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CONFIGURACIONES Y METODOS PARA LA REMOCION DE GAS ACIDO
CAMPO DE LA INVENCIÓN El campo de la invención se relaciona con la remoción de gases ácidos de un gas de alimentación, y en particular se relaciona con la remoción de gas ácido de gas de alimentación con alto contenido de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La remoción de gas ácido de diferentes corrientes de gas, y en especial la remoción de dióxido de carbono de las corrientes de gas natural han llegado a ser un proceso cada vez más importante, ya que el contenido de gas ácido de diferentes fuentes de gas es relativamente alto, o aumenta con el tiempo. Por ejemplo, las diferentes fuentes de gas natural en Alaska, de América del Norte, Noruega, Sureste de Asia o en el Golfo de México contienen dióxido de carbono en el intervalo de aproximadamente 20% a aproximadamente 75%. Además, el gas ácido de diferentes campos de gas también contiene sulfuro de hidrógeno a concentraciones significativas que necesitan removerse, por lo regular para satisfacer las especificaciones de calidad en la tubería. Por ejemplo, en un proceso empleado comúnmente para la remoción de gas ácido, un solvente químico (por ejemplo, un REF . : 163366 2
solvente de amina) se usa para la remoción de gas ácido, el cual requiere por lo regular el procesamiento adicional del gas ácido aislado en una planta de azufre para convertir el sulfuro de hidrógeno del solvente regenerado en azufre como un subproducto. En general, la remoción del gas ácido y las combinaciones de la planta de azufre requieren de mucha energía y son costosas. Además, en el mercado de azufre decreciente de la actualidad, el azufre asi generado es sólo de poco valor comercial y en consecuencia se desecha, lo cual aumenta aún el costo para tales operaciones. De manera alternativa, pueden emplearse sistemas de membrana para separar físicamente el gas ácido de una corriente de alimentación gaseosa. Los sistemas de membrana a menudo se adaptan altamente para acomodar el tratamiento de diferentes volúmenes de gas y las especificaciones del gas de producto. Además, los sistemas de membrana son relativamente compactos y en general están libres de partes móviles, por lo tanto, hacen de tales sistemas una opción especialmente viable para el tratamiento de gas litoral. Sin embargo, todos o casi todos los separadores de membrana de etapa simple son relativamente no selectivos, y por lo tanto, producen una corriente de permeato de dióxido de carbono con un contenido de metano e hidrocarburo relativamente alto (que se ventea, incinera, o se usa como un gas combustible de bajo BTU) . En consecuencia, las pérdidas de metano e hidrocarburos 3
relativamente altas a menudo hacen indeseable y no económico el uso de éste proceso. Para reducir estas pérdidas, pueden usarse etapas múltiples de separadores de membrana con recompresión de inter-etapa. Sin embargo, estos sistemas a menudo requieren de energía intensiva y son costosos. En aún otro ejemplo, se emplea un solvente físico para la remoción de gas ácido de un gas de alimentación, que es particularmente ventajoso para el tratamiento de gas con una presión parcial de gas ácido alta ya que la capacidad de tratamiento potencial del solvente físico aumento con la presión parcial del gas ácido (ley de Henry) . Usando los solventes físicos, la absorción de un gas ácido particular depende predominantemente del solvente particular empleado, y es dependiente además de la presión y la temperatura del solvente. Por ejemplo, puede emplearse metanol como . un solvente físico orgánico de baja ebullición, como se ejemplifica en la patente Ü.S. No. 2,863,527 por Herbert et al. Sin embargo, es relativamente alto el requerimiento de enfriamiento del refrigerante para mantener el solvente a las temperaturas criogénicas, y el proceso a menudo exhibe una absorción de metano y etano mayor que la deseada, por lo que se necesita mayor entrada de energía para la recompresión y recuperación. Un proceso de solvente físico típico se ejemplifica en la Figura 1 del Arte previo, que es conceptualmente 4
relativamente simple y emplea el uso de un solvente pobre frío para ' remover el dióxido de carbono del gas de alimentación. El solvente se regenera por separaciones sucesivas a presiones inferiores y el solvente separado después se bombea al absorbedor, en donde el solvente se enfria usando refrigeración externa (ya sea en el circuito de solvente rico o el solvente pobre) . En la mayoría de los casos, se requiere un calentador de llama de vapor o combustible para la regeneración del solvente. En general, los procesos de solventes físicos son ventajosos para la remoción del gas ácido bruto (por ejemplo, el gas tratado tiene 1 a 2% de gas ácido restante) . Sin embargo, a menudo es difícil remover los gases amargos, y en particular el sulfuro de hidrógeno, a niveles que satisfagan la calidad del gas de tubería. Además, los procesos convencionales típicos requieren regeneración del solvente con calor o vapor, lo que tiende a ser de energía relativamente intensiva. Sin aplicación de calor para la regeneración del solvente, los procesos de regeneración por separación actualmente conocidos, no producirán un solvente suficientemente pobre para tratar el gas que satisfaga la especificación de la tubería para el sulfuro de hidrógeno. De esta manera, aunque se conocen diferentes configuraciones y métodos para remover los gases ácidos de un gas de alimentación, todos o casi todos estos sufren de una o 5
