MX2011004358A - 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, y la fracción rica en nitrógeno se comprime al menos temporalmente y/o al menos parcialmente y se alimenta a la rectificación como corriente de reflujo. De conformidad con la invención, después de haber tenido lugar la condensación (E1) se expande (f) al menos temporalmente al menos una corriente (16) parcial de la fracción (9') rica en nitrógeno comprimida (c) y para la finalidad de refrigerar se evapora (E1) al menos parcialmente, de preferencia por completo.

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, y la fracción rica en nitrógeno se comprime al menos temporalmente y/o al menos parcialmente y se alimenta a la rectificación como corriente de reflujo.
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.
Por vía de la línea 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 a un cambiador El de calor y en este se enfría y condensa parcialmente contra corrientes de Ref.:218925 proceso sobre las que a continuación se hará referencia con mayor detalle. Por vía de la línea 1' la fracción inicial parcialmente condensada se alimenta a una columna TI de separación previa.
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 21 y la válvula a de expansión a la columna T2 de baja presión en la región inferior.
Por vía de la línea 3 se aspira de la región superior de la columna TI de separación previa una fracción líquida rica en nitrógeno. 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' 1 y la válvula b de expansión de la columna T2 de baja presión a la fracción rica en metano precedentemente descrita.
Por vía de la línea 4 se aspira en la cabeza de la columna T2 de baja presión una fracción de gas rica en nitrógeno. El contenido de metano de esta típicamente es inferior a 1% en volumen. En los cambiadores E2 y El de calor se calienta y recalienta a continuación una fracción rica en nitrógeno antes de aspirarla por vía de la línea 4' ' y o bien emitirla a la atmósfera u opcionalmente alimentarla a otro uso .
Por vía de la línea 5 se aspira del sumidero de la columna T2 de baja presión 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 51 1.
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 llamadas Unidades de Rechazo de Nitrógeno NRUs (Nitrogen Rejection Unit según se conoce por sus siglas en inglés) . Una separación de nitrógeno de mezclas de nitrógeno/hidrocarburo se efectúa siempre que un contenido de nitrógeno incrementado impide el uso pretendido 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.
En el caso de que ahora la concentración de nitrógeno de la fracción inicial caiga por debajo de un valor umbral - este es de entre 20 y 30% en volumen en función del objeto - ya no es posible una suficiente depuración fina (< 1% en volumen de metano) de la fracción de gas rica en nitrógeno extraída de la columna T2 de baja presión por vía de la línea 4 en virtud de que la generación de reflujo para las columna TI y T2 está sujeta a límites termodinámicos . En particular en los procesos en que el contenido de nitrógeno en la fracción inicial aumenta con el tiempo - por ejemplo en el caso de la explotación de crudo en que la presión se mantiene mediante nitrógeno (EOR = Enhanced Oil Recovery según se conoce en inglés) (= Recuperación de Crudo Realzada) , en que el gas que acompaña al crudo se torna cada vez más rico en nitrógeno con el paso de los años se recurre por este motivo como medio de reflujo a una parte de la fracción (de producto) rica en nitrógeno a ser extraída del proceso por vía de la línea 41 1.
Para este propósito un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno que se alimenta por vía 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, en consecuencia a una presión de entre 20 y 50 bar. El flujo parcial comprimido de la fracción rica en nitrógeno se conduce por vía de las líneas 9' y 9' 1 a través de los cambiadores El y E2 de calor y en estos se refrigera y se condensa parcial o completamente.
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. Alternativamente es posible que el flujo parcial comprimido se adicione por vía de la línea 13 al menos en parte directamente a la fracción (de producto) rica en nitrógeno. 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.
