TEMA: “Separación de CO2 “

Curso: PROCESOS DE GAS NATURAL

Ing. Luz Izaguirre

¿POR QUÉ LOS SEPARAMOS?

El CO2 se conoce como gas ácido, y un gas natural que posea este contaminante se conoce como gas agrio.

La licuefacción del gas natural(-160 ºC), es necesario eliminar cualquier componente susceptible de congelarse durante el proceso de enfriamiento y obstruir el circuito de éste o producir daños.

Puede ocasionar problemas en el manejo y procesamiento del gas.

Separación del CO2 El gas natural que es extraído del

subsuelo, contiene una serie de impurezas, entre las cuales están: la arena, el agua, compuestos de azufre, dióxido de carbono, compuestos oxigenados y compuestos de nitrógeno, aparte de otros componentes, que generalmente constituyen trazas, como el mercurio, gas helio, arsénico, etc. De todos ellos los más peligrosos desde el punto de vista de la corrosión son los compuestos de azufre (Sulfuro de hidrógeno, H2S y los mercaptanos) y el dióxido de carbono (CO2), llamados gases ácidos por su habilidad para reaccionar con el agua presente en el gas y formar los respectivos ácidos sulfhídrico y carbónico, responsables de la corrosión de los aparatos y gaseoductos. Por este motivo hay que realizar en primer lugar un tratamiento de desulfuración y de descarbonatación, llamados comúnmente endulzamiento del gas natural.

PROCESOS DE SEPARACIÓN

Absorción

Adsorción

Membrana

Criogénico

Factores : • Naturaleza y cantidad de contaminantes

en el gas de alimentación. • Costos de operación • La cantidad de gas a ser procesado • Selectividad deseada • Condiciones en las que el gas de

alimentación está disponible para el procesamiento.

1. ABSORCIÓN Una de las Operaciones Unitarias más importantes

en la purificación del Gas Natural.

Utilizamos la absorción gaseosa a través de un líquido, en el cuál uno de los componentes sea miscible.

Características de un buen disolvente: Alta solubilidad

Alta selectividad

Alta volatilidad

Alta estabilidad química

Bajo costo

Principios fundamentales importantes para la absorción física son la solubilidad y la transferencia de masa, los principios de los equilibrios de reacción y la cinética de reacción son para la absorción química.

1a. ABSORCIÓN FÍSICA El disolvente sólo interactúa físicamente

con el gas disuelto. Se utiliza cuando el gas de alimentación se

caracteriza por alta presión parcial de CO2 y bajas temperaturas.

La eliminación de CO2 se basa en la solubilidad de CO2 dentro de los disolventes.

La presión parcial y la temperatura del gas de alimentación son los dos factores principales que determinan la solubilidad del CO2 .

La interacción entre el CO2 y el absorbente es débil en relación con disolventes químicos

El disolvente se usa como un absorbente

con Prop. Termodinámicas

SELEXOL

Glicol utilizado durante décadas para procesar gas natural.

PROCESO RECTISOL

Basado en metanol a baja temperatura

CARBONATO DE GLICEROL

Alta selectividad para el CO2

Procesos comerciales

1b. ABSORCION QUIMICA

Se utilizan para eliminar CO2 en la corriente de gas por la acción de la reacción exotérmica del disolvente con los gases.

El producto químico más utilizado en eliminación de gases ácidos en las industrias de procesamiento de petróleo y gas natural son

alcanolaminas.

LIMITACIONES

El disolvente utilizado en proceso de absorción, tales como aminas y la solución Benfield causa la corrosión de las unidades.

Todos los disolventes no se pueden reciclar de nuevo a la columna de absorción, la eliminación de la disolventes provoca riesgos ambientales

(Polasek y Bullin 1984).

Bord, Cretier et al 2004;. Ebenezer y

Gudmunsson 2006

Solventes utilizados en la absorción

En este proceso el CO2 reacciona con un líquido de absorción. Para ello se utilizan compuestos químicos (aminas) con gran afinidad de compuestos ácidos (CO2) y se usan como solventes formulados, en una mezcla especial para atenerse a la tarea de separación.

Las etapas del proceso se describen básicamente en el esquema de la figura 3. Detallamos las etapas del sistema.

1. El gas que contiene el CO2 se pone en contacto con un absorbente líquido capaz de capturar el CO2.

2. El absorbente cargado con CO2 se transporta a otra torre donde se regenera mediante cambios de temperatura o presión y libera el CO2.

3. El absorbente regenerado se envía de nuevo el proceso de captura de CO2.

4. Para contrarrestar las pérdidas de actividad del absorbente, se introduce siempre nuevo absorbente.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Al utilizar este sistema no se pueden despreciar sus características básicas de operación, que pueden determinar su viabilidad. Dentro de ellas mencionamos:

1.La reacción química del proceso se realiza a alta temperatura.

2.El sistema consta de un reactor a modo de absorbedor y otro que actúa de regenerador de la amina.

3.El proceso de regeneración requiere un considerable consumo de energía.

4.El sistema necesita de un tratamiento previo a los gases de combustión, debido a que las aminas son altamente

atacables por los óxidos de nitrógeno y azufre (NOx y SOx).

2. Adsorción física Básicamente se encarga de utilizar materiales capaces de

adsorber el CO2 generalmente a altas temperaturas, para luego recuperarlo mediante procesos de cambio de temperatura o presión.

