Ingeniería de procesos en equipos de absorción empacada y con membranas para el endulzamiento de gas natural

Abstract

El gas natural se ha posicionado como uno de los combustibles alternativos para enfrentar la crisis energética y la disminución de gases de efecto en la atmósfera. Por ende, operar las plantas de endulzamiento de gas natural dentro de las normativas para la obtención de un producto de calidad es de suma importancia. En este proceso, el elevado consumo energético es una de las principales problemáticas que enfrenta actualmente. Esto ha motivado la búsqueda de procesos de mayor eficiencia y de menor costo. En el presente trabajo, se realizó un estudio de ingeniería de procesos en la operación unitaria de absorción con la finalidad de buscar alternativas para la mejora de una planta actualmente en operación. Como alternativa principal se propone la sustitución del equipo de absorción empacado por un equipo de contactor de membranas. Para ello, se parte del modelado de los procesos de absorción para la implementación de trayectorias de optimización y control. Se realizó un análisis de costo-beneficio comparando 3 escenarios: i) operación actual de la planta, ii) operación con proceso de absorción empacado optimizado y controlado y iii) operación con proceso de contactor de membrana optimizado y controlado. Los resultados muestran que las simulaciones realizadas permiten la sustitución teórica de la columna de absorción empacada por un sistema de contactor de membrana con errores menores al 5% respecto a lo reportado por la planta. La estrategia de optimización y control permitió encontrar mejoras en los procesos de absorción reduciendo hasta en 80% el CO₂ y en 70% el H₂S de la corriente de gas natural. El esquema de control basado en la compensación de error de modelado se sugiere como una alternativa potencial para controlar los procesos de absorción. La sustitución teórica de la columna empacada por el sistema de membranas representa una reducción del 44% y el 27% en costos y gasto energético, respectivamente. Lo anterior favorece al desarrollo de conocimiento de frontera para la posible implementación a futuro de esta tecnología de absorción a nivel industrial.

Natural gas has positioned itself as one of the alternative fuels to face the energy crisis and the reduction of greenhouse gases in the atmosphere. Therefore, operating natural gas sweetening plants within the regulations for obtaining a quality product is of major importance. In this process, high energy consumption is one of the main problems currently faced. This has motivated researchers to find more efficient and lower cost processes. In the present research, a process engineering study was carried out in the unitary absorption operation with the purpose of looking for alternatives to improve a currently operating plant. he main alternative proposed is the replacement of the packaged absorption equipment with a membrane contactor equipment. For this purpose, the modeling of the absorption processes is performed in order to implement optimization and control trajectories. A cost-benefit analysis was performed comparing 3 alternative scenarios: i) current plant operation, ii) operation with an optimized and controlled packed absorption process, and iii) operation with an optimized and controlled membrane contactor process. The results show that the performed simulations allow the theoretical substitution of the packed absorption column by a membrane contactor system with errors lower than 5% with respect to what was reported by the plant. The optimization and control strategy allowed finding improvements in the absorption processes reducing up to 80% of CO₂ and 70% of H₂S in the natural gas stream. The control scheme based on modeling error compensation is suggested as a potential alternative to control the absorption processes. The theoretical substitution of the packed column for the membrane system represents a 44% and 27% reduction in costs and energy expenditure, respectively. This favors the development of frontier knowledge for the possible future implementation of this absorption technology at industrial level.