ES2232571T3 - Procedimiento de lucuefaccion parcial de un fluido que contiene hidrocarburos tal como gas natural. - Google Patents

Procedimiento de lucuefaccion parcial de un fluido que contiene hidrocarburos tal como gas natural.

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ES2232571T3
ES2232571T3 ES01400050T ES01400050T ES2232571T3 ES 2232571 T3 ES2232571 T3 ES 2232571T3 ES 01400050 T ES01400050 T ES 01400050T ES 01400050 T ES01400050 T ES 01400050T ES 2232571 T3 ES2232571 T3 ES 2232571T3
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Abstract

Procedimiento de licuefacción parcial de un fluido G formado al menos en parte de hidrocarburos, en el cual: a) se refrigera el fluido G por intercambio de calor con un refrigerante externo M para licuar al menos parcialmente el fluido G, b) se sub-enfría el fluido G obtenido en la etapa a) por intercambio de calor con una primera fracción líquida con el fin de obtener un fluido G líquido sub-enfriado, siendo la primera fracción líquida vaporizada durante el intercambio de calor para formar una fracción gaseosa, c) se descomprime el indicado fluido G líquido sub- enfriado para obtener un fluido G líquido descomprimido, d) se separa el indicado fluido G líquido descomprimido para obtener la mencionada primera fracción líquida y una segunda fracción líquida, representando la fracción gaseosa al menos un 10% en peso con relación al peso del fluido G. .

Description

Procedimiento de licuefacción parcial de un fluido que contiene hidrocarburos tal como gas natural.
Ámbito técnico al cual se refiere la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento que permite licuar al menos parcialmente un fluido o una mezcla gaseosa formada al menos en parte por una mezcla de hidrocarburos, por ejemplo un gas natural. El gas natural se produce habitualmente en zonas alejadas de los lugares de utilización y es corriente licuarlo con el fin de transportarlo a largas distancias por ejemplo por metanero o también almacenarlo en forma líquida. Por gas natural se designa en el sentido de la presente descripción, una mezcla formada mayoritariamente por metano, pero que puede contener igualmente otros hidrocarburos y nitrógeno, sea cual fuere el estado en el cual se encuentra (gaseoso, líquido o difásico). El gas natural al inicio se presenta mayoritariamente en estado gaseoso, y a una presión tal, que en el transcurso de la etapa de licuefacción, puede encontrarse en diferentes estados, por ejemplo líquido y gaseoso que coexisten en un momento dado.
Estado de la técnica anterior
Los procedimientos utilizados y divulgados en la técnica anterior, particularmente en las patentes US-3 735 600 y US-3.433 026, describen procedimientos de licuefacción que comprenden principalmente una primera etapa en el transcurso de la cual el gas natural se pre-refrigera por vaporización de una mezcla refrigerante, y una segunda etapa que permite realizar la operación final de licuefacción del gas natural, y obtener el gas licuado en forma susceptible de ser transportada o almacenada, asegurándose igualmente la refrigeración en el transcurso de esta segunda etapa por vaporización de una mezcla refrigerante.
En tales procedimientos, una mezcla de fluidos, utilizada como fluido refrigerante en el ciclo de refrigeración externa, se vaporiza, se comprime, se refrigera intercambiando calor con un medio ambiente tal como agua o aire, condensado, descomprimido y reciclado.
La mezcla refrigerante utilizada en la segunda fase en la cual está asegurada la segunda etapa de refrigeración se refrigera por intercambio de calor con el medio ambiente de refrigeración, agua o aire, luego la primera fase en la cual se asegura la primera etapa de refrigeración.
Al inicio de la primera fase, la mezcla refrigerante se presenta en forma de un fluido difásico que comprende una fase vapor y una fase líquida. Las indicadas fases se separan, por ejemplo en un matraz separador, y se envían, por ejemplo, a un intercambiador bobinado, en el cual la fracción de vapor se condensa, mientras que el gas natural se licua a presión, asegurándose la refrigeración por vaporización de la fracción líquida de la mezcla refrigerante. La fracción líquida obtenida por condensación de la fracción de vapor se sub-enfría, se descomprime y vaporiza para asegurar la licuefacción final del gas natural, que se subenfría antes de ser descomprimido a través de una válvula o una turbina para producir el Gas Natural Licuado (GNL) buscado.
La presencia de una fase de vapor necesita una operación de condensación en la mezcla refrigerante a nivel de la segunda fase que requiere un dispositivo relativamente complejo y costoso.
Por otro lado se ha descrito en la patente US-4 195.979 la adición de una etapa de descompresión del gas natural entre las dos etapas de refrigeración. Este documento, que puede ser considerado como el estado de la técnica más próximo, muestra un procedimiento en el cual el gas natural se refrigera por intercambio de calor con un refrigerante externo y luego por intercambio de calor con fracciones gaseosas procedentes de la descompresión del gas natural licuado.
Se ha propuesto igualmente en la patente del solicitante FR 2 743 140 operar en condiciones de presión y de temperaturas elegidas para obtener a la salida de la primera fase de refrigeración una mezcla refrigerante completamente monofásica condensada.
Esto induce tensiones, que pueden ser penalizadoras para la economía del procedimiento, particularmente debido a que la presión a la cual se comprime la mezcla refrigerante utilizada en la segunda fase, puede ser relativamente elevada.