más desventajas. Entre otras cosas, los niveles de sulfuro de hidrógeno en los gases tratados a menudo son inaceptablemente altos para los estándares actuales, y sin procesamiento adicional, el gas tratado frecuentemente no puede satisfacer las especificaciones de la tubería. Además, los procesos conocidos tienden a requerir cantidades sustanciales de energía para reducir la concentración de gas ácido a los estándares de la tubería e incurren en pérdidas significativas de hidrocarburos. Por lo tanto, hay aún una necesidad para proporcionar métodos y configuraciones mejorados para la remoción de gas ácido.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con configuraciones y métodos para la remoción de gases ácidos de un gas de alimentación usando un solvente físico, en el que el solvente se regenera a un solvente ultra-pobre usando un gas de arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno para el separador por arrastre al vacío. Por lo tanto, en un aspecto particularmente preferido del asunto relacionado inventivo, una planta incluirá un separador por arrastre a vacío que se configura para producir un solvente físico ultra-pobre a partir de un solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre. Las plantas contempladas incluirá además un recipiente de separación a 6
alta presión y/o un recipiente de separación a presión media que proporcionan un gas de- arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno al separador por arrastre al vacio. Además, las plantas contempladas incluyen un absorbedor que opera con un gradiente isotérmico o con un gradiente térmico de disminución de domos a fondos, y que recibe un gas de alimentación que comprende por lo menos 10% en mol de dióxido de carbono y por lo menos 500 ppm de sulfuro de hidrógeno (por lo regular por lo menos parcialmente deshidratado, y/o a una presión de por lo menos 6,894.76 kPa (1000 psig) ) . Con respecto al contenido de sulfuro de hidrógeno de los solventes, en general se contempla que el solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre comprende por lo menos 100 ppm de sulfuro de hidrógeno y que el solvente físico ultra-pobre comprende menos de 100 ppm (y más típicamente menos de 10 ppm) de sulfuro de hidrógeno. El gas de arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno comprende por lo menos 95% en mol de dióxido de carbono. En los aspectos adicionales contemplados del asunto relacionado inventivo, la planta también puede incluir un separador en el que el gas ácido se separa de un solvente rico, produciendo de esta manera el solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre (en donde parte del gas ácido se comprime e inyecta en una formación) . Además, el separador por arrastre al vacío puede producir además un 7
segundo gas ácido que se combina con el gas ácido del separador . En consecuencia, un método para producir un solvente físico ultra-limpio puede incluir una etapa en la que un gas de arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno se separa de un solvente físico en por lo menos uno de un recipiente de separación a alta presión y un recipiente de separación a media presión. En otra etapa, el sulfuro de hidrógeno se separa de un solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre en un separador por arrastre al vacío para formar el solvente físico ultra-pobre. Con respecto a las diferentes configuraciones y otros parámetros operacionales , aplican las mismas consideraciones como las que se describieron anteriormente. Los diferentes objetivos, características, aspectos y ventajas de la presente invención llegarán a ser evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es un esquema del arte previo para la remoción de gas ácido usando un solvente físico. La Figura 2 es un ejemplo de un esquema de una configuración en una planta para la remoción de gas ácido de acuerdo con el asunto relacionado inventivo.
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los inventores han descubierto que los gases ácidos, y particularmente el dióxido de carbono, se remueve de un gas de alimentación que comprende dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno en la configuraciones y métodos en los que los gases separados del gas de alimentación se emplean para arrastrar el sulfuro de hidrógeno de un solvente físico que se emplea también para remover el dióxido de carbono. En las configuraciones particularmente preferidas, se contempla que un separador por arrastre opera bajo presión al vacío (por lo regular entre aproximadamente 6.8947 a 68.94 kPa (1 a 10 psia)), en donde el gas arrastrado se suministra del separador a alta presión y media presión en el proceso de regeneración de solvente. Se prefiere además que las condiciones en el separador a media y alta presión y las cantidades de los gases separados se seleccionen de preferencia de modo que los gases separados contengan principalmente hidrocarburos ligeros a algo de dióxido de carbono, pero estén sustancialmente libres (es decir, menos de 1000 ppm, por lo regular menos de 100 ppm y más típicamente menos de 10 ppmv de sulfuro de hidrógeno. De esta manera, debería reconocerse que el separador por arrastre al vacío puede producir un solvente pobre que se agota de sulfuro de hidrógeno (es decir, menos de 10 ppm) y apropiado para el tratamiento de gas amargo a un nivel de sulfuro de 9
hidrógeno bajo. Como se usa en la presente, el término ""gradiente isotérmico" en conjunto con un solvente físico en un absorbedor significa que la temperatura del solvente físico en una porción superior del absorbedor es sustancialmente idéntica (es decir, desviación absoluta de la temperatura no mayor de -12.22°C (10°F)) con la temperatura del solvente físico en una porción media e inferior del absorbedor. De manera similar, el término "gradiente térmico de disminución de domos a fondos" como se usa en la presente significa que la temperatura del solvente físico en una porción superior del absorbedor es mayor que la temperatura del solvente físico en una porción media y/o inferior del absorbedor. Como se usa además en la presente, y con respecto a una columna o absorbedor, los términos "superior" e "inferior" deberían entenderse como relativos entre sí. Por ejemplo, extracción o adición de una corriente de una porción "superior" de una columna o absorbedor significa que la extracción o adición es en una posición mayor (con relación al piso cuando la columna o absorbedor está en operación) que una corriente extraída de una región "inferior" de la misma columna o absorbedor. Desde otra perspectiva, el término "superior" puede referirse de esta manera a la mitad superior de una columna o absorbedor, mientras que el término "inferior" puede referirse a la mitad inferior de una columna 10
