BR102015008707B1 - Métodos para produzir um produto de lng depletado em nitrogênio e aparelhos para produzir um produto de lng depletado em nitrogênio - Google Patents

Métodos para produzir um produto de lng depletado em nitrogênio e aparelhos para produzir um produto de lng depletado em nitrogênio Download PDF

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Abstract

REMOÇÃO DE NITROGÊNIO INTEGRADO NA PRODUÇÃO DE GÁS NATURAL LIQUEFEITO USANDO CIRCUITO DE REINJECÃO DEDICADO. A presente invenção refere-se a um método e aparelho para liquefazer um fluxo de alimentação de gás natural e remover nitrogênio do mesmo para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio em que um fluxo de alimentação de gás natural é passado através do trocador de calor principal para produzir um primeiro fluxo de LNG que é separado para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio, e em que o fluxo de reciclo é passado através do trocador de calor principal para produzir um primeiro fluxo de LNG, separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural, para produzir um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito que é separado para fornecer um produto de vapor rico em nitrogênio.

Description

ANTECEDENTES
[001] A presente invenção refere-se a um método para liquefazer um fluxo de alimentação de gás natural e remover nitrogênio do mesmo para produzir um produto de gás natural liquefeito (LNG) depletado em nitrogênio. A presente invenção também diz respeito a um aparelho (tal como, por exemplo, uma planta de liquefação de gás natural ou outra forma de instalação de processamento) para liquefazer um fluxo de alimentação de gás natural e remover do mesmo nitrogênio para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio.
[002] Em processos para liquefazer gás natural, é frequentemente desejável ou necessário, por exemplo, devido aos requerimentos de pureza e/ou de recuperação, remover o nitrogênio do fluxo de alimenta-ção ao mesmo tempo minimizando a perda do produto (metano). O produto de nitrogênio removido pode ser usado como gás de combustível ou pode ser liberado na atmosfera. Se usado como gás de combustível, o produto de nitrogênio tem que conter uma quantidade razoável de metano (tipicamente > 30 % em mol) para manter seu valor de aquecimento. Neste caso, a separação do nitrogênio não é tão difícil devido às especificações soltas na pureza do produto de nitrogênio, e o objetivo é selecionar o processo mais eficiente com equipamento adicional e consumo de potência mínimos. Em instalações de LNG de escala média muito pequenas que funcionam a motores elétricos, porém, há demanda muito pequena por gás de combustível e o produto de nitrogênio tem que ser liberado à atmosfera. Se liberado, o produto de nitrogênio tem que satisfazer as rígidas especificações de pureza (por exemplo, > 95T em mol, ou > 95 % em mol, ou > 99 % em mol), devido a preocupações ambientais e/ou devido a requerimentos de recuperação de metano. Este requerimento de pureza acarreta desafios de separação. No caso de uma concentração de nitrogênio muito alta (tipicamente maior que 10 % em mol, em alguns casos até ou ainda mais alta que 20 % em mol) na alimentação de gás natural, uma unidade de rejeição de nitrogênio dedicada (NRU) prova ser um método robusto para eficientemente remover o nitrogênio e produzir um produto de nitrogênio puro (>99 % em mol). Na maioria dos casos, porém, o gás natural contém cerca de 1 a 10 % em mol de nitrogênio. Quando a concentração de nitrogênio na alimentação está dentro desta faixa, a aplicabilidade da NRU é impedida pelo custo de capital alto devido à complexidade associada com o equipamento adicional. Vários documentos da técnica anterior propuseram soluções alternativas para remover nitrogênio do gás natural, incluindo adicionar um fluxo de reciclagem de nitrogênio à NRU ou usar uma coluna de retificador dedicado. Porém, estes processos são frequentemente muito complicados, necessitam uma quantidade grande de equipamento (com custos de capital associados), são difíceis de operar e/ou são ineficientes, especialmente para fluxos de alimentação de concentrações de nitrogênio mais baixas (< 5%). Além disso, é frequentemente o caso que a concentração de nitrogênio em uma alimentação de gás natural alterará de vez em quando, o que significa que mesmo se alguém estiver lidando com uma alimentação que é correntemente alta em conteúdo de nitrogênio, não se pode garantir que esta permanecerá assim. Portanto, seria desejável desenvolver um processo que fosse simples, eficiente, e capaz de efetivamente remover nitrogênio de alimentações de gás natural com baixas concentrações de nitrogênio.
[003] US 3.721.099 descreve um processo para liquefazer gás natural e separar o nitrogênio do gás natural liquefeito através de retificação. Neste processo, a alimentação de gás natural é pré-esfriada e parcialmente liquefeita em uma série de unidades de trocador de calor e separada em um separador de fase em fases líquida e de vapor. O fluxo de vapor de gás natural é depois liquefeito e subesfriado em uma bobina de tubo no fundo da coluna de retificação dupla, fornecendo tarefa de fervura à coluna de pressão alta. O fluxo de gás natural líquido da bobina de tubo é depois adicionalmente subesfriado em uma unidade de trocador de calor, expandido em uma válvula de expansão e introduzido e separado na coluna de pressão alta. O fluxo líquido rico em metano tirado do fundo da coluna de retificação de pressão alta e o fluxo líquido rico em metano obtido do separador de fase são subesfriados em outras unidades de trocador de calor, expandidos através de válvulas de expansão, e introduzidos e separados na coluna de pressão baixa. Refluxo para a coluna de pressão baixa é fornecido por um fluxo de nitrogênio líquido obtido da liquefação em uma unidade de trocador de calor de um fluxo de nitrogênio obtido da parte do topo da coluna de pressão alta. LNG depletado em nitrogênio (predominantemente produto de metano líquido), contendo cerca de 0,5% de nitrogênio, é obtido do fundo da coluna de pressão baixa e enviado para um tanque de armazenamento de LNG. Os fluxos ricos em nitrogênio são obtidos do topo da coluna de pressão baixa (contendo cerca de 95 % em mol de nitrogênio) e do topo da coluna de pressão alta. Os fluxos ricos em nitrogênio e gás de ebulição do tanque de LNG são aquecidos nas várias unidades de trocador de calor para fornecer refrigeração para os mesmos.
[004] US 7.520.143 descreve um processo em que um fluxo de vazão de nitrogênio contendo 98 % em mol de nitrogênio é separado por uma coluna de rejeição de nitrogênio. Um fluxo de alimentação de gás natural é liquefeito em uma primeira seção (quente) de um trocador de calor principal para produzir um fluxo de LNG que é retirado de uma localização intermediária do trocador de calor, expandido em uma válvula de expansão, e enviado para o fundo da coluna de rejeição de nitrogênio. O líquido do fundo da coluna de rejeição de nitrogênio é subesfriado em uma segunda seção (fria) do trocador de calor principal e expandido através de uma válvula para um tambor de vaporização para fornecer um produto de LNG depletado em nitrogênio (menos de 1,5 % em mol de nitrogênio), e um fluxo enriquecido em nitrogênio que é de pureza inferior (30 % em mol de nitrogênio) que o fluxo de vazão de nitrogênio e que é usado para gás de combustível. O vapor suspenso da coluna de rejeição de nitrogênio é dividido, com parte do vapor sendo retirado como o fluxo de vazão de nitrogênio e o restante sendo conden-sado em um trocador de calor no tambor de vaporização para fornecer refluxo à coluna de rejeição de nitrogênio. Refrigeração para o trocador de calor principal é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado empregando um refrigerante misturado.
[005] US 2011/0041389 descreve um processo, um pouco similar ao descrito em US 7.520.143, em que um fluxo de vazão de nitrogênio de pureza alta (tipicamente 90-100% em volume de nitrogênio) é separado do fluxo de alimentação de gás natural em uma coluna de retificação. O fluxo de alimentação de gás natural é esfriado em uma seção quente de um trocador de calor principal para produzir um fluxo de gás natural esfriado. Uma porção deste fluxo é retirada de uma primeira localização intermediária do trocador de calor principal, expandida e enviada para o fundo da coluna de retificação como gás de extração. O restante do fluxo é ainda esfriado e liquefeito em uma seção intermediária do trocador de calor principal para/de um fluxo de LNG sendo retirado de uma segunda localização intermediária (mais fria) do trocador de calor, expandido e enviado para uma localização intermediária da coluna de retificação. O líquido do fundo da coluna de retificação é retirado como um fluxo de LNG depletado em nitrogênio, subesfriado em uma seção fria do trocador de calor principal e expandido em um separador de fase para fornecer um produto de LNG depletado em nitrogênio, e um fluxo enriquecido em nitrogênio sendo comprimido e reciclado para o fluxo de alimentação de gás natural. O vapor suspenso da coluna de retificação é dividido, com parte do vapor que é retirado como o fluxo de vazão de nitrogênio de pureza alta e o restante sendo condensado em um trocador de calor no separador de fase para fornecer refluxo à coluna de retificação.
[006] IPCOM000222164D, um documento na base de dados de ip.com, descreve um processo em que uma unidade de rejeição de nitrogênio isolada (NRU) é usada para produzir um fluxo de gás natural depletado em nitrogênio e um fluxo de vazão de nitrogênio puro. O fluxo de alimentação de gás natural é esfriado e parcialmente liquefeito em uma unidade de trocador de calor quente e separado em um separador de fase em fluxos de vapor e líquido de gás natural. O fluxo de vapor é liquefeito na unidade de trocador de calor fria e enviado para o topo ou para uma localização intermediária de uma coluna de destilação. O fluxo líquido é ainda esfriado na unidade de trocador de calor fria, separadamente e em paralelo com o fluxo de vapor, e é depois enviado para uma localização intermediária da coluna de destilação (abaixo da localização na qual o fluxo de vapor é introduzido). Fervura para a coluna de destilação é fornecida aquecendo e vaporizando uma porção do líquido depletado em nitrogênio do fundo da coluna de destilação na unidade de trocador de calor fria, assim fornecendo também refrigeração à unidade. O restante do líquido depletado em nitrogênio do fundo é bombeado e aquecido e vaporizado na unidade de trocador de calor quente, assim fornecendo refrigeração para aquela unidade, e deixa o trocador quente como um fluxo de vapor completamente vaporizado. O vapor suspenso enriquecido em nitrogênio é aquecido retirado da coluna de destilação nas unidades de trocador de calor fria e quente para fornecer refrigeração adicional às ditas unidades. Onde o fluxo de vapor é introduzido em uma localização intermediária da coluna de destilação, refluxo adicional para a coluna pode ser fornecido condensando uma porção do vapor suspenso e retornando este para a coluna. Isto pode ser feito esquentando o vapor suspenso em um trocador de calor com economizador, dividindo o vapor suspenso aquecido, e condensando uma porção do vapor suspenso aquecido no trocador de calor com economizador e retornar a porção condensada para o topo da coluna de destilação. Nenhuma refrigeração externa é usada neste processo.
[007] US2011/0289963 descreve um processo em que a coluna de separação de nitrogênio é usada para separar nitrogênio de um fluxo de gás natural. Neste processo, um fluxo de alimentação de gás natural é esfriado e parcialmente liquefeito em uma seção quente de um trocador de calor principal por meio de troca de calor com um refrigerante misturado simples. O gás natural parcialmente condensado é retirado do trocador de calor principal e separado em um separador de fase ou vaso de destilação em fluxos de vapor e líquido de gás natural. O fluxo líquido é ainda esfriado em uma seção fria do trocador de calor principal antes de ser expandido e introduzido em uma coluna de separação de nitrogênio. Um produto de LNG depletado em nitrogênio (contendo 1 a 3% em volume de nitrogênio) é retirado do fundo da coluna de separação e um fluxo de vapor enriquecido em nitrogênio (contendo menos de 10% em volume de metano) é retirado do topo da coluna de separação. O fluxo de vapor de gás natural do separador de fase ou vaso de destilação é expandido e esfriado em trocadores de calor separados e introduzido no topo da coluna de separação para fornecer refluxo. Refrigeração para os trocadores de calor adicionais é fornecida vaporizando uma porção do líquido do fundo da coluna de separação (assim fornecendo também fervura da coluna) e esquentando o fluxo de vapor enriquecido em nitrogênio retirado do topo da coluna de separação.
