ES2923865T3 - Método catalítico para el tratamiento de agua producida - Google Patents
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Abstract
Se describen sistemas catalíticos y métodos para tratar corrientes de proceso. Las técnicas de hidrólisis y oxidación húmeda catalítica pueden usarse para tratar uno o más constituyentes indeseables tales como HPAM y KHI. Se puede producir metano en relación con al menos algunas realizaciones. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método catalítico para el tratamiento de agua producida
Antecedentes
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de producción de metano.
2. Descripción de la técnica relacionada
Para satisfacer las necesidades de energía y fabricación, el petróleo y el gas se extraen habitualmente de fuentes subterráneas. La extracción convencional de petróleo y gas es un procedimiento que requiere mucha agua. El agua producida normalmente no es apta para su descarga en las fuentes de agua locales y puede inyectarse en pozos subterráneos para su eliminación. Alternativamente, el agua producida puede tratarse para hacerla adecuada para una variedad de usos.
En una operación convencional de extracción de petróleo o gas, puede usarse agua inyectada para impulsar petróleo o gas hasta la superficie en el cabezal de pozo. El agua inyectada y/o el agua existente en las superficies de formación como una mezcla, o emulsión, conocida como “agua producida” que incluye los productos de petróleo y gas. La porción de agua y la porción de aceite del agua producida se separan mediante diversas operaciones unitarias. Porciones de la corriente de agua separada pueden someterse a diferentes operaciones de tratamiento dependiendo de su uso previsto. Los usos previstos de la corriente de agua pueden incluir la reinyección para la eliminación permanente en pozos o la inundación con agua. Alternativamente, el uso previsto puede requerir una mejor calidad del agua, tal como para riego.
Las características y los componentes del agua producida pueden ser perjudiciales para el sistema de tuberías que la transporta. Por ejemplo, en el contexto de aplicaciones en pozos profundos, en temperaturas más frías, los compuestos orgánicos del agua producida forman hielo orgánico (hidratos) en las paredes de las tuberías que transportan el agua producida, particularmente cuando se producen grandes caídas de presión.
El problema del hielo orgánico se ha abordado en el pasado mediante la adición de glicoles al agua producida; sin embargo, ese procedimiento es costoso y requiere concentraciones relativamente altas de glicoles para ser eficaz. Además, los glicoles deben eliminarse posteriormente, añadiendo una etapa adicional al procedimiento de tratamiento general.
Los inhibidores cinéticos de hidratos “KHI” (también conocidos como “LDHI”, inhibidores de hidratos de baja dosis) sirven como una alternativa a los glicoles para inhibir la formación de hielo, donde pueden introducirse en concentraciones más bajas.
Si bien los KHI disfrutan de determinadas ventajas sobre los glicoles, también tienen desventajas. Por ejemplo, los KHI tienen un punto de enturbiamiento generalmente en el intervalo de 40-80°C.
Una disolución de agua producida en ese intervalo de temperatura puede volverse turbia debido a la precipitación de los KHI. Algunos organismos reguladores temen que una disolución turbia de este tipo pueda obstruir los yacimientos y, por tanto, han prohibido la reinyección en pozos profundos de aguas producidas que contienen KHI. Como resultado, se ha sido limitado su uso en tales aplicaciones.
Los KHI son una clase de polímeros orgánicos de alto peso molecular. KHI comparten algunas propiedades similares a otra clase de polímeros de alto peso molecular presentes en determinadas aguas producidas HPAM (poliacrilamida hidrolizada). HPAM aumenta la viscosidad para ayudar a eliminar el petróleo del subsuelo, a menudo como parte de un procedimiento más general denominado recuperación mejorada de petróleo (EOR). La viscosidad aumentada creada por la HPAM para ayudar en la eliminación de petróleo o gas se convierte posteriormente en un impedimento para los procedimientos de separación aplicados al agua producida, ya que forma emulsiones que son difíciles de separar. Como resultado, la HPAM se elimina preferentemente en alguna etapa durante el tratamiento del agua producida para reducir la viscosidad de la corriente y ayudar en la separación.
KHI y HPAM contribuyen cada uno a la demanda química de oxígeno (DQO) del agua producida. Otras fuentes de DQO en el agua producida incluyen hidrocarburos ligeros y otros compuestos orgánicos. El documento JP 2004 300254 A se refiere a un método para producir gas combustible. El documento JP 2001 254087 A describe una técnica para recuperar gas combustible, energía eléctrica, energía térmica o similares en una forma útil para su reutilización mediante el tratamiento de aguas residuales que contienen sustancias orgánicas con una alta eficiencia de gasificación.
