BR112020004294A2 - processo e unidade para recuperação de líquidos de gás natural - Google Patents

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Abstract

  Um processo e uma unidade para recuperação de líquidos de gás natural (LGN) incluem um trocador de calor principal, um separador a frio de gás/líquido, uma coluna de separação ou de destilação, e um trocador de calor de gás de topo. Um gás residual pressurizado gerado de uma corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação é expandido e usado como um meio de resfriamento no trocador de calor de gás de topo e no trocador de calor principal. O gás residual expandido, usado como um meio de resfriamento, é então comprimido até uma pressão para ser combinado com a corrente de topo da coluna de separação ou de destilação.

Description

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PROCESSO E UNIDADE PARA RECUPERAÇÃO DE LÍQUIDOS DE GÁS NATURAL
[001] Este requerente reivindica o benefício sob 35 U.S.C. 119(e) de pedido provisório US número de série 62/544,633, depositado em 6 de setembro de 2017. Antecedentes da invenção
[002] O gás natural é um produto primário (“commodity”) importante em todo o mundo, tanto como uma fonte de energia quanto como uma fonte de matérias-primas. O consumo de gás natural em todo o mundo é projetado para aumentar de 124 trilhões de pés cúbicos em 2015 para 177 trilhões de pés cúbicos em 2040 [“U.S Energy Information Administration, International Energy Outlook 2017 (IEO2017)”].
[003] O gás natural é importante não apenas como uma fonte de energia mas também como uma fonte de matéria-prima para a fabricação de produtos petroquímicos. Em geral, o gás natural é recuperado de poços de produção de óleo e gás em terra (“onshore”) e no mar (“offshore”). O principal componente do gás natural é tipicamente metano. Mas, o gás natural também contém quantidades de outros hidrocarbonetos como etano, propano, butanos, pentanos e componentes mais pesados. Além dos componentes hidrocarbonetos, o gás natural pode também conter pequenas quantidades de água, hidrogênio, nitrogênio, hélio, argônio, sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono, e/ou mercaptanas. Por exemplo, um gás natural típico pode conter cerca de 70 a 90% em volume de metano, cerca de 5 a 10% em volume de etano, e o restante sendo propano, butanos, pentanos, hidrocarbonetos mais pesados e quantidades-traço de vários outros gases (por exemplo, nitrogênio, dióxido de carbono, e sulfeto de hidrogênio).
[004] Embora o gás natural seja tipicamente transportado em dutos de transmissão de alta pressão, o gás natural é também comumente transportado na forma liquefeita. Neste caso, o gás natural é primeiro
2 / 31 criogenicamente liquefeito e então o gás liquefeito é transportado através de transportadores de carga (por exemplo, caminhões, trens, navios). Entretanto, a liquefação de gás natural pode ser problemática porque alguns componentes como os hidrocarbonetos mais pesados podem formar sólidos em temperaturas criogênicas causando problemas na operação do equipamento.
[005] No processamento de gás natural, a corrente de alimentação é tipicamente tratada para remover impurezas como dióxido de carbono e compostos de enxofre. Mas, além disso, o gás natural pode ser tratado para reduzir o teor de hidrocarbonetos mais pesados para assim evitar a solidificação e a obstrução do equipamento de troca térmica criogênica. Adicionalmente, o teor de hidrocarbonetos mais leves, como C2, C3, e C4, pode também ser reduzido durante o processamento de gás natural com o propósito de satisfazer os requisitos comerciais para o gás natural. Além disso, estes hidrocarbonetos mais leves são matérias-primas valiosas. Os hidrocarbonetos de C2 é uma matéria-prima importante para a fabricação de produtos petroquímicos, os hidrocarbonetos de C3 e C4 podem ser vendidos como combustíveis de GLP (gás liquefeito de petróleo), e hidrocarbonetos de C5+ podem ser usados para mistura com gasolina. A recuperação de líquidos de gás natural (LGN) se refere ao processo de remover e coletar estes produtos hidrocarbonetos mais leves e mais pesados do gás natural.
[006] Vários processos conhecidos para a liquefação de gás natural e a recuperação de hidrocarbonetos de C2+ (recuperação de LGN) envolvem expansão criogênica que usa um turbo-expansor. No processo de gás Sub- resfriado (GSP, “gas subcooled process”) desenvolvido no final dos anos 1970, a corrente de alimentação de gás natural, após ser resfriada em um trocador de calor principal, é separada em um separador de gás/líquido em uma fração gasosa e uma fração líquida. A fração líquida é expandida e enviada para a coluna desmetanizadora (ou desetanizadora). A fração gasosa é dividida em duas correntes. A primeira corrente é expandida em um turbo-
3 / 31 expansor e alimentada à coluna desmetanizadora (ou desetanizadora). A segunda corrente é adicionalmente resfriada por troca de calor com a corrente gasosa de topo da coluna desmetanizadora (ou desetanizadora) e, então, introduzida na coluna desmetanizadora (ou desetanizadora) como uma corrente de refluxo. O produto de LGN é removido do fundo da coluna desmetanizadora (ou desetanizadora) e o gás de topo da coluna desmetanizadora (ou desetanizadora) é removido como uma corrente de produto de gás residual contendo predominantemente metano. Consulte, por exemplo, Campbell et al. (US 4.157.904).
[007] Uma modificação do processo GSP é o processo de reciclagem de vapor (RSV, “recycle split vapor process”). No processo RSV, uma outra corrente de refluxo para a coluna desmetanizadora (ou desetanizadora) é gerada a partir da corrente de produto de gás residual. Após ser resfriada por troca de calor com uma porção da fração gasosa do separador de gás/líquido e por troca de calor com a corrente de alimentação de gás natural, a corrente de produto de gás residual é comprimida. Uma porção do gás residual comprimido é resfriada por troca de calor com a corrente gasosa de topo da coluna desmetanizadora (ou desetanizadora), expandida e introduzida na coluna desmetanizadora (ou desetanizadora) como um refluxo. Consulte, por exemplo, Campbell et al. (US 5.568.737).
[008] Outros processos para a recuperação de líquidos de gás natural são conhecidos. Por exemplo, Buck (patente US n° 4.617.039) descreve um processo no qual uma corrente de alimentação de gás natural é resfriada, parcialmente condensada, e então separada em um separador de alta pressão. A corrente de líquido proveniente do separador é aquecida e alimentada para dentro do fundo de uma coluna de destilação (desetanizadora). A corrente de vapor proveniente do separador é expandida e introduzida em um separador/absorvedor. O líquido de fundo do separador/absorvedor é usado como a alimentação de líquido para a coluna desetanizadora. A corrente de
4 / 31 topo da coluna desetanizadora é resfriada e parcialmente condensada por troca de calor com a corrente de vapor removida do topo do separador/absorvedor. A corrente de topo parcialmente condensada da coluna desetanizadora é, então, introduzida na região superior do separador/absorvedor. A corrente de vapor removida do topo do separador/absorvedor pode ser adicionalmente aquecida por troca de calor e comprimida para fornecer um gás residual que, após compressão adicional, pode ser reintroduzido em um duto de gás natural.
[009] Em tais processos para a recuperação de LGN (por exemplo, recuperação de etano, etileno, propano, propileno e componentes mais pesados), com frequência há uma necessidade de um sistema de refrigeração externo, como uma unidade de refrigeração de propano, para alcançar temperaturas adequadas para a separação criogênica. Em um tal processo, o(s) trocador(es) de calor principal(ais) está(ão) tipicamente em comunicação fluida com o sistema de refrigeração externo.
[0010] Há uma necessidade de processos de recuperação de LGN mais eficientes, particularmente de processos que não dependem de um sistema de refrigeração externo e que podem fornecer um reduzido consumo de energia. Sumário da invenção
[0011] A presente invenção fornece uma integração térmica intensificada dentro de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural (LGN) para reduzir a necessidade de um sistema de refrigeração externo e, dessa forma, reduzir o número de peças de equipamento necessárias para operar a unidade.
