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Revista INGENIERÍA UC

ISSN: 1316-6832

[email protected]

Universidad de Carabobo

Venezuela

Vásquez L., Wislenny S.; Vásquez L., Wisnelklys F.; Hernández, Carlos E.; Niño R., Zulay

M.

Diseño de un sistema de filtración para soluciones de amina usadas en lavado de CO2 en

plantas de amoníaco

Revista INGENIERÍA UC, vol. 23, núm. 3, diciembre, 2016, pp. 327-340

Universidad de Carabobo

Carabobo, Venezuela

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Revista Ingenierıa UC, Vol. 23, No. 3, diciembre 2016 327 - 340

Design of a filtration system for amine solutions used in washing CO2 inammonia plants

Wislenny S. Vasquez L.a, Wisnelklys F. Vasquez L.a, Carlos E. Hernandez∗,a, Zulay M. Nino R.b

aEscuela de Ingenierıa Quımica, Facultad de Ingenierıa, Universidad de Carabobo, Valencia, Venezuela.bDepartamento de Investigacion, Universidad Estatal de Bolıvar, Guaranda, Ecuador.

Abstract.-

Removal processes carbon dioxide (CO2) using alkanolamines bring many problems, especially the production ofpollutants in the form of suspended solids. That is why the aim of this work is to design a filtration system thatallows reduce the burden of contaminants in the amine solution. To set the technological proposals was necessary tocharacterize the size of the solids present by an optical microscopy analysis and through software ImagenJ additionto determining total solids, salts thermostable, chromium, iron and nickel, in the amine solution four different pointsof the process. By applying mass balances, correlations and design criteria for sizing of selected technologies itwas made. a cartridge filter made of polypropylene, followed by one activated carbon diameter of 3.6 m and 10.7m, which is projected a substantial reduction of contamination of the amine. This work establishes the basis forevaluation and design of a filtration system that can be used in similar processes in any ammonia production plantin the world, providing a novel solution to this problem.

Keywords: contamination; amine solution; filtration; suspended solids

Diseno de un sistema de filtracion para soluciones de amina usadas en ellavado de CO2 en plantas de amonıaco

Resumen.-

Los procesos de remocion de dioxido de carbono (CO2) empleando alcanolaminas traen consigo multiplesproblemas, destacando la produccion de contaminantes en forma de solidos suspendidos. Es por ello que el objetivode este trabajo es disenar un sistema de filtracion que permita disminuir la carga de contaminantes presentesen la solucion de amina. Para establecer las propuestas tecnologicas fue necesario caracterizar el tamano de lossolidos presentes por medio de un analisis de microscopia optica y a traves del software ImagenJ, ademas dedeterminar solidos totales, sales termoestables, cromo, hierro y nıquel, en la solucion de amina de cuatro puntosdiferentes del proceso. Mediante la aplicacion de balances de masa, correlaciones y criterios de diseno se realizo eldimensionamiento de las tecnologıas seleccionadas. Se selecciono un filtro de cartucho de polipropileno, seguidode uno de carbon activado de 3,6 m de diametro y 10,7 m de altura, con lo que se preve una reduccion sustancialde la contaminacion de la amina. Este trabajo establece las bases de evaluacion y diseno de un sistema de filtracionque puede ser usado en procesos similares en cualquier planta de produccion de amonıaco en el mundo, aportandouna solucion novedosa a esta problematica.

Palabras clave: contaminacion; solucion de amina; filtracion; solidos suspendidos

Recibido: junio 2016Aceptado: agosto 2016

∗Autor para correspondenciaCorreo-e: [email protected] (Carlos E.

Hernandez )

1. Introduccion

En la filtracion, las partıculas suspendidas enun fluido, ya sea lıquido o gas, se separanmecanica o fısicamente usando un medio poroso

Revista Ingenierıa UC, ISSN: 1316–6832, Facultad de Ingenierıa, Universidad de Carabobo.

mailto:[email protected]



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que retiene las partıculas en forma de fase separadaque permite el paso del filtrado sin solidos.Las partıculas solidas suspendidas pueden sermuy finas (del orden de micrometros) o bastantegrandes, muy rıgidas o plasticas, esfericas ode forma muy irregular, agregados o partıculasindividuales. El producto valioso puede ser elfiltrado sin solidos o la torta solida [1].

La utilizacion de procesos regenerativos em-pleando alcanolaminas para la eliminacion dedioxido de carbono data de los anos 30. Laseccion de lavado de CO2 es la encargada deextraer el dioxido de carbono que se encuentra enla corriente de gas convertido. La remocion delCO2 se logra al poner en contacto la corrientede gas con una solucion de metildietanolaminaactivada (aMDEA®), normalmente al 40 % enpeso. El proceso comienza cuando la corriente degas natural se introduce en una torre de absorcion,donde se pone en contacto a contracorriente conuna solucion de alcanolamina con el fin de reducirel contenido de CO2 en la corriente. Luego, laamina cargada con CO2 es enviada a una torredespojadora y por medio de una despresurizacion,se regenera y vuelve al sistema de recirculacion.

