BRPI0818214B1 - processo de liquefação de um gás natural com fracionamento de elevada pressão - Google Patents

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Abstract

PROCESSO DE LIQUEFAÇÃO DE UM GÁS NATURAL COM FRACIONAMENTO DE ELEVADA PRESSÃO. A presente invenção refere-se ao processo que propõe tornar liquefeito um gás natural, realizando as seguintes etapas: resfria-se o gás natural, se introduz o gás natural resfriado em uma coluna de fracionamento de maneira a separar uma fase gasosa rica em metano e uma fase líquida rica em compostos mais pesados que o etano, e torna-se liquefeito o fluxo rico em metano para se obter o gás natural liquido. De acordo com a invenção, escolhem-se as condições operacionais da coluna de fracionamento, de maneira que essa fase liquida comporta uma quantidade molar de metano compreendida entre 10% e 150% da quantidade molar de etano.

Description

[001] A presente invenção refere-se ao domínio da liquefação de um gás natural.
[002] O gás natural é frequentemente produzido em locais afastados de seu local de utilização. Um método aplicado para o transporte é de tornar liquefeito o gás natural a aproximadamente -160°C, depois de transportá-lo por navio sob a forma líquida à pressão atmosférica.
[003] Antes de ser liquefeito, o gás natural deve sofrer diversos tratamentos, por um lado, para ajustar sua composição visando a venda (teor em enxofre e em dióxido de carbono, valor calorífico) e, por outro lado, para permitir sua liquefação. Em particular, o fracionamento do gás natural realizado por destilação permite eliminar os hidrocarbo- netos muito pesados que correm risco de obstruir por cristalização os condutos e os trocadores de calor da usina de liquefação. Além disso, o fracionamento por destilação permite recuperar separadamente compostos, tais como o etano, o propano ou o butano que podem ser valorizados separadamente, por exemplo, à venda ou como fluidos refrigerantes utilizados no processo de liquefação.
[004] Em geral, a liquefação é feita a uma pressão aproximadamente igual à pressão de funcionamento da coluna de fracionamento.
[005] A presente invenção propõe modificar a etapa de fracionamento para aumentar a pressão de operação do fracionamento e, em consequência, aumentar a pressão à qual o gás natural é liquefeito com a finalidade de melhorar a eficácia global do processo de liquefação.
[006] De maneira geral, a invenção define um processo de liquefação de um gás natural, no qual se realizam as seguintes etapas: a) se resfria o gás natural; b) se introduz o gás natural resfriado em uma coluna de fracionamento, de maneira a separar uma fase gasosa rica em metano e uma fase líquida rica em compostos mais pesados do que o etano; c) se trasfega essa fase líquida no fundo da coluna de fracionamento e evacua-se essa fase gasosa no topo da coluna de separação; d) torna-se parcialmente liquefeita essa fase gasosa, de maneira a produzir um condensado e um fluxo gasoso, esse condensado sendo reciclado no topo da coluna de fracionamento a título de refluxo; e) se torna liquefeito esse fluxo gasoso,
[007] e no qual se escolhem condições operacionais da coluna de fracionamento, de maneira que essa fase líquida comporte uma quantidade molar de metano compreendida entre 10% e 150% da quantidade molar de etano dessa fase.
[008] De acordo com a invenção, podem-se escolher as condições operacionais da coluna de fracionamento, de maneira que essa fase líquida comporte uma quantidade molar de metano compreendida entre 40 e 70% da quantidade molar de etano. Pode-se ajustar a quantidade molar de metano dessa fase líquida, modificando a potência de um ebulidor situado no fundo da coluna de fracionamento.
[009] De acordo com a invenção, podem-se, além disso, realizar as seguintes etapas: f) se introduz essa fase líquida em uma coluna de separação para separar uma fração gasosa rica em metano e uma fração líquida, comportando hidrocarbonetos mais pesados do que o etano; g) se trasfega uma parte líquida da coluna de separação; h) se extrai, dessa parte líquida, um fluxo líquido comportando mais de 95% molar de etano.
[0010] Na etapa g), pode-se trasfegar a parte de líquido a um nível situado entre o ponto de alimentação e o topo da coluna de separação.
[0011] Na etapa h) pode-se vaporizar uma parte dessa parte líquida, de maneira a se obter esse fluxo líquido, comportando mais de 95% molar de etano, essa parte vaporizada sendo introduzida na coluna de separação.
