NO176371B

NO176371B - Fremgangsmåte for flytendegjöring av en trykksatt mateström og apparat for utförelse av samme

Info

Publication number: NO176371B
Application number: NO903589A
Authority: NO
Inventors: Donn Michael Herron; Nirmal Chatterjee
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1989-08-21
Filing date: 1990-08-15
Publication date: 1994-12-12
Also published as: NO176371C; DE69000702D1; MY106443A; DZ1440A1; NO903589L; JPH0391593A; CA2023225C; KR940001382B1; NO903589D0; AU6099490A; EP0414107B1; KR910004982A; EP0414107A2; US4970867A; CN1049713A; AU622825B2; CA2023225A1; EP0414107A3; DE69000702T2; JPH0587558B2

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for flytende-gjøring av en trykksatt matestrøm hvor det anvendes prosess-ladede væsketurboekspandere for å forbedre prosesseffektivi-teten, samt apparat for utførelse av denne fremgangsmåten.

Flytendegjøringen av naturgass er en viktig og meget anvendt teknologi for å omdanne gassen til en form som lett og økonomisk kan transporteres og lagres. Den energi som anvendes for å flytendegjøre gassen må minimeres for å gi en kostnadseffektiv metode for produksjon og transport av gassen fra gassfeltet til brukeren. Prosessteknologi som reduserer prisen på flytendegjøringen reduserer i sin tur prisen på gassproduktet til brukeren.

Prosess-sykluser for flytendegjøring av naturgass har historisk anvendt isentrope ekspansjonsventiler, eller Joule-Thomson (J-T)-ventiler, for å oppnå den kjøling som er nødvendig for å flytendegjøre gassen. Typiske prosess-sykluser som anvender ekspansjonsventiler for dette formål er for eksempel beskrevet i US-PS nr. 3.763.658, 4.065.276, 4.404.008, 4.445.916, 4.445.917 og 4.504.296.

Det ekspansjonsarbeidet som produseres når prosessfluider strømmer gjennom slike ventiler, går i det vesentlige tapt. For å gjenvinne i det minste en del av det arbeidet som produseres ved ekspansjonen av disse prosessfluidene, kan det anvendes ekspansj onsmaskiner som for eksempel stempelekspandere eller turboekspandere. Akselarbeid fra slike ekspansjonsmaskiner kan anvendes for å generere elektrisk kraft, for å komprimere eller pumpe andre prosessfluider eller for andre formål. Bruken av slike ekspandere for å ekspandere mettede eller underkjølte væskeprosess-strømmer kan være nyttig for totalprosess-ef f ektiviteten under utvalgte betingelser. Uttrykket "ekspander" anvendes generelt for å beskrive turboekspandere eller stempelekspandere. På området flytendegjøring av naturgass anvendes uttrykket "ekspander" vanligvis for å betegne en turboekspander, og anvendes slik i foreliggende sammenheng.

US-PS nr. 3.205.191 beskriver bruk av en hydraulisk motor omfattende et Pelton-hjul for å ekspandere en underkjølt, flytendegjort naturgass-strøm før isentrop ekspansjon gjennom en ventil. Betingelsene reguleres slik at det ikke forekommer noen fordampning i den hydrauliske motorekspanderen. Ekspanderarbeidet kan for eksempel anvendes for å drive en eller flere kompressorer i den beskrevne flytendegjøringsprosessen.

I US-PS 3.400.547 beskrives en fremgangsmåte hvor kulde-energien i flytende nitrogen eller flytende luft anvendes for å flytendegjøre naturgass på feltet for transport med en kryogen tanker til et avleveringssted. På avleveringsstedet fordampes den flytendegjorte naturgassen og den således produserte kulde anvendes for å flytendegjøre nitrogen eller luft, som transporteres med tanker tilbake til feltet hvor den fordampes for å tilveiebringe kjøling for å f lytendegjøre en ny tankladning av naturgass. På feltet ekspanderes underkjølt, flytendegjort naturgass og ekspansjonsarbeidet anvendes for å pumpe flytende nitrogen eller luft fra tankeren. På avleveringsstedet ekspanderes trykksatt, flytende nitrogen eller luft og ekspansjonsarbeidet anvendes for å pumpe flytendegjort naturgass fra tankeren.

En fremgangsmåte for å fremstille flytende luft ved anvendelse av kjøling fra fordampning av flytendegjort naturgass er beskrevet i JP-patentpublikasjon 54(1976 )-86479. I fremgangsmåten ekspanderes mettet flytende luft i en ekspan-sjonsturbin, og ekspansjonsarbeidet anvendes for å komprimere mateluft for startflytendegjøring.

