DK174801B1

DK174801B1 - Forbedret kaskadekøleproces til fortætning af naturgas

Info

Publication number: DK174801B1
Application number: DK199901820A
Authority: DK
Inventors: Eric T Cole
Original assignee: Exxonmobil Upstream Res Co
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2003-11-24
Also published as: PL337425A1; OA11268A; TNSN98095A1; KR20010014040A; SK178799A3; RU2204094C2; IL133337A0; ES2170629B2; SE518777C2; CA2292710A1; WO1998059207A1; NO996327L; GB9930045D0; DE19882492T1; RO118483B1; UA49072C2; HUP0002816A3; GB2346954B; HUP0002816A2; IL133337A

Description

5 DK 174801 B1

OPFINDELSENS OMRADE

Den foreliggende opfindelse angår en naturgasfortætningsproces og mere specifikt en proces til fremstilling af tryksat flydende naturgas (PING).

OPFINDELSENS BAGGRUND

På grund af dens rene forbrændingsegenskaber og bekvemmelighed har naturgas vundet bred anvendelse de senere år. Mange naturgaskilder befinder sig i fjerntliggende områder, 10 langt fra eventuelle kommercielle markeder for gassen. Undertiden er en rørledning tilgængelig til at transportere produceret naturgas til et kommercielt marked. Når transport via rørledning ikke er mulig, forarbejdes produceret naturgas ofte til fortættet naturgas (som kaldes "LNG") til transport til markedet.

15 Et af de karakteristiske træk ved et LNG-anlæg er den store anlægsinvestering, der er nødvendig for anlægget. Det udstyr, der anvendes til at fortætte naturgas, er generelt temmelig dyrt. Fortætningsanlægget består af flere basale systemer, herunder behandling af gassen til fjernelse af urenheder, fortætning, køling, energifaciliteter og oplagring og skibslastningsfaciliteter. Medens prisen for et LNG-anlæg kan variere meget afhængigt af 20 anlæggets beliggenhed, kan et typisk konventionelt LNG-projekt koste fra USD 5 milliarder til USD 10 milliarder indbefattet omkostninger til udvikling af feltet. Anlæggets kølesystemer kan udgøre op til 30% af omkostningerne.

Ved konstruktionen af et LNG-anlseg er tre af de vigtigste hensyn (1) valg af fortætnings-25 cyklus, (2) de anvendte materialer i beholderne, rørene og andet udstyr og (3) procestrinnene til at omdanne en naturgasfødestrøm til LNG.

LNG-kølesystemer er dyre, fordi der kræves så meget køling for at fortætte naturgas. En typisk naturgasstrøm kommer ind i et LNG-anlæg ved tryk på fra ca. 4.830 kPa (700 psia) 30 til ca. 7.600 kPa (1.100 psia) og temperaturer på fra ca. 20°C (68°F) til ca. 40eC (104°F). Naturgas, som hovedsageligt er methan, kan ikke fortættes ved blot at øge trykket, således som det er tilfældet med tungere carbonhydrider, der anvendes til energiformål. Den kritiske temperatur for methan er -82.5°C (-116.5°F). Det betyder, at methan kun kan fortættes under denne temperatur uanset, det påførte tryk. Eftersom naturgas er en blanding af gas-35 ser, fortætter den over et temperaturinterval. Den kritiske temperatur for naturgas er mel- 2 DK 174801 B1 lem ca. -85 °C (-121°F) og -62 °C (-80°F). Typisk vil naturgassammensætninger ved atmosfærisk tryk fortætte i temperaturintervallet mellem ca. -165 °C (-265T) og -155°C (-247DF). Eftersom køleudstyr udgør en så væsentlig del af LNG-anlæggets pris, er der blevet gjort en stor indsats for at nedbringe køleomkostningerne.

5

Selv om mange kølecykler er blevet anvendt til at fortætte naturgas, er de tre mest anvendte typer i LNG-anlæg i dag: (1) "ekspansionscyklen", som ekspanderer gas fra et højt tryk til et lavt tryk med en tilsvarende reduktion af temperatur, (2) "multikomponentkøle-cyklen", som anvender et multikomponentkølemiddel i særligt konstruerede vekslere, og 10 (3) "kaskadecyklen", som anvender multiple enkeltkomponentkøtemidler i varmevekslere arrangeret progressivt for at reducere gassens temperatur til en fortætningstemperatur. De fleste naturgasfortætningscykler anvender variationer eller kombinationer af disse tre basistyper.

15 Kaskadesystemet anvender almindeligvis to eller flere kølesløjfer, hvori det ekspanderede kølemiddel fra ét trin anvendes til at kondensere det komprimerede kølemiddel i det næste trin. Hvert successivt trin anvender et lettere, mere flygtigt kølemiddel, som, når det ekspanderes, tilvejebringer et lavt køleniveau og derfor er i stand til at køle til en lavere temperatur. For at mindske den energi, som kompressorerne kræver, er hver kølecyklus typisk 20 opdelt i flere tryktrin (tre eller fire trin er almindeligt). Tryktrinnene har den virkning, at de opdeler kølearbejdet i flere temperaturtrin. Propan, ethan, ethylen og methan er almindeligt anvendte kølemidler. Eftersom propan kan kondenseres ved relativt lavt tryk ved hjælp af luftkølere eller vandkølere, er propan normalt kølemidlet i første trin. Ethan eller ethylen kan anvendes som kølemidlet i andet trin. Kondensering af den ethan, som kommer ud af 25 ethankompressoren kræver et lavtemperaturkølemiddel. Propan tilvejebringer denne lav-temperaturkølefunktion. Tilsvarende hvis methan anvendes som kølemiddel i slutstadiet, anvendes ethan til at kondensere methan, der kommer ud af methankompressoren. Dette propankølesystem anvendes derfor til at køle fødegassen og til at kondensere ethankøle-midlet, og ethan anvendes til yderligere at køle fødegassen og at kondensere methankø-30 lemidlet.

