УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2010 года по МПК F25J1/02 

Настоящее изобретение относится к установке для сжижения природного газа и способу сжижения природного газа.

Подобные установка и способ описаны в US 6389844. Известное решение включает единственный обычный контур предварительного охлаждения, за которым следуют два параллельных основных контура сжижения, которые функционируют одновременно и в которых природный газ, протекающий через установку, сжижается и переохлаждается.

Проблема известных установки и способа заключается в возможности неравномерного распределения потока газа, поскольку обычно природный газ в контуре предварительного охлаждения будет частично конденсироваться. Равномерное распределение частично сконденсированного потока в параллельно размещенных основных контурах сжижения представляет собой сложную задачу и требует дополнительного оборудования и средств регулирования, что приводит к увеличению перепада давления в системе и, следовательно, к снижению эффективности процесса сжижения.

Задача настоящего изобретения заключается в минимизации вышеуказанной проблемы.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание менее сложных установки и способа для сжижения природного газа.

Еще одна задача изобретения состоит в обеспечении альтернативной установки и способа для сжижения газа, таких, которые позволяют удовлетворить различные технические требования, предъявляемые к сжиженному природному газу на различных рынках, в частности в отношении его теплотворной способности.

Одна из указанных задач или их большее количество, или другие задачи решаются в соответствии с настоящим изобретением путем создания установки для сжижения природного газа, которая, по меньшей мере, содержит

ряд последовательно расположенных теплообменников для предварительного охлаждения, включающий конечный теплообменник, которому необязательно предшествует один или большее количество теплообменников, при этом конечный теплообменник выполнен с одним контуром циркуляции хладагента для предварительного охлаждения, служащим для отвода теплоты от потока природного газа;

распределитель, предназначенный для разделения потока природного газа, по меньшей мере, на первый и второй субпотоки природного газа;

по меньшей мере, первую и вторую основные криогенные системы, при этом каждая криогенная система содержит основной теплообменник, имеющий первую горячую сторону с одним входом, приспособленным для приема первого и второго субпотоков природного газа соответственно, и выходом для сжиженного природного газа, при этом каждая система содержит основной контур циркуляции хладагента для отвода теплоты от природного газа, протекающего через первую горячую сторону соответствующего основного теплообменника;

причем указанный распределитель расположен выше по потоку от конечного теплообменника.

Неожиданно было установлено, что за счет размещения выше по ходу движения потока от конечного теплообменника предварительного охлаждения распределителя для разделения потока природного газа, по меньшей мере, на первый и второй субпотоки природного газа уменьшается вероятность неравномерного распределения потока газа, поскольку в этом случае поток природного газа может быть разделен в некоторой точке его течения, в которой он представляет собой по существу однофазный поток. Важный аспект настоящего изобретения заключается в том, что удивительно простым путем уменьшается вероятность указанного неравномерного распределения.

Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что разделение потока не будет приводить к значительному перепаду давления в контуре циркуляции природного газа, поскольку оно производится в точке, в которой поток по существу представляет собой однофазный поток, в результате чего общая эффективность установки для сжижения повышается.

Вышеуказанные преимущества могут быть также реализованы в установке и способе для сжижения природного газа, охарактеризованных выше, но, кроме того, включающих, по меньшей мере, два агрегата для извлечения жидких фракций из природного газа, размещенных ниже по потоку от указанного распределителя потока и в то же время выше по потоку от основных криогенных систем. Агрегаты для извлечения жидких фракций из природного газа могут быть размещены выше по потоку или ниже по потоку от конечного теплообменника, входящего в состав ряда последовательно установленных теплообменников предварительного охлаждения.

В том случае, когда указанный ряд теплообменников предварительного охлаждения включает два или большее количество последовательно установленных теплообменников, или предварительное охлаждение осуществляют в двух или большем количестве последовательно расположенных ступеней, распределитель может быть размещен между двумя теплообменниками ряда последовательно установленных теплообменников с тем, чтобы обеспечить разделение потока природного газа между следующими одна за другой ступенями предварительного охлаждения.

В примере воплощения, в котором используют агрегаты для извлечения жидких фракций из природного газа, контур циркуляции хладагента для предварительного охлаждения снабжает два контура с основным хладагентом, но при этом каждый контур циркуляции основного хладагента управляется своим собственным агрегатом для извлечения жидких фракций из природного газа. За счет такого решения выход сжиженного продукта не ограничивается возможностью извлечения жидких фракций из природного газа.

Другое преимущество этого воплощения заключается в отсутствии необходимости увеличения размеров агрегатов для извлечения жидких фракций из природного газа с тем, чтобы приспособить их к более высоким расходам. Было установлено, что при высоких расходах природного газа достигается предел по осуществимости конструкции и транспортировки разделительных колонн высокого давления. Данную проблему можно обойти за счет использования двух колонн меньшего размера, установленных параллельно и функционирующих одновременно. Можно предвидеть, что дополнительные капитальные расходы на создание двух или более относительно небольших агрегатов для извлечения жидких фракций из природного газа, установленных параллельно, будут меньше, чем в случае одного большого агрегата для извлечения жидких фракций из природного газа, приспособленного для транспортирования и обработки всего потока природного газа.

Настоящее изобретение включает не только первую группу воплощений, в которых в каждый основной теплообменник поступает парообразная легкая фракция, отбираемая с верха колонны, исключительно от одного из агрегатов для извлечения жидких фракций из природного газа, но, кроме того, и вторую группу воплощений, в которых каждый из основных теплообменников принимает части парообразной легкой фракции, отбираемой с верха, отводимой из двух или более агрегатов для извлечения жидких фракций из природного газа.

Преимущество первой группы воплощений состоит в том, что в этом случае формируется относительно прямая и направленная вперед цепочка используемого оборудования; преимущество второй группы воплощений состоит в том, что устраняется возможная неравномерность распределения, которая проявляется в виде небольших изменений, например, по составу или температуре соответствующих легких фракций, отводимых с верха колонны.

