Un método para separar dióxido de carbono (CO 2) a partir de una corriente de gas de múltiples componentes que comprende al menos CO 2 y al menos metano,

comprendiendo el método: (a) proporcionar dicha corriente de gas de múltiples componentes a una presión superior a 82,8 bar (1.200 psia) y a una temperatura superior a 48,9ºC (120ºF), siendo la concentración de CO 2 en la corriente de gas al menos 20 por ciento en moles; y (b) hacer pasar dicha corriente de gas de múltiples componentes a un sistema de membranas que separa selectivamente al menos CO2 de la corriente de gas de múltiples componentes en forma de una corriente de permeado, teniendo dicha corriente de permeado una presión de al menos el 20% de la presión de la alimentación

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un procedimiento para la separación de gases y, más específicamente, se refiere a la separación de uno o más componentes a partir de una corriente de gas de múltiples componentes utilizando una membrana semipermeable.

ANTECEDENTES

Muchas corrientes de gases contienen grandes cantidades de gases ácidos tales como dióxido de carbono, que han de separarse de los componentes más valiosos en el gas. Una corriente de gas de este tipo es gas natural procedente de la producción de pozos, el cual se utiliza ampliamente como combustible y como un material bruto básico en las industrias petroquímicas y de otros procesos químicos. Mientras que la composición del gas natural puede variar ampliamente de un campo a otro, muchas reservas de gas natural contienen porcentajes relativamente bajos de hidrocarburos (menor que 40%, por ejemplo) y altos porcentajes de gases ácidos, principalmente dióxido de carbono, pero también sulfuro de hidrógeno, sulfuro de carbonilo, disulfuro de carbono y diversos mercaptanos. La separación de los gases ácidos procedentes de la producción de pozos es deseable para proporcionar un gas natural acondicionado o dulce, seco, ya sea para ser suministrado a un gaseoducto, para la recuperación de líquidos del gas natural, para la recuperación de helio, para la conversión en un gas natural líquido o para el desecho de nitrógeno. Estos gases ácidos separados están disponibles para el tratamiento, la secuestración o eliminación. Los gases ácidos han sido re-inyectados, por ejemplo, en una formación subterránea para la eliminación, y en formaciones portadoras de hidrocarburos para la recuperación de hidrocarburos.

Se ha propuesto y se ha puesto en práctica a escala comercial un cierto número de procedimientos para la recuperación o separación de dióxido de carbono a partir de corrientes de gas. En la práctica, estos procedimientos se producen a presiones de alimentación inferiores a 1200 psia (82,8 bar). Los procedimientos varían ampliamente, pero, en general, implican una cierta forma de absorción de disolvente, adsorción sobre un sorbente poroso, destilación o difusión a través de una membrana semipermeable.

Las membranas son barreras delgadas que permiten el paso preferente de determinados componentes de una mezcla de gases de múltiples componentes. La mayoría de las membranas se puede separar en dos tipos: porosas y no porosas. Las membranas porosas separan gases en base a su tamaño molecular y/o adsorción diferencial mediante pequeños poros en la membrana. Las membranas de separación de gases utilizadas en aplicaciones de gas natural son a menudo no porosas o asimétricas y separan gases en base a la solubilidad y difusividad. Estas membranas tienen típicamente una capa microporosa, una de cuyas caras está cubierta con una delgada “piel” o capa superficial no porosa. La separación de las mezclas de gases a través de una membrana asimétrica se produce en su piel, mientras que el sustrato microporoso proporciona resistencia mecánica a la membrana.

En un procedimiento de separación mediante membrana típico, un gas se introduce en el lado de alimentación de un módulo que está separado en dos compartimientos por parte de la membrana permeable. La corriente de gas fluye a lo largo de la superficie de la membrana y los componentes más permeables del gas atraviesan la barrera de la membrana a una velocidad mayor que los componentes de permeabilidad más baja. Después de contactar con la membrana, se elimina el contacto de la corriente residual de gas de alimentación agotada, el retenido, con la membrana mediante una salida adecuada en el lado del compartimiento de alimentación del módulo. Se elimina el contacto del gas con la otra cara de la membrana, el permeado, con la membrana a través de una salida separada. A la corriente de permeado procedente de la membrana puede aludirse como que está “enriquecida” en los componentes más fácilmente permeables con relación a la concentración de los componentes fácilmente permeables en la corriente de retenido. Al retenido también se puede aludir como que está “agotado” de los componentes fácilmente permeables. Mientras que la corriente de permeado puede representar el producto deseado, en la mayoría de los procedimientos de permeación de gas natural, el producto deseado es la corriente de retenido, y la corriente de permeado comprende contaminantes tales como CO2 u otros gases ácidos.

