Способ для сжижения потока углеводородов и устройство для его осуществления
Способ сжижения потока природного газа, содержащегося в сырьевом потоке (10), включает стадии циркуляции потока (70) первого хладагента в контуре (110) с первым хладагентом, охлаждения потока (70) первого хладагента в одном или более теплообменников (14) первой ступени (100) охлаждения, прохождения, по меньшей мере, части охлажденного потока (20) первого хладагента через один или более детандер (12) для получения одного или более расширенных охлажденных потоков (30) первого хладагента, прохождения одного или, по меньшей мере, одного из расширенных потоков (30) первого хладагента и сырьевого потока (10) через первый один или более теплообменников (14) с получением охлажденного потока (40) углеводородов, прохождения охлажденного потока (40) углеводородов через вторую ступень (200) охлаждения в противотоке с потоком (50) второго хладагента с получением сжиженного потока (60) углеводородов. Выработанную которым полезную энергию используют в контуре (110) циркуляции первого хладагента для привода одного или более насосов (28а, 28b), обеспечивающих циркуляцию потока первого хладагента, с целью повышения давления потока (70) первого хладагента. Температуру указанного нагнетаемого потока (70а) снижают в одном или более охладителей (29), охлаждающих до температуры окружающей среды перед прохождением через первый теплообменник (14). Использование изобретения позволит повысить эффективность. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к способу для сжижения потока углеводородов, в частности, но не обязательно, природного газа и устройству для его осуществления.
Известны различные способы сжижения потока природного газа с получением в результате сжиженного природного газа (СПГ). Сжижение потока природного газа желательно по ряду причин. К примеру, природный газ легче хранить и транспортировать на большие расстояния в виде жидкости, чем в газообразном состоянии, поскольку в жидком виде он занимает меньший объем, и отсутствует необходимость в его хранении при высоком давлении.
В патентном документе US6105389A описаны способ и устройство для сжижения природного газа с использованием для этого сжатой охлаждающей смеси, при этом природный газ переохлаждают, расширяют и испаряют, после чего следует вторая ступень охлаждения для сжижения природного газа. На первой ступени охлаждения фракции первой охлаждающей смеси расширяют с помощью дроссельных вентилей для охлаждения охлаждающей смеси. Однако проблема, связанная с использованием дроссельных вентилей, состоит в том, что они являются изоэнтальпийными, так что работа, которая может быть совершена при расширении такой текучей среды, как хладагент, при снижении его давления в дроссельном вентиле, в основном теряется.
Задача изобретения заключается в повышении эффективности способа сжижения и устройства для сжижения.
Одна или более из указанных или другие задачи могут быть решены с помощью настоящего изобретения, создающего способ сжижения потока углеводородов, такого, как поток природного газа, содержащегося в сырьевом потоке, включающий, по меньшей мере, стадии:
(a) циркуляции потока первого хладагента в контуре с первым хладагентом;
(b) охлаждения потока первого хладагента в одном или более теплообменников первой ступени охлаждения для получения охлажденного потока первого хладагента;
(c) прохождения, по меньшей мере, части охлажденного потока первого хладагента через одно или большее количество расширительных устройств для получения одного или более расширенных охлажденных потоков первого хладагента;
(d) прохождения одного или, по меньшей мере, одного из расширенных потоков первого хладагента и сырьевого потока через первый один или более теплообменников с получением охлажденного потока углеводородов;
(е) прохождения охлажденного потока углеводородов через вторую ступень охлаждения в противотоке с потоком второго хладагента с получением сжиженного потока углеводородов;
при этом, по меньшей мере, одно расширительное устройство представляет собой турбодетандер, энергию которого, выработанную на стадии (с), используют в контуре циркуляции первого хладагента.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что за счет расширения, по меньшей мере, части потока первого хладагента при прохождении через один или большее количество детандеров для снижения давления первого хладагента перед его использованием для охлаждения сырьевого потока в теплообменнике (теплообменниках), процесс расширения первого хладагента является близким к изоэнтропийному, что повышает эффективность первого охлаждения. Близкое к изоэнтропийному расширение какого-либо газа до более низкого давления приводит к уменьшению внутренней энергии, извлекаемой из газа при расширении, и позволяет преобразовать, по меньшей мере, часть этой энергии в полезную энергию. Эта полезная энергия затем может быть передана и использована еще в каком-либо месте в предложенном способе сжижения, процессе и/или устройстве с целью обеспечения приведения в действие другого агрегата или устройства или его частей, например компрессора, насоса или электрогенератора.
