СПОСОБ ЗАПУСКА ХОЛОДИЛЬНОГО КОНТУРА, СОДЕРЖАЩЕГО СМЕСЬ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD FOR START OF REFRIGERATING CIRCUIT CONTAINING MIXTURE OF HYDROCARBONS

Область техники
Настоящее изобретение касается способа запуска холодильного контура, содержащего смесь углеводородов. Кроме того, настоящее изобретение касается способа ожижения природного газа с использованием указанного способа запуска.
Уровень техники
Для ожижения природного газа требуется охлаждение в холодильном узле до температуры -155°С в ходе ожижения, а затем до -162°С в резервуаре, где газ будет храниться после расширения при атмосферном давлении. Как правило, холодильный узел включает в себя холодильный контур (или цикл) либо последовательность холодильных контуров (или циклов), работающих по схеме конденсация - расширение - испарение - сжатие. Применяемые в холодильных контурах охлаждающие жидкости могут быть чистыми веществами (каскадный цикл, способ Conoco Phillips Optimized Cascade™ (оптимизированный каскад)), смесями (способы Axens Liquefin™, Linde Mixed Fluid Cascade™ (каскад смеси жидкостей)) или же их сочетаниями (цикл APCI C3-MR). Все эти циклы хорошо знакомы специалистам.
В частности, в одном или нескольких холодильных контурах часто используют неазеотропные смеси веществ с различными точками кипения и, в частности, смеси углеводородов (иногда в комбинации с другими компонентами).
При первом запуске холодильного узла, а также после каждой остановки узла (например, для технического обслуживания), нужно проводить особую процедуру запуска холодильного узла. Если взять для примера холодильный узел с двумя циклами, то есть с циклом предварительного охлаждения и циклом собственно охлаждения, где применяется охлаждающая жидкость, состоящая в основном из смеси этан/метан, то обычная процедура состоит в:
- продувке всех контуров очищающим газом, который называют "размораживающим газом" и который, как правило, представляет собой чистый и сухой природный газ, поступающий из узлов обработки и осушки, располагаемых в производственном цикле перед криогенными узлами, или же азотом, в частности, для того, чтобы удалить даже следы воды в контурах;
- заполнении контура предварительного охлаждения подходящей охлаждающей жидкостью (например, чистым пропаном или этаном с пропаном) с последующим запуском цикла предварительного охлаждения;
- заполнении холодильного контура природным газом (как правило, "размораживающим" газом) вплоть до достижения желаемого количества метана в контуре;
- заполнении холодильного контура этаном вплоть до достижения желаемого количества этана в контуре;
- при необходимости, завершении заполнения контура путем добавления других минорных компонентов к охлаждающей жидкости.
Эта общепризнанная процедура запуска вызывает некоторые затруднения. Прежде всего, конденсация охлаждающей жидкости в холодильном цикле (контуре) обычно происходит с трудом; повышение давления в контуре, которое облегчило бы конденсацию, дополнительно не предусматривается, если только компрессор не модифицирован специальным образом для приспособления его, кроме нормального режима, еще и к режиму запуска. Таким образом, работа холодильного цикла отнимает довольно значительное время. Другая сложность состоит в том, что разница температур между входом и выходом детандера может достигать, например, от 50 до 60°С. Такая температурная разница слишком высока для механической прочности деталей и, в частности, для механической прочности теплообменника, который, таким образом, подвергается значительному риску механического разрушения.
Таким образом, существует явная необходимость улучшения способа запуска холодильного узла, которое бы состояло, в частности, в облегчении конденсации в контуре с целью ускорения процесса и в сведении к минимуму амплитуды падения температуры в разных частях детандера холодильного контура.
Краткое описание изобретения
Прежде всего, настоящее изобретение касается способа запуска холодильного узла, включающего холодильный контур, содержащий охлаждающую жидкость, содержащую смесь углеводородов, где способ включает последовательно следующие этапы:
(а) введение в холодильный контур и выпуск из него очищающего газа;
(б) введение первого рабочего газа в холодильный контур и
(в) введение второго рабочего газа в холодильный контур;
при этом средняя молярная масса первого рабочего газа больше средней молярной массы второго рабочего газа.
В одном из воплощений холодильный узел является узлом сжижения природного газа.