Согласно следующему аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ сжижения потока природного газа, включающий

(a) предварительное охлаждение потока природного газа в одной или большем количестве ступеней, включающих конечную ступень, осуществляемое при прохождении через ряд теплообменников в противотоке с хладагентом, используемым для предварительного охлаждения, циркулирующим в контуре с указанным хладагентом предварительного охлаждения;

(b) разделение потока природного газа, по меньшей мере, на первый и второй субпотоки природного газа;

(c) дальнейшее охлаждение первого и второго субпотоков природного газа, полученных на стадии (b), до полной конденсации, осуществляемое при контактировании с основным хладагентом, по меньшей мере, в двух основных криогенных системах, причем в каждой основной криогенной системе основной хладагент циркулирует в контуре с основным хладагентом, и

(d) отвод потока сжиженного природного газа из основных криогенных систем;

при этом разделение потока природного газа на первый и второй субпотоки природного газа осуществляют выше по ходу движения потока от конечной ступени предварительного охлаждения.

Изобретение далее будет раскрыто более подробно посредством примера со ссылкой на сопровождающие, не ограничивающие изобретение, чертежи.

Фиг.1а - общая принципиальная блок-схема первой группы воплощений изобретения.

Фиг.1b - общая принципиальная блок-схема второй группы воплощений изобретения.

Фиг.1с - общая принципиальная блок-схема третьей группы воплощений изобретения.

Фиг.2 - схема, соответствующая установке и способу согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 - схема, соответствующая еще одной характерной установке и способу согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 - схема конечной системы быстрого испарения для использования в комбинации с указанными воплощениями.

Для целей данного описания каждый ссылочный номер позиции будет соответствовать одному трубопроводу, а также одному потоку, протекающему в этом трубопроводе. При этом сходные элементы конструкции обозначены одинаковыми ссылочными номерами позиций.

На фиг.1а-с представлена блок-схема установки 10 для сжижения природного газа в соответствии с настоящим изобретением, содержащая последовательный ряд 1 теплообменников предварительного охлаждения, распределитель 4, две основные криогенные системы 200 и 200' и два используемых по усмотрению агрегата 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа. Ряд 1 теплообменников предварительного охлаждения имеет входной трубопровод 90 для природного газа и выходные трубопроводы 27, 27' для предварительно охлажденного природного газа. В воплощении, представленном на фиг.1а-с, последовательный ряд 1 теплообменников включает два теплообменника 2а, 2b, при этом теплообменник 2а является конечным теплообменником. Специалист в данной области техники легко поймет, что ряд 1 теплообменников может включать более чем два теплообменника. При необходимости (и в качестве предпочтительного случая) теплообменники ряда 1 могут быть частью одного и того же контура с охладителем.

Распределитель 4 размещен выше по потоку от конечного теплообменника 2а. Если ряд 1 включает в себя более чем два теплообменника 2а, 2b, распределитель может быть размещен еще выше по потоку. Предпочтительно распределитель 4 размещают между двумя теплообменниками, образующими часть ряда 1 теплообменников предварительного охлаждения. Конечный теплообменник 2а может представлять собой единственный теплообменник (см. фиг.1а и 1b), но может быть также выполнен в виде группы из двух или большего количества параллельно установленных теплообменников (теплообменники 2а1 и 2а2 на фиг.1с). Понятно, что в том случае, когда распределитель 4 размещен выше по потоку от теплообменника 2b, то теплообменник 2b также может состоять из двух или более параллельных теплообменников.

В воплощении, представленном на фиг.1, распределитель 4 имеет, по меньшей мере, два выхода 22, 23 и выходные трубопроводы 19,19'. Как показано на фиг.1, оба потока в выходных трубопроводах 19, 19' дополнительно охлаждаются в единственном конечном теплообменнике 2а. В качестве альтернативы выходные трубопроводы 19, 19' могут быть подсоединены к отдельным параллельно включенным конечным теплообменникам (теплообменникам 2а1 и 2а2, как показано на фиг.1с).

В воплощениях в соответствии с фиг.1а и 1b каждый из агрегатов 100, 100' для извлечения жидких фракций из природного газа подсоединен к трубопроводу 27 или 27' и имеет отводящий трубопровод 127, 127' для легкой фракции, отводимой с верха. Тяжелая фракция включает жидкий природный газ, который обогащен более тяжелыми компонентами, например компонентами С₃ ⁺, а легкая фракция, отводимая с верха, включает более бедную смесь, освобожденную от этих более тяжелых компонентов, и подлежит сжижению.

Каждая основная криогенная система 200, 200' соединена с выпускным трубопроводом 95, 95' для отвода сжиженного природного газа.

На фиг.1а представлено типовое воплощение, в котором каждая из основных криогенных систем 200, 200' присоединена исключительно к одному из агрегатов 100, 100' для извлечения жидких фракций из природного газа. На фиг.1b представлено типовое воплощение, в котором потоки продукта из агрегатов 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа объединяют в соответствующих трубопроводах 127 и 127' в один поток и разделяют заново во втором распределителе 44. Тем самым в этом воплощении каждая основная криогенная система 200 и 200' принимает части парообразной легкой верхней фракции от обоих агрегатов 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа.

На фиг.1с агрегаты 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа расположены выше по потоку от конечных теплообменников 2а1 и 2а2 ряда 1 теплообменников предварительного охлаждения.

Более подробно одно из воплощений иллюстрируется на фиг.2. В соответствии с фиг.2 ряд 1 теплообменников предварительного охлаждения может включать один теплообменник 2а предварительного охлаждения, но предпочтительно включает группу из двух или большего количества теплообменников, установленных последовательно и/или параллельно, при этом допускается, чтобы хладагент, используемый для предварительного охлаждения, испарялся при одном или более чем одном уровнях давления. В дальнейшем для простоты ряд 1 теплообменников предварительного охлаждения будет иллюстрирован конечным теплообменником 2а предварительного охлаждения, а предшествующий теплообменник 2b показан, причем лишь условно, на рассмотренных выше чертежах.