Desde sus comienzos, se reconocio que laremocion de este gas trae consigo problemasde corrosion. Estos problemas no son causadospor la amina en sı, sino por el contenido degas acido que ella ha absorbido, produciendocontaminantes en forma de solidos suspendidoscomo el oxido de hierro (Fe2O3). Aunado a esto, laamina produce sales estables al calor y productosde degradacion. Todo esto trae como consecuenciauna excesiva formacion de espuma, disminucionde la capacidad de absorcion de la amina y perdidade la misma.

Los componentes principales para cualquierproceso de lavado de CO2 son una torre deabsorcion de CO2, una torre de despojamientode CO2, intercambiadores de calor y los sistemasde bombeo para la circulacion de la corrientede aMDEA®. En el proceso en estudio se haencontrado que los filtros de estos equipos se hanvisto seriamente afectados por las excesivas cargasde solidos en la amina, ocasionando taponamientoy por consiguiente grandes caıdas de presion en los

equipos. La presion de succion de las bombas, haalcanzado el valor de 0,6 kg/cm2 muy por debajodel valor recomendado de operacion optima de1,617 kg/cm2 [2]. La seccion de lavado de CO2

ha estado gravemente comprometida por la bajasuccion a la entrada de las bombas, limitando laseccion por problemas de bajo flujo de aMDEA®,llegando a operar a una carga de 50 % en algunasocasiones. Ademas, ha causado frecuentes paradasde planta no programadas.

Engel y Pereira [3] publicaron un artıculoreferente al control de la contaminacion en uni-dades de aminas y TGT (tratamiento de gas decola), donde expusieron que las tecnologıas deseparacion para la eliminacion de contaminantessirven como la unica lınea de defensa parapermitir que las unidades de tratamiento de aminasoperen con una ejecucion estable y con unmayor rango de tolerancia a las perturbacionesy cambios propios del proceso. Senalaron losproblemas que frecuentemente se presentan en lasunidades de tratamiento con aminas, los cualesson: incrustaciones (deposiciones), la corrosion,la formacion de sales estables al calor, productosde la degradacion de la amina y la formacion deespuma, analizando de forma concisa cada caso yexplicando los efectos que traen consigo cada unode ellos al estar presente en el proceso.

Es por ello que las unidades de amina que inte-gran estos procesos a nivel mundial deben poseerun sistema de filtracion que permita eliminar loscontaminantes del sistema. Algunos sistemas defiltracion consisten en filtros de partıculas queremueven los solidos y filtros de carbon activadoque remueven contaminantes quımicos solublesen la amina. La importancia de la filtracion sedebe a que los contaminantes solidos y lıquidosque se encuentran en la amina pueden provocarproblemas operativos y de mantenimiento en lasunidades de tratamiento y equipos, aumentandolos costos operativos y de mantenimiento, re-duciendo la capacidad de produccion e incre-mentado las fallas de los equipos que puedenafectar significativamente la productividad. Estosproblemas se pueden resolver mediante el uso detecnologıas de filtracion y separaciones eficaces,confiables y aplicadas correctamente. Es por ello


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que el objetivo de esta investigacion consisteen el diseno de un sistema de filtracion quepermita disminuir significativamente la carga decontaminantes presentes en la solucion de amina

2. Aspectos teoricos

El CO2 es un subproducto de muchos procesosindustriales: produccion de amonıaco sintetico,produccion de hidrogeno, fermentacion y sıntesisde ciertos productos quımicos con presencia demonoxido de carbono. Sus aplicaciones son mu-chas y muy variadas, y se pueden diferenciar segunel estado en que se encuentra el gas [4]. El CO2

es relativamente soluble, se hidroliza formandoiones bicarbonato y carbonato, en funcion delpH del agua. Un exceso de CO2 hace el aguacorrosiva, factor importante en las lıneas de vapory condensados [5].

Las aminas son derivados del amonıaco en losque uno, dos o los tres atomos de hidrogeno han si-do sustituidos por radicales alcohılo o arilo [6]. Lassoluciones acuosas de alcanolaminas primarias,secundarias y ternarias se utilizan ampliamentecomo solventes quımicos en la separacion de gasesacidos (CO2 y H2S), en procesos reversibles deabsorcion y regeneracion. Esto se debe a su altareactividad y a su disponibilidad a bajo costo [4].Toda alcanolamina tiene por lo menos en suestructura un grupo oxidrilo y un grupo amino,el oxidrilo sirve para reducir la presion de vapore incrementar la solubilidad y el grupo aminoproporciona la alcalinidad necesaria en agua parapromover la reaccion de estas con gases acidos.Las alcanolaminas consideradas para la remociondel CO2 son: monoetanolanima (MEA), dieta-nolamina (DEA), metildietanolamina (MDEA),diisopropanolamina (DIPA), diglicolamina (DGA)y trietanolamina (TEA) [7].

