Absorción de Compuestos Aromáticos en el Proceso de Deshidratación con TEG

BTEX significa benceno, tolueno, etilbenceno y xileno, un grupo de compuestos que también pertenecen a una categoría mas amplia de Contaminantes Dañinos al Aire (HAP’s). El Beneceno es un cancerígeno reconocido, que igual se ha determinado causa trastornos sanguíneos, mas impactos al sistema central nervioso, y el sistema reproductivo. El Tolueno puede impactar el sistema reproductivo, y sistema central nervioso. Etilbenceno, y Xileno pueden tener efectos respiratorios, y neurológicos [1]. El BTEX se encuentra en las corrientes de gas natural, y se ve absorbido en las unidades de deshidratación por glicol, así como unidades de endulzamiento por aminas.

En los Estados Unidos emisiones HAP de las unidades de deshidratación con glicol, se regulan bajo el CFR, Parte 63, Subparte HH. Unidades de Glicol procesando mas que 3 MMscfd (0.85 106 Sm3 por diá), y conteniendo emisiones mayores a los 900 kgs. por año (1 ton por año) se les requieren el control de las emisiones HAP.

Este problema es unos que requiere atención cuidadosa en la fase de diseño. El propósito de este Previo del Mes , (PDM) es discutir los factores primarios afectando la absorción de los compuestos BTEX en los sistemas de deshidratación con glicol.

En el servicio de deshidratación, el Trietilén Glicol (TEG) absorbe cantidades limitadas del BTEX provenientes del gas. Basado en la data de la referencia [2], los niveles predichos de los componentes BTEX varía entre el 5-10% para el benceno, a un 20-30% para el etilbenceno y xileno. La Figura 18.18 en la referencia [2] indica los porcentajes aproximados de los compuestos BTEX como función del gasto de circulación del TEG, y temperatura del contactor a 6895 kPa (1000 lpca). La absorción se ve favorecida a temperaturas menores, presión mayor, e incremento de la concentración y gasto del TEG.

La mayor parte de los HAPs absorbidos serán venteados con el vapor de agua en el tope del regenerador. Las estrategias más comunes para la mitigación de las emisiones se ven en:
1) Condensar los vapores del tope del regenerador en un condensador parcial, y efectuar la combustión de los vapores remanentes. Estos vapores no condensados típicamente se dirigen a un incinerador, o si se usa un rehervidor de fuego directo, se incluye con el gas combustible de éste. Los hidrocarburos líquidos re recolectan y son dispuestos mediante un mezclado con un crudo o corriente de condensado.
2) Dirigir los vapores de descarga del regenerador a otra corriente de proceso de la facilidad. Ésta es típicamente una de baja presión tal como un vapor de equilibrio de la última etapa de una corriente de crudo o condensado proveniente de un sistema de estabilización.

En este PDM revisitaremos la Figura 18.18 de la referencia [2] la cual estima la absorción de los BTEX en los sistemas de deshidratación de glicol aplicando la data de equilibrio de vapor y líquido reportado en el Informe de Investigación del Gas Processors Association Research Report 131 (GPA RR 131) [3]. El objetivo de este PDM es reproducir diagramas similares que abarquen rangos mayores de presión y temperatura.

Primero verificamos la certeza del ProMax [4] y la ecuación de estado Peng Robinson [5] (PR EOS) del mismo conjunto de simulación para generar la data requerida. Finalmente, para agilizar el uso de dicha información los resultados generados se presentan en forma gráfica.

Verificación del Modelo Termodinámico:

Se efectuaron una serie de cómputos de equilibrio instantáneo (flash) se efectuaron para las presiones, temperaturas, y composición del gas sintético. Las mezclas tuvieron rangos de 20 a 1000 lpca (138 a 6895 kPa), y las temperaturas de rango entre 77 a 400°F (25 a 204°C). Estos rangos cubren las condiciones operativas normales del contactor, tanque de despojo, y regenerador en una planta de deshidratación por TEG. Las composiciones de las fases de de líquido (x) y vapor (y) de los cuatro componentes del BTEX se comparan con los valores experimentales y presentados en la Figura 1.

