Способ сжижения богатой углеводородами фракции Российский патент 2021 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к способу сжижения богатого углеводородами потока, в частности, потока природного газа, в котором сжижение богатого углеводородами потока осуществляют посредством каскада контуров смеси холодильных агентов, состоящего из трех контуров смеси холодильных агентов,

при этом первый из трех контуров смеси холодильных агентов используют для предварительного охлаждения, второй контур смеси холодильных агентов используют для сжижения, а третий контур смеси холодильных агентов используют для переохлаждения сжиженного богатого углеводородами потока, и

сжатую смесь холодильных агентов первого контура смеси холодильных агентов конденсируют посредством окружающего воздуха и подают в контейнер.

При сжижении природного газа с производительностью от двух до десяти миллионов СПГ в год часто используют сочетание из двух или трех контуров охлаждения. В процессе используют различные принципы действия (фазовое превращение или расширение с выполнением работы) и различные холодильные агенты (чистое вещество или смесь).

В DE-A 102004054674 описан способ сжижения богатого углеводородами потока, в частности, потока природного газа, в котором используют три смесительных контура, расположенных каскадом, с четырьмя компрессорными линиями равной мощности. В процессе холодильный агент контура, используемого для предварительного охлаждения, полностью конденсируют посредством воздуха или воды из окружающей среды.

На холодных производственных участках, при больших разницах температур в зависимости от времени суток и сезона (например, в России, Канаде, на Аляске и т.д.), условия окружающей среды, которые преобладают большую часть времени (>70% часов в год) позволяют обеспечить эффективное сжижение холодильных агентов предварительного охлаждения посредством воздуха при умеренном давлении (<3 МПа (30 бар), предпочтительно <2,5 МПа (25 бар)).

Кроме того, оптимальный состав смеси контура предварительного охлаждения различается в зависимости от температуры конденсации, которая может быть достигнута с помощью охлаждающего воздуха. Несмотря на то, что адаптация смеси в зависимости от сезона является технически осуществимой и экономически оправданной, на практике оптимизация смеси в зависимости от времени суток является недостижимой задачей. Таким образом, приходится выбирать неоптимальную смесь холодильных агентов, которые можно надежно конденсировать в любое время суток, чтобы предотвратить отказ установки сжижения. Это приводит к увеличению стоимости производства или, при заданной мощности привода компрессора контура охлаждения, к значительным потерям производительности по СПГ. В ходе «летнего периода», при заданной мощности привода, возможно только сокращенное производство СПГ, поскольку удельная потребляемая мощность возрастает с увеличением температуры воздуха (и следовательно, с увеличением температуры конденсации контура предварительного охлаждения).

Целью настоящего изобретения является обеспечение способа сжижения богатого углеводородами потока, в частности, потока природного газа, который позволяет обеспечить оптимальную эксплуатацию в показателях энергии, затрачиваемой на охлаждение воздуха в течение всего года. Более того, ожидаемые потери производительности по СПГ в течение «летнего периода» необходимо свести к минимуму.

Для достижения этой цели, предложено следующее:

по меньшей мере, когда невозможно достигнуть полной конденсации сжатой смеси холодильных агентов первого контура смеси холодильных агентов, газовую фазу частично конденсированной смеси холодильных агентов, собираемых в контейнере, сжимают, по меньшей мере частично конденсируют посредством окружающего воздуха, расширяют и направляют обратно в контейнер,

при этом газовую фазу сжимают до давления, соответствующего по меньшей мере 1,5, предпочтительно от 2 до 2,5 величины давления в контейнере, и

смесь холодильных агентов первого контура смеси холодильных агентов состоит по меньшей мере из двух компонентов из СН₄, N₂, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈, изо-С₄Н₁₀ и н-С₄Н₁₀, при этом максимальная доля компонентов СН₄ и N₂ составляет 1 моль%.

В соответствии с изобретением, компрессор контура предварительного охлаждения теперь может работать независимо от температуры воздуха при постоянном конечном давлении. Для данного состава смеси холодильных агентов, начиная с определенной температуры воздуха, полная конденсация сжатых холодильных агентов больше невозможна. Следовательно, помимо первой жидкой фазы холодильных агентов, в контейнере присутствует газовая фаза, которая обогащена летучими компонентами смеси холодильных агентов. ¹

