MX2011004351A - Metodo para separar nitrogeno. - Google Patents

Metodo para separar nitrogeno.

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Abstract

La invención se refiere a un método para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que sustancialmente contiene nitrógeno e hidrocarburos. De acuerdo con este método la fracción inicial se somete a una separación en una fracción rica en nitrógeno y en una fracción rica en metano mediante rectificación, siendo que con la finalidad de refrigerar la fracción rica en metano se evapora y luego se recalienta a una presión tan alta como es posible con relación a la fracción inicial a ser enfriada. La fracción (5') rica en metano todavía líquida o parcialmente evaporada se alimenta a un recipiente (D) de circulación, solamente la porción líquida de la fracción (5') rica en metano acumulada en el recipiente (D) de circulación se evapora completamente, de preferencia en circulación natural, y el producto (7) de cabeza del recipiente (D) de circulación se recalienta (E1).

Description

METODO PARA SEPARAR NITROGENO Descripción de la Invención La invención se refiere a un método para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que contiene sustancialmente nitrógeno e hidrocarburos, siendo que la fracción inicial se separa por rectificación en una fracción rica en nitrógeno y una fracción rica en metano, la fracción rica en metano se evapora y recalienta a una presión lo más alta posible contra la fracción inicial a ser refrigerada para la finalidad de producir frío.
Un método del tipo bajo consideración para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que contiene sustancialmente nitrógeno e hidrocarburos se explicará a continuación mediante el proceso ilustrado en la figura 1.
La fracción inicial que contiene sustancialmente nitrógeno e hidrocarburos, la cual eventualmente se sometió a un tratamiento previo como eliminación de azufre, eliminación de dióxido de carbono, secado, etc. se alimenta por vía de la línea 1 a un cambiador El de calor y en este se enfría y condensa parcialmente contra corrientes de proceso sobre las que a continuación se hará referencia con mayor detalle. La fracción inicial parcialmente condensada se alimenta Por vía de la línea 1' a una columna TI de separación previa.
Ref.:218927 Esta columna TI de separación previa constituye conjuntamente con la columna T2 de baja presión una doble columna T1/T2. El acoplamiento térmico de las columnas TI y T2 de separación se efectúa mediante el condensador/hervidor E3.
Del sumidero de la columna TI de separación previa se aspira por vía de la línea 2 una fracción líquida rica en hidrocarburo, en el cambiador E2 de calor se sobre-enfría contra corrientes de proceso sobre las cuales se entrará en detalle a continuación y a continuación se alimenta por vía de la línea 2 ' y la válvula a de expansión a la columna T2 de baja presión en la región superior.
Por vía de la línea 3 se aspira una fracción líquida rica en nitrógeno de la región superior de la columna TI de separación previa. Una corriente parcial de esta fracción se envía por vía de la línea 3' como reflujo a la columna TI de separación previa. La fracción rica en nitrógeno aspirada por vía de la línea se sobre-enfría en el cambiador E2 de calor y se alimenta por arriba del punto de alimentación por vía de la línea 3' ' y la válvula b de expansión de la columna T2 de baja presión a la fracción rica en metano precedentemente descrita.
En la cabeza de la columna T2 de baja presión se aspira una fracción de gas rica en nitrógeno Por vía de la línea 4. El contenido de metano de esta típicamente es inferior a 1% en volumen. En los cambiadores E2 y El de calor se calienta y opcionalmente recalienta a continuación una fracción rica en nitrógeno antes de aspirarla por vía de la línea 41 1 y emitirla a la atmósfera u opcionalmente alimentarla a otro uso.
Del sumidero de la columna T2 de baja presión se aspira Por vía de la línea 5 una fracción líquida rica en metano que además de metano incluye los hidrocarburos superiores que contiene la fracción inicial . El contenido de nitrógeno de esta es típicamente inferior a 5% en volumen. La fracción rica en metano se bombea mediante una bomba P a una presión lo más alta posible - esta se encuentra usualmente entre 5 y 15 bar. En el cambiador E2 de calor la fracción líquida rica en metano se calienta y opcionalmente se evapora parcialmente. Por vía de la línea 6' se alimenta a continuación al cambiador El de calor y en este se evapora completamente y recalienta contra la fracción inicial a ser enfriada antes de que se succione fuera del proceso por vía de la línea 5 ' ' .
Los procesos del tipo bajo consideración para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que contiene sustancialmente nitrógeno e hidrocarburos se realizan en las Unidades de Rechazo de Nitrógeno llamadas NRUs . Una separación de nitrógeno de mezclas de nitrógeno/hidrocarburo se efectúa siempre que un contenido de nitrógeno incrementado impide el uso de destino de la mezcla de nitrógeno/hidrocarburo. Así, por ejemplo, un contenido de nitrógeno superior a 5% molar excede las especificaciones típicas de las tuberías de gas natural en las que se transporta la mezcla de nitrógeno/hidrocarburo. También las turbinas de gas solamente se pueden operar hasta un determinado contenido de nitrógeno en el gas combustible.
Este tipo de NRUs se construyen por lo general de manera similar a un fraccionador de aire con una columna doble como unidad de procesamiento central como se describe, por ejemplo, mediante la figura 1.
Los métodos del tipo bajo consideración usualmente no requieren el uso de refrigeración externa o turbinas que proporcionan frío. Por este motivo es necesaria una integración térmica costosa. Aquí hay que destacar el condensador/hervidor E3 que acopla térmicamente a TI con T2. Además, el producto del sumidero extraído de la columna T2 de baja presión por vía de la línea 5 se evapora y recaí ienta a una presión lo más alta posible - usualmente de 5 a 15 bar producida mediante la bomba P - en el cambiador El de calor después del precalentamiento en el cambiador E2 de calor. Una presión de salida lo más alta posible de la fracción rica en metano evaporada y recalentada (línea 5' ') al límite de la instalación es una característica de calidad del concepto del método.
