BR0315890B1 - Processo e aparelho para a liquefação de gás natural - Google Patents

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Bobby D Martinez
Paul R Hahn
Hans P Weyermann
Wesley R Qualls
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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E APARELHO PARA A LIQUEFAÇÃO DE GÁS NATURAL".
Essa invenção refere-se a um método e um aparelho para lique- fação de gás natural. Em um outro aspecto, a invenção refere-se a configu- rações de acionador, compressor e fonte de energia para uma planta de li- quefação de gás natural do tipo cascata. A liquefação criogênica de gás natural é rotineiramente praticada como um meio de converter gás natural em uma forma mais conveniente para transporte e armazenamento. Tal liquefação reduz o volume por cerca de 600-vezes e resulta em um produto que pode ser armazenado e transpor- tado em pressão próxima da atmosfera.
Com respeito à facilidade de armazenamento, o gás é fre- quentemente transportado por oleoduto a partir da fonte de suprimento a um mercado distante. É desejável operar o oleoduto mediante um fator substancialmente constante e de alta carga, mas muitas vezes a habilida- de de distribuição ou capacidade do oleoduto excederá a demanda, en- quanto em outros momentos a demanda pode exceder à capacidade de distribuição do oleoduto. A fim de nivelar os picos onde a demanda exce- de o suprimento ou os vales quando o suprimento excede a demanda, é desejável armazenar o excesso de gás de tal maneira que ele possa ser distribuído quando o suprimento excede a demanda. Tal prática permite que futuros picos de demanda sejam satisfeitos com material do armaze- namento. Um meio prático para fazer isso é converter o gás a um estado liquefeito para armazenamento e para então vaporizar o líquido como a demanda requer. A liquefação de gás natural é até de maior importância quando o transporte de gás de uma fonte de suprimento que é separada por grandes distâncias do mercado candidato e um oleoduto ou não está disponível ou não é prático. Isso é particularmente verdade quando o transporte deve ser feito por embarcações oceânicas. O transporte por navio no estado gasoso geralmente não é prático, porque uma pressurização apreciável é exigida para reduzir significantemente o volume específico do gás. Tal pressurização requer o uso de contêineres de armazenamento mais caros. A fim de armazenar e transportar gás natural no estado líquido, o gás natural é preferivelmente resfriado de -151°C a 162°C (-240°F a - 260°F) onde o gás natural liquefeito (LNG) possui uma pressão de vapor próxima da atmosfera. Existem numerosos sistemas na técnica anterior para a liquefa- ção de gás natural em que o gás é liquefeito passando seqüencialmente o gás em uma pressão elevada através de uma pluralidade de estágios de resfriamento em que o gás é resfriado a temperaturas sucessivamente infe- riores em ciclos de refrigeração seqüencial até a temperatura de liquefação ser alcançada. O resfriamento é geralmente concluído por troca de calor com um ou mais refrigerantes tal como propano, propileno, etano, etileno, metano, nitrogênio ou combinações dos refrigerantes precedentes (por e- xemplo, sistemas refrigerantes misturados). Uma metodologia dè liquefação que é particularmente aplicável à invenção presente emprega um ciclo de propano fechado como o ciclo de refrigeração inicial, um ciclo de etileno fe- chado como o ciclo refrigerante intermediário, e um ciclo de metano aberto como o ciclo refrigerante final. No ciclo de metano aberto uma corrente con- tendo LNG pressurizado é jorrada e os vapores dele (isto é, a(s) corrente(s) de gás jorrada(s)) são subseqüentemente empregadas como agentes de resfriamento, recomprimidos, resfriados, combinados com a corrente de ali- mentação de gás natural processado e liquefeito produzindo desse modo a corrente contendo LNG pressurizado.
Cada um dos ciclos de refrigeração de uma planta de liquefação de gás natural do tipo cascata inclui um compressor, ou um conjunto de compressores, para aumentar a pressão do refrigerante depois dele ter sido usado para resfriar o gás natural. O refrigerante em alta pressão que sai do(s) compressor(es) é primeiro resfriado via troca de calor indireta e então expandido antes de ser empregado como um agente de resfriamento para resfriar a corrente de gás natural. Os compressores de refrigerante empre- gados em plantas de LNG são tipicamente energizados por grandes turbinas de gás tais como, por exemplo, as turbinas a gás Estrutura 5 ou Estrutura 7 que estão disponíveis de GE Power Systems de Atlanta, Geórgia.
Embora as turbinas a gás convencionais forneçam produção de energia eficiente, o uso de acionadores de turbina a gás em plantas de LNG tem diversas desvantagens. Por exemplo, turbinas a gás "não disponíveis comercialmente" são disponíveis somente em dimensões predeterminadas fixadas (isto é, classificações de carga) e é geralmente muito caro ter uma customização para turbina a gás desenhada e fabricada para certa exigência de carga. Por conseguinte, em muitos exemplos as turbinas a gás comerci- almente disponíveis são ou superdimensionadas ou menores do que o nor- mal para a aplicação dada em uma planta de LNG. Essa incompatibilidade de carga ótima de desenho e carga de planta real pode requerer turbinas de gás superdimensionadas para serem empregadas em uma planta de LNG.
Tais turbinas a gás superdimensionadas são tipicamente mais caras do que seria exigido se a carga de planta real e carga de turbina desenhada fossem a mesma. Adicionalmente, operar uma turbina a gás superdimensionada em carga ótima de desenho menor faz com que a turbina a gás seja menos efi- ciente.
Uma outra desvantagem de empregar acionadores de turbina a gás para energizar os compressores de refrigerante em uma planta de LNG é que a queima de combustível nas turbinas a gás causa emissões (por e- xemplo, NOx e SO2) que devem ser monitoradas a fim de concordar com os padrões ambientais. Com a crescente escassez de regulamentos de emis- sões, pode ser difícil e caro monitorar e concordar com tais regulamentos.
Uma adicional desvantagem de usar turbinas a gás em plantas de LNG é 0 fato de que somente um punhado de companhias faz turbinas a gás adequadas. Por conseguinte, a disponibilidade de uma turbina apropria- damente dimensionada pode ser severamente limitada se a demanda para aquela particular turbina é alta.
Um outro obstáculo de usar turbinas a gás para energizar com- pressores em uma planta de LNG é que turbinas a gás podem ser difíceis e consumidoras de tempo para reiniciar. É, por conseguinte, desejável fornecer um novo sistema de li- quefação de gás natural empregando acionadores mecânicos que podem ser feitos sob medida com custo útil para se adequar a exigências de carga específicas da planta de LNG.
Outra vez é desejável fornecer um novo sistema de liquefação de gás natural sendo reduzidas as emissões devido ao uso de acionadores mecânicos de baixas emissões.
Mais uma vez é desejável fornecer um novo sistema de liquefa- ção de gás natural empregando acionadores mecânicos que estejam pron- tamente disponíveis a partir de fontes múltiplas por todo o mundo.
Outra vez é desejável fornecer um novo sistema de liquefação de gás natural empregando acionadores mecânicos que sejam fáceis e rápi- dos para iniciar.
Deve ser percebido que os desejos acima são exemplares e não necessitam serem todos realizados pela invenção reivindicada. Outros dese- jos e vantagens da invenção estarão aparentes a partir da descrição escrita e desenhos.
Por conseguinte, em uma modalidade da presente invenção, é fornecido um processo para liquefação de gás natural compreendendo as etapas de: (a) acionar um primeiro compressor e um segundo compressor com um primeiro motor elétrico; (b) acionar um terceiro compressor e um quarto compressor com um segundo motor elétrico; (c) comprimir um primei- ro refrigerante de um primeiro ciclo de refrigeração no primeiro e terceiro compressores; e (d) comprimir um segundo refrigerante de um segundo ciclo de refrigeração nos segundo e quarto compressores.
Em uma outra modalidade da presente invenção, é fornecido um processo para liquefação de gás natural compreendendo as etapas de: (a) gerar vapor e eletricidade em um elemento de resina planta de co-geração; (b) usar pelo menos uma porção da eletricidade para energizar um primeiro motor elétrico; (c) usar pelo menos uma porção do vapor para energizar uma primeira turbina a vapor; (d) comprimir um primeiro refrigerante de um pri- meiro ciclo de refrigeração em um primeiro compressor acionado pelo pri- meiro motor elétrico; e (e) comprimir um segundo refrigerante de um segun- do ciclo de refrigeração em um segundo compressor acionado pela primeira turbina a vapor.
Ainda em uma outra modalidade da presente invenção, é forne- cido um aparelho para liquefação de gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração seqüencial. O aparelho compreende primeiro, segundo e terceiro ciclos de refrigeração e primeiro, segundo e terceiro motores elétricos. Os primeiro, segundo e terceiro ciclos de refrigeração incluem primeiro, segundo e terceiro compressores para comprimir primeiro, segundo e terceiro refrigerantes respectivamente. Os primeiro, segundo e terceiro motores elétricos são operáveis para acionar os primeiro, segundo e terceiro compressores respectivamente. O primeiro re- frigerante compreende em porção maior um hidrocarboneto selecionado do grupo que consiste em propano, propileno e misturas deles. O segundo re- frigerante compreende em porção maior um hidrocarboneto selecionado do grupo que consiste em etano, etileno e misturas deles. O terceiro refrigeran- te compreende em porção maior um metano.
