BRPI1006048B1

BRPI1006048B1 - Método para remover componentes condensáveis de um fluido

Info

Publication number: BRPI1006048B1
Application number: BRPI1006048-0A
Authority: BR
Inventors: N. Wayne Mckay; James Maddocks
Original assignee: N. Wayne Mckay; James Maddocks
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2020-03-24
Also published as: ZA201104596B; CN102325571B; JP2012514533A; ES2922483T3; EP2365852A1; CA2729329C; EP2365852B1; EP2365852A4; US20110167867A1; BRPI1006048A2; MX2011002717A; JP5754052B2; AU2010273123A1; MY166991A; EA023306B1; PL2365852T3; EA201101071A1; DK2365852T3; WO2011006242A9; WO2011006242A1

Abstract

método para remover componentes condensáveis de um fluido um protocolo para remover condensáveis de um fluido. o fluido, como um exemplo uma corrente de gás ácido capturada para fins de eor ou ccs, inicialmente é tratado para condensar líquidos com remoção para formar uma corrente de gás. a última é, então, comprimida e resfriada. pelo menos uma porção desta é, então, expandida para formar uma corrente de baixa pressão resfriada e misturada com a corrente de fluido inicial para aumentar o resfriamento e a condensação de componentes condensáveis.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO PARA REMOVER COMPONENTES CONDENSÁVEIS DE UM FLUIDO”.

CAMPO TÉCNICO [0001] A presente invenção se refere à remoção de condensáveis de misturas de fluido exibindo um efeito Joule-Thomson positivo e, mais particularmente, a presente invenção se refere à remoção de, por exemplo, água de correntes de gás ácido, para minimizar ou eliminar substancialmente a formação de água líquida nas mesmas, de modo a minimizar corrosão e formação de hidratos na corrente de gás, transportadas e injetadas para sequestro.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA [0002] Corrente de gás, tal como aquelas que resultam de processamento de petróleo ou processos de combustão, muitas vezes contêm um gás ou gases que formam um ácido quando misturados com água. Esses gases são tipicamente chamados de “gases ácidos”. Os gases ácidos de ocorrência natural mais comuns resultantes de processamento de petróleo são sulfeto de hidrogênio (H2S) e dióxido de carbono (CO2). Gases ácidos típicos derivados de processos de combustão/oxidação/pirólise são dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio (NO, NO2).

[0003] Gases ácidos tipicamente contêm água. Gases ácidos de ocorrência natural frequentemente estão saturados com água no reservatório e gases derivados de combustão coexistem com a água formada da reação de hidrogênio e oxigênio durante combustão. Virtualmente, todos os gases ácidos eventualmente acabam sendo saturados com vapor de água em algum ponto durante o processo de remoção ou purificação do gás ácido. A redução da temperatura ou a elevação da pressão, por uma faixa definida, de um gás ácido contendo água, tal como aquele que ocorre quando o gás ácido é

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2/21 passado através de um compressor, resultará na condensação de parte da água de um gás para uma fase líquida. A certa temperatura, ainda acima do ponto de congelamento da água, a água e o gás ácido podem começar a formar uma estrutura “tipo sólida” chamada um hidrato de gás. A temperatura à qual hidratos podem começam a se formar é chamada de Temperatura de Formação de Hidrato (HFT) que varia de acordo com a pressão, composição e o teor de água da mistura. Hidratos são a combinação física de água e pequenas moléculas produzindo um composto tendo uma aparência “tipo de”, mas possuindo diferentes propriedades e estrutura diferente de gelo. Hidratos também podem ser conhecidos como clatratos de gás. Hidratos são problemáticos, pois eles podem causar transferência de calor reduzida, quedas de pressão em excesso, bloqueios, interrupções na produção e são uma preocupação de segurança.

[0004] A formação de uma fase aquosa em qualquer sistema de gás é indesejável, pois ela promove corrosão, pode fazer com que hidratos de gás se formem e pode causar problemas mecânicos e operacionais. Uma fase aquosa é particularmente indesejável em um sistema de gás ácido, pois a fase aquosa resultante será acídica, resultando em um aumento significativo na taxa de corrosão e geralmente resultando em uma HFT maior do que os gases não ácidos. [0005] A Tabela A ilustra os níveis de corrosão que ocorrem em aço doce em diversas concentrações de componentes de gás ácido em água.

Tabela A

Corrosão de Aço Doce por Dióxido de Carbono e Outros

Gases em Água *

Conc. O2 ppm	Conc. H2S ppm	Corrosão mils/ano conc. CO2 200 ppm	Corrosão mils/ano conc. CO2 600 ppm
8,8	0	28	60

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4,3	0	18	44
1,6	0	12	34
0,4	0	17	27
<0,5	35	6	6
<0,5	150	15	16
<0,5	400	17	21

* Temperatura de 80°F (26,6°C), exposição 72 h.