De materialer, der anvendes i konventionelle LNG-anlæg bidrager også til anlæggets pris. Beholdere, rørføringer og andet udstyr, der anvendes i LNG-anlæg, er typisk konstrueret i det mindste delvist af aluminium, rustfrit stål eller stål med højt nikkelindhold for at give den 35 nødvendige styrke og brudsejhed ved lave temperaturer.

3 DK 174801 B1 I konventionelle LNG-anlæg skal vand, carbondioxid, svovlholdige forbindelser, fx hydrogensulfid og andre sure gasser, n-pentan og tungere carbonhydrider, herunder benzen, i det væsentlige fjernes fra naturgasforarbejdningen ned til niveauer på milliontedele (ppm).

Nogle af disse forbindelser vil fryse, hvilket forårsager tilstopningsproblemer i procesudsty-5 ret. Andre forbindelser såsom dem, der indeholder svovl, fjernes typisk for at overholde salgsspecifikationer. I et konventionelt LNG-anlæg kræves der gasbehandlingsudstyr for at fjerne carbondioxid og sure gasser. Gasbehandlingsudstyret anvender typisk en kemisk og/eller fysisk solventregenerativ proces og kræver en væsentlig kapitalinvestering. Driftsomkostningerne er også høje. Dry-bed dehydratorer såsom molekylsier kræves for at 10 fjerne vanddampen. Et skrubbersøjlefraktioneringsudstyr anvendes typisk til at fjerne car-bonhydriderne, der har tendens til at forårsage tilstopningsproblemer. Kviksølv fjernes også i et konventionelt LNG-anlæg, da det kan forårsage svigt i udstyr konstrueret af aluminium. Desuden fjernes en stor del af den nitrogen, der kan være til stede i naturgas, efter bearbejdning, eftersom nitrogen ikke vil forblive i væskefasen under transport af konventionel 15 LNG, og det er uønsket at have nitrogendamp i LNG-beholdere på leveringsstedet.

Der er et fortsat behov inden for industrien for en forbedret proces til fortætning af naturgas, hvilket minimerer den nødvendige mængde køleudstyr og procesenergi.

20 OPSUMMERING

Denne opfindelse angår generelt en fortætningsproces til en gasstrøm, som er rig på methan, og som har et udgangstryk på over ca. 3.100 kPa (450 psia) og kendetegnet ved den kendetegnende del af krav 1. Den primære køling til kondensering af naturgassen sker 25 ved kaskadekølecykler, fortrinsvis kun to cykler. Naturgassen trykekspanderes derefter med et egnet trykekspansionsorgan for at producere et methanrigt flydende produkt ved en temperatur på over ca. -112°C (-170°F) og et tryk, der er tilstrækkeligt til, at det flydende produkt er ved eller under sit boblepunkt.

30 Processen ifølge denne opfindelse kan også kondensere afkogningsdamp, der er fremstillet af en tryksat naturgas. Hvis naturgassen indeholder carbonhydrider, som er tungere end methan, og det ønskes at fjerne de tungere carbonhydrider, kan der tilføjes en fraktioneringsproces til processen.

4 DK 174801 B1

Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse kan anvendes både til den initiale fortætning af naturgas ved forsyningskilden til lagring eller transport og til at genfortætte naturgasdampe afgivet under lagring og skiblastning. Et formål med denne opfindelse er følgelig at tilvejebringe et forbedret fortætningssystem til fortætning eller genfortætning af 5 naturgas. Et andet formål med denne opfindelse er at tilvejebringe et forbedret fortætningssystem, hvor væsentligt mindre komprimeringsenergi er påkrævet i forhold til kendte systemer. Et yderligere formål med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en forbedret fortætningsproces, der er økonomisk og effektiv i drift. Kølingen ved meget lave temperaturer i en traditionel LNG-proces er meget dyr i forhold til den relativt milde køling, 10 der er påkrævet ved produktion af PLNG i overensstemmelse med udførelsen af denne opfindelse.

KORT BESKRIVELSE AF TEGNINGERNE

15 Den foreliggende opfindelses fordele vil fremgå tydeligere ved læsning af den følgende detaljerede beskrivelse og de medfølgende figurer, som er skematiske flowdiagrammer af repræsentative udførelsesformer for denne opfindelse.

Fig. 1 er et skematisk flowdiagram af en udførelsesform for denne opfindelse, hvilket flow-20 diagram viser et kaskadekølesystem med to cykler til fremstilling af PLNG.

Fig. 2 er et skematisk flowdiagram for en anden udførelseform ifølge denne opfindelse, hvilket flowdiagram viser en proces til kondensering af fortættet gas og fjernelse af tungere carbonhydrider.

25

Fig. 3 er et skematisk flowdiagram for en tredje udførelsesform ifølge denne opfindelse.

