BRPI0917353B1

BRPI0917353B1 - método e sistema para a produção de gás natural liquefeito

Info

Publication number: BRPI0917353B1
Application number: BRPI0917353A
Authority: BR
Inventors: Jakobsen Arne; Harald Haukedal Bjorn; Jorgen Rummelhoff Carl
Original assignee: Hamworthy Oil & Gas Systems As
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2020-04-22
Also published as: WO2010024691A3; NO331740B1; US20110203312A1; NO20083740L; BRPI0917353A2; PL2331897T3; WO2010024691A2; ES2586313T3; AU2009286189B2; CN102239377A; EP2331897A2; US9163873B2; DK2331897T3; EP2331897B1; AU2009286189A1

Abstract

método e sistema para a produção de gás natural liquefeito a presente invenção refere-se a um método e sistema para a produção de gás natural liquefeito e sub-resfriado por meio de um conjunto de refrigeração que utiliza um refrigerante gasoso de fase única compreendendo: pelo menos dois expansores (1 - 3); um conjunto de compressor (5 - 7); um conjunto de trocador de calor (8) para a absorção de calor do gás natural; e um conjunto de rejeição de calor (10 - 12). os aspectos novos de acordo com a presente invenção são a disposição dos expansores (1 - 3) em loops de expansão; a utilização de apenas um e o mesmo refrigerante em todos os loops; a passagem de um fluxo de refrigerante expandido a partir do respectivo expansor (1 - 3) para o conjunto de trocador de calor (8), cada qual estando em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado ao dessuperaquecimento, à condensação ou ao resfriamento da fase densa e/ou o sub-resfriamento do gás natural; e o uso do refrigerante no respectivo expansor em um fluxo comprimido por meio do conjunto de compressor tendo compressores ou fases de compressor que permitem pressões de entrada e saída adaptadas ao respectivo expansor.

Description

(54) Título: MÉTODO E SISTEMA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS NATURAL LIQUEFEITO (51) Int.CI.: F25J 1/02.

(30) Prioridade Unionista: 29/08/2008 NO 20083740.

(73) Titular(es): HAMWORTHY OIL & GAS SYSTEMS AS.

(72) Inventor(es): ARNE JAKOBSEN; BJORN HARALD HAUKEDAL; CARL JORGEN RUMMELHOFF.

(86) Pedido PCT: PCT N 02009000302 de 27/08/2009 (87) Publicação PCT: WO 2010/024691 de 04/03/2010 (85) Data do Início da Fase Nacional: 28/02/2011 (57) Resumo: MÉTODO E SISTEMA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS NATURAL LIQUEFEITO A presente invenção refere-se a um método e sistema para a produção de gás natural liquefeito e sub-resfriado por meio de um conjunto de refrigeração que utiliza um refrigerante gasoso de fase única compreendendo: pelo menos dois expansores (1 - 3); um conjunto de compressor (5 7); um conjunto de trocador de calor (8) para a absorção de calor do gás natural; e um conjunto de rejeição de calor (10 -12). Os aspectos novos de acordo com a presente invenção são a disposição dos expansores (1 - 3) em loops de expansão; a utilização de apenas um e o mesmo refrigerante em todos os loops; a passagem de um fluxo de refrigerante expandido a partir do respectivo expansor (1 - 3) para o conjunto de trocador de calor (8), cada qual estando em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado ao dessuperaquecimento, à condensação ou ao resfriamento da fase densa e/ou o sub-resfriamento do gás natural; e o uso do refrigerante no respectivo expansor em um fluxo comprimido por meio do conjunto de compressor tendo compressores ou fases de compressor que permitem pressões de entrada e saída adaptadas ao respectivo expansor.

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO E SISTEMA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS NATURAL LIQUEFEITO.

ANTECEDENTE DA INVENÇÃO [001] A demanda de energia no mundo está aumentando, e a previsão é de um crescimento contínuo. O gás como um transportador de energia tem recebido atenção crescente nos últimos anos, e prevêse que o gás se tornará ainda mais importante. A fim de transportar gás por distâncias ainda mais longas, o gás natural liquefeito, o GNL, muitas vezes é considerado como a melhor opção, especialmente no exterior.