Sumario
La invención se define por las reivindicaciones adjuntas. Se da a conocer se describe, pero no según la invención, un método de tratar una mezcla acuosa. El método puede comprender: introducir una mezcla acuosa que comprende al menos uno de KHI y HPAM en un recipiente de tratamiento; someter la mezcla acuosa a una presión superatmosférica en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; someter la mezcla acuosa a una temperatura elevada en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; introducir un catalizador en la mezcla acuosa en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa durante un tiempo suficiente para alterar los enlaces químicos en al menos una porción de el al menos uno de KHI y HPAM; y separar la porción alterada de el al menos uno de KHI y HPAM de la mezcla acuosa para producir una mezcla acuosa tratada que tiene un nivel residual de el al menos uno de KHI y HPAM por debajo de un umbral predeterminado.
Se describe, pero no según la invención, la introducción de un gas rico en oxígeno a presión en la mezcla acuosa aguas arriba del recipiente de tratamiento. Según la invención, someter la mezcla acuosa en el recipiente de tratamiento a una presión superatmosférica comprende cargar el recipiente a presión con un gas pobre en oxígeno. El gas pobre en oxígeno puede ser un gas inerte.
El gas inerte puede comprender nitrógeno. El catalizador puede comprender un catalizador heterogéneo. El catalizador heterogéneo puede comprender rutenio. Poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa puede facilitar la hidrólisis de al menos una porción de el al menos uno de KHI y HPAM. Poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa puede facilitar la oxidación de al menos una porción de el al menos uno de KHI y HPAM. El método puede comprender además inyectar bajo tierra la mezcla acuosa tratada. La mezcla acuosa puede comprender KHI y el umbral predeterminado puede ser de 100 mg/l. La mezcla acuosa puede comprender HPAM y el umbral predeterminado puede ser de 100 mg/l. La temperatura elevada puede ser al menos aproximadamente 250°C. La presión superatmosférica puede estar entre 2026,5 kPa y 24318 kPa (20 atm y 240 atm). La mezcla acuosa es un agua producida o derivada de un agua producida. El agua producida puede formarse mediante un procedimiento de recuperación de petróleo mejorado.
Se describe, pero no según la invención, un método de tratamiento de un agua producida. El método puede comprender: introducir un agua producida que comprende una demanda química de oxígeno de al menos 30.000 mg/l en un recipiente de tratamiento; someter el agua producida a una presión superatmosférica en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; someter el agua producida a una temperatura elevada en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; introducir un catalizador en el recipiente de tratamiento; poner en contacto el catalizador con el agua producida durante un tiempo suficiente para alterar los enlaces químicos en al menos una porción de constituyentes que contribuyen a la demanda química de oxígeno; y separar la porción alterada de constituyentes que contribuyen a la demanda química de oxígeno del agua producida para producir un agua producida tratada que tiene una demanda química de oxígeno por debajo de un umbral predeterminado.
Según uno o más aspectos, el umbral predeterminado para la demanda química de oxígeno puede ser de aproximadamente 100 mg/l. El agua producida puede comprender al menos uno de KHI y HPAM. Se describe, pero según la invención, la introducción de un gas rico en oxígeno a presión en el agua producida aguas arriba del recipiente de tratamiento. El catalizador puede comprender un catalizador heterogéneo. El catalizador heterogéneo puede comprender rutenio. Poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa puede facilitar la hidrólisis de al menos una porción de los constituyentes que contribuyen a la demanda química de oxígeno. Poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa puede facilitar la oxidación de al menos una porción de los constituyentes que contribuyen a la demanda química de oxígeno.
Según la invención, se da a conocer un método de producción de metano. El método comprende: introducir un agua producida que comprende una demanda química de oxígeno de al menos 30.000 mg/l en un recipiente de tratamiento; someter el agua producida a una presión de entre 2026,5 kPa y 24318 kPa (de 20 atm a 240 atm) en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; someter el agua producida a una temperatura de desde 150°C hasta 373°C en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; introducir un catalizador en el agua producida en o aguas arriba del recipiente de tratamiento para fomentar la formación de metano; y capturar el metano formado; en el que el al menos un constituyente no deseable comprende un compuesto orgánico; y en el que el catalizador comprende un miembro seleccionado del grupo que consiste en rutenio, níquel, cobalto, hierro, y combinaciones de los mismos, y un soporte sólido seleccionado del grupo que consiste en alúmina, sílice y carburo de silicio, en el que someter comprende cargar el recipiente a presión con un gas pobre en oxígeno.
Se describe, pero no según la invención, la introducción de un gas rico en oxígeno a presión en el agua producida aguas arriba del recipiente de tratamiento. El catalizador puede comprender un catalizador heterogéneo. El catalizador heterogéneo puede comprender rutenio. Poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa puede facilitar la hidrólisis de al menos una porción de los constituyentes que contribuyen a la demanda química de oxígeno. Poner en contacto el catalizador con la mezcla acuosa puede facilitar la oxidación de al menos una porción de los constituyentes que contribuyen a la demanda química de oxígeno. El método puede comprender además suministrar el metano capturado a un punto de uso.