Потоком углеводородов может быть любой подходящий сжижаемый газовый поток, но обычно это поток природного газа, полученный из месторождений природного газа или нефти. В качестве альтернативы поток природного газа может быть также получен из другого источника, включающего, кроме того, искусственный источник, такой, как процесс Фишера-Тропша.
Обычно поток природного газа содержит, в основном, метан. Предпочтительно сырьевой поток содержит, по меньшей мере, 60 мол.% метана, более предпочтительно, по меньшей мере, 80 мол.% метана.
В зависимости от источника природного газа он может содержать различные количества углеводородов, более тяжелых, чем метан, например этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторое количество ароматических углеводородов. Поток природного газа может также содержать неуглеводороды, такие как H2O N2, СО2, H2S и другие сернистые соединение, и тому подобное.
При необходимости сырьевой поток, содержащий природный газ, может быть подвергнут предварительной обработке перед его применением. Эта предварительная обработка может включать снижение содержания и/или извлечение нежелательных компонентов, таких как СО2 и H2S, или другие стадии, например предварительное охлаждение, предварительное сжатие или тому подобное. Поскольку эти стадии обработки хорошо известны специалисту в данной области техники, далее они здесь рассмотрены не будут.
Используемый здесь термин «сырьевой поток» относится к какому-либо составу, включающему углеводороды, который обычно содержит большое количество метана. Кроме метана природный газ содержит различные количества этана, пропана и более тяжелых углеводородов. Этот состав меняется в зависимости от типа и местонахождения природного газа. Как правило, необходимо, чтобы из природного газа были удалены углеводороды, более тяжелые, чем метан, по нескольким причинам, например из-за различия температур замерзания или сжижения, что может привести к блокированию такими углеводородами элементов установки по сжижению метана.
Таким образом термин «сырьевой поток» обозначает также состав перед его обработкой, включающей, например, очистку, дегидратацию и/или промывку, а также какой-либо состав, который является частично, в большой степени или полностью обработанным для снижения содержания и/или полного удаления одного или большего количества соединений или веществ, включая, но не в качестве ограничения, серу, соединения серы, двуокись углерода, воду и углеводороды С2+.
Термин «расширительное устройство» включает любой агрегат, устройство или аппарат, способный снижать давление потока. Он включает вентили, а также детандеры, и, кроме того, включает одно или более двухфазных расширительных устройств. В том случае, если, по меньшей мере, одно расширительное устройство для теплообменников первой ступени охлаждения представляет собой детандер, другими, одним или более расширительных устройств, могут быть вентили. Предпочтительно все теплообменники первой ступени охлаждения являются детандерами.
Первая ступень охлаждения в соответствии с настоящим изобретением предназначена для снижения температуры охлажденного потока углеводородов ниже 0°С, обычно - в интервале от -20°С до -70°С. Такую ступень охлаждения иногда называют также ступенью предварительного охлаждения.
Вторая ступень охлаждения предпочтительно отделена от первой ступени охлаждения. При этом вторая ступень охлаждения включает один или большее количество теплообменников, использующих второй хладагент, циркулирующий в контуре со вторым хладагентом, хотя хладагент потока второго хладагента может также проходить через, по меньшей мере, один теплообменник первой ступени охлаждения, предпочтительно, через все теплообменники первой ступени охлаждения.
Предпочтительно контур первого хладагента включает размещенные перед первым теплообменником один или большее количество аппаратов, охлаждающих до температуры окружающей среды.
В одном воплощении настоящего изобретения полученную полезную энергию используют для повышения давления потока первого хладагента перед первым теплообменником. Один такой пример заключается в использовании полезной энергии для приведения в действие одного или более насосов, обеспечивающих циркуляцию потока первого хладагента.
