ES2199792T3 - Procedimiento y aparato para secar gas natural. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para separar agua de gas natural que comprende: poner en contacto el gas natural con un líquido que incluye un absorbente para el agua; someter el gas natural y el líquido a condiciones de mezcla turbulenta, para que el agua sea absorbida por el absorbente; y separar una fase de gas natural con un menor contenido en agua y una fase líquida que incluye el absorbente y el agua absorbida; y en donde la operación de mezcla se efectúa en un contactor turbulento (11) que comprende un recipiente (101) que incluye una entrada de gas (15), una entrada de líquido (16), una salida (104) que conduce a un paso venturi (105) y un tubo (106) que se extiende desde la salida en dirección aguas arriba, estando el tubo perforado y/o separado de la periferia de la salida.

Description

Procedimiento y aparato para secar gas natural.

La presente invención se refiere a un procedimiento y un aparato para la separación de agua de gas natural.

El gas natural tal como se extrae de los yacimientos contiene vapor de agua. La concentración del vapor de agua depende de la temperatura y presión del gas en el punto de extracción. Durante el tratamiento del gas, particularmente si se trata para separar componentes gaseosos ácidos tales como dióxido de carbono, CO_{2}, y sulfuro de hidrógeno, H_{2}S, aquel puede llegar a entrar en contacto con disolventes acuosos. Esto significa que el gas puede absorber más vapor de agua. Cuando el gas entra en contacto con un disolvente acuoso, llegará a saturarse con vapor de agua a la temperatura y presión reinantes. Antes de que el gas sea exportado desde la instalación de producción, la concentración de vapor de agua en el gas ha de ser reducida a niveles muy bajos. Una especificación habitual puede ser la de 0,2 partes por millón en volumen (ppm v/v) en el gas. Este valor se encuentra muy por debajo de las concentraciones que normalmente se encontrarán en el gas tal y como es extraído y muy por debajo del valor obtenido después del tratamiento para separar CO_{2} y/o H_{2}S. Por tanto, el gas ha de ser secado antes de que pueda ser comprimido para su exportación.

En la actualidad, se emplean generalmente procedimientos para secar un gas. Estos procedimientos están basados en operaciones de absorción o de adsorción, respectivamente. En la adsorción, el gas se pone en contacto con un material sólido poroso. El vapor de agua se adsorbe sobre la superficie del sólido. El adsorbente es normalmente un material siliceo, habitualmente una mezcla de óxidos de aluminio y de silicio, conocida como tamices moleculares. En la absorción, el gas se pone en contacto con un reactivo químico que separa el agua. La presente invención está relacionada con procedimientos de secado-deshidratación por absorción.

En los procedimientos de secado convencionales, el gas se pone en contacto, en una torre en contracorriente, con alcoholes, normalmente los glicoles, monoetilenglicol, MEG, o trietilenglicol, TEG. El gas se satura normalmente con vapor de agua en las condiciones de entrada, temperatura y presión. La concentración de saturación aumenta a medida que aumenta la temperatura y desciende la presión. En un conjunto típico de condiciones, 80ºC y 70B (7 x 10^{6} Pa) de presión, la concentración de saturación es de 8 x 10^{-3} kg/mmscm de gas. La concentración de agua en el gas de salida variará ligeramente con las condiciones de las especificaciones del gaseoducto, pero normalmente es del orden de 6,4 x 10^{-5} kg/mmscm de gas. Esto corresponde a un punto de bajo contenido en agua a 70Bg de -7ºC, muy por debajo del punto de formación de hidratos.

Con el fin de evaluar el rendimiento de absorción entre estas bajas concentraciones, se requieren datos del equilibrio termodinámico: concentración de agua en el gas, y*; y concentración de agua en la fase líquida, x. Obsérvese la ecuación:

y*_{p} = f(x)_{p}(1)

es decir, la función f depende de la presión. Los datos relevantes demuestran que la separación se puede conseguir en un solo plato teórico, es decir, en el caso de que el equilibrio se alcanzara en el proceso de contacto (mezcla), entonces un solo contacto entre el gas y el líquido proporcionaría el rendimiento requerido de separación de agua del gas.

