Настоящее изобретение относится к способу для сжижения потока углеводородов, например потока природного газа, используемому, в частности, в процессе производства сжиженного природного газа, и устройству для его осуществления.
Известны различные способы сжижения потока природного газа с получением в результате сжиженного природного газа (СПГ). Сжижение потока природного газа желательно по ряду причин. К примеру, природный газ хранить и транспортировать на большие расстояния легче в виде жидкости, чем в газообразном состоянии, поскольку в жидком виде он занимает меньший объем, и отсутствует необходимость в его хранении при высоком давлении.
В патентном документе ЕР 1008823 В1 описан способ сжижения сжатого сырьевого газа, в соответствии с которым поток поступающего сырья и потоки различных хладагентов пропускают через теплообменник. Выходящий из теплообменника поток смешанных хладагентов отбирают в виде паров, сжимают, охлаждают и затем подвергают быстрому испарению для получения парообразного хладагента и жидкого хладагента, которые или объединяют, или по отдельности вновь вводят в теплообменник. Проблема всех устройств, раскрытых в указанном патентном документе ЕР 1008823 В1, заключается в том, что, если выходящий из используемого теплообменника поток хладагента является полностью парообразным, сырьевой поток в теплообменнике охлаждается по всей его длине с невысоким коэффициентом теплоотдачи, характеризующим испарительное охлаждение. Следовательно, существует проблема, заключающаяся в отсутствии максимального использования охлаждающей способности теплообменника.
В патентном документе DE 19937623 A1 описан способ сжижения потока, богатого углеводородами. Способ включает осуществление косвенного теплообмена с помощью хладагентов, причем каждая выходящая охлаждающая смесь, перед ее сжатием, представляет собой двухфазный поток. На каждой стадии теплообмена две фазы испаряемого выходящего хладагента разделяют, после чего жидкую фазу, перед рециркуляцией, объединяют с повторно сжатой газообразной фазой. Для второго и третьего теплообменников Е2 и Е3, показанных на фиг.1, объединенный хладагент охлаждают с помощью предшествующих теплообменников Е1 и E1+Е2 соответственно. Известная из патентного документа DE 19937623 A1 система охлаждения не эффективна в том случае, когда две фазы имеют при объединении одинаковую температуру, например температуру +40°С для потоков 13 и 14 хладагента первой ступени на фиг.1. Объединенный поток 10 первого хладагента охлаждается в теплообменнике Е1 в достаточной степени перед использованием в качестве потока хладагента в том же теплообменнике.
Проблема, существующая в устройстве, показанном в DE 19937623 A1, связана с повторным объединением потоков 24 и 25 после сепаратора D3 и потоков 35 и 36 хладагента третьей ступени после сепаратора D4. Потоки 24 и 35 жидкого хладагента, отделенные от двухфазных потоков 23 и 34, будут находиться при такой же температуре, что и двухфазные потоки 23 и 34 соответственно, например при температуре приблизительно - 40°С и - 100°С. Однако отделенные газообразные потоки 25 и 36 после их повторного сжатия в компрессорах С3 и С4 будут относительно горячими, и даже при наличии водяных охладителей Е6 и Е7 температуры этих потоков после компрессоров С3 и С4 обычно будут даже выше чем, например, +40°С. Объединенные поток 24 (при -40°С) и поток 25 (приблизительно при +40°С) образуют поток 20 с промежуточной температурой.
Такое объединение потоков 24 и 25 с не совпадающими температурами, которые значительно отличаются, является не эффективным.
Кроме того, объединенный поток 20 хладагента требует охлаждения для того, чтобы приблизить его температуру к температуре, равной - 40°С, или в том случае, если охлаждение необходимо для потока 21 перед его вводом в теплообменник Е2. Такое охлаждение обеспечивается теплообменником Е1, который должен, следовательно, совершить над потоком 20 дополнительную работу (т.е. отвести дополнительное количество теплоты), также, как в случае потоков 10 и 1.
Неэффективность ситуации еще более значительна для объединения потоков 35 и 36. Их температуры не совпадают при смешении еще больше, чем в случае потоков 24 и 25, и необходимо предварительное охлаждение потока 30 с помощью обоих теплообменников Е1 и Е2, для чего требуется, чтобы оба теплообменника имели дополнительную тепловую производительность.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить максимальную передачу теплоты через поверхность теплообмена в сжижающем теплообменнике, в частности, но не обязательно, в установке для сжижения, использующей устройство для сжижения.
Другая задача изобретения заключается в снижении неэффективных затрат энергии, обусловленных не соответствием температуры отдельных потоков хладагента при их использовании и/или объединении.
