ES2902961T3 - Método y aparato para refrigeración en un proceso de licuefacción - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo de licuefacción criogénica que comprende: un intercambiador de calor (100); un primer separador de fases (2); un primer dispositivo de expansión (1); una primera turbina de expansión (5); una segunda turbina de expansión (6); una primera disposición de conductos, en donde: las presiones operativas de entrada de la primera y la segunda turbinas de expansión son diferentes entre sí; y la primera disposición de conductos está dispuesta de manera que: una primera parte de una corriente de gas presurizado se dirige a través del intercambiador de calor, el primer dispositivo de expansión y el primer separador de fases; una segunda parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través de la primera turbina de expansión, luego a través del intercambiador de calor en dirección de contraflujo a la primera parte de la corriente de gas presurizado, y luego a través de la segunda turbina de expansión; un circuito de recuperación de frío (30) que incluye una corriente de recuperación de frío de un primer fluido de transferencia de calor que se dirige a través del intercambiador de calor y se introduce en el intercambiador de calor por un punto de entrada, en donde el circuito de recuperación de frío comprende: un dispositivo de almacenamiento de energía térmica; un medio para hacer circular el primer fluido de transferencia de calor; y una segunda disposición de conductos dispuestos para dirigir el primer fluido de transferencia de calor a través del dispositivo de almacenamiento de energía térmica y el intercambiador de calor; un compresor de corriente de alimentación adaptado para dar salida a la corriente de gas presurizado, en donde la primera disposición de conductos está dispuesta de tal manera que: a) se dirige una corriente de alimentación a la entrada del compresor de corriente de alimentación; y b) el flujo de salida gaseoso del primer separador de fases se une al flujo de alimentación después de pasar a través del intercambiador de calor, caracterizado porque el dispositivo de licuefacción criogénica comprende además: una cuarta turbina de expansión (14) y una quinta turbina de expansión (16), y porque la primera disposición de conductos está además dispuesta de tal manera que una tercera parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través de la cuarta turbina de expansión, y luego a través del intercambiador de calor en una dirección de contraflujo a la primera parte de la corriente de gas presurizado, y luego a través de la quinta turbina de expansión.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para refrigeración en un proceso de licuefacción
Campo de la invención
La presente invención se refiere a sistemas de almacenamiento de energía criogénica y, en particular, a métodos para equilibrar eficazmente el proceso de licuefacción con el uso integrado de reciclado de frío de una fuente externa como un acumulador de energía térmica.
Antecedentes de la invención
Las redes (o redes eléctricas) de transmisión y distribución de electricidad deben equilibrar la generación de electricidad con la demanda de los consumidores. Esto normalmente se logra modulando el lado de la generación (lado del suministro) encendiendo y apagando las centrales eléctricas, y haciendo funcionar algunas con carga reducida. Como la mayoría de las centrales térmicas y nucleares existentes son más eficientes cuando funcionan continuamente a plena carga, hay una penalización de eficiencia al equilibrar el lado del suministro de esta manera. La introducción esperada de una importante capacidad de generación renovable intermitente, como turbinas eólicas y colectores solares, en las redes complicará aún más el equilibrio de las redes, creando incertidumbre en la disponibilidad de partes del parque de generación. Un medio de almacenar energía durante períodos de baja demanda para su uso posterior durante períodos de alta demanda, o durante la producción baja de generadores intermitentes, sería un beneficio importante en el equilibrio de la red y proporcionando seguridad de suministro.
Los dispositivos de almacenamiento de energía tienen tres fases de funcionamiento: carga, almacenamiento y descarga. Los dispositivos de almacenamiento de energía generan energía (descarga) de manera muy intermitente cuando hay escasez de capacidad de generación en la red de transmisión y distribución. Esto se puede indicar al operador del dispositivo de almacenamiento mediante un alto precio de la electricidad en el mercado eléctrico local o mediante una solicitud de capacidad adicional de la organización responsable de la operación de la red. En algunos países, como el Reino Unido, el operador de red celebra contratos para el suministro de reservas de respaldo a la red con operadores de centrales eléctricas con capacidad de arranque rápido. Tales contratos pueden cubrir meses o incluso años, pero típicamente el tiempo que el proveedor de energía estará operando (generando energía) es muy corto. Además, un dispositivo de almacenamiento puede proporcionar un servicio adicional al proporcionar cargas adicionales en momentos de sobreoferta de energía a la red de generadores renovables intermitentes. Las velocidades del viento suelen ser altas durante la noche cuando la demanda es baja. El operador de la red debe organizar una demanda adicional en la red para utilizar el exceso de oferta, a través de señales de bajo precio de la energía o contratos específicos con los consumidores, o restringir el suministro de energía de otras estaciones o parques eólicos. En algunos casos, especialmente en los mercados donde los generadores eólicos están subvencionados, el operador de red tendrá que pagar a los operadores del parque eólico para que "apaguen" el parque eólico. Un dispositivo de almacenamiento ofrece al operador de la red una carga adicional útil que puede usarse para equilibrar la red en momentos de exceso de oferta.
Para que un dispositivo de almacenamiento sea comercialmente viable, son importantes los siguientes factores: costo de capital por MW (capacidad de potencia), MWh (capacidad de energía), eficiencia del ciclo de ida y vuelta y vida útil con respecto al número de ciclos de carga y descarga que pueden esperarse de la inversión inicial. Para aplicaciones generalizadas a escala de servicios públicos, también es importante que el dispositivo de almacenamiento no tenga restricciones geográficas; puede construirse en cualquier parte, en particular cerca de un punto de alta demanda o cerca de una fuente de intermitencia o un cuello de botella en la red de transmisión y distribución.
