Система и способ сжижения смешанным хладагентом
Избретение относится к способу охлаждения потока углеводородного сырья путем косвенного теплообмена с потоком первого хладагента в теплообменнике охлаждения, включающему: а) сжатие теплого потока первого хладагента низкого давления за одну или более ступеней сжатия, чтобы получить сжатый поток первого хладагента; б) охлаждение сжатого потока первого хладагента в одном или более блоков охлаждения, чтобы получить сжатый охлажденный поток первого хладагента; в) введение сжатого охлажденного потока первого хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара, чтобы получить первый поток пара хладагента и первый поток жидкого хладагента; г) введение первого потока жидкого хладагента в теплообменник охлаждения; д) охлаждение первого потока жидкого хладагента в теплообменнике охлаждения, чтобы получить охлажденный поток жидкого хладагента; е) дросселирование охлажденного потока жидкого хладагента, чтобы получить холодный поток хладагента, введение холодного потока хладагента в теплообменник охлаждения, чтобы обеспечить холодоснабжение, требуемое для охлаждения потока углеводородного сырья, первого потока жидкого хладагента и потока второго хладагента; ж) сжатие первого потока пара хладагента за одну или более ступеней сжатия, чтобы получить сжатый поток пара хладагента; з) охлаждение и конденсация сжатого потока пара хладагента, чтобы получить конденсированный поток хладагента; и) дросселирование конденсированного потока хладагента, чтобы получить дросселированный поток хладагента; к) введение потока второго хладагента в теплообменник охлаждения; л) введение потока углеводородного сырья в теплообменник охлаждения; и м) охлаждение потока углеводородного сырья в теплообменнике охлаждения, чтобы получить охлажденный углеводородный поток; и н) дополнительное охлаждение и сжижение охлажденного углеводородного потока в основном теплообменнике, чтобы получить сжиженный углеводородный поток. Способ дополнительно содержит, перед выполнением этапа г), охлаждение по меньшей мере части первого потока жидкого хладагента путем косвенного теплообмена с по меньшей мере частью дросселированного потока хладагента в первом теплообменнике. Изобретение также касается установки для охлаждения потока углеводородного сырья. Технический результат - эффективные и низкозатратные способ и установка, чтобы устранить двухфазный вход в теплообменник конденсатора теплого смешанного хладагента (ТСХ) и также исключить насос для жидкого ТСХ. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 пр., 7 ил.
[0001] Системы для охлаждения, сжижения и, необязательно, переохлаждения природного газа хорошо известны в данной области техники, такие, как цикл с одноконтурным охлаждением смешанным хладагентом (ОСХ, SMR), охлаждение смешанным хладагентом с предварительным трехуровневым охлаждением пропаном (Ц3СХ, C3MR), цикл с двухконтурным охлаждением смешанным хладагентом (ДСХ, DMR), гибридные циклы с охлаждением азотом (Ц3СХ-Азот, C3MR-Nitrogen), расширительный цикл с азотом или метаном и каскадные циклы. Обычно в таких системах природный газ охлаждают, сжижают и, необязательно, переохлаждают путем косвенного теплообмена с одним или более хладагентов. Можно использовать различные хладагенты, такие как смешанные хладагенты, чистые компоненты, двухфазные хладагенты, хладагенты в газовой фазе и тому подобное. Смешанные хладагенты (СХ), которые являются смесью из азота, метана, этана/этилена, пропана, бутанов и пентанов используют на многих заводах базовой нагрузки по производству сжиженного природного газа (СПГ). Состав потока СХ обычно выбирают, исходя из состава сырьевого газа и условий эксплуатации.
[0002] Хладагент циркулирует в контуре хладагента, который включает один или более теплообменников и систему компрессии хладагента. Контур хладагента может быть замкнутым контуром или открытым контуром. Природный газ охлаждается, сжижается и/или переохлаждается путем косвенного теплообмена в одном или более контуров хладагента путем косвенного теплообмена с хладагентами в теплообменниках.
[0003] Система компрессии хладагента включает последовательность компрессии для сжатия и охлаждения циркулирующего хладагента и узел привода для подачи мощности, необходимой для привода компрессоров. Система компрессии хладагента является решающим компонентом системы сжижения, поскольку хладагент необходимо сжать до высокого давления и охладить перед дросселированием, чтобы получить холодный поток хладагента низкого давления, который обеспечивает тепловую нагрузку, необходимую для охлаждения, сжижения и, в опционно, переохлаждения природного газа.
[0004] На ФИГ. 1 показана система сжижения 100 в типичном способе ДСХ предшествующего уровня техники. Сырьевой поток, которым предпочтительно является природный газ, очищают и высушивают известными способами в секции предварительной обработки (не показана), чтобы удалить воду, кислотные газы, такие как CO2 и H2S, и другие загрязняющие вещества, такие как ртуть, получая в результате предварительно обработанный сырьевой поток 101. Предварительно обработанный сырьевой поток 101, который, практически не содержит воду, предварительно охлаждают в системе предварительного охлаждения 134 с получением предварительно охлажденного потока природного газа 102 и дополнительно охлаждают, сжижают и/или переохлаждают в основном криогенном теплообменнике (ОКТ) 165 с получением потока СПГ 104. Поток СПГ 104 обычно понижают в давлении путем пропускания через клапан или турбину (не показана) и затем направляют в емкость для хранения СПГ (не показана). Любой мгновенно испарившийся пар, образующийся при понижении давления и/или испарившийся в емкости для хранения, можно использовать как топливо на заводе, вернув его в цикл подачи, и/или направить на сжигание.
[0005] Предварительно обработанный сырьевой поток 101 предварительно охлаждают до температуры ниже 10 0С, предпочтительно до примерно 0 0С, и более предпочтительно до примерно минус 30 0С. Предварительно охлажденный поток природного газа 102 сжижают путем охлаждения до температуры в диапазоне от примерно минус 150°C до примерно минус 70 0С, предпочтительно до температуры в диапазоне от примерно минус 145°C до примерно минус 100 0С, и последовательно переохлаждают до температуры в диапазоне от примерно минус 170°C до примерно минус 120 0С, предпочтительно в диапазоне от примерно минус 170°C до примерно минус 140 0С. ОКТ 165, показанный на ФИГ. 1, является спирально-витым теплообменником с двумя трубными пучками, теплым пучком 166 и холодным пучком 167. Однако можно использовать любое количество пучков и любой тип теплообменника.
[0006] Термин «практически не содержит воду» означает, что любая остаточная вода в предварительно охлажденном сырьевом потоке 101 присутствует в концентрации достаточно низкой для предотвращения эксплуатационных проблем, связанных с замораживанием воды в процессе охлаждения и сжижения ниже по потоку. В описанных здесь вариантах воплощения изобретения концентрация воды предпочтительно составляет не более 1,0 мд и более предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 мд до 0,5 мд.
[0007] Предварительно охлажденный хладагент, используемый в способе ДСХ, является смешанным хладагентом (СХ), называемым здесь теплым смешанным хладагентом (ТСХ), и включает компоненты, такие как азот, метан, этан/этилен, пропан, бутаны и другие углеводородные компоненты. Как показано на ФИГ. 1, теплый поток ТСХ низкого давления 110 выводят из нижней части межтрубного пространства теплообменника предварительного охлаждения 160 и сжимают и охлаждают в системе компрессии ТСХ 111, чтобы получить сжатый поток ТСХ 132. Система компрессии ТСХ 111 описана на ФИГ. 2. Сжатый поток ТСХ 132 охлаждают в трубном контуре теплообменника предварительного охлаждения 160, чтобы получить холодный поток, который затем понижают в давлении пропусканием через первое дроссельное устройство ТСХ 137, чтобы получить дросселированный поток ТСХ 135. Затем дросселированный поток ТСХ 135 инжектируют в межтрубное пространство теплообменника предварительного охлаждения 160 и нагревают в противотоке предварительно обработанным сырьевым потоком 101, чтобы получить теплый поток ТСХ низкого давления 110. На ФИГ. 1 показан спирально-витой теплообменник с одним трубным пучком для теплообменника предварительного охлаждения 160, однако можно использовать любое количество трубных пучков и любой тип теплообменника.
[0008] В способе ДСХ сжижение и переохлаждение выполняют путем обмена теплом предварительно охлажденного природного газа в противотоке с потоком второго смешанного хладагента, называемого здесь холодным смешанным хладагентом (ХСХ).
[0009] Теплый поток ХСХ низкого давления 140 выводят из нижней части межтрубного пространства ОКТ 165, пропускают через входной сепаратор (не показан), чтобы отделить любые жидкости, и поток пара сжимают в компрессоре ХСХ 141, чтобы получить сжатый поток ХСХ 142. Теплый поток ХСХ низкого давления 140 обычно выводят при температуре равной или ниже температуры предварительного охлаждения ТСХ и предпочтительно ниже, чем примерно минус 30°C и при давлении меньше, чем 999,7 кПа (10 бар; 145 фунт/кв. дюйм). Сжатый поток ХСХ 142 охлаждают во вторичном охладителе ХСХ 143, чтобы получить сжатый охлажденный поток ХСХ 144. В схеме могут присутствовать дополнительные фазовые сепараторы, компрессоры и вторичные охладители. Процесс сжатия и охлаждения ХСХ после его выхода из нижней части ОКТ 165 обычно называется здесь последовательностью сжатия ХСХ.