Задача изобретения состоит также в обеспечении альтернативных и более эффективных способов и устройства для сжижения природного газа.
Одна или более из указанных или другие задачи могут быть решены с помощью настоящего изобретения, предлагающего способ сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, содержащегося в сырьевом потоке, включающий, по меньшей мере, стадии:
(a) прохождения сырьевого потока в противотоке со смешанным хладагентом, циркулирующим через теплообменник, с получением, по меньшей мере, частично сжиженного потока углеводородов, имеющего температуру менее - 100°С;
(b) вытекания смешанного хладагента из теплообменника в виде выходящего парожидкостного потока хладагента;
(c) прохождения указанного выходящего парожидкостного потока хладагента через первый сепаратор с получением потока жидкого хладагента и потока парообразного хладагента;
(d) рециркуляции потока жидкого хладагента стадии (с) в теплообменник стадии (а) без существенного теплообмена;
(e) сжатия потока парообразного хладагента стадии (с) с получением потока сжатого хладагента;
(f) охлаждения потока сжатого хладагента с получением сжатого охлажденного потока, имеющего температуру ниже 0°С; и
(g) рециркуляции сжатого охлажденного потока в теплообменник стадии (а).
Выходящий смешанный хладагент находится в виде комбинации жидкости и пара: то есть смешанный хладагент на выходе из сжижающего теплообменника испарен не полностью. Следовательно, охлаждение осуществляется за счет испарения смешанного хладагента вдоль всей длины или на всем протяжении охлаждающего канала со смешанным хладагентом в теплообменнике до самого выхода. Это повышает коэффициент теплоотдачи вдоль последнего участка зоны теплообмена или объема охлаждения, т.е. поверхности или поверхностей теплоотдачи для смешанного хладагента в теплообменнике.
Охлаждение, осуществляемое с помощью теплообменника, обеспечивает, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью, сжиженный поток углеводородов при температуре ниже -100°С с получением, например, сжиженного природного газа.
Такое охлаждение известно в уровне техники для основного криогенного охлаждения потоков углеводородов, таких как природный газ.
В настоящем изобретении поток жидкого хладагента, отделенный от выходящего парожидкостного потока хладагента, возвращают обратно непосредственно в теплообменник, без необходимости теплообмена с прохождением через другой теплообменник или охладитель, хотя некоторый минимальный теплообмен может происходить, обычно для того, чтобы слегка уменьшить температуру потока жидкого хладагента или способствовать ее поддержанию. Такой минимальный теплообмен не имеет целью значительное изменение температуры потока жидкого хладагента. То есть, изменение температуры потока жидкого хладагента между его отделением от вытекающего парожидкостного потока хладагента и рециркуляцией, осуществляемой или непосредственно, или косвенно (например, при объединении с другим потоком), обратно в теплообменник, должно составлять менее 40°С, предпочтительно менее 30°С, или менее 20°С, или даже менее 10°С. Кроме того, некоторый минимальный теплообмен может происходить в потоке жидкого хладагента, что обусловлено его местонахождением или конструкцией, например длиной или расположением трубопровода, транспортирующего поток жидкого хладагента в теплообменник, и/или близостью указанного потока жидкого хладагента к другим потокам или объединению потоков другого хладагента. Такой минимальный теплообмен должен опять же соответствовать температуре менее чем 40°С, предпочтительно менее 30°С, или менее 20°С, или даже менее 10°С (в случае, когда теплообмен вообще отсутствует).
При исключении какого-либо ощутимого теплообмена вообще или лишь при минимальном теплообмене преимущество настоящего изобретения заключается в том, что делает способ сжижения потока углеводородов более эффективным за счет отсутствия перемешивания или объединения или повторного объединения каких-либо не соответствующих по температурам «холодного» и «горячего» потоков хладагента. Такое повторное объединение не соответствующих по температуре потоков, имеющих значительно отличающиеся температуры, требует переохлаждения для использования при сжижении потоков углеводородов, как это показано в патентном документе DE 1993762 А1.
В патентном документе WO 2006/007278 A2 представлена схема потоков хладагента, которая является типичной для ребристого пластинчатого теплообменника. Фиг.4 в указанном патентном документе иллюстрирует использование двух теплообменников, и в этом случае потоки жидкости, отводимые из сепараторов 510А и 520В, объединяют и подают для объединения с потоками сжатого пара, отводимыми из тех же сепараторов (для получения смешанного потока 402 рециркуляции, который полностью конденсируется в первом теплообменнике 200 с превращением в жидкостный поток 404). Однако в известном решении существует проблема объединения низкотемпературных жидкостных потоков (выходящих из сепараторов) с потоком пара, имеющим намного более высокую температуру (после его сжатия). Такое объединение приводит, вследствие несоответствия температур, к необратимой потере эксергии, т.е полной энергии, которая может быть превращена в работу, принимая во внимание ряд исходных окружающих условий, и поэтому оно менее эффективно, несмотря на какие-либо имеющиеся охладители пара. Рециркулирующий смешанный поток 402 представляет собой все еще смешанный парожидкостный поток.
