ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КАСКАДНОГО СПОСОБА ОХЛАЖДЕНИЯ ОТКРЫТОГО ЦИКЛА Российский патент 2001 года по МПК F25J1/02 

Настоящее изобретение касается способа и устройства для повышения коэффициента полезного действия (КПД) каскадного процесса охлаждения открытого цикла, используемых для охлаждения потока природного газа.

Криогенное ожижение обычно газообразных материалов используют для целей разделения, очистки, хранения компонентов и для транспортирования упомянутых компонентов в более экономичной и удобной форме. Большинство таких систем ожижения имеют много общих операций не зависимо от вовлекаемых газов и, следовательно, имеют много одинаковых проблем. Одна общая проблема в таких процессах ожижения состоит в наличии термодинамической необратимости в различных циклах охлаждения, которая снижает производительность процесса до уровней, значительно ниже теоретически возможных. В соответствии с этим настоящее изобретение будет описано с конкретной ссылкой на обработку природного газа, но оно применимо к другим газовым системам, в которых используется открытый цикл ожижения, и таким циклом создается ожиженный продукт.

Обычная практика в технике обработки природного газа состоит в воздействии на газ криогенной обработкой с целью выделения из природного газа углеводородов, имеющих молекулярный вес выше молекулярного веса метана (C₂₊), создавая тем самым трубопроводный газ с преобладанием метана, и поток C₂₊, полезный для других целей. Часто поток C₂₊ разделяют на потоки отдельных компонентов, например C₂, C₃, C₄ и C₅₊.

Обычно на практике используют также криогенную обработку природного газа с целью ожижения его для транспортирования и хранения. Основная причина ожижения природного газа состоит в том, что ожижение приводит к уменьшению объема примерно в соотношении 1/600, обеспечивая тем самым возможность хранить и транспортировать ожиженный газ в контейнерах более экономичной и практичной конструкции. Например, когда газ транспортируют по трубопроводу от источника подачи к удаленному рынку, желательно, чтобы трубопровод работал, по существу, с постоянным и высоким коэффициентом нагрузки. Часто производительность или мощность трубопровода превышает потребность, тогда как в другое время потребность может превышать производительность трубопровода. Чтобы сгладить пики, когда потребность превышает подачу, желательно хранить избыточный газ таким образом, чтобы его можно было подавать, когда подачу превышает потребность, позволяя тем самым удовлетворять дополнительные пики в потреблении подачей материала из хранилища. Один практический способ выполнения этого состоит в преобразовании газа в ожиженное состояние для хранения и затем испарения жидкости, когда потребуется потребление.

Ожижение природного газа имеет даже более важное значение при осуществлении возможного транспортирования газа от источника снабжения к рынку, когда источник и рынок отделены большими расстояниями, а трубопроводы отсутствуют или не применяются на практике. Это, в частности, справедливо, когда транспортирование следует осуществлять посредством морских судов. Судовое транспортирование в газообразном состоянии обычно не практикуется из-за того, что требуется создание существенного давления с целью значительного уменьшения удельного объема газа, что в свою очередь требует использования более дорогостоящих резервуаров хранения.

Чтобы хранить и транспортировать природный газ в жидком состоянии, природный газ предпочтительно ожижают до температуры от -240^oF до -260^oF (от -151,11^oC до -162,22^oC), когда он обретает почти атмосферное давление пара. В известной технике существуют различные системы для ожижения природного газа или аналогичного вещества, в котором газ ожижают посредством последовательного пропускания газа под повышенным давлением через множество ступеней ожижения, после чего газ охлаждается до последовательно более низких температур, пока не будет достигнута температура ожижения. Охлаждение обычно выполняют посредством теплообменника с одним или более хладагентами, такими как пропан, пропилен, этан, этилен и метан. В технике хладагенты часто располагают каскадным способом, и каждый хладагент используют в замкнутом цикле охлаждения.

При нахождении конденсированной жидкости под повышенным давлением дальнейшее охлаждение возможно посредством расширения ожиженного природного газа до атмосферного давления в одной или более ступенях расширения. В каждой ступени ожиженный газ быстро испаряется до более низкого давления, создавая тем самым двухфазную газожидкостную смесь на значительно более низкой температуре. Жидкость восстанавливается и может снова мгновенно испаряться. Таким образом, ожиженный газ дополнительно охлаждается до температуры хранения или транспортирования, подходящей для хранения ожиженного газа при почти атмосферном давлении. При этом расширении до почти атмосферного давления быстро испаряются значительные объемы ожиженного газа. Пары быстрого испарения из ступеней расширения обычно собирают и рециркулируют с целью ожижения или использования в качестве топливного газа для вырабатывания энергии.

При так называемом открытом цикле окончательный цикл охлаждения состоит из быстрого охлаждения ожиженного продукта отдельными этапами, используя пары быстрого испарения для охлаждения, повторного сжатия большей части паров быстрого испарения, охлаждения упомянутого потока газа под давлением и возвращением охлажденного газа под давлением к технологическому процессу ожижения для его ожижения. В связанных процессах теплообмена можно уменьшить термодинамическую необратимость посредством снижения температурных градиентов между текучими средами, подвергающимися теплообмену. Это обычно требует прохождения в противотоке текучих сред через теплообменники, значительных величин площади переноса тепла и выбора скоростей потока и температур для потоков, подвергающихся теплообмену, которые обеспечивают эффективный перенос тепла. С точки зрения перспективы расходов расходы, связанные с потерей термодинамического коэффициента полезного действия (КПД), часто уравновешиваются в зависимости от дополнительной величины капитальных затрат на дополнительную площадь переноса тепла, трубопроводы и другие элементы, которые повышают термодинамические КПД. В течение многих лет проводился поиск новых и эффективных в отношении стоимости средств для увеличения термодинамического КПД процесса охлаждения с каскадным открытым циклом.

Настоящее изобретение обеспечивает способ увеличения КПД процесса в каскадном процессе охлаждения открытого цикла посредством увеличения эффективности замкнутого цикла охлаждения сразу же выше по потоку открытого цикла охлаждения.

Изобретение также обеспечивает способ, в котором охлаждение замкнутого цикла непосредственно выше по потоку открытого цикла каскадного процесса охлаждения открытого цикла видоизменено посредством увеличения относительной нагрузки в упомянутом цикле до камеры охлаждения ступени высокого давления и снижения режима охлаждения до конденсатора ступени низкого давления.

Изобретение также обеспечивает способ и соответственное устройство для увеличения КПД технологического процесса, которое является простым, компактным и рентабельным.

Изобретение далее обеспечивает способ и устройство для увеличения КПД технологического процесса, которые легко используют имеющиеся компоненты и требуют минимальных модификаций существующих методов искусственного охлаждения и коммерчески используемого устройства.

В одном варианте этого изобретения раскрыт усовершенствованный способ каскадного охлаждения открытого цикла для ожижения основной части потока газа под давлением, содержащий этапы:
(а) охлаждения потока газа под давлением открытого цикла посредством противотока или в общем переноса тепла противотоком с одним или более потоками пара быстрого испарения открытого цикла до первой температуры,
(b) разделения упомянутого охлажденного потока сжатого газа открытого цикла на первый охлажденный поток повторного цикла и второй поток,
(с) объединения первого охлажденного потока повторного цикла с потоком газа под давлением непосредственно выше по потоку первой ступени охлаждения в замкнутом цикле охлаждения,
d) охлаждения, соответственного этапу (с) потока газа, посредством прохождения по меньшей мере через одну ступень искусственного охлаждения,
(е) дополнительного охлаждения второго потока посредством противотока или в общем переноса тепла противотоком одним или более потоками пара быстрого испарения открытого цикла до второй температуры, создавая тем самым второй охлажденный поток рециркуляции,
(f) объединения второго охлажденного потока рециркуляции с соответствующим этапу (d) потоком газа, но выше по потоку ступени искусственного охлаждения, в котором поток большей частью ожижается.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения раскрыто устройство для эффективного охлаждения потока под давлением открытого цикла перед объединением с потоком исходного газа под давлением в каскадном способе охлаждения открытого цикла, содержащее:
(а) средство косвенного теплообмена в связи по потоку с наружной частью компрессора открытого цикла,
(b) по меньшей мере одно средство переноса косвенного теплообмена, соединенное с трубопроводом возврата потока газа быстрого охлаждения открытого цикла, в котором средство находится в непосредственной близости к соответствующему пункту (а) элемента, чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и упомянутые средства расположены для обеспечения потока противотока или, в общем, противотока соответственных текучих сред, подаваемых в трубопровод,
(с) трубопровод, подсоединенный в местоположении рядом с соответствующим пункту (а) средством косвенного теплообмена, и в котором трубопровод находится в связи по потоку с трубопроводом, подающим поток газа под давлением к первой ступени охлаждения в замкнутом цикле охлаждения, или трубопровод находится в прямой связи по потоку с первой ступенью охлаждения, к которой также подается поток газа под давлением, и
(d) трубопровод, подсоединенный к выходному концу соответственного пункту (а) первого средства косвенного теплообмена, в котором трубопровод подсоединен к трубопроводу, несущему поток газа под давлением, в некотором местоположении ниже по потоку первой ступени охлаждения.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет упрощенную блок-схему процесса криогенного производства охлажденного природного газа (ОПГ), которая иллюстрирует соответствующие изобретению способ и устройство.

Фиг. 2 представляет кривую охлаждения, которая иллюстрирует тесное сближение температур нагрева и охлаждения текучей среды в основном экономайзере метана, которое делает возможным настоящее изобретение.

Фиг. 3 представляет кривую охлаждения, которая иллюстрирует сближение температур нагревания и охлаждения текучей среды в основном экономайзере метана, использующем способ открытого цикла, предлагаемый в известной технике.

Хотя настоящее изобретение применимо для повышения КПД способа в каскадных процессах охлаждения, в которых используется конечный открытый цикл, когда такие процессы используются для криогенной обработки газа, последующее описание для целей простоты и четкости осуществляет конкретную ссылку на криогенное охлаждение потока природного газа для производства ожиженного природного газа. Однако проблемы, связанные с менее чем требуемыми КПД технологического процесса, являются общими для всего криогенного процесса, использующего открытый цикл.

Используемый здесь термин "каскадный способ охлаждения открытого цикла" касается каскадного способа охлаждения, использующего по меньшей мере один замкнутый цикл охлаждения и один открытый цикл, в котором точка кипения хладагента-охладителя в открытом цикле ниже точки кипения агента или агентов охлаждения, используемых в замкнутом цикле или циклах, и часть режима охлаждения для конденсирования сжатого хладагента/агента охлаждения открытого цикла обеспечивается одним или более замкнутыми циклами.

Как отмечено в части, касающейся предпосылок создания изобретения, конструкция каскадного способа охлаждения включает балансирование термодинамических КПД и капитальных затрат. В процессах переноса тепла динамическая необратимость снижается по мере постепенного уменьшения температурных градиентов между нагревающей и охлаждающей текучими средами, но получающиеся маленькие температурные градиенты обычно требуют значительных расширений величины площади переноса тепла и основных модификаций различного оборудования технологического процесса и надлежащего выбора скоростей потока через такое оборудование, чтобы гарантировать, что скорости потока и подход к решению, а также выходные температуры оказались сопоставимыми с требуемым режимом нагрева-охлаждения. При обработке потока природного газа настоящее изобретение обеспечивает простое рентабельное средство для значительного снижения температурных градиентов между потоком сжатого, основанного на метане газа открытого цикла (то есть потока рециркуляции), и потоками пара быстрого испарения от быстрого испарения ОПГ, вследствие этого приводя к значительному снижению потребностей энергии замкнутого цикла непосредственно выше по потоку открытого цикла, и более того, полезно сдвигая режимы охлаждения в таком замкнутом цикле к предшествующей ступени либо ступени или ступеням более высокой температуры.

