PL189284B1

PL189284B1 - Sposób skraplania gazu ziemnego

Info

Publication number: PL189284B1
Application number: PL98337425A
Authority: PL
Inventors: Eric T. Cole; Ronald R. Bowen
Original assignee: Exxonmobil Upstream Res Co
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2005-07-29
Also published as: KR100338882B1; AU7978798A; FI19992706A; WO1998059207A1; CN1261430A; EP1021690A4; CN1126929C; TNSN98095A1; IL133337A0; HU222696B1; HUP0002816A3; ES2170629A1; ID24478A; BG64011B1; CA2292710A1; NO312263B1; SE9904515L; BR9810221A; UA49072C2; PE43999A1

Abstract

1. Sposób skraplania gazu ziemnego, sprezone- go, bogatego w metan, znamienny tym, ze dopro- wadza sie strumien gazu do wymiany ciepla w obie- gu pierwszego czynnika chlodniczego, który to obieg obejmuje co najmniej jeden stopien chlodzenia, obniza sie temperature strumienia gazu przez wy- miane ciepla z pierwsza czescia pierwszego czynni- ka chlodniczego z wytworzeniem ochlodzonego strumienia gazu; doprowadza sie ochlodzony stru- mien gazu do wymiany ciepla w obiegu drugiego czynnika chlodniczego, który to obieg obejmuje co najmniej jeden stopien chlodzenia, obniza sie dalej temperature ochlodzonego strumienia gazu poprzez wymiane ciepla z drugim czynnikiem chlodniczym, wytwarza sie strumien skroplonego gazu bogatego w metan, przy czym drugi czynnik chlodniczy ma punkt wrzenia nizszy od punktu wrzenia pierwszego czynnika chlodniczego, a drugi czynnik chlodniczy czesciowo schladza sie i skrapla na drodze wymiany ciepla z druga czescia pierwszego czynnika chlodni- czego, i wytwarza sie ciekly produkt o temperaturze powyzej -112°C (-170°F) i pod cisnieniem, w któ- rym skroplony strumien jest w jego punkcie wrzenia lub ponizej niego; a nastepnie .............................. FIG. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu skraplania gazu ziemnego, sprężonego i bogatego w metan.

W ostatnich latach szeroko rozpowszechniło się stosowanie gazu ziemnego, ze względu na jego czyste spalanie się i wygodę stosowania. Liczne źródła gazu ziemnego znajdują się w odległych rejonach, bardzo oddalonych od rynków towarowych dla gazu. Wytwarzany gaz ziemny transportuje się na rynki towarowe za pomocą rurociągu. Jednakże, gdy do transportu na rynek nie można wykorzystać rurociągu, wtedy często wytwarzany gaz ziemny przekształca się w skroplony gaz ziemny, który nosi nazwę „LNG” (od ang. liquefied natural gas).

Jedną z cech charakterystycznych wyróżniających instalację LNG są wysokie nakłady inwestycyjne wymagane do budowy instalacji. Wyposażenie stosowane do skraplania gazu ziemnego jest bardzo drogie. Instalacja skraplania składa się z kilku zespołów podstawowych obejmujących obróbkę gazu w celu usunięcia zanieczyszczeń, skraplanie, chłodzenie, urządzenia energetyczne oraz urządzenia magazynowe i urządzenia do załadunku statków. Koszt instalacji LNG może zmieniać się w szerokich granicach zależnie od lokalizacji, ale typowe konwencjonalne przedsięwzięcie LNG może kosztować od 5 do 10 miliardów dolarów amerykańskich, łącznie z kosztami przygotowania terenu. Koszt układów chłodniczych instalacji może stanowić do 30 procent kosztu całej instalacji.

W projektowaniu instalacji LNG trzema najważniejszymi okolicznościami są:

(1) wybór cyklu skraplania, (2) materiały stosowane do zbiorników, przewodów rurowych i innych urządzeń, i (3) etapy sposobu przekształcania strumienia dostarczanego gazu ziemnego w LNG.

Układy chłodnicze LNG są kosztowne, gdyż do skroplenia gazu ziemnego stosuje się wiele operacji chłodniczych. Typowy strumień gazu ziemnego wprowadza się do instalacji LNG pod ciśnieniem od 4830 kPa (700 psia) do 7600 kPa (1100 psia) i o temperaturze od 20°C (68°F) do 40°C (104°F). Gaz ziemny, który składa się głównie z metanu, nie można skroplić przez zwykłe zwiększanie ciśnienia, co jest możliwe w przypadku cięższych węglowodorów stosowanych do celów energetycznych. Temperatura krytyczna metanu wynosi -82,5°C (-116,5°F). Oznacza to, że metan można skroplić tylko poniżej tej temperatury niezależnie od stosowanego ciśnienia. Gaz ziemny jest mieszaniną gazów, więc skrapla się w pewnym przedziale temperatur. Temperatura krytyczna gazu ziemnego mieści się między -85°C (-121°F) i -62°C (-80°F). Zazwyczaj, mieszanki stanowiące gaz ziemny skraplają się pod ciśnieniem atmosferycznym w przedziale temperatur między -165°C (-265°F) i -155°C (-247°F). Koszt urządzenia chłodniczego stanowi znaczną część kosztu całej instalacji LNG, dlatego też czyniono znaczne wysiłki zmniejszenia kosztów chłodzenia.

