Energías

Combustibles Gaseosos: Gas de hulla y de alto horno. Gas licuado de petróleo. Gas natural. Componentes. Combustión. Limites de inflamabilidad. Indice de octano. Yacimientos. Cuencas gasíferas

GAS NATURAL

Introducción

El gas natural es un recurso energético y forma parte del conjunto de medios con los que los países del mundo intentan cubrir sus necesidades de energía. La energía es la base de la civilización industrial; sin ella, la vida moderna dejaría de existir. A largo plazo es posible que las prácticas de conservación de energía proporcionen el tiempo suficiente para explorar nuevas posibilidades tecnológicas.

A lo largo del siglo XX, la mayor comodidad y menores costes del petróleo y el gas hicieron que desplazaran al carbón en la calefacción de viviendas y oficinas y en la propulsión de locomotoras, y en el mercado industrial. Incluso en el mercado de las centrales térmicas el petróleo y el gas fueron reemplazando al carbón, y la contribución del carbón al panorama energético global cayó en picado.

Se denomina combustible gaseoso a cualquier mezcla gaseosa empleada como combustible para proporcionar energía en usos domésticos o industriales. Los combustibles gaseosos están formados principalmente por hidrocarburos. Las propiedades de los diferentes gases dependen del número y disposición de los átomos de carbono e hidrógeno de sus moléculas. Además de sus componentes combustibles, la mayoría de estos gases contienen cantidades variables de nitrógeno y agua.

Los combustibles gaseosos empleados en la actualidad son los siguientes:

- Gas de hulla: Los procesos de gasificación de hulla más importantes están destinados sobre todo a la producción del gas denominado "de tipo gasoducto",cuyas propiedades son más o menos equivalentes a las del gas natural. El gas procedente de la hulla, además de cumplir las especificaciones de bombeo y calentado, debe satisfacer límites estrictos en cuanto al contenido de monóxido de carbono, azufre, gases inertes y agua. Para cumplir estas normas, la mayoría de los procesos de gasificación de hulla culminan con operaciones de limpieza y metanación del gas. En la actualidad se utilizan diversos métodos de hidrogasificación en los que el hidrógeno reacciona directamente con carbón para formar metano; estos procesos evitan el paso intermedio consistente en producir gas de síntesis, hidrógeno y monóxido de carbono antes de producir metano. Otros métodos son el proceso de aceptores de dióxido de carbono, que emplea dolomita, un material calizo, y el proceso de sal fundida. Otros gases fabricados en el pasado a partir de carbón y coque, como el gas del alumbrado o el gas de horno de coque, apenas tienen importancia hoy día.

- Gas de alto horno: producido por la interacción de caliza, mineral de hierro y carbono en los altos hornos, tiene un cierto poder calorífico debido a su contenido en monóxido de carbono, pero contiene un 60% de nitrógeno. Durante el funcionamiento de los hornos se producen cantidades enormes de este gas; la mayoría se emplea para calentar el chorro de aire para el horno y hacer funcionar los compresores que impulsan dicho chorro. El poder calorífico del gas de alto horno es un 16% del correspondiente al gas de horno de coque.

- Gas natural: extraído de yacimientos subterráneos de gas, y objeto principal de este trabajo.

- Gas licuado de petróleo: (GLP), mezcla de gases licuados, sobre todo propano o butano. El GLP se obtiene a partir de gas natural o petróleo. De esta clase nos ocuparemos en brevemente más adelante.

Gas Natural

Componentes del gas natural

Los siguientes, son los componentes principales del gas natural, estos varían según el yacimiento:

Componente

%

Componente

%

Metano

95,0812

i-pentano

0,0152

Etano

2,1384

Benceno

0,0050

Propano

0,2886

Ciclohexano

0,0050

n-butano

0,0842

Nitrógeno

1,9396

i-butano

0,0326

CO2

0,3854

n-pentano

0,0124

Otros

0,0124

Cuadro 1

Las propiedades del gas natural según la composición indicada en el cuadro 1, son las siguientes:

Densidad:

0,753 kg/m³

Poder calorífico:

9,032 kcal/m³

Cp (presión constante):

8,57 cal/mol.°C

Cv (volumen constante):

6,56 cal/mol.°C

 

1. Metano: Llamado gas de los pantanos, hidrocarburo de fórmula CH4, el primer miembro de la serie de los alcanos. Es más ligero que el aire, incoloro, inodoro e inflamable. Se encuentra en el gas natural, como en el gas grisú de las minas de carbón, en los procesos de las refinerías de petróleo, y como producto de la descomposición de la materia en los pantanos. Es uno de los principales componentes de la atmósfera de los planetas Saturno, Urano y Neptuno.

