Патент на изобретение №2331826

(54) КОМБИНИРОВАННЫЙ ЦИКЛ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ МНОЖЕСТВО ДЕТАНДЕРОВ

(57) Реферат:

Согласно способу сжижения газа охлаждают исходный газ первой холодильной системой в первой теплообменной зоне и отводят по существу сжиженный исходный поток из нее; выполняют дальнейшее охлаждение по существу сжиженного исходного потока во второй теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками расширенного с совершением работы хладагента, обеспечиваемыми второй холодильной системой, и охлажденный в еще большей степени по существу сжиженный исходный поток отводят из нее. По меньшей мере один поток из числа одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента обеспечивают сжатием одного или нескольких паров хладагента, чтобы обеспечить поток сжатого хладагента; при этом охлаждают весь, или его часть, поток сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить поток охлажденного сжатого хладагента; и расширяют с совершением работы поток охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить один поток из числа одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента. Расход потока расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне меньше совокупного расхода одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента в третьей теплообменной зоне; либо дополнительный цикл охлаждения обеспечивают для третьей теплообменной зоны третьей холодильной системой. Использование изобретения позволит повысить кпд и эксплуатационную гибкость процессов сжижения газа. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 8 ил.

Область техники

Сжижение газа осуществляется охлаждением и конденсацией потока исходного газа навстречу нескольким потокам хладагента, обеспечиваемым одной или несколькими циркуляционными холодильными системами. Исходный газ охлаждается разными технологическими циклами охлаждения, например, хорошо известным каскадным циклом, в котором охлаждение обеспечивается тремя разными холодильными контурами. Например, при сжижении природного газа каскадную систему охлаждения можно использовать с последовательными метановым, этиленовым и пропановым циклом, чтобы выполнять охлаждение на трех разных температурных уровнях. Другой хорошо известный холодильный цикл использует цикл смешанных хладагентов с применением предварительно охлажденного пропана, согласно которому многосоставная холодильная смесь выполняет охлаждение в заданных температурных пределах. Смешанный хладагент может включать в себя такие углеводороды, как метан, этан, пропан и другие легкие углеводороды, и также может содержать азот. Варианты этой эффективной холодильной системы используются во многих действующих установках сжиженного природного газа (СПГ) во многих странах.

Еще один тип способа охлаждения для сжижения природного газа использует цикл расширения газа, в котором такой холодильный газ как азот сжимают и охлаждают до условий окружающей среды воздушным или водяным охлаждением и далее охлаждают противоточным теплообменом с холодным газообразным азотом низкого давления. Охлажденный поток азота затем расширяют с совершением работы в турбодетандере и получают холодный газообразный азот низкого давления, который используют для охлаждения исходного природного газа и потока сжатого азота. Работу, совершаемую расширением азота, можно использовать для привода азотного бустер-компрессора, соединенного с валом детандера. При этом холодный расширенный азот используется для сжижения природного газа и также для охлаждения сжатого газообразного азота в том же теплообменнике. Охлажденный сжатый азот затем охлаждается на этапе расширения с совершением работы, чтобы получить холодный азотный хладагент.

Комплексные холодильные системы можно использовать для сжижения газа, согласно которому охлаждение газа от температуры окружающей среды до промежуточной температуры выполняется одним или несколькими циклами повторного сжатия пара, и охлаждение от промежуточной температуры до температуры окончательного сжижения обеспечивают циклом расширения газа. Примеры этих комбинированных циклов сжижения раскрыты в патенте Германии DE 2440215 и патентах США 5768912; 6062041; 6308531 В1 и 6446465 В1.

В процессах согласно патенту DE 2440215 и патентам США 5768912; 6446465 В1 исходный газ и сжатый холодильный газ из цикла расширения газа охлаждаются вместе в общих теплообменниках при помощи охлаждения, обеспечиваемого холодным хладагентом, расширенным с совершением работы. В альтернативном способе согласно патенту США 6308531 В1 исходный газ и сжатый пар хладагента из цикла расширения газа охлаждаются в отдельных теплообменниках за счет охлаждения, обеспечиваемого холодным хладагентом, расширенным с совершением работы. Согласно этому способу дополнительное охлаждение от цикла повторного сжатия пара используют для обеспечения дополнительного охлаждения повторно сжатого пара хладагента в цикле расширения газа. Это можно выполнить путем пропускания потока хладагента из цикла повторного сжатия пара через теплообменник, охлаждающий сжатый пар хладагента. Либо часть сжатого пара хладагента цикла расширения газа можно снова охладить испаряющимся хладагентом в теплообменниках цикла повторного сжатия пара, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение.

Сжижение природного газа является очень энергоемким процессом. Повышение кпд и эксплутационная гибкость процессов сжижения газа при помощи комбинированных холодильных циклов повторного сжатия пара и охлаждения газа очень нужны и являются одной из целей новых циклов, разрабатываемых в области техники сжижения газа. Осуществления настоящего изобретения направлены на обеспечение этой необходимости путем обеспечения множества детандеров в цикле расширения газа в целях уменьшения или устранения необходимости уравновешивания охлаждения между циклами повторного сжатия пара и расширения газа с одновременным обеспечением возможности охлаждения исходного газа и хладагента, получаемого расширением сжатого газа в отдельных теплообменниках, и также с обеспечением возможности автономной работы циклов повторного сжатия пара и расширения газа.

Сущность изобретения

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения процесс ожижения газа включает в себя следующие этапы: охлаждают исходный газ в первой теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками хладагента, обеспечиваемыми в первой холодильной системе; и отводят по существу сжиженный поток из первой теплообменной зоны. По существу сжиженный поток охлаждают в еще большей степени во второй теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками хладагента, расширенными с совершением работы и обеспечиваемыми замкнутой второй холодильной системой, и охлажденный в еще большей степени по существу сжиженный поток отводят из второй теплообменной зоны. Два или более газообразных охлажденных сжатых потоков хладагента расширяют с совершением работы во второй холодильной системе, чтобы обеспечить по меньшей мере один поток из числа упомянутых одного или нескольких потоков хладагента, расширенных с совершением работы, во второй теплообменной зоне.

Действие второй холодильной системы включает в себя следующие этапы:

(1) сжатие одного или нескольких паров хладагента, чтобы обеспечить поток сжатого хладагента;

(2) охлаждение всего или части потока сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками расширенного с совершением работы хладагента, чтобы обеспечить поток газообразного охлажденного сжатого хладагента;

(3) расширение с совершением работы потока газообразного охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить поток холодного расширенного с совершением работы хладагента, с обеспечением одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне; и

(4) расширение с совершением работы потока газообразного охлажденного сжатого хладагента для обеспечения промежуточно-температурного потока, который вводится в или дополняет рабочий цикл охлаждения, обеспечиваемый подогретым холодным расширенным с совершением работы потоком во второй теплообменной зоне или после нее. Расход потока расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне меньше совокупного расхода одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента в третьей теплообменной зоне.

В третьей теплообменной зоне охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. Расход потока сжатого хладагента, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне, может быть меньше совокупного расхода одного или более расширенных с совершением работы потоков хладагента, подогреваемых в третьей теплообменной зоне. Обычно первая холодильная система действует автономно от второй холодильной системы.

Охлаждение исходного газа в первой теплообменной зоне можно выполнять способом, согласно которому сжимают и охлаждают пар хладагента, содержащий один или несколько компонентов, чтобы обеспечить охлажденный и по меньшей мере частично сконденсированный хладагент; снижают давление охлажденного и по меньшей мере частично сконденсированного хладагента, чтобы обеспечить испаряющийся хладагент; и охлаждают исходный газ косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом в первой теплообменной зоне, чтобы обеспечить по существу сжиженный поток и пар хладагента. Исходный газ можно охладить до первой теплообменной зоны косвенным теплообменом с помощью второго испаряющегося хладагента. По меньшей мере часть охлаждения пара хладагента после сжатия можно обеспечить косвенным теплообменом со вторым испаряющимся хладагентом.

Первую часть сжатого пара хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне и вторую часть сжатого пара хладагента можно охладить, расширить с совершением работы и подогреть в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения первой части сжатого пара хладагента.

Согласно альтернативному варианту осуществления сжатый пар хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне и расширить с совершением работы для получения первого расширенного с совершением работы хладагента; первый расширенный с совершением работы хладагент можно подразделить на первый и второй охлажденные хладагенты; первый охлажденный хладагент можно подогреть в третьей теплообменной зоне с обеспечением в ней холода для охлаждения сжатого пара хладагента; второй охлажденный хладагент можно охладить в еще большей степени и расширить с совершением работы для получения второго расширенного с совершением работы хладагента; и второй расширенный с совершением работы хладагент можно подогреть во второй теплообменной зоне для обеспечения в ней холода для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны.

Согласно еще одному варианту осуществления первую часть сжатого пара хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне и расширить с совершением работы для обеспечения первого расширенного с совершением работы хладагента; вторую часть сжатого пара хладагента можно охладить косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, обеспечиваемым третьей холодильной системой, и расширить с совершением работы для получения второго расширенного с совершением работы хладагента; и первый и второй расширенные с совершением работы хладагенты можно подогреть во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны.

В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления сжатый пар хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный сжатый пар хладагента; при этом часть охлажденного сжатого пара хладагента можно расширить с совершением работы и подогреть во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней охлаждение по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны.

Вторая холодильная система может работать согласно первому альтернативному осуществлению по способу, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента, и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент; подогревают холодный расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения охлажденного исходного потока в ней; и отводят из нее промежуточный хладагент;

(f) охлаждают сжатый второй хладагент за счет косвенного теплообмена с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент; и объединяют расширенный с совершением работы второй хладагент с промежуточным хладагентом, чтобы получить объединенный промежуточный хладагент; и

(g) подогревают объединенный промежуточный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить первый пар хладагента.

Вторая холодильная система может действовать согласно второму альтернативному варианту осуществления по способу, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента;

(e) охлаждают сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный сжатый хладагент, и подразделяют охлажденный сжатый хладагент на первый и второй охлажденные сжатые хладагенты;

(f) охлаждают в еще большей степени первый охлажденный сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый более охлажденный хладагент;

(g) расширяют с совершением работы первый более охлажденный хладагент, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы первый хладагент, и расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент;

(h) подогревают первый расширенный с совершением работы хладагент и второй расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны, и отводят объединенный промежуточный хладагент из второй теплообменной зоны; и

(i) подогревают объединенный промежуточный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить первый пар хладагента.

