BRPI0808909A2 - Processo para liquefazer uma corrente de gás rica em metano. - Google Patents

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Description

“PROCESSO PARA LIQUEFAZER UMA CORRENTE DE GÁS RICA EM METANO”
REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE
Este Pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório US Número 60/927.340 depositado em 3 de maio de 2007.
CAMPO TÉCNICO
Modalidades da invenção são relativas a um processo para liquefação de gás natural e outras correntes de gás ricas em metano, e mais particularmente a um processo para produzir gás natural liqüefeito (GNL).
FUNDAMENTO
Devido a suas qualidades e conveniência de queima limpa, gás natural se tomou amplamente utilizado em anos recentes. Diversas fontes de gás natural são localizadas em áreas remotas, a grandes distâncias de mercados comerciais para o gás. Algumas vezes uma tubulação está 15 disponível para transportar gás natural produzido para um mercado comercial. Quando o transporte de tubulação não é factível, gás natural produzido é muitas vezes processado para gás natural liqüefeito (que é chamado “GNL”) para transporte até o mercado.
Ao projetar uma planta efetiva e eficiente de GNL, isto é, uma 20 instalação industrial de processo projetada para conduzir a conversão de gás natural de forma gasosa para líquida, diversos ciclos de refrigeração foram utilizados para liquefazer o gás natural por meio de resfriamento. Os três tipos mais comumente utilizados hoje em plantas de GNL são: (1) o “ciclo em cascata”, que utiliza diversos refrigerantes de componente único em 25 trocadores de calor arranjados de maneira progressiva para reduzir a temperatura do gás até uma temperatura de liquefação; (2) o “ciclo de refrigeração de multicomponentes”, que utiliza um refrigerante de multicomponentes em trocadores especialmente projetados; e (3) o “ciclo expansor”, que expande gás a partir da pressão de gás de alimentação até uma pressão baixa com uma redução correspondente em temperatura. Variantes deste último ciclo, o ciclo expansor, foram descobertas proporcionar contribuição substancial no estado da técnica, ver a WO-A-2007/021351, publicada em 22 de fevereiro de 2007. Como descrito aí utilizar uma porção 5 da corrente de gás de alimentação em uma malha de expansão de alta pressão pode contribuir com uma corrente refrigerante para tratamento de troca de calor daquele gás de alimentação, e isto permite amplamente a eliminação de refrigerantes externos ao mesmo tempo em que melhora rendimentos globais.
Contudo, embora um melhoramento significativo sobre processos da técnica precedente que utilizam ciclos de resfriamento de expansão, o processo da WO-A-2007/021351 pode ainda sofrer ineficiências termodinâmicas, particularmente onde temperaturas ambientais locais elevadas impedem a utilização efetiva de resfriamento com ar e água na temperatura ambiente para conseguir a redução efetiva nas temperaturas de gás de processo ou correntes líquidas. Onde água mais fria é teoricamente disponíveis em profundidades mais baixas de água mesmo embora as temperaturas superficiais ambientais sejam elevadas, pode haver custos significativos associados com a colocação e acesso operacional de tubulação para carregar águas profundas para uma plataforma de GNL, especificamente sistema de produção flutuante. O movimento constante de um sistema de produção flutuante coloca tensões e deformações em tubulação pivotante que se estende para baixo a partir da plataforma, criando assim problemas de estruturas de suporte. Também a quantidade de água necessária pode requerer bombas de potência elevada se a profundidade estiver muito abaixo da superfície, aumentando de maneira a óbvia com a profundidade da água de resfriamento buscada.
O objetivo para desenvolvimento de processo de liquefação de GNL é tentar corresponder (casar) a curva de resfriamento de gás natural com a curva de aquecimento do refrigerante. Para sistemas de liquefação baseados em refrigerantes, isto significa dividir o refrigerante em duas correntes que são resfriadas até temperaturas diferentes. Tipicamente a extremidade fria é resfriada por um refrigerante cuja composição é escolhida de tal modo que a curva de aquecimento corresponda melhor à curva de resfriamento de gás 5 natural para a faixa de temperatura fria. A extremidade quente é tipicamente resfriada com propano por razões econômicas, porém, novamente, um refrigerante com uma composição escolhida pode ser utilizado para corresponder melhor à curva de resfriamento de gás natural para a extremidade quente. Além disso, para processos de liquefação que operam em 10 temperaturas ambientais elevadas, o sistema de refrigeração de préresfriamento (extremidade quente) poderia se tomar excessivamente grande e caro. No processo da WO-A-2007/021351 isto pode representar mais de 70% da potência de compressão instalada. A abordagem clássica é ainda dividir a faixa de temperatura de resfriamento e adicionar outra malha de refrigeração. 15 Isto é típico do ciclo de liquefação em cascata, que envolve tipicamente três refrigerantes. Isto soma à complexidade do processo e resulta em quantidade de equipamento bem como custos aumentados.
Consequentemente, ainda existe uma necessidade por um processo de ciclo expansor de alta pressão que forneça rendimentos melhorados onde temperaturas ambientais de ar e água não fornecem resfriamento suficiente para minimizar a potência requerida e os custos com isto para o ciclo global.
Em particular, um processo que pode reduzir os requisitos de potência global de instalação de liquefação de gás natural, particularmente um que opere em temperaturas ambientais elevadas é ainda de grande interesse.