Mientras que la selección de una membrana adecuada implica típicamente muchos factores, dos factores importantes son (1) la capacidad de la membrana de resistir las condiciones a la que puede ser sometida durante la operación de separación, y (2) una separación selectiva adecuada de uno o más gases deseados a un flujo (caudal) suficientemente elevado. Membranas de separación que exhiben una elevada selectividad pero un bajo flujo no son atractivas, ya que requieren una gran superficie de separación específica de la membrana. De manera similar, membranas de separación que exhiben un flujo adecuadamente elevado pero una selectividad indeseablemente baja tampoco son adecuadas para la aplicación práctica. Membranas de separación prácticas son aquellas que tienen la capacidad de mantener un comportamiento deseado de flujo y de selectividad a lo largo de un período de tiempo prolongado en entornos operativos adversos.

Sistemas de membrana para separar CO2 de corrientes de gas natural se diseñan típicamente para que reciban a la corriente de gas natural a presión elevada para evitar los costes asociados con la compresión de la corriente de gas a un nivel de presión mayor. Si la presión del gas producida es superior a aproximadamente 1.200 psia (82,8 bar), la práctica convencional consiste en reducir la presión de alimentación para evitar el daño de la membrana. Un ejemplo ilustrativo de un procedimiento de separación mediante membrana se describe en la patente de EE.UU. 5.411.721 (Doshi et al.), que utiliza un sistema de membranas para proporcionar una corriente de retenido a alta presión, rica en metano, y una corriente de permeado a baja presión, rica en CO2. Doshi et al. se aprovechan de la elevada presión del gas en la cabeza del pozo como fuerza impulsora para la separación mediante membrana, haciendo pasar gas de alimentación a un sistema de membranas a presiones “de 500 psia a aproximadamente 2.000 psia o mayores” (34 a 138 bar). En contraposición con la invención descrita en esta patente, Doshi et al. no se ocupan de llevar a cabo una separación mediante membrana a alta presión a temperaturas elevadas y no se ocupan de proporcionar un permeado a alta presión.

Un aspecto importante de cualquier procedimiento de tratamiento de gas natural es el económico. El gas natural se trata típicamente en elevados volúmenes, haciendo que incluso ligeras diferencias en la eficacia del proceso sean muy significativas en la selección de la tecnología del proceso. La capacidad de llevar a cabo una separación de gases ácidos a elevada presión puede aumentar esa eficacia y tiene un gran impacto sobre la economía global del proceso de tratamiento. Algunas fuentes de gas natural, particularmente aquellas con concentraciones significativas de productos no hidrocarbonados, no son ahora económicas de producir debido a los costes del tratamiento. Existe una necesidad continua de procesos de tratamiento de gas natural mejorados que tengan una fiabilidad elevada y que representen una simplicidad de funcionamiento. Es particularmente deseable disponer de un proceso que pueda separar de forma eficaz CO2 y otros gases ácidos del gas natural, de modo que la corriente de gas natural se encuentre a una presión lo más elevada posible para la subsiguiente eliminación o secuestración.

SUMARIO

La invención se refiere a un método para separar dióxido de carbono (CO2) de una corriente de gas de múltiples componentes que comprende al menos CO2 y al menos metano (C1). Una corriente de gas de múltiples componentes a una presión superior a 1.200 psia (82,8 bar) y a una temperatura por encima de 120ºF (48,9ºC), siendo la concentración de CO2 en la corriente de gas de al menos 20 por ciento en moles, se hace pasar a un sistema de membranas que separa selectivamente al menos CO2 de la corriente de gas de múltiples componentes en calidad de una corriente de permeado. La corriente de permeado tiene una presión de al menos el 20% de la presión de alimentación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La invención y sus ventajas se comprenderán mejor haciendo referencia a los dibujos en los... [Seguir leyendo]

1. Un método para separar dióxido de carbono (CO2) a partir de una corriente de gas de múltiples componentes que comprende al menos CO2 y al menos metano, comprendiendo el método:

(a) proporcionar dicha corriente de gas de múltiples componentes a una presión superior a 82,8 bar (1.200 psia) y a una temperatura superior a 48,9ºC (120ºF), siendo la concentración de CO2 en la corriente de gas al menos 20 por ciento en moles; y

(b) hacer pasar dicha corriente de gas de múltiples componentes a un sistema de membranas que separa selectivamente al menos CO2 de la corriente de gas de múltiples componentes en forma de una corriente de permeado, teniendo dicha corriente de permeado una presión de al menos el 20% de la presión de la alimentación.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la concentración de CO2 en el permeado es de al menos 80 por ciento en moles.

3. El método de la reivindicación 1, en el que la separación mediante membrana comprende múltiples fases de separación.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la concentración de gas CO2 en el permeado es de al menos 60 por ciento en moles.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el coeficiente de fugacidad de CO2 es de al menos 0,7 en la corriente de alimentación.

6. El método de la reivindicación 1, en el que la presión de la corriente de gas de múltiples componentes es superior a 103 bar (1.500 psia).

7. El método de la reivindicación 1, en el que la temperatura de la corriente de gas de múltiples componentes es superior a 66ºC (150ºF).