Una de estas tecnologías de dispositivos de almacenamiento es el almacenamiento de energía usando criógeno como aire o nitrógeno líquido (Almacenamiento de energía criogénica (CES)) que ofrece una serie de ventajas en el mercado. En términos generales, un sistema CES, en la fase de carga, utilizaría electricidad de bajo costo o excedente, en períodos de baja demanda o exceso de oferta de generadores renovables intermitentes, para licuar un fluido de trabajo como aire o nitrógeno. Luego se almacena como fluido criogénico en un tanque de almacenamiento y posteriormente se libera para impulsar una turbina, produciendo electricidad durante la fase de descarga o recuperación de energía, en períodos de alta demanda o suministro insuficiente de generadores renovables intermitentes.
Los sistemas de almacenamiento de energía criogénica (CES) tienen varias ventajas sobre otras tecnologías en el mercado, una de las cuales es su base en procesos maduros probados. Los medios para licuar el aire, necesario en la fase de carga, existen desde hace más de un siglo; los primeros sistemas utilizaban un ciclo Linde simple en el que el aire ambiente se comprime a una presión superior a la crítica (>38 bar) y se enfría progresivamente a una temperatura baja antes de experimentar una expansión isentálpica a través de un dispositivo de expansión como una válvula Joule-Thomson para producir líquido. Al presurizar el aire por encima del umbral crítico, el aire desarrolla características únicas y el potencial de producir grandes cantidades de líquido durante la expansión. El líquido se drena y la fracción restante de aire gaseoso frío se usa para enfriar la corriente de proceso caliente entrante. La cantidad de líquido producido está regida por la cantidad requerida de vapor frío e inevitablemente da como resultado un rendimiento específico bajo.
Una evolución de este proceso es el ciclo de Claude (cuyo estado actual de la técnica se muestra en la Figura 4); el proceso es básicamente el mismo que el ciclo de Linde, sin embargo, una o más corrientes 36, 39 se separan de la corriente principal del proceso 31 donde se expanden adiabáticamente a través de las turbinas 3, 4, lo que da como resultado una temperatura más baja para una relación de expansión dada que un proceso isentálpico y por lo tanto refrigeración eficiente. El aire expandido a través de las turbinas 3, 4 luego vuelve a unirse a la corriente de retorno 34 y ayuda a la refrigeración de la corriente de alta presión 31 a través del intercambiador de calor 100. De manera similar que en el ciclo de Linde, la mayor parte del líquido se forma mediante la expansión a través de un dispositivo de expansión como una válvula Joule-Thomson 1. La principal mejora del proceso Claude es que la potencia producida por las turbinas de expansión 3, 4 reduce directa o indirectamente el consumo total de energía, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética.
Los procesos modernos de licuefacción de aire más eficientes usan típicamente un diseño Claude de dos turbinas y, a escala comercial, típicamente puede lograrse una cifra de trabajo específica óptima de alrededor de 0,4 kWh/kg. Aunque es altamente eficiente, esto no permitiría que un sistema CES logre una cifra de eficiencia de ida y vuelta de entrada al mercado del 50%, sin reducciones significativas en el trabajo específico.
Para lograr mayores eficiencias el proceso de licuefacción dentro de un sistema CES totalmente integrado, como el que se divulga en la WO2007-096656A1, utiliza la energía fría capturada en la evaporación del criógeno durante la fase de recuperación de energía. Esta se almacena mediante un acumulador térmico integrado, como el que se detalla en la GB 1115336.8, y luego se usa durante la fase de carga para proporcionar refrigeración adicional a la corriente principal del proceso en el proceso de licuefacción. El uso eficaz de la corriente de recuperación de frío es un requisito previo para lograr un sistema de almacenamiento de energía criogénico eficiente.
En la Figura 1 se muestra el cambio necesario en la entalpía que debe experimentar una corriente de proceso arbitraria de alta presión para alcanzar la temperatura requerida para maximizar la producción de líquido cuando se expande a través de un dispositivo de expansión como una válvula Joule-Thomson. Una corriente de refrigeración ideal típica debe experimentar de manera similar un cambio de entalpía a lo largo del proceso, como se muestra en el perfil en la Figura 2, marcado como 'Sin reciclado de frío'. El segundo perfil en la Figura 2 demuestra el cambio dramático en el refrigeración requerido (es decir, cambio relativo de entalpía) cuando se introducen grandes cantidades de reciclado de frío en el sistema, marcado como "Reciclado de frío". La Figura 2 muestra cantidades de reciclado de frío en la región de 250 kJ/kg (definido como entalpía de refrigeración por kg de producto líquido suministrado), lo que es consistente con los niveles de reciclado de frío usados en un sistema de energía criogénica completamente integrado como el que se divulga en la WO2007-096656A1. Como es evidente por la Figura 2, la adición del reciclado de frío satisface completamente los requisitos de refrigeración en el extremo de temperatura más alta del proceso.