[0006] Fonte: Dados de Watkins e Kincheloe (1958) e Watkins e

Wright (1953).

[0007] Embora a discussão se centralize em gás ácido, será apreciado por aqueles versados na técnica que a metodologia e o conceito são aplicáveis para remover componentes condensáveis de qualquer corrente de fluido exibindo um coeficiente Joule-Thomson positivo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0008] Um objeto de uma modalidade da presente invenção é fornecer um protocolo aperfeiçoado para a remoção de componentes condensáveis de um fluido com um coeficiente Joule-Thomson positivo contendo componentes condensáveis.

[0009] Um objeto adicional de uma modalidade da invenção é fornecer um método para remover componentes condensáveis de um fluido que contém os ditos componentes condensáveis, compreendendo:

fornecer uma mistura de fluido com um coeficiente JouleThomson positivo contendo componentes condensáveis como uma corrente de alimentação inicial;

tratar a dita corrente de alimentação inicial para condensar líquidos da mesma e remover os ditos líquidos para formar uma corrente de gás;

comprimir e resfriar a dita corrente de gás para formar uma

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4/21 corrente de alta pressão;

[00010] expandir pelo menos uma porção da dita corrente de alta pressão para formar uma corrente de baixa pressão resfriada; e misturar a dita corrente de baixa pressão resfriada com a dita corrente de alimentação inicial, para aumentar o resfriamento e a condensação de componentes condensáveis na dita corrente de alimentação inicial.

[00011] Ainda outro objeto de uma modalidade é fornecer um aparelho para remover componentes condensáveis de um fluido com um coeficiente Joule-Thomson positivo contendo os ditos componentes condensáveis, compreendendo:

meios de condensação para tratar uma mistura de fluido com um coeficiente Joule-Thomson positivo contendo componentes condensáveis como a corrente de alimentação inicial para líquidos da mesma e remover os ditos líquidos para formar uma corrente de gás;

meios de compressor e meios de pós-resfriamento para a dita corrente de gás para formar uma corrente de alta pressão;

um circuito de expansão para expandir pelo menos uma porção da dita corrente de alta pressão para formar uma corrente de baixa pressão resfriada;

um circuito de reciclo em comunicação de fluido com o dito circuito de expansão para misturar a dita corrente de baixa pressão resfriada com a dita corrente de alimentação inicial para aumentar o resfriamento e a condensação de componentes condensáveis na dita corrente de alimentação inicial.

[00012] Um objeto adicional de nossa modalidade da presente invenção é fornecer um sistema para prevenir formação de hidrato de gás em um gás contendo água condensável durante a remoção da dita água condensável, compreendendo:

um estágio de tratamento, compreendendo:

corrente de fluido com um coeficiente Joule-Thomson

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5/21 positivo contendo água condensável;

meio separador em comunicação de fluido com a dita corrente de fluido para separar líquido contendo água condensada da dita corrente de fluido para formar uma corrente de gás parcialmente desidratado;

meios de compressor e meios de pós-resfriamento para comprimir e resfriar a dita corrente de gás parcialmente desidratado evoluindo do dito meio separador;

meio de saída para descarregar uma corrente de gás parcialmente desidratado;

um circuito de meio de expansão para expandir e resfriar uma corrente de gás;

o dito circuito posicionado para reciclar uma porção da dita corrente de gás parcialmente desidratado através do tio meio de expansão para o dito estágio de tratamento.

[00013] Com referência às Figuras 1 e 2, o teor de água em um gás ácido é proporcional à temperatura e até cerca de 400 psia para H2S e 900 psia para CO2 é inversamente proporcional à pressão. Dentro destes limites, pressões mais altas e temperaturas mais baixas favorecem baixo conteúdo de água em gases ácidos.

[00014] A desidratação é o processo de remover água de modo a minimizar ou evitar formação de hidrato e água livre. Em um gás ácido com uma concentração de H2S relativamente alta, água suficiente tipicamente é removida durante o resfriamento entre estágios de compressão de múltiplos estágios convencional até a fase densa (alguma pressão acima da pressão de crítica do fluido), de modo que não seja exigido um processo de desidratação separado. À medida que aumenta o teor de CO2 do gás ácido, a remoção de água suficiente através de compressão somente se torna menos provável e um processo de desidratação separado é geralmente necessário.

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6/21 [00015] Meios convencionais de desidratação de gás são adsorção de dessecante sólido, absorção de dessecante líquido, refrigeração, separação por membrana e separação de gás seco. Os métodos mais utilizados são adsorção de dessecante sólido e absorção de dessecante líquido.

