ES2254555T5 - Intercambiador de calor con serpentines de tubo - Google Patents

Intercambiador de calor con serpentines de tubo Download PDF

Info

Publication number
ES2254555T5
ES2254555T5 ES02011583T ES02011583T ES2254555T5 ES 2254555 T5 ES2254555 T5 ES 2254555T5 ES 02011583 T ES02011583 T ES 02011583T ES 02011583 T ES02011583 T ES 02011583T ES 2254555 T5 ES2254555 T5 ES 2254555T5
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
tubes
helically wound
bundle
tube
spacers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES02011583T
Other languages
English (en)
Other versions
ES2254555T3 (es
Inventor
Timothy Truong
Yu-Nan Liu
Glenn Eugene Kinard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=29414691&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=ES2254555(T5) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Air Products and Chemicals Inc filed Critical Air Products and Chemicals Inc
Publication of ES2254555T3 publication Critical patent/ES2254555T3/es
Application granted granted Critical
Publication of ES2254555T5 publication Critical patent/ES2254555T5/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0087—Propane; Propylene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F25J1/0055—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream originating from an incorporated cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F25J1/0215—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle
    • F25J1/0216—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle using a C3 pre-cooling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2220/00—Processes or apparatus involving steps for the removal of impurities
    • F25J2220/60—Separating impurities from natural gas, e.g. mercury, cyclic hydrocarbons
    • F25J2220/64—Separating heavy hydrocarbons, e.g. NGL, LPG, C4+ hydrocarbons or heavy condensates in general
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/12—Particular process parameters like pressure, temperature, ratios

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Un conjunto de entubado arrollado de forma helicoidal para uso en un intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal para la licuación de gas natural contra un refrigerante de vaporización, cuyo conjunto de entubado comprende un primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal (5) y un segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal (9), en el que uno o más de los grupos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal están conectados en comunicación de flujo de fluido directo con uno o más grupos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, caracterizado porque el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal está constituido por dos sub-haces de entubado arrollados de forma helicoidal (201, 203), que difieren en uno o más parámetros seleccionados a partir de un grupo que incluye diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo, y donde un distribuidor de refrigerante (229) está dispuesto entre los sub-haces de tubería arrollada de forma helicoidal.

Description

Intercambiador de Calor con serpentines de tubo
Antecedentes de la invención
Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal se utilizan en las industrias de procesos para el calentamiento o refrigeración de corrientes de fluidos a tasas de transferencia de calor altas, que requieren áreas de transferencia de calor grandes. Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal son particularmente útiles para la refrigeración y condensación de corrientes de gas a alta presión. Por ejemplo, en la producción de gas natural licuado (LNG), se requieren áreas superficiales grandes para la transferencia indirecta de calor entre refrigerantes y el gas de alimentación presurizado, que es refrigerado desde temperatura ambiente para producir LNG a temperaturas próximas a –162ºC (-260ºF). Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal están adaptados de una manera ideal para uso en ciclos de procesos de LNG en condiciones criogénicas.
Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal utilizan haces de tubos construidos de grandes números de tubos largos, que están arrollados helicoidalmente alrededor de un núcleo central axial o mandril. Se forman numerosas capas de tubos en la dirección radial, estando separada cada capa de las capas adyacentes por espaciadores o alambres espaciadores axiales. Se pueden instalar uno o más haces en una caldera de presión con cabeceras adecuadas y entubado para introducir corrientes que deben refrigerarse en los tubos y para la extracción de corrientes licuadas refrigeradas desde los tubos. Se utiliza tubería adicional para la circulación de fluido entre los haces. La refrigeración es proporcionada típicamente en estos intercambiadores por vaporización de refrigerantes mixtos sobre el lado exterior, o lado de la cáscara, de los tubos.
En la industria de carga de base LNG, se licua gas natural en sitios remotos y se transporta como un líquido a centros de población, donde se vaporiza y se distribuye para el consumo local. Una tendencia actual en la industria de base de carga LNG consiste en incrementar los tamaños de los trenes de licuación individual para mejorar las economías de escala y esto requiere intercambiadores de calor principales mayores. Existe una necesidad continua en las industrias de procesos, por ejemplo en la industria de carga de base LNG, para mejorar el rendimiento del proceso y conseguir economías de escala, a pesar de las limitaciones en el tamaño de los haces arrollados de forma helicoidal. Se requerirán un uso más efectivo del área de transferencia de calor y coeficientes mejorados de transferencia de calor para un tamaño de intercambiador dado para realizar un rendimiento mejorado del proceso. La invención descrita a continuación y definida por las reivindicaciones que siguen ofrece una configuración mejorada de los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal que produce un rendimiento de transferencia de calor más alto y una producción de licuación más alta a partir de un intercambiador de calor principal de un tamaño dado.
El documento US-B-6 347 532 describe un método de producción de gas natural licuado, en el que se mejoran la refrigeración por enfriamiento y licuación por un sistema de refrigerante mixto pre-enfriado por otro sistema de refrigeración. Al menos una corriente líquida se divide a partir de la condensación parcial y de la separación del refrigerante mixto a una temperatura más alta que la temperatura más baja proporcionada por el sistema de refrigeración cuando el refrigerante mixto es condensado a una presión máxima final, cuando el refrigerante mixto es condensado a una presión menor que la presión máxima final, se efectúa la condensación a una temperatura igual o mayor que la temperatura mínima proporcionada por el sistema de refrigeración previa. El líquido refrigerante mixto se utiliza para proporcionar refrigeración a una temperatura menor que la proporcionada por el sistema de refrigeración previa.
Breve resumen de la invención
La invención se refiere también a un sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal según la reivindicación 1.
En este sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal, el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal puede incluir:
(b1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (b2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (b3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (b4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de
espaciadores;
(b5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (b3) y (b4), donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (b2) a (b5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.
En este sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal, el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:
(c1) un segundo mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (c2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (c3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial, (c4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; y (c5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (c3) y (c4), donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (c2) a (c5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.
El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal comprende, además:
(d)
medios para agregar los extremos de salida de dos o más conjuntos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de salidas de tubos;
(e)
medios para agregar los extremos de entrada de dos o más conjuntos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de entradas de tubos; y
(f)
medios para colocar el primer grupo de salidas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el primer grupo de tubos de entrada en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, y
(g)
un tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en una segunda sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, en el que la segunda sección tiene un diámetro que es diferente del primer diámetro, y en el que el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:
(g1)un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (g2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (g3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (g4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; (g5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (g3) y (g4), donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (g2) a (g5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.
El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal puede comprender, además, medios para agregar los extremos de salida de una pluralidad de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un segundo grupo de salidas de tubos, medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un segundo grupo de entradas de tubos, y medios para colocar el segundo grupo de salidas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el segundo grupo de entradas de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal. El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal puede comprender, además, medios para agregar los extremos de salida de una pluralidad de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un tercer grupo de salidas de tubos, medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un tercer grupo de entradas de tubos, y medios para colocar el tercer grupo de salidas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el tercer grupo de entradas de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal.
El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal puede comprender también adicionalmente medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de entradas de tubo, y medios para colocar el primer grupo de entradas de tubos en el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con la línea de entrada de gas de alimentación. Además, el sistema puede incluir medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un segundo grupo de entradas de tubos, y medios para colocar el segundo grupo de entradas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con una línea de entrada de refrigerante en vapor. Además, el sistema puede comprender medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un tercer grupo de entradas de tubos, y medios para colocar el tercer grupo de entradas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con una línea de entrada de refrigerante líquido. Además, el sistema puede incluir medios para agregar los extremos de salida de una pluralidad de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de salidas de tubos, medios para agregar los extremos de salida de una pluralidad de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un segundo grupo de salidas de tubos, y medios para agregar los extremos de salida de dos o más conjuntos adicionales de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un tercer grupo de salidas de tubos.
El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal puede incluir, además, medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de entradas de tubos y medios para colocar el primer grupo de entradas de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el primer grupo de salidas de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal.
El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal puede comprender, además, medios para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un segundo grupo de entradas de tubos y medios para colocar el segundo grupo de entradas de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el segundo grupo de salidas de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal. Además, el sistema puede utilizar medios para agregar los extremos de salida de una pluralidad de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de salidas de tubos, y medios para colocar el primer grupo de salidas de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con una línea de salida de producto líquido refrigerado.