El compresor C hasta ahora se usa exclusivamente para mantener la pureza de la fracción de gas rica en nitrógeno que se extrae de la columna T2 de baja presión por vía de la línea 4 en el caso de un contenido variable de nitrógeno en la fracción inicial. Un bajo contenido de nitrógeno en la fracción inicial requiere una potencia de compresión más alta que un contenido de nitrógeno medio. Sin embargo, a partir de un determinado valor umbral de nitrógeno en la fracción inicial ya no es necesaria la operación del compresor C. Una problemática típica consiste en procesar una fracción inicial con un contenido de nitrógeno que se incrementa con el tiempo. Esto provoca que el compresor C debe aportar su potencia completa al principio. Con el incremento del contenido de nitrógeno en la fracción inicial es posible reducir progresivamente la potencia del compresor. A partir de una determinada concentración de nitrógeno en la fracción inicial el compresor no tiene función.
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 permite utilizar plenamente el compresor independientemente de la concentración de nitrógeno en la fracción inicial, para amortizar los considerables costos de inversión que van aunados al compresor.
Para solucionar 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 al menos temporalmente al menos un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno comprimida se expande después de que tuvo lugar la condensación y para los fines de producir frío se evapora al menos parcialmente, preferiblemente por completo .
La fracción rica en hidrógeno se comprime favorablemente a una presión de entre 20 y 80 bar y tras haber tenido lugar la condensación se expande a una presión de entre 1 y 20 bar.
De conformidad con una configuración favorable del método de conformidad con la invención, tras el enfriamiento se expande al menos temporalmente al menos un flujo parcial de la fracción rica en hidrógeno comprimida proporcionando frío y con el fin de producir frío se evapora al menos parcialmente, de preferencia por completo.
De conformidad con la invención ahora ya no se recurre al compresor C previamente descrito exclusivamente para la finalidad de uso descrita - generar una o varias corrientes de reflujo - sino que además de esto se usa para producir frío.
La capacidad refrigerante generada de conformidad con la invención se usa favorablemente para poder entregar como productos licuados las fracciones que se obtienen mediante rectificación.
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 fracción rica en metano todavía no completamente 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 y se vuelve a alimentar al recipiente de circulación, y el producto de cabeza completamente evaporado del recipiente de circulación se recalienta, el contenido de metano de la fracción rica en nitrógeno que se obtiene mediante rectificación es inferior a 1% en volumen, - el contenido de nitrógeno de la fracción rica en metano que se obtiene mediante rectificación es inferior a 5% en volumen, y 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 .
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 el ejemplo de realización ilustrado en la figura 2.
En la descripción y explicación del ejemplo de realización ilustrado en la figura 2 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 representada en la figura 1, en la modalidad representada en la figura 2 ahora se extrae al menos temporalmente por vía de la línea 16 un flujo parcial de la fracción 91 1 rica en nitrógeno comprimida que se condensó en el cambiador El de calor, se expande en la válvula f y por vía de la línea 17 se alimenta a la fracción rica en nitrógeno en la línea 4'. En común con esta el flujo parcial expandido se evapora al menos parcialmente, preferiblemente por completo en el cambiador El de calor con el fin de producir frío. Después de que la fracción rica en nitrógeno se comprimió en el compresor C preferiblemente a una presión de entre 20 y 80 bar tiene lugar en la válvula f preferiblemente una expansión a una presión de entre 1 y 20 bar .
Por vía de la línea 15 es posible además extraer al menos temporalmente un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno comprimida después de que tuvo lugar la refrigeración en el cambiador El de calor, y expandirla con rendimiento de refrigeración en la turbina X de expansión. El flujo parcial expandido se alimenta a continuación por vía de la línea 15' igualmente a la fracción rica en nitrógeno de la línea 41 y se calienta en el cambiador El de calor con el fin de producir frío. Mediante esta configuración se incrementa la potencia de refrigeración adicional.
De conformidad con otra modalidad favorable del método de conformidad con la invención es posible que el flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno comprimida extraído del cambiador El de calor por vía de la línea 15 se expanda a una presión más alta en la turbina X de expansión y se caliente en un paso separado del cambiador El de calor y a continuación se alimente a una etapa intermedia del compresor C. Mediante esto se mejora adicionalmente la eficiencia de la producción de frío.
