Guía completa de la purificación del gas natural: Métodos y tecnologías

¿Qué es la purificación del gas natural y por qué es esencial?

La purificación del gas natural es un paso importante en la industria del petróleo y el gas que permite utilizar el gas natural de forma segura, eficiente y a un coste razonable. En su sentido más amplio, la purificación del gas natural es el proceso de separación de las sustancias indeseables del gas natural bruto que se produce en los pozos de petróleo o en los yacimientos de gas. Si no se eliminan, estas impurezas pueden causar la degradación de los equipos, reducir el contenido energético del gas y provocar problemas medioambientales como la emisión de gases de efecto invernadero.

¿Por qué es tan importante este proceso? En primer lugar, el gas natural purificado cumple las normas de calidad de los gasoductos necesarias para su transporte y consumo. También ayuda a mantener la compatibilidad con los procesos posteriores, por ejemplo, centrales eléctricas, plantas petroquímicas y refinerías de petróleo que utilizan gas natural seco como fuente de energía. Además, la purificación del gas natural es esencial para cumplir las normas medioambientales, sobre todo en países como Estados Unidos, que tienen leyes estrictas sobre la emisión de gases ácidos como el dióxido de azufre.

No se trata sólo de cumplir ciertos requisitos técnicos, sino de proporcionar una energía segura, limpia y eficiente mediante el procesamiento del gas natural. Ante la creciente necesidad de energía limpia, el gas natural es preferible a otros hidrocarburos como el petróleo crudo. Pero para conseguirlo, hay que separar las impurezas del gas natural bruto, un proceso que es complejo y necesita tecnologías e ingeniería sofisticadas.

Equipos clave utilizados en la purificación del gas natural y sus funciones

La purificación del gas natural requiere la aplicación de varias unidades críticas de equipos, cuyo objetivo es la eliminación de diversas impurezas en la corriente de gas natural. Estos sistemas contribuyen a garantizar que el gas natural sea seguro, tenga la calidad adecuada y cumpla los requisitos medioambientales antes de ser transportado o utilizado.

Separadores: En muchos casos, el paso inicial en la purificación, se emplean separadores convencionales para eliminar grandes volúmenes de líquidos, incluyendo agua e hidrocarburos más densos, de la corriente de gas natural. Este paso es útil para evitar daños en los equipos aguas abajo y también para prevenir la corrosión.

Unidades de absorción de aminas: Estos sistemas son esenciales para la eliminación de gases ácidos como el dióxido de carbono (CO₂) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S). Estas aminas reaccionan químicamente con los componentes ácidos de la corriente de gas y ayudan a minimizar el contenido de azufre y a cumplir las normas medioambientales.

Unidades de recuperación de azufre (SRU): Cuando se separa el sulfuro de hidrógeno, suele tratarse en SRU para convertirlo en azufre elemental. Este azufre puede venderse para su uso en productos industriales como fertilizantes, lo que confiere un valor económico al proceso.

Unidades de separación criogénica: Estas unidades emplean temperaturas muy bajas para ayudar a aislar los LGN, que incluyen etano, propano y butano, de la corriente principal de gas en una planta de procesamiento de gas, dando como resultado una corriente de LGN. Estos líquidos pueden emplearse como materias primas en la producción de productos petroquímicos o como productos individuales.

Sistemas de deshidratación: Para evitar la formación de hidratos que provocan el bloqueo de las tuberías, es necesario eliminar el vapor de agua. Una de las formas más comunes de hacerlo es mediante la deshidratación con glicol, que ayuda a que el gas fluya libremente durante el transporte.

Sistemas de eliminación de mercurio: Aunque se utilizan en aplicaciones a pequeña escala, las unidades de eliminación de mercurio son esenciales para evitar el impacto del mercurio en las piezas de aluminio, especialmente en los procesos criogénicos.