Согласно третьему альтернативному осуществлению вторая холодильная система может работать по способу, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента и второй пар хладагента в многоступенчатом холодильном компрессоре для получения сжатого пара хладагента; и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне для получения первого охлажденного сжатого хладагента и расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент под первым давлением; и подогревают холодный расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и отводят промежуточный хладагент из второй теплообменной зоны;

(f) охлаждают второй сжатый хладагент косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент под вторым давлением, которое выше первого давления; подогревают расширенный с совершением работы второй хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить второй пар хладагента;

(g) подогревают промежуточный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить первый пар хладагента; и

(h) вводят первый пар хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и вводят второй пар хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

Вторая холодильная система может действовать согласно четвертому альтернативному варианту осуществления, в соответствии с которым

(d) сжимают пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента, и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент; и расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы обеспечить первый расширенный с совершением работы хладагент;

(f) охлаждают первый расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить охлажденный первый расширенный с совершением работы хладагент; расширяют с совершением работы охлажденный первый расширенный с совершением работы хладагент, чтобы обеспечить холодный расширенный с совершением работы хладагент; подогревают холодный расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и отводят промежуточный хладагент из второй теплообменной зоны;

(g) охлаждают второй сжатый хладагент косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент; и объединяют расширенный с совершением работы второй хладагент с промежуточным хладагентом, чтобы получить объединенный хладагент; и

(h) подогревают объединенный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее первый пар хладагента.

В пятом альтернативном осуществлении вторая холодильная система может действовать по способу, согласно которому

(d) сжимают первый пар хладагента и второй пар хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре, чтобы получить сжатый пар хладагента;

(e) охлаждают сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить первый холодный расширенный с совершением работы хладагент под первым давлением; и подразделяют первый холодный расширенный с совершением работы хладагент на первый и второй холодные хладагенты;

(f) подогревают первый холодный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить второй пар хладагента;

(g) охлаждают второй холодный хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить второй расширенный с совершением работы хладагент под вторым давлением, меньшим, чем первое давление;

(h) подогревают второй расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней охлаждение по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны и обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить первый пар хладагента; и

(i) вводят первый пар хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и вводят второй пар хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

Вторая холодильная система может действовать согласно шестому альтернативному осуществлению, в соответствии с которым

(d) сжимают пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента; и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить первый охлажденный сжатый хладагент; и расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы первый хладагент; подогревают холодный расширенный с совершением работы первый хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и формируют частично подогретый хладагент во второй теплообменной зоне;

(f) охлаждают второй сжатый хладагент косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы обеспечить промежуточный охлажденный хладагент; в еще большей степени охлаждают промежуточный охлажденный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить охлажденный второй сжатый хладагент; и расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы второй хладагент;

(g) объединяют холодный расширенный с совершением работы второй хладагент и частично подогретый хладагент, чтобы получить объединенный промежуточный хладагент; подогревают объединенный промежуточный хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить дополнительный холод для охлаждения в ней по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и отводят частично подогретый хладагент из второй теплообменной зоны; и

(h) подогревают частично подогретый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента и второго сжатого хладагента в ней; отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить первый пар хладагента.

В этом шестом варианте осуществления дополнительное охлаждение можно обеспечить для третьей теплообменной зоны путем подогрева в ней части одного или нескольких хладагентов, обеспечиваемых в первой холодильной системе. Дополнительное охлаждение можно обеспечить для первой теплообменной зоны подогреванием в ней части промежуточного охлажденного хладагента, обеспечиваемого во второй холодильной системе.

Вторая холодильная система может действовать согласно седьмому альтернативному варианту осуществления, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента и второй пар хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре, чтобы получить сжатый пар хладагента;

(е) охлаждают сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный сжатый хладагент; и подразделяют охлажденный сжатый хладагент на первый и второй охлажденные хладагенты;

(f) расширяют с совершением работы первый охлажденный хладагент, чтобы обеспечить первый расширенный с совершением работы хладагент под первым давлением; подогревают первый расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны и обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить второй пар хладагента;

(g) охлаждают второй охлажденный хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы обеспечить второй расширенный с совершением работы хладагент под вторым давлением, меньшим, чем первое давление;

(h) подогревают второй расширенный с совершением работы хладагент, чтобы обеспечить холод для охлаждения охлажденного исходного потока во второй теплообменной зоне и чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить первый пар хладагента; и

(i) вводят первый пар хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и вводят второй пар хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

Во всех осуществлениях исходный газ может быть природным газом. Во всех осуществлениях один или несколько хладагентов в первой холодильной системе может быть выбран из группы, состоящей из азота; углеводородов, имеющих один или более атомов углерода; и галогенуглеводородов, имеющих один или более атомов углерода. Также во всех осуществлениях пар хладагента во второй холодильной системе может содержать один или несколько компонентов, выбранных из группы, состоящей из азота, аргона, метана, этана и пропана.

Варианты осуществления изобретения можно выполнить в системе для сжижения газа, содержащей

(а) первую холодильную систему и первое теплообменное средство, выполненные с возможностью охлаждения исходного газа косвенным теплообменом с одним или несколькими хладагентами, обеспечиваемыми первой холодильной системой, в целях обеспечения по существу сжиженного потока;

(b) вторую холодильную систему и второе теплообменное средство, выполненные с возможностью последующего охлаждения по существу сжиженного потока косвенным теплообменом с одним или несколькими расширенными с совершением работы хладагентами, обеспечиваемыми второй холодильной системой, в целях обеспечения в еще большей степени охлажденного по существу сжиженного потока;

(с) средство сжатия газа для сжатия одного или нескольких потоков пара хладагента и третье теплообменное средство, выполненное с возможностью охлаждения одного или нескольких потоков сжатых паров хладагента во второй холодильной системе;

(d) два или более детандеров для расширения с совершением работы потоков охлажденного сжатого пара хладагента во второй холодильной системе для обеспечения двух или более потоков холодного расширенного с совершением работы хладагента; и

(e) трубную обвязку для перемещения двух или более потоков холодного расширенного с совершением работы хладагента из двух или более детандеров во второе теплообменное средство или во второе и третье теплообменные средства.

В этой системе третье теплообменное средство не предназначено для охлаждения исходного газа или охлажденного исходного потока. Система может также содержать третью холодильную систему для охлаждения по меньшей мере одного или нескольких потоков сжатого пара хладагента второй холодильной системы. Третья холодильная система может быть выполнена с возможностью охлаждения исходного газа перед первым теплообменным средством.

Краткое описание чертежей

Излагаемое ниже описание приводится только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи в данное время предпочтительных осуществлений изобретения. На чертежах:

Фиг.1 – схема процесса сжижения газа согласно одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений.

Фиг.2 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений.

Фиг.3 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками разных давлений.

Фиг.4 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением трех детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений.

Фиг.5 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками разных давлений.

Фиг.6 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений и потоком уравновешивающего охлаждения.

Фиг.7 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений и потоком уравновешивающего охлаждения.

Фиг.8 – схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками разных давлений.

Подробное описание изобретения

В вариантах осуществления излагаемого изобретения используется несколько детандеров в газорасширительной холодильной системе для переохлаждения исходного газа, по существу сжиженного; упомянутую систему целесообразно использовать для переохлаждения потока сжиженного природного газа. Исходный газ можно по существу сжижать путем теплообмена с двумя или более компонентами хладагента или с многокомпонентным хладагентом, содержащим два или более компонентов, в теплообменном оборудовании, отдельном от теплообменного оборудования, применяемого для переохлаждения исходного газа после его существенного сжижения. Использование отдельного теплообменного оборудования для каждого рабочего цикла обеспечивает возможность оптимальной конструкции газорасширительной холодильной системы, которая в основном использует потоки холодильного пара и холодильной системы, работающей с повторным сжатием пара и использующей один или несколько потоков испаряющегося хладагента. Раздельность оборудования может быть также целесообразной в случае переделки газорасширительной холодильной системы в установку сжижения газа известного уровня техники.

Холодильная система определяется как одна или несколько замкнутых холодильных контуров или циклов; при этом в каждом контуре или цикле хладагент сжимается, его давление снижается и он подогревается для обеспечения охлаждения путем косвенной теплопередачи одному или нескольким охлаждаемым технологическим потокам. Хладагент может быть однокомпонентным или смесью двух или более компонентов. В холодильном контуре или цикле, в которых применяется повторное сжатие пара, холодильный пар сжимается, охлаждается, полностью или почти полностью конденсируется, его давление снижается и он испаряется с обеспечением охлаждения; и пар повторно сжимается для завершения контура или цикла. Расширенный с совершением работы хладагент может быть однофазным газом или может быть в основном газом с небольшим количеством жидкости; при этом расширенный с совершением работы хладагент может содержать 0-20% жидкости в мольном исчислении.

Высокий термодинамический кпд в цикле охлаждения обеспечивается, когда кривые подогревания и охлаждения текучей среды тесно приближаются друг к другу по всей их длине. Если газорасширительная холодильная система использует теплообменное оборудование, являющееся отдельным от теплообменного оборудования испаряющей холодильной системы, то течение охлажденного газа высокого давления в детандере то же, что и течение подогретого газа более низкого давления, возвращающегося из детандера. Из-за разных теплоемкостей газа на двух уровнях давления кривые подогревания и охлаждения невозможно удерживать параллельно друг к другу по всей их длине. Для регулирования этой разности поток уравновешивания охлаждения обычно создается между теплообменниками сжижения и частью газорасширительных теплообменников, которые работают на одном и том же температурном уровне. За счет этого повышается кпд процесса – путем обеспечения более параллельных кривых подогревания и охлаждения, но недостаток этого технического решения заключается в том, что газорасширительная холодильная система и применяющая повторное сжатие пара холодильная система в этом случае не являются автономными.

