СПОСОБ ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ПОТОКА УГЛЕВОДОРОДОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO LIQUEFY FLOW OF HYDROCARBONS AND PLANT FOR ITS REALISATION

Настоящее изобретение относится к способу и установке для сжижения потока углеводородов, например природного газа.
Известны различные способы сжижения потока природного газа с получением в результате сжиженного природного газа (СПГ). Сжижение природного газа желательно по ряду причин. К примеру, природный газ легче хранить и транспортировать на большие расстояния в виде жидкости, чем в газообразном состоянии, поскольку он занимает меньший объем и отсутствует необходимость его хранения при высоких давлениях.
Обычно природный газ, который содержит, главным образом, метан, поступает в установку для сжижения природного газа при повышенных давлениях и его предварительно очищают с целью получения очищенного исходного сырья, подходящего для сжижения при криогенных температурах. Очищенный природный газ подвергают обработке при прохождении через некоторое количество ступеней охлаждения, в которых используют теплообменники для последовательного снижения температуры газа до тех пор, пока не будет достигнуто сжижение. Сжиженный природный газ затем дополнительно охлаждают (для уменьшения количества пара, выделяемого при мгновенном испарении, при прохождении через одну или более ступеней расширения потока) до конечного атмосферного давления, подходящего для хранения и транспортирования газа. Пар, выделившийся на каждой из ступеней расширения, может быть использован в установке в качестве источника горючего газа.
Затраты на создание и эксплуатацию установки или системы для сжижения природного газа (СПГ-установки или системы) являются высокими, и большая их часть связана с используемыми схемами охлаждения. Поэтому любое снижение потребности в энергии для установки или системы приводит к значительным экономическим выгодам. Снижение стоимости используемой схемы охлаждения является, в особенности, выгодным.
В документе US 4541852 описана базовая система для производства СПГ и иллюстрируется отвод некоторой части потока исходного природного газа, которую возвращают затем в поток сжиженного природного газа после снижения давления потока сжиженного природного газа посредством его прохождения через клапан. Такое решение создает проблему неполного использования имеющейся полезной энергии, которая может быть получена от всего исходного природного газа.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы минимизировать вышеуказанные потери и повысить эффективность установки или системы сжижения природного газа.
Другая задача изобретения заключается в упрощении использования паров, выделяющихся из испарительной емкости, и тем самым снижении энергетических потребностей установки или системы для сжижения.
Одна или большее количество из указанных задач может быть решена с помощью настоящего изобретения, обеспечивающего способ сжижения потока углеводородов, например, природного газа из сырьевого потока. Предложенный способ включает, по меньшей мере, стадии:
(a) обеспечения сырьевого потока,
(b) разделения сырьевого потока стадии (а) с получением, по меньшей мере, первого сырьевого потока, составляющего, по меньшей мере, 90 мас.% от исходного сырьевого потока (10), и второго сырьевого потока;
(c) сжижения первого сырьевого потока стадии (b) при давлении в интервале от 20 до 100 бар с получением первого потока сжиженного природного газа (СПГ);
(d) охлаждения второго сырьевого потока стадии (b) с помощью теплообменника с получением охлажденного сырьевого потока;
(e) объединения первого потока СПГ стадии (с) и охлажденного сырьевого потока стадии (d) с получением объединенного потока СПГ;
(f) снижения давления объединенного потока СПГ стадии (е) и
(g) прохождения объединенного потока СПГ стадии (f) через испарительную емкость для получения потока продукта - СПГ и газового потока.
Преимущество настоящего изобретения заключается в увеличении имеющейся полезной энергии, обеспечиваемом за счет снижения давления предварительно объединенного потока СПГ.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в снижении энергии, требуемой для расширительной емкости, за счет объединения первого потока СПГ и охлажденного сырьевого потока перед снижением их давления и вводом в испарительную емкость.