В одном из воплощений первый рабочий газ содержит по меньшей мере 50 мол.%, предпочтительно по меньшей мере 80 мол.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 90 мол.%, идеально по меньшей мере 95 мол.% этана.
В одном из воплощений второй рабочий газ предпочтительно содержит по меньшей мере 50 мол.% метана, более предпочтительно по меньшей мере 70 мол.% или даже по меньшей мере 80 мол.% метана.
В одном из воплощений очищающий газ и/или второй рабочий газ представляют собой осушенный природный газ с уменьшенной кислотностью.
В одном из воплощений вышеупомянутый способ включает после этапа (а) и, предпочтительно, после этапа (б) один или несколько этапов введения в холодильный контур дополнительных рабочих газов, при этом каждый дополнительный рабочий газ предпочтительно содержит азот, пропан, изобутан, н-бутан, изопентан, н-пентан, этилен, пропилен или их смеси.
В одном из воплощений первый и второй рабочие газы обеспечивают по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, еще более предпочтительно, по меньшей мере 70%, даже по меньшей мере 80% всех молекул охлаждающей жидкости, присутствующей в холодильном контуре в конце процедуры запуска.
В одном из воплощений холодильный контур включает теплообменник, имеющий теплый вход и холодный вход, причем температура охлаждающей жидкости на холодном входе теплообменника снижается по меньшей мере на 30°С, предпочтительно, по меньшей мере на 40°С, более предпочтительно, по меньшей мере на 50°С, даже по меньшей мере на 60°С между началом и окончанием этапа (б).
В одном из воплощений холодильный контур включает дроссельный вентиль Джоуля-Томпсона, содержащий вход и выход, причем разница температур охлаждающей жидкости между указанным входом и указанным выходом ниже 40°С, предпочтительно ниже 30°С, идеально ниже 25°С в ходе всего запуска.
В одном из воплощений холодильный узел включает дополнительно контур предварительного охлаждения, причем контур предварительного охлаждения запускается в номинальный режим работы до этапа (б).
В одном из воплощений холодильный узел также включает дополнительный холодильный контур.
В одном из воплощений дополнительный холодильный контур представляет собой холодильный контур, содержащий охлаждающую жидкость, которая содержит смесь углеводородов, а способ запуска включает после этапа (в) следующие этапы:
(г) введение первого рабочего газа в дополнительный холодильный контур и
(д) введение второго рабочего газа в дополнительный холодильный контур.
В альтернативном воплощении указанный холодильный контур, содержащий охлаждающую жидкость, содержащую смесь углеводородов, является единственным холодильным контуром холодильного узла.
Кроме того, объектом настоящего изобретения является способ сжижения природного газа в холодильном узле, который включает холодильный контур, содержащий охлаждающую жидкость, которая содержит смесь углеводородов, при этом способ включает в себя запуск холодильного узла вышеописанным способом с последующим охлаждением и сжижением природного газа в указанном холодильном узле.
Настоящее изобретение позволяет преодолеть недостатки предшествующего уровня техники. Конкретнее, оно предлагает способ запуска холодильного узла, в котором конденсация в цикле происходит легче, чем при обычном способе, и без необходимости особой настройки компрессора. Таким образом, способ запуска согласно настоящему изобретению является более быстрым, чем обычный способ. Более того, амплитуда падения температуры в различных частях детандера холодильного цикла сокращается, что значительно ограничивает риск механического разрушения, в частности, в теплообменнике(-ах).
Это становится возможным посредством обращения порядка заполнения холодильного контура по сравнению с обычным порядком, то есть при введении тяжелых компонентов (в частности, этана) раньше легких компонентов (в частности, метана).
В некоторых особых воплощениях настоящее изобретение обладает также нижеперечисленными полезными свойствами.
- Разница температур между входом и выходом детандера остается ниже 30°С, предпочтительно ниже 25°С, даже 20°С, в ходе всего запуска.
- Температуры нагнетания компрессора при запуске ниже, чем в предшествующем уровне техники, так что становится возможным ограничить требования к качеству металла для компрессора или избежать использования промежуточного холодильника.
Краткое описание фигур
Фиг.1 представляет собой схему холодильного узла, в котором возможно производить сжижение природного газа, к каковому узлу может быть применено настоящее изобретение.
