BRPI1104609A2 - liquefaÇço de gÁs natural - Google Patents
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Abstract
LIQUEFAÇçO DE GÁS NATURAL. A presente invenção refere-se a um método para liquefazer uma fração de alimentação rica em hidrocarbonetos, preferivelmente gás natural, contra um ciclo de refrigeração de nitrogênio, em que a fração de alimentação é resfriada contra o nitrogênio gasoso que deve ser aquecido e a fração de alimentação é liquefeita contra o nitrogênio líquido que deve ser vaporizado. De acordo com a invenção - a fração de alimentação é resfriada e liquefeita em pelo menos um processo de troca de calor de três estágios (E1a - E1c), - em que, na primeira seção do processo de troca de calor (E1a), a fração de alimentação (1) é resfriada contra o nitrogênio gasoso superaquecido (9), na medida em que uma seção essencialmente completa (D2) dos componentes relativamente pesados (2<39>) é alcançável, - na segunda seção do processo de troca de calor (E1b), a fração de alimentação (2) liberada dos componentes relativamente pesados é parcialmente liquefeita contra o nitrogênio gasoso que deve ser superaquecido (9), e - na terceira seção do processo de troca de calor (E1c), a fração de alimentação (2) é liquefeita contra nitrogênio que deve ser parcialmente vaporizado (8).
Description
Relatorio Descritivo da Patente de Invengao para "LIQUEFA- QAO DE GAS NATURAL".
A presente invengao refere-se a um metodo para Iiquefazer uma fragao de alimentagao rica em hidrocarbonetos, preferivelmente gas natural, contra um ciclo de refrigeragao de nitrogenio, onde a fragao de alimentagao e resfriada contra nitrogenio gasoso que deve ser aquecido e a frapao de alimentagao e Iiquefeita contra nitrogenio Iiquido que deve ser vaporizado.
Gases ricos em hidrocarbonetos, em particular, gases naturais, sao Iiquefeitos comercialmente em uma faixa de capacidade de 10 a 30.000 toneladas de LNG por dia (tato). Em instalagoes de capacidade media - isto e, processos de Iiquefagao apresentando uma capacidade entre 300 e 3.000 tato de LNG por dia - e grande capacidade - isto e, processos de Iiquefagao apresentando uma capacidade entre 3.000 e 30.000 tato de LNG por dia - aqueles versados na tecnica tentam otimizar os custos de operagao por meio da alta eficiencia. Em contraste, no caso de instalagoes menores - isto e, processos de Iiquefagao apresentando uma capacidade de entre 10 e 300 tato de LNG por dia - baixos custos de capital estao em primeiro piano. Em tais instalag0es, e consideravel a proporgao de custo de capital de uma instalagao de refrigeragao dedicada na qual ο meio de trabalho usado e, por exemplo, nitrogenio ou uma mistura de nitrogenio-hidrocarbonetos. Por isso, a geragao de frio na instalagao de Iiquefagao e, se possivel, dispensada e um refrigerante adequado importado. Comumente, neste caso, e usado nitrogenio liquid。e, depois de seu uso como refrigerante, e desprendido na atmosfera no estado gasoso. Se, em instalag5es de separagao de ar proximas, quantidades de produto nao utilizadas de nitrogenio Iiquido pude- rem ser providas de modo economico, este conceito para pequenas insta- Iagoes de Iiquefagao sera absolutamente conveniente comercialmente.
Por razoes de custo, em pequenas instalagoes resfriadas a nitrogenio liquido, sao geralmente usados trocadores de calor de placa de aluminio soldado a solda forte. Estes dispositivos, contudo, sao sensiveis a elevados esforgos termicos, tal como pode surgir, por exemplo, atraves de
um suprimento excessivo de refrigerante e/ou grandes diferengas de temperature entre fIuxos de processo quente e frio. Os esforgos mecanicos resultantes podem ocasionar danos a estes dispositivos.