Теплообменник 2а предварительного охлаждения природного газа имеет горячую сторону, условно отображенную в виде труб 12, 12', имеющих входы 13, 13' для природного газа и выходы 14, 14' для предварительно охлажденного природного газа. Трубы 12, 12' размещены на холодной стороне 15, которой может служить межтрубная зона 15 теплообменника 2а предварительного охлаждения природного газа.

Установка 10 в соответствии с изобретением, кроме того, обычно включает контур 3 циркуляции хладагента для предварительного охлаждения. Понятно, что такой же контур используется для других имеющихся теплообменников предварительного охлаждения.

Контур 3 циркуляции хладагента предварительного охлаждения включает компрессор 31 для сжатия хладагента, имеющий вход 33 и выход 34. Выход 34 с помощью трубопровода 35 подсоединен к охладителю 36, которым может служить воздушный охладитель или водяной охладитель. Трубопровод 37 проходит через расширительное устройство, выполненное в данном случае в виде дроссельного клапана 38, к входу 39 холодной стороны 15 теплообменника 2 предварительного охлаждения природного газа. Выход 40 холодной стороны 15 теплообменника соединен с помощью возвратного трубопровода 41 с входом 33 компрессора 31 для сжатия хладагента, используемого для предварительного охлаждения.

Приемлемо, чтобы контур 3 с хладагентом для предварительного охлаждения имел четыре уровня давления предварительного охлаждения природного газа в двух, трех или четырех ступенях. Состав элементов, образующих контур циркуляции хладагента для предварительного охлаждения, может быть укомплектован в соответствии с патентным документом US 6637238, который включен в настоящее описание путем ссылки.

Распределитель 4 снабжен входным трубопроводом 18 для приема природного газа, предварительно охлажденного в предшествующем теплообменнике 2b, и имеет два выхода 22 и 23. Указанные два выхода 22 и 23 распределителя 4 подключены ко входам двух параллельных горячих сторон конечной ступени 2а предварительного охлаждения, за счет чего потоки, проходящие через эти параллельные горячие стороны, могут обмениваться теплотой в противотоке с хладагентом для предварительного охлаждения, циркулирующим в контуре 3.

Каждая основная криогенная система 200, 200' включает в себя основной теплообменник 5, 5' и контур 9, 9' циркуляции основного хладагента. Каждый основной теплообменник 5, 5' имеет первую горячую сторону 25, 25' с одним входом 26, 26'. Вход 26 первой горячей стороны 25 подсоединен к выходу 14 конечного теплообменника 2а через агрегат 100 для извлечения жидких фракций из природного газа с помощью трубопроводов 27 и 127, а вход 26' первой горячей стороны 25' подсоединен к выходу 14' конечного теплообменника 2а через аппарат 100' для извлечения жидких фракций из природного газа с помощью трубопроводов 27' и 127'. Каждая первая горячая сторона 25, 25' имеет выход 28, 28' сверху основного теплообменника 5, 5' для сжиженного природного газа. Первая горячая сторона 25, 25' расположена на холодной стороне 29, 29' основного теплообменника 5, 5', при этом холодная сторона 29, 29' имеет выход 30, 30'.

Основные теплообменники 5 и 5' соединены, каждый, с контуром 9 и 9' циркуляции хладагента сжижения соответственно. Каждый контур 9, 9' хладагента сжижения снабжен компрессором 50, 50' для сжатия хладагента сжижения, имеющим вход 51, 51' и выход 52, 52'. Вход 51, 51' компрессора посредством обратного трубопровода 53, 53' подсоединен к выходу 30, 30' холодной стороны 29, 29' основного теплообменника 5, 5'. Выход 52, 52' компрессора соединен с помощью трубопровода 54, 54' с охладителем 56, 56', который может представлять собой воздушный или водяной охладитель, а горячая сторона 57, 57' теплообменника 58, 58' для хладагента соединена с сепаратором 60, 60'. Каждый сепаратор 60 на его нижнем торце имеет выход 61, 61' для жидкости, а на верхнем торце - выход 62, 62' для газа.

Каждый теплообменник 58, 58' для хладагента включает холодную сторону 85, 85' с входом 139, 139' и выходом 140, 140', обеспечивающими ввод вспомогательного хладагента и отвод отработавшего вспомогательного хладагента. Холодная сторона 85 включена в контур вспомогательного хладагента, для осуществления которого возможны многие варианты, в числе которых можно отметить следующие.

Один вариант заключается в том, что контур вспомогательного хладагента выполнен в виде параллельного контура так, как это изложено в патентном документе US 6389844 (включенном в данное описание путем ссылки), с использованием компрессора 31 для хладагента предварительного охлаждения и охладителя 36, где вход 139, 139' соединен с трубопроводом 37 через расширительное устройство, например дроссельный клапан, а выход 140, 140' подсоединен к трубопроводу 41. Согласно другому варианту обеспечивается отдельный контур вспомогательного хладагента так, как описано в опубликованной заявке US 2005/0005635 (также включенной в данное описание путем ссылки), где используется или один общий компрессор для вспомогательного хладагента, служащий для снабжения вспомогательным хладагентом каждого из параллельно включенных теплообменников 58, 58' для основного хладагента, или для каждого из теплообменников 58, 58' используется специальный компрессор для вспомогательного хладагента. Согласно еще одному варианту, который соответствует фиг.2 и фиг.3 в патентном документе US 6389844, включенном в настоящее описание, теплообменник 2а предварительного охлаждения природного газа и теплообменники 58 и 58' для хладагента, показанные на фиг.2, объединены в один единый совмещенный теплообменник, в результате чего горячие стороны 57 и 57' выполнены в виде дополнительных пучков нагреваемых труб, размещенных в одном или большем количестве теплообменников 2а, 2b ряда 1 теплообменников предварительного охлаждения.

Вместо одной ступени ряд 1 совмещенных теплообменников предварительного охлаждения может включать две, три или большее количество последовательных ступеней, как это описано в документе US 6389844 (см. в этой связи фиг.3 указанного документа), включенном, как отмечено, ранее в данное описание посредством ссылки.