Потоком углеводородов может быть любой подходящий газовый поток, который необходимо обработать, но обычно это поток природного газа, добытый из месторождений нефти или природного газа. В качестве альтернативы поток природного газа может быть также получен из другого источника, включающего также искусственный источник, например, такой, как известный процесс Фишера-Тропша.
Как правило, поток природного газа, в основном, содержит метан. Предпочтительно сырьевой поток включает, по меньшей мере, 60 мол.% метана, более предпочтительно, по меньшей мере, 80 мол.% метана.
2
2
3
2
В зависимости от используемого источника природный газ может содержать различные количества углеводородов, более тяжелых, чем метан, таких как этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторые ароматические углеводороды. Поток природного газа может также содержать не углеводороды, например, НO, N, СО, HS и другие сернистые соединения, и тому подобные.
2
2
При необходимости сырьевой поток предварительно может быть обработан перед его использованием в соответствии с настоящим изобретением. Эта предварительная обработка может включать извлечение нежелательных компонентов, таких как СO и НS, или другие стадии обработки, например предварительное охлаждение, предварительное сжатие или тому подобные. Поскольку эти стадии хорошо известны специалистам в данной области техники, они здесь не будут рассмотрены.
Деление сырьевого потока может быть обеспечено посредством какого-либо подходящего разделительного устройства, например делителя потока. Предпочтительно в результате такого разделения образуется два потока, имеющие одинаковые состав и фазы.
Испарительной емкостью может быть какая-либо подходящая емкость, служащая для получения потока продукта - СПГ и потока газа. Такие емкости хорошо известны в уровне техники.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что стадия снижения давления может быть осуществлена различными путями с использованием какого-либо расширительного устройства (например, расширительного клапана или обычного детандера) или какой-либо их комбинации. Предпочтительно снижение давления осуществляют с использованием детандера или детандеров, работающих в двухфазной области.
Хотя способ, соответствующий настоящему изобретению, применим к сырьевым потокам различных углеводородов, он, в особенности, является подходящим для сжижаемых потоков природного газа. Поскольку специалисту хорошо понятно, как осуществить сжижение потока углеводородов, этот процесс здесь далее рассматриваться не будет.
Сжижение первого сырьевого потока предпочтительно осуществляют в интервале давлений от 40 до 80 бар. Кроме того, предпочтительно, чтобы не происходило существенного или значительного изменения давления (помимо какого-либо минимального или обычного рабочего изменения, составляющего, например, 10 бар или менее) первого сырьевого потока в промежутке между его разделением и объединением со вторым сырьевым потоком.
Поток полученного СПГ предпочтительно находится под давлением, например, в интервале от 1 до 10 бар, более предпочтительно от 1 до 5 бар, еще более предпочтительно атмосферное давление. Специалисту в данной области техники легко будет понять, что после сжижения поток сжиженного природного газа, в случае необходимости, может быть подвергнут дальнейшей обработке. В качестве примера полученный СПГ может быть подвергнут расширению со снижением давления посредством прохождения через клапан Джоуля-Томпсона или криогенный турбодетандер. Кроме того, между разделением газа и жидкости в первом газожидкостном сепараторе и сжижением могут быть проведены дополнительные промежуточные стадии технологического процесса.
В соответствии с настоящим изобретением газообразный поток стадии (g) может быть непосредственно использован для обеспечения частичного, существенного или полного охлаждения какого-либо элемента, потока, аппарата, ступени или в каком-либо процессе установки или системы для сжижения углеводородов. Это может быть осуществлено по возможности в виде одного охлаждающего потока или посредством нескольких охлаждающих потоков, параллельных или последовательных. Указанное охлаждение, конечно, может включать, по меньшей мере, часть процесса сжижения первого сырьевого потока или какого-либо сырьевого потока и может также включать охлаждение хладагента. Охлаждение может быть осуществлено посредством пропускания газообразного потока стадии (g) через один или большее количество теплообменников.
