AGUA SOLAMENTE H2S Y CO2
Sílica Gel Tamices Moleculares
Alúmina Activa 4A 13% AW-500
Tamiz Molecular Carbón Activado
Carbón Activado Esponja de hierro para (H2S, sólo)
6.7.2 PROCESO DE ESPONJA DE HIERRO
Es uno de los procesos conocidos para eliminar componentes de ácidos del gas natural. Se suele utilizar en corrientes de gas pequeñas a medianas, razón por la cual se recomienda para instalaciones de bajo consumo.
Los óxidos de hierro se mezclan con virutas de madera para formar un material que puede reaccionar con el H2S del gas. Las virutas sirven como un agente esponjoso que permite el paso fácil de gas y provee área para el contacto del óxido de hierro con el gas. Los óxidos varían tremendamente en sus propiedades purificadoras dependiendo del estado fisicoquímico de ellos.
La humedad juega también un papel muy importante en la reacción. El óxido que reaccionó puede ser regenerado parcialmente con oxígeno (o aire) en presencia de humedad. La regeneración puede hacerse in situ o sacándolo del recipiente, pero debe tenerse extremo cuidado para evitar un recalentamiento y/ o incendio, ya que los compuestos son pirogénicos. No son rentables más de 2 regeneraciones, es decir, con la primera regeneración la capacidad de adsorción de la camada no es igual a su condición original. Este método no se recomienda para remoción en masa de grandes cantidades de H2S. La economía limita su aplicación a los gases que contengan menos de 320 ppm (20 granos de H2S / 100 pcn).
Entre las ventajas del proceso, se pueden enumerar las siguientes:
I. Provee una remoción completa de concentraciones de sulfuro de hidrógeno pequeñas a medianas, sin remover el dióxido de carbono. Es un proceso selectivo.
2. Requiere de poca inversión, en comparación con otros sistemas. 3. Es igualmente efectivo a cualquier presión de operación.
Desventajas:
1. Requiere de una instalación duplicada, o en su defecto, de la interrupción del caudal del gas que se procesa.
2. Tiene afinidad con la formación de hidratos cuando es operado a altas presiones y con temperaturas que oscilan en el intervalo donde los hidratos se pueden formar
3. Remueve el etil mercaptano, que suele agregarse al gas como odorizante.
4. Con la entrada del aceite o destilados, el recubrimiento de la esponja de hierro requerirá de cambios más frecuentes.
La esponja de hierro no es más que los rizos de madera que resultan de la carpintería, recubiertos de hierro hidratado, normalmente empacado en varias texturas y tamaños. La madera sirve para espaciar el ingrediente activo, el óxido de hierro, y para controlar la distribución del gas en el sistema, evitando caídas de presión excesivas.
Las calidades de recubrimiento que suelen preparar son: 6,5 Ibs; 15,0 Ibs. Y 20,0 Ibs de óxido de hierro por "bushel". Un "bushel", contiene ocho galones y cuando se empaca de manera apropiada es aproximadamente equivalente a un pié cúbico, por ello se suele hablar de esponjas, por ejemplo: de 9,0 Ibs de óxido de hierro por pie cúbico.
Existen algunos conceptos básicos que deberán tomarse en cuenta cuando se diseñe este proceso:
1. La camada de óxido podrá tener alrededor de 10 pies de profundidad, con lo cual se produce una caída de presión tolerable y una distribución apropiada del gas en el área transversal del recipiente. A menos que el aumento de profundidad se compense con la instalación de platos, el uso de longitudes mayores podría producir una caída de presión excesiva, debido a los efectos de compactación. En ocasiones pudiera ser necesario considerar un aumento en la longitud de la carcaza, para disminuir los gastos por cambios de carga y aumentar la vida de la camada.
2. El recipiente deberá diseñarse de tal manera que la deposición de azufre no pase de 15 granos por pie cuadrado de sección transversal por minuto (15 granos / pié2
. min. ó 0,972 gramos/ pie2. min.)
Al diseñar con esta regla se debe recordar que el contenido de H2S se expresa en granos por 100 pcn y que, a la presión de operación, la concentración es mucho más alta. Por esta razón esta consideración es especialmente importante cuando se trabaje con concentraciones muy altas del componente ácido y a elevadas presiones.
El diseño obliga a mantener la operación entre los límites aceptables (máximo y mínimo), con el fin de lograr una reacción completa entre el sulfuro y el óxido de hierro. Las cargas que más se aproximan a la reacción teórica es de 0,56 Ibs de azufre por libra de hierro presente.