US-PS 4.334.902 beskriver en fremgangsmåte for å flytende-gjøre en komprimert naturgass-strøm ved indirekte varmeveksling med et fordampende flerkomponentkjølemiddel i en kryogen varmeveksler. Forhåndsavkjølt tofasekjølemiddel separeres i en væske- og en dampstrøm. Væsken avkjøles ytterligere i den kryogene varmeveksleren, ekspanderes i en turboekspander og innføres i veksleren hvor den fordampes for å produsere kulde. Dampstrømmen avkjøles videre og flytendegjøres i veksleren, ekspanderes i en turboekspander og innføres i veksleren hvor den fordampes for å produsere ytterligere kulde. Naturgass ved 45 bar føres gjennom veksleren, flytendegjøres ved hjelp av indirekte varmeveksling og ekspanderes i en turboekspander til ca. 3 bar for å produsere flytendegjort naturgassprodukt. Ekspansjonsarbeidet i væsketurboekspanderne anvendes for å generere elektrisk kraft eller for andre uspesifiserte formål. Ytterligere kjølesykluser beskriver forhåndsavkjøling av det kjølemiddel som er diskutert ovenfor, og disse sykluser anvender også væskeekspandere i hvilke ekspansjonsarbeidet anvendes for å generere elektrisk kraft eller for andre uspesifiserte formål.

Bruken av en turboekspander for ekspansjonen av en f lytendegjort naturgass-strøm før sluttf lashtrinnet er beskrevet i US-PS 4.456.459. Ekspansjonen før flash øker utbyttet av f lytendegjort naturgassprodukt og reduserer mengden flash-gass. Arbeid som produseres av turboekspanderen kan med fordel anvendes i anlegget for å operere forskjellige kraftdrevne komponenter ved hjelp av passende aksel-koblede kompressorer, pumper eller generatorer.

US-PS 4.778.497 beskriver en gassflytendegjøringsprosess i hvilken en gass komprimeres og avkjøles for å produsere et kaldt høytrykksfluid som avkjøles ytterligere for å produsere et kaldt, overkritisk fluid. En del av det kalde høytrykks-fluidet ekspanderes for å tilveiebringe ytterligere avkjøling og ekspansjonsarbeidet anvendes for en del av kompresjons-arbeidet ved komprimering av gassen før avkjøling. Det kalde, overkritiske fluidet avkjøles ytterligere og ekspanderes i en ekspander uten fordampning for å gi et flytende sluttprodukt. En del av dette væskeproduktet "flashes" for å gi kulde til den ytterligere avkjøling av det kalde, overkritiske fluidet.

Bruken av ekspansjonsarbeide i en kjøle- eller gassflytende-gjøringsprosess for å drive pumper eller kompressorer i den samme prosessen kan forbedre prosessens effektivitet. Den optimale integrering av ekspansjonsarbeide med kompresjons-arbeide for å gi den største totalreduksjonen i kapital og operasjonskostnader i en gitt gassf lytendegjøringsprosess, avhenger av en rekke faktorer. Blant disse faktorer er sammensetninger og de termodynamiske egenskapene for de involverte prosess-strømmene såvel som mekaniske konstruk-sjonsfaktorer som er forbundet med kompressorer, pumper, ekspandere og rørledninger. Foreliggende oppfinnelse slik den beskrives i det følgende, muliggjør forbedret utnyttelse av ekspansjonsarbeide i en fremgangsmåte for flytendegjøring av naturgass.

Den eneste tegningen er et skjematisk flytskjema for fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse inkludert inte-greringen av tre prosessekspandere med en pumpe og to kompressorer.

Oppfinnelsen er en fremgangsmåte for flytendegjøring av en trykksatt, gassformig matestrøm, som for eksempel en naturgass, i hvilken en del av kjølingen tilveiebringes ved å ekspandere minst en væskeprosess-strøm og anvende det resulterende ekspansjonsarbeid for å komprimere eller pumpe den samme prosess-strømmen før kjøling og ekspansjon. Anvendelsen av ekspansjonsarbeid på denne måten reduserer det minimale flytendegjøringsarbeidet og øker prosessens f lytendegjøringskapasitet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte for flytendegjøring av en trykksatt, gassformig matestrøm, og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at:

a) den trykksatte gassformige mat est rømmen komprimeres i en første kompressor, b) den komprimerte matestrømmen avkjøles og flytendegjøres ved indirekte varmeveksling med en første og andre

fordampende flerkomponentskjølemiddelstrøm i en kryogen varmeveksler,

c) den flytendegjorte matestrømmen ekspanderes i en første ekspander, hvor ekspansjonsarbeidet fra den første

ekspanderen driver den første kompressoren, og

d) et flytendegjort gassprodukt trekkes ut av nevnte første ekspander.