[0010] Сжатый охлажденный поток ХСХ 144 затем охлаждают за счет испарения ТСХ в системе предварительного охлаждения 134, чтобы получить предварительно охлажденный поток ХСХ 145, который может быть полностью конденсированным или двухфазным в зависимости от температуры предварительного охлаждения и состава потока ХСХ. На ФИГ. 1 показана схема, где предварительно охлажденный поток ХСХ 145 является двухфазным и его направляют в фазовый сепаратор ХСХ 164, из которого получают поток жидкого ХСХ (ХСХЖ) 147 и поток пара ХСХ (ХСХП) 146, которые направляют обратно в ОКТ 165 для дополнительного охлаждения. Жидкие потоки, выходящие из фазовых сепараторов, называются в этой отрасли СХЖ, а потоки пара, выходящие из фазовых сепараторов, называются в этой отрасли СХП, даже после того, как они будут последовательно сжижены.
[0011] Оба - поток ХСХЖ 147 и поток ХСХП 146 - охлаждают в двух отдельных контурах ОКТ 165. Поток ХСХЖ 147 охлаждают и частично сжижают в теплом трубном пучке ОКТ 165 с получением холодного потока, который понижают в давлении пропусканием через дроссельное устройство ХСХЖ 149, чтобы получить дросселированный поток ХСХЖ 148, который направляют обратно в межтрубное пространство ОКТ 165, чтобы обеспечить холодоснабжение, требуемое в теплом трубном пучке 166. Поток ХСХП 146 охлаждают в первом и втором трубных пучках ОКТ 165, и понижают в давлении, пропуская через дроссельное устройство ХСХП 151, чтобы получить дросселированный поток ХСХП 150, который вводят в ОКТ 165, чтобы обеспечить холодоснабжение, требуемое в холодном пучке 167 и теплом пучке 166.
[0012] ОКТ 165 и теплообменник предварительного охлаждения 160 может быть любым теплообменником, подходящим для охлаждения и сжижения природного газа, таким как спирально-витой теплообменник, пластинчатый и ребристый теплообменник или кожухотрубный теплообменник. Спирально-витые теплообменники являются современными теплообменниками для сжижения природного газа и включают по меньшей мере один трубный пучок, содержащий множество спирально намотанных труб для процесса протекания потоков теплого хладагента, и межтрубное пространство для протекания потока холодного хладагента.
[0013] На ФИГ. 2 показана подробно система компрессии ТСХ 211. Любую жидкость, присутствующую в теплом потоке ТСХ низкого давления 210, удаляют путем пропускания через фазовый сепаратор (не показан), а поток пара из фазового сепаратора сжимают в компрессоре ТСХ низкого давления 212, чтобы получить поток ТСХ среднего давления 213, который затем охлаждают во вторичном охладителе ТСХ низкого давления 214, чтобы получить охлажденный поток ТСХ среднего давления 215. Вторичный охладитель ТСХ низкого давления 214 может дополнительно включать несколько теплообменников, таких как пароохладитель и конденсатор. Охлажденный поток ТСХ среднего давления 215 может быть двухфазным и его направляют в фазовый сепаратор ТСХ 216, чтобы получить поток пара ТСХ (ТСХП) 217 и поток жидкого ТСХ (ТСХЖ) 218. Поток ТСХП 217 сжимают в компрессоре ТСХ высокого давления 221, чтобы получить поток ТСХ высокого давления 222, и охлаждают в пароохладителе ТСХ высокого давления 223, чтобы получить поток охлажденного перегретого ТСХ высокого давления 224. Поток ТСХЖ 218 подкачивают насосом, чтобы получить нагнетаемый поток ТСХЖ 220 при давлении, сопоставимом с давлением потока охлажденного перегретого ТСХ высокого давления 224. Нагнетаемый поток ТСХЖ 220 и поток охлажденного перегретого ТСХ высокого давления 224 смешивают, чтобы получить смешанный поток ТСХ высокого давления 225, который охлаждают в конденсаторе ТСХ высокого давления 226, чтобы получить сжатый поток ТСХ 232. Смешанный поток ТСХ высокого давления 225 является двухфазным, доля пара составляет примерно 0,5.
[0014] Конденсатор высокого давления ТСХ 226 может быть пластинчатым и ребристым теплообменником или паяным алюминиевым теплообменником и должен иметь такую конструкцию, чтобы обрабатывать двухфазный входной поток. Одна из проблем при этом заключается в том, что жидкая и паровая фазы будут распределяться неравномерно в конденсаторе высокого давления ТСХ 226. В результате, сжатый поток ТСХ 232, вероятно, будет сконденсирован не полностью, что в свою очередь подразумевает снижение эффективности процесса для этапов предварительного охлаждения и сжижения. Кроме того, теплообменник с двумя входами может вызывать эксплуатационные проблемы.
[0015] Один из подходов к решению этих проблем заключается в том, чтобы компенсировать неравномерное распределение жидкости и пара в конструкции конденсатора ТСХ высокого давления 226 и сделать его значительно больше по размеру, чем в случае, где неравномерное распределение отсутствует, так чтобы сжатый поток ТСХ 232 был полностью сконденсирован. Однако существуют два недостатка, связанные с этим способом. Во-первых, поскольку степень неравномерного распределения в конденсаторе непредсказуема, этот способ является несколько произвольным и может привести к тому, что в сжатом потоке ТСХ 232 доля пара не будет равна нулю. Во-вторых, этот способ приводит к увеличению капитальных затрат и площади рабочего участка, что нежелательно.
[0016] Другое решение этой проблемы состоит в том, чтобы охладить поток ТСХЖ 218 и сжатый поток ТСХ 232 в отдельных трубных контурах теплообменника предварительного охлаждения 260 до примерно такой же температуры предварительного охлаждения. Каждый охлажденный поток должен быть понижен в давлении, пропусканием через отдельные дроссельные устройства (аналогичные первому дроссельному устройству для ТСХ 237) и направлен как хладагент межтрубного пространства в теплообменник предварительного охлаждения 260. Альтернативно, оба охлажденных потока могут быть объединены и понижены в давлении в общем дроссельном устройстве. Этот подход исключает проблему двухфазного входа в конденсатор ТСХ высокого давления 226, однако он снижает общую эффективность процесса сжижения, в некоторых случаях эффективность на 4% ниже эффективности на ФИГ. 2. Кроме того, это решение подразумевает дополнительный трубный контур в спирально-витом теплообменнике или дополнительные каналы в пластинчатом и ребристом теплообменнике, что предполагает повышенные капитальные затраты.
[0017] Другое решение включает полную конденсацию охлажденного перегретого потока ТСХ высокого давления 224 перед смешением его с нагнетаемым потоком ТСХЖ 220. Этот способ дополнительно включает охлаждение смешанных потоков в трубном контуре теплообменника предварительного охлаждения 260. Однако этот способ имеет те же недостатки, что описаны для предыдущего решения с отдельными трубными контурами.
[0018] Дополнительное решение включает разделение теплообменника предварительного охлаждения 260 на две секции, теплую секцию и холодную секцию. В случае спирально-витого теплообменника теплая и холодная секции могут быть отдельными трубными пучками внутри теплообменника предварительного охлаждения 260. Поток ТСХЖ 218 охлаждают в отдельном трубном контуре в теплой секции теплообменника предварительного охлаждения 260, снижая давление пропусканием через дроссельное устройство, и возвращают как хладагент межтрубного пространства, чтобы обеспечить холодоснабжение теплой секции. Сжатый поток ТСХ 232 охлаждают в отдельном трубном контуре в теплой и холодной секциях теплообменника предварительного охлаждения 260, снижают давление пропусканием через дроссельное устройство, и возвращают как хладагент межтрубного пространства, чтобы обеспечить холодоснабжение теплой и холодной секций. Эта компоновка исключает проблемы двухфазного входа, а также улучшает общую эффективность процесса сжижения по сравнению с ФИГ. 2. Однако происходит значительное повышение капитальных затрат, обусловленное разделением теплообменника предварительного охлаждения на несколько секций, что часто нежелательно.
