SISTEMAS Y METODOS DE SOLVENTES DE AZUFRE CON BASE EN HIDROCARBUROS
Campo de la Invención El campo de la invención es la eliminación de azufre a partir de gases, y especialmente eliminar azufre elemental a partir de gases ácidos de pozos de gas y asociados a sistemas de transporte de gas . Antecedentes de la Invención El gas amargo frecuentemente contiene cantidades importantes de azufre elemental disuelto, que tiende a precipitarse en diversos puntos durante el transporte, incluyendo las sartas de perforación, el sistema de recolección del gas, y en el tratamiento de gas corriente abajo y equipo de procesamiento de gas. Para evitar tales problemas, los aceites de hidrocarburos se pueden inyectar en la sarta de perforación o sistema de recolección para solubilizar el azufre en la fase líquida de hidrocarburo y para prevenir así la precipitación del azufre elemental. Más comúnmente, solventes aromáticos (por ejemplo, alquil naftaleno) se usan como solventes ya que típicamente exhiben una mayor solubilidad de azufre que los hidrocarburos parafínicos o nafténicos. Un ejemplo típico para tal sistema se describe en la Patente de E.U.A. No. 4,322,307. Ref.:200i57
La regeneración de solventes hidrocarburos aromáticos cargados de azufre se alcanza comúnmente al poner en contacto el solvente enriquecido con una solución acuosa que comprende una amina (por ejemplo, etilamina) . En tales sistemas, el azufre se convierte a un polisulfuro y emigra en la fase acuosa, así regenerando el solvente de hidrocarburo, que se recicla luego. La solución acuosa que contiene la amina y polisulfuro/azufre se regenera luego por destilación para proporcionar una solución de amina acuosa como el producto del domo y azufre elemental fundido, impuro como el producto final. Por ejemplo, la Patente de E.U.A. No. 5,242,672 describe una unidad regeneradora típica. Aunque tales sistemas generalmente alcanzan reducción de azufre deseable en el gas amargo, no obstante permanecen diversas dificultades. Entre otras cosas, la regeneración del solvente usando una solución de amina requiere cantidades importantes de energía para el calentamiento y bombeo. Además, y dependiendo del gas amargo particular, la estabilidad química de la solución de amina puede ser menos que deseable y requiere estabilizadores y/o reemplazo de la amina. También, el polisulfuro ylo azufre obtenido de tal regeneración puede al menos en algunos casos requerir procesamiento adicional para proporcionar un producto final deseado. Alternativamente, un dialquildisulfuro se puede emplear como un solvente de azufre como se describe, por ejemplo, en
la Patente de E.U.A. No. 3,531,160. En tales sistemas, el azufre disuelto se elimina por medio de destilación y/o por precipitación con un solvente (por ejemplo, cetonas o hidrocarburos) para regenerar el solvente. Para pozos de alta temperatura y alta presión, el alquilsulfuro o dialquildisulfuro puede ser activado con amina como se describe en las Patentes de E.U.A. Nos. 4,248,817 o 4,290,900. La regeneración del solvente se alcanza frecuentemente por precipitación del azufre disuelto. Tales sistemas proporcionan algunas ventajas sobre sistemas de disolución de azufre basados en hidrocarburos parafínicos o naftónicos, sin embargo, padecen de otras desventajas. Por ejemplo, la regeneración de los solventes no siempre es cuantitativa y, cuando se activa, los solventes pueden degenerar y pierden rendimiento con el tiempo, especialmente bajo condiciones de producción relativamente duras de gas de pozo profundo. Así, el solvente nuevo se debe típicamente agregar para mantener el desempeño deseado. Además, la regeneración en al menos algunos de tales sistemas todavía requiere de cantidades substanciales de energía. Por lo tanto, aunque numerosos métodos de sistemas de solvente de azufre se conocen en el arte, todos o casi todos ellos padecen de una o más desventajas. En consecuencia, todavía hay una necesidad de proporcionar mejora de los sistemas y métodos para sistemas de solvente azufre.