[0012] Em uma instalação de turbo-expansor típica, um gás natural de alimentação seco e tratado (por exemplo, tratado em uma unidade de depuração por amina para remoção de CO2 e/ou de compostos de enxofre, uma unidade de peneira molecular ou uma unidade de glicol para desidratação, e/ou um leito de guarda absorvente de mercúrio para remoção
5 / 31 de mercúrio) é resfriado em um ou mais trocadores de calor por troca de calor indireta com uma ou mais correntes frias de processo, frequentemente aumentadas com refrigeração externa como um ciclo de refrigeração de propano. Tal unidade de recuperação de LGN típica é ilustrada na Figura 1.
[0013] A corrente de alimentação de gás natural é resfriada contra correntes de processo em um ou mais trocadores de calor principais que são tipicamente formados de um ou mais trocadores de calor de alumínio brasado. A alimentação pode também ser resfriada por um refrigerante (por exemplo, que flui em um ciclo de refrigeração de circuito fechado como um ciclo de refrigeração de propano de circuito fechado) em um ou mais trocadores de calor de casco e tubos (resfriadores). Alternativamente, o refrigerante pode passar através de uma ou mais passagens do(s) trocador(es) de calor principal(ais) de alumínio brasado. Por este resfriamento, a corrente de alimentação é parcialmente condensada e a corrente de alimentação parcialmente condensada é então enviada para uma separação de gás-líquido inicial em um vaso separador a frio. A partir do separador a frio, as frações gasosa e líquida são enviadas para uma coluna de separação ou de destilação para recuperação de líquidos de gás natural (LGN) e uma produção de corrente de produto de gás residual contendo predominantemente metano.
[0014] Na unidade e no método de acordo com a invenção, um sistema refrigerante externo como um ciclo de refrigeração de propano de circuito fechado não é necessário (e, de preferência, não é usado) para resfriar a corrente de alimentação de gás natural. Ao invés disso, uma porção da corrente de gás residual produzida pela unidade é expandida e, então, usada como um meio de resfriamento no trocador ou trocadores de calor principais e também usada como um meio de resfriamento em um trocador de calor para resfriar a corrente ou correntes de refluxo usadas na coluna de separação ou de destilação.
[0015] Portanto, uma modalidade do processo de acordo com a
6 / 31 invenção para recuperação de LGN compreende: introduzir uma corrente de alimentação de gás natural em um trocador(es) de calor principal(ais) no(s) qual(ais) a corrente de alimentação é resfriada e parcialmente condensada, introduzir a corrente de alimentação parcialmente condensada em um separador a frio de gás/líquido, no qual a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, introduzir a fração líquida em um sistema de coluna de separação ou de destilação, separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, resfriar a primeira porção da fração gasosa em um trocador de calor de topo por troca de calor indireta com uma corrente gasosa de topo removida do topo do sistema de coluna de separação ou de destilação, e introduzir a primeira porção resfriada e parcialmente condensada da fração gasosa no sistema de coluna de separação ou de destilação, expandir a segunda porção da fração gasosa e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação, remover uma corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ (LGN) do fundo do sistema de coluna de separação ou de destilação, remover a corrente gasosa de topo do topo do sistema de coluna de separação ou de destilação, a qual corrente gasosa de topo é enriquecida com metano, usar a corrente gasosa de topo como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no trocador ou trocadores de calor principais, comprimir a corrente gasosa de topo em uma unidade de compressão de gás residual para obter uma corrente de gás residual pressurizado, expandir uma porção da corrente de gás residual pressurizado
7 / 31 e usar o gás residual expandido como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no(s) trocador(es) de calor principal(ais), e comprimir o gás residual expandido usado como um meio de resfriamento para formar uma corrente de gás residual comprimido e então combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
[0016] De acordo com um aspecto da modalidade do processo acima, o sistema de coluna de separação ou de destilação contém uma coluna que atua como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora. De acordo com um outro aspecto da modalidade acima, o sistema de coluna de separação ou de destilação contém duas colunas que atuam juntas como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora.
[0017] Uma outra modalidade do processo de acordo com a invenção para recuperação de LGN compreende: introduzir uma corrente de alimentação de gás natural em um trocador(es) de calor principal(ais) no(s) qual(ais) a corrente de alimentação é resfriada e parcialmente condensada, introduzir a corrente de alimentação parcialmente condensada em um separador a frio de gás/líquido, no qual a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, introduzir a fração líquida em uma coluna de separação ou de destilação, separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, resfriar a primeira porção da fração gasosa em um trocador de calor de topo por troca de calor indireta com uma corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação, e introduzir a primeira porção resfriada e parcialmente condensada da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de
8 / 31 introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, expandir a segunda porção da fração gasosa e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, remover a corrente de produto líquido de C2+ ou C3+ (LGN) do fundo da coluna de separação ou de destilação, remover a corrente gasosa de topo do topo da coluna de separação ou de destilação, a corrente gasosa de topo estando enriquecida com metano, utilizar a corrente gasosa de topo como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo ou no(s) trocador(es) de calor principal(ais), comprimir a corrente gasosa de topo em uma unidade de compressão de gás residual para obter uma corrente de gás residual pressurizado, expandir uma porção da corrente de gás residual pressurizado e usar o gás residual expandido como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no(s) trocador(es) de calor principal(ais), e comprimir o gás residual expandido usado como um meio de resfriamento para formar uma corrente de gás residual comprimido e então combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
[0018] Adicionalmente, uma modalidade de aparelho de acordo com a invenção para recuperação de LGN compreende: um trocador(es) de calor principal(ais) para resfriar e parcialmente condensar uma corrente de alimentação de gás natural, um sistema de coluna de separação ou de destilação para separar a corrente de alimentação de gás natural em uma corrente de produto
9 / 31 líquido de C2+ ou de C3+ e uma corrente gasosa de topo enriquecida em metano, um separador a frio de gás/líquido em que a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, um duto para remover a fração líquida do fundo do separador a frio de gás/líquido e introduzir a fração líquida no sistema de coluna de separação ou de destilação, um meio (por exemplo, derivação de tubo) para separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, um trocador de calor de topo para resfriar a primeira porção da fração gasosa por troca de calor indireta com uma corrente gasosa de topo removida do topo do sistema de coluna de separação ou de destilação, um duto para remover a primeira porção resfriada da fração gasosa do trocador de calor de topo e introduzir a primeira porção resfriada no sistema de coluna de separação ou de destilação, um meio para expandir (por exemplo, um turbo-expansor) a segunda porção da fração gasosa, um duto para remover a primeira porção expandida da fração gasosa do meio para expandir e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa no sistema de coluna de separação ou de destilação, uma saída de fundo para remover a corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ (LGN) do fundo do sistema de coluna de separação ou de destilação, uma saída de topo para remover a corrente gasosa de topo do topo da coluna de separação ou de destilação, uma unidade de compressão de gás residual para comprimir a corrente gasosa de topo para obter uma corrente de gás residual pressurizado, um meio para expandir (por exemplo, um turbo-expansor) uma
10 / 31 porção da corrente de gás residual pressurizado para formar uma corrente de gás residual expandido, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do meio para expandir e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor de topo como um meio de resfriamento, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do trocador de calor de topo e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor principal como um meio de resfriamento, e um meio para comprimir (por exemplo, um compressor de único estágio ou de múltiplos estágios) o gás residual expandido para formar uma corrente de gás residual comprimido e um meio para combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
[0019] De acordo com um aspecto da modalidade do aparelho acima, o sistema de coluna de separação ou de destilação contém uma coluna que atua como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora. De acordo com um outro aspecto da modalidade acima, o sistema de coluna de separação ou de destilação contém duas colunas que atuam juntas como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora.
