УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится к способу сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота. Дополнительно, настоящее изобретение относится к системе (такой как, например, установка для сжижения природного газа или другой вид технологического оборудования) для сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота.
[002] В процессах сжижения природного газа часто является желательным или необходимым, например, из-за требований к чистоте и/или выходу, удалить азот из подаваемого потока при минимизации потерь продукта (метана). Типичные технические характеристики продукта для коммерческого сжиженного природного газа (СПГ) зачастую включают в себя требование содержания азота около 1% или менее, чтобы СПГ можно было хранить с меньшим риском расслоения и самопроизвольного смешивания СПГ в резервуаре.
[003] Традиционно, СПГ производился на заводах, где используют газовые или паровые турбины, напрямую подключенные к компрессорам хладагента, чтобы обеспечить мощность для сжижения. В этом случае, азот мог бы быть удален из готового СПГ путем мгновенного превращения СПГ из сжижителя при низком давлении в паровую и жидкую фазы, таким образом, что образующийся пар, обогащенный азотом, применяется в качестве топлива для генерации пара или в газовых турбинах, и полученная жидкость, обедненная азотом, соответствует спецификациям готового СПГ.
[004] Однако, с увеличением использования более эффективных газовых турбин и использования электродвигателей для приведения в действие холодильных компрессоров, потребность в топливе для более новых установок по производству СПГ часто довольно низкая. В таких обстоятельствах, избыток азота в подаваемом природном газе должен сбрасываться в атмосферу или использоваться иным образом или отводиться с установки в виде азотного продукта. В случае сброса в атмосферу, азот обычно должен соответствовать строгим требованиям к чистоте (например, > 95 мол.% или > 99 мол.%) из-за экологических проблем и/или из-за требований к выходу метана. То же самое, конечно, справедливо, если азот будет использоваться или отводиться с установки в виде азотного продукта высокой чистоты. Такие требования к чистоте создают проблемы с разделением. В случае очень высокой концентрации азота (обычно более чем 10 мол.%, в некоторых случаях до 20 мол.% или даже выше) в подаваемом природном газе, специальная установка для отвода азота (УОА) оказывается надежным способом для эффективного удаления азота и получения чистого (> 99 мол.%) азотного продукта. Однако, в большинстве случаев природный газ содержит от 1 до 10 мол.% азота. Если концентрация азота в сырье находится в этом диапазоне, то применение УОА затруднено из-за высоких капитальных затрат вследствие сложности, связанной с дополнительным оборудованием.
[005] В патенте США 9945604 раскрыт простой и эффективный способ, который позволяет удалять азот даже из подаваемого природного газа с относительно низкими концентрациями азота. В способе, проиллюстрированном на Фиг. 1 указанного документа, подаваемый поток природного газа охлаждают и сжижают в основном теплообменнике за счет теплообмена с испаряющимся смешанным хладагентом, при этом полученный поток СПГ выходит из основного теплообменника при температуре около -240 °F (-150 °С). Далее, поток СПГ дополнительно охлаждают в ребойлерном теплообменнике, который обеспечивает тепло для кипения в дистилляционной колонне, перед тем, как ввести в дистилляционную колонну на промежуточном участке указанной колонны и разделить на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную азотом кубовую жидкость. Поток кубовой жидкости выводится как обедненный азотом готовый СПГ. Поток пара верхнего погона нагревают до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в верхнем теплообменнике, а затем разделяют на две части, а именно, поток отходящего азота, который сбрасывается в атмосферу, и рециркуляционный поток, который сжимают до высокого давления, а затем охлаждают и конденсируют в верхнем теплообменнике для обеспечения орошения дистилляционной колонны. Чтобы улучшить кривые охлаждения в верхнем теплообменнике и, таким образом, повысить эффективность способа, часть смешанного хладагента, которая используется в основном теплообменнике, также используется для охлаждения верхнего теплообменника.
[006] На Фиг. 10 патента США 9816754 представлена конфигурация, аналогичная проиллюстрированной на Фиг. 1 патента США 9945604, в которой азот из головного погона рециркулируют в дистилляционную колонну, чтобы обеспечить подачу флегмы на дистилляционную колонну, с дополнительным охлаждением в верхнем теплообменнике, которое обеспечивается частью смешанного хладагента, используемого в основном теплообменнике. Основное различие между Фиг. 10 патента США 9816754 и Фиг. 1 патента США 9945604 состоит в том, что на Фиг. 10 патента США 9816754 сырье для дистилляционной колонны обеспечивается за счет потока отпарного газа из резервуара для хранения СПГ, который вначале сжимают и рециркулируют через основной теплообменник, где он конденсируется перед подачей на дистилляционную колонну.
[007] На Фиг. 3 патента США 9816754 проиллюстрирован альтернативный способ, в котором отпарной газ из резервуара для хранения СПГ конденсируется в основном теплообменнике и используется для подачи флегмы на дистилляционную колонну. Хотя такая конфигурация позволяет в некоторой степени обогащать поток головного погона из дистилляционной колонны азотом, достижимая чистота азота в этом способе ограничивается тем фактом, что поток флегмы имеет тот же состав, что и поток отпарного газа. Указанный пар находится в равновесии с СПГ в резервуаре и обязательно будет содержать большое количество метана.
[008] В то время как конфигурации на Фиг. 10 патента США 9816754 и в патенте США 9945604 могут производить азот высокой чистоты для сброса в атмосферу, конфигурации, проиллюстрированные на этих фигурах, дополнительно демонстрируют определенные конструктивные и эксплуатационные трудности и сложности, связанные с применением двухфазного хладагента и нескольких потоков хладагента в верхнем теплообменнике.
[009] Соответственно, в данной области техники остается потребность в способах и системах, которые могут простым и эффективным способом удалять азот из подаваемого потока природного газа и сжижать его с получением обедненного азотом готового СПГ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] В данном документе раскрыты способы и системы, сжижающие азотсодержащий природный газ с одновременным отделением и удалением из него азота простым и эффективным способом, таким образом, что готовый СПГ может содержать низкие количества азота (обычно 1% азота или менее), причем азот для сброса в атмосферу может быть достаточно чистым для сброса в атмосферу или для использования в качестве азотного продукта высокой чистоты (обычно 99% азота или более). Указанные способы и системы позволяют эффективно удалять азот из готового СПГ при низких затратах и, в частности, пригодны для установок, в которых существует низкая внутренняя или внешняя потребность в топливе (из-за которой азот мог бы удаляться).
[0011] Некоторые предпочтительные аспекты систем и способов по настоящему изобретению описаны ниже.
[0012] Аспект 1: Способ сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота, включающий в себя:
(а) пропускание подаваемого потока природного газа, содержащего азот, через основной теплообменник и охлаждение и сжижение потока природного газа в основном теплообменнике за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, в результате чего образуется первый поток СПГ;
(b) отвод первого потока СПГ из основного теплообменника;
(c) расширение первого потока СПГ и введение указанного потока в дистилляционную колонну, в которой поток частично испаряется и разделяется на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную азотом кубовую жидкость;
(d) отвод потока обедненной азотом кубовой жидкости из дистилляционной колонны с образованием второго, обедненного азотом потока СПГ;
(e) нагревание потока пара верхнего погона, обогащенного азотом, в теплообменнике верхнего погона с образованием нагретого пара верхнего погона;
(f) сжатие, охлаждение и сжижение, переохлаждение и расширение рециркулирующего потока, образованного из первой части нагретого пара верхнего погона, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока, и введение указанного жидкого или двухфазного рециркулирующего потока в дистилляционную колонну для обеспечения подачи флегмы на дистилляционную колонну;
(h) формирование одного или большего количества потоков азотного продукта или потоков для сброса в атмосферу из второй части нагретого пара верхнего погона;
причем на стадии (f) по меньшей мере часть рециркулирующего потока сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, пропуская указанную по меньшей мере часть рециркулирующего потока через основной теплообменник отдельно от подаваемого потока природного газа;
притом, что на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона, пропуская по меньшей мере часть рециркулирующего потока через верхний теплообменник; и,
при этом, теплообменник верхнего погона отделен от основного теплообменника, и вся холодопроизводительность для теплообменника верхнего погона обеспечивается за счет нагревания потока обогащенного азотом пара верхнего погона на стадии (е).
[0013] Аспект 2: Способ согласно Аспекту 1, отличающийся тем, что верхний теплообменник представляет собой витой теплообменник, содержащий один или большее количество трубных пучков, размещенных внутри кожуха и определяющих внутритрубное пространство и межтрубное пространство теплообменника, причем на стадии (e) поток обогащенного азотом пара верхнего погона проходит через межтрубное пространство верхнего теплообменника и нагревается, при том, что на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают, пропуская по меньшей мере часть рециркулирующего потока через внутритрубное пространство верхнего теплообменника.
[0014] Аспект 3: Способ согласно Аспекту 2, отличающийся тем, что верхний теплообменник объединен с дистилляционной колонной, причем один или большее количество трубных пучков расположены в верхней части дистилляционной колонны, а кожух верхнего теплообменника образует верхнюю часть корпуса дистилляционной колонны.
[0015] Аспект 4: Способ согласно любому из Аспектов 1-3, отличающийся тем, что теплообменник верхнего погона содержит теплую секцию теплообменника и холодную секцию теплообменника, причем на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают путем пропускания по меньшей мере части рециркулирующего потока через холодную секцию теплообменника.
[0016] Аспект 5: Способ согласно Аспекту 4, отличающийся тем, что на стадии (f) часть или весь рециркулирующий поток охлаждают, пропуская указанную часть или весь рециркулирующий поток через теплую секцию теплообменника.
[0017] Аспект 6: Способ согласно Аспекту 4 или 5, отличающийся тем, что один или большее количество потоков природного газа или первого хладагента охлаждают, пропуская указанный(-ые) поток(-и) через теплую секцию теплообменника.
[0018] Аспект 7: Способ согласно любому из Аспектов 1-6, отличающийся тем, что на стадии (f) весь рециркулирующий поток сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, пропуская указанный поток через основной теплообменник с образованием сжиженного рециркулирующего потока.
[0019] Аспект 8: Способ согласно Аспекту 7, отличающийся тем, что на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают путем пропускания всего сжиженного рециркулирующего потока через верхний теплообменник.
