Cómo y por qué se licua el gas: tecnología de producción y ámbito de uso del gas licuado

Las tecnologías relacionadas con la extracción, transporte y procesamiento del gas natural se desarrollan a un ritmo acelerado. Y hoy en día muchos están familiarizados con las siglas SPG (LPG) y SUG (LNG). Casi día por medio, en las noticias se menciona el combustible de gas natural en uno u otro contexto.

Pero, convendrá usted, para tener una comprensión clara de lo que ocurre, es importante entender desde el principio cómo se licua el gas, por qué se hace y qué beneficio aporta o no. Y en este asunto existen muchos matices.

Para licuar los hidrocarburos gaseosos se construyen grandes plantas de alta tecnología. A continuación, analizaremos detenidamente para qué sirve todo esto y cómo ocurre.

¿Por qué se licua el gas natural?

El combustible azul se extrae del subsuelo en forma de una mezcla de metano, etano, propano, butano, helio, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno y otros gases, así como sus diversos derivados.

Una parte se utiliza en la industria química, y otra se quema en calderas o turbinas para generar energía térmica y eléctrica. Además, un cierto volumen del extraído se emplea como combustible para motores de gas.

Los cálculos de los gasistas muestran que si el combustible azul debe entregarse a una distancia de 2500 km o más, a menudo resulta más rentable hacerlo en forma licuada que mediante tuberías

La razón principal para licuar el gas natural es simplificar su transporte a largas distancias. Si el consumidor y el pozo de extracción de gas combustible están en tierra firme y no muy lejos el uno del otro, es más sencillo y rentable tender una tubería entre ellos. Pero en algunos casos, construir un gasoducto resulta demasiado caro y problemático debido a matices geográficos. Por eso se recurre a diversas tecnologías para obtener SPG o SUG en estado líquido.

Economía y seguridad del transporte

Una vez que el gas está licuado, en forma líquida se bombea a contenedores especiales para su transporte marítimo, fluvial, por carretera y/o ferrocarril. Al mismo tiempo, tecnológicamente la licuefacción es un proceso bastante costoso desde el punto de vista energético.

En diferentes fábricas, esto supone hasta un 25% del volumen inicial de combustible. Es decir, para generar la energía necesaria según la tecnología, se tiene que quemar hasta 1 tonelada de GNL por cada tres toneladas del mismo en su forma final. Pero el gas natural ahora tiene una gran demanda, todo se recupera.

En forma licuada, el metano (propano-butano) ocupa un volumen entre 500 y 600 veces menor que en estado gaseoso.

Mientras el gas natural se encuentra en estado líquido, no es inflamable ni explosivo. Solo después de la evaporación durante la regasificación, la mezcla gaseosa obtenida resulta adecuada para la combustión en calderas y placas de cocina. Por lo tanto, si el GNL o el GLP se utilizan como combustible de hidrocarburos, es obligatorio regasificarlos.

Uso en diversos ámbitos

La mayoría de las veces, los términos «gas licuado» y «licuefacción de gas» se mencionan en el contexto del transporte de portadores de energía de hidrocarburos. Es decir, primero se extrae el combustible azul, y luego se transforma en GLP o GNL. Luego, el líquido obtenido se transporta y posteriormente se vuelve a convertir en estado gaseoso para su aplicación.

El GLP (gas licuado de petróleo) está compuesto en un 95% o más por una mezcla de propano-butano, mientras que el GNL (gas natural licuado) está compuesto en un 85–95% de metano. Son tipos de combustible similares y, al mismo tiempo, radicalmente diferentes.

El GLP de propano-butano se utiliza principalmente como:

• combustible para motores de gas;
• combustible para inyectar en depósitos de gas de sistemas de calefacción autónomos;
• líquido para recargar encendedores y botellas de gas con capacidad de 200 ml a 50 l.

El GNL generalmente se produce exclusivamente para el transporte a largas distancias. Si para almacenar GLP es suficiente un recipiente capaz de soportar una presión de varias atmósferas, para el metano licuado se requieren tanques criogénicos especiales.

