texto gnl v.f enero 8-11
DESCRIPTION
el GNV es lo mas útil para un vehiculoTRANSCRIPT
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
1
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL:
UNA IMPORTANTE ALTERNATIVA ENERGTICA
DR.-ING. MSC. FABIO EMIRO SIERRA VARGAS DR-ING. MSC. CARLOS ALBERTO GUERRERO FAJARDO ING. CARLOS ANDRS GUERRERO ROMERO
Grupo de Investigacin en Aprovechamiento Energtico de Recursos Naturales. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias-Departamento de Qumica Sede Bogot.
Grupo de Investigacin en Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestin Energtica. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de IngenieraSede Bogot.
Universidad Nacional de Colombia
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
2
Facultad de Ingeniera Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica Carlos Alberto Guerrero Fajardo Profesor Asociado Primera edicin, 2011 Bogot, Colombia
Decano: Diego Fernando Hernndez Lozada Vicedecano Acadmico: Gerardo Rodrguez Nio Director del Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica: Luis Eduardo Bentez
Circulacin restringida Prohibida la circulacin total o parcial por cualquier medio Editado por la asociacin de Ingenieros Mecnicos de la Universidad Nacional AIMUN
ISBN 978-958-99238-1-8
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
3
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL:
UNA IMPORTANTE ALTERNATIVA ENERGTICA
DR.-ING. MSc. CARLOS ALBERTO GUERRERO FAJARDO. Profesor Asociado Universidad Nacional. Departamento de Qumica. Director grupo de Investigacin en Aprovechamiento Energtico de Recursos Naturales.
DR.-ING. MSc. FABIO EMIRO SIERRA VARGAS. Profesor Asociado Universidad Nacional Departamento de Ingeniera Mecnica. Director del grupo de Investigacin en Mecanismos de Desarrollo Limpio y Gestin Energtica.
ING. CARLOS ANDRS GUERRERO ROMERO. Miembro del grupo de Investigacin en Aprovechamiento Energtico de Recursos Naturales.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
4
PROLOGO En la actualidad gran parte del requerimiento energtico mundial
se centra en los combustibles, lo que los convierte en productos de
vital importancia y por tal razn estn en medio del conflicto
internacional por su manejo y control que permite el
fortalecimiento de las economas. El petrleo es el motor de las
economas mundiales y es por ello que la generacin de
combustibles como el Gas Natural Licuado se convierte en un
elemento esencial para la economa y desarrollo de los pases.
Es de inters general para nuestro pas, obtener una buena
capacidad energtica y un avance tecnolgico que permita un
abastecimiento efectivo, generando un mayor desarrollo
tecnolgico que favorezca nuestra economa y que genere un
avance hacia el desarrollo de energas limpias.
El gas natural se ha desarrollado en los ltimos aos de manera
acelerada, teniendo en cuenta que empieza a ser competitiva
frente a otros combustibles como la gasolina, es por ello que los
ltimos avances tecnolgicos se dirigen hacia el desarrollo
tecnolgico en el transporte que requiere una transformacin
importante para solucionar los problemas de desabastecimiento
que han venido afectando sustancialmente al sector industrial.
El desarrollo de una planta que realice el proceso de licuefaccin
del gas se convierte en una alternativa que facilite el transporte, del
mismo modo es posible almacenarlo para su distribucin a grandes
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
5
distancias y sin gastos en infraestructura, como consecuencia del
mismo se lograr suplir la demanda actualmente insatisfecha.
Es en este tipo de macro proyectos, la investigacin cientfica
tiene el compromiso de estar trabajando para beneficio del pas,
teniendo en cuenta el potencial de hidrocarburos que posee
nuestra regin. Por tal razn, el grupo de investigacin
Aprovechamiento energtico de recursos naturales de la Facultad
de Ciencias y el grupo MDL y Gestin Energtica de la Facultad de
Ingeniera Mecnica-Mecatrnica, ambos de la Universidad
nacional de Colombia-Sede Bogot, trabajaron conjuntamente en
este proyecto de simulacin para establecer la tecnologa ms
apropiada con el fin de desarrollar el proyecto de licuefaccin del
gas natural en Colombia y buscar alternativas para los productos del
fraccionamiento y adecuacin del gas natural para su licuefaccin.
Los Autores
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
6
CAPITULO 1
INTRODUCCIN
Una de las principales fuentes energticas del mundo, es el gas
natural, una mezcla de hidrocarburos livianos en estado gaseoso,
constituida principalmente por metano y etano, el primero de los
cuales representa entre el 75 y 95% del volumen total de la mezcla,
y en menor proporcin por propano, butanos, pentanos e
hidrocarburos ms pesados. Generalmente, el gas natural contiene
impurezas tales como vapor de agua, gas carbnico, nitrgeno, e
inclusive sulfuro de hidrgeno, mercaptanos y helio (ECOPETROL).
El gas natural se encuentra en yacimientos en el subsuelo, por lo
que se obtiene directamente al hacer perforaciones en terrenos
petrolferos en capas superiores o perforaciones profundas,
procedentes de las transformaciones geolgicas durante el
cmbrico hasta los estratos ms recientes. Despus de procesado y
purificado, el gas natural se emplea como materia prima o como
combustible en los sectores industrial, termoelctrico, domstico,
comercial y de transporte terrestre, con fines de calefaccin,
alumbrado, obtencin de gasolina, helio y otros productos
qumicos.
El gas natural apenas se utilizaba en la industria, debido a la
abundancia de combustibles slidos y lquidos y, a la dificultad que
representaba su transporte y almacenamiento. Su uso fue posterior
al del petrleo, pues inicialmente el gas natural que apareca en casi
todos los yacimientos petrolferos, se quemaba a la salida del pozo
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
7
como un residuo ms. Sin embargo, la disminucin progresiva de las
reservas de hidrocarburos, ocasion que los productores de
combustibles fsiles encontraran una forma de aumentar la
extraccin de hidrocarburos, mediante el desarrollo de tcnicas y
procedimientos de licuefaccin de gases, o bien para soldar
tuberas capaces de resistir altas presiones (para la construccin de
gasoductos) (vila, 2009).
En la actualidad el gas natural como fuente de energa es vital en
el desarrollo de pases como China, quienes han aplicado mltiples
medidas regulatorias e incentivos en dicha direccin. Entre las
aplicaciones novedosas del gas natural est el suministro a
estaciones satelitales, el uso como combustible en automviles
(reduciendo de esta manera la polucin presente en el aire), la
conservacin de alimentos, la licuefaccin del aire, la produccin de
hielo seco y la pulverizacin criognica (Lin, W. et al., 2007).
1.1 PANORAMA DEL MERCADO DE GAS NATURAL
Actualmente, los pases del medio oriente cuentan con ms de la
mitad de las reservas mundiales de petrleo y gas natural, por lo
que la participacin de los dems pases en la regulacin de los
precios de los combustibles es muy poca. Este efecto, es controlado
por la Organizacin de Pases Exportadores de Petrleo, OPEP, que
est orientada a un control ms directo de los recursos petroleros
de cada pas y a los precios de exportacin en beneficio del pas
productor y no de compaas extranjeras (vila, 2009). En el
Informe de Estadsticas Energticas de 2009 emitido por la
Organizacin Latinoamericana de Energa, OLADE, se encuentra la
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
8
distribucin mundial de las reservas probadas de Gas Natural
(Figura 1.1).
Figura 1.1 Reservas Probadas Mundiales de Gas Natural.
Fuente: Informe de Estadsticas Energticas, OLADE. 2009.
De acuerdo al ltimo informe estadstico de Energa en el mundo
emitido en Junio de 2010 (BP Statistical Review of World Energy
June 2010), el gas natural fue el combustible que experiment el
mayor y ms rpido descenso en consumo en la historia en todas
las regiones, exceptuando el Medio oriente y Asia Pacfica, con una
cada de 2.1% para 2009. Debido a ello y a la disponibilidad de
precios competitivos de Gas Natural Licuado (GNL) en Europa, la
produccin baj drsticamente en Rusia (-12.1%) y Turkmenistn (-
44.8%). Sin embargo, Estados Unidos present por tercer ao
consecutivo el mayor incremento en el mundo en la produccin de
gas natural; el Medio Oriente y Asia Pacfica tambin aumentaron la
produccin, impulsados por el crecimiento en Irn, Qatar, India y
China. El comercio mundial de gas natural se contrajo un 2.1% en
2009, el transporte en gasoductos se redujo un 5.8%, compensando
con creces el incremento del 7.6% en el comercio de GNL. Este
ltimo hecho, se debe a la aceleracin en las exportaciones de
Qatar y el surgimiento de Rusia como un exportador de GNL, que
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
9
represent el 30.5% del comercio de gas. La Figura 1.2 y la Figura
1.3, presentan el consumo y produccin de gas natural discriminada
por zonas, observando el comportamiento anterior.
Figura 1.2 Consumo Anual de Gas Natural por Zona Geogrfica.
Fuente: Adaptado de BP Statistical Review of World Energy. June 2010.
Figura 1.3 Produccin Anual de Gas Natural por Zona Geogrfica.
Fuente: Adaptado de BP Statistical Review of World Energy. June 2010.
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
Bil
lone
s d
e m
3B
illo
nes
de
m3
Bil
lone
s d
e m
3B
illo
nes
de
m3
AoAoAoAo
Consumo Anual de Gas NaturalConsumo Anual de Gas NaturalConsumo Anual de Gas NaturalConsumo Anual de Gas Natural
Norte Amrica
Sur y CentroAmricaEuropa y Eurasia
Medio Oriente
500.0
1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0 3500.0
19
99 2
000
20
01 2
002
20
03 2
004
20
05 2
006
20
07 2
008
20
09
Bil
lone
s d
e m
3B
illo
nes
de
m3
Bil
lone
s d
e m
3B
illo
nes
de
m3
AoAoAoAo
Produccin Anual de Gas NaturalProduccin Anual de Gas NaturalProduccin Anual de Gas NaturalProduccin Anual de Gas Natural
Asia Pacfico
frica
MedioOriente
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
10
La produccin de Gas Natural en Colombia se registra para 2006
en 8.94 Gm3 con un consumo de 8.43 Gm3, lo cual lo sita en la
sptima posicin en los pases miembros de la OLADE (Figura 1.4)
(OLADE, 2007).