Использование полезной энергии, полученной от одного или большего количества детандеров в первой ступени охлаждения (предназначенной для снижения температуры потока углеводородом до температуры ниже 0°С), в особенности выгодно в том случае, когда температура соответствующего потока хладагента перед расширением не должна быть значительно ниже, например, -50°С или -100°С. Таким путем повышение температуры в потоке хладагента, обусловленное его прохождением через один или более насосов (при котором повышение давления хладагента приводит к увеличению его температуры), может быть более легко достигнуто с помощью одного или большего количества охладителей, охлаждающих до температуры окружающей среды, например, водяного и/или воздушного охладителей, известных в уровне техники. Использование охладителей, охлаждающих до температуры окружающей среды с целью уменьшения температуры потока хладагента, предназначенного для охлаждения потока углеводородов до значительно более низкой температуры, например менее -100°С, может быть явно недостаточным.
Таким образом, настоящее изобретение в особенности выгодно в том случае, если полезную энергию, полученную с помощью каждого детандера, используют на первой ступени охлаждения или на ступени предварительного охлаждения, поскольку не требуется никакой дополнительной энергии в контуре первого хладагента, который всегда содержит перед теплообменником (теплообменниками) один или большее количество охладителей, охлаждающих до температуры окружающей среды. В результате во всем способе сжижения имеет место максимальное использование выработанной полезной энергии или эксергии, или, по меньшей мере, минимальные потери энергии.
В соответствии с другим воплощением настоящего изобретения первая ступень охлаждения содержит два или больше количество теплообменников, и предпочтительно каждый теплообменник имеет соединенный с ним детандер, через который протекает, по меньшей мере, часть первого охлажденного хладагента с получением потока расширенного охлажденного первого хладагента, протекающего к своему соответствующему теплообменнику.
Согласно следующему аспекту настоящее изобретение обеспечивает устройство для сжижения потока углеводородов, например, природного газа, содержащегося в сырьевом потоке, содержащее, по меньшей мере
контур первого хладагента, предназначенный для циркуляции потока первого хладагента;
первую ступень охлаждения, содержащую один или большее количество теплообменников, в которые поступает поток первого хладагента и в которых получают охлажденный поток первого хладагента;
одно или большее количество расширительных устройств, предназначенных для расширения, по меньшей мере, части потока охлажденного первого хладагента с получением одного или более расширенных потоков первого хладагента, при этом, по меньшей мере, одно расширительное устройство представляет собой детандер, полезную энергию которого, выработанную при расширении, используют в контуре циркуляции первого хладагента;
один или каждый теплообменник, имеющий первый вход для прохождения в теплообменник сырьевого потока, и второй вход для прохождения в теплообменник одного или, по меньшей мере, одного из расширенных потоков первого хладагента для охлаждения сырьевого потока и получения таким образом потока охлажденных углеводородов; и
вторую ступень охлаждения, содержащую один или большее количество теплообменников, приспособленных для подачи в них потока охлажденных углеводородов из первой ступени охлаждения и для получения потока сжиженных углеводородов.
Воплощение настоящего изобретения далее будет раскрыто с помощью примера и со ссылкой на сопровождающий чертеж.
На чертеже представлена принципиальная схема процесса сжижения в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
При изложении этого описания одна и та же ссылочная позиция на чертеже использована как для трубопровода, так и для потока, протекающего по этому трубопроводу. Одинаковые элементы устройства обозначены на чертеже одинаковыми ссылочными номерами.
На чертеже представлена принципиальная схема процесса сжижения потока углеводородов, такого, как поток природного газа. На схеме показан исходный сырьевой поток, содержащий природный газ 10. Этот исходный поток может быть предварительно очищен с целью отделения, по меньшей мере, некоторых более тяжелых углеводородов и примесей, таких как двуокись углерода, азот, гелий, вода, сера и сернистые соединения, включая, но не обязательно, кислые газы.
Сырьевой поток 10 проходит через первую ступень 100 охлаждения, использующую первый хладагент, циркулирующий в контуре 110 с первым хладагентом, с получением охлажденного потока 40b углеводородов. Первым хладагентом может быть любое подходящее вещество или, предпочтительно, смесь, включающая одно или более, предпочтительно два или более веществ из группы, в которую входят азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, пентан и т.д.
Сырьевой поток 10 поступает в первый теплообменник 14а через вход 32а и проходит через него по трубе 73а. В то же время первый хладагент поступает в первый теплообменник 14а через вход 36а и проходит через первый теплообменник 14а по трубе 71а. В результате труба 71 а с первым хладагентом также охлаждается в указанном первом теплообменнике 14а.
Охлажденный поток 20а первого хладагента выходит из первого теплообменника 14а через выход 38а. С помощью подходящего разделителя (не показан) такого как разделенный трубопровод, формируются первая и вторая фракции или части 21а, 21b охлажденного потока 20а первого хладагента соответственно.
