IT202100026921A1 - Impianto di trattamento di gas, in particolare gas naturale, proveniente da una rete di trasporto - Google Patents

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IT102021000026921A
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Gianluca Ghelli
Alessandro Bugli
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Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
?Impianto di trattamento di gas, in particolare gas naturale, proveniente da una rete di trasporto?
Campo tecnico dell?invenzione
La presente invenzione riguarda un impianto per il trattamento di gas, in particolare per il trattamento di gas naturale (tipicamente composto per la maggior parte da metano) proveniente da una rete di trasporto, quale un gasdotto o un metanodotto, che deve essere trattato prima di essere fornito alle utenze finali in forma gassosa o liquefatta.
Tecnica nota
Il gas naturale viene comunemente trasportato, ad alta pressione, per lunghe distanze, in gasdotti o metanodotti (che realizzano la cosiddetta rete di trasporto), per poi essere distribuito in corrispondenza di punti di consegna noti come cabine Re.mi, da cui il gas, opportunamente trattato, viene fornito alle utenze finali (case private, strutture pubbliche, fabbriche, etc.) tramite la rete di distribuzione. Nelle cabine Re.mi (acronimo che sta per ?regolazione e misura?), il gas viene sottoposto a misurazione (tramite idonei apparati di misurazione) e a regolazione, ossia a una riduzione di pressione mediante un processo di decompressione dalla pressione del gas nella rete di trasporto fino a una pressione minore, predefinita, per la rete di distribuzione. Nella cabina Re.mi il gas viene inoltre sottoposto ad ulteriori trattamenti, quali in particolare il filtraggio, il preriscaldo ad una temperatura predefinita e l?odorizzazione. Il preriscaldo viene effettuato poich? nel salto di pressione (tipicamente da 60 bar a 5 bar) il gas si raffredda e tale raffreddamento, se non contrastato, pu? dare luogo a problemi di congelamento delle tubazioni nonch? degli apparati di regolazione e misura, con conseguenti rischi di blocco dell'erogazione. Il preriscaldo avviene bruciando una frazione di gas in una caldaia che scalda acqua, che a sua volta viene impiegata per il preriscaldo del gas. Il preriscaldo, dunque, rappresenta un costo aggiuntivo nonch? uno spreco di energia.
Un?ulteriore e alternativa modalit? di fornitura di gas naturale ? la fornitura di GNL (gas naturale liquefatto). In questo caso il gas naturale estratto viene sottoposto a liquefazione mediante successive fasi di raffreddamento e condensazione e quindi trasportato in cisterne, tipicamente via terra o acqua.
Il gas naturale liquefatto pu? essere poi rigassificato prima di essere immesso nella rete di distribuzione, oppure pu? essere utilizzato allo stato liquido, ad esempio per autotrazione e/o in ambito industriale.
Gli impianti di liquefazione noti (ad esempio a ciclo Linde o similari) in generale comprimono il gas, lo raffreddano e successivamente lo decomprimono, sfruttando questo ulteriore salto di pressione per raffreddare definitivamente il gas e portarlo a liquefazione. La compressione, necessaria per consentire il processo di liquefazione, ne rappresenta tuttavia uno dei costi principali a livello di consumo energetico. Inoltre in questi impianti di liquefazione vi ? sempre una componente di scarto gassosa che risulta problematica da gestire.
Breve sommario dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? pertanto quello di rendere disponibile un impianto di trattamento di gas, in particolare di gas naturale, proveniente da una rete di trasporto, per la fornitura da un lato di gas a pi? bassa pressione, destinato ad esempio alla rete di distribuzione, e dall?altro di gas liquefatto, destinato ad esempio all?utilizzo per autotrazione e/o in ambito industriale, che consenta di ridurre gli sprechi energetici associati ai rispettivi processi secondo la tecnica nota, precedentemente descritti.
Questo ed altri scopi vengono ottenuti da un impianto secondo la rivendicazione 1.
Le rivendicazioni dipendenti definiscono possibili vantaggiose forme di realizzazione dell?invenzione.