Ainda em uma modalidade adicional da presente invenção, é fornecido um aparelho para liquefação de gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração seqüenciais. O apa- relho compreende um primeiro ciclo de refrigeração, um segundo ciclo de refrigeração, uma planta de co-geração, um primeiro motor elétrico, e uma primeira turbina a vapor. O primeiro ciclo de refrigeração inclui um primeiro compressor para comprimir um primeiro refrigerante. O segundo ciclo de refrigeração inclui um segundo compressor para comprimir um segundo re- frigerante. A planta de co-geração é operável para simultaneamente gerar eletricidade e vapor. O primeiro motor elétrico é de maneira acionável aco- plada ao primeiro compressor e é energizado por pelo menos uma porção da eletricidade gerada pela planta de co-geração. A primeira turbina a vapor é de maneira acionável acoplada ao segundo compressor e é energizada por pelo menos uma porção do vapor gerado pela planta de co-geração.
Breve Descrição dos Desenhos Uma modalidade preferida da presente invenção é descrita em detalhes abaixo com referência aos desenhos anexados, em que: A figura 1 é um fluxograma simplificado de um processo de refri- geração em cascata para produção de LNG que emprega um novo sistema de liquefação de gás natural. O esquema de numerar na figura 1 pode ser resumido como a seguir: 100-199: Conduítes para principalmente correntes de metano 200-299: Equipamento e vasos para principalmente correntes de metano 300-399: Conduítes para principalmente correntes de propano 400-499: Equipamento e vasos para principalmente correntes de propano 500-599: Conduítes para principalmente correntes de etileno 600-699 Equipamento e vasos para principalmente correntes de etileno 700-799: Acionadores mecânicos A figura 2 é um fluxograma simplificado similar à figura 1 ilus- trando um acionador alternativo e sistema de energia para uma planta de LNG. O esquema de numeração empregado na figura 2 é idêntico ao da fi- gura 1, exceto que os números da figura 2,900-999 identificam os acionado- res, enquanto os números 1000-1099 identificam o sistema de energia. A figura 3 é um fluxograma simplificado similar às figuras 1 e 2 ilustrando um acionador alternativo e sistema de energia para uma planta de LNG. O esquema de numeração empregado na figura 3 é idêntico aquele das figuras 1 e 2, exceto nos números da figura 3, 1100-1199 que identifi- cam os acionadores, enquanto os números 1200-1299 identificam o sistema de energia.
Como usado aqui, o termo processo de refrigeração em cascata de ciclo aberto refere-se a um processo de refrigeração em cascata compre- endendo pelo menos um ciclo de refrigeração fechado e um ciclo de refrige- ração aberto, onde o ponto de ebulição do agente refrigerante/de resfriamen- to empregado no ciclo aberto é menor do que o ponto de ebulição do agente de refrigeração ou agentes empregados no ciclo(s) fechado(s) e uma porção da taxa de resfriamento para condensar o agente refrigerante/de resfriamen- to de ciclo aberto é fornecido por um ou mais dos ciclos fechados. Na inven- ção presente, um metano ou uma corrente predominantemente de metano é empregado como o agente refrigerante/de resfriamento no ciclo aberto. Essa corrente é compreendida da corrente de alimentação de gás natural proces- sado e das correntes de gás de ciclo de metano aberta comprimido. O desenho de um processo de refrigeração em cascata envolve um equilíbrio de eficiências termodinâmicas e custos de capital. Em proces- sos de transferência de calor, irreversibilidades termodinâmicas são reduzi- das conforme os gradientes de temperatura entre fluidos de aquecimento e de resfriamento tornam-se menores, mas a obtenção de tais pequenos gra- dientes de temperatura requer geralmente aumentos significantes na quanti- dade da área de transferência de calor, maiores modificações para vários processos de equipamentos e a seleção apropriada de vazão através de tal equipamento a fim de assegurar que tanto vazões como abordagem e tem- peraturas de saída sejam compatíveis com a taxa de aquecimen- to/resfriamento requerida.
Um dos mais eficientes e eficazes meios de liquefação de gás natural é via uma operação do tipo cascata otimizada em combinação com o resfriamento do tipo expansão. Tal processo de liquefação é compreendido do resfriamento seqüencial de uma corrente de gás natural em uma pressão elevada, por exemplo, cerca de 4,31 MPa (cerca de 625 psia)r resfriando seqüencialmente a corrente de gás por passagem através de um ciclo pro- pano de multiestágio, ciclo de etano ou etileno de multiestágio, e um ciclo de metano aberto que utiliza uma porção do gás de alimentação como uma fon- te de metano e que inclui aí um ciclo de expansão de multiestágio para adi- cionalmente resfriar o mesmo e reduzir a pressão para uma pressão próxima da atmosfera. Na seqüência de ciclos de resfriamento, o refrigerante tendo o ponto de ebulição mais alto é utilizado primeiro seguido por um refrigerante tendo um ponto de ebulição intermediário e finalmente por um refrigerante tendo o ponto de ebulição inferior. Como usado aqui, o termo "resfriador de propano" deve denotar um sistema de resfriamento que emprega um refrige- rante tendo um mesmo ponto de ebulição que, ou similar àquele do propano ou propileno. Como usado aqui, o termo "resfriador de etileno" deve denotar um sistema de resfriamento que emprega um refrigerante tendo um mesmo ponto de ebulição que, ou similar àquele de etano ou etileno. Como usado aqui, os termos "a montante" e "a jusante" devem ser usados para descrever as posições relativas de vários componentes de uma planta de liquefação de gás natural ao longo do percurso do fluxo de gás natural através da planta. Várias etapas de pré-tratamento fornecem um meio para remo- ver componentes indesejáveis, tal como gases ácidos, mercaptano, mercú- rio, e mistura da corrente de alimentação de gás natural distribuída para faci- litar. A composição dessa corrente de gás pode variar significantemente.
Como usado aqui, uma corrente de gás natural é qualquer corrente princi- palmente compreendida de metano que se origina em porção maior de uma corrente de alimentação de gás natural, tal corrente de alimentação, por e- xemplo contendo pelo menos 85 por cento de metano por volume, com o equilíbrio sendo etano, hidrocarbonetos maiores, nitrogênio, dióxido de car- bono e uma quantia menor de outros contaminantes tal como mercúrio, sul- feto de hidrogênio, e mercaptano. As etapas de pré-tratamento podem ser etapas separadas localizadas tanto a montante dos ciclos de resfriamento quanto a jusante de um dos estágios primitivos de resfriamento no ciclo ini- cial. A seguir está uma listagem não inclusiva de alguns dos meios disponí- veis que são prontamente disponíveis para alguém versado na técnica. Ga- ses ácidos e a uma menor extensão mercaptano são rotineiramente removi- dos via um processo de sorção empregando uma solução contendo amina aquosa. Essa etapa de tratamento é geralmente executada a montante dos estágios de resfriamento no ciclo inicial. Uma porção maior da água é rotinei- ramente removida como um líquido via uma separação de gás líquido bifási- ca seguindo uma compressão de gás e resfriamento a montante do ciclo de resfriamento inicial e também a jusante do primeiro estágio de resfriamento no ciclo de resfriamento inicial. O mercúrio é rotineiramente removido via leitos sorventes de mercúrio. Quantias residuais de água e gases ácidos são rotineiramente removidos via uso de leitos sorventes corretamente selecio- nados tal como peneiras moleculares regeneráveis. A corrente de alimentação de gás natural pré-tratada é geral- mente distribuída ao processo de liquefação em uma pressão elevada ou é comprimida a uma pressão elevada, que sendo uma pressão maior do que 3,33 MPa (500 psia), preferivelmente em torno de 3,44 MPa a cerca de 6,20 MPa (cerca de 500 psia a cerca de 900 psia), ainda mais preferivelmente cerca de 3,44 MPa a cerca de 4,65 MPa (cerca 500 psia a cerca de 675 psi- a), ainda mais preferivelmente cerca de 4,13 MPa a cerca de 4,65 MPa (cer- ca de 600 psia a cerca de 675 psia), e mais preferivelmente cerca de 4,40 MPa (cerca de 625 psia). A temperatura da corrente é tipicamente próxima da ambiente para ligeiramente acima do ambiente. Uma faixa de temperatu- ra representativa sendo 15,5°C a 58,8°C (60°F a 138°F).
