BR102014024943B1 - Método para liquefação de uma fração rica em hidrocarbonetos - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA A LIQUEFAÇÃO DE UMA FRAÇÃO RICA HIDROCARBONETOS. Método para liquefação de uma fração rica em hidrocarbonetos, particularmente, gás natural, pela troca indireta de calor com mistura de refrigerante de m circuito de mistura de refrigerante descrito, onde a mistura de refrigerante é comprimida, separada em uma fase líquida rica em componentes com maior ponto de ebulição (HMR) da msitura de refrigerante e a fase gasosa rica em componentes com menor ponto de ebulição (LMR) a mistura de refrigerante, e as ditas fases são misturadas antes da troca indireta de calor. Troca indireta de calor prossegue nos dois trocadores de calor (E3, E4), onde primeiro trocador de calor (E4) para pré-resfriar e segundo trocador de calor (E3) para liquefação da fração rica em hidrocarbonetos, e o primeiro trocador de calor dotado de mistura de refrigerante compreendendo 5 a 50% da fase líquida (3, 15) rica em componentes com maior ponto de ebulição (HMR) da mistura de refrigerante e a dita mistura combinando com a fase gasosa (6, 14) rica em componentes com menor ponto de ebulição (LMR) da mistura de refrigerante onde uma razão de mistura de HMR/LMRdentre 1,2 e 10 é estabelecida.

Description

[001] A presente invenção se refere a um método para a liquefa ção de uma fração rica em hidrocarbonetos, em particular, gás natural, pela troca indireta de calor por uma mistura de refrigerante de um circuito de mistura de refrigerante, em que a mistura de refrigerante é comprimida, separada em uma fase líquida que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR = refrigerante misto pesado) da mistura de refrigerante e uma fase gasosa que é rica em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR = refrigerante misto leve) da mistura de refrigerante, e as ditas fases são misturadas antes da troca indireta de calor.
[002] Os métodos para a liquefação de frações ricas em hidro- carbonetos ou misturas de gás, em particular, gás natural, fazem uso inter alia dos circuitos de mistura de refrigerante fechados, nos quais o refrigerante de múltiplos componentes é pelo menos parcialmente condensado sob pressão elevada em torno da temperatura ambiente e é vaporizado em baixa pressão abaixo da temperatura ambiente com uma ação de refrigeração. Em métodos simples, apenas um circuito de mistura de refrigerante é usado, no qual as frações de refrigerante que surgem durante a compactação são misturadas antes da troca indireta de calor com a fração rica em hidrocarbonetos a ser li-quefeita e usada de maneira conjunta no trocador de calor.
[003] Com referência ao procedimento mostrado na figura 1, um método desse tipo geral para o resfriamento e a liquefação de uma fração rica em hidrocarbonetos, tal como é, por exemplo, apresentado no DE 102011010633, é explicado em mais detalhes abaixo.
[004] A fração rica em hidrocarbonetos a ser resfriada e liquefeita que é, por exemplo, gás natural, é fornecida através de uma linha 100 ao trocador de calor E3'. Nesse último, a fração de alimentação é resfriada contra o circuito de mistura de refrigerante que ainda deve ser descrito e fornecido através da linha 101 a uma unidade de separação T. Essa unidade de separação T, que é simplesmente mostrada como uma caixa preta serve, por exemplo, para separar o nitrogênio e/ou hidrocarbonetos superiores a partir da fração de alimentação 100/101 a ser liquefeita. O processo de separação realizado na unidade de se-paração T determina a temperatura na qual a fração de alimentação 100/101 precisa estar para ser pelo menos resfriada no trocador de calor E3’. O(s) componente(s) separado(s) da fração de alimentação é(são) retirado(s) da unidade de separação T através da linha 104, enquanto a alimentação restante é ainda resfriada, liquefeita e opcionalmente super-resfriada ali. A fração de alimentação 103 tratada dessa maneira é, em seguida, enviada para o uso adicional ou a um tanque de armazenamento.
