EL GAS NATURAL COMO MATERIA PRIMA EN LA INDUSTRIA

PETROQUÍMICA

RESUMEN

La industria petroquímica es la encargada de transformar el gas natural y algunos derivados del petróleo en materias primas, las cuales representan la base de diversas cadenas productivas. El gas es actualmente uno de los principales insumos de la industria petroquímica moderna, ya que sus derivados proporcionan una variada gama de substancias primarias que a través de subsecuentes procesos y tratamientos se van transformando y multiplicando en otros semiproductos o productos.

La producción de gas natural se inicia con la separación del crudo y del gas asociado, si el gas es seco, no es necesario este proceso de separación. Luego de esto el gas pasa a las plantas de acondicionamiento donde se eliminan las impurezas como Oxígeno, Azufre, Mercurio, Agua entre otros; ya que sino éstos podrían causar daños en el siguiente paso, o sea, la fase de procesamiento.

En la fase de procesamiento el gas natural se separa de sus componentes mediantes procesos físicos/químicos. El primero de ellos es la extracción, que separa los componentes líquidos, los cuales son enviados a las instalaciones de fraccionamiento, para obtener otros gases más pesados como etano, propano, butano y pentano. Los productos líquidos del gas natural se distribuyen a los centros de consumo, nacionales e internacionales, a través de los muelles, poliductos o plantas de llenado.

De las plantas de extracción también se separa el gas metano que se envía a través de los gasoductos a lo largo del territorio nacional, hacia los grandes centros de consumo donde es distribuido a los sectores industrial, comercial, doméstico y transporte urbano, como fuente de energía.

Para llevar a cabo la transformación del gas natural en materias primas la industria petroquímica aplica una serie de procesos para obtener la base de diversas cadenas productivas las cuales tal vez desembocarán en refinerías, en la cual, mediante un proceso adecuado, se obtienen diversos combustibles fósiles capaces de ser utilizados en motores de combustión: gasolina, gasóleo, etc. Además, y como parte natural del proceso, se obtienen diversos productos tales como aceites minerales y asfaltos.

En Venezuela la corporación de mayor exponente en la Industria petroquímica es Pequiven, la cual opera los tres complejos petroquímicos existentes en Venezuela; Ana maría Campos (Edo. Zulia), Morón (Edo. Carabobo) y General de División José Antonio Anzoátegui (Edo. Anzoátegui). Pequiven se propone a desarrollar el enorme potencial que dispone Venezuela en el campo petroquímico a través del procesamiento del gas y su conversión en productos de calidad.

Es de relevancia destacar que en Venezuela también existen refinerías como La Refinería El Palito y Paraguaná, esta última surgió de la unión la integración de operaciones de las refinerías de Amuay y Cardón, convirtiéndose en la que posee mayor capacidad en el mundo, debido a las modernas y actualizadas plantas y unidades de procesamiento.

INTRODUCCIÓN

El gas natural se ha convertido en uno de los principales insumos en los diversos procesos de la industria petroquímica moderna, por ende, actualmente ocupa el segundo lugar como fuente de energía en el mundo después del petróleo. Por sus características, ha adquirido gran importancia como combustible para vehículos automotores, instalaciones industriales y especialmente plantas de generación de electricidad, contribuyendo de manera significativa en la solución de problemas ambientales, convirtiendo así su condición de desperdicio en un recurso energético de extraordinario valor.

Por lo mencionado anteriormente, en el siguiente informe se desarrollarán las tecnologías de transformación, de transporte y almacenaje como lo son los complejos petroquímicos y refinerías con el objetivo de enfatizar la gran importancia del gas natural como materia prima para la industria petroquímica, convirtiéndolo en un producto de gran demanda, lo que influye directamente en la economía venezolana, ya que Venezuela, como país monoproductor en materia de hidrocarburos se ha visto en la necesidad ampliar su tecnología y capacitación, haciendo posible no solo la producción del gas para el consumo nacional sino la exportación del mismo.

2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

2.1 CONCEPTOS BÁSICOS

* Átomo: Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos. http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo

* Carbono: es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante. Es el pilar básico de la química orgánica; se conocen cerca de 15 millones de compuestos de carbono, aumentando este número en unos 500.000 compuestos por año, y forma parte de todos los seres vivos conocidos. Forma el 0,2 % de la corteza terrestre.http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

* Hidrógeno: es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia visible del universoHydrogen in the Universe, NASA Website. URL visitada el 2 de junio de 2006.

