СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЕВОГО ПОТОКА И УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЕВОГО ПОТОКА ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА
METHOD FOR COOLING THE HYDROCARBON FEED STREAM AND INSTALLATION FOR COOLING THE HYDROCARBON FEED STREAM COOLING THE HYDROCARBON STREAM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Системы для охлаждения, сжижения и, в некоторых случаях, 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), такие как (AP-X™), способ с расширением газовой фазы (такой как расширительный цикл с азотом или метаном) и каскадные циклы. Обычно в таких системах природный газ охлаждают, сжижают и, в некоторых случаях переохлаждают путем косвенного теплообмена с одним или более хладагентами. Использовать можно различные хладагенты, такие как смешанные хладагенты, чистые компоненты, двухфазные хладагенты, хладагенты в газовой фазе и тому подобное. Некоторыми примерами чистого компонента в двухфазных хладагентах являются пропан, диоксид углерода, фторуглеводороды (ФУВ), этан, этилен и другие. Некоторые из них особенно подходят для предварительного охлаждения.
[0002] Смешанные хладагенты (СХ), которые являются смесью из азота, метана, этана/этилена, пропана, бутанов и пентанов использовали на многих установках базовой нагрузки по производству сжиженного природного газа (СПГ). Состав потока СХ обычно выбирают, исходя из состава сырьевого газа и условий эксплуатации.
[0003] Хладагент циркулирует в контуре хладагента, который включает один или более теплообменников и одну или более систем компрессии хладагента. Контур хладагента может быть замкнутым контуром или открытым контуром. Природный газ охлаждается, сжижается и/или переохлаждается путем косвенного теплообмена с хладагентами в теплообменниках.
[0004] Теплопередача при кипении является обычно используемым режимом передачи тепла, причем хладагент кипит при одном или более давлениях для обеспечения требуемой холодопроизводительности. Критической точкой является точка на диаграмме давление - энтальпия (P-H), в которой линии насыщенной жидкости и насыщенного пара флюида пересекаются. Критическая температура является термодинамическим свойством флюида и является температурой в критической точке. Существует два типа операций с хладагентом - докритическая операция, при которой все этапы процесса происходят всегда ниже критической точки и транскритическая операция, при которой по меньшей мере один этап процесса происходит выше критической точки, в то время как по меньшей мере один этап процесса происходит ниже критической точки.
[0005] На ФИГ. 1 приведена диаграмма в координатах давление - энтальпия (Р - Н) для докритической операции для процесса охлаждения при одном давлении. Пар хладагента (А), который имеет давление Р1 и температуру Т1, сжимают до давления P2 и температуры T2 (B). Затем сжатый пар подвергают сбиву перегрева до точки росы (С), конденсируют до точки появления пузырька (D) и переохлаждают до полученной переохлажденной жидкости (E). Температура в точке E является температурой на выходе из вторичного охладителя, также называется TAC, и показана изотермой на ФИГ. 1А. Затем переохлажденную жидкость понижают в давлении до первоначального давления P1 (F). Жидкий компонент хладагента в точке F испаряется с завершением цикла и возврата в паровую фазу (А). На этапе B-E процесс отдает теплоту окружающему воздуху или охлаждающей воде, а на этапе F-A процесс обеспечивает охлаждение технологического потока, такого как сырьевой поток природного газа и/или другого хладагента.
[0006] На Фиг.1В показана диаграмма P-H для транскритической операции для процесса охлаждения под одним давлением. Цикл на диаграмме аналогичен циклу на диаграмме на Фиг. 1А, однако, этап отвода тепла B-E происходит выше критической точки. Критическая температура TCRIT показана изотермой. В начале процесса пар хладагента (А) имеет давление Р1 и температуру Т1 ниже критической температуры. Затем его сжимают до давления Р2 и температуры Т2 (В), которая выше критической температуры. Выше критической точки флюид не имеет различимой паровой и жидкой фазы. Поэтому, когда он охлаждается от точки B до точки E, он не конденсируется. Жидкость проявляет свойства пара в точке B и свойства жидкости в точке E. Однако, в отличие от докритического процесса конденсации, при этом температура остается постоянной во время процесса конденсации (C-D), температура постоянно уменьшается в период транскритического этапа отвода тепла. Этап отвода тепла для транскритических процессов может иметь более низкую эффективность, чем для докритических процессов, что является недостатком транскритических процессов.
[0007] Температура в точке Е после отвода тепла для обеих операций - докритической и транскритической определяется температурой окружающей среды плюс перепад температур в теплообменнике. Благодаря вертикальному характеру изотерм (линии постоянной температуры) выше критической точки, E находится в центральной части графика для транскритической операции. Поэтому, когда хладагент понижают в давлении от точки Е до F, образуется двухфазный поток с большими количествами пара. Следовательно, хладагент в точке F имеет более высокую долю пара в транскритическом процессе, чем в докритическом процессе. Именно жидкий компонент хладагента в точке F испаряется для обеспечения требуемой холодопроизводительности. Поэтому из-за высокой доли пара в F, транскритические процессы по своей природе имеют более низкую эффективность процесса, чем докритические процессы.
[0008] Температура в точке E, которая является температурой на выходе охладителя окружающей среды, определяется температурой окружающей среды плюс перепад температур на концах теплообменника и является решающим фактором при определении того, происходит докритическая или транскритическая операция. Если температура на выходе охладителя окружающей среды ниже критической температуры, как на Фиг. 1А, происходит докритическая операция. Если температура на выходе охладителя окружающей среды больше или равна критической температуре, как на Фиг. 1B, происходит транскритическая операция.
[0009] Хладагенты, такие как пропан и смешанный хладагент, имеют критические температуры, которые значительно выше типичных температур на выходе из охладителя окружающей среды, даже при высоких температурах окружающей среды, и поэтому происходит докритическая операция. Углекислый газ и этан имеют критические температуры около 31 0С. Этилен имеет критическую температуру около 10 0С. В зависимости от температуры окружающей среды, двуокиси углерода, этана и этилена будет происходить транскритическая операция для типичных высокой и средней температуры окружающей среды и, следовательно, эффективность процесса будет низкой. Это существенный недостаток транскритической операции.
[0010] Другой проблемой с транскритической операцией является управление запасами хладагента при колебаниях температуры окружающей среды. Для транскритической операции этап отвода тепла B-E происходит выше критической точки, и конденсация не происходит. Когда хладагент охлаждается, его температура постоянно снижается и его плотность увеличивается. Хладагент в точке E имеет плотность жидкости, но не является жидкостью. Соответственно, процедуры управления запасами предпочтительно основаны на давлении, таким же способом, как и управление запасами хладагента в паровой фазе. По мере снижения температуры окружающей среды температура на выходе охладителя окружающей среды становится ниже, чем критическая температура, и операция переключается на докритическую. Хладагент полностью конденсируется и переохлаждается в точке E. Поэтому процедуры управления запасами предпочтительно будут основаны на тех, которые используются для жидкого хладагента с использованием контроля уровня жидкости. Другими словами, по мере того, как операция переключается с транскритической на докритическую при колебании температуры окружающей среды, способы управления запасами также могут измениться. Это эксплуатационная проблема, связанная с транскритическими хладагентами.
[0011] Диоксид углерода, например, является негорючим и имеет преимущества в плавучих установках СПГ (ПСПГ). Он имеет высокую плотность, что обеспечивает низкий объемный расход хладагента, а также небольшие размеры трубопроводов. Однако из-за проблем, указанных здесь для транскритической операции, он не был предпочтительным для применений сжижения природного газа.
[0012] Следовательно, существует неудовлетворенная потребность в эффективном способе и системе для решения проблем, связанных с транскритической операцией и возможностью использовать транскритические хладагенты для обслуживания установок СПГ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Настоящее описание изобретения предоставлено для введения выборки понятий в упрощенной форме, которые далее изложены ниже в подробном описании. Настоящее описание изобретения не предназначено для определения ключевых признаков или существенных признаков заявленного предмета изобретения и не предназначено для ограничения объема заявленного предмета изобретения.
[0014] Некоторые варианты воплощения изобретения, описанные ниже и определенные последующей формулой изобретения, включают усовершенствования систем охлаждения и сжижения, используемых как часть процессов сжижения СПГ. Некоторые варианты воплощения изобретения удовлетворяют потребностям уровня техники путем использования гибридного процесса охлаждения, тем самым позволяя использовать не применяемые в иных случаях, транскритические хладагенты для обслуживания установок СПГ.
[0015] Дополнительно, несколько конкретных аспектов систем и способов изложены ниже.
[0016] Аспект 1: Способ охлаждения углеводородного сырьевого потока первым хладагентом для получения охлажденного углеводородного потока, при этом первый хладагент имеет критическую температуру, способ, включающий:
(a) сжатие первого хладагента в одной или более ступеней компрессии для получения сжатого первого хладагента;
(б) охлаждение сжатого первого хладагента флюидом окружающей среды в одном или более теплообменников окружающей среды для получения охлажденного первого хладагента с первой температурой;
(в) охлаждение потока флюида в каждом из по меньшей мере одного контура охлаждения, расположенного в сообщении по потоку флюида ниже по потоку от одного или более теплообменников окружающей среды, при этом каждый из по меньшей мере одного контура охлаждения имеет по меньшей мере одну ступень испарения, при этом каждый из последующих этапов выполняется на каждой ступени испарения:
(i) снижение давления первого хладагента;
(ii) охлаждение потока флюида первым хладагентом пониженного давления в испарителе, что приводит к испарению по меньшей мере части первого хладагента пониженного давления; и
(iii) прохождение по меньшей мере части испаренного первого хладагента пониженного давления в одну, из по меньшей мере, одной ступеней компрессии;
при этом по меньшей мере один поток флюида, который охлаждается по меньшей мере в одном контуре охлаждения, включает углеводородный сырьевой поток и на этапе (с) получают охлажденный углеводородный поток;
(г) после этапа (б) и перед этапом (в), дополнительное охлаждение охлажденного первого хладагента по меньшей мере в одном вспомогательном теплообменнике вспомогательным хладагентом для получения дополнительно охлажденного первого хладагента при второй температуре, если первая температура больше или равна критической температуре первого хладагента, при этом вторая температура меньше, чем критическая температура первого хладагента; и
(д) после этапа (б) и перед этапом (в), обход по байпасу по меньшей мере одного вспомогательного теплообменника, если первая температура меньше, чем критическая температура первого хладагента.
[0017] Аспект 2: Способ по Аспекту 1, при котором по меньшей мере один вспомогательный теплообменник включает экономайзер и вспомогательный хладагент включает первый хладагент.
[0018] Аспект 3: Способ по любому из Аспектов 1-2, при котором вспомогательный хладагент является по меньшей мере частью углеводородного сырьевого потока.
[0019] Аспект 4: Способ по любому из Аспектов 1-3, при котором по меньшей мере один вспомогательный теплообменник является частью системы компрессии пара с замкнутым контуром.
[0020] Аспект 5: Способ по Аспекту 4, при котором вспомогательным хладагентом является фторуглеводород или пропан.
[0021] Аспект 6: Способ по любому из Аспектов 1-5, дополнительно включающий:
(е) дополнительное охлаждение и сжижение охлажденного углеводородного потока по меньшей мере в одном теплообменнике для сжижения потоком второго хладагента для получения потока сжиженного природного газа.
[0022] Аспект 7: Способ по Аспекту 6, при котором по меньшей мере один поток флюида, который охлаждают по меньшей мере в одном контуре охлаждения, включает второй хладагент.
[0023] Аспект 8: Способ по любому из Аспектов 1-7, при котором первый хладагент содержит этан, диоксид углерода или этилен.