Breve descripción de los dibujos
No se pretende que los dibujos adjuntos estén dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en diversas figuras está representado por el mismo número. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar marcados en todos los dibujos. Las realizaciones preferidas no limitativas se describirán con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama de sistema de un sistema de tratamiento.
Descripción detallada
Esta invención no se limita en su aplicación a los detalles de construcción y disposición de los componentes tal como se expone en la siguiente descripción o se ilustra en los dibujos. La invención es capaz de realizaciones y de practicarse o llevarse a cabo de diversas maneras más allá de las que se presentan a modo de ejemplo en el presente documento, siempre que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
La oxidación húmeda es una tecnología para el tratamiento de corrientes de procedimiento. El método implica la oxidación en fase acuosa de constituyentes no deseables mediante un agente oxidante, generalmente oxígeno molecular a partir de un gas rico en oxígeno, a temperaturas y presiones elevadas. El procedimiento puede convertir contaminantes orgánicos en dióxido de carbono, agua y ácidos orgánicos de cadena corta biodegradables, tales como el ácido acético. También pueden oxidarse los constituyentes inorgánicos que incluyen sulfuros, mercapturos y cianuros.
La hidrólisis es un procedimiento similar al procedimiento de oxidación húmeda con aire para el tratamiento de aguas residuales cuando el oxígeno no es un reactante necesario. En la hidrólisis, determinados constituyentes de las aguas residuales y los lodos pueden reaccionar directamente con el agua a temperaturas y presiones elevadas para producir un efluente tratado que se destoxifica o cumple con el objetivo de tratamiento deseado.
En los procedimientos catalíticos de oxidación húmeda o hidrólisis, se mezcla una corriente acuosa que va a tratarse con un agente oxidante (o no, en el caso de la hidrólisis) y se pone en contacto con un catalizador a temperaturas y presiones elevadas. Los catalizadores heterogéneos residen normalmente en un lecho sobre el que se hace pasar la mezcla acuosa, o en forma de material particulado sólido que se mezcla con la mezcla acuosa antes de la oxidación o la hidrólisis. El catalizador puede separarse por filtración del efluente aguas abajo de la unidad de reactor. El material catalítico puede recircularse o retirarse y reemplazarse.
Se describen uno o más sistemas y métodos para tratar corrientes de procedimiento. En un funcionamiento típico, los sistemas pueden recibir corrientes de procedimiento de fuentes comunitarias, industriales, de producción de gas/petróleo o residenciales. Por ejemplo, cuando el sistema está tratando aguas residuales, la corriente de procedimiento puede suministrarse desde lodos de aguas residuales municipales u desde otro sistema de aguas negras a gran escala. Las corrientes de procedimiento también pueden originarse, por ejemplo, de plantas de procesamiento de alimentos, instalaciones de procesamiento de productos químicos, proyectos de gasificación o plantas de pasta y papel. Las corrientes de procedimiento también pueden originarse de las mezclas de fluidos usadas para extraer el petróleo y el gas de fuentes subterráneas. Por tanto, la corriente de procedimiento puede incluir al menos una pequeña cantidad de hidrocarburos. La corriente de procedimiento puede moverse a través del sistema mediante una operación aguas arriba o aguas abajo del sistema.
Tal como se usa en el presente documento, el término “corriente de procedimiento” se refiere a una mezcla acuosa que puede suministrarse al sistema para el tratamiento. Después del tratamiento, la corriente de procedimiento puede procesarse adicionalmente, devolverse a un procedimiento aguas arriba, inyectarse en pozos profundos o puede salir del sistema de otra manera como desecho. La mezcla acuosa incluye normalmente al menos un constituyente no deseable que puede oxidarse o hidrolizarse. El constituyente no deseable puede ser cualquier material o compuesto que va a eliminarse de la mezcla acuosa, tal como por razones de salud pública, diseño de procedimientos y/o consideraciones estéticas. Los constituyentes no deseables que pueden oxidarse o hidrolizarse son compuestos orgánicos. Determinados polímeros orgánicos grandes, por ejemplo, KHI, HPAM, compuestos de amina grandes y especies relacionadas también pueden oxidarse o hidrolizarse, de modo que puedan descomponerse para dar componentes más pequeños, por ejemplo, monómeros. Una fuente de una mezcla acuosa que va a tratarse mediante el sistema, tal como lodos, puede canalizarse directamente desde una planta o recipiente de almacenamiento. En algunas realizaciones, la mezcla acuosa puede tener una concentración de los polímeros orgánicos grandes descritos anteriormente en un intervalo desde unas pocas ppm hasta aproximadamente el 5%. Según una o más realizaciones, puede ser deseable alterar uno o más enlaces químicos específicos en el constituyente no deseable o producto(s) de degradación del mismo. Una reacción de oxidación es una técnica de destrucción, que puede convertir contaminantes orgánicos oxidables en dióxido de carbono, agua y ácidos orgánicos de cadena corta biodegradables, tales como ácido acético.