Metano

Fórmula desarrollada

2. Etano: Gas incoloro e inflamable, hidrocarburo de fórmula C2H6, el segundo miembro de la serie de los alcanos.

Etano

Fórmula desarrollada

3. Eteno o Etileno: El eteno es un hidrocarburo de fórmula C2H4, el miembro más simple de la clase de compuestos orgánicos llamados alquenos. Es un gas incoloro, con un olor ligeramente dulce, arde con una llama brillante, es ligeramente soluble en agua.

Eteno o Etileno

Fórmula desarrollada

4. Propano: El tercer hidrocarburo de la serie de los alcanos, de fórmula C3H8. Gas incoloro e inodoro. Se encuentra en el petróleo en crudo, en el gas natural y como producto derivado del refinado del petróleo. El propano no reacciona vigorosamente a temperatura ambiente, pero,a temperaturas más altas, arde en contacto con el aire.

Propano

Fórmula desarrollada

5. Butano: Cualquiera de los dos hidrocarburos saturados o alcanos, de fórmula química C4H10, en ambos compuestos, los átomos de carbono se encuentran unidos formando una cadena abierta. En el n-butano (normal), la cadena es continua y sin ramificaciones, mientras que en el i-butano (iso), o metilpropano, uno de los átomos de carbono forma una ramificación lateral. Esta diferencia de estructura es la causa de las distintas propiedades que presentan. El n-butano y el i-butano están presentes en el gas natural, en el petróleo y en los gases de las refinerías. Poseen una baja reactividad química a temperatura normal, pero arden con facilidad al quemarse en el aire o con oxígeno.

Fórmula desarrollada:

Butano

n-butano

i-butano

6. Pentano: Quinto miembro de los alcanos alcanos, de fórmula química C5H12, se presenta con dos configuraciones el n-pentano y el i-pentano.

Pentano

Fórmula desarrollada

7. Benceno: Líquido incoloro de olor característico y sabor a quemado, de fórmula C6H6, en estado puro arde con una llama humeante debido a su alto contenido de carbono. Sus vapores son explosivos, y el líquido es violentamente inflamable.

Benceno

Fórmula desarrollada

8. Ciclohexano: Líquido volátil e incoloro con olor penetrante, de fórmula C6H12, que acompaña al gas natural.

Ciclohexano

Fórmula desarrollada

Propiedades principales de los componentes del gas natural (15 °C y 1 atmósfera)

Combustible

P.F.
°C

P.E.
°C

P.M.
kg

Densidad
kg/m³

Poder

Calorífico

kcal/m³

Calor de

Combustión

kcal/kg

Metano

-182,5

-161,5

0,016

0,7175

9024

13187

Etano

-183

-87

0,030

1,3551

15916

12267

Etileno

-169,4

-103,8

0,028

1,26

-

-

Propano

-189,9

-42,1

0,044

2,0098

22846

11955

n-butano

-138,3

-0,5

0,058

2,7068

30144

11862

i-butano

-145

-10,2

0,058

2,7091

29955

-

n-pentano

-130

36

0,072

3,5066

38149

-

i-pentano

-

-

0,072

3,4354

37630

-

Benceno

5,5

80,1

0,078

890

-

10026

Ciclohexano

6,55

80,74

0,084

-

-

11167

Cuadro 2

Combustión

Es el proceso de oxidación rápida de un combustible acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible.

A los combustibles gaseosos como el gas natural,el gas refinado o los gases manufacturados, se les añade aire antes de la combustión para proporcionarles una cantidad suficiente de oxígeno. La mezcla de aire y combustible surge del quemador a una velocidad mayor que la de la propagación de la llama, evitando así el retroceso de ésta al quemador, pero permitiendo el mantenimiento de la llama en éste. Estos combustibles, en ausencia de aire, arden con llamas relativamente frías y humeantes. Cuando el gas natural arde en el aire alcanza temperaturas que superan los 1.930 °C.

