ES2968635T3 - Separación de componentes de una mezcla de gases - Google Patents
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Abstract
Esta invención se refiere a la separación de componentes de una mezcla de gases. Aspectos de la invención se refieren a la separación de componentes, por ejemplo dióxido de carbono (CO 2) y/o sulfuro de hidrógeno (H 2 S) de, por ejemplo, gas ácido, por ejemplo gas natural, gas de síntesis o gas de proceso, aunque las características de la La invención puede aplicarse a otras fuentes de gases. Este proceso a veces se denomina eliminación de gases ácidos (AGR). En los ejemplos descritos en el presente documento, la mezcla de gas fuente contiene CO 2 y/o H 2 S además de otros componentes y, en algunos ejemplos, los componentes CO 2 y/o H 2 S del gas se denominan componentes de gas ácido. En ejemplos de la invención, parte o todo el componente de gas ácido se elimina usando un método de absorción de disolvente; algunos ejemplos descritos utilizan un sistema de absorción química (por ejemplo, que incluye N-metildietanolamina (MDEA)), y otros utilizan un disolvente físico (por ejemplo, a base de metanol (MeOH)). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Separación de componentes de una mezcla de gases
Esta invención se refiere a la separación de componentes de una mezcla de gases. Aspectos de la invención se refieren a la separación de componentes, por ejemplo, dióxido de carbono (CO2) y/o sulfuro de hidrógeno (H2S) de, por ejemplo, gas ácido, por ejemplo, gas natural, gas de síntesis o gas de proceso, aunque las características de la invención pueden aplicarse a otros gases fuente. Este proceso a veces se denomina eliminación de gases ácidos (AGR). En ejemplos descritos en la presente memoria, la mezcla de gases fuente contiene CO2 y/o H2S además de otros componentes y, en algunos ejemplos, los componentes de CO2 y/o H2S del gas se denominan componentes de gas ácido. En ejemplos de la invención, parte o todo el componente de gas ácido se elimina usando un método de absorción de disolvente; algunos ejemplos descritos usan un sistema de absorción química (por ejemplo, que incluye N-metildietanolamina (MDEA)), y otros usan un disolvente físico (por ejemplo, a base de metanol (MeOH)).
Los procesos de absorción física, absorción química y AGR criogénica transforman el componente de gas ácido en forma líquida mediante la absorción del componente de gas ácido, por ejemplo, CO2, mediante un absorbente. Este proceso es exotérmico. Por el contrario, el proceso para la regeneración del absorbente transforma el componente de gas ácido en fase líquida en forma gaseosa y este proceso es endotérmico.
La AGR de absorción convencional requiere una fuente externa de calor y/o refrigeración para su funcionamiento. Por ejemplo, en un sistema de AGR de absorción química típico basado en MDEA, el componente de gas ácido, por ejemplo, CO2, se absorbe por la solución de MDEA en una columna de absorción. Entonces se requiere una cantidad considerable de vapor externo y agua de refrigeración para que el proceso de separación elimine los gases ácidos de la MDEA.
Los sistemas de disolvente físico incluyen el proceso convencional Rectisol (RTM) que se basa en el uso de metanol (MeOH) como disolvente. En el proceso Rectisol convencional, se usa MeOH refrigerado como disolvente para la absorción física de los componentes de gas ácido. Los componentes de gas ácido se absorben por el MeOH en una columna de absorción de baja temperatura a una presión relativamente alta. Posteriormente, los componentes de gas ácido se desorben del disolvente reduciendo la presión del disolvente, separándolo y, si fuera necesario, volviendo a hervir el disolvente. Para su funcionamiento, se requiere un sistema de calentamiento y refrigeración de varias secciones del proceso. Por ejemplo, el gas de entrada se enfría a través de un intercambiador anterior al disolvente de metanol y el gas que sale del proceso se utiliza usa refrigerante. Se requiere refrigeración externa, por ejemplo, usando propano o amoniaco, para mantener la columna a baja temperatura absorbiendo el calor generado en la columna. El separador también requiere vapor externo y agua de refrigeración para eliminar los componentes absorbidos del MeOH.
El calentamiento y/o refrigeración externos en los procesos convencionales requieren un aporte de energía significativo al sistema. Sería beneficioso reducir el consumo de energía de los procesos de AGR de absorción en comparación con los procesos convencionales.
Un objeto de los aspectos de la presente invención es proporcionar un proceso de eliminación de gases de absorción que supere y/o mitigue o más de los problemas indicados anteriormente y/u otros problemas. La presente invención es como se describe en las reivindicaciones 1-6.
El documento US 2006/0110300 A1 describe un método y un aparato de la técnica anterior.
Por tanto, en ejemplos de la presente invención, las etapas de absorción y regeneración se combinan usando integración del calor para equilibrar el flujo caliente asociado con el absorbente y el flujo relativamente frío asociado con la regeneración. En los sistemas convencionales, se usa un intercambiador de calor de agua/aire para refrigerar el absorbente y se usa vapor para calentar la corriente para su regeneración. En ejemplos de la invención, las secciones de flujo caliente y flujo frío del sistema están integradas.
El componente ácido puede comprender, en ejemplos de la invención, un componente de gas ácido que comprende uno o más de CO2 y H2S. El gas fuente puede comprender un gas ácido, por ejemplo, gas natural que incluye CO2 y/o H2S, por tanto, el vapor rico en ácido y el absorbente rico en ácido pueden ser ricos en CO2 y/o en H2S.
En algunos ejemplos, el componente de gas ácido estará presente como un gas en el fluido fuente. En otros ejemplos, al menos una parte del componente de gas ácido puede estar presente, por ejemplo, como un líquido.
El aparato de separación comprende un tambor separador.
En este aspecto de la invención, el vapor rico en ácido se comprime. Se ha identificado que la aplicación de compresión es deseable para un rendimiento ventajoso del intercambio de calor. Al comprimir el vapor rico en ácido separado, en algunos ejemplos es posible devolverlo al sistema de intercambio de calor y, de esta manera, conseguir una temperatura más alta en el lado absorbente.
Según la invención, de la columna absorbente se extrae una corriente de extracción/retorno para refrigerarla en un intercambiador de calor. En ejemplos de la invención, puede estar presente más de una corriente de extracción/retorno. Las corrientes de extracción/retorno pueden extraer una corriente de cualquier parte de la columna, cuando hay más de una corriente, pueden extraerla y devolverla de la misma o diferentes regiones de la columna. En muchos ejemplos, la corriente se devolverá a una ubicación cercana a la ubicación de extracción; como alternativa, la ubicación de retorno puede estar alejada de la ubicación de extracción.
El sistema de intercambio de calor puede ser un intercambiador de calor de múltiples pasos o una combinación diferente de más de un intercambiador de calor, por ejemplo, una combinación de varios intercambiadores de calor. El proceso es sustancialmente autotérmico. Preferiblemente, en dichos ejemplos, sustancialmente no se introduce calor en el sistema y sustancialmente no se proporciona refrigeración externa.
En algunas disposiciones, será conveniente disponer que se proporcione alguna refrigeración externa, por ejemplo, usando agua o, en algunos casos, aire. Preferiblemente, no se proporciona sustancialmente calor externo a los procesos. En algunos casos, la compresión de una o más corrientes puede proporcionar calor al sistema.
Las etapas de absorción de ácido y las etapas de regeneración de absorbente pueden equilibrarse térmicamente sin refrigeración externa o entrada de calor externa.
En muchos ejemplos, el absorbente regenerado recuperado de la primera unidad de regeneración contendrá algo de ácido, ya que no todo el ácido se habrá eliminado del absorbente en la etapa de separación. Por lo tanto, en algunos ejemplos, el método comprenderá además una segunda unidad de regeneración, posterior a la primera, en la que se puede eliminar más componente ácido de al menos una parte del absorbente semirrico recuperado de la primera unidad de regeneración.
Preferiblemente, el método incluye pasar absorbente semirrico desde la primera unidad de regeneración a una segunda unidad de regeneración en serie con la primera unidad de regeneración para eliminar el componente ácido del absorbente semirrico.
La segunda unidad de regeneración puede incluir, por ejemplo, un intercambiador de calor y un aparato de separación, por ejemplo, un tambor separador y/o una columna de separación.