Como previamente percebido, a corrente de alimentação de gás natural é resfriada em uma pluralidade de ciclos de multiestágio (por exem- plo, três) ou etapas por troca indireta de calor com uma pluralidade de refri- gerantes, preferivelmente três. Toda a eficiência de resfriamento para um ciclo dado aperfeiçoa conforme o número de estágios aumenta, mas, esse aumento em eficiência é acompanhado por aumentos correspondentes em custo de capital de rede e complexidade de processo. O gás de alimentação é preferivelmente passado através de um número eficaz de estágios de re- frigeração, nominalmente dois, preferivelmente de dois a quatro, e mais pre- ferivelmente três estágios, no primeiro ciclo de refrigeração fechado utilizan- do um refrigerante relativamente alto. Tal refrigerante é preferivelmente compreendido de porção maior de propano, propileno ou misturas deles, mais preferivelmente o refrigerante compreende pelo menos cerca de 75 por cento molar de propano, até mais preferivelmente pelo menos 90 por cento molar de propano, e mais preferivelmente o refrigerante consiste essencial- mente em propano. Por conseguinte, o gás de alimentação processado flui através de um número eficaz de estágios, nominalmente dois, preferivelmen- te de dois a quatro, e mais preferivelmente dois ou três, em um segundo ci- clo de refrigeração fechado em troca de calor com um refrigerante tendo um ponto de ebulição inferior. Tal refrigerante é preferivelmente compreendido de uma porção maior de etano, etileno ou misturas deles, mais preferivel- mente o refrigerante compreende pelo menos 75 por cento molar de etileno, até mais preferivelmente pelo menos 90 por cento molar de etileno, e mais preferivelmente o refrigerante consiste essencialmente em etileno. Cada es- tágio de resfriamento compreende uma zona de resfriamento separada. Co- mo previamente percebido, a corrente de alimentação de gás natural é com- binada com uma ou mais correntes de reciclo (isto é correntes de gás de ciclo de metano aberto) em vários locais no segundo ciclo produzindo desse modo uma corrente de liquefação. No último estágio do segundo ciclo de resfriamento, a corrente de liquefação é condensada (isto é, liquefeita), em porção maior, preferivelmente na sua totalidade produzindo desse modo uma corrente contendo LNG pressurizado. Geralmente, o processo de pres- são nesse local é somente e ligeiramente menor do que a pressão do gás de alimentação pré-tratado para o primeiro estágio do primeiro ciclo.
Geralmente, a corrente de alimentação de gás natural conterá tais quantidades de componentes de C2+ a fim de resultar na formação de um líquido rico em C2+ em um ou mais dos estágios de resfriamento. Esse líquido é removido via dispositivo de separação de gás-líquido, preferivel- mente um ou mais separadores gás-líquido convencionais. Geralmente, 0 resfriamento sequencial do gás natural em cada estágio é controlado a fim de remover tanto quanto possível do C2 e hidrocarbonetos de peso molecu- lar maior do gás para produzir uma corrente de gás predominando em meta- no e uma corrente líquida contendo quantias significantes de etano e com- ponentes mais pesados. Um número eficaz de meios de separação de gás líquido é localizado em locais estratégicos a jusante das zonas de resfria- mento para a remoção de correntes líquidas ricas em componentes de C2+.
Os locais exatos e número de dispositivo de separação de gás líquido, sepa- radores de gás líquido preferivelmente convencionais, serão dependentes de um número de parâmetros de operação, tal como a composição de C2+ da corrente de alimentação de gás natural, 0 conteúdo desejado de BTU do produto de LNG, 0 valor dos componentes de C2+ para outras aplicações e outros fatores rotineiramente considerados para aqueles versados na técnica de operação de planta de LNG e planta de gás. A corrente ou correntes de hidrocarboneto de C2+ pode ser desmetanizado via um jato de estágio único ou uma coluna de fracionamento. No último caso, a corrente rica em metano resultante pode ser diretamente retomada em pressão para 0 processo de liquefação. No caso anterior, essa corrente rica em metano pode ser repres- surizada e reciclada ou pode ser usada como gás de combustível. A corrente ou correntes de hidrocarboneto de C2+ ou a corrente de hidrocarboneto de C2+ desmetanizado pode ser usada como combustível ou pode adicional- mente ser processada tal como por fracionamento em uma ou mais zonas de fracionamento para produzir correntes individuais ricas em constituintes químicos específicos (ex.: C2, C3) C4 e C5+). A corrente contendo LNG pressurizado é então adicionalmente resfriado em um terceiro ciclo ou etapa preferido como 0 ciclo de metano aberto via contato em um preaquecedor de metano principal com gases de jateamento (isto é, correntes de gases de jateamento) gerados nesse tercei- ro ciclo de uma maneira a ser descrita mais tarde e via expansão da corrente contento LNG pressurizado para pressão próxima da atmosfera. Os gases de jateamento usados como um refrigerante no terceiro ciclo de refrigeração são preferivelmente compreendidos em porção maior de metano, mais prefe- rivelmente 0 refrigerante compreende pelo menos cerca de 75 por cento mo- lar de metano, ainda mais preferivelmente pelo menos 90 por cento molar de metano, e mais preferivelmente 0 refrigerante consiste essencialmente em metano. Durante a expansão da corrente contendo LNG pressurizado para pressão próxima da atmosfera, a corrente contendo LNG pressurizado é res- friada via pelo menos uma, preferivelmente de duas a quatro, e mais preferi- velmente três expansões onde cada expansão emprega como um dispositivo de redução de pressão ou válvulas de expansão Joule-Thomson ou expan- sores hidráulicos. A expansão é seguida por uma separação do produto de gás líquido com um separador. Quando um expansor hidráulico é emprega- do e operado corretamente, as maiores eficiências associadas com a recu- peração de energia, uma redução maior em temperatura de corrente, e a produção de menos vapor durante a etapa de jateamento irá freqüentemente mais do que descentralizar 0 capital mais dispendioso e operar custos asso- ciados com 0 expansor. Em uma modalidade, um resfriamento adicional da corrente contendo LNG pressurizado para jateamento toma-se possível pelo primeiro jateamento de uma porção dessa corrente via um ou mais expanso- res hidráulicos e então via dispositivo de troca de calor indireta empregando a dita corrente de gás de jateamento para resfriar a porção remanescente da corrente contendo LNG pressurizado antes do jateamento. A corrente de gás de jateamento aquecida é então reciclada via retorno para um local apropri- ado, baseado em considerações de temperatura e pressão, no ciclo de me- tano aberto e será recomprimido.
Quando a corrente contendo LNG pressurizado, preferivelmente uma corrente líquida, entrando no terceiro ciclo está em uma pressão de 3,79 - 4,48 MPa (cerca de 550-650 psia), pressões representativas de jate- amento para três processos de estágio de jateamento são cerca de 1,17 - 1,45, 0,31 - 0,516, e 0,069 - 0,275 MPa (cerca de 170-210, 45-75, e 10-40 psia). O jateamento da corrente contendo LNG pressurizada, preferivelmente uma corrente líquida, para pressão próxima à atmosfera produz um produto de LNG possuindo uma temperatura de cerca de -151°C a -162°C (cerca de -240° F a -260°F).
Um processo em cascata usa um ou mais refrigerantes para transferir energia de calor da corrente de gás natural ao refrigerante e final- mente transferir a dita energia de calor ao ambiente. Em essência, todas as funções do sistema de refrigeração como uma bomba de calor por remoção da energia de calor da corrente de gás natural conforme a corrente é pro- gressivamente resfriada a temperaturas cada vez mais baixas. O processo de liquefação pode usar um dos diversos tipos de resfriamento que inclui, mas não é limitado a (a) troca indireta de calor, (b) vaporização, e (c) expansão ou redução de pressão. A troca indireta de ca- lor, como usado aqui, refere-se a um processo em que o refrigerante resfria a substância a ser resfriada sem contato físico real entre o agente refrigeran- te e a substância a ser resfriada. Exemplos específicos de dispositivo de tro- ca de calor indireta incluem troca de calor suportada em um trocador de ca- lor concha e tubo, um trocador de calor de núcleo-em-caldeira, e um troca- dor de calor platefin de alumínio soldado. O estado físico do refrigerante e a substância a ser resfriada pode variar dependendo das demandas do siste- ma e do tipo de trocador de calor escolhido. Por conseguinte, um trocador de calor concha e tubo irá tipicamente ser utilizado onde o agente refrigerante está em estado líquido e a substância a ser resfriada está em um estado líquido ou gasoso ou quando uma das substâncias suportou uma troca de fase e as condições do processo não favorecem o uso de um trocador de calor núcleo-em-caldeira. Como um exemplo, o alumínio e as ligas de alumí- nio são materiais de construção preferidos para o núcleo, mas, tais materiais podem não ser adequados para uso nas condições de processo designadas.
Um trocador de calor platefin será tipicamente utilizado onde o refrigerante está em estado gasoso e a substância a ser resfriada está em estado líquido ou gasoso. Finalmente, o trocador de calor núcleo-em-caldeira será tipica- mente utilizado onde a substância a ser resfriada for líquida ou gás e o refri- gerante suportou uma troca de fase de um estado líquido a um estado gaso- so durante a troca de calor.
