ES2727155A1 - Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso. Procedimiento caracterizado por la inyección en el tanque o equipo de una corriente de gases homogenizada mediante un proceso irreversible de difusión turbulenta, estando la corriente constituida por gases en recirculación del propio tanque o equipo, vapor de agua y gas inerte. La homogenización del vapor de agua con los demás gases imposibilita su libre movimiento ascendente, consiguiéndose así cesiones de grandes cantidades de calor latente a los hidrocarburos (539,4 cal/g a 100°C) al condensarse sobre ellos un porcentaje mucho mayor del vapor de agua inyectado. El calor cedido a los hidrocarburos hace que fluyan hacia la succión de la bomba, mientras el gas inerte y la recirculación evitan riesgos de incendio y emisiones contaminantes. Los tanques de techo flotante de petróleo y los equipos provistos de "demisters" constituyen dos aplicaciones representativas del procedimiento.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso.
Objeto de la invención
Los tanques de almacenamiento y los equipos de proceso deben vaciarse regularmente para realizar inspecciones reglamentarias, trabajos de mantenimiento, cambios de carga o demoliciones. El objeto de la presente invención es un procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso caracterizado por incluir una operación con la que se consigue inyectar en el tanque o equipo una corriente de gases homogenizada mediante un proceso irreversible de difusión turbulenta, estando la corriente constituida por gases en recirculación del propio tanque o equipo, vapor de agua y gas inerte.
El procedimiento es aplicable a los tanques de almacenamiento y los equipos de proceso de hidrocarburos existentes en yacimientos petrolíferos, explotaciones de “fracking”, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, terminales portuarias, etc. Como aplicaciones representativas del procedimiento, cabe señalar los tanques de techo flotante de petróleo y los equipos de proceso provistos de “demisters” (desnebulizadores) de hidrocarburos gaseosos.
Estado de la técnica
El procedimiento objeto de la invención tiene como antecedentes tres procedimientos de extracción selectiva de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento que fueron objeto de solicitud de patente por el mismo inventor que el presente procedimiento, con las fechas y los números de solicitud que se indican a continuación: 28.04.2011 / P201100464; 24.01.2014 / P201400060; y 07.01.2016 / P201600007.
Los procedimientos de las dos primeras invenciones establecen la inyección de aire caliente en el tanque, pero no la inyección de vapor de agua que sí establece el procedimiento de la tercera invención. La capacidad de calentamiento del vapor de agua es muy superior a la del aire caliente, por lo que el procedimiento de la tercera invención es mucho más efectivo para calentar y extraer los hidrocarburos que sus dos antecedentes, aunque con el inconveniente de obligar al tratamiento de los hidrocarburos extraídos para eliminar los condensados que genera el vapor de agua. El procedimiento de la presente invención tiene también el inconveniente de que el vapor de agua genera condensados, pero es más efectivo que el de la tercera invención, ya que para obtener los mismos resultados precisa de un menor consumo de vapor de agua y energía eléctrica. La homogenización de la corriente de gases imposibilita el libre movimiento ascendente del vapor de agua inyectado, con lo que se consigue reducir el porcentaje de vapor de agua que se condensa ineficazmente en el techo del tanque o equipo e incrementar el que se condensa sobre los hidrocarburos, cediéndoles directamente grandes cantidades de calor latente (539,4 cal/g a 100°C). Además, al recircular los gases se evitan grandes pérdidas energéticas por la emisión a la atmósfera de gran cantidad de gases calientes y de vapor de agua.
Cuando se utiliza el tercer procedimiento antecedente, la concentración de oxígeno dentro del tanque se mantiene próxima al 21%, excepto en las zonas próximas a la inyección del vapor de agua, por lo que existen riesgos de incendio y explosión cuando se supera en el interior del tanque la temperatura de inflamación de los hidrocarburos. En cambio, con el procedimiento de la presente invención se puede superar en condiciones totalmente seguras la temperatura de inflamación de los hidrocarburos, ya que se inyecta gas inerte en el tanque o equipo para
mantener la concentración de oxígeno en valores que aseguren un rango de inflamabilidad nulo.
La eliminación de las emisiones contaminantes empleando los procedimientos antecedentes conllevaría costes inasumibles de depuración de gases, mientras que con el procedimiento de la presente invención la recirculación de gases del propio tanque o equipo evita por sí sola la mayor parte de las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera y posibilita además eliminar prácticamente la totalidad de las emisiones a un coste asumible.
Por lo expuesto, el procedimiento objeto de esta invención resulta más efectivo, seguro y respetuoso con el medio ambiente que los tres procedimientos antecedentes.