[0012] Pode-se introduzir no topo da coluna de separação um refluxo líquido a uma temperatura compreendida entre -10°C e -40°C.
[0013] Na etapa a), pode-se resfriar o gás natural por troca de calor com um fluido refrigerante que circula em um circuito de refrigeração e pode-se condensar parcialmente essa fração gasosa rica em metano obtida na etapa f) por troca de calor com uma parte desse fluido refrigerante, de maneira a se obter esse refluxo líquido introduzido no topo da coluna de separação.
[0014] Pode-se subresfriar a parte de fluido refrigerante por troca de calor, com um líquido trasfegado da coluna de fracionamento.
[0015] Na etapa e), pode-se resfriar o fluxo gasoso por troca de calor a uma pressão superior a 5 MPa (50 bar).
[0016] Outras características e vantagens da invenção serão melhor compreendidas e aparecerão claramente com a leitura da descrição feita a seguir com referência aos desenhos, dentre os quais: - a figura 1 esquematiza um processo, segundo a técnica anterior; - as figuras 2 e 3 esquematizam dois processos, de acordo com a invenção.
[0017] Na figura 1, o gás natural a ser tornado liquefeito chega pelo conduto 1’. O gás natural pode ter sido previamente purificado para retirar os compostos ácidos, a água e eventualmente o mercúrio. O gás natural que circula no conduto 1’ é resfriado no trocador de calor E1 a uma temperatura compreendida entre 0°C e -60°C. Em E1, a refrigeração é feita por meio do circuito fechado de refrigeração 100 que funciona por compressão e expansão de um fluido refrigerante, por exemplo composto de uma mistura de etano e de propano.
[0018] O gás natural parcialmente liquefeito em E1 é introduzido pelo conduto 1 na coluna de fracionamento 2, em ebulição com o auxílio do trocador de calor 9. O vapor evacuado no topo da coluna 2 pelo conduto 3 é parcialmente condensado no trocador de calor E1, antes de ser introduzida na coluna de refluxo 4.
[0019] A fração gasosa evacuada no topo da coluna 4 é enviada pelo conduto 5 no trocador de calor E2 para ser liquefeita. O gás natural líquido é evacuado de E2 pelo conduto 5’. Em E2, a refrigeração é feita por meio do circuito fechado de refrigeração 200 que funciona por compressão e expansão de um fluido refrigerante, por exemplo, composto de uma mistura de nitrogênio, de metano e de etano.
[0020] O líquido obtido no fundo da coluna 4 é introduzido pela bomba 6 e pelo conduto 7 no topo da coluna 2 a título de refluxo. O líquido obtido no fundo da coluna 2 é evacuado pelo conduto 8.
[0021] O líquido obtido no fundo da coluna 2 pelo conduto 8 é resfriado no trocador 10, por exemplo, pela água ou pelo ar, depois expandido no elemento de expansão V. O líquido resfriado e expandido é introduzido na coluna de desetanização 11, colocado em ebulição pelo trocador de calor 16. Em geral, a coluna 11 funciona a uma pressão compreendida entre 2 e 3,5 MPa (20 e 35 bar). A fração gasosa obtida no topo da coluna 11 é parcialmente condensada a uma temperatura compreendida entre 0 e 10°C, no trocador de calor 12, por troca de calor com uma parte de líquido trasfegado lateralmente da coluna 2.
[0022] Os condensados são separados da fase gasosa no balão 13. A fase gasosa evacuada no topo do balão 13 é constituída principalmente de metano e de etano. A mesma pode ser enviada à rede de gás combustível ou à liquefação no conduto 15. Os condensados recuperados no fundo do balão de separação 13 são enviados, a uma temperatura de preferência compreendida entre 0°C e 10°C, pela bomba 14 no topo da coluna 11 a título de refluxo. Uma fração dos condensados, que são principalmente constituídos de etano, é retirada pelo conduto 30 para ser utilizada, por exemplo, na composição dos fluidos refrigerantes que circulam nos circuitos 100 ou 200.
[0023] Os hidrocarbonetos mais pesados que o metano são evacuados sob a forma líquida no fundo da coluna 11 pelo conduto 17.
