ES2246442T3 - Ciclo hibrido para la licuefaccion de gas natural. - Google Patents
Ciclo hibrido para la licuefaccion de gas natural.Info
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Abstract
Un método para la licuación de un gas de alimentación (100), que comprende proporcionar al menos una porción de la refrigeración total requerida para refrigerar y condensar el gas de alimentación (100) utilizando (a) un primer sistema de refrigeración que comprende al menos un circuito de refrigeración de recirculación (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), en el que el primer sistema de refrigeración utiliza dos o más componentes refrigerantes y proporciona refrigeración en un primer intervalo de temperatura; y (b) un segundo sistema de refrigeración que proporciona refrigeración en un segundo intervalo de temperatura que tiene una temperatura más baja que la temperatura mínima en el primer intervalo de temperatura.
Description
Ciclo híbrido para la licuefacción de gas
natural.
La producción de gas natural licuado (ONG) se
consigue refrigerando y condensado una corriente de gas de
alimentación contra corrientes de refrigerante múltiples
proporcionadas por sistemas de refrigeración de recirculación. La
refrigeración de la alimentación de gas natural se realiza por
varios ciclos de procesos de refrigeración, tales como el ciclo de
cascada bien conocido, en el que la refrigeración es proporcionada
por tres circuitos de refrigerante diferentes. Un ciclo de cascada
de este tipo utiliza ciclos de metano, de etileno y de propano en
secuencia para producir refrigeración a tres niveles de temperatura
diferentes. Otro ciclo de refrigeración bien conocido utiliza un
ciclo de refrigerante mixto, pre-refrigerado de
propano, en el que una mezcla de refrigerante de componentes
múltiples genera refrigeración sobre un intervalo seleccionado de
temperaturas. El refrigerante mixto puede contener hidrocarburos,
tales como metano, etano, propano y otros hidrocarburos ligeros, y
puede contener también nitrógeno,. Versiones de este sistema de
refrigeración eficiente se utilizan en muchas plantas de
funcionamiento de LNG en todo el mundo.
Otro tipo de proceso de refrigeración para la
licuefacción de gas natural implica el uso de un ciclo de expansión
de nitrógeno, en el que el gas nitrógeno es comprimido en primer
lugar y es refrigerado a condiciones ambiente con aire o es
refrigerado con agua y luego es refrigerado adicionalmente con
intercambio a contra-corriente con gas nitrógeno
frío a baja presión. La corriente de nitrógeno refrigerada es
expandida entonces con trabajo a través de un
turbo-dispositivo de expansión para producir una
corriente fría a baja presión. El gas nitrógeno frío se utiliza para
refrigerar la alimentación de gas natural y la corriente de
nitrógeno de alta presión. El trabajo producido por la expansión de
nitrógeno se puede utilizar para accionar un turbo compresor de
nitrógeno conectado al árbol del dispositivo de expansión. En este
proceso, el nitrógeno expandido frío es utilizado para licuar el gas
neutral y también para refrigerar el gas nitrógeno comprimido en el
mismo intercambiador de calor. El nitrógeno presurizado refrigerado
es refrigerado adicionalmente en la etapa de expansión de trabajo
para proporcionar el nitrógeno refrigerante frío.
Los sistemas de refrigeración que utilizan la
expansión de corrientes de gas refrigerante que contienen nitrógeno
han sido utilizados para instalaciones pequeñas de gas natural
licuado (LNG) utilizadas típicamente para raspadura de puntas. Tales
sistemas se describen en artículos por K. Müller y col. titulados
"Natura Gas Liquefaction by an Expansion Turbine Mixture Cycle"
en Chemical Economy & Engineering Review, Vol. 8, Nº 10
(Nº 99), Octubre de 1976 y "The Liquefaction of Natural Gas in the
Refrigeration Cycle with Expansion Turbine" en Erdöl und Kohle
- Erdgas -Petrochemie Brennst.Chem, Vol. 27, Nº 7,
378-380 (Julio de 1974). Otro sistema de este tipo
se describe en un artículo titulado "SDG&E: Experience Pays
Off for Peak Shaving Pioneer" en Cryogenics & Industrial
Gases, Septiembre/Octubre de 1971, páginas 25 - 28.
La patente de los Estados Un idos 3.511.058
describe un sistema de producción de LNG utilizando un refrigerador
de nitrógeno de circuito cerrado con un dispositivo de expansión de
gas o un ciclo de tipo Brayton invertido. En este proceso, se
produce nitrógeno líquido por medio de un circuito de refrigeración
de nitrógeno utilizando dos turbo-dispositivos de
expansión. El nitrógeno líquido producido es refrigerado
adicionalmente por un dispositivo de expansión de fluido denso. El
gas natural es sometido a la refrigeración fin al haciendo hervir el
nitrógeno líquido producido a partir del licuador de nitrógeno. La
refrigeración inicial del gas natural es proporcionada por una
porción del nitrógeno gaseoso frío descargado desde el calentador de
dos dispositivos de expansión con el fin de mejorar la coincidencia
de las curvas de refrigeración en el extremo caliente del
intercambiador de calor. Este proceso es aplicable a corrientes de
gas natural a presiones sub-críticas, puesto que el
gas es licuado en un condensador de drenaje libre fijado a un tambor
separador de fases.
La patente de los Estados Unidos 5.768.912
(equivalente a la Publicación de Patente Internacional WO 95/27179)
describe un proceso de licuación de gas natural, que utiliza
nitrógeno en un ciclo de refrigeración del tipo Brayton de circuito
cerrado. La alimentación y el nitrógeno a alta presión pueden ser
previamente refrigerados utilizando un paquete de refrigeración
convencional pequeño que emplea ciclos de absorción de propano, de
freón o de amoníaco. Este sistema de refrigeración de refrigeración
previa utiliza aproximadamente 4% de potencia total consumida por el
sistema de refrigeración de nitrógeno. El gas natural es licuado
entonces y sub-refrigerado hasta -149ºC utilizando
un ciclo Brayton inverso o un ciclo de
tubo-dispositivo de expansión empleando dos o tres
dispositivos de expansión dispuestos en serie con relación al gas
natural en refrigeración.
Un sistema de refrigeración mixto para licuación
de gas natural se describe en la Publicación de Patente
Internacional WO 96/11370, en el que el refrigerante mixto es
comprimido, parcialmente condensado por un fluido de refrigeración
exterior, y separado en fases de líquido y vapor. El vapor
resultante es expandido con trabajo para proporcionar refrigeración
al extremo frío del proceso y el líquido es
sub-refrigerado y vaporizado para proporcionar
refrigeración adicional.
La Publicación de Patente Internacional WO
97/13109 describe un proceso de licuación de gas natural, que
utiliza nitrógeno en un ciclo de refrigeración de tipo Brayton
inverso de circuito cerrado. El gas natural es refrigerado a presión
supercrítica contra el nitrógeno refrigerante, es expandido
isentrópicamente y es disociado en una columna de fraccionamiento
para eliminar los componentes ligeros.
La licuación de gas natural es muy intensiva de
energía. Es muy deseable una eficiencia mejorada de los procesos de
licuación de gas y el principal objetivo de los nuevos ciclos está
siendo desarrollado en la técnica de licuación. El objetivo de la
presente invención, como se describe a continuación y se define por
las reivindicaciones que siguen, consiste en mejorar la eficiencia
de la licuación proporcionando dos sistemas de refrigeración
integrados, en los uno de los sistemas utiliza uno o más ciclos de
refrigerante de vaporización para proporcionar refrigeración hasta
aproximadamente -100ºC y utiliza un ciclo de expansión de gas
para proporcionar refrigeración por debajo de aproximadamente
-100ºC. Se describen varias formas de realización para la aplicación
de este sistema de refrigeración mejorado, que mejoran la eficiencia
de licuación.
La invención es un método para la licuación de un
gas de alimentación, como se estipula en las reivindicaciones
anexas, cuyo método comprende proporcionar al menos una porción de
la refrigeración total requerida para refrigerar y condensar el gas
de alimentación utilizando un primer sistema de refrigeración que
comprende al menos un circuito de refrigeración de recirculación, en
el que el primer sistema de refrigeración utiliza dos o más
componentes refrigerantes y proporciona refrigeración en un primer
intervalo de temperatura, y un segundo sistema de refrigeración que
proporciona refrigeración en un segundo intervalo de temperatura por
expansión de trabajo de una corriente de refrigerante gaseoso
presurizado.