En un aspecto, que no forma parte de la invención, se somete a oxidación húmeda una mezcla acuosa que incluye
al menos un constituyente no deseable. La mezcla acuosa se oxida con un agente oxidante a una temperatura elevada y presión superatmosférica durante una duración suficiente para tratar el al menos un constituyente no deseable. La reacción de oxidación puede destruir sustancialmente la integridad de uno o más enlaces químicos en el constituyente no deseable. Tal como se usa en el presente documento, la expresión “destruir sustancialmente” se define como al menos aproximadamente el 95% de destrucción. El procedimiento de la presente invención es aplicable generalmente al tratamiento de cualquier constituyente no deseable que pueda oxidarse o hidrolizarse.
Se halló inesperadamente que los sistemas catalíticos de oxidación húmeda con aire y los sistemas de hidrólisis pueden incorporarse en procedimientos para retirar especies poliméricas grandes, tales como KHI y HPAM de un agua producida, debido a que la WAO y la hidrólisis se han usado clásicamente en operaciones aguas abajo en lugar de aplicaciones aguas arriba tal como se comenta en el presente documento.
Según la invención, una corriente de agua producida se somete a tratamiento catalítico. El método puede incluir aumentar la presión y la temperatura de un agua producida que comprende KHI y/o HPAM. El método incluye introducir un catalizador en la corriente de tratamiento. En un sistema de oxidación húmeda con aire, se introduce un gas rico en oxígeno en la corriente. Luego se trata el agua producida en un reactor, en el que está en contacto con el catalizador para fomentar la hidrólisis y opcionalmente la oxidación. Durante el tratamiento, se alteran los enlaces químicos en al menos una porción del KHI y/o la HPAM a través de oxidación y/o hidrólisis, para producir un producto transformado o descompuesto. KHI y HPAM son cada uno polímeros grandes que contribuyen a un aumento de la viscosidad del agua producida que interfiere con los procedimientos de separación. Al descomponer estos componentes grandes para dar componentes más pequeños, por ejemplo, monómeros, se facilitan de ese modo los procedimientos de separación. Los componentes no deseados alterados se separan de la corriente para producir una mezcla acuosa tratada que tiene un nivel residual de KHI y/o HPAM por debajo de un umbral predeterminado tal como puede ser dictado por una agencia reguladora relevante o por lo demás, suficiente para aliviar problemas en el tratamiento de aguas tal como punto de enturbiamiento, viscosidad, o emulsiones. Por ejemplo, el umbral predeterminado puede ser de aproximadamente 100 mg/l en algunas realizaciones no limitativas. El umbral predeterminado puede estar asociado con un nivel suficiente para eliminar o abordar una o más características o propiedades no deseables.
Están disponibles una variedad de enfoques para determinar si los niveles residuales de los componentes no deseados están por debajo de un nivel deseado según una o más realizaciones. Un enfoque es basar la determinación en una medición de DQO. Este enfoque está disponible cuando puede suponerse con seguridad que las especies no deseadas constituyen una gran parte del valor de la DQO, como es el caso del agua producida en esta etapa de su ciclo de tratamiento y, por tanto, la DQO puede entenderse como un valor indirecto del valor de KHI o HPAM. Bajo estas circunstancias, si la DQO se reduce en un determinado porcentaje, o por debajo de un determinado valor, entonces, de manera indirecta, el KHI o HPAM residual está por debajo de un umbral predeterminado.
Un enfoque alternativo es aplicar técnicas analíticas tales como cromatografía de exclusión molecular (“SEC”) para determinar si el constituyente no deseado está por debajo de un umbral predeterminado. SEC separa las moléculas según su tamaño y, por tanto, puede usarse para determinar una concentración de todas las moléculas por encima de un determinado tamaño. Debido a que k Hi y HPAM son polímeros relativamente grandes, en una corriente de agua producida, el KHI o la HPAM pueden constituir la mayor parte de las moléculas por encima de determinado tamaño. Por tanto, la concentración de moléculas grandes determinada a través de SEC puede ser una estimación útil para la concentración de KHI o HPAM residual. También pueden aplicarse otras técnicas para determinar si KHI o HPAM residual está por debajo de un umbral predeterminado.
Además de eliminar las especies no deseadas, la aplicación de oxidación húmeda catalítica con aire o hidrólisis en una corriente de agua producida puede tener el beneficio adicional de generar metano, que posteriormente puede capturarse y usarse o venderse como subproducto. La generación de metano puede facilitarse mediante el uso de un catalizador, y es especialmente abundante cuando está presente material catalizador recién preparado. La generación de metano puede resultar del material carbonoso en la corriente que se somete a un procedimiento de Fischer-Tropsch.
