ITMI20110512A1 - Procedimento per la riconcentrazione di liquidi disidratanti di miscele gassose - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un procedimento di rigenerazione di liquidi disidratanti in uso nell’industria petrolifera e nella produzione di gas naturale, il quale consente di ottenere detti liquidi allo stato essenzialmente puro da essere idonei a ridurre l’acqua contenuta nel gas a meno di 1ppm in volume. Detta invenzione à ̈ particolarmente utile per il trattamento off-shore del gas naturale prima di essere immesso nelle pipelines o per alimentazione agli impianti di frazionamento criogenico o di liquefazione.

Il gas naturale o quello associato proveniente in pressione da stadi di separazione o di trattamento di addolcimento mediante lavaggi con solventi acquosi à ̈ saturo di acqua. La perdita di carico che il gas subisce nel successivo trasporto attraverso sistemi di tubazioni con la conseguente diminuzione di temperatura e/o il suo raffreddamento per scambio termico con l’ambiente circostante quando questo attraversa regioni contraddistinte da severe condizioni ambientali, provoca la condensazione di parte di detta acqua. La formazione di liquidi nelle condotte à ̈ fonte di corrosione, erosione e di anomale sollecitazioni meccaniche in corrispondenza di accessori di linee dovute agli urti del liquido su detti accessori ed alle sue repentine variazioni della quantità di moto provocate ad esempio dalle curve. L’abbassamento della temperatura peraltro può portare alla formazione dei cosiddetti idrati: solidi duri ed abrasivi costituiti da molecole di acqua che circondano le molecole di metano o di anidride carbonica. Gli idrati danneggiano gravemente le condotte ed i suoi accessori sia a causa dell’erosione che delle occlusioni degli organi di intercettazione e controllo e talvolta anche della linea stessa.

In quei casi dove il gas naturale o associato deve essere sottoposto a trattamento criogenico per il recupero di alcune sue frazioni o liquefatto, l’acqua contenuta nel gas congelando darebbe luogo a seri problemi operativi.

Il gas quindi prima di essere convogliato nella pipeline o inviato agli impianti criogenici, deve essere opportunamente essiccato. Normalmente per il trasporto su pipeline si richiede che il gas abbia un tenore di acqua residua compreso tra 1 e 7 lb/MMSCF, corrispondente a circa 20 - 120 ppm in volume.

L’arte anteriore riporta i metodi comunemente impiegati per la rimozione dell’acqua dal gas naturale; questi consistono o in lavaggi dello stesso mediante liquidi igroscopici quali i glicoli, tra i quali il dietilen-glicole (DEG) ed il trietilen-glicole (TEG) oppure mediante l’impiego di setacci molecolari. Questi ultimi operano in discontinuo, richiedono la sostituzione dei letti adsorbenti ogni 2-3 anni e devono essere rigenerati mediante l’immissione di calore. L’energia di desorbimento dell’acqua dai setacci à ̈ di circa 1000 kcal/kg di acqua contro un calore latente della stessa di 540 kcal/kg di acqua a pressione atmosferica. Oltre al maggior costo dell’impianto, i setacci molecolari hanno dunque anche un elevato costo di esercizio. E’ quindi molto vantaggioso sul piano economico ed energetico rimuovere il più possibile l’acqua a monte degli impianti criogenici di modo che il carico di acqua sui setacci molecolari sia ridotto al minimo.

Il processo di absorbimento su liquidi igroscopici (glicoli) à ̈ più economico rispetto ai setacci molecolari (od equivalenti) ma consente una limitata capacità di rimozione dell’acqua di solito sufficiente solo per i livelli richiesti normalmente dal trasporto in condotte.

Il trattamento mediante glicoli à ̈ basato sul tradizionale schema di absorbimento rigenerativo in cui il gas, normalmente a pressioni talvolta anche superiori ai 120 bar g, viene messo in contatto con la soluzione di glicole (solvente) in una colonna di essiccamento dove i due fluidi si muovono, tipicamente, in controcorrente e dove il gas si disidrata (deumidifica) mentre il solvente (glicole) caricandosi di acqua, si diluisce. Il solvente diluito viene raccolto sul fondo della colonna di absorbimento e rigenerato successivamente per distillazione a pressione di poco superiore a quella atmosferica. La sola distillazione consente di ottenere un glicole con un grado di purezza compreso tra 98,5 e 99% in peso a cui corrisponde un contenuto di acqua nel gas compreso tra 250 e 330 ppm in volume (riferito alla pressione atmosferica). Per ottenere gradi di purezza maggiore, e quindi ridurre ulteriormente il contenuto d’acqua del gas naturale (associato), si sottopone il distillato, caldo, ad una operazione di strippaggio a pressione praticamente atmosferica, il gas naturale stesso o altro gas combustibile essendo il fluido di strippaggio. L’effluente della colonna di stripping risulta essere quindi un combustibile umido a bassa pressione che, non potendo essere recuperato, normalmente à ̈ destinato a torcia con conseguente perdita di produzione ed emissioni di anidride carbonica in atmosfera.

