UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERAS DE
PETRLEOSINGENIERIA DE GAS
ENDULZAMIENTO DE GAS CON MEMBRANAS PERMEABLES
Presentado por: JORGE LUIS MANRIQUE CRDENAS GENNY CAROLINA PINZN
AGREDO KATHERINE LORENA SILVA ALONSO
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTA DE INGENIERAS FSICO
QUMICAS ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEOS BUCARAMANGA 2012
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERAS DE
PETRLEOSINGENIERIA DE GAS
ENDULZAMIENTO DE GAS CON MEMBRANAS PERMEABLES
Presentado por: JORGE LUIS MANRIQUE CRDENAS GENNY CAROLINA PINZN
AGREDO KATHERINE LORENA SILVA ALONSO
Presentado a: M.Sc. NICOLAS SANTOS SANTOS
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTA DE INGENIERAS FSICO
QUMICAS ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEOS BUCARAMANGA
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PETRLEOSINGENIERIA DE GAS
2012
CONTENIDO INTRODUCCIN1. CONSIDERACIONES EN LA SELECCIN DE UN
PROCESO DE ENDULZAMIENTO
....................................................................................................................
7 2. 3. MEMBRANAS PERMEABLES
.......................................................................................
8 APLICACIN DE LAS MEMBRANAS PERMEABLES
............................................ 10 3.1. 3.2. 4.
Deshidratacin del gas
.........................................................................................
10 Endulzamiento del gas
.........................................................................................
10
ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS PERMEABLES
......................................... 10 4.1. 4.2. 4.3.
Membranas porosas
..............................................................................................
10 Membrana no porosa
............................................................................................
11 Membrana de arrastre
...........................................................................................
12
5.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
.....................................................................................
13 5.1. 5.2. Ventajas
....................................................................................................................
13 Desventajas
.............................................................................................................
13
6.
TIPOS DE MEMBRANAS
..............................................................................................
14 6.1. 6.2. Membrana tipo espiral
..........................................................................................
14 Membrana tipo fibra hueca
..................................................................................
16
7.
FUNDAMENTOS DE SEPARACION DE LAS MEMBRANAS
................................ 18 7.1. Permeacin del gas
...............................................................................................
19 Coeficiente de
difusin.................................................................................
20 Coeficiente de solubilidad
...........................................................................
20 Coeficiente de permeabilidad
.....................................................................
21 Selectividad
.....................................................................................................
22
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 8. 9.
PRETRATAMIENTO DEL GAS
....................................................................................
24 CONSIDERACIONES DE FUNCIONAMIENTO
......................................................... 25 9.1.
9.2. 9.3. 9.4. Remocin de CO2
...................................................................................................
25 Temperatura de operacin
..................................................................................
26 Presin de alimento
...............................................................................................
27 Presin de permeado
............................................................................................
27
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9.5.
Nmero de etapas
..................................................................................................
28
10.
PROCEDIMIENTO
.......................................................................................................
30 Bao de agua/calentador indirecto
............................................................... 30
Endulzamiento con membrana, arrastre de co2
........................................ 30 Sistemas de membranas
de una etapa y dos etapas ............................... 30
10.1. 10.2. 10.3.
CONCLUSIONES
....................................................................................................................
33
BIBLIOGRAFA........................................................................................................................
34
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.GUA PARA LA SELECCIN DEL PROCESO DE ENDULZAMIENTO DEL
GAS ................................. 8 FIGURA 2.SEPARACIN DEL GAS
CON MEMBRANAS
..................................................................................
9 FIGURA3. MEMBRANA POROSA
................................................................................................................
11 FIGURA 4.MEMBRANA NO POROSA
...........................................................................................................
12 FIGURA5.MEMBRANA DE ARRASTRE
........................................................................................................
13 FIGURA 6.MEMBRANA TIPO ESPIRAL
........................................................................................................
15 FIGURA 7. MODULO DE UNA MEMBRANA TIPO ESPIRAL
...........................................................................
16 FIGURA 8.CONFIGURACIONES DE MODULO USADO CON MEMBRANAS DE FIBRAS
HUECAS ..................... 17 FIGURA 9. MODOS DE FUNCIONAMIENTO
DE LOS MDULOS DE FIBRAS HUECAS FILTRACIN TANGENCIAL .
..........................................................................................................................................................
18 FIGURA 10.FUNCIONAMIENTO DE LOS MDULOS DE FIBRAS HUECAS Y
CAPILARES DE MODO FRONTAL..
...........................................................................................................................................................
18 FIGURA 11. VELOCIDAD DE PERMEACIN DE LOS COMPONENTES DEL GAS
NATURAL ............................ 21 FIGURA 12. ESQUEMA DE
SEPARACIN
...................................................................................................