Videre er det ifølge oppfinnelsen tilveiebragt et apparat for utførelse av den ovenfor angitte fremgangsmåte, og dette apparatet er kjennetegnet ved: a) midler for varmeveksling omfattende en rekke skrueviklede rør i et vertikalt kar med en topp- og bunnende, inkludert midler for innløp og utløp av rørene gjennom karets skall, b) midler for fordeling av en første flytende flerkomponents-kjølemiddelstrøm ved toppenden av karet, hvorved den første flytende kjølemiddelstrømmen vil strømme nedover over ytteroverf låtene av rørene og fordampes for å tilveiebringe avkjøling for fluider som strømmer i rørene, c) midler for fordeling av en andre, flytende flerkomponent-kjølemiddelstrøm ved et punkt mellom toppenden og bunnenden av karet, hvorved den andre, flytende kjølemiddel-strømmen vil strømme nedover over en del av ytterover-flatene av rørene og fordampes for å tilveiebringe tilleggskjøling til fluider som strømmer i rørene, og d) en første sentrifugalkompressor som er mekanisk koblet til en første turboekspander, hvori den trykksatte gassmate-strømmen komprimeres ytterligere, og etter flytendegjøring ved avkjøling i en første gruppe av nevnte skrueviklede rør ekspanderes i den første turboekspanderen for å tilveiebringe et flytendegjort gassprodukt, idet ekspansjonsarbeidet fra den første turboekspanderen driver den første kompressoren.

Ved flytendegjøring av naturgass i hvilken en trykksatt matestrøm flytendegjøres i en kryogen varmeveksler ved indirekte varmeveksling med en eller flere fordampende, flerkomponents kjølestrømmer, blir eventuelt flere væske-strømmer eksandert i prosess-ladede ekspandere ifølge foreliggende oppfinnelse for å gi forbedringer i flytende-gjøringsprosessytelsen. Den første av disse strømmene er den trykksatte matestrømmen av naturgass, som komprimeres, avkjøles og flytendegjøres i den kryogene varmeveksleren, og ekspanderes for å gi et f lytendegjort sluttprodukt. Ekspansjonsarbeid fra ekspanderen driver kompressoren. Ekspanderen og kompressoren er mekanisk forenet i en enkelt kompanderenhet. Videre ekspanderes eventuelt en flerkomponents væskekjølemiddelstrøm før det tilveiebringes en hoveddel av avkjølingen ved fordampning i den kryogene varmeveksleren, og ekspansjonsarbeidet anvendes for å komprimere den samme kjølemiddelstrøm, som først er en damp, før flytendegjøring og ekspansjon. Ekspanderen og kompressoren er mekanisk forenet i en enkelt kompanderenhet. En andre flerkomponents væskekjølemiddelstrøm ekspanderes eventuelt før det tilveiebringes en annen hoveddel av kjøling ved fordampning i den kryogene varmeveksleren, og ekspansjonsarbeidet anvendes for å pumpe den samme væskekjølemiddelstrømmen før underkjøling og ekspansjon. Ekspanderen og pumpen er mekanisk forenet i en enkelt ekspander/pumpe-enhet.

Kjølingen og flytendegjøringen av prosessmatestrømmen og kjølemiddelstrømmene, før ekspansjon, ved indirekte varmeveksling med de fordampende kjølemiddelstrømmene utføres i en kryogen varmeveksler som omfatter en rekke skrueviklede rør i et vertikalt kar og midler for fordeling av flytende kjøle-middel som strømmer nedover og fordampes over rørenes ytre overflater. Fordampet kjølemiddel fra veksleren komprimeres, avkjøles og f lytendegjøres delvis ved et ytre kjølesystem, og returneres for å tilveiebringe den dampkjølemiddelstrøm som komprimeres og den væskekjølemiddelstrøm som pumpes som beskrevet tidligere.

Foreliggende oppfinnelse gir forbedring av effektiviteten og reduserer kraftforbruket ved gassf lytendegjøringsprosessen, eller øker alternativt f lytendegjøringskapasiteten ved et konstant kraftforbruk.

