MX2008014630A - Proceso para la recuperacion y desintegracion/mejoramiento simultanea del petroleo a partir de solidos. - Google Patents

Abstract

Esta invención se relaciona con un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa. Con este proceso un número de los obstáculos que existen en las tecnologías actuales son resueltos y el proceso mejora el petróleo a un producto mas ligero que las tecnologías existentes, remueve el azufre en el orden del 40% y metales pesados en el orden del 90%.

Description

PROCESO PARA LA RECUPERACIÓN Y DESINTEGRACION/MEJORAMIENTO SIMULTANEA DEL PETROLEO A PARTIR DE SÓLIDOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un proceso para la recuperación del petróleo a partir de arena de alquitrán (también llamadas arenas de petróleo) y/o pizarra bituminosa y la mejora del petróleo en el mismo proceso. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La arena de alquitrán se encuentra en enormes cantidades en un número de países, los recursos mas grandes se encuentran en Canadá y consiste de petróleo crudo extrapesado y arena en los recursos naturales a diferentes profundidades. Estos recursos han sido sujetos de intensas investigaciones en un esfuerzo para desarrollar tecnologías para la recuperación del petróleo a partir de la arena. De este modo, existe un número de diferentes tecnologías. Los recursos minerales más importantes de Alberta son el petróleo y el gas natural y representan el 90 por ciento de los ingresos de Alberta a partir de la minería. Alberta produce aproximadamente dos tercios del petróleo de Canadá y más de tres cuartos de su gas natural. Casi la mitad del petróleo de Alberta es extraído de las vetas de arenas de alquitrán, los cuales son depósitos de un petróleo crudo extrapesado llamado bitumen. Las arenas de alquitrán de Alberta representan los depósitos más grandes conocidos de bitumen en el mundo. Las arenas de alquitrán se encuentran en tres importantes áreas de la provincia: el Athabasca River Valley en el noreste, el área de Peace River en el norte y la región de Cold Lake en el este de Alberta central. El bitumen es mas costoso de extraer que el petróleo crudo convencional, el cual fluye naturalmente o es bombeado de la tierra. Esto es debido a que el petróleo negro grueso debe ser separado de la arena circundante y agua para producir un petróleo crudo que puede ser además refinado . Durante los 1950's y 1960's, los depósitos de petróleo fueron descubiertos en otras regiones, como el área de Peace River y Swan Hills, sur de Lesser Slave Lake. A finales de 1960 's fueron encontrados los últimos depósitos más importantes. El bitumen, al contrario del crudo normal encontrado en los reservorios profundos, no tiene las mismas fracciones ligeras como este, ha sido evaporado por miles de años. El bitumen consiste de moléculas pesadas con una densidad que excede 1000 kg/dm3 (menos de 10API) y una viscosidad 1000 veces mayor que el crudo ligero. Además la arena de alquitrán contiene más del 4% de azufre en peso y cientos de ppm de metales pesados. El contenido de materia orgánica en la arena de alquitrán puede ser, oscilar, entre el 5% en peso hasta el 20% en peso y además la extracción del petróleo de la arena de alquitrán involucra un enorme transporte de masa. Debido a que la composición del bitumen, tiene que ser mejorado antes puede ser refinado en una refinería a crudo ligero . Debido al potencial económico de estos enormes recursos, existe un número de procesos diferente para la recuperación del petróleo de la arena de alquitrán. Tales tecnologías involucran biológicas, disolvente, térmica y procesos donde el petróleo es lavado (extraído) de la arena por agua supercalentada . Debido a las enormes cantidades de arena (residuos) asociadas con la extracción de las minas de alquitrán, los diferentes procesos se enfrentan a un número de obligaciones ambientales. Contrario a la arena de alquitrán, la pizarra bituminosa es pizarra (esquisto) que contiene materia orgánica conocida como queroseno el cual no puede ser lavado o disuelto como el bitumen de la arena de alquitrán. Para recuperar el petróleo de la pizarra bituminosa, se debe calentar a una temperatura de 500-600°C a través de la cual la materia orgánica es desintegrada en productos líquidos. Como para la arena de alquitrán, la pizarra bituminosa contiene un número de componentes no deseados, los cuales provocan restricciones ambientales. Y como para las tecnologías de recuperación de petróleo a partir de la arena de alquitrán, ahí existe un número de diferentes tecnologías para la recuperación de petróleo a partir de la pizarra bituminosa. SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a un proceso energéticamente autosostenible donde un numero de los obstáculos con las tecnologías existentes son resueltos y en el cual además de recuperar el petróleo, se mejora el petróleo en un producto mas ligero que cualquier otra de las tecnologías existentes, se remueve el azufre en el orden del 40% y los metales pesados en el orden del 90%. Además el proceso dispone de los residuos con restricciones ambientales limitadas, como la materia inorgánica (arena) es dispuesta en condición seca. BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Fig. 1.- Es un diagrama de flujo simplificado del proceso Fig. 2.- Muestra una ilustración de una planta de 10000 bbl/día Fig. 3.- Es el diseño de la plataforma Fig. 4.- Muestra la plataforma durante la prueba Fig. 5.