ОПТИМИЗИРОВАННОЕ ВВЕДЕНИЕ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА СМЕСИ ОХЛАДИТЕЛЯ В СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
OPTIMIZED INTRODUCTION OF A TWO-PHASE STREAM OF COOLANT MIXTURES INTO THE METHODS OF LIQUEFYING NATURAL GAS

Настоящее изобретение относится к способу для сжижения потока углеводородов, таких как природный газ, в частности, в способе для производства сжиженного природного газа. В типичных установках для сжижения природного газа с использованием цикла охлаждающей смеси, потоки охладителя используют для получения холода при различных уровнях основного теплообменника за счет испарения от потока сжижаемых углеводородов (обычно природного газа). Охладительная смесь обычно содержит смесь, содержащую углеводороды.
Является желательным сжижение природного газа по определенному количеству причин. В качестве примера, природный газ можно легче сохранять и перемещать на большие расстояния в жидком состоянии, чем в форме газа, поскольку она занимает меньший объем для данной массы и не нуждается в хранении при высоком давлении.
Известно несколько способов для сжижения потока природного газа, для получения сжиженного природного газа (СПГ). Обычно охладительную смесь сжимают посредством компрессора, тогда его вводят в основной теплообменник (катушечный теплообменник или спаянный алюминиевый пластинчатый теплообменник), в котором его полностью сжижают и дополнительно охлаждают до самой низкой температуры способа, как правило, температуры потока сжиженного природного газа. На самом холодном выходе основного теплообменника охладитель расширяется при образовании жидкой фазы и паровой фазы, а совокупность из двух фаз повторно перемешивается и повторно вводится в основной теплообменник, для ее испарения применительно к обогащенной углеводородом фракции, которая сжижается.
Это решение не является оптимальным, из-за двухфазного состава потока охладителя, где две фазы воссоединяют и сразу же вводят в этом состоянии в теплообменник. Именно поэтому поток жидкого охладителя содержит самые тяжелые соединения. Поэтому последние будут испаряться при более высокой температуре, чем более легкие соединения, такие как, например, азот или метан.
Поэтому его используют для получения холода при промежуточной температуре (обычно примерно между -30°C и -50°C, для предварительного охлаждения и частичного сжижения сжижаемой смеси углеводородов). С другой стороны, поток газового охладителя содержит самые легкие соединения. Его используют для получения холода при более холодной температуре (обычно ниже -100°C), для сжижения и полного переохлаждения сжижаемой смеси углеводородов.
Поэтому для жидкого охладителя не обязательно подвергать его переохлаждению настолько же, насколько переохлаждают газовый охладитель перед его расширением и испарением перед сжижением потока углеводородов. Когда это происходит, это, как правило, представляет собой процесс согласно уровню техники, как было описано в предыдущем параграфе.
Более того, в Патентной заявке US2009/0260392 A1 описано сжижение обогащенной углеводородами фракции, относительно смеси охладителя, и этот поток охладителя разделяют в фазоразделителе на газовую фаза и жидкую фазу, вслед за этапом сжатия и охлаждения упомянутой смеси охладителя.
Две фазы охладителя последовательно охлаждают по отдельности, затем воссоединяют только после того, как два фазы были расширены. Сразу после воссоединения, эти две фазы снова вводят в теплообменник в форме двухфазного потока и повторно нагревают относительно природного газа, который сжижается. Этот «перенагрев» имеет место, как для жидкой фазы охладителя, так и для газовой фазы, как только эти потоки охладителя были расширены.
В значительной степени эффективность цикла смеси охладителя основана на том, что поток смеси охладителей после расширения вводят в основной теплообменник в двухфазном состоянии, а не как отдельные жидкость и газ.
Таким образом, согласно уровню техники охлаждение осуществляют в теплообменнике на спуске, тогда как испарение (а следовательно, и введение двухфазного потока охладителя) осуществляют на поднимающемся пути.
Введение двухфазного потока охладителя, которым сложнее всего управлять, осуществляют на самом холодном входе основного теплообменника, где степень частичного испарения (мгновенного испарения) очень низка (несколько процентов): недостаточно, чтобы было обеспечено увлечение потока жидкости газом без упреждения избыточного падения давления. В спаянных алюминиевых пластинчатых теплообменниках поперечное сечение, допустимое на самом холодном конце теплообменника может быть слишком большим для того, чтобы было возможным, чтобы жидкость легко увлекалась подходящим «мгновенным» газом.