189 284

Do skraplania gazu ziemnego w instalacjach LNG stosowano wiele rodzajów obiegów chłodniczych, ale obecnie najpowszechniej stosuje się trzy ich rodzaje: (1) „obieg ekspansyjny”, w którym gaz rozpręża się od ciśnienia wysokiego do ciśnienia niskiego z równoczesnym odpowiednim obniżeniem temperatury, (2) „wieloskładnikowy obieg chłodniczy”, w którym stosuje się wieloskładnikowy czynnik chłodniczy w specjalnie skonstruowanych wymiennikach, i (3) „obieg kaskadowy”, w którym stosuje się wiele jednoskładnikowych czynników chłodniczych w umieszczonych kolejno wymiennikach ciepła do obniżania temperatury gazu do temperatury skroplenia. W większości obiegów skraplania gazu ziemnego stosuje się odmiany lub połączenia tych trzech rodzajów podstawowych.

W układzie kaskadowym stosuje się zazwyczaj dwa Iub więcej obiegi chłodnicze, w których rozprężony czynnik chłodniczy z jednego etapu stosuje się do skraplania sprężonego czynnika chłodniczego w następnym etapie. W każdym kolejnym etapie stosuje się lżejszy, lotniejszy czynnik chłodniczy, który w wyniku rozprężania wytwarza niższy poziom schłodzenia i dlatego jest zdolny do chłodzenia do niższej temperatury. W celu zmniejszenia zapotrzebowania mocy dla sprężarek, każdy cykl chłodniczy dzieli się zazwyczaj na kilka stopni ciśnienia (najczęściej na trzy Iub cztery stopnie). Stopniowanie ciśnienia powoduje w efekcie podzielenie pracy chłodzenia na kilka etapów temperaturowych. Jako czynniki chłodnicze stosuje się zwykle propan, etan, etylen i metan. Propan można skraplać przy stosunkowo niskim ciśnieniu w chłodnicach powietrznych Iub wodnych, dlatego też propan stanowi zazwyczaj czynnik chłodniczy pierwszego etapu. Etan Iub etylen można stosować jako czynnik chłodniczy drugiego etapu. Skraplanie etanu odpływającego ze sprężarki etanu wymaga stosowania niskotemperaturowego czynnika chłodniczego. Tę funkcję niskotemperaturowego czynnika chłodniczego pełni propan. Podobnie, gdy jako czynnik chłodniczy etapu końcowego stosuje się metan, wówczas do skraplania metanu odpływającego ze sprężarki metanu stosuje się etan. Propanowy układ chłodniczy stosuje się więc do chłodzenia gazu zasilającego i do skraplania etanowego czynnika chłodniczego, a etan stosuje się do dalszego chłodzenia gazu zasilającego i do skraplania metanowego czynnika chłodniczego.

Materiały stosowane w konwencjonalnych instalacjach LNG także wpływają na koszty tych instalacji. Zbiorniki, przewody rurowe i inne urządzenia stosowane w instalacjach LNG konstruuje się zazwyczaj, a przynajmniej częściowo, z aluminium, stali nierdzewnej Iub ze stali o dużej zawartości niklu co zapewnia niezbędną wytrzymałość i odporność na kruche pękanie w niskiej temperaturze.

W konwencjonalnych instalacjach LNG należy usunąć z procesu technologicznego gazu ziemnego wodę, dwutlenek węgla, związki zawierające siarkę, takie jak siarkowodór i inne kwaśne gazy, n-pentan i cięższe węglowodory, do niskiego poziomu w częściach na milion (ppm). Niektóre z tych związków mogą zamarzać, powodując problemy wywołane zatykaniem urządzeń technologicznych. Inne związki, takie jak związki zawierające siarkę, zazwyczaj usuwa się w celu wywiązania się z warunków technologicznych sprzedaży. W konwencjonalnej instalacji LNG, potrzebny jest zespół do oczyszczania gazu obejmującego usuwanie dwutlenku węgla i kwaśnych gazów. W zespole oczyszczającym stosuje się chemiczny i/lub fizyczny regeneracyjny proces rozpuszczalnikowy, wymagający znacznych nakładów inwestycyjnych. Wysokie są także koszty ruchowe. Do usuwania pary wodnej potrzebne są odwadniacze o suchym złożu, takie jak sita molekularne. Do usuwania węglowodorów mających tendencję do powodowania problemów związanych z zatykaniem stosuje się zazwyczaj kolumny zraszane i kolumny frakcjonujące. W konwencjonalnej instalacji LNG usuwa się z gazu także rtęć, gdyż może ona powodować uszkodzenia urządzeń wykonanych z aluminium. Ponadto, po przetworzeniu gazu ziemnego usuwa się dużą część ewentualnie zawartego w gazie azotu, gdyż azot nie pozostaje w fazie ciekłej podczas transportowania konwencjonalnego LNG i obecność pary azotu w zbiornikach LNG w punkcie dostawczym jest niepożądana.

W przemyśle istnieje stałe zapotrzebowanie na ulepszony sposób skraplania gazu ziemnego wymagający mniejszej ilości urządzeń chłodniczych i odznaczający się mniejszym zapotrzebowaniem mocy.

