BRPI0921562B1 - processo e instalação de produção de uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado a partir de uma corrente de carga de gás natural - Google Patents

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Paradowski Henri
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Abstract

processo e instalação de produção de uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado a partir de uma corrente de carga de gás natural este processo compreende a passagem da corrente de carga (12) em um primeiro trocador de calor (16) para uma troca térmica com uma corrente (60) de refrigerante gasoso produzido em um primeiro ciclo (26) de refrigeração compreendendo uma primeira turbina (34) de expansão dinâmica. ele compreende a passagem de uma corrente de carga pré-resfriada (18) em um segundo trocador de calor (20) para uma troca térmica com uma segunda corrente (62) de refrigerante gasoso produzido em um segundo ciclo de refrigeração (28) compreendendo uma segunda turbina (42) de expansão dinâmica. ele comporta a passagem de uma corrente de gás natural liquefeito (22) em um terceiro trocador de calor para uma troca térmica com uma terceira corrente (64) de refrigerante produzido em um terceiro ciclo (30) de refrigeração compreendendo uma terceira turbina (52) de expansão dinâmica, distinta da primeira turbina (34) e da segunda turbina (42).

Description

“PROCESSO E INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE UMA CORRENTE DE GÁS NATURAL LIQUEFEITO SUB-RESFRIADO A PARTIR DE UMA CORRENTE DE CARGA DE GÁS NATURAL”
[0001] A presente invenção refere-se a um processo de produção de uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado a partir de uma corrente de carga de gás natural, este processo sendo destinado a formar do gás natural liquefeito (GNL) sub-resfriado a uma temperatura inferior a -120°C.
[0002] Tal processo é destinado a ser realizado notadamente na proximidade dos sítios de produção de gás natural, para transformar uma carga de gás natural de grande volume, em um gás natural liquefeito de volume reduzido. O GNL pode notadamente ser carregado em unidade de metanação para ser encaminhado por via marítima para os locais de consumo.
[0003] Este processo é destinado a ser realizado quer em novas unidades de liquefação de gás natural, quer em unidades já existentes.
[0004] Para liquefazer uma carga de gás natural, é frequente utilizar um processo compreendendo vários ciclos refrigeração que utilizam fluidos refrigerantes formados por hidrocarbonetos em C2+.
[0005] Um exemplo de tal processo, designado pela sigla “C3/MR” utiliza dois ciclos de refrigeração, com um primeiro ciclo com propano e um segundo ciclo utilizando uma mistura de refrigerantes composta de nitrogênio, metano, etano e propano.
[0006] Os refrigerantes que circulam nestes ciclos são pelo menos parcialmente liquefeitos após a sua compressão sob forma gasosa, por exemplo, sofrendo uma expansão estática em uma válvula de expansão.
[0007] O líquido assim obtido é colocado em relação de troca de calor com a carga em diversos níveis de temperatura. O refrigerante líquido evapora-se por troca de calor com a carga, fornecendo assim frigorias para o resfriamento, a liquefação, e o sub-resfriamento da carga. Estes ciclos refrigerantes podem ser adaptados termodinamicamente à carga para obter rendimentos muito elevados.
[0008] No entanto, estes processos requerem a utilização e o armazenamento
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2/39 de refrigerantes sob forma líquida, igualmente no núcleo da unidade de liquefação, como fora da mesma. Assim, é necessário produzir ou fornecer sob forma líquida, e armazenar pelo menos temporariamente os hidrocarbonetos como o propano e o etano. Isto necessita precauções particulares em termos de segurança e uma infraestrutura adaptada para evitar acidentes.
[0009] Tais processos, portanto, não são adaptados para ambientes que apresentam um espaço pequeno disponível e/ou limitações de segurança, como notadamente as unidades flutuantes de recuperação, armazenamento e tratamento dos hidrocarbonetos designados pela sigla em inglês “FPSO” ou as plataformas situadas em mar diretamente acima das jazidas submarinas de gás natural.
[0010] Assim, nestes dois últimos, é necessário transportar o gás natural até a unidade de liquefação situada em terra, o que é pouco econômico, e o que requer a instalação de dutos submarinos.
[0011] Para remediar este problema, conhece-se de US-5.768.912 um processo do tipo acima citado que utiliza para o pré-resfriamento e a liquefação do gás natural, um primeiro ciclo com refrigerante misto clássico, seguido de um segundo ciclo complexo compreendendo três turbinas dinâmicas de expansão de gases.
[0012] No segundo ciclo, o fluido refrigerante é formado essencialmente por nitrogênio que continua a ser gasoso durante toda a sua circulação no ciclo.
[0013] Tal processo permite, portanto, livrar-se parcialmente das dificuldades ligadas ao transporte, ao armazenamento e à utilização de fluidos refrigerantes líquidos e perigosos formados por hidrocarbonetos em C2+. É, além disso, pouco sensível aos movimentos da unidade na ele qual é realizado, notadamente quando esta unidade é embarcada sobre um conjunto flutuante.
[0014] Este processo apresenta, no entanto, um rendimento termodinâmico baixo, que torna a sua exploração dispendiosa em energia.
[0015] Um objetivo da invenção é, portanto, pré-resfriar, liquefazer, e sub-resfriar uma carga de gás natural de modo seguro, em um espaço limitado e potencialmente flutuante sobre uma extensão de água, e sendo ao mesmo tempo muito econômico.
[0016] Para esse efeito, a invenção tem por objeto um processo do tipo acima
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3/39 citado, caracterizado pelo fato de compreender as etapas seguintes:
- pré-resfriamento da corrente de carga de gás natural por passagem através de um primeiro trocador de calor para obter uma corrente de carga préresfriada a uma temperatura inferior - a 20°C;
- liquefação da corrente de carga pré-resfriada por passagem através de um segundo trocador de calor para obter pelo menos uma corrente de gás natural liquefeito a uma temperatura inferior - a 80°C;
- sub-resfriamento da corrente de gás natural liquefeito por passagem através de um terceiro trocador de calor para obter uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado até uma temperatura inferior a -120°C;
- colocação em relação de troca de calor da corrente de carga no primeiro trocador de calor com uma primeira corrente de refrigerante essencialmente gasosa produzida em um primeiro ciclo de refrigeração a partir de uma primeira corrente gasosa de fluido refrigerante expandido oriunda de uma primeira turbina de expansão dinâmica;
- colocação em relação de troca de calor da corrente de carga préresfriada no segundo trocador de calor com uma segunda corrente de refrigerante gasoso circulando em um segundo ciclo de refrigeração, a segunda corrente de refrigerante gasoso sendo produzida a partir de uma segunda corrente gasosa de fluido expandido proveniente de uma segunda turbina de expansão dinâmica distinta da primeira turbina de expansão dinâmica;
- colocação em relação de troca de calor da corrente de gás natural liquefeito no terceiro trocador de calor com uma terceira corrente de refrigerante circulando em um terceiro ciclo de refrigeração, a terceira corrente de refrigerante sendo produzida pelo menos parcialmente a partir de uma terceira corrente gasosa de fluido expandido oriunda de uma terceira turbina de expansão dinâmica distinta da primeira turbina de expansão dinâmica e da segunda turbina de expansão dinâmica;
- transporte da primeira corrente de refrigerante aquecido obtida na saída do primeiro trocador de calor em direção a um primeiro aparelho de compressão
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4/39 sem passar pelo segundo trocador de calor e sem passar pelo terceiro trocador de calor;
- transporte da segunda corrente de refrigerante aquecido oriunda do segundo trocador de calor em direção a um segundo aparelho de compressão, sem passar pelo primeiro trocador de calor e sem passar pelo terceiro trocador de calor;
- transporte da terceira corrente de refrigerante aquecido oriunda do terceiro trocador de calor em direção a um terceiro aparelho de compressão, sem passar pelo primeiro trocador de calor e sem passar pelo segundo trocador de calor. [0017] O processo de acordo com a invenção pode compreender uma ou várias das características seguintes, tomada(s) isoladamente ou seguindo qualquer(s) combinação(s) tecnicamente possível(s):
- ele compreende as etapas seguintes:
- separação da primeira corrente gasosa de fluido refrigerante expandido na primeira corrente de refrigerante gasoso e uma primeira corrente de resfriamento auxiliar;
- colocação em relação de troca de calor da primeira corrente de resfriamento auxiliar em um segundo trocador de ciclo com uma segunda corrente de refrigerante comprimido oriunda do segundo aparelho de compressão para formar uma segunda corrente de refrigerante comprimido resfriado,
- transporte da segunda corrente de refrigerante comprimido resfriado para a segunda turbina de expansão para formar a segunda corrente gasosa de fluido refrigerante expandido;
- ele compreende as etapas seguintes:
- separação da segunda corrente gasosa de fluido refrigerante expandido na segunda corrente de refrigerante gasoso e uma segunda corrente de resfriamento auxiliar, e
- colocação em relação de troca de calor da segunda corrente de resfriamento auxiliar em um terceiro trocador de ciclo com uma terceira corrente de refrigerante comprimido oriunda do terceiro aparelho de compressão para formar uma terceira corrente de refrigerante comprimido resfriado,
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- transporte da terceira corrente de refrigerante comprimido resfriado para a terceira turbina de expansão para formar a terceira corrente gasosa de fluido refrigerante expandido;
- os fluidos refrigerantes circulando respectivamente no primeiro ciclo de refrigeração, no segundo ciclo de refrigeração e no terceiro ciclo de refrigeração são totalmente separados, a primeira corrente de refrigerante aquecido oriunda do primeiro trocador de calor, a segunda corrente de refrigerante aquecido oriunda do segundo trocador de calor, e a terceira corrente de refrigerante aquecido oriunda do terceiro trocador de calor sendo transportadas respectivamente para compressores distintos respectivamente do primeiro aparelho de compressão, do segundo aparelho de compressão e do terceiro aparelho de compressão para ser comprimidas separadamente umas das outras;
- ele compreende as etapas seguintes:
- formação de pelo menos uma corrente de mistura a partir de pelo menos duas entre a primeira corrente de refrigerante aquecido, a segunda corrente de refrigerante aquecido, e a terceira corrente de refrigerante aquecido,
- compressão da ou de cada corrente de mistura em um compressor comum a pelo menos dois do primeiro aparelho de compressão, do segundo aparelho de compressão, e do terceiro aparelho de compressão;
- a terceira corrente de refrigerante é essencialmente gasosa antes da sua introdução no terceiro trocador de calor;
- ele compreende as etapas seguintes:
- separação da corrente de refrigerante comprimido oriunda do terceiro aparelho de compressão em uma corrente de formação da terceira corrente de refrigerante e em uma corrente gasosa de refrigeração da corrente de formação,
- transporte da corrente gasosa de resfriamento para a terceira turbina de expansão, e colocação em relação de troca de calor da corrente gasosa de resfriamento expandido oriunda da terceira turbina de expansão com a corrente de formação para liquefazer a corrente de formação,
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- transporte da corrente de formação liquefeita para uma turbina de expansão hidráulica para formar a terceira corrente de refrigerante sob forma essencialmente líquida,
- colocação em relação de troca de calor da terceira corrente de refrigerante sob forma essencialmente líquida com a corrente de gás natural liquefeito no terceiro trocador de calor;
- ele compreende as etapas seguintes:
- divisão da corrente de carga pré-resfriada oriunda do primeiro trocador de calor em uma corrente principal de carga pré-resfriada, e em uma corrente auxiliar de expansão,
- expansão da corrente auxiliar de expansão até uma baixa pressão inferior de pelo menos 5 bars na pressão da corrente principal, e
- passagem sucessiva de uma corrente oriunda da corrente de expansão no segundo trocador de calor e no terceiro trocador de calor para liberar uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado de baixa pressão;
- o teor molar de nitrogênio de cada uma da primeira corrente de refrigerante, da segunda corrente de refrigerante, e da terceira corrente de refrigerante, é superior a 90%;
- a primeira corrente de refrigerante é formada à base de gás natural tendo um teor molar de metano superior a 70%;
- a segunda corrente de refrigerante compreende um teor molar de metano superior a 90%;
- a primeira corrente de refrigerante (60) compreende um teor molar de dióxido de carbono superior a 5%; e
- a pressão na saída do primeiro aparelho de compressão é superior a 50 bars, com vantagem superior a 70 bars, e a pressão na entrada do primeiro aparelho de compressão é superior a 10 bars, com vantagem superior a 15 bars.