Otra forma de realización puede incluir un distribuidor de refrigerante dispuesto por encima del tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal. En esta forma de realización, el sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal puede comprender, además, medios para agregar los extremos de salida de una pluralidad de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un segundo grupo de salidas de tubos y medios para colocar el segundo grupo de salidas de tubos en el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el distribuidor de refrigerante por encima del tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal. Los medios de tubería pueden ser incluido para extraer vapor refrigerante desde la caldera del intercambiador de calor vertical en un lugar por debajo del primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal.
El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal utiliza un redistribuidor de refrigerante dispuesto debajo del segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal y por encima del primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal.
Breve descripción de varias vistas de los dibujos
La figura 1 es una ilustración esquemática de un intercambiador de calor de acuerdo con la técnica anterior.
La figura 2 es una ilustración esquemática de un intercambiador de calor ejemplar de acuerdo con la presente invención.
La figura 3 es un diagrama de flujo esquemático de un proceso de licuación de gas ejemplar que utiliza el intercambiador de calor de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal han sido utilizados durante muchos años en licuación de gas criogénico y en la separación criogénica de mezclas de gases. Este tipo de intercambiador ha encontrado una aplicación particularmente amplia en la licuación de gases de bajo punto de ebullición, tales como helio, hidrógeno y metano. La mayor parte de la producción de carga de base LNG en todo el mundo utiliza intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal para la licuación de gas y para la refrigeración intermedia de refrigerantes de componentes mixtos.
La presente invención puede utilizarse en cualquier aplicación de proceso de intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal, en particular aquéllos que funcionan a temperaturas criogénicas. Estas aplicaciones implican a menudo altas tasas de transferencia de calor, zonas grandes de transferencia de calor, y/o cambios grandes de temperatura entre una entrada y una salida de la corriente del proceso. La invención se ilustra, pero no está limitada a la licuación de gas natural, como se describe a continuación.
Un intercambiador de calor principal de un tipo conocido en el campo de la licuación de gas natural se muestra en el dibujo esquemático de la figura 1. Este intercambiador particular utiliza dos haces arrollados de forma helicoidal para la refrigeración final y la licuación de una alimentación de gas natural pre-tratada. El intercambiador de calor principal 1 comprende una caldera de presión 3, una zona de intercambio de calor caliente 5, y una zona de intercambio de calor frío 9. Un primer haz del intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal es utilizado en la zona de intercambio de calor frío 5, en la que un gas de alimentación proporcionado en la línea 11 es refrigerado inicialmente en el circuito de tubos 13 contra un refrigerante de vaporización (descrito más adelante) en el lado de la cáscara del haz. El circuito de tubos 13 representa múltiples tubos, que son parte de un haz arrollado de forma helicoidal, en el que el haz incluye también circuitos de tubos 31 y 39, como se describen más adelante. Los tubos pueden estar fabricados típicamente de aluminio. El gas de alimentación en la línea 15, que ha sido refrigerado y que ha sido al menos parcialmente condensado, es reducido opcionalmente en presión a través de la válvula de estrangulamiento
17. La alimentación de presión reducida fluye entonces a través de la línea 19 en el circuito de tubos 21 en la zona de intercambio de calor frío 9, donde la alimentación es refrigerada adicionalmente y es extraída como producto a través de la línea 23.
Un refrigerante comprimido de dos fases, típicamente un refrigerante de componentes múltiples, que contienen hidrocarburos ligeros y opcionalmente nitrógeno, es suministrado a través de la línea 25 desde un sistema de compresión de refrigerante (no se muestra) y fluye dentro del separador de fases 27. El líquido refrigerante es extraído a través de las línea 29, sub-refrigerado en el circuito de tubos 31, y reducido en presión a través de la válvula de estrangulamiento 33. Opcionalmente, se puede utilizar una turbina de expansión hidráulica para extraer trabajo desde el líquido refrigerante delante de la válvula de estrangulamiento 33.
El refrigerante que procede desde la válvula de estrangulamiento 33 es combinado con refrigerante que fluye hacia abajo desde la zona de intercambio de calor frío 9 (descrita más adelante) y el refrigerante combinado es distribuido a través del distribuidor 35. El refrigerante combinado fluye hacia abajo sobre el lado exterior o lado de la cáscara del haz arrollado de forma helicoidal, al mismo tiempo que se vaporiza y calienta allí para proporcionar una porción del refrigerante para refrigerar el gas de alimentación en el circuito de tubos 13 como se ha descrito anteriormente. Además, el refrigerante de vaporización proporciona parte de la refrigeración para sub-refrigerar el vapor refrigerante en el circuito de tubos 31 y para refrigerar el refrigerante líquido en el circuito de tubos 39 (descrito a continuación).
[
El refrigerante de vapor es extraído desde el separador 27 a través de la línea 37, es refrigerado y puede ser parcialmente condensado en el circuito de tubos 38 en la zona de intercambio de calor caliente 5 y finalmente pasa a través del circuito de tubos 41 a la zona de intercambio de calor frío 9, en la que es licuado y opcionalmente es subrefrigerado. Este refrigerante es reducido en presión a través de la válvula de estrangulamiento 43 y es distribuido a través del distribuidor 45 a la zona de intercambio de calor frío 9. Este refrigerante fluye hacia abajo sobre el lado exterior o lado de la cáscara del haz arrollado de forma helicoidal y se vaporiza para proporcionar una porción de la refrigeración para refrigerar el gas de alimentación en el circuito de tubos 21 como se ha descrito anteriormente. Además, la vaporización del refrigerante proporciona parte de la refrigeración para refrigerar el refrigerante en el circuito de tubos 41. El distribuidor 45 se muestra esquemáticamente y puede incluir medios para la separación de fases y la distribución de corrientes de refrigerantes de vapor y de líquido separadas a la zona de intercambio de calor 9.
El refrigerante de dos fases que abandona el lado de la cáscara de la zona de intercambio de calor frío 9 entre en la zona de intercambio de calor caliente 5 y se combina con el refrigerante descargado desde la válvula de estrangulamiento 33. El refrigerante combinado es distribuido a través del distribuidor 35 y fluye hacia abajo sobre el lado exterior o lado de la cáscara del haz arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor caliente 5.
El refrigerante está típicamente totalmente vaporizado después de alcanzar el fondo de la caldera de presión del intercambiador de calor 3 y es extraído como vapor a través de la línea 47. Este vapor es comprimido en el sistema de compresión de refrigerante (no se muestra) y opcionalmente es pre-refrigerado para proporcionar el refrigerante comprimido refrigerado de dos fases a través de la línea 25, como se ha descrito anteriormente.
Los circuitos de tubos 13, 31 y 39 en la zona de intercambio de calor caliente 5 son partes de un haz de entubado arrollado de forma helicoidal individual, que está instalado en la zona de intercambio de calor caliente 5 de la caldera de presión del intercambiador de calor 3. Este haz de entubado arrollado de forma helicoidal se puede fabricar por métodos conocidos en la técnica de fabricación de intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal, en los que grupos de tubos de aluminio largos de longitud similar están arrollados helicoidalmente alrededor de un núcleo central axial o mandril. El mandril puede ser un tubo cilíndrico que tiene una longitud, un diámetro exterior y un espesor de pared, que proporciona la resistencia estructural requerida para soportar las capas deseadas de entubado. En un método de fabricación de haces, se pueden arrollar barras sólidas helicoidalmente alrededor y en contacto con el material, se pueden instalar espaciadores sobre las barras arrolladas en paralelo al eje del mandril y luego se pueden arrollar tubos helicoidalmente en una primera capa en contacto con los espaciadores.
Se forman numerosas capas de tubos en la dirección radial, y cada capa está separada típicamente de las capas adyacentes por espaciadores axiales o helicoidales o alambres espaciadores. El arrollamiento se puede realizar con el eje del mandril orientado verticalmente en una posición fija, mientras el entubado es arrollado sobre el haz helicoidal desde carretes adaptados para moverse circunferencialmente alrededor del eje y, además, para moverse hacia arriba y hacia abajo en paralelo al eje. Estos intercambiadores de calor se conocen con frecuencia como intercambiadores arrollados en carretes. Alternativamente, los haces se pueden construir haciendo girar el mandril y formando haces sobre un torno alrededor de un eje horizontal fijo, mientras el entubado es arrollado sobre la bobina desde carretes adaptados para moverse axialmente, es decir, de un lado a otro. Este haz de entubado arrollado de forma helicoidal se caracteriza por un número de parámetros de fabricación o dimensionales, que incluyen diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo.