Sin embargo, en las unidades de torres en contracorriente convencionales, normalmente se especifican cuatro platos reales. Simplemente, no pueden conseguirse eficacias en los platos por encima del 50%.

Por tanto, un objeto de la invención consiste en proporcionar un procedimiento y un aparato que permite separar vapor de agua de un gas natural con una mayor eficiencia.

De acuerdo con la invención, se proporciona un procedimiento para separar agua de gas natural que comprende: poner en contacto el gas natural con un líquido que incluye un absorbente para el agua; someter el gas natural y el líquido a condiciones de mezcla turbulenta, para que el agua sea absorbida por el absorbente; y separar una fase de gas natural con un menor contenido en agua y una fase líquida que incluye el absorbente y el agua absorbida; y en donde la operación de mezcla se efectúa en un contactor turbulento que comprende un recipiente que incluye una entrada de gas, una entrada de líquido, una salida que conduce a un paso Venturi y un tubo que se extiende desde la salida en dirección aguas arriba, estando el tubo perforado y/o separado de la periferia de la salida.

La invención abarca también el aparato para llevar a cabo dicho procedimiento.

La operación de mezcla turbulenta es muy intensa y se traduce en un contacto gas-líquido extremadamente eficaz. El régimen de mezcla es con preferencia una mezcla turbulenta en capas con esfuerzo cortante. El líquido arrastrado en el gas puede estar en forma de gotitas para la distribución en fase fluida continua del gas. El término "mezcla eficiente" significa que la absorción puede tener lugar muy rápidamente y en un volumen total de absorbente relativamente pequeño en comparación con el requerido en las columnas de absorción convencionales. El sistema de mezcla usado es simple y económico en comparación con los sistemas del estado de la técnica, dando lugar ello a menores costes. Por último, en ciertas aplicaciones se puede conseguir una eficiencia próxima al 100% en la separación de agua.

Las ventajas de dicho mezclador con respecto a las torres de deshidratación en contracorriente convencionales consisten en una reducción del tamaño y peso de la instalación.

Preferentemente, el procedimiento se lleva a cabo como un procedimiento continuo fluyendo el gas natural y el líquido en corrientes paralelas. El flujo en corrientes paralelas reduce los problemas asociados con el espumado y la inundación, puesto que la absorción puede continuar aguas abajo del contactor.

Un contactor adecuado es un mezclador suministrado por Framo Engineering A/S y descrito en EP-B-379 319.

El tubo está situado en un recipiente, incluyendo el recipiente la entrada de gas, la entrada de líquido y la salida. En uno de los posibles regímenes, el gas natural se suministra al tubo, opcionalmente de forma directa, y el líquido se suministra al recipiente y, de este modo, la corriente de gas natural arrasa al líquido al interior del Venturi y las dos fases se mezclan. Según otro régimen, el gas natural se suministra al recipiente y el líquido se suministra al tubo, opcionalmente de forma directa, con lo que el gas natural es arrastrado al interior del Venturi por el líquido y las dos fases se mezclan. En un tercer régimen, el líquido y el gas natural son suministrados al recipiente, suministrándose el líquido en un nivel por encima del nivel de la salida, con lo que el gas natural es obligado a salir a través de la salida por vía del tubo, arrastrando con ello al líquido al interior del Venturi, de manera que las dos fases se mezclan.