Los procedimientos dados a conocer pueden realizarse en cualquier unidad discontinua o continua adecuada para los compuestos que van a tratarse. Normalmente, se realiza oxidación en fase acuosa en un sistema de oxidación húmeda de flujo continuo, tal como se muestra en la figura 1. Puede usarse cualquier agente oxidante. El oxidante es habitualmente un gas que contiene oxígeno, tales como aire, aire enriquecido con oxígeno, o esencialmente oxígeno puro. Tal como se usa en el presente documento, la expresión “aire enriquecido con oxígeno” se define como aire que tiene un contenido de oxígeno mayor de aproximadamente el 21%. Aspectos del funcionamiento del sistema de hidrólisis pueden ser similares a los del sistema 5 de oxidación húmeda con aire descrito con referencia a la figura 1. Un sistema de hidrólisis, sin embargo, no necesitaría incluir un compresor 16 tal como se describe a continuación. Puede realizarse un pretratamiento tal como, pero sin limitarse a, separación por gravedad, filtración, y/o flotación de gas disuelto/inducido.
En un funcionamiento típico del sistema 5 de oxidación húmeda, y con referencia a la figura 1 (que no forma parte de
la invención), una mezcla acuosa de una fuente, mostrada como un tanque 10 de almacenamiento, fluye a través de un conducto 12 hasta una bomba 14 de alta presión que presuriza la mezcla acuosa. La mezcla acuosa puede presurizarse cargando el recipiente con un gas inerte. En algunas realizaciones, el gas inerte puede tener un contenido de oxígeno menor que el aire (denominado de otra manera como pobre en oxígeno), tal como nitrógeno. La mezcla acuosa se mezcla con un gas a presión que contiene oxígeno, suministrado por un compresor 16, dentro de un conducto 18. El gas que contiene oxígeno puede ser un gas rico en oxígeno, uno que tenga un contenido de oxígeno mayor que el aire. La mezcla acuosa fluye a través de un intercambiador 20 de calor en el que se calienta hasta una temperatura que inicia la oxidación. Luego la mezcla de alimentación calentada entra en un recipiente 24 de reactor en la entrada 38. Las reacciones de la oxidación húmeda son generalmente exotérmicas y el calor de reacción generado en el reactor puede elevar además la temperatura de la mezcla hasta un valor deseado. La mayor parte de la reacción de oxidación se produce dentro del recipiente 24 de reactor que proporciona un tiempo de residencia suficiente para lograr el grado deseado de oxidación. Luego la mezcla acuosa oxidada y la mezcla de gas empobrecida en oxígeno salen del reactor a través de un conducto 26 controlado por una válvula 28 de control de presión. La mezcla de gas empobrecida puede comprender, por ejemplo, H2 , CO2 y otros vapores volátiles arrastrados. El efluente oxidado caliente atraviesa el intercambiador 20 de calor en el que se enfría contra la mezcla de gas y mezcla acuosa en bruto que entran. La mezcla de efluentes enfriada fluye a través de un conducto 30 hasta un recipiente 32 separador en el que se separan el líquido y los gases. El efluente líquido sale del recipiente 32 separador a través de un conducto 34 inferior mientras que los gases de purga se ventean a través de un conducto 36 superior. Puede requerirse el tratamiento del gas de purga en una unidad de tratamiento de gas de purga aguas debajo dependiendo de su composición y los requisitos para la descarga a la atmósfera. El efluente sometido a oxidación húmeda puede descargase normalmente en una unidad de operaciones individual para un tratamiento adicional. El efluente también puede recircularse para un procesamiento adicional mediante el sistema de oxidación húmeda.
Puede añadirse un catalizador a la mezcla acuosa en cualquier punto en el sistema de oxidación húmeda. El catalizador puede mezclarse con la mezcla acuosa. El catalizador puede añadirse a la fuente de la mezcla acuosa que alimenta la unidad de oxidación húmeda tal como se ilustra en la figura 1 en la que la fuente 40 de catalizador está conectada por conexión de fluido al tanque 10 de almacenamiento. En algunas realizaciones, el catalizador puede añadirse directamente a la unidad de oxidación húmeda. En otras realizaciones, el catalizador también puede suministrarse a la mezcla acuosa antes del calentamiento y/o la presurización.
El catalizador puede estar ya presente en la corriente de procedimiento que va a tratarse. La mezcla acuosa suministrada a la unidad de oxidación puede contener un material catalítico. Por ejemplo, pueden estar presentes metales de transición en una corriente de desechos que va a tratarse mediante el sistema de oxidación húmeda catalítica. Los lodos acuosos, tales como los que contienen carbonos orgánicos volátiles, pueden contener metales que pueden actuar como catalizador. Por ejemplo, la mezcla acuosa puede ser lodos de subproductos de gasificación.
