PROCESADO DEL GAS NATURAL (GRUPO 4).pdf
- 1. Torres Gomez Victor German Salcedo Ccallohuanca Mishael Calderon Chillitupa Carlos Alberto GRUPO 4 Cusco, 23 de julio del 2023
- 2. INTRODUCCIÓN AL PROCESADO DE GAS NATURAL Una vez extraído de los reservorios el Gas Natural, Metano y proporciones variables de otros hidrocarburos (etano, propano, butanos y condensados C5+) y de contaminantes diversos, Debe ser procesado para acondicionarlo, eliminándole impurezas, separarlo en dos fracciones denominadas gas seco y líquidos de gas natural (LGN) o condensados. Gas natural que contiene cantidades menores de hidrocarburos más pesados que el metano. La transformación del GN de estado gaseoso a líquido. Esto se realiza en la planta de PERU LNG, donde el gas atraviesa bajas temperaturas (-163 °C) para lograr reducir su volumen 600 veces y así facilitar su almacenaje y transporte. Incluyen: propano, butano, pentano, hexano y heptano, pero no metano ni etano, debido a que estos hidrocarburos necesitan refrigeración para licuarse.
- 3. GAS NATURAL Y SU COMPOSICION DESDE EL PUNTO DE VISTA DE SU PROCESAMIENTO • En la boca de pozo el gas natural, es una mezcla de componentes hidrocarburos y otros que no son hidrocarburos. • Entre los hidrocarburos se encuentra el metano, etano, propano, butano, pentano, hexano y una breve proporción de compuestos más pesados que en el caso del Yacimiento de Camisea llega hasta hidrocarburos con 12-13 átomos de carbono en su estructura. • Elementos que no son hidrocarburos: H2S, CO2, N, Hg, H2O, MERCAPTANOS, CS2. • Gas acido: cuando el contenido de CO2 es >a 5% en volumen y cuando el contenido de H2S es mayor a 5.7 miligramos por metro cubico. • Gas dulce: cuando los contenidos mencionados anteriormente son < a 5%. • Los elementos contaminantes deben ser retirados según el uso. • Por ejemplo el CO2, al no tener poder calorífico, reduce el poder calorífico del gas natural y es un agente corrosivo. • El H2S, es muy peligroso por ser inflamable, toxico e incoloro, que se acumula en espacios confinados. • Los contaminantes generar el efecto invernadero debido a su combustión. • El azufre produce lluvia acida
- 4. Los procesos petroquímicos de transformación del gas natural yla catálisis. PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL El gas natural obtenido que entra a las baterías de separación está constituido por metano y proporciones variables de otros hidrocarburos que pueden ser etano, propano, butanos y condensados constituidos por pentano y fracciones más pesadas y por contaminantes diversos. La primera etapa del procesamiento lo constituye la recepción del gas y condensados y la separación física inicial de líquido y gas. Esto se realiza en un separador de fases bifásico o trifásico o en una batería de separadores bifásicos y trifásicos operando a diferentes condiciones de presión y temperatura. Estas plantas iniciales de separación pueden contener unos equipos especiales denominados slug cátchers que sirven para separar los slugs que pudieran llegar desde los campos en una fase gaseosa, una fase líquida y una fase acuosa. La Planta de Procesamiento de Gas de las Malvinas que trata el gas de los Yacimientos de Camisea en el Cusco Perú dispone de baterías de slug cátchers. Los Líquidos de Gas Natural obtenidos en esta primera etapa de separación se pueden enviar a un proceso denominado como Estabilización de Condensados que tiene por objetivo preparar (mediante procesos de separación físicos) estos Condensados para que salgan del Límite de Baterías de la Planta de Procesamiento como Condensados en especificación. Cada Planta de Procesamiento de gas por razones comerciales y de seguridad tiene sus propias especificaciones para sus productos que son gas seco y los condensados que son enviados por poliductos u otros medios a las Plantas de Fraccionamiento. El gas en la Planta de Procesamiento puede pasar por uno o más de los siguientes procesos: Deshidratación o remoción del vapor de agua para prevenir la formación de sólidos hidrocarburo / agua llamados hidratos y la corrosión de la tubería de transporte y de los equipos de procesamiento. La deshidratación con glicol suele realizarse en la mayoría de los casos. También por la eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) debido a sus propiedades corrosivas que afectarían a los ductos de transporte y a los usuarios finales. En caso de emplearse estos procesos, el gas alimentado se denomina “amargo”, el producto “gas dulce” y el proceso se conoce generalmente como “endulzamiento”. Las tecnologías disponibles para el endulzamiento son: Absorción en soluciones con Amina; Proceso con carbonatos; Absorbentes en lecho sólido; Absorción Física, Adsorción química. Los principales procesos