СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ БОГАТОЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ ФРАКЦИИ Российский патент 2018 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к способу для охлаждения богатой углеводородами фракции, в частности природного газа, причем

- богатую углеводородами фракцию охлаждают относительно по меньшей мере одного контура циркуляции хладагента,

- хладагент содержит по меньшей мере азот и/или двуокись углерода, и/или метан, и/или С₂₊-углеводороды,

- сжатие хладагента осуществляют посредством по меньшей мере одного турбокомпрессора, содержащего одно или несколько контактных уплотнительных колец на газовой смазке,

- и на турбокомпрессор подают в качестве первичного затворного газа частичный поток хладагента, и/или наружный газ, или газовую смесь, содержащую по существу азот и/или метан, а в качестве вторичного затворного газа азот.

Типовые способы для охлаждения богатой водородом фракции находят применение, в частности, в сжижении природного газа. Для процесса сжижения требуется холод, который обычно поставляют один или несколько контуров циркуляции хладагента. При этом особое значение имеют замкнутые и работающие от турбокомпрессоров контуры циркуляции хладагента. В качестве хладагентов в замкнутых контурах используются частично чистые вещества, однако большей частью смеси с использованием ассортимента компонентов, таких как азот, метан, а также С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, i/n-C₄H₁₀ и i/n-C₅H₁₂ и т.д. в различных пропорциях. Под термином «С₂₊-углеводороды» в предлагаемом случае следует понимать вышеназванные компоненты С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, i/n-C₄H₁₀ и i/n-C₅H₁₂ и т.д.

Для стационарной рабочей установки постоянно сохраняется инвентарь контура циркуляции хладагента в отношении расхода и молярного состава. Однако вынужденно случаются утечки в контуре циркуляции хладагента или дополнительное внесение газовых или компонентных потоков в контур циркуляции хладагента. Виновниками этого являются по существу уплотнения вала турбокомпрессора, предусмотренного для сжатия хладагента, а также подаваемый для них затворный газ.

Это загрязнение и/или утечки хладагента должны компенсироваться. В то время как наличие азота внутри сжижающей установки, а также поставка метана из сжижаемого природного газа обычно гарантируются, то постоянная компенсация потерь С₂₊-углеводородов связана с высокими затратами по монтажу оборудования, высокими производственными издержками и возможными проблемами в плане логистики.

Следовательно, необходимо обратить внимание на то, чтобы при выборе уплотнения вала турбокомпрессоров, а также дизайна, относящихся к уплотнению периферии, обеспечить наилучшим образом защиту инвентаря хладагентов контура охлаждения. С этой целью в настоящее время используются преимущественно в различных конструктивных формах контактные уплотнительные кольца на газовой смазке. Они наполняются хладагентом, циркулирующим в соответствующем контуре охлаждения как первичный затворный газ, чтобы избежать загрязнения со стороны технологического процесса. Как вторичный затворный газ, по соображениям функциональной безопасности постоянно используется азот, так что первичный отвод газового уплотнения составляет смесь из хладагента и азота. Эта смесь отводится, как правило, для сжигания в факеле, так что составляет потерю хладагентов.

В принципе, для первичной подачи затворного газа может быть привлечен также наружный затворный газ, однако в этом случае даже при надлежащем выборе способа сжатия постоянно случается внесение чужеродных компонентов в контур циркуляции хладагента и, следовательно, загрязнение хладагента. Поскольку при известных условиях загрязнение приводит к потере более значительных объемов инвентаря, то обычно предпочитают осуществлять затворение посредством хладагента и идут на сниженные за счет надлежащего регулирования потери при сжатии, в частности, сравнительно ценных С₂₊-углеводородов или компонентов.

Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы предложить типовой способ охлаждения богатой углеводородами фракции, который устраняет вышеназванные недостатки.

Для решения этой задачи предлагается способ охлаждения богатой углеводородами фракции, который отличается тем, что из контура циркуляции хладагента по меньшей мере время от времени отбирают по меньшей мере один богатый азотом поток.

При этом богатый азотом поток отбирают предпочтительно на холодном конце контура циркуляции хладагента. Отбор богатого азотом потока осуществляют, в частности, в тот момент, когда в циркулирующем в контуре охлаждения хладагенте содержание азота и/или метана превышает заданное пороговое значение.