[0020] Uma outra modalidade do aparelho de acordo com a invenção para recuperação de LGN compreende: um trocador(es) de calor principal(ais) para resfriar e parcialmente condensar uma corrente de alimentação de gás natural, uma coluna de separação ou de destilação para separar a corrente de alimentação de gás natural em uma corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ e uma corrente gasosa de topo enriquecida em metano, um separador a frio de gás/líquido em que a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa,
11 / 31 um duto para remover a fração líquida do fundo do separador a frio de gás/líquido e introduzir a fração líquida na coluna de separação ou de destilação, um meio (por exemplo, derivação de duto) para separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, um trocador de calor de topo para resfriar a primeira porção da fração gasosa por troca de calor indireto com uma corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação, um duto para remover a primeira porção resfriada da fração gasosa do trocador de calor de topo e introduzir a primeira porção resfriada na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, um meio para expandir (por exemplo, um turbo-expansor) a segunda porção da fração gasosa, um duto para remover a primeira porção expandida da fração gasosa do meio para expandir e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, uma saída de fundo para remover a corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ (LGN) do fundo da coluna de separação ou de destilação, uma saída de topo para remover a corrente gasosa de topo do topo da coluna de separação ou de destilação, uma unidade de compressão de gás residual para comprimir a corrente gasosa de topo para obter uma corrente de gás residual pressurizado, um meio para expandir (por exemplo, um turbo-expansor) uma porção da corrente de gás residual pressurizado para formar uma corrente de gás residual expandido, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do meio para expandir e introduzir a corrente de gás residual expandido no
12 / 31 trocador de calor de topo como um meio de resfriamento, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do trocador de calor de topo e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor principal como um meio de resfriamento, e um meio para comprimir (por exemplo, um compressor de único estágio ou de múltiplos estágios) o gás residual expandido para formar uma corrente de gás residual comprimido e um meio para combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual. Descrição breve dos desenhos
[0021] A invenção e também outras vantagens, características e exemplos da presente invenção são explicados com mais detalhes pelas seguintes descrições de modalidades com base nas figuras (em que números de referência similares são usados para identificar elementos correspondentes ou análogos), em que: A Figura 1 é uma representação esquemática de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural típica; A Figura 2 é uma representação esquemática de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural de acordo com a invenção para a recuperação de etano e componentes mais pesados; A Figura 3 é uma representação esquemática de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural alternativa de acordo com a invenção para a recuperação de etano, propano e componentes mais pesados; A Figura 4 é uma representação esquemática de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural alternativa de acordo com a invenção para recuperação de propano e componentes mais pesados; e A Figura 5 é uma representação esquemática de uma modificação da unidade de recuperação de LGN de acordo com a invenção em que uma única coluna do sistema de destilação é substituída por duas
13 / 31 colunas. Descrição detalhada da invenção
[0022] A presente invenção fornece a adição de uma unidade de expansão, como um turbo-expansor, dentro de um processo ou unidade de recuperação de líquidos de gás natural, para permitir que gás de produto de alta pressão (gás residual) seja usado como um refrigerante para fornecer a refrigeração necessária a qualquer uma destas operações.
[0023] O turbo-expansor adicional recolhe o gás residual de alta pressão, que é um gás enriquecido em metano ou um gás enriquecido em metano e etano, da descarga do equipamento de recompressão de duto de produto (unidade de compressão de gás residual) e expande, por exemplo, em um turbo-expansor, o gás para uma pressão mais baixa entre, por exemplo, 100 psig e 300 psig. O gás refrigerante frio resultante então passa através do trocador de calor de topo e do(s) trocador(es) de calor principal(ais) e então, de preferência, utiliza a energia da expansão do gás residual para aumentar a pressão do gás refrigerante aquecido resultante de volta para a entrada do equipamento de recompressão de duto de produto.
[0024] As vantagens desta invenção são diversas. Primeiro, a eliminação de uma unidade de refrigeração externa (como um sistema de refrigeração à base de propano de circuito fechado) pode aumentar a eficiência do processo em relação às outras configurações de unidades de LGN, como GSP, RSV e CryoPlus. A potência total em horsepower (HP) da unidade (resíduo e refrigerante) necessária para a operação é da ordem de 5 a 20%, em volume, menor que a de tais outras configurações de unidades de LGN que utilizam um sistema de refrigeração externo, como um sistema de refrigeração à base de propano de circuito fechado.
[0025] A eficiência mais alta é devido, em parte, à capacidade de usar o equipamento com eficiências mais altas. Compressores de circuito de refrigeração (geralmente compressores de parafuso giratório lubrificado com
14 / 31 óleo) são habitualmente 65 a 75% eficientes, enquanto que os compressores de gás residual são, em geral, 80 a 85% eficientes e podem ser tão alto quanto 90% eficientes. Um expansor, como o expansor usado para expandir uma porção do gás residual que é então utilizado como refrigerante, é cerca de 85% eficiente e um compressor acoplado a um tal expansor é cerca de 75% eficiente.
[0026] Adicionalmente, a troca de calor no trocador ou trocadores de calor principais é mais eficiente porque a diferença de temperatura máxima entre as curvas de resfriamento e aquecimento é baixa. A diferença de temperatura máxima entre as curvas de resfriamento e aquecimento do gás residual trocado com o gás de alimentação pode ser tão baixa quanto 15°F. Inversamente, para uma troca de calor entre um refrigerante propano e um gás de alimentação, a diferença de temperatura máxima entre as curvas de resfriamento e aquecimento do refrigerante trocado com o gás de alimentação é habitualmente cerca de 40°F ou mais alta.
[0027] No processo, de acordo com a invenção, a utilização de apenas compressão de gás residual como a fonte de compressão de produto de gás residual e compressão de refrigerante oferece uma quantidade aumentada de flexibilidade com referência à operação da unidade mais alta que a tecnologia existente. A companhia operadora pode usar a compressão de resíduo para comprimir mais o produto de gás residual a ser descarregado da unidade para ser vendido, ou pode, ao contrário, reciclar mais o gás residual de alta pressão como o refrigerante para aumentar o nível de resfriamento na unidade e, dessa forma, alcançar um mais alto nível de recuperação de produtos de LGN.
[0028] O processo/a unidade, de acordo com a invenção, também permite que o trocador ou trocadores de calor principais, tipicamente trocadores de calor de alumínio brasado, operem sob tensão térmica mais baixa. Em qualquer dado ponto dentro de um trocador, a diferença na temperatura entre o fluido ou fluidos quentes e o fluido ou fluidos frios pode
15 / 31 causar tensões térmicas dentro do trocador. A tensão térmica de longa duração ou de curta duração pode afetar a vida útil do trocador, e operações com tensões mais baixas prolongam a vida do equipamento. A diferença máxima permitida na temperatura é tipicamente de 50 °F com base nas restrições do fabricante do trocador, e a maioria dos processos, como o processo mostrado na Figura 1, tem um desempenho limitado por esta restrição em termos de operação e design devido, em parte, ao uso de um sistema de refrigeração em circuito fechado que utiliza propano. Visto que o propano ferve a uma temperatura (tipicamente de -20 a -30 °F) a uma dada pressão e o gás de alimentação da unidade se condensa ao longo de uma faixa de temperaturas (tipicamente de 100 a -50 °F), o uso de propano como um refrigerante é limitado em um trocador único porque as tensões térmicas podem se tornar altas devido à diferença elevada de temperatura entre os fluidos.
[0029] Estas diferenças de temperatura mais baixas permitidas pelo processo/pela unidade da invenção aumentarão a vida dos trocadores de calor de alumínio brasados porque eles serão menos propensos a falhar devido ao fendilhamento e às fraturas sob tensão de temperatura.
[0030] Uma outra vantagem do processo/da unidade, de acordo com a invenção, é a eliminação da contaminação do refrigerante com óleo lubrificante. Em geral, os compressores de parafuso giratório lubrificado com óleo são usados em sistemas de refrigeração à base de propano típicos. Isto significa que o refrigerante está em contato íntimo com o óleo lubrificante do compressor e dessa forma o refrigerante arrasta um pouco de óleo lubrificante para fora do compressor e para dentro do equipamento trocador de calor. O óleo lubrificante arrastado pode resultar em problemas de incrustação no equipamento trocador e/ou em perda de área de transferência de calor e finalmente em perda de desempenho. Com a eliminação da unidade de refrigeração à base de propano de circuito fechado, os problemas associados com o óleo lubrificante no sistema refrigerante também são eliminados. Isto
16 / 31 também reduz o conhecimento de manutenção requerido para operador porque a única compressão usada é compressão de resíduo, em oposição à compressão de resíduo e à compressão de refrigerante.
[0031] Além disso, visto que o processo/a unidade, de acordo com a invenção, não exige um sistema de refrigeração externo, há uma economia substancial em termos da área ocupada (espaço de terreno) necessária para a unidade. Ao invés do sistema de refrigeração externo, o sistema de refrigeração da unidade pode operar com um único turbo-expansor adicional para expandir a porção do gás residual a montante que é para ser usada para resfriamento e, de preferência, um resfriador posterior (por exemplo, um resfriador de ar) a jusante da unidade de compressão de gás residual para resfriar o gás residual comprimido.
