ES2209585B1 - Ciclos dobles de refrigeracion de multiples componentes para licuefaccion de gas natural. - Google Patents

Ciclos dobles de refrigeracion de multiples componentes para licuefaccion de gas natural.

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Abstract

Ciclos dobles de refrigeración de múltiples componentes para licuefacción de gas natural.
Se expone un proceso para licuar gas natural para producir un producto líquido bajo presión que está a una temperatura superior a -112ºC, usando dos refrigerantes mezclados en dos ciclos cerrados, un refrigerante de bajo nivel para enfriar y licuar al gas natural, y un refrigerante de alto nivel para enfriar al refrigerante de bajo nivel. Después de ser usado para licuar al gas natural, el refrigerante debajo nivel es: (a) calentado por intercambio de calor (65) en relación de contracorriente con otra corriente del refrigerante de bajo nivel y por intercambio de calor (65) contra una primera corriente del refrigerante de alto nivel, (b) comprimido a una presión elevada, y (c) post-enfriado contra un fluido de enfriamiento externo. El refrigerante de bajo nivel es después enfriado por intercambio de calor (65) contra una segunda corriente del refrigerante mezclado de alto nivel y por intercambio de calor contra el refrigerante de bajo nivel. El refrigerante de alto nivel es calentado mediante el intercambio de calor con el refrigerante de bajo nivel, comprimido (67) a una presión elevada, y post-enfriado contra un fluido de enfriamiento externo (69).

Description

Ciclos dobles de refrigeración de múltiples componentes para licuefacción de gas natural.
Campo del invento
Este invento se refiere a un proceso para la licuefacción de corrientes de gas natural p de otro gas rico en metano. El invento se refiere más específicamente a un proceso de licuefacción de refrigerante doble de múltiples componentes para producir un gas natural licuado a presión (al que llamaremos PNLG) que está a una temperatura superior a -112ºC.
Antecedentes del invento
Debido a sus cualidades de combustión limpia y a su comodidad, se ha generalizado mucho el uso del gas natural en los últimos años. Muchas fuentes de gas natural están situadas en áreas alejadas, a grandes distancias de cuales- quiera mercados comerciales para el gas. A veces se dispone de una canalización para transportar el gas natural producido a un mercado comercial. Cuando el transporte por canalización no es viable, se suele tratar el gas natural producido para convertirlo en gas natural licuado (al cual denominaremos ``LNG''), para su transporte al mercado.
Una de las características que diferencian a una instalación de LNG es la gran inversión de capital que se requiere para la instalación. El equipo usado para licuar gas natural es en general bastante costoso. La instalación de licuefacción está constituida por varios sistemas básicos, incluidos los de tratamiento del gas para eliminar impurezas, licuefacción, refrigeración, instalaciones de suministro de energía eléctrica, e instalaciones de almacenamiento y carga en barcos. Los sistemas de refrigeración de la instalación pueden absorber hasta el 30 por ciento del coste.
Los sistemas de refrigeración de LNG son costosos, debido a que se necesita mucha refrigeración para licuar gas natural. Una corriente de gas natural típica entra en una instalación de LNG a presiones desde aproximadamente 4830 kPa hasta aproximadamente 7600 kPa, y a temperaturas desde aproximadamente 20ºC hasta aproximadamente 40ºC. El gas natural, el cual es predominantemente metano, no puede ser licuado simplemente aumentando la presión, como es el caso con los hidrocarburos más pesados usados con fines energéticos. La temperatura crítica del metano es de -82,5ºC. Esto significa que el metano solamente puede ser licuado por debajo de esa temperatura, con independencia de la presión que se aplique. Puesto que el gas natural es una mezcla de gases, el mismo se licúa en todo un margen de temperaturas. La temperatura crítica del gas natural está típicamente comprendida entre aproximadamente -85ºC y -62ºC. Las composiciones de gas natural a la presión atmosférica se licuarán típicamente en el margen de temperaturas entre aproximadamente -165ºC y -155ºC. Puesto que el equipo de refrigeración representa una parte tan significativa del coste de la instalación de LNG, se han hecho considerables esfuerzos para reducir los costes de la refrigeración.
Aunque se han usado muchos ciclos de refrigeración para licuar gas natural, los tres tipos más corrientemente usados en las instalaciones de LNG hoy en día son: (1) el de ``ciclo en cascada'', en el cual se hace uso de múltiples refrigerantes de un solo componente en intercambiadores de calor dispuestos para reducir gradualmente la temperatura del gas hasta una temperatura de licuefacción, (2) el de ``ciclo de expansión'', en el cual se expande gas desde una alta presión hasta una baja presión con la correspondiente reducción de la temperatura, y (3) el de ``ciclo de refrigeración de múltiples componentes'', en el cual se hace uso de un refrigerante de múltiples componentes en intercambiadores especialmente diseñados. En la mayor parte de los ciclos de licuefacción de gas natural se usan variaciones o combinaciones de estos tres tipos básicos.
Un sistema de refrigerante de múltiples componentes comporta la circulación de una corriente de refrigeración de múltiples componentes, usualmente después de un pre-enfriamiento hasta aproximadamente -35ºC con propano. Un sistema típico de múltiples componentes comprenderá metano, etano, propano, y opcionalmente otros componentes ligeros. Sin pre-enfriamiento con propano, en el refrigerante de múltiples componentes pueden estar incluidos componentes más pesados, tales como butanos y pentanos. La naturaleza del ciclo de refrigerante de múltiples componentes es tal que los intercambiadores de calor en el proceso deben manejar rutinariamente el flujo de un refrigerante en dos fases. Los refrigerantes de múltiples componentes presentan la deseable propiedad de condensación en todo un margen de temperaturas, lo cual permite diseñar sistemas de intercambio de calor que pueden ser termodinámicamente de más rendimiento que los sistemas de refrigerante de un componente puro.