[005] O circuito de mistura de refrigerante exigido para o resfria mento e a liquefação da fração de alimentação rica em hidrocarbone- tos 100/102 compreende uma unidade compressora de pelo menos dois estágios C, um separador D1 a montante da unidade compressora C e dois separadores D2 e D3 a jusante dos estágios de compressão. Os dois pós-resfriadores E1 e E2 que servem para dissipar o calor de compactação e parcialmente condensam a mistura de refrigerante, e uma bomba ou unidade de bomba P são ainda fornecidos.
[006] A mistura de refrigerante vaporizada no trocador de calor E3’ contra a fração de alimentação 100/102 a ser resfriada e liquefeita é fornecida através da linha 1 ao separador mencionado acima D1. A fase gasosa retirada do topo desse separador através da linha 1 é fornecido ao primeiro estágio de compressor da unidade compressora C e comprimida em uma pressão intermediária desejada. Depois de passar através do pós-resfriador E1, a mistura de refrigerante com-primida é fornecida através da linha 2 ao separador D2. Uma fase líquida que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição do refrigerante (HMR) é retirada através da linha 3 a partir do fundo do dito separador e bombeado por meio da bomba ou unidade de bomba P para a pressão da fase gasosa que deve ser ainda descrita da mistura de refrigerante.
[007] A fase gasosa retirada através da linha 4 do separador D2 é fornecida ao segundo platina do compressor C e comprimida à pressão final desejada do circuito de mistura de refrigerante. Depois de passar através do pós-resfriador E2, a mistura de refrigerante comprimida é fornecida através da linha 5 ao separador D3. A fração líquida 7 que surge no fundo do separador D3 é recirculada através da válvula de controle V1 antes da entrada do separador D2. A fase gasosa que é rica em componentes com baixo ponto de ebulição da mistura de refrigerante (LMR) é retirada no topo do separador D3 através da linha 6 e, depois de misturar com a fase líquida 3 descrita acima, é fornecida através da linha 8 ao trocador de calor E3’. A fase líquida 3 e a fase gasosa 6 são combinadas antes do trocador de calor ou imediatamente no início da troca de calor que prossegue no trocador de calor E3’ e fornecida a uma corrente bifásica. A mistura de refrigerante é resfriada no trocador de calor E3’ e completamente liquefeita. Na extremidade fria do trocador de calor E3’, a mistura de refrigerante 9 é expandida com uma ação de refrigeração na válvula V2 e, em seguida, completamente vaporizada na passagem novamente através do trocador de calor E3’.
[008] Com o uso do procedimento descrito acima, no entanto, não é possível influenciar de propósito a temperatura no perfil do trocador de calor E3’. As variáveis disponíveis de oscilação do circuito de mistura de refrigerante, como o perfil de pressão, a taxa de fluxo de massa e a composição, são usadas para controlar a capacidade do sistema e a temperatura da fração de alimentação na extremidade fria do trocador de calor E3’ e otimizar o consumo de energia. Se uma temperatura intermediária desejada no trocador de calor E3' for agora exigida no curso de liquefação de gás, por exemplo, para evitar a precipitação de sólidos no gás de alimentação ou para estabelecer uma separação desejada de substâncias como, por exemplo, a separação descrita acima de nitrogênio ou hidrocarbonetos superiores, a dita temperatura intermediária não pode ser controlada de maneira independente da carga e a temperatura da fração a ser liquefeita na extremidade fria do trocador de calor E3’.
[009] O objetivo da presente invenção é fornecer um método para a liquefação de uma fração rica em hidrocarbonetos, em particular, gás natural, o que possibilita alcançar um controle preciso o suficiente de uma temperatura adicional em adição à temperatura na extremidade fria do trocador de calor usado for troca indireta de calor. Isso deve ser considerado para significar o controle a pelo menos 3°C, de preferência, a pelo menos 1°C.
[0010] O dito objetivo é alcançado mediante o fornecimento de um método desse tipo geral para a liquefação de uma fração rica em hi- drocarbonetos, em particular, gás natural, que é caracterizado pelo fato de que - a troca indireta de calor prossegue em pelo menos dois trocadores de calor; - em que o primeiro trocador de calor serve para pré-resfriar e o segundo trocador de calor para realizar a liquefação da fração rica em hidrocarbonetos; e - o primeiro trocador de calor é dotado de uma mistura de refrigerante que compreende 5 a 50% da fase líquida que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR) da mistura de refrigerante e a dita mistura é misturada com a fase gasosa que é rica em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR) da mistura de refrigerante de modo que uma razão de mistura de HMR/LMR de entre 1,2 e 10 é estabelecida.
