PL189829B1 - Sposób wytwarzania sprężonej cieczy bogatej w metan z wieloskładnikowego strumienia zasilającego - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania sprezonej cieczy bogatej w metan z wieloskladnikowego strumienia zasilaja- cego, zawierajacego metan i skladnik zamrazalny o wzglednej lotnosci mniejszej od metanu, zna- mienny tym, ze doprowadza sie wieloskladnikowy strumien zasilajacy do systemu rozdzielania, w któ- rym znajduje sie sekcja zamrazania pracujaca przy cisnieniu powyzej 1380 kPa i w warunkach tworze- nia substancji stalej dla skladnika zamrazalnego oraz sekcja destylacyjna usytuowana pod sekcja zamraza- nia, który to system rozdzielania wytwarza strumien pary bogaty w metan i strumien cieczy bogatej w skladnik zamrazalny, chlodzi sie co najmniej czesc strumienia pary wytwarzajac plynny strumien bogaty w metan, majacy temperature powyzej - 1 1 2 °C, usuwa sie pierwsza czesc skroplonego stru- mienia jako strumien skroplonego produktu bogate- go w metan, oraz doprowadza sie druga czesc stru- mienia skroplonego do systemu rozdzielania ochla- dzajac ten system rozdzielania. f ig . 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania sprężonej cieczy bogatej w metan z wieloskładnikowego strumienia zasilającego.

Chodzi tu zwłaszcza o sposób wytwarzania sprężonego płynnego gazu ziemnego (PLNG) ze strumienia gazu ziemnego zawierającego co najmniej jeden składnik zamrażalny.

Ze względu na korzystne właściwości dotyczące spalania oraz dostępność, gaz ziemny znalazł w ostatnich latach szerokie zastosowanie. Wiele źródeł gazu ziemnego znajduje się na obszarach znacznie odległych od rynków jego zbytu. Czasami dostępne są rurociągi do przesyłania gazu ziemnego do rynku jego zbytu. Gdy przesyłanie rurociągiem gazu ziemnego nie jest możliwe, często przetwarza się go w płynny gaz ziemny („LNG”) w celu przetransportowania go na rynek zbytu.

Jedną z cech wyróżniających zakłady wytwórcze LNG są wysokie koszty inwestycji takich instalacji. Urządzenia potrzebne do produkcji płynnego gazu ziemnego są zazwyczaj dość drogie. Zakład skraplania gazu ziemnego zawiera kilka podstawowych instalacji, w tym instalację do oczyszczania gazu, skraplania gazu, instalację chłodniczą oraz urządzenia zasilające i służące do przechowywania i załadunku. Chociaż koszt instalacji LNG może się znacznie wahać w zależności od jej umiejscowienia, to koszty budowy typowego konwencjonalnego zakładu wytwarzania LNG mogą wynosić od 5 do 10 miliardów dolarów amerykańskich, łącznie z kosztami zagospodarowania terenu. Koszt instalacji chłodniczej takiego zakładu może sięgać 30% kosztów łącznych.

Instalacje chłodnicze LnG są drogie, gdyż do skroplenia gazu ziemnego wymagane są duże zdolności chłodzenia. Strumień gazu ziemnego dopływa do zakładu wytwarzania LNG zazwyczaj pod ciśnieniem wynoszącym od około 4830 kPa (700 psia) do około 7600 kPa (1100 psia) i o temperaturze od około 20°C do około 40°C. Gazu ziemnego, składającego się w większości z metanu, nie da się skroplić wyłącznie przez zwiększenie jego ciśnienia, podobnie jak w wypadku ciężkich węglowodorów wykorzystywanych w energetyce. Temperatura krytyczna metanu wynosi -82,5°C, co oznacza, że niezależnie od ciśnienia, metan może zostać skroplony tylko w temperaturze poniżej tego poziomu. Ponieważ gaz ziemny jest w istocie mieszaniną gazów, jego skraplanie następuje w pewnym zakresie temperatur. Temperatura krt/furzna gazu ziemnego cip w od ie

VA V* V AAA V* AAA J 9.J WAZ A A AA V* A-< A W A A A A A W W . >-Λ A A- < · A-.AAA».-. — — - — - - — -- - — - - .. - . Tvn°\C/ zakres - j t------ --------°C temperatur w jakim skrapla się gaz ziemny pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi od -165 do -155°C. Ponieważ urządzenia chłodnicze mają znaczny udział w kosztach instalacji wytwarzania LNG dokonuje się poważnych wysiłków w celu zmniejszenia kosztów chłodzenia.

Istnieje wiele wcześniejszych rozwiązań instalacji skraplania gazu ziemnego na zasadzie stopniowego przepuszczania go pod podwyższonym ciśnieniem przez wiele stopni instalacji chłodniczej, gdzie jest stopniowo ochładzany poniżej temperatury skraplania. W konwencjonalnych instalacjach skraplanie gazu ziemnego następuje w temperaturze około -160°C i przy ciśnieniu bliskim atmosferycznemu. Chłodzenie realizowane jest zwykle przez odprowadza189 829 nie ciepła, za pomocą jednego lub więcej czynników chłodniczych, jak propan, propylen, etan, etylen, lub metan. Choć do skraplania gazu ziemnego zastosowano już wiele typów obiegów chłodniczych, to obecnie w zakładach wytwarzania LNG stosowane są najczęściej trzy z nich: (1) „obieg kaskadowy”, w którym stosuje się wiele jednoskładnikowych środków chłodniczych w wymiennikach ciepła uszeregowanych tak, aby zapewniać stopniowe zmniejszanie temperatury gazu do temperatury skraplania; (2) „obieg rozprężny”, w którym następuje rozprężanie gazu od ciśnienia wysokiego do niskiego, czemu towarzyszy odpowiedni spadek temperatury gazu; oraz (3) „obieg z użyciem wieloskładnikowych czynników chłodniczych”, w którym wieloskładnikowe czynniki chłodnicze są używane w specjalnie zaprojektowanych wymiennikach ciepła. W większości stosowanych obiegów chłodniczych używane są odmiany lub kombinacje tych podstawowych cykli chłodniczych.

W konwencjonalnych zakładach wytwarzania LNG, woda, dwutlenek węgla, związki siarki, jak siarkowodór i inne gazy kwaśne, n-pentan i węglowodory ciężkie, w tym benzen, muszą być w znacznym stopniu usunięte z gazu ziemnego, aż do poziomu rzędu części na milion (ppm). Niektóre z tych związków krzepną i powodują problemy z drożnością instalacji. Inne związki, jak te, które zawierają siarkę, są zwykle usuwane w celu spełnienia wymagań handlowych. W konwencjonalnym zakładzie wytwarzania LNG, do usunięcia dwutlenku węgla i gazów kwaśnych wymagane są specjalne urządzenia oczyszczające, w których zazwyczaj stosuje się reakcyjne rozpuszczalniki chemiczne i lub fizyczne, i które wymagają znacznych wydatków inwestycyjnych. Równie wysokie są koszty eksploatacji. Do usunięcia pary wodnej wymagane są odwadniacze ze złożem suchym, takie jak sita molekularne. Do usuwania węglowodorów powodujących problemy z drożnością stosuje się płuczki wieżowe gazu i urządzenia frakcjonujące. W konwencjonalnych instalacjach LNG usuwa się również rtęć, gdyż może ona powodować uszkodzenia urządzeń zbudowanych z aluminium. Ponadto, duża część azotu, który może znajdować się w gazie ziemnym, jest usuwana po przetworzeniu, gdyż azot nie pozostaje w fazie ciekłej podczas transportowania konwencjonalnego LNG, a występowanie par azotu w zbiornikach LNG w miejscu dostawy jest niepożądane.

W przemyśle występuje ciągła potrzeba ulepszania sposobu skraplania gazu ziemnego, który zawiera CO2 w takich stężeniach, że CO2 ulega krzepnięciu podczas skraplania gazu i jednocześnie umożliwia uzyskanie oszczędności energii.

Wynalazek dotyczy sposobu otrzymywania sprężonego płynnego gazu ziemnego (PLNG) ze strumienia gazu ziemnego zawierającego składnik zamrażalny. Tym zamrażalnym składnikiem, mimo że zazwyczaj jest to CO2, H2S lub inny gaz kwaśny, może być dowolny składnik zdolny do tworzenia substancji stałych w systemie rozdzielania.