A la fecha de presentación de la presente invención, los procedimientos más utilizados en las refinerías para extraer hidrocarburos viscosos remanentes en los tanques de petróleo están basados en la dilución con crudo ligero suministrado por las propias refinerías. El procedimiento objeto de la invención presenta importantes ventajas respecto a los procedimientos de dilución mencionados, tales como no precisar el suministro de crudo ligero para diluir los hidrocarburos remanentes, extraer los hidrocarburos sin mezclarlos con los contaminantes depositados en el fondo de los tanques, evitar peligrosas fugas y extensas contaminaciones de suelos inherentes a operaciones de dilución con crudo ligero en tanques con fondos no estancos, y hacer uso de equipos de extracción simples y fáciles de instalar que reducen en gran medida los costes de ejecución. Por lo que se refiere a los equipos de proceso, los procedimientos más extendidos se basan en la limpieza con agua a presión y en la limpieza química, frente a los que el presente procedimiento tiene las ventajas de tener unos costes de ejecución más reducidos y de generar menos residuos.
Descripción de la invención
El procedimiento de extracción de hidrocarburos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso objeto de la presente invención está basado en someter a un proceso irreversible de difusión turbulenta una corriente constituida por gases en recirculación del propio tanque o equipo y por las cantidades de vapor de agua y de gas inerte que se precisen en cada momento para calentar y extraer los hidrocarburos de un modo efectivo, seguro y respetuoso con el medio ambiente.
Efectivo. La difusión turbulenta fuerza una rápida e irreversible homogenización de la corriente de gases que imposibilita el libre movimiento ascendente del vapor de agua en el tanque o equipo, pese a su menor densidad, y la recirculación establece flujos de vapor de agua homogenizado con los otros gases entre puntos del tanque o equipo convenientemente elegidos. Si el vapor de agua no se homogenizase con los otros gases, la mayor parte se condensaría ineficazmente en el techo del tanque o equipo, mientras que con la homogenización se consigue ceder grandes cantidades de calor latente a los hidrocarburos (539,4 cal/g a 100 °C) al condensarse sobre ellos un porcentaje mucho mayor de vapor de agua. La corriente de gases homogenizada genera a su vez flujos difusivos de vapor de agua y de gas inerte en el resto del tanque o equipo. En estados estacionarios, la primera ley de Fick relaciona el flujo difusivo con el gradiente de la concentración de los gases y la segunda ley de Fick predice los cambios de la concentración de los gases con el tiempo. Los flujos difusivos del gas inerte inyectado son efectivos para mantener la concentración de oxígeno en todas las zonas de los tanques o equipos en valores que aseguren un rango de inflamabilidad nulo, pero los flujos difusivos del vapor de agua resultan menos efectivos de lo que establecen las leyes de Fick debido a las disminuciones en el porcentaje de vapor de agua que van experimentando los flujos de gases dentro del tanque o equipo con las condensaciones. Por este motivo, en tanques de grandes dimensiones pueden ser necesarios varios posicionamientos de los
equipos con los que se lleva a cabo la extracción de los hidrocarburos, de modo que el vapor de agua de la corriente homogenizada vaya cubriendo todos los sectores del fondo del tanque.
Seguro. El procedimiento establece operaciones que eliminan los riesgos de incendio y explosión mediante la aportación inicial de gas inerte, hasta alcanzar una concentración de oxígeno que asegure un rango de inflamabilidad nulo, y las posteriores aportaciones de gas inerte al dispositivo de difusión turbulenta para contrarrestar los aumentos de concentración de oxígeno por la entrada de aire en el tanque o equipo durante la aplicación del procedimiento. En cambio, sería económicamente inviable la aportación del gas inerte que se necesitaría si se fuese liberando directamente a la atmósfera un volumen de gases equivalente al de los gases inyectados. El vapor de agua de la corriente homogenizada también contribuye a reducir la concentración de oxígeno en el tanque o equipo.
Respetuoso con el medio ambiente. La recirculación de los gases evita por sí sola la mayor parte de las emisiones contaminantes o los costes inasumibles que supondría depurar caudales de gases equivalentes a los inyectados en el tanque o equipo. El procedimiento posibilita además eliminar prácticamente la totalidad de las emisiones contaminantes a un coste asumible, sellando el tanque o equipo y dejando una línea de venteo a la que se conecta una unidad de depuración de gases. Se pueden evitar con ello emisiones contaminantes en la operación inicial de inyección de gas inerte, en la operación final de ventilación del tanque o equipo, en los aumentos de volumen que experimentan los gases al subir la temperatura dentro del tanque o equipo y en los momentos en que la cantidad de gases que se inyecta en el tanque o equipo sea superior a la de los gases en recirculación y el vapor de agua que se condensa.
El procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso comprende la secuencia de operaciones siguiente:
- Operaciones previas: instalación de los equipos necesarios para llevar a cabo la extracción de los hidrocarburos; conexión a tierra de los equipos de extracción que mantengan contacto con los hidrocarburos; sellado del tanque o equipo de proceso manteniendo una línea de venteo; e inyección de gas inerte en el tanque o equipo hasta conseguir una concentración de oxígeno que asegure un rango de inflamabilidad nulo, lo que implica en hidrocarburos con baja temperatura de inflamación tener que alcanzar porcentajes de oxígeno inferiores al 8%. La línea de venteo se puede conectar a una unidad de depuración de gases, que precisaría de un pequeño ventilador centrífugo para conducir los gases a la unidad de depuración si el sellado del tanque o equipo no fuese posible.
- Inyectar en el tanque o equipo una corriente de gases homogenizada mediante un proceso irreversible de difusión turbulenta, estando la corriente constituida por gases en recirculación del propio tanque o equipo y por las cantidades de vapor de agua y de gas inerte que se precisen en cada momento para mantener la concentración de oxígeno en valores que aseguren un rango de inflamabilidad nulo y para hacer que fluyan los hidrocarburos en cantidad equivalente a la demandada por una bomba apta para su utilización en atmósferas potencialmente explosivas. El caudal de gases en recirculación debe regularse de modo que se alcance una velocidad de paso por los deflectores del dispositivo de difusión turbulenta que asegure la homogenización de la corriente de gases. La cantidad de vapor de agua que debe añadirse a la corriente de gases se va regulando de modo que la cesión de calor a los hidrocarburos haga que fluyan en cantidad equivalente a la demandada por la bomba. El gas inerte contrarresta los incrementos de la concentración de oxígeno por entrada de aire en el tanque o equipo, añadiéndose a la corriente de gases en la cantidad que se determine mediante mediciones bien en el tanque o equipo o bien en el circuito externo de gases en recirculación. En el caso de hidrocarburos con alta temperatura de inflamación como los asfaltos, no se necesita agregar gas inerte. Para recircular los gases y forzar su flujo turbulento
a través del dispositivo de difusión, se emplean uno o varios ventiladores centrífugos aptos para su uso en atmósferas potencialmente explosivas (ventiladores centrífugos ATEX). Se podrán utilizar soplantes ATEX con las ventajas respecto a los ventiladores centrífugos de incrementar la velocidad de paso de los gases por los deflectores del dispositivo de difusión turbulenta y de producir en la compresión un calentamiento de los gases en recirculación del tanque o equipo, sin alcanzar en ningún momento la temperatura de autoignición de los hidrocarburos. El dispositivo de difusión turbulenta está provisto de deflectores o componentes análogos que propicien flujos turbulentos y de una línea de purga para extraer los condensados que se vayan formando en las cesiones de calor latente del vapor de agua al propio dispositivo y a los gases que lo atraviesan. La temperatura del vapor de agua, que no alcanza en ningún momento la temperatura de autoignición de los hidrocarburos, está comprendida generalmente entre 120 y 200 °C. El calentamiento de la corriente de gases en recirculación y del gas inerte se realiza mediante las cesiones de calor del vapor de agua en el dispositivo de difusión turbulenta, calor sensible y principalmente calor latente al condensarse. Se podrá utilizar un dispositivo de difusión turbulenta provisto de un sistema propio de calentamiento de los gases que lo atraviesan para evitar que la temperatura del vapor de agua descienda a valores que afecten negativamente a la efectividad del procedimiento. El sistema de calentamiento del dispositivo de difusión turbulenta, que no alcanza en ningún momento la temperatura de autoignición de los hidrocarburos, puede estar constituido por resistencias eléctricas ATEX o por un intercambiador de calor por el que circula un fluido térmico. Los puntos entre los que se recirculan los gases deben estar situados en las zonas inferiores de los tanques o equipos. Se pueden utilizar como puntos de recirculación las bocas de hombre de los tanques o equipos instalando en ellas tapas con racores para la conexión de mangueras de aspiración e impulsión de gases. En tanques de tamaño medio y en equipos de proceso, es suficiente con un único posicionamiento de los equipos necesarios para llevar a cabo la extracción de los hidrocarburos, preferentemente entre dos bocas de hombre o puntos diametralmente opuestos. En tanques de reducido tamaño y en equipos de proceso, la recirculación de gases puede establecerse entre dos puntos situados en la misma boca de hombre, pero orientando las mangueras de aspiración e impulsión de los gases en recirculación de modo que se favorezca el flujo de vapor de agua por el fondo del tanque o equipo. En tanques de gran tamaño, pueden ser necesarios hasta cuatro posicionamientos, preferentemente entre bocas de hombre situadas a 90°, de forma que con cada posicionamiento el vapor de agua de la corriente homogenizada y sus flujos difusivos circulen por un sector equivalente a una cuarta parte de la superficie del fondo del tanque.