Outra informação relacionada pode ser encontrada na Publicação Internacional Número WO 2007/021351; Foglietta, J.H. e outros, “Consider Dual Independent Expander Refrigeration for LNG Production New Metodology May Enable Reducing Cost to Produce Stranded Gas”, Hydrocarbon Processing, Gulf Publishing Co., vol. 83 no. I, PP 39-44 Qaneiro de 2004; Pedido US No. US2003/089125; Patente US No.6.412.312; Patente US No.3.162.519; Patente US No. 3.323.315 e Patente Alemã No. DE19517116.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A invenção é um processo para liquefazer uma corrente de gás rica em metano, dito processo compreendendo (a) fornecer dita corrente de gás a uma pressão menor do que 1200 psia (84,36 kg/cm ); (b) retirar uma porção de dita corrente de gás para utilização como um refrigerante; (c) 10 comprimir dito refrigerante até uma pressão maior do que a sua pressão aí para fornecer um refrigerante comprimido; (d) resfriar a dito refrigerante comprimido por meio de troca de calor indireta com um fluido refrigerante na temperatura ambiente para uma temperatura de processo acima de aproximadamente 3 50Fahrenheit; (e) submeter o refrigerante comprimido 15 resfriado a resfriamento suplementar de modo a reduzir ainda mais sua temperatura, produzindo com isto um refrigerante comprimido suplementarmente resfriador; (f) expandir o refrigerante de (e) para resfriar ainda mais dito refrigerante, produzindo com isto um refrigerante expandido suplementarmente resfriado, no qual o refrigerante comprimido 20 suplementarmente resfriado de (e) está desde IO0F até 70°F (6o C até 39° C) mais frio do que dita temperatura de processo; (g) passar dito refrigerante suplementarmente resfriado e expandido até uma área de troca de calor e (h) passar dita corrente de gás de (a) através de dita área de troca de calor para resfriar no mínimo parte de dita corrente de gás por meio de troca de calor 25 indireta com dito refrigerante resfriado suplementarmente, expandido, formando com isto uma corrente de fluido resfriada. Esta corrente resfriada pode compreender gás resfriado, uma mistura de duas fases de gás e gás liqüefeito, ou gás liqüefeito sub-resfriado, dependendo da pressão do gás. Em outras modalidades para rendimentos melhorados, resfriamento suplementar pode ser fornecido depois da uma ou mais outras etapas de compressão para o refrigerante, se mais do que uma, para gases reciclados de vapor recuperados do GNL e para o próprio gás de alimentação antes de penetrar na área de troca de calor primária.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 é uma ilustração gráfica que compara utilização de potência de diferentes processos de resfriamento.
A figura 2 é um fluxograma esquemático de uma modalidade para produzir GNL de acordo com o processo desta invenção, onde resfriamento suplementar é fornecido na malha de refrigerante de alta pressão depois de resfriamento ambiente por meio de troca de calor indireta.
A figura 3 é um fluxograma esquemático de uma segunda modalidade para produzir GNL que é similar ao processo mostrado na figura
2, exceto que diversos locais de resfriamento suplementar são fornecidos para capturar rendimentos adicionais.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Modalidades da presente invenção fornecem um processo para liquefação de gás natural utilizando de maneira primária expansores de gás mais resfriamento suplementar de refrigerante externo colocado de maneira 20 estratégica para minimizar os requisitos de potência global para o processo de liquefação total de gás. Tais ciclos de liquefação requerem em adição à malha de resfriamento de alta pressão somente resfriamento suplementar que utiliza refrigerantes em malha fechada externa e tais unidades de resfriamento suplementar podem ser direcionadas de maneira otimizada para maximizar o 25 rendimento termodinâmico de um processo expansor puramente de espaço de gás para dadas condições ambientais ao mesmo tempo em que reduz os requisitos de potência global e assim potência consumida. Uma vez que processos expansores preferidos utilizam água ou ar na temperatura ambiente como a única fonte externa de fluidos de resfriamento que são utilizados para resfriamento entre estágios ou final do compressor, o processo da invenção possibilita operação melhor, mais eficiente.
O processo expansor da W02007/021351 (o Pedido 351) é representativo de um processo de liquefação de gás natural de alto rendimento. No Pedido 351 existe uma malha refrigerante que compreende genericamente uma etapa de resfriar o refrigerante por troca de calor indireta com ar ou água na temperatura ambiente depois que ele tenha sido aquecido pela etapa de comprimir a corrente de refrigerante para a pressão elevada na qual a malha expansora de alta pressão é operada. Depois que o resfriamento por troca de calor é conduzido, o refrigerante de alta pressão é então expandido em um ou mais turbo-expansores para resfriamento adicional antes de ser conduzido para um aparelho de troca de calor para resfriamento da corrente de gás de alimentação. A corrente de gás de alimentação assim resfriada se toma líquida no mínimo em parte, e é ainda resfriada se necessário, separada de quaisquer vapores de gás remanescentes e disponível como GNL.
Em no mínimo uma modalidade do Pedido 351 o processo foi encontrado ser quase tão eficiente ou menos eficiente do que um processo de refrigerante misturado padrão em temperaturas acima de aproximadamente 20 65°F. A figura 1 é uma ilustração gráfica que compara utilização de potência de diferentes processos de resfriamento. O gráfico 1 mostra potência líquida no eixo vertical Ia contra temperatura de processo no eixo horizontal lb. Observar que a temperatura de processo é genericamente alguns graus mais elevada do que a temperatura ambiente. Por exemplo, a temperatura de 25 processo pode ser desde aproximadamente 1 até aproximadamente 5°F mais quente do que a temperatura ambiente. A linha 2a representa o caso de refrigerante misturado e a linha 2b representa uma modalidade do ciclo de resfriamento pressurizado do Pedido 351. Como mostrado, o requisito de potência líquida para o ciclo de refrigerante misturado 2a parece ser mesmo mais baixo do que o requisito de potência líquida para o ciclo de resfriamento pressurizado 2b em temperaturas acima de aproximadamente 65°F.
