BRPI1105268A2 - hydrogen removal - Google Patents

Abstract

Translated fromPortuguese

Patente de Invenção: REMOÇçO DE HIDROGÊNIO. A presente invenção refere-se a um método para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto (1, 1') que contém substanciaimente metano, hidrogênio e nitrogênio. De acordo com a invenção, antes da liquefação (V) da fração rica em hidrocarboneto (1, 1'), o hidrogênio (2) é removido (M) por meio de permeação. Esta remoção (M) do hidrogênio (2) por meio de permeação é efetuada em um processo de remoção de único estágio ou de múltiplos estágios.Patent of Invention: Hydrogen Removal. The present invention relates to a method for liquefying a hydrocarbon rich fraction (1,1 ') which substantially contains methane, hydrogen and nitrogen. According to the invention, prior to liquefaction (V) of the hydrocarbon rich fraction (1,1 '), hydrogen (2) is removed (M) by permeation. This removal (M) of hydrogen (2) by permeation is carried out in a single stage or multi stage removal process.

Description

Translated fromPortuguese

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REMOÇÃO DE HIDROGÊNIO".Patent Descriptive Report for "HYDROGEN REMOVAL".

A presente invenção refere-se a um método para liqüefazer uma fração rica em hidrocarboneto, a qual contém substancialmente metano, hi- drogênio e nitrogênio.The present invention relates to a method for liquefying a hydrocarbon rich fraction which contains substantially methane, hydrogen and nitrogen.

Os métodos do tipo em questão para liqüefazer uma fração rica em hidrocarboneto têm sido há muito tempo conhecidos a partir da técnica anterior. Em métodos deste tipo, que servem, por exemplo, para liqüefazer gás natural, a fração rica em hidrocarboneto que deve ser liqüefeita é resfri- ada e, neste curso, é liqüefeita em intercâmbio de calor indireto contra um ou mais ciclos de refrigeração. Se a fração rica em hidrocarboneto que deve ser liqüefeita contiver componentes que deveriam ou não estar presentes no produto líquido a ser obtido, ou podem conduzir a depósitos na parte fria do processo de liquefação, estes devem ser eliminados dele antes e/ou durante o resfriamento da fração que deve ser liqüefeita. Os componentes indeseja- dos mencionados acima são, em particular, aromáticos, hidrocarbonetos maiores, água, monóxido de carbono e dióxido de carbono.Methods of the type in question to liquidate a hydrocarbon rich fraction have long been known from the prior art. In methods of this type, which serve, for example, to liquefy natural gas, the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied is cooled and in this course is liquefied in indirect heat exchange against one or more refrigeration cycles. If the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied contains components that should or should not be present in the liquid product to be obtained, or may lead to deposits in the cold part of the liquefaction process, these should be eliminated from it before and / or during cooling. of the fraction that must be liquefied. The undesired components mentioned above are in particular aromatics, larger hydrocarbons, water, carbon monoxide and carbon dioxide.

Uma vez que os preços atualmente alcançáveis com o produto de gás natural liqüefeito (LNG) são comparativamente altos, as novas fontes de gás natural para os processos de liquefação mencionados acima, atual- mente, estão sendo consideradas ou procuradas. Meramente, por meio de exemplo dessas novas fontes de gás natural, pode-se fazer menção de mis- turas de gás ricas em metano, as quais se originam de processos de gasifi- cação do carvão ou metanização. Essas misturas de gás ricas em metano, no entanto, também compreendem frações significativas de hidrogênio, em que estas também podem ser maiores do que 20% em volume. Além disso, essas misturas de gás ricas em metano freqüentemente contêm maior do que 10% em volume de nitrogênio e também traços de gases nobres, monó- xido de carbono e dióxido de carbono. Uma vez que o produto final liqüefeito, ou produto de LNG devaSince prices currently achievable with liquefied natural gas (LNG) products are comparatively high, the new sources of natural gas for the liquefaction processes mentioned above are currently being considered or sought. Merely, by way of example of these new sources of natural gas, mention can be made of methane-rich gas mixtures which originate from coal gasification or methanization processes. These methane-rich gas mixtures, however, also comprise significant hydrogen fractions, which may also be larger than 20% by volume. In addition, these methane-rich gas mixtures often contain greater than 10% by volume of nitrogen as well as traces of noble gases, carbon monoxide and carbon dioxide. Once the liquefied end product or LNG product must be