Otra disposición según la técnica anterior consiste en operar por medio de tres ciclos de refrigeración en serie, de los cuales cada uno opera con un cuerpo puro como refrigerante. Un primer ciclo que funciona con propano permite condensar etileno a presión a una temperatura de aproximadamente - 35ºC. La vaporización del etileno a una presión próxima a la presión atmosférica en un segundo ciclo permite condensar metano a presión a una temperatura de aproximadamente - 100ºC. La vaporización del metano permite sub-enfriar el gas natural licuado (GNL) producido y así poder descomprimirlo para poder almacenarlo y transportarlo a un presión próxima a la presión atmosférica. Este modo de operar presenta el inconveniente de tener que utilizar etileno sustancialmente puro que se debe seguidamente vaporizar para condensar metano sustancialmente puro que es así mismo vaporizado para subenfriar el GNL. La utilización de cuerpos sustancialmente puros es penalizadora para la economía del procedimiento y la utilización del etileno que es un compuesto insaturado particularmente reactivo impone precauciones particulares lo cual penaliza igualmente este procedimiento.
Exposición de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento de licuefacción parcial de un fluido G o de una mezcla gaseosa formada al menos en parte por hidrocarburos, tal como un gas natural GN, y su dispositivo de realización. El procedimiento de la presente invención palía al menos en parte los inconvenientes anteriormente citados de la técnica anterior.
La presente invención se refiere más precisamente a un procedimiento de licuefacción parcial, de un fluido G formado por al menos en parte por hidrocarburos que produce simultáneamente una fracción líquida después de la descompresión y una fracción gaseosa que puede representar al menos un 10% en peso, de preferencia un 20% en peso, de forma más preferida al menos un 30% en peso con relación al peso del fluido G introducido inicialmente en el indicado procedimiento, y que comprende las etapas siguientes:
a)
se refrigera el fluido G por intercambio de calor con un refrigerante externo M para licuar al menos parcialmente el fluido G,
b)
se sub-enfría el fluido G obtenido en la etapa a) por intercambio de calor con una primera fracción líquida con el fin de obtener un fluido G líquido sub-enfriado, siendo la primera fracción líquida vaporizada durante el intercambio de calor para formar una fracción gaseosa,
c)
se descomprime el indicado fluido G líquido sub-enfriado para obtener un fluido G líquido descomprimido,
d)
se separa el indicado fluido G líquido descomprimido para obtener la mencionada primera fracción líquida y una segunda fracción líquida.
Según una primera variante al menos una parte de la fracción gaseosa que representa al menos un 20 por ciento en peso con relación al peso del fluido G introducido inicialmente en el indicado procedimiento puede ser utilizada para producir electricidad.
Según una segunda variante al menos una parte de la fracción gaseosa que representa al menos un 20% en peso con relación al peso del fluido G introducido inicialmente en el indicado procedimiento puede reinyectarse en la zona a partir del cual se le recupera y en particular en el caso en que el fluido G sea un gas natural en el pozo a partir del cual se le recupera.
La etapa a) de refrigeración comprende por ejemplo varias zonas de intercambio de calor y se puede asegurar la refrigeración en las indicadas zonas de intercambio de calor sucesivas con la ayuda del refrigerante externo M que se descomprime y vaporiza a niveles de presión decrecientes. Según una realización particular de la invención, el fluido G sale monofásico condensado de la etapa a). Según otra forma de realización de la invención, el fluido G sale en fase densa de la etapa a).
El refrigerante externo M comprende al menos un hidrocarburo y de preferencia al menos dos hidrocarburos. Este o estos hidrocarburos son de preferencia elegidos entre el grupo formado por el metano, el etano, el propano y los butanos. Según una forma particular de realización del procedimiento de la invención, el refrigerante externo M comprende metano, etano, propano y al menos un butano.
La etapa b) comprende por ejemplo una sola zona de intercambio, en la cual el fluido G licuado se subenfría. A la salida de esta zona de intercambio, el gas licuado se separa en dos partes: una parte que es enviada al almacenado después de la descompresión, descomprimiéndose la otra parte y reenviándose a la misma zona de intercambio para producir por vaporización el frío necesario para el subenfriamiento y eventualmente cuando el fluido G que entra en la indicada etapa b) no es totalmente líquido en la licuefacción total de dicho fluido G.
En una forma de realización particular la parte del fluido G utilizada para producir el frío necesario en esta etapa b) se vaporiza a diferentes niveles de presión decrecientes.
Una opción preferida para la etapa b) es la siguiente: a la salida de la etapa b) el gas licuado se descomprime a una presión intermediaria, comprendida entre 0,3 y 1,2 MPa, con la ayuda bien sea de una turbina líquida, o de una válvula de Joule-Thomson. El fluido G es totalmente líquido al inicio de esta primera descompresión. El fluido G se separa seguidamente en dos partes sustancialmente iguales: una parte que es enviada habitualmente después de la descompresión al almacenado criogénico, eventualmente después de una etapa de desnitrogenación que comprende una revaporización parcial, siendo el resto reenviado, en parte a la presión intermediaria y para la otra parte a una presión más baja hacia la etapa b) para producir por vaporización el frío necesario para el sub-enfriamiento, y eventualmente cuando el fluido G que entra en la indicada etapa b) no es totalmente líquido en la licuefacción total de dicho fluido G.
Las condiciones operativas del procedimiento según la invención se elegirán de preferencia de forma que la cantidad de gas licuado obtenida sea de aproximadamente un 20 a aproximadamente un 80% en peso, de forma más preferida de aproximadamente un 30% a aproximadamente un 70% en peso de la cantidad de gas a la entrada del procedimiento.
Breve descripción de las figuras
La invención se comprenderá mejor a la vista de las figuras siguientes que ilustran de forma simplificada y no limitativa varios modos de realización del procedimiento, entre los cuales:
\bullet Las figuras 1 y 2 muestran las dos opciones del esquema de principio de la unidad según la invención, la figura 2 representa una opción preferida.