Una propuesta para reducir los costes de la refrigeración es la de transportar el gas natural licuado a temperaturas superiores a -112ºC y a presiones suficientes para que el líquido esté a, o por debajo de, su temperatura de punto de burbujeo. Para la mayoría de las composiciones de gas natural, la presión del PLNG varía entre aproximadamente 1380 kPa y aproximadamente 4500 kPa. A este gas natural licuado a presión lo denominamos PNLG para diferenciarlo del LNG, el cual está a la presión atmosférica o próxima a ésta, y a una temperatura de aproximadamente -160ºC. El PNLG requiere significativamente menos refrigeración, dado que el PLNG puede estar a más de 50ºC más caliente que el LNG usual, a la presión atmosférica.
Existe la necesidad de un sistema de refrigeración de ciclo cerrado mejorado, en el que se use un refrigerante de múltiples componentes para la licuefacción de gas natural para producir PLNG.
Sumario
Este invento se refiere a un proceso para licuar una corriente de gas natural para producir un producto líquido a presión, a una temperatura superior a -112ºC y a una presión suficiente para que el producto líquido esté a, o por debajo de, su punto de burbujeo, usando dos refrigerantes mezclados (o de múltiples componentes) en ciclo cerrado, en el que un refrigerante de alto nivel enfría a un refrigerante de bajo nivel y el refrigerante de bajo nivel enfría y licúa al gas natural. El gas natural es enfriado y licuado por intercambio de calor indirecto con el refrigerante de bajo nivel de múltiples componentes en un primer ciclo cerrado de refrigeración. Después se calienta el refrigerante de bajo nivel por intercambio de calor en relación de contracorriente con otra corriente del refrigerante de bajo nivel, y por intercambio de calor contra una corriente del refrigerante de alto nivel. El refrigerante de bajo nivel calentado es luego comprimido a una presión elevada, y post-enfriado contra un fluido de refrigeración externo. Después se enfría el refrigerante de bajo nivel por intercambio de calor contra una segunda corriente del refrigerante de alto nivel de múltiples componentes, y por intercambio de calor contra el refrigerante de bajo nivel. El refrigerante de alto nivel se caliente por el intercambio de calor con el refrigerante de bajo nivel. El refrigerante de alto nivel calentado es comprimido hasta una presión elevada, y post-enfriado contra un fluido de refrigeración externo.
Una ventaja de este proceso de refrigeración es la de que las composiciones de los dos refrigerantes mezclados pueden fácilmente ser ajustadas (optimizadas) con respecto a esos dos refrigerantes y con respecto a la composición, temperatura y presión de la corriente que esté siendo licuada, para reducir al mínimo las necesidades totales de energía para el proceso. Los requisitos de refrigeración para que una unidad usual recupere líquidos de gas natural (una unidad de recuperación de gas natural licuado, que llamaremos de NGL) aguas arriba del proceso de licuefacción, pueden ser integrados en el proceso de licuefacción eliminándose con ello la necesidad de un sistema de refrigeración separado.
Por el proceso de este invento se puede además producir una fuente de combustible a una presión que sea adecuada para alimentar de combustible a impulsores de turbinas de gas, sin compresión adicional alguna. Para corrientes de alimentación que contengan N_{2}, se puede optimizar el flujo de refrigerante para hacer máximo el rechazo del N_{2} a la corriente de combustible.
Por este proceso se puede reducir la compresión total requerida en hasta un 50% con respecto a los procesos de licuefacción de LNG usuales. Esto es ventajoso, dado que permite licuar más gas natural para la entrega de producto, y que sea menos consumido como combustible para alimentar turbinas en compresores usados en el proceso de licuefacción.
Breve descripción del dibujo
El presente invento y sus ventajas se comprenderán mejor con referencia a la descripción detallada que sigue y al dibujo que se acompaña, el cual es un organigrama simplificado de una realización de este invento en el que se ha ilustrado un proceso de licuefacción de acuerdo con la práctica de este invento. Este organigrama presenta una realización preferida de la puesta en práctica del proceso de este invento. El dibujo no está destinado a excluir del alcance del invento otras realizaciones que sean el resultado de modificaciones normales y esperadas de esta realización especifica. En el dibujo se han omitido varios subsistemas requeridos, tales como de válvulas, mezcladores de corrientes de flujo, sistemas de control, y sensores, con objeto de simplificar y de hacer más clara la presentación.
Descripción de la realización preferida
Este invento se refiere a un proceso mejorado para fabricar gas natural licuado usando dos ciclos cerrados de refrigeración, usándose en ambos refrigerantes mezclados o de múltiples componentes como medio de enfriamiento. Un ciclo de refrigerante de bajo nivel proporciona el nivel de temperatura más bajo del refrigerante para la licuefacción del gas natural. El refrigerante de bajo nivel (la más baja temperatura) es a su vez enfriado por un refrigerante de alto nivel (relativamente más caliente) en un ciclo de intercambio de calor separado.