* Hidrocarburos: Son combinaciones de carbono e hidrógeno, forman una gran familia química cuyos miembros tienen características y propiedades muy diferentes. As diferencias son los números de átomos de carbono e hidrógeno que componen la moléculay de la forma en que se unen los átomos de carbono.

* Gas Natural: Mezcla de hidrocarburos gaseosos que se ha formado y acumulado en el interior de la tierra. Es el producto de la descomposición de la materia orgánica de animales y vegetales sepultados durante millones de años. Se utiliza como combustible y materia prima de la industria petroquímica.

El gas natural se encuentra en los yacimientos acompañado de otros hidrocarburos, que se aprovechan en los procesos de extracción y en el procesamiento de los productos principales. Es por ello que dependiendo de que producto los acompañe, se les denomina gas seco o gas húmedo.

* Gas Seco: El que tiene un contenido bajo de propano hasta heptano, o sea, y si es mayormente gas metano.

* Gas Húmedo: El que tiene un contenido alto de propano hasta heptano, o sea, si contiene propano, butano y fracciones más pesadas en cantidad suficiente.

* Gas No Asociado o Libre: Es el producto único o con una proporción baja de hidrocarburos líquidos (propano hasta heptano) que se encuentra en el yacimiento.

* Gas Asociado: Gas que se encuentra en un yacimiento donde predominan los hidrocarburos líquidos en forma de petróleo o condensado.

* Gas Natural Licuado: Es el Gas metano en estado líquido. Para licuar este hidrocarburo se requiere una temperatura en el orden de los 160 grados centígrados bajo cero. Las instalaciones para este propósito son mucho más complejas y costosas que las utilizadas para producir gasolina natural y gas licuado del petróleo.

* Petroquímica: La función de la industria petroquímica, es transformar el gas natural y algunos derivados del petróleo en materias primas, las cuales representan la base de diversas cadenas productivas.http://www.energia.gob.mx/webSener/res/86/Petroquimica_final.pdf

* Refinería: es una planta industrial destinada a la refinación del petróleo, por medio de la cual, mediante un proceso adecuado, se obtienen diversos combustibles fósiles capaces de ser utilizados en motores de combustión: gasolina, gasóleo, etc. Además, y como parte natural del proceso, se obtienen diversos productos tales como aceites minerales y asfaltos.http://es.wikipedia.org/wiki/Refiner%C3%ADa

* Gasolina Natural: Producto resultante del procesamiento de gas natural. Compuesta básicamente por pentano, hexano y heptano.

http://www.pdvsa.com/index.php?tpl=interface.sp/design/glosario/search.tpl.html&newsid_temas=51&newsid_idterm=25&newsid_termino=G&newsid_lugar=1

* Gasoductos: es la tubería e instalaciones conexas utilizadas para el transporte del gas natural, el cual estará en estado gaseoso a temperatura ambiente.

* Poliducto: Es el ducto para el transporte de productos derivados del petróleo crudo desde el punto de carga hasta una terminal u otro poliducto y que comprende las instalaciones y equipos necesarios para dicho transporte.

* TMA: Toneladas métricas Anuales.

* MBD: Miles de Barriles diarios.

* BTX: Biodegradación de hidrocarburos monoaromáticos volátiles

* MTBE (Éter metil tert-butílico, metil tert-butil éter): es un líquido inflamable. Se fabrica combinando sustancias químicas como isobutileno y metanol, y se ha usacomo aditivo para incrementar el octanaje de la gasolina sin plomo.

http://es.wikipedia.org/wiki/MTBE

* TAME (ter-amil-metil-eter): Al igual que el MTBE sirve como oxigenantes al mezclarse con la gasolina.

http://www.soberania.org/Articulos/articulo_1447.htm

* Criogenia: es el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno o a temperaturas aún más bajas. La temperatura de ebullición del nitrógeno, es decir 77,36 K (o lo que es lo mismo -195,79 °C) se alcanza sumergiendo a una muestra en nitrógeno líquido. El uso de helio líquido en lugar de nitrógeno permite alcanzar la temperatura de ebullición de éste, que es de 4,22 K (-268,93 °C).

http://es.wikipedia.org/wiki/Criogenia

* Temperaturas Criogénicas: se definen por la Cryogenic Society of América como aquellas que son inferiores a 120 K (aproximadamente –153 ºC). Por lo tanto los tratamientos criogénicos serían aquellos en los que los materiales son sometidos a temperaturas inferiores a la mencionada.http://www.cryobest.com/docs/esp/Tratamiento%20de%20%E2%80%A6plicaciones.pdf