Breve descrizione dei disegni
Per meglio comprendere l?invenzione ed apprezzarne i vantaggi verranno di seguito descritte alcune sue forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:
la figura 1 ? un?illustrazione schematica di un impianto di trattamento di gas secondo una possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 2 ? un?illustrazione schematica di un impianto di trattamento di gas secondo un?ulteriore possibile forma di realizzazione dell?invenzione.
Descrizione di forme di attuazione dell?invenzione Con riferimento alle annesse figure, un impianto per il trattamento di gas, in particolare gas naturale (tipicamente comprendente metano), ? indicato complessivamente con il riferimento 1. L?impianto 1 riceve in ingresso gas proveniente da una rete di trasporto (non mostrata nelle figure) e a tal scopo comprende un ingresso 2 collegabile a detta rete di trasporto. Il gas naturale trasportato dalla rete di trasporto che entra nell?impianto 1 si trova ad elevata pressione, tipicamente 35-75 bar. L?impianto 1 comprende una prima porzione di impianto 100 per la decompressione di una prima frazione del gas proveniente dalla rete di trasporto e una prima uscita 101 per la fornitura di gas decompresso ad una pressione predefinita di uscita dall?impianto 1 stesso, in particolare ad una rete di distribuzione (non mostrata nelle figure), cui la prima uscita 101 ? collegabile. Il gas decompresso fornito in corrispondenza della prima uscita 101 si trova tipicamente ad una pressione di circa 5 bar nel caso di gas metano, dunque ad una pressione inferiore rispetto alla pressione nella rete di trasporto. Inoltre, preferibilmente, il gas viene fornito in uscita ad una temperatura predefinita di uscita, che pu? essere ad esempio compresa tra 5?C e 50?C, in generale maggiore rispetto alla temperatura del gas nella rete di trasporto.
L?impianto 1 comprende una seconda porzione di impianto 200 per la liquefazione di una seconda frazione del gas proveniente dalla rete di trasporto e una seconda uscita 201 per la fornitura di gas liquefatto, tipicamente GNL, in uscita dall?impianto 1 stesso, dove il gas liquefatto pu? ad esempio essere stoccato in cisterne per essere trasportato a distanza. Il gas liquefatto fornito in corrispondenza della seconda uscita 201 si trova tipicamente ad una temperatura di circa -150?C e ad una pressione compresa tra circa 4 e 5 bar nel caso di GNL.
Vantaggiosamente, l?impianto 1 comprende un divisore di flusso 3 per suddividere il gas in ingresso tramite l?ingresso 2 nella prima frazione destinata alla prima porzione di impianto 100 e nella seconda frazione destinata alla seconda porzione di impianto 200. Preferibilmente, il divisore di flusso 3 ? configurato in modo tale che tutto il gas in ingresso venga inviato alla prima 100 e alla seconda 200 porzione dell?impianto. Ancora pi? preferibilmente, la prima frazione di gas ? maggiore della seconda frazione di gas, per soddisfare la portata di esercizio e la richiesta della rete di distribuzione.
Nel prosieguo della descrizione e nelle annesse rivendicazioni, per indicare il posizionamento di elementi nell?impianto, si far? uso delle espressioni ?a monte? e ?a valle?, che sono da intendersi con riferimento al verso del flusso del gas all?interno dell?impianto, come da frecce riportate nelle annesse figure.
Con riferimento alla figura 1, la prima porzione di impianto 100 comprende una valvola di laminazione 102 in cui la prima frazione di gas proveniente dal divisore di flusso 3 subisce una riduzione di temperatura e di pressione permanendo generalmente allo stato gassoso.
La prima porzione di impianto 100 comprende inoltre un primo scambiatore di calore 103 che pone in una relazione di scambio termico il tratto della prima porzione di impianto 100 posto a valle della valvola di laminazione 102 con la seconda porzione di impianto 200, in cui la prima frazione di gas viene riscaldata dalla seconda frazione di gas circolante nella seconda porzione di impianto 200, che di conseguenza si raffredda.
