Análisis del Proceso de Ampollas de Hidrógeno en una Unidad de Fraccionamiento del LGN

Ampollas de hidrógeno es un tipo de falla inducida por el hidrógeno cuando los átomos de hidrógeno invaden hierros de baja fuerza de tracción, que poseen defectos macroscópicos, tales como la laminación. El defecto en el hierro (espacios vacíos) proporcionan lugares en donde se propicia la combinación de los átomos de hidrogeno, formando el H₂ molecular gaseoso que puede generan  suficiente presión para genera las ampollas. Las Ampollas de hidrógeno se presentan principalmente en ambientes agrios. No causa fallas de fragilidad, pero puede producir ruptura o fugas [1]. La descripción y mecanismos de la formación de ampollas de hidrógeno se pueden ubicar en la literatura [2]. La concentración del Sulfuro de Hidrógeno, temperatura y espesor del material afectan la formación de la ampollas del hidrógeno.

En este PDM consideraremos el efecto cuantitativo de la temperatura y fracción molar del sulfuro de hidrógeno causando el daño del hidrógeno en las unidades de fraccionamiento de una facilidad de Líquidos del Gas Natural (LGN) [3]. La unidad de fraccionamiento fue diseñada para procesar una banda ancha del LGN, el cual es un producto extraído de las unidades de producción de crudo, y esencialmente genera propano, butano, y gasolina natural. La alimentación del proceso se introduce en la unidad de fraccionamiento en donde el propano, butano, y gasolina se separan en tres columnas distintas. En la primera unidad, la cual es la desetanizadora, se separa el etano y productos más livianos de la corriente de entrada. En la segunda columna, una despropanizadora, se fracciona le propano, el cual se envía a un tratador de aminas para lograr el procesamiento adicional para cumplir con especificaciones del mercado. El fondo de la despropanizadora se envían a una tercera unidad, una desbutanizadora, en donde el butano se destila y es enviada a una unidad Merox para tratamiento adicional. El producto de fondo de la desbutanizadora, esencialmente gasolina, también son enviados para la Merox, así logrando el tratamiento requerido. Información adicional sobre el LGN se pude ubicar en la referencia [4].

Durante la actualización de esta planta de LGN, el equipo de inspección encontró que el acumulador de reflujo de la desetanizadora se había dañado debido al impacto de severas ampollas de hidrógeno en la carcasa, y plato de fondo, y el recipiente fue rechazado. Cuatro años después, durante una inspección de la planta, las secciones rectificadoras de las desetanizadoras, y despropanizadoras también se habían dañado por las ampollas de hidrogeno.

Para poder estudiar los efectos del sulfuro de hidrógeno, y temperatura cuantitativamente, y con mayor cercanía, tres columnas de destilación y una de fraccionamiento fueron simuladas. En esta simulación, la cual pudiese ser aplicada para entender a profundidad las causas del ataque del hidrógeno, los valores de temperatura y fracción molar del sulfuro de hidrógeno a través de la columna fueron determinados mediante un análisis numérico plato a plato.

Caso en Estudio:

La Planta LGN en operación se integra por fraccionamiento, tratamiento, secado, refrigeración, utilidades, almacenamiento, y facilidades de cargamento para procesar aproximadamente 57,700 barriles (9172 m³) de corte amplio del LGN por día. La carga para esta planta es esencialmente Gasolina Natural Liquida la cual es condensada del gas producido de campo, y productos de descarga de varias unidades de producción de crudo. El producto de corte amplio es procesado para producir propano, butano, y gasolina liviana (Producto de Pentanos y Mayores). La corriente alimentadora también contiene varias impurezas tales como el sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, y mercaptanos los cuales son removidos por el tratamiento de los productos después de fraccionamiento.

Como se presenciaron las ampollas de hidrógeno solo en la unidad de fraccionamiento, una breve descripción de esta unidad se presentan en la siguiente sección [3].

Un diagrama de flujo esquemático para esta unidad se presentan en la Figura 1. La fraccionadora de 40 platos recibe alimentación cruda de plantas del recuperación del LGN, y fracciona el etano y más livianos, así entregando un LGN esencialmente libre de libre del etano para la torre despropanizadora. La corriente hacia la desetanizadora se introduce entre las etapas 27, y 28 a 135°F and 362 lpcm (57.2 °C y 2497 kPam). El producto de fondo de la desetanizadora se somete al plato 22 de una columna despropanizadora de 45 etapas. El producto destilado, el cual es esencialmente propano, se envía a una unidad tratadora de aminas para el tratamiento adicional. El producto destilado de la desbutanizadora, el cual se integra por el producto neto butano, se envía a una unidad Merox para su tratamiento. El producto de fondo de la desbutanizadora (componentes de pentano y más pesados esencialmente libres de butano) también se envían a la unidad Merox para su procesamiento adicional.