* Proceso de Cascada: Se utiliza para el enfriamiento del gas natural, este se basa en un circuito en cascada de tres etapas:

La US Patent Application 20080006053 desvela un método para licuefacción de gases ricos en hidrocarburos. En este proceso el gas fluye a través de una cascada de tres etapas de refrigeración, cada etapa comprendiendo un circuito de refrigeración y un compresor, donde al menos parte del flujo de refrigerante del segundo circuito se usa para el pre-enfriamiento del gas rico en hidrocarburos en la primera etapa de refrigeración. De esta forma se equilibra la carga en cada compresor. Estandarizando las unidades de impulsión y los compresores de los tres circuitos de refrigerante, es

posible maximizar la capacidad de licuefacción del proceso usando unidades de transmisión y compresores probados. Este método puede aplicarse a cascadas de refrigerantes mixtos y circuitos con pre-enfriamiento de dióxido de carbono.

http://todoproductividad.blogspot.com/2009/07/sobre-las-ultimas-tecnologias-de.html

* Método de Adsorción en Carbón Activo: ", es un método aceptado por el Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo español (INSHT) que determina los hidrocarburos alifáticos (n-hexano, n-heptano, n-octano, n-nonano) en aire.

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburo_alif%C3%A1tico

* Uso de Membranas de Filtracion Selectiva en el Tratamiento del Gas: En el tratamiento del gas, el uso de membranas selectivamente no porosas tiene como función separar los componentes hidrocarburos de los no hidrocarburos a nivel molecular. La filtración selectiva consiste en que una membrana polimérica se usa para separar compuestos gaseosos como CO2, H2S y agua de un gas natural cuando se somete a una presión diferencial.Tales procesos son más confiables que otros a base de solventes químicos y con altos costos de mantenimiento y dependen únicamente de la naturaleza del material de la membrana.

* Cracking, Pirolisis o Desintegración Catalítica: Es un proceso que convierte alcanos de cadena recta en otros alcanos ramificados más deseables. La pirolisis también se emplea para convertir parte de la fracción menos volátil de queroseno y combustóleo en compuestos de peso molecular más bajo que son apropiados para usarse como combustible de automóvil.

* Destilación Atmosférica y al Vacío: Este es el primer proceso que aparece en una refinería. El petróleo que se recibe por ductos desde las instalaciones de producción, se almacena en tanques cilíndricos de gran tamaño, de donde se bombea a las instalaciones de este proceso. El petróleo se calienta en equipos especiales y pasa a una columna de destilación que opera a presión atmosférica en la que, aprovechando la diferente volatilidad de los componentes, se logra una separación en diversas fracciones que incluyen gas de refinería, gas licuado de petróleo (LPG), nafta, queroseno (kerosene), gasóleo, y un residuo que corresponde a los compuestos más pesados que no llegaron a evaporarse.

En una segunda columna de destilación que opera a condiciones de vacío, se logra la vaporización adicional de un producto que se denomina gasóleo de vacío, y

se utiliza como materia prima en otros procesos que forman parte de las refinerías para lograr la conversión de este producto pesado en otros ligeros de mayor valor. En este proceso, el petróleo se separa en fracciones que después de procesamientos adicionales, darán origen a los productos principales que se venden en el mercado: el gas LP (comúnmente utilizado en las estufas domésticas), gasolina para los automóviles, turbosina para los aviones jet, diesel para los vehículos pesados y combustóleo para el calentamiento en las operaciones industriales. Pero estos productos tienen que cumplir con una serie de especificaciones que aseguren su comportamiento satisfactorio.

* Alquilación: El proceso de alquilación es una síntesis química por medio de la cual se unen olefinas ligeras (propileno y/o butenos producidos en el proceso FCC antes descrito) con isobutano (proveniente de la fracción de gas LP recuperada en la destilación atmosférica del petróleo y complementada con corrientes equivalentes del procesamiento del gas natural).

* Procesos de Absorción Química: Estos procesos se caracterizan porque el gas agrio se pone en contacto en contracorriente con una solución en la cual hay una substancia que reacciona con los gases ácidos. El contacto se realiza en una torre conocida como contactora en la cual la solución entra por la parte superior y el gas entra por la parte inferior. Las reacciones que se presentan entre la solución y los gases ácidos son reversibles y por lo tanto la solución al salir de la torre se envía a regeneración. Los procesos con aminas son los más conocidos de esta categoría y luego los procesos con carbonato.

