Описан способ ожижения природного газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше -112°С, с использованием двух смешанных холодильных агентов в двух замкнутых циклах, холодильного агента с низким уровнем температуры для охлаждения и ожижения природного газа и холодильного агента с высоким уровнем температуры для охлаждения холодильного агента с низким уровнем температуры. После использования для ожижения природного газа холодильный агент с низким уровнем температуры (а) нагревают путем теплообмена в противотоке с другим потоком холодильного агента с низким уровнем температуры и путем теплообмена с первым потоком холодильного агента с высоким уровнем температуры, (b) сжимают до повышенного давления и (с) переохлаждают внешней охлаждающей средой. Холодильный агент с низким уровнем температуры затем охлаждают путем теплообмена со вторым потоком холодильного агента с высоким уровнем температуры и путем теплообмена с холодильным агентом с низким уровнем температуры. Холодильный агент с высоким уровнем температуры нагревают путем теплообмена с холодильным агентом с низким уровнем температуры, сжимают до повышенного давления и переохлаждают внешней охлаждающей средой. Использование изобретения позволит усовершенствовать холодильную установку для производства сжатого сжиженного природного газа. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способу ожижения природного газа или других потоков богатого метаном газа. Более конкретно, изобретение относится к процессу ожижения двух многокомпонентных холодильных агентов для производства сжатого сжиженного природного газа, имеющего температуру выше -112
С.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Благодаря характеристикам горения - его полноте и удобству, природный газ стал широко использоваться в последние годы. Многие источники природного газа расположены в отдаленных районах на больших расстояниях от любых рынков сбыта газа. Иногда транспортирование полученного природного газа на рынок сбыта можно осуществлять по трубопроводу. Когда транспортирование по трубопроводу невозможно, полученный природный газ часто перерабатывается в сжиженный природный газ (который называется "СПГ") для транспортирования на рынок сбыта.
Одной из отличительных черт завода для получения СПГ являются большие капиталовложения, требуемые для завода. Оборудование, используемое для ожижения природного газа, в общем является очень дорогим. Завод для ожижения газа сооружается из нескольких основных установок, включающих оборудование для обработки газа для удаления примесей, ожижения, охлаждения, силовое оборудование и оборудование для хранения и отгрузки. Стоимость холодильных установок может составлять до 30% от общей стоимости.
Холодильные установки СПГ являются такими дорогими потому, что для ожижения природного газа требуется очень большое количество охлаждения. Обычно поток природного газа поступает на завод СПГ при давлениях от примерно 4830 кПа до примерно 7600 кПа и температурах от примерно 20°С до примерно 40°С. Природный газ, который представляет собой главным образом метан, не может быть ожижен просто путем подъема давления, как в случае высших углеводородов, используемых для производства энергии. Критическая температура для метана составляет -82,5°С. Это обозначает, что метан может быть ожижен только при температуре ниже этой независимо от приложенного давления. Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, он ожижается в целом диапазоне температур. Критическая температура природного газа обычно находится между -85°С и -62°С. Смеси природного газа при атмосферном давлении обычно ожижаются в диапазоне температур между -165°С и -155°С. Поскольку стоимость холодильного оборудования представляет такую значительную часть стоимости оборудования для производства СПГ, были сделаны значительные усилия для уменьшения стоимости охлаждения.
Хотя многие холодильные циклы используются для ожижения природного газа, к трем типам циклов, наиболее широко используемых на заводах СПГ в настоящее время, относятся: (1) "каскадный цикл", в котором используется множество однокомпонентных холодильных агентов в последовательно расположенных теплообменниках для уменьшения температуры газа до температуры ожижения, (2) "цикл с детандером", в котором газ расширяется от высокого давления до низкого давления с соответствующим понижением температуры, и (3) "многокомпонентный холодильный цикл", в котором используется многокомпонентный холодильный агент в специально сконструированных теплообменниках. В большинстве циклов ожижения природного газа используются варианты или сочетания этих трех основных типов.
Многокомпонентная холодильная установка включает циркуляцию потока многокомпонентного холодильного агента, обычно после предварительного охлаждения до примерно -35°С при помощи пропана. Типичная многокомпонентная установка содержит метан, этан, пропан и по выбору другие легкие компоненты. Без предварительного охлаждения пропаном более тяжелые компоненты, такие как бутан и пентан, могут быть включены в многокомпонентный холодильный агент. Параметры многокомпонентного холодильного цикла таковы, что в теплообменниках в процессе должна производиться обработка в нормальном режиме потока двухфазного холодильного агента. Многокомпонентные холодильные агенты характеризуются свойством конденсироваться в диапазоне температур, что дает возможность спроектировать тепло-обменные установки, которые могут быть более эффективными с точки зрения термодинамики, чем холодильные установки с чистым компонентом.