Verificou-se que rendimentos significativos podem ser conseguidos se resfriamento suplementar adicional externo do refrigerante for 5 fornecido depois da troca de calor indireta, porém antes de expandir o refrigerante para último resfriamento, e antes de ser fornecido para a área de troca de calor onde a corrente de alimentação de gás é principalmente resfriada. Falando de maneira geral, a potência de refrigeração requerida para resfriar qualquer objeto aumenta com a temperatura ambiente crescente onde 10 o calor removido por resfriamento deva ser rejeitado. Além disto, a quantidade substancial de energia que deve ser removida para liquefazer o gás natural depende da temperatura inicial do gás - quanto mais elevada a temperatura maior a energia que deve ser removida, e assim, os requisitos de refrigeração.
Consequentemente, a potência requerida para liquefação de
GNL aumenta com a temperatura ambiente que restabelece a temperatura inicial (de processo) na corrente de alimentação e correntes de processo. A temperatura ambiente determina a temperatura inicial da corrente de alimentação de gás natural, bem como da corrente refrigerante, uma vez que 20 um meio ambiente (ar ou água) é utilizado tipicamente para o resfriamento inicial da corrente de alimentação e nos resfriadores intermediários e finais de refrigerante do compressor. Assim, as temperaturas iniciais da alimentação de gás natural e refrigerante comprimido são genericamente aproximadamente 5°F (2,8°C) acima da temperatura ambiente (por exemplo, a temperatura de 25 processo).
Para as finalidades desta descrição E reivindicações, os termos “resfriamento suplementar” e “resfriamento externo” são utilizados de maneira intercambiável, e cada um se refere a uma ou mais unidades de refrigeração que utilizam ciclos de refrigeração tradicionais com refrigerantes independente da corrente de refrigerante que está sendo processado. A vista da corrente de refrigerante que está sendo retirada da corrente de alimentação, sua faixa de temperatura está tipicamente próximo à temperatura ambiente; essencialmente qualquer dos sistemas refrigerantes externos comuns será adequado. Pacotes resfriadores convencionais são bem adequados e aumentam apenas de maneira mínima o requisito de geração de potência para toda a instalação. Os refrigerantes neste sistema de resfriamento externo podem ser qualquer dos refrigerantes conhecidos, inclusive fluorocarbonetos, por exemplo, R-134a (tetrafluorometano), R-410a (uma mistura 50/50 de difluorometano (R-32) e pentafluoroetano (R-125)), R-116 (hexafluoroetano), R-152a (difluoroetano), R-290 (propano), e R-744 (dióxido de carbono), etc. Para plataformas de GNL costa afora,onde minimizar equipamento é importante, refrigerantes não baseados em CFC (clorofluorocarboneto) podem ser utilizados para minimizar a vazão de refrigerante requerida, e assim permitir equipamento de tamanho reduzido.
Fontes de refrigeração externa requerem potência. A potência depende de dois parâmetros primários: a quantidade de refrigeração (quantidade de resfriamento requerida) e a temperatura na qual o resfriamento é requerido. Quanto mais baixa a temperatura para a qual resfriamento é 20 requerido efetuar (isto é, maior a diferença de temperatura do ambiente) mais elevada a potência de refrigeração. Além disto, quanto maiores as diferenças de temperatura do ambiente, mais elevada a carga de resfriamento (quantidade de resfriamento requerida) e consequentemente o requisito de potência. Assim, o requisito de potência para a fonte de refrigeração externa 25 aumentar rapidamente com temperaturas alvo decrescentes para a corrente de processo (ou diferença de temperatura crescente do ambiente). Para diferenças de temperatura muito grandes a potência de refrigeração externa pode se tomar uma fração significativa da potência total instalada, provocando assim uma perda do rendimento do processo global. Foi descoberto que um objetivo de resfriamento efetivo é uma redução de temperatura entre 3 O0F (17°C) e 70°F (39°C) mais baixa do que a temperatura ambiente, especialmente quando tais temperaturas ambientes e estão entre 5 0°F e IlO0F ( 10°C e 44°C).
A figura 2 ilustra uma modalidade da presente invenção na
qual uma malha expansora 5, (isto é, um ciclo expansor) e uma malha de subresfriamento 6 são utilizadas. Para clareza, a malha expansora 5 e a malha de sub-resfriamento 6 estão mostradas com linhas de largura dupla na figura 2. Nesta especificação e nas reivindicações anexas, os termos “malha” e “ciclo” 10 são utilizados de maneira intercambiável. Na figura 2 a corrente de gás de alimentação penetra no processo de liquefação em uma pressão menor do que aproximadamente 1200 psia (8273,8 kPa) ou menos do que aproximadamente 1100 psia (7584,2 kPa) ou menos do que aproximadamente 1000 psia (6894,8 kPa), ou menos do que aproximadamente 900 psia (6205,3 kPa), ou menos do 15 que aproximadamente 800 psia (5515,8 kPa), ou menos do que aproximadamente 700 psia (4826,3 kPa), ou menos do que aproximadamente 600 psia (4136,9 kPa). Tipicamente a pressão da corrente de gás de alimentação 10 será aproximadamente 800 psia (5515,8 kPa). A corrente de gás de alimentação 10 compreende genericamente gás natural que foi tratado 20 para remover contaminantes utilizando processos e equipamentos que são bem conhecidos na técnica. Opcionalmente, antes de ser passada para um trocador de calor, uma porção da corrente de gás de alimentação 10 é retirada para formar uma corrente lateral 11, fornecendo assim, como será evidente a partir da descrição a seguir, um refrigerante em uma pressão que corresponde 25 à pressão da corrente de gás de alimentação 10, a saber, qualquer uma das pressões acima, inclusive uma pressão de menos do que aproximadamente 1200 psia (8273,8 kPa). O refrigerante pode ser qualquer componente gás adequado, preferivelmente um disponível na instalação de processamento, e mais preferivelmente, como mostrado, ser uma porção do gás de alimentação rico em metano. Assim, na modalidade mostrada na figura 2, uma porção da corrente de gás de alimentação é utilizada como um refrigerante para a malha expansora 5. Embora a modalidade mostrada na figura 2 utilize uma corrente lateral que é retirada da corrente de gás de alimentação 10 antes que a 5 corrente de gás de alimentação 10 seja passada para um trocador de calor, a corrente lateral de gás de alimentação a ser utilizada como o refrigerante na malha expansora 5 pode ser retirada do gás de alimentação depois que o gás de alimentação tenha passado para uma área de troca de calor. Assim, em uma ou mais modalidades o método presente é qualquer de outras modalidade que 10 são aqui descritas, na qual a porção da corrente de gás de alimentação a ser utilizada como o refrigerante é retirada da área de troca de calor, expandida e passada de volta para a área de troca de calor para fornecer no mínimo parte da carga de refrigeração para a área de troca de calor.
