BRPI0518128B1

BRPI0518128B1 - Método para resfriar um gás para liquefação

Info

Publication number: BRPI0518128B1
Application number: BRPI0518128-3A
Authority: BR
Inventors: Edward Howard Henry
Original assignee: Praxair Technology, Inc.
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2018-06-19
Also published as: CN100554837C; CN101040159A; US7134296B2; CA2583724A1; BRPI0518128A; WO2006044450A2; WO2006044450A3; CA2583724C; US20060075776A1

Abstract

método para resfriar um gás para liquefação. um método para gerar refrigeração para resfriar um gás produto, em que um primeiro gás, ou gás de trabalho, é submetido a uma expansão em estágios para uma primeira temperatura e depois do aquecimento é submetido a uma turboexpansão subseqúente para uma segunda temperatura mais alta e tanto o gás expandido como o gás turboexpandido proporcionam resfriamento ao gás produto.

Description

(54) Título: MÉTODO PARA RESFRIAR UM GÁS PARA LIQUEFAÇÃO (51) Int.CI.: F25J 1/00 (30) Prioridade Unionista: 13/10/2004 US 10/962,667 (73) Titular(es): PRAXAIR TECHNOLOGY, INC.

(72) Inventor(es): HENRY EDWARD HOWARD

“MÉTODO PARA RESFRIAR UM GÁS PARA LIQUEFAÇÃO” CAMPO TÉCNICO

Esta invenção diz respeito no geral à provisão de resfriamento a um gás para a liquefação desse gás, e é particularmente aplicável para prover resfriamento ao gás natural para a produção subseqüente de gás natural liquefeito.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A geração de refrigeração para o resfriamento de gás para subseqüente liquefação é cara e de alto consumo de energia. Em algumas situações, tal como a passagem de gás natural em uma linha de transmissão, energia de pressão é disponível para a geração de refrigeração para o resfriamento do gás. É desejável ter um método eficiente para utilizar energia de pressão para gerar refrigeração para resfriamento de uma corrente de gás para subseqüente liquefação.

Dessa maneira, é um objetivo desta invenção prover um método melhorado para utilizar energia de pressão para gerar refrigeração para resfriar uma corrente de gás para subseqüente liquefação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Os objetivos apresentados e outros mais, que ficarão aparentes aos versados na técnica mediante leitura desta revelação, são alcançados pela presente invenção, que é:

Um método para resfriamento de um gás para liquefação, compreendendo:

(A) resfriar um gás de trabalho e expandir o gás de trabalbo resfriado para fornecer um gás expandido a uma primeira temperatura;

(B) aquecer o gás expandido para fornecer resfriamento a um gás produto;

(C) turboexpandir pelo menos uma parte do gás expandido aquecido para fornecer gás turboexpandido a uma segunda temperatura que é

maior que a primeira temperatura; e (D) aquecer o gás turboexpandido para fornecer resfriamento ao gás de trabalho e ao gás produto.

Na forma aqui usada, o termo expansão Joule-Thomson significa expansão que emprega um dispositivo de pressão isoentálpica que tipicamente pode ser uma válvula de estrangulamento, orifício ou tubo capilar.

Na forma aqui usada, o termo turboexpansão significa uma expansão que emprega um dispositivo de expansão que produz trabalho de eixo. Tal trabalho de eixo é produzido pela rotação de um eixo induzida pela despressurização de um fluido através de um ou mais condutos de fluido conectados ao eixo, tal como uma roda de turbina.

Na forma aqui usada, o termo troca de calor indireta significa colocar os dois fluidos em relação de troca de calor sem nenhuma mistura dos fluidos entre si.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DQ DESENHO

A única figura é uma representação simplificada de uma modalidade preferida do método de resfriamento de gás desta invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA

Em geral, esta invenção está voltada para um método para gerar refrigerante para gás de resfriamento, em que a refrigeração é gerada por uma expansão e subseqüente turboexpansão sequencial de um gás de trabalho. Pelo uso da expansão em estágios definida, o efeito de refrigeração da redução de pressão é distribuído por uma faixa de temperatura mais ampla do que com a prática convencional, resultando em maior eficiência de resfriamento. Preferivelmente, o gás de trabalho para expansão em estágios e o gás a ser resfriado têm a mesma composição. Mais preferivelmente, tanto o gás de trabalho para expansão em estágios como o gás a ser resfriado compreendem gás natural.

