ES2234496T3 - Procedimiento de licuefacion de gas por condensacion parcial de un refrigerante mezclado a temperaturas intermedias. - Google Patents

Procedimiento de licuefacion de gas por condensacion parcial de un refrigerante mezclado a temperaturas intermedias.

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ES2234496T3
ES2234496T3 ES00121362T ES00121362T ES2234496T3 ES 2234496 T3 ES2234496 T3 ES 2234496T3 ES 00121362 T ES00121362 T ES 00121362T ES 00121362 T ES00121362 T ES 00121362T ES 2234496 T3 ES2234496 T3 ES 2234496T3
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Abstract

Un método para licuación de gas que incluye enfriar un gas de alimentación (118) en una zona de intercambio térmico (220) por intercambio térmico indirecto con corrientes de refrigerante mezclado vaporizante (224, 227, 230) para producir un producto licuado (232) y una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (138), donde se obtienen tres o cuatro corrientes de refrigerante mezclado vaporizante usadas para enfriar el gas de alimentación (118): (a)comprimiendo (234) una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233) para proporcionar una corriente de refrigerante comprimido (235); (b)enfriando la corriente de refrigerante comprimido (235) para proporcionar una primera corriente de refrigerante parcialmente condensado; (c)separando (240) la corriente de refrigerante parcialmente condensado para producir una primera corriente de refrigerante vapor (242) y una primera corriente de refrigerante líquido (244, 262); (d)enfriando y condensando parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) para producir una segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), y separando (272) la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260) para proporcionar una segunda corriente de refrigerante vapor (270) y una segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274); (e)alimentando la primera corriente de refrigerante líquido.

Description

Procedimiento de licuefacción de gas por condensación parcial de un refrigerante mezclado a temperaturas intermedias.
Antecedentes de la invención
La licuación de gas natural en lugares remotos, el transporte del gas natural licuado (GNL) a centros de población, y el almacenamiento y la vaporización de GNL para consumo local se han realizado con éxito durante muchos años en todo el mundo. Los lugares de producción de GNL están situados típicamente en lugares remotos que tienen facilidades de atraque para grandes buques de transporte de GNL que transportan el GNL a los usuarios finales.
Se han desarrollado numerosos ciclos de proceso para producción de GNL para cumplir los grandes requisitos de refrigeración necesarios para la licuación. Tales ciclos utilizan típicamente combinaciones de sistemas de refrigeración de componente único que usan propano o refrigerantes de sólo clorofluorocarbonos que operan en combinación con uno o varios sistemas de refrigerante mezclado (MR). Los refrigerantes mezclados conocidos incluyen típicamente hidrocarbonos ligeros y opcionalmente nitrógeno, y utilizan composiciones adaptadas a los niveles de temperatura y presión de pasos específicos de proceso. También se han utilizado ciclos dobles de refrigerante mezclado en los que el primer refrigerante mezclado realiza enfriamiento inicial a temperaturas más calientes y el segundo refrigerante realiza enfriamiento adicional a temperaturas más frías.
La Patente de Estados Unidos 3.763.658 describe un sistema de producción de GNL que emplea un primer circuito de refrigeración por propano que preenfría un segundo circuito de refrigeración de componente mezclado. Después de la etapa final de preenfriamiento por el primer circuito de refrigeración, el refrigerante mezclado del segundo circuito de refrigeración se separa en corrientes de líquido y vapor. La corriente de líquido resultante es subenfriada a una temperatura intermedia, inflamada a través de una válvula de restricción, y vaporizada para obtener refrigeración. La corriente de vapor resultante se licua, subenfría a una temperatura más baja que la temperatura intermedia, inflamada a través de una válvula de restricción, y vaporiza para realizar refrigeración y enfriamiento final de la alimentación.
Un sistema alternativo de producción de GNL, descrito en la Patente de Estados Unidos 4.065.278, usa un primer circuito de refrigeración por propano para preenfriar un segundo circuito de refrigeración de componente mezclado. Después de la etapa final de preenfriamiento por el primer circuito de refrigeración, el refrigerante mezclado del segundo circuito de refrigeración se separa en corrientes de líquido y vapor. La corriente de líquido resultante es subenfriada a una temperatura intermedia, inflamada usando una válvula y vaporizada para realizar refrigeración. La corriente de vapor resultante se licua, subenfría a una temperatura inferior a la temperatura intermedia, inflama a través de una válvula de restricción, y vaporiza para realizar refrigeración y enfriamiento final de la alimentación. Este proceso difiere de la Patente de Estados Unidos 3.763.658 antes citada en que la destilación de la alimentación para extracción de componentes pesados se produce a una temperatura menor que la proporcionada por el primer circuito de refrigeración, y una presión sustancialmente menor que la presión de alimentación.
La Patente de Estados Unidos 4.404.008 describe un sistema de producción de GNL que emplea un primer circuito de refrigeración por propano para preenfriar un segundo circuito de refrigeración de componente mezclado. Después de la etapa final de preenfriamiento por el primer circuito de refrigeración, el refrigerante mezclado del segundo circuito de refrigeración se separa en corrientes de líquido y vapor. La corriente de líquido resultante se subenfría a una temperatura intermedia, inflama usando una válvula y vaporiza para realizar refrigeración. La corriente de vapor resultante se licua, subenfría a una temperatura menor que la temperatura intermedia de la corriente de líquido, inflama a través de una válvula de restricción, y vaporiza para realizar refrigeración y enfriamiento final de la alimentación. Esta técnica anterior difiere de la Patente de Estados Unidos 3.763.658 en que el enfriamiento y la condensación parcial del refrigerante mezclado del segundo circuito de refrigeración se producen entre etapas de compresión. El líquido resultante se recombina después con la corriente de vapor resultante a una temperatura más caliente que la temperatura más baja del primer circuito de refrigeración, y la corriente de refrigerante mezclado combinado se enfría posteriormente más por el primer circuito de refrigeración.
Un sistema alternativo de producción de GNL se describe en la Patente de Estados Unidos 4.274.849, sistema que emplea un primer circuito de refrigeración de componente mezclado para preenfriar un segundo circuito de refrigeración de componente mezclado. Después de la etapa final de preenfriamiento por el primer circuito de refrigeración, el refrigerante mezclado del segundo circuito de refrigeración se separa en corrientes de líquido y vapor. La corriente de líquido resultante es subenfriada a una temperatura intermedia, inflamada a través de una válvula de restricción, y vaporizada para realizar refrigeración. La corriente de vapor resultante se licua, subenfría a una temperatura menor que la temperatura intermedia del líquido, inflama a través de una válvula de restricción, y vaporiza para realizar refrigeración y enfriamiento final de la alimentación. En la figura 7 de esta referencia, el vapor resultante de la separación del segundo refrigerante después de preenfriamiento se enfría más a una temperatura menor que la proporcionada por el primer circuito de refrigeración y se separa en corrientes de líquido y vapor.
La Patente de Estados Unidos 4.539.028 describe un sistema de producción de GNL que emplea un primer circuito de refrigeración de componente mezclado para preenfriar un segundo circuito de refrigeración de componente mezclado. Después de la etapa final de preenfriamiento por el primer circuito de refrigeración, el refrigerante mezclado del segundo circuito de refrigeración se separa en corrientes de líquido y vapor. La corriente de líquido resultante se subenfría a una temperatura intermedia, inflama a través de una válvula de restricción, y vaporiza para proporcionar refrigeración. La corriente de vapor resultante se licua, subenfría a una temperatura inferior a la temperatura intermedia, inflama a través de una válvula de restricción, y vaporiza para proporcionar refrigeración y enfriamiento final de la alimentación. Esta patente difiere de la Patente de Estados Unidos 4.274.849 descrita anteriormente por el hecho de que el segundo refrigerante se vaporiza a dos presiones diferentes para realizar refrigeración.
US-A-4 504 296 describe un proceso y un sistema para licuar gas natural con dos ciclos cerrados de refrigerante multicomponente en los que el primer refrigerante incluye una mezcla binaria de propano y butano en un ciclo de refrigeración por inflamación y el segundo refrigerante incluye un accesorio de nitrógeno, metano, etano, propano y butano en un ciclo de refrigeración por subenfriamiento. Específicamente, el gas natural como el gas de alimentación se enfría en intercambio térmico (12) por intercambio térmico indirecto con dos corrientes de refrigerante vaporizante.
