СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОТОКА УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2012 года по МПК F25J1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу охлаждения потока углеводородов, например потока природного газа, в частности, при производстве сжиженного потока углеводородов, например сжиженного природного газа (СПГ).

Уровень техники

Известны различные способы охлаждения и сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа. Сжижение потока природного газа желательно по ряду причин. К примеру, природный газ можно легче хранить и транспортировать на большие расстояния в виде жидкости, чем в газообразном состоянии, поскольку он занимает меньший объем и отсутствует необходимость его хранения при высоком давлении.

Пример способа сжижения природного газа описан в Патенте US 6370910.

Хотя способ согласно патенту US6370910 уже дает удовлетворительные результаты, было установлено, что, если поставляемый природный газ находится при температуре, которая значительно отличается от температуры хладагентов, в используемом для охлаждения оборудовании могут иметь место термические напряжения, возникающие вследствие различных расширений и внутренних сжатий. Эта проблема может быть еще более актуальной в период весенних месяцев и/или в холодных климатических зонах, например в арктических зонах, в результате чего природный газ поставляют при относительно низких температурах.

Независимо от проблем, относящихся к используемому оборудованию, вышесказанное может привести к снижению термического к.п.д. процесса охлаждения или сжижения.

Задача настоящего изобретения заключается в минимизации одной или более из отмеченных выше проблем.

Еще одна задача изобретения заключается в обеспечении альтернативного способа охлаждения, в частности сжижения потока углеводородов.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает способ охлаждения потока углеводородов, например потока природного газа, в соответствии с которым поток углеводородов и поток первого хладагента охлаждают совместно в противотоке с испаряющимся хладагентом в одном или более последовательно размещенных общих теплообменниках, при этом первый общий теплообменник, расположенный выше по ходу движения потока, от которого поток углеводородов и поток первого хладагента совместно не охлаждают, при этом способ включает, по меньшей мере, следующие стадии:

(a) сжатие потока первого хладагента с получением сжатого потока первого хладагента;

(b) охлаждение сжатого потока первого хладагента в противотоке с окружающей средой до некоторой температуры хладагента;

(c) подача охлаждаемого потока углеводородов при начальной температуре, которая ниже указанной (некоторой) температуры хладагента;

(d) подача потока углеводородов в первый общий теплообменник при температуре подачи углеводородов, которая ниже указанной температуры хладагента;

(e) дополнительное снижение температуры потока первого хладагента после указанного его охлаждения на стадии (b) с помощью теплообменника в противотоке с текучей средой, отличающейся от окружающей среды;

(f) подача потока первого хладагента в первый общий теплообменник после проведения теплообмена на стадии (е) при температуре подачи хладагента, которая ниже указанной температуры хладагента, при этом разность температур подачи углеводородов и подачи хладагента составляет менее 60°С.

Указанная разность температур предпочтительно меньше первоначальной разности между начальной температурой указанного потока углеводородов и указанной температурой хладагента.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает устройство для охлаждения потока углеводородов, например потока природного газа, содержащее:

- поток первого хладагента;

- компрессор, приспособленный для сжатия потока первого хладагента с получением сжатого потока первого хладагента;

- охладитель, использующий в качестве хладагента окружающую среду, приспособленный для охлаждения сжатого потока первого хладагента в противотоке с окружающей средой до некоторой температуры хладагента;

- теплообменник предварительного охлаждения, приспособленный для приема охлажденного сжатого первого потока хладагента и дальнейшего снижения температуры потока первого хладагента за счет теплообмена в противотоке с текучей средой, отличающейся от окружающей среды;

- источник углеводородов, приспособленный для обеспечения потока охлаждаемых углеводородов при исходной температуре, которая ниже указанной (некоторой) температуры хладагента;

- ряд теплообменников, образованный из одного или более последовательно расположенных общих теплообменников, приспособленных для приема и совместного охлаждения, по меньшей мере, потока углеводородов и потока первого хладагента от первого общего теплообменника, расположенного выше по потоку, не находится никакой другой общий теплообменник, в котором могут быть совместно охлаждены поток углеводородов и поток первого хладагента;

- вход для углеводородов, имеющийся в первом общем теплообменнике, приспособленный для приема потока углеводородов при температуре подачи углеводородов, которая ниже указанной температуры хладагента;

- вход для первого хладагента, имеющийся в первом общем теплообменнике, приспособленный для приема первого хладагента из теплообменника предварительного охлаждения при температуре подачи хладагента, которая ниже указанной температуры хладагента и такая, что разность температур между температурой подачи углеводородов и температурой подачи хладагента составляет менее 60°С.

Было установлено, что, используя удивительно простые способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, можно в значительной степени минимизировать термические напряжения, обусловленные различными расширениями и внутренними сжатиями.

В дальнейшем изобретение будет иллюстрировано следующими не ограничивающими чертежами:

фиг.1 - схематическое изображение схемы процесса согласно первому воплощению в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - схематическое изображение схемы процесса согласно второму воплощению в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - схематическое изображение схемы процесса согласно третьему воплощению в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 - блок-схема процесса согласно настоящему изобретению, направленного на производство сжиженного потока углеводородов.

Для целей этого описания одним ссылочным номером позиции будет обозначена трубопроводная линия (трубопровод), а также поток, транспортируемый по этой трубопроводной линии. Одинаковые элементы схем обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиции.

Поток углеводородов, представляющий собой поток природного газа, охлаждают вместе с потоком первого хладагента в противотоке с испаряющимся хладагентом при прохождении через один или большее количество последовательно расположенных теплообменников. Общие теплообменники включают первый общий теплообменник, выше по потоку от которого упомянутые поток углеводородов и поток первого хладагента совместно не охлаждаются. Другими словами, понятно, что первый общий теплообменник расположен выше по потоку относительно всех других теплообменников и осуществляет совместное охлаждение, по меньшей мере, потока углеводородов и потока первого хладагента.

