La tecnología de separación supersónica es un método innovador utilizado en el procesamiento de gas natural para separar agua, hidrocarburos pesados y otras impurezas. Este método, impulsado por un flujo supersónico a través de una boquilla de Laval, ofrece varias ventajas sobre técnicas tradicionales como absorción, adsorción y separación por membrana.

El proceso de separación supersónica

En el procesamiento de gas natural, separar impurezas como agua e hidrocarburos pesados es crucial para asegurar la calidad del gas de tubería y mantener su valor calorífico. Los métodos tradicionales como la absorción —que implica materiales de fase sólida como el tri­etileno glicol— y la adsorción —que emplea materiales como gel de sílice— pueden ser complejos y requerir inversiones elevadas. Estos métodos también pueden implicar pérdidas energéticas significativas durante el transporte.

La separación supersónica, sin embargo, ofrece una alternativa más simplificada. El proceso implica que el gas natural pase por una boquilla de Laval, donde se acelera hasta velocidades supersónicas. La rápida expansión del gas produce una caída de temperatura, lo que conduce a la condensación del vapor de agua y los hidrocarburos pesados. Las gotículas resultantes se separan del flujo de gas mediante un separador ciclónico.

Esta técnica presenta varias ventajas. El corto tiempo de residencia dentro del separador evita la formación de hidratos, lo que elimina la necesidad de inhibidores y sistemas de regeneración. Además, el dispositivo es estático, sin partes móviles rotativas, lo que mejora su fiabilidad y lo hace adecuado para operaciones desatendidas, especialmente en plataformas offshore.

Visión estructural del separador supersónico

Los separadores supersónicos suelen consistir en una boquilla de Laval, un ciclón y un difusor. Hay dos diseños principales:

1. Separador con ciclón ubicado detrás: En este diseño, el ciclón se sitúa tras la boquilla de Laval. El flujo es relativamente uniforme, sin ondas de choque significativas, permitiendo una separación eficiente cuando la onda de choque está controlada.
2. Separador con ciclón ubicado al frente (3S Separator): En este diseño, el ciclón se coloca en la entrada de la boquilla de Laval. Esta configuración asegura que la turbulencia y la condensación del gas ocurran simultáneamente, lo que conduce a una mayor eficiencia de separación y menor re-evaporación de las gotículas.

El diseño de la boquilla de Laval es crucial para asegurar una expansión eficaz del gas y la condensación. Los métodos comunes de diseño de la boquilla incluyen la curva de Witozinsky y la curva paramétrica bicúbica, que aseguran un flujo de aire uniforme y estable.

Marco teórico

El proceso de separación supersónica se basa en los principios de la condensación espontánea, un cambio de fase fuera del equilibrio que ocurre cuando el gas se expande en la boquilla de Laval. El proceso puede dividirse en dos etapas:

1. Nucleación: A medida que el gas se expande, se vuelve sobresaturado, formando núcleos de condensación. Las gotículas crecen sobre estos núcleos mientras continúan absorbiendo moléculas de vapor del gas circundante.
2. Crecimiento de gotículas: El crecimiento de las gotículas está gobernado por procesos de transferencia de calor y masa. Las moléculas de vapor se condensan sobre la superficie del núcleo, liberando calor latente, y las gotículas continúan creciendo. Este proceso ocurre a escala microscópica, con diámetros de gotículas típicamente en el rango de nanómetros.

Se han desarrollado varios modelos para simular la nucleación y el crecimiento de gotículas en flujos supersónicos. Estos incluyen la Teoría Clásica de Nucleación (CNT, por sus siglas en inglés) y sus versiones modificadas, como la Teoría de Nucleación Clásica Internamente Consistente (ICCT). Estos modelos, aunque efectivos, a menudo carecen de precisión, especialmente para tener en cuenta el comportamiento de gases reales y el radio de las gotículas.

Investigación y simulación

Las simulaciones numéricas desempeñan un papel crucial en la comprensión del flujo y las características de condensación del gas natural en separadores supersónicos. Los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) se utilizan para simular el comportamiento del gas dentro de la boquilla de Laval y el separador ciclónico. Estas simulaciones ayudan a optimizar el diseño del separador al analizar factores como los efectos de la presión de entrada, la temperatura y la presencia de impurezas.