El sistema puede incluir un controlador 70 para ajustar o regular al menos un parámetro de funcionamiento del sistema o un componente del sistema, tal como, pero sin limitarse a, válvulas de accionamiento y bombas. El controlador 70 puede estar en comunicación electrónica con un sensor 50 tal como se ilustra en la figura 1. El controlador 70 puede estar generalmente configurado para generar una señal de control para ajustar el nivel de pH de la mezcla acuosa en respuesta al sensor 50 de pH que registra un nivel de pH fuera de un intervalo de pH predeterminado. Por ejemplo, el controlador 70 puede proporcionar una señal de control a una o más válvulas asociadas con una fuente 60 de ajustador de pH para añadir ajustador de pH a la fuente 10 de mezcla acuosa. En algunas realizaciones, ajustar el nivel de pH puede ayudar a la hidrólisis o la oxidación de polímeros. En al menos algunas realizaciones, puede evitarse un nivel de pH neutro en favor de un entorno o bien alcalino o bien ácido.
El controlador 70 es normalmente un dispositivo basado en un microprocesador, tal como un controlador lógico programable (PLC) o un sistema de control distribuido, que recibe o envía señales de entrada y salida hacia y desde los componentes del sistema de oxidación húmeda. Las redes de comunicación pueden permitir que cualquier sensor o dispositivo que genera señales esté ubicado a una distancia significativa del controlador 70 o un sistema informático asociado, sin dejar de proporcionar datos entre los mismos. Tales mecanismos de comunicación pueden realizarse utilizando cualquier técnica adecuada incluyendo, pero sin limitarse a, aquellas que utilizan protocolos inalámbricos.
La corriente de efluente líquido sometido a oxidación húmeda puede procesarse mediante una unidad 80 de tratamiento secundaria conectada aguas abajo del recipiente 24 de reactor de oxidación para eliminar los constituyentes no deseables restantes presentes y/o pulir cuando sea necesario o se desee. La unidad 80 de tratamiento secundaria puede ser un lavador de gases químico, un lavador de gases biológico, un lecho de medios de adsorción u otra operación unitaria para la separación. La unidad 80 de tratamiento secundaria puede dimensionarse para proporcionar un área superficial consistente con el grado deseado de pulido. Alternativamente, el efluente líquido también puede recircularse de vuelta al recipiente 24 de reactor para un procesamiento adicional. También puede requerirse el tratamiento del gas de purga en una unidad de tratamiento de gas de purga aguas abajo dependiendo de su composición y los requisitos para la descarga a la atmósfera.
Pueden disponerse sensores para detectar la concentración de un constituyente deseado aguas arriba y/o aguas abajo de la unidad 24 de oxidación húmeda para facilitar el control del sistema. Por ejemplo, un sensor puede estar posicionado en el conducto 26 y estar en comunicación con el controlador 70 para determinar y/o controlar si la corriente de efluente líquido debe desviarse a la unidad 80 de tratamiento secundaria para cumplir las regulaciones medioambientales establecidas.
Se suministra normalmente suficiente gas que contiene oxígeno al sistema para mantener el oxígeno residual en el gas de purga del sistema de oxidación húmeda, y la presión superatmosférica del gas es normalmente suficiente para mantener el agua en la fase líquida a la temperatura de oxidación seleccionada. Por ejemplo, la presión mínima del sistema a 240°C es de 3344 kPa (33 atmósferas), la presión mínima a 280°C es de 6485 kPa (64 atmósferas), y la presión mínima a 373°C es de 21785 kPa (215 atmósferas). La mezcla acuosa puede oxidarse a una presión de aproximadamente 3040 kPa (30 atmósferas) a 24318 kPa (240 atmósferas). El procedimiento de oxidación húmeda se hace funcionar a una temperatura elevada por debajo de 374°C, la temperatura crítica del agua. El tiempo de retención para la mezcla acuosa dentro de la cámara de reacción debe ser generalmente suficiente para lograr el grado deseado de oxidación. El tiempo de retención puede estar por encima de aproximadamente una hora y hasta aproximadamente ocho horas. El tiempo de retención puede ser de al menos aproximadamente 15 minutos y hasta aproximadamente 6 horas.
La mezcla acuosa puede oxidarse durante de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 4 horas.
La mezcla acuosa puede oxidarse durante de aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 3 horas.
El agua producida puede exponerse a un catalizador heterogéneo en un recipiente a presión a una temperatura y presión elevadas durante un tiempo suficiente para reaccionar catalíticamente con KHI y/o HPAM para reducir el nivel de DQO del agua producida mientras que se genera metano como subproducto.
Cualquier reacción de oxidación puede estar mediada por un catalizador. La mezcla acuosa que contiene al menos un constituyente no deseable que va a tratarse se pone en contacto generalmente con un catalizador y opcionalmente con un agente oxidante a una temperatura elevada y presión superatmosférica. Una cantidad eficaz de catalizador puede ser generalmente suficiente para aumentar las velocidades de reacción y/o mejorar la eficiencia de eliminación de destrucción general del sistema, incluyendo una mayor reducción de la demanda química de oxígeno (DQO) y/o el carbono orgánico total (TOC). El catalizador también puede servir para reducir los requisitos energéticos generales del sistema de oxidación húmeda.