[0024] Аспект 9: Способ по любому из Аспектов 1-8, при котором этап (а) дополнительно включает:
(а) сжатие первого хладагента в нескольких ступенях компрессии для получения сжатого первого хладагента.
[0025] Аспект 10: Способ по Аспекту 9, при котором этап (в) дополнительно включает охлаждение по меньшей мере одного потока флюида в нескольких ступенях испарения, расположенных ниже по потоку от экономайзера, при этом этапы (в)(i) -(в)(iii) выполняются в каждой из нескольких ступеней испарения.
[0026] Аспект 11: Установка для охлаждения углеводородного сырьевого потока, включающая:
по меньшей мере одну ступень компрессии, сконфигурированную с возможностью сжатия первого хладагента;
по меньшей мере, один теплообменник окружающей среды ниже по потоку в сообщении по потоку флюида по меньшей мере с одной ступенью компрессии, при этом по меньшей мере один теплообменник окружающей среды сконфигурирован с возможностью охлаждения первого хладагента до первой температуры путем косвенного теплообмена флюидом окружающей среды;
по меньшей мере один вспомогательный теплообменник ниже по потоку в сообщении по потоку флюида по меньшей мере с одним теплообменником окружающей среды, при этом вспомогательный теплообменник сконфигурирован с возможностью дополнительного охлаждения первого хладагента до второй температуры, которая ниже критической температуры первого хладагента;
по меньшей мере, один контур охлаждения, расположенный ниже по потоку в сообщении по потоку флюида по меньшей мере от одного вспомогательного теплообменника, при этом каждый из по меньшей мере одного контура охлаждения имеет по меньшей мере одну ступень испарения, причем каждая из ступеней испарения включает дроссельный клапан выше по потоку в сообщении по потоку флюида с испарителем, при этом испаритель сконфигурирован с возможностью охлаждения потока флюида первым хладагентом и создания испаренного потока первого хладагента и охлажденный поток флюида, причем каждая из ступеней испарения дополнительно включает контур испаренного первого хладагента в сообщении по потоку флюида с одной из по меньшей мере одной ступени компрессии;
байпасную систему, включающую контроллер по меньшей мере один температурный датчик, несколько клапанов и по меньшей мере один байпасный контур в сообщении по потоку флюида по меньшей мере с одним теплообменником окружающей среды и по меньшей мере одним контуром охлаждения, при этом байпасная система сконфигурирована с возможностью (1) предотвращать прохождение первого хладагента через по меньшей мере один байпасный контур и позволять прохождение первого хладагента через по меньшей мере один вспомогательный теплообменник, когда первая температура больше или равна критической температуре первого хладагента и (2) позволять прохождение первого хладагента через по меньшей мере один байпасный контур и предотвращать прохождение первого хладагента через по меньшей мере один вспомогательный теплообменник, когда первая температура меньше критической температуры первого хладагента;
при этом поток флюида по меньшей мере одного из по меньшей мере одного контура охлаждения включает углеводородный сырьевой поток.
[0027] Аспект 12: Установка по Аспекту 11, в которой по меньшей мере один вспомогательный теплообменник включает экономайзер.
[0028] Аспект 13: Установка по Аспекту 11 или 12, в которой по меньшей мере один вспомогательный теплообменник является частью системы компрессии пара с замкнутым контуром.
[0029] Аспект 14: Установка по Аспекту 13, в которой вспомогательный хладагент содержит фторуглеводород или пропан.
[0030] Аспект 15: Установка по любому из Аспектов 11-14, дополнительно включающая теплообменник для сжижения, сконфигурированный с возможностью дополнительного охлаждения и сжижения углеводородного потока по меньшей мере в одном теплообменнике для сжижения потоком второго хладагента для получения потока сжиженного природного газа.
[0031] Аспект 16: Способ охлаждения углеводородного сырьевого потока первым хладагентом для получения охлажденного углеводородного потока, при этом первый хладагент имеет критическую температуру, причем способ включает:
(a) сжатие первого хладагента по меньшей мере в одной ступени компрессии, для получения сжатого первого хладагента;
(б) охлаждение сжатого первого хладагента флюидом окружающей среды по меньшей мере в одном теплообменнике окружающей среды для получения охлажденного первого хладагента с первой температурой, которая больше или равна критической температуре первого хладагента;
(в) охлаждение потока флюида в каждом из по меньшей мере одного контура охлаждения, расположенного ниже по потоку в сообщении по потоку флюида от теплообменника окружающей среды, при этом каждый из по меньшей мере одного контура охлаждения имеет по меньшей мере одну ступень испарения, при этом каждый из последующих этапов выполняется на каждой ступени испарения:
(i) снижение давления первого хладагента;
(ii) охлаждение потока флюида первым хладагентом пониженного давления в испарителе, что приводит к испарению по меньшей мере части первого хладагента пониженного давления; и
(iii) прохождение по меньшей мере части испаренного первого хладагента пониженного давления в одну, из по меньшей мере, одной ступеней компрессии;
при этом по меньшей мере одна ступень испарения каждого из по меньшей мере одного контура охлаждения, включает первую ступень испарения, которая расположена выше по потоку на конце по меньшей мере одного контура охлаждения, при этап (в)(i) включает следующий этап в каждой первой ступени испарения:
(в)(i) снижение давления первой части первого хладагента, используя устройство изоэнтропийного расширения для получения первого хладагента пониженного давления с долей пара не меньше, чем 0,2 и не больше, чем 0,6.
при этом по меньшей мере один поток флюида, который охлаждается по меньшей мере в одном контуре охлаждения выбран из группы: углеводородный поток и поток второго хладагента.
[0032] Аспект 17: Способ по Аспекту 16, дополнительно включающий:
(г) дополнительное охлаждение и сжижение охлажденного углеводородного потока по меньшей мере в одном теплообменнике для сжижения потоком второго хладагента для получения потока сжиженного природного газа.
[0033] Аспект 18: Способ по Аспекту 17, при котором по меньшей мере один поток флюида, который охлаждается по меньшей мере в одном контуре охлаждения, включает второй хладагент.
[0034] Аспект 19: Способ по любому одному из Аспектов 16-18, при котором первый хладагент является этаном, диоксидом углерода или этиленом.
[0035] Аспект 20: Способ по любому одному из Аспектов 16-19, при котором этап (a) дополнительно включает:
(a) сжатие первого хладагента в нескольких ступенях компрессии для получения сжатого первого хладагента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0036] На ФИГ. 1А показана диаграмма зависимости давления от энтальпии (Р - Н) для докритического процесса охлаждения в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0037] На ФИГ. 1В показана диаграмма зависимости давления от энтальпии (Р - Н) для транскритического процесса охлаждения в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0038] На ФИГ. 2 показана схематически технологическая схема системы расширения предварительно охлажденной газовой фазы в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0039] На ФИГ. 3 показана схематически технологическая схема системы предварительного охлаждения СХ в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0040] На ФИГ. 4 показана схематически технологическая схема системы охлаждения в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0041] На ФИГ. 5 показана схематически технологическая схема системы охлаждения в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения;
[0042] На ФИГ. 6 показана схематически технологическая схема системы охлаждения в соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения;
[0043] На ФИГ. 7 показана схематически технологическая схема системы охлаждения в соответствии с третьим вариантом воплощения изобретения;
[0044] На ФИГ. 8 показана схематически технологическая схема системы охлаждения в соответствии с четвертым вариантом воплощения изобретения;
[0045] На ФИГ. 9 показана схематически технологическая схема первого варианта воплощения системы вспомогательного хладагента в соответствии с третьим и четвертым вариантами воплощения изобретения;
[0046] На ФИГ. 10 показана схематически технологическая схема второго варианта воплощения системы вспомогательного хладагента в соответствии с третьим и четвертым вариантами воплощения изобретения;
[0047] На ФИГ. 11 показана схематически технологическая схема третьего варианта воплощения системы вспомогательного хладагента в соответствии с третьим и четвертым вариантами воплощения изобретения;
[0048] На ФИГ. 12А показана диаграмма зависимости давления от энтальпии (Р - Н) для транскритического процесса охлаждения с изоэнтропийным расширением; и
[0049] На ФИГ. 12B показана схематически технологическая схема системы охлаждения в соответствии с пятым вариантом воплощения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
[0050] 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 изобретения. Различные изменения могут быть внесены в функцию и расположение элементов без отклонения от сущности и объема заявленного изобретения.
[0051] 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.
[0052] 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.
[0053] В описании и формуле изобретения могут использоваться термины, указывающие направление, для описания частей раскрытых вариантов воплощения 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 флюида в канале, считая от точки отсчета. Аналогичным образом, термин «ниже по потоку» означает в направлении, которое совпадает с направлением потока флюида в канале, считая от точки отсчета.
[0054] Если в представленном документе не указано иное, то любой и все проценты, определенные в описании, на чертежах и в формуле изобретения следует понимать, как массовый процент. Если в представленном документе не указано иное, то любое и все давления, определенные в описании, на чертежах и в формуле изобретения, следует понимать, как среднее абсолютное давление.
[0055] Термин «сообщение по потоку флюида», 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, которые находятся в сообщении по потоку флюида 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 компонента 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 флюида.
[0056] Термин «канал», используемый в описании и формуле изобретения, относится к одной или более структур, через которые флюиды можно транспортировать между двумя или более компонентов системы. Например, каналы включают, без ограничения, трубопроводы, воздуховоды, проходы и их комбинации, посредством которых транспортируют жидкости, пары и/или газы.
[0057] Термин «природный газ», используемый в описании и формуле изобретения, означает углеводородную газовую смесь, состоящую в основном из метана.
[0058] Термины «углеводородный газ» или «углеводородный флюид», используемые в описании и формуле изобретения, означают газ/флюид, содержащий по меньшей мере один углеводород, который составляет по меньшей мере 80%, а более предпочтительно по меньшей мере 90% от общего состава газа/флюида.
[0059] Термин «смешанный хладагент» (сокращенно «СХ»), используемый в описании и формуле изобретения, означает флюид, содержащий по меньшей мере два углеводорода, составляющие по меньшей мере 80% от общего состава хладагента.
[0060] Термины «пучок» и «трубный пучок» используются взаимозаменяемо в этой заявке и являются синонимами.
[0061] Термин «флюид окружающей среды», используемый в описании и формуле изобретения, означает флюид, который подают в систему при или около давления и температуры окружающей среды.
[0062] Используемый здесь термин «контур компрессии» относится к компонентам и каналам, находящимся в сообщении по флюиду друг с другом и расположенным последовательно (далее «последовательное сообщение по потоку флюида»), начиная выше по потоку от первого компрессора или ступени компрессора и заканчивая ниже по потоку от последнего компрессора или ступени компрессора. Термин «последовательность сжатия» предназначен для обозначения этапов, выполняемых компонентами и каналами соответствующего контура компрессии.
[0063] Используемые в описании и формуле изобретения термины «очень высокий», «высокий», «средний», «низкий» и «очень низкий» предназначены для выражения относительных значений свойства элементов, с которыми эти термины используются. Например, термин 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, термин 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, термин 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.
[0064] Используемый здесь термин «криоген» или «криогенный флюид» предназначен для обозначения жидкости, газа или флюида 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.
[0065] Используемый здесь термин «компрессор» означает устройство, имеющее по меньшей мере одну ступень компрессора, находящуюся внутри корпуса и повышающую давление потока флюида.
[0066] Используемый здесь термин «критическая точка» флюида является точкой на диаграмме флюида в координатах Р - Н, в которой линии насыщенной жидкости и насыщенного пара флюида встречаются.
[0067] Используемый здесь термин «докритический» относится к процессу, который происходит ниже критической точки хладагента.
[0068] Используемый здесь термин «транскритический» относится к процессу, который включает один или более этапов, которые происходят ниже критической точки хладагента и один или более этапов, которые происходят выше критической точки хладагента.