La temperatura más baja en el segundo intervalo
de temperatura es con preferencia menor que la temperatura más baja
en el primer intervalo de temperatura. Típicamente, al menos el 5%
de la potencia de refrigeración total requerida para licuar el gas
de alimentación se consume por el primer sistema de refrigeración.
En muchas condiciones de funcionamiento, al menos el 10% de la
potencia de refrigeración total requerida para licuar el gas de
alimentación puede ser consumido por el primer sistema de
refrigeración de recirculación. Con preferencia, el gas de
alimentación es gas natural.
El refrigerante en el primer circuito de
refrigeración de recirculación puede comprender dos o más
componentes seleccionados a partir del grupo de consta de nitrógeno,
hidrocarburos que contienen uno o más átomos de carbono; e
hidrocarburos que contienen uno o más átomos de carbono.
Al menos una porción del primer intervalo de
temperatura está típicamente entre aproximadamente -40ºC y
aproximadamente -100ºC y al menos una porción del primer intervalo
de temperaturas puede estar entre aproximadamente -60ºC y
aproximadamente -100ºC. Al menos una porción del segundo intervalo
de temperatura puede estar por debajo de aproximadamente -100ºC.
En una forma de realización de la invención, el
primer sistema de refrigeración de recirculación es accionado
- (1)
- comprimiendo un primer refrigerante gaseoso;
- (2)
- refrigerando y condensando al menos parcialmente el refrigerante comprimido resultante;
- (3)
- reduciendo la presión del refrigerante resultante comprimido, condensado al menos parcialmente;
- (4)
- vaporizando el refrigerante resultante a presión reducida para proporcionar refrigeración en el primer intervalo de temperatura y proporcionar un refrigerante vaporizado; y
- (5)
- recircular el refrigerante vaporizado para proporcionar el primer refrigerante gaseoso de (1).
Al menos una porción de refrigeración del
refrigerante comprimido resultante en (2) puede ser proporcionado
por intercambio de calor in directo con vaporización de refrigerante
a presión reducida en (4). Al menos una porción de la refrigeración
en (2) puede ser proporcionada por intercambio de calor indirecto
con una o más corrientes de refrigeración de vaporización
adicionales proporcionadas por un tercer circuito de refrigeración
de recirculación. El tercer circuito de refrigeración de
recirculación utiliza típicamente un refrigerante de un componente.
El tercer circuito de refrigeración de recirculación puede utilizar
un refrigerante mixto que comprende dos o más componentes.
El primer circuito de refrigeración de
recirculación y el segundo circuito de refrigeración de
recirculación pueden proporcionar, en un solo intercambiador de
calor, una porción de la refrigeración total requerida para licuar
el gas de alimentación.
En una forma de realización de la invención, el
primer sistema de refrigerante puede ser accionado
- (1)
- comprimiendo un primer refrigerante gaseoso;
- (2)
- refrigerando y comprimiendo parcialmente el refrigerante comprimido resultante para proporcionar una fracción de refrigerante de vapor y una fracción de refrigerante líquido;
- (3)
- refrigerando y reduciendo adicionalmente la presión de la fracción de refrigerante líquido, y vaporizando la fracción de refrigerante líquido resultante para proporcionar refrigeración en el primer intervalo de temperatura y para producir un primer refrigerante vaporizado;
- (4)
- refrigerando y condensando la fracción de refrigerante de vapor, reduciendo la presión de al menos una porción del líquido resultante, y vaporizando la fracción de refrigerante líquido resultante para proporcionar refrigeración adicional en el primer intervalo de temperatura y para producir un segundo refrigerante vaporizado; y
- (5)
- combinando el primero y segundo refrigerantes vaporizados para proporcionar el primer refrigerante gaseoso de (1).
La vaporización del líquido resultante en (4) se
puede realizar a una presión más baja que la vaporización de la
fracción de refrigerante de líquido resultante en (3), donde el
segundo refrigerante vaporizado sería comprimido antes de combinarlo
con el primer refrigerante vaporizado. El trabajo de la expansión de
trabajo del refrigerante gaseoso refrigerado en (3) puede
proporcionar una porción del trabajo requerido para comprimir el
segundo refrigerante gaseoso en (1).
El gas de alimentación puede ser gas natural y,
si es así, la corriente de gas natural licuado resultante puede ser
saturada a una presión más baja para producir un vapor saturado
ligero y un producto líquido final. El vapor saturado ligero puede
ser utilizado para proporcionar el segundo refrigerante gaseoso en
el segundo circuito refrigerante.
La figura 1 es un diagrama de flujo esquemático
de una forma de realización preferida de la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de flujo esquemático
de otra forma de realización de la presente invención que utiliza un
método alternativo para la refrigeración previa del refrigerante de
recirculación en el ciclo de refrigeración del dispositivo de
expansión de gas.
La figura 3 es un diagrama de flujo esquemático
de otra forma de realización de la presente invención, que utiliza
gas producto saturado como el refrigerante den el ciclo de
refrigeración del dispositivo de expansión de gas.
La figura 4 es un diagrama de flujo esquemático
de otra forma de realización de la presente invención que utiliza un
sistema de refrigeración adicional para la refrigeración previa de
gas de alimentación, el refrigerante comprimido en el ciclo de
refrigeración de recompresión de vapor y el refrigerante comprimido
en el ciclo de refrigeración del dispositivo de expansión de
gas.
La figura 5 es un diagrama de flujo esquemático
de otra forma de realización de la presente invención que utiliza
una corriente de refrigerante mixto líquido adicional en el ciclo de
refrigeración de recompresión de vapor.
La figura 6 es un diagrama de flujo esquemático
de otra forma de realización de la presente invención, que utiliza
un ciclo de refrigeración en cascada para
pre-refrigerar el gas de alimentación.
La figura 7 es un diagrama de flujo de otra forma
de realización de la presente invención que utiliza trabajo del
dispositivo de expansión para proporcionar una porción del trabajo
de compresión en el ciclo de refrigeración del dispositivo de
expansión del gas.
La mayoría de las plantas de producción de LNG
utilizan actualmente refrigeración producida por compresión de un
gas hasta una presión alta, licuación del gas contra una corriente
de refrigeración, expansión del líquido resultante a una presión
baja y vaporización del líquido resultante para proporcionar la
refrigeración. El refrigerante vaporizado es recomprimido y
utilizado de nuevo en el circuito de refrigeración de recirculación.
Este tipo de proceso de refrigeración puede utilizar un refrigerante
mixto de múltiples componentes o un ciclo de refrigerante de un solo
componente en cascada para refrigeración, y se define genéricamente
aquí como un ciclo de refrigerante de vaporización o como un ciclo
de recompresión de vapor. Este tipo de ciclo es muy eficiente en
proporcionar refrigeración a temperaturas próximas a temperatura
ambiente. En este caso, están disponibles fluidos refrigerantes que
se condensarán a una presión muy por debajo de la presión crítica
del refrigerante, al mismo tiempo que rechaza calor a un sumidero de
calor a temperatura ambiente, y también estará en ebullición a una
presión por encima de la presión atmosférica, absorbiendo al mismo
tiempo calor desde la carga de refrigeración.
A medida que se reduce la temperatura requerida
para la refrigeración en un sistema de refrigeración por compresión
de vapor de un solo componente, un refrigerante particular que
hierve por encima de la presión atmosférica a una temperatura
suficientemente baja para proporcionar la refrigeración requerida
será demasiado volátil para condensarse frente a un sumidero de
calor de temperatura ambiente, debido a que la temperatura crítica
del refrigerante está por debajo de la temperatura ambiente. En esta
situación, se pueden emplear ciclos en cascada. Por ejemplo, se
puede utilizar una cascada de dos fluidos, en la que un fluido más
pesado proporciona la refrigeración más caliente, mientras que un
fluido más ligero proporciona la refrigeración más fría. Sin
embargo, en lugar de inyectar calor a una temperatura ambiente, el
fluido ligero rechaza el calor hacia el fluido más pesado en
ebullición mientras se condensa él mismo. Se pueden alcanzar
temperaturas muy bajas de esta manera a través de la aplicación en
cascada de fluidos múltiples.
