Способ сжижения насыщенной углеводородами фракции Российский патент 2020 года по МПК F25J1/00 

Настоящее изобретение относится к способу сжижения насыщенной углеводородами фракции, в частности природного газа, в котором

- насыщенную углеводородами фракцию охлаждают и сжижают с помощью по меньшей мере одного контура смешанного холодильного агента,

- холодильный агент, циркулирующий в контуре смешанного холодильного агента, сжимают на по меньшей мере двух ступенях и

- сжатый холодильный агент разделяют на более высоко кипящую и более низко кипящую фракцию холодильного агента,

- при этом более высоко кипящая фракция холодильного агента служит для предварительного охлаждения, а более низко кипящая фракция холодильного агента - для сжижения насыщенной углеводородами фракции.

Способы, используемые для сжижения насыщенных углеводородами газовых фракций, особенно природного газа, включают способы со смесью холодильных агентов, состоящей из легких углеводородов и азота, где смесь холодильных агентов по меньшей мере частично конденсируют в среде при повышенном давлении. Для сжижения природного газа жидкий холодильный агент соответственно испаряют при пониженном давлении в теплообменнике с косвенным теплообменом, содержащем природный газ.

Если необходимо сохранить на низком уровне капитальные затраты предприятия по сжижению природного газа, используют только смешанный контур указанного выше типа во всем температурном диапазоне от температуры окружающей среды до температуры полученного СПГ (сжиженного природного газа) (примерно -160°С). Обходятся без применения отдельного контура предварительного охлаждения в температурном диапазоне от температуры окружающей среды до примерно -50°С.

В технологическом режиме такого вида, который обычно называют способом одного смешанного холодильного агента (англ. - SMR (Single Mixed Refrigerant)), доступным является только один холодильный агент или его потоки, который имеет скользящее испарение. Способ сжижения природного газа такого типа известен, например, из патентной заявки №19722490, поданной в Германии.

На предприятиях по сжижению природного газа среднего размера, которые имеют производительность по сжижению примерно от 0,3 до 1,5 миллионов тонн в год, для SMR способов часто применяют спирально скрученые теплообменники. В этом случае, устанавливают технологический режим, включающий теплообменник предварительного охлаждения, теплообменник-ожижитель и переохладитель, расположенные внутри спирально скрученого теплообменника, где холодильный агент протекает сверху вниз вследствие силы притяжения внутри обычной оболочки спирально скрученого теплообменника. Установили, что такая конфигурация является экономически выгодной, но имеет недостаток, заключающийся в большой высоте конструкции, что сопряжено с недостатками, связанными с транспортировкой и т.п. конструкции.

Способ, на котором основано сжижение насыщенной углеводородами фракции, далее будет подробно показан со ссылкой на рабочий пример, представленный на Фиг. 1.

Подлежащий сжатию холодильный агент 10' в контуре смешанного холодильного агента, который обычно содержит азот и по меньшей мере один С₁₊ углеводород в качестве холодильного агента, сжимают при промежуточном давлении на первой ступени С1' компрессора. Затем сжатый холодильный агент 11' частично конденсируют в теплообменнике Е4' последующего охлаждения и разделяют в сепараторе D3' на газовую фракцию 13' и на более высоко кипящую жидкую фракцию 12'. Только газовую фракцию 13' сжимают до максимального давления циркуляции на второй ступени С2' компрессора. Сжатый холодильный агент 14' частично конденсируют в теплообменнике Е5' последующего охлаждения и разделяют в сепараторе D4' на более низко кипящую газовую фракцию 16' и жидкую фракцию 15'. Жидкую фракцию 15' подают через детандерный вентиль V4' в холодильный агент 11', который сжали до промежуточного давления.

Хотя более высоко кипящая фракция 12' холодильного агента служит для предварительного охлаждения насыщенной углеводородами фракции А', которую нужно подвергнуть сжижению, более низко кипящая фракция холодильного агента 16' служит для сжижения и переохлаждения предварительно охлажденной насыщенной углеводородами фракции. Предварительный охладитель Е1', ожижитель Е2' и переохладитель Е3' расположены в данной заявке внутри спирально скрученого теплообменника W. После пропускания через спирально скрученый теплообменник W сжиженную насыщенную углеводородами фракцию С сливают из его верхней части.

