INTRODUCCIÓN

El gas natural es un recurso no renovable, que debido a sus características combustibles se le ha dado una amplia gama de aplicaciones que van desde el uso doméstico hasta las diversas ramas industriales. Para que este combustible pueda ser utilizado es conveniente que pase por un proceso de purificación, que es denominado endulzamiento ya que el gas tal como es extraído de los yacimientos, contiene algunos compuestos indeseables como el ácido sulfhídrico, bióxido de carbono y agua, los que ocasionan contaminación, corrosión y restan poder calorífico al gas.

EL GAS NATURAL

El gas natural es un combustible que se obtiene de rocas porosas del interior de la corteza terrestre y se encuentra mezclado con el petróleo crudo cerca de los yacimientos. Como se trata de un gas, puede encontrarse sólo en yacimientos separados. La manera más común en que se encuentra este combustible es atrapado entre el petróleo y una capa rocosa impermeable. En condiciones de alta presión se mezcla o disuelve aceite crudo.

El gas natural arrastra desde los yacimientos componentes indeseables como son: el ácido sulfhídrico (H2S), bióxido de carbono (CO2) y agua en fase gaseosa, por lo que se dice que el gas que se recibe es un gas húmedo, amargo e hidratado; amargo por los componentes ácidos que contiene, húmedo por la presencia de hidrocarburos líquidos e hidratado por la presencia de agua que arrastra desde los yacimientos.

Existen diversas denominaciones que se le al gas natural y por lo general se asocia a los compuestos que forman parte de su composición. Por ejemplo cuando en el gas natural hay H2S a nivel por encima de 4 ppm por cada pie cúbico de gas se dice que es un gas “amargo” y cuando la composición desciende a menos de 4 ppm se dice que es un gas “dulce”.

COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL

No existe una composición o mezcla que se pueda tomar para generalizar la composición del gas natural. Cada gas tiene su propia composición, de hecho dos pozos de un mismo yacimiento puede tener una composición diferente entre sí. También la composición del gas varia conforme el yacimiento va siendo explotado, es por eso que se deberá hacer un análisis periódico al gas que es extraído, para adecuar los equipos de explotación a la nueva composición y evitar problemas operacionales.

Cuando el gas natural es extraído de los yacimientos presenta impurezas las cuales hay que eliminar ya que pueden provocar daños al medio ambiente, corrosión en equipos o disminuir el valor comercial del gas. Normalmente se compone de hidrocarburos con muy bajo punto de ebullición. El Metano es el principal constituyente de este combustible, con un punto de ebullición de -154 °C, el etano con un punto de ebullición de -89 °C, puede estar presente en cantidades de hasta 10%; el propano cuyo punto de ebullición es de hasta -42 °C, representa un 3%. El butano, pentano, hexano y octano también pueden estar presentes.

La composición de una mezcla de gas natural puede ser expresada tanto en fracción mol, fracción volumen o fracción peso de sus componentes, aunque también puede ser expresada en porciento mol, en porciento volumen o porciento peso.

La siguiente tabla nos presenta los componentes que a menudo son encontrados en la composición del gas natural.

COMPONENTES DEL GAS NATURAL

CLASE COMPONENTE FORMULA

Hidrocarburos Metano CH4

Etano C2H6

Propano C3H8

i-Butano iC4H10

n.Butano nC4H10

i-Pentano iC4H10

n-Pentano nC4H10

Ciclopentano C5H10

Hexanos y pesados

Gases inertes Nitrógeno N2

Helio He

Argón Ar

Hidrógeno H2

Oxígeno O2

Gases ácidos Ácido sulfhídrico H2S

Dióxido de carbono CO2

Compuestos de

azufreMercaptanos R-SH

Sulfuros R-S-R

Disulfuros R-S-S-R

Otros Vapor de agua

Agua dulce o salada

ENDULZAMIENTO DEL GAS NATURAL

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 amargo.

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 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.

PROCESOS DE ENDULZAMIENTO DEL GAS NATURAL

ABSORCIÓN

ADSORCIÓN

PROCESOS DE CONVERSIÓN DIRECTA

Los procesos de conversión directa se caracterizan por la selectividad hacia la remoción del sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual es convertido directamente a azufre.

Como funciona:

El H2S es removido preferencialmente de la corriente de gas, por un solvente que circula en el sistema. Los solventes pueden ser reducidos fácilmente por el H2S y rápidamente oxidados por el aire, para producir azufre elemental. Estos procesos utilizan reacciones de oxidación – reducción que involucra la absorción de H2S en una solución alcalina. Son utilizados particularmente en lugares donde se desea evitar el impacto ambiental del sulfuro de hidrógeno.

