Pedro Vidal Cañizales BlancoIngeniero Civil – ECI

Colombia

Espuma: Un problema operacional indeseable

"Espuma" en plantas de amina y las consecuencias que produce su presencia

A manera de definición textual es válido definir que las espumas son dispersiones aire-líquido, constituidas por un conjunto de burbujas gaseosas separadas por películas delgadas de líquido.

La espuma se origina por cambios en las propiedades de la superficie. Cuando la tensión superficial es lo suficientemente pequeña, la solución puede crear una capa elástica muy delgada que puede encapsular una burbuja de gas y formar pequeñas gotitas de líquido. Los contaminantes químicos tienden a bajar esa tensión superficial, que hace crecer la tendencia a la formación de espuma.

Tras la formación de espumas, estas se convierten entonces en una reducción en la capacidad de la unidad para procesar el endulzamiento del gas y no alcanzar las especificaciones a la salida. Hay excesiva pérdida de amina por arrastre pues sucede que la espuma hace un tapón para el paso del gas, por lo que este aumenta su presión paulatinamente hasta que rompe con la espuma arrastrando a su paso amina.

Con la presencia de espumas la consecuencia principal es la disminución de la capacidad de producción de gas dulce de la planta por lo que se requiere bajar la carga de entrada a la misma y obviamente esto significa pérdida económica para la empresa por costo de oportunidad.

Para solucionar el problema una alternativa es el uso de antiespumantes los cuales se requieren en mayor proporción según el problema y a su vez son costosos es decir que incrementan el costo económico de producción de gas dulce; además de que a largo plazo terminan tapando los sistemas de filtración agravando así el problema y nuevamente incrementando costos tras el mantenimiento respectivo.

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Mecanismos de formación y estabilidad de espuma en los procesos de endulzamiento

Las causas de formación de espumas son varias: una agitación energética de líquido con el aire, la caída de un líquido desde cierta altura, el borboteo de aire u otro gas en el seno de un líquido, etc.

Una causa química puede ser el desarrollo de gas después de una reacción química o bioquímica como el óxido de carbono, ácido sulfídrico, metano.

A mayor temperatura la tensión superficial aumenta y en la condición crítica de mezcla se da el máximo de espumación.

La viscosidad de la superficie de la burbuja se incrementa con la presencia de productos corrosivos como FeS y Fe2O3, estabilizando (fortaleciendo) la espuma y formando un tapón para el libre paso del gas en la torre y equipo.

Una espuma estable tiene lugar en presencia de humectantes los cuales siempre están presentes en la torre y forman una capa alrededor de la burbuja reduciendo la tensión superficial entre la burbuja y el líquido. La burbuja asciende a la superficie donde se ha formado una capa de moléculas humectantes entre el líquido y el aire, entonces a su llegada se forma una doble capa estable entre la capa de la burbuja y la capa de la superficie. En la imagen 1 se ilustra la formación de burbujas en agua en la cual cuando la burbuja sube y aflora en la superficie del líquido tras su primer contacto con el aire se rompe debido a la falta de humectantes. Y se ilustra la formación de burbujas en el gas con presencia de humectantes los cuales cada vez la estabilizan incluso cuando aflora a la superficie.

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Imagen 1: estabilización de burbujas en presencia de humectantes.

Según los gráficos 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 variación experimentada si existe la presencia de hidrocarburos líquidos en la mezcla

Según los resultados experimentales mostrados en la figura 3 la Monoetanolamina (MEA) disminuyen en menor grado su tensión superficial respecto a las Dietanolamina (DEA) y N-Metildietanolamina (MDEA). Un caso más crítico se presenta en las MDEA’s formuladas (fórmula #1 y Fórmula #2), cuya tensión superficial es menor que las otras aminas. Lo que se podría concluir que las aminas primarias tienen menor tendencia a la formación de espuma que las aminas secundarias y terciarias.

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Consecuente con la primera gráfica, las aminas primarias, secundarias y terciarias no tienen una tendencia de formar espuma apreciable y su formación es además inestable.

Así como lo comprueba la siguiente gráfica que determina la tendencia y estabilidad de la espuma en las aminas:

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Al momento de introducir hidrocarburos líquidos a las soluciones, la tendencia de formación de espuma se ve un poco afectada (incremento), y la estabilidad de espuma si se incrementa drásticamente, lo que nos da una idea de las consecuencias de estas partículas en las soluciones de amina, aún en pequeñas proporciones: no solo aumenta su tendencia a la formación de espuma, sino que más crítico aun, las estabiliza.

Cómo pueden ser clasificados los contaminantes en una planta de amina y cuáles son los más comunes

Los contaminantes que afectan a los procesos de absorción con aminas pueden clasificarse en cinco categorías y 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: sales que no son susceptibles de ser regeneradas con la adición de calor. No solo arrancan la molécula de amina disminuyendo la capacidad de absorción de la disolución sino que además se consideran productos corrosivos.

2. Degradación por sustancias químicas: son elementos contaminantes que derivan de la descomposición de la molécula de

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amina, a veces se trata de una degradación irreversible ya que se forman especies totalmente diferentes. La presencia de oxígeno en el gas ácido que se trata produce una degradación que da lugar a ácidos orgánicos

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.

CONCLUSIONES

La formación de espumas es un problema de tipo físico y químico que tiene lugar en los procesos de endulzamiento del gas; en algunos procesos con más intensidad que otros dependiendo las calidades del gas a la entrada de la planta, la efectividad del proceso de deshidratación previo para garantizar la separación del gas de entrada para minimizar los hidrocarburos líquidos, sulfuros de hierro, partículas suspendidas y el tratamiento químico de los pozos.

La formación de espumas en el proceso de endulzamiento de gas genera discontinuidad en la operación o por lo menos demoras y

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sobrecostos de producción, ya que este se va a tornar más lento hasta logra deshacer las espumas, pues de lo contrario el gas saldrá contaminado nuevamente por probables perdidas de amina por el arrastre que podría causar la corriente del gas tratado y los daños corrosivos que esta (la amina) genera.

La espuma es un problema en el proceso de endulzamiento del gas como quiera que reduce la capacidad de la unidad para procesar, no alcanzar las especificaciones del gas de salida y excesiva pérdida de amina lo cual se traduce finalmente en pérdida económica del negocio.

Se debe mantener la temperatura de la Amina Pobre por lo menos 10°F por encima de la temperatura del gas de entrada para minimizar la condensación de hidrocarburos.

Un sistema bien mantenido de amina, con filtración apropiada, operación óptima de lechos de carbón activado y adecuado control de sales estables al calor, no debería presentar problemas con formación de espuma

Si bien existen los antiespumantes, estos vienen siendo una carga al problema de espumación pues estos no atacan su origen y obviamente interviene el alto costo económico de los mismos.