Zgodnie z wynalazkiem sposób skraplania gazu ziemnego, sprężonego, bogatego w metan, polega na tym, że doprowadza się strumień gazu do wymiany ciepła w obiegu pierwszego czynnika chłodniczego, który to obieg obejmuje co najmniej jeden stopień chłodzenia, obniża

189 284 się temperaturę strumienia gazu przez wymianę ciepła z pierwszą częścią pierwszego czynnika chłodniczego z wytworzeniem ochłodzonego strumienia gazu; doprowadza się ochłodzony strumień gazu do wymiany ciepła w obiegu drugiego czynnika chłodniczego, który to obieg obejmuje co najmniej jeden stopień chłodzenia, obniża się dalej temperaturę ochłodzonego strumienia gazu poprzez wymianę ciepła z drugim czynnikiem chłodniczym, wytwarza się strumień skroplonego gazu bogatego w metan, przy czym drugi czynnik chłodniczy ma punkt wrzenia niższy od punktu wrzenia pierwszego czynnika chłodniczego, a drugi czynnik chłodniczy częściowo schładza się i skrapla na drodze wymiany ciepła z drugą częścią pierwszego czynnika chłodniczego, i wytwarza się ciekły produkt o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i pod ciśnieniem, w którym skroplony strumień jest w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego; a następnie wprowadza się skroplony strumień do urządzenia magazynowego i przechowuje w temperaturze powyżej -112°C (-170°F).

Korzystnie dodatkowo wprowadza się gaz tracony pochodzący z odparowywania skroplonego gazu ziemnego o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i ciśnieniu, w którym skroplony produkt jest w jego punkcie wrzenia Iub poniżej niego, przy czym wprowadza się gaz tracony co najmniej częściowo skroplony w procesie skraplania.

Korzystnie dodatkowo rozdziela się gaz tracony na pierwszy strumień i drugi strumień, spręża się pierwszy strumień i przed co najmniej ostatnim stopniem chłodzenia drugiego obiegu chłodniczego przesyła się sprężony pierwszy strumień do operacji skraplania, a drugi strumień przesyła się do wymiennika ciepła, w którym ogrzewa się drugi strumień gazu traconego i chłodzi się strumień gazu ziemnego, przy czym ogrzany drugi strumień gazu traconego stosuje się jako paliwo.

Korzystnie wprowadza się pierwszy strumień gazu traconego do strumienia gazu ziemnego przed ostatnim stopniem drugiego obiegu chłodniczego.

Korzystnie rozdziela się gaz tracony na pierwszy strumień i drugi strumień, spręża się pierwszy strumień i przesyła się sprężony pierwszy strumień do wymiennika ciepła, a drugi strumień przesyła się bezpośrednio do wymiennika ciepła, w którym to wymienniku ogrzewa się drugi strumień a chłodzi się sprężony pierwszy strumień, a następnie przesyła się ochłodzony sprężony pierwszy strumień do strumienia gazu ziemnego przed co najmniej ostatnim stopniem drugiego obiegu chłodniczego.

Korzystnie ze strumienia gazu zawierającego metan i składniki węglowodorowe cięższe niż metan dodatkowo usuwa się przeważającą część cięższych węglowodorów i wytwarza się strumień pary bogaty w metan i strumień cieczy bogaty w cięższe węglowodory.

Korzystnie strumień cieczy bogaty w cięższe węglowodory poddaje się dodatkowo frakcjonowaniu z wytworzeniem pary bogatej w etan, którą łączy się ze strumieniem bogatym w metan.

Korzystnie skrapla się strumień gazu stosując tylko dwa obiegi chłodnicze w układzie kaskadowym.

Korzystnie, dodatkowo, po etapie wymiany ciepła w obiegu pierwszego czynnika chłodniczego, ze strumienia gazu zawierającego metan i składniki węglowodorowe cięższe niż metan, usuwa się przeważającą część cięższych węglowodorów z wytwarzaniem strumienia gazu zasadniczo wolnego od węglowodorów mających trzy Iub więcej atomy węgla, spręża się strumień gazu, ponownie chłodzi się strumień gazu w co najmniej jednym stopniu chłodzenia trzecią częścią czynnika chłodniczego pierwszego obiegu chłodniczego.

Korzystnie sprężony strumień gazu bogaty w metan ma ciśnienie powyżej 3103 kPa (450 psia).

W innej odmianie wynalazku sposób skraplania strumienia gazu ziemnego, polega na tym, że chłodzi się strumień gazu ziemnego w jednym Iub więcej wymiennikach ciepła za pomocą pierwszego obiegu chłodniczego układu kaskady chłodniczej mającej dwa obiegi; przesyła się ochłodzony gaz ziemny do rozdzielacza faz z wytworzeniem pierwszego strumienia pary i strumienia cieczy; przesyła się strumień ciekłego gazu ziemnego do demetanizera z wytworzeniem drugiego strumienia pary i drugiego strumienia cieczy; przesyła się drugi strumień cieczy do urządzenia frakcjonującego z wytworzeniem produktu skroplonego, uzupełniającego czynnika chłodniczego i trzeciego strumienia pary; łączy się pierwszy strumień pary, drugi strumień pary i trzeci strumień pary oraz przesyła się połączony strumień pary do

189 284 jednego lub więcej wymienników ciepła chłodzonych przez drugi obieg chłodniczy układu kaskady chłodniczej z wytworzeniem co najmniej częściowo skroplonego połączonego strumienia pary; oraz przesyła się połączony strumień pary do urządzenia rozprężającego z wytworzeniem skroplonego gazu ziemnego o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i ciśnieniu, w którym ciekły produkt jest w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego.

Ciśnienie początkowe strumienia gazu bogatego w metan wynosi zwykle 100 kPa (450 psia).

Sposób według wynalazku można zastosować zarówno do wstępnego skraplania gazu w pobliżu miejsca zasilania magazynu lub urządzenia transportowego, jak i do powtórnego skraplania pary gazu ziemnego powstającej podczas magazynowania i załadunku statków.

