СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ПОТОКА СМЕСИ ПАРА И ЖИДКОСТИ И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА
METHOD AND DEVICE FOR FORCING STEAM-FLUID FLOW AND METHOD OF COOLING FLOW OF HYDROCARBONS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для прохождения потока смеси пара и жидкости между теплообменниками, в частности, например, прохождения потока смеси пара и жидкости, участвующего в сжижении углеводородного потока, такого как природный газ.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способу охлаждения, предпочтительно сжижения, углеводородного потока, такого как природный газ.
Уровень техники
Известно несколько способов сжижения потока природного газа, то есть получения сжиженного природного газа (СПГ). Сжижать поток природного газа желательно по нескольким причинам. Например, природный газ легче хранить и перемещать на большие расстояния в виде жидкости, а не в газообразной форме, так как в виде жидкости он занимает меньший объем и его не нужно хранить при больших давлениях.
Обычно природный газ, в основном содержащий метан, поступает в установку по производству СПГ при повышенных давлениях и его предварительно обрабатывают с целью получения очищенного исходного сырья, подходящего сжижения при криогенных температурах. Очищенный газ обрабатывают в ходе нескольких стадий охлаждения с использованием теплообменников с целью постепенного уменьшения температуры до достижения сжижения. Далее сжиженный природный газ дополнительно охлаждают (с целью уменьшения выделения пара в ходе одной или более стадий расширения) до окончательного атмосферного давления, подходящего для хранения и транспортировки. Пар, выделяемый на каждой стадии расширения, может быть использован как источник газообразного горючего для установки.
В установках по производству СПГ потоки, содержащие смесь паровой и жидкой фаз, встречаются, например, между двумя теплообменниками. Один пример показан на фиг.3 в документе US 6389844 В1.
Документ US 6389844 В1 касается установки по производству сжиженного природного газа. На фиг.3 показан вариант осуществления предварительного охлаждения природного газа, включающий в себя теплообменники 102' и 102 первой и второй стадий. Между этими теплообменниками первой и второй стадий расположены два трубопровода 150 и 151: один - для хладагента и один - для природного газа. Хладагент и природный газ представляют собой потоки смесей пара и жидкости, и такие потоки перемещаются по одному трубопроводу между теплообменниками 102' и 102.
Тем не менее, этот вариант прохождения потоков между двумя теплообменниками может приводить к неравномерному распределению паровой и жидкой фаз потоков, проходящих по трубопроводам 150 и 151. В результате в теплообменник 102 второй стадии может поступать поток с неоднородным распределением паровой и жидкой фаз, что приводит к неравномерному распределению температур и, следовательно, неэффективности теплообменника 102 второй стадии.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в улучшении прохождения потока смеси паровой и жидкой фаз между двумя теплообменниками.
Другая цель настоящего изобретения состоит в уменьшении потребности в энергии для охлаждающей установки или способа.
В настоящем изобретении предложен способ прохождения потока смеси пара и жидкости между первым теплообменником и вторым теплообменником. Указанный способ включает в себя следующие этапы:
(а) дают возможность потоку смеси пара и жидкости вытекать из первого теплообменника через два или более (количество равно X) выходных патрубков;
(б) дают возможность потоку смеси пара и жидкости в выходных патрубках пройти через два или более промежуточных трубопровода ко второму теплообменнику; и
(в) дают возможность потоку смеси пара и жидкости поступить из промежуточных трубопроводов во второй теплообменник через два или более (количество равно Y) входных патрубка;
при этом Х равно или превосходит (≥) Y.
Варианты осуществления настоящего изобретения распространяются на использование потоков смесей пара и жидкости, представляющие собой хладагент, и применяемые для охлаждения другого потока или потоков, таких как углеводородный поток, например природный газ. Известно большое количество хладагентов, в число которых входят, помимо прочего, сам природный газ, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, пентан и азот, при этом хладагент может состоять как из одного компонента, так и получаться смешиванием двух или более компонентов.
Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предложено устройство, предназначенное для прохождения потока смеси пара и жидкости между первым теплообменником и вторым теплообменником, указанное устройство содержит, по меньшей мере, следующее:
два или более (количество равно X) выходных патрубка первого теплообменника, предназначенных для вытекания потока смеси пара и жидкости из первого теплообменника;
два или более промежуточных трубопровода для прохождения потока смеси пара и жидкости из выходных патрубков до второго теплообменника; и
два или более (количество равно Y) входных патрубка, предназначенных для протекания потока смеси пара и жидкости из промежуточных трубопроводов во второй теплообменник;
при этом Х равно или превосходит (≥) Y.
Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предложен способ охлаждения углеводородного потока, такого как природный газ, указанный способ включает в себя, по меньшей мере, следующий этап:
пропускают углеводородный поток через стадию охлаждения, при этом используют два или более теплообменника, между которыми проходит поток смеси пара и жидкости, как определено в настоящем описании.
Краткое описание чертежей
Далее для примера будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, при этом будем ссылаться на прилагаемые неограничивающие изобретение схематичные чертежи, на которых:
фиг.1 - упрощенный вид двух теплообменников, соединенных согласно одному способу;
фиг.2 - упрощенный поперечный разрез первого варианта осуществления настоящего изобретения; и
фиг.3 - упрощенный поперечный разрез второго варианта осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
В этом описании одной ссылочной позицией будет обозначаться и линия, и поток, текущий в этой линии.
Расположение линий, трубопроводов и потоков в прилагаемых чертежах не ограничивает изобретение, а в общем, служит примером, предназначенным для лучшего понимания настоящего изобретения.
В предложенных здесь вариантах осуществления изобретения поток смеси пара и жидкости вытекает из первого теплообменника через два или более выходных патрубка, далее он проходит по двум или более промежуточным трубопроводам до второго теплообменника, а затем поступает из промежуточных трубопроводов во второй теплообменник через два или более входных патрубка, при этом количество указанных выходных патрубков (которое далее может быть обозначено через X) больше или равно (что может быть далее обозначено символом ≥) количеству указанных входных патрубков (которое далее может быть обозначено через Y).
Благодаря прохождению потока смеси пара и жидкости по прямым трубопроводам от первого до второго теплообменника происходит уменьшение любой неравномерности распределения потока смеси пара и жидкости, который до настоящего времени проходил между двумя теплообменниками по одному трубопроводу.
Благодаря более равномерному прохождению потока смеси пара и жидкости также добиваются более равномерного распределения температур жидкой и паровой фаз во втором теплообменнике. Таким образом, настоящее изобретение может уменьшить общие потребности в энергии способа или установки или устройства, которые предназначены для охлаждения, в частности сжижения, углеводородного потока, и/или для того, чтобы сделать способ, установку или устройство более эффективными и соответственно более экономичными.
Настоящее изобретение может быть использовано для любого потока смеси пара и жидкости, например потока смеси пара и жидкости в форме углеводородного потока, который подлежит охлаждению и/или сжижению, или в форме потока хладагента, в частности смешанного потока хладагента.
Углеводородный поток может быть охлажден, в частности сжижен, благодаря прохождению двух или более стадий охлаждения, на которых используются теплообменники. Может быть использовано любое количество стадий охлаждения и на каждой стадии охлаждения может быть использовано два или более теплообменника, а также каждая стадия может включать в себя один или более этапов, уровней или частей. На каждой стадии охлаждения может быть использовано два или более теплообменника, соединенных или последовательно, или параллельно, или их соединение представляет собой комбинацию последовательного и параллельного соединения. В технике известны конструкции подходящих теплообменников, способных сжижать углеводородный поток, например природный газ.
Углеводородный поток, который нужно обработать способом охлаждения и/или сжижения или соответствующей установкой, может представлять собой любой подходящий поток, содержащий углеводороды и подлежащий охлаждению и/или сжижению, но обычно он является потоком природного газа, полученным 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 природный газ состоит, по существу, из метана. Предпочтительно, чтобы углеводородный поток содержал, по меньшей мере, 60 молярных % метана, более предпочтительно - по меньшей мере, 80 молярных % метана.
