Способ сжижения богатой углеводородами фракции Российский патент 2019 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к способу сжижения богатой углеводородами фракции, в частности, природного газа, где

- богатую углеводородами фракцию предварительно охлаждают и подвергают обработке для отделения воды и последующему процессу сушки перед сжижением и

- богатую углеводородами фракцию сжижают с использованием по меньшей мере одного контура смешанного хладагента,

где хладагент, циркулирующий в контуре смешанного хладагента, сжимают по меньшей мере в две стадии, затем по меньшей мере частично конденсируют и образующуюся при этом жидкую фракцию, по меньшей мере частично, смешивают с хладагентом, который сжат до промежуточного давления.

Для сжижения богатых углеводородами газовых фракций, в частности, природного газа, используют, среди прочего, способы с использованием смеси хладагентов, состоящей из легких углеводородов и азота, причем смесь хладагентов по меньшей мере частично конденсируют при повышенном давлении по сравнению с окружающей средой. Для сжижения природного газа жидкий хладагент затем испаряют при пониженном давлении путем косвенного теплообмена с природным газом. Поскольку в случае (неазеотропной) смеси точка росы при заданном давлении находится всегда выше температуры кипения, испарение хладагента происходит, в зависимости от состава, постепенно в интервале температур, который составляет, в зависимости от процесса, по меньшей мере 20°С, иногда даже 200°С.

Если капитальные затраты на установку для сжижения природного газа должны оставаться на низком уровне, контур смеси вышеописанного типа используют исключительно для всего интервала температур от температуры окружающей среды до температуры продукта СПГ (сжиженный природный газ) (около -160°С). При этом не используют отдельный контур предварительного охлаждения для интервала температур от температуры окружающей среды до -50°С.

В процедуре такого типа, которую обычно называют способом OCX (одного смешанного хладагента), доступен только один хладагент или его частичные потоки, которые постепенно испаряют. Такой способ сжижения природного газа известен, например, из DE 19722490.

Перед сжижением природный газ обычно освобождают от кислых газообразных компонентов, таких как СО₂ и H₂S, посредством химической очистки, например, аминной очистки. В результате природный газ насыщается водой (парами воды). Для обеспечения рентабельности последующей сушки, которая обычно основана на адсорбции цеолитовыми молекулярными ситами, природный газ охлаждают насколько это возможно, при этом концентрация воды снижается из-за частичной конденсации воды и последующего отделения воды до такой степени, что устанавливается предел порогового образования гидратов или водного льда. Этот предел, в зависимости от состава газа, достигается при температуре вплоть до 20°С.

В различных климатических условиях невозможно охладить природный газ до достаточно близкой (на 10°С, предпочтительно на 5°С выше температуры гидратообразования) к вышеуказанной предельной температуре воздухом и/или охлаждающей водой.

Смешанные хладагенты из-за постепенного испарения не очень подходят для очень точного достижения оптимальной температуры влажного природного газа перед сушкой экономичным способом, чтобы при этом температура не упала ниже температуры гидратообразования, по меньшей мере, в частях используемого теплообменника.

Целью настоящего изобретения является обеспечение способа сжижения богатой углеводородами фракции, который позволяет сжижать богатую углеводородами фракцию, предварительно охлажденную перед сушкой, без использования полного контура предварительного охлаждения, т.е. без дополнительного компрессора. В частности, богатую углеводородами фракцию следует предварительно охлаждать до температуры, которая на 10°С, предпочтительно на 5°С выше температуры гидратообразования, без воздействия на влажную богатую углеводородами фракцию температур ниже температуры гидратообразования.

Для достижения этой цели предложен способ сжижения богатой углеводородами фракции, отличающийся тем, что частичный поток жидкой фракции служит для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции, подлежащей сжижению, до подачи последней на отделение воды, где теплообмен между жидкой фракцией и богатой углеводородами фракцией, подлежащей сжижению, осуществляют с помощью по меньшей мере одной системы теплообмена.