3. El tiempo de contacto de la camada puede calcularse con el volumen de esponja y el volumen del gas en condiciones de operación. Cuando se diseñe con presiones variables, el caso más crítico será la presión más baja.
Para calcular el tiempo de residencia o el tiempo de contacto del gas ácido con el ingrediente activo de la camada se podrá considerar como máximo: 180 p3 / hr. por p3 de esponja y un mínimo de 50 a 60 p3/ hr. cualquier presión de operación: o bien, un mínimo de 90 p3/hr. donde existan concentraciones por encima de 50 granos por 100 pcn (800 ppm,v) y no haya oxígeno presente.
Velocidades muy altas causarán excesiva caída de presión, compactación anormal de la camada y canalización del gas ácido, antes que la esponja esté completamente convertida en sulfuro de hierro o azufre libre.
Velocidades mínimas por debajo de 50 a 60 p3/hr podrán causar canalización del gas o no proveer suficiente velocidad para remover la película del gas de la superficie de la esponja para permitir que el gas nuevo entre en contacto con la superficie activada de dicha esponja. Estos niveles de máxima y mínima tasa de flujo son una función del contenido de oxígeno presente.
La reacción del azufre produce solamente 262 BTU por libra de sulfuro de hidrógeno. Si la temperatura de operación se mantiene a 114oF el agua esencial para la cristalización no saldrá del sistema de adsorción continuará a la tasa de diseño, sin embargo, si hubiere oxigeno atmosférico presente o se agregara oxígeno en un proceso controlado para reactivar la esponja simultáneamente con la adsorción de sulfuro de hidrógeno, el calor de reacción podría aproximarse a los 2.500 BTU por libra de sulfuro de hidrógeno y pudiera causar pérdida permanente del agua de cristalización a una temperatura de operación por encima de 114oF.
Si se permite oxígeno en exceso (por ejemplo: 0,4% + 0,1% por cada 100 granos por 100 pcn.), cualquier aumento no controlado de la temperatura también pudiera causar pérdida del agua de cristalización. La camada activa de la esponja debería mantenerse a un peso húmedo de 40% + - 15%. La esponja original es procesada a un pH de 8 o por encima y deberá mantenerse en este valor agregando soda ash, si fuera necesario.
4. Sin oxígeno presente, la rata teórica de conversión: 0,56 Ibs de azufre por libra de óxido de hierro, puede aproximarse a condiciones ideales.
La vida de la camada debe tomarse en cuenta siempre que se requieran de cambios frecuentes, en este caso, se pueden aumentar de manera considerable los costos de operación. Cuando no se considere la regeneración de la camada, una esponja de 15 Ibs podría ser lo más recomendado, este paso de óxido de hierro por "bushel", dará una utilidad máxima antes que el espacio vacío se llene con sulfuro de hierro para causar una caída de presión excesiva.
Si se desea utilizar regeneración con aire, la esponja de 9 Ibs podría ofrecer mayores ventajas, no obstante, existe la posibilidad de que sea tapada completamente con el azufre antes que se pueda utilizar a su máximo potencial de reacción. La cantidad de sulfuro que puede retener una camada se puede conocer de manera aproximada, a no ser que entre petróleo al sistema o se produzca azufre en exceso, con lo cual se cubre el óxido de hierro y se evita la reacción química. Desde el punto de vista de la seguridad del sistema, hay muchos aspectos que se deben tener en cuenta, debido a que se está trabajando con un elemento que puede convertirse en fatal a concentraciones mayores de 600 ppm,v: El H2S. Asimismo, debe tenerse en cuenta que en contacto con el oxígeno atmosférico-las camadas de óxido de hierro utilizadas pueden presentar ignición espontánea. Se han registrado accidentes por este concepto.
En resumen, el esponja de hierro tiene la ventaja de retener únicamente los compuestos de azufre de caudales de gas relativamente bajos, comparado con otros procesos. Éste, permite un trabajo continuo cuando se utilizan dos recipientes. Si se instala con una sola camada, el flujo debe ser interrumpido para cambiar la esponja. Si se trata de un diseño para grandes volúmenes de gas, es preferible verificar la factibilidad de seleccionar otras alternativas.