Одним предложением для уменьшения стоимости охлаждения является транспортирование сжиженного природного газа при температурах выше -112°С и давлениях, которые достаточны для того, чтобы жидкость находилась при температуре точки начала кипения или ниже нее. Для большинства составов природного газа давление ССПГ находится в диапазоне между примерно 1380 кПа и примерно 4500 кПа. Этот сжатый сжиженный природный газ, упоминаемый как ССПГ, в отличие от СПГ, имеет давление, равное атмосферному или близкое к нему, и температуру примерно -160°С. ССПГ требует значительно меньшего охлаждения, поскольку ССПГ может быть более чем на 50°С теплее, чем обычный СПГ при атмосферном давлении.
Существует потребность в усовершенствованной холодильной установке замкнутого цикла с использованием многокомпонентного холодильного агента для ожижения природного газа для производства ССПГ.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение согласно его первому аспекту относится к способу ожижения потока природного газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше -112°С и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился в точке начала кипения или ниже нее, в котором используют два замкнутых цикла, многокомпонентные холодильные агенты, в которых холодильный агент с высоким уровнем температуры охлаждает холодильный агент с низким уровнем температуры, и холодильный агент с низким уровнем температуры охлаждает и ожижает природный газ, содержащему следующие стадии:
(a) охлаждают и ожижают поток природного газа путем косвенного теплообмена с многокомпонентным холодильным агентом с низким уровнем температуры в первом замкнутом холодильном цикле,
(b) нагревают холодильный агент с низким уровнем температуры путем теплообмена в противотоке с другим потоком холодильного агента с низким уровнем температуры и путем теплообмена с потоком холодильного агента с высоким уровнем температуры,
(c) сжимают нагретый холодильный агент с низким уровнем температуры со стадии (b) до повышенного давления и производят его переохлаждение внешней окружающей средой,
производят дальнейшее охлаждение холодильного агента с низким уровнем температуры путем теплообмена со вторым потоком многокомпонентного холодильного агента с высоким уровнем температуры и с холодильным агентом с низким уровнем температуры со стадии (b), причем холодильный агент с высоким уровнем температуры нагревается в продолжение теплообмена, и
(е) сжимают нагретый холодильный агент с высоким уровнем температуры со стадии (d) до повышенного давления и производят его переохлаждение внешней охлаждающей средой.
Предпочтительно, чтобы косвенный теплообмен на стадии (а) состоял из одной стадии.
Целесообразно, чтобы многокомпонентный холодильный агент с низким уровнем температуры содержал метан, этан, бутан и пентан.
Желательно, чтобы многокомпонентный холодильный агент с высоким уровнем температуры содержал бутан и пентан.
Данное изобретение согласно его второму аспекту относится к способу ожижения потока богатого метаном газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше -112°С и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился в точке начала кипения или ниже нее, в котором используют два замкнутых цикла многокомпонентного охлаждения, причем каждый холодильный агент в холодильных циклах содержит компоненты с различной испаряемостью, содержащему следующие стадии:
(а) ожижают поток богатого метаном газа в первом теплообменнике первым смешанным холодильным агентом с низким уровнем температуры, который циркулирует в первом холодильном цикле,
(b) сжимают первый смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры во множестве ступеней сжатия и охлаждают сжатый смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры в одной или более ступенях внешней охлаждающей средой,
(c) охлаждают первый сжатый охлажденный смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры вторым смешанным холодильным агентом с низким уровнем температуры во втором теплообменнике для того, чтобы по меньшей мере частично произвести ожижение первого сжатого смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры перед тем, как производят ожижение богатого метаном газа в первом теплообменнике, и
(d) сжимают второй многокомпонентный холодильный агент во множестве ступеней сжатия и охлаждают сжатый второй многокомпонентный холодильный агент в одной или более ступеней внешней охлаждающей средой, производят теплообмен сжатого охлажденного второго многокомпонентного холодильного агента во втором теплообменнике для того, чтобы получить охлажденный, по меньшей мере частично ожиженный второй многокомпонентный холодильный агент, производят расширение охлажденного, по меньшей мере частично ожиженного второго многокомпонентного холодильного агента для того, чтобы получить низкотемпературный охладитель, и пропускают низкотемпературный охладитель в теплообмене противотоком со сжатым охлажденным вторым многокомпонентным холодильным агентом для того, чтобы по меньшей мере частично произвести ожижение первого многокомпонентного холодильного агента и по меньшей мере частично произвести испарение второго многокомпонентного холодильного агента, и производят рециркуляцию второго многокомпонентного холодильного агента в первую ступень сжатия.