Таким образом, газообразный поток из расширительной емкости может обеспечить непосредственное охлаждение сырьевого потока при отсутствии необходимости использования каких-либо процессов или потоков с промежуточным хладагентом.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что становится возможным отводить от газообразного потока больше холода, что повышает эффективность использования холода и, следовательно, дополнительно уменьшает потребности в энергии всей установки для сжижения.
До настоящего времени холод (энергия холода) пара мгновенного испарения, полученного посредством ступеней расширения или мгновенного испарения, обычно отводился в одном или большем количестве теплообменников только за счет охлаждения определенной фракции потока хладагента, обычно потока легкого смешанного хладагента (ЛСХ), в противоточном теплообменнике. В результате температура конечного газа быстрого испарения изменяется от температуры приблизительно -160°С приблизительно лишь до -40°С так, что весь холод пара мгновенного испарения не отводится. Охлажденный поток ЛСХ используют затем в одном или большем количестве других теплообменниках с целью охлаждения другого потока в указанной установке или системе.
В одном воплощении настоящего изобретения предложенный способ, кроме того, включает стадию
(h) прохождения второго сырьевого потока и газообразного потока через теплообменник для, по меньшей мере, частичного охлаждения второго сырьевого потока на стадии (d).
Преимущество этого воплощения заключается в том, что для второго сырьевого потока не требуется отдельной системы охлаждения или установки, что уменьшает тем самым объем работ по монтажу установки и потребности в энергии.
Предпочтительно способ согласно настоящему изобретению, кроме того, включает стадию:
(i) использования отведенного газообразного потока, полученного в результате прохождения через указанный выше или какой-либо теплообменник, в качестве потока горючего газа.
Преимущество этого воплощения состоит в том, что этот газообразный поток является полезным продуктом для всей установки, без его возвращения в сырьевой поток.
Как правило, второй поток охлаждают до температуры, достаточной для получения объединенного потока СПГ при объединении охлажденного сырьевого потока с первым потоком СПГ.
Обычно второй поток охлаждают посредством теплообмена на стадии (d) до температуры, по меньшей мере, равной -100°С, и предпочтительно до температуры, такой же или подобной температуре первого потока СПГ.
Разделение сырьевого потока, содержащего природный газ, может быть произведено в каком-либо отношении или отношениях для двух или более потоков, образованных при проведении стадии (b), при условии, что один поток составляет, по меньшей мере, 90 мас.% от сырьевого потока. Обычно формируют два сырьевых потока, меньший из которых может быть назван «байпасным потоком». В одном воплощении настоящего изобретения первый сырьевой поток составляет, по меньшей мере, 95 мас.%, предпочтительно, по меньшей мере, 97 мас.% от первоначального сырьевого потока. В альтернативном воплощении второй сырьевой поток составляет от 1 до 5 мас.% от сырьевого потока, содержащего природный газ, предпочтительно от 2 до 3 мас.% от сырьевого потока.
Полученный в результате мгновенного испарения, реализуемого при проведении процесса производства СПГ, газовый поток (который может быть также назван отводимым газовым потоком), в основном, имеет температуру в интервале от -150°С до -170°С, обычно приблизительно от -160°С до -162°С. Температура газового потока после прохождения через теплообменник предпочтительно будет выше 0°С, предпочтительно с последующим каким-либо теплообменом со вторым сырьевым потоком.
Предпочтительно поток газа в каком-либо теплообменнике нагревают до температуры в интервале от 30°С до 50°С, более предпочтительно от 35°С до 45°С. В том случае, если этот газовый поток используют в качестве горючего газа, его температура не является существенной, так что приемлемой является температура
+40°С.
2
2
Возможность повышения температуры газового потока выше обычной температуры -40°С, которая соответствует максимальному извлечению холода, достигаемая при осуществлении теплообмена с потоками используемого в настоящее время хладагента, например с потоком ЛСХ, создает два дополнительных преимущества. Во-первых, может быть уменьшен теплообменник, в частности, уменьшена поверхность теплообмена для извлечения холода, возможно, на 20% или 30% по сравнению с обычно используемой конструкцией теплообменника для газа, отведенного из конечной испарительной емкости. Поэтому поверхность теплообмена в типичном теплообменнике может составлять менее, чем 2500 м, предпочтительно менее 2000 м.