La filtracion es un metodo de separacion en elque las partıculas suspendidas en un fluido, ya sealıquido o gas, se separan mecanica o fısicamenteusando un medio poroso que retiene las partıculasen forma de fase separada que permite el pasodel filtrado sin solidos. Las partıculas solidassuspendidas pueden ser muy finas (del orden demicrometros) o bastante grandes, muy rıgidas o

plasticas, esfericas o de forma muy irregular,agregados o partıculas individuales. El productovalioso puede ser el filtrado sin solidos o latorta solida. En algunos casos, se requiere unaeliminacion completa de las partıculas solidasy en otros, basta con una eliminacion parcial.La alimentacion o suspension de entrada puedecontener una gran carga de partıculas solidas ouna proporcion baja [1]. Comunmente, para eltratamiento de soluciones de aminas, se empleauna combinacion de filtros mecanicos y filtros delecho profundo. Generalmente, se utilizan filtrosde cartuchos y filtros con el medio filtrantede carbon activado [8]. Los filtros de cartuchose utilizan en una multitud de aplicaciones defiltracion de solidos–lıquidos que van desde lasoperaciones a escala de laboratorio hasta losflujos industriales por encima de 5000 gpm.Las configuraciones mas comunes consisten enuna serie de discos de metal delgadas que vandesde 3 a 10 pulgadas de diametro, situado enuna pila vertical con espacios uniformes muyestrechos entre ellos. Los discos estan soportadossobre un eje hueco vertical, y encajan en unacarcasa cilındrica cerrada. El lıquido se alimentaen la carcasa a presion, de donde fluye haciael interior entre los discos de aberturas en eleje central y hacia fuera a traves de la partesuperior de la carcasa. Las partıculas solidas soncapturadas entre los discos y permanecen en elsoporte de filtro. Los solidos acumulados se retiranperiodicamente del cartucho.

En relacion a la tematica del estudio aquıpresentado, como antecedente se puede mencionarel trabajo de San Martın [9], donde realizoestudios de corrosion y degradacion de mo-noetanolamina en planta productora de dioxidode carbono, donde determino los factores quepueden estar provocando dichos problemas y unavez detectados estos puntos crıticos propuso lamejora del proceso productivo pudiendo concluirque el principal foco de corrosion se debe ala metalurgia de la planta en las instalacionesdonde circula la solucion de amina cargada condioxido de carbono, principalmente en la torre dedespojamiento. Ademas, concluyo que la perdidaen la concentracion de amina se debe a una



degradacion oxidativa de esta, en la que el hierroproducto de la corrosion actua como catalizadordegradando la amina. Por otra parte, los productosde degradacion tambien contribuyen a aumentarla corrosion en el sistema y a la degradacionde la amina, generandose un ciclo entre ambosproblemas. El autor recomienda el uso de aceroinoxidable en el diseno de las torres, lo que lashace mas resistente a la corrosion que el acero alcarbono y la utilizacion de un proceso de filtracionmecanica para toda la solucion amina, con lafinalidad de retirar solidos producto de la corrosionque puedan estar presentes.

Gomez [10] realizo la propuesta de un disenoconceptual del sistema de filtracion para el trata-miento con dietanolamina (DEA) del GLP prove-niente de la unidad de ruptura catalıtica (URC)en la gerencia de Complejo Barrancabermeja, enla cual evaluo primero el sistema de filtracion delcomplejo mediante un estudio hidraulico, analisisde laboratorio, consulta a proveedores de filtrosy revision de las mejores practicas de aminaplanteadas por la empresa Shell Global Solutions.Determino que el sistema no es adecuado porquelos medios filtrantes son de carton y estos colapsanaportando contaminantes a la solucion, ademaspresentan una saturacion muy rapida y cada mesdebe realizarse el cambio de los medios filtrantescuando deben durar entre 3 y 4 meses. Para elnuevo sistema propuso una combinacion de dosfiltros mecanicos para la retencion de partıculassolidas y un filtro de carbon activado para laremocion de contaminantes como hidrocarburos,aceites, inhibidores de corrosion, antiespumantey productos de degradacion de la amina. En estapropuesta el polipropileno serıa el material masadecuado para la filtracion de DEA por su altaresistencia superficial y alta resistencia quımica ala humedad y al calor sin deformarse.

Perez [11] realizo una evaluacion de la seccionde lavado de CO2 de la planta de amonıaco600 TMD del Complejo Petroquımico en Moron,en el cual establecio posibles alternativas desolucion a las causas de los problemas opera-cionales encontrados en la planta, ası como laseleccion de la alternativa mas viable, de acuerdoa los criterios tecnicos y economicos desarrollados

para la misma. Se realizo con la finalidad deevitar fluctuaciones en la composicion de CO2

en la corriente de gas de proceso a la salidade las torres y con ello operar a condicionesestables con una composicion de CO2 dentrode especificacion. Para realizar la evaluacion fuenecesaria la simulacion mediante HYSYS 3.1 dela seccion a diferentes condiciones de operaciony la realizacion de los balances de materia yenergıa en todos los equipos que la conforman.Finalmente, determino los errores de los valoresde las variables de operacion con respecto a lasde diseno. Entre los resultados mas relevantes queobtuvo fue la composicion de CO2 a la salida dela seccion de 7,12 %, siendo la de diseno de 6,9 %.De acuerdo a la matriz de seleccion, la alternativamas viable es el cambio de amina. Recomendoel cambio de la solucion al 30 % peso de MEApor una solucion al 50 % peso de DGA por causaresta un menor problema de corrosion y con ellodisminuir el ensuciamiento.