Более высоко кипящую фракцию 12' холодильного агента, которая служит для предварительного охлаждения насыщенной углеводородами фракции А', которую нужно подвергнуть сжижению, охлаждают в теплообменнике Е1' предварительного охлаждения, рефрижиративно расширяют в вентиле V1' и затем полностью испаряют с помощью предварительно охлаждаемой насыщенной углеводородами фракции А'. Испаренную фракцию 19' холодильного агента подают совместно с фракциями 17'/18' холодильных агентов, описанных в данной заявке, в сепаратор D2', соединенный выше по потоку с первой ступенью С1' компрессора; указанный сепаратор D2' служит для обеспечения защиты первой ступени С1', так как любые захваченные жидкие компоненты удаляются с его помощью. Более низко кипящую фракцию 16' холодильного агента, которая служит для сжижения и переохлаждения сжижаемой насыщенной углеводородами фракции А', охлаждают в теплообменнике Е1' предварительного охлаждения и разделяют в сепараторе D1' на жидкую фракцию 17' и газовую фракцию 18'. Жидкую фракцию 17' переохлаждают в ожижителе Е2', рефрифиративно расширяют в вентиле V2' и затем по меньшей мере частично испаряют с помощью сжижаемой насыщенной углеводородами фракции. Газовую фракцию 18' охлаждают в ожижителе Е2' ив переохладителе Е3', рефрижиративно расширяют в вентиле V3' и затем аналогично по меньшей мере частично испаряют с помощью переохлаждаемой и сжижаемой насыщенной углеводородами фракции. В описанном выше технологическом режиме, поток холодильного агента, который подают в переохладитель Е3' через вентиль V3', становится двухфазным на горячем конце переохладителя Е3'. Следовательно, обычно требуется установка переохладителя Е3' выше ожижителя Е2', как показано в рабочем примере на Фиг. 1.

Цель настоящего изобертения состоит в уточнении способа, на котором основано сжижение насыщенной углеводородами фракции, который допускает расположение или установку теплообменника, требуемого для переохлаждения сжиженной насыщенной углеводородами фракции, отдельно от теплообменника, требуемого для охлаждения и сжижения насыщенной углеводородами фракции.

Этой цели достигают с помощью способа, на котором основано сжижение насыщенной углеводородами фракции, который отличается тем, что

- сжиженную насыщенную углеводородами фракцию переохлаждают в отдельном теплообменнике с помощью смеси холодильных агентов из отдельного контура расширителя и

- смесь холодильных агентов из указанного контура расширителя, помимо компонентов N₂ и СН₄, включает по меньшей мере один компонент из группы O₂, Ar, Kr, Хе, С₂Н₄ и С₂Н₆, причем, кроме того, доля компонентов N₂ и СН₄ составляет по меньшей мере 80 мол. %.

В отличие от способов сжижения, которые известны из уровня техники, предварительное охлаждение и сжижение насыщенной углеводородами фракции проводят в данной заявке в спирально скрученом теплообменнике, а переохлаждение сжиженных насыщенных углеводородами фракций осуществляют в отдельном теплообменнике. Этот отдельный теплообменник можно использовать в качестве противоточного устройства любой конструкции, предпочтительно спирально скрученого теплообменника или пластинчатого теплообменника.

Согласно изобретению, сжиженную насыщенную углеводородами фракцию переохлаждают в отдельном контуре расширителя или смесью холодильных агентов, которая в нем циркулирует. Согласно изобретению, смесь холодильных агентов из указанного контура расширителя, помимо компонентов N₂ и СН₄, включает по меньшей мере один компонент из группы O₂, Ar, Kr, Хе, С₂Н₄ и С₂Н₆, где доля компонентов N₂ и СН₄ составляет по меньшей мере 80 мол. %. Путем применения смеси холодильных агентов, содержащей по меньшей мере три компонента, в отличие от обычно используемых чистых N₂ или СН₄ материалов, можно оптимизировать свойства, такие как молекулярная масса, температура конденсации и коэффициент сверхсжимаемости газа, до соответствующих целевых значений. Благодаря технологии согласно изобретению, отдельный теплообменник, который служит для переохлаждения сжиженной насыщенной углеводородами фракции, можно установить независимо от спирально скрученого теплообменника, в котором осуществляют охлаждение и сжижение насыщенной углеводородами фракции; заявленная цель достигается с помощью указанного технологического режима. Это также обусловлено тем, что отдельный контур расширителя содержит только монофазные потоки всех компонентов, вследствеи чего к нему предъвляются лишь небольшие требования в отношении высоты.