Los tubos en cada uno de los circuitos de tubos 13, 31 y 39 son agregados típicamente en cada extremo, por ejemplo agrupando los tubos múltiples desde cada circuito en una o más láminas de tubos, que se pueden conectar a líneas de entrada y de salida.
Los circuitos de tubos 21 y 41 son parte de un haz de entubado arrollado de forma helicoidal individual que está instalado en la zona de intercambio de calor frío 9 de la caldera de presión del intercambiador de calor 3. Este haz de entubado arrollado de forma helicoidal se puede fabricar por los mismos métodos descritos anteriormente para la bobina arrollada en la zona de intercambio de calor caliente 5. Cada uno de los circuitos de tubos 21 y 41 está agregado en cada extremo, por ejemplo, agrupando los tubos múltiples desde cada circuito en una o más láminas de tubos, que se pueden conectar a líneas de entrada y salida.
A medida que el refrigerante de vaporización fluye hacia abajo sobre el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor caliente 5, se incrementa la fracción de vapor neto y el mecanismo de transferencia de calor cambia gradualmente desde la transferencia de calor de ebullición predominantemente de dos fases en el extremo frío o extremo superior a la transferencia de calor de vapor de una fase en el extremo caliente o extremo inferior. Aunque la naturaleza del mecanismo de transferencia de calor cambia en una medida significativa desde la parte superior hasta la parte inferior del haz, ninguno de los parámetros de fabricación del haz arrollado de forma helicoidal cambia desde la parte superior hasta la parte inferior. Algunos de estos parámetros determina el flujo de fluido básico y las características de transferencia de calor del haz. Estos parámetros incluyen, pero no están limitados al diámetro exterior del tubo, el espaciamiento radial de los tubos entre las capas de tubos (que se fija por el espesor del espaciador), el paso de los tubos (la distancia entre los tubos en una capa dada), y el ángulo de arrollamiento de los tubos. El área de flujo abierta anular en la sección transversal entre las capas de tubos es esencialmente constante desde la parte superior hasta la parte inferior del haz. El diseño de las características de transferencia de calor y de flujo de fluido del haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor caliente 5 es, por lo tanto, un compromiso entre la transferencia de calor en ebullición, la transferencia de calor de condensación, y la transferencia de calor de vapor de una fase para el tubo y los fluidos del lado de la cáscara.
Como se ha descrito anteriormente, una tendencia actual en la industria de carga de base LNG consiste en incrementar los tamaños de los trenes de licuación individual para mejores economías de escala, y esto requiere intercambiadores de calor principales más amplios. Los haces de entubado arrollados de forma helicoidal individuales largos requeridos en los intercambiadores más amplios deben diseñarse utilizando coeficientes medios de transmisión de calor general para las corrientes que son refrigeradas y condensadas en los tubos intercambiadores y otras corrientes que son calentadas y vaporizadas en el lado exterior de los tubos. Éste es un compromiso de diseño, en el que no se puede realizar la eficiencia de transferencia de calor máxima potencial para
el intercambiador.
En una forma de realización, la presente invención aborda estos problemas dividiendo el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona del intercambiador de calor caliente 5 en al menos dos haces de entubado arrollados de forma helicoidal más pequeños. Cada uno de estos haces más pequeños se pueden fabricar con menos restricciones de fabricación en comparación con la fabricación de un haz grande individual. Los haces de entubado más pequeños utilizan mandriles más pequeños, que pueden dar lugar a un área mayor de transmisión de calor por unidad de longitud del haz. Cada uno de los haces hendidos puede estar diseñado para adaptarse más estrechamente a la naturaleza del intercambiador de calor y a los fenómenos de flujo de fluido que se producen en cada haz. Por ejemplo, las correlaciones de coeficientes de transmisión de calor que utilizan la fracción líquida como un parámetro de diseño importante se pueden adaptar individualmente a un rango seleccionado de fracciones líquidas encontradas en cada uno de los haces más pequeños.
Una forma de realización de la invención se ilustra en la figura 2, en la que la zona de intercambio de calor caliente 5 de la figura 1 ha sido sustituida por una zona inferior o zona de intercambio de calor caliente 201 y una zona media de intercambio de calor 203. Este dibujo solamente es para ilustración y no está destinado para indicar la escala relativa de componentes del intercambiador de calor principal 2. La zona inferior de intercambio de calor 201 contiene circuitos de tubos 205, 207 y 209 que forman un haz de entubado individual arrollado de forma helicoidal instalado en la caldera de presión del intercambiador de calor 3. Este haz de entubado arrollado de forma helicoidal se puede fabricar por cualquiera de los métodos conocidos descritos anteriormente. Los tubos que contienen el gas de alimentación pueden ser arrollados sobre cualquier capa junto con tubos que contienen refrigerantes a alta presión. La zona media de intercambio de calor 203 puede contener circuitos de tubos 211, 212 y 215 que forman otro haz de entubado arrollado de forma helicoidal que puede estar instalado por encima del haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona inferior de intercambio de calor 201. Este haz de entubado arrollado de forma helicoidal puede ser fabricado también por cualquiera de los métodos conocidos descritos anteriormente. Los tubos que contienen el gas de alimentación pueden estar arrollados también sobre cualquier capa junto con tubos que contienen refrigerantes de alta presión.
Cada uno de los haces de entubado arrollados de forma helicoidal en las zonas de intercambio de calor 201 y 203 se caracteriza por un número de parámetros de fabricación o dimensionales que incluyen diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, diámetro exterior del haz, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo. Otros parámetros de fabricación o dimensionales pueden ser utilizados para caracterizar los haces de entubado arrollado de forma helicoidal. Los dos haces de entubado arrollado de forma helicoidal difieren en uno o más de los parámetros descritos anteriormente, y pueden diseñarse de tal forma que se optimiza el rendimiento operativo general del intercambiador de calor principal 2.
Un haz de entubado arrollado de forma helicoidal se define como un conjunto fabricado, que comprende una pluralidad de tubos de aluminio largos que están arrollados helicoidalmente alrededor de un núcleo central mandril axial.
La caldera de presión del intercambiador de calor 3 está orientada típicamente verticalmente, los ejes de los haces de entubado arrollado de forma helicoidal están típicamente verticales, y los haces están típicamente coaxiales con la caldera de presión del intercambiador.
El ángulo de arrollamiento del tubo se puede definir como el ángulo incluido formado entre el eje del tubo y un plano perpendicular al eje del haz (es decir, el eje del mandril). El ángulo de arrollamiento del tubo puede estar entre 2 y 25 grados. El paso de los tubos se puede definir como la distancia de centro a centro entre tubos arrollados adyacentes, en los que la distancia de centro a centro se mide perpendicularmente a los ejes de los tubos. El paso de los tubos puede variar entre 1,0 y 2,0 veces el diámetro del tubo. Los diámetros interior y exterior del entubado tienen el significado usual. El diámetro exterior del haz es el diámetro basado en la superficie exterior de los tubos en la última capa del haz. La longitud del tubo en un haz se puede definir como la longitud media de los tubos en el haz incluyendo la porción refrigerada y las colas en ambos extremos de los tubos.
El espaciador puede ser una barra o alambre cilíndrico o alternativamente puede ser una barra de sección generalmente rectangular o de otra sección transversal deseada. El significado del término “espesor del espaciador” es la distancia radial entre los lados opuestos del espaciador que están en contacto con el diámetro exterior del mandril en dos capas sucesivas de un haz. El número de espaciadores significa el número total de espaciadores en un haz. Cada espaciador puede estar orientado generalmente paralelo al eje del mandril, puede estar orientado helicoidalmente con relación al eje del haz, o puede utilizar cualquier otra relación deseada.