Введение двухфазного потока охладителя, осуществляемое при промежуточном уровне температуры, является менее критическим, поскольку количество пара резко повышается на всем протяжении основного теплообменника.
Поэтому авторы настоящего изобретения разработали решение, которое дает возможность решить проблему, поднятую выше, при оптимизации в то же время энергозатрат.
Предметом настоящего изобретения является способ для сжижения потока углеводородов, таких как природный газ, из подаваемого потока, с использованием теплообменника, например, спаянный алюминиевого пластинчатого теплообменника, установленного вертикально, содержащего верхнюю часть, где температура является наивысшей, и холодную нижнюю часть, где температура является наинизшей, и которая физически отлична от верхней части, причем упомянутый способ содержит, по меньшей мере, следующие этапы:
этап a): пропускания подаваемого газа напротив потока смеси охладителя через теплообменник для обеспечения, по меньшей мере, частично сжиженного потока углеводорода, имеющего температуру ниже -140°C;
этап b): введения смеси охладителя в теплообменник, по меньшей мере, из одного входа верхней части, характеризующийся его уровнем температуры, причем уровень температуры является наивысший (T1), вследствие чего направление потока упомянутой смеси охладителя в теплообменнике спускается;
этап c): выхода потока охладителя, возникающего в результате этапа b) в теплообменнике, из выхода, характеризующийся его уровнем температуры T2, причем T2 является более низкой, чем T1, вследствие чего поток является жидким;
этап d): введения потока охладителя, возникающего в результате этапа c) в теплообменнике, по меньшей мере, из одного входа нижней части, вследствие чего направление потока упомянутой смеси охладителя в теплообменнике поднимается, для получения сжиженного потока на выходе теплообменника;
этап e): выхода потока охладителя, возникающего в результате этапа d) в теплообменнике, из выхода, характеризующийся его уровнем температуры T3, T3, которая ниже, чем T2, и тогда, таком образом, достигается расширение упомянутого потока охладителя, для получения двухфазного потока охладителя;
этап f): введения двухфазного потока охладителя, возникающего на этапе e) в теплообменнике, по меньшей мере, из одного входа нижней части, вследствие чего направление потока упомянутой смеси охладителя в теплообменнике спускается;
характеризующийся тем, что объемное соотношение двухфазного потока охладителя, введенного на этапе f), составляет 5-50%.
Согласно другим вариантам воплощения настоящее изобретение относится к:
- способу, как было описано выше, характеризующемуся тем, что объемное соотношение двухфазного потока охладителя, введенного на этапе f), составляет 15-30%;
- способу, как было описано выше, содержащему этап g): пропускания потока, возникающего в результате этапа f), через верхнюю часть теплообменника в направлении подъема из выхода при температуре T2;
- способу, как было описано выше, характеризующемуся тем, что поток смеси охладителя циркулирует в контуре охлаждения закрытого типа;
- способу, как было описано выше, характеризующемуся тем, что T3 составляет от -170°C до -140°C;
- способу как было описано выше, характеризующийся тем, что T2 составляет от -120°C до -40°C;
- способ, как было описано выше, характеризующийся тем, что поток смеси охладителя содержит компоненты среди азота, метана, этилена, этана, бутана и пентана.
Предметом изобретения также является блок для сжижения потока углеводородов, таких как природный газ, содержащий, по меньшей мере, один теплообменник, установленный в вертикальном положении, причем упомянутый теплообменник содержит верхнюю часть и нижнюю часть, которая отлична от верхней части, причем верхняя часть имеет высокотемпературную область, нижняя часть имеет низкотемпературную область, характеризующийся тем, что упомянутый теплообменник содержит в своей нижней части, по меньшей мере, один проход для потока двухфазной смеси жидкого хладоагента в направлении спуска.
Предметом изобретения также является блок, как было описано выше, в котором упомянутый теплообменник представляет собой спаянный алюминиевый пластинчатый теплообменник.
Хотя способу согласно настоящему изобретению применим для различных углеводородных подаваемых потоков, особо подходящим для потоков природного газа является, чтобы они были сжиженными. В дополнение, специалистам в данной области техники должно быть легко понятно, что после сжижения сжиженный природный газ может быть дополнительно обработан, по желанию.