estar de acordo com as especificações preestabelecidas, o hidrogênio men- cionado acima tem que ser eliminado da fração rica em hidrocarboneto que deve ser liqüefeita. Devido a sua boa solubilidade na fração rica em hidro- carboneto e no gás natural liqüefeito, o hidrogênio, ao contrário do hélio, não pode ser removido somente por meio de uma separação de único estágio ou de múltiplos estágios. Além disso, um processo de separação com baixa temperatura exigiria muita energia, uma vez que o hidrogênio ferve igual- mente em uma temperatura baixa e a separação de hidrogênio e metano exige uma temperatura muito baixa. No entanto, a princípio, tal separação seria alcançável.To meet the pre-established specifications, the hydrogen mentioned above must be eliminated from the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied. Due to its good solubility in the hydrocarbon-rich fraction and liquefied natural gas, hydrogen, unlike helium, cannot be removed by single-stage or multi-stage separation only. In addition, a low temperature separation process would require a lot of energy, since hydrogen boils evenly at a low temperature and hydrogen and methane separation requires a very low temperature. However, at first such a separation would be achievable.

Existe, portanto, a necessidade de indicar um método de Iique- fação para as frações ricas em hidrocarboneto, as quais contêm uma pro- porção não desconsiderável de hidrogênio, na qual uma remoção de hidro- gênio com menos consumo de energia pode ser alcançada.There is therefore a need to indicate a liquefaction method for hydrocarbon-rich fractions, which contain a non-negligible proportion of hydrogen, in which a lower energy consumption of hydrogen can be achieved.

É um objetivo da presente invenção indicar um método do tipo em questão para liqüefazer uma fração rica em hidrocarboneto que contenha substancialmente metano e hidrogênio, cujo método evita as desvantagens mencionadas acima.It is an object of the present invention to provide a method of the type in question for liquidating a hydrocarbon rich fraction containing substantially methane and hydrogen, the method of which avoids the disadvantages mentioned above.

A fim de alcançar este objetivo, propõe-se um método para li- qüefazer uma fração rica em hidrocarboneto, o qual é caracterizado pelo fato de que o hidrogênio é removido pela permeação antes da liquefação da fra- ção rica em hidrocarboneto. Neste caso, a fração rica em hidrocarboneto normalmente passa através da camada de membrana como um fluxo de baixa pressão, enquanto a fração rica em hidrocarboneto é entregue aproxi- madamente na pressão na qual a fração rica em hidrocarboneto é admitida na unidade para a remoção por meio de permeação. As modalidades mais vantajosas do método, de acordo com aIn order to achieve this goal, a method for liquidating a hydrocarbon-rich fraction is proposed, which is characterized by the fact that hydrogen is removed by permeation prior to liquefaction of the hydrocarbon-rich fraction. In this case, the hydrocarbon rich fraction normally passes through the membrane layer as a low pressure stream, while the hydrocarbon rich fraction is delivered approximately at the pressure at which the hydrocarbon rich fraction is admitted to the unit for removal by permeation medium. The most advantageous embodiments of the method according to

invenção, para liqüefazer uma fração rica em hidrocarboneto, as quais estão sujeitas às reivindicações dependentes, são caracterizadas pelo fato de que:invention, to make a hydrocarbon rich fraction, which are subject to the dependent claims, are characterized by the fact that:

-o hidrogênio é removido por meio de permeação em um pro- cesso de remoção de único estágio ou de múltiplos estágios,- hydrogen is removed by permeation in a single or multi-stage removal process,

- o hidrogênio removido é comprimido,- the hydrogen removed is compressed,

-se a fração rica em hidrocarboneto liqüefeita for temporaria- mente armazenada e, durante este armazenamento temporário, uma fração de gás vaporizado do tanque for produzida, esta fração de gás vaporizado do tanque é comprimida,- if the liquefied hydrocarbon rich fraction is temporarily stored and during this temporary storage a vaporized gas fraction from the tank is produced, this vaporized gas fraction from the tank is compressed,