23 FIGURA 13. ESQUEMA DEL EQUIPO DE PRE-TRATAMIENTO DE LA MEMBRANA
........................................ 25 FIGURA 14. EFECTO DE LA
TEMPERATURA DE OPERACIN.
...................................................................
27 FIGURA 15.EFECTO DE LA PRESIN DE ALIMENTO.
................................................................................
27 FIGURA 16.EFECTO DE LA PRESIN DE PERMEADO.
..............................................................................
28 FIGURA 17. ESQUEMA DE FLUJO EN DOS ETAPAS
..................................................................................
29 FIGURA 18. EFECTO DEL NMERO DE
ETAPAS.........................................................................................
30 FIGURA 19.ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO, LOS AUTORES.
.................................................................
31
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INTRODUCCIN
El gas natural al ser extrado del yacimiento trae componentes
como cido sulfhdrico (H2S), agua (H2O) y dixido de carbono (CO2)
entre otros que son perjudiciales debido a que producen problemas
operacionales, corrosin, contaminacin y reducen el poder calorfico
del gas, generando gastos econmicos, es decir alto capital y baja
rentabilidad. Estos compuestos cidos deben ser retirados del gas y
el proceso de extraccin de estos gases cidos se denomina
endulzamiento y busca disminuir la concentracin de dichos
componentes, hasta lograr que se encuentren dentro de los rangos
permitidos para su transporte y venta. Algunos tratamientos para el
endulzamiento del gas, son los qumicos (endulzamiento empleando
Aminas y carbonato de potasio) y los fsicos (endulzamiento
empleando membranas permeables). Las membranas permeables se han
convertido en una tecnologa estable para remocin del dixido de
carbono (CO2) y la reduccin de las concentraciones tanto de agua
(H2O) como de cido sulfhdrico (H2S).
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1. CONSIDERACIONES EN LA SELECCIN DE UN PROCESO DE ENDULZAMIENTO
En el momento de la seleccin de un proceso de endulzamiento se debe
considerar algunos factores relevantes como la composicin del gas
de alimentacin, las condiciones de flujo, los requerimientos
especficos del gas residual entre otros. Los factores ms
importantes que se consideran que afectarn la seleccin del proceso
son: Especificaciones de tratamiento de gas. Regulaciones de
contaminaciones en el ambiente, referidas a H2S, CO2. Composicin
del gas a la entrada: o Presin parcial del gas Acido. o Relacin
H2S-CO2. o Mercaptanos, COS, CS2, etc. o Contenido de
Hidrocarburos. Temperatura y presin del gas cido y del
endulzamiento. Costos de energa. Costos de la planta y operacin,
teniendo en cuenta el volumen del gas a ser procesado.
Confiabilidad del proceso.
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Figura 1.Gua para la seleccin del proceso de endulzamiento del
gas (Tecna Estudios y Proyectos de Ingeniera S. A.)
2. MEMBRANAS PERMEABLES
Una membrana es una lmina porosa extremadamente delgada montada
sobre una capa mucho ms gruesa y altamente porosa que actan como
una barrera, permitiendo el paso selectivo y especfico de los
componentes bajo condiciones apropiadas para dicha funcin. La
separacin de los componentes en una membrana se logra aprovechando
las diferencias de solubilidad/difusividad de los componentes del
gas, es decir, la membrana tiene alta afinidad para los componentes
cidos del gas permitiendo que estos se impregnen en la superficie
de la membrana, este proceso es conocido como solubilidad y el
efecto de la difusividad es la velocidad con la que pasan estos
componentes a travs de esta. El agua (H20), el cido sulfhdrico
(H2S) y el dixido de carbono (C02) son altos difusores, por lo
tanto pasan a travs de una membrana con mayor facilidad que los
hidrocarburos, con la misma fuerza motriz. La fuerza impulsora para
la separacin de un componente de gas en una mezcla es la diferencia
entre su presin parcial a travs de la membrana.
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El material ms usado son los polmeros orgnicos (poliamida y
polisulfona), y el acetato de celulosa, este ltimo es el ms
empleado en las membranas fabricadas para el endulzamiento del
gas.
Figura 2.Separacin del gas con membranas (CAMPBELL, J., M., Gas
Processing and Conditioning, Cap. 7, Campbell Petroleum Series,
Norman, Oklahoma, 1981.)
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3. APLICACIN DE LAS MEMBRANAS PERMEABLES
3.1.
