Способ и устройство для сжижения потока сырья, содержащего углеводороды
Способ и устройство предназначены для сжижения потока углеводородов, такого как природный газ, из потока сырья. Способ включает в себя, по меньшей мере, следующие этапы: осуществляют первое охлаждение потока (10) сырья с помощью первой охлаждающей среды, циркулирующей в первом охлаждающем контуре (100), при этом первая охлаждающая среда содержит более 90 молярных % пропана; осуществляют второе охлаждение потока (20) охлажденного газа до сжиженного потока (60) с помощью первой смешанной охлаждающей среды, циркулирующей в первом контуре (200) для смешанной охлаждающей среды, при этом указанное второе охлаждение осуществляют в двух или более теплообменниках (42, 44), по меньшей мере, два из которых работают при разных давлениях и осуществляют переохлаждение сжиженного потока (60) с помощью второй смешанной охлаждающей среды или с помощью азотной охлаждающей среды, циркулирующей в контуре (300) переохлаждения, тем самым получают переохлажденный поток (70) углеводородов. Использование изобретения позволит улучшить эффективность процесса сжижения. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству, предназначенным для сжижения потока сырья, содержащего углеводороды, в частности, помимо прочего, потока природного газа.
Предшествующий уровень техники
Известен ряд способов сжижения потока природного газа и тем самым получения сжиженного природного газа (СПГ). Сжижать природный газ желательно по нескольким причинам. Например, природный газ легче хранить и транспортировать в жидком, а не в газообразном состоянии, так как в таком случае он занимает меньший объем и его не надо хранить при высоком давлении.
В документе ЕР 1340951 А2 описан процесс сжижения потока природного газа, в котором используют три цикла охлаждения. На первой и второй стадиях охлаждения используют смешанную охлаждающую среду, а на третьей стадии охлаждения используют азот. Вторую стадию охлаждения осуществляют в единственном теплообменнике при одном значении давления смешанной охлаждающей среды.
В документе US 2005/056051 описан процесс сжижения потока природного газа, в котором используют три цикла охлаждения. На первой стадии охлаждения используют пропановую охлаждающую среду, на второй стадии охлаждения используют смешанную охлаждающую среду, а на третьей стадии охлаждения используют азот. Вторую стадию охлаждения осуществляют в единственном теплообменнике при одном значении давления смешанной охлаждающей среды.
В документе DE 3521060 описан процесс сжижения потока природного газа, в котором используют три цикла охлаждения. На первой и третьей стадии охлаждения используют смешанную охлаждающую среду или пропановую охлаждающую среду, а на второй стадии охлаждения используют смешанную охлаждающую среду. В указанном документе не описано использование на второй стадии охлаждения, по меньшей мере, двух теплообменников, работающих при различных давлениях смешанной охлаждающей среды.
В документе US 6,253,574 В1 описан процесс сжижения потока природного газа, в котором используют каскадный цикл со смешанной охлаждающей средой, при этом каскадный цикл состоит из трех циклов охлаждения со смешанной охлаждающей средой с различными составами охлаждающей среды. Охлаждающая среда первого цикла является смесью этилена или этана, пропана и бутана. Охлаждающая среда второго цикла является смесью метана, этилена или этана и пропана, а третья охлаждающая среда является смесью азота, метана и этилена или этана.
Использование смешанной охлаждающей среды в некоторых ситуациях может быть полезным, например, в больших катушечных криогенных теплообменниках, которые эффективны при охлаждении до температур -100°С и ниже. Тем не менее, катушечные теплообменники дороги для предварительного охлаждения.
Раскрытие сущности изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы улучшить эффективность процесса сжижения, состоящего из трех циклов охлаждения.
Согласно первому аспекту, в настоящем изобретении предложен способ сжижения содержащегося в потоке сырья углеводородного потока, такого как природный газ, указанный способ включает в себя, по меньшей мере, следующие этапы:
(а) обеспечивают наличие потока сырья;
(б) осуществляют первое охлаждение потока сырья с помощью первой охлаждающей среды, циркулирующей в первом охлаждающем контуре, тем самым получают охлажденный поток газа, при этом первая охлаждающая среда содержит более 90 молярных % пропана;
(в) осуществляют второе охлаждение охлажденного газа, полученного на этапе (б), до жидкости с помощью первой смешанной охлаждающей среды, циркулирующей в первом контуре со смешанной охлаждающей средой, при этом указанное второе охлаждение осуществляют в двух или более теплообменниках, по меньшей мере, два из которых работают при разных давлениях, в результате получают сжиженный поток; и
(г) осуществляют переохлаждение сжиженного потока, полученного на этапе (в), с помощью второй смешанной охлаждающей среды или с помощью азотной охлаждающей среды, циркулирующей в контуре переохлаждения, тем самым получают переохлажденный поток углеводородов.
Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предложено устройство, предназначенное для сжижения потока углеводородов, такого как природный газ, из потока сырья, указанное устройство, по меньшей мере, содержит:
- первую ступень охлаждения, содержащую один или несколько теплообменников, предназначенных для приема потока сырья и получения потока охлажденного газа, первая ступень охлаждения включает в себя первый охлаждающий контур, использующий первую охлаждающую среду для извлечения тепла из потока сырья, при этом первая охлаждающая среда содержит более 90 молярных % пропана;
- вторую ступень охлаждения, содержащую несколько теплообменников, предназначенных для приема потока охлажденного газа из первой ступени охлаждения и получения сжиженного потока, вторая ступень охлаждения является криогенной системой и содержит второй охлаждающий контур, использующий смешанную охлаждающую среду для извлечения тепла из потока охлажденного газа, при этом, по меньшей мере, два теплообменника второй ступени охлаждения приспособлены для работы при различных давлениях; и
- ступень переохлаждения, содержащая один или несколько теплообменников переохлаждения, предназначенных для приема сжиженного потока из второй ступени охлаждения и получения переохлажденного сжиженного потока углеводородного продукта, ступень переохлаждения включает в себя контур переохлаждения, использующий смешанную охлаждающую среду или азотную охлаждающую среду для извлечения тепла из сжиженного потока.