[00016] Desidratação de glicol, um processo de absorção de dessecante líquido, é geralmente considerada como favorável operacionalmente e mais econômica para a maioria das aplicações. Tais processos de desidratação de dessecante líquido têm vários empecilhos:

• Perdas de glicol em um serviço de CO2 a alta pressão podem ser significativas;

• Oxigênio em excesso, tipicamente encontrado em gases ácidos formados por combustão aumenta significativamente a corrosão e acelera a degradação do glicol em temperaturas de regeneração mais altas, necessitando da adição de recuperação contínua de glicol;

• Equipamentos de desidratação devem ser fabricados de metais de alto custo, resistentes à corrosão, tal como aço inoxidável, para lidar com os líquidos acídicos produzidos;

• Glico tipicamente é aquecido a 80°F (204,44°C) para regeneração resultando em vaporização de água e ventilação para a atmosfera de quaisquer outros contaminantes também absorvidos pelo glicol, tal como compostos orgânicos voláteis (VOCs), tipicamente benzeno, tolueno, etil benzeno e xileno (BTEX) e quaisquer gases de separação. Controle destas emissões fugitivas geralmente requer a adição de equipamentos de recuperação de vapor caros e introduz o potencial para ainda mais contaminação de oxigênio;

• Os requisitos de utilidades desses processos são elevados e incluem o combustível utilizado para regeneração de glicol

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7/21 e a energia necessária para bombear o glicol e operar o equipamento de recuperação de vapor;

• Pegada de carbono total significativa é gerada como resultado da fabricação de equipamentos de desidratação, e do CO2 produzido das demandas de utilidades do sistema e da formulação de glicol usada no processo de desidratação.

[00017] Desidratação por refrigeração faz uso de uma reduzida capacidade do gás de reter água à medida que sua temperatura é diminuída. A redução de temperatura pode ser alcançada indiretamente por troca de calor da “refrigeração” externa ou outro processo de redução de temperatura, ou diretamente por expansão do próprio gás. A expansão direta do gás é ou expansão isentrópica, tal como em um turboexpansor, ou expansão isentálpica, tal como através de uma válvula Joule-Thomson (JT) usada em uma planta de estrangulamento convencional, ou através de um processo de refrigeração por compressão de gás. A instalação uma unidade de refrigeração indireta dedicada exclusivamente para a finalidade de desidratação é tipicamente proibitiva no custo.

[00018] Ambos os métodos de desidratação por refrigeração isentálpica direta e isentrópica utilizam um dispositivo de expansão, um separador de baixa temperatura e pelo menos um trocador de calor para recuperar tanta energia do processo quanto possível. Em sua forma mais simples, a totalidade do gás é expandida, seja isentalpicamente ou isentropicamente, de uma pressão mais alta para uma pressão mais baixa, resultando em uma temperatura de fluido suficientemente baixa para a condensação de água ocorrer. A água condensada é removida do processo em um separador de baixa temperatura e baixa temperatura residual, gás substancialmente seco é usado para pré-resfriar fluido entrante para melhorar a eficiência térmica do processo.

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8/21 [00019] No caso de expansão isentrópica, a expansão é realizada com um expansor e o trabalho extraído pelo expansor é tipicamente usado para recomprimir parcialmente o gás seco de saída.

[00020] A escolha de utilizar expansão isentrópica ou isentálpica é dependente da quantidade de remoção de água necessária e, portanto, da quantidade de redução de temperatura necessária. A expansão isentrópica é capaz de atingir temperaturas mais baixas. De uma perspectiva de custo de capital, o processo isentrópico é significativamente mais caro, mas a capacidade de recuperar trabalho tem uma vantagem de compensação. De uma perspectiva de operação e manutenção, o processo isentálpico tem uma vantagem de ser mecanicamente e operacionalmente simples e adequado para a maioria das aplicações. A desvantagem de compensação do processo isentálpico é o requisito de consumir trabalho adicional através de requisitos de compressão elevada.

[00021] O inconveniente comum de qualquer um dos processos de desidratação por refrigeração é que a maioria das aplicações exige que a corrente de gás seja resfriada até uma temperatura que está perto ou abaixo da HFT para atingir o nível desejado de desidratação. Para operação confiável, a adição contínua de um inibidor de hidrato termodinâmico, tal como glicol ou metanol, geralmente é necessária para abaixar a temperatura de formação de hidrato. Se desejado, ambos glicol e metanol são recuperáveis, mas exigem um processo de regeneração separado completo com todas as questões discutidas anteriormente na desidratação de dessecante líquido. Muitas vezes a escolha é feita para usar metanol sem recuperação, pois o metanol é relativamente benigno e tem menos impacto em processos a jusante do que glicol.