[0032] Uma outra vantagem é que, visto que o processo/a unidade, de acordo com a invenção, não necessita de um sistema de refrigeração externo, não há necessidade de armazenar ou comprar refrigerante de processo.
[0033] Em uma modalidade do processo e do aparelho, de acordo com a invenção, a coluna de separação ou de destilação opera como um desmetanizador separando a corrente de alimentação em uma corrente gasosa de topo enriquecida em metano e componentes de ebulição mais baixa e uma corrente líquida de fundo enriquecida em etano e componentes de ponto de ebulição mais alto. Em uma outra modalidade do processo e do aparelho, de acordo com a invenção, a coluna de separação ou de destilação opera como um desetanizador separando a corrente de alimentação em uma corrente gasosa de topo enriquecida em metano, etano e componentes de ponto de ebulição mais baixo e uma corrente líquida de fundo enriquecida em propano e componentes de ponto de ebulição mais alto.
[0034] A coluna de separação ou de destilação contém um ou mais estágios de contato ou de separação como bandejas e/ou recheio para fornecer o contato necessário e intensificar a transferência de massa entre a corrente de
17 / 31 vapor ascendente e a corrente de líquido fluindo descendentemente. Tais bandejas e recheios são bem conhecidos na técnica.
[0035] De acordo com uma modalidade da invenção, a fração líquida do separador a frio de gás/líquido é expandida através de uma válvula de expansão e então introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação. De acordo com uma outra modalidade da invenção, a fração líquida do separador a frio de gás/líquido é primeiro expandida através de uma válvula de expansão e introduzida no trocador de calor principal, onde ela atua como um meio de resfriamento, antes de ser introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação.
[0036] De acordo com uma outra modalidade da invenção, a fração líquida do separador a frio de gás/líquido é dividida em duas subcorrentes. Uma das subcorrentes é expandida através de uma válvula de expansão e então introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação. A outra subcorrente é combinada com a primeira porção da fração gasosa do separador a frio de gás/líquido. A corrente combinada resultante é resfriada no trocador de calor de topo por troca de calor com a corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação. A corrente combinada é então expandida através de uma válvula de expansão e introduzida na região superior da coluna de separação ou de destilação.
[0037] Em uma modalidade da invenção, uma porção do gás residual comprimido é enviada diretamente para um turbo-expansor e a porção do gás residual expandido resultante é usada como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e então no trocador de calor principal antes de ser comprimida e combinada com a corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação. Em uma outra modalidade, a porção do gás residual comprimido é primeiro resfriada no trocador de calor principal e então é enviada para um turbo-expansor. Em cada uma destas modalidades a porção de gás residual expandido resultante é usada como um meio de
18 / 31 resfriamento no trocador de calor de topo e então no trocador de calor principal antes de ser comprimida e combinada com a corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação.
[0038] Em uma outra modalidade, uma outra porção do gás residual comprimido é resfriada no trocador de calor principal e no trocador de calor de topo, expandida em uma válvula de expansão, e introduzida na região superior da coluna de separação ou de destilação como uma corrente de refluxo.
[0039] A Figura 1 ilustra uma unidade típica (Design RSV) para recuperação criogênica de líquidos de gás natural. A corrente de alimentação 1 de gás natural, tipicamente pré-tratada para remover água e opcionalmente CO2 e/ou H2S, é introduzida no sistema a uma temperatura de, por exemplo, 40 a 120 °F e uma pressão de 500 a 1.100 psig. A corrente de alimentação de gás natural é resfriada em um trocador de calor principal 2 por troca de calor indireta com correntes de processo para uma temperatura de -50 a 40 °F, e então é resfriada adicionalmente por um trocador de calor secundário 3 por troca de calor indireta com um refrigerante (por exemplo, propano) de um ciclo de refrigeração de circuito fechado. A seguir, a corrente de alimentação de gás natural resfriada 1 pode então ser adicionalmente resfriada no trocador de calor principal 2 e então enviada para um separador a frio de gás-líquido 4 onde a corrente de alimentação resfriada e parcialmente condensada 1 é separada em uma fração líquida 5 e uma fração gasosa 6.
[0040] A fração líquida 5 é introduzida em uma região inferior de uma coluna de separação ou de destilação 9 que é um desmetanizador, isto é, separa a corrente de alimentação em uma corrente gasosa de topo contendo predominantemente metano e uma corrente de líquido de fundo contendo etano e componentes mais pesados, isto é, a corrente de produto de LGN. Alternativamente, a coluna 9 pode ser um desetanizador que separa a corrente de alimentação em uma corrente gasosa de topo contendo predominantemente
19 / 31 metano mais etano e uma corrente de líquido de fundo contendo propano e componentes mais pesados (produto de LGN). A pressão operacional da coluna 9 (isto é, a pressão na região superior) é, por exemplo, de 150 a 450 psig.
[0041] A fração gasosa 6 do separador 4 é dividida em uma primeira subcorrente gasosa 7 e uma segunda subcorrente gasosa 8. A primeira subcorrente gasosa 7 é expandida para uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, e então introduzida na coluna de separação ou de destilação 9 em um ponto intermédio, da mesma. A segunda subcorrente gasosa 8 é resfriada por troca de calor indireta em um trocador de calor de topo 10 para uma temperatura de -160 a -75 °F, expandida através de uma válvula de expansão, e então introduzida em uma região superior da coluna de separação ou de destilação 9 (desmetanizador ou desetanizador) como uma corrente de refluxo.
[0042] Opcionalmente, antes de a fração líquida 5 ser introduzida em uma região inferior de uma coluna 9, uma subcorrente 19 da fração líquida é desviada e combinada com a segunda subcorrente gasosa 8 e então a corrente combinada é resfriada por troca de calor indireta no trocador de calor de topo 10, expandida através de uma válvula de expansão, e introduzida em uma região superior da coluna de separação ou de destilação 9.
[0043] Para gerar uma corrente de vapor ascendente dentro da coluna de separação ou de destilação 9, uma corrente de refervedor 24 é removida da região inferior da coluna 9 e usada como um meio de troca térmica de resfriamento no trocador de calor principal 2. A corrente aquecida resultante 25 é retornada para a região inferior da coluna 9 em um ponto abaixo onde a corrente 24 é removida. Adicionalmente, uma outra corrente de refervedor 26 pode ser removida da região inferior da coluna 9, em um ponto abaixo do ponto onde a corrente 25 é retornada para a região inferior, e usada como um meio de troca térmica de resfriamento adicional no trocador de calor principal
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2. A corrente aquecida resultante 27 é retornada para a região inferior da coluna 9 em um ponto abaixo onde a corrente 26 é removida.
[0044] Uma corrente de produto líquido 11 de LGN (produto C2+ ou produto C3+) é removida do fundo da coluna 9. A pressão da corrente de produto líquido é aumentada para, por exemplo, 300 a 700 psig, pela bomba reforçadora de LGN 12. A corrente de produto líquido de pressão elevada 11 é então usada como um meio de resfriamento no trocador de calor principal 2 antes de ser removida do sistema, por exemplo, a uma temperatura de 40 a 115 °F e a uma pressão de 300 a 700 psig.
[0045] A corrente gasosa de topo 13 é removida do topo da coluna de separação ou de destilação 9 a uma pressão de 150 a 450 psig e a uma temperatura de, por exemplo, -165 a -70 °F e é aquecida por troca de calor indireta no trocador de calor de topo 10 e, então, adicionalmente aquecida por troca de calor indireta no trocador de calor principal 2.
[0046] Esta corrente gasosa de topo 13 é caracterizada como um gás residual e contém uma quantidade significativa de metano. Se a coluna 9 é um desetanizador, esta corrente também conterá uma quantidade apreciável de etano. Depois de ser usada como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo 10 e no trocador de calor principal 2, a corrente gasosa de topo 13 é submetida à compressão em um ou mais compressores 18, 16 (ou um ou mais compressores de múltiplos estágios), resfriada em um resfriador posterior 23 (por exemplo, um resfriador de ar) e então descarregada do sistema como uma corrente de gás residual comprimido 14, por exemplo, a uma temperatura de 60 a 120 °F e a uma pressão de 900 a 1.440 psig. Uma subcorrente 17 é desviada da corrente de gás residual 14, resfriada no trocador de calor principal 2, e adicionalmente resfriada no trocador de calor de topo 10 antes de voltar para a região superior da coluna 9 como uma corrente de refluxo.
