espuma en plantas de aminas

ESPUMA EN PLANTAS DE AMINAS

La espuma es el resultado de la incorporación mecánica de un gas en un líquido. La película del líquido rodea un volumen de gas creando una burbuja. La formación y estabilidad de la burbuja depende de las condiciones físicas tales como temperatura y presión. La espuma depende principalmente de las características superficiales como la elasticidad del film, formación de capas gelatinosas, drenaje, y la viscosidad superficial.

La formación de espuma en plantas de amina aumenta los costos de operación y reduce la eficiencia del tratamiento. Cuando la formación de espuma se convierte en grave, a menudo se lleva más amina en el tratamiento de aguas abajo del equipo. Se sostiene comúnmente que los hidrocarburos líquidos y sulfuro de hierro puede producir espuma. La mayoría de los tratamientos dependen en gran medida de la filtración de carbono y la adición de agentes anti-espuma para las soluciones de circulación. Por desgracia, la mayoría de los agentes antiespumantes son activos de superficie, y son eliminados por el carbón activado. Muy a menudo, después de una breve mejora el problema se agrava.

Dado que las aminas puras no forman espuma, uno o más componentes deben estar presentes en la solución de tratamiento a fin de formar una espuma persistente. Posibles contaminantes incluyen no sólo los hidrocarburos líquidos y el sulfuro de hierro, para el tratamiento de los fluidos del pozo, los productos de degradación de aminas, y otros sólidos finamente divididos.

MECANISMOS DE FORMACIÓN Y ESTABILIDAD DE ESPUMA

TENSIÓN SUPERFICIAL Y TENDENCIA ESPUMA

La tensión superficial es una indicación de la tendencia de una solución de espuma. La tensión superficial (γ) es una fuerza que actúa paralelamente a la superficie que se opone a cualquier intento de ampliar la superficie (A). El trabajo requerido para expandir el área de la superficie se llama la energía libre superficial (G) y depende de las fuerzas de cohesión e intermoleculares en el líquido:

La superficie libre de la Energía, dG = γ dA.

Con el fin de disipar la superficie, las moléculas deben moverse desde el interior del líquido a la superficie. Este movimiento requiere superar fuerzas tales como efectos dipolares y de unión de hidrógeno. Un líquido no polar con una mínima cantidad de enlaces de hidrógeno requiere poco trabajo para ampliar su superficie. De ello se desprende que los hidrocarburos líquidos que tienen una baja tensión superficial y tienden a formar espuma, mientras soluciones polares acuosas de alcanolaminas que tienen una alta tensión superficial y no tienden a la espuma.

ELASTICIDAD DE LA CAPA DE FILM Y ESTABILIDAD DE LA ESPUMA

Baja tensión superficial por sí sola no es garantía de una espuma estable. La naturaleza de la capa superficial es más importante para la estabilidad de la espuma que una baja tensión superficial. Considere la posibilidad de una pared de la burbuja o un film que es un sistema dinámico en constante estiramiento y la contracción. Después del estiramiento, la sección más delgada del film contiene menos líquido y tiene una

Tratamiento y Procesamiento del Crudo y del Gas NaturalWilder Jara

tensión superficial más alta. Líquido tiende a migrar a lo largo de la pared de la burbuja para restablecer el equilibrio que lleva consigo una capa relativamente gruesa de líquido subyacente que restaura espesor del film (Figura 1). Esta capacidad para resistir el adelgazamiento del film que se conoce como la elasticidad de film.Gibbs define la elasticidad en función de la tensión superficial () y superficie (A) por la relación: E = 2A (d/dA).

Figura 1

Los antiespumantes son productos químicos que están diseñados para aumentar la elasticidad. Cuando la migración de la sustancia química a lo largo de la superficie es más lenta que la migración del volumen de la pared de la burbuja, el lugar debilitado no se cura. Esa espuma es débil e inestable.

FORMACION DE LA CAPA GELATINOSA Y SOLUBILIDAD DE LOS HIDROCARBUROS

Los factores que aumentan la solubilidad de hidrocarburos aumentan la tendencia de la solución a la espuma y los factores que aumentan la formación de una capa gelatinosa aumentan la estabilidad de la espuma. La naturaleza gelatinosa de la capa superficial contribuye enormemente a la estabilidad de la espuma. Capas gelatinosas de la superficie son de plástico, es decir, permanecen inmóviles bajo una tensión de corte hasta que la tensión supera un valor de cierto rendimiento.