La evaporación de la fracción líquida rica en metano precedentemente mencionada, extraída de la columna T2 de baja presión resulta difícil si las condiciones del proceso varían de manera importante. Normalmente la evaporación y el subsiguiente recalentamiento de la fracción rica en metano tiene lugar en un cambiador El de calor continuo. Para la integración térmica exitosa es necesaria la localización precisa del punto de rocío de esta fracción.
Si ahora varía la cantidad de la fracción rica en metano a ser evaporada - ya sea debido a la variación de la composición de la fracción inicial (típico efecto a largo plazo) o por ejemplo en virtud de las fluctuaciones de la cantidad enviada por la bomba P (típico efecto a corto plazo) se perturba la economía térmica del cambiador El de calor. Debido a esto se desplaza el sitio en el que se llega al punto de rocío de la fracción rica en metano en el cambiador El de calor. Si estas variaciones precedentemente descritas ocurren demasiado rápido, entonces por una parte ya no es posible mantener la pureza de la(s) fracción (es) (de producto) rica en nitrógeno y/o rica en metano en las líneas 4 ' ' y 51 ' , y por otra parte el cambiador El de calor se ve expuesto a tensiones mecánicas inadmisiblemente altas que pueden provocar un daño al cambiador El de calor debido a las rápidas variaciones de temperatura.
El objeto de la presente invención es indicar un método del tipo bajo consideración para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que sustancialmente contiene nitrógeno e hidrocarburos que evita las desventajas precedentemente descritas.
Para solución de este problema se propone un método del tipo bajo consideración para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que sustancialmente contiene nitrógeno e hidrocarburos que se caracteriza porque la fracción rica en metano todavía líquida o parcialmente evaporada se alimenta a un recipiente de circulación, solamente se evapora parcialmente la porción líquida rica en metano que se obtiene en el recipiente de circulación, se alimenta nuevamente al recipiente de circulación, y el producto de cabeza completamente evaporado del recipiente de circulación se recalienta.
Mediante este tipo de la evaporación se fija geométricamente el perfil de temperatura del cambiador El de calor. La evaporación de la fracción rica en metano se desarrolla controlada en la parte inferior del cambiador El de calor, en tanto que en la parte superior del cambiador El de calor queda asegurado el recalentamiento del flujo de gas ahora puro.
Otras configuraciones favorables del método de conformidad con la invención para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que sustancialmente contiene nitrógeno e hidrocarburos, las cuales constituyen objetos de las reivindicaciones subordinadas se caracterizan porque la evaporación de la porción líquida de la fracción líquida en metano acumulada en el recipiente de circulación se efectúa en circulación natural, en cuanto la separación mediante rectificación de la fracción inicial se efectúa en una columna doble que consta de una columna de separación previa y una columna de baja presión se extrae en la región superior de la columna de separación previa, preferiblemente por encima de la base más alta de la columna de separación previa una fracción rica en helio y se expande a la columna de baja presión, \ de preferencia a la región de cabeza a la columna de baja presión, - al menos temporalmente un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno se comprime al menos a la presión de la columna de separación previa y/o de la columna de baja presión y se alimenta como corriente de reflujo a la columna de separación previa y/o la columna de baja presión, un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno extraída de la región de cabeza de la columna de separación previa que se deberá alimentar a la columna de baja presión se evapora bajo presión, el contenido de metano de la fracción rica en nitrógeno que se obtiene mediante rectificación es inferior a 1% en volumen, y el contenido de nitrógeno de la fracción rica en metano que se obtiene mediante rectificación es inferior a 5% en volumen.
El método de conformidad con la invención para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que sustancialmente contiene nitrógeno e hidrocarburos así como otras configuraciones favorables del mismo que constituyen objetos de las reivindicaciones subordinadas se explican a continuación con más detalle mediante los ejemplos de realización ilustrados en las figuras 2 a 4.
En la descripción y explicación de los ejemplos de realización ilustrados en las figuras 2 a 4 ya no se entrará nuevamente en detalle sobre aquellas partes del proceso que ya se explican mediante la figura 1.
A diferencia de la modalidad ilustrada en la figura 1, en la modalidad ilustrada en la figura 2 ahora la fracción rica en metano todavía líquida o no completamente evaporada que se extrae por vía de la línea 5' del cambiador E2 de calor no se alimenta directamente al cambiador El de calor sino a un recipiente D de circulación. De conformidad con la invención solamente la porción líquida de la fracción rica en metano que se obtiene en el recipiente D de circulación, la cual se alimenta al cambiador El de calor por vía de la línea 6 se evapora parcialmente en el cambiador El de calor y a continuación se vuelve a alimentar al recipiente D de circulación por vía de la línea 6'. El producto de cabeza rico en metano completamente evaporado extraído a la cabeza del recipiente D de circulación por vía de la línea 7 se recalienta a continuación en el cambiador El de calor antes de extraerlo del proceso por vía de la línea 7' .