В патентном документе US 4112700 показана схема, включающая четыре теплообменника предварительного охлаждения природного газа, в которой первая многокомпонентная смесь выходит из четвертого теплообменника предварительного охлаждения со смешанными жидкой и паровой фазами, но без непосредственной рециркуляции жидкой фазы в тот же теплообменник предварительного охлаждения. Кроме того, в этом документе не рассматривается выгода, с точки зрения эксергии, минимизации температурного несоответствия потоков жидкого хладагента в основном криогенном теплообменнике при температуре ниже 0°С.
В патентном документе US 4180123 показана схема, в которой из теплообменника выходит перемешанный двухфазный поток, но лишь жидкую фазу направляют обратно в теплообменник после прохождения через два охладителя. Опять же не рассматривается выгода, с точки зрения эксергии, минимизации температурного несоответствия потоков жидкого хладагента в основном криогенном теплообменнике при температуре ниже 0°С.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что поток первого жидкого хладагента, отделенный от смешанного вытекающего потока хладагента, рециркулирует обратно в указанный теплообменник в виде, по меньшей мере, части общего смешанного хладагента, что снижает выходную мощность, необходимую для охлаждения теплообменника, и делает, таким образом, процесс сжижения более эффективным.
Хотя способ в соответствии с настоящим изобретением применим к различным сырьевым потокам углеводородов, он является особенно подходящим для сжижаемых потоков природного газа.
Кроме того, для специалиста в данной области техники будет очевидным, что после сжижения сжиженный природный газ, в случае необходимости, может быть подвергнут дальнейшей обработке. В качестве примера, можно осуществить снижение давления полученного СПГ при его прохождении через клапан Джоуля-Томпсона или криогенный турбодетандер. Кроме того, между разделением газа и жидкости в разделительном резервуаре и охлаждением могут быть осуществлены дополнительные промежуточные стадии обработки.
Потоком углеводородов может быть любой подходящий обрабатываемый газовый поток, но обычно это поток природного газа, полученный из месторождений природного газа или нефти. В качестве альтернативы поток природного газа может быть также получен из другого источника, включающего, кроме того, искусственный источник, такой как процесс Фишера-Тропша.
Обычно поток природного газа содержит, в основном, метан. Предпочтительно сырьевой поток содержит, по меньшей мере, 60 мол.% метана, более предпочтительно, по меньшей мере, 80 мол.% метана.
В зависимости от источника природный газ может включать различные количества углеводородов, более тяжелых, чем метан, например этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторое количество ароматических углеводородов. Поток природного газа может также содержать неуглеводороды, такие как H2O, N2, CO2, H2S и другие сернистые соединение, и тому подобное.
При необходимости сырьевой поток, содержащий природный газ, может быть подвергнут предварительной обработке, перед его подачей в основной (криогенный) теплообменник. Эта предварительная обработка может включать снижение содержания и/или извлечение нежелательных компонентов, таких как CO2 и H2S, или другие стадии, например предварительное охлаждение, предварительное сжатие или тому подобное. Поскольку эти стадии обработки хорошо известны специалисту в данной области техники, далее они здесь рассмотрены не будут.
Термин «природный газ», используемый здесь, относится к какому-либо составу, содержащему углеводороды, который по существу представляет собой метан. Он относится к составу перед какой-либо обработкой, включающей, например, очистку или промывку, а также какому-либо составу, частично, главным образом, или полностью обработанному для последующего снижения содержания и/или удаления одного или большего количества соединений или веществ, включая, но не в качестве ограничения, серу, двуокись углерода, воду и углеводороды С2+.
Разделительным устройством может служить резервуар, аппарат, колонна или устройство, приспособленное для разделения смешанного хладагента на поток парообразного хладагента и поток жидкого хладагента. Такие разделительные устройства известны в уровне техники и далее здесь не рассматриваются.
Теплообменником может служить колонна, башня, аппарат или другое устройство, приспособленное для прохождения через него ряда потоков и для осуществления прямого или косвенного теплообмена между одной или большим количеством труб с хладагентом и одним или большим количеством сырьевых потоков. Примеры включают кожухотрубный теплообменник или спиральный теплообменник. Предпочтительно, чтобы теплообменник представлял собой криогенный спиральный теплообменник.