Resfriamento por vaporização refere-se ao resfriamento de uma substância pela evaporação ou vaporização de uma porção da substância com o sistema mantido em uma pressão constante. Por conseguinte, duran- te a vaporização, a porção da substância que evapora absorve calor da por- ção da substância que permanece em estado líquido e por esta razão, res- fria a porção líquida.
Finalmente, o resfriamento por expansão ou redução de pressão refere-se a resfriamento que ocorre quando a pressão de um gás, líquido ou de um sistema bifásico é diminuída passando através de um dispositivo de redução de pressão. Em uma modalidade, esse dispositivo de expansão é uma válvula de expansão Joule-Thomson. Em uma outra modalidade, o dis- positivo de expansão é ou um expansor hidráulico ou a gás. Pelo fato dos expansores recuperarem energia de funcionamento do processo de expan- são, temperaturas da corrente de processo inferiores são possíveis mediante expansão. O fluxo esquemático e aparelho estabelecido na figura 1 é uma modalidade preferida do processo de liquefação da invenção. Aqueles ver- sados na técnica reconhecerão que a figura 1 é somente uma representação esquemática e, por conseguinte, muitos itens de equipamento que seriam necessários em uma planta comercial para uma operação bem-sucedida foram omitidos para melhor clareza. Tais itens devem incluir, por exemplo, controles de compressor, medidas de fluxo e nível e controladores corres- pondentes, controles de temperatura e pressão, bombas, motores, filtros, trocadores de calor adicionais e válvulas, etc. Esses itens seriam fornecidos de acordo com a prática de engenharia padrão.
Para facilitar uma compreensão da figura 1, é empregada a no- menclatura de numeração a seguir. Os itens numerados de 100-199 corres- pondem a linhas de fluxo ou conduítes que contêm principalmente metano.
Os itens numerados de 200-299 são vasos e processo de vasos e equipa- mento que contêm e/ou operam em uma corrente fluida compreendendo primariamente metano. Os itens numerados de 300-399 correspondem a linhas de fluxo ou conduítes que contêm principalmente propano. Os itens numerados de 400-499 são do processo de vasos e equipamento que con- têm e/ou operam em uma corrente fluida compreendendo primariamente o propano. Os itens numerados de 500-599 correspondem a linhas de fluxo ou conduítes que contêm primariamente etileno. Os itens numerados de 600- 699 são do processo de vasos e equipamento que contêm e/ou operam em uma corrente fluida compreendendo principalmente etileno. Os itens nume- rados de 700-799 são acionadores mecânicos.
Com referência à figura 1, uma corrente de alimentação de gás natural, como previamente descrito, introduz o conduíte 100 de um oleoduto de gás natural. Em um compressor de entrada 202, o gás natural é compri- mido e o ar resfriado de modo que o gás natural que sai do compressor 202 tem uma pressão geralmente na faixa de cerca de 3,44 MPa a cerca de 5,51 MPa (cerca de 500 psia a cerca de 800 psia) e uma temperatura geralmente na faixa de cerca de 23,8°C a cerca de 79,4°C (cerca de 75°F a cerca de 175°F). O gás natural então flui para uma unidade de remoção de gás ácido 204 via o conduíte 102. A unidade de remoção de gás ácido 204 preferivel- mente emprega um solvente de amina (por exemplo, Diglicol amina) para remover gases ácidos tais como CO2 e H2S. Preferivelmente, a unidade de remoção de gás ácido 204 é operável para remover CO2 abaixo de menos de 50 ppmv e H2S abaixo de menos de 2 ppmv. Depois da remoção do gás ácido, o gás natural é transferido, via um conduíte 104, para uma unidade de desidratação 206 que é operável para remover substancialmente toda a á- gua do gás natural. A unidade de desidratação 206 preferivelmente emprega um sistema de peneira molecular regenerável de múltiplos leitos para secar o gás natural. O gás natural seco pode então ser passado para um sistema de remoção de mercúrio 208 via o conduíte 106. O sistema de remoção de mercúrio 208 preferivelmente emprega pelo menos um vaso de leito fixado contendo carbono ativado impregnado de enxofre para remover mercúrio do gás natural. O gás natural pré-tratado resultante é introduzido ao sistema de liquefação através do conduíte 108.
Como parte do primeiro ciclo de refrigeração, o propano gasoso é comprimido nos primeiro e segundo compressores de propano de múltiplos estágios 400,402 acionados pelos primeiro e segundo acionadores elétricos de motor 700, 702, respectivamente. Os três estágios de compressão são preferivelmente fornecidos por uma unidade simples (isto é, corpo) embora possa ser empregado separar mecanicamente unidades acopladas juntas para serem acionadas por um acionador único. Sob compressão, o propano comprimido dos primeiro e segundo compressores de propano 400, 402 é comprimido via os conduítes 300, 302, respectivamente, a um conduíte co- mum 304. O propano comprimido é então passado através de um conduíte comum 304 para um resfriador 404. A pressão e temperatura do propano liquefeito imediatamente a jusante do resfriador 404 são preferivelmente de cerca de 37,7-54,4°C e 1,17-1,45 MPa (cerca de 100-130°F e 170-210 psia).
Embora não ilustrado na figura 1, é preferível que um vaso de separação seja localizada a jusante do resfriador 404 e a montante de uma válvula 406 para a remoção de componentes leves residuais do propano liquefeito. Tais vasos podem ser compreendidos de um separador de gás líquido de estágio único ou podem ser mais sofisticados e compreendidos de uma seção de acumulador, uma seção de condensador e uma seção de absorvedor, cujos dois últimos podem ser continuamente operados ou periodicamente trazidos on-line para remoção de componentes leves residuais do propano. A corren- te desse vaso ou a corrente do resfriador 404, como pode ser o caso, é pas- sado através de um conduíte 306 para um dispositivo de redução de pressão tal como uma válvula de expansão 406 em que a pressão do propano lique- feito é reduzida evaporando ou jateando desse modo uma porção dele. O produto bifásico resultante então flui através do conduíte 308 em resfriador de propano de alto estágio 408 para troca de calor indireta com refrigerante de metano gasoso introduzido via o conduíte 158, a alimentação de gás na- tural introduzida via o conduíte 108, e refrigerante de etileno gasoso introdu- zido via o conduíte 506 via dispositivo de troca de calor indireta 239, 210, e 606, produzindo desse modo correntes de gás resfriado transportadas res- pectivamente via os conduítes 160,110 e 312. O gás propano jateado do resfriador 408 é retornado às entradas de alto estágio dos primeiro e segundo compressores de propano 400, 402 através do conduíte 310. O propano líquido remanescente é passado atra- vés do conduíte 312, a pressão adicionalmente reduzida por passagem atra- vés de um dispositivo de redução de pressão, ilustrado como válvula de ex- pansão 410, em que uma porção adicional do propano liquefeito é jateado. A corrente bifásica resultante é então alimentada a um resfriador de propano de estágio intermediário 412 através do conduíte 314, fornecendo desse modo um refrigerante para o resfriador 412. A corrente de alimentação de gás natural resfriado do resfriador de propano de alto estágio 408 flui via o conduíte 110 para um vaso extrator 210 em que as fases gasosa e líquida são separadas. A fase líquida, que é rica em componentes C3+, é removida via 0 conduíte 112. A fase gasosa é removida via 0 conduíte 114 e transportada ao resfriador de propano de es- tágio intermediário 412. O refrigerante de etileno é introduzido ao resfriador 412 via 0 conduíte 508. No resfriador 412, a corrente de gás natural proces- sada e uma corrente de refrigerante de etileno são respectivamente resfria- das via dispositivo de troca de calor indireta 214 e 608 produzindo desse modo uma corrente de gás natural processado resfriado e uma corrente de refrigerante de etileno via os conduítes 116 e 510. A, por conseguinte, por- ção evaporada do refrigerador propano é separada e passada através do conduíte 316 para as entradas de estágio intermediário de compressores de propano 400, 402. O propano líquido é passado através do conduíte 318, a pressão adicionalmente reduzida por passagem através de um dispositivo de redução de pressão, ilustrado como válvula de expansão 414, em que uma porção adicional de propano liquefeito é jateado. A corrente bifásica resul- tante é então alimentada a um resfriador/condensador de propano de baixo estágio 416 através do conduíte 320 fornecendo desse modo o resfriador 416.
Como ilustrado na figura 1, a corrente de gás natural processada resfriada flui do resfriador de propano de estágio intermediário 412 para o resfriador/condensador de propano de baixo estágio 416 via o conduíte 116.
