Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления

 

Поток хладагента разделяют по меньшей мере на две части, которые пропускаются через отдельные турбодетандеры до того, как они поступят в отдельные теплообменники. При этом кривая нагревания хладагента сближается с кривой охлаждения продукта, подвергаемого сжижению. Использование изобретения позволяет снизить энергетические затраты. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

Изобретение относится в основном к процессу сжижения и, в частности, к сжижению газообразных продуктов, включая природный газ.

Изобретение в особенности относится к первичному сжижению природного газа, полученного из месторождения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и процессу, применяемым в установке для сжижения газа и являющимся более эффективными и экономичными. Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к использованию азота в качестве хладагента при сжижении природного газа, а именно к модификации или усовершенствованию циклического процесса азотного детандера, который используется при сжижении сырьевого природного газа, когда азот, подающийся для охлаждения природного газа, разделяется на две и более частей, и эти части воздействуют на охлаждение газа при различных операциях и/или в различных частях установки, где осуществляется весь процесс, и при различных температурах и давлении. Настоящее изобретение в особенности относится к циклам разделенного потока азота, когда различные части азотного хладагента проходят через различные детандеры, установленные параллельно друг другу.

Хотя настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на конкретные циклы процесса сжижения природного газа, где азот используется в качестве хладагента, необходимо отметить, что объем настоящего изобретения не ограничен описанным вариантом или вариантами, но может включать другие способы и применения процесса с использованием азота, и использование других газов в усовершенствованном процессе или в других процессах, помимо тех, которые приведены в описании. Природный газ, получаемый в газообразном виде из газовых или нефтяных месторождений, поступает из земли и образует сырьевой природный газ, который нуждается в обработке до того, как он может быть использован в промышленных целях. Сырьевой природный газ поступает в установку для его обработки, где его подвергают различным операциям в различных устройствах, пока не получают на выходе сжиженный природный газ (СПГ) в том виде, в каком он пригоден для дальнейшего использования. В дальнейшем сжиженный газ хранится и транспортируется в другое место, где он вновь может переходить в газообразное состояние и использоваться. При обработке сырьевой природный газ, поступающий из месторождения, должен вначале подвергаться предварительной обработке с целью удаления или уменьшения концентрации включений или загрязняющих примесей, таких как например углекислый газ и вода, до того, как он будет охлажден для получения СПГ, чтобы снизить или исключить возможность засорения используемого оборудования и предотвратить другие трудности, которые могут возникнуть при обработке. Одним из примеров включений и/или примесей являются нефтяные газы, такие как углекислый газ и сероводород. После того как нефтяной газ удален в установке для удаления нефтяного газа, поток сырьевого газа подвергается сушке для удаления всех остатков воды. Ртуть также удаляют из сырьевого природного газа перед его охлаждением. После того как все примеси и нежелательные материалы удалены из потока сырьевого газа, его подвергают дальнейшей обработке, например охлаждению, для получения СПГ.

Охлаждение природного газа может осуществляться посредством ряда различных циклов процесса охлаждения, например, каскадного цикла, когда охлаждение обеспечивают при помощи трех раз личных циклов охлаждения, т. е. при последовательном использовании метана, этилена и пропана. Другой цикл процесса охлаждения представляет собой цикл смешанного хладагента с предварительно охлажденным пропаном, который включает в себя использование многокомпонентной смеси углеводородов, например, пропана/этана/ метана и/или азота в одном цикле, и отдельный цикл охлаждения пропаном в другом цикле, чтобы обеспечить предварительное охлаждение смешанного хладагента и природного газа. Дальнейший процесс охлаждения включает в себя использование цикла азотного детандера, в котором в своей простейшей форме используется замкнутый цикл, при этом газообразный азот вначале сжимают и охлаждают до температуры окружающей среды посредством воздушного или водяного охлаждения, а затем подвергают дальнейшему охлаждению посредством противоточного теплообмена с холодным газообразным азотом при низком давлении. Охлажденный поток азота затем подвергается расширению посредством турбодетандера для получения холодного потока с низким давлением. Холодный газообразный азот используется для охлаждения сырьевого природного газа и азотного потока с высоким давлением. Работа, произведенная в детандере при расширении азота, регенерируется в азотном бустер-компрессоре, соединенном с валом детандера. Таким образом, при этом процессе холодный азот используется не только для сжижения природного газа путем его охлаждения, но также и для предварительного охлаждения или охлаждения газообразного азота в том же детандере. Предварительно охлажденный или охлажденный азот может затем подвергаться дальнейшему охлаждению путем его расширения для образования азотного хладагента.

Были введены усовершенствования в простом азотном цикле, когда азотный хладагент с высоким давлением разделяли на две части, одна из которых подвергалась изоэнтропийному расширенно в турбодетандере, а вторая часть подвергалась изоэнтальпийному расширению посредством вентиля, чтобы получить в некоторых вариантах применения жидкий хладагент. Задача этого изобретения - избежать существенного расхождения между кривой нагревания и кривой охлаждения, которое является свидетельством термодинамической неэффективности и потребности в большей мощности для замкнутого цикла охлаждения. Такая модификация может найти применение для повторного сжижения низкотемпературных, имеющих низкое давление, газифицированных газов из емкостей хранения СПГ, которые могут иметь высокое содержание азота в газовом состоянии при транспортировке СПГ, или при операциях разгрузки, или когда емкость находится в ограниченном пространстве, где запрещен отвод СПГ, например в крупных населенных центрах и т. п. Однако рабочие параметры для повторного сжижения газифицированных газов совершенно другие, чем рабочие параметры для получения СПГ из сырьевого газа.

Одно такое различие рабочих параметров заключается в том, что кривые охлаждения для газифицированых газов имеют другую форму по сравнению с теми, которые имеют место при сжижении природного газа на заводах с базисной нагрузкой или на заводах по сжижению газа, подаваемого в период пикового потребления, когда природный газ обычно подается под высоким давлением и при температуре окружающей среды, что приводит к различию в форме кривых охлаждения. Известные модификации азотного цикла для повторного сжижения газифицированного СПГ не привели к таким сокращениям в потреблении энергии, какие обеспечивает настоящее изобретение, во-первых, вследствие большего приближения кривой охлаждения для потока газа с высоким давлением и температурой окружающей среды, и во-вторых, вследствие изоэнтропийного расширения второй части хладагента в турбодетандере по сравнению с изоэнтальпийным расширением посредством вентиля, что приводит к повышенной термодинамической необратимости и, следовательно, к большему потреблению энергии в отличие от настоящего изобретения, которое требует меньших затрат энергии.

Другие усовершенствования простого цикла азотного охлаждения также известны из области воздушной сепарации, где азотный хладагент подобным образом разделяется на две части, одна из которых подвергается изоэнтропийному расширению последовательно в двух турбодетандерах с повторным нагревом хладагента после первого детандера потоком исходного газа, перед расширением во втором детандере. Вторая часть хладагента расширяется изоэнтальпийно, как это указано выше, посредством вентиля. Задачей усовершенствования, как упомянуто выше, является уменьшение расхождения кривых нагревания и охлаждения и тем самым сведение к минимуму энергетической потребности для цикла охлаждения. Когда известная модификация применяется для сжижения природного газа с высоким давлением и температурой окружающей среды, она не приводит к такому снижению потребления энергии, какое может быть достигнуто в настоящем изобретении вследствие большего сближения кривых охлаждения и нагревания и уменьшения термодинамической необратимости, связанной с изоэнтальпийным расширением второй части хладагента посредством вентиля.