В качестве примера, у полученного сжиженного природного газа может быть сброшено давление посредством клапана Джоуля-Томсона или посредством турбины. В дополнение, между разделением и охлаждением газа и жидкости могут быть осуществлены другие промежуточные этапы обработки. Поток сжижаемых углеводородов, как правило, представляет собой поток природного газа, полученного из резервуаров для природного газа или нефти.
В качестве альтернативы, поток природного газа также может быть получен из другого источника, также содержащего синтетический источник, такой как процесс Фишера-Тропша.
Поток природного газа обычно состоит в основном из метана. Является предпочтительным, чтобы подаваемый поток содержал, по меньшей мере, 60 мол.% метана, предпочтительно, меньшей мере, 80 мол.% метана.
2
2
2
2
В зависимости от источника, природный газ может содержать значительные количества углеводородов, которые тяжелее, чем метан, - такие как этан, пропан, бутан и пентан, а также некоторые ароматические углеводороды. Поток природного газа также может содержать не углеводородные продукты, такие как HO, N, CO, HS и другие серосодержащие соединения, и т.п.
2
2
Подаваемый поток, содержащий природный газ, может быть подвергнут предварительной обработке перед введения в теплообменник. Эта предварительная обработка может содержать снижение количества и/или устранение нежелательных компонентов, таких как CO и HS, или другие этапы, такие как предварительное охлаждение и/или подача под давлением. При условии, что эти меры хорошо известны специалистам в данной области техники, они подробно не описаны в настоящей работе.
Выражение «природный газ», как использовано в настоящей заявке, относится к любому составу, содержащему углеводороды, включающие в себя, по меньшей мере, метан. Это понятие содержит «сырой» состав (перед любой обработкой, такой как очистка или промывка), а также любой состав, который был частично, почти или полностью обработан для снижения содержания и/или устранения одного или более соединений, включающих в себя, - но без ограничений ими, - серу, диоксид углерода, воду и углеводороды, имеющие два или более атомов углерода. Фазоразделитель может представлять собой любой блок, колонну или конструкцию, подходящую для разделения смеси охладителя на паровой поток охладителя и жидкий поток охладителя. Такие фазоразделители известны согласно уровню техники и подробно не описаны в настоящей работе.
Является предпочтительным, чтобы теплообменник, обозначенный изобретением, представлял собой пластинчатый теплообменник, но может представлять собой любую колонну, блок или любую конструкцию, подходящую для обеспечения прохода определенным количеством потоков и, таким образом, позволяющую прямой или непрямой теплообмен между одной или более линией жидкого хладоагента и одним или более подаваемыми потоками.
Предложенное решение состоит в разделении основного теплообменника, по меньшей мере, на две секции, где одна секция представляет собой самый холодный конец основного теплообменника, и в переворачивании этой холодной секции таким образом, чтобы двухфазный поток охладителя был введен на спуске в эту холодную часть теплообменника.
Предложенное решение имеет следующие преимущества.
- Снижение размеров холодной секции и уменьшение остаточных потерь в этой холодной секции, поскольку это лучше подходит для переохлаждения сжижаемой жидкости.
- Можно избежать избыточного падения давления, и жидкий охладитель используется полностью. Это происходит потому, что в перевернутой части теплообменника жидкость спускается под действием силы тяжести, и нет необходимости в расширении газа в теплообменнике, даже со значительным уровнем объема жидкости на самом холодном конце. Таким образом, частично испаренная смесь подается путем подъема испарений в теплообменник, где объемная доля жидкости меньше, и она может быть легко увлечена подходящим газом.
Изобретение будет более подробно описано со ссылкой на Фигуру, которая иллюстрирует схему согласно конкретному варианту воплощения внедрения способа согласно изобретению.
2
На Фигуре поток 1 природного газа, который был заблаговременно предварительно обработан (не обязательно) (будучи подвергнутым разделению отчасти, по меньшей мере, на один из следующих компонентов: воду, CO, метанол, серосодержащие соединения), вводят в теплообменник 2 для сжижения.
Поэтому на Фигуре показан способ для сжижения подаваемого потока 1. Подаваемый поток 1 может представлять собой предварительно обработанный поток природного газа, в котором содержание одного или более веществ, таких как сера, диоксид углерода или вода, снижено, для совместимости с криогенными температурами, как известно согласно уровню техники.
Подаваемый поток 1 может (не обязательно) пройти через один или более этапов предварительного охлаждения, как известно согласно уровню техники. Один или более этапов предварительного охлаждения может содержать одни или более контуров охлаждения.