El estrés gravitacional y pequeños capilares que actúan sobre la superficie es generalmente menor que el valor de rendimiento. En consecuencia, la formación de una capa de plástico o de gelatina tiene un efecto estabilizador en la espuma. Las moléculas que contienen hidrocarburos ramificados largos y pequeños grupos de terminales polares forman capas gelatinosas de superficie. Las aminas secundarias y terciarias que tienden a la espuma, por lo tanto, la estabilidad de la espuma es un punto discutible en una solución de amina. Sin embargo, la adición de una especie química promueve una capa gelatinosa. Si esta solución comienza a formar espuma, la espuma será bastante estable.

La adición de hidrocarburos líquidos a las soluciones de amina ha sido considerada la causa principal de los problemas de formación de espuma.

Sin embargo, los hidrocarburos líquidos sólo reducen la tensión superficial de la solución y aumentan su tendencia a formar espuma en la medida en que los hidrocarburos líquidos son más solubles en la solución a granel. Dado que los hidrocarburos líquidos son más solubles en aminas secundarias y terciarias, aminas secundarias y terciarias es más probable que formen espuma en presencia de hidrocarburos líquidos.


La capacidad de formar capas gelatinosas en la superficie también significa que las espumas de aminas secundarias y terciarias serán bastante estables.

Cualquier especie química que disminuye la tensión superficial (mayor tendencia a la formación de espuma) o promueve la formación de la capa gelatinosa (mejora la estabilidad de la espuma) puede crear un problema en el tratamiento de solución de amina. Los productos ácidos de degradación de aminas hacen dos cosas, y puesto que los productos de degradación ácida de amina son solubles en la solución de tratamiento, las pequeñas concentraciones pueden ser muy influyentes. Los productos ácidos de degradación de aminas se han observado en uso con soluciones MEA, DEA y MDEA. La velocidad y el tipo de productos de degradación formados depende del tipo de amina MEA es fácilmente degradado en comparación con la DEA y MDEA. La MEA y la DEA tienen átomos de hidrógeno unidos a los átomos de nitrógeno y forman ciertos productos de degradación que la MDEA no puede.

DRENAJE DEL FILM Y ESTABILIDAD DE LA ESPUMA

Las espumas estables se drenan lentamente. Drenaje del film es un proceso mediante el cual el líquido alrededor de las burbujas emigra de la pared celular en la intersección de las burbujas. La geometría de la intersección de la burbuja resulta en tensión capilar que atrae el líquido en las intersecciones y lejos de la pared hasta que se rompe la burbuja. La acción capilar es influenciada por las fuerzas externas, como las fuerzas repulsivas de Coulomb, la velocidad del vapor, y la gravedad. La fuerza repulsiva de Coulomb retardar la formación de burbujas y las intersecciones limitan el drenaje. La gravedad tiende a acelerar el drenaje de flujo descendente mientras velocidad del vapor tiende a mantener líquido en la espuma y el drenaje retardado.

SULFURO DE HIERRO Y VISCOSIDAD DE SUPERFICIE

El sulfuro de hierro se produce por la reacción de H2S en el gas de alimentación con hierro que se encuentra en el material de la planta, óxidos de hierro de la construcción o que llegaron con el gas de alimentación. El sulfuro de hierro producido de esta manera es extremadamente fino. La figura 2 es una microfotografía de una solución de plantas recogidas en un cartucho de 10 micras de polipropileno que muestra partículas de sulfuro de hierro que son principalmente de tamaño submicrón. Partículas coloidales de sulfuro de hierro son tan pequeñas que permanecen en suspensión por tiempo indefinido y según el movimiento browniano. Se concentrarán en la superficie del líquido formando una red quasipolymer en el film alrededor de las burbujas. Esto aumentará la viscosidad superficial y retardar la migración de líquidos que diluye las paredes de la burbuja. Además, el carácter bipolar de sulfuro de hierro aumenta la repulsión de Coulomb de las burbujas de espuma individuales para retrasar aún más el drenaje (fig. 1B).


Figura 1B.