[0024] As figuras 2 e 3, que esquematizam duas aplicações da invenção, retomam os mesmos elementos da figura 1, aplicando condições operacionais diferentes. As referências das figuras 2 e 3 idênticas àquelas da figura 1 designam os mesmos elementos.
[0025] De acordo com a invenção, com referência às figuras 2 e 3, as condições operacionais da coluna 2 são escolhidas, de maneira que o teor de metano do fluxo evacuado pelo conduto 8 esteja compreendido entre 10% e 150% molar, de preferência entre 40% e 70% molar, do teor em etano desse fluxo. Por exemplo, pode-se modificar a temperatura ou a pressão operacional da coluna 2. Em geral, a coluna 2 funciona a uma pressão compreendida entre 4 e 6 MPa (40 e 60 bar). A pressão da coluna 2 pode ser ajustada por meio de uma válvula disposta a montante da coluna 2, por exemplo, sobre o conduto 1 ou 1’. A temperatura de funcionamento da coluna 2 pode ser ajustada, modificando a potência da ebulição, isto é, se aumenta ou se diminui a quantidade de calor que o ebulidor 9 fornece no fundo da coluna 2. Em consequência do ajuste da potência do ebulidor 9, a vazão de gás evacuado pelo conduto 3 e a vazão de líquido evacuado pelo conduto 8 são modificadas. Em geral, reduz-se a potência do ebulidor 9, de maneira a aumentar a quantidade de metano contido no líquido no fundo da coluna 2 e, em consequência, a vazão de líquido 8 aumenta.
[0026] O envio de uma quantidade considerável de metano no fundo da coluna 2 permite ter uma massa específica vapor mais baixa à pressão idêntica, portanto uma razão de massa específica mais elevada. Por conseguinte, o fato de enviar uma quantidade considerável de metano no fundo da coluna 2, de acordo com a invenção, permite operar a liquefação a uma pressão mais elevada, o que diminui a potência necessária para efetuar a liquefação.
[0027] De acordo com a invenção, considerando-se que o líquido evacuado no fundo da coluna 2 comporta uma parte importante de metano, aplicam-se condições de funcionamento particulares à coluna de separação 11. A coluna 11 pode ser uma coluna de destilação munida de patamares. Pode-se impor uma temperatura no topo da coluna 11 relativamente baixa, de preferência compreendida entre -10 e -40°C, de maneira a melhorar a separação entre o metano e os hidrocarbone- tos mais pesados que o etano. Com referência às figuras 2 e 3, o trocador de calor 12 pode efetuar um resfriamento à baixa temperatura, de preferência compreendida entre -10 e -40°C. Os condensados re-cuperados no fundo do balão de separação 13 são enviados, a uma temperatura de preferência compreendida entre -10 e -140°C, pela bomba 14 no topo da coluna 11 a título de refluxo.
[0028] Para efetuar o resfriamento à baixa temperatura no trocador 12, pode-se utilizar uma parte do fluido refrigerante do primeiro circuito de refrigeração 100. Com referência à figura 2, retira-se uma parte do fluido refrigerante, pelo conduto 101, que é expandida na válvula V1, antes de trocar calor em 12 com o efluente evacuado no topo da coluna 11. Com referência à figura 3, retira-se uma parte do fluido refrigerante do primeiro circuito de refrigeração 100 para o conduto 101. Res- fria-se esse fluido por troca de calor em 9’ com uma parte de líquido trasfegada lateralmente da coluna 2. Por exemplo, a parte de líquido é trasfegada entre o ponto de alimentação pelo conduto 1 da coluna 2 e o fundo da coluna 2. No trocador de calor 9’, o fluido refrigerante pode ser resfriado a uma temperatura compreendida entre -10 e 20°C. A mistura refrigerante resfriada é expandida no elemento V1, de maneira a ser parcialmente vaporizada a uma temperatura compreendida entre -10 e -40°C. O fluido parcialmente vaporizado é introduzido no trocador 12 para resfriar e parcialmente tornar liquefeita a fração gasosa evacuada no topo da coluna 11. Com referência às figuras 2 e 3, o fluido refrigerante, oriundo do trocador 12, é enviado pelo conduto 103 para uma das câmaras flash do compressor do primeiro circuito refrigerante.