[0019] Желательно надежное и эффективное решение, которое исключает двухфазный вход в конденсатор и в то же время не увеличивает значительно капитальные затраты предприятия. Данное изобретение предлагает новые конфигурации ТСХ, которые устраняют двухфазный вход в конденсатор ТСХ высокого давления 226, а также исключает насос ТСХ 268, тем самым уменьшая капитальные затраты и улучшая производительность и компоновку системы ДСХ. Изобретения могут также применяться для любых способов охлаждения, сжижения или переохлаждения с использованием многокомпонентных хладагентов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Аспект 1: Способ охлаждения потока углеводородного сырья путем косвенного теплообмена с потоком первого хладагента в теплообменнике охлаждения, при этом способ включает:
а) сжатие теплого потока первого хладагента низкого давления за одну или более ступеней сжатия, чтобы получить сжатый поток первого хладагента;
б) охлаждение сжатого потока первого хладагента в одном или более блоков охлаждения, чтобы получить сжатый охлажденный поток первого хладагента;
в) введение сжатого охлажденного потока первого хладагента в первое устройство разделения пара и жидкости, чтобы получить первый поток пара хладагента и первый поток жидкого хладагента;
г) введение первого потока жидкого хладагента в теплообменник охлаждения;
д) охлаждение первого потока жидкого хладагента в теплообменнике охлаждения, чтобы получить охлажденный поток жидкого хладагента;
е) дросселирование охлажденного потока жидкого хладагента, чтобы получить холодный поток хладагента, введение холодного потока хладагента в теплообменник охлаждения, чтобы обеспечить тепловую нагрузку, требуемую для охлаждения потока углеводородного сырья, первого потока жидкого хладагента и потока второго хладагента;
ж) сжатие первого потока пара хладагента за одну или более ступеней сжатия, чтобы получить сжатый поток пара хладагента;
з) охлаждение и конденсация сжатого потока пара хладагента, чтобы получить конденсированный поток хладагента;
и) дросселирование конденсированного потока хладагента, чтобы получить дросселированный поток хладагента;
к) введение дросселированного потока хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара;
л) введение потока второго хладагента в теплообменник охлаждения;
м) введение потока углеводородного сырья в теплообменник охлаждения; и
н) охлаждение потока углеводородного сырья в теплообменнике охлаждения, чтобы получить охлажденный углеводородный поток; и дополнительное охлаждение и сжижение охлажденного углеводородного потока в основном теплообменнике, чтобы получить сжиженный углеводородный поток.
[0021] Аспект 2: Способ по Аспекту 1, в котором этап (и) включает введение дросселированного потока хладагента в первое устройство разделения пара и жидкости путем смешения дросселированного потока хладагента со сжатым охлажденным потоком первого хладагента выше по потоку от первого устройства разделения жидкости и пара.
[0022] Аспект 3: Способ по любому из Аспектов 1-2, в котором единственным первым потоком хладагента, который подлежит охлаждению в теплообменнике охлаждения, является первый поток жидкого хладагента.
[0023] Аспект 4: Способ по любому из Аспектов 1-3, в котором:
этап (д) дополнительно включает охлаждение первого потока жидкого хладагента в теплообменнике охлаждения путем пропускания первого потока хладагента через первый трубный контур теплообменника охлаждения, при этом теплообменником охлаждения является спирально-витой теплообменник;
этап (н) дополнительно включает охлаждение потока углеводородного сырья в теплообменнике охлаждения путем пропускания потока углеводородного сырья через второй трубный контур теплообменника охлаждения; и
этап (е) дополнительно включает введение холодного потока хладагента в межтрубное пространство теплообменника охлаждения.
[0024] Аспект 5: Способ по любому из Аспектов 1-4, дополнительно включающий:
о) охлаждение потока второго хладагента в теплообменнике охлаждения, чтобы получить охлажденный поток второго хладагента;
п) дополнительное охлаждение охлажденного потока второго хладагента в основном теплообменнике, чтобы получить дополнительно охлажденный поток второго хладагента;
р) дросселирование дополнительно охлажденного потока второго хладагента, чтобы получить дросселированный поток второго хладагента;
с) возвращение дросселированного потока второго хладагента в основной теплообменник; и
т) дополнительное охлаждение и конденсация охлажденного углеводородного потока путем косвенного теплообмена с дросселированным потоком второго хладагента в основном теплообменнике, чтобы получить сжиженный углеводородный поток.
[0025] Аспект 6: Способ по любому из Аспектов 1-5, дополнительно включающий, перед выполнением этапа (г), охлаждение, по меньшей мере, части первого потока жидкого хладагента путем косвенного теплообмена, по меньшей мере, с частью дросселированного потока хладагента в первом теплообменнике.
[0026] Аспект 7: Способ по Аспекту 6, дополнительно включающий охлаждение, по меньшей мере, части потока углеводородного сырья в первом теплообменнике перед выполнением этапа (м).
[0027] Аспект 8: Способ по любому из Аспектов 6-7, дополнительно включающий охлаждение, по меньшей мере, части потока второго хладагента в первом теплообменнике перед выполнением этапа (л).
[0028] Аспект 9: Способ по любому из Аспектов 1-8, дополнительно включающий:
л) введение дросселированного потока хладагента во второе устройство разделения пара и жидкости, чтобы получить второй поток пара хладагента и второй поток жидкого хладагента;
м) введение второго потока пара хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара;
н) охлаждение первого потока жидкого хладагента путем косвенного теплообмена со вторым потоком жидкого хладагента в первом теплообменнике перед тем, как охладить первый поток жидкого хладагента в теплообменнике охлаждения на этапе (г); и
о) после выполнения этапа (н), введение второго потока жидкого хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара.
[0029] Аспект 10: Способ по Аспекту 9, в котором второй поток пара хладагента и второй поток жидкого хладагента смешивают со сжатым охлажденным потоком первого хладагента из этапа (б) вверх по потоку от первого устройства разделения жидкости и пара перед введением второго потока пара хладагента и второго потока жидкого хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара.
[0030] Аспект 11: Способ по любому из Аспектов 1-10, в котором этап (в) включает введение сжатого охлажденного потока первого хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара, включающее колонну смешения, чтобы получить первый поток пара хладагента и первый поток жидкого хладагента.
[0031] Аспект 12: Способ по Аспекту 11, в котором сжатый охлажденный поток первого хладагента вводят в колонну смешения на или выше верхней ступени колонны смешения и дросселированный поток первого хладагента вводят в колонну смешения на или ниже нижней ступени колонны смешения.
[0032] Аспект 13: Способ по любому из Аспектов 1-12, в котором поток углеводородного сырья является природным газом.
[0033] Аспект 14: Способ по любому из Аспектов 1-12, в котором конденсированный поток хладагента является полностью конденсированным.
[0034] Аспект 15: Способ по любому из Аспектов 1-14, в котором этапы a) и в) дополнительно включают:
a) сжатие теплого потока первого хладагента низкого давления за одну или более ступеней сжатия, чтобы получить сжатый поток первого хладагента, где теплый поток первого хладагента низкого давления имеет первый состав;
в) введение сжатого охлажденного потока первого хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара, чтобы получить первый поток пара хладагента и первый поток жидкого хладагента, где первый поток пара хладагента имеет второй состав, при этом второй состав имеет более высокий процент (на мольной основе) компонентов легче, чем этан, по сравнению с первым составом.
[0035] Аспект 16: Способ по любому из Аспектов 1-15, в котором этап a) дополнительно включает:
a) сжатие теплого потока первого хладагента низкого давления за одну или более ступеней сжатия, чтобы получить сжатый поток первого хладагента, где теплый поток первого хладагента низкого давления имеет первый состав, состоящий из менее чем 10% компонентов легче, чем этан.
[0036] Аспект 17: Способ по любому из Аспектов 1-16, в котором этап в) дополнительно включает:
в) введение сжатого охлажденного потока первого хладагента в первое устройство разделения жидкости и пара, чтобы получить первый поток пара хладагента и первый поток жидкого хладагента, где первый поток пара хладагента имеет второй состав, состоящий из менее чем 20% компонентов легче, чем этан.
[0037] Аспект 18: Установка для охлаждения потока углеводородного сырья, включающая:
теплообменник охлаждения, включающий первый контур углеводородного сырья, контур первого хладагента, контур второго хладагента, вход контура первого хладагента, расположенный на верхнем по ходу потока конце контура первого хладагента, первое устройство понижения давления, расположенное на нижнем по ходу потока конце контура первого хладагента, и канал дросселированного первого хладагента, находящийся ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с устройством понижения давления, теплообменник охлаждения, эксплуатационно сконфигурированный для охлаждения путем косвенного теплообмена в противотоке холодным потоком хладагента потока углеводородного сырья при прохождении его через первый контур углеводородного сырья, с получением, таким образом, предварительно охлажденного потока углеводородного сырья, первый хладагент, протекающий через контур первого хладагента, и второй хладагент, протекающий через контур второго хладагента, и
система компрессии, включающая:
канал теплого первого хладагента низкого давления, находящийся в сообщении по потоку текучей среды с нижним концом теплообменника охлаждения и первым компрессором;
первый вторичный охладитель, находящийся в сообщении по потоку текучей среды с и ниже по потоку от первого компрессора;
первое устройство разделения жидкости и пара, имеющее первый вход в сообщении по потоку текучей среды с и ниже по потоку от первого вторичного охладителя, первый выход для пара, расположенный в верхней половине первого устройства разделения жидкости и пара, первый выход для жидкости, расположенный в нижней половине первого устройства разделения жидкости и пара, первый выход для жидкости выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды со входом в контур первого хладагента;
второй компрессор ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым выходом пара;
конденсатор ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды со вторым компрессором; и
второе устройство понижения давления ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с конденсатором, второе устройство понижения давления выше по потоку с и в сообщении по потоку текучей среды с первым устройством разделения жидкости и пара, так что вся текучая среда, которая проходит через второе устройство понижения давления, проходит через первое устройство разделения жидкости и пара перед тем, как поступить в теплообменник охлаждения.