La prima porzione di impianto 100 comprende inoltre un secondo scambiatore di calore 104 che pone in una relazione di scambio termico il tratto della prima porzione di impianto 100 posto a valle del primo scambiatore di calore 103 con il tratto della prima porzione di impianto 100 posta a monte della valvola di laminazione 102. In questo modo il gas nella prima porzione di impianto 100 proveniente dal divisore di flusso 3 viene pre-raffreddato dal gas, pi? freddo, proveniente dalla valvola di laminazione 102 e dal primo scambiatore di calore 103, che viene quindi a sua volta riscaldato. Tale gas proveniente dal secondo scambiatore di calore 104 pu? essere inviato alla prima uscita 101 ed essere da l? fornito alla rete di distribuzione.
Con riferimento ora alla seconda porzione di impianto 200, essa comprende il precedentemente citato primo scambiatore di calore 103, in cui la seconda frazione di gas proveniente dal divisore di flusso 3 viene raffreddata e almeno parzialmente liquefatta. A valle del primo scambiatore 103, la seconda porzione di impianto 200 comprende una valvola di laminazione 202 che provoca un?ulteriore riduzione di temperatura e di pressione del gas liquefatto. Il gas liquefatto proveniente dalla valvola di laminazione 202 pu? quindi essere fornito in corrispondenza della seconda uscita 201, dove pu? esser prelevato, stoccato e trasportato in forma liquida.
Come risulter? chiaro alla persona esperta, l?impianto secondo l?invenzione riduce notevolmente gli sprechi energetici presenti nei sistemi secondo la tecnica nota descritti nella parte introduttiva. Infatti, nella prima porzione di impianto 100 non occorrono bruciatori per il riscaldo e nella seconda porzione di impianto 200 non occorre consumare energia per la compressione o altri metodi di raffreddamento energivori ai fini della liquefazione. Tale effetto ? ottenuto dalla sinergica relazione tra la prima e la seconda porzione di impianto, che scambiano tra loro calore con le modalit? sopra descritte.
Con riferimento alla figura 2, verranno ora descritte forme di realizzazione alternative dell?impianto secondo l?invenzione. L?impianto in figura 2 comprende i medesimi elementi dell?impianto in figura 1 nonch? molteplici elementi aggiuntivi per una ancora migliore efficienza dei processi. Si osservi che ciascuno di tali elementi aggiuntivi pu? essere previsto da solo o in combinazione con uno o pi? degli ulteriori elementi aggiuntivi e che le molteplici forme di realizzazione alternative derivanti da tali combinazioni non sono state individualmente raffigurate esclusivamente per non appesantire la presente descrizione.
Con riferimento alla prima porzione di impianto 100, essa comprende, a valle del divisore di flusso 3, la valvola di laminazione 102, il primo scambiatore di calore 103 e il secondo scambiatore di calore 104, secondo quanto descritto in precedenza.
Secondo una possibile forma di realizzazione, la prima porzione di impianto 100 comprende un refrigeratore (chiller) 105 posto a monte della valvola di laminazione 102, preferibilmente a valle del secondo scambiatore di calore 104. Il raffreddatore 105 preraffredda ulteriormente la prima frazione di gas prima del suo ingresso nella valvola di laminazione 102.
In accordo con una forma di realizzazione, la prima porzione di impianto 100 comprende un terzo scambiatore di calore 106 posto a valle del secondo scambiatore di calore 104 che pone in una relazione di scambio termico il tratto della prima porzione di impianto 100 a valle del secondo scambiatore di calore 104 con il tratto della seconda porzione di impianto 200 a monte del primo scambiatore di calore 103. Il terzo scambiatore di calore 106 provoca un ulteriore riscaldamento della prima frazione di gas a valle del secondo scambiatore 104 e un pre-raffreddamento della seconda frazione di gas a monte del primo scambiatore di calore 103.