Каждый контур 9, 9' хладагента сжижения дополнительно включает первый трубопровод 65, 65', проходящий от выхода 61, 61' до входа второй горячей стороны 67, 67', которая доходит до средней точки основного теплообменника 5, 5', а также трубопровод 69, 69', расширительное устройство 70, 70' и распылительную форсунку 73, 73'.

Каждый контур 9, 9' хладагента сжижения дополнительно включает второй трубопровод 75, 75', проходящий от выхода 62, 62' до входа третьей горячей стороны 77, 77', которая доходит до верха основного теплообменника 5, 5', а также трубопровод 79, 79', расширительное устройство 80, 80' и распылительную форсунку 83, 83'.

Два агрегата 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа содержат, каждый, ректификационную колонну 105 и 105' соответственно. Ректификационная колонна 105, 105' имеет вход 107, 107', который в рассматриваемом воплощении является в то же время входом агрегата для извлечения жидких фракций в целом, соединенный с рядом 1 теплообменников предварительного охлаждения. В частности, вход 107 ректификационной колонны соединен посредством трубопровода 27 с выходом 14 конечного теплообменника 2а ряда 1, а вход 107' ректификационной колонны подсоединен к выходу 14' посредством трубопровода 27'. Выходы указанных агрегатов для извлечения жидких фракций выполнены в виде трубопроводов 127 и 127' соответственно.

Ректификационная колонна 105, 105', кроме того, имеет выход 109, 109' для тяжелой фракции, через который предусмотрен отвод жидкости, отделенной от потока предварительно охлажденного природного газа, протекающего по трубопроводу 27, 27', а также выход 111, 111' для легкой фракции, отводимой с верха колонны.

К выходу 109, 109' для тяжелой фракции может быть присоединен фракционирующий аппарат (не показан), который функционирует на параллельно подводимых тяжелых фракциях или на предварительно объединенных тяжелых фракциях.

Ректификационная колонна 105, 105', показанная на фиг.2, выполнена только с одной секцией ректификации. Хотя для целей данного изобретения это не требуется, но ректификационная колонна может быть, кроме того, оборудована одной ректификационной и одной выпарной секцией за счет добавления кипятильника, предназначенного для повышения температуры в нижней части колонны. Кроме того, при необходимости ректификационная колонна может быть снабжена секцией абсорбции. Ректификационной колонной может служить газопромывная колонна.

Агрегат 100, 100' для извлечения жидких фракций из природного газа, помимо того, содержит подключенные к верхнему отбору легкой фракции теплообменный аппарат 113, 113' и сепаратор 117, 117', выполненный в виде сборника орошающей фракции, из которого флегма подается в ректификационную колонну, а также насос 119, 119' для подачи оросителя в колонну. Сборник 117, 117' орошающей фракции имеет выход 121, 121' для жидкой флегмы и выход 123, 123' для пара.

Выход 111, 111' для легкой фракции, отводимой с верха колонны, подключен к горячей стороне 116, 116' теплообменного аппарата 113, 113', в который поступает верхняя легкая фракция и холодная сторона 112, 112' которого приспособлена для теплообмена с потоком 115, 115' хладагента. Выход горячей стороны теплообменника 113, 113' подсоединен к сборнику 117, 117' орошающей флегмы. Выход 121, 121' жидкой флегмы подключен к стороне всасывания насоса 119, 119' для орошения колонны, сторона нагнетания которого соединена с входом 125, 125' для флегмы в соответствующей ректификационной колонне 105, 105'. Выход 123, 123' для пара подсоединен к трубопроводу 127, 127'.

Приемлемо, чтобы основные контуры 9 и 9' циркуляции хладагента были выполнены одинаковыми, то же самое относится и к выполнению основных теплообменников 5 и 5' и агрегатов 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа.

При нормальном функционировании установки природный газ 90 подводят к ряду 1 теплообменников предварительного охлаждения, постепенно предварительно охлаждают в теплообменнике 2b, разделяют в распределителе 4, по меньшей мере, на первый и второй субпотоки предварительно охлажденного природного газа и параллельными потоками 19, 19' подают через входы 13, 13' в теплообменник 2а предварительного охлаждения природного газа. Обычно, в зависимости от состава природного газа, этот природный газ при прохождении ряда 1 теплообменников предварительного охлаждения частично конденсируется.

Хладагент для предварительного охлаждения отводят с выхода 40 холодной стороны 15 теплообменника 2а предварительного охлаждения природного газа, сжимают в компрессоре 31 для сжатия хладагента предварительного охлаждения до повышенного уровня давления, конденсируют в конденсаторе 36 и предоставляют возможность расширения в расширительном устройстве 38 до низкого давления. На холодной стороне 15 расширенному хладагенту предварительного охлаждения дают возможность испаряться при низком давлении, за счет чего от природного газа отводят теплоту.

Предварительно охлажденный природный газ, отводимый с выхода 14 теплообменника 2а, пропускают через трубопроводы 27, 27'. Количества природного газа, проходящего через трубопровод 27 и трубопровод 27', предпочтительно одинаковы. По трубопроводам 27 и 27' первый и второй субпотоки предварительно охлажденного газа подают к соответствующим входам 107 и 107' агрегатов 100 и 100' для извлечения жидких фракций из природного газа. Через указанные входы первый и второй субпотоки природного газа подают, каждый, в соответствующие ректификационные колонны 105 и 105', где они одновременно разделяются, как правило, посредством перегонки или мокрой очистки газа на тяжелую фракцию, включающую сконденсированную часть соответствующего субпотока, и парообразную легкую фракцию, отбираемую с верха колонны.

В зависимости от температуры в ректификационной колонне парообразная легкая фракция, отбираемая с верха, обеднена компонентами ряда C₃ ⁺, включающими пропан, и преимущественно содержит метан, и часто обеднена также компонентами С₂ ⁺, включая этан, и азотом.