Sposób wytwarzania sprężonej cieczy bogatej w metan z wieloskładnikowego strumienia zasilającego zawierającego metan i składnik zamrażalny o względnej lotności mniejszej od metanu, odznacza się według wynalazku tym, że doprowadza się wieloskładnikowy strumień zasilający do systemu rozdzielania, w którym znajduje się sekcja zamrażania pracująca przy ciśnieniu powyżej 1380 kPa i w warunkach tworzenia substancji stałej dla składnika zamrażalnego oraz sekcja destylacyjna usytuowana pod sekcją zamrażania, który to system rozdzielania wytwarza strumień pary bogaty w metan i strumień cieczy bogatej w składnik zamrażalny, chłodzi się co najmniej część strumienia pary wytwarzając płynny strumień bogaty w metan, mający temperaturę powyżej -112°C, usuwa się pierwszą część skroplonego strumienia jako strumień skroplonego produktu bogatego w metan, oraz doprowadza się drugą część strumienia skroplonego do systemu rozdzielania ochładzając ten system rozdzielania.

Korzystnie ponadto doprowadza się strumień skroplonego produktu do urządzeń maga7vnnwvch mfaa7vnniac go w temneraturze nnwwżei -112^of!

—j j--------o—j — j c? - -----1---------r - — —j .

Korzystnie w etapie chłodzenia ponadto spręża się wspomniany strumień pary do strumienia o wysokim ciśnieniu, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia w wymienniku ciepła, oraz rozpręża się ochłodzony, sprężony strumień do niższego ciśnienia, powodując dalsze ochłodzenie sprężonego strumienia oraz powstanie skroplonego strumienia bogatego w metan, mającego temperaturę powyżej -112°C.

Korzystnie chłodzi się sprężony strumień w wymienniku ciepła za pomocą pośredniej wymiany ciepła ze strumieniem pary wytworzonym uprzednio w systemie rozdzielania.

189 829

Korzystnie ponadto chłodzi się strumień cieczy wytworzony w systemie rozdzielania poprzez rozprężenie i używa się rozprężony, schłodzony strumień cieczy do chłodzenia sprężonego strumienia za pomocą pośredniej wymiany ciepła.

Korzystnie ponadto reguluje się ciśnienie sprężonego strumienia i ciśnienie rozprężonego strumienia uniemożliwiając tworzenie się substancji stałych w drugiej części skroplonego strumienia doprowadzonego do systemu rozdzielania.

Korzystnie system rozdzielania zawiera pierwszy etap destylacji i drugi etap destylacji, przy czym pierwszy etap destylacji zawiera sekcję destylacyjną i sekcję strefy zamrażania oraz ponadto sposób obejmuje etapy doprowadzania wieloskładnikowego strumienia zasilającego do pierwszego etapu destylacji, doprowadzania strumienia szczytowego pary z sekcji strefy zamrażania do drugiego etapu destylacji, usuwania strumienia pary z drugiego etapu destylacji i chłodzenia strumienia pary wytworzonego w systemie rozdzielania, doprowadzania drugiej części skroplonego ochłodzonego strumienia do drugiego etapu destylacji, usuwania płynnego strumienia dolnego z drugiego etapu destylacji, oraz doprowadzania płynnego strumienia dolnego do sekcji strefy zamrażania z pierwszego etapu destylacji.

Korzystnie system rozdzielania zawiera pierwszy etap destylacji, drugi etap destylacji i etap strefy zamrażania pomiędzy pierwszym i drugim etapem destylacji, przy czym drugą część skroplonego strumienia doprowadza się do pierwszego etapu destylacji.

Korzystnie chłodzenie strumienia pary przeprowadza się w wymienniku ciepła chłodzonym przez zamknięty układ chłodzenia.

Korzystnie w zamkniętym układzie chłodzenia jako dominujące chłodziwo stosuje się propan.

Korzystnie w zamkniętym układzie chłodzenia stosuje się chłodziwo zawierające metan, etan, propan, butan, pentan, dwutlenek węgla, siarkowodór i azot.

Korzystnie ponadto, przed chłodzeniem co najmniej części strumienia pary wpuszcza się do procesu odparowany gaz powstały w wyniku odparowania skroplonego gazu bogatego w metan.

Korzystnie skraplanie strumienia gazu przeprowadza się za pomocą dwóch zamkniętych cykli chłodzenia w układzie kaskadowym.

Korzystnie wieloskładnikowy strumień gazu z etapu chłodzenia ma ciśnienie powyżej 3100 kPa.

Korzystnie składnikiem zamrażalnym jest dwutlenek węgla.

Korzystnie w etapie chłodzenia ponadto spręża się wspomniany strumień pary do strumienia sprężonego, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia w wymienniku ciepła, usuwa się pierwszą część ochłodzonego sprężonego strumienia jako strumień produktu gazowego, oraz rozpręża się drugą część ochłodzonego, sprężonego strumienia do niższego ciśnienia, powodując dalsze ochłodzenie sprężonego strumienia oraz powstanie skroplonego strumienia bogatego w metan, mającego temperaturę powyżej -112°C.

Korzystnie w etapie chłodzenia spręża się strumień pary do wyższego ciśnienia, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia pary czynnikiem chłodniczym znajdującym się w strumieniu pary wytworzonym w systemie rozdzielania i rozpręża się ochłodzony sprężony strumień ochładzając dalej ochłodzony sprężony strumień, przy czym rozprężony strumień stanowi głównie skroplony strumień.

Korzystnie ponadto odzyskuje się część sprężonego strumienia pary i chłodzi się pozostałą część strumienia pary zgodnie ze wspomnianym etapem chłodzenia.

Korzystnie strumień pary wytworzony w systemie rozdzielania podgrzewa się przed cnrp^pmpm

Korzystnie system rozdzielania zawiera pierwszą sekcję destylacyjną, drugą sekcję destylacyjną, znajdującą się poniżej pierwszej sekcji destylacyjnej oraz strefę zamrażania, usytuowaną pomiędzy pierwszą a drugą sekcją destylacyjną, przy czym rozprężony skroplony strumień doprowadza się do pierwszej sekcji destylacyjnej.

Korzystnie wieloskładnikowy strumień doprowadza się poniżej pierwszej sekcji destylacyjnej.

189 829

Korzystnie ponadto usuwa się ciecz z systemu rozdzielania, chłodzi się tę ciecz za pomocą urządzenia rozprężającego oraz co najmniej częściowo odparowuje się tę ciecz poprzez wymianę ciepła ze sprężonym strumieniem pary.

Korzystnie ponadto usuwa się ciecz z systemu rozdzielania wzbogaconą w składnik zamrażalny, chłodzi się wzbogaconą w składnik zamrażalny ciecz za pomocą urządzenia rozprężającego oraz chłodzi się wieloskładnikowy strumień zasilający przed jego wprowadzeniem do systemu rozdzielania poprzez wymianę ciepła z rozprężoną, wzbogaconą w składnik zamrażalny cieczą.

Korzystnie ponadto chłodzi się wieloskładnikowy strumień za pomocą urządzenia rozprężającego przed jego wprowadzeniem do systemu rozdzielania.

Korzystnie reguluje się ciśnienie strumienia o wyższym ciśnieniu i ciśnienie rozprężonego strumienia zapobiegając powstawaniu substancji stałych w strumieniu doprowadzanym do systemu rozdzielania.

Korzystnie odzyskany strumień skroplonego produktu bogatego w metan ma ciśnienie powyżej 1380 kPa.

Korzystnie w etapie chłodzenia spręża się strumień pary do wyższego ciśnienia, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia pary czynnikiem chłodniczym znajdującym się w strumieniu pary wytworzonym w systemie rozdzielania i rozpręża się ochłodzony sprężony strumień dalej ochładzając ochłodzony sprężony strumień, przy czym rozprężony strumień jest głównie cieczą o ciśnieniu powyżej 1380 kPa i w etapie usuwania odzyskuje się z rozprężonego strumienia strumień skroplonego produktu wzbogaconego w metan o ciśnieniu powyżej 1380 kPa.

Sposób wytwarzania sprężonej cieczy bogatej w metan z wieloskładnikowego strumienia zawierającego metan i co najmniej jeden składnik zamrażalny, odznaczającej się temperaturą powyżej -112°C charakteryzuje się według wynalazku tym, że wprowadza się wieloskładnikowy strumień zasilający o ciśnieniu powyżej 1380 kPa do systemu rozdzielania pracującego w warunkach formowania substancji stałej dla składnika zamrażalnego zapewniając bogaty w metan strumień pary oraz strumień cieczy bogaty w składnik, który zakrzepł w systemie rozdzielania, skrapla się strumień pary za pomocą zamkniętego systemu chłodzenia wytwarzając bogatą w metan ciecz o temperaturze powyżej -112°C oraz wprowadza się bogatą w metan ciecz do zbiornika magazynowego do przechowywania jej w temperaturze powyżej -112°C.

