Septiembre de 2019
Contaminación por polvo negro
En el documento anterior, titulado “Introducción a la contaminación por polvo negro”, se analizó la formación de la contaminación por polvo negro (Black Powder™) junto con un análisis general de sus impactos en las instalaciones.
Se discutió que la contaminación por polvo negro es una forma de contaminación altamente prevalente que existe en diversos grados en la mayoría, si no en todas, las aplicaciones de hidrocarburos. Puede ser húmeda o seca, y está compuesta por diferentes tipos de elementos y compuestos ferrosos y no ferrosos. Las partículas de polvo negro varían en tamaño; en la mayoría de los casos, existen concentraciones particularmente altas por debajo de 10 micras. En la práctica, su presencia a menudo se observa y se acepta sin una resolución clara; esto suele deberse a su tamaño reducido y a la falta de conocimiento sobre métodos económicos para eliminarla. En muchos casos, se muestrea y analiza de forma inadecuada, y a menudo se hace referencia a ella mediante descripciones visuales informales (por ejemplo, «suciedad negra» o «lodo negro») en lugar de un análisis riguroso de composición y tamaño de partículas.
Composición
Aunque el polvo negro es un tipo de contaminación generalizado y extenso, muchos operadores y equipos de gestión no suelen estar familiarizados con él. Las razones para comprender su composición detallada son múltiples:
- ayudar a desarrollar una comprensión sobre el o los mecanismos de formación y cómo puede eliminarse antes de que se desarrolle (es decir, análisis de causa raíz);
- determinar en qué parte de un sistema se origina la contaminación, y por lo tanto, cómo puede abordarse;
- comprender los posibles impactos en los equipos e instalaciones, y el nivel en que deben abordarse; y
- ayudar a determinar los métodos más efectivos para la eliminación de la contaminación por polvo negro una vez formada.
El componente de sulfuro de hierro del polvo negro está asociado con la presencia de sulfuro de hidrógeno (H2S) en un sistema de hidrocarburos particular, aunque puede estar en cantidades mínimas de hasta 1 ppm. La presencia de H2S, junto con agua (H2O) y hierro (Fe), provocará la formación de compuestos de sulfuro de hierro. El componente H2O puede estar en forma líquida o de vapor, como la humedad en una corriente de gas o líquido. Por ejemplo, en las tuberías, una revisión de las especificaciones y tolerancias del producto permite cantidades variables de H2O en dichas tuberías, en la especificación de sedimentos y agua (BS&W), y en el contenido de vapor. Se espera la presencia de Fe en los sistemas de hidrocarburos debido al uso de acero al carbono en tuberías, tanques sobre el suelo y diversas instalaciones de procesamiento y manejo.
Si no hay H2S presente en un sistema, no habrá sulfuro de hierro en el polvo negro. Sin embargo, si hay oxígeno (O2) presente, contribuirá a la formación de compuestos de óxido de hierro. Si los compuestos de sulfuro de hierro (FeS) se exponen al oxígeno, particularmente en altas concentraciones, el FeS se convierte en óxido de hierro (FeO). Esta reacción exotérmica libera azufre, como azufre (S) y dióxido de azufre (SO2). La rápida conversión exotérmica de FeS a FeO a menudo ocurre cuando el polvo negro se expone al oxígeno de la atmósfera, como después del pigging de tuberías, provocando combustión lenta (y, en ocasiones, incendios). El dióxido de carbono (CO2) es otro factor que contribuye a la formación de FeS, como en la formación de incrustaciones en tuberías (capas pasivantes); el CO2 a menudo se encuentra en presencia de H2S.
Los compuestos no ferrosos dentro del polvo negro son numerosos y variables. Elementos como manganeso, cobre, níquel, titanio, carbono, vanadio, magnesio, zinc, cromo y otros pueden existir en las formaciones productoras, ser introducidos por los hidrocarburos y el agua de formación, acumularse como resultado de la corrosión y abrasión de los materiales de tuberías e instalaciones, provenir de procesos (por ejemplo, catalizadores), e introducirse como productos químicos de amplio espectro y otros procesos. El cloro, sodio, sílice, fósforo, silicio, entre otros, también suelen estar presentes.
Las Figuras 1 a 7 muestran informes de análisis de laboratorio de terceros sobre polvo negro recolectado de varios sistemas de hidrocarburos. En la Figura 1, varias muestras de polvo negro han sido analizadas mediante difracción de rayos X (XRD) para determinar la composición de compuestos y minerales.
En la Figura 4, las muestras de polvo negro han sido analizadas mediante espectroscopía de dispersión de energía (EDS) con el fin de determinar la composición elemental. Se han destacado los elementos clave que contribuyen a la composición. Como muestran los datos, el Fe (incluyendo compuestos de FeO y FeS) suele ser un componente clave del polvo negro, ya sea como compuesto mayoritario o minoritario. En cada aplicación, cada muestra es única y requiere un análisis adecuado para comprender su composición.