o absorbedor. De manera similar, cuando el término "a la mitad", se entiende que una porción ""media" de la columna o absorbedor es intermedia con respecto a una porción "superior" y una porción "inferior". Sin embargo, cuando "superior", "media", e "inferior" se usan para referirse a una columna o absorbedor, debería entenderse que tal columna se divide estrictamente en tres por estos términos. Como se usa además en la presente, el término "aproximadamente" cuando se usa en conjunto con los valores numéricos se refiere a una desviación absoluta menor que o igual a 10% del valor numérico, a menos que se establezca lo contrario. Por lo tanto, por ejemplo, el término "aproximadamente 10% en mol" incluye un intervalo de 9% en mol (inclusive) a 11% en mol (inclusive) . En una configuración preferida como se representa en la
Figura 2, un ejemplo de una planta comprende una unidad de deshidratación de gas 101 (típicamente TEG o unidad de tamizado molecular) que remueve el contenido de agua del gas de alimentación 1 a un punto de rocío de agua de aproximadamente -40°C (-40°F) formando la corriente 2 de gas seco. Se prefiere particularmente que la corriente 2 del gas de alimentación tratado se enfríe adicionalmente (por lo regular de -23.33°C a -1.11°C (-10°F a 30°F) en un intercambiador de calor 102 usando la corriente 11 de salida del absorbedor como un refrigerante para formar la corriente 11
5 del gas de alimentación tratada enfriada, que se separa en un separador 103 en la corriente 3 líquida y la corriente 7 de vapor. La corriente 3 contiene la mayoría de los componentes C5+ que pueden recuperarse adicionalmente como el producto NGL comercializado. La corriente 7, agotada de los componentes C5+ se mezcla con la corriente 8 de recirculación combinada para formar la corriente 9 que se enfría adicionalmente en el intercambiador de calor 104. En esta configuración, el intercambiador de calor 104 usa la refrigeración proporcionada por la corriente rica en atmosférica solvente despresurizada atmosférica y enfría además la corriente 9 de por lo regular -26.11 a -42.77°C (-15°F a -45°F) , por lo que se forma la corriente 10 enfriada. La corriente 10 así enfriada entra al absorbedor 105 a una porción inferior del absorbedor. Debería apreciarse particularmente que el enfriamiento de la corriente del gas de alimentación tratado a una temperatura relativamente baja (por ejemplo, aproximadamente -26.11°C a aproximadamente -42.77°C (-15°F a aproximadamente -45°F) ) mantendrá la temperatura del fondo del absorbedor a un nivel particularmente bajo (por ejemplo, aproximadamente -17.77°C a aproximadamente -40°C (aproximadamente 0°F a aproximadamente -40°F) ) , lo que aumenta de manera ventajosa la carga de gas ácido del solvente rico, y de esta manera reduce la circulación de solvente, metano y/o pérdidas de 12
hidrocarburos . Se prefiere además que un enfriador lateral 108 se emplee para controlar y/o mantener la temperatura de la sección inferior del absorbedor 105 a una temperatura de absorción predeterminada. En tales configuraciones, la corriente 13 de solvente semi-rico (generada por la absorción de gas ácido en una porción superior del absorbedor) se bombea mediante la bomba 106 del enfriador lateral (por medio de la corriente 14) y se enfría en el enfriador lateral 108 usando la corriente 21 de solvente rico evaporado de la turbina hidráulica 111 como refrigerante. La corriente 15 del solvente semi-pobre así enfriado, por lo regular de -23.33°C a -40°C (-10°F a -40°F) , se regresa a la sección inferior del absorbedor 105. Se prefiere especialmente que el refrigerante para el enfriador lateral 108 se proporcione por la corriente 20 del solvente rico evaporado (corriente de solvente rico despresurizado) mediante la turbina hidráulica 111. Sin embargo, debería reconocerse que el enfriamiento también puede proporcionarse por otros diferentes refrigerantes y los refrigerantes apropiados pueden ser internos (es decir, producidos dentro de la planta) o externos (por ejemplo, refrigeración con propano) . De esta manera, los enfriadores laterales apropiados pueden operarse de manera ventajosa para mantener una temperatura de absorción óptima para la absorción efectiva del gas ácido. En consecuencia, debería reconocerse que en 13
tales configuraciones la porción media del absorbedor se opera de preferencia a una temperatura menor que la porción superior del absorbedor, lo cual es particularmente deseable cuando el solvente se carga con gas ácido (el solvente exhibirá por lo regular menor viscosidad y menor tensión superficial) . Una vez que se alimenta en el absorbedor, el solvente semi-rico 15 después absorberá más dióxido de carbono del gas de alimentación, por lo que se forma el solvente rico 16 que sale del absorbedor por medio de la primera turbina hidráulica 107. La primera turbina hidráulica 107 reduce la presión de fondos del absorbedor a aproximadamente la mitad de la presión del gas de alimentación, enfriando de esta manera el solvente rico de aproximadamente -20.55 a -37.22°C (-5°F a -35°F) para formar una corriente 17 de solvente rico despresurizada. Debería reconocerse que en tales configuraciones la turbina hidráulica opera un dispositivo eficiente de energía porque genera enfriamiento por refrigeración por expansión y vaporización instantánea del contenido de gas ácido, mientras que proporciona trabajo del eje para formar trabajo (por ejemplo accionar la bomba de circulación del solvente) . El solvente rico 17, después del intercambio térmico con la corriente 41 de gas ácido, se expande de manera instantánea al separador 110, que produce una primera 14