Deshidratacin del gas
Las membranas se pueden utilizar para separar los componentes de
la corriente gaseosa del gas natural, como el vapor de agua,
llegando a bajar el contenido de este a valores de 7 Lbs./MPCN, sin
embargo, para cumplir con los requerimientos de transporte y venta
es recomendable el uso de otro proceso de deshidratacin. 3.2.
Endulzamiento del gas
Los sistemas de membranas han sido los ms eficientes para la
remocin de dixido de carbono (CO2), y la mayora de cido sulfhdrico
(H2S), aunque para la remocin de este ltimo se debe realizar otro
proceso de tratamiento. Es ms confiable que otros mtodos a base de
solventes qumicos como las aminas.
4. ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS PERMEABLES
Se busca desarrollar una membrana con una capa porosa
extremadamente delgada montada sobre una capa mucho ms gruesa y
altamente porosa del mismo material. Las estructuras ms comunes son
las siguientes: 4.1. Membranas porosas
Son membranas slidas con micro poros en la cual los la separacin
de los gases es dependiendo de su tamao molecular por unos poros
pequeos a travs de la membrana. Este tipo de mecanismo de separacin
es muy restrictivo a la separacin comercial del gas por membranas,
por lo tanto no es usada en el endulzamiento. Son usadas para la
microfiltracin y ultrafiltracin.
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Figura3. Membrana porosa (Wright, Nina y West,
Ernest.Optimization of membrane networks: superstructures.
Oklahoma: Universidad de Oklahoma, 1998.)
4.2.
Membrana no porosa
Estas membranas no tienen poros y la separacin de los gases est
en funcin de su solubilidad y difusividad a travs del material de
la membrana (diferencia en la presin parcial de un lado a otro de
esta). El transporte para estas membranas es gobernado por la ley
de Fick. Para alcanzar un alto flujo, se bebe tener un material de
la membrana y unas condiciones del proceso adecuados. Son las
usadas en el endulzamiento de gas natural.
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Polmero
Alta presin
Baja presin
Figura 4.Membrana no porosa (Wright, Nina y West, Ernest.
Optimization of membrane networks: superstructures. Oklahoma:
Universidad de Oklahoma, 1998.)
4.3.
Membrana de arrastre
Para la separacin en estas membranas se usa un liquido que tenga
alta afinidad (molculas de arrastre), es decir, se seleccionan las
molculas acidas y estas son llevadas a un lugar aislado. Se usan
gases y lquidos.
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Lquido
Molcula de arrastreFigura5.Membrana de arrastre (Wright, Nina y
West, Ernest.Optimization of membrane networks: superstructures.
Oklahoma: Universidad de Oklahoma, 1998.)
5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 5.1. Ventajas Facilidad de instalacin
por lo que son fciles de instalar y transportar. Ahorro de energa.
No necesita productos qumicos. No tienen partes mviles en unidades
de una sola etapa. Son utilizadas costa afuera debido a que no
necesita o genera productos qumicos y ocupan poco espacio. Maneja
altas presiones desde 500psig. 5.2. Desventajas Mayores prdidas de
hidrocarburos que los sistemas de disolventes, del 5-10% de metano
pasa a travs de la membrana.
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Limpieza de alimentacin se debe realizar un pre-tratamiento de
la alimentacin a la membrana para eliminar las partculas y lquidos
ya que estos daan la membrana. Es difcil remover el H2S a los
niveles exigidos para la venta y transporte de gas.
6. TIPOS DE MEMBRANAS
Existen dos tipos principales de membranas para la remocin de
gases cidos, la de tipo espiral y la de fibra hueca. Ambas son
ampliamente usadas y hay variaciones importantes en el diseo entre
los fabricantes.
6.1.
Membrana tipo espiral
Consta de hojas planas que se combinan en un elemento en
espiral, dos lminas planas de la membrana con un espaciador
permeado en el medio estn pegadas a lo largo de tres de sus lados
para formar un sobre, que est abierto en un extremo. Muchos de
estos sobres estn separados por separadores de alimentacin y
envueltos alrededor de un tubo de permeado con sus extremos
abiertos hacia el tubo de permeado. El gas de alimento entra en la
membrana y pasa a travs de los sobres, as mismo compuestos como el
CO2 y H2S altamente permeables penetran en el sobre, posteriormente
el gas entra en el tubo de permeado a travs de sus agujeros. La
fuerza motriz para el transporte es el filtrado de alimentacin de
baja y alta presin. El empaquetado se fija en un tanque cilndrico
de presin alrededor de un tubo permeable axial para formar un
elemento el cual es tpicamente 4 a 8 pulgadas de ancho, por 5 pies
de largo (figura 6). Los elementos estn combinados en paralelo y/o
series para formar el paquete separador. Para estas membranas, el
revestidor de acetato denso, no poroso y celuloso es tpicamente la
capa activa o la capa controladora de permeacin.