Поток парообразной легкой фракции, отбираемой с верха колонны, покидает ректификационную колонну 105, 105' через выход 111, 111' для этой легкой фракции, после чего направляется в горячую сторону 116, 116' теплообменника 113, 113', подключенного к верхнему отбору, где происходит частичная конденсация с получением частично сконденсированного потока, отбираемого с верха колонны, содержащего смесь конденсата легкой фракции и легкого пара.

Частично сконденсированный поток, отбираемый с верха колонны, направляют в сборник орошающей фракции 117, 117', где конденсат легкой фракции отделяют от легкого пара. Конденсат легкой фракции удаляют из сборника 117, 117' орошающей фракции (флегмы) через выход 121, 121' для жидкой флегмы и холодную жидкую флегму подают в ректификационную колонну 105, 105'.

Пар легкой фракции отводят через выход 123, 123' для пара и направляют к входам 26 и 26' первых горячих сторон 25 и 25' основных теплообменников 5 и 5'. На первой горячей стороне 25, 25' легкая паровая фракция, полученная из природного газа, сжижается и переохлаждается. Переохлажденный природный газ отводят по трубопроводам 95 и 95'. Переохлажденный природный газ направляют в агрегат для дальнейшей обработки, некоторые варианты исполнения которого будут раскрыты в данном описании ниже, и в резервуары для хранения сжиженного природного газа (не показаны).

Основной хладагент отводят от выхода 30, 30' холодной стороны 29, 29' основного теплообменника 5, 5' и сжимают до некоторого повышенного давления в компрессоре 50, 50' для хладагента сжижения. Теплоту сжатия отводят в охладителе 56, 56' и, кроме того, эту теплоту отводят от основного хладагента в теплообменнике 58, 58' для хладагента с получением в результате частично сконденсированного хладагента. Частично сконденсированный основной хладагент затем разделяют в сепараторе 60, 60' на тяжелую жидкую фракцию и легкую газообразную фракцию, после чего эти фракции охлаждают во второй и третьей горячих сторонах 67, 67' и 77, 77' теплообменника соответственно с получением сжиженных и переохлажденных фракций при повышенном давлении. Переохлажденному хладагенту предоставляют затем возможность расширения в расширительных устройствах 70, 70' и 80, 80' до более низкого давления. При достигнутом низком давлении хладагенту дают возможность испаряться на холодной стороне 29, 29' основного теплообменника 5, 5', чтобы обеспечить отвод теплоты от природного газа, протекающего через первую холодную сторону 25, 25'.

Холодный поток 115, 115' или поток 115, 115' хладагента под давлением, необходимый для конденсации флегмы, получаемой из парообразной легкой фракции, отбираемой с верха колонны, может поступать из какого-либо подходящего источника. Например, этот холодный поток может поступать за счет отвода части потока хладагента из цикла 3, или же он может быть реализован в качестве единого уровня давления в самом цикле 3. В последнем случае горячая сторона 116, 116' может быть встроена параллельно горячей стороне 12 в общий объединенный теплообменник или же горячая сторона 116, 116' может представлять собой часть отдельного теплообменного аппарата 113, 113', через который хладагент для предварительного охлаждения направляют в холодную сторону 112, 112'.

В качестве альтернативы поток 115, 115' хладагента может подводиться за счет отвода потока основного хладагента, например, от трубопровода 65, 65'. Это может быть достигнуто посредством сообщения по текучей среде холодной стороны 115, 115' теплообменника, подключенного к отбору с верха колонны, по меньшей мере, с одним из, по меньшей мере, двух основных контуров 9, 9' циркуляции хладагента. Преимущество осуществления косвенного теплообмена парообразной легкой фракции, отбираемой с верха колонны, с основным хладагентом, циркулирующим, по меньшей мере, в одном из, по меньшей мере, двух контуров хладагента, заключается в достижении настолько низкой температуры потока предварительно охлажденного природного газа, насколько это возможно, что способствует более глубокому извлечению компонентов ряда С₃ ⁺ при извлечении жидких фракций из природного газа. Кроме того, может быть снижена температура потока жидкой флегмы, отводимой через выход 121, 121', с увеличением при этом степени извлечения компонентов С₃ ⁺.

Другие возможные варианты получают путем комбинирования двух или более из описанных выше вариантов охлаждения парообразной легкой фракции, отбираемой с верха колонны, в частности, за счет комбинации, включающей встраивание горячей стороны 116, 116' в другой теплообменник, за которым следует отдельный теплообменный аппарат 113, 113', подключенный к отбору с верха колонны, установленный ниже по ходу движения потока от вышеупомянутого объединенного теплообменника.

Было установлено, что температура предварительно охлажденного природного газа составляет около -25°С, если мощность привода компрессора для каждого из контуров 9, 9' циркуляции основного хладагента и мощность привода компрессора для контура 3 циркуляции хладагента предварительного охлаждения одинаковы, и установка функционирует при полной нагрузке. Давление предварительно охлажденного природного газа обычно находится в интервале от 40 до 60 бар. Предпочтительно температура потока жидкой флегмы составляет от -25 до -65°С, при этом, чем ниже температура, тем больше компонентов C₃ ⁺ отделяется от предварительно охлажденного природного газа. Более предпочтительна температура потока жидкой флегмы ниже -31°С. Извлечение пропана от 40 до 45% возможно при температуре холодной флегмы приблизительно -45°С, используя основной хладагент для охлаждения фракции, отбираемой с верха колонны, в теплообменнике 113, 113', подключенном к верхнему отбору. При этом степень извлечения зависит от давления и состава природного газа.

На фиг.3 представлено воплощение одного характерного примера использования основного хладагента одного из контуров 9, 9' циркуляции основного хладагента для охлаждения парообразной легкой фракции, отбираемой с верха колонны, после ее отвода из сепаратора 117, 117'. Горячая сторона 116, 116' встроена в основной теплообменник. Фиг.3 в основном соответствует фиг.2, но на ней агрегаты 100, 100' для извлечения жидких фракций из природного газа, показанные на фиг.2, заменены альтернативным исполнением агрегата 110, 110' для извлечения жидких фракций из природного газа. В той степени, в которой фиг.3 соответствует фиг.2, она не будет описана вновь, вместо этого описания будет приведена ссылка на соответствующие элементы фиг.2.

