Optimizar la deshidratación del gas natural: Adsorbentes de tamiz molecular

Introducción

Una de las etapas más importantes del procesamiento del gas natural es su deshidratación, que garantiza su calidad y eficiencia antes de llegar a nuestros hogares e industrias. Consiste en eliminar el vapor de agua de la corriente de gas para evitar la corrosión, la formación de hidratos y la reducción del poder calorífico. Los adsorbentes de tamiz molecular son una de las formas más eficaces de deshidratar el gas natural porque tienen propiedades únicas que les permiten eliminar las moléculas de agua de los gases naturales. En este artículo profundizaremos en los principios básicos de la deshidratación del gas natural, los distintos métodos de deshidratación y el papel fundamental que desempeñan en ella los adsorbentes de tamiz molecular.

Los tamices moleculares son desecantes eficaces utilizados en el método de deshidratación por adsorción que emplean habitualmente los agentes de la industria del gas natural. La estructura uniforme de los poros de estos adsorbentes garantiza la selectividad de las moléculas de agua con exclusión de las moléculas de hidrocarburos de mayor tamaño, lo que hace posible una deshidratación eficaz sin pérdida significativa de componentes valiosos.

La deshidratación del gas natural

La deshidratación del gas natural consiste en extraer el vapor de agua del gas natural bruto para producir gas natural seco, que pueda transportarse y consumirse. A menudo, el gas natural bruto contiene vapor de agua, que puede condensarse y provocar problemas en las tuberías y los equipos de procesamiento. El contenido de agua del gas natural bruto oscila entre 0,1 y 1,5 lb/MMcf (U.S. Energy Information Administration, 2020). El proceso de eliminación del vapor de agua del gas natural pretende reducir la cantidad de este compuesto a un nivel aceptable para la mayoría de las normas de calidad de los gasoductos, que suele ser inferior a 7 lb/MMcf.

La deshidratación debe producirse por varias razones. El vapor de agua podría formar compuestos corrosivos con gases ácidos como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno que corroerían las tuberías y los equipos. También se combinaría con hidrocarburos pesados para formar hidratos sólidos a altas presiones y bajas temperaturas, lo que provocaría la obstrucción de las tuberías e interrumpiría su flujo. Además, el agua elimina los componentes combustibles, lo que reduce el poder calorífico del gas natural al ocupar el espacio que podría haber llenado. Estos problemas pueden resolverse eliminando el vapor de agua mediante el proceso denominado deshidratación del gas natural, garantizando así la sustancia del combustible y su fiabilidad en el mercado.

Métodos de deshidratación en el procesamiento del gas natural

Para la deshidratación del gas natural se utilizan varios métodos, a saber, la deshidratación por absorción (deshidratación por glicol), la deshidratación por adsorción (deshidratación por desecante sólido), la refrigeración y la separación por membranas. La industria del gas natural suele emplear el método de absorción, también conocido como deshidratación por glicol. Por este motivo, se utiliza un desecante líquido, normalmente trietilenglicol (TEG), para absorber el vapor de agua de la corriente húmeda de gas natural en una unidad de deshidratación de gas. Aunque la deshidratación con glicol es eficaz para eliminar el vapor de agua de las corrientes de gas natural con temperaturas de punto de rocío de salida tan bajas como -10 °C a -20 °C, tiene algunas limitaciones como la posibilidad de pérdidas de glicol, la necesidad de un mantenimiento regular y el elevado consumo de energía durante la regeneración del glicol en la sección de regeneración. La pureza del glicol y la eficacia del proceso de regeneración del glicol pueden influir en el rendimiento global de la unidad de deshidratación de gas.

Los desecantes sólidos o tamices moleculares compuestos de gel de sílice se emplean en la deshidratación por adsorción o deshidratación por desecantes sólidos para eliminar el vapor de agua de las corrientes de gas natural. El gas natural húmedo pasa a través de un lecho adsorbente donde las moléculas formadas principalmente por H2O entran en contacto con la superficie del material poroso que las recoge. Algunas de las ventajas asociadas a la adsorción son un menor coste energético que en los procesos basados en glicol, una mayor eficacia en términos de eliminación y la capacidad de alcanzar temperaturas muy bajas del punto de rocío del agua (de -50 °C a -100 °C). Estas características hacen que los adsorbentes de tamiz molecular sean muy eficaces para eliminar trazas de humedad, ya que tienen estructuras de poros muy absorbentes. El gas natural deshidratado puede procesarse posteriormente para recuperar líquidos de gas natural, que se almacenan en tanques de almacenamiento.

En comparación con otros métodos como la refrigeración y la separación por membranas, las deshidrataciones por glicol y desecante sólido son más utilizadas en las industrias del gas natural. La refrigeración consiste en enfriar los gases para condensar y separar el líquido resultante, mientras que la separación por membranas utiliza membranas selectivas que permiten el paso de las moléculas de agua pero retienen los hidrocarburos.