[00022] Claramente, há uma necessidade de um processo de desidratação para correntes de gás ácido que seja eficiente e de baixo

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9/21 custo e que evite os problemas observados com processos convencionais de desidratação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00023] As características da invenção se tornarão mais aparentes na seguinte descrição detalhada na qual é feita referência aos desenhos em anexo nos quais:

[00024] A Figura 1 é uma ilustração gráfica do teor de água saturada de vários fluidos, gases ácidos e metano (CH4) a 100°F (37,77°C) através de uma faixa de pressões.

[00025] A Figura 2 é uma ilustração gráfica do teor de água saturada de misturas ricas em CO2 e metano (CH4) a 100°F (37,77°C) através de uma faixa de pressões.

[00026] A Figura 3 é uma ilustração gráfica das perdas de glicol em um serviço de CO2 de alta pressão do estado da técnica.

[00027] A Figura 4A é um esquemático de um processo de desidratação isentálpico de acordo com uma modalidade da invenção para uma corrente de fluido saturado com água compreendendo 100% de CO2.

[00028] A Figura 4B é um esquemático de um processo de desidratação isentálpico de acordo com a Figura 4A para uma corrente de fluido compreendendo 80% de CO2 e 20% de H2S.

[00029] As Figuras 5A e 5B são esquemáticos de um processo de desidratação isentálpico de acordo com as Figuras 4A e 4B incorporando um trocador de calor para aquecer uma corrente de separação parcialmente expandida para prevenir a formação de hidrato na corrente de alimentação de processo principal antes da expansão adicional da corrente de separação para atingir a redução de temperatura desejada.

[00030] As Figuras 6A e 6B são esquemáticos de um processo de desidratação isentálpico de acordo com as Figuras 4A e 4B,

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10/21 incorporando um separador de baixa temperatura para remover água da corrente de fluido antes da reintrodução da corrente de separação no mesmo e da injeção de inibidor de hidrato contínua.

[00031] A Figura 7 é um esquemático de um processo isentálpico de múltiplos estágios de acordo com uma modalidade da invenção; e [00032] A Figura 8 é um esquemático de um processo isentrópico de múltiplos estágios de acordo com uma modalidade da invenção em que uma das válvulas Joule-Thomson é substituída por um expansor de fluido isentrópico.

[00033] Numerais semelhantes usados nas Figuras denotam elementos semelhantes.

MELHOR MODO DE EXECUTAR A INVENÇÃO [00034] Modalidades da invenção tiram proveito da propriedade termodinâmica de gases ácidos típicos que os torna úteis como um “refrigerante”. Esses gases apresentam uma redução de temperatura relativamente grande para uma dada redução de pressão dentro da região de operação do processo. A grande diminuição da temperatura é usada para resfriar uma esteira de ar da corrente de alimentação que após isso é reciclada a montante para resfriar a corrente de alimentação. Desta maneira, o método usa reciclagem para “autorrefrigerar”. O efeito Joule-Thomson é alcançado permitindo que o gás expanda isentalpicamente através de um dispositivo de estrangulamento, tipicamente um controle. Nenhum trabalho externo é extraído do gás durante a expansão isentálpica. A taxa de mudança da temperatura com respeito à pressão em um processo Joule-Thomson é o coeficiente Joule-Thomson (Kelvin). Por exemplo, o Coeficiente Joule-Thomson (JT) para dióxido de carbono a 50° C e 60 atm é de cerca de 5,6 vezes maior que aquele de nitrogênio nas mesmas condições. Portanto, a redução de temperatura para CO2 seria de cerca de 5,6 vezes maior do que para nitrogênio para a mesma

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11/21 redução na pressão nestas condições. Dados de coeficiente de JT também estão disponíveis para H2S e SO2.

[00035] Gases ácidos processados para aplicações comerciais, tal como aplicações de Recuperação de Óleo Intensificada (EOR) ou aplicações de Captura e Sequestro de Carbono (CCS), são normalmente comprimidos até pressões supercríticas, comumente denominadas “fase densa”, para transporte e/ou sequestro. Para atingir a fase densa, a compressão é normalmente realizada em mais de um estágio, seja utilizando compressão centrífuga, alternativa ou por choque, dependendo da pressão inicial. O diferencial de pressão entre estágios fornece uma oportunidade para tirar proveito das propriedades de Coeficiente JT favorável do vapor.

[00036] A compressão é dividida em duas regiões distintas com respeito ao ponto crítico do fluido sendo comprimido. Os estágios de compressão na primeira região são subcríticos e os estágios na segunda região levam o fluido acima de sua pressão crítica. Uma corrente de entrada entra na primeira região de compressão, que é subcrítica, e é considerada saturada de água. Alguma água naturalmente é removida por compressão através de vários estágios na primeira região.