Figura 1. Diagrama de Flujo de la Unidad de Fraccionamiento

La siguiente información fue suministrada para la simulación de la Unidad de Fraccionamiento:

1. Diagrama de flujo indicado en la Figura 1.
2. Condiciones y composición de la corriente de alimentación indicados en la Tabla 1
3. Especificaciones de la Columna como presentadas en la Tabla 2.

Otras especificaciones tales como el porcentaje deseado de recuperación de un componente en la corriente pudiesen haber sido aplicado en vez de la relación de reflujo, o relación de productos de fondo. En el curso de la simulación, se efectuaron cómputos de plato a plato para calcular temperatura, presión, composición de líquido y vapor, y el tráfico del líquido y vapor para cada etapa en la columna. Adicionalmente las tasas del destilado y producto de fondo, temperatura, presión, composición, y cargas del rehervidor, y condensador también fueron calculadas, así como la altura y diámetro de las columnas.

Para encaminar la simulación, Valores-K de Equilibrio de Fases, entalpías del líquido y vapor  fueron calculadas por la ecuación de estado Peng-Robinson [5]. En los cómputos plato a plato fue asumido que las etapas presentaban operación ideal ( 100% eficientes). La simulación fue lograda por el simulador UniSim [6].

Tabla 1. Composición, y Especificación  de la Alimentación

Tabla 2. Especificaciones de las Torres de Fraccionamiento

Resultados y Discusión:

Durante una simulación se genera una gran cantidad de información. Sin embargo, solo la información de interés a las ampollas de hidrógeno se presenta en lo siguiente. Para probar la validez de los resultados de simulación, las composiciones y condiciones de las corrientes claves se comparan con las suministradas por el autor del diseño de la planta [7], y se resumen en la Tabla 3. En la mayoría de los casos los resultados se comparan favorablemente. En adición, las cargas térmicas del condensador y rehervidor para cada columna se comparan con los diseños originales en la Tabla 4.  Esta comparación de los dos juegos de resultados indican una desviación de – 13.3 % para el rehervidor de la despropanizadora. Con la excepción del rehervidor de la desetanizadora, todos los diseños de cargas térmicas de intercambio de calor son mayores que aquellos obtenidos en esta simulación, lo cual, con certeza, es un escenario normal de seguridad en el diseño de plantas.

La Tabla 3 indica que le sulfuro de hidrógeno se fracciona en las primeras dos columnas, y no llega a la unidad desbutanizadora. Como la problemática de las ampollas de hidrógeno ocurrieron en las primeras dos columnas, solo estos resultados fueron analizados con cercanía. Para estudiar la variación en la composición del sulfuro de hidrógeno (en ambas fases de liquido y vapor) a través de cada columna, su composición se grafica como función del número de plato. Esto se muestra en la Figura 2 para la desetanizadora, y Figura 3 para la despropanizadora.

Tabla 3. Comparación de los resultados de simulación y datos de diseño para las corrientes de proceso despojadas de las torres de fraccionamiento

De forma similar, en la Figura 4, la variación de la temperatura entre estas dos torres se grafica como función del número de plato, y se puede observar que los perfiles de temperatura disminuyen suavemente de fondo hacia arriba con la excepción de la zona de alimentación, la cual se espera en una columna de destilación sin extracción lateral, o rehervidor/enfriador entre etapa.