\bullet La figura 3 muestra una posibilidad para realizar la primera etapa de refrigeración.
\bullet La figura 4 muestra una realización del procedimiento que integra el fraccionamiento del gas.
\bullet La figura 5 muestra una variante del procedimiento que permite aumentar la recuperación de compuestos C2+ en la parte licuada del fluido G.
\bullet Las figuras 6 a 8 se describirán a continuación.
Descripción detallada de las figuras 1 a 5.
Según el procedimiento de la invención (esquema simplificado de la figura 1) que es una de las opciones la más sencilla de realizar de dicho procedimiento:
a)
El gas natural (indicado por G en las figuras 1 a 5 y 7 a 8) se refrigera en la parte pre-refrigeración (R) en la cual entra por el conducto (10) y vuelve a salir de preferencia totalmente líquido (de esta primera fase de refrigeración) por el conducto (13) a una temperatura inferior a aproximadamente 40ºC, y de preferencia de aproximadamente -50ºC a aproximadamente -80ºC.
b)
El líquido que circula por el conducto (13) se sub-enfría en el intercambiador E1 y a la salida de este intercambiador entra por el conducto (14) a la turbina líquida de expansión EX1 en la cual se descomprime (la turbina puede ser sustituida por ejemplo por una válvula). A la salida de la turbina EX1, el producto obtenido que circula por el conducto (15) es totalmente líquido.
c)
Una parte del producto obtenido a la salida de la turbina EX1 se envía por el conducto (21) a través de la válvula V2 en la cual se descomprime y luego se envía por el conducto (22) bien a una sección de desnitrogenación o directamente hacia un almacenado criogénico.
d)
El resto del producto obtenido a la salida de la turbina EX1 se envía por el conducto (18) a la válvula V1 en la cual se descomprime a baja presión antes de ser enviado al intercambiador E1 por el conducto (19). Este fluido se vaporiza en el intercambiador E1 con el fin de proporcionar el frío necesario para el subenfriamiento del líquido que circula por el conducto (13) que atraviesa este intercambiador. Este fluido vuelve a salir por el conducto (20) totalmente vaporizado.
En una opción preferida de la invención (esquema simplificado de la figura 2):
e)
El gas natural G es enfriado en la parte pre-refrigeración (R) en la cual entra por el conducto (10) y vuelve a salir de preferencia totalmente líquido por el conducto (13) a una temperatura inferior a aproximadamente -40ºC de preferencia aproximadamente -50ºC a aproximadamente -80ºC.
f)
El líquido que circula por el conducto (13) se subenfría en el intercambiador E1 y a la salida de este intercambiador entra por el conducto (14) en la turbina líquida de expansión EX1 en la cual se descomprime (la turbina puede ser sustituida por una válvula). A la salida de la turbina EX1, el producto obtenido que circula por el conducto (15) es totalmente líquido.
g)
Una parte del producto obtenido a la salida de la turbina EX1 se envía por el conducto (21) a través de la válvula V2 en la cual se descromprime y luego se envía por el conducto (22) a la sección de desnitrogenación T1 a partir de la cual se recupera una purga por el conducto (24) y gas natural licuado por el conducto (23). Otra posibilidad es enviar directamente el producto que circula por el conducto (22) a un almacenado criogénico.
h)
El resto del producto obtenido a la salida de la turbina EX1 se separa en dos partes. Una parte de este producto se envía por el conducto (16) directamente al intercambiador E1, mientras que la otra parte se envía por el conducto (18) a la válvula V1 en la cual se descomprime antes de ser enviada igualmente al intercambiador E1 por el conducto (19). Las dos partes de este fluido, que se encuentran a presiones diferentes, se vaporizan en el intercambiador a niveles de temperatura diferentes, lo cual permite obtener por término medio por el lado frío una curva entálpica que sigue bien la del fluido a refrigerar, y por consiguiente obtener una potencia específica baja.
i)
A la salida del intercambiador E1, las dos partes de este fluido vaporizadas son enviadas respectivamente por los conductos (17) y (20) en dos fases diferentes del compresor K1, que permite subir la presión del gas que sale de este compresor por el conducto (25), a un nivel suficiente para la utilización, por ejemplo en turbinas de gas que generan electricidad.
Según esta forma de realización ilustrada por la figura 2 la parte licuada del fluido G que circula por el conducto (21) (designada anteriormente por los términos "la otra parte") se descomprime y parcialmente vaporiza en una fase hasta la presión de almacenado. Según otra forma de realización por ejemplo representada en la figura 8 la parte licuada del fluido G que circula por el conducto (18) (designada a continuación por los términos "la otra parte") se descomprime y se vaporizada parcialmente en dos fases hasta la presión de almacenado.
En esta configuración, el procedimiento permite licuar aproximadamente 50 por ciento (%) en peso del gas en la entrada, mientras que el 50% en peso salen en forma de gas a presión más baja que a la que se encuentra a la entrada. Se verá en el ejemplo dado más adelante que la potencia específica por unidad de gas licuado es próxima a 600 kilojulios por kilo (kJ/kg), lo cual es muy inferior a las potencias específicas habituales (aproximadamente 100 kJ/kg). Se ha observado igualmente que los gastos de inversión han disminuido fuertemente con relación a los valores de las unidades existentes de licuefacción. Esta configuración podría aplicarse cuando conjuntamente con la licuefacción, se dispone de una central eléctrica que funciona por ejemplo con la ayuda de una turbina de gas natural, los compresores que sirven para la licuefacción serían entonces accionados por una pequeña parte de la electricidad producida por la central. Se ha calculado que con esta configuración, un grupo de 300 megavatios (MW) podría asociarse con una licuefacción de 0,4 millones de toneladas por año, consumiendo aproximadamente 8 MW. El procedimiento podría igualmente asociarse con un esquema que comprende una reinyección de gas como se ha precisado anteriormente.