Figura 1.4 Produccin de Gas Natural en Amrica Latina en 2006.
Fuente: Sistema de Informacin Econmica Energtica. 2007. Gm3 Giga
metro cbico.
El proceso de enfriar el gas natural hasta su estado lquido,
transportar el GNL, almacenarlo en su punto de entrega y re-
gasificar el gas para distribuirlo se conoce comnmente como
Cadena de suministro de GNL (zelkan, E. et al., 2007). El
comercio de GNL ha presentado un crecimiento mundial, debido
entre otros factores- a la disminucin en los costos de transporte y
distribucin y disminucin de la produccin en aquellas regiones
abastecedoras a travs de gasoductos.
Medinaceli M., presenta en un estudio realizado al mercado de
Gas Natural Licuado en Amrica del Sur en 2009, la posible
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
11
evolucin futura en la capacidad de regasificacin en esta zona, las
cuales reflejan la tendencia al crecimiento del GNL (Figura 1.5).
Figura 1.5 Capacidad proyectada de Regasificacin en Amrica del Sur.
Fuente: Mendinaceli M., 2009.
Empleando cuatro proyecciones de demanda con tasas de
crecimiento entre 1% y 4% Medinaceli M., contrasto en su estudio,
la capacidad instalada de GNL proyectada al ao 2015 con el
consumo interno de Amrica del Sur, la cual evidencia que si los
proyectos se desarrollan de acuerdo a lo planificado, en el presente
ao se estara cubriendo aproximadamente el 5% de la demanda
interna de gas natural, y el 17% y 22% para el ao 2015 (Figura 1.6).
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
12
Figura 1.6 Proyectos de GNL vs. Consumo Interno de Gas Natural.
Fuente: Mendinaceli M., 2009.
En el caso de Colombia, el nico proyecto de regasificacin podra
cubrir la demanda incremental en el mediano y largo plazo (Figura
1.7), pero de acuerdo al crecimiento del consumo interno de gas
natural en Colombia (Tabla 1.1) se estima que el problema para la
construccin de una planta de regasificacin es que la demanda de
gas natural actual y proyectada, probablemente no justifica la
puesta en marcha de un proyecto de dicha magnitud.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
13
Figura 1.7 Proyectos de GNL vs. Consumo Incremental Colombia.
Fuente: Mendinaceli M., 2009.
Perodo Tasa de crecimiento
promedio anual
2005-2007 0.11%
2003-2007 1.92%
2001-2007 0.91%
1987-2007 2.60%
Tabla 1.1 Crecimiento del Consumo Interno de Gas Natural Colombia
Fuente: Medinaceli M., 2009
REFERENCIAS
vila Leiva, Rodrigo L. (2009). Gas natural: Uso, transporte y
desarrollo de nuevas tecnologas. Universidad Austral de Chile.
Escuela de Ingeniera Naval.
ECOPETROL. Gas Natural. Disponible en:
http://www.ecopetrol.com.co/contenido.aspx?catID=210&conID=3
6624. Consultado: 2010-10-25.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
14
Lin, W. et al. (2007) LNG (liqueed natural gas): A necessary part in
Chinas future energy Infrastructure. Energy
BP Statistical Review of World Energy. June 2010. Disponible en:
http://www.bp.com/liveassets/bp_internet/globalbp/globalbp_uk_
english/reports_and_publications/statistical_energy_review_2008/
STAGING/local_assets/2010_downloads/statistical_review_of_worl
d_energy_full_report_2010.pdf. Consultado: 2010-10-30.
Medinaceli M., 2009. El Mercado de Gas Natural Licuado (GNL) en
Amrica del Sur: Una aproximacin preliminar. OLADE. Disponible
en:
http://www.olade.org.ec/documentos2/hidrocarburos/Proyecto.G
NL.pdf. Consultado: 2010-10-30.
OLADE. Informe de Estadsticas Energticas 2009. Ao Base 2008.
Disponible en:
http://www.olade.org/documentos2/InformeEnergetico2008/IEE-
2008.pdf. Consultado: 2010-10-30.
OLADE. Sistema de Informacin Econmica Energtica. Energa en
Cifras. Versin No. 18. Quito, Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.olade.org.ec/documentos2/plegablecifras-2006.pdf.
Consultado: 2010-10-30.
zelkan, E. et al. (2007) Optimizing liqueed natural gas terminal
design for effective supply-chain operations. International Journal of
Productions Economics. Volume 11, Issue 2, February 2008. Pages
529-542.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
15
CAPITULO 2
GENERALIDADES DEL GAS NATURAL
Trminos de referencia:
Sistema: Cuerpo de materia con lmites finitos (definidos)
que puede considerarse, si se desea, aislado del medio que
lo rodea.
Estado: Condicin de un sistema a un tiempo particular. Se
determina cuando todas las propiedades intensivas del
sistema son fijas. El nmero mnimo de propiedades que
deben describirse para fijar las propiedades dependen del
nmero de componentes y fases presentes en el sistema.
Equilibrio: Se considera que existe equilibrio en un sistema,
cuando sus propiedades intensivas permanecen constantes
con el tiempo, bajo las condiciones a las que existe el
sistema.
Presin de Vapor: Es la presin que ejerce la fase vapor en
el recipiente que lo contiene, cuando el lquido y vapor de
un componente puro se encuentran en equilibrio a
determinadas condiciones de presin y temperatura. El
nmero de molculas que se escapan del liquido, es igual al
nmero de molculas que regresan a l.
Punto de roco: Estado de un sistema multicomponente
completamente gaseoso en equilibrio con una cantidad
infinitesimal de liquido.
Presin y temperatura de roco: Es la condicin de presin
y temperatura a la cual el sistema se encuentra en su punto
de roco.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
16
Punto de burbujeo: Estado de un sistema multicomponente
completamente liquido en equilibrio con una cantidad
infinitesimal de gas.
Presin y temperatura de burbujeo: Es la presin y
temperatura a la cual el sistema se encuentra en su punto
de burbujeo.
Gas saturado: Gas en equilibrio con un lquido, a una
presin y temperatura dadas, correspondientes al punto de
roco.
Curva de punto de roco: Lugar geomtrico de los puntos
de presin y temperatura a los cuales se forma la primera
gota de lquido, al pasar un sistema del estado gas, al
estado de dos fases. Comnmente se denomina curva de
roco.
Curva de punto de burbujeo: Lugar geomtrico de los
puntos de presin y temperatura a los cuales se forma la
primera burbuja, al pasar un sistema del estado lquido, al
estado de dos fases. Comnmente se denomina curva de
burbujeo.
Regin de dos fases (gas-liquido): regin encerrada por las
curvas de los puntos de roco y burbujeo, en un diagrama
presin-temperatura del sistema donde el gas y liquido
coexisten en equilibrio.
Presin y temperatura crticas: Presin y temperatura a las
condiciones crticas.
Lneas Isovolumtricas: Tambin se denominan lneas de
calidad. Es el lugar geomtrico de los puntos de igual
porcentaje de volumen lquido en la regin de dos fases de
un diagrama P-T de un sistema dado.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
17
Cricondembtico: Presin mxima a la cual las fases liquido
y gas puedan coexistir.
Cricondentrmico: Temperatura mxima a la cual las fases
liquida y gas pueden coexistir.
Comportamiento retrgrado: Formacin de una fase de
mayor densidad (condensacin), al someter un sistema a
una reduccin isotrmica de presin o un incremento
isobrico de temperatura. Tambin puede definirse en el
sentido inverso: formacin de una fase de menor densidad
(vaporizacin), al someter un sistema a un aumento
isotrmico de presin o a una reduccin isobrica de
temperatura.
Regin retrograda: Cualquier regin, en el diagrama P-T de
un sistema, donde se produce condensacin o vaporizacin
en sentido inverso a lo que normalmente ocurre, es decir,
donde existe un comportamiento retrgrado.
Condensacin retrograda: Formacin de liquido
(condensacin) en un sistema, debido a la disminucin
isotrmica de presin o aumento isobrico de temperatura.
Vaporizacin retrograda: Formacin de gas (vaporizacin)
en un sistema, debido a la disminucin isobrica de
temperatura o aumento isotrmico de presin.
Merma: Es la disminucin en volumen de una fase lquida
debido a la liberacin de gas en solucin y contraccin
trmica de lquido.
Certidumbre de Ocurrencia: En yacimientos de crudo y gas,
es la factibilidad con la que se da la posibilidad de encontrar
un yacimiento factible de explotacin. Se tiene para este
criterio una definicin de reservas probadas, probables y
posibles.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
18
Facilidades de Produccin: Son aquellos sistemas, equipos y
mecanismos para ajustar las propiedades de un fluido
extrado de yacimiento antes de trasportarlo o procesarlo.
Se tienen para este criterio reservas probadas desarrolladas
y reservas probadas no desarrolladas.