[008] US 8.522.574 descreve outro processo no qual nitrogênio é removido do gás natural liquefeito. Neste processo, um fluxo de alimentação de gás natural é esfriado primeiro e liquefeito em um trocador de calor principal. O fluxo líquido é depois esfriado em um trocador de calor secundário e expandido em um vaso de vaporização onde um vapor rico em nitrogênio é separado de um líquido rico em metano. O fluxo de vapor é ainda expandido e enviado para o topo de uma coluna de fracionamento. O fluxo líquido do vaso de vaporização é dividido, com uma porção sendo introduzida em uma localização intermediária da coluna de fracionamento, e a outra porção sendo aquecida no trocador de calor secundário e introduzida no fundo da coluna de fracionamento. O vapor suspenso rico em nitrogênio obtido da coluna de fracionamento é passado e aquecido no trocador de calor secundário para fornecer refrigeração adicional ao dito trocador de calor. O produto de gás natural liquefeito é recuperado do fundo da coluna de fracionamento.
[009] US2012/019883 descreve um processo para liquefazer um fluxo de gás natural e remover nitrogênio do mesmo. O fluxo de alimentação de gás natural é liquefeito em um trocador de calor principal, expandido e introduzido no fundo de uma coluna separadora. Refrigeração para o trocador de calor principal é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado que circula um refrigerante misturado. LNG depletado em nitrogênio retirado do fundo da coluna separadora é expandido e também separado em um separador de fase. O LNG depletado em nitrogênio do separador de fase é enviado a um tanque de armazenamento de LNG. O fluxo de vapor do separador de fase é combinado com gás de fervura do tanque de armazenamento de LNG, aquecido no trocador de calor principal para fornecer refrigeração adicional ao trocador de calor principal, comprimido, e reciclado no fluxo de alimentação de gás natural. O vapor enriquecido em nitrogênio (90 a 100 % em volume de nitrogênio) retirado do topo da coluna separadora é também aquecido no trocador de calor principal para fornecer refrigeração adicional ao trocador de calor principal.
BREVE SUMÁRIO
[0010] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio, o método compreendendo: (a) passar um fluxo de alimentação de gás natural através de um trocador de calor principal para esfriar o fluxo de alimentação de gás natural e liquefazer todo ou uma porção do dito fluxo, assim produzindo um primeiro fluxo de LNG; (b) retirar o primeiro fluxo de LNG do trocador de calor principal; (c) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG, ou um fluxo de LNG formado de parte do primeiro fluxo de LNG, para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio; (d) comprimir o fluxo de reciclo para formar um fluxo de reciclo comprimido; (e) passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor principal, separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural, para esfriar o fluxo de reciclo comprimido e pelo menos parcialmente liquefazer todo ou uma porção do mesmo, assim produzindo um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito; (f) retirar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito do trocador de calor principal; e (g) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio.
[0011] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um aparelho para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio, o aparelho compreendendo:
[0012] um trocador de calor principal tendo passagens de refrigeração para receber um fluxo de alimentação de gás natural e passar o dito fluxo através do trocador de calor para esfriar o fluxo e liquefazer todo ou uma porção do fluxo para produzir um primeiro fluxo de LNG, e para receber um fluxo de reciclo comprimido composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e passar o dito fluxo através do trocador de calor para esfriar o fluxo e pelo menos parcialmente liquefazer todo ou uma porção do fluxo para produzir um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, em que as ditas passagens de refrigeração são dispostas para passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural;
[0013] um sistema de refrigeração para suprir refrigerante para o trocador de calor principal para esfriar as passagens de refrigeração;
[0014] um primeiro sistema de separação, em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal, para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG, ou um fluxo de LNG formado da parte do primeiro fluxo de LNG, para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio;
[0015] um compressor, em comunicação de fluxo fluido com o primeiro sistema de separação e o trocador de calor principal, para receber o fluxo de reciclo, comprimir o fluxo de reciclo para formar o fluxo de reciclo comprimido, e retornar o fluxo de reciclo comprimido para o trocador de calor principal; e
[0016] um segundo sistema de separação, em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal, para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio.
[0017] Aspectos preferidos da presente invenção incluem os aspectos a seguir, numerados de 1 a 28:
[0018] 1. Um método para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio, o método compreendendo: a) passar um fluxo de alimentação de gás natural através de um trocador de calor principal para esfriar o fluxo de alimentação de gás natural e liquefazer todo ou uma porção do dito fluxo, assim produzindo um primeiro fluxo de LNG; b) retirar o primeiro fluxo de LNG do trocador de calor principal; c) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG, ou um fluxo de LNG formado de parte do primeiro fluxo de LNG, para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio; d) comprimir o fluxo de reciclo para formar um fluxo de reciclo comprimido; e) passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor principal, separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural, para esfriar o fluxo de reciclo comprimido e pelo menos parcialmente liquefazer todo ou uma porção do mesmo, assim produzindo um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito; f) retirar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito do trocador de calor principal; e g) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio.
[0019] 2. O método do Aspecto 1, em que a etapa (c) compreende expandir o primeiro fluxo de LNG ou fluxo de LNG dele formado, transferir o fluxo expandido para um tanque de armazenamento de LNG em que uma porção do LNG vaporiza-se, assim formando um vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e o produto de LNG depletado em nitrogênio, e retirar o vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio do tanque para formar o fluxo de reciclo.
[0020] 3. O método do Aspecto 1 ou 2, em que a etapa (g) compreende expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito e separar o dito fluxo em um separador de fase em fases de vapor e líquido para formar o produto de vapor rico em nitrogênio e um segundo fluxo de LNG.
[0021] 4. O método do Aspecto 3, em que a etapa (c) compreende expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio, e em que o método adicionalmente compreende: h) expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo de LNG para produzir vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio adicional para o fluxo de reciclo e produto de LNG depletado em nitrogênio adicional.
[0022] 5. O método do Aspecto 1 ou 2, em que a etapa (g) compreende expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, introduzir o dito fluxo em uma coluna de destilação para separar o fluxo em fases de vapor e líquido, e formar o produto de vapor rico em nitrogênio a partir do vapor suspenso retirado da coluna de destilação.
[0023] 6. O método do Aspecto 5, em que a etapa (c) compreende expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio.
[0024] 7. O método do Aspecto 5, em que:
[0025] a etapa (c) compreende (i) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG para formar um fluxo de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de gás de separação composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e, e (ii) adicionalmente expandir, parcialmente vaporizar e separar o fluxo de LNG depletado em nitrogênio para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio; e
[0026] a etapa (g) adicionalmente compreende introduzir o fluxo de gás de separação no fundo da coluna de destilação.
[0027] 8. O método do Aspecto 6 ou 7, em que a etapa (g) adicionalmente compreende formar um segundo fluxo de LNG a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação, e em que o método adicionalmente compreende: i) ) expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo de LNG para produzir vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio adicional para o fluxo de reciclo e produto de LNG depletado em nitrogênio adicional.
[0028] 9. O método do Aspecto 5, em que a etapa (c) compreende j) ) expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de LNG e introduzir o dito fluxo na coluna de destilação para separar o fluxo em fases de vapor e líquido, o primeiro fluxo de LNG sendo introduzido na coluna de destilação em uma localização abaixo da localização na qual o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido na coluna, (ii) formar um segundo fluxo de LNG a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação, e (iii) expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo de LNG para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio.
[0029] 10. O método do Aspecto 9, em que o primeiro fluxo de LNG é introduzido na coluna de destilação em uma localização intermediária da coluna, e fervura para a coluna de destilação é fornecida aquecendo e vaporizando uma porção do líquido do fundo em um trocador de calor de re-ebulidor por meio de troca de calor indireta com o primeiro fluxo de LNG antes da introdução do primeiro fluxo de LNG na coluna de destilação.
[0030] 11. O método do Aspecto 9, em que o primeiro fluxo de LNG é introduzido no fundo da coluna de destilação.
[0031] 12. O método de qualquer um dos Aspectos 5 a 10, em que a fervura para a coluna de destilação é fornecida aquecendo e vaporizando uma porção do líquido do fundo em um trocador de calor de re-ebulidor por meio de troca de calor indireta com todo ou uma porção do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito antes da introdução do dito fluxo na coluna de destilação.
[0032] 13. O método de qualquer um dos Aspectos 5 a 12, em que a etapa (e) compreende introduzir o fluxo de reciclo comprimido no trocador de calor principal, esfriar o fluxo de reciclo comprimido, retirar uma porção do fluxo de reciclo comprimido esfriado de uma localização intermediária do trocador de calor principal para formar um fluxo de gás de separação, e adicionalmente esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer outra porção do fluxo de reciclo comprimido esfriado para formar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito; e em que a etapa (g) adicionalmente compreende introduzir o fluxo de gás de separação no fundo da coluna de destilação.
[0033] 14. O método de qualquer um dos Aspectos 5 a 13, em que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido no topo da coluna de destilação.
[0034] 15. O método de qualquer um dos Aspectos 5 a 13, em que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é expandido, parcialmente vaporizado e separado em fluxos separados de vapor e líquido antes de ser introduzido na coluna de destilação, o fluxo líquido sendo introduzido na coluna de destilação em uma localização intermediária, e o fluxo de vapor sendo esfriado e pelo menos parcialmente condensado no trocador de calor com condensador, por meio de troca de calor indireta com o vapor suspenso retirado da coluna, e depois sendo introduzido no topo da coluna.
[0035] 16. O método de qualquer um dos Aspectos 5 a 13, em que o refluxo para a coluna de destilação é fornecido condensando uma porção do vapor suspenso da coluna de destilação em um trocador de calor com condensador.
[0036] 17. O método do Aspecto 16, em que a refrigeração para o trocador de calor com condensador é fornecida esquentando o vapor suspenso retirado da coluna de destilação.
[0037] 18. O método do Aspecto 16 ou 17, em que a refrigeração para o trocador de calor com condensador é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado que igualmente fornece refrigeração para o trocador de calor principal, o refrigerante circulado pelo sistema de refrigeração de laço fechado passando e sendo aquecido no trocador de calor com condensador.
[0038] 19. O método de qualquer um dos Aspectos 1 a 18, em que o método adicionalmente compreende reciclar uma porção do produto de vapor rico em nitrogênio adicionando a dita porção ao fluxo de reciclo obtido na etapa (c) antes da compressão do fluxo de reciclo na etapa (d).
[0039] 20. O método de qualquer um dos Aspectos 1 a 19, em que o trocador de calor principal compreende uma extremidade quente à qual o fluxo de alimentação de gás natural e o fluxo de reciclo comprimido são introduzidos em paralelo, e uma extremidade fria da qual o primeiro fluxo de LNG e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito são retirados em paralelo.
[0040] 21. O método de qualquer um dos Aspectos 1 a 19, em que o trocador de calor principal compreende uma extremidade quente à qual o fluxo de alimentação de gás natural é introduzido, e uma extremidade fria da qual o primeiro fluxo de LNG e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito são retirados em paralelo, o fluxo de reciclo comprimido sendo introduzido no trocador de calor principal em uma localização intermedi-ária entre as extremidades quente e fria do trocador de calor.
[0041] 22. O método do Aspecto 21, em que o fluxo de reciclo é aquecido em um trocador de calor com economizador antes de ser comprimido na etapa (d), e em que o fluxo de reciclo comprimido é esfriado em um pós-refrigerador e ainda esfriado no trocador de calor com economizador antes de ser introduzido no trocador de calor principal na etapa (e).
[0042] 23. O método de qualquer um dos Aspectos 1 a 22, em que o trocador de calor principal compreende uma extremidade quente à qual o fluxo de alimentação de gás natural é introduzido, e uma extremidade fria da qual o primeiro fluxo de LNG é retirado;
[0043] em que a etapa (a) compreende (i) introduzir o fluxo de alimentação de gás natural na extremidade quente do trocador de calor principal, esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo de alimentação de gás natural, e retirar o fluxo esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito de uma localização intermediária do trocador de calor principal, (ii) expandir, parcialmente vaporizar e separar o fluxo esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito para formar um fluxo de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e um fluxo líquido de gás natural depletado em nitrogênio, e (iii) separadamente reintroduzir os fluxos de vapor e líquido em uma localização intermediária do trocador de calor principal e adicionalmente esfriar o fluxo de vapor e os fluxos líquidos em paralelo, o fluxo líquido sendo ainda esfriado para formar o primeiro fluxo de LNG e o fluxo de vapor sendo ainda esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito para formar um segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito; e
[0044] em que a etapa (b) compreende retirar o primeiro fluxo de LNG e o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito da extremidade fria do trocador de calor principal.