Flowdiagrammerne i figurerne viser forskellige udførelsesformer for udøvelse af denne opfindelse. Formålet med figurerne er ikke at udelukke andre udførelsesformer, der er resul-30 tatet af almindelige og forventede modifikationer af disse specifikke udførelsesformer, fra opfindelsens omfang. Forskellige nødvendige undersystemer såsom punper, ventiler, flowstrømsblandere, styresystemer og sensorer er ikke medtaget i figurerne for at gøre præsentationen mere enkel og forståelig.

5 DK 174801 B1

BESKRIVELSE AF DE FORETRUKNE UDFØRELSESFORMER

Den foreliggende opfindelse anvender et kaskadekølesystem til at fortætte naturgas til produktion af et methanrigt, flydende produkt ved en temperatur over ca. -112°C (-170°F) og 5 et tryk, der er tilstrækkeligt til, at det flydende produkt er på eller under sit boblepunkt.

Dette methanrige produkt benævnes til tider i denne beskrivelse tryksat flydende naturgas (PLNG). Udtrykket "bobblepunkt" er den temperatur og det tryk, ved hvilken en væske begynder at omdannes til gas. Hvis en vis mængde PLNG fx holdes ved et konstant tryk, men dens temperatur hæves, er boblepunktet den temperatur, ved hvilken der begynder at 10 dannes gasbobler i PLNG. Hvis en vis mængde PLNG holdes ved en konstant temperatur, men trykket reduceres, defineres boblepunktet tilsvarende ved det tryk, ved hvilket gassen begynder at dannes. Ved boblepunktet er blandingen en mættet væske.

Anvendelse af et kaskadekølesystem i overensstemmelse med den foreliggende opfin-15 delse kræver mindre energi til fortætning af naturgassen end tidligere anvendte kaskade-køleprocesser, og det udstyr, der anvendes i processen ifølge denne opfindelse, kan fremstilles af mindre kostbare materialer. Derimod kræver kendte processer, der fremstiller LNG ved atmosfæriske tryk med temperaturer så lave som -160°C (-256°F), at i det mindste en del af procesudstyret fremstilles af dyre materialer for at opnå sikker drift.

20

Den energi, der er nødvendig til fortætning af naturgassen ved udøvelsen af denne opfindelse, er meget reduceret i forhold til energikravene i et traditionelt LNG-anlæg.. Den formindskede køleenergi, der kræves til processen ifølge den foreliggende opfindelse, resulterer i en stor reduktion af anlægsomkostninger, forholdsvis lavere driftsomkostninger og 25 øget effektivitet og driftssikkerhed, hvorved økonomien ved fremstilling af fortættet naturgas forbedres mærkbart.

Ved den foreliggende opfindelses driftstryk og -temperaturer kan der anvendes ca. 3¼ vægtprocent nikkelstål til rørledninger og udstyr i de koldeste driftsområder i fortætnings-30 processen, medens det dyrere 9 vægtprocent nikkel eller aluminium generelt er nødvendigt til det samme udstyr i en konventionel LNG-proces. Dette giver endnu en betydelig omkostningsreduktion ved processen ifølge denne opfindelse i forhold til kendte LNG-proces-ser.

6 DK 174801 B1

Det første hensyn ved kryogen bearbejdning af naturgas er kontaminering. Det rå natur-gastilferingsråemne, der er velegnet til processen ifølge denne opfindelse, kan omfatte naturgas fra en råoliekilde (associeret gas) eller fra en gaskilde (ikke-associeret gas). Sammensætningen af naturgas kan variere betydeligt. Som det anvendes her, består en 5 naturgasstrøm af methan (Ci) som en væsentlig komponent. Naturgassen vil typisk også indeholde ethan (C2), højere carbonhydrider (C3*) og mindre mængder af forureninger såsom vand, carbondioxid, hydrogensulfid, nitrogen, butan, carbonhydrider bestående af seks eller flere carbonatomer, snavs, jernsulfid, voks og råolie. Disse forureningers opløse-fighed varierer med temperatur, tryk og sammensætning. Ved kryogene temperaturer kan 10 C02, vand og andre forureninger danne faste legemer, der kan tilstoppe strømningspassa ger i kryogene varmevekslere Disse potentielle vanskeligheder kan undgås ved at fjerne sådanne forureninger, hvis der for de rene komponenter forventes fastfasetempera-tur/trykfase-grænser. I den efterfølgende beskrivelse af opfindelsen antages det, at naturgasstrømmen er blevet bearbejdet hensigtsmæssigt for at fjerne sulfider og carbondioxid 15 og tørret for at fjerne vand under anvendelse af velkendte processer til fremstilling af en "sød, tør" naturgasstrøm. Hvis naturgasstrømmen indeholder tunge carbonhydrider, som kan fryse under fortætningen, eller hvis de tunge carbonhydrider ikke er hensigtsmæssige i PLNG, kan de tunge carbonhydrider fjernes af en fraktioneringsproces før fremstilling af PLNG som nærmere beskrevet nedenfor.

20

En fordel ved den foreliggende opfindelse er, at de varmere arbejdstemperaturer gør det muligt for naturgassen at have højere koncentrationsniveauer af frysbare komponenter, end det ville være muligt i en konventionel LNG-proces. For eksempel i et konventionelt LNG-anlæg, der producerer LNG ved -160°C (-256°F), skal C02 være under ca. 50 ppm 25 for at undgå fryseproblemer. Ved at holde procestemperaturerne over ca. -112°C (-170^) kan naturgassen derimod indeholde så høje C02-niveauer som ca. 1,4 molprocent C02 ved temperaturer på -112°C (-170T) og ca. 4.2% ved -95°C (-139°F) uden at forårsage fryseproblemer i fortætningsprocessen ifølge opfindelsen.