[002] O gás preso ou um gás associado são fontes de gás que são resíduos de produção de petróleo. Estas fontes de gás são hoje pouco utilizadas. Esses gases são comumente queimados. Com o aumento dos preços do gás e um foco maior sobre o meio ambiente, tornou-se mais economicamente viável e politicamente mais importante utilizar essas fontes. Muitas dessas fontes se encontram ao largo da costa, e a liquefação em uma unidade de armazenagem e descarga de produção flutuante, a FPSO, é, em muitos casos, a melhor opção. A armazenagem FPSO oferece flexibilidade, uma vez que pode ser movimentada de uma forma relativamente fácil para outras fontes. Um desafio sobre a armazenagem FPSO é o espaço disponível. Além disso, o peso do equipamento deve ser minimizado, e o refrigerante deve ser, de preferência, não combustível.

[003] Uma questão importante na produção de GNL é a demanda de energia. A alta demanda de energia por kg de GNL produzido, ou seja, o consumo de energia específico torna esse gás menos rentável e menos amigável ao ambiente. O número de fontes de gás economicamente viáveis será diminuído. Além de reduzir os custos operacionais, uma menor demanda de energia específica também vai econo

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2/14 mizar o custo do investimento, já que o equipamento será menor.

[004] A produção de GNL ao largo da costa não tem as mesmas limitações com relação ao peso e espaço, mas a produção de um GNL economicamente eficaz em termos de energia é tão importante quanto essas mesmas características. Uma vez que a capacidade das usinas se torna maior, a eficiência energética se torna uma questão mais importante.

[005] A tecnologia que envolve um refrigerante de múltiplos componentes, o MCR, muitas vezes em regime de cascata, é considerada a tecnologia mais eficaz para a produção de GNL. A mesma é comumente utilizada em usinas de grande porte, nas usinas de carga de base, e, em certa medida, em usinas de médio porte. Devido à sua complexidade, a tecnologia MCR é cara e o seu controle é lento. Além disso, um conjunto de produção de gás se faz necessário a fim de garantir a correta composição do refrigerante da tecnologia MCR. Outra desvantagem é que o refrigerante é combustível, o que pode constituir um problema, especialmente em instalações ao largo da costa.

[006] Quando uma tecnologia de refrigeração de um único componente que utiliza um gás inerte, como nitrogênio, pode ser de uma eficiência energética comparativamente maior, a mesma irá representar uma grande melhoria em termos de custo, compacidade, peso, robustez, controle e segurança. Esta tecnologia pode ser, portanto, interessante para implementação também em usinas de grande porte.

[007] As patentes US 5 768 912 e 5 916 260 propõem processos para a produção de GNL baseada na tecnologia de um único refrigerante de nitrogênio. O refrigerante é dividido em pelo menos dois fluxos separados, que são resfriados e expandidos em pelo menos dois expansores separados. Cada um dos fluxos é expandido para a pressão de sucção do trem compressor, que vem a ser a mais baixa pressão de refrigerante na disposição, utilizando, portanto, mais energia do

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3/14 que o necessário.

[008] A Patente US 6 412 302 descreve um conjunto de liquefação de GNL que utiliza dois ciclos de refrigeração de expansão independentes, um com metano ou uma mistura de hidrocarbonetos, e o outro com nitrogênio. Cada ciclo tem um expansor que opera em diferentes níveis de temperatura. Cada um dos ciclos pode ser controlado separadamente. O uso de dois refrigerantes separados irá exigir dois sistemas de tamponamento de refrigerante. O uso de um refrigerante inflamável implica também em restrições e outros equipamentos.

[009] Várias patentes foram concedidas para os processos e aparelhos de tecnologia MCR que utilizam gás de processo como refrigerante, por exemplo, a Patente US 7 225 636 e a Patente EP 1 455 152. Comum às mesmas é o fato de a absorção de calor incluir uma mudança de fase do refrigerante, o que inerentemente oferece um sistema mais complexo. Mais equipamento se faz necessário e o controle se torna complicado e sensível.

[0010] Há uma necessidade de processos mais eficientes com base em um refrigerante inerte de um único componente. A presente invenção descreve um conjunto de produção de GNL econômico em termos de energia e compacto, com um controle flexível, utilizando um gás inerte como refrigerante.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0011] A presente invenção refere-se a um método e aparelho para a produção otimizada de GNL. A fim de minimizar o consumo específico de energia, as perdas de trocador de calor têm de ser minimizadas. Isto é obtido por meio da disposição de pelo menos dois expansores em um único componente e ciclos de refrigeração de fase única de modo que os fluxos de massa, a temperatura e os níveis de pressão nos expansores possam ser controlados separadamente. Por meio desta disposição, o processo de refrigeração poderá ser adaptado a