La conducción del proceso de la fracción rica en metano dentro del cambiador El de calor se define localmente de conformidad con la invención por el hecho de que el trayecto se subdivide en una sección de evaporación y una sección de recalentamiento. La evaporación de la fracción rica en metano ahora se efectúa exclusivamente en la sección del cambiador El de calor que está comunicada por vía de la línea 6 con el sumidero del recipiente D de circulación.
La conducción del proceso descrita permite una evaporación segura y estable de la fracción (de producto) rica en metano incluso en condiciones de operación variables, como por ejemplo variación de la cantidad de gas natural, de la composición del gas natural, de la presión del gas natural así como en el caso de fluctuaciones de los reguladores. Estas circunstancias resultan por ejemplo muy marcadas en la extracción de crudo con conservación de la presión mediante nitrógeno (EOR = Enhanced Oil Recovery según se conoce en inglés) ( Recuperación de Crudo Realzada) , en la que el gas que acompaña al crudo se torna progresivamente más rico en nitrógeno a lo largo del paso de los años .
Se comprobó que la modalidad de conformidad con la invención precedentemente descrita sólo requiere de una pequeña cantidad de consumo de energía adicional. Esto se debe a que la fracción (de producto) rica en metano ya no se evapora en un solo paso, sino que después de una evaporación parcial en el cambiador de calor El se alimenta nuevamente al recipiente de circulación D. De esta manera se reduce el contenido de componentes fácilmente volátiles, en particular de nitrógeno en la mezcla en ebullición. Con la presión dada se desplaza por consiguiente el intervalo de ebullición de la fracción (de producto) rica en metano a temperaturas más elevadas. En virtud de que no se debe quedar por debajo de determinadas diferencias de temperatura mínima en el cambiador El de calor es necesario que o bien la condensación parcial de la fracción inicial se efectúe a presión más alta y/o la evaporación de la fracción (de producto) rica en metano se efectúe a una presión más baja. Ambas cosas provocan un determinado aumento del consumo de energía.
Sin embargo, la mayor flexibilidad de operación y la mejora de la robustez mecánica prevalecen sobre los mayores costos de operación; esto es valido en particular en el caso de mayores fluctuaciones previsibles en la forma de operación.
La modalidad del método de conformidad con la invención mostrada en la figura 3 difiere de la modalidad ilustrada en la figura 2 en que en la región superior de la columna TI de separación previa, preferiblemente debajo del condensador E3 de la columna TI de separación previa se extrae una fracción 8 rica en helio y se expande mediante la válvula c en la columna T2 de baja presión, preferiblemente en la región de cabeza de la columna T2 de baja presión. En el caso de fracciones iniciales que contienen helio, esta configuración del método de conformidad con la invención tiene la ventaja de que el gas inerte helio se puede evacuar y se atenúan los efectos de las fluctuaciones o variaciones operativas por la proporción de helio en la fracción inicial mediante el relavado en la columna T2 de baja presión, y no conducen directamente a contaminaciones con un mayor contenido de metano de la fracción (de producto) rica en nitrógeno .
La figura 3 muestra además una modalidad del método de conformidad con la invención que se caracteriza porque un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno que se alimenta por via de la línea 9 a un compresor C de una o varias etapas se comprime al menos temporalmente al menos a la presión de la columna TI de separación previa y/o de la columna T2 de baja presión. El flujo parcial comprimido de la fracción rica en nitrógeno se conduce por vía de las líneas 9' y 9" a través de los cambiadores El y E2 de calor, y se refrigera y opcionalmente condensa parcial o completamente en estos .
Por vía de la línea 10 y la válvula e de expansión y/o las líneas 11/12 y la válvula d de expansión es posible que el flujo parcial comprimido de la fracción rica en nitrógeno se alimente como corriente de reflujo a la columna TI de separación previa y/o a la columna T2 de baja presión o por vía de la línea 13 se alimente directamente a la fracción rica en nitrógeno extraída en la cabeza de la columna T2 de baja presión por vía de la línea 4. Mediante esta modalidad es posible ampliar sustancialmente en dirección a un bajo contenido de nitrógeno el intervalo de operación de la columna T1/T2 doble con relación al contenido de nitrógeno en la fracción inicial . Por vía de la línea 13 es posible por consiguiente usar parcial o completamente el flujo parcial comprimido de la fracción rica en nitrógeno para el suministro de frío en el cambiador E2 de calor sin que sufra una influencia directa la rectificación en las columna TI y/o T2.
La modalidad del método de conformidad con la invención representada en la figura 4 se caracteriza porque un flujo parcial de la fracción líquida rica en nitrógeno extraída por vía de la línea 3 de la región de cabeza de la columna TI de separación previa que se deberá alimentar a la columna T2 de baja presión se alimenta por vía de la línea 14 al cambiador E2 de calor, se recalienta y opcionalmente se evapora parcialmente. Por vía de la línea 14' este flujo parcial se alimenta a continuación al cambiador El de calor y en este preferiblemente se evapora por completo antes de que este flujo parcial se extraiga del proceso como fracción (de producto) rica en nitrógeno adicional por vía de la línea 141 ' .
Esta configuración del método de conformidad con la invención es favorable en particular si por vía de la línea 141 1 se requiere a mayor presión una cantidad parcial de la fracción (de producto) rica en nitrógeno separada, por ejemplo para el suministro de gas inerte a la instalación o respectivamente al proceso.
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.

