PROCESO PARA RETIRAR CONTAMINANTES DEL GAS MEDIANTE EL USO DE GLICOLES DE POLIETILENO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un proceso para retirar contaminantes de gas, tales como sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, de mezclas de gas que incluyen estos contaminantes. Más particularmente, la invención proporciona un proceso que utiliza un solvente que comprende éteres de dialquilo de glicoles de polietileno y agua para retirar contaminantes de gas provenientes de las corrientes de gas producto, tales como corrientes de gas natural, de síntesis o de otro producto. Se conoce en la materia al uso de solventes que comprenden mezclas de éteres de dialquilo de glicoles de polialqueno para retirar contaminantes de gas de los gases producto valiosos. Estos contaminantes se retiran al contactar el gas producto contaminado con solvente fresco en un absorbedor u otro equipo especializado, operado bajo condiciones de presión elevada y/o baja temperatura, las cuales son favorables parar la absorción. Una vez que se retiran los contaminantes, el gas descontaminado se encuentra listo para venderse o parar un acondicionamiento corriente abajo adicional, dependiendo de las especificaciones de la corriente de producto. El solvente se regenera para volverse a utilizar al separar los contaminantes absorbidos bajo condiciones de presión baja y/o temperatura elevada, favorables para la desorbción. Los depósitos separadores y/o columnas depuradoras se utilizan típicamente para efectuar esta separación. El uso de éteres de dialquilo de glicoles de polietileno para retirar contaminantes de gas comúnmente da como resultado la coabsorción de gas de producto valioso, por ejemplo, metano. Los gases co-absorbidos generalmente surgen del solvente durante la regeneración y generalmente tienen poco o nulo valor debido a la elevada concentración de indeseables contaminantes. La pérdida de gas co-absorbido, valioso, se reduce típicamente mediante la adición de un ciclo de reciclaje a presión elevada hacia el diseño del sistema. El ciclo de reciclaje a presión elevada permite la parcial refrigeración del solvente rico y los gases liberados en el ciclo de reciclaje, una mezcla de gas de producto valioso y contaminantes de gas indeseables, se vuelven a comprimir, se enfrían y reciclan nuevamente hacia el absorbedor donde se recupera el gas de producto liberado. Como es bien entendido en la materia, el término (presión elevada) se utiliza para caracterizar el ciclo debido a que el depósito separador incluido dentro del ciclo ópera a una presión por debajo de la presión del absorbedor pero por encima de la presión a la cual se regenera finalmente el solvente. Aunque un ciclo de reciclaje a presión elevada incrementa los ingresos por gas de producto, los gastos de capital y de operación para ios sistemas que incluyen un ciclo de reciclaje también se incrementan. El depósito separador a presión elevada, el equipo de compresión y los termopermutadoes requeridos para el ciclo de reciclaje tienen todos costos asociados. Además, el flujo de gas incrementado, a través del absorbedor con frecuencia incrementa el requisito de circulación del absorbedor, lo cual necesita de mayores bombas a presión elevada, termopermutadores, tubería y otros componentes a través de todo el sistema. La optimización económica entre la recuperación de gas de producto incrementada y los costos de capital y de operación incrementados comúnmente se intenta mediante el ajuste de la presión del depósito separador de reciclaje. Las presiones elevadas del depósito separador dan como resultado volúmenes de gas de reciclaje bajos, recuperación de gas de producto baja y costos adicionales bajos. Las presiones bajas del depósito separador dan como resultado volúmenes elevados de gas de reciclaje, elevada recuperación de gas de producto y altos costos adicionales. Sin embargo, el adecuado equilibrio de estos parámetros ha demostrado ser bastante difícil y el ajuste de la presión del depósito separador generalmente no ha proporcionado un medio eficaz en el desplazamiento de los gastos de operación y de capital incrementados, asociados con sistemas que incluyen un ciclo de reciclaje a presión elevada y la necesidad de maximizar la recuperación de gas de producto.