Фиг.2 представляет собой диаграмму теплообмена в теплообменнике 2, представленном на Фиг.1, при этом холодильный узел используется согласно способу из Примера 2. На оси абсцисс представлено количество теплоты в ММккал/ч, а на оси ординат - температура в °С. Кривая 1 представляет сумму теплых потоков (входящие линии С2 и А7), а кривая 2 представляет холодный поток (входящая линия С5). Диаграмма соответствует моменту t5 в примере 2.
Фиг.3 представляет собою диаграмму теплообмена в теплообменнике 2, представленном на Фиг.1, при этом холодильный узел используется согласно способу из Примера 2. На оси абсцисс представлено количество теплоты в ММккал/ч, а на оси ординат - температура в °С. Кривая 1 представляет сумму теплых потоков (входящие линии С2 и А7), а кривая 2 представляет холодный поток (входящая линия С5). Диаграмма соответствует моменту t5 в примере 2.
Описание воплощений изобретения
В нижеследующем неограничивающем описании настоящее изобретение будет описано более подробно.
Способ сжижения природного газа
Для ясности изложения ниже в упрощенном виде будет описан (со ссылкой на Фиг.1) узел сжижения природного газа (холодильный узел), позволяющий осуществить настоящее изобретение. Этот узел сжижения является двухконтурным узлом и включает в себя первичный теплообменник 1 для осуществления предварительного охлаждения и вторичный теплообменник 2 для осуществления сжижения и переохлаждения. Эти теплообменники могут быть змеевидными теплообменниками или теплообменниками с напаянными алюминиевыми пластинами.
Обозначения, начинающиеся с буквы А, соответствуют элементам контура природного газа, который подвергается обработке в узле; обозначения с буквой В соответствуют элементам контура предварительного охлаждения, а обозначения с буквой С соответствуют элементам холодильного контура (ответственного за сжижение и переохлаждение).
2
2
При нормальном функционировании природный газ, предпочтительно, предварительно с уменьшенной кислотностью и осушенный (то есть обработанный таким образом, чтобы удалить из него воду и кислые газы, такие как HS и СО), вводится в узел через подводящую трубу для природного газа А1. Он предварительно охлаждается, проходя через теплообменник 1. На выходе из теплообменника 1 предварительно охлажденный (и частично конденсированный) природный газ откачивается по отводной трубе А2 и вводится снизу в разделительную колонну A3 с целью удалить из газа самые тяжелые его компоненты (такие как бензол, например), которые иначе в дальнейшем могут кристаллизоваться. Такие тяжелые компоненты собираются внизу колонны и удаляются через заборную трубу А10.
Газ выходит из колонны A3 через верх по отводной трубе А4 и снова проходит через теплообменник 1, чтобы снова перейти в частично конденсированное состояние. На выходе из теплообменника 1 отводящая труба А5 посылает частично конденсированный газ в камеру А6, что позволяет отделить жидкую фракцию от газообразной. Жидкая фракция сжимается насосом и используется для орошения колонны A3. Газообразная фракция А7 вводится во вторичный теплообменник 2, где сжижается. Сжиженный природный газ собирается через выходную трубу А8 и имеет типичную температуру около -155°С.
Предварительное охлаждение в первичном теплообменнике 1 осуществляется при помощи обычного цикла предварительного охлаждения, снабженного компрессорами (в воплощении, представленном здесь, первый компрессор В6 и второй компрессор В7), конденсатором В8 и детандерами (в воплощении, представленном здесь, первый детандер В3 и второй детандер В9).
Более точно, этот контур включает входную трубу В1, которая питает первичный теплообменник 1 охлаждающей жидкостью. Охлаждающая жидкость переохлаждается при прохождении через теплообменник 1 (его температура опускается ниже точки кипения) и собирается на выходе из теплообменника 1 через выходную трубу В2; далее она расширяется при помощи детандера В3, а после расширения охлаждающая жидкость подается в теплообменник 1 через входную трубу В4. Затем охлаждающая жидкость после расширения испаряется, что сопровождается переохлаждением сжатой охлаждающей жидкости, поступающей из входной трубы В1, конденсацией жидкости в контуре С и охлаждением природного газа. Испарившаяся охлаждающая жидкость собирается через выходную трубу В5 и сжимается при прохождении через два компрессора В6 и В7. Сжатая охлаждающая жидкость далее претерпевает предварительную конденсацию в конденсаторе В8 и поступает в новый цикл по входной трубе В1.