Aplicación de la deshidratación por adsorción en las plantas de procesamiento de gas natural

En las plantas de procesamiento de gas natural, las unidades de deshidratación por adsorción suelen situarse aguas abajo de las etapas iniciales de separación y compresión. Factores como el punto de rocío deseado, la presencia de otras impurezas y el esquema general de flujo del proceso determinan la ubicación de una unidad de deshidratación. La deshidratación por adsorción puede utilizarse junto con otros métodos de deshidratación, como la deshidratación por glicol, para obtener el punto de rocío necesario; por ejemplo, un buen ejemplo es cuando una unidad de deshidratación por glicol elimina inicialmente el agua y, a continuación, se aplica una unidad de adsorción para pulir hasta los estrictos requisitos de punto de rocío. Para seleccionar y diseñar deshidratadores de adsorción que funcionen de forma óptima y con un coste mínimo, hay que tener en cuenta factores como el caudal de gas, el contenido de humedad de la corriente de gas, el ciclo de regeneración y el punto de rocío necesario.

La deshidratación mediante adsorción multietapa puede utilizarse en aplicaciones en las que se desean puntos de rocío de agua extremadamente bajos (por debajo de -100 °C), como en la producción de gas licuado de petróleo o en procesos criogénicos. Los sistemas de adsorción multietapa constan de dos o más recipientes de adsorción conectados en serie; cada etapa tiene como objetivo alcanzar un punto de rocío más bajo que la anterior. En la primera etapa se elimina la mayor concentración de vapor de agua, mientras que las siguientes continúan con el proceso de secado. Facilita una mejor utilización de los lechos adsorbentes, lo que permite alcanzar niveles muy bajos de saturación de humedad. Los sistemas de deshidratación por adsorción multietapa pueden emplear distintos tipos de tamices moleculares en diferentes etapas para optimizar el rendimiento con frecuencia.

Proceso de adsorción-deshidratación en detalle

Normalmente, un sistema de deshidratación por adsorción consta de varios componentes principales, como recipientes de adsorción, válvulas y tuberías del sistema de regeneración, e instrumentación y controles. Los recipientes de adsorción contienen los lechos desecantes sólidos, normalmente tamices moleculares o geles de sílice, que pueden aumentarse en función de la capacidad de la planta y del ciclo de regeneración deseado. Por otro lado, el sistema de regeneración suele incluir un calentador de gas de regeneración, un compresor y un enfriador que se encargan de calentar y enfriar el gas de regeneración utilizado para eliminar el agua de los lechos desecantes saturados.

El proceso de deshidratación por adsorción se desarrolla en dos etapas principales: adsorción y regeneración. Durante la etapa de adsorción, el gas natural húmedo entra en un recipiente adsorbente que contiene un lecho desecante sólido. Al atravesar el lecho, el gas arrastra moléculas de agua que quedan adheridas a su superficie, mientras que los gases secos vuelven a salir de él. En este caso, todos estos procesos se llevan a cabo hasta que el agua se satura en el lecho de desecantes. Por consiguiente, una vez que se ha producido la saturación en un determinado lecho de desecantes, este recipiente absorbedor debe desconectarse a la espera de ser regenerado. Se hace pasar un gas regenerador caliente (normalmente parte del gas de producto seco) a través del lecho saturado para eliminar el agua absorbida. El lecho desecante regenerado se enfría y queda listo para el siguiente ciclo de adsorción. En algunos casos, se pueden utilizar dos o más recipientes adsorbedores paralelos, de modo que uno pueda permanecer siempre en funcionamiento utilizando otro u otros.

Adsorbentes de tamiz molecular: La deshidratación por adsorción

Los adsorbentes de tamiz molecular son aluminosilicatos cristalinos que tienen una estructura de poros regular que les permite adsorber selectivamente moléculas en función de su tamaño y forma. Estos adsorbentes están hechos de zeolitas naturales o sintéticas y tienen una red tridimensional de poros y canales interconectados. El tamiz molecular más utilizado en la deshidratación del gas natural es la zeolita 4A, que tiene un diámetro de poro del orden de cuatro angstroms (Å). Los tamices moleculares muestran una gran afinidad por el agua debido a su naturaleza hidrófila y a las fuertes interacciones entre las moléculas de agua y la estructura de la zeolita, lo que les permite eliminar eficazmente el vapor de agua de corrientes de gas natural de baja concentración.