Un ciclo de refrigeración de componentes
múltiples (MCR) se puede considerar como un tipo de ciclo en
cascada, en el que los componentes más pesados de la mezcla de
refrigerante se condensan hacia el sumidero de calor de temperatura
ambiente y hierven a baja presión al mismo tiempo que se condensa el
siguiente componente más ligero mientras hierve él mismo para
proporcionar condensación al componente todavía más ligero y así
sucesivamente, hasta que se alcanza la temperatura deseada. La
ventaja principal de un sistema de componentes múltiples sobre un
sistema en cascada es que se simplifica en gran medida la compresión
y el equipo de intercambio de calor. El sistema de componentes
múltiples requiere un compresor sencillo y un intercambiador de
calor, mientras que el sistema de cascada requiere compresores e
intercambiadores de calor múltiples.
Estos dos ciclos son menos eficientes, ya que la
temperatura de la carga de refrigeración se reduce debido a la
necesidad de aplicar en cascada fluidos múltiples. Para proporcionar
las temperaturas (típicamente -220ºF a -270ºF) requeridas para la
producción de LNG, se emplean múltiples etapas que implican
múltiples componentes. En cada etapa existen pérdidas termodinámicas
asociadas con la transferencia de calor de ebullición/condensación a
través de una diferencia de temperatura finita, y con cada etapa
adicional se incrementan estas pérdidas.
Otro tipo de ciclo de refrigeración importante
desde el punto de vista industrial es el ciclo de expansión de gas.
En este ciclo, el fluido de trabajo se comprime, se refrigera
sensiblemente (sin cambio de fase), se expande con trabajo como un
vapor en una turbina, y se calienta proporcionando al mismo tiempo
refrigeración a la carga de refrigeración. Este ciclo se define
también como un ciclo de expansión de gas. Se pueden obtener
temperaturas muy bajas de una manera relativamente eficiente con
este tipo de ciclo utilizando un circuito de refrigeración de
recirculación sencillo. En este tipo de ciclo, el fluido de trabajo
no está sometido típicamente a ningún cambio de fase, de manera que
el calor es absorbido a medida que el fluido es calentado
sensiblemente. No obstante, en algunos casos, el fluido de trabajo
se puede someter a un grado pequeño de cambio de fase durante la
expansión de trabajo.
El ciclo de expansión de gas proporciona de una
manera eficiente refrigeración a fluidos que se refrigeran también
sobre un intervalo de temperatura, y es particularmente útil para
proporcionar una refrigeración a temperatura muy baja, tal como la
requerida para producir nitrógeno líquido e hidrógeno.
No obstante, un inconveniente del ciclo de
refrigeración de expansión de gas es que es relativamente poco
eficiente en proporcionar refrigeración caliente. El trabajo neto
requerido para un refrigerador de ciclo de expansión de gas es igual
a la diferencia entre el trabajo del compresor y el trabajo del
dispositivo de expansión, mientras que el trabajo para un ciclo de
refrigeración en cascada o de un solo componente es simplemente el
trabajo del compresor. En el ciclo de expansión del gas, el trabajo
de expansión puede ser fácilmente 50% o más del trabajo del
compresor cuando se proporciona refrigeración térmica. El problema
con el ciclo de expansión de gas al proporcionar refrigeración
caliente es que se multiplica cualquier ineficiencia en el sistema
de compresor.
El objetivo de la presente invención es
aprovechar las ventajas del ciclo de expansión de gas para
proporcionar refrigeración fría utilizando al mismo tiempo las
ventajas de los ciclos de refrigeración de vapor puro o de múltiples
componentes al proporcionar refrigeración térmica, y aplicando esta
combinación de ciclos de refrigeración a la licuación de gas. Este
ciclo de refrigeración combinado es particularmente útil en la
licuación de gas natural.
De acuerdo con la invención, se utilizan sistemas
de refrigeración de recompresión de componente mixto, de componente
puro y/o en cascada para proporcionar una porción de la
refrigeración necesaria para licuación de gas a temperaturas por
debajo de aproximadamente -40ºC y hasta aproximadamente -100ºC. La
refrigeración residual en el intervalo de temperatura más fría por
debajo de aproximadamente -100ºC es proporcionada por la expansión
de trabajo de un gas refrigerante. El circuito de recirculación de
la corriente de gas refrigeración utilizado para la expansión de
trabajo es físicamente independiente, pero está térmicamente
integrado con el circuito o circuitos de recirculación del ciclo o
ciclos de recompresión de vapor de componente puro o mixto. Más del
5% y usualmente más del 10% de la potencia de refrigeración total
requerida para la licuación del gas de alimentación puede ser
consumido por el ciclo o ciclos de recompresión de vapor de
componente puro o mixto. La invención se puede implementar en el
diseño de una nueva planta de licuación y se puede utilizar como un
reequipamiento o expansión de una planta existente añadiendo el
circuito de refrigeración de expansión de gas al sistema de
refrigeración de la planta existente.
El fluido o fluidos de recompresión de vapor de
componente puro o mixto comprenden generalmente uno o más
componentes elegidos a partir de nitrógeno, hidrocarburos que tienen
uno o más átomos de carbono, y halocarburos que tienen uno o más
átomos de carbono. Los refrigerantes de hidrocarburos típicos
incluyen metano, etano, propano, i-buteno, butano, e
i-pentano. Los refrigerantes halocarburos
representativos incluyen R22, R23, R32, 134a, y R410a. La corriente
de gas que debe ser expandida por trabajo en el ciclo de expansión
de gas puede ser un componente puro o una mezcla de componentes;
ejemplos incluyen una corriente de nitrógeno puro o una mezcla de
nitrógeno con otros gases, tales como metano.
El método de proporcionar refrigeración
utilizando un circuito de componente mixto incluye comprimir una
corriente de componente mixto y refrigerar la corriente comprimida
utilizando un fluido de refrigeración externo, tal como aire, agua
de refrigeración, u otra corriente de proceso. Una porción de la
corriente de refrigerante mixto comprimido es licuada después de la
refrigeración externa. Al menos una porción de la corriente de
refrigerante mixto comprimido y refrigerado es refrigerada
adicionalmente en un intercambiador de calor y luego reducida en
presión y vaporizada por intercambio de calor contra la corriente de
gas que está siendo licuada. La corriente de refrigerante mixto
evaporado y calentado es recirculada entonces y comprimida como se
ha descrito anteriormente.
El método de proporcionar refrigeración
utilizando un circuito de componente puro consiste en comprimir una
corriente de componente puro y refrigerarla utilizando un fluido de
refrigeración externo, tal como aire, agua de refrigeración, otra
corriente de componente puro. Una porción de la corriente de
refrigerante es licuada después de la refrigeración externa. Al
menos una porción del refrigerante comprimido y licuado es reducida
entonces en presión y vaporizada por intercambio de calor contra la
corriente de gas que está siendo licuada o contra otra corriente de
refrigerante que está siendo refrigerada. La corriente de
refrigerante vaporizado resultante es comprimida y recirculada
entonces, como se ha descrito anteriormente.
De acuerdo con la invención el ciclo o ciclos de
recompresión de vapor de componente puro o mixto proporcionan con
preferencia refrigeración a niveles de temperatura por debajo de
aproximadamente -40ºC, con preferencia por debajo de aproximadamente
-60ºC y hasta aproximadamente -100ºC, pero no proporcionan la
refrigeración total necesaria para la licuación del gas de
alimentación. Estos ciclos pueden consumir típicamente más que 5% y
usualmente más que 10% del requerimiento de potencia de
refrigeración total para la licuación de gas de alimentación. En la
licuación de gas natural, el o los ciclos de recompresión de vapor
de componente puro o mixto pueden consumir típicamente más que 30%
del requerimiento de potencia total requerido para licuar el gas de
alimentación. En esta aplicación, el gas natural es refrigerado con
preferencia a temperaturas muy por debajo de -40ºC, y con
preferencia por debajo de -60ºC, por el ciclo o ciclos de
recompresión de vapor de componente puro o mixto.