Esto presenta un problema con los procesos de licuefacción actuales del estado de la técnica que están diseñados para ser usados con perfiles de energía térmica más progresivos y son manejados de manera mucho más eficiente por una sola corriente de refrigeración que recorre la extensión del intercambiador de calor. Como puede verse en la Figura 3 la corriente de refrigeración efectiva producida por los procesos actuales del estado de la técnica (indicado por el perfil marcado como 'estado de la técnica'), como el ciclo de Claude mostrado en la Figura 4, es extremadamente lineal en comparación con el perfil requerido en un sistema que usa grandes cantidades de reciclado de frío (indicado por el perfil marcado como 'Perfil ideal'), y una coincidencia muy pobre. Para satisfacer la demanda aguda de refrigeración en el extremo de temperatura más bajo, un proceso típico del estado de la técnica debe expandir una cantidad similar de aire a través de la turbina de frío como un sistema sin reciclado de frío. Esto da como resultado eficiencias y requisitos de transferencia de calor deficientes por encima del nivel máximo de diseño del dispositivo dentro de los intercambiadores de calor del proceso.
Los presentes inventores han identificado que hay una necesidad de un sistema que pueda proporcionar refrigeración no progresiva enfocada a áreas concentradas del proceso, en particular en el extremo de temperatura más baja del proceso.
La DE 10147047 A1 describe un dispositivo de licuefacción criogénica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y un método para equilibrar un proceso de licuefacción con el uso de reciclado de frío de una fuente de energía externa de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 13.
La WO 90/08295 A1 describe un método y aparato para la licuefacción de un gas. La corriente de gas se divide en una corriente de producto y una corriente de refrigeración que se expande a baja presión en etapas para proporcionar flujos de refrigeración de retorno contra los cuales se enfría la corriente de producto hasta aproximadamente la temperatura de licuefacción. La DE 1036282 B describe un sistema de refrigeración con un compresor y un condensador posterior para un refrigerante. El sistema comprende además por lo menos dos turbinas de expansión, un intercambiador de calor y canales primarios y secundarios dirigidos en las proximidades de las turbinas. El sistema puede usarse especialmente para bajas temperaturas.
La DE 1551597 A1 describe un proceso de licuefacción de gas en el que la mayor parte de la refrigeración requerida para licuar un gas de alimentación comprimido se cumple dividiendo la corriente de alimentación en una corriente principal y una corriente secundaria. La corriente principal se refrigera en un intercambiador y se expande sin licuefacción en una turbina acoplada a un compresor alimentado con por lo menos una parte del gas de alimentación. La corriente secundaria se refrigera y licúa en intercambiadores atravesados por la corriente principal expandida por turbina de contraflujo. Luego, esa corriente se subrefrigera en un intercambiador, se expande a presión atmosférica en válvulas reductoras y se alimenta a un tanque de almacenamiento.
Sumario de la invención
Un primer aspecto de la presente invención aborda estas necesidades proporcionando un dispositivo de licuefacción criogénico de acuerdo con la reivindicación 1 y un método para equilibrar un proceso de licuefacción de acuerdo con la reivindicación 13.
Las características opcionales de la invención se especifican en las reivindicaciones dependientes.
En el contexto de la presente invención, la frase "una dirección de contraflujo" se usa para significar que la segunda parte de la corriente de gas presurizado fluye a través del intercambiador de calor en una dirección opuesta a la primera parte de la corriente de gas presurizado, durante por lo menos una parte de su recorrido a través del intercambiador de calor. La primera y la segunda partes de la corriente de gas presurizado pueden entrar en el intercambiador de calor en extremos opuestos, es decir, de tal manera que se maximice la diferencia de temperatura entre los puntos de entrada. Alternativamente, la primera o la segunda parte de la corriente de gas presurizado puede entrar en el intercambiador de calor en un punto entre los extremos del intercambiador de calor, pero fluir a través del intercambiador de calor en una dirección opuesta a la otra de la primera y la segunda parte de la corriente de gas presurizado, durante por lo menos una parte de su recorrido a través del intercambiador de calor.
El circuito de recuperación de frío comprende un dispositivo de almacenamiento de energía térmica, un medio para hacer circular el fluido de transferencia de calor (HTF) y una disposición de conductos dispuestos para dirigir el HTF a través del dispositivo de almacenamiento de energía térmica hacia el intercambiador de calor. Un circuito de recuperación de frío ejemplar se describe con detalle en la GB 1115336.8. E1HTF puede comprender un gas o un líquido, a alta o baja presión.
La configuración de la presente invención es tal que la segunda parte de la corriente de proceso enfriada puede expandirse parcialmente a través de la primera turbina para proporcionar una corriente de refrigeración a alta presión local al punto de entrada de la corriente de recuperación fría del circuito de recuperación de frío. Luego, la corriente puede expandirse adicionalmente a través de la segunda turbina para proporcionar una refrigeración adicional significativa a la sección inferior del proceso.
La presente invención ofrece una mayor producción de trabajo de las turbinas de expansión como resultado del recalentamiento de la corriente expandida, a la vez que también proporciona refrigeración entre las turbinas de expansión.
La corriente de gas presurizado puede consistir de aire gaseoso. Alternativamente, la corriente de gas presurizado puede consistir de nitrógeno gaseoso. La corriente de gas presurizado puede introducirse en el dispositivo de licuefacción criogénica a una presión mayor o igual que la presión crítica que, para el aire gaseoso es de 38 bar y para el nitrógeno gaseoso es de 34 bar.