El absorbente regenerado de la primera unidad de regeneración puede ser semirrico y el método puede comprender además las etapas de:
- pasar el absorbente semirrico a un intercambiador de calor y una columna de separación y eliminar el componente ácido del absorbente semirrico en la columna de separación,
- recuperar absorbente de la columna de separación y
- (i) volver a hervir parcialmente el absorbente recuperado a través de un intercambiador de calor para formar un absorbente rehervido y un vapor rico en ácido rehervido,
- (ii) separar el vapor rico en ácido del absorbente rehervido y hacer pasar el vapor rico en ácido rehervido separado resultante de nuevo a una columna de separación y refrigerar el absorbente rehervido regenerado resultante,
- recuperar vapor rico en ácido de la columna de separación y
(i) comprimir el vapor rico en ácido recuperado desde la parte superior de la columna de separación para formar vapor rico en ácido comprimido, y
(ii) refrigerar el vapor rico en ácido comprimido.
en donde el método incluye intercambiar calor entre al menos una parte de cada una de las siguientes corrientes (a) el absorbente semirrico
(b) el vapor rico en ácido comprimido
(c) el absorbente rehervido regenerado
(d) el absorbente recuperado de la base de la columna de separación.
Al comprimir la corriente, se puede aplicar un diferencial de temperatura a la corriente que luego pasa al intercambiador de calor, lo que ayuda en la nueva ebullición.
En algunos ejemplos, el gas ácido comprende dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno.
El absorbente rico en dióxido de carbono/pobre en sulfuro de hidrógeno se puede extraer del absorbente rico en ácido recuperado de la columna absorbente y se pasa a una columna de lavado posterior a la columna absorbente para recuperar el dióxido de carbono pobre en sulfuro de hidrógeno.
Preferiblemente, el absorbente semipobre, por ejemplo, rico en CO2 y pobre en H2S extraído de la columna absorbente se usa para lavar el gas ácido, por ejemplo, H2S y CO2 a través de descarga y a través de regeneración para aportar CO2 pobre en H2S.
El absorbente pobre en H2S puede extraerse de una región cercana a la mitad de la columna absorbente. Se puede ubicar una línea de extracción/retorno de líquido por encima de esa región, de modo que la parte inferior de la columna de absorción, por ejemplo, desde la línea de extracción hasta el fondo, funcione como una sección de absorción de H2S.
Puede proporcionarse una columna de lavado a presión atmosférica. El absorbente extraído pobre H2S descargado se puede aplicar a la parte superior como medio de lavado. Se puede suministrar absorbente rico en gas ácido descargado (desde el fondo de la columna de absorción) en o cerca del fondo para liberar el gas ácido que se va a lavar.
El absorbente rico en gas ácido del fondo de la columna de lavado preferiblemente se somete a regeneración cuando el gas ácido separado se devuelve al fondo de la columna de lavado para un lavado de H2S. El gas ácido a través de la descarga y la regeneración ascienden juntos desde el fondo de la columna de lavado, donde debe lavarse el H2S y el CO2 pobre en H2S se aporta en o cerca de la parte superior.
El método puede incluir además la etapa de suministrar dióxido de carbono a la segunda unidad de regeneración.
El método puede incluir además la etapa de suministrar dióxido de carbono a la columna de separación.
Preferiblemente, el aparato incluye una columna de separación y el dióxido de carbono se suministra a la columna de separación. De esta manera, se puede reforzar la separación por reebullición.
Preferiblemente, el dióxido de carbono está sustancialmente libre de sulfuro de hidrógeno.
Preferiblemente, se suministra absorbente semirrico a la columna de separación después del calentamiento a través de un intercambiador de calor y la separación en un tambor de separación. El vapor de la columna de separación se comprime preferiblemente y luego se devuelve a un intercambiador de calor para la recuperación de calor sensible y latente (condensación de absorbente) y la recuperación de masa de condensación de absorbente, por ejemplo, a través de un tambor de separación después del intercambiador de calor. El vapor del tambor separador (gas ácido rico en H2S) puede aportarse para su eliminación.
El CO2 libre de H2S se puede suministrar a la columna de separación en una ubicación inferior, de modo que una parte superior de la columna sea eficaz como sección de separación de CO2, mientras que la parte inferior de la columna sea eficaz como sección de separación de recalentador.
El vapor del absorbente separado que se ha separado a través de la columna de separación (que incluye gas ácido, CO2 de separación y vapor de absorbente) se pueden comprimir y luego devolver al intercambiador de calor para la recuperación de calor sensible y latente (condensación de absorbente) y la recuperación de masa de condensación de absorbente, por ejemplo, a través de un tambor de extracción después del intercambiador de calor.
Preferiblemente, la parte líquida del absorbente separado pasa dos veces a través del intercambiador de calor: primero para reebullición parcial y segundo para recuperar el calor sensible del absorbente. El método puede comprender además una etapa de condensación criogénica anterior, por ejemplo, anterior a la etapa de absorción.
El método puede incluir además la etapa de refrigerar y/o comprimir una corriente, de modo que se forme una corriente de dos fases.
Por tanto, el método puede incluir refrigerar el fluido fuente, de modo que un componente del fluido se condense y se forme una corriente de dos fases. Por ejemplo, el dióxido de carbono puede condensarse y luego separarse. El método puede incluir la etapa de, antes pasar el gas ácido a través del absorbente de la columna de lavado, presaturar el absorbente con dióxido de carbono.
Preferiblemente, el método incluye presaturar el absorbente antes de pasar el gas de alimentación a la columna de lavado. Por ejemplo, para una columna de lavado por absorción física, el MeOH de lavado puede presaturarse, por ejemplo, con líquido de CO2 sustancialmente puro. Esto se puede proporcionar, por ejemplo, por una corriente lateral de CO2 de salida libre de H2S que se comprime y se refrigera/licua. El CO2 entonces se puede suministrar, por ejemplo, a la parte superior de la columna de lavado para mezclarlo con el MeOH de lavado.
Al añadir dióxido de carbono al absorbente, se puede conseguir que el absorbente absorba poco o nada de dióxido de carbono. Por ejemplo, cuando el gas ácido comprende dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, al lavar el absorbente con dióxido de carbono, en algunos ejemplos se absorbe eficazmente solo sulfuro de hidrógeno en la columna absorbente. Esto puede dar la ventaja adicional en algunas disposiciones de que la etapa de absorción pueda producirse a temperatura sustancialmente constante al reducir la exotermia de absorción evitando la absorción de dióxido de carbono en la columna.
El dióxido de carbono presaturado procede preferiblemente de una corriente de salida de dióxido de carbono puro licuado. El método puede incluir comprimir, refrigerar y/o licuar vapor rico en ácido para formar una corriente de ácido de reciclado y pasar la corriente de ácido de reciclado al fluido fuente anterior al absorbente.
Al inyectar la corriente de gas ácido de reciclado antes de la columna de absorción, se puede disminuir la temperatura del gas a través de la evaporación del gas ácido, potenciando, en algunos ejemplos, la absorción eficaz a baja temperatura.
En algunos casos, la corriente rica en ácido se licua para formar una corriente de ácido líquido de reciclado y la corriente de ácido líquido de reciclado se inyecta en una corriente de proceso.
La corriente de ácido líquido de reciclado inyectada puede proporcionar refrigeración significativa. En algunos ejemplos, la corriente puede inyectarse en una corriente de gas de alimentación. El absorbente puede comprender un disolvente químico. El disolvente químico puede comprender, por ejemplo, una amina, por ejemplo, monoetanolamina (MEA) o metildietanolamina (MDEA) (una amina terciaria). Son posibles otros disolventes químicos, por ejemplo, amoniaco, o carbonatos, por ejemplo, carbonato de potasio o de amonio.
El absorbente puede comprender un disolvente físico, por ejemplo, metanol. El disolvente puede incluir, por ejemplo, uno o más éteres dimetílicos de polietilenglicol y/o N-metil-2-pirrolidona (NMP).
El absorbente puede comprender una mezcla de disolventes y/u otros componentes. Por ejemplo, el disolvente puede incluir aditivos. Como ejemplo, la MDEA puede incluir aditivos para mejorar la eliminación eficaz de CO2 o inhibir la corrosión. Se puede incluir un paquete de aditivos en la composición absorbente y, por ejemplo, se puede elegir dependiendo de la aplicación específica y la composición del gas de alimentación que se va a tratar. Por ejemplo, se ha propuesto utilizar una solución de MDEA activada de solución de MDEA al 45 % en peso con piperazina (dietilendiamina) al 5 % en peso como promotor de absorción de CO2 para eliminar un 0,5 % de H2S y un 3 % de CO2. Se han estudiado y presentado otras soluciones de MDEA activadas con hasta un 7 % en peso de piperazina añadida a entre un 30 % y un 50 % de MDEA. En algunos ejemplos de la invención, se elimina el dióxido de carbono.
En algunos ejemplos, puede haber cocaptura de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno y/u otros componentes de gas ácido. En otros ejemplos, se podría capturar sustancialmente solo un componente de gas ácido.