30 Moderate mængder nitrogen i naturgassen behøver desuden ikke fjernes i processen ifølge opfindelsen, fordi nitrogen vil forblive i væskefasen med de fortættede carbonhydrider ved den foreliggende opfindelses driftstryk og -temperaturer. Evnen til at reducere eller i nogle tilfælde udelade det udstyr, der er nødvendigt til gasbehandling og nitrogenfjernelse, når sammensætningen af naturgassen tillader det, tilvejebringer betydelige tekniske 7 DK 174801 B1 og økonomiske fordele. Disse og andre fordele ved opfindelsen vil blive bedre forstået under henvisning til figurerne.

Idet der henvises til fig. 1 kommer en tryksat naturgasfødestrøm 10 fortrinsvis ind i fortæt-5 ningsprocessen ved et tryk på over ca. 1724 kPa {250 psia) og mere foretrukket over ca.

4830 kPa (700 psia) og fortrinsvis ved temperaturer på under ca. 40°C (104°F); imidlertid kan der om ønsket anvendes andre tryk og temperaturer, og systemet kan på passende måde ændres af fagfolk, idet der tages hensyn til denne opfindelses lære. Hvis gasstrømmen 10 er under ca. 1724 kPa (250 psia), kan den tryksættes af et egnet kompressionsor-10 gan (ikke vist), som kan omfatte én eller flere kompressorer.

Fødestrømmen 10 passerer gennem en række varmevekslere, fortrinsvis to varmevekslere 30 og 31, som køles af en første kølecyklus 32. Kølecyklus 32 køler fødestrømmen 10 i varmevekslere 30 og 31 og køler kølemiddel i en anden kølecyklus 33, som befinder sig 15 nedstrøms i fortætningsprocessen. Kølecyklus 33 køler yderligere naturgassen i en serie varmevekslere, fortrinsvis tre vekslere 37, 38 og 39 som vist i fig. 1. Udformningen og driften af kølecyklerne 32 og 33 er velkendt for fagfolk, og detaljer om deres drift er velkendte. Kølemidlet i den første kølecyklus 32 er fortrinsvis propan, og kølemidlet i den anden kølecyklus 33 er fortrinsvis ethylen. Eksempler på kaskadekølesystemer er beskrevet i US-pa-20 tent 3.596.472; Plant Processing of Natural Gas, udgivet af Petroleum Extension Service,

The University lof Texas, Austin, TX (1974); og Harper, E. A. et. al., Trouble Free LNG,

Chemical Engineering Progress, bd. 71, nr 11 (1975).

Fortættet naturgasstrøm 19, der forlader den sidste varmeveksler 39 i henhold til udøvel-25 sen af denne opfindelse, har en temperatur på over -112 °C (-170°F) og et tryk, der er tilstrækkeligt til, at det væskeformige produkt er ved eller under sit boblepunkt. Hvis trykket i strøm 10, hvor den forlader det sidste trin af den anden kølecyklus, er højere end det tryk, der er nødvendigt for at holde strøm 10 i en flydende fase, kan strøm 10 eventuelt føres gennem ét eller flere ekspansionsorganer, fx en hydraulisk turbine 40, for at producere et 30 PLNG-produkt ved et lavere tryk, men som stadig har en temperatur på over ca. -112°C (-170°F), og et tryk, der er tilstrækkeligt til, at det væskeformige produkt er ved eller under sit boblepunkt. PLNG sendes derefter (strøm 20) til et passende transport- eller oplagringsorgan 41, fx et egnet rørsystem eller transportmiddel, fx et PLNG-skib, en PLNG-tanktruck eller en PLNG-jernbanevogn.

35 8 DK 174801 B1

Fig, 2 illustrerer en anden udførelsesform ifølge opfindelsen, og i denne og de i fig. 1 og 3 viste udførelsesformer har de dele med samme henvisningstal samme procesfunktioner.

Fagfolk ved imidlertid, at procesudstyret fra én udførelsesform til en anden kan variere i størrelse og evne til at håndtere forskellige fluidflowhastigheder, -temperaturer og -sam-5 mensætninger. Under henvisning til fig, 2 kommer en naturgasfødestrøm ind i systemet gennem ledning 10 og føres gennem varmevekslere 30 og 31, der køles af en første køle-cyklus 32. Kølecyklus 32 køler fødestrømmen 10 og køler kølemiddel i en anden kølecyklus 33, der befinder sig yderligere nedstrøms i fortætningsprocessen.