US-A-5 943 881 describe un proceso para licuar gas natural en el que una mezcla de refrigeración se comprime en la penúltima etapa de una pluralidad de etapas de una unidad de compresión, la mezcla es condensada parcialmente para enfriarla sustancialmente a temperatura ambiente, separándose una mezcla condensada para obtener una fracción vapor y una fracción líquido. Dos corrientes de refrigerante entran en la unidad de intercambio térmico en dos puntos de entrada, realizándose opcionalmente la separación de fase adicional de una de estas corrientes en corrientes de refrigerante sacadas del termointercambiador.
WO 00/36350 describe un proceso para licuar gas natural usando dos refrigerantes mezclados en dos ciclos cerrados, un refrigerante de nivel bajo para enfriar y licuar el gas natural y un refrigerante alto para enfriar el refrigerante de nivel bajo. En cualquier caso, la separación de fase de la corriente de refrigerante se realiza para proporcionar una o dos corrientes de refrigerante que entran en el termointercambiador respectivo.
GB-A-1 435 773 describe un proceso de licuación de gas que usa dos sistemas de refrigeración recirculantes y cuatro termointercambiadores para enfriar y condensar el gas de alimentación. En un sistema de refrigeración primero o frío, se comprime y enfría un refrigerante mezclado para producir un refrigerante supercalentado comprimido que se enfría en el primer termointercambiador con el gas de alimentación, y el refrigerante comprimido se condensa parcialmente en él. El refrigerante parcialmente condensado se separa en fracciones líquido y vapor, las fracciones se enfrían con la alimentación en un segundo termointercambiador, y los líquidos enfriados se expanden a una primera presión y calientan para realizar refrigeración en los termointercambiadores primero y segundo. La fracción vapor se enfría y condensa con la alimentación en los termointercambiadores tercero y cuarto. La fracción condensada se expande a una segunda presión y se calienta para realizar refrigeración en los cuatro termointercambiadores. El refrigerante calentado se comprime en un compresor de dos etapas.
US-A-3 780 535 describe un proceso de licuación de gas en el que la refrigeración se suministra por un sistema de refrigeración que vaporiza refrigerantes a dos niveles de presión en cuatro zonas de intercambio térmico que operan a temperaturas sucesivamente inferiores. La zona primera o más caliente se enfría vaporizando parcialmente un líquido refrigerante obtenido condensando parcialmente y separando el refrigerante comprimido procedente de un compresor bietápico de refrigerante. El refrigerante parcialmente vaporizado de la primera zona de intercambio térmico es separado después en una fracción vapor y una fracción líquido. La fracción vapor es introducida en la segunda etapa del compresor, y la fracción líquido se enfría, se reduce su presión, y vaporiza totalmente para realizar refrigeración en la segunda zona de intercambio térmico. El vapor (6) se hace volver a la primera etapa del compresor (2). La fracción vapor de la primera separación se enfría en los termointercambiadores primero y segundo, condensa parcialmente, y separa para proporcionar refrigerantes a las zonas tercera y cuarta de intercambio térmico.
El estado de la técnica antes definido describe la vaporización de corrientes de refrigerante mezclado subenfriado para realizar refrigeración para licuación de gas natural donde el subenfriamiento lo realiza una porción de la refrigeración generada inflamando y vaporizando las corrientes de refrigerante mezclado subenfriado. La refrigeración para enfriar las corrientes de refrigerante mezclado y la alimentación de gas natural la realiza la vaporización de corrientes de refrigerante mezclado en una zona principal de intercambio térmico. El enfriamiento del vapor de refrigerante mezclado durante y/o después de la compresión se realiza con un refrigerante separado, tal como propano.
Una mejor eficiencia de los procesos de licuación de gas es altamente deseable y es el principal objeto de los nuevos ciclos que se están desarrollando en la técnica de licuación de gas. El objetivo de la presente invención, como se describe a continuación y se define en las reivindicaciones siguientes, es mejorar la eficiencia de licuación previendo una corriente adicional de refrigerante vaporizante en la zona principal de intercambio térmico. Se describen varias realizaciones para la aplicación de este paso de refrigeración mejorado que mejoran la eficiencia de la licuación.
Breve resumen de la invención
La presente invención se refiere a un método para licuación de gas que incluye enfriar un gas de alimentación (118) en una zona de intercambio térmico (220) por intercambio térmico indirecto con corrientes de refrigerante mezclado vaporizante (224, 227, 230) para producir un producto licuado (232) y una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (138), donde se obtienen tres o cuatro corrientes de refrigerante mezclado vaporizante usadas para enfriar el gas de alimentación (118):
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(a)
comprimiendo (234) una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233) para proporcionar una corriente de refrigerante comprimido (235);
(b)
enfriando la corriente de refrigerante comprimido (235) para proporcionar una primera corriente de refrigerante parcialmente condensado;
(c)
separando (240) la corriente de refrigerante parcialmente condensado para producir una primera corriente de refrigerante vapor (242) y una primera corriente de refrigerante líquido (244, 262);
(d)
enfriando y condensando parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) para producir una segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), y separando (272) la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260) para proporcionar una segunda corriente de refrigerante vapor (270) y una segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274);
(e)
alimentando la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) para que entre en el extremo caliente de la zona de intercambio térmico (220) donde la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) se enfrían por intercambio térmico indirecto con refrigerante mezclado vaporizante en la zona de intercambio térmico (220) para proporcionar refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente; y
(f)
reduciendo la presión (276, 280, 284) de los refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente, para producir refrigerantes vaporizantes primero (222), segundo (226) y tercero (230, 231), respectivamente, en las regiones inferior, media y superior, respectivamente, de la zona de intercambio térmico (220), proporcionando por ello las múltiples corrientes de refrigerante vaporizante para enfriar el gas de alimentación (118) mediante tres rangos de temperatura en la zona de intercambio térmico (220); y
(g)
retirando una corriente combinada de refrigerante mezclado vaporizado de la parte inferior de la zona de intercambio térmico (220) para proporcionar la corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233).
Preferiblemente, el gas de alimentación (118) incluye metano obtenido quitando (102) gases ácidos y otros contaminantes de gas natural (100) para proporcionar un gas natural purificado (104) y quitando hidrocarbonos más pesados que el metano del gas natural purificado (104).
Preferiblemente, el gas natural purificado (104) se enfría por intercambio térmico indirecto con dos o más etapas de refrigeración de propano (106, 108) para obtener un gas natural purificado enfriado (112) y los hidrocarbonos más pesados que el metano se quitan del gas natural purificado enfriado (112) en una columna de lavado (110) para proporcionar el gas de alimentación (118).
Preferiblemente, una corriente de cabeza (716) se retira de la columna de lavado (710), la corriente de cabeza (716) se enfría en la zona de intercambio térmico (220, 720), una corriente de cabeza enfriada y parcialmente condensada (722) se hace volver a un separador de columna de lavado (724), una corriente de líquido se retira del separador de columna de lavado (724) y hace volver a la parte superior de la columna de lavado (710), y se retira una corriente de vapor del separador de columna de lavado (724) para proporcionar el gas de alimentación (716).
Preferiblemente, el enfriamiento de la corriente de refrigerante comprimido (235) en (b) se realiza en parte enfriando contra un disipador térmico ambiente (236) y en parte por una etapa de intercambio térmico indirecto (238) con un refrigerante de propano.
Preferiblemente, el enfriamiento de la corriente de refrigerante comprimido (235) en (b) se realiza en parte por tres etapas de intercambio térmico indirecto (300, 302, 304) con refrigerante de propano.
Preferiblemente, el enfriamiento y la condensación parcial de la primera corriente de refrigerante vapor (242) en (d) se realiza en parte por intercambio térmico indirecto con refrigerante de propano en dos etapas (246, 248) o tres etapas (246, 248, 402).
Preferiblemente, la primera corriente de refrigerante líquido (244) se enfría por intercambio térmico indirecto con refrigerante de propano en dos etapas (250, 252) o tres etapas (250, 252, 403).
