Membranas

El siguiente artículo fue redactado por Elvis Alvarado, estudiante de Ingeniería de Yacimientos V de la Universidad Central de Venezuela.

En la industria del gas natural, una vez que el gas es producido en los pozos, teniendo en cuenta que los procesos de producción en lo que se conoce como aguas arriba es necesario contar con las instalaciones que provean la capacidad de manejo de grandes volúmenes de gas, estas instalaciones son sensibles a la corrosión producto del vapor de agua presente en el gas y por los gases ácidos como el H2S o sulfuro de hidrogeno, además en la composición de la mayoría de los gases producidos de los diferentes yacimientos del mundo, se puede encontrar el CO2 o dióxido de carbono el cual ocupa un volumen considerable pero no aporta poder calorífico al gas natural, por lo tanto se busca remover este gas y en la mayoría de los casos poder cumplir con las especificaciones del mercado en la que se plantea comercializar los volúmenes de gas producido.

La remoción de agua se conoce como deshidratación, y la remoción de los gases ácidos (sulfuro de hidrogeno y dióxido de carbono) se conoce como endulzamiento, a través de estos procesos se aumenta el valor comercial del gas, además de hacer posible la extracción del LGN (líquidos de gas natural) el cual posee un valor mucho mayor que el del gas natural en sí, además que el sulfuro de hidrogeno es venenoso, también genera problemas de corrosión en equipos de superficie, lo que hace aún más necesaria su remoción.

La separación por membranas es uno de los desarrollos más recientes y a pesar de las desventajas económicas, su uso está creciendo firmemente. La separación entre gases ocurre en un fundamento molecular, por ende delgadas capas sin poros deben ser usadas (la permeación a lo largo de las capas o cintas no es filtración es sorción en el lado de alta presión es sorción, a lo largo de la cinta es difusión, y desorción en el lado de baja presión). Las membranas consisten en una cinta de polímero ultra delgado en el tope de un sustrato poroso delgado.

Dependiendo del diseño sea el recubrimiento o el sustrato controlan la tasa de permeación en la capa compuesta. Hay dos configuraciones básicas, spiral-wound o espiral cortada (Separex y Grace), y hollow-fibers o fibras huecas (Prism y Dupont).

La construcción de un separador de espiral cortado que consiste en capas sucesivas de canales de flujo del gas de alimentación, membrana de separación, canal de flujo permeable y membrana de separación cortada alrededor de un tubo permeable axial.

El empaquetado se fija en un tanque cilíndrico de presión alrededor de un tubo permeable axial para formar un elemento el cual es típicamente 4 a 8 pulgadas de ancho, por 5 pies de largo. Los elementos están combinados en paralelo y/o series para formar el paquete separador. Para estas membranas, el revestidor de acetato denso, no poroso y celuloso es típicamente la capa activa o la capa controladora de permeación.

Para el separador de fibras huecas se usan cilindros huecos menores a un milímetro de diámetro externo, girado de material de control de separación usualmente una polisulfona recubierta de un elastómero de silicón para protección. La dimensión típica del muro es alrededor de 300 micrones, la capa de separación 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 alimentación está en el lado del casco, y el gas permeado está en el lado del tubo. Las dimensiones típicas es de 4 a 8 pulgadas de diámetro y de 10 a 20 pies de largo.

Características de las membranas
Las membranas separan en gas por la diferencia entre las tasas a las que los gases se difuminan a lo largo de las cintas, los gases rápidos se reúnen en la corriente permeada y los gases lentos quedan en la corriente no permeada. La tabla 7.5 muestra que las tasas de permeación relativa para estas membranas comerciales son remarcablemente similares.

Cuando la diferencia entre el coeficiente de permeación es grande es posible una buena separación de los gases (H2, NH3 o gases de refinería); pero cuando la diferencia es pequeña (H2S Y CH4) la separación es difícil y cara porque se necesitan múltiples etapas. En cualquier caso la separación no es completa, el gas de permeación contienen algo de gas residual y viceversa.

El gas dulce corresponde a 4 ppmv de H2S, un resultado poco práctico considerando las diferencias de los coeficientes de los dos gases. El gas seco corresponde a 7 lb H2O/MMpcs el cual es alcanzable pero las pérdidas de CH4 con el agua es muy valiosa.

El recobro envuelve la refrigeración para condensar gran parte del agua, compresión a la presión de alimentación y recirculación. Esto es usualmente mucho equipo para competir con la deshidratación con glicol, por otro lado la separación de CO2 es mucho más práctica, el gas residual puede contener de 2 a 3 % de CO2, y el CH4 presente en el CO2 no es un problema generalmente.

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