Во-вторых, за счет возможности повышения получаемой температуры газового потока, протекающего через теплообменник, от существующего в настоящее время максимума, равного -40°С (на базе используемых хладагентов), до температуры, как правило, более +20°С, предпочтительно +30°С, более предпочтительно +40°С или более, можно уменьшить количество энергии, необходимой для охлаждения или замораживания, где-либо в установке или в системе, например, для снижения энергии (мощности) компрессора для хладагента, используемой для одного или большего количества сырьевых потоков или потоков СПГ в установке. По оценкам, для установки для производства СПГ, имеющей производительность приблизительно 5 миллионов тонн в год, тепловая мощность (производительность) теплообменника для извлечения холода, обычного типа теплообменника для газового потока, отводимого из конечной испарительной емкости, может быть удвоена, что приводит к снижению мощности компрессора для основного хладагента на 1% или более. Снижение на 1% мощности, расходуемой на основное сжатие, является значительным для промышленных установок для сжижения, например, для установок производительностью 1 миллион тонн в год или более.
Стадия (с) сжижения может быть осуществлена посредством одной или более ступеней охлаждения и/или сжижения. Она может включать использование ступени предварительного охлаждения и ступени основного охлаждения. Ступень предварительного охлаждения может включать охлаждение сырьевого потока в противотоке с хладагентом в контуре циркуляции хладагента.
Как правило, ступень основного охлаждения содержит отдельный контур циркуляции хладагента и обычно включает один или более отдельных компрессоров для хладагента. Не ограничивающим примером типичного основного хладагента является смесь химических соединений, имеющих различные температуры кипения для осуществления теплообмена с равномерным распределением. Одна смесь представляет собой смесь азота, этана и пропана.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает установку для производства потока сжиженных углеводородов, например природного газа, из сырьевого потока. Предложенная установка включает
разделитель потока, предназначенный для разделения сырьевого потока, по меньшей мере, на первый сырьевой поток, содержащий, по меньшей мере, 90 мас.% исходного сырьевого потока, и второй сырьевой поток;
систему сжижения, включающую, по меньшей мере, один теплообменник для сжижения первого сырьевого потока при давлении в интервале от 20 до 100 бар для обеспечения первого потока сжиженного природного газа (СПГ);
теплообменник для, по меньшей мере, частичного охлаждения второго сырьевого потока с получением охлажденного сырьевого потока;
объединяющее устройство, служащее для объединения первого потока СПГ и охлажденного сырьевого потока;
детандер для снижения давления объединенного потока СПГ и
испарительную емкость, предназначенную для получения потока СПГ-продукта и газового потока.
Предпочтительно газовый поток из испарительной емкости по трубопроводу направляют в теплообменник. После прохождения через теплообменник поток газа может быть использован в качестве потока горючего газа.
Объединяющим устройством может быть какая-либо подходящая конструкция, обычно включающая объединение или соединение трубопроводов или каналов, при необходимости снабженное одним или большим количеством клапанов.
Воплощение настоящего изобретения далее будет описано с помощью примера и со ссылкой на сопровождающий чертеж, не ограничивающие изобретение.
На чертеже дана принципиальная схема части установки для производства СПГ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
Чертеж схематически иллюстрирует принципиальное выполнение части установки для производства СПГ. На чертеже показан исходный сырьевой поток 10, содержащий природный газ. Помимо метана, природный газ содержит некоторые более тяжелые углеводороды и примеси, например двуокись углерода, азот, гелий, воду, меркаптаны, ртуть и не углеводородные высокосернистые газы. Сырьевой поток обычно предварительно обрабатывают с помощью известных в уровне техники методов для отделения этих примесей в той степени, в какой это необходимо с точки зрения соответствия СПГ техническим требованиям по качеству; для предотвращения загрязнения и повреждения оборудования, находящегося ниже по потоку, и для предотвращения образования льда в оборудовании ниже по ходу движения сырьевого потока 10. Предпочтительно, по меньшей мере, двуокись углерода, воду, меркаптаны, ртуть и не углеводородные высокосернистые газы извлекают из сырьевого потока 10 для получения очищенного исходного материала, подходящего для сжижения при криогенных температурах.
