Eliminación de mercurio antes de unidades criogénicas: Selección de adsorbentes y protección de intercambiadores de aluminio

Eliminación de mercurio antes de unidades criogénicas: Selección de adsorbentes y protección de intercambiadores de aluminio

El mercurio en el gas natural no es un contaminante molesto. Es una amenaza directa a la integridad de la planta. Si se envía a la sección criogénica de una instalación de LNG o NGL, atacará directamente los intercambiadores de calor de placas y aletas soldadas de aluminio mediante fragilización por metal líquido (LME), un modo de falla que puede dejar una caja fría fuera de reparación económica. La factura que sigue: parada de planta no planificada, tiempos de entrega prolongados para el reemplazo del intercambiador y el riesgo de seguridad de una fractura frágil en un entorno criogénico de alta presión. Acertar con la eliminación de mercurio en la etapa de diseño es una de las decisiones de mayor apalancamiento que toma un ingeniero de procesos en un proyecto de planta de gas.

Por qué el mercurio daña los intercambiadores de aluminio

Las aleaciones de aluminio utilizadas en intercambiadores criogénicos de placas y aletas soldadas son susceptibles a LME siempre que el mercurio elemental entra en contacto con la superficie metálica, particularmente bajo tensión de tracción. El mercurio forma una amalgama con el aluminio, rompiendo la capa de óxido que normalmente protege al metal base. Una vez que ese óxido se ve comprometido, la propagación de grietas puede ser rápida bajo las tensiones impuestas por el ciclado térmico y la presión de operación. Lo que se obtiene es una fractura frágil sin advertencia previa de deformación; no se comporta en absoluto como los modos de falla dúctil contra los que los ingenieros suelen dimensionar.

Incluso concentraciones extremadamente bajas de mercurio elemental en fase gaseosa son suficientes para iniciar este mecanismo. La especiación importa. El mercurio elemental (Hg⁰) es la principal preocupación para LME, porque es la forma que se amalgama. Dónde se establece la especificación de salida depende del diseño de la caja fría y de la tolerancia al riesgo del operador; la consecuencia del exceso es lo suficientemente grave como para impulsar la necesidad de una Unidad de Eliminación de Mercurio (MRU) dedicada posicionada aguas abajo de la unidad de separación inicial pero aguas arriba del intercambiador criogénico principal, y en muchos diseños un lecho de guarda secundario posicionado inmediatamente antes de la caja fría.

Selección de adsorbentes

Carbón activado impregnado con azufre (SIAC)

El SIAC es el caballo de batalla, el adsorbente no regenerativo más ampliamente desplegado para la eliminación de mercurio en fase gaseosa. El mercurio elemental reacciona con el impregnante de azufre para formar sulfuro mercúrico (HgS), que es térmicamente estable e inmóvil a temperaturas ambiente y moderadas. La capacidad para el mercurio elemental es alta y la tecnología está comercialmente madura.

Vale la pena conocer las limitaciones. El SIAC es sensible al arrastre de hidrocarburos líquidos y al agua libre. La carga de líquido bloquea el acceso a los poros, reduce la capacidad efectiva y puede causar canalizaciones. Los hidrocarburos pesados se co-adsorben y compiten con los sitios de captación de mercurio. Por lo tanto, la separación de líquidos aguas arriba (un depurador de entrada o filtro coalescente correctamente dimensionado) no es opcional. Es un requisito previo para un rendimiento confiable del SIAC.

El SIAC tampoco es adecuado cuando se requiere regeneración. La regeneración térmica moviliza el mercurio capturado y crea una corriente de desechos de mercurio concentrado que requiere un manejo especializado.

Adsorbentes de sulfuro metálico (soportes no carbonosos)

Las formulaciones de sulfuro metálico sobre alúmina u otros soportes inorgánicos ofrecen una resistencia mejorada al contacto con hidrocarburos líquidos en comparación con el SIAC. Son la elección preferida donde el gas de alimentación transporta fracciones de condensado más pesadas, o donde el flujo en tapón del sistema de recolección aguas arriba no puede excluirse por completo. La capacidad de mercurio por unidad de masa es generalmente menor que la del SIAC; tenga esto en cuenta en el dimensionamiento del lecho.