Далее, только для примера, описаны варианты осуществления настоящего изобретения, со ссылками на прилагаемые не ограничивающие изобретения чертежи, на которых:
фиг.1 - вид, показывающий первую общую схему установки получения СПГ, соответствующей одному варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг.2 - вид, показывающий вторую общую схему установки получения СПГ, соответствующей другому варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом описании одной ссылочной позицией будет обозначаться и линия, и поток, текущий в этой линии. Аналогичные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут подразумевать охлаждение потока сырья до сжиженного потока, по меньшей мере, в две ступени охлаждения. Первый этап охлаждения в первой ступени далее будем называть «этап (б)», а второй этап охлаждения во второй ступени далее будем называть «этап (в)».
Целесообразно, чтобы вторая ступень охлаждения работала с использованием первой смешанной охлаждающей среды на второй ступени охлаждения в двух или нескольких теплообменниках, по меньшей мере, два из которых работают при различных давлениях. Расширение первой смешанной охлаждающей среды при двух различных значениях давления позволяет уменьшить всасывающий поток компрессора низкого давления. Это обеспечивает уменьшение требуемой мощности компрессора и улучшение эффективности процесса. Кроме того, уменьшенный всасывающий поток компрессора позволяет уменьшить размеры компрессора.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из двух или нескольких теплообменников работал при давлении, составляющем от 0,4 до 1,5 МПа, и, по меньшей мере, один другой из двух или нескольких теплообменников работал при давлении, составляющем от 0,1 до 0,8 МПа. Здесь и далее в этом описании, когда говорится о МПа, имеется в виду МПа абсолютного давления. Более предпочтительно, чтобы разность давлений между, по меньшей мере, двумя теплообменниками составляла 0,3 МПа или более. В другом более предпочтительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один теплообменник работает при давлении, которое в 1,5 раза больше давления, при котором работает, по меньшей мере, один другой теплообменник.
Таким образом, например, если один из двух или нескольких теплообменников работает при давлении, равном 0,6 МПа, то другой из двух или нескольких теплообменников может работать, например, при давлении, равном 1,1 МПа. В другом примере, если один из двух или нескольких теплообменников работает при давлении, равном 0,16 МПа, то другой из двух или нескольких теплообменников может работать, например, при давлении, равном 0,57 МПа.
В первой ступени охлаждения поток сырья может быть охлажден с помощью первой охлаждающей среды, содержащей более 90 молярных % пропана. Удобнее использовать пропан, находящийся при различных уровнях давления, чем использовать смешанную охлаждающую среду, так что первое охлаждение потока сырья может быть организовано более эффективно. Повторное сжатие первой охлаждающей среды также более эффективно благодаря тому, что уменьшена часть охлаждающей среды, которую сжимают больше полной степени сжатия, обеспечиваемой компрессором охлаждающей среды.
Более того, охлаждающий контур с пропаном менее дорог по сравнению с охлаждающий контуром со смешанной охлаждающей средой, более конкретно это касается использования нескольких теплообменников и/или нескольких уровней давления, предназначенных для охлаждения. Сказанное объясняется тем, что могут быть использованы кожухотрубные теплообменники для однокомпонентной охлаждающей среды, что невозможно в случае использования смешанной охлаждающей среды. Устройство, установки и оборудование, которые могут быть использованы в качестве кожухотрубных теплообменников, хорошо известны в технике и включают в себя, например, котлы, которые относительно недороги по сравнению с катушечными теплообменниками. Линию котлов можно быстро и легко расположить так, чтобы через них проходил поток однокомпонентной охлаждающей среды, при этом в каждом котле будет использовано различное давление. Различные интенсивности испарения и давления пара таких котлов также не так важны, так как все пары вернутся назад в один или несколько компрессоров и использование однокомпонентной охлаждающей среды предотвращает любой дисбаланс, характерный для смешанной охлаждающей среды, где один из компонентов смеси испаряется быстрее остальных компонентов. Таким образом, использование теплообменников с однокомпонентной охлаждающей средой при предварительном охлаждении менее дорого по сравнению с другими конструкциями. Одним примером является линия котлов, которая будет описана ниже.
Предпочтительно, чтобы первая охлаждающая среда, используемая на этапе (б), содержала более 95 молярных % пропана, предпочтительно более 98 молярных % пропана, более предпочтительно более 99 молярных % пропана.
Первое охлаждение на этапе (б) обеспечивают благодаря прохождению потока сырья через первую ступень охлаждения, содержащую один или несколько теплообменников. Предпочтительно, чтобы первая охлаждающая среда полностью или частично охлаждала один или несколько теплообменников. Предпочтительно, чтобы в первом охлаждении участвовало, по меньшей мере, два, при желании три, четыре или пять теплообменников.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения каждый теплообменник первой ступени охлаждения, содержащей несколько теплообменников, подразумевает различное давление первой охлаждающей среды. Для конструкции, в которой в первой ступени охлаждения используется четыре теплообменника, такие давления часто называют следующим образом: низкое давление, среднее давление, высокое давление, очень высокое давление. Например, низкое давление может составлять 0,1 МПа, среднее давление может составлять 0,2 МПа, высокое давление может составлять 0,4 МПа и очень высокое давление может составлять 0,8 МПа. Расширенная охлаждающая среда каждой ступени давления может быть сжата в одном или нескольких компрессорах, известных в технике, например, до давления, находящегося в диапазоне от 1,6 до 2,0 МПа.
