BR102015019584B1 - Processo para resfriar uma fração rica em hidrocarboneto contra um circuito de refrigerante no qual um refrigerante flui - Google Patents

Processo para resfriar uma fração rica em hidrocarboneto contra um circuito de refrigerante no qual um refrigerante flui Download PDF

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Abstract

processo para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos. a presente invenção descreve um processo para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos, especialmente de gás natural, contra um circuito de agente de refrigeração. nisso, o agente de refrigeração comprimido é dividido em três correntes de agente de refrigeração (4, 8, 10). ao passo que a primeira corrente parcial (4) é expandida rendendo trabalho em um expander quente (x1) e a segunda corrente parcial (8), em um expander frio (x2), a terceira corrente parcial (10) é expandida rendendo trabalho (v1) no nível de temperatura mais baixo. disso resulta que o ponto operacional do expander frio desloca-se de tal modo que o rendimento de frio dos dois expanders (x1, x2) situa-se em uma relação entre 40/60 e 60/40.

Description

[001] A presente invenção se refere a um processo para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos, especialmente de gás natural.
[002] Para a liquefação de frações de gás ricas em hidrocarbonetos, especialmente de gás natural, são usados, entre outros, processos onde a expansão rendendo trabalho de gases é aproveitada para a produção de frio. Para aumentar o rendimento termodinâmico e, por conseguinte, a redução do consumo de energia específico, pode ser usada mais do que uma turbina de expansão. A característica comum desses chamados “processos de mais expansão” [Mehr-Expanderprozess] é o providenciamento separado do frio de ponta (temperatura do agente de refrigeração mais baixa) exclusivamente através do calor sensível de uma corrente de gás esfriada por meio da expansão rendendo trabalho, e independentemente disso, o fornecimento da maior parte da potência de frio necessária na sua totalidade em um nível de temperatura mais alto através do uso de pelo menos mais uma turbina de expansão. Tais processos de expansão são conhecidos, por exemplo, na US 5,768,912, que revela um chamado processo de expansão dupla de N2, e na US 6,412,302, que descreve um chamado processo de expansão de N2-CH4.
[003] O expansor operado no nível mais baixo de temperatura, porém, apenas contribui com cerca de 25 %, tipicamente menos do que 20 %, para a produção total de frio. Em virtude disso, a grande parte da emissão de frio permanece no ou nos expansores a quente, contanto que sejam usados mais do que dois expansores.
[004] A presente invenção tem a tarefa de indicar um processo para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos, especialmente de gás natural, onde o rendimento de frio com o uso de dois expansores pode ser mais uniformemente distribuído - no caso, a relação preferencialmente deve ser de 40/60 até 60/40 - a fim de, com o porte máximo definido dos expansores, aumentar a capacidade do processo de liquefação sem o uso de expansores paralelos. Além disso, deve ser dispensado o uso de circuitos de frio separados, como é descrito na US 6,412,302 acima mencionada, a fim de manter baixos os custos de investimento.
[005] Para a solução desta tarefa é sugerido um processo para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos, especialmente de gás natural, contra um circuito de agente de refrigeração, onde a) a fração rica em hidrocarbonetos é esfriada em três áreas de trocador de calor contra o agente de refrigeração do circuito de agente de refrigeração; b) o agente de refrigeração é comprimido e em seguida é derivada uma primeira corrente parcial, ao passo que a corrente de agente de refrigeração restante é esfriada na primeira área de trocador de calor contra si mesma até uma temperatura que, de preferência, é pelo menos 3 °C, preferencialmente pelo menos 5 °C, acima da temperatura crítica do agente de refrigeração; c) a primeira corrente parcial é expandida rendendo trabalho; d) a corrente de agente de refrigeração restante esfriada é