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CAPTULO 3 Propiedades Qumicas del Gas Natural

3.1 GENERALIDADES

Las propiedades qumicas del gas natural estn en funcin de los compuestos qumicos que lo componen. Cabe resaltar que las composiciones de los gases naturales son diferentes de un yacimiento a otro. Y que adems cambian con el tiempo, pues el yacimiento se enriquece de especies qumicas mas pesadas progresivamente. Es decir normalmente el gas migra a peso moleculares mayores con el paso de los aos en produccin.

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos que pueden combustionarse en presencia de oxgeno o pueden ser utilizados para petroqumica como materia prima para diversos materiales.

Los principales contaminantes del gas natural con los mostrados en la Fig. 3-1 y se trata de especies qumicas derivadas que aportan a la acidez como el CO2, H2S y similares. Tambin hay contaminantes como el agua, oxigeno y mercaptanos, el nitrogeno es considerado como el gas ms inerte y su alto contenido solamente genera una disminucin del poder calorfico.

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FIG. 3-1 Contaminantes del Gas Natural

Los efectos del H2S en la salud del ser humano son sustancialmente

importantes, el H2S es un compuesto txico para el organismo. En trazas puede ser soportado por el organismo pero a concentraciones ms elevadas puede producir la muerte del ser humano.

La tabla 3-1 publicada por ICONSA nuestra los efectos de esta sustancia. TABLA 3-1

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TABLA 3-2

3. 2 PRINCIPALES REACCIONES QUMICAS DEL GAS NATURAL

En este sector trataremos de hace un recopilacin de las principales reacciones qumicas y sus procesos del gas natural, en los diferentes procesos en los cuales interviene en los estndares industriales:

1. Reacciones de combustin

CnH2n+2 + O2 nCO2 + (n+1)H2O

2. Reacciones de produccin de Metanol

El gas de sntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas fuentes:

Gas Natural

Hidrocarburos Lquidos

Carbn

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Obtencin del gas de sntesis a partir de la combustin parcial en presencia de vapor de agua

Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2

A partir de la combustin parcial de mezclas de hidrocarburos lquidos o carbn, en presencia de agua.

Mezcla de Hidroc. Lquid + Agua CO + CO2 + H2

Carbn + Agua CO + CO2 + H2

Esta reaccin emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados.

CO + CO2 + H2 CH3OH

La reaccin se produce a una temperatura de 300-400C y a una presin de 200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr2O3

3. Reacciones de Fischer Trophs para la produccin de diesel y gasolinas sintticas

Alemania luego de la primera guerra mundial tena sanciones econmicas que la obligaron a usar sus reservas de carbn, usando el metano liberado al calentar el carbn, para obtener combustibles lquidos.

Franz Fischer y Hans Tropsch en 1923 realizaron las primeras investigaciones trabajando en el instituto de Kaiser Wilhelm en los aos 20. Ya se tenan 9 plantas en 1945. Las reacciones globales involucradas son las siguientes:

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Insuflado de O2 en un reactor para extraer los tomos de Hidrogeno, la reaccin es la siguiente:

CH4 + O2 CO + 2H2

1000 C 1400 psi y mayores

Se utiliza un catalizador para recombinar el hidrgeno y monxido de carbono, dando lugar a los hidrocarburos lquidos.

nCO + (2n+1) H2 CnH(2n+2) + n(H20)

450 Lpca 240- 280 oC ; Catalizador de Fe o Co

Los hidrocarburos de cadena larga son cargados en una unidad de craqueo, donde se fraccionan para producir diesel, nafta y ceras.

4. Reacciones de produccin de amoniaco

Descarbonizacin. Se retira el CO del gas natural, en un lecho adsorbente de etanolaminas.

Reforma. (catalizador de Ni):

CH4 + H2O 3 H2 + CO

Rendimiento mayor a 90%.

Conversin del CO y purificacin del gas. En lecho catalizador de xido de Fe:

CO + O2 CO2

El CO2 es retirado dejando hidrgeno libre de impurezas y se purifica

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Metanacin. Trazas de CO y CO2 se convierten en CH4 en un lecho de catalizador de nquel.

Compresin y sntesis del amoniaco.

Se inyecta oxgeno y la mezcla de gases se comprime a presin de 320kg/cm2 y sometida a temperatura de 400C en lecho catalizador de xido de hierro, para dar:

N2 + 3 H2 2 NH3

CH4 + 10 H2O +8N2 + 2O2 16 NH3 + 7H2O

El amoniaco formado tiene rendimiento del 90%

Formacin de Carbamato

A 200 bares y 190C se realiza la primera etapa de la sntesis de la urea.

2 NH3 + 1 CO2 NH2COONH4

Sntesis de la Urea

A 160 bares y 190C se realiza la deshidratacin del carbamato, con conversin del 65 al 70 %, con un tiempo de residencia de 45 min.

NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O

Degradacin del carbamato y producioon de urea

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Se degrada el carbamato restante para volver a formarlo por sus caractersticas corrosivas.

NH2COONH4 2 NH3 + 1 CO2

3.3 CORROSIN EN LAS INSTALACIONES DE GAS NATURAL

Uno de los efectos ms negativos del gas deficientemente tratado es la corrosin de las instalaciones. En este sector mostraremos algunos de los tipos ms comunes de corrosin de ductos. Existen muchas definiciones para corrosin. La ms comnmente aceptada es la siguiente:

Corrosin es el ataque destructivo de un metal por reaccin qumica o

electroqumica con su medio ambiente

Corrosin ocasionada por H2S Condicin de Humedad y H2S: Es definido como un proceso de refinera

en el cual el ambiente tiene una concentracin de H2S igual o mayor a 50

ppm/w en fase acuosa. En las figuras siguientes se muestran metales con

corrosion de H2S

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FIG. 3-2

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FIG. 3-3

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Corrosin por CO2

FIG 3-4

Corrosin

DISOCIACIN DEL CO2 EN AGUAEl CO2 disuelto en agua forma cido carbnico:

el cual es un cido dbil, dado que se disocia parcialmente:

Luego se tiene:

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Corrosin en espacios confinados

Biocorrosin

Varios microorganismos estn envueltos, no en procesos de deterioro de superficies siendo las SRB (bacterias reductoras de sulfato) conocidas como un grupo de microorganismos responsable del los casos ms graves de biocorrosin.

FIG. 3-6

Agotamiento del O2 dentro del hoyo / hendidura: Disolucin Andica Lenta:

M M+ + e-

Reduccin Catdica Externa:

O2 + H2O + 4e- 4OH- Cl- se traslada dentro del hoyo / hendidura y forma cloruro metlico el cual

se hidroliza:

M+Cl- + H2O MOH- +HCL Ph 2-3 Muy Corrosivo

Se rompe la pasividad de la aleacin y se propaga el proceso corrosivo.

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3. 4 COMPOSICIONES TIPO DE GAS NATURAL La comparacin de diversos tipos de gas natural, muestra una gama de

posibilidades en cuento a su tratamiento o procesamiento.

En la Fig 3-7 vemos las principales componentes de varios tipos o subproductos del gas natural. El gas natural contiene la mayora de los componentes del gas y los subproductos tienen los componentes parciales.

Fig. 3-7

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En la Tabla 3-3 se muestran las composiciones tipo de 9 tipos de gases de yacimientos de Bolivia en el centro del pas.

Las principales caractersticas son un contenido de GPM con un promedio de 1. En la bibliografa se considera un GPM de 3 como un gas rico, los yacimientos Venezolanos tienen GMP mayores por que son de gas asociado con la produccin de petrleo.

El valor de la gravedad especifica esta en el orden de 0.59 a 0.65, estos son valores de gases livianos con bajo contenido de licuables. Esto se verifica con los valores de GPM bajos.

Se reporta una concentracin nula de H2S, es evidente que las concentraciones de H2S en la mayora de los gases Bolivianos es baja pero se debe verificar su concentracin por medio de otro tipo de anlisis, pues el H2S puede tener fracciones molares muy bajas y de todas formas estas fuera de especificaciones por que se admite una concentracin de 4ppm, v segn el GPSA.

Estos anlisis se reportan en base seca, es decir se deben agregar el contenido de agua en el gas natural. Esta comparacin de gases tambin debe ser un ejercicio,

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TABLA 3-3

Los gases del norte de Monagas - Venezuela de la tabla 3-4, tienen valores de GPM cercanos a 3, esto certifica su naturaleza hmeda en licuables del gas natural, esto se debe a que son gases asociados con la explotacin de petrleo. Los contenidos de CO2 son ms elevados que en el gas natural Boliviano y mayores a la especificacin del 2% en Vol, por lo tanto se corren mayores riesgos de corrosin en las instalaciones y mayor carga de tratamiento de endulzamiento de este energtico. Los contenidos de H2S son tambin elevados y todos fuera de las especificaciones de 4ppm.v.

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TABLA 3-4

Finalmente en la Figura 3-5 se tienen cuatro ejemplos de gases de campos de produccin Colombianos, donde se presenta una clara diferenciacin de los gases libres de Lisama, Provincia y Guajira con valores de GPM menores a la unidad y los gases de los campos de Huila y Cuisiana con GPM mayores en especial el caso de Huila con un GPM de 5.14.

Los contenidos de CO2 son bajos con excepcin de Cuisiana con un 5% en Vol. El gas de Huila en Colombia tiene un contenido elevado de propano que esta en el orden de 5.14.

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TABLA 3-5