Después de que la corriente de gas presurizado se haya dividido en dos partes, la primera parte de la corriente de gas presurizado y la segunda parte de la corriente de gas presurizado pueden estar a la misma presión. Alternativamente, la primera parte de la corriente de gas presurizado y la segunda parte de la corriente de gas presurizado pueden estar a presiones diferentes. En particular, la primera parte puede estar por encima de la presión crítica y la segunda parte puede estar por debajo de la presión crítica, o viceversa.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además una tercera turbina de expansión, en la que la presión de entrada operativa de la tercera turbina de expansión es diferente a por lo menos una de la primera y la segunda turbinas de expansión.
La disposición de los conductos puede ser tal que la tercera turbina de expansión esté en paralelo con por lo menos una de la primera y la segunda turbinas de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente de gas presurizado de proceso se dirija a través de la tercera turbina.
La disposición de los conductos puede ser tal que la tercera turbina de expansión esté en serie con por lo menos una de la primera y la segunda turbinas de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente de gas presurizado de proceso se dirija a través de la tercera turbina.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además un circuito de refrigerante que está conectado a la salida de la segunda turbina de expansión mediante la disposición de conductos.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además una segunda disposición de conductos que dirige un segundo fluido de transferencia de calor a través de un circuito de refrigeración de ciclo cerrado y a través de un área localizada del intercambiador de calor. El segundo fluido de transferencia de calor dentro del circuito refrigerante puede comprender un gas o un líquido, a alta o baja presión.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además un segundo separador de fases y un segundo dispositivo de expansión, en donde la disposición de los conductos está dispuesta de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente de gas presurizado se dirija a través del segundo dispositivo de expansión y el segundo separador de fases después de haber pasado por la primera turbina de expansión.
El o cada dispositivo de expansión puede comprender una válvula Joule-Thomson, otra válvula reductora de presión, una turbina de expansión u otro dispositivo de extracción de trabajo.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además un primer compresor, en donde la disposición de conductos está dispuesta de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente de gas presurizado se dirija a través del primer compresor antes de pasar a través de la primera turbina de expansión.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además un segundo compresor, en donde la disposición de los conductos está dispuesta de tal manera que la primera parte de la corriente de gas presurizado se dirija a través del segundo compresor antes de pasar a través del intercambiador de calor.
El dispositivo de licuefacción criogénica puede comprender además un enfriador, en donde la disposición de los conductos está dispuesta de tal manera que la primera parte de la corriente de gas presurizado se dirija a través del enfriador después de pasar por el segundo compresor y antes de pasar a través del intercambiador de calor.
La disposición de los conductos puede disponerse de tal manera que la corriente presurizada de salida de gas del compresor de la corriente de alimentación se dirija a un dispositivo de almacenamiento de calor antes de pasar a través del intercambiador de calor.
La disposición de los conductos puede disponerse de tal manera que la corriente presurizada de salida de gas del dispositivo de almacenamiento de calor se dirija a un dispositivo de rechazo de calor antes de pasar a través del intercambiador de calor.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán realizaciones de la presente invención con referencia a las figuras en las que:
La Figura 1 muestra un perfil del cambio relativo en la entalpía total que experimenta un gas de proceso durante el proceso de refrigeración (Cambio relativo de la entalpía total frente a la temperatura de la corriente enfriada); La Figura 2 muestra perfiles del cambio relativo en la entalpía total que deben experimentar las corrientes de refrigeración durante el proceso de refrigeración para sistemas con y sin el uso de grandes cantidades de reciclado de frío (Cambio relativo de la entalpía total frente a la temperatura de la corriente enfriada);
La Figura 3 muestra perfiles del cambio relativo en la entalpía total que deben experimentar las corrientes de refrigeración durante el proceso de refrigeración para sistemas 'ideal', 'estado de la técnica' y 'presente invención' con el uso de grandes cantidades de reciclado de frío (Cambio relativo de entalpía total frente a la temperatura de la corriente enfriada);
La Figura 4 muestra una disposición típica de una planta de licuefacción de aire del estado de la técnica que usa el ciclo Claude;
La Figura 5 muestra un esquema de un proceso de licuefacción de un sistema de almacenamiento de energía criogénica;
Las Figuras 6-10 muestran varios aspectos del proceso de ejemplo que no son de acuerdo con la presente invención;
La Figura 11 muestra una realización del primer aspecto de la presente invención;
Las Figuras 12-18 muestran varios procesos de ejemplo adicionales y variaciones de los mismos que no son de acuerdo con la presente invención.
Descripción detallada de la invención
El primer ejemplo simplificado se muestra en la Figura 5. El sistema en la Figura 5 es similar al del estado de la técnica que se muestra en la Figura 4 porque la corriente principal del proceso 31 se enfría a través del aire frío expandido de las turbinas y se expande a través de un dispositivo de expansión como una válvula Joule-Thomson 1 para producir líquido, sin embargo, la turbina caliente 3 de la Figura 4 es reemplazada por una segunda turbina de frío 6 alineada en serie con la primera turbina de frío 5.