[0069] Используемый здесь термин «изотерма» относится к линии постоянной температуры.
[0070] Используемый здесь термин «цикл компрессии пара» предназначен для обозначения холодильного цикла, в котором хладагент подвергается фазовому изменению во время холодильного цикла. Например, пар хладагента сжимается, охлаждается и по меньшей мере частично конденсируется, затем снижается в давлении и по меньшей мере частично испаряется для обеспечения холодопроизводительности.
[0071] Используемый здесь термин «цикл расширения пара» предназначен для обозначения холодильного цикла, в котором хладагент находится в паровой фазе и не подвергается фазовому изменению во время цикла. Например, пар хладагента сжимается, охлаждается без изменения фазового состояния, затем снижается в давлении и нагревается для обеспечения холодопроизводительности.
[0072] Используемый здесь термин «цикл компрессии пара с замкнутым контуром» предназначен для обозначения цикла компрессии пара, в котором никакой хладагент не добавляют и не удаляют из цикла (за исключением случаев возможной утечки и пополнения хладагента) при установившемся режиме работы. Во всех вариантах воплощения изобретения, описанных здесь, цикл предварительного охлаждения хладагента является циклом компрессии пара с замкнутым контуром.
[0073] Используемый здесь термин «экономайзер» предназначен для обозначения теплообменника, который сконфигурирован с возможностью обеспечения косвенного теплообмена между потоком флюида и по меньшей мере частью такого же потока при другой температуре.
[0074] В Таблице 1 приведен перечень сокращений, используемых в описании и на чертежах с целью лучшего объяснения описанных вариантов воплощения изобретения.
<b>Таблица 1</b>
ОСХ
Цикл с одноконтурным охлаждением смешанным хладагентом
ОКТ
Основной криогенный теплообменник
ДСХ
Цикл с двухконтурным охлаждением смешанным хладагентом
СХ
Смешанный хладагент
Ц3СХ
Охлаждение смешанным хладагентом с предварительным трехуровневым охлаждением пропаном
СХЖ
Жидкий смешанный хладагент
СПГ
Сжиженный природный газ
СХП
Пар смешанного хладагента
ОНД
Очень низкое давление
ОВД
Очень высокое давление
НД
Низкое давление
СД
Среднее давление
ВД
Высокое давление
ММТГ
Миллионов метрических тонн в год
ФУВ
Фторуглеводород
ЖА
Жидкий азот
СО<sub>2</sub>
Диоксид углерода
LiBr
Бромид лития
[0075] Описанные варианты воплощения изобретения обеспечивают эффективный способ сжижения углеводородного флюида и, в частности, применимы к сжижению природного газа.
[0076] Обратимся к ФИГ. 2, где показан типичный процесс расширения предварительно охлажденной газовой фазы предшествующего уровня техники. В этой компоновке режим предварительного охлаждения обеспечивается путем теплопередачи при кипении с использованием двухфазного хладагента, а сжижение и переохлаждение обеспечиваются посредством физического теплопереноса с использованием хладагента в газовой фазе. Некоторые примеры газового хладагента включают азот, метан и их комбинации.
[0077] Сырьевой поток 200, который предпочтительно является природным газом, очищают и высушивают известными способами в секции предварительной обработки 290, чтобы удалить воду, кислотные газы, такие как CO2 и H2S, и другие загрязняющие вещества, такие как ртуть, получая в результате предварительно обработанный сырьевой поток 201. Предварительно обработанный сырьевой поток 201, который по существу не содержит воду, предварительно охлаждают в системе предварительного охлаждения 218 с получением предварительно охлажденного потока природного газа 205 и дополнительно охлаждают, сжижают и/или переохлаждают в основном криогенном теплообменнике (ОКТ) 208 (также называемом основной теплообменник) с получением потока СПГ 206. Поток СПГ 206 предпочтительно понижают в давлении путем пропускания через клапан или турбину (не показана) и затем направляют в емкость для хранения СПГ 209. Любой мгновенно испарившийся пар, образующийся при понижении давления и/или испарившийся в емкости для хранения, представлен потоком 207, который можно использовать как топливо на заводе, вернув его в цикл подачи, или сбросить в атмосферу.
[0078] Термин «по существу не содержит воду» означает, что любая остаточная вода в предварительно обработанном сырьевом потоке 201 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.
[0079] Предварительно обработанный сырьевой поток 201 предварительно охлаждают до температуры предпочтительно ниже 10°С, более предпочтительно ниже примерно 0°С, и наиболее предпочтительно до примерно -30°С. Предварительно охлажденный поток природного газа 205 сжижают при температуре предпочтительно в диапазоне от примерно минус 150°C до примерно минус 70°С, более предпочтительно в диапазоне от примерно минус 145°C до примерно минус 100°C и последовательно переохлаждают до температуры в диапазоне предпочтительно от примерно минус 170°C до примерно минус 120°С, более предпочтительно в диапазоне от примерно минус 170°C до примерно минус 140°С. ОКТ 208 может быть любым типом теплообменника, таким как спирально-витой теплообменник с одним или более трубных пучков, пластинчатый и ребристый теплообменник, теплообменник типа core-in-kettle, кожухотрубный теплообменник и любой другой тип теплообменника, пригодный для сжижения и переохлаждения природного газа. Кроме того, можно использовать один или более теплообменников, расположенных последовательно или параллельно. В некоторых случаях также можно использовать теплообменник-экономайзер.
[0080] Как показано на ФИГ. 2, охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 210 нагревают по меньшей мере предварительно обработанным сырьевым потоком 201, чтобы получить нагретый хладагент низкого давления для предварительного охлаждения 214. Нагретый хладагент низкого давления для предварительного охлаждения 214 сжимают в одном или более компрессорах хладагента для предварительного охлаждения 216, который может включать четыре ступени компрессии 216A, 216B, 216C, 216D. Три боковых потока 211, 212, и 213 при промежуточных уровнях давления вводят в компрессор хладагента для предварительного охлаждения 216 на всасе последней 216D, третьей 216C, и второй 216B ступеней компрессора хладагента для предварительного охлаждения 216, соответственно. Сжатый хладагент для предварительного охлаждения 215 охлаждают в одном или более теплообменниках, таких как пароохладитель, конденсатор, и/или, переохладитель, изображенный как конденсатор хладагента для предварительного охлаждения 217, чтобы получить охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 210, который обеспечивает холодопроизводительность, требуемую для предварительного охлаждения.
[0081] В конденсаторе хладагента для предварительного охлаждения 217 предпочтительно происходит теплообмен с флюидом при окружающей среде, таким как воздух или вода. Хотя на ФИГ. 2 показаны четыре ступени сжатия хладагента для предварительного охлаждения, можно использовать любое число ступеней компрессора. Следует понимать, что, если несколько ступеней компрессора описаны или заявлены, то такие несколько ступеней компрессора могут быть реализованы одним многоступенчатым компрессором, несколькими компрессорами или их комбинацией. Компрессоры могут быть в одном корпусе или в нескольких корпусах. Процесс сжатия хладагента для предварительного охлаждения обычно называется здесь последовательностью сжатия хладагента для предварительного охлаждения, и подробно описан на ФИГ. 4. Некоторые примеры хладагента для предварительного охлаждения включают пропан, СХ, диоксид углерода, фторуглеводород, этан, этилен и другие.
[0082] Нагретый хладагент для сжижения 230 выводят из ОКТ 208 и сжимают в компрессоре высокого давления (ВД) 257, чтобы получить сжатый хладагент для сжижения 238. Один или более компрессоров хладагента, ступеней компрессии можно использовать в возможных вариантах с промежуточным охлаждением. Сжатый хладагент для сжижения 238 охлаждают воздухом или водой с параметрами окружающей среды во вторичном охладителе высокого давления 258, чтобы получить охлажденный хладагент для сжижения 239 в газовой фазе. Можно использовать один или более теплообменников. Вторичный охладитель высокого давления 258 может быть любого типа, например, пластинчатый и ребристый или кожухотрубный теплообменник. Охлажденный хладагент для сжижения 239 предварительно охлаждают хладагентом для предварительного охлаждения в системе предварительного охлаждения 218, чтобы получить предварительно охлажденный хладагент для сжижения 240. Предварительно охлажденный хладагент для сжижения 240 может быть расширен в одним или более газофазных детандерах 248, чтобы получить расширенный хладагент в газовой фазе 249, который направляют в ОКТ 208, чтобы обеспечить холодопроизводительность, требуемую для сжижения и переохлаждения.
[0083] Система сжижения и переохлаждения на ФИГ. 2 может использовать азот, метан или их комбинацию. В системе с открытым или замкнутым контуром может быть использован сырьевой газ или дроссельный газ из процесса. Система также может включать одну или более систем охлаждения, расположенных последовательно или параллельно, используя независимые системы хладагента в газовой фазе. Кроме того, она могла бы использовать один или более газофазных детандеров, узлов компрессор-детандер (компандеров), теплообменников-экономайзеров и другие вариации.
[0084] Обратимся теперь к ФИГ. 3, где показан типичный процесс с использованием предварительно охлажденного СХ предшествующего уровня техники. Сырьевой поток 300, который предпочтительно является природным газом, очищают и высушивают известными способами в секции предварительной обработки 390, чтобы удалить воду, кислотные газы, такие как CO2 и H2S, и другие загрязняющие вещества, такие как ртуть, получая в результате предварительно обработанный сырьевой поток 301. Предварительно обработанный сырьевой поток 301, который по существу не содержит воду, предварительно охлаждают в системе предварительного охлаждения 318 с получением предварительно охлажденного потока природного газа 305 и дополнительно охлаждают, сжижают и/или переохлаждают в основном криогенном теплообменнике (ОКТ) 308 (также называемом основной теплообменник) с получением потока СПГ 306. Поток СПГ 306 предпочтительно понижают в давлении путем пропускания через клапан или турбину (не показана) и затем направляют в емкость для хранения СПГ 309. Любой мгновенно испарившийся пар, образующийся при понижении давления и/или испарившийся в емкости для хранения, представлен потоком 307, который можно использовать как топливо на заводе, вернуть его в цикл подачи, или сбросить в атмосферу.
[0085] Предварительно обработанный сырьевой поток 301 предварительно охлаждают до температуры предпочтительно ниже 10°С, более предпочтительно ниже примерно 0°С, и наиболее предпочтительно до примерно минус 30°С. Предварительно охлажденный поток природного газа 305 сжижают при температуре предпочтительно в диапазоне от примерно минус 150°C до примерно минус 70°С, более предпочтительно в диапазоне от примерно минус 145°C до примерно минус 100°C и последовательно переохлаждают до температуры в диапазоне предпочтительно от примерно минус 170°C до примерно минус 120°С, более предпочтительно в диапазоне от примерно минус 170°C до примерно минус 140°С. ОКТ 308, показанный на ФИГ. 3, является спирально-витым теплообменником с тремя трубными пучками. Однако, можно использовать любое количество трубных пучков и любой тип(-ы) теплообменника.
[0086] Термин «по существу не содержит воду» означает, что любая остаточная вода в предварительно обработанном сырьевом потоке 301 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.
[0087] Как показано на ФИГ. 3, охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 310 нагревают по меньшей мере предварительно обработанным сырьевым потоком 301, чтобы получить нагретый хладагент низкого давления для предварительного охлаждения 314. Нагретый хладагент низкого давления для предварительного охлаждения 314 сжимают в одном или более компрессорах хладагента для предварительного охлаждения 316, который может включать четыре ступени компрессии 316A, 316B, 316C, 316D. Три боковых потока 311, 312, и 313 при промежуточных уровнях давления вводят в компрессор хладагента для предварительного охлаждения 316 на всасе последней 316D, третьей 316C, и второй 316B ступеней компрессора хладагента для предварительного охлаждения 316, соответственно. Сжатый хладагент для предварительного охлаждения 315 охлаждают в одном или более теплообменниках, что показано на ФИГ. 3 с конденсатором хладагента для предварительного охлаждения 317, чтобы получить охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 310, который обеспечивает холодопроизводительность, требуемую для охлаждения.
