Lesiones en los ojos y garganta. 0.05 500 31.49 720.49 Mareos. Pérdida de la razón y el equilibrio. Problemas de respiración en pocos minutos. Las víctimas necesitan respiración artificial. 0.07 700 44.08 1008.55 Inconsciencia rápidamente. La víctima deja de respirar y muere si no es rescatada con prontitud, además requiere de respiración artificial. 0.10+ 1000+ 62.98+ 1440.98+ Inconsciencia inmediata. Daños permanentes en el cerebro o muerte a menos que la víctima sea rescatada rápidamente y reciba respiración artificial.
1.1 Procesos de absorción química Estos procesos se caracterizan porque el gas agrio se pone en contacto en contracorriente con una solución en la cual hay una substancia que reacciona con los gases ácidos. El contacto se realiza en una torre conocida como contactora en la cual la solución entra por la parte superior y el gas entra por la parte inferior. Las reacciones que se presentan entre la solución y los gases ácidos son reversibles y por lo tanto la solución al salir de la torre se envía a regeneración. Los procesos con aminas son los más conocidos de esta categoría y luego los procesos con carbonato.
El punto clave en los procesos de absorción química es que la contactora sea operada a condiciones que fuercen la reacción entre los componentes ácidos del gas y el solvente (bajas temperaturas y altas presiones), y que el regenerador sea operado a condiciones que fuercen la reacción para liberar los gases ácidos ( bajas presiones y altas Esquema General de un Proceso de Endulzamiento del temperaturas). Gas Natural Mostrando las Cinco Etapas del Proceso. Efectos Fisiológicos de la Concentración de H2S en el • • Procesos con aminas Aire(1). Aunque son muchos los criterios a tener en cuenta para establecer cual categoría puede ser mejor que otra, uno de estos criterios y quizás el más importante desde el punto de vista de capacidad para quitar el H2S es su presión parcial y la figura 67 muestra el comportamiento.
Concentración en el Aire Efectos Fisiológicos %(V) ppm (V) g/100 PCN mg/m³ 0.000013 0.13 0.008 0.18 Olor perceptible y desagradable. Cuando la concentración es mayor de 4.6 ppm el olfato no la detecta. 0.001 10 0.63 14.41 Concentración máxima ambiental permitida por la OSHA*. 0.005 50 3.15 72.07 Pico máximo aceptable por encima del nivel aceptado por la OSHA, permitido durante 10 minutos en un intervalo de ocho horas. 0.01 100 6.3 144.14 Irritación de los ojos. Pérdida del sentido del olfato después de 3 a 15 minutos. Respiración alterada y dolor en los ojos después de 15 – 30 minutos, seguido por irritación de la garganta después de 1 h
El proceso con aminas más antiguo y conocido es el MEA. En general los procesos con aminas son los más usados por su buena capacidad de remoción, bajo costo y flexibilidad en el diseño y operación. Las alcanol-aminas más usadas son: Monoetanolamina (MEA), Dietanolamina (DEA), Trietanolamina (TEA), Diglicolamina (DGA), Diisopropanolamina (DIPA) y Metildietanolamina (MDEA). La Tabla 19 muestra algunas de las propiedades más importantes de ellas. Capacidad Comparativa de Varias Categorías de Procesos de Endulzamiento de Acuerdo con la Presión Parcial del H2S Los procesos con aminas son aplicables cuando los gases ácidos tienen baja presión parcial y se requieren bajas concentraciones del gas ácido en el gas de salida ( gas residual). Las reacciones de algunas aminas son las siguientes:
1.1
Procesos de absorción química RNH2 + H2S 2RNH2 + CO2 lor (5.4)
RNH4S + calor (5.3) RNHCO2- + RNH3+ + Ca-
RNH2 + H2O + CO2 (5.5)
RNH3HCO3 + Calor
Como se puede apreciar las tres reacciones anteriores se pueden dar en un sentido o en otro. Cuando es de izquierda a derecha se tiene el proceso de endulzamiento y hay producción de calor, o sea que la torre contactora se calienta. Para regenerar la amina se debe tener la reacción de derecha a izquierda o sea que a la solución de amina que sale de la torre contactora se le aplica calor para recuperar la amina. Las aminas tienen en general afinidad por todos los compuestos sulfurados pero por unos más que por otros; la afinidad de mayor a menor es la siguiente:
3 de vapor relativamente alta lo que ocasiona altas pérdidas por vaporización, y reacciona irreversiblemente con algunos compuestos de azufre y carbono. Otra desventaja importante es que absorbe hidrocarburos y su corrosividad. Normalmente cuando se usa MEA se requiere un buen “reclaimer” para reversar parcialmente la degradación y recuperar la MEA. La DEA no es tan reactiva con el H2S como la MEA, por lo tanto en algunas ocasiones es incapaz de llevar el contenido de H2S hasta los niveles requeridos; pero tiene una ventaja importante con respecto a la MEA y es que las pérdidas de solución no son tan altas pues tiene una presión de vapor menor al igual que su velocidad de reacción con los compuestos de carbono y azufre. Tiene capacidad adecuada para eliminar COS, CS2 y RSR. Es degradable por el CO2, y los productos de la reacción no se puede descomponer en la regeneración.
Tabla 19. Algunas Características de las alcanolaminas La TEA prácticamente ha sido reemplazada por la DEA (2) y la MEA debido a su baja capacidad relativa para quitar H2S; igual situación se presenta con las demás etanolTipo Fórmula Química Peso Molecular Presión aminas. de Vapor a 100 °F mmHg Capacidad Relativa (%)* MEA HOC2H4NH2 61,08 1,0500 100 DEA (HOC2H4)2NH 105,14 0,0580 58 TEA (HOC2H4)3N 148,19 0,0063 41 DGA H(OC2H4)2NH2 105,14 0,1600 58 DIPA (HOC3H6)2NH 133,19 0,0100 46 MDEA (HOC2H4)2NCH3 119,17 0,0061 51 • La capacidad relativa se toma con respecto a la de MEA para absorber H2S. La MEA tiene la reactividad más alta y por lo tanto la mayor capacidad para eliminar H2S, además como tiene el menor peso molecular ofrece la mayor capacidad para remover H2S por unidad de masa, lo que implica menores tasas de circulación en una planta de endulzamiento; de acuerdo con la reacción estequiométrica para quitar un mol de H2S o CO2 se requiere una mol de MEA pero en la práctica se usa alrededor de 0.4 moles de MEA por mol de H2S por razones de control de corrosión. La MEA es estable químicamente y aunque la rata de reacción con H2S es mayor que con CO2 el proceso de endulzamiento no se considera selectivo pues también remueve el CO2. La MEA normalmente es capaz de llevar las concentraciones de CO2 y H2S a los valores exigidos por el gasoducto. Otras ventajas adicionales de la MEA son baja absorción de hidrocarburos lo cual es importante si hay unidad recuperadora de azufre pues estos hidrocarburos absorbidos se quedan con el gas agrio y ocasionan problemas en la unidad recuperadora, y su buena afinidad por el H2S y el CO2 pero baja por los otros compuestos sulfurados.
Las concentraciones en que se usan las aminas para los procesos de endulzamiento son generalmente del 15% para la MEA, en cantidades de 0.3 - 0.4 moles por cada mol de H2S a quitar, y del 20-30 o más para la DEA; tales concentraciones están dadas por peso. La estequiometría de la MEA y la DEA con el H2S y el CO2 es la misma pero el peso molecular de la DEA es 105 y el de la MEA 61, lo que implica que se requieren aproximadamente 1.7 lbm. de DEA para quitar la misma cantidad de gas ácido que remueve una libra de MEA, pero como la DEA es menos corrosiva se pueden tener concentraciones por peso de hasta 35% mientras con la MEA estas pueden ser hasta de 20%. Las soluciones de DEA puede quitar hasta 0.65 moles de gas ácido por mol de DEA mientras que con la MEA solo se pueden eliminar hasta 0.40 por problemas de corrosión; el resultado de esto es que la tasa de circulación de una solución de DEA normalmente es ligeramente menor que la de una solución de MEA. Mientras mayor sea la relación H2S/CO2 mayor puede ser la concentración de amina y el gas que puede eliminar la solución pues el H2S y el Fe reaccionan y forman el Fe2S3 que se deposita sobre la superficie del hierro y lo protege de la corrosión. Algunas plantas usan mezclas de glicol y aminas para deshidratación y desulfurización simultáneas. La solución usada generalmente contiene del 10 al 30% de MEA, del 45 al 85% por peso de TEG y del 5 al 25% por peso de agua. Estos procesos simultáneos son efectivos si las temperaturas no son muy altas y la cantidad de agua a eliminar es baja.