Настоящее изобретение представляет собой дальнейшую модификацию или усовершенствование в использовании цикла азотного детандера и включает в себя использование однофазного хладагента, который представляет собой газ, являющийся чистым азотом или газом, основную часть которого составляет азот, смешанный с небольшими количествами других приемлемых газов, например метана или любого другого газа, который может использоваться как однофазовый хладагент, будучи охлажденным при расширении в турбодетандере. Однако в настоящем изобретении обычно используют газ, являющийся преимущественно чистым азотом.

Хотя циклы азотного детандера в известном решении обычно рассматривают применительно к установкам для получения СПГ к повторному сжижению газа в небольших количествах, так как потребление энергии при использовании этой системы охлаждения обычно выше, чем при использовании других охлаждающих циклов, вследствие чего эксплуатационные расходы для СПГ, полученного этим способом, будут выше, чем при использовании других систем охлаждения, цикл азотного детандера имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным циклом смешанного охлаждения. Эти преимущества включают в себя использование безопасного невоспламеняющегося хладагента в отличие от использования больших количеств воспламеняющихся углеводородов, которые необходимы при использовании процесса со смешанным хладагентом. Другое преимущество заключается в простоте пополнения запасов азотного хладагента, который легко получить на месте из атмосферного воздуха, тогда как при процессах со смешанным хладагентом относительно большие количества каждого из компонентов цикла смешанного хладагента могут быть либо получены из исходного природного газа путем их экстрагирования из природного газа, разделения на различные компоненты и раздельного хранения, а затем повторного соединения в нужных пропорциях для пополнения запасов хладагента, либо они могут быть доставлены на место и храниться до нужного времени. Если в сырьевом природном газе не присутствуют газоконденсаты в достаточном количестве, различные компоненты смешанного хладагента должны приобретаться, что увеличивает стоимость использования этого вида хладагента и общую стоимость процесса, а следовательно, и окончательную стоимость СПГ. Кроме того, требуется оборудование для хранения каждого из компонентов системы смешанного хладагента, что ведет к увеличению размеров и сложности всей установки и влечет за собой дополнительное увеличение эксплуатационной стоимости и проблемы, связанные с безопасностью. Еще одно преимущество использования азота в качестве хладагента или основной его части связано с размерами и компоновкой установки, так как для процессов с обычным смешанным хладагентом требуется, чтобы большое количество отдельных устройств, связанных с замкнутым циклом предварительного охлаждения пропана и другими вспомогательными системами основного замкнутого цикла смешанного хладагента, было расположено на значительном расстоянии, чтобы обеспечить достаточное пространство для трубопроводов и кранов, уменьшить пожароопасность и исключить возможность других опасных факторов, тогда как процессы с использованием азота не связаны с пожароопасностью, так как азот не является горючим веществом, а также требуют меньшего количества отдельных устройств, а те устройства, которые требуются, могут быть расположены на значительно меньшем расстоянии, что сокращает размеры и сложность общей установки. Уменьшение размеров, сложности, опасных факторов и возможности возникновения пожара в установке для получения СПГ с использованием азотного хладагента давало бы возможность использовать азотные хладагенты в установках, находящихся в открытом море, если бы не большой расход энергии, необходимый для работы таких установок с использованием циклов азотного хладагента.

Циклы азотного детандера также препятствуют широкому использованию производства СПГ у месторождений природного газа из-за высокого уровня потребления энергии при использовании таких хладагентов вследствие неэффективности использования азота в качестве хладагента. Неэффективность является результатом того, что кривая нагревания азотного хладагента не может располагаться в непосредственной близости от кривой охлаждения исходного газа, используемого для получения СПГ. Любое расхождение между этими двумя кривыми сказывается на эффективности вследствие ненужной или чрезмерной работы, осуществляемой в ходе цикла охлаждения. Попытки добиться сближения кривых путем разделения азота на две части после первой фазы охлаждения азотного потока и прохождения одной части через вентиль привели лишь к небольшому уменьшению расхода энергии. Кроме того, такие циклы азотного детандера использовались только для сжижения небольшого количества газифицированного газа после первоначального сжижения, когда сжижение может осуществляться при более высоких температурах, а газ состоит в основном из более легких углеводородных частей. Более того, в предыдущих циклах азотного потока не использовалась работа, производимая азотом, тогда как в настоящем изобретении работа, произведенная в детандере, используется в компрессоре.

Поэтому, если бы можно было преодолеть недостатки, связанные с высоким расходом энергии в процессе азотного цикла, было бы возможно использовать преимущества этого процесса, и более того, если бы было можно использовать цикл азотного детандера более эффективно, было бы возможно получать СПГ из сырьевого газа более эффективно и с меньшими затратами, что могло бы означать, что запасы природного газа, которые до сих пор не могли использоваться для экономичного получения СПГ, теперь могли бы использоваться с этой целью, так как получение СПГ обходилось бы гораздо дешевле. Это также могло бы означать, что оборудование для получения СПГ могло бы быть размещено в открытом море.

В качестве ближайшего аналога принимается патент Великобритании 2145508, кл. F 25 J 1/02, 1985. Известное изобретение направлено на охлаждение и ожижение постоянного газа. Ожижение постоянного газа достигается использованием того же самого агента, которым постоянный газ охлаждается. Поэтому азот используется как рабочий газ для охлаждения потока азота, являющегося постоянным газом. Однако известное техническое решение не ограничивается азотом, поскольку постоянный газ может быть, например, кислородом, фтором, неоном, аргоном, метаном, этаном, этиленом, окисью углерода или смесью любых таких газов. Оно особенно пригодно для ожижения азота, оксгена, метана и окиси углерода. Более того, целью ближайшего аналога является экономия энергии или снижение потребления энергии, требующейся на проведение процесса охлаждения. В этом отношении следует обратить внимание на столбец 3, строки 29-38, где указано, что при использовании известного технического решения достигается экономия энергии до 6%.

Настоящее изобретение отличается от изобретения ближайшего аналога тем, что требует изоэнтропийного расширения хладагента, и тем, что кривая нагревания хладагента близко совпадает с объединенной кривой охлаждения природного газа и хладагента в диапазоне температур от -80^oC до -40^oC.

Поэтому задачей настоящего изобретения является обеспечение модифицированного цикла азотного детандера или другого процесса с использованием азота в качестве хладагента, результатом которого стало бы более экономичное и эффективное производство СПГ, чтобы сделать производство СПГ более приемлемыми на существующих предприятиях, или создавать новые предприятия для получения СПГ, или располагать такие предприятия в местах, где ранее это было невозможно, например в открытом море.