Первую часть 21 а направляют к первому детандеру 12а, который расширяет первую часть охлажденного хладагента в термодинамическом процессе расширения, близком к изоэнтропийному, с получением расширенного потока 30а первого хладагента. Расширенный поток 30а имеет внутреннюю энергию, которая меньше, чем внутренняя энергия потока 21а.
Указанную разность энергий можно использовать, как полезную энергию, например, для приведения в движение агрегата или устройства в контуре 110 циркуляции первого хладагента. В схеме устройства, представленной на чертеже, энергию, полученную с помощью первого детандера 12а, используют для привода первого насоса 28а, который является элементом контура 110 циркуляции первого хладагента, функции которого описаны ниже.
Отношение первой и второй частей 21а и 21b охлажденного потока 20а первого хладагента на чертеже может быть любым подходящим отношением, известным в уровне техники. В том случае, если первая ступень 100 охлаждения содержит два теплообменника 14а, 14b и использует смешанный хладагент, то отношение уровней двух давлений, к примеру, составляет 35/65. Примером возможных уровней давления в теплообменниках 14а, 14b является давление 8 бар для теплообменника высокого давления и давление 3 бара для теплообменника низкого давления.
Расширенный поток 30а возвращают в первый теплообменник 14а вверху или вблизи верха теплообменника, и по мере прохождения расширенного потока 30а вниз через теплообменник 14а и испарения он обеспечивает охлаждение труб первого теплообменника 14а, через которые протекает сырьевой поток 10 (труба 73а) и первый хладагент (труба 71а), известным в уровне техники образом. За счет этого получают охлажденный поток 40а углеводородов.
При этом испаренный первый хладагент может быть собран и отведен в качестве первого парообразного выходящего потока 90а через выход 42а из первого теплообменника 14а, находящийся в днище или вблизи днища теплообменника, и направлен в первый компрессор 22 для повторного сжатия и циркуляции в первом контуре 110.
Как вторая фракция, или часть, 21b охлажденного первого потока 20а первого хладагента, так и охлажденный поток 40а углеводородов входят затем во второй теплообменник 14b через его днище или вблизи днища посредством входов 36b и 32b, соответственно, и пропускают через теплообменник снизу вверх. Поток первого хладагента протекает через выход 38b вверху или вблизи верха теплообменника 14b в качестве другого охлажденного потока 20b первого хладагента и расширяется при прохождении через второй турбодетандер 12b с получением второго расширенного потока 30b первого хладагента, который затем может быть направлен обратно во второй теплообменник 14b через вход 44b для прохождения сверху вниз через этот теплообменник. По мере прохождения второго расширенного потока 30b вниз через второй теплообменник 14b он известным в уровне техники образом производит охлаждение труб с потоком углеводородов (труба 73b) и первым хладагентом (труба 71b), протекающими вверх по второму теплообменнику 14b. Расширенный второй поток 30b хладагента испаряется по мере его прохождения сверху вниз через второй теплообменник 14b и может быть отведен через выход 42b в качестве второго выходящего парообразного потока 90b, который протекает к первому компрессору 22 для повторного сжатия и циркуляции в контуре 110 первого хладагента.
Второй расширенный поток 30b получают во втором детандере 12b в термодинамическом процессе расширения, близком к изоэнтропийному, и разность энергии потока 20b до расширения и энергии потока 30b после расширения также может быть использована, как полезная энергия в контуре 110 циркуляции первого хладагента.
Как показано на чертеже, первый хладагент, отведенный из первого и второго теплообменников 14а, 14b, сжимают в компрессоре 22 для получения сжатого потока 95 и охлаждают посредством водяного и/или воздушного охладителя 26 с получением повторно сконденсированного потока 70 для повторного ввода в теплообменники 14а, 14b. Для обеспечения циркуляции повторно сконденсированного потока 70 хладагента его последовательно пропускают через первый и второй насосы 28b, 28а с получением нагнетаемого потока 70а перед конечным охладителем 29, охлаждающим до температуры окружающей среды, который может включать в себя один или большее количество таких охладителей, таких как водяной и/или воздушный охладитель, предназначенных для получения охлажденного сжатого потока 70b, который может быть повторно использован в теплообменниках 14а, 14b.