[0018] A invenção tem igualmente por objeto uma instalação de produção de uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado a partir de uma corrente de carga de gás natural, caracterizada pelo fato de compreender:
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- meios de pré-resfriamento da corrente de carga de gás natural compreendendo um primeiro trocador de calor para obter uma corrente de carga préresfriada a uma temperatura inferior - a 20°C;
- meios de liquefação da corrente de carga pré-resfriada compreendendo um segundo trocador de calor para obter pelo menos uma corrente de gás natural liquefeito a uma temperatura inferior - a 80°C;
- meios de sub-resfriamento da corrente de gás natural liquefeito compreendendo um terceiro trocador de calor para obter uma corrente de gás natural liquefeito sub-resfriado até uma temperatura inferior a -120°C;
- um primeiro ciclo de refrigeração compreendendo uma primeira turbina de expansão dinâmica e um primeiro aparelho de compressão, a corrente de carga sendo colocada em relação de troca de calor no primeiro trocador de calor com uma primeira corrente de refrigerante essencialmente gasosa produzida no primeiro ciclo de refrigeração a partir de uma primeira corrente gasosa de fluido refrigerante expandido oriunda da primeira turbina de expansão dinâmica;
- um segundo ciclo de refrigeração compreendendo uma segunda turbina de expansão dinâmica distinta da primeira turbina de expansão dinâmica e um segundo aparelho de compressão, a corrente de carga pré-resfriada sendo colocada em relação de troca de calor no segundo trocador de calor com uma segunda corrente de refrigerante gasoso produzida a partir de uma segunda corrente gasosa de fluido refrigerante expandido proveniente da segunda turbina de expansão dinâmica;
- um terceiro ciclo de refrigeração compreendendo uma terceira turbina de expansão dinâmica distinta da primeira turbina de expansão dinâmica e da segunda turbina de expansão dinâmica e um terceiro aparelho de compressão, a corrente de gás natural liquefeito sendo colocada em relação de troca de calor no terceiro trocador de calor com uma terceira corrente de refrigerante circulando no terceiro ciclo de refrigeração, a terceira corrente de refrigerante sendo produzida pelo menos parcialmente a partir de uma terceira corrente gasosa de fluido expandido oriunda da terceira turbina de expansão dinâmica;
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8/39 o primeiro ciclo de refrigeração compreendendo meios de transporte da primeira corrente de refrigerante aquecido obtida na saída do primeiro trocador de calor para o primeiro aparelho de compressão sem passar pelo segundo trocador de calor e sem passar pelo terceiro trocador de calor;
o segundo ciclo de refrigeração compreendendo meios de transporte da segunda corrente de refrigerante aquecido obtida na saída do segundo trocador de calor para o segundo aparelho de compressão, sem passar pelo primeiro trocador de calor e sem passar pelo terceiro trocador de calor;
o terceiro ciclo de refrigeração compreendendo meios de transporte da terceira corrente de refrigerante aquecido oriunda do terceiro trocador de calor para o terceiro aparelho de compressão sem passar pelo primeiro trocador de calor e sem passar pelo segundo trocador de calor;
- o primeiro trocador de calor, o segundo trocador de calor e o terceiro trocador de calor são de tubos e calandra de tipo clássico ou bobinado;
- o primeiro trocador de calor, o segundo trocador de calor e o terceiro trocador de calor são de aço inoxidável austenítico; e
- o primeiro trocador de calor, o segundo trocador de calor e o terceiro trocador de calor são de tubos e calandra de tipo clássico.
[0019] A invenção será melhor compreendida na leitura da descrição seguinte, dada unicamente a título de exemplo, e feita com referência aos desenhos anexos, nos quais:
- a Figura 1 é um esquema sinóptico funcional de uma primeira instalação de realização de um primeiro processo de produção de acordo com a invenção;
- a Figura 2 é uma vista análoga à Figura 1 de uma segunda instalação de realização de um segundo processo de produção de acordo com a invenção;
- a Figura 3 é uma vista análoga à Figura 1 de uma terceira instalação de realização de um terceiro processo de produção de acordo com a invenção;
- a Figura 4 é uma vista análoga à Figura 1 de uma quarta instalação de realização de um quarto processo de produção de acordo com a invenção;
- a Figura 5 é uma vista análoga à Figura 1 de uma quinta instalação de
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9/39 realização de um quinto processo de produção de acordo com a invenção;
- a Figura 6 é uma vista análoga à Figura 1 de uma sexta instalação de realização de um sexto processo de produção de acordo com a invenção;
-a Figura 7 é uma vista análoga à Figura 1 de uma sétima instalação de realização de um sétimo processo de produção de acordo com a invenção;
- a Figura 8 é uma vista análoga à Figura 1 de uma oitava instalação de realização de um oitavo processo de produção de acordo com a invenção; e
- a Figura 9 é uma vista análoga à Figura 1 de uma nona instalação de realização de um nono processo de produção de acordo com a invenção.
[0020] A Figura 1 ilustra uma primeira instalação 10 de acordo com a invenção, destinada liquefazer e a sub-resfriar uma corrente 12 de uma carga de gás natural obtida sob forma gasosa para formar uma corrente 14 de gás natural liquefeito (GNL) sub-resfriado.
[0021] Esta instalação 10 compreende um primeiro trocador de calor 16 de préresfriamento da corrente de carga 12 para formar uma corrente 18 de carga préresfriada, um segundo trocador de calor 20 de liquefação da corrente de carga préresfriada 18 para formar uma corrente 22 de gás natural liquefeito e um terceiro trocador de calor 24 para sub-resfriar a corrente de gás natural liquefeito e formar a corrente GNL sub-resfriado 14.
[0022] A instalação 10 compreende, além disso, um primeiro ciclo 26 de refrigeração destinado a alimentar o primeiro trocador de calor 16, um segundo ciclo 28 de refrigeração destinado a alimentar o segundo trocador de calor 20 e um terceiro ciclo 30 de refrigeração destinado a alimentar o terceiro trocador de calor 24. [0023] Os ciclos refrigeração 26, 28, 30 são ciclos de tipo “Brayton invertido” funcionando, cada um, com um fluido refrigerante essencialmente gasoso que sofre um expansão dinâmica.
[0024] Assim, o primeiro ciclo de refrigeração 26 compreende um primeiro aparelho de compressão 32, e uma primeira turbina de expansão dinâmica 34.
[0025] O primeiro aparelho de compressão 32 compreende, neste exemplo, vários estágios de compressão, cada estágio compreendendo um compressor 36A,
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36B, 36C e refrigerante 38A, 38B, 38C montados em série na saída de um compressor 36A, 36B, 36C.
[0026] O último compressor 36C do primeiro aparelho 32 é acoplado em rotação com a primeira turbina 34 para ser acionado em rotação preferivelmente principalmente por esta turbina 34. Os compressores 36A, 36B preferivelmente são acionados em rotação por um motor comum.
[0027] O segundo ciclo de refrigeração 28 compreende um segundo aparelho de compressão 40, e uma segunda turbina de expansão dinâmica 42 distinta da primeira turbina 34. Ele compreende, além disso, um segundo trocador de ciclo 44.
[0028] O segundo aparelho de compressão 40 compreende uma estrutura análoga à do primeiro aparelho de compressão 32. Ele apresenta assim, neste exemplo, vários estágios de compressão, cada estágio compreendendo um compressor 46A, 46B, 46C e um refrigerante 48A, 48B, 48C montados em série na saída de um compressor 46A, 46B, 46C.
[0029] O último compressor 46C do segundo aparelho 40 é acoplado em rotação com a segunda turbina 42 para ser acionado em rotação preferivelmente principalmente por esta turbina 42. Os compressores 46A, 46B preferivelmente são acionados em rotação por um motor comum.
