REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DE EDUCACION SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO

EXTENSION-MARACAY

PROCESOS CRIOGENICOS Y LICUEFACCION DE GASES

Realizado por:

Maracay, 31 De Enero De 2011

INTRODUCCION

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.

Como en todos los procesos que abarca la industria química, la

necesidad de reducir en las plantas los costos operativos y aumentar la

producción dentro de los estándares de calidad que rigen el mercado, han

llevado al desarrollo de nuevos procesos y a optimizar los yacimientos ya

establecidos. El aumento en la demanda de gas natural obliga a mejorar los

procesos de endulzamiento, con el incremento de la producción de gas dulce y

la disminución de los costos de operación. Estudios realizados en esta área se

encaminan a la reducción de pérdidas de amina, mediante la manipulación de

las variables operativas e implementación de dispositivos, obteniéndose

excelentes resultados en el ahorro de costos sin alterar la capacidad ni la

calidad de endulzamiento.

Definición del 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.

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”.

 Gases ácidos

Al H2S y al CO2 se les denomina gases ácidos del gas natural. En

muchos campos de donde es extraído el gas natural la presencia de estos

compuestos es elevada los cuales le dan la denominación de “amargo” al gas

natural. El ácido sulfrídrico, también conocido como sulfuro de hidrógeno, tiene

la característica de tener un desagradable olor y ser muy tóxico. Cuando es

separado del gas natural mediante el proceso de endulzamiento, es enviado a

plantas recuperadoras de azufre en donde es vendido en forma líquida para

sus diversos usos industriales (producción de pólvora o sus médicos) .

Por su parte el dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, que a

concentraciones bajas no es tóxico pero en concentraciones elevadas

incrementa la frecuencia respiratoria y puede llegar a producir sofocación. Se

puede licuar fácilmente por compresión, sin embargo, cuando se enfría a

presión atmosférica se condensa como sólido en lugar de hacerlo como líquido.

El dióxido de carbono es soluble en agua y la solución resultante puede ser

ácida como resultado de la formación de ácido carbonilo, he aquí la propiedad

corrosiva que el CO2 presenta en presencia de agua.

Procesamiento del gas natural

Su procesamiento consiste principalmente en:

La eliminación de compuestos ácidos (H2S) y CO2) mediante el uso de

tecnologías que se basan en sistemas de absorción - agotamiento utilizando un

solvente selectivo. El gas alimentado se denomina “amargo”, el producto “gas

dulce” y el proceso se conoce como Endulzamiento.

La recuperación de etano e hidrocarburos licuables mediante procesos

criogénicos (uso de bajas temperaturas para la generación de un líquido

separable por destilación fraccionada) previo proceso de deshidratación para

evitar la formación de sólidos.

Recuperación del azufre de los gases ácidos que se generan durante el

proceso de endulzamiento.

Fraccionamiento de los hidrocarburos líquidos recuperados, obteniendo

corrientes ricas en etano, propano, butanos y gasolina; en ocasiones también

resulta conveniente separar el isobutano del n- butano para usos muy

específicos.

Procesos Criogénicos

Es un proceso mediante el cual las temperaturas extremadamente bajas

se alcanza (-131F) mediante la eliminación de la energía de la corriente de gas

natural para producir gas licuado de productos naturales como el etano. El

equipo principal en el proceso criogénico es el expansor, compresor.

Un método de baja temperatura se prevé la eliminación de componentes

condensables de un gas de hidrocarburos de la entrada, como el gas natural

que tiene una alta proporción de metano. El sistema incluye una columna de

fraccionamiento para eliminar los componentes condensados y una etapa de

reflujo de la novela que está dispuesto a condensar otros componentes

condensables del gas después de pasar el gas a través de la columna de

fraccionamiento y devolver los componentes condensados adicional de nuevo a

la columna de fraccionamiento como reflujo. El sistema utiliza los medios de

expansión en forma de una turbina de gas que está conectado de tal manera

que la energía generada por la turbina se utiliza para operar un compresor para

comprimir el gas después de la eliminación de algunos de los componentes del

mismo condensables.