Насосы являются обычными для контуров охлаждения и опять же требуют наличия привода, т.е. подвода энергии. Кроме того, они также повышают температуру проходящего через них потока, поскольку поток подвергается сжатию. В настоящем изобретении в особенности выгодно обеспечивать привод или энергию для насосов 28а, 28b, используя для этого полезную энергию, выработанную с помощью близко расположенных детандеров 12а, 12b. Полезная энергия, полученная в детандерах 12а, 12b, может быть передана соответствующим насосам 28а, 28b с помощью какого-либо механического соединения, которое обеспечивает их взаимосвязь, например, посредством общего вала.
В условиях горячего или теплого климата, в которых работает ожижительная установка, температура повторно конденсируемого потока 70, как правило, составляет от 40 до 60°С, например 50°С. Каждый насос в контуре первого хладагента может повышать температуру повторно конденсируемого потока на несколько градусов Цельсия, так что для схемы, показанной на фиг.1, и спроектированной для горячего климата, типичная температура для нагнетаемого потока 70а может составлять, например, от 53 до 56°С. Один или большее количество охладителей, охлаждающих до температуры окружающей среды, таких как охладитель 29, показанный на фиг.1, может затем понизить температуру охлажденного нагнетаемого потока 70b на величину от 10 до 20°С, так что типичная температура охлажденного нагнетаемого потока 70b составляет 40°С. В холодном или более холодном климате температуры этих потоков могут быть меньше - в интервале от 10 до 20°С, но повышение температуры от действия насосов такое же, как и в условиях горячего или теплого климата.
Привод для одного или обоих насосов 28а, 28b может быть частично, в основном или полностью обеспечен полезной энергией, полученной при расширении в детандерах 12а, 12b. Таким путем потребность во внешней энергии контура 110 циркуляции первого хладагента уменьшается, что тем самым делает его более эффективным.
В случае использования дополнительных последовательных теплообменников в первой ступени 100 охлаждения дополнительно охлажденный поток 20b первого хладагента может быть разделен с обеспечением дополнительной линии для прохождения через нее первого хладагента, и так далее для любых дополнительных теплообменников, до самого последнего теплообменника, из которого весь первый хладагент возвращают обратно так, как это показано на чертеже для потока 20b.
Поток углеводородов выходит из второго теплообменника 14b через выход 34b в виде охлажденного потока 40b углеводородов.
В каждом детандере 12а, 12b процесс расширения первого хладагента обеспечивается процессом, близким к изоэнтропийному процессу, что повышает эффективность контура 110 циркуляции первого хладагента. При этом внутренняя энергия потоков 30а, 30b уменьшается, что выгодно с точки зрения эффективности указанного процесса расширения. Кроме того, пониженная внутренняя энергия, например, более низкая энтропия репиркулирующего потока первого хладагента обуславливает более низкие температуры хладагента, так что рециркулирующие потоки хладагента позволяют получить большую степень охлаждения в теплообменниках и/или меньшую мощность компрессора (ов), необходимую для повторного сжатия хладагента.
Предпочтительно первая ступень 100 охлаждения охлаждает сырьевой поток 10 до температуры ниже 0°С, например, в интервале от -20°С до -70°С, предпочтительно или от -20°С до -35°С или от -40°С до -70°С, обычно - в зависимости от характера процесса, реализуемого в первой ступени охлаждения.
В одном воплощении настоящего изобретения каждый теплообменник первой ступени 100 охлаждения, включающей в себя несколько ступеней, характеризуется различным давлением первого хладагента. Расширенный хладагент, выходящий из каждой ступени с различным давлением, может быть сжат в одном или более компрессоров с использованием, например, различных компрессоров для различных входных давлений хладагента.
В другом воплощении настоящего изобретения сырьевой поток не проходит через все теплообменники первой ступени охлаждения, а может проходить лишь через один или более из упомянутых теплообменников. Например, в схеме, представленной на чертеже, сырьевой поток 10 может проходить через второй теплообменник 14b лишь для достижения необходимого охлаждения в первой ступени 100 охлаждения.
Конечный охлажденный поток 40b углеводородов из второго теплообменника 14b затем направляют во вторую ступень 200 охлаждения, использующую второй хладагент, предпочтительно описанный выше смешанный хладагент, циркулирующий во втором контуре 80 циркуляции хладагента.
