СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПОТОКА С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2015 года по МПК F25J1/02 

Изобретение касается способа сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, при этом охлаждение и сжижение фракции с высоким содержанием углеводородов происходит при непрямом теплообмене посредством смеси хладагентов циркуляционного контура смеси хладагентов, в котором смесь хладагентов подвергается по меньшей мере двухступенчатому сжатию, и удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ происходит на регулируемом уровне температуры, при этом смесь хладагентов разделяется на газообразную и жидкую фракцию, обе фракции переохлаждаются, расширяются, по существу, до давления всасывания первой ступени компрессора и по меньшей мере частично выпариваются.

Такого рода способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов известен, например, из DE-A 19722490. Такие способы сжижения применяются, например, при сжижении природного газа. При способах такого рода в стандартном случае необходимо удалять определенные компоненты, так как при необходимых низких температурах они выпадали бы в твердый осадок и/или ухудшали бы качество продукта согласно спецификации. В простейшем случае достаточно только предусмотреть сепаратор, который служит для удаления нежелательных компонентов из подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов. Селективное удаление более легких составных частей природного газа, такого как, например, этан, напротив, ставит более высокие требования как к осуществлению способа, так и к возможности регулирования при изменяющихся граничных условиях.

При технологических процессах сжижения природного газа с производительностью от малой до средней - под этим следует понимать нормы производительности от 30,000 до 1 млн т LNG (сжиженного природного газа, СПГ) в год - часто применяются циркуляционные контуры смеси, включающие в себя только один цикловой компрессор - они также называются технологическими процессами SMR (Single Mixed Refrigerant - одноконтурное охлаждение смешанным хладагентом). Они имеют тот недостаток, что жидкая фаза хладагента может выпариваться только при одном уровне давления. Поэтому целенаправленное установление и регулирование желаемого температурного профиля является затруднительным, так как количество возможностей вмешательства или соответственно степеней свободы при таких технологических процессах ограничено. Соответствующие температурные профили необходимы, например, для того, чтобы точно до определенной температуры способствовать частичной конденсации подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов, которая необходима для удаления нежелательных компонентов.

Задачей настоящего изобретения является указать такого рода способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, который предотвратит описанные выше недостатки. В частности, должен быть указан такого рода способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов, который, с одной стороны, является надежным, а с другой стороны - обеспечивает возможность эффективного и контролируемого удаления этана и высших углеводородов в ходе технологического процесса сжижения природного газа. Поэтому режим выпаривания потока смеси хладагентов должен быть таким, чтобы он мог применяться непосредственно для регулирования удаления этана и высших углеводородов.

Для решения этой задачи предлагается такого рода способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, отличающийся тем, что по меньшей мере временно по меньшей мере один частичный поток сжиженной, прежде газообразной фракции смеси хладагентов расширяется и подмешивается к расширенной жидкой фракции смеси хладагентов.

Посредством варьирования отношений количеств жидкой фракции и сжиженной, прежде газообразной фракции можно воздействовать на профиль температуры во время выпаривания хладагента, смешанного из двух вышеназванных фракций, таким образом, чтобы в соответствии с задачей температура смешанного хладагента в верхней области того или тех теплообменников, которые служат для охлаждения и частичной конденсации подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов, была всегда ниже температуры подлежащей сжижению фракции. Осуществление предлагаемого изобретением способа позволяет получить достаточную возможность регулирования температуры подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов на входе в предусмотренное для удаления фракции с высоким содержанием C₂₊ устройство для удаления или соответственно разделительную колонну, так что возможно установление желаемой концентрации C₂₊-углеводородов в сжижаемом продукте или соответственно LNG (Liquided Natural Gas - сжиженном природном газе, СПГ).

Другие предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретением способа сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, которые являются предметами зависимых пунктов патентной формулы изобретения, отличаются тем, что

- частичный поток сжиженной, прежде газообразной фракции смеси хладагентов на холодном конце теплообменника между подлежащей сжижению фракцией с высоким содержанием углеводородов и смесью хладагентов и/или при надлежащей промежуточной температуре отводится, расширяется и подмешивается к расширенной жидкой фракции смеси хладагентов, при этом надлежащая промежуточная температура устанавливается тогда, когда смесь хладагентов переохлаждена по меньшей мере на 5°C, предпочтительно на 10°C относительно состояния кипения,

- теплообмен между подлежащей сжижению фракцией с высоким содержанием углеводородов и смесью хладагентов осуществляется в многопоточном теплообменнике, который предпочтительно выполнен из пластинчатого теплообменника или витого теплообменника,

- поскольку удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ осуществляется по меньшей мере в одной разделительной колонне, по меньшей мере временно частичный поток подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов подается в головную область и/или нижнюю область разделительной колонны, и

- поскольку удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ осуществляется по меньшей мере в одной разделительной колонне, посредством кипятильника, которым снабжена разделительная колонна, устанавливается температура нижней части разделительной колонны.