En los últimos años, a propósito del gas natural se hace referencia

frecuentemente a las plantas criogénicas. Sin embargo, muchos no tenemos

claro qué proceso, por qué y para qué se usa esta tecnología, y cuáles son sus

alcances.

Por ello, es que el presente Informe Quincenal busca explicar de forma

sencilla lo que implica el proceso de la criogenia, sus características y otros

datos de importancia.

La criogenia o denominada también el congelamiento ultra frío, es una

técnica utilizada para enfriar materiales a temperaturas muy bajas - como la

temperatura de ebullición del nitrógeno (-195.79 ºC) e incluso más bajas. Para

lograr estas temperaturas se usan diversos productos siendo los más

conocidos el nitrógeno y el helio.

La criogenia tiene una gran variedad de aplicaciones, entre las que

podemos destacar el procesamiento de metales y de hidrocarburos, el

almacenamiento o preservación de vacunas, alimentos u otros insumos, y a

futuro – actualmente en investigación - la posibilidad de criogenizar personas

con el fin de acceder a curas de males que los aquejan en el futuro.

Su uso en la industria de los hidrocarburos se ha incrementado en los

últimos tiempos con especial interés en el gas natural, ya que los procesos

criogénicos han permitido que el gas natural pueda ser licuefactado y, por

ende, transportado mediante buques especialmente acondicionados a destinos

muy lejanos.

Las plantas criogénicas y los hidrocarburos

En términos muy sencillos, una planta criogénica es un complejo

industrial que hace uso de procesos criogénicos, es decir, de procesos de

enfriamiento a muy bajas temperaturas para conseguir objetivos determinados.

En el procesamiento de hidrocarburos, una planta criogénica puede ser

usada para:

1. Separar el gas natural de sus líquidos

Gas natural licuefactado es aquel gas que ha sido reducido en

volumen – hasta en 600 veces su tamaña original - y convertido a líquido, con

la finalidad de hacer su envío física y económicamente viable a través de

grandes distancias.

Buque de transporte de Gas Natural

Licuefactado (LNG)2. Para licuefactar el gas natural con la finalidad de

hacer viable su transporte a puntos lejanos.

Pero para entender un poco más acerca de estos dos procesos,

pasemos a describirlos brevemente:

1. Separación del gas natural de sus líquidos:

El gas natural, al igual que el petróleo, es una combinación de

hidrocarburos

En un yacimiento de gas natural es posible encontrar gas natural

combinado con petróleo, con otros hidrocarburos e incluso en algunos casos

con agua.

No obstante, para que el gas natural extraído del yacimiento pueda ser

usado por los consumidores finales este debe pasar por un proceso para

obtener lo que se conoce como gas natural seco, es decir, un gas natural al

cual se le han extraído ciertos componentes que en conjunto formarán lo que

se conoce como líquidos de gas natural.

Existen 3 tipos de procedimientos para realizar esta separación: el de

absorción, el de refrigeración y el de criogenización, siendo este último el más

eficiente aunque es un poco más costoso que las opciones anteriores.

Descripción del proceso de criogenización

Aun cuando el proceso de criogenización para la separación del gas

natural de sus líquidos es un proceso complejo, presentamos una breve

descripción del proceso:

Una vez extraído el gas natural (compuesto de metano, etano y líquidos

en fase vaporizada) del yacimiento, el producto es trasladado hasta la unidad

de deshidratación, en la cual se reduce la cantidad de agua presente en él a

pequeñas cantidades (incluso partículas por millón)

Seguidamente, el gas natural pasa a un separador de baja

temperatura, del cual se obtiene como resultado final gas natural húmedo por

un lado y los líquidos más pesados de gas natural por otro.

El gas natural húmedo es enviado a una des-etanizadora tras haber

pasado por un Turbo Expander” en el cual se reduce la presión y la

temperatura del mismo. Producto de este proceso se obtienen el gas natural

seco y líquidos livianos de gas natural.

El gas natural es reducido en volumen para poder ser enviado a su

siguiente destino, siendo en el caso del Perú, enviado a través de un

gasoducto.