[0020] Аспект 9: Способ согласно Аспекту 7, отличающийся тем, что на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают путем пропускания первой части сжиженного рециркулирующего потока через верхний теплообменник с образованием переохлажденной части, причем вторая часть сжиженного рециркулирующего потока обходит верхний теплообменник и затем смешивается с переохлажденной частью, притом, что переохлажденная часть и вторая часть расширяются до или после смешивания с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока, который обеспечивает подачу флегмы на дистилляционную колонну.
[0021] Аспект 10: Способ согласно любому из Аспектов 1-6, отличающийся тем, что на стадии (f) первую часть рециркулирующего потока сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, пропуская указанную первую часть рециркулирующего потока через основной теплообменник с образованием первой сжиженной части, а вторую часть рециркулирующего потока сжижают и переохлаждают путем пропускания через верхний теплообменник с образованием второй сжиженной и переохлажденной части, причем первую сжиженную часть и вторую сжиженную и переохлажденную часть далее смешивают, и, при этом, первая сжиженная часть и вторая сжиженная и переохлажденная часть расширяются, до или после смешивания, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока, который обеспечивает подачу флегмы на дистилляционную колонну.
[0022] Аспект 11: Способ согласно любому из Аспектов 1-10, отличающийся тем, что первый поток СПГ вводят на стадии (c) на дистилляционную колонну на промежуточном участке дистилляционной колонны.
[0023] Аспект 12: Способ согласно Аспекту 11, отличающийся тем, что стадия (c) дополнительно включает в себя охлаждение первого потока СПГ в ребойлерном теплообменнике перед подачей потока СПГ на дистилляционную колонну; и,
при этом, способ дополнительно включает в себя нагревание и испарение части обедненной азотом кубовой жидкости в ребойлерном теплообменнике за счет непрямого теплообмена с первым потоком СПГ, чтобы обеспечить кипение в дистилляционной колонне.
[0024] Аспект 13: Способ согласно любому из Аспектов 1-12, отличающийся тем, что на стадии (b) первый поток СПГ отводят c холодного конца основного теплообменника, а на стадии (f) по меньшей мере часть рециркулирующего потока, который сжижается в основном теплообменнике, отводят с холодного конца основного теплообменника.
[0025] Аспект 14: Способ согласно любому из Аспектов 1-13, отличающийся тем, что на стадии (b) первый поток СПГ отводят из основного теплообменника при температуре приблизительно от -220 до -250 °F (приблизительно от -140 до -155 °C).
[0026] Аспект 15: Способ согласно любому из Аспектов 1-14, отличающийся тем, что на стадии (f) по меньшей мере часть рециркулирующего потока, который сжижается в основном теплообменнике, отводят из основного теплообменника при температуре приблизительно от -220 до -250 °F (приблизительно от 140 до -155 °C).
[0027] Аспект 16: Способ согласно любому из Аспектов 1-15, отличающийся тем, что обогащенный азотом пар верхнего погона поступает на холодный конец верхнего теплообменника при температуре приблизительно от -300 до -320 °F (от -185 до -195 °С).
[0028] Аспект 17: Способ согласно любому из Аспектов 1-16, отличающийся тем, что первый хладагент представляет собой хладагент, который испаряется при прохождении через основной теплообменник, чтобы обеспечить холодопроизводительность для сжижения потока природного газа в основном теплообменнике на стадии (а) и для сжижения по меньшей мере части рециркулирующего потока в основном теплообменнике на стадии (f).
[0029] Аспект 18: Способ согласно Аспекту 17, отличающийся тем, что на стадии (f) рециркулирующий поток сжимают до такого давления, что сжижение по меньшей мере части рециркулирующего потока, которая сжижается внутри основного теплообменника, заканчивается при температуре на 0-10 °F (0-5 °C) выше, чем температура, при которой первый хладагент начинает испаряться внутри основного теплообменника.
[0030] Аспект 19: Система для сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота, содержащая:
основной теплообменник, имеющий теплую сторону, содержащую один или большее количество каналов для приема потока подаваемого природного газа, содержащего азот, и холодную сторону, содержащую один или большее количество каналов для приема потока первого хладагента, причем теплая и холодная стороны имеют такую конфигурацию, что когда подаваемый поток природного газа, содержащий азот, проходит через теплую сторону, он охлаждается и сжижается за счет непрямого теплообмена с потоком первого хладагента, проходящим через холодную сторону, в результате чего образуется первый поток СПГ;
первый контур хладагента для подачи охлажденного потока первого хладагента на холодную сторону основного теплообменника и отвода нагретого потока первого потока хладагента с холодной стороны основного теплообменника;
расширительное устройство, гидравлически соединенное с основным теплообменником, для приема и расширения первого потока СПГ;
дистилляционную колонну, гидравлически соединенную с расширительным устройством, для приема первого потока СПГ из расширительного устройства, причем первый поток СПГ частично испаряется и разделяется внутри дистилляционной колонны на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную азотом кубовую жидкость;
трубопровод для отвода потока обедненной азотом кубовой жидкости с дистилляционной колонны с образованием второго, обедненного азотом потока СПГ;
верхний теплообменник, имеющий холодную сторону, содержащую один или большее количество каналов для приема потока обогащенного азотом пара верхнего погона, и теплую сторону, содержащую один или большее количество каналов, причем теплая и холодная стороны имеют такую конфигурацию, что пар верхнего погона, обогащенный азотом, проходит через холодную сторону и нагревается за счет непрямого теплообмена с текучей средой, проходящей через теплую сторону, в результате чего образуется нагретый пар верхнего погона;
контур флегмы для сжатия, охлаждения и сжижения, переохлаждения и расширения рециркулирующего потока, образованного из первой части нагретого пара верхнего погона, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока и для подачи указанной жидкости или двухфазного рециркулирующего потока на дистилляционную колонну, чтобы обеспечить подачу флегмы на дистилляционную колонну;
один или большее количество трубопроводов для отвода из системы одного или большего количества потоков азотных продуктов или потоков сброса в атмосферу, образованных из второй части нагретого пара верхнего погона;
притом, что контур флегмы выполнен с возможностью сжижения указанной по меньшей мере части рециркулирующего потока за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, путем пропускания указанной по меньшей мере одной части рециркулирующего потока через один или большее количество каналов на теплой стороне основного теплообменника. отдельно от потока подаваемого природного газа;
причем, контур флегмы выполнен с возможностью переохлаждения рециркулирующего потока за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона путем пропускания по меньшей мере части рециркулирующего потока через один или большее количество указанных каналов на теплой стороне верхнего теплообменника; и
при этом, верхний теплообменник отделен от основного теплообменника, и система сконфигурирована таким образом, что поток обогащенного азотом пара верхнего погона является единственным потоком, который проходит через холодную сторону верхнего теплообменника и, таким образом, обеспечивает всю холодопроизводительность для верхнего теплообменника.
[0031] Аспект 20: Система в соответствии с Аспектом 19, отличающаяся тем, что верхний теплообменник представляет собой витой теплообменник, содержащий один или большее количество трубных пучков, содержащихся внутри кожуха и определяющих внутритрубное пространство и межтрубное пространство теплообменника, причем межтрубное пространство представляет собой холодную сторону теплообменника, а внутритрубное пространство представляет собой теплую сторону теплообменника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
[0032] Фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую сравнительный способ и систему, не соответствующие настоящему изобретению, для сжижения и удаления азота из потока природного газа.
[0033] Фиг. 2 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую способ и систему для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
[0034] Фиг. 3 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую способ и систему для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения.
[0035] Фиг. 4 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую способ и систему для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения.
[0036] Фиг. 5 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую модификацию способа и системы, проиллюстрированных на Фиг. 2, которая позволяет осуществить дополнительное разделение и извлечение потока неочищенного гелия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0037] В данном контексте и если в тексте прямо не указано противоположное, форма единственного числа существительного означает один или большее количество применительно к любому признаку в вариантах реализации настоящего изобретения, описанных в описании и формуле изобретения. Использование форм единственного числа не ограничивает значение одним признаком, если в тексте прямо не указано такое ограничение. Определенный артикль, предшествующий существительным или выражениям с существительными в единственном или множественном числе, обозначает конкретный указанный признак или конкретные указанные признаки и может обозначать единственное или множественное число, в зависимости от контекста, в котором он используется.
[0038] Если в данном документе используются буквы для обозначения перечисленных стадий способа (например, (а), (b) и (с)), то указанные буквы используются только для облегчения ссылки на стадии способа и не предназначены для обозначения конкретного порядка, в котором выполняются заявленные стадии, если и только в той степени, в которой такой порядок специально указан.
[0039] Если в тексте прямо не указано противоположное, то любые и все процентные значения, указанные в данном документе, следует понимать как мольные проценты. Если в тексте прямо не указано противоположное, то любое и все значения давления, указанные в данном документе, следует понимать как показывающие абсолютное давление (манометрическое давление плюс атмосферное давление).
[0040] При использовании в данном документе с целью идентификации упомянутых признаков способа или системы, термины «первый», «второй», «третий», и т. д. используются исключительно для облегчения ссылки на описываемые признаки способа и/или системы и их различения, но не предназначены для указания какого-либо конкретного порядка признаков, если и только в той степени, в которой такой порядок конкретно указан.
[0041] Как используется в данном документе, термин «подаваемый поток природного газа» дополнительно включает в себя газы и потоки, содержащие синтетические и/или заменители природных газов, а также рециркуляционные потоки природного газа, такие как поток, содержащий или состоящий из отпарного газа из резервуара для хранения СПГ. Основным компонентом природного газа является метан, и подаваемый поток природного газа обычно содержит по меньшей мере 85%, а чаще по меньшей мере 90% метана. Само собой разумеется, что «поток подаваемого природного газа, содержащий азот» представляет собой поток природного газа, который дополнительно содержит азот, и обычно концентрация азота будет составлять от 1 до 10%. Другие типичные компоненты подаваемого или неочищенного природного газа, которые могут присутствовать в потоке сырья в меньших количествах, включают в себя другие, более тяжелые углеводороды (такие как этан, пропан, бутаны, пентаны и т. д.), гелий, водород, диоксид углерода и/или другие кислые газы и ртуть. Однако, подаваемый поток природного газа, который проходит через основной теплообменник, охлаждается и сжижается в нем, будет предварительно обработан, если и по мере того, как это необходимо для снижения (относительных) уровней любых компонентов с высокой температурой замерзания, таких как влага, кислые газы, ртуть и/или более тяжелые углеводороды, до таких уровней, которые необходимы для предотвращения замерзания или других эксплуатационных проблем в основном теплообменнике.