Упоминаемый выше патент США №6308531 описывает цикл сжижения, в котором охлаждение, сжижение и переохлаждение исходного газа, предпочтительно – природного газа, выполняется с помощью двух холодильных систем. Более теплая холодильная система использует два каскадных цикла повторного сжатия пара: пропановый цикл и цикл смешанного хладагента, или два цикла смешанного хладагента. Наиболее холодное охлаждение обеспечивается газорасширительной холодильной системой, предпочтительно с использованием азота в качестве рабочей жидкости. Фиг.1 патента США №6308531 показывает однодетандерную холодильную систему с уравновешивающим потоком смешанного хладагента, используемым в теплом газорасширительном теплообменнике. Фиг.2 этого патента показывает часть газообразного азота высокого давления, охлаждаемого в теплообменнике смешанного хладагента в качестве альтернативы созданию уравновешивания охлаждения в газорасширительных теплообменниках. Данное изобретение позволяет полностью отделить газорасширительную холодильную систему от холодильного контура, использующего повторное сжатие пара, являющегося смешанным хладагентом, без ущерба термодинамическому кпд. Это достигается при помощи двух или более детандеров в газорасширительной холодильной системе в целях снижения или устранения необходимости в уравновешивающем охлаждении между теплообменниками смешанного хладагента и газорасширительными теплообменниками.

В данном описании холодильная система является системой, содержащей один или несколько холодильных контуров, используемых с одним или несколькими соответствующими теплообменниками для охлаждения одного или нескольких технологических потоков путем косвенного теплообмена с одним или несколькими хладагентами, обеспечиваемыми одним или несколькими холодильными контурами. Холодильный контур является контуром хладагента, в котором пар хладагента сжимается, охлаждается, его давление снижается и он подогревается в теплообменнике(ах), чтобы охладить один или несколько технологических потоков косвенным теплообменом. Подогревающий хладагент может быть однофазной или двухфазной текучей средой. Подогретый пар хладагента сжимают в завершение контура. Одиночный холодильный контур может включать в свой состав специализированный компрессор, или несколько холодильных контуров могут включать в свой состав общий компрессор, в котором сжатый пар хладагента подразделяется и циркулирует по нескольким холодильным контурам под разными давлениями. Теплообменником является устройство, осуществляющее косвенный теплообмен между одним или несколькими подогревающими потоками и одним или несколькими охлаждающими потоками; причем подогревающие и охлаждающие потоки физически отделены друг от друга. Теплообменная зона может содержать один или несколько теплообменников, либо она может включать в себя секцию теплообменника.

Обнаружено, что второй детандер можно установить в газорасширительной холодильной системе таким образом, чтобы минимизировать и, в предпочтительном осуществлении, устранить необходимость уравновешивающего потока без ущерба термодинамическому кпд процесса. Второй, меньший, детандер установлен таким образом, что принимает относительно теплый газ и расширяет его до уровня промежуточной температуры. Этот расширенный поток промежуточной температуры вводится в или дополняет возвратный газ более низкого давления из холодного детандера после того, как холодный расширенный газ в основном выполнил цикл переохлаждения СПГ. Расширенный газ промежуточной температуры заменяет уравновешивающий поток смешанного хладагента в теплообменнике расширения теплого газа. Третий детандер можно также использовать в газорасширительной холодильной системе для дальнейшего повышения кпд процесса. Как правило, использование нескольких детандеров повышает кпд газорасширительной холодильной системы за счет обеспечения кривой подогревания хладагента, более близкой к кривой охлаждения хладагента, чем это возможно с кривой однодетандерного подогревания хладагента.

Согласно одному из осуществлений настоящего изобретения несколько детандеров объединены в газорасширительную холодильную систему, которая обеспечивает охлаждение для переохлаждения исходного газа, по существу сжиженного первой холодильной системой. Это техническое решение позволяет отсоединить газорасширительную холодильную систему от холодильной системы, которая обеспечивает более теплое охлаждение. Получаемая при этом конфигурация оборудования повышает термодинамический кпд цикла охлаждения и обеспечивает возможность оптимального конструирования теплообменного оборудования для каждой холодильной системы. Отсоединение холодильных систем также обеспечивает возможность более эффективного конструирования, если газорасширительная холодильная система предусматривается как часть развязки узких мест или расширения данной установки.

Первая холодильная система, которая обеспечивает по меньшей мере часть охлаждения, требуемого для существенного сжижения исходного газа, может применять два или более холодильных компонентов в одном или нескольких холодильных контурах или циклах, использующих повторное сжатие пара. Вторая холодильная система, которая обеспечивает по меньшей мере часть охлаждения, требуемого для переохлаждения по меньшей мере частично сжиженного исходного газа, применяет расширение с совершением работы пара хладагента повышенного давления или газовой смеси по меньшей мере в двух детандерах. Несколько детандеров создают охлаждение на нескольких температурных уровнях, и пар хладагента повышенного давления охлаждается до расширения в одном или нескольких теплообменниках или секциях теплообменника, которые не охлаждают поток исходного газа.

Для обеспечения охлаждения высокого и среднего уровней, нужного для охлаждения и существенного сжижения потока исходного газа, можно использовать любой тип первой холодильной системы, применяющей один или несколько холодильных контуров. Один или несколько хладагентных компонентов можно использовать в одном или более холодильных контурах или циклов повторного сжатия пара. Например, первая холодильная система может использовать только контур испаряющегося смешанного хладагента, содержащий два или более хладагентных компонентов. Либо первая холодильная система может также иметь второй холодильный контур, использующий испаряющийся однокомпонентный хладагент или испаряющийся смешанный хладагент, состоящий из двух или более хладагентных компонентов. Либо первый и второй холодильные контуры первой холодильной системы могут использовать испаряющиеся однокомпонентные хладагенты или испаряющиеся смешанные хладагенты. Один из двух или оба холодильных контура могут использовать хладагенты, испаряющиеся на нескольких уровнях давления, и могут включать в себя, например, каскадные холодильные контуры. Этот процесс не зависит от конфигурации первой холодильной системы, которая используется для обеспечения охлаждения, нужного для охлаждения и существенного сжижения потока исходного газа.

Хладагент в первой холодильной системе может содержать один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из азота, углеводородов, имеющих один или более атомов углерода; и галогенуглеродов, содержащих один или более атомов углерода. Типичными углеводородными хладагентами являются метан, этан, изопропан, пропан, изобутан, бутан, пентан и изопентан. В состав распространенных галогенуглеродных хладагентов входят R22, R32, R134a, R410а. Хладагент во второй холодильной системе, т.е. в газорасширительной системе, может быть одиночным компонентом или смесью компонентов, выбираемых из группы, состоящей из азота, аргона, метана, этана и пропана.

Этот процесс можно использовать для сжижения любого потока исходного газа, и он поясняется для сжижения природного газа на чертеже Фиг.1. Исходный природный газ в линии 1, очищенный и высушенный в секции предварительной обработки (не показана) для удаления таких кислых газов, как CO₂ и H₂S, и удаления таких других примесей, как ртуть, поступает в предусматриваемую как вариант секцию 3 теплообменника предварительного охлаждения и охлаждается там до промежуточной температуры от около -10°С до -30^оС при помощи такого испаряющегося хладагента, как пропан или смешанный хладагент. Испаряющийся хладагент обеспечивается циркуляционным холодильным контуром (не показан) любого известного в технике типа.

Поток 5 предварительно охлажденного природного исходного газа поступает в скруббер 7, где из исходного газа удаляются такие более тяжелые компоненты, как пентан, и более тяжелые углеводороды, чтобы они потом не были заморожены в процессе сжижения. Скруббер имеет расположенный сверху него конденсатор 9, который также может использовать такой хладагент, как пропан или смешанный хладагент, для обеспечения обратного стока в скруббер. Кубовый продукт из скруббера в линии 11 направляется в секцию 13 фракционирования, где тяжелые компоненты отделяются и рекуперируются по линии 15, и более легкие компоненты в линии 17 снова объединяются с головным паровым продуктом скруббера, формируя очищенный природный газ в линии 19. Легкий продукт в линии 17 может быть либо потоком пара, либо потоком жидкости, и его предпочтительно предварительно охлаждают приблизительно до той же температуры, что и головной поток пара из скруббера 7.

Очищенный природный газ в линии 19 затем охлаждается до температуры ниже -50^оС, предпочтительно в приблизительных пределах от -100^оС до -120^оС, и он предпочтительно по существу сжижается в первой теплообменной зоне или в теплообменнике 21 смешанного хладагента косвенным теплообменом с нагревающимся и испаряющимся имеющим промежуточную температуру смешанным хладагентом, обеспечиваемым по линии 23. Термин «по существу сжиженный» означает, что по существу сжиженный поток в результате его адиабатического расширения дросселированием до атмосферного давления будет иметь жидкую фракцию между 0,25 и 1,0 и предпочтительно между 0,5 и 1,0. Жидкая фракция 1,0 является полностью сжиженным или сконденсированным потоком, при этом жидкость может быть либо насыщенной, либо переохлажденной; и нулевая жидкая фракция является потоком, являющимся полностью паром и не содержащим жидкость. По существу сжиженный поток может находиться под любым давлением, включая и давление выше критического давления потока.

По существу сжиженный природный газ в линии 25 далее охлаждается до температуры от около -120°С до -160°С во второй теплообменной зоне или в теплообменнике 27 косвенным теплообменом с холодным расширенным с совершением работы хладагентом в линии 29, обеспечиваемым детандером 31. Этот холодный хладагент, обычно азот, преимущественно является паром с типичным содержанием жидкости менее 20% (мольных) под давлением около 15-30 бар (1,5-3 МПа) и с температурой от около -122°С до -162°С.