El método de proporcionar refrigeración en el
ciclo del dispositivo de expansión de gas incluye comprimir una
corriente de gas, refrigerar la corriente de gas comprimido
utilizando un fluido de refrigeración externo, refrigerar
adicionalmente al menos una porción de la corriente de gas
comprimido refrigerado, expandir al menos una porción de la
corriente refrigerada adicionalmente en un dispositivo de expansión
para producir trabajo, calentar la corriente expandida por
intercambio de calor contra la corriente a licuar, y recircular la
corriente de gas caliente para compresión adicional. Este ciclo
proporciona refrigeración a niveles de temperatura por debajo de los
niveles de temperatura de refrigeración proporcionados por el ciclo
de recompresión de vapor de refrigerante puro o mixto.
En un modo preferido, el ciclo o ciclos de
recompresión de vapor de componente puro o mixto proporcionan una
porción de la refrigeración a la corriente de gas comprimido hasta
su expansión en un dispositivo de expansión. En un modo alternativo,
la corriente de gas puede expandirse en más que un dispositivo de
expansión. Se puede utilizar cualquier disposición de dispositivo de
expansión conocida para licuar una corriente de gas. La invención
puede utilizar cualquiera de una amplia variedad de dispositivos de
intercambio de calor en los ciclos de refrigeración, que incluyen
aleta de placas, bobina arrollada, e intercambiadores de calor del
tipo de carcasa y tubo o combinaciones de ellos, en función de la
aplicación específica. La invención es independiente del número y
dispositivo de los intercambiadores de calor utilizados en el
proceso reivindicado.
Una forma de realización preferida de la
invención se ilustra en la figura 1. El proceso puede ser utilizado
para licuar cualquier corriente de gas de alimentación, y se utiliza
con preferencia para licuar gas natural como se describe a
continuación para ilustrar el proceso. El gas natural es limpiado en
primer lugar y secado en la sección de tratamiento previo 172 para
la eliminación de gases ácidos, tales como CO_{2} y H_{2}S junto
con otros contaminantes, tales como mercurio. La corriente de gas
pre-tratada 100 entra en el intercambiador de calor
106, es refrigerada hasta una temperatura intermedia típica de
aproximadamente -30ºC, y la corriente refrigerada 102 fluye a una
columna de lavado 108. La refrigeración en el intercambiador de
calor 106 se realiza por medio del calentamiento de la corriente de
refrigerante mixto 125 en el interior 109 del intercambiador de
calor 106. El refrigerante mixto contiene típicamente uno o más
hidrocarburos seleccionados a partir de metano, etano, propano,
i-butano, butano, y posiblemente
i-pentano. Adicionalmente, el refrigerante puede
contener otros componentes tales como nitrógeno. En la columna de
lavado 108, se eliminan los componentes más pesados de la
alimentación de gas natural, por ejemplo pentano o componentes más
pesados. En los presentes ejemplos, se muestra la columna de lavado
con una sola sección de disociación. En otros casos, se puede
emplear una sección de rectificación con un condensador para
eliminar contaminantes pesados, tales como benceno hasta niveles muy
bajos. Cuando se requieren niveles muy bajos de componentes pesados
en el producto LNG final, se puede realizar cualquier modificación
adecuada en la columna de lavado 110. Por ejemplo, se puede utilizar
un componente más pesado, tal como butano, como el líquido de
lavar.
El producto de cola 110 de la columna de lavado
entra entonces en la sección de fraccionamiento 112, donde los
componentes pesados son recuperados como corriente 114. El propano y
los componentes más ligeros en la corriente 118 pasan a través del
intercambiador de calor 106, donde la corriente es refrigerada hasta
aproximadamente -30ºC, y se recombina con el producto de cabecera de
la columna de lavado para formar la corriente de alimentación
purificada 120. La corriente 120 es refrigerada adicionalmente en el
intercambiador de calor 122 hasta una temperatura típica de
aproximadamente -100ºC calentando la corriente de refrigerante
mixto 124. La corriente refrigerada 126 resultante es refrigerada
entonces adicionalmente hasta una temperatura de aproximadamente
-166ºC en el intercambiador de calor 128. La refrigeración para
enfriamiento en el intercambiador de calor 128 es proporcionada por
la corriente de fluido refrigerante frío 130 desde el turbo
dispositivo de expansión 166. Este fluido, con preferencia
nitrógeno, es predominantemente vapor que contiene menos que 20% de
líquido y está a una presión típica de aproximadamente 11 bares
(todas las presiones son aquí presiones absolutas) y una temperatura
típica de aproximadamente -168ºC. La corriente 132 refrigerada
adicionalmente puede ser saturada adiabáticamente hasta una presión
de aproximadamente 1,05 bares a través de la válvula de
estrangulamiento 134. Alternativamente, la presión de la corriente
132 refrigerada adicionalmente podría reducirse a través de un
dispositivo de expansión de trabajo. El gas licuado fluye entonces
al depósito separador o depósito de almacenamiento 136 y el producto
LNG final es extraído como corriente 142. En algunos casos, en
función de la composición del gas natural y de la temperatura que
sale del intercambiador de calor 128, una cantidad significativa de
gas ligero se ha desarrollado como corriente 138 después de la
saturación a través de la válvula 134. Este gas se puede calentar en
los intercambiadores de calor 128 y 150 y se puede comprimir hasta
una presión suficiente para uso como gas combustible en la
instalación de LNG.
La refrigeración para enfriar el gas natural
desde temperatura ambiente hasta una temperatura de aproximadamente
-100ºC es proporcionada por un bucle de refrigeración de componentes
múltiples, como se ha mencionado anteriormente. La corriente 146 es
el refrigerante mixto a alta presión que entra en el intercambiador
de calor 106 a temperatura ambiente y a una presión típica de
aproximadamente 38 bares. El refrigerante es enfriado a una
temperatura de aproximadamente -100ºC en intercambiadores de calor
106 y 122, saliendo como corriente 148. La corriente 148 es dividida
en dos porciones en esta forma de realización. Una porción más
pequeña, típicamente 4% aproximadamente, es reducida en presión
adiabáticamente hasta aproximadamente 10 bares y es introducida como
corriente 149 en el intercambiador de calor 150 para proporcionar
refrigeración suplementaria, como se describe a continuación. La
porción principal del refrigerante como corriente 124 es reducida
también en presión adiabáticamente hasta una presión típica de
aproximadamente 10 bares y es introducida hasta el extremo de
refrigeración del intercambiador de calor 106. El refrigerante fluye
hacia abajo y se vaporiza en el interior 109 del intercambiador de
calor 106 y sale ligeramente por debajo de temperatura ambiente como
corriente 152. La corriente 152 es re-combinada
entonces con una corriente menor 154 que fue vaporizada y calentada
hasta cerca de temperatura ambiente en el intercambiador de calor
150. La corriente de baja presión combinada 156 es comprimida
entonces en el compresor con enfriador intermedio 158 de retorno a
la presión final de aproximadamente 38 bares. Se puede formar
líquido en el enfriador intermedio del compresor, y este líquido es
separado y recombinado con la corriente principal 160 que sale de la
fase final de compresión. La corriente combinada es refrigerada
entonces de retorno a la temperatura ambiente para producir la
corriente 146.
La refrigeración final del gas natural desde
aproximadamente -100ºC hasta aproximadamente -166ºC se realiza
utilizando un ciclo del dispositivo de expansión de gas empleando
nitrógeno como el fluido de trabajo. La corriente de nitrógeno de
alta presión 162 entra en el intercambiador de calor 150 típicamente
a temperatura ambiente y a una presión de aproximadamente 67 bares,
y es refrigerada entonces a una temperatura de aproximadamente
-100ºC en el intercambiador de calor 150. La corriente de vapor
refrigerada 164 es expandida con trabajo de una manera
substancialmente isentrópica en el turbo dispositivo de expansión
132, saliendo típicamente a una presión de aproximadamente -168ºC.