10 Efter at have forladt den sidste varmeveksler 31 kommer fødegasstrømmen 10 ind i en konventionel faseseparator 34. En væskeformig strøm 11 forlader bunden af separatoren og føres til en konventionel demethanizator 35. Demethanisatoren frembringer en øvre dampstrøm 12, som er rig på methan, og en nedre væskeformig strøm 13, som overvejende er naturgasvæsker (NLG), primært ethan, propan, butan, pentan og tungere carbon-15 hydrider. Demethanisatorens bundstrøm 13 føres til et konventionelt fraktioneringsanlæg 36, hvis generelle drift er velkendt for fagfolk. Fraktioneringsanlægget 36 kan omfatte én eller flere fraktioneringskolonner (ikke vist i fig. 2), som adskiller flydende bundstrøm 13 i forudbestemte mængder ethan, propan, butan, pentan og hexan. Disse væsker udtages fra fraktioneringsanlægget 36 som kondensatprodukter, som er afbildet kollektivt i fig. 2 som 20 strøm 14. Øvre strømme fra fraktioneringsanlægget 36 er rige på ethan og andre lette car-bonhydrider. Disse øvre strømme er vist kollektivt i fig. 2 som strøm 15. Fraktioneringsanlægget omfatter fortrinsvis flere fraktioneringskolonner (ikke vist) såsom en deethanise-ringssøjle, der producerer ethan, en depropaneringssøjle, der produerer propan, og en de-butaniseringssøjle, der producerer butan, hvilke alle kan anvendes som suppleringskøle-25 midler i kaskadekølesystemet (første og andet kølecyklus 32 og 33) eller et hvilket som helst andet egnet kølesystem. Suppleringskølemiddelstrømmene er kollektivt vist i fig. 2 ved linje 16. Selv om dette ikke er vist i fig. 2, hvis fødestrøm 10 indeholder høje koncentrationer af C02, kan det være nødvendigt at behandle én eller flere af de supplerende kø-lemidelstrømme for at fjerne C02 for at undgå mulige tilstopningsproblemer i køleudstyret.

30 Hvis COrkoncentrationen i fødestrømmen overstiger ca. 3 molprocent, vil fraktioneringsanlægget 36 fortrinsvis indbefatte en C02-fjerningsproces.

Den methanrige strøm 17 fra separatoren 34, den methanrige strøm 12 fra demethanisatoren 35, og strøm 15 fra fraktioneringsanlægget 36 kombineres og føres som strøm 18 til 35 en serie varmevekslere 37, 38 og 39 til fortætning af naturgassen. Køling af varmevekslere 9 DK 174801 B1 37, 38 og 39 tilvejebringes af den anden kølecyklus 33 som beskrevet ovenfor. Selv om kølemidlerne i den første og den anden kølecyklus 32 og 33 cirkuleret i lukket kredsløbssy-stem, kan der, hvis der går kølemidler tabt fra systemet ved lækager, opnås suppleringskølemidler fra fraktioneringsanlægget 36 (ledning 16). I den i fig. 2 viste fortætnings-5 proces er der kun behov for to cykler af et kaskadesystem for at køle naturgasstrømmen 10 ifølge udøvelsen af denne opfindelse.

Fortættet naturgasstrøm 19, der forlader den sidste varmeveksler 39, føres gennem én eller flere ekspansionsorganer, fx en hydraulisk turbine 40, for at producere et PLNG-produkt 10 ved en temperatur på over ca. -112°C (-170°F) og et tryk, der er tilstrækeligt til, at det væskeformige produkt er ved eller under sit boblepunkt. PLNG sendes derefter gennem ledning 20 til et egnet oplagringsorgan 41.

Ved opbevaring, transport og håndtering af fortættet naturgas kan der være en betydelig 15 mængde "afkogning", idet dampene opstår ved fordampning af fortættet naturgas. Denne opfindelse er særligt velegnet til fortætning af afkogningsdamp frembragt af PLNG. Processen ifølge opfindelsen kan eventuelt genfortætte sådanne afkogningsdampe. Under henvisning til fig. 2 kan afkogningsdamp indføres til processen ifølge opfindelsen gennem ledning 21. En del af strøm 21 kan eventuelt trækkes ud som strøm 22 og dirigeres gennem 20 en varmeveksler 42 for at køle dampstrøm 18 og varme den udtagne afkogningsgas til senere brug som brændstof til fortætningsanlægget. Den resterende del af strøm 21 føres gennem en konventionel kompressor 43 for at komprimere afkogningsdampen til omtrent dampstrømmen 18's tryk og kombineres derefter med strøm 18.

25 Fig. 3 illustrerer en anden udførelsesform af den foreliggende opfindelse. Den i fig. 3 viste proces svarer til ovenfor under fig. 2 beskrevne proces, bortset fra at strøm 18 som vist i fig. 3 føres gennem en kompressor 44, og den komprimerede dampstrøm 18 føres derefter gennem varmevekslere 45 og 46, som køles af kølemiddel fra den første kølecyklus.

30 Som vist i fig. 3 kan afkogningsgassen eventuelt indføres i strøm 18, efter at strøm 18 er kølet af den første kølecykius 32, og inden den køles af den anden kølecyklus 33. Mindst en del af afkogningsdampstrøm 21 komprimeres af en konventionel kompressor 43, og den komprimerede strøm (strøm 23) køles af en varmeveksler 42, som køles af strøm 22, som er trukket ud af strøm 21. Strøm 22 kan efter at være blevet varmet af varmeveksler 42 an-35 vendes som brændstof i fortætningsanlægget.

10 DK 174801 B1

Selv om fig. 2 og 3 viser, at afkogningsdampen indføres i fortætningsprocessen ved et punkt efter fraktioneringsstadierne og inden kølestadierne af den anden kølecyklus, kan afkogningsdamp ifølge udøvelsen af denne opfindelse indføres i den gasstrøm, der skal fortættes, ved et hvilket som helst punkt i processen fra før veksleren 30 til efter veksleren 5 39 og inden ekspanderen 40.