Mtodo de Recuperacin: Son los sistemas empleados para
realizar la recuperacin de los fluidos de un yacimiento
hasta llevarlo a la superficie, depende de la variacin de las
propiedades de los fluidos en el yacimiento con el tiempo,
fundamentalmente de la presin. Existen tres mtodos de
recuperacin bsicos. Primario, aquel que aprovecha la
presin inicial del yacimiento en gradiente con la presin
superficial para que haya flujo del fluido hasta las
facilidades, para esto Py>>P0. Secundaria, aquella que
debido a una disminucin en la presin del pozo,
fundamentalmente para pozos muy grandes y con alta vida
de produccin, se reinyectan fluidos como agua o gas
(cuando no se extrae la fase gaseosa) con el objeto de
incrementar la presin sobre el fluido a extraer para que
contine fluyendo por el gradiente establecido entre la
superficie y el pozo. Terciaria, una vez que el gradiente de
presin no es el adecuado para que el fluido salga a la
superficie, es necesario involucrar un sistema de bombeo e
inyeccin de componentes que reduzcan el tamao del
pozo para mantener una presin necesaria para realizar el
bombeo, por lo general, esta tcnica se aplica cuando los
pozos estn al final de su vida productiva. Se tienen
reservas primarias y suplementarias para este criterio.
Reservas Probadas: Son los volmenes de hidrocarburos
estimados con razonable certeza y recuperables de
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
19
yacimientos conocidos, de acuerdo con la informacin
geolgica y de ingeniera disponible y bajo condiciones
operacionales, econmicas y regulaciones gubernamentales
prevalecientes.
Reservas Probables: Son los volmenes estimados de
hidrocarburos asociados a acumulaciones conocidas, en los
cuales la informacin geolgica, de ingeniera, contractual y
econmica, bajo las condiciones operacionales
prevalecientes, indican (con un grado menor de certeza al
de las reservas probadas) que se podrn recuperar
Reservas Posibles: Son los volmenes de hidrocarburos,
asociados a acumulaciones conocidas, en los cuales la
informacin geolgica y de ingeniera indica (con un grado
menor de certeza al de las reservas probables) que podran
ser recuperados bajo condiciones operacionales y
contractuales prevalecientes.
Se presenta entonces la interrogante de cmo se
determina el grado de certeza que dir como se
clasificarn las reservas, y la respuesta a esto se tiene
apelando a la simulacin de yacimientos.
2.1 Generalidades de los hidrocarburos
El gas natural es una mezcla de diversos gases relacionados
generalmente a los yacimientos de petrleo, es usado como una
fuente de energa no renovable y fundamentalmente se compone
por hidrocarburos de bajo peso molecular tales como metano (en
cantidades que pueden superar comnmente el 95%), etano,
propano, butano, pentano, hexano y en pequeas proporciones
trazas de compuestos ms pesados que rara vez superan las
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
20
cadenas de 12 tomos de carbono; Aunque su composicin vara
segn el tipo de yacimiento en el que ste se encuentre, tambin es
comn encontrar otros gases como nitrgeno, dixido de carbono
(CO2), sulfuro de hidrgeno (H2S), helio, mercaptanos y otros
componentes segn la conformacin geolgica del pozo.
Generalmente el gas natural se encuentra atrapado en
conformaciones geolgicas subsuelo que permiten su
almacenamiento, para que esto suceda deben existir condiciones
de presin, espacio y sello adecuados que impidan su salida. Esto
hace posible entonces encontrar el gas en pozos de petrleo
asociado a l, el cual se denomina gas asociado al petrleo o en
pozos con poco o nada de petrleo al cual se le denomina gas no
asociado.
No se sabe con certeza el origen del gas natural, pero con
seguridad est muy ligado al origen del petrleo. Para tratar de dar
una explicacin al origen de estos recursos, a lo largo de la historia
se han propuesto diversas teoras sobre la formacin del crudo y el
gas natural, pero dos de estas teoras son las que ms acogida han
tenido por los cientficos: la teora Orgnica y la teora Inorgnica de
conformacin de hidrocarburos. La teora orgnica proporcin una
explicacin bastante aceptada por cientficos y gelogos. Se cree, y
existen pruebas de que el mar en la antigedad (hace millones de
aos) cubra la mayor parte de la tierra, un ejemplo de esto es la
evidencia geolgica encontrada en los golfos de Arabia y Mxico,
se estableci que este primero se encontraba cubierto por el mar
Arbigo hace millones de aos, pero la irrigacin de sedimentos por
parte de los ros Tigris y ufrates ha ayudado a la conformacin de
la plataforma que se conoce hoy en da. Por tal motivo durante el
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
21
desarrollo geolgico, los ros que fluyen hacia los mares llevan
grandes cantidades de lodo y material sedimentable que recogen a
lo largo de su trayectoria lo cual genera capas de acumulacin de
esta clase de material en el fondo del mar. Con la acumulacin
durante millones de aos se han formado capas de miles de metros
de barro lo cual gener una alta presin sobre los sedimentos
depositados en las capas inferiores, esto ayudo entonces a la
conformacin de las rocas sedimentarias (areniscas y pizarras) y los
carbonatos, formando contenedores geolgicos en donde
actualmente se encuentra el petrleo y el gas. Las pequeas plantas
y vida animal que llegaron al mar en el lodo, contando la cantidad
de material biolgico de los sedimentos y marinos atrapados en las
capas inferiores, constituyen la fuente principal de materia
orgnica, la cual sufri descomposicin por accin del oxigeno (O2)
y bacterias. En este proceso se obtienen productos como CO2, N2,
NH3, CH4, C2H6,... y a la vez se forman los primeros productos
lquidos solubles en agua. Quedando el material ms estable
respecto a la accin qumica y bacteriana en las zonas
sedimentarias.
A medida que pasa el tiempo, las rocas sedimentarias van
quedando enterradas por otras capas que se superponen a lo largo
de mucho tiempo, entre 1,5 y 3km de profundidad. En este tipo de
conformaciones hay un medio reductor, hay temperaturas ms
altas que las condiciones atmosfricas (de hasta 200C), presiones
considerables (10-30Mpa), y adems, todo este conjunto estar
encajonado entre otras rocas, las cuales pueden tener sustancias
que funcionen como catalizadores que favorecen reacciones entre
el material orgnico (arcillas). Todo esto hace que se produzcan una
serie de transformaciones.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
22
La teora actual considera que es en esta etapa cuando las
sustancias orgnicas, especialmente los lpidos (grasas, ceras,...),
sufren la descomposicin debido a los efectos trmicos y catalticos
dando lugar a los hidrocarburos constituyentes del petrleo. Este
proceso es largo y complicado, por lo que los detalles de los
mecanismos de este proceso estn todava sin aclarar, aunque
existen algunas teoras sobre determinadas etapas.
Como el material orgnico inicial del cual procede el petrleo se
encuentra disperso, los productos resultantes de su transformacin
(gas o petrleo) tambin estarn dispersos en la roca madre
petrolfera, normalmente arcilla.
Por otra parte, la teora inorgnica del origen de los hidrocarburos
(Propuesta desarrollada ampliamente por Berthelot (1886),
Mendeleiev (1897) y Moissan (1902)) establece que el petrleo se
form en depsitos de carbn, metales y arcillas profundos que
pertenecen a la conformacin de la corteza terrestre desde la
formacin misma de la tierra; la produccin de los aceites minerales
se debera a la descomposicin de carburos metlicos por la accin
del agua. Las aguas de filtracin, en contacto con los carburos
metlicos contenidos en las profundidades del suelo, daran
hidrocarburos acetilnicos de cadena corta, que se transformaran
en hidrocarburos saturados, cada vez ms complejos, por
polimerizacin y condensacin.
As es como una hiptesis emitida por Sabatier y Senderens, hace
intervenir una reaccin cataltica con fijacin de hidrgeno, en
presencia de metales como el nquel, en estado muy dividido.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
23
Algunos gelogos han pensado vincular la formacin de aceites
minerales a fenmenos volcnicos: en efecto, los restos de terrenos
eruptivos, a menudo contienen hidrocarburos, y el azufre, producto
volcnico por excelencia, constituye casi constantemente las tierras
petrolferas. Se comprueba tambin, en el curso de las erupciones,
un desarrollo de hidrocarburos gaseosos, que podran polimerizarse
en el curso de los fenmenos postvolcnicos.
Pero esta hiptesis no encara la posibilidad de descomposicin de
los petrleos a temperatura de las bocas de erupcin, que es muy
elevada, y aunque se ha verificado en algunos yacimientos
(Cucaso, Rumania, Galicia), no ha sucedido lo mismo en las
regiones petrolferas de Canad, Texas y Rusia del Norte.
El petrleo es una mezcla lquida a condiciones de presin y
temperatura que estn dentro de un ancho margen, sin embargo
sus propiedades pueden variar dependiendo de la composicin,
adems segn el medio en el que ste se encuentre puede liberar
parte de los componentes ms livianos que contenga. Por otra
parte, el gas natural es una mezcla gaseosa a condiciones normales
de presin y temperatura, esto hace que tanto el gas como el
petrleo tengan mayor movilidad que el carbn, de la misma forma
el agua que queda como residuo. As podrn moverse, de tal forma
que normalmente las bolsas de petrleo y gas emigran, por lo que
generalmente no se van a encontrar en el mismo sitio de la
formacin. Los gelogos denominan a este fenmeno migracin, la
cual puede ser primaria o secundaria.
Como resultado de la migracin primaria, el petrleo y el gas se
van a colocar en las rocas vecinas, siempre que sean porosas. Las
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
24
causas de esto pueden ser un desalojamiento forzado, difusin (el
petrleo busca otro sitio; los que ms se difunden sern los gases),
desplazamiento debido al agua, presin por causa de los estratos,
filtracin por los poros de las rocas madre o bien puede viajar como
mezcla de gas y vapor cuando hay grandes temperaturas y
presiones.