[0042] Как используется в данном контексте и если в тексте прямо не указано противоположное, поток или пар являются «обогащенными азотом», если концентрация азота в потоке или паре выше, чем концентрация азота в подаваемом потоке природного газа, содержащего азот. Поток или пар являются «обедненными азотом», если концентрация азота в потоке или паре ниже, чем концентрация азота в подаваемом потоке природного газа, содержащего азот.
[0043] Как используется в данном документе, термин «непрямой теплообмен» обозначает теплообмен между двумя текучими средами, при котором указанные две текучие среды отделены друг от друга за счет некоторой формы физического барьера.
[0044] В данном документе термин «теплообменник» обозначает любое устройство или систему, в которых происходит непрямой теплообмен между двумя или большим количеством потоков. Если в тексте прямо не указано противоположное, теплообменник может состоять из одной или большего количества секций теплообменника, расположенных последовательно и/или параллельно, причем «секция теплообменника» представляет собой часть теплообменника, в которой происходит непрямой теплообмен между двумя или большим количеством потоков. Каждая такая секция может составлять отдельный модуль со своим собственным корпусом, однако, в такой же мере секции могут быть объединены в единый модуль теплообменника с общим корпусом. Если в тексте прямо не указано противоположное, теплообменник(-и) может быть любого подходящего типа, например, но не ограничиваясь этим, кожухотрубный, витой или пластинчато-ребристый тип теплообменного модуля.
[0045] Как используется в данном документе, термины «теплый» и «холодный» являются относительными и не предназначены для обозначения каких-либо конкретных температурных диапазонов, если в тексте прямо не указано противоположное.
[0046] Как используется в данном документе, термины «теплый конец» и «холодный конец» теплообменника или секции теплообменника обозначают концы теплообменника или секции теплообменника, которые имеют самую высокую и самую низкую температуру (соответственно) для этого теплообменника или секции теплообменника. «Промежуточный участок» теплообменника обозначает участок между теплым и холодным концом, обычно между двумя секциями теплообменника, расположенными последовательно.
[0047] Как используется в данном документе, термин «теплая сторона» теплообменника или секции теплообменника обозначает сторону, через которую проходит поток или потоки текучей среды, которые должны охлаждаться за счет непрямого теплообмена с текучей средой, протекающей через холодную сторону. Теплая сторона может определять один канал через теплообменник или секцию теплообменника для приема одного потока текучей среды или более чем один канал через теплообменник или секцию теплообменника для приема нескольких потоков одинаковых или разных текучих сред, которые содержатся отдельно друг от друга при прохождении через теплообменник или секцию теплообменника. Таким же образом, термин «холодная сторона» теплообменника или секции теплообменника обозначает сторону, через которую проходит поток или потоки текучей среды, которые должны быть нагреты за счет непрямого теплообмена с текучей средой, протекающей через теплую сторону. Холодная сторона может аналогичным образом определять один канал через теплообменник или секцию теплообменника для приема одного потока текучей среды или более чем один канал через теплообменник или секцию теплообменника для приема нескольких потоков текучей среды, каждый из которых отделен от других, при прохождении через теплообменник или секцию теплообменника.
[0048] Как используется в данном документе, термины «холодная секция теплообменника» и «теплая секция теплообменника», когда они используются по отношению к одному и тому же теплообменнику, обозначают две секции теплообменника, которые расположены последовательно, причем холодная секция теплообменника - это секция, ближайшая к холодному концу теплообменника, а теплая секция теплообменника - это секция, которая ближе к теплому концу секции теплообменника.
[0049] Как используется в данном документе, термин «основной теплообменник» обозначает теплообменник, отвечающий за охлаждение и сжижение подаваемого потока природного газа с образованием первого потока СПГ.
[0050] Как используется в данном документе, термин «пар» или «испаренный» обозначает текучую среду, которая находится в газовой фазе, или обозначает сверхкритическую текучую среду, которая имеет плотность меньше плотности критической точки для этой жидкости. Как используется в данном документе, термин «жидкий» или «сжиженный» обозначает текучую среду, которая находится в жидкой фазе, или сверхкритическую текучую среду, плотность которой превышает плотность критической точки для данной текучей среды. Как используется в данном документе, термин «двухфазный» или «частично испаренный» обозначает субкритическую текучую среду (особенно ее поток), которая включает в себя как газообразную, так и жидкую фазы.
[0051] Как используется в данном документе, термин «сжижение» обозначает превращение (обычно путем охлаждения) текучей среды или потока текучей среды из пара в жидкость. Как используется в данном документе, термин «переохлаждение» обозначает дальнейшее охлаждение уже полностью сжиженной жидкости или потока жидкости. Как используется в данном документе, термин «испарение» обозначает превращение (обычно путем нагревания) текучей среды или потока текучей среды из жидкости в пар. Как используется в данном документе, термин «частичное испарение» обозначает, в связи с потоком текучей среды, преобразование некоторой части текучей среды в потоке из жидкости в пар, в результате чего образуется двухфазный поток.
[0052] Как используется в данном документе, термин «витой теплообменник» обозначает теплообменник известного в данной области техники типа, содержащий один или большее количество трубных пучков, заключенных в корпус, известный как «кожух», причем каждый трубный пучок может иметь свой собственный кожух, либо два или большее количество трубных пучков могут иметь общий кожух. Каждый трубный пучок может представлять собой секцию теплообменника, причем внутритрубное пространство пучка (внутренняя часть труб в пучке) обычно представляет собой теплую сторону указанной секции и определяет один или большее количество каналов через секцию, а межтрубная сторона пучка (пространство между внутренней частью кожуха и внешней частью труб), обычно представляет собой холодную сторону указанной секции, определяющую единственный канал через секцию. Витые теплообменники представляют собой компактную конструкцию теплообменника, известную своей надежностью, безопасностью и эффективностью теплопередачи, и, таким образом, имеют преимущество обеспечения высокоэффективных уровней теплообмена по сравнению с занимаемой площадью. Однако, поскольку межтрубная часть определяет только один канал через секцию теплообменника, невозможно использовать более одного потока хладагента в межтрубном пространстве каждой секции витого теплообменника без указанных потоков хладагента, смешиваемых в межтрубном пространстве (т. е., обычно холодная сторона) указанной секции теплообменника.
[0053] Как используется в данном документе, термин «дистилляционная колонна» обозначает колонну (или группу колонн), содержащую одну или большее количество разделительных секций, причем каждая разделительная секция состоит из одной или большего количества разделительных ступеней (которые, например, содержат вставки, такие как насадки и/или тарелки), увеличивающих площадь контакта и, таким образом, улучшающих массообмен между восходящим паром и нисходящей жидкостью, протекающей через секцию внутри колонны. Таким образом, концентрация более легких компонентов (таких как азот) увеличивается в парах верхнего погона, а концентрация более тяжелых компонентов (таких как метан) увеличивается в кубовой жидкости. Термин «пар верхнего погона» обозначает пар, который собирается в верхней части колонны. Термин «кубовая жидкость» обозначает жидкость, которая собирается в нижней части колонны. «Верхняя часть» колонны обозначает часть колонны выше разделительных секций. «Нижняя часть» колонны обозначает часть колонны, которая расположена ниже разделительных секций. «Промежуточный участок» колонны обозначает участок между верхней и нижней частью колонны, обычно между двумя разделительными секциями, расположенными последовательно. Термин «флегма» обозначает источник жидкости, стекающей вниз из верхней части колонны. Термин «кипение» (boilup) обозначает источник пара, поднимающегося вверх из нижней части колонны.
[0054] Как используется в данном документе, термин «верхний теплообменник» обозначает теплообменник, который рекуперирует холод из пара верхнего погона дистилляционной колонны, а термин «ребойлерный теплообменник» обозначает теплообменник, который нагревает и испаряет часть кубовой жидкости в дистилляционной колонне, чтобы обеспечить кипение в дистилляционной колонне
[0055] Как используется в данном документе, термин «контур хладагента» обозначает набор компонентов, необходимых для подачи охлажденного хладагента на холодную сторону теплообменника или секции теплообменника и отвода нагретого хладагента с холодной стороны теплообменника или секции теплообменника, чтобы обеспечить холодопроизводительность для указанного теплообменника или секции теплообменника. Дополнительно, он может содержать компоненты, которые необходимы для рециркуляции по меньшей мере части указанного нагретого хладагента путем сжатия, охлаждения и расширения указанного нагретого хладагента, чтобы регенерировать охлажденный хладагент для пополнения запасов в теплообменнике. Соответственно, контур хладагента обычно может содержать один или большее количество компрессоров, доохладителей, расширительных устройств и связанных с ними трубопроводов.
[0056] Как используется в данном документе, термин «расширительное устройство» обозначает любое устройство или совокупность устройств, подходящих для расширения и, таким образом, снижения давления текучей среды. Подходящие типы расширительных устройств для расширения текучей среды включают в себя, но не ограничиваясь этим: турбины, в которых текучая среда расширяется при выполнении работы с понижением давления и температуры текучей среды; и клапаны Джоуля-Томсона (также известные как клапаны J-T), в которых текучая среда дросселируется с понижением давления и температуры текучей среды за счет расширения Джоуля-Томсона.
[0057] Как используется в данном документе, термин «гидравлическое соединение» указывает на то, что рассматриваемые устройства или компоненты подключены друг к другу таким образом, что указанный(-ые) поток(-и) может быть отправлен и принят устройствами или рассматриваемыми компонентами. Устройства или компоненты могут, например, быть соединены подходящими трубами, каналами или трубопроводами различной формы для передачи указанного(-ых) потока(-ов), дополнительно они могут быть соединены вместе через другие компоненты системы, которые могут их разделять, например, через один или большее количество клапанов, затворов или других устройств, которые могут выборочно ограничивать или направлять поток текучей среды.
[0058] Исключительно в качестве примера, сравнительная конфигурация и различные типичные варианты реализации изобретения будут описаны ниже со ссылкой на Фиг. 1-4. На указанных фигурах, если признак является общим с признаком на предыдущем чертеже, такому признаку будет присвоена такая же ссылочная позиция, увеличенная на 100. Например, если элементу на Фиг. 1 присвоена ссылочная позиция 110, такой же элемент на Фиг. 2 будет иметь ссылочную позицию 210, а на Фиг. 3 будет иметь ссылочную позицию 310.