[0029] De acordo com a invenção, com referência às figuras 2 e 3, pode-se efetuar uma trasfega lateral da coluna 11, a fim de extrair um corte enriquecido em etano. Trasfega-se o líquido da coluna 11 pelo conduto 18 a um nível situado entre o ponto de alimentação da coluna 11 pelo conduto 8 e pelo ponto de introdução do refluxo. O conduto 18 efetua uma trasfega no nível de um patamar situado, de preferência, pelo menos dois patamares acima do ponto de alimentação. O líquido trasfegado é introduzido pelo conduto 18 na coluna lateral 20, denominada coluna de retirada ("colonne de stripage"). A coluna 20 funciona a uma pressão sensivelmente igual à pressão da coluna 11, com as perdas de carga próxima. A coluna 20 é colocada em ebulição com o auxílio do trocador de calor 19, de maneira a vaporizar o metano presente no líquido trasfegado. Recupera-se no fundo da coluna 20 um corte enriquecido em etano e comportando uma proporção muito baixa de metano e de propano. De acordo com a invenção, pode-se ajustar a potência do trocador 19, de maneira a manter o líquido no fundo da coluna 20 a uma temperatura compreendida entre 10 e 20°C. A fração vaporizada é evacuada no topo da coluna 20 para ser reintroduzida na coluna 11. De preferência, opera-se a coluna 20, de maneira a se obter um corte líquido comportando mais de 92% molar de etano, de preferência mais de 95% molar de etano. O líquido rico em etano pode ser utilizado para constituir as misturas refrigerantes utilizadas nos cir- cuitos 100 e 200.
[0030] Os exemplos numéricos apresentados a seguir permitem ilustrar o funcionamento do processo, de acordo com a invenção.
Exemplo 1:
[0031] opera-se o esquema da figura 1, segundo a técnica anterior.
[0032] O gás natural pré-tratado e secado circula no conduto 1’ a uma vazão de 35000 kmol/h, com a seguinte composição:
Figure img0001
[0033] O gás é resfriado em E1 a uma temperatura de -30°C, depois introduzido na coluna de fracionamento 2.
[0034] Para pode destilar o gás na coluna 2, é preciso permanecer suficientemente abaixo das condições críticas. Um critério comumente empregado pelo técnico é que a relação das massas específicas das fases líquidas e vapor no fundo da coluna 2 deve permanecer superior a um certo valor para poder operar. Valores entre 3 e 6 são utilizados pelo técnico. Utilizou-se, nesse exemplo 1, um valor de 4,5.
[0035] A coluna 2 funciona a 4,05 MPa (40,5 bar), o condensador funciona a -60°C, e a relação C1/C2 no fundo da coluna 2 é de 1%.
[0036] Nessas condições, obtém-se no fundo da coluna 2 uma massa específica de líquido de 404,8 kg/m3 e uma massa específica de vapor de 88,95 kg/m3. Assim, a relação das massas específicas das fases líquida e vapor no fundo da coluna 2 é de 4,55.
[0037] A liquefação é, portanto, efetuada em E2 a uma pressão de 4 MPa (40 bar). Para o conjunto da liquefação, uma potência de 162,4 MW é necessária no total para os compressores dos dois ciclos com mistura refrigerante.
[0038] No exemplo 1, a coluna de desetanização 11 não comporta coluna lateral. Além disso, o fluxo obtido no topo da coluna 1 é resfriado unicamente por troca de calor com uma trasfega lateral da coluna de fracionamento 2 e, portanto, não aumenta a potência frigorífica necessária ao funcionamento do processo.
Exemplo 2:
[0039] opera-se o esquema 2, de acordo com a invenção.
[0040] O gás a tratar tem uma composição e uma vazão idêntica àquela do exemplo 1.
[0041] O gás é resfriado em E1 a uma temperatura de -30°C, depois introduzido na coluna de fracionamento 2.
[0042] A coluna 2 funciona a 5,35 MPa (53,5 bar), o condensador funciona a -60°C, e a relação C1/C2 no fundo da coluna 2 é de 55%.
[0043] Nessas condições, obtém-se no fundo da coluna 2 uma massa específica de líquido de 405,6 kg/m3 e uma massa específica de vapor de 87,7 kg/m3. Assim, a relação das massas específicas das fases líquida e vapor no fundo da coluna 2 é de 4,6.
[0044] A liquefação é, portanto, feita em E2 a uma pressão de 5,3 MPa (53 bar). Para o conjunto da liquefação, uma potência de 148,3 MW é necessária no total para os compressores dos dois ciclos de mistura refrigerante, seja um ganho de aproximadamente 9% em relação ao exemplo 1.