Det er et trekk ved foreliggende oppfinnelse at ekspansjonsarbeidet fra hver ekspander anvendes ved direkte mekanisk kobling for å drive en væskepumpe eller gasskompressor som også er en del av f lytendegjøringsprosess-syklusen. Hver ekspander opererer på den samme prosess-strømmen som den koblede maskinen gjør for å øke prosesseffektivitet og

—pålitelighet og minske kapitalkostnader.

Ved bruk av væskeekspandere koblet med en pumpe og kompressorer slik det gjøres i foreliggende oppfinnelse for flytendegjøring av naturgass kan det oppnås en fordel med en 6,396 reduksjon i total prosesskompresjonskraft sammenlignet med en lignende prosess som anvender isentrope ekspansjonsventiler istedenfor prosess-ladede væskeekspandere. Ved konstant prosesskompressorkraft kan foreliggende oppfinnelse omvendt øke f lytendegjøringskapasiteten med 6,3$ sammenlignet med den tilsvarende prosessen som bare anvender isentrope ekspansjonsventiler. Bruken av ekspansjonsarbeidet for å drive pumpen og kompressorene i foreliggende oppfinnelse gir en 1,5$ økning i flytendegjøringskapasitet sammenlignet med bruken av ekspansjonsarbeidet for andre formål som for eksempel generering av elektrisk kraft.

Flytendegjort naturgass (LNG) produseres fra en metan-holdig matestrøm som typisk omfatter fra 60 til 90 mol# metan, tyngre hydrokarboner som for eksempel etan, propan, butan og noen hydrokarboner med høyere molekylvekt og nitrogen. Den metan-holdige matestrømmen komprimeres, tørkes og forhånds-kjøles på kjent måte, for eksempel som beskrevet i US-PS nr. 4.065.278. Denne komprimerte, tørkede og forhåndsavkjølte gassen utgjør naturgassmatestrømmen til fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse.

Med henvisning til den eneste tegningen føres på forhånd avkjølt, tørket og komprimert naturgassmatestrøm 1 med et trykk mellom 28,1 og 84,3 kg/cm<2> og mellom +6 og — 29°C inn i en rensekolonne 180 hvor hydrokarboner som er tyngre enn metan fjernes i en strøm 3. Metanrik strøm 2 går gjennom varmevekslerelement 121 og kondenseres delvis. Strømmen 4 inneholdende damp og væske føres til separator 181 hvor en væskestrøm 5 separeres og tilveiebringer tilbakeløp til rensekolonnen 180. Fjerning av tunge hydrokarboner med en slik rensekolonne er kjent på fagområdet og er for eksempel beskrevet i det tidligere nevnte US-PS nr. 4.065.278. Andre rensekolonnearrangementer kan anvendes avhengig av mate-strømmens sammensetning og prosessbetingelsene. Dersom matestrøm 1 inneholder en tilstrekkelig lav konsentrasjon av tyngre hydrokarboner, er rensekolonnen 180 ikke nødvendig. Strømmen 6 som nå typisk inneholder ca. 93 mol# metan ved ca. 44,3 kg/cm<2> og -43° C, komprimeres i kompressor 132 til ca. 47,5 kg/cm<2> og gir således en naturgassmatestrøm 8. Denne strøm strømmer gjennom et varmevekslerelement 111 i en midtbunt 110 og element 102 i en kaldbunt 101 for å gi under-kjølt, flytendegjort naturgass-strøm 10 på ca. 40,8 kg/cm<2> og ca. -160°C. Strømmen 10 ekspanderes i en ekspander 131 for å redusere dens trykk fra 40,8 kg/cm<2> til 0 kg/cm<2>, og sendes som en strøm 12 til LNG-sluttprodukt 20. Ekspander 131 driver kompressor 132 og disse er mekanisk forbundet som kompander 130.

Ytterligere metan-holdig mating ved et trykk mellom 21,1 og 28,1 kg/cm<2> som en strøm 16 kan eventuelt f lytendegjøres ved å strømme gjennom varmevekslerelementer 122, 112 og 103 for å gi en tilleggstrøm 18 av f lytendegj ort naturgass ved ca. 14,0 til 21,1 kg/cm<2> og ca. -160° C. Strømmen 18 ekspanderes over ventil 170 og kombineres med strømmen 12 for å gi sluttprodukt 20. Denne tilleggsmating kan oppnås annenstedsfra i prosess-syklusen eller fra en ytre kilde.