Согласно представленной здесь схеме мы предусмотрели второй уровень испарения, то есть для жидкости в процессе конденсации в теплообменнике 1 предусмотрено отведение. Это отведение возвращает жидкость для испарения в теплообменник 1 после расширения при помощи детандера В9; на выходе из теплообменника испарившаяся жидкость поступает в основной контур на уровне второго компрессора В7.
Эти два уровня испарения были здесь описаны в качестве примера, но состав цикла (контура) и, в частности, количество уровней испарения могут меняться в зависимости от решения специалиста.
Точно так же охлаждение на уровне вторичного теплообменника 2 достигается при помощи холодильного контура С, который является обычным контуром, снабженным компрессором С7, теплообменником С8 и детандером С4.
Точнее, этот контур включает входную трубу С1, которая присоединяется к входу первичного теплообменника 1 для обеспечения конденсации охлаждающей жидкости. Жидкость собирается на выходе теплообменника 1 через соединительную трубу С2, которая питает вторичный теплообменник 2 охлаждающей жидкостью (теплый вход). Жидкость переохлаждается в теплообменнике 2 до той же самой типичной температуры около -155°С, что и природный газ, и собирается на выходе в трубу СЗ, которая подает его в детандер С4. При низком давлении жидкость поступает в теплообменник 2 через входную трубу С5 (холодный вход) и затем испаряется при переохлаждении жидкости, поступающей из соединительной трубы С2, и при сжижении природного газа. Испарившаяся жидкость собирается через выходную трубу С6 и сжимается при прохождении через компрессор С7. Сжатая жидкость далее охлаждается в теплообменнике С8 и возвращается в цикл по входной трубе С1.
Вышеописанные детандеры предпочтительно являются дроссельными вентилями Джоуля-Томпсона. Теплообменник С8 и конденсатор В8, описанные выше, могут быть водяными или воздушными охладителями.
Способ сжижения природного газа согласно настоящему изобретению отличается тем, что узел охлаждения/сжижения запускается согласно способу запуска холодильного узла согласно настоящему изобретению, как это более подробно описано далее.
Способ сжижения может быть представлен во множестве вариантов, которые очевидны специалистам. Так, множество модификаций или множество дополнений, известных специалистам, могут быть привнесены в вышеописанный холодильный узел. В частности, способ сжижения согласно настоящему изобретению может осуществляться в один цикл, в два цикла (как описано выше) или в три цикла при том условии, что по меньшей мере одна используемая охлаждающая жидкость содержит смесь углеводородов (в том числе в сочетании с другими компонентами, например, с азотом). Как правило, смесь углеводородов содержится в охлаждающей жидкости холодного цикла, независимо от природы цикла (контура) предварительного охлаждения.
m
n
Под "смесью углеводородов" понимается смесь по меньшей мере двух соединений с формулой CH, где m и n представлены двумя целыми числами. Такие углеводороды могут быть насыщенными или ненасыщенными, линейными или разветвленными. Предпочтительно m меньше или равно 6, предпочтительно меньше или равно 5. Предпочтительно, смесь углеводородов содержит этан и метан, которые идеально составляют более 50 мол.%, более 60 мол.%, более 70 мол.% или более 80 мол.% всей смеси углеводородов.
В одном из воплощений способа с одним холодильным циклом (контуром) охлаждающая жидкость может содержать азот, этилен, пропилен, метан, этан, пропан, изобутан, н-бутан и, возможно, изопентан и/или н-пентан. Метан и этан предпочтительно являются основными компонентами.
В одном из воплощений способа с двумя холодильными циклами охлаждающая жидкость контура предварительного охлаждения (вышеописанный цикл, помеченный буквой В) содержит этан и пропан или, в другом воплощении, чистый пропан, а охлаждающая жидкость главного холодильного контура (вышеописанный цикл, помеченный буквой С) содержит смесь азота, этана, метана и, возможно, пропана и/или изобутана, н-бутана, изопентана, н-пентана, этилена, пропилена. Метан и этан предпочтительно являются основными компонентами. Например, содержание азота может составлять от 5 до 10%, содержание метана от 30 до 50%, а содержание этана 40 до 60%.