Todos estos sistemas tienen su función específica de hacer que el producto final de gas natural sea limpio, seguro y esté listo para el mercado. La incorporación adecuada de estas tecnologías garantiza un procesamiento eficaz, la salvaguarda de los equipos y la utilización óptima de los recursos de gas natural.

El proceso de purificación del gas natural

El proceso de purificación del gas natural es un proceso complejo cuyo objetivo es eliminar determinados componentes indeseables en varias etapas. Esto ayuda a garantizar que el producto final cumpla las normas establecidas y pueda utilizarse en diferentes usos. Ha llegado el momento de analizar las principales etapas del proceso.

Pretratamiento de gas bruto

El primer paso en el proceso de purificación del gas natural es el pretratamiento del gas natural crudo, que suele ir acompañado de petróleo crudo, agua asociada y fase sólida. El pretratamiento implica normalmente la aplicación de separadores y filtros estándar, incluida la separación de los líquidos del gas natural. Estos sistemas filtran grandes volúmenes de impurezas para permitir que el gas pase por otros procesos.

El pretratamiento también acondiciona la corriente de gas controlando su temperatura y su presión, que son esenciales para el tratamiento posterior. La eficacia de esta etapa define la eficacia de la purificación en general. Los contaminantes de mayor tamaño deben eliminarse en esta etapa porque pueden dañar otros equipos en etapas posteriores.

Eliminación de gases ácidos

El proceso de purificación del gas natural implica la eliminación de gases ácidos como el sulfuro de hidrógeno (H₂S) y el dióxido de carbono (CO₂). El siguiente paso se centra en la gestión de estos gases corrosivos, ya que si no se gestionan bien, presentan problemas operativos y medioambientales. Por ejemplo, el H₂S puede provocar una corrosión grave en tuberías y equipos, cuya reparación puede resultar costosa y plantear riesgos para la seguridad. El CO₂, por su parte, tiene el efecto de reducir el poder calorífico del gas natural y puede solidificarse durante los procesos criogénicos, provocando así obstrucciones y otros problemas.

Si no se eliminan los gases ácidos de la corriente de gas, los procesos posteriores, como la deshidratación y la recuperación de azufre, pueden verse comprometidos o detenerse. Unos niveles elevados de H₂S pueden provocar la sobrecarga de las SRU y, por tanto, disminuir su rendimiento y aumentar las emisiones de gases nocivos. Asimismo, incluso una concentración de CO₂ de 5% puede reducir la eficiencia de las unidades de separación criogénica en más de 20% y la recuperación de hidrocarburos valiosos como el propano y el butano.

Para solucionar este problema, la absorción de aminas es el método más utilizado. Las aminas reaccionan con el H₂S y el CO₂ mediante una reacción química que filtra estos gases de la corriente de gas. Para una mayor purificación, se utilizan las técnicas de adsorción física como la adsorción por tamiz molecular o la adsorción por cambio de presión (PSA). Estos métodos son especialmente útiles en los casos en que se necesita un bajo contenido de azufre o de carbono, por ejemplo, después de la desulfuración, o en la eliminación de CO₂ en mezclas gaseosas a alta presión. Los tamices moleculares (13X, 4A), por ejemplo, pueden adsorber selectivamente CO₂ y H₂S en la medida en que el gas es de pureza ultra alta y pueden utilizarse en aplicaciones que requieren alta sensibilidad.

En algunos procesos mixtos, los tamices moleculares u otros agentes de adsorción se utilizan junto con métodos químicos para obtener mejores resultados, especialmente para mezclas gaseosas específicas.

De este modo, los operadores protegen los equipos, mejoran la eficacia de las etapas posteriores y cumplen los requisitos medioambientales. Esta etapa es fundamental para la generación de gas natural de alta calidad y rentable.