dividida em uma segunda e uma terceira corrente parcial; e) a segunda corrente parcial é expandida rendendo trabalho, sendo que a pressão e a temperatura são selecionadas de tal modo que na expansão rendendo trabalho não ocorre nenhum líquido; f) a terceira corrente parcial é esfriada na segunda e na terceira área de trocador de calor contra a segunda corrente parcial expandida rendendo trabalho, e contra si mesmo, até que na expansão seguinte surge um teor de líquido de pelo menos 90 % em mol, de preferência, pelo menos 95 % em mol; g) a terceira corrente parcial expandida de duas fases é evaporada na terceira área de trocador de calor pelo menos parcialmente, de preferência, completamente; h) a segunda corrente parcial expandida rendendo trabalho é adicionada por meio de mistura à terceira corrente parcial, e a corrente de agente de refrigeração assim formada é aquecida mais na segunda área de trocador de calor; i) à corrente de agente de refrigeração aquecida é adicionada a primeira corrente parcial expandida rendendo trabalho, e a corrente de agente de refrigeração, antes de ser novamente comprimida, é aquecida mais na primeira área de trocador de calor.
[006] O processo de acordo com a presente invenção para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos apresenta agora também um expansor a quente e um expansor a frio, onde as correntes de agente de refrigeração são expandidas rendendo trabalho. Porém, ao contrário daquele dos processos que fazem parte do estado da técnica, o expansor não é mais usado para a produção do frio máximo. Isto tem como consequência que o ponto de operação do expansor a frio se desloca de tal modo que o rendimento de frio dos dois expansores agora está na relação desejada entre 40/60 e 60/40. Isto torna possível, no caso de um porte máximo definido dos expansores, aumentar a capacidade da instalação sem o uso de expansores paralelos em comparação com os processos que fazem parte do estado da técnica.
[007] De acordo com uma outra execução vantajosa do processo de acordo com a presente invenção, é usada uma mistura como agente de refrigeração que, além de nitrogênio e metano, compreende pelo menos mais um componente do grupo CO, Ar, O2, Kr, Xe, C2H4 e C2H6, sendo que o nitrogênio é contido com uma concentração de pelo menos 50 % em mol, de preferência, de pelo menos 60 % em mol, e o metano, com uma concentração de pelo menos de 10 % em mol, de preferência, de pelo menos 20 % em mol.
[008] Do ponto de vista energético é vantajoso manter a pressão de sucção do compressor necessário para a compressão do agente de refrigeração a mais alta possível. Quando se pretende evitar líquido na segunda corrente parcial de agente de refrigeração expandida rendendo trabalho e ao mesmo tempo manter o máximo de líquido na terceira corrente parcial de agente de refrigeração expandida, surgem determinadas condições gerais que são atendidas de maneira ótima com a composição do agente de refrigeração sugerido.
[009] Em aperfeiçoamento do processo de acordo com a presente invenção para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos é sugerido que o agente de refrigeração seja comprimido até pelo menos 500 kPa (5 bar), de preferência, a pelo menos 1000 kPa (10 bar) acima da pressão crítica. Com esta execução do processo é evitado o estado bifásico do agente de refrigeração na área de alta pressão, e a capacidade de carga parcial é aprimorada.
[0010] O processo de acordo com a presente invenção para o esfriamento de uma fração rica em hidrocarbonetos e outras execuções vantajosas do mesmo serão explicados mais detalhadamente a seguir com a ajuda do exemplo de execução mostrado na figura 1.
[0011] A fração de gás A rica em hidrocarbonetos a ser esfriada é esfriada nos trocadores de calor ou nas áreas de trocadores de calor E1, E2 e E3, nisso eventualmente é liquefeita e super-refrigerada, ou a uma pressão acima da pressão crítica, sem troca de fases, é transformada em um fluido de alta densidade. Nisso, a fração a ser liquefeita é esfriada tanta (corrente B) que depois da expansão na válvula V2 até uma pressão de no máximo 500 kPa (5 bar), de preferência, no máximo de 150 kPa (1,5 bar), surge predominantemente líquido, sendo que a fração de líquido é de pelo menos 85 % em mol, de preferência, pelo menos 90 % em mol.