3. Metodologıa

3.1. Proceso productivo donde se realizo el estu-dio y caracterizacion de la amina

El estudio se realizo en la planta de amonıacoII de capacidad 1800 TMD del Complejo Pe-troquımico Moron que se encuentra ubicado enel municipio Juan Jose Mora, estado Carabobo,Venezuela. Para estudiar el comportamiento dela solucion de amina, se tomaron muestras encuatro puntos distintos de la corriente de metil-dietanolamina (aMDEA®), los cuales fueron: ala salida de la torre despojadora de CO2 en lacorriente de amina pobre, a la salida de la torrede absorcion en la corriente de la amina rica yen la succion de las bombas de la corriente deamina semipobre y pobre. Las muestras fueronrecolectadas cuando la seccion de lavado deCO2 se encontraba en condiciones estables atraves de los puntos de muestreos contenidosen cada tuberıa, tomando 1 litro de muestraen la manana y en la tarde durante 5 dıas,en envases de polietileno previamente curados.Luego, las muestras correspondientes a un mismo



punto se homogenizaron para obtener una muestrarepresentativa de la solucion de amina.

A cada una de las muestras se le realizo unaserie de analisis para determinar la concentracionde aMDEA®, mediante tecnicas de valoracionacido–base segun norma ASTM E-200 [12]. Laconcentracion de CO2 mediante tecnicas de va-loracion potenciometrica para las muestras deamina pobre y de calcimetrıa para la solucion deamina rica y semipobre. La cantidad de solidostotales en suspension se determino por diferenciade masa, al filtrar 100 mL de la muestra atraves de un papel de filtro de fibra de vidrio,previamente pesado. Luego se seco el filtro en laestufa a 105 °C durante una hora, se enfrıo en eldesecador para equilibrar la temperatura y pesonuevamente [13]. El porcentaje de hierro, nıquel ycromo a traves de espectrofotometrıa de absorcionatomica donde se construyo la curva de calibracionde la absorbancia en funcion de la concentracion yse leyo directamente la absorbancia en el equiposiguiendo norma ASTM D–1068 [14].

El porcentaje de sales termoestables fue de-terminado por tecnicas de volumetrıa, donde setomo 500 mL de la muestra con un cilindrograduado, se transfirio a un balon de destilacion yse sometio a reflujo en una manta electrica durante12 horas, para liberar todo el contenido de CO2

y regenerar la muestra. Simultaneamente con elreflujo, se aplico a la muestra arrastre con gasnitrogeno. En un vaso de precipitados de 250 mLse coloco 100,00 mL de metanol grado tecnico,medidos con un cilindro graduado y una barraimantada. El pH del alcohol fue ajustado a 11,2con solucion de NaOH 0,5 N, usando un pHmetroy agitando simultaneamente mediante una planchade agitacion magnetica. Luego se procedio a pesaraproximadamente 50,0 g de la muestra regenerada(blanco) y se transfirio al vaso de precipitados quecontenıa el metanol. La solucion se titulo hastapH 11,2 con solucion de NaOH 0,5 N y se aplicola ecuacion correspondiente [15].

Por ultimo, el analisis de la formacion espumase realizo utilizando un difusor de piedra esferica.El cual se introdujo en el cilindro graduado de500 mL que contenıa previamente 150 mL desolucion de amina libre de CO2. Se hizo burbujear

un flujo constante de aire de 9 L/min a traves deldifusor por 5 minutos. Se registro el valor en mLque se lee en la escala del cilindro graduado a laaltura del nivel superior de la espuma [2].

3.2. Tamano de partıculas presentes en la solu-cion de aMDEA® en la seccion de lavado deCO2

El tamano de las partıculas suspendidas con-tenidas en la solucion de amina se determinohaciendo uso de un microscopico optico marcaLabophot–2. La prueba se realizo a las muestrassenaladas anteriormente. Se empleo una camarade Neubauer y se coloco con la solucion en labandeja del microscopio, se enfoco este hastaque se pudo observar con mayor claridad laspartıculas en suspension a traves del binocular yse ajusto la imagen para acercamientos de 100x.Posteriormente, las imagenes fueron analizadasmediante un programa de procesamiento de ima-gen digital denominado ImagenJ, obteniendo apartir del mismo, el diametro, area, perımetro y lacantidad de partıculas en un volumen determinado.Este procesador utiliza la herramienta diametro deFeret para el calculo de un diametro mınimo yun diametro maximo de la partıcula. El programarealizo el conteo de forma automatica enumerandoy etiquetando cada partıcula con su respectivodiametro. Finalmente, se determino el porcentajede distribucion del tamano de los solidos, paralo cual se hizo una clasificacion en funcion deldiametro de las partıculas [16].

3.3. Propuestas tecnologicas para el filtrado de lasolucion de aMDEA®

Para el establecimiento las posibles tecnologıasse siguio la guıa de equipos de separacion desolidos de Svarovsky [17] que se muestra enla Figura 1. Para seleccionar la propuesta masadecuada se aplico el metodo de multicriteriosdenominado Proceso Analıtico de Jerarquizacion(AHP, por sus siglas en ingles). Este metodose empleo en la realizacion de una matriz deseleccion de comparaciones apareadas para elegirel equipo de separacion mecanica adecuado para eltratamiento de los solidos suspendidos contenidosen la solucion de amina. En primer lugar, se



Figura 1: Guıa de seleccion de equipos de separacion de solidos en funcion del tamano de partıculas

definieron los criterios de seleccion general yespecıficos relevantes en el proceso, jerarquizandocada uno de ellos. Para fijar los criterios, setomo en cuenta todas aquellas consideraciones queabarcan o tienen incidencia sobre los aspectoseconomicos, ambientales, de seguridad, tecnicos,operacionales y de mantenimiento que guardanrelacion con la tecnologıa y el proceso de fil-tracion. Los criterios considerados fueron: costode mantenimiento, costo de los filtros mecanicos,forma de lavado, efectividad de remocion de lossolidos, consumo de energıa, requerimientos delespacio fısico y caıda de presion de los filtros.

