Способ сжижения потока, обогащенного метаном

1 Настоящее изобретение относится к способу сжижения потока, обогащенного метаном. Этот поток получают из природного газа, и продукт, получаемый с помощью этого способа,называется сжиженным природным газом (СПГ)(LNG). Такой способ описан в статье "Разработка цикла сжижения" авторов Р. Кляйн Нагельвоорт, И. Полл и Дж. Оомс ("Liquefaction cycleJ. Ooms), которая была опубликована в докладах 9-ой Международной Конференции по СПГ,город Ницца, Франция, 17-20 октября 1989 года. Известный способ сжижения потока, обогащенного метаном, содержит следующие этапы:a) подачи потока природного газа при повышенном давлении в газоочистительную колонну, удаления в газоочистительной колонне тяжелых углеводородов из потока природного газа, которые отбираются из донной части газоочистительной колонны для получения газообразного отделяемого из верха колонны потока,который собирается с верхней части газоочистительной колонны, частичной конденсации отбираемого из верха колонны потока и удаления из него потока конденсата для получения потока, обогащенного метаном при повышенном давлении;b) сжижения потока, обогащенного метаном при повышенном давлении в трубе, установленной в основном теплообменнике, путем косвенного теплообмена с многокомпонентным хладагентом, который испаряется при низком давлении хладагента во внетрубной зоне основного теплообменника; и с) сжатия многокомпонентного хладагента,отбираемого из внетрубной зоны основного теплообменника, и частичной его конденсации при повышенном давлении хладагента в трубе,установленной во вспомогательном теплообменнике путем косвенного теплообмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, который испаряется при низком давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне вспомогательного теплообменника для получения многокомпонентного хладагента, предназначенного для использования на этапе b). В газоочистительной колонне поток газа входит в контакт с жидким обратным стоком,который имеет более низкую температуру, так что он дополнительно охлаждает газовый поток. В результате, более тяжелые углеводороды газового потока, конденсируемые в форме жидкости, собираются в донной части газоочистительной колонны, из которой они отбираются. В известном способе жидкие, более тяжелые углеводороды, отбираемые из донной части газоочистительной колонны, и поток конденсата из газообразного отбираемого из верхней части колонны потока передаются в фракционирующий блок, чтобы произвести частичную конден 002265 2 сацию. Из фракционирующей колонны удаляется поток, который используется в качестве обратного стока в газоочистительной колонне. Перед подачей потока природного газа на этап а) в газоочистительную колонну он охлаждается. Температура потока обратного стока должна быть существенно ниже, чем температура потока природного газа, подаваемого в газоочистительную колонну. Это требование устанавливает нижний предел температуры потока природного газа, подаваемого в газоочистительную колонну. В известном способе поток природного газа охлаждается в трубе, установленной во вспомогательном теплообменнике, перед тем, как он будет введен в газоочистительную колонну. Таким образом, температура холодного конца вспомогательного теплообменника ограничивается температурой потока обратного стока. При этом для сжижения потока, обогащенного метаном, в основном теплообменнике должно выделяться большее количество тепла. Целью настоящего изобретения является достижение более низкой температуры на холодном конце вспомогательного теплообменника с тем, чтобы количество тепла, которое требуется выделить для сжижения потока, обогащенного метаном, было уменьшено. С этой целью, способ сжижения потока,обогащенного метаном, в соответствии с настоящим изобретением, отличается тем, что частичная конденсация газообразного, отбираемого из верха колонны потока выполняется в трубе, установленной во вспомогательном теплообменнике. При этом температура холодного конца вспомогательного теплообменника может устанавливаться на любом практически применимом уровне. В этом известном способе температура многокомпонентного хладагента, отбираемого с холодного конца вспомогательного теплообменника, также была ограничена температурой обратного стока. Преимущество способа в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что это ограничение было устранено. В соответствии с этим, требуется более низкая скорость циркуляции многокомпонентного хладагента. Настоящее изобретение будет теперь описано на примере с большими подробностями, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг. 1 схематично изображена схема потока установки, в которой выполняется способ в соответствии с настоящим изобретением,и на фиг. 2 изображен альтернативный способ частичной конденсации многокомпонентного хладагента. В способе, в соответствии с настоящим изобретением, поток 1 природного газа подается при повышенном давлении в газоочиститель 3 ную колонну 5. В этой газоочистительной колонне 5 более тяжелые, чем метан, углеводороды удаляются из потока природного газа, причем эти более тяжелые углеводороды отбираются из донной части газоочистительной колонны 5 через трубопровод 7. Таким образом образуется газообразный поток, отбираемый из верха