Sposób według wynalazku można stosować zarówno do wstępnego jak powtórnego skraplania gazu. Zapotrzebowanie mocy do sprężania w sposobie według wynalazku jest znacznie mniejsze niż w sposobach znanych dotychczas, a zatem jest to sposób oszczędniejszy a poza tym bardziej wydajny. Chłodzenie do bardzo niskiej temperatury, stosowane w konwencjonalnym sposobie LNG, jest bardzo drogie w porównaniu ze stosunkowo łagodnym chłodzeniem potrzebnym do wytwarzania PLNG według wynalazku.

Wynalazek i jego zalety staną się lepiej zrozumiałe po zapoznaniu się z poniższym szczegółowym opisem i załączonymi figurami przedstawiającymi uproszczone schematy technologiczne reprezentatywnych postaci wynalazku.

Na fig. 1 przedstawiono uproszczony schemat technologiczny sposobu według wynalazku pokazujący dwuobiegowy układ kaskady chłodniczej do wytwarzania PLNG.

Na fig. 2 przedstawiono uproszczony schemat technologiczny drugiej postaci wynalazku objaśniający sposób skraplania odparowanego gazu i usuwania cięższych węglowodorów.

Na fig. 3 przedstawiono uproszczony schemat technologiczny kolejnej odmiany wynalazku.

Na przedstawionych schematach technologicznych nie uwzględniono wymaganych pozostałych urządzeń, takich jak pompy, zawory, mieszalniki przepływowe, układy regulacji i czujniki, w celu zapewnienia prostoty i jasności schematów.

Według wynalazku zastosowano układ kaskady chłodniczej do skraplania gazu ziemnego w celu wytwarzania ciekłego produktu bogatego w metan o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i ciśnieniu odpowiednim dla ciekłego produktu, takim aby był on w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego. Ten produkt bogaty w metan został nazwany powyżej w opisie sprężonym ciekłym gazem ziemnym (PLNG). Termin „punkt wrzenia” oznacza temperaturę i ciśnienie, w których ciecz zaczyna przekształcać się w gaz. Jeżeli np. pewna objętość PLNG jest utrzymywana pod stałym ciśnieniem, lecz jej temperatura rośnie, wówczas temperatura, w której wrzenie rozpoczyna tworzenie gazu w PLNG, jest punktem wrzenia. Podobnie, jeżeli pewna objętość PLNG jest utrzymywana w stałej temperaturze, lecz jej ciśnienie maleje, wówczas ciśnienie, pod którym rozpoczyna się tworzenie gazu, jest punktem wrzenia. W punkcie wrzenia mieszanina jest cieczą nasyconą.

Stosowanie układu kaskady chłodniczej według wynalazku wymaga mniejszej mocy do skraplania gazu ziemnego niż w procesie kaskady chłodniczej znanym dotychczas, a aparatura stosowana w sposobie według wynalazku może być wykonana z tańszych materiałów. W sposobach znanych dotychczas wytwarzanie LNG pod ciśnieniem atmosferycznym odbywające się w tak niskiej temperaturze jak -160°C (-256°F), wymaga aby co najmniej część aparatury technologicznej była wykonana z drogich materiałów ze względu na bezpieczeństwo pracy.

Ilość energii potrzebnej do skraplania gazu ziemnego w przypadku stosowania wynalazku jest znacznie mniejsza od ilości energii wymaganej w konwencjonalnej instalacji LNG. Zmniejszenie zapotrzebowania energii wymaganej w sposobie według wynalazku powoduje w efekcie duże zmniejszenie kosztów inwestycyjnych, proporcjonalne obniżenie wydatków eksploatacyjnych, oraz wzrost wydajności i niezawodności pracy instalacji i dzięki temu wzrost opłacalności wytwarzania skroplonego gazu ziemnego.

Przy ciśnieniach i temperaturach roboczych według wynalazku, jako materiał przewodów rurowych i urządzeń pracujących w najzimniejszych strefach roboczych można stosować stal niklową zawierającą 3½ procent wagowych niklu, podczas gdy dla takich samych elementów aparatury w konwencjonalnej instalacji LNG jest ogólnie wymagana znacznie droższa stal niklowa zawiera189 284 jąca 9 procent wagowych niklu lub aluminium. Powoduje to dalsze znaczne zmniejszenie kosztów dla sposobu według wynalazku w porównaniu ze znanymi instalacjami LNG

W procesie obróbki kriogenicznej gazu ziemnego najpierw brane są pod uwagę zanieczyszczenia. Surowym gazem zasilającym odpowiednim dla sposobu według wynalazku może być gaz ziemny otrzymany z surowej ropy z odwiertu naftowego (gaz towarzyszący) lub z odwiertu gazowego (gaz nie towarzyszący). Skład gazu ziemnego -może się znacznie zmieniać. Stosowany tu strumień gazu ziemnego zawiera jako główny składnik metan (Ci). Gaz ziemny zazwyczaj zawiera także etan (C₂), wyższe węglowodory (C3+) i mniejsze ilości takich zanieczyszczeń jak woda, dwutlenek węgla, siarkowodór, azot, butan, węglowodory o sześciu lub więcej atomach węgla, brud, siarczek żelaza, wosk i ropa naftowa. Rozpuszczalność tych zanieczyszczeń zmienia się w zależności od temperatury, ciśnienia i składu. W temperaturach kriogenicznych, CO₂, woda i inne zanieczyszczenia mogą tworzyć stałe substancje, które mogą zatykać kanały przepływowe w kriogenicznych wymiennikach ciepła. Tych potencjalnych kłopotów można uniknąć przez usunięcie takich zanieczyszczeń, jeżeli przewiduje się występowanie w czystym składniku gazu granicznych warunków ciśnieniowo-temperaturowych dla fazy stałej. W poniższym opisie wynalazku przyjęto, że strumień gazu ziemnego został poddany odpowiedniej obróbce w celu usunięcia siarczków i dwutlenku węgla oraz osuszony w celu usunięcia wody przy użyciu konwencjonalnych i dobrze znanych sposobów, aby otrzymać strumień „świeżego, suchego” gazu ziemnego. Jeżeli strumień gazu ziemnego zawiera ciężkie węglowodory, które mogą ulegać wymrażaniu podczas skraplania lub jeżeli ciężkie węglowodory, są niepożądane w PLNG, wówczas te ciężkie węglowodory można usuwać w operacji frakcjonowania przed wytwarzaniem PLNG, co opisano poniżej bardziej szczegółowo.