[0030] O terceiro ciclo de refrigeração 30 compreende um terceiro aparelho de compressão 50, uma terceira turbina de expansão 52 e um terceiro trocador de ciclo 54.
[0031] O terceiro aparelho de compressão 50 apresenta uma estrutura análoga à do primeiro aparelho de compressão 32. Ele apresenta assim, neste exemplo, vários estágios de compressão, cada estágio compreendendo um compressor 56A, 56B, 56C e refrigerante 58A, 58B, 58C montados em série na saída de um compressor 56A, 56B, 56C.
[0032] O último compressor 56C do terceiro aparelho 50 é acoplado em rotação com a terceira turbina 52 a ser acionada em rotação preferivelmente principalmente por esta turbina 52. Os compressores 56A, 56B preferivelmente são acionados em rotação por um motor comum.
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[0033] No exemplo representado na figura 1, os três ciclos de refrigeração 26, 28, 30, são divididos totalmente. Eles funcionam, cada um, respectivamente com um primeiro fluido refrigerante, com um segundo fluido refrigerante, e com um terceiro fluido refrigerante, sem mistura, nem troca de calor entre estes fluidos.
[0034] Os compressores respectivos do primeiro aparelho de compressão 26, do segundo aparelho de compressão 28 e do terceiro aparelho de compressão 30 são todos distintos.
[0035] Um primeiro processo de liquefação e sub-resfriamento de acordo com a invenção será agora descrito.
[0036] Em qualquer parte seguinte, designa-se por uma mesma referência uma corrente de fluido e o conduto que a transporta. Do mesmo modo, as pressões consideradas são pressões absolutas e, salvo indicação em contrário, as percentagens consideradas são percentagens molares.
[0037] O rendimento de cada compressor é, neste exemplo, de 82% politrópico e o rendimento de cada turbina é de 86% adiabático.
[0038] A corrente de carga 12 é, neste exemplo, uma corrente de gás natural compreendendo em moles 4,00% de nitrogênio, 87,50% de metano, 5,50% de etano, 2,10% de propano, 0,30% de hidrocarboneto em i-C4, 0,50% de hidrocarboneto em n-C4, e 0,10% de hidrocarboneto em i-C5. Assim, esta corrente 12 compreende um teor molar de hidrocarbonetos superior a 80% e um teor molar de nitrogênio compreendido entre 0% e 20%.
[0039] Esta corrente de carga apresenta uma temperatura inferior a 50°C e, por exemplo, compreendida entre 50°C e 0°C, neste exemplo igual a 35°C. Ela apresenta uma pressão superior a 30 bars e notadamente compreendida entre 30 bars e 90 bars, com vantagem igual a 66,5 bares.
[0040] Esta corrente de carga 12 é, neste exemplo, exclusivamente gasosa. Ela apresenta uma fração líquida inferior a 0,1% em massa.
[0041] A vazão molar de carga a tratar é neste exemplo superior a 20 kmoles/h e é com vantagem igual a 40 000 kmols/h.
[0042] A corrente de carga 12 é introduzida no primeiro trocador de calor 16,
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12/39 onde ela se pré-resfria até a uma temperatura inferior a -20°C, notadamente igual a 40°C, por troca de calor com uma primeira corrente 60 de refrigerante formado do primeiro fluido refrigerante circulando no primeiro ciclo de refrigeração 26.
[0043] Esta corrente 12 forma, na saída do primeiro trocador de calor 16, a corrente de carga pré-resfriada 18. Esta corrente de carga 18 é essencialmente gasosa, de modo que ela apresenta uma fração volúmica em líquido inferior a 5%.
[0044] Depois, a corrente de carga pré-resfriada 18 é introduzida no segundo trocador de calor 20, onde é condensada em contracorrente de uma segunda corrente 62 de refrigerante gasoso formado do segundo fluido refrigerante circulando no segundo ciclo de refrigeração 28.
[0045] A corrente 18 forma, na saída do segundo trocador de calor 20, a corrente de GNL 22, que apresenta uma temperatura inferior a -80°C, e notadamente sensivelmente igual a -90°C.
[0046] Depois, a corrente GNL 22 é introduzida no terceiro trocador de calor 24, onde ela é colocada em relação de troca de calor em contracorrente com uma terceira corrente 64 de refrigerante gasoso formado do terceiro fluido refrigerante circulando no terceiro ciclo 30.
[0047] A corrente 22 forma, na saída do terceiro trocador de calor 24, a corrente de GNL sub-resfriada 14, que é produzida a uma temperatura inferior a -120°C, e notadamente igual a -148,1°C.
[0048] A corrente de GNL sub-resfriado 14 apresenta, além disso, uma pressão levemente inferior à pressão da corrente de carga 12, por exemplo, inferior a 10% da pressão da corrente de carga 12 e neste exemplo, igual a 62 bares.
[0049] No exemplo representado sobre a figura 1, o primeiro ciclo de refrigeração 26 é um ciclo fechado de tipo Brayton invertido.
[0050] Neste ciclo, a primeira corrente 66 de refrigerante aquecido oriunda do primeiro trocador de calor 16 forma a totalidade de uma primeira corrente 68 de fluido refrigerante aquecido de baixa pressão, que é injetado a uma entrada do primeiro compressor 36A do aparelho de compressão 32.
[0051] A primeira corrente de refrigerante aquecido 66 é transportada para o
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13/39 primeiro aparelho de compressão 32 sem passar pelo segundo trocador de calor 20, nem o terceiro trocador de calor 24. Não é colocada de novo em relação de troca de calor com a carga de gás natural entre a saída do primeiro trocador 16 e a entrada do primeiro aparelho de compressão 32.
[0052] A primeira corrente de baixa pressão 68 é comprimida sucessivamente em cada compressor 36A, 36B, 36C, sendo resfriada na saída de cada compressor 36A, 36B, 36C por um refrigerante 38A, 38B, 38C.
[0053] O refrigerante é à base de água ou de ar disponível na instalação 10. Ele apresenta assim uma temperatura compreendida, por exemplo, entre 0°C e 40°C.
[0054] Na saída do primeiro aparelho de compressão 26, a corrente 68 forma uma primeira corrente 70 de refrigerante comprimido que apresenta uma pressão superior a 60 bars e notadamente sensivelmente igual a 75 bars. A corrente 70 apresenta uma temperatura sensivelmente igual à dos refrigerantes 38A, 38B, 38C, seja de cerca de 36°C neste exemplo.
[0055] Depois, a corrente 70 é injetada na primeira turbina 34 de expansão dinâmica, onde ela sofre um expansão dinâmica até uma pressão inferior a 25 bars, e notadamente igual a cerca de 17 bars. A corrente 70 forma, na saída da turbina de expansão 34, uma primeira corrente 72 de refrigeração expandida que constitui em totalidade a primeira corrente de refrigerante 60. Esta corrente 60 apresenta uma temperatura inferior a -22 °C e notadamente sensivelmente igual a -60°C.
[0056] A vazão da primeira corrente de refrigerante é neste exemplo sensivelmente igual a 59960 kmols/h.
[0057] O primeiro fluido refrigerante circulando no primeiro ciclo de refrigeração 26 é exclusivamente gasoso. Ele compreende assim um teor em líquido inferior a 1% em volume.
[0058] Em um primeiro modo de realização (caso 1), este fluido é composto de mais de 90% moles de nitrogênio, com vantagem de 100% moles de nitrogênio.
[0059] Em uma outra variante (casos 1bis), este fluido é composto por gás natural compreendendo com vantagem mais de 70% de metano, e notadamente mais 85% de metano e mais 5% de hidrocarboneto em C2+. Este refrigerante é
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14/39 formado com vantagem por gás de carga 12.
[0060] Quando o dióxido de carbono está disponível na instalação 10, por exemplo, sendo produzido na instalação por descarbonatação do gás natural bruto, é vantajoso introduzir pelo menos 10%, com vantagem pelo menos 18%, no primeiro fluido refrigerante. Em uma variante (casos 1ter), o primeiro fluido refrigerante compreende cerca de 20% de dióxido de carbono.
[0061] Na saída do segundo trocador de calor 20, a segunda corrente 62 forma uma segunda corrente de refrigerante aquecido 76 que é introduzido no segundo trocador de ciclo 44 para formar uma segunda corrente 78 de refrigerante de baixa pressão destinado a ser introduzido no segundo aparelho de compressão 28.
[0062] A segunda corrente de refrigerante aquecido 76 é transportada em direção ao primeiro aparelho de compressão 32 sem passar pelo primeiro trocador de calor 16, nem pelo terceiro trocador de calor 24. Ela não é colocada de novo em relação de troca de calor com a carga de gás natural entre a saída do segundo trocador 20 e a entrada do segundo aparelho de compressão 40.
[0063] A segunda corrente de baixa pressão 78 passa então sucessivamente em cada compressor 46A, 46B, 46C e em cada refrigerante 48A, 48B, 48C, para ser comprimida até uma pressão superior a 40 bars, por exemplo, igual a cerca de 50 bars, após a sua passagem no compressor 46B, depois até a uma pressão preferivelmente superior a 60 bars e, por exemplo, sensivelmente igual a 75 bars após a sua passagem no compressor 46C atrelado preferivelmente à segunda turbina de expansão 42.
[0064] Na saída do refrigerante 48C, uma segunda corrente 80 de refrigerante comprimido é formada.
[0065] Esta corrente 80 é resfriada no segundo trocador de ciclo 44 em contracorrente da segunda corrente de refrigerante aquecido 76, para formar uma segunda corrente 81 comprimida resfriada uma temperatura inferior a -20 °C e notadamente igual a cerca de -37°C.
[0066] Depois, a corrente 81 é introduzida na segunda turbina de expansão 42 para formar uma segunda corrente 82 de refrigerante expandido que constitui na sua
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15/39 totalidade a segunda corrente de refrigerante 62 introduzido no segundo trocador 20. [0067] A pressão da segunda corrente de refrigerante 62 na entrada do trocador 20 é inferior a 32 bars e é notadamente igual a cerca de 27 bars.
[0068] A temperatura da segunda corrente de refrigerante 62 na entrada do trocador 20 é inferior a -80°C e é notadamente igual a -92°C. A vazão da segunda corrente de refrigerante 62 é neste exemplo sensivelmente igual a 164.850 kmols/h.