Для охлажденного потока 40b углеводородов и второго контура 80 с хладагентом, циркулирующим во второй ступени и через вторую ступень 200 охлаждения, могут существовать различные схемы. Такие схемы известны в уровне техники. Эти схемы могут включать одну или большее количество ступеней, не обязательно функционирующих при различных уровнях давления, и не обязательно в пределах одного резервуара, такого как криогенный теплообменник.
Вторая ступень 200 охлаждения может снижать температуру охлажденного потока 40b углеводородов с получением сжиженного потока 60 углеводородов при температуре, приблизительно равной или менее -130°°С.
Второй контур 80 циркуляции хладагента, показанный на чертеже в упрощенном виде, обеспечивает прохождение испаренного выходящего потока 50а второго хладагента через два компрессора 52 второго контура, приводимых в действие приводом 54, и через водяной и/или воздушный охладитель 56. После охладителя 56 второй конденсирующийся хладагент может проходить через теплообменники 14а, 14b первой ступени 100 охлаждения, а именно через линии 75а, 75b для получения более холодного сжиженного потока 50 второго хладагента с его последующим использованием его во второй ступени 200 охлаждения.
Таким образом, второй хладагент, по меньшей мере, частично охлаждается в первой ступени 100 охлаждения. Эта схема упрощает способ сжижения сырьевого потока углеводородов, например потока природного газа за счет сочетания осуществления некоторой части рабочего цикла первой ступени по охлаждению сырьевого потока с эквивалентным охлаждением второго хладагента. При этом используется одно и то же оборудование вместо контура 200 циркуляции второго хладагента, требующего других теплообменников для охлаждения второго хладагента, достаточного для его использования во второй ступени 200 охлаждения. Такое решение, следовательно, позволяет уменьшить уровень необходимых аппаратов и оборудования и уменьшить капитальные и эксплуатационные расходы для процесса, иллюстрируемого на чертеже.
Дополнительное охлаждение сырьевого потока, охлажденного и/или сжиженного потока углеводородов и/или хладагента(ов) может быть обеспечено с помощью одного или более других контуров циркуляции хладагента, дополняющих охлаждение в первой и второй ступенях охлаждения, необязательно соединенных с другой стадией способа и/или элементом устройства для сжижения потока углеводородов, раскрытых в этом описании.
Например, сжиженный поток 60 может затем проходить через третью ступень охлаждения (не показана), предпочтительно ступень переохлаждения. Переохлаждение может быть осуществлено посредством прохождения сжиженного потока через одну или большее количество ступеней, использующих один или более переохлаждающих теплообменников. Один или каждый теплообменник для переохлаждения может быть обеспечен охлаждением с помощью смешанного (третьего) хладагента. Дополнительное охлаждение сжиженного потока и/или переохлаждающего хладагента может быть достигнуто с помощью одного или более других хладагентов или контуров циркуляции хладагента, необязательно соединенных с другой стадией способа и/или элементом устройства для сжижения потока углеводородов, раскрытых в этом описании.
Кроме того, специалисту в данной области техники понятно, что после сжижения сжиженный природный газ, при необходимости, может быть подвергнут дополнительной обработке. К примеру, может быть снижено давление полученного СПГ с помощью клапана Джоуля-Томпсона или криогенного турбодетандера.
В таблице 1 приведены общие сведения, касающиеся потребляемой мощности для трех примеров.
| Таблица 1 | ||||
| Параметр | Единица измерения | Пример 1 | Пример 2 | Пример З |
| Мощность | мВт | 251,4 | 250,6 | 249,8 |
| Удельная мощность | кВт/тонн в день | 10,39 | 10,36 | 10,32 |
Удельная мощность для процесса сжижения определяется как мощность компрессора для хладагента (кВт), необходимая для проведения процесса, деленная на полученное количество (в тоннах в день) потока сжиженных углеводородов (например, СПГ).
Пример 1 относится к мощности, необходимой для приведения в действие компрессора контура циркуляции хладагента для первой ступени или ступени предварительного охлаждения установки для сжижения природного газа, в которой используется два теплообменника и дроссельные вентили, как это описано в патентном документе US6105389A.
Пример 2 показывает мощность, необходимую для приведения в действие компрессора 22 в описанном выше процессе сжижения, иллюстрируемом на чертеже, но без использования насосов 28а, 28b.
