DK178397B1

DK178397B1 - Fremgangsmåde og apparat til afkøling af en carbonhydridstrøm

Info

Publication number: DK178397B1
Application number: DK200900468A
Authority: DK
Inventors: Johan Jan Barend Pek; Mark Antonius Kevenaar; Chun Kit Poh
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2016-02-01
Also published as: US20160138862A1; EP2074365A2; RU2455595C2; AU2007306325A1; CA2662654C; DK200900468A; CA2662654A1; US20100037654A1; JP2010506022A; EP2074365B1; US9273899B2; JP5530180B2; US10704829B2; WO2008043806A3; WO2008043806A2; AU2007306325B2; RU2009117466A

Abstract

En carbonhydridstrøm, såsom naturgas, afkøles i fællesskab med en første kølemiddelstrøm mod et fordampende kølemiddel i en serie af én eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere. Serien omfatter én eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere og omfatter en første fælles varmeveksler, opstrøms for hvilken første fælles varmeveksler carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm ikke afkøles i fællesskab. Den carbonhydridstrøm som skal afkøles, tilføres til den første fælles varmeveksler ved en carbonhydridtilførselstemperatur, mens den første kølemiddelstrøm tilføres til den første fælles varmeveksler ved en kølemiddeltilførselstemperatur. Temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er lavere end 60°C.

Description

FREMGANGSMÅDE OG APPARAT TIL AFKØLING AF EN CARBONHYDRIDSTRØM

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til afkøling af en flydende carbonhydridstrøm, såsom en naturgasstrøm, især for at opnå en fortættet carbonhydridstrøm, såsom fortættet flydende naturgas (LNG).

Der kendes flere fremgangsmåder til afkøling og fortætning af en carbonhydridstrøm, såsom en naturgasstrøm. Der er flere grunde til at det er ønskeligt at fortætte naturgasstrøm. For eksempel kan naturgas nemmere opbevares og transporteres over store afstande i væskeform end i gasform fordi det optager mindre volumen og ikke behøver at blive opbevaret under højt tryk.

Et eksempel på en fremgangsmåde til fortætning af naturgas er beskrevet i US-patent 6370910.

Selv om fremgangsmåden ifølge US-patent 6370910 allerede giver tilfredsstillende resultater, har det vist sig at hvis den leverede naturgas er ved temperaturer der afviger betydeligt fra kølemidlernes temperatur, kan der forekomme termiske belastninger på grund af differentialekspansioner og indre tryk i køleudstyret. Dette problem kan endda være mere relevant i vintermånederne og/eller i kolde områder, såsom polarområdet, hvilket resulterer i at naturgassen leveres ved forholdsvis lave temperaturer.

Bortset fra problemer forbundet med udstyret kan det ovenfor nævnte resultere i en lavere termisk effektivitet til afkølings- eller fortætningsprocessen.

Et formål med den foreliggende opfindelse er at minimere et eller flere af ovennævnte problemer.

Et andet formål med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en alternativ fremgangsmåde til afkøling, især fortætning, afen carbonhydridstrøm.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til afkøling af en carbonhydridstrøm, såsom naturgas, hvor carbonhydridstrømmen og en første kølemiddelstrøm afkøles mod et fordampende kølemiddel i en serie af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere, hvilken serie omfatter en første fælles varmeveksler, og opstrøms for den første fælles varmeveksler afkøles carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm ikke sammen, idet fremgangsmåden i det mindste omfatter følgende trin: (a) komprimering af en første kølemiddelstrøm for at opnå en komprimeret første kølemiddelstrøm; (b) afkøling af den komprimerede første kølemiddelstrøm mod omgivelserne til en kølemiddeltemperatur; (c) modtagelse af en carbonhydridstrøm der skal afkøles ved en starttemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; (d) tilførsel af carbonhydridstrømmen til den første fælles varmeveksler ved en carbonhydridtilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; (e) yderligere sænkning af temperaturen af den første kølemiddelstrøm efter afkølingen i trin (b) ved varmeveksling mod et medium som er forskelligt fra omgivelserne; (f) tilførsel af den første kølemiddelstrøm i den første fælles varmeveksler efter varmevekslingen i trin (e) ved en kølemiddeltilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen, idet temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er lavere end 60°C.

Temperaturforskellen er fortrinsvis mindre end en indledende temperaturforskel mellem starttemperaturen af carbonhydridstrømmen og kølemiddeltemperaturen.

I et andet aspekt angår opfindelsen et apparat til afkøling af en carbonhydridstrøm, såsom naturgas, hvilket apparat omfatter: - en første kølemiddelstrøm; - en kompressor der er indrettet til at komprimere den første kølemiddelstrøm således at der opnås en komprimeret første kølemiddelstrøm; - en omgivelseskøler der er indrettet til at afkøle den komprimerede første kølemiddelstrøm mod omgivende temperatur til en kølemiddeltemperatur; - en for-kølende varmeveksler der er indrettet til at modtage den afkølede komprimerede første kølemiddelstrøm og til yderligere at sænke den første kølemiddelstrøms temperatur ved varmeveksling mod et medium der er forskelligt fra omgivelserne; - en carbonhydridkilde der er indrettet til at tilvejebringe en carbonhydridstrøm som skal afkøles ved en starttemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; - en serie af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere som er indrettet til at modtage og i fællesskab afkøle i det mindste carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm, hvilken serie omfatter en første fælles varmeveksler, således at der opstrøms for den første fælles varmeveksler ikke er nogen anden fælles varmeveksler hvori carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm kan afkøles i fællesskab; - et carbonhydridindløb på den første fælles varmeveksler, hvilket indløb er indrettet til at modtage carbonhydridstrømmen ved en carbonhydridtilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; - et første kølemiddelindløb på den første fælles varmeveksler, hvilket indløb er indrettet til at modtage det første kølemiddel fra den for-kølende varmeveksler ved en kølemiddeltilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen, således at temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er mindre end 60°C.