Preferiblemente, el método incluye además condensar parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) para obtener una corriente parcialmente condensada, separar (900) la corriente parcialmente condensada para producir una corriente intermedia de líquido (901) y una corriente de vapor, donde la corriente de vapor se enfría y condensa parcialmente para proporcionar la corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), enfriar la corriente intermedia de líquido (901) en la zona de intercambio térmico (920) para proporcionar una corriente intermedia de líquido enfriado, y reducir la presión (903) de la corriente intermedia de líquido enfriado para proporcionar un cuarto refrigerante vaporizante en la zona de intercambio térmico (920).
En una realización alternativa del método
(i)
la primera corriente de refrigerante líquido (262; 1162) se enfría, se reduce su presión, y vaporiza en el primer termointercambiador (1100) a una primera presión para proporcionar un primer refrigerante vaporizado (222; 1106) que se hace volver a una posición entre etapas del compresor (1136); y
(ii)
la segunda corriente de refrigerante vapor (270; 1170) y la segunda corriente de refrigerante líquido (268; 1168) se enfrían en el primer termointercambiador (1100) y el segundo termointercambiador (1102) para obtener refrigerantes líquidos segundo (282) y tercero (286), y donde se reduce la presión de los refrigerantes líquidos segundo (282) y tercero (286) y vaporiza a una segunda presión en el segundo termointercambiador (1102) para producir un segundo refrigerante vaporizado (1104) que se hace volver a la entrada del compresor (1136).
En una realización alternativa del método
(i)
el enfriamiento de la corriente de refrigerante comprimido (235, 1214) en (b) se efectúa en un termointercambiador adicional (1200) por intercambio térmico indirecto con un refrigerante mezclado adicional producido por un sistema de refrigerante mezclado recirculante (1210, 1204, 1202, 1212, 1206, 1208) para proporcionar la primera corriente de refrigerante parcialmente condensado; y
(ii)
la primera corriente de refrigerante parcialmente condensado se separa (1288) para producir una primera corriente de líquido (244; 1244) que se enfría más en el termointercambiador adicional (1200) para proporcionar la primera corriente de refrigerante líquido (202; 1162) y una primera corriente de vapor (242) que se enfría más en el termointercambiador adicional (1200) para proporcionar la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260; 1260).
La presente invención también se refiere a un aparato para licuación de gas que incluye una zona de intercambio térmico (220) para enfriar un gas de alimentación (118) por intercambio térmico indirecto con corrientes de refrigerante mezclado vaporizante (224, 227, 230) para producir un producto licuado (232) y una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (138), y unos medios para suministrar tres o cuatro corrientes de refrigerante mezclado vaporizante a la zona de intercambio térmico incluyendo:
(a)
un compresor para comprimir (234) una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233) alimentada mediante un conducto (233) desde la zona de intercambio térmico (220) para proporcionar una corriente de refrigerante comprimido (235);
(b)
unos medios (236, 238) para enfriar la corriente de refrigerante comprimido (235) alimentada mediante un conducto de compresor (234) para proporcionar una primera corriente de refrigerante parcialmente condensado;
(c)
un separador (240) para separar la corriente de refrigerante parcialmente condensado alimentada mediante un conducto desde medios de enfriamiento (235) para producir una primera corriente de refrigerante vapor (242) y una primera corriente de refrigerante líquido (244, 262);
(d)
unos medios para enfriar y condensar parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) alimentada mediante un conducto de separador (240) para producir una segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), y medios para separar (272) la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260) para obtener una segunda corriente de refrigerante vapor (270) y una segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274);
(e)
conductos para alimentar la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) al extremo caliente de la zona de intercambio térmico (220) donde la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) se enfrían por intercambio térmico indirecto con refrigerante mezclado vaporizado en la zona de intercambio térmico (220) para obtener refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente; y
(f)
medios para reducir la presión (276, 280, 284) de los refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente, para producir refrigerantes vaporizantes primero (222), segundo (226) y tercero (230, 231), respectivamente, en las regiones inferior, media y superior, respectivamente, de la zona de intercambio térmico (220), obteniendo por ello las múltiples corrientes de refrigerante vaporizante para enfriar el gas de alimentación (118) mediante tres rangos de temperatura en la zona de intercambio térmico (220); y
(g)
medios para sacar una corriente combinada de refrigerante mezclado vaporizado de la parte inferior de la zona de intercambio térmico (220) para obtener la corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233).
Breve descripción de las varias vistas de los dibujos
La figura 1 es un diagrama esquemático de flujo de un proceso de licuación representativo de la técnica anterior.
La figura 2 es un diagrama esquemático de flujo de una realización de la presente invención en la que el refrigerante mezclado comprimido se condensa parcialmente a una temperatura intermedia después del enfriamiento en una etapa de intercambio térmico con un segundo refrigerante.
La figura 3 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que refrigerante mezclado comprimido se condensa parcialmente a una temperatura intermedia después del enfriamiento en tres etapas de intercambio térmico con un segundo refrigerante y a una presión intermedia inferior a la presión final del vapor de refrigerante mezclado comprimido.
La figura 4 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que corrientes vapor y líquido de refrigerante mezclado intermedio se enfrían más en tres etapas de intercambio térmico con un segundo refrigerante.
La figura 5 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que el refrigerante mezclado comprimido se condensa parcialmente a una temperatura intermedia después del enfriamiento en dos etapas de intercambio térmico con un segundo refrigerante.
La figura 6 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que las corrientes vapor y líquido de refrigerante mezclado intermedio se enfrían más en cuatro etapas de intercambio térmico con un segundo refrigerante.
La figura 7 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que el gas de alimentación se preenfría en tres etapas de intercambio térmico con un segundo refrigerante.
La figura 8 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención que utiliza dos etapas de condensación parcial del refrigerante mezclado comprimido para producir una corriente de refrigerante líquido mezclado combinado.
La figura 9 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención que utiliza dos etapas de condensación parcial del refrigerante mezclado comprimido para proporcionar dos refrigerantes líquidos subenfriados a la zona principal de intercambio térmico.
La figura 10 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que el refrigerante mezclado se vaporiza a dos presiones diferentes en la zona principal de intercambio térmico.
La figura 11 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que el preenfriamiento lo realiza un circuito de refrigerante mezclado.
La figura 12 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención en la que el preenfriamiento lo realiza un circuito de refrigerante mezclado con dos niveles de presión de refrigerante.
La figura 13 es un diagrama esquemático de flujo de otra realización de la presente invención que utiliza una sola etapa de condensación parcial de refrigerante mezclado.
Descripción detallada de la invención
La presente invención proporciona un proceso eficiente para la licuación de una corriente de gas, y es aplicable en especial a la licuación de gas natural. La invención utiliza un sistema de refrigerante mezclado en el que el refrigerante mezclado, después de la compresión, es preenfriado por un segundo sistema refrigerante, y se deriva al menos una corriente de líquido de la condensación parcial y separación del refrigerante mezclado comprimido. Cuando el paso de condensación parcial se efectúa a una presión inferior a la presión final más alta del refrigerante mezclado comprimido, la condensación se realiza a una temperatura igual o superior a la temperatura más baja proporcionada por el segundo sistema refrigerante. Cuando la condensación parcial se efectúa a una presión esencialmente igual a la presión final más alta del refrigerante mezclado comprimido, la condensación se realiza a una temperatura superior a la temperatura más baja proporcionada por el segundo sistema refrigerante.
El refrigerante mezclado es una mezcla fluida multicomponente conteniendo típicamente uno o varios hidrocarbonos seleccionados a partir de metano, etano, propano, y otros hidrocarbonos ligeros, y también puede contener nitrógeno.