No resfriador 416, a corrente é resfriada via dispositivo de troca de calor indi- reta 216. De uma maneira semelhante, a corrente de refrigerante etileno flui do resfriador de estágio intermediário 412 para um resfriador/condensador de propano de baixo estágio 416 via o conduíte 510. No último, o refrigeran- te de etileno é condensado via um dispositivo de troca de calor indireta 610 quase na sua totalidade. O propano vaporizado é removido do resfria- dor/condensador de propano de baixo estágio 416 e retornado para as en- tradas de baixo estágio de compressores de propano 400, 402 via o conduí- te 322. Embora a figura 1 ilustre o resfriamento de correntes fornecidas pe- los conduítes 116 e 510 para ocorrer no mesmo vaso, o resfriamento de cor- rente 116 e o resfriamento e condensação de corrente 510 podem respecti- vamente ocorrer em vasos de processo separado (por exemplo, um resfria- dor separado e um condensador separado, respectivamente).
Como ilustrado na figura 1, uma porção da corrente de gás de ciclo de metano aberto comprimido é fornecida via o conduíte 162, combina- da com a corrente de alimentação de gás natural processada que sai do res- friador/condensador de propano de baixo estágio 416 via o conduíte 118, formando desse modo uma corrente de liquefação e essa corrente é então introduzida em um resfriador de etileno de alto estágio 618 via o conduíte 120. O refrigerante de etileno saído resfriador/condensador de propano de baixo estágio 416 via o conduíte 512 e é alimentado a um vaso de separa- çao 612 em que os componen.es leves são removidos via o conduite 513 e e„ ene condensado é removido via o conduite 514. O vaso de separai 612 e analogo ao vaso anteriormente discutido para a remoção de compo- nentes eves de refrigerante de propano iiquefeite e pode ser um separador gas liquido de estágio único ou pode ser uma operação de estágio múlti- plo resultando em uma seletividade maior dos componentes leves removidos do sistema. O refrigerante de etileno nesse loca, no processo este gera,men- te em uma temperatura na faixa de cerca de -26X a cerna de -34 4°C M5‘F a cerca de -30T, e uma pressão na faixa de cerca de 1,8 a cerca de 2 07 a (cerca de 270 psia a cerca de 300 psia). O refrigerante de etileno, via o con ui e o 514, então flui para um economizador de etileno principal 690 em que e resinado via dispositivo de troca de calor indireta 614 e removido via o conduite 516 e passado para um dispositivo de redução de pressão tal co- mo uma valvula de expansão 616, em que o refrigerante é jateado a uma temperatura e pressão pré-selecionadas e alimentada a um resfriador de e I eno de alto estagio 618 via o conduite 518. O vapor é removido desse resfnador via o conduite 520 e enviado para o economizador de etileno prin- cipal 690 em que as funções de vapor con» um resfriador via dispositivo de tmca de calor indireta 619. O vapor de etileno é enteo removido do economi- zador de etileno 690 via o conduite 522 e alimentado ás entradas de alto estagio do primeiro e segundo compressores de etileno 600, 602. O refrige- rante de etileno que não é vaporizado no resfriador de etileno de alto estágio 618 e removido via o conduite 524 e retomado ao economizador de etileno 690 para adicional resfriamento via dispositivo de troca de calor indireta 620 removida do economizador de etileno 690 via o conduite 526 e jateado em um dispositivo de redução de pressão, ilustrado como válvula de expansão 622, em que o produto bifásico resultante é introduzido no resfriador de eti- leno de baixo estágio 624 via o conduite 528. A corrente de liquefeção é re- movida do resfriador de etileno de alto estágio 618 via o conduite 122 e dire- tamente alimentado ao resfriador de etileno de baixo estágio 624 em que ele suporta adicional resfriamento e parcial condensação via dispositivo de troca de calor indireto 220. A corrente bifasica resultante enteo flui via o conduite 124 para um separador de duas fases 222 do qual é produzida uma corrente de vapor rica em metano via o conduíte 128 e, via o conduíte 126, uma cor- rente líquida em componentes C2+ que é subseqüentemente jateada ou fra- cionada em um vaso 224 produzindo desse modo, via o conduíte 132, uma corrente de pesados e uma segunda corrente rica em metano que é transfe- rida via o conduíte 164 e, depois de combinação com uma segunda corrente via o conduíte 150, é alimentada aos compressores de metano de alto está- gio 234,236. A corrente no conduíte 128 e uma corrente de gás de ciclo de metano aberto comprimido fornecido via o conduíte 129 são combinadas e alimentadas via o conduíte 130 para um condensador de etileno de baixo estágio 628 em que essa corrente troca calor via dispositivo de troca de ca- lor indireta 226 com o líquido efluente do resfriador de etileno de baixo está- gio 624 que é enviado para o condensador de etileno de baixo estágio 628 via o conduíte 532. Em um condensador 628, as correntes combinadas são condensadas e produzidas do condensador 628, via o conduíte 134, é uma corrente contendo LNG pressurizado. O vapor do resfriador de etileno de baixo estágio 624, via o conduíte 530, e condensador de etileno de baixo estágio 628, via o conduíte 534, são combinados e enviados via o conduíte 536 para o economizador de etileno principal 690 em que os vapores funcio- nam como um refrigerante via o dispositivo de troca de calor indireta 630. A corrente é então encaminhada via o conduíte 538 para o economizador de etileno principal 690 para as entradas de baixo estágio de compressores de etileno 600, 602. Como é percebido na figura 1, o compressor efluente do vapor introduzido via as entradas de baixo estágio de compressores 600, 602 é removido, resfriado via refrigerantes entre estágios 640, 642, e retor- nado aos compressores de etileno 600, 602 para injeção com a corrente de alto estágio presente no conduíte 522. Preferivelmente, os dois estágios são um módulo único embora eles possam cada um ser um módulo separado e os módulos mecanicamente acoplados a um acionador comum. O produto de etileno comprimido de compressores de etileno 600, 602 é enviado a um conduíte comum 504 via os conduítes 500 e 502. O etileno comprimido é então conduzido via um conduíte comum 504 para um resfriador a jusante 604. O produto do resfriador 604 flui via o conduíte 506 e é introduzido, co- mo previamente discutido, ao resfriador de propano de alto estágio 408. A corrente contendo LNG pressurizado, preferivelmente uma corrente líquida na sua totalidade, no conduíte 134 está geralmente em uma temperatura na faixa de cerca de -95°C a cerca de -78,8°C (cerca de -140°F a cerca de -110°F) e uma pressão na faixa de cerca de 4,13 a 4,34 MPa (600 psia a cerca de 630 psia). Essa corrente passa via o conduíte 134 atra- vés de um economizador de metano principal 290 em que a corrente é adi- cionalmente resfriada por dispositivo de troca de calor indireta 228 como ex- planado daqui por diante. Do economizador de metano principal 290 à cor- rente contendo LNG pressurizado passa através do conduíte 136 e sua pressão é reduzida por um dispositivo de reduções de pressão, ilustrado como válvula de expansão 229, que evapora ou jorra uma porção da corren- te de gás gerando desse modo uma corrente de gás jateada. A corrente ja- teada é então passada via o conduíte 138 para um tambor de jateamento de metano de alto estágio 230 onde ele é separado em uma corrente de gás de jateamento descarregado através do conduíte 140 e uma corrente de fase líquida (isto é, corrente contendo LNG pressurizado) descarregada através do conduíte 166. A corrente de gás jateada é então transferida para o eco- nomizador de metano principal 290 via o conduíte 140 em que a corrente funciona como um resfriador via dispositivo de troca de calor indireta 232. A corrente de gás de jateamento (isto é, corrente de gás de jateamento aque- cida) sai do economizador de metano principal 290 via o conduíte 150 onde ela é combinada com uma corrente de gás distribuída pelo conduíte 164.