[0069] O segundo fluido refrigerante circulando no segundo ciclo de refrigeração 28 é também exclusivamente gasoso. Ele compreende assim um teor em líquido inferior a 1% em volume.
[0070] Em um primeiro modo de realização, o segundo fluido refrigerante circulando no segundo ciclo 28 é formado de mais de 90% de nitrogênio, com vantagem de cerca de 100% de nitrogênio.
[0071] Em uma variante, este segundo fluido refrigerante é formado de gás natural que contêm mais de 70% de metano, e menos 10% de nitrogênio.
[0072] Após a sua passagem no terceiro trocador 24, a terceira corrente de refrigerante 64 forma uma terceira corrente 86 de refrigerante aquecido que é introduzido no terceiro trocador de ciclo 54 para formar uma terceira corrente de refrigerante aquecido de baixa pressão 88, uma temperatura próxima da ambiente e notadamente sensivelmente igual a 34°C.
[0073] A terceira corrente de refrigerante aquecido 86 é transportada para o terceiro aparelho de compressão 50 sem passar pelo primeiro trocador de calor 16, nem pelo segundo trocador de calor 20. Ela não é colocada de novo em relação de troca de calor com a carga de gás natural entre a saída do terceiro trocador 24 e a entrada do terceiro aparelho de compressão 50.
[0074] Depois, a terceira corrente de baixa pressão 88 é introduzida sucessivamente em cada compressor 56A, 56B, 56C, e em cada refrigerante 58A, 58B, 58C para formar, na saída do terceiro aparelho de compressão 30, uma terceira corrente de refrigerante de alta pressão 90.
[0075] A pressão da corrente 90 na saída do compressor 56B é preferivelmente superior a 40 bars. Após sua passagem no compressor 56C preferivelmente
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16/39 acoplado à terceira turbina de expansão 52, esta pressão é preferivelmente superior a 50 bars, e notadamente 70 bars.
[0076] A terceira corrente de alta pressão 90 é introduzida depois no terceiro trocador de ciclo 54 para ser resfriada em contracorrente da terceira corrente de refrigeração aquecida 86 e formar uma terceira corrente 91 comprimida resfriada a uma temperatura inferior a -60 °C e notadamente igual a cerca de a -75°C.
[0077] Esta corrente 91 é introduzida depois na terceira turbina de expansão 42, para formar uma terceira corrente de refrigeração expandida 92 que constitui na sua totalidade a terceira corrente de refrigerante 64 introduzida no terceiro trocador 24.
[0078] A pressão da terceira corrente de refrigerante 64 na entrada do trocador 24 é inferior a 20 bars e é notadamente igual a cerca de 13 bars.
[0079] A temperatura da terceira corrente de refrigerante 64 na entrada do trocador 24 é inferior a -120°C e é notadamente igual a -150°C. A vazão da terceira corrente de refrigerante 64 é neste exemplo sensivelmente igual a 79.818 kmols/h.
[0080] No exemplo representado na figura 1, o terceiro fluido refrigerante circulando no terceiro ciclo 30 é essencialmente gasoso, ou seja, compreendendo menos de 1% em volume de líquido.
[0081] O teor molar de nitrogênio do terceiro fluido refrigerante é superior a 90%, e é com vantagem igual a 100%.
[0082] Os exemplos de temperatura, pressão, e de vazão em massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 1 são resumidas nos tabelas abaixo.
Corrente Caso 1 Caso 1bis
Gás natural
T° Pré-resfriamento C° 18 -40,00 -40,00
T° Liquefação C° 22 -90,00 -90,00
T° Sub-resfriamento C° 14 -148,10 -148,10
Refrigerante ciclo 26
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17/39
T° Após Expansão C° 60 -59,70 -42,30
Baixa pressão Bar abs. 68 16,60 18,80
Alta pressão Bar abs. 70 75,00 75,00
Vazão kmols/h 70 59960 66091
Turbina kW 43196 41005
Compressor kW 46288 40610
Teor metano % moles 70 0,00 87,50
Teor em C2+ % moles 70 0,00 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 100,00 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -36,85 -27,75
T°C Após Expansão °C 62 -92,00 -92,00
Baixa pressão Bar abs. 78 26,75 22,40
Alta pressão Bar abs. 80 75,00 75,00
Vazão kmols/h 80 164853 124200
Turbina kW 61445 45448
Compressor kW 100891 90299
Teor metano % moles 80 0,00 93,00
Teor em C2+ % moles 80 0,00 0,50
Teor Nitrogênio % moles 80 100,00 6,50
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -74,95 -74,95
T°C Após Expansão °C 64 -150,10 -150,10
Baixa pressão Bar abs. 88 12,55 12,55
Alta pressão Bar abs. 90 75,00 75,00
Vazão kmols/h 90 79818 79818
Turbina kW 34839 34839
Compressor kW 107177 107177
Teor metano % moles 90 0,00 0,00
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18/39
Teor Nitrogênio % moles 90 100,00 100,00
[0083] O consumo energético do processo, para diferentes tipos de refrigerante é ilustrado na tabela 2.
Caso 1 Caso1bis Caso 1ter
Refrigerante Ciclo 1 - N2 GN2 GN2+CO2
Refrigerante Ciclo 2 - N2 GN1 GN1
Refrigerante Ciclo 3 - N2 N2 N2
Potência Ciclo 1 kW 46288 40610 35895
Potência Ciclo 2 kW 100891 90299 90299
Potência Ciclo 3 kW 107177 107177 107177
Potência total kW 254356 238086 233371
[0084] Como se nota nestas tabelas, apesar do baixo rendimento energético teórico dos ciclos de refrigeração na expansão de gases, é possível, utilizando pelo menos três ciclos refrigeração 26, 28, 30 em expansão dinâmica de gases dispostos em série, obter um rendimento global muito satisfatório.
[0085] A otimização da natureza dos fluidos refrigerantes presentes em cada ciclo de refrigeração 26, 28, 30 permite melhorar ainda o rendimento destes ciclos em mais de 15 MW ou mesmo mais de 20 MW em função do teor de refrigerante escolhido, o que é considerável levando em conta as vazões de fluido tratadas.
[0086] Uma segunda instalação 100 de acordo com a invenção é representada na Figura 2. Esta segunda instalação 100 é destinada à realização de um segundo processo de produção de acordo com a invenção.
[0087] O segundo processo de acordo com a invenção difere do primeiro processo em que a primeira corrente de refrigeração expandida 72 oriunda da primeira turbina de expansão dinâmica 34 é separada da primeira corrente de refrigerante 60 destinada a ser transportada até ao primeiro trocador 16 e uma primeira corrente 102 de resfriamento auxiliar do segundo ciclo de refrigeração 28.
[0088] A primeira corrente refrigeração auxiliar 102 apresenta uma vazão molar
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19/39 compreendida entre 0% e 30% da vazão molar da primeira corrente refrigeração expandida 72.
[0089] A primeira corrente refrigeração auxiliar 102 é introduzida no segundo trocador de ciclo 44 do segundo ciclo de refrigeração 28 para resfriar em contracorrente a segunda corrente de refrigerante de alta pressão 80 antes da sua passagem na segunda turbina de expansão 42.
[0090] Na saída do segundo trocador de ciclo 44, a corrente 102 é misturada à primeira corrente de refrigerante aquecido 66 para formar a primeira corrente aquecida de baixa pressão 68.
[0091] Neste exemplo, o primeiro fluido refrigerante e o segundo fluido refrigerante continuam a ser totalmente separados, e não são misturados um ao outro, notadamente no segundo trocador de ciclo 44.
[0092] Exemplos de temperatura, pressão e fluxo de massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 2 estão resumidos nas tabelas acima.
Exemplos de temperatura, pressão e vazão em massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 2 são resumidos nos tabelas acima. Corrente Caso 2
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -40,00
T Liquefação °C 22 -90,00
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 72, 60, 102 -42,30
Baixa pressão Bar abs. 68 18,80
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20/39
Alta pressão Bar abs. 70 75,00
Vazão kmoles/h 70 81091
Turbina kW 50312
Compressor kW 50232
Teor metano % moles 70 87,50
Teor em C2+ % moles 70 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -33,90
T°C Após Expansão °C 62 -92,00
Baixa pressão Bar abs. 78 25,15
Alta pressão Bar abs. 80 75,00
Vazão kmols/h 80 118107
Turbina kW 37040
Compressor kW 78811
Teor metano % moles 80 93,00
Teor em C2+ % moles 80 0,50
Teor Nitrogênio % moles 80 6,50
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -74,00
T°C Após Expansão °C 64 -150,30
Baixa pressão Bar abs. 88 12,20
Alta pressão Bar abs. 90 75,00
Vazão kmols/h 90 78441
Turbina kW 34640
Compressor kW 107121
Teor metano % moles 90 3,00
Teor Nitrogênio % moles 90 97,00
[0093] Como mostra a tabela abaixo, um ganho de 1,8 MW é obtido em relação
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21/39 ao processo da Figura 1 com composição de fluido refrigerante constante.
Processo de acordo com Figura 1 Processo de acordo com Figura 2
Potência Ciclo 26 kW 40610 50232
Potência Ciclo 28 kW 90299 78811
Total dos 2 Ciclos kW 130909 129043
[0094] Uma terceira instalação 110 de acordo com a invenção é representada na Figura 3. Esta terceira instalação 110 é destinada à aplicação de um terceiro processo de produção de acordo com a invenção.
[0095] O terceiro processo de acordo com a invenção difere do primeiro processo descrito na Figura 1 em que a segunda corrente de refrigerante expandido 82 é separada na segunda corrente refrigeração 62 destinada a ser introduzida no segundo trocador de calor 20 e uma segunda corrente de refrigeração auxiliar 112 destinada a fornecer frigorias ao terceiro ciclo de refrigeração 30.
[0096] A vazão molar da segunda corrente de refrigeração auxiliar 112 é inferior a 25% da vazão molar da segunda corrente de refrigeração expandida 82 oriunda da segunda turbina de expansão 42.