[0088] Жидкость хладагента для предварительного охлаждения испаряется с образованием нагретого хладагента низкого давления для предварительного охлаждения 314. В конденсаторе хладагента для предварительного охлаждения 317 предпочтительно происходит теплообмен с флюидом окружающей среды, включая, но без ограничений, воздух или воду. Хотя на чертеже показаны четыре ступени сжатия хладагента для предварительного охлаждения, можно использовать любое число ступеней компрессора. Следует понимать, что, если несколько ступеней компрессора описаны или заявлены, то такие несколько ступеней компрессора могут быть реализованы одним многоступенчатым компрессором, несколькими компрессорами или их комбинацией. Компрессоры могут быть в одном корпусе или в нескольких корпусах. Процесс сжатия хладагента для предварительного охлаждения обычно называется здесь последовательностью сжатия хладагента для предварительного охлаждения, и подробно описан на ФИГ. 4.
[0089] Нагретый хладагент для сжижения 330 выводят из ОКТ 308 и в случае спирально-витого теплообменника его выводят из нижней части межтрубного пространства ОКТ 308. Нагретый хладагент для сжижения 330 пропускают через сепаратор низкого давления 350, чтобы отделить какие-либо жидкости, и поток пара 331 сжимают в компрессоре низкого давления (НД) 351, чтобы получить поток СХ среднего давления 332. Нагретый хладагент для сжижения 330 предпочтительно выводят при температуре, равной или близкой к температуре предварительного охлаждения хладагента для предварительного охлаждения и более предпочтительно при температуре примерно минус 30°C и давлении меньше, чем 1 МПа (145 фунт/кв. дюйм; 10 бар). Поток СХ среднего давления 332 охлаждают во вторичном охладителе низкого давления 352, чтобы получить охлажденный поток СХ среднего давления 333, из которого какие-либо жидкости сливают через сепаратор среднего давления 353, чтобы получить поток пара среднего давления 334, который далее сжимают в компрессоре среднего давления (СД) 354. Полученный поток СХ высокого давления 335 охлаждают во вторичном охладителе среднего давления 355, чтобы получить охлажденный поток СХ высокого давления 336. Охлажденный поток СХ высокого давления 336 пропускают через сепаратор высокого давления 356, где отделяют жидкости. Полученный поток пара высокого давления 337 затем сжимают в компрессоре высокого давления (ВД) 357, чтобы получить сжатый хладагент для сжижения 338, который охлаждают во вторичном охладителе высокого давления 358, чтобы получить охлажденный поток СХ очень высокого давления 339. Охлажденный поток СХ очень высокого давления 339 затем охлаждают испарившимся хладагентом для предварительного охлаждения в системе предварительного охлаждения 318, чтобы получить предварительно охлажденный хладагент для сжижения 340, который затем направляют в паро-жидкостной сепаратор 359, из которого получают жидкий поток СХЖ 341 и поток пара СХП 343, которые возвращают обратно в ОКТ 308 для дополнительного охлаждения. Жидкие потоки, покидающие фазовые сепараторы называются в этой отрасли СХЖ и потоки пара, покидающие фазовые сепараторы, называются в этой отрасли СХП, даже если затем они последовательно сжижаются. Процесс сжатия и охлаждения СХ после его вывода из нижней части ОКТ 308, а затем возвращения в трубное пространство ОКТ 308, как несколько потоков, обычно называется здесь последовательностью сжатия СХ.
[0090] Оба потока - поток СХЖ 341 и поток СХП 343 охлаждают в двух отдельных контурах ОКТ 308. Поток СХЖ 341 охлаждают в первых двух пучках ОКТ 308, получая в результате холодный поток, который понижают в давлении, чтобы получить холодный поток СХЖ 342, который возвращают в межтрубное пространство ОКТ 308, чтобы обеспечить холодопроизводительность, требуемую в первых двух пучках ОКТ. Поток СХП 343 охлаждают в первом, втором и третьем пучках ОКТ 308, понижают в давлении посредством клапана понижения давления для холодного потока высокого давления и вводят в ОКТ 308 как холодный поток СХП 344, чтобы обеспечить холодопроизводительность на этапах охлаждения, сжижения и переохлаждения. ОКТ 308 может быть теплообменником любого типа, пригодным для сжижения природного газа, включая, но без ограничений, 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 протекания процесса и теплых хладагентов, и межтрубное пространство для протекания холодного хладагента.
[0091] На ФИГ. 4 показана иллюстративная компоновка системы предварительного охлаждения 418 и последовательность компрессии для системы предварительного охлаждения, изображенной на Фигурах 2 и 3. Следующая компоновка показывает систему предварительного охлаждения с четырьмя уровнями давления, однако, можно использовать любое число уровней давления. Предварительно обработанный сырьевой поток 401 охлаждают путем косвенного теплообмена в испарителе сырьевого потока ВД 481, чтобы получить первый промежуточный сырьевой поток 402, который затем охлаждают в испарителе сырьевого потока СД 482, чтобы получить второй промежуточный сырьевой поток 403, который пропускают через испаритель сырьевого потока НД 483, чтобы получить третий промежуточный сырьевой поток 404, который окончательно пропускают через испаритель сырьевого потока очень низкого давления (ОНД) 484, чтобы получить предварительно охлажденный поток природного газа 405.
[0092] Каждый уровень давления также соответствует здесь ступени испарения. Используя ступень испарения с наивысшим давлением в контуре охлаждения для предварительно обработанного сырьевого потока 401, в качестве примера, укажем, что каждая ступень испарения включает клапан понижения давления 473, испаритель 481, выпускной канал для испаренного хладагента для предварительного охлаждения 421, и сепаратор 492 (который может находиться вместе с соответствующим испарителем 485 в другом контуре охлаждения). Клапан понижения давления 473 находится выше по потоку от испарителя 481, на канале, через который протекает хладагент для предварительного охлаждения 420. Каждая ступень испарения обеспечивает понижение давления хладагента для предварительного охлаждения, теплообмен между хладагентом для предварительного охлаждения и потоком, подлежащим охлаждению, а каналы позволяют испаренной части хладагента для предварительного охлаждения проходить через компрессор 416 и (во всех, кроме последнего этапа испарения), а жидкой фракции хладагента для предварительного охлаждения проходить на следующий этап испарения. Каждый контур охлаждения включает все ступени испарения, которые обеспечивают охлаждение для каждого потока флюида, который должен быть охлажден, посредством хладагента для предварительного охлаждения - в этом варианте воплощения изобретения это предварительно обработанный сырьевой поток 401 и охлажденный поток хладагента для сжижения 439. Например, четыре ступени испарения, связанные с испарителями сырьевого потока 481-484, образуют контур охлаждения сырья.
[0093] Охлажденный поток хладагента для сжижения 439 дополнительно охлаждают путем косвенного теплообмена в испарителе хладагента для сжижения ВД 485, чтобы получить первый промежуточный хладагент для сжижения 445, который затем охлаждают в испарителе хладагента для сжижения СД 486, чтобы получить второй промежуточный хладагент для сжижения 446, который пропускают через испаритель хладагента для сжижения НД 487, чтобы получить третий промежуточный хладагент для сжижения 447, который, окончательно проходит испаритель хладагента для сжижения ОНД 488, чтобы получить предварительно охлажденный хладагент для сжижения 440. Четыре ступени испарения, связанные с испарителями хладагента для сжижения 485-488, образуют контур хладагента для сжижения.
[0094] Нагретый хладагент низкого давления для предварительного охлаждения 414 сжимают в компрессоре хладагента для предварительного охлаждения 416, чтобы получить сжатый хладагент для предварительного охлаждения 415. Компрессор хладагента предварительного охлаждения 416 показан как четырехступенчатый компрессор со ступенью сжатия ОНД 416A, ступенью сжатия НД 416B, ступенью сжатия СД 416C и ступенью сжатия ВД 416D. Боковой поток НД 413, боковой поток СД 412, и боковой поток ВД 411 вводят в компрессор хладагента предварительного охлаждения 416 в средних позициях.
[0095] Сжатый хладагент для предварительного охлаждения 415 предпочтительно охлаждают путем косвенного теплообмена окружающим воздухом или водой в одном или более теплообменниках, показанных как конденсатор хладагента для предварительного охлаждения 417, чтобы получить охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 410. Затем охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 410 предпочтительно разделяют на две части, первую часть 419, чтобы обеспечить охлаждение предварительно обработанного сырьевого потока 401, и вторую часть 461, чтобы обеспечить охлаждение потока хладагента для сжижения 439.
[0096] Первая часть 419 охлажденного хладагента для предварительного охлаждения может быть понижена в давлении в первом клапане понижения давления 473, чтобы получить первый хладагент ВД для предварительного охлаждения 420. Жидкую фракцию первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 420 частично испаряют в испарителе сырьевого потока ВД 481, чтобы получить первый пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 421 и первый жидкий хладагент ВД для предварительного охлаждения 422. Первый пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 421 направляют в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 492, и затем на всасывание в ступень компрессии ВД 416D как часть бокового потока ВД 411.
[0097] Первый жидкий хладагент ВД для предварительного охлаждения 422 понижают в давлении во втором клапане понижения давления 474, чтобы получить первый хладагент СД для предварительного охлаждения 423. Жидкую фракцию первого хладагента СД для предварительного охлаждения 423 частично испаряют в испарителе сырьевого потока СД 482, чтобы получить первый пар хладагента СД для предварительного охлаждения 424 и первый жидкий хладагент СД для предварительного охлаждения 425. Первый пар хладагента СД для предварительного охлаждения 424 направляют в сепаратор хладагента СД для предварительного охлаждения 493, и затем на всасывание в ступень компрессии СД 416С как часть бокового потока СД 412.
[0098] Первый жидкий хладагент СД для предварительного охлаждения 425 понижают в давлении в третьем клапане понижения давления 475, чтобы получить первый хладагент НД для предварительного охлаждения 426. Жидкую фракцию первого хладагента НД для предварительного охлаждения 426 частично испаряют в испарителе сырьевого потока НД 483, чтобы получить первый пар хладагента НД для предварительного охлаждения 427 и первый жидкий хладагент НД для предварительного охлаждения 428. Первый пар хладагента НД для предварительного охлаждения 427 направляют в сепаратор хладагента НД для предварительного охлаждения 494, и затем на всасывание в ступень компрессии НД 416В как часть бокового потока НД 413.
[0099] Первый жидкий хладагент НД для предварительного охлаждения 428 понижают в давлении в четвертом клапане понижения давления 476, чтобы получить первый хладагент ОНД для предварительного охлаждения 429. Жидкую фракцию первого хладагента ОНД для предварительного охлаждения 429 полностью испаряют в испарителе сырьевого потока ОНД 484, чтобы получить первый пар хладагента ОНД для предварительного охлаждения 460. В этом контексте «полностью испаряют» означает, что по меньшей мере 95% по весу жидкой фракции испаряется. Первый пар хладагента ОНД для предварительного охлаждения 460 направляют в сепаратор хладагента ОНД для предварительного охлаждения 495, и затем на всасывание в ступень компрессии ОНД 416А как часть нагретого хладагента низкого давления для предварительного охлаждения 414.