La solución pobre, sin H2S, entra a la contactora por la parte superior y el gas agrio por la parte inferior; el gas dulce sale por la parte superior y la solución rica, con azufre, sale por la parte inferior de la contactora. La solución La MEA tiene una desventaja importante y es la alta pérrica se envía a regeneración en la torre regeneradora pero dida de solución debido a lo siguiente: posee una presión
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1 TIPOS DE PROCESOS
antes de entrar a ella se precalienta un poco con la solu- estimación de la tasa de circulación del solvente en galoción pobre que ya sale del regenerador hacia la contacto- nes por minuto (gpm), y la entrega de calor requerida en ra. el regenerador en BTU/h. Estas son variables claves que En el regenerador la solución rica se calienta y se presen- controlan los costos de capital y operación en la mayoría ta la mayor parte de la separación de amina y H2S y/o de los procesos de endulzamiento del gas. Los tamaños de CO2; los gases que salen del regenerador se hacen pasar prácticamente todos los equipos en una planta de aminas, por un intercambiador para enfriarlos y lograr condensar excepto la contactora, el despojador del gas agrio y del la amina que salió en estado gaseoso, luego la mezcla re- gas dulce, están relacionados directamente con la cantidad de solvente que se debe circular. Además los tamaños sultante se lleva a un acumulador de reflujo donde el H2S y el CO2 salen como gases y la amina líquida se envía, del regenerador, el rehervidor y el condensador de reflujo están regulados por la cantidad de calor requerido para recircula, a la torre de regeneración. En el proceso que muestra la Figura 67 el calentamiento del regenerador se regenerar la solución. hace sacando solución de la torre haciéndola pasar por La tabla 20 da valores típicos para las variables y los proun intercambiador de calor para calentarla y regresándo- cesos antes mencionados. Con los valores que se muesla nuevamente a la torre. tran en esta tabla es posible tener estimativos de los reLos tanques de almacenamiento y compensación de la querimientos de solución ( tasa de circulación) y de caMEA, deben tener un colchón de gas para evitar que es- lor. Pero si se requieren cálculos más rigurosos es posible deducir ecuaciones que permitan cálculos los mismos patablezca contacto con el aire porque se oxida. rámetros de la siguiente manera En el proceso de regeneración de la amina al aplicar calor a la solución rica se reversan las reacciones del H2S y el Moles de Gas Ácido a Remover (Qgac) CO2 con las aminas, pero no las reacciones con CS, CS2 y RSR que producen compuestos insolubles. Para remover Moles de Gas Ácido que Remueve un Galón de Solución estos contaminantes se usa un regenerador o purificador, (qgac) conocido como “reclaimer”. Parte de la solución pobre Galones Requeridos para Remover el Gas Ácido (L, Tasa que sale de la columna regeneradora, aproximadamente de Circulación) del 1 al 3 %, se envía al purificador en el cual se aplica calor para evaporar el agua y la amina los cuales como La ecuación supone que las propiedades de la solución se vapores salen por la parte superior del recipiente y los mantienen constantes y que se remueve todo el gas ácido; compuestos estables al calor son retenidos en el recipiente en caso de no removerse todo el gas ácido Yag se debe y removidos drenando periódicamente el recipiente. El corregir por la cantidad que se acepta en el gas endulzado. purificador se usa cuando la amina es MEA o DEA. Tabla 20 −. Guías Aproximadas y Propiedades para Pro• • Procesos con carbonato
cesos de Endulzamiento de Gas. Variable Proceso MEA DEA DGA Sulfinol
También conocidos como procesos de carbonato caliente porque usan soluciones de carbonato de potasio al 25 – 35% por peso y a temperaturas de unos 230 °F. En el proceso de regeneración el KHCO3 reacciona consigo mismo o con KHS, pero prefiere hacerlo con el KHCO3 y por tanto se va acumulando el KHS, lo cual le va quitando capacidad de absorción. La mayoría de los procesos con carbonato caliente contienen un activador el cual actúa como catalizador para acelerar las reacciones de absorción y reducir así el tamaño de la contactora y el regenerador; estos activadores son del tipo aminas (normalmente DEA) o ácido bórico. • • Aproximación al Diseño de una Unidad de Aminas. •
• Requerimientos de Solvente y de Calor en el Regenerador.
Para la mayoría de los procesos más comunes de endulzamiento tales como MEA, DEA, DGA y sulfinol, el primer paso en cualquier evaluación económica debe ser una
Capac. de Remoc. De Gas Ácido a 100 °F (PCN/Gal). 3 – 4 4 – 5 5 – 7 3 - 17 Capacidad para Remover Gas Ácido (Mol/Mol) 0.33– 0.44 0.35 −0.65 0.250.3 ----Rango de Concentración (%W) 15-20 20 – 25 50 – 65 * Gas Ácido Residual en la Sol. Reg Moles H2S/Mol de Aminas Moles CO2/Mol de Aminas 0.004 0.10 0.002 0.08 0.002 0.08 Capac. Típica Req del Reherv.(BTU/h) 10001200 900-1000 700-1100 550-1720 Calores de Reacción (BTU/Lb)
1.2
Procesos de Absorción Física
5
H2S CO2 685 820 615 680 674 850 Peso Moleculares 133.2/120.2**
61.1
105.1
105.1
Densidad a 60 °F (lb/gal.) 8.48 9.09 8.82 8.33/10.52** Punto de Ebullición ( °F ) 339 516 430 480/545** Punto de Solidificación (°F) 50.9 82.4 9.5 108/82** • Varía debido a sus tres componentes. • DIPA/Sulfolano. L, tasa de circulación de solución de amina, gals./min Q, tasa de gas agrio, MPCN/D MWamin., peso molecular de la amina. Yag, fracción molar de gases ácidos en el gas agrio. YH2S y YCO2, fracciones molares de H2S y CO2 en el gas agrio. Wamin, fracción por peso de la amina en la solución. dl, densidad de la solución, Lbs./gal. xag, r, Carga de la solución rica, moles de gas ácido /mol de amina. Xag, L, carga de la solución pobre, moles de gas ácido /mol de amina. R, relación de reflujo, Moles de reflujo/mol de gas ácido. Hrefl., calor de vaporización del reflujo, BTU/Lb. ( el reflujo es básicamente agua).
Los procedimientos usados para dimensionar los componentes de una planta de endulzamiento son similares a los usados para cualquier facilidad de procesamiento del gas. Una vez que se han realizado los cálculos básicos del proceso se puede proceder a determinar el tamaño de los equipos. El diámetro de la contactora se basa en la presión de operación y la cantidad de gas a tratar. Para la longitud se plantea el diseño específico de cada plato y generalmente se habla de cuatro a cinco platos teóricos con una eficiencia entre el 10 y el 20%, lo cual lleva a que una absorbedora tenga entre 20 y 30 platos reales separados entre sí unas 24 pulgadas.
1.2 Procesos de Absorción Física La absorción física depende de la presión parcial del contaminante y estos procesos son aplicables cuando la presión del gas es alta y hay cantidades apreciables de contaminantes. Los solventes se regeneran con disminución de presión y aplicación baja o moderada de calor o uso de pequeñas cantidades de gas de despojamiento. En estos procesos el solvente absorbe el contaminante pero como gas en solución y sin que se presenten reacciones químicas; obviamente que mientras más alta sea la presión y la cantidad de gas mayor es la posibilidad de que se disuelva el gas en la solución. Los procesos físicos tienen alta afinidad por los hidrocarburos pesados. Si el gas a tratar tiene un alto contenido de propano y compuestos más pesados el uso de un solvente físico puede implicar una pérdida grande de los componentes más pesados del gas, debido a que estos componentes son liberados del solvente con los gases ácidos y luego su separación no es económicamente viable. El uso de solventes físicos para endulzamiento podría considerarse bajo las siguientes condiciones: Presión parcial de los gases ácidos en el gas igual o mayor de 50 Lpc. Concentración de propano o más pesados baja. Solo se requiere remoción global de los gases ácidos ( No se requiere llevar su concentración a niveles demasiado bajos) Se requiere remoción selectiva de H2S Entre estos procesos está el proceso selexol y el lavado con agua. • • Proceso Selexol
Usa como solvente un dimetil eter de polietilene glicol (DMPEG). La mayoría de las aplicaciones de este proceso han sido para gases agrios con un alto contenido de CP, L, Capacidad calorífica a presión constante CO2 y bajo de H2S. La solubilidad del H2S en el DMde la solución, BTU/Lb./°F PEG es de 8 –10 veces la del CO2, permitiendo la absorción preferencial del H2S. Cuando se requieren conNuevamente se supone que se remueve todo el gas ácido tenidos de este contaminante para gasoducto en el gas de y de no ser así se debe aplicar el correctivo mencionado salida del proceso se le agrega DIPA al proceso; con esantes. ta combinación la literatura reporta que simultáneamente con bajar el contenido de H2S a los niveles exigidos se ha • • Dimensionamiento. logrado remover hasta un 85% del CO2. HH2S y HCO2, calores de reacción del H2S y el CO2 con la amina, BTU/Lb.
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1 TIPOS DE PROCESOS
Ventajas del Selexol: • Selectivo para el H2S • No hay degradación del solvente por no haber reacciones químicas • No se requiere “reclaimer”. • Pocos problemas de corrosión • El proceso generalmente utiliza cargas altas de gas ácido y por lo tanto tiene bajos requerimientos en tamaño de equipo. • Se estima que remueve aproximadamente el 50% del COS y el CS2. Desventajas del Selexol. • Alta absorción de Hidrocarburos. Los procesos de absorción físicos son más aplicables cuando los contenidos de etano e hidrocarburos más pesados son bastante bajos. • Requiere presiones altas ( mayores de 400 LPC.) • Solvente más costoso que las aminas • En algunos casos se ha presentado acumulación de azufre en el solvente y depositación de azufre en los equipos. • Baja remoción de mercaptanos • Se debe usar gas de despojamiento en el proceso de regeneración. • • Proceso de Lavado con Agua. Es un proceso de absorción física que presenta las siguientes ventajas: como no hay reacciones químicas los problemas de corrosión son mínimos y el líquido usado se regenera haciéndolo pasar por un separador para removerle el gas absorbido, no se requiere aplicación de calor o muy poca, es un proceso bastante selectivo. La principal desventaja es que requiere una unidad recuperadora de azufre. El proceso es efectivo a presiones altas, contenidos altos de gases ácidos y relaciones H2S/CO2 altas. Algunas veces se recomienda combinar este proceso con el de aminas para reducir costos.