В другом воплощении по изобретению предложен способ сжижения богатой углеводородами фракции, в котором давление частичного потока жидкой фракции хладагента снижают до давления, которое по меньшей мере на 30 кПа (0,3 бар) выше, предпочтительно по меньшей мере на 70 кПа (0,7 бар) выше давления всасывания второй или последней ступени компрессора, и только образовавшуюся здесь жидкую фракцию используют для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции, подлежащей сжижению, до подачи последней на отделение воды.

В соответствии с изобретением предварительное охлаждение богатой углеводородами фракции, подлежащей сжижению, перед подачей этой фракции на отделение воды, осуществляют частичным потоком жидкой фракции, образованной при частичной конденсации сжатого хладагента. При этом теплообмена между этой жидкой фракцией и богатой углеводородами фракцией, подлежащей сжижению, достигают с помощью системы теплообмена. Система теплообмена служит для осуществления косвенного теплообмена между богатой углеводородами фракцией, подлежащей сжижению, и постепенно испаряющимся хладагентом.

Для целей настоящего изобретения термин «система теплообмена» относится к любой системе, в которой происходит косвенный перенос тепла между по меньшей мере двумя средами с помощью теплоносителя. Такая система теплообмена известна, например, из US 2119091.

В таких системах теплообмена предпочтительно в качестве теплоносителя используют кипящий чистый материал, который находится в жидкой форме при температурах от 0 до 30°С и который может представлять собой, например, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, диоксид углерода или аммиак.

Система теплообмена предпочтительно состоит из двух пучков прямых труб, двух спиральных теплообменников, двух пластинчатых теплообменников или из любого сочетания этих типов конструкций, где вышеупомянутые теплообменные компоненты предпочтительно установлены в сосуде высокого давления, который содержит кипящий теплоноситель.

Выбор подходящего теплоносителя из чистого материала и регулирование его рабочего давления и, таким образом, его температуры кипения позволяет охлаждать богатую углеводородами фракцию до температуры, очень близкой к температуре гидратообразования, без непосредственного теплового контакта с потоком неприемлемо холодного хладагента. Теплоноситель сравнительно эффективно обеспечивает требуемую теплопередачу путем непрерывной конденсации на стороне хладагента и испарения на стороне богатой углеводородами фракции. В отличие от постепенно испаряющегося смешанного хладагента, теплоноситель работает при постоянной температуре кипения и, следовательно, точке росы. Даже если конденсация теплоносителя происходит по меньшей мере частично по сравнению со смешанным хладагентом, который испаряется при температуре ниже температуры гидратообразования богатой углеводородами фракции, богатая углеводородами фракция и смешанный хладагент эффективно термически разделены теплоносителем.

Способ согласно изобретению позволяет оптимально снизить нагрузку на процесс сушки путем охлаждения богатой углеводородами фракции, подлежащей сжижению, или природного газа, подлежащего сжижению, до уровня, близкого к температуре гидратообразования, а также позволяет осуществлять отделение воды.

Способ сжижения богатой углеводородами фракции по изобретению, а также другие предпочтительные его воплощения более подробно проиллюстрированы демонстрационными примерами, показанными на Фиг. 1 и 2.

В демонстрационных примерах, изображенных на Фиг. 1 и 2, которые различаются только в показателях фактического процесса сжижения, богатую углеводородами фракцию 1, подлежащую сжижению, которая обычно имеет температуру от 40 до 80°С, охлаждают до температуры от 30 до 60°С с помощью охлаждающего воздуха и/или охлаждающей воды в теплообменнике Е3. Богатую углеводородами фракцию 2, подлежащую сжижению, затем подают в систему Е4 теплообмена и предварительно охлаждают в ней до температуры, которая не более чем на 10°С, предпочтительно не более чем на 5°С выше температуры гидратообразования. Богатую углеводородами фракцию 3, предварительно охлажденную таким образом, подают в сепаратор D4, на дне которого образуется конденсированная вода 4. Затем богатую углеводородами фракцию 5, отбираемую в верхней части сепаратора D4, подают в процесс Т сушки, который изображен просто в виде черного ящика. Обычно это процесс адсорбции, в котором в качестве адсорбента обычно используют цеолитовые молекулярные сита. Богатую углеводородами фракцию 6, подлежащую сжижению, которая предварительно обработана таким образом, затем охлаждают, сжижают и возможно переохлаждают в теплообменнике Е в еще не поясненном контуре хладагента, так что в случае сжижения природного газа, поток продукта СПГ можно отбирать через трубопровод 7.

