Separación de gases supersónicos

La separación de gases supersónica es una tecnología para eliminar uno o varios componentes gaseosos de una mezcla de gases (generalmente gas natural crudo ). El proceso condensa los componentes deseados enfriando el gas mediante expansión en una boquilla Laval y, posteriormente, separa los condensados ​​del gas seco mediante un separador ciclónico integrado de gas/líquido . Este separador utiliza solo una parte de la presión del yacimiento como fuente de energía y presenta ventajas técnicas y comerciales en comparación con las tecnologías convencionales de uso común.

El gas natural crudo extraído de un pozo generalmente no es un producto comercializable, sino una mezcla de diversos gases hidrocarbonados con otros gases, líquidos y contaminantes sólidos. Este gas crudo requiere acondicionamiento para su transporte por gasoducto y procesamiento en una planta de tratamiento de gas, donde se separan sus componentes. Algunos de los pasos de procesamiento comunes son la eliminación de CO₂ _, la deshidratación , la extracción de GLP y la determinación del punto de rocío. Las tecnologías utilizadas para lograr estos pasos son la adsorción , la absorción , las membranas y los sistemas de baja temperatura que se consiguen mediante refrigeración o expansión a través de una válvula Joule-Thomson o un turboexpansor . Si dicha expansión se realiza mediante un separador de gas supersónico, con frecuencia se obtienen ventajas mecánicas, económicas y operativas, como se detalla a continuación.

Un separador de gas supersónico consta de varias secciones consecutivas en forma tubular, generalmente diseñadas como piezas de tubería con bridas.

El gas de alimentación (compuesto por al menos dos componentes) entra primero en una sección con una disposición de álabes o aletas estáticas que inducen un rápido remolino. A continuación, el flujo de gas pasa por una boquilla Laval , donde se acelera a velocidades supersónicas y experimenta una caída de presión pronunciada hasta aproximadamente el 30 % de la presión de alimentación. Este es un proceso casi isoentrópico y la consiguiente reducción de temperatura provoca la condensación de los componentes objetivo del gas de alimentación mezclado, que forman una fina niebla. Las gotas se aglomeran formando gotas más grandes, y el remolino del gas causa una separación ciclónica . ^{[ 1 ]} El gas seco continúa avanzando, mientras que la fase líquida, junto con algo de gas residual (aproximadamente el 30 % del flujo total), se separa mediante un divisor concéntrico y sale del dispositivo como un flujo independiente. La sección final consta de difusores para ambos flujos, donde el gas se ralentiza y se recupera aproximadamente el 80 % de la presión de alimentación (según la aplicación). Esta sección también puede incluir otro conjunto de dispositivos estáticos para contrarrestar el movimiento de remolino. ^{[ 2 ]}

El separador supersónico requiere un esquema de proceso específico, que incluye equipos auxiliares adicionales y suele conformar un módulo o bloque de procesamiento. El esquema básico típico para la separación supersónica consiste en un sistema donde el gas de alimentación se preenfría en un intercambiador de calor mediante el flujo seco de la unidad separadora.

La fase líquida procedente del separador supersónico pasa a un separador de dos o tres fases , donde el gas residual se separa del agua y/o de los hidrocarburos líquidos. La fase gaseosa de este separador secundario se une al gas seco del separador supersónico; los líquidos se transportan, almacenan o procesan posteriormente, y el agua se trata y elimina.

Dependiendo de la tarea en cuestión, son posibles otros esquemas que, en ciertos casos, presentan ventajas. Estas variaciones forman parte integral del proceso de separación de gases supersónicos para lograr eficiencia termodinámica, y varias de ellas están protegidas por patentes. ^{[ 3 ]}

El separador de gas supersónico recupera parte de la caída de presión necesaria para la refrigeración y, como tal, tiene una mayor eficiencia que una válvula JT en todas las condiciones de funcionamiento.

En muchos casos, el separador de gas supersónico puede tener una eficiencia entre un 10 % y un 20 % superior a la de un turboexpansor.

El separador supersónico ocupa menos espacio y pesa menos que un turboexpansor o columnas contactoras . Esto resulta especialmente ventajoso para plataformas, FPSO e instalaciones con espacio reducido. Requiere una menor inversión de capital y menores gastos operativos, ya que es completamente estático. Su mantenimiento es mínimo y no utiliza (o utiliza cantidades muy reducidas) de productos químicos. ^{[ 4 ]}

El hecho de que no se requiera personal operativo o de mantenimiento podría permitir la reducción de la dotación de personal en plataformas que normalmente la requieren, con el consiguiente ahorro significativo en gastos de capital y operativos.

Los campos de aplicación desarrollados comercialmente hasta la fecha a escala industrial son:

• deshidración
• Punto de rocío (agua y/o hidrocarburos)
• Extracción de GLP

Las aplicaciones en fase de desarrollo para su comercialización a corto plazo son:

• Eliminación masiva _de CO₂ y H₂S_​

Existen varias patentes sobre separación de gases supersónicos, relacionadas con las características del dispositivo y los métodos. La tecnología se ha investigado y probado en instalaciones de laboratorio desde aproximadamente 1998, y se han desarrollado módulos especiales de HYSYS , así como modelos informáticos de gases en 3D. La tecnología de separación de gases supersónicos se ha introducido con éxito en aplicaciones industriales (por ejemplo, en Nigeria, Malasia y Rusia) para la deshidratación y la extracción de GLP. ENGO Engineering Ltd. ofrece servicios de consultoría, ingeniería y equipos para la separación de gases supersónicos bajo la marca "3S". ^{[ 5 ]} También los proporciona Twister BV, una empresa holandesa afiliada a Royal Dutch Shell , bajo la marca "Twister Supersonic Separator". ^{[ 6 ]} El licenciatario oficial de la tecnología de separación de gases supersónicos bajo la marca "3S" es la empresa europea M-ost Ltd. ^{[ 7 ]}