Основные криогенные теплообменники 5, 5' заменены некоторым модифицированным исполнением 55, 55', в котором горячая сторона 25, 25' разделена на участки, а именно на участок 24, 24', расположенный выше по потоку, и участок 24а, 24а', расположенный ниже по потоку.

В альтернативном воплощении выход 111, 111' для легкой фракции, отбираемой с верха, подключен к входу 26, 26' соответствующего участка 24, 24', расположенного выше по потоку, посредством трубопровода 126, 126'. Выход участка 24, 24', расположенного выше по потоку, соединен со сборником 117, 117' орошающей фракции, из которого флегма направляется в колонну, а выход 123, 123' для пара, отводимого из сборника 117, 117' орошающей фракции, соединен посредством трубопровода 127, 127' с соответствующим входом расположенного ниже по потоку участка 24а, 24а' горячей стороны 25, 25'. Участок 24а, 24а' горячей стороны, расположенный ниже по потоку, имеет в основном теплообменнике 55, 55' для сжиженного природного газа выход 28, 28' вверху, как и в основном теплообменнике 5, 5'.

При нормальном функционировании альтернативного воплощения установки холод, необходимый для конденсирования жидкой флегмы из парообразной легкой фракции, отбираемой с верха, обеспечивает основной хладагент.

В другом варианте воплощения (не показан) агрегат 100, 100' и/или 110, 110' для извлечения жидких фракций из природного газа и разделения частично сконденсированных субпотоков природного газа на тяжелую фракцию, содержащую сконденсированную часть соответствующего субпотока, и парообразную легкую фракцию, отбираемую с верха, выполнен в соответствии с его воплощениями, раскрытыми в международной опубликованной заявке WO 2004/069384, включенной в настоящее описание путем ссылки на этот документ. В частности, холодная жидкая флегма в этих воплощениях разделяется на первый и второй потоки флегмы, из которых первый поток вводят через верх промывной колонны, а второй поток - в средней точке колонны.

В описанных выше воплощениях хладагент для предварительного охлаждения подходящим образом выбран таким, что он содержит один единственный компонент, например пропан, или содержит смесь углеводородных компонентов, или другой приемлемый хладагент, используемый в цикле компрессионного охлаждения или в цикле абсорбционного охлаждения. Подходящим является также выбор основного хладагента многокомпонентным, содержащим азот, метан, этан, пропан и бутан.

Приемлемо, чтобы теплообменники 58, 58' для циркуляции хладагента представляли собой группу из двух или большего количества теплообменников, установленных последовательно, в которых хладагенту предварительного охлаждения предоставляется возможность испаряться при одном или более уровнях давления.

Основные теплообменники 5, 5' и 55, 55' могут иметь любую подходящую конструкцию, например могут быть выполнены в виде спирального теплообменника или пластинчатого теплообменника.

В воплощениях, описанных выше со ссылкой на фиг.2 и фиг.3, основные теплообменники 5, 5' и 55, 55' имеют вторую и третью горячие стороны 67, 67' и 77, 77' соответственно. В альтернативном воплощении основной теплообменник имеет только одну горячую сторону, в которую вторая и третья горячие стороны объединены. В этом случае частично сконденсированный основной хладагент непосредственно направляют в третью горячую сторону 77, 77' без разделения его на тяжелую, жидкую фракцию и легкую, газообразную фракцию.

Компрессоры 31, 50 и 50' могут быть многоступенчатыми компрессорами с промежуточным охлаждением, могут представлять собой объединение последовательно установленных компрессоров с промежуточным охлаждением, осуществляемым между двумя компрессорами, и/или объединение параллельных компрессоров.

Компрессоры 31, 50 и 50' в контуре 3 предварительного охлаждения и два контура 9 и 9' циркуляции основного хладагента могут быть выполнены с приводом от турбины или электродвигателя, или с комбинированным приводом от турбины и электродвигателя.

Приемлемо, чтобы турбина (не показана), используемая в контуре циркуляции хладагента для предварительного охлаждения, была паровой турбиной. В этом случае приемлемо, чтобы пар, необходимый для привода паровой турбины, генерировался за счет теплоты, отводимой при охлаждении отходящего газа газовых турбин контуров циркуляции основного хладагента (не показано).

Настоящее изобретение обеспечивает расширяемую (наращиваемую) установку для сжижения природного газа, в первой ступени которой сформирован единственный ряд аппаратов со 100%-ной производительностью по сжижению газа, а во второй ступени которой для увеличения производительности приблизительно от 140 до 160% могут быть добавлены второй основной теплообменник и второй контур циркуляции основного хладагента сжижения, выполненные такого же размера, что и в первой ступени, и в то же время обеспечивается возможность контроля содержания компонентов ряда С₃ ⁺ полученных из природного газа.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что параметры предварительного охлаждения и сжижения, например состав хладагента, могут быть легко скорректированы таким образом, чтобы достигалось эффективное функционирование установки. Кроме того, в случае, если один из контуров сжижения должен быть выведен из работы, рабочие параметры установки могут быть приспособлены для эффективного сжижения при использовании одного ряда аппаратов.

Кроме того, как показали вычисления, эффективность сжижения (количество полученного сжиженного газа на единицу работы, произведенной компрессорами) не ухудшается в случае использования контура циркуляции хладагента предварительного охлаждения для питания двух контуров основного хладагента.