В качестве примера, подаваемый поток природного газа, как правило, обрабатывают, начиная с исходной температуры между -30°C и -50°C. Вслед за одним или более этапами предварительного охлаждения, температура подаваемого потока природного газа может быть снижена до температуры между -30°C и -70°C.
На Фигуре является предпочтительным, чтобы теплообменник 2 представлял собой спаянный алюминиевый пластинчатый криогенный теплообменник. Теплообменник установлен вертикально и содержит две части 2 и 2ʹ. Верхняя часть 2 представляет собой часть, в которой температура является наивысшей (например, между -130°C и -40°C) и нижняя часть 2ʹ представляет собой часть, в которой температура является наинизшей (например, между -160°C и -130°C).
В дополнение, нижняя часть 2ʹ физически отлична от верхней части 2 и является перевернутой по отношению к последней, т.е. наивысшая точка нижней части 2ʹ расположена на дне, тогда как самая холодный точка этой нижней части 2ʹ расположена наверху, - напротив верхней части 2.
Криогенные теплообменники известны согласно уровню техники и могут иметь различные расположения их подаваемого потока (подаваемых потоков) и потоков охладителя. В дополнение, такие теплообменники также могут иметь одну или более линий для обеспечения прохода других потоков, таких как потоки охладителя для других этапов способах охлаждения, например, в способах сжижения. Эти другие линии или потоки не представлены на Фигуре, в целях большей простоты.
Подаваемый поток 1 попадает в теплообменник 2 через вход 3 для сырья и проходит через теплообменник по линии 4, затем извлекается из теплообменника на выходе 5, для обеспечения, по меньшей мере, частично сжиженного потока 6 углеводородов. Является предпочтительным, чтобы этот сжиженный поток 6 был полностью сжижен и даже дополнительно охлажден, и он также может быть обработан, как обсуждается ниже. Когда сжиженный поток 6 представляет собой сжиженный природный газ, температура может составлять приблизительно от 150°C до -160°C. Сжижение подаваемого потока 1 осуществляют посредством контура 7 жидкого хладоагента. Смесь охладителя циркулирует в контуре 7 охладителя, причем является предпочтительным, чтобы упомянутая смесь охладителя была выбрана из группы, содержащей азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, пентан и т.д.
Состав смеси охладителя может изменяться согласно условиям и параметрам, желательным для теплообменника 2, как известно согласно уровню техники.
В схеме для эксплуатации теплообменника 2, представленной на Фигуре, поток 8 газового охладителя  вводят в теплообменник 2 на входе 9 при температуре T1 (например, между 0°C и 40°C), затем он проходит через этот вход, сжижается и дополнительно охлаждается вдоль линии 10, проходящей через теплообменник 2, вплоть до выхода 11.
Температура T2 выхода 11 более низкая, чем температура входа 9 теплообменника 2. T2 обычно составляет от -80°C до -120°C, например -110°C. При прохождении потока газового охладителя 8 по линии 10, он сжижается. Поток смеси 12 охладителя  затем вводят во вторую секцию 2ʹ теплообменника, которая представляет собой нижнюю часть, через вход, у которого температура приблизительно равна T2 и является наивысшей температурой этой нижней части 2ʹ. Направление потока 12, циркулирующего в этой секции 2ʹ теплообменника, поднимается.
Поток 12 охладителя  переохлаждается вдоль линии 14, проходящей через секцию 2ʹ теплообменника, вплоть до выхода 15. Температура T3 выхода 15 является наинизшей из температур теплообменника (2, 2ʹ). T3 обычно находится между -140°C и -170°C, например, -160°C. При прохождении потока 12 охладителя  по линии 14, он сжижается, вследствие чего поток охладителя ниже по течению относительно выхода 15 представляет собой жидкий поток 16.
Поток 16 охладителя  затем расширяется, например, с использованием клапана 17, для обеспечения пара охладителя при пониженном давлении 18.
Этот поток охладителя 18 является двухфазным потоком и имеет объемное соотношение жидкость/газ 5-50%.