Preferentemente, el gas natural y el líquido forman una mezcla homogénea en el contactor, la cual es enfriada opcionalmente antes de separarse en una fase gaseosa y en una fase líquida. Con preferencia, la mezcla homogénea se separa en una fase gaseosa y en una fase líquida en un hidrociclón. Preferentemente, el absorbente presente en la fase líquida se somete a un tratamiento de regeneración para separar el agua absorbida. con preferencia, la fase líquida que contiene absorbente regenerado se recicla al contactor. Preferentemente, la regeneración se efectúa por calentamiento y/o vaporización instantánea del agua. Cuando el absorbente es un glicol, la regeneración se puede efectuar calentando la solución a unos 200ºC y pasando los vapores a una torre de fraccionamiento. Con preferencia, el enfriamiento después de la mezcla y el calentamiento regenerativo se consiguen, al menos en parte, mediante un intercambio de calor mutuo.

La recuperación parcial del glicol se puede efectuar separando por vaporización instantánea el vapor de agua al reducir la presión aplicada sobre el líquido después de la deshidratación del gas. Cuando se utiliza esta operación, entonces se puede considerar el uso, en dicha operación, de un mezclador turbulento similar. Dicha operación de vaporización instantánea solo conseguirá una regeneración parcial del glicol. Con el fin de obtener los muy bajos niveles de contenido en agua de las soluciones de glicol, necesarias para la deshidratación del gas, se requiere el calentamiento de la fase disolvente.

De acuerdo con un aspecto más específico de la invención, se proporciona un procedimiento para separar agua de un gas natural que comprende: suministrar el gas natural a un contactor turbulento; suministrar al contactor un líquido que incluye un absorbente para el agua; someter el gas natural y el líquido a mezcla turbulenta en el contactor para formar una mezcla homogénea; dejar que el agua sea absorbida por el absorbente; separar la mezcla homogénea en una fase gaseosa y en una fase líquida en un hidrociclón (o en cualquier otro separador gas/líquido); separar la fase gaseosa; someter el disolvente presente en la fase líquida a un tratamiento de regeneración para separar el agua absorbida; y reciclar al contactor la fase líquida que contiene absorbente regenerado.

Una porción del disolvente, después de la extracción, puede ser reciclada directamente al contactor.

Preferentemente, el absorbente incluye un glicol u otro líquido miscible en agua. Con preferencia, el glicol es etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol o una mezcla de cualesquiera de los anteriores. El absorbente elegido podría ser también inmiscible en agua y, en este caso, se necesitaría una instalación para separar el agua del absorbente aguas abajo del separador gas/líquido.

El dietilenglicol (DEG) y el monoetilenglicol (MEG) son disolventes típicos para la deshidratación. El trietilenglicol (TEG) es actualmente el disolvente más popular puesto que tiene una temperatura de degradación más elevada y puede ser regenerado a una concentración limpia más alta en una caldera convencional sin modificación alguna. Recientemente ha surgido una tendencia hacia la reducción de emisiones de BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno, xileno) lo cual, en algunos casos, ha favorecido el uso de MEG debido a la solubilidad mucho más baja de BTEX en este disolvente. Sin embargo, como inconveniente, ha de indicarse las pérdidas de glicol mucho más elevadas. La presente invención contempla el uso de cualquier agente deshidratante. Sin embargo, el tiempo de residencia corto en el sistema contactor preferido (en comparación con una columna de absorción en contracorriente) se traducirá necesariamente en una menor co-absorción de los componentes BTEX en un sistema de glicol dado.

Preferentemente, el gas natural y el líquido se someten a dos o más etapas de mezcla. Las etapas de mezcla adicionales pueden ser realizadas antes y/o después de la etapa de mezcla turbulenta. Una o más de las etapas de mezcla adicionales (o realmente todas ellas) pueden consistir también en etapas de mezcla turbulenta. Las mismas pueden ser efectuadas usando un contactor turbulento similar o algún otro contactor turbulento, tal como un eyector, una bomba de chorro o un mezclador como se describe en WO 95/02448. Preferentemente, se emplean dos o más etapas de mezcla turbulenta.