Применение способа согласно изобретению позволяет предотвратить обогащение контура циркуляции хладагента азотом и/или метаном. Желательная пропорция между этими компонентами и С₂₊-углеводородами остается по существу неизменной. Поэтому для регулирования состава хладагента достаточно, если отслеживается лишь содержание этих двух компонентов в желательном объеме или объемах.

Предпочтительным образом отобранный богатый азотом поток содержит долю С₂₊-углеводородов менее 2 мол.%, предпочтительно менее 0,5 мол.%.

В сравнении с относящимся к уровню техники способам способ согласно изобретению для охлаждение богатой углеводородами фракции делает возможным сокращение потерь С₂₊-углеводородов или С₂₊-компонентов хладагента примерно на 99%. Из этого следуют существенное сокращение производственных издержек за счет минимизации затрат на закупку и транспортировку С₂₊-углеводородов, а также сокращение расходов по монтажу оборудования для введения в оборот этих компонентов контура циркуляции хладагента. Кроме того, могут быть снижены нежелательные выбросы, так как углеводороды не отводятся для сжигания в факеле.

Другое предпочтительное выполнение способа согласно изобретению для охлаждения богатой углеводородами фракции отличается тем, что в процессе сжижения богатой углеводородами фракции, подачи ее по меньшей мере в один расходный резервуар и отгонки из него выкипающей газовой фракции отобранный богатый азотом поток по меньшей мере частично смешивается с выкипающей газовой фракцией и/или сжигается в факеле. Под термином «выкипающая газовая фракция» здесь следует понимать испаряющийся за счет подачи тепла в расходный резервуар жидкий природный газ (ЖПГ) и отходящий во время введения ЖПГ в расходный резервуар вытесняющий газ.

При одно- или многоступенчатом сжатии циркулирующего в контуре охлаждения хладагента, особенно предпочтительно если полученная отгонкой из турбокомпрессора посредством первичного отвода газового уплотнения смесь затворного газа подается со стороны всасывания на компрессор или на первую ступень сжатия посредством повышения давления затворного газа.

Если на турбокомпрессор в качестве первичного затворного газа подается наружный газ или газовая смесь, содержащая по существу азот и/или метан, этот газ/газовая смесь предпочтительным образом изготовлен/а из отходящей в рамках технологического процесса охлаждения и/или уже имеющейся фракции. Для этого может быть привлечен, например, частичный поток сжатой выкипающей газовой фракции и/или частичный поток азота, участвующего в технологическом процессе.

Ниже способ согласно изобретению для охлаждения богатой углеводородами фракции детально поясняется на основе представленного на фиг. 1 примера осуществления, который показывает процесс сжижения природного газа.

По трубопроводу 1 охлаждаемый и сжижаемый природный газ подается на теплообменник Е, в котором он посредством хладагента контура циркуляции хладагента, о котором в дальнейшем речь пойдет более детально, охлаждается и сжижается. После завершения сжижения и, возможно, переохлаждения сжиженный природный газ (СПГ) по трубопроводу 2 подается в расходный резервуар S. Отбор сжиженного природного газа из расходного резервуара S осуществляется по трубопроводу 3. Отходящая внутри расходного резервуара S выкипающая газовая фракция отгоняется по трубопроводу 4, нагревается предпочтительно в теплообменнике Е охлаждаемым природным газом 1 и затем по трубопроводу 5 – при необходимости, после предшествующего сжатия компрессором С2 выкипающей газовой фракции - отводится по трубопроводу 22 как так называемая фракция топливного газа. Частичный поток этой фракции по трубопроводным участкам 23 и 18 может подаваться как первичный затворный газ в описанный в дальнейшем турбокомпрессор С1.

Циркулирующий внутри контура охлаждения хладагент содержит, например, компоненты, такие как азот, метан и С₂₊-углеводороды. Сжатие этого хладагента происходит в выполненном одно- или многоступенчатом, содержащем контактные уплотнительные кольца на газовой смазке турбокомпрессоре С1. Сжатый на желательное контурное давление хладагент по трубопроводу 10 подается на теплообменник Е и охлаждается в нем за счет самого себя. По трубопроводу 11 охлажденный хладагент отгоняют из теплообменника Е и он расширяется с отдачей холода в расширительном клапане а.