Alem disso, tern que se ter cuidado para assegurar que, durante a operagao do processo de liquefagao, a fragao de alimenta9ao nao caia abaixo da temperatura de congelamento. O ponto solido de metano em - 182°C esta notadamente acima da temperatura de ebuligao atmosferica do nitrogenio, que e -196。C. O congelamento da instalagao sempre causa uma falha de opera^ao indesejada e pode adicionalmente apresentar danos dura- douros como consequencia. Um metodo do tipo em questao para Iiquefazer uma fragao de
alimentagao rica em hidrocarbonetos e conhecido da Patente U.S. 5.390.499. Este metodo e adequado, em particular, para instalagoes de pequena capacidade, conforme explicado no inicio. No metodo de Iiquefagao descrito na Patente U.S. 5.390.499, ο gas que deve ser Iiquefeito e resfriado e Iiquefeito contra nitrogenio em dois trocadores de calor separados. Neste caso, ο nitrogenio Iiquido de baixa ebuli?ao e com ρ Ietamerite vaporizado no segundo trocador de calor e aquecido a uma temperatura na qual os componentes de gas bruto relativamente pesados podem ser removidos no estado Iiquido por meio de um separador do gas que deve ser liquefeito. Em um procedimento de processo, conforme descrito na Patente U.S. 5.390.499, contudo, ο ponto no qual ο nitrogenio e completamente vapo- rizado pode variar consideravelmente de acordo com a carga. Isto pode Ievar a condigoes de processo indesejadas que apresentam as desvanta- gens acima mencionadas como consequencia. O objetivo da presente invengao e ο de especificar um metodo
do tipo em questao para Iiquefazer uma fragao de alimentagao rica em hidrocarbonetos, cujo metodo impede as desvantagens acima mencionadas, sendo provido, em particular, um metodo que e robusto contra falhas de operagao e danos.
Para atingir este objetivo, e proposto um metodo para Iiquefazer
uma fragao de alimentagao rica em hidrocarbonetos, que e caracterizado
pelo fato de: -a fragao de alimentagao ser resfriada e Iiquefeita em pelo menos um processo de troca de calor de tres estagios,
-em que, na primeira segao do processo de troca de calor, a fragao de alimentafao e resfriada contra nitrogenio gasoso superaquecido, na medida em que uma separagao essencialmente completa dos componentes relativamente pesados e alcangavel,
-na segunda segao do processo de troca de calor, a fragao de alimentagao Iiberada dos componentes relativamente pesados e parcial- mente Iiquefeita contra nitrogenio gasoso que deve ser superaquecido, e - na terceira segao do processo de troca de calor, a fragao de
alimentagao e Iiquefeita contra nitrogenio que deve ser parcialmente vaporizado.
A expressao "componentes pesados" pode ser assumida como significando adiante hidrocarbonetos de etano. Concretizagoes vantajosas adicionais do metodo de acordo com
a invengao para Iiquefazer uma fragao de alimentagao rica em hidrocar- bonetos sao caracterizadas pelo fato de
-ο processo de troca de calor de tres estagios ser obtido em um ou mais trocadores de calor, - a pressao de condensagao da fragao de alimentagao Iiberada
dos componentes relativamente pesados ser ajustada a valores entre 100 e 1500 kPa (1 e 15 bara), preferivelmente entre 100 e 800 kPa (1 e 8 bara), e de
-a pressao de ebuligao do nitrogenio gasoso que deve ser superaquecido ser ajustada a valores entre500 e 3000 kPa (5 e 30 bara), preferivelmente entre 1000 a 2000 kPa (10 e 20 bara).
O metodo de acordo com a inverigao para Iiquefazer uma frapao de alimentagao rica em hidrocarbonetos e outras concretizag5es vantajosas da mesma pode ser descrito em maiores detalhes adiante com referencia a concretizagao exemplificativa mostrada na figura.