Охлаждаемый поток хладагента направляют в первый общий теплообменник при температуре подачи углеводородов, в то время как поток первого хладагента подают в первый общий теплообменник при температуре подачи хладагента. Разность между температурой подачи углеводородов и температурой подачи хладагента составляет менее 60°C, предпочтительно - менее 40°C, более предпочтительно - менее 20°C, еще более предпочтительно - менее 10°C и наиболее предпочтительно - менее 5°C.

Важное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что, в особенности, в случае существования большой разности между, с одной стороны, температурой охлаждаемого потока углеводородов и, с другой стороны, температурой, по меньшей мере, одного хладагента (предпочтительно всех) из первого и второго (и какого-либо другого) хладагентов, подводимых к одному и тому же теплообменнику, эти температуры выравниваются приблизительно до одинаковой температуры, что тем самым позволяет избежать возникновения внутреннего сжатия и термических напряжений, обусловленных различным расширением, что может иметь место, например, в катушечных теплообменниках.

При определенных внешних условиях, например, если поток углеводородов поступает, например, по трубопроводной линии - от источника углеводородов, находящегося в более холодной географической зоне, этот поток углеводородов может в начале осуществления способа быть холоднее, чем первый хладагент, покидающий охладители, использующие в качестве хладагента внешнюю среду, которые обычно используют в контуре циркуляции хладагента для отвода от хладагента теплоты сжатия. Таким образом, поток углеводородов уже может нести с собой холод, который не был получен за счет интенсивного применения режима охлаждения, реализуемого, например, посредством сжатия/расширения. Это холод предпочтительно сохраняется.

За счет последующего дополнительного охлаждения первого хладагента, охлажденного окружающей средой, в противотоке с текучей средой, отличающейся от окружающей среды, температура этого хладагента может быть приближена к температуре углеводородов при отсутствии необходимости осуществления дополнительного цикла нагревания с целью подогрева потока углеводородов.

Если поток углеводородов обеспечивают при низких температурах, которые, например, могут быть в случае зимних месяцев или в холодных климатических зонах, например в Арктической зоне, этот холод можно использовать для охлаждения хладагентов, в результате чего для охлаждения первого хладагента и, по усмотрению, второго хладагента необходима меньшая холодопроизводительность.

Охлажденный поток углеводородов после прохождения через ряд теплообменников, образованный из одного или более общих теплообменников, может быть отведен из одного или более общих теплообменников и, по усмотрению, дополнительно охлажден, по меньшей мере, во втором теплообменнике с получением сжиженного потока углеводородов.

Ниже описаны три воплощения предложенного способа, которые включают проведение следующих стадий:

подача охлаждаемого потока углеводородов, первого хладагента и, по усмотрению, второго хладагента в первый теплообменник и их прохождение через первый теплообменник, при этом разность температур потока углеводородов и, по меньшей мере, одного из хладагентов, первого и, по усмотрению, второго хладагентов, при их подаче в первый теплообменник составляет менее 60°C, предпочтительно - менее 40°C, более предпочтительно - менее 20°C, еще более предпочтительно - менее 10°C, наиболее предпочтительно - менее 5°C;

отвод первого хладагента из первого теплообменника, его расширение и возвращение в первый теплообменник, при этом обеспечивают, по меньшей мере, частичное испарение расширенного первого хладагента в первом теплообменнике, за счет чего из потока углеводородов извлекается теплота и тем самым получают охлажденный поток углеводородов;

отвод охлажденного потока углеводородов из первого теплообменника.

Поток углеводородов и, по меньшей мере, первый хладагент, таким образом, как правило, охлаждаются в первом теплообменнике. Если выше по ходу течения потока от первого теплообменника поток углеводородов и первый хладагент совместно не охлаждаются или так как в некоторых воплощениях изобретения, раскрытых ниже, выше по потоку от первого теплообменника не размещен никакой другой общий теплообменник, в котором поток углеводородов и поток первого хладагента могли бы совместно охлаждаться, то понятно, что первый теплообменник, для целей настоящего описания, является первым общим теплообменником. Первый общий теплообменник может быть первым теплообменником (расположенным выше всех других по ходу течения потока) в ряду последовательно расположенных обычных теплообменников.

Охлажденный поток углеводородов, выходящий из первого теплообменника, может иметь температуру ниже -20°C, предпочтительно ниже -60°C и более предпочтительно выше -100°C. Охлажденный поток углеводородов, отведенный из первого теплообменника, может быть дополнительно охлажден во втором теплообменнике с получением в результате сжиженного потока углеводородов.

Охлаждаемым потоком углеводородов может быть какой-либо подходящий поток, содержащий углеводороды, но обычно этот поток представляет собой поток природного газа, добытого из месторождений природного газа или нефти. В качестве альтернативы, природный газ может быть получен из другого источника углеводородов, включающего, кроме того, искусственный источник, такой как процесс синтеза Фишера-Тропша.

Обычно поток углеводородов содержит, в основном, метан. В зависимости от используемого источника природный газ может содержать различное количество углеводородов, более тяжелых, чем метан, например этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторое количество ароматических углеводородов. Указанный поток углеводородов может также содержать неуглеводороды, например H₂O, N₂, CO₂, H₂S и другие сернистые соединения, и тому подобное.

При желании поток углеводородов может быть предварительно обработан перед его подачей в первый теплообменник или в теплообменник предварительного охлаждения. Эта предварительная обработка может включать удаление каких-либо находящихся в потоке нежелательных компонент, таких как H₂O, CO₂ и H₂S, или может включать другие стадии обработки, например предварительное охлаждение, предварительное сжатие или тому подобное. Поскольку специалисту в данной области техники эти операции хорошо известны, далее они здесь рассматриваться не будут. Предпочтительно для целей настоящего описания предполагается, что температура потока углеводородов после проведения какой-либо предварительной обработки представляет собой начальную температуру потока углеводородов.