[00037] Em modalidades da invenção, uma esteira de fluido da descarga pós-resfriada de um estágio de compressão, tipicamente perto ou acima da pressão crítica, é expandida até a pressão de sucção desse mesmo estágio, ou de um estágio anterior caso redução de temperatura adicional seja exigida. A temperatura reduzida resultante da corrente de esteira expandida é usada para resfriar a corrente de fluido principal a montante, em primeiro lugar por troca de calor, se necessário, e finalmente por mistura direta da esteira com a corrente de fluido principal. A redução resultante na temperatura da corrente misturada condensa água adicional do gás. A quantidade de

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12/21 resfriamento necessário é uma função do teor de água mínimo exigido para a composição da corrente satisfazer os critérios de projeto para a temperatura de ponto de orvalho da água e/ou a temperatura de formação de hidrato.

[00038] A seguir estão exemplos que ilustram modalidades da invenção, mais particularmente.

[00039] Exemplo 1 - uma modalidade básica.

[00040] Exemplo 2 - utilização de um vaso separador de baixa temperatura (LTS).

[00041] Exemplo 3-modalidade de um trocador de calor (HEX).

[00042] Exemplo 4 - uma modalidade isentálpica de múltiplos estágios; e [00043] Exemplo 5 - uma modalidade isentrópica e isentálpica de múltiplos estágios.

[00044] Os Exemplos 1 a 3 são mostrados usando composições de corrente diferentes; mais particularmente uma corrente tendo 100% de CO2 e uma corrente tendo 80% de CO2 e 20% de H2S. Será observado, no entanto, que modalidades da invenção são aplicáveis a correntes tendo quantidades variáveis de H2S e incluindo SO2, NOx e quaisquer outras misturas gasosas com Coeficientes JT relativamente grandes.

[00045] Os Exemplos 4 e 5 ilustram as capacidades a baixa temperatura de modalidades da invenção, bem como as diferenças entre processos isentálpicos e isentrópicos.

Exemplo 1 - BÁSICO [00046] Com referência às Figuras 4A e 4B, em uma modalidade da invenção, uma corrente de alimentação de gás ácido saturado de água 10 entra em um estágio de sucção 12 onde ela é comprimida 14 até a pressão de sucção do próximo estágio 16. O vapor comprimido quente 14 é resfriado 18 com pós resfriador 20 resultando na condensação de

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13/21 parte da água e outros condensáveis na corrente de alimentação. A água contendo líquido condensado é removida 22 em um separador 24 a montante do estágio final de compressão. O gás saturado 26 do separador 24 é ainda comprimido em 28 e é pós-resfriado novamente em 30.

[00047] Uma corrente de esteira 32 da corrente de fluido comprimida e pós-resfriada é removida e isentalpicamente expandida 34 através de uma válvula Joule-Thomson (TCV) 36 até a pressão de sucção mais baixa do mesmo estágio 16 de compressão. A expansão resulta em uma redução de temperatura, cuja magnitude é dependente da magnitude da redução de pressão e da composição da corrente de fluido. A corrente mais fria 38 é combinada com a corrente pósresfriada 18 saindo do estágio anterior de compressão, resultando em uma corrente combinada 40 tendo uma temperatura reduzida o suficiente para condensar a quantidade necessária de água.

[00048] Como mostrado na Figura 4A para uma corrente de alimentação tendo 100% de CO2, a temperatura é reduzida para cerca de 87°F (30,5°C) e o conteúdo final de águas é reduzido a cerca de 73 lb/MMscf para resultar em uma temperatura de formação de hidrato (HFT) de 30°F (-1,1°C).

[00049] Com referência à Figura 4B, em que a corrente de alimentação continha 80% de CO2 e 20% de H2S, a temperatura só precisa ser reduzida até cerca de 93°F (33,88°C) para um teor de água final de cerca de 89 lb/MMscf para atingir a mesma temperatura de formação de hidrato (HFT) de 30°F (-1,1°C).

Exemplo 2 - Trocador de Calor (HEX).

[00050] Em casos onde a composição da corrente de alimentação, em combinação com uma grande redução de pressão, cria uma temperatura de corrente que está abaixo da temperatura de formação de hidrato da corrente de alimentação não desidratada principal, a

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14/21 modalidade mostrada nas Figuras 4A e 4B pode ser modificada para incluir um trocador de calor (HEX).

[00051] Com referência às Figuras 5A e 5B, a modalidade básica é modificada de modo a evitar a necessidade de injeção contínua de inibidor de hidrato, da maneira como é utilizada em processos de refrigeração convencionais.