Ожижение потока природного газа
Криогенные установки имеют разнообразные формы; наиболее действенной и эффективной является оптимизированная работа каскадного типа, и этот оптимизированный тип сочетается с охлаждением расширяющего типа. Кроме того, поскольку способы производства ожиженного природного газа (ОПГ) включают в себя выделение углеводородов более высокого молекулярного веса, чем метан, в качестве первой его части описание установки для криогенного производства ОПГ эффективно объясняет аналогичную установку для удаления углеводородов С₂₊ из потока природного газа.

В предпочтительном варианте осуществления изобретение касается последовательного охлаждения потока природного газа при повышенном давлении, например, порядка 650 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления (ф/д² ад) (448,2 • 10⁴Па) путем последовательного охлаждения потока газа посредством прохождения через многоступенчатый пропановый цикл, многоступенчатый этановый или этиленовый цикл и метановый цикл открытого конца, который использует часть исходного газа в качестве источника метана и который включает в себя многоступенчатый цикл расширения для дальнейшего его охлаждения и уменьшения давления до близкого к атмосферному. В последовательности циклов охлаждения первым используется хладагент, имеющий самую высокую точку кипения, за которым следует хладагент, имеющий промежуточную точку кипения, и, наконец, хладагент, имеющий самую низкую точку кипения.

Этапы предварительной обработки обеспечивают средство для удаления нежелательных компонентов, таких как кислые газы, меркаптан, ртуть и влагу, из исходного потока природного газа, подаваемого на оборудование. Состав этого газового потока может существенно изменяться. Используемый здесь поток природного газа представляет собой любой поток, главным образом, содержащий метан, который получается большей частью из потока исходного природного газа типа исходного потока, например, содержащего по меньшей мере 85% по объему, где балансирование осуществляется этаном, высокими углеродами, азотом, двуокисью углерода и незначительными количествами других загрязняющих веществ типа ртути, сероводорода и меркаптина. Этапы предварительной обработки могут быть отдельными этапами, расположенными либо выше по потоку охлаждающих циклов или расположенными ниже по потоку одной из ранних ступеней охлаждения в первоначальном цикле. Ниже приводится невключающее перечисление некоторых из имеющихся средств, которые легко доступны специалистам в данной области техники. Кислые газы и (в меньшей степени) меркаптан регулярно удаляются посредством процесса сорбции, использующего водный раствор, содержащий амин. Этот этап обработки обычно выполняется выше по потоку охлаждающих ступеней в начальном цикле. Основная часть воды регулярно удаляется в виде жидкости посредством двухфазного газожидкостного разделения после сжатия газа и охлаждения выше по потоку первоначального цикла охлаждения, а также ниже по потоку первой ступени охлаждения в первоначальном цикле охлаждения. Ртуть периодически удаляется посредством слоев сорбента ртути. Остаточные количества воды и кислых газов систематически удаляются посредством использования правильно выбранных слоев сорбента типа регенерируемых молекулярных сит. Технологические процессы, в которых используются слои сорбента, как правило, располагают ниже по потоку первой ступени охлаждения в первоначальном цикле охлаждения.

Природный газ обычно в технологический процесс охлаждения подают при повышенном давлении или сжимают до повышенного давления, и это давление больше 500 ф/д² ад (344,7•10⁴ Па), предпочтительно от 500 ф/д²ад (344,7•10⁴ Па), примерно до 900 ф/д² ад (620,5•10⁴ Па) и более предпочтительно от примерно 600 ф/д² ад (413,7•10⁴Па) до примерно 675 ф/д² ад (496,4•10⁴ Па) и еще более предпочтительно 650 ф/д² ад (448,2•10⁴ Па). Температура потока обычно равна от примерно температуры окружающей среды до несколько выше температуры окружающей среды. Типичный диапазон температур составляет от 60^oF (15,6^oC) до 120^oF (48,9^oC).

Как отмечалось выше, поток природного газа охлаждается в большом количестве многоступенчатых (например, трехступенчатых) циклов или этапов посредством косвенного теплообмена с большим количеством (предпочтительно с тремя) хладагентов. Общая хладопроизводительность для данного цикла увеличивается с увеличением количества ступеней, но это увеличение производительности сопровождается соответствующим увеличением чистых капитальных затрат и сложности технологического процесса. Исходный газ предпочтительно пропускают через эффективное количество ступеней охлаждения, номинально равное 2, предпочтительно равное от двух до четырех и более предпочтительно - трем ступеням, где в первом замкнутом цикле охлаждения используется хладагент со сравнительно высокой точкой кипения. Такой хладагент предпочтительно состоит в основном из пропана, пропилена, их смесей, более предпочтительно из пропана и более предпочтительно хладагент состоит, по существу, из пропана. После этого обработанный исходный газ проходит через эффективное количество ступеней, номинально через две, предпочтительно через две-четыре, и более предпочтительно - через две или три, во втором замкнутом цикле охлаждения при теплообмене с хладагентом, имеющим более низкую точку кипения.

Такой хладагент предпочтительно состоит в основном из этана, этилена или их смесей, более предпочтительно из этилена и еще более предпочтительно хладагент состоит, по существу, из этилена. Каждая ступень охлаждения содержит отдельную зону охлаждения.

Обычно исходный природный газ содержит такое количество составляющих С₂₊, которое может привести к образованию богатой С₂₊ жидкости в одной или более ступенях охлаждения. Эта жидкость удаляется с помощью средства газожидкостного разделения, предпочтительно с помощью одного или более обычных газожидкостных разделителей. Как правило, последовательным охлаждением природного газа в каждой ступени управляют так, чтобы удалить как можно больше С₂ и углеводородов с более высоким молекулярным весом из газа с целью создания газового потока, преобладающего в метане, и потоки жидкости, содержащей значительные количества этана и более тяжелых компонентов. Эффективное количество средств разделения газа и жидкости располагают в важных местоположениях ниже по потоку зон охлаждения для удаления потоков жидкостей, богатых компонентами С₂₊. Точные местоположения и количество средств разделения газа и жидкости, предпочтительно обычных средств разделения газа и жидкости, будет зависеть от количества рабочих параметров, таких как состав С₂₊ потока исходного природного газа, требуемое содержание британских тепловых единиц (БТЕ) продукта ОПГ, значения составляющих С₂₊ для других применений и другие факторы, регулярно рассматриваемые специалистами в области работы установок ОПГ и газовых установок. Поток или потоки углеводородов С₂₊ можно демонстрировать посредством быстрого испарения одной ступени или фракционирующей колонны. О последнем случае - богатый метаном поток можно непосредственно вернуть под давлением в процесс ожижения. В первом случае богатый метаном поток можно подвергнуть повторному сжатию или повторному циклу либо можно использовать в качестве топливного газа. Поток или потоки углеводородов C₂₊, или деметанизированный поток углеводородов С₂₊ можно использовать в качестве топлива либо можно дополнительно обработать, например, посредством фракционирования в одной или более зонах фракционирования для создания отдельных потоков, богатых определенными химическими компонентами (например, C₂, C₃, С₄ и С₅₊). В последней ступени второго цикла охлаждения газовый поток, в котором преобладает метан, большей частью, предпочтительно полностью конденсирует (то есть ожижается). Давление технологического процесса в этом местоположении только несколько ниже давления исходного газа для первой ступени первого цикла.

Затем поток ожиженного природного газа дополнительно охлаждается на третьем этапе или в открытом цикле посредством соприкосновения в основном экономайзере метана с газами быстрого испарения, вырабатываемыми на этом третьем этапе, способом, который будет описан ниже, и последующего расширения потока ожиженного газа до почти атмосферного давления. Во время этого расширения ожиженный продукт охлаждения расширяется посредством по меньшей мере одного, предпочтительно двух-четырех и более предпочтительно трех расширений, где каждое расширение используется в качестве средства снижения давления, либо регулирующими вентилями Джоуля-Томсона, либо гидравлическими расширителями. После расширения следует разделение газожидкостного продукта разделителями. Если используется гидравлический расширитель и он правильно функционирует, то чем выше коэффициент полезного действия, связанный с регенерацией мощности, тем больше снижение температуры потока, и производство меньшего количества пара во время этапа быстрого испарения часто оказывается больше, чем возмещение более высоких капитальных затрат и эксплуатационных затрат, связанных с расширителем. В одном варианте осуществления обеспечивается возможность дополнительного охлаждения ожиженного продукта высокого давления перед быстрым испарением посредством вначале быстрого испарения части этого потока с помощью одного или более гидравлических расширителей и затем средства косвенного теплообмена, использующего упомянутый быстро испаряемый поток с целью охлаждения ожиженного потока высокого давления перед быстрым испарением. Затем создаваемый быстрым испарением поток рециркулирует посредством возврата в соответственное местоположение, на основании соображений температуры и давления, в открытом метановом цикле, и наконец, будет повторно сжат. Используемое здесь выражение "поток открытого метанового цикла" касается потока, который преимущественно является метаном и появляется в основной части из паров быстрого испарения ожиженного продукта, а открытый метановый цикл относится к открытому циклу, использующему упомянутый поток. Ожиженный продукт, как правило, будет называться метаном, хотя он может содержать незначительные концентрации других составляющих.

Если поступающий в третий цикл жидкий продукт имеет предпочтительное давление примерно 600 ф/д² ад (413,7• 10⁴Па), то типичные давления быстрого испарения в случае трехступенчатого процесса быстрого испарения составляют примерно 190, 61 и 27,7 ф/д²ад (131•10⁴, 42,1•10⁴ и 17,0•10⁴ Па). Быстро испаряемый или фракционированный пар на этапе отделения азота, что будет описано ниже, и затем быстро испаряемый на этапах быстрого расширения используется в главном экономайзере метана с целью охлаждения только что ожиженного продукта от второго цикла-этапа перед расширениям и для охлаждения сжатого потока открытого метанового цикла. В последующем разделе будут описаны соответствующие изобретению средство и связанное с ним устройство для повторного цикла быстро испаряемого продукта. Быстрое испарение ожиженного потока почти до атмосферного давления создает продукт ОПГ, имеющий температуру -240^oF (-151,1^oC) - -260^oF (- 162,2^oC).

Для сохранения приемлемого содержания БТЕ в ожиженном продукте, когда в исходном природном газе имеется ощутимое количество азота, азот должен концентрироваться и удаляться в некоторых местах в технологическом процессе. Для этих целей у специалистов в данной области техники имеются различные способы. Ниже приводятся примеры. Когда концентрация азота в исходном газе низкая, обычно меньше примерно 1,0% по объему, удаление азота, как правило, достигается посредством удаления небольшого потока на впускном или выпускном порте высокого давления компрессора открытого метанового цикла. Если концентрация азота во впускном исходном газе составляет примерно от 1,0% до примерно 1,5% по весу, то азот можно удалять посредством воздействия на ожиженный газовый поток из главного экономайзера метана быстрым испарением перед ранее описанными этапами расширения. Использование этапа быстрого испарения демонстрируется на примере. Пар быстрого испарения содержит ощутимую концентрацию азота и может впоследствии использоваться в качестве топливного газа. Типичным давлением быстрого испарения для удаления азота при этих концентрациях является примерно 400 ф/д² ад (275,8•10⁴ Па). Если исходный поток содержит концентрацию азота больше примерно 1,5% по объему, то этап быстрого испарения после прохождения через главный экономайзер метана не может обеспечить достаточное удаление азота и потребуется колонна отвода азота, из которой создается богатый азотом поток пара и поток жидкости. В предпочтительном варианте осуществления, в котором используется колонна отвода азота, ожиженный метановый поток высокого давления в главный экономайзер метана разделяется на первую и вторую части. Первая часть быстро испаряется до давления примерно 400 ф/д² ад (275,8•10⁴ Па) и в качестве исходного потока в колонну отвода азота подается двухфазная смесь. Вторая часть ожиженного метанового потока высокого давления дополнительно охлаждается посредством прохождения через главный экономайзер метана, затем он быстро испаряется до давления 400 ф/д² ад (275,8•10⁴ Па), и получающаяся двухфазная смесь подается в колонну, где она обеспечивает обратный ток. Созданный в верхней части колонны отвода азота поток богатого азотом газа обычно используют в качестве топлива. В нижней части колонны создается поток жидкости, который либо возвращается в главный метановый экономайзер для охлаждения, либо, в предпочтительном варианте, подается в следующую ступень расширения для потока открытого метанового цикла.