son Absorción de Gases y Adsorción. La remoción de mercurio cuando está presente en el gas y finalmente (de manera opcional) la remoción del nitrógeno contenido en el gas cuando se requiere incrementar el poder calorífico del gas y a la vez disminuir el volumen de gas a ser transportado. Una vez tratado el gas, debe ser separado en una fase vapor y una fase líquida en la que se busca la recuperación y separación de etano y/o propano y los hidrocarburos licuables más pesados, presentes en el gas, mediante alguna tecnología apropiada. En la actualidad, para los procesos de recuperación de etano y/o propano e hidrocarburos más pesados, se dispone de las siguientes tecnologías: Refrigeración Simple. Refrigeración en Cascada. Absorción Simple. Absorción Refrigerada. Absorción Mejorada. Turbo Expansión Criogénica. A continuación, de la separación del gas en una fracción en fase vapor y una en fase líquida, el gas seco se envía por medio de gasoductos a los mercados donde se le comercializa mientras que los Líquidos del Gas Natural (LGN o condensados) se suelen enviar a Plantas de Fraccionamiento donde los hidrocarburos líquidos se separan unos de otros, obteniéndose corrientes ricas en etano, propano, butanos y gasolina natural. En ocasiones también resulta conveniente separar el isobutano del n-butano para usos muy específicos. En el caso de los condensados de Camisea su procesamiento da un producto adicional denominado destilado medio para su mezcla con diésel (Medium Distillate Blending Stock- MDBS). muestran los diversos procesos que se pueden aplicar al gas natural.
- 6. OBJETIVOS DEL PROCESADO DEL GAS NATURAL Cuando se diseña una Planta de Procesamiento de Gas Natural, se debe tener en consideración que usualmente la remoción de contaminantes está determinada por los requisitos aguas abajo, tanto para el gas seco como para los condensados. Desde el inicio de la industria del gas natural fue muy claro que el tratamiento y procesamiento del gas natural estaban regidos por la necesidad de transportar el gas natural y sus condensados hasta un mercado específico y satisfacer en dicho mercado necesidades específicas de los consumidores del gas y los condensados. Es claro también, que de manera general los requisitos de remoción, tratamiento y separación de gas y condensados están determinados por los requisitos aguas abajo(gasoductos, plantas de fraccionamiento, plantas de licuefacción gas natural, plantas de gas a líquidos, etc.) y por la economía (margen etano como gas seco versus etano como insumo petroquímico, margen gas de alto poder calorífico versus margen de gas y líquidos de gas natural, etc.). Estos requerimientos pueden ir desde simplemente cumplir una especificación de transporte de gas en gasoductos o hasta el extremo de que sea posible obtener una máxima recuperación de etano para alimentar plantas de etileno con los condensados de gas natural. Las fuerzas motrices que guían las configuraciones de recolección, tratamiento y separación de gas natural son las siguientes: la localización, es decir dónde está el gas y donde están los mercados; cuales productos se pueden suministrar a dichos mercados; cuales son las especificaciones para dichos productos; calidad del gas y sus características, es decir los contaminantes del gas (H2S y CO2) y la cantidad de hidrocarburos condensables en el gas, las condiciones de recolección del gas, y la presión disponible para el gas. Finalmente, hay que analizar la economía global para la recolección y el procesado, al hacerlo hay tomar en cuenta las condiciones actuales y condiciones futuras en los mercados, contratos presentes y futuros, márgenes relativos del gas seco frente al petróleo, márgenes de los líquidos del gas natural frente a los insumos petroquímicos, etc. A manera de ejemplo, si sólo se desea transportar el gas a un sistema público de gasoductos, se debe cumplir con que el gas tenga un porcentaje mínimo de metano, mayor al 70% y contenidos máximos de condensados etano (10%), propano (5%) y butano (2%), así como contenidos máximos de contaminantes: dióxido carbono (3%), sulfuro de hidrógeno (5 mg/m3); además el gas debe estar libre de líquidos ya gua libre a condiciones de transporte del gasoducto. Cuando se prepara gas natural para su posterior licuefacción el gas debe cumplir las siguientes restricciones: el contenido de dióxido de carbono debe ser menor a 100 ppm para evitar el congelamiento equipos, el contenido de sulfuro de hidrógeno debe ser menor a 4 ppm, el contenido de agua debe ser menor a 1 ppm y el contenido de mercurio debe ser menor a 1 µgr/Nm3 para evitar la corrosión en los intercambiadores de aluminio presentes en las plantas de gas natural licuefactado. De manera general cada aplicación de