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4/14 diferentes composições de gás em diferentes pressões e temperaturas, e, ao mesmo tempo, otimizar a eficiência. O controle é inerentemente robusto e flexível. Uma usina de produção de GNL de acordo com a presente invenção pode ser adaptada a diferentes fontes de gás e, ao mesmo tempo, manter o baixo consumo de energia específico. [0012] Em um aspecto, a presente invenção refere-se a um método para a produção de gás natural liquefeito e sub-resfriado por meio de um conjunto de refrigeração que utiliza um refrigerante gasoso de fase única compreendendo: pelo menos dois expansores; um conjunto de compressor; um conjunto de trocador de calor para a absorção de calor do gás natural; e um conjunto de rejeição de calor, e compreendendo ainda: a disposição dos expansores em loops de expansão; a utilização de apenas um e o mesmo refrigerante em todos os loops; a passagem de um fluxo de refrigerante expandido a partir do respectivo expansor para o conjunto de trocador de calor, cada qual estando em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado ao dessuperaquecimento, à condensação ou ao resfriamento da fase densa e/ou o sub-resfriamento do gás natural; e o uso do refrigerante no respectivo expansor em um fluxo comprimido por meio do conjunto de compressor tendo compressores ou fases de compressor que permitem pressões de entrada e saída adaptadas ao respectivo expansor. [0013] Em um outro aspecto, a presente invenção refere-se a um sistema para a produção de gás natural liquefeito e sub-resfriado por meio de um conjunto de refrigeração que utiliza um refrigerante gasoso de fase única compreendendo: pelo menos dois expansores; um conjunto de compressor; um conjunto de trocador de calor para a absorção de calor do gás natural; e um conjunto de rejeição de calor, sendo que os expansores são dispostos em loops de expansão; apenas um e o mesmo refrigerante é usado em todos os loops; um fluxo de refrigerante expandido a partir do respectivo expansor passa para o

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5/14 conjunto de trocador de calor, cada qual estando em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado ao des-superaquecimento, à condensação ou ao resfriamento da fase densa e/ou o subresfriamento do gás natural; e o refrigerante para o respectivo expansor é servido em um fluxo comprimido por meio do conjunto de compressor tendo compressores ou fases de compressor possíveis adaptados às pressões de entrada e saída para o respectivo expansor.

[0014] As modalidades favoráveis são especificadas pelas reivindicações dependentes.

[0015] As pressões de saída dos expansores são controladas de modo a serem tão altas quanto possível, e, ao mesmo tempo, alimentar a disposição de trocador de calor para a produção de um GNL subresfriado com as temperaturas de refrigerante exigidas. As pressões de sucção para cada uma das fases de compressor são, portanto, mantidas o mais alto possível. Essa é uma técnica anterior diferente, vide, por exemplo, a Patente US 5 916 260, na qual todas as correntes são expandidas à pressão mais baixa de refrigerante. Um aperfeiçoamento importante da presente invenção é que um trabalho específico e os volumes de sucção dos compressores são minimizados, melhorando, assim, a eficiência geral do sistema. As dimensões do oleoduto são reduzidas, com válvulas e atuadores menores como consequência. Todos esses fatores contribuem para uma importante redução de custos e de espaço necessário. O trabalho de instalação também irá se tornar menos complicado e, portanto, mais eficiente.

[0016] A redução das perdas de calor é de vital importância nos processos de baixa temperatura. Uma modalidade da presente invenção é que a mesma reduz as diferenças de temperatura a um nível mínimo mediante a adaptação do processo de refrigeração às três diferentes fases principais de produção de GNL: a fase de dessuperaquecimento, condensação (resfriamento da fase densa a pressões suPetição 870190090629, de 12/09/2019, pág. 8/27

6/14 percríticas) e a de sub-resfriamento. Isso é diferente da tecnologia da técnica anterior, por exemplo, a Patente US 6 412 302, que não faz uma adaptação separada para o dessuperaquecimento e a condensação / resfriamento da fase densa.

[0017] A presente invenção opera com um único refrigerante na fase gasosa. O nitrogênio é uma alternativa óbvia. A inflamabilidade não é considerada como uma vantagem, por exemplo, no caso de instalações ao largo da costa. A utilização de apenas um refrigerante de único componente também reduz a complexidade do processo. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0018] Os desenhos em anexo ilustram as modalidades preferidas da presente invenção.

[0019] A figura 1 mostra as fases principais da produção de gás natural liquefeito com as correspondentes necessidades de capacidade de resfriamento representadas pelas linhas retas.

[0020] A figura 2 ilustra um exemplo das curvas compósitas quentes e frias da presente invenção.