Idealmente, la presión de salida está en o ligeramente por debajo de
la presión del punto de rocío del nitrógeno a una temperatura
suficientemente fría para efectuar la refrigeración del LNG hasta la
temperatura deseada. La corriente de nitrógeno expandida 130 es
calentada entonces cerca de temperatura ambiente en intercambiadores
de calor 128 y 150. La refrigeración suplementaria es proporcionada
al intercambiador de calor 150 por una corriente pequeña 149 del
refrigerante mixto, como se ha descrito anteriormente, y esto se
hace para reducir la irreversibilidad en el proceso provocando que
las curvas de refrigeración del intercambiador de calor 150 estén
alineadas más estrechamente. A partir del intercambiador de calor
150, la corriente de nitrógeno de baja presión caliente es
comprimida en el compresor de etapas múltiples 168 de nievo a una
presión alta de aproximadamente 67 bares.
Como se ha mencionado anteriormente, este ciclo
del dispositivo de expansión de gas se puede ejecutar como un
reequipamiento o como expansión de una planta de LNG de refrigerante
mixto existente.
Una forma de realización alternativa de la
invención se ilustra en la figura 2. En lugar de los
intercambiadores de calor 106 y 128 de bobina arrollada mostrados en
la figura 1, esta alternativa utiliza intercambiadores de calor de
placas y aletas 206, 222 y 228 junto con el intercambiador de calor
de plata y aleta 250. En esta forma de realización, la
irreversibilidad del intercambiador de calor de nitrógeno caliente
250 es reducida disminuyendo el flujo de las corrientes de
refrigeración en lugar de incrementar el flujo de las corriente de
calor. En cualquier caso, el efecto es similar y las curvas de
refrigeración del intercambiador de calor 250 son alineadas más
estrechamente. En la forma de realización de la figura 2, una
porción pequeña del nitrógeno de alta presión caliente como
corriente 262 es refrigerada en los intercambiadores de calor 206 y
222 hasta una temperatura de aproximadamente -100ºC, saliendo como
corriente 202. La corriente 202 es recombinada entonces con el flujo
de nitrógeno de alta presión principal y es expandida en el
dispositivo de expansión de trabajo 232.
La figura 2 ilustra otra forma de realización
alternativa de la invención. En esta forma de realización, el fluido
de trabajo para el bucle de refrigeración del dispositivo de
expansión de gas es una mezcla de hidrocarburo y nitrógeno a partir
de la corriente de vapor ligero 300 desarrollado a través de la
saturación del gas licuado a partir del intercambiador de calor 128
a través de la válvula 134. Este vapor es combinado entonces con el
fluido que sale desde el turbo dispositivo de expansión 132, es
calentado en los intercambiadores de calor 128 y 150, y es
comprimido en el compresor 36. El gas que sale desde el compresor
368 es refrigerado entonces en el intercambiador de calor 308. El
volumen del gas que sale desde el intercambiador de calor 308 es
conducido al intercambiador de calor 150 y una porción pequeña 304,
igual en flujo al flujo de la corriente de gas de saturación 300, es
extraída desde el circuito como gas combustible para la instalación
LNG. En esta forma de realización, las funciones del compresor de
gas combustible 140 y del compresor de reciclaje 168 de la figura 1
se combinan en el compresor 368. También es posible extraer la
corriente 304 desde una localización entre etapas del compresor de
reciclaje 368.
Una forma de realización alternativa se ilustra
en la figura 4, en la que se utiliza otro refrigerante (por ejemplo,
propano) para pre-refrigerar la alimentación,
nitrógeno y las corrientes de refrigerante mixtas en los
intercambiadores de calor 402, 401 y 400, respectivamente, antes de
la introducción en intercambiadores de calor 106 y 150. En esta
forma de realización, se utilizan tres niveles de refrigeración
previa en los intercambiadores de calor 402, 401 y 400, aunque se
puede utilizar cualquier número de niveles, según se requiera. En
este caso, los fluidos de refrigerante de retorno 156 y 170 son
comprimidos en frío, a una temperatura de entrada ligeramente por
debajo de la proporcionada por el refrigerante de refrigeración
previa. Esta disposición podría implementarse como reequipamiento o
expansión de una planta de LNG de refrigerante mixto
pre-refrigerado de propano existente.
La figura 5 muestra otra forma de realización de
la invención, en la que la corriente de refrigerante 146 mixta de
alta presión es separada en sub-corrientes de
líquido y vapor 500 y 501. La corriente de vapor 501 es refrigerada
hasta aproximadamente -100C, substancialmente licuada, reducida a
una presión baja de aproximadamente 3 bares, y utilizada como
corriente 503 hasta una presión intermedia de aproximadamente 9
bares, y utilizada como corriente 502 para proporcionar
refrigeración. Una porción menor de la corriente de vapor
refrigerada 505 es utilizada como corriente 504 para proporcionar
refrigeración suplementaria a intercambiadores de calor 150, como se
ha descrito anteriormente.
Las dos corrientes de retorno de refrigerante
mixto de baja presión, de baja vaporización, son combinadas para
formar la corriente 506, que es comprimida a continuación en frío a
una temperatura de aproximadamente -30ºC hasta una presión
intermedia de aproximadamente 9 bares y es combinada con la
corriente vaporizada de presión intermedia 507. La mezcla resultante
es comprimida entonces adicionalmente hasta una presión final de
aproximadamente 50 bares. En esta forma de realización, se forma
líquido en el refrigerador intermedio del compresor, y este líquido
es recombinado con el flujo principal 160 que sale de la etapa de
compresión final.
Opcionalmente, la corriente de nitrógeno 510
comprimida podría ser refrigerada antes de entrar en el
intercambiador de calor 150 utilizando la corriente de líquido
refrigerante sub-refrigerada (no se muestra). Una
porción de la corriente 511 podría ser reducida en la presión y
vaporizada para refrigerar la corriente 510 por intercambio de calor
indirecto, y el vapor resultante debería retornar al compresor
refrigerante. De una manera alternativa, la corriente 510 podría ser
refrigerada con otras corrientes del proceso en el intercambiador de
calor refrigerado a través de la vaporización de la corriente de
refrigerante 502.
La figura 6 representa una forma de realización
de la invención, en la que se utiliza un ciclo en cascada de dos
fluidos para proporcionar refrigeración previa antes de la
refrigeración final por el ciclo de refrigeración del dispositivo de
expansión de gas.
La figura 7 ilustra el uso del dispositivo de
expansión 800 para accionar la fase final del compresor para el
circuito de refrigeración del dispositivo de expansión del gas. De
una manera alternativa, el trabajo generado por el dispositivo de
expansión 800 podría utilizarse para comprimir otras corrientes del
proceso. Por ejemplo, una porción o todo este trabajo podría
utilizarse para comprimir el gas de alimentación en la línea 900. En
otra opción, una porción o todo el trabajo procedente del
dispositivo de expansión 800 podría ser utilizado para una porción
del trabajo requerido por el compresor de refrigerante mixto
958.
La invención descrita anteriormente en las formas
de realización ilustradas por las figuras 1 a 7 puede utilizar
cualquiera de una amplia variedad de dispositivos de intercambio de
calor en los circuitos de refrigeración que incluyen
intercambiadores de calor de bobina arrollada, de aletas de placas,
de cáscara y tubo y de caldera. Las combinaciones de estos tipos de
intercambiadores de calor se pueden utilizar en función de las
aplicaciones específicas. Por ejemplo, en la figura 2, todos los
cuatro intercambiadores de calor 106, 122, 128 pueden ser
intercambiadores de bobina arrollada y el intercambiador de calor
puede ser un intercambiador de calor del tipo de placa y aleta, como
se utiliza en la figura 1.
En la forma de realización preferida de la
invención, la mayoría de la refrigeración en el intervalo de
temperaturas entre aproximadamente -40ºC y aproximadamente -100ºC es
proporcionada por intercambio de calor indirecto, con al menos un
refrigerante de vaporización en un circuito de refrigeración de
recirculación. Parte de la refrigeración en este intervalo de
temperaturas puede ser proporcionado por la expansión de trabajo de
un refrigerante gaseoso presurizado.