[0012] O circuito de frio que serve para o esfriamento da fração rica em hidrocarbonetos A apresenta, além de um compressor C1 de um ou vários estágios, dois expansores X1 e X2 e uma válvula de expansão V1. No exemplo de execução mostrado na figura 1, o agente de refrigeração 1 que circula neste circuito de refrigeração é comprimido em vários estágios C1, sendo que são previstos os respectivos refrigeradores intermediários e posteriores E4 e E5. O agente de refrigeração 3 comprimido até a pressão de circuito desejada é dividido em uma primeira corrente parcial 4 e uma corrente parcial de agente de refrigeração 6. A primeira corrente parcial 4 é expandida rendendo trabalho no chamado expansor a quente X1 e através da linha 5 é conduzida à corrente de agente de refrigeração 12 ainda a ser descrita. Nisso, a primeira corrente parcial 4 preferencialmente é expandida para uma pressão levemente acima da pressão de sucção do compressor C1. A diferença de pressão entre a saída do expansor a quente X1 e a entrada do compressor C1, tipicamente, é inferior a 100 kPa (1 bar) e é causada pela queda de pressão nos equipamentos e tubulações. A corrente parcial do agente de refrigeração 6, na primeira área de trocador de calor E1, é refrigerada até uma temperatura que fica pelo menos 3 °C, de preferência, pelo menos 5 °C, acima da temperatura crítica do agente de refrigeração.
[0013] A corrente de agente de refrigeração 7 assim refrigerada agora é dividida em uma segunda corrente parcial 8 e uma terceira corrente parcial 10. A segunda corrente parcial é expandida rendendo trabalho no chamado expansor a frio X2, sendo que a pressão e a temperatura são selecionadas de tal modo que na expansão rendendo trabalho não ocorre nenhum líquido. Novamente a expansão ocorre para uma pressão levemente acima da pressão de sucção do compressor C1.
[0014] A terceira corrente parcial 10 é esfriada na segunda e terceira área de trocador de calor E2 e E3 contra uma segunda corrente parcial 9 expandida rendendo trabalho e contra si mesmo, tanto que na expansão subsequente da terceira corrente parcial 11 esfriada na válvula de expansão V1 é regulada uma fração de líquido de pelo menos 90 % em mol, de preferência, de pelo menos 95 % em mol.
[0015] Em seguida, a corrente parcial 11 expandida bifásica é evaporada pelo menos parcialmente, de preferência completamente, na terceira área de trocador de calor E3. Na extremidade quente da área de trocador de calor E3 é adicionada a ela a segunda corrente parcial expandida, e a corrente de agente de refrigeração assim formada é aquecida ainda mais na segunda área de trocador de calor E3. A esta corrente de agente de refrigeração 12 é adicionada, por último, a corrente parcial 5 que foi expandida rendendo trabalho, antes de que toda a corrente de agente de refrigeração, antes da sua nova compressão C1, é aquecida na área de trocador de calor E1 até a temperatura ambiente.
[0016] O rendimento mecânico de um dos ou dos dois expansores X1 e X2 pode ser usado seletivamente para o acionamento de geradores ou para o acionamento de compressores de reforço que aliviam o compressor de circuito C1. Os compressores de reforço podem estar conectados em série ou em paralelo, e podem ser usados antes ou depois do compressor C1.
[0017] Como trocadores de calor E1, E2 e E3 são apropriados todos os tipos que possibilitam uma contracorrente para a troca de calor. Como é mostrado na figura 1, as (áreas) de trocador de calor E2 e E3 podem ser construídas em uma execução específica, onde os feixes de trocadores de calor E2 e E3 são montados em um reservatório sob pressão comum D, onde no lado do invólucro são aquecidas as correntes de agente de refrigeração 9 e 11 expandidas.
[0018] Contanto que a fração de gás a ser refrigerada contém componentes (pesados) que não são desejados no produto final, a fração rica em hidrocarbonetos esfriada B pode ser submetida, entre as (áreas) de trocador de calor E1 e E2, a uma remoção destes componentes, por exemplo, por meio de separação ou lavagem.