Según la invención, el catalizador se selecciona de rutenio, níquel, cobalto, hierro o aleaciones o mezclas de los mismos. En algunas realizaciones, un catalizador puede seleccionarse basándose en una característica de la mezcla acuosa. El catalizador heterogéneo se suministra sobre un soporte. El soporte es un soporte de alúmina, sílice o carburo de silicio.
Tal como se comentó anteriormente con respecto al funcionamiento típico de la unidad de oxidación, se separa un efluente líquido de la mezcla acuosa oxidada aguas abajo del reactor de oxidación.
El catalizador puede recuperarse del efluente líquido mediante un procedimiento de separación. Por ejemplo, el catalizador puede separarse por precipitación de la corriente de efluente. Puede usarse un cristalizador para recuperar el catalizador. Luego puede recircularse de vuelta el catalizador al sistema de oxidación húmeda o retirarlo y reemplazarlo con catalizador recién preparado.
Pueden conectarse uno o más sistemas a múltiples fuentes de corrientes de procedimiento. El sistema de oxidación húmeda puede incluir sensores adicionales para medir otras propiedades o condiciones de funcionamiento del sistema. Por ejemplo, el sistema puede incluir sensores para determinar la temperatura, caída de presión y velocidad de flujo en diferentes puntos para facilitar la monitorización del sistema. Según una o más realizaciones, el catalizador puede reponerse durante el procedimiento de oxidación húmeda.
Se contempla la modificación de instalaciones existentes para readaptar uno o más sistemas o componentes para implementar las técnicas de la invención. Un sistema de oxidación húmeda existente puede modificarse utilizando al menos algunos de los equipos preexistentes. Por ejemplo, pueden estar provistos uno o más sensores de pH y puede implementarse un controlador en un sistema de oxidación húmeda preexistente para fomentar la solubilidad del catalizador. El pH puede controlarse para mantener insoluble el catalizador.
En los siguientes ejemplos, se tratan los compuestos mediante oxidación húmeda o hidrólisis para realizar la destrucción de los enlaces en los mismos.
Ejemplos
Ejemplo uno
Se sometieron cuatro muestras (muestra 1 que no es según la invención) de un agua producida que contenía KHI a oxidación húmeda con aire en diversas condiciones. Los resultados se muestran en la tabla 1.
En las cuatro muestras la temperatura del agua producida era de 250°C dentro del reactor. Los tiempos de residencia promedios, presión de carga y gas de carga se muestran todos en la tabla 1. En cada caso se usó rutenio como catalizador. Se soportó el rutenio sobre o bien alúmina o bien carburo de silicio, tal como se muestra en la tabla 1. La DQO medida de la corriente de agua producida de alimentación era de 23,1 g/l.
Se observó que cuando estaba presente catalizador heterogéneo, se formaba metano, un subproducto valioso e inesperado, durante el inicio del procedimiento. El tratamiento catalítico dio como resultado además una reducción de la DQO de hasta el 59,7%, lo que indica un tratamiento significativo del KHI.
Tabla 1 Resultados de las pruebas sobre una primera agua producida a presiones de carga de 2068 kPa (300 psig) y 4137 kPa (600 psig):
Ejemplo dos
Se sometieron dos muestras de un agua producida que contenía KHI a un tratamiento de oxidación húmeda con aire en condiciones variables. Los resultados se muestran en la tabla 2.
En la primera muestra, que no es según la invención, no estaba presente ningún catalizador. Esta muestra no experimentó producción de metano y experimentó una reducción limitada de la DQO. En la segunda muestra, se usó rutenio sobre alúmina como catalizador. En la segunda muestra se observaron producción de gas metano y reducción de la DQO significativas, indicativas del valor de un catalizador en el procedimiento.
Tabla 2 Resultados de las pruebas sobre una segunda agua producida a una presión de carga de 4137 kPa (600 psig)
Ejemplo tres
Se sometió un agua producida que contenía 15 g/l de KHI a un tratamiento de hidrólisis en condiciones variables, sin introducir un gas rico en oxígeno a la corriente que iba a tratarse. Las condiciones y los resultados de las pruebas para cada una de las cuatro muestras diferentes de corrientes de tratamiento se muestran en la tabla 3. Se realizó análisis de cromatografía de exclusión molecular para estimar la presencia de KHI tanto en la alimentación como en el efluente.
En las muestras primera y tercera, que no son según la invención, no estaba presente ningún catalizador. Cada una de estas muestras dio como resultado una reducción mínima de la DQO. Estas muestras tampoco experimentaron casi ninguna producción de metano.
En las muestras segunda y cuarta, se usó rutenio sobre alúmina como catalizador. En la segunda muestra, se llevó a cabo el tratamiento a 200°C. En la cuarta muestra, se llevó a cabo el tratamiento a 260°C.
En la segunda muestra en la que se llevó a cabo el tratamiento a 200°C, se produjo muy poco metano. Además, la reducción de la DQO mejoró con respecto a las muestras en las que no estaba presente el catalizador, pero todavía era relativamente baja. La segunda muestra dio como resultado una reducción en el HKI del 31,6%.