Esta masa de petrleo y gas va a moverse posteriormente hacia
arriba, en lo que se denomina migracin secundaria, a travs de los
estratos porosos y como consecuencia de la gravedad o de la
presin de las placas tectnicas, emigra hasta llegar a la roca
impermeable que no permite la difusin a travs de ella. Esto se
denomina trampa estratigrfica para la bolsa de gas y petrleo. Hay
diferentes tipos de trampas estratigrficas:
Anticlinal:
Esta clase de reservorio se forma por el plegamiento de las capas
de roca que conforman la corteza terrestre, con flancos inclinados
en sentido opuesto (Figura 2.1).
El domo cimentado por las paredes es circular, creando una zona
anticlinal larga y estrecha. El gas y el crudo emigraron desde el
estrato permeable hasta quedar atrapados en la roca madre por las
capas de sello que encierran el pozo.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
25
Figura 2.1 Pozo Anticlinal. (1) Bombeo de agua, (2) Extraccin de crudo, (3)
Extraccin de Gas. Tomado y adaptado de: (Abdel-Aal, H. K. and Aggour,
Mohamed. Petroleum & Gas field Processing 2003.Ed, Marcel Dekker,Ink.
Chap 1: Oil & Gas)
Domo salino:
Esta clase de pozo, constituye en una cpula de sal que con el
desarrollo geolgico del suelo se solidifica y va desplazando las
capas de roca adyacentes generando un alza de las dems capas de
la corteza (Figura 2.2). El petrleo y el gas quedan atrapados
entonces entre capas de roca impermeable o bien entre una capa
impermeable y el domo salino.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
26
Figura 2.2 Conformacin de Domo salino. Tomado y adaptado de: (Abdel-
Aal, H. K. and Aggour, Mohamed. Petroleum & Gas field Processing 2003)
Falla:
Se produce cuando los estratos se rompen, quedando una capa
porosa frente a otra impermeable (Figura 2.3). As frena el paso del
petrleo o del gas, producindose una acumulacin que crea el
yacimiento.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
27
Figura 2.3 Conformacin tipo falla. Tomado y adaptado de: (Abdel-Aal, H.
K. and Aggour, Mohamed. Petroleum & Gas field Processing 2003)
Inconformidad Geolgica:
Este tipo de pozo se forma por una inconformidad geolgica en la
cual las capas impermeables de roca son dispuestas en forma
irregular a travs de la corteza, generando puntos de corte con
otras capas que pueden servir de sello al crudo y gas.
Tipo Cpsula:
Esta clase de yacimiento no es muy comn, sin embargo se
presenta en conformaciones geolgicas tales que, por una
deposicin irregular de los sedimentos y pizarras que conforman la
roca, se crean espacios de material poroso (en donde generalmente
se encuentra el petrleo) rodeado por material no poroso,
favoreciendo el encapsulamiento de los hidrocarburos.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
28
Combinacin de yacimientos:
La combinacin de fallas, cambios bruscos de porosidad, plegado
de la roca y otras condiciones propias de la transformacin
geolgica del yacimiento, permiten el almacenamiento del gas y
petrleo segn el tipo de suelo en el que ste se encuentre. Esta
conformacin es muy comn debido a la maduracin suficiente de
muchos de los pozos petroleros ya que la movilidad del suelo a lo
largo del tiempo, generan una combinacin de trampas
estratigrficas.
Esta acumulacin de gas y petrleo en las trampas es lo que se
denomina depsitos petrolferos. Si su cantidad es grande o hay
varios depsitos en las rocas se le llama yacimientos de petrleo y
gas o por aparte, segn cul sea el mayoritario en cada caso. El
petrleo y el gas se encuentran difundidos en un gran espacio, y de
ah viene el nombre que a los yacimientos se les da como campos
petrolferos, por lo general el casquete formado por gas est
siempre en equilibrio con el petrleo lquido. Esto es as porque las
condiciones en las rocas hacen que el petrleo y el gas llenen los
poros de las rocas encajonantes (Parra, R., 2008). As, cuanto
mayor sea el coeficiente de porosidad de las rocas, ms se van a
encontrar saturadas de petrleo. Como consecuencia, las arcillas, y
en particular las hmedas, que prcticamente no tienen poros,
sern buenas rocas cobertoras.
Adems de petrleo o gas en un depsito o yacimiento, tambin
vamos a encontrar agua, que procede de la materia inicial de la que
procede el petrleo. Esta agua va a ser salada, y el eliminarla es uno
de los primeros problemas que se presentan al tratar un crudo.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
29
Los yacimientos de petrleo se encuentran a aproximadamente
entre unos 900-2000 m de profundidad, y es raro que el petrleo
aflore a la superficie. En la antigedad se usaba, por ejemplo, en
Mesopotamia, aprovechando estos afloramientos superficiales. Un
afloramiento superficial puede ser una bolsa que ha quedado del
resto de una migracin de hidrocarburos.
Los hidrocarburos que se presentan naturalmente pueden existir
en cuatro fases diferentes: gas, liquido, slido o en forma coloidal
(Parra, R., 2008). Con base en el tamao de la molcula, se puede
tener un mejor criterio para establecer la fase de algn estado
termodinmico de temperatura, presin y composicin. Adems de
esto, algunos hidrocarburos en el yacimiento contienen algunas
molculas de asfaltenos y resinas que forman agregados
suspendidos (coloides) los cuales coexisten con el petrleo en una
fase separada. La tabla 2.1, presenta un resumen de los
componentes principales del petrleo.
Fraccin Intervalo de ebullicin
(C)
Nmero de carbonos
Gas 275 C12
Gas Oil pesado Volatilidad baja Cadenas largas
Asfalto No voltil Estructuras condensadas
Tabla 2.1 Componentes principales del petrleo.
Fuente: Kostas, J. Leontaritis. Course Practical Asphaltes Solutions & Manegement.
Universidad Surcolombiana, 1996. Pg 1.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
30
Los hidrocarburos son compuestos orgnicos formados por
tomos de carbono e hidrgeno, los cuales se clasifican segn la
cantidad de tomos y los tipos de enlaces que estos presenten. De
tal forma se pueden establecer grupos definidos de hidrocarburos
segn la similitud de las estructuras. Estos grupos adems,
presentan similitudes en algunas de sus propiedades fsicas y
qumicas, lo que permite inferir, de algn modo, el comportamiento
de mezclas grandes de estas sustancias. La figura 2.4, ilustra la
divisin general de los hidrocarburos.
Figura 2.4 Divisin general de hidrocarburos. Tomado y adaptado de:
(Parra Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los fluidos de yacimientos
(2008). Editorial Universidad Surcolombiana).
2.2 Yacimientos de Gas Natural
Los fluidos presentes en el yacimiento, una vez extrados estarn
en condiciones de presin y temperatura diferentes a las
condiciones en las que se exponan varios kilmetros bajo tierra,
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
31
por tal motivo las caractersticas de los fluidos no sern iguales en
ambos sitios, por lo que es necesario conocer la variacin de las
propiedades termodinmicas para saber no solo el comportamiento
de los fluidos en la superficie sino que tambin, una vez extrados,
predecir las propiedades del fluido dentro del pozo.
Como la presin dentro del yacimiento esta vara en funcin del
tiempo, las caractersticas de los fluidos presentes dentro del
mismo tambin varan. No obstante se considera, debido al
tamao, que la temperatura dentro del yacimiento permanece
constante, por lo tanto el objetivo de estudio es analizar la variacin
de las propiedades de los fluidos con la presin y la mejor forma de
hacerlo es usando los diagramas de fases multicomponente.
Por medio de estos diagramas, puede conocerse el estado del
sistema a determinadas condiciones de presin y temperatura, es
decir si existe, 1, 2, 3 o 4 fases (gas, liquido, slido y coloidal) en
equilibrio a las condiciones impuestas.
No obstante, describir a la perfeccin el estado termodinmico en
esta clase de sistema sera una tarea complicada si ste se analiza
con la regla de las fases de Gibbs, la cual se presenta a
continuacin:
P+V=C+2
Donde P es el nmero de fases presentes, V es la varianza y C el
nmero de componentes presentes. El trmino de varianza
identifica el nmero de propiedades intensivas que se deben
especificar para fijar por completo el estado de la masa de control.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
32
Ahora, si se desea lograr que fijando la presin se conozca
plenamente el sistema descrito, la varianza para el sistema ser 1,
de tal forma V=1, lo que indica que:
P+1=C+2
P-C=2-1
P-C=1
P=1+ C
Lo cual establece que la cantidad de fases presentes en el sistema
depender directamente del nmero de componentes, y si bien se
sabe, el sistema de hidrocarburos es una mezcla de muchos
componentes, por tanto rigurosamente hablando se tendran tantas
fases como componentes tiene el sistema + 1.
Por tal motivo, se recurre a describir el sistema con diagramas de
fases segn los cortes de hidrocarburos representativos, el
siguiente es un diagrama de fases comn en un sistema de
hidrocarburos:
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
33
Figura 2.5 Diagrama de fases para un sistema de hidrocarburos,
representacin esquemtica de los tipos de fluidos en un reservorio:
(Carrillo Barandiarn, Lucio. Reservorios de Gas Condensado (2005),
Universidad Nacional de Ingeniera. Lima Per)
La clasificacin correcta de un yacimiento requiere del
conocimiento del comportamiento termodinmico de las fases
presentes en el yacimiento y las fuerzas responsables de los
mecanismos de produccin. En general, los yacimientos son
clasificados convencionalmente con base en la localizacin de los
puntos que representan la presin (Pi) y la temperatura (Ti) iniciales
del yacimiento con respecto a los diagramas P-T de los fluidos del
mismo.
De acuerdo con esto, los yacimientos pueden ser clasificados
dentro de dos tipos esenciales:
Yacimiento de petrleo:
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
34
Cuando la temperatura de un Yacimiento (Ty) es menor que la
temperatura crtica (Tc) de los fluidos del yacimiento, estos son
clasificados como yacimientos de petrleo.