Получаемый при этом охлажденный в еще большей степени и по существу сжиженный природный газ в линии 33 может иметь давление выше или ниже критического давления и может быть переохлажденной жидкостью, если находится под давлением ниже его критического давления. Охлажденный в еще большей степени и по существу сжиженный природный газ в линии 33 можно мгновенно адибатически испарить до давления около 1,05-1,2 бар (0,105-0,12 МПа) в дроссельном клапане 35. Альтернативно, давление переохлажденного СПГ в линии 33 можно понизить детандером плотной жидкости или при помощи комбинации детандера и клапана. СПГ низкого давления по линии 37 поступает в сепаратор или в резервуар 39, и получаемая продукция – СПГ выходит в линию 41. В некоторых случаях, в зависимости от состава природного газа и температуры СПГ, выходящего из теплообменника 27, после мгновенного испарения при помощи клапана 35 образуется значительное количество легкого газа в линии 43. В этих случаях мгновенно испарившийся газ в линии 43 можно подогреть и сжать до давления, достаточного для использования в качестве топливного газа в установке СПГ или для другого применения.

Холодильный процесс для охлаждения и существенного сжижения исходного потока 1 природного газа выполняется контуром смешанного хладагента промежуточной температуры в теплообменнике 21 и, в этом примере, таким вторым хладагентом, как пропан, или вторым смешанным хладагентом во втором холодильном контуре, который обеспечивает охлаждение при более высоких температурах в секции 3 теплообменника предварительного охлаждения. Хладагент в линии 23 нагревается и испаряется в теплообменнике 21 для обеспечения охлаждения в нем, и выходит в виде пара хладагента в линии 45. Этот пар хладагента сжимается до надлежащего высокого давления в многоступенчатом компрессоре 47 промежуточного охлаждения, охлаждается во вторичном холодильнике 49 окружающей среды и далее охлаждается, и либо частично, либо полностью конденсируется в секции 51 теплообменника косвенным теплообменом с дополнительным испаряющимся хладагентом, таким как пропан или смешанный хладагент. Этот испаряющий хладагент обеспечивается циркуляционным холодильным контуром (не показан) любого известного типа и может быть тем же упоминаемым выше циркуляционным холодильным контуром, который обеспечивает охлаждение для секции 3 теплообменника.

Предварительно охлажденный смешанный хладагент высокого давления в линии 53 входит в теплообменник 21 смешанного хладагента с промежуточной температурой около -20°С до -40°С и под давлением около 50-70 бар (5-7 МПа). Смешанный хладагент высокого давления охлаждается до температуры от около -100°С до -120°С и предпочтительно полностью конденсируется в теплообменнике 21, и выходит в линию 55. Поток сконденсированного смешанного хладагента высокого давления в линии 55 мгновенно испаряется при помощи клапана 57 (или детандером плотной фазы) до давления около 3-6 бар (0,3-0,6 МПа) и идет в холодный конец теплообменника 21 в линии 23. Поток смешанного хладагента низкого давления подогревается и испаряется в теплообменнике 21, и в виде подогретого смешанного хладагента выходит в линию 45.

Охлаждение потока природного газа в линии 1 для обеспечения охлажденного и по существу сжиженного природного газа в линии 25, согласно вышеизложенному, при этом обеспечивается первой холодильной системой, которая включает в себя контур смешанного хладагента промежуточной температуры, который обеспечивает охлаждение для теплообменника 21; холодильный контур, который обеспечивает такой второй хладагент, как пропан или другой смешанный хладагент, для секции 3 теплообменника предварительного охлаждения исходного потока; и холодильный контур, который обеспечивает такой третий хладагент, как пропан или другой смешанный хладагент, для секции 51 теплообменника. Как упомянуто выше, один и тот же холодильный контур может обеспечивать и второй, и третий хладагенты.

Последующее охлаждение по существу сжиженного природного газа в линии 25 выполняется многодетандерной газорасширительной системой, которая использует хладагент, содержащий один или несколько газов, выбранных из группы, состоящей из азота, аргона, метана, этана и пропана. В этом пояснении в качестве хладагента используется азот. Азот высокого давления в линии 59 при температуре окружающей среды и под давлением около 50-80 бар (5-8 МПа) подразделяется на две части. Более крупная часть в линии 61 поступает в третью теплообменную зону или в теплый газорасширительный теплообменник 63 и охлаждается до температуры от около -100°С до -120°С. Охлажденный азот высокого давления в линии 65 расширяется с совершением работы в холодном детандере 31, выходит под давлением около 15-30 бар (1,5-3 МПа) и температуре от около -152°С до -162°С. Обычно давление на выходе детандера равно давлению точки конденсации азота при температуре, достаточно низкой, чтобы обеспечить нужный уровень переохлаждения СПГ в линии 33, или близко к этому давлению. Расширенный с совершением работы хладагент может содержать до 20% жидкости (в мольном исчислении). Поток холодного расширенного с совершением работы азота в линии 29 нагревается в холодном газорасширительном теплообменнике 27 и обеспечивает холод, нужный для переохлаждения потока СПГ в линии 33; и промежуточный нагретый азот выходит из теплообменника по линии 67.

Меньший поток азота высокого давления в линии 69 можно переохладить до промежуточной температуры около -20°С до -40°С таким хладагентом, как пропан или второй смешанный хладагент, в секции 71 теплообменника. Поток предварительно охлажденного азота высокого давления в линии 73 расширяется с совершением работы в теплом детандере 75 и выходит под давлением около 15-30 бар (1,5-3 МПа) и при температуре от около -90°С до -110^оС. Поток расширенного с совершением работы хладагента в линии 77 объединяется с потоком подогретого азота в линии 67 из холодного теплообменника 27, и объединенный поток идет по линии 79 в теплый теплообменник 63. Объединенный поток азота подогревается до температуры окружающей среды в теплом теплообменнике 63, отводится по линии 81 и сжимается до соответствующего высокого давления во многоступенчатом компрессоре 83 промежуточного охлаждения, и обеспечивает для циркуляции поток 59 азота высокого давления. Введение меньшего потока 77 расширенного азота для подогревания в теплообменнике 63 обеспечивает приближающиеся к идеальным кривые охлаждения в теплом газорасширительном теплообменнике 63, т.е. кривые подогревания и охлаждения текучей среды тесно приближаются друг к другу по всей их длине.

Весь или его часть, азот высокого давления в линии 59 можно предварительно охладить пропаном или другим хладагентом высокого уровня в качестве альтернативы предварительному охлаждению части, поступающей в холодный детандер 31, в теплом теплообменнике 63, и предварительному охлаждению части, поступающей в теплый детандер 75, пропаном или другим хладагентом в теплообменной секции 71. Альтернативно, газорасширительная холодильная система может работать без предварительного охлаждения сжатого азота до теплообменника 63 и детандера 75. Эти варианты предварительного охлаждения хладагента в газорасширительной системе относятся ко всем осуществлениям настоящего изобретения.

Теплый и холодный газорасширительные теплообменники 63 и 27 можно объединить в единую установку, и они могут быть теплообменником любого типа: пластинчатым-оребренным, змеевиковым, кожухотрубным, или любой комбинацией этих конструкций теплообменника. Аналогично, теплообменник 21 смешанного хладагента и предусматриваемые как вариант секции 3, 51 и 71 теплообменников предварительного охлаждения могут состоять из одиночного теплообменника или из множественных теплообменников, и могут иметь любую целесообразную конструкцию. Эти варианты теплообменника относятся к любому осуществлению настоящего изобретения. Данное изобретение не зависит от числа или компоновки теплообменников, используемых в излагаемом процессе.

Если смешанный хладагент высокого давления в линии 53 является двухфазной смесью, то паровую и жидкую фракции можно охлаждать раздельно в теплообменнике 21 смешанного хладагента и испарять их либо раздельно под давлением одинакового уровня или под давлениями разных уровней, или как объединенный поток в теплообменнике 21. Смешанный хладагент можно также подразделить на два или более потоков, которые можно испарять на разных уровнях давления. Смешанный хладагент можно подразделить на один или более равновесных (пар/жидкость) разделений, или на одну или несколько однофазных частей, или на любую их комбинацию. Эти варианты смешанного хладагента можно использовать в любом холодильном контуре первой холодильной системы, и они также применимы для любого осуществления настоящего изобретения. Данное изобретение не зависит от конфигурации первой холодильной системы, которая используется для обеспечения холода, нужного для охлаждения и существенного сжижения потока исходного газа.

Обычно по меньшей мере 40% всего холодильного цикла для конверсии исходного природного газа в линии в продукцию СПГ в линии 41 обеспечиваются первой холодильной системой. В осуществлении согласно Фиг.1 это охлаждение обеспечивается в секции 3 теплообменника, секции 51 теплообменника и в теплообменнике 21.

Особенность варианта осуществления согласно Фиг.1 заключается в том, что первая холодильная система, т.е. система, содержащая компрессор 47, теплообменник 21 и расширительный клапан 57, может действовать автономно от второй холодильной системы, т.е. системы, содержащей компрессор 83, теплообменники 27 и 63 и детандеры 31 и 75. Автономное действие означает, что между смешанным хладагентом в первой холодильной системе и азотным хладагентом во второй холодильной системе теплообмен не происходит; и между этими двумя холодильными системами уравновешивающее охлаждение не требуется.

Еще одна особенность заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота в линии 29 во второй теплообменной зоне 27 обычно меньше расхода потока 79 расширенного с совершением работы азота в третьей теплообменной зоне 63. В третьей теплообменной зоне 63 охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. Причем расход сжатого азота в линии 61, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне 63, обычно меньше расхода объединенного расширенного с совершением работы азота в линии 79, подогреваемого в третьей теплообменной зоне 63.

Альтернативный вариант осуществления изобретения показан на Фиг.2. В этом альтернативном варианте осуществления весь хладагент – азот высокого давления в линии 59 от компрессора 83 предварительно охлаждается в теплом газорасширительном теплообменнике 63; и этот азот высокого давления не охлаждается таким хладагентом, как пропан в теплообменной секции 71, показываемой на Фиг.1. Меньшая часть частично охлажденного хладагента азота в теплообменнике 63 отводится в промежуточной точке по линии 201 и расширяется с совершением работы в детандере 203, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы азот в линии 205. Расширенный азот в линии 205 предпочтительно смешивается с частично подогретым расширенным потоком азота в промежуточной точке в теплообменнике 27 при температуре, несколько более низкой, чем температура поступающего по существу сжиженного природного газа в линии 25.