Предлагаемый изобретением способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, а также другие предпочтительные варианты его осуществления, которые являются предметами зависимых пунктов патентной формулы изобретения, будут поясняться более подробно ниже с помощью примеров осуществления, изображенных на фиг.1 и 2.

Ниже при пояснении изображенного на фиг.2 примера осуществления будут описаны только отличия от осуществления способа, изображенного на фиг.1.

Изображенные на фиг.1 и 2 примеры осуществления предлагаемого изобретением способа сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов включают в себя разделительную колонну T, которая служит для удаления фракции с высоким содержанием C₂₊ из подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов. Подлежащая сжижению фракция с высоким содержанием углеводородов, которая далее называется потоком природного газа, подается по трубопроводу 1 в многопоточный теплообменник E3.

Этот теплообменник выполнен предпочтительно в виде паяного алюминиевого пластинчатого теплообменника. В зависимости от размера установки предусматриваются предпочтительно от 1 до 6 параллельных блоков теплообменника. Альтернативно многопоточный теплообменник E3 может быть выполнен в виде витого теплообменника. При этом применяются алюминиевые пластинчатые теплообменники предпочтительно с мощностью сжижения, равной от 30,000 до 500,000 т СПГ в год, витые теплообменники предпочтительно с мощностью сжижения, равной от 100,000 до 1,000,000 т СПГ в год.

Поток природного газа в теплообменнике E3 охлаждается, частично конденсируется и затем расширяется посредством клапана a в головной области разделительной колонны T. В головной части разделительной колонны T по трубопроводу 2 отводится газообразная фракция с высоким содержанием метана, в теплообменнике E3 сжижается, а также переохлаждается, и затем по трубопроводу 3, в котором предусмотрен регулировочный клапан e, отводится и используется в других целях или соответственно подается на временное хранение. Эта фракция представляет собой сжиженный продукт (СПГ). Из нижней части разделительной колонны T по трубопроводу 4, который также снабжен регулировочным клапаном d, фракция с высоким содержанием C₂₊ отводится и направляется на дальнейшее использование.

Посредством подачи частичного потока от потока природного газа через трубопровод 5 и регулировочный клапан b можно воздействовать на температуру в головной части разделительной колонны T и вместе с тем на состав отводимой по трубопроводу 2 газообразной фракции с высоким содержанием метана. Также можно воздействовать на температуру в нижней части разделительной колонны T, а также на состав отводимой по трубопроводу 4 жидкой фракции с помощью кипятильника E4 и/или подачи частичного потока от потока природного газа через трубопровод 6 и расширительный клапан c.

Циркуляционный контур смеси хладагентов состоит из двухступенчатого компрессорного блока, состоящего из одной первой и одной второй ступени С1 или соответственно С2 компрессора. После каждой ступени компрессора расположен охладитель E1 или соответственно E2. Кроме того, предусмотрены сепаратор D1 низкого давления, сепаратор D2 среднего давления, а также сепаратор D3 высокого давления.

Из головной части сепаратора D1 низкого давления, который служит для защиты первой ступени C1 компрессора, по трубопроводу 11 циркулирующая в циркуляционном контуре смесь хладагентов подается на первую ступень C1 компрессора. На этой ступени смесь хладагентов сжимается до желаемого промежуточного давления - это давление составляет обычно от 7 до 35 бар, предпочтительно от 10 до 25 бар, затем охлаждается в охладителе E1, частично конденсируется и по трубопроводу 12 подается в сепаратор D2 среднего давления. В то время как из этого сепаратора по трубопроводу 20 жидкая фракция, о которой далее еще будет сказано подробнее, отводится, отведенная по трубопроводу 13 из головной части сепаратора D2 газообразная фаза смеси хладагентов подается на вторую ступень C2 компрессора и на этой ступени сжимается до желаемого конечного давления - это давление составляет обычно от 30 до 80 бар, предпочтительно от 40 до 60 бар. Затем смесь хладагентов охлаждается в охладителе E2, частично конденсируется и по трубопроводу 14 подается в сепаратор D3 высокого давления. Выпадающая в осадок в нижней части сепаратора D3 жидкая фракция по трубопроводу 16, в котором предусмотрен расширительный клапан k, возвращается к сепаратору D2 среднего давления.