procesamiento debe cumplir criterios de diseño para lograr rentabilidad, estos criterios dependerán de las características del gas disponible y de los mercados específicos para el gas y los condensados. Con relación a los condensados del gas natural (Líquidos del Gas Natural) su recuperación y separación suele caer dentro de una de las tres categorías siguientes: máximo propano, máximo etano, recuperación y reyección flexible de etano. En la recuperación de condensados se tienen los siguientes parámetros importantes: presión del gas, contenido de dióxido de carbono (CO2), contenido de condensados, porcentajes de recuperación de cada uno de los condensados esperado, especificaciones de líquidos y condensados: etano, propano, butano, gasolina natural. Las especificaciones del gas seco y de los Líquidos del Gas Natural varían mucho y se negocian entre compradores y vendedores. Estas especificaciones impactan en el procesado del gas natural.
- 7. Se muestran las especificaciones contractuales para el gas de Camisea.
- 9. Catálisis La catálisis es el proceso por el cual se aumenta la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador; aquellas que desactivan la catálisis son denominados inhibidores. Una característica importante es que la masa del catalizador no se modifica durante la reacción química, lo que lo diferencia de un reactivo, cuya masa va disminuyendo a lo largo de la reacción. En la síntesis de muchos de los productos químicos industriales más importantes existe una catálisis, ya que esta puede disminuir el tiempo que requiere. El envenenamiento de los catalizadores, que generalmente es un proceso no deseado, también es utilizado en la industria química. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador paladio (Pd) es «envenenado» parcialmente con acetato de plomo (II), Pb(CH3COO)2. Sin la desactivación del catalizador, el eteno producido se reduciría posteriormente a etano. Esquema de la hidrogenación de un doble enlace C=C, catalizada por un metal.
- 10. Catálisis Generalidades El catalizador funciona proporcionando un camino de reacción alternativo al producto de reacción. La velocidad de la reacción aumenta a medida que esta ruta alternativa tiene una menor energía de activación que la ruta de reacción no mediada por el catalizador. La dismutación del peróxido de hidrógeno para dar agua y oxígeno es una reacción que está fuertemente afectada por los catalizadores: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 Esta reacción está favorecida, en el sentido de que los productos de reacción son más estables que el material de partida, sin embargo, la reacción no catalizada es lenta. La descomposición del peróxido de hidrógeno es de hecho tan lenta que las soluciones de peróxido de hidrógeno están disponibles comercialmente. Tras la adición de una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, el peróxido de hidrógeno reacciona rápidamente de acuerdo a la ecuación anterior. Este efecto se ve fácilmente por la efervescencia del oxígeno. El dióxido de manganeso puede ser recuperado sin cambios, y volver a utilizarse de forma indefinida, y por lo tanto no se consume en la reacción. En consecuencia, el dióxido de manganeso cataliza esta reacción.
- 11. Catálisis Principios generales de la catálisis Mecanismo típico Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más de los reactivos para formar productos intermedios que, posteriormente, conducen al producto final de reacción. En el proceso se regenera el catalizador. El siguiente esquema es típico de una reacción catalítica, donde C representa el catalizador, X e Y son los reactivos, y Z es el producto de la reacción de X con Y: X + C → XC (1) Y + XC → XYC (2) XYC → CZ (3) CZ → C + Z (4) Aunque el catalizador es consumido por la reacción 1, posteriormente es producido por la reacción 4, por lo que la reacción global es: X + Y → Z Como el catalizador se regenera en una reacción, a menudo bastan pequeñas cantidades del catalizador para incrementar la velocidad de una reacción. Sin embargo, en la práctica los catalizadores son algunas veces consumidos en procesos secundarios. Como ejemplo de este proceso, en 2008, investigadores daneses revelaron por primera vez la secuencia de sucesos cuando el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la superficie del dióxido de titanio (TiO2, o titania) para producir agua. Con una serie de imágenes de microscopía de efecto túnel a intervalos, determinaron que las moléculas sufren adsorción, disociación y difusión antes de reaccionar. Los estados intermedios de reacción fueron: HO2, H2O2, luego H3O2 y el producto final de la reacción (dímeros de la molécula de agua), tras lo cual la molécula de agua se desorbe de la superficie del catalizador.