[0021] A figura 3 ilustra uma modalidade da presente invenção incluindo três expansores.

[0022] A figura 4 mostra uma outra modalidade, incluindo três expansores dispostos em três ciclos de refrigeração separados.

[0023] A figura 5 ilustra uma modalidade incluindo apenas dois expansores.

[0024] A figura 6 ilustra uma modalidade semelhante à figura 5, mas com os expansores dispostos em ciclos de refrigeração separados.

[0025] A figura 7 mostra uma modalidade que permite a separação e a fusão das correntes de refrigerante.

[0026] A figura 8 ilustra uma seção da figura 7, na qual pelo menos um dos expansores ilustrados nas figuras 3 a 6 é provido com os exPetição 870190090629, de 12/09/2019, pág. 9/27

7/14 pansores acoplados em série.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0027] A presente invenção refere-se à produção de gás natural liquefeito, o GNL. Dependendo da fonte de gás, a composição poderá variar. Por exemplo, uma composição de gás pode incluir 88 % de metano, 9 % de hidrocarbonetos mais pesados, 2 % de dióxido de carbono e 1 % de água, nitrogênio e outros gases de traço. Antes da liquefação, a concentração de dióxido de carbono, água (que irá congelar) e outros gases de traço nocivos, como, por exemplo, H2S, precisa ser reduzida a níveis aceitáveis ou eliminada da corrente de gás. O gás de poço será submetido a uma etapa de pré-tratamento antes de entrar na etapa de liquefação. Nas figuras 3 a 6, esta corrente de gás natural pré-tratado é indicada com o numeral de referência 9.

[0028] O processo de produção de GNL pode ser principalmente dividido em três fases diferentes. A) Dessuperaquecimento, B) Condensação e C) Sub-resfriamento, vide o esboço esquemático na figura

1. A pressão crítica do metano é de cerca de 4,6MPa (46 bar). Dependendo da composição da fonte de gás natural, a pressão crítica irá variar dentre 46 bars e mais. Acima da pressão crítica para uma composição de gás natural, a condensação não será possível. No entanto, em vez de condensação, o gás irá passar por uma fase com uma capacidade maior de calor específico.

[0029] Cada uma das fases requer uma capacidade diferente de refrigeração específica. A fim de reduzir as perdas do trocador de calor, as diferenças de temperatura entre os fluxos quente e os fluxos frios flui em todo o processo de produção de GNL têm de ser minimizadas. Ao utilizar um múltiplo de expansores, em que cada um dos mesmos pode ser controlado em separado com um fluxo de massa, níveis de pressão e temperaturas, é possível se obter uma adaptação de temperatura próxima entre a capacidade de refrigeração e a neces

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8/14 sidade de refrigeração. As capacidades de resfriamento para as três fases se encontram na figura 1 preferidas por três linhas retas. Os expansores controlados de maneira Independente oferecem a principal contribuição para a capacidade de refrigeração em cada fase. O número ideal de expansores dependerá da composição da fonte de gás, da pressão do gás, das temperaturas requeridas e da capacidade da usina de GNL.

[0030] A figura 3 mostra uma configuração de acordo com a presente invenção. Três expansores 1, 2, 3, por exemplo, turbo expansores, suprem uma caixa fria 8 com os fluxos de gás expandido a diferentes temperaturas, adaptados ao processo de liquefação do fluxo de gás natural 9. Um trem compressor 5, 6, 7 serve a todos os três expansões. O expansor 3 supre a de caixa fria 8 com um fluxo 60 adaptado para realizar um eficiente sub-resfriamento do fluxo de gás natural 9, por exemplo, com um intervalo de temperatura de - 85° C a menos de 1600 C, vide figura 1. Acima de - 85° C, o fluxo 60 contribuir com uma limitada capacidade de refrigeração líquida na caixa fria 8, uma vez que um fluxo de massa 59 e um fluxo de massa 61 supridos e retornados pelo expansor 3, respectivamente, são iguais. O expansor 2 supre a caixa fria 8 com um fluxo 56 adaptado para realizar a condensação ou resfriamento do gás a uma alta capacidade de aquecimento, vide figura 1. Este processo pode ter um intervalo de tempera entre - 85° C e -25° C. Análogo ao expansor 3, o fluxo de massa 55 e o fluxo de massa 57 supridos e retornados pelo expansor 2, respectivamente, terão uma contribuição limitada para uma capacidade de resfriamento acima de -25° C. O expansor 1 serve à caixa fria 8 com um fluxo 52 adaptado para realizar o dessuperaquecimento de uma temperatura de entrada do fluxo de gás natural 9, abaixo da temperatura máxima de trabalho do expansor 2, ou seja, -25° C. Os fluxos de massa supridos e retornados são representados pelos numerais de refePetição 870190090629, de 12/09/2019, pág. 11/27

9/14 rência 51,53.