В головной части сепаратора D3 по трубопроводу 15 газообразная доля хладагента отводится, в теплообменнике E3 сжижается, а также переохлаждается, и из этого теплообменника отводится по трубопроводу 17. В расширительном клапане g происходит расширение этой фракции или соответственно частичного потока этой фракции до наиболее низкого давления циркуляционного контура, прежде чем она по трубопроводу 18 направляется через теплообменник E3 и при этом полностью выпаривается. По трубопроводу 10 полностью выпаренная фракция затем подается в сепаратор D1.

При изображенном на фиг.1 осуществлении способа жидкая доля хладагента отводится по трубопроводу 20 из нижней части сепаратора D2, подается в теплообменник E3 и в этом теплообменнике переохлаждается. По трубопроводу 21 переохлажденная жидкая фракция отводится из теплообменника E3, в клапане f расширяется до наиболее низкого давления циркуляционного контура и затем по трубопроводу 22 снова подается в теплообменник E3. Выпаренная в нем фракция по трубопроводу 23 подмешивается к уже упомянутой выпаренной фракции в трубопроводе 10.

В клапанах f и g обычно происходит расширение до давления, которое, за исключением неизбежных падений давления, соответствует давлению всасывания первой ступени C1 компрессора. Путем надлежащего выбора состава, количества и/или давления выпаривания смеси хладагентов могут устанавливаться как конечная температура, так и массовый поток подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием азота или, соответственно, подлежащего сжижению потока природного газа.

В отличие от осуществления способа, изображенного на фиг.1, в изображенном на фиг.2 примере осуществления подаваемая в теплообменник E3 жидкая фракция смеси хладагентов отводится уже не из сепаратора D2, а из сепаратора D3 по трубопроводу 20'. Поэтому выпадающая в осадок в нижней части сепаратора D2 жидкая фракция по трубопроводу 16', в котором расположен насос P, подается в сепаратор D3.

Изображенное на фиг.2 осуществление способа является несколько более эффективным по сравнению с осуществлением способа, изображенным на фиг.1, - оно позволяет улучшить коэффициент полезного действия от 1 до 5% - однако при нем необходим насос, повышенные инвестиционные затраты и требуются большие усилия по техническому обслуживанию. Поэтому осуществление способа, показанное на фиг.1, будет применяться предпочтительно при меньших мощностях установок (от 30,000 до 500,000 т СПГ в год), в то время как осуществление способа, изображенное на фиг.2, будет реализовываться предпочтительно при более высоких мощностях установок (от 100,000 до 1,000,000 т СПГ в год).

Из-за описанного выше расширения жидкой переохлажденной, а также сжиженной, прежде газообразной фракции смеси хладагентов в клапанах f и g до, по существу, идентичного давления выпаривания невозможен свободный выбор температурного режима потока хладагента в теплообменнике E3 вниз по потоку от клапана f. Составы газообразной и жидкой фракций хладагента, в свою очередь, взаимосвязаны с равновесиями в сепараторах D2 и D3. Поэтому положение клапана f не может в достаточной мере влиять на температурный режим в верхней или соответственно более горячей части теплообменника E3.

Поэтому в соответствии с изобретением по меньшей мере временно частичный поток сжиженной, прежде газообразной фракции смеси 15 хладагентов расширяется и подмешивается к расширенной жидкой фракции смеси хладагентов в трубопроводе 22. На фигурах изображены два возможных частичных потока 19 и 24 смеси хладагентов, которые после расширения в клапане h или соответственно j могут быть подмешаны к расширенной смеси хладагентов в трубопроводе 22. На практике в большинстве случаев будет предусматриваться либо клапан h либо j. Однако в принципе справедливо, что частичные потоки 19 и 24 смеси хладагентов отдельно или вместе могут использоваться для регулирования температуры или соответственно температурного профиля.