Los tubos en los circuitos de tubos 205, 207 y 209 se pueden extender más allá de la bobina arrollada realmente en “colas” que pueden ser agregadas o reunidas juntas en grupos, de manera que cada cola en el grupo puede ser insertada y fijada en una lámina de tubos. Por ejemplo, los extremos de salida de una pluralidad de tubos en un haz
de entubado arrollado de forma helicoidal pueden ser agregados por medio de la inserción y fijación en una lámina de tubos para formar un grupo de salidas de tubos. Se pueden utilizar medios similares para agregar los extremos de entrada de una pluralidad de tubos en el haz de entubado arrollado de forma helicoidal. Estas láminas de tubos, a su vez, se pueden unir, por ejemplo, por medio de pestañas, a secciones de tubos para transportar el fluido hacia y desde el haz de entubado arrollado. Una o más láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 205 pueden estar conectadas a la línea de entrada de gas de alimentación 11, una o más láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 207 pueden estar conectadas a la línea de entrada de vapor refrigerante 37 y una o más láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 208 pueden estar conectadas a la línea de entrada de líquido refrigerante 29. De la misma manera, las láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 205 están conectadas a la línea de transferencia de alimentación 217, las láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 207 están conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 219, y las láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 209 están conectadas a la línea de transferencia de refrigerante
221.
La conexión de una lámina de tubos en un haz de entubado arrollado de forma helicoidal a una lámina de tubos en otro haz de entubado arrollado de forma helicoidal proporciona una comunicación de flujo de fluido entre los circuitos de tubos respectivos en los dos haces. El término “comunicación de flujo de fluido” significa que alguno o todos los haces de entubado arrollado de forma helicoidal pueden fluir a través de esta conexión en el otro haz. Por ejemplo el fluido que abandona un haz puede ser extraído desde la caldera de presión 3 del intercambiador de calor 3, sometido a otra etapa de proceso y retornado al otro haz con una composición y/o caudal de flujo diferente. El término “comunicación de flujo de fluido directo” significa que todos el fluido que abandona un haz fluye a través de esta conexión con una composición y caudal de flujo constante al otro haz.
Opcionalmente, la línea de transferencia de alimentación 217 se puede extender a través de la pared del intercambiador de calor 3 hasta una válvula de control externa (no se muestra) y luego de retorno a través de la pared de la caldera del intercambiador de calor 3 para conexión con el extremo inferior del circuito de tubos 211. De una manera similar, la línea 219 se puede extender a través de la pared del intercambiador de calor 3 hasta una válvula de control externa (no se muestra) y luego de retorno a través de la pared de la caldera del intercambiador de calor 3 para conexión con el extremo inferior del circuito de tubos 213.
Los tubos en los circuitos de tubos 211, 213 y 215 se pueden extender más allá que el haz arrollado real en “colas” que pueden ser agregadas o reunidas juntas en grupos, de manera que cada cola en el grupo puede ser insertada y fijada en una lámina de tubos. Las láminas de tubos, a su vez, pueden ser unidas, por ejemplo, por medio de pestañas, a secciones de tubos para transportar fluido hacia y desde el haz de entubado arrollado. Las láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 211 están conectadas a la línea de transferencia de alimentación 217, las láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 213 están conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 219, y las láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 215 están conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 221, de una manera similar, una o más láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 211 pueden estar conectadas a la línea de transferencia de alimentación 223, una o más láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 213 pueden estar conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 225, y una o más láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 215 pueden estar conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 227. La línea de transferencia de refrigerante 227 puede estar conectada a una válvula de estrangulamiento 33 y a un distribuidor de refrigerante 35. El refrigerante de presión reducida desde la válvula de estrangulamiento 33 se combina con refrigerante parcialmente vaporizado que circula hacia abajo desde la zona de intercambio de calor 9 y el refrigerante combinado es distribuido por el distribuidor de refrigerante 35. Este distribuidor se muestra de forma esquemática y puede incluir medios para la separación de fases y para la distribución de corrientes separadas de refrigerante en vapor y de refrigerante líquido hasta la zona de intercambio de calor 203.
El término “haz de entubado arrollado de forma helicoidal” como se utiliza aquí incluye la sección helicoidal del haz así como las colas de cada extremo de la sección helicoidal.
La línea de transferencia de alimentación 223 puede estar conectada opcionalmente a través de la línea 15 a la válvula de estrangulamiento 17 que, si se utiliza, se conecta a través de la línea 16 al circuito del tubo 21. Si la válvula de estrangulamiento 17 no es utilizada, la línea de transferencia de alimentación 223 conecta directamente los circuitos de tubos 211 y 21.
El haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona inferior o zona de intercambio de calor caliente 201 y el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona media de intercambio de calor 203 forman juntos un conjunto de tubos arrollados de forma helicoidal que sustituye a haz de entubado arrollado de forma helicoidal individual en la zona de intercambio de calor caliente 5 de la figura 1.
Los tubos en los circuitos de tubos 21 y 41 se pueden extender más allá del haz arrollado real en “colas” que se pueden agregar o reunir juntas en grupo de manera que cada cola en el grupo puede insertarse y fijarse en una
lámina de tubos. Las láminas de tubos, a su vez, se pueden unir, por ejemplo, por medio de pestañas, a secciones de tubos, que transportan fluido hacia y desde el haz de entubado arrollado de forma helicoidal. Una o más láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 21 pueden estar conectadas a la línea de transferencia de alimentación 16, y una o más láminas de tubos en el extremo inferior del circuito de tubos 41 pueden estar conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 225. De una manera similar, una o más láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 21 pueden estar conectadas a la línea de producto de alimentación 23, y una
o más láminas de tubos en el extremo superior del circuito de tubos 41 pueden estar conectadas a la línea de transferencia de refrigerante 42. La línea de transferencia de refrigerante 42 está conectada a la válvula de estrangulamiento 43 y al distribuidor de refrigerante 45. Este distribuidor se muestra de forma esquemática y puede incluir medios para la separación de fases y para la distribución de corrientes separadas de refrigerante de vapor y líquido hacia la zona de intercambio de calor 9. El producto licuado en la línea 23 puede ser reducido en presión a través de la válvula de estrangulamiento 24 para proporcionar un producto líquido final, que se envía al almacenamiento y el gas desprendido durante el enfriamiento del líquido refrigerante se puede utilizar como combustible. Si el líquido está a una temperatura suficientemente baja en la línea 23, permanecerá como líquido después de la reducción de la presión aguas abajo de la válvula 24.
El refrigerante que fluye hacia abajo, que llega hasta el extremo inferior del haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 203 es distribuido de una manera uniforme sobre la parte superior del haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 210 por el redistribuidor 229 para asegurar la transferencia eficiente de calor desde los circuitos de tubos 205, 207 y 209 hasta el refrigerante de vaporización sobre el lado de la cáscara. El redistribuidor 229 puede utilizar cualquier tipo de distribuidos de corriente continua de dos fases conocido en la técnica. Un tipo de redistribuidor que puede ser utilizado en este servicio, por ejemplo, comprende una placa perforada encerrada en forma de ventilador, que distribuye las fases de refrigerante en vapor y líquido de una manera uniforme sobre la parte superior del haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 201. El redistribuidor 229 se muestra de forma esquemática y puede incluir medios para la separación de fases y la distribución de corrientes separadas de refrigerante en vapor y refrigerante líquido hacia la zona de intercambio de calor 201.
El haz de entubado arrollado de forma helicoidal, que está formado por circuitos de tubos 205, 207 y 209 en la zona de intercambio de calor 201 se puede caracterizar por un número de parámetros de fabricación o dimensionales, que incluyen diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, diámetro exterior del haz, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo.
