СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ФРАКЦИИ, БОГАТОЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ Российский патент 2019 года по МПК F25J1/00 

Изобретение касается способа охлаждения фракции, богатой углеводородами, в частности природного газа.

Для ожижения фракций газа, богатых углеводородами, в частности природного газа, применяются, в том числе, способы, при которых для создания холода используется расширение газов c совершением работы. Для повышения термодинамического коэффициента полезного действия и вместе с тем для сокращения удельного расхода энергии может применяться больше одного турбодетандера. Общим признаком этих так называемых «процессов с несколькими расширителями» является раздельное создание максимального холода (минимальной температуры хладагента) исключительно за счет физической теплоты потока газа, охлаждаемого за счет расширения с совершением работы, и независимо от этого создание преобладающей части всей необходимой холодопроизводительности на более высоком температурном уровне путем применения по меньшей мере одного дополнительного турбодетандера. Такого рода процессы расширения известны, например, из патента US 5768912, который описывает так называемый способ двойного расширения N₂, а также из патента US 6412302, который описывает так называемый способ расширения N₂-CH₄.

Расширитель, работающий на минимальном температурном уровне, создает при этом только примерно 25%, обычно меньше 20% от общей холодопроизводительности. При этом наибольшая доля отдаваемого холода приходится на этот или, соответственно, эти горячие расширители, если применяются более двух расширителей.

Задачей настоящего изобретения является создать способ охлаждения богатой углеводородами фракции, в частности природного газа, при котором холодопроизводительность при применении двух расширителей может распределяться более равномерно, причем это отношение должно составлять предпочтительно от 40/60 до 60/40, чтобы при заданном максимальном размере расширителей повысить производственную мощность способа ожижения без использования параллельных расширителей. Кроме того, можно отказаться от использования отдельных холодильных контуров, как описано в вышеназванном патенте US 6412302, чтобы снизить капиталовложения.

Для решения этой задачи предлагается способ охлаждения богатой углеводородами фракции, в частности природного газа, с помощью контура циркуляции хладагента, при котором

a) богатая углеводородами фракция охлаждается в трех областях теплообменника с помощью хладагента контура циркуляции хладагента,

b) хладагент сжимается, и затем отводится первая часть потока, в то время как остальной поток хладагента в первой области теплообменника охлаждается с помощью самого себя до температуры, которая по меньшей мере на 3°C, предпочтительно по меньшей мере на 5°C выше критической температуры хладагента,

c) первая часть потока расширяется, совершая работу,

d) охлажденный остальной поток хладагента разделяется на вторую и третью часть потока,

e) вторая часть потока расширяется, совершая работу, при этом давление и температура выбираются таким образом, что при расширении с совершением работы не образуется жидкость,

f) третья часть потока во второй и третьей области теплообменника охлаждается с помощью расширенной с совершением работы второй части потока и с помощью себя самой настолько, что при ее последующем расширении образуется доля жидкости по меньшей мере 90 мол. % предпочтительно по меньшей мере 95 мол. %

g) третья расширенная двухфазная часть потока в третьей области теплообменника по меньшей мере частично испаряется, предпочтительно полностью испаряется,

h) к третьей части потока подмешивается расширенная с совершением работы вторая часть потока, и образованный таким образом поток хладагента дополнительно нагревается во второй области теплообменника, и

i) к нагретому потоку хладагента подмешивается расширенная с совершением работы первая часть потока, и поток хладагента перед его повторным сжатием дополнительно нагревается в первой области теплообменника.

Предлагаемый изобретением способ охлаждения богатой углеводородами фракции теперь включает в себя также один горячий, а также один холодный расширитель, в которых потоки хладагента расширяются, совершая работу. Однако холодный расширитель, в противоположность способу, относящемуся к уровню техники, уже не применяется для создания максимального холода. Это приводит к тому, что рабочая точка холодного расширителя смещается таким образом, что холодопроизводительность этих двух расширителей теперь находится в желаемом отношении от 40/60 до 60/40. Это позволяет при данном максимальном размере расширителей повышать производственную мощность установки без использования параллельных расширителей по сравнению со способом, относящимся к уровню техники.

По другому предпочтительному варианту осуществления предлагаемого изобретением способа в качестве хладагента используется смесь, которая, наряду с азотом и метаном, включает в себя по меньшей мере один дополнительный компонент из группы CO, Ar, O₂, Kr, Xe, C₂H₄ и C₂H₆, при этом азот содержится в концентрации по меньшей мере 50 мол. % предпочтительно по меньшей мере 60 мол. % а метан - в концентрации по меньшей мере 10 мол. % предпочтительно по меньшей мере 20 мол. %.