Первым хладагентом и, по усмотрению, вторым хладагентом (и какими-либо другими используемыми хладагентами) может быть какой-либо подходящий хладагент. Хотя первый хладагент и, по усмотрению, второй хладагент может быть однокомпонентным (как, например, пропан), предпочтительно, чтобы первым хладагентом и, по усмотрению, вторым хладагентом в обоих случаях был многокомпонентный хладагент. Хотя такой многокомпонентный хладагент не ограничивается определенным составом, как правило, он включает одну или большее количество компонент, выбранных из группы, в которую входят алканы с неразветвленной или разветвленной структурой и алкены, такие как метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан.

Специалисту в данной области техники будет понятно, что процесс расширения может быть осуществлен различными путями, используя для этого какое-либо средство расширения (например, дроссельный клапан, испарительный клапан или традиционный детандер).

Предпочтительно поток углеводородов перед его подачей в первый теплообменник предварительно охлаждают в теплообменнике предварительного охлаждения. Предпочтительно, чтобы первый хладагент и, по усмотрению, второй хладагент также предварительно охлаждали в теплообменнике предварительного охлаждения.

Первый хладагент и, по усмотрению, второй хладагент могут быть оба предварительно охлаждены в первом теплообменнике предварительного охлаждения, в то время как поток углеводородов может быть предварительно охлажден во втором теплообменнике предварительного охлаждения. Предпочтительно первый теплообменник предварительного охлаждения не такой, как второй теплообменник предварительного охлаждения, и предпочтительно поток углеводородов не охлаждается предварительно в первом теплообменнике предварительного охлаждения.

В соответствии с особо предпочтительным воплощением охлажденный поток углеводородов, отводимый из первого теплообменника, имеет температуру менее -20°C, предпочтительно - ниже -60°C и выше -100°C. Охлажденный поток углеводородов, отводимый из первого теплообменника, предпочтительно затем может быть дополнительно охлажден во втором теплообменнике (и, по усмотрению, в дополнительных теплообменниках) с получением в результате сжиженного потока углеводородов, например потока СПГ. При необходимости может быть произведено дополнительное охлаждение, например, для получения переохлажденного потока СПГ.

Устройства, подходящие для осуществления описанных здесь способов, могут содержать:

- первый теплообменник, имеющий вход для потока углеводородов и выход для охлажденного потока углеводородов, вход и выход для первого хладагента, необязательные вход и выход для необязательного второго хладагента, а также вход для расширенного первого хладагента и выход для, по меньшей мере, частично испаренного первого хладагента; и

- расширительное устройство для расширения первого хладагента, обменявшегося теплотой в первом теплообменнике, между выходом первого теплообменника для первого хладагента и входом для расширенного первого хладагента.

Кроме того, может быть предусмотрен теплообменник предварительного охлаждения, в котором поток углеводородов и/или первый и, по усмотрению, второй хладагенты могут быть предварительно охлаждены перед подачей в первый теплообменник.

По желанию, предложенное устройство, кроме того, может содержать второй теплообменник для дополнительного охлаждения охлажденного потока углеводородов, отведенного из первого теплообменника, с получением в результате сжиженного потока углеводородов.

На фиг.1 схематически представлена схема процесса (и устройство для осуществления этого процесса, обозначенное, в целом, ссылочным номером 1) в соответствии с первым воплощением настоящего изобретения для охлаждения потока 10 углеводородов, например потока природного газа. Схема процесса (схема осуществления способа), иллюстрируемая на фиг.1, включает первый теплообменник 2, первый теплообменник 3 предварительного охлаждения и второй теплообменник 4 предварительного охлаждения. Кроме того, схема процесса включает дроссельные клапаны 7, 8 и 9, разделитель 11 потока и указанные выше два охладителя 13, 14, воздушный и водяной. Специалист в данной области техники может легко понять, что при желании в схеме, кроме того, могут быть использованы и другие элементы.

Подачу потока углеводородов обеспечивают при относительно низкой начальной температуре (например, ниже 10°C, предпочтительно ниже 0°C) по сравнению с температурой хладагента, представляющей собой температуру потока 130 первого хладагента после прохождения охладителя 13, использующего в качестве хладагента окружающую среду, которым может служить воздушный охладитель или водяной охладитель.

В соответствии с первым воплощением первый хладагент, охлажденный окружающей средой, затем предварительно охлаждают в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения вместе со вторым хладагентом в противотоке с текучей средой, отличающейся от окружающей среды. Указанную текучую среду подают в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения через вход 34 по трубопроводу 170а. Поток углеводородов предварительно охлаждают во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения. Следует отметить, что предварительное охлаждение указанного потока углеводородов в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения не предусмотрено. В соответствии с изложенным в рассматриваемом воплощении первый и второй теплообменники предварительного охлаждения размещены параллельно.

Предварительно охлажденные первый и второй хладагенты (140, 240) и предварительно охлажденный поток 30 углеводородов затем совместно охлаждают в первом теплообменнике 2, который в рассматриваемом воплощении, как это понятно, является первым общим теплообменником.

Предварительно охлажденный поток углеводородов подают в первый теплообменник 2 при температуре подачи углеводородов, которая меньше температуры хладагента. Предварительно охлажденный первый хладагент направляют в первый теплообменник 2 при температуре подачи хладагента, которая ниже указанной температуры хладагента (вследствие его предварительного охлаждения в указанном первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения). При этом разность между температурой подачи углеводородов и температурой подачи хладагента составляет менее 60°C.

При использовании схемы процесса в соответствии с фиг.1 поток углеводородов 10, содержащий природный газ, подают на вход 41 второго теплообменника предварительного охлаждения при определенных значениях входного давления и входной температуры. Входная температура в этом случае представляет собой начальную температуру углеводородов. Как правило, давление на входе во второй теплообменник предварительного охлаждения будет находиться в интервале от 10 до 100 бар, предпочтительно - выше 30 бар и более предпочтительно - выше 70 бар. Температура потока 10 углеводородов обычно будет ниже 30°C, предпочтительно - ниже 10°C, более предпочтительно - ниже 5°C и еще более предпочтительно - ниже 0°C.