El haz de entubado arrollado de forma helicoidal que está formado por circuitos de tubos 211, 213 y 215 en la zona de intercambio de calor 203 se puede caracterizar también por un número de parámetros de fabricación o dimensionales, que incluyen diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, diámetro exterior del haz, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo. Los parámetros de fabricación en cada uno de estos haces de entubado arrollado de forma helicoidal se pueden seleccionar para optimizar el proceso de transmisión de calor en cada una de las zonas de transmisión de calor 201 y 203. Algunos de los parámetros pueden ser esencialmente los mismos en los dos haces de entubado arrollado de forma helicoidal, mientras que los otros pueden ser diferentes. Por ejemplo, el diámetro exterior del tubo, el paso del tubo, y el ángulo de arrollamiento del tubo pueden ser los mismos en ambos haces de entubado arrollado de forma helicoidal, mientras que el diámetro exterior del mandril, el espesor de los espaciadores, el diámetro exterior del haz y la longitud del haz pueden ser diferentes en cada uno de los haces de entubado arrollado de forma helicoidal. La selección adecuada de estos parámetros en los dos haces de entubado arrollado de forma helicoidal permitirá un rendimiento general mejorado del intercambiador de calor. Por ejemplo, cuando la invención se aplica al intercambiador de calor principal en la producción de LNG, se puede realizar una tasa de producción más elevada para un tamaño general dado del intercambiador de calor principal. Alternativamente, para una tasa de producción dada, se puede utilizar un intercambiador de calor principal más pequeño.
Como se ha descrito anteriormente, cada uno de los haces hendidos puede estar diseñado para adaptarse más estrechamente a la naturaleza de los fenómenos de intercambio de calor y de flujo de fluido, que se producen en cada haz. Las correlaciones de coeficientes de transmisión de calor, que utilizan la fracción líquida como un parámetro de diseño importante, se pueden adaptar individualmente a una gama seleccionada de fracción líquida encontrada en cada uno de los haces en las zonas de transmisión de calor 201 y 203.
Dos procesos bien conocidos para la producción de LNG son el proceso de refrigerante mixto pre-refrigerado con propano y el proceso de refrigerante mixto doble. Cada uno de estos procesos utiliza uno o más intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal, y puede utilizar la presente invención para mejorar el rendimiento del proceso. En el proceso de refrigerante mixto pre-refrigerado con propano, se utiliza la refrigeración con propano para prerefrigerar la alimentación de gas natural, y la refrigeración final y la licuación del gas pre-refrigerado limpio es proporcionada por un sistema de refrigerante mixto. El refrigerante mixto comprimido en el circuito de refrigerante mixto puede ser refrigerado y parcialmente condensado por refrigeración con propano. En el proceso de refrigerante mixto doble, se puede utilizar un primer sistema de refrigerante mixto para pre-refrigerar la alimentación de gas natural y se puede utilizar un segundo sistema de refrigerante mixto para proporcionar la refrigeración y licuación final del gas. En un proceso alternativo, se puede utilizar un sistema de refrigeración de absorción de amonio para pre-refrigerar el gas de alimentación y el refrigerante mixto. La presenta invención se puede utilizar con cualquier proceso de licuación de gas natural que utiliza intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal.
Aunque la invención ha sido ilustrada anteriormente para uso en un proceso de licuación de gas natural, el concepto de haz hendido puede ser utilizado en cualquier proceso que utiliza intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal. Estos podrían incluir, por ejemplo, procesamiento criogénico de gas natural para recuperar hidrocarburos ligeros como gas de petróleo licuado (LPG) y la recuperación de helio a partir de gas natural. Los Ejemplos siguientes ilustran la presente invención, pero no limitan la invención a ninguno de los detalles específicos descritos aquí.
Ejemplo 1
El uso del intercambiador de calor de haz hendido arrollado de forma helicoidal en un proceso de LNG de refrigerante mixto pre-refrigerado con propano se ilustra en el diagrama de flujo esquemático de la figura 3. Se proporciona una corriente de alimentación de gas natural en la línea 301 a 9,75 MPa (1.431 psia) y tiene una composición (en % en vol.) de 93 % de metano, 4 % de etano, 0,6 % de propano, 0,3 % de butano, 0,1 % de isobutano, 0,8 % de nitrógeno y cantidades de trazas de hidrocarburos superiores y agua. La corriente de alimentación en la línea 301 está refrigerada inicialmente a –36,7ºC (-34ºF) a través de una serie de intercambiadores de calor en cascada 303, 305 y 307, que son refrigerados por un sistema de refrigeración de preenfriamiento de circuito cerrado utilizando propano como el refrigerante. El propano es el refrigerante preferido debido a que proporciona trabajo de refrigeración a la temperatura y presión operativas deseadas y también debido a que está disponible a partir de los líquidos de gas natural separados para la carga inicial y para la formación de sistemas de refrigerante de propano y de refrigerante mixto.
La alimentación de alta presión pre-refrigerada es introducida a través de la línea 309 en la turbina de expansión 311, donde se reduce en la presión a 5 MPa (725 psia) a (-88ºF), al mismo tiempo que se produce energía mecánica. La alimentación expandida que contiene vapor y líquido en la línea 313 es introducida en la parte superior de la columna de lavado 315. La columna de fraccionamiento 315 funciona aproximadamente a 5 MPa (725 psia) para separar una fracción rica en metano y una fracción de hidrocarburos más pesados desde el gas de alimentación. Los hidrocarburos más pesados son eliminados desde la parte inferior de la columna 315 a través de la línea 317 y una porción de la corriente es reciclada a través del intercambiador de calor de re-ebullición 319 con el fin de proporcionar vapor de re-ebullición para la columna. El resto de la corriente inferior en la línea 317 es retirado como corriente de producto 321 de gas natural líquido (NGL) con una composición (% en vol.) de 34,7 % de etano, 17,8 % de propano, 13,5 % de butano, 4 % de isobutano y cantidades residuales de metano, pentano, isopentano y heptano.
Una corriente de gas rica en metano es extraída a través de la línea 323 como una cabecera a partir de la columna de fraccionamiento 315 a una temperatura de -66ºC (-87ºF) y es comprimida en el compresor 325 que es accionado por el dispositivo de expansión 311. El gas rico en metano es descargado desde el compresor 325 en la línea 327 a 7,2 MPa (1037 psia) y una temperatura de –44ºC (-47ºF).
El gas rico en metano en la línea 327 es introducido en el intercambiador de calor principal 329, donde es refrigerado y sub-enfriado para proporcionar un producto LNG como se describe a continuación. El intercambiador de calor principal 329 es similar al intercambiador de calor princi9pal 1 de la figura 2 como se ha descrito anteriormente. La corriente de alimentación rica en metano es refrigerada inicialmente en el circuito de tubos 331, que forma un haz de entubado arrollado de forma helicoidal con circuitos de tubos 333 y 335 localizados en la zona de intercambio de calor 337. La refrigeración es proporcionada vaporizando refrigerante de hidrocarburos de componentes múltiples sobre el lado de la cáscara del intercambiador como se describe más adelante. La alimentación refrigerada rica en metano fluye desde el circuito de tubos 331 a través de la línea de transferencia de alimentación 339, que se puede extender opcionalmente a través de la pared de la caldera del intercambiador de calor 367 hasta una válvula de control externa (no se muestra) y entonces de retorno a través de la pared de la caldera del intercambiador de calor 367 para conexión con el extremo inferior del circuito de tubos 341.
La corriente de alimentación refrigerada rica en metano es refrigerada adicionalmente y licuada en el circuito de tubos 341, que forma un haz de entubado arrollado de forma helicoidal junto con circuitos de tubos 343 y 345 localizados en la zona de intercambio de calor 347. La refrigeración es proporcionada vaporizando refrigerante de hidrocarburos de componentes múltiples sobre el lado de la cáscara del intercambiador como se describe a continuación. La alimentación refrigerada rica en metano fluye desde el circuito de tubos 341 a través de la línea de transferencia de alimentación 349 como líquido a alta presión. La corriente refrigerada es reducida en presión hasta aproximadamente 300 psia a través de la válvula de estrangulamiento 351.