Il Brevetto Italiano N° 1223516 descrive un processo che consente di ridurre detto scarico a torcia utilizzando quale agente di stripping miscele di idrocarburi aventi un punto di ebollizione inferiore a 35°C oppure una frazione del gas da trattare. Dalla colonna di stripping, detto gas viene inviato nella colonna di distillazione, raffreddato nel condensatore di testa di questa, separato dalla condensa e riciclato allo stripper, mediante apposito compressore. Per ottenere un elevato grado di purezza del solvente il procedimento del suddetto brevetto prevede l’essiccamento del gas di strippaggio in due fasi. A tale scopo sull’aspirazione del compressore di rilancio, viene inserita una colonna di deumificazione dove il gas di strippaggio entra in contatto, in controcorrente, con il glicole diluito da rigenerare per la rimozione in massa dell’umidità in esso contenuta e in una seconda fase entra poi in contatto con una piccola corrente di glicole rigenerato per l’ulteriore disidratazione fino al livello desiderato. Il gas di riciclo così deumidificato viene successivamente riscaldato a spese del glicole rigenerato raccolto sul fondo della colonna di strippaggio ed usato come agente di stripping.

Il brevetto Italiano N°1274031 à ̈ una variante del primo ed utilizza la rigenerazione spinta del glicole al fine di ridurre al minimo possibile la sua portata di circolazione onde limitare la quantità di aromatici contenuti nel gas da trattare e co-absorbiti nel solvente.

Il procedimento delineato dai due suddetti brevetti presenta l’inconveniente di essere applicabile solamente in quei casi dove non à ̈ disponibile acqua di raffreddamento e/o in paesi a clima caldo ove il gas estratto dalla colonna di distillazione non può essere raffreddato a temperature inferiori a 35° C. In tali situazioni detto gas contiene quantità significativamente alte di acqua di saturazione (almeno il 4% in volume) che la soluzione diluita di glicole à ̈ ancora in grado di assorbire nella prima fase della deumidificazione del gas di riciclo. Se questo gas fosse raffreddato al di sotto di 35°C, la pressione parziale dell’umidità residua di detto gas saturo sarebbe inferiore alla tensione di vapore di equilibrio dell’acqua nel solvente diluito che quindi non potrebbe assorbirlo. Ne segue che il trasporto di materia nella sezione inferiore della colonna di disidratazione posta sulla linea del riciclo non potrebbe avere luogo. D’altra parte il solo utilizzo della soluzione completamente rigenerata per realizzare l’essiccamento del fluido di stripping in assenza di acqua di raffreddamento presenta il duplice inconveniente di richiedere una significativa maggiore portata della soluzione circolante all’interno dell’unità di rigenerazione con conseguente aumento delle dimensioni dell’impianto e di un maggiore dispendio di energia, e quindi di emissione di anidride carbonica in atmosfera, in quanto la stessa quantità di acqua viene perpetuamente vaporizzata nel ribollitore della colonna di distillazione e riassorbita dal solvente nella fase di deumidificazione del gas di stripping.

Un altro svantaggio di questo procedimento consiste nel riscaldamento del fluido di strippaggio a spese di parte del calore sensibile della soluzione concentrata. Infatti il calore di riscaldamento viene sottratto a quello disponibile per il preriscaldamento della soluzione inviata alla colonna di distillazione, con conseguente aumento di carico del ribollitore che richiede quindi una maggiore quantità di calore per compensare la minore temperatura di ingresso alla distillazione.

L’attuale espansione del consumo di idrocarburi spinge molte “Oil Company†a cercare fonti energetiche di origine fossile in località remote o in aree caratterizzate da condizioni ambientali particolarmente severe quali ad esempio i mari del nord e le zone in prossimità del circolo polare artico. In questi casi, la produzione off-shore di idrocarburi su piattaforme galleggianti mobili soggette a moti ondosi ed il trasporto del gas naturale (associato) dal luogo di produzione a quelli di destinazione richiedono un contenuto di umidità ben inferiore alla pratica corrente dovendo l’impianto di trattamento operare correttamente anche in condizioni di forte scostamento dalla verticale per via dei moti ondosi ed attraversando i metanodotti luoghi particolarmente freddi. Inoltre sempre più spesso il gas naturale (associato) viene sottoposto a trattamenti criogeneci per recuperare tagli idrocarburici a più alto valore commerciale, ad esempio gasoline o GPL. Anche in questi casi il contenuto di acqua ammissibile nel gas afferente il criogenico à ̈ spesso molto più basso di quello comunemente specificato per ridurre al minimo l’impatto economico della sezione di preparazione del gas prima del raffreddamento.