В одном из воплощений способа с тремя холодильными циклами в способе используют три цикла в каскаде, при этом охлаждающая жидкость каждого из трех циклов содержит смесь углеводородов (и, в частности, может содержать различные вышеперечисленные компоненты). Например, охлаждающая жидкость контура предварительного охлаждения может быть представлена смесью этана и пропана, тогда как охлаждающая жидкость двух других циклов (контуров) соответственно может быть смесью метана, этана и пропана и смесью азота, метана и этана. В этом случае нижеописанный способ запуска согласно настоящему изобретению может быть применен к двум последним холодильным циклам.
В альтернативном воплощении способа с тремя холодильными циклами охлаждающей жидкостью первого цикла является пропан, охлаждающая жидкость второго холодильного цикла содержит смесь углеводородов (и, в частности, может содержать различные вышеперечисленные компоненты), а охлаждающая жидкость третьего холодильного цикла содержит азот. Например, охлаждающая жидкость второго цикла может содержать метан, этан и пропан.
Способ запуска холодильного узла
Под "способом запуска" понимают совокупность операций, которые переводят холодильный узел из состояния остановки в состояние нормального функционирования, то есть в состояние, в котором холодильный узел характеризуется номинальными показателями работы и сжижения природного газа.
При первом запуске или при перезапуске после технического обслуживания вода может проникнуть в различные контуры. При охлаждении вода замерзает, в частности, внутри теплообменников, приводя к их закупориванию или к их порче по причине увеличения объема льда по сравнению с жидкой водой.
Таким образом, способ запуска холодильного узла включает, прежде всего, осушение контуров, то есть в описанном здесь варианте с двумя циклами осушение контура природного газа А, цикла предварительного охлаждения В и холодильного цикла С. Для этого, например, можно осуществить продувку чистым и сухим природным газом, например, взятым из узлов обработки и осушения, которые в производственной схеме стоят раньше холодильного узла.
Этот очищающий или "размораживающий" газ можно, в частности, прокачивать в самом холодном контуре компрессором С7. Этот газ, например, можно отбирать на входе А1 холодильного узла или на выходе камеры А6 (эта вторая возможность предпочтительнее, во избежание попадания в контуры тяжелых, в частности, ароматических компонентов). "Размораживающий" газ можно заменить азотом, который подходит и в том случае, когда он не входит в состав охлаждающей смеси. Промывку/просушку осуществляют с невысоким расходом газа и при невысоком давлении: эта процедура соответствует этапу (а) способа, описанного в кратком описании настоящего изобретения. Например, давление в контурах может составлять от 1 до 5 бар (абсолютных). Для того чтобы избавиться от воды в течение всей этой фазы осуществляется постоянный подвод и постоянный отвод очищающего газа.
В случае наличия контура предварительного охлаждения В (как описано здесь) после его просушки приступают к наполнению его подходящей охлаждающей жидкостью. Рабочие параметры контура предварительного охлаждения постепенно устанавливаются в своих номинальных значениях, и тогда контур считается приведенным в рабочее состояние.
Во вторую фазу становится возможным сформировать состав холодильного цикла охлаждения С из его разных компонентов (то есть добавить в контур эти компоненты), чтобы приступить к охлаждению вторичного теплообменника 2.
Для этого, в соответствии с уровнем техники, перекрывают отвод природного газа, чтобы прекратить прочистку и приступить к заполнению контура этим газом, который состоит, в основном, из метана. По достижении запаса метана в контуре переходят к введению этана и, при необходимости, пропана (а также, в ряде случаев, других компонентов) с получением охлаждающей смеси предусмотренного для реализации способа состава.
В последнюю очередь, при необходимости, добавляют соответствующее количество азота. Метан, который является одним из главных компонентов как охлаждающей жидкости, так и "размораживающего" газа, рассматривается как природный газ в уровне техники согласно этому порядку заполнения. Компоненты частично сжижаются в холодильном контуре по мере заполнения.