Сжижение богатой углеводородами фракции происходит с использованием контура смешанного хладагента в демонстрационных примерах, изображенных на Фиг. 1 и 2. Такие контуры смешанного хладагента обычно содержат азот и по меньшей мере один С₁₊-углеводород в качестве хладагента. Хладагент 10, подлежащий сжатию, сжимают до промежуточного давления на первой ступени С1 компрессора. Сжатый хладагент 11 затем частично конденсируют во вторичном охладителе Е1 и разделяют в сепараторе D2 на относительно низкокипящую газовую фракцию 12 и относительно высококипящую жидкую фракцию 15. Только низкокипящую газовую фракцию 12 сжимают до максимального давления контура на второй ступени С2 компрессора. Сжатый хладагент 13 снова частично конденсируют во вторичном охладителе Е2 и разделяют в сепараторе D3 на газовую фракцию 14 и жидкую фракцию 17/17'. В демонстрационном примере, изображенном на Фиг. 1, газовую фракцию 14 и вышеупомянутую относительно высококипящую жидкую фракцию 15 хладагента, давление которой нагнетают с помощью насоса Р до давления газовой фракции 14 хладагента, вместе охлаждают ими самими в теплообменнике Е, а затем сбрасывают давление в клапане V4 сброса давления, чтобы обеспечить охлаждение. Обеспечивающий охлаждение хладагент 16 с пониженным давлением затем полностью испаряется в теплообменнике Е против богатой углеводородами фракции 6, подлежащей сжижению, и его снова подают в сепаратор D1, расположенный выше первой ступени С1 компрессора; это служит для защиты ступени С1 компрессора, так как захваченные жидкие фракции отделяются в сепараторе.

В то время как жидкую фракцию 17' хладагента, выведенную из сепаратора D3, полностью рециркулируют через клапан V1 сброса давления в точку перед сепаратором D2 в способах предшествующего уровня техники, частичный поток 17 этой жидкой фракции теперь используют для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции 1/2, подлежащей сжижению. С этой целью давление вышеописанного частичного потока 17 жидкой фракции сбрасывают в клапане V2 сброса давления до давления, которое выше давления всасывания второй ступени С2 компрессора предпочтительно по меньшей мере на 30 кПа (0,3 бар), в частности по меньшей мере на 70 кПа (0,7 бар), и полученный двухфазный поток подают в сепаратор D5. Полученную в нем газовую фракцию 19 рециркулируют через регулирующий клапан V3 в точку перед сепаратором D2, тогда как жидкую фракцию 18, полученную в сепараторе D5, используют для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции 1/2, подлежащей сжижению, и жидкую фракцию 18 затем также рециркулируют в точку перед сепаратором D2.

Теплообмен между жидкой фракцией 17 или жидкой фракцией 18, полученными после сброса давления в клапане V2, и богатой углеводородами фракцией 1/2, подлежащей сжижению, осуществляют с помощью системы Е4 теплообмена.

В демонстрационном примере, изображенном на Фиг. 2, относительно высококипящую жидкую фракцию 50 хладагента, которая отведена из сепаратора D2, и газовую фракцию 40 хладагента, которая отведена из сепаратора D3, охлаждают отдельно в зоне предварительного охлаждения теплообменника Е'. Хотя давление относительно высококипящей жидкой фракции 50 сбрасывают в клапане V5 сброса давления для обеспечения охлаждения и затем испаряют в противотоке к богатой углеводородами фракции 6, подлежащей сжижению, вышеупомянутую газовую фракцию 40 частично конденсируют и разделяют в сепараторе D6 на дополнительную газовую фракцию 41 и дополнительную жидкую фракцию 42. Газовую фракцию 41 охлаждают и частично конденсируют в зонах b и с сжижения и переохлаждения теплообменника Е'. Затем ее давление сбрасывают в клапане V7 сброса давления для обеспечения охлаждения, и она полностью испаряется в противотоке к богатой углеводородами фракции 6, подлежащей сжижению и, возможно, переохлаждению. Жидкую фракцию 42, полученную в сепараторе D6, дополнительно охлаждают в зоне b сжижения теплообменника Е', сбрасывают давление в клапане V6 сброса давления для обеспечения охлаждения, и полностью испаряют в противотоке к богатой углеводородами фракции 6, подлежащей сжижению. Если теплообменник Е', изображенный на Фиг. 2, выполнен в виде так называемого спирального теплообменника, то испарение указанных выше потоков 41, 42 и 50 хладагента происходит во внешней рубашке спирального теплообменника. Потоки 41, 42 и 50 хладагента, которые объединены в теплообменнике Е' и полностью переведены в паровую фазу в нем, подают по трубопроводу 43 в сепаратор D1, расположенный выше первой ступени С1 компрессора.