Дополнительные преимущества конфигураций способа по изобретению для сжижения насыщенной углеводородами фракции характеризуются тем, что

- сжатую насыщенную углеводородами фракцию подвергают переохлаждению с помощью смеси холодильных агентов из отдельного контура расширителя, который сжали и после этого расширили в расширителе,

- сжатую смесь холодильных агентов разделяют на два частичных потока, первый частичный поток расширяют в расширителе, а второй частичный поток сжижают, а затем тоже расширяют, при этом два объединенных частичных потока нагреваются насыщенной углеводородами фракцией, подлежащей переохлаждению, причем

первый частичный поток включает предпочтительно от 70% до 95%, в частности от 80% до 90%, количества сжатой смеси холодильных агентов,

температура ввода сжиженной насыщенной углеводородами фракции в отдельный теплообменник по меньшей мере на 3°С, предпочтительно по меньшей мере на 5°С, ниже ее температуры кипения или, если сжиженная насыщенная углеводородами фракция находится в сверхкритическом состоянии, температура ввода сжиженной насыщенной углеводородами фракции в отдельный теплообменник составляет выше -125°С, предпочтительно выше -120°С,

- предсматривают по меньшей мере одну операцию промежуточного охлаждения в компрессоре, необходимом для сжатия смеси холодильных агентов из контура расширителя при соотношении давления более 2,5 и/или при температуре всасывания более 30°С,

- рефрижиративное расширение более высоко кипящей фракции холодильного агента и/или более низко кипящей фракции холодильного агента проводят в расширителе,

- компрессоры, необходимые для сжатия холодильного агента из контура смешанного холодильного агента, располагают в общем корпусе,

- компрессоры, необходимые для сжатия холодильного агента из контура смешанного холодильного агента, и компрессор, необходимый для сжатия смеси холодильных агентов из контура расширителя, объединяют с образованием компрессорной линии и приводят в действие совместно с помощью газовой турбины, паровой турбины, электродвигателя или сочетания двух указанных выше режимов приведения в движение в качестве движущей силы,

- сжатие холодильного агента из контура смешанного холодильного агента и смеси холодильных агентов из контура расширителя проводят с помощью нескольких параллельных компрессорных линий, разработанных в конфигурации 2×50%, 3×50%, 3×33% или 4×33% от общей мощности,

- расширитель, необходимый для расширения смеси холодильных агентов из контура расширителя соединен с генератором, компрессором и/или гидравлической тормозной системой,

- холодильный агент, циркулирующий в контуре смешанного холодильного агента, содержит азот и по меньшей мере один C₁₊ углеводород, и

- отдельный теплообменник выполнен в виде спирально скрученого теплообменника или пластинчатого теплообменника.

Предложенный способ сжижения насыщенной углеводородами фракции и его дополнительные преимущественные конфигурации подробно проиллюстрированы далее со ссылкой на рабочие примеры, показанные на Фиг. 2 и Фиг. 3.

В рабочем примере способа по изобретению, показанного на Фиг. 2, предварительное охлаждение Е1 и сжижение Е2 насыщенной углеводородами фракции А проводят в спирально скрученом теплообменнике W. Сжиженную насыщенную углеводородами фракцию В сливают на его холодном конце и переохлаждают в отдельном теплообменнике Е3; затем полученный переохлажденный поток С СПГ направляют для дальнейшего применения или его промежуточного хранения.