колонны, который имеет более высокую концентрацию метана, чем природный газ, причем этот газообразный поток, отбираемый из верха колонны, отбирается из верхней части газоочистительной колонны 5 через трубопровод 8. Газообразный поток, отбираемый из верха колонны, частично конденсирован, и конденсат из этогопотока удаляется для получения потока, обогащенного метаном, при повышенном давлении, который подается через трубопровод 10 в первую трубу 15, установленную в главном теплообменнике 17, в котором поток сжижается. Сначала более подробно опишем процесс сжижения, прежде чем приведем описание частичной конденсации газообразного потока, отбираемого из верха колонны. Сжижение потока, обогащенного метаном,при повышенном давлении, выполняется в первой трубе 15, установленной в главном теплообменнике 17 путем косвенного теплового обмена с многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении хладагента во внетрубной зоне 19 главного теплообменника 15. Сжиженный газ удаляется при повышенном давлении из главного теплообменника 17 через трубопровод 20 для дальнейшей обработки (не показана). Испарившийся многокомпонентный хладагент отбирается с теплого конца внетрубной зоны 19 основного теплообменника 15 через трубопровод 25. В компрессоре 27 многокомпонентный хладагент сжимается до повышенного давления хладагента. Тепло, образующееся при сжатии, отбирается с использованием воздушного охладителя 30. Многокомпонентный хладагент подается по трубопроводу 32 во вспомогательный теплообменник 35. В первой трубе 38 вспомогательного теплообменника 35 многокомпонентный хладагент частично конденсируется при повышенном давлении хладагента путем косвенного теплового обмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне 39 вспомогательного теплообменника 35 для получения многокомпонентного хладагента, который подается в главный теплообменник 17. Многокомпонентный хладагент подается из первой трубы 38 через трубопровод 42 в сепаратор 45, где он разделяется на газообразный поток, отбираемый из верхней части, и жидкий донный поток. Газообразный поток, отбираемый из верхней части, подается через трубопровод 47 во вторую трубу 49, установленную в главном теплообменнике 17, где газообразный 4 поток, отбираемый из верхней части, охлаждается, сжижается и дополнительно охлаждается при повышенном давлении хладагента. Сжиженный, дополнительно охлажденный газообразный поток, отбираемый из верхней части,подается через трубопровод 50, который снабжен расширительным устройством в форме расширительного клапана 51, на холодный конец внетрубной зоны 19 основного теплообменника 17, в котором он испаряется при низком давлении хладагента. Жидкий донный поток подается через трубопровод 57 в третью трубу 59, установленную в основном теплообменнике 17, где жидкий донный поток охлаждается при повышенном давлении хладагента. Охлажденный, сжиженный донный поток подается через трубопровод 60, снабженный расширительным устройством в виде расширительного клапана 61 в среднюю часть внетрубной зоны 19 основного теплообменника 17, в которой он испаряется при низком давлении хладагента. Испаряющийся многокомпонентный хладагент не только отбирает тепло от жидкости, проходящей через первую трубу 15 с целью ее сжижения, но также от хладагента, проходящего через вторую и третью трубы 49 и 59. Вспомогательный многокомпонентный хладагент, испаряющийся при низком давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне 39 вспомогательного теплообменника 35,удаляется из него через трубопровод 65. В компрессоре 67 вспомогательный многокомпонентный хладагент сжимается до повышенного давления вспомогательного хладагента. Тепло сжатия отбирается с использованием воздушного охладителя 70. Вспомогательный многокомпонентный хладагент передается через трубопровод 72 во вторую трубу 78, установленную во вспомогательном теплообменнике 35, в которой он охлаждается. Охлажденный вспомогательный многокомпонентный хладагент подается через трубопровод 80, снабженный расширительным устройством в виде расширительного клапана 81, на холодный конец внетрубной зоны 39 вспомогательного теплообменника 35, в котором он испаряется при низком давлении вспомогательного хладагента. После подробного описания цикла сжижения опишем теперь, каким образом газообразный поток, отбираемый через трубопровод 8 из верхней части газоочистительной колонны 5,будет частично конденсироваться. Газообразный поток, отбираемый из верха колонны, подается через трубопровод 8 в третью трубу 83, установленную во вспомогательном теплообменнике 35. В этой третьей трубе 83 газообразный поток, отбираемый из верха колонны, частично конденсируется. Частично конденсированный газообразный поток, отбираемый из верхаколонны, удаляется из третьей трубы 83 и передается через трубопровод 85 в сепаратор 90. В сепараторе 90 сконденсирован 5 ный поток удаляется для получения потока,обогащенного метаном, при повышенном давлении, который подается через трубопровод 10 в первую трубу 15, установленную в главном теплообменнике 17. Поток конденсата возвращается через трубопровод 91 в верхнюю часть газоочистительной колонны 5 в виде обратного стока. Способ в соответствии с настоящим изобретением отличается от известного способа тем, что в известном способе