[0038] Аспект 19: Установка по Аспекту 18, дополнительно включающая:
основной теплообменник, имеющий второй углеводородный контур, расположенный ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым углеводородным контуром теплообменника охлаждения, основной теплообменник, эксплуатационно сконфигурированный с возможностью, по меньшей мере, частично сжижать предварительно охлажденный поток углеводородного сырья путем косвенного теплообмена в противотоке со вторым хладагентом.
[0039] Аспект 20: Установка по любому из Аспектов 18-19, дополнительно включающая:
первый теплообменник, имеющий первый контур теплообмена, эксплуатационно сконфигурированный с возможностью обеспечивать косвенный теплообмен в противотоке со вторым контуром теплообмена, первый контур теплообмена расположенный ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды со вторым устройством понижения давления, и второй контур теплообмена, расположенный ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым выходом для жидкости первого устройства разделения жидкости и пара.
[0040] Аспект 21: Установка по любому из Аспектов 18-20, дополнительно включающая:
второе устройство разделения жидкости и пара, имеющее третий вход, находящийся в сообщении по потоку текучей среды с и ниже по потоку от второго устройства понижения давления, второй выход для пара, расположенный в верхней половине второго устройства разделения жидкости и пара, второй выход для жидкости, расположенный в нижней половине второго устройства разделения жидкости и пара, первый выход для жидкости, находящийся выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым контуром теплообмена первого теплообменника.
[0041] Аспект 22: Установка по любому из Аспектов 18-21, в которой первый теплообменник дополнительно включает третий контур теплообмена и четвертый контур теплообмена, третий контур теплообмена находится выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым контуром охлаждения, четвертый контур теплообмена находится выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым контуром углеводородного сырья, первый теплообменник эксплуатационно сконфигурирован с возможностью охлаждать текучие среды, проходящие через второй контур теплообмена, третий контур теплообмена и четвертый контур теплообмена в противотоке с первым контуром теплообмена.
[0042] Аспект 23: Установка по любому из Аспектов 18-22, в которой первое устройство разделения жидкости и пара является колонной смешения.
[0043] Аспект 24: Установка по Аспекту 23, в которой первый вход первого устройства разделения жидкости и пара находится на верхней ступени колонны смешения и второй вход устройства разделения жидкости и пара находится на нижней ступени колонны смешения.
[0044] Аспект 25: Установка по любому из Аспектов 18-24, в которой теплообменник охлаждения является спирально-витым теплообменником.
[0045] Аспект 26: Установка по любому из Аспектов 18-25, дополнительно включающая пароохладитель ниже по потоку и в сообщении по потоку текучей среды со вторым компрессором и выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с конденсатором.
[0046] Аспект 27: Установка по любому из Аспектов 18-26, в которой первый хладагент состоит из первого смешанного хладагента.
[0047] Аспект 28: Установка по любому из Аспектов 18-27, в которой второй хладагент имеет состав, отличный от состава первого смешанного хладагента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0048] ФИГ. 1 является схематической технологической схемой системы ДСХ в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0049] ФИГ. 2 является схематической технологической схемой системы предварительного охлаждения системы ДСХ в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0050] ФИГ. 3 является схематической технологической схемой системы предварительного охлаждения системы ДСХ в соответствии с первым примерным вариантом воплощения изобретения;
[0051] ФИГ. 4 является схематической технологической схемой системы предварительного охлаждения системы ДСХ в соответствии со вторым примерным вариантом воплощения изобретения;
[0052] ФИГ. 5 является схематической технологической схемой системы предварительного охлаждения системы ДСХ в соответствии с третьим примерным вариантом воплощения изобретения;
[0053] ФИГ. 6 является схематической технологической схемой системы предварительного охлаждения системы ДСХ в соответствии с четвертым примерным вариантом воплощения изобретения; и
[0054] ФИГ. 7 является схематической технологической схемой системы предварительного охлаждения системы ДСХ в соответствии с пятым примерным вариантом воплощения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0055] В последующем подробном описании представлены только предпочтительные примерные варианты воплощения изобретения, и они не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации заявленного изобретения. Скорее, последующее подробное описание предпочтительных примерных вариантов воплощения изобретения предоставит специалистам в данной области техники описание для реализации предпочтительных примерных вариантов воплощения заявленного изобретения. Различные изменения могут быть внесены в функцию и расположение элементов без отклонения от сущности и объема заявленного изобретения.
[0056] Номера позиций, которые вводятся в описание в сочетании с чертежом на фигуре могут повторяться в одной или более последующих фигур без дополнительного указания в описании, чтобы обеспечить контекст для других характеристик.
[0057] Термин «сообщение по потоку текучей среды», используемый в описании и формуле изобретения, относится к характеру связи между двумя или более компонентами, что позволяет транспортировать жидкости, пары и/или двухфазные смеси между компонентами контролируемым образом (то есть без утечки) прямо или косвенно. Попарное соединение двух или более компонентов, таких, что они находятся в сообщении по потоку текучей среды друг с другом, может включать любой подходящий способ, известный в данной области техники, например, с использованием сварных швов, фланцевых трубопроводов, прокладок и болтов. Два или более компонентов также могут быть попарно соединены друг с другом с помощью других компонентов системы, которые могут разделять их, например, клапанов, вентилей или других устройств, которые могут выборочно ограничить или направить поток текучей среды.
[0058] Термин «канал», используемый в описании и формуле изобретения, относится к одной или более структур, через которые текучие среды можно транспортировать между двумя или более компонентами системы. Например, каналы могут включать трубопроводы, воздуховоды, проходы и их комбинации, посредством которых транспортируют жидкости, пары и/или газы.
[0059] Термин «природный газ», используемый в описании и формуле изобретения, означает углеводородную газовую смесь, состоящую в основном из метана.
[0060] Термины «углеводородный газ» или «углеводородная текучая среда», используемые в описании и формуле изобретения, означают газ/текучую среду, содержащий, по меньшей мере, один углеводород, который составляет, по меньшей мере, 80%, а более предпочтительно, по меньшей мере, 90% от общего состава газа/текучей среды.
[0061] Термин «смешанный хладагент» (сокращенно «СХ»), используемый в описании и формуле изобретения, означает текучую среду, содержащую, по меньшей мере, два углеводорода, составляющие, по меньшей мере, 80% от общего состава хладагента.
[0062] Термин «тяжелый смешанный хладагент», используемый в описании и формуле изобретения, означает СХ, в котором углеводороды, по меньшей мере, такие тяжелые как этан, составляют, по меньшей мере, 80% от общего состава СХ. Предпочтительно, углеводороды, по меньшей мере, такие тяжелые как бутан, составляют, по меньшей мере, 10% от общего состава смешанного хладагента.
[0063] Термины «пучок» и «трубный пучок» используются взаимозаменяемо в этой заявке и являются синонимами.
[0064] Термин «текучая среда при окружающей среде», используемый в описании и формуле изобретения, означает текучую среду, которую подают в систему при или около давлении и температуре окружающей среды.
[0065] В формуле изобретения буквы используются для идентификации заявленных этапов (например, (a), (б) и (в)). Эти буквы используются для удобства обращения к этапам способа и не предназначены для указания порядка, в котором выполняются заявленные этапы, если не указано иное и только в той степени, в которой такой порядок конкретно изложен в формуле изобретения.
[0066] Термины, указывающие направления, могут быть использованы в описании и формуле изобретения для описания частей настоящего изобретения (например, вверху, внизу, слева, справа и тому подобное). Эти термины направления предназначены только для оказания помощи в описании примерных вариантов воплощения изобретения и не предназначены для ограничения объема заявленного изобретения. Используемый в данном описании термин «выше по потоку» означает в направлении, противоположном направлению потока текучей среды в канале, считая от точки отсчета при нормальной работе описываемой системы. Аналогичным образом, термин «ниже по потоку» означает в направлении, которое совпадает с направлением потока текучей среды в канале, считая от точки отсчета при нормальной работе описываемой системы.
[0067] Термины, используемые в описании и формуле изобретения, такие как «очень высокий», «высокий», «средний» и «низкий», предназначены для выражения относительных значений свойства элементов, с которыми эти термины используются. Например, поток очень высокого давления предназначен для обозначения потока, имеющего более высокое давление, чем соответствующий поток высокого давления или поток среднего давления или поток низкого давления, приведенные в описании или формуле изобретения в этой заявке. Аналогично, поток высокого давления предназначен для обозначения потока, имеющего более высокое давление, чем соответствующий поток среднего давления или поток низкого давления, приведенные в описании или формуле изобретения, но ниже чем соответствующий поток очень высокого давления, приведенный в описании или формуле изобретения этой заявки. Аналогично, поток среднего давления предназначен для обозначения потока, имеющего более высокое давление, чем соответствующий поток низкого давления, приведенный в описании или формуле изобретения, но ниже, чем соответствующий поток высокого давления, приведенный в описании или формуле изобретения этой заявки.