Холодильное охлаждение для ожижения природного газа.

Критическим для ожижения природного газа в каскадном технологическом процессе является использование одного или более хладагентов для передачи тепловой энергии от потока природного газа хладагенту и, в конечном итоге, передачи тепловой энергии в окружающее пространство. По существу общая система охлаждения функционирует как тепловой насос благодаря удалению тепловой энергии из потока природного газа, когда поток постепенно охлаждается до все более низких температур.

В соответствующем изобретению способе используются несколько типов охлаждения, которые включают в себя, но не ограничиваются ими а) косвенный теплообмен, в) испарение и с) расширение или снижение давления. Используемый здесь косвенный теплообмен касается способа, в котором хладагент охлаждает подлежащее охлаждению вещество без действительного физического контакта между охлаждающим веществом и подлежащим охлаждению веществом. Конкретные примеры средств косвенного теплообмена включают в себя теплообмен, происходящий в кожухотрубном теплообменнике, теплообменнике типа стержня в котле и теплообменнике типа припаянных твердым припоем алюминиевых пластинчатых ребер. Физическое состояние хладагента и подлежащего охлаждению вещества может сильно зависеть от потребностей системы и типа выбранного теплообменника. Таким образом, в соответствующем изобретению способе обычно используют кожухотрубный теплообменник, где охлаждающее вещество находится в жидком состоянии, а подлежащее охлаждению вещество находится в жидком или газообразном состоянии, или когда одно из веществ подвергается фазовому изменению и условия процесса не благоприятствуют использованию теплообменника типа стержня в котле, в качестве примера предпочтительными материалами конструирования стержня являются алюминий или алюминиевые сплавы, но такие материалы могут не подходить для использования в указанных условиях технологического процесса. Ребристый пластинчатый теплообменник обычно используют там, где хладагент находится в газообразном состоянии, а подлежащее охлаждению вещество находится в жидком или газообразном состоянии. И, наконец, теплообменник типа стержня в котле обычно используют там, где подлежащее охлаждению вещество является жидкостью или газом, а хладагент испытывает фазовое изменение из жидкого состояния в газообразное состояние во время теплообмена.

Охлаждение испарением касается охлаждения вещества посредством испарения или парообразования части вещества системой, поддерживаемой под постоянным давлением. Таким образом, во время парообразования часть вещества, которое испаряется, абсорбирует тепло из части вещества, которое остается в жидком состоянии и, отсюда, охлаждает жидкую часть.

И, наконец, охлаждение расширением или снижением давления относится к охлаждению, которое происходит, когда давление газовой, жидкостной или двухфазной системы уменьшается посредством пропускания через средство снижения давления. В одном варианте осуществления это средство расширения представляет собой регулировочный вентиль Джоуля-Томсона. В другом варианте осуществления средством расширения является либо гидравлический, либо газовый расширитель. Вследствие того, что расширители преобразуют рабочую энергию от расширительного процесса, при расширении возможны более низкие температуры потока технологического процесса.

В последующем описании и на чертежах показано расширение хладагента посредством пропускания через дроссель, после которого происходит последующее разделение газовой и жидкой частей в камерах охлаждения хладагента, в которых происходит также косвенный теплообмен. Хотя эта упрощенная схема является работоспособной и иногда ее предпочитают из-за стоимости и простоты, может оказаться более эффективным выполнять расширение и разделение, а затем частичное испарение в виде отдельных этапов, например, сочетания дросселей и испарительных барабанов перед косвенным теплообменом в камерах охлаждения. В другом работоспособном варианте осуществления дроссель или расширительный клапан может быть не отдельным элементом, а неотъемлемой частью камеры охлаждения хладагента (то есть быстрое испарение происходит при вводе ожиженного хладагента в камеру охлаждения).

В первом охлаждающем цикле или этапе охлаждение обеспечивается сжатием газообразного хладагента с более высокой точкой кипения, предпочтительно пропана, когда он может быть ожижен посредством косвенной теплопередачи средой переноса, которая, в конечном итоге, использует окружающее пространство в качестве поглотителя тепла, и этим поглотителем тепла, как правило, является атмосфера, источник пресной воды, источник соленой воды, земля или две или более из вышеупомянутых сред. Затем конденсированный хладагент подвергается одному или более этапам расширяющего охлаждения посредством подходящего средства расширения, создавая тем самым двухфазные смеси, обладающие значительно более низкими температурами. В одном варианте осуществления основной поток разделяется по меньшей мере на два отдельных потока, предпочтительно на два-четыре потока и более предпочтительно на три потока, где каждый поток отдельно расширяется до установленного давления. Затем каждый поток обеспечивает испарительное охлаждение посредством косвенного переноса тепла одним или более выбранными потоками, где один такой поток является подлежащим ожижению потоком природного газа. Количество отдельных потоков хладагента соответствует количеству ступеней компрессора хладагента. Затем испаряемый хладагент из каждого отдельного потока возвращается в соответствующую ступень в компрессоре хладагента (например, два отдельных потока соответствуют двухступенчатому компрессору). В более предпочтительном варианте осуществления весь ожиженный хладагент расширяется до предопределенного давления и затем этот поток используется для обеспечения испарительного охлаждения посредством косвенного теплообмена с одним или более выбранными потоками, где одним таким потоком является подлежащий ожижению поток природного газа. Затем часть ожиженного хладагента изымается из средства косвенного теплообмена с расширенным охлаждением посредством расширения до более низкого давления и, соответственно, более низкой температуры, где оно обеспечивает испарительное охлаждение с помощью средства косвенного теплообмена с одним или более названными потоками, где одним таким потоком является подлежащий ожижению поток природного газа. Номинально, в этом варианте осуществления используются два, предпочтительно два-четыре и более, предпочтительно три таких этапа расширительного охлаждения - испарительного охлаждения. Подобно первому варианту осуществления пар хладагента от каждого этапа возвращается к соответственному впускному порту у ступенчатого компрессора.

В каскадной системе охлаждения значительная часть охлаждения для ожижения хладагентов с более низкой температурой кипения (например хладагентов, используемых во втором и третьем циклах) делается возможной благодаря охлаждению этих потоков посредством косвенного теплообмена с выбранными потоками хладагента с более высокой температурой кипения. Этот способ охлаждения называется "каскадным охлаждением". Фактически хладагенты с более высокой температурой кипения функционируют в качестве поглотителей тепла для хладагентов с более низкой температурой кипения или, другими словами, тепловая энергия перекачивается от подлежащего ожижению потока природного газа хладагенту с более низкой температурой плавления и затем перекачивается (то есть передается) одному или более хладагентам с более высокой температурой плавления перед переносом в окружающую среду посредством поглотителя тепла в виде окружающей среды (например, пресной воды, соленой воды, атмосферы). Как и в первом цикле, хладагент, используемый во втором и третьем циклах, сжимается посредством компрессоров, предпочтительно многоступенчатых компрессоров, до заранее определенных давлений. Когда возможно и экономически приемлемо, сжатый пар хладагента вначале охлаждается посредством косвенного теплообмена с одним или более охлаждающими веществами (например, воздухом, соленой водой, пресной водой), непосредственно связанными с поглотителями тепла окружающей среды. Это охлаждение можно осуществлять посредством межступенчатого охлаждения между ступенями сжатия или охлаждения полностью сжатого хладагента. Затем сжатый поток дополнительно охлаждается посредством косвенного теплообмена одной или более ранее описанными охлаждающими ступенями для хладагентов более высокой точки кипения. Используемый здесь компрессор относится к аппаратуре сжатия, связанной со всеми ступенями сжатия и любым оборудованием, связанным с межступенчатым охлаждением.

Хладагент второго цикла, предпочтительно этилен, предпочтительно вначале охлаждается после сжатия посредством косвенного теплообмена с одним или более охлаждающими веществами, непосредственно связанными с поглотителем тепла окружающей среды (то есть межступенчатого и (или) последующего охлаждения после сжатия), и затем дополнительно охлаждается и полностью ожижается посредством последовательного контактирования с первой и второй или с первой, второй и третьей охлаждающими ступенями для хладагента с самой высокой температурой плавления, который используется в первом цикле. Предпочтительными хладагентами первого и второго циклов являются этилен и пропан соответственно.

На участке открытого цикла каскадной системы охлаждения типа, показанного на фиг. 1, охлаждение происходит посредством (1) переохлаждения сжатого жидкого продукта ОПГ перед быстрым испарением посредством соприкосновения упомянутой жидкости с находящимися ниже по потоку парами быстрого испарения и (2) охлаждения сжатого потока повторного цикла посредством соприкосновения с парами быстрого испарения. Как только что было отмечено, ожиженный продукт ОПГ от первого цикла вначале охлаждается в открытом или третьем цикле посредством косвенного контакта с одним или более потоками пара быстрого испарения от последующих этапов быстрого испарения, за которыми следует последующее уменьшение давления охлажденного потока. Уменьшение давления проводится одним или более дискретными этапами. На каждом этапе создаются значительные количества богатого метаном пара при данном давлении. Каждый поток пара предпочтительно подвергается значительному переносу тепла в экономайзерах метана посредством контакта с ожиженным потоком относительно подлежащего быстрому испарению или сжатию потока повторного цикла и предпочтительно возвращается к впускному порту ступени компрессора при температурах, почти равных температуре окружающей среды. Во время прохождения через экономайзер метана пары быстрого испарения соприкасаются с более горячими потоками обычно способом противотока, предпочтительно способом противотока, и в последовательности, предназначенной для доведения до максимума охлаждения более теплых потоков. Давление, выбираемое для каждой ступени расширяющего охлаждения, таково, что для каждой ступени объем вырабатываемого газа плюс объем сжатого пара от соседней ступени более низкого давления дают эффективную общую работу многоступенчатого компрессора.

Нагретые быстроиспаряемые или рециркулируемые потоки, исключая любой поток удаления азота, возвращаются предпочтительно почти с температурой окружающей среды к впускным портам компрессора, после чего эти потоки сжимаются до такого давления, что их можно объединять с основным потоком технологического процесса перед ожижением. Предпочтительно межкаскадное охлаждение и охлаждение сжатого метанового газового потока (то есть сжатого потока повторного цикла), и предпочтительно оно, выполняется посредством косвенного теплообмена с одним или более охлаждающими веществами, непосредственно связанными с поглотителем тепла окружающей среды. Поток сжатого метанового газа затем дополнительно охлаждается посредством косвенного теплообмена с хладагентом в первом и втором циклах, предпочтительно с хладагентом первого цикла во всех ступенях, более предпочтительно в первых двух ступенях и еще более предпочтительно в первой ступени. Охлажденный поток метана далее охлаждается посредством косвенного теплообмена с парами быстрого испарения в главном экономайзере метана и затем объединяется с исходным потоком природного газа, подлежащим описанию соответствующим изобретению способом. В известной технике, рекомбинация происходила непосредственно перед первой ступенью охлаждения во втором цикле, в котором ожижался объединенный поток.

Оптимизация посредством межступенчатой и межцикловой теплопередачи
Обычно одобряют возвращение газовых потоков хладагента в их соответственные компрессоры при температуре окружающей среды или около нее. Этот этап не только улучшает общие КПД, но сильно снижает трудности, связанные с воздействием компонентов компрессора на криогенные условия. Это выполняется посредством использования экономайзеров, в которых потоки, содержащиеся в главной части жидкости и перед быстрым испарением, вначале охлаждаются посредством косвенного теплообмена с одним или более потоками пара, вырабатываемыми на находящемся ниже по потоку этапе (то есть ступени) расширения или этапах в том же или находящемся ниже по ходу цикле. В качестве примера, пары быстрого испарения в открытом или третьем цикле предпочтительно проходят через один или более экономайзеры, где (1) эти пары охлаждаются посредством косвенного теплообмена потоков ожиженного продукта перед каждой ступенью снижения давления, и (2) эти пары охлаждаются посредством косвенного теплообмена сжатого газового потока открытого метанового цикла перед рециркуляцией и объединением с потоком природного газа. Эти этапы охлаждения будут более подробно описаны при рассмотрении фиг. 1. В одном варианте осуществления, в котором этилен и метан используют во втором и открытом или третьем циклах соответственно, соприкосновение можно выполнять посредством ряда экономайзеров этилена и метана. В предпочтительном варианте осуществления, который показан на фиг. 1 и который более подробно будет описан ниже, имеется главный экономайзер этилена, главный экономайзер метана и один или более дополнительных экономайзеров метана. Эти дополнительные экономайзеры называются здесь вторым экономайзером метана, третьим экономайзером метана и так далее, и каждый дополнительный экономайзер метана соответствует отдельному, находящемуся ниже по потоку этапу быстрого испарения.