[00052] Nas Figuras 5A e 5B, a corrente de esteira 34 é parcialmente expandida 42 através de uma segunda Válvula JouleThomson válvula (JTV) 44. A temperatura da corrente parcialmente expandida é após isso elevada em um trocador de calor 46 antes de expansão adicional da corrente 48 através da Válvula Joule-Thomson (TCV) 50. Assim, as temperaturas das correntes parcialmente e totalmente expandidas 42, 48 são mantidas acima das respectivas temperaturas de formação de hidrato da corrente de alimentação não desidratada principal.

[00053] Para fins do Exemplo 2, a temperatura de formação de hidrato de projeto foi fixada em 15°F (-9,4°C).

[00054] Como mostrado na Figura 5A, para uma corrente de alimentação tendo 100% de CO2, a temperatura deve ser reduzida até cerca de 73°F (22,7°C) para resultar em um teor de água final de cerca de 51 lb/MMscf para atingir a temperatura de formação de hidrato de projeto de 15°F (-9,4°C).

[00055] Com referência à Figura 5B, e no caso onde a corrente de alimentação compreende 80% de CO2 e 20% de H2S, a temperatura foi reduzida até cerca de 79°F (26,1°C) para resultar em um conteúdo de água final de cerca de 64 lb/MMscf para atingir a temperatura de formação de hidrato de projeto de 15°F (-9,4°C).

Exemplo 3 - Separador de Baixa Temperatura (LTS).

[00056] Com referência às Figuras 6A e 6B, uma modalidade da invenção utiliza um separador adicional onde a redução de

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15/21 temperatura é significativa, como uma alternativa à modalidade descrita no Exemplo 2.

[00057] Como mostrado nas Figuras 6A e 6B, a 46 e a JTV 44 das Figuras 5A e 5B são substituídas por um segundo separador de baixa temperatura (LTS) 52. Uma corrente de esteira 54 é expandida 56 através de uma Válvula Joule-Thomson (TCV) 44. O primeiro separador 24 está posicionado para remover tanta água quanto possível da corrente de alimentação antes da reintrodução da corrente de esteira expandida 48. A adição de inibidor de hidrato na corrente de esteira expandida 48 é considerada quando o projeto do processo requer que a temperatura da corrente de esteira expandida esteja abaixo de 32°F (0°C). A remoção precoce da água reduz a quantidade de resfriamento necessário para satisfazer as condições de projeto e, caso as condições garantam, reduzir a quantidade inibidor de hidrato necessária.

[00058] A temperatura de formação de hidrato de projeto para o Exemplo 3 foi fixada em 0°F (-17,7°C).

[00059] Como mostrado na Figura 6, quando a corrente de alimentação compreende 100% de CO2, a temperatura tinha que ser reduzida para 62°F (16,6°C) para resultar em um teor de água final de cerca de 36 lb/MMscf para satisfazer a temperatura de formação de hidrato de projeto de 0°F (-17,7°C).

[00060] Com referência a Figura 6B, quando a corrente de alimentação compreende 80% de CO2 e 20% de H2S, a temperatura teve que ser reduzida para cerca de 67°F (19,4°C) para resultar em um teor de água final de cerca de 45 lb/MMscf para atingir a temperatura de formação de hidrato de projeto de 0°F (-17,7°C).

Exemplo 4 - isentálpica de múltiplos estágios [00061] Com referência à Figura 7, uma modalidade de múltiplos estágios da invenção é empregada quando a redução de temperatura

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16/21 requerida é muito grande. A modalidade foi projetada para atingir uma temperatura de formação de hidrato de -45°F (-42,77°C).

[00062] Como mostrado na Figura 7, esta modalidade compreende um trocador de calor 46, um separador de baixa temperatura 52 e injeção de inibidor de hidrato contínua 56. O primeiro separador 24 está posicionado entre o trocador de calor 46 e a reintrodução da corrente de temperatura reduzida. A remoção precoce de água da corrente de alimentação reduz a quantidade de resfriamento e de inibidor de hidrato necessária para satisfazer os critérios de projeto.

[00063] Para obter uma temperatura mais baixa, a redução de pressão que resulta da expansão da corrente de esteira 58 através da Válvula Joule-Thomson 44 ocorre ao longo de pelo menos dois estágios de compressão. Dessa forma, a corrente de esteira parcialmente expandida 60 é aquecida no trocador de calor 46 e totalmente expandida 62 através da Válvula Joule-Thomson 64 para ser reintroduzida, juntamente com a injeção de inibidor de hidrato, na corrente de alimentação dois ou mais estágios 66, 68 a montante da remoção da corrente de esteira 58 para resfriar a corrente de alimentação 28. A água condensada é removida da corrente de alimentação resfriada 28 no segundo separador 52 antes da compressão adicional da corrente de alimentação resfriada 28.