Breve Descripción de la Invención La presente invención se dirige a configuraciones y métodos para eliminación de azufre a partir de un solvente que se usa para disolver y/o prevenir depósitos de azufre en un pozo y equipo de entubamiento asociado. En configuraciones y métodos de acuerdo a la materia objeto inventiva, el solvente enriquecido de azufre se hidrotrata para asi regenerar el solvente y para producir H2S que se puede luego además concentrar en un proceso corriente abajo y/o convertir a azufre elemental en un unidad Claus. Más preferiblemente, el solvente es un solvente de hidrocarburo y comprende un hidrocarburo nafténico, un hidrocarburo parafínico, y/o un hidrocarburo aromático. En un aspecto de la materia objeto inventiva, una planta de producción de gas comprende un pozo fluidamente acoplado a un separador, en donde el separador se configura para separar una salida de pozo en una porción de gas y una porción de solvente enriquecido. Un equipo de hidrotratamiento se acopla fluidamente al separador y configura para tratar el solvente enriquecido tal como para permitir la producción de un producto de H2S y un solvente regenerado, y un circuito de reciclado se configura para permitir la alimentación del solvente regenerado a una posición superior del pozo, una posición del fondo del pozo, y/o una tubería u otro conducto de transporte de la salida del pozo para así permitir la
formación de la porción de solvente enriquecido. Más preferiblemente, las plantas contempladas además incluyen una unidad de tratamiento fluidamente acoplada al equipo de hidrotratamiento y configuradas para producir una corriente de reciclaje enriquecida con hidrógeno y una corriente de gas amargo enriquecida con H2S (por ejemplo, usando un separador de membrana, una unidad de absorción basada en solvente, y/o unidad de absorción de oscilación de presión) , en donde al menos en algunos aspectos una unidad Claus se acopla además fluidamente al equipo de hidrotratamiento o unidad de tratamiento para recibir la corriente de gas amargo enriquecido con H2S y para producir azufre elemental . Dependiendo del solvente, se contempla también que la planta incluya un deshidrogenador que se acopla fluidamente al equipo de hidrotratamiento y se configura para deshidrogenar al menos una porción del solvente regenerado. Todavía además, se contempla que un tubo de desviación se puede proporcionar permitiendo alimentación de una porción del solvente regenerado de una posición corriente abajo del equipo de hidrotratamiento a la salida del pozo en una posición corriente arriba del equipo de hidrotratamiento o directamente al equipo de hidrotratamiento para controlar así la temperatura del equipo de hidrotratamiento . Por lo tanto, y en otro aspecto de la materia objeto inventiva, se contemplan también los métodos de eliminación
de azufre a partir de una salida de pozo de gas, en los cuales un solvente regenerado se alimenta a al menos uno de una posición superior de un pozo, una posición del fondo del pozo, y una tubería que transporta la salida de pozo de gas para así formar una salida de pozo mixta que comprende azufre disuelto. La salida de pozo mixta se separa en una porción de solvente enriquecido y una porción de gas, y la porción de gas se hidrotrata luego para formar un producto de H2S y el solvente regenerado . Más preferiblemente, el solvente comprende al menos un hidrocarburo nafténico, un hidrocarburo parafínico, y un hidrocarburo aromático, y la etapa de hidrotratamiento se hace bajo condiciones que mantienen la desaturación del solvente enriquecido y que convierten al menos una porción del azufre disuelto a H2S. Cuando sea necesario o deseado, el solvente regenerado se puede desaturar, y/o el H2S se puede convertir nuevamente a azufre elemental en una unidad Claus . Aún además, se prefiere generalmente que al menos una porción del solvente regenerado se use como alimentación de reciclado en la etapa de hidrotratamiento . Por lo tanto, y visto desde una perspectiva diferente, un método de regeneración de un solvente de azufre enriquecido con una concentración de azufre disuelto de al