Сырьевой поток 10 разделяют с помощью разделительного устройства 16 с целью разделения сырьевого потока 10, по меньшей мере, на два протекающих далее сырьевых потока 20, 30, имеющих полностью или по существу одинаковый состав, т.е. одинаковые компоненты и фазу или фазы. Там, где это желательно или необходимо, сырьевой поток (10) может быть разделен более чем на два сырьевых потока.
Следует отметить, что 90 мас.% или более сырьевого потока 10, показанного на чертеже, образует первый сырьевой поток 20, который, в общем, составляет, по меньшей мере, 95 мас.% от сырьевого потока 10, предпочтительно более 97 мас.%. Этот первый сырьевой поток 20 сжижают при давлении в интервале от 20 до 100 бар предпочтительно в интервале от 50 до 60 бар, точнее 55 бар с помощью системы сжижения. Системы сжижения известны в уровне техники и могут включать проведение одного или более процессов охлаждения и/или замораживания. Как правило, эти системы содержат, по меньшей мере, один теплообменник 18. Такие средства хорошо известны в уровне техники и далее здесь не описаны. Система сжижения обеспечивает получение первого потока 40 СПГ, предпочтительно имеющего такое же или подобное давление, как и давление первого сырьевого потока 20.
Следует отметить, что второй сырьевой поток 30, образованный посредством разделителя 16, пропускают через другой теплообменник 14. Теплообменники хорошо известны в уровне техники, и обычно они обеспечивают протекание через них двух потоков, при этом энергия холода одного потока извлекается и используется для охлаждения и/или замораживания, по меньшей мере, одного другого потока, протекающего в прямотоке или противотоке относительно первого потока. Показанный на чертеже теплообменник 14 охлаждает второй сырьевой поток 30 для производства охлажденного сырьевого потока 50. Как правило, охлажденный сырьевой поток 50 представляет собой СПГ.
Теплообменник 14 может представлять собой более чем один теплообменный аппарат для охлаждения второго сырьевого потока 30. Охлаждение второго сырьевого потока 30 может осуществляться, кроме того, при содействии одного или большего количества других теплообменников или охладителей или хладагентов (не показаны), которые могут относиться и/или не относиться к схеме СПГ-установки, показанной на чертеже.
Охлажденный сырьевой поток 50 объединяют с первым потоком 40 СПГ в объединяющем устройстве, таком как соединяющее или направляющее устройство для получения объединенного потока 60 СПГ. Давление объединенного потока 60 затем снижают за счет прохождения через детандер 22, предпочтительно представляющий собой двухфазный детандер. Детандеры хорошо известны в уровне техники и предназначены для снижения давления протекающего через них потока текучей среды с образованием на их выходе потока жидкости и потока газа или пара. Потоки 60а из детандера 22 могут проходить через испарительный клапан (не показан) и затем к испарительной емкости 12, из которой извлекаются жидкостный поток, главным образом, в виде потока 70 СПГ и газовый поток 80. Поток 70 СПГ, имеющий давление в интервале от 1 до 10 бар, например атмосферное давление, нагнетают затем с помощью одного или более насосов к оборудованию для хранения и/или транспортирования.
Полученный поток 80 газа из испарительной емкости 12 может быть пропущен через теплообменник 14, через который протекает также сырьевой поток 30, обычно в противотоке. Выходящий поток 90 газа из теплообменника 14 затем может быть использован как горючий газ и/или использован в других элементах рассматриваемой установки для производства СПГ.
В таблице представлены различные данные, включающие давление и температуры потоков в различных элементах установки, в качестве примера технологического процесса, иллюстрируемого на чертеже.