Det har vist sig at termiske belastninger som følge af differentialekspansioner og indre tryk kan reduceres betydeligt ved anvendelse af den overraskende enkle fremgangsmåde og det overraskende enkle apparat ifølge den foreliggende fremgangsmåde.

Nedenfor vil opfindelsen blive ydereligere illustreret ved hjælp af den følgende ikke-begrænsende tegning. På tegningen vises: figur 1 som skematisk viser en procesplan over en første udførelsesform i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse; figur 2 som skematisk viser en procesplan over en anden udførelsesform i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse; figur 3 som skematisk viser en procesplan over en tredje udførelsesform i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse; og fig. 4 som skematisk viser en procesplan hvor den foreliggende opfindelse har til formål at opnå en fortættet carbonhydridstrøm.

Til denne beskrivelses formål vil et enkelt henvisningstal blive tildelt en ledning samt til en strøm som føres i den ledning. Samme henvisningstal henviser til lignende komponenter.

En carbonhydridstrøm, såsom naturgas, afkøles i fællesskab med en første kølemiddelstrøm mod et fordampende kølemiddel i en serie af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere. Serien af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere omfatter en første fælles varmeveksler, og opstrøms for den første fælles varmeveksler afkøles carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm ikke sammen. Det vil med andre ord sige at den første fælles varmeveksler er den der er mest opstrøms af alle fælles varmevekslere som er indrettet til fælles afkøling af i det mindste carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm.

Den carbonhydridstrøm som skal afkøles, tilføres til den første fælles varmeveksler ved en carbonhydridtilførselstemperatur, mens den første kølemiddelstrøm tilføres til den første fælles varmeveksler ved en kølemiddeltilførselstemperatur.

Temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er mindre end 60°C, fortrinsvis mindre end 40°C, mere foretrukket mindre end 20°C, endnu mere foretrukket mindre end 10°C, mest foretrukket mindre end 5°C.

En vigtig fordel ved den foreliggende opfindelse er at temperaturerne udlignes til omkring samme temperatur især når der er en stor temperaturforskel mellem på den ene side den carbonhydridstrøm som skal afkøles, og på den anden side mindst et (fortrinsvis alle) af det første og det andet (og ethvert følgende) kølemiddel der skal tilføres til den samme varmeveksler, og herved undgås indre tryk og termiske belastninger som følge af differentialekspansioner som kan forekomme i for eksempel en spoleviklet varmeveksler.

Under bestemte omstændigheder, fx når carbonhydridstrømmen ankommer - for eksempel via en rørledning - fra en carbonhydridkilde som er placeret i et koldere geografisk område, kan carbonhydridstrømmen i begyndelsen af fremgangsmåden være koldere end kølemiddeltemperaturen af det første kølemiddel som forlader de omgivelseskølere der sædvanligvis er tilvejebragt i et kølekredsløb til fjernelse af kompressionsvarme fra kølemidlet. Carbonhydridstrømmen kan således allerede føre kulde der ikke er blevet tilført ved aktiv tilførsel af en kølehandling, såsom ved en eventuel kompression/ekspansion. Denne kulde bevares fortrinsvis.

Ved yderligere afkøling af det omgivelsesafkølede første kølemiddel mod et medium der er forskelligt fra omgivelserne kan kølemiddeltemperaturen bringes tættere på carbonhydridtemperaturen uden at det er nødvendigt at tilføre en yderligere opvarmningshandling til opvarmning af carbonhydridstrømmen.

Hvis carbonhydridstrømmen tilvejebringes ved kolde temperaturer, som det kan være tilfældet i vintermånederne eller i kolde områder, såsom Polarområdet, kan denne kulde anvendes til at afkøle kølemidlerne, hvilket gør at der kræves mindre afkølingshandling til afkøling af det første kølemiddel og eventuelt det andet kølemiddel.

Efter at have passeret gennem serien af en eller flere fælles varmevekslere kan den afkølede carbonhydridstrøm fjernes fra serien af en eller flere fælles varmevekslere og eventuelt afkøles yderligere i mindst en anden varmeveksler for at opnå en fortættet carbonhydridstrøm.

Nedenfor er beskrevet tre udførelsesformer af en fremgangsmåde som omfatter følgende trin: tilførsel af en carbonhydridstrøm som skal afkøles, et første kølemiddel og eventuelt et andet kølemiddel til og igennem en første varmeveksler, hvor temperaturforskellen mellem carbonhydridstrømmen og mindst et af det første og eventuelle andet kølemiddel ved tilførsel til den første varmeveksler er mindre end 60°C, fortrinsvis mindre end 40°C, mere foretrukket mindre end 20°C, endnu mere foretrukket mindre end 10°C, mest foretrukket mindre end 5°C; fjernelse af det første kølemiddel fra den første varmeveksler, ekspansion deraf og returnering deraf til den første varmeveksler, idet det ekspanderede første kølemiddel lades i det mindste delvist fordampe i den første varmeveksler, hvorved varme trækkes ud af carbonhydridstrømmen, og der opnås en afkølet carbonhydridstrøm; fjernelse af den afkølede carbonhydridstrøm fra den første varmeveksler.