[0059] Обращаясь к Фиг. 1, проиллюстрированы способ и система для сжижения природного газа согласно сравнительной схеме, а не по настоящему изобретению. На Фиг. 1 проиллюстрированы способ и система для сжижения и удаления азота из потока природного газа, которые аналогичны раскрытым на Фиг. 1 патента США 9945604.
[0060] Подаваемый поток природного газа 100, содержащий азот, пропускают через, охлаждают и сжижают на теплой стороне основного теплообменника 102, с образованием таким образом первого потока СПГ 104, поток подаваемого природного газа охлаждают и сжижают за счет непрямого теплообмена со смешанным хладагентом, который протекает через, нагревается и испаряется на холодной стороне основного теплообменника 102. В конфигурации, представленной на Фиг. 1, основной теплообменник 102 представляет собой витой теплообменник, содержащий три секции теплообменника в виде трех трубных пучков, а именно теплую секцию/трубный пучок 102A, среднюю секцию/трубный пучок 102B и холодную секцию/трубный пучок 102C, причем все они содержатся в одном кожухе; подаваемый поток природного газа протекает через, охлаждается и сжижается во внутритрубном пространстве основного теплообменника 102, а первый хладагент протекает через и нагревается в межтрубном пространстве основного теплообменника 102. Однако, в альтернативных конфигурациях теплообменник мог бы содержать большее или меньшее количество трубных пучков и/или пучки труб могли бы быть размещены в отдельных кожухах, соединенных между собой подходящими трубами. Равным образом, в других конфигурациях могут использоваться теплообменники других типов, такие как, например, кожухотрубный теплообменник другого типа или пластинчато-ребристый теплообменник, и такие теплообменники могут содержать любое количество секций теплообменника.
[0061] Цикл смешанного хладагента, представленный на Фиг. 1, который используется для обеспечения охлаждения в основном теплообменнике 102, в основном представляет собой обычный цикл с одним смешанным хладагентом (ОСХ), и поэтому будет описан только кратко. Нагретый смешанный хладагент 151, выходящий с теплого конца основного теплообменника 102, сжимают в компрессоре 152, охлаждают в промежуточном охладителе 153 и разделяют в фазовом сепараторе 154 на поток жидкости 155 и поток пара. Поток пара дополнительно сжимают в компрессоре 156, охлаждают в промежуточном охладителе 157 и разделяют в фазовом сепараторе 158 на поток жидкости 159 и поток пара 160. Во всех промежуточных охладителях в качестве хладагента обычно используется текучая среда при температуре окружающей среды, например, воздух или вода.
[0062] Потоки жидкости 155 и 159 проходят через и переохлаждаются во внутритрубном пространстве теплой секции 102A основного теплообменника 102 перед понижением давления в клапанах J-T и объединяются с образованием потока холодного хладагента 161, который проходит через межтрубное пространство теплой секции 102A, где он испаряется и нагревается, чтобы обеспечить охлаждение для указанной секции. Поток пара 160 проходит через, охлаждается и частично сжижается во внутритрубном пространстве теплой секции 102A основного теплообменника 102, а затем разделяется в фазовом сепараторе 162 на поток пара 164 и поток жидкости 163. Поток жидкости 163 проходит через и переохлаждается во внутритрубном пространстве средней секции 102B основного теплообменника 102 перед понижением давления в клапане J-T с образованием потока холодного хладагента 165, который проходит через межтрубное пространство средней и теплой секций 102B и 102A, где он испаряется и нагревается, чтобы обеспечить охлаждение указанных секций (смешивание в межтрубном пространстве теплой секции 102А с хладагентом из потока 161). Поток пара 164 проходит через, сжижается и переохлаждается в средней 102B и холодной 102C секциях основного теплообменника 102, выходя с холодного конца основного теплообменника в виде потока холодного хладагента 166, большая часть которого расширяется в клапане J-T для обеспечения потока холодного хладагента 167, который проходит через межтрубное пространство холодной, средней и теплой секций 102C, 102B и 102A, где он испаряется и нагревается, чтобы обеспечить охлаждение указанных секций (смешивание в межтрубном пространстве средней секции 102B с хладагентом из потока 165 и дальнейшее смешивание в межтрубном пространства теплой секции 102A с хладагентом из потока 161).
[0063] Поскольку цикл смешанного хладагента, представленный на Фиг. 1, аналогичен циклу, проиллюстрированному и описанному в связи с Фиг. 1 патента США 9945604, дополнительные подробности, касающиеся работы указанного цикла смешанного хладагента, можно найти в последнем документе, содержание которого включено в данный документ посредством ссылки в полном объеме.
[0064] Первый поток СПГ 104 выходит с холодного конца основного теплообменника при температуре около -240 °F (-150 °C). Затем первый поток СПГ 104 дополнительно охлаждают, пропуская через теплую сторону ребойлерного теплообменника 106, и расширяют, пропуская через клапан J-T 108, перед подачей на дистилляционную колонну 110 на промежуточном участке колонны, между двумя разделительными секциями. Внутри дистилляционной колонны, первый поток СПГ частично испаряется и разделяется на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную азотом кубовую жидкость. Поток кубовой жидкости 141 проходит через холодную сторону ребойлерного теплообменника 106, где он нагревается и по меньшей мере частично испаряется за счет непрямого теплообмена с первым потоком СПГ 104, чтобы обеспечить кипение для дистилляционной колонны 110. Другой поток кубовой жидкости 132 отводится из нижней части дистилляционной колонны с образованием второго потока СПГ, обедненного азотом, который непосредственно может отводиться как обедненный азотом готовый СПГ или который может сначала храниться в резервуаре для хранения СПГ (не показано).
[0065] Подача флегмы на дистилляционную колонну 110 обеспечивается за счет рециркуляции и конденсации (сжижения) некоторой части пара обогащенного азотом верхнего погона. Поток пара верхнего погона 112 нагревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, проходя через холодную сторону верхнего теплообменника 114, а затем разделяется на две части. Первая часть образует рециркуляционный поток 118, 133, 130, который используется для подачи флегмы на дистилляционную колонну, в то время как вторая часть образует поток азота 116 для сброса в атмосферу. Рециркулирующий поток 118 сжимают до высокого давления в компрессоре 120 и охлаждают в доохладителе, после чего сжатый поток 133 проходит через теплую сторону верхнего теплообменника. 114, где он охлаждается, сжижается и переохлаждается за счет непрямого теплообмена с потоком 112, перед расширением в клапане J-T 143, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 130, который поступает в верхнюю часть дистилляционной колонны для обеспечения подачи флегмы.
[0066] Чтобы улучшить кривые охлаждения в верхнем теплообменнике 114 и, таким образом, повысить эффективность способа, смешанный хладагент, который используется в основном теплообменнике 102, также используется для обеспечения дополнительного охлаждения в верхнем теплообменнике 114. Более конкретно, небольшая часть (обычно менее чем 20%) потока холодного хладагента 166 отводится в виде потока 122, и давление снижается в клапане J-T 124 с образованием потока двухфазного смешанного хладагента 128. Этот поток 128 затем пропускают через, нагревают и частично испаряют на теплой стороне верхнего теплообменника 114, чтобы обеспечить дополнительную холодопроизводительность для охлаждения и сжижения рециркулирующего потока 133 в верхнем теплообменнике 114, с получением нагретого и частично испаренного смешанного потока хладагента 126, который возвращают в основной теплообменник путем объединения с потоком холодного хладагента 165, который проходит через межтрубное пространство средней и теплой секций 102B и 102A.
[0067] Хотя, как отмечалось выше, на Фиг. 1 проиллюстрированы способ и система для сжижения и удаления азота из потока природного газа, которые аналогичны представленным в патенте США № 9945604, необходимо отметить, что верхний теплообменник 114 на Фиг. 1 в некоторых отношениях отличается от представленного в патенте США № 9945604. В частности, верхний теплообменник 114 на Фиг. 1 содержит три секции теплообменника, а именно холодную, среднюю и теплую секции 114A, 114B и 114C, при этом поток смешанного хладагента 128 из основного теплообменника 166 проходит только через него и нагревается в средней части 114B верхнего теплообменника. Причина этого заключается в том, что поток пара верхнего погона 112 из дистилляционной колонны 110 будет значительно холоднее, чем поток смешанного хладагента 128. Таким образом, более эффективным будет использовать только поток пара верхнего погона 112 с целью обеспечения холодопроизводительности для переохлаждения рециркулирующего потока 133 в холодной секции 114А теплообменника.
[0068] Обращаясь к Фиг. 2, проиллюстрированы способ и система для сжижения и удаления азота из потока природного газа согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.
[0069] Азотсодержащий подаваемый поток, природного газа 200, 201 проходит через, охлаждается и сжижается на теплой стороне основного теплообменника 236, с образованием таким образом первого потока СПГ 204, причем подаваемый поток природного газа охлаждается и сжижается за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом (не показано), протекающим через холодную сторону основного теплообменника 236. Подаваемый поток природного газа 200, содержащий азот, обычно находится при температуре окружающей среды, как правило, при высоком давлении, таком как давление от около 600 до 1200 фунт/кв. дюйм (от 40 до 80 бар абс.), и при необходимости будет предварительно обработан (не показано), чтобы снизить (относительные) уровни любых компонентов с высокой температурой замерзания, таких как влага, кислые газы, ртуть и/или более тяжелые углеводороды в подаваемом потоке, до таких уровней, которые необходимы, чтобы избежать замерзания или других проблем при работе основного теплообменника 236. В качестве альтернативы или дополнительно, стадия удаления тяжелых компонентов (не показана) может быть проведена на промежуточном участке основного теплообменника, например, для удаления компонентов СПГ, замораживаемого пентана и более тяжелых компонентов из подаваемого потока, при этом подаваемый поток природного газа 201, содержащий азот, отводят с промежуточного участка основного теплообменника 236, выполняют стадию удаления тяжелых компонентов, и полученный подаваемый поток, обедненный тяжелыми компонентами, затем возвращают на промежуточный участок основного теплообменника 236 для завершения охлаждения и сжижения подаваемого потока с образованием первого потока СПГ 204.
[0070] При желании, перед подачей потока подаваемого природного газа 200, содержащего азот, в основной теплообменник 236, небольшая часть азотсодержащего потока подаваемого природного газа 200, обычно около 5% от расхода потока, может быть отведена в виде потока природного газа 203, который обходит основной теплообменник. В качестве другого альтернативного варианта реализации изобретения, небольшая часть, также около 5% от расхода азотсодержащего подаваемого потока природного газа 200, 201, могла бы быть отведена из промежуточного участка основного теплообменника в виде охлажденного, но еще не сжиженного или не полностью сжиженного потока природного газа (т. е., в виде пара или двухфазного потока) 203A, причем указанный поток обычно отводится при температуре от температуры окружающей среды до -70 °F (от температуры окружающей среды до -55 °C).