En el primer ejemplo mostrado en la Figura 5, el gas de proceso (en la realización preferida aire) se comprime a alta presión, de por lo menos la presión crítica (que para el aire es 38 bar, más preferiblemente >45 bar), y a temperatura ambiente (“ 298K) se introduce en el dispositivo de licuefacción criogénica en la entrada 31, desde donde se dirige a través de un intercambiador de calor 100 y se enfría progresivamente mediante gas de proceso frío a baja presión, antes de regresar a través del intercambiador de calor 100 a través del pasaje 41, 42. También pasa a través del intercambiador de calor 100 una corriente de recuperación de frío 30, 50 de un circuito de recuperación de frío del dispositivo de licuefacción criogénica. El circuito de recuperación de frío comprende: un dispositivo de almacenamiento de energía térmica (no mostrado); un medio para hacer circular un fluido de transferencia de calor a través del circuito de recuperación de frío (no mostrado); y una disposición de conductos dispuestos para dirigir el fluido de transferencia de calor a través del dispositivo de almacenamiento de energía térmica y el intercambiador de calor 100. Un circuito de recuperación de frio ejemplar se describe con detalle en la GB 1115336.8
Una proporción de la entrada de gas de proceso a alta presión en el intercambiador de calor en 31, y ahora a una temperatura de entre 150-170 K (en el caso preferido 165 K), se separa del flujo principal 31, a través del pasaje 39, y se expande parcialmente a entre 5 y 20 bar (más típicamente 10-14 bar), usando la turbina de expansión 5, antes de pasar a través del pasaje 40, 43 del intercambiador de calor 100, donde la energía térmica fría se transfiere al gas de alta presión en la corriente 35. Esta característica de la presente invención proporciona una refrigeración más eficaz que la disposición de Figura 4 como resultado de la corriente de refrigeración de presión más alta 40, 43 alrededor del punto de entrada de la corriente de recuperación de frío 30, coincidiendo mejor con la demanda de refrigeración resultante (como se muestra en la Figura 3) que las disposiciones convencionales, donde la turbina caliente 3 (de la Figura 4) proporciona refrigeración a temperaturas más altas que no son necesarias cuando se dispone de reciclado de frío.
La corriente de gas parcialmente expandida en el pasaje 40, 43 se calienta a una temperatura entre 120­ 140 K (en el caso preferido 125 K), como resultado de la transferencia térmica en el pasaje 40, 43 a través del intercambiador de calor 100, y se expande adicionalmente a través de la turbina 6, a entre ambiente y 6bar donde se desplaza a través del pasaje 44 y entra en el recipiente separador de fases 2. Las fracciones de gas de las corrientes 32 y 44 se combinan para formar la corriente de salida 34, que se desplaza a través del pasaje 41, 42 a través del intercambiador de calor 100 que proporciona refrigeración adicional de la corriente de proceso de alta presión 35. Una ventaja adicional de la presente invención es que la composición típica de la corriente de proceso fría en la corriente 44 es una mezcla de aire líquido y gaseoso. La fracción líquida de la expansión final se recoge dentro del separador de fases 2 y se extrae a través del pasaje 33.
Los puntos numerados en la Figura 5 indican las posiciones en el sistema en las que las presiones absolutas, las temperaturas y los flujos másicos típicos son los siguientes:
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En la Figura 6 se muestra un segundo proceso de ejemplo (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 5), en donde la proporción de aire separada de la corriente principal 31 a través del pasaje 39 se lleva a cabo más tarde en el proceso y por lo tanto a una temperatura más baja (entre 130-170 K). Como resultado, la temperatura posterior del gas frío después de la expansión parcial en la turbina 5, es suficiente para proporcionar una corriente de refrigeración a alta presión para el extremo inferior de la corriente de proceso 35 a través del pasaje 40, 43, después de lo cual se expande de nuevo a través de la segunda turbina 6 para proporcionar una refrigeración focalizada adicional en la corriente 34.
En la Figura 7 se muestra un tercer proceso de ejemplo (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 5) en donde se proporciona una tercera turbina de expansión 7 en paralelo con la segunda turbina 6 que permanece en serie con la turbina 5. Similar a la segunda realización mostrada en la Figura 6, una parte 39 de la corriente fría de alta presión 31 se expande parcialmente por la turbina 5 para proporcionar una corriente de refrigeración de alta presión 40 en el extremo inferior del intercambiador de calor solamente, antes de que se divida de nuevo en dos corrientes 43, 45 y se expanda a través de las dos turbinas adicionales 6 y 7 en paralelo. La salida de la turbina 7 se introduce típicamente en el separador de fases 2 a través del pasaje 80. En algunas realizaciones donde las temperaturas de reciclado de frío son bajas, la salida de la turbina 7 puede introducirse más arriba del intercambiador de calor 100 a través del pasaje 46.
La Figura 8 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 7) detalla un cuarto proceso de ejemplo en el que, similar al sistema mostrado en la Figura 7, se añade una tercera turbina de expansión 7 y se coloca en paralelo a la segunda turbina de expansión 6 que permanece en serie con la primera turbina de expansión 5. Las relaciones de expansión de la segunda 6 y la tercera 7 turbinas son diferentes entre sí, la segunda se expande desde alrededor de 8 bares a 4,5 bares, y el tercero se expande desde alrededor de 8 bares hasta casi la temperatura ambiente. Los inventores se han dado cuenta de que colocando en capas múltiples corrientes de refrigeración en paralelo como en la Figura 8, la demanda del perfil de refrigeración, identificada en la figura 3, puede coincidir más estrechamente. En algunas realizaciones, donde la presión de salida de la turbina 7 es sustancialmente igual a la presión del separador 2, la salida de la turbina 7 se introduce en el separador de fases 2 a través del pasaje 80 donde se recoge el líquido formado en la salida de la turbina 7.