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un proceso para retirar contaminantes de gas de un gas de producto mediante el uso de un solvente que comprende éteres de dialquilo de glicol de polietileno y agua. El proceso incluye un ciclo de reciclaje a presión elevada para reducir la pérdida de gas de producto co-absorbido. Sin embargo, debido a que el solvente también comprende suficiente agua, los costos de capital y de operación típicamente asociados con un ciclo de reciclaje a presión
-É-t-W-^ÜíaiÉl elevada se reducen significativamente. El proceso es particularmente útil para retirar contaminantes de gas tales como sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono de gases de producto tales como gas natural y gas de síntesis. Sin embargo, debe entenderse que la invención no se limita de ninguna manera en este aspecto y que el proceso puede utilizarse para retirar los compuestos de azufre diversos, sulfuro de carbonilo y otros contaminantes de gas provenientes de una variedad de gases de producto comercialmente valiosos. De acuerdo con invención, un gas de producto que contiene contaminantes de gas se contacta con el solvente en al menos una etapa de absorción. Una cantidad específica de los contaminantes de gas se retira del gas producto mediante el solvente y el gas de producto descontaminado se descarga desde la etapa de absorción. El solvente, el cual contiene contaminantes de gas disueltos y gas de producto coabsorbido, se regenera entonces parcialmente en un ciclo de reciclaje a presión elevada, donde una porción de los contaminantes disueltos y el gas de producto co-absorbido se libera desde el solvente como un gas de reciclaje. El gas de reciclaje vuelve comprimirse, se enfría y después se regresa a la etapa de absorción. La regeneración del solvente se completa mediante el retiro de una porción residual de los contaminantes de gas ácido disueltos y el gas de producto co-absorbido restante en el solvente. El gas de producto co-absorbido y los contaminantes de gas retirados del solvente en esta etapa de regeneración se liberan como un gas de descarga. El solvente completamente regenerado se regresa entonces a la
*- '••*- *• etapa de absorción. El solvente está provisto con una cantidad suficiente de agua para incrementar la recuperación del gas de producto co-absorbido, mientras al mismo tiempo proporciona un requisito reducido de velocidad de circulación para el solvente y requisitos reducidos de re-compresión y enfriamiento para el gas de reciclaje. De acuerdo con lo anterior, el uso del solvente proporciona una reducción . en los costos de capital y de operación típicamente asociados con procesos que utilizan un ciclo de reciclaje a presión elevada, más significativamente los costos asociados con los requisitos de re-compresión y enfriamiento para el gas de reciclaje, mientras proporciona simultáneamente una recuperación incrementada del gas de producto. En la modalidad preferida de la invención, el solvente comprende una mezcla de éteres de dimetilo de glicoles de polietileno y suficiente agua para proporcionar al solvente desde aproximadamente 2% en peso hasta aproximadamente 10% en peso de agua sobre una base libre de gas. Más preferentemente, el solvente incluye desde aproximadamente 5% en peso hasta aproximadamente 8% en peso de agua sobre una base libre de gas.
BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO La figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema que ópera de acuerdo con el proceso ideado por la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENSIÓN La figura 1 ilustra un sistema para retirar contaminantes de gas de un gas de producto que ópera de acuerdo con el proceso ideado por la invención. De acuerdo con lo anterior, la invención se describirá en conexión con una descripción del sistema ilustrado en la figura 1. Como se muestra en la figura 1 , el sistema, generalmente designado 10, comprende un absorbedor 12 y un ciclo de reciclaje, generalmente designado 14, el cual incluye un depósito separador a presión elevada 16, un compresor de reciclaje 18 y un enfriador de reciclaje 20. El sistema incluye además un depósito separador de baja presión 22, una bomba de circulación 24 y una unidad de destilación 26. Un gas de producto que contiene contaminantes de gas, por ejemplo, gas natural contaminado con sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, entra al fondo del absorbedor 12 a través de la tubería 30 y se conduce hacia el contacto íntimo con un solvente líquido regenerado que entra cerca de la parte superior del absorbedor a través de la tubería 32. El absorbedor es una torre absorbedora convencional de un tipo muy conocido por aquellos expertos en la materia y el solvente regenerado que contacta el gas de producto en el absorbedor comprende una mezcla de éteres de dialquilo de glicoies de polietileno y agua. Varios de tales solventes son muy conocidos por aquellos expertos en la materia. Generalmente, estos solventes comprenden uno o más éteres de dialquilo de glicoles de polietileno que son normalmente líquidos y permanecen así bajo las condiciones, bajo las cuales se procesa el gas de producto contaminado. Típicamente, el solvente comprende una mezcla de éteres de dimetilo o de dietilo de glicoles de polietileno con una mezcla de éteres de dimetilo de glicoles de polietileno que tienen la siguiente fórmula general preferentemente: 5 en donde x se encuentra entre 3 y 9. El solvente más preferido para utilizarse en la invención comprende una mezcla de tales éteres de dimetilo de glicoles de polietileno disponibles en Union Carbide Corporation, Danbury, CT y vendidos bajo la marca comercial registrada "SELEXOL". 10 Una cantidad específica de los contaminantes de gas contenidos en el gas de producto se retira mediante el solvente en el absorbedor 12 y al gas de producto descontaminado, es decir, el gas de producto que tiene la cantidad específica de contaminantes retirados, se descarga desde la parte superior del absorbedor a través de la tubería 34.
Típicamente, substancialmente todos los contaminantes de gas se retiran del gas de producto en el absorbedor 12; sin embargo, como es bien sabido por aquellos expertos en la materia, éste no siempre es el caso y la cantidad de contaminantes retirados depende del uso particular al cual se destine la corriente de gas de producto descontaminada. 20 El solvente rico, el cual contiene ahora contaminantes disueltos y gas de producto co-absorbido, surge desde la parte inferior del absorbedor 12 y pasa a través de la tubería 36 hacia el ciclo de reciclaje 14 donde se regenera parcialmente el solvente. El solvente rico pasa directamente hacia el depósito separador a presión elevada 16, donde una
porción de los contaminantes de gas disueltos y el gas de producto co-
aaa mi lüaiát . -...-- . ..........
absorbido se desorben del solvente y surge del depósito separador 16 como un gas de reciclaje. El gas de reciclaje pasa a través de la tubería 38 hacia el compresor de reciclaje 18, el cual incluye una o más unidades compresoras donde vuelve a comprimirse el gas de reciclaje. El gas se mueve entonces a través de la tubería 40 hacia el enfriador de reciclaje 20, el cual incluye uno o más termopermutadores donde el gas de reciclaje se enfría antes de ser regresado hacia el absorbedor 12 a través de la tubería 42. Como se anotó arriba, el ciclo 14 se designa como un" ciclo de reciclaje a presión elevada" debido a que el depósito separador 16 ópera a una presión por debajo de la presión de operación del absorbedor pero por encima de la presión de regeneración en el depósito separador 22. El solvente, que contiene ahora sólo una porción residual de contaminantes de gas disueltos y gas de producto co-absorbido, surge del depósito separador a presión elevada y pasa a través de la tubería 44 hacia el depósito separador de baja presión 22. La mayor parte de los contaminantes disueltos restantes y el gas de producto co-absorbido se desorben del solvente en el depósito separador 22 y se liberan del depósito separador a través de la tubería 45 como un gas descarga. Debe entenderse que la regeneración del solvente no se limita al uso del depósito separador de baja presión ilustrado. La regeneración del solvente puede ocurrir en una o más etapas mediante el uso de una pluralidad de depósitos separadores y/o unidades depuradoras u otro equipo adecuado, en una manera que es bastante conocida que en la materia. El solvente completamente regenerado surge del depósito