- Muestra la arena de alquitrán, petróleo recuperado y arena limpia a partir de la prueba DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El proceso es un proceso de "secado" rápido fluidizado donde la arena es mezclada en un reactor fluidizado abastecido con parte de los componentes orgánicos en la arena de alquitrán. Los gases de combustión separan el petróleo de la arena, juntos actúan como un acarreador neumático que transporta arena y sus gases asociados a un reactor de ciclones donde la arena es separada de la corriente gaseosa, la cual además es guiada a un sistema condensador. Una porción del petróleo condensado puede ser guiada de vuelta a la vía de flujo, una boquilla de atomización para una segunda desintegración a través de la cual el proceso recupera y mejora el petróleo en una operación sin la necesidad de unidades de mejora. Para optimizar las colisiones entre las partículas en orden para obtener fuerzas máximas de corte entre los sólidos, la corriente de arena, los gases de combustión y los gases de hidrocarburos, son acelerados y retardados en un elevador de diámetro variable. Las colisiones entre las partículas ocasionan una hidrogenación moderada del petróleo por sono-luminiscencia de la corriente microscópica de burbujas atrapadas entre las partículas de sólido que colisionan. Cuando las burbujas corrientes son atrapadas entre la turbulencia de las partículas, la corriente esta sujeta a una compresión adiabática a través de la cual la temperatura y la presión en las burbujas es elevada varios cientos de veces arriba de la temperatura y presión global en un estado supercritico donde el agua es desintegrada a hidrógeno y radicales hidroxilo. El hidrógeno, el cual es absorbido por las cadenas del petróleo superpesado, reduce sus enlaces a través de los cuales las fuerzas de impacto de la turbulencia de los granos pueden romper las moléculas y la , "explosión" de la corriente microscópica de burbujas tiene lugar. La mayoría del hidrógeno es entonces liberado y reacciona de vuelta con los radicales hidroxilo en agua, pero una parte del hidrógeno ocasiona una hidrogenación moderada del producto. Es muy deseable realizar un buen mezclado de arena/petróleo tan pronto y rápido como sea posible. El método descrito para llevar a cabo requiere la aceleración arriba mencionada y el retraso de la corriente. Tradicionalmente, la corriente es el medio utilizado para mantener la cama sólida fluidizada y en movimiento en el elevador. La corriente, sin embargo, tiene un efecto destructivo sobre los sólidos muy calientes que se encuentran en los residuos de los procesos de desintegración. Bajo estas condiciones la corriente ocasiona la desactivación hidrotérmica del catalizador en, por ejemplo FCC-desintegradores (catalizadores de desintegración de fluidos, FCC-crackers por sus siglas en ingles ) . Esto es superado por la presente invención que utiliza los gases de salida del regenerador del reactor de cama fluidizada (CO/CO y gases de hidrocarburos) como el acarreador de los sólidos, el cual actuara como un catalizador en la desintegración del petróleo. Para tener el proceso verificado, se construyo una plataforma de prueba de 2.5 x 2.5 x 3 m y esta localizada en SINTEF ENERGY RESEARCH AS en Trondheim, Noruega con un poder máximo de 125 kW. La energía requerida para procesar un kg de arena de alquitrán esta dada por: Q = xs*cs*dt + x0(cs*dt+r0) + xw*H Donde: xs = la parte en peso de arena (incluyendo metales y azufre) , ejemplo 80% xo = parte en peso de petróleo, ejemplo 15% xw = parte en peso de agua, ejemplo 5% cs = calor especifico de la arena kJ/kgK = 1 kJ/kgK c0 = calor especifico del petróleo a la temperatura de operación kJ/kgK = aproximadamente 2.25 kJ/kgK r0 = calor de evaporación kJ/kg = aproximadamente 225 kJ/kg dt = diferencial de temperatura entre la temperatura de operación y temperatura de alimentación de la arena K H = entalpia del agua a la temperatura de operación kJ/h = 3500 kJ Temperatura de operación 360°C = 633 K Temperatura de alimentación 90°C = 363 K dt = 270°C Q = 516 kJ/kg y al cual se obtiene una capacidad de la plataforma de prueba de 872 kg/hr de arena que contiene 130 kg de petróleo la cual ofrece una capacidad de aproximadamente 20 bbl/dia. Las pruebas se realizador con arena de alquitrán de los depósitos de Athabasca River Valley con las propiedades enlistadas arriba donde fueron obtenidos los siguientes resultados : • Densidad del petróleo recuperado del fluidizador: 21 API . • Densidad del petróleo recuperado en el elevador: 29.3 API . • Densidad del petróleo drenado del condensador de petróleo: 25.15 API . • Coque remanente en la arena gastada: 1.25 % en peso • Reducción del azufre en el petróleo: 45% • Reducción de metales pesados: 87% • Consumo de energía en % de petróleo recuperado: 9.3 = aproximadamente 12.5 kg de petróleo/hr aproximadamente 3.93 USD por bbl. (Precio del petróleo 50 USD por bbl) El proceso es descrito más adelante como aparece en el diagrama de flujo simplificado de la Figura 1. A) Muestra el reactor vertical fluidizado el cual tiene una malla que fluidiza B) colocado a una distancia del fondo de la celda. El espacio entre el fondo y la malla fluidizada B) es un plenum C) el cual recibe los gases de combustión de un combustor D) el cual puede ser alimentado por gas y/o petróleo recuperado. Los gases de combustión calentaran y fluidizaran los sólidos (arena) E) arrastrado en el reactor A) . la presión de los gases de combustión acumulados en el reactor ocasionara que los sólidos y los gases arrastrados, los cuales consisten de gases de combustión, vapor y gases de hidrocarburos, para ser transportados neumáticamente a través del elevador JJ) en un reactor ciclónico G) el cual esta diseñado de tal manera, contrario a los ciclones ordinarios, los sólidos se hacen girar varios cientos de veces en la parte cilindrica del ciclón antes de caer a la parte cónica H) y regresar a el fluidizador. En el fondo de la parte cónica del ciclón, el vapor supercaliente es inyectado en el ciclón por la pipa I) para quitar los hidrocarburos entre los sólidos que caen en el ciclón el cual cae en el reactor A) vía un dipleg.