Данное изобретение согласно его следующему аспекту относится к способу ожижения богатого метаном газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше примерно -112°С, содержащему следующие стадии:
(a) охлаждают и ожижают газ в первом теплообменнике путем теплообмена с первым многокомпонентным холодильным агентом из первого замкнутого холодильного цикла,
(b) охлаждают первый многокомпонентный холодильный агент во втором теплообменнике вторым многокомпонентным холодильным агентом во втором замкнутом холодильном цикле,
(c) при этом первый холодильный цикл содержит следующие стадии:
сжимают и охлаждают охлажденный первый холодильный агент со стадии (b) в по меньшей мере одной ступени сжатия и охлаждения, которая содержит разделение фаз нагретого первого холодильного агента на паровую фазу и жидкую фазу, отдельное сжатие паровой фазы и жидкой фазы, объединение сжатой жидкой фазы и сжатой паровой фазы и переохлаждение объединенных фаз внешней охлаждающей средой,
пропускают сжатый первый холодильный агент через второй теплообменник для того, чтобы охладить первый холодильный агент вторым холодильным агентом,
пропускают сжатый первый холодильный агент через первый теплообменник,
производят расширение сжатого первого холодильного агента для превращения первого холодильного агента в смешанный холодильный агент с более низкой температурой и пропускают расширенный первый холодильный агент через первый теплообменник в противотоке с этим же холодильным агентом перед расширением и с газом, богатым метаном, тем самым нагревают расширенный первый холодильный агент и получают сжатую жидкость, имеющую температуру выше примерно -112°С, и производят рециркуляцию нагретого расширенного первого холодильного агента во второй теплообменник, и
(d) второй холодильный цикл содержит следующие стадии:
сжимают и охлаждают нагретый второй холодильный агент в по меньшей мере одной ступени сжатия и охлаждения, которая содержит разделение фаз нагретого второго холодильного агента на паровую фазу и жидкую фазу, отдельное сжатие паровой фазы и жидкой фазы, объединение сжатой жидкой фазы и сжатой паровой фазы и переохлаждение объединенных фаз внешней охлаждающей средой,
пропускают сжатый второй холодильный агент через второй теплообменник для того, чтобы охладить первый холодильный агент вторым холодильным агентом,
производят расширение сжатого второго холодильного агента до более низкой температуры и пропускают расширенный второй холодильный агент через второй теплообменник в противотоке с этим же холодильным агентом до расширения и с первым холодильным агентом, тем самым нагревают расширенный второй холодильный агент.
Преимуществом этого способа охлаждения является то, что составы двух смешанных холодильных агентов могут быть легко приспособлены (оптимизированы) друг к другу и к составу, температуре и давлению ожижаемого потока для того, чтобы свести к минимуму общую энергию, требуемую для процесса. Требуемое охлаждение для обычного блока для улавливания примесей из продуктов сжижения природного газа (блока для улавливания примесей из ПСПГ), расположенного выше по потоку, чем процесс ожижения, может быть объединено с процессом ожижения, посредством этого исключается потребность в отдельной холодильной установке.
Процесс по этому изобретению может также создать источник топлива при давлении, которое соответствует приводам турбин, работающих на топливном газе, без дальнейшего сжатия. Для подаваемых потоков, содержащих N
2 поток холодильного агента, может быть оптимизирован так, чтобы довести до максимума отвод N
2 в поток топлива.
Процесс может уменьшить общее требуемое сжатие вплоть до 50% по сравнению с обычными процессами ожижения СПГ. Это преимущество дает возможность произвести ожижение большего количества природного газа для поставки его в качестве продукта и меньшего расхода его как топлива для силовых турбин, используемых в компрессорах, которые применяются в процессе ожижения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж, который представляет собой упрощенную схему технологического процесса одного конструктивного исполнения этого изобретения, иллюстрирующую процесс ожижения в соответствии с практическим применением этого изобретения. Схема технологического процесса представляет собой предпочтительное конструктивное исполнение применения на практике процесса по этому изобретению. Чертеж не исключает из объема изобретения другие конструктивные исполнения, которые являются результатом обычных и предполагаемых модификаций этого конкретного конструктивного исполнения. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Данное изобретение относится к усовершенствованному способу производства сжиженного природного газа с использованием двух замкнутых холодильных циклов, причем в обоих циклах используются многокомпонентные или смешанные холодильные агенты в качестве охлаждающей среды. Цикл холодильного агента с низким уровнем температуры обеспечивает самый низкий уровень температуры холодильного агента для ожижения природного газа. Холодильный агент с низким уровнем температуры (с самой низкой температурой) в свою очередь охлаждается холодильным агентом с высоким уровнем температуры (относительно более теплым) в отдельном теплообменном цикле.
Процесс по этому изобретению особенно целесообразен при производстве сжатого сжиженного природного газа (ССПГ), имеющего температуру выше -112°С и давление, достаточное для того, чтобы сжиженный продукт имел температуру, равную температуре в точке начала кипения или ниже нее. Термин "точка начала кипения" обозначает температуру и давление, при которых жидкость начинает превращаться в газ. Например, если определенный объем ССПГ удерживается при постоянном давлении, но его температура повышается, то температура, при которой в ССПГ начинается образование пузырьков газа, является точкой начала кипения. Аналогично, если определенный объем ССПГ удерживается при постоянной температуре, но давление понижается, то давление, при котором начинается образование газа, определяет точку начала кипения. В точке начала кипения сжиженный газ представляет собой насыщенную жидкость. Для большинства составов природного газа давление ССПГ при температуре выше -112°С будет между 1380 кПа и примерно 4500 кПа.