Por su parte los líquidos de gas natural resultantes están listos para ser

enviados a almacenar, o en caso contrario, para ser enviados a la planta de

procesamiento respectiva.

Licuefacción de los gases

La licuefacción es el proceso mediante el cual una sustancia, en estado

gaseoso a temperatura y presión estándar, es comprimida hasta modificar su

estado de agregación de gas a liquido o se puede interpretar también como el

cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado gaseoso al

líquido, por acción de la temperatura y el aumento de presión, llegando a una

sobrepresión elevada, hecho que diferencia a la licuefacción de la

condensación. La licuefacción de los gases fue descubierta por Michael

Faraday en el año 1823, al trabajar con amoníaco.

La licuefacción de gases incluye una serie de fases utilizada para

convertir un gas en estado líquido. Los procesos se utilizan para fines

científicos, industriales y comerciales. Muchos de los gases se pueden poner

en estado líquido a presión atmosférica normal por simple refrigeración y otros

como el dióxido de carbono, requieren presurización. La licuefacción de los

gases es un proceso complicado que utiliza diferentes compresiones y

expansiones para lograr altas presiones y temperaturas muy bajas, utilizando

por ejemplo turbo expansores.

Un ejemplo es el combustible que se usa regularmente para las estufas

domesticas y muchas otras aplicaciones comunes así como industriales, este

es un subproducto del petróleo.

Dentro de la refinación del petróleo crudo, una parte genera gases de

hidrocarburos ligeros como el butano y el propano, estos son colectados y

comprimidos hasta pasarlos a estado liquido para fin de almacenarlo y

transportarlo de una manera más eficiente.

Esta mezcla de gases butano y propano ya en estado líquido es lo que

llamamos Gas LP, o Gas Licuado de Petróleo. Existen muchos ejemplos, tales

como el nitrógeno liquido o LNG (liquid nitrogen gas), LNG (liquid naturas gas),

LOG (liquid oxigen gas), etc. Incluso si tu cuentas con un compresor de aire

con capacidad para alcanzar unas 3000 psi de presión, podrías licuar (o

liquefar) la mezcla que constituye el aire, obteniendo un liquido constituido por

la misma proporción de componentes del aire.

La licuefacción se utiliza para el análisis de las propiedades

fundamentales de las moléculas de gas (fuerzas intermoleculares), para el

almacenamiento de gases, por ejemplo: el GLP, y en la refrigeración y aire

acondicionado. En éstos, el gas licuado dentro del condensador, libera el calor

de vaporización, y se evapora en el evaporador, donde el calor de vaporización

es absorbido. El amoníaco fue el primero de estos refrigerantes, pero ha sido

sustituido por compuestos derivados del petróleo y halógenos.

El Oxígeno líquido se suministra a los hospitales para la conversión a

gas para los pacientes que sufren de problemas respiratorios, y el nitrógeno

líquido es utilizado en dermatología y en inseminación artificial para congelar el

semen. El cloro licuado es transportado para su eventual solución en el agua,

tras lo cual se utiliza para la purificación del agua, el saneamiento de los

desechos industriales, aguas residuales y piscinas, blanqueo de pasta de papel

y textiles y la fabricación de tetra cloruro de carbono, glicol y otros muchos

compuestos orgánicos, así como el fosgeno de gas. Se utilizó en la guerra en

la Primera Guerra Mundial en Flandes y en forma gaseosa en Ypres, Bélgica,

aunque los depósitos estaban llenos de líquido.

La licuefacción de aire se utiliza para la obtención de nitrógeno, oxígeno

y argón que están presentes en éste, separando los componentes por

destilación. La licuefacción del helio (helio-4) con el ciclo de Linde-Hampson dio

lugar a un Premio Nobel de física a Heike Kamerlingh Onnes en 1913. La

presión en el punto de ebullición del helio líquido es de 4,22 K (-268,93 ° C),

por debajo de los 2,17 K el helio líquido tiene muchas propiedades

asombrosas, como el ascenso de las paredes, exhibiendo cero viscosidades.