El esquema simplificado de la figura 3 ilustra de que manera (no limitativa) la pre-refrigeración del gas (R) puede realizarse. El gas G debe estar casi totalmente licuado al inicio de esta etapa, lo cual impone bajar más bajo que con un ciclo de propano. Una mezcla de refrigerante M se utiliza por consiguiente, incluyendo principalmente etano y propano, y además una pequeña cantidad de metano y butanos. El gas G entra por el conducto (10) en la sección de pre-refrigeración (R) del gas, donde se refrigera y licua sucesivamente en las zonas de intercambio E10, E11, y E12, de los cuales sale respectivamente por los conductos (11), (12) y (13). En el conducto (13), el fluido G está prácticamente totalmente licuado. La mezcla refrigerante M se comprime por el compresor K10, de donde sale por el conducto (100). Se condensa por el condensador C10, de donde sale en estado de burbujeo por el conducto (101) para ser en parte enviado a la zona de intercambio E10 donde se subenfría. Sale de la zona de intercambio E10 por el conducto (102) para ser en parte enviado a la zona de intercambio E11. Otra parte de la mezcla refrigerante M que circula por el conducto (102) es extraída y enviada por el conducto (131) en la válvula V10 en la cual se descomprime y luego se reintroduce por el conducto (132) en la zona de intercambio E10 donde esta mezcla refrigerante M se vaporiza para producir el frío necesario en esta zona.
De la misma manera, la mezcla refrigerante M que sale de la zona de intercambio E11 es en parte enviada a la zona de intercambio E12 por el conducto (103). Otra parte de la mezcla refrigerante M que circula por el conducto (103) es extraída y enviada por el conducto (121), a la válvula V11 en la cual se descomprime y luego se reenvía a la zona de intercambio E11 por el conducto (122) donde se vaporiza para proporcionar el frío necesario en esta zona. La mezcla refrigerante sale de la zona de intercambio E12 por el conducto (111), atraviesa la válvula V12 en la cual se descomprime, luego se envía por el conducto (112) a la zona de intercambio E12 donde se vaporiza, para proporcionar el frío de esta zona. Las válvulas V10, V11, V12 descomprimen la mezcla refrigerante M a presiones decrecientes que corresponden a temperaturas de vaporización decrecientes dentro de las tres zonas de intercambio E10, E11 y E12. A la salida de las tres zonas de intercambio E10, E11, y E12, la mezcla refrigerante vaporizada se envía a tres fases diferentes del compresor K10 respectivamente por los conductos (133), (123) y (113).
El esquema simplificado de la figura 4 ilustra la forma (no limitativa) en que pueden estar integrados el secado del gas natural y el fraccionamiento del gas natural que permite eliminar las fracciones demasiado pesadas y producir los aportes para la mezcla refrigerante. El gas natural G entra por el conducto (10) en la sección de pre-refrigeración (R) de donde sale por el conducto (51) para ser enviado a la sección de secado (S). El gas seco sale de la sección de secado (S) por el conducto (52) y es enviado a la sección de fraccionamiento F. De esta sección de fraccionamiento F sale:
\bullet
por el conducto (54) gas combustible
\bullet
por el conducto (55), condensados estabilizados que contienen pentanos, la totalidad del hexano, benceno y eventualmente compuestos más pesados,
\bullet
por el conducto (71) una fracción que contiene principalmente etano y por el conducto (74) una fracción que contiene principalmente propano. Estas dos fracciones se utilizan como aporte para compensar las fugas de la mezcla refrigerante M.
\bullet
por el conducto (53) se recupera el gas a licuar purificado de los compuestos pesados que se reenvía a la sección de pre-refrigeración (R)
\bullet
por el conducto (56) una mezcla, que contiene principalmente etano, propano y butanos, se envía a la sección de pre-refrigeración (R2) para ser ulteriormente re-mezclada con el gas a licuar que sale de la sección de pre-refrigeración (R).
El gas purificado procedente de la sección de fraccionamiento F se refrigera y licua en la sección de pre-refrigeración (R), sale de esta sección por el conducto (13) y se mezcla con el fluido refrigerado que sale de la sección de pre-refrigeración (R2) por el conducto (57). La mezcla se envía a la zona de intercambio E1 donde se subenfría. El resto del esquema es idéntico al que se ha descrito anteriormente en relación con la ilustración de la figura 2.
El esquema simplificado de la figura 5 presenta una variante que permite recuperar la casi totalidad de los compuestos C2+ (es decir de los compuestos que tienen al menos dos átomos de carbono, tales como el etano, el propano, los butanos, etc) presentes en el gas natural licuado. El gas que sale del compresor K1 por el conducto (25) y destinado para ser quemado en turbinas se refrigera primeramente sirviéndose de la sección de pre-refrigeración (R), luego se envía por el conducto 62 por el fondo de la columna de fraccionamiento T2. En cabeza de la columna T2, una pequeña parte del gas natural refrigerado y licuado que sale de la sección de pre-refrigeración (R) por el conducto (61) se descomprime en la válvula V61 antes de ser introducido en la cabeza de la columna T2. El gas que sale por el conducto (63) en cabeza de la columna T2 es depurado en lo esencial de los compuestos C2+. El líquido de fondo de la columna T2 contiene una pequeña parte de metano, pero esencialmente etano, propano e hidrocarburos más pesados. Este líquido es enviado por el conducto (64) a la bomba P1. El líquido que circula por el conducto (65) a la salida del a bomba P1 se encuentra a una presión suficiente para ser mezclado de nuevo con el fluido G licuado del conducto (13).