A corrente lateral 11 é passada para a unidade de compressão 15 20 onde ela é comprimida até uma pressão maior do que ou igual a aproximadamente 1500 psia (10342 kPa), fornecendo assim corrente refrigerante comprimida 12. Alternativamente, a corrente lateral 11 é comprimida até uma pressão maior do que ou igual a aproximadamente 1600 psia (11031 kPa), ou maior do que ou igual a aproximadamente 1700 psia 20 (11721 kPa), ou maior do que ou igual a aproximadamente 1800 psia (12411 kPa), ou maior do que ou igual a aproximadamente 1900 psia (13100 kPa), ou maior do que ou igual a aproximadamente 2000 psia (13799 kPa), ou maior do que ou igual a aproximadamente 2500 psia (17237 kPa), ou maior do que ou igual a aproximadamente 3000 psia (20864 kPa), fornecendo assim 25 corrente refrigerante comprimida 12. Como utilizado nesta especificação que inclui as reivindicações anexas, o termo “unidade de compressão” significa qualquer tipo ou combinação de tipos similares ou diferentes de equipamento de compressão, e pode incluir equipamento auxiliar conhecido na técnica para comprimir uma substância ou mistura de substâncias. Uma unidade de compressão pode utilizar um ou mais estágios de compressão. Compressores ilustrativos podem incluir, porém não estão limitados a, tipos de deslocamento positivo, tais como compressores alternativos e rotativos, por exemplo, e tipos dinâmicos tais como compressores de escoamento centrífugo e axial, por 5 exemplo.
Depois de sair da unidade de compressão 20, a corrente refrigerante comprimida 12 é passada para o resfriador 30 onde ela é resfriada por troca de calor indireta com ar ou água ambiente para fornecer um refrigerante resfriado comprimido 12a. A temperatura da corrente refrigerante 10 comprimida 12a quando ela emerge do resfriador 30 depende das condições ambientais e do meio de resfriamento utilizado e é tipicamente desde aproximadamente 35°F (1,7°C) até aproximadamente 105°F (40,6°C). Preferivelmente onde a temperatura ambiente está em excesso de aproximadamente 50°F (10oC), preferivelmente em excesso de 15 aproximadamente 60°F (15,6°C), mais preferivelmente em excesso de aproximadamente 70°F (21,1 °C), a corrente 12a é passada adicionalmente através de uma unidade de resfriamento suplementar 30a que opera com fluidos refrigerantes externos, de tal modo que a corrente refrigerante comprimida 12b sai de dita unidade de resfriamento 30a em uma temperatura 20 que é desde aproximadamente IO0F até aproximadamente 70°F (5,6°C até 38,9°C) mais fria do que a temperatura ambiente, preferivelmente no mínimo aproximadamente 15°F (8,3°C)mais fria, mais preferivelmente no mínimo aproximadamente 20°F (11,6 ° C) mais fria. Observar que a unidade de resfriamento 30a compreende uma ou mais unidades de refrigeração externas 25 que utilizam ciclos de refrigeração tradicionais com refrigerantes externos independente da corrente refrigerante 12.
A corrente refrigerante comprimida resfriada de maneira suplementar 12b é então passada para o expansor 40 onde ela é expandida e consequentemente resfriada a corrente refrigerante expandida 13. Em uma ou mais modalidades o expansor 40 é um dispositivo de trabalho de expansão tal como uma turbina expansora de gás que produz um trabalho que pode ser extraído e utilizado separadamente por exemplo, para compressão. Uma vez que a corrente que entra 12b é mais fria do que deveria ser sem o resfriamento 5 suplementar na unidade 30a, a expansão no expansor 40 é operada com uma temperatura de entrada de refrigerante mais baixa que resulta em uma pressão de descarga mais alta da turbina e, consequentemente, requisitos de potência de compressão mais baixos. Além disto, o rendimento da unidade de troca de calor 50 melhora a partir da pressão de descarga mais alta que reduz a vazão 10 requerida da turbina expansora e assim os requisitos de potência de compressão para a malha 5.