Zaletę wynalazku stanowi to, że temperatury robocze podgrzewacza umożliwiają wyższe stężenia składników wymrażalnych niż stężenia możliwe w konwencjonalnym sposobie LNG. Np. w konwencjonalnej instalacji LNG, produkującej LNG w temperaturze -160°C (-256°F), stężenie CO₂ musi wynosić poniżej 50 ppm, aby można było uniknąć problemów z wymrażaniem. Natomiast w sposobie skraplania według wynalazku, w razie utrzymywania temperatury procesu powyżej -112°C (-170°F), gaz ziemny może zawierać CO2 w ilości do 1,4% molowego CO₂ w temperaturze -112°C (-170°F) i 4,2% w temperaturze -95°C (-139°F), nie powodując problemów z wymrażaniem.

Ponadto, w sposobie według wynalazku, umiarkowane ilości azotu zawarte w gazie ziemnym nie muszą być usuwane z tego gazu, ponieważ azot pozostaje w fazie ciekłej ze skroplonych węglowodorów przy ciśnieniach i temperaturach roboczych według wynalazku. Możliwość zmniejszania, lub w niektórych przypadkach pomijania, wyposażenia wymaganego do obróbki gazu i usuwania azotu, gdy pozwala na to skład gazu ziemnego, przynosi znaczne korzyści techniczne i ekonomiczne. Te i inne zalety wynalazku staną się lepiej zrozumiałe przy objaśnianiu figur.

Na fig. 1 strumień 10 sprężonego gazu ziemnego zasilającego doprowadza się do instalacji skraplania pod ciśnieniem korzystnie powyżej 1724 kPa (250 psia), a jeszcze korzystniej powyżej 4830 kPa (700 psia) i w temperaturze korzystnie poniżej 40°C (104°F); jednakże, w razie potrzeby, można stosować różne ciśnienia i temperatury, i układ można odpowiednio modyfikować biorąc pod uwagę nauki wynalazku. Gdy strumień 10 gazu ma ciśnienie poniżej 1724 kPa (250 psia), ewentualnie spręża się go za pomocą odpowiednich urządzeń sprężających (nie pokazanych), obejmujących jedną lub więcej sprężarek.

Strumień zasilający 10 przechodzi przez szereg wymienników ciepła, korzystnie przez dwa wymienniki ciepła 30 i 31, które chłodzi się pierwszym obiegiem chłodniczym 32. Obieg chłodniczy 32 chłodzi strumień zasilający 10 w wymiennikach ciepła 30 i 31 i chłodzi czynnik chłodniczy w drugim obiegu chłodniczym 33, który umieszcza się w procesie skraplania w kierunku z prądem. Układ chłodniczy 33 chłodzi dalej gaz ziemny w umieszczonych szeregowo wymiennikach ciepła, korzystnie w trzech wymiennikach ciepła 37, 38 i 39 jak pokazano na fig. 1. Konstrukcja i szczegóły działania obiegów chłodniczych 32 i 33 są dobrze znane specjalistom. Jako czynnik chłodniczy w pierwszym obiegu chłodniczym 32 korzystnie stosuje się propan, a jako czynnik chłodniczy w drugim obiegu chłodniczym 33 korzystnie stosuje się etylen. Przykłady układów kaskady chłodniczej są opisane w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3,596,472; Plant Processing of Natural Gas, wydanym przez

189 284

Petroleum Extension Service, The University of Texas at Austin, TX (1974); and Harper, E. A. et al., Trouble Free LNG, Chemical Engineering Progress, Vol. 71, No. 11 (1975).

Strumień 19 skroplonego gazu ziemnego opuszczający ostatni wymiennik ciepła 39 ma zgodnie z procedurą wynalazku temperaturę powyżej -112°C (-170°F) i ciśnienie odpowiednie dla produktu, takie aby był on w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego. Jeżeli ciśnienie strumienia 10, opuszczającego ostatni stopień drugiego obiegu chłodniczego, jest wyższe od ciśnienia potrzebnego do utrzymywania strumienia 10 w postaci fazy ciekłej, wówczas strumień 10 może ewentualnie przepływać przez jedno lub więcej urządzenie rozprężające, takie jak turbina hydrauliczna 40, aby otrzymać produkt PLNG o niższym ciśnieniu, lecz mający jeszcze temperaturę powyżej -112°C (-170°F) i ciśnienie odpowiednie dla ciekłego produktu, takie aby był on w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego. PLNG przesyła się następnie (strumień 20) do odpowiedniego urządzenia transportowego lub magazynowego 41 takiego jak odpowiedni rurociąg lub środek transportowy taki jak statek PLNG, samochód-cysterna lub wagon kolejowy.