Essas correntes são então alimentadas às entradas de compressores de metano de alto estágio 234, 236. A fase líquida no conduíte 166 é passada através de um segundo economizador de metano 244 em que o líquido é adicionalmente resfriado via um dispositivo de troca de calor indireta 246 por uma corrente de gás de jateamento a jusante. O líquido resfriado sai do se- gundo economizador de metano 244 via o conduíte 168 e é expandido ou jateada via um dispositivo de redução de pressão, ilustrado como uma válvu- Ia de expansão 248, para adicionalmente reduzir a pressão e ao mesmo tempo, evaporar uma segunda porção dela. Essa corrente de gás de jatea- mento é então passada para o tambor de jateamento de metano de estágio intermediário 250 onde a corrente é separada em uma corrente de gás de jateamento passando através do conduíte 172 e uma corrente de fase líqui- da passando através do conduíte 170. A corrente de gás de jateamento flui através do conduíte 172 para o segundo economizador de metano 244 em que o gás resfria o líquido introduzido ao economizador 244 via o conduíte 166 via dispositivo de troca de calor indireta 252.0 conduíte 174 serve como um conduíte de fluxo entre o dispositivo de troca de calor indireta 252 no segundo economizador de metano 244 e o economizador de metano princi- pal 290. A corrente de gás de jateamento aquecida deixa o economizador de metano principal 290 via o conduíte 176 que é conectado às entradas dos compressores de metano de estágio intermediário 256, 258. A fase líquida que sai do tambor de jateamento de estágio intermediário 250 via o conduíte 170 é adicionalmente reduzida em pressão, preferivelmente para 172 kPa (cerca de 25 psia), por passagem através de um dispositivo de redução de pressão, ilustrado como uma válvula de expansão 260. Outra vez, uma ter- ceira porção do gás liquefeito é evaporada ou jateado. Os fluidos da válvula de expansão 260 são passados para o final ou para o tambor de jateamento de baixo estágio 262. No tambor de jateamento 262, uma fase de vapor é separada como uma corrente de gás de jateamento e passada através do conduíte 180 para o segundo economizador de metano 244 em que a cor- rente de gás de jateamento funciona como um resfriador via o dispositivo de troca de calor indireta 264, sai do segundo economizador de metano 244 via o conduíte 182 que é conectado a um economizador de metano principal 290 em que a corrente de gás de jateamento funciona como um resfriador via dispositivo de troca de calor indireta 266 e finalmente deixa o economi- zador de metano principal 290 via o conduíte 184 que é conectado às entra- das de compressores de metano de baixo estágio 268, 270. O produto de gás natural liquefeito (isto é, a corrente de LNG) do tambor de jateamento 262 que está em pressão aproximadamente atmosférica é passado através do conduíte 178 para a unidade de armazenamento. A corrente de vapor de ebulição do LNG, a baixa pressão e baixa temperatura proveniente da uni- dade de armazenagem é preferivelmente recuperada por combinação de tal corrente com os gases de jateamento de baixa pressão presentes em qual- quer dos conduítes 180,182, ou 184; o conduíte selecionado sendo baseado em um desejo de combinar temperaturas de corrente de gás tão perto quan- to possível. De acordo com a prática convencional, o gás natural liquefeito (LNG) na unidade de armazenamento pode ser transportado para um local desejado (tipicamente via um petroleiro de LNG oceânico). O LNG pode en- tão ser vaporizado em um terminal de LNG terrestre para transporte no es- tado gasoso via oleodutos de gás natural convencionais.
Como mostrado na figura 1, os compressores de metano 234, 236, 256, 258, 268, 270 preferivelmente existem como unidades separadas que são mecanicamente acopladas juntas para serem acionadas por dois acionadores 704, 706. O gás comprimido dos compressores de metano de baixo estágio 268,270 passa através de resfriadores entre estágios 280,282 e é combinado com o gás de pressão intermediária no conduíte 176 antes do segundo estágio de compressão. O gás comprimido dos compressores de metano de estágio intermediário 256,258 é passado através de resfriado- res entre estágios 284, 286 e é combinado com o gás de alta pressão via o conduíte 150 antes do terceiro estágio de compressão. O gás comprimido (isto é, corrente de gás de ciclo de metano aberto comprimido) é descarre- gado de compressores de metano de alto estágio 234, 236 através dos con- duítes 152,154 e são combinados no conduíte 156. O gás metano compri- mido é então resfriado em resfriador 238 e é enviado para o resfriador de propano de alto estágio 408 via o conduíte 158 como previamente discutido. A corrente é resfriada no resfriador 408 via dispositivo de troca de calor indi- reta 239 e flui para o economizador de metano principal 290 via o conduíte 160. Como usado aqui e previamente percebido, compressor também se refere a cada estágio de compressão e qualquer equipamento associado com resfriamento entre estágios.
Como ilustrado na figura 1, a corrente de gás de ciclo de metano aberto comprimido do resfriador 408 que entra no economizador de metano principal 290 suporta resfriamento na sua totalidade via fluxo através de dis- positivo de troca de calor indireta 240. Uma porção dessa corrente resfriada é então removida via o conduíte 162 e combinada com a corrente de alimen- tação de gás natural processada a montante do resfriador de etileno de alto estágio 618. A porção remanescente dessa corrente resfriada suporta adi- cional resfriamento via dispositivo de transferência de calor indireta 242 no economizador de metano principal 290 e é produzida dali via o conduíte 129.
Essa corrente é combinada com a corrente no conduíte 128 em um local a montante do condensador de etileno 628 e essa corrente de liquefação en- tão suporta liquefação em porção maior no condensador de etileno 628 via fluxo através de dispositivo de troca de calor indireta 226.
Como ilustrado na figura 1, é preferido para o primeiro compres- sor de propano 400 e primeiro compressor de etileno 600 serem acionados por um primeiro motor elétrico único 700, enquanto o segundo compressor de propano 402 e o segundo compressor de etileno 602 são acionados por um segundo motor elétrico único 702. Os primeiro e segundo motores elétri- cos 700, 702 podem ser qualquer motor elétrico adequado comercialmente disponível. Pode ser visto a partir da figura 1 que tanto os compressores de propano 400,402 quanto os compressores de etileno 600, 602 são conecta- dos fluidamente aos seus respectivos ciclos de refrigeração de propano e de etileno em paralelo, de modo que cada compressor fornece aumento de pressão total pra aproximadamente uma metade do fluxo do refrigerante empregado em tal ciclo de refrigeração respectivo. Tal configuração de múl- tiplos compressores de propano e de etileno fornece um desenho "dois- trens-em-um" que intensifica significantemente a disponibilidade da planta de LNG. Por conseguinte, por exemplo, se é requerido paralisar o primeiro motor elétrico 700 para manutenção ou reparo, toda a planta de LNG não necessita ser paralisada porque o segundo motor 702, o segundo compres- sor de propano 402, e o segundo compressor de etileno 602 podem ainda ser usados para manter a planta on-line.
Tal filosofia "dois-trens-em-um" é adicionalmente indicada atra- vés do uso de dois acionadores 704,706 para energizar os compressores de metano 234,236,256,258,268,270. Um terceiro motor elétrico 704 é usado para energizar o primeiro compressor de metano do primeiro estágio 234, o primeiro compressor de metano de estágio intermediário 256, e o primeiro compressor de metano de baixo estágio 268, enquanto um quarto motor elé- trico 706 é usado para energizar o segundo compressor de metano de alto estágio 236, o segundo compressor de metano de estágio intermediário 258, e o segundo compressor de metano de baixo estágio 270. Os terceiro e quarto motores elétricos 704, 706 podem ser qualquer motor elétrico ade- quado comercialmente disponível. Pode ser visto da figura 1 que os primei- ros compressores 234, 256, 268 são fluidamente conectados ao ciclo de re- frigeração de metano aberto em série um com o outro e em paralelo com os segundos compressores de metano 236, 258, 270. Por conseguinte, os pri- meiros compressores 234, 256, 268 cooperam para fornecer aumento de pressão total para aproximadamente uma metade do fluxo de refrigerante de metano no ciclo de refrigeração de metano aberto, com cada primeiro com- pressor 268, 256, 234 fornecendo uma porção incrementai para o aumento de pressão total. Similarmente, os segundos compressores de metano 236, 258, 270 cooperam para fornecer total aumento de pressão para o outro a- proximadamente uma metade do fluxo de refrigerante de metano no ciclo de refrigeração aberta, com cada segundo compressor 270,258, 236 fornecen- do uma porção incrementai de tal aumento de pressão total. Tal configura- ção de acionadores e compressores de metano consiste na filosofia do de- senho "dois-trens-em-um". Desse modo, por exemplo, se é requerido parali- sar o terceiro motor elétrico 704 para manutenção ou reparo, não é necessá- rio paralisar toda a planta de LNG porque o quarto motor elétrico 706 e os segundos compressores de metano 236, 258, 270 podem ser ainda usados para manter a planta on-line. Vários métodos podem ser usados para assistir aos motores elé- tricos a recomeçarem 700, 702, 704, 706. As forças de arrasto inerciais e fluidas associadas com a viragem inicial dos motores elétricos 700,702,704, 706 e seu compressor associado durante o recomeço podem ser difíceis de superar. Por conseguinte, um acionador de freqüência variável pode ser a- coplado aos motores elétricos 700, 702, 704, 706 para ajudar ao recomeço.
Um outro método de assistir em recomeçar pode incluir evacuar os com- pressores a minimizarem as forças de arrasto fluidas que resistem à viragem dos motores durante o recomeço. Adicionalmente, acoplagens fluidas ou conversores de torque podem ser colocados entre os motores e os com- pressores de modo que os motores possam ser iniciados com pouca ou ne- nhuma carga dos compressores e então, quando os motores estão prontos para acelerar, as acoplagens fluidas ou conversores de torque podem gra- dualmente aplicar a carga do compressor aos motores. Se um conversor de torque for empregado, é preferido para o conversor de torque usar um me- canismo de travamento mecânico que permita ao motor elétrico e compres- sores associados serem diretamente de maneira mecânica acoplados um ou outro uma vez que o motor e os compressores estão prontos para acelerar.