[0045] A contrapartida desse ganho de eficácia reside na dificuldade para recuperar um fluxo enriquecido em etano, necessário para efetuar o fornecimento de fluido portador de calor dos circuitos de refrigeração 100 e 200. Com efeito, uma simples destilação na coluna de separação 11 permite obter no topo uma mistura de C1 e C2 utilizável no segundo ciclo de refrigeração 200, mas não no primeiro ciclo 100 que utiliza uma mistura de C2 e C3. A invenção propõe, no exemplo 2, de utilizar a coluna de retirada lateral 20.
[0046] O fluxo no topo da coluna 11 é resfriado a uma temperatura de -20°C por troca de calor com uma parte do fluido portador de calor do primeiro circuito de refrigeração 100. Além disso, o efluente evacuado no topo do balão 13 deve ser liquefeito. Essas trocas de calor suplementares acarretam uma perda de eficácia de aproximadamente 1% em relação no exemplo 1.
[0047] No final, o modo operacional, de acordo com a invenção, do exemplo 1 é muito menos atrativo que o modo operacional do exemplo 1: o mesmo permite economizar aproximadamente 8% de energia ou aumentar a capacidade de liquefação de aproximadamente 8% com as mesmas turbinas a gás.

Claims (3)

1. Processo de liquefação de um gás natural, compreendendo as etapas de: a) resfriar o gás natural (1’) por meio de troca de calor com um fluido refrigerante que circula em um circuito de refrigeração (100), b) introduzir o gás natural resfriado (1) em uma coluna de fracionamento (2) de maneira a separar uma fase gasosa rica em metano (3) de uma fase líquida rica em compostos mais pesados do que o etano (8); c) trasfegar a dita fase líquida no fundo da coluna de fracio-namento e evacuar a dita fase gasosa no topo da coluna de separação; e) liquefazer um fluxo derivado do fluxo gasoso (5) por meio de troca de calor a uma pressão excedendo 5 MPa (50 bar), f) introduzir a dita fase líquida (8) em uma coluna de separação (11) para separar uma fração gasosa rica em metano de uma fração líquida contendo hidrocarbonetos mais pesados que o etano (17), no qual: as condições operacionais da coluna de fracionamento ope-rando a uma pressão no intervalo de 4 a 6 MPa (40 a 60 bar) são escolhidas de maneira que a dita fase líquida compreenda uma quantidade molar de metano compreendida entre 10% e 150% da quantidade molar de etano contida na dita fase líquida, e g) refluxo líquido a uma temperatura compreendida entre - 10 e -40°C é introduzido no topo da coluna de separação ; caracterizado pelo fato de que h) a dita fase gasosa (3) é parcialmente liquefeita de maneira a produzir um condensado (7) e um fluxo gasoso (5), o dito condensado sendo reciclado (6) no topo da coluna de fracionamento por meio de refluxo e o dito fluxo gasoso (5) representa o fluxo derivado da fase gasosa na etapa e), o dito processo compreende ainda as etapas de: i) trasfegar uma parte líquida (18) da coluna de separação, a um nível situado entre o ponto de alimentação e o topo da coluna de separação; j) extrair, da dita parte líquida, um fluxo líquido (15) tendo uma composição molar de mais de 95% de etano, uma parte da dita parte líquida é vaporizada (19) de maneira a se obter o dito fluxo líquido, tendo uma composição molar de mais de 95% de etano, a dita parte vaporizada sendo introduzida na coluna de separação, e a dita fração gasosa rica em metano obtida na etapa f) é parcialmente condensada por troca de calor (12) com uma parte do dito fluido refrigerante (101), de maneira a se obter o dito refluxo líquido introduzido no topo da coluna de separação, a parte de fluido refrigerante (101) é subresfriada por troca de calor (9’), com um líquido trasfegado da coluna de fracionamento (2).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que se escolhem as condições operacionais da coluna de fracionamento (2), de maneira que a dita fase líquida (8) compreenda uma quantidade molar de metano compreendida entre 40 e 70% da quantidade molar de etano contido na dita fase líquida.
3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que se ajusta a quantidade molar de metano em relação à quantidade de etano da dita fase líquida (8), modificando a potência de um ebulidor (9) situado no fundo da coluna de fracionamento.
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