Carbonhydridstrømmen og i det mindste det første kølemiddel afkøles således i fællesskab i den første varmeveksler. Hvis carbonhydridstrømmen og det første kølemiddel ikke afkøles i fællesskab opstrøms for den første varmeveksler, eller hvis der, som i nogle af de udførelsesformer af opfindelsen som vises nedenfor, opstrøms for den første fælles varmeveksler ikke er nogen anden fælles varmeveksler hvori carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm kan afkøles i fællesskab, så skal det forstås sådan at den første varmeveksler til den foreliggende beskrivelses formål er den første fælles varmeveksler. Den første fælles varmeveksler kan være den første (den mest opstrøms) i en serie af efter hinanden anbragte fælles varmevekslere.

Den afkølede carbonhydridstrøm som fjernes fra den første varmeveksler, kan have en temperatur på under -20°C, fortrinsvis under -60°C og fortrinsvis over -100°C. Den afkølede carbonhydridstrøm som fjernes fra den første varmeveksler, kan afkøles ydereligere i en anden varmeveksler, hvorved der opnås en fortættet carbonhydridstrøm.

Den carbonhydridstrøm som skal afkøles, kan være en hvilken som helst egnet carbonhydridholdig strøm men er sædvanligvis en naturgasstrøm opnået fra naturgas- eller jordoliedepoter. Alternativt kan naturgassen også opnås fra en anden carbonhydridkilde, herunder også en syntetisk kilde, såsom en Fischer-Tropsch-fremgangsmåde.

Sædvanligvis består carbonhydridstrømmen i det væsentlige af methan. Afhængigt af kilden kan carbonhydridstrømmen indeholde varierende mængder carbonhydrider som er tungere end methan, såsom ethan, propan, butaner og pentaner samt nogle aromatiske carbonhydrider. Carbonhydridstrømmen kan også indeholde ikke-carbonhydrider, såsom H2O, N2, CO2, H2S og andre svovlforbindelser og lignende.

Carbonhydridstrømmen kan, om ønsket, forbehandles før den tilføres til den første varmeveksler eller en for-kølende varmeveksler. Denne forbehandling kan omfatte fjernelse af uønskede bestanddele, såsom H2O, CO2 og H2S, eller andre trin, såsom forkøling, for-tryksætning eller lignende. Da disse trin er velkendte for fagmanden, vil de ikke blive beskrevet yderligere her. Til denne beskrivelses formål anses carbonhydridstrømmens temperatur efter eventuel forbehandling fortrinsvis for at være carbonhydridstrømmens starttemperatur.

Det første kølemiddel og eventuelle andet kølemiddel (og eventuelle yderligere anvendte kølemidler) kan være et hvilket som helst egnet kølemiddel. Selv om det første og eventuelle andet kølemiddel kan være en enkelt bestanddel, såsom propan, foretrækkes det at det første og de eventuelle andre kølemidler alle er kølemidler med flere bestanddele. Selv om sådan et kølemiddel med flere bestanddele ikke er begrænset til en bestemt sammensætning, omfatter det sædvanligvis en eller flere bestanddele valgt fra gruppen bestående af nitrogen og lavere lige eller forgrenede alkaner og alkener, såsom methan, ethan, ethylen, propan, propylen, butan.

Det vil være klart for fagmanden at ekspansionen kan udføres på forskellige måder under anvendelse af en hvilken som helst ekspander (fx under anvendelse a en drosleventil, en flash-ventil eller en konventionel ekspander).

Fortrinsvis forkøles carbonhydridstrømmen i en for-kølende varmeveksler før den tilføres til den første varmeveksler. Det foretrækkes at det første og de eventuelle andre kølemidler forkøles i en for-kølende varmeveksler før de tilføres til den første varmeveksler.

De første og de eventuelle andre kølemidler kan begge forkøles i en første forkølende varmeveksler, mens carbonhydridstrømmen kan forkøles i en anden forkølende varmeveksler. Fortrinsvis er den første for-kølende varmeveksler ikke den anden for-kølende varmeveksler, og fortrinsvis forkøles carbonhydridstrømmen ikke i den første for-kølende varmeveksler.

Ifølge en særligt foretrukket udførelsesform har den afkølede carbonhydridstrøm som fjernes fra den første varmeveksler, en temperatur på under -20°C, fortrinsvis under -60°C og fortrinsvis over -100°C. Den afkølede carbonhydridstrøm som fjernes fra den første varmeveksler, kan så fortrinsvis afkøles yderligere i en anden varmeveksler (og eventuelt yderligere varmevekslere), hvorved der opnås en fortættet carbonhydridstrøm, såsom LNG. Yderligere afkøling kan om ønsket anvendes, fx for at opnå en underafkølet LNG-strøm.

Apparater som er egnede til udførelse af de fremgangsmåder som er beskrevet heri, kan omfatte: - en første varmeveksler der har et indløb til en carbonhydridstrøm og et udløb til en afkølet carbonhydridstrøm, et indløb og et udløb til et første kølemiddel, et eventuelt indløb og et eventuelt udløb til et eventuelt andet kølemiddel og et indløb til et ekspanderet første kølemiddel og et udløb til det i det mindste delvist fordampede første kølemiddel; og - en ekspander til ekspansion af det første kølemiddel som varmeveksles i den første varmeveksler mellem den første varmevekslers udløb til det første kølemiddel og indløbet til det ekspanderede første kølemiddel.

Der kan endvidere tilvejebringes en for-kølende varmeveksler hvori carbonhydridstrømmen og/eller det første og de eventuelle andre kølemidler kan forkøles før de tilføres til den første varmeveksler.

Apparatet kan eventuelt yderligere omfatte en anden varmeveksler til yderligere afkøling af den afkølede carbonhydridstrøm som fjernes fra den første varmeveksler, hvorved der opnås en fortættet carbonhydridstrøm.