Por ejemplo para un gas natural que comprende 76% molar de metano, el contenido en metano del gas combustible en cabeza de T2 será del orden del 90% molar, y el contenido en metano del gas natural licuado del 64% molar. El resto del esquema es idéntico a lo que ha sido descrito anteriormente en relación con la ilustración de la figura 2.
En resumen, el procedimiento según la invención es un procedimiento de licuefacción parcial de un fluido G formado al menos en parte por hidrocarburos, que producen simultáneamente:
\bullet
una fracción líquida después de la descompresión,
\bullet
una fracción gaseosa que representa al menos un 10% en peso con relación al peso del fluido G introducido inicialmente en el indicado procedimiento,
\bullet
y que comprende al menos dos etapas de refrigeración en el transcurso de las cuales:
-
en la primera etapa a) se refrigera el fluido G esencialmente gaseoso con la ayuda de un refrigerante externo M para que al inicio de esta primera etapa sea al menos parcialmente líquido a la presión operativa y
-
en la segunda etapa b) se termina si es necesario la licuefacción de dicho fluido G y se subenfría el indicado fluido G, con la ayuda de una parte del mismo fluido G, siendo la indicada parte así descomprimida y vaporizada con el fin de producir el frío necesario para recuperar la otra parte de dicho fluido G totalmente líquido.
Según una variante preferida, al menos una parte de la fracción gaseosa que representa al menos un 10% en peso con relación al peso del fluido G introducido inicialmente en el indicado procedimiento se utiliza para producir electricidad.
Según otra variante preferida, al menos una parte de la fracción gaseosa que representa al menos un 10% en peso con relación al peso del fluido G introducido inicialmente en el indicado procedimiento se reinyecta en la zona a partir de la cual se le recupera y en el caso en que el fluido G sea un gas natural en el pozo a partir del cual se le recupera.
De preferencia, la otra parte licuada del fluido G se descomprime y se vaporiza parcialmente en una o dos fases hasta la presión del almacenado.
De preferencia, la parte del fluido G utilizada para producir el frío necesario en la segunda etapa se vaporiza a diferentes niveles de presión decrecientes.
De forma más preferida, las condiciones operativas son elegidas de forma que la cantidad de gas licuado obtenido sea de aproximadamente un 20% a aproximadamente un 80% en peso de la cantidad de gas a la entrada del procedimiento.
Según otra variante preferida, la primera etapa de refrigeración comprende varias zonas de intercambio de calor y se asegura la refrigeración en las indicadas zonas de intercambio de calor con la ayuda del refrigerante externo M que se descomprime y vaporiza a niveles de presión decrecientes.
De preferencia, el refrigerante externo M comprende al menos un hidrocarburo y de preferencia al menos dos hidrocarburos.
De forma más preferida, el refrigerante externo M comprende al menos un hidrocarburo seleccionado entre el grupo formado por el metano, etano, propano y los butanos. De forma aún más preferida, el refrigerante externo M comprende metano, etano, propano y al menos un butano.
De preferencia, el fluido G sale monofásico condensado de la primera fase de refrigeración. De forma más preferida, el fluido G sale en fase densa de la primera fase de refrigeración.
Según otra variante, a la salida de la primera fase de refrigeración, el fluido G se encuentra a una temperatura al menos inferior a aproximadamente -40ºC.
Según un modo preferido del procedimiento según la invención, la parte vaporizada del fluido G en la segunda etapa del procedimiento se comprime a una presión suficiente, para permitir su reinyección en la zona a partir del cual se le recupera y en el caso en que el fluido G es un gas natural en el pozo a partir del cual se le recupera.
Según otro modo preferido del procedimiento según la invención, la parte vaporizada del fluido G en la segunda etapa del procedimiento se comprime a una presión suficiente, para permitir su utilización para producir electricidad particularmente en una turbina de gas. De preferencia, la parte del fluido G comprimida a una presión suficiente para su utilización en una turbina de gas se refrigera con la ayuda de la primera etapa de pre-refrigeración luego se envía al fondo de una columna de fraccionamiento en la cual se introduce igualmente en cabeza de la indicada columna una parte del mismo fluido G refrigerada en la primera etapa de pre-refrigeración y descompresión.
El procedimiento de licuefacción según la invención puede eventualmente comprender además una etapa de secado y una etapa de fraccionamiento del gas natural que comprende al menos dos columnas de fraccionamiento siendo realizado el indicado fraccionamiento inmediatamente después del secado, alimentando la primera columna de fraccionamiento a la temperatura del secado, y utilizando la segunda zona de intercambio de la primera etapa de refrigeración para el condensador de la mencionada columna.
De forma más preferida, el producto que sale por el fondo de la primera columna de fraccionamiento se refrigera en la sección de pre-refrigeración sirviéndose del refrigerante externo M utilizado en la primera etapa de pre-refrigeración, antes de ser descomprimido y enviado en cabeza de la segunda columna de fraccionamiento.
Ejemplo
El procedimiento según la invención se ilustra por el ejemplo numérico siguiente, descrito en relación con los esquemas de las figuras 6, 7, y 8. En este ejemplo la primera etapa de pre-refrigeración (R) está asegurada como se ha ilustrado por el esquema de principio de la figura 7, el fraccionamiento (F) como se ha ilustrado por el esquema de principio de la figura 6, y la segunda etapa del procedimiento según la presente invención, realizada a baja temperatura y después de la etapa R, se detalla en el esquema de principio de la figura 8 dado a continuación.