La presente invenzione ha come scopo il superamento delle limitazioni della tecnica nota e consente di ottenere solventi rigenerati essenzialmente puri a cui corrisponde una concentrazione residua di umidità del gas naturale (associato) fino ad un 1 ppm in volume.

In accordo con ciò, la presente invenzione riguarda un procedimento per la riconcentrazione di liquidi disidratanti diluiti, detti liquidi disidratanti una volta riconcentrati essendo usati negli impianti di disidratazione di miscele gassose, il suddetto procedimento comprendendo una fase di distillazione dei suddetti liquidi disidratanti diluiti ed una fase di stripping utilizzando come gas di strippaggio un gas inerte, il suddetto procedimento comprendendo i seguenti stadi:

(a) raffreddamento dei gas in uscita da detta distillazione (2) ad una temperatura inferiore a 35°C con conseguente formazione di una prima fase condensata e di una prima fase gassosa nel condensatore (4);

(b) prima separazione nel separatore (5) della prima fase gassosa ottenuta nello stadio (a) dalla prima fase condensata anch’essa formatasi nello stadio (a);

(c) compressione nel compressore (6) della prima fase gassosa ottenuto al termine dello stadio (b);

(d) raffreddamento della prima fase gassosa compressa ottenuta nello stadio (c) ad una temperatura inferiore a 35°C con conseguente formazione di una seconda fase gassosa e di una seconda fase condensata;

(e) seconda separazione nel secondo separatore (7) della seconda fase gassosa ottenuta nello stadio (d) dalla seconda fase condensata anch’essa formatasi nello stadio (d);

(f) disidratazione nella torre di essiccamento (8) della seconda fase gassosa ottenuta nello stadio (e) in tal modo ottenendo un liquido disidratante riconcentrato;

(g) stripping del suddetto liquido disidratante riconcentrato nello stripper (3). Nella forma di attuazione preferita gli stadi di raffreddamento (a) e (d) avvengono ad una temperatura da 20°C a 34°C.

I numeri in parentesi si riferiscono alla Figura 2 che riporta una forma di attuazione preferita della presente invenzione.

Con il termine “liquidi disidratanti†, si intendono liquidi capaci di disidratare le suddette miscele gassose, le quali sono preferibilmente costituite da gas naturale. Nella forma di attuazione preferita i suddetti liquidi disidratanti sono scelti nel gruppo che consiste di etilen glicole, dietilen glicole, trietilen glicole, e relative miscele. Il liquido disidratante ancor più preferito à ̈ il trietilen glicole. Con il termine “diluiti†si fa riferimento ai suddetti liquidi disidratanti diluiti con acqua dal momento che provengono dal processo di disidratazione del gas naturale. Usualmente essi sono presenti come soluzione acquosa con un contenuto di agenti disidratanti compreso tra circa 94% e circa 97%. La distillazione dei suddetti liquidi disidratanti diluiti avviene a pressione atmosferica ad una temperatura inferiore alla temperatura di decomposizione del glicole utilizzato come fluido disidratante, ad esempio a circa 200°C.

Di seguito, la figura 1 rappresenta il processo effettuato secondo la tecnica nota, mentre la figura 2 rappresenta il processo secondo la presente invenzione.

In Figura 1:

(1) Ã ̈ il primo recupero termico,

(2) Ã ̈ la colonna di distillazione,

(3) Ã ̈ lo stripper,

(4) Ã ̈ il condensatore,

(5) Ã ̈ il separatore,

(6) Ã ̈ la prima torre di essiccamento,

(7) Ã ̈ la seconda torre di essiccamento,

(8) Ã ̈ il compressore,

(9) il secondo recupero termico.