Холодильный агент 1, подлежащий сжатию в контуре смешанного холодильного агента, обычно включающего азот и по меньшей мере один C₁₊ углеводород в качестве холодильного агента, сжимают до промежуточного давления на первой ступени С1 компрессора. Затем сжатый холодильный агент 2 частично конденсируют в теплообменника Е4 пост-охлаждения и разделяют в сепараторе D3 на газовую фракцию 3 и более высоко кипящую жидкую фракцию 7. Только газовую фракцию 3 сжимают до максимального давления циркуляции на второй ступени С2 компрессора. Преимущественно, ступени С1 и С2 компрессоров или компрессора располагаются в общем корпусе. Сжатый холодильный агент 4 снова частично конденсируют в теплообменнике Е5 пост-охлаждения и разделяют в сепараторе D4 на более низко кипящую газовую фракцию 6 и жидкую фракцию 5. Последнюю подают через вентиль V4 расширителя в холодильный агент 2, который сжали до промежуточного давления.

В то время как более высоко кипящая фракция 7 холодильного агента служит для предварительного охлаждения насыщенной углеводородами фракции А, подлежащей сжижению, более низко кипящая фракция 6 холодильного агента служит для сжижения предварительно охлажденной насыщенной углеводородами фракции. Более высоко кипящую фракцию 7 холодильного агента, которая служит для предварительного охлаждения насыщенной углеводородами фракции А, подлежащей сжижению, переохлаждают в теплообменние Е1 предварительного охлаждения, рафрижеративно расширяют в вентиле V1 и затем полностью испаряют с помощью предварительно охлаждаемой насыщенной углеводородами фракции А. Более низко кипящую фракцию 6 холодильного агента, которая служит для сжижения охлажденной насыщенной углеводородами фракции А, охлаждают в теплообменнике Е1 предварительного охлаждения и ожижителе Е2, рафрижеративно расширяют в вентиле V2 и затем полностью испаряют с помощью насыщенной углеводородами фракции А, подлежащей предварительному охлаждению и сжижению. По контуру 8 холодильный агент, сливаемый из пространства оболочки спирально скрученого теплообменника W, подают в сепаратор D2, присоединенный выше по потоку первой ступени С1 компрессора; причем указанный сепаратор D2 служит для защиты ступении С1 компрессора, так как с его помощью удаляются любые захваченные жидкие компоненты. Описанное выше рефрежиративное расширение более низко кипящей и/или более высоко кипящей фракции холодильного агента можно также проводить в расширителях.

Как уже отмечалось, переохлаждение сжиженной насыщенной углеводородами фракции В, сливаемой из спирально скрученого теплообменник W, проводят в отдельном теплообменнике Е3 с помощью смеси холодильных агентов в отдельном контуре расширителя. С помощью компрессора С3, смесь 20 холодильных агентов в котуре расширителя сжимают до желаемого давления циркуляции. При соотношении давления более 2,5 и/или при температуре всасывания более 30°С, компрессор С3 для циркуляции предпочтительно имеет по меньшей мере одну промужуточную опреацию охлаждения.

После удаления теплоты сжатия в теплообменнике Е7 постохлаждения, сжатую смесь холодильных агентов охлаждают саму по себе в теплообменнике или в противоточном устройстве Е8 и затем рафрижеративно расширяют в расширителе X. Расширенная смесь 21 холодильных агентов переохлаждает сжиженную насыщенную углеводородами фракцию В в теплообменнике Е3. Затем смесь 21 холодильных агентов, нагретую в теплообменнике Е3, направляют через указанный выше теплообменник Е8 для использования энергии охлаждения, которая не может быть передана в теплообменнике Е3. Как показано на Фиг. 2, можно при необходимости обеспечить дополнительный компрессор С4 для циркуляции, который преимущественно присоединен к расширителю X, и сжать смесь 21 холодильных агентов, нагретой в теплообменниках Е3 и Е8. В этом случае, компрессор С4 можно включить выше по потоку или ниже по потоку относительно компрессора С3. Смесь 22 холодильных агентов, которая была подвергнута предварительному сжатию таким образом, после отведения теплоты сжатия в теплообменнике Е6 подают обратно во впускное отверстие компрессора С3 для циркуляции. Альтернативно или дополнительно к компрессору С4, расширитель X может быть подсоединен к генератору или гидравлической тормозной системе для выделения механической энергии.