- 12. Catálisis Principios generales de la catálisis Catálisis y energética de la reacción Los catalizadores funcionan proporcionando un mecanismo (alternativo) que involucra un estado de transición diferente y una menor energía de activación. El catalizador puede aumentar la velocidad de reacción o de la selectividad, o permitir que la reacción ocurra a menores temperaturas. Este efecto puede ser ilustrado con una distribución de Boltzmann y un diagrama de perfil de energía. Los catalizadores no cambian el rendimiento de una reacción. La unidad derivada SI para medir la actividad catalítica de un catalizador es el katal, que es igual a moles por segundo. La actividad de un catalizador puede ser descrita por el número de conversiones, o TON (del inglés turn over number), y la eficiencia catalítica por la frecuencia de conversiones, TOF (del inglés turn over frequency). El equivalente bioquímico es la unidad de actividad enzimática. El catalizador estabiliza el estado de transición más que de los que estabiliza el material inicial. Disminuye la barrera cinética al disminuir la diferencia de energía entre el material inicial y el estado de transición. Diagrama genérico de energía potencial mostrando el efecto de un catalizador en una hipotética reacción química exotérmica X + Y para producir Z. La presencia del catalizador abre un camino de reacción diferente (mostrado en rojo) con una energía de activación menor. El resultado final y la termodinámica global son la misma.
- 13. Catálisis Tipos de catálisis Catalizadores enzimáticos: Son aquellos que realizan procesos mediante enzimas, estos son más empleados en las áreas industriales, una de ellas es la farmacéutica. Catalizadores heterogéneos: Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en una fase diferente que los reactivos. La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa. Catalizadores homogéneos: Normalmente los catalizadores homogéneos están disueltos en un disolvente con los sustratos. Electrocatalizadores: En el contexto de la electroquímica, específicamente en la ingeniería de las pilas de combustible, que contienen varios metales los catalizadores se utilizan para mejorar las velocidades de las semirreacciones que conforman la pila de combustible. Organocatálisis: Mientras que los metales de transición a veces atraen más la atención en el estudio de la catálisis, las moléculas orgánicas que no contengan metales también pueden poseer propiedades catalíticas. Normalmente, los catalizadores orgánicos requieren una mayor carga (o cantidad de catalizador por unidad de cantidad de reactivo) que los catalizadores basados en metales de transición, pero estos catalizadores suelen estar disponibles comercialmente en grandes cantidades, ayudando a reducir los costos. Nanocatálisis: El principio de la nanocatálisis se basa en la premisa de que los materiales catalíticos aplicados en la nanoescala tienen mejores propiedades, en comparación con lo que exhiben en una macroescala.
- 14. Catálisis Inhibidores, venenos y promotores Las sustancias que reducen la acción de los catalizadores son llamadas inhibidores catalíticos si son reversibles, y venenos catalíticos si son irreversibles. Los promotores son sustancias que aumentan la actividad catalítica, en particular cuando no son catalizadores en sí mismos. El inhibidor puede modificar la selectividad además de la velocidad. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador es paladio (Pd), parcialmente "envenenado" con acetato de plomo (II) (Pb(CH3COO)2). Sin la desactivación del catalizador, el etileno producido se reducirá aún más, hasta etano. El inhibidor puede producir este efecto por ejemplo, envenenando selectivamente solo a ciertos tipos de sitios activos. Otro mecanismo es la modificación de la geometría de la superficie. Por ejemplo, en las operaciones de hidrogenación, grandes planchas de superficie metálica funcionan como lugares de catálisis hidrogenolítica mientras que los sitios que catalizan la hidrogenación de los insaturados son menores. Así, un veneno que cubre la superficie al azar tienden a reducir el número de grandes planchas no contaminada, pero dejan proporcionalmente más sitios pequeños libres, así se cambia la hidrogenación frente a la hidrogenolisis selectiva. También son posibles otros muchos mecanismos.