Альтернативно, азот высокого давления в линии 59 можно разделить на две части (не показаны), которые отдельно охлаждаются в теплообменнике 63. Тот или другой, или оба теплообменника 27 и 63 можно при необходимости разделить на два теплообменника. Охлаждение азота высокого давления в линии 201 можно также выполнить при помощи комбинации охлаждения в теплом теплообменнике 63 и охлаждения при помощи другого хладагента высокого уровня, такового как пропан.

В этом примере СПГ мгновенного испарения в линии 43 от сепаратора 39 подогревается в газовых теплообменниках 27 и 63, выходит по линии 207 и сжимается в газовом компрессоре 209 мгновенного испарения до давления, достаточного для использования в качестве топливного газа в СПГ-установке или для другого применения. Но подогревание газа мгновенного испарения в теплообменниках 27 и 63 не является обязательным и не требуется в каком-либо осуществлении настоящего изобретения.

Особенность варианта осуществления согласно Фиг.2 заключается в том, что первая холодильная система, т.е. система, содержащая компрессор 47, теплообменник 21 и клапан расширения 57, работает автономно от второй холодильной системы, т.е. системы, содержащей компрессор 83, теплообменники 27 и 63, и детандеры 31 и 203. Автономная работа означает, что теплообмен между смешанным хладагентом в первой холодильной системе и хладагентом-азотом во второй холодильной системе не происходит. Между этими двумя холодильными системами в этом осуществлении уравновешивающее охлаждение не требуется.

Еще одна особенность заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота по линии 29 во второй теплообменной зоне 27 перед объединением с расширенным азотом в линии 205 может быть меньше расхода объединенного потока 79 расширенного с совершением работы азота в третьей теплообменной зоне 63. В третьей теплообменной зоне 63 охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. Помимо этого, расход сжатого азота, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне 63 после отведения азота по линии 201, может быть меньше расхода комбинированного расширенного с совершением работы азота в линии 79, подогреваемого в третьей теплообменной зоне 63.

Еще один вариант осуществления изобретения представлен на Фиг.3 и является модификацией варианта осуществления Фиг.1 и 2. Заранее охлажденный азот высокого давления в линии 73 расширяется в теплом детандере 75 до промежуточного давления, например, до 25-45 бар (2,5-4,5 МПа). Расширенный азот промежуточного давления в линии 301 подогревается отдельно в теплом газорасширительном теплообменнике 303 и течет в промежуточную ступень многоступенчатого компрессора 305, чтобы снизить потребность в энергии. Альтернатива этому осуществлению заключается в отведении потока 307 из промежуточной ступени компрессора 305 под промежуточным давлением, охлаждение его в секции 71 теплообменника, расширение охлажденного потока в линии 73 до более низкого уровня давления в детандере 75 и объединение расширенного потока более низкого давления в линии 301 с промежуточным теплым хладагентом в линии 67 для подогрева в теплом газорасширительном теплообменнике 303 в соответствии с Фиг.1. В обеих альтернативах поток азота высокого или промежуточного давления в линии 307 можно охлаждать либо таким хладагентом высокого уровня, как пропан, в секции 71 теплообмена, как показано на схеме, или в теплом теплообменнике 303, или при помощи комбинации и того, и другого.

Особенность варианта осуществления согласно Фиг.3 заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота по линии 29 во второй теплообменной зоне 27 обычно меньше совокупного расхода потоков 67 и 301 расширенного с совершением работы азота в третьей теплообменной зоне 303. В третьей теплообменной зоне 303 охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. При этом расход сжатого азота в линии 306, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне 303, обычно меньше совокупного расхода расширенного с совершением работы азота в линиях 67 и 301, подогреваемого в третьей теплообменной зоне 303.

Фиг.4 показывает альтернативный вариант осуществления технического решения согласно Фиг.1; поток охлажденного азота высокого давления в линии 65 расширяется с совершением работы двумя этапами. Сначала поток расширяется в промежуточном детандере 31 до промежуточного давления, например, 25-45 бар (2,5-4,5 МПа) и до температуры ниже температуры потока входящего по существу сжиженного природного газа в линии 25. Расширенный поток промежуточного давления в линии 29 предпочтительно подогревают в холодном газорасширительном теплообменнике 401 для обеспечения охлаждения в нем и затем далее расширяют в холодном детандере 403 до более низкого давления, например, 15-30 бар (1,5-3 МПа). Поток расширенного с совершением работы азота более низкого давления в линии 405 тогда обеспечивает наиболее холодный уровень охлаждения в холодном теплообменнике 401 для переохлаждения потока поступающего по существу сжиженного природного газа в линии 25.

Часть потока расширенного азота промежуточного давления в линии 405, предпочтительно после подогрева в холодном теплообменнике 401, можно подогреть отдельно (не показано) в теплом теплообменнике 63 и направить в промежуточную ступень многоступенчатого компрессора 83. Как и в варианте осуществления согласно Фиг.3, поток азота высокого давления в линии 69 можно предварительно охладить либо хладагентом высокого уровня, такого как пропан, в секции 71 теплообменника, как показано на чертеже, либо в теплом теплообменнике 63, или их можно охладить комбинацией и того, и другого.

Введение промежуточного детандера в этом варианте осуществления обеспечивает охлаждение с более высоким термодинамическим кпд в холодном газорасширительном теплообменнике 401. Кривые подогревания и охлаждения текучей среды в этом теплообменнике приближаются друг к другу теснее по всей длине, и это представляет собой преимущество, но для этого требуется еще одна единица оборудования системы, т.е. детандер 403.

Особенность варианта осуществления согласно Фиг.4 заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота по линии 405 во второй теплообменной зоне 401 обычно меньше, чем расход потока 407 расширенного с совершением работы азота в третьей теплообменной зоне 63. В третьей теплообменной зоне 63 охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. Помимо этого, расход сжатого азота в линии 61, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне 63, обычно меньше расхода расширенного с совершением расхода азота в линии 407, подогреваемого в третьей теплообменной зоне 63.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения показан на Фиг.5, на котором газорасширительная холодильная система использует две стадии расширения. Поток предварительно охлажденного азота высокого давления в линии 501 отводится из промежуточного пункта в теплом теплообменнике 503 и расширяется в теплом детандере 31 до промежуточного давления, например, до 25-45 бар (2,5-4,5 МПа) и до температуры ниже температуры входящего потока природного газа в линии 25. Часть потока расширенного азота промежуточного давления в линии 29 отводится по линии 505, подогревается отдельно в теплом газорасширительном теплообменнике 503 и направляется в промежуточную ступень многоступенчатого компрессора 507, чтобы понизить потребность в энергии.

Остающийся азот промежуточного давления в линии 509, предпочтительно после повторного нагревания в холодном газорасширительном теплообменнике 511, далее расширяется в холодном детандере 513 до более низкого давления, например, до 15-30 бар (1,5-3 МПа). Поток расширенного азота более низкого давления в линии 515 при этом обеспечивает самый холодный уровень охлаждения в холодном газорасширительном теплообменнике 511, который требуется для переохлаждения поступающего потока по существу сжиженного природного газа в линии 25. Теплый поток азота высокого давления в линии 517 можно, как вариант, предварительно охладить либо в теплом теплообменнике 503, как показано на чертеже, или таким хладагентом высокого уровня, как пропан, или комбинацией и того, и другого.

Особенность варианта осуществления согласно Фиг.5 заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота по линии 515 во второй теплообменной зоне 511 обычно меньше совокупного расхода потоков расширенного с совершением работы азота в линиях 505 и 519 в третьей теплообменной зоне 503. В третьей теплообменной зоне 503 охлаждения исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит.

Прочие варианты осуществления изобретения могут использовать интегрированный уравновешивающий поток между теплообменниками газорасширительного охлаждения и теплообменниками смешанного хладагента, чтобы обеспечить более термодинамически эффективную интеграцию двух холодильных систем. Эти осуществления, в которых тоже используются несколько детандеров, могут обеспечить более эффективную конструкцию для развязки узких мест или расширения в существующих установках ожижения газа.

Фиг.6 показывает многодетандерную газорасширительную холодильную систему с уравновешивающим потоком смешанного хладагента, используемым в теплом газорасширительном теплообменнике 601. Небольшая часть смешанного хладагента высокого давления в линии 603 отводится по линии 605 и мгновенно испаряется до промежуточного давления при помощи клапана 607. Получаемый при этом поток смешанного хладагента промежуточного давления в линии 609, обычно при температуре от -90°С до -110°С и под давлением 5-10 бар (0,5-1 МПа) подогревается в теплом газорасширительном теплообменнике 601, чтобы обеспечить более параллельные кривые подогревания и охлаждения в этом теплообменнике и тем самым повысить кпд процесса. Подогретый поток 611 смешанного хладагента почти при температуре окружающей среды возвращается в промежуточную ступень многоступенчатого компрессора 613 смешанного хладагента для циркуляции. Либо уравновешивающий поток конденсированного смешанного хладагента высокого давления в линии 605 можно мгновенно испарить до самого низкого давления контура смешанного хладагента, например, до 3-6 бар (0,3-0,6 МПа), подогреть до промежуточной температуры в теплом теплообменнике 601, например, от -20°С до -40°С, и вернуть в первую ступень компрессора 613 смешанного хладагента.

В газорасширительной холодильной системе согласно этому варианту осуществления предварительно охлажденная меньшая часть потока азота высокого давления в линии 615 предпочтительно охлаждается в еще большей степени в теплом теплообменнике 601 до температуры ниже температуры пропана или другого хладагента высокого уровня перед расширением с совершением работы в теплом детандере 617. Поток расширенного азота промежуточного давления в линии 619 предпочтительно смешивают с частично подогретым холодным потоком азота в линии 29 в промежуточной точке в холодном газорасширительном теплообменнике 27 при температуре ниже температуры поступающего потока 25 по существу сжиженного природного газа. Либо тот, либо другой, или оба теплообменника 27 и 601 можно подразделить, если необходимо, на два или более теплообменника.

Фиг.7 показывает альтернативную многодетандерную газорасширительную холодильную систему, в которой часть газообразного азота высокого давления охлаждается в теплообменнике 705 смешанного хладагента в качестве альтернативы обеспечению более эффективного уравновешивания охлаждения в теплом газорасширительном теплообменнике 701. Часть потока предварительно охлажденного азота высокого давления в линии 73 при температуре от около -20 до -40°С отводят по линии 703 и далее охлаждают до температуры от около -100 до -120°С в теплообменнике 705 смешанного хладагента. Поток охлажденного азота высокого давления в линии 707 смешивается с частью потока 61 азота высокого давления после охлаждения в теплом теплообменнике 701, и объединенный поток в линии 709 течет во вход холодного детандера 711.