Kjøling for flytendegjøring av naturgassen som beskrevet ovenfor tilveiebringes ved fordampning av et lavnivå, f lerkomponents kjølemiddel (LL MCR) på skallsiden av den kryogene varmeveksleren 100. LL MCR-strøm 21 tilveiebringes ved å komprimere og avkjøle fordampet MCR i et ytre lukket kjølesystem 190 som det som er beskrevet i det tidligere nevnte US-PS nr. 4.065.278. Kulde for avkjøling av den ytre MCR-kretsen tilveiebringes av et andre lukket kjølesystem med høyere temperatur som beskrevet i nevnte patent. LL MCR-strømmen 21, som nå er delvis f lytendegjort, går inn i separator 160 ved typisk ca. 39,7 kg/cm<2> og mellom ca. +6 og

-40° C. MCR-dampstrømmen 22 komprimeres til ca. 41,8 kg/cm<2> i kompressor 142 og komprimert strøm 24 ved mellom +1 og -29°C går inn i den kryogene varmeveksleren 100. Strømmen går gjennom varmevekslerelementer 123, 113 og 104, og kommer ut som væskestrøm 26 ved typisk ca. 32,7 kg/cm<2> og -160° C. Væskestrømmen 26 ekspanderes i ekspander 141 til ca. 2,1 kg/cm<2> og -165° C, og den resulterende strøm 28 inneholder opp til b% damp. Ekspander 141 og kompressor 142 er mekanisk forbundet som kompander 140, og ekspansjonsarbeidet fra ekspander 141 driver kompressor 142. Avkjølt MCR-strøm 28 innføres i den kryogene varmeveksleren 100 gjennom fordeler 126, og strømmer over den ytre overflaten av varmevekslerelementene under fordampning i kald rørbunt 101, midtbunt 110 og varmbunt 120. Flytende MCR-strøm 30 fra separator 160 pumpes med pumpe 152 til ca. 68,5 kg/cm<2>, og den resulterende strøm 36 strømmer inn i den kryogene varmeveksleren 100 og gjennom varmevekslerelementer 124 og 114. Flytendegjort MCR-

strøm 38, som nå er ved ca. 60,8 kg/cm<2> og -129"C, ekspanderes i ekspander 151 til ca. 2,1 kg/cm<2>, under avkjøling av strømmen til ca. -1320 C. Ekspander 151 og pumpe 152 er mekanisk forbundet som ekspander/pumpe-enhet 150, og ekspansjonsarbeid fra ekspander 151 driver pumpe 152. Ekspandert MCR-strøm 40 går inn i den kryogene varmeveksleren 100 og fordeles over varmevekslerelementene av fordeleren 128. Flytende MCR strømmer nedover over varmevekslerelementene i midtbunten 110 og varmbunten 120 under fordampning for å tilveiebringe kjøling for å avkjøle strømmer deri. Fordampet MCR-strøm 42 kommer tilbake til det lukkede kjølesystemet 190 for å komprimeres og avkjøles som beskrevet tidligere.

Typiske temperaturer på skallsiden i den kryogene varmeveksleren 100 varierer fra -170 til -157°C ved toppen av kaldbunten 101, -140 til -123° C ved toppen av midtbunten 110 og -73 til -40°C ved toppen av varmebunten 120. Det fler-komponentkjølemiddel (MCR) som anvendes for avkjøling av skallsiden av den kryogene varmeveksleren 100 omfatter en blanding av nitrogen, metan, etan og propan. For utførelses-formen ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes en spesiell blanding av 5,8 mol# nitrogen, 35,8$ metan, 44,056 etan og 13,456 propan. Variasjoner i denne blandingen og disse bestanddelene kan brukes, avhengig av sammensetningen av naturgassmatestrømmen og andre faktorer som påvirker flytendegjøringsprosessen.

Forbedringen ved foreliggende oppfinnelse sammenlignet med tidligere kjente prosesser for flytendegjøring av naturgass er erstatningen av de isentrope ekspansjonsventilene med ekspandere for å tilveiebringe kjøling til den kryogene varmeveksleren 100 og endelig trykkavlastning av LNG-produktet, og tilleggskompresjonen av f lerkomponent kjøle-middeldampen i kompressor 142 før kjøling og flytendegjøring ved bruk av det ekspansjonsarbeidet som produseres ved å ekspandere denne flytendegjorte strømmen i ekspander 141. Forbedringen omfatter videre pumping av det flytende fler-komponentskjølemiddelet i pumpe 152 før underkjøling ved anvendelse av det ekspansjonsarbeidet som produseres ved ekspansjonen av denne underkjølte væske i ekspander 151. Et annet nøkkeltrekk ved foreliggende oppfinnelse er anvendelsen av ekspansjonsarbeidet fra den endelig trykkavlastningen for LNG-produktet i ekspander 131 for kompresjonen av den kalde dampmatingen i kompressor 132 før den går inn i den kryogene varmeveksleren 100. Ved å erstatte isentrope ekspansjonsventiler med ekspandere, kan det oppnås ytterligere kjøling og f lytendegjøringskapasiteten kan økes. Ved å anvende ekspansjonsarbeidet for å komprimere eller pumpe varmere prosess-strømmer ifølge foreliggende oppfinnelse, kan det minimale flytendegjøringsarbeidet reduseres og flytendegjør-ingskapasiteten økes ytterligere.