Однако нужно отметить, что настоящее изобретение не ограничено сжижением природного газа с использованием модифицированного цикла азотного детандера, но оно в равной мере может быть применимо к охлаждению любого потока, в котором имеют место значительные расхождения между кривыми охлаждения и нагревания соответственно исходного материала и хладагента, когда простой азотный цикл используется как хладагент.

Настоящее изобретение представляет собой способ обработки исходного материала для получения промышленного продукта путем сжижения материала с использованием однофазового хладагента, причем указанный способ включает в себя разделение хладагента на две или более частей, первая из которых подается в первый теплообменник для охлаждения исходного материала до промежуточной температуры, а вторая часть хладагента подается во второй теплообменник для дальнейшего охлаждения исходного материала, так что температура охлаждения второй части ниже, чем температура охлаждения первой части, при этом кривая нагревания первой и второй частей хладагента содержит по крайней мере две дискретные части, имеющие различный уклон, так что объединенная кривая нагревания хладагента больше сближается с кривой охлаждения исходного материала, что сводит к минимуму термодинамическую неэффективность и соответственно энергетические потребности при работе по данному способу.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения оно представляет собой способ обработки сырьевого природного газа для получения промышленного СПГ путем сжижения исходного материала с использованием однофазового хладагента, по крайней мере большая часть которого является азотом, причем указанный способ включает в себя разделение хладагента по крайней мере на две части, которые направляются в различные теплообменники для охлаждения исходного материала до различного диапазона температур, так что температуры охлаждения каждой части хладагента в теплообменнике будут различными, и объединенная кривая нагревания хладагента, составленная из кривых нагревания различных частей хладагента, представляет собой дискретные части с разным уклоном, соответствующие различным частям хладагента. При этом объединенная кривая нагревания хладагента может выборочно регулироваться для большего сближения с кривой охлаждения исходного материала, что сведет к минимуму термодинамическую неэффективность и соответственно энергетические потребности при работе по данному способу получения промышленного продукта путем выборочного изменения взаимного соотношения частей хладагента при разделении хладагента по крайней мере на две части.

Обычно может быть две, три, четыре или более частей хладагента. Как правило, пропорциональное соотношение частей составляет от 15% до 85% от общего потока. В том случае, когда хладагент разделяют на две части, соотношение предпочтительно бывает от 50% до 80% для первой части и от 50% до 20% для второй части. Более типичным является случай, когда большая первая часть подается в первый теплообменник, так что температура охлаждения второй части ниже, чаи температура охлаждения первой части. Более типично, когда поток меньшего объема подается в более холодный теплообменник или в самый холодный из теплообменников, и еще более типично, когда он подается в теплообменник, являющийся более холодным, чем тот, куда направляют поток большего объема.

Еще одна модификация данного изобретения относится к разделению потока азотного хладагента на три отдельных потока. В этом случае, который является еще одним вариантом процесса разделения азотного потока, имеется три параллельных друг другу детандера, в которые поступает азотный хладагент, разделенный на потоки с соотношением приблизительно 20/50/30% от общего объема азотного хладагента. Уровень наибольшего охлаждения (30%) достигается при давлении на выходе 11,7 бар или подобно другим описанным вариантам, тогда как более теплые уровни (50% и 20%) достигаются при другом давлении на выходе - 19,4 бар. Исходный материал с высоким давлением, поступающий к третьему (самому теплому) детандеру, предварительно охлаждается до 10^oC путем обычного охлаждения или системой охлажденной воды, однако система может быть сконструирована так, чтобы работать и без этого, требуя лишь немного больших затрат энергии. В этом варианте, где хладагент возвращается к основному потоку хладагента или образует его, имеется три отдельных параллельных потока, для каждого из которых предназначен один из трех параллельных детандеров. Эти три потока возвращаются в отдельные теплообменники. Кривая нагревания/охлаждения в этом устройстве показывает, что две кривые больше сближаются друг с другом в области от примерно -100^oC до примерно 20^oC, а особенно в области от примерно -80^oC до примерно -40^oC, в дополнение к области сближения кривых ниже приблизительно -100^oC.

Характерно, что настоящее изобретение обеспечивает значительное усовершенствование процесса простого цикла азотного детандера для сжижения газов, особенно природного газа, и особенно при получении СПГ. Повышение эффективности простого цикла азотного охлаждения, применяемого при сжижении природного газа, достигается посредством модификации замкнутого цикла охлаждения, чтобы обеспечить наибольшую степень сближения кривой нагревания азотного хладагента и кривой охлаждения природного газа, или объединенной кривой охлаждения природного газа и азотного хладагента, то есть при осуществлении способа по данному изобретению кривая нагревания азотного хладагента адаптируется или изменяется так, чтобы проходить максимально близко к кривой охлаждения исходного газа, причем кривая охлаждения азотного хладагента, используемого на стадии предварительного охлаждения, также принимается во внимание.

Более характерным является то, что настоящее изобретение обеспечивает значительное усовершенствование процесса простого цикла азотного детандера для сжижения газов, включая природный газ. Способ по настоящему изобретению включает в себя разделение хладагента на две части после первоначального охлаждения в первом теплообменнике, когда первая часть подверглась расширению при условиях, близких к изоэнтропийным в турбодетандере, для обеспечения охлаждения природного газа до приблизительно -95^oC, а также для обеспечения дальнейшего охлаждения второй части хладагента, так чтобы, когда эта вторая часть также подвергнется изоэнтропийному расширению во втором турбодетандере, было бы обеспечено окончательное охлаждение потока природного газа до требуемой температуры от около -140^oC до -160^oC, чтобы получить СПГ, пригодный для следующей стадии его обработки, которая заключается в сокращении содержания азота, если это требуется. Разделение хладагента на две части при двух различных температурных уровнях позволяет достичь большого приближения кривой нагревания азотного хладагента к кривой охлаждения исходного природного газа и кривой охлаждения азотного хладагента при предварительном охлаждении.

Характерно, что в процессе простого цикла азотного детандера весь азотный хладагент при высоком давлении вначале охлаждается до промежуточной температуры посредством азотного хладагента при низком давлении, имеющего более низкую температуру, а затем охлажденный азот с высоким давлением подвергается расширению в турбодетандере, чтобы получить поток холодного азота с низким давлением для дальнейшего охлаждения природного газа до требуемой температуры, приблизительно от -140^oC до -160^oC. Промежуточная температура выбирается таким образом, чтобы она была достаточно низкой, так чтобы, когда азот подвергнется расширению в турбодетандере, температура холодного газообразного азота с низким давлением, полученного посредством расширения, была бы достаточно низкой, чтобы дополнительно охладить природный газ до требуемой температуры примерно от -140^oC до -160^oC. При этой температуре, которая имеет место у холодного конца теплообменника, кривая нагревания азота почти совпадает с кривой охлаждения исходного газа, и соответственно имеет место близкое расположение этих кривых при этой температуре, которая является самой низкой температурой, требуемой в процессе охлаждения. Таким образом, это устанавливает самую низкую температуру процесса теплообмена.