Соответствующие изобретению способ и устройство для объединения потоков открытого цикла и технологического процесса
Основная особенность настоящего изобретения состоит в способе, которым поток сжатого газа открытого цикла или поток рециркуляции предварительно охлаждают и объединяют с главным потоком технологического процесса, основная часть которого подлежит ожижению, и неожиданных улучшениях КПД технологического процесса, связанных со способом и соответствующим устройством. В предпочтительном варианте осуществления поток сжатого газа открытого цикла представляет собой поток открытого метанового цикла, а главный поток технологического процесса представляет собой обработанный поток природного газа. Как отмечалось выше, КПД технологического процесса регулярно повышают благодаря переохлаждению жидких продуктов под давлением перед этапом снижения давления посредством соприкосновения с помощью средства косвенного теплообмена с находящимся ниже по потоку паром быстрого испарения. Таким же образом КПД технологического процесса можно улучшить посредством использования паров быстрого испарения для охлаждения потока перед объединением такого потока рециркуляции с главным потоком технологического процесса. Такое охлаждение позволяет также возвращать пары быстрого охлаждения в компрессор с температурами, близкими к температуре окружающей среды. В известной технике поток рециркуляции полностью охлаждается и объединяется с главным потоком технологического процесса во втором цикле непосредственно выше по потоку конденсатора, где конденсирует основная часть объединенного потока.

Нами было открыто, что неожиданные улучшения производительности технологического процесса возможны благодаря селективному охлаждению потока рециркуляции таким образом, что создаются два или более обратных потока различных температур, и последующему соединению этих потоков с главным потоком процесса при каскадном процессе охлаждения в местоположениях, где оказываются более похожими соответственные температуры потоков. Предпочитается деление потока рециркуляции на два-четыре обратных потока, и более предпочтительным является деление на два-три обратных потока. Более предпочтительным считается деление или расщепление потока рециркуляции на два обратных потока из-за увеличения КПД при минимальном увеличении капитальных затрат и стоимости технологического процесса. В случае четырех обратных потоков каждый поток предпочтительно содержит 10-70% потока рециркуляции, более предпочтительно 15-55% и еще более предпочтительно 25%. В случае трех обратных потоков, каждый поток предпочтительно содержит 10-80% потока рециркуляции, более предпочтительно 20-60% и еще более предпочтительно примерно 33%. В случае двух обратных потоков, каждый поток предпочтительно содержит 20-80% потока рециркуляции, более предпочтительно 25-75% и еще более предпочтительно 50%. Когда замкнутый цикл охлаждения непосредственно выше по потоку открытого цикла состоит из двух или трех ступеней, более предпочтительной конфигурацией являются два обратных потока с местоположениями возврата выше по потоку камеры охлаждения первой ступени и выше по потоку конденсатора последней ступени, где большей частью сжижается объединенный поток технологического цикла.

Соответствующий изобретению процесс охлаждения потока газа под давлением номинально состоит из первого объединения потока газа под давлением с первым потоком газа рециркуляции, получающимся от последующего этапа, который будет более подробно описан ниже. Затем этот поток охлаждается до температуры, близкой к температуре ожижения, посредством прохождения через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена и затем объединяется со вторым газовым потоком рециркуляции, что будет более подробно описано ниже. После этого этот объединенный поток дополнительно охлаждается посредством прохождения через по меньшем мере одно средство косвенного теплообмена, вследствие чего поток большей частью конденсирует. Затем давление этого потока снижается посредством прохождения через по меньшей мере одно средство понижения давления, создавая тем самым двухфазный поток. Этот поток впоследствии разделяется в газожидкостном разделителе на первый обратный поток газа и первый поток жидкости продукта. Затем обратный поток газа проходит через средство косвенного теплообмена, создавая тем самым первый нагретый обратный поток газа, который затем сжимается до давления, выше или равного давлению, сообщаемому потоком газа под давлением, создавая тем самым поток газа рециркуляции.

Затем поток газа рециркуляции охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и после этого дополнительно охлаждается посредством прохождения через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с ранее упомянутым средством косвенного теплообмена, через которое проходит первый обратный газовый поток (то есть пар быстрого испарения). Поток газа рециркуляции полностью охлаждается до первой температуры, а затем поток разделяется на первый поток газа рециркуляции и второй поток рециркуляции, и второй поток дополнительно охлаждается также посредством прохождения через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с ранее упомянутым средством косвенного теплообмена, через которое прошел первый обратный поток газа, создавая тем самым второй поток газа рециркуляции, имеющий более низкую температуру, чем температура первого потока газа рециркуляции. Потоки газов рециркуляции и обратный поток газа проходят через свои соответственные средства теплообмена обычно в противотоке друг другу.

В идеальном случае первый поток газа рециркуляции и второй поток рециркуляции имеют температуры, которые аналогичны температурам газовых потоков, с которыми они объединяются, чтобы избежать термодинамических необратимостей, связанных со смешиванием текучих сред различных температур. С точки зрения операционных и конструктивных перспектив это обычно более легко выполнить для первого потока газа рециркуляции. Следовательно, предпочитают, чтобы первый поток рециркуляции и поток технологического процесса в точке объединения имели одинаковую или почти одинаковую температуру, и более предпочтительно, чтобы первый поток повторного цикла и поток процесса в точке объединения имели одинаковую или примерно одинаковую температуру и второй поток рециркуляции и поток технологического процесса в точке объединения имели одинаковую или почти одинаковую температуру.

В предпочтительном варианте осуществления потоком газа под давлением является природный газ и предпочтительно давление упомянутого потока составляет более 500 ф/д² ад (344,7•10⁴ Па), более предпочтительно больше примерно 500-900 ф/д²ад (344,7•10⁴ - 620,5 •10⁴ Па), еще более предпочтительно примерно 500-675 ф/д²ад (344,7•10⁴ - 496,4•10⁴ Па), еще более предпочтительно от 600 до 675 ф/д² ад (413,7• 10⁴ - 496,4•10⁴ Па), и более предпочтительно 650 ф/д² ад (448,2•10⁴ Па). Как отмечалось выше, в замкнутом цикле охлаждения предпочтительно используют хладагент, состоящий большей частью из этилена, этана или их смеси. Как отмечалось также выше, предпочитают, чтобы использовался дополнительный цикл охлаждения, основная функция которого состоит в предварительном охлаждении потока газа под давлением. Используемый в этом замкнутом цикле хладагент предпочтительно состоит в основном из пропана и в предпочтительном варианте осуществления этот цикл используется также для охлаждения потока открытого цикла под давлением перед охлаждением посредством косвенного газа с газами быстрого испарения открытого цикла. Цикл охлаждения обеспечивает также режим охлаждения с целью конденсирования паров под давлением в цикле непосредственно выше по потоку открытого цикла и, следовательно, каскадируются соответственные циклы.

В предпочтительном варианте осуществления перед прохождением конденсированного продукта через вышеупомянутое средство уменьшения давления продукт дополнительно охлаждают посредством прохождения через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте (то есть может подвергаться теплообмену) по меньшей мере с одним средством косвенного теплообмена, ранее упоминаемого в связи с нагревом обратного потока газа, и в котором потоки газа проходят через их соответственные средства косвенного теплообмена обычно в противотоке, предпочтительно способом противотока, навстречу друг другу. В предпочтительном варианте осуществления способ также содержит дополнительные этапы снижения давления, в которых первый поток жидкости из газожидкостного разделителя, расположенного ниже по потоку первого средства снижения давления (1), охлаждают посредством прохождения через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена, которое охлаждается посредством обратных потоков газов, начинающихся от находящихся ниже по потоку подлежащих описанию этапов быстрого испарения или уменьшения давления, (2) упомянутый поток охлажденной жидкости проходит через по меньшей мере одно средство уменьшения давления, создавая тем самым двухфазный поток, и затем (3) упомянутый поток проходит на разделитель для газожидкостного разделения, из которого создаются второй обратный поток газа и второй поток жидкости. Затем второй обратный поток газа проходит через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с только что упомянутым выше средством косвенного теплообмена, используемым для охлаждения потока жидкости, и затем течет по меньшей мере через одно средство косвенного теплообмена в тепловом контакте обычно способом противотока, предпочтительно способом противотока, где ранее описанное средство косвенного теплообмена используется для охлаждения потока рециркуляции под давлением, создавая тем самым второй более теплый обратный поток. Этот поток возвращается к компрессору, сжимается и затем объединяется с первым подогретым обратным потоком для дополнительного сжатия.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления второй поток жидкости проходит через средство уменьшения давления, создавая тем самым двухфазный поток, который проходит к газожидкостному разделителю, от которого создается третий обратный поток газа и третий поток жидкости. Третий обратный поток газа затем проходит через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с только что упомянутым выше средством косвенного теплообмена, используемым для охлаждения второго потока жидкости, и затем проходит через по меньшей мере одно средство косвенного теплообмена в тепловом контакте обычно способом противотока, предпочтительно способом противотока, где ранее описанное средство косвенного теплообмена используется для охлаждения сжатого потока рециркуляции, создавая тем самым третий подогретый обратный поток. Этот поток возвращается в компрессор, сжимается и затем объединяется со вторым подогретым обратным потоком для дополнительного сжатия.

В случае ожижения природного газа при давлении технологического процесса примерно от 500 до 675 ф/д² ад (344,7•10⁴ - 496,4•10⁴ Па) предпочтительное давление последующего одного этапа уменьшения давления составляет примерно от 15 до 30 ф/д² ад (10,34•10⁴ - 20,68•10⁴ Па). При использовании более предпочтительной двухступенчатой процедуры уменьшения давления предпочтительные давления последующего уменьшения давления составляют примерно от 150 до 250 ф/д² ад (103,4•10⁴ - 172,4•10⁴ Па) для первой ступени уменьшения и примерно от 15 до 30 ф/д² ад (10,34•10⁴ - 20,68•10⁴ Па) для второй ступени. При использовании более предпочтительной трехступенчатой процедуры уменьшения давления давление примерно от 150 до 250 ф/д² ад (103,4•10⁴ 172,4•10⁴ Па) предпочитается для первой ступени, и примерно от 15 до 30 ф/д² ад (10,34•10⁴ - 20,68•10⁴ Па) для второй ступени. При использовании более предпочтительной трехступенчатой процедуры давление от 150 до 250 ф/д² ад (103,4•10⁴ - 172,4•10⁴ Па) предпочитается для первой ступени примерно 45 - 80 ф/д² ад (31,03•10⁴ - 55,16•10⁴ Па) для второй ступени и примерно от 15 до 30 ф/д² ад (10,34•10⁴ - 20,68•10⁴ Па) для третьей ступени уменьшения давления. Более предпочтительным диапазоном давления для трехступенчатой процедуры уменьшения давления являются примерно 180-200 ф/д² ад (124,1•10⁴ - 137,9•10⁴ Па), примерно 50-70 ф/д² ад (34,47•10⁴ - 48,26•10⁴ Па) и примерно 20-30 ф/д² ад (13,79•10⁴ - 20,68•10⁴ Па).

Предпочтительный вариант осуществления открытого цикла процесса каскадного ожижения.