1.3 Procesos Híbridos Los procesos híbridos presentan un intento por aprovechar las ventajas de los procesos químicos, alta capacidad de absorción y por tanto de reducir los niveles de los contaminantes, Figura 68-.Diagrama del Proceso de Endulzamiento por Absorción con Agua. especialmente H2S, a valores bajos, y de los procesos físicos en lo relativo a bajos niveles de energía en los procesos de regeneración. El proceso híbrido más usado es el Sulfinol que usa un solvente físico, sulfolano ( dióxido de tetrahidrotiofeno), un solvente químico (DIPA) y agua. Una composición típica del solvente es 40- 40-20 de sulfolano, DIPA y agua respectivamente. La composición del solvente varía dependiendo de los requerimientos del proceso de endulzamiento especialmente con respecto a la remoción de COS, RSR y la presión de operación. Los efectos de la DIPA y el sulfolano para mejorar la eficiencia del proceso son diferentes. La DIPA tiende a ayudar en la reducción de la concentración de gases ácidos a niveles bajos, el factor dominante en la parte superior de la contactora, y el sulfolano tiende a aumentar la capacidad global de remoción, el factor dominante en el fondo de la contactora. Como los solventes físicos tienden a reducir los requerimientos de calor en la regeneración, la presencia del sulfolano en este proceso reduce los requerimientos de calor a niveles menores que los requeridos en procesos con aminas. El diagrama de flujo del proceso sulfinol es muy similar al de los procesos químicos. Ventajas del Sulfinol. • Exhibe excelentes capacidades para la remoción de H2S y CO2. El sulfinol como la DEA tienen buena capacidad para remover gases ácidos a presiones bajas, de 100 a 300 Lpc. • El Sulfinol puede remover COS, RSR y CS2 sin degradación. La remoción de estos contaminantes es debida básicamente a la presencia del sulfolano. • La remoción selectiva del H2S es posible en algunos casos específicos, especialmente con relaciones CO2/H2S altas y cuando no se requiere la remoción de COS, RSR o CS2.
En el proceso el gas ácido es enviado de abajo hacia arriba en la torre y hace contacto con el agua que viene de arriba Desventajas del Sulfinol. hacia abajo. El gas que sale por la parte superior de la torre está parcialmente endulzado y se envía a la planta de • No es un proceso comercial. Hay que pagar aminas para completar el proceso de endulzamiento. El derechos para poderlo aplicar. agua que sale del fondo de la torre se envía a un separador • El CO2 degrada la DIPA, aunque el producto de presión intermedia para removerle los hidrocarburos resultante se puede separar en un “reclaimer”. disueltos y al salir de éste se represuriza para enviarla a Generalmente en el proceso Sulfinol se usa un un separador de presión baja donde se le remueven los “reclaimer “ que trabaja al vacío en lugar de un gases ácidos y de aquí el agua ya limpia se recircula a la “reclaimer” atmosférico. torre.
1.4
Procesos de Conversión Directa • Aunque el sulfolano no se degrada en el proceso de regeneración se pueden presentar pérdidas por evaporación. • Debido a la presencia del sulfolano se presenta absorción excesiva de hidrocarburos pesados que pueden afectar el proceso de recuperación de azufre. • Un problema en algunas plantas de sulfinol es la formación de un lodo tipo brea que bloquea intercambiadores y líneas. Este lodo se ha encontrado que se forma a temperaturas por encima de 160 °F.
1.4
Procesos de Conversión Directa
7 Desventajas del Proceso • Es complicado y requiere equipo que no es común en operaciones de manejo. • El solvente se degrada y el desecho de algunas corrientes que salen del proceso es un problema; está en desarrollo un proceso que no tiene corrientes de desecho. • Los químicos son costosos. • El proceso no puede trabajar a presiones mayores de 400 Lpca. • Las plantas son generalmente de baja capacidad y el manejo del azufre es difícil.
• Proceso del Hierro Esponja. Estos procesos remueven el H2S y lo convierten directamente a azufre elemental sin necesidad de unidad recuperadora de azufre. Estos procesos utilizan reacciones Este proceso es aplicable cuando la cantidad de H2S es de oxidación – reducción que involucran la absorción de baja (unas 300 ppm) y la presión también. Requiere la H2S en una solución alcalina. Entre estos métodos está el presencia de agua ligeramente alcalina. proceso Stretford y el proceso del Hierro Esponja. Es un proceso de adsorción en el cual el gas se hace pasar a través de un lecho de madera triturada que ha sido • Proceso Stretford. impregnada con una forma especial hidratada de Fe2O3 que tiene alta afinidad por el H2S. La reacción química Es el más conocido de los métodos de conversión directa que ocurre es la siguiente: y en él se usa una solución 0.4 N de Na2CO3 y NaHCO3 en agua. La relación es una función del contenido de CO2 Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O (5.18) en el gas. Una de las ventajas del proceso es que el CO2 no es afectado y continua en el gas, lo cual algunas veces La temperatura se debe mantener por debajo de 120 °F es deseable para controlar el poder calorífico del gas. pues a temperaturas superiores y en condiciones ácidas o El gas agrio entra por el fondo de la contactora y hace con- neutras se pierde agua de cristalización del óxido férrico. tacto en contracorriente con la solución del proceso. Con este proceso se pueden tener valores de concentración de El lecho se regenera circulando aire a través de él, de H2S tan bajos como 0.25 granos/100 PC (4PPM) hasta acuerdo con la siguiente reacción: 1.5 PPM. La solución permanece en la contactora unos 2Fe2S3 + 3O2 2Fe2O3 + 6S (5.19) 10 minutos para que haya contacto adecuado y se completen las reacciones y luego al salir por el fondo se envía La regeneración no es continua sino que se hace perióa un tanque de oxidación, en el cual se inyecta oxígeno dicamente, es difícil y costosa; además el azufre se va por el fondo para que oxide el H2S a Azufre elemental; depositando en el lecho y lo va aislando del gas. el mismo oxígeno inyectado por el fondo del tanque de El proceso de regeneración es exotérmico y se debe hacer oxidación envía el azufre elemental al tope del tanque de con cuidado, inyectando el aire lentamente, para evitar donde se puede remover. que se presente combustión. Generalmente, después de 10 ciclos el empaque se debe cambiar. Ventajas del Proceso • Buena capacidad para remover H2S. Puede bajar su contenido a menos de 2PPM. • Proceso Selectivo no remueve CO2. • No requiere unidad recuperadora de azufre. • Bajos requisitos de equipo. No requiere suministro de calor ni expansión para evaporación • El azufre obtenido es de pureza comercial pero en cuanto a su color es de menor calidad que el obtenido en la unidad recuperadora de azufre.
En algunos diseños se hace regeneración continua inyectando O2 al gas agrio. Las principales desventajas de este proceso son: • Regeneración difícil y costosa • Pérdidas altas de presión • Incapacidad para manejar cantidades altas de S • Problemas para el desecho del S pues no se obtiene con la calidad adecuada para venderlo.
8 Una versión más reciente de adsorción química con óxido de hierro utiliza una suspensión de este adsorbente, la cual satura un lecho de alta porosidad que se utiliza para garantizar un contacto íntimo entre el gas agrio y la suspensión de óxido de hierro (15). El proceso sigue siendo selectivo ya que solamente adsorbe el H2S y no el CO2, por tanto se puede usar para remover H2S cuando hay presencia de CO2; pero tiene la ventaja que en la reacción no produce SO2. La Figura 69, muestra un esquema del proceso y una descripción un poco más detallada de la contactora. El gas proveniente de un separador gas-líquido se hace pasar por un despojador de entrada con el fin de hacerle una remoción adicional de líquido que no se pudo retirar en el separador Gas-líquido; al salir del despojador el gas está saturado con los componentes condensables y se hace pasar por un sistema de calentamiento para que cuando entre a la torre esté subsaturado con tales componentes y así evitar que en la contactora el gas pueda llevar líquidos que afectarían el proceso; del sistema de calentamiento el gas entra a la contactora por su parte inferior. La figura 70 muestra un esquema de la contactora la cual por encima de la entrada de gas posee un bafle distribuidor de flujo cuya función es hacer que el gas se distribuya uniformemente por toda el área transversal de la contactora. Luego se tiene un empaque con anillos de prolipropileno de una alta porosidad, sostenido en su parte inferior y superior por bafles horizontales de acero perforados para permitir el paso del Gas. La porosidad de este empaque es de más del 90% y su función es servir como medio para que la lechada de óxido de hierro y el gas establezcan un contacto íntimo. La torre además dispone de conexiones para inyección de químicos en caso de que sea necesario para mejorar el proceso y válvulas de muestreo para verificar el nivel de lechada en el empaque. La lechada se prepara en el tanque de mezcla con agua fresca y polvo de óxido de hierro en una proporción 4 a 1 por volumen; para garantizar una buena suspensión del óxido en el agua ésta se recircula con la bomba por el fondo al tanque a través de boquillas mientras se agrega el óxido por la parte superior. Una vez lista la suspensión se inyecta al empaque de la torre y cuando el proceso está en marcha el gas se encargará de mantener las partículas de óxido de hierro en suspensión. Además del H2S que se le remueve al gas durante el proceso en él también se le retira parte del vapor de agua; de todas maneras el gas que sale de la contactora generalmente pasa a una unidad de deshidratación. Cuando el gas empieza a salir con un contenido alto de H2S, o sea cuando la suspensión ha perdido efectividad para removerlo, se debe proceder al cambio de lechada de la siguiente manera: se cierra la entrada de gas ácido al despojador de entrada, se despresuriza la torre a unas 100 lpc., se remueve la lechada gastada de la contactora a través de una válvula de drenaje para ello, manteniendo la torre presurizada con un colchón de gas a 100 lpc., después
1 TIPOS DE PROCESOS de retirada la lechada agotada se despresuriza completamente la torre y se inyecta la nueva suspensión que ya se ha preparado en el tanque de mezcla. Esta operación dura unas dos horas y para evitar parar el proceso se deberán tener dos contactoras.