Обратимся к чертежу, на котором подаваемый поток природного газа предпочтительно сперва проходит через обычный блок для улавливания примесей из природного газа 75 (блок для улавливания примесей из ПСПГ). Если поток природного газа содержит тяжелые углеводороды, которые могут вымораживаться в продолжение ожижения, или если тяжелые углеводороды, такие как этан, бутан, пентан, гексаны и т.п. в ССПГ нежелательны, тяжелый углеводород может быть удален посредством блока для улавливания примесей из ПСПГ перед ожижением природного газа. Блок для улавливания примесей из ПСПГ 75 предпочтительно содержит множество ректификационных колонн (не показаны), таких как колонна-деэтанизатор, в которой получается этан, колонна-депропанизатор, в которой получается пропан, и колонна-дебутанизатор, в которой получается бутан. Блок для улавливания примесей из ПСПГ может также включать установки для удаления бензола. В общем работа блока для улавливания примесей из ПСПГ хорошо известна специалистам. Теплообменник 65 может избирательно обеспечить режим охлаждения для блока для улавливания примесей из ПСПГ 75 дополнительно к обеспечению охлаждения холодильного агента с низким уровнем температуры, как описано более подробно ниже.
Подаваемый поток природного газа может содержать газ, полученный из скважины сырой нефти (связанный газ) или из газовой скважины (несвязанный газ), или из источников как связанного, так и несвязанного газа. Состав природного газа может изменяться значительно. Как использовано здесь, поток природного газа содержит метан (C
1) как основной компонент. Природный газ обычно также содержит этан (С
2), высшие углеводороды (С
з+) и меньшие количества примесей, таких как вода, двуокись углерода, сероводород, азот, бутан, углеводороды с шестью или более атомами углерода, грязь, сернистое железо, парафин и сырая нефть. Растворимость этих примесей изменяется в зависимости от температуры, давления и состава. При криогенных температурах СО
2, вода и другие примеси могут образовать твердые вещества, которые могут затыкать проходы потоков в криогенных теплообменниках. Этих потенциальных трудностей можно избежать путем удаления таких примесей, если параметры температура-давление чистого компонента, твердой фазы и на границе фаз будут заранее предусмотрены. В нижеследующем описании изобретения предполагается, что поток природного газа перед тем, как он будет подан в блок для улавливания примесей из ПСПГ 75, подвергнется соответствующей предварительной обработке для удаления сульфидов и двуокиси углерода и сушке для удаления воды с использованием обычных и хорошо известных процессов для получения "без примесей, сухого" потока природного газа.
Подаваемый поток 10, выходящий из блока для улавливания примесей из ПСПГ, разделяется на потоки 11 и 12. Поток 11 проходит через теплообменник 60, в котором, как описано ниже, нагревается поток топлива 17 и охлаждается подаваемый поток 11. После выхода из теплообменника 60 подаваемый поток 11 вновь соединяется с потоком 12, и объединенный поток 13 проходит через теплообменник 61, в котором по меньшей мере частично ожижается поток природного газа. По меньшей мере частично сжиженный поток 14, выходящий из теплообменника 61, проходит избирательно через одно или более расширительных устройств 62, таких как вентиль Джоуля-Томсона или, альтернативно, гидравлическая турбина, для получения ССПГ при температуре выше примерно -112°С. Из расширительных устройств 62 расширенный поток жидкости 15 проходит в сепаратор фаз 63. Поток пара 17 отводится из сепаратора фаз 63. Поток пара 17 может быть использован как топливо для выработки энергии, которая требуется для привода компрессоров и насосов, используемых в процессе ожижения. Перед тем как использовать его в качестве топлива, поток пара 17 предпочтительно используется как источник охлаждения для содействия охлаждению части подаваемого потока в теплообменнике 60, как изложено выше. Поток жидкости 16 выходит из сепаратора 63 как продукт ССПГ, имеющий температуру выше примерно -112°С и давление, достаточное для того, чтобы ССПГ находился в точке начала кипения или ниже этой точки. Режим охлаждения теплообменника 61 обеспечивается охлаждением в замкнутом контуре. Холодильный агент, используемый в этом холодильном цикле, упоминается как холодильный агент с низким уровнем температуры, потому что он представляет собой смешанный холодильный агент с относительно низкой температурой по сравнению со смешанным холодильным агентом с более высокой температурой, используемым в холодильном цикле, который обеспечивает режим охлаждения теплообменника 65. Сжатый смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры проходит через теплообменник 61 по напорному трубопроводу 40 и выходит из теплообменника 61 в трубопровод 41. Желательно, чтобы смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры охлаждался в теплообменнике 61 до температуры, при которой он полностью ожижается, когда он проходит из теплообменника 61 в напорный трубопровод 41. Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры в напорном трубопроводе 41 проходит через дроссельный вентиль 64, в котором достаточное количество жидкого смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры мгновенно испаряется для того, чтобы снизить температуру смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры до требуемой температуры. Температура, требуемая для получения ССПГ, обычно ниже, чем примерно -85°С и предпочтительно между примерно -95°С и -110°С. Давление понижается при помощи дроссельного вентиля 64. Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры входит в теплообменник 61 через напорный трубопровод 42 и продолжает испаряться, когда он проходит дальше через теплообменник 61. Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры представляет собой смесь газ/жидкость (с преобладанием газа), когда он выходит в трубопровод 43. Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры проходит по трубопроводу 43 через теплообменник 65, где смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры продолжает нагреваться и испаряться (1) путем теплообмена через стенку в противотоке с другим потоком (поток 53) холодильного агента с низким уровнем температуры и (2) путем косвенного теплообмена с потоком 31 холодильного агента с высоким уровнем температуры. Нагретый смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры проходит по трубопроводу 44 в парожидкостный сепаратор 80, в котором холодильный агент разделяется на жидкую часть и газообразную часть. Газообразная часть проходит по трубопроводу 45 в компрессор 81, и жидкая часть проходит по трубопроводу 46 в насос 82, в котором жидкая часть сжимается. Сжатый газообразный смешанный холодильный агент в трубопроводе 47 соединяется со сжатой жидкостью в трубопроводе 48, и объединенный поток смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры охлаждается в переохладителе 83. В переохладителе 83 охлаждается смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры путем косвенного теплообмена с внешней охлаждающей средой, предпочтительно с охлаждающей средой, которая в конце концов использует такую окружающую среду, как приемник отводимого тепла. Соответствующие охлаждающие окружающие среды могут включать атмосферу, чистую воду, соленую воду, землю или две или более из вышеуказанных сред. Охлажденный смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры затем проходит во второй парожидкостный сепаратор 84, в котором он разделяется на жидкую часть и газообразную часть. Газообразная часть проходит по трубопроводу 50 в компрессор 86, и жидкая часть проходит по трубопроводу 51 в насос 87, в котором жидкая часть сжимается. Сжатый газообразный смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры соединяется со сжатым жидким смешанным холодильным агентом с низким уровнем температуры, и объединенный смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры (поток 52) охлаждается в переохладителе 88, который охлаждает соответствующая внешняя охлаждающяя среда, аналогично переохладителю 83. После выхода из переохладителя 88 смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры проходит по трубопроводу 53 в теплообменник 65, в котором существенная часть любого оставшегося парообразного смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры ожижается путем косвенного теплообмена с потоком холодильного агента с низким уровнем температуры 43, который проходит через теплообменник 65, и путем косвенного теплообмена с холодильным агентом холодильного цикла с высоким уровнем температуры (поток 31).
Обратимся к холодильному циклу с высоким уровнем температуры, в котором сжатый смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры проходит по трубопроводу 31 через теплообменник 65 в выпускной трубопровод 32. Смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры в трубопроводе 31 желательно охладить в теплообменнике 65 до температуры, при которой он полностью ожижается перед тем, как он пройдет из теплообменника 65 в трубопровод 32. Холодильный агент в трубопроводе 32 проходит через дроссельный вентиль 74, в котором достаточное количество жидкого смешанного холодильного агента с высоким уровнем температуры мгновенно испаряется для того, чтобы понизить температуру смешанного холодильного агента с высоким уровнем температуры до требуемой температуры. Смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры (поток 33) кипит, когда он проходит через теплообменник 65, так что смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры является по существу газообразным, когда он выходит в трубопровод 20. По существу газообразный смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры проходит по трубопроводу 20 в парожидкостный сепаратор холодильного агента 66, в котором он разделяется на жидкую часть и газообразную часть. Газообразная часть проходит по трубопроводу 22 в компрессор 67, и жидкая часть проходит по трубопроводу 21 в насос 68, в котором жидкая часть сжимается. Сжатый газообразный смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры в трубопроводе 23 соединяется со сжатой жидкостью в трубопроводе 24, и объединенный смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры охлаждается в переохладителе 69. Переохладитель 69 охлаждает смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры путем косвенного теплообмена с внешней охлаждающей средой, предпочтительно с охлаждающей средой, в которой в конце концов используется такая окружающая среда, как приемник отводимого тепла, аналогично переохладителям 83 и 88. Охлажденный смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры затем проходит во второй парожидкостный сепаратор 70, в котором он разделяется на жидкую часть и газообразную часть. Газообразная часть проходит в компрессор 71, и жидкая часть проходит в насос 72, в котором жидкая часть сжимается. Сжатый газообразный смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры (поток 29) смешивается со сжатым жидким смешанным холодильным агентом с высоким уровнем температуры (поток 28), и объединенный смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры (поток 30) охлаждается в переохладителе 73, который охлаждает соответствующая внешняя охлаждающая среда. После выхода из переохладителя 73 смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры проходит по трубопроводу 31 в теплообменник 65, в котором существенная часть любого оставшегося парообразного смешанного холодильного агента с высоким уровнем температуры ожижается.