поток природного газа охлаждается во вспомогательном теплообменнике перед его подачей в газоочистительную колонну. В известном способе обратный сток получается из фракционирующего блока, и температура этого обратного стока определяет верхний предел температуры охлажденного природного газа, подаваемого в газоочистительную колонну. Температура, до которой природный газ может охлаждаться в известном способе, составляет приблизительно -22C, с тем, чтобы она была выше температуры обратного стока. Это означает, что самая низкая температура,которая может быть получена на холодном конце вспомогательного теплообменника, также составляет -22 С. Она также представляет собой температуру, частично сконденсированного многокомпонентного хладагента. Кроме того, охлаждение природного газа до температуры -22 С перед газоочистительной колонной также подразумевает то, что процесс становится все менее и менее эффективным, поскольку холод удаляется вместе с жидкими тяжелыми углеводородами,отбираемыми из донной части газоочистительной колонны. В способе в соответствии с настоящим изобретением, однако, газообразный поток, отбираемый, через трубопровод 8 из верхней части газоочистительной колонны 5, частично конденсируется с охлаждением до значительной более низкой температуры, составляющей приблизительно -50 С, и это может быть выполнено, поскольку обеспечивается подача обратного стока в газоочистительную колонну 5. В результате температура холодного конца вспомогательного теплообменника 35 намного ниже, чем температура в известном способе. При этом температура, до которой охлаждается многокомпонентный хладагент, устанавливается намного ниже, и это приводит к меньшей скорости циркуляции многокомпонентного хладагента. Предпочтительно, поток природного газа предварительно охлаждается и осушается перед его вводом в газоочистительную колонну 5. Предварительное охлаждение предпочтительно выполняется с помощью косвенного теплового обмена с отбираемым потоком из вспомогательного многокомпонентного хладагента, проходящего через трубопровод 72 далее по потоку от воздушного охладителя 70. С этой целью вспо 002265 6 могательный многокомпонентный хладагент пропускается через трубопровод 93, снабженный расширительным клапаном 95, в теплообменник 97, установленный в трубопроводе 1. Пожалуйста, обратите внимание, что для упрощения мы показали теплообменник 97 дважды,сначала в трубопроводе 1 и затем в цепи между трубопроводами 72 и 65. Однако это один и тот же теплообменник. Предпочтительно,многокомпонентный хладагент частично конденсируется за два этапа. Этот вариант воплощения настоящего изобретения будет описан со ссылкой на фиг. 2. Вспомогательный теплообменник, представленный на фиг. 2, содержит первый вспомогательный теплообменник 35' и второй вспомогательный теплообменник 35". Многокомпонентный хладагент проходит через трубопровод 32 в первый вспомогательный теплообменник 35'. В первой трубе 38' первого вспомогательного теплообменника 35' многокомпонентный хладагент охлаждается при повышенном давлении хладагента с помощью косвенного теплообмена с испарением вспомогательного многокомпонентного хладагента при промежуточном давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне 39' первого вспомогательного теплообменника 35'. Охлажденный многокомпонентный хладагент проходит через соединительный трубопровод 98 во второй вспомогательный теплообменник 35". В первой трубе 38" второго вспомогательного теплообменника 35" многокомпонентный хладагент частично конденсируется при повышенном давлении хладагента с помощью косвенного теплообмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне 39" второго вспомогательного теплообменника 35" для получения многокомпонентного хладагента, который проходит через трубопровод 42 в основной теплообменник (на фиг. 2 не показан). Вспомогательный многокомпонентный хладагент, испаряющийся при промежуточном давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне 39' первого вспомогательного теплообменника 35', удаляется из него через трубопровод 65'. В данном варианте воплощения компрессор 67 представляет собой двухступенчатый компрессор. Во второй ступени компрессора 67 вспомогательный многокомпонентный хладагент сжимается до повышенного давления вспомогательного хладагента. Тепло, получаемое при сжатии, отбирается с использованием воздушного охладителя 70. Вспомогательный многокомпонентный хладагент проходит через трубопровод 72 во вторую трубу 78', установленную в первом вспомогательном теплообменнике 35', в котором он охлаждается. Часть охлажденного вспомогательного многокомпонентного хладагента пропускается через трубо 7 провод 80', который снабжен расширительным устройством в виде расширительного клапана 81' в холодный конец внетрубной зоны 39' первого вспомогательного теплообменника 35', в котором он испаряется при промежуточном давлении вспомогательного хладагента. Испаряющийся хладагент отбирает тепло от жидкостей, протекающих через трубы 38' и 78'. Остальная часть вспомогательного многокомпонентного хладагента проходит через соединительный трубопровод 99 во вторую трубу 78", установленную во втором вспомогательном теплообменнике 35", в котором она охлаждается. Охлажденный вспомогательный многокомпонентный хладагент проходит через