Настоящее изобретение, кроме того, предлагает способ обработки потока углеводородов, например потока природного газа, содержащегося в сырьевом потоке, включающий, по меньшей мере, стадии:
(a) прохождения сырьевого потока в противотоке со смешанным хладагентом, циркулирующим через теплообменник, для получения охлажденного потока углеводородов;
(b) вытекания из теплообменника смешанного хладагента в качестве выходящего парожидкостного потока хладагента;
(c) прохождения указанного выходящего парожидкостного потока хладагента через первый сепаратор для получения потока парообразного хладагента и потока жидкого хладагента и
(d) непосредственной рециркуляции потока жидкого хладагента стадии (с) в указанный теплообменник.
Настоящее изобретение включает комбинацию любых или всех описанных выше способов.
Кроме того, настоящее изобретение предлагает устройство для сжижения потока углеводородов, например природного газа, содержащегося в сырьевом потоке, по меньшей мере, содержащее:
теплообменник для сжижения потока углеводородов в противотоке с потоком смешанного хладагента, причем теплообменник имеет вход для потока исходного сырья, выход для, по меньшей мере, частично сжиженного потока, один или более входов для смешанного хладагента и выход для смешанного хладагента, предназначенный для выходящего парожидкостного потока хладагента;
первый сепаратор для разделения вытекающего парожидкостного потока хладагента на пар и жидкость, при этом первый сепаратор имеет первый выход для обеспечения потока парообразного хладагента и второй выход для обеспечения потока жидкого хладагента;
вход для хладагента в теплообменнике, предназначенный для втекания в теплообменник потока жидкого хладагента; компрессор для сжатия потока парообразного хладагента с получением потока сжатого хладагента; один или более охладителей для охлаждения сжатого потока хладагента с получением охлажденного сжатого потока, имеющего температуру ниже 0°С; и
канал для рециркуляции охлажденного сжатого потока в теплообменник.
Воплощение настоящего изобретения будет далее раскрыто с помощью примера и со ссылкой на сопровождающий не ограничивающий изобретение чертеж.
Чертеж - принципиальная схема технологического процесса обработки, соответствующего одному воплощению настоящего изобретения.
Для целей настоящего описания один и тот же номер позиции на чертеже будет использован как для трубопровода, так и для потока, протекающего по этому трубопроводу. Одинаковые элементы схемы обозначены на чертеже одинаковыми номерами позиций.
Чертеж иллюстрирует процесс сжижения сырьевого потока 10, содержащего углеводороды. Сырьевой поток 10 может быть предварительно обработанным потоком природного газа, в котором уменьшено содержание одного или большего количества веществ или соединений, таких как сера, соединения серы, двуокись углерода и влага или вода, предпочтительно они извлечены полностью или по существу, так, как это известно в уровне техники.
При необходимости сырьевой поток 10 может проходить через одну или более ступеней предварительного охлаждения, так, как это известно в уровне техники. При этом одна или больше количество таких ступеней предварительного охлаждения могут включать один или более контуров охлаждения. В качестве примера, исходный поток, содержащий природный газ, обычно обрабатывают от начальной температуры 30-50°С, например от температуры 40°С. При прохождении через одну или больше количество ступеней предварительного охлаждения температура сырьевого потока, включающего природный газ, может быть снижена до температуры в интервале от -30 до -70°С, например от -40 до -50°С.
На чертеже теплообменник 12 предпочтительно представляет собой спиральный криогенный теплообменник, выполненный с тремя проходящими через него (через весь теплообменник или через его часть) трубами. Криогенные теплообменники известны в уровне техники и могут иметь различные схемы течения сырьевого потока (потоков) и потока (потоков) хладагента. Кроме того, такие теплообменники могут также иметь одну или большее количество проходящих через них труб для других текучих сред, например потоков хладагента других ступеней охлаждения или элементов для обработки потоков, предпочтительно установок сжижения. Какие-либо другие подобные трубы или потоки не показаны на чертеже для упрощения.
Сырьевой поток 10 входит в теплообменник 12 через вход 52 для сырьевого потока, проходит через теплообменник по трубе 150 и вытекает через выход 54 для сырьевого потока с получением, по меньшей мере, потока 20 частично сжиженных углеводородов. Этот сжиженный поток 20 предпочтительно сжижен полностью и может быть дополнительно обработан так, как указано ниже. В том случае, когда сжижаемым потоком 20 является природный газ, примерная температура может быть равной - 150°С.