Cuando se adopta una segunda operación de mezcla turbulenta, la misma se efectúa preferentemente en un contactor turbulento que comprende al menos una entrada de fluido, una salida que conduce a un conducto de Venturi, y un tubo que se extiende desde la salida de nuevo al interior del contactor. Preferentemente, el segundo contactor tiene una entrada de gas y una entrada de líquido. El tubo puede estar o no perforado y el espacio de separación entre el tubo y la salida puede variarse. Preferentemente, el segundo contactor turbulento está situado en un conducto que se extiende desde la sección de Venturi del primer contactor. El segundo contactor turbulento puede tener también una entrada de líquido separada para la adición de absorbente nuevo.

La invención abarca también un aparato para llevar a cabo dicho procedimiento, que comprende: un contactor turbulento que tiene una entrada de líquido, una entrada de gas y una salida de fluido; un enfriador opcional para la corriente de fluido procedente de la salida de fluido; un hidrociclón dispuesto para separar la corriente de fluido en una fase gaseosa y en una corriente de líquido; un regenerador dispuesto para tratar la corriente de líquido separada; y una línea de reciclo dispuesta para conducir la corriente de líquido regenerado al contactor.

El aparato puede incluir una línea de reciclo para la corriente de líquido desde el separador al contactor, desviándose del regenerador. También puede existir otro separador, por ejemplo, en forma de un tanque de vaporización instantánea, en la línea de reciclo, para que el agua absorbida se pueda separar del líquido.

El aparato puede incluir una bomba dispuesta para suministrar líquido a la entrada de líquido del contactor. Preferentemente, el regenerador es un calentador y/o un tanque de vaporización instantánea.

La invención puede considerarse también como abarcando el uso de un contactor turbulento para separar agua de un gas natural, que comprende formar, en el contactor, una mezcla homogénea de la mezcla gaseosa con un absorbente para el agua; dejar que el agua sea absorbida por el absorbente; y separar entonces una fase gaseosa y una fase líquida, en donde la fase líquida contiene el agua.

La invención puede ponerse en práctica de varias formas y se describirán ahora varias modalidades, a título de ejemplo, para ilustrar la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:

La figura 1 es un diagrama de flujos de un procedimiento según la invención.

La figura 2 es una vista de la sección de contacto del aparato.

La figura 3 es una vista de las secciones de separación y regeneración de glicol.

La figura 1 muestra un procedimiento para separar agua de una corriente gaseosa, de acuerdo con la invención. En el procedimiento se emplean un contactor turbulento 11, un separador gas-líquido 12, un despresurizador 13 y una etapa de regeneración de glicol 14. El gas natural que porta agua se alimenta al contactor en 15 y se alimenta un absorbente de trietilenglicol (TEG) en 16. En el contactor 11, el TEG absorbe el agua del gas natural y del contactor sale, por 17, una mezcla gas/líquido homogénea.

La mezcla es conducida por la línea 18 al separador 12 en donde se separan las fases gaseosa y líquida. Una fase gaseosa libre de agua abandona el separador 12 por 19 y una fase líquida que comprende TEG y agua absorbida se separa en 21. Esta fase líquida es conducida por la línea 22 a un despresurizador 13 en donde el vapor de agua se separa por vaporización instantánea y se retira por vía de una salida de vapor de agua 23. El TEG con el resto de agua se conduce por la línea 24 a la etapa de regeneración de glicol 14, en la cual el glicol se separa por vía de una salida de glicol 15 y el agua se separa por vía de una salida de agua 26. El glicol regenerado puede ser reciclado a la entrada de glicol 16 de la etapa del contactor 11.

La etapa del contactor 11 se muestra con mayor detalle en la figura 2. Esta etapa 11 comprende dos etapas. El contactor turbulento 100 que forma la primera etapa comprende un recipiente 101 que tiene la entrada de gas natural 15, la entrada de glicol 16 y una salida 104 que conduce a un paso Venturi 105. Existe un tubo 106 (que puede o no estar perforado) que se extiende desde la salida 104 al interior del recipiente 101.