Выход сжиженного газа может быть увеличен еще больше за счет обеспечения, по меньшей мере, одного агрегата конечного быстрого испарения легких фракций, присоединенного к выпускным трубопроводам 95, 95' для сжиженного природного газа. На фиг.4 показано воплощение такого агрегата конечного быстрого испарения легких фракций, который может быть добавлен к любой одной из описанных выше установок. Каждый выпускной трубопровод 95, 95' подсоединен к детандеру 97, 97' и дроссельному клапану 99, 99'. Выходы низкого давления (из дроссельных клапанов) отводят поток в трубопроводы 101, 101', которые присоединены к газовому сепаратору 103 ступени конечного быстрого испарения.

В качестве альтернативы узел соединения, посредством которого сжиженный природный газ, протекающий по трубопроводам 95 и 95', объединяется в единый поток, находится выше по потоку от единственного конечного детандера (не показано).

Газовый сепаратор 103 быстрого конечного испарения снабжен выходом 133 для газовой фазы конечного испарения и выходом 135 для сжиженного природного газа. Сепаратор конечной ступени испарения может быть также выполнен в виде ректификационной колонны, или отпарной колонны, или какого-либо подходящего альтернативного аппарата для достижения оптимальной эффективности разделения газа, полученного за счет быстрого испарении, и сжиженного природного газа. При желании для повышения давления сжиженного природного газа до какого-либо желательного уровня, перед его отводом в трубопровод 138 для дальнейшего транспортирования или хранения, может быть использован насос 137.

Выход 133 газовой фазы, полученной при быстром испарении, соединен с компрессором 139. Выход высокого давления компрессора 139 соединен с охладителем 141, которым может быть охладитель, работающий при параметрах окружающей среды. Выше по потоку от компрессора 139 установлен теплообменник 143 для того, чтобы можно было предотвратить потери холода, содержащегося в газе, полученном в результате конечного быстрого испарения.

В процессе нормального функционирования установки давление сжиженного природного газа понижается в детандере 97, 97' и дроссельном клапане 99, 99' предпочтительно до атмосферных условий или близких к атмосферным. Такое расширение понижает температуру сжиженного природного газа, и, кроме того, в этом конечном процессе быстрого испарения образуется газ.

Как правило, при мгновенном снижении давления от 50 бар до атмосферного давления температура понижается приблизительно на 10°С. Из-за дополнительного понижения температуры может быть получено большее количество сжиженного природного газа при определенных затратах энергии на охлаждение, осуществляемое в ряде 1 аппаратов предварительного охлаждения и основных криогенных системах 200, 200'.

Газ конечного быстрого испарения отделяют от сжиженного природного газа в газовом сепараторе 103 конечной ступени быстрого испарения. Газ, полученный при конечном быстром испарении, покидающий газовый сепаратор 103, сжимают до некоторого давления, за счет чего он может быть отведен по трубопроводу 145 для дальнейшего использования, например, в качестве горючего газа. Холод, содержащийся в газе конечного быстрого испарения, может быть сохранен путем утилизации с помощью теплообменника 143, например использован для предварительного охлаждения основного хладагента. В этом случае теплообменник 143 может быть включен в контуры 9, 9' циркуляции основного хладагента.

С целью еще большего повышения производительности установки в агрегате конечного быстрого испарения может быть использован контур обратной связи, посредством которого часть газа, полученного при конечном быстром испарении, в трубопроводе 145, по меньшей мере, частично конденсируют и повторно вводят в поток сжиженного природного газа выше по потоку от сепаратора 103 конечной ступени быстрого испарения. Для этого контур обратной связи, используемый по усмотрению, может содержать дополнительный компрессор 147, сторона низкого давления которого подключена к трубопроводу 145. Сторона высокого давления дополнительного компрессора 147 подключена к трубопроводу, проходящему выше по потоку от сепаратора конечной ступени быстрого испарения, через последовательно включенные дополнительный, используемый по желанию, охладитель 149, теплообменник 143 и расширительное устройство, например дроссельный клапан 151.

При использовании указанного повторного ввода дополнительные компрессоры 139 и 147 обеспечивают в установке наличие дополнительных точек, в которых рассмотренный выше цикл охлаждения может быть включен в процесс сжижения, и в результате температура охлаждения в контурах циркуляции основного хладагента может быть увеличена. Благодаря циклу охлаждения, добавленному указанным путем, может быть произведено большее количество жидкого природного газа. В результате вычислений было установлено, что при использовании конечной системы быстрого испарения, включающей, по усмотрению, рециркуляцию, производительность по сжиженному газу может быть повышена на 4-5%.

Вместо рассмотренных выше могут быть использованы и другие конечные системы быстрого испарения или расширенные системы. Одна из таких конечных систем быстрого испарения раскрыта в патентном документе US 5893274, включенном в данное описание посредством ссылки.

Специалисту в данной области техники будет легко понять, что настоящее изобретение может быть модифицировано многими различными путями без выхода за пределы объема приложенных пунктов формулы.

Установка (10) для сжижения природного газа содержит, по меньшей мере, ряд (1) последовательно установленных теплообменников предварительного охлаждения, включающий конечный теплообменник (2а) для охлаждения потока (90) природного газа, распределитель (4), размещенный выше по потоку от конечного теплообменника, предназначенный для разделения потока (90) природного газа на первый и второй субпотоки природного газа, первую и вторую криогенные системы (200, 200'). Каждая из систем (200, 200') включает основной теплообменник, имеющий первую горячую сторону с одним входом, выполненным для приема первого и второго субпотоков природного газа соответственно, и выход для сжиженного природного газа, и контур циркуляции основного хладагента для отвода теплоты от природного газа, протекающего через первую горячую сторону соответствующего основного теплообменника. Теплообменники ряда последовательно расположенных теплообменников для предварительного охлаждения являются частью одного и того же контура циркуляции хладагента. Использование изобретения позволит упростить установку для сжижения газа и обеспечить альтернативную установку, позволяющую удовлетворить различные технические требования, предъявляемые к сжиженному природноу газу. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Установка для сжижения природного газа, содержащая, по меньшей мере,
ряд последовательно расположенных теплообменников для предварительного охлаждения, включающий конечный теплообменник, которому предшествует один или более теплообменников, при этом конечный теплообменник выполнен с контуром циркуляции хладагента для предварительного охлаждения, предназначенным для отвода теплоты от потока природного газа;
распределитель для разделения потока природного газа, по меньшей мере, на первый и второй субпотоки природного газа;
по меньшей мере, первую и вторую основные криогенные системы, каждая из которых содержит основной теплообменник, имеющий первую горячую сторону с одним входом, выполненным для приема первого и второго субпотоков природного газа соответственно, и выход для сжиженного природного газа, при этом каждая система включает контур циркуляции основного хладагента для отвода теплоты от природного газа, протекающего через первую горячую сторону соответствующего основного теплообменника;
причем распределитель расположен выше по потоку от конечного теплообменника, а теплообменники указанного ряда последовательно расположенных теплообменников для предварительного охлаждения являются частью одного и того же контура циркуляции хладагента.