Deshidratación

La deshidratación es una etapa importante del tratamiento del gas natural porque los hidratos de gas son estructuras sólidas similares al hielo que pueden formarse cuando el vapor de agua reacciona con el gas natural a alta presión y baja temperatura. Los hidratos pueden causar graves problemas, como la obstrucción de las tuberías y la interrupción de las operaciones, e impedir el paso del gas natural, lo que conlleva problemas que requieren mucho tiempo. Además, el agua en la corriente de gas provoca la corrosión de las tuberías y los equipos de procesamiento y acorta considerablemente su vida útil.

Si el proceso de deshidratación no se gestiona correctamente, otros procesos como la separación criogénica y la recuperación de azufre pueden verse gravemente afectados. Por ejemplo, el agua residual puede congelarse en las unidades criogénicas y causar bloqueos en el equipo y disminuir la recuperación de hidrocarburos valiosos como etano, propano y butano. Las investigaciones han indicado que tan sólo unas pocas ppm de agua pueden causar una pérdida de 15-20% en las operaciones criogénicas. Además, el agua puede disolver gases ácidos como el CO₂ y el H₂S para formar ácidos altamente corrosivos que agravarían el problema.

La deshidratación primaria es uno de los métodos más comunes, y la deshidratación por glicol es el método más utilizado. En este proceso, se hace pasar trietilenglicol (TEG) a través de la corriente de gas, donde se utiliza para eliminar el vapor de agua. Esto garantiza que el gas está libre de contenido de agua y normalmente se suministra con un contenido de agua inferior a 7 lbs/MMscf para la calidad del gasoducto. La temperatura de la corriente de gas se regula para garantizar la eficacia de la eliminación del agua y que el rendimiento sea constante.

En los casos en que las corrientes de gas contienen una cantidad relativamente mayor de agua, los tamices moleculares 4A también pueden utilizarse para la primera etapa de deshidratación. Debido a su alta capacidad de adsorción y eficacia, los tamices moleculares 4A pueden ser el método principal en algunos casos, por ejemplo, a bajas temperaturas o cuando es necesario reducir la cantidad de agua antes del procesamiento posterior. En estos casos, ayudan a disminuir el contenido de agua en el gas y, por tanto, disminuyen la carga en las siguientes etapas de deshidratación, incluidos los sistemas TEG, y mejoran la eficiencia del proceso de purificación del gas.

Ambos métodos son esenciales para regular el contenido de agua en el gas natural con el fin de cumplir las especificaciones de los gasoductos y dejar el gas listo para otros pasos de procesamiento posteriores. La decisión de utilizar la deshidratación TEG, tamices moleculares 4A o ambos se basa en las necesidades operativas y de composición del gas.

Tras la deshidratación primaria, es necesaria una deshidratación adicional para las corrientes de gas que van a ser procesadas para criogenización o licuefacción, por ejemplo, GNL.

Los tamices moleculares, especialmente los del tipo 13X, son los adsorbentes más utilizados para el secado profundo. Pueden eliminar el contenido de agua por debajo de 0,1 ppm, lo que los hace adecuados para su uso en sistemas criogénicos. Esta capacidad de adsorber selectivamente moléculas de agua incluso en concentraciones muy bajas garantiza el mejor rendimiento en las condiciones de humedad más difíciles, como en la producción de GNL.

Otros desecantes, como la alúmina activada, se utilizan para requisitos de secado moderados, por ejemplo, para alcanzar un punto de rocío de -40 °C. La alúmina activada también se utiliza como material de pretratamiento para reducir la carga de agua a granel en los tamices moleculares, aumentando así su durabilidad y rendimiento. Se prefieren los tamices moleculares para la deshidratación profunda por su mayor capacidad de adsorción, su mayor selectividad y su mayor vida útil. Estas propiedades los hacen inestimables para alcanzar los niveles extremadamente bajos de agua que se necesitan en los procesos criogénicos y otros procesos rigurosos.

Mediante un control adecuado del punto de rocío, los operadores evitan la corrosión y erosión de los equipos, mejoran el rendimiento de los procesos posteriores y garantizan a los clientes el suministro de gas natural limpio y seco.