Se consideran 10000 kilomoles por hora (Kmol/h) de gas natural cuya composición en porcentaje molar por desacidificación y secado es la siguiente:
Nitrógeno \hskip1mm 0,1
Metano 76,5
Etano 12,7
Propano \hskip1mm 7,8
IsoButano \hskip1mm 1,2
N-butano \hskip1mm 1,0
IsoPentano 0,25
N-pentano 0,15
C6+ \hskip1mm 0,3
Este gas llega a la unidad de licuefacción a una presión de 5,6 MPa y a una temperatura de 40ºC. Se ha considerado también una temperatura de 40ºC para la salida lateral procedimiento de los intercambiadores de agua.
Se seguirá por la figura (7) el comienzo de la descripción del ejemplo:
El gas natural G es alimentado por el conducto (10) al intercambiador E13 en el cual se refrigera por un fluido intermediario (FI), hasta una temperatura de 19ºC luego se envía por el conducto (51) al secador (S) antes de entrar por el conducto (52) en la zona de fraccionamiento (F). Esta zona de fraccionamiento comprende habitualmente al menos dos columna de fraccionamiento. El fluido intermediario FI se mueve por el sistema de circulación Cl, y se refrigera en la zona de intercambio E10 de la sección de pre-refrigeración (R).
El fraccionamiento F (ver el esquema simplificado de la figura 6) comprende una primera columna T11. El gas seco es enviado al fondo de columna T11 por el conducto (52). Este gas seco entra en la columna T11 a su temperatura de salida de la sección de secado. La fracción que sale en cabeza de la columna T11 es enviada por el conducto (58) a la temperatura de 12ºC hacia la zona de intercambio E11 de la sección de pre-refrigeración (R) de donde sale parcialmente condensada a la temperatura de -0,5ºC antes de ser enviada por el conducto (59) al matraz de reflujo B11. La bomba P51 permite reenviar por el conducto 201 la fracción líquida separada en el matraz B11 y que sale por el conducto 200 hacia la columna T11 y así asegurar un reflujo en la columna. El gas que sale del matraz B11 por el conducto (53) es purificado de las fracciones demasiado pesadas y en particular del benceno. El gas se envía por el conducto (53) (ver figura 7) hacia la zona de intercambio E11 donde se refrigerará a -25ºC antes de ser enviado a la zona de intercambio E12 por el conducto (12). El líquido que sale por el conducto (81) (figura 6) en el fondo de la columna Y11 comprende suficientemente compuestos C2 y C3 (compuestos que comprenden respectivamente 2 y 3 átomos de carbono) para los aportes de mezcla refrigerante. Esta mezcla líquida que circula por el conducto (81) es enviada a la sección de pre-refrigeración (R2) de donde sale refrigerado por el conducto (82), luego se descomprime a través de la válvula V51 y se envía por el conducto (83) en cabeza de la columna T12 (desmetanizador). Esta columna es rehervida con la ayuda del rehervidor E51 para eliminar la mayor parte del metano de la mezcla. El gas que sale en cabeza de la columna T12 por el conducto (54), rico en metano, se mezclará de nuevo con el resto de gas combustible que sale del compresor K1 por el conducto (25) (ver figura 8). El producto que sale del fondo de la columna T12 por el conducto (84) (ver figura 6) se envía, después de la descompresión a la válvula V52, por el conducto (85) en la columna T13. Esta columna se pone en ebullición con la ayuda del intercambiador E52. El gas que sale en cabeza de la columna T13 (figura 6) por el conducto (86) se refrigera con la ayuda de una parte de la mezcla refrigerante M en la sección de pre-refrigeración (R2), de donde vuelve a salir por el conducto (87) totalmente condensado, antes de ser alimentado al matraz de reflujo B13. La bomba P52 permite enviar el líquido que sale del matraz B13 por el conducto (202) a la columna T13 por el conducto (203) y así asegurar un reflujo en esta columna. Una parte del líquido que contiene una fracción C2 que circula por el conducto (203) se recupera por el conducto (70), luego se separa en dos partes de las cuales una primera parte recuperada por el conducto (71) (figuras 6 y 7) servirá en parte a los aportes de mezcla refrigerante M, y cuya otra parte se reenvía por el conducto (72) para mezclarse con los otros productos de fraccionamiento que circulan respectivamente por los conductos (75) y (92), luego se bombea por la bomba P54 para ser enviado por el conducto (56) a la pre-refrigeración R2, y a la salida de esta sección de pre-refrigeración R2 se juntará por el conducto 57 el gas a licuar (12) (ver figuras 6 y 7). El producto que sale del fondo de la columna T13 por el conducto (88) se descomprime en la válvula V53 antes de ser enviado por el conducto (89) a la columna T14, se pone en ebullición por el intercambiador E53. El gas que sale en cabeza de la columna T14 (figura 6) por el conducto (90) se condensa totalmente por el condensador de agua C12, luego se envía por el conducto (91) al matraz de reflujo B14. La bomba P53 permite enviar el líquido que sale del matraz B14 por el conducto (204) a la columna T14 por el conducto (205) y asegurar así un reflujo en esta columna. Una parte del líquido que contiene una fracción C3 que circula por el conducto (205) se recupera por el conducto (73), luego se separa en dos partes de las cuales una primera parte recuperada por el conducto (74) (figuras 6 y 7) servirá en parte a los aportes de mezcla refrigerante M, y cuya otra parte que se reenvía por el conducto (75) está destinada para juntar el gas natural a licuar (12) por la bomba P54, el conducto 56, la pre-refrigeración R2, y el conducto 57 (ver figuras 6 y 7). El producto que sale del fondo de la columna T14 por el conducto (55), es una fracción C5+ (es decir una fracción que contiene hidrocarburos con al menos 5 átomos de carbono) estabilizada, y el obtenido por trasegado lateral de la columna de la columna T14 por el conducto (92), una fracción C4 que contiene C3 y C5 que se mezclará de nuevo con la fracción C2 que circula por el conducto (72) y la fracción C3 que circula por el conducto (75). La mezcla así obtenida se envía por la bomba P54 y el conducto (56) (ver figuras 6 y 7) a la sección de pre-refrigeración (R2) para ser refrigerada a -25ºC con la ayuda de una parte de la mezcla refrigerante M, extraída a la salida del condensador C10 y que entra en esta sección por el conducto 1001. La mezcla así refrigerada sale de esta sección de pre-refrigeración (R2) por el conducto (57) luego se mezcla con el gas refrigerado y licuado que circula por el conducto (12) antes de ser enviado a la zona de intercambio E12. La parte de la mezcla refrigerante M que entra en la sección de pre-refrigeración (R2) por el conducto (1001) se refrigera, se separa y descomprime en dos niveles de presión para producir el frío necesario para el enfriamiento de la mezcla que llega a esta sección por el conducto (56). A la salida de la sección de prerefrigeración (R2), las diferentes partes vaporizadas que salen respectivamente por los conductos (1123) y (1133) son reenviadas con los fluidos a la misma presión, que entran respectivamente por los conductos (123) y (133) en el compresor K10.