[0031] Os compressores 5, 6, 7 são montados em série, formando um trem compressor. O trem compressor pode consistir de vários números de fases, tendo um ou mais compressores em paralelo em cada fase. As razões de pressão sobre cada fase são otimizadas às exigências de temperatura na caixa fria 8. Estas razões de pressão e os fluxos de massa podem ser variadas e controladas durante a operação por meio do controle de velocidade dos compressores. As capacidades e as faixas de temperatura podem ser, portanto, ajustadas.

[0032] Ao variar o inventário total da disposição, os níveis de pressão total podem ser variados e capacidade total controlada. Um conjunto de tamponador de inventário é conectado ao lado de sucção da fase de compressão de baixa pressão, e ao lado de descarga do compressor de alta pressão. As válvulas 32 e 34 são utilizadas para o controle da transmissão de refrigerante para o tanque de tamponador 25.

[0033] O calor é rejeitado para o ambiente por meio dos trocadores de calor 10, 11,12.

[0034] A figura 3 mostra ainda um exemplo de como os diferentes expansores 1, 2, 3 são conectados ao trem compressor 5, 6, 7. O expansor 3 é alimentado por meio de um gás de saída, o fluxo 58, a partir de um trocador de calor de rejeição de calor 11, enquanto os outros dois expansores de 1, 2 são alimentados pelo gás de saída, o fluxo 50, 54, a partir do trocador de calor de rejeição de calor 10. De modo geral, as pressões de expansão de entrada e saída podem ser adaptadas para cada expansor mediante a aplicação da presente invenção.

[0035] A modalidade de acordo com a figura 3 ilustra que a caixa fria 8 é servida por três loops de expansão separados. Devido, por exemplo, às exigências mecânicas para o conjunto de caixa fria 8, pode ser vantajoso se separar e fundir os fluxos de refrigerante em conexão ao conjunto de caixa fria 8. A figura 7 mostra um exemplo para a

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10/14 separação e fusão dos fluxos de refrigerante. O fluxo aquecido 50 é separado no fluxo 51 e no fluxo 55 a montante dos expansores. Os fluxos frios 52 e 56 são fundidos a jusante dos expansores no fluxo 54. Mediante à separação dos fluxos aquecidos a montante dos expansores, e ao fundir os fluxos frios a jusante dos expansores, um processo eficiente poderá ser obtido. No entanto, essa configuração tem a desvantagem inerente de que a adaptação de pressão de entrada e saída individual para cada expansor não é possível. O potencial para uma eficiência energética otimizada é reduzido.

[0036] Ao aplicar a presente modalidade, todos os compressores e expansores são integrados na mesma disposição de refrigeração. Isto oferece o potencial de produzir uma solução muito compacta para os equipamentos rotativos, reduzindo, assim, o custo. Além disso, cada uma das fases do compressor 5, 6, 7 aspira a partir de três pressões de sucção diferentes, que são formadas pelos expansores 1, 2, 3. Por meio da sucção a partir das pressões mais altas possíveis, ou seja, os fluxos de massa 61, 57, 53, o trabalho do compressor é minimizado, o que aumenta a eficiência como um todo.

[0037] Os volumes de sucção dos compressores são também minimizados. As dimensões do oleoduto são reduzidas com válvulas e atuadores menores, como conseqüência. O espaço precisa ser consideravelmente reduzido e os custos serão mais baixos. O trabalho de instalação irá também se tornar menos complicado e mais eficaz. [0038] Um aperfeiçoamento importante para a eficiência da energia é o uso de três circuitos distintos de expansor, adaptados para as três fases diferentes de liquefação do gás natural. Isso é diferente da tecnologia da técnica anterior, por exemplo, a da Patente US 6 412 302, que não tem uma adaptação separada para o dessuperaquecimento e a condensação / resfriamento da fase densa. O resultado termodinâmico do sistema descrito pode ser observado na figura 3. Ao

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11/14 adaptar os fluxos de massa, as razões de pressão e as temperaturas de cada expansor 1, 2 e 3, e as perdas de trocador de calor indicadas pela distância entre as curvas compósitas quente e fria podem ser reduzidas ao mínimo.