Достоинство использования различных давлений первой охлаждающей среды заключается в большей эффективности обеспечения охлаждения и/или повторного сжатия пропана относительно части диапазона давлений по сравнению с другими охлаждающими средами, используемыми здесь для предварительного охлаждения природного газа, особенно по сравнению со смешанными охлаждающими средами.
Второе охлаждение этапа (в) обеспечивают благодаря прохождению потока охлажденного газа через вторую охлаждающую ступень, содержащую, по меньшей мере, два теплообменника. Первая смешанная охлаждающая среда, циркулирующая в первом контуре для смешанной охлаждающей среды при различных давлениях, обеспечивает охлаждение, по меньшей мере, двух теплообменников второй ступени охлаждения. Предпочтительно, чтобы теплообменники были расположены последовательно, чтобы поток охлажденного газа проходил через каждый теплообменник.
Дополнительное охлаждение потока газа и/или первой смешанной охлаждающей среды может быть обеспечено одной или несколькими другими охлаждающими средами или охлаждающими контурами, при желании связанными с другой частью способа и/или устройства, которые предназначены для сжижения потока углеводородов и которые здесь описаны.
Предпочтительно, чтобы теплообменники второго охлаждения этапа (в) являлись катушечными теплообменниками. Катушечные теплообменники обеспечивают улучшенную эффективность второго этапа охлаждения.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения циркуляция первой смешанной охлаждающей среды на этапе (в) включает в себя сжатие, охлаждение и разделение охлаждающей среды на первую фракцию высокого давления, которую испаряют при высоком давлении в одном теплообменнике, и вторую фракцию низкого давления, которую испаряют при низком давлении в другом теплообменнике, и повторное объединение первой и второй испаренных фракций, при этом фракция высокого давления испаряется при более высокой температуре по сравнению с фракцией низкого давления.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения фракция первой смешанной охлаждающей среды этапа (в) не проходит через каждый теплообменник второго этапа охлаждения. Прохождение части первого потока охлаждающей среды через меньшее количество теплообменников при втором охлаждении обеспечивает большее охлаждение потока охлажденного газа.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первую смешанную охлаждающую среду разделяют на две или несколько фракций после прохождения через, по меньшей мере, первый теплообменник этапа (в) и, по меньшей мере, одну из указанных фракций расширяют и возвращают в первый теплообменник. Разделение первой смешанной охлаждающей среды после прохождения через, по меньшей мере, первый теплообменник делит охлаждающую среду в точке, отличной от самой холодной точки полного потока, что обеспечивает большее охлаждение потока охлажденного газа при втором охлаждении.
Сжиженный поток, полученный после этапа (в), далее может быть переохлажден на этапе (г). Переохлаждение этапа (г) может быть обеспечено при прохождении сжиженного потока через третью ступень охлаждения с одним или несколькими теплообменниками, предназначенными для переохлаждения. Предпочтительно, чтобы единственный или каждый теплообменник переохлаждения охлаждали с помощью второй смешанной охлаждающей среды или азотной охлаждающей среды, циркулирующей в контуре переохлаждения. Дополнительное охлаждение сжиженного потока и/или второй смешанной охлаждающей среды может быть обеспечено одной или несколькими другими охлаждающими средами или охлаждающими контурами, при желании связанными с другой частью способа и/или устройства, которые предназначены для сжижения потока углеводородов и которые здесь описаны. Примером этого служит прохождение охлаждающей среды контура переохлаждения через второй этап охлаждения.
Поток сырья может представлять собой любой подходящий поток газа, подлежащий сжижению. Он может содержать поток углеводородов, обычно поток природного газа, полученный из пластов природного газа или нефтяных пластов. В качестве альтернативы поток природного газа также может быть получен из другого источника, в том числе искусственного, такого как процесс Фишера-Тропша.
Обычно поток природного газа состоит, по существу, из метана. Предпочтительно, чтобы поток сырья содержал, по меньшей мере, 60 молярных % метана, более предпочтительно - по меньшей мере, 80 молярных % метана.
В зависимости от источника, природный газ может содержать различные количества углеводородов, более тяжелых по сравнению с метаном, таких как этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторые ароматические углеводороды. Поток природного газа также может содержать нежелательные неуглеводороды, такие как Hg, H2O, N2, CO2, H2S и другие соединения серы.
Обычно поток сырья, содержащий природный газ, может быть предварительно обработан с целью извлечения любых нежелательных компонентов, таких как CO2, H2S, или могут присутствовать другие этапы, такие как предварительное охлаждение или предварительное повышение давления. Так как эти этапы хорошо известны специалистам в рассматриваемой области, далее здесь они обсуждаться не будут.
Используемый здесь термин «поток сырья» относится к любому содержащему углеводороды соединению, обычно содержащему большое количество метана. Кроме метана, природный газ содержит различные количества этана, пропана и более тяжелых углеводородов. Состав изменяется в зависимости от типа и места расположения газа. Углеводороды, более тяжелые, чем этан, обычно необходимо удалять из природного газа по нескольким причинам, таким как различие в температурах замерзания или сжижения, которое может привести к блокированию частей установки сжижения метана. Углеводороды C2-4 могут использоваться в качестве источника жидкостей из природного газа.