corriente de vapor 19 de hidrocarburo expandido, que se divide en una corriente de recirculación 47 y una corriente de arrastre 48. La corriente 47 se comprime mediante el compresor de recirculación 124 y se recupera en el absorbedor 105, mientras que la corriente 48 se disminuye la presión y se alimenta al separador por arrastre 118 al vacio como la corriente 52. Con respecto a la relación de separación de las corrientes 47 y 48, en general se prefiere que la corriente 48 represente de aproximadamente 5% a aproximadamente 30% del flujo total de la corriente 19. La corriente 20 del solvente asi expandido se expande en la turbina hidráulica 111 a una presión reducida a la mitad, para formar una corriente 21 de solvente rico expandido (por lo regular de -28.88°C a -40°C (-20°F a -40°F) , que se usa para enfriar la corriente 14 de solvente semi-rico en el intercambiador de calor 108. El solvente rico calentado 22 del intercambiador de calor 108, por lo regular de -12.22°C a -23.33°C (10°F a -10°F), se separa en el separador 112, que produce una segunda corriente 23 de hidrocarburo expandido que se divide adicionalmente en una corriente de recirculación 49 y una corriente de arrastre 50. La corriente 49 se comprime mediante el compresor de recirculación 124 y se recupera en el absorbedor 105, mientras que la corriente 50 se reduce su presión y se alimenta a un separador por arrastre al vacio 118 como la corriente 51. Con respecto a la relación de división entre 15
las corrientes 49 y 50, se prefiere en general que la corriente 50 represente típicamente alrededor de 10% a aproximadamente 50% del flujo total de la corriente 23. La corriente 24 del líquido expandido del separador 112 se reduce adicionalmente su presión en una válvula de expansión JT 113 reducida típicamente a la mitad, enfriando de esta manera el solvente rico de -15°C a -26.11°C (5°F a -15°F) . El solvente 25 de esta manera expandido se separa en el separador 114 que produce un tercer vapor de hidrocarburo expandido (tercera corriente 26 de recirculación de hidrocarburo) que se recircula mediante el compresor de recirculación 124. La potencia generada de la primera y segunda turbinas hidráulicas 107 y 111 se usa de preferencia para proporcionar parte del requerimiento de potencia de la bomba de solvente pobre 119, la bomba de vacío 120 y/o para la generación de potencia. El líquido expandido 27 del separador 114 se reduce su presión en una válvula de expansión JT 115 por encima de la presión atmosférica, enfriando de esta manera el solvente rico de -28.88°C a -42.77°C (-20°F a -45°F) que después se usa para el enfriamiento del gas de alimentación en el intercambiador de calor 104. El solvente rico calentado 29 del intercambiador de calor 104, por lo regular de -17.77°C a -40°C (0°F a -40°F) , después se separa en el separador 116 a la presión atmosférica para producir una corriente 30 de gas 16
ácido expandido . El solvente expandido atmosférico 31 se expande por medio de la válvula JT 117 a la presión de vacio (por lo regular entre aproximadamente 6.8947 kPa a aproximadamente 68.94 kPa (1 psia y aproximadamente 10 psia) para formar la corriente 32, que se alimenta a un separador por arrastre a vacio 118 que produce una corriente 33 de gas ácido y una corriente de solvente pobre 34. El separador por arrastre a vacio incluye de preferencia una sección superior y una sección inferior que se suministran con el gas de arrastre 51 desde el tanque de expansión 112 y el gas de arrastre 52 se suministra desde el tanque de expansión 110, respectivamente. Debería reconocerse que el número de secciones de arrastre, fuentes de gas de arrastre y/o la cantidad de los gases de arrastre. Además, cuando el gas de alimentación tiene un contenido relativamente alto de sulfuro de hidrógeno, puede adicionarse una tercera sección de arrastre usando una porción de la corriente 26 de vapor expandido del separador 114. De manera alternativa, es factible una sola sección de arrastre con el gas de arrastre suministrado desde únicamente una de las corrientes expandidas si la concentración de sulfuro de hidrógeno del gas de alimentación es relativamente baja. El solvente ultra pobre así producido 34 se bombea mediante la bomba de solvente pobre 119 a la presión del absorbedor para la absorción del gas ácido por medio de la 17
corriente de solvente ultra pobre comprimido 35. El gas ácido 33 que contiene sulfuro de hidrógeno después puede comprimirse mediante la bomba de vacio 120 para formar la corriente 37 de gas ácido comprimido. Cuando la recuperación mejorada de combustible o la inyección de gas ácido es particularmente deseable, se prefiere que las configuraciones contempladas incluyan el intercambiador de calor 109 que se emplea para enfriar la corriente 41 de gas ácido usando la corriente 17 de solvente rico despresurizado de la turbina hidráulica 107. Además, el gas ácido expandido 33 se comprime en una bomba de vacio 120 a la presión atmosférica, se combina con la corriente 36 para formar la corriente 38 y se comprime adicionalmente en el compresor 121. La corriente de gas ácido comprimido 39 se enfria a su estado liquido (en la corriente 43) por los intercambiadores 122, 123 y 109. ün condensador de equilibrio opcional 124 con refrigeración externa (44) puede requerirse para el servicio de refrigeración suplementaria requerido para la condensación del gas ácido. El líquido 43 de gas ácido después se bombea mediante la bomba 125 a la corriente 46 para la re-inyección para la recuperación mejorada de combustible, por lo regular a 27,579.04 kPa (4000 psig) . De esta manera, debería reconocerse especialmente que el contenido de dióxido de carbono en el gas de alimentación proporcionará refrigeración para el servicio de enfriamiento 18