Таблица
Номер потока
10
20
30
40
50
60
60а
70
80
90
Фаза
пар
пар
пар
жидкость
жидкость
жидкость
жидкость
жидкость
пар
пар
Температура, °С
40,0
40,0
40,0
-154,0
-154,0
-154,0
-154,8
-162,5
-162,5
4,9
Давление, бар
60,0
60,0
60,0
55,0
58,5
55,0
4,0
1,0
1,0
0,9
Расход, кг-моль/сек
1,00
0,98
0,02
0.98
0,02
1,00
1,00
0,94
0,06
0,06
Состав, %
метан
90,00
90,00
90,00
90,00
90,00
90,00
90,00
90,70
79,32
79,32
этан
5,00
5,00
5,00
5,00
5,00
5,00
5,00
5,33
0,01
0,01
пропан
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,13
0,00
0,00
бутан
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,07
0,00
0,00
азот
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
0,78
20,67
20,67
Из потока 90, отведенного из теплообменника 14, может быть извлечена дополнительная энергия холода посредством одного или более дополнительных теплообменников, используя для этого, например, один или большее количество дополнительных теплообменников.
Схема установки, представленная на чертеже, обладает рядом преимуществ. Одно из преимуществ заключается в уменьшении количества необходимых теплообменников. До настоящего времени для отведенного газа и второго сырьевого потока использовали отдельные теплообменники, что влечет за собой проведение дополнительных монтажных работ, использование дополнительного оборудования установки, а также требует дополнительных затрат энергии. В соответствии с чертежом для непосредственного взаимодействия второго сырьевого потока 30 и газового потока 80 используется лишь один теплообменник 14.
Другое преимущество состоит в том, что энергия холода (холод) в газовом потоке 80 может быть извлечена при температурах, превышающих 0°С, возможно, вплоть до +20°С, +30°С или даже +40°С или выше, в отличие от производимого до сих пор извлечения холода из отводимого потока газа при температуре максимум лишь до -40°С или лишь -50°С с помощью обычно используемого жидкого хладагента. Принцип использования более широкого интервала температур может быть использован, в общем, для уменьшения размеров теплообменника 14, в котором извлекается холод, например, уменьшения поверхности теплообменника. Полученный горючий газ 90, отводимый из теплообменника 14, может быть использован в качестве источника энергии для установки при температурах 0°С, +20°С, +30°С или +40°С или выше.
Следовательно, эффективность (т.е. текущее требование в отношении полной необходимой энергии) всей установки для производства СПГ повышается за счет достижения возможности извлекать холод из потока 80 газа во всей области рабочих температур и передавать холод от газового потока непосредственно сырьевому потоку, без использования одного или более потоков промежуточных хладагентов (с соответствующими потерями извлечения энергии холода при каждом процессе теплообмена).
Эта эффективность может быть продемонстрирована путем сопоставления повышения полезной энергии, созданной с помощью расширительного устройства 22, в схеме, иллюстрируемой на чертеже, по сравнению, для примера, с непосредственным вводом трубопровода для второго сырьевого потока в испарительную емкость 12. В типичной схеме установки, показанной на чертеже, детандер 22 обеспечивает генерирование 170 кВт полезной мощности для использования где-либо еще в указанной схеме, в то время как при непосредственной подаче второго сырьевого потока газа в испарительную емкость полезная мощность, полученная с помощью детандера 22 (без прохождения через него второго сырьевого потока), составляет только 166 кВт. Следовательно, схема, показанная на чертеже, является более эффективной.
В соответствии с первой альтернативой поток 80 направляют в один или большее количество альтернативных теплообменников для извлечения в них энергии холода, при этом указанный теплообменник (теплообменники) предпочтительно является элементом системы сжижения природного газа, например, теплообменником 18 для сжижения, показанным на чертеже.
Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено посредством многих различных вариантов без выхода за пределы объема приложенных пунктов формулы изобретения.