Энергетически предпочтительно поддерживать как можно более высокое давление всасывания компрессора, требуемого для сжатия хладагента. Когда в расширенной с совершением работы второй части потока хладагента избегают образования жидкости и одновременно хотят получить наибольшее возможное количество жидкости в расширенной третьей части потока хладагента, получаются определенные краевые условия, которые оптимально выполняются при предложенном составе хладагента.

В качестве усовершенствованного варианта предлагаемого изобретением способа охлаждения богатой углеводородами фракции предлагается, чтобы хладагент сжимался до давления, по меньшей мере на 5 бар, предпочтительно по меньшей мере на 10 бар выше критического давления. Это осуществление способа позволяет избежать двухфазности хладагента в области высокого давления и улучшает частичную нагрузочную способность.

Предлагаемый изобретением способ охлаждения богатой углеводородами фракции, а также другие предпочтительные варианты его осуществления поясняются ниже на примере осуществления, изображенном на фиг. 1.

Подлежащая охлаждению богатая углеводородами фракция A охлаждается в теплообменниках или, соответственно, областях E1, E2 и E3 теплообменника, при этом при необходимости ожижается и переохлаждается или при давлении выше критического давления без изменения фазы преобразуется в текучую среду высокой плотности. При этом подлежащая ожижению фракция охлаждается настолько (поток B), что после расширения в клапане V2 до давления максимум 5 бар, предпочтительно максимум 1,5 бар, образуется преимущественно жидкость, причем доля жидкости составляет по меньшей мере 85 мол. % предпочтительно по меньшей мере 90 мол.%.

Холодильный контур, служащий для охлаждения богатой углеводородами фракции A, наряду с одно- или многоступенчатым компрессором C1, имеет два расширителя X1 и X2, а также редукционный клапан V1. Циркулирующий в этом холодильном контуре хладагент 1 в изображенном на фиг. 1 примере осуществления многоступенчато сжимается C1, при этом предусмотрены соответствующие промежуточные и дополнительные охладители E4 и E5. Хладагент 3, сжатый до желаемого давления контура, разделяется на первую часть 4 потока, а также остальной поток 6 хладагента. Первая часть 4 потока, совершая работу, расширяется в так называемом горячем расширителе X1 и по трубопроводу 5 подается в поток 12 хладагента, который будет описан ниже. При этом первая часть 4 потока предпочтительно расширяется до давления несколько выше давления всасывания компрессора C1. Разность давления между выходом горячего расширителя X1 и входом компрессора C1, обычно менее 1 бара, обусловливается падением давления в аппаратах и трубопроводах. Поток 6 хладагента в первой области E1 теплообменника охлаждается до температуры, которая по меньшей мере на 3°C, предпочтительно по меньшей мере на 5°C выше критической температуры хладагента.

Охлажденный таким образом поток 7 хладагента теперь разделяется на вторую часть 8 потока и третью часть 10 потока. Вторая часть потока, совершая работу, расширяется в так называемом холодном расширителе X2, при этом давление и температура выбираются таким образом, что при расширении с совершением работы не образуется жидкость. В свою очередь, расширение происходит до давления несколько выше давления всасывания компрессора C1.

Третья часть 10 потока во второй и третьей области E2 и E3 теплообменника охлаждается с помощью расширенной с совершением работы второй части 9 потока и с помощью самой себя настолько, что при последующем расширении охлажденной третьей части 11 потока в редукционном клапане V1 образуется доля жидкости по меньшей мере 90 мол. % предпочтительно по меньшей мере 95 мол.%.

Затем расширенная двухфазная часть 11 потока в третьей области E3 теплообменника по меньшей мере частично, предпочтительно полностью испаряется. На горячем конце области E3 теплообменника к ней подмешивается расширенная вторая часть 9 потока, и образованный таким образом поток хладагента дополнительно нагревается во второй области E3 теплообменника. К этому потоку 12 хладагента, наконец, подмешивается расширенная с совершением работы первая часть 5 потока, прежде чем весь поток хладагента перед его повторным сжатием C1 дополнительно нагревается в области E1 теплообменника до температуры окружающей среды.

Механическая мощность одного или двух расширителей X1 и X2 может выборочно использоваться для привода генераторов или для привода бустерных компрессоров, которые разгружают циркуляционный компрессор C1. Бустерные компрессоры могут располагаться последовательно или параллельно, а также применяться перед или после компрессора C1.