Cuando se hace referencia en la presente memoria al uso de intercambiadores de calor, se puede usar cualquier aparato de intercambio de calor apropiado. Preferiblemente, se usan intercambiadores de calor multicanal.
El primer sistema de intercambio de calor de la invención es un intercambiador de calor multicanal único. En ejemplos, los intercambiadores de calor pueden comprender aluminio o aleación de aluminio. En otros ejemplos, por ejemplo, cuando la presión de funcionamiento en relación con el intercambiador de calor es de 100 bar o más, podrían preferirse intercambiadores de calor de acero inoxidable soldados o unidos por difusión.
Cuando se hace referencia a un intercambiador de calor, podría incluir, por ejemplo, uno o más elementos intercambiadores de calor. Por ejemplo, el intercambiador de calor puede incluir una o más unidades de intercambio de calor multicanal.
En ejemplos de aspectos de la invención descritos en la presente memoria, se usa una ruta de extracción y retorno para pasar el absorbente de la columna absorbente para el intercambio de calor, lo que tiene el efecto de refrigerar el absorbente. En otros ejemplos, se prevé que la refrigeración se pueda lograr mediante refrigeración aplicada a la columna absorbente u otro aparato. La refrigeración se puede aplicar externamente a la columna absorbente, por ejemplo, usando un intercambiador de calor externo. Por ejemplo, se podría proporcionar una camisa de intercambio de calor.
Por lo tanto, según otro aspecto de la invención, se proporciona un método de eliminación de gases ácidos para eliminar componentes ácidos de un fluido fuente usando un absorbente, incluyendo el método intercambiar calor en un sistema de intercambio de calor entre corrientes generadas en el método, incluyendo el método las etapas de:
pasar el fluido fuente a través del absorbente en una columna absorbente, de modo que el componente ácido del fluido fuente se absorba por el absorbente para formar un fluido reducido en ácido y un absorbente rico en ácido,
refrigerar el absorbente en la columna absorbente,
pasar el absorbente rico en ácido a una unidad de regeneración y eliminar el componente ácido del absorbente rico en ácido para formar un absorbente regenerado y un vapor rico en ácido,
comprimir al menos una parte del vapor rico en ácido generado en la unidad de regeneración para formar vapor rico en ácido comprimido y pasar el vapor rico en ácido comprimido al sistema de intercambio de calor, en donde el sistema de intercambio de calor logra el intercambio de calor desde y/o hacia al menos una parte de cada una de las siguientes corrientes
(i) el absorbente rico en ácido
(ii) el vapor rico en ácido comprimido
(iii) el absorbente regenerado.
En algunos casos de este aspecto, la refrigeración del absorbente en la columna absorbente podría incluir proporcionar un agente de enfriamiento o refrigerante externo a la columna absorbente. El refrigerante externo puede comprender, por ejemplo, agua o amoniaco.
El refrigerante se puede proporcionar en una superficie externa de la columna absorbente para refrigerar la columna o, por ejemplo, se puede proporcionar dentro de la columna, por ejemplo, como un intercambiador de calor en la columna absorbente.
Un aspecto adicional de la invención proporciona un sistema de eliminación de gases ácidos según la reivindicación 6. En los ejemplos de la invención, el gas fuente puede ser cualquier gas ácido que contenga, por ejemplo, dióxido de carbono y/o sulfuro de hidrógeno. Por ejemplo, el gas fuente puede incluir gas natural y/o gas de proceso, que es un gas generado en o derivado de una salida de un proceso.
La invención se extiende a métodos y/o aparatos sustancialmente como se describen en la presente memoria con referencia a los dibujos adjuntos.
Cualquier característica de un aspecto de la invención se puede aplicar a otros aspectos de la invención, en cualquier combinación apropiada. En particular, las características de los aspectos del método pueden aplicarse a los aspectos del aparato, y viceversa.
Ahora se describirán características preferidas de la presente invención, meramente a modo de ejemplo, con referencia a las figuras 2 a 4 adjuntas, en las que:
La figura 1 muestra esquemáticamente un proceso convencional de eliminación de gases ácidos de absorción; La figura 1 a muestra un gráfico de un perfil de carga térmica/temperatura de un proceso del tipo de la figura 1; La figura 2 muestra esquemáticamente un ejemplo de un proceso autotérmico de eliminación de gases ácidos; La figura 2a muestra un gráfico de un perfil de temperatura de carga térmica de un intercambiador de calor del ejemplo de la figura 2;
La figura 3 muestra esquemáticamente otro ejemplo de un proceso autotérmico de eliminación de gases ácidos en el que se usa una columna de separación para eliminación adicional de gases ácidos;
La figura 4 muestra esquemáticamente un ejemplo de la invención en el que se usa eliminación autotérmica de gases ácidos para eliminar dióxido de carbono y H2S de la corriente de gas ácido;
Las figuras 5 a 7 no están incluidas por el texto de las reivindicaciones.
La figura 5 muestra esquemáticamente un ejemplo en el que se usa eliminación autotérmica de gases ácido para eliminar dióxido de carbono de una corriente de gas usando MeOH como absorbente;
La figura 6 muestra esquemáticamente un ejemplo en el que se usa eliminación autotérmica de gases ácidos para eliminar dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno de una corriente de gas usando MeOH como absorbente; La figura 7 muestra esquemáticamente un ejemplo en el que se usa eliminación autotérmica de gases ácidos para eliminar sulfuro de hidrógeno de una corriente de gas usando MeOH como absorbente.
Los siguientes ejemplos describen realizaciones de una o más características de la invención aplicadas a sistemas basados en disolventes químicos y a sistemas basados en disolventes físicos. En los ejemplos siguientes, se describe un sistema basado en disolvente químico que incluye un sistema de amina terciaria, metildietanolamina (MDEA). Se describe un sistema basado en disolvente físico que incluye metanol (MeOH). Cuando corresponda, se entenderá que las características descritas en relación con un sistema se pueden aplicar igualmente en relación con otro sistema en ejemplos adicionales. Además, las características que se describen en relación con un ejemplo se pueden aplicar a otros ejemplos, según corresponda.
Algunos de los ejemplos se refieren a la captura tanto de dióxido de carbono como de sulfuro de hidrógeno del fluido fuente, lo que se denomina en la presente memoria cocaptura. Otros ejemplos se refieren a procesos en los que se elimina un único componente dominante de gas ácido, por ejemplo, solo dióxido de carbono o solo sulfuro de hidrógeno. Se entenderá que, en esos otros ejemplos, también podrían capturarse otros componentes además de los componentes de cocaptura o el componente dominante.
En los ejemplos descritos para la cocaptura y separación del gas ácido en sus constituyentes, tales como H2S y CO2, se incluye una columna de lavado y una columna de separación. Para la eliminación sencilla de los componentes de gas ácido en su conjunto del gas de alimentación, por ejemplo, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, se describe un sistema más sencillo sin columna de lavado ni separador.
Sistema convencional
La figura 1 muestra un proceso convencional de eliminación de gases ácidos de absorción. En el proceso de la figura 1, hay tanto refrigeración (-Qout), ya que se elimina calor de absorción exotérmica, como también calentamiento (+Qin), ya que se suministra calor de regeneración endotérmica.
La figura 1 muestra una columna absorbente A1 y una columna de regeneración A2. El disolvente usado en este ejemplo es MDEA y el gas fuente ACID_GAS incluye dióxido de carbono. Una corriente de MDEA rica en gas ácido 01 sale de la base de la columna absorbente A1 y pasa a un intercambiador de calor E8 que intercambia calor entre la corriente de MDEA rica en ácido más fría 02 y una corriente de MDEA pobre recuperada más caliente 04 de la columna de regeneración A2 como se describe adicionalmente a continuación.
La corriente de MDEA rica en gas ácido calentada resultante 03 pasa a la columna de regeneración A2 donde se genera vapor rico en gas ácido de una manera convencional conocida en el recalentador hervidor de columna y pasa a través de un condensador de columna para refrigeración y recuperación de MDEA, generando una corriente de gas de dióxido de carbono recuperado. Una corriente de MDEA pobre 04 se recupera de la base del recalentador y pasa a través del intercambiador de calor E8, intercambiando calor con la corriente de MDEA rica en ácido 02. Antes de reciclarse de nuevo a la columna absorbente A1, la corriente de MDEA calentada 06 entonces se pasa a un preenfriador E9 que elimina el calor de la MDEA pobre.
Un ejemplo de un proceso tal como se muestra en la figura 1, tiene un perfil de carga térmica/temperatura como se muestra en el gráfico de la figura 1 a, siendo Qin de refrigeración (como carga térmica del recalentador) de 3,0 Gcal/h, siendo Qout de calentamiento (como carga térmica del condensador y preenfriador) de 3,0 Gcal/h.