В понятие «поток сырья» также включается состав до какой-либо обработки, такая обработка может включать в себя очищение, дегидратацию и/или очистку щеткой, а также любой состав, который был частично, существенно или полностью обработан с целью уменьшения и/или извлечения одного или нескольких соединений или веществ, в том числе, помимо прочего, серы, соединений серы, углекислого газа, воды и углеводородов С2+.
На фиг.1 показана общая схема установки получения сжиженного природного газа (СПГ). На ней показан исходный поток 10 сырья, содержащий природный газ, указанный поток сырья может быть предварительно обработан с целью отделения любых, по меньшей мере, некоторых тяжелых углеводородов и примесей, таких как углекислый газ, азот, ртуть, гелий, вода, сера и соединения серы, в том числе, помимо прочего, возможно присутствующие газы с сероводородом.
Поток 10 сырья подвергают первому охлаждению в первой ступени 110 охлаждения с помощью первой охлаждающей среды, циркулирующей в первом охлаждающем контуре 100, тем самым получают поток 20 охлажденного газа.
На фиг.1 первая ступень 110 охлаждения показана в упрощенном виде и, в общем, содержит первый охлаждающий контур 100, четыре первых теплообменника 112, первый компрессор 114, приводимый в действие приводом 116, и устройство 118 водяного и/или воздушного охлаждения.
Охлаждающая среда первого контура 100 охлаждения содержит более 90 молярных % пропана.
Первая ступень 110 охлаждения может содержать любое подходящее количество теплообменников, например два, три или четыре, через которые проходит поток 10 сырья, и каждый из теплообменников также может характеризоваться разным уровнем давления.
Использование различных уровней давления, таких как низкое давление, среднее давление, высокое давление и очень высокое давление, в каждом из четырех теплообменников 112, показанных на фиг.1, позволяет получить более эффективную конструкцию, в которой охлаждающей средой является пропан. Использование четырех различных уровней давления в охлаждающем контуре позволяет использовать недорогие котловые теплообменники.
В общем, пар, вышедший из каждого теплообменника 112, проходит к первому компрессору 114 и вдоль него, конструкция компрессора известна в технике, далее сжатая охлаждающая среда охлаждается устройством 118 охлаждения перед тем, как пройти через теплообменники 112. В этой связи смотри документы WO 01/44734 A2 и WO 2005/057110 A1.
При желании, далее первый охлажденный поток 20 сырья проходит в разделительную колонну (не показана), указанная колонна может разделить поток 20 охлажденного газа на более жидкий или тяжелый поток, который обычно представляет собой поток, богатый более тяжелыми углеводородами, и более газообразный или легкий поток, который обычно представляет собой поток, богатый метаном, указанные потоки далее подвергаются охлаждению и сжижению. Более тяжелый поток может быть повторно обработан или использован для получения других продуктов.
Предпочтительно, чтобы первое охлаждение охлаждало поток 10 сырья до температуры, составляющей примерно от -20°С до -50°С, например, примерно -25°С.
Далее поток 20 охлажденного газа подвергается второму охлаждению и превращается в жидкость во второй ступени 210 охлаждения с помощью первой смешанной охлаждающей среды, циркулирующей в первом контуре 200 для смешанной охлаждающей среды. В упрощенном виде первый контур 200 для смешанной охлаждающей среды включает в себя второй компрессор 202, приводимый в действие приводом 204, устройство 206 водяного и/или воздушного охлаждения и один или несколько специальных теплообменников (например, котел 208), которые могут быть охлаждены с помощью охлаждающего контура, предпочтительно первого охлаждающего контура 100 или связанного с ним.
Первая смешанная охлаждающая среда может быть любой подходящей смесью компонентов, в том числе содержащей два или больше из следующих веществ: метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, пентан и так далее.
В этом описании охлаждающая среда называется «смешанной», если количество каждого компонента в смеси составляет менее 90 молярных %, предпочтительно менее 80 молярных %.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения первая смешанная охлаждающая среда, используемая на этапе (в), содержит: более 50 молярных % соединения, выбираемого из группы, содержащей этан и этилен или их смеси, и более 10 молярных % соединения, выбираемого из группы, содержащей пропан и пропилен или их смеси. Предпочтительно, чтобы в этом варианте осуществления изобретения количество соединения, выбранного из группы, содержащей пропан и пропилен или их смеси, не превышало 30 молярных %, а количество метана составляло не меньше 20 молярных %.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения первая смешанная охлаждающая среда, используемая на этапе (в), содержит: более 30 молярных % соединения, выбираемого из группы, содержащей этан и этилен или их смеси, и более 30 молярных % соединения, выбираемого из группы, содержащей пропан и пропилен или их смеси.
Могут быть предусмотрены различные конструкции для прохождения потока газа и потока охлаждающей среды во второй ступени 210 охлаждения. Все они включают в себя два или более теплообменника, работающих при различных уровнях давления.
В конструкции, показанной на фиг.1, первый контур 200 для смешанной охлаждающей среды содержит второй теплообменник 42 и третий теплообменник 44, которые снабжены первой смешанной охлаждающей средой, циркулирующей в первом контуре 200 для смешанной охлаждающей среды. Второй и третий теплообменники 42, 44 позволяют получить поток 60 сконденсированного газа.
