BR112020001401A2 - método para separar uma corrente de gás natural em uma fração enriquecida com metano e uma fração enriquecida em c2 e hidrocarbonetos mais elevados - Google Patents

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Abstract

Método para purificar uma corrente de gás de alimentação compreendendo metano e hidrocarbonetos tendo pelo menos dois átomos de carbono, compreendendo os seguintes passos: passo a): resfriamento da corrente de gás de alimentação em um permutador térmico; passo b): introdução da corrente do passo a) para um recipiente de separação de primeira fase para produzir uma corrente líquida e uma corrente gasosa; passo c): separar a corrente de gás do passo b) em uma unidade de permeação de membrana, produzindo assim pelo menos uma corrente gasosa permeada e uma corrente de resíduos parcialmente condensada; passo d): alimentar a corrente de resíduos do passo c) para um recipiente de separação de segunda fase, a fim de produzir uma corrente líquida e uma corrente gasosa; passo e): introdução de pelo menos uma porção da corrente de gás do passo d) para um meio de expansão de Joule Thomson; passo f): aquecer pelo menos uma porção da corrente expandida do passo e) através da introdução no permutador térmico (2) implementado no passo a), em contracorrente com a corrente de alimentação.

Description

MÉTODO PARA SEPARAR UMA CORRENTE DE GÁS NATURAL EM UMA
FRAÇÃO ENRIQUECIDA COM METANO E UMA FRAÇÃO ENRIQUECIDA EM C2 E HIDROCARBONETOS MAIS ELEVADOS
[0001] A presente invenção se destina a um processo para purificar um gás contendo hidrocarbonetos mais pesados do que o metano, por exemplo gás natural ou um gás associado à produção de petróleo ou um gás de combustão ou um efluente gasoso a partir de uma refinaria.
[0002] A maioria das unidades convencionais usadas para extrair líquidos de gás natural (LGN) ou gases de petróleo líquido (GLP) são unidades criogênicas. Essas são geralmente caras e consomem muita eletricidade. Algumas tecnologias de membrana alternativas permitem concentrar os líquidos de gás natural no lado (retido) do resíduo de uma membrana. Por exemplo, o requerente desenvolveu uma fibra de polímero, resistente à formação de líquidos e seletiva em relação ao metano em comparação com hidrocarbonetos contendo mais de dois ou mais de três átomos de carbono: os hidrocarbonetos leves (e o hidrogênio) permeiam enquanto a pressão parcial dos hidrocarbonetos mais pesados aumenta no lado de pressão elevada (lado dos resíduos da membrana) resultando, desse modo, em condensação parcial ou mesmo completa dos hidrocarbonetos pesados.
[0003] Os inventores da presente invenção desenvolveram uma solução que permite a separação de uma corrente gasosa em uma fração enriquecida com metano e uma fração enriquecida em C2 e hidrocarbonetos mais elevados, minimizando as perdas de metano durante essa remoção e minimizando os custos envolvidos na implementação de processos desse tipo.
[0004] O objeto da presente invenção é um processo para purificar uma corrente de gás de alimentação compreendendo metano e hidrocarbonetos contendo pelo menos dois átomos de carbono, compreendendo os seguintes passos: - Passo a): resfriamento da corrente de gás de alimentação em um permutador térmico; - Passo b): introdução da corrente resultante do passo a) em um primeiro recipiente de separação de fases a fim de produzir uma corrente líquida empobrecida em metano e enriquecida em hidrocarbonetos contendo mais de dois átomos de carbono e uma corrente gasosa; - Passo c): separação da corrente gasosa resultante do passo b) em uma unidade de permeação de membrana a partir da qual saem pelo menos uma corrente permeada gasosa enriquecida com metano e uma corrente de resíduo parcialmente condensada enriquecida em hidrocarbonetos contendo pelo menos dois átomos de carbono; - Passo d): introdução da corrente de resíduos resultante do passo c) em um recipiente de separação de segunda fase, a fim de produzir pelo menos duas fases, incluindo uma corrente líquida e uma corrente gasosa; - Passo e): introdução de pelo menos uma porção da corrente de gás (gasosa) resultante do passo d) em um meio de expansão de Joule-Thomson; - Passo f): aquecimento de pelo menos uma porção da corrente expandida resultante do passo e) através da introdução no permutador térmico usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação, a fim de resfriar a última.
[0005] De acordo com outras modalidades, um objeto da invenção é também: - Um processo conforme definido acima, caracterizado pelo fato de a corrente aquecida resultante do passo f) ser reciclada por mistura com a corrente de alimentação. - Um processo conforme definido acima, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção da corrente líquida resultante do passo d) é introduzida no permutador térmico usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação. - Um processo conforme definido acima, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção da corrente líquida resultante do passo b) é misturada com a referida, pelo menos, uma porção da corrente líquida resultante do passo d) antes de ser introduzida no permutador térmico usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação. - Um processo conforme definido acima, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção da corrente permeada enriquecida com metano resultante do passo c) é aquecida através da introdução no permutador térmico usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação, a fim de esfriar a última. - Um processo conforme definido acima, caracterizado por a referida pelo menos uma porção da corrente permeada resultante do passo d) sofrer uma expansão de Joule-Thomson antes da sua introdução no permutador térmico. - Um processo conforme definido acima, caracterizado por pelo menos uma porção da corrente líquida resultante do passo d) ser introduzida em um recipiente de separação de terceira fase, a fim de produzir pelo menos duas fases, incluindo uma corrente líquida e uma corrente gasosa. - Um processo conforme definido acima, caracterizado por a referida corrente de gás na saída do recipiente de separação de terceira fase ser misturada e aquecida através da introdução no permutador térmico usado no passo a) em contracorrente de alimentação, a fim de resfriar a última. A expressão “corrente de alimentação” conforme usada no presente pedido de patente se relaciona com qualquer composição contendo hidrocarbonetos, incluindo pelo menos metano.