Los puntajes de los criterios y las tecnologıas seestimaron por medio de comparaciones apareadasentre ellos. La comparacion se realizo en unaescala donde los valores de los puntajes seasignaron usando la tabla propuesta por Saaty [18].La escala de valores de comparacion de Saaty [18]asigna una calificacion numerica del 1 al 9 alplanteamiento verbal de la preferencia, que vadesde igualmente preferible hasta extremadamentepreferible. Para jerarquizar los criterios de selec-cion, se analizaron los objetivos del proyecto ydel proceso y de acuerdo a eso se establecio cualde los criterios generales y especıficos es el masimportante en la seleccion de la tecnologıa, cual esel segundo mas importante y ası sucesivamente.

Las comparaciones apareadas son una formade asignar puntajes a los criterios de maneraque los puntajes expresen el nivel de relevanciaque un criterio tiene con respecto a otro. Paraefectuar las comparaciones apareadas se procedio

a seleccionar dos criterios (el criterio i y el criterioj) y se le asigno un puntaje al criterio i conrespecto al criterio j de acuerdo a la tabla deSaaty. Luego se compararon todos los criterios, seobtuvo la matriz de la Ecuacion (1) senalada porSaaty [18].

C =

C11 C12 · · · · · · · · · C1n

C21 C22 · · · · · · · · · C2n...

...... Ci j

......

Cn1 Cn2 · · · · · · · · · Cnn

, (1)

donde:C: matriz de comparaciones apareadas de loscriterios de seleccion.n: numero de criterios de seleccion.Ci j: puntajes del criterio i respecto al criterio j.

Una vez que se obtuvo la matriz C, se procedio acalcular los puntajes de los criterios siguiendo lospasos segun Saaty [18]

1. Se sumaron todos los valores en cada colum-na de la matriz C mediante la Ecuacion (2)

C j =

n∑i=1

Ci j ∀ j. (2)

2. Se genero la matriz auxiliar C barra ( C)en donde cada elemento fue el resultado dedividir cada uno de los Ci j de la matriz Centre el correspondiente valor C j calculado enel paso 1.

C =(Ci j

)n×n

=

(Ci j

C j

)n×n

. (3)



3. Se sumaron todos los elementos de cadafila de la matriz auxiliar por medio de laEcuacion (4).

Ci =

n∑j=1

Ci j ∀i. (4)

4. El Ci ası obtenido en cada fila se dividioentre el numero de criterios (n) para obtenerel puntaje de cada uno de los criterios (pci)y generar el vector de puntajes pc, segun laEcuacion(5)

pc =

pc1

pc2...

pcn

=

C1n

C2n...

Cnn

. (5)

Posteriormente, se calculo la razon de consis-tencia (RC), que se expresa como el cociente entreel ındice de consistencia (IC) de la matriz y elındice de consistencia aleatorio (IA), para lo cualse siguieron los pasos propuestos por Saaty [18]

1. Se multiplico la matriz C con el vector pc,generando el vector CP, Ecuacion (6).

CP =

CP1

CP2...

CPn

= C · pc. (6)

2. Se genero un segundo vector CP2, dividiendocada valor del vector CP entre el valor delpuntaje de prioridad del criterio correspon-diente.

CP2 =

CP1/pc1CP2/pc2

...CPn/pcn

=

CP21

CP22...

CP2n

. (7)

3. Luego, se realizo el promedio de los valoresdel vector CP2, el cual representa γmax.

4. Con γmax y la Ecuacion (8), el valor de IC esobtenido

IC =γmax − n

n − 1. (8)

donde γmax es el maximo autovalor de C.

5. Luego, se calculo el valor de IA mediante laEcuacion 9.

IA =1, 98(n − 2)

n(9) . (9)

6. Finalmente, se obtuvo el la razon de consis-tencia (RC), mediante la Ecuacion 10.

RC =ICIA. (10)

Seguidamente, se procedio a identificar cadauna de las tecnologıas que aplican para el proceso.Una vez fueron identificadas las tecnologıas, sesiguio de forma similar a como se hizo paraobtener el puntaje de los criterios, es decir: seasignaron los puntajes de las tecnologıas conrespecto a cada criterio, se construyo la matriz delas comparaciones apareadas de las tecnologıas,se calculo y verifico la relacion de consistencia,se construyo la matriz auxiliar de las tecnologıasy se calcularon los puntajes de cada tecnologıacon respecto a cada criterio. Luego, se procedioa la asignacion de los puntajes globales a cadatecnologıa.

Para cada una de las matrices de comparacionesapareadas de las tecnologıas se genero un vector depuntajes. Por ejemplo, para el criterio k, se obtienela matriz de la Ecuacion (11) de comparacionesapareadas (esto, segun fue explicado anteriormen-te para los criterios, por lo que se obtiene unamatriz T similar a la matriz C.