Sin embargo, en la cuarta muestra en la que se llevó a cabo el tratamiento a 260°C, un porcentaje significativo del gas de purga estaba en forma de metano, un subproducto valioso. Además, la muestra 4 experimentó una reducción en la dQo del 49%y una reducción en el KHI del 54,64%.
Estos resultados demuestran que en las condiciones apropiadas puede lograrse una reducción significativa del KHI y la DQO a través del método dado a conocer junto con la producción de metano.
Tabla 3 Resultados de las pruebas sobre la tercera agua producida a una presión de carga de 2068 kPa (300 psig).
Ejemplo cuatro
Se sometió un agua producida que contenía 1,88 g/l de HPAM en forma de floculante Superfloc® disponible comercialmente de Cytec, Inc. a un tratamiento de hidrólisis en condiciones variables, sin introducir un gas rico en oxígeno a la corriente que va a tratarse. Las condiciones y los resultados de las pruebas para cada una de las cuatro muestras diferentes de corrientes de tratamiento se muestran en la tabla 4. En las muestras primera y tercera no estaba presente ningún catalizador.
En las muestras segunda y cuarta, se usó rutenio sobre alúmina como catalizador. En la segunda muestra, se llevó a cabo el tratamiento a 200°C. En la cuarta muestra, se llevó a cabo el tratamiento a 260°C.
Las muestras 2 y 4, en las que estaba presente el catalizador, mostraron una mayor reducción en la DQO y el TOC que las muestras 1 y 3, en las que no estaba presente ningún catalizador, por tanto, las muestras 1 y 3 no son según la invención. En cada una de las muestras en las que el catalizador estaba presente, se logró una reducción de la DQO mayor del 50%.
Tabla 4 Resultados de las pruebas sobre la cuarta agua producida a una presión de carga de 2068 kPa (300 psig).
Habiendo descrito ahora algunas realizaciones ilustrativas, debería ser evidente para los expertos en la técnica que lo anterior es meramente ilustrativo y no limitativo, habiéndose presentado únicamente a modo de ejemplo.
La fraseología y la terminología usadas en el presente documento tienen fines de descripción y no deben considerarse como limitativas. Tal como se usa en el presente documento, el término “pluralidad” se refiere a dos o más elementos o componentes. Los términos “que comprende”, “que incluye”, “que lleva”, “que tiene”, “que contiene” y “que implica”, ya sea en la descripción escrita o en las reivindicaciones y similares, son términos abiertos, es decir, significan “incluyendo, pero sin limitarse a”. Por tanto, se pretende que el uso de tales términos abarque los elementos enumerados a continuación y los equivalentes de los mismos, así como elementos adicionales. Sólo las frases de transición “que consiste en” y “que consiste esencialmente en” son frases de transición cerradas o semicerradas, respectivamente, con respecto a las reivindicaciones. Ni el uso de términos ordinales tales como “primero”, “segundo”, “tercero”, y similares en las reivindicaciones para modificar un elemento de reivindicación, ni el orden de los elementos presentados, por sí mismo, connota ninguna prioridad, precedencia u orden de un elemento de reivindicación con respecto al otro o el orden temporal en el que se realizan los actos de un método, sino que se usan simplemente como términos para distinguir un elemento de reivindicación que tiene un nombre determinado a partir de otro elemento que tiene el mismo nombre (excepto por el uso del término ordinal) para distinguir los elementos de reivindicación.
Claims (6)
- REIVINDICACIONESi. Método de producción de metano que comprende:introducir un agua producida que comprende al menos un constituyente no deseable que puede hidrolizarse y una demanda química de oxígeno de al menos 30.000 mg/l a un recipiente de tratamiento;someter el agua producida a una presión de desde 2026,5 kPa hasta 24318 kPa (de 20 atm a 240 atm) y a una temperatura de desde 150°C hasta 373°C en o aguas arriba del recipiente de tratamiento; introducir un catalizador al agua producida en o aguas arriba del recipiente de tratamiento para fomentar la formación de metano; ycapturar el metano formado;en el que el al menos un constituyente no deseable comprende un compuesto orgánico; yen el que el catalizador comprende un miembro seleccionado del grupo que consiste en rutenio, níquel, cobalto, hierro, y combinaciones de los mismos, y un soporte sólido seleccionado del grupo que consiste en alúmina, sílice y carburo de silicio, en el que someter comprende cargar el recipiente a presión con un gas pobre en oxígeno.
- 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el compuesto orgánico comprende al menos uno de un inhibidor cinético de hidratos y una poliacrilamida hidrolizada.
- 3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que someter comprende poner en contacto el agua producida con un catalizador heterogéneo que comprende rutenio.
- 4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el gas pobre en oxígeno es un gas inerte.
- 5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el gas inerte comprende nitrógeno.
- 6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el agua producida se forma mediante un procedimiento de recuperación de petróleo mejorado.
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