[0006] O permutador térmico pode ser qualquer permutador térmico, qualquer unidade ou outro equipamento adequado para permitir a passagem de um determinado número de correntes, e assim permitindo a troca direta ou indireta de calor entre uma ou mais linhas de fluido refrigerante e uma ou mais correntes de alimentação.
[0007] De preferência, a corrente purificada (fração líquida do resíduo) compreende pelo menos 50% em mol de hidrocarbonetos que não o metano.
[0008] A unidade de separação de membrana usada durante o passo c) tem uma maior seletividade para o metano do que para hidrocarbonetos contendo pelo menos dois átomos de carbono, preferencialmente contendo pelo menos três átomos de carbono e opera na presença de líquido. O metano ou mesmo o hidrogênio são encontrados na corrente permeada na saída da unidade de membrana, enquanto os hidrocarbonetos mais pesados que o metano estão no lado (retido) do resíduo, dando origem a uma condensação parcial ou completa da corrente de resíduo líquido rica em hidrocarbonetos compreendendo pelo menos dois átomos de carbono.
[0009] A presente invenção consiste na combinação de uma unidade de membrana com condensação parcial ou completa no lado (retido) do resíduo e um permutador térmico entre o gás de alimentação resfriado pela fração de gás expandido ou a fração de líquido expandido do referido resíduo, a fim de separar efetivamente o metano dos hidrocarbonetos mais pesados. A temperatura mais baixa obtida desse modo para a corrente de alimentação torna possível aumentar a taxa de formação de hidrocarbonetos líquidos.
[0010] Um exemplo de uso da presente invenção é ilustrado na figura pelo exemplo a seguir.
[0011] Na figura, é introduzida uma corrente de alimentação de gás natural 1 em um permutador térmico 2 a uma temperatura T1.
[0012] Tipicamente, a corrente de alimentação 1 poderá conter metano, etano, propano, hidrocarbonetos contendo pelo menos quatro átomos de carbono, CO2, aromáticos, nitrogênio, água, compostos de enxofre (H2S por exemplo).
[0013] A corrente de alimentação 1 poderá ser comprimida através de um compressor 24, por exemplo, de modo que a pressão seja suficiente para a implementação correta do processo de acordo com a invenção.
[0014] Uma corrente parcialmente condensada 3 sai do permutador térmico 2 a uma temperatura T2 inferior a T1.
[0015] A corrente 3 é introduzida em um recipiente de separação de fase 4 a partir do qual emergem uma corrente líquida rica em água 5', uma corrente líquida 5 rica em hidrocarbonetos contendo pelo menos dois átomos de carbono e uma corrente gasosa 6 enriquecida com metano. A corrente 3 poderá ter sido expandida para uma corrente 3', através de uma válvula de Joule Thomson 26, por exemplo, antes de entrar no recipiente de separação 4.
[0016] A corrente de gás 6 é então introduzida em uma unidade de separação de membrana 7 tendo uma maior seletividade para o metano do que para hidrocarbonetos contendo mais do que dois átomos de carbono e operando na presença de formação de líquido no lado (retido) do resíduo. Nesta unidade de membrana 7, a corrente é separada em uma corrente permeada gasosa enriquecida com metano 8, cuja pressão é menor que a pressão da corrente 6 e uma corrente de resíduo parcialmente condensada 9 enriquecida em pelo menos um hidrocarboneto contendo mais do que dois átomos de carbono.
[0017] A corrente 9 é introduzida em um recipiente de separação de fase 10. Uma corrente líquida 11 rica em hidrocarbonetos contendo pelo menos dois átomos de carbono e uma corrente gasosa 12 emergem a partir dessa.
[0018] Depois, a corrente gasosa 12 pode, pelo menos parcialmente, ser aquecida 15 no permutador térmico 2 até uma temperatura muito próxima de T1 (ou seja, até uma temperatura T4 estritamente acima de T2 e pelo menos entre T2 e T1). A corrente 12 é aquecida no permutador térmico 2 na direção da corrente em relação à corrente de alimentação 1 que, nela própria, é resfriada até à temperatura T2.
[0019] A corrente 15 pode, então, ser opcionalmente misturada com a corrente de alimentação 1 a fim de ser reciclada. Esta reciclagem pode ocorrer após a passagem por um compressor dedicado 25, dependendo dos requisitos e das condições operacionais, se um compressor de gás tratado 24 não for usado.
[0020] Antes de entrar no permutador térmico 2, a corrente 12 é expandida 14 usando uma válvula de Joule-Thomson 13.
[0021] Também é possível introduzir as correntes de líquido 5 e 11, pelo menos em parte, independentemente ou após terem sido misturadas 17 e opcionalmente expandidas através de uma válvula de Joule Thomson 36, no permutador térmico 2 a fim de serem aquecidas 27 e parcialmente (ou mesmo completamente) vaporizadas e usadas para resfriar a corrente de alimentação 1.
[0022] Uma porção da corrente líquida 11 pode ser introduzida em um recipiente de separação de fase 21 após ter sido expandida 20 através de uma válvula de Joule Thomson
28. A partir desse recipiente de separação de fase 21, emergem uma fase líquida 22 enriquecida em hidrocarbonetos pesados e uma fase gasosa 23.
[0023] A fase gasosa 23 e/ou pelo menos uma porção 18 da corrente permeada enriquecida com metano 8 que sai da unidade de membrana 7 pode ser introduzida (opcionalmente após a mistura), após uma expansão opcional 19, no permutador térmico 2 a fim de servir como uma fonte de frio para resfriar o gás de alimentação 1. Isso resulta em uma corrente 29 que será capaz de servir, pelo menos em parte, como combustível enriquecido com metano 30, se necessário. Pelo menos uma outra porção 31 dessa corrente 29 pode ser novamente misturada com a porção 32 da corrente permeada 8 que não foi enviada para o permutador térmico 2.
[0024] Também é possível que uma porção 33 da corrente gasosa 12, que deixa o recipiente de separação de fase 10,
seja drenada a fim de ser misturada com a corrente 32 ou com a corrente 30.
[0025] Esta mistura pode ocorrer após expansões via válvulas de Joule Thomson 34 e 35, por exemplo.