Con referencia a la figura 1, el gas natural es
limpiado y secado en la sección de tratamiento previo 172 para la
eliminación de gases ácidos tales como CO_{2} y H_{2}Z junto con
otros contaminantes, tales como mercurio. El gas de alimentación
pretratado 100 tiene un caudal de flujo de 24.431
kg-mol/h, una presión de 66,5 bares, y una
temperatura de 32ºC. La composición molar de la corriente es la
siguiente:
Componente | Fracción Molar |
Nitrógeno | 0,009 |
Metano | 0,9378 |
Etano | 0,031 |
Propano | 0,013 |
i-butano | 0,003 |
Butano | 0,004 |
i-pentano | 0,0008 |
Pentano | 0,0005 |
Hexano | 0,001 |
Heptano | 0,0006 |
El gas pre-tratado entre en el
primer intercambiador de calor 106 y es refrigerado a una
temperatura de -31ºC antes de entrar en la columna de lavado 108
como corriente 102. La refrigeración se realiza por el calentamiento
de la corriente de refrigerante mixto 109, que tiene un caudal de
flujo de 555.425 kg-mol/h y la siguiente
composición.
Componente | Fracción Molar |
Nitrógeno | 0,014 |
Metano | 0,343 |
Etano | 0,395 |
Propano | 0,006 |
i-butano | 0,090 |
Butano | 0,151 |
En la columna de lavado 108, son eliminados el
pentano y los componentes pesados de la alimentación. El producto de
cola 110 de la columna de lavado entra en la sección de
fraccionamiento 112, donde los componentes pesados son recuperados
como corriente 114 y el propano y los componentes más ligeros en la
corriente 118 sin reciclados al intercambiador de calor 106, son
refrigerados a -31ºC y son recombinados con el producto de cabeza de
la columna de lavado para formar la corriente 120. El caudal de
flujo de la corriente 120 es 24.339 kg-mol/h.
La corriente 120 es refrigerada adicionalmente en
el intercambiador de calor 122 hasta una temperatura de -102,4ºC
calentando la corriente de refrigerante mixto 124 que entra en el
intercambiador de calor 122 a una temperatura de -104,0ºC. La
corriente resultante 128 es refrigerada entonces adicionalmente
hasta una temperatura de -165,7ºC en el intercambiador de calor 128.
La refrigeración para el enfriamiento en el intercambiador de calor
128 es proporcionada por la corriente de nitrógeno puro 130 que sale
del tubo dispositivo de expansión 166 a -168,0ºC con una fracción de
líquido de 2,0%. La corriente de LNG 132 resultante es saturada
entonces adiabáticamente hasta su presión de punto de burbuja de
1,05 bares a través de la válvula 134. El LNG entra entonces en el
separador 136 con el producto final LNG saliendo como corriente 142.
En este ejemplo, no se desarrolla ningún gas ligero 138 después de
la saturación a través de la válvula 134, y no se requiere el
compresor de recuperación de gas de saturación 140.
La refrigeración para enfriar el gas natural a
partir de temperatura ambiente hasta una temperatura de -102,4ºC
es proporcionada por un circuito de refrigeración de componentes
múltiples, como se ha mencionado anteriormente. La corriente 146 es
el refrigerante mixto a alta presión, que entra en el intercambiador
de calor 106 a una temperatura de 32ºC y a una presión de 38,6
bares. Es refrigerado entonces hasta una temperatura de -102,4ºC en
los intercambiadores de calor 106 y 122, saliendo como corriente 148
a una presión de 34,5 bares. La corriente 148 es dividida entonces
en dos porciones. Una porción más pequeña, 4,1%, es reducida en
presión adiabáticamente hasta 9,8 bares y es introducida como
corriente 149 en el intercambiador de calor 150 para proporcionar
refrigeración suplementaria. La porción principal 124 del
refrigerante mixto es saturada también adiabáticamente hasta una
presión de 9,8 bares y es introducida como corriente 124 en el
extremo frío del intercambiador de calor 122. La corriente 124 es
calentada y vaporizada en intercambiadores de calor 122 y 106,
saliendo finalmente desde el intercambiador de calor 106 a 29ºC y
9,3 bares como corriente 152. La corriente 152 es recombinada
entonces con una porción menor del refrigerante mixto como corriente
154, que ha sido vaporizada y calentada hasta 29ºC en el
intercambiador de calor 150. La corriente combinada de baja presión
156 es comprimida entonces en el compresor con refrigerador
intermedio de 2 etapas 158 a la presión final de 34,5 bares. El
líquido está formado en el refrigerador intermedio del compresor y
este líquido es recombinado con el flujo principal 160 que sale
desde la etapa final del compresor. El flujo de líquido es 4440
kg-mol/h.
La refrigeración final del gas natural desde
-102,4ºC hasta -165,7ºC se realiza utilizando un ciclo del tipo de
dispositivo de expansión de gas de circuito cerrado que emplea
nitrógeno como el fluido de trabajo. La corriente de nitrógeno de
alta presión 162 entra en el intercambiador de calor 150 a 32ºC y a
una presión de aproximadamente 67,1 bares y un caudal de flujo de
40.352 kg-mol/h, y luego es refrigerada hasta una
temperatura de -102,4ºC en el intercambiador de calor 150. La
corriente de vapor 164 es expandida con trabajo isentrópicamente en
el turbo dispositivo de expansión 166, saliendo a -168,0ºC
con una fracción de líquido de 2,0%. El nitrógeno expandido es
calentado entonces a 29ºC en intercambiadores de calor 128 y 150. La
refrigeración suplementaria es proporcionada por el intercambiador
de calor 150 por la corriente 149. A partir del intercambiador de
calor 150, el nitrógeno caliente a baja presión es comprimido en el
compresión centrífugo de tres etapas 168 desde 10,5 bares de retorno
a 67,1 bares. En este ejemplo ilustrativo, el 65% de la potencia de
refrigeración total requerida para licuar el gas de alimentación 100
pretratado es consumido por el circuito de refrigeración de
recirculación en el que la corriente de refrigerante 146 es
vaporizada en los intercambiadores de calor 106 y 150 y la corriente
de refrigerante 156 vaporizada resultante es comprimida en el
compresor 158.
Por lo tanto, la presente invención ofrece un
proceso de refrigeración mejorado para la licuación del gas, que
utiliza uno o más ciclos de refrigeración de vaporización para
proporcionar refrigeración por debajo de aproximadamente -40ºC y
hasta aproximadamente -100ºC, y utiliza un ciclo de expansión de gas
para proporcionar refrigeración por debajo de aproximadamente
-100ºC. El ciclo de expansión de gas puede proporcionar también
parte de la refrigeración en el intervalo de aproximadamente -40ºC
hasta aproximadamente -100ºC. Cada uno de estos dos tipos de
sistemas de refrigerante es utilizado en un intervalo de
temperaturas óptimo que aumenta al máximo la eficiencia del sistema
particular. Típicamente, una fracción significativa de la potencia
de refrigeración total requerida para licuar el gas de alimentación
(más que 5% y habitualmente más que 10% del total) puede ser
consumida por el ciclo o ciclos de refrigerante de vaporización. La
invención se puede implementar en el diseño de una nueva planta de
licuación o se puede utilizar como un reequipamiento de una planta
existente añadiendo el circuito de refrigeración del dispositivo de
expansión de gas al sistema de refrigeración de la planta
existente.
Las características esenciales de la presente
invención se describen completamente en la descripción anterior. Un
técnico en la materia puede comprender la invención y realizar
varias modificaciones sin apartarse del espíritu básico de la
invención, y sin desviarse del alcance y equivalentes de las
reivindicaciones que siguen.