Figur 1 viser skematisk en procesplan (og et apparat til udførelse af den proces som generelt er angivet med henvisningstal 1) i overensstemmelse med den første udførelsesform af den foreliggende opfindelse til afkøling af en carbonhydridstrøm 10, såsom naturgas. Procesplanen i fig. 1 omfatter en første varmeveksler 2, en første for-kølende varmeveksler 3 og en anden for-kølende varmeveksler 4. Procesplanen omfatter yderligere drosleventiler 7, 8 og 9, en strømseparator/strømsplitter 11 eller de to luft- eller vandkølere 13, 14. Det vil være klart for fagmanden at der om ønsket kan være yderligere elementer.

Carbonhydridstrømmen tilvejebringes ved en forholdsvis lav starttemperatur (fx under 10 grader celsius, fortrinsvis under 0 grader celsius) sammenlignet med en kølemiddeltemperatur som er temperaturen af en første kølemiddelstrøm 130 efter den har forladt omgivelseskøler 13, som kan være en luftkøler eller en vandkøler.

Ifølge den første udførelsesform forkøles det omgivelseskølede første kølemiddel yderligere i den første for-kølende varmeveksler 3 sammen med et andet kølemiddel mod et medium der er forskelligt fra omgivelserne, og som lades strømme ind i den første for-kølende varmeveksler 3 via ledning 170a og indløb 34. Carbonhydridstrømmen forkøles i den anden for-kølende varmeveksler 4. Carbonhydridstrømmen forkøles ikke i den første for-kølende varmeveksler 3. I denne udførelsesform er den første og den anden for-kølende varmeveksler således parallelle.

Det første og det andet kølemiddel (140, 240) og den forkølede carbonhydridstrøm 30 afkøles dernæst sammen i den første varmeveksler 2, som i denne udførelsesform skal forstås at være den første fælles varmeveksler.

Den forkølede carbonhydridstrøm tilføres til den første varmeveksler 2 ved en carbonhydridtilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen. Det forkølede første kølemiddel tilføres til den første varmeveksler 2 ved en kølemiddeltilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen (som følge af forkølingen i den første for-kølende varmeveksler 3). Temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er lavere end 60°C.

Ved anvendelse af procesplanen ifølge fig. 1, tilføres en carbonhydridstrøm 10 der indeholder naturgas, til indløbet 41 i den anden for-kølende varmeveksler 4 ved et bestemt indløbstryk og en bestemt indløbstemperatur. Indløbstemperaturen er i dette tilfælde carbonhydridstarttemperaturen. Indløbstrykket til den anden forkølende varmeveksler 4 vil typisk være mellem 10 og 100 bar, fortrinsvis over 30 bar og mere foretrukket over 70 bar. Carbonhydridstrømmen 10's temperatur vil sædvanligvis være under 30°C, fortrinsvis under 10°C, mere foretrukket under 5°C og endnu mere foretrukket under 0°C.

Carbonhydridstrømmen 10 kan om ønsket være forbehandlet yderligere før den tilføres til den anden for-kølende varmeveksler 4. Eksempelvis kan CO2, H2S og carbonhydridbestanddele med propans molekylvægt eller højere også være i det mindste delvist fjernet fra carbonhydridstrømmen 10.

I den anden for-kølende varmeveksler 4 forkøles carbonhydridstrømmen 10 (tilført i indløb 41) ved varmeveksling mod en første kølemiddelstrøm 180a som er fordampet i den anden for-kølende varmeveksler 4, hvorved varme fjernes fra carbonhydridstrømmen 10. Derefter fjernes (i udløb 45) carbonhydridstrømmen som strøm 30 fra den anden for-kølende varmeveksler 4 og ledes (idet den ledes forbi den første for-kølende varmeveksler 3) til den første varmeveksler 2 til yderligere afkøling. Til dette formål tilføres strøm 30 i den første varmeveksler 2's indløb 21, afkøles, igen ved varmeveksling mod (strøm 155 i) det første kølemiddel som fordampes i den første varmeveksler 2, hvormed varme fjernes fra carbonhydridstrømmen 30 (og fra det første kølemiddel 140 som tilføres i indløb 22, og det andet kølemiddel 240 som tilføres i indløb 23), og fjernes som afkølet carbonhydridstrøm 40. Den afkølede carbonhydridstrøm 40 som fjernes fra den første varmeveksler 2 (i udløb 25), har fortrinsvis en temperatur på under -20°C, fortrinsvis under -60°C og fortrinsvis over -100°C.

Som vist skematisk i fig. 4, kan den afkølede carbonhydridstrøm 40 afkøles yderligere for at opnå en fortættet carbonhydridstrøm (strøm 50 i fig. 4), såsom LNG.

Det første og det andet kølemiddel cirkuleres begge fortrinsvis i separate lukkede kølemiddelcykler (ikke vist fuldstændigt i fig. 1), og er fortrinsvis kølemiddelstrømme med flere bestanddele.

Den første kølemiddelstrøm 110 opnås fra en kompressorenhed (ikke vist), afkøles i luft- eller vandkøler 13 (efter eventuel yderligere afkøling) og tilføres som strøm 130 til den første for-kølende varmeveksler 3 (i indløb 32). Efter at have passeret gennem den første for-kølende varmeveksler 3 deles det første kølemiddel 135 ved splitterne 11 og 12 til tre understrømme 140, 170 og 180.

Splitterne 11 og 12 vil sædvanligvis være konventionelle splittere, hvorved der opnås mindst to strømme med samme sammensætning. Splitterne 11 og 12 kan også erstattes af en enkelt splitter, hvorved der opnås de mindst tre understrømme 140, 170 og 180.