menos 2% en peso (en donde el solvente de azufre enriquecido se proporciona desde un pozo de gas) incluye una etapa de hidrotratamiento del solvente enriquecido para formar un producto de H2S y un solvente regenerado. Preferiblemente, el producto de H2S se procesa además para producir una corriente de reciclaje enriquecida con hidrógeno y una corriente de gas amargo enriquecido con H2S , y al menos parte del solvente regenerado se alimenta para al menos una de una posición superior de un pozo, una posición del fondo del pozo, y una tubería que transporta una salida de pozo para así formar el solvente enriquecido. En métodos particularmente preferidos, el hidrotratamiento se realiza bajo condiciones que mantienen desaturación del solvente enriquecido y que convierten al menos una porción del azufre disuelto a H2S. Diversos objetivos, características, aspectos y ventajas de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la invención, junto con el dibujo que se acompaña. Breve Descripción de la Figura La Figura 1 es una ilustración esquemática de una configuración de planta ejemplar de acuerdo con la materia objeto inventiva. Descripción Detallada de la Invención Los inventores han descubierto que el azufre se puede
simplemente y efectivamente eliminar de un solvente de azufre en un sistema en el cual el solvente enriquecido cargado de azufre (típicamente un solvente de hidrocarburo) se regenera en una reacción de hidrogenación que convierte azufre a sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno así formado se elimina del solvente hidrotratado y se convierte a azufre elemental en una planta de azufre corriente abajo (o procesado de otra manera) , mientras el solvente regenerado se recicla al pozo y tuberías asociadas. Más preferiblemente, la reacción de hidrogenación se lleva a cabo bajo condiciones que permiten la conversión del azufre a sulfuro de hidrógeno mientras el solvente permanece inalterable (típicamente temperatura y/o presión baja) . Cuando se desea, al menos una porción del solvente así regenerado se puede someter a una reacción de deshidrogenación para restaurar o ajustar el grado de desaturación o aromaticidad. La Figura 1 describe un esquema ejemplar de un sistema de solubilización de azufre 100 donde un aceite de hidrocarburo gastado de azufre o libre de azufre se inyecta en la sarta de perforación, línea de flujo, y/o sistema de recolección en suficientes cantidades para reducir, suprimir, y/o aún eliminar la deposición de azufre elemental. Aquí, la planta 100 incluye un pozo de producción 110 que produce la salida de pozo 112. Cuando el solvente regenerado 144 se alimenta a la cabeza de pozo 144A, orificio de fondo 144B,
y/o equipo de entubado 144C, la salida de pozo comprende producir agua, gas amargo, y solvente con azufre disuelto (esto es, solvente enriquecido) . La salida de pozo 112 se dirige a los tres separadores de fases 120 que separan la salida de pozo en producción de agua 124, gas amargo 122, y solvente enriquecido 126. El solvente enriquecido 126 se alimenta al equipo de hidrotratamiento 130, típicamente junto con una corriente de desviación 138 que se deriva de una posición corriente abajo del equipo de hidrotratamiento (que comprende solvente regenerado). El equipo de hidrotratamiento 130 recibe una corriente de hidrógeno 132 y produce corriente de producto H2S 134 que se dirige a una unidad de tratamiento 150 en la cual una corriente de reciclaje de hidrógeno 152 se separa de la corriente de producto H2S 154. La corriente enriquecida con H2S 154 deja la unidad de tratamiento 150 como alimentación para una planta Claus 160. La mayoría del solvente regenerado 136 se alimenta luego al tanque de impulsión opcional o tanque de almacenamiento 140, mientras una corriente de tubo de desviación relativamente pequeña 137 se dirige nuevamente al equipo de hidrotratamiento 130 para controlar la temperatura de la reacción exotérmica. Más preferiblemente, la cantidad de corriente de tubo de desviación 137 se selecciona tal que el equipo de
hidrotratamiento opera a una temperatura efectiva para producir H2S a partir del azufre, pero no para reducir significativamente (no más de 10%, más preferiblemente no más de 5%) el grado de desaturación del solvente. Donde la desaturación del solvente es relativamente importante y/o donde un grado relativamente alto de desaturación se desea, la unidad de deshidrogenacion 170 se puede agregar en la cual al menos una porción del solvente regenerado 136 (por ejemplo, por medio de corriente 137) se desatura. La corriente desaturada así producida se puede luego alimentar como corriente 174 para el almacenamiento 140 y/o para el equipo de hidrotratamiento 130. El gas mal oliente 172 se puede dirigir a un quemador de combustible, mientras el exceso de solvente regenerado 142 se puede vender como una mercancía. Con respecto a sistemas de pozo adecuados se contempla que todos los pozos y equipo asociado (por ejemplo, tuberías, colectores, etc.) en los cuales la deposición de azufre es un problema sean adecuados para usar en conjunto con las enseñanzas presentadas en la presente. Sin embargo, se prefiere especialmente que los pozos sean pozos de gas y/o aceite de alta temperatura y alta presión. En consecuencia, la composición de producto de pozo, presión, y temperatura variarán considerablemente. Por ejemplo, la presión de producto de pozo puede estar entre 10 y 5000 psig (0.703