[0045] 24. O método do Aspecto 23 quando dependente de qualquer um dos Aspectos 1, 2 e 5 a 21, em que a etapa (g) compreende expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito e o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, introduzir os fluxos em uma coluna de destilação para separar os fluxos em fases de vapor e líquido, e formar o produto de vapor rico em nitrogênio a partir do vapor suspenso retirado da coluna de destilação.
[0046] 25. O método do Aspecto 24, em que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido na coluna de destilação em uma localização acima da localização na qual o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido na coluna de destilação.
[0047] 26. O método de qualquer um dos Aspectos 1 a 25, em que a refrigeração para o trocador de calor principal é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado, o refrigerante circulado pelo sistema de refrigeração de laço fechado passando e sendo aquecido no trocador de calor principal.
[0048] 27. Um aparelho para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio, o aparelho compreendendo:
[0049] um trocador de calor principal tendo passagens de refrigeração para receber um fluxo de alimentação de gás natural e passar o dito fluxo através do trocador de calor para esfriar o fluxo e liquefazer todo ou uma porção do fluxo para produzir um primeiro fluxo de LNG, e para receber um fluxo de reciclo comprimido composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e passar o dito fluxo através do trocador de calor para esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo para produzir um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, em que as ditas passagens de refrigeração são dispostas para passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural;
[0050] um sistema de refrigeração para suprir refrigerante para o trocador de calor principal para esfriar as passagens de refrigeração;
[0051] um primeiro sistema de separação, em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal, para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG, ou um fluxo de LNG formado de parte do primeiro fluxo de LNG, para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio;
[0052] um compressor, em comunicação de fluxo fluido com o primeiro sistema de separação e o trocador de calor principal, para receber o fluxo de reciclo, comprimir o fluxo de reciclo para formar o fluxo de reciclo comprimido, e retornar o fluxo de reciclo comprimido para o trocador de calor principal; e
[0053] um segundo sistema de separação, em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal, para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio.
[0054] 28. Um aparelho de acordo com o Aspecto 27, em que o sistema de refrigeração é um sistema de refrigeração de laço fechado, o primeiro sistema de separação compreende um dispositivo de expansão e um tanque de LNG, e o segundo sistema de separação compreende um dispositivo de expansão e um separador de fase ou coluna de destilação.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0055] Figura 1 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com uma modalidade da presente invenção, para liquefazer e remover nitrogênio de um fluxo de gás natural para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio.
[0056] Figura 2 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0057] Figura 3 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0058] Figura 4 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0059] Figura 5 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0060] Figura 6 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0061] Figura 7 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0062] Figura 8 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0063] Figura 9 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0064] Figura 10 é um diagrama de fluxo esquemático que descreve um método e aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[0065] Figura 11 é um gráfico que mostra as curvas de refrigeração para o trocador de calor com condensador usado no método e aparelho descritos na Figura 10.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0066] A menos que do contrário indicado, os artigos "um" e "uma" como aqui usados significam um(a) ou mais quando aplicados a qualquer característica nas modalidades da presente invenção descritas no relatório descritivo e nas reivindicações. O uso de "um" e "uma" não limite o significado a uma característica só a menos que um tal limite esteja especificamente declarado. O artigo "o/a" precedendo substantivos singulares ou plurais ou frases de substantivo denota uma característica particular especificada ou características particulares especificadas e podem ter uma conotação singular ou plural depen-dendo do contexto em que é usado.
[0067] Como observado acima, de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio compreendendo: (a) passar um fluxo de alimentação de gás natural através de um trocador de calor principal para esfriar o fluxo de alimentação de gás natural e liquefazer (e, tipicamente, subesfriar) todo ou uma porção do dito fluxo, assim produzindo um primeiro fluxo de LNG; (b) retirar o primeiro fluxo de LNG do trocador de calor principal; (c) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG, ou um fluxo de LNG formado de parte do primeiro fluxo de LNG, para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio; (d) comprimir o fluxo de reciclo para formar um fluxo de reciclo comprimido; (e) passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor principal, separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural, para esfriar o fluxo de reciclo comprimido e pelo menos parcialmente liquefazer todo ou uma porção do mesmo, assim produzindo um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito; (f) retirar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito do trocador de calor principal; e (g) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio.
[0068] Como aqui usado, o termo "gás natural" abrange também gases naturais sintéticos e suplentes. O fluxo de alimentação de gás natural compreende metano e nitrogênio (com metano tipicamente sendo o componente principal). Tipicamente o fluxo de alimentação de gás natural tem concentração de nitrogênio de 1 a 10 % em mol, e os métodos e aparelho descritos aqui podem remover efetivamente até mesmo nitrogênio do fluxo de alimentação de gás natural onde a concentração de nitrogênio no fluxo de alimentação de gás natural for relativamente baixa, tal como 5 % em mol ou abaixo. O fluxo de gás natural usual também conterá outros componentes, tais como, por exemplo, um ou mais outros hidrocarbonetos e/ou outros componentes tais como hélio, dióxido de carbono, hidrogênio, etc. Porém, não deve conter nenhum componente adicional em concentrações que gelar-se- ão no trocador de calor principal durante o esfriamento e liquefação do fluxo. Consequentemente, antes de ser introduzido no trocador de calor principal, o fluxo de alimentação de gás natural pode ser pré-tratado se e quando necessário para remover água, gases ácidos, mercúrio e hidrocarbonetos pesados do fluxo de alimentação de gás natural para reduzir as concentrações de quaisquer de tais componentes no fluxo de alimentação de gás natural para tais níveis que não resultaria em qualquer problema de congelação.
[0069] Como aqui usado, e a menos que do contrário indicado, um fluxo é "enriquecido em nitrogênio" se a concentração de nitrogênio no fluxo for mais alta que a concentração de nitrogênio no fluxo de alimentação de gás natural. Um fluxo é "depletado em nitrogênio" se a concentração de nitrogênio no fluxo for inferior que a concentração de nitrogênio no fluxo de alimentação de gás natural. No método de acordo com o primeiro aspecto da presente invenção como descrito acima, o produto de vapor rico em nitrogênio tem uma concentração de nitrogênio mais alta que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (e desse modo pode ser descrito como sendo ainda enriquecido em nitrogênio, com relação ao fluxo de alimentação de gás natural). Onde o fluxo de alimentação de gás natural contém outros componentes além de metano e nitrogênio, os fluxos que são "enriquecidos em nitrogênio" podem ser também enriquecidos em outros componentes leves (por exemplo, outros componentes tendo um ponto de ebulição similar ou inferior ao do nitrogênio, tal como por exemplo hélio), e fluxos que são "depletados em nitrogênio" podem também ser esgotados em outros componentes pesados (por exemplo outros componentes tendo um ponto de ebulição similar ou mais alto que o do metano, tal como por exemplo hidrocarbonetos mais pesados).
[0070] Como aqui usado, o termo "trocador de calor principal" refere-se ao trocador de calor responsável por esfriar e liquefazer todo ou uma porção do fluxo de gás natural para produzir o primeiro fluxo de LNG. Como é descrito abaixo em mais detalhes, o trocador de calor pode ser composto de uma ou mais seções de refrigeração dispostas em série e/ou em paralelo. Cada uma de tais seções pode constituir uma unidade do trocador de calor separada tendo seu próprio alojamento, mas igualmente as seções podem ser combinadas em uma unidade de trocador de calor simples que compartilha um alojamento comum. A(s) unidade(s) de trocador de calor pode(m) ser de qualquer tipo adequado, tal como, mas não limitado aos tipos de invólucro e tubo, bobina enrolada, ou de placas e aletas da unidade de trocador de calor. Em tais unidades, cada seção de refrigeração tipicamente compreende seu próprio pacote de tubos (onde a unidade é do tipo invólucro e tubo ou bobina enrolada) ou pacote de placas e aletas (onde a unidade é do tipo placas e aletas). Como aqui usado, a "extremidade quente" e a "extremidade fria" do trocador de calor principal são termos relativos, referindo-se às extremidades do trocador de calor principal que são da temperatura mais alta e mais baixa (respectivamente), e não é intencionado implicar quaisquer faixas de temperatura particulares, a menos que do contrário indicado. A frase "uma localização intermediária" do trocador de calor principal refere-se a uma localização entre as extremidades quente e fria, tipicamente entre duas seções de refrigeração que estão em série.
[0071] Tipicamente, parte ou toda a refrigeração para o trocador de calor principal é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado, o refrigerante circulado pelo sistema de refrigeração de laço fechado passando e sendo aquecido no trocador de calor principal. O sistema de refrigeração de laço fechado (ou sistemas de refrigeração de laço fechado onde mais que um é usado para fornecer refrigeração ao trocador de calor principal) pode ser de qualquer tipo adequado. Sistemas de refrigeração exemplares, compreendendo um ou mais sistemas de laço fechado que podem ser usados de acordo com a presente invenção incluem o sistema de refrigerante misturado simples (SMR), o sistema de refrigerante misturado dual (DMR), o sistema de refrigerante misturado de propano híbrido (C3MR), o sistema de ciclo de expansão de nitrogênio (ou outro ciclo de expansão gasosa), e o sistema de refrigeração em cascata.
[0072] Nos métodos e aparelho descritos aqui, e a menos que do contrário indicado, os fluxos podem ser expandidos e/ou, no caso de fluxos líquidos ou bifásicos, expandidos e parcialmente vaporizados passando o fluxo através de qualquer dispositivo de expansão adequado. Um fluxo pode, por exemplo, ser expandido e parcialmente vaporizado sendo passado através de uma válvula de expansão ou válvula J-T, ou qualquer outro dispositivo para realizar (essencialmente) expansão isentálpica (e consequentemente evaporação instantânea) do fluxo. Adicional ou alternativamente, um fluxo pode ser, por exemplo, expandido e parcialmente vaporizado sendo passado e expandido sob trabalho mecânico através de um dispositivo de extração de trabalho mecânico, tal como, por exemplo, uma turbina hidráulica ou dilatador turbo, assim realizando (essencialmente) a expansão isentrópica do fluxo.
[0073] Em uma modalidade preferida, a etapa (c) do método usa um tanque de armazenamento de LNG para separar o primeiro fluxo de LNG, ou o fluxo de LNG formado da parte do primeiro fluxo de LNG, para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo. Desse modo, a etapa (c) preferivelmente compreende expandir o primeiro fluxo de LNG ou fluxo de LNG dele formado, transferir o fluxo expandido para um tanque de armazenamento de LNG em que uma porção do LNG vaporiza-se, assim formando um vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e o produto de LNG depletado em nitrogênio, e retirar o vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio do tanque para formar o fluxo de reciclo.
[0074] Em uma modalidade, a etapa (g) do método usa um separador de fase para separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio. Desse modo, a etapa (g) pode compreender expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito e separar o dito fluxo em um separador de fase em fases de vapor e líquido para formar o produto de vapor rico em nitrogênio e um segundo fluxo de LNG.
[0075] Como aqui usado, o termo "separador de fase" refere-se a um dispositivo, tal como tambor ou outra forma de vaso em que um fluxo bifásico pode ser introduzido para separar o fluxo em suas fases de vapor e líquido constituintes. Em contraste com uma coluna de destilação (debatida abaixo), o vaso não contém qualquer seção de separação projetada para realizar transferência de massa entre o fluxo contracorrente de líquido e vapor dentro do vaso. Onde um fluxo for para ser expandido (ou expandido e parcialmente vaporizado) antes de ser separado, o dispositivo de expansão para expandir o fluxo e o separador de fase para separar o fluxo podem ser combinados em um dispositivo único, tal como, por exemplo, um tambor de vaporização (em que a entrada para o tambor incorpora uma válvula de expansão).
[0076] Onde a etapa (g) usar um separador de fase como descrito acima, a etapa (c) do método preferivelmente compreende expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG (ao invés de um fluxo de LNG formado de parte do primeiro fluxo de LNG) para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio. Além disso, o método pode adicionalmente compreender a etapa (h) de expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo de LNG para produzir vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio adicional para o fluxo de reciclo e produto de LNG depletado em nitrogênio adicional. Nestas e outras modalidades onde o segundo fluxo de LNG é também expandido, parcialmente vaporizado e separado para produzir vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio adicional e o produto de LNG depletado em nitrogênio adicional, esta etapa pode ser realizada combinando o primeiro e segundo fluxos de LNG e depois expandindo, parcialmente vaporizando e separando o fluxo combinado; separadamente expandindo e parcialmente vaporizando os fluxos, combinando os fluxos expandidos, e depois separando o fluxo combinado; ou expandindo, parcialmente vaporizando e separando cada fluxo individualmente.