Представленные на фиг. 1 схематический поток и устройство представляют собой предпочтительный вариант осуществления процесса каскадного ожижения открытого цикла и приведены в иллюстративных целях. Из предпочтительного варианта осуществления преднамерено опущена система удаления азота, потому что такая система зависит от содержания азота в исходном газе. Однако, как отмечено в вышеприведенном описании техники удаления азота, специалистам в данной области легко доступны методы, применимые для этого предпочтительного варианта. Специалисты в данной области техники понимают также, что фиг. 1 является только схематическим представлением, и поэтому для простоты многие элементы аппаратуры, которые будут необходимы на коммерческом предприятии для успешной работы, опущены. Такие элементы могут включать в себя, например, органы управления компрессором, средства измерений потоков и уровней и соответствующие органы управления, органы управления температурой и давлением, насосы, электродвигатели, фильтры, дополнительные теплообменники, клапаны и так далее. Эти элементы будут обеспечены в соответствии со стандартной инженерной практикой.

Чтобы облегчить понимание фиг. 1, элементы, обозначенные ссылочными позициями 1-99, представляют собой резервуары и аппаратуру технологического процесса, непосредственно связанные с процессом ожижения. Элементы со ссылочными позициями 100-199 соответствуют линиям потока или трубопроводам, которые, в основном, содержат метан. Элементы, обозначенные ссылочными позициями 200-299, соответствуют линиям потока или трубопроводам, которые содержат в качестве хладагента этилен. Элементы, обозначенные позициями 300-399, соответствуют линиям потока или трубопроводам, которые содержат в качестве хладагента пропан.

Как описано выше, исходный газ вводится в систему по трубопроводу 100. Газообразный поток сжимается в многоступенчатом компрессоре 18 приводимым в действие газотурбинным приводом, который не показан. Три ступени предпочтительно образуют один блок, хотя они могут быть отдельными блоками, механически соединенными вместе с целью приведения одним приводным устройством. При сжатии сжатый пропан пропускается по трубопроводу 300 к охладителю 20, где он ожижается. Типичные давление и температура хладагента в виде ожиженного пропана перед быстрым испарением составляют примерно 100^oF (37,8^oC) и примерно 190 ф/д² ад (131,0•10⁴ Па). Хотя на фиг. 1 не показано, предпочтительно располагать разделительный резервуар ниже по потоку охладителя 20 и выше по потоку регулировочного вентиля 12 для удаления остаточных легких компонентов из ожиженного пропана. Такие резервуары могут состоять из одноступенчатого газожидкостного разделителя или могут быть более сложными и состоять из отделения накопителя, отделения конденсатора и отделения абсорбера, два последних из которых могут работать непрерывно или периодически приводиться в действие в неавтономном режиме для удаления остаточных легких составляющих из пропана. Поток из этого резервуара или поток из охладителя 20, в зависимости от обстоятельств, пропускают по трубопроводу 302 к средству уменьшения давления типа регулирующего вентиля 12, в котором снижается давление ожиженного пропана, испаряя или быстро испаряя тем самым его часть. Затем получающийся двухфазный продукт по трубопроводу 304 проходит в камеру охлаждения 2 пропана ступени высокого давления, в которой соответственно охлаждается посредством косвенного теплообмена с газообразным метановым хладагентом, вводимым по трубопроводу 152, исходным природным газом, вводимым по трубопроводу 100 и газообразным этиленовым хладагентом, вводимым по трубопроводу 202, с помощью средств 4, 6 и 8 косвенного теплообмена, образуя тем самым охлажденные газовые потоки, создаваемые в трубопроводах 154, 102 и 204 соответственно.

Быстро испаренный пропановый газ из камеры 2 охлаждения возвращают в компрессор 18 по трубопроводу 306. Этот газ подается к впускному порту ступени высокого давления компрессора 18. Оставшийся жидкий пропан пропускают по трубопроводу 308, дополнительно снижают давление посредством прохождения через средство снижения давления, показанное регулирующим вентилем 14, после чего быстро испаряется дополнительная часть ожиженного пропана. Получающийся двухфазный поток далее подают в камеру 22 охлаждения по трубопроводу 310, создавая тем самым охладитель для камеры 22 охлаждения.

Поток охлажденного исходного газа из камеры 2 охлаждения проходит по трубопроводу 100 к резервуару 10 выталкивания, в котором разделяются газовая и жидкая фазы. Жидкая фаза, которая богата компонентами C₃₊, удаляется по трубопроводу 103. Газообразная фаза отводится по трубопроводу 104 и подается в камеру 22 охлаждения пропана. По трубопроводу 204 в камеру 22 охлаждения вводят этиленовый хладагент. В камере охлаждения богатый метаном поток технологического процесса и поток этиленового хладагента соответственно охлаждаются с помощью средств 24 и 26 косвенного теплообмена, создавая тем самым охлажденный, богатый метаном поток технологического процесса и поток этиленового хладагента по трубопроводам 110 и 206. Таким образом, испаренная часть пропанового хладагента отделяется и пропускается по трубопроводу 311 ко входу ступени промежуточного давления компрессора 18. Жидкий пропан пропускается по трубопроводу 312, дополнительно снижается давление благодаря прохождению через средство уменьшения давления, показанное регулирующим вентилем 16, после чего быстро испаряется дополнительная часть ожиженного пропана. Затем получающийся двухфазный поток по трубопроводу 314 подается в камеру 28 охлаждения, обеспечивая тем самым охладитель для камеры 28 охлаждения.

Как показано на фиг. 1, богатый метаном технологический поток проходит от камеры 22 охлаждения пропана ступени промежуточного давления в камеру охлаждения - конденсатор 28 пропана ступени низкого давления по трубопроводу 110. В этой камере охлаждения поток охлаждается с помощью средства 30 косвенного теплообмена. Таким же образом поток этиленового хладагента проходит от камеры 22 охлаждения пропана ступени промежуточного давления к камере охлаждения - конденсатору 28 пропана ступени низкого давления по трубопроводу 206. В камере 28 этиленовый хладагент почти полностью конденсирует с помощью средства 32 косвенного теплообмена. Испаренный пропан отводится из камеры охлаждения - конденсатора 28 пропана ступени низкого давления и возвращается ко входу ступени низкого давления у компрессора 18 по трубопроводу 320. Хотя на фиг. 1 показано охлаждение потоков, подаваемых по трубопроводам 110 и 206 в один и тот же резервуар, охлаждение потока 110 и охлаждение и конденсирование потока 206 могут соответственно происходить в отдельных резервуарах технологического процесса (например, в отдельной камере охлаждения и отдельном конденсаторе соответственно).

Как показано на фиг. 1, и в соответствии с описанным здесь и заявленным в формуле изобретением часть охлажденного сжатого потока рециркуляции метана подается по трубопроводу 156, объединяется с богатым метаном технологическим потоком, выходящим из камеры охлаждения пропана ступени низкого давления по трубопроводу 112, и объединенный богатый метаном поток технологического процесса вводится в камеру 42 охлаждения этана ступени высокого давления по трубопроводу 114. В последующем разделе будет подробно описана новизна этого этапа. Этиленовый хладагент выходит из камеры 28 охлаждения пропана ступени низкого давления по трубопроводу 208 и подается в отдельный резервуар 37, в котором удаляются легкие компоненты по трубопроводу 209, а конденсированный этилен удаляется по трубопроводу 210. Резервуар разделения является аналогичным ранее описанному для удаления легких компонентов из ожиженного пропанового хладагента и может представлять собой одноступенчатый газожидкостный разделитель или может представлять многоступенчатую работу, дающую более высокую избирательность легких компонентов, удаляемых из системы. Этиленовый хладагент в этом месте технологического процесса обычно имеет температуру -24^oF (-31,1^oC) и давление порядка 285 ф/д² ад (190,9•10⁴Па). Затем этиленовый хладагент по трубопроводу 210 проходит в главный этиленовый экономайзер 34, в котором он охлаждается с помощью средства 28 косвенного теплообмена и выводится по трубопроводу 211 и подается в средство уменьшения давления типа регулирующего вентиля 40, после чего хладагент быстро испаряется до заранее выбранных температуры и давления и подается в камеру 42 охлаждения этилена ступени высокого давления по трубопроводу 212. Пар выводится из этой камеры охлаждения по трубопроводу 214 и возвращается в главный экономайзер 24 этилена, в котором пар функционирует как хладоноситель с помощью средства 46 косвенного теплообмена. Затем этиленовый пар отводят из экономайзера этилена по трубопроводу 216 и подают ко входу ступени высокого давления компрессора 48 этилена. Этиленовый хладагент, который не испаряется в камере 42 охладителя этилена ступени высокого давления, выводится по трубопроводу 218 и возвращается в главный экономайзер 34 этилена для дальнейшего охлаждения через средство 50 косвенного теплообмена, выводится из главного экономайзера этилена по трубопроводу 220 и быстро испаряется в средство уменьшения давления, показанное в виде регулирующего вентиля 52, после чего получающийся двухфазный продукт вводится в камеру 54 охлаждения этилена ступени низкого давления по трубопроводу 222. Объединенный богатый метаном технологический поток выводится из камеры 42 охлаждения этилена ступени высокого давления по трубопроводу 116 и подается непосредственно в камеру 54 охлаждения этилена ступени низкого давления, в которой он подвергается дополнительному охлаждению и частичному конденсированию через средство 56 косвенного теплообмена. Затем получающийся двухфазный поток проходит по трубопроводу 118 на разделитель 60 двух фаз, из которого получается поток богатого метаном пара по трубопроводу 119 и по трубопроводу 117, жидкий поток, богатый компонентами C₂₊ которого впоследствии быстро испаряется или разделяется на фракции в резервуаре 67, создавая тем самым в трубопроводе 123 поток тяжелых фракций и второй богатый метаном поток, который подается по трубопроводу 121, и после объединения со вторым потоком, поступающим по трубопроводу 128, подается во впускной порт высокого давления компрессора 83 метана.

Поток в трубопроводе 119 и охлажденный сжатый метановый поток рециркуляции, подаваемый по трубопроводу 158, объединяются и подаются по трубопроводу 120 в конденсатор 68 этилена ступени низкого давления, в котором этот поток обменивается теплом через средство 70 косвенного теплообмена с жидким вытекающим потоком из камеры 54 охлаждения этилена ступени низкого давления, который возвращается в конденсатор 68 этилена ступени низкого давления по трубопроводу 226. В конденсаторе 68 объединенные потоки конденсируют и выводятся из конденсатора 68 по трубопроводу 122. Пар из камеры 54 охлаждения этилена ступени низкого давления по трубопроводу 224 и конденсатора 68 этилена ступени низкого давления по трубопроводу 228 объединяются и возвращаются по трубопроводу 230 в главный экономайзер 34 этилена, в котором пары функционируют в качестве хладоносителя через средство 58 косвенного теплообмена. Затем поток направляется по трубопроводу 232 из главного экономайзера 34 этилена к стороне ступени низкого давления компрессора 48 этилена. Как показано на фиг. 1, вытекающий поток компрессора из пара, введенного через сторону ступени низкого давления, выводится по трубопроводу 234, охлаждается через охладитель 71 ступени промежуточного давления и возвращается в компрессор 48 по трубопроводу 236 для впрыскивания с имеющимся в трубопроводе 216 потоком ступени высокого давления. Две ступени предпочтительно представляют одномодульную конструкцию, хотя каждый из них может представлять отдельный модуль и модули механически могут соединяться для осуществления общего привода. Сжатый этиленовый продукт из компрессора по трубопроводу 200 направляется в находящийся ниже по потоку охладитель 72. Из охладителя продукт проходит по трубопроводу 202 и вводится, как описано выше, в камеру 2 охлаждения пропана ступени высокого давления.