del solvente asi como licuefacción de la corriente de dióxido de carbono "mediante la expansión del solvente rico con las turbinas hidráulicas y las válvulas JT. Debería apreciarse además que si se requiere refrigeración adicional (por ejemplo, a presión de alimentación relativamente baja), el enfriamiento del solvente puede suministrarse por enfriamiento JT con el compresor 124 del gas de recirculación que comprime a una presión mayor, enfriarse en el intercambiador de calor 125 y reducirse la presión usando una válvula JT140 formando la corriente 8 enfriada, y alimentarse al absorbedor. Las configuraciones alternativas especialmente apropiadas de las plantas de procesamiento de gas que pueden modificarse para incluir las configuraciones contempladas de acuerdo con el asunto relacionado inventivo, se describen en la solicitud de patente internacional co-pendiente con el número de serie PCT/US02/29810, presentada el 17 de septiembre de 2002 y que se incorpora en la presente por referencia. Con respecto a los gases de alimentación apropiados, se contempla que son apropiados numerosos gases de alimentación naturales y sintéticos. Sin embargo, los gases de alimentación particularmente preferidos incluyen gas natural, y especialmente gas natural con un dióxido de carbono que es de por lo menos aproximadamente 5% en mol, más típicamente por lo menos 10% en mol y más típicamente por lo menos 10 a 19
75% en mol y con un contenido de sulfuro de hidrógeno que es de por lo menos 50 ppm, más típicamente por lo menos 500 ppm y más típicamente por lo menos 1%. Por lo tanto, las corrientes de alimentación especialmente apropiadas incluyen corrientes de alimentación de gas natural de los campos de petróleo y gas tales como Alaska, Noruega, Sudeste de Asia y Golfo de México. De manera similar, el contenido de gas ácido (y en especial el contenido de dióxido de carbono) de los gases de alimentación apropiados puede variar y dependerá predominantemente de la fuente del gas de alimentación. Se prefiere, en general, sin embargo, que el contenido de gas ácido sea de por lo menos aproximadamente 5% en mol, más típicamente por lo menos aproximadamente 10% en mol y más típicamente por lo menos 20 a 75% en mol. Una composición de gas de alimentación típica se proporciona en la siguiente Tabla 1: Tabla 1
COMPONENTE % EN MOL N2 0.88 Dióxido de carbono 19.14 Sulfuro de hidrógeno 0.01 Ci 72.69 c2 5.29 c3 1.40 20
Además, deberla reconocerse que la presión de los gases de alimentación contemplados puede variar considerablemente, y las presiones apropiadas oscilarán entre la presión atmosférica y varios cientos de psig. Sin embargo, se prefiere particularmente que el gas de alimentación tenga una presión de por lo menos 2,757.90 kPa (400 psig), más típicamente por lo menos 6,894.76 kPa (1000 psig), aún más típicamente por lo menos 20,684.28 kPa (3000 psig) y más típicamente por lo menos 34,473.80 kPa (5000 psig). Además, mientras que en general se contempla que por lo menos una porción de la presión del gas de alimentación es debido a la presión del gas contenido en el pozo, también debería reconocerse que, cuando sea apropiado, la presión también puede elevarse usando uno o más compresores. En los aspectos adicionales del asunto relacionado inventivo, los gases de alimentación contemplados se secan de preferencia y se enfrían antes de entrar al absorbedor, y se 21
prefiere especialmente que el enfriamiento del gas de alimentación se efectúe por lo menos en parte por el - gas de producto (es decir, la corriente de salida del absorbedor) en uno o más intercambiadores de calor. Con respecto al grado de enfriamiento, se contempla en general que el gas de alimentación pueda enfriarse a varias temperaturas. La corriente del gas de alimentación enfriado después puede alimentarse en un separador, en el que por lo menos una porción de los componentes C5+ contenidos en el gas de alimentación se remueve de la corriente de alimentación enfriada . para formar un gas de alimentación deshidratado agotado parcialmente en C5+. El gas de alimentación deshidratado parcialmente asi formado después puede tratarse adicionalmente para remover los hidrocarburos superiores (por ejemplo, C5+) y después deshidratarse adicionalmente en una unidad de deshidratación (todas las unidades de deshidratación de gases son apropiadas para el uso) . Por ejemplo, la deshidratación adicional puede realizarse usando glicol o tamices moleculares. La deshidratación de la alimentación es particularmente ventajosa porque el proceso de absorción puede correrse a una temperatura significativamente menor sin problemas de congelación. Además, el gas de producto y el dióxido de carbono se producen en un estado muy seco que elimina cualquier deshidratación corriente abajo de los gases de 22
producto y minimizan la condensación de hidrocarburos. Por lo tanto, debería reconocerse particularmente que los absorbedores apropiados operarán a una presión relativamente alta, y las presiones altas contempladas especialmente son de por lo menos 3,447.38 kPa (500 psi) , típicamente por lo menos 6,894.76 kPa (1000 psi), aún más típicamente por lo menos 20, 684.28 kPa (3000 psi) y más típicamente por lo menos 34,473.80 kPa (5000 psi). En consecuencia, debería reconocerse que los absorbedores contemplados pueden operar en una región supercrítica de fase gas. El término operan en una región supercrítica de fase gas" como se usa en la presente, se refiere a la operación del absorbedor bajo condiciones en las que por lo menos una porción del gas de alimentación, sino es que todo el gas de alimentación, estará en un estado supercrítico . Además, operando el proceso de absorción en la región supercrítica de la fase gas, la condensación de hidrocarburos por lo regular se evita, lo que presenta actualmente un problema significativo en los procesos conocidos hasta ahora. En los aspectos contemplados adicionalmente, el tipo de absorbedor no necesita limitarse a una configuración particular, y las configuraciones conocidas del absorbedor se consideran apropiadas para el uso en la presente. Además, los dispositivos de contacto particularmente preferidos incluyen una configuración de lecho empacado o platos.