[0068] Если не указано иное, то любой и все проценты, определенные в описании, на чертежах и в формуле изобретения следует понимать как массовую процентную концентрацию. Если не указано иное, то любое и все давления, определенные в описании, на чертежах и в формуле изобретения, следует понимать, как среднее абсолютное давление.
[0069] Используемый здесь термин «криоген» или «криогенная текучая среда» означает жидкость, газ или текучая среда смешанной фазы с температурой ниже, чем минус 70 0С. Примеры криогенов включают жидкий азот (ЖА), сжиженный природный газ (СПГ), жидкий гелий, жидкий диоксид углерода и криогены смешанной фазы под давлением (например, смесь ЖА и газообразного азота). Используемый здесь термин «криогенная температура» означает температуру ниже минус 70 0С.
[0070] Если не указано иное, то введение потока в определенном месте означает введение по существу всего указанного потока в этом месте. Следует понимать, что все потоки, обсуждаемые в описании и показанные на чертежах (как правило, обозначены линией со стрелкой, показывающей общее направление потока текучей среды во время нормальной работы), должны находиться в соответствующем канале. Следует понимать, что каждый канал имеет, по меньшей мере, один вход и, по меньшей мере, один выход. Кроме того, следует понимать, что каждая часть оборудования имеет, по меньшей мере, один вход и, по меньшей мере, один выход.
[0071] На Фиг. 3 показан первый вариант воплощения изобретения. Любую жидкость в теплом потоке ТСХ низкого давления 310 удаляют путем пропускания через фазовый сепаратор (не показан) и поток пара из фазового сепаратора сжимают в компрессоре ТСХ низкого давления 312, чтобы получить поток ТСХ среднего давления 313, который охлаждают во вторичном охладителе ТСХ низкого давления 314, чтобы получить охлажденный поток ТСХ среднего давления 315. Вторичный охладитель ТСХ низкого давления 314 может дополнительно включать несколько теплообменников, таких как пароохладитель и конденсатор. Охлажденный поток ТСХ среднего давления 315 может быть двухфазным и его направляют в фазовый сепаратор ТСХ 316, чтобы получить поток ТСХП 317 и поток ТСХЖ 318. Поток ТСХЖ 318 дополнительно охлаждают в трубном контуре теплообменника предварительного охлаждения 360, чтобы получить дополнительно охлажденный поток ТСХЖ 319, который понижают в давлении посредством первого дроссельного устройства ТСХ 337, чтобы получить дросселированный поток ТСХ 335, который затем возвращают в теплообменник предварительного охлаждения 360, как хладагент межтрубного пространства. Предварительно обработанный сырьевой поток 301 предварительно охлаждают в теплообменнике предварительного охлаждения 360, чтобы получить предварительно охлажденный поток природного газа 302.
[0072] Поток ТСХП 317 сжимают в компрессоре ТСХ высокого давления 321, чтобы получить поток ТСХП высокого давления 322, который охлаждают в пароохладителе ТСХ высокого давления 323, чтобы получить охлажденный поток СХП высокого давления 324, который дополнительно охлаждают и конденсируют в конденсаторе ТСХ высокого давления 326, чтобы получить конденсированный поток ТСХ высокого давления 327, который, по меньшей мере, частично, и предпочтительно полностью конденсированный. Поскольку теплый поток ТСХ низкого давления 310 используют для предварительного охлаждения потока природного газа, он имеет низкую концентрацию легких компонентов, таких как азот и метан, и преимущественно содержит этан и более тяжелые компоненты. Теплый поток ТСХ низкого давления 310 может содержать меньше, чем 10% компонентов легче, чем этан, предпочтительно меньше, чем 5% компонентов легче, чем этан и более предпочтительно, меньше, чем 2% компонентов легче, чем этан. Легкие компоненты накапливаются в потоке ТСХП 317, который может содержать меньше, чем 20% компонентов, легче, чем этан, предпочтительно, меньше, чем 15% компонентов легче, чем этан и более предпочтительно, меньше, чем 10% компонентов легче, чем этан. Поэтому возможно полностью сконденсировать поток ТСХП 317, чтобы получить полностью конденсированный поток ТСХ высокого давления 327 без необходимости сжимать его до очень высокого давления. Поток ТСХП высокого давления 322 может находиться при давлении в диапазоне от 3,1 МПа (450 фунт/кв. дюйм; 31 бар) до 4,8 МПа (700 фунт/кв. дюйм; 48 бар), и предпочтительно в диапазоне от 3,4 МПа (500 фунт/кв. дюйм; 34 бар) до 4,5 МПа (650 фунт/кв. дюйм; 45 бар). Если теплообменник предварительного охлаждения 360 является теплообменником для сжижения, который используют для полного сжижения природного газа, то теплый поток ТСХ низкого давления 310 будет иметь более высокую концентрацию азота и метана и, следовательно, давление потока ТСХП высокого давления 322 должно быть выше, чтобы конденсированный поток ТСХ высокого давления 327 был полностью конденсирован. Поскольку может оказаться, что этого достичь невозможно, то конденсированный поток ТСХ высокого давления 327 не будет полностью конденсирован и будет содержать значительную концентрацию пара, который возможно придется сжижать отдельно.
[0073] Конденсированный поток ТСХ высокого давления 327 понижают в давлении во втором дроссельном устройстве ТСХ 328, чтобы получить дросселированный поток ТСХ высокого давления 329 примерно при таком же давлении, что и охлажденный поток ТСХ среднего давления 315, который может находиться при давлении в диапазоне от 1,4 МПА (200 фунт/кв. дюйм; 14 бар) до 2,8 МПа (400 фунт/кв. дюйм; 28 бар), и предпочтительно в диапазоне от, 2,1 МПа (300 фунт/кв. дюйм; 21 бар) до 2,4 МПа (350 фунт/кв. дюйм; 24 бар). Температура дросселированного потока ТСХ высокого давления 329 может быть в диапазоне от минус 10°C до 20°C и предпочтительно в диапазоне от минус 5°C до 5 0С. Дросселированный поток ТСХ высокого давления 329 может иметь долю пара в диапазоне 0,1-0,6 и предпочтительно в диапазоне 0,2-0,4. Параметры указанных потоков могут меняться в зависимости от температуры внешней среды и рабочих условий. Дросселированный поток ТСХ высокого давления 329 возвращают в фазовый сепаратор ТСХ 316.
[0074] Альтернативно, дросселированный поток ТСХ высокого давления 329 может быть возвращен в место выше по потоку от фазового сепаратора ТСХ 316 (показано пунктирной линией 329a на ФИГ. 3), например, путем смешения с охлажденным потоком ТСХ среднего давления 315. Первое дроссельное устройство ТСХ 337 и второе дроссельное устройство ТСХ 328 могут быть гидравлической турбиной, клапаном Джоуля-Томсона (J-T), или любым другим подходящим дроссельным устройством, известным в этой области техники.
[0075] Преимущество варианта воплощения изобретения, показанного на ФИГ. 3 по сравнению с предшествующим уровнем техники, заключается в том, что конденсатор ТСХ высокого давления 326 необходимо конструировать только для входа паровой фазы. Это помогает устранить любые проблемы проектирования и смягчить возможные проблемы распределения пара и жидкости в конденсаторе. Кроме того, конфигурация, показанная на ФИГ. 3, исключает насос ТСХ 268, показанный на ФИГ. 2 предшествующего уровня техники и, тем самым уменьшает капитальные затраты, количество оборудования и площадь установки СПГ.
[0076] Альтернатива схеме на ФИГ. 3 включает использование эжектора/эдуктора, в котором охлажденный поток ТСХ среднего давления 315 и конденсированный поток ТСХ высокого давления 327 направляют в эдуктор для получения двухфазного потока, который направляют в фазовый сепаратор ТСХ 316.
[0077] На ФИГ. 4 показан предпочтительный вариант воплощения изобретения. В соответствии с ФИГ. 4 любую жидкость в теплом потоке ТСХ низкого давления 410 удаляют путем пропускания через фазовый сепаратор (не показан) и поток пара из фазового сепаратора сжимают в компрессоре ТСХ низкого давления 412, чтобы получить поток ТСХ среднего давления 413, который охлаждают во вторичном охладителе ТСХ низкого давления 414, чтобы получить охлажденный поток ТСХ среднего давления 415. Вторичный охладитель ТСХ низкого давления 414 может дополнительно включать несколько теплообменников, таких как пароохладитель и конденсатор. Охлажденный поток ТСХ среднего давления 415 может быть двухфазным и его направляют в фазовый сепаратор ТСХ 416, чтобы получить поток ТСХП 417 и поток ТСХЖ 418.