[0039] A disposição de refrigeração da presente invenção irá operar com o refrigerante na fase gasosa. O nitrogênio é um gás óbvio a aplicar, uma vez que o mesmo possui propriedades favoráveis e é um refrigerante comprovado. O peso molar é superior ao do metano. Um alto peso molecular é vantajoso quando utilizado nas máquinas de turbo compressor. As misturas de metano ou hidrocarboneto são propostas utilizadas na Patente US 6 412 302. Os hidrocarbonetos são também inflamáveis, o que é considerado como uma desvantagem em algumas aplicações, por exemplo, nas instalações ao largo da costa.

[0040] A figura 4 mostra uma segunda modalidade na qual cada um dos expansores 1, 2, 3 é operado em ciclos separados com a sua própria configuração de compressor. Os expansores 1, 2, 3 são supridos a partir do compressor 13, dos compressores 14, 15, e dos compressores 16, 17, 18, respectivamente. O número de compressores ou fases de compressor pode variar em cada ciclo. Conforme ilustrado na figura 3, cada um dos expansores 1, 2, 3 irá suprir a caixa fria 8 com uma capacidade de refrigeração adaptada às diferentes zonas de temperatura.

[0041] Os ciclos separados oferecem maior flexibilidade com relação à pressão, temperatura, e controle de fluxo de massa, ou seja, a capacidade de refrigeração nas diferentes fases de processo de liquefação do gás natural. Cada ciclo pode ser controlado separadamente com o controle de inventário e o controle de velocidade do compressor. Um exemplo de um conjunto de controle de inventário é mostrado na figura 4. Os três ciclos separados são conectados a um reservatório de tamponador de inventário 25, que é mantido a uma pressão inferior

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12/14 à pressão alta mais baixa nos ciclos, e superior à pressão baixa mais alta no ciclo. As válvulas 26 a 31 serão utilizadas para a transferência de massa entre os ciclos e o reservatório 25. Mesmo que os ciclos funcionem em separado, os mesmos são conectados e dependentes uns dos outros quando ao controlar a disposição. O controle de inventário separado oferece a possibilidade de variar os níveis de pressão como um todo em cada ciclo.

[0042] A filosofia de um controle flexível faz com que o sistema de ciclos separados seja um sistema robusto e adaptável às variações nos fluxos e composições de fonte de gás, e às situações de partida. Uma possível desvantagem pode ser a necessidade de mais compressores. No entanto, o volume total de sucção principalmente não irá aumentar, em comparação ao sistema mostrado na figura 3.

[0043] O uso de três expansores no processo de produção de

GNL é basicamente vantajosa, conforme ilustrado na figura 1. No entanto, até mesmo uma maior eficiência poderá ser obtida com o uso de quatro expansores ou mais, não mostrado. O motivo para isso é uma adaptação ainda melhor entre as curvas compósitas quente e fria. Uma complexidade maior provavelmente poderá ser aceita nas usinas de grande porte, nas quais a eficiência energética vem a ser uma questão determinante.

[0044] As figuras 5 e 6 mostram modalidades para a produção de

GNL baseadas nos mesmos princípios que os ilustrados nas figuras 3 e 4, mas com dois expansores em vez de três. A figura 5 mostra um exemplo tendo um trem compressor comum e a figura 6 mostra um exemplo que inclui ciclos separados. Em ambos os casos ilustrados, o expansor 3 é adaptado para o sub-resfriamento do gás natural liquefeito, ao passo que o expansor 2 é adaptado para o dessuperaquecimento e a condensação / resfriamento de um gás denso. O expansor 2 é, portanto, utilizado para a produção de gás natural liquefeito, ao passo

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13/14 que o expansor 3 é utilizado para o sub-resfriamento. A adaptação entre as curvas compósitas quente e fria será menos satisfatória em comparação com as soluções dotadas de três expansores, mas a configuração será menos complexa. O volume total de sucção do compressor não irá diminuir em relação à modalidade dotada de três expansores, uma vez que a capacidade de sucção dos compressores 6, 5 ou 14, 15 deve ser aumentada para lidar tanto com o dessuperaquecimento e a condensação / resfriamento do gás denso.