Затем расширившийся хладагент по трубопроводу 12 подается на сепаратор D1 и в нем разделяется на жидкую, богатую С₂₊-углеводородами фракцию 13 и газообразную фракцию 14, содержащую по существу исключительно азот и метан. Обе вышеназванные фракции вновь соединяются непосредственно перед теплообменником Е и направляются теплообменником Е противотоком к охлаждающему потоку природного газа 1, а также охлаждающему потоку хладагента 10. Затем нагретый при этом хладагент по трубопроводу 15 подается в подключенный впереди турбокомпрессора С1 резервуар D2. Последний служит для отделения содержащихся, возможно, в нагретом потоке хладагента 15 жидких компонентов; отходящая в резервуаре D2 газовая фракция подается по трубопроводу 16 на турбокомпрессор С1.

Как альтернатива вышеописанному применению способа хладагент на холодном конце контура циркуляции хладагента расширяется в две ступени. На первой ступени расширения в клапане а расширенный хладагент разделяется, как описано, в сепараторе D1 на жидкую, богатую С₂₊-углеводородами фракцию 13 и газообразную фракцию 14, содержащую по существу исключительно азот и метан, при этом жидкая, богатая С₂₊-углеводородами фракция 13 расширяется затем в обозначенном штриховкой клапане а’ на давление испарения хладагента. Это применение способа имеет преимущество в сравнении с описанным прежде применением в том, что отделяемые, низкокипящие компоненты обогащаются при первом расширении в газовой фазе. Это позволяет более селективное осуществление процесса.

На турбокомпрессор С1 в качестве первичного затворного газа подается частичный поток циркулирующего в контуре охлаждения хладагента, и/или наружный газ, или газовая смесь, которая представляет собой по существу азот и/или метан. Эта подача частичного потока хладагента осуществляется по трубопроводу 17, в котором расположен регулировочный клапан с. Наружный газ или газовая смесь может подаваться как первичный затворный газ на турбокомпрессор С1 по трубопроводу 18, в котором также расположен регулировочный клапан d. Кроме того, на турбокомпрессор С подается как вторичный затворный газ азот или богатая азотом фракция. Для наглядности на фиг. 1 это не показано.

Если в рамках контура циркуляции хладагента это приводит к обогащению компонентов азота и/или метана, то они могут отбираться из контура циркуляции хладагента по трубопроводу 21, в котором расположен регулировочный клапан b. Предусмотренный вышеописанный сепаратор D1 обеспечивает, что отобранный по трубопроводу 21 из контура циркуляции хладагента богатый азотом поток 21 практически не содержит С₂₊-углеводородов. Потому их потери в рамках контура циркуляции хладагента могут не приниматься в расчет.

Как показано на фиг. 1, при определенных обстоятельствах может быть целесообразным подмешивать богатый азотом поток 21 к отобранной из расходного резервуара S выкипающей газовой фракции 4 и нагревать вместе с ней. Альтернативно или дополнительно богатый азотом поток 21 также может сжигаться в факеле.

Предпочтительно отбор богатого азотом потока 21 осуществляется на холодном конце контура циркуляции хладагента. Однако в виде альтернативы, допустимы также другие места отбора. Кроме того, отбор богатого азотом потока 21 может производиться непрерывно или периодически. Отбор богатого азотом потока 21 осуществляют, в частности, если в циркулирующем хладагенте контура охлаждения содержание азота и/или метана превысило заданное пороговое значение. С этой целью необходимо проверять состав хладагента.

Кроме того, полученная отгонкой из турбокомпрессора С1 через его первичный отвод газового уплотнения затворная газовая смесь может вновь подаваться на компрессор или, в случае многоступенчатого сжатия, на ступень сжатия с всасывающей стороны, предпочтительно через вышеописанный резервуар D2, что на фиг. 1 представлено посредством трубопровода 20. Вышеописанная обратная подача полученной отгонкой через первичный отвод затворной газовой смеси перед турбокомпрессором С1 или его первой ступенью сжатия может производиться непосредственно повышением первичного давления затворного газа без использования дополнительных технических средств. Вышеописанная обратная подача полученной отгонкой через первичный отвод затворной газовой смеси перед турбокомпрессором С1 или его первой ступенью сжатия может быть осуществлена также с использование эжектора или другого компрессора. При этом как вытесняющий поток для эжектора может быть использован хладагент со стороны давления турбокомпрессора С1.

Особо следует отметить, что применение способа согласно изобретению может быть реализовано или целесообразно не только в комбинации с показанным на фиг. 1 контуром циркуляции хладагента. Более того, сущность изобретения может быть реализована в комбинации с любым известным контуром циркуляции хладагента или комбинациями нескольких контуров циркуляции хладагента независимо от того, циркулируют ли в них чистые газы или смеси.