Korzystnie skraplanie strumienia zasilającego przeprowadza się za pomocą zamkniętego systemu chłodzenia.

Korzystnie przed skropleniem strumienia zasilającego, ponadto łączy się ze strumieniem pary z systemu rozdzielania odparowany gaz powstały z odparowania skroplonego gazu ziemnego.

W sposobie według wynalazku, doprowadzany wieloskładnikowy strumień zawierający metan i składnik zamrażalny mający lotność względną niższą niż ta, którą ma metan, wprowadzany jest do systemu rozdzielania mającego sekcję zamrażania pracującą pod ciśnieniem ponad 1380 kPa (200 psia) i warunkach tworzenia się substancji stałej z tego zamrażalnego składnika oraz mającą sekcję destylacyjną położoną poniżej sekcji zamrażania. System rozdzielania, który zawiera strefę kontrolowanego zamrażania („CFZ”), wytwarza strumień pary bogatej w metan i strumień cieczy bogatej w ten składnik zamrażalny. Co najmniej część tego strumienia pary jest chłodzona w celu wytworzenia strumienia skroplonego bogatego w metan mającego temperaturę powyżej -112°C (-170°F) i ciśnienie wystarczające, by ciekły produkt znajdował się w punkcie wrzenia lub poniżej niego. Pierwsza część skroplonego strumienia jest odbierana z systemu jako strumień sprężonego ciekłego produktu (PLNG). Druga część tego skroplonego strumienia jest zawracana do systemu rozdzielania w celu zapewnienia temu systemowi chłodzenia.

W jednym z ukształtowań wynalazku, strumień pary jest odbierany z górnego obszaru systemu rozdzielania oraz jest sprężany do wyższego ciśnienia i ochładzany. Ten ochłodzony sprężony strumień jest następnie rozprężany w urządzeniach rozprężających w celu wytworzenia głównie ciekłego strumienia. Pierwsza część tego ciekłego strumienia jest doprowadzana jako strumień powrotny do systemu rozdzielania, zapewniając w ten sposób systemowi rozdzielania chłodzenie w obwodzie otwartym, a druga część tego ciekłego strumienia jest

189 829 odbierana jako strumień produktu mający temperaturę ponad -112°C (-170°F) i ciśnienie wystarczające, by ciekły produkt znajdował się w punkcie wrzenia lub poniżej niego.

W innym ukształtowaniu wynalazku, strumień pary jest odbierany z górnego obszaru systemu rozdzielania i ochładzany przez instalację chłodniczą w celu skroplenia bogatej w metan pary i wytworzenia cieczy o temperaturze ponad -112°C (-170°F) i ciśnieniu wystarczającym, aby ciekły produkt znajdował się w punkcie wrzenia lub poniżej niego.

Sposób według wynalazku może być stosowany zarówno do wstępnego skraplania gazu ziemnego u źródła dostawy, w celu jego przechowywania lub transportowania, jak i w celu ponownego skraplania par gazu ziemnego wydzielonych podczas przechowywania lub załadunku. Odpowiednio do tego celem tego wynalazku jest zapewnienie udoskonalonego, zintegrowanego systemu skraplania i usuwania CO2 dla skraplania lub ponownego skraplania gazu ziemnego o wysokiej zawartości CO2 (większej niż około 5%). Innym celem tego wynalazku jest zapewnienie udoskonalonego systemu skraplania, w którym wymagana jest znacznie mniejsza energia sprężania niż w systemach zgodnych ze stanem techniki. Jeszcze innym celem tego wynalazku jest zapewnienie bardziej wydajnego sposobu skraplania przez utrzymanie temperatury technologicznej w całym procesie poniżej -112°C, umożliwiając w ten sposób wykonywanie urządzeń z mniej kosztownych materiałów niż byłyby wymagane w przypadku konwencjonalnego sposobu otrzymywania LNG, których przynajmniej część pracuje przy niższej temperaturze obniżonej do -160°C. Chłodzenie do tak niskiej temperatury w przypadku konwencjonalnego sposobu otrzymywania LNG jest bardzo kosztowne w porównaniu ze stosunkowo umiarkowanym chłodzeniem przy wytwarzaniu PLNG sposobem zgodnym z wynalazkiem.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania, na rysunku fig. 1 przedstawia kriogeniczny proces ze strefą kontrolowanego zamrażania (CFZ) przedstawiający ogólnie zamknięty obieg chłodniczy do produkcji sprężonego płynnego gazu ziemnego skroplonego zgodnie ze sposobem według tego wynalazku, schematycznie, fig. 2 - kriogeniczny proces ze strefą kontrolowanego zamrażania (CFZ) przedstawiający ogólnie otwarty obieg chłodniczy do produkcji sprężonego gazu ziemnego ciekłego skroplonego zgodnie ze sposobem według tego wynalazku, schematycznie i fig. 3 - schematycznie inny przykład wykonania wynalazku, gdzie dwutlenek węgla i metan są oddzielane destylacyjnie w kolumnie destylacyjnej mającej strefę kontrolowanego zamrażania (CFZ), w której jednym strumieniem produktu szczytowego jest sprężony gaz ziemny skroplony, a innym strumieniem produktu szczytowego jest gaz będący produktem zbywalnym.

Schematy technologiczne pokazane na figurach przedstawiają różne przykłady praktycznej realizacji sposobu według wynalazku. Figury te nie mają na celu wykluczać z zakresu tego wynalazku innych przykładów wykonania, będących wynikiem normalnych i przewidywalnych modyfikacji tych określonych przykładów wykonania. W celu uproszczenia i zwiększenia przejrzystości figur, usunięto z nich różne wymagane podzespoły, takie jak pompy, zawory, mieszalniki strumienia, układy sterujące i czujniki.

Sposobem według tego wynalazku oddziela się destylacyjnie w systemie rozdzielania doprowadzany strumień gazu wieloskładnikowego, zawierającego metan i co najmniej jeden zamrażalny składnik, mający lotność względną niższą niż metan, przy czym system rozdzielania zawiera strefę kontrolowanego zamrażania („CFZ”). W systemie rozdzielania wytwarzany jest strumień pary szczytowej bogatej w metan oraz pozostałości bogate w składnik zamrażalny. Następnie co najmniej część strumienia pary szczytowej jest skraplana w celu wytworzenia produktu będącego skroplonym gazem ziemnym o temperaturze ponad -112°C (-170°F) i ciśnipnin wvctał^c-z:aiar;vm hv ten ciekłv nrodukt znaidował sie w nunkcie wrzenia lub Doni~ J ~ J ~ 7 J « X *· «X żej niego. Produkt ten jest tu czasami nazywany sprężonym płynnym gazem ziemnym („PLNG”). Inna część takiego skroplonego strumienia szczytowego jest zawracana do systemu rozdzielania jako strumień powrotny.

Termin „punkt wrzenia” oznacza taką temperaturę i ciśnienie, w których ciecz zaczyna zamieniać się w gaz. Przykładowo, jeśli pewna objętość PLNG znajduje się pod stałym ciśnieniem, ale zwiększa się jego temperatura, to punktem wrzenia będzie temperatura, przy której w PLNG zaczną tworzyć się pęcherzyki gazu. Podobnie, jeśli pewna objętość PLNG znajduje się w stałej temperaturze, ale zmniejsza się jego ciśnienie, to punkt wrzenia określa

189 829 takie ciśnienie, przy którym w PLNG zaczną tworzyć się pęcherzyki gazu. W punkcie wrzenia, PLNG jest cieczą nasyconą. Zaleca się, by PLNG nie był skroplony do swego punktu wrzenia, lecz bardziej ochłodzony w celu przechłodzenia tej cieczy. Przechładzanie PLNG zmniejsza ilość strat cieczy wskutek odparowania podczas jej przechowywania, transportowania i przeładowywania.

Przed tym wynalazkiem, specjaliści z tej dziedziny techniki wiedzieli, że za pomocą CFZ można usunąć niepożądany CO2. Nie doceniano tego, że sposób CFZ może być zintegrowany ze sposobem skraplania w celu wytworzenia PLNG

Sposób według obecnego wynalazku jest bardziej ekonomiczny w użyciu, ponieważ wymaga on mniejszej mocy do skraplania gazu ziemnego niż sposoby stosowane w przeszłości i urządzenia używane w sposobie według tego wynalazku mogą być wykonane z tańszych materiałów. W przeciwieństwie do tego sposoby według stanu techniki wytwarzania LNG przy ciśnieniu atmosferycznym i tak niskiej temperaturze jak -160°C, dla bezpiecznej eksploatacji wymagają użycia urządzeń wykonanych z drogich materiałów.