Газовую фазу смеси холодильных агентов, которую отводят из контейнера, подвергают, в соответствии с изобретением, дополнительному сжатию и сжимают до давления, которое соответствует по меньше мере 1,5, предпочтительно от 2 до 2,5 величины давления в контейнере. Сжатые холодильные агенты впоследствии охлаждают посредством окружающего воздуха и в течение процесса предпочтительно конденсируют, по меньшей мере частично. Поскольку тепловая энергия, отбираемая в процессе конденсации больше, чем механическая мощность, подаваемая компрессором, получают вторую жидкую фазу холодильных агентов, помимо оставшейся газовой фазы, при последующем расширении сжатой газовой фазы. В общем, охлаждение холодильных агентов в контейнере происходит до температуры, которая ниже температуры на выходе теплообменника, используемого для частичной конденсации сжатой смеси холодильных агентов, что в конечном итоге приводит к полной конденсации холодильных агентов предварительного охлаждения. Теперь полностью сжиженные холодильные агенты можно извлекать из нижней части контейнера совместно с первой жидкой фазой холодильных агентов.

Способ в соответствии с изобретением требует, чтобы помимо наличия в смеси холодильных агентов контура предварительного охлаждения обычных компонентов СН₄, N₂, С₂Н₄, С₃Н₆, С₃Н₈, изо-С₄Н₁₀ и н-C₄H₁₀, используемых в качестве холодильных агентов, максимальная доля компонентов СН₄ и N₂ составляла 1 моль%.

Все компрессорные линии могут быть приведены в действие с помощью любого заданного сочетания электродвигателя, газовых турбин и паровых турбин. В процессе предпочтительно поддерживают равенство мощности приводов для компрессоров трех контуров смесей холодильных агентов. Потребляемая мощность дополнительного компрессора, необходимая для сжатия газовой фазы, полученной в контейнере, зависит от производственного участка и режима работы. Как правило, мощность этого дополнительного компрессора меньше, чем мощность каждой из остальных четырех механических линий по отдельности. Использование выражений «равная мощность», «компрессор по существу равной мощности» и «по существу идентичные приводы и/или по существу равная мощность» следует понимать так, что мощность компрессоров или приводов отличается не более чем на ±2%.

Благодаря дополнительно установленному компрессору или мощности привода для контура предварительного охлаждения, падение мощности газовых турбин, вызываемое более высокой температурой, можно компенсировать, по меньшей мере частично, и годовая производительность установки может быть увеличена.

Способ по изобретению для сжижения богатого углеводородами потока делает возможной оптимизацию состава смеси и конечного давления компрессора контура предварительного охлаждения для работы при более низкой температуре воздуха. При более низкой температуре воздуха дополнительный компрессор, обеспечиваемый в соответствии с изобретением, может быть выведен из эксплуатации. В случае повышения температуры воздуха, давление в контейнере возрастает до достижения предельного значения мощности компрессора контура предварительного охлаждения и дополнительный компрессор должен быть запущен. Операция в соответствии с изобретением не требует адаптации смеси и, следовательно, может быть полностью автоматизирована простым способом. Таким образом, изменения температуры воздуха днем/ночью можно учитывать оптимальным образом с точки зрения энергии. Предельную величину температуры воздуха, начиная с которой должен работать дополнительный компрессор, выбирают так, что компрессор контура предварительного охлаждения, так же как и компрессоры контура сжижения и контура охлаждения переохлаждения, всегда находится в такой области характеристической кривой, которая является предпочтительной с точки зрения энергии. Таким образом, годовая мощность сжижения может быть максимизирована, поскольку работа всегда происходит в области оптимальной эффективности.

Способ сжижения богатого углеводородами потока в соответствии с изобретением, а также частные случаи его реализации, которые указаны в зависимых пунктах формулы изобретения, далее описаны более подробно со ссылками на воплощение, представленное на Фиг. 1.

При рабочей операции, описанной на Фиг. 1, охлаждение, сжижение и переохлаждение богатого углеводородами потока, который подают по линии А в теплообменник Е1, осуществляют посредством каскада контуров смеси холодильных агентов, состоящего из трех контуров смеси холодильных агентов.

Богатый углеводородами поток А, подлежащий сжижению, охлаждают в теплообменнике Е1, предпочтительно в так называемом спиральном теплообменнике, посредством испарения потока 5 смеси холодильных агентов первого контура смеси, и впоследствии подают через линию В в теплообменник Е2. В последнем богатый углеводородами поток сжижают посредством испарения потока 15 смеси холодильных агентов второго контура охлаждения. После сжижения богатый углеводородами поток С подают в третий теплообменник Е3 и переохлаждают в указанном теплообменнике Е3 посредством испарения потока 28 смеси холодильных агентов третьего контура охлаждения. Впоследствии переохлажденный жидкий продукт D направляют на дальнейшее применение и/или (временное) хранение. Теплообменники Е2 и Е3 также предпочтительно сконструированы в форме спирального теплообменника.