Тип теплообменников 61 и 65 не ограничен, но в связи с экономичностью предпочтительными являются теплообменники ребристые пластинчатые, со спиральными трубами и с холодильной камерой, в которых охлаждение производится путем косвенного теплообмена. Термин "косвенный теплообмен", использованный в этом описании, обозначает, что два потока жидкости вступают в теплообмен без какого-либо физического контакта или смешения жидкостей друг с другом. Теплообменники, используемые при применении этого изобретения на практике, хорошо известны специалистам в этой области техники. Предпочтительно все потоки, содержащие как жидкую, так и паровую фазы, которые направляются в теплообменники 61 и 65, имеют как жидкую, так и паровую фазы, равномерно распределенные по поперечному сечению площади проходов, в которые они поступают. Для того чтобы этого достигнуть, предпочтительно предусмотреть распределительные устройства для индивидуальных потоков пара и жидкости. Сепараторы могут быть подсоединены к многофазным потокам, что требуется для того, чтобы разделить эти потоки на потоки жидкости и пара. Например, сепараторы могут быть подсоединены к потоку 42 непосредственно перед тем, как поток 42 поступит в теплообменник 61.
Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры, который в действительности осуществляет охлаждение и ожижение природного газа, может содержать широкий круг составов. Хотя любое число компонентов может образовать смешанный холодильный агент, смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры предпочтительно содержит от примерно 3 до примерно 7 компонентов. Например, холодильные агенты, используемые в смеси холодильных агентов, могут быть выбраны из хорошо известных галогенизированных углеводородов и их азеотропных смесей, так же как из хорошо известных углеводородов. Некоторыми примерами являются метан, этилен, этан, пропилен, пропан, изобутан, бутан, бутилен, монофтортрихлорметан, дифтордихлорметан, трифтормонохлор-метан, дифтормонохлорметан, тетрафторметан, пентафтор-монохлорэтан и любой другой холодильный агент на основе углеводорода, известный специалистам в этой области техники. Не содержащие углеводородов холодильные агенты, такие как азот, аргон, неон, гелий и двуокись углерода, также могут быть использованы. Единственным критерием для компонентов холодильного агента с низким уровнем температуры является то, что они должны быть совместимыми и иметь различные точки начала кипения, предпочтительно это различие должно быть по меньшей мере около 10°С. Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры должен иметь возможность находиться по существу в жидком состоянии в трубопроводе 41 и также иметь возможность испаряться путем теплообмена с этим же холодильным агентом и ожижаемым природным газом, так чтобы холодильный агент с низким уровнем температуры был в основном в газообразном состоянии в трубопроводе 43. Смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры не должен содержать соединения, которые могли бы затвердеть в теплообменниках 61 или 65. Можно предположить, что примеры соответствующих смешанных холодильных агентов с низким уровнем температуры входят в следующий диапазон молярных фракций в процентах: C
1 - от около 15% до 30%, С
2 -
от около 45% до 60%, С
3 -
от около 5% до 15% и С
4 - от около 3% до 7%. Концентрация компонентов смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры может быть отрегулирована так, чтобы соответствовать параметрам охлаждения и конденсации ожижаемого природного газа и требованиям к криогенным температурам процесса ожижения.
Смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры также может содержать широкий круг составов. Хотя любое число компонентов может образовать смешанный холодильный агент, смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры предпочтительно содержит от примерно 3 до примерно 7 компонентов. Например, холодильные агенты с высоким уровнем температуры, используемые в смеси холодильных агентов, могут быть выбраны из хорошо известных галогенизированных углеводородов и их азеотропных смесей так же, как из различных углеводородов. Некоторыми примерами являются метан, этилен, этан, пропилен, пропан, изобутан, бутан, бутилен, монофтортрихлорметан, дифтордихлорметан, трифтор-монохлорметан, дифтормонохлорметан, тетрафторметан, пентафтормонохлорэтан и любой другой холодильный агент на основе углеводорода, известный специалистам в этой области техники. Не содержащие углеводородов холодильные агенты, такие как азот, аргон, неон, гелий и двуокись углерода, могут быть использованы. Единственным критерием для компонентов холодильного агента с высоким уровнем температуры является то, что они должны быть совместимыми и иметь различные точки начала кипения, предпочтительно это различие должно быть по меньшей мере около 10°С. Смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры должен иметь возможность находиться по существу в жидком состоянии в трубопроводе 32 и также иметь возможность полностью испаряться путем теплообмена с этим же холодильным агентом и холодильным агентом с низким уровнем температуры (поток 43), который нагревается в теплообменнике 65, так чтобы холодильный агент с низким уровнем температуры был в основном в газообразном состоянии в трубопроводе 20. Смешанный холодильный агент с высоким уровнем температуры не должен содержать соединения, которые могли бы затвердевать в теплообменнике 65. Можно предположить, что примеры соответствующих смешанных холодильных агентов с высоким уровнем температуры входят в следующий диапазон молярных фракций в процентах: C
1 -
от около 0% до 10%, С
2 - от 60% до 80%, С
3 - от около 2% до 8%, C
4 - от около 2% до 12% и C
5 от около 1% до 15%. Концентрация компонентов смешанного холодильного агента с высоким уровнем температуры может быть отрегулирована так, чтобы соответствовать параметрам охлаждения и конденсации ожижаемого природного газа и требованиям к криогенным температурам процесса ожижения.