A corrente refrigerante expandida 13 é passada para a área de troca de calor 50 para fornecer no mínimo parte da carga de refrigeração para a área de troca de calor 50. Como utilizado nesta especificação, inclusive nas 15 reivindicações anexas, o termo “área de troca de calor” significa qualquer tipo ou combinação de tipos similares ou diferentes de equipamento conhecido na técnica para facilitar a transferência de calor. Assim, uma área de troca de calor pode estar contida dentro de uma única peça de equipamento ou pode compreender áreas contidas em uma pluralidade de peças de equipamento. 20 Inversamente, diversas áreas de troca de calor podem ser contidas em uma única peça de equipamento.
Ao sair da área de troca de calor 50, a corrente refrigerante expandida 13 é alimentada para a unidade de compressão 60 para pressurização para formar a corrente 14 que é então unida com a corrente 25 lateral 11. Será evidente que uma vez que a malha expansora 5 tenha sido enchida com gás de alimentação a partir da corrente lateral 11, apenas gás de complementação para substituir perdas de vazamento é requerido, a maior parte do gás que penetra na unidade compressora 20 genericamente sendo fornecida pela corrente 14. A porção da corrente de gás de alimentação 10 que não é retirada como corrente lateral 11 é passada para a área de troca de calor 50 onde ela é resfriada no mínimo em parte por meio de troca de calor indireta com corrente refrigerante expandida 13 e se toma uma corrente fluida resfriada que pode compreender gás liqüefeito, gás resfriado e/ou fluidos de 5 duas fases que compreende ambos, ou misturas deles. Depois de sair da área de troca de calor 50, a corrente de gás de alimentação 10 é passada opcionalmente para a área de troca de calor 56 para resfriamento adicional. A função principal da área de troca de calor 55 é sub-resfriar a corrente de gás de alimentação. Assim, na área de troca de calor 55 a corrente de gás de 10 alimentação 10 é preferivelmente sub-resfriada por uma malha de subresfriamento 6 (descrita abaixo) para produzir corrente fluida sub- resfriada 10a. A corrente fluida sub-resfriada 10a é então expandida para uma pressão mais baixa no expansor 70, com isto resfriando ainda mais dita corrente, e no mínimo liqüefazendo parcialmente a corrente fluida sub-resfriada 10a para 15 formar uma fração liquida e uma fração vapor remanescente. O expansor 70 pode ser qualquer dispositivo de redução de pressão que inclui, porém não limitado a, uma válvula, válvula de controle, válvulas Joule-Thompson, dispositivo Venturi, expansor líquido, turbina hidráulica, e similares. A corrente sub-resfriada parcialmente liqüefeita 10a é passada para um 20 separador, por exemplo, um tanque de acumulação 80 onde a porção liqüefeita 15 é retirada do processo como GNL que tem uma temperatura que corresponde à pressão do ponto de bolha. A corrente de porção vapor remanescente (vapor instantâneo (flash)) 16 é utilizada como combustível para energizar as unidades compressoras e/ou como um refrigerante na malha 25 de sub-resfriamento 6 como descrito abaixo. Antes de ser utilizada como combustível, toda ou uma porção da corrente de vapor instantâneo 16 pode ser passada opcionalmente do tanque de acumulação 80 para áreas de troca de calor 50 e 55 para suplementar o resfriamento fornecido em tais áreas de troca de calor. A corrente de vapor instantâneo 16 também pode ser utilizada como um refrigerante na malha de refrigeração 5.
Fazendo referência novamente à figura 2, uma porção de vapor instantâneo 16 é retirada através da linha 17 para encher a malha de subresfriamento 6. Assim, uma porção do gás de alimentação a partir da corrente 5 de gás de alimentação 10 é retirada (na forma de gás instantâneo a partir da corrente de gás instantâneo 16) para utilização como o refrigerante fornecendo para uma malha de resfriamento de expansão secundária, por exemplo, malha de sub- resfriamento 6. Será novamente evidente que uma vez que a malha de sub-resfriamento 6 esteja completamente carregada com 10 gás instantâneo, somente gás de complementação, isto é, vapor instantâneo adicional da linha 17 para substituir perdas de vazamentos é requerido. O gás de complementação pode consistir de gás facilmente disponível, tal como o gás instantâneo 16, o gás de alimentação 10 ou gás nitrogênio de outra fonte. Alternativamente, o refrigerante para esta malha de sub-resfriamento fechada 15 6 pode consistir de nitrogênio ou gás rico em nitrogênio, em particular onde o gás de alimentação a ser liqüefeito é gás pobre ou rico em nitrogênio. Na malha de sub-resfriamento 6 a corrente expandida 18 é descarregada do expansor 41 e trazida através de áreas de troca de calor 55 e 60. Corrente de vapor instantâneo expandido 18 (a corrente de refrigerante de sub20 resfriamento) é então retomada para a unidade de compressão 90 onde ela é recomprimida para uma pressão mais elevada, e aquecida. Depois de deixar a unidade de compressão 90 a corrente refrigerante de sub-resfriamento recomprimida é resfriada em resfriador de temperatura ambiente 31 que pode ser substancialmente do mesmo tipo que o resfriador 30. Depois do 25 resfriamento, a corrente refrigerante de sub-resfriamento é recomprimida é passada para a área de troca de calor 50 onde ela é ainda resfriada por troca de calor indireta com corrente refrigerante expandida 13, corrente refrigerante de sub-resfriamento 18 e, opcionalmente, corrente de vapor instantâneo 16. Depois de deixar a área de troca de calor 50 a corrente refrigerante de subresfriamento é resfriada e expandida através do expansor 41 para fornecer uma corrente resfriada que é então passada através da área de troca de calor 55 para sub-resfriar a porção da corrente de gás de alimentação a ser finalmente expandida para produzir GNL. A corrente refrigerante de sub5 resfriamento expandida que sai da área de troca de calor 55 é passada novamente através da área de troca de calor 50 para fornecer resfriamento suplementar antes de ser recomprimida. Desta maneira o ciclo na malha de sub-resfriamento 6 é repetido de maneira contínua. Assim, em uma ou mais modalidade que são o método presente e em qualquer das outras modalidades 10 divulgadas aqui, que ainda compreendem fornecer resfriamento utilizando uma malha fechada, por exemplo, malha de sub-resfriamento 6 carregada com vapor instantâneo que resulta da produção de GNL (por exemplo, vapor instantâneo 16).