В то время как контур переохлаждения включает два компрессора С3 и С3' соединенные последовательно, контур предварительного охлаждения и контур сжижения включают компрессор С1 и С2 соответственно. Компрессоры C1, С2, С3 и С3' сконструированы идентичными или по существу идентичными в показателях мощности. В результате этого потребляемая мощность каждого компрессора может быть обеспечена идентичным или по существу идентичным приводом. В качестве привода для компрессоров предпочтительно использовать газовые турбины, паровые турбины и/или электродвигатели.

Смесь холодильных агентов первого контура, которую сжимают в компрессоре С1, охлаждают в теплообменнике Е4 посредством окружающего воздуха и по меньшей мере частично конденсируют. Впоследствии ее подают в контейнер D1, и жидкую смесь 4 холодильных агентов отводят из его нижней части и подают в теплообменник Е1. В указанном теплообменнике смесь холодильных агентов охлаждают и, после выпуска из холодного конца теплообменника Е1, ее расширяют в вентиле V1. Расширенную смесь 5 холодильных агентов подают в межтрубное пространство теплообменника Е1, испаряют в указанном теплообменнике посредством подлежащего охлаждению богатого углеводородами потока А и подлежащих охлаждению потоков высокого давления контуров, которые описаны далее, и впоследствии снова подают в компрессор С1 контура через линию 1.

Смесь 11 холодильных агентов второго контура охлаждения, которую сжимают в компрессоре С2, предпочтительно полностью сжижают в теплообменнике Е5; в случае, если в теплообменнике Е5 можно осуществить лишь частичную конденсацию, полная конденсация происходит в теплообменнике Е1 ниже по потоку, в который подают по меньшей мере частично конденсированную смесь 12 холодильных агентов. В теплообменниках Е1 и Е2 смесь 12/13 холодильных агентов охлаждают и, после выпуска из холодного конца теплообменника Е2, расширяют в вентиле V2 с получением газовой фазы и жидкой фазы. Расширенную смесь 14 холодильных агентов подают в сборник D2 холодильных агентов. Из указанного сборника холодильных агентов жидкую фазу 15 и газовую фазу 15' подают через регулирующие вентили а и b в межтрубное пространство теплообменника Е2. Двухфазную смесь испаряют в межтрубном пространстве посредством подлежащего сжижению богатого углеводородами потока В и подлежащих охлаждению потоков высокого давления смесей 13/25 второго и третьего контуров и впоследствии снова подают в компрессор С2 контура через линию 10.

Смесь 21 холодильных агентов третьего контура охлаждения, которую сжимают в компрессоре С3 низкого давления, охлаждают в теплообменнике Е6 и затем сжимают в компрессоре С3' высокого давления до давления контура. В теплообменнике Е7 сжатую смесь 23 холодильных агентов охлаждают посредством окружающего воздуха, и в теплообменниках E1, Е2 и Е3 ниже по потоку смесь 24/25/26 холодильных агентов конденсируют и переохлаждают. После выпуска из холодного конца теплообменника Е3, смесь холодильных агентов расширяют в вентиле V3 с получением газовой фазы и жидкой фазы. Расширенную смесь 27 холодильных агентов подают в сборник D3 холодильных агентов. Из указанного сборника холодильных агентов жидкую фазу 28 и газовую фазу 28' подают в межтрубное пространство теплообменника Е3 через регулирующие вентили с и d. Двухфазную смесь испаряют в межтрубном пространстве посредством подлежащего переохлаждению богатого углеводородами потока С подлежащего охлаждению потока высокого давления смеси 26 третьего контура, и впоследствии снова подают в компрессор С3 низкого давления через линию 20.

В соответствии с изобретением, обеспечивают дополнительный компрессор С1' высокого давления, в который подают газовую фазу 6, собираемую в контейнер D1. Как описано выше, для данного состава смеси холодильных агентов, начиная с определенной температуры воздуха, полная конденсация сжатого холодильного агента 2 в теплообменнике Е4 больше невозможна. Следовательно, в контейнере D1, помимо первой жидкой фазы холодильных агентов, присутствует газовая фаза, которая обогащена летучими компонентами смеси холодильных агентов. Газовую фазу 6, отводимую из контейнера D1, сжимают с помощью компрессора С1' до давления, которое составляет по меньшей мере 1,5, предпочтительно от 2 до 2,5 величины давления в контейнере D1. Сжатый холодильный агент 7 охлаждают в теплообменнике Е8 посредством окружающего воздуха и предпочтительно конденсируют, по меньшей мере частично, в процессе. Поскольку тепловая энергия, отбираемая в ходе конденсации, больше, чем механическая мощность, подаваемая компрессором, получают вторую жидкую фазу холодильных агентов, помимо оставшейся газовой фазы, при последующем расширении в вентиле V5. В общем, охлаждение холодильных агентов в контейнере D1 происходит до температуры, которая ниже температуры на выходе теплообменника Е4, используемого для частичной конденсации сжатой смеси холодильных агентов, что в конечном итоге приводит к полной конденсации холодильных агентов предварительного охлаждения. Теперь полностью сжиженные холодильные агенты 4 могут быть извлечены из нижней части контейнера D1, совместно с первой жидкой фазой холодильных агентов.