Eksempel

For å fastslå fordelene ved foreliggende oppfinnelse ble det utført en sammenlignbar datamaskinsimulering av en hel LNG-prosess-syklus. Syklusen inkluderer de flerkomponents-kjølekretsene ved høyt og lavt nivå som er beskrevet tidligere, såvel som den kryogene varmevekslerkretsen som er vist på tegningen. Det velges et basistilfelle i hvilket isentrope ekspansjonsventiler anvendes istedenfor ekspandere 131, 141 og 151 på tegningen, og i hvilket kompressor 132, kompressor 142 og pumpe 152 ikke anvendes. Et ekspandertil-felle er simulert i hvilket ekspandere 131, 141 og 151 anvendes uten kompressor 132, kompressor 142 og pumpe 152. Disse tilfellene sammenlignes med prosess-syklusen ifølge foreliggende oppfinnelse som er angitt på tegningen. Mate- og prosessbetingelser for et aktuelt, kommersielt LNG-anlegg med en konstruksjonskapasitet på 9,06 x 10^ standard m^ pr. dag anvendes i den sammenlignende simuleringen.

En sammenligning av kraftbehovene i prosessen i de tre tilfellene er oppsummert i Tabell 1.

Som illustrert i Tabell 1, gir bruken av ekspandere 131, 141 og 151 istedenfor ekspansjonsventiler en 4,856 minskning i prosesskompresjonskraft, eller muliggjør omvendt en 4,856 økning i LNG-produksjon ved konstant kompresjonskraf t. I foreliggende oppfinnelse gir bruken av prosess-ladede ekspandere for å drive kompressorer 132 og 142 og pumpe 152 en ytterligere 1 , 556 minskning i kraft eller en 1 , 556 økning i LNG-produksjon ved konstant kompresjonskraft. Denne ytterligere 1 , 556 økning oppnås på to måter. For det første kan det produseres mer kulde sammenlignet med ekspandertilf ellet, fordi sugetrykket i hver ekspander er høyere, og ekspansjons-forholdene er således høyere. Dette er mest uttalt i dette eksempel for flerkomponentkjølemiddelekspander 151 ifølge foreliggende oppfinnelse, for hvilken kjøleeffekten er 8756 høyere enn i det ekspandertilfellet i hvilket pumpe 152 ikke anvendes. Dette er tilfelle fordi trykket av dampen 38 økes fra ca. 39,7 kg/cm<2> til 68,5 kg/cm<2> med pumpe 152, og strømmen ekspanderes fra 60,8 kg/cm<2> til ca. 2,1 kg/cm<2>, sammenlignet med ekspandering av strømmen fra bare 32,0 kg/cm<2> til ca. 2,1 kg/cm<2> over en ekspansjonsventil. For det andre fordi de to strømmer 24 og 36 kondenseres og under-kjøles i den kryogene varmeveksleren 100 ved et høyere trykk enn i ekspandertilfellet, det minimale f lytendegjørings-arbeidet reduseres. Trykket for flerkomponentkjølemiddelet kan således heves, hvilket i sin tur hever sugetrykket for kjølemiddelkompressorene, hvilket i sin tur reduserer spesifikk kraft. Alternativt kan LNG-flytendegjøringsprodukt-kapasiteten økes ved konstant prosesskompressorkraft for det eksempel som er oppsummert i Tabell 1.

I foreliggende oppfinnelse driver hver ekspander en pumpe eller kompressor som illustrert i figuren ved kompandere 130 og 140, og ved ek spander/pumpe 150. Et enestående trekk ved foreliggende oppfinnelse, slik som påpekt tidligere, er at hver ekspander er prosess-ladet på samme fluid. Ekspander 131 og kompressor 132 opererer begge på naturgassmating/produkt, ekspander 141 og kompressor 142 opererer begge på fler-komponentskjølemiddeldamp/kondensat og ekspander 151 og pumpe 152 opererer begge på flerkomponentkjølemiddelvæske. Tabell 1 viser at ekspander 141 genererer 276 HP, av hvilke (etter maskineri-tap) 258 HP anvendes for å komprimere strøm 22 i kompressor 142. Denne arbeidsmengde ville være tapt dersom det var brukt en ekspansjonsventil istedenfor ekspander 141. På lignende måte ville ca. halvparten av de 1.462 HP som driver pumpe 152 og de 723 HP som driver kompressor 132 ha vært tapt dersom det var anvendt ekspansjonsventiler istedenfor ekspandere 131 og 151.