Сжижение сырьевого потока 10 осуществляется посредством контура 160 циркуляции хладагента. Указанный контур 160 циркуляции хладагента обеспечивает циркуляцию смешанного хладагента, предпочтительно представляющего собой смесь газов, более предпочтительно выбранных из группы, включающей азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, пентан и т.п. Состав смешанного хладагента может меняться в зависимости от требуемых условий и параметров для теплообменника 12, так, как это известно в уровне техники.
Известно много схем взаимного расположения входа, выхода и потока хладагента, проходящего через теплообменник для осуществления охлаждения сырьевого потока. Одна или большее количество труб с хладагентом, проходящих через теплообменник, могут также сами охлаждаться в теплообменнике, а не способствовать охлаждению другой трубы или другого потока.
В схеме, показанной на чертеже, имеется входящий поток 30 парообразного хладагента, который проходит через первый вход 66 и затем по трубе 130 через теплообменник 12, прежде чем отводится через первый выход 68 для хладагента. При прохождении через трубу 130 входящий поток 30 парообразного хладагента охлаждается и/или сжижается так, что выходящий поток 45 первого хладагента представляет собой поток жидкости. Выходящий поток 45 первого хладагента протекает через одно или большее количество устройств для снижения давления, таких как дроссельный клапан 14, с тем, чтобы обеспечить поток 50 первого хладагента с пониженным давлением, который представляет собой парожидкостный поток. Этот поток 50 первого хладагента с пониженным давлением вновь поступает в теплообменник 12 через вход 72 и затем известным в уровне техники образом, с прохождением через первый распределительный коллектор 34, может протекать в теплообменнике 12 вниз. По мере того как поток хладагента протекает через теплообменник 12 вниз из первого распределительного коллектора 34, жидкий хладагент частично переходит в парообразное состояние и таким образом осуществляет охлаждение трубы 150 с сырьевым потоком и трубы 130 с потоком парообразного хладагента, характеризуемое высоким коэффициентом теплоотдачи.
В теплообменнике 12 имеется также входящий поток 40 жидкого хладагента, который поступает в теплообменник 12 через вход 64 и протекает в теплообменнике 12 по трубе 140. Этот поток вытекает из теплообменника 12 через выход 74, находящийся на промежуточном уровне между верхом и низом, с получением вытекающего потока 60 второго хладагента, который проходит через расширительное устройство 16 с уменьшением давления и образованием потока 70 второго хладагента с пониженным давлением, при этом поток, который является парожидкостным, поступает через вход 76 обратно в теплообменник 12 и направляется через теплообменник вниз посредством второго распределительного коллектора 36.
Предпочтительно давления первого и второго потоков 50 и 70 хладагента с пониженным давлением по существу одинаковы. То есть какой-либо разброс по давлению является не значительным или не может оказывать влияние на работу теплообменника 12.
До настоящего времени для жидкого потока хладагента с фазовым изменением, направляемого на рециркуляцию в теплообменник, известный из уровня техники, допускалось изменение фазового состояния полностью от жидкого до парообразного, и таким образом получали поток в виде выходящего парообразного потока. Это приводило к образованию в известном теплообменнике двух основных областей или зон. В первой зоне для жидкости, находящейся в парожидкостном потоке (потоках) хладагента, допускается изменение фазового состояния с превращением ее в пар, и за счет этого осуществляется охлаждение сырьевого потока и каких-либо других также охлаждаемых потоков. В указанной первой зоне теплообменник можно считать находящимся во «влажном» режиме работы.
Когда изменение фазового состояния заканчивается, образуется вторая зона, которая представляет собой поверхность или объем в теплообменнике (находящийся обычно ниже первой зоны), где хладагент находится полностью в виде пара. Поскольку в указанной второй зоне больше не происходит какого-либо изменения фазового состояния хладагента, т.е. существует единственная паровая фаза, в теплообменнике имеется поверхность теплообмена, которая обеспечивает охлаждение лишь при значительно меньшей величине коэффициента теплоотдачи. Некоторое охлаждение может еще осуществляться с изменением температуры пара, но коэффициент теплоотдачи от пара имеет значительно меньшую величину, чем коэффициент теплоотдачи от жидкости, которая превращается в пар. Таким образом, вторая зона известного теплообменника значительно менее эффективная для обеспечения какого-либо охлаждения сырьевого потока и т.п.