В газорасширительной холодильной системе согласно настоящему варианту осуществления остающаяся часть потока предварительно охлажденного азота высокого давления в линии 713 предпочтительно далее охлаждается в теплом теплообменнике 701 до температуры ниже температуры пропана или другого хладагента высокого уровня перед расширением с выполнением работы в теплом детандере 717. Поток азота промежуточного давления в линии 719 предпочтительно смешивается с частично подогретым потоком холодного азота в промежуточном пункте в холодном газорасширительном теплообменнике 27 при температуре ниже температуры поступающего потока по существу сжиженного природного газа в линии 25. Либо тот, либо другой, или оба теплообменника 27 и 701 можно при необходимости подразделить на два или более теплообменников.

Особенность этого варианта осуществления заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота по линии 712 во второй теплообменной зоне 27 перед объединением с расширенным азотом в линии 719 меньше расхода объединенного потока 710 расширенного с совершением работы азота в третьей теплообменной зоне 701. В третьей теплообменной зоне 63 охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. Причем расход обоих потоков 61 и 713 сжатого азота, охлаждаемого в теплообменнике 710, меньше расхода расширенного с совершением работы азота в линии 710, подогреваемой в теплообменнике 701.

Фиг.8 показывает одиночную холодильную систему смешанного хладагента в комбинации с многодетандерной газорасширительной холодильной системой, которая работает без дополнительного внешнего охлаждения, например, пропана, согласно с осуществлениями, показываемыми на Фиг.1-7. Хладагент в одиночной смешанной холодильной системе не охлаждается предварительно до температуры ниже температуры окружающей среды, например, пропаном или другим смешанным хладагентом высокого уровня, перед поступлением в теплообменник 21 смешанного хладагента. В этом примере смешанный хладагент частично сжижен в промежуточной ступени компрессора 801, и жидкая часть в линии 803 нагнетается до конечного высокого давления и объединяется с окончательно сжатой паровой частью перед вторичным холодильником 805. Этот технический признак не является обязательным, и его можно применить в любом осуществлении настоящего изобретения.

В газорасширительной холодильной системе согласно настоящему изобретению весь поток 807 азота высокого давления охлаждается в теплом газорасширительном теплообменнике 809 до температуры, близкой к или более низкой, чем температура поступающего по существу сжиженного потока природного газа в линии 25. Часть потока охлажденного азота высокого давления в линии 811 расширяется с совершением работы в теплом детандере 813 до промежуточного давления. Поток расширенного азота промежуточного давления в линии 815 подогревается отдельно в газорасширительных теплообменниках 817 и 809 и направляется в промежуточную ступень многоступенчатого компрессора, чтобы снизить потребности в энергии. Остающийся поток азота высокого давления в линии 819, после его охлаждения в холодном теплообменнике 817, расширяется в холодном детандере 821 до более низкого давления. Поток расширенного азота пониженного давления в линии 823 подогревается в холодном теплообменнике 817, чтобы обеспечить наиболее холодный уровень охлаждения, нужного для переохлаждения поступающего потока 25 по существу сжиженного природного газа.

Как вариант, поступающий поток 25 по существу сжиженного природного газа может иметь температуру выше -100°С и может быть сжижен только частично. В этом случае два потока расширенного азота в линиях 815 и 823 обеспечивают охлаждение для полного сжижения и переохлаждения поступающего потока по существу сжиженного природного газа в линии 25. Холодный газорасширительный теплообменник 817 можно, при необходимости, подразделить на два или более теплообменников, либо теплообменники 809 и 817 можно скомбинировать в единый теплообменник.

Особенность настоящего изобретения заключается в том, что расход расширенного с совершением работы азота в линии 823 во второй теплообменной зоне обычно меньше совокупного расхода потоков 825 и 827 расширенного с совершением работы азота в третьей теплообменной зоне 809. В третьей теплообменной зоне 809 охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит.

ПРИМЕР

Вариант осуществления согласно Фиг.1 поясняется следующим неограничивающим примером. Исходный природный газ в линии 1 подается с расходом 59668 киломоль/час и имеет следующий состав в мольных процентах: азот – 3,90; метан – 87,03; этан – 5,50; пропан – 2,02; С₄ и тяжелые углеводороды (С₄₊) – 1,55 при температуре 27°С и давлении 60,3 бар (6,03 МПа). Исходный материал очищен и высушен в предыдущей секции предварительной обработки (не показана) для удаления таких кислых газов, как СО₂ и H₂S, наряду с другими примесями, такими как ртуть. Исходный природный газ в линии 1 поступает в первую секцию 3 теплообменника и предварительно охлаждается до -18°С с помощью нескольких уровней пропанового охлаждения. Поток предварительно охлажденного природного газа в линии 5 поступает в скруббер 7, где тяжелые компоненты в исходном материале, пентан и тяжелые углеводороды удаляются, чтобы предотвратить их замораживание в процессе сжижения. Скруббер имеет конденсатор 9 на верху, который также использует пропановое охлаждение для обеспечения обратного стока в скруббер. Кубовый продукт скруббера направляется по линии 11 в секцию 13 фракционирования, где пентан и тяжелые компоненты отделяются и рекуперируются в линии 15. Более легкие жидкие компоненты в потоке 17 при температуре -33°С объединяются с отбираемым сверху продуктом скруббера, чтобы обеспечить поток очищенного природного газа в линии 19.

Поток очищенного природного газа в линии 19 идет с расходом 57274 киломоль/час, имеет следующий состав в мольных процентах: азот – 3,95; метан – 87,74; этан – 5,31, пропан – 2,04; С₄ и тяжелые углеводороды – 0,96 при температуре -32,9°С и давлении 58,0 бар (5,80 МПа). Поток далее охлаждается до температуры -119,7°С и конденсируется в теплообменнике 21 смешанного хладагента путем подогревания и испарения смешанного хладагента низкого давления, обеспечиваемого по линии 23. Поток по существу сжиженного природного газа в линии 25, который в этом примере полностью сжижен, переохлаждается до температуры -150,2°С в холодном газорасширительном теплообменнике 27. Холод для охлаждения в теплообменнике 27 обеспечивается потоком холодного расширенного с совершением работы азота в линии 29, поступающим из детандера 31. Переохлажденный поток СПГ в линии 33 затем мгновенно адиабатически расширяется до давления 1,17 бар (0,117 МПа) при помощи клапана 35. Поток СПГ низкого давления в линии 37 при температуре -162,3°С направляется в сепаратор 39, и поток продукта – СПГ отводится по линии 41 для хранения. Поток легкого газа мгновенного испарения в линии 43 можно нагревать и сжимать до давления, достаточного для использования в качестве топливного газа в СПГ-установке или для другого применения.

В этом примере охлаждение и сжижение потока 1 исходного природного газа обеспечивается контуром пропанового хладагента и холодильным контуром смешанного хладагента. Смешанный хладагент высокого давления в линии 50 с расходом 51200 киломоль/час, имеющий следующий состав в мольных процентах: метан – 36,92, этан – 54,63 и пропан – 8,45 при температуре 36,5°С и давлении 61,6 бар (6,16 МПа), предварительно охлаждается и полностью конденсируется при помощи нескольких уровней пропанового хладагента в теплообменной секции 51. Поток предварительно охлажденного смешанного хладагента в линии 53 поступает в теплообменник 21 смешанного хладагента при температуре -33°С и давлении 58,9 бар (5,89 МПа).

Смешанный хладагент охлаждается до температуры -120°С в теплообменнике 21 и выходит в линию 55. Этот переохлажденный смешанный хладагент мгновенно адиабатически расширяется при помощи клапана 57 до температуры -122,5°С и давления 4,2 бар (0,42 МПа) и течет по линии 23 в холодный конец теплообменника 21. Поток смешанного хладагента низкого давления в линии 23 подогревается и испаряется в теплообменнике 21, выходит в виде потока подогретого смешанного хладагента в линии 45 при температуре -34,5^оС и под давлением 3,6 бар (0,36 МПа). Поток подогретого смешанного хладагента низкого давления в линии 45 сжимается до давления 61,6 бар (6,16 МПа) во многоступенчатом промежуточного охлаждения компрессоре 47 смешанного хладагента и охлаждается до окружающей температуры для рециркуляции.

Переохлаждение сжиженного природного газа в линии 25 выполняется с помощью многодетандерной газорасширительной холодильной системы, использующей азот в качестве рабочей жидкости. Азот высокого давления в линии 59 с расходом 82109 киломоль/час, при температуре 36,5°С и давлении 75,9 бар (7,59 МПа) подразделяется на две части. Более крупная часть азота в линии 61 с расходом 69347 киломоль/час поступает в теплый азотный теплообменник 63 и охлаждается до температуры -107,7°С. Поток охлажденного азота высокого давления в линии 65 расширяется с совершением работы в холодном детандере 31 до температуры -152,4^оС и давления 23,7 бар (2,37 МПа). Поток холодного расширенного с совершением работы азота в линии 29, который в этом примере весь состоит из пара, подогревается в теплообменнике 27 холодного азота и выводится при температуре -121,9°С, чтобы обеспечить холод, нужный для переохлаждения СПГ, в линии 25. Меньший поток азота низкого давления в линии 69 с расходом 12762 киломоль/час предварительно охлаждается в секции 71 теплообменника до температуры -33,1°С с помощью нескольких уровней пропанового хладагента. Поток предварительно охлажденного азота высокого давления в линии 73 затем расширяется с совершением работы в теплом детандере 76 до температуры -96°С и давления 23,4 бар (2,34 МПа). Поток расширенного с совершением работы азота в линии 77 объединяется с подогретым потоком азота в линии 67, поступающим из холодного теплообменника 27, и течет в теплый теплообменник 63 по линии 79 при температуре -118,1°С. Объединенный поток азота в линии 79 подогревается до 27,8°С в теплом теплообменнике 63; и отведенный хладагент в линии 81 сжимается до давления 75,9 бар (7,59 МПа) во многоступенчатом промежуточного охлаждения азотном компрессоре 83 и снова охлаждается до температуры окружающей среды для рециркуляции.