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Con respecto al solvente empleado en los absorbedores contemplados, deberla reconocerse que son apropiados todos los solventes físicos y mezclas de los mismos. Hay numerosos solventes físicos conocidos en el arte, y ejemplos de los solventes físicos preferidos incluyen carbonato de propileno, fosfato de tributilo, metil pirrolidona normal, éter dimetílico o polietilen glicol y/o varios dialquil éteres de polietilen glicol. De manera alternativa, otros solventes incluyendo la amina terciaria mejorada (por ejemplo, piperazina) u otro solvente o una mezcla de solventes, pueden emplearse teniendo un comportamiento similar que el solvente físico . En consecuencia, el absorbedor proporcionará un gas de producto que está agotado de gases ácidos, y particularmente agotado de dióxido de carbono. Además, debería reconocerse que dado que el absorbedor recibe un gas de alimentación enfriado y deshidratado, el gas de producto conformará por lo regular todas o casi todas las especificaciones y requerimientos de los gases de venta para el transporte a través de tubería a alta presión. Debería reconocerse especialmente que el solvente rico formado en el absorbedor puede salir del fondo del absorbedor a una presión relativamente alta (por ejemplo por lo menos 3,447.38 kPa (500 psi) , más típicamente entre 6,894.76 y 20,684.28 kPa (1000 y 3000 psi)), y de esta manera pueden usarse para 24
proporcionar trabajo (por ejemplo, para la generación de energía eléctrica) y/o enfriamiento de varias corrientes en el proceso de separación. En las configuraciones especialmente preferidas, al solvente rico se le reduce la presión usando una primera turbina hidráulica para generar energía mecánica o eléctrica y el solvente rico despresurizado después se separa en un separador en una primera corriente de recirculación que contiene hidrocarburo y un primer solvente rico, que se emplea subsecuentemente (opcionalmente) como un refrigerante para refrigerar una corriente de dióxido de carbono para la aplicación de recuperación mejorada de combustible (en donde el dióxido de carbono se produce de un gas de alimentación) . La primera corriente de recirculación que contiene hidrocarburo se recircula de preferencia al absorbedor, mientras que el primer solvente rico se despresuriza adicionalmente usando una segunda turbina hidráulica para generar más energía mecánica o eléctrica. La corriente de solvente rico de esta manera despresurizada adicionalmente después se emplea como un refrigerante en un intercambiador de calor (de preferencia enfriador lateral del absorbedor) que enfría el solvente semi-rico en el absorbedor para mantener una temperatura deseable en el absorbedor. Después de pasar a través del intercambiador de calor, la corriente de solvente ¦ rico despresurizada adicionalmente después se 25
separa en un segundo separador en un segundo solvente rico y una segunda corriente de recirculación que contiene hidrocarburo que se recircula al absorbedor. Del segundo separador, la corriente de solvente rico se despresuriza adicionalmente mediante una válvula JT y después se separa en un tercer separador en un tercer solvente rico y una tercera corriente de recirculación que contiene hidrocarburo que se recircula al absorbedor. El tercer solvente rico despresurizado después se despresuriza a presión atmosférica, lo que genera refrigeración que se usa para enfriar el gas de alimentación, manteniendo el absorbedor a una temperatura de fondos baja deseada. Con la refrigeración proporcionada principalmente mediante despresurización del solvente rico, no se requiere refrigeración en la mayoría de los casos (particularmente en la operación a presión de alimentación alta) , pero puede suplementarse de manera interna mediante enfriamiento JT creado del enfriador del gas de recirculación y la válvula JT, o mediante una fuente externa usando un intercambiador con un refrigerante. Además, la secuencia del intercambiador de calor particular puede variar dependiendo del gas de alimentación, la circulación del solvente y los requerimientos de servicio de licuefacción del dióxido de carbono. Por ejemplo, el primer solvente rico despresurizado puede usarse para enfriar el gas de alimentación en lugar de 26
la corriente de dióxido de carbono, y el segundo solvente rico despresurizado puede usarse para la condensación de la corriente de dióxido de carbono en lugar del enfriador lateral, y el tercer enfriador de solvente rico despresurizado puede usarse para el enfriador lateral en lugar del absorbedor. En consecuencia, en las configuraciones preferidas, un solvente pobre se forma a temperaturas superiores con propiedades físicas térmicas deseables que mejoran el desempeño hidrodinámico del proceso de absorción, y un solvente rico a la temperatura más baja posible que maximiza la capacidad de captación del dióxido de carbono del solvente. Por lo tanto, los procesos contemplados resultarán en la circulación de solvente menor, menores pérdidas de metano e hidrocarburos y menor consumo de energía que el solvente actualmente conocido basado en los procesos de remoción de gas ácido. La evaporación instantánea del solvente rico puede realizarse en diferentes configuraciones, y en general se contempla que todas las configuraciones conocidas son apropiadas para el uso en la presente. Sin embargo, se prefiere por lo regular que el solvente rico (después de proporcionar trabajo y/o enfriamiento) se reduzca su presión a una presión suficiente para liberar por lo menos 70% (más típicamente por lo menos 90%) y más típicamente por lo menos 95%) del dióxido de carbono disuelto. El dióxido de carbono 27