El sistema de preenfriamiento enfría en general el refrigerante mezclado a temperaturas inferiores a la ambiente. Aunque no hay limitación de la temperatura más baja lograda por el sistema de preenfriamiento en la presente invención, se ha hallado que para producción de gas natural licuado (GNL) la temperatura de preenfriamiento más baja deberá ser en general de entre aproximadamente 0ºC y aproximadamente -75ºC, y preferiblemente entre aproximadamente -20ºC y aproximadamente -45ºC. La temperatura de preenfriamiento más baja depende de la composición del gas natural y los requisitos del GNL producido. El sistema de preenfriamiento puede formar una cascada de termointercambiadores empleando cada una un refrigerante de componente único seleccionado a partir de hidrocarbonos de C_{2}-C_{5} o halocarbonos de C_{1}-C_{4}. Si se desea, el sistema de refrigeración puede emplear un refrigerante mezclado incluyendo varios hidrocarbonos. Una realización de la invención utiliza un sistema de refrigerante preenfriado de propano mezclado con líquido refrigerante mezclado derivado después de la primera etapa de enfriamiento por propano del refrigerante mezclado, dando lugar a ahorros de potencia o mayor producción con respecto a un ciclo de refrigerante mezclado preenfriado por propano estándar. Se describen varias realizaciones incluyendo la aplicación de la invención a ciclos dobles de refrigerante mezclado.
La invención puede utilizar cualquiera de una amplia variedad de dispositivos de intercambio térmico en los circuitos de refrigeración incluyendo termointercambiadores del tipo placa-aleta, bobina enrollada, calandria, y caldera, o combinaciones de tipos de termointercambiadores dependiendo de las aplicaciones específicas. La invención es aplicable a la licuación de cualquier corriente de gas adecuada, pero se describe más adelante como un proceso para la licuación de gas natural. La invención es independiente del número y disposición de los termointercambiadores utilizados en el procedimiento reivindicado.
En la presente descripción, el término "zona de intercambio término" define un termointercambiador o combinación de termointercambiadores en los que la refrigeración se realiza por una o varias corrientes de refrigerante para enfriar una o varias corrientes de proceso dentro de un rango de temperatura dado. Un termointercambiador es un recipiente que contiene cualquier dispositivo de intercambio térmico; tales dispositivos pueden incluir chapas y aletas, bobinas enrolladas, haces de tubos, y otros medios de termotransferencia conocidos. El término "zona principal de intercambio térmico" define la zona en la que se realiza refrigeración desde el segundo circuito de refrigeración recirculante en un rango de temperatura entre la segunda temperatura y la tercera temperatura para enfriar y licuar el gas de alimentación. En las realizaciones descritas a continuación, la zona de intercambio térmico principal es un termointercambiador o grupo de termointercambiadores en el que la refrigeración se realiza por la vaporización de un refrigerante mezclado recirculante para enfriar y licuar el gas de alimentación entre la segunda temperatura y la tercera temperatura.
Un proceso representativo de licuación de gas según la técnica anterior se ilustra en la figura 1. Primero se limpia y seca gas natural 100 en una sección de pretratamiento 102 para la extracción de gases ácidos tal como CO_{2} y H_{2}S junto con otros contaminantes tal como mercurio. El gas pretratado 104 entra después en intercambiador de propano de primera etapa 106 y se enfría en él a una temperatura intermedia típica de aproximadamente 8ºC. La corriente se enfría más en el intercambiador de propano de segunda etapa 108 a una temperatura típica de aproximadamente -15ºC, y la corriente más enfriada resultante 110 entra en la columna de lavado 112. En la columna de lavado, se quitan los componentes más pesados de la alimentación, típicamente pentano y más pesados, como corriente 116 de la parte inferior de la columna de lavado. El condensador de la columna de lavado es refrigerado por el intercambiador de propano 114. Los intercambiadores de propano 106, 108 y 114 emplean propano vaporizante para realizar refrigeración por intercambio térmico indirecto.
La corriente de gas natural 118, después de la extracción de componentes pesados, está a una temperatura típica de aproximadamente -35ºC. La corriente 118 se enfría más en el circuito de enfriamiento 120 en la primera zona del termointercambiador principal 122 a una temperatura típica de aproximadamente -100ºC por una corriente de refrigerante mezclado en ebullición suministrada mediante la línea 124. La corriente de gas de alimentación enfriada resultante se inflama a través de la válvula 126 y se enfría más en el circuito de enfriamiento 128 en una segunda zona del intercambiador principal 122 por la corriente de refrigerante mezclado en ebullición suministrada a través de la línea 130. La corriente licuada resultante 132 puede ser inflamada a través de la válvula 134 para producir la corriente de GNL final producido 136 a una temperatura típica de -166ºC. Si es necesario, la corriente 132 o la corriente 136 se pueden procesar más para la extracción de contaminantes residuales tales como nitrógeno.
Las corrientes de refrigerante vaporizante 124 y 130 fluyen hacia abajo a través del termointercambiador 122, y se retira de él la corriente de refrigerante vapor mezclado combinado 138. La corriente de refrigerante vapor mezclado 138 se comprime a una presión típica de 50 bar absoluto en el compresor polietápico 140, se enfría contra un disipador térmico ambiente en el intercambiador 142, y se enfría más y condensa parcialmente contra propano vaporizante en los termointercambiadores 144, 146, y 148 para producir una corriente de refrigerante mezclado bifásico 150 a una temperatura típica de -35ºC.
La corriente de refrigerante mezclado bifásico 150 se separa en el separador 152 para producir corriente de vapor 154 y corriente de líquido 156 que fluyen al termointercambiador 122. La corriente de líquido 156 es subenfriada en el circuito de enfriamiento 158 y inflamada a través de la válvula 160 para proporcionar una corriente de refrigerante vaporizante a través de la línea 124. La corriente de vapor 154 se condensa y subenfría en los circuitos de enfriamiento 162 y 164, y se inflama a través de la válvula 166 para proporcionar la corriente de refrigerante mezclado vaporizado a través de la línea 130.
Se ilustra una realización preferida de la presente invención en la figura 2. La corriente de alimentación de gas natural 118, después de la extracción de componentes pesados y el enfriamiento a aproximadamente -35ºC, se obtiene como se ha descrito anteriormente con respecto a la figura 1. La corriente 118 se enfría más en el circuito de enfriamiento 219 en la zona inferior del termointercambiador 220 a una temperatura típica de aproximadamente -100ºC por intercambio térmico indirecto con un primer refrigerante mezclado vaporizante introducido mediante las líneas 222 y 224. El termointercambiador 222 es la zona de intercambio térmico principal antes definida donde la refrigeración se realiza por una o varias corrientes de refrigerante para enfriar una corriente de proceso dentro de un rango de temperatura dado. La corriente de gas se enfría más a una temperatura típica de aproximadamente -130ºC en el circuito de enfriamiento 225 en la zona media del termointercambiador 220 por intercambio térmico indirecto con un segundo refrigerante mezclado vaporizado introducido mediante las líneas 226 y 227. Posteriormente, la corriente resultante se enfría más a una temperatura típica de aproximadamente -166ºC en el circuito de enfriamiento 228 en la zona superior del termointercambiador 220 por intercambio térmico indirecto con un tercer refrigerante mezclado vaporizado introducido mediante las líneas 230 y 231. El GNL final producido se retira como corriente 232 y envía a un depósito de almacenamiento o a procesado adicional, si es preciso.
En el proceso de la figura 2, cuando se requieren niveles muy bajos de componentes pesados en el GNL final producido, se puede hacer cualquier modificación adecuada en la columna de lavado 110. Por ejemplo, se puede usar un componente más pesado tal como butano como el líquido de lavado.
La refrigeración para enfriar y condensar la corriente de gas natural 118 desde aproximadamente -35ºC a una temperatura del GNL final producido de aproximadamente -166ºC la realiza en menos en parte un circuito de refrigerante mezclado utilizando una característica preferida de la presente invención. La corriente combinada de refrigerante mezclado vaporizado 233 se retira de la parte inferior del termointercambiador 220 y comprime en el compresor polietápico 234 a una presión típica de aproximadamente 50 bar absoluto. El refrigerante comprimido 235 se enfría después contra un disipador térmico ambiente en el intercambiador 236 a aproximadamente 30ºC. La corriente de refrigerante mezclado a alta presión enfriado inicialmente 237 se enfría más y condensa parcialmente en el intercambiador de propano de primera etapa 238 a una temperatura de aproximadamente 8ºC. La corriente parcialmente condensada fluye al separador 240 donde se separa en la corriente de vapor 242 y la corriente de líquido 244. La corriente de vapor 242 se enfría más en el intercambiador de propano 246 a una temperatura de aproximadamente -15ºC y se enfría más en el intercambiador de propano 248 a aproximadamente -35ºC. La corriente de líquido 244 se enfría más en el intercambiador de propano 250 a una temperatura de aproximadamente -15ºC y se enfría más en el intercambiador de propano 252 a aproximadamente -35ºC para proporcionar la corriente de refrigerante líquido subenfriado
262.