Yacimiento de Gas:
Estos se presentan cuando la temperatura del yacimiento (Ty) es
mayor que la temperatura crtica (Tc) de los fluidos presentes en el,
formando una fase gaseosa, por lo cual se clasifican como
yacimientos de Gas.
2.2.1 Clasificacin de los yacimientos de gas:
En general, los gases naturales pueden ser categorizados con base
en sus fases; y segn las condiciones en el yacimiento se clasifican
en:
Yacimientos de Gas condensado retrogrado.
Yacimientos de gas condensado cerca al punto crtico.
Yacimientos de gas rico.
Yacimientos de gas pobre.
2.2.1.1 Yacimiento de gas condensado retrgrado:
Si la temperatura del yacimiento (Ty) se encuentra entre la
temperatura crtica (Tc) y la temperatura cricondentrmica (Tcdt) los
fluidos del yacimiento son de gas condensado retrgrado. Esta
categora de yacimientos de gases es el nico tipo de acumulacin
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
35
de hidrocarburos en que el comportamiento termodinmico
especial de los fluidos es el factor controlador en el proceso de
desarrollo y de deplecin del yacimiento.
Considerando que la condicin inicial de un yacimiento de gas
retrogrado es representada por el punto (1) en el diagrama de fases
P-T de la figura 2.6, como la presin en el yacimiento es mayor de la
presin en el punto de roco (punto 2), el sistema de hidrocarburos
existe con una fase simple (fase gas) en el yacimiento. Como la
presin del yacimiento declina isotrmicamente durante la
produccin desde la presin inicial (punto 1) hasta la presin de
roco (punto 2) en donde empieza a condensar el lquido. Este
proceso de condensacin retrgrada es continuo con presin
decreciente hasta que el lquido alcanza un punto mximo de
volumen lquido en el punto 3. En este punto el lquido deja de
aumentar y comienza a disminuir, el yacimiento pasa de la regin
retrgada a la regin de vaporizacin normal. En el punto 4, el
volumen del lquido condensado ha disminuido; esto quiere decir
que parte del lquido condensado debe evaporarse.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
36
Figura 2.6 Diagrama P-T yacimiento de gas condensado retrgrado.
Tomado y adaptado de: (Parra Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los
fluidos de yacimientos (2008). Editorial Universidad Surcolombiana.)
2.2.1.2 Yacimientos de gas con pierna de petrleo:
Es comn encontrar una pequea pierna de petrleo en
yacimientos de gas condensado. En este caso el gas condensado se
encuentra saturado es su punto de de roco y el petrleo se
encentra saturado en su punto de burbujeo. La figura 2.7, muestra
los diagramas de fases del gas condensado y del petrleo en
equilibrio. Una disminucin de presin en este yacimiento produce
condensacin retrograda en la capa de gas y liberacin de gas en la
pierna de petrleo. El gas liberado se mezcla con el gas de la capa
de gas condensado y el condensado retrgrado con el petrleo de
la pierna.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
37
Figura 2.7 Diagrama de fases de los fluidos de un yacimiento de gas con
pierna de petrleo. Tomado y adaptado de: (Parra Pinzn, Ricardo.
Propiedades fsicas de los fluidos de yacimientos (2008). Editorial
Universidad Surcolombiana.)
2.2.1.3 Yacimientos de gas condensado cercanos al punto crtico.
Si la temperatura del yacimiento est cerca de la temperatura
crtica, la mezcla de hidrocarburos se clasifica como gas condensado
cerca al punto crtico. Debido a que todas las lneas de calidad
convergen al punto crtico, una rpida concentracin se crea
inmediatamente declina la presin por debajo del punto de roco
cruzando rpidamente diversas lneas de calidad. En el punto donde
el lquido deja de aumentar y comienza a disminuir, el yacimiento
pasa de la regin de vaporizacin normal.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
38
2.2.1.4 Yacimientos de gas rico.
Un diagrama tpico de gas rico es mostrado en la figura 2.8, donde
la temperatura del yacimiento es superior a la temperatura
cricondentrmica. A causa de que la temperatura del yacimiento
excede la temperatura cricondentrmica de los hidrocarburos, los
fluidos del yacimiento siempre estarn en la regin de fase gas
mientras que el yacimiento decae isotrmicamente a lo largo de la
lnea vertical 1-2. Sin embargo, a medida que el flujo de gas es
producido hacia la superficie mostradoen la curva 1-3, la presin y
la temperatura del gas declinan y el gas entra en la regin de dos
fases producindose la separacin en superficie.
Figura 2.8 Diagrama P-T para yacimiento de gas rico. Tomado y adaptado
de: (Parra Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los fluidos de
yacimientos (2008). Editorial Universidad Surcolombiana.)
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
39
2.2.1.5 Yacimiento de gas pobre
Un yacimiento tpico de gas pobre es el mostrado en la figura 2.9,
donde la temperatura del yacimiento es superior a la temperatura
cricondentrmica. La mezcla de hidrocarburos existe como un gas
en el yacimiento hasta superficie como lo mustrala isoterma a lo
largo de la lnea vertical 1-2 y la trayectoria del gas producido hacia
superficie mostrado en la curva 1-3. l nico lquido asociado con
un gas en un yacimiento de gas pobre es el agua.
Figura 2.9 Diagrama P-T para yacimiento de gas pobre. Tomado y
adaptado de: (Parra Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los fluidos de
yacimientos (2008). Editorial Universidad Surcolombiana.)
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
40
Tabla 2.2 Rango y caractersticas del gas en los diferentes tipos de yacimientos de gas
Caractersticas Gas condensado
retrgrado Gas Rico Gas Pobre
Relacin gas- condensado, PCS/BS 8000-70000 60000-100000 >100000
Gravedad API del condensado en el tanque >50 >60 -
Color del condensado en el tanque Amarillo incoloro Incoloro -
Factor volumtrico del condensado, BY/BS >2 - -
Composicin del C1 y C7+,fluido de gas,
fraccin molar
C7+ 12.5%
C1 >60% GPM>3
C1>90%
C5+
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
41
2.3 Clasificacin del gas natural
2.3.1 Propiedades fsicas del gas
El gas natural, es una de las fases que mayor variacin puede
tener en sus propiedades debido al cambio de presin. El cambio
de volumen, la densidad, la viscosidad y la compresibilidad son
factores muy importantes a analizar no solo cuando se desea
estudiar el comportamiento de hidrocarburos gaseosos, sino que
permiten entender y dar mayor criterio a la hora de disear
cualquier equipo puesto que las dimensiones estn estrechamente
relacionadas con los volmenes de gas, si se estiman estos
volmenes a las condiciones del yacimiento, puede incurrirse en un
error. Por tal motivo, este tema ha sido ampliamente desarrollado
en la actualidad.
2.3.2 Clasificacin de gas natural segn su composicin
El gas natural, entendindose como la mezcla de hidrocarburos de
bajo peso molecular, en mayor proporcin metano y etano, as
como otros gases livianos asociados al tipo de yacimiento y a la
conformacin geolgica del mismo tales como sulfuro de hidrgeno,
dixido de carbono, nitrgeno, helio y vapor de agua, puede
clasificarse segn su contenido en gases cidos o en su contenido de
lquidos que es posible extraer:
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
42
2.3.2.1 Segn el contenido de gases cidos, (H2S) Y (CO2)
Gas dulce:
Es aquel que contiene cantidades de sulfuro de hidrgeno
(H2S) y dixido de carbono (CO2) inferiores a 4 y 50 ppmv,
respectivamente.
Gas agrio:
Se caracteriza por contener grandes cantidades de sulfuro
de hidrgeno (H2S), dixido de carbono (CO2) u otros
componentes cidos (COS, CS2, Mercaptanos, etc.) por lo
cual se vuelve corrosivo en presencia de agua libre.
2.3.2.2 Segn la cantidad de lquido posible de extraer
Gas Rico:
Es aquel que debido a su composicin permite extraer
cantidades considerables de hidrocarburos lquidos, C3+,
mayor que 3USGPM (galones por 1000 pies cbicos en
condiciones estndar).
Gas Pobre:
Esta clase de gas est compuesta principalmente por
metano y etano. Por esta razn la extraccin de
hidrocarburos lquidos es muy baja, menor a 3 USGPM.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
43
Tabla 2.3 Componentes tpicos de los gases de yacimiento
Componente Gas Natural [%] Gas asociado al petrleo
Metano 70-98 45-92
Etano 1-10 4-21
Propano Trazas-5 1-15
Butanos Trazas-2 0.5-7
Pentanos Trazas-1 Trazas-3
Hexanos Trazas-0.5 Trazas-2
Heptanos+ Trazas-0.5 0-1.5
Nitrgeno Trazas-15 Trazas-10
Dixido de carbono Trazas-5 Trazas-4
Sulfuro de hidrgeno Trazas-3 0-6
Helio 0-5 0
Fuente: Parra Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los fluidos de
yacimientos (2008). Editorial Universidad Surcolombiana. Pg., 74.
La tabla 2.3, ilustra los componentes tpicos del gas natural
obtenidos usualmente por cromatografa gaseosa a muestras de
diferentes yacimientos, en esta se plasma una media de la
composicin de los gases que depende entre muchos factores, la
conformacin geolgica del yacimiento y las condiciones
establecidas dentro del mismo.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
44
2.3.3 Ecuacin de estado y estimacin de propiedades del gas
natural
La clsica ecuacin de los gases (1), fue desarrollada inicialmente
aplicando las leyes de Boyle y Charles (Gay Lussac), en donde se
estableca una primer aproximacin al tratar de predecir la cintica
de los gases conforme la variacin de sus propiedades. Esta
ecuacin funciona bien en la mayora de los gases si se tienen en
cuanta una serie de aproximaciones que a la postre dan buenos
resultados en condiciones de bajas presiones (
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
45
Pero no siempre es posible considerar un sistema gaseoso con
comportamiento ideal, debido a que a presiones considerables
como las de algunos yacimientos, la relacin (1) se desva del
comportamiento real, por lo cual, de acuerdo con las propiedades
del gas es posible estimar un factor que permita usar esta ecuacin
y as predecir el comportamiento de un sistema gaseoso. No
obstante el reto est, evidentemente en la estimacin de este
factor, tomado por convencin como Z y conocido como factor de
desviacin del gas, que depende de las propiedades y condiciones
del sistema gaseoso.