Tk =

t11

t21...

tn1

t12

t22...

tn2

· · ·

· · ·

Ci j

· · ·

t1m

t2m...

tmm

. (11)

Luego, se construyo el vector de puntajesPk asociados a la matriz Tk, reflejando en laEcuacion (12).

Pk =(ptk1 ptk2 · · · ptki · · · ptkm

). (12)

De la misma manera se obtuvieron los nvectores Pk y se concatenaron en una sola matrizen la que se representaron los puntajes de las



Tabla 1: Modelos matematicos empleados en el dimensionamiento del sistema de filtracion

Nº Ecuacion Leyenda

1 VAM = MAMρAM

[19]MAM: flujo masico de la solucion de amina, kg/h.ρAM: densidad de la solucion de amina, kg/m3.VAM: flujo volumetrico de la solucion de amina, m3/h.

2 VAM,S F =n.VAM

100VAM,S F : flujo volumetrico de la amina en el sistema de filtracion, m3/h.n: valor de flujo volumetrico recomendado para el sistema de filtracion, %.

3 NCART =VAM,S F

VCART

VCART : flujo volumetrico que maneja el cartucho, m3/h.NCART : numero de cartuchos del filtro mecanico, adim.

4 AtFCA =VAM,S F

Qh [20]Qh: carga hidraulica, m3/m2 h.AtFCA: area transversal de la columna del filtro de carbon activado, m2.

5 DFCA =

√4.AtFCA

π[19] DFCA: diametro de la columna del filtro de carbon activado, m.

6 ZCA = n.DFCA [21]ZCA: altura del lecho de carbon activo dentro del filtro, m.n: parametro asociado a la altura del lecho de carbon activado, adim

7 HFCA = ZCA + E.ZCA [22]HFCA: altura del filtro de carbon activado, m.E: de expansion del carbon activado, %.

8 VCA = AtFCA.ZCA [19] VCA: volumen de carbon activado requerido, m3.

9 MCA = ρCA.VCA [23]MCA: masa de carbon activado, kg.ρCA: densidad del carbon activado, kg/ m3.VFCA: volumen del filtro de carbon activado, m3.

10 VFCA = AtFCA.HFCA [19]

tecnologıas con respecto a cada uno de los criteriosde seleccion,

P =

pt11pt21...

ptn1

pt12pt22...

ptn2

· · ·

· · ·

ptk j· · ·

pt1mpt2m...

ptmm

. (13)

Luego, se procedio a multiplicar la matriz P porel vector de prioridades, se procedio a generar elvector PG en donde cada elemento fue el resultadode multiplicar la matriz de los puntajes de lastecnologıas por el vector de puntajes de los criterio(pci), reflejandose en la Ecuacion (14).

PG =

pt11pt21...

ptn1

pt12pt22...

ptn2

· · ·

· · ·

ptk j· · ·

pt1mpt2m...

ptmm

·

pc1pc2...

pcn

=

PG11

PG21...

PGn1

,(14)

donde PG es el vector de puntajes globales de cadaalternativa.

La tecnologıa seleccionada resulto ser la que tu-vo el mayor puntaje del vector de la Ecuacion (14).

3.4. Dimensionamiento de las unidades del siste-ma de filtracion propuesto

Se establecieron los modelos matematicos quegobiernan el dimensionamiento de los filtrosseleccionados en la fase anterior y se muestranen la Tabla 1. Esta etapa comprendio la selec-cion de los modelos que mejor se adaptaron alfenomeno de adsorcion para el filtro de carbon, eldimensionamiento se realizo a partir de un enfoqueteorico. Para tal fin, existen diversos parametros yaestudiados por la bibliografıa y modelos matemati-cos que fueron utilizados para el calculo de lasdimensiones de la unidad de adsorcion con carbonactivado. Seguidamente, se realizo el diagramade tuberıa e instrumentacion (DTI) del sistemade filtracion propuesto empleando el software dediseno AutoCAD 2010. La propuesta del diagramafue realizada segun la metodologıa indicada en lasnormas ISA-5.1-2009 [24].

4. Analisis y discusion de resultados

Las pruebas realizadas a la solucion de aminade la seccion de lavado de CO2 se muestranen la Tabla 2. En cuanto al porcentaje de sales



Tabla 2: Valores obtenidos para la solucion de aMDEA® en diferentes puntos de la seccion de lavado de CO2 de la planta deamonıaco