Температура впуска сжиженной насыщенной углеводородами фракции В в отдельный теплообменник Е3 предпочтительно по меньшей мере на 3°С, в частности по меньшей мере на 5°С, ниже ее температуры кипения или, если сжиженная насыщенная углеводородами фракция В находится в сверхкритическом состоянии, она составляет выше -125°С, предпочтительно выше -120°С. С помощью этих операций можно эффективно исключить работу контура расширителя при чрезмерных температурах. Это было бы нежелательно, так как существенно зависило бы от удельной теплоемкости потока В, и приводило бы к потере термодинамической эффективности.

Как показано на Фиг. 2, компрессоры С1 и С2, необходимые для сжатия холодильного агента в контуре смешанного холодильного агента, и компрессор С3, необходимый для сжатия смеси холодильных агентов в контуре расширителя, объединены с образованием компрессорной линии и приводятся в действие совместно. Используемые в данной заявке приводные устройства включают газовую турбину, паровую турбину, электродвигатель или сочетание двух указанных выше типов приводного устройства.

Рабочий пример способа по изобретению, показанный на Фиг. 3, отличается от рабочего примера, показанного на Фиг. 2, тем, что сжатую смесь 20 холодильных агентов после охлаждения в теплообменнике Е8 разделяют на два частичных потока 30 и 32. В этом случае, частичный поток 30, подаваемый в расширитель X, содержит от 70% до 95%, предпочтительно от 80% до 90%, сжатого потока 20 смеси холодильных агентов. Частичный поток 32, не направленный в расширитель X, полностью сжижают в теплообменнике Е3, при необходимости переохлаждают и расширяют в вентиле V3 до давления выпуска из расширителя X1. Частичный поток 32, который расширили таким образом, и частичный поток 31, который расширили в расширителе X, либо смешивают и подают совместно на холодный конец теплообменника Е3 или, как показано на Фиг. 3, подают раздельно в теплообменник Е3. После этого смесь 33 холодильных агентов, нагретую в теплообменнике Е3, пропускают через теплообменник Е8 для использования энергии охлаждения, которую нельзя передать в теплообменнике Е3.

С помощью такого технологического процесса пиковое охлаждение обеспечивается не выпускным потоком 31 из расширителя X, а путем испарения жидкого компонента после расширения в вентиле V3. Следовательно, расширитель X можно эксплуатировать при более высоком уровне температуры, что приводит к росту эффективности охлаждения при прочих равных условиях (количество и состав текучей среды, а также давление на впуске и выпуске). Таким образом, данный технологический процесс приводит к увеличению термодинамической эффективности.

Преимущественно, операции сжатия холодильного агента из контура смешанного холодильного агента и смеси холодильных агентов из контура расширителя проводят с помощью нескольких параллельных компрессорных линий, выполенных в конфигурации 2×50%, 3×50%, 3×33% или 4×33% от общей мощности. С помощью такого технологического процесса можно добиться увеличения емкости и/или загрузки предприятия.

Описан способ сжижения насыщенной углеводородами фракции (А), в котором насыщенную углеводородами фракцию охлаждают с помощью по меньшей мере одного контура смешанного холодильного агента (E1, Е2, Е3). Холодильный агент, циркулирующий в контуре смешанного холодильного агента, сжимают на по меньшей мере двух ступенях (C1, С2). Сжатый холодильный агент разделяют на более высококипящую и более низкокипящую фракцию холодильного агента. Более высококипящая фракция холодильного агента служит для предварительного охлаждения (Е1), а более низкокипящая фракция холодильного агента служит для сжижения (Е2) насыщенной углеводородами фракции. Сжиженную насыщенную углеводородами фракцию (В) переохлаждают в отдельном теплообменнике с помощью смеси холодильных агентов из отдельного контура расширителя, и смесь холодильных агентов из указанного контура расширителя, помимо N₂ и СН₄ компонентов, содержит по меньшей мере один компонент из группы O₂, Ar, Kr, Хе, С₂Н₄ и С₂Н₆, при этом доля компонентов N₂ и СН₄ составляет по меньшей мере 80 мол. %. Техническим результатом является снижение капитальных затрат. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сжижения насыщенной углеводородами фракции (А), особенно природного газа, в котором