[0078] Поток ТСХП 417 сжимают в компрессоре ТСХ высокого давления 421, чтобы получить поток ТСХП высокого давления 422, который охлаждают в пароохладителе ТСХ высокого давления 423, чтобы получить охлажденный поток СХП высокого давления 424, который дополнительно охлаждают и конденсируют в конденсаторе ТСХ высокого давления 426, чтобы получить конденсированный поток ТСХ высокого давления 427. Конденсированный поток ТСХ высокого давления 427 понижают в давлении во втором дроссельном устройстве ТСХ 428, чтобы получить дросселированный поток ТСХ высокого давления 429. Дросселированный поток ТСХ высокого давления 429 нагревают в теплообменнике ТСХ 430, чтобы получить теплый дросселированный поток ТСХ высокого давления 431, который возвращают в фазовый сепаратор ТСХ 416. Второе дросселированное устройство ТСХ 428 настроено таким образом, что давление теплого дросселированного потока ТСХ высокого давления 431 примерно равно давлению охлажденного потока ТСХ среднего давления 415.
[0079] Поток ТСХЖ 418 охлаждают в теплообменнике ТСХ 430 в противотоке дросселированным потоком ТСХ высокого давления 429, чтобы получить охлажденный поток ТСХЖ 433. Теплый дросселированный поток ТСХ высокого давления 431 может иметь температуру в диапазоне от минус 20°C до 15°C и предпочтительно в диапазоне от минус 10°C до 0 0С. Температура указанного потока меняется в зависимости от температуры окружающей среды и рабочих условий.
[0080] Охлажденный поток ТСХЖ 433 дополнительно охлаждают в трубном контуре теплообменника предварительного охлаждения 460, чтобы получить дополнительно охлажденный поток ТСХЖ 319, который понижают в давлении посредством первого дроссельного устройства ТСХ 437, чтобы получить дросселированный поток ТСХ 435, который затем возвращают в теплообменник предварительного охлаждения 460 как хладагент межтрубного пространства.
[0081] Теплообменник ТСХ 430 может быть пластинчатым и ребристым, паяным алюминиевым, спирально-витым или любым другим теплообменником подходящего типа, известным в этой отрасли. Теплообменник ТСХ 430 также может включать несколько теплообменников, установленных последовательно или параллельно.
[0082] Вариант воплощения изобретения, показанный на ФИГ. 4, сохраняет все преимущества ФИГ. 3 в сравнении с предшествующим уровнем техники. Кроме того, этот вариант воплощения изобретения повышает эффективность процесса, показанного на ФИГ. 3, примерно на 2%, таким образом, снижая количество энергии, требуемой для производства такого же количества СПГ. Наблюдаемое повышение эффективности, обусловлено, главным образом, более низкой температурой жидкого потока, который должен быть направлен в теплообменник предварительного охлаждения.
[0083] Альтернативный вариант воплощения изобретения является вариацией ФИГ. 4, где теплообменник 430 обеспечивает косвенный теплообмен между дросселированным потоком ТСХ высокого давления 429 и потоком ТСХП 417 (вместо потока ТСХЖ 418). В результате этого варианта воплощения изобретения достигаются более холодные параметры на всасывании компрессора ТСХ высокого давления 421.
[0084] Еще один дополнительный вариант воплощения изобретения является вариацией ФИГ. 4, где теплообменник 430 обеспечивает косвенный теплообмен между дросселированным потоком ТСХ высокого давления 429 и охлажденным потоком ТСХ среднего давления 415. Этот вариант воплощения изобретения приводит к охлаждению как входа компрессора ТСХ высокого давления 421, так и охлажденного потока ТСХЖ 433.
[0085] Дросселированный поток ТСХ высокого давления 429 может быть двухфазным. Однако ожидается, что работа теплообменника ТСХ 430 существенно не зависит от низкого количества пара, обычно присутствующего в дросселированном потоке ТСХ высокого давления 429. Для ситуаций, когда пар присутствует в большем количестве в дросселированном потоке ТСХ высокого давления 429, схема на ФИГ. 5 предлагает альтернативный вариант воплощения изобретения.
[0086] В соответствии с ФИГ. 5, дросселированный поток ТСХ высокого давления 529 направляют во второй фазовый сепаратор ТСХ 538, чтобы получить второй поток ТСХП 539 и второй поток ТСХЖ 536. Второй поток ТСХП 539 возвращают в фазовый сепаратор ТСХ 516. Второе дроссельное устройство ТСХ 528 настроено таким образом, что давление второго потока СХП 539 равно примерно давлению охлажденного потока ТСХ среднего давления 515.
[0087] Второй поток ТСХЖ 536 нагревают в теплообменнике ТСХ 530, чтобы получить теплый дросселированный поток ТСХ высокого давления 531, который возвращают в фазовый сепаратор ТСХ 516. Альтернативно, теплый дросселированный поток ТСХ высокого давления 531 можно смешать с охлажденным потоком ТСХ среднего давления 515 выше по потоку от фазового сепаратора ТСХ 516 (показано пунктирной линией 531a на ФИГ. 5). Поток ТСХЖ 518 из фазового сепаратора ТСХ 516 охлаждают в теплообменнике ТСХ 530 вторым потоком ТСХЖ 536, чтобы получить охлажденный поток ТСХЖ 533. Охлажденный поток ТСХЖ 533 дополнительно охлаждают в трубном контуре теплообменника предварительного охлаждения 560, чтобы получить дополнительно охлажденный поток ТСХЖ 319, который понижают в давлении посредством первого дроссельного устройства ТСХ 537, чтобы получить дросселированный поток ТСХ 535, который затем возвращают в теплообменник предварительного охлаждения 560 как хладагент межтрубного пространства.
[0088] Вариант воплощения изобретения, представленный на ФИГ. 5, обладает всеми преимуществами ФИГ. 4. Он включает дополнительную единицу оборудования и полезен в сценариях с высоким содержанием пара в потоке, выходящем из второго дроссельного устройства ТСХ 528.
[0089] В альтернативном варианте воплощения изобретения второй поток ТСХП 539 нагревают путем прохождения его через отдельный проход теплообменника ТСХ 530 перед тем, как вернуть в фазовый сепаратор ТСХ 516.
[0090] На ФИГ.6 показан дополнительный вариант воплощения изобретения, и он является вариацией ФИГ. 3. Теплый поток ТСХ низкого давления 610 сжимают в компрессоре ТСХ низкого давления 612, чтобы получить поток ТСХ среднего давления 613, который охлаждают во вторичном охладителе ТСХ низкого давления 614, чтобы получить охлажденный поток ТСХ среднего давления 615. Вторичный охладитель ТСХ низкого давления 614 может дополнительно включать несколько теплообменников, таких как пароохладитель и конденсатор. Охлажденный поток ТСХ среднего давления 615 направляют на верхнюю ступень колонны смешения 655, чтобы получить поток ТСХП 617 с верхней ступени колонны смешения 655 и поток ТСХЖ 618 с нижней ступени колонны смешения 655. Поток ТСХЖ 618 дополнительно охлаждают в трубном контуре теплообменника предварительного охлаждения 660, чтобы получить дополнительно охлажденный поток ТСХЖ 319, который понижают в давлении посредством первого дроссельного устройства ТСХ 637, чтобы получить дросселированный поток ТСХ 635, который затем возвращают в теплообменник предварительного охлаждения 660 как хладагент межтрубного пространства.
[0091] Поток ТСХП 617 сжимают в компрессоре ТСХ высокого давления 621, чтобы получить поток ТСХП высокого давления 622, который охлаждают в пароохладителе ТСХ высокого давления 623, чтобы получить охлажденный поток СХП высокого давления 624, который дополнительно охлаждают и конденсируют в конденсаторе ТСХ высокого давления 626, чтобы получить конденсированный поток ТСХ высокого давления 627. Конденсированный поток ТСХ высокого давления 627 понижают в давлении во втором дроссельном устройстве ТСХ 628, чтобы получить дросселированный поток ТСХ высокого давления 629. Дросселированный поток ТСХ высокого давления 629 возвращают на нижнюю ступень колонны смешения 655. Этот вариант воплощения изобретения обладает всеми преимуществами ФИГ. 3 и приводит к более высокой эффективности процесса по сравнению с ФИГ. 3, что обусловлено охлаждением жидкого потока перед направлением его в теплообменник предварительного охлаждения.
[0092] Колонны смешения, такие как колонна смешения 655, работают по тому же термодинамическому принципу, что и дистилляционная колонна (также называемая в этой области техники разделительной или фракционной колонной). Однако колонна смешения 655 выполняет задачу, противоположную задаче дистилляционной колонны. В ней обратимо смешивают текучие среды на нескольких равновесных ступенях, вместо разделения компонентов текучей среды. В отличие от дистилляционной колонны верхняя часть колонны смешения теплее, чем нижняя часть. Колонна смешения 655 может содержать насадку и/или любое количество тарелок. Верхняя ступень относится к верхней тарелке или верхней секции колонны смешения 655. Нижняя ступень относится к нижней тарелке или нижней секции колонны смешения 655.