[0071] Основной теплообменник 236 и первый хладагент, используемый в указанном теплообменнике, могут быть любого типа, подходящего для охлаждения и сжижения потока природного газа. Например, основной теплообменник мог бы быть витым теплообменником, содержащим одну или большее количество секций теплообменника, а первый хладагент может быть испаряющимся хладагентом, таким как смешанный хладагент, циркулирующий в цикле ОСХ, описанном выше со ссылкой на Фиг. 1. В равной мере, мог бы использоваться другой тип теплообменника и/или другие типы хладагента, при этом в данной области техники известно множество пригодных типов теплообменника и хладагентов. Например, основной теплообменник в качестве альтернативы мог бы включать в себя кожухотрубные теплообменники других типов и/или пластинчато-ребристый теплообменник, а хладагент мог бы быть газообразным хладагентом, циркулирующим в цикле газового расширения (например, обратном цикле Брайтона с использованием азота, метана или этана) или может быть испаряющимся хладагентом, циркулирующим в цикле двойного смешанного хладагента (ДСХ), в цикле смешанного хладагента с предварительным охлаждением пропана, аммиака или ГФУ или в каскадном цикле.
[0072] Первый поток СПГ 204 обычно охлаждается в основном теплообменнике 236 и, таким образом, обычно выходит с холодного конца основного теплообменника 236 при температуре приблизительно от -220 °F до -250 °F (от -140 до -155 °C) и более предпочтительно от приблизительно -220 °F до -240 °F (от -140 до -150 °C).
[0073] Первый поток СПГ 204 затем дополнительно охлаждается, проходя через теплую сторону ребойлерного теплообменника 206, расширяется, проходя через клапан J-T 208, и подвергается мгновенному испарению перед подачей на дистилляционную колонну 210, при температуре промежуточного участка колонны между двумя разделительными секциями. Внутри дистилляционной колонны первый поток СПГ частично испаряется и разделяется на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную азотом кубовую жидкость. Поток кубовой жидкости 241 проходит через холодную сторону ребойлерного теплообменника 206, где он нагревается и по меньшей мере частично испаряется за счет непрямого теплообмена с первым потоком СПГ 204, чтобы обеспечить кипение в дистилляционной колонне 210. Другой поток кубовой жидкости 232 отводится из нижней части дистилляционной колонны с образованием второго, обедненного азотом потока СПГ, который может отводиться непосредственно в виде обедненного азотом готового СПГ или который может сначала храниться в резервуаре для хранения СПГ (не показано). Содержание азота в потоке 232 обычно составляет 1% или менее, и предпочтительно 0,5% или менее.
[0074] Вместо использования клапана J-T 208 для расширения первого потока СПГ 204 перед подачей первого потока СПГ 204 на дистилляционную колонну 210, в равной мере могла бы использоваться другая форма расширительного устройства, такая как, например, жидкостная турбина.
[0075] Ребойлерный теплообменник 206 может быть теплообменником любого подходящего типа, такого как витой, кожухотрубный или пластинчато-ребристый теплообменник. Хотя на Фиг. 2 показано, что он является отдельным от дистилляционной колонны, ребойлерный теплообменник вместо этого может быть объединен с нижней частью дистилляционной колонны.
[0076] В еще одной альтернативной конфигурации (не показана) можно было бы обойтись без использования ребойлерного теплообменника и отпарной секции в дистилляционной колонне (разделительная секция в дистилляционной колонне ниже точки входа первого потока СПГ), при этом дистилляционная колонна тогда содержала бы только секцию дистилляции (секция разделения в дистилляционной колонне выше точки входа первого потока СПГ). В такой конфигурации первый поток СПГ 204 не будет дополнительно охлаждаться перед расширением и подачей в дистилляционную колонну, а будет поступать в дистилляционную колонну 210 в нижней части колонны, и вся кубовая жидкость будет отводиться в виде обедненного азотом второго потока СПГ 232. Однако, это приведет к более высокой концентрации азота в обедненном азотом втором потоке СПГ 232, чем та, которая достигается с помощью конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 2.
[0077] Обогащенный азотом пар верхнего погона, который собирается в верхней части дистилляционной колонны 210, представляет собой преимущественно азот, обычно с содержанием метана менее чем 1% и предпочтительно менее чем 0,1%, и температура его точки росы обычно составляет приблизительно от -300 до -320 °F (от -185 до -195 °C) и предпочтительно около -310 °F (-190 °C). Поток обогащенного азотом пара верхнего погона 212 отводят из верхней части дистилляционной колонны 210 и нагревают до температуры, близкой к температуре окружающей среды, пропуская через холодную сторону верхнего теплообменника 214 с образованием нагретого пара верхнего погона. В устройстве, проиллюстрированном на Фиг. 2, верхний теплообменник 214 содержит две теплообменные секции, включающие в себя холодную секцию 214A и теплую секцию 214B, при этом поток обогащенного азотом пара верхнего погона 212 подают на холодный конец верхнего теплообменника 214, пропуская через и нагревая в холодной секции 214A, пропуская через и дополнительно нагревая в теплой секции 214B, и отводя с теплого конца верхнего теплообменника 214. В холодной секции 214A, поток обогащенного азотом пара верхнего погона 212 нагревается за счет непрямого теплообмена по меньшей мере с частью рециркулирующего потока 234, как будет более подробно описано ниже. В теплой секции 214B газообразный азот низкого давления нагревается за счет непрямого теплообмена с любым технологическим потоком подходящей температуры, который желательно охладить. Например, как показано на Фиг. 2, один или большее количество потоков природного газа, таких как потоки природного газа 203 и/или 203A (обсуждаемые выше), могут быть охлаждены и сжижены путем пропускания через теплую сторону теплой секции 214B верхнего теплообменника, причем полученный(-ые) поток(-и) сжиженного природного газа 205 далее объединяют с первым потоком СПГ 204, перед подачей их на дистилляционную колонну 210. В качестве альтернативы или дополнительно, что также проиллюстрировано на Фиг. 2, поток первого хладагента 203B может быть охлажден путем пропускания через теплую сторону теплой секции 214B верхнего теплообменника с образованием охлажденного потока первого хладагента 205A, который возвращают для использования в основном теплообменнике 236. Например, если первый хладагент представляет собой смешанный хладагент, который циркулирует в цикле ОСХ, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1, то поток первого хладагента 203B, который подают в теплую секцию 214B верхнего теплообменника, может представлять собой поток паров смешанного хладагента при температуре окружающей среды, взятый из части потока 160 на Фиг. 1, и охлажденный поток первого хладагента 205A, который отводится из теплой секции 214B верхнего теплообменника, может быть расширен и объединен с потоком холодного хладагента 167, который поступает в межтрубное пространство основного теплообменника на холодном конце основного теплообменника, или с потоком холодного хладагента 165, который поступает в межтрубное пространство основного теплообменника на холодном конце средней секции основного теплообменника.
[0078] Верхний теплообменник 214 может быть теплообменником любого подходящего типа, таким как витой, кожухотрубный или пластинчато-ребристый теплообменник, но предпочтительно представляет собой теплообменник витого типа. Хотя на Фиг. 2 обе секции верхнего теплообменника 214 изображены как содержащиеся внутри единого модуля, теплая секция и холодная секции могут быть в равной степени расположены в отдельных модулях, каждый со своим собственным корпусом. Точно так же, на Фиг. 2 проиллюстрирован верхний теплообменник 214, отдельный от дистилляционной колонны в предпочтительной конфигурации, а не интегрированный с верхней частью дистилляционной колонны, как будет дополнительно описано ниже со ссылкой на вариант реализации изобретения, представленный на Фиг. 4.
[0079] Нагретый пар верхнего погона, который отводится из теплообменника верхнего погона, разделяют, при этом первая часть нагретого пара верхнего погона образует рециркулирующий поток 218, 233, 234, 239, 237, 230, который используется для обеспечения подачи флегмы на дистилляционную колонну путем охлаждения и сжижения, переохлаждения, расширения и подачи на дистилляционную колонну, а вторая часть нагретого пара верхнего погона образует еще один азотный продукт или потоки сброса в атмосферу 250, 238, 216. Как будет очевидно из приведенного ниже дальнейшего обсуждения, указанное отделение потоков азотного продукта/потоков сброса в атмосферу (вторая часть нагретого пара верхнего погона) от рециркулирующего потока (первая часть нагретого пара верхнего погона) может происходить на различных участках, конечно, при условии, что все указанные потоки азотных продуктов и сброса в атмосферу разделяются и удаляются из рециркулирующего потока перед тем, как указанный рециркулирующий поток подают на дистилляционную колонну, чтобы обеспечить подачу флегмы на дистилляционную колонну.
[0080] Более конкретно, первая часть нагретого пара верхнего погона образует рециркуляционный поток 218, который сжимают до высокого давления, обычно более чем 500 фунт/кв. дюйм (более чем 35 бар абс.), в компрессоре 220 и охлаждают в доохладителе 221 (обычно при помощи охлаждающей воды или воздуха из окружающей среды). Компрессор 220 может состоять из нескольких ступеней с промежуточными атмосферными охладителями. Сжатый и охлажденный рециркулирующий поток 233 далее проходит через теплую сторону основного теплообменника 236, через один или большее количество каналов на теплой стороне основного теплообменника, которые отделены от канала или каналов, через которые проходит подаваемый поток природного газа 201, таким образом, что рециркулирующий поток отделен от подаваемого потока природного газа внутри основного теплообменника. Когда рециркулирующий поток проходит через теплую сторону основного теплообменника 236, он охлаждается и сжижается за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, и далее выходит с холодного конца основного теплообменника в виде рециркулирующего потока 234, при температуре, близкой к температура первого потока СПГ 204, т. е., обычно при температуре от приблизительно -220 °F до -250 °F (от -140 до -155 °C), предпочтительно от приблизительно -220 °F до -240 °F (от -140 °F до -150 °C) и наиболее предпочтительно приблизительно от -230 °C. F до -240 °F (от -145 до -150 °C). При этой температуре рециркулирующий поток является полностью жидким (или имеет плотность, подобную плотности жидкости, т. е., плотность, превышающую его плотность в критической точке, если поток является сверхкритическим). Затем рециркулирующий поток 234 поступает в верхний теплообменник 214 на промежуточном участке (между холодной и теплой секциями) теплообменника, проходит через него и переохлаждается на теплой стороне холодной секции теплообменника 214A за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона 212, проходящим через холодную сторону указанной секции. Переохлажденный рециркулирующий поток 239, выходящий с холодного конца верхнего теплообменника 214, обычно имеет температуру приблизительно от -280 до -290 °F (от -175 до -180 °C), а затем расширяется, например, при помощи клапан 243 J-T и проходит через него, подвергаясь мгновенному испарению, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 230, который подают в верхнюю часть дистилляционной колонны 210 для обеспечения подачи флегмы на колонну.