El proceso de este invento es particularmente útil para la fabricación de gas natural licuado a presión (PLNG) que esté a una temperatura superior a -112ºC y una presión suficiente para que el producto liquido está a, o por debajo de, la temperatura correspondiente a su punto de burbujeo. La expresión ``punto de burbujeo'' significa la temperatura y la presión a las cuales el liquido empieza a convertirse en gas. Por ejemplo, si se mantiene un cierto volumen de PLNG a una presión constante, pero se aumenta su temperatura, la temperatura a la cual empiecen a formarse burbujas de gas en el PLNG es el punto de burbujeo. De un modo similar, si se mantiene un cierto volumen de PLNG a una temperatura constan- te, pero se reduce la presión, la presión a la cual empiece a formarse gas define el punto de burbujeo. En el punto de burbujeo, el gas licuado es líquido saturado. Para la mayoría de las composiciones de gas natural, la presión del PLNG a temperaturas superiores a -112ºC estará comprendida entre aproximadamente 1380 kPa y aproximadamente 4500 kPa.
Con referencia al dibujo, una corriente de alimentación de gas natural es preferiblemente hecha pasar primero a través de una unidad de recuperación de gas natural usual 75 (una unidad de recuperación de NGL). Si la corriente de gas natural contiene hidrocarburos pesados que pudieran solidificarse durante la licuefacción, o bien si los hidrocarburos pesados, tales como el etano, el butano, el pentano, los hexanos, y similares, no son deseados en el PLNG, se pueden separar los hidrocarburos pesados mediante una unidad de recuperación de NGL, de gas natural, con anterioridad a la licuefacción del gas natural. La unidad de recuperación de NGL 75 comprende preferiblemente múltiples torres de fraccionamiento (no representadas), tales como una torre desetanizadora, que produce etano, una torre despropanizadora, que produce propano, y una torre desbutanizadora, que produce butano. La unidad de recuperación de NGL puede incluir también sistemas para separar el benceno. El funcionamiento general de la unidad de recuperación de NGL es bien conocido por los expertos en la técnica. El intercambiador de calor 65 puede opcionalmente proporcionar el trabajo de refrigeración a la unidad de recuperación de NGL 75, además de proporcionar enfriamiento del refrigerante de bajo nivel, como se describe con más detalle en lo que sigue.
La corriente de alimentación de gas natural puede comprender gas obtenido de un pozo de crudo de petróleo (gas asociado) o bien de un pozo de gas (gas no asociado), o bien de fuentes de gas tanto asociado como no asociado. La composición del gas natural puede variar significativamente. Tal como aquí se usa, una corriente de gas natural contiene metano (C_{1}) como un componente principal. El gas natural contendrá además, típicamente, etano (C_{2}), hidrocarburos más pesados (C_{3+}), y cantidades menores de contaminantes, tales como agua dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno, butano, hidrocarburos de seis o más átomos de carbono, suciedad, sulfuro de hierro, cera, y petróleo crudo. Las solubilidades de estos contaminantes varían con la temperatura, la presión y la composición. A temperaturas criógenas, el CO_{2}, el agua, y otros contaminantes pueden formar sólidos, los cuales pueden taponar los pasos para el flujo en los intercambiadores de calor criógenos. Se pueden evitar estas dificultades potenciales separando para ello tales contaminantes, si se prevén las condiciones que habrá dentro de los límites de temperatura de fase sólida-fase de presión de su componente puro. En la descripción que sigue del invento, se supone que la corriente de gas natural, antes de entrar en la unidad de recuperación de NGL 75, ha sido convenientemente pre-tratada para separar los sulfuros y el dióxido de carbono, y desecada para separar el agua, usando los procesos tradicionales y bien conocidos para producir una corriente de gas natural ``dulce y seco''.
Una corriente de alimentación 10 que sale de la unidad de recuperación de NGL es dividida en corrientes 11 y 12. La corriente 11 es hecha pasar a través del intercambiador de calor 60, el cual, como se describe en lo que sigue, calienta una corriente de combustible 17 y enfría a la corriente de alimentación 11. Después de salir del intercambiador de calor 60, la corriente de alimentación 11 es recombinada con la corriente 12, y la corriente combinada 13 es hecha pasar a través del intercambiador de calor 61, el cual licúa al menos parcialmente a la corriente de gas natural. La al menos parcialmente líquida corriente 14, que sale del intercambiador de calor 61, es hecha pasar opcionalmente a través de uno o más medios de expansión 62, tales como una válvula de Joule-Thomson, o bien, alternativamente, a una turbina hidráulica, para producir PLNG a una temperatura superior a aproximadamente -112ºC. Desde los medios de expansión 62, se hace pasar una corriente de fluido expandido 15 a un separador de fases 63. Del separador de fases 63 se extrae una corriente de vapor 17. La corriente de vapor 17 puede ser usada como combustible para suministrar energía, la que se necesita para impulsar a los compresores y bombas usados, en el proceso de licuefacción. Antes de ser usada como combustible, la corriente de vapor 17 es preferiblemente usada como una fuente de refrigeración, para llevar a enfriar una parte de la corriente de alimentación en el intercambiador de calor 60, como se vio en lo que antecede. Desde el separador 63 se descarga una corriente de líquido 16 como producto PLNG, que tiene una temperatura superior a aproximadamente -112ºC, y una presión suficiente para que el PLNG esté a, o por debajo de, su punto de burbujeo.