Claims (37)
1. Un método para la licuación de un gas de
alimentación (100), que comprende proporcionar al menos una porción
de la refrigeración total requerida para refrigerar y condensar el
gas de alimentación (100) utilizando
- (a)
- un primer sistema de refrigeración que comprende al menos un circuito de refrigeración de recirculación (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), en el que el primer sistema de refrigeración utiliza dos o más componentes refrigerantes y proporciona refrigeración en un primer intervalo de temperatura; y
- (b)
- un segundo sistema de refrigeración que proporciona refrigeración en un segundo intervalo de temperatura que tiene una temperatura más baja que la temperatura mínima en el primer intervalo de temperatura
- (1)
- comprimiendo (168) un segundo refrigerante gaseoso para proporcionar un refrigerante gaseoso presurizado (162);
- (2)
- refrigerando (150) el refrigerante gaseoso presurizado (162) para producir un refrigerante gaseoso refrigerado (164);
- (3)
- expandiendo con trabajo (166) el refrigerante gaseoso refrigerado (164) para proporcionar un refrigerante frío (130);
- (4)
- calentado (128) el refrigerante frío (130) para proporcionar refrigeración en el segundo intervalo de temperatura; y
- (5)
- haciendo recircular el refrigerante caliente resultante (170) para proporcionar el segundo refrigerante gaseoso de (1),
caracterizado porque todo el
refrigerante gaseoso presurizado (162) es refrigerado (150) de una
manera totalmente separada de la refrigeración del gas de
alimentación por el refrigerante frío (130) en la etapa (2) para
producir el refrigerante gaseoso refrigerado (164) y, opcionalmente,
por una porción del refrigerante vaporizado del primer sistema de
refrigeración y/o por vapor saturado ligero del gas de
alimentación.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
todo el refrigerante gaseoso presurizado (162) es refrigerado (150)
de una manera totalmente separada de la refrigeración del gas de
alimentación por refrigerante frío (130), y por un refrigerante
vaporizado del primer sistema de refrigeración y por el vapor
saturado ligero del gas de alimentación.
3. Un método para la licuación de un gas de
alimentación (100), que comprende proporcionar al menos una porción
de la refrigeración total requerida para refrigerar y condensar el
gas de alimentación (100) utilizando
- (a)
- un primer sistema de refrigeración que comprende al menos un circuito de refrigeración de recirculación (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), en el que el primer sistema de refrigeración utiliza dos o más componentes refrigerantes y proporciona refrigeración en un primer intervalo de temperatura; y
- (b)
- un segundo sistema de refrigeración que proporciona refrigeración en un segundo intervalo de temperatura que tiene una temperatura más baja que la temperatura mínima en el primer intervalo de temperatura
- (1)
- comprimiendo (168) un segundo refrigerante gaseoso para proporcionar un refrigerante gaseoso presurizado (162);
- (2)
- refrigerando (150) el refrigerante gaseoso presurizado (162) para producir un refrigerante gaseoso refrigerado (164);
- (3)
- expandiendo con trabajo (166) el refrigerante gaseoso refrigerado (164) para proporcionar un refrigerante frío (130);
- (4)
- calentado (128) el refrigerante frío (130) para proporcionar refrigeración en el segundo intervalo de temperatura; y
- (5)
- haciendo recircular el refrigerante caliente resultante (170) para proporcionar el segundo refrigerante gaseoso de (1),
caracterizado porque una
porción del refrigerante gaseoso presurizado (162) es refrigerado
(150) de una manera totalmente separada de la refrigeración del gas
de alimentación para producir el refrigerante gaseoso refrigerado
(164) en la etapa (2) por el refrigerante frío (130) y,
opcionalmente, por el vapor saturado ligero del gas de alimentación
(138) y porque se refrigera una segunda porción pequeña del
refrigerante gaseoso presurizado (162) por intercambio de calor
indirecto (206, 222) con el refrigerante de vaporización (125) del
primer sistema de refrigeración y se combina con la primera porción
del refrigerante gaseoso presurizado frío antes de la etapa
(3).
4. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el primer sistema de
refrigeración (a) utiliza un sistema de refrigeración de
recompresión de un componente mixto, de un componente puro y/o de un
vapor en cascada.
5. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que al menos el 5% de la potencia
de refrigeración total requerida para la licuación del gas de
alimentación es consumida por el primer sistema de
refrigeración.
6. El método de la reivindicación 5, en el que al
menos el 10% de la potencia de refrigeración total requerida para la
licuación del gas de alimentación es consumida por el primer sistema
de refrigeración de recirculación.
7. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el gas de alimentación es gas
natural.
8. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el refrigerante en el primer
circuito de refrigeración de recirculación comprende dos o más
componentes seleccionados a partir de nitrógeno, hidrocarburos que
contienen uno o más átomos de carbono, y halocarburos que contienen
uno o más átomos de carbono.
9. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el refrigerante en el segundo
circuito de refrigeración de recirculación comprende nitrógeno.
10. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que al menos una porción del
primer intervalo de temperatura está entre -40ºC y -100ºC.
11. El método de la reivindicación 10, en el que
al menos una porción del primer intervalo de temperatura está entre
-60º y -100ºC.
12. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que al menos una porción del
segundo intervalo de temperatura está por debajo de -100ºC.
13. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el primer sistema de
refrigeración de recirculación es accionado
- (A)
- comprimiendo un primer refrigerante gaseoso (158);
- (B)
- refrigerando (109) y condensando al menos parcialmente el refrigerante comprimido resultante (146);
- (C)
- reduciendo la presión del refrigerante resultante comprimido (148), condensado al menos parcialmente;
- (D)
- vaporizando el refrigerante resultante a presión reducida (125) para proporcionar refrigeración en el primer intervalo de temperatura y proporcionar un refrigerante vaporizado (125); y
- (E)
- haciendo recircular (16) el refrigerante vaporizado para proporcionar el primer refrigerante gaseoso de (A).
14. El método de la reivindicación 13, en el que
al menos una porción de la refrigeración (109) del refrigerante
comprimido resultante (146) en (B) es proporcionada por intercambio
de calor indirecto (106) con vaporización de refrigerante (125) a
presión reducida en (D).
15. El método de la reivindicación 13, en el que
al menos una porción de la refrigeración en (B) es proporcionada por
intercambio de calor indirecto (400) con una o más corrientes de
refrigerante de vaporización adicional proporcionadas por un tercer
circuito de refrigeración de recirculación.
16. El método de la reivindicación 15, en el que
el tercer circuito de refrigeración de recirculación utiliza un
refrigerante de un solo componente.
17. El método de la reivindicación 16, en el que
el tercer circuito de refrigeración de recirculación utiliza un
refrigerante mixto que comprende dos o más componentes.
18. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que al menos una porción de la
refrigeración en (2) es proporcionada por intercambio de calor
indirecto (401) con uno o más refrigerantes de vaporización
adicionales proporcionados por un tercer circuito de refrigeración
de recirculación, antes de la refrigeración por el refrigerante
frío.
19. El método de la reivindicación 18, en el que
el tercer circuito de refrigeración de recirculación utiliza un
refrigerante de un solo componente.
20. El método de la reivindicación 18, en el que
el tercer circuito de refrigeración de recirculación utiliza un
refrigerante mixto, que comprende dos o más componentes.
21. El método de la refrigeración 1, en el que el
primer sistema de refrigeración es accionado
- (i)
- comprimiendo un primer refrigerante gaseoso (506, 507);
- (ii)
- refrigerando y comprimiendo parcialmente el refrigerante comprimido resultante para proporcionar una fracción de refrigerante de vapor (501) y una fracción de refrigerante líquido (500);
- (iii)
- refrigerando y reduciendo adicionalmente la presión de la fracción de refrigerante líquido (500), y vaporizando la fracción de refrigerante líquido resultante (502) para proporcionar refrigeración en el primer intervalo de temperatura y para producir un primer refrigerante vaporizado (507);
- (iv)
- refrigerando y condensando la fracción de refrigerante de vapor (501), reduciendo la presión de al menos una porción del líquido resultante, y vaporizando la fracción de refrigerante líquido resultante (503) para proporcionar refrigeración adicional en el primer intervalo de temperatura y para producir un segundo refrigerante vaporizado (506); y
- (v)
- combinando el primero y segundo refrigerantes vaporizados para proporcionar el primer refrigerante gaseoso de (i).
22. El método de la reivindicación 21, en el que
la vaporización del líquido resultante (503) en (iv) se realiza a
una presión menor que la vaporización de la fracción del
refrigerante líquido resultante (502) en (iii), y en el que el
segundo refrigerante vaporizado (506) está comprimido antes de
combinarlo con el primer refrigerante vaporizado (507).
23. El método de la reivindicación 1, en el que
el trabajo de la expansión de trabajo (106) del refrigerante gaseoso
refrigerado (164) proporciona una porción del trabajo requerido para
comprimid (168) el segundo refrigerante gaseoso (170) en (1).