A invenção será descrita com mais detalhes com referência ao desenho. Referindo-se agora à figura, a primeira corrente de gás, ou gás de trabalho 100, que preferivelmente compreende gás natural, é resfriada pela passagem pelo trocador de calor 140 pela troca de calor indireta com o gás turboexpandido, conforme será descrito com mais detalhes a seguir. Tipicamente, corrente de gás de trabalho 100 está a uma pressão na faixa de 700 a 1.500 libras por polegada quadrada absoluta (psia) (4.827 e 10.343 MPa abs.). A corrente de gás resfriado 101 é em seguida resfriada ainda mais pela passagem pelo trocador de calor 150 pela troca de calor indireta com gás expandido, conforme será descrito com mais detalhes a seguir, para produzir corrente de gás de trabalho resfriado 102. A temperatura da corrente de gás de trabalho é preferivelmente abaixo da temperatura crítica do gás desta corrente de gás, ou abaixo da temperatura crítica do componente primário do gás quando o gás é uma mistura. Por exemplo, quando a corrente de gás de trabalho resfriada é gás natural, a temperatura da corrente de gás resfriado 102 é preferivelmente menor que -116,5°F (109,7°C) que é a temperatura crítica do metano.

A corrente de gás de trabalho resfriada 102 é expandida em uma primeira expansão, tal como passando pela válvula Joule-Thomson 155, para produzir uma corrente de gás expandido 103 a uma primeira temperatura, que, no caso em que a corrente de gás de trabalho compreende gás natural, é tipicamente na faixa de -120 a -200°F (-84,4 a -128,9°C). A primeira expansão pode ser com ou sem a produção de trabalho de eixo. Na modalidade da invenção ilustrada na figura, a primeira expansão é uma expansão Joule-Thomson que resulta em uma corrente bifásica 103 que passa para o separador de fases 156, em que ela é separada, com propósitos de distribuição, em corrente de vapor 104 e corrente de líquido 105, em uma passagem comum do trocador de calor 150 e subseqüentemente no trocador de calor 140. Altemativamente, correntes T04 e 105 podem ser aquecidas em

passagens separadas de cada um dos trocadores de calor 150 e 140. Embora ilustrados como elementos separados na figura, versados na técnica percebem que os trocadores de calor 150 e 140 podem ser combinados em um único núcleo.

A corrente de gás expandido é aquecida pela passagem pelo trocador de calor 150 para fornecer resfriamento ao gás produto, conforme será descrito com detalhes a seguir. A corrente de gás expandido resultante 106 é adicionalmente aquecida no trocador de calor 140 para fornecer resfriamento pela troca de calor indireta ao gás produto e também à corrente de gás de resfriamento 100.

Uma parte 107 da corrente 106, tipicamente de 30 a 60 porcento da corrente 106, é extraída depois do percurso parcial do trocador de calor 140 e passar para o turboexpansor 170 onde ele é turboexpandido para fornecer corrente de gás turboexpandida 108 que tem uma segunda temperatura que excede a primeira temperatura. Em geral, a temperatura da corrente de gás turboexpandido 108 será pelo menos 30°F (16,7°C) maior que a temperatura da corrente de gás expandido 103. Quando o gás de trabalho compreende gás natural, a temperatura da corrente de gás turboexpandido 108 é tipicamente na faixa de -30 a -100°F (-34,4 a -73,3°C).

Na modalidade da invenção ilustrada na figura, a corrente turboexpandida 108 passa para o separador de fase 175 e as frações vapor e líquido passam nas respectivas correntes 109 e 100 para uma passagem comum do trocador de calor 140. No trocador de calor 140 a corrente de gás turboexpandida é aquecida pela troca de calor indireta para fornecer resfriamento à corrente de gás de trabalho 100 e também à corrente de gás produto. A corrente de gás turboexpandida aquecida resultante 111 é extraída do trocador de calor 140 e pode ser recuperada.

Uma parte 112 da corrente de gás expandido 106 que não passa para o turboexpansor passa para o compressor 160, que é

preferivelmente acionado pelo trabalho do eixo de expansão derivado do turboexpansor 170 e ilustrado na forma representativa 162. Depois da compressão, o gás na corrente 113 pode ser resfriado no trocador de calor 161 e recuperado na corrente 114.

Gás produto na corrente 200 passa pelo trocador de calor 140 onde ele é resfriado pela troca de calor indireta com o gás expandido JouleThomson de aquecimento e também o gás turboexpandido de aquecimento. O gás produto 200 pode ter a mesma composição, ou pode ter uma composição diferente do gás de trabalho 100. Em uma modalidade particularmente preferida desta invenção, tanto o gás de trabalho 100 como gás produto 200 compreendem gás natural e são ambos retirados de uma tubulação de transmissão de gás natural de alta pressão ou poço de gás. Pelo menos, gás produto 200 pode ser derivado de uma outra fonte de gás natural ou pode ser um gás diferente, por exemplo, gás nitrogênio.