[0011] No método da técnica anterior descrito acima, para a lique fação de uma fração rica em hidrocarbonetos, a fase líquida e a fase gasosa da mistura de refrigerante são, em cada caso, misturadas em sua totalidade e usadas de forma conjunta para o resfriamento e a liquefação da fração de alimentação. De acordo com a invenção, a troca indireta de calor entre a fração rica em hidrocarbonetos e a mistura de refrigerante agora prossegue em pelo menos dois trocadores de calor, em que o primeiro trocador de calor serve para pré-resfriar e o segundo trocador de calor para resfriar e realizar a liquefação da fração rica em hidrocarbonetos. O primeiro trocador de calor ou de pré- resfriamento é aqui predominantemente resfriado com a fase líquida da mistura de refrigerante, enquanto o segundo trocador de calor ou de liquefação é predominantemente resfriado com a fase gasosa da mistura de refrigerante. De acordo com a invenção, o primeiro trocador de calor é, portanto, dotado de uma mistura de refrigerante que compreende 5 a 50% da fase líquida que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR) da mistura de refrigerante. Essa fase líquida é misturada com a fase gasosa que é rica em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR) da mistura de refrigerante de modo que uma razão de mistura de HMR/LMR de entre 1,2 e 10 é estabelecida. As proporções restantes da fase líquida e fase gasosa são usadas para resfriar o segundo trocador de calor. A mistura de refrigerante usada para o primeiro trocador de calor é agora concentrada por múltiplos componentes com elevado ponto de ebulição e tem, em conformidade, maior ponto de ebulição. A mistura de refrigerante do segundo trocador de calor é, consequentemente, concentrada em componentes com baixo ponto de ebulição da mistura de refrigerante e, em conformidade, com baixo ponto de ebulição.
[0012] As capacidades de refrigeração e os perfis de temperature dos dois trocadores de calor podem agora ser influenciados através das misturas e quantidades das respectivas frações de refrigerante de modo que a temperatura na extremidade fria do primeiro trocador de calor, e da mesma forma, a temperatura na extremidade fria do segundo trocador de calor, possam ser controladas de forma precisa a pelo menos 3°C, de preferência, a pelo menos 1°C.
[0013] Os desenvolvimentos vantajosos adicionais do método de acordo com a invenção para a liquefação de uma fração rica em hidro- carbonetos são caracterizados pelo fato de que - o primeiro trocador de calor é dotado de uma mistura de refrigerante que compreende 10 a 30% da fase líquida que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR) da mistura de re-frigerante; - uma razão de mistura de HMR/LMR de entre 2 e 5 estabelecida; e/ou - uma subcorrente da fase gasosa é fornecida à mistura de refrigerante na extremidade fria do primeiro e/ou o segundo trocador de calor.
[0014] O método de acordo com a invenção para a liquefação de uma fração rica em hidrocarbonetos e os desenvolvimentos ainda vantajosos do mesmo serão explicados em mais detalhes abaixo com referência à modalidade de exemplo mostrada na figura 2.
[0015] A fração rica em hidrocarbonetos 200 a ser resfriada e liquefeita é agora fornecida a um primeiro trocador de calor ou pré-resfriar E4. Nesse último, a fração de alimentação é resfriada contra o circuito de mistura de refrigerante que deve ser ainda descrita e fornecida através da linha 201 a uma unidade de separação T. O(s) componen- te(s) separado(s) da fração de alimentação é(são) retirado(s) da unidade de separação T através da linha 204, enquanto a fração de alimentação restante a ser liquefeita é fornecida novamente através da linha 202 ao segundo trocador de calor ou de liquefação E3 e é ainda resfriada, liquefeita e opcionalmente super-resfriada ali. A fração de alimentação 203 tratada dessa maneira é, em seguida, enviada para o uso adicional ou a um tanque de armazenamento.
