tarea espumas problema operacional indeseable

8/11/2019 Tarea Espumas Problema Operacional Indeseable

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Competencias:

Identificar de manera clara las diferentes variables que intervienen en el proceso deformacin de espuma dentro de una planta de endulzamiento con amina. Para lo cualdebemos conocer:

o Las caractersticas generales de los procesos de endulzamiento con amina.o Familiarizarnos con los valores crticos del proceso, como lo es las

concentraciones de amina por agua, tiempo de ruptura de una emulsinespumosa, contaminantes adicionados ye intrnsecos del proceso, etc.

Descripcin/Preguntas de la Tarea:

Luego de haber analizado con detenimiento el artculo:Anlisis de Mecanismos deEspuma en Plantas de Amina(Analysis of Foaming Mechanisms in Amine Plants).Responda lo siguiente:

1. Defina "espuma" en plantas de amina y explique las consecuencias que producesu presencia.

2. Explique cada uno de los mecanismos de formacin y estabilidad de espuma enlos procesos de endulzamiento.

3. Segn los grficos mostrados (Fig 3 y 4A) explique y compare el condicionamientoy la estabilidad de espuma para los diferentes tipos de amina y comente sobre lavariacin experimentada si existe la presencia de hidrocarburos lquidos en lamezcla.

4. Cmo pueden ser clasificados los contaminantes en una planta de amina y culesson los ms comunes.

5. Emita sus propias conclusiones sobre el tema.

Proceso:Una vez ledo el recurso "Analysis of Foaming Mechanisms in Amine Plants", y a partir desus propias experiencias como profesionales del gas natural, debern responder a latarea. Es de suma importancia la investigacin!!!

Recursos:

o Artculo: "Analysis of Foaming Mechanisms in Amine Plants"

Evaluacin:Se valorar positivamente la investigacin de los participantes. Tendr un efecto positivoen la nota de esta tarea, las primeras respuestas que se genere, al igual que las quemuestren aporte propio y conclusiones asertivas. Esta actividad tiene una ponderacin de8 puntos.
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1. Defina "espuma" en plantas de amina y explique las consecuencias que

produce su presencia.

La espuma es el resultado de una incorporacin mecnica de un gas en un lquido. Lapelcula lquida rodea un volumen de gas creando una burbuja. La formacin y laestabilidad de la burbuja dependen en cierta medida de las condiciones fsicas como latemperatura y la presin. Depende principalmente de caractersticas de la superficie talescomo elasticidad de la capa de la pelcula, capa gelatinosa eficiencia, drenaje y viscosidadsuperficial.

La espuma est clasificada como un coloide donde existe una fase continua en formalquida y una fase dispersa en forma de gas. La espuma est formada de una agrupacinde burbujas de gas que se dispersa en un volumen pequeo de lquido, el dimetro de lasburbujas es mayor que el espesor de la pelcula que las rodea (Bikerman, 1973).

Los tensoactivos son sustancias que tienen la habilidad de hacer a un lquido espumar,juegan un papel muy importante en la formacin de espuma. Las espumas son sistemastermodinmicamente inestables, respecto a su separacin en sus componentes gas yvapor, y se libera una energa superficial cuando las burbujas de espuma explotan.

Las propiedades de espumacin dependen de la composicin qumica, as como laspropiedades de superficie del tensoactivo (Perry y OMaloney, 2003).

Un tensoactivo es una sustancia que en pequeas cantidades tiene una rpida absorcinen las superficies o interfases de un sistema, adems de tener la habilidad de alterarestas superficies reducindolas. El cambio en la tensin superficial de las soluciones es lapropiedad ms estudiada de los tensoactivos en solucin, stos cambian las molculas deun solvente por las molculas del tensoactivo en la interfase cambiando as la tensinsuperficial de la solucin (guila-Hernndez, 2001).


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As mismo, guila-Hernndez, (2004), defini los requisitos que debe cumplir un lquidopara producir espuma:

Ser capaz de expandir su rea superficial, as como formar una membrana alrededorde las burbujas del gas.

Poseer la reologa correcta y las propiedades de superficie para retardar la reduccinde la lamela para que se unan las burbujas. Ser capaz de retardar la difusin del gas atrapado en burbujas pequeas, grandes o

de la atmsfera que las rodea.

Normalmente, el agitar un lquido puro con aire dentro de un contenedor produce burbujasde aire a la fase liquida; sin embargo, no forma espuma.