Eliminación de hidrocarburos pesados y mercurio

Los hidrocarburos saturados y otras impurezas como el mercurio se eliminan en el procesamiento del gas natural para cumplir las especificaciones de seguridad, operativas y medioambientales. El pentano y los alcanos superiores presentes en los hidrocarburos pesados pueden provocar graves problemas en las operaciones posteriores. Estos hidrocarburos se solidifican a temperaturas criogénicas y provocan bloqueos en los equipos y disminuyen la eficacia del proceso de recuperación de LGN valiosos como el propano, el butano y el etano. El mercurio, incluso en concentraciones muy bajas, ataca las piezas de aluminio de los intercambiadores de calor criogénicos, provocando fallos en los equipos, pérdidas de tiempo de funcionamiento y reparaciones costosas.

Los tamices moleculares (5A,13X) , son los adsorbentes avanzados más utilizados para eliminar estas impurezas. Debido a su alta capacidad de adsorción y selectividad, pueden separar eficazmente hidrocarburos pesados y, al mismo tiempo, adsorber mercurio en un solo paso. Los tamices moleculares son especialmente útiles en sistemas criogénicos porque pueden funcionar a bajas temperaturas sin que se degrade su rendimiento. Además, son regenerables, lo que mejora su asequibilidad y funcionalidad a largo plazo.

En algunas aplicaciones, pueden utilizarse otros adsorbentes, como el carbón activado, para la eliminación del mercurio, además de los adsorbentes primarios. No obstante, los tamices moleculares se consideran más eficaces y versátiles que los demás adsorbentes. No sólo purifican el gas, sino que también protegen los delicados equipos posteriores de posibles daños y contaminación, lo que puede resultar muy caro.

Si estas impurezas no se eliminan, pueden causar problemas importantes, como el taponamiento de las unidades criogénicas, menores índices de recuperación de hidrocarburos valiosos y la violación de las normas medioambientales. Mediante un tratamiento eficaz de los hidrocarburos pesados y el mercurio, los operadores protegen los procesos posteriores, recuperan la mayor cantidad posible del recurso y cumplen los requisitos de seguridad y medioambientales.

Recuperación del azufre

La recuperación del azufre es un proceso crítico tras la extracción del sulfuro de hidrógeno (H₂S) del gas natural. Este proceso no sólo reduce la emisión de gases nocivos, sino que también convierte el H₂S en azufre elemental, que es un producto útil que se utiliza en fertilizantes, productos químicos y otros productos. El método más común es el proceso Claus, que consiste en la combustión parcial del H₂S para producir SO₂ y luego hacer reaccionar el H₂S restante con SO₂ en presencia de catalizadores como la alúmina activada o el sulfato de bario para producir azufre elemental.

Otra consideración importante en la recuperación de azufre es la ausencia de agua en la corriente de gas, ya que el agua dificulta la eficacia de las reacciones de recuperación de azufre y corroe el equipo. Los tamices moleculares, especialmente 4A y 5A, se utilizan en este paso para eliminar el agua restante y también para mejorar la actividad catalítica del proceso de conversión del azufre. Los tamices moleculares se utilizan preferentemente a otros desecantes como la alúmina activada o el gel de sílice debido a su elevada capacidad de adsorción de agua, selectividad y estabilidad térmica.

Además de las ventajas de la actividad catalítica, los tamices moleculares también presentan unas características de regeneración y una vida útil superiores, lo que los hace más económicos para su uso a largo plazo. La distribución del tamaño de los poros de sus materiales está bien controlada para proporcionar el mejor entorno de adsorción y reacción, lo que conduce a una mayor recuperación de azufre y un mejor rendimiento de la planta.

Mediante la aplicación de tamices moleculares en el proceso de recuperación de azufre, los operadores aumentan la conversión de H₂S, salvaguardan los equipos y optimizan el valor del azufre recuperado dentro de las normas medioambientales.