[0045] Quanto aos sistemas descritos com três expansores, o controle de capacidade pode ser feito por meio do controle de inventário e do controle de velocidade do compressor. Para os ciclos separados, vide figura 6, os níveis de pressão podem ser controlados independentemente para os dois ciclos. O controle de inventário é feito por meio de um sistema de tamponador de massa de refrigerante incluindo um reservatório 25 e as válvulas 28, 29, 30 e 31. A pressão no reservatório 25 é mantida inferior à pressão alta mais baixa e superior à pressão baixa mais alta no sistema. As válvulas são utilizadas para a transferência de massa para o e a partir do reservatório. Para o sistema conectado da figura 5, o controle de inventário é disposto por um reservatório 25 e pelas válvulas 32 e 34. Ao se variar o processo de inventário, os níveis de pressão total podem ser alterados e a capacidade controlada. A variação de velocidade do compressor pode ser usada para variar a capacidade total, mas também para o controle separado de cada fase do compressor, dando a oportunidade de variar a capacidade de diferentes níveis de pressão.

[0046] O expansor 2 das figuras 5 e 6 provê a capacidade de resfriamento no ciclo de alta temperatura. Esta capacidade de resfriamento, por exemplo, pode ser provida por dois expansores em série, vide figura 8. O fluxo de massa 55, primeiramente, será expandido no expansor 2a até uma pressão intermediária e sub-resfriado na caixa fria

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8, antes de uma expansão final através de um segundo expansor 2b até a baixa pressão do ciclo de alta temperatura. A complexidade será ligeiramente maior, mas irá aumentar a eficiência energética. A princípio, qualquer um dos expansores 1,2 e 3 pode ser substituído por dois ou mais expansores em série.

[0047] Todas as soluções acima propostas não se limitam à produção de gás natural liquefeito. A reliquefação de um gás de evaporação, que é também considerado como um gás natural, é uma outra aplicação, na qual a presente invenção pode ser usada, por exemplo, no transporte de GNL marinho e em terminais ao largo da costa.

[0048] Apesar de não ser ilustrado nos desenhos, deve-se entender que mais de três expansores é aplicável, por exemplo, quatro ou até mais.

Exemplo:

[0049] A aplicação da presente invenção, por exemplo, conforme mostrado na figura. 3, a uma fonte típica de gás natural, as eficiências energéticas calculadas em torno de 0,32 kWh / kg de GNL poderão ser alcançadas, dependendo das condições externas. Em comparação com as soluções da técnica anterior, por exemplo, de acordo com a Patente US 6 412 302 que tem uma eficiência energética calculada de 0,44 kWh/kg de GNL em uma condição ambiente igual e com base nos dados operacionais sugeridos na presente descrição, a presente invenção vem a ser um importante aperfeiçoamento.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para a produção de gás natural liquefeito e subresfriado por meio de um conjunto de refrigeração usando um refrigerante gasoso de fase única, compreendendo:

dois ou três expansores (1 - 3, 2 - 3);

um conjunto de compressor (5 - 7, 13 - 18, 5 - 7; 14 - 18), um conjunto de trocador de calor (8) para a absorção de calor do gás natural; e um conjunto de rejeição de calor (10 - 12, 19 - 24, 10 - 12, 20 - 24), caracterizado pelo fato de:

dispor os expansores (1 - 3, 2 - 3) em dois ou três loops de expansão, cada um dos expansores sendo independentemente controlado;

usar apenas um e o mesmo refrigerante em todos os loops;

passar um fluxo de refrigerante expandido a partir de um respectivo expansor (1 - 3, 2 - 3) para o conjunto de trocador de calor (8), em que no caso de dois expansores:

o fluxo de refrigerante do primeiro expansor está em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado para o dessuperaquecimento, a condensação e o resfriamento da fase densa do gás natural, e o refrigerante do segundo expansor está em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado para o subresfriamento do gás natural;

no caso de três expansores:

o fluxo de refrigerante do primeiro expansor está em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado para o dessuperaquecimento de gás natural, o fluxo de refrigerante do segundo expansor está em um fluxo de massa e em um nível de temperatura

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2/6 adaptado para a condensação e o resfriamento da fase densa do gás natural, e o refrigerante do terceiro expansor está em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado para o subresfriamento do gás natural;

servir o refrigerante ao respectivo expansor (1 - 3 ; 2 - 3) em um fluxo comprimido por meio do conjunto de compressor (5 - 7, 13 - 18, 7 - 5, 14 - 18) tendo compressores ou fases de compressor que permitem pressões de entrada e saída adaptadas ao respectivo expansor.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela conexão dos expansores (1 - 3, 2 - 3) ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com loops de expansão separados (52, 51, 56, 55, 60, 59, 56, 55, 60, 59).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de conectar os expansores (1 - 3, 2

- 3) ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com a fusão de correntes frias nos loops dos loops de expansão (52, 56) em conexão com o conjunto do trocador de calor (8).
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de conectar os expansores (1 - 3, 2