Den første understrøm 140 ledes til den første varmeveksler 2 (og tilføres i indløb 22), idet den anden og den tredje understrøm 170, 180 ekspanderes (i ekspanderne 8 og 9) og ledes til henholdsvis den første og den anden for-kølende varmeveksler 3, 4.

Den første understrøm 140 af det første kølemiddel ledes gennem den første varmeveksler 2, ekspanderes i ekspander 7 og tilføres som strøm 155 i den første varmeveksler 2's indløb 24, fordampes i det mindste delvist, hvorved der trækkes varme ud af strøm 30, 140 og 240, og fjernes som strøm 160 fra den første varmeveksler 2 i udløb 28.

Den ekspanderede anden understrøm 170a tilføres i indløb 34 i den første forkølende varmeveksler 3, fordampes i det mindste delvist, hvorved der trækkes varme ud af strøm 130 og 230, og fjernes som strøm 170b fra første for-kølende varmeveksler 3 i udløb 38.

Den ekspanderede tredje understrøm 180a tilføres i indløb 44 i den anden forkølende varmeveksler 4, fordampes i det mindste delvist, hvorved der trækkes varme ud af strøm 10, og fjernes som strøm 180b fra anden for-kølende varmeveksler 4 i udløb 48.

De fordampede første kølemiddelstrømme 160, 170b og 180b cirkuleres til en kompressorenhed (ikke vist) med henblik for rekompression, hvorved der opnås strøm 110.

Den anden kølemiddelstrøm 210 opnås også fra en kompressorenhed (ikke vist), afkøles i luft- eller vandkøler 14 (efter eventuel yderligere afkøling) og tilføres som strøm 230 til den første for-kølende varmeveksler 3 (i indløb 33). Efter at have passeret gennem den første for-kølende varmeveksler 3, ledes det andet kølemiddel som strøm 240 til den første varmeveksler 2 (og tilføres i indløb 23). Dernæst ledes det andet kølemiddel gennem den første varmeveksler 2 og fjernes i udløb 27 som strøm 250. Som vist i fig. 4 ledes den anden kølemiddelstrøm 250 til en anden varmeveksler 5 til yderligere afkøling af carbonhydridstrømmen 40.

Temperaturforskellen mellem carbonhydridstrømmen 30 og mindst en af den første kølemiddelstrøm 140 og den anden kølemiddelstrøm 240 lige inden tilførsel deraf til den første varmeveksler 2 i indløb 21, 22, 23 er fortrinsvis mindre end 10°C, fortrinsvis mindre end 5°C. Temperaturen af strømmene 30, 140, 240 er fortrinsvis i det væsentlige den samme.

Tabel I giver en oversigt over strømmenes anslåede tryk og temperaturer i forskellige dele i et eksempel på en proces i fig. 1. Carbonhydridstrømmen i ledning 10 i fig. 1 har omtrent den følgende sammensætning: 92,1 molprocent methan, 4,1 molprocent ethan, 1,2 molprocent propan, 0,7 molprocent butaner og pentan og 1,9 molprocent N2. Andre bestanddele, såsom H2S og H2O blev tidligere i det væsentlige fjernet. Det første og det andet kølemiddel i strømmene 110, 210 var begge kølemidler med flere bestanddele. Strøm 110 bestod i det væsentlige af methan og (for en stor dels vedkommende) ethan, mens strøm 210 i det væsentlige bestod af ethan, propan, N2 og (for en stor dels vedkommende) methan.

Tabel I

* .....................................................

En vigtig fordel ved udførelsesformen i fig. 1 er at mængden af termiske belastninger i den første varmeveksler 2 reduceres da temperaturforskellen mellem carbonhydridstrømmen 30 og det første og det andet kølemiddel 140, 240 ved tilførsel til den første varmeveksler 2 er mindre end 10°C, fortrinsvis mindre end 5°C. Fortrinsvis (og som angivet i tabel I) er disse temperaturer i det væsentlige de samme (dvs. -25°C). Dette er opnået ved afkøling på den ene side strøm 10 (i anden for-kølende varmeveksler 4) og på den anden side strøm 110 og 210 (i første for-kølende varmeveksler 3) i parallelle varmevekslere. Carbonhydridstrøm 10 eller 30 forkøles således ikke i den første for-kølende varmeveksler 3, men forbipasserer den.

Fig. 2 viser en alternativ udførelsesform til fig. 1, hvilken udførelsesform også reducerer mængden af termiske belastninger i den første varmeveksler 2, men som samtidig udnytter noget af kulden i carbonhydridstrømmen 10 til at afkøle den første og den anden kølemiddelstrøm 120, 220, hvilket resulterer i at der kræves mindre kølehandling til at afkøle det første og det andet kølemiddel.

Ifølge denne alternative udførelsesform forkøles både det første og det andet kølemiddel i en første for-kølende varmeveksler 3 og en anden for-kølende varmeveksler 4. Carbonhydridstrømmen 10 varmeveksles i den anden for-kølende varmeveksler 4 og afkøles i den første for-kølende varmeveksler 3, idet den første for-kølende varmeveksler 3 er placeret mellem den anden for-kølende varmeveksler 4 og den første varmeveksler 2.

Hvis carbonhydridstrømmen 10 modtages ved en starttemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen i ledning 120 (efter at være blevet afkølet mod omgivelsestemperaturen i køler 13), resulterer varmevekslingen af carbonhydridstrømmen 10 i den anden for-kølende varmeveksler 4 i opvarmning af carbonhydridstrømmen. Carbonhydridstrømmen 10 fungerer så som et andet kølemedium end omgivelserne, mod hvilket kølemedium den første og den anden kølemiddelstrøm afkøles yderligere efter at være blevet afkølet mod omgivelsestemperatur i kølerne 13, 14.