Однако способ в соответствии с изобретением требует, чтобы смесь холодильных агентов первого контура состояла по меньшей мере из двух компонентов из N₂,CH₄, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈, изо-С₄Н₁₀ и н-C₄H₁₀ и чтобы доля компонентов СН₄ и N₂ составляла не более 1 моль%.

Дополнительно обеспечиваемый компрессор С1' предпочтительно выполнен так, что содержит только одну линию и привод электродвигателя. В принципе также возможно использование двух линий и других приводов, таких как газовые турбины или паровые турбины.

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при сжижении газов. Сжижение богатого углеводородами потока осуществляют посредством каскада контуров смеси холодильных агентов, состоящего из трех контуров смеси холодильных агентов. Сжатую смесь холодильных агентов первого контура конденсируют посредством окружающего воздуха и подают в контейнер. Когда невозможно достигнуть полной конденсации (Е4) сжатой смеси (2) холодильных агентов первого контура смеси холодильных агентов, газовую фазу (6) частично конденсированной смеси холодильных агентов, собираемых в контейнере (D1), сжимают (С1'), по меньшей мере частично конденсируют (Е8) посредством окружающего воздуха, расширяют (V5) и направляют обратно (7) в контейнер (D1). Газовую фазу (6) сжимают (С1') до давления, соответствующего по меньшей мере 1,5, предпочтительно от 2 до 2,5 величины давления в контейнере (D1). Смесь холодильных агентов первого контура состоит по меньшей мере из двух компонентов из N₂, CH₄, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈, изо-С₄Н₁₀, н-C₄H₁₀, причем максимальная доля компонентов N₂ и СН₄ составляет 1 моль%. Техническим результатом является снижение энергозатрат и уменьшение потери производительности по СПГ в течение «летнего периода». 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжижения богатого углеводородами потока, в частности потока природного газа, в котором

сжижение богатого углеводородами потока осуществляют посредством каскада контуров смеси холодильных агентов, состоящего из трех контуров смеси холодильных агентов,

при этом первый из трех контуров смеси холодильных агентов используют для предварительного охлаждения, второй контур смеси холодильных агентов используют для сжижения, а третий контур смеси холодильных агентов используют для переохлаждения сжиженного потока богатого углеводородами, и

сжатую смесь холодильных агентов первого контура смеси холодильных агентов конденсируют посредством окружающего воздуха и подают в контейнер,

отличающийся тем, что

по меньшей мере, когда невозможно достигнуть полной конденсации (Е4) сжатой смеси (2) холодильных агентов первого контура смеси холодильных агентов, газовую фазу (6) частично конденсированной смеси холодильных агентов, собираемых в контейнере (D1), сжимают (С1'), по меньшей мере частично конденсируют (Е8) посредством окружающего воздуха, расширяют (V5) и направляют обратно (7) в контейнер (D1),

при этом газовую фазу (6) сжимают (С1') до давления, соответствующего по меньшей мере 1,5, предпочтительно от 2 до 2,5 величины давления в контейнере (D1), и

смесь холодильных агентов первого контура состоит по меньшей мере из двух компонентов из N₂, СН₄, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈, изо-С₄Н₁₀ и н-С₄Н₁₀, причем максимальная доля компонентов N₂ и СН₄ составляет 1 моль%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компрессоры (C1, С2) первого и второго контуров смеси холодильных агентов и компрессоры (С3, С3') третьего контура смеси холодильных агентов приводят в действие с помощью двух по существу идентичных приводов и/или приводов по существу равной мощности, при этом в качестве приводов для компрессоров предпочтительно используют газовые турбины, паровые турбины и/или электродвигатели.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что газовую фазу (6) частично конденсированной смеси холодильных агентов, собираемой в контейнере (D1), сжимают в дополнительном компрессоре (С1'), который предпочтительно приводят в действие с помощью электродвигателя.