Thitakamol y Veawab (2008) hacen referencia a tres fuerzas principales que influyen en laformacin de una burbuja: la fuerza de flotacin, que se ve definida por la diferencia dedensidades entre el lquido y el gas, el volumen de la burbuja y la aceleracingravitacional, la fuerza hidrosttica, y la fuerza de superficie que es formada por la tensinsuperficial del lquido y el permetro de capilaridad.

Problemas relacionados con espumacin

La espumacin es un fenmeno presente en las plantas endulzadoras de gases debido al

uso de soluciones acuosas de alcanolaminas (por su degradacin), por la presencia departculas suspendidas, inhibidores de corrosin o aceites lubricantes del compresor,hidrocarburos lquidos y por gradientes de temperatura entre la corriente gaseosa y eldisolvente. Las espumas se generan principalmente en las torres absorbedoras por quetienen una relacin directa con el diseo y operacin en los procesos de endulzamiento.Cuando no existe un buen control de la espuma, entonces se presentan serios problemastales como prdida de la solucin, contaminacin de los hidrocarburos y


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consecuentemente, una disminucin de la eficiencia del proceso y la calidad del producto(Mondragn-Garduo y Trejo, 1995).

De acuerdo a Thitakamol y Veawab (2008), algunos de los problemas ocasionados por laespuma se encuentran:

Prdidas excesivas de la amina empleada para el endulzamiento. Inundacin prematura de la torre de absorcin.

Reduccin en el volumen de gas endulzado. Contaminacin de los hidrocarburos libres de gases cidos.

Produccin fuera de especificacin, debido a la disminucin de eficiencia y capacidadde equipos de proceso.

Mayor gasto de energa durante la regeneracin del disolvente.

Algunos problemas ms, comunes en las plantas endulzadoras de gas natural quepresentan espumacin, son definidos por Kohl y Nielsen, (1997):

Soluciones de la amina opaca y contaminada con slidos suspendidos. Ms del 10 % de la amina forma compuestos trmicamente estables. Mediciones de la presin diferencial a travs del absorbedor y/o el stripper altas o

errticas. Taponamiento de instrumentos con partculas, acumulacin de slidos en el

condensador de la torre regeneradora y reduccin en la duracin de un ciclo de filtradode la amina.

Todos estos problemas relacionados con la formacin de espuma representan mayorescostos de inversin y de operacin.

2. Explique cada uno de los mecanismos de formacin y estabilidad de espuma

en los procesos de endulzamiento.

Tensin Superficial y Espumacin: La tensin superficial es una indicacin de la formacinde espuma. La tensin superficial (g) es una fuerza que acta paralelamente a lasuperficie que se opone a cualquier intento de ampliar la superficie rea (A). La labornecesaria para ampliar la superficie se llama la Energa de superficie libre (G) y dependede cohesin y las fuerzas intermoleculares en el lquido:

Energa de superficie libre, dG = g da (EQ.1)


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Con el fin de llegar a la superficie, las molculas deben moverse desde el interior. Paraeste movimiento es necesario superar fuerzas tales como efectos dipolares y enlaces dehidrgeno. Un lquido no polar con una cantidad mnima de enlaces de hidrgenorequerir muy poco trabajo para ampliar su superficie. Concluimos que los hidrocarburoslquidos tendran una baja tensin superficial y tienden a hacer espuma, mientras quesoluciones polares alcanolaminas acuosas tienen una alta tensin superficial y tienden ano provocar espuma.

Elasticidad de pelcula y estabilidad de la espuma: La baja tensin superficial por s solano asegura una espuma estable. La naturaleza de la capa superficial es ms importante

para la estabilidad de la espuma que una baja tensin superficial. Considere que la paredde burbuja es un sistema dinmico que se extiende y contrae constantemente. Despusdel estiramiento, la delgada seccin contiene menos lquido y tiene una mayor tensinsuperficial. El Lquido tiende a migrar a lo largo de la pared para restaurar el equilibrio(Figura 1A). Esta capacidad para resistir adelgazamiento se denomina elasticidad depelcula. Gibbs ha definido la elasticidad en trminos de la tensin superficial (g) y lasuperficie (A) por la relacin: la elasticidad, E = 2A (dg/da) (EQ.2).

Antiespumantes son sustancias qumicas que se han diseado para aumentar laelasticidad. Cuando la migracin del qumico a lo largo de la superficie es ms lenta quela migracin para restaurar el equilibrio de pared delgada, la espuma es dbil e inestable.

Formacin capa gelatinosa y solubilidad en hidrocarburos: Factores que aumentan lasolubilidad en hidrocarburos aumentarn la tendencia de espuma, y de los factores queaumentan la formacin de capa gelatinosa aumentarn la estabilidad de la espuma.