Второй и третий теплообменники 42, 44 работают при различных давлениях, что позволяет увеличить эффективность охлаждения сжижаемого потока. Один способ достижения этого состоит в том, чтобы разделить первую смешанную охлаждающую среду в первом контуре 200 для смешанной охлаждающей среды до третьего теплообменника 44 с целью получения отдельного (высокого давления) потока охлаждающей среды, который проходит через клапан 214 во второй теплообменник 42. Клапан 214 уменьшает давление потока охлаждающей среды высокого давления до среднего давления, предпочтительно до значения в диапазоне от 0,4 до 1,5 МПа. Клапан 212 уменьшает давление оставшейся смешанной охлаждающей среды до попадания в третий теплообменник 44 до низкого давления, предпочтительно до значения в диапазоне от 0,1 до 0,8 МПа, с целью подачи фракции низкого давления в теплообменник 44. Более предпочтительно, чтобы давление фракции низкого давления было, по меньшей мере, на 0,3 МПа меньше давления охлаждающего потока, который проходит в теплообменник 42. Согласно другому более предпочтительному варианту осуществления изобретения давление охлаждающего потока, проходящего в теплообменник 42, по меньшей мере, в 1,5 раза больше давления фракции низкого давления, которая проходит в теплообменник 44.
Таким образом, циркуляция первой смешанной охлаждающей среды подразумевает сжатие, охлаждение и разделение охлаждающей среды на первую фракцию высокого давления и вторую фракцию низкого давления, испарение первой и второй фракций в различных теплообменниках 42, 44, при этом фракция высокого давления испаряется при более высокой температуре по сравнению с фракцией низкого давления.
Не только использование фракций высокого и низкого давлений способствует охлаждению потока 20 газа, поток 30 охлажденного газа также при желании может представлять собой поток промежуточной температуры, который может быть использован для обеспечения обратного потока для очищающей колонны при наличии необязательного сепаратора 52 газ/жидкость.
Обычно охлаждение во втором теплообменнике 42 может уменьшить температуру потока 20 газа с целью получения потока 30 газа, температура которого находится в диапазоне от -30°С до -70°С, например, примерно -50°С.
Обычно охлаждение в третьем теплообменнике 44 может уменьшить температуру потока 30 газа с целью потока 60 сжиженных углеводородов, температура которого находится в диапазоне от -70°С до -120°С, например, примерно -80°С.
При желании выходящий поток 30 второго теплообменника 42 проходит через сепаратор 52, с тем чтобы получить поток 50 более легкого газа, богатого метаном, и поток 40 более тяжелой жидкости, который может быть повторного направлен в сжижающую установку или использован для получения других потоков углеводородов.
Далее сжиженный поток 60 проходит третье охлаждение, предпочтительно переохлаждение в третьей ступени 310 охлаждения с использованием четвертого теплообменника 46 и второй смешанной охлаждающей среды или азотной охлаждающей среды, циркулирующей в контуре 300 переохлаждения, тем самым получают переохлажденный поток 70 сжиженного природного газа. В упрощенном виде контур 300 переохлаждения включает в себя третий компрессор 302, приводимый в действие приводом 304, устройство 306 водяного и/и воздушного охлаждения и один или несколько специальных теплообменников, таких как устройство переохлаждения, например котел 308.
Когда вторая охлаждающая среда является смешанной охлаждающей средой, она может представлять собой любую подходящую смесь компонентов, включающую два или более вещества из следующего списка: азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан и так далее. Предпочтительно, чтобы любая смешанная охлаждающая среда, используемая на этапе (г), содержала: более 30 молярных % соединения, выбираемого из группы, содержащей этан и этилен или их смеси, и более 30 молярных % метана.
Контур 300 переохлаждения может содержать теплообменник 312, который может включать в себя более одного теплообменника и который предназначен для обеспечения дополнительного охлаждения охлаждающей среды контура 300 переохлаждения. Например, когда охлаждающая среда является азотной охлаждающей средой, то она может быть охлаждена в теплообменнике 312 с помощью смешанной охлаждающей среды.
В еще одном варианте осуществления изобретения (не показан) первый контур 200 для смешанной охлаждающей среды может отдельно или дополнительно охладить или обеспечить прямое или косвенное охлаждение охлаждающей среды контура 300 переохлаждения, при желании до температуры, совпадающей с температурой сжиженного потока 60, и при желании охладить теплообменник 312.
Схема, показанная на фиг.2, аналогична схеме, показанной на фиг.1. Она содержит четыре уровня давления охлаждающей среды в первой ступени 110 охлаждения с использованием котлов 112а, 112b, 112с и 112d, из которых вытекают соответственно потоки 101, 102, 103 и 104 охлаждающей среды по направлению к первому компрессору 114.
На фиг.2 также показаны два альтернативных варианта осуществления настоящего изобретения.
При желании контур 300 переохлаждения, использующий вторую смешанную охлаждающую среду, может разделить охлаждающую среду на легкую и тяжелую фракции, аналогично тому, что описано для первого контура 200 для смешанной охлаждающей среды. Обе смешанные охлаждающие среды можно довести до одного уровня давления в одном криогенном теплообменнике, в котором легкая фракция охлаждает самый холодный конец. Далее повторно объединенную охлаждающую среду можно послать от нижней части криогенного теплообменника в соответствующий компрессор охлаждающей среды.
На фиг.2 это показано с помощью введения сепаратора 54 в контур 300 переохлаждения. Сепаратор может разделить смешанную охлаждающую среду на жидкую тяжелую фракцию 303 и парообразную легкую фракцию 305, при этом обе указанные фракции проходят в четвертый теплообменник 46, где они могут испаряться в различных областях. В случае, когда четвертый теплообменник 46 является катушечным теплообменником, легкая фракция 305 и тяжелая фракция 303 проходят в одну и ту же сторону кожуха теплообменника 46 и легкая фракция 305 может быть использована для охлаждения потока 60 сжиженных углеводородов, попадающего в четвертый теплообменник 46 при нижней границе интервала температур третьего охлаждения, а тяжелая фракция 303 может быть использована для охлаждения потока 60 сжиженных углеводородов при верхней границе интервала температур третьего охлаждения. Прохождение, работа и расширение линий с охлаждающей средой в четвертом теплообменнике 46 с фиг.2 известны специалистам в рассматриваемой области. Таким образом, тяжелая фракция 303 и легкая фракция 305 второй смешанной охлаждающей среды могут испаряться в четвертом теплообменнике 46 при одинаковом или практически одинаковом давлении, что известно в технике.