Disposición autotérmica
La figura 2 muestra esquemáticamente un proceso de eliminación de gases ácidos de absorción según un ejemplo de la presente invención en el que los calores de absorción y regeneración se equilibran a través de un intercambiador de calor común E1.
La disposición mostrada en la figura 2 incluye una columna absorbente A1, un tambor de separación simple F1 que se usa para la regeneración del absorbente y un compresor C1 dispuesto para la compresión de la corriente de gas ácido 31 del tambor de separación F1. El disolvente utilizado en este ejemplo es MDEA y el gas fuente ACID_GAS es gas natural que incluye dióxido de carbono. La corriente de gas natural ácido se alimenta a la MDEA en la columna absorbente A1 donde el gas ácido, que incluye dióxido de carbono, se absorbe por la MDEA y sale una corriente de gas natural limpio pobre en gas ácido CLEAN_GAS de la columna absorbente A1.
Una corriente de MDEA rica en gas ácido 11 sale de la base de la columna absorbente A1 y pasa a un intercambiador de calor E1 que intercambia calor entre las corrientes de MDEA calientes 21,23, 32, 41 y pasa al tambor de separación F1 donde se recupera el gas ácido como corriente 31. La corriente de gas ácido 31 se pasa al compresor C1 y una corriente de MDEA pobre 41 se pasa desde el tambor separador F1 al intercambiador de calor E1. La corriente de MDEA pobre refrigerada 42 se bombea (usando la bomba PI) y se recicla de nuevo al absorbente A1.
La corriente de gas ácido comprimido 32 a continuación se pasa de nuevo a través del intercambiador de calor E1 antes de que la corriente de gas ácido comprimida refrigerada resultante 33 pase a otro tambor separador F2 donde se recupera más MDEA como corriente 34 y se combina con la corriente de MDEA rica 12 anterior al intercambiador de calor E1 mientras que la corriente de gas ácido recuperada, que contiene principalmente dióxido de carbono, se obtiene como corriente de gas CO2.
Dos corrientes de extracción y retorno 21, 22 y 23, 24 toman la MDEA que contiene gas ácido desde una sección inferior de la columna absorbente A1 y la pasan al intercambiador de calor E1.
Al incluir corrientes de extracción y retorno cerca de la base del absorbente E1, se puede reducir la temperatura del disolvente rico en ácido en la base del absorbente. En este ejemplo, ambos pares de corrientes de extracción/retorno 21,22 y 23, 24 se colocan cerca de la base de la columna absorbente. Son posibles otras disposiciones.
El intercambiador de calor E1 ilustrado en la figura 2 es un intercambiador de calor multicanal, en el que un cuerpo de alta conductividad térmica (por ejemplo, que comprende aluminio o aleación de aluminio) incluye varios canales conectados térmicamente para transferir energía térmica entre corrientes de fluido que fluyen en canales separados en el cuerpo. Este es un tipo de intercambiador de calor que se usa a menudo para servicios criogénicos.
En la figura 2, el intercambiador de calor E1 se muestra como un elemento único. En algunos ejemplos, puede comprender dos o más unidades conectadas térmicamente juntas.
Los calores de absorción y regeneración se equilibran a través del intercambiador de calor común E1, siendo la salida de la columna de absorción 12 un fluido más frío y siendo todo el resto de las corrientes un fluido más caliente.
La etapa de absorción se lleva a cabo a una presión relativamente alta, tal como 30-70 bar, y se proporciona una válvula V1 para reducir la presión mediante descarga súbita por debajo de la presión isotérmica teórica antes del intercambio de calor. Esta presión de descarga más baja (en este ejemplo, 0,6 bar) posibilita una alimentación a temperatura reducida para el intercambio de calor, por tanto, corrientes de retorno a baja temperatura a la columna de absorción A1 y también posibilita un requisito de temperatura relativamente más bajo para la regeneración (en este ejemplo, 80 °C). En algunos casos, la válvula V1 podría remplazarse, por ejemplo, por una turbina hidráulica, en cuyo ejemplo, podría usarse para proporcionar energía a la bomba P1.
El gas ácido recuperado del absorbente rico regenerado después del intercambio de calor y la separación se comprime antes de devolverlo al intercambiador de calor. Esta compresión eleva la temperatura de recondensación del vapor porque la presión es proporcional a la temperatura de condensación. Al mismo tiempo, la etapa de compresión proporciona un aumento de temperatura en la corriente de vapor que luego pasa de nuevo al intercambiador de calor elevando la temperatura del intercambiador de calor E1. Por tanto, la temperatura del intercambiador de calor se puede controlar controlando la cantidad de compresión aplicada a la corriente de gas ácido 31 mediante el compresor C1.
En el ejemplo mostrado en la figura 2, se muestra solo un compresor, pero se entenderá que, en algunos ejemplos, puede estar presente más de una unidad compresora para lograr la compresión en múltiples fases. Podría proporcionarse refrigeración entre las etapas de compresión, por ejemplo, al menos parcialmente en relación con el intercambiador de calor E1. Se puede usar cualquier tipo apropiado de compresor, tal como el tipo centrífugo o el tipo de desplazamiento. La relación de compresión del compresor C1 (o la relación global cuando se usa compresión múltiple) puede ser, por ejemplo, aproximadamente 2:1. En el presente ejemplo, la corriente de vapor 31 a 0,6 bar se comprime usando el compresor C1 a una presión de 1,2 bar.
El proceso como se muestra en la figura 2 es autotérmico en el sentido de que no hay entrada de calor externa (Q) o salida de calor, aunque el compresor C1 aporta trabajo W (en este ejemplo, 367 kW) al sistema. En algunas disposiciones, se puede proporcionar algo de calentamiento y/o refrigeración externa para ayudar al calentamiento/refrigeración autotérmica de la MDEA si están fácilmente disponibles.
El equilibrio del calor se produce dentro del intercambiador de calor E1. En el absorbente ABS, el calor generado por la absorción del gas en la MDEA se transfiere al intercambiador de calor E1 mediante los dos pares de corrientes de extracción y retorno 21, 22 y 23, 24 que toman líquido de la columna absorbente A1 para el intercambiador de calor E1. Este calor recuperado se usa en la regeneración de la MDEA rica.
La figura 2a muestra el diagrama H-T del intercambiador de calor en el que se puede observar que la temperatura del lado frío (temperatura de absorbente rico) y la temperatura del lado caliente son sustancialmente paralelas, lo que indica que el intercambio de calor objetivo está habilitado.
El gas natural ácido ACID_GAS se alimenta al sistema a una presión de 46 bar y una temperatura de 40 °C. En otras disposiciones, la temperatura puede estar, por ejemplo, dentro del intervalo de aproximadamente 30 a 60 °C y la presión puede ser, por ejemplo, hasta 70 bar, por ejemplo, de aproximadamente 30 a 70 bar en algunos casos, aunque se podrían usar otras temperaturas y presiones en otros ejemplos. Preferiblemente, la presión de la corriente de alimentación es tal cual, sin compresión anterior a la columna absorbente A1. El dióxido de carbono de la alimentación de gas natural se absorbe en la MDEA en la columna absorbente A1 y el gas natural pobre en dióxido de carbono se devuelve a la corriente de gas limpio CLEAN_GAS. La MDEA 43 pobre se suministra a la parte superior de la columna de absorción y se devuelve desde el sistema de absorción/regeneración como se explica adicionalmente a continuación. Dos pares de corrientes de extracción líquidas, extracción y retorno 21,22 y 23, 24, se dirigen desde la columna absorbente al intercambiador de calor E1.
La MDEA rica en ácido recuperada del absorbente A1 en 11 se refrigera instantáneamente a través de la válvula V1 antes de pasarse al intercambiador de calor E1. La presión se reduce hasta la presión de vacío, en este caso 0,6 bar, para lograr el equilibrio térmico requerido. En algunas disposiciones, la corriente refrigerada instantáneamente puede alimentarse a un tambor separador, pasando la corriente líquida recuperada al intercambiador de calor. Posterior al intercambiador de calor E1, el dióxido de carbono separado se elimina en un tambor separador F1, mientras que la MDEA regenerada pobre (por ejemplo, que tiene una carga de gas ácido de un 0,1 %) se devuelve al absorbente A1 a través del intercambiador de calor y una bomba.