2
2
2
2
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 неуглеводороды, такие как HO, N, СО, HS и другие соединения серы и подобные вещества.
Первый и второй теплообменники могут представлять собой любые подходящие блоки или резервуары, через которые обычно протекают два или более потоков, при этом, по меньшей мере, одни поток предназначен для охлаждения, по меньшей мере, одного другого потока. В технике известны различные типы, конструкции и формы теплообменников, например кожухотрубные теплообменники, в частности катушечные теплообменники.
Первый теплообменник может содержать любое количество выходных патрубков, в том числе от 2 до 20 выходных патрубков, предпочтительно 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 выходных патрубков.
Количество выходных патрубков первого теплообменника может равняться количеству входных патрубков второго теплообменника или может отличаться от этого количества, а также может равняться количеству промежуточных трубопроводов или может отличаться от этого количества. Аналогично количество промежуточных трубопроводов может равняться количеству входных патрубков второго теплообменника или может отличаться от этого количества.
Если количество выходных патрубков отличается от количества промежуточных трубопроводов и/или количества входных патрубков и количество промежуточных трубопроводов отличается от количества входных патрубков, то предпочтительно соблюдать равное распределение при нужном разделении, совместном использовании и/или объединении потоков, выходящих из или входящих в выходные патрубки, промежуточные трубопроводы и входные патрубки. То есть при разделении, совместном использовании и/или объединении достигается равенство (или стремится достичь) насколько возможно большего равенства между количеством имеющихся потоков и количеством потоков, которые должны присутствовать, при этом учитываются другие параметры или обстоятельства, которые могут влиять на разделение, совместное использование или объединение, примерами таких обстоятельств являются нарушения потока или эксплуатационные параметры.
В одном примере настоящего изобретения количество выходных патрубков равно количеству промежуточных трубопроводов, которое равно количеству входных патрубков второго теплообменника. Таким образом, имеются эффективные прямые проходы потока смеси пара и жидкости от первого теплообменника через некоторое количество выходных патрубков, промежуточных трубопроводов и входных патрубков во второй теплообменник.
В другом примере количество выходных патрубков больше количества промежуточных трубопроводов, а количество промежуточных трубопроводов равно количеству входных патрубков второго теплообменника. Таким образом, потоки смесей пара и жидкости, проходящие через выходные патрубки, объединяются с тем, чтобы количество потоков было равно количеству промежуточных трубопроводов, при этом предпочтительно, чтобы при объединении соблюдалось равное распределение настолько, насколько это возможно.
2
2
При желании, углеводородный поток может быть предварительно обработан перед использованием согласно настоящему изобретению. Эта предварительная обработка может включать в себя извлечение любых присутствующих нежелательных компонентов, таких как CO, HS, или могут присутствовать другие этапы, такие как предварительное охлаждение, или предварительное повышение давления, или подобные. Так как эти этапы хорошо известны специалистам в рассматриваемой области, далее здесь они обсуждаться не будут.
Хотя способ, соответствующий настоящему изобретению, может быть применен к различным сырьевым углеводородным потокам, особенно он подходит для потока природного газа, подлежащего сжижению. Так как специалист в рассматриваемой области хорошо понимает, как сжижать углеводородный поток, то далее это обсуждаться не будет.
На фиг.1 показан первый теплообменник 1, который может быть, например, теплообменником высокого давления, предназначенным для использования на первой стадии или стадии предварительного охлаждения способа и установки сжижения углеводородного потока, такого как природный газ. Такие теплообменники хорошо известны в технике и обычно являются «многотрубными» или «кожухотрубными» теплообменниками. Такие теплообменники могут содержать сотни или тысячи (или больше) вертикальных или спиральных реакционных трубок малого диаметра с открытым концом.