[0077] Em uma modalidade alternativa, a etapa (g) do método usa uma coluna de destilação para separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio. Desse modo, a etapa (g) pode compreender expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, introduzir o dito fluxo em uma coluna de destilação para separar o fluxo em fases de vapor e líquido, e formar o produto de vapor rico em nitrogênio a partir do vapor suspenso retirado da coluna de destilação.
[0078] Como aqui usado, o termo "coluna de destilação" refere-se a uma coluna (ou conjunto de colunas) contendo uma ou mais seções de separação, cada seção de separação sendo composta de inserções, tais como acondicionamento e/ou uma ou mais bandejas, que aumentam o contato e desse modo intensificam a transferência de massa entre o vapor que sobe e o líquido que desce fluindo através da seção dentro da coluna. Desse modo, a concentração de componentes mais leves (tais como nitrogênio) no vapor suspenso, isto é, o vapor que junta-se ao topo da coluna, é aumentada, e a concentração de componentes mais pesados (tais como metano) no líquido do fundo, isto é, o líquido que junta-se ao fundo da coluna, é aumentada. O "topo" da coluna refere-se à parte da coluna acima das seções de separação. O "fundo" da coluna refere-se à parte da coluna abaixo das seções de separação. Uma "localização intermediária" da coluna refere-se em uma localização entre o topo e o fundo da coluna, tipicamente entre duas seções de separação que estão em série.
[0079] Naquelas modalidades em que a etapa (g) usa uma coluna de destilação como descrito acima, a etapa (c) do método pode compreender expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio. A etapa (g) pode adicionalmente compreender formar um segundo fluxo de LNG a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação. Além disso, o método pode ainda compreender a etapa (h) descrita acima.
[0080] Alternativamente, a etapa (c) do método pode compreender (i) expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG para formar um fluxo de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de gás de separação composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio, e (ii) adicionalmente expandir, parcialmente vaporizar e separar o fluxo de LNG depletado em nitrogênio para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio. A etapa (g) do método pode adicionalmente compreender introduzir o fluxo de gás de separação no fundo da coluna de destilação. A etapa (g) pode adicionalmente compreender formar um segundo fluxo de LNG a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação. Além disso, o método pode ainda compreender a etapa (h) descrita acima.
[0081] Alternativamente, a etapa (c) do método pode compreender (i) expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de LNG e introduzir o dito fluxo na coluna de destilação para separar o fluxo em fases de vapor e líquido, o primeiro fluxo de LNG sendo introduzido na coluna de destilação em uma localização abaixo da localização na qual o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido na coluna, (ii) formar um segundo fluxo de LNG a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação, e (iii) expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo de LNG para formar o produto de LNG depletado em nitrogênio e o fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio. O primeiro fluxo de LNG pode ser introduzido na coluna de destilação em uma localização intermediária da coluna. O primeiro fluxo de LNG pode ser introduzido no fundo da coluna de destilação.
[0082] Fervura para a coluna de destilação pode ser fornecida aquecendo e vaporizando uma porção do líquido do fundo em um trocador de calor de re-ebulidor por meio de troca de calor indireta com o primeiro fluxo de LNG antes da introdução do primeiro fluxo de LNG na coluna de destilação.
[0083] Fervura para a coluna de destilação pode ser fornecida aquecendo e vaporizando uma porção do líquido do fundo em um trocador de calor de re-ebulidor por meio de troca de calor indireta com todo ou uma porção do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito antes da introdução do dito fluxo na coluna de destilação.
[0084] Fervura para a coluna de destilação pode ser fornecida aquecendo e vaporizando uma porção do líquido do fundo em um trocador de calor de re-ebulidor junto a uma fonte de calor externa (por exemplo, tal como, mas não limitada, um aquecedor elétrico).
[0085] Etapa (e) do método pode compreender introduzir o fluxo de reciclo comprimido no trocador de calor principal, esfriar o fluxo de reciclo comprimido, retirar uma porção do fluxo de reciclo comprimido esfriado de uma localização intermediária do trocador de calor principal para formar um fluxo de gás de separação, e adicionalmente resfriar e pelo menos parcialmente liquefazer a outra porção do fluxo de reciclo comprimido esfriado para formar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito. Etapa (g) pode depois adicionalmente compreender introduzir o fluxo de gás de separação no fundo da coluna de destilação.
[0086] Etapa (g) do método pode adicionalmente compreender a introdução de um fluxo de gás de separação, gerada de qualquer fonte adequada, no fundo da coluna de destilação. Além dos fluxos de gás de separação gerados das fontes descritas acima, fontes adicionais ou alternativas podem incluir formar um fluxo de gás de separação a partir de uma porção do gás de reciclo comprimido antes do gás de reciclo comprimido restante ser introduzido como o fluxo de gás de reciclo comprimido no trocador de calor principal; formar um fluxo de gás de separação a partir de uma porção de fluxo de alimentação de gás natural frio retirado de uma localização intermediária do trocador de calor principal; e formar um fluxo de gás de separação a partir de uma porção da alimentação de gás natural.
[0087] Preferivelmente, o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido no topo da coluna de destilação, ou na coluna de destilação em uma localização intermediária da coluna.
[0088] O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito pode ser expandir, parcialmente vaporizado e separado em fluxos separados de vapor e líquido antes de ser introduzido na coluna de destilação, o fluxo líquido sendo introduzido na coluna de destilação em uma localização intermediária, e o fluxo de vapor sendo esfriado e pelo menos parcialmente condensado em trocador de calor com condensador, por meio de troca de calor indireta com o vapor suspenso retirado da coluna, e depois sendo introduzido no topo da coluna. O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é preferivelmente separado nos fluxos separados de vapor e líquido em um separador de fase. Onde o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito já for um fluxo bifásico, expansão adicional mínima e vaporização do fluxo podem ser necessárias, em cujo caso pode não ser necessário passar o fluxo através de um dispositivo de expansão antes de introduzir o fluxo no separador de fase (qualquer expansão e vaporização necessárias serem realizadas pela expansão e vaporização que ocorrerão inevitavelmente na introdução de um fluxo bifásico em um tambor ou outro tal vaso).
[0089] Refluxo para a coluna de destilação pode ser fornecido condensando uma porção do vapor suspenso da coluna de destilação em um trocador de calor com condensador. Refrigeração para o trocador de calor com condensador pode ser fornecida esquentando o vapor suspenso retirado da coluna de destilação. Refrigeração para o trocador de calor com condensador pode ser fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado que igualmente fornece refrigeração para o trocador de calor principal, o refrigerante circulado pelo sistema de refrigeração de laço fechado passando e sendo aquecido no trocador de calor com condensador.
[0090] O método de acordo com o primeiro aspecto da invenção (incluindo quaisquer de suas modalidades descritas acima) pode adicionalmente compreender reciclar uma porção do produto de vapor rico em nitrogênio adicionando a dita porção ao fluxo de reciclo obtido na etapa (c) antes da compressão do fluxo de reciclo na etapa (d).
[0091] Em algumas modalidades, o fluxo de alimentação de gás natural e o fluxo de reciclo comprimido podem ser introduzidos em paralelo na extremidade quente do trocador de calor principal, e o primeiro fluxo de LNG e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito podem ser retirados em paralelo da extremidade fria do trocador de calor principal.
[0092] Em outras modalidades, o fluxo de alimentação de gás natural pode ser introduzido na extremidade quente do trocador de calor principal, o fluxo de reciclo comprimido pode ser introduzido em uma localização intermediária do trocador de calor principal e o primeiro fluxo de LNG e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito podem ser retirados em paralelo da extremidade fria do trocador de calor principal. Nestas modalidades, o fluxo de reciclo pode ser aquecido em um trocador de calor com economizador antes de ser comprimido na etapa (d) do método, e o fluxo de reciclo comprimido pode ser esfriado em um pós-refrigerador e ainda esfriado no trocador de calor com economizador antes de ser introduzido no trocador de calor principal na etapa (e) do método.
[0093] Em algumas modalidades, as etapas (a) e (b) do método podem compreender (i) introduzir o fluxo de alimentação de gás natural na extremidade quente do trocador de calor principal, esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo de alimentação de gás natural, e retirar o fluxo esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito de uma localização intermediária do trocador de calor principal, (ii) expandir, parcialmente vaporizar e separar o fluxo esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito para formar um fluxo de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e um fluxo líquido de gás natural depletado em nitrogênio, (iii) separadamente reintroduzir os fluxos de vapor e líquido em uma localização intermediária do trocador de calor principal e adicionalmente esfriar o fluxo de vapor e fluxo líquido em paralelo, o fluxo líquido sendo ainda esfriado para formar o primeiro fluxo de LNG e o fluxo de vapor sendo ainda esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito para formar um segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito; e retirar o primeiro fluxo de LNG e o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito da extremidade fria do trocador de calor principal.
[0094] Nas modalidades descritas no parágrafo acima, a etapa (g) do método pode compreender expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito e o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, introduzir os fluxos em uma coluna de destilação para separar os fluxos em fases de vapor e líquido, e formar o produto de vapor rico em nitrogênio a partir do vapor suspenso retirado da coluna de destilação. O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito pode ser introduzido na coluna de destilação em uma localização acima da localização na qual o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito é introduzido na coluna de destilação.
[0095] Também como observado acima, de acordo com um segundo aspecto da presente invenção é fornecido um aparelho para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio, o aparelho compreendendo:
[0096] um trocador de calor principal tendo passagens de refrigeração para receber um fluxo de alimentação de gás natural e passar o dito fluxo através do trocador de calor para esfriar o fluxo e liquefazer todo ou uma porção do fluxo para produzir um primeiro fluxo de LNG, e para receber um fluxo de reciclo comprimido composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e passar o dito fluxo através do trocador de calor para esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo para produzir um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito, em que as ditas passagens de refrigeração são dispostas para passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural;
[0097] um sistema de refrigeração para suprir o refrigerante para o trocador de calor principal para esfriar as passagens de refrigeração;
[0098] um primeiro sistema de separação, em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal, para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG, ou um fluxo de LNG formado de parte do primeiro fluxo de LNG, para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio;
[0099] um compressor, em comunicação de fluxo fluido com o primeiro sistema de separação e o trocador de calor principal, para receber o fluxo de reciclo, comprimir o fluxo de reciclo para formar o fluxo de reciclo comprimido, e retornar o fluxo de reciclo comprimido para o trocador de calor principal; e
[00100] um segundo sistema de separação, em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal, para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito para formar um produto de vapor rico em nitrogênio.
[00101] Como aqui usado, o termo "comunicação de fluxo fluido" indica que os dispositivos ou sistemas em questão são conectados um ao outro em um tal modo que os fluxos que são referidos podem ser enviados e recebidos pelos dispositivos ou sistemas em questão. Os dispositivos ou sistemas podem, por exemplo, ser conectados, por tubos adequados, passagens ou outras formas de conduíte para transferir os fluxos em questão.
[00102] O aparelho de acordo com o segundo aspecto da invenção é adequado para levar a cabo um método de acordo com o primeiro aspecto da invenção. Desse modo, várias características e modalidades preferidas ou opcionais do aparelho de acordo com o segundo aspecto serão evidentes do debate precedente das várias modalidades preferidas ou opcionais e características do método de acordo com o primeiro aspecto. Por exemplo, no aparelho de acordo com o segundo aspecto, o sistema de refrigeração preferivelmente compreende um sistema de refrigeração de laço fechado. O primeiro sistema de separação preferivelmente compreende um dispositivo de expansão e um tanque de LNG. O segundo sistema de separação pode compreender um dispositivo de expansão e um separador de fase, um dispositivo de expansão e uma coluna de destilação, ou um pouco da combinação dos mesmos.
[00103] Somente por via de exemplo, várias modalidades preferidas da invenção serão agora descritas com referência às Figuras 1 a 11. Nestas Figuras, onde uma característica é comum a mais de uma Figura, aquela característica possui o mesmo numeral de referência em cada Figura, para clareza e brevidade.