Esta disposición tiene ventajas en comparación con un sistema absorbente de MDEA convencional. En primer lugar, el sistema es compacto. El flujo MDEA es de dos tercios a la mitad con respecto al sistema convencional, y la sección transversal del absorbente necesita ser solo de dos tercios a la mitad con respecto al sistema convencional. Puede que no haya necesidad de una columna de separación en dichas disposiciones. Al proporcionar refrigeración a la columna absorbente, se puede conseguir una carga mayor, por ejemplo, una carga de 1,5 a 2 veces mayor de la MDEA. Por ejemplo, la carga de MDEA puede ser de 0,75 en comparación con un intervalo convencional de aproximadamente 0,4 a 0,5. En segundo lugar, en el presente ejemplo no se requiere calentamiento con vapor o refrigeración externa. En tercer lugar, se requiere menos energía.
La figura 3 muestra esquemáticamente otro ejemplo de un sistema de eliminación de gases ácidos en el que, en algunos casos, se puede obtener una eliminación de gases ácidos mayor en ppm.
El proceso de separación incluye la vaporización parcial del absorbente (reebullición) y la posterior condensación en una columna de separación. En este ejemplo, el calor de la etapa de reebullición y de la etapa de condensación están al menos parcialmente equilibrados dentro del sistema.
El sistema es similar al que se muestra en la figura 2, excepto por la adición del subsistema de reebullición y condensación SS01. Este subsistema SS01 incluye una columna de separación A2, un intercambiador de calor multicanal E2 y un compresor C2. La disposición del intercambiador de calor E2, el separador A2 y el compresor C2 es similar a la del intercambiador de calor E1, el tambor de separación F1 y el compresor C1 de la figura 2. En la disposición de la figura 3, la corriente de absorbente regenerada separada 51 recuperada del tambor de separación F1, en lugar de ser realimentarse directamente al intercambiador de calor E1 como en el sistema de la figura 2, se alimenta al subsistema SS01. La corriente de absorbente regenerada 51 se alimenta primero al intercambiador de calor del subsistema E2, donde se calienta para volver a hervir parcialmente el absorbente antes de alimentarse a la parte superior de la columna de separación A2. La propia columna de separación A2 funciona de manera convencional de manera similar a la de la columna A2 en la figura 1.
La corriente de absorbente separada resultante 81 y la corriente de vapor ácido 71 (que incluye gas ácido y vapor absorbente) recuperadas de la columna de separación A2 se alimentan al intercambiador de calor E2. En el ejemplo mostrado en la figura 3, primero se aumenta la presión de la corriente de vapor separada 71 pasándola al compresor C2 antes de devolverla al intercambiador de calor E2 para la recuperación de calor sensible y latente (con condensación de absorbente) y la recuperación de masa de condensación de absorbente a través de un tambor separador adicional F3, el tambor de extracción como se describe adicionalmente a continuación. La corriente de mayor presión 72 que sale del compresor C2 y se alimenta al intercambiador de calor E2 también aumenta su temperatura, suministrándose la temperatura aumentada al intercambiador de calor y da un mayor diferencial de temperatura que luego se usa para calentar la corriente de absorbente regenerada 51 alimentada desde el primer tambor separador F1.
La corriente de gas ácido a alta presión enfriada 73 que sale del intercambiador de calor E2 se alimenta a continuación a un tercer separador de tambor F3 y la corriente de absorbente recuperada 74 se alimenta de nuevo a la columna de separación A2, refrigerándose la corriente de gas ácido recuperada 75 en el primer intercambiador de calor E1 junto con la corriente de gas ácido recuperada 32 como se describe en relación con el ejemplo de la figura 2. Mientras tanto, la corriente de absorbente recuperada 81 de la columna de separación A2 se calienta adicionalmente a través del intercambiador de calor E2 y la corriente calentada 82 se pasa a un cuarto separador de tambor F4, la corriente de gas ácido separada 83 se devuelve a la columna de separación A2, y la corriente de absorbente separada 84 se pasar a través del intercambiador de calor E2 para refrigeración antes de que la corriente refrigerada resultante 41 se pase de nuevo al primer intercambiador de calor E1 para refrigeración adicional y retorno a la columna absorbente A1. Por tanto, se observará que la parte líquida de la corriente de absorbente separada de la columna de separación A2 pasa dos veces a través del intercambiador de calor E2: en primer lugar, para reebullición parcial con el vapor hervido devuelto a la columna de separación A2 a través del tambor de extracción o tambor separador F4 y, en segundo lugar, para la recuperación de calor del absorbente de la corriente 84 antes de pasar al otro intercambiador de calor E1.
En este ejemplo, se añade la separación autotérmica adicional en la que el calor requerido para la reebullición parcial del absorbente y la refrigeración del absorbente y el gas ácido separado se equilibra sin que se requiera el uso de refrigeración externa y/o calentamiento externo. La refrigeración y el calentamiento se proporcionan internamente usando intercambio de calor dentro de un intercambiador de calor entre el líquido después de la regeneración, el vapor comprimido después de la columna de separación, la reebullición parcial del líquido después de la columna de separación y el líquido después de reebullición. Se añade calor adicional al intercambiador de calor como resultado de la compresión de la corriente de vapor recuperada de la columna de separación.
Por tanto, el absorbente pobre de la base de la columna de separación A2 se hierve parcialmente en E2 de regreso a la columna antes de volver a E1. La compresión proporcionada por C2 eleva la temperatura de recondensación del vapor y proporciona el diferencial de temperatura requerido para el intercambiador de calor E2.
Se ha descubierto en ejemplos que el requisito de energía para el subsistema de separación autotérmico SS01, tal como para el ejemplo ilustrado en la figura 3, se reduce significativamente en comparación con un sistema equivalente que depende del suministro de refrigeración y calentamiento externos.
Para una mayor eliminación de gases ácidos en ppm, se requiere energía adicional al requisito de energía básica del sistema convencional como en la figura 1, que para este ejemplo se evalúa como 3 Gcal/h adicionales para cada uno del calentamiento y la refrigeración en el sistema convencional. Como resumen de la tabla anterior y la tabla de la figura 2, la entrada de energía total para un sistema convencional para una mayor eliminación de gases ácidos en ppm se calcula en 1380 kW en comparación con los 625 kW requeridos para el sistema autotérmico según la figura 3. Por tanto, el requisito de energía para el sistema de ejemplo de la invención es menos de la mitad de lo requerido para el sistema convencional.
La figura 4 muestra esquemáticamente un ejemplo de la invención en el que se usa la eliminación autotérmica de gases ácidos para eliminar el CO2 y el H2S y de una corriente de gas natural.
El sistema es similar al de la figura 3, excepto que se añade una columna de lavado y la mitad inferior de la columna de absorción está designada para absorción de H2S. La columna de lavado A3 se alimenta por una corriente de la columna absorbente A1 que se toma de la mitad de la columna absorbente A1, mostrada como corriente 25. La corriente 25 es una corriente de MDEA pobre en H2S que se extrae para su uso como líquido de lavado para gases ácidos separados (CO2 y H2S) tanto mediante descarga como mediante regeneración autotérmica y aporta CO2 pobre en H2S. El subsistema de reebullición y condensación SS01 en la figura 3 se modifica aquí como subsistema SS02 para facilitar la separación de H2S con admisión de CO2 puro a la columna para una separación más eficaz.
En la disposición mostrada en la figura 4, la sección superior (aproximadamente la mitad en este ejemplo) de la columna absorbente A1 actúa como un absorbente de CO2 de la misma manera que la columna absorbente A1 en la figura 3 y la sección inferior actúa como un absorbente de H2S. Dado que la MDEA de la mitad superior de la columna absorbente A1 ya es rica en CO2 y debido a la fuerte selectividad de la MDEA por H2S, sustancialmente solo se absorbe H2S en esta mitad inferior de la columna y se absorbe sustancialmente nada de CO2.
Se observará que, de manera similar a la disposición de la figura 3, el sistema autotérmico de absorción/regeneración incluye un intercambiador de calor, aquí designado como E1. El intercambiador de calor E1 está dispuesto para intercambiar calor entre dos pares de corrientes de extracción/retorno 21,22 y 23, 24 parten de y vuelven a una región en la mitad de la columna absorbente A1 al igual que las corrientes 21,22 y 23, 24 en la figura 3.
La corriente rica en CO2 y H2S 11 de la columna absorbente se pasa a través de la columna de lavado A3, el intercambiador de calor E1 y un tambor separador F1, donde la mayor parte del CO2 se separa de la MDEA mientras que una buena cantidad de H2S permanece en la MDEA debido a la fuerte unión de la MDEA a H2S. La corriente de gases de CO2 y H2S separada 31 pasa a través del compresor C1, el intercambiador de calor E1 y el tambor de separación F2 de la misma manera que en la figura 3. La corriente de gases de CO2 y H2S refrigerada 35 se suministra a la columna de lavado A3 que produce la corriente de CO2 libre de H2S 36.