Será evidente que na modalidade ilustrada na figura 2 e nas 15 outras modalidades descritas aqui, que uma corrente de gás de alimentação 10 passa de uma área de troca de calor para outra, a temperatura de corrente de gás de alimentação 10 será reduzida até que finalmente uma corrente subresfriada é produzida. Em adição, quando correntes laterais (tal como a corrente 11) são tiradas da corrente de gás de alimentação 10, a vazão em 20 massa da corrente de gás de alimentação 10 será reduzida. Outras modificações tais como compressão podem também ser feitas para a corrente de gás de alimentação 10. Embora cada tal modificação na corrente de gás de alimentação 10 possa ser considerado produzir uma corrente nova e diferente, para clareza e facilidade de ilustração, a corrente de gás de alimentação será 25 referida como a corrente de gás de alimentação 10, a menos que indicado de outra maneira, com o entendimento que passagem através de áreas de troca de calor, a retirada de correntes laterais e outras modificações irão produzir mudanças de temperatura, pressão e/ou vazão na corrente de gás de alimentação 10. Como descrito acima, a invenção fornece aproximadamente 20% de economia em potência instalada e 10% de economia em potência líquida ou utilização de combustível a partir da introdução de resfriamento suplementar depois de resfriamento de troca de calor direta com ar ou água na temperatura ambiente. Fazendo referência novamente ao gráfico da figura 1, a linha 2b representa uma modalidade tomada como exemplo do sistema de resfriamento do Pedido 351. O melhoramento da presente invenção é esperado deslocar a linha 2b por aproximadamente 2 até aproximadamente 10% ou mais, dependendo do tipo de refrigerante e ciclos utilizados. Em outras palavras, o ciclo de resfriamento melhorado da presente divulgação é mais eficiente do que o ciclo refrigerante misturado padrão até temperaturas de processo de aproximadamente 80°Fahrenheit até aproximadamente 90°Fahrenheit, aumentando a aplicabilidade do processo melhorado. Surpreendentemente a potência líquida reduzida da presente divulgação resulta de adicionar resfriamento externo ao ciclo.
Rendimentos incrementais adicionais particularmente na potência líquida podem ser realizados introduzindo resfriamento suplementar adicional como descrito, em localizações adicionais preferivelmente onde troca de calor indireta com o ar ou água ambientais são utilizados no 20 processo. Assim, em uma modalidade resfriamento suplementar adicional é aplicado ao refrigerante depois de compressão na unidade 60, ou no mínimo antes de um estágio de compressão onde a compressão na unidade 60 compreende mais do que um estágio de compressão. Por exemplo, fazendo referência à figura 3, uma ou mais unidades de resfriamento suplementar 102 25 e 102a podem ser fornecidas para a corrente refrigerante 14 entre compressores 20 e 60, e preferivelmente depois de uma ou mais áreas de troca de calor indireta 102 fornecendo resfriamento por meio de ar ambiental ou água disponível também colocada na corrente refrigerante 14 entre compressores 20 e 60. A unidade de resfriamento 31a pode também ser colocada na malha de sub- resfriamento 6 depois de cada um de um ou mais compressores 90 para a corrente 18 que pode ser localizada em sua extremidade quente para aumentar sua pressão para a pressão de gás de alimentação depois de ter passado através de uma ou mais áreas de troca de 5 calor (50 e 55). É altamente preferível utilizar resfriamento inicial depois de cada compressor por meio de ar na temperatura ambiente ou resfriadores de troca de calor com água, por exemplo 31, com o resfriamento suplementar depois de cada um dos resfriadores de troca de calor, porém antes de ser expandida. Além disto, o processo pode ser operado onde dita corrente de gás 10 é comprimida e resfriada, submetendo a uma ou mais unidades de resfriamento na temperatura ambiente e então ainda resfriada em uma unidade de resfriamento suplementar, tudo antes de introdução na área de troca de calor 50. Especificamente, a corrente de gás de alimentação 10 pode ser comprimida até uma pressão mais elevada do que a sua pressão de 15 distribuição em um ou mais compressores 100 antes de ser resfriada na área de troca de calor 50, e caso seja assim, resfriada inicialmente depois de ser comprimida por ambos, um resfriador de troca de calor com ar ambiente ou água 101 seguido por uma unidade de resfriamento suplementar 101a de acordo com a invenção.
EXEMPLOS
Para ilustrar a redução de potência disponível utilizando o processo da invenção, cálculos de desempenho e comparações foram modelados utilizando o simulador de processo Aspen HYSYS® (versão 2004.1), um produto de Aspen Tech. A temperatura do ar ambiente foi 25 admitida ser 105°F (40,6°C) e o refrigerante na malha refrigerante de alta pressão e todas as correntes de processo foi admitido ter sido resfriado até IOO0F (37,8°C). No primeiro caso nenhum resfriamento suplementar foi adicionado - a Tabela 1.1 mostra dados de processo para este caso. No segundo, resfriamento suplementar foi fornecido de tal modo que o refrigerante foi reduzido em temperatura para 60°F (15,6°C) antes da entrada para a turbina expansora refrigerante - a Tabela 1.1b mostra os dados de processo correspondentes para este caso. A redução da potência instalada foi calculada ser 21% para a malha de refrigerante de alta pressão, contribuindo 5 para uma redução de potência instalada total da instalação de 15,9%. Corridas adicionais foram conduzidas com resfriamento suplementar reduzindo a temperatura sobre uma faixa de 20°F até 90°F (-6,7°C até 32,2°C). Como pode ser visto da Tabela 1 abaixo, a redução de potência instalada se situa desde 4,5% até 23%. A redução correspondente na potência líquida ou 10 utilização de combustível é até 10%.