Пример 3 демонстрирует мощность, необходимую для приведения в действие компрессора 22 на чертеже, где, как показано, первый контур 110 с хладагентом содержит насосы 28а, 28b.
Как видно, потребляемая мощность в примере 2 меньше, чем в примере 1, так, что использование детандеров снижает мощность, необходимую для повторного сжатия первого хладагента в первом контуре 110 циркуляции первого хладагента. Необходимо меньшее давление сжатия, поскольку расширенный первый хладагент (после прохождения через детандеры) имеет меньшую энергию и, следовательно, более холодный, чем при использовании дроссельных вентилей.
В примере 3 используют насосы 28а, 28b, приводимые в действие за счет полезной энергии, выработанной детандерами 12а, 12b. Пример 3 показывает, что в этом случае мощность, необходимая для привода компрессора 22, еще меньше, чем в примере 2, поскольку в контуре 110 циркуляции первого хладагента обеспечивается дополнительная эффективность за счет использования насосов 28а, 28b, и тем самым снижается общая мощность нагнетания, создаваемая компрессором 2 для поддержания циркуляции первого хладагента в контуре 110 с первым хладагентом.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено многими различными путями без выхода за объем, определяемый прилагаемыми пунктами формулы изобретения.
1. Способ сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, содержащегося в сырьевом потоке (10), включающий, по меньшей мере, стадии:
(a) циркуляции потока (70) первого хладагента в контуре (110) с первым хладагентом;
(b) охлаждения потока (70) первого хладагента в одном или более теплообменниках (14) первой ступени (100) охлаждения для получения охлажденного потока (20) первого хладагента;
(c) прохождения, по меньшей мере, части охлажденного потока (20) первого хладагента через одно или более расширительных устройств для получения одного или более расширенных охлажденных потоков (30) первого хладагента;
(d) прохождения одного или, по меньшей мере, одного из расширенных потоков (30) первого хладагента и сырьевого потока (10) через первый один или более теплообменников (14) с получением охлажденного потока (40) углеводородов;
(e) прохождения охлажденного потока (40) углеводородов через вторую ступень (200) охлаждения в противотоке с потоком (50) второго хладагента с получением сжиженного потока (60) углеводородов;
в котором, по меньшей мере, одно расширительное устройство представляет собой детандер (12), выработанную которым на стадии (с) полезную энергию используют в контуре (110) циркуляции первого хладагента, причем выработанную полезную энергию используют для привода одного или более насосов (28а, 28b), обеспечивающих циркуляцию потока первого хладагента, с целью повышения давления потока (70) первого хладагента, обеспечивая тем самым получение нагнетаемого потока (70а), и температуру указанного нагнетаемого потока (70а) снижают в одном или более охладителях (29), охлаждающих до температуры окружающей среды перед прохождением через первый теплообменник (14).
2. Способ по п.1, в котором температура охлажденного потока (40) углеводородов после первой ступени (100) охлаждения находится в интервале от -20°С до -70°С, при этом вторая ступень (200) охлаждения отделена от первой ступени (100) охлаждения.
3. Способ по п.1, в котором поток первого хладагента представляет собой повторно конденсируемый поток, полученный путем сжатия испаренного хладагента, собранного и отведенного из одного или более теплообменников (14) первой ступени (100) охлаждения и последующего охлаждения с помощью водяного и/или воздушного охладителя (26).
4. Способ по п.1, в котором вторая ступень (200) охлаждения отделена от первой ступени (100) охлаждения, при этом вторая ступень (200) охлаждения содержит один или более отдельных теплообменников, использующих второй хладагент, циркулирующий в контуре (80) циркуляции второго хладагента.
5. Способ по п.1, в котором хладагент второй ступени (50) проходит, кроме того, через, по меньшей мере, один теплообменник (14а, 14b) первой ступени (100) охлаждения, предпочтительно через все теплообменники (14) первой ступени (100) охлаждения.
6. Способ по п.1, в котором каждое расширительное устройство на стадии (с) представляет собой детандер (12).
7. Способ по п.1, в котором первая ступень (100) охлаждения содержит два или три теплообменника (14а, 14b).
8. Способ по п.7, в котором каждый теплообменник (11а, 14b) снабжен соединенным с ним детандером (12а, 12b), через который проходит, по меньшей мере, часть потока (20а, 20b) охлажденного первого хладагента для получения расширенного охлажденного потока (30а, 30b) первого хладагента, направляемого в соответствующий теплообменник (14а, 14b).