Обычно трубки собраны в несколько «пучков», которые имеют единый кожух, камеру, коллектор или магистраль, который предназначен для сбора потоков смесей пара и жидкости из всех трубок этого пучка и перемещения их от верхней части первого теплообменника 1 через выходной патрубок. На фиг.1 показаны шесть выходных патрубков 4, расположенных на верхней части первого теплообменника 1 и содержащих шесть пучков, при этом указанные выходные патрубки 4 подводят свои потоки в собирающее кольцо 6, в котором собираются все потоки смесей пара и жидкости и которое перемещает их в виде объединенного потока в единый трубопровод 3 с целью дальнейшего перемещения в следующий теплообменник 2. Единый трубопровод 3, предназначенный для перемещения всех потоков смесей пара и жидкости в следующий теплообменник 2, до настоящего времени рассматривался как наиболее простая и экономичная конструкция, что объяснялось расстоянием между выходом одного теплообменника и входом другого теплообменника.
Тем не менее, реакционные камеры или теплообменники обычно не являются настолько однородными, чтобы обеспечить одинаковое распределение или отношение потоков смесей паровой и жидкой фаз, выходящих из каждой его труб. Имеют место отклонения, и это ведет к отклонению в распределении жидкой и паровой фаз, выходящих из первого теплообменника 1 и через соединяющий трубопровод 3 попадающих в следующий теплообменник 2. В общем эта неоднородность распределения и состава потока смеси пара и жидкости, проходящего через трубопровод 3, может привести к неоднородному распределению смешанного потока во втором теплообменнике 2.
Как описано выше для первого теплообменника 1, второй теплообменник 2 обычно содержит сотни или тысячи трубок малого диаметра, которые обычно собраны в некоторое количество «пучков». Одно обычное количество пучков равно шести. У основания теплообменника 2 или рядом с ним каждый пучок содержит единый кожух, камеру, коллектор или магистраль, который предназначен для обеспечения доступа потока материала в каждую трубку из общего источника. Обычно источником для каждого пучка трубок являлся входной патрубок, на фиг.1 показаны шесть входных патрубков 5. Входные патрубки получают свои потоки материала из распределительного кольца 7, которое питается из единого трубопровода 3.
Распределительное кольцо 7 в целом расположено горизонтально, чтобы поток пара и жидкости попадал в каждый из входных патрубков 5 наиболее эффективным способом со всех сторон второго теплообменника 2. Тем не менее, любое горизонтальное перемещение потока смеси пара и жидкости приводит к некоторому расслоению фаз, что происходит из-за большего веса жидкой фазы, из-за которого она опускается вниз, и из-за, в общем, большей скорости пара, из-за чего паровая фаза быстрее течет над опускающейся жидкой фазой. Таким образом, горизонтальное течение потока смеси пара и жидкости, в общем, увеличивает неоднородность паровой и жидкой фаз при прохождении через распределительное кольцо 7 в каждый из входных патрубков 5. Чем больше такие потоки перемещаются горизонтально, включая перемещение по распределительному кольцу, тем больше этот эффект расслоения.
В результате этого по всей длине второго теплообменника 2 присутствует неравномерное распределение температур жидкой и паровой фаз. Это может приводить к нарушению равновесия потребления энергии, например, между первой стадией (или стадией предварительного охлаждения), которая реализуется сжижающей установкой и на которой используются первый 1 и второй 2 теплообменники, показанные на фиг.1, и основной стадией сжижения. Это может привести к повышению потребления энергии на основной стадии сжижения и, соответственно, к повышению общего количества энергии, нужного для осуществления способа сжижения или работы сжижающей установки.
Автор настоящей заявки не знает, известна ли в технике конструкция, показанная на фиг.1, но в настоящем изобретении предлагается одно или более улучшений указанной конструкции.
На фиг.2 между первым теплообменником 101 и вторым теплообменником 102 показан первый вариант осуществления настоящего изобретения, указанные теплообменники аналогичны теплообменникам, показанным на фиг.1, и содержатся, например, в установке по производству СПГ.
Первый теплообменник 101 и второй теплообменник 102 могут быть использованы для охлаждения углеводородного потока, такого как природный газ. Одним примером этого является первая стадия охлаждения в установке по производству СПГ, предназначенная для уменьшения температуры природного газа от начальной температуры подачи после любой предварительной обработки до температуры, меньшей 0°С, например, находящейся в пределах от -20 до -50°С. Для этого природный газ может пройти через два или более теплообменника и может быть охлажден одним или более хладагентами, такими как пропан, или смешанным хладагентом, как описано выше.