[0047] Referindo-se agora à Figura 2, esta figura representa um
21 / 31 diagrama esquemático de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural de acordo com a presente invenção. Ao contrário da unidade mostrada na Figura 1, esta modalidade não tem um trocador de calor secundário 3 em que a corrente de alimentação é resfriada por troca de calor indireta com um refrigerante de um ciclo de refrigeração de circuito fechado. Ao invés disso, esta modalidade usa uma porção do gás residual gerado da corrente gasosa de topo 13 removida do topo da coluna 9 para fornecer resfriamento, conforme discutido adicionalmente abaixo.
[0048] A corrente de alimentação de gás natural 1, pré-tratada para remover água, CO2 e/ou H2S, contém, por exemplo, 45 a 95% em volume de C1, 3 a 25% em volume de C2, 2 a 20% em volume de C3, 0,5 a 7% em volume de C4, 0,1 a 8% em volume de C5, e 0 a 5% em volume de C6 e hidrocarbonetos mais pesados. Como um exemplo específico, o gás de alimentação seco tem uma composição de 2,4% em volume de nitrogênio, 71,0% em volume de C1 (metano), 13,7% em volume de C2 (etano), 8,1% em volume de C3 (propano), 0,9% em volume de iC4 (isobutano), 2,3% em volume de nC4 (butano normal), 0,3% em volume iC5 (isopentano), 0,5% em volume de nC5 (pentano normal) e 0,6% em volume de C6 (hexanos) e hidrocarbonetos mais pesados, e tem uma pressão de 500 a 1.100 psig e uma temperatura de 40° a 120°F. A corrente de gás de alimentação seco 1 é comprimida no compressor de alimentação 18 para uma pressão de 700 a
1.400 psig, de preferência de 900 a 1.250 psig, e então introduzida no trocador de calor principal 2 (que é tipicamente formado de um ou mais trocadores de calor de alumínio brasado) onde ela é resfriada (e parcialmente condensada) para uma temperatura de -10 a 20 °F, de preferência de 0 a 10 °F. O gás de alimentação resfriado parcialmente condensado resultante é então alimentado em um separador a frio de gás/líquido 4.
[0049] No separador a frio de gás/líquido 4, o gás de alimentação resfriado e parcialmente condensado é separado em fração líquida 5 e fração
22 / 31 gasosa 6. A fração líquida 5 é expandida através de uma válvula de expansão para uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig e para uma temperatura de, por exemplo, -10 a -50 °F, de preferência de -15 a -30 °F, antes de ser introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação 9. A corrente 5 é introduzida em um ponto abaixo do ponto no qual o diâmetro da coluna aumenta e também acima do ponto mais baixo do meio de contato de líquido/vapor na coluna. Nesta modalidade, a coluna 9 opera como um desmetanizador.
[0050] A fração gasosa 6 do separador 4 é dividida em primeira subcorrente gasosa 7 e segunda subcorrente gasosa 8. A primeira subcorrente gasosa 7 é expandida em um turbo-expansor 22 para uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig, que reduz a temperatura da subcorrente para uma temperatura de, por exemplo, -30 a - 110 °F, de preferência de -60 a -90 °F. A subcorrente 7 é então introduzida na coluna 9 em um ponto intermédio da mesma (isto é, em um ponto acima do ponto de introdução da corrente 5). A segunda subcorrente gasosa 8 é resfriada por troca de calor indireta no trocador de calor de topo 10 para uma temperatura de, por exemplo, -65 a -150 °F, de preferência de -80 a -145 °F à alta pressão. A subcorrente 8 é então expandida através de uma válvula de expansão para uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig e para uma temperatura de, por exemplo, -110 a -150 °F, de preferência de -120 a -145 °F, antes de ser introduzida em uma região superior da coluna 9 como uma corrente de refluxo. De preferência, o turbo- expansor 22 é acoplado ao compressor de alimentação 18. A pressão operacional da coluna 9 (isto é, a pressão na região superior) é, por exemplo, de 200 a 330 psig.
[0051] Em geral, as pressões e as temperaturas de operação na coluna 9 são mais baixas quando a coluna funciona como um desmetanizador em comparação a quando a coluna funciona como um desetanizador. Por
23 / 31 exemplo, a pressão operacional da coluna desmetanizadora está de preferência entre 200 e 330 psig, e a pressão operacional da coluna desetanizadora está de preferência entre 300 e 450 psig, dependendo da composição do gás e do nível de separação.
[0052] Antes de a fração líquida 5 ser introduzida na coluna 9, uma subcorrente 19 da fração líquida é opcionalmente desviada e combinada com a segunda subcorrente gasosa 8. A corrente combinada é então resfriada por troca de calor indireta no trocador de calor de topo 10 antes de ser expandida e introduzida em uma região superior da coluna 9.
[0053] Para gerar uma corrente de vapor ascendente dentro da coluna de separação ou de destilação 9, a corrente de refervedor 24 pode ser removida da região inferior da coluna 9 a uma temperatura de, por exemplo, - 10 a 20 °F, de preferência de 0 a 10 °F, e usada como um meio de troca térmica de resfriamento no trocador de calor principal 2. A corrente aquecida resultante 25 é retornada para a região inferior da coluna 9 em um ponto abaixo onde a corrente 24 é removida. Adicionalmente, uma outra corrente de refervedor 26 pode ser removida da região inferior da coluna 9, em um ponto abaixo do ponto onde a corrente 25 é retornada para a região inferior e a uma temperatura de 25 a 50 °F, de preferência de 30 a 40 °F, e usada como um meio de troca térmica de resfriamento adicional no trocador de calor principal
2. A corrente aquecida resultante 27 é retornada para a região inferior da coluna 9 em um ponto abaixo onde a corrente 26 é removida.
[0054] A corrente de produto líquido 11 de LGN (produto C2+) é removida do fundo da coluna 9. Esta corrente é uma corrente enriquecida em etano tendo uma concentração de etano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1. A pressão da corrente 11 é aumentada pela bomba reforçadora de LGN 12 para uma pressão de, por exemplo, 300 a 700 psig, de preferência de 600 a 650 psig. A corrente de produto líquido de pressão elevada 11 é então usada como um meio de resfriamento no trocador de calor principal 2
24 / 31 antes de ser removida do sistema, por exemplo, a uma temperatura de 40 a 115 °F e a uma pressão de 300 para 700 psig (se desejado, esta pressão pode ser adicionalmente aumentada para uma pressão de duto de 400 a 1.400 psig com o uso de bombas adicionais). A corrente de produto líquido de LGN (produto C2+) tem uma composição de, por exemplo, 0 a 2% em volume.de C1, 30 a 60% em volume de C2, 20 a 40% em volume de C3, 5 a 15% em volume de C4, 1 a 5% em volume de C5, e 1 a 5% em volume de C6 e hidrocarbonetos mais pesados. Por exemplo, a corrente de produto de LGN pode conter 0,8% em volume de C1, 50,5% em volume de C2, 30,5% em volume de C3, 3,4% em volume de iC4, 8,9% em volume de nC4, 1,7% em volume de iC5, 1,9% em volume de nC5, e 2,3% em volume de C6 e hidrocarbonetos mais pesados.
[0055] A corrente gasosa de topo 13 é removida do topo da coluna de separação 9 a uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig, e uma temperatura de, por exemplo, -80 a -170 °F, de preferência de -100 a -165 °F. Esta corrente é uma corrente enriquecida com metano tendo uma concentração de metano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1. A corrente gasosa de topo 13 é, então, aquecida por troca de calor indireta no trocador de calor de topo 10 para uma temperatura de, por exemplo, -20 a 10 °F, de preferência de -5 a 5 °F, e, então, adicionalmente aquecida por troca de calor indireta no trocador de calor principal 2 para uma temperatura de, por exemplo, 90 a 115 °F, de preferência de 105 a 110 °F. Esta corrente de gás residual 13 é alimentada então a uma unidade de compressão de gás residual 16 contendo um ou mais compressores, onde ela é comprimida para uma pressão de, por exemplo, 900 a 1.440 psig, de preferência de 1.000 a 1.200 psig. O gás residual comprimido é então resfriado em um resfriador posterior 23 (por exemplo, um resfriador de ar), e recuperado como um gás residual para venda tendo uma composição de, por exemplo, 90 a 99% em volume de C1 e 0,5 a 15% em volume de C2. Por
25 / 31 exemplo, o gás residual para venda tem uma composição de 3,3% em volume de nitrogênio, 96,2% em volume de C1 e 0,5% em volume de C2, uma pressão de 900 a 1.440 psig, e uma temperatura de 60° a 120°F.