1.5 Procesos de Absorción en Lecho Seco (Adsorción) Figura 69-. Equipo y Proceso del Endulzamiento con Lechada de Óxido de Hierro. Figura 70-. Torre Contactora del Proceso de Endulzamiento con Lechada de Óxido de Hierro. En estos procesos el gas agrio se hace pasar a través de un filtro que tiene afinidad por los gases ácidos y en general por las moléculas polares presentes en el gas entre las que también se encuentra el agua. El más común de estos procesos es el de las mallas moleculares aunque algunos autores también clasifican el proceso del hierro esponja en esta categoría Aunque son menos usados que los procesos químicos presentan algunas ventajas importantes tales como: Simplicidad, alta selectividad (solo remueven H2S) y la eficiencia del proceso no depende de la presión. Se aplica a gases con concentraciones moderadas de H2S y en los que no es necesario remover el CO2. •
• • Proceso con Mallas Moleculares.
Es un proceso de adsorción física similar al aplicado en los procesos de deshidratación por adsorción. Las mallas moleculares son prefabricadas a partir de aluminosilicatos de metales alcalinos mediante la remoción de agua de tal forma que queda un sólido poroso con un rango de tamaño de poros reducido y además con puntos en su superficie con concentración de cargas; esto hace que tenga afinidad por moléculas polares como las de H2S y H2O; además debido a que sus tamaños de poro son bastante uniformes son selectivas en cuanto a las moléculas que remueve. Dentro de los poros la estructura cristalina crea un gran número de cargas polares localizadas llamadas sitios activos. Las moléculas polares, tales como las de H2S y agua, que entran a los poros forman enlaces iónicos débiles en los sitios activos, en cambio las moléculas no polares como las parafinas no se ligarán a estos sitios activos; por lo tanto las mallas moleculares podrán endulzar y deshidratar simultáneamente el gas. Las mallas moleculares están disponibles en varios tamaños y se puede tener una malla molecular que solo permita el paso de moléculas de H2S y H2O pero no el paso de moléculas grandes como hidrocarburos parafínicos o aromáticos. Sin embargo el CO2 es una molécula de tamaño similar a las de H2S y agua y aunque no es polar puede quedar atrapada en los poros por las moléculas de H2S y agua, aunque en pequeñas cantidades, y bloqueará los poros. El principal problema con el CO2 es que al quedar atrapado reduce
9 los espacios activos y por tanto la eficiencia de las mallas incineración. Se puede formar COS en la malla molecular para retener H2S y agua. por reacción entre el CO2 y el H2S y por lo tanto en el Los procesos con mallas moleculares se realizan a presio- proceso de regeneración se va a obtener un gas de salida nes moderadas, es común presiones de unas 450 Lpc. Las que no estaba presente en el gas agrio. mallas se regeneran circulando gas dulce caliente a temperaturas entre 300 y 400 °F. No sufren degradación química y se pueden regenerar indefinidamente; sin embar- 2 go se debe tener cuidado de no dañarlas mecánicamente pues esto afecta la estructura de los poros y finalmente la eficiencia del lecho.. La principal causa de daño mecánico son los cambios bruscos de presión o temperatura cuando se pasa la contactora de operación a regeneración 2.1 o viceversa.
Procedimiento Preliminar para Seleccionar un Proceso de Endulzamiento Selección de Procesos Aplicables
El uso de mallas moleculares en endulzamiento está li- Aunque existen muchos procesos de endulzamiento, para mitado a volúmenes pequeños de gas y presiones de ope- un caso particular dado los procesos aplicables se reducen ración moderadas; debido a esto su uso es limitado en a 3 0 4 si se analizan los siguientes aspectos: procesos de endulzamiento. Se usan generalmente para mejorar el endulzamiento o deshidratación realizado Especificaciones del gas residual con otros procesos o para deshidratación de gases dulces Composición del gas de entrada cuando se exigen niveles muy bajos de agua, por ejemplo gas para procesos criógénicos. Consideraciones del proceso La Figura 71 muestra el diagrama del proceso de endulzaDisposición final del gas ácido miento con mallas moleculares. El gas agrio entra por la Costos parte superior y sale por la inferior. El lecho se regenera circulando una porción del gas endulzado, precalentado • Especificaciones del gas residual. a una temperatura de 400-600 °F o más, durante unas 1,5 horas para calentar el lecho. Cuando la temperatura del lecho aumenta, éste libera el H2S adsorbido a la co- Dependiendo de los contenidos de contaminantes permirriente del gas regenerador; este gas al salir de la torre es tidos en el gas de salida del proceso habrá procesos que quemado, generalmente. no podrán llevar las concentraciones a tales niveles y por Las mallas moleculares son poco usadas, pero se pueden tanto serán eliminados. En algunos casos se requieren aplicar cuando la cantidad de gas a tratar es baja; además procesos selectivos porque, por ejemplo, hay veces que se pueden usar como complemento en procesos de endul- es necesario dejar el CO2 en el gas de salida con el fin zamiento y y/o cuando se requieren contenido muy bajos de controlar su poder calorífico. La selectividad también es importante en casos en que la relación CO2/H2S sea de agua. alta y se requiera hacer pasar el gas ácido por una uniFigura 73 −.Diagrama del Proceso de Endulzamiento por dad recuperadora de azufre; la presencia de CO2 afecta Adsorción con Mallas Moleculares. el desempeño de la unidad. El contenido de H2S es un Las mallas moleculares se usan también para tratar volú- factor importante, quizás el más, en el gas de salida. menes grandes de gas pero con contenidos bajos de con- El contenido de azufre total en el gas residual se refiere taminantes ácidos. Una innovación reciente del proceso a la combinación de H2S, COS, CS2 y RSR. Lo ideal es con mallas moleculares permite la remoción selectiva de remover todo el azufre del gas porque estos compuestos H2S en presencia de CO2. de azufre tienden a concentrarse en los líquidos obtenidos Ventajas. Son económicamente favorables para endulzar gases con bajo contenido de H2S. Pueden ser muy selectivas y dejar casi el 100% de CO2.
en la planta de gas, lo cual podría implicar tratamiento de estos líquidos. •
• • Características del Gas a Tratar.
Este factor es determinante en el diseño del proceso de endulzamiento, algunos procesos tienen desempeños muy Cuando hay presencia de agua pueden endulzar pobres con algunos gases de entrada y deben ser eliminay deshidratar simultáneamente. dos en la selección. En cuanto a la composición del gas el área de mayor importancia es la cantidad relativa de hiDesventajas. drocarburos pesados recuperables; algunos procesos tieEl gas que sale de la regeneración en algunos casos no se nen tendencia a absorber hidrocarburos, y esta tendencia puede mezclar con los gases de combustión del proceso de es mayor mientras más pesados sean los hidrocarburos,
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2 PROCEDIMIENTO PRELIMINAR PARA SELECCIONAR UN PROCESO DE ENDULZAMIENTO
los cuales no solo crean problemas de espumas sino que Algunos procesos son más eficientes que otros en cuantambién afectan el proceso de recuperación de azufre. to a combustible, por ejemplo los de absorción física y La presión del gas de entrada también es un factor impor- los híbridos son más eficientes en este sentido que los de tante en la selección del proceso. Los procesos con car- aminas. bonato y los de absorción física requieren presiones de al menos unas 400 Lpc., normalmente de 800 Lpc., por lo 2.2 Capacidad de Remoción de Ácidos tanto estos procesos no se podrán aplicar cuando se va a trabajar a presiones bajas. La tabla 21 muestra la capacidad de remoción de algunos La temperatura del gas también es importante porque de- procesos, siempre y cuando el proceso sea aplicable y el fine la temperatura del solvente; una buena recomenda- diseño adecuado. ción es que la temperatura del solvente sea unos 15 – 20 Los procesos con carbonato se usan básicamente para re°F por encima de la del gas de entrada; pues si el solvente mover CO2 y son buenos para tratar gases agrios con está más frío que el gas de entrada habrá condensación y contenidos altos, mayores del 20%, de gases ácidos pero los siguientes problemas de formación de espumas. generalmente requieren un paso adicional de tratamienLa cantidad de gas a tratar define el tamaño del equipo y to con aminas para terminar el endulzamiento y llevar el posiblemente el número de plantas en paralelo cuando se contenido de gases ácidos a los niveles exigidos de 4ppm o menos. Todos los procesos, con excepción de los de carmanejan volúmenes grandes de gas. bonato, remueven el H2S hasta 4 ppm o menos, pero no • • • Consideraciones del Proceso todos remueven el CO2; el Stretford, las mallas y el hierro esponja no remueven el CO2, y el DIPA y los solventes La temperatura y disponibilidad del medio de calenta- físicos tienen grados de remoción variables dependiendo miento se debe evaluar antes de hacer el diseño, esto es del contenido de CO2 y del diseño. importante en los costos de equipo y operación. La disponibilidad del medio de enfriamiento también es importante por la misma razón expuesta antes. Además la tem- 2.3 Características del Proceso de Trataperatura del medio de enfriamiento define la temperatura miento de circulación del solvente. En zonas donde el agua es escasa y por lo tanto costosa para usarla como medio de La tabla 22 muestra las características más importantes enfriamiento el aire pasaría a ser el medio de enfriamien- de operación de los principales procesos de endulzamiento a usar y esto hace que las temperaturas del solvente, to. especialmente en verano, no puedan ser menores de 135 Tabla 21 −. Capacidad de Remoción de Gases Ácidos de – 140 °F, lo cual impedirá usar solventes físicos pues esAlgunos Procesos de Endulzamiento. tos funcionan mejor a temperaturas bajas. •
• • Disposición Final del Gas Ácido
Proceso H2S en Gas Tratado Remoción De CO2 Selectividad
La disposición final del gas ácido puede ser una unidad recuperadora de azufre o incineración, dependiendo del contenido de H2S en el gas agrio y las exigencias ambientales. Cuando se usa incineración no es importante el contenido de hidrocarburos pesados en el gas a tratar pero en la unidad recuperadora de azufre la presencia de hidrocarburos afecta el color del azufre recuperado tornándolo gris u opaco en lugar de amarillo brillante, lo cual afecta su calidad. Además si el gas ácido se va a pasar por una unidad recuperadora de azufre y luego por una unidad de limpieza de gas de cola, requiere más presión que si se va a incinerar. •
• • Costos
Los factores de costo que se deben tener en cuenta son:
MEA < 4ppm 99+ No DEA < 4ppm 99 No DGA < 4ppm 99+ NO DIPA < 4ppm 30 –99 Puede ser Solv. Físicos < 4ppm 15 – 95 Si Sulfinol < 4ppm Hasta 99+ Puede ser Sretford < 4ppm ~0 Si Mallas < 4ppm ~0 Si Hierro Esponja < 4ppm ~0 Si Proc. Con Carb. ~20ppm 98 – 99 no Tabla 22 −. Características de Algunos Procesos de Endulzamiento.