La corriente de alimentación rica en metano líquida refrigerada es refrigerada adicionalmente en el circuito de tubos 357, que forma junto con el circuito de tubos 359 un haz de entubado arrollado de forma helicoidal localizado en la zona de intercambio de calor 361. La refrigeración es proporcionada vaporizando refrigerante de hidrocarburo de componentes múltiples sobre el lado de la cáscara del intercambiador como se describe a continuación. El producto líquido rico en metano refrigerado fluye desde el circuito de tubos 359 a través de la línea de transferencia de producto 363 aproximadamente a –57ºC (-250ºF) y 1,87 Mpa (270 psia). El líquido es reducido hasta cerca de la presión atmosférica a través de la válvula de estrangulamiento 365 y el volumen de presión pequeño formado por esta etapa de reducción de la presión es separado (no se muestra) desde el producto final LNG y es usado como gas de alimentación de la planta. El producto LNG es bombeado para el almacenamiento (no se muestra) para una eventual exportación. El metano en fase de vapor, que se desarrolla durante el almacenamiento del producto LNG es retirado y comprimido (no se muestra) para inclusión como combustible de planta. Alternativamente, el líquido en la línea 363 puede ser sub-enfriado hasta una temperatura más baja, de tal manera que no se produce gas desprendido durante el enfriamiento del líquido refrigerante, cuando el líquido es conducido a través de la válvula
365.
La refrigeración para el proceso de licuación descrito anteriormente es proporcionada por un refrigerante de componentes múltiples, que se vaporiza mientras fluye sobre el lado de la cáscara de los tres haces de entubado arrollado de forma helicoidal en zonas de intercambio de calor 337, 347 y 361 dentro de la caldera del intercambiador 367. Una corriente de vapor refrigerante de componentes múltiples es extraída desde la parte inferior de la caldera del intercambiador 367 a través de la línea 369 y tiene una composición (% en vol.) del 47 % de etano, 41 % de metano, 8,9 % de propano y 2,9 % de nitrógeno. El refrigerante de componentes múltiples formado puede introducirse en el circuito de refrigeración de licuación como se requiera a través de la línea 371.
El refrigerante formado combinado y el refrigerante de reciclaje en la línea 373 a 290 kPa (40 psia) y a –40ºC (-40ºF) con comprimidos en el compresor 375 y son refrigerados por agua de refrigeración en el intercambiador de calor
377. El refrigerante es comprimido adicionalmente en el compresor 379 y es refrigerado por agua de refrigeración en el intercambiador de calor 381 para producir una corriente de refrigerante comprimido en la línea 383 a 4,41 Mpa (638 psia) y a 12ºC (54ºF). Este refrigerante de componentes múltiples caliente comprimido es refrigerado y parcialmente condensado en intercambiadores de calor de evaporación 385, 387 y 389 por intercambio de calor indirecto con vaporización del refrigerante de propano a través de las líneas 391, 393 y 395. El refrigerante de componentes múltiples sale desde el intercambiador de calor 389 en la línea 3907 a una presión de 4,3 Mpa (620 psia) y a una temperatura de –34ºC (-30ºF).
El refrigerante de componentes múltiples es separado en el separador 399, el vapor es extraído a través de la línea 401 (aproximadamente 25 % en mol total del flujo de refrigerante) y el líquido es extraído a través de la línea 403 (aproximadamente 75 % en ml total del flujo de refrigerante). El refrigerante líquido entra a través de la línea 403 y es sub-enfriado por circulación a través del circuito de tubos 335 del haz arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 337 y el circuito de tubos 345 del haz arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 347. El refrigerante sub-enfriado a –129ºC (-200ºF) a 3,6 MPa (517 psia) en la línea 405 es reducido en la presión a través de la válvula de estrangulamiento 407, y el refrigerante a presión reducida es combinado con refrigerante desde el lado de la cáscara de la zona de intercambio de calor 361. El refrigerante combinado es distribuido sobre el haz arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 347 a través del distribuidor
409.
El vapor procedente del separador 399 es retirado a través de la línea 401 y fluye a través de los circuitos de tubos 333, 343 y 359, donde es refrigerado y licuado. El refrigerante líquido a –157ºC (-250ºF) es extraído a través de la línea 411, es reducido en presión a través de la válvula de estrangulamiento 413, y es distribuido a través del distribuidor 415 sobre el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 361. El refrigerante de vaporización fluye hacia abajo a través de la zona de intercambio de calor 361, es combinado con al refrigerante de la válvula 407 como se ha descrito anteriormente, y el refrigerante de vaporización combinado es distribuido a través del distribuidor 409 y fluye hacia abajo sobre el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 347. El refrigerante que fluye hacia abajo es redistribuido por el redistribuidor 416, después de lo cual el refrigerante continúa en flujo descendente sobre el haz de entubado arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 337. El refrigerante vaporizado es extraído a través de la línea 369 y es reciclado para compresión, como se ha descrito anteriormente.
A continuación se describirá el ciclo de refrigeración de propano mencionado anteriormente para la pre-refrigeración de la alimentación y para la refrigeración del refrigerante mixto. Las corrientes de vapor de propano en las líneas 417, 419 y 421 son comprimidas a 1,4 MPa (200 psia) en el compresor de etapas múltiples 423. El propano comprimido es post-refrigerado y totalmente condensado en intercambiadores de calor 425 y 427 refrigerados por agua, y el propano líquido comprimido resultante es suministrado al depósito de líquido 429. El refrigerante líquido es sub-enfriado adicionalmente en el intercambiador de calor refrigerado por agua 431 antes de pasar al trabajo de refrigeración a través de la línea 433. El refrigerante es expandido a través de la válvula 435 y es suministrado al
tambor de aspiración de suministro 437.
El vapor refrigerante procedente del tambor 437, cuyo vapor se forma debido al gas desprendido durante el enfriamiento del refrigerante líquido a través de la válvula 435 y la evaporación en intercambiadores 303 y 385, fluye 5 a la recompresión a través de la línea 421. El refrigerante líquido procedente del tambor 437 es retirado en la línea 439 y es dividido en líneas 441 y 443. El refrigerante de la línea 443 es expandido a través de la válvula 445 y es introducido en el tambor de aspiración de aspiración de suministro 447. El refrigerante en la línea 441 es dividido para circular en las líneas 449 y 391, que proporcionan refrigerante propano, respectivamente, que debe vaporizarse en el intercambiador de calor de refrigeración de alimentación 303 y el intercambiador de refrigeración de
10 refrigerante de componentes múltiples 385 descritos anteriormente. El propano vaporizado desde los intercambiadores 303 y 385 es retornado a través de la línea de aspiración de suministro 437.
El refrigerante de componente individual en el tambor de aspiración de suministro 447 es separado en una fase de vapor y una fase de líquido. Esta fase de vapor formada por el gas desprendido durante el enfriamiento del líquido 15 refrigerante a través de la válvula 445 y la evaporación en los intercambiadores 305 y 387 es retirado desde el tambor de aspiración de suministro 447 a través de la línea 419 para recompresión en el compresor 423. La fase líquida es retirada en la línea 451 que se divide en las líneas 453 y 455. El refrigerante en la línea 455 se expande a través de la válvula 457 y es introducido en el tambor de aspiración del suministro 459. La corriente de refrigerante líquido en la línea 453 es dividida, además, en las líneas 461 y 393, que proporcionan refrigerante propano para ser
20 vaporizados, respectivamente, en los intercambiadores de calor de refrigeración de la alimentación 305 y en el intercambiador de refrigeración de refrigerante de componentes múltiples 387 como se ha descrito anteriormente. El propano vaporizado desde los intercambiadores 305 y 387 es retornado a través de la línea 463 al tambor de aspiración de suministro 447.
25 El refrigerante de componente individual suministrado al tambor de aspiración de suministro 459 a través de la línea 455 y la válvula 457 es separado en una fase de vapor y una fase de líquido. La fase de vapor junto con el vapor procedente de la línea 469 es retirado a través de la línea 417 para la recompresión en el compresor 423. La fase líquida es retirada en la línea 465, que se divide en las líneas 467 y 395, que proporcionan refrigerante que debe vaporizarse, respectivamente, en el intercambiador de calor de refrigeración de alimentación 307 y en el
30 intercambiador de refrigeración de refrigerante de componentes múltiples 389 descritos anteriormente. El propano vaporizado procedente de los intercambiadores 307 y 389 es retornado a través de la línea 469 al tambor de aspiración de suministro 459. el vapor es suministrado al compresor 423 para recompresión a través de la línea 417.
Ejemplo 2
35 Un intercambiador de calor principal de dos haces, como se ilustra en la figura 1, es accionado para la producción de gas natural licuado utilizando un ciclo de refrigerante mixto pre-refrigerado con propano similar al del Ejemplo 1 anterior. Los parámetros de diseño físicos del haz arrollado de forma helicoidal en la zona de intercambio de calor 5 se dan en la Tabla 1.