Изобретение относится к сжижению богатой углеводородами фракции. Богатую углеводородами фракцию предварительно охлаждают и подвергают обработке для отделения воды и последующему процессу сушки перед сжижением. Далее богатую углеводородами фракцию сжижают с использованием контура смешанного хладагента. Хладагент сжимают по меньшей мере в две стадии, затем частично конденсируют и образующуюся при этом жидкую фракцию по меньшей мере частично смешивают с хладагентом, который сжат до промежуточного давления. Частичный поток (17) жидкой фракции служит для предварительного охлаждения сжижаемой богатой углеводородами фракции (1, 2) перед ее подачей на отделение (D4) воды с помощью по меньшей мере одной системы (Е4) теплообмена. Давление частичного потока (17) жидкой фракции снижают до давления, которое по меньшей мере на 30 кПа (0,3 бар) выше давления всасывания второй или последней ступени (V2) компрессора. Только образовавшаяся жидкая фракция (18) служит для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции (1, 2), подлежащей сжижению, до ее подачи на отделение (D4) воды. Техническим результатом является снижение нагрузки на процесс сушки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжижения богатой углеводородами фракции, в частности природного газа, где

- богатую углеводородами фракцию предварительно охлаждают и подвергают обработке для отделения воды и последующему процессу сушки перед сжижением и

- богатую углеводородами фракцию сжижают с использованием по меньшей мере одного контура смешанного хладагента,

- где хладагент, циркулирующий в контуре смешанного хладагента, сжимают по меньшей мере в две стадии, затем по меньшей мере частично конденсируют и разделяют на газовую фракцию и жидкую фракцию, при этом частичный поток (17') жидкой фракции смешивают с хладагентом, который сжат до промежуточного давления,

где частичный поток (17) жидкой фракции служит для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции (1, 2), подлежащей сжижению, перед ее подачей на отделение (D4) воды, где теплообмен между частичным потоком (17) жидкой фракции и богатой углеводородами фракцией (1, 2), подлежащей сжижению, осуществляют с помощью по меньшей мере одной системы (Е4) теплообмена,

отличающийся тем, что давление частичного потока (17) жидкой фракции снижают до давления, которое по меньшей мере на 30 кПа (0,3 бар) выше давления всасывания второй или последней ступени (V2) компрессора, и только образовавшаяся здесь жидкая фракция (18) служит для предварительного охлаждения богатой углеводородами фракции (1, 2), подлежащей сжижению, до ее подачи на отделение (D4) воды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление частичного потока (17) жидкой фракции снижают до давления, которое по меньшей мере на 70 кПа (0,7 бар) выше давления всасывания второй или последней ступени (V2) компрессора.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя в системе (Е4) теплообмена используют кипящий чистый материал, который находится в жидкой форме в интервале температур от 0 до 30°С, предпочтительно этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, CO₂ или NH₃.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что система (Е4) теплообмена состоит из двух пучков прямых труб, двух спиральных теплообменников, двух пластинчатых теплообменников или из любого сочетания этих типов конструкций, где теплообменные компоненты предпочтительно установлены в сосуде высокого давления, который содержит кипящий теплоноситель.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что хладагент, циркулирующий в контуре смешанного хладагента, содержит азот и по меньшей мере один С₁₊-углеводород.