Пример
Моделированный баланс массы и энергии был составлен для того, чтобы проиллюстрировать конструктивное исполнение, показанное на чертеже, и результаты показаны в таблице, приведенной ниже. Данные были получены с использованием применяемой в промышленности программы моделирования процесса, называемой HYSYS
TM (предоставляемой Hypotech Ltd, Калгари, Канада); однако, другие применяемые в промышленности программы моделирования процесса могут быть использованы для создания данных, включая, например, HYSIM
TM, PROII
TM и ASPEN PLUS
TM, которые хорошо известны специалистам в этой области техники. Данные, приведенные в таблице, представлены для того, чтобы обеспечить лучшее понимание конструктивного исполнения, показанного на чертеже, но изобретение не должно быть истолковано как излишне ограниченное этим конструктивным исполнением. Величины температур и расходов не должны рассматриваться как ограничения изобретения, которое может иметь множество вариантов температур и расходов с точки зрения его изучения.
В этом примере предполагается, что подаваемый поток природного газа 10 имеет следующий состав в молярных процентах: C
1 - 94,3%; C
2 - 3,9%; С
3 - 0,3%; С
4 - 1,1%; C
5 - 0,4%. Состав холодильного агента с низким уровнем температуры в теплообменнике 61 в молярных процентах был: C
1 - 33,3%; С
2 - 48,3%; С
3 - 2,1%; С
4 - 2,9%; C
5 - 13,4%. Состав холодильного агента с высоким уровнем температуры в теплообменнике 65 в молярных процентах был: C
1 - 11,5%; С
2 - 43,9%; С
3 - 32,1%; С
4 - 1,6%; C
5 - 10,9%. Составы холодильных агентов в замкнутых циклах могут быть приспособлены специалистами в этой области техники для того, чтобы свести к минимуму потребность в энергии для охлаждения широкого круга составов подаваемого газа, давлений и температур для ожижения природного газа для производства ССПГ.
Данные в таблице показывают, что максимальное требуемое давление холодильного агента в цикле с низким уровнем температуры не превышает 2480 кПа. В традиционном холодильном цикле для ожижения природного газа до температуры примерно -160°С обычно требуется давление холодильного агента примерно 6200 кПа. При использовании значительно более низкого давления в холодильном цикле с низким уровнем температуры для холодильного цикла требуется значительно меньшее количество материала для труб.
Другим преимуществом настоящего изобретения, как показано в этом примере, является то, что поток топлива 18 подается под давлением, достаточным для использования в обычных газовых турбинах в продолжение процесса ожижения без вспомогательного сжатия топливного газа.
Специалист в данной области техники, в особенности тот, кто может извлечь пользу из изучения этого патента, найдет многие модификации и варианты конкретного конструктивного исполнения, описанного выше. Например, различные величины температур и давлений могут быть использованы в соответствии с изобретением в зависимости от общего дизайна установки и состава подаваемого газа. Последовательность охлаждения подаваемого газа также может быть дополнена или перекомпонована в зависимости от общих требований к дизайну для того, чтобы удовлетворить требованиям к оптимальному и эффективному теплообмену. Кроме того, определенные стадии процесса могут быть завершены путем добавления устройств, которые взаимозаменяемы с показанными устройствами. Как изложено выше, конкретное описанное конструктивное исполнение и пример не должны быть использованы для ограничения или сужения объема изобретения, который определяется приведенными ниже пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
Формула изобретения
1. Способ ожижения потока природного газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше -112°С и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился в точке начала кипения или ниже ее, в котором используют два замкнутых цикла, многокомпонентные холодильные агенты, в которых холодильный агент с высоким уровнем температуры охлаждает холодильный агент с низким уровнем температуры, и холодильный агент с низким уровнем температуры охлаждает и ожижает природный газ, содержащий следующие стадии: (a) охлаждают и ожижают поток природного газа путем косвенного теплообмена с многокомпонентным холодильным агентом с низким уровнем температуры в первом замкнутом холодильном цикле; (b) нагревают холодильный агент с низким уровнем температуры путем теплообмена в противотоке с другим потоком холодильного агента с низким уровнем температуры и путем теплообмена с потоком холодильного агента с высоким уровнем температуры; (c) сжимают нагретый холодильный агент с низким уровнем температуры со стадии (b) до повышенного давления и производят его переохлаждение внешней окружающей средой; (d) производят дальнейшее охлаждение холодильного агента с низким уровнем температуры путем теплообмена со вторым потоком многокомпонентного холодильного агента с высоким уровнем температуры и с холодильным агентом с низким уровнем температуры со стадии (b), причем холодильный агент с высоким уровнем температуры нагревается в продолжение теплообмена, и (е) сжимают нагретый холодильный агент с высоким уровнем температуры со стадии (d) до повышенного давления и производят его переохлаждение внешней охлаждающей средой.