Costos de equipo Costos de Potencia
Proceso Aplicable
Costos de solvente
Gases Ricos Aplicable
Costos de combustible.
Bajas P Degrad.
11 Qca. Del Solvente Necesidad Reclaimer Pérdidas Prom. L..b/MPCN* MEA Si Si Si Si 5 DEA Si Si Si No 3.5 DIPA Si Si Si Si 5.0
turbulencia y debe haber espacio adecuado para la liberación del vapor. • • Acondicionamiento del Gas de Entrada. Especialmente es importante la filtración y remoción de líquidos presentes en el gas de entrada; tanto las partículas sólidas como los líquidos presentes en el gas ocasionan problemas en las plantas de aminas. Se deben remover partículas de hasta 5 micrones.
CATACARB Si No No No 3 Solv. Físic. No No No No 4
• • Selección de Materiales.
SULFINOL A veces Si Si Si 1.5/% La mayoría de las plantas de aminas son construidas con aceros inoxidables al carbono pero por las condiciones de Mallas Mol. A veces Si No No corrosión, presión y temperatura a las que tienen que traHierro Esp. A veces Si No No bajar es muy común operaciones de reposición de piezas o partes por su estado de alteración por corrosión al ca• estas pérdidas se dan en libras de solvente bo de tiempos de operación relativamente cortos. Se repor millón de pie cúbico normal de gas comienda el uso de aceros resistentes a la corrosión con ácido. espesor de tolerancia para la misma de aproximadamente 1/8 de pulgada para los recipientes y además monitoreo Cuando el gas a tratar posee cantidades apreciables de hi- del problema de corrosión. drocarburos pesados se deben eliminar los procesos con solventes físicos ya que estos procesos absorben muchos • • Filtrado de la Solución de estos hidrocarburos que se le deben remover al gas en el procesamiento ( fraccionamiento); además estos hidrocarburos pesados terminan en el gas ácido lo cual creará Es una de las claves más importantes para el funcionaproblemas en la unidad recuperadora de azufre. El DGA, miento adecuado de una planta de aminas. Generalmente el Sulfinol, el Stretford y las mallas moleculares solo pue- los operadores no usan filtros para evitar problemas de taden tratar corrientes de gas que posean contenidos inter- ponamiento, pero el hecho de que este se presente es una medios de hidrocarburos pesados. La presencia de aro- prueba de la necesidad de filtración. Los filtros remueven máticos como el benzeno complica aún más el proble- partículas de sulfuro de hierro y otros materiales tipo lodo ma. Los procesos con MEA, DEA, DIPA y carbonatos que tratan de depositarse en los sistemas de endulzamienprácticamente no absorben hidrocarburos pesados. .. So- to; si estos materiales no se remueven tienen tendencia a lo los procesos con carbonato y con solventes físicos no formar espumas y crear problemas de corrosión. pueden trabajar a presiones bajas pues su capacidad de Por los filtros se circula entre un 10 y 100% de la soluabsorción de gases ácidos depende de la presión parcial ción siendo el promedio entre 20 y 25%; mientras mayor de estos. Todos los procesos con aminas tienen solventes sea el porcentaje filtrado mejor será la calidad de la soluque sufren algún grado de degradación y pueden requerir ción, pero se requiere mayor mantenimiento de los filtros. el uso de “reclaimer”. Como los procesos en lecho seco La caída de presión a través del filtro se toma como refeno tienen solvente con ellos no se presentan problemas rencia para el cambio del mismo. El tamaño de poro del de degradación; sin embargo en las mallas se pueden prefiltro puede variar desde uno hasta micrones dependiensentar problemas de sinterización y taponamiento lo cual do de las características de las partículas a remover pero hace que pierda su capacidad y eficiencia de remoción y una selección de un filtro de 10 micras es típica y parece sea necesario reemplazarlas; en el caso del hierro esponja adecuada. aunque puede haber regeneración, por aspectos económicos y técnicos se recomienda reemplazarla. • • Pérdidas y Degradación de las Aminas. STRETFOR A veces Si Si No
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Consideraciones de Diseño • • Dimensionamiento Apropiado.
Este es un aspecto importante por varias razones, entre ellas: El solvente perdido se debe reemplazar y esto representa una fracción apreciable de los costos de operación.
El dimensionamiento, además de que afecta la tasa de cir- El solvente degradado reduce la cantidad de solvente acculación del solvente es importante por los siguientes as- tivo, acelera la corrosión y contribuye a la formación de pectos: se debe evitar velocidades excesivas, agitación y espumas.
12 Las pérdidas de solvente se pueden reducir usando ”reclaimers” y filtros, instalando despojadores a la salida de contactora y el regenerador, teniendo colchón de gas ( Gas Blanketing) en el almacenamiento del solvente y diseñando adecuadamente los sistemas intercambiadores de calor para reducir el flujo de calor. Si el vapor es el medio de calentamiento no debe estar a temperaturas mayores de 300 °F a 50 Lpc. y cuando es aceite caliente su temperatura no puede ser mayor de 350 °F. • • Formación de Espumas. Las espumas pueden reducir la calidad del gas de salida porque reducen el contacto gas – líquido y ocasionan un arrastre excesivo de aminas. Algunas veces se hace necesario el uso de inhibidores de espumas y es necesario trabajo en el laboratorio para determinar el tipo de inhibidor y la cantidad del mismo. Algunas veces una pequeña cantidad de inhibidor puede resolver el problema, pero una cantidad mayor del mismo lo puede reiniciar. Cuando se observa una caída de presión alta en la contactora se debe realizar una inspección del antiespumante. La formación de espumas se debe intentar controlar con el uso del “reclaimer” y filtración, el uso de inhibidores será un último recurso pues ellos solo controlan el problema no lo resuelven. Una causa de formación de espumas que a menudo no se tiene en cuenta es la condensación de hidrocarburos en la contactora, esto se puede controlar manteniendo la temperatura de la solución pobre ( la que está entrando a la contactora) a una temperatura 10 0 15 °F por encima de la temperatura del gas de entrada y para gases muy agrios se pueden requerir diferencias aún mayores. • • Operación del Regenerador Temperaturas altas de regeneración mejoran la capacidad de remoción de gases ácidos pero también aumentan las posibilidades de corrosión y de degradación del solvente. Las soluciones de amina pobre deben salir del regenerador a temperaturas no mayores de 260 °F ( 280 °F para la DGA) y en promedio entre 230 y 240 °F para prevenir la degradación térmica. Cuando se tiene planta recuperadora de azufre la presión del regenerador requerida para forzar el gas a la unidad recuperadora puede resultar en temperaturas más altas. El diseño del rehervidor también involucra consideraciones importantes. Debe haber espacio adecuado entre tubos para permitir la liberación del vapor. Los tubos siempre deben estar cubiertos con algunas pulgadas de líquido y se debe garantizar un flujo estable de calor que no exceda los 12000 BTU/pie2/h.
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
bles y el vapor de agua y dejando un producto no regenerable, con aspecto de lodo, el cual hay que remover periódicamente. El “reclaimer” maneja entre 1 y 2% de la tasa de circulación del solvente y debe tener orificios de acceso para remover los residuos no regenerables. Algunos “reclaimers” trabajan de forma intermitente, otros de forma continua, algunos al vacío y otros a presiones ligeramente por encima de la presión atmosférica. • • Corrosión Esta es quizás la principal preocupación en la operación de una planta de endulzamiento y los procedimientos planteados antes para controlar problemas de operación en las plantas de endulzamiento también sirven para controlar la corrosión. Una planta de aminas diseñada adecuadamente debe tener posibilidades de instalación de cupones que permitan monitorear el problema de corrosión. Algunas veces puede ser necesario el uso de inhibidores y en este caso se debe garantizar la compatibilidad del inhibidor con la solución del solvente para evitar problemas de espumas y degradación del solvente. 5.5 −. Avances tecnológicos en el Tratamiento del Gas(5) – (9). Existen muchas reservas de gas en yacimientos pequeños, yacimientos muy aislados o yacimientos de gas de muy baja calidad por el alto contenido de contaminantes que actualmente no se pueden integrar a las reservas disponibles de gas porque por los altos costos de producción, incluyendo los costos de procesamiento del gas para llevarlo a las condiciones de calidad exigidos, no los hacen económicamente viables. Una forma de hacerlos viables económicamente sería si se tuvieran mecanismos de procesamiento más económicos, menos costosos y más eficientes. Esta es una de las razones por las cuales los centros de investigación del Gas Natural, como el IGT ( Institute of Gas Technology), la AGA (American Gas Association); la IGU ( International Gas Union) y la GPSA ( Gas Proccessors and Suppliers Associaton), realizan trabajos intensivos en investigación y desarrollo para desarrollar nuevos equipos, materiales y procesos que permitan tener tecnologías de procesamiento del gas que hagan explotables yacimientos del gas que hasta ahora no lo son. Otra de las razones que motivan investigación en el área de tratamiento del gas son las regulaciones ambientales para las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOC) especialmente en los procesos de regeneración de los materiales usados para deshidratación y endulzamiento del gas, y para la disposición final del azufre obtenido en la remoción del sulfuro de hidrógeno.