[0056] Após a compressão na unidade de compressão de gás residual 16, uma primeira subcorrente 17 é desviada da corrente de gás residual comprimido 14 e resfriada no trocador de calor principal 2 para uma temperatura de, por exemplo, 10 a 30 °F, de preferência de 15 a 25 °F. A subcorrente 17 é então adicionalmente resfriada em trocador de calor de topo 10 para uma temperatura de, por exemplo, -145 a -165 °F, de preferência de - 155 a -160 °F. A subcorrente 17 é então expandida através de uma válvula de expansão para uma pressão, por exemplo, de 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig, e até uma temperatura de -150 a -170 °F, de preferência de - 155 a -165 °F, antes de ser alimentada à região superior da coluna 9 como uma corrente de refluxo.
[0057] Para fornecer resfriamento adicional, após a compressão na unidade de compressão de gás residual 16 (e após o resfriador 23), uma segunda subcorrente 20 da corrente de gás residual comprimido 14 é expandida em um turbo-expansor 21 (ou talvez em dois ou mais expansores pequenos) para uma pressão de, por exemplo, 100 a 300 psig, de preferência de 140 a 200 psig, e uma temperatura de, por exemplo, -65 a -100 °F, de preferência de -75 a -95 °F. A subcorrente 20 é então usada como um meio de resfriamento, primeiro no trocador de calor de topo 10 e então no trocador de calor principal 2, antes de ser comprimida no compressor 15 para uma pressão de, por exemplo, 250 a 400 psig, de preferência de 300 a 380 psig. A subcorrente comprimida resultante 20, após preferencialmente ser resfriada em um resfriador posterior (não mostrado) é então combinada com a corrente de gás residual 13 removida do topo da coluna 9, e então a corrente combinada é enviada para a unidade de compressão de resíduo 16. De preferência, o turbo-expansor 21 é acoplado a um compressor 15.
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[0058] Em uma modificação da modalidade da Figura 2 (não mostrada na Figura), um trocador de calor pode ser usado (por exemplo, um trocador de calor de casco e tubos) para fornecer troca de calor entre o gás residual descarregado do compressor 15 (antes de ele ser introduzido na unidade de compressão de gás residual 16) e a porção de gás residual expandido descarregada do expansor 21 (antes de ela ser introduzida no trocador de calor de topo 10). Esta modificação (que também pode ser realizada nas modalidades das Figuras 3 e 4) permite maior flexibilidade com referência ao ajuste da tarefa do refrigerante.
[0059] A Figura 3 é uma representação esquemática de uma modalidade adicional de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural de acordo com a invenção. Esta modalidade é similar à modalidade da Figura 2. A modalidade da Figura 3 difere daquela da Figura 2 com referência à geração e ao manuseio da segunda subcorrente 20 do gás residual comprimido 14. Nesta modalidade, a coluna 9 opera como um desmetanizador. A pressão operacional da coluna 9 (isto é, a pressão na região superior) é, por exemplo, de 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig.
[0060] Na Figura 3, após a compressão na unidade de compressão de gás residual 16 e o resfriamento no resfriador posterior 23, a segunda subcorrente 20 da corrente de gás residual comprimido 14 é desviada e resfriada no trocador de calor principal 2. A segunda subcorrente 20, antes de ser expandida no turbo-expansor 21, é usada como um meio de aquecimento no trocador de calor principal 2 onde é resfriada para uma temperatura de, por exemplo, -20 a 40 °F, de preferência de 5 a 20 °F. A segunda subcorrente 20 é então expandida no turbo-expansor 21 (ou talvez em dois ou mais expansores pequenos) para uma pressão de, por exemplo, 100 a 300 psig, de preferência de 140 a 200 psig e uma temperatura de, por exemplo, -130 a -170 °F, de preferência de -150 a -165 °F, e então usada como um meio de resfriamento, primeiro no trocador de calor de topo 10 e então no trocador de calor principal
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2. A subcorrente 20 é então comprimida no compressor 15, resfriada em um resfriador posterior (não mostrado; por exemplo, um resfriador de ar), combinada com a corrente de gás residual 13, removida do topo da coluna 9, e então a corrente combinada é enviada para a unidade de compressão de resíduo 16. Aqui de novo, o turbo-expansor 21 é preferencialmente acoplado ao compressor 15.
[0061] A Figura 4 é uma representação esquemática de uma modalidade adicional de uma unidade de recuperação de líquidos de gás natural de acordo com a invenção. Esta modalidade é similar à modalidade da Figura 2. Entretanto, na modalidade da Figura 4, a coluna de separação ou de destilação 9 é um desetanizador e o manuseio da fração líquida 5 do separador a frio de gás/líquido 4 e o aquecimento da coluna 9 diferem daqueles da Figura 2. A pressão operacional da coluna 9 (isto é, a pressão na região superior) é, por exemplo, de 150 a 450 psig, de preferência de 300 a 400 psig. A corrente de produto líquido 11 de LGN removida do fundo da coluna 9 é uma corrente líquida de C3+. Esta corrente é uma corrente enriquecida em propano tendo uma concentração de propano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1. A corrente gasosa de topo 13 removida do topo da coluna de separação 9 é uma corrente de C2. Esta corrente é uma corrente enriquecida em metano e enriquecida em etano tendo concentração de metano e de etano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1.
[0062] Na Figura 4, a fração líquida 5 é primeiro expandida através de uma válvula de expansão para uma pressão de, por exemplo, 150 a 400 psig, de preferência de 300 a 400 psig. A fração líquida 5 é então aquecida no trocador de calor principal 2 para uma temperatura de, por exemplo, 60 a 120 °F, de preferência de 90 a 115 °F, antes de ser introduzida na região inferior da coluna 9. Além disso, a modalidade da Figura 4 não usa as correntes de refervedor 24 a 27 para gerar a corrente de vapor ascendente dentro da coluna de separação ou de destilação 9. Ao invés disso, uma
28 / 31 corrente de líquido é removida da região de fundo da coluna 9, aquecida em um trocador de calor refervedor por troca de calor indireta com um meio de aquecimento externo e então retornada para a região de fundo da coluna 9.
[0063] A Figura 5 ilustra uma modificação que pode ser aplicada em cada uma das modalidades das Figuras 2 a 4. Nesta modificação, a única coluna desmetanizadora ou desetanizadora é substituída por duas colunas, uma coluna de fracionamento de frações leves (CFFL) e uma coluna de fracionamento de frações pesadas (CFFP).
[0064] A primeira subcorrente gasosa 7 do separador 4 é expandida em um turbo-expansor 22 para uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig, que reduz a temperatura da subcorrente para uma temperatura de, por exemplo, -30 a -110 °F, de preferência de -60 a - 90 °F. A subcorrente 7 é então introduzida na região de fundo da coluna 28, isto é, na CFFL.
[0065] A segunda subcorrente gasosa 8 do separador 4, após ser resfriada por troca de calor indireta no trocador de calor de topo 10 para uma temperatura de, por exemplo, -65 a -150 °F, de preferência de -80 a -145 °F, é expandida através de uma válvula de expansão para uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig e até uma temperatura de, por exemplo, -110 a -150 °F, de preferência de -120 a - 145 °F. A segunda subcorrente gasosa 8 é então introduzida na coluna 28 em um ponto intermédio da mesma. Como nas modalidades das Figuras 2 a 4, opcionalmente, uma subcorrente 19 da fração líquida 5 é combinada com a segunda subcorrente gasosa 8 e antes de a corrente combinada ser resfriada no trocador de calor de topo 10.