El trabajo de refrigeración para el intercambiador de calor 61 es proporcionado mediante enfriamiento en circuito cerrado. El refrigerante en este ciclo de enfriamiento hace uso de lo que se denomina como un refrigerante de bajo nivel, debido a que es un refrigerante mezclado, a una temperatura relativamente baja, si se compara con un refrigerante mezclado a una temperatura más alta usado en el ciclo de enfriamiento que proporciona el trabajo de refrigeración para el intercambiador de calor 65. El refrigerante mezclado de bajo nivel comprimido es hecho pasar a través del intercambiador de calor 61, a través de la conducción de flujo 60, y sale del intercambiador de calor 61 por la conducción 41. El refrigerante mezclado de bajo nivel es deseablemente enfriado en el intercambiador de calor 61 hasta una temperatura a la cual está completamente líquido al pasar desde el intercambiador de calor 61 a la conducción de flujo 41. El refrigerante mezclado de bajo nivel en la conducción 41 es hecho pasar a través de una válvula de expansión 64, en donde tiene lugar una vaporización súbita del refrigerante mezclado de bajo nivel líquido, en cantidad suficiente, para reducir la temperatura del refrigerante mezclado de bajo nivel hasta una temperatura deseada. La temperatura deseada para obtener PNLG es típicamente inferior a aproximadamente -85ºC, y preferiblemente está comprendida entre aproximadamente -95ºC y - 110ºC. La presión se reduce a través de la válvula de expansión 64. El refrigerante mezclado de bajo nivel entra en el intercambiador de calor 61 a través de la conducción de flujo 42 y continúa vaporizándose a medida que progresa a través del intercambiador de calor 61. El refrigerante mezclado de bajo nivel es una mezcla de gas/líquido (predominantemente gaseosa) al ser descargado en la conducción 43. El refrigerante mezclado de bajo nivel es hecho pasar por la conducción 43 a través del intercambiador de calor 65, donde el refrigerante mezclado de bajo nivel continúa siendo calentado y vaporizado: (1) por intercambio de calor indirecto en relación de contracorriente con otra corriente (corriente 53) del refrigerante de bajo nivel y (2) por intercambio de calor indirecto contra la corriente 31 del refrigerante de alto nivel. El refrigerante mezclado de bajo nivel calentado es hecho pasar por la conducción 44 a un separador 80 de vapor-líquido, donde el refrigerante es separado en una parte líquida y una parte gaseosa. La parte gaseosa es hecha pasar por la conducción 45 a un compresor 81, y la parte líquida es hecha pasar por la conducción 46 a una bomba 82, donde se pone la parte líquida a presión. El refrigerante mezclado de bajo nivel gaseoso comprimido en la conducción 47 es combinado con el líquido puesto bajo presión en la conducción 48, y la corriente de refrigerante mezclado de bajo nivel combinada es enfriada por el post-enfriador 83. El post-enfriador 83 enfría al refrigerante mezclado de bajo nivel por intercambio de calor indirecto con un medio de enfriamiento externo, preferiblemente un medio de enfriamiento que finalmente hace uso del medio ambiente como un disipador de calor. Los medios de enfriamiento ambientales adecuados pueden incluir la atmósfera, agua dulce, agua salada, la tierra, o bien dos o más de los anteriores. El refrigerante mezclado de bajo nivel enfriado es luego hecho pasar a un segundo separador 84 de vapor-líquido, donde es separado en una parte líquida y una parte gaseosa. La parte gaseosa es hecha pasar por la conducción 50 a un compresor 86, y la parte líquida es hecha pasar por la conducción 51 a la bomba 87, en donde se pone a la parte líquida bajo presión. El refrigerante mezclado de bajo nivel gaseoso comprimido es combinado con el refrigerante mezclado de bajo nivel líquido puesto bajo presión, y el refrigerante mezclado de bajo nivel combinado (corriente 52) es enfriado por el post-enfriador 88, el cual es enfriado por un medio de enfriamiento externo adecuado similar al post-enfriador 83. Después de salir del post-enfriador 88, el refrigerante mezclado de bajo nivel es hecho pasar por la conducción 53 al intercambiador de calor 65, donde una parte sustancial de cualquier refrigerante mezclado de bajo nivel que quede en forma de vapor es licuada por intercambio de calor indirecto contra la corriente 43 de refrigerante de bajo nivel que pasa a través del intercambiador de calor 65 y por intercambio de calor indirecto contra el refrigerante de la refrigeración de alto nivel (corriente 31).