In accordo con una forma di realizzazione, la seconda porzione di impianto 200 comprende una sezione 203 di ricircolo di un?eventuale parte non liquefatta della seconda frazione di gas in uscita dalla valvola di laminazione 202. Vantaggiosamente, tale sezione di ricircolo 203 comprende un separatore di condensa 204 a valle della valvola di laminazione 202. Tale separatore di condensa 204 separa la parte liquefatta e la parte non liquefatta della seconda frazione di gas in uscita dalla valvola di laminazione 202 e convoglia la parte liquefatta verso la seconda uscita 201 e la parte non liquefatta verso la prima uscita 101, dove quest?ultima pu? essere miscelata in corrispondenza di un miscelatore 107 con la prima frazione di gas proveniente dal secondo scambiatore di calore 104. La parte non liquefatta, che di fatto rappresenta uno scarto della seconda porzione di impianto 200, pu? quindi essere vantaggiosamente recuperata.
La parte non liquefatta della seconda frazione di gas proveniente dal separatore di condensa 204, a bassa temperatura, pu? essere vantaggiosamente sfruttata per pre-raffreddare ulteriormente la seconda frazione di gas nel tratto a monte della valvola di laminazione 202. A tal scopo, la sezione di ricircolo 203 pu? comprendere un quarto scambiatore di calore 205 che pone in una relazione di scambio termico il tratto che trasporta la parte non liquefatta della seconda frazione di gas a valle del separatore di condensa 204 e il tratto della seconda porzione di impianto 200 a monte della valvola di laminazione 202, preferibilmente a valle del primo scambiatore di calore 103.
Con ulteriore vantaggio, la parte non liquefatta della seconda frazione di gas proveniente dal separatore di condensa 204 pu? altres? essere sfruttata per pre-raffreddare ulteriormente la prima frazione di gas nel tratto a monte della valvola di laminazione 102. A tal scopo, la sezione di ricircolo 203 pu? comprendere un quinto scambiatore di calore 206, preferibilmente disposto a valle del quinto scambiatore di calore 205, ove previsto, che pone in una relazione di scambio termico il tratto che trasporta la parte non liquefatta della seconda frazione di gas a valle del separatore di condensa 204 e il tratto della prima porzione di impianto 100 a monte della valvola di laminazione 102, preferibilmente a valle del refrigeratore 105, ove previsto.
Ancora pi? vantaggiosamente, la parte non liquefatta della seconda frazione di gas proveniente dal separatore di condensa 204 pu? altres? essere sfruttata per pre-raffreddare ulteriormente la seconda frazione di gas nel tratto a monte della valvola di laminazione 202. A tal scopo, la sezione di ricircolo 203 pu? comprendere un sesto scambiatore di calore 207, ad esempio disposto a valle del terzo scambiatore di calore 106 e a monte del primo scambiatore di calore 103, che pone in una relazione di scambio termico il tratto della seconda porzione di impianto 200 che trasporta la parte non liquefatta della seconda frazione di gas a valle del separatore di condensa 204 e il tratto della seconda porzione di impianto 200 a monte a monte del primo scambiatore di calore 103.
In accordo con una forma di realizzazione, la seconda porzione di impianto 200 comprende una seconda sezione di ricircolo 208 posta a valle della valvola di laminazione 202, preferibilmente a valle della sezione di ricircolo 203, ove prevista. La seconda sezione di ricircolo 208 comprende un secondo divisore di flusso 209 che suddivide la parte liquefatta della seconda frazione di gas in due distinti rami 210 e 211. Il primo ramo 210 porta alla seconda uscita 201, mentre il secondo ramo porta al miscelatore 107 e da l? alla prima uscita 101. Il secondo ramo 211 comprende una seconda valvola di laminazione 212, che sottopone il gas liquido ad un?ulteriore laminazione, in cui il gas liquido subisce ulteriori abbassamenti di temperatura e pressione, e un settimo scambiatore di calore 213 che pone in una relazione di scambio termico il primo ramo 210 e il tratto del secondo ramo 211 a valle della seconda valvola di laminazione 212, con il risultato che il gas liquefatto circolante nel primo ramo 210 viene ulteriormente raffreddato prima di raggiungere la seconda uscita 201, mentre il gas liquefatto a valle della seconda valvola di laminazione 212 nel secondo tratto 211 torna allo stato gassoso prima di raggiungere il miscelatore 107 per poi essere convogliato alla prima uscita 101. Pertanto anche quest?ultima frazione di gas, che di fatto rappresenta uno scarto della seconda porzione di impianto 200, pu? essere vantaggiosamente recuperata.