Después de la separación en el separador 240, una porción de la corriente de líquido 244 se puede mezclar con el vapor en cualquier punto antes, durante, o después de los pasos de enfriamiento como representan las corrientes opcionales 254, 256 y 266. La corriente de refrigerante bifásico resultante 260 se separa después en corrientes de líquido y vapor 268 y 270 en el separador 272. Opcionalmente, se puede mezclar una porción de la corriente líquida subenfriada 262 como corriente 258 con la corriente líquida saturada 268 para producir corriente de refrigerante líquido 274.
Tres corrientes de refrigerante mezclado entran en el extremo caliente del termointercambiador 220 a una temperatura típica de aproximadamente -35ºC: la corriente de líquido pesado 262, la corriente de líquido más ligero 274, y la corriente de vapor 270. La corriente 262 se subenfría más en el circuito de enfriamiento 275 a una temperatura de aproximadamente -100ºC y se reduce su presión adiabáticamente a través de una válvula de restricción Joule-Thomson 276 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto. El refrigerante a presión reducida se introduce en el intercambiador 220 a través de las líneas 222 y 224 para realizar refrigeración como se ha descrito anteriormente. Si se desea, se puede reducir la presión de la corriente de refrigerante por expansión de trabajo usando un turboexpansor o motor de expansión en lugar de la válvula de restricción 276. La corriente de refrigerante líquido 274 se subenfría en el circuito de enfriamiento 278 a una temperatura de aproximadamente -130ºC y se reduce su presión adiabáticamente a través de una válvula de restricción Joule-Thomson 280 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto. El refrigerante a presión reducida es introducido en el intercambiador 220 mediante las líneas 226 y 227 para realizar refrigeración en él como se ha descrito anteriormente. Si se desea, la presión de la corriente de refrigerante se puede reducir por expansión de trabajo usando un turboexpansor o motor de expansión en lugar de la válvula de restricción 280.
La corriente de refrigerante vapor 270 se licua y subenfría en el circuito de enfriamiento 282 a una temperatura de aproximadamente -166ºC y se reduce su presión adiabáticamente a través de una válvula de restricción Joule-Thomson 284 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto. El refrigerante a presión reducida es introducido en el intercambiador 220 mediante las líneas 230 y 231 para realizar refrigeración en él como se ha descrito anteriormente. Si se desea, se puede reducir la presión de la corriente de refrigerante por expansión de trabajo usando un turboexpansor o motor de expansión en lugar de válvula de restricción 284.
En el proceso de la figura 2, se puede combinar algunos termointercambiadores en un termointercambiador, si se desea. Por ejemplo, los termointercambiadores 246 y 250 podrían estar combinados, o los termointercambiadores 246 y 248 podrían estar combinados.
Aunque la realización preferida en la figura 2 se describe usando temperaturas típicas y presiones de varias corrientes, dichas presiones y temperaturas no tienen la finalidad de ser limitativas y pueden variar ampliamente dependiendo del diseño y las condiciones operativas. Por ejemplo, la presión del refrigerante mezclado a alta presión puede ser cualquier presión adecuada y no necesariamente 50 bar absoluto, y la presión de la corriente de refrigerante mezclado a presión baja 233 podría ser cualquier presión adecuada entre 1 bar absoluto y 25 bar absoluto. Igualmente, las temperaturas típicas indicadas anteriormente al describir el proceso pueden variar y dependerán del diseño específico y de las condiciones operativas.
Así, una característica importante de la presente invención es la generación de una corriente adicional de refrigerante líquido subenfriado 262, que se subenfría más y vaporiza para realizar refrigeración en la sección inferior del termointercambiador 220. El uso de esta corriente de refrigerante adicional da lugar a ahorros de potencia reduciendo la cantidad total de subenfriamiento requerido de las corrientes de líquido. La utilización de la corriente de refrigerante líquido 262, que contiene componentes de hidrocarbonos más pesados, proporciona una composición termodinámicamente preferida para vaporización en la parte inferior o zona caliente del termointercambiador 220. La condensación y separación de la corriente de refrigerante más pesado 262 da lugar a una concentración más alta de componentes más ligeros en la corriente de refrigerante líquido 274, que es más apropiada para realizar refrigeración en la zona media del termointercambiador 220. El uso de composiciones óptimas de corrientes de refrigerante 262 y 274 produce mejores curvas de enfriamiento y mejor eficiencia en el termointercambiador 220.
Otra realización de la invención se ilustra en la figura 3. En esta realización, los intercambiadores 300, 302 y 304 realizan tres etapas de preenfriamiento por propano entre las etapas de compresión del compresor 306. Después de la etapa final de preenfriamiento por propano, la corriente parcialmente condensada 308 se separa en la corriente de vapor 310 y la corriente de líquido 362. La corriente de vapor 310 se comprime más a la presión final alta en una etapa o etapas adicionales en el compresor 306, y opcionalmente se enfría más en el intercambiador de preenfriamiento por propano 312. La corriente de líquido 362 es subenfriada, se reduce su presión adiabáticamente a través de la válvula de restricción 376, e introducida en el termointercambiador 320 mediante la línea 322 para realizar refrigeración como se ha descrito anteriormente con referencia a la figura 2. Si se desea, la presión de la corriente 378 podría ser reducida por expansión de trabajo usando un turboexpansor o motor de expansión en lugar de la válvula de restricción 376.
Otra realización de la invención se ilustra en la figura 4. En esta realización, se emplean cuatro etapas de preenfriamiento por propano para el preenfriamiento y pretratamiento de la alimentación, representadas como termointercambiadores de alimentación 106, 108, 114 antes descritos, y el intercambiador adicional 401, respectivamente. También se utiliza refrigeración adicional por propano para enfriar el circuito de refrigerante mezclado, donde los intercambiadores 402 y 403 se utilizan con los intercambiadores 246, 248, 250 y 252 antes descritos. Los intercambiadores adicionales añaden cierta complicación, pero mejoran la eficiencia del proceso de licuación.
Otra realización de la invención se ilustra en la figura 5 donde el primer separador 540 está situado después de la segunda etapa de preenfriamiento por propano 500 en vez de después de la primera etapa de preenfriamiento por propano como en la realización de la figura 2. La figura 6 muestra otra realización opcional donde el primer separador 640 está situado inmediatamente después del enfriador ambiente 164 en vez de después de la primera etapa de preenfriamiento por propano en la realización de la figura 2. En la realización de la figura 6, todo el enfriamiento por propano se realiza después del separador 640.
La figura 7 ilustra otra realización de la invención en la que todas las etapas de preenfriamiento de la alimentación se producen en los intercambiadores de propano 706, 708, y 714 antes de la columna de lavado 710. La refrigeración para el condensador de cabeza de la columna de lavado se realiza enfriando la corriente de cabeza 716 en el circuito de enfriamiento 718 en la zona más caliente del termointercambiador 720. La corriente de cabeza enfriada y parcialmente condensada 722 vuelve al separador de columna de lavado 724. Esta realización es útil cuando se requieren niveles muy bajos de componentes pesados en el producto de GNL final.
Se ilustra otra realización en la figura 8 donde se genera una corriente de refrigerante líquido mezclado adicional 802 antes de la etapa final de preenfriamiento por propano por medio del separador adicional 801. Toda o una porción de la corriente adicional de líquido 802 se puede mezclar con el primer líquido generado después del subenfriamiento a la misma temperatura, y opcionalmente una porción como la corriente 803 se puede combinar con el vapor del separador 801.