[0097] Esta segunda corrente de refrigeração auxiliar 112 é introduzida no terceiro trocador de ciclo 54 para resfriar em contracorrente a terceira corrente de refrigeração de alta pressão 90, antes da sua introdução na terceira turbina de expansão 52.
[0098] A corrente 112, após sua passagem no terceiro trocador 54, é misturada na segunda corrente de refrigerante aquecido 76, antes de ser introduzida no segundo trocador de ciclo 44 para formar na saída deste trocador 44 a segunda corrente de refrigerante de baixa pressão 78.
[0099] Exemplos de temperatura, pressão, e vazão molar das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 3 são resumidos nas tabelas acima.
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22/39
Corrente Caso 3
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -40,00
T Liquefação °C 22 -90,00
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60 -43,00
Baixa pressão Bar abs. 68 18,50
Alta pressão Bar abs. 70 75,00
Vazão kmols/h 70 63288
Turbina kW 39657
Compressor kW 39951
Teor metano % moles 70 87,50
Teor em C2+ % moles 70 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -27,65
T°C Após Expansão °C 62, 82, 112 -92,00
Baixa pressão Bar abs. 78 22,35
Alta pressão Bar abs. 80 75,00
Vazão kmols/h 80 139232
Turbina kW 51081
Compressor kW 101456
Teor metano % moles 80 93,00
Teor em C2+ % moles 80 0,50
Teor Nitrogênio % moles 80 6,50
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -83,75
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23/39
T°C Após Expansão °C 64 -150,10
Baixa pressão Bar abs. 88 15,25
Alta pressão Bar abs. 90 75,00
Vazão kmols/h 90 74474
Turbina kW 26942
Compressor kW 89667
Teor metano % moles 90 3,00
Teor Nitrogênio % moles 90 97,00
[00100] O consumo energético é dado na tabela abaixo. Um ganho de rendimento de cerca de 6,5 MW é obtido por esta disposição.
Processo de acordo com a figura 1 Processo de acordo com a figura 3
Potência Ciclo 28 kW 90299 101456
Potência Ciclo 30 kW 107121 89667
Total dos 2 Ciclos kW 197420 191123
[00101] Uma quarta instalação 120 de acordo com a invenção é representada na Figura 4. Ao contrário da segunda instalação 100, a segunda corrente de refrigeração expandida 82 é dividida na segunda corrente de refrigeração 62 e na segunda corrente de refrigeração auxiliar 112 do terceiro ciclo 30, como no modo de realização da Figura 3.
[00102] Exemplos de temperatura, pressão e vazão em massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 4 são resumidos nos tabelas abaixo.
Corrente Caso 4
Gás natural
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24/39
T Pré-resfriamento °C 18 -40,00
T Liquefação °C 22 -90,00
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60, 72, 102 -42,30
Baixa pressão Bar abs. 68 18,80
Alta pressão Bar abs. 70 75,00
Vazão kmols/h 70 81091
Turbina kW 50312
Compressor kW 50237
Teor metano % moles 70 87,50
Teor em C2+ % moles 70 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -33,05
T°C Após Expansão °C 62, 82, 112 -92,00
Baixa pressão Bar abs. 78 24,75
Alta pressão Bar abs. 80 75,00
Vazão kmols/h 80 133974
Turbina kW 42973
Compressor kW 90525
Teor metano % moles 80 93,00
Teor em C2+ % moles 80 0,50
Teor Nitrogênio % moles 80 6,50
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -84,10
T°C Após Expansão °C 64 -150,10
Baixa pressão Bar abs. 88 15,35
Alta pressão Bar abs. 90 75,00
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25/39
Vazão kmols/h 90 74147
Turbina kW 26633
Compressor kW 88877
Teor metano % moles 90 3,00
Teor Nitrogênio % moles 90 97,00
[00103] O consumo energético deste processo é inferior de cerca de 8,5 MW em relação ao processo da Figura 1.
[00104] Uma quinta instalação 130 de acordo com a invenção é representada na Figura 5.
[00105] A quinta instalação 130 de acordo com a invenção difere da primeira instalação 10 em que ela compreende um balão de separação 132 de uma parte da corrente de carga pré-resfriada 18, uma turbina de expansão de gás 134, conectada a uma parte superior do balão 132 e uma válvula de expansão estática 136, conectada a uma parte inferior do balão 132.
[00106] O quinto processo de acordo com a invenção difere do primeiro processo de acordo com a invenção em que a corrente de carga pré-resfriada 18 é separada na saída do primeiro trocador de calor 16, em uma corrente principal 138 de carga pré-resfriada e em uma corrente auxiliar 140 de carga pré-resfriada.
[00107] A corrente principal de carga pré-resfriada 138 é enviada para o segundo trocador de calor 20 para formar uma corrente GNL 22 de alta pressão, depois após passagem no terceiro trocador 24, uma corrente GNL sub-resfriada 14 alta pressão a uma pressão superior a 30 bars e notadamente cerca de igual a 62 bars.
[00108] A corrente auxiliar de carga pré-resfriada 140 é introduzida no balão separador 132. A fração vapor 142 oriunda do balão separador 132 é introduzida na turbina de expansão gasosa 134 para ser expandida a uma pressão inferior a pelo menos 5 bars na pressão de partida, e notadamente sensivelmente igual a 40 bars.
[00109] A fração líquida 144 é introduzida na válvula de expansão estática 136 para ser expandida a uma pressão sensivelmente idêntica à de saída da turbina de expansão e notadamente sensivelmente igual a 40 bars.
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26/39
[00110] As frações 144, 142, após as suas expansões respectivas, são reunidas entre elas, depois são introduzidas no segundo trocador de calor 20. Elas formam na saída do segundo trocador 20, uma corrente 146 auxiliar de GNL de baixa pressão que sub-resfriada no terceiro trocador de calor 24 para formar uma corrente auxiliar 148 de GNL sub-resfriado. A temperatura da corrente auxiliar 148 é sensivelmente igual à da corrente principal 14.
[00111] O processo libera, portanto, duas correntes de GNL sub-resfriado 14, 148 em pressões distintas diferentes de pelo menos 5 bars.
[00112] Exemplos de temperatura, pressão e de vazão em massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 5 são resumidos nas tabelas abaixo.
Corrente Figura 5
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -40,00
T Liquefação °C 22 -94,00
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60 -42,30
Baixa pressão Bar abs. 68 18,80
Alta pressão Bar abs. 70 75,00
Vazão kmols/h 70 83141
Turbina kW 51584
Compressor kW 51499
Teor metano % moles 70 87,50
Teor em C2+ % moles 70 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -34,10
T°C Após Expansão °C 62 -96,00
Petição 870190114905, de 08/11/2019, pág. 35/138
27/39
Baixa pressão Bar abs. 78 23,15
Alta pressão Bar abs. 80 75,00
Vazão kmols/h 80 137986
Turbina kW 46005
Compressor kW 100381
Teor metano % moles 80 93,00
Teor em C2+ % moles 80 0,50
Teor Nitrogênio % moles 80 6,50
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -92,85
T°C Após Expansão °C 64 -150,10
Baixa pressão Bar abs. 88 18,50
Alta pressão Bar abs. 90 75,00
Vazão kmols/h 90 69200
Turbina kW 20207
Compressor kW 74057
Teor metano % moles 90 3,00
Teor Nitrogênio % moles 90 97,00
[00113] O consumo energético deste processo é dado na tabela abaixo. Um ganho de mais de 1MW é obtido em relação ao processo da Figura 4, sem contar os 600 kw de eletricidade produzidos pela turbina 134.
Processo de acordo com Figura 4 Processo de acordo com Figura 5
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28/39
Potência Ciclo 26 kW 50237 46470
Potência Ciclo 28 kW 90525 92740
Potência Ciclo 30 kW 88877 89310
Total kW 229639 228520
[00114] Uma sexta instalação 150 de acordo com a invenção é representada na Figura 6. Esta sexta instalação é destinada à aplicação de um sexto processo de acordo com a invenção.
[00115] A sexta instalação 150 difere da segunda instalação 100 em que o terceiro ciclo de refrigeração 30 é um ciclo de tipo “Brayton invertido indireto” que compreende uma turbina de expansão de líquido 152.
[00116] O sexto processo de acordo com a invenção difere do segundo processo de acordo com a invenção em que a terceira corrente de refrigerante comprimido 90 é separada, antes da sua passagem no terceiro trocador de ciclo 54, em uma corrente 154 de formação da terceira corrente de refrigerante 66 e uma corrente gasosa 156 de refrigeração da corrente de formação 154.
[00117] A corrente de formação 154 forma uma fração molar inferior a 50% da corrente de refrigerante comprimido 90.
[00118] A corrente 154 é introduzida no terceiro trocador de ciclo 54, depois no terceiro trocador de calor 24 a fim de liquefazer sensivelmente totalmente para produzir uma corrente líquida 158 de refrigerante de alta pressão.
[00119] A fração volúmica de líquido na corrente líquida 158 é superior a 99%. Esta corrente 158 é introduzida na turbina de expansão de líquido 152 a uma pressão superior a 50 bars sensivelmente igual a 73 bars e a uma temperatura sensivelmente igual à temperatura do GNL sub-resfriado.
[00120] A corrente 158 forma, após passagem na turbina de expansão de líquido 152, a terceira corrente de refrigerante cuja fração vaporizada não excede 10% em massa.
[00121] Esta corrente 64 é colocada em relação de troca de calor com a corrente GNL 22 e com a corrente 154 oriunda do terceiro trocador de ciclo 54 no terceiro
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29/39 trocador de calor 24.
[00122] A terceira corrente de refrigerante 64 majoritariamente líquida vaporiza sensivelmente totalmente no terceiro trocador de calor 24, de modo que a sua fração volúmica de líquido na saída do terceiro trocador de calor 24 seja inferior a 1% para formar a terceira corrente de refrigerante gasoso aquecida 86.
[00123] A corrente gasosa 156 é introduzida no terceiro trocador de ciclo 54 para formar a terceira corrente 91 comprimida resfriada, depois é expandida dinamicamente na terceira turbina de expansão dinâmica 52 para formar uma corrente gasosa 92 refrigerante expandido resfriado.