En comparación con otros desecantes utilizados en la deshidratación del gas natural, los adsorbentes de tamiz molecular presentan varias ventajas. Tienen una elevada superficie específica, así como un gran volumen de poros, lo que les permite adsorber grandes cantidades de vapor de agua por unidad de masa de adsorbente. La deshidratación eficaz sin pérdida sustancial de componentes valiosos depende de la adsorción selectiva de moléculas de agua por la estructura uniforme de los poros de los tamices moleculares, excluyendo al mismo tiempo las moléculas de hidrocarburos más grandes. Los tamices moleculares pueden regenerarse a temperaturas más bajas (150 °C - 300 °C) en comparación con otros desecantes, reduciendo así el consumo de energía y los costes de funcionamiento (Chemical Engineering Transactions, 2017). Con una regeneración y un mantenimiento adecuados, los lechos de tamiz molecular pueden durar varios años, minimizando así la necesidad de sustituciones frecuentes. Además, los tamices moleculares también tienen una mayor capacidad de deshidratación, por lo que podrían utilizarse unidades más pequeñas, lo que reduciría la huella ecológica y los costes de capital asociados a la infraestructura necesaria para las plantas de procesamiento de gas.

La elección de un tipo de tamiz molecular adecuado para el servicio de deshidratación de gas natural depende de varios factores, como la composición del gas, las condiciones de funcionamiento, el punto de rocío deseado y el método de regeneración. Consultar a los productores de tamices moleculares y realizar pruebas a escala piloto puede ser útil para determinar el adsorbente más adecuado para una aplicación determinada de deshidratación de gas natural.

Regeneración de adsorbentes en el proceso de deshidratación

Durante el proceso de deshidratación por adsorción en el tratamiento de gas natural, el paso de regeneración es un aspecto primordial para el funcionamiento continuo y eficiente de la unidad que deshidrata el agua, garantizando que el gas cumpla la especificación de punto de rocío de agua requerida. El procedimiento de regeneración en el contexto de la deshidratación del gas natural consiste en desorber el agua absorbida del lecho de tamiz molecular saturado de agua, tras lo cual se rejuvenece su capacidad de adsorción para poder utilizarla en otro ciclo. Esto es necesario para mantener el punto de rocío del agua en el nivel deseado en las corrientes de gas natural y evitar la formación de hidratos y los problemas de corrosión relacionados con los procesos posteriores, al tiempo que se minimiza el coste de la inversión (Chemical Engineering Transactions, 2017).

En la regeneración de los sistemas de deshidratación de gas natural se emplean dos métodos principales: la regeneración por oscilación térmica (TSR) y la regeneración por oscilación de presión (PSR). En la TSR, se utiliza gas de regeneración caliente o una parte de los gases de producto seco para calentar los lechos de tamiz molecular saturados hasta que puedan desorber el agua adsorbida, reduciendo la concentración de agua en la fase de vapor. Las temperaturas de regeneración oscilan entre 150 °C y 300 °C, dependiendo del tipo de tamices moleculares y del nivel de deshidratación necesario para alcanzar el punto de rocío de agua deseado. Alternativamente, la PSR implica reducir la presión dentro del lecho de tamiz molecular saturado para que el agua adsorbida se desorba, eliminando el agua libre. Esto significa que el lecho se aísla del gas de alimentación a alta presión y, a continuación, se despresuriza a una presión inferior cercana a la atmosférica. En la deshidratación del gas natural se emplea sobre todo TSR porque consigue puntos de rocío del agua muy bajos, por debajo de -60 °C, necesarios para el procesamiento del gas natural.

Mantener el rendimiento a largo plazo y la vida útil de los adsorbedores de tamiz molecular durante su uso en deshidratadores de gas natural requiere una regeneración adecuada. Una regeneración inadecuada o ineficaz puede dar lugar a una reducción gradual de las capacidades de adsorción y a un descenso de la eficacia del secado, con el consiguiente aumento de las concentraciones de agua en los gases naturales tratados. Puede provocar problemas durante las operaciones con el incumplimiento de las especificaciones de las tuberías. Para garantizar un rendimiento fiable en un deshidratador de adsorción, así como una producción de metano seco de buena calidad, se hace absolutamente necesario un cierto control regular, la optimización del proceso de regeneración y el cambio periódico.

Elección de Jalon como proveedor fiable de tamiz molecular para la deshidratación de gas natural

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Conclusión

La deshidratación por adsorción, que emplea adsorbentes de tamiz molecular, es un método muy eficaz para la deshidratación del gas natural, importante para la calidad y fiabilidad de nuestro suministro de gas natural. Por ejemplo, los tamices moleculares tienen características como una estructura de poros uniforme, una gran capacidad de adsorción y una adsorción selectiva que los hacen idóneos para eliminar el vapor de agua de las corrientes de gas natural. A la luz de esta creciente demanda de recursos energéticos limpios y eficientes, la deshidratación por adsorción destaca como la forma preferida de abordar las necesidades futuras de la industria del gas natural, ya que ha demostrado ser una técnica rentable y versátil.