A frapao de alimentagao rica em hidrocarbonetos que deve ser
Iiquefeita e alimentada por meio da Iinha 1 em um trocador de calor E1. Esta e subdividida em tres segoes ou estagios de a ate c. Os Iimites entre estas se^oes ou estagios sao mostrados pelas duas Iinhas tracejadas. Na segao mais quente a do trocador de calor E1, a fragao de alimentagao rica em hidrocarbonetos e resfriada contra nitrogenio gasoso superaquecido que e alimentado por meio da Iinha 9 no trocador de calor E1, na medida em que uma separa^ao dos componentes pesados da frag§o de alimentagao e possivel em um separador D2 a jusante do trocador de calor E1. Para esta finalidade, a fragao de alimentado resfriada e alimentada do trocador de calor E1 por meio da Iinha 1' no separador D2. A partir da fase inferior do mesmo, por meio da Iinha 2·,no qual e provida uma valvula V1, os componentes pesados indesejados sao removidos na forma Iiquida e Iiberados do processo.
Em vez do separador D2 mostrado na figura, pode ser usada uma coluna de retificagao para se obter uma separagao mais precisa dos componentes relativamente pesados ou um maior teor de hidrocarbonetos da fragao de alimentagao.
No topo do separador D2, por meio da Iinha 2, a fragao de alimentagao que e Iiberada dos componentes pesados e removida e alimentada na segunda segao b do trocador de calor E1. Ai1 a fragao de alimentagao que e Iiberada dos componentes pesados e parcialmente Iique- feita contra nitrogenio gasoso que deve ser superaquecido 9. Depois, no terceiro estagio c do trocador de calor E1, a fragao de alimentagao e com- pletamente Iiquefeita contra nitrogenio a ser parcialmente vaporizado que e alimentado no trocador de calor E1 por meio da Iinha 8. A fragao de alimentagao liquefeita, depois da passagem atraves
do trocador de calor E1 por meio da Iinha 3, no qual e disposta uma valvula de controle V3, e alimentada em um recipiente de armazenamento D4. O ρ rod uto Iiquefeito (LNG) pode ser descarregado a partir dai por meio da Iinha 4. A valvula de controle V3 serve para expandir a fragao de alimentagao liquefeita na pressao de dispense de ρ rod uto, que corresponde pelo menos aproximadamente a pressao atmosferica.
Se ο nitrogenio for vaporizado na terceira segao c do trocador de calor E1 em uma pressao de mais do que 1500 kPa (15 bara), a temperatura de ebuligao do mesmo nao sera mais baixa ο suficiente a fim de sub-resfriar a fragao de alimentagao liquefeita, na medida em que a desgaseificagao depois da expansao do mesmo na valvula de controle V3 pode ser impedida.
Neste caso, ο gas evaporado formado no recipiente de armazenamento D4 e vantajosamente removido por meio da Iinha 5, comprimido no compressor C3 e realimentado na fra?ao de alimentagao 2 que e Iiberada dos com- ponentes pesados antes da Iiquefagao dos mesmos e novamente Iiquefeito no trocador de calor E1. Este procedimento de processo deve ser sele- cionado, em particular, no caso de armazenamento temporario significativo do ρ rod uto LNG em um tanque de fundo piano atmosferico D4, uma vez que ο gas evaporado resuItante e tambem processado por este meio.
O nitrogenio exigido para ρ rover frio e alimentado no processo de Iiquefapao por meio da Iinha 6. Vantajosamente, e provido um tanque tampao D3 que serve para compensar flutuagoes quantitativas da fragao de alimentagao que deve ser liquefeita e/ou do nitrogenio refrigerante. Por meio de uma bomba P1, ο nitrogenio Iiquido e alimentado na quantidade exigida em um separador D1 por meio da Iinha 7. A partir da fase inferior do separador D1, ο nitrogenio de ebuligao e removido e conduzido por meio da Iinha 8 atraves da segao mais fria c do trocador de calor E1. O nitrogenio que e parcialmente vaporizado, neste caso, e entao alimentado por meio da Iinha 8' de volta para ο separador D1.