трубопровод 80", снабженный расширительным устройством в виде расширительного клапана 81", в холодный конец внетрубной зоны 39" второго вспомогательного теплообменника 35", в котором он испаряется при низком давлении вспомогательного хладагента. Испаряющийся хладагент отбирает тепло от жидкостей, протекающих через трубы 38" и 78", и формирует газообразный, отбираемый из верхней части газоочистительной колонны 5 поток, проходящий через третью трубу 83. Испарившийся вспомогательный многокомпонентный хладагент при низком давлении вспомогательного хладагента удаляется через трубопровод 65". В двухступенчатом компрессоре 67 вспомогательный многокомпонентный хладагент сжимается до повышенного давления вспомогательного хладагента. В качестве альтернативы, газообразный поток, отбираемый из верхней части газоочистительной колонны 5, частично конденсируется в первом и во втором вспомогательных теплообменниках 35' и 35". Предпочтительно подвергать поток природного газа предварительному охлаждению и осушке прежде, чем он будет подаваться в газоочистительную колонну 5. Предварительное охлаждение предпочтительно выполняется путем косвенного теплового обмена с потоком,отбираемым от вспомогательного многокомпонентного хладагента, который проходит через трубопровод 72 вниз по потоку от воздушного охладителя 70. С этой целью вспомогательный многокомпонентный хладагент проходит через трубопровод 93', который снабжен расширительным клапаном 95', в теплообменник 97',установленный в трубопроводе 1. Дальнейшее охлаждение потока природного газа может предпочтительно быть выполнено путем косвенного теплового обмена с отбираемым потоком от вспомогательного многокомпонентного хладагента, проходящего через соединительный трубопровод 99. С этой целью вспомогательный многокомпонентный хладагент проходит через трубопровод 93", который снабжен расширительным клапаном 95", в теплообменник 97", установленный в трубопроводе 1. 8 Воздушные охладители 30 и 70 могут быть заменены водяными охладителями и, если требуется, эти воздушные или водяные охладители,могут быть снабжены теплообменниками, в которых используется дополнительный хладагент. Расширительный клапан 61 может быть заменен расширительной турбиной. Вспомогательный теплообменник (теплообменники) 35, 35' и 35" могут быть выполнены в виде ребристых скрученных или ребристых плитчатых теплообменников. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сжижения потока, обогащенного метаном, содержащий следующие этапы:a) подачи потока природного газа при повышенном давлении в газоочистительную колонну, удаления в газоочистительной колонне более тяжелых углеводородов из потока природного газа, которые отбираются из донной части газоочистительной колонны для получения газообразного потока, отбираемого из верхней части газоочистительной колонны, частичной конденсации газообразного потока, отбираемого из верхней части колонны, и удаления из него конденсированного потока, который возвращается в верхнюю часть газоочистительной колонны в качестве обратного стока, чтобы получить поток, обогащенный метаном при повышенном давлении;b) сжижения потока, обогащенного метаном при повышенном давлении в трубе, установленной в главном теплообменнике путем косвенного теплового обмена с многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении хладагента во внетрубной зоне главного теплообменника; иc) сжатия многокомпонентного хладагента,отбираемого из внетрубной зоны главного теплообменника и частичной конденсации его при повышенном давлении хладагента в трубе, установленной во вспомогательном теплообменнике путем косвенного теплового обмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне вспомогательного теплообменника для получения многокомпонентного хладагента, предназначенного для использования на этапе b),отличающийся тем, что частичная конденсация газообразного потока, отбираемого из верхней части, выполняется в трубе, установленной во вспомогательном теплообменнике. 2. Способ по п.1, в котором частичная конденсация многокомпонентного хладагента содержит охлаждение его при повышенном давлении хладагента в трубе, установленной в первом вспомогательном теплообменнике путем косвенного теплового обмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при промежуточном давлении вспомога 9 тельного хладагента во внетрубной зоне первого вспомогательного теплообменника, и затем в трубе, установленной во втором вспомогательном теплообменнике путем косвенного теплового обмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении вспомогательного хладагента во внетрубной зоне второго вспомогательного теплообменника, и в котором частичная конденсация газообразного потока, отбираемого из верхней части, выполняется путем охлаждения этого газа, отбираемого из верхней части, в трубе, 10 установленной в первом и во втором вспомогательных теплообменниках. 3. Способ по п.2, в котором частичная конденсация газообразного потока, отбираемого из верхней части, выполняется в трубе, установленной во втором вспомогательном теплообменнике. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором поток природного газа предварительно охлаждается путем косвенного теплового обмена с потоком, отбираемым из вспомогательного многокомпонентного хладагента.