Mediante la modalidad de conformidad con la invención se logra que al menos un flujo parcial de la fracción rica en metano que se extrae por vía de la línea 5 del sumidero de columna T2 de baja presión se puede entregar líquido por vía de la línea 20 y la válvula h. De manera alternativa o complementaria es posible entregar en forma líquida un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno por vía de la línea 18 y la válvula g.
Alternativa o complementariamente a una extracción de una fracción líquida rica en metano por vía de la línea 20 también es posible que la fracción rica en metano extraída del sumidero de la columna T2 de baja presión por vía de la línea 5 se sobre-enfríe primero en el cambiador E2 de calor y se emita por vía de la línea 21 y la válvula i.
Lo mismo es aplicable para la fracción líquida rica en nitrógeno emitida por vía de la línea 18 que igualmente primero se sobre-enfría en el cambiador E2 de calor y se emite por vía de la línea 22 y la válvula k.
Ahora el compresor C se puede utilizar plenamente de manera óptima en todo momento, independientemente de la concentración de nitrógeno en la fracción inicial. En particular en el caso del aumento temporal progresivo del contenido de nitrógeno en la fracción inicial la inversión en el compresor no resulta inútil al paso del tiempo sino que satisface la tarea adicional económicamente útil de la producción integrada de LNG y/o LIN.
En el caso de un bajo contenido de nitrógeno en la fracción inicial, la posible producción de LNG y/o LIN es menor que con un alto contenido de nitrógeno. Por este motivo la capacidad de compresión instalada se selecciona de acuerdo a un cuadro de productos optimizado por la vida útil de la instalación .
A diferencia de la modalidad ilustrada en la figura 1, en la modalidad ilustrada en la figura 2 la fracción rica en metano todavía 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. 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 por el hecho de que el trayecto se divide 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 = Recuperación de Crudo Realzada según se conoce en inglés) , en la que el gas que acompaña el crudo se vuelve siempre más rico en nitrógeno a lo largo del paso de los años .
De conformidad con una configuración favorable adicional del método de conformidad con la invención, en la región superior de la columna TI de separación previa, preferiblemente por encima de la base superior 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.
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, 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, y la fracción rica en nitrógeno se comprime al menos temporalmente y/o al menos parcialmente y se alimenta a la rectificación como corriente de reflujo, caracterizado porque al menos temporalmente al menos un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno comprimida se expande después de que tuvo lugar la condensación y se evapora al menos parcialmente, de preferencia por completo para el fin de producir frío.
2. Método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fracción rica en nitrógeno se comprime a una presión de entre 20 y 80 bar y después de que tuvo lugar la condensación se expande a una presión de entre 1 y 5 bar.
3. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque al menos temporalmente al menos un flujo parcial de la fracción rica en nitrógeno comprimida se expande con producción de frío después de que tuvo lugar el enfriamiento, preferiblemente se expande a una presión de entre 10 y 20 bar y opcionalmente se evapora y calienta con la finalidad de producir frío.
4. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 3, caracterizado porque la fracción rica en metano todavía no completamente evaporada se alimenta a un recipiente de circulación, sólo la porción líquida de la fracción rica en metano acumulada en el recipiente de circulación se evapora parcialmente y se alimenta nuevamente al recipiente de circulación, y el producto de cabeza completamente evaporado del recipiente de circulación se recalienta.
5. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, caracterizado porque el contenido de metano de la fracción rica en nitrógeno que se obtiene mediante rectificación es inferior a 1% en volumen.
6. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 5, caracterizado porque el contenido de nitrógeno de la fracción rica en metano que se obtiene mediante rectificación es inferior a 5% en volumen.
7. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 6, 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 se extrae una fracción rica en helio y en la columna de baja presión se expande, preferiblemente en la región de cabeza de la columna de baja presión.
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