A tabela Ib mostra o desempenho correspondente para o caso onde resfriamento de refrigeração externa é implementado não apenas na entrada do expansor, mas depois da compressão de todas as correntes de processo e da corrente de gás de alimentação. A economia de potência líquida 15 máxima é aumentada até acima de 11% e a economia em potência instalada é até aproximadamente 20%. Uma modalidade preferida é resfriar apenas a corrente de entrada no expansor, obtendo com isto o impacto máximo de economias para modificação mínima no processo. Contudo, outras considerações podem conduzir a um ótimo diferente; por exemplo, a escolha 20 de um sistema de refrigeração mecânico que fornece refrigeração otimizada em um nível de temperatura particular, a disponibilidade de equipamento de refrigeração mecânico de baixo preço, ou o valor colocado na economia incrementai de combustível. Tabela I: Dados de desempenho para temperatura ambiente de 105°F (Resfriamento somente na entrada do expansor) Temperatura Pressão de Vazão de Compressão instalada khp/MW Carga de Potência total Redução de % de eco nomia da de processo descarga do refrigerante de refrigeração externa do expansor potência na insta ação Malha HP Malha de Malha de Potência Potência sub- refrigeração líquida ou instalada resfriamento externa utilização de combustível 100/37,8 241/1658 1620/80695 251,1/187 57,1/42,5 0,0/0,0 0,0/0,0 96,1/71,6 0,0 0,0 0,0 90/32,2 261/1800 1584/78902 237,1/177 56,7/42,3 0,5/0,4 20,7/22 88,1/65,7 5,6 2,7 4,5 80/26,7 283/1951 1547/77059 222,9/166 56,5/42,1 1,6/1,2 42,2/45 80,5/60,0 11,2 5,5 8,8 70/21,1 300/2068 1496/74518 209,5/156 56,6/42,2 3,2/2,4 63,6/67 73,1/54,5 16,6 7,5 12,6 60/15,6 302/2082 1409/70185 197,4/147 56,7/42,3 5,1/3,8 80,5/85 65,9/49,1 21,4 8,8 15,9 50/10,0 304/2096 1328/66150 186,1/139 57,0/42,5 7,6/5,6 95,6/101 59,4/44,3 25,9 9,8 18,6 40/14,4 305/2103 1253/62414 175,8/131 57,3/42,7 10,4/7,8 109,2/115 53,5/39,9 30,0 10,4 21,0 30/-1.1 306/2110 1192/59375 167,8/125 57,5/42,9 13,9/10,3 121,2/128 48,5/36,2 33,2 10,1 22,4 20/-6,7 307/2117 1135/56536 160,4/120 57,/43,0 17,9/13,3 134,2/142 44,0/32,8 36,1 9,5 23,4 Tabela lb: Dados de desempenho para temperatura ambiente de 105°F (Resfriamento em todas as correntes de processo)
Temperatura Pressão de Vazão de Compressão instalada khp/MW Carga de refrigeração Potência total Redução de Percentual de economia de processo descarga do refrigerante de alta externa do expansor potência na da instalação MalhaHP Malha de sub- Malha de Potência Potência resfriamento refrigeração líquida ou instalada externa utilização de combustível 100/37,8 241/1658 1620/80695 251,1/187 57,1/42,5 0,0/0,0 0,0/0,0 96,1/71,6 0,0 0 O 90/32,2 261/1800 1587/79051 231,6/173 56,4/42,0 2,1/1,6 84,4/89 88,2/65,6 7,8 4,8 5,9 80/26,7 283/1951 1554/77407 213,6/159 55,3/41,2 6,2/4,6 168,6/178 80,8/60,2 14,9 8,3 10,7 70/21,1 300/2068 1497/74568 196,0/146 54,1/40,4 12,49,3 248,5/262 73,2/54,6 21,9 10,6 14,8 60/15,6 302/2082 1406/70035 180,0/134 53,0/39,5 20,5/15,3 319,8/337 65,8/49,0 28,3 11,5 17,7 50/10,0 304/2096 1328/66150 166,0/124 51,9/38,7 30,7/22,9 387,6/409 59,4/44,3 33,9 10,9 19,3 40/4,4 305/2103 1255/62514 153,0/114 50,9/37,9 43,2/32,2 451,8/477 53,6/40,0 39,1 9,1 19,8 30/-1,1 306/2110 1191/59835 141,2/105 49,7/37,1 58,2/43,4 513,6/542 48,5/36,2 43,8 5,8 19,1 20/-6,7 307/2117 1141/56835 130,5/97 48,6/36,2 76,2/56,8 574,1/606 44,0/32,8 48,0 U 17,2 Em outro exemplo a temperatura ambiente foi fixada em 650F (18,3°C) e o resfriamento suplementar foi operado para resfriar a corrente refrigerante e as correntes de processo para a temperatura se situando desde 50°F (IO0C) até 10°F (-12,2°C). A redução de potência correspondente para a 5 malha de refrigerante de alta pressão se situou até 33%, representando uma redução de potência global instalada de até 14%.