La arena de alquitrán es inyectada en el reactor A) por un sistema de alimentación Ce) y Dd) . La misma cantidad de arena inyectada al reactor A) tiene que ser drenada del reactor. Esto es hecho a través de la pipa adaptada K) donde la arena es transportada a un combustor que la fluidiza L) donde el coque remanente se quema por inyección de aire a través de M) . Los gases agotados de L) pasan a través de un limpiador de gas y el sistema de calor de recuperación N) antes es ventilado en aire. Los sólidos "limpios" de L) son guiados a un intercambiador caliente de sólido/liquido O) el cual es calentado, enfriado con agua del intercambiador de calor Z) transportado de la bomba que suministra agua P) . el agua caliente es además transportado a un boiler Q) localizado en el combustor L) . El boiler esta produciendo vapor donde una parte de este es guiado hacia un supercalentador R) localizado en el plenum C) del reactor A) . el vapor supercalentado es guiado a la boquilla de inyección S)para la atomización del vapor de petróleo, el dipleg J) en el ciclón del reactor H) y el dipleg T) en el ciclón de separación U) . La arena enfriada "limpia" puede ser dispuesta del intercambiador de calor 0) a un vertedero a medida que la arena será secada y liberada de cualquier hidrocarburo volátil.

El vapor en exceso que no fue supercalentado es guiado a través de la pipa V) por precalentamiento de alimentación, propósitos de proceso o por generación de electricidad a través de un sistema de vapor de turbina. Del ciclón del reactor G) y el ciclón de separación U) el vapor gaseoso es guiado a un condensador W) tiende a aproximadamente 95°C a través de la cual la parte principal del gas de petróleo es condensada a petróleo liquido. El gas es condensado a la mitad del petróleo recuperado como el petróleo colectado en el fondo del condensador es bombeado por la bomba X) a través de un intercambiador de calor Z) y enfriado por agua transportada por la bomba P) . A partir del intercambiador de calor Z) , el petróleo enfriado es guiado a la parte de arriba del condensador y condensa los gases de petróleo entrantes. Como el nivel de petróleo se eleva en el condensador, el producto es drenado a través de la pipa BB) . Los gases no condensables y el vapor son guiados a un segundo condensador CC) el cual es enfriado por el agua inyectada a partir de la bomba P) . el agua condensada es drenada del condensador a través de la pipa DD) y es recolectada en un deposito de decantación EE) . En el deposito de decantación EE) , el petróleo ligero traído del condensador de petróleo CC) será decantado a través de la pipa FF) a la línea de producto desde el condensador de petróleo W) y guiado a un receptor vía la pipa AA) . El agua es drenada a través de la pipa GG) para drenar. Lo no condensable en el condensador CC) es agotado a través de la pipa HH) por un sistema limpiador de aire o de un gas dependiendo de los requerimientos locales de emisión . Una porción del producto se regresa al elevador JJ) a través de la pipa NN) por una bomba de alta presión LL) a la boquilla de atomización S) unida al elevador JJ) . La boquilla de atomización S) recibe el vapor- para la atomización del petróleo desde el supercalentador R) . Los gases de combustión formados en exceso en el reactor los cuales no son necesarios para el transporte de la arena en el elevador JJ) , pueden ser ventilados desde el reactor via la pipa 00) en un sistema de recuperación de gas limpiador y calor no mostrado. Cuando el reactor es calentado a la temperatura operacional por el combustor D) , el suministro de gas o petróleo por la combustión puede ser gradualmente cortado a través de la cual el aire inyectado ocasionara una combustión interna de los gases de hidrocarburos formados en el reactor A) a través del cual el proceso será autosostenido por la energía extraída de la arena de alquitrán misma. Alternativamente el combustor puede ser alimentado con una parte del petróleo recuperado transportado por la bomba LL) .