El glicol y el gas natural son suministrados al recipiente 101, suministrándose el glicol en un nivel por encima del nivel de la salida 104, con lo que el gas es obligado a salir a través de la salida 104 por vía del tubo 106, arrastrando con ello al glicol al interior del Venturi de manera que las dos fases se mezclan.

La mezcla gas/líquido homogénea del primer contactor turbulento 100 es conducida a un segundo contactor turbulento 110. De este modo, la mezcla entra en un regenerador de flujo anular 150 desde una pieza en forma de carrete 151, o bien directamente desde el difusor del Venturi 105. A medida que la mezcla gas/líquido fluye a través de la parte de salida expandida del generador de flujo anular 150, se establece una película de líquido en la pared para formar un flujo anular de gas/líquido esencialmente con el gas en el núcleo del conducto y con el líquido en la pared del conducto. La película de líquido se mantendrá en la corona anular entre las piezas interior y exterior 152 y 153, respectivamente.

Las condiciones en la salida 154 del conducto interior 152 son similares a las condiciones en la salida 104 del primer contactor turbulento. En principio, es evidente que se puede incorporar cualquier número de etapas en el sistema, aunque deberán tomarse en cuenta factores tales como la caída de presión.

Como se muestra en la figura 2, la mezcla que sale del segundo contactor 110 por la salida 17 es conducida a un separador gas/líquido de tipo hidrociclón 12 por vía de una entrada tangencial 31 (véase la figura 3). Las dos fases presentes se separan del modo normal. La fase gaseosa, que comprende gas natural deshidratado, pasa ascendentemente por vía del tubo central 32 y por dos etapas de separación de neblina 33, 34, y sale por la salida de gas 19. La fase líquida, que comprende glicol y agua absorbida, pasa descendentemente por vía de un colector cónico 35 y sale por vía de la salida de líquido 21. El líquido acumulado puede ser evacuado de los tubos por 37 al nivel del anillo de soporte para el tubo central 32.

El líquido es conducido a un despresurizador 13, en donde parte del agua absorbida es separada por vaporización instantánea y sale por vía de la salida de vapor de agua 23. El glicol y cualquier agua absorbida restante se bombean al regenerador de glicol 14 por la línea 24. Aquí, el resto del agua absorbida se separa del glicol. El agua se retira por vía de la salida 25 y el glicol deshidratado se retira por vía de la salida de glicol 26. Este glicol regenerado es reciclado entonces a la entrada de glicol 16 de la etapa del contactor 11, por vía de la línea de reciclo 36.

Claims (24)

1. Procedimiento para separar agua de gas natural que comprende: poner en contacto el gas natural con un líquido que incluye un absorbente para el agua; someter el gas natural y el líquido a condiciones de mezcla turbulenta, para que el agua sea absorbida por el absorbente; y separar una fase de gas natural con un menor contenido en agua y una fase líquida que incluye el absorbente y el agua absorbida; y en donde la operación de mezcla se efectúa en un contactor turbulento (11) que comprende un recipiente (101) que incluye una entrada de gas (15), una entrada de líquido (16), una salida (104) que conduce a un paso venturi (105) y un tubo (106) que se extiende desde la salida en dirección aguas arriba, estando el tubo perforado y/o separado de la periferia de la salida.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas natural se suministra al tubo (106) y el líquido se suministra al recipiente (101) y, de este modo, la corriente de gas natural arrasa al líquido al interior del venturi (105) y las dos fases se mezclan; o

el gas natural se suministra al recipiente (101) y el líquido se suministra al tubo (106), con lo que el gas natural es arrastrado al interior del venturi (105) por el líquido y las dos fases se mezclan; o

el líquido y el gas natural son suministrados al recipiente (101), suministrándose el líquido en un nivel por encima del nivel de la salida (104), con lo que el gas natural es obligado a salir a través de la salida (104) por vía del tubo (106), arrastrando con ello al líquido al interior del venturi (105), de manera que las dos fases se mezclan.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se efectúa como un procedimiento continuo con el gas natural y el líquido fluyendo en corrientes paralelas.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas natural y el líquido se forman como una mezcla homogénea en el contactor (11), siendo enfriada opcionalmente dicha mezcla homogénea antes de separarse en una fase gaseosa y en una fase líquida.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la mezcla homogénea se separa en una fase gaseosa y en una fase líquida en un hidrociclón.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el absorbente en la fase líquida se somete a un tratamiento de regeneración para separar el agua absorbida y la fase líquida que contiene absorbente regenerado se recicla opcionalmente al contactor (11).