Однако, "размораживающий" газ, в основном содержащий метан, сжижается с трудом. Для сжижения этого газа нужно либо достичь весьма низких температур, невозможных при запуске цикла, либо значительно повысить давление, нагнетаемое компрессором С7. Но компрессор С7 предназначен для сжатия смеси углеводородов, средняя молярная масса которой составляет от 22 до 30, тогда как соответствующий показатель "размораживающего" газа находится в пределах от 17 до 19. В случае центробежных компрессоров отношения компрессии пропорциональны средней молярной массе сжимаемого газа. Таким образом, использование такого компрессора в сочетании с газом меньшей средней молярной массы, чем предусмотрено, неотвратимо приводит к более низкому значению нагнетаемого давления, тогда как для конденсации "размораживающего" газа, которая требуется для охлаждения цикла, необходимо более высокое давление. Отсюда, как указано во введении, возникают принципиальные ограничения на уровне компрессора С7, процедура пуска усложняется, а время пуска увеличивается. Кроме того, когда сжижение "размораживающего" газа в контуре все же достигается, возникает другое затруднение, связанное с детандером С4: разница между температурами жидкости в трубе С3 и в трубе С5 (являющаяся результатом равновесия жидкость/пар в С5) оказывается значительно выше, чем при работе в номинальном режиме. Это объясняется тем, что "размораживающий" газ значительно легче, чем охлаждающая жидкость, для которого предназначены детандер С4 и теплообменник 2. Как указано во введении, разность температур в потоках С3 и С5 может при этом достигать 40, 50 и даже 60°С, что создает температурные напряжения, которые могут повредить теплообменники, применяемые для сжижения природного газа.
Авторы изобретения установили, что вышеуказанные недостатки связаны с тем, что во время фаз охлаждения средняя молярная масса "размораживающего" газа слишком низка.
С другой стороны, согласно настоящему изобретению порядок, в котором метан и этан загружаются в холодильный контур, является обратным.
Так, этап (б) способа согласно настоящему изобретению состоит во введении в холодильный контур первого рабочего газа, а этап (в) состоит во введении в холодильный контур второго рабочего газа, при этом второй рабочий газ имеет среднюю молярную массу ниже (а не выше, как в уровне техники), чем у первого рабочего газа. Предпочтительно, средняя молярная масса первого рабочего газа выше, чем у охлаждающей жидкости в номинальном рабочем режиме. Предпочтительно, средняя молярная масса второго рабочего газа ниже, чем у охлаждающей жидкости в номинальном рабочем режиме. Предпочтительно, этапы (б) и (в) обеспечивают более 40 мол.% (или более 50 мол.%, или более 60 мол.%, или более 70 мол.%) всей совокупности молекул охлаждающей жидкости в номинальном рабочем режиме. Другие рабочие газы могут быть введены в контур в меньшем отношении либо все вместе, либо по отдельности, для завершения создания охлаждающей жидкости, например пропан, изобутан, н-бутан, изопентан, н-пентан, этилен, пропилен, азот. Каждое дополнительное введение можно производить между этапами (а) и (б), между этапами (б) и (в) или же после этапа (в).
А
В
А
В
Под "средней молярной массой" подразумевается среднее значение молярных масс различных компонентов указанной жидкости, вычисленное по молярному отношению каждого из ее компонентов. Например, если газ содержит 1/3 молекул А с молярной массой М и 2/3 молекул В с молярной массой М, то средняя молярная масса такого газа равна (1/3)М+(2/3)М.
Предпочтительно, первый рабочий газ в основном состоит из этана, а второй рабочий газ в основном состоит из метана (этот второй газ может быть природным газом или "размораживающим" газом, например, поступающим из трубы А1 или, предпочтительно, из выхода камеры А6).
Так, согласно настоящему изобретению газ, применяемый для охлаждения, поначалу имеет молярную массу выше, чем у охлаждающей жидкости в номинальном рабочем режиме, а затем средняя молярная масса охлаждающей жидкости в контуре падает по мере того, как вводят метан, вплоть до достижения номинального значения средней молярной массы. При этом выявленные ранее недостатки устраняются.
Поскольку в ходе этапа (б) охлаждающая жидкость в основном содержит компоненты, более тяжелые, чем метан, например, в основном, этан, конденсация ее достигается при более низком давлении. Она, поэтому, легко конденсируется и, таким образом, может скорее обеспечить достаточное охлаждение за счет испарения при низком давлении и, таким образом, ускорить охлаждение. К тому же, поскольку средняя молярная масса выше, чем в номинальном рабочем режиме, компрессор при том же показателе политропы способен легко создать повышенное давление, что облегчает конденсацию. Высокие величины давления, нагнетаемого компрессором, при этом достигаются легче, чем в уровне техники и, вместе с тем, давление, требуемое для конденсации, оказывается ниже. Наконец, падение температуры, связанное с расширением охлаждающей жидкости на вентиле С4, уменьшается и не ставит более в опасность механическую целостность теплообменников.