[00124] A temperatura da corrente 92 é preferivelmente inferior a -100 °C e é notadamente igual a -118°C. A sua pressão é preferivelmente inferior a 20 bars, e é notadamente igual a cerca de 14 bars.
[00125] As correntes 66, 92 são misturadas entre si antes de ser introduzidas no trocador 54 para resfriar em contracorrente a corrente de formação 154 destinada a ser liquefeita e a corrente 156 de refrigeração.
[00126] Esta mistura 161 forma, em saída do terceiro trocador de ciclo 54, a terceira corrente de refrigerante de baixa pressão 88.
[00127] Assim, a corrente de formação 154, e consequentemente a terceira corrente de refrigerante 64 são obtidas pelo menos em parte a partir da corrente gasosa expandida 92 oriunda da expansão dinâmica na terceira turbina de expansão 52.
[00128] Por outro lado, as frigorias necessárias para a liquefação da corrente de formação 154 são fornecidas na maior parte pela corrente gasosa expandida 92. Um ciclo de refrigeração de tipo Brayton invertido, com um refrigerante gasoso é formado entre a turbina 52, a corrente 92, a corrente 161, a corrente 88, o terceiro aparelho de compressão 50, a corrente 90, a corrente 156 e a corrente 91.
[00129] Exemplos de temperatura, pressão e vazão em massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 6 são resumidos nas tabelas abaixo.
Corrente Caso 6
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30/39
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -40,00
T Liquefação °C 22 -110,00
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60 -45,30
Baixa pressão Bar abs. 68 17,40
Alta pressão Bar abs. 70 75,00
Vazão kmols/h 70 96500
Turbina kW 62735
Compressor kW 62366
Teor metano % moles 70 87,50
Teor em C2+ % moles 70 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -40,00
T°C Após Expansão °C 62 -113,10
Baixa pressão Bar abs. 78 17,60
Alta pressão Bar abs. 80 75,00
Vazão kmols/h 80 102000
Turbina kW 38693
Compressor kW 95067
Teor metano % moles 80 90,00
Teor em C2+ % moles 80 0,00
Teor Nitrogênio % moles 80 10,00
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -110,00
T°C Após Expansão °C 92 -150,20
T Após Liquefação °C 158 -148.1
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31/39
T Após Expansão liquide °C 64 -150.2
Baixa pressão Bar abs. 88 13,50
Alta pressão Bar abs. 90 75,00
Vazão kmols/h 90 52000
Turbina kW 16696
Compressor kW 68771
Teor metano % moles 90 60,00
Teor Nitrogênio % moles 90 40,00
[00130] O consumo energético deste processo é 226 MW.
[00131] Uma sétima instalação de acordo com a invenção 170 é representada na Figura 7. Esta instalação 170 é destinada à aplicação de um sétimo processo de acordo com a invenção.
[00132] A instalação 170 difere da terceira instalação 110 representada na Figura 3 em que os compressores 36C, 46C atrelados respectivamente à primeira turbina de expansão dinâmica 34 e a segunda turbina de expansão dinâmica 42 são formados cada um por dois estágios de compressão de mesma potência, os estágios sendo separados por um refrigerante intermediário 172 que resfria o gás a uma temperatura com vantagem inferior a 40°C e, por exemplo, sensivelmente igual a 36°C.
[00133] Por outro lado, o sétimo processo de acordo com a invenção difere do terceiro processo de acordo com a invenção em que a segunda corrente de refrigeração auxiliar 112, após a sua passagem no terceiro trocador de ciclo 54 é misturada na segunda corrente de refrigerante aquecido 76, após a passagem desta corrente 76 no segundo trocador de ciclo 44. Assim, a segunda corrente de refrigeração auxiliar 112 não passa pelo segundo trocador de ciclo 44.
[00134] Os exemplos de temperatura, pressão e vazão em massa das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 7 para diferentes temperaturas na saída dos trocadores 16, 20, 24 são resumidos na tabela abaixo.
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Corrent e Caso 7-1 Caso 7-2 Caso 7-3
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -40,00 -35,50 -31,00
T Liquefação °C 22 -90,00 -98,50 -107,00
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10 -148,10 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60 -45,60 -42,30 -36,15
Baixa pressão Bar abs. 68 17,30 18,80 21,90
Alta pressão Bar abs. 70 75,00 75,00 75,00
Vazão kmols/h 70 111100 81940 98260
Turbina kW 72490 50840 55100
Compressor kW 71900 49510 50830
Teor metano % moles 70 87,50 87,50 87,50
Teor em C2+ % moles 70 8,50 8,50 8,50
Teor Nitrogênio % moles 70 4,00 4,00 4,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -40,00 -31,00 -31,00
T°C Após Expansão °C 62 -93,10 -101,00 -108,00
Baixa pressão Bar abs. 78 27,50 19,50 16,50
Alta pressão Bar abs. 80 75,00 75,00 75,00
Vazão kmols/h 80 123700 124400 120200
Turbina kW 33320 48260 51410
Compressor kW 75900 103200 113700
Teor metano % moles 80 93,00 93,00 93,00
Teor em C2+ % moles 80 0,50 0,50 0,50
Teor Nitrogênio % moles 80 6,50 6,50 6,50
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -90,00 -96,00 -100,00
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33/39
T°C Após Expansão °C 64 -150,20 -149.7 -151,60
Baixa pressão Bar abs. 88 17,40 20,00 20,50
Alta pressão Bar abs. 90 75,00 75,00 75,00
Vazão kmols/h 90 70370 67200 57300
Turbina kW 22080 17920 14120
Compressor kW 76390 67020 57020
Teor metano % moles 90 3,00 3,00 3,00
Teor Nitrogênio % moles 90 97,00 97,00 97,00
[00135] Os consumos energéticos destes processos são dados na tabela abaixo:
Caso 7-1 Caso 7-2 Caso 7-3
Compressão total kW 224190 219730 221550
[00136] Em uma variante (casos 7-4), quando o dióxido de carbono está disponível na instalação 10, por exemplo, sendo produzido na instalação por descarbonatação do gás natural bruto, é vantajoso introduzir pelo menos 10%, com vantagem pelo menos 18%, no primeiro fluido refrigerante. Em uma variante do caso 7-2, o primeiro fluido refrigerante compreende cerca de 20% de dióxido de carbono. O teor de CO2 deve ser limitado a menos de 50% molar para evitar a cristalização do CO2 na turbina de expansão.
[00137] O consumo energético do primeiro ciclo 26 desta última variante é dado na tabela abaixo em comparação com o caso 7-2 acima. A presença de dióxido de carbono melhora amplamente o rendimento.
Ciclo 26 Caso 7- 2 Caso 7- 4
Teor em N2 de refrigerante 1 % moles 4.0 3.2
Teor em C1 de refrigerante 1 % moles 87.5 70
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34/39
Teor em C2+ de refrigerante 1 % moles 8.5 6.8
Teor em CO2 de refrigerante 1 % moles 0.0 20
Potência dos compressores K1 e K2 kW 50840 46610
[00138] Uma oitava instalação de acordo com a invenção 180 é representada na Figura 8. Esta oitava instalação é destinada à aplicação de um oitavo processo de acordo com a invenção.
[00139] Esta instalação 180 difere da terceira instalação 110 em que pelo menos um primeiro compressor 182 é um comum ao primeiro aparelho de compressão 32 e ao segundo aparelho de compressão 40 para comprimir simultaneamente o primeiro fluido refrigerante circulando no primeiro ciclo de refrigeração 26, e o segundo fluido refrigerante circulando no segundo ciclo de refrigeração 28, estes fluidos sendo misturados antes da sua passagem no primeiro compressor comum 182.
[00140] A instalação 180 compreende, além disso, refrigerante comum 184 colocado na saída do compressor comum 182.
[00141] O primeiro aparelho de compressão 32 compreende assim o compressor 182 comum aos dois aparelhos 32, 40 e o compressor 36C atrelado à primeira turbina de expansão 34.
[00142] O segundo aparelho de compressão 40 compreende a montante do compressor comum 182, um compressor 46A, e a jusante do compressor comum 182, o compressor 46C preferivelmente atrelado à segunda turbina de expansão 42.
[00143] No oitavo processo, a segunda corrente de baixa pressão 78 oriunda do segundo trocador de ciclo 44 é introduzida no primeiro compressor 46A do segundo aparelho de compressão 40.
[00144] Na saída do compressor 46A, esta corrente 78 é misturada à primeira corrente de baixa pressão 68 para formar uma corrente 186 de mistura em pressão intermediária superior a 20 bars e inferior a 30 bares.
[00145] A corrente de mistura em pressão intermediária 186 então é introduzida no compressor comum 182 para formar uma corrente de mistura média pressão 188,
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35/39 após passagem no refrigerante comum 184.
[00146] Esta corrente 188 apresenta uma pressão superior a 35 bars e inferior a 50 bares.
[00147] A corrente 188 então é dividida em uma primeira corrente intermediária 189A de refrigerante que é transportada no compressor 36C preferivelmente atrelado à primeira turbina de expansão 34, para formar a primeira corrente de refrigerante comprimido 70, e uma segunda corrente intermediária 189B de refrigerante que é introduzida no compressor 46C do segundo aparelho de compressão 40 preferivelmente atrelado à segunda turbina de expansão 42, para formar a segunda corrente de refrigerante comprimido 82.
[00148] Exemplos de temperatura, pressão e vazão molar das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 8 são resumidos nas tabelas acima.
Corrente Caso 8
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -30,00
T Liquefação °C 22 -120,00
T Sub -resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60 -35,00
Baixa pressão Bar abs. 68 24,00
Alta pressão Bar abs. 70 76,50
Vazão kmols/h 70 98000
Turbina kW 53726
Teor metano % moles 70 90,00
Teor em C2+ % moles 70 0,00
Teor Nitrogênio % moles 70 10,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -30,50
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36/39
T°C Após Expansão °C 62 -123,20
Baixa pressão Bar abs. 78 11,00
Alta pressão Bar abs. 80 75,00
Vazão kmols/h 80 108000
Turbina kW 57275
Compressores ciclos 26 +28 kW 183 545
Teor metano % moles 80 90,00
Teor em C2+ % moles 80 0,00
Teor Nitrogênio % moles 80 10,00
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -98,60
T°C Após Expansão °C 64 -163,10
Baixa pressão Bar abs. 88 14,00
Alta pressão Bar abs. 90 75,00
Vazão kmols/h 90 42000
Turbina kW 13198
Compressor kW 56818
Teor metano % moles 90 0,00
Teor Nitrogênio % moles 90 100,00
[00149] Este processo e a instalação 180 correspondente são particularmente compactos.