W praktyce wynalazku, energia potrzebna do skroplenia gazu ziemnego zawierającego w znacznym stężeniu składnik zamrażalny, taki jak CO2, jest o wiele mniejsza niż wymagana w konwencjonalnych sposobach wytwarzania LNG z takiego gazu ziemnego. To zmniejszenie niezbędnej ilości energii chłodniczej wymaganej w sposobie według wynalazku daje duże zmniejszenie kosztów inwestycyjnych, proporcjonalnie niższe koszty eksploatacji i zwiększoną wydajność oraz niezawodność, a zatem znacznie zwiększa ekonomiczność wytwarzania skroplonego gazu ziemnego.

Przy ciśnieniu i temperaturze roboczej zgodnymi ze sposobem według wynalazku na rurociągi i urządzenia w najzimniejszych obszarach roboczych instalacji skraplania mogą być użyte stale posiadające około 3,5 procent wagowych niklu, podczas gdy na takie same elementy wyposażenia w konwencjonalnych instalacjach LNG ogólnie wymagane jest stosowanie droższych stali zawierających 9 procent wagowych niklu lub aluminium. Zapewnia się w ten sposób jeszcze jedno znaczne zmniejszenie kosztów w przypadku stosowania sposobu według wynalazku w porównaniu do sposobów otrzymywania LNG według dotychczasowego stanu techniki.

Pierwszym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę w kriogenicznym przetwarzaniu gazu ziemnego są substancje zanieczyszczające. Gazem ziemnym jako surowcem odpowiednim dla sposobu według tego wynalazku, może być gaz ziemny otrzymywany z odwiertów naftowych (gaz towarzyszący) lub z odwiertów gazowych (gaz nie towarzyszący). Surowy gaz ziemny często zawiera wodę, dwutlenek węgla, siarkowodór, azot, butan, węglowodory o sześciu lub więcej atomach węgla, zanieczyszczenia, siarczek żelazawy, parafinę i ropę naftową. Rozpuszczalność tych substancji zanieczyszczających zmienia się zależnie od temperatury, ciśnienia i składu. W temperaturach kriogenicznych, CO2, woda i inne substancje zanieczyszczające mogą tworzyć substancje stałe, które mogą zatykać kanały przepływowe w kriogenicznych wymiennikach ciepła. Tych potencjalnych trudności można uniknąć usuwając takie substancje zanieczyszczające, jeśli uprzednio przewidzi się warunki dla ich czystych składników i granice temperaturowociśnieniowe faz stałych. W dalszym opisie tego wynalazku zakłada się, że strumień gazu ziemnego zawiera CO2. Jeżeli strumień gazu ziemnego zawiera ciężkie węglowodory, które mogą ulegać wymrażaniu podczas skraplania, to te ciężkie węglowodory zostaną usunięte wraz z CO2.

Jedną z zalet obecnego wynalazku jest to, że wyższa temperatura robocza umożliwia, aby gaz ziemny miał wyższe poziomy stężenia składników zamrażalnych, niż byłyby dopuszczalne dla konwencjonalnych sposobów otrzymywania LNG Przykładowo, w konwencjonalnej instalacji LNG wytwarzającej LNG w -160°C, warunkiem uniknięcia problemów z zamarzaniem jest zawartość CO2 poniżej 50 ppm (części na milion). W przeciwieństwie do tego, dzięki utrzymywaniu temperatury technologicznej powyżej około -112°C, gaz ziemny może zawierać CO 2 w większych ilościach wynoszących około 1,4% molowo CO 2 w temperaturze -112°C i około 4,2% molowo CO2 w temperaturze -95°C bez powodowania problemów z zamarzaniem podczas skraplania sposobem według tego wynalazku.

Dodatkowo, umiarkowane ilości azotu w gazie ziemnym nie muszą być usuwane w wypadku sposobu według wynalazku, gdyż azot będzie pozostawał w fazie ciekłej ze skroplo10

189 829 nymi węglowodorami w temperaturze i ciśnieniu roboczym zgodnych z obecnym wynalazkiem. Zdolność do ograniczenia, a w niektórych przypadkach pominięcia urządzeń wymaganych do oczyszczania gazu i usuwania azotu, daje znaczne korzyści techniczne i ekonomiczne. Te i inne zalety wynalazku można lepiej zrozumieć na podstawie sposobów skraplania zilustrowanych na zamieszczonych tu figurach.

Na fig. 1, strumień zasilający gazu ziemnego 10 wpływa do instalacji przy ciśnieniu ponad około 3100 kPa (450 psia), a bardziej korzystnie ponad około 4800 kPa (700 psia) i temperaturze korzystnie między około 0°C a 40°C; jednakże, jeżeli jest to pożądane, to można stosować inne ciśnienie i temperaturę, w odpowiednio zmodyfikowanej instalacji. Jeśli strumień gazu 10 ma ciśnienie około 1380 kPa (200 psia), może być sprężony za pomocą odpowiednich urządzeń sprężających (nie pokazanych), które mogą zawierać jedną lub więcej sprężarek. W niniejszym opisie sposobu według wynalazku zakłada się, że strumień gazu ziemnego 10 został poddany odpowiedniemu oczyszczaniu w celu usunięcia wody konwencjonalnymi i znanymi sposobami (nie pokazanymi na fig. 1) w celu wytworzenia strumienia „suchego” gazu ziemnego.

Strumień zasilający 10 przepływa przez chłodnicę 30. Chłodnica 30 może składać się z jednego lub więcej konwencjonalnych wymienników ciepła, które ochładzają ten strumień gazu ziemnego do temperatury kriogenicznej, korzystnie aż do od -50°C do -70°C, a bardziej korzystnie do temperatury tuż powyżej temperatury krzepnięcia CO2. Chłodnica 30 może składać się z jednego lub więcej układów wymiany ciepła chłodzonych przez konwencjonalne instalacje chłodnicze, jednego lub więcej urządzeń rozprężnych, jak zawory Joule-Thomson'a (dławiące) lub rozprężarki turbinowe, jednego lub więcej wymienników ciepła wykorzystujących jako chłodziwo ciecz z dolnej sekcji kolumny frakcjonującej 31, jednego lub więcej wymienników ciepła wykorzystujących jako chłodziwo strumień pozostałości z kolumny 31, lub dowolne inne odpowiednie źródło chłodzenia. O tym, który system chłodniczy jest preferowany decyduje dostępność chłodzenia, ograniczenia przestrzenne, jeśli występują, oraz względy środowiskowe i bezpieczeństwa. Specjaliści w tej dziedzinie techniki mogą wybrać właściwą instalację chłodniczą, uwzględniając warunki eksploatacyjne sposobu skraplania.

Ochłodzony strumień 11 wypływający z chłodnicy 30 gazu zasilającego jest kierowany do kolumny frakcjonującej 31 mającej strefę kontrolowanego zamrażania („CFZ”, będącą specjalną sekcją obsługującą krzepnięcie i topienie CO2. Sekcja CFZ, obsługująca krzepnięcie i topienie CO2, nie zawiera wypełnień ani półek, jak w konwencjonalnych kolumnach destylacyjnych, lecz zamiast tego zawiera jedną lub więcej dysz rozpylających i półkę topienia. Zestalony CO2 tworzy się w obszarze pary w kolumnie destylacyjnej i spada do cieczy na półce topienia. Zasadniczo wszystkie tworzące się substancje stałe są zawarte w sekcji CFZ. Destylacyjna kolumna frakcjonująca 31 ma poniżej sekcji CFZ konwencjonalną sekcję destylacyjną i, korzystniej, drugą sekcję destylacyjną ponad sekcją CFZ. Konstrukcja i działanie kolumny frakcjonującej 31 są znane specjalistom z tej dziedziny techniki. Przykłady konstrukcji CFZ są zilustrowane w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerach 4,533,372; 4,923,493; 5,062,270; 5,120,338 i 5,265,428.