Между теплообменниками первой стадии охлаждения могут проходить как оба потока - поток природного газа и поток хладагента, - так и любой из них, при этом такие потоки могут являться потоками смесей пара и жидкости. Одним примером является первый теплообменник 101, который представляет собой теплообменник высокого давления и в котором смешанному хладагенту дают возможность испариться при «высоком» давлении, а затем выпускают в теплообменник низкого давления для дальнейшего испарения.
Первый теплообменник 101 может быть кожухотрубным теплообменником, в котором смешанный хладагент испаряется и собирается рядом с верхней частью теплообменника. В одном варианте сбор может проходить в общей магистрали над трубчатым листом или трубчатой пластинкой, как описано выше. Из такой общей магистрали может выходить любое количество выходных патрубков, способных принимать поток смеси пара и жидкости, созданный в первом теплообменнике 101. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, присутствует шесть выходных патрубков 104.
В общем через шесть выходных патрубков 104 проходят одинаковые или аналогичные потоки смесей пара и жидкости.
Весь поток смеси пара и жидкости из первого теплообменника 101 предназначен для перемещения во второй теплообменник 102. Для осуществления этого шесть выходных патрубков 104 из верхней части первого теплообменника 101 непосредственно присоединены к шести промежуточным трубопроводам 103, которые, в свою очередь, непосредственно присоединены к шести входным патрубкам 105 второго теплообменника 102. Предпочтительно, чтобы входные патрубки 105 были расположены в основании или нижней части второго теплообменника 102 или рядом с указанным основанием. Благодаря непосредственному поступлению каждого потока смеси пара и жидкости во второй теплообменник 102 через каждый соответствующий выходной патрубок 104 и входной патрубок 105, исключается объединение всех потоков в один трубопровод (например, трубопровод 3 на фиг.1), что уменьшает или минимизирует проблему перераспределения одного потока смеси пара и жидкости на все трубки второго теплообменника 102.
Таким образом, обеспечивается более равномерное поступление потока смеси пара и жидкости в теплообменник 102, уменьшение или минимизация неравномерного распределения паровой и жидкой фаз в смешанном потоке, выходящем из первого теплообменника 101, что приводит к более равномерному распределению температуры потока смеси пара и жидкости во втором теплообменнике 102 и, таким образом, более эффективному использованию второго теплообменника 102 или обработке потока в этом теплообменнике.
Настоящее изобретение обеспечивает еще одно преимущество: не требуется наличия распределительного кольца (такого как распределительное кольцо 7, показанное на фиг.1), расположенного вокруг второго теплообменника 102. Непосредственный проход потоков смеси пара и жидкости от выходных патрубков 104 до входных патрубков 105 второго теплообменника 102, таким образом, уменьшает капитальные затраты и также исключает расслоение, вызванное наличием распределительного кольца.
Предпочтительно, чтобы промежуточные трубопроводы 103 были расположены таким образом, чтобы уменьшать, а более предпочтительно - минимизировать, любое горизонтальное течение или перемещения потоков смесей пара и жидкости через выходные патрубки 104, чтобы также минимизировать расслоение фаз настолько, насколько это возможно, до попадания этих потоков во второй теплообменник 102.
Конструкцию, показанную на фиг.2, можно использовать между любыми двумя теплообменниками. На некоторых стадиях охлаждения в установке по сжижению углеводородов может использоваться 3, 4, 5 или 6 теплообменников, которые соединены последовательно и между которыми могут присутствовать потоки смесей пара и жидкости. Например, могут присутствовать теплообменники с разными уровнями давления. Конструкция, показанная на фиг.2, может быть использована в разных местах между такими теплообменниками.
Конструкция, показанная на фиг.2, может быть использована для уменьшения или минимизации неравномерного распределения потока смеси пара и жидкости, который проходит два или более разных теплообменника, по сравнению с ситуацией, когда весь поток проходит один теплообменник. В качестве примера один или более выходных патрубков 104 первого теплообменника 101 могут направлять свой поток или потоки к одному теплообменнику, а один или более других выходных патрубков могут направлять поток или потоки к другому теплообменнику.