La naturaleza gelatinosa de la capa superficial contribuye enormemente a la estabilidadde la espuma. Capas de superficie gelatinosa plstica, es decir, permanecen inmvilesbajo esfuerzos cortantes hasta que supere un determinado valor. El pequeo esfuerzo


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capilar y gravitacional que acta sobre la superficie es generalmente inferior a esedeterminado valor. Por consiguiente, la formacin de una capa gelatinosa plstica tiene untremendo efecto en la estabilizacin de la espuma. Molculas que contienen largascadenas de hidrocarburos ramificadas y pequeos grupos polares terminales formancapas gelatinosas en la superficie. Aminas secundarias y terciarias, tienden a no provocar

espuma; por lo tanto, la estabilidad de la espuma es un punto discutible en una solucinamina limpia. Sin embargo, la adicin de una especie qumica promueve una capagelatinosa. Una solucin de este tipo comienza a provocar espuma, la espuma esbastante estable.

La adicin de hidrocarburos lquidos a soluciones de amina se ha considerado como laprincipal causa de generacin de espuma. Sin embargo, hidrocarburos lquidos sloreducen la tensin superficial de la solucin y aumentan su tendencia a hacer espuma enla medida que los hidrocarburos lquidos son ms solubles en la mayor parte de lasolucin. Si los hidrocarburos lquidos son ms solubles en aminas secundarias yterciarias, estas tienen ms probabilidades de espuma en la presencia de hidrocarburos

lquidos. La capacidad de formar capas gelatinosas en la superficie significa que lasespumas en la amina secundaria y terciaria sern bastante estables.

Cualquier sustancia qumica que reduzca la tensin superficial (mejora la provocacin deespuma) o promueva formacin de capa gelatinosa (mejora estabilidad de la espuma)puede crear un problema en el tratamiento por aminas. Amino cidos productos dedegradacin son solubles en la solucin el tratamiento, pequeas concentracionespueden ser muy influyentes. Amino cidos productos de degradacin se han observadoen MEA, DEA y MDEA soluciones. La tasa y el tipo de productos de la degradacindepende del tipo de aminas. MEA es fcilmente degradable si se compara a la DEA yMDEA. MEA y DEA tienen tomos de hidrgeno unidos al tomo de nitrgeno y formando

determinados productos de degradacin que MDEA no puede. Algunas de las reaccionesms comunes degradacin se muestran en la Tabla 1.


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Drenaje de la pelcula y estabilidad de la espuma: Las espumas estables se drenanlentamente. El drenaje de la pelcula es un proceso mediante el cual el lquido alrededorde las burbujas emigra de la pared celular en la interseccin de las burbujas. Lageometra de la interseccin de la burbuja resulta en tensin capilar que atrae el lquidoen las intersecciones y lejos de la pared hasta que se rompe la burbuja. La accin capilares 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 formacinde burbujas y las intersecciones limitan el drenaje. La gravedad tiende a acelerar eldrenaje de flujo descendente mientras velocidad del vapor tiende a mantener lquido en laespuma y el drenaje retardado.

Sulfuro de hierro y viscosidad de superficie: El sulfuro de hierro se produce por la reaccinde H2S en el gas de alimentacin con hierro que se encuentra en el material de la planta,xidos de hierro de la construccin o que llegaron con el gas de alimentacin. El sulfurode hierro producido de esta manera es extremadamente fino. La figura 2 es unamicrofotografa de una solucin de plantas recogidas en un cartucho de 10 micras depolipropileno que muestra partculas de sulfuro de hierro que son principalmente de

tamao submicrn. Partculas coloidales de sulfuro de hierro son tan pequeas quepermanecen en suspensin por tiempo indefinido y segn el movimiento browniano. Seconcentrarn en la superficie del lquido formando una red parecida a la polimrica en lapelcula alrededor de las burbujas. Esto aumentar la viscosidad superficial y retardar lamigracin de lquidos que diluyen en las paredes de la burbuja. Adems, el carcterbipolar de sulfuro de hierro aumenta la repulsin de Coulomb de las burbujas de espumaindividuales para retrasar an ms el drenaje (fig. 1B).


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Figura 1B.

Figura 2


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Las partculas ms grandes mostradas en la microfotografa son agregados de sulfuro dehierro. Si el sulfuro de hierro se le permite concentrarse en la solucin, se puede formaragregados 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 travsde la torre. El aumento de la velocidad del vapor limita an ms el drenaje y mejora la

estabilidad de la espuma.

3. Segn los grficos mostrados (Fig 3 y 4A) explique y compare el

condicionamiento y la estabilidad de espuma para los diferentes tipos de

amina y comente sobre la variacin experimentada si existe la presencia de

hidrocarburos lquidos en la mezcla.