In fig.1 la corrente (a) di liquido disidratante diluito viene inviata alla torre di essiccamento (6) per la rimozione grossolana dell’acqua costituente l’effluente del separatore (5) di testa della colonna di distillazione (2). Il solvente ulteriormente diluito, corrente (b), viene inviato alla sezione di recupero termico (1) previa miscelazione con la corrente semi-diluita (o) proveniente dalla seconda torre di essiccamento (7). Dal recupero termico (1) il liquido disidratante da purificare (d) viene alimentato alla distillazione (2); il distillato, corrente (f), viene alimentato allo stripper (3) mentre la corrente concentrata di glicole (h) viene inviata alla sezione di recupero termico (1) dopo aver ceduto parte del suo calore sensibile al gas di stripping (s) nello scambiatore (9) mentre i vapori (g) uscenti dallo stripper vengono convogliati nella distillazione (2). La maggior parte del solvente rigenerato e raffreddato (p) viene inviata alla sezione di disidratazione del gas naturale, mentre la restante parte (n) viene convogliata alla torre di essiccamento (7) per la rimozione spinta dell’acqua contenuta nel gas di riciclo (k) predeumidificata in (6). Il gas (e) uscente dalla colonna di distillazione (2) viene raffreddato in (4) e separato dalla condensa in (5). Il gas di stripping (j) uscente dal separatore (5) viene essiccato in due fasi in (6) e (7) come precedentemente descritto. Il gas di stripping secco (q) viene ripreso dal compressore (8) e rilanciato nello stripper (3), corrente (r), previo riscaldamento in (9).

In Figura 2:

(1) à ̈ una unità di recupero termico,

(2) Ã ̈ una colonna di distillazione,

(3) Ã ̈ lo stripper,

(4) Ã ̈ il condensatore

(5) Ã ̈ il primo separatore,

(6) Ã ̈ il compressore,

(7) Ã ̈ il secondo separatore,

(8) Ã ̈ la torre di essiccamento.

A differenza del processo illustrato in Fig. 1, il processo della presente invenzione rappresentato dalla Fig. 2 prevede il raffreddamento dei gas in uscita dalla distillazione (2) ad una temperatura da 20 a 34°C con conseguente formazione di una prima fase condensata [correnti (s) e (t)] e di una prima fase gassosa [corrente (l)]. Il suddetto raffreddamento può essere effettuato mediante aria fredda oppure con acqua di raffreddamento, con acqua refrigerata, con fluido refrigerante, oppure mediante integrazione termica con l’impianto criogenico o loro combinazioni in modo da separare in (5) la maggior parte dell’acqua contenuta nella corrente (j) uscente dalla distillazione (2). La prima fase condensata, costituita dalle correnti (t) e (s), ossia da acqua e da idrocarburi pesanti usualmente presenti nel gas naturale, viene separata dalla prima fase gassosa nel primo separatore (5). La corrente gassosa (l) in uscita dal primo separatore (5) à ̈ compressa con il compressore (6) e nuovamente raffreddata ad una temperatura da 20°C a 34°C con conseguente formazione di una seconda fase gassosa e di una seconda fase condensata. Queste due fasi vengono sottoposte ad una seconda separazione nel secondo separatore (7), dando luogo alla corrente liquida (o), essenzialmente costituita da acqua, ed alla corrente gassosa (p) che viene alimentata alla torre di essiccamento (8). Il gas così anidrificato [corrente (q)] viene inviato allo stripper (3)

A differenza del procedimento della fig. 1 inoltre, nella presente invenzione, nel separatore (5) oltre all’acqua (t) si separano, a causa della bassa temperatura, anche le frazioni idrocarburiche (s) inizialmente presenti nel gas da disidratare e solubilizzate dal glicole nel processo di assorbimento, che così possono essere recuperate massimizzando quindi la produzione di idrocarburi dei pozzi. Un ulteriore vantaggio presentato da questo schema, rispetto alla fig. 1, à ̈ dato dal minor costo di compressione; infatti il gas da comprimere à ̈ più freddo, quindi più denso, pertanto più facile da comprimere.

La corrente gassosa (l) uscente dal separatore (5) della presente invenzione non viene parzialmente essiccata mediante la soluzione diluita come nel processo di fig. 1, ma viene direttamente compressa in (6) in modo da alzare il punto di rugiada dell’acqua in esso ancora contenuta e consentirne l’ulteriore separazione per condensazione mediante raffreddamento come sopra descritto nell’unità di raffreddamento e separazione (7). Così facendo, la corrente (p), equivalente alla (j) della Fig.1, presenta un contenuto di umidità molto basso e la completa rimozione dell’acqua può essere facilmente effettuata con una minima quantità di solvente praticamente puro (h) nella torre di essiccamento (8).

Il procedimento della presente invenzione abbassando drasticamente la temperatura di rugiada del gas di riciclo mediante opportuna combinazione di raffreddamento/compressione, consente di ottenere un glicole essenzialmente puro (concentrazione maggiore o uguale a 99.99%) in grado di ridurre l’umidità del gas naturale fino ad 1 ppm in volume.