Las reacciones de combustión de los gases que nos interesan son las siguientes:

Metano:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Etano:

2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O

Eteno:

C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O

Propano:

C3H8 + 10O2 → 3CO2 + 4H2O

Butano:

2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O

Pentano:

C5H12 + 8O2 → 5CO2 + 6H2O

Benceno:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

Ciclohexano:

C6H12 + 9O2 → 6CO2 + 6H2O

Limites de inflamabilidad

El gas natural es susceptible de reaccionar con aire u oxigeno produciendo llama y gran cantidad de calor, el gas como combustible y el aire como comburente. La inflamación del gas depende de los limites de inflamabilidad, la temperatura de autoignición y la mínima energía para su inflamación.

Por ejemplo, una mezcla de gas y aire puede producir llama únicamente cuando la mezcla contiene una proporción de gas suficiente.

Para el gas natural, el (L.I.I.) limite inferior de inflamabilidad (5%) es aquel hasta el cual la mezcla es pobre en combustible. Superado el (L.S.I.) limite superior de inflamabilidad (15%) la mezcla pasa a tener un exceso de combustible. Entre ambos limites se encuentra toda la mezcla inflamable cuando además coincide una energía de activación.

Limites de inflamabilidad

Si a presión atmosférica la temperatura aumenta el LII se reduce, en cambio el L.S.I. aumenta. Si a temperatura constante varia la presión, tenemos:

Presión

1,013 bar

7 bar

14 bar

21 bar

100 bar

L.I.I.

5%

4,98%

4,93%

4,9%

4,6%

L.I.S.

15%

18%

24%

32%

50%

Cuadro 3

Indice de octano

Limites de inflamabilidad

Gráfico 1

Los combustibles líquidos y gaseosos se clasifican en base a una escala conocida como índice de octano. El fundamento de esta escala es la propiedad de algunos combustibles a producir golpeteo en las máquinas de combustión interna.

Para clasificar un combustible se necesita una máquina normalizadora. Al heptano (C7H18) se le asigna arbitrariamente un índice de octano de cero y al 2,2,4-trimetilpentano de 100. La máquina normalizadora se pone a funcionar con el combustible que se prueba, así como con varias mezclas de los patrones. Cuando una de las mezclas de los dos combustibles de referencia causa el mismo efecto que el combustible de prueba, el ensayo concluye. El índice de octano del combustible de prueba es el correspondiente al porcentaje del 2,2,4-trimetilpentano de la mezcla con heptano.

Yacimientos

Petróleo y gas natural

Los yacimientos de petróleo casi siempre llevan asociados una cierta cantidad de gas natural, que sale a la superficie junto con él cuando se perfora un pozo. Sin embargo, hay pozos que proporcionan solamente gas natural. El petróleo crudo y el gas natural se encuentran en cantidades comerciales en cuencas sedimentarias situadas en más de 50 países de todos los continentes. Los mayores yacimientos se encuentran en Oriente Próximo, donde se hallan más de la mitad de las reservas conocidas de crudo y casi una tercera parte de las reservas conocidas de gas natural.

Formación

El petróleo y el gas natural se forman bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos. Los restos de animales minúsculos que viven en el mar (y, en menor medida, los de organismos terrestres arrastrados al mar por los ríos o los de plantas que crecen en los fondos marinos) se mezclan con las finas arenas y limos que caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos, se convierten en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo más espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que van acumulándose depósitos adicionales, la presión sobre los situados más abajo se multiplica por varios miles,y la temperatura aumenta en varios cientos de grados. El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural.

Origen de la cuencas gasíferas sudamericanas

En Sudamérica y al este de la Cordillera de los Andes hay importantes cuencas sedimentarias, la porción de esas cuencas que se extiende del noroeste de la Argentina a Bolivia y Perú, es principalmente gasífera. Estas son de estructuras sedimentarias que van del paleozoico al cretáceo y al terciario, se caracterizan por complejos sistemas de plegamientos y fallas generados por los movimientos orogénicos que dieron origen a los Andes. Estos sistemas poseen varios rumbos estructurales alargados, de interés para los exploradores. La complejidad y la profundidad de las estructuras aumenta progresivamente de las llanuras hacia la región subandina. Por eso, y por la abrupta topografía del terreno, el costo de la exploración es elevado.