Entre los adsorbentes se

encuentran: •Carbón activo

•Materiales

mesoporosos

•Zeolitas

•Aluminas e hidrotalcitas

ADSORCIÓN

Adhesión o la retención de los componentes selectivos de la corriente gaseosa que se pone en contacto la superficie de cierta adsorbente sólido como resultado de la fuerza de campo en la superficie.

El requisito principal para un proceso de separación por adsorción es un adsorbente con alta selectividad.

Adsorbentes comerciales: carbón activado

arcillas

gel de sílice

zeolitas de aluminosilicato

La siguiente tabla describe brevemente los métodos de regeneración para la adsorción

METODOS DE REGENERACION TSA

La desorción es logrado mediante el aumento de la temperatura del lecho de adsorción mediante la aplicación de calor.

A temperaturas más altas la adsorción constante de equilibrio se reduce de modo que las especies incluso muy fuertemente adsorbidos pueden ser eliminado.

PSA

La regeneración se lleva a cabo mediante la reducción de la presión parcial de operación para desorber el

adsorbato

Esto se puede obtener ya sea por despresurización o mediante la evacuación

VENTAJAS Y LIMITACIONES

Adsorción física

3. PROCESO DE MEMBRANAS

Principio

Mediante el principio de permeabilidad diferencial, las moléculas de dicho contaminante (CO2) son separadas de los hidrocarburos, utilizando la presión como fuerza impulsora. Las membranas procesan altos contenidos de CO2 de entrada, hasta valores del orden del 70%, permitiendo una salida de hasta 2%.

La permeabilidad de los gases en una membrana está relacionado como una función de las propiedades de la membrana (estructura física y química), la naturaleza de las especies permeables (tamaño, forma, y la polaridad), y la interacción entre la membrana y las especies permeables

TIPOS DE MEMBRANA SELECCIÓN TIPO DE MEMBRANA ( MATERIAL ) % SEPARACIÓN CO2 QUÍMICA DE LA MEMBRANA

Membrana Poliméricas

La fuerza motriz de la separación es la gradiente de presión a través de la membrana. Como tal, se requiere la compresión del gas de alimentación en a fin de proporcionar la fuerza impulsora para la permeación, y separar el CO2 .

Membrana Inorgánica

Membranas inorgánicos (también conocidos como membranas cerámicas) se utilizan para la separación de gas basándose en su estabilidad térmica, mecánica y química , buena resistencia a la erosión,insensibilidad a la acción bacteriana y una larga vida útil

Uso de Membranas

Esquema de funcionamiento del sistema de membranas

Usados para capturar CO2 cuando están a altas concentraciones en el gas natural y que fluyen a elevadas presiones. El uso de membranas implica: -Mayor gasto de energía -Es ineficiente frente a la Absorción química. -Menor porcentaje de remoción de CO2.

Ventajas Operacionales del uso de Membranas: •Los flujos de Gas y Liquido son independientes. •No se necesita un lavado posterior al absorbente para recuperar líquido de absorción que es sacado hacia fuera. • La operación es a condiciones termodinámicamente óptimas, no condicionadas por las condiciones hidrodinámicas del equipo de contacto. • El equipamiento es compacto a través del uso de fibra porosa de membrana.

Las Membranas deben presentar las siguientes características para tener buena performance •Permeabilidad adecuada •Selectividad: con el fin de determinar la pureza del producto.

La estabilidad es un tema importante para este procedimiento, por lo que una solución para ello son soportes porosos como pueden ser el vidrio, la cerámica o el metal.

Características de las Membranas

Las membranas se pueden clasificar en orgánicas e inorgánicas. Dependiendo del tipo de membrana será la aplicación a la cual estará enfocada.

Clasificación:

Las membranas orgánicas utilizadas comercialmente son las poliméricas, las cuales se utilizan para los siguientes procesos. - Separación de CO2 y CH4 a alta presión del dióxido de carbono. - Separación de CO2 y N2, como parte del proceso de post combustión.

Las membranas inorgánicas pueden ser:

•Membranas metálicas •Membranas microporosas •Membranas transportadoras de iones

4. PROCESO CRIOGÉNICO

Principio

Se basa en la Condensación de Gases. Cuando el CO2 se enfría por debajo de su punto de ebullición, comienza a condensar y se convierte a un estado líquido. Las diferencias en los puntos de ebullición hacen que los gases se puedan separar porque cada gas se convertirá en un líquido en un punto diferente . Ésta separación en componentes puros también puede estar influenciada por la composición del Gas Natural.

Proceso de Ryan Holmes

VENTAJAS

*Idoneidad para licuar y purificar el gas de alimentación con alta concentración de CO2 .

*Obtenemos un producto líquido que puede transportarse por tuberías el cual no requiere una separación adicional de componentes ya que el G.N. no se mezcla con productos químicos adicionales.

DESVENTAJAS

*El proceso requiere de elevada cantidad de energía para la etapa de regeneración y puede disminuir significativamente la eficiencia global de la planta cuando se aplica a corrientes con bajas concentración de CO2

*Algunos fluidos criogénicos son inflamables y tóxicos, tales como (acetileno, etano)

Destilación Criogénica

Los componentes del gas pueden separar en una columna de destilación. Esta tecnología se utiliza sobre todo para separar las impurezas de una corriente de CO2 de alta pureza. Sobre su aplicación se puede decir que no se ha utilizado a la escala y condiciones, en términos de disponibilidad de costeo, que se necesita para los sistemas de captura de CO2.

Esquema básico de la destilación criogénica

Grafica de requerimientos de P y T para la destilación Criogénica