Con referencia al ciclo de refrigeración de alto nivel, se hace pasar un refrigerante mezclado de alto nivel sustancialmente líquido a través de la conducción 31, a través del intercambiador de calor 65, a una conducción de descarga 32. El refrigerante mezclado de alto nivel en la conducción 31 es deseablemente enfriado en el intercambiador de calor 65 hasta una temperatura a la cual está completamente líquido antes de pasar desde el intercambiador de calor 65 a la conducción 32. El refrigerante en la conducción 32 es hecho pasar a través de una válvula de expansión 74, donde se efectúa la vaporización súbita de una cantidad suficiente del refrigerante mezclado de alto nivel para reducir la temperatura del refrigerante mezclado de alto nivel hasta una temperatura deseada. El refrigerante mezclado de alto nivel (corriente 33) hierve al pasar a través del intercambiador de calor 65, de modo que el refrigerante mezclado de alto nivel es esencialmente gaseoso al ser descargado en la conducción 20. El refrigerante mezclado de alto nivel esencialmente gaseoso es hecho pasar por la conducción 20, a un separador 66 de vapor-líquido refrigerante, donde se separa en una parte líquida y una parte gaseosa. La parte gaseosa es hecha pasar por la conducción 22 a un compresor 67, y la parte líquida es hecha pasar por la conducción 21 a la bomba 68, donde se pone a la parte líquida bajo presión. El refrigerante mezclado de alto nivel gaseoso comprimido en la conducción 23 es combinado con el líquido a presión en la conducción 24, y la corriente de refrigerante mezclado de alto nivel combinado es enfriada mediante el post-enfriador 69. El post-enfriador 69 enfría al refrigerante mezclado de alto nivel por intercambio de calor indirecto con un medio de enfriamiento externo, preferiblemente un medio de enfriamiento que finalmente hace uso del medio ambiente como disipador de calor, en forma similar a como en los post-enfriadores 83 y 88. El refrigerante mezclado de alto nivel enfriado es luego hecho pasar a un segundo separador 70 de vapor-líquido, donde es separado en una parte líquida y una parte gaseosa. La parte gaseosa es hecha pasar a un compresor 71 y la parte líquida es hecha pasar a la bomba 72, donde se pone bajo presión a la parte líquida. El refrigerante mezclado de alto nivel gaseoso comprimido (corriente 29) es combinado con el refrigerante mezclado de alto nivel líquido puesto bajo presión (corriente 28) y el refrigerante mezclado de alto nivel combinado (corriente 30) es enfriado por el post-enfriador 73, el cual es enfriado por un medio de enfriamiento externo adecuado. Después de salir del post-enfriador 73, el refrigerante mezclado de alto nivel es hecho pasar por la conducción 31 al intercambiador de calor 65, donde se licúa la parte sustancial de cualquier refrigerante mezclado de alto nivel que quede en forma de vapor.
Los intercambiadores de calor 61 y 65 no están limitados a tipo alguno, pero debido a consideraciones económicas, se prefieren los intercambiadores de calor de aletas de chapa, arrollada en espiral, y de caja fría, los cuales enfrían todos por intercambio de calor indirecto. La expresión ``intercambio de calor indirecto'', tal como se usa en esta descripción, significa llevar a dos corrientes de fluido a relación de intercambio de calor sin contacto físico ni entremezclado alguno de los fluidos entre sí. Los intercambiadores de calor usados en la práctica de este invento son bien conocidos por los expertos en la técnica. Preferiblemente, todas las corrientes que contengan fases tanto líquida como de vapor que son enviadas a los intercambiadores de calor 61 y 65 tienen ambas fases, la de líquido y la de vapor, distribuidas por igual a través del área de la sección transversal de los pasos en los que entran. Para conseguir esto, se prefiere proporcionar aparatos de distribución para corrientes individuales de vapor y de líquido. Se pueden añadir separadores a las corrientes de flujo de múltiples fases como se requiera para dividir las corrientes en corrientes de líquido y corrientes de vapor. Por ejemplo, se podrían añadir separadores a la corriente 42 inmediatamente antes de que la corriente 42 entre en el intercambiador de calor 61.
El refrigerante mezclado de bajo nivel, el cual efectúa realmente el enfriamiento y la licuefacción del gas natural, puede comprender una gran diversidad de compuestos. Aunque la mezcla refrigerante puede estar formada por cualquier número de componentes, el refrigerante mezclado de bajo nivel está preferiblemente dentro de un margen desde aproximadamente 3 hasta aproximadamente 7 componentes. Por ejemplo, los refrigerantes usados en la mezcla refrigerante pueden ser seleccionados de los bien conocidos hidrocarburos halogenados, y sus mezclas azeotrópicas, así como de diversos hidrocarburos. Algunos ejemplos son el metano, etileno, etano, propileno, propano, isobutano, butano, butileno, tricloromonofluorometano, diclorodifluorometano, monoclorotrifluorometano, monoclorodifluorometano, tetrafluorometano, monocloropentafluoroetano, y cualquier otro refrigerante con base de hidrocarburo conocido por los expertos en la técnica. También se pueden usar refrigerantes que no sean hidrocarburos, tales como el nitrógeno, argón, neón, helio, y dióxido. de carbono. Los únicos criterios para determinar los componentes del refrigerante de bajo nivel son el de que sean compatibles y el de que tengan puntos de ebullición diferentes, entre los que haya preferiblemente una diferencia de al menos aproximadamente 10ºC. El refrigerante mezclado de bajo nivel debe ser capaz de estar en estado esencialmente líquido en la conducción 41 y ser también capaz de vaporizarse por intercambio de calor contra sí mismo y contra el gas natural a ser licuado, de modo que el refrigerante de bajo nivel se encuentre en estado predominantemente gaseoso en la conducción 43. El refrigerante mezclado de bajo nivel no debe de contener compuestos que solidifiquen en los intercambiadores de calor 61 ó 65. Se puede esperar que los ejemplos de refrigerantes mezclados de bajo nivel estén dentro de los siguientes márgenes porcentuales de sus fracciones molares: C_{1}: aproximadamente del 15% al 30%; C_{2}: aproximadamente del 45% al 60%; C_{3}: aproximadamente del 5% al 15%; y C_{4}: aproximadamente del 3% al 7%. La concentración de los componentes del refrigerante mezclado de bajo nivel puede ser ajustada para que se adapte a las características de enfriamiento y condensación del gas natural que esté siendo licuado, ya los requisitos de temperatura criógena del proceso de licuefacción.