В качестве теплообменников E1, E2 и E3 пригодны все типы, которые позволяют получить противоток для теплообмена. Как изображено на фиг. 1, теплообменники (области теплообменника) E2 и E3 могут строиться в специальном исполнении, при котором пучки E2 и E3 теплообменника встраиваются в один общий напорный резервуар D, в котором по стороне кожуха нагреваются расширенные части 9 и 11 потока хладагента.

Если подлежащая охлаждению фракция газа содержит (тяжелые) компоненты, которые нежелательны в конечном продукте, охлажденная богатая углеводородами фракция B между теплообменниками (областями теплообменника) E1 и E2 может подвергаться удалению этих компонентов, например, путем осаждения или вымывания.

Изобретение относится к способам охлаждения и сжижения природного газа. Богатую углеводородами фракцию (A) охлаждают в трех областях (E1, E2, E3) теплообменника с помощью хладагента. Хладагент сжимают (C1) и затем отводят первую часть (4) потока, которую расширяют (X1) с совершением работы. Остальной поток (6) хладагента охлаждают в теплообменнике с помощью самого себя до температуры выше критической температуры хладагента и разделяют на вторую (8) и третью часть (10) потока. Вторую часть (8) потока расширяют (X2) с совершением работы, при этом давление и температуру выбирают таким образом, что при расширении не образуется жидкость. Третью часть (10) потока охлаждают с помощью расширенной второй части (9) потока и с помощью самой себя настолько, что при ее последующем расширении (V1) образуется доля жидкости по меньшей мере 90 мол.%. Третью расширенную двухфазную часть (11) потока испаряют в теплообменнике и подмешивают к ней вторую часть (9) потока. Образованный таким образом поток хладагента нагревают в теплообменнике и подмешивают к нему расширенную с совершением работы первую часть (5) потока. Поток хладагента перед сжатием нагревают в теплообменнике. Техническим результатом является обеспечение отношения холодопроизводительности двух расширителей (X1, X2) в диапазоне от 40/60 до 60/40. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ охлаждения фракции, богатой углеводородами, в частности природного газа, с помощью контура циркуляции хладагента, в котором

a) богатую углеводородами фракцию (A) охлаждают в трех областях (E1, E2, E3) теплообменника с помощью хладагента циркуляционного контура хладагента,

b) хладагент сжимают (C1) и затем отводят первую часть (4) потока, в то время как остальной поток (6) хладагента в первой области (E1) теплообменника охлаждают с помощью самого себя до температуры, которая по меньшей мере на 3°C, предпочтительно по меньшей мере на 5°C выше критической температуры хладагента,

c) первую часть (4) потока расширяют (X1) с совершением работы,

d) охлажденный остальной поток (7) хладагента разделяют на вторую (8) и третью часть (10) потока,

e) вторую часть (8) потока расширяют (X2) с совершением работы, при этом давление и температуру выбирают таким образом, что при расширении (X2) с совершением работы не образуется жидкость,

f) третью часть (10) потока во второй и третьей области (E2, E3) теплообменника охлаждают с помощью расширенной с совершением работы второй части (9) потока и с помощью самой себя настолько, что при ее последующем расширении (V1) образуется доля жидкости по меньшей мере 90 мол.%, предпочтительно по меньшей мере 95 мол.%,

g) третью расширенную двухфазную часть (11) потока в третьей области (E3) теплообменника по меньшей мере частично испаряют, предпочтительно полностью испаряют,

h) к третьей части потока подмешивают расширенную с совершением работы вторую часть (9) потока, и образованный таким образом поток хладагента дополнительно нагревают во второй области (E2) теплообменника, и

i) к нагретому потоку (12) хладагента подмешивают расширенную с совершением работы первую часть (5) потока, и

поток хладагента перед его повторным сжатием (V1) дополнительно нагревают в первой области (E1) теплообменника.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве хладагента используют смесь, которая, наряду с азотом и метаном, включает в себя по меньшей мере один дополнительный компонент из группы CO, Ar, O₂, Kr, Xe, C₂H₄ и C₂H₆, при этом азот содержится в концентрации по меньшей мере 50 мол.%, предпочтительно по меньшей мере 60 мол.%, а метан - в концентрации по меньшей мере 10 мол.%, предпочтительно по меньшей мере 20 мол.%.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что хладагент (1) сжимают (C1) до давления, по меньшей мере на 5 бар, предпочтительно по меньшей мере на 10 бар выше критического давления.