Hvor carbonhydridstrømmen opvarmes i den anden for-kølende varmeveksler, skal den første for-kølende varmeveksler 3 forstås at være den første fælles varmeveksler, fordi carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm ikke afkøles i fællesskab opstrøms for denne første for-kølende varmeveksler 3.

I udførelsesformen i fig. 2 er den anden for-kølende varmeveksler 4 i form af en kappe- og rørvarmeveksler hvori indløbet 41 til carbonhydridstrømmen 10 er på kappesiden, mens indløb 42 (til den første kølemiddelstrøm 120) og 43 (til den anden kølemiddelstrøm 220) ikke er på kappesiden. I modsætning til udførelsesformen i fig. 1 varmeveksles carbonhydridstrømmen 10 i fig. 2 i den anden for-kølende varmeveksler 4 mod den første og den anden kølemiddelstrøm 120 og 220.

I stedet for fordampning af en del af det første kølemiddel i den anden for-kølende varmeveksler 4 (strøm 180a som vist i fig. 1) anvendes kulden i carbonhydridstrømmen 10 endvidere til at afkøle den første og den anden kølemiddelstrøm 120 og 220. Selv om carbonhydridstrømmen 10 fortrinsvis ledes gennem den anden for-kølende varmeveksler 4 modstrøms 120 og 220 (som vist i fig. 2), kan dette også gøres medstrøms.

Efter at have passeret gennem den anden for-kølende varmeveksler 4, fjernes en opvarmet carbonhydridstrøm 20, en afkølet første kølemiddelstrøm 130 og en afkølet anden kølemiddelstrøm 230 fra den anden for-kølende varmeveksler 4 (i henholdsvis udløb 45, 46 og 47) og ledes (idet de har i det væsentlige same temperatur) til den første for-kølende varmeveksler 3. I udførelsesformen i fig. 2 forbipasserer carbonhydridstrømmen således ikke den første for-kølende varmeveksler 3 men tilføres som strøm 20 i indløb 31 ved en carbonhydridtilførselstemperatur og fjernes i udløb 35 i den første for-kølende varmeveksler 3 før den som strøm 30 ledes til den første varmeveksler 2.

Det er bemærkelsesværdigt at tilførselstemperaturen af strøm 20, 130, 230 ifølge udførelsesformen i fig. 2 lige før tilførsel til den første for-kølende varmeveksler 3, samt temperaturen af strøm 30, 140, 240 i det væsentlige er den samme, hvilket gør at termiske belastninger i den første varmeveksler 2 og i den første for-kølende varmeveksler 3 minimeres.

Tabel II giver en oversigt over strømmenes anslåede tryk og temperaturer i forskellige dele i et eksempel på en proces i fig. 2. Carbonhydridstrømmen i ledning 10 og det første kølemiddel i strøm 110 har samme sammensætning som i fig. 1. Strøm 210 bestod af de samme bestanddele som i fig. 1 men med andre forhold mellem de forskellige bestanddele.

Ίβϊμi O

* V - damp,. L ~ flydende

Fig. 3 viser en tredje udførelsesform ifølge den foreliggende opfindelse. Ifølge denne tredje udførelsesform forkøles både det første kølemiddel 120 og det eventuelle andet kølemiddel 220, efter at være blevet afkølet mod omgivelsestemperaturen i de respektive kølere 13, 14, i en første (3) og en anden (4) for-kølende varmeveksler, idet den første for-kølende varmeveksler 3 er placeret mellem den anden for-kølende varmeveksler 4 og den første varmeveksler 2.

Efter at have passeret gennem den anden for-kølende varmeveksler 4 deles det første kølemiddel i mindst to understrømme (130, 190) ved hjælp afen splitter 17. En første understrøm 130 af de mindst to understrømme ledes til den første for kølende varmeveksler, og en anden understrøm 190 af de mindst to understrømme ekspanderes ved hjælp af ekspander 16 og returneres til den anden for-kølende varmeveksler 4, idet den ekspanderede anden understrøm 190a lades i det mindste delvist fordampe i den anden for-kølende varmeveksler 4.

Det første kølemiddel udgør således det medium som ikke er omgivelserne mod hvilket det første og det andet kølemiddel 120, 220 afkøles yderligere.

I denne henseende foretrækkes det at det tryk ved hvilket den ekspanderede anden understrøm 190a af det første kølemiddel fordampes i den anden forkølende varmeveksler 4, er højere end det tryk ved hvilket det ekspanderede første kølemiddel 170a fordampes i den første for-kølende varmeveksler 3.

Ifølge den i fig. 3 viste udførelsesform passerer carbonhydridstrømmen 10 uden om den anden for-kølende varmeveksler 4 og tilføres til den første for-kølende varmeveksler 3 for at blive afkølet mod den første kølemiddelstrøm 170a, idet den i det mindste delvist fordampes i den første for-kølende varmeveksler 3, hvorved der trækkes varme ud af carbonhydridstrømmen 10 samt af den første og den anden kølemiddelstrøm 130 og 230. I denne tredje udførelsesform skal den første for-kølende varmeveksler 3 således forstås at være den første fælles varmeveksler.

Det første og det andet kølemiddel forkøles begge i en første og en anden forkølende varmeveksler (3, 4), idet den første for-kølende varmeveksler 3 er placeret mellem den anden for-kølende varmeveksler 4 og den første varmeveksler 2. Efter at have passeret gennem den anden for-kølende varmeveksler 4 deles det første kølemiddel ved splitter 17 i mindst to understrømme 130, 190, hvoraf en første understrøm 130 ledes til den første forkølende varmeveksler 3, og hvoraf en anden understrøm 190 ekspanderes og returneres til den anden for-kølende varmeveksler 4, idet den ekspanderede anden understrøm 190a lades i det mindste delvist fordampe i den anden for-kølende varmeveksler 4.