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Figura 6.Membrana tipo espiral
(http://www.mtrinc.com/faq.html)
La configuracin en espiral es inherentemente ms resistente que
las membranas de fibra hueca para rastrear los componentes que
alteran la permeabilidad del polmero. Tambin permite la utilizacin
de una gama ms amplia de materiales. Sin embargo, las membranas de
fibra hueca son ms baratas de fabricar, y por lo tanto dominan el
campo. Una vez que los elementos han sido fabricados, se agrupan en
mdulos, como se muestra en la Figura 7. Estos mdulos se montan
sobre un patn para hacer una unidad completa.
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Figura 7. Modulo de una membrana tipo espiral (Copyright 2002
UOP LLC. Allrightsreserved. Usedwithpermission.)
6.2.
Membrana tipo fibra hueca
Para el separador de fibras huecas se usan cilindros huecos
menores a un milmetro de dimetro externo, girado de material de
control de separacin usualmente una polisulfona recubierta de un
elastmero de silicn para proteccin (figura 8). Para manejar las
altas presiones, el permeado fluye hacia la fibra hueca del lado de
la carcasa. Esta caracterstica hace que la membrana sea mucho ms
susceptible a obstruirse, y un pre-tratamiento de gas suele ser
necesario. El flujo de gas es en corriente transversal y
proporciona una buena distribucin de la alimentacin en el mdulo.
Esta configuracin se utiliza ampliamente para eliminar el CO2 del
gas natural. La dimensin tpica del muro es alrededor de 300
micrones, la capa de separacin es solo de 500 a 1000 angstroms. El
paquete de fibras huecas, el cual esta sellado al final encaja en
el casco de acero. El gas de salida no permeado y de alimentacin
est en el lado del casco, y el gas permeado est en el lado del
tubo. Las dimensiones tpicas es de 4 a 8 pulgadas de dimetro y de
10 a 20 pies de largo. Tiene la ventaja de ser ms resistentes a las
incrustaciones porque el gas de entrada fluye a travs del interior
de las fibras huecas. Sin embargo, la resistencia mecnica de la
membrana limita la cada de presin a travs de esta.
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Figura 8.Configuraciones de modulo usado con membranas de fibras
huecas (Courtesy of MembraneResearch and Technology, Inc.)
Existen varios modos de funcionamiento de estos mdulos: La
primera forma consiste en hacer circular el fluido de alimentacin
por el interior de las fibras huecas o capilares como se muestra en
la figura 9a. La segunda manera consiste en alimentar el mdulo en
direccin perpendicular a las fibras o capilares. En este caso el
permeado se recupera en el interior de los canales de las fibras
huecas o capilares, figura 9b.
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Figura 9. Modos de funcionamiento de los mdulos de fibras huecas
filtracin tangencial (clasificacin de las membranas, universidad de
los Andes Venezuela 1999).
Cuando las fibras presentan una estructura asimtrica con una
capa con la porosidad ms fina, esta capa se debe siempre colocar en
contacto con el fluido de alimentacin, bien en el interior o en el
exterior, segn sea el modo de funcionamiento del mdulo que se pone
en marcha. El tercer modo de funcionamiento toma la manera de
operar precedente pero de forma frontal en lugar de tangencial,
figuras 10a y 10b. Esta tercera forma de funcionamiento est
reservada a aplicaciones particulares como la smosis inversa la
separacin de gases, en las cuales el fluido a tratar es limpio y no
presenta problemas de taponamiento de los canales.
Figura 10.Funcionamiento de los mdulos de fibras huecas y
capilares de modo frontal. (Clasificacin de las membranas,
universidad de los Andes Venezuela 1999).
7. FUNDAMENTOS DE SEPARACION DE LAS MEMBRANAS
Desde la termodinmica, la fuerza motriz para el movimiento a
travs de la membrana es la diferencia de potencial qumico, m, para
un componente dado en los dos lados de la membrana. Si un subndice
i es el componente de difusin, entonces
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Donde el material se mueve del lado de alimentacin al lado del
permeado. Para hacer la ecuacin fsicamente comprensible en sistemas
de gas, la fugacidad, f, que es proporcional al potencial qumico se
utiliza y da
Si se supone comportamiento ideal para el gas que se difunde, a
continuacin, las fugacidades puede ser sustituida por las presiones
parciales y
Donde y es la fraccin molar y P es la presin total. Esta ecuacin
muestra qu trminos afecta la fuerza motriz a travs de la membrana.