[0093] Альтернативный вариант воплощения изобретения включает замену колонны смешения дистилляционной колонной. В этом варианте воплощения изобретения дросселированный поток ТСХ высокого давления 629 вводят на верхнюю ступень дистилляционной колонны, чтобы обеспечить флегму, в то время как охлажденный поток ТСХ среднего давления 615 вводят на более низкую ступень колонны. Можно обеспечить дополнительную тепловую нагрузку при повторном кипении или тепловую нагрузку при конденсации.
[0094] Вариант воплощения изобретения, показанный на ФИГ. 7, является вариацией схемы, показанной на ФИГ. 4. В этом варианте воплощения изобретения предварительно обработанный сырьевой поток 701 и сжатый охлажденный поток ХСХ 745 также охлаждают путем косвенного теплообмена с дросселированным потоком ТСХ высокого давления 729 в теплообменнике ТСХ 730, чтобы получить охлажденный предварительно обработанный сырьевой поток 752 и сжатый дважды охлажденный поток ХСХ 753, соответственно. Охлажденный предварительно обработанный сырьевой поток 752 и сжатый дважды охлажденный поток ХСХ 753 дополнительно охлаждают в отдельных трубных контурах теплообменника предварительного охлаждения 760.
[0095] Этот вариант воплощения изобретения дополнительно повышает эффективность процесса путем снижения температуры сырьевых потоков в теплообменнике предварительного охлаждения 760, а также путем обеспечения того, что сырьевые потоки в теплообменнике предварительного охлаждения 760 находятся при схожих температурах. В альтернативном варианте воплощения изобретения только один из предварительно обработанного сырьевого потока 701 и сжатого охлажденного потока ХСХ 745 охлаждают в теплообменнике ТСХ 730.
[0096] Для всех вариантов воплощения изобретения, описанных здесь, состав потока ТСХ может быть скорректирован с изменением состава сырья, температуры окружающей среды и других условий. Обычно поток ТСХ содержит более 40 мол. % и предпочтительно более 50 мол. % компонентов, легче, чем бутан.
[0097] Варианты воплощения изобретения, описанные здесь, применимы к любой схеме компрессора, включающей любое количество компрессоров, корпусов компрессора, ступеней компрессора, наличие промежуточного или последующего охлаждения и так далее. Кроме того, варианты воплощения изобретения, описанные здесь, применимы к любому типу теплообменника, такому как пластинчатые и ребристые теплообменники, спирально-витые теплообменники, кожухотрубные теплообменники, паяные алюминиевые теплообменники, теплообменник с паровым пространством, теплообменник типа kettle-in-core, и другим подходящим конструкциям теплообменников. Хотя описанные здесь варианты воплощения изобретения относятся к смешанным хладагентам, содержащим углеводороды и азот, они также применимы к любой другой смеси хладагента, такой как фторуглероды. Способы и системы, связанные с этим изобретением, могут быть реализованы как часть новой схемы завода или в качестве модификации существующих заводов по производству СПГ.
[0098] ПРИМЕР 1
[0099] Ниже приведен пример работы примерного варианта воплощения изобретения. Примерный процесс и данные основаны на моделировании процесса ДСХ на заводе СПГ, который производит около 5,5 миллионов метрических тонн в год СПГ и конкретно относится к варианту воплощения изобретения, показанному на ФИГ. 4. Чтобы упростить описание этого примера, использованы элементы и ссылочные позиции, описанные в варианте воплощения изобретения, показанном на ФИГ. 4.
[00100] Теплый поток ТСХ низкого давления 410 с температурой 11°C (51 0F), давлением 0,38 МПа (55 фунт/кв. дюйм; 3,8 бар) и расходом 19415 кмоль/час (42803 фунт-моль/час) сжимают в компрессоре ТСХ низкого давления 412, чтобы получить поток ТСХ среднего давления 413 с температурой 97,5°C (207 0F) и давлением 2,28 МПа (331 фунт/кв. дюйм; 22,8 бар), который охлаждают во вторичном охладителе ТСХ низкого давления 414, чтобы получить охлажденный поток ТСХ среднего давления 415 с температурой 25°C (77 0F) и давлением 2,18 МПа (316 фунт/кв. дюйм; 21,8 бар). Охлажденный поток ТСХ среднего давления 415 направляют в фазовый сепаратор ТСХ 416, чтобы получить поток ТСХП 417 и поток ТСХЖ 418.
[00101] Поток ТСХП 417 при расходе 7172 кмоль/час (15811 фунт-моль/час) сжимают в компрессоре ТСХ высокого давления 421, чтобы получить поток ТСХП высокого давления 422 при температуре 63°C (146 0F) и давлении 4,1 МПа (598 фунт/кв. дюйм; 41 бар), который охлаждают в пароохладителе ТСХ высокого давления 423, чтобы получить охлажденный поток СХП высокого давления 424, который дополнительно охлаждают и конденсируют в конденсаторе ТСХ высокого давления 426, чтобы получить конденсированный поток ТСХ высокого давления 427 при температуре 25°C (77 0F), давлении 4,02 МПа (583 фунт/кв. дюйм; 40,2 бар), и доле пара, равной 0. Конденсированный поток ТСХ высокого давления 427 понижают в давлении во втором дроссельном устройстве ТСХ 428, чтобы получить дросселированный поток ТСХ высокого давления 429 при температуре 1,4°C (34 0F) и давлении 2,22 МПа (324 фунт/кв. дюйм; 22,2 бар). Дросселированный поток ТСХ высокого давления 429 нагревают в теплообменнике ТСХ 430, чтобы получить теплый дросселированный поток ТСХ высокого давления 431 при температуре 11,8°C (53 0F) и давлении 2,18 МПа (316 фунт/кв. дюйм; 21,8 бар), который возвращают в фазовый сепаратор ТСХ 316. В этом примере теплый поток ТСХ низкого давления 410 содержит 1% компонентов, легче, чем этан и доля пара в дросселированном потоке ТСХ высокого давления 429 составляет 0,3.
[00102] Поток ТСХЖ 418 при расходе 19415 кмоль/час (42800 фунт-моль/час) охлаждают в теплообменнике ТСХ 430 в противотоке дросселированным потоком ТСХ высокого давления 429, чтобы получить охлажденный поток ТСХЖ 433 при температуре 3,11°C (38 0F) и давлении 2,12 МПа (308 фунт/кв. дюйм; 21,2 бар).
[00103] Предварительно обработанный сырьевой поток 401 вводят в теплообменник предварительного охлаждения 460 при температуре 20°C (68 0F), давлении 7,6 МПа (1100 фунт/кв. дюйм; 76 бар), чтобы получить предварительно охлажденный поток природного газа 402 при температуре минус 40,5°C (-41 0F) и доле пара, равной 0,74. Сжатый охлажденный поток ХСХ 444 вводят в теплообменник предварительного охлаждения 460 при температуре 25°C (77 0F) и давлении 6,1 МПа (890 фунт/кв. дюйм; 61 бар), чтобы получить предварительно охлажденный поток ХСХ 445 при температуре минус 40°C (-40 0F) и доле пара, равной 0,3.
[00104] Обнаружено, что в этом примере эффективность процесса на 2-3% выше, чем в схеме на ФИГ.3. Поэтому этот пример показывает, что изобретение обеспечивает эффективные и низко затратные способ и систему, чтобы устранить двухфазный вход в теплообменник конденсатор ТСХ и также исключить насос для жидкого ТСХ.