Bogaty w CO 2 strumień 12 wypływa ze spodu kolumny frakcjonującej 31. Ciekły produkt dolny jest podgrzewany w reboilerze 35 a jego część jest zawracana do dolnej sekcji kolumny frakcjonującej 31 jako para ponownie odparowana po skropleniu. Pozostała część (strumień 13) opuszcza instalację jako produkt bogaty w CO2. Bogaty w metan strumień 14 opuszcza szczyt kolumny frakcjonującej 31 i przepływa przez wymiennik ciepła 32 chłodzony strumieniem 17 i podłączony do konwencjonalnego układu chłodniczego 33 o obiegu zamknietwn Mnaa hvć zastosowane układv chłodnicze iednoskładnikowe. wieloskładnikowe

-------* ---- — ' y - ---- — · — *---- ~ ‘ -J - ' - , lub kaskadowe. Układ chłodniczy wieloskładnikowy zawiera zwykle co najmniej dwa zamknięte obiegi chłodnicze. W tych układach chłodniczych o obiegach zamkniętych, jako czynniki chłodnicze mogą być używane metan, etan, propan, butan, pentan, dwutlenek węgla, siarkowodór i azot. Korzystnie, w układach chłodniczych o obiegach zamkniętych, jako czynnika chłodniczego używa się przeważnie propanu. Na fig. 1 pokazano co prawda tylko jeden wymiennik ciepła 32, ale zgodnie z wynalazkiem można stosować wiele wymienników ciepła do wielostopniowego chłodzenia strumienia 14 pary. Wymiennik ciepła 32, korzystnie, skrapla w ciecz zasadniczo cały strumień 14 pary. Strumień 19 Wypływający z tego wymiennika

189 829 ciepła ma temperaturę ponad -112°C i ciśnienie wystarczające, żeby ten ciekły produkt znajdował się w punkcie wrzenia lub poniżej niego. Jedna część tego strumienia 19 cieczy przepływa jako strumień 20 do odpowiedniego urządzenia stanowiącego magazyn 34, takiego jak stacjonarny zbiornik zasobnikowy lub środek transportowy, jak statek do przewozu PLNG, ciężarówka lub wagon do przewożenia PLNG w temperaturze ponad -112°C i ciśnieniu wystarczającym, żeby ten ciekły produkt znajdował się w punkcie wrzenia lub poniżej niego. Druga część ciekłego strumienia 19 jest zawracana jako strumień 21 do kolumny frakcjonującej 31. Względne proporcje strumieni 20 i 21 zależą od składu doprowadzanego gazu 1θ, warunków pracy kolumny frakcjonującej 31 i pożądanych cech produktu.

Podczas przechowywania, transportu i przeładowywania skroplonego gazu ziemnego może następować znaczna „strata cieczy wskutek odparowania” skroplonego gazu ziemnego. Sposób według wynalazku umożliwia opcjonalnie ponowne skraplanie tej bogatej w metan pary ze strat odparowania. Na fig. 1, strumień 16 pary ze strat odparowania może być opcjonalnie wprowadzony do strumienia 14 przed ochłodzeniem w wymienniku ciepła 32. Strumień 16 pary ze strat odparowania powinien mieć ciśnienie równe lub bliskie ciśnieniu strumienia 14 pary, do którego jest wprowadzany. W zależności od ciśnienia pary ze strat odparowania, może być potrzebne skorygowanie ciśnienia pary ze strat odparowania za pomocą jednej lub więcej sprężarek lub rozprężarek (nie pokazanych na figurach, umożliwiające dopasowanie tego ciśnienia w miejscu, gdzie para ze strat odparowania jest wprowadzana do procesu skraplania.

Mniejsza część strumienia 14 pary może być opcjonalnie usunięta z procesu jako paliwo (strumień 15), dostarczając część mocy potrzebnej do napędu sprężarek i pomp w procesie skraplania. Paliwo to może być opcjonalnie użyte jako źródło chłodnicze w celu wspomagania chłodzenia 10 strumienia doprowadzanego.

Na fig. 2 przedstawiono schematycznie inny przykład wykonania wynalazku, z użyciem chłodzenia w obwodzie otwartym w celu zapewnienia chłodzenia kolumnie oddzielającej 51 i wytwarzania PLNG. Jak pokazano na fig. 2, strumień wieloskładnikowego gazu 50, zawierającego metan i dwutlenek węgla, który został odwodniony i ochłodzony przez dowolne odpowiednie źródło chłodzenia (nie pokazane na fig. 2), jest doprowadzany do kolumny CFZ 51, która ma zasadniczo taką samą konstrukcję jak kolumna frakcjonująca 31 na fig. 1. W tym przykładzie wykonania skutecznie kontroluje i korzysta się ze zdolności do tworzenia się substancji stałych w procesie, przez doprowadzanie strumienia 64 bezpośrednio do kolumny CFZ 51.

Temperatura gazu wprowadzanego do kolumny CFZ 51 jest korzystnie wyższa niż temperatura krzepnięcia CO2. Strumień 52 pary wzbogaconej w metan wypływa ze szczytu kolumny 51, a strumień 53 pary wzbogaconej w dwutlenek węgla wypływa u dołu kolumny CFZ 51. Ciekły produkt dolny jest podgrzewany w reboilerze 65 i jego część jest zawracana do dolnej sekcji kolumny CFZ 51 jako para ponownie odparowana po skropleniu. Pozostała część (strumień 54) opuszcza instalację jako ciekły produkt bogaty w CO2.

Pierwsza część strumienia szczytowego 52 jest zawracana do kolumny CFZ 51 jako strumień 64, zapewniając chłodzenie w obwodzie otwartym w kolumnie CFZ 51. Druga część tego strumienia szczytowego 52 jest odbierana (strumień 63) jako strumień produktu PLNG 0 ciśnieniu równym lub bliskim ciśnieniu roboczemu kolumny CFZ 51 i temperaturze ponad -112°C (-170°F). Trzecia część tego strumienia szczytowego 52 może być opcjonalnie odbierana (strumień 59) w celu wykorzystania jako gaz handlowy lub do dalszego przetworzenia.

Na zasadnicze elementy chłodzenia w obwodzie zamkniętym, według tego przykładu wykonania, składają się sprężanie przez jedną lub więcej sprężarek 57 strumienia szczytowego 52 opuszczającego szczyt kolumny CFZ 51. chłodzenie sprężonego gazu przez jedną lub więcej chłodnicę 58, doprowadzanie co najmniej części ochłodzonego gazu (strumień 61) do jednego lub więcej urządzeń do rozprężania 62 w celu zmniejszenia ciśnienia strumienia gazu 1 ochłodzenia go, oraz zasilanie kolumny CFZ 51 częścią strumienia ochłodzonego i rozprężonego gazu (strumień 64). Część powrotna strumienia szczytowego 52 według tego sposobu zapewnia kolumnie CFZ 51 chłodzenie w obwodzie otwartym. Strumień 60 jest, korzystnie, chłodzony przez wymiennik ciepła 55, który również podgrzewa strumień szczytowy 52. Ciśnienie strumienia 64 jest, korzystnie, kontrolowane przez regulację stopnia sprężania w sprężarce 57 w celu zapewnienia, aby poziomy ciśnienia cieczy strumieni 60, 61 i 64 były na tyle

189 829 wysokie, żeby zapobiec tworzeniu się substancji stałych. Na przepływ powrotny do kolumny 51 składa się również co najmniej część strumienia szczytowego 52 pary zawracana do górnej części kolumny 51 jako ciecz skroplona w wyniku chłodzenia w obwodzie otwartym.

Kolumna CFZ 51 ma poniżej sekcji CFZ konwencjonalną sekcję destylacyjną i potencjalnie drugą sekcję destylacyjną ponad sekcją CFZ. Sekcja CFZ obsługuje wszelkie tworzenie i topienie zestalonego CO2. Podczas rozruchu, wszystkie strumienie 64 mogą być skierowane bezpośrednio do sekcji CFZ. Kiedy strumień 64 stanie się uboższy w składniki tworzące substancje stałe, większa jego część może być doprowadzona do tej sekcji destylacyjnej kolumny, która znajduje się nad sekcją CFZ.

Na fig. 3 pokazano schematycznie kolejny przykład wykonania wynalazku, gdzie sposobem według wynalazku wytwarza się PLNG i gaz handlowy jako strumienie produktu. W tym przykładzie wykonania strumienie produktu szczytowego stanowią 50% PLNG (strumień 126) i 50% gazu handlowego (strumień 110). Istnieje jednak możliwość wytwarzania dodatkowego PLNG, do 100%, przez zapewnienie albo dodatkowego chłodzenia przez wymianę ciepła z chłodniejszymi płynami, albo dodatkowy spadek ciśnienia w rozprężarce przez zainstalowanie urządzeń do dodatkowego sprężania i chłodnic końcowych. Analogicznie, zapewniając mniejsze chłodzenie można wytworzyć mniej PLNG.