El refrigerante mezclado de alto nivel puede también comprender una gran diversidad de compuestos. Aunque la mezcla refrigerante puede estar formada por cualquier número de componentes, el refrigerante mezclado de alto nivel está preferiblemente dentro de un margen desde aproximadamente 3 hasta aproximadamente 7 componentes. Por ejemplo, los refrigerantes de alto nivel usados en la mezcla refrigerante pueden ser seleccionados de los bien conocidos hidrocarburos halogenados y sus mezclas azeotrópicas, así como de diversos hidrocarburos. Algunos ejemplos son el metano, etileno, etano, propileno, propano, isobutano, butano, butileno, tricloromonofluorometano, diclorodifluorometano, monoclorotrifluorometano, monoclorodifluorometano, tetrafluorometano, monocloropentafluoroetano, y cualquier otro refrigerante con base de hidrocarburo conocido por los expertos en la técnica. Se pueden usar refrigerantes que no sean de hidrocarburos, tales como el nitrógeno, argón, neón, helio, y dióxido de carbono. Los únicos criterios para determinar los componentes del refrigerante de alto nivel son el de que sean compatibles y el de que tengan puntos de ebullición diferentes, entre los que haya preferiblemente una diferencia de al menos aproximadamente 10ºC. El refrigerante mezclado de alto nivel debe ser capaz de estar en estado sustancialmente líquido en la conducción 32 y ser también capaz de vaporizarse por completo por intercambio de calor contra sí mismo y contra el refrigerante de bajo nivel (corriente 43) que esté siendo calentado en el intercambiador de calor 65, de moda que el refrigerante de alto nivel esté en un estado predominantemente gaseoso en la conducción 20. El refrigerante mezclado de alto nivel no debe contener compuestos que solidifiquen en el intercambiador de calor 65. Se puede esperar que los ejemplos de refrigerantes mezclados de alto nivel queden comprendidos dentro de los siguientes márgenes porcentuales de las fracciones molares: C_{1}: aproximadamente del 0% al 10%; C_{2}: del 60% al 85%; C_{3}: aproximadamente del 2% al 8%; C_{4}: aproximadamente del 2% al 12%; y C_{5}: aproximadamente del 1% al 15%. Se puede ajustar la concentración de los componentes del refrigerante mezclado de alto nivel para que se adapte a las características de enfriamiento y condensación del gas natural que esté siendo licuado, y a los requisitos de temperatura criógena del proceso de licuefacción.
Ejemplo
Se llevó a cabo un balance simulado entre masa y energía para ilustrar la realización representada en el dibujo, y los resultados se han reflejado en la Tabla que sigue. Los datos fueron obtenidos usando un programa de simulación del proceso que se puede encontrar en el comercio, denominado HYSYS™ (que puede obtenerse de la firma Hyprotech Ltd. de Calgary, Canadá); no obstante, se pueden usar otros programas de simulación del proceso de los que se encuentran en el comercio para desarrollar los datos, incluidos, por ejemplo, el HYSIM™, PROII™, y el ASPEN PLUS™, que son familiares para quienes tengan los conocimientos corrientes de la técnica. Los datos presentados en la Tabla se ofrecen para proporcionar una mejor comprensión de la realización representada en el dibujo, pero el invento no debe entenderse como innecesariamente limitado a ella. Las temperaturas y los caudales de flujo no deben considerarse como limitaciones del invento, el cual puede experimentar muchas variaciones en cuanto a temperaturas y caudales de flujo, a la vista de las enseñanzas que de aquí se desprenden.
En este ejemplo se supuso que la corriente 10 de alimentación de gas natural tenía la siguiente composición en porcentajes molares: C_{1}: 94,3%; C_{2}: 3,9%; C_{3}: 0,3%; C_{4}: 1,1%; C_{5}: 0,4%: La composición del refrigerante de bajo nivel para el intercambiador de calor 61, en porcentajes molares, fue de: C_{1}: 33,3%; C_{2}: 48,3%; C_{3}: 2,1%; C_{4}: 2,9%; C_{5}: 13,4%. La composición del refrigerante de alto nivel para el intercambiador de calor 65 en porcentajes molares fue de: C_{1}: 11,5%: C_{2}: 43,9%; C_{3}: 32,1%; C_{4}: 1,6%; C_{5}: 10,9%. Las composiciones de los refrigerantes en ciclos cerrados pueden ser adaptadas por quienes sean expertos en la técnica para reducir al mínimo los requisitos de energía para refrigeración para una gran diversidad de composiciones, presiones y temperaturas del gas de alimentación para licuar el gas natural para producir PLNG.
Los datos reflejados en la Tabla muestran que la presión de refrigerante máxima requerida en el ciclo de bajo nivel no excede de 2480 kPa. En un ciclo de refrigeración usual para licuar gas natural a temperaturas de aproximadamente -160ºC se requiere típicamente una presión de refrigeración de aproximadamente 6200 kPa. Usando una presión significativamente más baja en el ciclo de refrigeración de bajo nivel, se requiere significativamente menos material de canalización para el ciclo de refrigeración.
Otra ventaja del presente invento, tal como se ha ilustrado en este ejemplo, es la de que se proporciona la corriente de combustible 18 a una presión suficiente para ser empleada en las turbinas de gas usuales durante el proceso de licuefacción, sin usar compresión alguna del gas combustible auxiliar.