Ожиженный поток в трубопроводе 122 обычно имеет температуру примерно -125^oF (-87,2^oC) и давление примерно 600 ф/д² (417,7•10⁴ Па). Этот поток проходит по трубопроводу 122 через главный экономайзер 74 метана, в котором поток дополнительно охлаждается с помощью средства 76 косвенного теплообмена, как будет описано ниже. Из главного экономайзера 74 метана ожиженный газ проходит по трубопроводу 124 и его давление снижается средством уменьшения давления, показанным в виде регулирующего вентиля 78, который, конечно, испаряет или быстро испаряет часть газового потока. Затем быстро испаренный поток пропускается в барабан 80 быстрого испарения ступени высокого давления метана, где он разделяется на газовую фазу, выпускаемую по трубопроводу 126, и жидкую фазу, выпускаемую по трубопроводу 130. Затем газовая фаза подается в главный экономайзер метана по трубопроводу 126, в котором пар функционирует в качестве холодоносителя через средство 82 косвенного теплообменника. Пар выходит из главного экономайзера метана по трубопроводу 128, где он объединяется с газовым потоком, подаваемым по трубопроводу 121. Затем эти потоки подаются на сторону высокого давления компрессора 83. Жидкая фаза в трубопроводе 130 пропускается через второй экономайзер 87 метана, в котором жидкость дополнительно охлаждается находящимся ниже по потоку паром быстрого испарения через средство 88 косвенного теплообмена. Охлажденная жидкость выходит из второго экономайзера 87 метана по трубопроводу 132 и расширяется или быстро испаряется через средство снижения давления, показанное в виде регулирующего вентиля 91 с целью дополнительного уменьшения давления и в то же время испарения его второй части. Этот поток быстрого охлаждения затем пропускается в барабан 92 быстрого испарения метана ступени промежуточного давления, где поток разделяется на газовую фазу, проходящую по трубопроводу 136, и жидкую фазу, проходящую по трубопроводу 134. Газовая фаза проходит по трубопроводу 136 на второй экономайзер 87 метана, где пар охлаждает жидкость, вводимую в экономайзер 87 по трубопроводу 130 через средство 89 косвенного теплообмена. Трубопровод 138 служит в качестве трубопровода прохождения между средством 89 косвенного теплообмена во втором экономайзере 87 метана и средством 95 косвенного теплообмена в главном экономайзере 74 метана. Этот пар выходит из главного экономайзера 74 метана по трубопроводу 140, который соединен с входом ступени промежуточного давления на компрессоре 83 метана. Давление жидкой фазы, выходящей из барабана 92 быстрого испарения ступени промежуточного давления по трубопроводу 134, дополнительно снижается, предпочтительно, примерно до 25 ф/д² ад (17,2•10⁴ Па) посредством прохождения через средство снижения давления, показанное в виде регулирующего вентиля 93. И снова третья часть ожиженного газа испаряется или быстро испаряется. Жидкость от регулирующего вентиля 93 пропускается на последний барабан или барабан 94 быстрого охлаждения ступени низкого давления. В барабане 94 быстрого испарения паровая фаза отделяется и пропускается по трубопроводу 144 на второй экономайзер 87 метана, в котором пар функционирует в качестве холодоносителя через средство 90 косвенного теплообмена, выходит из второго экономайзера метана по трубопроводу 146, который соединен с первым экономайзером 74 метана, в котором пар функционирует в качестве холодоносителя через средство 96 косвенного теплообмена, и в конце концов выходит из первого экономайзера метана по трубопроводу 148, который соединен с портом низкого давления на компрессоре 83. Продукт ожиженного природного газа из барабана 94 быстрого испарения, который имеет примерно атмосферное давление, пропускается по трубопроводу 142 в установку хранения. Поток паров кипящей жидкости ОПГ низкого давления и низкой температуры из установки хранения предпочтительно восстанавливается посредством объединения такого потока с парами быстрого испарения низкого давления, имеющимися в их трубопроводах 144, 146 или 148, где выбор трубопровода основывается на требовании - как можно ближе согласовать температуры потоков пара.

Как показано на фиг. 1, ступени высокого, промежуточного и низкого давления компрессора 83 предпочтительно объединены в виде единого блока. Однако каждая ступень может существовать в виде отдельного блока, где блоки механически соединяются вместе, чтобы их можно было приводить в действие единым приводом. Сжатый газ из участка ступени низкого давления проходит через охладитель 85 ступени промежуточного давления и объединяется с газом промежуточного давления в трубопроводе 140 до второй ступени сжатия. Сжатый газ из ступени промежуточного давления компрессора 83 пропускается через охладитель 84 ступени промежуточного давления и объединяется с газом высокого давления, поступающим по трубопроводам 121 и 128 перед трехступенчатым сжатием. Газ под давлением выпускается из компрессора метана ступени высокого давления по трубопроводу 150, охлаждается в охладителе 86 и направляется в камеру 2 охлаждения пропана высокого давления по трубопроводу 152, как описано выше. Поток охлаждается в камере 2 охлаждения через средство 4 косвенного теплообмена и по трубопроводу 154 проходит в главный экономайзер метана. Используемый здесь и ранее упоминаемый компрессор относится к каждой ступени сжатия и любому устройству, связанному с межступенчатым охлаждением.

Как отмечено выше, ключевой аспект настоящего изобретения состоит в способе, которым поток, подаваемый по трубопроводу 154, охлаждают в главном экономайзере 74 метана, и способе, которым охлажденные потоки под давлением возвращают в технологический процесс для ожижения. Как показано на фиг. 1, поток, поступающий в главный экономайзер 74 метана, полностью подвергается охлаждению посредством прохождения через средство 97 косвенного теплообмена. Часть охлажденного потока выводят по трубопроводу 156 и возвращают к потоку природного газа, подвергающегося обработке выше по потоку первой ступени (то есть ступени высокого давления) охлаждения этилена. Остальная часть подвергается дополнительному охлаждению через средство 98 косвенного теплообмена в главном экономайзере метана и из него подается по трубопроводу 158. Этот поток объединяется с потоком природного газа, подвергающегося обработке в местоположении, выше по потоку последней ступени (то есть ступени низкого давления) охлаждения этилена, и основная часть объединенного потока затем подвергается ожижению в конденсаторе 68 этилена посредством прохождения через средство 70 косвенного теплообмена.

Используемая здесь ссылка на разделение средства косвенного теплообмена для охлаждения или нагрева данного потока может указывать на общее средство косвенного теплообмена. Например, средства А и В косвенного теплообмена могут относиться к единому ребристому пластинчатому теплообменнику, в котором два потока, подаваемых на каждое средство, подвергаются теплообмену в нем друг с другом.

На фиг. 1 показано расширение ожиженной фазы, используя регулирующие вентили, с последующим разделением газовой и жидкой частей в камере охлаждения или конденсаторе. Хотя эта упрощенная схема работоспособна и используется в некоторых случаях, она часто оказывается более действенной и эффективной для выполнения этапом частичного испарения и разделения в аппаратуре разделения, например, регулирующий вентиль и отдельный барабан быстрого испарения можно использовать перед прохождением либо отделенного пара, либо жидкости в камеру охлаждения пропана. Таким же образом, определенные технологические потоки, подвергающиеся расширению, являются идеальными кандидатами для использования гидравлического расширителя в виде части средства снижения давления, давая возможность тем самым отводить рабочие, а также более низкие двухфазные температуры.

Что касается блоков компрессора и привода, используемых в технологическом процессе, то на фиг. 1 показаны отдельные блоки компрессора и привода (то есть единой цепи сжатия) для ступеней сжатия пропана, этилена и открытого метанового цикла. Однако в предпочтительном варианте осуществления для любого каскадного процесса надежность технологического цикла можно значительно улучшить посредством использования составной цепи сжатия, содержащей две или более параллельные комбинации компрессора-привода вместо изображенного единого блока компрессора-привода. В случае, если блок компрессора-привода становится недоступным, технологический процесс все же может работать с пониженной производительностью. В дополнение к этому, посредством сдвига нагрузок между блоками компрессора-привода описанным здесь способом можно дополнительно увеличить скорость производства ОПГ, когда блок компрессора-привода опускается или должен работать с пониженной производительностью.

Хотя здесь названы конкретные криогенные способы, материалы, элементы оборудования и приборы управления, следует понимать, что такие конкретные изложения не следует считать ограничивающими, а они включены с целью иллюстрирования и чтобы изложить лучший режим в соответствии с настоящим изобретением.

Пример 1
Этот пример демонстрирует возможность соответствующего изобретению технологического процесса и связанного устройства улучшить общий КПД каскадного процесса охлаждения в отношении ожижения природного газа, в котором в качестве хладагента в первом и втором замкнутых циклах использованы пропан и этилен, а преимущественно метан использован в третьем цикле, который функционирует в открытой конфигурации. Этот пример показывает, что значительное улучшение КПД технологического процесса, возможно, состоит в сдвиге соответственных приложений нагрузок и, следовательно, режимов охлаждения между ступенями во втором цикле установленным способом. Результаты моделирования были получены, используя моделирование технологического процесса Гипротич HYSIM, вариант 386/C2. 10 (Hyprotech's process Simulation HYSIM, version 386/C2.10, Prop Pkg PR/LK).

Установка моделирования имела обычную конфигурацию, как предложено на фиг. 1. Отклонения между показанным на фиг. 1 технологическим процессом и процессом, смоделированным для этого примера, не оказывают существенного влияния на аспекты изобретения - показанных здесь способа и связанного с ним устройства. В каждой модели использован исходный газ для первой ступени охлаждения пропана, как показано в таблице 1, и требовалось, чтобы скорость производства ОПГ с целью хранения для каждого моделирования была одинаковой. Заметные отклонения от иллюстрации фиг. 1 включают в себя наличие трех ступеней, а не двух ступеней охлаждения во втором (то есть этиленовом) цикле, в котором продукция охлаждения этилена подавалась непосредственно в третью ступень охлаждения в виде двухфазного потока, и видоизменение этапа быстрого охлаждения ОПГ для обеспечения восстановления топливного газа под давлением. Как упоминалось в описании, включение этого этапа обеспечивает также средство для удаления азота из продукта ОПГ. Другие отклонения от фиг. 1 включают наличие газожидкостных разделителей ниже по потоку некоторой из ступеней охлаждения пропана и первой ступени охлаждения этилена.

Как отмечено выше, при моделировании не используется единое устройство быстрого испарения и разделения с целью снижения высокого давления ОПГ, получаемого из главного экономайзера, до более холодного потока ОПГ промежуточного давления и пара быстрого испарения, который повторно циркулирует. Скорее, моделируемый поток проходил через экономайзер топливного газа, в котором поток охлаждался посредством контакта с потоком быстро испаренного топливного газа и вторым потоком. При выходе из экономайзера поток быстро испарялся от примерно 620 ф/д² ад (427,5•10⁴ Па) до примерно 420 ф/д²ад (289,6• 10⁴ Па), проходил к отделителю топливного газа, из которого получался поток топливного газа и поток жидкости, и поток топливного газа впоследствии проходил через экономайзер топливного газа в противотоке прохождению потока ОПГ высокого давления и затем - в главный экономайзер метана, в котором обеспечивалось дополнительное охлаждение потока перед использованием в качестве топливного газа. Поток жидкости из отделителя топливного газа затем быстро испарялся до промежуточного давления быстрого испарения, в этом случае 185 ф/д² ад (127,6•10⁴ Па), проходил к разделителю, из которого был получен поток газа промежуточного давления и поток жидкости. Поток жидкости стал вторым потоком жидкости, подаваемым в экономайзер топливного газа, где он был обеспечен дополнительным охлаждением и впоследствии преобразован в двухфазный поток, который подавался в газожидкостный разделитель. В этом разделителе создавался второй поток газа промежуточного давления, который затем объединялся с ранее описанным потоком газа промежуточного давления и возвращался в главный экономайзер метана, как показано на фиг. 1. Этот поток, в конечном итоге, был подан во входной порт высокого давления компрессора метана. Поток жидкости из вышеописанного отделителя проходил через экономайзер, показанный на фиг. 1, непосредственно ниже по потоку разделителя, за которым следовал этап быстрого испарения, на котором давление потока ОПГ было снижено от высокого до промежуточного давления /например, от 620 ф/д² ад (427,5• 10⁴ Па) до 180 ф/д² ад (124,1•10⁴Па)/. Остальные этапы быстрого испарения проводились способом и при условиях, аналогичных представленным в спецификации.