Com referência agora à figura 2, uma modalidade alternativa do sistema de liquefação de gás natural é ilustrada. Embora muitos componen- tes do sistema de liquefação de gás natural, ilustrados na figura 2, sejam os mesmos que aqueles ilustrados na figura 1, o sistema da figura 2 emprega um sistema de acionamento e de energia alternativo. A maioria dos compo- nentes da figura 2 (isto é, componentes 100-699) é a mesma que os compo- nentes da figura 1 e são identicamente enumerados. O sistema de liquefação de gás natural ilustrado na figura 2 em- prega uma planta de co-geração 1000 que é operável para simultaneamente gerar energia na forma de energia térmica (isto é, corrente) e energia elétrica via queima de um combustível tal como, por exemplo, gás natural. O primei- ro compressor de propano 400 e o primeiro compressor de etileno 600 são acionados por um primeiro motor elétrico 900, enquanto o segundo com- pressor de propano 402 e o segundo compressor de etileno 602 são aciona- dos por um segundo motor elétrico 902. Os motores elétricos 900, 902 são energizados com pelo menos uma porção da eletricidade gerada pela planta de co-geração 1000 e conduzida aos motores 900, 902 via linhas elétricas 1002,1003,1005.
Uma primeira turbina a vapor 904 é usada para energizar o pri- meiro compressor de alto estágio 234, o primeiro compressor de metano de estágio intermediário 256, e o primeiro compressor de metano de baixo es- tágio 268, enquanto uma segunda turbina de corrente 906 é usada para e- nergizar o segundo compressor de metano de alto estágio 236, o segundo compressor de metano de estágio intermediário 258, e o segundo compres- sor de metano de baixo estágio 270. As turbinas a vapor 904,906 são ener- gizadas com pelo menos uma porção do vapor gerado pela planta de co- geração 1000 e conduzidas para as turbinas a vapor 904,906 via os conduí- tes de vapor 1004,1006,1008.
Um primeiro motor de arranque/auxílio 908 pode ser acionada- mente acoplado ao primeiro motor elétrico 900, enquanto um segundo motor de arranque/auxílio 910 pode ser acionadamente acoplado ao segundo mo- tor elétrico 902. Os motores de arranque/auxílio 908, 910 podem operar tan- to em um modo de iniciar, em que os motores de arranque/auxílio 908, 910 assistem na viragem dos motores maiores 900, 902 durante o recomeço, ou os motores de arranque/auxílio 908, 910 podem operar em um modo de aju- da, em que os motores de arranque/auxílio 908, 910 assistem os motores elétricos 900, 902 em energizar os compressores 400,402,600,602 durante uma operação normal. Os motores de arranque/auxílio 908, 910 são energi- zados com eletricidade gerada por planta de co-geração 1000 e conduzidos via linhas elétricas 1010,1012,1014.
Com referência agora à figura 3, um sistema de liquefação de gás natural similar àqueles ilustrados nas figuras 1 e 2, é mostrado como incluindo um sistema de acionamento e de energia alternativo. Uma planta de co-geração 1200 é usada para energizar os motores elétricos 1100,1102 via eletricidade conduzida através de linhas elétricas 1202, 1203, 1205. A planta de co-geração 1200 é também operável para energizar as turbinas de vapor 1104, 1106 via o vapor conduzido através dos conduítes de vapor 1204,1206,1208,1210.
Uma primeira turbina a vapor de arranque/auxílio 1108 é aciona- damente acoplada ao primeiro motor elétrico 1100, enquanto uma segunda turbina a vapor de arranque/auxílio 1110 é acionadamente acoplada ao se- gundo motor elétrico 1102. As turbinas a vapor de arranque/auxílio 1108, 1110 são energizadas com vapor gerado pela planta de co-geração 1200 e conduzidas para as turbinas a vapor de arranque/auxílio 1108,1110 via os conduítes 1204,1212,1214,1216. Durante o recomeço, as turbinas a vapor de arranque/auxílio 1108, 1110 podem ajudar a girar os motores elétricos 1100,1102. Durante operação normal do sistema de liquefação de gás natu- ral, as turbinas a vapor de arranque/auxílio 1108, 1110 podem assistir aos motores elétricos 1100, 1102 em acionar os compressores 400, 402, 600, 602.
As formas preferidas da invenção descritas acima são para se- rem usadas somente como ilustração, e não devem ser usadas com um senso de limitação para interpretar o escopo da presente invenção. Modifi- cações óbvias para as modalidades exemplares, estabelecidas acima, pode- ríam ser prontamente feitas por aqueles versados na técnica sem se desviar do espírito da presente invenção.
Os inventores em vista disso estabelecem seu intento para con- fiar na Doutrina dos Equivalentes para determinar e acessar o razoavelmen- te justo escopo da presente invenção já que pertence a qualquer aparelho não materialmente se desviando de, porém, fora do escopo literal da inven- ção como estabelecido nas reivindicações a seguir.

Claims (35)

1. Processo para liquefação de gás natural caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) acionar um primeiro compressor e um segundo compressor com um primeiro motor elétrico; (b) acionar um terceiro compressor e um quarto compressor com um segundo motor elétrico; (c) comprimir um primeiro refrigerante de um primeiro ciclo de refrigerante no primeiro e terceiro compressores; e (d) comprimir um segundo refrigerante de um segundo ciclo de refrigeração no segundo e quarto compressores.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que: os ditos primeiro e terceiro compressores estão fluidamente co- nectados ao primeiro ciclo de refrigeração em paralelo, os ditos segundo e quarto compressores estão fluidamente co- nectados ao segundo ciclo de refrigeração em paralelo.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pe- lo fato de que o dito primeiro refrigerante compreende um hidrocarboneto selecionado de grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pe- lo fato de que o dito segundo refrigerante compreende um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em etano, etileno, e misturas deles em porção maior.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pe- lo fato de que compreende: (e) acionar um quinto compressor com um terceiro motor elétri- co; e (f) comprimir um terceiro refrigerante de um terceiro ciclo de re- frigeração no quinto compressor.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pe- Io fato de que o dito segundo refrigerante compreende um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em etano, etileno e misturas deles em por- ção maior, o dito terceiro refrigerante compreendendo em porção maior de metano.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pe- lo fato de que compreende: (g) acionar um sexto compressor com um quarto motor elétrico; e (h) comprimir o terceiro refrigerante do terceiro ciclo de refrigera- ção no sexto compressor.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pe- lo fato de que os ditos quinto e sexto compressores estão fluidamente co- nectados ao terceiro ciclo de refrigeração em paralelo.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pe- lo fato de que: o dito primeiro refrigerante compreende propano em porção maior, o dito segundo refrigerante compreende etileno em porção mai- or, o dito terceiro refrigerante compreende metano em porção mai- or.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende (i) vaporizar gás natural liquefeito produzido via as etapas (a)-(d).
11. Processo para liquefazer gás natural caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) gerar vapor e eletricidade em uma plana de co-geração; (b) usar pelo menos uma porção da eletricidade para energizar um primeiro motor elétrico; (c) usar pelo menos uma porção do vapor para energizar uma primeira turbina de vapor; (d) comprimir um primeiro refrigerante de um primeiro ciclo de refrigerante em um primeiro compressor acionado pelo primeiro motor elétri- co; e (e) comprimir um segundo refrigerante de um segundo ciclo de refrigeração em um segundo compressor acionado pela primeira turbina a vapor; (f) usar pelo menos uma porção da eletricidade para energizar um segundo motor elétrico; (g) comprimir o primeiro refrigerante do primeiro ciclo de refrige- ração em um terceiro compressor acionado pelo segundo motor elétrico; (h) usar pelo menos uma porção do vapor para energizar uma segunda turbina a vapor; e (i) comprimir o segundo refrigerante do segundo ciclo de refrige- ração em um quarto compressor acionado pela segunda turbina a vapor, os ditos primeiro e terceiro compressores sendo fluidamente acoplados ao primeiro ciclo de refrigeração em paralelo, os ditos segundo e quarto compressores sendo fluidamente acoplados ao segundo ciclo de refrigeração em paralelo.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro refrigerante compreende propano, propileno e misturas deles em porção maior.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o dito segundo refrigerante compreende metano em porção maior.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro refrigerante compreende um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior, o dito segundo refrigerante compreendendo metano em porção maior.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende: (j) comprimir um terceiro refrigerante de um terceiro ciclo de re- frigeração em um quinto compressor acionado pelo primeiro motor elétrico; e (k) comprimir o terceiro refrigerante do terceiro ciclo de refrige- rante em um sexto compressor acionado pelo segundo motor elétrico.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que os ditos quinto e sexto compressores estão fluidamente acoplados ao terceiro ciclo de refrigeração em paralelo.
17. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que: o dito primeiro refrigerante compreende propano em porção maior, o dito segundo refrigerante compreende metano em porção mai- or, e o dito terceiro refrigerante compreende etileno em porção maior.
18. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende: (l) vaporizar gás natural liquefeito produzido via etapas (a)-(e).