Figura 1. Comparación de los valores de las fracciones molares BTEX calculados por el ProMax, con los valores experimentales reportados por el GPA RR 131.

Resultados y Discusión:

Para el propósito de esta discusión, fue simulada una columna contactora con tres etapas teóricas y con la composición de alimentación indicada en la Tabla 1. La concentración de la corriente pobre del TEG fue 99.0 % de peso, y se asumió que la temperatura del TEG se establecía 5°F (2.8°C) por encima de la corriente alimentadora. Este gas de alimentación se encontraba saturado con agua a las condiciones de entrada. Para cada presión y temperatura del contactor, la relación de circulación TEG fue variada entre 1 a 7 galones US de TEG / lbm de agua removida (8.3 a 58.4 litros of TEG/kg de agua removido).

Tres temperaturas y tres presiones, cubriendo los rangos operativos típicos fueron estudiados. Las Figuras 2 al 5 presentan los resultados de simulación aplicando el ProMax. La absorción de los compuestos BTEX se grafica como función de temperatura, presión, y gasto de glicol.

Tabla 1. Composición del gas de Alimentación en base seca.

Figura 2. Absorción del benceno como función de temperatura, presión, y tasa de circulación.

En la Figura 2, la absorción del benceno se grafica como función de la relación de circulación (volumen líquido por volumen estándar del gas) para dos temperaturas (77 y 122 °F o 25 y 50 °C) mas dos presiones (500 y 1000 lpca o 3447 y 6895 kPa). La absorción incrementa con disminución de temperatura y aumento de la relación de circulación. El efecto de la presión sobre la absorción es mínima per se ve mar pronunciada a 500 lpca que a 100 lpca. La razón de mayor probabilidad para ello es que a presiones menores, el contenido de agua del gas de alimentación es mayor, y efecto del calor de absorción aumenta la temperatura de descarga, lo cual, a su vez disminuye la solubilidad del benceno en el TEG. Este efecto no será tan significativo a presiones mayores.

En el proceso de deshidratación, la unidad común para la relación de circulación se expresa en galones de TEG por libra de agua removida (litros de TEG por kg de agua removida). En las Figuras 3,4 y 5 las relaciones de circulación de las coordenadas x fueron cambiadas a estas unidades.

Las Figuras 3 al 5 pueden ser aplicadas para estimar la absorción de los compuestos BTEX en un sistema de deshidratación de glicol a una presión, temperatura, y tasa de circulación.

Datos experimentales de solubilidad para los compuestos BTEX en el TEG a presiones mayores que 1000 lpca (6895 kPa) no se presentan en la literatura. La Figura 5, que presenta la absorción de los BTEX a 1500 lpca (10344 kPa) no han sido validadas con data experimental. En adición, 1500 lpca (10344 kPa) es mayor que la cricondenbara del gas de alimentación aplicado en este estudio, y por ende cae dentro de la región de la fase densa. El comportamiento de la solubilidad de los componentes diluidos de vapor en solventes tales como el TEG pueden ser significativamente distintos en la fase densa; de manera que se debe ejercer cautela en la extrapolación estas correlaciones a mayor que 1000 lpca (6895 kPa).

Figura 3A. Absorción del benceno y tolueno en el TEG a 500 lpca (3447 kPa)

Figura 3B. Absorción del etilbenceno y o-xileno en el TEG a 500 lpca (3447 kPa)

Figura 4A. Absorción del benceno y tolueno en el TEG a 1000 lpca (6895 kPa)

Figura 4B. Absorción del etilbenceno y o-xileno en el TEG a 1000 lpca (6895 kPa)

Figura 5A. Absorción del benecno y toluene en el TEG a 1500 lpca (10342 kPa)

Figura 5B. Absorción del etilbenceno y o-xileno en el TEG a 1500 lpca (10342 kPa)

La Figura 6 indica el efecto de la presión sobre la absorción de cada componente BTEX a 95°F (35°C) con 0.2 US GPM TEG/MMPCSD del gas (1.6 m3/h TEG/106 Sm3/d del gas).