Figura 2

Las partículas más grandes se muestra en la microfotografía son agregados de sulfuro de hierro. Si el sulfuro de hierro se le permite concentrarse en la solución, se puede formar agregados que pueden ser conectados a los orificios del plato y restringir el flujo de gas. Las restricciones causadas por estos agregados aumenta la velocidad del vapor a través de la torre. El aumento de la velocidad del vapor limita aún más el drenaje y mejora la estabilidad de la espuma.

CONDICIONAMIENTO Y LA ESTABILIDAD DE ESPUMA PARA LOS DIFERENTES TIPOS DE AMINA

Las tensiones superficiales de las aminas comerciales se determinaron, en diferentes concentraciones. Los resultados se presentan en la Figura 3. La tensión superficial de MDEA es ligeramente inferior a la MEA y la DEA, pero los solventes han formulado las tensiones de superficie significativamente más bajos que MEA y DEA. Las formulaciones que contienen aditivos que disminuyen la tensión superficial. Estos aditivos se encuentran comúnmente en los productos formulados para aumentar la estabilidad de la formación de espuma indicada por los datos en la Figura 4A.


Figura 3

Figura 4 A

La tendencia de la formación de espuma (altura de la espuma) y estabilidad (tiempo de interrupción) de aminas comerciales fueron evaluados. Los resultados se presentan en la Figura 4A. Basándose en los resultados, las soluciones puras MEA, DEA y MDEA no forman espuma de forma apreciable, y la pequeña cantidad de espuma producida es inestable. Los dos formulados de disolventes MDEA tienen una mayor tendencia de espuma y producen una espuma más estable que la solución de MDEA genérica.

La tendencia de la formación de espuma y la estabilidad de la solución de MEA no fue significativamente diferente en la presencia de hidrocarburos líquidos, pero formuló las estabilidades de espuma de MDEA y MDEA aumentado significativamente. La adición de una pequeña cantidad de ácido orgánico de la muestra MDEA formulado ha mejorado tanto la tendencia de espuma y estabilidad de la espuma en varios órdenes de magnitud.

Según las graficas se aprecia que las aminas puras tienen menor tendencia a formar espuma en las concentraciones recomendadas para cada una de estas. Además se


observa que la MDEA tiene una baja tensión superficial lo cual le brinda una mayor resistencia a formar espumas pero cuando se la mezcla con solventes estos aumentan la tendencia a formar espumas.

CONTAMINANTES EN UNA PLANTA DE AMINA

Soluciones puras de aminas no forman espuma estable. Con el fin de formar una espuma estable, algunos otros componentes deben estar presentes en la solución de tratamiento. Hay dos categorías de contaminantes, los contaminantes que se añaden a la solución y los que se crean dentro de la solución. Contaminantes adicionales incluyen hidrocarburos líquidos, los líquidos y el tratamiento, agentes antiespumantes, inhibidores de corrosión, las partículas y lubricantes en forma de aerosoles. Contaminantes creados dentro de la solución de tratamiento incluyen los productos de amina básica y degradación ácida, sulfuro de hierro y óxidos de hierro (hidróxidos). Cada contaminante puede tener un impacto sobre la tendencia de formación de espuma y estabilidad de la espuma.

Los contaminantes que afectan a los procesos de absorción con aminas pueden clasificarse en cinco categorías: Formación de sales térmicamente estables (1), degradación por sustancias químicas (2), inyección de sustancias químicas (3), hidrocarburos (4), partículas (6). Cualquiera de estos compuestos puede estar presente al mismo tiempo en un sistema que trabaje con aminas, pero es su concentración la que puede hacer que pasen como insignificantes o ser limitantes si su concentración es elevada.

1. Formación de sales térmicamente estables (HSAS)

Los aniones de ácidos fuertes como el formiato, acetato, tiosulfato, tiocianato o el cloruro atacan a la molécula de amino para formar una sal que no son susceptibles de ser regeneradas con la adición de calor, por esto se denominan térmicamente estables. Sulfatos y tiosulfatos pueden formarse por la reacción de oxígeno y H2S. No solo arrancan la molécula de amina disminuyendo la capacidad de absorción de la disolución sino que además se consideran productos corrosivos. Muchas veces este término, que indica una sustancia formada indeseable, se utiliza para englobar todos los contaminantes, mientras que en la realidad solo es uno de ellos y generalmente el menos ofensivo.