Обращение порядка введения компонентов охлаждающей жидкости, таким образом, дает преимущества для работы компрессора и теплообменников.
Ограничение уровня компрессии посредством введения этана дает еще одно преимущество для компрессора. Известно, что чем выше уровень компрессии, тем более значительно повышение температуры в ходе компрессии. Обычная процедура путем использования "размораживающего" газа как средства для снижения температуры в узле сжижения газа делает необходимым особенно высокие давления, чтобы его частично конденсировать. Такое высокое давление приводит к особенно высоким температурам на выходе, которые могут вызвать напряжения в металле компрессора или потребовать дополнительного охладителя для ограничения конечной температуры на выходе. В любом случае, дополнительные издержки можно устранить благодаря способу запуска согласно настоящему изобретению.
Способ, описанный выше для холодильного узла с двумя циклами, специалист может легко адаптировать к узлу с одним циклом или с тремя циклами. Так, в случае с холодильным узлом с одним циклом со смесью углеводородов, настоящий способ состоит в осуществлении вышеописанных этапов (а), (б) и (в) без предшествующего охлаждения контура предварительного охлаждения. Напротив, в случае узла с тремя циклами циклы охлаждают последовательно в порядке уменьшения их номинальных температур: каждый цикл, содержащий охлаждающую жидкость на основе смеси углеводородов (или, в более общем случае, на основе неазеотропной смеси компонентов с разными точками кипения) может быть охлажден в соответствии с вышеописанной последовательностью этапов (а), (б) и (в).
Примеры
Нижеследующие примеры лишь иллюстрируют настоящее изобретение, не ограничивая его.
Пример 1. Охлаждающие жидкости, содержащие смесь углеводородов
Ниже перечислены примеры известных способов сжижения природного газа с использованием охлаждающих жидкостей на основе смесей углеводородов. Каждый из этих способов может быть осуществлен способом согласно настоящему изобретению. Разумеется, нижеперечисленные составы являются типичными составами, в которые могут быть внесены изменения в зависимости от конкретных условий применения (природа сжижаемого газа, условия окружающей среды и т.п.).
1) Способ APCI. Этот способ включает в себя два цикла: цикл предварительного охлаждения с пропаном и второй цикл сжижения и переохлаждения. Охлаждающая жидкость второго цикла имеет следующий состав:
- азот: 5,83 мол.%;
- метан: 44,28 мол.%;
- этан: 37,30 мол.%;
- пропан: 21,59 мол.%.
Второй цикл способа можно запустить согласно вышеприведенной последовательности этапов от (а) до (в).
2) Способ Линде. Этот способ включает три цикла, то есть цикл предварительного охлаждения, цикл сжижения и цикл переохлаждения. Охлаждающая жидкость цикла переохлаждения имеет следующий состав:
- азот: 8,93 мол.%;
- метан: 54,88 мол.%;
- этан: 36,19 мол.%.
Цикл переохлаждения можно запустить согласно вышеприведенной последовательности этапов от (а) до (в).
3) Способ соединенного каскада. В этом способе один цикл охлаждения. Это способ относится к той же группе, что и способ Prico™. Охлаждающая жидкость при этом имеет следующий состав:
- азот: 4,67 мол.%;
- метан: 29,17 мол.%;
- этан: 34,00 мол.%;
- пропан: 11,09 мол.%;
- изобутан: 4,58 мол.%;
- н-бутан: 2,25 мол.%;
- изопентан: 6,01 мол.%;
- н-пентан: 8,23 мол.%.
Единственный цикл можно запустить согласно вышеприведенной последовательности этапов от (а) до (в).
Пример 2. Пример запуска холодильного узла согласно настоящему изобретению
Этот пример основан на холодильном узле, представленном на Фиг.1.
Начинают с прочистки всех контуров природным газом, или "размораживающим" газом, поступающим из выхода камеры А6, состав которого следующий:
- азот: 4,4 мол.%;
- метан: 87,8 мол.%;
- этан: 5,3 мол.%;
- пропан: 1,8 мол.%;
- бутан: 0,7 мол.%.
Затем цикл В (цикл предварительного охлаждения), который является циклом этан/пропан, запускается в работу и охлаждается приблизительно до -65°С.
Далее переходят к запуску цикла С (холодильный контур, соответствующий здесь контуру сжижения и переохлаждения), где охлаждающая жидкость должна иметь следующий конечный состав:
- азот: 7,5 мол.%;
- метан: 42,5 мол.%;
- этан: 45 мол.%;
- пропан: 5 мол.%.