La ecuacin se puede reordenar para obtener
Esta relacin nos dice que la separacin alcanzada (yi, permeado /
yi, entrada) nunca puede superar la relacin de presiones (Pi
entrada /Pi permeado).
7.1.
Permeacin del gas
La permeacin de gas se basa en los principios de transferencia
de masa y difusin de gas a travs de una membrana permeable. En su
forma ms bsica, un sistema de separacin de membrana consiste en un
recipiente dividido por una sola membrana plana con una seccin de
alta y una de baja presin. El alimento de entrada esta en el lado
de alta presin selectivamente y se pierden los componentes rpidos
que impregnan el lado de baja presin. Se debe considerar dos
parmetros caractersticos que evalan el desempeo y la eficiencia de
las membranas, el flux (J) que es la cantidad de gas que permea a
travs de la membrana por unidad de tiempo y de rea superficial. Y
el factor de separacin () que es una medida de la capacidad de
separacin de la membrana. El transporte de gases a travs de la
membrana se da mediante un proceso solucin- difusin. El proceso de
solucin se da en la superficie de la membrana en contacto con la
corriente de gas alimentado. El proceso de difusin ocurre a travs
del espesor de la membrana.
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7.1.1 Coeficiente de difusin Indica que tan rpido las molculas
de gas penetrantes son transportadas a travs de la membrana. Se ve
influenciado por el tamao y la forma de las molculas de gas
penetrante, la movilidad y rigidez de las cadenas polimricas.
Disminuye a medida que el tamao de las molculas de gas penetrante
incrementa
7.1.2 Coeficiente de solubilidad En una medida de la cantidad
mxima de gas sorbido por la membrana polimrica a la presin de
equilibrio. El coeficiente de solubilidad es un factor termodinmico
relacionado con las interacciones especficas entre las molculas de
gas y el polmero, y se incrementa con las interacciones polmero-gas
penetrante; entre ms fuertes mayor solubilidad. El gas se difunde a
travs de la membrana no porosa debido a un gradiente de
concentracin a travs de esta; este gradiente de concentracin es la
fuerza impulsora necesaria para el transporte, la primera ley de
Fick describe bien este fenmeno, as el flux puede ser expresado
como
Donde Di es el coeficiente de difusin y del componente i en la
membrana.
es el gradiente de concentracin
La sorcion de gases a travs de polmeros amorfos es descrita por
la ley de Henry bajo condiciones isotrmicas como sigue:
Donde Ci es la concentracin del gas a la presin de equilibrio, p
y Si es el coeficiente de solubilidad. Esta ecuacin nos muestra que
la concentracin del gas sorbido es proporcional a la presin.
Integrando y sustituyendo tenemos la siguiente ecuacin:
Donde l es el espesor de la membrana
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Al entrar a la membrana algunos gases pueden atravesarla ms
rpido que otros; de esta manera se puede hablar de gases rpidos y
lentos. Esto varia con el tipo de material del que este hecha la
membrana.
n A pi
i
Donde ni: velocidad de permeacin del componente i, kmol/s
[lbmo/hr] i: permeabilidad del componente i, kmols/s* m2 * kPa
[lbmol/hr-ft2-psi] A: rea de la membrana m2 [ft2] Pi: diferencia de
presin parcial, kPa [psi]
7.1.3 Coeficiente de permeabilidad Vara con la presin
dependiendo de la naturaleza del gas y del material polimrico.
Generalmente disminuye si aumenta el tamao de las molculas de gas
penetrante; entre ms baja sea la densidad ms alta es la
permeabilidad. Molculas con una alta permeabilidad se dice que son,
molculas rpidas, por ejemplo H2O,H2S, CO2 Molculas con una baja
permeabilidad se dice que son, molculas lentas, por ejemplo C1, C2,
C3, etc.
Figura 11. Velocidad de permeacin de los componentes del gas
natural (CAMPBELL, J., M., Gas Processing and Conditioning, Cap. 7,
Campbell PetroleumSeries, Norman, Oklahoma, 1981.)
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Cuanto mayor sea la relacin de la permeabilidad de molcula rpida
y permeabilidad molcula lenta mayor es la selectividad de la
membrana. El aumento de rea de la membrana aumenta la pureza de los
componentes lentos en la corriente de residuos, pero disminuye la
pureza de componentes rpido en flujo de permeado. La disminucin de
rea de la membrana aumenta la pureza de componentes rpido en flujo
de permeado, pero disminuye la pureza de los componentes lentos en
la corriente de residuo.
7.1.4 Selectividad
Si se conocen los coeficientes de permeabilidad de un par de
gases, la selectividad ideal de la membrana ( ) es una relacin
entre sus permeabilidades individuales.