En la Figura 9 se muestra un proceso de ejemplo adicional 9 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 8). Este proceso de ejemplo es el mismo que el de la Figura 8 excepto que los gases que salen que se desplazan a través de la corriente 48 desde la segunda turbina de expansión 6 se eliminan del intercambiador de calor de proceso 100 antes de llegar a la parte superior. Los gases fríos en la corriente 48 se comprimen adicionalmente, mediante el compresor 8, y la corriente 49 resultante se enfría mediante un circuito de refrigeración de ciclo cerrado 10 antes de salir del circuito 10 como corriente 51 y mezclarse con la corriente del proceso de alta presión 31. En ciertas realizaciones hay un potencial de que se forme una proporción de líquido en la corriente 46 a partir del gas frío al salir de la tercera turbina 7, por lo que la corriente se dirigiría a través del pasaje 80 para introducirse en el separador de fases 2, en lugar de dirigirse directamente a través del intercambiador de calor 100 por el pasaje 46, 47.
En un proceso de ejemplo adicional (no se muestra, pero por lo demás es igual que la figura 9), la salida de la turbina 7 puede expandirse hasta casi la temperatura ambiente para que esta corriente de proceso pueda usarse para impulsar un almacenamiento de frío de alta calidad y baja presión, como el que se detalla en la GB1115336.8.
El proceso de ejemplo mostrado en la Figura 10 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 5) es el mismo que el de la Figura 5 excepto por la adición de un circuito de refrigeración de ciclo cerrado 101 para proporcionar una corriente de refrigeración local potencialmente de alta presión 60 para adaptarse mejor a la demanda de refrigeración. El circuito de refrigeración de ciclo cerrado 101 incluye el compresor 102, el enfriador 103 y la turbina de expansión 104.
La Figura 11 muestra una realización de la presente invención (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 5) en donde una turbina caliente 14 y una turbina de frío 5 expanden parcialmente las partes 60, 39 de la corriente fría de alta presión 31. Las corrientes 60 y 39 están a diferentes temperaturas y se expanden a diferentes presiones por las turbinas 14 y 5 para proporcionar las corrientes 61 y 40, respectivamente. El gas en las corrientes 61 y 40 proporciona refrigeración enfocada a la corriente de alta presión en los puntos 35 y 69, antes de expandirse por separado a entre 0 y 6 bar, usando turbinas adicionales 16 y 6 para proporcionar las corrientes 63 y 44 que se dirigen a través del intercambiador de calor 100.
En la Figura 12 se muestra una variación del segundo proceso de ejemplo (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 6) en donde la adición de un segundo separador de fases 18 y una válvula reductora de presión 19 permiten la eliminación de líquido adicional producido en la corriente 40. En algunas realizaciones, la presión de salida de la turbina 6 es igual a la presión del separador 2 y la salida de la turbina 6 se introduce en el separador de fases a través del paso 80 donde se recoge el líquido formado en la salida a la turbina 7.
Un componente adicional (no mostrado), que puede incluirse en cualquiera de las realizaciones anteriores, es un ciclo de refrigeración de circuito cerrado (similar al ciclo 101 mostrado en la Figura 10), que utiliza un fluido de trabajo diferente para proporcionar refrigeración adicional en una sección específica del sistema donde los requisitos de refrigeración son particularmente altos, en particular entre 140 y 120K. El fluido de trabajo diferente puede comprender un refrigerante como metano.
Una disposición adicional, que puede aplicarse a cualquiera de las realizaciones anteriores donde la corriente de alta presión se divide en dos corrientes de presión diferente, incluye proporcionar la primera corriente (que se enfría y luego se transfiere al dispositivo de expansión) a una presión por encima de la presión crítica para maximizar la producción de líquido. La segunda corriente de alta presión está a una presión diferente (típicamente por encima de la presión de la primera corriente) y se enfría y se transfiere a las dos o más turbinas de expansión para proporcionar refrigeración adicional a la primera corriente como se describe en las realizaciones anteriores.
En un proceso de ejemplo adicional como se muestra en la Figura 13 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 5) la segunda corriente 58 es comprimida por el compresor 20 a la corriente 59 y luego se divide en dos o más corrientes 63, 65. La corriente 65 es comprimida por el compresor 19 y luego se dirige, a través de una primera corriente (66), a través de dos turbinas 5, 6 en serie. La corriente 63 se expande a través de una tercera turbina 21. Las corrientes de salida 40, 44, 64 de la primera, segunda y tercera turbinas 5, 6, 21 proporcionan refrigeración adicional para la primera corriente de proceso 35 antes de la expansión en un dispositivo de expansión como un Válvula Joule-Thomson 1.
En un proceso de ejemplo adicional como se muestra en la Figura 14 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 5) aplicada a la primera realización, la corriente de gas enfriado 31 se alimenta directamente desde un compresor comúnmente conocido como un compresor de aire de reciclaje (RAC) y una corriente 58 se divide de la corriente de gas enfriado 31 y posteriormente se impulsa a una presión más alta por el compresor 19 antes de dirigirse a través de las turbinas de expansión 5 y 6 y el intercambiador de calor 100. Este componente impulsor adicional puede incorporarse en cualquiera de las realizaciones anteriores.
La Figura 15 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 14) muestra una variación del proceso de ejemplo de la Figura 16 por el que la corriente 31 se alimenta directamente desde el RAC. La corriente 31 se divide en dos corrientes 41 y 35; la corriente 41 se dirige a través del intercambiador de calor 100, donde se enfría antes de dirigirse a través de las turbinas de expansión 5 y 6 y de nuevo al intercambiador de calor 100, mientras que la corriente 35 se impulsa a una presión más alta mediante el impulsor 19 antes de dirigirse a través del intercambiador de calor 100 y un dispositivo de expansión como una válvula Joule-Thomson 1.