2. Degradación por sustancias químicas

Los productos de degradación son elementos contaminantes que derivan de la descomposición de la molécula de amina, a veces se trata de una degradación irreversible ya que se forman especies totalmente diferentes. Un ejemplo de estos productos son los derivados de la descomposición de los derivados de la dietanol amina (DEA) cuando reacciona con COS u O2. La presencia de oxígeno en el gas ácido que se trata produce una degradación que da lugar a ácidos orgánicos.

Tiene especial importancia en este tipo de degradación las mezclas que componen los gases de salida de un proceso de combustión industrial CO, SOx, NOx, O2 y CO2.

3. Inyección de sustancias químicas

Los inhibidores de corrosión y los antiespumantes pueden concentrarse en los sistemas con aminas. Estos productos controlan estos problemas de funcionamiento


pero su inyección en el sistema puede provocar una acumulación con el tiempo, una concentración elevada de estos productos puede provocar el ensuciamiento y cambios en las propiedades físicas del absorbente como viscosidad o capacidad de transferencia de masa.

4. Hidrocarburos

Si el gas a tratar contiene hidrocarburos pesados estos pueden condensar en el equipo de contacto y pueden producir problemas en el bombeo además que provocan la generación de espumas. A altas temperaturas pueden modificar las propiedades físicas de las aminas.

5. Partículas

Las partículas que normalmente se puede encontrar en este tipo de sistemas son de sulfuro de hierro, partículas de metal por la corrosión y partículas procedentes de los filtros.

Cualquiera de estos compuestos puede estar presente al mismo tiempo en un sistema que trabaje con aminas, pero es su concentración la que puede hacer que pasen como insignificantes o ser limitantes si su concentración es elevada.

A medida que el nivel de contaminantes aumenta y el contenido de aminas de la solución se reduce debido a la degradación, la capacidad de absorción disminuye, para compensar esto puede aumentarse el caudal de circulación de solución absorbente, pero esto afecta a otras parte del proceso como son los intercambiadores o a las hidrodinámica de los equipos de transferencia. Otra alternativa es reducir el flujo de gas de proceso, aun así hay que compensar las pérdidas de absorbente para no disponer de una solución muy cargada que aumenta los factores de corrosión en zonas de cambios de presión y temperatura. Por lo general la presencia de contaminantes hace la amina más viscosa, generando más espuma y reduciendo tasas de transferencia en absorbedor y stripper.

Cuando existe un contenido alto de partículas, la capacidad de formación de espumas aumenta y puede dar lugar a incrustaciones en equipos de intercambio y equipos de contacto. Por otra parte, la formación de espumas, se desarrolla con la presencia de hidrocarburos que modifican la tensión superficial del fluido.

Pueden darse diferentes tipos de corrosión en este tipo de instalaciones. Una de ellas es por desgaste cuando se trabaja con altos caudales de líquido. Otro tipo de corrosión se produce por la formación de sustancias corrosivas como complejos de hierro y cloruros cuyo efecto de acentúa con los altos niveles de temperatura con los que se trabaja.

CONCLUSIONES

Las aminas puras no forman espumas estables, y la calidad de espuma que se pueda formar depende muchísimo de los contaminantes existentes en el proceso de ahí la importancia de evitar que existan contaminantes ya que estos pueden alterar la calidad de espuma y causar mayores problemas en el proceso con aminas.


Además la estabilidad de la espuma depende de los contaminantes ya que estas son el resultado de los contaminantes que promueven la formación de una capa gelatinosa, aumentan la viscosidad de la superficie, e inhiben el drenaje.

Una de las soluciones más estables es MDEA y soluciones MDEA compuestas ya que tienden a formar espumas muy estables cuando están contaminadas con pequeñas cantidades de hidrocarburos líquidos y ácidos orgánicos.

La formación de espuma puede ser un gravísimo problema, es por eso que se debe utilizar las concentraciones adecuadas de aminas y controlar los contaminantes en la solución ya que unos pueden resultar beneficiosos en bajas cantidades y otros por mínima que sea su presencia pueden afectar o todo el sistema y causar graves problemas colaterales.

Fuente:

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20214/fichero/9ap%EDtulo+8%252FCap%EDtulo8.pdf




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