La Figura 2 indica que la máxima fracción molar del sulfuro de hidrógeno ocurre en la etapa 11 en la sección rectificadora de la desetanizadora mientras que las ampollas de hidrógeno ocurrieron en la sección de arrastre. De manera que, otros factores tales como la temperatura deben estar influenciando el daño del hidrogeno. En la sección de arrastre en donde no ocurrió daño la temperatura se mantuvo mayor que en la sección rectificadora en donde se observó el daño de las ampollas. Otra región en donde se observó el daño fue la parte superior de la sección rectificadora de la despopanizadora. En esta sección de la columna, la fracción molar del sulfuro de hidrógeno se casi igual a la de la sección de arrastre de la despropanizadora; sin embargo, las temperaturas para estas dos secciones no son las mismas. El rango de temperaturas de la sección de arrastre de la desetanizadora es de 142° a 240°F (61.1 a 115.6°C), y para la región perturbada es de 142° a 134° F (61.1 a 56.6°C), etapas 44, 45, mas el condensador. Un vez más se puede observar como la temperatura impacta el proceso de formación de ampollas de hidrógeno. En este caso, el proceso de ampollas estaba ocurriendo a temperaturas menores. Los resultados de la simulación también indican que el dióxido de carbono no alcanza la desporpanizadora, y desbutanizadora.

Conclusiones:

Basados en los resultados de la simulación, y discusiones anteriores, las siguientes conclusiones se pueden arrojar:

1. Las ampollas de hidrógeno pueden ocurrir cuando se presenta el sulfuro de hidrógeno. En el caso considerado una mínima fracción molar de 0.002 para el sulfuro de hidrógeno causó daño del hidrógeno.
2. Con la presencia del sulfuro de hidrógeno, la temperatura es el factor predominante, promoviendo la formación de ampollas de hidrógeno, En el caso estudiado, una temperatura menor de 142°F (61.1°C) causó daño del hidrógeno. Mayores temperaturas arrojan el hidrógeno de las paredes hacia la atmosfera.

Probablemente existen otros factores que impactan el daño causado por el hidrógeno, tales como las micro estructuras del material, espesor de pared, presencia del CO₂, etc. Aun cuando estas simulaciones fueron basadas en un alimentación seca, la actual carga a la planta contenía vapor de agua.

Los resultados acá resumidos son consistentes con los reportados por el autor en 1985 [3]. En este trabajo original, la simulación fue efectuada por un paquete de simulación llamado el “Process Analisis System”(PAS) desarrollado por Erbar, y Maddox [8]. En esa ocasión los computadores se basaban en un sistema IBM 370 de armadura mayor en el Centro de Computación de la Universidad de Shirhaz. La ecuación de estado Soave-Redlich-Kwong [9] fue aplicada para este trabajo original.

Una falla de un intercambio de calor en la refinería Tesoro Anacortes fue identificada por la formación de ampollas de hidrógeno. Esta falla produjo el fallecimiento de siete trabajadores, y la refinería estuvo cerrada por seis meses para efectuar las reparaciones de los daños. Fue determinado  que la raíz de esta falla fue la formación de las ampollas de hidrógeno en el hierro del intercambiador de calor, lo cual resultó en ruptura. Estos tipos de invasión por el hidrógeno se pueden identificar durante las inspecciones programadas. Si existe alguna preocupación que las condiciones son conducivas a la producción de las citadas ampollas, se puede aplicar una sonda de parcho de hidrógeno para cuantificar la actividad dentro de los metales. Si la actividad del hidrógeno se identifica dentro del metal, esto pudiese justificar la acción de efectuar pruebas adicionales para determinas si existe la presencia de algunas ranuras internas.

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By: Dr. Mahmood Moshfeghian

Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford

Reference:

1. http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=hydrogen%20blistering
2. Mostert, R., and Sharp, W.R., “Low Temperature Hydrogen Damage Assessment in the Gas and Refining Industries,” 3^rd Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition – Bahrain, Manama, 27-30 Nov 2005.
3. Moshfeghian, M., “Hydrogen damage (Blistering) case study: Mahshahr NGL Plant”, Iranian J. of Science & Technology, Vol 11, No.1, 1985.
4. Campbell, J. M., “Gas Conditioning and Processing”, Vol. 2, The Equipment Module, 8^th Ed., Second Printing, J. M. Campbell and Company, Norman, Oklahoma, 2002
5. Peng, D. Y. and Robinson, D. B., I. and E. C. Fund, Vol. 15, p. 59, 1976.
6. UniSim Design R390.1, Honeywell International, Inc., Calgary, Canada, 2010.
7. Parsons, R. M., NGL Fractionation Facilities, Operation Manual Bandar Mahshahr, The Ralph M. Parsons Company U. K. Ltd.
8. Erbar, J. H., and Maddox, R. N., Process Analysis System, Documentation, Oklahoma State University, Stillwater OK., 1978.
9. Soave, G., Chem. Eng. Sci. Vol. 27, No. 6, p. 1197, 1972.