Кривая нагревания азотного хладагента в основном представляет собой прямую линию, имеющую уклон, который регулируется путем изменения скорости циркуляции азотного хладагента, пока не будет достигнуто наибольшее сближение кривой нагревания азотного хладагента и кривой охлаждения исходного газа у теплого конца теплообменника. Этим устанавливается верхний предел действия процесса сжижения. Таким образом, при использовании этого способа возможно достижение относительно большого сближения различных кривых как у теплого, так и у холодного концов теплообменника.

Однако вследствие различной формы соответствующих кривых в промежуточной части невозможно обеспечивать значительное сближение этих кривых на протяжении всего температурного диапазона этого процесса, т. е. две кривые отходят друг от друга в их средней части. Хотя кривая нагревания азотного хладагента приближается к прямой линии, кривая охлаждения исходного газа и азота имеет сложную форму и значительно отличается от линии нагревания азотного хладагента. Расхождение между линейной кривой нагревания и сложной кривой охлаждения является критерием и определяет собой термодинамическую неэффективность вследствие ненужной работы при осуществлении всего процесса. Такая неэффективность или лишняя работа частично обусловливает большой расход энергии при использовании цикла азотного хладагента по сравнению с другими процессами, как например цикл смешанного хладагента. Такое положение представлено на фиг. 1.

Характерно, что при осуществлении настоящего изобретения, а именно цикла азотного детандера при разделенном потоке, имеет место уменьшение термодинамической неэффективности или количества ненужной работы, если используется данный усовершенствованный способ. Это сокращение достигается путем разделения кривой нагревания азотного хладагента на ряд дискретных участков, которые имеют разный уклон, так чтобы кривая нагревания азотного хладагента больше приближалась бы к кривой охлаждения исходного газа и азота, вследствие чего температурные различия и термодинамические потери были бы сведены к минимуму. В одном из примеров осуществления настоящего изобретения, описанном ниже и проиллюстрированном на фиг. 2, кривая нагревания разделена на два дискретных участка вследствие разделения подачи сжатого и охлажденного азота, используемого в процессе, на две части. Первая подаваемая часть подвергается расширению в турбодетандере до достижения более низкого давления с более низкой температурой и обеспечивает охлаждение до промежуточной температуры. Вторая подаваемая часть подвергается дальнейшему охлаждению и затем расширению во втором турбодетандере до достижения более низкого давления при низкой температуре и обеспечивает охлаждение природного газа до самой низкой температуры, предусмотренной процессом сжижения. Скорость потока второй части выбирается таким образом, чтобы уклон кривой нагревания азота был приблизительно таким же, как и у кривой охлаждения для дополнительного охлаждения природного газа у холодного конца теплообменника. Это позволяет обеспечить хорошее сближение или аппроксимацию температур во воем теплообменнике. Вторая часть азотного хладагента нагревается в теплообменнике до той же температуры, какая была достигнута при расширении первой части в первом детандере, т. е. до промежуточной температуры. В этом примере два турбодетандера расположены параллельно.

В типичном примере осуществления настоящего изобретения оба азотных потока расширяются до одинакового давления, что позволяет вновь объединять эти потоки на уровне промежуточной температуры, что упрощает устройство теплообменника. Объединенные потоки теперь вновь нагреваются, как раньше, в простом цикле азотного детандера, и результатом объединенного потока с увеличенной массой по сравнению со второй частью хладагента является уменьшение уклона кривой нагревания хладагента в оставшейся части теплообменников. Скорость потока второй части азота выбирается так, чтобы обеспечить приближение к вероятной температуре у теплого конца первого теплообменника. Как проиллюстрировано сравнением фиг. 1 и 2, цикл азотного детандера при разделенном потоке на фиг. 2 значительно увеличивает среднюю внутреннюю температуру, при которой функционирует теплообменник, и обеспечивает большее сближение кривой нагревания хладагента и кривой охлаждения исходного газа и азота по сравнению с простым циклом, особенно около или в направлении холодного конца теплообменника.

Другие усовершенствования, в дополнение к циклу разделенного азотного потока, включают в себя объединение других известных усовершенствований с простым циклом настоящего изобретения. Такие известные усовершенствования включают в себя добавление отдельного цикла предварительного охлаждения (например, для пропана, аммиачной абсорбции или фреона) к азотному циклу, что повышает эффективность простого цикла. Использование двух детандеров для расширения охлажденного азота последовательно в две стадии с повторным нагревом холодного газа после первого детандера и перед расширением во втором детандере также увеличивает эффективность простого цикла.

Далее настоящее изобретение будет описано на примерах со ссылкой на соответствующие чертежи, из которых: фиг. 1 представляет собой график кривой нагревания азотного хладагента в сравнении с кривой охлаждения СПГ/азота для простого цикла охлаждения в азотном детандере в соответствии с известным решением, где показано расхождение двух кривых в их промежуточных положениях, которое определяет ненужную энергию.

Фиг. 2 представляет собой график, подобный графику на фиг. 1, показывающий кривую нагревания азотного хладагента в сравнении с кривой охлаждения СПГ/азота с использованием цикла расширения азота при разделенном потоке по настоящему изобретению, где показано большее сближение двух кривых, в особенности в соответствующих промежуточных положениях, что иллюстрирует экономию энергии.

Фиг. 3 представляет собой график кривой нагревания азотного хладагента в сравнении с кривой охлаждения СПГ/азота в соответствии с настоящим изобретением при использовании других вариантов цикла расширения азота при разделенном потоке, включающего использование системы охлаждения с предварительным охлаждением и последовательно расположенных детандеров, где показано еще большее сближение двух кривых почти на всем их протяжении, что выражается в еще большей экономии энергии.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему циклического процесса расширения азота при разделенном потоке, осуществляемого в соответствии с настоящим изобретением (см. соответствующий график на фиг. 2).

Фиг. 5 представляет собой блок-схему, в соответствии с которой осуществляется процесс по настоящему изобретению с использованием системы охлаждения с небольшим предварительным охлаждением и стадий повторного нагревания (см. соответствующий график на фиг. 3).

Фиг. 6 представляет собой блок-схему циклического процесса расширения азота при разделенном потоке в соответствии с настоящим изобретением с использованием системы охлаждения с полным предварительным охлаждением, так что одна часть азотного хладагента не используется в первом теплообменнике и соответственно холодный азот возвращается для всасывания компрессором.

Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

Пример 1.

Здесь будет описан вариант со ссылкой на фиг. 4, который представляет собой один из вариантов настоящего изобретения применительно к сжижению потока сырьевого объединенного природного газа. Обращаясь в первую очередь к охлаждению исходного природного газа для получения СПГ, становится очевидно, что поток сжатого сырьевого природного газа при температуре окружающей среды, имеющий обозначение 1, содержащий в основном метан, обрабатывается на обычной установке A предварительной обработки, чтобы удалить загрязняющие примеси типа воды, углекислого газа и ртути.