Claims (7)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :
1. Método para separar una fracción rica en nitrógeno de una fracción inicial que sustancialmente contiene nitrógeno e hidrocarburos, siendo que la fracción inicial se separa por rectificación en una fracción rica en nitrógeno y una fracción rica en metano y siendo que la fracción rica en metano se evapora y recalienta a una presión lo más alta posible contra la fracción inicial a ser refrigerada para la finalidad de producir frío, caracterizado porque la fracción rica en metano todavía líquida o parcialmente evaporada se alimenta a un recipiente de circulación, solamente la porción líquida de la fracción rica en metano acumulada en el recipiente de circulación se evapora al menos parcialmente, se alimenta nuevamente al recipiente de circulación y el producto de cabeza completamente evaporado del recipiente de circulación se recalienta.
2. Método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la evaporación de la porción líquida de la fracción rica en metano acumulada en el recipiente de circulación se lleva a cabo con circulación natural.
3. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la separación por rectificación de la fracción inicial se efectúa en una columna doble que consta de una columna de separación previa y una columna de baja presión, en la región superior de la columna de separación previa, preferiblemente debajo de la base más alta de la columna de separación previa se extrae una fracción rica en helio y se expande en la columna de baja presión, preferiblemente en la región de cabeza de la columna de baja presión.
4. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 3, caracterizado porque la separación por rectificación de la fracción inicial se efectúa en una columna doble que consta de una columna de separación previa y una columna de baja presión, al menos temporalmente un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno se comprime al menos a la presión de la columna de separación previa y/o de la columna de baja presión y se alimenta como corriente de reflujo a la columna de separación previa y/o a la columna de baja presión.
5. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, caracterizado porque la separación por rectificación de la fracción inicial se efectúa en una columna doble que consta de una columna de separación previa y una columna de baja presión, un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno extraída de la región de cabeza de la columna de separación previa que se debe alimentar a la columna de baja presión se evapora bajo presión.
6. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 5, caracterizado porque el contenido de metano de la fracción rica en nitrógeno obtenida mediante rectificación es inferior a 1% en volumen.
7. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 6, caracterizado porque el contenido de nitrógeno de la fracción rica en metano obtenida mediante rectificación es inferior a 5% en volumen.
MX2011004351A 2008-11-06 2009-11-03 Metodo para separar nitrogeno. MX2011004351A (es)

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