La figura 9 ilustra otra realización de la invención en la que se genera una segunda corriente adicional de líquido 901 antes de la etapa final de propano por medio del separador adicional 900. En esta realización, la segunda corriente adicional de líquido 901 generada no se mezcla con el primer líquido generado como sucedía en la realización anterior de la figura 8, sino que, en cambio, se subenfría e introduce en el intercambiador 920 como una alimentación líquida que es subenfriada y expandida mediante la válvula de restricción 903. El uso de este líquido adicional requiere el termointercambiador adicional 902 como se representa en la figura 9. Esta realización difiere de otras realizaciones en que se puede usar termointercambiadores de aluminio cobresoldado en la zona principal de intercambio térmico 920 como se representa en la figura 9, en vez de los termointercambiadores de bobina enrollada ampliamente utilizados en los procesos de licuación de gas. Sin embargo, se puede usar cualquier tipo adecuado de termointercambiador para cualquier realización de la presente invención.
La figura 10 describe otra característica de la invención donde las corrientes de refrigerante mezclado son vaporizadas a dos presiones diferentes. Las corrientes 1168 y 1170 son licuadas, subenfriadas, se reduce su presión, y vaporizadas a una presión baja en el intercambiador 1102. La corriente de refrigerante mezclado vaporizado 1104 se puede alimentar fría directamente al compresor 1136, o se puede calentar en el intercambiador 1100 antes de alimentarla al compresor 1136. La corriente de refrigerante líquido 1162 es subenfriada más, se reduce su presión a una presión superior a la presión en el intercambiador 1102, vaporizada en el intercambiador 1100, y devuelta como corriente 1106 al compresor 1136 entre etapas de compresión como se representa.
El refrigerante mezclado utilizado para licuación de gas puede ser preenfriado por otro refrigerante mezclado en vez de por propano como se ha descrito anteriormente. En esta realización, como se representa en la figura 11, la corriente de refrigerante líquido 1202 se obtiene a partir de la condensación parcial de un refrigerante mezclado preenfriado entre las etapas de compresión en el compresor 1204. Este líquido es subenfriado después en el intercambiador 1200, se saca en una posición intermedia, inflamado a través de la válvula de restricción 1206, y vaporizado para realizar la refrigeración en la zona caliente del termointercambiador 1200. El vapor 1210 procedente del intercambiador 1200 se comprime en el compresor 1204, enfría contra un disipador térmico a temperatura ambiente, e introduce en el intercambiador 1200 como corriente 1212. La corriente 1212 se enfría y subenfría en el intercambiador 1200, retira en el extremo frío de 1200, inflama a través de la válvula de restricción 1208, y vaporiza para realizar la refrigeración en la zona fría del intercambiador 1200.
La corriente de refrigerante mezclado comprimido 1214 se enfría y condensa parcialmente en la porción inferior del termointercambiador 1200, y después se separa en el separador 1288. La corriente de líquido resultante 1244 se subenfría después en el extremo superior del intercambiador 1200, la corriente subenfriada resultante 1162 se subenfría más en la sección inferior del intercambiador 1220, se reduce su presión adiabáticamente a través de la válvula de restricción 1276, introduce mediante la línea 1222 en el intercambiador 1220, y vaporiza para realizar refrigeración en él. El vapor del separador 1288 se enfría en la sección superior del intercambiador 1200 para obtener una corriente de refrigerante bifásica 1260, que se separa en el separador 1262 y se utiliza en el intercambiador 1220 como se ha descrito anteriormente.
La figura 12 ilustra una modificación de la realización de la figura 11 donde el refrigerante mezclado preenfriado se vaporiza a dos presiones diferentes en los intercambiadores 1300 y 1302. La primera separación del refrigerante frío mezclado en el separador 1388 se produce después del enfriamiento en el intercambiador de preenfriamiento 1300. La corriente de líquido resultante 1344 se subenfría después antes de reducir su presión adiabáticamente a través de la válvula de restricción 1376 e introduce en el intercambiador 1320 como corriente 1322 para realizar refrigeración por vaporización en él.
En la figura 13 se ilustra una realización final de la invención, que es una versión simplificada de la realización de la figura 2. En esta realización, el diagrama de flujo se simplifica eliminando la separación de corriente 160 justo antes del termointercambiador 220 de la figura 2. En la figura 13, las dos zonas de intercambio térmico en el intercambiador 1420 sustituyen a las tres zonas de intercambio térmico del termointercambiador 220 de la figura 2. La corriente 1460 se licua y subenfría en el intercambiador 1420, se reduce adiabáticamente la presión de la corriente subenfriada 1486 a través de la válvula de restricción 1484 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto, y se introduce como corriente 1430 en el extremo frío del intercambiador 1420 donde se vaporiza para realizar refrigeración. Si se desea, la presión de corriente 1486 se podría reducir por expansión de trabajo en un turboexpansor o motor de expansión.
Las realizaciones antes descritas utilizan una característica común importante de la presente invención donde se deriva al menos una corriente intermedia de líquido de la condensación parcial y separación del refrigerante mezclado a una temperatura igual o mayor que la temperatura más baja alcanzable enfriando contra el primer circuito de refrigeración recirculante. La corriente intermedia de líquido se utiliza para realizar refrigeración a una temperatura menor que la proporcionada por el sistema de preenfriamiento.
La temperatura de condensación a la que se obtiene la corriente intermedia, se puede variar según sea preciso; en la realización de la figura 6 esta condensación se efectúa a temperatura ambiente en el termointercambiador 164, mientras que en la realización de la figura 3 la condensación se efectúa a la temperatura más baja de preenfriamiento por propano en el termointercambiador 304 a una presión menor que la presión final más alta del vapor de refrigerante mezclado comprimido del compresor 306. La condensación se efectúa a temperaturas entre estos extremos en las realizaciones de las figuras 2, 4, y 5.
Las realizaciones antes descritas se pueden resumir en términos de proceso genéricos de la siguiente manera. La invención es básicamente un método para realizar refrigeración para licuar un gas de alimentación que incluye varios pasos generales. La refrigeración se realiza por un primer circuito de refrigeración recirculante que realiza refrigeración en un rango de temperatura entre una primera temperatura y una segunda temperatura que es menor que la primera temperatura, y se describe como refrigeración de preenfriamiento. La segunda temperatura es típicamente la temperatura más baja a la que se puede enfriar una corriente de proceso por intercambio térmico indirecto con el refrigerante en el primer circuito de refrigeración. Por ejemplo, si el primer circuito de refrigeración usa propano, la temperatura más baja a la que se puede enfriar una corriente de proceso es aproximadamente -35ºC, y esto es típico de la segunda temperatura.
Se realiza refrigeración adicional por un segundo circuito de refrigeración recirculante en un rango de temperatura entre la segunda temperatura y una tercera temperatura que es menor que la segunda temperatura. El primer circuito de refrigeración suministra al menos una porción de la refrigeración al segundo circuito de refrigeración en el rango de temperatura entre la primera temperatura y la segunda temperatura, y también puede realizar refrigeración para preenfriar el gas de alimentación.
El primer circuito de refrigeración, que puede utilizar un componente único o múltiples componentes como se ha descrito anteriormente, realiza refrigeración a varios niveles de temperatura dependiendo de la presión a la que se vaporiza el refrigerante. Este primer circuito de refrigeración realiza refrigeración para preenfriar el gas de alimentación en los intercambiadores 106, 108, 114, 401, 706, 708, 714, 1200, 1300 y 1302, como se ha descrito anteriormente. El primer circuito de refrigeración también realiza refrigeración para enfriar el segundo circuito de refrigerante en los intercambiadores 238, 246, 248, 250, 252, 300, 302, 304, 312, 402, 403 y 500, como se ha descrito anteriormente.
El segundo circuito de refrigerante, como se ilustra en la realización preferida de la figura 2, incluye típicamente una línea de refrigerante 233, compresor 234, separador 240, los varios intercambiadores de enfriamiento que realizan el enfriamiento del primer circuito de refrigerante, líneas de refrigerante 260, 262, 270 y 274, separador 272, circuitos de subenfriamiento 275, 278, y 282, válvulas de restricción 276, 280 y 284, y líneas de refrigerante 222, 224, 226, 227, 230 y 231. Se utilizan componentes similares de forma similar en las realizaciones de las figuras 4-13. El segundo circuito de refrigerante en la realización de la figura 14 incluye características de la figura 2 pero sin el separador 272, línea de refrigerante 274, circuito de subenfriamiento 278, líneas de refrigerante 226 y 227, y válvula de restricción 280.