Tamaño y distribución de partículas
Comprender el tamaño de partícula y su distribución es fundamental para abordar la contaminación por polvo negro una vez formada, con el fin de tratar lo siguiente:
- el alcance de la contaminación en un sistema y su potencial de acumulación e impacto en las actividades operativas;
- el tamaño de las partículas y su potencial para ingresar a procesos, subsistemas y productos finales;
- abordar la efectividad y la economía relativa de las diversas soluciones de separación/filtración; y
- finalmente, determinar la solución de separación/filtración «adecuada».
La contaminación por polvo negro puede distribuirse en una amplia gama de tamaños de partículas, desde más de 500 micras hasta muy por debajo de 1 micra. A menudo, las muestras muestran altas concentraciones de partículas de tamaño inferior a 10 micras, superando el 50% de la contaminación total.
Además, hasta el 50% de la contaminación por polvo negro puede tener un tamaño de 5 micras o menos; el 30% puede tener un tamaño de 1 micra o menos. Un par de ejemplos del mundo real ayudarán a ilustrar esto.
Las Figuras 5 y 6 son histogramas típicos de tamaño de partícula de muestras de contaminación por polvo negro, ambas analizadas mediante microscopía electrónica de barrido o SEM (JEOL JSM 300LV).
En la Figura 5, la muestra de contaminación se extrajo de una trampa de «pig» en el extremo de una tubería de gas natural costa afuera. Los valores P50 (mediana) y P75 para el tamaño de la contaminación son 0,64 y 6,8 μm respectivamente, y la media es 5,1 μm.
En la Figura 6, los valores P50 (mediana) y P75 para el tamaño de la contaminación son 1,3 y 18,1 μm respectivamente, y la media es 14,0 μm. El 49% de la contaminación tenía un tamaño igual o inferior a 1 μm.
Ejemplos adicionales ilustran aún más el rango de tamaño de la contaminación por polvo negro en otras aplicaciones.
La Figura 7, que corresponde a una muestra de amina extraída de una planta de procesamiento de gas, tuvo valores P50 (mediana) y P75 de 5,3 y 16,7 μm respectivamente, con una media de 12,8 μm. El 30% de la contaminación tenía un tamaño inferior a 1 μm.
En la Figura 8, que se extrajo de una muestra de condensado, el 33% de la contaminación tenía un tamaño inferior a 1 μm; el valor P50 fue de 14,9 μm y la media fue de 22,0 μm.
Otros han reportado cifras similares. Sherik¹ informó, en un estudio sobre tuberías de gas en Abu Dabi, que el 50% de la contaminación por polvo negro se encontraba entre 3 y 5 μm, mientras que solo el 5% estaba en el rango de 50 a 100 μm. Mueller² analiza por separado muestras húmedas y secas evaluadas en laboratorio, donde el 81,6% de las muestras de polvo negro tenían un tamaño inferior a 1 μm. Pall Corp.³ también analiza las distribuciones de tamaño de partícula de 2 tuberías de gas natural en Oriente Medio, con resultados que coinciden en gran medida con las cifras mencionadas anteriormente.
La cantidad de literatura de dominio público que aborda el tamaño y la distribución de tamaño de la contaminación por polvo negro es mínima. Los informes privados generalmente son realizados por laboratorios de terceros en nombre de operadores o empresas de filtración; suelen estar disponibles únicamente para las partes relacionadas. Comprender el tamaño de partícula y su distribución permite a los operadores determinar el alcance de la contaminación en los sistemas y su posible impacto operativo.
Reflexiones finales
Una mayor conciencia por parte de los operadores sobre la contaminación es fundamental para prolongar el tiempo de funcionamiento de los equipos, minimizar su reemplazo, garantizar la longevidad de los sistemas críticos, reducir los costos operativos, aumentar la seguridad de las instalaciones y el personal, disminuir el impacto ambiental y garantizar productos de mayor calidad. Se recomienda que los operadores:
- Aumenten su comprensión de la contaminación, incluyendo el tamaño y composición de las partículas, mediante un muestreo y pruebas adecuados;
- Profundicen en la causa raíz de la contaminación con el objetivo de eliminarla; y
- Cuestionen el statu quo, considerando todas las opciones disponibles para eliminar la contaminación una vez formada.
El ojo humano solo puede ver partículas de hasta 40 micras, por lo que la observación en tiempo real de su presencia o de sus impactos en los equipos y procesos no puede realizarse directamente. Por ello, es fundamental que los operadores concentren sus observaciones tanto en la acumulación de polvo negro como en su impacto en los equipos e instalaciones. Al capturar eficazmente esta contaminación y realizar las pruebas adecuadas, los operadores podrán comprenderla y, posteriormente, desarrollar y formular soluciones rentables para abordar su presencia.
Figura 10: Imágenes microscópicas de una muestra de polvo negro extraída de una línea de alimentación de un dispensador de gas natural, mediante SEM.
Fuentes
1 “Gestión del polvo negro en tuberías de transmisión de gas de venta” , Saudi Aramco Journal of Technology, Sherik & Lewis, 2008
2 “Ganando la guerra contra el polvo negro” , Fred Mueller, unknown
3 “Eliminación de polvo negro y otros contaminantes en alimentaciones de hornos de GLP/GNL” , Pall Corporation, Venkatadri & Brayden, 2015