La corriente concentrada de H2S 51 con relación de Claus compatible de H2S/CO2 se pasa a la unidad autotérmica de separación, al intercambiador de calor E2, donde se calienta antes de la separación en el tambor de separación F5. La corriente de absorbente 53 recuperada del tambor de separación F5 se pasa luego a una columna de separación A2. Por tanto, se observará que gran parte del dióxido de carbono y del sulfuro de hidrógeno absorbidos en la corriente de MDEA rica en ácido se separa como mezcla de Claus compatible de H2S/CO2 antes de que la corriente de MDEA 53 pase a la columna de separación. El tambor de separación F5, el compresor C3 y el tambor de separación F6 se añaden al subsistema SS01 en la figura 3 porque una columna de separación con admisión de CO2, como se explica más adelante, normalmente no producirá una mezcla de Claus compatible con de H2S/CO2. La corriente de vapor ácido 61 recuperada del tambor separador F5 se comprime usando el compresor C3, antes de pasar la corriente comprimida 62 al intercambiador de calor E2. La compresión de la corriente 61 a 62 proporciona una entrada de calor adicional al intercambiador de calor de una manera similar a la descrita anteriormente en relación con la figura 3. La corriente refrigerada 63 entonces se pasa a otro tambor de separación F6 en el que se forma una corriente de MDEA condensada 64 y se envía a la parte superior de la columna de separación A2.
En la parte superior de la columna de separación A2, la separación de H2S se produce usando CO2 sustancialmente puro admitido en la columna. Una corriente rica en CO2 generada a partir de la columna de lavado A3 se pasa como corriente 37 a la parte inferior de la columna de separación A3. En algunos ejemplos, la corriente 37 puede comprender CO2 sustancialmente puro. Se ha identificado que la separación de H2S con introducción de CO2 sustancialmente puro en la columna de separación A2 puede proporcionar separación de H2S más eficaz que el calentamiento. La corriente de vapor rico en CO2 separada 71 en la parte superior de la columna y sus disposiciones posteriores son las mismas que las del subsistema SS01 en la figura 3. En la parte inferior de la columna de separación A2, la separación de CO2 se produce con las mismas disposiciones posteriores que en el subsistema SS01 en la figura 3.
En comparación con los sistemas convencionales de MDEA que solo pueden realizar cocaptura de H2S y CO2 con una sola salida de mezcla de H2S y CO2, el sistema de la figura 4 puede proporcionar la cocaptura de H2S y CO2 con una mezcla de Claus compatible de H2S/CO2 y salida de CO2 puro usando un único sistema de MDEA. El sistema es compacto, usando solo de aproximadamente dos tercios y la mitad del flujo de absorbente y del tamaño de la sección de la columna absorbente de un sistema convencional de MDEA. El sistema puede ser autónomo en el sentido de que no se requiere entrada de vapor o refrigeración externa. También puede requerir menos energía que un sistema convencional de MDEA.
La figura 5 muestra esquemáticamente un ejemplo en el que se usa eliminación autotérmica de gases para eliminar dióxido de carbono de una corriente de gas usando un absorbente físico.
En este ejemplo, el absorbente físico MeOH se usa para absorber CO2 en la columna absorbente A1. En este ejemplo, la corriente de gas ácido comprende gas de síntesis a una presión de aproximadamente 75 bares del que ya se ha eliminado el sulfuro de hidrógeno.
El sistema es similar al que se muestra en la figura 2, excepto por la adición de un proceso autotérmico de eliminación de gases ácidos de condensación al proceso de absorción/regeneración en el que no hay entrada externa de carga de calentamiento o refrigeración al sistema. El calor de absorción del CO2 en el MeOH, el calor de regeneración y el equilibrado del calor de condensación de CO2 y el calor de evaporación se gestionan para dar un sistema autotérmico. Para la absorción física en MeOH, también se usa la separación por condensación de gases ácidos y se integra en la separación por absorción. La separación por cambio de fase es más eficaz y sencilla en algunos ejemplos en comparación con la separación por absorción. Dado que las condiciones de condensación (incluyendo una presión más alta y una temperatura más baja) son también las necesarias para condiciones de absorción eficaces, la combinación puede dar lugar a un buen rendimiento de AGR. En este ejemplo, un sistema intercambiador de calor incluye dos intercambiadores de calor, incluyendo E3, que equilibra el calor de absorción y el calor de regeneración, y el intercambiador de calor E1, que equilibra el calor de condensación y el calor de regeneración.
La corriente de gas ácido 101 que comprende gas de síntesis a una presión de 75 bar y una temperatura de -50 °C se alimenta al fondo de la columna absorbente A1. El CO2 se absorbe en la columna y una corriente de gas de síntesis pobre en CO2102 se devuelve desde la parte superior de la columna absorbente A1. Se suministra MeOH pobre a la parte superior de la columna y dos pares de corrientes de extracción/retorno 121, 122 y 123, 124 se extraen de y se devuelven a la columna absorbente A1. Las corrientes extraídas 121, 123 están a una presión de 75 bar y una temperatura de -32 °C, y se devuelven a una temperatura de -53 °C después de haber intercambiado calor en el intercambiador de calor E3 con una corriente de MeOH rica en gas ácido. Esta corriente de MeOH rica en gas ácido 114 incluye CO2 condensado (62 % en peso) y un corriente de un 36 % en peso de CO2 absorbido en MeOH que se ha recuperado de la base de la columna absorbente A1, se ha expandido en el expansor EX1 y descargado súbitamente por una válvula V1 para dar una corriente de MeOH a una presión de 5 bar y una temperatura de -56 °C.
Después de calentar la corriente de MeOH 114 en el intercambiador de calor E3, se pasa al intercambiador de calor E1 después del tambor separador F2 para el CO2 parcialmente retirado y se descarga súbitamente por una válvula adicional V2 para dar una corriente de MeOH rica 117 a una presión de 4 bar y una temperatura de -55 °C.
Después de calentarse en el intercambiador de calor E1, la corriente de MeOH 118 se pasa al tambor separador F1 del que se separa vapor rico en CO2 retirado como la corriente 131. La corriente de MeOH pobre 141 se devuelve a través del tambor F1, la bomba P1 y el intercambiador de calor E1 al absorbente A1.
La corriente de vapor rico en CO2 131 recuperada del tambor separador F1 se comprime usando el compresor C1, antes de pasar la corriente comprimida 132 al intercambiador de calor E1, proporcionando la compresión una entrada de calor adicional al intercambiador de calor E1 de una manera similar a la descrita anteriormente en relación con la figura 2. La corriente enfriada 133 entonces se pasa a otro tambor de separación F2 en el que se recupera el MeOH condensado.
Anterior a la válvula V1, la corriente de vapor rico en CO2 106, recuperada del tambor separador F5, se comprime entonces en el compresor C5 y se devuelve a la entrada de la corriente de alimentación de gas ácido al intercambiador de calor E1.
En comparación con un sistema convencional de absorción de MeOH, por ejemplo, un sistema Rectisol, que tiene absorción de CO2 sin condensación del gas ácido, el presente sistema es más compacto. El flujo de MeOH puede ser de 1/3 a 1/4 con respecto al de un sistema convencional y la sección transversal del absorbente también puede ser de 1/3 a 1/4 con respecto al del sistema convencional. El flujo de MeOH requerido se ve afectado por la temperatura de la columna de absorción, ya que cuanto menor es la temperatura, menor es el flujo y, por tanto, la refrigeración de la columna se vuelve importante. Dado que un sistema convencional requiere un sistema de refrigeración externo para refrigeración, se considera que la refrigeración de la columna en un sistema convencional es menos eficaz que los ejemplos de la presente invención. Además, no existe ningún requisito de calentamiento con vapor o refrigeración externa en los ejemplos de la presente invención que son más autónomos. También se considera que los ejemplos del presente sistema requieren aproximadamente un 30 % menos de energía que un sistema convencional. Aunque una comparación directa es difícil en algunos casos porque la energía convencional depende de un esquema de refrigeración que no se requiere en el presente sistema. Sin embargo, en muchos ejemplos se espera una reducción de la energía.
La figura 6 muestra esquemáticamente un ejemplo en el que se usa eliminación autotérmica de gases ácidos para eliminar CO2 y H2S de una corriente de gas usando MeOH como absorbente.