La Figura 16 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 15), muestra una variación en la que la corriente 31 se alimenta de nuevo directamente desde el RAC y se comprime a una presión inferior a la presión crítica (<38 bar). La corriente 41 se divide de la corriente enfriada principal 31 antes de que el resto de la corriente enfriada principal 35 sea impulsada y posteriormente enfriada por los impulsores 19 y 20, y los enfriadores 10 y 22. La corriente de presión subcrítica 41 se enfría a través del intercambiador de calor 100 antes de expandirse parcialmente, a entre 5 y 20 bar, pero más típicamente 10-14 bar, a través de la turbina de expansión 5 antes de pasar a través del pasaje 40, 43, del intercambiador de calor 100, donde la energía térmica fría se transfiere al gas de alta presión en la corriente en el pasaje 73, 38, y expandirse adicionalmente mediante la turbina de expansión 6. Los componentes adicionales dispuestos en la corriente 35 también pueden incorporarse en cualquiera de las realizaciones anteriores.
En el proceso de ejemplo final como se muestra en la Figura 17 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 15) se muestra una variación en la que la corriente de salida del primer separador de fases 2 se convierte en vapor de retorno de baja presión 42, después de haber pasado a través del intercambiador de calor 100, y se fusiona con una corriente de alimentación 401 para formar la corriente 402. La presión de la corriente 402 puede estar entre 3 barA y 15barA, más típicamente 8barA. La corriente 402 se dirige a un compresor de una sola etapa 400, que impulsa la corriente 402 a una presión más alta. La corriente de salida 403 del compresor de una sola etapa 400 tiene por tanto una presión más alta que la corriente 402. La presión más alta es por lo menos la presión crítica (que para el aire es 38 bar, más preferiblemente >45 bar). La temperatura de la corriente 403 puede estar entre 100° C y 400° C, más típicamente 270° C. La corriente 403 se dirige a un dispositivo de almacenamiento de calor 404 que elimina por lo menos parte de la energía térmica en la corriente 403. La temperatura de la corriente de salida 405 del dispositivo de almacenamiento de calor 404 puede estar entre 20° C y 100° C, más típicamente 60° C. Si la temperatura de la corriente 405 está por encima de la temperatura ambiente, el dispositivo de rechazo de calor 406 puede usarse para enfriar la temperatura de la corriente. Cuando este ciclo de licuefacción se usa como parte de una planta de almacenamiento de energía criogénica, es muy preferible que el calor de compresión capturado por el dispositivo de almacenamiento de calor 404 se use en el ciclo de recuperación de energía para impulsar la temperatura del fluido de trabajo en la entrada del turbinas de expansión.
La Figura 18 (donde números de referencia similares se refieren a los mismos componentes que en la Figura 4) muestra una realización no de acuerdo con la invención que es un desarrollo adicional de la disposición de la planta de licuefacción de aire de la Figura 4. Aquí, la corriente de vapor frío 40, que sale de la turbina de expansión 4, se dirige al intercambiador de calor 100 en lugar de fusionarse con la corriente de retorno 34 para formar la corriente 41 como se muestra en la Figura 4. La corriente de vapor frío 40 gana así calor a medida que pasa a través del intercambiador de calor 100 y sale del intercambiador de calor como la corriente 43. La temperatura de la corriente 43 puede estar entre 0° C y -180° C, más típicamente -117° C. La corriente 43 se dirige a un compresor 300, que impulsa la corriente 43 a una presión más alta. El compresor 300 puede ser un compresor de múltiples etapas o un compresor de una sola etapa. La corriente de salida 301 del compresor 300 se dirige de vuelta al intercambiador de calor 100 en una de dos disposiciones. Si la temperatura de la corriente 301 está cerca de la temperatura ambiente, entonces puede dirigirse para que se fusione con la corriente 35 fuera del intercambiador de calor 100. Esto se muestra por la corriente 302. Alternativamente, si la temperatura de la corriente 301 está por debajo de la temperatura ambiente, entonces puede dirigirse para que se fusione con la corriente 35 dentro del intercambiador de calor para formar la corriente 74. Esto se muestra por la corriente 303.
Por supuesto, se entenderá que la presente invención se ha descrito a modo de ejemplo y que pueden realizarse modificaciones de detalle dentro del alcance de la invención tal como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de licuefacción criogénica que comprende:
un intercambiador de calor (100);
un primer separador de fases (2);
un primer dispositivo de expansión (1);
una primera turbina de expansión (5);
una segunda turbina de expansión (6);
una primera disposición de conductos, en donde:
las presiones operativas de entrada de la primera y la segunda turbinas de expansión son diferentes entre sí; y
la primera disposición de conductos está dispuesta de manera que:
una primera parte de una corriente de gas presurizado se dirige a través del intercambiador de calor, el primer dispositivo de expansión y el primer separador de fases;
una segunda parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través de la primera turbina de expansión, luego a través del intercambiador de calor en dirección de contraflujo a la primera parte de la corriente de gas presurizado, y luego a través de la segunda turbina de expansión;
un circuito de recuperación de frío (30) que incluye una corriente de recuperación de frío de un primer fluido de transferencia de calor que se dirige a través del intercambiador de calor y se introduce en el intercambiador de calor por un punto de entrada, en donde el circuito de recuperación de frío comprende:
un dispositivo de almacenamiento de energía térmica;
un medio para hacer circular el primer fluido de transferencia de calor; y
una segunda disposición de conductos dispuestos para dirigir el primer fluido de transferencia de calor a través del dispositivo de almacenamiento de energía térmica y el intercambiador de calor;
un compresor de corriente de alimentación adaptado para dar salida a la corriente de gas presurizado, en donde la primera disposición de conductos está dispuesta de tal manera que:
a) se dirige una corriente de alimentación a la entrada del compresor de corriente de alimentación; y b) el flujo de salida gaseoso del primer separador de fases se une al flujo de alimentación después de pasar a través del intercambiador de calor, caracterizado porque el dispositivo de licuefacción criogénica comprende además: una cuarta turbina de expansión (14) y una quinta turbina de expansión (16), y porque la primera disposición de conductos está además dispuesta de tal manera que una tercera parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través de la cuarta turbina de expansión, y
luego a través del intercambiador de calor en una dirección de contraflujo a la primera parte de la corriente de gas presurizado, y luego a través de la quinta turbina de expansión.
2. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, en el que la primera parte de la corriente de gas presurizado y la segunda parte de la corriente de gas presurizado están a diferentes presiones o la misma presión en sentido ascendente del primer dispositivo de expansión y la primera turbina de expansión, respectivamente.
3.. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, y que comprende además una tercera turbina de expansión (7), en donde:
la presión de entrada operativa de la tercera turbina de expansión es diferente a por lo menos una de la primera y la segunda turbinas de expansión.
4. El dispositivo de licuefacción criogénica de la reivindicación 3, en el que la primera disposición de conductos es tal que la tercera turbina de expansión está en paralelo o en serie con por lo menos una de la primera y la segunda turbinas de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente presurizada del gas de proceso se dirige a través de la tercera turbina.
5. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, y que comprende además un circuito de refrigerante que está conectado a la salida de la segunda turbina de expansión a través de la primera disposición de conductos.
6. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior y que comprende además una tercera disposición de conductos que dirige un segundo fluido de transferencia de calor a través de un circuito de refrigeración de ciclo cerrado (101) y a través de un área localizada del intercambiador de calor.
7. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, y que comprende además un segundo separador de fases (18) y un segundo dispositivo de expansión (2), en donde la disposición de los conductos está dispuesta de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través del segundo dispositivo de expansión y el segundo separador de fases después de haber pasado por la primera turbina de expansión.
8. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, y que comprende además un primer compresor (20), en el que la primera disposición de conductos está dispuesta de tal manera que por lo menos una parte de la segunda parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través del primer compresor antes de pasar a través de la primera turbina de expansión.
9 El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, y que comprende además un segundo compresor (19), en el que la primera disposición de conductos está dispuesta de tal manera que la primera parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través del segundo compresor antes de pasar a través del intercambiador de calor.
10. El dispositivo de licuefacción criogénica de la reivindicación 9, y que comprende además un enfriador (10), en donde la primera disposición de conductos está dispuesta de tal manera que la primera parte de la corriente de gas presurizado se dirige a través del enfriador después de pasar a través del segundo compresor y antes de pasar a través del intercambiador de calor.
11. El dispositivo de licuefacción criogénica de cualquier reivindicación anterior, en el que la salida de la segunda o, cuando depende de la reivindicación 4 o la reivindicación 5, la tercera y la quinta turbina de expansión se dirige hacia el primer separador de fases.
12. El dispositivo de licuefacción criogénica de la reivindicación 1, en el que la primera disposición de conductos está dispuesta de tal manera que la salida de corriente de gas presurizado del compresor de la corriente de alimentación se dirige a un dispositivo de almacenamiento de calor (404) antes de pasar a través del intercambiador de calor, y preferiblemente de tal manera que la salida de corriente gas presurizado del dispositivo de almacenamiento de calor se dirige a un dispositivo de rechazo de calor (406) antes de pasar a través del intercambiador de calor.
13. Un método para equilibrar un proceso de licuefacción con el uso de reciclado de frío desde una fuente de energía térmica externa, el método comprendiendo:
dirigir una corriente de alimentación a la entrada de un compresor de corriente de alimentación;
dar salida a una corriente de gas presurizado desde el compresor de la corriente de alimentación;
dirigir una primera parte de la corriente de gas presurizado a través de un intercambiador de calor, un primer dispositivo de expansión y un primer separador de fases;
dirigir la corriente de salida gaseosa del primer separador de fases para que se una a la corriente de alimentación después de pasar a través del intercambiador de calor; y
dirigir una corriente de recuperación de frío de fluido de transferencia de calor a través de un circuito de recuperación de frío, en donde:
el fluido de transferencia de calor se dirige a través de un dispositivo de almacenamiento de energía térmica y a través del intercambiador de calor en un punto de entrada;
dirigir una segunda parte de una corriente de gas presurizado a través de una primera turbina de expansión, luego a través del intercambiador de calor en una dirección de contraflujo a la primera parte de la corriente de gas presurizado y luego a través de una segunda turbina de expansión;
en donde:
las presiones operativas de entrada de la primera y la segunda turbinas de expansión son diferentes entre sí, caracterizado porque el método comprende además:
dirigir una tercera parte de la corriente de gas presurizado a través de una cuarta turbina de expansión, y luego a través del intercambiador de calor en una dirección de contraflujo a la primera parte de la corriente de gas presurizado, y luego a través de una quinta turbina de expansión.
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