9. Способ по п.7, в котором для каждого теплообменника (14а, 14b) первой ступени (100) охлаждения на стадии (с) предусмотрено различное давление первого хладагента.
10. Способ по п.1, в котором хладагент потока (70) первого хладагента представляет собой смешанный хладагент, включающий смесь газов, при этом указанные газы предпочтительно выбраны из группы газов, включающей азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан и пентан.
11. Способ по п.1, в котором хладагент потока (50) второго хладагента протекает через, по меньшей мере, один теплообменник (14) первой ступени (100) охлаждения, предпочтительно через все теплообменники первой ступени (100) охлаждения.
12. Способ по одному или более предыдущих пунктов, в котором температуру нагнетаемого потока (70а) снижают на 10-20°С.
13. Устройство для сжижения потока углеводородов, например потока природного газа, содержащегося в сырьевом потоке (10), содержащее, по меньшей мере,
контур (110) первого хладагента, предназначенный для циркуляции потока (70) первого хладагента;
первую ступень (100) охлаждения, содержащую один или большее количество теплообменников (14), в которые поступает поток (70) первого хладагента и в которых получают охлажденный поток (20) первого хладагента;
одно или большее количество расширительных устройств, предназначенных для расширения, по меньшей мере, части охлажденного потока (20) первого хладагента с получением одного или более расширенных потоков (30) первого хладагента, при этом, по меньшей мере, одно расширительное устройство представляет собой детандер (12), полезную энергию которого, выработанную при расширении, используют в контуре (110) циркуляции первого хладагента;
один или большее количество насосов (28а, 28b) для обеспечения циркуляции потока (70) первого хладагента, при этом полезную энергию, выработанную в процессе расширения потока, используют для привода одного или более насосов (28а, 28b);
один или большее количество охладителей (29), охлаждающих до температуры окружающей среды, размещенных после одного или более насосов и перед первым одним или более теплообменником (14);
один или каждый теплообменник (14), имеющий первый вход для прохождения сырьевого потока (10) в теплообменник, и второй вход для прохождения в теплообменник одного или, по меньшей мере, одного из расширенных потоков (30) первого хладагента для охлаждения сырьевого потока (10) и обеспечения таким образом охлажденного потока (40) углеводородов; и
вторую ступень (200) охлаждения, содержащую один или большее количество теплообменников, приспособленных для подачи в них потока (40) охлажденных углеводородов из первой ступени (100) охлаждения и для получения потока (60) сжиженных углеводородов.
14. Устройство по п.13, в котором первая ступень (100) охлаждения содержит два или более теплообменников (14а, 14b), каждый из которых соединен с соответствующим детандером (12а, 12b).
15. Устройство по п.13, кроме того, содержащее компрессор (22) и водяной и/или воздушный охладитель (26), размещенный до одного или более насосов (28а, 28b).
16. Устройство по одному из пп.13-15, в котором первая ступень (100) охлаждения обеспечивает получение охлажденного потока (20) первого хладагента, имеющего температуру в интервале от -20°С до -70°С, при этом вторая ступень (200) охлаждения отделена от первой ступени (100) охлаждения.
17. Устройство по п.16, в котором вторая ступень (200) охлаждения отделена от первой ступени (100) охлаждения, при этом вторая ступень охлаждения содержит один или более отдельных теплообменников, использующих второй хладагент, циркулирующий во втором контуре (80) циркуляции хладагента.
18. Устройство по п.17, в котором хладагент потока (50) второго хладагента проходит также через, по меньшей мере, один теплообменник (14а, 14b) первой ступени (100) охлаждения, предпочтительно через все теплообменники (14) первой ступени (100) охлаждения.
19. Устройство по одному из пп.13-15, в котором вторая ступень (200) охлаждения отделена от первой ступени (100) охлаждения, при этом вторая ступень охлаждения содержит один или более отдельных теплообменников, использующих второй хладагент, циркулирующий во втором контуре (80) циркуляции хладагента.
20. Устройство по п.19, в котором хладагент потока (50) второго хладагента проходит также через, по меньшей мере, один теплообменник (14а, 14b) первой ступени (100) охлаждения, предпочтительно через все теплообменники (14) первой ступени (100) охлаждения.