Quien sea experto en la técnica, y en particular el que tenga las ventajas de las enseñanzas que se desprenden de esta patente, reconocerá muchas modificaciones y variaciones en la realización específica descrita en lo que antecede. Por ejemplo, se pueden usar una diversidad de temperaturas y presiones de acuerdo con el invento, dependiendo del diseño general del sistema y de la composición del gas de alimentación. Además, se puede suplementar o reconfigurar el tren de enfriamiento del gas de alimentación dependiendo de los requisitos de diseño generales, para conseguir satisfacer unos requisitos de un intercambio de calor óptimo y eficaz. Además, ciertos pasos del proceso se pueden llevar a cabo añadiendo para ello dispositivos que sean intercambiables con los dispositivos representados. Tal como se vio en lo que antecede, la realización y el ejemplo específicamente expuestos no deberán ser usados en el sentido de limitar o restringir el alcance del invento, el cual ha de considerarse determinado por las Reivindicaciones que siguen, y sus equivalentes.
TABLA
Temperatura Presión Caudal Composición
Corriente Fase ºC kPa KgMol/h C_{1} C_{2} C_{3} C_{4} C_{5}
Mol% Mol% Mol% Mol% Mol%
10 Vap -42,2 4800 47.673 94,3 3,9 0,3 1,1 0,4
11 Vap -42,2 4758 1.906 94,3 3,9 0,3 1,1 0,4
12 Vap -42,2 4758 45.768 94,3 3,9 0,3 1,1 0,4
13 Vap/liq -43,3 4775 47.673 94,3 3,9 0,3 1,1 0,4
14 Liq -93,4 4569 47.673 94,3 3,9 0,3 1,1 0,4
15 Vap/liq -95,8 2758 47.673 94,3 3,9 0,3 1,1 0,4
16 Liq -95,8 2758 46.539 94,1 4,0 0,3 1,1 0,5
17 Vap -95,8 2758 1.134 99,4 0,5 0,0 0,0 0,0
18 Vap -45,2 2738 1.134 99,4 0,5 0,0 0,0 0,0
20 Vap/liq 9,1 345 17.609 11,5 43,7 32,0 1,6 11,2
21 Liq 9,1 345 102 0,3 6,5 18,7 2,7 71,8
22 Vap 9,1 345 17.504 11,5 43,9 32,1 1,6 10,9
23 Vap 62,8 1034 17.504 11,5 43,9 32,1 1,6 10,9
24 Liq 9,5 1069 102 0,3 6,5 18,7 2,7 71,8
25 Vap/liq 13,1 985 17.609 11,5 43,7 32,0 1,6 11,2
26 Vap 13,1 986 13.236 14,9 51,7 29,5 0,9 3,0
27 Liq 13,1 986 4.370 1,0 19,6 39,8 3,3 36,3
28 Liq 14,2 2462 4.370 1,0 19,6 39,8 3,3 36,3
29 Vap 66,2 2462 13.236 14,9 51,7 29,5 0,9 3,0
30 Vap/liq 47,7 2462 17.609 11,5 43,9 32,1 1,6 10,9
32 Liq -48,0 2345 17.609 11,5 43,9 32,1 1,6 10,9
33 Vap/liq -64,2 365 17.609 11,5 43,9 32,1 1,6 10,9
40 Vap/Liq -48,0 2345 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
41 Liq -93,4 2138 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
42 Vap/liq -111,2 386 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
43 Vap/liq -47,8 365 50.894 33.3 48,3 2,1 2,9 13,4
44 Vap/liq 9,1 345 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
45 Vap 9,1 345 50.486 33,6 48,7 2,1 2,8 12,8
TABLA (continuación)
Temperatura Presión Caudal Composición
Corriente Fase ºC kPa KgMol/h C_{1} C_{2} C_{3} C_{4} C_{5}
Mol% Mol% Mol% Mol% Mol%
46 Liq 9,1 345 441 0,7 7,0 1,2 5,1 85,8
47 Vap 86,1 1379 50.486 33,6 48,7 2,1 2,8 12,8
48 Liq 9,7 1379 441 0,7 7,0 1,2 5,1 85,8
49 Vap/liq 82,1 1379 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
50 Vap 13,1 1331 42.108 39,5 53,0 1,9 1,8 3,8
51 Liq 13,1 1331 8.800 3,5 25,5 3,2 8,3 59,5
52 Vap/liq 36,6 2462 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
53 Vap/liq 13,1 2414 50.894 33,3 48,3 2,1 2,9 13,4
89 Vap/liq 7,0 5400 48.036 93,5 3,9 0,3 0,7 1,6
90 Vap/liq -48,0 5365 48.036 93,5 3,9 0,3 0,7 1,6

Claims (6)

1. Un proceso para licuar una corriente de gas natural para producir producto liquido a presión que tiene una temperatura superior a -112ºC y una presión suficiente para que el producto líquido esté a, o por debajo de, su punto de burbujeo, usando dos refrigerantes de múltiples componentes en ciclo cerrado, en donde un refrigerante de alto nivel enfría a un refrigerante de bajo nivel y el refrigerante de bajo nivel enfría y licúa al gas natural, que comprende los pasos de:
(a)
enfriar y licuar una corriente de gas natural por intercambio de calor con un refrigerante de bajo nivel de múltiples componentes en un primer ciclo de refrigeración cerrado,
(b)
calentar el refrigerante de bajo nivel por intercambio de calor en relación de contracorriente con otra corriente del refrigerante de bajo nivel y por intercambio de calor contra una corriente del refrigerante de alto nivel;
(c)
comprimir dicho refrigerante de bajo nivel calentado del paso (b) a una presión elevada, y efectuar su post-enfriamiento contra un fluido de enfriamiento externo;
(d)
enfriar más dicho refrigerante de bajo nivel por intercambio de calor contra una segunda corriente del refrigerante de alto nivel de múltiples componentes y contra el refrigerante de bajo nivel del paso (b), siendo calentado dicho refrigerante de alto nivel durante el intercambio de calor; y
(e)
comprimir dicho refrigerante de alto nivel del paso (d) a una presión elevada y someterlo a post-enfriamiento contra un fluido de enfriamiento externo.