Claims (9)

REIVINDICAÇÕES
1. Processo para purificar uma corrente gasosa de alimentação que compreende metano e hidrocarbonetos contendo, pelo menos, dois átomos de carbono, caracterizado por compreender os seguintes passos: - Passo a): resfriamento da corrente de alimentação de gás (1) em um permutador térmico (2); - Passo b): introdução da corrente (3, 3') resultante do passo a) em um primeiro recipiente de separação de fases (4) a fim de produzir uma corrente líquida (5) empobrecida em metano e enriquecida em hidrocarbonetos contendo mais de dois átomos de carbono e uma corrente gasosa (6); - Passo c): separação da corrente gasosa (6) resultante do passo b) em uma unidade de permeação de membrana (7) a partir da qual saem pelo menos uma corrente permeada gasosa enriquecida com metano (8) e uma corrente de resíduo parcialmente condensada (9) enriquecida em hidrocarbonetos contendo pelo menos dois átomos de carbono; - Passo d): introdução da corrente de resíduos (9) resultante do passo c) em um recipiente de separação de segunda fase (10), a fim de produzir pelo menos duas fases, incluindo uma corrente líquida (11) e uma corrente gasosa (12); - Passo e): introdução de pelo menos uma porção da corrente líquida (12) resultante do passo d) em um meio de expansão de Joule-Thomson (13); - Passo f): aquecimento de pelo menos uma porção da corrente expandida (14) resultante do passo e) através da introdução no permutador térmico (2) usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação (1), a fim de resfriar a última.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a corrente aquecida (15') resultante do passo f) ser reciclada por mistura com a corrente de alimentação (1).
3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por pelo menos uma porção (16) da corrente líquida (11) resultante do passo d) ser introduzida no permutador térmico (2) usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação (1).
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por pelo menos uma porção (17) da corrente líquida (5) resultante do passo b) ser misturada com a referida pelo menos uma porção (16) da corrente líquida (11) resultante do passo d) antes de ser introduzida no permutador térmico (2) usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação (1).
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado por pelo menos uma porção (18) da corrente permeada enriquecida com metano (8) resultante do passo c) ser aquecida através da introdução no permutador térmico (2) usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação (1), a fim de resfriar a última.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado por a referida pelo menos uma porção (18) da corrente permeada (8) resultante do passo d) sofrer uma expansão de Joule-Thomson (19) antes da sua introdução no permutador térmico (2).
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado por pelo menos uma porção (20) da corrente líquida (11) resultante do passo d) ser introduzida em um recipiente de separação de terceira fase (21), a fim de produzir pelo menos duas fases, incluindo uma corrente líquida (22) e uma corrente gasosa (23).
8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizado por a referida corrente gasosa (23) na saída do recipiente de separação de terceira fase (21) ser misturada com a corrente permeada (8) resultante do passo c).
9. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a referida corrente gasosa (23) na saída do recipiente de separação de terceira fase (21) ser aquecida através da introdução no permutador térmico (2) usado no passo a) em contracorrente com a corrente de alimentação (1), a fim de resfriar a última.
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