El sistema mostrado en la figura 6 es similar al de la figura 5 excepto que se incluye una columna de lavado A3 similar a la figura 4 descrita anteriormente. El principio de las características clave de este ejemplo es que suministrar MeOH de lavado a la columna de lavado puro o insaturado con CO2 tiende a que el MeOH de lavado absorba CO2, lo que eleva la temperatura de la columna de lavado, dando como resultado el paso de H2S. Para reducir esto, se suministra CO2 líquido sustancialmente libre de H2S (que se produce en el sistema a través de una corriente lateral de CO2 de salida) a la parte superior de la columna de lavado para presaturar el MeOH con CO2 líquido (sin aumento de temperatura). Esto permite que el lavado prosiga con poco o nada de absorción de CO2 y, por lo tanto, poco o nada de elevación de la temperatura.
En relación con el proceso de la figura 6, se suministra gas de síntesis ácido a 75 bar al intercambiador de calor E1, donde se enfría hasta -50 °C para formar la corriente 101 que pasa a la base de la columna absorbente A1. En este ejemplo un 62 % del CO2/H2S se condensado por cambio de fase. El H2S restante se absorbe por aproximadamente 1/3 del MeOH, que está casi saturado con CO2 en la sección inferior de la columna A1. La saturación con CO2 en la sección superior de la columna A1 posibilita la absorción eficaz de H2S con poca elevación de la temperatura. El CO2 restante se absorbe por MeOH pobre en las secciones superiores de la columna A1. La alta presión y la baja temperatura minimizan el flujo de MeOH y el calor se elimina mediante dos pares de corrientes de extracción/retorno 121, 122 y 123, 124 que eliminan el MeOH de la columna absorbente y lo pasan a través del intercambiador de calor E3 para enfriarlo frente a una corriente de MeOH fría 114. En el parte superior de la columna, se devuelve gas de síntesis pobre en CO2 y libre de H2S. El MeOH pobre se suministra a la parte superior de la columna desde el sistema de regeneración.
Se toma una corriente de extracción adicional 125 de la columna absorbente A1 para el MeOH de lavado. Esto comprende aproximadamente 2/3 de MeOH libre de H2S que se extrae y luego se refrigera mediante expansión a través de EX2 y la válvula V3 antes de pasar a la columna de lavado A3.
En la base de la columna absorbente A1, sale CO2/H2S como líquido conjunto con el MeOH, y se expanden a través del expansor EX1 y la válvula V1 antes de pasar al intercambiador de calor E3, donde se evaporan y luego pasan a la columna de lavado. Desde la base de la columna de lavado A3, el MeOH ácido se refrigera instantáneamente a través de la válvula V2 antes de pasar a otro intercambiador de calor E1. La evaporación h-T gradual de CO2/H2S coincide estrechamente con la condensación h-T del gas de síntesis a través del intercambiador de calor E1. El CO2/H2S evaporado de E1 se separa y se devuelve a través de un tambor F1, un compresor C1 y un intercambiador de calor E1 a la columna de lavado A3. El H2S se concentra en este bucle de modo que el MeOH separado en el tambor F1 contiene gas ácido con relación de Claus compatible de H2S/CO2.
La corriente de MeOH separada 151 se pasa al subsistema de reebullición y condensación SS101 con disposiciones iguales que el subsistema SS01 en la figura 3, donde se produce gas de Claus compatible rico en H2S y MeOH pobre. Como el MeOH no presenta fuerte unión selectiva a H2S, la separación de MeOH no requiere un subsistema similar al SS02 en la figura 4.
Se suministra CO2 líquido libre de H2S en 138 a la columna de lavado A3 para saturar MeOH rico en CO2 con CO2 líquido. En la parte superior de la columna de lavado, la corriente 134 comprende sustancialmente CO2 libre de H2S. La saturación de CO2 usando la corriente 134 posibilita que no haya sustancialmente absorción de CO2, proporcionando un lavado de H2S a una temperatura eficaz sustancialmente constante, en este ejemplo a aproximadamente -50 °C. En comparación con un sistema convencional de absorción de MeOH, los ejemplos de la presente invención son más eficaces y más autónomos como se describe en la sección de la figura 5.
La figura 7 muestra esquemáticamente un ejemplo en el que se usa eliminación autotérmica de gases ácidos para eliminar H2S de una corriente de gas usando MeOH como absorbente.
En este ejemplo, el H2S debe eliminarse usando MeOH y condensación/cambio de fase sin eliminación significativa de CO2. Dicho método puede encontrar aplicación, por ejemplo, cuando el gas resultante se vaya a utilizar como combustible.
El gas ácido se cocaptura de manera similar a otros ejemplos descritos con la figura 5 y el metanol rico se separa usando una columna de separación como se describe con la figura 6. En este ejemplo, es posible reducir el flujo de MeOH a aproximadamente 1/3 del sistema de captura de CO2 porque solo se requiere captura del 100 % de H2S. El gas ácido separado a través del proceso de regeneración se devuelve a la corriente principal. En este ejemplo, en lugar de simplemente comprimir y devolver el gas ácido, la corriente pasa a un intercambiador de calor para su licuación y luego a la corriente principal. La inyección de gas ácido líquido proporciona refrigeración por pulverización directa y reduce significativamente la temperatura de la corriente. Esto puede eliminar la necesidad de intercambio de calor de condensación del gas fuente a baja temperatura en algunos ejemplos y puede mejorar la eficacia del sistema.
La columna absorbente de cocaptura A1 funciona a 75 bar y -50 °C. El gas ácido de alimentación se refrigera a través de un intercambiador de calor E1 hasta una temperatura de -40 °C a una presión de 75 bar. La corriente de CO2 líquido 133 se inyecta en la corriente de alimentación para formar una corriente 101 a -55 °C que se pasa a la columna absorbente A1.
Se suministra MeOH pobre a la parte superior de la columna absorbente A1 y el flujo de suministro se reduce a 1/3 del ejemplo de captura de CO2 anterior ya que solo se requiere eliminación de H2S en este ejemplo. Dado que el flujo de MeOH es bajo en la columna absorbente A1, el MeOH se satura pronto con CO2 y se produce retención del CO2. Esto es deseable cuando no se requiere eliminación de CO2. El H2S se absorbe por el MeOH saturado de CO2 en la columna con una pequeña elevación de temperatura porque la saturación de CO2 en la parte superior de la columna posibilita la absorción eficaz de H2S. El CO2 y el H2S salen de la columna absorbente A1 como un líquido conjunto con el MeOH como la corriente 111 y pasan al intercambiador de calor E3.
Dos pares de corrientes de extracción/retorno 121,122 y 123, 124 se retiran de y se devuelven a la mitad de la columna absorbente A1 mediante el intercambiador de calor E3. Una pequeña cantidad de CO2/H2S se evapora a través del intercambiador de calor E3 porque en la columna absorbente A1 se ha generado solo una pequeña cantidad de calor. Posterior al intercambiador de calor E3, la corriente de MeOH ácida 113 se refrigera instantáneamente a través de una válvula V2 y se pasa a otro intercambiador de calor E1. La evaporación H-T gradual de CO2/H2S coincide estrechamente con la condensación H-T del gas de alimentación entrante a través del intercambiador de calor E1.
El CO2/H2S evaporado se separa en un tambor F1, se comprime en compresores C1 y se devuelve mediante el intercambiador de calor E1 a la corriente principal en el colector M1. El H2S se concentra en este bucle. El MeOH que contiene gas ácido rico en H2S se aporta desde el tambor separador F1 al subsistema de separación SS101 similar al de la figura 6.
El CO2/H2S recuperado de los compresores C1 se licua debido a la alta presión de 75 bar y la baja temperatura de -40 °C. Como se describe anteriormente, los componentes ácidos licuados entonces se devuelven a la corriente de gas para proporcionar una inyección de pulverización directa, lo que proporciona un gran efecto de refrigeración.
En comparación con los sistemas convencionales de MeOH para la eliminación de H2S, el sistema de la figura 7 puede ser autónomo en el sentido de que no se requiere entrada de vapor o refrigeración externa. También puede requerir menos energía que un sistema convencional de MeOH.
Se entenderá que se pueden usar diferentes aparatos para separar el absorbente y el gas ácido en ejemplos de aspectos de la invención. En los presentes ejemplos, se describe el uso de un tambor separador y una columna de separación. Se pueden usar otros aparatos o combinaciones alternativas, según corresponda.
Se entenderá además que pueden usarse diferentes aparatos para lograr el intercambio de calor entre corrientes en los sistemas de los ejemplos de la presente invención. En ejemplos descritos en la presente memoria, se describen intercambiadores de calor multicanal. En otros ejemplos, se puede proporcionar más de un elemento intercambiador de calor para lograr el intercambio de calor deseado entre las corrientes. Uno o más de esos elementos intercambiadores de calor pueden estar conectados térmicamente juntos. En relación con la figura 3, los dos intercambiadores de calor descritos E1 y E2 pueden estar conectados térmicamente. Los aparatos intercambiadores de calor distintos de los intercambiadores de calor multicanal serán evidentes para el experto y pueden usarse en ejemplos de la invención según corresponda.