Denne opfindelse er ikke begrænset til nogen bestemt type varmeveksler, men på grund af økonomien fortrækkes lamelribbe- og kuldeboksvekslere. Alle strømme, der indeholder både væske- og dampfaser, og som sendes til varmevekslere, har fortrinsvis både væske-10 og dampfaser ligeligt fordelt over tværsnitsarealet af de passager, de kommer ind i. For at opnå dette, foretrækkes det at tilvejebringe fordelingsapparatur til de enkelte damp- og væskestrømme. Separatorer kan tilføjes til multifaseflowstrømmene, som det er nødvendigt for at dele strømmene i væske- og dampstrømme. Sådanne separatorer kunne tilføjes til de i fig. 2 og 3 viste processer inden varmevekslerne 38 og 39.

15

Eksempel

Der blev foretaget en simuleret masse- og energibalance for at illustrere de i figurerne viste udførelsesformer, og resultaterne er angivet i nedenstående tabeller.

20

Dataene blev opnået ved anvendelse af en kommercielt disponibelt processimuleringsprogram ved navn HYSYS™, men andre kommercielt disponible processimuleringsprogrammer kan anvende til at udvikle dataene, herunder fx HYSIM™, PROII™ og ASPEN PLUS™, som alle er kendt af fagfolk. De i tabel 1 viste data præsenteres for at tilvejebringe en 25 bedre forståelse af den i fig. 1 viste udførelsesform, men opfindelsen bør ikke betragtes som unødvendigt begrænset dertil De viste temperaturer og flow-hastigheder bør ikke anses som begrænsninger af opfindelsen, som kan have mange variationer i temperaturer og flow-hastigheder i lyset af den heri angivne lære. I denne udførelsesform er den første kølecyklus 32 et propansystem, og den anden kølecyklus 33 er et ethylensystem.

30

De i tabel 2 viste data præsenteres for at tilvejebringe en bedre forståelse af den i fig. 2 viste udførelsesform. I denne udførelsesform er den første kølecyklus 32 et propansystem, og den anden kølecyklus 33 er et ethylensystem 11 DK 174801 B1

Under anvendelse af det i fig. 1 viste grundlæggende procesflowskema og under anvendelse af den samme fødestrømssammensætning og -temperatur, var den samlede tilførte energi, der er nødvendig for at producere konventionel LNG (ved næsten atmosfærisk tryk og en temperatur på -160°C (-256°F), mere end dobbelt så stor som den samlede tilførte 5 energi, der er nødvendig for at producere PLNG under anvendelse af den i fig. 1 viste udførelsesform'. 177.927 kW (238,600 hk) for at producere LNG mod 75.839 kW (101.700 hk) for at producere PLNG. Denne sammenligning blev foretaget ved hjælp af HYSYS1H-pro-cessimulatoren.

10 En fagmand, især én som har fordelen af det foreliggende patents lære, vil indse mange modifikationer og variationer af de ovenfor beskrevne specifikke processer. Fx kan der i overensstemmelse med opfindelsen anvendes en række temperaturer og tryk. afhængigt af systemets samlede design og sammensætningen af fødegassen. Endvidere kan føde-gaskølesekvensen suppleres eller rekonfigureres afhængigt af de samlede designkrav for 15 at opnå optimale og effektive varmevekslingskrav. Som diskuteret ovenfor bør de specifikt beskrevne udførelsesformer og eksempler ikke anvendes til at begrænse opfindelsens omfang, som skal fastlægges af kravene nedenfor og deres ækvivalenter.

12 DK 174801 B1 ^Οτ-ΟΟΟΟΜ ^ < O' t? ·<ί ^ O o O O O O T- ^T- 2 O O 000000 ^ cocnr^cooo»-r^tD<j^Tcoco 2J s* σι cnj o) χί p ρ σ> ø> o cm cn1 g O o *" o" T-* σ o o o o o o O)--------- .E οοι^Γθΐ/>ονηίΰ<ΜΓΌζ?3σ>τ-γ-

C ♦ xT 03 N- O O CO <M h- CTl CD CO O O

fli c? <M O O O ^ O h* o o o o o 0' g ^ m co co ø) c <y----------

C CP·»— C^T70-r-rOO>LDxr M CD CD

g ^ ^ 10 cq ^ co h- p p oO 00 ^; -tf T- r§^ σϊ co tbcMrocococooo -I tO____^__ ΰ cOincocoonocoT-cncnT-T- ^ ^ O M in LO T- CN CM 1” τι— , \ O CO O) I/) 03 M O Tj V □) CT> ^ co T- o) øi øi σι cd cd —. O^COCOT-OiKfincDrJOiCDr^T-

*0 O Q3CMrO^O-»-a>L003COOOOiO

qj £ £ Q> CO O CO CM O O CD p ρ p O

-C n 'i3 O SM 1— CO 03 <Μ ΓΜ CO CO

.03 — CO N N ώ (O

V) ----------—- ro h-t0f0h-c0xjir>rMO03C7>TTL0 -C OCOh**-mCMCMCMCMCP<OCMr*** i O Φ S CV TJ CO ΙΛ N ^ ^ ^ N ro oEEtOT* incDr-r^fMT-‘ — σι ^ ro <0 co ro co u_