Las tensiones superficiales de las aminas comerciales se determinaron en diferentesconcentraciones. Los resultados se presentan en la Figura 3. La tensin superficial deMDEA es ligeramente inferior a la MEA y la DEA, pero los solventes formulados tienen

tensiones de superficie ms bajas que MEA y DEA. Las formulaciones deben conteneraditivos que disminuyen la tensin superficial. Estos aditivos comnmente hallados en losproductos formulados, incrementan la formacin y estabilidad de la espuma como es vistoen la Figura 4A.

Figura 3


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Figura 4 A

La tendencia de la formacin de espuma (Foam Height) y estabilidad de aminascomerciales (Break Time) fueron evaluados. Los resultados se presentan en la Figura 4A.Basndose en los resultados, las soluciones puras MEA, DEA y MDEA no forman espumade forma apreciable, y la pequea cantidad de espuma producida es inestable. Los dosformulados de disolventes MDEA tienen una mayor tendencia de formacin de espuma yproducen una espuma ms estable que la solucin de MDEA genrica.

La tendencia de la formacin de espuma y la estabilidad de la solucin de MEA no fue

significativamente diferente en la presencia de hidrocarburos lquidos, pero formul lasestabilidades de espuma de MDEA y MDEA aumentado significativamente. La adicin deuna pequea cantidad de cido orgnico de la muestra MDEA formulado ha mejoradotanto la tendencia de espuma y estabilidad de la espuma en varios rdenes de magnitud.

Segn las grficas se aprecia que las aminas puras tienen menor tendencia a formarespuma en las concentraciones recomendadas para cada una de estas. Adems seobserva que la MDEA tiene una baja tensin superficial lo cual le brinda una mayorresistencia a formar espumas pero cuando se la mezcla con solventes estos aumentan latendencia a formar espumas.

4. Cmo pueden ser clasificados los contaminantes en una planta de amina ycules son los ms comunes.

Soluciones puras de aminas no forman espuma estable. Con el fin de formar una espumaestable, algunos otros componentes deben estar presentes en la solucin de tratamiento.


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Hay dos categoras de contaminantes: los contaminantes que se aaden a la solucin ylos que se crean dentro de la solucin. Contaminantes adicionales incluyen hidrocarburoslquidos, los lquidos y el tratamiento, agentes antiespumantes, inhibidores de corrosin,las partculas y lubricantes en forma de aerosoles. Contaminantes creados dentro de lasolucin de tratamiento incluyen los productos de amina bsica y degradacin cida,

sulfuro de hierro y xidos de hierro (hidrxidos). Cada contaminante puede tener unimpacto sobre la tendencia de formacin de espuma y estabilidad de la espuma.

Los contaminantes que afectan a los procesos de absorcin con aminas puedenclasificarse en cinco categoras: Formacin de sales trmicamente estables (1),degradacin por sustancias qumicas (2), inyeccin de sustancias qumicas (3),hidrocarburos (4), partculas (6). Cualquiera de estos compuestos puede estar presente almismo tiempo en un sistema que trabaje con aminas, pero es su concentracin la quepuede hacer que pasen como insignificantes o ser limitantes si su concentracin eselevada.

1. Formacin de sales trmicamente estables (HSAS)Los aniones de cidos fuertes como el formiato, acetato, tiosulfato, tiocianato o el cloruroatacan a la molcula de amino para formar una sal que no son susceptibles de serregeneradas con la adicin de calor, por esto se denominan trmicamente estables.Sulfatos y tiosulfatos pueden formarse por la reaccin de oxgeno y H2S. No soloarrancan la molcula de amina disminuyendo la capacidad de absorcin de la disolucinsino que adems se consideran productos corrosivos. Muchas veces este trmino, queindica una sustancia formada indeseable, se utiliza para englobar todos loscontaminantes, mientras que en la realidad solo es uno de ellos y generalmente el menosofensivo.

2. Degradacin por sustancias qumicas

Los productos de degradacin son elementos contaminantes que derivan de ladescomposicin de la molcula de amina, a veces se trata de una degradacinirreversible ya que se forman especies totalmente diferentes. Un ejemplo de estosproductos son los derivados de la descomposicin de los derivados de la dietanol amina(DEA) cuando reacciona con COS u O2. La presencia de oxgeno en el gas cido que setrata produce una degradacin que da lugar a cidos orgnicos.

Tiene especial importancia en este tipo de degradacin las mezclas que componen losgases de salida de un proceso de combustin industrial CO, SOx, NOx, O2 y CO2.