19. Aparelho para liquefazer gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração sequencial empregando diferentes refrigerantes, o dito aparelho caracterizado pelo fato de que com- preende: um primeiro ciclo de refrigeração incluindo um primeiro com- pressor para comprimir um primeiro refrigerante; um segundo ciclo de refrigeração incluindo um segundo com- pressor para comprimir um segundo refrigerante; um terceiro ciclo de refrigeração incluindo um terceiro compres- sor para comprimir um terceiro refrigerante; um primeiro motor elétrico para acionar o primeiro compressor; um segundo motor elétrico para acionar o segundo compressor; e um terceiro motor elétrico para acionar o terceiro compressor, o dito primeiro refrigerante compreendendo um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior. o dito segundo refrigerante compreendendo um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em etano, etileno e misturas deles em por- ção maior, o dito terceiro refrigerante compreendendo de metano em por- ção maior, o dito segundo ciclo de refrigeração incluindo um quarto com- pressor acionadamente acoplado ao primeiro motor elétrico e operável para comprimir o segundo refrigerante, o dito primeiro ciclo de refrigeração incluindo um quinto com- pressor acionadamente acoplado ao segundo motor elétrico e operável para comprimir o primeiro refrigerante, os ditos primeiro e quinto compressores sendo fluidamente inte- grados no primeiro ciclo de refrigeração em paralelo, os ditos segundo e quarto compressores sendo fluidamente in- tegrados no segundo ciclo de refrigeração em paralelo.
20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que: o dito primeiro ciclo de refrigeração está localizado a montante do segundo ciclo de refrigeração, o dito segundo ciclo de refrigeração está localizado a montante do terceiro ciclo de refrigeração.
21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito terceiro ciclo de refrigeração é um ciclo de metano aberto.
22. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que: o dito primeiro refrigerante compreende propano em porção maior, o dito segundo refrigerante compreende etileno em porção mai- or, o dito terceiro refrigerante compreende metano em porção mai- or,
23. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que: o dito primeiro refrigerante compreende propano em porção maior, o dito segundo refrigerante compreende etileno em porção mai- or.
24. Aparelho para liquefazer gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração sequencial empregando diferentes refrigerantes, o dito aparelho caracterizado pelo fato de que com- preende: um primeiro ciclo de refrigeração incluindo um primeiro com- pressor para comprimir um primeiro refrigerante; um segundo ciclo de refrigeração incluindo um segundo com- pressor para comprimir um segundo refrigerante; um terceiro ciclo de refrigeração incluindo um terceiro compres- sor para comprimir um terceiro refrigerante; um primeiro motor elétrico para acionar o primeiro compressor; um segundo motor elétrico para acionar o segundo compressor; e um terceiro motor elétrico para acionar o terceiro compressor, o dito primeiro refrigerante compreendendo um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior, o dito segundo refrigerante compreendendo hidrocarboneto se- lecionado do grupo consistindo em etano, etileno e misturas deles em por- ção maior, o dito terceiro refrigerante compreendendo metano em porção maior; e um motor de arranque/auxílio acionadamente acoplado ao pri- meiro motor elétrico; o dito motor de arranque/auxílio sendo operável para ajudar a iniciar a viragem do primeiro motor elétrico durante o recomeço do primeiro motor elétrico quando o motor de arranque/auxílio é operado em um modo de iniciar; o dito motor de arranque/auxílio sendo operável para ajudar o primeiro motor elétrico a acionar o primeiro compressor quando o motor de arranque/auxílio é operado em um modo de ajuda.
25. Aparelho para liquefazer gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração sequencial empregando diferentes refrigerantes, o dito aparelho caracterizado pelo fato de que com- preende: um primeiro ciclo de refrigeração incluindo um primeiro com- pressor para comprimir um primeiro refrigerante; um segundo ciclo de refrigeração incluindo um segundo com- pressor para comprimir um segundo refrigerante; um terceiro ciclo de refrigeração incluindo um terceiro compres- sor para comprimir um terceiro refrigerante; um primeiro motor elétrico para acionar o primeiro compressor; um segundo motor elétrico para acionar o segundo compressor; e um terceiro motor elétrico para acionar o terceiro compressor, o dito primeiro refrigerante compreendendo um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior, o dito segundo refrigerante compreendendo hidrocarboneto se- lecionado do grupo consistindo em etano, etileno e misturas deles em por- ção maior, o dito terceiro refrigerante compreendendo metano em porção maior; e uma turbina a vapor acionadamente acoplada ao primeiro motor elétrico e operável para ajudar a iniciar o primeiro motor elétrico.
26. Aparelho para liquefazer gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração sequencial empregando diferentes refrigerantes, o dito aparelho caracterizado pelo fato de que com- preende: um primeiro ciclo de refrigeração incluindo um primeiro com- pressor para comprimir um primeiro refrigerante; um segundo ciclo de refrigeração incluindo um segundo com- pressor para comprimir um segundo refrigerante; um terceiro ciclo de refrigeração incluindo um terceiro compres- sor para comprimir um terceiro refrigerante; um primeiro motor elétrico para acionar o primeiro compressor; um segundo motor elétrico para acionar o segundo compressor; um terceiro motor elétrico para acionar o terceiro compressor, o dito primeiro refrigerante compreendendo um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior, o dito segundo refrigerante compreendendo hidrocarboneto se- lecionado do grupo consistindo em etano, etileno e misturas deles em por- ção maior, o dito terceiro refrigerante compreendendo metano em porção maior; uma turbina a vapor acionadamente acoplada ao primeiro motor elétrico e operável para ajudar a iniciar o primeiro motor elétrico; e uma planta de co-geração operável para gerar eletricidade e va- por, os ditos primeiro, segundo e terceiro motores sendo energizados por pelo menos uma porção da eletricidade, a dita turbina a vapor sendo energizada por pelo menos uma porção de vapor.
27. Aparelho para liquefazer gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração sequencial empregando diferentes refrigerantes, o dito aparelho caracterizado pelo fato de que com- preende: um primeiro ciclo de refrigeração incluindo um primeiro com- pressor para comprimir um primeiro refrigerante; um segundo ciclo de refrigeração incluindo um segundo com- pressor para comprimir um segundo refrigerante; uma planta de co-geração para simultaneamente gerar eletrici- dade e vapor; um primeiro motor elétrico acionadamente acoplado ao primeiro compressor e energizado por pelo menos uma porção da eletricidade; e uma primeira turbina a vapor acionadamente acoplada ao se- gundo compressor e energizada por pelo menos uma porção do vapor; e um primeiro arranque para turbina a vapor acionadamente aco- plado ao primeiro motor elétrico e energizado por pelo menos uma porção do vapor.
28. Aparelho, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro refrigerante compreende um hidrocarboneto selecionado do grupo consistindo em propano, propileno e misturas deles em porção maior.
29. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que o dito segundo refrigerante compreende metano em porção maior.
30. Aparelho para liquefazer gás natural por resfriamento do gás natural via uma pluralidade de ciclos de refrigeração sequencial empregando diferentes refrigerantes, o dito aparelho caracterizado pelo fato de que com- preende: um primeiro ciclo de refrigeração incluindo um primeiro com- pressor para comprimir um primeiro refrigerante; um segundo ciclo de refrigeração incluindo um segundo com- pressor para comprimir um segundo refrigerante; uma planta de co-geração para simultaneamente gerar eletrici- dade e vapor; um primeiro motor elétrico acionadamente acoplado ao primeiro compressor e energizado por pelo menos uma porção da eletricidade; uma primeira turbina a vapor acionadamente acoplada ao se- gundo compressor e energizada por pelo menos uma porção do vapor; o dito segundo ciclo de refrigeração incluindo um terceiro com- pressor para comprimir o segundo refrigerante; e uma turbina a vapor acionadamente acoplada ao terceiro com- pressor e energizada por pelo menos uma porção do vapor; o dito segundo e terceiro compressores sendo fluidamente inte- grados no segundo ciclo de refrigeração em paralelo.
31. Aparelho, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que: um terceiro ciclo de refrigeração incluindo um quarto compressor para comprimir um terceiro refrigerante; e um segundo motor elétrico acionadamente acoplado ao quarto compressor e energizado por pelo menos uma porção da eletricidade.
32. Aparelho, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que: o dito terceiro ciclo de refrigeração inclui um quinto compressor sendo acionadamente acoplado ao primeiro motor elétrico e operável para comprimir o terceiro refrigerante; e o dito primeiro ciclo de refrigerante inclui um sexto compressor sendo acionadamente acoplado ao segundo motor elétrico e operável para comprimir o primeiro refrigerante.
33. Aparelho, de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo fato de que: o dito primeiro e sexto compressores estão fluidamente integra- dos no primeiro ciclo de refrigeração em paralelo, o dito quarto e quinto compressores estão fluidamente integra- dos no terceiro ciclo de refrigeração em paralelo.
34. Aparelho, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro refrigerante compreende propano em porção maior.
35. Aparelho, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que: o dito segundo refrigerante compreende metano em porção mai- or, o dito terceiro refrigerante compreende etileno em porção maior.
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