Se ο processo de uma nova Iiquefagao a ser ainda escrito for operado, pelo menos temporariamente, a geragao de frio por uma nova Iiquefagao do nitrogenio podera exceder a exigencia de refrigeragao da IiquefaQSo de gas natural. Um suprimento excessivo resultante do nitrogenio Iiquido pode ser dispensado no tanque tampao D3 por meio da Iinha 8" e da valvula V6.
No topo do separador D1, ο nitrogenio gasoso e removido por meio da Iinha 9 e alimentado na se?ao intermediaria b do trocador de calor E1. O nitrogenio gasoso e conduzido atraves da segunda e da primeira
segoes do trocador de calor E1 em fluxo de contracorrente para a fragao de alimentagao 2 que deve ser resfriada e parcialmente liquefeita, e e aquecido e superaquecido neste processo. O nitrogenio superaquecido e entao removido do processo por meio das se9oes de Iinha 10 e 11.
Por meio da valvula de controle V4, pode ser controlada a pres- sao de ebuligao do nitrogenio gasoso que deve ser superaquecido 9. Vanta- josamente, esta pressao de ebuligao e ajustada a valores de entre 500 e 3000 kPa (5 e 30 bara), preferivelmente entre 1000 a 2000 kPa (10 e 20 bara).
Similarmente1 a pressao de condensagao da fragao de alimen- ta?ao 2 que e Iiberada dos componentes relativamente pesados pode ser controlada por meio da valvula de controle V2. Esta pressao de conden- sagao e preferivelmente ajustada a valores de entre 100 e 1500 kPa (1 e 15 bara), preferivelmente entre 100 e 800 kPa (1 e 8 bara).
Por meio das valvulas de controle V2 e/ou V4, ο perfil de temperature na terceira segao c do trocador de calor E1 pode ser assim controlado. Enquanto que, por meio da valvula de controle V2, a pressao de condensagao da fragao de alimentagao e estabelecida na segao entre as valvulas de controle V2 e V3, e por meio da valvula de controle V4, e contro- lada a pressao de ebuligao do nitrogenio no separador D1 e na terceira segao c do trocador de calor E1. Devido a subdivisao acima descrita do processo de troca de calor em uma segunda e uma terceira se9oes e com a separagao de fase no separador D1, pode ser entao estabelecido exatamen- te em que segao do trocador de calor E1 esta acontecendo uma vaporizagao (parcial) ou superaquecimento do nitrogenio. Por meio da subdivisao do processo de troca de calor E1 em
tres seg5es de a ate c, e possivel confiavelmente impedir que ο Iimite de fa- se entre ο refrigerante Iiquido e gasoso migre dentro do trocador de calor E1, causando assim esforgos termicos e mecanicos indesejados com ο trocador de calor E1.
Se a pressao de ebuli^ao do nitrogenio (pN2) e a pressao de
condensagao de gas bruto (pRG) forem selecionadas de acordo com a desigualdade pRG (bara) > 0,3 pN2 (bara) -1, podera ser seguramente impe- dida uma sobrecarga termica do trocador de calor E1 devido as diferengas de temperatura impermissivelmente alta.
Atraves da restrigao da pressao de ebuli^ao do nitrogenio Iiquido na terceira se?ao c do trocador de calor E1 e do separador D1 de pelo menos 5 bar - a temperatura de ebuligao associada e -179°C - e possivel impedir confiavelmente uma temperatura abaixo da temperatura de conge- Iamento de metano que ocorre no trocador de calor E1. Problemas de ope- ragao e possiveis danos devido a formagao de solidos sao assim eliminados.