Figura 2 przedstawia inną, postać wynalazku i zarówno w tej postaci wynalazku jak i w postaciach przedstawionych na fig. 1 i 3 części mające takie same numery pełnią te same funkcje. Dla specjalistów będzie jasne, że aparatura technologiczna jednej postaci wynalazku będzie się zmieniała w stosunku do drugiej postaci pod względem wymiarów i pojemności w przypadku stosowania innych natężeń przepływu płynów, temperatur i składów. Na fig. 2 strumień gazu ziemnego zasilającego wpływa do układu przez przewód 10 i płynie przez wymienniki ciepła 30 i 31, które są chłodzone przez pierwszy obieg chłodniczy 32. Obieg chłodniczy 32 chłodzi strumień zasilający 10 i chłodzi czynnik chłodniczy w drugim układzie chłodniczym 33, który umieszcza się w procesie skraplania w kierunku z prądem.

Po opuszczeniu ostatniego wymiennika ciepła 31 strumień 10 gazu zasilającego wpływa do konwencjonalnego rozdzielacza 34 faz. Strumień ciekły 11 odpływa z dna rozdzielacza i płynie do konwencjonalnego demetanizera 35. Demetanizer wytwarza strumień parowy górny 12, który jest bogaty w metan i strumień ciekły denny 13, który jest w przeważającym stopniu ciekłym gazem ziemnym (NGL), zawierającym głównie etan, propan, butan, pentan i cięższe węglowodory⁷. Strumień denny 13 z demetanizera płynie do konwencjonalnego urządzenia frakcjonującego 36, którego ogólne działanie jest znane specjalistom. Urządzenie frakcjonujące 36 może składać się z jednej lub więcej kolumn frakcjonujących (nie pokazanych na fig. 2), które rozdzielają strumień cieczy dennej 13 na ustalone ilości etanu, propanu, butanu i heksanu. Te ciecze odprowadza się z urządzenia frakcjonującego 36 jako produkty skroplone, które pokazano wspólnie na fig. 2 jako strumień 14. Strumienie górne odprowadzane z urządzenia frakcjonującego 36 są bogate w etan i inne lekkie węglowodory'. Te górne strumienie pokazano wspólnie na fig. 2 jako strumień 15. Urządzenie frakcjonujące obejmuje szereg kolumn frakcjonujących (nie pokazanych) takich jak kolumna deetanizująca, wytwarzająca etan, kolumna depropanizująca, wytwarzająca propan, i kolumna debutanizująca, wytwarzająca butan, które mogą być stosowane jako uzupełniające czynniki chłodnicze w układzie kaskady chłodniczej (w obiegach chłodniczych pierwszym i drugim, 32 i 33) lub w innym odpowiednim układzie chłodniczym. Strumienie uzupełniające pokazano wspólnie na fig. 2 linią 16. Chociaż na fig. 2 nie pokazano, czy strumień zasilający 10 zawiera CO2 w dużym stężeniu, jeden lub więcej strumieni uzupełniających czynników chłodniczych może wymagać obróbki w celu usunięcia CO2 dla uniknięcia potencjalnych problemów z zatykaniem aparatury chłodniczej. Jeżeli stężenie CO2 w strumieniu zasilającym przekracza 3 procenty molowe, wtedy urządzenie frakcjonujące 36 korzystnie będzie także obejmowało operację usuwania CO2.

Bogaty w metan strumień 17 z rozdzielacza 34, bogaty w metan strumień 12 z demetanizera 35 i strumień 15 z urządzenia frakcjonującego 36 łączy się razem i kieruje jako strumień 18 do szeregu wymienników ciepła 37, 38 i 39, służących do skraplania gazu ziemnego. Chłodzenie wymienników ciepła 37, 38 i 39 odbywa się za pomocą drugiego obiegu chłodniczego 33 opisanego powyżej. Mimo że czynniki chłodnicze w obiegach chłodniczych ' pierwszym i drugim, 32 i 33, krążą w układzie zamkniętej pętli, występują straty czynników chłodniczych wskutek wycieków z układu; straty te mogą zostać wyrównane przez uzupełniające czynniki chłodnicze z urządzenia frakcjonującego 36 (linia 16). W sposobie skraplania przed189 284 stawionym na fig. 2 do chłodzenia strumienia 10 gazu ziemnego według wynalazku są potrzebne w układzie kaskadowym tylko dwa obiegi chłodnicze.

Strumień 19 skroplonego gazu ziemnego opuszczający ostatni wymiennik ciepła 39 płynie przez jedno lub więcej urządzenie rozprężające, takie jak turbina hydrauliczna 40, aby wytworzyć produkt PLNG o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i ciśnieniu odpowiednim dla ciekłego produktu takim, aby był on w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego. PLNG przesyła się następnie przez przewód 20 do odpowiedniego urządzenia magazynowego 41.

W trakcie magazynowania, transportowania i manipulowania ciekłym gazem ziemnym, mogą mieć miejsce znaczne straty „gazu traconego” powstające wskutek odparowania ciekłego gazu. Wynalazek jest szczególnie odpowiedni do skraplania par gazu traconego powstających przy wytwarzaniu PLNG W ramach sposobu według wynalazku można ewentualnie ponownie skraplać takie pary gazu traconego. Jak pokazano na fig. 2 pary gazu traconego można wprowadzać do procesu według wynalazku przez przewód 21. Część strumienia 21 można odprowadzić jako strumień 22 i kierować poprzez wymiennik ciepła 42 w celu chłodzenia strumienia 18 i ogrzewania odprowadzanego gazu traconego do późniejszego wykorzystania go jako paliwa dla instalacji skraplania. Pozostałą część strumienia 21 kieruje się do sprężarki 43 w celu sprężenia pary gazu traconego do przybliżonego ciśnienia strumienia 18 pary i następnie łączy ze strumieniem 18.

