Bienvenidos una vez más a mi blog de ingeniería: Steemians, comunidad científica y amigos en general. En esta ocasión estaremos tratando un tema manejado en la industria del procesamiento de hidrocarburo, tanto en refinerías como complejos mejoradores del crudo, con esto hacemos referencia al tratamiento de gas, específicamente al endulzamiento del gas.

_{Diseño creado por el autor @ennyta}

El término "tratamiento de gas" es bastante amplio, además del endulzamiento, incluye la eliminación del agua y otros componentes indeseables, por ello es importante resaltar que sólo estaremos abarcando un punto en especial.

_{Procesos del tratamiento de gas [Diseño creado por el autor @ennyta]}

No sería raro que lo primero que se nos venga a la cabeza al escuchar "endulzamiento del gas" sea algo relacionado con azúcar o algún tipo de edulcorante que otorgue dulzura al gas.

— ¿Desea su gas con uno o dos cubos de azúcar? —

La verdad es que el procedimiento de endulzamiento del gas está bastante lejos de referirse a eso.

¿Qué es el endulzamiento de gas?

También es conocido como desacidificación del gas y probablemente hubiera sido mejor hablar de este término en vez de endulzamiento, sin embargo en el argot de habla inglesa este proceso se conoce como “sweetening” y así, tal cual, lo hemos adoptado los hispanohablante, "endulzamiento".

Así que el endulzamiento del gas no es más que una operación donde ocurre una transferencia de materia, en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido (en este caso será el absorbente o endulzante) con el fin de disolver o absorber uno o más componentes ácidos en el gas (gas rico, denominado de este modo porque es rico en componentes ácidos, o simplemente conocido como gas ácido) por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, dióxido de azufre, que son emitidos por procesos de combustión o durante el procesamiento del crudo. Luego que eso ocurra podemos decir que tenemos un gas dulce o limpio, listo para ser usado.

_{Columna de absorción [Diseño creado por el autor @ennyta]}

¿Por qué se debe endulzar el gas?

1. Por consideraciones de seguridad: Por toxicidad del H₂S que afecta la salud del personal operativo incluso pudiendo provocar su muerte; medio ambiente y la vida útil de los equipos y tuberías.
2. Para mejorar el poder calorífico del gas: Al reducir el contenido de componentes ácido mejora el poder calorífico del gas.
3. Reducir la corrosión: Los gases ácidos al disolverse en agua forman ácidos altamente corrosivos que atacan la metalurgia de los equipos.
4. Enriquecimiento del gas ácido: Mejora la calidad del gas y su valor económico.

¿Por qué los gases ácidos son un problema?

En la industria cuando nos referimos a gases ácidos, principalmente hacemos referencia al H₂S y CO₂. El H₂S es un compuesto sumamente peligroso, cuando se encuentra en bajas concentraciones es fácil de percibir por su olor similar a huevo podrido, pero a concentraciones tóxicas, el H₂S es inodoro y esto es porque destruye la sensibilidad de las terminaciones nerviosas en la nariz haciendo que no pueda ser percibido.

_{Consecuencias del H2S en personas [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Aminas

El agente endulzante que lleva a cabo la absorción de los componentes ácidos en la columna de absorción son las aminas (absorción con solventes químicos), las cuales son sustancias químicas que reaccionan con el sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono para ser removidos del gas y ser diluidos en la solución. Las aminas se pueden clasificar según el número de grupos alquilo que están unidos al nitrógeno, ya sean en aminas primarias, secundarias y terciarias. Por ejemplo:

Aminas primarias

Son bases fuertes que requieren un alto calor de reacción, es decir necesitan mayor energía para despojar los gases ácidos. Su característica principal es que tiene un grupo alquilo unido a la molécula de nitrógeno. Una de las aminas comerciales más común de esta categoría es la MEA (Monoetanolamina) usualmente usada en una solución de 15% a 20% p/p.

_{Estructura molecular de la amina primaria [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Amina secundaria

Son menos básicas que las primarias y requieren menor calor de reacción. Se degradan menos lo que es beneficioso en cuanto al inventario y pérdida de monetaria. Tienen dos grupos alquilos unido al nitrógeno. La DEA (Dietanolamina) es una amina secundaria usada en la industria para la absorción de gases.

_{Estructura molecular de la amina secundaria [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Amina terciaria

Son las aminas más costosas, pero las más favorables para alcanzar un efectivo proceso de remoción de H₂S en el gas. Son bases débiles por lo tanto requieren un bajo calor de reacción. Tiene tres grupos alquilo unido a la molécula de nitrógeno. Entre las aminas terciarias usadas en la industria se encuentre la MDEA (Metildietanolamina). Es específica para remover únicamente H₂S. Es usada típicamente en soluciones a 50% p/p.

_{Estructura molecular de la amina terciaria [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Reacción de equilibrio de las aminas

En las columnas absorbedoras de amina, el gas ácido (básicamente el H₂S) se disuelve en la fase líquida (amina) se ioniza y reacciona con la MDEA para formar una sal térmicamente regenerable.

_{Reacción de equilibrio entre la amina y el gas ácido [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Los elementos que forman parte del proceso de endulzamiento y la reacción de las aminas son los siguientes:

Gas ácido	Es el gas con impurezas que contiene moléculas de H2S en su composición y otros componentes ácidos.
Gas dulce	Es el gas obtenido del proceso de absorción con amina, donde se ha removido la mayor cantidad de H2S posible.
Amina pobre	Es la solución secuestrante o absorbente de los compuestos ácido que contiene el gas.
Amina rica	Es la amina resultante de la reacción entre el gas ácido y la amina pobre, donde una vez absorbido el H2S se convierte en una solución ácida.