O nitrogenio superaquecido removido do trocador de calor E1 por meio da Iinha 10 pode, alternativamente a uma remopao por meio da Iinha 11, ser pelo menos parcialmente Iiquefeito novamente. Para esta finalidade, ο nitrogenio e alimentado atraves das seg5es de Iinha 12 e 13 em uma com pressao - mostrada na figura por uma unidade compressora de dois estagios C1/C2, em que um trocador de calor, E3 ou E4, respectivamente, e conectado a jusante de cada unidade compressora - e e entao alimentado por meio da Iinha 14 em um trocador de calor E2. Αί, ο nitrogenio e no- vamente Iiquefeito e entao alimentado no separador D1 por meio da Iinha 15. A regulapao de pressao do compressor C2 e executada pela valvula de controle V5. Para fins de prover frio no trocador de calor E2, por meio da Ii- nha 16,um subfluxo de fluxo de nitrogenio comprimido e removido, preferi- velmente expandido em uma maneira de miiltiplos estagios - mostrada pelos expansores de gas Xt e X2 - e entao conduzido por meio da Iinha 17 atraves do trocador de calor E2 em um fluxo de contracorrente para ο fluxo de nitrogenio que deve ser liquefeito. Os eixos dos compressores C1 e C2 sao preferivelmente acoplados aos eixos dos expansores de gas X2 e X1.
Se ο processo de uma nova Iiquefagao acima descrito for ope- rado, sera vantajoso alimentar no trocador de calor E1 por meio da Iinha 9 apenas a quantidade de nitrogenio gasoso que e exigida para uma pequena diferenga de temperatura positiva de aproximadamente 3°C entre fIuxos 1 e 10 na extremidade aquecida do trocador de calor E1. A quantidade exces- siva de nitrogenio gasoso frio e usada por meio da Iinha 9' proporcional-
mente para uma nova Iiquefagao no trocador de calor E2. Em principio, ο processo de Iiquefagao pode proceder por meio de nitrogenio "importado" - neste caso, ο nitrogenio superaquecido e remo- vido do trocador de calor E1 por meio das sepoes de Iinha 10 e 11 - por meio de nitrogenio novamente liquefeito, ou por meio de qualquer combinagao desejada de ambos os modos de operagao.
Claims (5)
1. Metodo para Iiquefazer uma fragao de alimentapao rica em hidrocarbonetos, preferivelmente gas natural, contra um ciclo de refrigerafao de nitrogenio, em que a fragao de alimenta^ao e resfriada contra nitrogenio gasoso que deve ser aquecido e a fragao de alimentagao e Iiquefeita contra nitrogenio Iiquido que deve ser vaporizado, caracterizado pelo fato de -a fragao de alimentagao ser resfriada e Iiquefeita em pelo menos um processo de troca de calor de tres estagios (E1a - E1c), -em que, na primeira segao do processo de troca de calor (E1a), a fragao de alimentagao (1) e resfriada contra ο nitrogenio gasoso supera- quecido (9), na medida em que uma separagao essencialmente completa (D2) dos componentes relativamente pesados (2') e alcangavel, -na segunda segao do processo de troca de calor (E1b), a fragao de alimentagao (2) Iiberada dos componentes relativamente pesados ser parcialmente Iiquefeita conta nitrogenio gasoso que sera superaquecido (9),e -na terceira segao do processo de troca de calor (E1c), a fragao de alimentagao (2) ser Iiquefeita conta ο nitrogenio que sera parcialmente vaporizado (8).
2. Metodo, de acordo com a reivindicagao 1,caracterizado pelo fato de ο processo de troca de calor de tres estagios (E1a-E1c) ser obtido em um ou mais trocadores de calor.
3. Metodo, de acordo com a reivindicagao 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a pressao de condensagao da fragao de alimentagao (2) Iiberada dos componentes relativamente pesados ser ajustada (V2) a valores entre 100 e 1500 kPa (1 e 15 bara), preferivelmente entre 100 e 800 kPa (1 e 8 bara).
4.
Metodo, de acordo com qualquer das reivindicagoes 1 a 3, caracterizado pelo fato de a pressao de ebuligao do nitrogenio gasoso que deve ser superaquecido (9) ser ajustada (V4) a valores entre 500 e 3000 kPa (5 e 30 bara), preferivelmente entre 1000 a 2000 kPa (10 e 20 bara).
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