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la regeneración se efectúa calentando el agua absorbida y/o separando el agua absorbida por vaporización instantánea.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el enfriamiento después de la operación de mezcla y el calentamiento regenerativo se consiguen, al menos en parte, mediante intercambio de calor mutuo.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el absorbente es miscible con agua.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el absorbente es inmiscible con agua.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el absorbente incluye un glicol, preferentemente monoetilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol o una mezcla de cualesquiera de los anteriores.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas natural y el líquido se someten a dos o más etapas de mezcla.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque se efectúa una etapa de mezcla adicional antes de la etapa de mezcla turbulenta.

14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque se efectúa una etapa de mezcla adicional después de la etapa de mezcla turbulenta.

15. Procedimiento según la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque una o más de dichas etapas de mezcla adicionales son etapas de mezcla turbulenta, efectuándose preferentemente la segunda etapa de mezcla en un segundo contactor, situado en un conducto que se extiende desde el paso venturi del primer contactor.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque la mezcla de fluido se separa en una fase gaseosa y en una fase líquida entre los dos contactores, efectuándose preferentemente la separación de fases en un generador de flujo anular.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque se añade disolvente líquido nuevo al segundo contactor.

18. Aparato para separar agua de un gas natural poniendo en contacto el gas natural con un líquido que incluye un absorbente para el agua, que comprende:

un contactor turbulento (11) en donde el gas natural y el líquido se someten a condiciones de mezcla turbulenta haciendo con ello que el agua sea absorbida por el absorbente; y

un separador (12) para separar una fase de gas natural con menor contenido en agua y una fase líquida que incluye el absorbente y el agua absorbida; y en donde el contactor turbulento comprende un recipiente (101) que incluye una entrada de gas (15), una entrada de líquido (16), una salida (104) que conduce a un paso venturi (105) y un tubo (106) que se extiende desde la salida de nuevo en dirección aguas arriba, estando el tubo perforado y/o estando separado de la periferia de la salida.

19. Aparato según la reivindicación 18, caracterizado porque el separador (12) incluye un hidrociclón.

20. Aparato según la reivindicación 18 ó 19, caracterizado porque el separador (12) incluye un regenerador absorbente.

21. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque el contactor (11) incluye dos o más etapas de contactor, estando situado preferentemente el segundo contactor turbulento en un conducto que se extiende desde la sección de venturi del primer recipiente contactor (101).

22. Uso de uno o más contactores turbulentos (11) para absorber agua de una corriente de gas natural, en donde la corriente de gas se pone en contacto con un líquido que incluye un absorbente para el agua y se somete a una operación de mezcla turbulenta, comprendiendo al menos uno de los contactores turbulentos un recipiente (101) que incluye una entrada de gas (15), una entrada de líquido (16), una salida (104) que conduce a un paso de venturi (105) y un tubo (106) que se extiende desde la salida en dirección aguas arriba, estando el tubo perforado y/o estando separado de la periferia de la salida.

23. Uso según la reivindicación 22, caracterizado porque un segundo contactor turbulento está ubicado en un conducto que se extiende desde la sección de venturi del primer contactor.

24. Uso según la reivindicación 22 ó 23, caracterizado porque se separan una fase gaseosa y una fase líquida después de salir de un primer contactor turbulento y antes de entrar en un segundo contactor turbulento, realizándose preferentemente la separación de fases en un generador de flujo anular.