-6/01 = 7345
El factor Z, como se puede ver en la ecuacin (2), es introducido
en la ecuacin (1) con el objeto de hacer una correccin al modelo
general de gases ideales. Este factor puede obtenerse
experimentalmente dividiendo el volumen real de n moles de gas
a presin (P) y temperatura (T), entre el volumen ideal ocupado por
la misma masa de gas a iguales condiciones de P y T:
-3/8 = 9:;
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
46
aumentos posteriores de presin, Z aumenta pasando por la unidad
y sigue aumentando por encima de este valor.
Una determinacin sencilla de este factor, puede hacerse con la
ecuacin de Starling donde se determinan los valores de presin y
temperatura seudo-reducidas, sPr y sTr , que servirn de parmetro
de entrada a la figura 2.10:
-4/DEF = EDEG
-5/DHF = HDHG
Donde sPc y sTc se conocen como presin y temperatura
seudocrticas respectivamente y son propiedades de cada sustancia,
los cuales se pueden calcular por medio de dos rutas, conociendo la
composicin del gas o por medio de la gravedad especifica:
Clculo de sPc y sTc por medio de la composicin del gas:
Para el gas natural:
-6/DEG =IEGBJBKBLM
-7/DHG =IHGBJBKBLM
Para el gas condensado:
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
47
-8/DEG =IEGB8BKBLM
-9/DHG =IHGB8BKBLM
Donde,
Pci, es la presin critica del componente i, [psia]
Tci, es la temperatura critica del componente i, [R]
Yi y Zi, es la fraccin molar del componente i en el gas natural y gas
condensado, respectivamente.
N, es el nmero de componentes en cada mezcla.
Clculo de sPc y sTc con base en la gravedad especfica del
gas, g:
La gravedad especfica es la relacin entre la densidad msica de la
mezcla (sistema gas) y la densidad msica del aire (sustancia de
referencia) a condiciones estndar de presin y temperatura (14,7
PSIa y 60F); asumiendo un comportamiento ideal del gas y del aire
se tiene:
-10/NO = POP< =PO28,9625
Donde, Mg es el peso molecular aparente del gas [lb/lb mol] y Ma
es el peso molecular del aire (28.9625 lb/lbmol].
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
48
El peso molecular aparente de una mezcla de hidrocarburos en
estado lquido o gaseoso se puede determinar por:
Para el gas natural:
-11/PO =IPBJBKM
Para el condensado de gas:
-12/PR =IPBSBKM
Para el gas condensado:
-13/POR =IPB8BKM
Donde,
Mg, Mc y Mc: Es el peso molecular del gas natural,
condensado (liquido) y gas condensado,
respectivamente [lb/lbmol].
Mi: es el peso molecular del componente i en la mezcla
[lb/lbmol].
Yi, Xi y Zi: Es la fraccin molar del componente i en el gas
natural, en el condensado y gas condensado,
respectivamente.
n: Es el nmero de componentes de la mezcla.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
49
Banzer, C., propone la siguiente correlacin para calcular los
valores respectivos de sPc y sTc en una mezcla de hidrocarburos,
dependiendo de la gravedad especifica del gas:
-14/DEG = 756,8 131UNOV 3,6UNOVW[EYZ[]
-15/DHG = 169,2 + 349,5UNOV 74UNOVW[^]
Por otra parte, Standing recomienda dos correlaciones:
Para gas natural pobre, g 0,75:
-18/DEG = 706 51,7UNOV 11,1UNOVW[EYZ[]
-19/DHG = 187 + 330UNOV 71,5UNOVW[^]
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
50
Figura 2.10 Factor Z para gases naturales. Tomado y adaptado de: (Parra
Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los fluidos de yacimientos (2008).
Editorial Universidad Surcolombiana.)
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
51
Este mtodo es bastante aceptado en la industria petrolera debido
a que para gases convencionales funciona muy bien con
desviaciones mximas de 3% con respecto a valores experimentales,
sin embargo para ciertas condiciones especiales el mtodo no
puede funcionar, lo cual impone una cota con las siguientes
limitaciones:
El gas debe ser rico en metano (>80%).
No debe tener hidrocarburos aromticos.
Debe tener un contenido de impurezas inferior al 4 %.
No presenta buenos resultados en temperaturas y
presiones cercanas a la crtica.
No se recomienda su uso a presiones superiores de 10.000
PSIa.
Es vlido mencionar que existen ajustes a las curvas dependiendo
de la composicin y condiciones del gas que se desea estudiar, tales
como los ajustes de Carr, Kobayashi y Burrows, Wichert-Aziz y
Meeham; no obstante el uso de estas ecuaciones es similar al que
aqu se presenta y para el objetivo del presente texto no se har
mayor claridad.
2.3.4 Calculo del factor volumtrico del Gas (Bg)
El factor volumtrico del gas, designado por el smbolo Bg, se
define como el volumen en barriles [BY] ( pies cbicos [PCY]) que 1
pie cubico normal de gas ocupar como gas libre en el yacimiento a
las condiciones de presin y temperatura prevalecientes. Esto es, el
cambio de volumen que experimenta la fase gaseosa al pasar de las
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
52
condiciones del yacimiento a las condiciones de superficie como
consecuencia de la expansin del gas. Para gases reales, la relacin
puede estimarse como:
-20/_O = 9-`Gab[c`b`Fde`fgD@EhH/9-`Gab[c`b`Fde`fgD@G`dciGi`dgDgDj[dc[F/
Lo cual es:
-21/_O = EM8HE8MHM
Donde, P1, T1 y Z1 son condiciones estndar (14,7 PSIa, 60F y 1
respectivamente)
Por tanto se tiene:
-22/_O = 14,78H520E = 0.028278HE kElJElYm
bien:
-23/_O = 0.005048HE k _JElYm
Donde, Bg es el factor volumtrico del gas dado en (Pies Cbicos a
las condiciones de Yacimiento por cada Pie Cubico a condiciones
Estndar) o bien (Barriles en Yacimiento/PCS).
P, es la presin absoluta, PSIa.
T, es la temperatura absoluta, R.
Z, es el factor de compresibilidad de gas a P y T.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
53
El inverso del factor volumtrico se define factor de expansin,
esto es:
-24/nO = 1_O = 35,37 E8HkElYElJm
-25/nO = 1_O = 198,6 E8HkElY_J m
2.3.5 Calculo de la densidad del Gas (g)
La densidad del gas (g), puede determinarse aplicando la ley
general de los gases reales, resuelta en la siguiente lgica:
-26/9 = d8^HE Usando la definicin de densidad,
-27/9 = eOoO
Reemplazando en la ecuacin general de gases reales y despejando
la densidad:
-28/9 = eOEd8^H
Usando la dedicin de peso molecular M (mg/n):
-29/9 = PE8^H
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
54
Tambin es posible expresar g considerando la ley de
conservacin de la masa para una cantidad de gas, esto es:
-30/eO
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
55
Por otra parte debe recordarse que el gas natural es una mezcla y
puede contener otros compuestos como H2S, CO2 N2, etc, que
deben tenerse en cuenta para el clculo del factor Z.
2.3.6 Calculo de la compresibilidad del Gas (Cg)
La compresibilidad isotrmica (Cg [PSI-1]) de un fluido se define
como el cambio fraccional de volumen, cuando se vara la presin
(P) a temperatura (T) constante, no debe confundirse con el factor
de desviacin de los gases o factor de compresibilidad (Z):
-35/lO = 19 z{9{E|A
Se puede entonces expresar la ecuacin de los gases reales para
encontrar el cambio del volumen debido a la presin a temperatura
constante:
-36/9 = d8^HE 9 = ~8E
Con ~ = d^H
Derivando con respecto a P:
-37/z{9{E|A = ~E z{8{E|A + ~8 z{9{E|A,
-38/z{9{E|A = d^HE z{8{E|A d^H8EW
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
56
-39/ z{9{E|A = 9 k18 z{8{E|A 1Em
Sustituyendo en la ecuacin para Cg:
-40/lO = 19 z{9{E|A = 19 z9 k18 z{8{E|A 1Em|
As Cg es igual a:
-41/lO = 1E 18 z{8{E|? [EYZM]
Por tanto, se requiere conocer la relacin que tiene Z con la
variacin de P a temperatura constante, as poder evaluar (Z/P)T,
pudiendo estimar entonces Cg para cualquier gas Real.
En el caso especial de los gases ideales, Z=1 y (Z/P)=0, entonces
resulta:
-42/lO = 1E[EYZM]
2.3.6 Clculo de la viscosidad del Gas (g)
La viscosidad del gas natural, se ve afectada por diversos factores
que dificultan su conocimiento:
A bajas presiones (
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
57
incremento de la energa cintica de las molculas que
producen gran nmero de choques intermoleculares.
A elevadas presiones (>1000-1500 PSIa) a medida que
aumenta la temperatura disminuye la viscosidad del gas
debido a la expansin trmica de las molculas. A presiones
significativamente grandes, las distancias intermoleculares
de los gases son pequeas y un gas tiende a comportarse
como un lquido.
Con un aumento en la presin a cualquier temperatura, la
viscosidad del gas se incrementa debido a la reduccin del
espacio intermolecular.