Un desafío clave en la separación supersónica es la ocurrencia de ondas de choque, que pueden perturbar el proceso de separación al provocar la re-evaporación de gotículas. Los investigadores han explorado diversas modificaciones de diseño para mitigar este problema, como ajustar el ángulo de expansión de la boquilla y alargar la sección de expansión para mantener un entorno de separación estable.

Los estudios experimentales complementan estas simulaciones. Por ejemplo, la dispersión de luz, la dispersión de rayos X a pequeño ángulo (SAXS) y la espectroscopía de absorción por láser de diodo sintonizable se utilizan para medir los parámetros de condensación en flujos supersónicos. Estos experimentos proporcionan datos valiosos para validar los modelos numéricos.

Aplicaciones en el procesamiento de gas natural

La tecnología de separación supersónica ha demostrado su eficacia en el procesamiento de gas natural, especialmente en la deshidratación y eliminación de hidrocarburos pesados. Las pruebas de campo y las aplicaciones industriales han demostrado su potencial para reemplazar métodos tradicionales en ciertos escenarios.

Por ejemplo, en la última década se han llevado a cabo pruebas de campo donde se utilizaron separadores supersónicos para procesar gas natural en condiciones de alta presión, logrando reducciones significativas en el contenido de agua e hidrocarburos pesados.

También existen numerosos proyectos de 3S Technology entregados con éxito en todo el mundo, donde los separadores 3S han sido instalados resolviendo diversos problemas relacionados con el gas.

Nuevas aplicaciones

La versatilidad de la tecnología de separación supersónica ha llevado a su aplicación en otras áreas del tratamiento de gas natural, incluyendo:

• Licuefacción de gas natural: Mediante el enfriamiento y licuefacción del gas natural a velocidades supersónicas, esta tecnología tiene el potencial de mejorar la eficiencia de producción de gas natural licuado (GNL). Los investigadores han propuesto procesos de licuefacción de doble etapa utilizando separadores supersónicos para mejorar las tasas de licuefacción.
• Eliminación de gases ácidos: Los separadores supersónicos también están siendo explorados para eliminar gases ácidos como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno del gas natural. El proceso se basa en la condensación de estos gases a bajas temperaturas y alta presión, seguida de su separación del flujo principal de gas.
• Purificación de syngas: En modelos teóricos, la separación supersónica ha sido propuesta para la purificación de syngas mediante la eliminación de vapor de agua, dióxido de carbono y otras impurezas.

Direcciones futuras de investigación

Aunque la tecnología de separación supersónica ha mostrado ser prometedora, hay varias áreas para futuras investigaciones:

1. Modelado y simulación: Los modelos de nucleación actuales necesitan refinamiento, particularmente para tener en cuenta el radio de las gotículas y los efectos de los gases reales. Modelos más precisos mejorarían la predicción de las tasas de condensación y el crecimiento de las gotículas.
2. Validación experimental: Se necesitan técnicas experimentales más precisas para medir los parámetros de las gotículas, como el tamaño y la distribución, en condiciones supersónicas. Esto permitiría una mejor validación de los modelos numéricos.
3. Estudios de flujo multifásico: La interacción entre diferentes componentes condensables en mezclas de gas, así como los efectos de impurezas en la condensación, requiere mayor investigación. Son necesarios modelos matemáticos avanzados que tengan en cuenta estas interacciones.
4. Dinámica de gotículas: El comportamiento de las gotículas en flujos supersónicos —incluyendo su colisión y coalescencia— necesita ser estudiado con mayor detalle. Comprender estos procesos conducirá a diseños de separadores más eficientes.

En conclusión, la tecnología de separación supersónica representa un avance significativo en el procesamiento de gas natural, ofreciendo una alternativa compacta, eficiente y respetuosa con el medio ambiente a los métodos tradicionales. Con el continuo desarrollo e investigación, sus aplicaciones probablemente se expandirán, transformando aún más la industria del gas natural.