Requisitos de pureza del gas natural en las distintas industrias

El nivel de pureza que se espera del gas natural difiere de una industria a otra en función del uso que se le vaya a dar. Es importante purificar para que las operaciones sean eficientes, para salvaguardar los equipos y también para tener productos de calidad.

Transporte por gasoducto: En el caso del gas natural de calidad para gasoductos, los requisitos de pureza son muy elevados para evitar cualquier problema durante el transporte. El gas no debe contener gases ácidos como el sulfuro de hidrógeno (H₂S), vapor de agua ni otras impurezas que puedan provocar la corrosión del gasoducto o la formación de hidratos a alta presión y baja temperatura. Esto puede ser posible mediante la aplicación de adsorbentes y desecantes mejorados, como tamices moleculares, alúmina activada, óxido de hierro (Fe₂O₃) y carbón activado.

De estas opciones, los tamices moleculares (4A , 5A, 13X) son especialmente eficaces en términos de adsorción. Mientras que la alúmina activada es adecuada para el secado básico, los tamices moleculares pueden alcanzar un punto de rocío inferior a 0,1 ppm para satisfacer las demandas de humedad ultrabaja para usos sensibles. Además, el óxido de hierro y el carbón activado son selectivos para determinadas impurezas, como el azufre o los hidrocarburos; sin embargo, los tamices moleculares pueden adsorber agua, CO₂ y H₂S al mismo tiempo con gran selectividad.

Los tamices moleculares también tienen una vida útil más larga y un mayor índice de regeneración, lo que resulta más económico para aplicaciones a largo plazo. Estas ventajas hacen de los tamices moleculares la opción preferida para conseguir la pureza y fiabilidad necesarias para el transporte por tuberías, la seguridad y la eficiencia.

Centrales eléctricas y aplicaciones petroquímicas: Estos sectores requieren gas natural de muy alta pureza para respaldar sus operaciones y la calidad de sus productos. En el caso de las centrales eléctricas, el gas natural tiene que cumplir unos niveles específicos de humedad e impurezas, y normalmente se espera que el contenido de agua sea inferior a 1 ppm. Este nivel de sequedad es necesario para evitar la corrosión en turbinas y calderas y para lograr una combustión estable y eficaz.

En los procesos petroquímicos, incluso niveles de ppm de impurezas como compuestos de azufre e hidrocarburos pesados pueden interferir en los procesos catalíticos, reducir la formación de productos y ensuciar equipos sensibles. El gas natural, cuando se utiliza como materia prima química, debe tener un contenido de azufre inferior a 1 ppm debido a los elevados requisitos de pureza.

Para cumplir estos requisitos, se prefieren los tamices moleculares por su capacidad para eliminar agua hasta niveles muy bajos y, al mismo tiempo, eliminar selectivamente compuestos de azufre e hidrocarburos. Otros adsorbentes como el carbón activado y el óxido de hierro (Fe₂O₃) se utilizan para determinadas impurezas como el azufre o los hidrocarburos. Sin embargo, los tamices moleculares son más eficaces, selectivos y fáciles de regenerar que estas alternativas, por lo que se utilizan en procesos más exigentes.

Producción de líquidos de gas natural (LGN): La recuperación de LGN como etano, propano y butano implica la necesidad de minimizar las impurezas a niveles muy bajos debido a los elevados requisitos de pureza. En los sistemas criogénicos, la temperatura puede ser inferior a -100°C y, por lo tanto, el contenido de agua debe ser inferior a 0,1 ppm para evitar la congelación y la formación de hidratos que pueden obstruir los equipos y provocar averías en el sistema. Del mismo modo, la concentración de CO₂ debe mantenerse lo más baja posible para que no se solidifique y contamine los componentes separados.

