Endulzamiento de Gas Con Membranas Permeables (28 Febrero) (2)

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


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


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


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


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


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).


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.


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.


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.)


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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


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.)


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.


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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


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?


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.


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.


BIBLIOGRAFA

ARNOLD Ken, STEWART Maurice.Design of Gas-Handling Systems and 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.

Endulzamiento de Gas Con Membranas Permeables (28 Febrero) (2)

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