ES2246442T3 - Ciclo hibrido para la licuefaccion de gas natural. - Google Patents

Ciclo hibrido para la licuefaccion de gas natural.

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ES2246442T3
ES2246442T3 ES03011141T ES03011141T ES2246442T3 ES 2246442 T3 ES2246442 T3 ES 2246442T3 ES 03011141 T ES03011141 T ES 03011141T ES 03011141 T ES03011141 T ES 03011141T ES 2246442 T3 ES2246442 T3 ES 2246442T3
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ES
Spain
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cooling
gas
refrigeration
gaseous
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English (en)
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Mark Julian Roberts
Rakesh Agrawal
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Air Products and Chemicals Inc
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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.
Antecedentes de la invención
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.
Breve resumen de la invención
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.
Breve descripción de varias vistas de los dibujos
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.
Descripción detallada de la invención
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.
Ejemplo
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:
TABLA 1 Composición del gas de alimentación
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.
TABLA 2 Composición de refrigerante mixto
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).
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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