- насыщенную углеводородами фракцию охлаждают и сжижают с помощью по меньшей мере одного контура смешанного холодильного агента (E1, Е2, Е3),

- холодильный агент, циркулирующий в контуре смешанного холодильного агента, сжимают на по меньшей мере двух ступенях (C1, С2) и

- сжатый холодильный агент разделяют на более высококипящую и более низкокипящую фракции холодильного агента,

- причем более высококипящая фракция холодильного агента служит для предварительного охлаждения (Е1), а более низкокипящая фракция холодильного агента служит для сжижения (Е2) насыщенной углеводородами фракции,

отличающийся тем, что

- сжиженную насыщенную углеводородами фракцию (В) переохлаждают в отдельном теплообменнике (Е3) с помощью смеси холодильных агентов из отдельного контура расширителя, и

- смесь холодильных агентов из указанного контура расширителя, помимо компонентов N₂ и СН₄, содержит по меньшей мере один компонент из группы О₂, Ar, Kr, Хе, С₂Н₄ и С₂Н₆, при этом доля компонентов N₂ и СН₄ составляет по меньшей мере 80 мол. %.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжиженную насыщенную углеводородами фракцию (В) переохлаждают (Е3) с помощью смеси (21) холодильных агентов из отдельного контура расширителя, которую сжали и затем расширили в расширителе (X).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжатую смесь (20) холодильных агентов разделяют на два частичных потока (30, 32), причем первый частичный поток (30) расширяют в расширителе (X), а второй частичный поток (32) сжижают (Е3) и затем аналогично расширяют (V3), при этом два объединенных частичных потока нагревают с помощью насыщенной углеводородами фракции (В), подлежащей переохлаждению.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что первый частичный поток (30) содержит от 70% до 95%, предпочтительно от 80% до 90%, количества сжатой смеси (20) холодильных агентов.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что температура впуска сжиженной насыщенной углеводородами фракции (В) в отдельный теплообменник (Е3) по меньшей мере на 3°С, предпочтительно по меньшей мере на 5°С, ниже ее температуры кипения или, если сжиженная насыщенная углеводородами фракция (В) находится в сверхкритическом состоянии, температура впуска сжиженной насыщенной углеводородами фракции (В) в отдельный теплообменник (Е3) составляет выше -125°С, предпочтительно выше -120°С.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что предусматривают по меньшей мере одну операцию промежуточного охлаждения в компрессоре (С3), необходимом для сжатия смеси холодильных агентов из контура расширителя, при соотношении давления более 2,5 и/или при температуре всасывания более 30°С.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что рефрижеративное расширение более высококипящей фракции (7) холодильного агента и/или более низкокипящей фракции (6) холодильного агента осуществляют в расширителе.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что компрессоры (C1, С2), необходимые для сжатия холодильного агента из контура смешанного холодильного агента, расположены в общем корпусе.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что компрессоры (C1, С2), необходимые для сжатия холодильного агента из контура смешанного холодильного агента, и компрессор (С3), необходимый для сжатия смеси холодильных агентов из контура расширителя, объединяют с образованием компрессорной линии и приводят в действие совместно с помощью газовой турбины, паровой турбины, электродвигателя или сочетания двух указанных выше режимов приведения в действие в качестве приводного устройства.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что сжатие холодильного агента из контура смешанного холодильного агента и смеси холодильных агентов из контура расширителя осуществляют с помощью нескольких параллельных компрессорных линий, разработанных в конфигурации 2×50%, 3×50%, 3×33% или 4×33% от общей мощности.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что расширитель (X), необходимый для расширения смеси холодильных агентов из контура расширителя, соединен с генератором, компрессором и/или гидравлической тормозной системой.

12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что холодильный агент, циркулирующий в контуре смешанного холодильного агента, содержит азот и по меньшей мере один С₁₊ углеводород.

13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что отдельный теплообменник (Е3) выполнен в виде спирально скрученного теплообменника или пластинчатого теплообменника.