Para molculas grandes, la viscosidad es mayor debido a la
movilidad del gas en el sistema.
La figura 2.11, muestra el comportamiento tpico de la viscosidad
del gas natural con la temperatura:
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
58
Figura 2.11 Viscosidad para gases naturales. Tomado y adaptado de:
(Engineering Data Book, Gas Processor Suplies Association, GPSA, Ninth
Edition, Tulsa (1972) sec 16.)
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
59
La estimacin de la viscosidad de un gas se hace generalmente
mediante ensayos experimentales, no obstante, existen algunas
correlaciones matemticas que permiten hacer una estimacin de
esta propiedad, sin embargo, como suele suceder con la mayora de
estas ecuaciones, slo son aplicables en determinadas
caractersticas del hidrocarburo ya que no es posible hacer una
generalizacin simple debido a la diversidad de variaciones que
puede existir entre el gas de un pozo y otro, por lo cual se debe
proceder con cuidado. Carr y Cols presentaron un mtodo que
puede ser utilizado para calcular la viscosidad de una mezcla de
gases cuando se conoce la composicin del gas y la viscosidad de
cada componente a presin atmosfrica y temperatura del
yacimiento, se le conoce como correlacin de Carr- Kobayashi-
Burrows:
-43/O = JRRPRMWKRLM
JRPRMWKRLM
Donde,
g , es la viscosidad de la mezcla de gas a la temperatura deseada y
presin atmosfrica, [Cp].
c , es la viscosidad del componente c a la temperatura deseada y
presin atmosfrica, [Cp].
Yc , Es la fraccin molar del componente c en la mezcla.
Mc, Es el peso molecular del componente c [lb/lb mol].
Este mtodo es tedioso sino se cuenta con la informacin
suficiente, por lo tanto, se ha desarrollado una correlacin grfica
que permite estimar el valor de (g) fcilmente siempre y cuando se
cuente con los parmetros de entrada que son el peso molecular
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
60
y/o la gravedad especifica del gas. La grfica se muestra en la figura
2.11.
Si el gas contiene impurezas, el mtodo permite corregir el valor
de g de la siguiente forma:
-44/O-t/ = O + lt + lv + l Donde,
g(C) , Es la viscosidad del gas a 1 atm de presin y la temperatura (T
F), corregida por impurezas (Cp).
g, es la viscosidad del gas a 1 atm de presin y a la temperatura (T
F), calculada mediante la relacin de de Carr- Kobayashi-Burrows, o
leda de la figura 2.11.
CN2, CCO2, CH2S, Son las correcciones por presencia de Nitrgeno,
dixido de carbono y sulfuro de hidrgeno respectivamente,
tomadas de las tablas anexas en la figura 2.12.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
61
Figura 2.12 Viscosidad para gases naturales. Tomado y adaptado de: (Banzer S Carlos. Correlaciones numricas P.V.T
(1996). Universidad de Zulia, Instituto de investigaciones petroleras. Maracaibo)
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
62
La viscosidad del gas a la presin requerida se obtiene mediante la
determinacin del cociente (g /gL) usando para eso la figura 2.13.
Estas figuras fueron desarrolladas basndose en el teorema de los
estados correspondientes, el cual establece que, a las mismas
condiciones de presin y temperatura pseudorreducidas todos los
gases naturales tienen el mismo cociente de viscosidad (g /gL),
siendo las viscosidades g y gL [Cp] a cualquier condicin P y T y a 1
atm y cualquier T respectivamente.
Finalmente g est dada por:
-45/O = OOO-t/
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
63
Figura 2.13 Relacin de cociente de viscosidad g /gL con presin y temperatura reducidas. Tomado y adaptado de:
(Banzer S Carlos. Correlaciones numricas P.V.T (1996). Universidad de Zulia, Instituto de investigaciones petroleras.
Maracaibo).
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
64
2.3.7 Clculo de la riqueza de un gas
Tambin se le conoce como porcentaje de hidrocarburos licuables,
y se define como el nmero de galones de un lquido que se pueden
producir de 1000 pies cbicos estndar de gas procesado (MPCS). Se
expresa generalmente por el smbolo (GPM). Se considera que se
obtiene como liquido en una planta criognica desde el C3 (Propano)
en adelante sin incluir los componentes no hidrocarburos (CO2, H2S,
N2, etc.). Es bueno recordar que se parte de la suposicin de que los
componentes que integran el propano y elementos ms pesados
son totalmente recuperados como lquidos, aunque en la prctica
slo se recupera un porcentaje de esta cantidad. A medida que la
tecnologa criognica aumenta, el porcentaje de lquidos
recuperables es mayor (98%) debido a que se logra licuar mayor
contenido de los mismos, adicionalmente se han involucrado
procesos en los que los mismos inhibidores de hidratacin ayudan a
la licuacin de los gases ms pesados.
En el clculo de GPM se debe conocer el nmero de pies cbicos
estndar de un componente dado en estado gaseoso, requeridos
para producir un galn de lquido. Este factor se determina
fcilmente a partir de la densidad lquida y el peso molecular de
cada componente puro.
-46/EP =IEPBJBKBLy
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
65
-47/EPB= PB k fxfx=m. 1oB k fxw[fm
. 1[fx=]379[ElY].1000[ElY]1[PElY]
-48/EP = 2,635062IPBJBo=B k[f`dgDPElY mKBLy
Donde,
Mi, es el peso molecular del componente
li ,es la densidad lquida del componente i
Yi es la fraccin molar del componente i en la mezcla gaseosa.
2.3.8 Clculo del valor de combustin o Heating value para un
gas
Uno de los principales usos del gas natural, es como combustible.
Normalmente se tiene a comercializar el gas de lnea usando las
caractersticas de su poder de combustin por cada unidad de
volumen de gas, por tanto es importante poder estimar cuanta
energa es capaz de entregar la mezcla de hidrocarburos al ser
quemada.
Una reaccin de combustin completa, considera la formacin de
agua, la cual pueden encontrarse en estado lquido o gaseoso, de
esta forma se definen dos valores para el valor de combustin:
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
66
Toda el agua formada est en estado lquido, para lo cual se
le denomina Valor de combustin mximo o en ingls
higher heating value [HHV].
Toda el agua formada est en estado gaseoso, por lo cual
se denomina Valor de combustin mnimo o en ingles
lower heating value [LHV].
La industria del gas siempre utiliza el valor combustin bruto en la
transferencia de calor. Obviamente, la diferencia numrica entre los
dos valores de combustin es el calor de condensacin del agua en
las condiciones dadas. Ambos estados son hipotticos porque el
valor calorfico se calcula normalmente a 60 F y 1 atm (15,6 C y
1,01 atm), que son las condiciones estndar para la industria del
gas, y, por tanto, en el equilibrio, el agua estara parcialmente en
estado lquido y el resto en estado vapor. Una prctica comn es
tambin asumir el comportamiento del gas ideal, sin embargo se
notan diferencias marcadas entre este valor y lo que se obtiene
mediante mtodos experimentales, por lo tanto lo que se prefiere
usualmente es hacer una medicin en un calormetro para
determinar el calor que cede el gas al quemarse.
El valor de combustin puede estimarse mediante la siguiente
relacin:
-49/BC = -1 /IBBCKBLM
Donde, Xw es la fraccin molar del agua en el gas a las condiciones
de saturacin. Si se asume un gas seco Xw toma el valor de 1.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
67
Hidvi es el valor reportado de combustin para los componentes
puros a las condiciones establecidas.
Por lo general, hacer el clculo con un gas hmedo es muy
complicado, por lo que se prefiere hacer esta determinacin en
base seca. La tabla 2.4, muestra los valores de combustin
caractersticos de los gases presentes en el gas natural.
Tabla 2.4 Valores de combustin del gas natural
Componente BC [BTU/scf]
Metano 1010
Etano 1769.7
Propano 2516
Butanos 3252
Pentanos + 4756
Nitrgeno 0
Dixido de carbono 0
Sulfuro de hidrgeno 637.1
Helio 0
Fuente: A. J. Kidnay,William R. Parrish. Fundamentals of natural gas
Processing. Taylor & Francis Group.USA 2006.
2.3.9 Clculo del nmero de WOBBE para un gas
Este parmetro es muy importante ya que una de las aplicaciones
industriales ms usuales es hacer mezclas de hidrocarburos en
proporciones que cumplan especificaciones de venta, teniendo en
cuanta para ello la cantidad de calor que el gas es capaz de emitir al
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
68
ser quemado, sin que vare esta propiedad por cambios en
condiciones operacionales de los equipos debido a cambios en las
propiedades del fluido. El nmero de WOBBE es una medida
indirecta de esta propiedad, y se establece por tanto, que un gas
puede ser remplazado con otro si tiene un nmero de WOBBE
similar.
El nmero de Wobbe se define como:
-50/_ = 9UNOVMW
Donde,
HHV es el valor de combustin mximo higher heating value
(BTU/scf).
g , es la gravedad especfica del gas (g/aire) a las mismas
condiciones de presin y temperatura, corregido para flujo a travs
de orificios .
Los valores caractersticos del nmero de WOBBE se encuentran
entre 1100 y 1400, por ejemplo en Europa las especificaciones
establecen un valor de WB en 1400. Las empresas distribuidoras de
gas natural usan este parmetro de control y calidad para enviar el
gas de lnea, ya que establecen un nmero WB especifico el cual no
debe variar sin importar la variacin en la composicin del gas de
entrada.
El uso del nmero de Wobbe haba estado inicialmente limitado a
Europa, sin embargo con el aumento de las exportaciones del gas
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
69
natural licuado (LNG), se ha venido generalizando su uso puesto que
se hace fcilmente calculable la relacin de calor liberado por
cantidad de gas, el valor WB tiene a ser ms elevado que los valores
de WB del gas tpico de venta.