Tabela 1.1 Dados de simulação Aspen HYSYS® - nenhum resfriamento
suplementar
Ponto de estado Temperatura Pressão Escoamento (°F/°C) (psia/kPa) (mmscfd/kgmol/h) IOb 100/37,8 1500/10342 637/31730 14b 100/37,8 1500/10342 1620/80695 12a 100/37,8 3000/20864 1620/80695 13 -161/-107 241/1662 1620/80695 IOd -262/-163 18/124 637/31730 16 -262/-163 18/124 57/2839 18a 100/37,8 1500/10342 246/12254 Tabela 1.1b Dados de simulação Aspen HYSYS® - resfriamento suplementar
(Somente na entrada do expansor)
Ponto de estado Temperatura Pressão Escoamento (°F/°C) (psia/kPa) (mmscfd/kgmol/h) 10b 100/37,8 1500/10342 637/31730 14b 100/37,8 1500/10342 1409/70185 12a 100/37,8 3007/20733 1409/70185 12b 60/15,6 3000/20684 1409/70185 13 -161/-107 302/2082 1409/70185 IOd -262/-163 18/124 637/31730 16 -262/-163 18/124 57/2839 18a 100/37,8 1500/10342 246/12254

Claims (12)

1. Processo para liquefazer uma corrente de gás rica em metano, caracterizado pelo fato de compreender: (a) fornecer dita corrente de gás em uma pressão menor do que 1200 libras por polegada quadrada absoluta (psia) (8273,8 kPa); (b) retirar uma porção de dita corrente de gás para utilização como um refrigerante; (c) comprimir dito refrigerante até uma pressão maior do que a sua pressão em (a) para fornecer um refrigerante comprimido; (d) resfriar dito refrigerante comprimido por meio de troca de calor indireta com um fluido de resfriamento na temperatura ambiente para uma temperatura de processo acima de aproximadamente 35°F (1,7°C); (e) submeter o refrigerante comprimido resfriado a resfriamento suplementar, de modo a reduzir ainda mais sua temperatura, produzindo com isto um refrigerante comprimido resfriado de maneira suplementar, no qual o refrigerante é comprimido e resfriador de maneira suplementar desde 10°F até 70°F (6°C até 39°C) mais frio do que dita temperatura de processo, resultando em uma temperatura de refrigerante comprimido, resfriado de modo suplementar a partir de 10°F até 60°F (6°C até 15,6°C); (f) expandir o refrigerante de (e) até resfriamento adicional de dito refrigerante, produzindo com isto um refrigerante resfriador de maneira suplementar e expandido; (g) passar dito refrigerante resfriado suplementarmente e expandido para uma área de troca de calor; e (h) passar a dita corrente de gás através de dita área de troca de calor para resfriar no mínimo parte de dita corrente de gás por meio de troca de calor indireta com dito o refrigerante suplementarmente resfriado expandido, formando com isto uma corrente de fluido resfriado.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a temperatura ambiente em (d) ser maior do que 50°F (10°C).
3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a temperatura ambiente em (d) ser maior do que 60°F (15,6°C).
4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a temperatura ambiente em (d) ser maior do que 70°F (21,1 °C).
5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de resfriamento suplementar adicional ser aplicado ao refrigerante antes da compressão em (c), ou no mínimo antes de um estágio de compressão onde a compressão de (c) compreende mais do que um estágio de compressão.
6. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender de maneira adicional: (a) passar dita corrente de fluido resfriada de l(h) até uma outra área de troca de calor para resfriamento adicional, (b) retirar dita corrente de fluido resfriada depois de resfriamento em 6(a) e expandir dita corrente de fluido para ainda mais resfriamento; (c) passar dita corrente de fluido resfriada em 6(b) para um separador onde uma porção liquida resfriada é retirada como gás natural liqüefeito e a porção vapor é retirada como uma corrente de vapor resfriada; (d) passar dita corrente de vapor resfriada como um refrigerante de volta através das áreas de troca de calor de 6(a) e l(g)
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de uma porção da corrente de vapor resfriada de 6(c) ser retirada antes de passar através da área de troca de calor de 6(a) para utilização como um refrigerante fornecendo a porção da corrente de vapor resfriada para uma malha de expansão secundária que passa através das áreas de troca de calor de6(a) e l(h), é comprimida depois de deixar a área de troca de calor de l(h), submetida a resfriamento em temperatura ambiente, opcionalmente resfriada passando de volta através da área de troca de calor de l(h), então expandida para resfriamento adicional e reintrodução nas áreas de troca de calor de 6(a) e Kg)·
8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a corrente de vapor resfriada ser submetida a resfriamento suplementar depois de ser submetida a resfriamento em temperatura ambiente, porém antes de ser passada de volta através da área de troca de calor de l(h).
9. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o refrigerante suplementarmente resfriado expandido ser comprimido depois de deixar a área de troca de calor de l(h), submetido a resfriamento em temperatura ambiente e opcionalmente resfriado passando de volta através da área de troca de calor de l(h), então expandido para resfriamento adicional e reintrodução nas áreas de troca de calor 6(a) e l(g).
10. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o refrigerante suplementarmente resfriado expandido consistir essencialmente de nitrogênio ou um gás rico em nitrogênio.
11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita corrente de gás de 1 (a) ser comprimida resfriada submetendo a uma ou mais unidades de resfriamento em temperatura ambiente e então ainda resfriada em uma unidade de resfriamento suplementar, tudo antes de introdução na área de troca de calor de l(h).
12. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma unidade de resfriamento suplementar ser uma unidade de refrigeração externa que utiliza refrigerantes externos, no qual os refrigerantes externos são substancialmente independentes da porção de dita corrente de gás para utilização como um refrigerante de l(b).
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