In accordo con una forma di realizzazione, il secondo tratto 211 comprende un ottavo scambiatore di calore 214 che pone in una relazione di scambio termico il secondo tratto 211, e preferibilmente la porzione del secondo tratto 211 a valle del settimo scambiatore di calore 213, con il tratto della seconda porzione di impianto 200 a monte del primo scambiatore di calore 103, preferibilmente a valle del sesto scambiatore di calore 207. Questo comporta un?ulteriore preraffreddamento della seconda frazione di gas a monte della valvola di laminazione 202, nonch? un riscaldamento della parte della seconda frazione di gas che scorre nel secondo tratto 211 prima che raggiunga il miscelatore 107 e da l? la prima uscita 101. Secondo una possibile forma di realizzazione, il secondo tratto 211 comprende, a valle del settimo scambiatore di calore 213, preferibilmente a valle dell?ottavo scambiatore di calore 214, ove previsto, un primo compressore 215 atto ad innalzare la pressione, nonch? la temperatura, del gas che scorre nel secondo tratto 211 prima che raggiunga il miscelatore 107 e da l? la prima uscita 101.
In accordo con una forma di realizzazione, la seconda porzione di impianto 200 comprende un secondo compressore 216 posto a monte del primo scambiatore di calore 103, e preferibilmente a monte del terzo scambiatore di calore 106, ove previsto.
Dalla descrizione sopra fornita la persona esperta potr? apprezzare come l?impianto secondo l?invenzione riduca gli sprechi descritti con riferimento agli impianti secondo la tecnica nota grazie alla sinergia energetica della prima e della seconda porzione di impianto. Infatti, lo scarto di pressione del processo che ha luogo nella prima porzione di impianto ? un fabbisogno per il processo che avviene nella seconda porzione di impianto, cos? come lo scarto di calore per il processo che avviene nella seconda porzione di impianto ? un fabbisogno per il processo che avviene nella prima porzione di impianto. In sostanza, nella combinazione dei due processi uno compensa l'altro eliminando gli effetti negativi che ciascuno dei due processi avrebbe se non fossero uniti.
Secondo l?invenzione, non occorre contrastare tramite un preriscaldo ad opera di caldaie esterne il raffreddamento del gas nella prima porzione di impianto poich? il gas decompresso viene posto in ricircolo, provocando la liquefazione del gas nella seconda porzione di impianto, e al tempo stesso riscaldandosi adeguatamente per essere convogliato nella rete di distribuzione locale.
Alle forme di realizzazione descritte dell?impianto di trattamento di gas, in particolare gas naturale, secondo l?invenzione la persona esperta, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti specifiche, potr? apportare numerose aggiunte, modifiche, o sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza tuttavia uscire dall?ambito delle annesse rivendicazioni.

Claims (11)

Rivendicazioni
1. Impianto (1) per il trattamento di gas, in particolare gas naturale, proveniente da una rete di trasporto, comprendente:
- un ingresso (2) per il gas, collegabile a detta rete di trasporto;
- una prima porzione di impianto (100) configurata per la decompressione ad una pressione predefinita di uscita di una prima frazione del gas proveniente dall?ingresso (2) e la fornitura di gas decompresso in corrispondenza di una prima uscita (101);
- una seconda porzione di impianto (200) configurata per la liquefazione di una seconda frazione del gas proveniente dall?ingresso (2) e la fornitura di gas liquefatto in corrispondenza di una seconda uscita (201),
in cui la prima porzione di impianto (100) comprende:
- una valvola (102) per la laminazione della prima frazione di gas;
- un primo scambiatore di calore (103) che pone in una relazione di scambio termico il tratto della prima porzione di impianto (100) posto a valle della valvola di laminazione (102) con la seconda porzione di impianto (200);
- un secondo scambiatore di calore (104) che pone in una relazione di scambio termico il tratto della prima porzione di impianto (100) posto a valle del primo scambiatore di calore (103) con il tratto della prima porzione di impianto (100) posta a monte della valvola di laminazione (102),
e in cui la seconda porzione di impianto (200) comprende, a valle del primo scambiatore di calore (103), una valvola (202) per la laminazione della seconda frazione di gas.
2. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la prima porzione di impianto (100) comprende un refrigeratore (105) posto a monte della valvola di laminazione (102) della prima porzione di impianto (100).
3. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la prima porzione di impianto (100) comprende un terzo scambiatore di calore (106) posto a valle del secondo scambiatore di calore (104) che pone in una relazione di scambio termico il tratto della prima porzione di impianto (100) a valle del secondo scambiatore di calore (104) con il tratto della seconda porzione di impianto (200) a monte del primo scambiatore di calore (103).
4. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la seconda porzione di impianto (200) comprende una sezione (203) di ricircolo di una parte non liquefatta della seconda frazione di gas in uscita dalla valvola di laminazione (202), detta sezione di ricircolo (203) comprendendo un separatore di condensa (204) configurato per separare una parte liquefatta e una parte non liquefatta della seconda frazione di gas in uscita dalla valvola di laminazione (202) della seconda porzione di impianto (200) e per convogliare la parte liquefatta verso la seconda uscita (201) e la parte non liquefatta verso la prima uscita (101).
5. Impianto (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detta sezione di ricircolo (203) comprende inoltre un quarto scambiatore di calore (205) che pone in una relazione di scambio termico il tratto che trasporta la parte non liquefatta della seconda frazione di gas a valle del separatore di condensa (204) e il tratto della seconda porzione di impianto (200) a monte della valvola di laminazione (202) della seconda porzione di impianto (200).
6. Impianto (1) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detta sezione di ricircolo (203) comprende un quinto scambiatore di calore (206) che pone in una relazione di scambio termico il tratto che trasporta la parte non liquefatta della seconda frazione di gas a valle del separatore di condensa (204) e il tratto della prima porzione di impianto (100) a monte della valvola di laminazione (102) della prima porzione di impianto (100).
7. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui detta sezione di ricircolo (203) comprende un sesto scambiatore di calore (207) che pone in una relazione di scambio termico il tratto che trasporta la parte non liquefatta della seconda frazione di gas a valle del separatore di condensa (204) e il tratto della seconda porzione di impianto (200) a monte del primo scambiatore di calore (103).
8. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la seconda porzione di impianto (200) comprende una seconda sezione di ricircolo (208) posta a valle della valvola di laminazione (202) della seconda porzione di impianto (200), in cui detta seconda sezione di ricircolo (208) comprende un primo ramo (210) per convogliare una parte liquefatta della seconda frazione di gas proveniente dalla valvola di laminazione (202) della seconda porzione di impianto (200) alla seconda uscita (201), e un secondo ramo collegato alla prima uscita (101), in cui il secondo ramo (211) comprende una seconda valvola di laminazione (212) e un settimo scambiatore di calore (213) che pone in una relazione di scambio termico il primo ramo (210) e il tratto del secondo ramo (211) a valle della seconda valvola di laminazione (212) della seconda porzione di impianto (200).
9. Impianto (1) secondo la rivendicazione 8, in cui il secondo tratto (211) comprende un ottavo scambiatore di calore (214) che pone in una relazione di scambio termico la porzione del secondo tratto (211) a valle del settimo scambiatore di calore (213) con il tratto della seconda porzione di impianto (200) a monte del primo scambiatore di calore (103).
10. Impianto (1) secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui il secondo tratto (211) comprende un primo compressore (215) a valle del settimo scambiatore di calore (213).
11. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la seconda porzione di impianto (200) comprende un secondo compressore (216) posto a monte del primo scambiatore di calore (103).
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