[0081] Необязательно, вместо того, чтобы пропускать весь рециркулирующий поток 234 через верхний теплообменник 234, только первая часть рециркулирующего потока 234 проходит через верхний теплообменник 234 с образованием переохлажденного потока 239, при этом вторая часть рециркулирующего потока проходит в обход верхнего теплообменника в качестве байпасного потока 237. Далее потоки 239 и 237 могут быть расширены и смешаны с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 230, который подают в верхнюю часть дистилляционной колонны 210 (при этом, как показано на Фиг. 2, потоки 239 и 237 могли бы расширяться по отдельности, например, путем пропускания через отдельные клапаны J-T перед смешиванием, или при этом потоки 239 и 237 могут вначале смешиваться, а затем расширяться). Такая конфигурация позволяет охлаждать переохлажденный поток 239 в холодной секции 214A верхнего теплообменника 214 до более низкой температуры, чем в ситуации, когда рециркулирующий поток проходил бы через указанный теплообменник (поскольку меньшее количество рециркулирующего потока будет протекать через теплообменник и требовать переохлаждения), и это означает, что температура потока 239, выходящего с холодного конца верхнего теплообменника 214, может более точно соответствовать температуре обогащенного азотом пара верхнего погона 212, поступающего в холодный конец верхнего теплообменника 214, тем самым снижая термические напряжения на холодном конце теплообменника 214. Дополнительно, может быть предпочтительным, если (как будет дополнительно описано ниже) поток продукта в форме жидкого азота 238 должен быть отделен от переохлажденного потока 239, поскольку этот поток продукта в форме жидкого азота 238 затем будет доступен при более низкой температуре, что облегчит хранение указанного продукта в форме жидкого азота. Однако это усложняет способ, требуя использования и работы указанного байпасного потока. Следует отметить, что такая альтернативная конфигурация не меняет температуру жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 230 по сравнению с конфигурацией, в которой байпас не используется, поскольку при использовании байпасного потока 237 переохлажденный поток 239 доступен при более низкой температуре, но затем этот поток несколько нагревается за счет смешивания с байпасным потоком 237, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 230.
[0082] Как отмечалось выше, вторая часть нагретого пара верхнего погона образует один или большее количество потоков азотного продукта или потоков сброса в атмосферу 250, 238, 216, которые выводятся из системы сжижения природного газа, и эти потоки могут отводиться из системы на различных участках. Например, часть пара верхнего погона может образовывать поток азота для сброса в атмосферу 216, который отделяется от части пара верхнего погона, образующего рециркулирующий поток 218, перед сжатием рециркуляционного потока в компрессоре 220, с указанным потоком азота для сброса в атмосферу 216, и далее сбрасывается в атмосферу. В качестве альтернативы или дополнительно, часть пара верхнего погона может образовывать поток газообразного азотного продукта 250 под высоким давлением, который отделяется от части пара верхнего погона, образующего рециркулирующий поток 233, после того, как указанный рециркулирующий поток был сжат в компрессоре 220, и перед тем, как рециркулирующий поток поступает в основной теплообменник 236, охлаждается и сжижается в нем. В качестве альтернативы или дополнительно, часть пара верхнего погона может образовывать поток жидкого азота 238, который отделяется от части пара верхнего погона, образующего рециркулирующий поток 230, после того, как указанный рециркулирующий поток был переохлажден в холодной секции 214A верхнего теплообменника 214 и перед тем, как рециркулирующий поток расширяется и подается на дистилляционную колонну 210.
[0083] В предпочтительных вариантах реализации изобретения, разделение нагретого пара верхнего погона между первой частью, которая образует рециркулирующий поток 218, 233, 234, 239, 237, 230, обеспечивающий подачу флегмы на дистилляционную колонну, и второй частью, которая образует один или большее количество азотного продукта или потоков сброса в атмосферу 250, 238, 216, таковы, что первая часть составляет около 75% от общего потока нагретого пара верхнего погона, выходящего из верхнего теплообменника 214, а вторая часть составляет около 25% от общего потока нагретого пара верхнего погона, выходящего из теплообменника верхнего погона 214.
[0084] Способ и система, проиллюстрированные на Фиг. 2, обеспечивают несколько преимуществ по сравнению со сравнительной конфигурацией, представленной на Фиг. 1.
[0085] Подобно конфигурации, представленной на Фиг. 1, способ и система, проиллюстрированные на Фиг. 2, позволяют производить поток азота для сброса в атмосферу 216 с очень высокой чистотой (и/или потоки готового азота 250, 238 очень высокой чистоты), причем чистота азота ограничивается только расходом потока флегмы и количеством ступеней разделения в дистилляционной колонне, при этом одновременно производится готовый СПГ 232 с очень низким содержанием азота. Подобно конфигурации, представленной на Фиг. 1, в способе и системе, проиллюстрированных на Фиг. 2, также используют хладагент, используемый в основном теплообменнике, чтобы обеспечить по крайней мере часть холодопроизводительности для сжижения нагретого пара верхнего погона из дистилляционной колонны, чтобы обеспечить подачу флегмы на дистилляционную колонну, тем самым повышая эффективность способа (по сравнению со способом, в котором для обеспечения такой холодопроизводительности используется только холод, рекуперированный из пара верхнего погона).
[0086] Однако, в то время как конфигурация, представленное на Фиг. 1, требует передачи двухфазных потоков смешанного хладагента 128 и 126 в верхний теплообменник и из него, что усложняет конструкцию трубопровода и может вызвать нежелательную нестабильность работы из-за закупоривания, в конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 2, двухфазные потоки хладагента не передаются или не требуются для передачи в верхний теплообменник, чтобы обеспечить охлаждение указанного теплообменника.
[0087] Точно таким же образом, устройство, представленное на Фиг. 1, требует использования двухфазного хладагента на холодной стороне верхнего теплообменника, что может потребовать специальных конструктивных особенностей для обеспечения равномерного распределения жидкой и паровой фаз. Например, если верхний теплообменник представляет собой пластинчато-ребристый теплообменник, необходимо предусмотреть специальные устройства, такие как сепаратор и инжекционные трубки, для равномерного распределения фаз по всем каналам. Использование этих устройств увеличивает стоимость. Кроме того, двухфазный поток может стать нестабильным при низких значениях расхода потока, при которых возникает разделение фаз, что приводит к большим внутренним градиентам температуры и потенциальному повреждению теплообменника. В схеме, проиллюстрированной на Фиг. 2, двухфазный хладагент не используется на холодной стороне верхнего теплообменника, что позволяет избежать таких проблем.
[0088] Устройство, представленное на Фиг. 1, также требует использования верхнего теплообменника, включающего в себя три секции теплообменника, тогда как в способе и системе на Фиг. 2 требуются только две секции теплообменника, что снижает стоимость и сложность верхнего теплообменника.
[0089] Другой недостаток схемы, представленной на Фиг. 1, состоит в том, что она требует, чтобы как поток пара верхнего погона 112, так и поток смешанного хладагента 128 проходили через холодную сторону верхнего теплообменника 114, оставаясь при этом отдельными друг от друга, что, в свою очередь, требует использования теплообменника, холодная сторона которого состоит из двух или большего количества отдельных каналов. Это практически исключает использование на Фиг. 1 витого теплообменника, в качестве верхнего теплообменника. Чтобы использовать витой теплообменник в качестве верхнего теплообменника 114 на Фиг. 1, потребуется, чтобы витой теплообменник использовался в порядке, противоположном обычному, с межтрубным пространством, используемым в качестве теплой стороны теплообменника для приема рециркулирующего потока более высокого давления, который должен быть охлажден, сжижен и переохлажден для обеспечения подачи флегмы на дистилляционную колонну, и с внутритрубным пространством (которое содержит несколько каналов), принимающим поток пара верхнего погона 112 более низкого давления и поток смешанного хладагента 128. Проектирование было бы затруднено из-за небольшого перепада давления холодных потоков 112 и 128 и относительно высокого сопротивления, типичного для каналов в трубном пучке. Наоборот, способ и система, проиллюстрированные на Фиг. 2, позволяют использовать витой теплообменник в качестве верхнего теплообменника 214, поскольку поток обогащенного азотом пара верхнего погона 212 полностью обеспечивает холодопроизводительность в верхнем теплообменнике 214 и может проходить самостоятельно через межтрубное пространство с низким сопротивлением. Это является преимуществом, поскольку витые теплообменники оказались эффективными, надежными и прочными для теплообменных систем сжижения природного газа и теплообмена газа мгновенного испарения.
[0090] На Фиг. 3 представлены способ и система для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с альтернативным вариантом реализации настоящего изобретения. Способ и система, проиллюстрированные на Фиг. 3, отличаются от конфигурации, представленной на Фиг. 2, главным образом, только в отношении способа охлаждения, сжижения и переохлаждения рециркулирующего потока, и ниже будут описаны только отличия от Фиг. 3.
[0091] В частности, сжатый и охлажденный рециркулирующий поток 333 из доохладителя 321 в этом случае проходит и охлаждается на теплой стороне теплой секции 314B верхнего теплообменника 314. Охлажденный рециркулирующий поток, выходящий из теплой секции, обычно находится при температуре, при которой он все еще полностью или по большей части находится в парообразном состоянии (или его плотность сходна с плотностью пара, т. е., плотность, которая меньше его плотности в критической точке, если поток является сверхкритическим), и обычно выходит с холодного конца теплой секции 314B теплообменника при температуре около -180 °F (-115 °C). Охлажденный рециркулирующий поток, выходящий из теплой секции, затем разделяется на первую часть, поток 340, и вторую часть, поток 345. Обычно разделение охлажденного рециркулирующего потока может быть таким, что около 50% потока образует поток 340 и около 50% потока образует поток 345.