[00104] Referindo à Figura 1, um método e aparelho de acordo com uma modalidade da presente invenção, para liquefazer e remover nitrogênio de um fluxo de gás natural para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio, são mostrados.
[00105] Fluxo de alimentação de gás natural 100 é passado primeiro através de uma passagem de refrigeração ou conjunto de passagens de refrigeração em um trocador de calor principal para esfriar, liquefazer e (tipicamente) subesfriar o fluxo de alimentação de gás natural, assim produzindo um primeiro fluxo de LNG 112. O fluxo de alimentação de gás natural compreende metano e nitrogênio. Tipicamente o fluxo de alimentação de gás natural tem concentração de nitrogênio de 1 a 10 % em mol, e os métodos e aparelho descritos aqui podem efetivamente remover até mesmo nitrogênio do gás natural onde a concentração de nitrogênio no fluxo de alimentação de gás natural é relativamente baixa, tal como 5 % em mol ou abaixo. Como é bem conhecido na técnica, o fluxo de alimentação de gás natural não deveria conter nenhum componente adicional em concentrações que gelarão no trocador de calor principal durante a refrigeração e liquefação do fluxo. Consequentemente, antes de ser introduzido no trocador de calor principal, o fluxo de alimentação de gás natural pode ser pré-tratado se e quando necessário para remover água, gases ácidos, mercúrio e hidrocarbonetos pesados do fluxo de alimentação de gás natural, para reduzir as concentrações de quaisquer tais componentes no fluxo de alimentação de gás natural até tais níveis que não resultará em qualquer problema de refrigeração. Equipamento e técnicas apropriados para realizar desidratação, remoção de gases ácidos, remoção de mercúrio e remoção de hidrocarboneto pesado são bem conhecidos. O fluxo de gás natural deve também estar acima de pressão ambiente, e desse modo pode ser comprimido e esfriado se e quando necessário em um ou mais compressores e pós-refrigeradores (não mostrados) antes de ser introduzido no trocador de calor principal.
[00106] Na modalidade descrita na Figura 1, o trocador de calor principal é composto de três seções de refrigeração em série, a saber, uma seção quente 102 na qual o fluxo de alimentação de gás natural 100 é pré-esfriado, uma seção mediana ou intermediária 106 na qual o fluxo de alimentação de gás natural esfriado 104 é liquefeito, e uma seção fria 110 na qual o fluxo de alimentação de gás natural liquefeito 108 é subesfriado, a extremidade de seção quente 102 à qual o fluxo de alimentação de gás natural 100 é introduzido, portanto, constituindo a extremidade quente do trocador de calor principal, e a extremidade da seção fria 110 da qual o primeiro fluxo de LNG 112 é retirado, portanto, constituindo a extremidade fria do trocador de calor principal. Como será reconhecido, os termos ‘quente’ e ‘fria’ neste contexto referem-se apenas às temperaturas relativas dentro das seções de refrigeração, e não implicam em nenhuma faixa de temperatura particular. No arranjo descrito na Figura 1, cada uma destas seções constitui uma unidade de trocador de calor separada que tem seu próprio invólucro, caixa ou outra forma de alojamento, mas igualmente duas ou todas as três das seções poderiam ser combinadas em uma unidade de trocador de calor simples compartilhando um alojamento comum. A(s) unidade(s) de trocador de calor pode(m) ser de qualquer tipo adequado, tal como, mas não limitado aos tipos invólucro e tubo, bobina enrolada, ou placa e aleta da unidade de trocador de calor. Em tais unidades, cada seção de refrigeração tipicamente compreenderá seu próprio pacote de tubo (onde a unidade é do tipo invólucro e tubo ou bobina enrolada) ou pacote de placas e aletas (onde a unidade é do tipo placas e aletas).
[00107] Parte ou toda a refrigeração para o trocador de calor principal pode ser fornecida por qualquer sistema de refrigeração de laço fechado adequado (não mostrado). Sistemas de refrigeração exemplares que podem ser usados incluem um sistema de refrigerante misturado simples (SMR), um sistema de refrigerante misturado dual (DMR), um sistema de refrigerante misturado de propano híbrido (C3MR), um sistema de ciclo de expansão de nitrogênio (ou outro ciclo de expansão gasosa), e um sistema de refrigeração em cascata. Nos sistemas de SMR e de ciclo de expansão de nitrogênio, a refrigeração é fornecida a todas as três seções 102, 106, 110 do trocador de calor principal por um refrigerante misturado simples (no caso do sistema de SMR) ou através de nitrogênio (no caso do sistema de ciclo de expansão de nitrogênio) circulado por um sistema de refrigeração de laço fechado. Nos sistemas de DMR e de C3MR, dois sistemas de refrigeração de laço fechado separados que circulam dois refrigerantes separados (dois refrigerantes misturados diferentes no caso do sistema de DMR, e um refrigerante de propano e refrigerante misturado no caso do sistema de C3MR) são usados para fornecer refrigerante ao trocador de calor principal, de modo que seções diferentes do trocador de calor principal podem ser esfriadas através de sistemas de laço fechado diferentes. A operação de SMR, DMR, C3MR, ciclo de expansão de nitrogênio e outros tais sistemas de refrigeração de laço fechado são bem conhecidos.
[00108] O primeiro fluxo de LNG (subesfriado) 112 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal é depois expandido, parcialmente vaporizado e separado para formar um fluxo de LNG 122 depletado em nitrogênio (e consequentemente enriquecido em metano) e um fluxo de gás de separação 120 composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio. O fluxo 120 é referido aqui como um fluxo de gás de separação porque este fluxo é usado para fornecer gás de separação a uma coluna de destilação, como será descrito em mais detalhes abaixo. No arranjo descrito na Figura 1, o primeiro fluxo de LNG 112 é expandido, parcialmente vaporizado e separado passando o fluxo através de uma válvula J-T (Joule-Thomson) 114 em um separador de fase 118. Porém, qualquer tipo alternativo de dispositivo de expansão, tal como um dispositivo de extração de trabalho mecânico (por exemplo, turbina hidráulica ou dilatador turbo), e outras formas de dispositivo de separação poderiam ser igualmente usadas.
[00109] O fluxo de LNG depletado em nitrogênio 122 é depois ainda expandido, por exemplo, passando o fluxo através de uma válvula J-T 124 ou dilatador turbo (não mostrado), para formar um fluxo de LNG depletado em nitrogênio expandido 126 que é introduzido em um tanque de armazenamento de LNG 128. Dentro do tanque de armazenamento de LNG 128 uma porção do LNG vaporiza-se, como resultado da expansão inicial e introdução do LNG no tanque e/ou como resultado do aquecimento ambiente com o passar do tempo (uma vez que o tanque de armazenamento não pode ser perfeitamente isolado), produzindo um vapor de gás natural enriquecido de nitrogênio que se ajunta e é retirado da parte superior do tanque como fluxo de reciclo 192, 130, e deixando para trás um produto de LNG depletado em nitrogênio que é armazenado no tanque e pode ser retirado como fluxo de produto 196. Em uma modalidade alternativa (não descrita), o tanque de armazena-mento de LNG 128 poderia ser substituído com um separador de fase (tal como um tambor de vaporização) ou outra forma de dispositivo de separação em que o fluxo de LNG depletado em nitrogênio expandido 122 é separado em fases de vapor e líquido formando, respectivamente, o produto de LNG depletado em nitrogênio 196 e o fluxo de reciclo 192, 130 composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio. No caso onde um tanque de armazenamento de LNG é usado, vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio que se ajunta e é retirado da parte superior do tanque pode também ser referido como um gás de vaporização do tanque (TFG) ou gás de ebulição (BOG). No caso onde um separador de fase é usado, o vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio no qual é formado e retirado do separador de fase pode também ser referido como um gás de vaporização final (EFG).
[00110] O fluxo de reciclo 192, 130 composto de nitrogênio enriquecido é vapor de gás natural depois recomprimido em um ou mais compressores 132 e esfriado em um ou mais pós-refrigeradores 136 para formar um fluxo de reciclo comprimido 138 que é reciclado no trocador de calor principal (consequentemente a razão para este fluxo sendo referido como um fluxo de reciclo). Os pós-refrigeradores podem usar qualquer forma adequada de refrigerante, tal como, por exemplo, água ou ar em temperatura ambiente. O fluxo de reciclo comprimido 138, como resultado de ser esfriado nos pós-refrigerador(es) 136, fica aproximadamente na mesma temperatura (por exemplo ambiente) que o fluxo de alimentação de gás natural 100, mas não é adicionado e misturado com o fluxo de alimentação de gás natural. Do contrário, o fluxo de reciclo comprimido é introduzido separadamente na extremidade quente do trocador de calor principal e é passado através de uma passagem de refrigeração separada ou conjunto de passagens de refrigeração que correm paralelo às passagens de refrigeração nas quais o fluxo de alimentação de gás natural é esfriado para separadamente esfriar o fluxo de reciclo comprimido nas seções quente, medianas e frias 102, 106 e 110 do trocador de calor principal, o fluxo de reciclo comprimido sendo esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito para formar um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (isto é, um parcial ou completamente liquefeito) 144.
[00111] O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é retirado da extremidade fria do trocador de calor principal, e é depois expandido, parcialmente vaporizado e introduzido em uma coluna de destilação 162 na qual é separado em fases de vapor e líquido. Mais especificamente, o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é expandido, por exemplo, através de uma válvula J-T 146 ou dilatador turbo (não mostrado), parcialmente vaporizado e separado em um separador de fase 150 em fluxos de vapor 152 e 172 líquidos separados. O fluxo de vapor 152 é esfriado e pelo menos parcialmente condensado em um trocador de calor 154, é adicionalmente expandido em dispositivo de expansão (tal como válvula J-T) 158, e introduzido como fluxo 160 na coluna de destilação 162 para separação em fases de líquido e vapor. O fluxo líquido 172 é esfriado em um trocador de calor de re-ebulidor 174, adicionalmente expandido no dispositivo de expansão (tal como válvula J-T) 178, e introduzido como fluxo 180 na coluna de destilação 162 para separação em fases de líquido e vapor.
[00112] Na modalidade descrita na Figura 1, a coluna de destilação 162 compreende duas seções de separação, cada uma composta de inserções tais como acondicionamento e/ou uma ou mais bandejas para aumentar o contato e desse modo intensificar a transferência de massa entre o vapor que sobe e o líquido que desce dentro da coluna. O fluxo esfriado e adicionalmente expandido 180 formado da porção líquida do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é introduzido na coluna de destilação 162 em uma localização intermediária da coluna, entre as duas seções de separação. O fluxo de vapor esfriado, pelo menos parcialmente condensado e adicionalmente expandido 160 formado da porção de vapor do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é introduzido no topo de coluna de destilação 162, acima de ambas as seções de separação, fornecendo refluxo para a coluna. O fluxo de gás de separação 120 separado, como descrito acima, do primeiro fluxo de LNG 112 no separador de fase 118 é também introduzido na coluna de destilação 162, ao fundo da coluna, desse modo fornecendo gás de separação pela coluna. Fervura, e desse modo gás de separação adicional, para a coluna é também fornecida aquecendo e vaporizando uma porção 182 do líquido do fundo da coluna no trocador de calor com re-ebulidor 174 (por meio de troca de calor indireta com a porção líquida 172 do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144) e retornando o líquido do fundo vaporizado 184 para o fundo da coluna de destilação.
[00113] O vapor suspenso da coluna de destilação 162 é ainda enriquecido em nitrogênio (isto é, é enriquecido em nitrogênio com relação ao primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144, e desse modo ainda enriquecido em nitrogênio com relação ao fluxo de alimentação de gás natural 100) e é retirado do topo da coluna de destilação 162 como um fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio 164. Este fluxo é aquecido no trocador de calor 154 (por meio de troca de calor indireta com a porção de vapor 152 do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144) para fornecer um fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio aquecido 166 que passa pela válvula de controle 169 (que controles a pressão operacional da coluna de destilação) para formar o fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio final 170. Dependendo da concentração de nitrogênio no fluxo de alimentação 100 e das especificações do produto rico em nitrogênio, uma porção 165, 168 do fluxo do produto rico em nitrogênio aquecido 166 pode ser reciclada sendo combinada com o fluxo de reciclo 192, para ajustar e manter um nível de concentração de nitrogênio fixo no fluxo de reciclo 130, compensando as flutuações da composição de alimentação de gás natural, a quantidade do fluxo do produto rico em nitrogênio aquecido 166 que é reciclado sendo controlada pela válvula 167. O benefício de ter o fluxo 165 e a válvula 167 é que eles permitem operação estável do sistema de liquefação e da coluna de destilação ser mantida quando a composição ou fluxo do gás de alimentação flutuar. O fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio final 170 pode ser ainda aquecido por integração de calor com outros fluxos de refrigerante para recuperar a refrigeração (não mostrado).