Gás produto resfriado resultante 201, que, na modalidade ilustrada na figura, é uma corrente bifásica, passa para o separador de fases 145. Um vaso similar ao vaso 145 pode ser empregado para remoção de hidrocarbonetos da corrente 101 se os constituintes da alimentação da corrente 100 puderem congelar na temperatura da corrente 103. Líquido é extraído do separador de fases 145 na corrente 202, passa pela válvula 146 e, na modalidade ilustrada na figura, passa na corrente 203 para combinação com a corrente 108 e processamento adicional como foi descrito anteriormente. Vapor é extraído do separador de fases 145 na corrente 204 e adicionalmente resfriado pela passagem pelo trocador de calor 150 pela troca de calor indireta com o primeiro gás expandido Joule-Thomson de aquecimento. A corrente de gás produto resfriado resultante 205 é então recuperada, preferivelmente, depois de passar por liquefação. A corrente de gás produto 205 pode ser despressurizada no gás natural liquefeito ou pode ser refrigerada ainda mais.

O controle de temperatura de entrada na turbina 170 é importante para a operação. Tal controle pode ser feito por meio de linhas de desvio configuradas em tomo do trocador de calor 140. Como um exemplo, gás frio expandido da entrada do trocador de calor 140 pode ser unido com uma corrente lateral (mostrada) para diminuir a temperatura de entrada da turbina. Uma opção como essa pode ser importante para controlar a temperatura na qual hidrocarbonetos mais pesados são separados da alimentação de liquefação no vaso 145. Uma opção similarmente importante para a operação envolve o controle da temperatura de entrada no compressor 160. É possível desviar uma parte do lado mais frio extraída do compressor 140 para a entrada do compressor 160. Assim procedendo, o aumento de pressão no compressor pode ser intensificado. Isto pode facilitar combinação subseqüente da descarga do compressor com o gás de alimentação de entrada 100 ou retomo à fonte de alta pressão. Um compressor acionado extemamente pode ser igualmente empregado com este propósito.

A figura representa a separação de constituintes de alto ponto de ebulição da corrente de resfriamento/liquefação 200 por meio do separador de fases 145. Os compostos condensáveis podem ser direcionados para a exaustão da turbina, conforme mostrado, ou tomados como um produto separado. Altemativamente, os hidrocarbonetos mais pesados podem ser direcionados para diversos estágios de condensação parcial e/ou destilação para produção de produtos. No caso de gás natural, tais produtos podem incluir correntes de produto LPG, propano ou butano. Além do mais, a fiação líquida obtida do vaso 175 pode também ser direcionada para tal dispositivo de recuperação (em vez da evaporação mostrada). Se necessário, um separador de fases pode ser empregado na corrente de gás de trabalho e usada para extrair hidrocarbonetos mais pesados de uma maneira comparável com a mostrada para a comente de gás produto. Em alguns casos, a comente 100 pode ser disponível a uma pressão de maneira tal que duas fases não sejam

formadas mediante redução de pressão na válvula 155. Neste cenário, o vaso de separação de fases 156 pode ser desnecessário.

Na figura, correntes 100 e 200 estão mostradas como correntes de processo separadas. Este recurso ilustra o fato de que tais correntes podem ser derivadas de diferentes fontes, ou de fato podem ser gases diferentes. Em alguns casos, os gases podem ser componentes relativamente puros. Nesta situação, dispositivo de separação de fase 175 e 145 pode ser desnecessário e pode ser excluído do processo sem perda de eficiência, No caso em que correntes 100 e 200 são derivadas da mesma fonte (por exemplo, uma tubulação de gás natural de alta pressão) um único processo integrado ou em estágios pode ser usado com propósitos de pré-tratamento. Como um exemplo, uma única corrente de alimentação pode ser alimentada a um sistema de desidratação. A desidratação poderia ser por um meio físico (resfriamento/condensação) e subseqüente adsorção, tal como adsorção com alternância de temperatura. A corrente combinada pode então ser dividida em correntes 100 e 200. A corrente de liquefação 200 pode ser tratada para remoção de CO2 em um processo separado.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para resfriar um gás para liquefação, caracterizado pelo fato de que compreende:

(A) resfriar um gás de trabalho (100) e expandir o gás de

5 trabalho resfriado (102) para fornecer um gás expandido (103) a uma primeira temperatura;

(B) aquecer o gás expandido (103) para fornecer resfriamento a um gás produto (200);

(C) turboexpandir pelo menos uma parte do gás expandido

10 (103) aquecido para fornecer gás turboexpandido (108) a uma segunda temperatura que é maior que a primeira temperatura; e (D) aquecer o gás turboexpandido (108) para fornecer resfriamento ao gás de trabalho (100) e ao gás produto (200).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo

15 fato de que o gás de trabalho (100) compreende gás natural.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás produto (200) compreende gás natural.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda temperatura excede a primeira temperatura em pelo

20 menos 30°F (16,7°C).
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira temperatura é na faixa de -120 a -200°F (-84,4 a 128,9°C), e a segunda temperatura é na faixa de -30 a -100°F (-34,4 a 73,3°C).

25 6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de trabalho resfriado (102) é expandido em uma expansão Joule-Thomson.

Petição 870180026378, de 02/04/2018, pág. 7/8

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