REFERENCIAS
Abdel Aal, H. K. and Aggour, Mohamed. Petroleum & Gas field
Processing (2003).Ed, Marcel Dekker,Ink.
Hodgson, G. and Baker, B. (1964). Evidence for porphyrins in the
Orgueil meteorite Nature. Vol. 202. pp. 125-131.
http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/petroleo.
Engineering Data Book, Gas Processor Suplies Association, GPSA,
Ninth Edition, Tulsa (1972) sec 16.
Parra Pinzn, Ricardo. Propiedades fsicas de los fluidos de
yacimientos (2008). Editorial Universidad Surcolombiana.
Kostas, J. Leontaritis. Course Practical Asphaltes Solutions &
Manegement. Universidad Surcolombiana, 1996.
Carrillo Barandiarn, Lucio. Reservorios de Gas Condensado (2005),
Universidad Nacional de Ingeniera. Lima Per.
Banzer S Carlos. Correlaciones numricas P.V.T (1996). Universidad
de Zulia, Instituto de investigaciones petroleras. Maracaibo.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
70
CAPITULO 3
PLANTAS DE GAS
3.1 Plantas de procesamiento de gas natural
La figura 3.1, es un diagrama de bloques que muestra las etapas
de procesamiento de gas natural, segn los componentes que se
deseen extraer del mismo. Este es un panorama general de las
etapas de mximo aprovechamiento desde que el gas sale del pozo,
hasta su licuefaccin. Cada una de estas es un universo diferente,
con tecnologas asociadas que se pueden disear segn los
productos deseados y las caractersticas del gas tratado.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
71
Figura 3.1 Diagrama de flujo de una planta de procesamiento de gas natural.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
72
3.1.1 Operaciones de pozo y recibo de gas
Todas las plantas de gas tienen operaciones iniciales para
tratamiento de gas, donde se remueven hidrocarburos lquidos
iniciales, slidos que se hayan podido haber arrastrado desde el
pozo, deshidratacin y promotores de formacin de hidratos,
remocin de gases cidos como CO2 y H2S y sistemas de
compresin o estabilizacin de presin. Para ello se dispone de
separadores bifsicos (scrubber) en donde se separa el gas de los
lquidos que pueda contener en caso de pozos con mantos de gas
estable, si el gas arrastra suficientes hidrocarburos pesados y agua
como en el caso de pozos de gas asociado al crudo, se dispone de
separadores trifsicos. El agua y los slidos separados se preparan
para disposicin y/o tratamiento, mientras que los hidrocarburos
condensados se llevan a sistemas de recuperacin o
fraccionamiento segn sea el caso.
3.1.2 Compresin inicial de planta
Todas las plantas en la industria del gas natural, tienen
condiciones de recibo de gas que se usan como parmetro en el
diseo de los equipos asociados al proceso, sin embargo, las
condiciones en el pozo son poco estacionarias, debido a la
recuperacin misma de los hidrocarburos, la presin interna
disminuye y ocasiona cambios en las condiciones del gas de
entrada, con el objeto de estabilizar las condiciones del gas a las
caractersticas de diseo de la planta , se disean sistemas de
compresin que permitan adecuar la lnea de entrada a planta.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
73
El manejo de presiones muy elevadas como en el caso de los
sistemas de licuefaccin de gas natural (LNG) son robustos y
requieren especificaciones de diseo rigurosas debido a que se
manejan condiciones crticas para el proceso. Si se cuenta con
suficiente presin en el pozo (por lo general en pozos recientes), se
suele aprovechar esta caracterstica manejando todos los procesos
a esta condicin, por ejemplo, para presiones alrededor de 1,000
PSIa (70 bares) o superiores, solo se requiere etapas de compresin
para el gas que proviene de las unidades de procesamiento de
lquidos.
3.1.3 Tratamiento de gas
El gas natural proveniente de pozo puede contener, como ya se ha
mencionado, componentes que afecten su calidad y propiedades,
por lo tanto se hace necesaria una etapa inicial de remocin de
gases cidos (H2S, CO2, Mercaptanos, etc.) para evitar la corrosin
de los sistemas de procesamiento del gas natural y evitar una
disminucin en la calidad del mismo. Muchas de las plantas de
tratamiento usan procesos de remocin de gases cidos,
comnmente llamado Endulzamiento usando sistemas de
absorcin con solventes en base acuosa, capaces de retener estos
compuestos, sin embargo no es una tarea fcil, ya que resulta
convirtindose en un problema de seleccin del solvente ms
adecuado para el tratamiento, que entre otras cosas depende
bsicamente de la composicin de los gases cidos en el gas de
entrada. Actualmente se han desarrollado otros sistemas de
tratamiento de gases cidos que se discutirn ms adelante.
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
74
3.1.4 Deshidratacin
Por lo general, las condiciones de pozo hacen que el gas natural,
se encuentre saturado con vapor de agua, no obstante, la variacin
dada al cambiar entre las condiciones del yacimiento y la superficie
ocasionan una condensacin parcial del agua de saturacin pero a la
vez se presenta una saturacin del gas a las condiciones de entrada
a la planta. No obstante, un gas natural con cantidades
relativamente pequeas de agua, puede presentar problemas de
corrosin en tuberas, daos en los sistemas de compresin y
disminucin en el valor de combustin, en otros casos ms
especiales como la licuefaccin donde se manejan temperaturas
criognicas del orden de -160 C, el agua presente en el gas natural
puede ocasionar obstrucciones serias por deposicin de slidos en
las tuberas ocasionando una falla en los equipos. Por tal motivo,
existen especificaciones que debe cumplir el gas de venta para
asegurar la funcionalidad del gas natural en cualquier sistema, es
por tanto que se hace necesaria la remocin de agua y para ello
existen varias tecnologas que pueden ser usadas, algunas usando
solventes en solucin y otras por adsorcin en una fase
estacionaria.
3.1.5 Recuperacin de hidrocarburos
Dependiendo de la riqueza del gas natural, la utilidad que se le
desee dar y los productos que se deseen extraer del mismo, es
necesario, siempre en una planta de procesamiento de gas natural,
hacer una etapa de recuperacin de productos lquidos,
provenientes de las unidades de separacin inicial, las etapas de
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
75
compresin y de fraccionamiento. Existen diversas formas de
comercializar los productos extrados segn la composicin del gas,
en muchos casos se hace una recuperacin exhaustiva por
componente, esto es, una separacin rigurosa de cada uno de los
hidrocarburos presentes (etano, propano, Iso-butano y n-butano),
pero en otros casos, debido a que el uso comn de los gases es en
servicios para obtencin de energa, se hace la recuperacin en
fracciones que cumplan especificaciones de combustibles segn sea
el caso, por ejemplo, la fraccin ms liviana ser el Gas natural
licuado (98% metano, 2 % de otros hidrocarburos livianos como
mximo), donde su produccin est ligada a un anlisis de
factibilidad tcnico-econmica.
La fraccin ms usual en la mayora de las plantas a nivel mundial,
es el gas de lnea, cuyas especificaciones en el contenido de
hidrocarburos ms pesados, son menos rigurosas. Otras fracciones
ms pesadas sern el GLP, Gasolinas naturales y condenados
intermedios.
3.1.6 Reinyeccin de nitrgeno
Una prctica comn en la extraccin segundaria de hidrocarburos,
es la inyeccin de un gas que se produzca en las facilidades de
superficie, pero que no ocasione deterioro en la calidad de los
hidrocarburos que se estn recuperando, esto con el objeto de
presionar lo suficiente el pozo para que exista flujo hasta la
superficie. En la explotacin de gas natural, uno de los componentes
no orgnicos en mayor proporcin dentro del gas natural es el
nitrgeno, el cual debe ser removido con el objeto de producir
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
76
combustibles con residuos de combustin ms limpios y de la
calidad requerida por las especificaciones internacionales, por tal
motivo es necesario involucrar sistemas de recuperacin y
disposicin adecuada del nitrgeno retirado del gas natural, que
para el fin de inyeccin en la explotacin de pozos es adecuado.
Existen diversas tecnologas asociadas a la separacin del nitrgeno
del gas natural, que van desde separaciones criognicas hasta
procesos de adsorcin por tamices moleculares, donde su uso
depende de las caractersticas dl gas de entrada, el costo asociado a
la tecnologa y el destino del gas separado.
3.1.7 Recuperacin de componentes en baja proporcin
De acuerdo con las caractersticas propias de los yacimientos, el
gas natural puede contener algunas sustancias en muy baja
proporcin comparado con los hidrocarburos o gases cidos que
usualmente contiene, para tales sustancias, en varios casos se suele
hacer una recuperacin debido a dos factores principales, el
primero es el costo relativo de produccin bajo, aunque las
cantidades son pocas se invierte en procesos, tecnologa y equipos
robustos para recuperar estos componentes debido a que el costo
de producirlos por otras fuentes pueden resultar ms elevados o
bien porque no existe otra fuente disponible para su extraccin,
este es el caso del Helio, Argn, BTEX( Benceno, Tolueno,
Etilbenceno y Xileno). El segundo factor son los problemas
asociados al contenido de estas sustancias en el gas debido a que
puede ocasionar problemas operacionales, obstruccin en equipos
de alta presin como tamices moleculares, problemas a la salud a
largo plazo o contaminacin por exposicin, el cual es el caso del
-
LICUEFACCIN DEL GAS NATURAL: una importante alternativa energtica
77
mercurio que puede causar problemas en los equipos de
transferencia de calor o masa construidos en aluminio, el Radn
(material radioactivo) y Arsnico (sustancia toxica).
3.1.8 Etapa de alta presin o compresin final
Una vez el gas natural ha sido tratado para la remocin de
componentes de tal forma que cumpla con las especificaciones