[00150] Uma nona instalação 190 de acordo com a invenção é ilustrada na Figura 9. A instalação 190 é destinada à realização um nono processo de acordo com a invenção.
[00151] Ao contrário da oitava instalação 180, o primeiro compressor comum 182 ao primeiro aparelho de compressão 32 e o segundo aparelho de compressão 40 é igualmente comum ao terceiro aparelho de compressão 50.
[00152] Além disso, o compressor de baixa pressão 192 do segundo aparelho de compressão 40 é comum ao terceiro aparelho de compressão 50. O refrigerante de
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37/39 baixa pressão 194 colocado a saída do compressor 192 é igualmente comum ao segundo aparelho de compressão 40 e ao terceiro aparelho de compressão 50.
[00153] Assim, o terceiro aparelho de compressão 50 compreende sucessivamente o compressor de baixa pressão 192, comum ao segundo aparelho de compressão 40 e ao terceiro aparelho de compressão 50, o compressor 182 comum aos três aparelhos de compressão 32, 40, 50, e o compressor 56C preferivelmente atrelado à terceira turbina de expansão 52.
[00154] No nono processo de acordo com a invenção, a segunda corrente de refrigerante de baixa pressão 78 e a terceira corrente de refrigerante de baixa pressão 88, oriundas respectivamente do segundo trocador de ciclo 44 e o terceiro trocador de ciclo 54, são misturadas uma a outra para formar uma corrente de mistura de baixa pressão 196.
[00155] A corrente de mistura de baixa pressão 196 é introduzida no compressor 192 comum ao segundo aparelho 40 e o terceiro aparelho 50, depois em refrigerante comum 194.
[00156] Ele é misturado depois à primeira corrente de refrigerante de baixa pressão 68 para formar a corrente de mistura 186 introduzida no primeiro compressor comum 182.
[00157] A corrente de mistura 188 de média pressão oriunda do refrigerante comum 184 é dividida depois na primeira corrente intermediária 189A, na segunda corrente intermediária 189B e na terceira corrente intermediária 198 que é introduzida no compressor 56C preferivelmente atrelado à terceira turbina de expansão 52 para formar a terceira corrente de refrigeração comprimida 90.
[00158] Exemplos de temperatura, pressão e vazão molar das diferentes correntes ilustradas no processo da Figura 9 são resumidos nas tabelas acima.
Corrente Caso 9
Gás natural
T Pré-resfriamento °C 18 -31,00
T Liquefação °C 22 -107,00
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38/39
T Sub-resfriamento °C 14 -148,10
Refrigerante ciclo 26
T°C Após Expansão °C 60 -36,60
Baixa pressão Bar abs. 68 25,20
Alta pressão Bar abs. 70 74,10
Vazão kmols/h 70 96000
Turbina kW 52750
Compressor kW -
Teor metano % moles 70 0,00
Teor em C2+ % moles 70 0,00
Teor Nitrogênio % moles 70 100,00
Refrigerante ciclo 28
Pré-resfriamento °C 81 -30,00
T°C Após Expansão °C 62 -109,50
Baixa pressão Bar abs. 78 15,60
Alta pressão Bar abs. 80 73,70
Vazão kmols/h 80 155500
Turbina kW 84538
Compressor kW -
Teor metano % moles 80 0,00
Teor em C2+ % moles 80 0,00
Teor Nitrogênio % moles 80 100,00
Refrigerante ciclo 30
Pré-resfriamento °C 91 -105,00
T°C Após Expansão °C 64 -153,40
Baixa pressão Bar abs. 88 15,60
Alta pressão Bar abs. 90 54,20
Vazão kmols/h 90 61500
Turbina kW 15615
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Compressores ciclos 26 + 28 + 30 kW 252952
Teor metano % moles 90 0,00
Teor Nitrogênio % moles 90 100,00
[00159] Do mesmo modo, a disposição descrita na quinta instalação 130 segundo a qual a corrente de carga pré-resfriada 18 é separada para ser introduzida em parte em um balão 132, pode ser disposto em qualquer uma das instalações 10, 100, 110, 120, 150, 170, 180, 190 descritas previamente.
[00160] As instalações de acordo com a invenção, descritas acima, são com vantagem dispostas em terra, ou sobre uma estrutura flutuante ou sobre uma estrutura fixada à superfície de uma extensão de água, como uma plataforma ou uma unidade flutuante de recuperação, armazenamento e tratamento dos hidrocarbonetos designadas pela sigla inglês “FPSO”.
[00161] Os trocadores de calor 16, 20, 22 nos quais circulam a corrente de carga 12, a corrente de carga pré-resfriada 18, a corrente de gás natural liquefeito 22 e a corrente de GNL sub-resfriado 14, nas instalações 10, 100, 110, 120, 130, 150, 170, 180 e 190, são preferivelmente tubos e calandra apresentando secções de tubo reto (tipo clássico) ou enrolados em hélice (tipo bobinado). Estes trocadores são atravessados pelas correntes de gás natural que podem conter impurezas de natureza a alterar o bom funcionamento ou a integridade mecânica dos trocadores. Os trocadores de tubos e calandra são mais robustos que os trocadores com placas e aumentam a confiabilidade da instalação e a sua segurança para realizar estes trocadores. Para realizar estes trocadores, o aço inoxidável austenítico, por exemplo, ASTM 304, é preferido às ligas à base de alumínio.
[00162] Nas instalações 10, 100, 110, 120, 170, 180 e 190, nas quais os trocadores acima citados comportam apenas dois fluidos, estes trocadores são de tubos e calandra de tipo clássico, em aço inoxidável austenítico de tipo ASTM 304, fabricados de acordo com as normas publicadas pela associação Termal Exchanger Manufacturing Association ou “TEMA”.

Claims (20)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo de produção de uma corrente (14) de gás natural liquefeito sub-resfriado a partir de uma corrente (12) de carga de gás natural, do tipo compreendendo as etapas seguintes:
    - pré-resfriamento da corrente de carga (12) de gás natural por passagem através de um primeiro trocador de calor (16) para obter uma corrente (18) de carga pré-resfriada a uma temperatura inferior a -20°C;
    - liquefação da corrente de carga pré-resfriada (18) por passagem através de um segundo trocador de calor (20) para obter pelo menos uma corrente (22) de gás natural liquefeito a uma temperatura inferior a -80°C;
    - sub-resfriamento da corrente de gás natural liquefeito (22) por passagem através de um terceiro trocador de calor (24) para obter uma corrente (14) de gás natural liquefeito sub-resfriado até uma temperatura inferior a -120°C;
    - colocação em relação de troca de calor da corrente de carga (12) no primeiro trocador de calor (16) com uma primeira corrente (60) de refrigerante;
    - colocação em relação de troca de calor da corrente de carga préresfriada (18) no segundo trocador de calor (20) com uma segunda corrente (62) de refrigerante gasoso circulando em um segundo ciclo (28) de refrigeração, a segunda corrente de refrigerante gasoso (62) sendo produzida a partir de uma segunda corrente gasosa (82) de fluido expandido proveniente de uma segunda turbina (42) de expansão dinâmica;
    - colocação em relação de troca de calor da corrente de gás natural liquefeito (22) no terceiro trocador de calor (24) com uma terceira corrente (64) de refrigerante circulando em um terceiro ciclo (30) de refrigeração, a terceira corrente de refrigerante (64) sendo produzida pelo menos parcialmente a partir de uma terceira corrente gasosa (92) de fluido expandido oriunda de uma terceira turbina (52) de expansão dinâmica distinta da segunda turbina de expansão dinâmica (42);
    - transporte da primeira corrente (66) de refrigerante aquecido obtida na saída do primeiro trocador de calor (16) em direção a um primeiro aparelho de compressão (26) sem passar pelo segundo trocador de calor (20) e sem passar pelo
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  2. 2/8 terceiro trocador de calor (24);
    - transporte da segunda corrente (76) de refrigerante aquecido oriunda do segundo trocador de calor (20) para um segundo aparelho de compressão (40), sem passar pelo primeiro trocador de calor (16) e sem passar pelo terceiro trocador de calor (24);
    - transporte da terceira corrente (86) de refrigerante aquecido oriunda do terceiro trocador de calor (24) em direção a um terceiro aparelho de compressão (30), sem passar pelo primeiro trocador de calor (16) e sem passar pelo segundo trocador de calor (20), caracterizado pelo fato de que a primeira corrente de refrigerante é uma corrente essencialmente gasosa, sendo a corrente produzida em um primeiro ciclo (26) de refrigeração a partir de uma primeira corrente (72) gasosa de fluido refrigerante expandido oriunda de uma primeira turbina (34) de expansão dinâmica; a segunda turbina de expansão dinâmica (42) estando separada da primeira turbina de expansão dinâmica (34); a terceira turbina de expansão dinâmica (52) estando separada da primeira turbina de expansão dinâmica (34), e em que o primeiro trocador de calor comporta apenas dois fluidos.
    2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ele compreende as etapas seguintes:
    - separação da primeira corrente gasosa de fluido refrigerante expandido (72) na primeira corrente de refrigerante gasoso (60) e uma primeira corrente de resfriamento auxiliar (102);
    - colocação em relação de troca térmica da primeira corrente de resfriamento auxiliar (102) em um segundo trocador de ciclo (44) com uma segunda corrente de refrigerante comprimido (80) oriunda do segundo aparelho de compressão (40) para formar uma segunda corrente de refrigerante comprimido resfriado (81),
    - transporte da segunda corrente de refrigerante comprimido resfriado (81) para a segunda turbina de expansão (42) para formar a segunda corrente gasosa de fluido refrigerante expandido (82).