2. Установка по п.1, кроме того, содержащая,
по меньшей мере, два агрегата для извлечения жидких фракций из природного газа, каждый из которых имеет вход, выполненный для приема одного из субпотоков природного газа, выход для тяжелой фракции и выход для легкой фракции, отбираемой с верха;
при этом выходы для легкой фракции, отбираемой с верха, соединены со входами основных криогенных систем.

3. Установка по п.2, в которой каждый из агрегатов для извлечения жидких фракций из природного газа имеет вход для флегмы, выполненный для приема жидкой флегмы из выхода для жидкой флегмы, имеющегося в сепараторе, подключенном к отбору с верха, при этом указанный сепаратор имеет вход, сообщающийся по текучей среде с выходом для легкой фракции, отбираемой с верха, и выход для пара, сообщающийся по текучей среде с соответствующим основным теплообменником.

4. Установка по п.3, в которой выше по потоку от сепаратора, подключенного к отбору с верха, размещен теплообменник, подключенный к отбору с верха, предназначенный для отвода теплоты от легкой фракции, отбираемой с верха, при этом холодная сторона указанного теплообменника сообщается по текучей среде, по меньшей мере, с одним из, по меньшей мере, двух контуров циркуляции основного хладагента.

5. Установка по п.1, в которой конечный теплообменник включает два параллельно установленных теплообменника, при этом установка, кроме того, содержит
по меньшей мере, два агрегата для извлечения жидких фракций из природного газа, расположенных выше по ходу движения потока от указанных параллельных конечных теплообменников.

6. Установка по п.1, кроме того, содержащая, по меньшей мере, один конечный агрегат для быстрого испарения, присоединенный к выходам для сжиженного природного газа, по меньшей мере, двух теплообменников и содержащий, по меньшей мере, выход для газа, полученного при конечном быстром испарении, и выход для сжиженного природного газа.

7. Установка по любому из пп.1-6, в которой распределитель имеет, по меньшей мере, два выхода.

8. Способ сжижения потока природного газа, включающий, по меньшей мере,
(a) предварительное охлаждение потока природного газа в одной или более ступенях, включающих конечную ступень предварительного охлаждения, осуществляемое при прохождении через ряд теплообменников в противотоке с хладагентом, используемым для предварительного охлаждения, циркулирующим в контуре для хладагента предварительного охлаждения, при этом указанный ряд теплообменников включает конечный теплообменник, перед которым размещен один или более теплообменников, причем конечная ступень предварительного охлаждения содержит две параллельные горячие стороны,
(b) разделение потока природного газа, по меньшей мере, на первый и второй субпотоки природного газа с использованием распределителя, содержащего, по меньшей мере, два выхода;
(c) дальнейшее охлаждение первого и второго субпотоков природного газа, полученных на стадии (b), до полной конденсации при контактировании с основным хладагентом, по меньшей мере, в двух основных криогенных системах, причем каждая основная криогенная система содержит контур для основного хладагента, по которому циркулирует основной хладагент;
и
(d) отвод потока сжиженного природного газа из основных криогенных систем;
при этом разделение потока природного газа на первый и второй субпотоки природного газа осуществляют выше по ходу движения потока от конечной ступени предварительного охлаждения, причем выходы распределителя соединяют с входами двух параллельных горячих сторон в конечной ступени предварительного охлаждения, так что субпотоки, проходящие через эти параллельные горячие стороны, обмениваются теплом в противопотоке с хладагентом для предварительного охлаждения, циркулирующим в контуре циркуляции хладагента для предварительного охлаждения.

9. Способ по п.8, в котором первый и второй субпотоки природного газа, полученные на стадии (b), одновременно разделяют на жидкую тяжелую фракцию и парообразную легкую фракцию, отбираемую с верха, перед проведением на стадии (с) дальнейшего охлаждения парообразной легкой фракции, отбираемой с верха, с ее полной конденсацией.

10. Способ по п.9, в котором дальнейшее охлаждение на стадии (с) включает частичное конденсирование каждой из парообразных легких фракций, отбираемых с верха, с образованием конденсата легкой фракции и пара легкой фракции, отделение конденсата легкой фракции от пара легкой фракции, подачу конденсата легкой фракции в качестве холодной флегмы на стадию одновременного разделения каждого из субпотоков, а именно первого и второго частично сконденсированных субпотоков природного газа, и дополнительное охлаждение пара легкой фракции с полной конденсацией.

11. Способ по п.10, в котором частичное конденсирование каждой из легких парообразных фракций, отбираемых с верха, включает косвенный теплообмен с основным хладагентом, осуществляемый, по меньшей мере, в одном из, по меньшей мере, двух контуров циркуляции основного хладагента.

12. Способ по любому из пп.8-11, в котором поток сжиженного природного газа, полученного на стадии (d), последовательно расширяют, посредством чего получают смесь, включающую еще более охлажденный сжиженный природный газ и пар, полученный в результате быстрого испарения, при этом пар быстрого испарения отделяют от еще более охлажденного сжиженного природного газа, сжимают, по меньшей мере, частично конденсируют и повторно вводят в поток сжиженного природного газа выше по потоку от места разделения пара, полученного при быстром испарении.