._^___ _-_d_^_- separador de baja presión 22 y se mueve a través de la tubería 46 hacia la bomba de reciclaje 24. La bomba de reciclaje suministra el solvente regenerado a la unidad de destilación 26 para mantener el contenido de agua del solvente a un nivel específico. Como aquellos expertos en la 5 materia lo reconocerán, las corrientes de gas de producto ocasionalmente incluyen cantidades indeseables de agua. De acuerdo con lo anterior, para mantener el contenido de agua del solvente a una concentración específica, cualquier agua adicional absorbida por él solvente del gas de producto puede retirarse en la unidad de destilación 26. Una vez que el
solvente regenerado abandona la unidad de destilación, pasa a través de la tubería 32 de regreso hacia el absorbedor 12. Aquellos expertos en la materia reconocerán que es necesario mantener el balance térmico dentro del sistema mostrado en la figura 1. Por ejemplo, puede requerirse un termopermutador entre la bomba 24 y la
unidad de destilación 26 para ajustar la temperatura del solvente antes de regresar el solvente al absorbedor 12. Típicamente, el solvente que entra al absorbedor se encuentra a una temperatura de desde aproximadamente 10° F hasta aproximadamente 120° F y preferentemente desde aproximadamente 10° F hasta aproximadamente 40° F. De acuerdo con
anterior, la capacidad de intercambio térmico puede agregarse según se requiera para asegurar que el solvente se encuentre a una temperatura adecuada antes de regresarse al absorbedor y/o mantener de otra manera el balance térmico dentro del sistema. Como se anotó arriba, se agrega suficiente agua al solvente
para obtener simultáneamente una recuperación de gas de producto
?U mtmiÉ ?ím??? át?? •-'-----É.u.
incrementada y gastos de capital y de operación disminuidos. Más específicamente, el ajuste de la concentración de agua del solvente permite que el depósito separador a presión elevada 16 se opere a una presión que incrementa la recuperación de gas de producto, mientras al mismo tiempo reduce el requisito de re-compresión en el compresor de reciclaje 18 y, de acuerdo con anterior, reduce el requisito de enfriamiento en el enfriador de reciclaje 20. Además, el requisito total de circulación para el solvente también se reduce. Todos estos resultados son inesperados, particularmente la reducción en el requisito de circulación de solvente, ya que el incremento de la concentración de agua en el solvente debe disminuir la solubilidad de dióxido de carbono en el solvente y por consiguiente incrementa el requisito de circulación de solvente. Las ventajas proporcionadas por la invención se describirán de manera más completa por los siguientes ejemplos. EJEMPLO I Aproximadamente 500 MMSCDF (pies cúbicos estándar por millón/día) de gas natural que contiene 45% en mol de dióxido de carbono, 50% en mol de metano, 1 % en mol de agua y 4% en mol de C2 + hidrocarburos a 1210 psia entran en una torre absorbedora donde el gas se contacta con un solvente regenerado que comprende una mezcla de éteres de dimetilo de glicoles de polietileno y aproximadamente 4.8% en peso de agua sobre una base libre de gas. El solvente particular que se utiliza en este Ejemplo es solvente "SELEXOL" que incluye aproximadamente 4.8% en peso de agua sobre una base libre de gas. El absorbedor es una torre convencional que proporciona aproximadamente
U?a-U-^MÍ-iáa.
seis etapas de equilibrio de contacto de gas-líquido. El gas natural contaminado entra cerca de la parte inferior de la torre y el solvente regenerado entra cerca de la parte superior y el gas y el solvente se conducen hacia un contacto de contracorriente dentro del absorbedor. Bajo estas condiciones, se requieren aproximadamente 13,800 gpm de circulación de solvente para reducir el contenido de dióxido de carbono del gas natural desde 45% en mol hasta menos de 3% en mol. Después del contacto con el gas natural contaminado, el solvente rico que contiene contaminantes disueltos y el metano co-absorbido surgen de la parte inferior del absorbedor y pasan directamente hacia un ciclo de reciclaje a presión elevada. El solvente rico entra a un depósito separador a presión elevada que se ópera a 304 psia. Bajo estas condiciones, los componentes más volátiles, principalmente dióxido de carbono y metano, se desorben del solvente y surgen del depósito separador como un gas reciclaje. El gas de reciclaje descargado desde el depósito separador a presión elevada se pasa hacia un compresor de reciclaje que incluye uno más compresores requieren de aproximadamente 17,000 HP. La velocidad total del flujo de gas desde el depósito separador hasta el compresor de reciclaje (tubería 38 en la figura 1 ) es aproximadamente 36% la velocidad del flujo del gas natural contaminado que entra ai absorbedor (tubería 30 en la figura 1). El gas re-comprimido se enfría entonces en un enfriador de reciclaje que comprende uno o más termopermutadores capaces de proporcionar una carga de enfriamiento de apróximamente 56 MMBTU/hora (BTU por millón/hora). El gas de reciclaje re-comprimido y enfriado se regresa entonces al absorbedor. De acuerdo
uto. .