Esta selectividad depende nicamente de la naturaleza del sistema
gasmembrana empleado y la temperatura. Esta dado por la fraccin
molar de ambos componentes en la corriente de alimentacin y la
corriente que ha permeado a travs de la membrana.
La cantidad de metano y otros componentes de gas natural en el
flujo de permeado es dependiente de la cada de presin y la
superficie de las membranas. Sin embargo, el 5-10% de la corriente
de alimentacin es una cifra realista. La deshidratacin por la
penetracin a la membrana por lo tanto slo suele considerarse para
las plantas que pueden hacer uso de combustible de gas natural de
baja presin. Debido a que todos los componentes de los gases se
difunden hasta cierto punto, el rea de la membrana es a veces
dividida en dos secciones separadas (figura 12). A la entrada el
CO2 se impregnar rpidamente en la entrada de la membrana por dos
razones: El CO2 se permea ms rpido que el metano.
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La presin parcial del CO2 de 2070 KPa (300psia) es ms grande que
la del metano, y esto significa que flujos ms altos del CO 2 se
permear ms rpido que el CH4.
En la salida, la presin parcial de CH4 se ha doblado a 2730 kPa
(396 psia). A pesar de que el coeficiente de permeacin de CH4, es
solo aproximadamente 7-10% del que es para el CO2, cantidades
significativas de CH4 se impregnarn. Esta co-impregnacin de CH4
representa: Prdida del producto. Una impureza en el CO2. Una
posible emisin de hidrocarburo.
Figura 12. Esquema de separacin (modificacin de CAMPBELL, J.,
M., Gas Processing and Conditioning, Cap. 7, Campbell
PetroleumSeries, Norman, Oklahoma, 1981.)
El lado de baja presin de la membrana que es rico en CO2
normalmente se opera de 10 a 20% de la presin de alimentacin. Es
difcil eliminar H 2S a la calidad de gasoducto con un sistema de
membranas. Los sistemas de membranas han sido efectivamente
utilizados como un primer paso para eliminar el CO2 y la mayora de
los H2S. Una esponja de hierro u otros procesos de tratamiento se
utilizan entonces para eliminar el resto del H 2S. Las membranas
tambin eliminar parte del vapor de agua. Dependiendo de las
propiedades de flujo, una membrana diseado para tratar CO 2 a
las
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especificaciones de gasoductos tambin puede reducir el vapor de
agua a menos de 7 kg / MMpcs.
8. PRETRATAMIENTO DEL GAS
Debido a que las membranas son susceptibles a la degradacin de
las impurezas, el pre-tratamiento se requiere generalmente. Las
impurezas que pueden presentar en el gas natural que puede causar
dao a la membrana Incluyen: Lquidos: Los lquidos pueden ser
arrastrados en la alimentacin a la unidad o formados por
condensacin dentro de la unidad. Los lquidos pueden causar que la
membrana se hinche, lo que resulta en la disminucin de tasas de
flujo y posibles daos a la membrana. Los lquidos pueden formar
internamente por dos mecanismos: (1) debido a la condensacin de
compuestos de mayor masa molar causadas por el enfriamiento que se
produce (efecto Joule-Thomson) como el gas se expande hasta una
presin inferior a travs de la membrana, y (2) porque el CO2 y los
hidrocarburos ms ligeros se difunden ms rpidamente que los
hidrocarburos ms pesados, el punto de roco del gas que se no se
difunde puede aumentar hasta el punto donde se produce la
condensacin. Alta masa molar: de los hidrocarburos (C15 +) tales
como los aceites lubricantes de compresores. Estos compuestos
recubren la superficie de la membrana y el resultado en una prdida
de rendimiento. Las concentraciones son bajas, pero el efecto es
acumulativo. Partculas: Estos materiales bloquean los conductos de
flujo pequeos en la membrana. La erosin de la membrana tambin podra
ser un problema. Los inhibidores de corrosin y aditivos de los
pozos. Ciertos de estos compuestos son destructivos para material
de la membrana.
Un mtodo comn para el pre-tratamiento del gas de alimentacin en
un sistema de membranas se muestra en la Figura 13. El filtro
coalescente elimina cualquier lquido arrastrado; el lecho
adsorbente saca trazas de contaminantes tales como compuestos
orgnicos voltiles (VOC), el filtro de
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partculas elimina el polvo del lecho adsorbente, y el calentador
sobrecalienta el gas para evitar la formacin de lquido en la unidad
de membrana.