W odniesieniu do fig. 3, zakłada się, że strumień zasilający 101 gazu ziemnego zawiera ponad 5% molowo CO 2 i jest prawie pozbawiony wody, aby zapobiec jej zamarzaniu i tworzeniu się wodzianów. Po odwodnieniu, strumień zasilający gazu ziemnego jest ochładzany, obniża się jego ciśnienie i wprowadza do kolumny destylacyjnej 190 pracującej przy ciśnieniu w zakresie od około 1379 kPa (200 psia) do około 4482 kPa (650 psia). Kolumna destylacyjna 190, która ma sekcję CFZ podobną jak w kolumnie frakcjonującej 31 na fig. 1, rozdziela strumień zasilający na strumień pary produktu szczytowego wzbogaconego w metan oraz na strumień ciekłego produktu dolnego wzbogaconego w dwutlenek węgla. Według wynalazku, kolumna destylacyjna 190 ma co najmniej dwie, a korzystnie trzy, różne sekcje: sekcję destylacyjną 193, strefę zamrażania kontrolowanego (CFZ) 192 ponad sekcją destylacyjną 193, oraz opcjonalnie górną sekcję destylacyjną 191.

W tym przykładzie, wieża zasilana jest w górnej części sekcji destylacyjnej 193 strumieniem 105, gdzie ulega on typowej destylacji. Sekcje destylacyjne 191 i 193 zawierają półki i/lub wypełnienie i zapewniają niezbędną styczność między opadającymi cieczami, a wznoszącymi się parami. Lżejsze pary opuszczają sekcję destylacyjną 193 i wpływają do strefy 192 kontrolowanego zamarzania. W strefie 192 kontrolowanego zamarzania pary stykaj ją się z cieczą (rozpylona ciecz powrotna w strefie zamarzania) z dysz lub z zespołów rozpylających 194. Następnie pary kontynuują przepływ w górę przez górną sekcję destylacyjną 191. Dla skutecznego oddzielania CO 2 ze strumienia gazu ziemnego w kolumnie destylacyjnej 190 wymagane jest chłodzenie w celu zapewnienia ruchu cieczy w górnych sekcjach kolumny 190. Według tego przykładu wykonania wynalazku chłodzenie w górnej części kolumny 190 jest zapewnione przez otwarty obieg chłodniczy.

W przykładzie wykonania na fig. 3, wychodzący gaz zasilający jest dzielony na dwa strumienie: strumień 102 i strumień 103. Strumień 102 jest ochładzany w jednym lub więcej wymiennikach ciepła. W tym przykładzie stosowane są trzy wymienniki ciepła 130, 131, 132, służące do chłodzenia strumienia 102 i jako reboilery zapewniające ciepło dla sekcji destylacyjnej 193 kolumny 190. Strumień 103 jest ochładzany w jednym lub więcej wymiennikach ciepła, w których ciepło jest wymieniane z jednym ze strumieni produktów dolnych z kolumny 190. Na fig. 3 pokazane są dwa wymienniki ciepła 133 i 141, które podgrzewają strumienie produktów dolnych opuszczające kolumnę 190. Jednakże liczba wymienników ciepła zapewniająca chłodzenie strumienia zasilającego będzie zależała od wielu czynników, obejmujących między innymi natężenie przepływu gazu na wlocie, skład gazu na wlocie, temperaturę zasilania i wymagania odnośnie wymiany ciepła. Opcjonalnie, czego nie pokazano na fig. 3, strumień zasilający 101 może być chłodzony przez parę opuszczającą szczyt kolumny 190. Dla innej opcji, strumień zasilający 101 może być chłodzony przynajmniej częściowo przez konwencjonalny układ chłodniczy, taki jak jednoskładnikowe lub wieloskładnikowe układy chłodnicze o obiegu zamkniętym.

189 829

Strumienie 102 i 103 są ponownie łączone i łączny strumień pary przepływa przez odpowiednie urządzenia rozprężające, na przykład przez zawór Joule-Thomsonia 150, w przybliżeniu do ciśnienia roboczego kolumny oddzielającej 190. Alternatywnie, zamiast zaworu Joule-Thomson'a 150 może zostać zastosowana rozprężarka turbinowa. Przez rozprężanie z dławieniem w zaworze 150 wytwarza się zimny i rozprężony strumień 105, który jest kierowany do górnej części sekcji destylacji 193 w miejsce gdzie temperatura jest, korzystnie, na tyle wysoka, żeby uniknąć zamarzania CO2.

Szczytowy strumień 106 pary z kolumny oddzielającej 190 przepływa przez wymiennik ciepła 145, który podgrzewa strumień 106 pary. Strumień podgrzanej pary (strumień 107) jest ponownie sprężany w jedno stopniowym lub wielostopniowym zespole sprężającym. W tym przykładzie strumień 107 przechodzi kolejno przez dwie konwencjonalne sprężarki 160 i 161. Po każdym stopniu sprężenia, strumień 107 jest chłodzony w chłodnicach końcowych 138 i 139, korzystnie, z użyciem otaczającego powietrza lub wody jako chłodziwa. W wyniku sprężania i chłodzenia strumienia 107 powstaje gaz, który może być sprzedany do rurociągu gazu ziemnego lub dalej przetworzony. Sprężanie strumienia 107 pary zazwyczaj jest wykonywane do ciśnienia co najmniej równego ciśnieniu wymaganemu w rurociągu.

Część strumienia 107 po przejściu przez sprężarkę 160 może być opcjonalnie odebrana (strumień 128) w celu użycia jako paliwo dla instalacji przetwórczej gazu. Inna część strumienia 107, po przejściu przez chłodnicę końcową 139, jest odbierana (strumień 110) jako gaz handlowy. Pozostała część strumienia 107 przepływa jako strumień 108 do wymienników ciepła 140, 136 i 137. Strumień 108 jest chłodzony w wymiennikach ciepła 136 i 137 za pomocą zimnych płynów ze strumienia 124 opuszczającego spód kolumny 190. Strumień 108 jest następnie dalej ochładzany w wymienniku ciepła 145 w wyniku wymiany ciepła ze strumieniem 106 pary szczytowej, powodującej ogrzanie się strumienia 106. Strumień 108 jest następnie rozprężany w odpowiednim urządzeniu rozprężającym, takim jak rozprężarka 158, w przybliżeniu do ciśnienia roboczego kolumny 190. Strumień 108 jest następnie rozdzielany i jedna z jego części jest odprowadzana jako produkt PLNG (strumień 126) o temperaturze ponad -112°C i ciśnieniu ponad 1380 kPa (200 psia) do przechowywania lub transportowania. Druga część (strumień 109) wpływa do kolumny destylacyjnej 190. Ciśnienie wylotowe sprężarki 161 jest regulowane w celu uzyskania ciśnienia na tyle wysokiego, by spadek ciśnienia w rozprężarce 158 dawał wystarczające schłodzenie, żeby strumienie 109 i 126 były, głównie, cieczą wzbogaconą w metan. W celu wytworzenia dodatkowego PLNG (strumień 126), za sprężarką 160 i przed wymiennikiem ciepła 136 można zainstalować dodatkową sprężarkę. W celu uruchomienia instalacji, strumień 109 jest, korzystnie, doprowadzany przez strumień 109A i rozpylany bezpośrednio w strefie CFZ 192 przez dyszę rozpylającą 194. Po rozruchu, strumień 109 może być doprowadzany (strumień 109B) do górnej sekcji 191 kolumny destylacyjnej 190.

Wzbogacony w CO2 ciekły strumień produktu 115 opuszcza spód kolumny 190. Strumień 115 jest dzielony na dwie części, strumień 116 i strumień 117. Strumień 116 przepływa przez odpowiednie urządzenie rozprężające, takie jak zawór Joule-Thomson'a 153, do niższego ciśnienia. Strumień 124, który wypływa z zaworu 153 jest następnie podgrzewany w wymienniku ciepła 136 i strumień 124 przepływa przez następny zawór Joule-Thomson'a 154 i jeszcze jeden wymiennik ciepła 137. Wynikowy strumień 125 jest następnie łączony ze strumieniem 120 pary z separatora 181.

