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Quantification of vapor-phase recovery
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ROUX ASSOCIATES, INC.ROUX ASSOCIATES, INC.
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International PetroleumEnvironmental Conference22
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OUTLINE
Why quantify vapor recovery?
General methodology for estimating equivalent free-product recovery
Evaluation of methods for estimating thermal energycontent of process stream
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Demonstrate that LNAPL plume volume is beingreduced by more than just liquid-phase extraction
Show remedial progress when liquid-phaseextraction begins to diminish
Provide option for reaching remedial endpoints
Purpose for Quantification
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Cumulative Product Recovery Over Time
Recovery nearing asymptotic conditions
May need to show continued recovery
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General Method
“Equivalent Free-Product” Definition:
Volume of free-product that would need to be burnedas fuel to produce the same amount of energy that isreleased by the combustion of the volatile gaseswithin a given volume of soil vapor extracted by thesystem
Conversion of gaseous SVE process air to flowrate in equivalent liquid free-product
Relates the energy content of the vapor and liquidphases
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Steps in Calculation
Field measurements / samples
Energy content measured and/or estimated fromthe influent SVE process air
Vapor phase energy content converted toequivalent liquid phase energy content
Liquid phase energy content converted to anequivalent free-product recovery volumetric flowrate
Based on measured unit weight of the free-product
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The energy in the vapor phase is proportionalto the energy in the liquid phase
The heating value of the SVE stream is notinfluenced by any external source
Leaking natural gas
Biodegradation of non-petroleum organic matter
The contribution of carbon dioxide to theoverall energy content of the SVE stream canbe neglected
Assumptions
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Calculating Equivalent Recovery
Qfp,equiv = equivalent free-product recovery ingallons per day (gpd)
qSVE  = measured / estimated heating rate of theinfluent SVE process stream in BTU/hour
Hc,fp = heating value / heat of combustion for theliquid free-product, in BTU/lb
γfp,v = unit weight of liquid free-product, in lb/gal
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Heating Value of Vapor
Thermal Method
Using temperature measurements
Combustion Energy Method
Using lab analysis
Using screening equipment
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Thermal method
Temperature set-point in oxidizer maintainschamber temperature by opening orclosing valve to control supplemental fuel
The amount of heat required to maintainset-point temperature is directlyproportional to the flow of process air beingheated
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General Heating Rate Formula
q = heating rate input to the fluid to cause the desiredtemperature change;
Q = fluid volumetric flow rate;
cp = specific heat of the fluid being heated;
T2 = final temperature that the fluid is heated to (setpointtemperature);
T1 = initial temperature of the inlet stream.
AH = available heat factor
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Thermal Energy Balance
qng is the heating rate of natural gas fedto the Flame-Ox in BTU/hr.
With known natural gas consumption,heating rate of SVE stream can bedetermined
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Thermal Energy Method
Disadvantages
Advantages
Significant calibration andperformance testing required
Available heat factor not easilymeasured, variable tooperating conditions
Accuracy is limited whenenergy content of vapor streamis low relative to supplementalfuel
Inputs are easy to measure
No special samples need tobe collected and no specialmeasurements are requiredbeyond the process air flowrate, temperature and naturalgas usage
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Combustion Method
Utilizes the concentrations of the majorcompounds present in the stream
molecular and energy data of these compounds
estimate the theoretical amount of energy releasedduring the combustion of those compounds
The theoretical amount of energy releasedduring the combustion of a flammablecompound is equal to the volume of thatcompound multiplied by the heat ofcombustion of that compound (typically inBTU/ft3 for a gas)
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Combustion Method Formula
qc,i = heating rate produced from thecombustion of a given flow rate of a volatilecomponent, (i);
Ci = concentration of the compound in theSVE process stream, in ppmv;
QSVE = SVE process stream volumetricflowrate in acfm;
Hc,i = heat of combustion of the compound(i), as published in reference literature, inBTU/ft3;
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Combustion of Process Stream
SVE process stream heating factor isequivalent of the sum of all componentcombustion energies
Lab analysis for methane and TPH cansimplify this summation
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Combustion Method
Disadvantages
Advantages
Frequent data required –samples or screening
Direct measurement ofenergy content
No factors in the equationthat are estimated (such asAvailable Heat) – leads togreater accuracy
Use screening equipmentsuch as HydrocarbonFlame Ionization Detectorinstead of lab analysis
Real-time data without needfor frequent lab analysis
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Comparison to Liquid Phase
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Summary
SVE systems are removing LNAPL mass inthe vapor-phase
Quantifying this rate of degradation isvaluable
Vapor phase will eventually become primaryremoval mechanism
There are different methods of calculating
We have found Combustion Method to yieldmost consistent results
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References
American Chemistry Council, 2008.  Working with Modern Hydrocarbon andOxygenated Solvents: A Guide to Flammability. Solvents Industry Group
ITRC, 2009. Evaluating LNAPL Remedial Technologies for Achieving ProjectGoals. Technical / Regulatory Guidance, ITRC LNAPLs team.
TSI, Inc., 2004.  Combustion Analysis Basics. An Overview ofMeasurements, Methods and Calculations Used in Combustion Analysis.
Eclipse, Inc., 2004. Engineering Guide. Tenth Edition EFE-825, 1/13.
Energy Efficiency and Renewable Energy, 2007. Energy Tips – ProcessHeating. Industrial Technologies Program. Process Heating Tip Sheet #1.
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Justin Kennedy, P.E.