Entre estos métodos están los procesos de Stretford y Hierro de Esponja.

PROCESO STRETFORD

Aquí el solvente es una mezcla conformada por carbonato de sodio + Ácido Antraquinón Disulfónico (ADA)+ Metavanadato de Sodio, que actúa como activador Por lo general, este proceso opera con

presiones que van de 14,7 lpca hasta 735 lpca, y con temperaturas desde 70 a 110 F Las etapas reconocidas son:

1.- Absorción del (H2S) en una solución alcalina.

2.- Oxidación del (H2S) por el metavanadato de Na para convertirlo en azufre.

3.- Oxidación del vanadato por medio del ADA.

4.- Oxidación del ADA reducida con aire.

Ventajas del Proceso

Buena capacidad para remover H2S. Puede bajar su contenido a menos de 2 PPM. 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.

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 Ipca. Las plantas son generalmente de baja capacidad y el manejo del azufre es difícil.

PROCESO HIERRO ESPONJA.

Este proceso es aplicable cuando la cantidad de H2S es baja (unas 300 ppm) y la presión también. Requiere la presencia de agua ligeramente alcalina, y se debe mantener por debajo de 120 °F pues a temperaturas superiores y en condiciones ácidas o neutras se pierde agua de cristalización del óxido férrico. La reacción química que ocurre es:

Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O

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.

PRINCIPALES PROCESOS DE CONVERSIÓN DIRECTA.

PROCESOS SOLVENTES

STRETFORD Ácido Antraquinon Disulfónico Carbonato de Sodio y Metavanadato de Sodio

TAKAHAX 1,4 Natoquinona, Sulfonato de Sodio, un catalizador y Carbonato de Sodio

LO – CAT Solución de Hierro (Quelato)FEROZ Carbonato de Sodio e hidróxido férrico en solución.THYLOX Tiorsenato de Sodio o de AmonioTOWNSEND TEG, CO2 y catalizadoresFERROX Y MANCHESTER

Carbonato de Sodio + suspensión de óxido de hierro + Agua

PEROX Solución Acuosa de Amoníaco con HidroquinonaLACY – KELLER Solución acuosa Triyoduro de PotasioI.F.P. Similar al TOWNSENDSHELL Similar al TOWNSEND pero con solución acuosa de SulfolanoCLAUS Bauxitas y Alúminas como catalizadoresHAINES Y SHELL Mallas Moleculares

ENDULZAMIENTO DEL GAS NATURAL POR MEMBRANAS

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.

En la actualidad se están utilizando bastante las membranas permeables. La separación se logra aprovechando la ventaja en las diferencias de afinidad/difusividad que poseen las membranas. El agua, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrogeno son moderadamente altos difusores, lo que indica que pueden difundir más fácilmente que los hidrocarburos, utilizando la misma fuerza impulsora. Por otro lado los gases lentos, son aquellos que permanecen en la parte anterior de la membrana sin difundir.

Estas características hacen que las membranas sean ideales para aplicaciones en sitios remotos o para tratar volúmenes bajos de gas. El efecto de separación no es absoluto, por lo que habrá pérdidas de hidrocarburos en la corriente de gas ácido.

Que es una membrana semipermeable, también llamada membrana selectivamente permeable, membrana parcialmente permeable o membrana permeable diferenciable, es una membrana que permitirá que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión, y ocasionalmente especializada en "difusión facilitada". El índice del paso depende de la presión osmótica, la concentración, el gradiente electroquímico y la temperatura de las moléculas o de los solutos en cualquier lado, así como la permeabilidad de la membrana para cada soluto.

Una membrana semipermeable permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en una disolución frente a otras. Este hecho las hace importantes tanto en sistemas biológicos vivos como en aplicaciones tecnológicas.

La parte que ha atravesado la membrana se conoce como "permeado" y la que no lo hace es el "rechazo". En consecuencia, se produce una separación diferencial de unas sustancias frente a otras.

Para que el paso de sustancias a través de la membrana se produzca, es necesario la existencia de una fuerza impulsora entre ambos lados de la membrana, la cual puede ser de diferente naturaleza: diferencia de presión, diferencia de concentración, potencial eléctrico, etc.

Ejemplo de membrana para separar aceite y agua