[00100] Вторая часть 461 охлажденного хладагента для предварительного охлаждения может быть понижена в давлении в пятом клапане понижения давления 477, чтобы получить второй хладагент ВД для предварительного охлаждения 462. Жидкую фракцию второго хладагента ВД для предварительного охлаждения 462 частично испаряют в испарителе хладагента ВД для сжижения 485, чтобы получить второй пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 463 и второй жидкий хладагент ВД для предварительного охлаждения 464. Второй пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 463 направляют в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 492, и затем на всасывание в ступень компрессии ВД 416D как часть бокового потока ВД 411.
[00101] Второй жидкий хладагент ВД для предварительного охлаждения 464 понижают в давлении в шестом клапане понижения давления 478, чтобы получить второй хладагент СД для предварительного охлаждения 465. Жидкую фракцию второго хладагента СД для предварительного охлаждения 465 частично испаряют в испарителе хладагента СД для сжижения 486, чтобы получить второй пар хладагента СД для предварительного охлаждения 466 и второй жидкий хладагент СД для предварительного охлаждения 467. Второй пар хладагента СД для предварительного охлаждения 466 направляют в сепаратор хладагента СД для предварительного охлаждения 493, и затем на всасывание в ступень компрессии СД 416С как часть бокового потока СД 412.
[00102] Второй жидкий хладагент СД для предварительного охлаждения 467 понижают в давлении в седьмом клапане понижения давления 479, чтобы получить второй хладагент НД для предварительного охлаждения 468. Жидкую фракцию второго хладагента НД для предварительного охлаждения 468 частично испаряют в испарителе хладагента НД для сжижения 487, чтобы получить второй пар хладагента НД для предварительного охлаждения 469 и второй жидкий хладагент НД для предварительного охлаждения 470. Второй пар хладагента НД для предварительного охлаждения 469 направляют в сепаратор хладагента НД для предварительного охлаждения 494, и затем на всасывание в ступень компрессии НД 416В как часть бокового потока НД 413.
[00103] Второй жидкий хладагент НД для предварительного охлаждения 470 понижают в давлении в восьмом клапане понижения давления 480, чтобы получить второй хладагент ОНД для предварительного охлаждения 471. Жидкую фракцию второго хладагента ОНД для предварительного охлаждения 471 полностью испаряют в испарителе ОНД хладагента для сжижения 488, чтобы получить второй пар хладагента ОНД для предварительного охлаждения 472. Второй пар хладагента ОНД для предварительного охлаждения 472 направляют в сепаратор ОНД хладагента предварительного охлаждения 495, и затем на всасывание в ступень компрессии ОНД 416A, как часть нагретого хладагента низкого давления для предварительного охлаждения 414.
[00104] В предпочтительной компоновке при использовании диоксида углерода как хладагента для предварительного охлаждения, давление нагретого хладагента низкого давления для предварительного охлаждения 414 находится в диапазоне примерно 0,5-3,0 МПа (5-30 бар), а давление сжатого хладагента для предварительного охлаждения 415 находится в диапазоне примерно 5-12 МПа (50 бар - 120 бар).
[00105] В альтернативной компоновке сырье и хладагенты для сжижения могут быть охлаждены в одних и тех же теплообменниках хладагентом для предварительного охлаждения. В такой компоновке охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 410 не делится на первую и вторую части, и отдельные испарители для предварительного охлаждения для второго контура охлаждения не требуются. Некоторые примеры хладагентов для предварительного охлаждения включают пропан, пропилен, этан, этилен, аммиак, диоксид углерода, СХ, фторуглеводороды, такие как R-410A, R22 или любой другой подходящий хладагент.
[00106] Температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 410 меняется в зависимости от температуры окружающей среды и перепада температур в конденсаторе хладагента для предварительного охлаждения 417. Для типичных высоких температур окружающей среды температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 410 находится в диапазоне от примерно 30°C до примерно 60°С. В зависимости от критической температуры хладагента для предварительного охлаждения процесс предварительного охлаждения будет или докритическим или транскритическим. Если температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 410 ниже, чем критическая температура, то процесс будет докритическим. Однако, если температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 410 выше или равна критической температуре, то процесс будет транскритическим и будет иметь меньшую эффективность, чем для докритической операции.
[00107] На ФИГ. 5 показан первый примерный вариант воплощения изобретения. В соответствии с ФИГ. 5 сжатый хладагент для предварительного охлаждения 515 охлаждают в одном или более теплообменниках, таких как пароохладитель, конденсатор, и/или, переохладитель, изображенный как конденсатор хладагента для предварительного охлаждения 517, чтобы получить охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510, который обеспечивает холодопроизводительность, требуемую для предварительного охлаждения. Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510 дополнительно охлаждают в теплообменнике-экономайзере 525А, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597. Температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 510 равна температуре окружающей среды плюс перепад температур в конденсаторе хладагента для предварительного охлаждения 517, также называемом здесь перепадом температур в переохладителе. Перепад температур в теплообменнике типа переохладитель предпочтительно находится в диапазоне примерно 5-40°C и более предпочтительно в диапазоне примерно 10-30°С. Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510 предпочтительно больше чем на 0°C теплее, чем критическая температура, более предпочтительно, больше чем на 10°C теплее, чем критическая температура или наиболее предпочтительно больше, чем на 20°C теплее, чем критическая температура. Холодильный процесс предварительного охлаждения без экономайзера является транскритическим по своей природе. Температура дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 597 ниже критической температуры. В примере, без ограничений, дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 предпочтительно может иметь температуру больше чем на 0°С, холоднее, чем критическая температура или более предпочтительно больше чем на 2°C холоднее, чем критическая температура.
[00108] Затем дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 разделяют на первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 519 и вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 561, которые используют для обеспечения охлаждения, предварительно обработанного сырьевого потока 501 и охлажденного хладагента для сжижения 539, соответственно. В предпочтительном варианте воплощения изобретения дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 находится при температуре предпочтительно в диапазоне от примерно минус 20°C до примерно 25°С, и более предпочтительно от примерно 0°C до примерно 15°С.
[00109] Третью часть 519A охлажденного хладагента для предварительного охлаждения выводят из дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 597 и понижают в давлении в девятом клапане понижения давления 573A, чтобы получить третий хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 520A, который используют для холодоснабжения в теплообменнике-экономайзере 525A. Третий хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 520A может быть двухфазным и по меньшей мере частично испаряется, а более предпочтительно полностью испаряется в теплообменнике-экономайзере 525A с образованием третьего пара хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 521A. Третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 521A направляют в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 592, и затем на всасывание в четвертую ступень компрессии 516D, как часть бокового потока ВД 511. В альтернативном варианте воплощения изобретения теплообменник-экономайзер 525А можно обойти при средних и холодных температурах окружающей среды, когда охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510 имеет температуру ниже критической температуры и процесс уже является докритическим.
[00110] Давление третьего хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 520A может в некоторых случаях быть выше, чем давление первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 520. В этом случае третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 521A может быть понижен в давлении путем пропускания через клапан на всасывающей линии или через дроссельный вентиль (не показан), перед введением в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 592. Альтернативно, третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 521A может быть введен в компрессор(-ы) хладагента для предварительного охлаждения 516 в месте более высокого давления, чем всас четвертой ступени компрессии для хладагента предварительного охлаждения 516D, таком как всас пятой ступени компрессии для хладагента предварительного охлаждения 516E (не показано).
[00111] Количество потока, которое используется для обеспечения холодопроизводительности теплообменника-экономайзера 525А через третью часть 519А охлажденного хладагента для предварительного охлаждения, будет зависеть от состава хладагента для предварительного охлаждения. В варианте воплощения изобретения, показанном на ФИГ. 5, 3-20% потока предпочтительно направляют на третью часть 519А (более предпочтительно 5-15%), 15-45% предпочтительно направляют на первую часть 519, и 45-85% предпочтительно направляют на вторую часть 561. Любые подходящие устройства регулирования потока, такие как пропорциональные клапаны (не показаны), могут использоваться для регулирования желаемого разделения потока.
[00112] Преимуществом варианта воплощения изобретения, показанного на ФИГ. 5, является то, что в нем транскритический процесс превращается в докритический процесс. Посредством дополнительного охлаждения хладагента для предварительного охлаждения 510 в теплообменнике-экономайзере 525A, дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 имеет «эффективную» температуру на выходе переохладителя. Поэтому, чтобы определить, будет операция докритической или транскритической, температуру дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 597 необходимо сравнивать с критической температурой хладагента. Поскольку дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 холоднее, чем охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510, это повышает вероятность докритического цикла. Примерами без ограничений являются CO2 и этан, которые имеют критические температуры, равные примерно 30 0С, значительно ниже, чем температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 510 для типичных средних и высоких температур окружающей среды. В процессе предшествующего уровня техники это приводило бы к транскритической операции со значительной меньшей эффективностью процесса, из-за более высокой фракции пара. Для транскритической операции фракция пара первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 420 предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,1-0,7. Кроме того, для транскритической операции предшествующего уровня техники наблюдалось бы следующее: никаких фазовых изменений на этапе отвода тепла (в окружающую среду); более сложное управление запасами при колебаниях температуры окружающей среды; отсутствие ссылок на базовые установки для СПГ, а также другие рабочие проблемы. Однако, при использовании варианта воплощения изобретения, описанного на ФИГ. 5, критическая температура, равная 30°С, предпочтительно выше, чем температура дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 597, даже для высоких температур окружающей среды. В примере, без ограничений, с использованием варианта воплощения изобретения на ФИГ. 5 дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 может иметь температуру примерно 20°C при высокой температуре окружающей среды. В результате, процесс на ФИГ. 5 будет докритическим по своему характеру и, следовательно, будет иметь более высокую эффективность процесса, чем в варианте воплощения предшествующего уровня техники на ФИГ. 4, предпочтительно на (5% - 30%) выше эффективности в транскритических процессах предшествующего уровня техники. Фракция пара первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 520 предпочтительно составляет примерно 0-0,5, и более предпочтительно примерно 0-0,3. В варианте воплощения изобретения на ФИГ. 5 также не должно быть проблем, связанных с изменениями в управлении запасами при колебаниях температуры окружающей среды, описанных ранее.
[00113] Дополнительным преимуществом этого варианта воплощения изобретения является то, что из-за более холодного эффективного выхода переохладителя давление сжатого хладагента для предварительного охлаждения 515 может быть ниже, что уменьшает нагрузку на сжатие в системе. В предпочтительном варианте воплощения изобретения давление сжатого хладагента для предварительного охлаждения 515 составляет примерно 2-8 МПа (20-80 бар). Кроме того, более низкое давление снижает отношение удельных теплоемкостей хладагента для предварительного охлаждения. Отношение удельных теплоемкостей - это отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме. Поскольку отношение удельных теплоемкостей уменьшается, температура хладагента после сжатия снижается, что подразумевает более низкие рабочие потери, следовательно, более высокую эффективность процесса.
[00114] На ФИГ. 6 показан второй примерный вариант воплощения изобретения и вариация ФИГ. 5. Дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 697 разделяют на первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 619 и вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 661. Первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 619 понижают в давлении в девятом клапане понижения давления 673А, чтобы получить третий хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 620А, который используют для обеспечения холодопроизводительности теплообменника-экономайзера 625А. Третий хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 620А частично испаряют в теплообменнике-экономайзере 625A и разделяют на фазы, чтобы получить третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 621A и третий жидкий хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 622A. Этап фазового разделения может выполняться в теплообменнике-экономайзере 625A или в отдельном фазовом сепараторе (не показан). Третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 621A направляют в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 692, и затем на всасывание в четвертую ступень компрессии предварительного охлаждения 616D, как часть бокового потока ВД 611. Третий жидкий хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 622A понижают в давлении в первом устройстве понижения давления 673, чтобы получить первый хладагент высокого давления для предварительного охлаждения 620, который используют, чтобы обеспечить холодопроизводительность для предварительно обработанного сырьевого потока 601, в то время как вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 661 используют, чтобы обеспечить холодопроизводительность для охлажденного хладагента для сжижения 639.