Det arbeid som genereres av ekspandere 131, 141 og 151 i ekspandertilfellet anvendes for å generere elektrisk kraft, slik at det meste av det arbeidet som ellers ville gått tapt i basistilfellet i Tabell 1, gjenvinnes. Det er imidlertid generelt mer ønskelig å anvende arbeidet fra ekspandere 131, 141 og 151 direkte i koblede prosessmaskiner slik som i foreliggende oppfinnelse, for å muliggjøre en økning i LNG-produksjon for gitte kompressorer og kraftforbruk, fordi ved et typisk fjernt LNG-anleggssted, ytterligere LNG-produkt vanligvis er økonomisk foretrukket sammenlignet med ytterligere elektrisk kraft for bruk i anlegget eller for eksport.

Å velge hvor det arbeidet som genereres av slike prosess-ladede ekspandere skal anvendes er å foreta en optimums-balanse mellom operasjonseffektivitet og kapitalkostnad. Denne balansen ble vurdert ved å utføre ytterligere data-maskinsimuleringer av forskjellige prosessvalg for å anvende det ekspanderarbeidet som genereres av ekspandere 131, 141 og 151. Simuleringer viste at den største kraftsparing oppnås ved bruk av arbeidet fra disse ekspandere for å drive hovednaturgass-matekompressoren oppstrøms for de matetørke-og forkjølingstrinnene som er beskrevet tidligere. Det er imidlertid noen ulemper ved denne fremgangsmåten: (1) midlene for å kombinere de tre ekspandere og kompressoren i en enkelt maskin vil være komplekse og ha høy kapitalkostnad, og (2) naturgassmateledningen vil måtte gå fra matetørkeren til veksleren 100 og tilbake til mateforkjølingssystemet. Trykkfallet og varmelekkasjen forbundet med dette arrange-mentet ble bedømt til sannsynligvis å utligne eventuelle oppnådde prosesseffektivitetsgevinster. Det prosess-ladede ekspanderarrangementet ifølge foreliggende oppfinnelse ble således valgt som den mest kostnadseffektive metode for å anvende ekspansjonsarbeidet for forbedring av den totale effektiviteten ved naturgassflytendegjøringsprosessen.

Claims

1. Fremgangsmåte for flytendegjøring av en trykksatt, gassformig matestrøm, karakterisert ved at: a) den trykksatte gassformige matestrømmen komprimeres i en første kompressor, b) den komprimerte matestrømmen avkjøles og flytendegjøres ved indirekte varmeveksling med en første og andre fordampende f lerkomponentskjølemiddelstrøm i en kryogen varmeveksler, c) den flytendegjorte matestrømmen ekspanderes i en første ekspander, hvor ekspansjonsarbeidet fra den første ekspanderen driver den første kompressoren, og d) et flytendegjort gassprodukt trekkes ut av nevnte første ekspander.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den første fordampende flerkomponentskjølemiddel-strømmen tilveiebringes ved følgende trinn:

1) en gassformig flerkomponentskjølemiddelblanding komprimeres, avkjøles og delvis flytendegjøres,

2) det delvis flytendegjorte kjølemiddelet separeres i en dampstrøm og en væskestrøm,

3) dampstrømmen komprimeres i en andre kompressor,

4) den komprimerte dampstrømmen avkjøles og flytendegjøres ved indirekte varmeveksling med de første og andre fordampende kjølemiddelstrømmene i den kryogene varmeveksleren og

5) den flytendegjorte strømmen fra trinn 4) ekspanderes i en andre ekspander og den ekspanderte strømmen innføres i den kryogene varmeveksleren for å tilveiebringe den første fordampende flerkomponentskjølemiddelstrømmen, hvori ekspansjonsarbeidet fra den andre ekspanderen driver den andre kompressoren.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at den andre fordampende flerkomponentskjølemiddel-strømmen tilveiebringes ved tilleggstrinnene:

6) væ ske st rømmen fra trinn 2) pumpes i en pumpe og den pumpede strømmen kjøles ved indirekte varmeveksling med de første og andre fordampende kjølemiddelstrømmene i den kryogene varmeveksleren,