1. Способ охлаждения потока (401, 501, 701) углеводородного сырья путем косвенного теплообмена с потоком (435, 535, 735) первого хладагента в теплообменнике (460, 560, 760) охлаждения, включающий:
а) сжатие теплого потока (410, 510, 710) первого хладагента низкого давления за одну или более ступеней (412, 512, 712) сжатия, чтобы получить сжатый поток (413, 513, 713) первого хладагента;
б) охлаждение сжатого потока (413, 513, 713) первого хладагента в одном или более блоков (414, 514, 714) охлаждения, чтобы получить сжатый охлажденный поток (415, 515, 715) первого хладагента;
в) введение сжатого охлажденного потока (415, 515, 715) первого хладагента в первое устройство (416, 516, 716) разделения жидкости и пара, чтобы получить первый поток (417, 517, 717) пара хладагента и первый поток (418, 518, 718) жидкого хладагента;
г) введение первого потока (418/433, 518/533, 718/733) жидкого хладагента в теплообменник (460, 560, 760) охлаждения;
д) охлаждение первого потока (418/433, 518/533, 718/733) жидкого хладагента в теплообменнике (460, 560, 760) охлаждения, чтобы получить охлажденный поток (419, 519, 719) жидкого хладагента;
е) дросселирование охлажденного потока (419, 519, 719) жидкого хладагента, чтобы получить холодный поток (435, 535, 735) хладагента, введение холодного потока хладагента в теплообменник (460, 560, 760) охлаждения, чтобы обеспечить холодоснабжение, требуемое для охлаждения потока (401, 501, 752) углеводородного сырья, первого потока (418/433, 518/533, 718/733) жидкого хладагента и потока (444, 544, 753) второго хладагента;
ж) сжатие первого потока (417, 517, 717) пара хладагента за одну или более ступеней (421, 521, 721) сжатия, чтобы получить сжатый поток (422, 522, 722) пара хладагента;
з) охлаждение и конденсация сжатого потока (422, 522, 722) пара хладагента, чтобы получить конденсированный поток (427, 527, 727) хладагента;
и) дросселирование конденсированного потока (427, 527, 727) хладагента, чтобы получить дросселированный поток (429, 529, 729) хладагента;
к) введение потока (444, 544, 753) второго хладагента в теплообменник (460, 560, 760) охлаждения;
л) введение потока (401, 501, 752) углеводородного сырья в теплообменник охлаждения; и
м) охлаждение потока (401, 501, 752) углеводородного сырья в теплообменнике охлаждения, чтобы получить охлажденный углеводородный поток (402, 502, 702); и
н) дополнительное охлаждение и сжижение охлажденного углеводородного потока (402, 502, 702) в основном теплообменнике, чтобы получить сжиженный углеводородный поток,
отличающийся тем, что способ дополнительно содержит, перед выполнением этапа (г), охлаждение по меньшей мере части первого потока (418, 518, 718) жидкого хладагента путем косвенного теплообмена с по меньшей мере частью дросселированного потока (429, 536, 729) хладагента в первом теплообменнике (430, 530, 730).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (и) включает введение дросселированного потока (429, 529, 729) хладагента в первое устройство (416, 516, 716) разделения жидкости и пара путем смешения дросселированного потока хладагента со сжатым охлажденным потоком (415, 515, 715) первого хладагента выше по потоку от первого устройства (416, 516, 716) разделения жидкости и пара.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что единственным первым потоком хладагента, который подлежит охлаждению в теплообменнике (460, 560, 760) охлаждения, является первый поток (418/433, 518/533, 718/733) жидкого хладагента.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что:
этап (д) дополнительно включает охлаждение первого потока (418/433, 518/533, 718/733) жидкого хладагента в теплообменнике (460, 560, 760) охлаждения путем пропускания первого потока (418/433, 518/533, 718/733) хладагента через первый трубный контур теплообменника (460, 560, 760) охлаждения, при этом теплообменником (460, 560, 760) охлаждения является спирально-витой теплообменник;
этап (м) дополнительно включает охлаждение потока (401, 501, 752) углеводородного сырья в теплообменнике (460, 560, 760) охлаждения путем пропускания потока (401, 501, 752) углеводородного сырья через второй трубный контур теплообменника (460, 560, 760) охлаждения; и
этап (е) дополнительно включает введение холодного потока (435, 535, 735) хладагента в межтрубное пространство теплообменника (460, 560, 760) охлаждения.
5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что дополнительно включает:
о) охлаждение потока (444, 544, 753) второго хладагента в теплообменнике (460, 560, 760) охлаждения, чтобы получить охлажденный поток (445, 545, 745) второго хладагента;
п) дополнительное охлаждение охлажденного потока (445, 545, 745) второго хладагента в основном теплообменнике, чтобы получить дополнительно охлажденный поток второго хладагента;
р) дросселирование дополнительно охлажденного потока второго хладагента, чтобы получить дросселированный поток второго хладагента;
с) возвращение дросселированного потока второго хладагента в основной теплообменник; и
причем этап н) содержит дополнительное охлаждение и конденсацию охлажденного углеводородного потока путем косвенного теплообмена с дросселированным потоком второго хладагента в основном теплообменнике, чтобы получить сжиженный углеводородный поток.
6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что дополнительно включает охлаждение по меньшей мере части потока (701) углеводородного сырья в первом теплообменнике (730) перед выполнением этапа (л).
7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что дополнительно включает охлаждение по меньшей мере части потока (744) второго хладагента в первом теплообменнике (730) перед выполнением этапа (к).
8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что дополнительно включает:
т) введение дросселированного потока (529) хладагента во второе устройство (538) разделения жидкости и пара, чтобы получить второй поток (539) пара хладагента и второй поток (536) жидкого хладагента;
у) введение второго потока (539) пара хладагента в первое устройство (516) разделения жидкости и пара;
ф) охлаждение первого потока (518) жидкого хладагента путем косвенного теплообмена со вторым потоком (536) жидкого хладагента в первом теплообменнике (530) перед (560) на этапе г); и
х) введение второго потока (531) жидкого хладагента в первое устройство (516) разделения жидкости и пара после выполнения этапа (ф).
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что второй поток (539) пара хладагента и/или второй поток (536) жидкого хладагента смешивают со сжатым охлажденным потоком (515) первого хладагента этапа (б) выше по потоку от первого устройства (516) разделения жидкости и пара перед введением второго потока (539) пара хладагента и второго потока (536) жидкого хладагента в первое устройство (516) разделения жидкости и пара.
10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что этап (в) включает введение сжатого охлажденного потока (415, 515, 715) первого хладагента в первое устройство (416, 516, 716) разделения жидкости и пара, содержащее колонну смешения, чтобы получить первый поток (417, 517, 717) пара хладагента и первый поток (418, 518, 718) жидкого хладагента.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что сжатый охлажденный поток (415, 515, 715) первого хладагента вводят в колонну смешения на или выше верхней ступени колонны смешения и дросселированный поток (429, 529, 731) первого хладагента вводят в колонну смешения на или ниже нижней ступени колонны смешения.
12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что поток (401, 501, 752) углеводородного сырья является природным газом.
13. Установка для охлаждения потока углеводородного сырья, содержащая:
теплообменник (460, 560, 760) охлаждения, включающий в себя первый контур углеводородного сырья, контур первого хладагента, контур второго хладагента, вход в контур первого хладагента, расположенный на верхнем по ходу потока конце контура первого хладагента, первое устройство (437, 537, 737) понижения давления, расположенное на нижнем по ходу потока конце контура первого хладагента, и канал дросселированного первого хладагента, расположенный ниже по потоку от и находящийся в сообщении по потоку текучей среды с устройством понижения давления, причем теплообменник охлаждения функционально выполнен с возможностью охлаждения путем косвенного теплообмена с холодным потоком (435, 535, 735) хладагента потока (401, 501, 752) углеводородного сырья при прохождении его через первый контур углеводородного сырья, с получением, таким образом, предварительно охлажденного потока (402, 502, 702) углеводородного сырья, первый хладагент (433, 533, 733), протекающий через контур первого хладагента, и второй хладагент, протекающий через контур (444, 544, 753) второго хладагента; и
систему (411, 511) компрессии, содержащую:
канал теплого первого хладагента низкого давления, находящийся в сообщении по потоку текучей среды с нижним концом теплообменника (460, 560, 760) охлаждения и первым компрессором (412, 512, 712);
первый вторичный охладитель (414, 514, 714), находящийся в сообщении по потоку текучей среды с и ниже по потоку от первого компрессора (412, 512, 712);
первое устройство (416, 516, 716) разделения жидкости и пара, имеющее первый вход в сообщении по потоку текучей среды с и ниже по потоку от первого вторичного охладителя (414, 514, 714), первый выход для пара, расположенный в верхней половине первого устройства разделения жидкости и пара, первый выход для жидкости, расположенный в нижней половине первого устройства разделения жидкости и пара, причем первый выход для жидкости находится выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с входом в контур первого хладагента;
второй компрессор (421, 521, 721) ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым выходом для пара;
конденсатор (423, 523, 723) ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды со вторым компрессором (421, 521, 721); и
второе устройство понижения давления (428, 528, 728) ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с конденсатором (423, 523, 723), причем второе устройство (428, 528, 728) понижения давления находится выше по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым устройством (416, 516, 716) разделения жидкости и пара, так что вся текучая среда, протекающая через второе устройство (428, 528, 728) понижения давления, проходит через первое устройство (416, 516, 716) разделения жидкости и пара перед вхождением в теплообменник охлаждения(460, 560, 760), отличающаяся тем, что дополнительно содержит первый теплообменник (430, 530, 730), имеющий первый контур теплообмена, функционально выполненный с возможностью обеспечивать косвенный теплообмен со вторым контуром теплообмена, причем первый контур теплообмена расположен ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды со вторым устройством (428, 528, 728) понижения давления, и второй контур теплообмена расположен ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым выходом для жидкости первого устройства (416, 516, 716) разделения жидкости и пара.
14. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что дополнительно включает:
основной теплообменник, имеющий второй углеводородный контур, расположенный ниже по потоку от и в сообщении по потоку текучей среды с первым углеводородным контуром теплообменника (460, 560, 760) охлаждения, причем основной теплообменник функционально выполнен с возможностью по меньшей мере частично сжижать предварительно охлажденный поток углеводородного сырья путем косвенного теплообмена со вторым хладагентом.