Во втором альтернативном варианте осуществления с фиг.2, контур 200 первой смешанной охлаждающей среды также содержит второй теплообменник 42 и третий теплообменник 44, но первая смешанная охлаждающая среда после конденсации и охлаждения в устройстве 206 водяного и/или воздушного охлаждения и в одном или нескольких специальных теплообменниках (например, котле 208 или входящим в первую ступень 100 охлаждения) проходит через второй теплообменник 42 с целью охлаждения. Далее охлажденный поток 203 охлаждающей среды разделяют на первую фракцию, которую расширяют в клапане 214 с целью получения отдельного потока 205 охлаждающей среды низкого давления, который используют для обеспечения охлаждения в теплообменнике 42, и выходной поток 201 которого проходит во второй компрессор 202, и на вторую фракцию 207, которая проходит через третий теплообменник 44 для охлаждения перед расширением с целью получения потока 209 охлаждающей среды, которая обеспечивает охлаждение в третьем теплообменнике 44. Выходной поток 211 охлаждающей среды проходит в компрессор 202.
Разделение потока 203 сконденсированной первой смешанной охлаждающей среды может производиться при температуре от -30°С до -70°С. Благодаря расширению сконденсированной первой смешанной охлаждающей среды при двух различных уровнях давления во второй ступени 210 охлаждения, которая представляет собой основной цикл сжижения, достигается уменьшение всасывающего потока компрессора низкого давления, что может обеспечить уменьшение требуемой мощности компрессора и улучшение эффективности процесса. Кроме того, уменьшенный всасывающий поток компрессора обеспечивает уменьшение размера компрессора. Далее может не понадобиться устройство воздушного охлаждения на выходе компрессора для первой смешанной охлаждающей среды, так как температура всасывающего потока компрессора может быть близка, например, отличаться на несколько градусов, к температуре первой смешанной охлаждающей среды при ее разделении, в результате чего температура на выходе компрессора будет ниже температуры окружающей среды. Это особенно относится к ситуации, когда первая ступень 110 охлаждения прямо или косвенно обеспечивает охлаждение первой смешанной охлаждающей среды.
Аналогично схеме или расположению, показанному на фиг.1, дополнительное охлаждение охлаждающей среды в контуре 300 переохлаждения может быть обеспечено вторым охлаждением, в общем, прохождением контура 300 переохлаждения через часть или весь второй этап охлаждения, или предусмотрев промежуточный контур (контуры) между ними.
Далее специалист в рассматриваемой области легко поймет, что после сжижения сжиженный природный газ при желании может быть дополнительно обработан. Например, может быть понижено давление полученного СПГ с помощью клапана Джоуля-Томпсона или криогенного турбодетандера.
В таблице 1 приведен обзор отдельных и общих потребностей в электроэнергии для одного примера процесса, показанного на фиг.1.
| Таблица 1 | |||
| Свойство | Единица измерений | Сравнение | Фиг.1 |
| Электроэнергия для первого охлаждения | МВт | 88,5 | 91,8 |
| Электроэнергия для второго охлаждения | МВт | 97,5 | 87,1 |
| Электроэнергия для третьего охлаждения | МВт | 86,2 | 76,3 |
| Общая потребность в электроэнергии | МВт | 272,2 | 255,2 |
| Изготовление | тонн в день | 21109 | 21116 |
| Удельная мощность | кВт/тонн в день | 12,9 | 12,1 |
Потребности в электроэнергии для примера с фиг.1 сравнивались со сравнительной схемой, в которой в первом цикле охлаждения используют смешанную охлаждающую среду, как показано, например, в документе US 6,253,574 В1. Ясно, что хотя потребности в электроэнергии для первого охлаждения больше, потребности в электроэнергии для второго и третьего циклов охлаждения меньше, так что благодаря настоящему изобретению при получении аналогичного количества СПГ достигается общее снижение потребности в электроэнергии, равное 17 МВт (7%). Это значительная величина, если принять во внимание размеры и потребности в электроэнергии установки получения СПГ.
Результаты также показывают, что первый цикл охлаждения или цикл предварительного охлаждения загружен больше, чем другие циклы охлаждения. Одно последствие заключается в том, что внутренние потоки для первого компрессора или компрессора предварительного охлаждения больше, даже при использовании линий с разветвлением для пропана: то есть скорость потока охлаждающей среды из пропана выше, чем аналогичная скорость в сравнительной схеме. Тем не менее, третий цикл охлаждения или цикл переохлаждения характеризуется обоснованным объемом всасывания компрессора и областью главного криогенного теплообменника, которая соответствует существующим главным криогенным теплообменникам.