asi producido después se separa en un separador (que opera por lo regular a la presión atmosférica y sub-atmosférica) del solvente pobre. Debería apreciarse especialmente que la corriente de dióxido de carbono así generada tiene un contenido de dióxido de carbono de aproximadamente 90%, y más típicamente de por lo menos 95%. De esta manera, la corriente de dióxido de carbono así formada se especialmente apropiada para emplearse en el proceso para la recuperación mejorada de combustible. En los aspectos contemplados adicionales del asunto relacionado inventivo, al solvente pobre del separador se le reduce adicionalmente la presión por medio de la válvula JT y se alimenta a un separador a vacío. Los separadores a vacío preferidos operan a una presión entre aproximadamente 6.894 kPa y 68.94 kPa (1 a 10 psia) lo que puede generarse mediante una bomba de vacío de sello líquido. El dióxido de carbono residual (por lo regular con una pureza de por lo menos 95%) del solvente pobre se remueve en el separador a vacío y también puede emplearse en la recuperación mejorada de combustible o la inyección de gas ácido. El solvente físico después se regenera en un separador a alto vacío con gas de arrastre suministrado de los tanques de expansión (flash) y se recircula al absorbedor por medio de una bomba de solvente pobre. En las configuraciones particularmente preferidas, el separador a vacío puede usar un gas pobre (por ejemplo, una 28
porción del gas de producto) ya que un gas de arrastre produce un' solvente - ultra pobre. Sin embargo, en las configuraciones alternativas, varios gases, incluyendo el gas de producto, también son apropiados, así como los gases de otras corrientes dentro de la planta e incluso nitrógeno o aire. Debería apreciarse además que el uso de un separador por arrastre a vacío en estas configuraciones produce un solvente muy pobre, capaz de producir un gas tratado con una concentración de dióxido de carbono típicamente menor de 1000 ppmv y una concentración de sulfuro de hidrógeno menor de 4 ppm. Por lo tanto, el término, "solvente ultra-pobre" como se usa en la presente se refiere a un solvente que contiene no más de 10 ppm de sulfuro de hidrógeno, y más típicamente no más de 4 ppm de sulfuro de hidrógeno. De esta manera, las configuraciones contempladas proporcionarán un gas de calidad de tubería a alta presión y una corriente líquida de dióxido de carbono, que puede usarse para la recuperación mejorada de combustible, en donde se genera refrigeración de la despresurización sucesiva de los solventes ricos. En las configuraciones especialmente preferidas, las plantas de remoción de gas ácido contempladas, pueden operar sin refrigeración externa, y a una presión superior, estas configuraciones producirán refrigeración que puede usarse para condensar el dióxido de carbono para el uso adicional en la recuperación mejorada de 29
combustible. Además de proporcionar el refrigerante para remover el calor de absorción del absorbedor, la despresurización sucesiva regresará los vapores expandidos que contienen metano y los hidrocarburos al absorbedor, que se recuperan sustancialmente completamente durante el proceso de recirculación. Además, el gas de producto del absorbedor y el solvente despresurizado a presión atmosférica se emplean para enfriar el gas de alimentación al absorbedor para mantener los fondos del absorbedor en un intervalo de temperatura bajo deseado. Por lo tanto, se contempla que la configuración de intercambio de calor produce un perfil de temperatura del absorbedor muy cercano al isotérmico o con un perfil de temperatura disminuido, resultando en propiedades físicas favorables que mejoran el desempeño hidrodinámico de la columna y la eficiencia de absorción. En las configuraciones particularmente preferidas y cuando el gas de alimentación comprende gas natural, debería apreciarse que el gas de producto comprende por lo menos 90%, más típicamente por lo menos 95% y más típicamente por lo menos 99% del gas natural presente en el gas de alimentación. Mientras que no desea ser vinculado por ninguna teoría o hipótesis, se contempla que la recuperación del gas natural relativamente alta en el gas de producto se logra proporcionando por lo menos uno, y más, de preferencia tres corrientes de recirculación que contienen hidrocarburos 30
nuevamente hacia el absorbedor, y/u operando el absorbedor bajo un gradiente isotérmico o térmico que disminuye de domos a fondos. Los compresores apropiados del gas de recirculación son compresores que son capaces de comprimir la primera y segunda corrientes del gas de recirculación que contiene hidrocarburos a una presión igual, o cerca de la presión del gas de alimentación enfriado y deshidratado. De manera similar, se contempla que la bomba de solvente pobre proporcionará una presión de solvente apropiada para la introducción del solvente pobre en el absorbedor. En consecuencia, se contempla que las configuraciones de acuerdo con el asunto relacionado inventivo reducirán significativamente el consumo global de energxa y el costo de capital comparado con los procesos de remoción de dióxido de carbono convencionales a una presión parcial de dióxido de carbono alta usando amina u otros solventes físicos o membranas. Además, las configuraciones y procesos contemplados en general no requerirán una fuente de calor o refrigeración externa, por lo que se reduce adicionalmente el consumo de energía. Además, los proyectos para la recuperación mejorada de combustible encontrarán a menudo un aumento en la concentración de dióxido de carbono en el gas de alimentación, por lo regular de 10% hasta tanto como 60%. Las configuraciones y procesos contemplados pueden adecuar estos cambios esencialmente con la misma circulación de 31