Известны различные устройства для предварительной обработки, и правильная предварительная обработка зависит от точного состава, уровня содержания и характера нежелательных загрязняющих примесей и включений, присутствующих в исходном природном газе. Предварительная обработка для удаления загрязнений и включений производится в соответствии с технологией, хорошо известной специалистам в данной области.

Поток 2 обработанного газа, вышедший из установки А предварительной обработки, поступает для охлаждения в теплообменник 100 и затем последовательно в другие теплообменники от 101 до 103 для сжижения исходного газа и получения СПГ. Система теплообменников состоит из одного или более отдельных теплообменников и использует основной поток азотного хладагента в качестве охладителя. Более конкретно, поток охлажденного исходного газа 3, выходящий из теплообменника 100, проходит последовательно через теплообменник 101, где он охлаждается до -84^oC. После выхода из теплообменника 101 поток 4 проходит через теплообменник 102. Сжиженный поток 5, выходящий из теплообменника 102, затем далее охлаждается до приблизительно -149^oC посредством меньшего потока азотного хладагента при температуре около -152^oC в теплообменнике 103. Поток 7 дополнительно охлажденного СПГ с высоким давлением, выходящий из теплообменника 103, поступает затем непосредственно на хранение, после снижения давления посредством вентиля или другого соответствующего средства, или, если необходимо, при помощи обычного устройства B для выброса азота, где азот удаляется в мгновенно выделяющемся газе вследствие снижения давления СПГ, в зависимости от уровня азота в потоке и/или определения СПГ, требующегося для хранения и последующего использования или транспортировки в отдаленное место для дальнейшего использования. Таким образом, поток природного газа подается в газообразном виде как поток 1 и отводится как СПГ в жидком виде как поток 7.

Цикл охлаждения азота, в результате которого газообразный поток 2 трансформируется в жидкостный поток 7, будет описан ниже, начиная о потока 22 теплого азота, который потерял всю или большую часть своей охлаждающей способности при поглощении тепла газового потока. Поток 22 теплого азота, потерявшего охлаждающую способность, имеет наиболее низкое давление в цикле - около 10 бар. Он поступает для повторного сжатия в многоступенчатый компрессор 105, имеющий стадии промежуточного охлаждения для получения сжатого потока 23 при температуре окружающей среды.

При работе компрессора 105 расходуется почти вся энергия, необходимая для цикла азотного детандера. Поток 23 разделяется на два потока 24 и 25, которые подаются в компрессоры 108, 109 соответственно, где давление каждого потока повышается от примерно 30 бар до примерно 55 бар, чтобы получить потоки 26 и 27 соответственно. Компрессоры 108, 109 соединены с детандерами 106, 107 соответственно, чтобы регенерировать большую часть работы, произведенной в детандерах 106, 107 (подробное описание будет дано ниже). В альтернативном варианте компрессоры 106 и 109 могут быть заменены единственным компрессором, приводимым в действие двумя детандерами 106 и 107, например, путем присоединения к общему валу. Потоки 26, 27 сжатого азота объединяются в один поток 26, который затем охлаждается в добавочном охладителе 110 до температуры окружающей среды, чтобы получить поток 29, который поступает в теплообменник 100 как поток 10. В теплообменнике 100 поток 10 предварительно охлаждается до температуры -20^oC посредством противоточного теплообмена с потоком 21 азотного хладагента, проходящим через теплообменник 100 для образования потока 22, который теперь уже потерял охлаждающую способность. Поток 10 выходит из теплообменника 100 как поток 11.

Значительное сближение кривой нагревания хладагента и кривой охлаждения газа, осуществимое при функционировании этой системы в соответствии с данным изобретением, достигается в этом примере путем разделения потока 10 сжатого азотного хладагента, выходящего из теплообменника 100, на две основные части, поток 13 и поток 12. Поток 13, содержащий приблизительно 35% основного потока азотного хладагента из потока 11, предварительно охлаждается в теплообменнике 101, чтобы получить поток 14 при температуре приблизительно -84^oC, посредством противоточного теплообмена с потоком азотного хладагента (из потока 20 в поток 21) . Поток 14, выходящий из теплообменника 101, соединяется затем с небольшим потоком азота (поток 31), который был отделен от потока 29 как поток 30, при образовании потока 10. Поток 30 был предварительно охлажден до приблизительно - 120^oC в теплообменнике 104 при использовании холодного природного газа/потока 8 выброса азота, полученного посредством устройства В выброса азота, через которое проходит поток 6 в тех установках, где имеется это устройство. Объединенный холодный поток 15, образованный потоками 31 и 14, затем подвергается расширению при условиях, близких к изоэнтропийным, в детандере 107 при давлении приблизительно 11 бар, чтобы получить очень холодный поток 16 азотного хладагента. Образующийся холодный поток 16, который имеет температуру приблизительно -152^oC, используется для дополнительного охлаждения СПГ с высоким давлением в теплообменнике 103. Скорость потока 16 выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальное приближение кривой нагревания хладагента к кривой охлаждения СПГ в областях с температурой ниже примерно -100^oC, в соответствии с данным изобретением. Поток 16 выходит из теплообменника 103 как поток 17, который объединяется с потоком 18 из детандера 106, чтобы получить поток 19, который используется для охлаждения потока 5 природного газа в теплообменнике 102, как было описано выше. Объединение потока 18 с потоком 17 будет более подробно описано ниже.

Модификация в соответствии с настоящим изобретением обычного цикла азотного детандера и другие предшествующие модификации этого цикла связаны в основном с потоком 12 и его обработкой. Вторая основная часть, отделенная от потока 11, представляющая собой поток 12, является большей частью по сравнению с потоком 13 азотного хладагента и составляет около 65% основного потока хладагента. Она подается в детандер 106 и подвергается там расширению. Нужно отметить, что поток 11, от которого был отделен поток 12, был предварительно охлажден до температуры приблизительно -20^oC в теплообменнике 100. Поток 12 охлаждается значительно больше в детандере 106.

Образующийся в результате холодный поток 18 выходит из детандера 106 при температуре приблизительно -104^oC и объединяется с потоком 17, который также имеет температуру приблизительно -104^oC и используется для охлаждения природного газа последовательно в теплообменниках 102, 101 и 100. От потока 19 зависит степень приближения кривой нагревания хладагента к кривой охлаждения СПГ в областях с температурой выше примерно -100^oC в соответствии с настоящим изобретением.

Поток 20 холодного азотного хладагента, переходящий в поток 21 при прохождении через теплообменник 101, также используется для предварительного охлаждения низкотемпературного азотного потока 13, переходящего в поток 14 в теплообменнике 101, и объединенного азотного потока 10, так как он предварительно охлажден до -20^oC в теплообменнике 100. Поток 18 обеспечивает большую часть охлаждения в процессе по настоящему изобретению.