El equipo para almacenar GNL es de alta tecnología y ocupa mucho espacio. No es rentable usar este combustible en automóviles debido al alto costo de los tanques. Los camiones de GNL, como modelos experimentales aislados, ya circulan por las carreteras, pero en el segmento de los turismos es poco probable que este combustible «líquido» encuentre un uso generalizado en un futuro próximo.

El metano licuado como combustible se utiliza cada vez más en la operación de:

• locomotoras diésel ferroviarias;
• buques marítimos;
• transporte fluvial.

Además de su uso como portadores de energía, el GLP y el GNL también se utilizan directamente en estado líquido en plantas petroquímicas de gas. Con ellos se fabrican diversos plásticos y otros materiales a base de hidrocarburos.

Tecnologías de obtención de SUG y SPG

Para convertir el metano del estado gaseoso al líquido, es necesario enfriarlo a -163 °C. En cambio, el propano-butano se licúa a -40 °C. En consecuencia, las tecnologías y los costos en ambos casos difieren considerablemente.

Un litro de GNL equivale aproximadamente a 1,38 m³ de gas natural original (esta cifra depende de la temperatura y la presión), la reducción de volumen es de aproximadamente 620 veces

Para la licuefacción del gas natural se utilizan las siguientes tecnologías de diferentes empresas:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL y otros.

Todos ellos se basan en procesos de compresión y/o intercambio de calor. La operación de licuefacción se realiza en la planta en varias etapas, durante las cuales el gas se comprime y enfría gradualmente hasta la temperatura de transición a la fase líquida.

Preparación de la mezcla de gas

Antes de comenzar a licuar el gas natural crudo, es necesario eliminar de él agua, helio, hidrógeno, nitrógeno, compuestos de azufre y otras impurezas. Para ello, generalmente se utiliza una tecnología de adsorción de purificación profunda de la mezcla de gas haciéndola pasar por tamices moleculares.

Luego ocurre la segunda etapa de preparación de la materia prima, durante la cual se eliminan los hidrocarburos pesados. Al final, en el gas solo quedan etano y metano (o propano y butano) con un volumen de impurezas inferior al 5%, para luego comenzar a enfriar y licuar esta fracción.

La preparación primaria con la eliminación de todo lo innecesario del gas natural se realiza para proteger el equipo de refrigeración de la acción agresiva del agua, el dióxido de carbono, los compuestos de azufre, etc.

El fraccionamiento permite eliminar las impurezas nocivas y separar solo el gas principal para su posterior licuefacción. A una presión de 1 atm, la temperatura de transición al estado líquido del metano es -163 °C, del etano -88 °C, del propano -42 °C y del butano -0,5 °C.

Precisamente estas diferencias de temperatura explican por qué se separa en fracciones y solo después se licua el gas que llega a la planta. No existe una tecnología de licuefacción única para todos los tipos de compuestos de hidrocarburos gaseosos. Para cada uno de ellos es necesario construir y aplicar su propia línea tecnológica.

Proceso principal de licuefacción

La base para convertir el gas en estado líquido es un ciclo de refrigeración, durante el cual, mediante un refrigerante u otro, el calor se transfiere de un medio de baja temperatura a un medio de temperatura más alta. Este proceso es de múltiples etapas y requiere la presencia de potentes compresores para la expansión/compresión del refrigerante e intercambiadores de calor.

Las tecnologías de compresión son de alta tecnología, intensivas en energía y costosas, sin embargo, en un ciclo permiten comprimir el gas de 5 a 12 veces

Como refrigerante en las diferentes etapas de licuefacción se utilizan:

• propano;
• metano;
• etano;
• nitrógeno;
• agua (marina y purificada);
• aire.

Por ejemplo, para el enfriamiento primario del gas natural en el Yamal-SPG de Novatek, se utiliza el aire ártico fresco, que permite reducir la temperatura de la materia prima con un gasto mínimo directamente hasta +10 °C. Y en los calurosos meses de verano, en su lugar se prevé el uso de agua de mar del Océano Ártico, que independientemente de la época del año tiene una temperatura constante de 3–4 °C en profundidad.