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к охлаждению богатой углеводородами фракции (1). Ее охлаждают относительно по меньшей мере одного контура циркуляции хладагента (10-15). Хладагент в контуре циркуляции хладагента содержит по меньшей мере: азот, двуокись углерода, метан и/или С₂₊-углеводороды. Хладагент сжимают посредством по меньшей мере одного турбокомпрессора (С1), содержащего одно или более контактных уплотнительных колец на газовой смазке. Обеспечивают первичный затворный газ, содержащий: частичный поток хладагента и/или наружный газ или газовую смесь, содержащую азот и/или метан. Подают первичный затворный газ на турбокомпрессор (С1). Обеспечивают вторичный затворный газ, содержащий азот, и подают вторичный затворный газ на турбокомпрессор (С1). Обеспечивают линию отбора в контуре циркуляции хладагента и осуществляют контроль потока в линии отбора для отбора по меньшей мере одного богатого азотом потока (21) по меньшей мере в определенные моменты времени из контура циркуляции хладагента (10-15). В результате компенсируются потери хладагента. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ охлаждения богатой углеводородами фракции, при котором

- богатую углеводородами фракцию (1) охлаждают относительно по меньшей мере одного контура циркуляции хладагента (10-15),

- причем хладагент в контуре циркуляции хладагента содержит по меньшей мере: азот, двуокись углерода, метан и/или С₂₊-углеводороды,

- осуществляют сжатие хладагента в контуре циркуляции хладагента посредством по меньшей мере одного турбокомпрессора (С1), содержащего одно или более контактных уплотнительных колец на газовой смазке,

- обеспечивают первичный затворный газ, содержащий: частичный поток хладагента, и/или наружный газ, или газовую смесь, содержащую по существу азот и/или метан, и подают первичный затворный газ на указанный по меньшей мере один турбокомпрессор (С1),

- обеспечивают вторичный затворный газ, содержащий азот, и подают вторичный затворный газ на указанный по меньшей мере один турбокомпрессор (С1),

причем способ дополнительно включает этапы, на которых

обеспечивают линию отбора в контуре циркуляции хладагента,

осуществляют контроль потока в линии отбора для отбора по меньшей мере одного богатого азотом потока (21) по меньшей мере в определенные моменты времени из контура циркуляции хладагента (10-15).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что богатый азотом поток (21) отбирают на холодном конце контура циркуляции хладагента (10-16).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отобранный богатый азотом поток (21) содержит долю С₂₊-углеводородов менее 2 мол.%, предпочтительно менее 0,5 мол.%.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отбор богатого азотом потока (21) осуществляют как только содержание азота и/или метана в циркулирующем в контуре охлаждения (10-16) хладагенте превышает заданное пороговое значение.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что богатую углеродами фракцию сжижают, подают по меньшей мере в один расходный резервуар и из него отгоняют выкипающую газовую фракцию, при этом отобранный богатый азотом поток (21) по меньшей мере частично подмешивают к выкипающей газовой фракции и/или сжигают в факеле.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сжатие циркулирующего в контуре охлаждения хладагента осуществляют в одну или несколько ступеней, при этом осуществляют отгонку смеси затворного газа (20) из указанного по меньшей мере одного турбокомпрессора (С1) через первичный отвод газового уплотнения и затем подают ее на турбокомпрессор или на первую ступень сжатия посредством повышения давления затворного газа со стороны всасывания турбокомпрессора.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на турбокомпрессор в качестве первичного затворного газа подают наружный газ или газовую смесь, содержащую по существу азот и/или метан, при этом этот газ/газовую смесь получают из отходящей в рамках технологического процесса охлаждения и/или уже имеющейся фракции, и предпочтительно газ/газовая смесь представляет собой частичный поток сжатой выкипающей газовой фракции (24) и/или участвующего в технологическом процессе азота.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что хладагент расширяется на холодном конце контура циркуляции хладагента в две ступени, причем расширенный на первой ступени (а) хладагент разделяют в сепараторе (D1) на жидкую, богатую С₂₊-углеводородами фракцию (13) и газообразную фракцию (14), содержащую по существу исключительно азот и метан, и затем жидкую, богатую С₂₊-углеводородами фракцию (13) расширяют (а’) до давления испарения хладагента.