6.3 MÉTODOS DE PURIFICACIÓN
6.3.4 M EMBRANAS SELECTIVAS
135 | P á g i n a Tabla 6.20- Corriente de solvente regenerado.
136 | P á g i n a aceptables, pero algunas veces es necesario complementar la deshidratación con otro proceso para llevarla a los contenidos exigidos.
Las investigaciones realizadas con el uso de membranas para extraer CO2, H2S y H2O han mostrado lo siguiente:
- Eliminación de CO2: Si el contenido inicial de CO2 en el gas es bajo, por debajo de un 20%. aproximadamente, el endulzamiento usando membranas es más barato que el convencional y la diferencia en costos es mayor si se logran tener membranas con mayor selectividad. Para contenidos iniciales de CO2 entre 20 y 40%, no es recomendable usar membranas y para contenidos iniciales de CO2 por encima del 40%, nuevamente es más económico el uso de membranas y lo será más mientras mayor sea el contenido de CO2. En este último caso el gas endulzado se tiene para entregarlo al gasoducto o para llevarlo a un proceso convencional para eliminarle totalmente el CO2 y poderlo licuar, y el CO2
extraído, que de todas maneras ha arrastrado algo de gas, tiene una alta pureza y se puede utilizar en procesos de recuperación.
- Eliminación de H2S: El contenido de H2S debe ser bastante bajo y parece ser que con las membranas existentes no es posible bajar el contenido de H2S a éstos valores a costos menores que con los procesos convencionales. Sin embargo ésta situación puede
cambiar si se logra tener
membranas más selectivas o usar la membrana para bajar el contenido de H2S en el gas a un valor intermedio y luego llevar el gas a un proceso convencional de eliminación de H2S.
- Extracción de agua: Para reducir el contenido de agua a los valores tradicionalmente aceptables en el gas natural se requieren membranas de mejor permeabilidad que las existentes actualmente, con costos menores que utilizando glicol.
Adicional a esto una planta de deshidratación con membranas pesaría 6 veces menos y ocuparía tres veces menos espacio que una planta de glicol, lo cual es importante en plataformas de producción.
Se calculará el área requerida para una membrana tipo sílica/sílica-zirconia/α-alúmina, de forma tal que se cumpla el requisito de pureza en términos de fracción molar de CO2 en la corriente retenida. Esto significa que la corriente de metano tendrá un 3% molar de CO2. Para lograr corrientes más puras, el área de la membrana deberá ser mayor al caso calculado.
Asimismo, se justificará la conveniencia en el uso de una corriente de gas inerte de arrastre.
137 | P á g i n a El esquema de trabajo se presenta a continuación:
Figura 6.21- Membrana con barrido inerte
Las ecuaciones a resolver son las siguientes:
𝐹 + 𝐵 = 𝑃𝑔+ 𝑅
𝐹 ∗ 𝑦𝑓,𝑎+ 𝐵 ∗ 𝑦𝑏,𝑎= 𝑃𝑔∗ 𝑦𝑝,𝑎+ 𝑅 ∗ 𝑦𝑟,𝑎 𝑁𝑎 = 𝑃𝑚,𝑎∗ (𝑦𝑓,𝑎∗ 𝑃𝑓+ 𝑃𝑝,∗ 𝑦𝑝,𝑎)
𝑃𝑔 = 𝑁𝑎∗ 𝐴 + 𝐵
𝑌𝑝,𝑎 = 𝑁𝑎 𝑁𝑎+𝐵
𝐴
Se analizarán y compararán varios casos, modificando las condiciones operativas. Para esto se resolverá el sistema de ecuaciones utilizando Mathcad.
Caso 1:
Condiciones operativas:
- Presión de entrada de gas : 700 Kpa - Caudal de barrido inerte : 0,5 mol/s - Presión de permeado : 100 Kpa
- Composición de CO2 en la corriente de barrido: 0 molCo2/moltotal
Á𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 = 74,021 𝑚2
Caso 2:
Condiciones operativas:
138 | P á g i n a - Presión de entrada de gas : 700 Kpa
- Caudal de barrido inerte : 0 mol/s - Presión de permeado : 100 Kpa
- Composición de CO2 en la corriente de barrido: 0 molCo2/moltotal
Á𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 = 74,926 𝑚2
Caso 3:
Condiciones operativas:
- Presión de entrada de gas : 700 Kpa - Caudal de barrido inerte : 10 mol/s - Presión de permeado : 100 Kpa
- Composición de CO2 en la corriente de barrido: 0 molCo2/moltotal
Á𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 = 64,865 𝑚2
Se observa que para reducir el área de membrana en 10 m2 se requiere un caudal de gas de barrido muy elevado, por lo que consideramos que no se justificaría el uso de una membrana más pequeña (menor inversión inicial) debido a los mayores costos operativos.
Caso 4:
Condiciones operativas:
- Presión de entrada de gas : 400 Kpa - Caudal de barrido inerte : 0.5 mol/s - Presión de permeado : 100 Kpa
- Composición de CO2 en la corriente de barrido: 0 molCo2/moltotal
Á𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 = 183, 681 𝑚2
Se observa que al haber una menor fuerza impulsora, el área de membrana aumenta considerablemente. Esto resulta muy importante debido a las limitaciones de espacio que hay en cualquier planta industrial.
139 | P á g i n a Caso 5:
Condiciones operativas:
- Presión de entrada de gas : 700 Kpa - Caudal de barrido inerte : 0 mol/s - Presión de permeado : 100 Kpa
- Composición de CO2 en la corriente de barrido: 0.5 molCo2/moltotal
Á𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 = 75, 194 𝑚2
Un aumento considerable en la composición de CO2 aumenta levemente el área requerida.
Que el aumento en el área requerida sea bajo resulta ventajoso porque indica la posibilidad de realizar un reciclo de gas de barrido, lo cual disminuye considerablemente los costos operativos.
A su vez se analizó el caso 5 cuando el gas de entrada se encontraba a 200Kpa, obteniéndose un área de membrana de 1486 m2, lo cual indica que el delta de presión no puede disminuirse indefinidamente puesto que se requerirán áreas de membranas muy grandes.
Finalmente, de acuerdo a la bibliografía de donde se extrajo la información sobre membranas33, se explica que la inversión en este tipo de equipos es muy elevada, por lo que se opta por la utilización de absorbedores frente a membranas.
33RAINIER MALDONADO et.at: “Selección y diseño de un esquema de separación ch4-co2 de una
corriente de biogás”
140 | P á g i n a
7 DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS AUXILIARES INTRODUCCIÓN
El diseño de los sistemas auxiliares de procesos suele ser la última fase del diseño de los mismos y es crítico para el éxito comercial de dichos procesos.
En este capítulo se presentarán los requerimientos operacionales y los equipos que se obtienen comercialmente para satisfacerlos. A su vez, se hará un cálculo estimativo de la potencia que se obtendría a partir de emplear un grupo electrógeno alimentado a biogás y de la potencia requerida para satisfacer las necesidades energéticas de la planta.
Se adjunta el Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI), donde se muestran los distintos equipos y cañerías de la misma con su respectiva nomenclatura para facilitar la visualización de los componentes de la planta.