Comparación con el conjunto de computación (software) GRI-GLYCalc:

GRI-GLYCalc [6] es un conjunto de computación (software) fácil-de-usar que se utiliza extensamente por operadores para la estimación de las emisiones BTEX de las unidades de glicol. Éste es aceptado por la mayoría de las autoridades regulatorias. La Tabla 2 indica los resultados ProMax en este trabajo comparado con el GLYCalc para cada componente de los BTEX a tres condiciones operativas distintas.

Previo del Mes Procesamiento del Gas Junio 2011

Conclusiones:

Como es mostrado por la Figura 1, PR EDE (EOS) puede ser aplicada para estimar le EDP (VLE) de los compuestos BTEX en los sistemas de glicol.
En revisión de las Figuras 2 al 5, el lector puede concluir que la absorción de los compuesto BTEX disminuye mientras:
1. Aumenta la Temperatura
2. La Relación de Circulación disminuye.

Para las presiones entre 500 (3450 kPa) y 1000 psia (6895 kPa), el efecto de la presión sobre la absorción BTEX no es sustancial.

Desde un punto de vista operacional, minimizar la relación de circulación es la manera de mayor efectividad para disminuir la absorción de los compuestos BTEX. Esto igual minimiza la carga del rehervidor, y tamaño del patín de regeneración. Relaciones de circulación menores requieren mayores etapas teóricas en el contactor para cumplir las especificaciones de contenido de vapor de agua de descarga, pero el costo adicional de un contacto de mayor altura se compensa comúnmente por los ahorros en el conjunto de regeneración. Se debe ejercer cuidado en que la tasa de circulación sea lo suficiente para asegurar la distribución adecuada sobre el empaque. Vendedores de los empaques pueden proveer las guías sobre estas tasas de circulación.

En conclusión, se debe notar que en la operación de una unidad de deshidratación con glicol, el resultado final deseado es cumplir con las especificaciones del vapor de agua en el gas de descarga. e.i. 7 lbs H2O/MMPCSD (111 kg/106 Sm3). Cuando se aplican los gráficos en este PDM, distintos puntos operativos (T, P, y relación de circulación) producirán distintos contenidos de agua en la descarga. Asegúrense que los indicadores operativos que se aplican para el estimado de la absorción de los BTEX pueden también cumplir con sus condiciones de contenido de agua en la descarga.

Para informarse adicionalmente sobre casos similares y como minimizar los problemas operacionales, sugerimos su asistencia a los eventos de la John M. Campbell ; G4 (Gas Conditioning and Processing) and G5 (Gas Conditioning and Processing-Special).

La consultoría John M. Campbell (JMCC) puede proveer conocimientos termodinámicos en los proyectos de procesamiento de gas para asegurar que el modelo de proceso desarrollado es lo más certero posible. Para mayor información sobre los servicios ofrecidos por la Campbell, visite nuestra dirección en la Red al www.jmcampbellconsulting.com

By Mahmood Moshfeghian and Robert A Hubbard
Traducido al Español por: Frank E. Ashford

Figura 6. Impacto de la presión sobre la absorción BTEX a 95 F (35 C) y 0.2 US GPM TEG/MMSCFD de gas (1.6 m3/h TEG/106 Sm3/d de gas)

Tabla 2. Comparación de la absorción de los BTEX entre el GRI-GLYCalc y el ProMax a 1000 lpca (6,895 kPa), 99.0 % Peso TEG pobre, and 3 etapas teóricas

* galones de TEG/lbm de agua removida (litros TEG/kg agua removida)

Reference:
1. http://www.earthworksaction.org/BTEX.cfm, 2011.
2. Campbell, J. M. “Gas conditioning and processing, Volume 2: The Equipment Modules,” John M. Campbell and Company, Norman, Oklahoma, USA, 2001.
3. Ng, H. J., Chen, C. J., and Robinson, D.B.: RR-131, “The Solubility of Selected Aromatic Hydrocarbons in Triethylene Glycol,” Gas Processors Association (Dec. 1991).
4. ProMax 3.2, Bryan Research and Engineering, Inc, Bryan, Texas, 2011.
5. Peng, D. Y., and Robinson, D. B., Ind. Eng. Chem. Fundam., Vol. 15, p. 59, 1976.
6. GRI-GLYCalc 4.0, Gas Research Institute, Des Planes, Illinois, 2000