Cuando el vapor de refrigerante mezclado se comprime a una presión final más alta en el compresor polietápico 234 de la figura 2 (e igualmente en las realizaciones de las figuras 4-13), el vapor comprimido se condensa parcialmente y separa a temperaturas mayores que la temperatura más baja proporcionada por el refrigerante del primer circuito de refrigerante. Al menos una de las corrientes de refrigerante mezclado vapor y líquido producidas en el paso de condensación/separación se enfría más por el refrigerante del primer circuito de refrigerante a la temperatura más baja posible usando el primer refrigerante. Tal enfriamiento adicional se puede realizar con los intercambiadores 246, 248, 250 y 252 de la figura 2.
Cuando el vapor de refrigerante mezclado es comprimido inicialmente a una presión inferior a la presión final más alta, como en la realización de la figura 3, la condensación de la corriente de refrigerante vapor mezclado comprimido se efectúa entre las etapas del compresor 306 a una temperatura igual o superior a la temperatura más baja alcanzable enfriando con refrigeración del primer circuito de refrigeración, es decir, la segunda temperatura. El vapor separado en la línea 310 se comprime más en una etapa final del compresor 306. Si no se realiza enfriamiento adicional desde el primer circuito de refrigeración en el intercambiador 312, la condensación y separación de la corriente 308 se podrían realizar por encima de la segunda temperatura. Si se realiza enfriamiento adicional en el intercambiador 312, la condensación y separación de corriente 308 se podrían realizar a o por encima de la segunda temperatura.
La corriente de refrigerante líquido generado como se ha descrito anteriormente, que está a o por encima de la segunda temperatura, se subenfría contra refrigerante mezclado vaporizado en el termointercambiador principal, se reduce su presión, y se vaporiza en el intercambiador principal para realizar refrigeración entre la segunda temperatura y la tercera temperatura.
Ejemplo
Se simuló la realización preferida de la invención realizando equilibrios de calor y material para licuar gas natural. Con referencia a la figura 2, primero se limpia y seca gas natural 100 en la sección de pretratamiento 102 para la extracción de gases ácidos tal como CO_{2} y H_{2}S junto con otros contaminantes tal como mercurio. El gas de alimentación precalentado 104 tiene un caudal de 30.611 kg/mol/h, una presión de 66,5 bar absoluto, y una temperatura de 32ºC (89,6ºF) con la composición molar siguiente:
TABLA
Composición del gas de alimentación Fracción molar
Nitrógeno 0,009
Metano 0,8774
Etano 0,066
Propano 0,026
i-Butano 0,007
Butano 0,008
i-Pentano 0,002
Pentano 0,002
Hexano 0,001
Heptano 0,001
El gas pretratado 104 entra en el primer intercambiador 106 y se enfría a una temperatura de 9,3ºC por propano en ebullición a 5,9 bar absoluto. La alimentación se enfría más a -14,1ºC en el intercambiador 108 por propano en ebullición a 2,8 bar absoluto antes de entrar en la columna de lavado 110 como corriente 112. El condensador de cabeza 114 de la columna de lavado opera a -37ºC y es refrigerado por propano en ebullición a 1,17 bar absoluto. El pentano y componentes más pesados de la alimentación se quitan en la columna de lavado 110.
La corriente de gas natural 118, después de la extracción de componentes pesados y enfriamiento a -37ºC, se enfría más en el circuito de enfriamiento 219 en la primera zona del termointercambiador principal 220 a una temperatura de -94ºC por refrigerante mezclado en ebullición. La corriente de refrigerante mezclado vaporizado 233 tiene un flujo de 42.052 kg-mol/h y la composición siguiente:
TABLA 2
Composición del refrigerante mezclado (Fracción molar)
Nitrógeno 0,092
Metano 0,397
Etano 0,355
Propano 0,127
i-Butano 0,014
Butano 0,014
Posteriormente, el gas de alimentación resultante se enfría más en el circuito de enfriamiento 225 a una temperatura de aproximadamente -128ºC en la segunda zona del intercambiador 220 por la corriente de refrigerante mezclado en ebullición mediante las líneas 226 y 227. La corriente de gas resultante se enfría más en el circuito de enfriamiento 228 a una temperatura de -163ºC en una tercera zona del intercambiador 220 por la corriente de refrigerante mezclado en ebullición introducida mediante las líneas 230 y 231. La corriente de GNL más enfriada resultante 232 se envía después a un depósito de almacenamiento.
La refrigeración para enfriar la corriente de gas natural 118 de -37ºC a una temperatura de -163ºC la realiza un circuito de refrigeración de componente mezclado. La corriente 235 es el refrigerante mezclado a alta presión que sale del compresor polietápico 234 a una presión de 51 bar absoluto. Se enfría después a 32ºC contra agua de refrigeración en el intercambiador 236. La corriente de refrigerante mezclado a alta presión 237 entra en el intercambiador de propano de primera etapa 238, se enfría a una temperatura de 9,3ºC por propano en ebullición a 5,9 bar absoluto, y fluye al separador 240 donde se separa en corrientes de vapor y líquido 242 y 244, respectivamente. La corriente de vapor 242 se enfría más en el intercambiador de propano 246 a una temperatura de -14,1ºC por propano en ebullición a 2,8 bar absoluto seguido del intercambiador de propano 248 donde se enfría más a -37ºC por propano en ebullición a 1,17 bar absoluto. La corriente de líquido 244 a un caudal de 9240 kg-mol/h se enfría más en el intercambiador de propano 250 a una temperatura de -14,1ºC por propano en ebullición a 2,8 bar absoluto seguido del intercambiador de propano 252 donde se enfría más a -37ºC por propano en ebullición a 1,17 bar absoluto.
La corriente de vapor enfriado resultante 260 se separa después a -37ºC en corrientes de líquido y vapor 268 y 270 respectivamente en el separador 272. La corriente de líquido 268 tiene un caudal de 17.400 kg-mol/h.
La corriente de líquido subenfriado 262 se subenfría más a una temperatura de -94ºC en el circuito de enfriamiento 275 y se reduce adiabáticamente su presión a través de la válvula de restricción 276 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto e introduce en el intercambiador 220 mediante las líneas 222 y 224. La corriente de líquido 274 se subenfría a una temperatura de -128ºC en el circuito de enfriamiento 278 y se reduce adiabáticamente su presión a través de la válvula de restricción 280 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto e introduce en el intercambiador 220 mediante las líneas 226 y 227. La corriente de vapor 270 se licua y subenfría a una temperatura de -163ºC en el circuito de enfriamiento 282, se reduce adiabáticamente su presión a través de la válvula de restricción 284 a una presión de aproximadamente 3 bar absoluto, y se introduce en el intercambiador de extremo frío 220 mediante las líneas 230 y 231.
La presente invención en su realización más amplia ofrece así una mejora a la técnica de licuación de gas generando al menos una corriente intermedia de líquido derivada de la condensación parcial y la separación del refrigerante mezclado a una temperatura más caliente que la temperatura más baja proporcionada por el sistema de preenfriamiento o a una presión menor que la presión final más alta del circuito de refrigerante mezclado. Esta corriente de refrigerante líquido intermedio mezclado se utiliza al menos en parte para realizar refrigeración adicional a una temperatura menor que la proporcionada por el sistema de preenfriamiento, y esta refrigeración adicional se puede usar en el termointercambiador principal. La presente invención es un proceso más eficiente que proporciona mayor producción de GNL para una potencia de compresión dada en comparación con los procesos de la técnica anterior.