kg/cm2 y 351.5 kg/cm2), y más típicamente entre 50 y 2000 psig (3.515 kg/cm2 y 140.6 kg/cm2), y tiene una temperatura de entre 50 y 300°F (10 y 148.8°C), y más típicamente entre 50 y 200°F (10 y 93.3°C). El producto de pozo comprenderá típicamente agua producida, un solvente de hidrocarburo cargado de azufre, y gas amargo, y se separa preferiblemente en un separador de tres fases . Dependiendo de la configuración y composición particular del producto de pozo, un separador de dos fases, deshidratante, y/u otro equipo se puede también emplear. Una vez separado del agua y/o aceite de hidrocarburo, el gas amargo se envía a una o más unidades de tratamiento y procesamiento de gas (no mostrado) mientras el agua producida se trata para eliminación u otro uso (no mostrado) . Donde el producto del pozo tiene una presión relativamente alta (por ejemplo, por arriba de 300 psig (21.09 km/cm2) , debe apreciarse que uno o más dispositivos de reducción de presión se puede emplear para producir trabajo y donde la temperatura del producto pozo es relativamente alta (por ejemplo, por arriba de 200°F (93.3°C), el contenido de calor se puede usar en uno o más intercambiadores dentro del centro de producción. Con respecto al solvente de azufre, se contempla generalmente que todos los solventes que solubilizan depósitos de azufre sean adecuados para usar en la presente. Sin embargo, en aspectos especialmente
preferidos, el solvente es un aceite de hidrocarburo. Se apreciará además que la naturaleza particular del aceite de hidrocarburo no es crítica, pero se prefiere generalmente que el solvente hidrocarburo sea un hidrocarburo nafténico, parafínico, aromático, o una mezcla de los mismos (más preferiblemente, el aceite hidrocarburo e un aceite hidrocarburo aromático debido a la alta solubilidad de azufre) . El solvente se puede derivar de de aceite co-producido (típicamente refinado para especificación) , o se puede suministrar de una fuente externa o como aceite de repuesto a partir de otras operaciones de refinería en el mismo u otro lugar. Además, en aspectos menos preferidos, el aceite de hidrocarburo puede también incluir un activador (especialmente donde una fracción del aceite hidrocarburo comprende un alquilsulfuro o dialquildisulfuro) . La relación de circulación del aceite de hidrocarburo típicamente al menos dependerá de la cantidad de depósitos de azufre que se esperan, el contenido de azufre del gas amargo, la solubilidad de azufre en el solvente, y la temperatura y las condiciones de presión en el pozo y equipo de tubería. El solvente magro no se necesita cuantitativamente agotar de azufre y puede incluir contenido de azufre residual de menos de 1% en peso, más típicamente menos de 0.5% en peso, aún más típicamente menos de 0.1% en peso, y más típicamente menos de
100 ppm. También se debe tener presente que diversos compuestos de azufre diferentes de azufre elemental se pueden presentar en el solvente, y especialmente contemplan compuestos sulfurados que incluyen mercaptanos y COS. Similarmente, la cantidad de azufre en el solvente enriquecido cargado de azufre típicamente variará, pero es más típicamente al menos 2% en peso, más típicamente al menos 3% en peso, aún más típicamente al menos 5% en peso, y más típicamente al menos 10% en peso. Por lo tanto, se debe apreciar que el solvente enriquecido o una porción del mismo se puede también reciclar varias veces hasta que se alcanza en el solvente un grado deseado de saturación de azufre. El solvente de hidrocarburo cargado de azufre se envía luego a un equipo de hidrotratamiento donde se calienta y hace contacto con hidrógeno para convertir substancialmente todos (por ejemplo, al menos 70%, más típicamente al menos 85%, más típicamente al menos 95%) los compuestos de azufre a H2S. El calentamiento del solvente enriquecido se puede hacer con un intercambiador que se acopla térmicamente a la salida del equipo de hidrotratamiento, u otra forma convencional de calentamiento. Similarmente, el control térmico de la reacción exotérmica se alcanza preferiblemente por uso de una corriente de reciclado de hidrocarburo que se usa para diluir la corriente de alimentación al equipo de hidrotratamiento (la corriente de reciclado se puede además enfriar usando