La sección de pre-refrigeración (R) (esquema simplificado de la figura 7) utiliza una mezcla de refrigerante M cuya composición en porcentaje molar (% mol.) es la siguiente:
Metano \hskip1mm 1,9
Etano 46,5
Propano 44,0
IsoButano \hskip1mm 4,9
N-Butano \hskip1mm 2,7
Esta mezcla sale del compresor K10 por el conducto (100) comprimida a una presión de 3,24 MPa. Una refrigeración intermediaria C11 es necesaria para llevar a 40ºC el fluido que sale por el conducto 141 de la segunda fase del compresor K10 antes de reintroducirlo por el conducto (142) en la tercera fase del compredor K10. La mezcla que circula por el conducto (100) se refrigera hasta una temperatura de 40ºC por el intercambiador C10 de donde sale totalmente condensado por el conducto (101). Una pequeña parte de la mezcla M es enviada por el conducto (1001) hacia la zona de pre-refrigeración (R2), el resto se envía a la zona de intercambio de calor E10. Se subenfría sucesivamente en las zonas de intercambio de calor E10, E11, y E12. A la salida del intercambiador E10 por el conducto (102) una parte es enviada al intercambiador E11. Otra parte de esta mezcla refrigerante se envía por el conducto (131) a la válvula de descompresión V10 en la cual se descomprime y luego se reintroduce por el conducto (132), en la zona de secado de calor E10 donde se vaporiza y se reenvía seguidamente por el conducto (133) a una presión de 1,61 MPa al sistema de compresión K10.
Del mismo modo, la mezcla refrigerante M que sale de la zona de intercambio E11 es en parte enviada hacia la zona de intercambio E12 por el conducto (103). Otra parte de la mezcla refrigerante M que circula por el conducto (103) se extrae y reenvía por el conducto (121), a la válvula V11 en la cual se descomprime y luego se reintroduce en la zona de intercambio E11 por el conducto (122) donde se vaporiza para proporcionar el frío necesario en esta zona.
La mezcla refrigerante sale de la zona de intercambio E12 por el conducto (111), atraviesa la válvula V12 en la cual se descomprime, luego se envía por el conducto (112) a la zona de intercambio E12 donde se vaporiza, para proporcionar el frío de esta zona.
La parte de la mezcla que entra por el conducto (122) en el intercambiador E11 en la cual se vaporiza es enviada por el conducto (123) al compresor K10 a una presión de 0,655 MPa. La parte de la mezcla que entra por el conducto (112) en el intercambiador E12 en la cual se vaporiza es enviada por el conducto (113) a la 1ª fase del compresor K10 a la presión de 0,15 MPa.
A la salida de la sección de pre-refrigeración (R), sobre los 10000 Kmoles/h de gas natural a la entrada, se dispone (despreciando los caudales de aporte de mezcla refrigerante que circulan por los conductos 71 a 74) de:
\bullet
99 kmoles/h de gas combustible (que sale por el conducto 54 (figuras 6 y 7)) en cabeza de la columna T12 (figura 6) a una temperatura de -14ºC, y a una presión de 3 MPa,
\bullet
49 Kmoles/h (que salen por el conducto 55) de C5+ estabilizados en el fondo de la columna T14 (figuras 6 y 7)), y
\bullet
9852 Kmoles/h son enviados hacia el intercambiador E1 por el conducto (13) (el caudal de líquido que circula por el conducto 13 es igual a la suma de los caudales de fluidos que circulan por los conductos 12 y 57) en forma totalmente condensada a una temperatura de -64,5ºC y a una presión de 5,58 MPa.
El consumo total de energía para los compresores de esta sección R de pre-refrigeración (ilustrada por la figura 7 y simbolizada por R en la figura 8) es de 15526 kW.