На чертеже в соответствии с настоящим изобретением протекающий сверху вниз поток хладагента в теплообменнике 12 показан выходящим из теплообменника 12 через выход 62 в виде выходящего парожидкостного потока 80 хладагента. Поскольку этот выходящий поток 80 еще содержит жидкий хладагент, то, следовательно, превращение жидкой фазы в пар при прохождении потока через теплообменник 12 происходит в промежутке от первого и второго распределительных коллекторов 34, 36 до выхода 62. Таким образом, в теплообменнике 12 не существует поверхность или объем, или существует минимальная поверхность или объем, в котором хладагент находится только в парообразном состоянии. То есть отсутствует или существует минимальная поверхность или объем, в котором протекающий сверху вниз поток хладагента не обеспечивает наибольшую эффективность передачи теплоты (с высоким коэффициентом теплоотдачи) и, следовательно, наиболее эффективное охлаждение трубы 150 с сырьевым потоком (и других труб теплообменника). Таким образом, достигается максимальная поверхность теплообмена или максимальный объем внутри теплообменника 12 для теплообмена с сырьевым потоком 10. Это обеспечивает увеличение эффективной поверхности теплообмена, возможно на 10%, при таких же геометрических размерах и форме теплообменника.
Теплообменник 12 обычно работает при низком давлении, например в интервале от 1 до 10 бар. Температура в нижней части теплообменника может находиться в интервале от -30 до -50°С, так, что вытекающий поток 80 хладагента находится при одной и той же температуре из указанного интервала.
Вытекающий парожидкостный поток 80 хладагента через вход 78 направляют в первый сепаратор 18 для разделения жидкости и пара, который также работает при низком давлении, например от 1 до 10 бар. Первый сепаратор 18 разделяет выходящий поток 80 хладагента известным в уровне техники образом с получением отводимого через первый выход 82 потока 90 парообразного хладагента и через второй выход 84 - потока 110 жидкого хладагента, имеющего, как правило, температуру в том же интервале от -30 до -50°С.
Поток 90 парообразного хладагента может быть сжат с использованием способа, известного в уровне техники, включающего использование одного или более компрессоров и одного или более охладителей. На чертеже в качестве примера показан компрессор 22 для получения сжатого потока 95, имеющего (только для примера) температуру, приблизительно равную 75°С. Полученный сжатый поток 95 затем охлаждают с помощью водяного и/или воздушного охладителя 24 и следующего охладителя 25 с получением потока 100 охлажденного сжатого хладагента, имеющего предпочтительно температуру в интервале от -30 до -50°С.
Необязательно следующий охладитель 25, кроме того, обеспечивает, по меньшей мере, некоторое охлаждение сырьевого потока 10, в каком-либо процессе предварительного охлаждения, перед прохождением через теплообменник 12 таким образом, как это описано выше.
Поток 100 охлажденного сжатого хладагента может быть направлен обратно непосредственно в теплообменник 12. Предпочтительно же он через вход 86 проходит во второй сепаратор 26 для получения потока 30 парообразного хладагента, отводимого через первый выход 88 сепаратора и поступающего в теплообменник, и потока 40 жидкого хладагента, поступающего в теплообменник через второй выход 92. Второй сепаратор работает при относительно высоком давлении, например, находящемся в интервале от 30 до 60 бар, предпочтительно 40-55 бар.
Для возвращения обратно в теплообменник 12 поток 110 жидкого хладагента может быть объединен с потоком 100 сжатого охлажденного хладагента перед направлением во второй сепаратор 26, или же поток 110 жидкого хладагента может быть направлен непосредственно в сепаратор 26 или поток 110 жидкого хладагента может быть вновь введен в теплообменник 12 отдельно (от потока 100) с предварительным вводом в какой-либо другой поток хладагента. Поток 110 жидкого хладагента направляют на рециркуляцию в теплообменник 12 без ощутимого теплообмена потока 110 жидкого хладагента в промежутке между выходом 84 из первого парожидкостного сепаратора 18 и входом теплообменника 12. Предпочтительно, чтобы теплообмен потока 110 жидкого хладагента в промежутке между выходом 84 из первого сепаратора 18 для разделения пара и жидкости и входом теплообменника 12 вообще отсутствовал.
Предпочтительно, чтобы входящий поток 40 жидкого хладагента и поток 110 жидкого хладагента (прокачиваемый через насос 94) вновь поступали в теплообменник 12 через вход 64 в виде объединенного потока 120 жидкого хладагента, полученного посредством средства 28 объединения, например тройника или соединительной муфты.