- 3) ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com a separação das correntes quentes nos loops de expansão (51, 56) em conexão com o conjunto de trocador de calor (8) a montante dos expansores (1 - 3, 2 - 3).
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de conectar os expansores (1 - 3, 2

- 3) ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com a separação das correntes

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3/6 quentes (51, 55) a montante dos expansores (1 - 3, 2 - 3) e a fusão das correntes frias (52, 56) em conexão com o conjunto do trocador de calor (8).
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de conectar cada expansor (1 - 3, 2 - 3) ao conjunto de compressor (13 - 18, 14 - 18) de modo a fluidamente formar ciclos de refrigeração separados.
7. Método, de acordo com a qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de controlar as capacidades de refrigeração por meio da variação de um inventário de refrigerante.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de independentemente variar as capacidades de refrigeração em cada ciclo por meio do controle de inventário separado.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de controlar as capacidades de refrigeração por meio do controle de velocidade de compressor.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de substituir qualquer um dos expansores por dois ou mais expansores conectados em série com um resfriamento intermediário entre as fases de expansão.
11. Sistema para a produção de gás natural liquefeito e sub-resfriado por meio de um conjunto de refrigeração que utiliza um refrigerante gasoso de fase única compreendendo:

dois ou mais expansores (1 - 3, 2 - 3);

um conjunto de compressor (5 - 7, 13 - 18 ; 5 - 7; 14 - 18);

um conjunto de trocador de calor (8) para a absorção de caPetição 870190090629, de 12/09/2019, pág. 20/27

4/6 lor do gás natural, e um conjunto de rejeição de calor (10 - 12, 19 - 24, 10 - 12, 20 - 24), caracterizado pelo fato de que:

os expansores (1 - 3, 2 - 3) são dispostos em dois ou mais loops de expansão, cada um dos expansores sendo independentemente controlado;

todos os loops de expansão compreendendo o mesmo refrigerante;

um fluxo de refrigerante expandido a partir de um respectivo expansor (1 - 3, 2 - 3) para é passado dentro do conjunto de trocador de calor (8), em que o conjunto de trocador de calor (8) compreende trajetos individuais para dessuperaquecimento, condensação e resfriamento da fase densa e o sub-resfriamento, cada trajeto estando em um fluxo de massa e em um nível de temperatura adaptado para dessuperaquecimento, condensação e resfriamento da fase densa e o subresfriamento do gás natural; e

- o refrigerante para o respectivo expansor (1 - 3, 2 - 3) é servido em um fluxo comprimido por meio do conjunto de compressor (5 - 7, 13 - 18, 5 - 7, 14 - 18) tendo compressores ou fases de compressor possíveis adaptados às pressões de entrada e saída para o respectivo expansor.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os expansores (1 - 3, 2 - 3) são conectados ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a formar fluidamente um conjunto de refrigeração integrado com loops de expansão separados (52, 51,56, 55, 60, 59, 56, 55, 60, 59).
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os expansores (1 - 3, 2 - 3) são conectados ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com a fusão de correntes frias dos

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5/6 loops de expansão (52, 56) em conexão com o conjunto de trocador de calor (8).
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os expansores (1 - 3, 2 - 3) são conectados ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com a separação de correntes quentes nos loops de expansão (51, 56) em conexão com o conjunto de trocador de calor (8) a montante dos expansores (1 - 3, 2 - 3).
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os expansores (1 - 3, 2 - 3) são conectados ao conjunto de compressor (5 - 7) de modo a fluidamente formar um conjunto de refrigeração integrado com a separação de correntes quentes (51, 55) a montante dos expansores (1 - 3, 2 - 3) e a fusão de correntes frias (52, 56) em conexão com o conjunto de trocador de calor (8).
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que cada expansor (1 - 3, 2 - 3) é conectado ao conjunto de compressor (13 - 18, 14 - 18) de modo a fluidamente formar ciclos de refrigeração separados.
17. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que as capacidades de refrigeração são controladas por meio da variação de um inventário de refrigerante.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que as capacidades de refrigeração variam independentemente em cada ciclo por meio do controle de um inventário separado.
19. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 18, caracterizado pelo fato de que as capacidades de refrigeração são controladas por meio do controle de velocidade de um compressor.

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20. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 19, caracterizado pelo fato de qualquer um dos expansores é substituído por dois ou mais expansores conectados em série com a refrigeração intermediária entre as fases de expansão.

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1/8

Temperatura [K]

Calor [kJ/kg]

2/8

kJ/h

3/8