На фиг. 2 можно видеть, что в отличие от преимущественно прямолинейной конфигурации кривой нагревания хладагента в простом азотном цикле, как это показано на фиг. 1, разделение азотного цикла на две части (потоки 12 и 13) при двух различных температурных уровнях позволяет объединенной кривой охлаждения природного газа и азота больше сблизиться с кривой нагревания азотного хладагента, особенно у низкотемпературного конца кривой охлаждения азотного хладагента, т. е. при температурах ниже -100^oC. Это очевидно при сравнении фиг. 1 и 2, где сравниваются кривые нагревания при простом азотном циклическом процессе и азотном циклическом процессе с разделением потока в соответствии с настоящим изобретением. Большая близость температур в азотном цикле с разделением потока приводит к меньшей термодинамической необратимости или энергетическим потерям и обеспечивает существенное уменьшение энергии, необходимой для осуществления азотного цикла с разделением потока в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом, очевидно, что разделение потока 11 азотного хладагента на потоки 12 и 13 после прохождения через теплообмен ник 100 и возвращение этих двух потоков в цикл в другом месте путем повторного объединения потоков 17 и 18 для образования потока 19 до теплообменника 102 обеспечивает преимущества настоящего изобретения.

Пример 2.

Дальнейшее усовершенствование, касающееся потребления энергии в процессе азотного цикла с разделением потока по данному изобретению, может быть достигнуто при использовании другого варианта настоящего изобретения, который включает в себя использование цикла охлаждения с небольшим предварительным охлаждением и третьего детандера с целью дальнейшей модификации формы кривой нагревания азотного хладагента, что выражается в ее дальнейшем сближении с кривой охлаждения. На фиг. 5 показан пример цикла азотного детандера с разделением потока при использовании вышеуказанных модификаций. Сближение двух кривых, соответствующих этому варианту, показано на фиг. 3.

Далее будет описан этот вариант со ссылкой на фиг. 3 и 5. Нужно отметить, что цифровые обозначения на фиг. 5 относятся только к данному варианту и могут использоваться или не использоваться при ссылках на те же элементы на фиг. 4 и 6. Как и в предыдущем примере, обедненный природный газ 1 обрабатывается и затем сжижается вследствие теплообмена с холодным газообразным азотом, после чего поступает на хранение через устройство В обычного типа для выброса азота, если это требуется. Таким образом, потоки с 1 по 8 являются теми же, что описаны в примере 1, причем поток 7 является СПГ, который направляется на хранение, а поток 8 - мгновенно выделяющимся газом, выведенным из устройства В выброса азота, который проходит через теплообменник 109 для получения сжатого топливного газа. Модификация этого варианта связана с теплообменником 100 и наличием системы 114 охлаждения с предварительным охлаждением, а также с наличием трех детандеров 106, 107, 108. Охлажденный и сжатый азот (поток 10) предварительно охлаждается до температуры -30^oC в теплообменнике 100 и при использовании сочетания потока 21 азотного хладагента и отдельного охлаждающего модуля 114. Этот охлаждающий модуль 114 представляет собой цикл охлаждения обычного типа с использованием циклов пропана, фреона или аммиачной абсорбции и потребляет относительно небольшое количество энергии, например около 4% от общего количества энергии, потребляемой компрессорами 105 основного азотного цикла. В теплообменнике 100 охлаждается не только поток 2 исходного газа, но также и поток 10 азотного хладагента. Это соответствует первому теплообмену в примере 1. Предварительно охлажденный азотный поток 11, выходящий из теплообменника 100, разделяется на две части, как в примере 1, и меньшая часть (поток 13) далее охлаждается в теплообменнике 101 и 102 посредством противоточного теплообмена с азотным хладагентом с потоком 19 и 23 до температуры приблизительно -82^oC. Затем поток 15 объединяется с небольшим потоком азота (поток 36), который был предварительно охлажден до температуры приблизительно -120^oC в теплообменнике 109 с использованием холодных потоков природного газа/азотного выброса (поток 8), полученного посредством устройства В выброса азота, если это устройство требуется. Объединенный холодный поток 16 затем подвергается расширению в условиях, близких к изоэнтропийным, в детандере 108 при давлении приблизительно 11 бар. Образованный в результате холодный поток 17 при температуре приблизительно -152^oC используется для дополнительного охлаждения СПГ с высоким давлением в теплообменнике 104.

Скорость потока 17 выбирается таким образом, чтобы достичь максимального сближения кривых охлаждения СПГ и нагревания азота в областях температур ниже - 100^oC.

Большая часть потока азотного хладагента (поток 12) подвергается расширению до давления приблизительно 15 бар в детандере 106 после предварительного охлаждения до температуры приблизительно -30^oC, как это описано ранее в примере 1. Подученный в результате холодный поток 22 при температуре приблизительно -99^oC используется для охлаждения природного газа в теплообменниках 102, 103. Этот поток вновь нагревается в теплообменниках 102 и 103 до температуры приблизительно -75^oC и затем подвергается расширению до давления приблизительно 10,5 бар в детандере 107. Полученный в результате холодный поток при температуре приблизительно -91^oC объединяется с потоком 18, также имеющим температуру приблизительно - 91^oC, и используется для охлаждения исходного природного газа в теплообменниках 102, 101 и 100. Холодный азот также используется для предварительного охлаждения низкотемпературного азотного потока 13 в теплообменниках 101 и 102, а азотный поток 10 предварительно охлаждается до температуры -30^oC в теплообменнике 100 при использовании потока 21 и устройства 114 охлаждения обычного типа. Таким образом, поток 12, в сущности, отделяется от основного потока хладагента, проходит последовательно через детандеры 106 и 107 перед возвращением в основной поток хладагента. Поэтому в этом варианте имеют место два параллельных потока, один из которых последовательно проходит через два детандера. Это вторая модификация этого примера.

Нагретый азот (поток 37) повторно сжимается в многоступенчатом компрессоре 105 с промежуточным охлаждением и дополнительным охлаждением, а затем доводится до давления приблизительно 55 бар посредством компрессоров 111, 112 и 113, которые соединены с детандерами 106, 107 и 108 и регенерируют большую часть работы, произведенной детандерами. В альтернативном варианте компрессоры 111, 112, и 113 могут быть объединены в один компрессор, приводимый в действие детандерами 106, 107 и 108, присоединенными к общему валу. Сжатый азотный поток 33 охлаждается в добавочном охладителе 110 до температуры окружающей среды и поступает как поток 10 в теплообменник 100 и охлаждающий модуль 114, где он предварительно охлаждается до температуры -30^oC, как это описано выше.

Пример 3.

Модификация устройства по фиг. 5 показана на фиг. 6. Эта модификация связана с потоком 21 на фиг. 5. Поток 21 (на фиг. 5) проходит от теплообменника 101 к теплообменнику 100, из которого он выходит как поток 37, который поступает к компрессору 105. В модификации, представленной в данном примере, как это показано на фиг. 6, поток 21, выходящий из теплообменника 101, не проходит через теплообменник 100, а поступает непосредственно в компрессор 105. Все предварительное охлаждение азотного потока 10 с высоким давлением и потока 2 природного газа до -30^oC осуществляется теперь посредством охлаждающего модуля 114. Таким образом, поток 21 на фиг. 6 на входе в компрессор 105 соответствует потоку 37 на фиг. 5 на входе в компрессор 105. Однако, так как поток 21 на фиг. 6 не проходит через теплообменник 100, он не нагревается и соответственно имеет более низкую температуру, чем поток 37. Поэтому требуется меньшее количество работы для сжатия и охлаждения азотного хладагента в потоке 21, чтобы получить поток 26 в варианте, представленном на фиг. 6, чем в варианте на фиг. 5, и соответственно вариант на фиг. 6 требует меньшего расхода энергии, что в свою очередь ведет к более экономичному получению СПГ. В остальном процесс в соответствии с данным вариантом осуществляется так же, как в варианте на фиг. 5.