Corriente de amina

Variable EspecificacionSalida de la

torreabsorbedora

Aminasemipobre

Amina pobre(descarga de

la bomba

Salida de latorre

despojadoraSolidos totales suspendidos

( S ol, t ± 2) mg/L < 50 173 166 135 209

Concentracion de aMDEA®( CaMDEA® ± 0, 01) %

40 26,55 26,22 28,24 28,20

Sales termoestables( S T E ± 0, 005) % amina

< 3 0,383 0,353 0,379 0,318

Cromo total(CCr ± 0,004) g/mL

<10 4,325 4,226 4,175 4,022

Nıquel total(CNi ± 0,004) g/mL

<10 1,947 2,399 2,644 2,637

Hierro total(CHe ± 0,004) g/mL

<10 49,953 50,300 42,283 42,749

estables al calor, se observa que los valores seencuentran dentro de las especificaciones paraasegurar el optimo funcionamiento de la seccion.Sin embargo, la concentracion de aMDEA® enel proceso debe ser cercana al 40 % y los valoresobtenidos estan muy por debajo, alcanzando unvalor de (26,22 ± 0,01) % en la corriente de aminasemipobre, al igual que la concentracion de solidostotales suspendidos que se encuentra muy porencima del rango permitido de 50 ppm en todaslas muestras. Ademas, la concentracion de hierrodebe ser menor a 10 ppm y las muestras presentanvalores entre (42,283 ± 0,004) y (50,300 ± 0,004)ppm [2]. El alto contenido de solidos en la solucionde amina tiende a depositarse sobre la superficiedel relleno de las torres, aumentando la presiondiferencial, ademas promueven la formacion deespuma. La formacion excesiva de espuma haocasionado arrastre de la amina, este hecho seha evidenciado por parte de los operadores eingenieros de las plantas que usan este proceso alobservar perdida de niveles dentro de las torres.

Todo lo anterior expuesto, conlleva a la ne-cesidad de implementar medios que permitan laeliminacion parcial o definitiva de estos problemasoperacionales ocurridos en la planta en estudioy en otras plantas a nivel mundial que usanprocesos similares, buscando con estas medidas las

mejoras tecnologicas que pudieran ser adaptadas alproceso.

4.1. Tamano de los solidos presentes en la solu-cion de aMDEA® en la seccion de lavado delCO2

La descripcion de las propiedades principalesde las partıculas en un sistema es la base detodo trabajo en tecnologıa de partıculas, estas son:la distribucion de tamano, forma y propiedadesde la superficie, junto con las propiedades dellıquido como la viscosidad y densidad. Conocerlas mismas son vitales para el diseno y operacionde los equipos de separacion solido–lıquido [17].

Es muy importante conocer el tamano delas partıculas que requieren ser filtradas parapoder seleccionar adecuadamente el filtro que senecesita para el sistema. La Figura 2 fue obtenidaempleando un portaobjeto comun para un mi-croscopico optico, con un acercamiento de 100x;en ella se evidencia la presencia de partıculasde distintos tamanos y formas en la solucion deamina rica. Algunas de las partıculas presentan unaforma esferica, sin embargo, tambien se observanpartıculas amorfas.

El programa ImagenJ permitio determinar deforma sencilla las dimensiones basicas de laspartıculas de la Figura 2, obteniendo a partir delmismo el diametro, area, perımetro y la cantidad



Tabla 3: Distribucion porcentual del diametro de las partıculas contenida en las muestras de aMDEA®

Muestra de amina Total de partıculasencontradas Rango Numero de partıculas en

el rangoPorcentaje de distribucion

(Porc ± 1) %Salida de la torre

absorbedora 199 1 < µm < 5 146 73

5 ≤ µm<10 51 2610 ≤ µm< 15 2 1

Aminasemipobre 335 0,03 < µm <1 13 4

1 ≤ µm < 5 237 715 ≤ µm<10 82 25

10 ≤ µm< 15 3 1Salida de la torre

despojadora 143 0,03< µm <1 6 4

1 ≤ µm < 5 80 565 ≤ µm<10 54 38

10 ≤ µm< 15 3 2Amina pobre

(descarga de labomba)

150 0,03 < µm <1 6 4

1 ≤ µm < 5 66 445 ≤ µm<10 64 43

10 ≤ µm< 15 14 9

Figura 2: Solidos visualizados en la amina rica mediante unmicroscopico optico a 100x

de partıculas en un volumen determinado. Eldiametro de las partıculas obtenidas para cada unade las muestras esta en un rango de (0,03 a 15) µmcomo se evidencia en la Tabla 3.

La distribucion porcentual del tamano departıculas en el area de estudio para la amina

rica fue de (73 ± 1) % para partıculas entre 1-5µm, (26 ± 1) % entre 5-10 µm y (1 ± 1) % parapartıculas entre 10-15 µm. Por los resultadosobtenidos, el filtro que se seleccione debe sercapaz de retirar partıculas solidas mayores de 0,03µm, teniendo especial cuidado en la seleccion dedispositivos capaces de eliminar partıculas entre 1y 5 micrones ya que las mismas estan contenidasen la solucion en mayor proporcion.

4.2. Planteamiento de propuestas tecnologicasfactibles para el filtrado de la solucion deaMDEA®

La aMDEA® contiene en mayor proporcionpartıculas en un rango de 1≤ µm< 5 con unpromedio de (61,1 ± 0,1) %. En base a esto,los equipos considerados para la seleccion delas alternativas fueron: filtros de cartuchos, cen-trifugadoras y filtros de malla. Generalmente,para la eleccion de las tecnologıas del proceso,se precisan una serie de criterios generales yespecıficos que sirven de base para la evaluaciony comparacion entre las distintas tecnologıas queexisten en el mercado para que, mediante la



Figura 3: Matriz apareada entre los criterios

aplicacion de un metodo multicriterio de tomade decisiones, se seleccionen las tecnologıas deproceso mas acertadas. El metodo empleado fue elProceso Analıtico de Jerarquizacion (AHP). Unade las ventajas de este metodo es que permiterealizar evaluaciones en las que existen criteriosde orden cualitativo que pueden ser expresadosen funciones matematicas de forma matricial deacuerdo a su significancia con respecto a lastecnologıas disponibles [18]. La informacion de laFigura 3 proporciona la matriz de comparacionesapareadas obtenidas entre los criterios. Ademas,se muestra su matriz normalizada resaltando lacolumna denominada ponderacion (vector W) querepresenta el nivel de importancia de los criteriospara el seleccionador.