Exploración

Los geólogos y otros científicos han desarrollado técnicas que indican la posibilidad de que exista petróleo o gas en las profundidades. Estas técnicas incluyen la fotografía aérea de determinados rasgos superficiales, el análisis de la desviación de ondas de choque por las capas geológicas y la medida de los campos gravitatorio y magnético. Sin embargo, el único método para confirmar la existencia de petróleo o gas es perforar un pozo que llegue hasta el yacimiento. En muchos casos, las compañías petroleras gastan millones de dólares en perforar pozos en zonas prometedoras y se encuentran con que los pozos están secos.

Para encontrar petróleo bajo tierra, los geólogos deben buscar una cuenca sedimentaria con esquistos ricos en materia orgánica que lleven enterrados el suficiente tiempo para que se haya formado petróleo (desde unas decenas de millones de años hasta 100 millones de años). Además, el petróleo tiene que haber ascendido hasta depósitos porosos capaces de contener grandes cantidades de líquido. La existencia de petróleo crudo en la corteza terrestre se ve limitada por estas condiciones, que deben cumplirse. Sin embargo, los geólogos y geofísicos especializados en petróleo disponen de numerosos medios para identificar zonas propicias para la perforación. Por ejemplo, la confección de mapas de superficie de los afloramientos de lechos sedimentarios permite interpretar las características geológicas del subsuelo, y esta información puede verse complementada por datos obtenidos perforando la corteza y extrayendo testigos o muestras de las capas rocosas.

GAS NATURAL: Exploración

Figura 1

Por otra parte, las técnicas de prospección sísmica (fig. 1) revelan detalles de la estructura e interrelación de las distintas capas subterráneas. Pero, en último término, la única forma de demostrar la existencia de petróleo en el subsuelo es perforando un pozo. De hecho, casi todas las zonas petroleras del mundo fueron identificadas en un principio por la presencia de filtraciones superficiales, y la mayoría de los yacimientos fueron descubiertos por prospectores particulares que se basaban más en la intuición que en la ciencia.

Los métodos sísmicos de prospección utilizan explosivos para generar ondas sísmicas artificiales en puntos determinados; en otros lugares, usando geófonos y otros instrumentos, se determina el momento de llegada de la energía refractada o reflejada por las discontinuidades en las formaciones rocosas. Estas técnicas producen perfiles sísmicos de refracción o de reflexión,según el tipo de fenómeno registrado. En las prospecciones sísmicas de petróleo, las técnicas avanzadas de generación de señal se combinan con sistemas sofisticados de registro digital y de cinta magnética para un mejor análisis de los datos.

Un campo petrolero puede incluir más de un yacimiento, es decir, más de una única acumulación continua y delimitada de petróleo. De hecho, puede haber varios depósitos apilados uno encima de otro, aislados por capas intermedias de esquistos y rocas impermeables. El tamaño de esos depósitos varía desde unas pocas decenas de hectáreas hasta decenas de kilómetros cuadrados, y su espesor va desde unos pocos metros hasta varios cientos o incluso más. La mayoría del petróleo descubierto y explotado en el mundo se encuentra en unos pocos yacimientos grandes.

Perforación y extracción

Una vez formado el petróleo, éste fluye hacia arriba a través de la corteza terrestre porque su densidad es menor que la de las salmueras que saturan los intersticios de los esquistos, arenas y rocas de carbonato que constituyen dicha corteza. El petróleo y el gas natural ascienden a través de los poros microscópicos de los sedimentos situados por encima. Con frecuencia acaban encontrando un esquisto impermeable o una capa de roca densa: el petróleo queda atrapado,formando un depósito. Sin embargo, una parte significativa del petróleo no se topa con rocas impermeables sino que brota en la superficie terrestre o en el fondo del océano. Entre los depósitos superficiales también figuran los lagos bituminosos y las filtraciones de gas natural.

Perforación y extracción

Durante mucho tiempo, la inmensa mayoría de los pozos se perforaban en tierra firme. Luego se empezaron a realizar perforaciones en aguas poco profundas desde plataformas sostenidas por pilotes apoyados en el fondo del mar. Posteriormente se desarrollaron plataformas flotantes capaces de perforar en aguas de 1.000 metros o más de profundidad. Se han encontrado importantes yacimientos de petróleo y gas en el mar.

Autor: Anselmo Robles Bentham, Ricardo Santiago Netto, Osvaldo Daniel Pumar

Profesores: Arquitecto Costoya. y J. F. Aguirre

Editor: Fisicanet ®

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