Para obtener la aceleración y retraso de la corriente en el elevador, arriba mencionadas, se puede utilizar elevadores de diámetros variables. Una modalidad preferida es formar una parte del elevador como una boquilla de Laval donde la boquilla (s) de atomización S) es (son) localizadas en parte estrechísima del expulsor o donde el expulsor comienza a expandirse. El proceso completo es un proceso térmico altamente intensivo con una densidad de alta energía debida a la velocidad del gas y la corriente de arena. A causa de las velocidades del proceso, el intercambio intenso de calor; entre la arena y el petróleo; y la baja presión parcial de los gases de hidrocarburos, ocasionados por los gases y vapor de. combustión, el proceso puede operar a una temperatura en el intervalo de 300-500°C. Aparte del estrés térmico reducido y el consumo de energía, esta temperatura baja reduce la polimerización de los productos desintegrados .

Claims (9)

1. NOVEDAD DE LA INVENCION Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes:
2. REIVINDICACIONES 1. - Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultaneas del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, caracterizado porque los sólidos que contienen petróleo son inyectados a un reactor de cama fluidizada donde son evaporados los hidrocarburos y donde el calor para la evaporación es transportado por la combustión interna de una parte de los hidrocarburos en los sólidos por un combustor externo y que los gases de combustión junto con los hidrocarburos evaporados actúan como un acarreador neumático de los sólidos y reducen la presión parcial de los gases de hidrocarburos y donde la corriente es guiada por un reactor ciclónico y además por un separador de remoción de sólidos y además por un sistema de condensación para los gases condensables. 2. - Un proceso- para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque una porción del producto desde el sistema condensador es guiado de vuelta a la corriente en un elevador vía una boquilla de atomización a través de la cual la corriente de sólidos actúa como un medio de desintegración por fuerzas de corte, intercambio de calor y sono-luminiscencia .
3. 3. - Un proceso para la recuperación y desintegración/me ora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como arena de alquitrán y pizarra bituminosa, de conformidad con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el elevador tiene diámetros diferentes para obtener la aceleración, retraso y colisiones optimizadas entre las partículas del sólido en la corriente .
4. 4. Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza por la temperatura en el regenerador es controlada por la arena de alquitrán seca inyectada en el regenerador.
5. 5. - Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la arena de alquitrán deshecha es guiada a un combustor fluidizado donde el coque remanente sobre la arena es quemado por la inyección de aire dentro del combustor y donde el gas agotado desde el combustor es alternativamente guiado a el plenum del reactor de remoción para participar con calor y gas fluidizado en la remoción del petróleo atrapado sobre la arena.
6. 6.- Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque una porción de la arena deshecha es mezclada con arena de alquitrán para la recuperación con calor y homogenización de la arena mejorando la alimentación del reactor.
7. 7.- Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el reactor de cama fluidizada tiene dos diámetros, donde' la parte baja del regenerador tiene un diámetro tan pequeño que la parte superior en orden para reducir las velocidades del gas en la parte superior del regenerador .
8. 8.- Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado en que la arena deshecha en el regenerador es descargada continuamente desde el regenerador vía una pipa en el exterior del regenerador la cual tiene un trampa de "agua" la cual puede ser en forma de U y donde el vapor o gas en eyectado en la pipa opuesta a la "trampa de agua" por transporte neumático de la arena que cae dentro de la trampa .
9. 9.- Un proceso para la recuperación y desintegración/mejora simultanea del petróleo a partir de sólidos, tales como la arena de alquitrán y la pizarra bituminosa, de conformidad con la reivindicación 1, que se caracteriza en que una batería de regeneradores son dispuestos alrededor de un sistema de carga conjunta y un colector de arena de recepción conjunta y un fluidizador de recuperación de calor (L) y donde los gases de salida del regenerador divide a un sistema de separación conjunta de arena y un condensador conjunto abierto y donde el petróleo enfriado condensado actúa como un medio que condensa en el condensador por contacto directo entre los gases calientes de petróleo y el petróleo enfriado condensado.