По желанию, поток 10 углеводородов, кроме того, предварительно может быть обработан перед его подачей во второй теплообменник 4 предварительного охлаждения. В качестве примера, CO₂, H₂S и углеводородные компоненты, имеющие молекулярный вес пропана или выше, могут быть, по меньшей мере частично, удалены из потока 10 углеводородов.

Во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения поток 10 углеводородов (подводимых на вход 41) предварительно охлаждают посредством теплообмена в противотоке с потоком 180а первого хладагента, который испаряется во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения, в результате чего от потока 10 углеводородов отводится теплота (и он охлаждается). После этого поток углеводородов отводят (через выход 45) в виде потока 30 из второго теплообменника 4 предварительного охлаждения и направляют (в обход первого теплообменника 3 предварительного охлаждения) в первый теплообменник 2 на дополнительное охлаждение. С этой целью поток 30 подают на вход 21 первого теплообменника 2, охлаждают, опять же с помощью теплообмена в противотоке (относительно потока 155) с первым хладагентом, который испаряется в первом теплообменнике 2, с отводом в результате теплоты от потока 30 углеводорода (а также от первого хладагента 140, который подают на вход 22, и от второго хладагента 240, поступающего на вход 23), после чего отводят в виде охлажденного потока 40 углеводородов. Предпочтительно, охлажденный поток 40 углеводородов, отводимый из первого теплообменника 2 (через выход 25), имеет температуру ниже -20°C, предпочтительно - ниже -60°C и предпочтительно выше -100°C.

Как схематически показано на фиг.4, охлажденный поток 40 углеводородов может быть дополнительно охлажден с получением сжиженного потока углеводородов (поток 50 на фиг.4), например потока СПГ.

Первый и второй хладагенты, оба, предпочтительно циркулируют в отдельных замкнутых контурах с хладагентом (не показаны полностью на фиг.1) и предпочтительно в виде потоков многокомпонентного хладагента.

Поток 110 первого хладагента нагнетают из компрессорного агрегата (не показан), охлаждают в воздушном или водяном охладителе 13 (после проведенного, по усмотрению, дополнительного охлаждения) и направляют в виде потока 130 в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения (на вход 32). После прохождения через первый теплообменник 3 предварительного охлаждения первый хладагент 135 разделяют в разделительных элементах 11 и 12 на три части - три частичных потока 140, 170 и 180.

В качестве разделительных элементов 11 и 12 предполагается, как правило, использовать известные разделительные элементы, с помощью которых в результате получают, по меньшей мере, два потока, имеющие одинаковый состав. Разделительные элементы 11 и 12, кроме того, могут быть заменены единственным разделительным элементом, с помощью которого получают, по меньшей мере, три частичных потока 140, 170 и 180.

Первый частичный поток 140 направляют в первый теплообменник 2 (и подают на его вход 22), в то время как второй и третий частичные потоки 170, 180 расширяют (в расширительных устройствах 8 и 9) и направляют в первый и второй теплообменники 3, 4 предварительного охлаждения соответственно.

Первый частичный поток 140 первого хладагента пропускают через первый теплообменник 2, расширяют в расширительном устройстве 7 и в виде потока 155 подают на вход 24 первого теплообменника 2, в котором он, по меньшей мере частично, испаряется, за счет чего от потоков 130 и 230 отводится теплота, и затем хладагент в виде потока 170b отводят из первого теплообменника 3 через выход 38.

Расширенный третий частичный поток 180а направляют на вход 44 второго теплообменника 4 предварительного охлаждения, где он, по меньшей мере частично, испаряется с отводом за счет этого теплоты от потока 10, после чего отводится в виде потока 180b из второго теплообменника 4 предварительного охлаждения через выход 48.

Испаренные потоки 160, 170b и 180b первого хладагента направляют на рециркуляцию в компрессорный агрегат (не показан) с целью их повторного сжатия и повторного получения тем самым потока 110.

Поток 210 второго хладагента также нагнетают из компрессорного агрегата (не показан), охлаждают в воздушном или водяном охладителе 14 (после проведенного, по усмотрению, дополнительного охлаждения) и в виде потока 230 направляют в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения (на вход 33). После прохождения через первый теплообменник 3 предварительного охлаждения второй хладагент в виде потока 240 направляют в первый теплообменник 2 (и подают на его вход 23). Затем второй хладагент пропускают через первый теплообменник 2 и отводят через выход 27 в виде потока 250. Как показано на фиг.4, поток 250 второго хладагента направляют во второй теплообменник 5 для дополнительного охлаждения потока 40 углеводородов.

Предпочтительно разность температур потока 30 углеводородов и, по меньшей мере, одного из потоков, а именно потока 140 первого хладагента и потока 240 второго хладагента непосредственно перед подачей на входы 21, 22, 23 первого теплообменника 2 составляет меньше 10°C, предпочтительно - меньше 5°C. Предпочтительно температуры потоков 30, 140, 240 по существу одинаковы.

В таблице 1 приведены сводные данные по расчетным давлениям и температурам потоков в различных элементах схемы в примере осуществления способа, иллюстрируемого на фиг.1. Поток углеводородов в трубопроводе 10 на фиг.1 приблизительно включал следующие компоненты: метан - 92,1 мол.%, этан - 4,1 мол.%, пропан - 1,2 мол.%, бутаны и пентаны - 0,7 мол.%, азот - 1,9 мол.%. Другие компоненты, такие как H₂S и H₂O, предварительно, в основном, были удалены. Первый и второй хладагенты в потоках 110, 210 оба были многокомпонентными хладагентами. При этом поток 110 был образован по существу из метана и (основная часть) из этана, в то время как поток 210 был образован по существу из этана, пропана, азота и (основная часть) из метана.