3. Inyeccin de sustancias qumicas

Los inhibidores de corrosin y los antiespumantes pueden concentrarse en los sistemascon aminas. Estos productos controlan estos problemas de funcionamiento pero suinyeccin en el sistema puede provocar una acumulacin con el tiempo, unaconcentracin elevada de estos productos puede provocar el ensuciamiento y cambios en


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las propiedades fsicas del absorbente como viscosidad o capacidad de transferencia demasa.

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 adems que provocan la generacinde espumas. A altas temperaturas pueden modificar las propiedades fsicas de lasaminas.

5. Partculas

Las partculas que normalmente se puede encontrar en este tipo de sistemas son desulfuro de hierro, partculas de metal por la corrosin y partculas procedentes de losfiltros.

Cualquiera de estos compuestos puede estar presente al mismo tiempo en un sistema

que trabaje con aminas, pero es su concentracin la que puede hacer que pasen comoinsignificantes o ser limitantes si su concentracin es elevada.

A medida que el nivel de contaminantes aumenta y el contenido de aminas de la solucinse reduce debido a la degradacin, la capacidad de absorcin disminuye, para compensaresto puede aumentarse el caudal de circulacin de solucin absorbente, pero esto afectaa otras parte del proceso como son los intercambiadores o a las hidrodinmica de losequipos de transferencia. Otra alternativa es reducir el flujo de gas de proceso, aun ashay que compensar las prdidas de absorbente para no disponer de una solucin muycargada que aumenta los factores de corrosin en zonas de cambios de presin ytemperatura. Por lo general la presencia de contaminantes hace la amina ms viscosa,

generando ms espuma y reduciendo tasas de transferencia en absorbedor y stripper.

Cuando existe un contenido alto de partculas, la capacidad de formacin de espumasaumenta y puede dar lugar a incrustaciones en equipos de intercambio y equipos decontacto. Por otra parte, la formacin de espumas, se desarrolla con la presencia dehidrocarburos que modifican la tensin superficial del fluido.

Pueden darse diferentes tipos de corrosin en este tipo de instalaciones. Una de ellas espor desgaste cuando se trabaja con altos caudales de lquido. Otro tipo de corrosin seproduce por la formacin de sustancias corrosivas como complejos de hierro y cloruroscuyo efecto de acenta con los altos niveles de temperatura con los que se trabaja.

5. Emita sus propias conclusiones sobre el tema.

1. Las propiedades bsicas que hay que tener en cuenta en la formacin yestabilidad de la espuma son: Tensin Superficial, Viscosidad en la Superficie,Elasticidad de la pelcula y Capacidad de drenaje de la pelcula.


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2. Las aminas puras no forman espumas estables, y la calidad de espuma que sepueda formar depende de los contaminantes existentes en el proceso de ah laimportancia de evitar que existan ya que estos pueden alterar la calidad deespuma y causar mayores problemas en el proceso con aminas.

3. Un inhibidor de corrosin o un antiespumante mal escogido puede llegar a ser uncontaminante serio y promover la formacin y estabilidad de la espuma.

4. Hay dos categoras de contaminantes: los contaminantes que se aaden a lasolucin y los que se crean dentro de la solucin.

5. La estabilidad de la espuma depende de los contaminantes ya que estas son elresultado de los contaminantes que promueven la formacin de una capagelatinosa, aumentan la viscosidad de la superficie, e inhiben el drenaje.

6. Las soluciones MDEA y MDEA compuestas tienden a formar espumas muy

estables cuando estn contaminadas con pequeas cantidades de hidrocarburoslquidos y cidos orgnicos.

7. La formacin de espuma puede ser un gravsimo problema, es por eso que sedebe utilizar las concentraciones adecuadas de aminas y controlar loscontaminantes en la solucin ya que unos pueden resultar beneficiosos en bajascantidades y otros por mnima que sea su presencia pueden afectar o todo elsistema y causar graves problemas colaterales.

Fuentes:

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/vega_z_j/capitulo3.pdf

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

.pdf
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/vega_z_j/capitulo3.pdfhttp://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20214/fichero/9ap%EDtulo+8%252FCap%EDtulo8.pdfhttp://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20214/fichero/9ap%EDtulo+8%252FCap%EDtulo8.pdfhttp://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20214/fichero/9ap%EDtulo+8%252FCap%EDtulo8.pdfhttp://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20214/fichero/9ap%EDtulo+8%252FCap%EDtulo8.pdfhttp://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20214/fichero/9ap%EDtulo+8%252FCap%EDtulo8.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/vega_z_j/capitulo3.pdf

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