В промышленной установке или объекте, таком как установка по производству сжиженного природного газа, возможно, чтобы первый и второй теплообменники не были равны по размеру, емкости или конструкции. Например, возможно, чтобы первый теплообменник был больше второго теплообменника или, по меньшей мере, область теплообмена была больше в первом теплообменнике. Таким образом, количество выходных патрубков первого теплообменника может быть больше (по сравнению с количеством входных патрубков второго теплообменника), благодаря большему количеству реакционных трубок (или другой конструкции теплообменника) в первом теплообменнике.
Также, в общем, предпочтительно минимизировать систему трубопроводов, нужную в большой промышленной установке или объекте.
Когда количество выходных патрубков первого теплообменника больше количества входных отверстий второго теплообменника, можно использовать конструкцию, показанную на фиг.3, в которой два или более выходных патрубка первого теплообменника объединены с целью уменьшения количества промежуточных трубопроводов.
На фиг.3 между первым теплообменником 201 и вторым теплообменником 202 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения, при этом указанные теплообменники аналогичны теплообменникам, показанным на фиг.1 и 2, и содержатся, например, в установке по производству СПГ.
Первый теплообменник 201 на фиг.3 содержит, снова только в качестве примера, шесть выходных патрубков 204, предназначенных для прохода потока смеси пара и жидкости ко второму теплообменнику 202.
С целью уменьшения количества промежуточных трубопроводов между первым теплообменником 201 и вторым теплообменником 202 производится равное распределение выходных патрубков 204 по трем промежуточным трубопроводам 203. Равное распределение представляет собой объединение потоков смесей пара и жидкости, текущих через два выходных патрубка 204, в один промежуточный трубопровод 203, так что шесть выходных патрубков 204, показанных на фиг.3, направляют свои потоки в три промежуточных трубопровода.
Возможны другие отношения количества выходных патрубков к количеству промежуточных трубопроводов, а также другие отношения количества промежуточных трубопроводов к входным патрубкам (во второй теплообменник) и выходных патрубков к входным патрубкам. Специалист в рассматриваемой области может применить конструкции для других таких отношений, предпочтительно используя равное распределение настолько, насколько это возможно, для осуществления распределения, совместного использования или объединения потоков.
Предпочтительно, чтобы объединение потоков из выходных патрубков 204 в промежуточных трубопроводах 203 на фиг.3, а также в любых других конструкциях, происходило в вертикальной части, разделе или секции перемещения потока смеси пара и жидкости из первого теплообменника 201 во второй теплообменник 202. Как упомянуто выше, предпочтительно уменьшить, более предпочтительно минимизировать, любое горизонтальное перемещение или течение потоков смесей пара и жидкости в промежуточных трубопроводах 203 с тем, чтобы минимизировать расслоение потоков смесей пара и жидкости, происходящее из-за горизонтального течения.
Три промежуточных трубопровода 203 перемещают свои смешанные потоки непосредственно в три соответствующих входных патрубка 205 второго теплообменника 202.
Таким образом, на фиг.3 показано непосредственное перемещение потоков смесей пара и жидкости из промежуточных трубопроводов 203 во второй теплообменник 202 через соответствующие входные патрубки 205.
Настоящее изобретение включает в себя способ прохождения потока смеси пара и жидкости между первым и вторым теплообменниками на первой стадии предварительного охлаждения процесса, состоящего из трех стадий и использующего двойной смешанный хладагент, такого как процесс, описанный в ЕР 1088192 А1, на первой стадии процесса или стадии предварительного охлаждения, которая описана в US 6,389,844 В1, и/или на стадии сжижения любого другого процесса сжижения, в частности такого процесса, в котором используются многофазный смешанный хладагент и два криогенных теплообменника.
Специалисту в рассматриваемой области ясно, что настоящее изобретение может быть осуществлено различными способами, не выходя при этом за границы объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.