Claims (12)

1. Un método para licuación de gas que incluye enfriar un gas de alimentación (118) en una zona de intercambio térmico (220) por intercambio térmico indirecto con corrientes de refrigerante mezclado vaporizante (224, 227, 230) para producir un producto licuado (232) y una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (138), donde se obtienen tres o cuatro corrientes de refrigerante mezclado vaporizante usadas para enfriar el gas de alimentación (118):
(a)
comprimiendo (234) una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233) para proporcionar una corriente de refrigerante comprimido (235);
(b)
enfriando la corriente de refrigerante comprimido (235) para proporcionar una primera corriente de refrigerante parcialmente condensado;
(c)
separando (240) la corriente de refrigerante parcialmente condensado para producir una primera corriente de refrigerante vapor (242) y una primera corriente de refrigerante líquido (244, 262);
(d)
enfriando y condensando parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) para producir una segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), y separando (272) la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260) para proporcionar una segunda corriente de refrigerante vapor (270) y una segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274);
(e)
alimentando la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) para que entre en el extremo caliente de la zona de intercambio térmico (220) donde la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) se enfrían por intercambio térmico indirecto con refrigerante mezclado vaporizante en la zona de intercambio térmico (220) para proporcionar refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente; y
(f)
reduciendo la presión (276, 280, 284) de los refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente, para producir refrigerantes vaporizantes primero (222), segundo (226) y tercero (230, 231), respectivamente, en las regiones inferior, media y superior, respectivamente, de la zona de intercambio térmico (220), proporcionando por ello las múltiples corrientes de refrigerante vaporizante para enfriar el gas de alimentación (118) mediante tres rangos de temperatura en la zona de intercambio térmico (220); y
(g)
retirando una corriente combinada de refrigerante mezclado vaporizado de la parte inferior de la zona de intercambio térmico (220) para proporcionar la corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233).
2. El método de la reivindicación 1, donde el gas de alimentación (118) incluye metano obtenido quitando (102) gases ácidos y otros contaminantes de gas natural (100) para proporcionar un gas natural purificado (104) y quitando hidrocarbonos más pesados que el metano del gas natural purificado (104).
3. El método de la reivindicación 2, donde el gas natural purificado (104) se enfría por intercambio térmico indirecto con dos o más etapas de refrigeración de propano (106, 108) para obtener un gas natural purificado enfriado (112) y los hidrocarbonos más pesados que el metano se quitan del gas natural purificado enfriado (112) en una columna de lavado (110) para proporcionar el gas de alimentación (118).
4. El método de la reivindicación 3, donde una corriente de cabeza (716) se retira de la columna de lavado (710), la corriente de cabeza (716) se enfría en la zona de intercambio térmico (220, 720), una corriente de cabeza enfriada y parcialmente condensada (722) se hace volver a un separador de columna de lavado (724), una corriente de líquido se retira del separador de columna de lavado (724) y hace volver a la parte superior de la columna de lavado (710), y se retira una corriente de vapor del separador de columna de lavado (724) para proporcionar el gas de alimentación (716).
5. El método de la reivindicación 1, donde el enfriamiento de la corriente de refrigerante comprimido (235) en (b) se realiza en parte enfriando contra un disipador térmico ambiente (236) y en parte por una etapa de intercambio térmico indirecto (238) con un refrigerante de propano.
6. El método de la reivindicación 1, donde el enfriamiento de la corriente de refrigerante comprimido (235) en (b) se realiza en parte por tres etapas de intercambio térmico indirecto (300, 302, 304) con refrigerante de propano.
7. El método de la reivindicación 1, donde el enfriamiento y la condensación parcial de la primera corriente de refrigerante vapor (242) en (d) se realiza en parte por intercambio térmico indirecto con refrigerante de propano en dos etapas (246, 248) o tres etapas (246, 248, 402).
8. El método de la reivindicación 1, donde la primera corriente de refrigerante líquido (244) se enfría por intercambio térmico indirecto con refrigerante de propano en dos etapas (250, 252) o tres etapas (250, 252, 403).
9. El método de la reivindicación 1, que incluye además condensar parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) para obtener una corriente parcialmente condensada, separar (900) la corriente parcialmente condensada para producir una corriente intermedia de líquido (901) y una corriente de vapor, donde la corriente de vapor se enfría y condensa parcialmente para proporcionar la corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), enfriar la corriente intermedia de líquido (901) en la zona de intercambio térmico (920) para proporcionar una corriente intermedia de líquido enfriado, y reducir la presión (903) de la corriente intermedia de líquido enfriado para proporcionar un cuarto refrigerante vaporizante en la zona de intercambio térmico (920).
10. El método de la reivindicación 1, donde la zona de intercambio térmico (220) incluye un primer y un segundo termointercambiador, donde la compresión en el paso (a) se realiza utilizando un compresor (1136), y donde
(i)
la primera corriente de refrigerante líquido (262; 1162) se enfría, se reduce su presión, y vaporiza en el primer termointercambiador (1100) a una primera presión para proporcionar un primer refrigerante vaporizado (222; 1106) que se hace volver a una posición entre etapas del compresor (1136); y
(ii)
la segunda corriente de refrigerante vapor (270; 1170) y la segunda corriente de refrigerante líquido (268; 1168) se enfrían en el primer termointercambiador (1100) y el segundo termointercambiador (1102) para obtener refrigerantes líquidos segundo (282) y tercero (286), y donde se reduce la presión de los refrigerantes líquidos segundo (282) y tercero (286) y vaporiza a una segunda presión en el segundo termointercambiador (1102) para producir un segundo refrigerante vaporizado (1104) que se hace volver a la entrada del compresor (1136).
11. El método de la reivindicación 1, donde
(i)
el enfriamiento de la corriente de refrigerante comprimido (235, 1214) en (b) se efectúa en un termointercambiador adicional (1200) por intercambio térmico indirecto con un refrigerante mezclado adicional producido por un sistema de refrigerante mezclado recirculante (1210, 1204, 1202, 1212, 1206, 1208) para proporcionar la primera corriente de refrigerante parcialmente condensado; y
(ii)
la primera corriente de refrigerante parcialmente condensado se separa (1288) para producir una primera corriente de líquido (244; 1244) que se enfría más en el termointercambiador adicional (1200) para proporcionar la primera corriente de refrigerante líquido (202; 1162) y una primera corriente de vapor (242) que se enfría más en el termointercambiador adicional (1200) para proporcionar la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260; 1260).
12. Un aparato para licuación de gas que incluye una zona de intercambio térmico (220) para enfriar un gas de alimentación (118) por intercambio térmico indirecto con corrientes de refrigerante mezclado vaporizante (224, 227, 230) para producir un producto licuado (232) y una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (138), y unos medios para suministrar tres o cuatro corrientes de refrigerante mezclado vaporizante a la zona de intercambio térmico incluyendo:
(a)
un compresor para comprimir (234) una corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233) alimentada mediante un conducto (233) desde la zona de intercambio térmico (220) para proporcionar una corriente de refrigerante comprimido (235);
(b)
unos medios (236, 238) para enfriar la corriente de refrigerante comprimido (235) alimentada mediante un conducto de compresor (234) para proporcionar una primera corriente de refrigerante parcialmente condensado;
(c)
un separador (240) para separar la corriente de refrigerante parcialmente condensado alimentada mediante un conducto desde medios de enfriamiento (235) para producir una primera corriente de refrigerante vapor (242) y una primera corriente de refrigerante líquido (244, 262);
(d)
unos medios para enfriar y condensar parcialmente la primera corriente de refrigerante vapor (242) alimentada mediante un conducto de separador (240) para producir una segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260), y medios para separar (272) la segunda corriente de refrigerante parcialmente condensado (260) para obtener una segunda corriente de refrigerante vapor (270) y una segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274);
(e)
conductos para alimentar la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) al extremo caliente de la zona de intercambio térmico (220) donde la primera corriente de refrigerante líquido (262), la segunda corriente de refrigerante vapor (270), y la segunda corriente de refrigerante líquido (268, 274) se enfrían por intercambio térmico indirecto con refrigerante mezclado vaporizado en la zona de intercambio térmico (220) para obtener refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente; y
(f)
medios para reducir la presión (276, 280, 284) de los refrigerantes líquidos primero (275), segundo (282) y tercero (286), respectivamente, para producir refrigerantes vaporizantes primero (222), segundo (226) y tercero (230, 231), respectivamente, en las regiones inferior, media y superior, respectivamente, de la zona de intercambio térmico (220), obteniendo por ello las múltiples corrientes de refrigerante vaporizante para enfriar el gas de alimentación (118) mediante tres rangos de temperatura en la zona de intercambio térmico (220); y
(g)
medios para sacar una corriente combinada de refrigerante mezclado vaporizado de la parte inferior de la zona de intercambio térmico (220) para obtener la corriente de refrigerante mezclado vaporizado (233).
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