[00114] O restante do líquido do fundo da coluna de destilação que não é aquecido e vaporizado no trocador de calor com re-ebulidor 174, é retirado do fundo da coluna de destilação formando um segundo fluxo de LNG 186. O segundo fluxo de LNG 186 é depois expandido, por exemplo, passando o fluxo através de uma válvula J-T 188 ou dilatador turbo (não mostrado), para formar um fluxo 190 expandido aproximadamente da mesma pressão que o fluxo de LNG depletado em nitrogênio expandido 126 formado do primeiro fluxo de LNG 112. O segundo fluxo de LNG expandido é igualmente introduzido no tanque de armazenamento de LNG 188 em que, como descrito acima, uma porção do LNG vaporiza- se, fornecendo vapor de gás natural enriquecido de nitrogênio como o que é retirado da parte superior do tanque fluxo de reciclo 192, 130, e deixando para trás um produto de LNG depletado em nitrogênio que é armazenado no tanque e pode ser retirado como o fluxo de produto 196. Desse modo, o segundo fluxo de LNG 186 e o fluxo de LNG depletado em nitrogênio expandido 122 formado do primeiro fluxo de LNG 112, são combinados e juntos separados no fluxo de reciclo 192, 130 e no produto de LNG 196. Porém, em uma modalidade alternativa (não descrita), o segundo fluxo de LNG 186 e o fluxo de LNG depletado em nitrogênio 122 formado do primeiro fluxo de LNG 112 poderia ser expandido e introduzido em tanques de armazenamento de LNG diferentes (ou outras formas de sistema de separação) para produzir fluxos de reciclo separados que são depois combinados, e os fluxos de produto de LNG separados. Igualmente, em ainda outra modalidade (não descrita), o segundo fluxo de LNG 186 e o fluxo de LNG depletado em nitrogênio 122 poderiam (se ou ajustado a uma pressão similar) ser combinados antes de ser expandido através de uma válvula J-T, dilatador turbo ou outra forma de dispositivo de expansão, e depois o fluxo expandido, combinado, introduzido no tanque de armazenamento de LNG (ou outra forma de sistema de separação).
[00115] Na modalidade descrita na Figura 1, o conteúdo de metano no produto de nitrogênio final 170 pode alcançar menos de 1 % em mol, e o produto de LNG armazenado e retirado do tanque de LNG contém menos de 1 % em mol de nitrogênio. Portanto, a modalidade fornece um meio simples e eficiente de liquefazer gás natural e remover nitrogênio para produzir tanto produto de LNG de pureza alta como um fluxo de nitrogênio de pureza alta que podem ser liberados, porém satisfazendo aos requerimentos de pureza ambiental, e sem resultar em perda significativa de metano. Em particular, o uso do trocador de calor principal para esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo de reciclo, em paralelo, mas separadamente da alimentação de gás natural, fornece vantagens distintas. O vapor, tal como BOG/TFG/EFG ou outros, que é separado na produção do produto de LNG depletado em nitrogênio final, e que na presente invenção forma o fluxo de reciclo, ainda contém quantidades significativas de nitrogênio e metano que são desejavelmente recuperadas. Isto poderia ser alcançado, como feito em alguns processos da técnica anterior, reciclando o BOG/TFG/EFG de volta para a própria alimentação de gás natural. Porém, o fluxo de reciclo é enriquecido em nitrogênio comparado ao fluxo de alimentação de gás natural, e assim liquefazendo ou parcialmente liquefazendo este fluxo separadamente da alimentação de gás natural e depois separando o fluxo enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente condensado resultante fornece um processo mais eficiente de separar os componentes de nitrogênio e de metano do fluxo de reciclo que se o fluxo de reciclo fosse reciclado e separado junto com o fluxo de alimentação de gás natural. Benefícios adicionais de manter o fluxo de reciclo separado do fluxo de alimentação de gás natural incluem que o fluxo de reciclo não tem que ser comprimido na mesma pressão que a alimentação, e não tem que passar por meio de qualquer sistema de pré-tratamento de alimentação de gás natural (desse modo reduz a carga em qualquer um de tais sistemas). Igualmente, embora o fluxo de reciclo pudesse ser esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito adicionando trocador de calor dedicado e sistema de refrigeração para fazê-lo, usando o trocador de calor principal e seu sistema de refrigeração existente associado para esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo de reciclo, de modo que este possa ser depois separado no produto rico em nitrogênio e produto de LNG adicional, fornece um processo e aparelho mais compactos e de custo eficiente.
[00116] Referindo agora às Figuras 2 a 10, estas descrevem vários métodos adicionais e aparelho para liquefazer e remover o nitrogênio de um fluxo de gás natural para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio de acordo com as modalidades alternativas da presente invenção.
[00117] O método e aparelho descritos na Figura 2 diferem daqueles descritos na Figura 1 em que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal é separado em um separador de fase, ao invés de em uma coluna de destilação, em fases de vapor e líquido para formar o produto de vapor rico em nitrogênio e o segundo fluxo de LNG. Mais especificamente, o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é expandido, por exemplo, através de uma válvula J-T 146 ou dilatador turbo (não mostrado), parcialmente vaporizado e separado em separador de fase 262 para formar produto de vapor rico em nitrogênio 170 e o segundo fluxo de LNG 186. Além disso, como o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é separado em um separador de fase ao invés de uma coluna de destilação, não há nenhum benefício em gerar um fluxo de gás de separação do primeiro fluxo de LNG 112 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal, e consequentemente o primeiro fluxo de LNG 112 é expandido, por exemplo, passando o fluxo através de uma válvula J-T 114 ou dilatador turbo (não mostrado), e o fluxo de LNG depletado em nitrogênio expandido 116 é introduzido diretamente no tanque de armazenamento de LNG 128 dentro do qual o segundo fluxo de LNG expandido 190 é também introduzido, e do qual o produto de LNG depletado em nitrogênio 196 e o fluxo de reciclo 130 são retirados.
[00118] O método e aparelho descritos na Figura 3 diferem daqueles descritos na Figura 1 em que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal não é separado em fluxos separados de vapor e líquido antes de ser introduzido e separado na coluna de destilação em fases de vapor e líquido para formar o produto de vapor rico em nitrogênio e o segundo fluxo de LNG, e em que nenhum gás de separação é obtido do primeiro fluxo de LNG 112 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal. Desse modo, neste método e aparelho o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é esfriado em um trocador de calor com re-ebulidor 374, expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, através de válvula J-T 358 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo esfriado, expandido e parcialmente vaporizado 360 na coluna de destilação 362 para separação em fases de líquido e vapor. A coluna de destilação 362 neste caso compreende uma seção de separação simples. O fluxo esfriado, expandido e parcialmente vaporizado 360 é introduzido no topo de coluna de destilação 162, acima da seção de separação, fornecendo refluxo à coluna. Fervura para a coluna é fornecida aquecendo e vaporizando uma porção 382 do líquido do fundo da coluna no trocador de calor com re-ebulidor 374. O restante do líquido do fundo é retirado do fundo da coluna de destilação que forma um segundo fluxo de LNG 186. O primeiro fluxo de LNG 112 e o segundo fluxo de LNG 186 são expandidos, por exemplo, passando os fluxos através de válvulas J-T 114, 188 ou dilatadores turbos (não mostrados), e introduzido no tanque de armazenamento de LNG 128 do qual o produto de LNG depletado em nitrogênio 196 e o fluxo de reciclo 130 são retirados. Em uma modalidade alternativa (não mostrada), fontes de calor adicionais ou alternativas poderiam ser usadas para fornecer calor ao trocador de calor com re-ebulidor 374. Por exemplo, uma fonte de calor externa (tal como um aquecedor elétrico) poderia ser usado no lugar ou além de esfriar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 no trocador de calor com re-ebulidor.
[00119] O método e aparelho descritos na Figura 4 diferem daqueles descritos na Figura 3 em que nenhum trocador de calor com re-ebulidor 374 fornecendo fervura para a coluna de destilação 362 é usado. Do contrário, gás de extração para a coluna de destilação 362 é fornecido por um fluxo de gás de extração 331 formado de uma porção do fluxo de reciclo comprimido esfriado 142 retirado de uma localização intermediária do trocador de calor principal. Mais especificamente, na modalidade descrita na Figura 4 o fluxo de reciclo comprimido 138 é, como antes, introduzido na extremidade quente do trocador de calor principal e esfriado nas seções quente 102 e mediana 106 do trocador de calor principal para formar um fluxo de reciclo comprimido esfriado 142 (que preferivelmente neste estágio ainda é pelo menos predominantemente todo vapor). Este fluxo 142 é depois dividido, com uma porção sendo retirada do trocador de calor principal para formar o fluxo de gás de separação 331, e o restante 321 do fluxo sendo ainda esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito na seção fria 110 do trocador de calor principal para formar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 que é retirado da extremidade fria do trocador de calor principal. O fluxo de gás de separação 331 é depois expandido, por exemplo, através de uma válvula J-T 332 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo 333 no fundo da coluna de destilação 362, assim fornecendo gás de separação à coluna. O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, através de válvula J-T 146 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo expandido e parcialmente vaporizado 348 no topo da coluna de destilação 362, para separação em fases de líquido e vapor e assim fornecendo refluxo adicional à coluna.
[00120] Deve também ser observado que modalidades alternativas (não mostradas), um gás de separação para a coluna de destilação para a coluna de destilação pode ser adicional ou alternativamente gerado de outras localizações e/ou fluxos de processo. Por exemplo, dependendo das condições do processo, um fluxo de gás de separação pode ser adicional ou alternativamente tirado: do fluxo de reciclo comprimido esfriado 140 entre as seções quente 102 e medianas 106 do trocador de calor principal; formar o gás de reciclo comprimido que sai do pós-refrigerador 136 (o restante do dito gás depois formando o fluxo de reciclo comprimido 138 que é introduzido na extremidade quente do trocador de calor principal); do fluxo de alimentação de gás natural frio 108 (se ainda vapor) entre as seções medianas 106 e frias 110 do trocador de calor principal; ou da alimentação de gás natural (o restante da alimentação depois formando o fluxo de alimentação de gás natural 100 que é introduzido na extremidade quente do trocador de calor principal).
[00121] O método e aparelho descritos na Figura 5 diferem daqueles descritos na Figura 3 em que a coluna de destilação 462 tem duas seções de separação, e o fluxo esfriado, expandido e parcialmente vaporizado 360 é introduzido na coluna de destilação 462 em uma localização intermediária da coluna, entre as duas seções de separação. Refluxo para a coluna de destilação é fornecido condensando uma porção do vapor suspenso da coluna de destilação em um trocador de calor com condensador. Mais especificamente, o vapor 164 suspenso retirado do topo da coluna de destilação 462 é aquecido primeiro no trocador de calor com condensador 454. Uma porção do vapor suspenso aquecido é depois comprimida no compressor 466, esfriada no pós-refrigerador 468 (usando refrigerante tal como, por exemplo, ar ou água em temperatura ambiente), ainda esfriada e pelo menos parcialmente liquefeita no trocador de calor com condensador 454, expandida, por exemplo, através de uma válvula J-T 476, e retornada para o topo da coluna de destilação 462 fornecendo refluxo. O restante do vapor suspenso aquecido forma o produto de vapor rico em nitrogênio 170. Através do uso deste ciclo de bomba de calor de nitrogênio (envolvendo trocador de calor com condensador 454, compressor 466, e pós-refrigerador 468) para fazer o topo da coluna de destilação 462 mais frio, um produto rico em nitrogênio 170 de pureza até mais alta (por exemplo, tendo uma concentração de nitrogênio de cerca de 99,9% em mol) pode ser obtido.