7) den pumpede væskestrømmen fra trinn 6) ekspanderes i en tredje ekspander og den ekspanderte strømmen innføres i den kryogene varmeveksleren for å tilveiebringe den andre fordampende flerkomponentskjølemiddelstrømmen, hvori ekspansjonsarbeidet fra den tredje ekspanderen driver pumpen og

8) fordampet flerkomponentskjølemiddel trekkes ut fra den kryogene varmeveksleren og trinn 1) gjentas.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en metan-holdig, trykksatt gass-strøm flytende-gjøres ved indirekte varmeveksling med de første og andre fordampende f lerkomponentskjølemiddel strømmene i den kryogene varmeveksleren og den resulterende, flytendegjorte strømmen ekspanderes, for derved å tilveiebringe ytterligere flytende metallprodukt som kan kombineres med produktet fra den første ekspanderen.

5 . Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 , karakterisert ved: a) midler (111,102; 123,113,104; 124,114; 122,112,103; 121) for varmeveksling omfattende en rekke skrueviklede rør i et vertikalt kar (100) med en topp- og bunnende, inkludert midler for innløp og utløp av rørene gjennom karets skall, b) midler (126) for fordeling av en første flytende fler-komponentskjølemiddelstrøm ved toppenden av karet (100), hvorved den første flytende kjølemiddelstrømmen vil strømme nedover over ytteroverflåtene av rørene og fordampes for å tilveiebringe avkjøling for fluider som strømmer i rørene, c) midler (128) for fordeling av en andre, flytende fler-komponentkjølemiddelstrøm ved et punkt mellom toppenden og bunnenden av karet (100), hvorved den andre, flytende kjølemiddelstrømmen vil strømme nedover over en del av ytteroverflåtene av rørene og fordampes for å tilveiebringe tilleggskjøling til fluider som strømmer i rørene, og d) en første sentrifugalkompressor (132) som er mekanisk koblet til en første turboekspander (131), hvori den trykksatte gassmatestrømmen komprimeres ytterligere, og etter flytendegjøring ved avkjøling i en første gruppe (111,102) av nevnte skrueviklede rør ekspanderes i den første turboekspanderen (131) for å tilveiebringe et flytendegjort gassprodukt, idet ekspansjonsarbeidet fra den første turboekspanderen (131) driver den første kompressoren (132). 6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved: e) midler (42) for transport av fordampet f lerkomponentkjøle-middel fra bunnen av karet (100), f) kompresjons- og avkjølingsmidler (190) for delvis å f lytendegjøre det fordampede f lerkomponentskjølemiddelet, g) separatormidler (160) for å separere det delvis flytende-gj orte kjølemiddelet i en damp- og væskestrøm, og h) en andre sentrifugalkompressor (142) som er mekanisk koblet til en andre turboekspander (141) og hvor damp-strømmen komprimeres, og etter flytendegjøring ved avkjøling i en andre gruppe av skrueviklede rør (123,113, 104) ekspanderes i den andre turboekspanderen (141) for å tilveiebringe den første, flytende flerkomponentkjøle-middelstrømmen (126), idet ekspansjonsarbeidet fra den andre turboekspanderen (141) driver den andre kompressoren (142). 7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at det ytterligere omfatter en sentrifugalpumpe (152) som er mekanisk koblet til en tredje turboekspander (151) og hvor væskestrømmen pumpes, og etter ytterligere avkjøling i en tredje gruppe (124,114) av skrueviklede rør ekspanderes i den tredje turboekspanderen (151) for å tilveiebringe den andre, flytende flerkomponentkjølemiddelstrømmen, idet ekspansjonsarbeidet fra den tredje turboekspanderen (151) driver pumpen (152). 8. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at varmeveksleren omfatter en fjerde gruppe (122,112,103) av skrueviklede rør og en ekspansjonsventil (170), i hvilken en annen trykksatt gas smates trøm (16) f lytendegjøres og ekspanderes for å fremstille ytterligere flytendegjort gassprodukt.

9. Apparat ifølge krav 6, omfattende et destillasjonssystem (180) for fjerning av C2 og tyngre hydrokarboner fra en forhåndsavkj ølt, tørket og trykksatt naturgass-strøm, hvori dampproduktet fra destillasjonssystemet tilveiebringer den trykksatte gassmatestrømmen til den første kompressoren (132), karakterisert ved en femte gruppe (121) av skrueviklede rør i varmeveksleren (100) for å tilveiebringe tilbakeløp (5) for destillasjonssystemet ved delvis flytendegjøring av en dampstrøm fra systemet.