[00115] Давление третьего хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 620A выше, чем давление первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 620. Поэтому третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 621A необходимо понизить в давлении путем пропускания через клапан на всасывающей линии или через дроссельный вентиль 621В, чтобы получить, пониженный в давлении третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 621С перед введением в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 692. Альтернативно, третий пар хладагента высокого давления для предварительного охлаждения 621A может быть введен в компрессор(-ы) хладагента для предварительного охлаждения 616 в месте более высокого давления, чем всас четвертой ступени компрессии хладагента предварительного охлаждения 616D, например, на всасывание пятой ступени компрессии хладагента предварительного охлаждения 616E (не показано).
[00116] В альтернативном варианте воплощения изобретения теплообменник-экономайзер 625A может быть обойден в случае средних и холодных температур окружающей среды, когда охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 610 имеет температуру ниже критической температуры и процесс уже является докритическим. ФИГ. 6 имеет все преимущества варианта воплощения изобретения, показанного на ФИГ. 5.
[00117] На ФИГ. 7 показан третий примерный вариант воплощения изобретения. В соответствии с ФИГ. 7 в первый период времени охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 710 дополнительно охлаждают в системе вспомогательного хладагента 796, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797. Температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 равна температуре окружающей среды плюс перепад температур в переохладителе относительно окружающей среды. Перепад температур в переохладителе предпочтительно находится в диапазоне примерно 5-40°C и более предпочтительно в диапазоне примерно 10-30 0С. Первый период времени определяется, как период времени, в котором температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710, называемая здесь «температурой на выходе переохладителя» выше или равна критической температуре хладагента для предварительного охлаждения. Другими словами, в течение первого периода времени температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 больше или равна критической температуре. В примере, без ограничений, температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 может быть больше чем на 0°C выше критической температуры или больше, чем на 10°C выше критической температуры, или более чем на 20°C выше критической температуры. Поэтому в течение первого периода времени холодильный процесс предварительного охлаждения без системы вспомогательного хладагента является транскритическим по своей природе. В примере, без ограничений, первый период времени может иметь место при высокой и средней температуре окружающей среды, включая, но не ограничиваясь этим, летние месяцы и/или теплые дни. Температура дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 797 ниже критической температуры. В примере, без ограничений, дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 предпочтительно может иметь температуру более, чем на 0°C ниже критической температуры, более предпочтительно более, чем на 2°C ниже критической температуры или наиболее предпочтительно более, чем на 5°C ниже критической температуры.
[00118] Дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 затем разделяют на первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 719 и вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 761, которые используют для обеспечения охлаждения, предварительно обработанного сырьевого потока 701 и охлажденного хладагента для сжижения 739, соответственно. В предпочтительном варианте воплощения изобретения дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 находится при температуре предпочтительно в диапазоне от примерно минус 20°C до примерно 25°С, и более предпочтительно от примерно 0°C до примерно 15°С. В первый период времени холодильный процесс предварительного охлаждения с системой вспомогательного хладагента является докритическим по своей природе.
[00119] Во второй период времени охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 710 в некоторых случаях обходит систему вспомогательного хладагента 796 по альтернативному байпасу хладагента для предварительного охлаждения 710A, и затем его разделяют на первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 719 и вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 761. Второй период времени определяется как период времени, в котором температура на выходе переохладителя ниже, чем критическая температура хладагента для предварительного охлаждения. Другими словами, в течение второго периода времени температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 ниже критической температуры. Поэтому в течение второго периода времени холодильный процесс предварительного охлаждения без системы вспомогательного хладагента является докритическим по своей природе. В примере, без ограничений, второй период времени может иметь место во время низкой температуры окружающей среды, например, в зимние месяцы и/или в холодные ночи. В примере, без ограничений, охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 710 предпочтительно может быть больше, чем на 10°С, холоднее, чем критическая температура или более предпочтительно больше чем на 15°C холоднее, чем критическая температура.
[00120] Система вспомогательного хладагента может использовать любой способ теплопередачи, такой как передача тепла при кипении, когда хладагент испаряется, чтобы обеспечить холодопроизводительность, или физический теплоперенос, когда хладагент нагревается без изменения фазы, чтобы обеспечить холодопроизводительность, или комбинацию обоих. Способ теплопередачи также может быть абсорбционным теплообменом, когда хладагент испаряется, чтобы обеспечить холодопроизводительность, но этап компрессии заменяется дополнительным оборудованием. Кроме того, система вспомогательного хладагента может использовать любое количество теплообменников. В качестве примера, без ограничений, вспомогательный хладагент может быть пропаном или смешанным хладагентом или газофазным холодильным процессом с использованием сырьевого газа. Вспомогательным хладагентом также может быть любой подходящий абсорбирующий хладагент.
[00121] Любую подходящую систему можно использовать для контроля температуры охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 и регулирования потока через байпас 710А и систему вспомогательного хладагента 796. Например, контроллер 700 можно использовать для управления клапанами 710В и 71°C на основе температуры, измеренной датчиком 710D. Когда датчик 710D определяет, что температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 выше или равна критической температуре, контроллер 700 закрывает клапан 710В и открывает клапан 710С. И наоборот, когда датчик 710D воспринимает, что температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 ниже критической температуры, контроллер 700 открывает клапан 710В и закрывает клапан 710С.
[00122] Преимуществом варианта воплощения изобретения, показанного на ФИГ. 7, является то, что в нем транскритический процесс превращается в докритический процесс путем дополнительного охлаждения хладагента для предварительного охлаждения 710 в системе вспомогательного хладагента 796. Дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 имеет «эффективную» температуру на выходе переохладителя. Поэтому, чтобы определить, будет операция докритической или транскритической, температуру дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 797 необходимо сравнивать с критической температурой хладагента. Поскольку дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 значительно холоднее, чем охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 710, это повышает вероятность докритического цикла. Примерами без ограничений являются CO2 и этан, которые имеют критические температуры, равные примерно 30 0С, значительно ниже, чем температура охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710 для типичных средних и высоких температур окружающей среды. В процессе предшествующего уровня техники это приводило бы к транскритической операции со значительной меньшей эффективностью процесса, из-за более высокой фракции пара. Для транскритической операции фракция пара первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 420 предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,1-0,7. Кроме того, для транскритической операции предшествующего уровня техники наблюдалось бы следующее: никаких фазовых изменений на этапе отвода тепла (в окружающую среду); более сложное управление запасами при колебаниях температуры окружающей среды; отсутствие ссылок на базовые установки для СПГ, а также другие рабочие проблемы. Однако, при использовании варианта воплощения изобретения, описанного на ФИГ. 7, критическая температура, равная 30 0С, предпочтительно выше, чем температура дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 797, даже для высоких температур окружающей среды. В примере, без ограничений, с использованием варианта воплощения изобретения на ФИГ. 7 дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 может иметь температуру примерно 10°C при высокой температуре окружающей среды. В результате, процесс на ФИГ. 7 будет докритическим по своему характеру и, следовательно, будет иметь гораздо более высокую эффективность процесса, чем в варианте воплощения предшествующего уровня техники на ФИГ. 4. Предпочтительно на 10% - 30% выше эффективности, чем получена в транскритических процессах предшествующего уровня техники. Кроме того, варианты воплощения изобретения при применении к транскритическому процессу будут иметь значительно большие преимущества, чем при применении к уже докритическому процессу, при этом превышение эффективности составляет примерно 5-15%. Фракция пара первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 720 предпочтительно составляет примерно 0-0,5, и более предпочтительно примерно 0-0,3. В варианте воплощения изобретения на ФИГ. 7 также не должно быть проблем, связанных с изменениями в управлении запасами при колебаниях температуры окружающей среды, описанных ранее.
[00123] Дополнительным преимуществом этого варианта воплощения изобретения является то, что из-за более холодного эффективного выхода переохладителя давление сжатого хладагента для предварительного охлаждения 715 может быть ниже, что уменьшает нагрузку на сжатие в системе. В предпочтительном варианте воплощения изобретения давление сжатого хладагента для предварительного охлаждения 715 составляет примерно 2-8 МПа (20-80 бар). Кроме того, более низкое давление снижает отношение удельных теплоемкостей хладагента для предварительного охлаждения. Отношение удельных теплоемкостей - это отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме. Поскольку отношение удельных теплоемкостей уменьшается, температура хладагента после сжатия снижается, что подразумевает более низкую потерю работы и, следовательно, более высокую эффективность процесса.
[00124] Более высокая эффективность процесса в варианте воплощения изобретения на ФИГ. 7 позволяет оптимально переносить более высокую нагрузку в систему предварительного охлаждения за счет снижения температуры предварительного охлаждения и снижения нагрузки на систему сжижения. В примере, без ограничений, температура предварительно охлажденного потока природного газа 705 может находиться в диапазоне от примерно минус 30°C до примерно минус 60°С, тогда как температура предварительно охлажденного потока природного газа 405 может находиться в диапазоне от примерно минус 10°C до примерно минус 40°С.
[00125] В варианте воплощения изобретения, показанном на ФИГ. 7 система вспомогательного хладагента охлаждает хладагент для предварительного охлаждения, но также может использоваться для охлаждения хладагента для сжижения. Это также применимо к варианту воплощения изобретения, в котором нет специального хладагента для предварительного охлаждения, а система вспомогательного хладагента охлаждает хладагент для сжижения.
[00126] В предпочтительном варианте воплощения изобретения хладагентом для сжижения является СХ, а хладагентом для предварительного охлаждения являются этан или CO2. В другом предпочтительном варианте воплощения изобретения хладагентом для сжижения является газовая фаза N2, а хладагентом для предварительного охлаждения - этан или CO2. В еще одном предпочтительном варианте воплощения изобретения хладагентом для сжижения является метан, а хладагентом для предварительного охлаждения являются этан или CO2. Преимущество использования CO2 в качестве хладагента для предварительного охлаждения заключается в том, что он негорюч, легкодоступен и имеет высокую плотность. Его высокая плотность приводит к более низкому объемному расходу хладагента для предварительного охлаждения, необходимого для той же массы хладагента. Благодаря более высокой плотности также уменьшается количество трубопроводов системы предварительного охлаждения и габариты оборудования. В еще одном предпочтительном варианте воплощения изобретения, использующем CO2 в качестве хладагента для предварительного охлаждения, CO2 производится на установке СПГ в блоке для удаления кислого газа (БУКГ, AGRU).
[00127] В альтернативном варианте воплощения изобретения в течение первого периода времени окружающий воздух или вода охлаждаются вспомогательным хладагентом во вспомогательном теплообменнике с получением охлажденного потока окружающей среды. В течение второго периода времени система вспомогательного хладагента при необходимости может быть исключена. При такой компоновке хладагент для предварительного охлаждения охлаждается охлажденным потоком окружающей среды вместо вспомогательного хладагента.
[00128] На ФИГ. 8 показан четвертый примерный вариант воплощения изобретения, который является вариацией варианта воплощения изобретения, показанного на ФИГ. 7. В течение первого периода времени охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 810 дополнительно охлаждают в системе вспомогательного хладагента 896, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 897. Кроме того, предварительно обработанный сырьевой поток 801 охлаждают в системе вспомогательного хладагента 896, чтобы получить дополнительно охлажденный сырьевой поток 898, который затем направляют в испаритель сырьевого потока ВД 881, чтобы предварительно охладить. Охлажденный хладагент для сжижения 839 охлаждают в системе вспомогательного хладагента 896, чтобы получить дополнительно охлажденный поток СХ 899, который направляют в испаритель хладагента ВД для сжижения 885, чтобы предварительно охладить.