Trykket ved hvilket den ekspanderede anden understrøm 190a af det første kølemiddel 130 fordampes i den anden for-kølende varmeveksler 4 er fortrinsvis højere end det tryk ved hvilket det ekspanderede første kølemiddel 170a fordampes i den første for-kølende varmeveksler 3.

Første og anden kølemiddelstrøm 130 og 230 er tidligere blevet afkølet (som strømmene 120 og 220 - efter afkøling i henholdsvis kølerne 13 og 14) i den anden for-kølende varmeveksler 4 for at sikre at strømmene 130 og 230 har i det væsentlige samme temperatur.

Til dette formål deles den første strøm 130 i splitter 17, hvorved der opnås i det mindste en yderligere understrøm 190 som ekspanderes under anvendelse afen ekspander, her i form af drosleventil 16. Den ekspanderede første kølemiddelstrøm 190a er forbundet med indløb 49 i den anden for-kølende varmeveksler 4, således at den derefter kan fordampe delvist (efter tilførsel til den anden for-kølende varmeveksler 4 i indløb 49), hvorved der opnås fordampet strøm 190b, for at fjerne varme fra den første og den anden kølemiddelstrøm 120 og 220. For fuldstændigheds skyld bemærkes det at den første understrøm 130 er forbundet med indløb 32 af den første for-kølende varmeveksler 3.

Trykket ved hvilket de ekspanderede første kølemiddelstrømme 190a, 170a, 155 fordampes, sænkes fortrinsvis fra den anden for-kølende varmeveksler 4 til den første for-kølende varmeveksler 3 til den for-kølende varmeveksler 2. Dette er en fordel, især hvis carbonhydridstrømmen 10 er meget kold, idet en del af kølehandlingen flyttes til den anden for-kølende varmeveksler 4 som drives ved et forholdsvist højt tryk. Dette resulterer i en besparelse på kompressionsenergi i kompressionsenheden (ikke vist) til hvilken de fordampede første kølemiddelstrømme 160, 170b, (180b hvis den er tilgængelig; se fig. 2) og 190b cirkuleres med henblik på rekompression.

Tabel III giver en oversigt over strømmenes anslåede tryk og temperaturer i forskellige dele i et eksempel på en proces i fig. 3. Carbonhydridstrømmen i ledning 10 og det første kølemiddel i strøm 110 har samme sammensætning som i fig. 1. Strøm 210 bestod af de same bestanddele som i fig. 1 men med andre forhold mellem de forskellige bestanddele.

Tabel ill

* V “ damp, L “ flydende

Det foretrækkes ifølge udførelsesformer af den foreliggende opfindelse at temperaturforskellen mellem carbonhydridstrømmen (10 i fig. 3 eller 20 i fig. 2) og det første og det andet kølemiddel (130 og 230) lige før afkøling i den første forkølende varmeveksler 3 fortrinsvis er mindre end 10°C, fortrinsvis mindre end 5°C.

Udførelsesformerne i fig. 1, 2 og 3 har endvidere det til fælles at det første kølemiddel 135, efter at have passeret gennem en første for-kølende varmeveksler 3, deles i mindst to understrømme (fx 140, 170, 180).

Apparater kan omfatte en splitter 11 til deling af det første kølemiddel 135 i de mindst to understrømme. En første understrøm 140 af de mindst to understrømme kan være forbundet med et indløb 22 i den første varmeveksler for at blive ledt til den første varmeveksler 2. En anden understrøm 170 af de to understrømme kan forbindes via en ekspander 8 med et indløb 34 i den første for-kølende varmeveksler 3, for at blive ekspanderet og returneret til den første for-kølende varmeveksler 3, idet den ekspanderede anden understrøm 170a lades i det mindste delvist fordampe i den første for-kølende varmeveksler 3. Trykket ved hvilket den ekspanderede anden understrøm 170a af det første kølemiddel 140 fordampes i den anden for-kølende varmeveksler 3, er fortrinsvis højere end det tryk ved hvilket det ekspanderede første kølemiddel 155 fordampes i den første varmeveksler 2.

En tredje understrøm 180 kan forbindes ved hjælp afen ekspander 9 til et indløb 44 i den anden for-kølende varmeveksler 4 for at blive ekspanderet og efterfølgende ledt til den anden for-kølende varmeveksler 4, idet den ekspanderede tredje understrøm 180a lades fordampe i den anden for-kølende varmeveksler 4. Dette er vist skematisk i fig. 1.

Som vist skematisk i fig. 4 (hvor det første kølemiddel er blevet udeladt for at lette forståelsen), kan den afkølede carbonhydridstrøm 40 afkøles yderligere eller endda fortættet i mindst en anden varmeveksler 5, hvorved der opnås en fortættet carbonhydridstrøm 50, såsom LNG. I udførelsesformen i fig. 4 ekspanderes den anden kølemiddelstrøm 250 som opnået i fig. 1 til dette formål i ekspander 15 og fordampes for at fjerne varme fra den afkølede carbonhydridstrøm 40. Den fordampede anden kølemiddelstrøm 260 kan rekomprimeres og afkøles (ikke vist) for at opnå strøm 210 igen.

Det er indlysende for fagmanden at der kan foretages mange modifikationer uden at afvige fra opfindelsens beskyttelsesomfang. Som et eksempel kan den første og den anden for-kølende varmeveksler samt den første og den anden varmeveksler være af en hvilken som helst type, herunder spoleviklet varmevekslere eller lamelribbevarmevekslere. Hver varmeveksler kan endvidere omfatte flere serieforbundne varmevekslere.