[00122] O método e aparelho descritos na Figura 6 diferem daqueles descritos na Figura 1 em que a coluna de destilação 562 tem uma seção de separação, o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal não é separado em fluxos separados de vapor e líquido antes de ser introduzido e separado na coluna de destilação, e o primeiro fluxo de LNG 112 retirado da extremidade fria do trocador de calor principal é também introduzido e separado na coluna de destilação. Mais especificamente, neste método e aparelho, o primeiro fluxo de LNG 112 é expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado pela válvula J-T 114 ou um dilatador turbo (não mostrado), e é introduzido como fluxo parcialmente vaporizado 116 no fundo da coluna de destilação 562 para separação em fases de vapor e líquido, assim fornecendo também gás de extração para a coluna. O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 146 ou um dilatador turbo (não mostrado), e é introduzido como fluxo parcialmente vaporizado 148 no topo da coluna de destilação 562 para separação em fases de vapor e líquido, assim fornecendo também refluxo para a coluna. O líquido depletado em nitrogênio do fundo é retirado do fundo da coluna de destilação 562 formando o segundo fluxo de LNG 186 que, como antes, é expandido e introduzido no tanque de armazenamento de LNG 128 do qual o produto de LNG depletado em nitrogênio 196 e o fluxo de reciclo 130 são depois retirados (o segundo fluxo de LNG expandido 190 é, neste caso, o único fluxo de LNG introduzido no tanque de armazenamento de LNG 128 ou outro sistema de separação). O vapor suspenso retirado novamente do topo da coluna de destilação forma o produto de vapor rico em nitrogênio 170.
[00123] O método e aparelho descritos na Figura 7 diferem daqueles descritos na Figura 6 em que a coluna de destilação 662 tem duas seções de separação, o primeiro fluxo de LNG 112 sendo separado na coluna de destilação em fases de vapor e líquido sendo introduzido em uma localização intermediária da coluna de destilação 662, entre as duas seções de separação. Mais especificamente, o primeiro fluxo de LNG 112 é esfriado no trocador de calor com re-ebulidor 654, expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 616 ou um dilatador turbo (não mostrado), e é introduzido como fluxo parcialmente vaporizado 618 na localização intermediária da coluna de destilação 662. Nesta modalidade, o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 é também esfriado no trocador de calor com re-ebulidor 654 antes de ser expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 658 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo parcialmente vaporizado 660 no topo da coluna de destilação 662. Fervura para a coluna é fornecida aquecendo e vaporizando uma porção 682 do líquido do fundo da coluna no trocador de calor com re-ebulidor 654, o restante do líquido do fundo sendo retirado do fundo da coluna de destilação para formar o segundo fluxo de LNG 186.
[00124] O método e aparelho descritos na Figura 8 diferem daqueles descritos na Figura 1, em que o fluxo de reciclo comprimido não é introduzido na extremidade quente do trocador de calor principal, mas é introduzido do contrário em uma localização intermediária entre as seções de refrigeração do trocador de calor principal. Por via de ilustração, o trocador de calor principal neste caso também compreende apenas duas seções de refrigeração. Desse modo, neste método e aparelho, o fluxo de alimentação de gás natural 100 é introduzido e esfriado em uma seção quente 706, e o fluxo de alimentação de gás natural esfriado resultante 708 é depois liquefeito e subesfriado em uma seção fria 710 para produzir o primeiro fluxo de LNG 112. O fluxo de reciclo 192 retirado do tanque de LNG 128 primeiro aquecido em um trocador de calor com economizador 794, e o fluxo de reciclo aquecido é depois comprimido no compressor 732, esfriado no pós-refrigerador 736 (contra um meio refrescante adequado tal como, por exemplo, água ou ar em temperatura ambiente), e depois ainda esfriado no trocador de calor com economizador (por meio de troca de calor com o fluxo de reciclo inicialmente retirado 192) para fornecer um fluxo de reciclo esfriado e comprimido 740. Este fluxo de reciclo esfriado e comprimido que como resultado do esfriamento no trocador de calor com economizador está em uma temperatura similar ao fluxo de alimentação de gás natural esfriado 708, é introduzido no trocador de calor principal em uma localização intermediária entre as duas seções de refrigeração, evitando a seção quente 706 do trocador de calor principal e passando e sendo esfriado e pelo menos parcialmente liquefeito na seção fria 710 para fornecer o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144.
[00125] O método e aparelho descritos na Figura 9 diferem daqueles descritos na Figura 6 (e as outras modalidades previamente descritas) em que apenas uma porção do fluxo de alimentação de gás natural é liquefeita e retirada do trocador de calor principal como o primeiro fluxo de LNG, outra porção do fluxo de alimentação de gás natural que é retirado como um segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito. Mais especificamente, na modalidade descrita na Figura 9 o fluxo de alimentação de gás natural liquefeito 108 retirado da seção mediana ou intermediária 106 do trocador de calor principal não é enviada direcionada à seção fria 110 do trocador de calor principal. Do contrário, o fluxo é expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 850 (ou qualquer outro dispositivo de expansão adequado, tal como por exemplo um dilatador turbo), e introduzido no separador de fase 854 onde é separado em um fluxo de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio 856 e um fluxo líquido de gás natural depletado em nitrogênio 858. Os dois fluxos são depois passados pelas passagens de refrigeração separadas na seção fria 110 do trocador de calor principal de modo que os dois fluxos são ainda esfriados, separadamente, mas em paralelo, para formar o primeiro fluxo de LNG 112 do fluxo líquido de gás natural depletado em nitrogênio 858 e o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 812 do fluxo de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio 856.
[00126] O primeiro fluxo de LNG 112, o segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 812, e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144, após serem retirados da extremidade fria do trocador de calor principal, são depois todos enviados para a coluna de destilação 862 para serem separados em fases de vapor e líquido. A coluna de destilação 862 nesta circunstância compreende duas seções de separação. O primeiro fluxo de LNG 112 (que neste exemplo tem a concentração de nitrogênio mais baixa dos fluxos 112, 812 e 144) é expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 114 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo 116 parcialmente vaporizado no fundo da coluna de destilação 862, assim fornecendo também gás de extração para a coluna. O segundo fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 812 é expandido e parcialmente é vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 814 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo parcial-mente vaporizado 816 em uma localização intermediária da coluna de destilação 862, entre as duas seções de separação. O primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144 (que neste exemplo tem a concentração de nitrogênio mais alta dos fluxos 112, 812 e 144) é esfriado em um trocador de calor 846, expandido e parcialmente vaporizado, por exemplo, sendo passado através da válvula J-T 848 ou um dilatador turbo (não mostrado), e introduzido como fluxo parcialmente vaporizado 860 no topo da coluna de destilação 862, assim também fornecendo refluxo para a coluna. O líquido depletado em nitrogênio do fundo é retirado do fundo da coluna de destilação 862, formando o segundo fluxo de LNG 186 que, como antes, é expandido e introduzido no tanque de armazenamento de LNG 128 do qual o produto de LNG depletado em nitrogênio 196 e o fluxo de reciclo 130 são depois retirados (o segundo fluxo de LNG expandido 190 sendo, neste caso, o único fluxo de LNG introduzido no tanque de armazenamento de LNG 128 ou outro sistema de separação). O vapor suspenso retirado novamente do topo da coluna de destilação forma um fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio 164 que neste caso é aquecido no trocador de calor 846 (por meio de troca de calor indireta com o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito 144) para fornecer um fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio aquecido 170. Nesta modalidade, o fluxo do produto de vapor rico em nitrogênio 164, 170 obtido do topo da coluna de destilação pode ser um fluxo de vapor de nitrogênio quase puro.
[00127] O método e aparelho descritos na Figura 10 diferem daqueles descritos na Figura 5 em que neste método e aparelho refrigeração adicional para o trocador de calor com condensador 454 é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado que fornece refrigeração para o trocador de calor principal. Figura 10 também serve, mais em geral, para ilustrar um possível sistema de refrigeração de laço fechado que pode ser usado para fornecer refrigeração ao trocador de calor principal em quaisquer das modalidades anteriores da invenção.
[00128] Mais especificamente, e como ilustrado na Figura 10, refrigeração para o trocador de calor principal pode ser fornecida, por exemplo, por um sistema de refrigerante misturado simples (SMR). Neste tipo de sistema de laço fechado, o refrigerante misturado que é circulado consiste em uma mistura de componentes, tais como uma mistura de nitrogênio, metano, etano, propano, butano e isopentano. Também por via de ilustração, cada umas das seções de refrigeração 106 e 110 do trocador de calor principal é , neste exemplo, uma unidade trocadora de calor do tipo de bobina enrolada. Refrigerante misturado aquecido 950 que sai da extremidade quente do trocador de calor principal é comprimido no compressor 952 para formar um fluxo comprimido 956. O fluxo comprimido é depois passado por um pós- refrigerador para esfriar e em parte condensar o fluxo, e é depois separado em um separador de fase em fluxos de vapor 958 e líquido 906. O fluxo de vapor 958 é ainda comprimido no compressor 960 e esfriado e parcialmente condensado para formar um fluxo de refrigerante misturado de pressão alta 900 em temperatura ambiente. Os pós-refrigeradores podem usar qualquer coletor de calor ambiente adequado, tal como ar, água doce, água do mar ou água de uma torre de refrigeração evaporativa.
[00129] O fluxo de refrigerante misturado de pressão alta 900 é separado em um separador de fase em fluxo de vapor 904 e um fluxo líquido 920. Os fluxos líquidos 902 e 906 são depois subesfriados na seção quente 102 do trocador de calor principal, antes de serem reduzidos em pressão e combinados para formar fluxo de refrigerante frio 928 que é passado através do lado do invólucro da seção quente 102 do trocador de calor principal onde é vaporizado e aquecido para fornecer refrigeração à dita seção. Fluxo de vapor 904 é esfriado e em parte liquefeito na seção quente 102 do trocador de calor principal, saindo como fluxo 908. O fluxo 908 é depois separado em um separador de fase em fluxo de vapor 912 e fluxo líquido 910. Fluxo líquido 910 é subesfriado na seção mediana 106 do trocador de calor principal, e depois reduzido em pressão para formar o fluxo de refrigerante frio 930 que é passado através do lado do invólucro da seção mediana 106 do trocador de calor principal onde é vaporizado e aquecido para fornecer refrigeração à dita seção. Fluxo de vapor 912 é condensado e subesfriado nas seções frias medianas 106 e 110 do trocador de calor principal que sai como o fluxo 914. O fluxo 914 é expandido para fornecer pelo menos fluxo de refrigerante frio 932 que é passado através do lado do invólucro da seção fria 110 do trocador de calor principal onde é vaporizado e aquecido para fornecer refrigeração à dita seção. O refrigerante aquecido (derivado do fluxo 932) que sai do lado do invólucro da seção fria 110 é combinado com o fluxo de refrigerante 930 no lado do invólucro da seção mediana 106, onde é ainda aquecido e vaporizado fornecendo refrigerante adicional para aquela seção. O refrigerante aquecido combinado que sai do lado do invólucro da seção mediana 106 é combinado com o fluxo de refrigerante 928 no lado do invólucro de seção quente 102, onde é ainda aquecido e vaporizado fornecendo refrigerante adicional para aquela seção. O refrigerante aquecido combinado que sai do lado do invólucro da seção quente 102 foi completamente vaporizado e superaquecido em cerca de 5° C, e sai como fluxo de refrigerante misturado aquecido 950 desse modo completando a alça de refrigeração.
[00130] Como observado acima, na modalidade descrita na Figura 10 o sistema de refrigeração de laço fechado também fornece refrigeração para o trocador de calor com condensador 454 que condensa uma porção 472 do vapor suspenso 164 da coluna de destilação 462 para fornecer refluxo para a dita coluna. Isto é alcançado dividindo o refrigerante misturado esfriado que sai do trocador de calor principal e enviando uma porção do dito refrigerante a ser aquecido no trocador de calor com condensador 454 antes de ser retornado e ainda aquecido no trocador de calor principal. Mais especificamente, o vapor de refrigerante misturado 914 que sai na extremidade fria do trocador de calor principal é dividido em duas porções, uma porção secundária 918 (tipicamente menos que 10%) e uma porção principal 916. A porção principal se expande para fornecer o fluxo de refrigerante frio 932 que é usado para fornecer refrigerante à seção fria 110 do trocador de calor principal, como descrito acima. A porção secundária 918 se expande, por exemplo, passando o fluxo através de uma válvula J-T 920 ou outra forma adequada de dispositivo de expansão (tal como, por exemplo, um dilatador turbo), para formar o fluxo de refrigerante frio 922. O fluxo 922 é depois aquecido e pelo menos em parte vaporizado no trocador de calor com condensador 454, produzindo fluxo 924 que é depois retornado para o trocador de calor principal sendo combinado com o refrigerante aquecido (derivado do fluxo 932) que sai do lado do invólucro da seção fria 110 e que entra no lado do invólucro da seção mediana 106 com o fluxo de refrigerante 930. Alternativamente, o fluxo 924 pode ser também misturado diretamente com o fluxo 930 (não mostrado).