Предпочтительно разность температур потока 110 жидкого хладагента и потока 100 сжатого охлажденного хладагента (и поэтому также входящего потока 40 жидкого хладагента, который будет иметь такую же или по существу такую же температуру, что и указанный поток 100 охлажденного сжатого хладагента), составляет менее чем 10°С, предпочтительно менее 5°С и еще более предпочтительно - менее 3°С. Такие близкие температуры указанных потоков минимизируют какие-либо потери эксергии, необходимые для выравнивания температур перед повторным вводом в теплообменник 12.
В качестве примера, температура вытекающего парожидкостного потока 80 хладагента может находиться в интервале от -40 до -50°С, так что поток 110 жидкого хладагента из первого сепаратора 18 находится при этой приблизительной температуре или, возможно, при немного более низкой температуре. В том случае, когда температурный интервал для втекающего потока 40 жидкого хладагента, выходящего из второго сепаратора 26, также составляет от -40 до -50°С, их объединение с помощью средства 28 объединения с получением объединенного потока 120 жидкого хладагента является близким по температуре, находящейся, например, в интервале от -45 до -50°С.
Такие близкие температуры применимы также к вводу потока 110 жидкого хладагента где-нибудь в другом месте, в соответствии с изложенным выше.
Сжиженный природный газ 20 из системы сжижения может быть направлен на дальнейшее охлаждение, например в ступень переохлаждения и/или в конечный сепаратор, в котором пар может быть извлечен для использования в этой установке в качестве топлива, например, для газовых турбин, приводящих в действие различные компрессоры, а сжиженный природный газ - продукт - может быть направлен в резервуар для хранения или в другое средство для хранения и транспортировки.
Конечным сепаратором может быть конечный аппарат быстрого испарения, который может быть использован после ступени переохлаждения для оптимизации процесса производства сжиженного природного газа (СПГ). Обычно эта ступень включает конечный компрессор, приводимый в движение посредством отдельного электрического приводного электродвигателя. Мощность, необходимая для привода конечного компрессора, обычно меньше мощности, необходимой для компрессора ступени переохлаждения.
Преимущества настоящего изобретения иллюстрируются данными в приведенной ниже таблице 1.
В первой колонке таблицы 1 приведены данные работы основного теплообменника (ОТО) в известном из уровня техники сравнительном способе сжижения, с производительностью около 17,5 кмоль/с. Теплообменник содержит пучок теплых труб и пучок холодных труб, с эффективными площадями поверхности (UA), составляющими соответственно приблизительно 60000 и 13000 кВт/°К. Содержание жидкости в хладагенте низкого давления, покидающем межтрубную зону теплообменника, соответствует 0%, т.е. этот теплообменник работает в «сухом» режиме.
За счет изменения состава вытекающего хладагента в соответствии с настоящим изобретением, выбранного таким образом, что содержание жидкости в хладагенте, покидающем теплообменник, становится равным 0,5 мол.%, основной теплообменник работает теперь полностью во «влажном» режиме. Как результат работы во «влажном» режиме величина коэффициента теплоотдачи U, которая имеет место в нижней части теплообменника, такая же и по всей высоте теплообменника. Как показано во второй, «влажной» колонке в таблице 1, это увеличивает величину эффективной площади поверхности (UA) теплого пучка теплообменника приблизительно на 10%, что обеспечивает повышение производства продукта примерно на 1,6% для идентичных мощностей на сжатие хладагента и геометрических поверхностей теплообмена. В промышленном масштабе такое увеличение является значительным.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено многими путями без выхода за пределы объема приложенных пунктов формулы изобретения.
Изобретение относится к способу и устройству сжижения потока природного газа, содержащегося в сырьевом потоке. Сырьевой поток (10) проходит в противотоке со смешанным хладагентом, циркулирующим через теплообменник (12), с получением, по меньшей мере, частично сжиженного потока (20) углеводородов, имеющего температуру менее - 100°С. Смешанный хладагент выходит из теплообменника (12) в виде выходящего жидкого и газообразного потока (80) хладагента, который проходит через первый сепаратор (18) с получением потока (110) жидкого хладагента и потока (90) парообразного хладагента. Поток (110) жидкого хладагента возвращается в теплообменник (12) без существенного теплообмена. Поток (90) парообразного хладагента сжимают с получением сжатого потока (95) хладагента, который охлаждают с получением сжатого охлажденного потока (100), имеющего температуру ниже 0°С. Сжатый охлажденный поток (100) возвращается в теплообменник (12). Использование изобретения позволит максимальную передачу теплоты через поверхность теплообмена в сжижающем теплообменнике. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
1. Способ сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, содержащегося в сырьевом потоке (10), включающий, по меньшей мере, стадии:
(a) прохождения сырьевого потока (10) в противотоке со смешанным хладагентом, циркулирующим через теплообменник (12), с получением, по меньшей мере, частично сжиженного потока (20) углеводородов, имеющего температуру менее - 100°С;
(b) вытекания смешанного хладагента из теплообменника (12) в виде выходящего парожидкостного потока (80) хладагента;
(c) прохождения указанного выходящего парожидкостного потока (80) хладагента через первый сепаратор с получением потока (90) жидкого хладагента и потока (110) парообразного хладагента;
(d) рециркуляции потока (110) жидкого хладагента стадии (с) в теплообменник (12) стадии (а) через насос (94) без существенного теплообмена;
(e) сжатия потока (90) парообразного хладагента стадии (с) с получением сжатого потока (95) хладагента;
(f) охлаждения сжатого потока (95) хладагента с получением сжатого охлажденного потока (100), имеющего температуру ниже 0°С; и
(g) рециркуляции сжатого охлажденного потока (100) в теплообменник (12) стадии (а).