Было проведено два моделирования технологического процесса, которые здесь будут называться базовым случаем и соответствующим изобретению случаем. Моделирование базового случая обеспечено для возвращения потока рециркуляции или потока открытого метанового цикла, созданного в главном экономайзере метана, в местоположение, непосредственно выше по потоку конденсатора этилена ступени низкого давления, в котором была конденсирована большая часть технологического потока. В этом местоположении выше по потоку этот поток рециркуляции объединялся с потоком обработанного природного газа.

В результатах моделирования соответствующего изобретению случая, в котором использовано заявленное здесь изобретение, часть потока открытого метанового цикла не подвергалась максимальному охлаждению в главном экономайзере метана. Скорее суммарный поток охлаждался до температуры технологического потока непосредственно выше по потоку камеры охлаждения этилена ступени высокого давления, поток делился и часть охлажденного потока направлялась к этому местоположению выше по потоку, а остальная часть дополнительно охлаждалась в главном экономайзере метана и объединялась с ранее описанным технологическим потоком в местоположении непосредственно выше по потоку конденсатора этилена ступени низкого давления. Поток открытого цикла метана делился так, что на основе массы 53,8% потока были рекомбинированы с технологическим потоком непосредственно выше по потоку конденсатора этилена ступени низкого давления. Моделирование соответствующего изобретению случая и базового случая отличаются также тем, что давление потока рециркуляции или открытого метанового цикла в соответствующем изобретению случае было увеличено до соответствия давлению в точке, выше по потоку введения, или в этом случае давлению порядка 633 ф/д² ад (436,5•10⁴Па). Это увеличение давления на 13 ф/д² ад (9,0•10⁴ Па) выполнялось посредством увеличения степени сжатия и, таким образом, потребностей мощности последней ступени сжатия метана по сравнению с мощностью, требуемой в базовом случае.

В таблице 2 приведены потребности сжатия для соответствующего изобретению случая и базового случая. И здесь оба случая моделировали производство эквивалентных количеств ОПГ и были основаны на одном и том же составе исходного газа. Результаты показали, что соответствующая изобретению схема снижает суммарную потребность мощности в лошадиных силах на 1,44% по сравнению с базовым случаем и более того, режим охлаждения в этиленовом цикле был сдвинут из ступени низкого давления к ступеням промежуточного и более высокого давлении. На фиг. 2 и 3 представлены соответственные кривые охлаждения для потока рециркуляции под давлением при прохождении через главный экономайзер метана. Кривые ясно показывают, что поток из главного экономайзера метана для соответствующего изобретению случая имеет гораздо более низкую температуру, чем для базового случая, который в свою очередь понижает режим охлаждения в главном конденсаторе. Кроме того, большее сближение кривых источника тепла и отвода охлаждения друг к другу для соответствующего изобретению случая, чем для базового случая, ясно показывает, что необратимости, связанные с переносом тепла, значительно снижаются в случае методики и устройства, на которых был основан соответствующий изобретению случай.

Ожижение потока природного газа производится посредством охлаждения каскадом замкнутых холодильных циклов с различными хладагентами. В последовательности циклов каскада первым используется цикл, хладагент которого имеет самую высокую температуру кипения. За ним следует цикл с хладагентом, имеющим промежуточную температуру кипения, и затем следует цикл с хладагентом, имеющим самую низкую температуру кипения. Для повышения КПД цикла охлаждения создают два или более обратных потока различных температур, которые затем соединяют с главным потоком обрабатываемого природного газа. 4 с. и 25 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