Таблица 1 Трубопроводная линия Давление (бар) Температура (°C) Фазовое состояние * 10 92,5 -10,0 - 20 91,5 -25,0 - 30 90,5 -62,7 -   110 58,2 65,7 п 130 57,1 9,5 п/ж 140 55,6 -25,0 ж 150 54,1 -62,7 ж 160 9,3 -35,2 п 170 55,6 -25,0 ж 170b 27,0 -2,8 п 180 55,6 -25,0 ж 180b 18,0 -14,3 п   210 56,1 61,9 п 230 55,8 9,5 п 240 54,3 -25,0 п/ж 250 52,3 -62,7 п/ж *п - пар, ж - жидкость

Важное преимущество воплощения, иллюстрируемого на фиг.1, заключается в том, что величина термических напряжений в первом теплообменнике 2 снижается, если разность температур между потоком 30 углеводородов и первым и вторым хладагентами 140, 240 при их подаче в первый теплообменник составляет менее 10°C, предпочтительно - менее 5°C. Предпочтительно (и, как показано в таблице 1) эти температуры по существу одинаковы (т.е. - 25°C). Это достигается за счет охлаждения, с одной стороны, потока 10 (во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения) и, с другой стороны, потоков 110 и 210 (в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения) в параллельных теплообменниках. При этом поток 10 или 30 углеводородов не охлаждают предварительно в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения, а направляют в обход указанного теплообменника.

На фиг.2 представлено альтернативное воплощение (по отношению к фиг.1), также обеспечивающее снижение величины термических напряжений в первом теплообменнике 2, но в то же время с использованием некоторого количества холода, содержащегося в потоке 10 углеводородов, для охлаждения первого и второго потоков 120, 220 хладагента, в результате чего для охлаждения первого и второго хладагентов необходима меньшая холодопроизводительность.

В соответствии с этим альтернативным воплощением первый и второй хладагенты, оба, предварительно охлаждаются в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения и во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения. Поток 10 углеводородов обменивается теплотой во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения и охлаждается в первом теплообменнике 2 предварительного охлаждения, при этом первый теплообменник 3 предварительного охлаждения размещен между вторым теплообменником 4 предварительного охлаждения и первым теплообменником 2.

Если поток 10 углеводородов подают в устройство при начальной температуре, которая ниже температуры хладагента в трубопроводной линии 120 (после его охлаждения в противотоке с окружающей средой в охладителе 13), теплообмен потока 10 углеводородов во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения приводит к нагреванию указанного потока углеводородов. Затем поток 10 углеводородов служит охлаждающей средой, отличающейся от окружающей среды, в противотоке с которым потоки первого и второго хладагентов дополнительно охлаждаются после их охлаждения окружающей средой в охладителях 13, 14.

При нагревании потока углеводородов во втором теплообменнике 3 предварительного охлаждения первый теплообменник 3 предварительного охлаждения, понятно, является первым общим теплообменником, поскольку выше по потоку от этого первого теплообменника 3 предварительного охлаждения поток углеводородов и поток первого хладагента совместно не охлаждаются.

В воплощении, иллюстрируемом на фиг.2, второй теплообменник 4 предварительного охлаждения выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, в котором вход 41 для потока 10 углеводородов сообщается с межтрубным пространством теплообменника, в то время как входы 42 (для потока 120 первого хладагента) и 43 (для потока 220 второго хладагента) сообщены с внутритрубным пространством. На фиг.2 в отличие от воплощения, представленного на фиг.1, поток 10 углеводородов обменивается теплотой во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения с потоками 120 и 220 первого и второго хладагентов.

Кроме того, вместо испарения части первого хладагента во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения (поток 180а, показанный на фиг.1) холод потока 10 углеводородов используют для охлаждения потоков 120 и 220 первого и второго хладагентов. Хотя поток 10 углеводородов предпочтительно пропускают через второй теплообменник 4 предварительного охлаждения в противотоке с потоками 120 и 220 (как это показано на фиг.2), теплообмен может быть осуществлен и в режиме прямотока.

После прохождения через второй теплообменник 4 предварительного охлаждения нагретый поток 20 углеводородов, охлажденный поток 130 первого хладагента и охлажденный поток 230 второго хладагента отводят из указанного второго теплообменника 4 предварительного охлаждения (через выходы 45, 46 и 47 соответственно) и направляют (по существу при одной и той же температуре) в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения. Таким образом, в воплощении согласно фиг.2 поток углеводородов не направляют в обход первого теплообменника 3 предварительного охлаждения, а направляют на его вход 31 в виде потока 20 при температуре подачи углеводородов и отводят через выход 35 первого теплообменника 3 предварительного охлаждения перед подачей углеводородов в виде потока 30 в первый теплообменник 2.

Заслуживает внимания то обстоятельство, что в соответствии с воплощением на фиг.2 температуры потоков 20, 130, 230 непосредственно перед их подачей в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения, а также температуры потоков 30, 140, 240 по существу одинаковы, в результате чего термические напряжения в первом теплообменнике 2, а также в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения минимизируются.

В таблице 2 приведены сводные данные по расчетным давлениям и температурам потоков в различных элементах схемы в примере процесса, иллюстрируемого на фиг.2. Поток углеводородов в трубопроводе 10 и первый хладагент в потоке 110 имеют такой же состав, что и в схеме на фиг.1. Поток 210 был образован из таких же компонент, что и в схеме на фиг.1, но при других отношениях различных компонент.

Таблица 2 Трубопроводная линия Давление (бар) Температура (°C) Фазовое состояние * 10 92,5 -10,0 - 20 92,2 6,9 - 30 91,2 -26,6 - 40 90,2 -61,5 -   110 58,2 67,7 п 120 57,1 9,5 п/ж 130 55,6 6,9 п/ж 140 54,1 -26,6 ж 150 52,6 -61,5 ж 160 9,7 -33,3 п 170 54,1 -26,6 ж 170b 23,7 -6,2 п   210 57,0 62,5 п 220 56,7 9,5 п 230 55,2 6,9 п 240 53,7 -26,6 п/ж 250 51,7 -61,5 п/ж * п - пар, ж - жидкость

Фиг.3 иллюстрирует третье воплощение в соответствии с настоящим изобретением. Согласно этому третьему воплощению первый хладагент 120 и, по усмотрению, второй хладагент 220 после его охлаждения в противотоке с окружающей средой в соответствующих охладителях 13, 14 предварительно охлаждают в первом и втором теплообменниках 3 и 4 предварительного охлаждения, при этом первый теплообменник 3 предварительного охлаждения расположен между вторым теплообменником 4 предварительного охлаждения и первым теплообменником 2.