- Extraer los hidrocarburos mediante una bomba apta para su uso en atmósferas potencialmente explosivas, pudiendo realizarse calentamientos adicionales de los hidrocarburos para facilitar la extracción y los posteriores trasvases. Los calentamientos adicionales se pueden realizar mediante dispositivos de calentamiento situados dentro del tanque o equipo y en las proximidades de la línea de succión de la bomba (resistencias eléctricas ATEX, serpentines de vapor, etc.) o bien mediante una banda de calentamiento de la franja inferior externa del tanque o equipo. La banda de calentamiento debe colocarse próxima a la línea de succión de la bomba y puede calentarse eléctricamente o haciendo circular aire caliente y vapor de agua entre la propia banda y la franja de superficie metálica del tanque o equipo cubierta por la banda. Los dispositivos de calentamiento adicional no alcanzan en ningún momento la temperatura de autoignición de los hidrocarburos. El trasvase de los hidrocarburos se realiza al punto designado para su tratamiento, transporte en cisternas o almacenamiento en un tanque contiguo. Una vez que la aportación de calor deje de ser efectiva y finalice el flujo de hidrocarburos hacia las líneas de succión, se da por finalizada la extracción. Se inspeccionará el interior del tanque o equipo y, si quedan cantidades significativas de hidrocarburos en alguna zona del tanque o equipo, se continuará con la extracción eligiendo los puntos de recirculación de gases del tanque o equipo de modo que el vapor de agua de la corriente homogenizada atraviese la zona en que se encuentran los hidrocarburos. Al finalizar la extracción de los hidrocarburos, quedan en el fondo del tanque o equipo agua, sedimentos
aceitosos o hidrocarburos con elevada temperatura de fusión, que han de ser retirados por métodos convencionales.
Descripción de la figura adjunta
En la figura 1 se representa un esquema del procedimiento aplicado a un tanque de petróleo que dispone de un techo flotante -1- y de varias bocas de hombre en las que se instalan las tapas con racores de conexión -2-. Un ventilador centrífugo -3- y una soplante -4- utilizables en atmósferas potencialmente explosivas fuerzan la recirculación y el flujo turbulento de gases del tanque por un dispositivo de difusión turbulenta -5- provisto de deflectores -6- y una línea de purga de condensados -7-, en el que se homogenizan los gases en recirculación del tanque con el vapor de agua y el nitrógeno aportados respectivamente por la caldera de vapor -8- y el generador de nitrógeno -9-, mientras la unidad de depuración de gases -10- evita las emisiones contaminantes. Los hidrocarburos se van extrayendo mediante una bomba -11- utilizable en atmósferas potencialmente explosivas, que está protegida por un filtro -12-, mientras el dispositivo de calentamiento -13-, que se sitúa junto a la línea de succión de la bomba, facilita la extracción y el trasvase de los hidrocarburos al punto -14- para su tratamiento, transporte o almacenamiento.
Descripción de una realización preferente de la invención
Un ejemplo de aplicación preferente del procedimiento se da en la extracción de los hidrocarburos viscosos e inflamables acumulados en el fondo de los tanques de techo flotante de petróleo, aplicación muy ventajosa por encontrarse el techo flotante posicionado en el fondo del tanque sobre sus patas soporte (aproximadamente a 2 metros de altura) y quedar así muy reducido el volumen del tanque.
La secuencia de operaciones del procedimiento es la siguiente:
- Operaciones previas: instalación de los equipos necesarios para llevar a cabo la extracción del petróleo; conexión a tierra de los equipos de extracción que estén en contacto con el petróleo o sus gases; sellado del tanque manteniendo una línea de venteo; e inyección de nitrógeno en el tanque hasta conseguir una concentración de oxígeno inferior al 8%. Se podrá conectar la línea de venteo a una unidad de depuración de gases para eliminar prácticamente la totalidad de las emisiones contaminantes.