Claims

1. Fremgangsmåde til afkøling afen carbonhydridstrøm, såsom naturgas, hvor carbonhydridstrømmen og en første kølemiddelstrøm afkøles i fællesskab mod et fordampende kølemiddel i en serie af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere, hvilken serie omfatter en første fælles varmeveksler, og opstrøms for den første fælles varmeveksler afkøles carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm ikke i fællesskab, idet fremgangsmåden i det mindste omfatter følgende trin: (a) komprimering af en første kølemiddelstrøm, hvorved der opnås en komprimeret første kølemiddelstrøm; (b) afkøling af den komprimerede første kølemiddelstrøm mod den omgivende temperatur til en kølemiddeltemperatur; (c) modtagelse af en carbonhydridstrøm der skal afkøles ved en starttemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; (d) tilførsel af carbonhydridstrømmen i den første fælles varmeveksler ved en carbonhydridtilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; (e) yderligere sænkning af den første kølemiddelstrøms temperatur, efter afkølingen ifølge trin (b), ved varmeveksling mod et medium forskelligt fra omgivelserne; (f) tilførsel af den første kølemiddelstrøm til den første fælles varmeveksler, efter varmevekslingen i trin (e), ved en kølemiddeltilførselstemperatur, hvor kølemiddeltilførselstemperaturen er lavere end kølemiddeltemperaturen, og hvor temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er lavere end 60°C. (g) fælles afkøling af carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm mod et fordampende kølemiddel i serien af en eller flere efter hinanden anbragte varmevekslere, (h) fjernelse af carbonhydridstrømmen fra serien af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere som en afkølet carbonhydridstrøm, (i) yderligere afkøling af den afkølede carbonhydridstrøm som fjernes i trin (h), i mindst en anden varmeveksler hvorved der opnås en fortættet carbonhydridstrøm, hvilken fremgangsmåde desuden omfatter tilførsel af et andet kølemiddel til den første fælles varmeveksler.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor det medium som er forskelligt fra omgivelserne, omfatter den carbonhydridstrøm der skal afkøles opstrøms for tilførslen af carbonhydridstrømmen til den første fælles varmeveksler.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor det medium som er forskelligt fra omgivelserne, omfatter det første kølemiddel.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, hvor temperaturforskellen er lavere end 5°C.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, hvor carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er den samme.

6. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1 til 5, hvor temperaturforskellen er mindre end en starttemperaturforskel mellem starttemperaturen og kølemiddeltemperaturen.

7. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, hvor også det andet kølemiddel afkøles i fællesskab i trin (g), ud over den første kølemiddelstrøm og carbonhydridstrøm.

8. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående kravl-7, hvor den anden kølemiddelstrøm komprimeres, før tilførsel af det andet kølemiddel til den første fælles varmeveksler, hvorved der opnås en komprimeret anden kølemiddelstrøm, afkøles mod den omgivende temperatur, og afkøles yderligere ved varmeveksling mod et medium som er forskelligt fra omgivelserne.

9. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, hvor den fælles afkøling af carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm mod et fordampende kølemiddel omfatter: fjernelse af det første kølemiddel fra den første fælles varmeveksler; ekspansion af det første kølemiddel; og returnering af det første kølemiddel til den første fælles varmeveksler idet det ekspanderede første kølemiddel i det mindste delvist lades fordampe i den første fælles varmeveksler, hvorved varme trækkes ud af carbonhydridstrømmen og i det mindste den første kølemiddelstrøm.

10. Apparat til afkøling af en carbonhydridstrøm, såsom naturgas, hvor apparatet omfatter: - en første kølemiddelstrøm; - en kompressor der er indrettet til at komprimere den første kølemiddelstrøm, hvorved der opnås en komprimeret første kølemiddelstrøm; - en omgivelseskøler der er indrettet til at afkøle den komprimerede første kølemiddelstrøm mod omgivende temperatur til en køletemperatur; - en for-kølende varmeveksler der er indrettet til at modtage den afkølede komprimerede første kølemiddelstrøm og til yderligere at sænke den første kølemiddelstrøms temperatur ved varmeveksling mod et medium som er forskelligt fra omgivelserne; - en carbonhydridkilde der er indrettet til at tilvejebringe en carbonhydridstrøm som skal afkøles ved en starttemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen; - en serie af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere der er indrettet til at modtage og i fællesskab afkøle i det mindste carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm, hvilken serie omfatter en første fælles varmeveksler, således at der opstrøms for den første fælles varmeveksler ikke er nogen anden fælles varmeveksler, hvor carbonhydridstrømmen og den første kølemiddelstrøm kan afkøles i fællesskab; - et carbonhydridindløb på den første fælles varmeveksler, hvilket indløb er indrettet til at modtage carbonhydridstrømmen ved en carbonhydridtilførselstemperatur der er lavere end kølemiddeltemperaturen; - et første kølemiddelindløb på den første fælles varmeveksler, hvilket indløb er indrettet til at modtage det første kølemiddel fra den for-kølende varmeveksler ved en kølemiddeltilførselstemperatur som er lavere end kølemiddeltemperaturen, og således at temperaturforskellen mellem carbonhydridtilførselstemperaturen og kølemiddeltilførselstemperaturen er lavere end 60°C - en anden varmeveksler anbragt til at modtage den afkølede carbonhydridstrøm fra serien af en eller flere efter hinanden anbragte fælles varmevekslere og yderligere afkøle carbonhydrid strømmen og derved opnå en fortættet carbonhydridstrøm, idet et andet kølemiddel er ledt til den første fælles varmeveklser.