[00129] Во второй период времени систему вспомогательного хладагента, в некоторых случаях, обходят по альтернативному байпасу хладагента для предварительного охлаждения 810A, альтернативному байпасу сырьевого потока 801A, и альтернативному байпасу хладагента для сжижения 839A.
[00130] В предпочтительном варианте воплощения изобретения дополнительно охлажденный поток хладагента для предварительного охлаждения 897, дополнительно охлажденный сырьевой поток 898, и дополнительно охлажденный поток СХ 899 находятся при температуре, предпочтительно, в диапазоне от примерно минус 20°C до примерно 25°С, более предпочтительно от примерно 0°C до примерно 15°С.
[00131] Этот вариант воплощения изобретения имеет все преимущества ФИГ. 7. Кроме того, поскольку сырьевой и СХ потоки также охлаждаются в системе вспомогательного хладагента 896 в течение первого периода времени, эффективность процесса для ФИГ. 8 выше, чем для ФИГ. 7 при минимальном увеличении капитальных затрат.
[00132] В альтернативном варианте воплощения изобретения промежуточный сжатый поток из системы хладагента для предварительного охлаждения или системы хладагента для сжижения выводится и охлаждается в системе вспомогательного хладагента 896 перед последующим сжатием.
[00133] На ФИГ. 9 показан иллюстративный вариант воплощения системы вспомогательного хладагента 996, в применении к ФИГ. 8. Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 910 дополнительно охлаждают во вспомогательном теплообменнике 989, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 997. Предварительно обработанный сырьевой поток 901 охлаждают во вспомогательном теплообменнике 989, чтобы получить дополнительно охлажденный сырьевой поток 998. Охлажденный хладагент для сжижения 939 охлаждают во вспомогательном теплообменнике 989, чтобы получить дополнительно охлажденный поток СХ 999.
[00134] Система вспомогательного хладагента основана на передаче тепла при кипении. Пар вспомогательного хладагента 954A выводят с теплого конца вспомогательного теплообменника 989 и сжимают в компрессоре вспомогательного хладагента 945A, чтобы получить пар вспомогательного хладагента высокого давления 957A. Пар вспомогательного хладагента высокого давления 957A охлаждают в одном или более теплообменниках, представленных конденсатором вспомогательного хладагента 952A, чтобы получить охлажденный вспомогательный хладагент 959A. Охлажденный вспомогательный хладагент 959A понижают в давлении в клапане вспомогательного хладагента 953A, чтобы получить вспомогательный хладагент низкого давления 944A. Жидкий компонент вспомогательного хладагента низкого давления 944A испаряют во вспомогательном теплообменнике 989, чтобы обеспечить требуемую дополнительную холодопроизводительность и чтобы получить пар вспомогательного хладагента 954A.
[00135] В альтернативном иллюстративном варианте воплощения изобретения на ФИГ. 9, в применении к ФИГ. 7, только охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 910 дополнительно охлаждают во вспомогательном теплообменнике 989, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 997.
[00136] В предпочтительном варианте воплощения изобретения вспомогательным хладагентом является ФУВ хладагент, включая, но без ограничений, R-410A или R-22. В другом предпочтительном варианте воплощения вспомогательным хладагентом является пропан или аммиак, либо любой другой двухфазный хладагент.
[00137] На ФИГ. 10 показан другой иллюстративный вариант воплощения системы вспомогательного хладагента 1096, в применении к ФИГ. 8. Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1010 дополнительно охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1089, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1097. Предварительно обработанный сырьевой поток 1001 охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1089, чтобы получить дополнительно охлажденный сырьевой поток 1098. Охлажденный хладагент для сжижения 1039 охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1089, чтобы получить дополнительно охлажденный поток СХ 1099.
[00138] Вспомогательный хладагент является частью хладагента для сжижения. В одном варианте воплощения изобретения, при этом для хладагента для сжижения используют теплопередачу при кипении, что показано на ФИГ. 3, часть потока СХЖ 341 удаляют как охлажденный вспомогательный хладагент 1059A. Охлажденный вспомогательный хладагент 1059A понижают в давлении в клапане вспомогательного хладагента 1053A, чтобы получить вспомогательный хладагент низкого давления 1044A. Жидкий компонент вспомогательного хладагента низкого давления 1044A испаряют во вспомогательном теплообменнике 1089, чтобы обеспечить требуемую дополнительную холодопроизводительность и чтобы получить пар вспомогательного хладагента 1054A. Пар вспомогательного хладагента 1054A можно вернуть в систему компрессии хладагента для сжижения, путем введения его в сепаратор среднего давления на линии всасывания 353 или в любое другое подходящее место.
[00139] В альтернативном варианте воплощения изобретения охлажденный вспомогательный хладагент 1059A может быть получен из любого другого места процесса сжижения, так что его можно не конденсировать, а пар вспомогательного хладагента 1054A может быть возвращен в любое место процесса сжижения.
[00140] В другом варианте воплощения изобретения, при этом для хладагента для сжижения используют физический теплоперенос, показанный на ФИГ. 2, часть предварительно охлажденного хладагента для сжижения 240 удаляют как охлажденный вспомогательный хладагент 1059A. Охлажденный вспомогательный хладагент 1059A понижают в давлении в клапане вспомогательного хладагента 1053A, который может быть детандером, чтобы получить вспомогательный хладагент низкого давления 1044A. Вспомогательный хладагент низкого давления 1044A нагревают во вспомогательном теплообменнике 1089, чтобы обеспечить требуемую дополнительную холодопроизводительность и чтобы получить пар вспомогательного хладагента 1054A. Пар вспомогательного хладагента 1054A можно вернуть в систему сжижения и сжатия охладителя посредством внедрения в компрессор ВД 257 или в любое другое подходящее место. Пар вспомогательного хладагента 1054A также можно сжать перед возвращением в систему хладагента для сжижения.
[00141] В альтернативном иллюстративном варианте воплощения изобретения на Фиг. 10, в применении к ФИГ. 7, только охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1010 дополнительно охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1089, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1097.
[00142] В предпочтительных вариантах воплощения изобретения вспомогательным хладагентом является смешанный хладагент (СХ) или азот.
[00143] В другом альтернативном варианте воплощения изобретения вспомогательный хладагент состоит из части предварительно обработанного сырьевого потока 1001 вместо хладагента для сжижения из ФИГ. 2. Пар вспомогательного хладагента 1054А может быть возвращен в место выше по потоку установки, например, выше по потоку от компрессора сырьевого потока или может быть использован как топливо на предприятии.
[00144] На ФИГ. 11 показан другой иллюстративный вариант воплощения системы вспомогательного хладагента 1196, в применении к ФИГ. 8, с использованием процесса на основе абсорбции. Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1110 дополнительно охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1189, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1197. Предварительно обработанный сырьевой поток 1101 охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1189, чтобы получить дополнительно охлажденный сырьевой поток 1198. Охлажденный хладагент для сжижения 1139 охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1189, чтобы получить дополнительно охлажденный поток СХ 1199.
[00145] Пар вспомогательного хладагента 1154A выводят с теплого конца вспомогательного теплообменника 1189 и направляют в абсорбер вспомогательного хладагента 1191, где пар вспомогательного хладагента 1154А абсорбируется растворителем вспомогательного хладагента 1158А с образованием жидкого вспомогательного хладагента низкого давления 1155A. Жидкий вспомогательный хладагент низкого давления 1155A нагнетают насосом вспомогательного хладагента 1151А, чтобы получить жидкий вспомогательный хладагент высокого давления 1156А, который направляют в генератор вспомогательного хладагента 1150А, в который подводят тепло, чтобы отделить пар вспомогательного хладагента высокого давления 1157А от растворителя вспомогательного хладагента 1158А, который направляют в абсорбер вспомогательного хладагента 1191. Пар вспомогательного хладагента высокого давления 1157А охлаждают в одном или более теплообменниках, изображенных конденсатором вспомогательного хладагента 1152A, чтобы получить охлажденный вспомогательный хладагент 1159A. Охлажденный вспомогательный хладагент 1159A понижают в давлении в клапане вспомогательного хладагента 1153A, чтобы получить пар вспомогательного хладагента низкого давления 1144A. Пар вспомогательного хладагента низкого давления 1144A испаряют во вспомогательном теплообменнике 1189, чтобы обеспечить требуемую дополнительную холодопроизводительность.
[00146] В одном варианте воплощения изобретения, тепло, подаваемое в генератор вспомогательного хладагента 1150A, получается из отработанного тепла, образующегося в установке для сжижения природного газа. В другом варианте воплощения изобретения отработанное тепло, полученное от газовых турбин в процессах предварительного охлаждения и сжижения, которые приводят в действие компрессоры сжижения и предварительного охлаждения, используется в генераторе вспомогательного хладагента 1150А.
[00147] В альтернативном иллюстративном варианте воплощения на ФИГ. 11, в применении к ФИГ. 7, только охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1110 дополнительно охлаждают во вспомогательном теплообменнике 1189, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1197. В одном варианте воплощения изобретения вспомогательным хладагентом является водный раствор LiBr.
[00148] Хотя описанные здесь варианты воплощения изобретения предполагают использование вспомогательного хладагента в системе предварительного охлаждения, его также можно использовать для сжижения, переохлаждения или на любом этапе процесса.
[00149] Типичные клапаны понижения давления, такие как клапаны (JT) Джоуля-Томсона являются изоэнтальпийными по природе. Представление изоэнтальпийного этапа понижения давления в транскритическом процессе показано на диаграмме P-H на ФИГ. 1B. Линия E-F представляет этап изоэнтальпийного понижения давления и из-за вертикального характера линии, получается высокая доля пара в точке F. Это приводит к низкой эффективности процесса. На Фигурах 5-11 обсуждаются варианты воплощения изобретения для превращения транскритического процесса в докритический и, следовательно, повышения эффективности процесса. Альтернативным способом повышения эффективности процесса является перемещение точки F влево, путем выполнения этапа E-F изоэнтропическим способом, как показано на ФИГ. 12А. Из-за формы изоэнтропических (постоянство энтропии) линий на диаграмме P-H, без перемещения точки E, в точке F можно получить меньшую долю пара. На ФИГ. 12B показан пятый вариант воплощения изобретения с использованием изоэнтропийного расширения.
[00150] В соответствии с ФИГ. 12B сжатый хладагент для предварительного охлаждения 1215 охлаждают путем косвенного теплообмена окружающим воздухом или водой в одном или более теплообменниках, изображенных как конденсатор хладагента для предварительного охлаждения 1217, чтобы получить охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1210. Затем охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1210 разделяют на две части, первую часть 1219, чтобы обеспечить холодопроизводительность для предварительно обработанного сырьевого потока 1201, и вторую часть 1261, чтобы обеспечить холодопроизводительность для охлажденного хладагента для сжижения 1239.
[00151] Первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 1219 понижают в давлении в первом двухфазном детандере 1248A, чтобы получить первый хладагент ВД для предварительного охлаждения 1220. Жидкую фракцию первого хладагента ВД для предварительного охлаждения 1220 частично испаряют в испарителе ВД для сырьевого потока 1281, чтобы получить первый пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 1221 и первый жидкий хладагент ВД для предварительного охлаждения 1222. Первый пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 1221 направляют в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 1292, и затем на всасывание четвертой ступени компрессии предварительного охлаждения 1216D как часть бокового потока ВД 1211.