OOOoO^cDO^inOOO

o’focor^cocDmcocMrOocoro ’ * CO 1- ' ' f- *— 1- T-

^ LL ,.. I

D o ro u 0>

Cl _._______________ E sf 'd- Troqh-r^rj^i-'icoiooo i_ ,, -g if to *- ei -Q oi rJ lo o o’ '-J nrooocNr^t-mcNcncnoiæ

0 * I ^ ( I I I I I

oocooocooooocomoo ro O OO f*"- CO CM <D 03 CO CD CM t— 1— τ'* CO N r- Γ^-ΟΓ^-Γ^Γ^ΧίτΓτί·

CL

JaC

£* ---——- H tDCOM CO CO IO CO CO LO 03 *- h- r-

ro — r-cDr-coc^r-r--cn>-cocMCM

Q. LOCOcOfOi— CMfOCOCMQOOCOCO

lo 00 io m uSfoininuiiMcsjcsi <D "o. ^

i||o>Q>>Q>QD>>QO

ε

O O’— (MC0MtOc£)h-CD03O^— CM

C/) 13 DK 174801 B1 r> CO ^ Tj ID U) ID lO OJ cr> o N O) (D ώ f\l (O Xf CD (NI Ti ro

τΤ PO Tf tO <D CO CO O GO

ΓΟ CD cvl O ‘ τί ih * ΓΜ i— (N h- P·.

S? * Φ > C ^

LU

o o o O O O O o o o o

O O o O O uO (O o ro O O

O Ti CO CO O Tt 04 CO O- od lo co tt oi T- cd " O T— Csj ' 03 o 'e> g -

LU

2» Q3____ c

LU

s I

-> O) = ro i. t ._ t ? g

£ [jj ot τ- cm co λ ® -— T

W ^ O Jr. 0> Q

tnccccc - oj^i- ^ ££££'£'£ C o o - UJ “ cm' oi co ri ro ro co S.5 £ SS 2 o — CD EcocotorocOMco ιλ^ ^ Έ < O jc D ω ro h__[s£_ m a z to 14 DK 174801 B1 > —----

TfO'-oooOTtTiM-Tj-TrTi-Tf ~ °ί o o o o T- Z. O O O O O O o o o

cocnr^cDotOT-i^cnr'-i^coajcO

£ ,9“ O) fM O) 'to05 05 05 05cmcm<m ^ y o »-' o i-' ud o o o o d o o d d>--—-----.

.E co r^· cj co p> *— tDcMroOO*-**—*- c ^ a> r- o en ^ rv. cn co co o o p as ο c-iooco’-'coiDOoooooo S ^ ^ to c a>-- —- c osi-osr-oosh-osmoscncDcoco pr* ro p co p O CO CD O) p p o o vi — 0 05 O co J'- cMcdrdr-dcdoocd LO ** rt CM___.____ —j (ΟΓΟτ-ιησΙ— CMCOt-t-^t-t-t- uJ „ r^jT-cDn pcocn»-coro»-i-Y- S O 05 CO M·’ CM CO Tf Tf Tf O Tf 05 05 05 P n es 05 05 05 05 05 05 05 cDcocoioojcococoncocDh-con _ 7C <uCMr,>05Cr5-r'CN10aC!5cM05050C-5r- O (O p p O CO 1-.C — — OCM-c-'-·^- cdosCMCNCOcsiro

CJ) CO s fs. CO CO

"55----- ™ h-cncor-n-crocMcnM-M-M in o pil G>C00500lf)CT5M-CMT-5ni/5CMCO(-0 g C5 05 p Γ\| M f~- U5 Tf t- W5 U5 CM Tf O E E cd — ud co N- T- cm i—' r~ rrcnzico ro o ro m -Si popppppooppooo o o o cd o ud cd o co cd o cd

... Tfr^fOCMcOCOunrocMCMTiMTcM

3 U. · . Tf T- "7 *7 cu a> a_______ E Tf ΤΓ Tf O p 05 r5 Tt CD C0_ CO O O Γ5 i— , -w Tf ti Tt o co ed cd μ ro N-" cd o o cd P coroeMcMh-i-mrococnoscn

° > · CM

oocooooooocoocnooo fl} O CO h- CO CM CD 05 CO CD U5 t— t-05 ^T) corr-b-f- h-Tttr-r^TTTtTf-^Tj a „ -Si ^--—— --

·— iOCOTftOcOuOa3COU5r^»-|T-|T-rO

aj ’'r^cD^-roofrrf^oioscocMCMfT

Q_ pppcnt-CMOrOCMOioOCOcOCM

-5t in in ud ud udrdinmOfCMCMCMO

Tr 05 05 O- jr

S ra ^o>C>>g>QQ>>DQQ

E

(O

15 DK 174801 B1 CMM^h-r-OCNJiM o CO O CM CO o COS'i^nrvJNfsi o <M iO co

N> τ- o φ O 00 iD C7> CM O

t-CDv-lOt— ro CM S- ro r- <M i— t— · CO N.