Además, como refrigerante final en Yamal se utiliza nitrógeno obtenido directamente en el lugar a partir del aire. Como resultado, el Ártico proporciona todo lo necesario para obtener GNL, desde el gas natural inicial hasta los agentes de trabajo utilizados en el proceso de licuefacción.

El propano se licúa mediante un esquema similar al del metano. Solo que requiere temperaturas de enfriamiento mucho menos bajas: menos 42 °C frente a menos 163 °C. Por lo tanto, la licuefacción del gas para gasómetros cuesta varias veces menos, aunque el propio GLP propano-butano obtenido tiene menos demanda en el mercado.

Transporte y almacenamiento

Prácticamente todo el volumen de GNL se transporta en grandes buques tanque gaseros de una costa a otra. El transporte por tierra está limitado por la necesidad de mantener la temperatura del 'combustible azul líquido' en valores cercanos a -160 °C, de lo contrario el metano comienza a pasar a estado gaseoso y se vuelve explosivo.

Para el transporte de GLP se utilizan cilindros de 5 a 50 litros con presión interna de hasta 1,5–2 MPa y tanques cisterna más grandes diseñados para 5–17 MPa.

La presión en el recipiente de GNL es cercana a la atmosférica. Sin embargo, si la temperatura del metano líquido sube por encima de -160 °C, comenzará a convertirse de líquido a gas. Como resultado, la presión en el recipiente comenzará a aumentar, lo que representa un grave peligro. Por lo tanto, los buques tanque para el transporte de GNL están equipados con sistemas de mantenimiento de bajas temperaturas y una potente capa de aislamiento térmico.

El GLP se regasifica en gas directamente en el gasómetro. Y la regasificación del GNL se realiza en instalaciones industriales especiales sin acceso de oxígeno. Físicamente, el metano líquido a temperatura positiva se convierte gradualmente en gas. Sin embargo, si esto ocurre directamente al aire libre sin condiciones especiales, dicho proceso provocará una explosión.

Después de que el gas natural en forma de GNL se licua en la planta, se transporta y luego nuevamente en una planta (solo de regasificación) se convierte nuevamente al estado gaseoso para su uso posterior.

Perspectivas del hidrógeno licuado

Además de la licuefacción directa y el uso en esa forma, del gas natural también se puede obtener otro vector energético: el hidrógeno. El metano es CH₄, el propano C₃H₈, y el butano C₄H₁₀.

El componente de hidrógeno está presente en todos estos combustibles fósiles, solo hay que extraerlo.

Las principales ventajas del hidrógeno son su carácter ecológico y su amplia presencia en la naturaleza; sin embargo, el alto costo de su licuefacción y las pérdidas por evaporación constante anulan prácticamente estas ventajas.

Para convertir el hidrógeno del estado gaseoso al líquido, es necesario enfriarlo a -253 °C. Para ello se utilizan sistemas de refrigeración de múltiples etapas e instalaciones de «compresión/expansión». Por ahora, estas tecnologías son demasiado caras, pero se está trabajando en su abaratamiento.

Recomendamos también leer nuestro otro artículo, donde explicamos detalladamente cómo hacer un generador de hidrógeno para el hogar con sus propias manos. Más detalles – vaya al enlace.

Además, a diferencia del GLP y el GNL, el hidrógeno licuado es mucho más explosivo. La más mínima fuga en combinación con el oxígeno produce una mezcla de gas y aire que se inflama con la más mínima chispa. Y el almacenamiento de hidrógeno líquido solo es posible en contenedores criogénicos especiales. Por ahora, las desventajas del combustible de hidrógeno son demasiadas.

Conclusiones y video útil sobre el tema

¿Cómo se produce el gas licuado y por qué se licúa?

Todo sobre los gases licuados:

Existen varias tecnologías de licuefacción de gases. Para el metano son unas, y para el propano-butano, otras. Además, el GLP es más barato de obtener, y su transporte/almacenamiento es más fácil y seguro. La obtención de GNL a partir de metano es un proceso más costoso y complejo. Además, su regasificación requiere equipos especializados. No obstante, el metano tiene hoy mayor demanda en el mercado, por lo que se licúa en volúmenes mucho mayores.

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