En el siguiente diagrama se muestra el proceso de endulzamiento de gas. Se observa que el gas está representado por la molécula naranja, la amina por la molécula morada y el H₂S por la pequeña molécula de azul. El objetivo del proceso es remover el H₂S del gas y obtener un gas dulce apto para próximos procesos.

_{Proceso de absorción de H2S en el gas en una columna [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Problemas operacionales que surgen durante proceso de endulzamiento

• Formación de espuma
  Es un problema común en la columna absorbedora durante el proceso de endulzamiento del gas y esto se puede deber a diferentes causas, por ejemplo, debido a un repentino incremento en la presión en la columna, por contaminación en la amina en incluso por agentes contaminantes arrastrados por el gas de procesos aguas arriba. Cuando esto ocurre, existe un contacto pobre entre el gas y la solución de amina, por lo tanto, el resultado es una reducción en la capacidad de tratamiento y en la eficiencia del endulzamiento.

• Pérdidas de amina
  Son eventos indeseables que se produce en las columnas absorbedoras, pueden presentarse como dispersión del líquido en el gas debido a las altas velocidades del gas con respecto al flujo de amina. Mientras que el otro caso donde ocurre pérdida de amina es por dispersión del gas en el líquido, es decir por formación de espuma. Como se mencionó anteriormente, la espuma se produce por la formación de burbujas estables que se forman debido al exceso de sólidos, hidrocarburos u otros contaminantes que disminuyen la tensión superficial en la fase entre el gas y la solución de amina.

Existen otras causas relacionadas con la pérdida de amina, por ejemplo, por la degradación de la solución de amina, ya que las aminas tienden a oxidarse o efecto de la temperatura o incluso por envenamiento, es decir, contaminación con agentes externos. Otra causa de pérdida de amina es debido a escapes mecánicos causados por corrosión o los derrames accidentales, durante las operaciones de mantenimiento incluso se puede producir pérdidas cuantiosas de amina.

Limitaciones hidráulicas en la columna

Una columna opera correctamente cuando hay un íntimo contacto entre el líquido, en este caso con la amina y el gas, y con ello conseguir una buena separación de las fases, para lograr esto, los flujos de líquido y vapor se deben mantener bajo ciertos límites. En el siguiente diagrama se observa cuál es la forma de operar satisfactoriamente, evitando caer en las limitaciones hidráulicas con una relación de flujo igual a la que se fije dentro del área de la figura mostrada.

_{Diagrama de operación para una columna de separación [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Arrastre

Esta limitación se presenta cuando existe una elevada velocidad del gas a través de las perforaciones de los platos siempre que la carga de líquido sea baja. El arrastre consiste en una dispersión fina del líquido hacia el plato superior. Esta limitación incide directamente en la eficiencia de absorción de H₂S en el gas ya que no logra reaccionar completamente la amina con el ácido.

_{Arrastre de líquido en una columna [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Inundación

Es una limitación hidráulica que consiste en la acumulación excesiva de líquido en la columna, tanto en el plato como en los bajantes. Este aumento de nivel de líquido incide directamente en la eficiencia de absorción de H₂S en el gas y en el aumento del diferencial de presión en los platos. Una columna inundada no podrá operar eficazmente y si no se logra mantener una relación de gas adecuada se producirá otra limitación hidráulica relacionada con el lloriqueo o goteo.

_{Inundación de platos en una columna [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Lloriqueo

También conocido como goteo, esto ocurre cuando el flujo de gas con respecto al líquido es muy bajo por lo que el líquido sobre el plato comienza a escurrir por las perforaciones hacia el plato inferior. Es normal que para sistemas con alta relación de líquido, una pequeña cantidad de líquido se escurra a través de los orificios, sin embargo esto no reducirá considerablemente la eficiencia de absorción de H₂S en el gas.

_{Lloriqueo de platos en una columna [Diseño creado por el autor @ennyta]}

Sello del bajante

La pérdida del sello en el plato se presenta cuando muy poco líquido fluye sobre el plato, similar al caso del lloriqueo, se pierde el sello formado por la película de líquido sobre el área activa del plato, causando a su vez que gran parte del gas ascienda por el bajante en lugar de subir por las perforaciones del plato, lo cual genera una disminución en la eficiencia de absorción.

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Para la elaboración de las figuras mostradas en la publicación se empleó como herramienta Microsoft PowerPoint 2010 y para las imágenes animadas el programa ezGIF.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Erdmann, E., Ale, L., Martínez, J., Gutierrez, J., Tarifa, E. Endulzamiento de gas natural con aminas. Simulación del proceso y análisis de sensibilidad paramétrico. Publicado por Avances en Ciencias e Ingeniería. [Revista en línea]. Disponible: www.dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4134741.pdf.com. (2012).

• Petróleos de Venezuela, S.A. Platos tipo válvulas. Manual de diseño de proceso, torres de fraccionamiento. Caracas, Venezuela. (1997).

• Petróleos de Venezuela, SA. Principios básicos. Manual de diseño de proceso, torre de fraccionamiento. Caracas, Venezuela. (1996).

• Bernal, D., Castellanos, O., Bejarano, P. y Rodríguez, G. Análisis y diseño de platos y columnas de platos. Editorial Universidad Nacional de Colombia. Primera Edición. Bogotá, Colombia. (2011).

• Martínez, M. Endulzamiento del gas natural. Editorial Ingenieros Consultores, SRL. Primera edición. Maracaibo, Venezuela. (1994).