В таблице 2 приведен обзор общих потребностей в электроэнергии для примера процесса, показанного на фиг.2, и еще одного примера процесса, показанного на фиг.1.
| Таблица 2 | ||||
| Свойство | Единица измерений | Сравнительный пример | фиг.1 | фиг.2 |
| Общая энергия на охлаждение | МВт | 412 | 403 | 395 |
| Изготовление | Метрических тонн в год | 10,14 | 10,14 | 10,12 |
| Удельная мощность | кВт/тонн в день | 13,6 | 13,2 | 13,1 |
Потребности в электроэнергии для этого примера процесса, который соответствует изобретению и показан на фиг.1 и 2, сравнивались со сравнительной схемой, в которой в первом и втором циклах охлаждения используют смешанную охлаждающую среду, при этом второй цикл охлаждения выполняют в единственном теплообменнике, работающем при одном значении давления смешанной охлаждающей среды, в этом примере процесса, который соответствует изобретению, в процессе с фиг.1 в качестве второй охлаждающей среды используют азот, а процессе с фиг.2 в качестве второй смешанной охлаждающей среды используют смешанную охлаждающую среду.
Ясно, что в процессе, который соответствует настоящему изобретению и показан на фиг.1, при получении аналогичного количества СПГ достигается общее снижение потребности в электроэнергии, равное 9 МВт, по сравнению со сравнительным процессом. Аналогично, в процессе, показанном на фиг.2, достигается общее снижение, равное 17 МВт. Это значительная величина, если принять во внимание размеры и потребности в электроэнергии установки получения СПГ.
В таблице 3 представлен показательный рабочий пример температур, давлений и потоков в различных частях примера процесса, показанного на фиг.2.
Потоками 100а, 200а и 300а обозначены соответствующие потоки охлаждающей среды первого, второго и третьего контуров 100, 200 и 300 после сжатия и охлаждения потоков.
| Таблица 3 | ||||
| Номер потока | Температура (°С) | Давление (МПа) | Поток массы (кг/с) | Фаза |
| 10 | 20 | 7,65 | 276 | Смесь |
| 20 | -13.8 | 6,64 | 303 | Пар |
| 30 | -41 | 6,49 | 303 | Смесь |
| 40 | -6 | 6,64 | 5 | Жидкость |
| 50 | -40,8 | 6,48 | 269 | Пар |
| 60 | -73 | 6,33 | 269 | Жидкость |
| 70 | -153,5 | 5,78 | 269 | Жидкость |
| 100а | 40 | 1,88 | 1121 | Жидкость |
| Номер потока | Температура (°С) | Давление (МПа) | Поток массы (кг/с) | Фаза |
| 101 | 16,7 | 0,76 | 361 | Пар |
| 102 | 4,7 | 0,54 | 281 | Пар |
| 103 | -2,3 | 0,43 | 251 | Пар |
| 104 | -10,1 | 0,34 | 228 | Пар |
| 200а | -6 | 1,85 | 562 | Жидкость |
| 201 | -8,8 | 0,61 | 285 | Пар |
| 211 | -44.4 | 0,155 | 278 | Пар |
| 301 | -73 | 2,79 | 248 | Смесь |
| 300а | -77 | 0,22 | 248 | Пар |
Специалисту в рассматриваемой области ясно, что настоящее изобретение может быть реализовано различными путями, не выходя при этом за границы объема изобретения, определяемые формулой изобретения.
1. Способ сжижения потока сырья, содержащего газообразный углеводородный поток, такой как природный газ, указанный способ включает в себя, по меньшей мере, следующие этапы:
(а) обеспечивают наличие потока сырья;
(б) осуществляют первое охлаждение потока сырья в одном или нескольких первых теплообменниках с помощью первой охлаждающей среды, циркулирующей в первом охлаждающем контуре, тем самым получают охлажденный поток газа, при этом первая охлаждающая среда содержит более 90 мол.% пропана;
(в) осуществляют второе охлаждение потока охлажденного газа, полученного на этапе (б), до жидкости с помощью первой смешанной охлаждающей среды, циркулирующей в первом контуре для смешанной охлаждающей среды, при этом указанное второе охлаждение осуществляют в двух или более теплообменниках, расположенных последовательно так, чтобы поток охлажденного газа прошел через каждый теплообменник, по меньшей мере, два из которых, второй и третий теплообменник работают при разных давлениях, в результате получают сжиженный поток; и
(г) в четвертом теплообменнике осуществляют переохлаждение сжиженного
потока, полученного на этапе (в), с помощью второй смешанной охлаждающей среды или с помощью азотной охлаждающей среды, циркулирующей в контуре переохлаждения, тем самым получают переохлажденный поток углеводородов;
при этом поток охлажденного газа из второго теплообменника этапа (в) проходит через сепаратор, чтобы получить более легкий поток газа, богатого метаном, и более тяжелый поток жидкости, где более легкий поток газа проходит к третьему теплообменнику.
2. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, два, а предпочтительно все теплообменники, участвующие во втором охлаждении на этапе (в), являются катушечными теплообменниками.
3. Способ по п.1, в котором фракция первой смешанной охлаждающей среды при втором охлаждении на этапе (в) не проходит через все теплообменники, участвующие во втором охлаждении.
4. Способ по п.1, в котором первую смешанную охлаждающую среду разделяют на две или более фракции после прохождения через, по меньшей мере, первый теплообменник второго охлаждения на этапе (в), и, по меньшей мере, одну из указанных фракций расширяют и возвращают в первый теплообменник.
5. Способ по п.1, в котором первая смешанная охлаждающая среда, используемая на этапе (б), содержит более 95 мол.% пропана, предпочтительно более 98 мол.% пропана, более предпочтительно более 99 мол.% пропана.
6. Способ по п.1, в котором первое охлаждение на этапе (б) подразумевает охлаждение, по меньшей мере, в двух первых теплообменниках, предпочтительно в четырех теплообменниках.
7. Способ по п.6, в котором в каждом первом теплообменнике первого охлаждения используют различные значения давления первой охлаждающей среды.