[00064] Neste exemplo, a baixa temperatura alcançada na corrente de esteira totalmente expandida 56 e na corrente de alimentação resfriada 28 requer a adição do inibidor de hidrato, no entanto, a quantidade de inibidor de hidrato é minimizada como resultado da remoção a montante de uma porção significativa de água no primeiro separador 24.

[00065] Um benefício adicional da baixa temperatura atingida na corrente de alimentação resfriada neste exemplo, é a capacidade de reduzir o número de estágios de compressão de cinco estágios para

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17/21 quatro estágios, resultando em uma redução do custo total.

Exemplo 5-ISENTRÓPICA DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS [00066] Com referência à Figura 8, uma modalidade de múltiplos estágios da invenção utiliza um expansor de fluido isentrópico 66, tal como uma turbina de expansão radial convencional ou turboexpansor (tal como está disponível de Mafi-Trench, Santa Maria, CA, EUA) para substituir a Válvula Joule-Thomson 44 da Figura 7 para expansão da corrente de esteira 58.

[00067] Nesta modalidade, o expansor de fluido isentrópico é capaz de atingir uma temperatura mais baixa na corrente de esteira expandida 60 do que é possível utilizando uma válvula JouleThompson (expansão isentálpica) para a mesma redução na pressão. Adicionalmente, a fração da corrente de esteira necessária é menor do que no Exemplo 4.

[00068] Os requisitos de energia para o Estágio 3 (66) e Estágio 4 (68) para esta modalidade, em comparação com aqueles no Exemplo 4, são inferiores em cerca de 2%. O expansor de fluido isentrópico produz energia, cerca de 1,8% do Estágio 3 (66) e Estágio 4 (68), para outros usos. Além disso, os requisitos de inibidor de hidrato são minimizados.

[00069] As modalidades da invenção, descritas neste documento têm vantagens notáveis e diferenças em relação aos processos convencionais de dessecante líquido e desidratação por refrigeração isentálpica.

[00070] Em comparação com processos de desidratação de dessecante líquido, as modalidades da invenção permitem a eliminação de equipamentos convencionais de desidratação pela substituição por válvulas de expansão (TCV, JTV) a uma pequena fração do custo de capital dos equipamentos convencionais de desidratação.

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18/21 [00071] Em comparação com processos convencionais de refrigeração por expansão isentálpica, tal como uma planta de estrangulamento, as modalidades da invenção podem permitir a eliminação de um estágio de compressão, um trocador de calor gásgás principal e a adição de um inibidor de hidrato, proporcionando uma redução significativa do custo de capital.

[00072] A planta de estrangulamento do estado da técnica exige que a corrente de gás toda seja supercomprimida e expandida até a pressão de projeto. Isto tipicamente aumenta os requisitos de energia de compressão original do sistema em 20% a 25%. Dependendo da composição do gás e das condições de operação, a pressão de descarga do compressor mais alta pode necessitar da adição de um estágio inteiro de compressão.

[00073] A corrente de esteira de resfriamento é tipicamente de 10% a 20% do fluxo de corrente combinado através de um único estágio, dependendo da composição do gás ácido e das condições de operação necessárias. O aumento de produtividade através de um estágio de compressão teoricamente aumenta a demanda de energia de compressão total em 2% a 4% (isto é, 1/5 de 10% a 20% para um compressor de 5 estágios). Em comparação, no entanto, este aumento é muitas vezes comparável ao aumento devido a queda de pressão através de equipamentos convencionais de desidratação. Além disso, há uma melhoria de eficiência e, portanto, uma redução correspondente na energia de compressão, resultante da temperatura de operação reduzida do compressor. Em alguns casos, os requisitos de energia de compressão acabam sendo menores do que quando usando equipamentos convencionais de desidratação.

[00074] Temperaturas de sucção mais baixas, permitidas por modalidades da invenção, têm uma vantagem adicional sobre ambos o desidratador convencional e a planta de estrangulamento. A

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19/21 temperatura reduzida em um estágio oferece a oportunidade de reequilibrar as taxas de compressão em cada estágio, uma taxa de compressão mais alta quando a pressão de sucção é mais fria, permitindo assim uma redução da taxa de compressão nos outros, até que as temperaturas de descarga de cada estágio sejam relativamente iguais em algum novo valor mais baixo. A redução na temperatura de descarga de certa forma reduz a demanda de energia adicional decorrente do volume de corrente de esteira adicional visto em um ou mais estágios de compressão. A redução de temperatura também resulta em vida útil mais longa da válvula, tempo operacional elevado e custos de manutenção mais baixos. O reequilíbrio pode, em algum ponto, com temperaturas mais baixas, ser significativamente suficiente para eliminar um estágio inteiro de compressão e, assim, proporcionar economia de custo de capital considerável.