Кроме того, первый хладагент после прохождения через второй теплообменник 4 предварительного охлаждения разделяют, по меньшей мере, на два частичных потока (130, 190) с помощью разделительного элемента 17. Из, по меньшей мере, указанных двух частичных потоков первый частичный поток 130 направляют в первый теплообменник предварительного охлаждения, а второй частичный поток 190 из, по меньшей мере, двух частичных потоков расширяют с помощью расширительного устройства 16 и возвращают во второй теплообменник 4 предварительного охлаждения, при этом расширенный второй частичный поток 190а, по меньшей мере частично, испаряется во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения.

Первый хладагент таким образом образует охлаждающую среду, отличающуюся от окружающей среды, в противотоке с которой дополнительно охлаждают первый и второй хладагенты 120, 220.

В этом случае предпочтительно, чтобы давление, при котором расширенный второй частичный поток 190а первого хладагента испаряется во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения, было выше давления, при котором расширенный первый хладагент 170а испаряется в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения.

В соответствии с воплощением, показанным на фиг.3, поток углеводородов 10 направляют в обход второго теплообменника 4 предварительного охлаждения и подают в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения для охлаждения в противотоке с потоком 170а первого хладагента, который, по меньшей мере частично, испаряется в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения, в результате чего от потока 10 углеводородов отводится теплота так же, как и от потоков 130 и 230 первого и второго хладагентов. Таким образом, понятно, что в рассматриваемом третьем воплощении первый теплообменник 3 предварительного охлаждения является первым общим теплообменником.

Первый и второй хладагенты, оба, предварительно охлаждают в первом и втором теплообменниках 3, 4 предварительного охлаждения, при этом первый теплообменник 3 предварительного охлаждения находится между вторым теплообменником 4 предварительного охлаждения и первым теплообменником 2. Первый хладагент после прохождения через второй теплообменник 4 предварительного охлаждения разделяют в разделительном элементе 17, по меньшей мере, на два частичных потока 130, 190, при этом первый частичный поток 130 первого хладагента направляют в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения, а второй частичный поток 190 первого хладагента расширяют и возвращают во второй теплообменник 4 предварительного охлаждения, обеспечивая при этом, по меньшей мере, частичное испарение расширенного второго частичного потока 190a во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения.

Давление, при котором расширенный второй частичный поток 190a первого хладагента 130 испаряется во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения, предпочтительно выше, чем давление, при котором испаряется расширенный первый хладагент 170a в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения.

Потоки 130 и 230 первого и второго хладагентов предварительно охлаждают (как и потоки 120 и 220 после охлаждения в охладителях 13 и 14 соответственно) во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения с обеспечением при этом по существу одинаковой температуры потоков 130 и 230.

Для этого указанный поток 130 первого хладагента разделяют в разделительном элементе 17 с получением в результате, по меньшей мере, одного дополнительного частичного потока 190, который расширяют в расширительном устройстве, выполненном здесь в виде дроссельного клапана 16. Расширенный поток 190a первого хладагента сообщают с входом 49 второго теплообменника 4 предварительного охлаждения так, что затем он может быть, по меньшей мере частично, испарен (после его подачи во второй теплообменник 4 предварительного охлаждения через вход 49) с получением в результате испаренного потока 190b для отвода соответствующей теплоты от потоков 120 и 220 первого и второго хладагентов. Для полноты описания следует отметить, что первый частичный поток 130 сообщают с входом 32 первого теплообменника 3 предварительного охлаждения.

Предпочтительно давление, при котором испаряются расширенные потоки 190a, 170a, 155 первого хладагента, уменьшается от второго теплообменника 4 предварительного охлаждения в направлении первого теплообменника 3 предварительного охлаждения и затем - теплообменника 2 предварительного охлаждения. Это, в особенности, выгодно, если поток углеводородов 10 очень холодный, поскольку в этом случае некоторая часть холодопроизводительности перераспределяется на второй теплообменник 4 предварительного охлаждения, работающий при относительно высоком давлении. В результате могут быть уменьшены затраты энергии сжатия в компрессорном агрегате (не показан), через который циркулируют для повторного сжатия потоки 160, 170b (180b, если он имеется) и 190b испаренного хладагента.

В таблице 3 приведены сводные данные по расчетным давлениям и температурам потоков в различных элементах схемы на примере процесса, иллюстрируемого на фиг.3. Поток углеводородов в трубопроводе 10 и первый хладагент в потоке 110 имеют такой же состав, что и в схеме на фиг.1. Поток 210 был образован из таких же компонент, что и в схеме на фиг.1, но при других отношениях различных компонент.

Таблица 3 Трубопроводная линия Давление (бар) Температура (°C) Фазовое состояние * 10 92,5 -10,0 - 30 91,2 -40,0 - 40 90,5 -68,3 -   110 58,2 64,8 п 120 57,1 9,5 п/ж 130 55,6 -10,0 п/ж 140 54,1 -40,0 ж 150 52,6 -68,3 ж 160 7,1 -43,0 п 170 54,1 -40,0 ж 170b 16,6 -17,0 п 190 55,6 -10,0 ж 190b 36,0 8,1 п   210 52,4 59,6 п 220 52,0 9,5 п 230 50,5 -10,0 п 240 49,0 -40,0 п/ж 250 47,0 -68,3 п/ж * п - пар, ж - жидкость

В соответствии с воплощениями согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы разность температур потока углеводородов (10 на фиг.3 или 20 на фиг.2) и первого и второго хладагентов (130 и 230) непосредственно перед охлаждением в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения была предпочтительно менее 10°C, предпочтительно менее 5°C.