Сравнение альтернативных циклов.

Осуществление цикла азотного детандера в соответствии фиг. 1 вариантов цикла азотного детандера с разделением потока по настоящему изобретению, как показано на фиг. 2, и двух вариантов цикла азотного детандера с разделением потока с детандером предварительного охлаждения и повторного нагрева, как это показано на фиг. 3, было смоделировано для пробного получения 2600 тонн в день СПГ из обедненного природного газа при его подаче с давлением 55 бар при температуре 30^oC.

В целях сравнения в технологической карте для простого азотного цикла по известному решению использовались теплообменники, эквивалентные только теплообменникам 100, 101 и 102, и не были включены потоки 12, 18 и компрессор/детандер 106, 108, т. е. она не содержала двух параллельных потоков, образованных при разделении азотного потока, и двух параллельных компрессоров/детандеров, что является характерной чертой настоящего изобретения.

В таблице приводится сравнение энергетической потребности и эксплуатационных режимов четырех альтернативных азотных циклов. Для большей полноты энергетические потребности сравниваются также с циклом смешанного хладагента (цикл СХ), используя показатель 35 МВт как характерный для современных процессов с использованием смешанного хладагента с предварительно охлажденным пропаном.

Из приведенных результатов можно видеть, что использование цикла азотного детандера с разделением потока приводит к сокращению потребления энергии на 21,1 МВт по сравнению с простым циклом азотного детандера, с добавлением в цикле одного детандера. При давлении 55 бар на выходе системы азотных компрессоров оптимальный коэффициент расширения для детандера в простом цикле обеспечивает давление всасывания компрессора приблизительно 5,6 бар для достижения минимального расхода энергии. Другим результатом цикла азотного детандера с разделением потока является увеличение оптимального давления для этого цикла до приблизительно 10 бар. Следствием этого может быть несколько положительных моментов, включая меньшие объемы циркулирующего хладагента и, следовательно, диаметр трубопровода, более высокие коэффициенты однофазовой теплопередачи и коэффициенты расширения для азотных детандеров, которые могут быть достигнуты при единственной фазе в детандере. Более высокий коэффициент расширения для простого азотного цикла может потребовать осуществления расширения на двух фазах детандера, что приведет к дополнительному удорожанию процесса.

Модификации цикла азотного детандера с разделением потока, как это показано на фиг. 5, связаны с использованием третьего детандера, что имеет своим результатом дальнейшее снижение потребления энергии на 6,8 МВт для компрессоров азотного цикла вследствие добавления третьего детандера и цикла охлаждения с небольшим предварительным охлаждением, потребляющего приблизительно 1,8 МВт, что дает общее сокращение потребления энергии на 5 МВт.

Если требуется цикл охлаждения с большим предварительным охлаждением, как показано на фиг. 6, так чтобы все охлаждение природного газа и азота от температуры окружающей среды до -30^oC осуществлялось отдельной системой охлаждения, то имеет место даже большее сокращение потребления энергии. В этом случае компрессор, всасывающий азот, работает при температуре приблизительно -36^oC. Мощность, необходимая для систем охлаждения с предварительным охлаждением возрастает до 8 МВт, однако мощность азотного компрессора падает до 33,1 МВт, обеспечивая, таким образом, дальнейшее общее сокращение энергии на 3 МВт.

Далее будет описано осуществление процесса по настоящему изобретению со ссылкой на фиг. 2 и 4. В теплообменнике 100 исходный природный газ 2 предварительно охлаждается до температуры около -20^oC. В то же время холодный азотный поток 10 подвергается дальнейшему охлаждению в теплообменнике 100 примерно до температуры -20^oC. Как природный газ 2, так и азотный поток 10 охлаждаются в результате воздействия азотного потока 21. Кривая охлаждения объединенного потока природного газа и азота показана на фиг. 2 вместе с кривой нагревания потока 21 азотного хладагента. Видно, что на теплом конце теплообменника 100 кривая нагревания азота и кривая охлаждения СПГ/азота почти совпадают, тогда как при температуре СПГ/азота около -20^oC азотный хладагент имеет температуру около -38^oC.

В теплообменнике 101 снижается температура потока 3 природного газа, который выходит как поток 4, и потока 13 азотного хладагента, который выходит как поток 14, от примерно -20^oC до примерно - 84^oC под воздействием потока 20 азотного хладагента.

В теплообменнике 102 температура потока 4 СПГ снижается от примерно -84^oC до примерно - 100^oC под воздействием потока 19 хладагента. Уклон кривой нагревания азотного хладагента в диапазоне от приблизительно 30^oC до приблизительно -105^oC является постоянным вследствие того, что одинаковое количество хладагента проходит последовательно через каждый из теплообменников 102, 101 и 100.

В теплообменнике 103 температура потока 5 природного газа снижается от примерно -100^oC до примерно -149^oC под воздействием потока 16 азотного хладагента. Так как удельный массовый расход потока 16 азотного хладагента меньше, чем потоков 19, 20 и 21, уклон кривой нагревания азотного хладагента в этом температурном диапазоне будет другим по сравнению с потоками 19, 20 и 21. В описанном примере уклон кривой охлаждения азота в теплообменнике 103 больше, чем в теплообменниках 102, 101 и 100, и более близок к уклону кривой охлаждения СПГ в диапазоне от приблизительно -105^oC до -152^oC. Поэтому, правильно регулируя скорость циркуляции потока 17 азотного хладагента, поступающего от детандера 107 и проходящего через теплообменник 103, можно свести к минимуму потери энергии в азотном цикле с разделением потока у нижнего конца температурного диапазона, путем достижения большего сближения кривой нагревания азотного хладагента и кривой охлаждения СПГ в одном и том же температурном диапазоне. Соответственно меньше энергии требуется и на осуществлнние всего процесса и в особенности на работу компрессоров 105, так как меньше энергии теряется в теплообменниках 103, 102 и 101 по сравнению с простым циклом азотного детандера, представленным на фиг. 1, и больше энергии регенерируется при изоэнтропийном расширении потока 15 в детандере, а детандер 107 работает при более высокой температуре на входе, производя больше работы, чем в простом цикле.

Таким образом, имея разделенный поток азотного хладагента, можно иметь два параллельных детандера, и взаимное соотношение разделенных потоков может выборочно регулироваться путем их большего или меньшего прохождения через каждый детандер. На фиг. 2 можно видеть, что одно и то же количество хладагента проходит через теплообменники 100, 101 и 102 и, следовательно, уклон кривой нагревания на фиг. 2 на участке между -105^oC и 30^oC является постоянным. Вследствие разделения потока меньше хладагента проходит через теплообменник 103, чем через остальные теплообменники, и следовательно, уклон кривой нагревания азотного хладагента, соответствующий его прохождению через теплообменник 103 для изменения температуры от -105^oC до -152^oC, будет другим.