Figura 3 przedstawia inną postać wynalazku. Sposób pokazany na fig. 3 jest podobny do sposobu opisanego wyżej w odniesieniu do fig. 2, z wyjątkiem tego, że pokazany na fig. 3 strumień 18 płynie przez sprężarkę 44 a strumień 18 sprężonej pary płynie po tym przez wymienniki ciepła 45 i 46, które są chłodzone przez środek chłodniczy z pierwszego obiegu chłodniczego 32.

Jak pokazano na fig. 3, gaz tracony można ewentualnie wprowadzać do strumienia 18 po ochłodzeniu strumienia 18 przez pierwszy obieg chłodniczy 32 i przed ochłodzeniem go przez drugi obieg chłodniczy 33. Co najmniej część strumienia 21 pary gazu traconego spręża się w konwencjonalnej sprężarce 43 i sprężony gaz (strumień 23) chłodzi w wymienniku ciepła 42, któiyjest chłodzony przez strumień 22 odciągany ze strumienia 21. Po ogrzaniu strumienia 22 w wymienniku ciepła 42 może on być stosowany jako paliwo w instalacji skraplania.

Mimo tego, że figury 2 i 3 pokazują wprowadzanie pary gazu traconego do procesu skraplania w punkcie po etapach frakcjonowania i przed etapem chłodzenia w drugim obiegu chłodniczym, to zgodnie z wynalazkiem parę gazu traconego można wprowadzać do strumienia gazu przeznaczonego do skraplania w każdym punkcie procesu poczynając od punktu przed wymiennikiem 30 i kończąc na punkcie za wymiennikiem 39 i przed rozprężarką40.

Wynalazek nie ogranicza wyboru rodzaju wymiennika ciepła, lecz ze względów ekonomicznych korzystne są wymienniki płytowo-żebrowe i wymienniki wytwarzane metodą zimnej rdzennicy'. Korzystnie, wszystkie strumienie zawierające zarówno fazę ciekłąjak i parową są wprowadzane do wymienników ciepła posiadających zarówno fazę ciekłą jak i parową równo rozmieszczone w poprzek skrzyżowanych sekcji kanałów wlotowych. Aby to osiągnąć należy przewidzieć dla poszczególnych strumieni pary i gazu indywidualne urządzenia rozdzielające. Rozdzielacze można dodać dla wielofazowych strumieni przepływowych wymagających podzielenia ich na strumienie cieczowe i parowe. Takie rozdzielacze mogłyby zostać dodane w procesach przedstawionych na figurach 2 i 3 przed wymiennikami ciepła 38 i 39.

Przykład

W celu zilustrowania postaci wynalazku przedstawionych na figurach wykonano symulowany bilans masowy i energetyczny a wyniki podano w poniższych tabelach.

Dane otrzymano przy użyciu dostępnego w handlu procesowego programu symulacyjnego o nazwie JIYSYS^im, jednak do opracowania danych mogą zostać użyte także inne dostępne w handlu procesowe programy symulacyjne, np. takie jak HYSIM™, PROII™ i ASPEN PLUS™, które wszystkie są znane specjalistom. Dane przedstawione w tabeli 1 podano w celu ułatwienia zrozumienia postaci wynalazku, pokazanej na fig. 1, lecz wynalazku nie należy interpretować jako rozwiązania ograniczonego tylko do tej postaci. Temperatur i natężeń przepływu nie należy brać pod uwagę jako ograniczeń wynalazku, który może mieć wiele wariantów w zakresie temperatur i natężeń przepływu w świetle podanych tu rozwiązań.

189 284

W tej postaci wynalazku pierwszym obiegiem chłodniczym 32 jest układ propanowy a drugim obiegiem chłodniczym 33 układ etylenowy-.

Dane w tabeli 2 podano w celu ułatwienia zrozumienia postaci wynalazku pokazanej na fig. 2. W tej postaci wynalazku pierwszym obiegiem chłodniczym 32 jest układ propanowy a drugim obiegiem chłodniczym 33 układ etanowy.

Przy użyciu podstawowego schematu technologicznego, takiego jak schemat pokazany na fig. 1, i przy użyciu takiego samego strumienia zasilającego i takiej samej temperatury, cała wymagana moc zainstalowana potrzebna do wytwarzania konwencjonalnego LNG [pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego i w temperaturze -160°C (-256°F)] była przeszło dwa razy większa od całej mocy zainstalowanej wymaganej do wytwarzania PlNg przy użyciu postaci wynalazku przedstawionej na fig. 1: 177927 kW (238600 KM) do produkcji LNG w stosunku do 75839 kW (101700 KM) do produkcji PLNG. To porównanie wykonano przy użyciu symulacji procesowe] HYSYS™.

Specjalista, zwłaszcza po zapoznaniu się z opisem wynalazku może rozważyć dużo modyfikacji i odmian ujawnionych tu specjalnych sposobów. Na przykład, można stosować według wynalazku różne temperatury i ciśnienia zależnie od ogólnego projektu układu i składu gazu zasilającego. Także zespół chłodzący dla gazu zasilającego może być uzupełniany i przekształcany zależnie od ogólnych wymagań projektowych w celu osiągnięcia optymalnych i skutecznych rozwiązań dla wymiany ciepła. Jak dyskutowano powyżej, ujawnione tu specjalne postacie wynalazku nie powinny być stosowane do ograniczania zakresu wynalazku.