[00152] Вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 1261 можно понизить в давлении во втором двухфазном детандере 1249A, чтобы получить второй хладагент ВД для предварительного охлаждения 1262. Жидкую фракцию второго хладагента ВД для предварительного охлаждения 1262 частично испаряют в испарителе ВД хладагента для сжижения 1285, чтобы получить второй пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 1263 и второй жидкий хладагент ВД для предварительного охлаждения 1264. Второй пар хладагента ВД для предварительного охлаждения 1264 направляют в сепаратор хладагента ВД для предварительного охлаждения 1292, и затем на всасывание четвертой ступени компрессии предварительного охлаждения 1216D как часть бокового потока ВД 1211. Доля пара в первом хладагенте ВД для предварительного охлаждения 1220 и втором хладагенте ВД для предварительного охлаждения 1262 предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,2-0,6, и более предпочтительно в диапазоне примерно 0,2-0,4. В отличие от этого доля пара в первом хладагенте ВД для предварительного охлаждения 420 предшествующего уровня техники предпочтительно находится в диапазоне примерно 0,1-0,7.
[00153] Преимуществом варианта воплощения изобретения на ФИГ. 12В является то, что эффективность процесса может быть повышена при низких капитальных затратах, площади участка и сложности. Другим преимуществом использования детандера является то, что из него можно извлечь полезную работу, что приведет к снижению потребности в энергии. Поскольку этот вариант воплощения изобретения не превращает транскритический процесс в докритический, проблемы, касающиеся управления запасами, остаются. Для решения этой проблемы вариант воплощения изобретения на ФИГ. 12В можно объединить с любым из вариантов воплощения изобретения, описанных ранее, например, с вариантами воплощения изобретения, показанными на Фигурах 5-11. В одном варианте воплощения изобретения охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1210 можно дополнительно охладить в теплообменнике-экономайзере 525A ФИГ. 5, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 перед выполнением этапа изоэнтропийного понижения давления. В другом варианте воплощения изобретения охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1210 можно дополнительно охладить в системе вспомогательного хладагента 796, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 перед выполнением этапа изоэнтропийного понижения давления. Объединение характеристик процесса на ФИГ. 12В с предыдущими вариантами воплощения изобретения позволяет улучшить эффективность процесса и в то же время превратить транскритический процесс в докритический, что дополнительно повысит эффективность процесса и решит проблемы, связанные с управлением запасами.
ПРИМЕР 1
[00154] Ниже описан пример иллюстративного варианта воплощения изобретения. Иллюстративный процесс и данные основаны на моделировании процесса предварительного охлаждения и сжижения на установке, которая производит номинально 5 миллионов метрических тонн в год (ММТГ) СПГ. Хладагентом для предварительного охлаждения в этом примере является этан или диоксид углерода, а хладагентом для сжижения может быть СХ или N2. Этот пример конкретно относится к варианту воплощения изобретения, показанному на ФИГ. 5, но также применим к варианту на ФИГ. 6 и другим соответствующим вариантам воплощения изобретения. Температура окружающей среды равна 25°C (77 0F). Критическая температура этана и диоксида углерода равна примерно 30°С.
[00155] В соответствии с ФИГ. 5 охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510 дополнительно охлаждают в теплообменнике-экономайзере 525А, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597. Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 510 находится при давлении 8,5 МПа (85 бар; 1228 фунт/кв.дюйм), температуре 32°C (90 0F) и в сверхкритической зоне. Дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 597 имеет температуру 27°C (81 0F) и жидкую фазу. Третья часть охлажденного реагента для предварительного охлаждения 519A составляет 15 моль. % от дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 597. Эффективность процесса в этом варианте воплощения изобретения примерно на 4% выше, чем для предшествующего уровня техники.
ПРИМЕР 2
[00156] Ниже описан пример иллюстративного варианта воплощения изобретения. Иллюстративный процесс и данные основаны на моделировании процесса предварительного охлаждения и сжижения на установке, которая производит СПГ номинально 5 ММТГ. Хладагентом для предварительного охлаждения в этом примере является этан или диоксид углерода, а хладагентом для сжижения может быть СХ или N2. Этот пример конкретно относится к варианту воплощения изобретения, показанному на ФИГ. 7, но также применим к другим вариантам воплощения изобретения. Первый период времени имеет место, когда средняя температура окружающей среды равна 25°C (77 0F), а второй период времени имеет место в холодное время, когда температура окружающей среды равна 11°C (52°F). Чтобы упростить описание этого примера, использованы элементы и ссылочные позиции, описанные в варианте воплощения изобретения, показанном на ФИГ. 7. Ссылочные позиции, описанные в отношении варианта воплощения изобретения, показанного на ФИГ. 4 (предшествующий уровень техники) также будут использоваться для сравнения.
[00157] В первый период времени предварительно обработанный сырьевой поток 701 при температуре 21°C (70°F), давлении 5,75 МПа (834 фунт/кв. дюйм; 57,5 бар), и расходе 37196 кг-моль/час (82000 фунт-моль/час) охлаждают путем косвенного теплообмена в испарителе ВД сырьевого потока 781, чтобы получить первый промежуточный сырьевой поток 702 при температуре 2°C (35°F), который затем охлаждают в испарителе СД сырьевого потока 782, чтобы получить второй промежуточный сырьевой поток 703 при температуре минус 14°C (-8°F), который пропускают через испаритель НД сырьевого потока 783, чтобы получить третий промежуточный сырьевой поток 704 при температуре минус 29°C (-21°F), и окончательно через испаритель ОНД сырьевого потока 784, чтобы получить предварительно охлажденный поток природного газа 705 при температуре минус 43°C (-45°F). Охлажденный хладагент для сжижения 739 охлаждают до аналогичных температур в испарителе ВД хладагента для сжижения 785, в испарителе СД хладагента для сжижения 786, испарителе НД хладагента для сжижения 787, и испарителе ОНД хладагента для сжижения 788.
[00158] Нагретый хладагент низкого давления для предварительного охлаждения 714 при температуре минус 46°C (-50°F), давлении 0,7 МПа (108 фунт/кв. дюйм; 7 бар), и расходе 9730 кг-моль/час (21450 фунт-моль/час) сжимают в четырехступенчатом компрессоре хладагента для предварительного охлаждения 716, чтобы получить сжатый хладагент для предварительного охлаждения 715 при температуре 50°C (122°F) и давлении 5,0 МПа (722 фунт/кв. дюйм; 50 бар).
[00159] Боковой поток НД 713 при температуре минус 33°C (-27°F) и давлении 1,3 МПа (188 фунт/кв. дюйм; 13 бар), боковой поток СД 712 при температуре минус 17°C (1°F) и давлении 2,2 МПа (313 фунт/кв. дюйм; 22 бар), и боковой поток ВД 711 при температуре минус 2°C (29°F) и давлении 3,2 МПа (780 фунт/кв. дюйм; 32 бар) вводят в компрессор хладагента предварительного охлаждения 716 в промежуточных позициях.
[00160] Сжатый хладагент для предварительного охлаждения 715 охлаждают путем косвенного теплообмена окружающим воздухом в трех теплообменниках, изображенных как конденсатор хладагента для предварительного охлаждения 717, чтобы получить охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 710 при температуре 32°C (90°F). Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 710 дополнительно охлаждают в системе вспомогательного хладагента 796, чтобы получить дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 при температуре 10°C (50°F). Затем дополнительно охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 797 разделяют на первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 719 и вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 761, которые используют для обеспечения холодопроизводительности для предварительно обработанного сырьевого потока 701 и охлажденного хладагента для сжижения 739, соответственно. Первая часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 719 составляет примерно 20 моль. % от охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 710.
[00161] Первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 719 понижают в давлении в первом клапане понижения давления 773, чтобы получить первый хладагент ВД для предварительного охлаждения 720 при температуре минус 1°C (29°F), давлении 3,3 МПа (486 фунт/кв. дюйм; 33 бар), и с долей пара, равной 0,12. Вторую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 761 понижают в давлении до аналогичных параметров.
[00162] Во второй период времени систему вспомогательного хладагента 796 необязательно обходят по байпасу хладагента для предварительного охлаждения 710A, который находится при температуре 18°C (64°F).
[00163] В отличие от этого для ФИГ. 4 предшествующего уровня техники первый хладагент ВД для предварительного охлаждения 420 находится при температуре 17°C (62°F), давлении 5,3 МПа (766 фунт/кв. дюйм; 53 бар), и доля пара составляет 0,28. Также, сжатый хладагент для предварительного охлаждения 415 находится при температуре 71°C (160°F) и давлении 8,5 МПа (1228 фунт/кв. дюйм; 85 бар). Кроме того, охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 410 находится при температуре 32°C (90°F).
[00164] Поскольку критическая температура этана и диоксида углерода составляет примерно 30 0С, процесс предшествующего уровня техники должен включать транскритическую операцию при средней температуре окружающей среды, которая является причиной более высокой доли пара в первом хладагенте ВД для предварительного охлаждения 420. Однако, варианты воплощения изобретения, включают докритическую операцию, учитывая, что температура дополнительно охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 797 ниже, чем критическая температура. Это является причиной более низкой доли пара в первом охлажденном хладагенте ВД для предварительного охлаждения 720. Снижая долю пара в первом охлажденном хладагенте ВД для предварительного охлаждения 720, варианты воплощения изобретения значительно улучшают эффективность процесса.
[00165] Кроме того, путем снижения давления сжатого хладагента для предварительного охлаждения 715, варианты воплощения изобретения снижают требования к мощности компримирования и отношение удельных теплоемкостей хладагента для предварительного охлаждения. Более низкое отношение удельных теплоемкостей также увеличивает эффективность процесса. В целом, вплоть до примерно 20% повышения эффективности процесса наблюдалось для ФИГ. 7 по сравнению с ФИГ. 4 в течение первого периода времени. В дополнение, вопросы управления запасами, связанные с колебаниями температуры окружающей среды также исключаются в этих вариантах воплощения изобретения. В целом варианты воплощения изобретения решают проблемы, представленные транскритичными хладагентами.
ПРИМЕР 3
[00166] Ниже описан пример иллюстративного варианта воплощения изобретения. Иллюстративный процесс и данные основаны на моделировании процесса предварительного охлаждения и сжижения на установке, которая производит СПГ номинально 5 ММТГ. Хладагентом для предварительного охлаждения в этом примере является этан или диоксид углерода, а хладагентом для сжижения может быть СХ или N2. Этот пример конкретно относится к варианту воплощения изобретения, показанному на ФИГ. 12B.
[00167] Охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1210 находится при температуре 32°C (89,6°F), давлении 8,4 МПа (120 фунт/кв. дюйм; 84 бар), и доля пара составляет 1. Затем охлажденный хладагент для предварительного охлаждения 1210 разделяют на две части, первую часть 1219, чтобы обеспечить холодопроизводительность для предварительно обработанного сырьевого потока 1201 и вторую часть 1261, чтобы обеспечить холодопроизводительность для охлажденного хладагента для сжижения 1239. Первую часть охлажденного хладагента для предварительного охлаждения 1219 понижают в давлении в первом двухфазном детандере 1248A, чтобы получить первый хладагент ВД для предварительного охлаждения 1220 при температуре 15°C (59°F), давлении 5,1 МПа (735 фунт/кв. дюйм; 51 бар), и доля пара составляет 0,25. В случае использования клапана Джоуля-Томсона (изоэнтальпийного) вместо двухфазного детандера (изоэнтропийного), доля пара в первом хладагенте ВД для предварительного охлаждения 1220 составила бы 0,3. Вариант воплощения изобретения на ФИГ. 12B повышает эффективность процесса относительно предшествующего уровня техники примерно на 3%.
[00168] Изобретение описано с точки зрения предпочтительных вариантов и альтернативных вариантов воплощения изобретения. Конечно, различные изменения, модификации и вариации в соответствии с идеями настоящего изобретения могут быть рассмотрены специалистами в данной области без отклонения от предполагаемой концепции и объема. Предполагается, что настоящее изобретение ограничивается только положениями прилагаемой формулы изобретения.