intercambio de calor con el producto de pozo u otra corriente dentro del centro) . El hidrógeno de repuesto se puede agregar al solvente y/o al equipo de hidrotratamiento como se requiere en una forma convencional . Con respecto a los reactores de hidrotratamiento adecuados, deberá apreciarse que más configuraciones de reactor, catalizadores, y condiciones comercialmente disponibles son apropiadas para uso en la presente. Sin embargo, en aspectos particularmente preferidos, y especialmente donde un aceite aromático se usa como el solvente hidrocarburo para remover el azufre elemental, deberá notarse que el reactor de hidrotratamiento se configura para operar a una presión y temperatura suficientemente bajas para reducir o aún eliminar la saturación del aceite aromático. Para controlar el calor de reacción de la hidrogenación, se prefiere típicamente que una corriente reciclada de aceite tratado se mezcle con el solvente cargado de azufre como se muestra en la Figura 1. Los volúmenes particulares de los vapores dependerán de varias variables, incluyendo contenido de azufre, tipo de catalizador y presión en el reactor, etc., y una persona de experiencia ordinaria en el arte será capaz de determinar las velocidades de flujo adecuadas sin demasiada experimentación. En modalidades preferidas, el gas enriquecido de H2S del equipo de hidrotratamiento luego se envía a una unidad de
tratado de gas para recuperar al menos algo del hidrógeno del producto H2S. Tal recuperación puede hacerse usando una membrana selectiva de hidrógeno, un proceso con base en solvente, y/o un proceso de adsorción de oscilación de presión. Independiente de la manera del procesamiento, el producto H2S se envía a una planta de azufre (típicamente planta Claus o configuración similar) u otro destino (por ejemplo, efluente de proceso que comprende gas amargo) para la producción de azufre elemental y/o recuperación del H2S, mientras que el resto de la corriente rica en H2 endulzada de la unidad tratada de gas se regresa al equipo de hidrotratamiento o se usa en un proceso de combustión. El solvente regenerado del equipo de hidrotratamiento se recicla preferiblemente al pozo de gas y el equipo de entubamiento asociado, y donde se desea, un tanque de aumento o almacenamiento puede implementarse para acomodar el excedente del solvente regenerado. En aspectos más preferidos, al menos una porción del solvente regenerado es retroalimentado al equipo de hidrotratamiento o equipo de hidrotratamiento alimentado por el control de temperatura como se discute anteriormente. Adicionalmente, o alternativamente, al menos una porción del solvente regenerado también puede alimentarse a un reactor de deshidrogenación para obtener o mantener un grado deseado de desaturación y/o aromaticidad en el solvente. Los gases de salida que contienen hidrógeno de
tal reactor pueden alimentarse al equipo de hidrotratamiento, unidad de separación, y/o un equipo de combustión. De esta manera, las modalidades y aplicaciones específicas de los sistemas de solvente azufre con base en hidrocarburo se han descrito. Deberá ser aparente, sin embargo, para aquellos experimentados en el arte que muchas más modificaciones además de aquellas ya descritas son posibles sin alejarse de los conceptos inventivos en la presente. La materia objeto inventiva, por lo tanto, no se restringe excepto en el espíritu de las reivindicaciones anexas. Además, al interpretar tanto la especificación como las reivindicaciones, todos los términos deberán interpretarse en la manera más amplia posible consistente con el contexto. En particular, los términos "comprende" y "que comprende" deberán interpretarse haciendo referencia a los elementos, componentes, o etapas en una manera no exclusiva, indicando que los elementos, componentes o etapas de referencia pueden presentarse, o utilizarse, o combinarse con otros elementos, componentes, o etapas que no están expresamente referenciados . Además, donde una definición o uso de un término en una referencia, que se incorpora para referencia en la presente es inconsistente o contraria a la definición de tal término proporcionado en la presente, la definición de tal término proporcionado en la presente
aplica y la definición de tal término en la referencia no aplica . Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.