2. Способ по п.1, в котором косвенный теплообмен на стадии (а) состоит из одной стадии.
3. Способ по п.1, в котором многокомпонентный холодильный агент с низким уровнем температуры содержит метан, этан, бутан и пентан.
4. Способ по п.1, в котором многокомпонентный холодильный агент с высоким уровнем температуры содержит бутан и пентан.
5. Способ ожижения потока богатого метаном газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше -112°С и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился в точке начала кипения или ниже ее, в котором используют два замкнутых цикла многокомпонентного охлаждения, причем каждый холодильный агент в холодильных циклах содержит компоненты с различной испаряемостью, содержащий следующие стадии: (a) ожижают поток богатого метаном газа в первом теплообменнике первым смешанным холодильным агентом с низким уровнем температуры, который циркулирует в первом холодильном цикле; (b) сжимают первый смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры во множестве ступеней сжатия и охлаждают сжатый смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры в одной или более ступенях внешней охлаждающей средой; (c) охлаждают первый сжатый охлажденный смешанный холодильный агент с низким уровнем температуры вторым смешанным холодильным агентом с низким уровнем температуры во втором теплообменнике для того, чтобы по меньшей мере частично произвести ожижение первого сжатого смешанного холодильного агента с низким уровнем температуры перед тем, как производят ожижение богатого метаном газа в первом теплообменнике, и (d) сжимают второй многокомпонентный холодильный агент во множестве ступеней сжатия и охлаждают сжатый второй многокомпонентный холодильный агент в одной или более ступеней внешней охлаждающей средой, производят теплообмен сжатого охлажденного второго многокомпонентного холодильного агента во втором теплообменнике для того, чтобы получить охлажденный по меньшей мере частично ожиженный второй многокомпонентный холодильный агент, производят расширение охлажденного по меньшей мере частично ожиженного второго многокомпонентного холодильного агента для того, чтобы получить низкотемпературный охладитель, и пропускают низкотемпературный охладитель в теплообмене противотоком со сжатым охлажденным вторым многокомпонентным холодильным агентом для того, чтобы по меньшей мере частично произвести ожижение первого многокомпонентного холодильного агента и по меньшей мере частично произвести испарение второго многокомпонентного холодильного агента, и производят рециркуляцию второго многокомпонентного холодильного агента в первую ступень сжатия.
6. Способ ожижения богатого метаном газа для производства сжатого жидкого продукта, имеющего температуру выше примерно -112°С, содержащий следующие стадии: (а) охлаждают и ожижают газ в первом теплообменнике путем теплообмена с первым многокомпонентным холодильным агентом из первого замкнутого холодильного цикла; b) охлаждают первый многокомпонентный холодильный агент во втором теплообменнике вторым многокомпонентным холодильным агентом во втором замкнутом холодильном цикле; (c) при этом первый холодильный цикл содержит следующие стадии: сжимают и охлаждают охлажденный первый холодильный агент со стадии (b) в по меньшей мере одной ступени сжатия и охлаждения, которая содержит разделение фаз нагретого первого холодильного агента на паровую фазу и жидкую фазу, отдельное сжатие паровой фазы и жидкой фазы, объединение сжатой жидкой фазы и сжатой паровой фазы и переохлаждение объединенных фаз внешней охлаждающей средой пропускают сжатый первый холодильный агент через второй теплообменник для того, чтобы охладить первый холодильный агент вторым холодильным агентом пропускают сжатый первый холодильный агент через первый теплообменник производят расширение сжатого первого холодильного агента для превращения первого холодильного агента в смешанный холодильный агент с более низкой температурой и пропускают расширенный первый холодильный агент через первый теплообменник в противотоке с этим же холодильным агентом перед расширением и с газом, богатым метаном, тем самым нагревают расширенный первый холодильный агент и получают сжатую жидкость, имеющую температуру выше примерно -112°С, и производят рециркуляцию нагретого расширенного первого холодильного агента во второй теплообменник, и (d) второй холодильный цикл содержит следующие стадии: сжимают и охлаждают нагретый второй холодильный агент в по меньшей мере одной ступени сжатия и охлаждения, которая содержит разделение фаз нагретого второго холодильного агента на паровую фазу и жидкую фазу, отдельное сжатие паровой фазы и жидкой фазы, объединение сжатой жидкой фазы и сжатой паровой фазы, и переохлаждение объединенных фаз внешней охлаждающей средой, пропускают сжатый второй холодильный агент через второй теплообменник, для того чтобы охладить первый холодильный агент вторым холодильным агентом, производят расширение сжатого второго холодильного агента до более низкой температуры и пропускают расширенный второй холодильный агент через второй теплообменник в противотоке с этим же холодильным агентом до расширения и с первым холодильным агентом, тем самым нагревают расширенный второй холодильный агент.
РИСУНКИ
Рисунок 1