Se entenderá que la presente invención se ha descrito anteriormente meramente a modo de ejemplo, y se pueden realizar modificaciones en los detalles dentro del alcance de la invención. Cada característica descrita en la descripción y (cuando corresponda) las reivindicaciones y los dibujos se puede proporcionar de forma independiente o en cualquier combinación apropiada.
Claims (6)
1. Un método para separación de componentes ácidos de una mezcla de gases ácidos usando un absorbente, incluyendo el método las etapas de:
(a) pasar la mezcla de gases a través del absorbente en una columna absorbente (A1) de modo que el componente ácido de la mezcla de gases se absorba por el absorbente para formar un fluido reducido en ácido y una corriente de absorbente rica en ácido (11), en donde la etapa de absorción se lleva a cabo a 30-70 bar (3000-7000 kPa),
(b) extraer una corriente de extracción/retorno de absorbente de gas ácido (21,23) desde la columna absorbente (A1) a un primer sistema de intercambio de calor (E1), refrigerar la corriente de extracción/retorno (21,23) en el sistema de intercambio de calor (E1) y devolver la corriente de extracción/retorno (22, 24) a la columna absorbente (A1),
(c) refrigerar instantáneamente la corriente de absorbente rica en ácido (11) reduciendo la presión en la corriente antes de pasar la corriente de absorbente rica en ácido refrigerada (12) al primer sistema de intercambio de calor (E1), intercambiar calor entre la corriente de absorbente rica en ácido refrigerada (12) y las corrientes calientes (21, 23, 32, 41) y pasar la corriente de absorbente rica en ácido calentada (13) a una primera unidad de regeneración que comprende un tambor de separación (F1);
(d) separar un componente ácido de la corriente de absorbente rica en ácido (13) en el tambor de separación (F1) para formar un absorbente regenerado (41) y un vapor rico en ácido (31),
(e) reciclar el absorbente regenerado (41) a la columna absorbente A1 mediante el primer intercambiador de calor E1;
(f) comprimir al menos parte del vapor rico en ácido (31) generado en el aparato de separación (F1) usando un primer compresor (C1) para formar un primer vapor rico en ácido comprimido (32), pasar el vapor rico en ácido comprimido (32) al primer sistema de intercambio de calor (E1) y pasar la corriente de gas ácido comprimido refrigerado resultante (33) a otro aparato de separación (F2) donde se obtiene una corriente de gas CO2 y se recupera más absorbente como una corriente (34) que se combina con la corriente de absorbente rica en ácido enfriada (12) anterior al primer sistema de intercambio de calor (E1),
(g) en donde el método logra el intercambio de calor en el primer sistema de intercambio de calor (E1) entre al menos una parte de cada una de las siguientes corrientes:
i) la corriente de absorbente rica en ácido (11/12)
ii) el vapor rico en ácido comprimido (32)
iii) el absorbente regenerado (41)
iv) la corriente de extracción/retorno (21,22, 23, 24) tomada de la columna absorbente (A1);
en donde las corrientes ii), iii) y iv) son las corrientes calientes de la etapa c)
y en donde el primer sistema de intercambio de calor es un intercambiador de calor multicanal único (E1) y el método es autotérmico.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde el absorbente regenerado de la primera unidad de regeneración es semirrico, y el método comprende además las etapas de:
- pasar la corriente de absorbente semirrica (51) a un segundo intercambiador de calor (E2) para reebullición parcial y posteriormente alimentarse a la parte superior de una columna de extracción (A2) para eliminar el componente ácido de la corriente de absorbente semirrica (51) en la columna de separación;
- recuperar absorbente (81) de la columna de separación (A2) y
(i) calentar el absorbente recuperado (81) a través de dicho segundo intercambiador de calor (E2) para formar un absorbente calentado (82),
(ii) separar el vapor rico en ácido del absorbente calentado en un cuarto tambor separador (F4) y pasar el vapor rico en ácido rehervido separado resultante (83) de nuevo a la columna de separación (A2) y refrigerar el absorbente rehervido regenerado resultante (84) en el intercambiador de calor (E2) y a continuación además en el primer intercambiador de calor (E1), antes de volver a la columna absorbente (A1) - recuperar el vapor rico en ácido (71) de la columna de separación (A2) y
(i) comprimir el vapor rico en ácido recuperado (71) de la columna de separación (A2) usando un segundo compresor (C2) para formar vapor rico en ácido comprimido (72), y
(ii) refrigerar el segundo vapor rico en ácido comprimido (72) en el segundo intercambiador de calor (E2) para formar una segunda corriente de gas ácido a alta presión refrigerada (73), alimentar la corriente de gas ácido a alta presión refrigerada (73) a un tercer tambor separador (F3), y
- recuperar la corriente de absorbente (74), que se alimenta de nuevo a la columna de separación (A2) y una corriente de gas ácido (75), que se mezcla con la primera corriente de gas ácido comprimido (32) anterior al sistema de intercambio de calor E1,
en donde el método incluye intercambiar calor entre al menos parte de cada una de las siguientes corrientes:
(a) la corriente de absorbente semirrica (51)
(b) el vapor rico en ácido comprimido (72)
(c) el absorbente rehervido regenerado (84)
(d) el absorbente recuperado de la columna de separación (81)
en donde el segundo sistema intercambiador de calor es un intercambiador de calor multicanal (E2).
3. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el absorbente incluye un disolvente químico.
4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el absorbente incluye un disolvente físico.
5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se elimina dióxido de carbono de la mezcla de gases ácidos.
6. Un sistema para separar componentes ácidos de una mezcla de gases ácidos adecuado para llevar a cabo el método de la reivindicación 1, comprendiendo el aparato:
una columna absorbente (A1) que comprende un absorbente para absorber el componente ácido de la mezcla de gases ácidos para formar un fluido reducido en ácido y una corriente de absorbente rica en ácido (11) en donde la etapa de absorción se lleva a cabo a 30-70 bar (3000-7000 kPa),
un sistema de intercambio de calor (E1),
una ruta de extracción-retorno (21, 23) desde la columna absorbente (A1) al primer sistema de intercambio de calor (E1), para pasar el absorbente desde la columna absorbente (A1) al sistema de intercambio de calor (E1), y devolver la corriente de extracción/retorno (22, 24) desde el sistema de intercambio de calor (E1) a la columna absorbente (A1),
una ruta para la refrigeración instantánea y pasar la corriente de absorbente rica en ácido refrigerada (12) al primer sistema de intercambio de calor (E1) para intercambiar calor entre la corriente de absorbente rica en ácido refrigerada (12) y las corrientes calientes (21,23, 32, 41)
una ruta para pasar la corriente de absorbente rica en ácido calentada (13) a una primera unidad de regeneración que comprende un tambor de separación (F1);
una primera unidad de regeneración que comprende un tambor de separación (F1) para separar el componente ácido de la corriente de absorbente rica en ácido (11) para formar un absorbente regenerado (41) y un vapor rico en ácido (31),
una ruta para reciclar el absorbente regenerado (41) a la columna absorbente A1 mediante el primer intercambiador de calor E1;
un primer compresor (C1) dispuesto para comprimir al menos parte del vapor rico en ácido (31) generado en el aparato de separación (F1) para formar vapor rico en ácido comprimido (32) y para pasar el vapor rico en ácido comprimido (32) al sistema de intercambio de calor (E1),
una ruta para pasar la corriente de gas ácido comprimido refrigerada resultante (33) a un segundo aparato de separación (F2) para recuperar una corriente de absorbente adicional (34),
una ruta para combinar la corriente de absorbente adicional (34) con la corriente de absorbente rica en ácido refrigerada (12) anterior al primer intercambiador de calor E1,
en donde el primer sistema de intercambio de calor (E1) está dispuesto para lograr el intercambio de calor entre al menos una parte de cada una de las siguientes corrientes:
i) la corriente de absorbente rica en ácido (11)
ii) el vapor rico en ácido comprimido (32)
iii) el absorbente regenerado (41)
iv) la corriente de extracción/retorno (21,22, 23, 24) tomada de la columna absorbente (A1); en donde las corrientes ii), iii) y iv) son las corrientes calientes (21, 23, 32, 41) que intercambian calor con la corriente de absorbente rica en ácido refrigerada (12),
y en donde el primer sistema de intercambio de calor es un intercambiador de calor multicanal único (E1).
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