con lo anterior, el solvente se regenera parcialmente en el deposito separador a presión elevada y el metano co-absorbido valioso se recupera en el ciclo de reciclaje. El solvente parcialmente regenerado pasa hacia un depósito separador de baja presión operado a aproximadamente 18 psia, donde los contaminantes disueltos y el metano co-absorbido restantes se desorben del solvente y se liberan desde el depósito separador de baja presión como un gas de descarga. El solvente ahora completamente regenerado se bombea nuevamente hacia la torre de absorción para su contacto con el gas natural contaminado. El procesamiento de gas natural contaminado de la manera arriba descrita con solvente de "SELEXOL" que comprende aproximadamente 4.8% en peso de agua sobre una base libre de gas, limita las pérdidas totales de metano hasta aproximadamente 1.7% en mol del gas natural de entrada. EJEMPLO II Aproximadamente 500 MMSCFD de gas natural que contiene
45% en mol de dióxido de carbono, 50% en mol de metano, 1 % en mol de agua y 4% en mol de C2 + hidrocarburos a 1210 psia, se procesa de la misma manera establecida en el Ejemplo 1 con las diferencias siguientes en los parámetros del proceso: El solvente comprende solvente "SELEXOL" y aproximadamente 7.8% en peso de agua sobre una base libre de gas; La velocidad de flujo de gas total del depósito separador a presión elevada hacia el compresor de reciclaje es de aproximadamente 25% la velocidad de flujo del gas natural contaminado entrante; El requisito de re-compresión en el compresor de reciclaje es de 10,000 HP; El requisito de enfriamiento en el enfriador de reciclaje es de 35 MMBTU/hora; El requisito de circulación de solvente desde 12,500 gpm; y La pérdida total de metanol se limita a aproximadamente 1.3% en mol del gas natural de entrada. EJEMPLO lll (técnica anterior): Aproximadamente 500 MMSCFD de gas natural que contiene
45% en mol de dióxido de carbono, 50% en mol de metano, 1% en mol de agua y 4% en mol de C2 + hidrocarburos a 1210 psia se procesan de la misma manera establecida arriba en el Ejemplo I, con las siguientes diferencias en los parámetros del proceso: El solvente comprende solvente "SELEXOL" y aproximadamente 0.9% en peso de agua sobre una base libre de gas. Esta es una concentración típica de agua de solvente utilizada en los sistemas de la técnica anterior, la cual incluye un ciclo de reciclaje a presión elevada; La velocidad total de flujo de gas del depósito separador a presión elevada hacia el compresor de reciclaje es de aproximadamente 53% la velocidad de flujo del gas natural contaminado entrante; El requisito de re-compresión en el compresor de reciclaje es de 23,000 HP; El requisito de enfriamiento en el enfriador de reciclaje es de
aitmam^m igtí^ 75 MMBTU/ hora; El requisito de circulación de solvente desde. 16,000 gpm; y La pérdida total de metano se limita a aproximadamente 3% en mol del gas natural de entrada. 5 Las ventajas proporcionadas por la presente invención en comparación con la técnica anterior se resume la continuación en la Tabla
Como se ilustra por los ejemplos arriba establecidos y según se resume en la Tabla 1 , la pérdida de metano se limita a aproximadamente 3% en mol en un proceso de purificación de gas de la
técnica anterior que emplea un solvente que comprende aproximadamente 1% en peso de agua y un depósito separador a presión elevada que ópera a 304 psia. Sin embargo, se requerirán aproximadamente 23,000 HP para re-comprimir el gas de reciclaje de 304 psia hasta la presión del absorbedor. Además, ya que el equipo de compresión generalmente
incrementa la temperatura de un gas se requerirán termopermutadores
i*.~ !* -*lí*S¡í. ,-¿ fi ^. j. .. . .