Tabla 1
Parámetros físicos de diseño de haces arrollados de forma helicoidal para el Ejemplo 2 (zona de intercambio de calor 5, figura 1)
Diámetro exterior del haz (pies) m
15 4,95
Longitud del haz (pies) m
65 21,45
Longitud de los tubos (pies) m
870 28,71
Diámetro exterior de los tubos (pulgadas) cm
0,75 1,91
Diámetro exterior del mandril (pulgadas) cm
65 165,1
Espesor de los espaciadores (pulgadas) cm
0,23 0,58
Área de la superficie (pies2) m2
314.000 29,18
Número de tubos de alimentación
870
Número de tubos de refrigerante de vapor
350
Número de tubos de refrigerante líquido
630
Número total de tubos
1.840
Ejemplo 3
5 Un intercambiador de calor principal de haz hendido, como se ilustra en la figura 2, es accionado para la producción de gas natural licuado con la misma tasa de producción que en el Ejemplo 1 utilizando un ciclo de refrigerante mixto pre-refrigerado con propano similar al del Ejemplo 1. Los parámetros físicos de diseño de los haces arrollados de forma helicoidal en las zonas de intercambio de calor 201 y 203 se indican en la Tabla 2. Las características de la caída de la presión de los haces arrollados de forma helicoidal en las zonas de intercambio de calor 201 y 203
10 (figura 2) son aproximadamente las mismas que las de la zona de intercambio de calor 3 (figura 1).
Tabla 2
Parámetros físicos de diseño de los haces arrollados de forma helicoidal para el Ejemplo 3 (Zonas de intercambio de 15 calor 201 y 203, figura 2)
Zona 201 (haz caliente)
Zona 203 (haz medio)
Diámetro exterior del haz (pies) m
(14) 4,62 (11) 3,63
Longitud del haz (pies) m
(49) 16,17 (12) 3,96
Longitud de los tubos (pies) m
(570) 18,8 (200) 66
Diámetro exterior de los tubos (pulgadas) cm
(0,75) 1,9 (0,75) 1,9
Diámetro exterior del mandril (pulgadas) cm
(60) 152 (50) 127
Espesor de los espaciadores (pulgadas) cm
(0,25) 0,64 (0,16) 0,41
Área de la superficie (pies2) m2
(224.000) 20,82 (38.000) 3,53
Número de tubos de alimentación
950 350
Número de tubos de refrigerante de vapor
390 126
Número de tubos de refrigerante líquido
660 490
Número total de tubos
2.000 970
20 En la tabla 3 siguiente se muestra una comparación de los parámetros esenciales de los haces para el haz individual del Ejemplo 2 y el haz hendido del Ejemplo 3.
Tabla 3
25 Comparación de los parámetros de los haces para los Ejemplos 2 y 3
Parámetro
Ejemplo 2 Ejemplo 3
(haz individual)
(Haz hendido)
Diámetro exterior máximo del haz (pies) m
(15) 4,95 (14) 4,62
Longitud total del haz (pies) m
(65) 21,456 (61) 20,1
Área de la superficie total del haz (pie2) m2
(314.000) 29,18 (262.000) 24,35
Número total de tubos
1.840 2.970
Longitud total de los tubos (pies) m
(870) 287 (770) 257
A partir de la comparación en la Tabla 3 se ve que el proceso de haces hendidos requiere significativamente menos área de la superficie de intercambio de calor que el proceso del haz individual. 5
Ejemplo 4
La información de los ejemplos 1 a 3 fue utilizada con cálculos de procesos adicionales para comparar el proceso de la figura 3, que utiliza la configuración del intercambiador de calor caliente de haz hendido de la figura 2, con el
10 mismo proceso utilizando la configuración del intercambiador de calor principal convencional de la figura 1. Se realizaron comparaciones de la producción relativa con un área de la superficie total dada del intercambiador y de un área de la superficie total relativa requerida para una tasa de producción dada. El área de la superficie total incluye las áreas de superficie de los dos haces caliente y frío. Los resultados se resumen en la Tabla 4.
15 Tabla 4
Comparaciones para el Ejemplo 4
Parámetro
Proceso utilizando el intercambiador principal de la figura 1 Proceso utilizando el intercambiador principal de la figura 2
Caso A
Caso B
Tasa de producción de LNG
100 100 102
Área total de la superficie del intercambiador
100 80 100
20 Se ve a partir de la Tabla 6 que para una tasa de producción dada de LNG, la presente invención requiere un 80 % del área de la superficie del intercambiador utilizada en el intercambiador principal original de la figura 1. A la inversa, para un área dada de la superficie del intercambiador, la presente invención proporciona un incremento del 2 % en la tasa de producción de LNG por encima de la conseguida utilizando el intercambiador principal
25 convencional de la figura 1.
La invención se ilustra en los Ejemplos anteriores para uso en el intercambiador de calor principal del proceso de licuación de gas natural pre-refrigerado con propano de la figura 3. La invención se puede aplicar también a intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal en otros procesos de licuación de gas natural. Por ejemplo, 30 los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal utilizados en el proceso de licuación de gas natural de refrigerante mixto doble (MR) bien conocido se pueden modificar de acuerdo con la presente invención. Ejemplos de los procesos de licuación de gas natural MR doble se describen en las patentes U. S. 4.504.296 y 6.119.479. En el proceso MR doble, el gas natural es refrigerado en un primer intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal por un primer sistema de refrigerante mixto de recirculación y es refrigerado adicionalmente y licuado en un segundo
35 intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal por un segundo sistema de refrigerante mixto de recirculación. El concepto de haz hendido de la presente invención se puede utilizar en cualquiera de los dos o en el primero y segundo intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal en el proceso MR doble.
Por lo tanto, la presente invención ofrece características mejoradas de rendimiento y de tamaño de los 40 intercambiadores de calor en comparación con el diseño convencional de los intercambiadores de calor. La división de un haz individual en dos o más haces separados con diferentes parámetros de diseño ofrece el potencial para la
producción mejorada de un área dada de la superficie de los intercambiadores de calor o, de una manera alternativa, ofrece el potencial pata usar un área más pequeña de la superficie de los intercambiadores de calor para una tasa de producción dada. Además, es posible redistribuir el refrigerante que fluye hacia abajo entre los haces hendidos sobre el lado de la cáscara del intercambiador, lo que puede mejorar la eficiencia de transmisión de calor en el haz
5 inferior. La división de un haz puede permitir también el diseño de un intercambiador con más área de la superficie del intercambiador de calor para un intercambiador dado. Otra ventaja de la configuración del haz hendido es que la expansión y la contracción axial en cada uno de dos haces más cortos durante el arranque y la parada será menor que la expansión y la contracción correspondientes de un haz individual. Esto reduce las tensiones mecánicas en los haces más cortos en comparación con las tensiones en un haz individual más largo.

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema de intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal para la licuación de gas natural contra un refrigerante de vaporización, que comprende:
    (a)
    una caldera de intercambiador de calor cilíndrica vertical, que comprende una primera sección que tiene un primer diámetro y una segunda sección que tiene un segundo diámetro;
    (b)
    un primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en la primera sección de la caldera del intercambiador de calor,
    (c)
    un segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en la primera sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal, en el que uno o más grupos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal están conectados en comunicación de flujo de fluido directo con uno o más grupos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal,
    (d)
    un tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en la segunda sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del segundo haz de entubado arrollado,
    (e)
    donde el primero y el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal difieren en uno o más parámetros seleccionados a partir de un grupo que incluye diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo,
    caracterizado porque
    (f)
    cada grupo de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal está conectado en comunicación de flujo de fluido directo con un grupo de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal,
    (g)
    un distribuidor de refrigerante (229) está dispuesto entre el primero y segundo haz de tubería arrollada de forma helicoidal
    (h)
    y la segunda sección tiene un diámetro que es diferente del primer diámetro.
  2. 2. El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal de la reivindicación 1, en el que:
    -
    el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye
    (b1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (b2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (b3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (b4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; y (b5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (b3) y (b4), donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente;
    donde las entradas y salidas de los tubos de (b2) a (b5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.