[0066] A primeira subcorrente 17 da corrente de gás residual comprimido 14 é resfriada no trocador de calor principal 2 para uma temperatura de, por exemplo, 10 a 30 °F, de preferência de 15 a 25 °F. A subcorrente 17 é então adicionalmente resfriada no trocador de calor de topo
29 / 31 10 para uma temperatura de, por exemplo, -145 a -165 °F, de preferência de - 155 a -160 °F. A subcorrente 17 é então expandida através de uma válvula de expansão para uma pressão, por exemplo, de 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig, e para uma temperatura de -150 a -170 °F, de preferência de - 155 a -165 °F antes de ser alimentada à região superior da coluna 28 como uma corrente de refluxo.
[0067] A corrente de líquido de fundo 30 é removida do fundo da coluna 28, opcionalmente pressurizada na bomba 31, e então introduzida na região de topo da coluna 29, isto é, na CFFP. A fração líquida 5 do separador 4 é introduzida em uma região superior da coluna 29, em um ponto abaixo da introdução da corrente de líquido de fundo 30.
[0068] Adicionalmente, uma corrente de topo 32 retirada da coluna 29 é enviada para o trocador de calor de topo 10 onde ela é resfriada e parcialmente condensada. A corrente resultante 33 é então enviada para a coluna 28 onde ela é introduzida abaixo da corrente 17 mas acima da corrente
8.
[0069] A corrente de refervedor 24 é removida da coluna 29, em um ponto abaixo da introdução de fração líquida 5 e usada como um meio de troca térmica de resfriamento no trocador de calor principal 2. A corrente aquecida resultante 25 é retornada para a coluna 29 em um ponto abaixo onde a corrente 24 é removida. Adicionalmente, uma outra corrente de refervedor 26 pode ser removida da região inferior da coluna 29, em um ponto abaixo do ponto onde a corrente 25 é retornada para a coluna 29 e usada como um meio de troca térmica de resfriamento adicional no trocador de calor principal 2. A corrente aquecida resultante 27 é retornada para a região inferior da coluna 29 em um ponto abaixo onde a corrente 26 é removida.
[0070] As colunas 28 e 29 (isto é, a CFFL e a CFFP) podem atuar em combinação como um desmetanizador ou um desetanizador. Dessa forma, quando as duas colunas estão atuando como um desmetanizador, a corrente
30 / 31 gasosa de topo 13 é removida do topo da coluna 28 a uma pressão de, por exemplo, 150 a 450 psig, de preferência de 200 a 330 psig, e a uma temperatura de, por exemplo, -80 a -170 °F, de preferência de -100 a -165 °F. Esta corrente é uma corrente enriquecida em metano tendo uma concentração de metano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1. A corrente de produto líquido 11 de LGN (produto C2+) é removida do fundo da coluna 29. Esta corrente é uma corrente enriquecida em etano tendo uma concentração de etano mais alta do que a corrente de alimentação 1.
[0071] Quando as duas colunas estão atuando como um desetanizador, a corrente gasosa de topo 13 removida do topo da coluna 28 é uma corrente de C2-. Esta corrente é uma corrente enriquecida em metano e enriquecida em etano tendo concentração de metano e de etano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1. A corrente de produto líquido 11 de LGN removida do fundo da coluna 29 é uma corrente líquida de C3+. Esta corrente é uma corrente enriquecida em propano tendo uma concentração de propano mais alta que aquela da corrente de alimentação 1.
[0072] Os exemplos anteriores podem ser repetidos com sucesso similar pela substituição das composições e/ou condições operacionais usadas nos exemplos anteriores pelas composições e/ou condições operacionais genericamente ou especificamente descritas desta invenção.
[0073] A partir da descrição anteriormente mencionada, uma pessoa versada na técnica pode facilmente determinar as características essenciais desta invenção e, sem que se desvie do espírito e do escopo da mesma, pode realizar várias alterações e modificações na invenção para adaptá-la aos vários usos e às várias condições.
[0074] Sem elaboração adicional, acredita-se que a pessoa versada na técnica pode, usando a descrição precedente, utilizar a presente invenção em sua extensão mais completa. As modalidades específicas preferenciais anteriores devem, portanto, ser interpretadas como meramente ilustrativas, e
31 / 31 não como limitadoras do restante da revelação em nenhuma maneira seja qual for.
[0075] Todas as revelações de todos pedidos, patentes e publicações, citados na presente invenção, são incorporadas na presente invenção a título de referência.

Claims (29)

1 / 10 REIVINDICAÇÕES
1. Processo para recuperação de líquidos de gás natural (LGN), caracterizado pelo fato de que compreende: introduzir uma corrente de alimentação de gás natural em um trocador de calor principal no qual a corrente de alimentação é resfriada e parcialmente condensada, introduzir a corrente de alimentação parcialmente condensada em um separador a frio de gás/líquido, no qual a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, introduzir a fração líquida em uma coluna de separação ou de destilação, separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, resfriar a primeira porção da fração gasosa em um trocador de calor de topo por troca de calor indireta com uma corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação, e introduzir a primeira porção resfriada e parcialmente condensada da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, expandir a segunda porção da fração gasosa e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, remover uma corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ (LGN) do fundo da coluna de separação ou de destilação, remover a corrente gasosa de topo do topo da coluna de separação ou de destilação, a corrente gasosa de topo estando enriquecida com metano, usar a corrente gasosa de topo como um meio de resfriamento
2 / 10 no trocador de calor de topo e então no trocador de calor principal, comprimir a corrente gasosa de topo em uma unidade de compressão de gás residual para obter uma corrente de gás residual pressurizado, expandir uma porção da corrente de gás residual pressurizado e usar o gás residual expandido como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no trocador de calor principal, e comprimir o gás residual expandido usado como um meio de resfriamento para formar uma corrente de gás residual comprimido e então combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a coluna de separação ou de destilação ser um desmetanizador.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a coluna de separação ou de destilação ser um desetanizador.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a corrente de alimentação gasosa ser comprimida por um compressor de alimentação antes de ser introduzida no dito trocador de calor principal.
5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a expansão da segunda porção da fração gasosa ser realizada em um turbo-expansor que está acoplado ao dito compressor de alimentação.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a primeira porção resfriada da fração gasosa ser expandida através de uma válvula de expansão antes de ser introduzida na coluna de separação ou de destilação.
7. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fração líquida do separador a frio de gás/líquido ser
3 / 10 expandida através de uma válvula de expansão antes de ser introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a fração líquida do separador a frio de gás/líquido ser dividida em uma primeira subcorrente líquida e uma segunda subcorrente líquida, a primeira subcorrente líquida é expandida através de uma válvula de expansão e então introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação, e a segunda subcorrente líquida é combinada com a primeira porção da fração gasosa do separador a frio de gás/líquido e a corrente combinada resultante é resfriada no trocador de calor de topo por troca de calor com a corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação.
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dita corrente combinada ser expandida através de uma válvula de expansão e antes de ser introduzida em uma região superior da coluna de separação ou de destilação,
10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a dita porção do gás residual comprimido, que é para ser expandida, ser enviada diretamente para um turbo-expansor para expansão e a porção de gás residual expandida resultante ser então usada como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no trocador de calor principal.
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a dita porção do gás residual comprimido, que é para ser expandida, ser primeiro resfriada no trocador de calor principal e então ser enviada para um turbo-expansor para expansão.
12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que uma outra porção do gás residual comprimido ser resfriada no trocador de calor principal e no trocador de calor
4 / 10 de topo, expandida em uma válvula de expansão, e introduzida na região superior da coluna de separação ou de destilação como uma corrente de refluxo.
13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a coluna de separação ou de destilação ser um desetanizador e a dita fração líquida do dito separador a frio de gás/líquido ser primeiro expandida através de uma válvula de expansão então introduzida no dito trocador de calor principal como um meio de resfriamento, e então introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação.