Adsorbentes basados en plata

Los adsorbentes de plata sobre alúmina capturan el mercurio mediante la formación de amalgamas. Son regenerables, lo que los hace atractivos para corrientes con alta carga de mercurio donde un lecho no regenerativo requeriría cambios frecuentes. La contrapartida: el paso de regeneración libera vapor de mercurio concentrado, por lo que se necesita un condensador y un sistema de recolección de mercurio. Capital extra, complejidad operativa extra. Los sistemas basados en plata se encuentran más comúnmente en la eliminación de mercurio en fase líquida (tratamiento de condensados) que en aplicaciones de fase gaseosa antes de unidades criogénicas.

Resumen de selección de adsorbentes

Principios de dimensionamiento de lechos

El dimensionamiento del lecho para una MRU no regenerativa se rige por tres factores: la carga de mercurio a la entrada, la especificación requerida a la salida y la vida útil de diseño antes del recambio.

Todo se reduce a un balance de masa a través del lecho:

Masa de mercurio a capturar = (Concentración de entrada − Especificación de salida) × Caudal volumétrico × Vida útil de diseño

Asegúrese de que las unidades sean consistentes antes de proceder con el cálculo. Si la concentración de entrada se expresa en µg/Nm³, el flujo en Nm³/day y la vida útil en días, el resultado será en µg; conviértalo a kg para el cálculo de la masa del lecho utilizando la capacidad de mercurio del adsorbente (kg Hg por kg de adsorbente, según los datos de la isoterma del proveedor).

Las concentraciones de mercurio a la entrada en el gas natural son notoriamente variables y difíciles de medir con precisión, particularmente la división de especiación entre formas elementales y orgánicas. Por lo tanto, el dimensionamiento del lecho debe incorporar un multiplicador conservador sobre la carga de entrada de diseño. Confiar en una sola medición de campo de un yacimiento que no ha sido completamente caracterizado es una fuente reconocida de lechos subdimensionados y ruptura prematura.

La velocidad superficial a través del lecho debe controlarse. Una velocidad demasiado baja provoca canalización; una demasiado alta genera una caída de presión excesiva o atrición del adsorbente. Se aplican límites de velocidad específicos del proveedor que deben confirmarse en la etapa de diseño.

Para aplicaciones de GNL, se recomienda encarecidamente una configuración de dos recipientes tipo lead-guard (o primario-pulido). El recipiente principal (lead) soporta la carga primaria de mercurio. El recipiente de guarda (guard) proporciona un margen de seguridad y puede muestrearse de forma independiente para confirmar que la ruptura no se ha propagado a la sección criogénica. Cuando el recipiente principal llega al final de su vida útil (confirmado por muestreo a la salida), se reemplaza mientras el recipiente de guarda continúa protegiendo la caja fría.

Desafíos operativos y modos de falla ocultos

Varios mecanismos causan una degradación del rendimiento que no se detecta únicamente mediante el monitoreo rutinario de la caída de presión.

Cambio de especiación de mercurio: Las especies de mercurio orgánico presentes en la alimentación pueden no ser capturadas eficientemente por adsorbentes impregnados de azufre optimizados para mercurio elemental.

Arrastre de líquidos: El equipo de separación de entrada debe mantenerse con el mismo estándar que la propia MRU. Los elementos filtrantes coalescentes deben seguir un cronograma definido de inspección y reemplazo, no cambiarse solo por caída de presión.

Canalización (Channelling): El mercurio rompe a través del canal mientras la mayor parte del lecho permanece insaturada. Esto convierte al muestreo de salida en el único indicador confiable del estado real del lecho; la caída de presión por sí sola no detectará la canalización.