- Inyección en el tanque de una corriente de gases homogenizada mediante un proceso irreversible de difusión turbulenta, estando la corriente constituida por gases en recirculación del propio tanque y por las cantidades de vapor de agua y de nitrógeno que se precisen en cada momento para mantener la concentración de oxígeno por debajo del 8% y para hacer que fluya el petróleo en cantidad equivalente a la demandada por una bomba ATEX. Previamente se instalan en dos bocas de hombre diametralmente opuestas dos tapas con racores a las que se conectan mediante mangueras dos ventiladores centrífugos ATEX y un dispositivo de difusión turbulenta provisto de deflectores y una línea de purga de condensados. Se regula el caudal de gases en recirculación de modo que se alcance una velocidad de paso por los deflectores del dispositivo de difusión turbulenta que asegure la homogenización de la corriente de gases. La cantidad de vapor de agua que debe añadirse a la corriente de gases se va regulando de modo que la cesión de calor al petróleo haga que fluya en cantidad equivalente a la demandada por la bomba. Además de ceder calor, el vapor de agua una vez condensado en el tanque hace que flote y fluya por diferencia de densidades el petróleo que pueda quedar retenido entre acumulaciones de sedimentos o en las deformaciones del fondo del tanque. La cantidad de nitrógeno aportada para mantener la concentración de oxígeno en el tanque por debajo del 8% se determina realizando mediciones en el tanque o en el circuito externo de gases en recirculación del tanque.
- Extracción del petróleo mediante una bomba ATEX, con calentamientos adicionales que faciliten la extracción y los posteriores trasvases. Los calentamientos adicionales del petróleo viscoso se pueden realizar instalando dispositivos de calentamiento situados dentro del tanque en las proximidades de la línea de succión de la bomba o mediante una banda de calentamiento colocada sobre la franja inferior externa del tanque, también próxima a la línea de succión de la bomba. El trasvase del petróleo se realiza al punto designado para su tratamiento, transporte en cisternas o almacenamiento en un tanque contiguo. Una vez que la aportación de calor deje de ser efectiva y finalice el flujo de petróleo hacia las líneas de succión, se da por finalizada la extracción. Se inspeccionará el interior del tanque y, si quedan cantidades significativas de petróleo en alguna zona del tanque, se continuará con la extracción eligiendo las bocas de hombre o los puntos entre los que se recirculan los gases de modo que el vapor de agua de la corriente homogenizada atraviese la zona en que se encuentra el petróleo. Al finalizar la extracción del petróleo, quedan en el fondo del tanque agua, sedimentos aceitosos y en ocasiones parafinas sólidas o compuestos aromáticos y nafténicos con elevada temperatura de fusión, que han de ser retirados por métodos convencionales.
Claims (6)
1. Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso, que comprende las operaciones siguientes:
- inyectar en el tanque o equipo un gas inerte hasta conseguir una concentración de oxígeno que asegure un rango de inflamabilidad nulo;
- inyectar en el tanque o equipo una corriente de gases homogenizada mediante un proceso irreversible de difusión turbulenta, estando la corriente constituida por gases en recirculación del propio tanque o equipo y por las cantidades de vapor de agua y de gas inerte que se precisen en cada momento para mantener la concentración de oxígeno en valores que aseguren un rango de inflamabilidad nulo y para hacer que fluyan los hidrocarburos en cantidad equivalente a la demandada por una bomba apta para su utilización en atmósferas potencialmente explosivas; y
- extraer los hidrocarburos mediante la bomba y trasvasarlos a un punto designado para su tratamiento, transporte o almacenamiento.
2. Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso según la reivindicación 1, que comprende un calentamiento adicional de los hidrocarburos mediante unos dispositivos situados en las proximidades de una línea de succión de la bomba que en ningún momento alcanzan la temperatura de autoignición de los hidrocarburos.
3. Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso según las reivindicaciones 1 o 2, que comprende además la utilización de una unidad de depuración de gases conectada al tanque o equipo para eliminar emisiones contaminantes a la atmósfera.
4. Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la difusión turbulenta se lleva a cabo utilizando un dispositivo provisto de deflectores y una línea de purga.
5. Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde se emplea una soplante apta para su utilización en atmósferas potencialmente explosivas que produce en la compresión un calentamiento de los gases en recirculación del tanque o equipo, sin alcanzar en ningún momento la temperatura de autoignición de los hidrocarburos.
6. Procedimiento de extracción de hidrocarburos viscosos de tanques de almacenamiento y de equipos de proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la difusión turbulenta se lleva a cabo utilizando un dispositivo provisto de un sistema propio de calentamiento que en ningún momento alcanza la temperatura de autoignición de los hidrocarburos.
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Cited By (1)
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2018
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- 2019-04-09 WO PCT/ES2019/000031 patent/WO2019197690A1/es active Application Filing
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| WO2019197690A1 (es) | 2019-10-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2727155 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20191014 |
|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20200130 |