2. Способ по п.1, в котором теплообменник (12) представляет собой кожухотрубный теплообменник или спиральный теплообменник и предпочтительно является криогенным теплообменником.
3. Способ по п.1, в котором теплообменник (12) полностью сжижает сырьевой поток (10).
4. Способ по п.3, в котором сырьевым потоком является природный газ (10), а поток (20) сжиженных углеводородов представляет собой сжиженный природный газ.
5. Способ по п.1, в котором температура потока (110) жидкого хладагента находится в интервале от -30°С до -50°С.
6. Способ по п.1, в котором разность температур потока (110) жидкого хладагента и охлажденного сжатого потока (100) составляет менее 10°С, предпочтительно менее 5°С или менее 3°С.
7. Способ по одному или более из пп.1-6, в котором охлажденный сжатый поток (100) перед рециркуляцией в теплообменник (12) разделяют с получением входящего потока (30) парообразного хладагента и входящего потока (40) жидкого хладагента.
8. Способ по п.7, в котором входящий поток (40) жидкого хладагента объединяют с потоком (110) жидкого хладагента стадии (с).
9. Способ по п.8, в котором разность температур потока (110) жидкого хладагента и входящего потока (40) жидкого хладагента составляет менее 10°С, предпочтительно менее 5°С или менее 3°С.
10. Устройство для сжижения потока углеводородов, например природного газа, содержащегося в сырьевом потоке (10), содержащее теплообменник (12) для сжижения потока углеводородов в противотоке с потоком смешанного хладагента, причем теплообменник (12) имеет вход (52) для потока (10) исходного сырья, выход (54) для, по меньшей мере, частично сжиженного потока (20), один или более входов (64, 66) для смешанного хладагента, и выход (62) для смешанного хладагента, предназначенный для выходящего парожидкостного потока (80) хладагента;
первый сепаратор (18) для разделения вытекающего парожидкостного потока (80) хладагента на пар и жидкость, при этом первый сепаратор (18) имеет первый выход (82) для обеспечения потока (90) парообразного хладагента и второй выход (84) для обеспечения потока (110) жидкого хладагента;
вход (64) для хладагента в теплообменнике (12), служащий для ввода в теплообменник (12) потока (110) жидкого хладагента;
насос (94) для направления потока (110) жидкого хладагента в теплообменник (12);
компрессор (22) для сжатия потока (90) парообразного хладагента с получением потока (95) сжатого хладагента;
один или более охладителей (24, 25), используемых для охлаждения потока (95) сжатого хладагента с целью получения охлажденного сжатого потока (100), имеющего температуру ниже 0°С; и
канал для рециркуляции охлажденного сжатого потока (100) в теплообменник (12).
11. Устройство по п.10, дополнительно содержащее второй сепаратор (26) для разделения охлажденного сжатого потока (100) на входящий поток (30) парообразного хладагента и входящий поток (40) жидкого хладагента.
12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее средство (28) объединения входящего потока (40) жидкого хладагента и потока (110) жидкого хладагента перед их рециркуляцией в теплообменник (12).
13. Устройство по п.11 или 12, в котором теплообменник (12) включает первую трубу (130) для хладагента, предназначенную для потока (30) парообразного хладагента, и вторую трубу (140) для хладагента, предназначенную для входящего потока (40) жидкого хладагента и потока (110) жидкого хладагента.
| US 4180123 A, 25.12.1979 | |||
| WO 2006007278 A2, 19.01.2006 | |||
| DE 19937623 A1, 15.02.2001 | |||
| US 4112700 A, 12.09.1978 | |||
| СПОСОБ И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ СМЕШАННОГО ХЛАДАГЕНТА | 1997 |
|
RU2175099C2 |