Strumień 117 jest rozprężany w odpowiednim urządzeniu rozprężającym, takim jak zawór rozprężny 151 i przepływa przez wymiennik ciepła 133, ochładzając w ten sposób strumień zasilający 103. Strumień 117 jest następnie kierowany do separatora 180, konwencjonalnego urządzenia do rozdzielania gazu i cieczy. Para z separatora 180 (strumień 118) przepływa przez jedną lub więcej sprężarek i wysokociśnieniowe pompy wspomagające. Na fig. 3 pokazano zespół dwóch sprężarek 164 i 165 i pompy 166 z konwencjonalnymi chłodnicami 143 i 144. Strumień 122 produktu opuszczający pompę 166 zespołu ma ciśnienie i temperaturę odpowiednią dla wtrysku do utworów podziemnych.

Ciekłe produkty są odprowadzane z separatora 180 jako strumień 119 i przepływają przez urządzenie rozprężające, taki jak zawór rozprężny 152, a następnie przez wymiennik ciepła 141, w którym zachodzi wymiana ciepła ze strumieniem zasilającym 103, powodując tym samym dalsze schładzanie strumienia zasilającego 103. Następnie strumień 119 jest kie14

189 829 rowany do separatora 181, konwencjonalnego urządzenia do oddzielania gazów od cieczy.

Pary z separatora 181 są przepuszczane (strumień 120) do sprężarki 163 a następnie do chłodnicy końcowej 142. Następnie strumień 120 jest mieszany ze strumieniem 118. Wszystkie skropliny znajdujące się w strumieniu 121 można odzyskać konwencjonalnymi technikami impulsowymi lub stabilizacyjnymi, a następnie można je sprzedać, spalić lub użyć jako paliwo.

Co prawda w pokazanych na fig. 1-3 systemach do rozdzielania znajduje się tylko jedna kolumna destylacyjna (kolumna 31 na fig. 1, kolumna 51 na fig. 2 i kolumna 190 na fig. 3), to w systemach do rozdzielania zgodnych ze sposobem według wynalazku mogą znajdować się dwie, lub więcej, kolumny destylacyjne. Na przykład, w celu zmniejszenia wysokości kolumny 190 na fig. 3, może okazać się pożądane jej podzielenie na dwie, lub więcej, kolumny (nie pokazane na figurach). Pierwsza kolumna ma dwie sekcje, sekcję destylacyjną i strefę kontrolowanego zamrażania znajdującą się nad sekcją destylacyjną, a druga kolumna zawiera jedną sekcję destylacyjną, która pełni tę samą funkcję co sekcja 191 na fig. 3. Do pierwszej kolumny destylacyjnej doprowadza się wieloskładnikowy strumień zasilający. Zgromadzona na dnie drugiej kolumny destylacyjnej ciecz jest doprowadzana do strefy zamrażania pierwszej kolumny. Para zgromadzona na górze pierwszej kolumny jest doprowadzana do dolnego obszaru drugiej kolumny. Druga kolumna ma taki sam cykl chłodniczy o otwartym obiegu jak pokazany na fig. 3 dla kolumny 190. Z drugiej kolumny destylacyjnej odprowadza się strumień pary, chłodzi go, po czym jego część zawraca się do górnego obszaru drugiej kolumny rozdzielającej.

Przykłady

Przeprowadzono symulowane bilanse masy i energii w celu zilustrowania przykładów wykonania pokazanych na fig. 1 i 3, a uzyskane wyniki przedstawiono, odpowiednio, w tabelach 1 i 2 poniżej. W przypadku danych przedstawionych w tabeli 1 przyjęto, że strumień produktu szczytowego wynosił 100% PLNG (strumień 20 na fig. 1) oraz, że system chłodniczy był kaskadowym systemem propanowo-etylenowym. Dla danych przedstawionych w tabeli 2, przyjęto, że strumienie produktu szczytowego miały 50% PLNG (strumień 126 na fig. 3) i 50% gazu do sprzedaży (strumień 110 na fig. 3).

Dane te uzyskano za pomocą dostępnego na rynku programu symulującego proces nazywanego HYSYS (TM) (można go zakupić w firmie Hyprotech Ltd. z Calgary, Kanada); co nie wyklucza zastosowania dowolnego innego dostępnego na rynku programu symulacyjnego procesu do obróbki danych, w tym, na przykład, HYSlM (TM), PROII (TM) i ASPEN PLUS (Tm), które są powszechnie znane specjalistom w tej dziedzinie techniki. Przedstawione w tabelach dane mają ułatwić zrozumienie przykładów wykonania pokazanych na fig. 1 i 3, ale wynalazku nie należy traktować jako ograniczonego do nich. Temperatur ani natężeń przepływu nie należy uważać za parametry ograniczające wynalazek, który może mieć z przedstawionego tu punktu widzenia wiele odmian temperaturowych i pod względem natężeń przepływu.

Przeprowadzono dodatkową symulację sposobu za pomocą podstawowego schematu przepływu pokazanego na fig. 1 (stosując ten sam skład i temperaturę strumienia zasilającego, który użyto do uzyskania danych z tabeli 1) do wytworzenia konwencjonalnego LNG o ciśnieniu zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego i o temperaturze -161°C (-258°F). Konwencjonalny proces LNG z CFZ wymaga znacznie intensywniejszego chłodzenia niż proces CFZ/PLNG przedstawiony na fig. 1. Dla uzyskania chłodzenia wymaganego do wytworzenia LNG w temperaturze -161 °C, system chłodzenia trzeba rozbudować z kaskadowego systemu propanowo-etylenowego do kaskadowego systemu propanowo-etylenowometanowego. Dodatkowo, strumień ten trzeba dalej chłodzić za pomocą metanu oraz trzeba zmniejszyć ciśnienie produktu za pomocą rozprężarki cieczy lub zaworu Joule'a-Thomsona w celu uzyskania produktu LNG o ciśnieniu atmosferycznym lub zbliżonym do atmosferycznego. Z powodu niższych temperatur, należy usunąć z LNG CO2 do poziomu około 50 ppm w celu uniknięcia problemów technologicznych związanych z zamarzaniem CO2 w procesie, a nie do 2% CO2 jak w przedstawionym na fig. 1 procesie CFZ/PLNG

W tabeli 3 pokazano porównanie wymagań dotyczących sprężania chłodziwa do konwencjonalnego procesu LNG i procesu PLNG opisanego w przykładzie symulacyjnym w poprzednim akapicie. Jak widać w tabeli 3, łączna wymagana moc sprężania chłodziwa była o 67% wyższa w przypadku produkcji konwencjonalnego LNG niż w przypadku produkcji PLNG sposobem według wynalazku.

189 829

Osoba o odpowiednich umiejętnościach w tej dziedzinie techniki, zwłaszcza korzystająca z wynalazku, zorientuje się w możliwości dokonania różnorodnych modyfikacji i zmian w opisanych powyżej konkretnych procesach. Na przykład, według wynalazku można użyć różnorodnych temperatur i ciśnień, w zależności od całego systemu konstrukcyjnego oraz od składu gazu zasilającego. Istnieje również możliwość uzupełnienia lub przekonstruowania instalacji chłodniczej podawanego gazu, w zależności od łącznych wymagań konstrukcyjnych w taki sposób, żeby uzyskać optymalne i sprawne warunki wymiany ciepła. Ponadto pewne etapy procesu można zrealizować dodając urządzenia zastępujące wymiennie urządzenia tu pokazane. Na przykład, rozdzielanie i chłodzenie można przeprowadzić w jednym urządzeniu. Jak już wspomniano wcześniej, przedstawionych tu konkretnych przykładów wykonania i przykładów obliczeniowych nie należy traktować jako ograniczające zakres wynalazku.