Кроме того, общее для воплощений на фиг.1, 2 и 3 заключается в том, что первый хладагент 135 после прохождения через первый теплообменник 3 предварительного охлаждения разделяют, по меньшей мере, на два частичных потока (например, частичные потоки 140, 170, 180).

Устройства согласно изобретению могут содержать разделительный элемент 11, служащий для разделения первого хладагента 130 на упомянутые, по меньшей мере, два частичных потока. Первый частичный поток 140 из, по меньшей мере, двух частичных потоков может быть направлен на вход 22 первого теплообменника для его пропускания через первый теплообменник 2. Второй частичный поток 170 из указанных двух частичных потоков может быть направлен через расширительное устройство 8 к входу 34 первого теплообменника 3 предварительного охлаждения для расширения и затем возвращения в первый теплообменник 3 предварительного охлаждения, при этом расширенный второй частичный поток 170a, по меньшей мере частично, испаряется в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения. Давление, при котором расширенный второй частичный поток 170a первого хладагента 140 испаряется в первом теплообменнике 3 предварительного охлаждения, предпочтительно выше давления, при котором расширенный первый хладагент 155 испаряется в первом теплообменнике 2.

Третий частичный поток 180 может быть сообщен с входом 44 второго теплообменника предварительного охлаждения через расширительное устройство 9 для его расширения и последующего прохождения ко второму теплообменнику 4 предварительного охлаждения, при этом расширенный третий частичный поток 180а испаряется во втором теплообменнике 4 предварительного охлаждения. Схематически это иллюстрируется на фиг.1.

Как схематически показано на фиг.4 (на которой первый хладагент для лучшего понимания исключен), охлажденный поток 40 углеводородов затем может быть охлажден или даже сжижен, по меньшей мере, во втором теплообменнике 5 с получением тем самым сжиженного потока 50 углеводородов, например СПГ. В воплощении, показанном на фиг.4, поток 250 второго хладагента, как и полученный на фиг.1, для этого расширяют в расширительном устройстве 15 и испаряют для отвода теплоты от охлажденного потока 40 углеводородов. Испаренный поток 250 второго хладагента может быть повторно сжат и охлажден (не показано) для повторного получения потока 210.

Специалист в данной области техники может легко понять, что могут быть осуществлены многие модификации без выхода за пределы объема изобретения. В качестве примера, первый и второй теплообменники предварительного охлаждения, а также первый и второй теплообменники могут быть теплообменниками любого типа, включая катушечные или пластинчато-ребристые теплообменники. Кроме того, каждый теплообменник может входить в ряд последовательно расположенных теплообменников.

Способ охлаждения потока природного газа включает совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом, осуществляемое в одном или большем количестве последовательно размещенных общих теплообменников, причем указанные теплообменники включают первый общий теплообменник, и выше по ходу потока от первого общего теплообменника упомянутые поток углеводородов и поток первого хладагента совместно не охлаждают. Поток первого хладагента сжимают, охлаждают окружающей средой до температуры хладагента, получают охлаждаемый поток углеводородов при начальной температуре, которая ниже температуры хладагента, подают поток углеводородов в первый общий теплообменник при температуре подачи углеводородов, которая ниже температуры хладагента, дополнительно снижают температуру потока первого хладагента после охлаждения с помощью теплообмена с охлаждаемым потоком углеводородов выше по ходу потока от подачи потока углеводородов в первый общий теплообменник, подают поток первого хладагента в первый общий теплообменник при температуре подачи хладагента, которая ниже температуры хладагента, совместно охлаждают поток углеводородов и поток первого хладагента испаряющимся хладагентом в одном или более последовательно размещенных общих теплообменниках. Использование изобретения позволит повысить термический КПД при охлаждении или сжижении природного газа, поставляемого при низких температурах. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ охлаждения потока углеводородов, такого как поток природного газа, включающий совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом, осуществляемое в одном или большем количестве последовательно размещенных общих теплообменников, причем указанные теплообменники включают первый общий теплообменник и выше по ходу потока от первого общего теплообменника упомянутые поток углеводородов и поток первого хладагента совместно не охлаждают, который включает, по меньшей мере, следующие стадии:
(a) сжатия потока первого хладагента с получением сжатого потока первого хладагента;
(b) охлаждение сжатого потока первого хладагента окружающей средой до температуры хладагента;
(c) получение охлаждаемого потока углеводородов при начальной температуре, которая ниже температуры хладагента;
(d) подачу потока углеводородов в первый общий теплообменник при температуре подачи углеводородов, которая ниже температуры хладагента;
(e) дополнительное снижение температуры потока первого хладагента после охлаждения на стадии (b) с помощью теплообмена со средой, отличающейся от окружающей среды;
(f) подачу потока первого хладагента в первый общий теплообменник после проведения теплообмена на стадии (е) при температуре подачи хладагента, которая ниже температуры хладагента, причем разность температур подачи углеводородов и подачи хладагента составляет менее 60°С;
(g) совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом в одном или более последовательно размещенных общих теплообменников, причем указанная среда, отличающаяся от окружающей среды, представляет собой охлаждаемый поток углеводородов выше по ходу потока от подачи потока углеводородов в первый общий теплообменник.

2. Способ по п.1, в котором указанная разность температур составляет менее 5°С.

3. Способ по п.2, в котором температура подачи углеводородов и температура подачи хладагента одинаковы.

4. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором указанная разность температур меньше, чем начальная разность температур между начальной температурой углеводородов и температурой хладагента.

5. Способ по п.4, который включает:
(h) отвод потока углеводородов из одного или большего количества последовательно размещенных общих теплообменников в виде охлажденного потока углеводородов.

6. Способ по п.5, который включает:
(i) дополнительное охлаждение охлажденного потока углеводородов, отведенного на стадии (h), по меньшей мере, во втором теплообменнике с получением тем самым сжиженного потока углеводородов.