14. Unidade para recuperação de líquidos de gás natural (LGN), caracterizada pelo fato de que compreende: um trocador de calor principal para resfriar e parcialmente condensar uma corrente de alimentação de gás natural, uma coluna de separação ou de destilação para separar a corrente de alimentação de gás natural em uma corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ e uma corrente gasosa de topo enriquecida em metano, um separador a frio de gás/líquido em que a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, um duto para remover a fração líquida do fundo do separador a frio de gás/líquido e introduzir a fração líquida na coluna de separação ou de destilação, um meio para separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, um trocador de calor de topo para resfriar a primeira porção da fração gasosa por troca de calor indireto com uma corrente gasosa de topo removida do topo da coluna de separação ou de destilação, um duto para remover a primeira porção resfriada da fração gasosa do trocador de calor de topo e introduzir a primeira porção resfriada na
5 / 10 coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, um meio para expandir a segunda porção da fração gasosa, um duto para remover a primeira porção expandida da fração gasosa do meio para expandir e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação em um ponto acima do ponto de introdução da fração líquida na coluna de separação ou de destilação, uma saída de fundo para remover a corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ do fundo da coluna de separação ou de destilação, uma saída de topo para remover a corrente gasosa de topo do topo da coluna de separação ou de destilação, uma unidade de compressão de gás residual para comprimir a corrente gasosa de topo para obter uma corrente de gás residual pressurizado, um meio para expandir uma porção da corrente de gás residual pressurizado para formar uma corrente de gás residual expandido, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do meio para expandir e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor de topo como um meio de resfriamento, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do trocador de calor de topo e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor principal como um meio de resfriamento, e um meio para comprimir o gás residual expandido para formar uma corrente de gás residual comprimido e um meio para combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
15. Unidade de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que a coluna de separação ou de destilação ser um desmetanizador.
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16. Unidade de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que a coluna de separação ou de destilação ser um desetanizador.
17. Unidade de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizada pelo fato de que compreende, adicionalmente, um compressor de alimentação para comprimir a corrente de alimentação gasosa antes de ser introduzida no dito trocador de calor principal.
18. Unidade de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o meio para expansão da segunda porção da fração gasosa ser um turbo-expansor que está acoplado ao dito compressor de alimentação.
19. Unidade de acordo com a reivindicação de qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizada pelo fato de que compreende, adicionalmente, um meio para dividir a fração líquida do separador a frio de gás/líquido em uma primeira subcorrente líquida e uma segunda subcorrente líquida, uma válvula de expansão para expandir a primeira subcorrente líquida antes de a primeira subcorrente líquida ser introduzida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação, e um meio para combinar a segunda subcorrente líquida com a primeira porção da fração gasosa do separador a frio de gás/líquido.
20. Unidade de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma válvula de expansão para expandir a corrente combinada antes de a corrente combinada ser introduzida em uma região superior da coluna de separação ou de destilação,
21. Unidade de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 20, caracterizada pelo fato de que compreende, adicionalmente, um meio para introduzir a porção do gás residual comprimido, antes de ser expandida, no trocador de calor principal onde é resfriada e sendo que o meio para expandir a porção do gás residual comprimido é um turbo-expansor para expansão.
22. Unidade de acordo com qualquer uma das reivindicações
7 / 10 14 a 21, caracterizada pelo fato de que compreende, adicionalmente, um meio para remover uma outra porção do gás residual comprimido, um meio para introduzir a outra porção do gás residual comprimido no trocador de calor principal e então no trocador de calor de topo, uma válvula de expansão para expandir a outra porção do gás residual comprimido, e um meio para introduzir a outra porção na região superior da coluna de separação ou de destilação como uma corrente de refluxo.
23. Unidade de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 22, caracterizada, adicionalmente, por a coluna de separação ou de destilação ser um desetanizador e a dita unidade compreender, adicionalmente, uma válvula de expansão para expandir a fração líquida do dito separador a frio de gás/líquido, um meio para introduzir a fração líquida expandida no dito trocador de calor principal como um meio de resfriamento, e um meio para introduzir a porção líquida expandida em uma região inferior da coluna de separação ou de destilação.
24. Processo para recuperação de líquidos de gás natural (LGN), caracterizado pelo fato de que compreende: introduzir uma corrente de alimentação de gás natural em um trocador ou trocadores de calor principais nos quais a corrente de alimentação é resfriada e parcialmente condensada, introduzir a corrente de alimentação parcialmente condensada em um separador a frio de gás/líquido, no qual a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, introduzir a fração líquida em um sistema de coluna de separação ou de destilação, separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, resfriar a primeira porção da fração gasosa em um trocador de calor de topo por troca de calor indireta com uma corrente gasosa de topo removida do topo do sistema de coluna de separação ou de destilação,
8 / 10 e introduzir a primeira porção resfriada e parcialmente condensada da fração gasosa no sistema de coluna de separação ou de destilação, expandir a segunda porção da fração gasosa e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa na coluna de separação ou de destilação, remover uma corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ (LGN) do fundo do sistema de coluna de separação ou de destilação, remover a corrente gasosa de topo do topo do sistema de coluna de separação ou de destilação, a corrente gasosa de topo sendo enriquecida com metano sendo, usando a corrente gasosa de topo como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no(s) trocador(es) de calor principal(ais), comprimir a corrente gasosa de topo em uma unidade de compressão de gás residual para obter uma corrente de gás residual pressurizado, expandir uma porção da corrente de gás residual pressurizado e usar o gás residual expandido como um meio de resfriamento no trocador de calor de topo e no(s) trocador(es) de calor principal(ais), e comprimir o gás residual expandido usado como um meio de resfriamento para formar uma corrente de gás residual comprimido e então combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
25. Processo de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que o sistema de coluna de separação ou de destilação conter uma coluna que atua como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora.
26. Processo de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que o sistema de coluna de separação ou de destilação conter duas colunas que atuam juntas como uma coluna desmetanizadora ou uma
9 / 10 coluna desetanizadora.
27. Unidade para recuperação de líquidos de gás natural (LGN), caracterizada pelo fato de que compreende: um trocador(es) de calor principal(ais) para resfriar e parcialmente condensar uma corrente de alimentação de gás natural, um sistema de coluna de separação ou de destilação para separar a corrente de alimentação de gás natural em uma corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ e uma corrente gasosa de topo enriquecida em metano, um separador a frio de gás/líquido em que a corrente de alimentação parcialmente condensada é separada em uma fração líquida e uma fração gasosa, um duto para remover a fração líquida do fundo do separador a frio de gás/líquido e introduzir a fração líquida no sistema de coluna de separação ou de destilação, um meio para separar a fração gasosa em uma primeira porção e uma segunda porção, um trocador de calor de topo para resfriar a primeira porção da fração gasosa por troca de calor indireta com uma corrente gasosa de topo removida do topo do sistema de coluna de separação ou de destilação, um duto para remover a primeira porção resfriada da fração gasosa do trocador de calor de topo e introduzir a primeira porção resfriada no sistema de coluna de separação ou de destilação, um meio para expandir a segunda porção da fração gasosa, um duto para remover a primeira porção expandida da fração gasosa do meio para expandir e introduzir a segunda porção expandida da fração gasosa no sistema de coluna de separação ou de destilação, uma saída de fundo para remover a corrente de produto líquido de C2+ ou de C3+ (LGN) do fundo do sistema de coluna de separação ou de
10 / 10 destilação, uma saída de topo para remover a corrente gasosa de topo do topo da coluna de separação ou de destilação, uma unidade de compressão de gás residual para comprimir a corrente gasosa de topo para obter uma corrente de gás residual pressurizado, um meio para expandir uma porção da corrente de gás residual pressurizado para formar uma corrente de gás residual expandido, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do meio para expandir e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor de topo como um meio de resfriamento, um duto para remover a corrente de gás residual expandido do trocador de calor de topo e introduzir a corrente de gás residual expandido no trocador de calor principal como um meio de resfriamento, e um meio para comprimir (por exemplo, um compressor de único estágio ou de múltiplos estágios) o gás residual expandido para formar uma corrente de gás residual comprimido e um meio para combinar a corrente de gás residual comprimido com a corrente gasosa de topo a montante da unidade de compressão de gás residual.
28. Unidade de acordo com a reivindicação 27, caracterizada pelo fato de que o sistema de coluna de separação ou de destilação conter uma coluna que atua como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora.
29. Unidade de acordo com a reivindicação 27, caracterizada pelo fato de que o sistema de coluna de separação ou de destilação conter duas colunas que atuam juntas como uma coluna desmetanizadora ou uma coluna desetanizadora.
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