1. Способ ожижения потока газа под давлением, который содержит (а) объединение потока газа под давлением и первого потока газа рециркулирования, как определено в этапе (к), (б) охлаждение соответствующего этапу (а) потока до температуры, близкой к его температуре ожижения, (в) объединение соответствующего этапу (б) потока и второго потока газа рециркуляции, как определено на этапе (к), (г) охлаждение и, благодаря этому, конденсирование основной части соответствующего этапу (в) потока, (д) прохождение соответствующего этапу (г) потока через по меньшей мере одно средство уменьшения давления, создавая тем самым двухфазный поток, (е) разделение соответствующего этапу (д) двухфазного потока на обратный поток газа и поток жидкости, (ж) прохождение соответствующего этапу (е) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена, создавая тем самым нагретый возвращаемый поток газа, (з) сжатие нагретого обратного потока газа до давления, больше или равного давлению, сообщаемому соответствующему этапу (а) потоку газа под давлением, создавая тем самым обратный поток газа под давлением, (и) охлаждение соответствующего этапу (з) обратного потока газа под давлением до температуры, близкой к температуре окружающей среды, (к) дальнейшее охлаждение соответствующего этапу (и) обратного потока газа под давлением посредством прохождения через средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте с соответствующим этапу (ж) средством косвенного теплообмена, в котором охлаждение содержит полное охлаждение сжатого обратного потока газа до первой температуры, разделение потока на первый поток газа рециркуляции и второй поток возвращаемого газа под давлением, и дополнительное охлаждение второго потока, создавая тем самым второй поток газа рециркуляции, имеющий температуру, ниже температуры первого потока газа рециркуляции, в котором соответствующие этапу (ж) потоки газа и поток этого этапа проходят через свои соответственные средства косвенного теплообмена обычно противоточным способом друг относительно друга. 2. Способ по п.1, в котором потоком газа под давлением является поток природного газа под давлением. 3. Способ по п.1, в котором поток газа под давлением находится под давлением по меньшей мере 500 ф/д² (344,7•10⁴ Па). 4. Способ по п.1, который содержит прохождение соответствующего этапу (г) продукта через средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте с соответствующим этапу (ж) средством косвенного теплообмена, в котором упомянутые потоки газа проходят через их соответственные средства косвенного теплообмена обычно противоточным друг другу способом. 5. Способ по п.1, в котором охлаждение для этапа (б) и этапа (г) обеспечивают посредством замкнутого цикла охлаждения, в котором в качестве хладагента используется этилен, этан или их смесь. 6. Способ по п.5, в котором в замкнутом цикле охлаждения используют две ступени. 7. Способ по п.5, в котором замкнутый цикл охлаждения обеспечивает по меньшей мере часть охлаждения для этапа (и). 8. Способ по любому из пп.1-7, который содержит предварительное охлаждение потока газа под давлением перед этапом (а), в котором такое предварительное охлаждение обеспечивают посредством замкнутой системы охлаждения, использующей хладагент, содержащийся в основной части пропана, и упомянутая система охлаждения обеспечивает также охлаждение до соответствующего п.5 замкнутого цикла охлаждения. 9. Способ по любому из пп.1-7, который содержит (л) охлаждение соответствующего этапу (е) потока жидкости посредством прохождения через средство косвенного теплообмена, (м) прохождение соответствующего этапу (л) потока жидкости через по меньшей мере одно средство уменьшения давления, создавая тем самым двухфазный поток, (н) разделение соответствующего этапу (м) двухфазного потока на обратный поток газа и поток жидкости, (о) прохождение соответственного этапу (н) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (л) средством косвенного теплообмена, в котором потоки проходят через соответственное средство косвенного теплообмена обычно способом противотока друг к другу, (п) прохождение соответствующего этапу (о) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (к) средством косвенного теплообмена, создавая тем самым подогретый обратный поток газа, в котором потоки, проходящие через соответственные средства косвенного теплообмена, обычно проходят в противотоке друг другу, (р) сжатие соответствующего этапу (п) подогретого обратного потока газа до давления, примерно равного давлению соответствующего этапу (ж) подогретого обратного газа, (с) объединение соответствующего этапу (р) потока газа и соответствующего этапу (ж) потока газа и подачи объединенного потока на этап (з) для сжатия. 10. Способ по п.9, который дополнительно содержит прохождение соответствующего этапу (г) продукта через средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте с соответствующими этапам (ж) и (п) средствами косвенного теплообмена, в котором прохождение через соответствующее этому этапу средство косвенного теплообмена обычно осуществляют в противотоке прохождению через соответствующие этапам (ж) и (п) средства косвенного теплообмена. 11. Способ по п.9, который дополнительно содержит (т) прохождение соответствующего этапу (н) потока жидкости через по меньшей мере одно средство снижения давления, создавая тем самым двухфазный поток, (у) разделение соответствующего этапу (т) двухфазного потока на обратный поток газа и поток жидкости, (ф) прохождение соответствующего этапу (у) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (л) средством косвенного теплообмена, в котором потоки, проходящие через соответственные средства косвенного теплообмена, идут обычно противоточным друг другу способом, (х) прохождение соответствующего этапу (ф) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (к) средством косвенного теплообмена, создавая тем самым подогретый обратный поток газа, в котором потоки, проходящие через соответственные средства косвенного теплообмена, обычно идут противоточным друг другу способом, (ц) сжатие соответствующего этапу (х) подогретого обратного потока газа до давления, примерно равного давлению соответствующего этапу (п) подогретого обратного газа, (ч) объединение соответствующего этапу (ц) потока газа и соответствующего этапу (п) потока газа и подачу объединенного потока на этап (р) для сжатия. 12. Способ по п. 11, который дополнительно содержит прохождение соответствующего этапу (г) продукта через средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте с соответствующими этапам (ж), (п) и (х) средствами косвенного теплообмена, в котором поток проходит обычно в противотоке прохождению текучих сред в соответствующих этапам (ж), (п) и (х) средствах теплообмена. 13. Способ по п.11, в котором потоком газа под давлением является природный газ под давлением, а давление потока газа составляет примерно 500 - 675 ф/д² (344,7•10⁴-496,4•10⁴ Па), давление после соответствующего потоку (д) средства снижения давления составляет примерно 150 - 250 ф/д² (103,4•10⁴-172,4•10⁴ Па), давление после соответствующего этапу (м) средства снижения давления составляет примерно 45 - 80 ф/д² (31,03•10⁴-55,16•10⁴ Па) и давление после соответствующего этапу (т) средства снижения давления составляет 15 - 30 ф/д² (10,34•10⁴-20,68•10⁴ Па). 14. Способ по любому из пп.1-7, в котором температуры соответствующего этапу (а) потока газа под давлением и соответствующего этапу (ж) первого потока рециркуляции примерно одинаковые. 15. Способ ожижения потока природного газа, имеющего давление больше 500 ф/д² (344,7•10⁴ Па) и температуру, близкую к температуре окружающей среды, который содержит (а) охлаждение потока газа до первой температуры, значительно выше температуры ожижения потока посредством замкнутого цикла ожижения, в котором используется хладагент, состоящий в основном из пропана, (б) объединение потока газа под давлением и первого потока газа рециркуляции, как определено в этапе (л), (в) охлаждение соответствующего этапу (б) потока до температуры, близкой температуре его ожижения, посредством замкнутого цикла охлаждения, в котором используют хладагент, содержащий большей частью этилен, этан или их смесь, (г) объединение соответствующего этапу (в) потока и второго потока газа рециркуляции, как определено на этапе (л), (д) охлаждение и, благодаря этому, конденсирование большей части соответствующего этапу (в) потока посредством соответствующей этапу (г) системы охлаждения, (е) прохождение соответствующего этапу (д) потока через по меньшей мере одно средство снижения давления, создавая тем самым двухфазный поток, (ж) разделение соответствующего этапу (е) двухфазного потока на обратный поток газа и поток жидкости, (з) прохождение соответствующего этапу (ж) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена, создавая тем самым подогретый обратный поток газа, (и) сжатие подогретого обратного потока газа до давления, больше или равного давлению, сообщаемому соответствующему этапу (б) потоку газа под давлением, создавая тем самым обратный поток газа под давлением, (к) охлаждение соответствующего этапу (и) обратного потока газа под давлением до температуры, близкой температуре окружающей среды, посредством соответствующего этапу (а) замкнутого цикла охлаждения, (л) дальнейшее охлаждение соответствующего этапу (к) сжатого обратного потока газа посредством прохождения через средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте с соответствующим этапу (з) средством косвенного теплообмена, в котором охлаждение содержит охлаждение полного обратного сжатого потока газа до первой температуры, которая оказывается примерно равной температуре потока газа под давлением от этапа (а), разделение потока на первый поток газа рециркуляции и второй поток сжатого обратного газа, и дополнительное охлаждение второго потока, создавая тем самым второй поток газа рециркуляции, имеющий температуру ниже температуры первого потока рециркуляции газа, и в котором соответствующие этапу (ж) и этому этапу потоки газа проходят через их соответственные средства косвенного теплообмена способом противотока друг другу. 16. Способ по п.15, который дополнительно содержит (м) охлаждение соответствующего этапу (ж) потока жидкости посредством прохождения через средство косвенного теплообмена, (н) прохождение соответствующего этапу (м) потока жидкости через по меньшей мере одно средство снижения давления, создавая тем самым двухфазный поток, (о) разделение соответствующего этапу (н) двухфазного потока на обратный поток газа и поток жидкости, (п) прохождение соответствующего этапу (о) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена, в тепловом контакте с соответствующим этапу (м) средством косвенного теплообмена, в котором потоки, проходящие через соответственные средства теплообмена, проходят в противотоке друг другу, (р) прохождение соответствующего этапу (п) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (л) средством косвенного теплообмена, создавая тем самым подогретый обратный поток газа, и в котором потоки, проходящие через соответственные средства косвенного теплообмена, проходят в противотоке друг другу, (с) сжатие соответствующего этапу (р) подогретого обратного потока газа до давления, примерно равного давлению соответствующего этапу (з) подогретого обратного газа, (т) объединение соответствующего этапу (с) потока газа и соответствующего этапу (з) потока газа и подачу объединенного потока на этап (и) для сжатия. 17. Способ по п.16, который дополнительно содержит (у) прохождение соответствующего этапу (о) потока жидкости через по меньшей мере одно средство снижения давления, создавая тем самым двухфазный поток, (ф) разделение соответствующего этапу (у) двухфазного потока на обратный поток газа и поток жидкости, (х) прохождение соответствующего этапу (ф) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (м) средством косвенного теплообмена, в котором потоки, проходящие через соответственное средство косвенного теплообмена, проходят в противотоке друг другу, (ц) прохождение соответствующего этапу (х) обратного потока газа через средство косвенного теплообмена в тепловом контакте с соответствующим этапу (л) средством косвенного теплообмена, создавая тем самым подогретый обратный поток газа, и в котором потоки, проходящие через соответственные средства косвенного теплообмена, проходят в противотоке друг другу, (ч) сжатие соответствующего этапу (ц) подогретого обратного потока газа до давления, примерно равного давлению соответствующего этапу (р) подогретого обратного газа, (ш) объединение соответствующего этапу (ч) потока газа и соответствующего этапу (р) потока газа и подачу соответствующего этапу (с) объединенного поток для сжатия, в котором давление сжатого потока природного газа составляет примерно 500 - 675 ф/д² (344,7•10⁴-496,4•10⁴ Па), давление после соответствующего этапу (е) средства снижения давления составляет примерно 150 - 250 ф/д² (103,4•10⁴-172,4•10⁴ Па), давление после соответствующего этапу (н) средства снижения давления составляет примерно 45 - 80 ф/д² (31,03•10⁴-55,16•10⁴ Па) и давление после соответствующего этапу (у) средства снижения давления соответствует примерно 15 - 30 ф/д² (10,34•10⁴-20,68•10⁴ Па). 18. Способ по п. 17, который дополнительно содержит прохождение соответствующего этапу (д) продукта через средство косвенного теплообмена, которое находится в тепловом контакте с соответствующими этапам (з), (р) и (ц) средствами косвенного теплообмена, и в котором потоки проходят в противотоке прохождению текучим средам в соответствующих этапам (з), (р) и (ц) средствах теплообмена. 19. Способ ожижения потока газа под давлением посредством каскадного процесса охлаждения открытого цикла, содержащего замкнутый пропановый цикл с двумя или тремя ступенями охлаждения, замкнутым циклом этилена, этана или их смесей с двумя или тремя ступенями охлаждения и открытым метановым циклом по меньшей мере с двумя ступенями снижения давления, и в котором пары быстрого испарения из ступеней снижения давления используют для охлаждения потока открытого метанового цикла после увеличения давления и охлаждения до температуры, близкой температуре окружающей среды, и дополнительно содержит (а) охлаждение потока открытого метанового цикла посредством противотока теплопередачи с одним или более потоками пара быстрого испарения до первой температуры, (б) разделение охлажденного потока открытого метанового цикла на первый охлажденный поток рециркуляции и второй поток, (в) объединение первого охлажденного потока рециркуляции с потоком газа под давлением непосредственно выше по потоку первой ступени охлаждения в этановом, этиленовом цикле или цикле их смесей, (г) дополнительное охлаждение второго потока посредством противотока теплопередачи с одним или более потоками пара быстрого испарения до второй температуры, создавая тем самым второй охлажденный поток рециркуляции, (д) объединение второго охлажденного потока рециркуляции с потоком газа под давлением, подвергающимся обработке ниже по потоку первой ступени охлаждения в этиленовом или этановом цикле, но выше по потоку ступени, в которой ожижается основная часть потока. 20. Способ по п.19, в котором потоком газа под давлением является поток природного газа под давлением большим, чем 500 ф/д² (344,7•10⁴ Па). 21. Способ по п.19, в котором в этиленовом, этановом цикле или цикле их смеси используют две или три ступени, а в открытом метановом цикле используют два или три этапа снижения давления. 22. Способ по п.21, в котором в открытом метановом цикле используются три ступени снижения давления, давление потока природного газа под давлением составляет примерно 500 - 675 ф/д² (344,7•10⁴-496,4•10⁴ Па), а соответственные давления в открытом метановом цикле после средства снижения давления составляют примерно 150 - 250 ф/д² (103,4•10⁴-172,4•10⁴ Па), примерно 45 - 80 ф/д² (31,03•10⁴-55,16•10⁴ Па) и примерно 15 - 30 ф/д² (10,34•10⁴-20,68•10⁴ Па). 23. Способ по любому из пп.19-22, в котором температура первого охлажденного потока рециркуляции и потока газа под давлением для этапа (в) оказываются примерно одинаковыми. 24. Устройство для ожижения газа под давлением, которое содержит (а) трубопровод для первого потока рециркуляции, (б) трубопровод для потока газа под давлением, (в) трубопровод, подсоединенный к упомянутым в пунктах (а) и (б) трубопроводам, (г) камеру охлаждения, подсоединенную на входном конце к трубопроводу, упомянутому в пункте (в), (д) трубопровод, подсоединенный к выпускному концу упомянутой в пункте (г) камеры охлаждения, (е) трубопровод для второго потока рециркуляции, (ж) трубопровод, подсоединенный к упомянутым в пунктах (д) и (е) трубопроводам, (з) конденсатор, подсоединенный на впускном конце к упомянутому в пункте (ж) трубопроводу, (и) трубопровод, подсоединенный к упомянутому в пункте (з) конденсатору, (к) средство снижения давления, подсоединенное к упомянутому в пункте (и) трубопроводу, (л) трубопровод, подсоединенный к средству снижения давления, (м) разделитель, подсоединенный к упомянутому в пункте (л) трубопроводу, (н) трубопровод, подсоединенный к верхней части упомянутого в пункте (м) разделителя для удаления потока газа, (о) трубопровод, подсоединенный к нижней части упомянутого в пункте (м) разделителя для отвода потока жидкости, (п) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к упомянутому в пункте (н) трубопроводу, (р) трубопровод, подсоединенный к средству косвенного теплообмена, (с) компрессор, который подсоединен в местоположении впускного порта к упомянутому в пункте (р) трубопроводу, (т) трубопровод, подсоединенный к выпускному порту компрессора, (у) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к упомянутому в пункте (т) трубопроводу и расположенное в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элемента (п), чтобы обеспечить теплообмен между двумя потоками, расположенное так, что текучие среды, идущие через такие средства, проходят обычно в противотоке друг к другу, и к которому в некоторой точке вдоль такого средства между входом и выходом подсоединен упомянутый в пункте (а) трубопровод, и к которому на выходном конце подсоединен упомянутый в пункте (е) трубопровод. 25. Устройство по п. 24, которое дополнительно содержит (ф) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к входному концу упомянутого в пункте (о) трубопровода, (х) трубопровод, подсоединенный к упомянутому в пункте (ф) средству косвенного теплообмена на выходном конце, (ц) средство снижения давления, подсоединенное к упомянутому в пункте (х) трубопроводу, (ч) трубопровод, подсоединенный к упомянутому в пункте (ц) средству снижения давления, (ш) разделитель, подсоединенный к упомянутому в пункте (ч) трубопроводу, (ю) трубопровод, подсоединенный к верхней части упомянутого в пункте (ш) разделителя, для отвода потока газа, (я) трубопровод, подсоединенный к нижней части упомянутого в пункте (ш) разделителя для отвода потока жидкости, (аа) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к упомянутому в пункте (ю) трубопроводу, расположенное в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элемента (ф), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположенное так, что текучие среды, проходящие через такие средства, проходят в общем в противотоке друг другу, (бб) трубопровод, подсоединенный к выходному концу упомянутого в пункте (аа) средства косвенного теплообмена, (вв) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к упомянутому в пункте (бб) трубопроводу, расположенное в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элемента (у), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположенное так, чтобы текучие среды, проходящие через такие средства, проходили в противотоке друг другу, (гг) трубопровод, подсоединенный к упомянутому в пункте (вв) средству косвенного теплообмена, и который подсоединен к впускному порту на компрессоре элемента (с). 26. Устройство по п. 25, которое дополнительно содержит (дд) средство снижения давления, подсоединенное к упомянутому в пункте (я) трубопроводу, (ее) трубопровод, подсоединенный к упомянутому в пункте (дд) средству снижения давления, (жж) разделитель, подсоединенный к упомянутому в пункте (ее) трубопроводу, (зз) трубопровод, подсоединенный к верхней части упомянутого в пункте (жж) разделителя для отвода потока газа, (ии) трубопровод, подсоединенный к нижней части упомянутого в пункте (жж) разделителя для отвода потока жидкости, (кк) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к упомянутому в пункте (зз) трубопроводу, расположенное в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элемента (ф), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположенное так, чтобы текучие среды, проходящие через такие средства, проходили в противотоке друг другу, (лл) трубопровод, подсоединенный к выходному концу упомянутого в пункте (кк) средства косвенного теплообмена, (мм) средство косвенного теплообмена, подсоединенное к упомянутому в пункте (лл) трубопроводу, расположенное в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элемента (у), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположенное так, что текучие среды, проходящие через эти средства, проходят в общем в противотоке друг другу, (нн) трубопровод, подсоединенный к упомянутому в пункте (мм) средству косвенного теплообмена, и который подсоединен к впускному порту на компрессоре элемента (с). 27. Устройство по п.24, дополнительно содержащее (кк) средство косвенного теплообмена, расположенное в трубопроводе элемента (и), в котором упомянутое средство расположено в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элемента (п), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположенное так, чтобы текучие среды, проходящие через такие средства, проходили в общем в противотоке друг другу. 28. Устройство по п.25, дополнительно содержащее (оо) средство косвенного теплообмена, расположенное в трубопроводе элемента (и), в котором упомянутое средство расположено в непосредственной близости к средству косвенного теплообмена элементов (п) и (гг), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположено так, что текучие среды, проходящие через такие средства, проходят, в общем, в противотоке друг другу. 29. Устройство по п.26, дополнительно содержащее (оо) средство косвенного теплообмена, расположенное в трубопроводе элемента (и), в котором упомянутое средство расположено в непосредственной близости к средствам косвенного теплообмена элементов (п), (вв) и (мм), чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и расположено так, что текучие среды, проходящие через такие средства, проходят, в общем, в противотоке друг другу.