A continuación se presenta el resumen de las condiciones básicas recomendadas para el diseño: 1. Peso de la camada de FeO: 6,5 – 15,0 y/ o 20 Lbs/ pié3
2. Altura máxima de la camada: 10 pies.
3. Deposición de azufre en la camada: 1 gramo/ pié2 por min. 4. Reacción teórica 0,56 lbs. de S/lbs. de FeO
5. Tiempo de contacto o de residencia: T, máx: 180 pié3 /hr. por pié3, esponja. T, min: 50-60 pié3/hr. por pié3, esponja 6. Velocidad mínima: 50-60 pie3 /hr.
7. Calor de reacción: 262 Btu/ lb, H2S
6.8. OTROS PROCESOS
A veces es difícil evocar un proceso dentro de una categoría definida (físico, químico, híbrido, etc.), en otras ocasiones son tecnologías que se apartan completamente del análisis originalmente realizado; por estas razones se agrupan en un solo renglón los procesos que no han sido tratados dentro del análisis anterior.
6.8.1. MEMBRANAS
La separación por difusión selectiva a través de membranas permeables, ha estado en desarrollo durante los últimos 20 años. El proceso consiste en la permeación diferencial de los diferentes componentes del gas a través de una membrana polimérica (por ejemplo: acetato de celulosa).
A fin de manejar el proceso de difusión, la presión diferencial a través de la membrana se ubica en los alrededores de 1.000,0 lpcm ya que algunos hidrocarburos pueden colarse a través de la membrana, se requiere recomprimir el gas para recuperar componentes valorables en una segunda unidad de membrana. La composición realista de gas tratado que se puede obtener está por debajo del 1,5% molar de CO2. Esto indica que el proceso es recomendable para la separación de cantidades brutas de gas ácido.
En todos los procesos de membrana el elemento básico está montado en unidades modulares sobre patines. Se debe tener cuidado en no permitir el contacto de líquidos con la membrana, por lo tanto, se deben colocar filtros o unidades de separación previamente, para garantizar que las membranas no se pongan en contacto con los líquidos. Componentes tales como: el metanol, glicol y el agua, también dañan la membrana.
Debido a los requerimientos para el acceso y el aislamiento, el patín está provisto de válvulas y de instrumentación apropiada. Todavía no se han instalado sistemas de membrana costa afuera, pero existe una historia creciente de operación en los E.U.A., por lo cual se anticipa que las membranas servirán de reto a los sistemas convencionales en la remoción de impurezas del gas natural en los próximos diez años.
6.8.2. OXIDO DE ZINC (ZO)
El proceso de Oxido de Zinc, actualmente en desuso, es un sistema de lecho fijo para la remoción del sulfuro de hidrógeno, también debería mencionarse ya que su uso se está expandiendo ampliamente como un proceso de protección para la venta de gas, con buenas
perspectivas en el Mar del Norte donde el contenido de sulfuro de hidrógeno en el gas, se ha incrementado de 1 a 2 ppm.
ICI, posee licencia para la utilización del Oxido de Zinc, para la limpieza del sulfuro de hidrógeno a temperaturas relativamente bajas y ha desarrollado un catalizador específico para este proceso. Las cargas de H2S, son relativamente bajas (típicamente menores del 5% por peso) lo cual restringe el uso del óxido de zinc drásticamente. Los cambios de los lechos catalíticos han sido simplificados, ahora se usan procedimientos rápidos.
6.8.3. LAVADO CON AGUA.
Se ha usado extensamente en Europa, un lavado del gas con agua para absorber CO2; sin embargo, para remoción de CO2 hasta requerimientos normales de gasoductos, en los EE.UU. (2% o menos), no es práctico, ya que requiere una tasa de circulación excesiva. Por ejemplo, para reducir el nivel de CO2 de 40% a 15% se requiere unos 66,8 lt./m por MM mcdn (0,5 gpm por MM pcnd) a 13,8 bars (200 lpcm). El lavado con agua se ha utilizado en serie con un sistema MEA.
Las principales ventajas del proceso son el uso de un solvente de bajo costo y la ausencia de requerimientos de calor para regeneración.
A pesar de que, por sus características es eminentemente-un proceso físico, se ha preferido clasificarlo dentro de esta sección, gracias a que el agua en solución forma parte de muchos otros procesos.
6.8.4. TEXACO
Este proceso usa una solución de NaOH con un catalizador. Ofrece ventajas en la inversión inicial de la planta y en los costos de operación, pero la regeneración se efectúa con aire y esto requiere un control estricto de óxigeno a fin de evitar una explosión.
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OPERACIÓN DE PLANTAS DE ENDULZAMIENTO DE AMINA