[00131] O uso do sistema de refrigeração de laço fechado para fornecer também refrigeração para o trocador de calor com condensador 454 melhora a eficiência geral do processo minimizando as diferenças de temperatura interna no trocador com condensador 454, com o refrigerante misturado fornecendo refrigeração na temperatura apropriada onde a condensação do nitrogênio reciclado está ocorrendo. Isto é ilustrado pelas curvas de refrigeração descritas na Figura 11 que são obtidas para o trocador de calor com condensador 454 quando operado de acordo com a modalidade descrita na Figura 10 e descrita acima. Preferivelmente, a pressão de descarga do compressor 466 é escolhida de modo que a porção comprimida e aquecida do vapor suspenso 472 que é para ser esfriado no trocador de calor com condensador 454 apenas condensa-se em uma temperatura acima da temperatura na qual o refrigerante misturado vaporiza-se. O vapor suspenso 164 retirado da coluna de destilação 462 pode entrar no trocador de calor com condensador 454 em seu ponto de orvalho (cerca de -159° C), e ser aquecido para condição quase ambiente. Após remoção do produto de vapor rico em nitrogênio 170, o vapor suspenso restante é depois comprimido no compressor 466, esfriado no pós- refrigerador 468 para temperatura quase ambiente e retornado para o trocador de calor com condensador 454 a ser esfriado e condensado, fornecendo refluxo para a coluna de destilação 462, como previamente descrito.
EXEMPLO
[00132] Para ilustrar a operação da invenção, o processo descrito e ilustrado na Figura 1 foi seguido para obter um fluxo de vazão de nitrogênio com apenas 1 % em mol de metano e um produto de gás natural liquefeito com apenas 1 % em mol de nitrogênio. A composição de gás de alimentação era como mostrada na Tabela 1. As composições dos fluxos primários são dadas na Tabela 2. Os dados foram gerados usando software ASPEN Plus. Como pode ser visto dos dados na Tabela 2, o processo é capaz de efetivamente remover o nitrogênio do fluxo de gás natural liquefeito e fornecer um produto de LNG vedável como também um fluxo de nitrogênio que pode ser liberado.
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[00133] Será apreciado que a invenção não é restrita aos detalhes descritos acima com referência às modalidades preferidas, mas que numerosas modificações e variações podem ser feitas sem abandono do espírito ou escopo da invenção como definido nas reivindicações a seguir.

Claims (12)

1. Método para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio que compreende: (a) passar um fluxo de alimentação de gás natural (100) através de um trocador de calor principal (102, 106, 110) para esfriar o fluxo de alimentação de gás natural e liquefazer todo ou uma porção do dito fluxo de alimentação de gás natural, assim produzindo um primeiro fluxo de LNG (112); (b) retirar o primeiro fluxo de LNG (112) do trocador de calor principal (102, 106, 110); (c) (i) expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de LNG (112) e introduzir dito fluxo (116) em uma coluna de destilação (562) para separar o fluxo em fases de vapor e líquido; (d) (ii) formar um segundo fluxo de LNG (186) a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação (562); (e) (iii) expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo de LNG (186) para formar um produto LNG depletado em nitrogênio (196) e um fluxo de reciclo (130) composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio; (f) comprimir o fluxo de reciclo (130) para formar um fluxo de reciclo comprimido (134, 138); (g) passar o fluxo de reciclo comprimido (138) através do trocador de calor principal (102, 106, 110), separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural (100), para esfriar o fluxo de reciclo comprimido (138) e pelo menos parcialmente liquefazer todo ou uma porção do mesmo, assim produzindo um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144); (h) retirar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) do trocador de calor principal (102, 106, 110); e (i) expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) e introduzir o dito fluxo (148) em uma coluna de destilação (562) para separar o fluxo em fases de vapor e líquido, e formar o produto de vapor rico em nitrogênio (164, 170) a partir do vapor suspenso retirado da coluna de destilação (562); caracterizado pelo fato de que o primeiro fluxo de LNG (112, 116) é introduzido na coluna de destilação (562) em uma localização abaixo da localização na qual o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144, 148) é introduzido na coluna (562).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa (c) (iii) compreende expandir o segundo fluxo de LNG (186), transferir o segundo fluxo LNG expandido (190) para um tanque de armazenamento de LNG (128) em que uma porção do LNG vaporiza-se, assim formando um vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e o produto de LNG depletado em nitrogênio (196), e retirar o vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio do tanque para formar o fluxo de reciclo (130).
3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a fervura para a coluna de destilação (162, 662) é fornecida pelo aquecimento e vaporização de uma porção do líquido do fundo (182, 682) em um trocador de calor de re-ebulidor (174, 654) por meio de troca de calor indireta com todos ou uma porção do primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144, 172) antes da introdução do dito fluxo (160, 180, 660) na coluna de destilação (162, 662).
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144, 148, 160, 180) é introduzido no topo da coluna de destilação (162, 562), ou na coluna de destilação (162) em uma localização intermediária da coluna.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) é expandido, parcialmente vaporizado e separado em fluxos separados de vapor (152) e líquido (172) antes de ser introduzido na coluna de destilação (162), o fluxo líquido (172, 180) sendo introduzido na coluna de destilação (162) em uma localização intermediária, e o fluxo de vapor (152) sendo esfriado e pelo menos parcialmente condensado no trocador de calor com condensador (154), por meio de troca de calor indireta com o vapor suspenso (164) retirado da coluna (162), e depois sendo introduzido no topo da coluna (162).
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o método adicionalmente compreende reciclar uma porção (165) do produto de vapor rico em nitrogênio (164) adicionando a dita porção (165,168) ao fluxo de reciclo (192) obtido na etapa (c) antes da compressão do fluxo de reciclo (130) na etapa (d).
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor principal (102, 106, 110) compreende uma extremidade quente à qual o fluxo de alimentação de gás natural (100) e fluxo de reciclo comprimido (138) são introduzidos em paralelo, e uma extremidade fria da qual o primeiro fluxo de LNG (112) e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) são retirados em paralelo.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor principal (706, 710) compreende uma extremidade quente à qual o fluxo de alimentação de gás natural é introduzido (100), e uma extremidade fria da qual o primeiro fluxo de LNG (112) e o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) são retirados em paralelo, o fluxo de reciclo comprimido (740) sendo introduzido no trocador de calor principal (706, 710) em uma localização intermediária entre as extremidades quente e fria do trocador de calor.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a refrigeração para o trocador de calor principal (102, 106, 110) é fornecida por um sistema de refrigeração de laço fechado, o refrigerante circulado pelo sistema de refrigeração de laço fechado passando e sendo aquecido no trocador de calor principal.
10. Aparelho para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio que compreende: um trocador de calor principal (102, 106, 110) tendo passagens de refrigeração para receber um fluxo de alimentação de gás natural (100) e passar dito fluxo através do trocador de calor para esfriar o fluxo e liquefazer todo ou uma porção do fluxo para produzir um primeiro fluxo de LNG (112), e para receber um fluxo de reciclo comprimido (138) composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e passar dito fluxo através do trocador de calor para esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo para produzir um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144), em que as ditas passagens de refrigeração são dispostas para passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural; um sistema de refrigeração para suprir refrigerante para o trocador de calor principal (102, 106, 110) para esfriar as passagens de refrigeração; um primeiro sistema de separação (114, 118), em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal (102, 106, 110), para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG (112) para formar um fluxo de LNG depletado em nitrogênio (122) e um fluxo de gás de separação (120) composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio; um segundo sistema de separação (124, 128), em comunicação de fluxo fluido com o primeiro sistema de separação (114, 118), para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o fluxo de LNG depletado em nitrogênio (122) para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio (196) e um fluxo de reciclo composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio (192, 130); um compressor (132), em comunicação de fluxo fluido com o segundo sistema de separação (124, 128) e o trocador de calor principal (102, 106, 110), para receber o fluxo de reciclo (130), comprimir o fluxo de reciclo para formar o fluxo de reciclo comprimido (134, 138), e retornar o fluxo de reciclo comprimido para o trocador de calor principal; e um terceiro sistema de separação (146, 158, 178, 162) em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal (102, 106, 110) e o primeiro sistema de separação (114, 118), para receber o fluxo de gás de separação (120, 123) e para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) para formar um produto de vapor rico em nitrogênio (164, 170), em que o terceiro sistema de separação compreende um dispositivo de expansão (146, 158, 178) para expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) e uma coluna de destilação (162), caracterizado pelo fato de que a dita coluna separa o dito fluxo (160, 180) em fases de vapor e líquido, o fluxo de gás de separação (120, 123) sendo introduzido no fundo da coluna de destilação (162) e o produto de vapor rico em nitrogênio (164, 170) sendo formado a partir do vapor suspenso retirado da coluna de destilação (162).
11. Aparelho para produzir um produto de LNG depletado em nitrogênio que compreende: um trocador de calor principal (102, 106, 110) tendo passagens de refrigeração para receber um fluxo de alimentação de gás natural (100) e passar dito fluxo através do trocador de calor para esfriar o fluxo e liquefazer todo ou uma porção do fluxo para produzir um primeiro fluxo de LNG (112), e para receber um fluxo de reciclo comprimido (138) composto de vapor de gás natural enriquecido em nitrogênio e passar dito fluxo através do trocador de calor para esfriar e pelo menos parcialmente liquefazer o fluxo para produzir um primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144), em que as ditas passagens de refrigeração são dispostas para passar o fluxo de reciclo comprimido através do trocador de calor separadamente e em paralelo com o fluxo de alimentação de gás natural; um sistema de refrigeração para suprir refrigerante para o trocador de calor principal (102, 106, 110) para esfriar as passagens de refrigeração; um primeiro sistema de separação (146, 114, 562), em comunicação de fluxo fluido com o trocador de calor principal (102, 106, 110), para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144) para formar um produto de vapor rico em nitrogênio (164, 170) e para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o primeiro fluxo de LNG (112) para formar um segundo fluxo de LNG (186), em que o primeiro sistema de separação compreende um dispositivo de expansão (146) para expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (144), um dispositivo de expansão (114) para expandir e parcialmente vaporizar o primeiro fluxo de LNG (112), e uma coluna de destilação (562) para separar ditos fluxos (148, 116) em fases de vapor e líquido, em que o primeiro fluxo de LNG (116) é introduzido na coluna de destilação (562) em uma localização abaixo da localização na qual o primeiro fluxo de gás natural enriquecido em nitrogênio pelo menos parcialmente liquefeito (148) é introduzido na coluna (562), o produto de vapor rico em nitrogênio (164, 170) sendo formado a partir do vapor suspenso retirado da coluna e destilação e (562) o segundo fluxo de LNG (186) sendo formado a partir do líquido do fundo retirado da coluna de destilação (562); um segundo sistema de separação (188, 128), em comunicação de fluido com o primeiro sistema de separação (146, 114, 562), caracterizado pelo fato de que é para receber, expandir, parcialmente vaporizar e separar o segundo fluxo LNG (186) para formar um produto de LNG depletado em nitrogênio (196) e um fluxo de reciclo (130) composto de vapor de gás natural enriquecido com nitrogênio; um compressor (132), em comunicação de fluxo fluido com o segundo sistema de separação (188, 128) e um trocador de calor principal (102, 106, 110), para receber o fluxo de reciclo (130), comprimir o fluxo de reciclo para formar o fluxo de reciclo comprimido (134, 138), e retornar o fluxo de reciclo comprimido (138) para o trocador de calor principal (102, 106, 110).
12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o sistema de refrigeração é um sistema de refrigeração de laço fechado, e o segundo sistema de separação compreende um dispositivo de expansão (124, 188) e um tanque de LNG (128).
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