На фиг. 3 продемонстрировано влияние наличия третьего детандера, сказывающееся в изменениях уклона кривой нагревания в области от примерно - 100^oC до примерно -80^oC, где возможно больше сближение с кривой охлаждения СПГ/азота посредством выборочного регулирования взаимного соотношения потоков при прохождении через детандеры.

На фиг. 3 показано также влияние системы 114 охлаждения с предварительным охлаждением на изменение уклона кривой нагревания. В области выше приблизительно - 40^oC уклон кривой нагревания вследствие прохождения потока 21 через теплообменник 100 будет иметь своим результатом температурное пересечение в теплообменнике 100, указывающее на то, что поток 21 сам по себе не может обеспечить достаточное количество холода для охлаждения потока 2 и 10 до -30^oC. Система охлаждения с многоступенчатым предварительным охлаждением обеспечивает необходимое дополнительное охлаждение (показанное горизонтальными участками кривой нагревания) при трех температурных уровнях, чтобы поддерживать разделение кривых нагревания и охлаждения.

Преимущества настоящего изобретения включают в себя и то, что цикл азотного детандера с разделением потока действует исключительно в области однофазовых газовых процессов, что позволяет устранить все компрессорные барабаны всасывания, фазовые разделители и накопители хладагента, необходимые для процесса смешанного хладагента. Единственная фаза хладагента устраняет проблемы распределения потока, связанные с двухфазовым потоком в теплообменниках, и позволяет использовать теплообменники обычного типа с алюминиевыми пластинчатыми ребрами без связанных с ними фазовых разделителей и распределительных систем, которые обычно требовались или предлагали альтернативный вариант для крайне специфических и дорогих спиральных теплообменников, обычно используемых в установках с процессом смешанного хладагента.

В описанное выше устройство могут быть привнесены многочисленные модификации, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, которое включает каждый новый признак и совокупность признаков, раскрытых в описании. Специалистам в данной области будет понятно, что описанное здесь изобретение допускает варианты и модификации, помимо тех, что были конкретно описаны, которые соответствуют сущности и объему настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Способ сжижения природного газа, включающий в себя стадии прохождения природного газа через ряд теплообменников с использованием принципа противотока с однофазовым газовым хладагентом, циркулирующим в цикле охлаждения, преимущественно изоэнтропийного расширения частей хладагента до различных температур охлаждения, при которых указанные части хладагента подают в соответотвующие теплообменники для охлаждения природного газа в соответствующих температурных диапазонах, отличающийся тем, что кривая нагревания хладагента, включающего все указанные части, имеет участки с различными уклонами отвода охлажденного природного газа от конечного теплообменника при температуре на выходе в диапазоне от -160^oC до -140^oC и подачи в конечный теплообменник части хладагента при температуре охлаждения и в количестве, выбранном в диапазоне от 20 до 50% от циркулирующего хладагента, с обеспечением близкого расположения кривой нагревания этой части хладагента и наличия в ней преимущественно такого же уклона, что и в кривой охлаждения части природного газа, расположенной в диапазоне температур от указанной температуры выхода до -100^oC.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хладагент представляет собой азот или газ, основную часть которого составляет азот.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что часть хладагента, идущую в конечный теплообменник, подвергают преимущественно изоэнтропийному расширению до температуры около -152^oC.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что хладагент на выходе из конечного теплообменника имеет температуру около -104^oC.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что часть хладагента, идущую в конечный теплообменник, охлаждают перед расширением посредством теплообмена с хладагентом, подвергнутым изоэнтропийному расширению, причем часть хладагента, идущую и прошедшую конечный теплообменник, объединяют с другой частью хладагента для образования объединенного охлаждающего потока, а указанную другую часть хладагента подвергают преимущественно изоэнтропийному расширению приблизительно до температуры хладагента, с которым ее объединяют, при этом природный газ и часть охлажденного хладагента охлаждают в диапазоне температур от -80^oC до -40^oC, в особенности от -80^oC до -60^oC, объединенным охлаждающим потоком в части теплообменников, расположенных ранее указанного конечного теплообменника, где количество указанной другой части хладагента выбирают в диапазоне от 50 до 80% от циркулирующего хладагента c обеспечением сильного сближения кривой нагревания хладагента c объединенной кривой охлаждения природного газа и хладагента в указанном температурном диапазоне от -80^oС до -40^oС, особенно от -80^oC до -60^oС.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что части хладагента подвергают расширению в соответствующих турбодетандерах и вновь объединяют до поступления одной части в теплообменник.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что одна часть хладагента последовательно проходит через один и другой теплообменники, а другая часть хладагента проходит через указанный другой теплообменник и затем ее вновь объединяют с указанной первой частью для образования общего потока хладагента.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что хладагент разделяют на две части, и часть хладагента, идущая в конечный теплообменник, составляет около 35% от всего потока хладагента.

9. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что хладагент разделяют на две части, первая из которых проходит через единственный турбодетандер, а вторая часть проходит последовательно через два турбодетандера, причем указанные первая и вторая части идут параллельно и затем их вновь объединяют перед прохождением через еще один из указанных теплообменников.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что части хладагента подвергают преимущественно изоэнтропийному расширению до давления около 55 бар.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что части хладагента подвергают преимущественно изоэнтропийному расширению до давления около 11 бар.

12. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что поток хладагента разделяют на три части в соотношении примерно от 10 до 30% для первой части, от 30 до 70% для второй части, и от 20 до 40% для третьей части, предпочтительно в соотношении объемов 20% 50% 30% соответственно для первой, второй и третьей частей, и эти части хладагента подвергают расширению в детандерах, установленных параллельно друг другу.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что часть хладагента, идущую в конечный теплообменник, подвергают расширению приблизительно до 11,7 бар.

14. Способ по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что хладагент охлаждают в системе охлаждения с предварительным охлаждением перед разделением на указанные части.

15. Способ по любому из пп. 1-14, со ссылкой на приведенные примеры.

16. Сжиженный природный газ, полученный по способу в соответствии с любым из пп. 1-15.

17. Устройство для сжижения природного газа охлаждением посредством однофазового хладагента, состоящего из азота или преимущественно из азота, включающее ряд теплообменников и компрессор, имеющий входную часть для поступления нагретого хладагента из теплообменников и выходную часть для выпуска хладагента, отличающееся тем, что указанные вхожая и выходная части соединены с другим компрессорным средством, приводимым в действие турбодетандерами, подвергающими части сжатого хладагента расширению и охлаждению и имеющими отверстия для выхода хладагента, соединенные с соответствующими теплообменниками для подачи и прохождения каждой охлажденной части хладагента через соответствующий теплообменник с обеспечением охлаждения встречного потока природного газа.

18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что оно выполнено для осуществления способа по пп. 1-16.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7