7. Способ по п.6, который дополнительно включает подачу второго хладагента в первый общий теплообменник.

8. Способ по п.7, в котором совместно с потоком первого хладагента и потоком углеводородов на стадии (g) дополнительно охлаждают второй хладагент.

9. Способ по п.8, в котором совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом, включает отвод первого хладагента из первого общего теплообменника;
его расширение; и
возвращение в первый общий теплообменник, при этом обеспечивают, по меньшей мере, частичное испарение расширенного первого хладагента в первом общем теплообменнике с отводом за счет этого теплоты от потока углеводородов и, по меньшей мере, от потока первого хладагента.

10. Способ по любому из пп.1-3, который включает:
(h) отвод потока углеводородов из одного или большего количества последовательно размещенных общих теплообменников в виде охлажденного потока углеводородов.

11. Способ по п.10, который включает:
(i) дополнительное охлаждение охлажденного потока углеводородов, отведенного на стадии (h), по меньшей мере, во втором теплообменнике с получением сжиженного потока углеводородов.

12. Способ по п.11, в котором совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом, включает
отвод первого хладагента из первого общего теплообменника;
его расширение; и
возвращение в первый общий теплообменник, при этом обеспечивают, по меньшей мере, частичное испарение расширенного первого хладагента в первом общем теплообменнике с отводом за счет этого теплоты от потока углеводородов и, по меньшей мере, от потока первого хладагента.

13. Способ по п.11, который дополнительно включает подачу второго хладагента в первый общий теплообменник.

14. Способ по п.13, в котором совместно с потоком первого хладагента и потоком углеводородов на стадии (g) дополнительно охлаждают второй хладагент.

15. Способ по п.14, в котором совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом включает
отвод первого хладагента из первого общего теплообменника;
его расширение; и
возвращение в первый общий теплообменник, при этом обеспечивают, по меньшей мере, частичное испарение расширенного первого хладагента в первом общем теплообменнике с отводом за счет этого теплоты от потока углеводородов и, по меньшей мере, от потока первого хладагента.

16. Способ по любому из пп.1-3, который дополнительно включает подачу второго хладагента в первый общий теплообменник.

17. Способ по п.16, в котором перед подачей второго хладагента в первый общий теплообменник поток второго хладагента сжимают с получением сжатого потока второго хладагента, охлаждают окружающей средой и дополнительно охлаждают посредством теплообмена со средой, отличающейся от окружающей среды.

18. Способ по п.16, в котором совместно с потоком первого хладагента и потоком углеводородов на стадии (g) дополнительно охлаждают второй хладагент.

19. Способ по п.18, в котором совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом, включает
отвод первого хладагента из первого общего теплообменника;
его расширение; и
возвращение в первый общий теплообменник, при этом обеспечивают, по меньшей мере, частичное испарение расширенного первого хладагента в первом общем теплообменнике с отводом за счет этого теплоты от потока углеводородов и, по меньшей мере, от потока первого хладагента.

20. Способ по любому из пп.1-3, в котором совместное охлаждение потока углеводородов и потока первого хладагента испаряющимся хладагентом включает отвод первого хладагента из первого общего теплообменника;
его расширение; и
возвращение в первый общий теплообменник, при этом обеспечивают, по меньшей мере, частичное испарение расширенного первого хладагента в первом общем теплообменнике с отводом за счет этого теплоты от потока углеводородов и, по меньшей мере, от потока первого хладагента.

21. Устройство для охлаждения потока углеводородов, такого как поток природного газа, которое содержит:
первый поток хладагента;
компрессор, приспособленный для сжатия первого потока хладагента с получением сжатого потока первого хладагента;
охладитель, использующий в качестве хладагента окружающую среду, приспособленный для охлаждения сжатого потока первого хладагента окружающей средой до температуры хладагента;
теплообменник предварительного охлаждения, приспособленный для приема охлажденного сжатого потока первого хладагента и для дальнейшего снижения температуры потока первого хладагента за счет теплообмена со средой, отличающейся от окружающей среды;
источник углеводородов, приспособленный для обеспечения охлаждаемого потока углеводородов при начальной температуре, которая ниже указанной температуры хладагента;
один или более последовательно расположенных общих теплообменников, приспособленных для приема и совместного охлаждения, по меньшей мере, потока углеводородов и первого потока хладагента, при этом теплообменники включают первый общий теплообменник, и выше по ходу потока от указанного первого общего теплообменника не находится никакой другой общий теплообменник, в котором поток углеводородов и первый поток хладагента могут быть совместно охлаждены;
ввод для углеводородов, имеющийся в первом общем теплообменнике, приспособленный для приема потока углеводородов при температуре подачи углеводородов, которая ниже указанной температуры хладагента;
ввод для первого хладагента, имеющийся в первом общем теплообменнике, приспособленный для приема первого хладагента из теплообменника предварительного охлаждения при температуре подачи хладагента, которая ниже указанной температуры хладагента, причем разность между температурой подачи углеводородов и температурой подачи хладагента составляет менее 60°С, причем указанная среда, отличающаяся от окружающей среды, представляет собой подлежащий охлаждению поток углеводородов выше по ходу потока от подачи потока углеводородов в первый общий теплообменник.

22. Устройство по п.21, которое дополнительно содержит второй теплообменник для дополнительного охлаждения охлажденного потока углеводородов, отведенного из одного или большего количества последовательно размещенных общих теплообменников, с получением сжиженного потока углеводородов.

23. Устройство по п.22, которое дополнительно содержит второй хладагент, который совместно охлаждается в последовательно размещенных общих теплообменниках.

24. Устройство по любому из пп.21-23, в котором первый общий теплообменник содержит ввод и вывод для первого хладагента и ввод для расширенного первого хладагента, причем устройство дополнительно содержит расширительное устройство для расширения первого хладагента между выводом первого хладагента и вводом для расширенного первого хладагента.