Figura 13. Esquema del equipo de pre-tratamiento de la membrana
(adaptado de Echt et al., 2002)
El sistema que se muestra tiene las siguientes desventajas: El
lecho adsorbente es la nica unidad que elimina los hidrocarburos
pesados. En consecuencia, si el gas contiene hidrocarburos ms
pesados de lo previsto, o en el caso de un aumento de estos
materiales, el lecho adsorbente puede saturarse en un tiempo
relativamente corto, y as permitir que los hidrocarburos pesados
entren en contacto con la membrana. Slo el calentador proporciona
el recalentamiento, y, en consecuencia, si esta unidad falla, el
sistema de membrana completo debe ser cerrado.
9. CONSIDERACIONES DE FUNCIONAMIENTO
9.1.
Remocin de CO2
Para una especificacin de CO2 dada las ventas de gas, el aumento
en la tasa de alimentacin de CO2 aumenta el requisito de rea de la
membrana, as como las prdidas de hidrocarburos (ms CO 2 debe
impregnar y penetrar lo ms hidrocarburos). El requisito de rea de
la membrana est determinado por el porcentaje de eliminacin de CO2
en lugar del porcentaje de alimentacin o las
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especificaciones de venta de gas. Por ejemplo, en un sistema
para reducir un contenido de CO2 de alimentacin 10 a 5% es similar
en tamao a una reduccin de alimentacin 50-30% o una reduccin de
alimentacin de 1 a 0,5% tiene un requisito de eliminacin de CO2 de
alrededor del 55 %. Este comportamiento es diferente de la forma en
que las tecnologas tradicionales de eliminacin de CO2 operan. Para
estas operaciones, la reduccin de CO2 3 a 0,1% no requiere un
sistema mucho ms grande que los necesarios para una reduccin de 3 a
1%. Para un sistema de membrana, la gran diferencia en la
eliminacin de CO2 (97 frente a 70%) significa que el sistema de
0,1% de venta de gas es aproximadamente tres veces el tamao del
sistema de 1%. Las tecnologas tradicionales basada en la remocin de
CO 2 empleando solvente o adsorbente cuentan con la limitacin de lo
contrario, es decir, su tamao se debe a la cantidad absoluta de CO2
que debe ser eliminado. As que un sistema para la eliminacin de CO2
de 50 a 30% es considerablemente ms grande que una reduccin de CO2
1,0 a 0,5%. Por esta razn, usando membranas para la eliminacin
masiva de CO2 y las tecnologas tradicionales para reunir las
especificaciones de CO 2 tiene mucho sentido. Dependiendo de la
aplicacin, ya sea una o ambas de las tecnologas que podran ser
utilizados.
9.2.
temperatura de operacin
Un incremento en la temperatura del alimento incrementa la
permeabilidad de la membrana y disminuye su selectividad. El
requerimiento de rea de la membrana disminuye, pero las prdidas de
hidrocarburo y la potencia del compresor de reciclaje para los
sistemas de varias etapas se incrementan.
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Figura 14. Efecto de La Temperatura de Operacin.
9.3.
Presin de alimento
Un incremento en la presin de alimento disminuye tanto la
selectividad como la permeabilidad de la membrana. Sin embargo, el
incremento en la presin crea una fuerza de conduccin mayor a travs
de la membrana. Esto resulta en un incremento neto en la penetracin
a travs de la membrana y el requerimiento del rea de membrana cae.
En cuanto a la potencia del compresor, esta aumenta ligeramente, y
las prdidas de hidrocarburos disminuyen ligeramente. Debido a que
el requisito de rea de la membrana est tan afectado por la presin,
mientras que otras variables no lo son, diseadores intenta utilizar
la presin mxima posible para lograr un sistema ms barato y ms
pequeo. Un factor limitante es el lmite de presin mxima para los
elementos de la membrana y el costo y peso del equipo con un rango
de alta presin.
Figura 15.Efecto de La Presin de Alimento.
9.4.
Presin de permeado
El efecto de la presin de permeado es el opuesto del efecto de
la presin de alimento. Entre menor sea la presin de permeado, mayor
ser la fuerza conductora y por lo tanto menor ser el requerimiento
de rea. A diferencia de la presin de alimento, la presin de
permeado tiene un efecto fuerte en las prdidas de hidrocarburo.
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La diferencia de presin a travs de la membrana no es la nica
consideracin. El anlisis detallado muestra que un factor igualmente
importante en el diseo del sistema es la relacin de presin a travs
de la membrana. Esta proporcin se encuentra fuertemente afectada
por la presin de permeado. Por ejemplo, una presin de alimentacin
de 90 bar y una presin de permeado de 3 bares produce una relacin
de presin de 30. La disminucin de la presin de permeado a 1 bar
aumenta la relacin de presin a 90 y tiene un efecto dramtico en el
rendimiento del sistema. Por esta razn, los ingenieros de diseo de
membrana tratan de lograr la presin de permeado ms bajo
posible.