8. Способ по п.1, в котором первая смешанная охлаждающая среда, используемая на этапе (в), содержит более 50 мол.% соединения, выбираемого из группы, содержащей этан и этилен или их смеси, и более 10 мол.% соединения, выбираемого из группы, содержащей пропан и пропилен или их смеси.
9. Способ по п.1, в котором на этапе (г) используют вторую смешанную охлаждающую среду и вторая смешанная охлаждающая среда содержит более 30 мол.% соединения, выбираемого из группы, содержащей этан и этилен или их смеси, и более 30 мол.% метана.
10. Способ по п.1, в котором циркуляция первой смешанной охлаждающей среды на этапе (в) включает в себя сжатие, охлаждение и разделение охлаждающей среды на первую фракцию высокого давления и вторую фракцию низкого давления, первую и вторую фракции испаряют в разных теплообменниках и повторно объединяют первую и вторую испаренные фракции, при этом фракция высокого давления испаряется при более высокой температуре по сравнению с фракцией низкого давления.
11. Способ по п.1, в котором на этапе (г) используют вторую смешанную охлаждающую среду и на этапе (г) циркуляция второй смешанной охлаждающей среды включает в себя сжатие, охлаждение и разделение второй смешанной охлаждающей среды на первую тяжелую фракцию и вторую легкую фракцию, подают первую и вторую фракции в четвертый теплообменник и испаряют первую и вторую фракции при полностью одинаковом давлении или, по существу, одинаковом давлении в различных областях в четвертом теплообменнике и объединяют первую и вторую фракции.
12. Способ по п.1, в котором охлаждающая среда из контура переохлаждения проходит через второе охлаждение на этапе (в) с целью охлаждения второй смешанной охлаждающей среды или азотной охлаждающей среды до этапа (г).
13. Способ по п.1, в котором на этапе (г) используют азотную охлаждающую среду и контур переохлаждения включает в себя теплообменник с однокомпонентной охлаждающей средой, предназначенный для охлаждения азотной охлаждающей среды перед ее использованием для переохлаждения сжиженного потока.
14. Способ по любому из пп.1-13, в котором более тяжелый поток жидкости повторно направляют в сжижающую установку или используют для получения других потоков углеводородов.
15. Устройство, предназначенное для сжижения потока углеводородов, такого как природный газ, из потока сырья, которое, по меньшей мере, содержит:
- первую ступень охлаждения, содержащую один или несколько первых теплообменников, предназначенных для приема потока сырья и получения потока охлажденного газа, первая ступень охлаждения включает в себя первый охлаждающий контур, использующий первую охлаждающую среду для извлечения тепла из потока сырья, при этом первая охлаждающая среда содержит более 90 мол.% пропана;
- вторую ступень охлаждения, содержащую несколько теплообменников, расположенных последовательно и предназначенных для приема потока охлажденного газа из первой ступени охлаждения и для прохождения потока охлажденного газа через каждый теплообменник и для получения сжиженного потока, вторая ступень охлаждения включает в себя второй охлаждающий контур, использующий первую смешанную охлаждающую среду для извлечения тепла из потока охлажденного газа, при этом, по меньшей мере, два теплообменника второй ступени охлаждения, второй и третий теплообменники, приспособлены для работы при различных давлениях; и
- ступень переохлаждения, содержащую один или несколько теплообменников переохлаждения, предназначенных для приема сжиженного потока из второй ступени охлаждения и получения переохлажденного сжиженного потока углеводородного продукта, ступень переохлаждения включает в себя контур переохлаждения, использующий вторую смешанную охлаждающую среду или азотную охлаждающую среду для извлечения тепла из сжиженного потока; и
- сепаратор, приспособленный для приема потока охлажденного газа из второго теплообменника, предусмотренного во второй ступени охлаждения, и получения более легкого потока газа, богатого метаном, и более тяжелого потока жидкости, при этом третий теплообменник, предусмотренный во второй ступени охлаждения, предназначен для приема более легкого потока газа.
16. Устройство по п.15, в котором в контуре переохлаждения используют смешанную охлаждающую среду и этот контур содержит сепаратор, приспособленный для получения первой легкой фракции и второй более тяжелой фракции, которые используются в одном или нескольких теплообменниках переохлаждения.
17. Способ сжижения потока сырья, содержащего газообразный углеводородный поток, такой как природный газ, указанный способ включает в себя, по меньшей мере, следующие этапы:
(а) обеспечивают наличие потока сырья;
(б) осуществляют первое охлаждение потока сырья в одном или нескольких первых теплообменниках с помощью первой охлаждающей среды, циркулирующей в первом охлаждающем контуре, тем самым получают охлажденный поток газа, при этом первая охлаждающая среда содержит более 90 мол.% пропана;
(в) осуществляют второе охлаждение потока охлажденного газа, полученного на этапе (б), до жидкости с помощью первой смешанной охлаждающей среды, циркулирующей в первом контуре для смешанной охлаждающей среды, при этом указанное второе охлаждение осуществляют в двух или более теплообменниках, расположенных последовательно так, чтобы поток охлажденного газа прошел через каждый теплообменник, по меньшей мере, два из которых, второй и третий теплообменник, работают при разных давлениях, в результате получают сжиженный поток; и
(г) в четвертом теплообменнике осуществляют переохлаждение сжиженного потока, полученного на этапе (в), с помощью второй смешанной охлаждающей среды или с помощью азотной охлаждающей среды, циркулирующей в контуре переохлаждения, тем самым получают переохлажденный поток углеводородов;
при этом охлажденный газ между вторым и третьим теплообменниками этапа (в) является потоком промежуточной температуры, который используют для обеспечения обратного потока для очищающей колонны.