En el desarrollo de equipos se pretende tener equipos tan eficientes como los actuales o más, pero más integrados y compactos que ocupen menos espacio y sean transporLa función del reclaimer es reversar las reacciones de de- tables fácilmente para poderlos utilizar en plataformas o gradación de las aminas destilando las aminas recupera- en yacimientos de difícil acceso. • • Operación del “Reclaimer”.
13 En el desarrollo de materiales se pretende tener a dispo- gas tratará de pasar pero sólo lo harán las moléculas que sición materiales menos costosos, más eficientes y más tienen afinidad por la membrana, o sea los contaminantes amistosos con el medio ambiente. del gas, aunque también pasará algo de hidrocarburos deFinalmente en el desarrollo de nuevos procesos se preten- pendiendo de la diferencia de presión a ambos lados de la de tener procesos eficientes, económicos, de fácil opera- membrana, el contenido de contaminantes y la permeación, que requieran equipos sencillos y en menor canti- bilidad de la membrana. dad. Dentro de los desarrollos tecnológicos en la industria del procesamiento del gas se pueden mencionar los siguientes: • Uso de membranas para endulzamiento del gas. • Remoción del H2S usando inyección directa de barredores de H2S a la tubería. • Uso de nuevos materiales como la N – Formil Morfolina (NFM) en procesos de endulzamiento 5.5.1 USO DE MEMBRANAS DE FILTRACION SELECTIVA EN EL TRATAMIENTO DEL GAS(5) y (6) Una tecnología que parece promisoria en el tratamiento del gas es el uso de membranas selectivamente no porosas para separar los componentes hidrocarburos de los no hidrocarburos a nivel molecular. Tales procesos son más confiables que otros a base de solventes químicos y con altos costos de mantenimiento y dependen únicamente de la naturaleza del material de la membrana. Estas características hacen que las membranas sean ideales para aplicaciones en sitios remotos o para tratar volúmenes bajos de gas.
De todas maneras, la mayor parte de las moléculas de hidrocarburos no pasarán la membrana y saldrán del recipiente con un contenido más bajo de contaminantes. Si se logra que la membrana baje el contenido de contaminantes en el gas a valores tan bajos como los que se consiguen con los tratamientos convencionales para remover CO2, H2S y agua, estos podrán ser sustituidos por las membranas especialmente en plataformas de producción por disminución en peso y requerimientos de espacio de la instalación. Las membranas planas no se usan comercialmente porque no tienen suficiente área. En los sistemas de capilares de fibra se tiene un número grande de capilares, de 10000 a 100000, cuya superficie es semipermeable y es a base de fibra, el diámetro de los capilares es de un milímetro o menos y van montados en una plataforma que los mantiene paralelos, todo el sistema finalmente va Figura 72-. Selectividad de Membranas y Diagrama del Proceso de Filtración(5) rodeado por una carcasa. La zona de alta presión puede ser el interior o el exterior de los capilares, pero en todos los casos el gas a tratar entra por la zona de alta presión y ya tratado sale por la misma zona de alta presión; los gases removidos, o sea los gases ácidos, salen por la zona de baja presión. La zona de baja presión está a una presión del 10 al 20% de la presión alta.
El instituto de Investigaciones del Gas del (GRI) del Instituto de Tecnología del Gas (IGT) ha efectuado evaluaciones de campo de unidades de procesamiento tipo membrana para construir una mejor comprensión de la economía de esta tecnología bajo varios escenarios de operación. Los resultados de estas pruebas soportan la evidencia de que las membranas forman un grupo importante La figura 73 muestra un diagrama de una membrana tipo de opciones de procesamiento de gas disponibles. cartucho cuyo diseño y funcionamiento ha venido siendo estudiada en un proyecto de investigación en el instituLa tecnología de membrana está emergiendo rápidamente en la industria del petróleo para uso en el tratamiento to de Investigaciones del gas (GRI por sus iniciales en de gases de producción. La filtración selectiva consiste en inglés). El sistema es una especie de tela enrollada y la que una membrana polimérica se usa para separar com- tela consta de una lámina central impermeable cubierta puestos gaseosos como CO2, H2S y agua de un gas natu- por encima y por debajo de un paquete de tres láminas permeables a través de las cuales pueden pasar las moléral cuando se somete a una presión diferencial. culas que se quieren remover. La tela está enrollada alEn los procesos con membranas semipermeables ( per- rededor de un tubo ranurado. El gas a tratar entra a una meation Process) el gas entra a un recipiente que po- determinada presión por uno de los extremos del cilindro see dos zonas de presiones diferentes separadas por una que forma la tela enrollada al hacerlo se desplazará por membrana. El gas entra a la zona de presión más alta y se- los anulares que forman dos vueltas consecutivas de la lectivamente va perdiendo los componentes que se pue- tela y las moléculas contaminantes se filtrarán a través de dan permear a través de la membrana hacia la zona de las láminas permeables de la tela hacia el centro de la secmenor presión. Se podrán permear los componentes que ción transversal de la misma donde encontrarán la lámina tengan afinidad por la membrana. impermeable y se irán a través de esta hacia el centro del La membrana tiene una afinidad muy alta por el agua, el cilindro donde está el tubo ranurado que se encuentra a H2S y el CO2 y baja por hidrocarburos tal como lo mues- una presión menor que la presión a la cual está entrantra la parte superior de la figura 72. La parte inferior de do el gas a tratar. El gas residual, libre de las moléculas la misma figura 72 muestra el proceso de filtración en la contaminantes continuará su trayectoria por los anulares membrana: el gas entra al recipiente donde está instalada hasta salir al otro extremo del cilindro. De esta manera la membrana y queda por encima de ésta. Por debajo de es posible manejar mayores cantidades de gas que en una la membrana se tiene una presión menor y por lo tanto el membrana plana porque se puede aumentar por un factor
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4 BARREDORES DE H2S
grande la superficie de contacto entre el gas y la membra- luego llevar el gas a un proceso convencional de remoción na. de H2S. Con una membrana es difícil remover el H2S a los niveles exigidos para un gasoducto, pero se puede remover casi todo el CO2 y una fracción importante del H2S, el resto habrá que removerlo con otro proceso.
Remoción de agua. Para reducir el contenido de agua a los valores tradicionalmente aceptables en el gas natural se requieren membranas de mejor permeabilidad que las existentes actualmente, con costos menores que utilizando glicol; adicional a esto una planta de deshidratación Cuando todos los componentes del gas tienen permeabilidades similares a través de la membrana, o cuando se con membranas pesaría 6 veces menos y ocuparía tres requiere alta pureza del gas se deben usar membranas en veces menos espacio que una planta de glicol, lo cual es importante en plataformas de producción. serie o reciclar el gas. Dependiendo de las propiedades del gas, una membrana diseñada para bajar el contenido de CO2 a los niveles exigidos por el gasoducto puede bajar también el contenido de agua a valores de 7 Lbs./MPCN pero algunas veces es necesario complementar la deshidratación con otro proceso para llevarla a los contenidos exigidos.
Actualmente las membranas, que es una tecnología nueva, tienen su principal aplicación como una alternativa económica atractiva para remover CO2 en volúmenes pequeños de gas, hasta 10MPCN/D, pero la tendencia es hacerla aplicable para remover H2S, CO2 y agua para usarla en plataformas de producción.