Figura 16.Efecto de La Presin de Permeado.
9.5.
Nmero de etapas
Generalidades de un proceso de una etapa: Aumenta la pureza de
la corriente de residuo y el rea de membrana requerida es reducida
con aumento de la presin diferencial. El desempeo de separacin para
una membrana tambin est definido por la proporcin de presiones de
las corrientes de alimento y permeado, ya que la presin absoluta de
la corriente de permeado ejerce un gran impacto en la eficiencia de
la membrana. El recobro del producto y el rea de la membrana son
muy sensibles para los requerimientos de pureza del producto.
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Este ltimo punto da una observacin general del proceso de una
etapa utilizando membranas, debido a que las membranas son altas
concentradoras de eficiencia ya que estas aumentan su eficiencia
mientras los requisitos del producto caen a un objetivo de pureza
del 100%.
Figura 17. Esquema de Flujo en Dos Etapas, (ProsepTeam, Gas
Sweeting Membrane Process, 2011.) Una segunda etapa del proceso
implica un mayor costo, debido al uso de una nueva membrana y el
requerimiento de un compresor para garantizar que el alimento de la
segunda membrana entre a alta presin. Pero esto puede justificarse
ya que las prdidas de hidrocarburos sern menores as como tambin el
requerimiento de rea de la membrana ser menor.
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Figura 18. Efecto del nmero de etapas.
10. PROCEDIMIENTO
10.1. Bao de agua/calentador indirecto Cuando se trata una
corriente de gas hmeda, un bao de agua (calentador indirecto) o
intercambiador de calor es usado para calentar el gas 20-25 F por
encima del punto de roco para garantizar que el agua libre no se
condense dentro de los tubos de la membrana.
10.2. Endulzamiento con membrana, arrastre de CO2 Como se sabe
el proceso de separacin est gobernado por las presiones parciales
de varios gases y su tasa de permeabilidad asociada. Como el gas
producido pasa a travs de la membrana, hay una pequea cada de
presin desde la entrada a la salida de la corriente de gas.
10.3. sistemas de membranas de una etapa y dos etapas Un sistema
de una sola etapa es el ms usado en la industria pero cuando se
requiere obtener cantidades de CO2 mximas en la corriente permeada
y maximizar el recobro de hidrocarburos a la salida de las lneas de
flujo se
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usa un sistema de dos etapas. El rendimiento de un sistema de 2
etapas puede alcanzar ms del 99% por la recuperacin de
hidrocarburos en la corriente del gas de venta.
Figura 19.Esquema de Funcionamiento, Los Autores.
CONSIDERACIONES Alto costo y equipo relativamente delicado
comparado con los procesos tradicionales de tratamiento de gas. La
temperatura incrementa la tasa de permeacin y disminuye la
selectividad. Puede proporcionar bajos valores de valor calorfico
del gas en algunas configuraciones. El gas debe estar sometido a un
pretratamiento para remover componentes que pueden ocasionar daos
al material de la membrana.
CMO EXTENDER LA VIDA TIL DE UNA MEMBRANA?
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Proteger de las temperaturas excesivamente altas.
Evitar glicoles, inhibidores de corrosin, agua libre.
Precalentar el gas de entrada. Evitar altas presiones. Evitar altas
velocidades y Ps en la membrana.
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CONCLUSIONES
Al disear una planta de endulzamiento de membranas permeables se
recomienda la implementacin de dos etapas y as minimizar prdidas
que sern reflejadas en el presupuesto. En trminos econmicos se
genera una inversin mayor al emplear una unidad de membrana,
respecto al capital necesario para una planta de endulzamiento con
aminas; sin embargo para las membranas se tienen menos problemas
operacionales, comparado con la planta de aminas, lo cual balancea
los costos. Los resultados de remocin de CO2, indican que al
implementar la nueva metodologa de membranas en un proceso de
endulzamiento de gas natural se obtiene una efectividad superior al
respecto al mtodo qumico con aminas de concentracin pura.
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BIBLIOGRAFA
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Facilities.Surface Production Operations, Cap.7, Vol. 2.2nd
Edition, 1998. CAMPBELL, J., M., Gas Conditioning and Processing,
Cap. 7, Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 1981.
ENGINEERING DATA BOOK, Gas Processors Suppliers Association - GPSA,
Cap.20, Twelfth Edition FPS, 2004.
http://www.lacomunidadpetrolera.com/2011/01/27/membranas/ Kinday,
A.J, y Parrish, W.R. Fundamentals of Natural Gas Processing.
Captulo 5.