La fig. 2 rappresenta la forma preferita della presente invenzione e non deve essere considerata limitativa della presente invenzione. Infatti altri schemi di processo possono essere derivati dalla fig. 2.

Il seguente esempio viene riportato per una migliore comprensione della presente invenzione.

Esempio

28 MSm<3>/d di gas naturale a 74 bar g e 20 °C devono essere deumidificati in modo che la concentrazione residua di umidità sia inferiore a 5 ppm volume a cui corrisponde un punto di rugiada effettivo (riferito cioà ̈ a 74 bar g) di -45°C. L’impianto di riconcentrazione del glicole deve essere installato su una nave dislocata nel mare di Barens dove la temperatura ambiente varia da -38°C in inverno a 15°C in estate. I moti ondosi provocano un movimento angolare della nave di 15° rispetto alla verticale. Sulla nave à ̈ disponibile un fluido refrigerante costituito da una soluzione acquosa al 70% di glicole a 15°C.

Per deumidificare il gas naturale si à ̈ scelto il trietilenglicole – TEG - di cui si fanno ricircolare 13 t/h. E’ stato stimato che per compensare la perdita di efficienza delle operazioni unitarie (distillazione e stripping) dovuta ai movimenti angolari della nave, l’unità di rigenerazione del TEG deve essere progettata per rimuovere l’umidità del gas fino ad 1 ppmv.

Per questo motivo i gas uscenti dalla colonna di distillazione e dal compressore vengono raffreddati fino a 25 °C. Complessivamente il 96 % dell’acqua trasportata dal gas di riciclo viene condensata e separata dal gas il cui contenuto di umidità viene ridotto a circa 700 ppm in volume nella colonna di essiccamento dove vengono alimentate 2 t/h di solvente rigenerato equivalenti a circa l’11% del solvente circolante. L’aumento del 10% della circolazione interna à ̈ dello stesso ordine di grandezza del sovradimensionamento delle macchine e delle apparecchiature che normalmente viene applicato nella progettazione degli impianti, pertanto l’utilizzo di una piccola frazione del TEG rigenerato per essiccare il fluido di riciclo non incide sui costi d’investimento. Il TEG rigenerato con detto gas di stripping contiene 150 ppm in peso di acqua residua ed à ̈ idonea a ridurre in contenuto d’acqua del gas naturale dai 430 ppm iniziali ad 1 ppmv.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la riconcentrazione di liquidi disidratanti diluiti, detti liquidi disidratanti una volta riconcentrati essendo usati negli impianti di disidratazione di miscele gassose, il suddetto procedimento comprendendo una fase di distillazione dei suddetti liquidi disidratanti diluiti ed una fase di stripping utilizzando come gas di strippaggio un gas inerte, il suddetto procedimento comprendendo i seguenti stadi: (a) raffreddamento dei gas in uscita da detta distillazione (2) ad una temperatura inferiore a 35°C con conseguente formazione di una prima fase condensata e di una prima fase gassosa nel condensatore (4); (b) prima separazione nel separatore (5) della prima fase gassosa ottenuta nello stadio (a) dalla prima fase condensata anch’essa formatasi nello stadio (a); (c) compressione nel compressore (6) della prima fase gassosa ottenuto al termine dello stadio (b); (d) raffreddamento della prima fase gassosa compressa ottenuta nello stadio (c) ad una temperatura inferiore a 35°C con conseguente formazione di una seconda fase gassosa e di una seconda fase condensata; (e) seconda separazione nel secondo separatore (7) della seconda fase gassosa ottenuta nello stadio (d) dalla seconda fase condensata anch’essa formatasi nello stadio (d); (f) disidratazione nella torre di essiccamento (8) della seconda fase gassosa ottenuta nello stadio (e) in tal modo ottenendo un liquido disidratante riconcentrato; (g) stripping del suddetto liquido disidratante riconcentrato nello stripper (3).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui i liquidi disidratanti sono scelti nel gruppo che consiste di etilen glicole, dietilen glicole, trietilen glicole.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui il liquido disidratante à ̈ il trietilenglicole.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto procedimento viene effettuato su di una nave o su piattaforme off-shore.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui gli stadi di raffreddamento (a) e (d) vengono effettuati ad una temperatura da 20°C a 34°C.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui le miscele gassose sono costituite da gas naturale.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui il gas inerte usato per lo strippaggio à ̈ essenzialmente costituito da gas inerti anidrificati inizialmente presenti nelle miscele gassose da disidratare.