Improving the Modeling of Hydrogen Solubility in Heavy Oil Cuts Using an Augmented Grayson Streed (AGS) Approach

Modélisation améliorée de la solubilité de l’hydrogène dans des coupes lourdes par l’approche de Grayson Streed Augmenté (GSA)

R. Torres^1⋆, J.-C. de Hemptinne² and I. Machin¹

¹ PDVSA Intevep, Urb. Santa Rosa, Sector El Tambor, Los Teques 1201 - Venezuela
² IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
e-mail: roger.torresv@gmail.com – jean-charles.de-hemptinne@ifpen.fr – machini@pdvsa.com

^⋆ Corresponding author

Abstract

The Grayson Streed (GS) method [Grayson H.G. and Streed C.W. (1963) 6th World Petroleum Congress , Frankfurt am Main, Germany, 19-26 June, pp. 169-181] is often used by the industry for calculating hydrogen solubility in petroleum fluids. However, its accuracy becomes very bad when very heavy fluids are considered. An improvement is proposed in this work, based on a Flory-augmented activity coefficient model.

Hydrogen solubilities in n-alkanes from n−C₇ up to n−C₃₆ have been investigated and a decreasing Henry constant with molecular weight is evidenced. The analysis of the Henry constant behaviour with molecular weight suggests a simple improvement to the model, using a Flory entropic contribution, thus keeping its predictive character. This improvement led to the necessity of refitting a number of fundamental hydrogen parameters. The resulting model behaves better for heavy components and for aromatics.

The petroleum fractions evaluated with the Augmented Grayson-Streed (AGS) model are taken from Cai et al. [Cai H.Y. et al. (2001) Fuel 80, 1055-1063] and Lin et al. [Lin H.M. et al. (1981) Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 20, 2, 253-256]. The importance of the petroleum fluid characterization is stressed. A sensitivity analysis has shown that the solubility parameter has a much larger effect than the other parameters: great care must be taken at calculating that property. The predictions of hydrogen solubility in petroleum fractions and in coal liquids were improved compared with the Grayson Streed model, resulting in an Absolute Average Deviation (AAD) of 30% for AGS model compared to 55% for Grayson-Streed model, in the range of 80-380°C and 6.3-258.9 bar.

Résumé

La méthode de Grayson Streed (GS) [Grayson H.G. and Streed C.W. (1963) 6th World Petroleum Congress, Frankfurt am Main, Germany, 19-26 June, pp. 169-181] est souvent préconisée dans l’industrie pour calculer la solubilité de l’hydrogène dans des coupes pétrolières. Il se fait cependant que sa précision se dégrade rapidement pour les coupes lourdes. Une amélioration est proposée dans ce travail, basée sur l’ajout d’un terme de Flory dans le calcul du coefficient d’activité.

L’étude de la solubilité de l’hydrogène dans les n-alcanes du n-C₇ au n-C₃₆ fait apparaître que la constante de Henry diminue avec la masse molaire. L’analyse de ce comportement suggère la présence d’une déviation entropique à l’idéalité non prise en compte dans le modèle des solutions régulières. L’utilisation d’une correction de Flory permet de garder l’aspect prédictif du modèle. Elle nécessite néanmoins un nouveau calage de certains paramètres de la corrélation d’origine pour l’hydrogène. Le modèle qui résulte se comporte mieux pour les composés lourds et aromatiques.

La qualité du nouveau modèle de Grayson Streed Augmenté (GSA) est évaluée sur des données de solubilité d’hydrogène dans des coupes pétrolières issues de Cai et al. [Cai H.Y. et al. (2001) Fuel 80, 1055-1063] ainsi que Lin et al. [Lin H.M. et al. (1981) Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 20, 2, 253-256]. L’importance de la caractérisation de ces coupes est mise en avant. Une analyse de sensibilité montre qu’une perturbation du paramètre de solubilité a un effet beaucoup plus important que pour les autres paramètres. Il en résulte qu’un grand soin doit être apporté au calcul de cette grandeur. La prédiction de la solubilité de l’hydrogène dans des fractions pétrolières lourdes et dans des charbons liquéfiés a été améliorée par rapport au modèle de Grayson Streed : une déviation absolue moyenne de 30 % est obtenue pour GSA, à comparer avec 55 % avec la méthode GS, avec les données utilisées dans un domaine de 80-380 °C et 6,3-258,9 bar.