[0016] Com a exceção da distribuição da fase gasosa 6 e da fase líquida 3 entre os dois trocadores de calor E3 e E4, o circuito de mistura de refrigerante exigido para o resfriamento e a liquefação da fração de alimentação rica em hidrocarbonetos 200/202 corresponde ao circuito de mistura de refrigerante explicado com referência à figura 1. Portanto, apenas as diferenças com relação ao circuito de mistura de refrigerante explicadas com referência à figura 1 serão abordadas aqui.
[0017] De acordo com a invenção, a fase líquida 3 retirada do fun do do separador D2 é distribuída por meio das válvulas de controle V6 e V7 através das partes de linha 11 e 15 entre os trocadores de calor E3 e E4. O trocador de calor E4 é aqui fornecido com uma mistura de refrigerante que compreende 5 a 50%, de preferência, 10 a 30%, da fase líquida que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR) da mistura de refrigerante. A distribuição da fase gasosa 6 que é retirada do topo do separador D3 e é rica em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR) da mistura de refrigerante através das partes de linha 10 e 14 entre os trocadores de calor E3 e E4 é determinada pelo equilíbrio de massa das correntes combinadas de mistura de refrigerante 12 e 16 através das válvulas V2 e V4.
[0018] As subcorrentes da fase gasosa 6 podem ser fornecidas através das partes de linha 13 e 17 à mistura de refrigerante 12 ou 16 respectivamente na extremidade fria do primeiro e/ou do segundo trocador de calor E4 ou E3, respectivamente. As válvulas de controle V3 e V5 fornecem uma possibilidade adicional para o controle de temperatura na extremidade fria dos trocadores de calor E3 e E4. Além disso, é possível, por meio das duas válvulas V3 e V5, estabelecer uma velocidade de gás mínima que garante a execução estável fria dos trocadores de calor E3 e E4 ao evitar a segregação da fase gasosa e da fase líquida durante a vaporização.

Claims (4)

1. Método para liquefação de uma fração rica em hidrocar- bonetos (200 a 203), em particular, gás natural, pela troca indireta de calor com a mistura de refrigerante (12,16) de um circuito de mistura de refrigerante, que compreende conduzir a referida troca de calor indireta entre a referida fração rica em hidrocarbonetos e a referida mistura de refrigerante (12,16) em, pelo menos, dois trocadores de calor (E3,E4), incluindo um primeiro trocador de calor (E4) e um segundo trocador de calor (E3), sendo que o primeiro trocador de calor (E4) serve para pré- resfriar a fração rica em hidrocarbonetos (200 a 203) para abastecimento de uma unidade de separação, e o segundo trocador de calor (E3) serve para liquefazer a fração rica em hidrocarbonetos remanescente da fração de alimentação da referida unidade de separação, e sendo que a referida mistura de refrigerante (12,16) é comprimida, separada em uma fase líquida, a qual é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR) da mistura de refrigerante, e uma fase gasosa, a qual é rica em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR) da mistura de refrigerante, e a referida fase líquida e a referida fase gasosa (6,14) são misturadas antes da referida troca indireta de calor, de modo a que quando o referido primeiro trocador de calor é abastecido com uma primeira porção da referida mistura de refrigerante, o referido método sendo caracterizado pelo fato de que a referida primeira porção da referida mistura de refrigerante (12,16) compreende 5 a 50% da referida fase líquida rica em componentes com elevado ponto de ebulição e uma quantidade da referida fase gasosa rica em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR), de modo que seja estabelecida uma razão de mistura HMR/LMR entre 1,2 e 10, na referida porção da referida mistura de refrigerante; e sendo que o referido segundo trocador de calor (E3) é abastecido com uma segunda porção da referida mistura de refrigerante, concentrada em componentes com baixo ponto de ebulição (LMR).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro trocador de calor (E4) é dotado de uma mistura de refrigerante (12,16), que compreende 10 a 30% da fase lí-quida, que é rica em componentes com elevado ponto de ebulição (HMR) da mistura de refrigerante.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteri-zado pelo fato de que é estabelecida uma razão de mistura HMR/LMR entre 2 e 5.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que uma subcorrente (13, 17) da fase gasosa (6) é fornecida à mistura de refrigerante (12, 16) na extremidade fria do primeiro e/ou do segundo trocador de calor (E3, E4).
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