Las investigaciones realizadas con el uso de membranas Finalmente, las membranas también pueden usarse en sistemas híbridos en los cuales se usa en forma combinada para remover CO2, H2S y H2O han mostrado lo siguiencon equipos de uso tradicional en el procesamiento del te: gas; este es el caso de las membranas gas - líquido usadas en la remoción de CO2 en donde la membrana se - Remoción de CO2. Cuando el gas se va a liusa para remover parte del CO2 del gas que entra a encuar el contenido de CO2 se debe llevar a valodulzamiento, antes de que entre a hacer contacto con la res muy bajos y en éstos casos el costo de tratasolución de aminas en la contactora, y luego se usa para miento usando membranas (costo de la memremover parte del CO2 de la solución de aminas que va a brana más costo del gas que arrastra el CO2) regeneración, antes de entrar a la torre regeneradora. está muy por encima del costo usando una planDurante los últimos años, ha crecido apreciablemente el ta de aminas, se espera que mejorando la selecuso de membranas como tecnología en el tratamiento del tividad de la membrana y su permeabilidad se gas natural. Las razones son claras: Procesos simples( sin puedan tener costos más competitivos. partes móviles, operación de unidades simples); más baratas que las unidades de aminas sobre el mismo rango de Cuando el gas se va a vender en fase gaseosa no es nece- tamaños pequeños; compactas, de poco peso y montadas sario bajar tanto el nivel de CO2 y si el contenido inicial en plataformas que se pueden transportar o mover fácilde CO2 en el gas es bajo, por debajo de un 20%. aproxi- mente. La exitosa aplicación de la tecnología de membramadamente, el endulzamiento usando membranas es más nas permitirá traer más gas natural a los consumidores a barato que el convencional y la diferencia en costos es menor precio y explotar yacimientos pequeños de gas o mayor si se logran tener membranas con mayor selectivi- de difícil acceso que por los bajos volúmenes o las difidad. Para contenidos iniciales de CO2 entre 20 y 40%, no cultades para llegar a ellos los hacía demasiado costosos y es recomendable usar membranas y para contenidos ini- no viables económicamente. La tecnología está alcanzanciales de CO2 por encima del 40%, nuevamente es más do madurez y nuevos desarrollos aumentarán las ventajas económico el uso de membranas y lo será más mientras de costos para la comunidad. Se están desarrollando nuemayor sea el contenido de CO2. En éste último caso el vos materiales para las membranas que aumentarán estos gas endulzado se tiene para entregarlo al gasoducto o para beneficios de reducción de costos, especialmente en lo rellevarlo a un proceso convencional para removerle total- lativo a la selectividad para reducir el arrastre de hidromente el CO2 y poderlo licuar, y el CO2 removido, que carburos en los contaminantes removidos.. Además las de todas maneras ha arrastrado algo de gas, tiene una alta membranas podrían realizar simultáneamente los procepureza y se puede utilizar en procesos de recuperación. sos de deshidratación y endulzamiento. Remoción de H2S. El contenido de H2S debe ser bastante bajo y parece ser que con las membranas existentes no es posible bajar el contenido de H2S a éstos valores a 4 Barredores de H2S costos menores que con los procesos convencionales; sin embargo ésta situación puede cambiar si se logra tener Los métodos tradicionales para remover H2S han sido Figura 73 −. Diagrama de la Estructura y Funcionamien- el uso de soluciones de etanolaminas y el método del hieto de una Membrana tipo Cartucho(6) rro esponja, en su orden de importancia. Ambos procesos membranas más selectivas o usar la membrana para bajar constan de una etapa de operación y una etapa de regeel contenido de H2S en el gas a un valor intermedio y neración, lo cual implica el uso de equipos múltiples, al
15 menos una torre contactora, una regeneradora y equipo accesorio, y demanda apreciable de espacio; además en los procesos de regeneración se presenta la formación de productos altamente contaminantes cuya disposición final incrementa aún más los costos de tratamiento. El proceso de las etanolaminas no es económicamente viable en el tratamiento de bajas cantidades de gas con contenidos relativamente bajos de H2S.
dad del gas, condiciones de mezcla líquido – gas y tiempo de contacto varían ampliamente de un sitio a otro. Como resultado la remoción de H2S, el uso de químico y los costos del mismo son bastantes específicos de cada sitio y no se pueden predecir con facilidad.
5 Desarrollo de Nuevos Materiales
Actualmente en la industria del gas se está trabajando en el desarrollo de químicos barredores de H2S de inyección directa, entre ellos la triazina, en los procesos y equipos requeridos para su aplicación de tal forma que se pueda garantizar eficiencia, economía, compatibilidad con el medio ambiente y versatilidad, con el fin de tener ahorros importantes en el tratamiento del gas teniendo un gas residual de igual o mejor calidad que el obtenido con los procesos aplicados hasta ahora.
La N-Formilmorfolina (NFM) es un solvente físico que ha demostrado que tiene importantes ventajas técnicas y económicas para el tratamiento de gases de baja calidad o gases de síntesis. Esta tecnología emergente es el producto de actividades de investigación y desarrollo del IGT; ya se puede obtener comercialmente y se ha probado en programas de pruebas de campo como una aplicación de endulzamiento del gas natural con significativas ventajas El GRI está patrocinando un programa de evaluación de con respecto a otras tecnologías existentes. Las ventajas tecnologías de barrido de H2S como parte de un progra- más importantes que ha mostrado son las siguientes: ma global de remoción y recuperación de azufre. Uno de los objetivos fundamentales de este trabajo es desarrollar • Baja Inversión de capital un conocimiento más sólido de los fundamentos de barri• Altas concentraciones de CO2/H2S en los gado con inyección directa ( inyectando barredores químises a tratar. cos directamente a la tubería). • Mayor rendimiento del producto. En el área del barrido con H2S, los operadores han bus• Estabilidad del solvente. cado siempre reducir los costos de capital eliminando recipientes contactores e inyectando los químicos directa• Ambientalmente compatible. mente a la tubería. Esta aproximación de inyección directa, aunque aparentemente sencilla ha sido difícil aplicar • Simplicidad operacional. con éxito, siendo los principales problemas obtener resultados de remoción aceptable de H2S y costos mayores en La NFM es una sustancia derivada de la morpholina, una muchos casos. sustancia ampliamente conocida en técnicas de refinería Un segmento creciente de la industria del gas usa procesos de barrido de H2S para remover bajas concentraciones de H2S en gases de baja calidad. Para este tipo de gases los procesos convencionales de endulzamiento con aminas no son métodos económicos de tratamiento especialmente cuando no se requiere la remoción de CO2. Históricamente, la industria de producción de gas ha usado procesos de barrido de H2S no regenerativos En estos procesos un agente barredor reacciona irreversiblemente con el H2S. Los productos de la reacción se separan del gas tratado y se desechan.
y usada para prevenir corrosión. Exhibe alta selectividad con buena capacidad de solubilidad porque el grupo formil está ligada al nitrógeno activo en el anillo de la morpholina. Es un solvente único por su selectividad, capacidad de disolución, compatibilidad ambiental, no corrosividad y alto punto de ebullición. Otras características importantes de la NFM son:
Los agentes barredores de sulfuro de hidrógeno se aplican generalmente a través de uno de los siguientes métodos:1) Aplicación por intervalos de tiempo del agente secuestrante líquido en una torre contactora “sparged”; 2) aplicación por intervalos de tiempo de los agentes secuestrantes sólidos en una contactora de lecho fijo.; 3) inyección continua y directa de agentes barredores líquidos. Estudios de campo han demostrado que el desempeño de los sistemas con inyección directa de barredores es más difícil de predecir que los sistemas basados en torres contactoras porque la fundamentación teórica asociada con su comportamiento y costos es bastante desconocida y porque los parámetros de aplicación, tales como veloci-
• Absorbe pocas moléculas de hidrocarburos.
• Por su estructura polar posee alta capacidad de retener grandes cantidades desde H2S y CO2 • Debido a su estructura polar tiene alta selectividad por las moléculas de CO2 y H2S permitiendo altas temperaturas de operación, presiones más bajas y menores tasas de solvente. • Es ambientalmente compatible pues es una sustancia no tóxica y biodegradable. • Por su alta temperatura de ebullición se ha usado por largos períodos a temperaturas de 200 °C sin degradación o ruptura térmica del solvente. Los procesos de tratamiento del gas natural operan a.temperaturas de unos 180 °C.
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6 PROCESAMIENTOS DEL GAS • Es químicamente estable y no reacciona con otros componentes o contaminantes del gas a tratar
• Las mezclas NFM agua son básicas debido a la ligera hidrólisis del NFM, lo cual se traduce en protección contra la corrosión. La tabla 23 muestra las propiedades físicas de NFM. Tabla 23-.Propiedades del NFM(9) N-Formylmorpholine 4-Formylmorpholine 4-Morpholinecarboxyaldehyde Formylmorpholid Calor Específico a 20 C = 0.42 cal/g
C
a 50 C = 0.44 cal/g
C
a 100 C = 0.48 cal/g
C
a 150 C = 0.53 cal/g
C
Calor de Vaporización en el punto de ebullición a 14.7 psi: 106 kcal/kg pH cuando se mezcla con agua 1:1=8.6 Peso Molecular.: 115 Punto de Ebullición.: 243 °C a 14.7 psi Punto de Fusión: 23 °C Densidad a 20 °C: 1153 kg/m³ Punto de llama (Pensky-Martens): 125 C Punto de Ignición: 370 C Viscosidad a 30 °C: 6.68 cP; 5.85 cSt Miscible con benceno en cualquier proporción Miscible con agua en cualquier proporción Olor – Característico y muy penetrante. Estabilidad: muy buena Toxicidad por Inhalación en ratas de laboratorio: No presentó mortalidad después de 8 h de exposición a una atmósfera altamente concentrada y a 20 °C.
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Procesamientos del gas
Se entiende como procesamiento del gas, la obtención a partir de la mezcla de hidrocarburos gaseosos producida en un campo, de componentes individuales como etano, propano y butano. En el procesamiento del gas se obtiene los siguientes productos:
- Gas Residual o Pobre. Compuesto por metano básicamente y en algunos casos cuando no interesa el etano, habrá porcentajes apreciables de éste. - Gases Licuados del Petróleo (LPG). Compuestos por C3 y C4; pueden ser compuestos de un alto grado de pureza (propano y butano principalmente) o mezclas de éstos. La tabla 26 muestra las características de algunos compuestos o mezclas de LPG. - Líquidos del Gas Natural (NGL). Es la fracción del gas natural compuesta por pentanos y componentes más pesados; conocida también como gasolina natural. La tabla 24(1) muestra las especificaciones que típicamente se le exigen a la gasolina natural en una planta de procesamientos del gas natural. El caso más sencillo de procesamiento del gas natural es removerle a este sus componentes recuperables en forma de líquidos del gas natural (NGL) y luego esta mezcla líquida separarla en LPG y NGL. Cuando del proceso se obtiene con un alto grado de pureza C2, C3 y C4 se conoce como fraccionamiento. El procesamiento del gas natural se puede hacer por varias razones: • Se necesitan para carga en la refinería o planta petroquímica materiales como el etano, propano, butano. • El contenido de componentes intermedios en el gas es apreciable y es más económico removerlos para mejorar la calidad de los líquidos. • El gas debe tener un poder calorífico determinado para garantizar una combustión eficiente en los gasodomésticos, y con un contenido alto de hidrocarburos intermedios el poder calorífico del gas puede estar bastante por encima del límite exigido. Se habla básicamente de tres métodos de procesamiento del gas natural: Absorción, Refrigeración y Criogénico. El primero es el más antiguo y el menos usado actualmente; consiste en poner en contacto el gas con un aceite, conocido como aceite pobre, el cual remueve los componentes desde el C2 en adelante; este aceite luego se separa de tales componentes. El método de refrigeración es el más usado y separa los componentes de interés en el gas natural aplicando un enfriamiento moderado; es más eficiente que el método de absorción para separar del C3 en adelante. El proceso criogénico es el más eficiente de los tres, realiza un enfriamiento criogénico (a temperaturas muy bajas, menores de −100 °F) y se aplica a gases donde el contenido de intermedios no es muy alto pero requiere un gas residual que sea básicamente metano.