Para satisfacer estas necesidades, se aplican tamices moleculares (4A、5A、13X) para la deshidratación profunda y la eliminación de CO₂. Debido a su elevada superficie y selectividad, son ideales para conseguir niveles muy bajos de humedad e impurezas que permitan procesos criogénicos eficientes.

Otros adsorbentes son la alúmina activada y el carbón activado, que se utilizan en determinadas aplicaciones. La deshidratación moderada utiliza alúmina activada, mientras que el carbón activado se emplea para eliminar hidrocarburos y otras impurezas en cantidades traza. Sin embargo, su rendimiento y aplicabilidad son generalmente inferiores a los tamices moleculares, sobre todo en entornos criogénicos severos.

Los adsorbentes avanzados que pueden desarrollarse para satisfacer las necesidades de cada planta permiten al operador obtener el gas natural de alta pureza necesario para la producción de LGN, minimizando al mismo tiempo el riesgo para los equipos criogénicos y maximizando el rendimiento del producto.

Refinerías de petróleo y aplicaciones especializadas: En las refinerías y algunas otras aplicaciones, la composición del gas natural es muy importante para cumplir determinadas especificaciones operativas y de producto. Por ejemplo, en la producción química, los hidrocarburos más ligeros, como el metano, tienen que separarse de los más pesados para producir sustancias químicas valiosas, por lo que hay que controlar la composición de los hidrocarburos. En estas aplicaciones, el gas natural utilizado como materia prima puede requerir niveles muy bajos de azufre y humedad, a menudo inferiores a 1 ppm, para interferir en los procesos catalíticos.

Del mismo modo, los pozos de condensado contienen hidrocarburos que se producen y transforman en productos líquidos como combustibles líquidos. En este caso, la presencia de impurezas como el CO₂, el agua y el azufre debe regularse para mejorar la calidad del producto y el rendimiento operativo.

Mediante la adaptación de los procesos de purificación a las necesidades de la industria, los operadores pueden suministrar gas natural seguro, eficiente y de alta calidad para diversos usos.

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Avances, retos y perspectivas de la depuración del gas natural

La tecnología de purificación del gas natural se ha desarrollado considerablemente debido a la creciente demanda de energía limpia y a la mejora de las normas. Los nuevos procesos criogénicos y los mejores procesos y medios de adsorción, como los tamices moleculares, han permitido separar y eliminar las impurezas con mayor eficacia y selectividad. Estos avances no sólo ayudan a alcanzar mayores grados de pureza, sino también a ahorrar energía y gastos. Sin embargo, para reducir el impacto de la industria, las plantas de purificación se alimentan de fuentes de energía renovables como la solar o la eólica.

Sin embargo, aún quedan algunas cuestiones por resolver. La cuestión más difícil es cómo cubrir los costes de purificación manteniendo el valor económico del gas purificado. Las tecnologías que pueden realizar una deshidratación profunda, la eliminación de gases ácidos y la eliminación de mercurio pueden requerir mucho capital. Además, como las normas medioambientales siguen aumentando, los sistemas de purificación deben ser capaces de tratar impurezas más complicadas, así como de minimizar la emisión de gases de efecto invernadero.

Las perspectivas de futuro estarán dominadas por el concepto de sostenibilidad en la creación de tecnologías de depuración. Se prevé que los sistemas de eliminación de dióxido de carbono que pueden capturar y almacenar o reciclar CO₂ ganen más popularidad a medida que el mundo cambie hacia emisiones de carbono más bajas. También hay interés por los sistemas de depuración pequeños y portátiles, sobre todo para las aplicaciones extremas y a pequeña escala por su flexibilidad y logística.

El futuro de la purificación del gas natural vendrá determinado por la medida en que satisfaga las necesidades energéticas en constante evolución, los retos de costes y las cuestiones medioambientales. Los nuevos avances garantizarán que el gas natural siga siendo una fuente de energía estable, eficiente y sostenible en la transición hacia una combinación energética más limpia.