Aplicación de los gases licuados

a) En la industria del frío: Construcción de refrigeradoras, cámaras

frigoríficas de los barcos, fábricas, etc., que permiten conservar y transportar

carne, frutas y otros alimentos.

b) Para almacenar y transportar gases. Así;, un depósito que contiene

un litro de amoníaco líquido equivale a 1350 litros de gas.

c) En la solidificación de gases: el anhídrido carbónico al salir del tubo se

expansiona, evaporándose con rapidez, bajando rápidamente su temperatura (-

85°C) hasta congelarse, llamándose nieve carbónica (hielo seco).

d) Para obtener el aire líquido, del cual se saca el oxígeno.

En este proceso de licuefacción se puede hacer utilizando un compresor

con potencia de más de 3,000 libras por pg. Cuadrada.

Ejemplos: 

1. el oxigeno convertido a liquido, para fines medicinales

2. el propano, para estufas domesticas o industriales.

3. el butano, para estufas domesticas. o industriales.

4. el acetileno, para fines de industria de soldadura.

5. el nitrógeno, para la manufactura de ampollas inyectables.

6. el dióxido de carbono, usado para fines industriales, como criogenia.

7. el halotano, usado para anestesia, en pacientes que serán sometidos

a cirugía mayor.

8. el hidrogeno liquido, para procesos de ingeniería genética, química

analítica criminalística y toxicológica, inseminación artificial, .preservación de

tejidos biológicos.

9. helio, para fines de investigación en fisiología humana.

10. aire comprimido, para fines de limpieza, de materiales delicados,

como computadoras, CHIPS.

La refrigeración se conoce mejor por su utilización en el

acondicionamiento del aire de edificios y en el tratamiento, transportación y

conservación de alimentos y bebidas. También encuentra uso industrial a gran

escala, por ejemplo, en la fabricación de hielo y la deshidratación de gases.

Las aplicaciones en la industria del petróleo incluyen la purificación de aceites

lubricantes, las reacciones a bajas temperaturas y la separación de

hidrocarburos volátiles. Un proceso estrechamente relacionado es la

licuefacción de los gases, que tiene aplicaciones comerciales importantes.

El objetivo de este capítulo es presentar un análisis termodinámico de los

procesos de refrigeración y licuefacción. No obstante, los detalles del diseño

del equipo se dejan para libros especializados.

La palabra refrigeración significa mantenimiento de una temperatura

inferior a la del ambiente. Esto requiere absorción continua de calor aun bajo

nivel de temperatura, a menudo logrado por evaporación de un líquido en un

proceso de flujo continuo en estado uniforme. El vapor que se forma puede

regresar a su estado líquido original para su revaporación en alguna de dos

formas, siendo la más común la compresión y condensación del mismo.

Alternativamente, puede ser absorbido por un líquido de volatilidad baja, del

cual es evaporado posteriormente a presión más elevada. Antes de tratar estos

ciclos prácticos de refrigeración, se considerará al refrigerador de Carnot, el

cual proporciona un parámetro de comparación.

Procesos de licuefacción

Los gases licuados son de uso común para una diversidad de

propósitos. Por ejemplo, el propano líquido en cilindros sirve como un

combustible doméstico; el oxígeno Líquido es llevado en los cohetes; el gas

natural es licuado para el transporte marítimo y el nitrógeno líquido se utiliza

para refrigeración a baja temperatura. Además, mezclas de gases (por ejemplo,

el aire) son licuadas para la separación de sus especies componentes por

fraccionamiento.

La licuefacción se obtiene cuando un gas se enfría a una temperatura en

la región de dos fases, lo que puede lograrse de varias maneras:

1. Por intercambio de calor a presión constante.

2. Por expansión en una turbina, a partir de la cual se obtiene trabajo.

3. Por un proceso de estrangulamiento.

El primer método requiere un pozo de calor a una temperatura inferior a

aquella a la cual se enfría el gas, siendo éste el método usado más

comúnmente para pre enfriar un gas antes de su licuefacción por alguno de los

otros dos métodos. Se requiere un refrigerador externo para que el gas

adquiera una temperatura inferior a la del ambiente.