    -
    el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:
    (c1) un segundo mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (c2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (c3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (c4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; y (c5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (c3) y (c4), donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (c2) a (c5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.
    -
    y donde el sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal comprende, además:
    (d)
    medios para agregar los extremos de salida de dos o más conjuntos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de salidas de tubos;
    (e)
    medios para agregar los extremos de entrada de dos o más conjuntos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de entradas de tubos; y
    (f)
    medios para colocar el primer grupo de salidas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el primer grupo de tubos de entrada en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, y
    (g)
    un tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en una segunda sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, en el que la segunda sección tiene un diámetro que es diferente del primer diámetro,
    -
    en el que el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:
    (g1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (g2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (g3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (g4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; (g5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (g3) y (g4), donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente;
    donde las entradas y salidas de los tubos de (g2) a (g5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.
ES02011583T 2002-05-27 2002-05-27 Intercambiador de calor con serpentines de tubo Expired - Lifetime ES2254555T5 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP02011583A EP1367350B2 (en) 2002-05-27 2002-05-27 Coil wound heat exchanger

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2254555T3 ES2254555T3 (es) 2006-06-16
ES2254555T5 true ES2254555T5 (es) 2013-02-15

Family

ID=29414691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES02011583T Expired - Lifetime ES2254555T5 (es) 2002-05-27 2002-05-27 Intercambiador de calor con serpentines de tubo

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1367350B2 (es)
AT (1) ATE311580T1 (es)
DE (1) DE60207689T3 (es)
ES (1) ES2254555T5 (es)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2413151C2 (ru) * 2005-07-29 2011-02-27 Линде Акциенгезельшафт Змеевиковый теплообменник с выполненными из разных материалов деталями
BRPI0614910A2 (pt) * 2005-07-29 2011-04-19 Linde Ag trocador de calor enrolado com diferentes diámetros de tubos
DE102009018248A1 (de) * 2009-04-21 2010-10-28 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion
KR101787335B1 (ko) * 2010-06-30 2017-10-19 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법 및 이를 위한 장치
EP2857782A1 (en) 2013-10-04 2015-04-08 Shell International Research Maatschappij B.V. Coil wound heat exchanger and method of cooling a process stream
US20160209118A1 (en) * 2015-01-16 2016-07-21 Air Products And Chemicals, Inc. Shell-Side Fluid Distribution in Coil Wound Heat Exchangers
US10359228B2 (en) 2016-05-20 2019-07-23 Air Products And Chemicals, Inc. Liquefaction method and system
FR3075942B1 (fr) * 2017-12-22 2020-07-17 Axens Echangeur de chaleur bobine pour hydrotraitement ou hydroconversion
DE102019002704A1 (de) * 2019-04-12 2020-10-15 Linde Gmbh Stegdesign - und Anordnung zur Verringerung einer radialen Fehlverteilung in einem gewickelten Wärmeübertrager
CN114555258B (zh) * 2019-10-08 2023-04-18 气体产品与化学公司 热交换系统及组装方法
CN111964482A (zh) * 2020-08-21 2020-11-20 仲恺农业工程学院 一种缠绕管式蒸发器
US20230147084A1 (en) 2021-11-05 2023-05-11 Air Products And Chemicals, Inc. Mitigation of Shell-Side Liquid Maldistribution in Coil Wound Heat Exchanger Bundles
CN115388675B (zh) * 2022-08-18 2024-06-07 上海核工程研究设计院股份有限公司 一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件
CN115894145A (zh) * 2022-10-28 2023-04-04 山东京博装备制造安装有限公司 一种丙烷脱氢工艺
CN117006867B (zh) * 2023-09-25 2024-01-26 江苏双勤新能源科技有限公司 一体式热交换器

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2952985A (en) * 1954-09-20 1960-09-20 Clarence W Brandon Apparatus for fractionating and refrigerating with or by miscible fluids
FR1381767A (fr) * 1963-02-06 1964-12-14 Sulzer Ag Echangeur de chaleur disposé dans un récipient sous pression de section circulaire
GB1135871A (en) * 1965-06-29 1968-12-04 Air Prod & Chem Liquefaction of natural gas
US3516261A (en) * 1969-04-21 1970-06-23 Mc Donnell Douglas Corp Gas mixture separation by distillation with feed-column heat exchange and intermediate plural stage work expansion of the feed
NO146511C (no) * 1977-02-02 1982-10-13 Kaehler & Breum Beholder Og Ma Varmeveksler, saerlig vannvarmer for bruksvann
US4504296A (en) 1983-07-18 1985-03-12 Air Products And Chemicals, Inc. Double mixed refrigerant liquefaction process for natural gas
RU2141611C1 (ru) † 1995-10-05 1999-11-20 Би Эйч Пи Петролеум ПТИ, Лтд. Способ сжижения
DE19848280C2 (de) † 1998-10-20 2003-01-30 Linde Ag Wärmetauscher zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
US6119479A (en) 1998-12-09 2000-09-19 Air Products And Chemicals, Inc. Dual mixed refrigerant cycle for gas liquefaction
US6347532B1 (en) * 1999-10-12 2002-02-19 Air Products And Chemicals, Inc. Gas liquefaction process with partial condensation of mixed refrigerant at intermediate temperatures
TW480325B (en) † 1999-12-01 2002-03-21 Shell Int Research Plant for liquefying natural gas

Also Published As

Publication number Publication date
ATE311580T1 (de) 2005-12-15
EP1367350B2 (en) 2012-10-24
ES2254555T3 (es) 2006-06-16
DE60207689T2 (de) 2006-06-14
EP1367350A1 (en) 2003-12-03
DE60207689D1 (de) 2006-01-05
DE60207689T3 (de) 2013-01-24
EP1367350B1 (en) 2005-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2254555T5 (es) Intercambiador de calor con serpentines de tubo
JP5898264B2 (ja) 液体還流ストリームを提供する積層垂直型熱交換器を用いたｌｎｇシステム
ES2234496T3 (es) Procedimiento de licuefacion de gas por condensacion parcial de un refrigerante mezclado a temperaturas intermedias.
JP6110453B2 (ja) 天然ガス液化プロセスにおける冷却剤回収
EP2508830B1 (en) Vertical heat exchanger configuration for lng facility
BR102016008821B1 (pt) Método para liquefazer um fluxo de alimentação de gás natural e sistema para liquefazer um fluxo de alimentação de gás natural para produzir um produto de gás natural liquefeito (lng)
JPH0140267B2 (es)
KR102229074B1 (ko) 모듈화된 lng 분리 장치 및 플래시 가스 열 교환기
CN102538387A (zh) Lng低温液化三级制冷螺旋缠绕管式换热装备
WO2008012286A1 (en) Method and apparatus for vaporizing a liquid stream
RU2749627C2 (ru) Способ сжижения углеводородного сырьевого потока
CN104896971B (zh) 一种变径管缠绕的螺旋管式换热器
JP2021526625A (ja) 高圧圧縮および膨張による天然ガスの前処理および前冷却
ES2745738T3 (es) Un intercambiador de calor principal y un proceso para enfriar una corriente del lado de los tubos
JP2018054286A (ja) 混合冷媒冷却プロセスおよびシステム
US20190331414A1 (en) Method and System for Cooling a Hydrocarbon Stream Using a Gas Phase Refrigerant
US3581510A (en) Gas liquefaction by refrigeration with parallel expansion of the refrigerant
JP6835902B2 (ja) 気相冷媒を使用して炭化水素流を冷却するための改善された方法およびシステム
JP2020515802A (ja) 天然ガス液化熱交換器の中間及び低温バンドル間の油圧タービン
KR20120005158A (ko) 천연가스 액화방법 및 장치
US20230147084A1 (en) Mitigation of Shell-Side Liquid Maldistribution in Coil Wound Heat Exchanger Bundles
ES2340738T3 (es) Metodo y aparato para hacer pasar una corriente mixta de vapor y liquido entre dos cambiadores de calor y un metodo relacionado para refrigerar una corriente de hidrocarburo.
US11592234B2 (en) Hydrocarbon fluid liquefaction system installation and system therefor
JP2023528448A (ja) ガスストリーム成分除去システムおよび方法