Для этого перекрывают выход "размораживающего" газа, затем вводят компоненты охлаждающей жидкости в следующем порядке: этан, пропан, снова природный газ ("размораживающий" газ) и, наконец, азот.
2
1
2
3
4
В Таблицу 1, приведенную ниже, сведено изменение параметров цикла С в ходе запуска. Обозначения t1-t6 соответствуют шести последовательным моментам в ходе этого запуска. Т1 обозначает температуру на холодном конце теплообменника 2. Р1 представляет собою давление, нагнетаемое компрессором С7 в абсолютных барах. Т2 представляет температуру нагнетания компрессором С7. % N обозначает процентное содержание азота в контуре. % C обозначает процентное содержание метана в контуре. % С обозначает процентное содержание этана в контуре. % С обозначает процентное содержание пропана в контуре. % С обозначает процентное содержание бутана в контуре. ΔТ представляет наибольшую разность температур в теплообменнике 2. Наконец, для сравнения ΔT' представляет наибольшую разность температур в теплообменнике 2, которая была бы достигнута при той же Т1, если бы применялась процедура из уровня техники, состоящая в заполнении контура "размораживающим" газом до впрыскивания этана.
Таблица 1
Запуск холодильного цикла
t1
t2
t3
t4
t5
t6
Т1
-55°С
-75°С
-100°С
-120°С
-140°С
-155°С
Р1
3 бар
9 бар
11,9 бар
12,6 бар
13,4 бар
56 бар
Т2
139°С
157°С
160°С
163°С
% N<sub>2</sub>
4,4%
3,1%
2,5%
2,5%
2,4%
7,5%
% C<sub>1</sub>
87,8%
60,1%
50,5%
48,6%
46,6%
42,5%
% С<sub>2</sub>
5,3%
35,1%
45,5%
47,6%
49,7%
45%
% С<sub>3</sub>
1,8%
1,3%
1,1%
1,0%
1,0%
5%
% С<sub>4</sub>
0,7%
0,5%
0,4%
0,4%
0,4%
0,0%
ΔT
18°С
23°С
21°С
23°С
12°С
ΔT'
58°С
60°С
61°С
60°С
12°С
Момент t1 соответствует началу запуска цикла. Состав соответствует "размораживающему" газу, который служил для прочистки контура. Давление на компрессоре Р1 весьма низкое, с одной стороны, чтобы не вводить изначально много метана, а с другой стороны, поскольку слишком высокое давление для прочистки оборудования газом не нужно. Затем добавляют этан для понижения температуры Т1. Поскольку фаза разморозки проводится при низком давлении, массовое содержание "размораживающего" газа незначительно, и добавление этана до окончательной нормы позволяет быстро увеличить среднюю молярную массу охлаждающей жидкости.
В момент t5 температура достигает -140°С и содержание этана превосходит соответствующий показатель при работе в нормальном режиме. Давление 13,4 бар (абсолютных) теперь достаточно для конденсации охлаждающей жидкости, тогда как компрессор в нормальном режиме способен нагнетать давление 56,4 бар (абсолютных) при использовании газа с меньшей средней молярной массой при том же всасывающем давлении.
Следует отметить, что если бы запуск был осуществлен с "размораживающим" газом, то температура нагнетания компрессором 12 могла бы достигать и даже превосходить 200-250°С, поскольку для конденсации такого газа потребовалась бы высокая компрессия.
Присутствующий в контуре бутан привносится с "размораживающим" газом и разбавляется по мере того, как увеличивается содержание этана, пропана и азота до незначительной концентрации.
На каждом из этапов от t2 до t5 содержание газа в контуре увеличивается за счет поступления этана. С t5 по t6 сначала добавляется остаток этана, затем пропан, снова природный газ ("размораживающий" газ) и азот до достижения предписанного значения каждого из компонентов.
Фиг.2 и 3 представляют собой диаграммы теплообмена в теплообменнике 2 соответственно для вышеозначенных этапов t2 и t5. Можно отметить, что разница температур не превосходит двадцать градусов, то есть приемлема для любых криогенных теплообменников, а при процедуре запуска из уровня техники разница температур превосходит 50°С, тогда как максимум, обычно допускаемый разработчиками, составляет 30°С.