Введение меньшего потока расширенного азота в линии 77 для подогревания в теплом азотном теплообменнике 63 обеспечивает кривые охлаждения в теплообменнике 63, близкие к идеальным кривым, т.е. кривые подогревания и охлаждения текучей среды очень близки друг к другу по всей их длине, в результате чего повышается кпд процесса. При этом нет необходимости в обеспечении уравновешивающего потока испаряющегося смешанного хладагента для теплого газорасширительного теплообменника 63, или необходимости в охлаждении части газообразного хладагента высокого давления в линии 73 в теплообменнике 21 смешанного хладагента, чтобы получить как можно более параллельные кривые охлаждения. Этот пример изобретения и варианты осуществления, описываемые со ссылкой на Фиг.1-5, 7 и 8, поясняют автономную работу первой холодильной системы и газорасширительной холодильной системы.

Формула изобретения

1. Способ сжижения газа, включающий

(a) охлаждение исходного газа (1) в первой теплообменной зоне (21; 705) за счет косвенного теплообмена с одним или более потоками (23) хладагента, обеспечиваемыми в первой холодильной системе; и отвод, по существу, сжиженного исходного потока (т.е. после его адиабатического расширения дросселированием до атмосферного давления поток содержит жидкую фракцию от 0,25 до 1,0) (25) из первой теплообменной зоны;

(b) дальнейшее охлаждение, по существу, сжиженного исходного потока во второй теплообменной зоне (27; 401; 511; 817) за счет косвенного теплообмена с одним или более потоками расширенного с совершением работы хладагента (29; 205; 405; 509; 515; 619; 712; 719; 815; 823), обеспечиваемыми замкнутой второй холодильной системой; и отвод дополнительно охлажденного, по существу, сжиженного исходного потока (33) из второй теплообменной зоны; и

(c) расширение с совершением работы (31; 75; 203; 403; 513; 617; 711; 717; 813; 821) двух или более потоков (65, 73; 65, 201; 501, 509; 65, 616; 709, 716; 811, 819) газообразного охлажденного сжатого хладагента во второй холодильной системе; где работа второй холодильной системы включает следующие стадии:

(1) сжатие (83; 305; 507) одного или более паров (81; 82) хладагента, чтобы обеспечить поток (59; 517) сжатого хладагента;

(2) охлаждение всего или части (59; 61; 306) потока сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне (63; 303; 503; 601; 701; 809) за счет косвенного теплообмена с одним или более потоками (79; 67 и 301; 407; 505 и 519; 710; 825 и 827) расширенного с совершением работы хладагента, чтобы обеспечить поток (65; 501; 709; 812) газообразного охлажденного сжатого хладагента, причем в данной теплообменной зоне нет охлаждения исходного газа или потока охлажденного исходного газа;

(3) расширение (31; 31 и 403; 31 и 513; 711; 821) с совершением работы потока газообразного охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить поток холодного расширенного с совершением работы хладагента, обеспечивающего один поток (29; 405; 515; 712; 823) из числа одного или более потоков расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне; и

(4) расширение (75; 203; 31; 617; 717; 813) с совершением работы потока (73; 201; 501; 616; 716; 811) газообразного охлажденного сжатого хладагента для обеспечения потока промежуточной температуры (77; 205; 301; 505; 619; 719; 815), который вводится в или дополняет рабочий цикл охлаждения, обеспечиваемый подогретым холодным расширенным с совершением работы потоком во второй теплообменной зоне или после нее;

причем расход потока (29; 405; 515; 712; 823) расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне меньше совокупного расхода одного или более потоков (79; 67+301; 407; 505+519; 710; 825+827) расширенного с совершением работы хладагента в третьей теплообменной зоне.

2. Способ по п.1, где один из числа одного или более потоков расширенного с совершением работы хладагента, обеспечивающих цикл охлаждения в третьей теплообменной зоне (63; 303; 503; 601; 701; 809), содержит указанный один поток (29; 405; 515; 712; 823) из числа одного или более потоков расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне (27; 401; 511; 817) после цикла охлаждения во второй теплообменной зоне; а второй поток (77; 205; 301; 505; 619; 719; 815) из числа двух или более потоков расширенного охлажденного сжатого хладагента обеспечивает цикл охлаждения по меньшей мере в третьей теплообменной зоне.

3. Способ по п.2, где второй поток (205; 619; 719; 815) из числа двух или более потоков расширенного охлажденного сжатого хладагента также обеспечивает цикл охлаждения во второй теплообменной зоне (27; 817).

4. Способ по п.3, где второй поток (205; 619; 719) из числа двух или более потоков расширенного охлажденного сжатого хладагента объединяют с указанным одним потоком (29; 712) из числа одного или более потоков расширенного с совершением работы хладагента в местоположении промежуточной температуры во второй теплообменной зоне (27).

5. Способ по п.2, где второй поток (77; 301; 505) из числа двух или более потоков расширенного охлажденного сжатого хладагента обеспечивает цикл охлаждения в третьей теплообменной зоне (63; 303; 503), но не во второй теплообменной зоне (27; 401; 511).

6. Способ по п.5, где второй поток (77; 301) из числа двух или более потоков расширенного охлажденного сжатого хладагента объединяют с указанным одним потоком (29; 405) из числа одного или более потоков расширенного с совершением работы хладагента в местоположении между второй и третьей теплообменными зонами.

7. Способ по п.1, где первую часть (61; 306) сжатого пара (59) хладагента охлаждают в третьей теплообменной зоне (63; 303; 601; 701), и вторую часть (69; 307) сжатого пара хладагента охлаждают (71; 71 и 601; 71 и 701), расширяют с совершением работы (75; 617; 717) и подогревают в третьей теплообменной зоне (63; 303; 601; 701), чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения первой части сжатого пара хладагента.

8. Способ по п.1, где сжатый пар (517) хладагента охлаждают в третьей теплообменной зоне (503) и расширяют с совершением работы (31) для получения первого расширенного с совершением работы хладагента (29); при этом первый расширенный с совершением работы хладагент разделяют на первый и второй охлажденные хладагенты (505, 509); первый охлажденный хладагент (505) подогревают в третьей теплообменной зоне для обеспечения холода в ней для охлаждения сжатого пара хладагента; второй охлажденный хладагент (509) дополнительно охлаждают (511) и расширяют с совершением работы (513) для получения второго расширенного с совершением работы хладагента (515); и второй расширенный с совершением работы хладагент подогревают во второй теплообменной зоне для обеспечения в ней холода для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны.

9. Способ по п.1, где первую часть (61) сжатого пара (59) хладагента охлаждают в третьей теплообменной зоне (601; 701) и расширяют с совершением работы (31; 711) для получения первого расширенного с совершением работы хладагента (29; 712); вторую часть (69) сжатого пара хладагента охлаждают косвенным теплообменом (71) с испаряющимся хладагентом, обеспечиваемым третьей холодильной системой, и расширяют с совершением работы (617; 717) для получения второго расширенного с совершением работы хладагента (619; 719); и первый и второй расширенные с совершением работы хладагенты подогревают во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатый пар (807) хладагента охлаждают в третьей теплообменной зоне (809), чтобы получить охлажденный сжатый пар (810) хладагента; и при этом часть (812) охлажденного сжатого пара хладагента расширяют с совершением работы (821) и подогревают во второй теплообменной зоне (817), чтобы обеспечить в ней охлаждение, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны.

11. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие (83) первого пара (81) хладагента, чтобы получить сжатый пар (59) хладагента, и разделение сжатого пара хладагента на первый и второй сжатые хладагенты (61, 69);

(e) охлаждение первого сжатого хладагента (61) в третьей теплообменной зоне (63), чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент (65); расширение с совершением работы (31) первого охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент (29); подогрев холодного расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне (27; 401), чтобы обеспечить холод для охлаждения охлажденного исходного потока в ней; и отвод из нее промежуточного хладагента (67);

(f) охлаждение второго сжатого хладагента (69) за счет косвенного теплообмена (71) с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент (73); расширение с совершением работы (75) второго охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент (77); и объединение расширенного с совершением работы второго хладагента с промежуточным хладагентом, чтобы получить объединенный промежуточный хладагент (79; 407); и

(g) подогрев объединенного промежуточного хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отвод из нее теплого хладагента (81), чтобы получить первый пар хладагента.

12. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие (83) первого пара (81) хладагента, чтобы получить сжатый пар (59) хладагента;

(e) охлаждение сжатого пара (59) хладагента в третьей теплообменной зоне (63), чтобы получить охлажденный сжатый хладагент, и разделение охлажденного сжатого хладагента на первый и второй охлажденные сжатые хладагенты (60; 201);

(f) дальнейшее охлаждение первого охлажденного сжатого хладагента (60) в третьей теплообменной зоне (63), чтобы получить первый дополнительно охлажденный хладагент (65);

(g) расширение с совершением работы (31) первого дополнительно охлажденного хладагента, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы первый хладагент (29), и расширение с совершением работы (203) второго охлажденного сжатого хладагента (201), чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент (205);

(h) подогрев расширенного с совершением работы первого хладагента и расширенного с совершением работы второго хладагента во второй теплообменной зоне (27), чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны, и отвод объединенного промежуточного хладагента (79) из второй теплообменной зоны; и

(i) подогрев объединенного промежуточного хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отвод из нее подогретого хладагента, чтобы обеспечить первый пар (81) хладагента.

13. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие первого пара (81) хладагента и второго пара (82) хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре (305) для получения сжатого пара (59) хладагента; и разделение сжатого пара хладагента на первый и второй сжатые хладагенты (306, 307);

(e) охлаждение первого сжатого хладагента (306) в третьей теплообменной зоне (303) для получения первого охлажденного сжатого хладагента (65) и расширение с совершением работы (31) первого охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент (29) под первым давлением; и подогрев холодного расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне (27), чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны; и отвод промежуточного хладагента (67) из второй теплообменной зоны;

(f) охлаждение (71) второго сжатого хладагента (307) косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент (73); расширение с совершением работы (75) второго охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент (301) под вторым давлением, которое выше первого давления; подогрев расширенного с совершением работы второго хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отвод из нее подогретого хладагента (82), чтобы получить второй пар хладагента;

(g) подогрев промежуточного хладагента (67) в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отвод из нее подогретого хладагента (81), чтобы получить первый пар хладагента; и

(h) ввод первого пара хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и ввод второго пара хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

14. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие (83) пара (81) хладагента, чтобы получить сжатый пар (59) хладагента, и разделение сжатого пара хладагента на первый и второй сжатые хладагенты (61, 69);

(e) охлаждение первого сжатого хладагента (61) в третьей теплообменной зоне (63), чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент (65); и расширение с совершением работы (31) первого охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить первый расширенный с совершением работы хладагент (29);

(f) охлаждение первого расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне (401), чтобы получить охлажденный первый расширенный с совершением работы хладагент (402); расширение с совершением работы (403) охлажденного первого расширенного с совершением работы хладагента, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент (405); подогрев холодного расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны; и отвод промежуточного хладагента (67) из второй теплообменной зоны;

(g) охлаждение второго сжатого хладагента (69) косвенным теплообменом (71) с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент (73); расширение с совершением работы (75) второго охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент (77); и объединение расширенного с совершением работы второго хладагента с промежуточным хладагентом, чтобы получить объединенный хладагент (407); и

(h) подогрев объединенного хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отвод из нее первого пара (81) хладагента.

15. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие первого пара (81) хладагента и второго пара (82) хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре (507), чтобы получить сжатый пар (517) хладагента;

(e) охлаждение сжатого пара хладагента в третьей теплообменной зоне (503), чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент (501); расширение с совершением работы (31) первого охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить первый холодный расширенный с совершением работы хладагент (29) под первым давлением; и разделение первого холодного расширенного с совершением работы хладагента на первый и второй холодные хладагенты (505, 509);

(f) подогрев первого холодного хладагента (505) в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отвод из нее подогретого хладагента (82), чтобы обеспечить второй пар хладагента;

(g) охлаждение второго холодного хладагента (509) во второй теплообменной зоне (511), чтобы обеспечить второй охлажденный сжатый хладагент (512); расширение с совершением работы (513) второго охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить второй расширенный с совершением работы хладагент (515) под вторым давлением, меньшим, чем первое давление;

(h) подогрев второго расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны и обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отвод из нее подогретого хладагента (81), чтобы получить первый пар хладагента; и

(i) ввод первого пара хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и ввод второго пара хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

16. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие (83) пара (81) хладагента, чтобы получить сжатый пар (59) хладагента; и разделение сжатого пара хладагента на первый и второй сжатые хладагенты (61, 69);

(e) охлаждение первого сжатого хладагента (61) в третьей теплообменной зоне (601), чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент (65); и расширение с совершением работы (31) первого охлажденного сжатого хладагента, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы первый хладагент (29); подогрев холодного расширенного с совершением работы первого хладагента во второй теплообменной зоне (27), чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны, и чтобы сформировать частично подогретый хладагент во второй теплообменной зоне;

(f) охлаждение второго сжатого хладагента (69) косвенным теплообменом (71) с испаряющимся хладагентом, чтобы обеспечить промежуточный охлажденный хладагент (615); дальнейшее охлаждение промежуточного охлажденного хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный второй сжатый хладагент (616); и расширение с совершением работы (617) второго охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы второй хладагент (619);

(g) объединение холодного расширенного с совершением работы второго хладагента и частично подогретого хладагента, чтобы обеспечить объединенный промежуточный хладагент; подогрев объединенного промежуточного хладагента во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней дополнительный холод для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока из первой теплообменной зоны; и отвод частично подогретого хладагента (67) из второй теплообменной зоны; и

(h) подогрев частично подогретого хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента и второго сжатого хладагента в ней; и отвод из нее подогретого хладагента (81), чтобы обеспечить первый пар хладагента.

17. Способ по п.1, где вторая холодильная система функционирует по способу, включающему

(d) сжатие первого пара (81) хладагента и второго пара (82) хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре (507), чтобы получить сжатый пар (807) хладагента;

(e) охлаждение сжатого пара хладагента в третьей теплообменной зоне (809), чтобы получить охлажденный сжатый хладагент (810), и разделение охлажденного сжатого хладагента на первый и второй охлажденные хладагенты (811, 812);

(f) расширение с совершением работы (813) первого охлажденного хладагента (811), чтобы обеспечить первый расширенный с совершением работы хладагент (815) под первым давлением; подогрев первого расширенного с совершением работы хладагента во второй и третьей теплообменных зонах (817, 809), чтобы обеспечить холод во второй теплообменной зоне для охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока (25) из первой теплообменной зоны (21) и обеспечить холод в третьей теплообменной зоне для охлаждения первого сжатого хладагента (807) в третьей теплообменной зоне; и отвод из третьей теплообменной зоны подогретого хладагента, чтобы обеспечить второй пар (82) хладагента;

(g) охлаждение второго охлажденного хладагента (812) во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить второй охлажденный сжатый хладагент (819); расширение с совершением работы (821) второго охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить второй расширенный с совершением работы хладагент (823) под вторым давлением, меньшим, чем первое давление;

(h) подогрев второго расширенного с совершением работы хладагента во второй и третьей теплообменных зонах, чтобы обеспечить холод во второй теплообменной зоне для охлаждения охлажденного исходного потока и холод в третьей теплообменной зоне для охлаждения первого сжатого хладагента; и отвод из третьей теплообменной зоны подогретого хладагента, чтобы обеспечить первый пар (81) хладагента; и

(i) ввод первого пара хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и ввод второго пара хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

18. Способ по любому из предыдущих пунктов, где расход потока сжатого хладагента, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне (63; 303; 503; 601; 701; 809), меньше совокупного расхода одного или более потоков расширенного с совершением работы хладагента, подогреваемых в третьей теплообменной зоне.

19. Способ по любому из пп.1-17, где первая холодильная система (21) функционирует независимо от второй холодильной системы.

20. Способ по любому из пп.1-17, где охлаждение исходного газа в первой теплообменной зоне (21; 705) выполняется согласно способу, включающему

(d) сжатие (47; 613; 801) и охлаждение (51 и 21; 51 и 705; 21 (фиг. 8)) пара (45) хладагента, содержащего один или более компонентов, для получения охлажденного и по меньшей мере частично сконденсированного хладагента (55; 603);

(e) снижение (57) давления охлажденного и по меньшей мере частично сконденсированного хладагента, чтобы получить испаряющийся хладагент (23), и охлаждение исходного газа (1) косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом в первой теплообменной зоне для получения, по существу, сжиженного исходного потока (25) и пара хладагента из стадии (d).

21. Способ по любому из пп.1-17, где исходный газ (1) охлаждают перед первой теплообменной зоной (21; 705) косвенным теплообменом (3) с испаряющимся хладагентом.

22. Способ по любому из пп.1-17, где охлаждение пара хладагента на стадии (d) по меньшей мере отчасти обеспечивается косвенным теплообменом (51) с испаряющимся хладагентом.

23. Способ по любому из пп.1-17, включающий также обеспечение дополнительного охлаждения для третьей теплообменной зоны (601) путем подогрева в ней части одного или более хладагентов (609), обеспечиваемых в первой холодильной системе.

24. Способ по любому из пп.1-17, включающий также обеспечение дополнительного охлаждения для первой теплообменной зоны (705) путем подогрева в ней части промежуточного охлажденного хладагента (703), обеспечиваемого во второй холодильной системе.

25. Способ по любому из пп.1-17, где исходный газ содержит природный газ.

26. Способ по любому из пп.1-17, где один или более хладагентов, обеспечиваемых в первой холодильной системе, выбирают из группы, состоящей из азота, углеводородов, содержащих один или несколько атомов углерода; и галогенуглеводов, содержащих один или более атомов углерода.

27. Способ по любому из пп.1-17, где пар хладагента во второй холодильной системе содержит один или более компонентов, выбираемых из группы, состоящей из азота, аргона, метана, этана и пропана.

28. Система для сжижения газа способом по п.1, включающая

(а) первую холодильную систему и первое теплообменное средство (21; 705) для охлаждения исходного газа (1) косвенным теплообменом с одним или более хладагентами, обеспечиваемыми первой холодильной системой для обеспечения, по существу, сжиженного исходного потока (25);

(b) замкнутую вторую холодильную систему и второе теплообменное средство (27; 401; 511; 817) для дальнейшего охлаждения, по существу, сжиженного исходного потока косвенным теплообменом с одним или более холодными расширенными с совершением работы хладагентами (29; 205; 405; 509; 515; 619; 712; 719; 815; 823), обеспечиваемыми второй холодильной системой для обеспечения дополнительно охлажденного, по существу, сжиженного исходного потока (33);

(c) средство (83; 305; 507) сжатия газа для сжатия одного или более потоков (81; 82) пара хладагента и третье теплообменное средство (63; 303; 503; 601; 701; 809) для охлаждения одного или более потоков (59; 61; 306) сжатого пара хладагента второй холодильной системы;

(d) два или более детандеров (31 и 75; 31 и 203; 31 и 75; 31, 75 и 403; 31 и 513; 31 и 617; 711 и 717; 813 и 821) для расширения с совершением работы потоков охлажденного сжатого пара хладагента второй холодильной системы для обеспечения двух или более потоков (29 и 77; 29 и 205; 29 и 301; 29, 77 и 405; 505, 509 и 515; 29 и 619; 712 и 719; 815 и 823) холодного расширенного с совершением работы хладагента; и

(e) трубную обвязку для перемещения одного потока (29; 29; 29; 405; 515; 29; 712; 832) из числа двух или более потоков холодного расширенного с совершением работы хладагента во второе теплообменное средство; и для перемещения другого потока (77; 205; 301; 77; 505; 619; 719; 815) из числа двух или более потоков холодного расширенного с совершением работы хладагента во второе или третье теплообменные средства.

29. Система по п.28, имеющая компоненты для варианта осуществления способа по любому из пп.2-24.

РИСУНКИ