-se, durante o processo de liqüefazer a fração rica em hidrocar- boneto, uma fração rica em nitrogênio for removida, esta fração rica em ni-- if during the process of liquefying the hydrocarbon-rich fraction a nitrogen-rich fraction is removed, this nitrogen-rich fraction

trogênio é comprimida, etrogen is compressed, and

-o hidrogênio comprimido e/ou a fração de gás vaporizado do tanque comprimida e/ou a fração rica em nitrogênio comprimida são combi- nados.- the compressed hydrogen and / or the vaporized gas fraction of the compressed tank and / or the compressed nitrogen rich fraction are combined.

O método, de acordo com a invenção, para liqüefazer uma fra- ção rica em hidrocarboneto e também os desenvolvimentos mais vantajosos do mesmo serão ilustrados em mais detalhes, no presente, com referência às modalidades exemplificativas mostradas nas figuras 1 e 2.The method according to the invention for liquidating a hydrocarbon rich fraction and also the most advantageous developments thereof will be illustrated in more detail herein with reference to the exemplary embodiments shown in figures 1 and 2.

Através da linha 1, a fração rica em hidrocarboneto, que deve ser liqüefeita, a qual compreende substancialmente metano e hidrogênio e também possivelmente nitrogênio em quantidades significativas, é admitida em uma unidade de pré-purificação R que pode opcionalmente ser forneci- da. Esta unidade de pré-purificação R serve para remover os componentes indesejados que podem ou não estar presentes no produto que deve ser liqüefeito (LNG) ou para congelar durante o processo de liquefação subse- quente V e, desse modo, pode levar a falhas no processo de liquefação V. Esta unidade de pré-purificação R pode, alternativamente, ser integrada completa ou parcialmente no processo de liquefação V.Through line 1, the liquefied hydrocarbon rich fraction which comprises substantially methane and hydrogen and possibly also nitrogen in significant quantities is admitted to a pre-purification unit R which may optionally be supplied. This pre-purification unit R serves to remove unwanted components that may or may not be present in the product to be liquefied (LNG) or to freeze during the subsequent V liquefaction process and thus may lead to malfunctions. V liquefaction process. This pre-purification unit R can alternatively be fully or partially integrated into the V liquefaction process.

A fração rica em hidrocarboneto pré-purificada é admitida atra- vés da linha V em uma unidade de separação de membrana Μ. A partir dela, um fluxo de permeação rico em hidrogênio é retirado através da linha 2, en- quanto através da linha 3 a fração rica em hidrocarboneto que é substanci- almente liberada do hidrogênio é retirada. Na unidade de separação de membrana M, implementa-se um processo de único estágio ou de múltiplos estágios de remoção por meio de permeação. A fração rica em hidrocarboneto 3, que é substancialmente libe-The pre-purified hydrocarbon rich fraction is admitted through line V into a membrane separation unit Μ. From it, a hydrogen-rich permeation stream is withdrawn through line 2, while through line 3 the hydrocarbon-rich fraction that is substantially released from hydrogen is withdrawn. In membrane separation unit M, a single-stage or multi-stage permeation removal process is implemented. The hydrocarbon rich fraction 3, which is substantially liberated

rada do hidrogênio é, então, admitida no processo de liquefação V, que é construído conforme desejado. Deve-se destacar que o conceito, de acordo com a invenção - ou seja, a remoção de hidrogênio por meio de permeação - pode ser combinada com qualquer processo de liquefação desejado.hydrogen is then allowed into the liquefaction process V which is constructed as desired. It should be noted that the concept according to the invention - ie the removal of hydrogen by permeation - can be combined with any desired liquefaction process.