[0092] Первая часть, поток 340, далее проходит через теплую сторону основного теплообменника 336, где он охлаждается и сжижается за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом с образованием первой сжиженной части, потока 342. Более конкретно, поток 340 проходит через теплую сторону основного теплообменника, через один или большее количество каналов на теплой стороне основного теплообменника, которые отделены от канала или каналов, через которые проходит подаваемый поток природного газа 301. Поток 340 может, в частности, вводиться в промежуточное положение основного теплообменника 336. Например, если основной теплообменник 336 представляет собой витой теплообменник, такой как представлен на Фиг. 1, то поток 340 может быть введен на промежуточном участке между средним 102B и холодным 102C пучками и проходить через внутритрубное пространство холодного пучка 102C для охлаждения и сжижения. Он выходит с холодного конца основного теплообменника в виде сжиженного потока 342 при температуре, близкой к температуре первого потока СПГ 304, т. е., обычно при температуре приблизительно от -220 °F до -250 °F (от -140 до -155 °C), предпочтительно от приблизительно -220 °F до -240 °F (от -140 до -150 °C) и наиболее предпочтительно от приблизительно -230 °F до -240 °F (от -145 до -150 °C), и является полностью жидким (или имеет плотность, сходную с плотностью жидкости, т. е., плотность, превышающую его плотность в критической точке, если поток является сверхкритическим).
[0093] Вторая часть, поток 345, вводится и проходит через теплую сторону холодной секции 314A верхнего теплообменника 314, где она сжижается и переохлаждается за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона 312, проходящим через холодную сторону указанной секции, с образованием второй сжиженной и переохлажденной части, потока 339. Поток 339 выходит с холодного конца верхнего теплообменника 314, обычно при температуре, близкой к температуре обогащенного азотом пара верхнего погона 312, поступающего на холодный конец верхнего теплообменника 314.
[0094] Затем потоки 339 и 342 расширяют и смешивают с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 330, который вводят в верхнюю часть дистилляционной колонны 310 для обеспечения подачи флегмы на дистилляционную колонну (при этом, как проиллюстрировано на Фиг. 3, потоки 339 и 342 могут расширяться по отдельности, например, путем пропускания через отдельные клапаны J-T перед смешиванием, или потоки 339 и 342 дополнительно могут сначала смешиваться, а затем расширяться).
[0095] Необязательно, один или большее количество дополнительных технологических потоков могут проходить и нагреваться на теплой стороне теплой секции 314B верхнего теплообменника 314 в дополнение к сжатому и охлажденному рециркулирующему потоку 333 (и отдельно от него). Например, и, как описано в связи с Фиг. 2, один или большее количество потоков природного газа, таких как потоки природного газа 303 и/или 303A, и/или один или большее количество потоков первого хладагента 303B могут дополнительно охлаждаться в теплой секции 314B. Однако, по сравнению с конфигурацией, представленной на Фиг. 2, в способе и системе, проиллюстрированных на Фиг. 3, расход указанных дополнительных технологических потоков будет намного ниже, поскольку на Фиг. 3 режим горячего потока в теплой секции 314B обеспечивается в первую очередь. рециркулирующим потоком 333, причем дополнительные технологические потоки используются для уравновешивания тепловой нагрузки в теплой секции 314В. Таким образом, например, если поток природного газа 303 проходит через горячую секцию 314B, в конфигурации, представленной на Фиг. 3, расход потока 303 обычно будет составлять менее чем 1% от общего расхода подаваемого потока природного газа 300.
[0096] Одно потенциальное преимущество конфигурации, представленной на Фиг. 3, по сравнению с конфигурацией на Фиг. 2, состоит в том, что потенциального загрязнения обогащенного азотом потока пара верхнего погона 312 внутри верхнего теплообменника легче избежать и уменьшить его. Прохождение любых дополнительных технологических потоков 303, 303A, 303B через верхний теплообменник может быть остановлено, если обнаружена утечка в теплой секции 314B. В этом случае и, если необходимо, уравновешивание тепловой нагрузки в теплой секции 314B, чтобы минимизировать разницу температур на теплом конце и результирующие тепловые напряжения, может быть выполнено путем отвода части 392 обогащенного азотом пара верхнего погона с холодной стороны верхнего теплообменника 314 между холодной секцией 314A и теплой секцией 314B через байпасную линию, таким образом, что указанная часть 392 проходит в обход и дополнительно не нагревается в теплой секции 314B верхнего теплообменника 314.
[0097] Обращаясь к Фиг. 4, проиллюстрированы способ и система для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 4, представляет собой предпочтительный вариант выполнения устройства, представленного на Фиг. 2, в котором верхний теплообменник 414 объединен с верхней частью дистилляционной колонны. Эта вариация в равной степени применима к варианту реализации, представленному на Фиг. 3.
[0098] Более конкретно, в конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 4, верхний теплообменник 414 представляет собой витой теплообменник, который объединен с верхней частью 440 дистилляционной колонны 410, причем холодная и теплая секции верхнего теплообменника содержат, соответственно, холодный трубный пучок 414A и теплый трубный пучок 414B, притом, что холодный трубный пучок 414A и теплый трубный пучок 414B расположены внутри верхней части 440 дистилляционной колонны, а кожух верхнего теплообменника формирует верхнюю часть кожуха дистилляционной колонны.
[0099] Поток обогащенного азотом пара верхнего погона 412, который собирается в верхней части 440 дистилляционной колонны 410, ниже холодного конца верхнего теплообменника 414, затем проходит через межтрубное пространство верхнего теплообменника 414 (который дополнительно образует верхнюю часть кожуха дистилляционной колонны) и нагревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, за счет непрямого теплообмена с потоками, проходящими через внутритрубное пространство холодного 414A и теплого 414B трубных пучков, выходящих из теплого конца верхнего теплообменника 414 (и верхней части дистилляционной колонны 410) в виде нагретого пара верхнего погона, который разделяется, как обсуждалось выше, на первую и вторую части: первая часть образует рециркулирующий поток 418, 433, 434, 439, 430, используемый для обеспечения подачи флегмы на дистилляционную колонну, путем охлаждения и сжижения, переохлаждения, расширения и подачи в верхнюю часть 440 дистилляционной колонны 410 (ниже холодного конца верхнего теплообменника 414); а вторая часть образует дополнительные потоки азотных продуктов 438 или потоки сброса в атмосферу 416.
[00100] Преимущество конфигурации, представленной на Фиг. 4, состоит в том, что отсутствуют соединительные трубопроводы и сопла, необходимые в конфигурации, представленной на Фиг. 2, между колонной 210 и теплообменником 214, для передачи потока обогащенного азотом пара верхнего погона 212, вместе с соответствующим падением давления. Поток обогащенного азотом пара верхнего погона 212 имеет низкое давление и, следовательно, требует в конфигурации, представленной на Фиг. 2, криогенной трубы с очень большим внутренним диаметром. В конфигурации, представленной на Фиг. 4, поток обогащенного азотом пара верхнего погона 412 проходит через дистилляционную колонну 410/кожух верхнего теплообменника 414, используя полный диаметр кожуха. Дополнительно, исключаются любые трубопроводы низкого давления между холодными и теплыми секциями теплообменника в верхнем теплообменнике, при этом обогащенный азотом пар верхнего погона течет вверх по кожуху между трубными пучками 414A и 414B. Указанная конфигурация, представленная на Фиг. 4, дополнительно минимизирует площадь участка системы, и в нем снова используются надежные витые теплообменники, сводя к минимуму возможность повреждения из-за термических напряжений, возникающих в переходных режимах работы.
[00101] Обращаясь к Фиг. 5, представлена необязательная модификация способа и системы на Фиг. 2, которая позволяет дополнительное разделение и извлечение потока сырого гелия, причем эта модификация в равной степени применима к вариантам реализации изобретения, проиллюстрированным на Фиг. 3 и 4.
[00102] В частности, в модификации, представленной на Фиг. 5, переохлажденный рециркулирующий поток 239, выходящий с холодного конца верхнего теплообменника 214, содержит небольшое количество гелия, и вместо того, чтобы расширяться и поступать непосредственно в верхнюю часть дистилляционной колонны 210, он расширяется, например, путем мгновенного испарения в клапане J-T 570 до промежуточного давления приблизительно от 20 до 120 фунт/кв. дюйм (от 1,4 до 8,3 бар абс.), образуя небольшое количество пара в потоке, который содержит приблизительно 90-95% от следового гелия, содержащегося в потоке. Полученный поток разделяется в барабане 572, при этом гелийсодержащий пар 574 охлаждается и частично конденсируется в теплообменнике 576 до температуры около -315 °F (-190 °C), затем разделяется с помощью барабана 578 на поток жидкого азота 580 и поток неочищенного гелия 582. В потоке 582 содержание гелия составляет около 80%. Поток жидкого азота 580 расширяется, например, путем его пропускания через клапан J-T 584 до давления 1-10 фунт/кв. дюйм (0,07-0,7 бар и. д.), а затем испаряется в теплообменнике 576, обеспечивая холодопроизводительность для охлаждения потока 574, прежде чем он будет сброшен в атмосферу. Поток неочищенного гелия 582 нагревается в теплообменнике 576, обеспечивающем охлаждение, перед хранением в виде продукта или отправкой в модуль очистки гелия для дальнейшей очистки. Жидкость из барабана 572 отводится и расширяется с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока 230, который вводится в верхнюю часть дистилляционной колонны 210 для обеспечения подачи флегмы на колонну.
[00103] ПРИМЕР
[00104] В Табл. 1 приведены данные потока из смоделированного примера изобретения согласно варианту реализации изобретения на Фиг. 2. В этом смоделированном примере компрессор 220 состоит из четырех ступеней с общей потребляемой мощностью 3756 л.с.