При этом один или оба частичных потока 19 и 24 смеси хладагентов на холодном конце теплообменника E3 и/или при надлежащей промежуточной температуре отводятся по трубопроводу 19 или соответственно, 24, расширяются в клапане h или j и подмешиваются к расширенной жидкой фракции смеси 22 хладагентов. Надлежащая промежуточная температура устанавливается тогда, когда смесь 15 хладагентов переохлаждена по меньшей мере на 5°C, предпочтительно на 10°C относительно состояния кипения.

Посредством осуществления предлагаемого изобретением способа обеспечивается достаточная возможность регулирования температуры подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов или соответственно потока 1 природного газа на входе в разделительную колонну T, которая необходима для установления желаемой концентрации углеводородов C₂₊ в сжиженном продукте или соответственно СПГ.

Описывается способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, при этом охлаждение и сжижение фракции с высоким содержанием углеводородов происходит при непрямом теплообмене посредством смеси хладагентов циркуляционного контура смеси хладагентов, в котором смесь хладагентов подвергается по меньшей мере двухступенчатому сжатию, и удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ происходит на регулируемом уровне температуры, при этом смесь хладагентов разделяется на газообразную и жидкую фракцию, обе фракции переохлаждаются, расширяются, по существу, до давления всасывания первой ступени компрессора и по меньшей мере частично выпариваются. В соответствии с изобретением по меньшей мере временно по меньшей мере один частичный поток (19, 24) сжиженной, прежде газообразной фракции смеси (15) хладагентов расширяется (j, h) и подмешивается к расширенной жидкой фракции смеси (22) хладагентов. Изобретение направлено на создание надежного способа сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов и на обеспечение эффективного и контролируемого удаления этана и высших углеводородов в ходе сжижения природного газа. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжижения фракции с высоким содержанием углеводородов при одновременном удалении фракции с высоким содержанием C₂₊, при этом охлаждение и сжижение фракции с высоким содержанием углеводородов происходит при непрямом теплообмене посредством смеси хладагентов циркуляционного контура смеси хладагентов, в котором смесь хладагентов подвергают по меньшей мере двухступенчатому сжатию, и удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ происходит на регулируемом уровне температуры, при этом смесь хладагентов разделяют на газообразную и жидкую фракцию, обе фракции переохлаждаются, расширяются, по существу, до давления всасывания первой ступени компрессора и по меньшей мере частично выпариваются, отличающийся тем, что по меньшей мере временно по меньшей мере один частичный поток (19, 24) сжиженной, прежде газообразной фракции смеси (15) хладагентов расширяется (j, h) и подмешивается к расширенной жидкой фракции смеси (22) хладагентов, причем по меньшей мере временно по меньшей мере один частичный поток (19, 24) сжиженной, прежде газообразной фракции смеси (15) хладагентов является сжиженным посредством самого себя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частичный поток (19, 24) сжиженной, прежде газообразной фракции смеси (15) хладагентов на холодном конце теплообменника (E3) между подлежащей сжижению фракцией (1, 2) с высоким содержанием углеводородов и смесью (15, 17, 18, 20, 20', 22) хладагентов и/или при надлежащей промежуточной температуре отводится, расширяется (j, h) и подмешивается к расширенной жидкой фракции смеси (22) хладагентов, при этом надлежащая промежуточная температура устанавливается тогда, когда смесь (15) хладагентов переохлаждена по меньшей мере на 5°C, предпочтительно на 10°C относительно состояния кипения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплообмен между подлежащей сжижению фракцией (1, 2) с высоким содержанием углеводородов и смесью (15, 17, 18, 20, 20', 22) хладагентов осуществляется в многопоточном теплообменнике (E3), который предпочтительно выполнен в виде пластинчатого теплообменника или витого теплообменника.

4. Способ по п.1 или 2, при котором удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ осуществляется по меньшей мере в одной разделительной колонне, отличающийся тем, что по меньшей мере временно частичный поток (5) подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов подается в головную область разделительной колонны (T).

5. Способ по п.1 или 2, при котором удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ осуществляется по меньшей мере в одной разделительной колонне, отличающийся тем, что по меньшей мере временно частичный поток (5) подлежащей сжижению фракции с высоким содержанием углеводородов подается в нижнюю область разделительной колонны (T).

6. Способ по п.1 или 2, при котором удаление фракции с высоким содержанием C₂₊ осуществляется по меньшей мере в одной разделительной колонне, отличающийся тем, что посредством кипятильника (E4), которым снабжена разделительная колонна (T), устанавливается температура нижней части разделительной колонны.