Этот поток 18 затем вводят в нижнюю часть теплообменника 2ʹ через вход 19 (на самом холодном конце теплообменника 2ʹ). Температура входа 19 приблизительно равна T3. Введение потока 18 в теплообменник через вход 19 тогда становится таким, что проход этого потока 18 охладителя  по линии 20 в теплообменнике 2ʹ протекает на спуске, под действием силы тяжести, вплоть до выхода 21 на дне нижней части 2ʹ теплообменника. Температура этого выхода 21 приблизительно равна T2. Теплообменник 2ʹ устанавливают таким образом, чтобы можно было подавать поток 22 с объемным соотношением жидкость/газ (менее 15%), которое допускает легкое восходящее увлечение жидкости газом, сразу поле введения в теплообменник 2 в точке 23.
Поток 22 охладителя, извлеченный на выходе 21 нижней части 2ʹ теплообменника, затем вводят через вход 23 в наинизшую часть верхней части теплообменника 2 при температуре, приблизительно равной температуре выхода 11. Поток охладителя затем повторно нагревают через теплообменник 2, вплоть до выхода 24 при температуре T1.
Поток газового охладителя 25 циркулирует в контуре охлаждения 7 ниже по течению относительно выхода 24 теплообменника при температуре окружающей среды (т.е. температуре, измеренной в пространстве, где размещено устройство для воплощения способа, который является предметом настоящего изобретения. Эта температура составляет, например, от -20°C до 45°C).
Поток охладителя сжимают с использованием компрессора. Способ сжатия известен из уровня техники, и компрессор представляет собой, например, компрессор, по меньшей мере, с двумя адиабатическими секциями, и поэтому содержит, по меньшей мере, два охлаждающих устройства. Сразу после сжатия в первой секции компрессора, поток охладителя охлаждают посредством охлаждающего устройства, а затем частично подвергают конденсации.
Поток охладителя направляют на фазоразделитель, который выделяет из упомянутого потока охладителя первый поток газового охладителя, состоящего из самых тяжелых элементов потока охладителя контура 7 охлаждения, т.е., в частности, компонентов, имеющих более четырех атомов углерода.
Другая часть потока охладителя состоит из самых легких элементов (т.е. обычно азота и метана), а затем следует по пути, описанному выше, из выхода 9 теплообменника 2.
Сжатие, охлаждение и разделение элементов, описанных в этом параграфе, на Фигуре не представлены и схематически представлены в ячейке 26.
Согласно одному конкретному способу изобретения (не показанному на Фигуре), жидкий поток охладителя вводят в верхнюю часть теплообменника 2 через вход при температуре T1, а затем он проходит через теплообменник 2, до его выпуска из теплообменника на выходе, у которого уровень температуры является промежуточным между верхом и низом упомянутой верхней части 2 теплообменника, с температурой T выше T2.
Например, T составляет от -90°C до -110°C. Поток охладителя ниже по течению относительно этого выхода расширяют в расширяющем устройстве, например, в клапане, для снижения его давления и для образования второго потока (F) охладителя при пониженном давлении. Последний поток затем снова проходит в верхнюю часть теплообменника 2 и идет к выходу теплообменника, который может представлять собой выход 24.
Согласно другому способу изобретения другой жидкий поток охладителя вводят в верхнюю часть теплообменника 2 через вход при T1, затем он проходит через теплообменник 2, до его выпуска из теплообменника на выходе на промежуточном уровне между верхом и низом верхней части теплообменника и выше выхода, описанного в предыдущем параграфе, имеющего температуру Tʹ выше T.
Например, Tʹ составляет от -30°C до -50°C. Поток охладителя ниже по течению относительно этого выхода 28 расширяют в расширяющем устройстве, например, в клапане, для снижения его давления и образования третьего потока (Fʹ) охладителя при пониженном давлении.
Является предпочтительным, чтобы давления первого (22), второго (F) и третьего (Fʹ) охладителя при пониженном давлении были приблизительно одинаковыми: например, приблизительно 3 бар.
Сразу после попадания в теплообменник 2, поток охладителя 22 испаряется, по меньшей мере, частично, вплоть до выхода, а затем ниже по течению относительно этого выхода соединяется с потоком (F), и два потока затем смешиваются в поток (F). Точно так же, этот поток (F)  охладителя смешивается с потоком охладителя (Fʹ), где это уместно.
Поток (Fʹ) затем снова проходит через теплообменник 2 и полностью испаряется, вплоть до выхода 24 теплообменника.
Выражение «температура приблизительно равна другой температуре» означает, что температура равна плюс или минус 5°C.
Сжиженный природный газ 6 в конце способа, который является предметом настоящего изобретения, может быть затем, например, перемещен в устройство хранения или транспортировки.