‘cd CD 5

C

LU

οοοσοοοο o o o o oooooooro o r> o o __ co r- 7 φ co i- (\J O) cm o cd in tri W n id·' i-' co co o co g T- ro ^ τ- . σ>σ>

_ c -11 O UJ

Φ c UJ____^_______I_ k, Q)

C

C9 D7 ro k. t

!/> Φ O

tr ». w o o c _ r **- « o o 2 CM φ v- (NJ <— CM CO 5? k_ ΦΞ Ιι» Q. .L· , “i Π3 o Φ Q> ££ C .b h; hi .b o. C O 7^ 5 n..... “ £ r: ε ^ JiCMCNrOCOrOCO^rCO ** o I><D ΦΠ> h- JurOCOCOCOCOM-M CO LU Q.CO 2 to

Claims

1. Proces til fortætning af en tryksat methanrig gasstrøm, hvor gasstrømmen indføres i varmevekslingskontakt med en første kølecyklus, som omfatter mindst ét køletrin, hvor 5 gasstrømmens temperatur reduceres ved varmeveksling med en første portion af et første kølemiddel for at danne en kølet gasstrøm; kendetegnet ved at (a) den kølede gasstrøm indføres i varmeveksiingskontakt med en anden kølecyklus, som omfatter mindst ét køletrin, hvor den kølede gasstrøms temperatur yderligere reduceres 10 ved varmeveksling med et andet kølemiddel for at danne en fortættet methanrig strøm, idet det andet kølemiddel har et kogepunkt, som er lavere end det første kølemiddels kogepunkt, og idet det andet kølemiddel delvis køles og kondenseres ved varmeveksling med en anden del af det første kølemiddel, til dannelse af et flydende produkt ved en temperatur på over ca. -112°C (-170°F) og et tryk, som er tilstrækkeligt til, at den 15 fortættede strøm er ved eller under sit boblepunkt; og (b) den fortættede strøm føres til et oplagringsorgan til lagring ved en temperatur på over ca. -112°C (-170°F).

2. Proces ifølge krav 1, hvilken proces yderligere omfatter, at der til processen tilføres afkogningsgas, der er fremkommet ved fordampning af fortættet naturgas med en temperatur på over ca. -112°C (-170°F) og et tryk, som er tilstrækkeligt til, at det flydende produkt er ved eller under sit boblepunkt, idet afkogningsgassen i det mindste delvis fortættes ved fortætningsprocessen. 25

3. Processen ifølge krav 1, hvilken proces yderligere omfatter, at den afdampede gas skilles i en første strøm og en anden strøm, at den første strøm komprimeres, og at den komprimerede første strøm føres til fortætningsprocessen i det mindste inden det sidste køletrin i den anden kølecyklus, idet den anden strøm føres til en varmeveksler for at varme 30 den anden afkogningsstrøm og køle naturgasstrømmen ved at anvende den opvarmede anden afkogningsstrøm som brændstof.

4. Proces ifølge krav 3, hvilken proces omfatter indførelse af den første strøm af afkogningsgassen i gasstrømmen inden det sidste trin af den anden kølecyklus. 35 DK 174801 B1

5. Proces ifølge krav 1, hvor gasstrømmen indeholder methan og carbonhydridkomponen-ter, som er tungere end methan, hvilken proces yderligere omfatter, at en væsentlig del af de tungere carbonhydrider fjernes for at danne en strøm af damp, som er rig på methan, og en strøm af væske, som er rig på de tungere carbonhydrider, idet dampstrømmen der- 5 efter fortættes ved processen ifølge krav 1.

6. Proces ifølge krav 5, hvor strømmen af væske, som er rig på de tungere carbonhydrider, yderligere fraktioneres, således at der frembringes damp, som er rig på ethan, der kombineres med den methanrige strøm ifølge krav 1. 10

7. Proces ifølge krav 1, hvor fortætningen af gasstrømmen sker ved anvendelse af kun to lukkede kølecykler anbragt i kaskade.

8. Proces ifølge krav 1, hvor gasstrømmen indeholder methan og carbonhydridkomponen-15 ter, der er tungere end methan, hvilken proces yderligere efter trin (a) omfatter de ekstra trin, at en væsentlig del af de tungere carbonhydrider fjernes for at fremstille en gasstrøm, som i det væsentlige er fri for carbonhydrider med tre eller flere carbonatomer, at damp-strømmen komprimeres, at gasstrømmen igen køles i mindst ét køletrin med en tredje portion af kølemidlet fra den første kølecyklus, og at der derefter fortsættes med trin (b) 20 ifølge kravl.

9. Proces ifølge krav 1, hvor den tryksatte methanrige gasstrøm har et tryk på over 3.103 kPa (450 psia).

10. Proces til fortætning af en naturgasstrøm, hvor naturgasstrømmen køles i én eller flere varmevekslere ved hjælp af en første kølecyklus i et kaskadekølesystem med to cykler; kendetegnet ved at (a) den kølede naturgas føres til en faseadskiller for at fremstille en første dampstrøm og 30 en væskestrøm; (b) den flydende naturgasstrøm føres til en demethanisator for at frembringe en anden dampstrøm og en anden væskestrøm. DK 174801 B1 (c) den anden væskestrøm føres til et fraktioneringsanlæg for at fremstille kondensatprodukt, genopfyldningskølemiddel og en tredje dampstrøm; (d) den første dampstrøm, den anden dampstrøm og den tredje dampstrøm kombineres, 5 og den kombinerede dampstrøm føres til én eller flere varmevekslere, som køles af en anden kølecyklus i kaskadekøleanlægget for i det mindste delvis at fortætte den kombinerede dampstrøm; og (e) den kombinerede dampstrøm fra trin (e) ledes til et ekspansionsorgan for at fremstille 10 fortættet naturgas ved en temperatur på over ca. -112°C (-170°F) og et tryk, som er tilstrækkeligt til, at det flydende produkt er ved eller under sit boblepunkt.