Excursiones de temperatura: La capacidad del SIAC depende de la temperatura. Las temperaturas de entrada elevadas reducen la capacidad de equilibrio. Si la MRU se ubica aguas abajo de la compresión sin un enfriamiento adecuado, la vida útil efectiva del lecho será menor que la base de diseño.

Escenario ilustrativo de dimensionamiento

Este escenario es ilustrativo y no representa una planta específica.

Una planta de gas procesa una corriente de alimentación con una concentración de mercurio de entrada de diseño de 100 µg/Nm³ (base elemental, confirmada por análisis de especiación) y una especificación de salida requerida de 0.01 µg/Nm³ antes de la caja fría. El caudal es de 10 × 10⁶ Nm³/day. La vida útil de diseño para el recipiente principal se establece en 3 años (1,095 días).

Mercurio a capturar = (100 − 0.01) µg/Nm³ × 10 × 10⁶ Nm³/day × 1,095 days ≈ 100 µg/Nm³ × 10 × 10⁶ Nm³/day × 1,095 days = 1.095 × 10¹² µg = 1,095 kg de mercurio

Aplique un factor de seguridad de diseño (típicamente de 1.5 a 2.0, específico del proveedor) para llegar a la masa del lecho instalada. El recipiente de guarda se dimensiona de forma independiente utilizando la misma metodología para un intervalo de servicio de pulido más corto.

Lista de verificación previa al diseño y resolución de problemas

• Obtenga datos de especiación de mercurio (fracciones elementales, inorgánicas y orgánicas); una cifra de mercurio total por sí sola es insuficiente para la selección del adsorbente.
• Confirme las condiciones del gas de entrada: temperatura, presión, punto de rocío de agua y contenido de hidrocarburos pesados en la entrada de la MRU.
• Verifique que la separación de entrada (depurador y/o filtración coalescente) esté dimensionada y mantenida para evitar el arrastre de líquidos al lecho adsorbente.
• Seleccione el tipo de adsorbente basándose en la limpieza del gas de alimentación, no únicamente en la capacidad de mercurio.
• Dimensione el lecho principal con una carga de entrada conservadora y un factor de seguridad de diseño explícito; documente la base.
• Especifique una disposición de dos recipientes lead-guard para cualquier aplicación de caja fría de GNL.
• Defina un programa de muestreo de salida (frecuencia, método analítico y límite de detección) antes de la puesta en marcha. El monitoreo de la caída de presión por sí solo no es suficiente.
• Establezca un activador de recambio basado en la concentración de mercurio a la salida, no en el tiempo transcurrido ni en la caída de presión únicamente.
• Confirme la clasificación del adsorbente gastado y la ruta de disposición antes de la primera carga; el SIAC cargado de mercurio es un residuo peligroso en la mayoría de las jurisdicciones.
• Para la entrada al recipiente, recambio o inspección: son obligatorios el aislamiento total, despresurización, purga con nitrógeno, verificación de energía cero, LOTO, monitoreo atmosférico continuo de vapor de mercurio e hidrocarburos, y procedimientos de entrada a espacios confinados.

Conclusión

La protección de los intercambiadores criogénicos de aluminio contra la fragilización por metales líquidos (LME) inducida por mercurio es innegociable en el procesamiento de LNG y NGL. La respuesta de ingeniería es una MRU correctamente diseñada: selección de adsorbente adaptada a la especiación y limpieza del gas de alimentación, dimensionamiento del lecho basado en un balance de masa defendible con supuestos de carga conservadores, y una configuración de dos recipientes (líder-guardia) que proporciona verificación independiente antes de la caja fría.

En un proyecto nuevo, el siguiente paso para un ingeniero de procesos es encargar un estudio de especiación de mercurio en muestras representativas de boca de pozo antes de fijar el tipo de adsorbente o el tamaño del lecho. Para un ejercicio de resolución de problemas en una instalación existente, la primera acción es implementar un programa de muestreo a la salida con un límite de detección muy por debajo de la especificación de la caja fría, ya que sin esos datos, el rendimiento real de la MRU es desconocido, independientemente de cuán limpia parezca la tendencia de la caída de presión.