Таблица 1
[00105] Следует принимать во внимание, что изобретение не ограничивается деталями, описанными выше со ссылкой на предпочтительные варианты реализации изобретения, но что многочисленные модификации и вариации могут быть выполнены без отклонения от сущности или объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
Изобретение относится к криогенной технике. Предложены способ и система для сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота. Осуществляют охлаждение и сжижение потока природного газа в основном теплообменнике за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, с образованием таким образом первого потока СПГ. Расширяют первый поток СПГ и подают его в дистилляционную колонну. Отводят поток обедненной азотом кубовой жидкости из дистилляционной колонны с образованием второго, обедненного азотом потока СПГ. Нагревают поток обогащенного азотом пара верхнего погона в верхнем теплообменнике. Сжимают, сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, переохлаждают в верхнем теплообменнике за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона и расширяют рециркулирующий поток, образованный из первой части нагретого пара верхнего погона, и подают его в дистилляционную колонну. Верхний теплообменник отделен от основного теплообменника, и вся холодопроизводительность для верхнего теплообменника обеспечивается за счет нагревания потока обогащенного азотом пара верхнего погона. Изобретение позволит обеспечить упрощение системы сжижения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Способ сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота, включающий в себя:
(а) пропускание подаваемого потока природного газа, содержащего азот, через основной теплообменник, охлаждение и сжижение потока природного газа в основном теплообменнике за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, с образованием таким образом первого потока СПГ;
(b) отвод первого потока СПГ из основного теплообменника;
(c) расширение первого потока СПГ и подачу указанного потока в дистилляционную колонну, в которой поток частично испаряется и разделяется на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную азотом кубовую жидкость;
(d) отвод потока обедненной азотом кубовой жидкости из дистилляционной колонны с образованием второго, обедненного азотом потока СПГ;
(e) нагревание потока обогащенного азотом пара верхнего погона в верхнем теплообменнике с образованием нагретого пара верхнего погона;
(f) сжатие, охлаждение и сжижение, переохлаждение и расширение рециркулирующего потока, образованного из первой части нагретого пара верхнего погона, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока и подачу указанного жидкого или двухфазного рециркулирующего потока в дистилляционную колонну для обеспечения подачи флегмы на дистилляционную колонну;
(h) образование одного или более потоков азотного продукта или потоков сброса из второй части нагретого пара верхнего погона;
причем на стадии (f) по меньшей мере часть рециркулирующего потока сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, пропуская указанную по меньшей мере часть рециркулирующего потока через основной теплообменник отдельно от подаваемого потока природного газа;
причем на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона, пропуская по меньшей мере часть рециркулирующего потока через верхний теплообменник; и,
причем верхний теплообменник отделен от основного теплообменника, и вся холодопроизводительность для верхнего теплообменника обеспечивается за счет нагревания потока обогащенного азотом пара верхнего погона на стадии (е).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхний теплообменник представляет собой витой теплообменник, содержащий один или более трубных пучков, размещенных внутри кожуха и определяющих внутритрубное пространство и межтрубное пространство теплообменника, причем на стадии (е) поток обогащенного азотом пара верхнего погона проходит через и нагревается в межтрубном пространстве верхнего теплообменника, и, при этом, на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают путем пропускания по меньшей мере части рециркулирующего потока через внутритрубное пространство верхнего теплообменника.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что верхний теплообменник объединен с дистилляционной колонной, причем один или более трубных пучков расположены в верхней части дистилляционной колонны, а кожух верхнего теплообменника образует верхнюю часть кожуха дистилляционной колонны.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхний теплообменник содержит теплую секцию теплообменника и холодную секцию теплообменника, причем на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают путем пропускания по меньшей мере части рециркулирующего потока через холодную секцию теплообменника.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на стадии (f) часть или весь рециркулирующий поток охлаждают, пропуская указанную часть или весь рециркулирующий поток через теплую секцию теплообменника.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что один или более потоков природного газа или первого хладагента охлаждают, пропуская указанный(-ые) поток(-и) через теплую секцию теплообменника.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (f) весь рециркулирующий поток сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом при пропускании указанного потока через основной теплообменник с образованием сжиженного рециркулирующего потока.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают, пропуская весь сжиженный рециркуляционный поток через верхний теплообменник.
9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что на стадии (f) рециркулирующий поток переохлаждают путем пропускания первой части сжиженного рециркулирующего потока через верхний теплообменник с образованием переохлажденной части, причем вторая часть сжиженного рециркулирующего потока проходит в обход верхнего теплообменника, а затем смешивается с переохлажденной частью, и, при этом, переохлажденная часть и вторая часть расширяются до или после смешивания с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока, который обеспечивает подачу флегмы на дистилляционную колонну.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (f) первую часть рециркулирующего потока сжижают за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, пропуская указанную первую часть рециркулирующего потока через основной теплообменник с образованием первой сжиженной части, а вторую часть рециркулирующего потока сжижают и переохлаждают, пропуская через верхний теплообменник, с образованием второй сжиженной и переохлажденной части, причем первую сжиженную часть и вторую сжиженную и переохлажденную часть затем смешивают, и, при этом, первая сжиженная часть и вторая сжиженная и переохлажденная часть расширяются, до или после смешивания, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока, который обеспечивает подачу флегмы на дистилляционную колонну.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый поток СПГ подают на стадии (с) на дистилляционную колонну на промежуточном участке дистилляционной колонны.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что стадия (с) дополнительно включает в себя охлаждение первого потока СПГ в ребойлерном теплообменнике перед вводом первого потока СПГ в дистилляционную колонну; и,
при этом способ дополнительно включает в себя нагревание и испарение части обедненной азотом кубовой жидкости в ребойлерном теплообменнике за счет непрямого теплообмена с первым потоком СПГ, чтобы обеспечить кипение в дистилляционной колонне.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (b) первый поток СПГ отводят с холодного конца основного теплообменника, и, при этом, на стадии (f) по меньшей мере часть рециркулирующего потока, которая сжижается в основном теплообменнике, отводят с холодного конца основного теплообменника.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (b) первый поток СПГ отводят из основного теплообменника при температуре от -220 до -250 °F (от -140 до -155 °C).
15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (f) по меньшей мере часть рециркулирующего потока, который сжижается в основном теплообменнике, отводят из основного теплообменника при температуре приблизительно от -220 до -250 °F (от -140 до -155 °C).
16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обогащенный азотом пар верхнего погона поступает на холодный конец верхнего теплообменника при температуре приблизительно от -300 до -320 °F (от -185 до -195 °C).
17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый хладагент представляет собой хладагент, который испаряется при прохождении через основной теплообменник, чтобы обеспечить холодопроизводительность для сжижения потока природного газа в основном теплообменнике на стадии (а) и для сжижения по меньшей мере части рециркулирующего потока в основном теплообменнике на стадии (f).
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что на стадии (f) рециркулирующий поток сжимают до такого давления, что по меньшей мере часть рециркулирующего потока, которая сжижается внутри основного теплообменника, заканчивает сжижаться при температуре, которая на 0-10 °F (0-5 °C) выше, чем температура, при которой первый хладагент начинает испаряться внутри основного теплообменника.
19. Система для сжижения подаваемого потока природного газа и удаления из него азота, включающая в себя:
основной теплообменник, имеющий теплую сторону, содержащую один или более каналов для приема подаваемого потока природного газа, содержащего азот, и холодную сторону, содержащую один или более каналов для приема потока первого хладагента, причем теплая и холодная стороны выполнены так, что при прохождении подаваемого потока природного газа, содержащего азот, через теплую сторону, он охлаждается и сжижается за счет непрямого теплообмена с потоком первого хладагента, проходящим через холодную сторону, в результате чего образуется первый поток СПГ;
первый контур хладагента для подачи охлажденного потока первого хладагента на холодную сторону основного теплообменника и отвода нагретого потока первого потока хладагента с холодной стороны основного теплообменника;
расширительное устройство, соединенное по текучей среде с основным теплообменником, для приема и расширения первого потока СПГ;
дистилляционная колонна, соединенная по текучей среде с расширительным устройством для приема первого потока СПГ из расширительного устройства, причем первый поток СПГ частично испаряется и разделяется внутри дистилляционной колонны на обогащенный азотом пар верхнего погона и обедненную кубовую жидкость;
трубопровод для отвода потока обедненной азотом кубовой жидкости из дистилляционной колонны с образованием обедненного азотом второго потока СПГ;
верхний теплообменник, имеющий холодную сторону, содержащую один или более каналов для приема потока обогащенного азотом пара верхнего погона и теплую сторону, содержащую один или более каналов, причем теплая и холодная стороны выполнены так, что обогащенный азотом пар верхнего погона, проходя через холодную сторону, нагревается за счет непрямого теплообмена с текучей средой, проходящей через теплую сторону, в результате чего образуется нагретый пар верхнего погона;
контур флегмы для сжатия, охлаждения и сжижения, переохлаждения и расширения рециркулирующего потока, образованного из первой части нагретого пара верхнего погона, с образованием жидкого или двухфазного рециркулирующего потока, и для подачи указанного жидкого или двухфазного рециркулирующего потока на дистилляционную колонну, чтобы обеспечить поток флегмы на дистилляционную колонну;
один или более трубопроводов для отвода из системы одного или более потоков азотного продукта или потоков сброса, образованных из второй части нагретого пара верхнего погона;
причем контур флегмы выполнен с возможностью сжижения указанной по меньшей мере части рециркулирующего потока за счет непрямого теплообмена с первым хладагентом, путем пропускания указанной по меньшей мере части рециркулирующего потока через один или более каналов на теплой стороне основного теплообменника, отдельно от подаваемого потока природного газа;
при этом контур флегмы выполнен с возможностью переохлаждения рециркулирующего потока за счет непрямого теплообмена с обогащенным азотом паром верхнего погона, путем пропускания по меньшей мере части рециркулирующего потока через один или более из указанных каналов на теплой стороне теплообменника верхнего погона; и
при этом верхний теплообменник отделен от основного теплообменника и система выполнена с возможностью того, что поток обогащенного азотом пара верхнего погона является единственным потоком, который проходит через холодную сторону верхнего теплообменника и, таким образом, обеспечивает всю холодопроизводительность для верхнего теплообменника.
20. Система по п. 19, отличающаяся тем, что верхний теплообменник представляет собой витой теплообменник, содержащий один или более трубных пучков, размещенных внутри кожуха и определяющих внутритрубное пространство и межтрубное пространство теплообменника, причем межтрубное пространство представляет собой холодную сторону теплообменника, а внутритрубное пространство представляет собой теплую сторону теплообменника.
| US 9945604 B2, 17.04.2018 | |||
| СПОСОБ УДАЛЕНИЯ АЗОТА ИЗ ПОРЦИИ СЖИЖЕННОЙ СМЕСИ УГЛЕВОДОРОДОВ | 1992 |
|
RU2085815C1 |
| СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИСТИЛЛЯЦИИ | 1999 |
|
RU2215952C2 |
| ОТВОД АЗОТА ИЗ КОНДЕНСИРОВАННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА | 2004 |
|
RU2337130C2 |
| US 5617741 A1, 08.04.1997. | |||