A fração rica em hidrocarboneto liqüefeita é expandida na válvu- la a e, então, conduzida através da linha 4 para dentro de um tanque de ar- mazenamento T que serve para o armazenamento temporário. O produto liqüefeito ou LNG é retirado do tanque de armazenamento T através da linha 5. Se o gás de evaporação instantânea ou vaporizado do tanque se formar no tanque de armazenamento Τ, o dito gás pode ser passado para o tanque de armazenamento T através da linha 6. De acordo com uma modalidade vantajosa do método de acordo com a invenção, este gás de evaporação instantânea ou vaporizado do tanque, pode ser adicionado à fração rica em hidrocarboneto que deve ser liqüefeita. Se a fração rica em hidrocarboneto for comprimida antes de ser admitida para dentro da unidade de separação de membrana M, é vantajoso se o gás vaporizado do tanque recirculado for adicionado à fração rica em hidrocarboneto antes desta compressão.The liquefied hydrocarbon rich fraction is expanded into valve a and then led through line 4 into a storage tank T for temporary storage. The liquefied product or LNG is withdrawn from storage tank T via line 5. If the flash or vaporized evaporating gas from the tank is formed in storage tank Τ, said gas may be passed to storage tank T through line 5. 6. According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, this instantaneous or vaporized evaporating gas from the tank may be added to the hydrocarbon rich fraction which must be liquidized. If the hydrocarbon rich fraction is compressed before being admitted into the membrane separation unit M, it is advantageous if the vaporized gas from the recirculated tank is added to the hydrocarbon rich fraction prior to this compression.

Se o conteúdo de nitrogênio na fração rica em hidrocarboneto 1/1' que deve ser liqüefeita for abaixo de 1% em volume, geralmente, a re- moção de nitrogênio integrada no processo de liquefação pode ser dispen- sada, uma vez que a especificação para o produto de LNG como de costu- me permite uma concentração de nitrogênio de um máximo de 1 % em volu- me. No caso de conteúdos de nitrogênio maiores do que 3% em volume na fração rica em hidrocarboneto 1/1' que deve ser liqüefeita, como de costume, no processo de liquefação V, a remoção de nitrogênio é implementada. A fração rica em nitrogênio que é removida desse modo é retirada a partir do processo de liquefação V através da linha 7.If the nitrogen content in the 1/1 'hydrocarbon rich fraction that is to be liquefied is below 1% by volume, generally the nitrogen removal integrated into the liquefaction process can be disregarded as the specification for the usual LNG product it allows a nitrogen concentration of up to 1% by volume. In the case of nitrogen contents greater than 3% by volume in the 1/1 'hydrocarbon rich fraction which should be liquidated as usual in the liquefaction process V, nitrogen removal is implemented. The nitrogen rich fraction that is thus removed is removed from the liquefaction process V through line 7.

No caso da modalidade do método, de acordo com a invenção, mostrado na figura 2, a fração rica em hidrocarboneto 2, a fração de gás de evaporação instantânea 6 tirado do tanque de armazenamento Tea fração rica em nitrogênio 7 possivelmente produzida no processo de liquefação V são comprimidas para uma pressão comum - para este fim, o compressor (unidades) com projeto de único estágio ou de múltiplos estágios V1 a V3 serve - e são admitidas em uma rede de canalização de gás residual atra- vés da linha 8. Dependendo das circunstâncias locais, pode ser conveniente conectar os compressores V2 e V3 um depois do outro e/ou dispor a admis- são da mistura 8 antes ou depois do compressor V1.In the case of the method embodiment according to the invention shown in Figure 2, the hydrocarbon rich fraction 2, the instantaneous evaporating gas fraction 6 taken from the storage tank Tea nitrogen rich fraction 7 possibly produced in the liquefaction process V are compressed to a common pressure - for this purpose the single stage or multi-stage design compressor (units) V1 to V3 serves - and are admitted to a waste gas pipeline network through line 8. Depending on In local circumstances, it may be convenient to connect compressors V2 and V3 one after the other and / or arrange admixture 8 before or after compressor V1.

O método, de acordo com a invenção, para liqüefazer uma fra- ção rica em hidrocarboneto tem uma multiplicidade de novidades e vanta- gens comparado ao da técnica anterior conhecida:The method according to the invention for liquifying a hydrocarbon rich fraction has a multiplicity of novelties and advantages compared to the known prior art:

-devido à remoção de hidrogênio antes do processo de Iiquefa- ção real, a exigência de energia total do método de liquefação diminui; isso também se aplica quando o hidrogênio removido tem que ser comprimido- Due to the removal of hydrogen prior to the actual liquefaction process, the total energy requirement of the liquefaction method decreases; this also applies when the removed hydrogen has to be compressed

novamente.again.