capaces de proporcionar una carga de enfriamiento de aproximadamente 75 MMBTU/hr. Finalmente, debido al volumen incrementado de gas procesado por el equipo de absorción, la circulación de solvente requerida será de 16,000 gpm. De acuerdo con lo anterior, el ingreso incrementado asociado con la pérdida reducida de metano proporcionada por el ciclo de reciclaje se desplaza, en parte o de manera total, por los costos incrementados de capital y de operación asociados con el equipo de ciclo de reciclaje. El incremento del contenido de agua del solvente ideado por el proceso de la presente invención no solamente incrementará la recuperación de gas de producto, sino también reducirá significativamente el costo de capital y de operación asociado con tal sistema. Como lo demuestran los Ejemplos y según se resume en la Tabla I, si el contenido de agua del solvente regenerado se incrementa desde aproximadamente 1 % en peso hasta aproximadamente 5% en peso (base libre de gas) y si el depósito separador a presión elevada permanece a 304 psia, el requisito de re-compresión se reducirá desde 23,000 HP hasta 17,000 HP y el requisito de carga de enfriamiento de gas de reciclaje disminuirá desde 75 MMBTU/hr hasta 56 MMBTU/hr. Además, el requisito de circulación total se reducirá desde 16,000 gpm hasta 13,800 gpm y la pérdida de metano disminuirá desde 3% en mol hasta 1.7% en mol. Si la concentración de agua de solvente se incrementa hasta aproximadamente 8% en peso (base libre de gas) y si el depósito separador a presión elevada permanece a 304 psia, el requisito de re-compresión se reducirá aún más hasta 10,000 HP y el requisito de carga de enfriamiento del gas de reciclaje
-'" -"""ÜÉh ii lil i m i disminuirá desde 75MMBTU/hr hasta 35 MMBTU/hr. El requisito total de circulación se reducirá desde 16,000 gpm hasta 12,500 gpm y la pérdida de metano disminuirá desde 3% en mol hasta 1.3% en mol. De acuerdo con anterior, la presente invención permite a aquellos expertos en la materia lograr una óptima económica entre la recuperación de gas de producto incrementada proporcionada por un ciclo de reciclaje a presión elevada y los mayores costos de capital y de operación asociados con el uso de tal sistema. Al utilizar el proceso ideado por la invención y proporcionar al solvente una cantidad adecuada de agua, pueden lograrse simultáneamente la recuperación de gas de producto incrementada así como también requisitos reducidos de recompresión, enfriamiento de reciclaje y circulación de solvente. Los datos presentados en la Tabla I representan solamente una de las opciones proporcionadas por la invención para lograr un equilibrio óptimo entre la recuperación incrementada de gas de producto y los costos reducidos de capital y de operación. Aquellos expertos en la materia reconocerán que la invención puede utilizarse en una variedad de maneras distintas para lograr un balance adecuado entre la recuperación incrementada de gas de producto y los costos reducidos, según se requiera para cada aplicación de descontaminación de gas en particular. Por ejemplo, una reducción incluso más pronunciada en la compresión de reciclaje y los costos de enfriamiento puede lograrse si puede tolerarse un incremento en la pérdida de gas de producto. Lo inverso también es cierto ya que las pérdidas de gas de producto pueden reducirse por debajo de los valores reportados en la Tabla I si se encuentra aceptable un incremento en la compresión de reciclaje y los costos de enfriamiento. De acuerdo con anterior, debe entenderse que la presente invención no se limita de manera alguna a los ejemplos expuestos en particular, en donde la concentración de agua del solvente se incrementa mientras la presión del depósito separador a presión elevada se mantiene constante y que la invención proporciona una variedad de otras opciones para ajustar los parámetros del proceso a fin de lograr una recuperación incrementada de gas de producto y costos reducidos.