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Proceso de Refrigeración
y más compactas aunque un poco más costosas que las de refrigeración (1). La selección de una planta criogéEn este caso la mezcla gaseosa se enfría a una tempera- nica se recomienda cuando se presenta una o más de las tura tal que se puedan condensar las fracciones de LPG siguientes condiciones (4). y NGL. Los refrigerantes más usados en este caso son Figura 79 −. Diagrama del procesamiento del Gas por freón o propano. La figura 79 muestra un esquema de es- Refrigeración.76 te proceso. El gas inicialmente se hace pasar por un separador para removerle el agua y los hidrocarburos líquidos. Al salir el gas del separador se le agrega glicol o algún inhibidor de hidratos para evitar que estos se formen durante el enfriamiento. Luego el gas pasa por un intercambiador donde se somete a pre-enfriamiento antes de entrar al Chiller donde le aplica el enfriamiento definitivo para llevarlo hasta aproximadamente −15 °F. Del Chiller el gas pasa a un separador de baja temperatura donde habrá remoción del glicol y el agua, y los hidrocarburos, como mezcla bifásica, pasan a una torre de fraccionamiento en la cual se le remueven los hidrocarburos livianos, C1 básicamente, en forma gaseosa como gas residual que sale por la parte superior; los hidrocarburos intermedios C2, C3, C4 y C5+ salen por la parte inferior hacia almacenamiento si no se va hacer separación de, al menos, LPG y NGL, o hacia fracionamiento si es lo contrario.
• Disponibilidad de caída de presión en la mezcla gaseosa • Gas pobre. • Se requiere un recobro alto de etano (mayor del 30%). • Poca disponibilidad de espacio. • Flexibilidad de operación (es decir fácilmente adaptable a variaciones amplias en presión y productos). Como el gas se somete a caída de presión, el gas residual debe ser recomprimido y por esta razón la expansión del gas, en lugar de hacerse a través de una válvula, se hace a través de un turbo expandir para aprovechar parte de la energía liberada en la expansión.
La figura 80, es el esquema de un proceso criogénico para Parte de los gases que tratan de salir de la torre fracciona- remoción de líquidos de un gas. dora son condensados y reciclados para reducir el arrastre El gas inicialmente se hace pasar por un separador de alta de hidrocarburos intermedios en el gas. presión para eliminar los líquidos (agua y condensados). El calentamiento en el fondo de la torre se hace para eva- Luego se pasa por una unidad de deshidratación para baporar el metano y el etano; reduciendo la presión y au- jarle el contenido de agua a valores de ppm; por esto la mentando la temperatura se puede conseguir una mejor unidad de deshidratación debe ser de adsorción y el disecante del tipo mallas moleculares. separación del metano y el etano de la fase líquida. De la unidad de deshidratación el gas intercambia calor con el gas que sale de las desmetanizadora a aproximadamente −150 °F y luego pasa a un separador de baja temperatura. De este separador el líquido y el gas salen aproximadamente a −90 °F y el líquido entra a la desmetanizadora por un punto donde la temperatura de esta sea aproximadamente −90 °F. El gas que sale de este separador pasa por el turbo expandir donde la presión cae La mayoría de las plantas usan freon como refrigerana unos 225 IPC y la temperatura cae a −150 °F y a esas te y limitan la temperatura del gas de entrada a −20 °F, condiciones entra a la desmetanizadora. porque a temperaturas por debajo de este límite las propiedades mecánicas del acero de las tuberías se ven afec- En la desmetanizadora la temperatura varía desde uno 40 °F en el fondo, donde hay una zona de calentamiento, y tadas. −150 °F en el tope. Los niveles típicos de remoción de C3, C4, C5+ por este proceso son: C3 85%; C4 94%; C5+ 98%. Es posible recuperar pequeños porcentajes de C2 en este tipo de plantas, pero está limitado por el hecho de que no es posible, con las refrigerantes actuales, bajar la temperatura del gas antes de entrar a la absorbedora a valores por debajo de −40 °F aproximadamente.
El gas que sale del tope a −150 °F y 225 LPC intercambia calor con el gas que sale de la unidad de deshidratación y luego pasa a un compresor que es activado por el turSe caracterizan porque el gas se enfría a temperaturas de bo expandir, aprovechando parte de la energía cedida por −100 a −150 °F (Temperaturas Criogénicas); en este ca- la expansión del gas, y luego otro compresor termina de so se requiere que el gas después de la deshidratación ten- comprimir el gas para llevarlo a la presión requerida. ga un contenido de agua de unas pocas ppm, además se Como el gas se calienta por la compresión al salir del úlnecesita que el gas se pueda despresurizar para poderlo timo compresor, parte de este gas se usa para mantener enfriar. Las plantas criogénicas son la de mayor rendi- el fondo de la desmetanizadora a 40 °F y el resto se hace miento en líquidos recobrados, son más fáciles de operar pasar por un enfriador para llevarlo a la temperatura ade-
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Procesos Criogénicos
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9 BIBLIOGRAFÍA
cuada. Todo este es el gas residual, que en su composición es básicamente metano.
9 Bibliografía
El líquido que sale de la desmetanizadora son los componentes pesados del gas y se envía a almacenamiento, o a fraccionamiento para obtener C2, C3 y C4 (o LPG) y NGL.
• Arnold, K and Stewart, M. “Surface Production Operations” (Vol. 2, Design of Gas – Handling Systems and Facilities), Chap. 7, Gulf Publishing Company. Book Division, Houston, TX, USA, 1988.
En una planta criogénica los rendimientos en componentes recuperados son: C2 > 60%, C3 > 90% y C4+ 100%.
• Kumar, S. “Natural Gas Engineering”, Chap. 6, Gulf Publishing Company. Book Division, Houston, TX, USA, 1987.
Ejemplo 6.1
• Campbell, J.M. “Gas Conditioning and Processing”, chaps. 20, John M. Campbell and Co. International Petroleum Institute Ltd., Norman, Okla., USA, 1968, 2nd Edition.
El gas de la tabla 3 se somete a endulzamiento, deshidratación y procesamiento por refrigeración, donde se le remueve el 85% de C3, el 94% de C4 y el 98% de C5+, para llevarlo a los requisitos de calidad exigidos. Encontrar la composición del gas residual que sale de la fraccionadora en los procesamientos.
• Fournié, F. J. C. “Permeation Membranes can Efficiently Replace Conventional Gas Treatment Processes”, JPT 06/87, Pag. 707 – 712.
• Solución: Tomando una mol de gas que entra al proceso, las moles de cada uno de los componentes que quedan luego del tratamiento del gas son H2S
0.0 C1 = 0.855 N2 = 1.44
C2 = 0.0574 C3 = (1 - 0.85) * 0.0574 = 0.0027 C4 = (0.0082) * (1 - 0.94) = 0.003 C5+ = (0.0063) * (1 - 0.98)
• Gas Processors and Suppliers Association, “Enginering Data Book”, Vol. 1, Tulsa, Okla., USA, Tenth Edition, 1987.
0.0
Como el porcentaje de CO2 deben ser el 2%, las moles de C1, C2, C3, C4 y C5+ representan el 98% sea que las moles de CO2 presentes en el gas residual son: y el número total de moles es finalmente, la composición del gas residual se calcular de la siguiente tabla: Ci ni Yi = ni/0.95 CO2 0.019 0.02 N2 0.0144 0.015 C1 0.855 0.901 C2 0.0574 0.060 C3 0.0027 0.003 C4 0.0004 0.0004 C5+ 0.0001 0.0 El peso molecular de este gas es 17.87 y su gravedad específica 0.62.
• Gas Research Institute (GRI) of the Institute of Gas Technology (IGT) “Field Evaluation Supports Applicability of Membrane Processing”, 2001.( Artículo bajado de la página Web del IGT). • R.L. McKee and A.J. Foral, M.W. Kellogg; H.S. Meyer and J.P. Gamez, Gas Research Inst.; and S.A. Stern, Syracuse U. “Offshore Dehydration of Natural Gas: an Evaluation of Alternatives”. Artículo bajado de la página Web del IGT en diciembre de 2001. • GRI of the IGT “Evaluation of Hidrogen Sulphur Scavenging Technologies”. Artículo bajado de la página Web del IGT en noviembre de 2001. • GRI of the IGT and Krupp Uhde GmbH,”Commercial Development of New Gas Processing Technology”. Art. bajado de la página Web del IGT en diciembre de 2001.
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Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias Texto
• Plantas de procesamiento del gas natural Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Plantas_de_procesamiento_del_gas_natural?oldid= 89668414 Colaboradores: Airunp, Siabef, CEM-bot, GilliamJF, Rosarinagazo, TXiKiBoT, Rogerman3599, Muro Bot, SieBot, PaintBot, Bigsus-bot, Correogsk, Omegakent, Kikobot, Botito777, AVBOT, Tanhabot, Van hiryu, Jkbw, Titoherrera, CVBOT, EmausBot, KLBot2, Phorious, Jesus orlando guerrero e. y Anónimos: 24
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