189 829

Tabela 2 - Zintegrowany CFZ/PLNG z chłodzeniem otwartym

tn

189 829

Tabela 3. Porównania zapotrzebowania energetycznego do sprężania chłodziwa dla CFZ/

189 829

<Μ d

CL

189 829

‘O zl

ODZYSK

KONDENSATU ><

&

n ω < λ; O ta <3

LL

189 829

ιί <

CS] J < H o w < Cs] d

ll

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (30)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania sprężonej cieczy bogatej w metan z wieloskładnikowego strumienia zasilającego, zawierającego metan i składnik zamrażalny o względnej lotności mniejszej od metanu, znamienny tym, że doprowadza się wieloskładnikowy strumień zasilający do systemu rozdzielania, w którym znajduje się sekcja zamrażania pracująca przy ciśnieniu powyżej 1380 kPa i w warunkach tworzenia substancji stałej dla składnika zamrażalnego oraz sekcja destylacyjna usytuowana pod sekcją zamrażania, który to system rozdzielania wytwarza strumień pary bogaty w metan i strumień cieczy bogatej w składnik zamrażalny, chłodzi się co najmniej część strumienia pary wytwarzając płynny strumień bogaty w metan, mający temperaturę powyżej -112°C, usuwa się pierwszą część skroplonego strumienia jako strumień skroplonego produktu bogatego w metan, oraz doprowadza się drugą część strumienia skroplonego do systemu rozdzielania ochładzając ten system rozdzielania.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto doprowadza się strumień skroplonego produktu do urządzeń magazynowych magazynując go w temperaturze powyżej -112°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie chłodzenia ponadto spręża się wspomniany strumień pary do strumienia o wysokim ciśnieniu, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia w wymienniku ciepła, oraz rozpręża się ochłodzony', sprężony strumień do niższego ciśnienia, powodując dalsze ochłodzenie sprężonego strumienia oraz powstanie skroplonego strumienia bogatego w metan, mającego temperaturę powyżej -112°C.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że chłodzi się sprężony strumień w wymienniku ciepła za pomocą pośredniej wymiany ciepła ze strumieniem pary wytworzonym uprzednio w systemie rozdzielania.
5. 5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że ponadto chłodzi się strumień cieczy wytworzony w systemie rozdzielania poprzez rozprężenie i używa się rozprężony, schłodzony strumień cieczy do chłodzenia sprężonego strumienia za pomocą pośredniej wymiany ciepła.
6. 6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że ponadto reguluje się ciśnienie sprężonego strumienia i ciśnienie rozprężonego strumienia uniemożliwiając tworzenie się substancji stałych w drugiej części skroplonego strumienia doprowadzonego do systemu rozdzielania.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że system rozdzielania zawiera pierwszy etap destylacji i drugi etap destylacji, przy czym pierwszy etap destylacji zawiera sekcję destylacyjną i sekcję strefy zamrażania oraz ponadto sposób obejmuje etapy doprowadzania wieloskładnikowego strumienia zasilającego do pierwszego etapu destylacji, doprowadzania strumienia szczytowego pary z sekcji strefy zamrażania do drugiego etapu destylacji, usuwania strumienia pary z drugiego etapu destylacji i chłodzenia strumienia pary wytworzonego w systemie rozdzielania, doprowadzania drugiej części skroplonego ochłodzonego strumienia do drugiego etapu destylacji, usuwania płynnego strumienia dolnego z drugiego etapu destylacji, oraz doprowadzania płynnego strumienia dolnego do sekcji strefy zamrażania pierwszego etapu destylacji.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że system rozdzielania zawiera pierwszy etap destylacji, drugi etap destylacji i etap strefy zamrażania pomiędzy pierwszym i drugim etanem destylacii, przy czym druga część skroplonego strumienia donrowadza sie do oierwszego etapu destylacji.
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodzenie strumienia pary przeprowadza się w wymienniku ciepła chłodzonym przez zamknięty układ chłodzenia.
10. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że w zamkniętym układzie chłodzenia jako dominujące chłodziwo stosuje się propan.
11. 11. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że w zamkniętym układzie chłodzenia stosuje się chłodziwo zawierające metan, etan, propan, butan, pentan, dwutlenek węgla, siarkowodór i azot.

    189 829
12. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto, przed chłodzeniem co najmniej części strumienia pary wpuszcza się do procesu odparowany gaz powstały w wyniku odparowania skroplonego gazu bogatego w metan.
13. 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że skraplanie strumienia gazu przeprowadza się za pomocą dwóch zamkniętych cykli chłodzenia w układzie kaskadowym.
14. 14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wieloskładnikowy strumień gazu z etapu chłodzenia ma ciśnienie powyżej 3100 kPa.
15. 15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że składnikiem zamrażalnym jest dwutlenek węgla.
16. 16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie chłodzenia ponadto spręża się wspomniany strumień pary do strumienia sprężonego, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia w wymienniku ciepła, usuwa się pierwszą część ochłodzonego sprężonego strumienia jako strumień produktu gazowego, oraz rozpręża się drugą część ochłodzonego, sprężonego strumienia do niższego ciśnienia, powodując dalsze ochłodzenie sprężonego strumienia oraz powstanie skroplonego strumienia bogatego w metan, mającego temperaturę powyżej -112°C.
17. 17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie chłodzenia spręża się strumień pary do wyższego ciśnienia, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia pary czynnikiem chłodniczym znajdującym się w strumieniu pary wytworzonym w systemie rozdzielania i rozpręża się ochłodzony sprężony strumień ochładzając dalej ochłodzony sprężony strumień, przy czym rozprężony strumień stanowi głównie skroplony strumień.
18. 18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że ponadto odzyskuje się część sprężonego strumienia pary i chłodzi się pozostałą część strumienia pary zgodnie ze wspomnianym etapem chłodzenia.
19. 19. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że strumień pary wytworzony w systemie rozdzielania podgrzewa się przed sprężeniem.
20. 20. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że system rozdzielania zawiera pierwszą sekcję destylacyjną, drugą sekcję destylacyjną, znajdującą się poniżej pierwszej sekcji destylacyjnej oraz strefę zamrażania, usytuowaną pomiędzy pierwszą a drugą sekcją destylacyjną, przy czym rozprężony skroplony strumień doprowadza się do pierwszej sekcji destylacyjnej.
21. 21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że wieloskładnikowy strumień doprowadza się poniżej pierwszej sekcji destylacyjnej.
22. 22. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że ponadto usuwa się ciecz z systemu rozdzielania, chłodzi się tę ciecz za pomocą urządzenia rozprężającego oraz co najmniej częściowo odparowuje się tę ciecz poprzez wymianę ciepła ze sprężonym strumieniem pary-.
23. 23. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że ponadto usuwa się ciecz z systemu rozdzielania wzbogaconą w składnik zamrażalny, chłodzi się wzbogaconą w składnik zamrażalny ciecz za pomocą urządzenia rozprężającego oraz chłodzi się wieloskładnikowy strumień zasilający przed jego wprowadzeniem do systemu rozdzielania poprzez wymianę ciepła z rozprężoną, wzbogaconą w składnik zamrażalny cieczą.
24. 24. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że ponadto chłodzi się wieloskładnikowy strumień za pomocą urządzenia rozprężającego przed jego wprowadzeniem do systemu rozdzielania.
25. 25. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że reguluje się ciśnienie strumienia 0 wyższym ciśnieniu i ciśnienie rozprężonego strumienia zapobiegając powstawaniu substancji stałych w strumieniu doprowadzanym do systemu rozdzielania.
26. 26. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że odzyskany strumień skroplonego produktu bogatego w metan ma ciśnienie powyżej 1380 kPa.
27. 27. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie chłodzenia spręża się strumień pary do wyższego ciśnienia, chłodzi się co najmniej część sprężonego strumienia pary czynnikiem chłodniczym znajdującym się w strumieniu pary wytworzonym w systemie rozdzielania i rozpręża się ochłodzony sprężony strumień dalej ochładzając ochłodzony sprężony strumień, przy czym rozprężony strumień jest głównie cieczą o ciśnieniu powyżej 1380 kPa 1 w etapie usuwania odzyskuje się z rozprężonego strumienia strumień skroplonego produktu wzbogaconego w metan o ciśnieniu powyżej 1380 kPa.

    189 829
28. 28. Sposób wytwarzania sprężonej cieczy bogatej w metan z wieloskładnikowego strumienia zasilającego zawierającego metan i co najmniej jeden składnik zamrażalny, odznaczającej się temperaturą powyżej -112°C, znamienny tym, że wprowadza się wieloskładnikowy strumień zasilający o ciśnieniu powyżej 1380 kPa do systemu rozdzielania pracującego w warunkach formowania substancji stałej dla składnika zamrażalnego zapewniając bogaty w metan strumień pary oraz strumień cieczy bogaty w składnik, który zakrzepł w systemie rozdzielania, skrapla się strumień pary za pomocą zamkniętego systemu chłodzenia wytwarzając bogatą w metan ciecz o temperaturze powyżej -112°C oraz wprowadza się bogatą w metan ciecz do zbiornika magazynowego do przechowywania jej w temperaturze powyżej -112°C.
29. 29. Sposób według zastrz. 28, znamienny tym, że skraplanie strumienia zasilającego przeprowadza się za pomocą zamkniętego systemu chłodzenia.
30. 30. Sposób według zastrz. 28, znamienny tym, że przed skropleniem strumienia zasilającego, ponadto łączy się ze strumieniem pary z systemu rozdzielania, odparowany gaz powstały z odparowania skroplonego gazu ziemnego.