Claims (10)

1. Processo para resfriar uma fração rica em hidrocarboneto contra um circuito de refrigerante no qual um refrigerante flui, que compreende: (a) resfriar a fração rica em hidrocarbonetos (A) em três áreas de troca de calor (E1, E2, E3) contra o refrigerante do circuito de refrigerante, (b) comprimir o refrigerante (C1) para formar um refrigerante comprimido, (c) dividir o refrigerante comprimido em uma primeira corrente parcial (4) e uma corrente de refrigerante residual (6), (d) resfriar a corrente residual de refrigerante na primeira área de troca de calor (E1) contra si mesma a uma temperatura que seja pelo menos 3 °C acima da temperatura crítica do refrigerante, (e) expandir produtivamente (X1) a primeira corrente parcial (4), (f) dividir a corrente de refrigerante residual (7) resfriada em uma segunda corrente parcial (8) e um terceiro corrente parcial (10), o referido processo sendo caracterizado pelo fato de que compreende: (g) expandir produtivamente (X2) a segunda corrente parcial (8) em um estágio final de expansão para formar uma segunda corrente parcial com produção expandida, sendo que pressão e temperatura são selecionadas de tal maneira que nenhum líquido surja durante o estágio final de expansão produtiva (X2), (h) resfriar a terceira corrente parcial (10) na segunda e terceira áreas de troca de calor (E2, E3) para formar uma terceira corrente parcial resfriada, (i) expandir (V1) a terceira corrente parcial resfriada para obter uma terceira corrente parcial bifásica expandida (11) apresentando uma expansão subsequente, sendo que é estabelecida uma fração líquida de pelo menos 90 mol%, (j) alimentar a terceira corrente parcial de duas fases (11) expandida na terceira área de troca de calor (E3), de modo que atue para resfriar a terceira corrente parcial a jusante na terceira área de troca de calor, sendo que na terceira área de troca de calor a terceira corrente parcial de duas fases expandida é pelo menos parcialmente vaporizada na terceira área de troca de calor, (k) sendo que a segunda corrente parcial com produção expandida (9) se combina com a terceira corrente parcial pelo menos parcialmente vaporizada, e a corrente de refrigerante assim formada é ainda mais aquecida na segunda área de troca de calor (E2) para formar uma corrente de refrigerante aquecida (12), (l) adicionar o primeiro corrente parcial com produção expandida (5) à corrente de refrigerante aquecida (12) , e (m) aquecer a corrente de refrigerante na primeira área de troca de calor (E1) antes que a corrente de refrigerante seja submetida novamente à compressão (C1) da etapa (b).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fração rica em hidrocarbonetos é gás natural.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura na etapa (b) é pelo menos 5 °C acima da temperatura crítica do refrigerante.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na etapa (f) uma fração líquida de pelo menos 95% em mol é estabelecida.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na etapa (g) a terceira corrente parcial bifásica expandida é completamente vaporizada.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma mistura na qual, além de nitrogênio e metano, compreende ainda pelo menos um componente selecionado a partir do grupo que consiste de CO, Ar, O2, Kr, Xe, C2H4 e C2H6, é utilizada como refrigerante, sendo que o nitrogênio está presente em uma concentração de pelo menos 50% em mol, e o metano está presente em uma concentração de pelo menos 10% em mol.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o nitrogênio está presente em uma concentração de pelo menos 60% em mol.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o metano está presente em uma concentração de pelo menos 20 mol%.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na etapa (b) o refrigerante é comprimido a pelo menos 500 kPa (5 bar) acima da pressão crítica do refrigerante (C1).
10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que na etapa (b) o refrigerante é comprimido a pelo menos 1000 kPa (10 bar) acima da pressão crítica do refrigerante (C1).
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