[00075] Acredita-se que a pegada de carbono global de modalidades da invenção seja significativamente mais baixa do que os métodos convencionais. O requisito de equipamento é consideravelmente menor reduzindo a demanda por fabricação, não é necessária a formulação de glicol e nenhuma utilidade adicional é necessária que produza CO2, todos os quais mais que compensam o aumento marginal da energia necessária (tipicamente cerca de 2%) para comprimir o volume da corrente de esteira. Adicionalmente, a falta de requisitos químicos em modalidades da invenção reduz significativamente o risco ecológico.

[00076] Gases ácidos incluindo CO2, H2S, SO2e NOx são fluidos bem adequados para as modalidades da invenção. Acredita-se, no entanto, que os fluidos não estão limitados àqueles divulgados neste documento. Ainda acredita-se que os princípios termodinâmicos utilizados em modalidades da invenção são válidos para todas as misturas de fluido exibindo um Coeficiente Joule-Thomson (JT)

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20/21 positivo dentro da faixa desejada de condições de processo; em outras palavras, as misturas de fluidos frias quando expandidas. Como uma generalização, um fluido com um maior Coeficiente JT ficará mais frio do que um com um Coeficiente JT menor e, portanto, exigirá que menos do fluido seja transformado em corrente de esteira. Um requisito de baixa corrente de esteira é economicamente desejável.

[00077] As aplicações para modalidades da invenção se situam em captura e armazenamento de carbono (CCS), no tratamento de CO2, SO2 e NOx capturados de combustão, processos de gaseificação e químicos industriais para sequestro e em AGI (injeção de gás ácido) quando H2S e CO2 são capturados de processos de óleo e gás para sequestro.

[00078] Os Exemplos 1 a 5 fornecidos neste documento são baseados em um único conjunto de condições. Modalidades da invenção exigem otimização para cada fluido e conjunto de condições. A otimização envolve a seleção do estágio de compressão mais adequado para iniciação da corrente de esteira e que é mais adequado para recombinar a corrente de esteira. Outra otimização situa-se na seleção da variação ótima do processo, seja ele Básico, HEX, LTS, de Múltiplos Estágios, Isentrópico de Múltiplos Estágios, ou alguma outra combinação daqueles descritos acima. Também dentro de qualquer uma das escolhas, o ótimo sistema de instrumentação e controle precisa ser incluído e os ótimos pontos de operação para a aplicação estabelecidos.

[00079] Os exemplos fornecidos assumem desempenho em regime constante. Outras considerações são tratadas para acomodar partida, transtornos em serviço e desligamento para operações comerciais. Um exemplo simples é que durante os primeiros poucos minutos da partida e durante períodos de transtornos de processo externos, as temperaturas e as taxas de fluxo de corrente de esteira podem não

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21/21 estar na condição de operação de regime constante ditada pelo projeto do processo. Hidratos potencialmente poderiam começar a ser formar sem o fornecimento de algo no projeto para mitigar esta condição. Modalidades da invenção são, portanto, destinadas a incluir a capacidade de adicionar um inibidor de hidrato termodinâmico, tal como metanol, para proteção temporária contra formação de hidrato em um desempenho de regime constante.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para remover componentes condensáveis de um fluido que contém os ditos componentes condensáveis, caracterizado pelo fato de que compreende:

fornecer uma mistura de fluido contendo componentes condensáveis como uma corrente de alimentação inicial, a referida corrente incluindo gases ácidos;

tratar a dita corrente de alimentação inicial para condensar líquidos da mesma e remover os ditos líquidos para formar uma corrente de gás;

comprimir e depois resfriar a dita corrente de gás para formar uma corrente de alta pressão;

expandir pelo menos uma porção da dita corrente de alta pressão para formar uma corrente de baixa pressão resfriada e misturar dita corrente de baixa pressão resfriada com a dita corrente de alimentação inicial, para aumentar o resfriamento e a condensação de componentes condensáveis na dita corrente de alimentação inicial, o dito tratamento da corrente de alimentação inicial inclui resfriamento com a dita corrente de baixa pressão resfriada.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido tem um coeficiente de Joule-Thomson positivo.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos componentes condensáveis incluem água.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos componentes condensáveis incluem alcanos inferiores.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito tratamento inclui contato com meios trocadores de calor.

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6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é expandido isentropicamente.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é expandido isentalpicamente.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda inclui uma etapa opcional de adicionar inibidor de hidrato ao dito fluido.
9. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a dita corrente de alimentação contendo gases ácidos está saturada com água.