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  3. 3/8
    3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender as etapas seguintes:
    - separação da segunda corrente gasosa de fluido refrigerante expandido (82) na segunda corrente de refrigerante gasoso (62) e uma segunda corrente (112) de resfriamento auxiliar, e
    - colocação em relação de troca térmica da segunda corrente de resfriamento auxiliar (112) em um terceiro trocador de ciclo com uma terceira corrente (90) de refrigerante comprimido oriunda do terceiro aparelho de compressão (50) para formar uma terceira corrente de refrigerante comprimido resfriado (91),
    - transporte da terceira corrente de refrigerante comprimido resfriado (91) em direção à terceira turbina de expansão (52) para formar a terceira corrente gasosa de fluido refrigerante expandido (92).
  4. 4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os fluidos refrigerantes circulando respectivamente no primeiro ciclo de refrigeração (26), no segundo ciclo de refrigeração (28) e no terceiro ciclo de refrigeração (30) são totalmente separados, a primeira corrente de refrigerante aquecido (66) oriunda do primeiro trocador de calor (16), a segunda corrente de refrigerante aquecido (76) oriunda do segundo trocador de calor (20), e a terceira corrente de refrigerante aquecido (86) oriunda do terceiro trocador de calor (24) sendo transportadas respectivamente para compressores distintos respectivamente do primeiro aparelho de compressão (32), do segundo aparelho de compressão (40) e do terceiro aparelho de compressão (50) para serem comprimidas separadamente umas das outras.
  5. 5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender as etapas seguintes:
    - formação de pelo menos uma corrente de mistura (186; 196) a partir de pelo menos duas entre a primeira corrente de refrigerante aquecido (66), a segunda corrente de refrigerante aquecido (76), e a terceira corrente de refrigerante aquecido (86),
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    4/8
    - compressão da ou de cada corrente de mistura (186; 196) em um compressor comum (182; 192) a pelo menos dois do primeiro aparelho de compressão (32), do segundo aparelho de compressão (40), e do terceiro aparelho de compressão (50).
  6. 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a terceira corrente de refrigerante (64) é essencialmente gasoso antes da sua introdução no terceiro trocador de calor (24).
  7. 7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender as etapas seguintes:
    - separação da corrente de refrigerante comprimido (90) oriunda do terceiro aparelho de compressão (50) em uma corrente (154) de formação da terceira corrente de refrigerante (64) e em uma corrente gasosa (156) de refrigeração da corrente de formação (154),
    - transporte da corrente gasosa de resfriamento (156) para a terceira turbina de expansão (52), e colocada em relação de troca de calor da corrente gasosa de resfriamento expandido (92) oriunda da terceira turbina de expansão (52) com a corrente de formação (154) para liquefazer a corrente de formação (154),
    - transporte da corrente de formação liquefeita (154) em direção a uma turbina de expansão hidráulica (152) para formar a terceira corrente de refrigerante (64) sob forma essencialmente líquida,
    - colocação em relação de troca de calor da terceira corrente de refrigerante (64) sob forma essencialmente líquida com a corrente de gás natural liquefeito (22) no terceiro trocador de calor (24).
  8. 8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de compreender as etapas seguintes:
    - divisão da corrente de carga pré-resfriada (18) oriunda do primeiro trocador de calor (16) em uma corrente principal (138) de carga pré-resfriada, e em uma corrente auxiliar (140) de expansão,
    - expansão da corrente auxiliar de expansão (140) até uma baixa pressão inferior a pelo menos 5 bars na pressão da corrente principal (138), e
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    5/8
    - passagem sucessiva de uma corrente oriunda da corrente de expansão (140) no segundo trocador de calor (20) e no terceiro trocador de calor (24) para liberar uma corrente (148) de gás natural liquefeito sub-resfriado de baixa pressão.
  9. 9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o teor molar de nitrogênio de cada uma da primeira corrente de refrigerante (60), da segunda corrente de refrigerante (62), e da terceira corrente de refrigerante (64), é superior a 90%.
  10. 10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a primeira corrente de refrigerante (60) é formada à base de gás natural tendo um teor molar de metano superior a 70%.
  11. 11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a segunda corrente de refrigerante (62) compreende um teor molar de metano superior a 90%.
  12. 12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que a primeira corrente de refrigerante (60) compreende um teor molar de dióxido de carbono superior a 5%
  13. 13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a pressão na saída do primeiro aparelho de compressão (32) é superior a 50 bars, vantajosamente superior a 70 bars, e em que a pressão na entrada do primeiro aparelho de compressão (32) é superior a 10 bars, vantajosamente superior a 15 bars.
  14. 14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que cada um do segundo trocador de calor, e do terceiro trocador de calor contém somente dois fluidos.
  15. 15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que uma segunda corrente de refrigerante comprimido é formada na saída do segundo aparelho de compressão, a segunda corrente de refrigerante comprimido sendo introduzida, após resfriamento, na segunda turbina de expansão sem passar por primeiro trocador de calor, nem pelo terceiro trocador de calor.
    Petição 870190114905, de 08/11/2019, pág. 53/138
    6/8
  16. 16. Instalação (10; 100; 110; 120; 130; 150; 170; 180; 190) de produção de uma corrente (14) de gás natural liquefeito sub-resfriado a partir de uma corrente (12) de carga de gás natural, do tipo compreendendo:
    - meios de pré-resfriamento da corrente de carga (12) de gás natural compreendendo um primeiro trocador de calor (16) para obter uma corrente (18) de carga pré-resfriada a uma temperatura inferior a -20°C;
    - meios de liquefação da corrente de carga pré-resfriada compreendendo um segundo trocador de calor (20) para obter pelo menos uma corrente (22) de gás natural liquefeito a uma temperatura inferior a -80°C;
    - meios de sub-resfriamento da corrente de gás natural liquefeito compreendendo um terceiro trocador de calor (24) para obter uma corrente (14) de gás natural liquefeito sub-resfriado até uma temperatura inferior a -120°C;
    - um primeiro ciclo (26) de refrigeração, a corrente de carga (12) sendo colocada em relação de troca de calor no primeiro trocador de calor (16) com uma primeira corrente (60) de refrigerante;
    - um segundo ciclo (28) de refrigeração compreendendo uma segunda turbina de expansão dinâmica (42) e um segundo aparelho de compressão (42), a corrente de carga pré-resfriada (18) sendo colocada em relação de troca de calor no segundo trocador de calor (20) com uma segunda corrente (62) de refrigerante gasoso produzido a partir de uma segunda corrente gasosa (76) de fluido refrigerante expandido proveniente da segunda turbina de expansão dinâmica (42);
    - um terceiro ciclo (30) de refrigeração compreendendo uma terceira turbina de expansão dinâmica (52) distinta da segunda turbina de expansão dinâmica (42) e um terceiro aparelho de compressão (50), a corrente de gás natural liquefeito (22) sendo colocada em relação de troca de calor no terceiro trocador de calor (24) com uma terceira corrente (64) de refrigerante circulando no terceiro ciclo de refrigeração (30), a terceira corrente de refrigerante (64) sendo produzida pelo menos parcialmente a partir de uma terceira corrente gasosa (92) de fluido expandido oriunda da terceira turbina de expansão dinâmica (52);
    o primeiro ciclo de refrigeração (26) compreendendo meios (66, 68) de
    Petição 870190114905, de 08/11/2019, pág. 54/138
    7/8 transporte da primeira corrente de refrigerante aquecido (66) obtida na saída do primeiro trocador de calor (16) em direção ao primeiro aparelho de compressão (32) sem passar pelo segundo trocador de calor (20) e sem passar pelo terceiro trocador de calor (24);
    o segundo ciclo de refrigeração (28) compreendendo meios (76, 78) de transporte da segunda corrente de refrigerante aquecido (76) obtida na saída do segundo trocador de calor (20) em direção ao segundo aparelho de compressão (40), sem passar pelo primeiro trocador de calor (16) e sem passar pelo terceiro trocador de calor (24);
    o terceiro ciclo de refrigeração (30) compreendendo meios (86, 88) de transporte da terceira corrente de refrigerante aquecido (86) oriunda do terceiro trocador de calor (24) em direção ao terceiro aparelho de compressão (50) sem passar pelo primeiro trocador de calor (16) e sem passar pelo segundo trocador de calor (20), caracterizado pelo fato de que o primeiro ciclo de refrigeração compreende uma primeira turbina de expansão dinâmica (34) e um primeiro aparelho de compressão (32), a corrente de carga (12) sendo colocada em relação de troca de calor com o primeiro trocador de calor (16) com uma primeira corrente (60) de refrigerante essencialmente gasoso produzido no primeiro ciclo de refrigeração (26) a partir de uma primeira corrente gasosa (72) de fluido refrigerante expandido oriunda da primeira turbina de expansão dinâmica (34), e em que a segunda turbina de expansão dinâmica (42) é distinta da primeira turbina de expansão dinâmica (34), a terceira turbina de expansão dinâmica (52) distinta da primeira turbina de expansão dinâmica (34),em que o primeiro trocador de calor comporta apenas dois fluidos.
  17. 17. Instalação (10, 100, 110, 120, 130; 150; 170; 180; 190) de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que o primeiro trocador de calor (16), o segundo trocador de calor (20) e o terceiro trocador de calor (24), são de tubos e calandra de tipo clássico ou bobinado.
  18. 18. Instalação (10, 100, 110, 120, 130; 150; 170; 180; 190) de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o primeiro trocador de calor
    Petição 870190114905, de 08/11/2019, pág. 55/138
    8/8 (16), o segundo trocador de calor (20) e o terceiro trocador de calor (24) são de aço inoxidável austenítico.
  19. 19. Instalação (10; 100; 110; 120; 170; 180; 190) de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 ou 18, caracterizada pelo fato de que o primeiro trocador de calor (16), o segundo trocador de calor (20) e o terceiro trocador de calor (24) são de tubos e calandra de tipo clássico.
  20. 20. Instalação (10; 100; 110; 120; 170; 180; 190) de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 19, caracterizada pelo fato de que cada um do segundo trocador de calor, e do terceiro trocador de calor comporta não mais que dois fluidos.
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