24. El método de la reivindicación 1, en el que
el gas de alimentación (100) es gas natural, la corriente de gas
natural licuado resultante (132) es saturada a una presión menor
para producir un vapor saturado ligero (138) y un producto líquido
final (142), y el vapor saturado ligero (138) es utilizado para
proporcionar el segundo refrigerante gaseoso (170) al segundo
circuito de refrigerante.
25. El método de la reivindicación 1, en el que
el primer sistema refrigerante comprende al menos dos ciclos de
recompresión de vapor puro o mixto (figura 2, 152, 156, 158, 400,
146, 106, 148, 125 & 402; figura 4, 802 &
803).
803).
26. El método de la reivindicación 1, en el que
al menos uno del primero y segundo sistemas de refrigeración
comprende un intercambiador de calor de bobina arrollada.
27. Un aparato para la licuación de un gas de
alimentación (100) por un método de la reivindicación 1, que
comprende:
- (a)
- un primer sistema de refrigeración que comprende al menos un circuito de refrigeración de recirculación (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), que utiliza dos o más componentes refrigerantes y proporciona refrigeración en un primer intervalo de temperatura; y
- (b)
- un segundo sistema de refrigeración que proporciona refrigeración en un segundo intervalo de temperatura que tiene una temperatura más baja que la temperatura mínima en el primer intervalo de temperatura, comprendiendo dicho segundo sistema de refrigeración,
- (1)
- medios de comprimiendo (168) para la comprensión de un segundo refrigerante gaseoso para proporcionar el refrigerante gaseoso presurizado (162);
- (2)
- medios de intercambio de calor (150) para refrigerar todo el refrigerante gaseoso presurizado (162) de una manera totalmente separada de la refrigeración del gas de alimentación para producir el refrigerante gaseoso refrigerado (164) por refrigerante frío (130), y opcionalmente un refrigerante vaporizado del primer sistema de refrigeración y/o por vapor saturado ligero del gas de alimentación;
- (3)
- medios de expansión (166) para expandir por trabajo el refrigerante gaseoso refrigerado (164) para proporcionar el refrigerante frío (130);
- (4)
- medios de intercambio de calor (128) para calentar el refrigerante frío (130) para proporcionar refrigeración en el segundo intervalo de temperatura; y
- (5)
- medios para la recirculación del refrigerante caliente resultante (170) para proporcionar el segundo refrigerante gaseoso de (1).
28. El aparato de la reivindicación 27, en el que
los medios de intercambio de calor de (2) refrigeran todo el
refrigerante gaseoso presurizado de una manera totalmente separada
de la refrigeración del gas de alimentación por refrigerante frío
(130) y un refrigerante vaporizado del primer sistema de
refrigeración y por el vapor saturado ligero del gas de
alimentación.
29. Un aparato para la licuación de un gas de
alimentación (100) por un método de la reivindicación 3, que
comprende:
- (a)
- un primer sistema de refrigeración que comprende al menos un circuito de refrigeración de recirculación (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), que utiliza dos o más componentes refrigerantes y proporciona refrigeración en un primer intervalo de temperatura; y
- (b)
- un segundo sistema de refrigeración que proporciona refrigeración en un segundo intervalo de temperatura que tiene una temperatura más baja que la temperatura mínima en el primer intervalo de temperatura, comprendiendo dicho segundo sistema de refrigeración,
- (1)
- medios de compresión (168) para la compresión de un segundo refrigerante gaseoso para proporcionar el refrigerante gaseoso presurizado (162);
- (2)
- medios de intercambio de calor (150) para refrigerar una primera porción del refrigerante gaseoso presurizado (162) de una manera totalmente separada de la refrigeración del gas de alimentación para producir el refrigerante gaseoso refrigerado (164) por refrigerante frío (130), y opcionalmente por el vapor saturado ligero del gas de alimentación (138); con conductos para la extracción de una segunda porción pequeña del refrigerante gaseoso presurizado (162) antes de la refrigeración en los medios de intercambio de calor (150) y, además, con medios de intercambio de calor (206, 222) para refrigerar dicha segunda porción (262) del refrigerante gaseoso presurizado (162) por intercambio de calor indirecto con el refrigerante de vaporización (125) de (a), y con conductos (20) para la recombinación de la segunda porción refrigerada con la primera porción refrigerada;
- (3)
- medios de expansión (232) para expandir por trabajo el refrigerante gaseoso refrigerado combinado para proporcionar el refrigerante frío (130);
- (4)
- medios de intercambio de calor (128) para calentar el refrigerante frío (130) para proporcionar refrigeración en el segundo intervalo de temperatura; y
- (5)
- medios para la recirculación del refrigerante caliente resultante (170) para proporcionar el segundo refrigerante gaseoso de (1).
30. El aparato de una cualquiera de las
reivindicaciones 27 a 29, en el que el primer sistema de
refrigeración (a) utiliza un sistema de refrigeración de
recompresión de componente mixto, de componente puro y/o de vapor en
cascada.
31. El aparato de una cualquiera de las
reivindicaciones 27 a 30, en el que el primer sistema de
refrigeración de recirculación comprende:
- (A)
- medios de compresión (158) para comprimir el primer refrigerante gaseoso;
- (B)
- medios de intercambio de calor (109) para refrigerar y al menos condensar parcialmente el refrigerante comprimido resultante (146);
- (C)
- medios reductores de la presión para reducir la presión del refrigerante comprimido resultante (148) al menos parcialmente condensado,
- (D)
- medios de intercambio de calor (10) para vaporizar el refrigerante de presión reducida resultante (125) para proporcionar refrigeración en el primer intervalo de temperatura y para producir el refrigerante vaporizado (152); y
- (E)
- medios (156) para la recirculación del refrigerante vaporizado para proporcionar el primer refrigerante gaseoso de (A).
32. El aparato de la reivindicación 27, en el que
el primer sistema de refrigerante comprende
- (i)
- medios de compresión para comprimir el primer refrigerante gaseoso (506, 507);
- (ii)
- medios de intercambio de calor para refrigerar y condensar parcialmente el refrigerante comprimido resultante para producir una fracción de refrigerante de vapor (501) y una fracción de refrigerante líquido (500);
- (iii)
- medios para la refrigeración y condensación adicional de la presión de la fracción de refrigerante líquido (500), y para la vaporización de la fracción de refrigerante líquido resultante (502) para proporcionar refrigeración en el primer intervalo de temperatura y para producir un primer refrigerante vaporizado (507);
- (iv)
- medios para la refrigeración y condensación de la fracción de refrigerante de vapor (501), para reducir la presión de al menos una porción del líquido resultante, y para la vaporización de la fracción del refrigerante líquido resultante (503) para proporcionar refrigeración adicional en el primer intervalo de temperatura y para producir un segundo refrigerante vaporizado (506); y
- (v)
- medios para combinare primero y segundo refrigerantes vaporizados para proporcionar el primer refrigerante gaseoso de (i).
33. El aparato de la reivindicación 32, en el que
la vaporización del líquido resultante (503) en (4) se efectúa a una
presión menor que la vaporización de la fracción de refrigerante
líquido resultante (502) en (3), y en el que el segundo refrigerante
vaporizado (506) es comprimido antes de la combinación con el primer
refrigerante vaporizado (507).
34. El aparato de la reivindicación 27, en el que
los medios de expansión (166) en (3) proporcionan una porción del
trabajo requerido para los medios de compresión (168) en (1).
35. El aparato de la reivindicación 27, que
comprende medios (134) para saturar la corriente de gas natural
licuado resultante (132) a una presión inferior para producir un
vapor saturado ligero (138) y un producto líquido final (142) y
medios para proporcionar el vapor saturado ligero para uso como el
segundo refrigerante gaseoso (170) en el segundo circuito
refrigerante.
36. El aparato de la reivindicación 27, en el que
el primer sistema refrigerante comprende al menos dos ciclos de
recompresión de vapor puro o mixto (figura 2, 152, 156, 158, 499,
146, 106, 148, 125 & 402; figura 4, 902 & 803).
37. El aparato de la reivindicación 27, en el que
al menos uno de los intercambiadores de calor del primero y segundo
sistemas de refrigeración comprende un intercambiador de calor de
bobina arrollada.
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