-devido à remoção de hidrogênio antes do processo de liquefa- ção, os processos de liquefação padrão que são otimizados para os respec- tivos resultados da liquefação podem ser usados, o que leva a uma diminui- ção nos custos de capital.- Due to the removal of hydrogen prior to the liquefaction process, standard liquefaction processes that are optimized for the respective liquefaction results can be used, which leads to a decrease in capital costs.

- uma vez que a(s) membrana(s) usada(s) para a remoção de- since the membrane (s) used for the removal of

hidrogênio por meio de permeação possa(m) ser ajustada(s) de acordo com o conteúdo de hidrogênio na fração rica em hidrocarboneto que deve ser liqüefeita, o método, de acordo com a invenção, é comparativamente flexível com relação ao conteúdo de hidrogênio.hydrogen by permeation can be adjusted according to the hydrogen content in the hydrocarbon-rich fraction to be liquidized, the method according to the invention is comparatively flexible with respect to the hydrogen content.

- a remoção de hidrogênio que deve ser fornecida, de acordo- the removal of hydrogen to be supplied according to

com a invenção, e é conectada a montante do processo de liquefação real, pode ser retroajustada sem dificuldade no caso de plantas de liquefação, de tal maneira que estas possam reagir às alterações na composição das fra- ções de alimentação.with the invention, and is connected upstream of the actual liquefaction process, can be retrofitted without difficulty in the case of liquefaction plants so that they can react to changes in the composition of the feed fractions.

Claims (7)

Translated fromPortuguese

1.Método para liqüefazer uma fração rica em hidrocarboneto (1, 1') que contém substancialmente metano, hidrogênio e nitrogênio, caracteri- zado pelo fato de que o hidrogênio (2) é removido por meio de permeação (M) antes da liquefação (V) da fração rica em hidrocarboneto (1, 1').1. Method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction (1 ') containing substantially methane, hydrogen and nitrogen, characterized in that hydrogen (2) is removed by permeation (M) prior to liquefaction ( V) of the hydrocarbon rich fraction (1,1 ').2.Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o hidrogênio (2) é removido por meio de permeação (M) em um processo de remoção de único estágio ou de múltiplos estágios.Method according to claim 1, characterized in that hydrogen (2) is removed by permeation (M) in a single or multi-stage removal process.3.Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o hidrogênio removido (2) é comprimido (V1).Method according to claim 1 or 2, characterized in that the hydrogen removed (2) is compressed (V1).4.Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,em que a fração rica em hidrocarboneto liqüefeita é temporariamente ar- mazenada e, durante este armazenamento temporário, uma fração de gás vaporizado do tanque é produzida, caracterizado pelo fato de que a fração de gás vaporizado do tanque (6) é comprimida (V2).A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquefied hydrocarbon rich fraction is temporarily stored and during this temporary storage a vaporized gas fraction from the tank is produced, characterized in that the vaporized gas fraction of the tank (6) is compressed (V2).5.Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4,em que, durante o processo de liquefação a fração rica em hidrocarbone- to, uma fração rica em nitrogênio é removida, caracterizado pelo fato de que a fração rica em nitrogênio (7) é comprimida (V3).A method according to any one of claims 1 to 4, wherein, during the liquefaction process the hydrocarbon-rich fraction, a nitrogen-rich fraction is removed, characterized in that the nitrogen-rich fraction ( 7) is compressed (V3).6.6Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 e 5,caracterizado pelo fato de que o hidrogênio comprimido (2) e/ou a fração de gás vaporizado do tanque comprimida (6) e/ou a fração rica em nitrogênio comprimida (7) são combinados (8).Method according to any one of claims 4 and 5, characterized in that the compressed hydrogen (2) and / or the vaporized gas fraction of the compressed tank (6) and / or the compressed nitrogen-rich fraction (7) are combined (8).