Claims

1. Sposób skraplania gazu ziemnego, sprężonego, bogatego w metan, znamienny tym, że doprowadza się strumień gazu do wymiany ciepła w obiegu pierwszego czynnika chłodniczego, który to obieg obejmuje co najmniej jeden stopień chłodzenia, obniża się temperaturę strumienia gazu przez wymianę ciepła z pierwszą częścią pierwszego czynnika chłodniczego z wytworzeniem ochłodzonego strumienia gazu; doprowadza się ochłodzony strumień gazu do wymiany ciepła w obiegu drugiego czynnika chłodniczego, który to obieg obejmuje co najmniej jeden stopień chłodzenia, obniża się dalej temperaturę ochłodzonego strumienia gazu poprzez wymianę ciepła z drugim czynnikiem chłodniczym, wytwarza się strumień skroplonego gazu bogatego w metan, przy czym drugi czynnik chłodniczy ma punkt wrzenia niższy od punktu wrzenia pierwszego czynnika chłodniczego, a drugi czynnik chłodniczy częściowo schładza się i skrapla na drodze wymiany ciepła z drugą częścią pierwszego czynnika chłodniczego, i wytwarza się ciekły produkt o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i pod ciśnieniem, w którym skroplony strumień jest w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego; a następnie wprowadza się skroplony strumień do urządzenia magazynowego i przechowuje w temperaturze powyżej -112°C (-170°F).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo wprowadza się gaz tracony pochodzący z odparowywania skroplonego gazu ziemnego o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i ciśnieniu, w którym skroplony produkt jest w jego punkcie wrzenia lub poniżej niego, przy czym wprowadza się gaz tracony co najmniej częściowo skroplony w procesie skraplania.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo rozdziela się gaz tracony na pierwszy strumień i drugi strumień, spręża się pierwszy strumień i przed co najmniej ostatnim stopniem chłodzenia drugiego obiegu chłodniczego przesyła się sprężony pierwszy strumień do operacji skraplania, a drugi strumień przesyła się do wymiennika ciepła, w którym ogrzewa się drugi strumień gazu traconego i chłodzi się strumień gazu ziemnego, przy czym ogrzany drugi strumień gazu traconego stosuje się jako paliwo.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wprowadza się pierwszy strumień gazu traconego do strumienia gazu ziemnego przed ostatnim stopniem drugiego obiegu chłodniczego.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że rozdziela się gaz tracony na pierwszy strumień i drugi strumień, spręża się pierwszy strumień i przesyła się sprężony pierwszy strumień do wymiennika ciepła, a drugi strumień przesyła się bezpośrednio do wymiennika ciepła, w którym to wymienniku ogrzewa się drugi strumień a chłodzi się sprężony pierwszy strumień, a następnie przesyła się ochłodzony sprężony pierwszy strumień do strumienia gazu ziemnego przed co najmniej ostatnim stopniem drugiego obiegu chłodniczego.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ze strumienia gazu zawierającego metan i składniki węglowodorowe cięższe niż metan dodatkowo usuwa się przeważającą część cięższych węglowodorów i wytwarza się strumień pary bogaty w metan i strumień cieczy bogaty w cięższe węglowodory.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że strumień cieczy bogaty w cięższe węglowodory poddaje się dodatkowo frakcjonowaniu z wytworzeniem pary bogatej w etan, którą łączy się ze strumieniem bogatym w metan.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że skrapla się strumień gazu stosując tylko dwa obiegi chłodnicze w układzie kaskadowym.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo, po etapie wymiany ciepła w obiegu pierwszego czynnika chłodniczego, ze strumienia gazu zawierającego metan i składniki węglowodorowe cięższe niż metan, usuwa się przeważającą część cięższych węglowodorów z wytworzeniem strumienia gazu zasadniczo wolnego od węglowodorów mających trzy lub więcej atomy węgla, spręża się strumień gazu, ponownie chłodzi się strumień

189 284 gazu w co najmniej jednym stopniu chłodzenia trzecią częścią czynnika chłodniczego pierwszego obiegu chłodniczego.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężony strumień gazu bogaty w metan ma ciśnienie powyżej 3103 kPa (450 psia).

11. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego, znamienny tym, że chłodzi się strumień gazu ziemnego w jednym lub więcej wymiennikach ciepła za pomocą pierwszego obiegu chłodniczego układu kaskady chłodniczej mającej dwa obiegi; przesyła się ochłodzony gaz ziemny do rozdzielacza faz z wytworzeniem pierwszego strumienia pary i strumienia cieczy; przesyła się strumień ciekłego gazu ziemnego do demetanizera z wytworzeniem drugiego strumienia pary i drugiego strumienia cieczy; przesyła się drugi strumień cieczy do urządzenia frakcjonującego z wytworzeniem produktu skroplonego, uzupełniającego czynnika chłodniczego i trzeciego strumienia pary; łączy się pierwszy strumień pary, drugi strumień pary i trzeci strumień pary oraz przesyła się połączony strumień pary do jednego Iub więcej wymienników ciepła chłodzonych przez drugi obieg chłodniczy układu kaskady chłodniczej z wytworzeniem co najmniej częściowo skroplonego połączonego strumienia pary; oraz przesyła się połączony strumień pary do urządzenia rozprężającego z wytworzeniem skroplonego gazu ziemnego o temperaturze powyżej -112°C (-170°F) i ciśnieniu, w którym ciekły produkt jest w jego punkcie wrzenia Iub poniżej niego.