solvente . Una ventaja adicional de las configuraciones contempladas es que el proceso, es en general, un proceso no corrosivo debido a la operación a baja temperatura y a la ausencia de agua en el solvente físico. Por el contrario, las unidades de amina convencionales para la remoción de dióxido de carbono en general son más complejos de operar y mantener porque estos procesos tienden a ser corrosivos, y a menudo, requieren inyecciones de antiespumante y anti-corrosión durante la operación. Además, otra ventaja de los procesos de solventes físicos contemplados es que, a diferencia de los procesos de aminas, la velocidad de circulación del solvente es menos sensible a incrementos en la presión parcial del dióxido de carbono porque la carga de dióxido de carbono en el solvente rico aumenta exclusivamente con el aumento de la concentración de dióxido de carbono en el gas de alimentación. En un diseño de unidad de amina, la velocidad de circulación de la amina necesitaría aumentarse linealmente con el aumento del contenido de dióxido de carbono. Otra ventaja adicional de los procesos de solventes físicos contemplados es su simplicidad y resistencia al congelado, comparado con los procesos de tratamiento de aminas conocidos que requieren de esta manera, menos sitios exteriores de soporte y sistemas de utilidad, tales como los hervidores de vapor. Por ejemplo, las configuraciones 32
contempladas que operan un gas de alimentación con dióxido de carbono elevado, no pueden requerir servicio de enfriamiento porque la evaporación instantánea del dióxido de carbono del solvente rico proporcionará el enfriamiento y la regeneración necesarios. Los inventores contemplan además que la operación de una planta con regeneración al vacio auxiliada con un gas de arrastre se puede alcanzar un contenido de dióxido de carbono residual y sulfuro de hidrógeno a un nivel muy bajo.
En consecuencia, las plantas contempladas incluirán un separador por arrastre a vacio que recibe un solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno y en el que el gas de arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno se proporciona en por lo menos uno de los recipientes de expansión a alta presión y un recipiente de expansión a presión media. El término "solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre" como se usa en la presente, se refiere a un solvente físico del cual, por lo menos una porción del gas ácido (por lo regular dióxido de carbono) contenido en el solvente físico se ha removido en un proceso de expansión, y que contiene por lo menos 100 ppm de sulfuro de hidrógeno, y más típicamente por lo menos 200 ppm de sulfuro de hidrógeno. Como se muestra además en la presente, el término "gas de arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno" se refiere a un gas de arrastre que contiene menos de 1000 ppm, y más típicamente menos de 10 ppm de 33
sulfuro de hidrógeno. Debería reconocerse además que cuando las configuraciones de la planta emplean únicamente un recipiente de expansión, el recipiente de expansión puede operar como un recipiente de expansión a alta presión o un recipiente de expansión a media presión. En ' las configuraciones especialmente preferidas, el solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre comprende por lo menos 100 ppm de sulfuro de hidrógeno, y el separador por arrastre al vacío produce del solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre un solvente ultra-pobre que comprende menos de 100 ppm de sulfuro de hidrógeno, y más preferentemente un solvente ultra-pobre que comprende menos de 10 ppm de sulfuro de hidrógeno. Mientras que todos los solventes físicos (y los solventes no físicos que siguen la ley de Henry) se contemplan, en general, apropiados para el uso en la presente, en especial, los solventes físicos preferidos incluyen FLUOR SOLVENT® (carbonato de propileno) , NMP (metil pirrolidona normal) , SELEXOL™ (dimetil éter de polietilen glicol) y TBP (fosfato de tributilo) . Con respecto al gas de arrastre, se contempla en general que el recipiente de expansión a alta presión y/o un recipiente de expansión a media presión, se operan a una temperatura y/o presión que producirá una porción de vapor en el recipiente que está sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno (es decir, contiene menos de 1000 ppm, y más 34
típicamente menos de 10 ppm de sulfuro de hidrógeno) . De esta manera, en la mayoría de las configuraciones, el gas de arrastre sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno comprende por lo menos 95% en mol de dióxido de carbono. Debería apreciarse además que los gases ácidos aislados pueden re-inyectarse de manera ventajosa en la formación para el secuestro y/o la recuperación mejorada de combustible. Por lo tanto, las plantas apropiadas pueden comprender un separador en el que el gas ácido se separa de un solvente rico, por lo que se produce el solvente físico que contiene sulfuro de hidrógeno pobre, y en donde parte del ácido se comprime e inyecta en una formación, y en donde el separador por arrastre al vacío produce además un segundo ácido que se combina con el gas ácido del separador. De esta manera, se han descrito las modalidades y aplicaciones específicas para las configuraciones y métodos para la remoción mejorada de gas ácido. Deberá ser evidente, sin embargo, para los experimentados en el arte que muchas más modificaciones, además de las ya descritas, son posibles sin apartarse de los conceptos inventivos en la presente. Por lo tanto, no se restringirá el asunto relacionado inventivo excepto en el espíritu de las reivindicaciones anexas. Además, para interpretar la especificación y las reivindicaciones, todos los términos deberían interpretarse de la manera más amplia posible consistente con el contexto.
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En particular, los términos "comprende" y "que comprende" deberían interpretarse como refiriéndose a los elementos, • componentes o etapas de una manera no exclusiva, lo que indica que los elementos, componentes o etapas a los que se .hace referencia, pueden estar presentes, o usarse, o combinarse con otros elementos, componentes o etapas que no se hacen referencia de manera expresa. 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.