2. El proceso según la Reivindicación 1, en el que el intercambio de calor indirecto del paso (a) consiste en una etapa.
3. El proceso según la Reivindicación 1, en el que el refrigerante de bajo nivel de múltiples componentes comprende metano, etano, butano y pentano.
4. El proceso según la Reivindicación 1, en el que el refrigerante de alto nivel de múltiples componentes comprende butano y pentano.
5. Un proceso para licuar una corriente de gas rico en metano para producir un producto líquido bajo presión que tiene una temperatura superior a -112ºC y una presión suficiente para que el producto líquido esté a, o por debajo de, su punto de burbujeo, usando dos ciclos cerrados de refrigeración de múltiples componentes, comprendiendo cada refrigerante en dichos ciclos de refrigeración constituyentes de diversas volatilidades, que comprende:
(a)
licuar la corriente de gas rico en metano en un primer intercambiador de calor contra un primer refrigerante de múltiples componentes que circula en un primer ciclo de refrigeración;
(b)
comprimir el primer refrigerante de múltiples componentes en una pluralidad de etapas de compresión y enfriar el primer refrigerante de múltiples componentes comprimido en una o más etapas contra un fluido de enfriamiento externo;
(c)
enfriar el primer refrigerante de múltiples componentes enfriado comprimido, contra un segundo refrigerante de múltiples componentes en un segundo intercambiador de calor hasta licuar al menos parcialmente al primer refrigerante de múltiples componentes comprimido antes de licuar el gas rico en metano en el primer intercambiador de calor; y
(d)
comprimir el segundo refrigerante de múltiples componentes en una pluralidad de etapas de compresión, y enfriar el segundo refrigerante de múltiples componentes en una o más etapas contra un fluido de enfriamiento externo, intercambiando calor el segundo refrigerante de múltiples componentes enfriado, comprimido, en el segundo intercambiador de calor, para producir un segundo refrigerante de múltiples componentes al menos parcialmente líquido, expandiendo el segundo refrigerante de múltiples componentes al menos parcialmente líquido enfriado para producir un refrigerante de baja temperatura y hacer pasar el refrigerante de baja temperatura en intercambio de calor a contracorriente con el primer refrigerante de múltiples componentes enfriado comprimido para licuar al menos parcialmente al primer refrigerante de múltiples componentes y para vaporizar al menos parcialmente al segundo refrigerante de múltiples componentes, y reciclar el segundo refrigerante de múltiples componentes a la primera etapa de compresión.
6. Un proceso para la licuefacción de un gas rico en metano para producir un producto líquido a presión que tiene una temperatura superior a aproximadamente -112ºC, que comprende los pasos de:
(a)
enfriar y licuar el gas en un primer intercambiador de calor por intercambio de calor contra un primer refrigerante de múltiples componentes de un primer ciclo cerrado de refrigeración;
\newpage
(b)
enfriar dicho refrigerante de múltiples componentes en un segundo intercambiador de calor contra un segundo refrigerante de múltiples componentes en un segundo ciclo cerrado de refrigeración;
(c)
comprendiendo dicho primer ciclo de refrigeración:
poner bajo presión y enfriar al primer refrigerante enfriado del paso (b) en al menos una etapa de compresión y enfriamiento, que comprende separar las fases del primer refrigerante calentado en una fase de vapor y una fase líquida, poner bajo presión por separado la fase de vapor y la fase líquida, combinar la fase líquida a presión y la fase de vapor a presión, y post-enfriar las fases combinadas contra un fluido de enfriamiento externo;
hacer pasar el primer refrigerante a presión a través del segundo intercambiador de calor para enfriar al primer refrigerante contra el segundo refrigerante;
hacer pasar el primer refrigerante a presión a través del primer intercambiador de calor; expandir el primer refrigerante a presión para convertir el primer refrigerante en un refrigerante mezclado a una temperatura más baja y hacer pasar el primer refrigerante expandido a través del primer intercambiador de calor en relación de contracorriente consigo mismo antes de la expansión y con gas rico en metano, calentando con ello al primer refrigerante expandido y produciendo un líquido bajo presión que tiene una temperatura superior a aproximadamente -112ºC, y reciclar el primer refrigerante expandido, calentado, al segundo intercambiador de calor; y
(d)
comprendiendo dicho segundo ciclo de refrigeración:
poner bajo presión y enfriar al segundo refrigerante calentado en al menos una etapa de compresión y enfriamiento, la cual comprende separar en fases el segundo refrigerante calentado en una fase de vapor y una fase líquida, poner bajo presión por separado la fase de vapor y la fase líquida, combinar la fase líquida bajo presión y la fase de vapor bajo presión, y post-enfriar las fases combinadas contra un fluido de enfriamiento externo;
hacer pasar el segundo refrigerante puesto bajo presión a través del segundo intercambiador de calor para enfriar al primer refrigerante contra el segundo refrigerante;
expandir el segundo refrigerante puesto bajo presión a una temperatura más baja, y hacer pasar al segundo refrigerante expandido a través del segundo intercambiador de calor en relación de contracorriente consigo mismo antes de la expansión y con el primer refrigerante, calentando con ello al segundo refrigerante expandido.
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