La Figura 4 muestra las matrices reflejandoselos pesos o importancia que tiene cada alternativacon respecto al criterio que se esta evaluando. Paradeterminar si los juicios al asignar los puntajesde los criterios al momento de completar lamatriz fueron correctos, se calculo la razon deconsistencia (RC), que se expresa como el cocienteentre el ındice de consistencia (IC) de la matrizy el ındice de consistencia aleatorio (IA). Seconsidera que un RC menor a 0,1 es aceptable yquiere decir que el seleccionador realizo los juicioscorrectamente [18]. De igual manera, se reflejael valor de consistencia obtenido para todas lasmatrices de comparaciones apareadas realizadas,notandose que este valor es aceptable para todoslos criterios.

Luego de la realizacion de las matrices de

se encontro que la mejor opcion es el filtro decartucho ya que este obtuvo el mayor puntajeglobal para las alternativas con un valor de 0,4844como se observa en la Figura 5.

Los filtros de cartuchos poseen una serie decartuchos cilındricos que pueden ser de distintosmateriales. Se deben escoger por su capacidad pararetener los solidos que deben ser separados delfluido. El medio filtrante debe ser mecanicamentefuerte y debe ofrecer tan poca resistencia como seaposible al flujo de filtrado [25]. Se selecciono elcartucho de polipropileno por ser el mas adecuadodebido a su resistencia a la corrosion y a losquımicos.

Debido a la problematica que los solidos ge-neran en la seccion de lavado de CO2 se colocoantes del primer filtro de cartucho otro filtromecanico para ayudar en el proceso de eliminacionde los solidos. El filtro colocado fue el demalla con sistema de autolimpieza, el cual tuvoun puntaje global en la matriz de seleccion de0,2498 ocupando el segundo lugar. Este filtroayudara a proteger el primer filtro de cartuchodisminuyendole la carga por la eliminacion departıculas mayores de 3 µm y aumentando eltiempo de reposicion de los cartuchos.

Otro de los contaminantes importantes a eli-minar son los compuestos organicos provenientesde los lubricantes de los compresores y bombas,residuos producidos por el antiespumantes y salesformadas. La tecnologıa selecciona para tal fin, esla filtracion de lecho profundo. Twin filter [26]recomienda el uso de carbon activado en sistema



Figura 4: Matrices apareadas de criterios con tecnologıa

Figura 5: Vector prioridad global

de amina para remover dichos contaminantes.Segun Calgon Carbon Corporation [27] el carbonactivado es el mejor para el uso en la filtracion degrandes moleculas organicas. Por este motivo, seconsidero la incorporacion de un filtro de carbonactivado.

4.3. Dimensionamiento las unidades del sistemade filtracion de la tecnologıa que proporcionela mejor opcion para el proceso

El diagrama de tuberıa e instrumentacion delsistema de filtracion para la solucion de aMDEA®se muestra en la Figura 6. Consta de una primeraetapa de filtracion, en la cual se empleo un filtrode malla con sistema de autolimpieza integrado

capaz de remover partıculas a partir de 3 µmy un filtro de 7 cartuchos de polipropileno pararemover partıculas solidas suspendidas a partir de0,5 µm. Seguido, se coloco un filtro de carbonactivado con un diametro de 3,6 m y altura de 10,7m para remover los hidrocarburos, productos dedegradacion de amina, residuos producidos por elantiespumante, aceites y lubricantes provenientesde los compresores y bombas. Por ultimo, secoloco otro filtro de 7 cartuchos para evitar que laspartıculas finas provenientes del carbon activadoentren en el circuito de amina. El primer filtrode cartucho se coloco antes del filtro de carbonactivado, para evitar que las partıculas solidasbloqueen los poros del lecho. Todo esto se traduce



Figura 6: Diagrama de tuberıa e instrumentacion de sistema de filtracion propuesto para la solucion de aMDEA® de la seccionde lavado de CO2 de la planta de amonıaco

en una reduccion de los costos operativos y demantenimiento.

5. Conclusiones

La seccion de lavado de CO2 de la planta deamonıaco en estudio opera con una solucion deamina con alto contenido de solidos suspendidos,ocasionando taponamiento en los filtros de suc-cion de las bombas e intercambiadores de calor,limitando la seccion a trabajar a 50 % de carga,causando incumplimiento en la produccion.

El factor predominante y causante de la pre-sencia de solidos ha sido fundamentalmente ladegradacion de los anillos de acero al carbonodentro de las torres, evidenciandose valores deconcentracion de hierro en las muestras de aminafuera de especificaciones, esto incrementa laformacion de espuma en las mismas originando enalgunas ocasiones perdida de solvente.

El metodo de multicriterios AHP arrojo comomejor tecnologıa para el filtro mecanico, la filtra-cion con cartuchos, por encima del filtro de malla

autolimpiable, la centrifugadora y los filtros demalla manuales. El carbon activado es el mediofiltrante que mejor se adapta a las necesidades defiltracion de los compuestos organicos presentesen la solucion de amina por su alta capacidad deadsorcion y afinidad a los compuestos organicos.

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