El gas natural licuado que circula por el conducto (13) entra en el intercambiador criogénico E1 (ver el esquema simplificado de la figura 8) donde se sub-enfría y sale de nuevo por el conducto (14) a una temperatura de -142,5ºC. Seguidamente se descomprime en la turbina de expansión EX1 a una presión de 0,65 MPa bajo la cual es también totalmente líquido a una temperatura de -143,2ºC y sale de esta turbina de expansión por el conducto (15). Una parte del fluido que circula por el conducto (15) es enviada por el conducto (16) a esta presión al intercambiador criogénico E1 en el cual se vaporiza. El resto de este fluido (designado anteriormente por los términos "la otra parte") se envía por el conducto (18) a la válvula V100 en la cual se descomprime y luego se envía al matraz B1 a una temperatura de -144,9ºC y a una presión de 0,26 MPa. Una parte del líquido del matraz B1 es enviada de nuevo por el conducto (19) en mezcla con el vapor procedente del matraz B1 y que circula por el conducto (18V) en el intercambiador criogénico E1 para ser evaporado en él. La otra parte de este líquido se envía por el conducto (21) al intercambiador E2 en el cual se refrigera antes de ser descomprimido en la válvula V200 y envíado al matraz B2 por el conducto (22) a una presión de 0,105 MPa y a una temperatura de -157,6ºC. El vapor procedente del matraz B2 por el conducto (24) se envía de nuevo al intercambiador E2: el caudal de vapor a la salida del intercambiador E2 (conducto 26 figura 8) es de 544 Kmoles a una temperatura de -146,7ºC.
El gas natural licuado sale por el conducto (23) por el fondo del matraz B2 con un caudal de 4985 Kmoles/h ya sea sustancialmente el 50% molar del caudal de entrada del gas natural en la unidad de licuefacción con un peso molecular de 23,34, o en peso 116,35 toneladas/h.
El gas vaporizado a baja presión sale del intercambiador criogénico E1 por el conducto (20) a una temperatura de -66ºC. Se envía por este conducto al matraz B3 donde la fracción no vaporizada se separa y envía por el conducto (20L) al matraz B4 por la bomba P3. El gas vaporizado a presión más elevada que sale del intercambiador criogénico E1 se envía al matraz B4 por el conducto (17). El líquido (17L) separado en el matraz B4 se bombea por la bomba P4 y se envía en mezcla con el fluido (13) a la entrada del intercambiador criogénico E1. Las fases de vapor de los matraces B3 y B4 (que circulan respectivamente por los conductos 17V y 20V) son enviadas a las diferentes fases del compresor K1 para comprimirse a una presión de 1,5 MPa. Se disponen de 4315/h a la salida del compresor K1 en el conducto (25), a una temperatura de 22ºC.
El consumo de energía para esta sección de subenfriamiento a baja temperatura es de 3820 kW para el compresor K1, más 108 kW para las bombas P3 y P4.
En total, el consumo de energía para la licuefacción del gas natural es por consiguiente de 15526 + 3820 + 108 = 19454 kW, para 116,35 toneladas/h de GNL, o sea 602 J/g de GNL.

Claims (15)

1. Procedimiento de licuefacción parcial de un fluido G formado al menos en parte de hidrocarburos, en el cual:
a)
se refrigera el fluido G por intercambio de calor con un refrigerante externo M para licuar al menos parcialmente el fluido G,
b)
se sub-enfría el fluido G obtenido en la etapa a) por intercambio de calor con una primera fracción líquida con el fin de obtener un fluido G líquido sub-enfriado, siendo la primera fracción líquida vaporizada durante el intercambio de calor para formar una fracción gaseosa,
c)
se descomprime el indicado fluido G líquido sub-enfriado para obtener un fluido G líquido descomprimido,
d)
se separa el indicado fluido G líquido descomprimido para obtener la mencionada primera fracción líquida y una segunda fracción líquida,
representando la fracción gaseosa al menos un 10% en peso con relación al peso del fluido G.
2. Procedimiento de licuefacción según la reivindicación 1, en el cual el fluido G es un gas natural y al menos una parte de la indicada fracción gaseosa se reinyecta en un pozo a partir del cual se recupera el indicado gas natural.
3. Procedimiento de licuefacción del fluido G según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el cual la segunda fracción líquida se descomprime y parcialmente vaporiza hasta una presión de almacenado.
4. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual la primera fracción líquida se vaporiza a diferentes niveles de presión decrecientes.
5. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual la cantidad de la indicada segunda fracción líquida obtenida se encuentra comprendida entre un 20% y un 80% en peso de la cantidad de dicho fluido G en la etapa a).
6. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la etapa a) de refrigeración comprende varias zonas de intercambio de calor y en el cual las indicadas zonas de intercambio de calor se refrigeran con la ayuda del refrigerante externo M que se descomprime y vaporiza a niveles de presión decrecientes.
7. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual el refrigerante externo comprende al menos un hidrocarburo y de preferencia al menos dos hidrocarburos.
8. Procedimiento de licuefacción según la reivindicación 7, en el cual el refrigerante externo M comprende al menos un hidrocarburo seleccionado entre el grupo formado por el metano, etano, propano y los butanos.
9. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 7 y 8, en el cual el refrigerante externo M comprende metano, etano, propano y al menos un butano.
10. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual el fluido G al menos parcialmente licuado en la etapa a) es monofásico condensado.
11. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual el fluido G al menos parcialmente licuado en la etapa a) se encuentra en fase densa.
12. Procedimiento de licuefacción de un gas natural según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el fluido G es un gas natural y el fluido G al menos parcialmente licuado en la etapa a) se encuentra a una temperatura al menos inferior a aproximadamente -40ºC.
13. Procedimiento de licuefacción de un gas natural según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el cual la fracción gaseosa se comprime, luego se utiliza para producir electricidad en una turbina de gas.
14. Procedimiento de licuefacción según una de las reivindicaciones 1 a 13, en el cual antes de la etapa b), el indicado fluido G al menos parcialmente licuado a la etapa a) se seca y fracciona en al menos dos columnas de fraccionamiento.
15. Procedimiento de licuefacción según la reivindicación 14, en el cual el producto que sale del fondo de la primera columna de fraccionamiento se refrigera por intercambio de calor con el refrigerante externo M, luego se descomprime y se envía a la cabeza de la segunda columna de fraccionamiento.
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