El punto clave en los procesos de absorción química es que la contactora sea operada a condiciones que fuercen la reacción entre los componentes ácidos del gas y el solvente (bajas temperaturas y altas presiones), y que el regenerador sea operado a condiciones que fuercen la reacción para liberar los gases ácidos ( bajas presiones y altas temperaturas).

* Procesos de Absorción en Lecho Seco (Adsorción): En estos procesos el gas agrio se hace pasar a través de un filtro que tiene afinidad por los gases ácidos y en general por las moléculas polares presentes en el gas entre las que también se encuentra el agua. El más común de estos procesos es el de las mallas moleculares aunque algunos autores también clasifican el proceso del hierro esponja en esta categoría

Aunque son menos usados que los procesos químicos presentan algunas ventajas importantes tales como: Simplicidad, alta selectividad (solo remueven H2S) y la eficiencia del proceso no depende de la presión. Se aplica a gases con concentraciones moderadas de H2S y en los que no es necesario remover el CO2.

2.2 CONCEPTOS ESPECÍFICOS

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL GAS NATURAL

En el Gas Natural las moléculas de hidrocarburos varían, desde el un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno en el metano, hasta siete átomos de carbono y dieciséis de hidrógeno en el heptano, enlazados de la siguiente manera:

La composición real de un determinado gas se obtiene y aprecia por medio de análisis cualitativos y cuantitativos. Estos análisis enumeran los componentes presentes y el porcentaje de cada componente en la composición total.

A manera de ilustración general, la siguiente tabla muestra la variación de porcentajes que podrían tener los componentes del gas, donde se indica que el componente principal del gas natural es el metano. Los otros hidrocarburos, unos en forma de gas y otros como líquidos, son parte del gas en menores porcentajes. Además, se nota también que el gas natural puede contener otros gases fuera de la serie parafínica de hidrocarburos, como lo son el Nitrógeno, Dióxido de Carbono, Azufre, Helio, Agua, los cuales, son substancias que merecen atención debido a que pueden ocasionar trastornos en las operaciones de manejo y procesamiento industrial del gas, por esta razón son llamados “Los Amigos Indeseables”.

Fuente: El Pozo Ilustrado (1988)

TRATAMIENTO INICIAL DEL GAS NATURAL

El tratamiento del gas natural se inicia con la separación del crudo y del gas asociado, cuando se produce gas libre, no asociado con petróleo, el proceso de separación no es necesario. Luego éste pasa a las plantas de acondicionamiento donde se eliminan las impurezas, es decir, se extraen las sustancias que pueden ocasionar inconvenientes en el procesamiento del gas, o sea, eliminar “Los Amigos Indeseables”. Entre los más frecuentes se encuentran:

* Agua (H2O): Debe eliminarse para impedir la formación de hidratos. Estos son combinaciones de metano y agua que se cristalizan a temperaturas moderadamente bajas, lo que puede causar problemas por el taponamiento de tuberías

y equipos. El agua se elimina poniendo el gas en contacto con compuestos secadores, por procesos de deshidratación como Absorción química, Proceso de APCI, Proceso de Cascada y Proceso de la Shell (que es por tipos de membranas).

* Dióxido de Carbono (CO2): Afecta la eficiencia del transporte por tuberías y la calidad de combustión de los hidrocarburos; es corrosivo. El dióxido tiene valor comercial y se recupera para la venta cuando existe una proporción relevante. Se separa a través de Tratamiento Criogénico.

* Sulfuro de Hidrógeno (H2S): Tiene propiedades tóxicas y corrosivas, es inaceptable en los productos comerciales. En cantidades pequeñas puede ser quemado o botado a la atmósfera. Cuando se dispone en cantidades significativas, se descompone la molécula mediante procesos de conversión química y se obtiene azufre puro con valor comercial.

* Nitrógeno (N2): Al igual que el dióxido helio y algunos azufres, afectan la eficiencia del transporte por tuberías y la calidad de combustión de los hidrocarburos. Se elimina mediante procesos de adsorción y absorción física, y por criogenia, lo cual resulta valioso para el uso en la industria farmacéutica o para el fracturamiento de pozo.

* Mercurio (Hg): Se debe extraer ya que puede producir taponamiento. Se separa a través de Carbón Activado y Membranas moleculares.

* Oxígeno (O2): Se extrae porque puede resultar explosivo.

PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL PARA LA GENERACIÓN DE MATERIA PRIMA EN LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

Tiene por objeto la separación y fraccionamiento de los componentes del gas natural mediante procesos físicos/químicos. Los productos resultantes son gasolina natural, gas licuado del petróleo y gas natural para el transporte de tuberías, los cuales resultan las materias bases para las petroquímicas, para los cuales generarán otros sub-productos. Por ende estos componentes derivados del gas natural como el metano, etano, propano, isobutano y butano se pueden fraccionar individualmente para ser utilizados como combustible, materia prima petroquímica y en otros procesos industriales.

MATERIA PRIMA PARA LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

Actualmente existen más de 200 procesos petroquímicos, no obstante, el gas natural se ha convertido en uno de los principales insumos de la industria petroquímica moderna. Sus derivados proporcionan una variada gama de substancias primarias que a través de subsecuentes procesos y tratamientos se van transformando y multiplicando en otros semiproductos o productos.

El gas seco, húmedo o condensado, a través de tratamientos adecuados, sirve de insumo para la refinación y petroquímica, donde por medio de plantas especialmente diseñadas se hacen recombinaciones de las moléculas de los hidrocarburos para obtener materia prima semielaborada resultando así una cadena de otros procesos o productos finales que serán destinados a los mercados.

El gas natural separado del petróleo (gas asociado) y el gas libre (no asociado) procedente de yacimientos de gas, solo es tratado y acondicionado para obtener gas seco de ciertas especificaciones: metano, que se despacha por gasoducto y red de distribución a ciudades y centros industriales donde se utiliza como combustible.

El gas, sujeto a tratamientos adecuados es separado en metano, etano, propano y butano, posteriormente puede ir a las plantas petroquímicas para ser convertido

ulteriormente en una variedad de productos semielaborados o finales. De igual manera puede ser enviado a las refinerías, donde a través del Cracking y el Reformado Catalítico se obtienen las materias bases para los derivados del gas natural, es decir, las principales cadenas petroquímicas.

PRINCIPALES CADENAS PETROQUÍMICAS

Las principales cadenas petroquímicas son equivalentes a las materias bases que darán paso a los productos principales del gas natural y de ahí a los subsiguientes derivados. Dichas cadenas se conforman por:

* Metano (Gas Natural)

El metano es el elemento constitutivo del gas natural, y que se contrapone a los gases artificiales empleados como combustibles. Este contiene elementos orgánicos importantes como materias primas para la industria petrolera y química. Su capacidad para combinarse con otros compuestos hidrocarbonados arroja como resultado el hecho de que buena parte del volumen de producción del gas natural se licue en gasolina o sea tratado para formar gas licuado de petróleo (GLP). No produce mugre ni hollín, por lo tanto los equipos de manejo no necesitan mantenimiento especial. Puede manejarse a presiones deseadas por ser volumétricamente susceptible a la compresión o expansión dependiendo de la temperatura. Por estas cualidades, de él se derivan una cantidad de productos mencionados en la siguiente tabla:

Fuente: http://www.energia.gob.mx/webSener/res/86/Petroquimica_final.pdf

* Etano (Olefinas Ligeras)

Se obtiene de los líquidos del gas natural, de las naftas, de los gasóleos y del metano. La preferencia de una de estas fuentes depende de las posibilidades y confiabilidad del suministro y del precio.

De los derivados del etileno se confeccionan diariamente una casi inagotable serie de artículos que se utilizan en todas las actividades de la vida moderna. Esta prodigiosidad del etileno ayuda a conservar muchos otros recursos minerales y vegetales que antes constituían las fuentes principales para la obtención de esos artículos. Además, tanto la abundancia del gas y de los derivados del petróleo como la tecnología moderna de la manufactura de plásticos y otros artículos a partir del etileno, han permitido que los precios de todos esos artículos sean más asequibles a la totalidad de la población mundial.

Fuente: El Pozo Ilustrado (1988)

* Naftas (Aromáticos)

Fuente: El Pozo Ilustrado (1988)

PRINCIPALES PRODUCTOS PETROQUÍMICOS (NO BÁSICOS)

Los principales productos petroquímicos provienen de las cadenas petroquímicas ya mencionadas, es decir, son los productos subsiguientes de las materias primas para la industria petroquímica. Entre estos productos se encuentran:

Fuente: http://www.energia.gob.mx/webSener/res/86/Petroquimica_final.pdf

Como se observa, cada proceso tiene sus características propias de funcionamiento en lo que se refiere a la materia prima o semielaborada que constituye el insumo básico. La selección de procesos y la manufactura de productos químicos son casi ilimitadas pero la cadena de procesos, la capacidad y la variedad de productos de un complejo petroquímico están en función de las condiciones del mercado, de los aspectos económicos y de la rentabilidad de las operaciones.