Способ ожижения газообразного вещества (варианты) и устройство для его осуществления (варианты) - RU2241181C2

Чертежи

Описание

Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением относятся к ожижению газообразного вещества, более конкретно природного газа, и в результате к уменьшению количества технологических емкостей и соответствующих площадей по сравнению с существующими технологическими процессами, при лишь небольшом уменьшении эффективности процесса. Настоящее изобретение особенно пригодно для ожижения природного газа в малых и средних масштабах там, где некоторая экономия на масштабе, связанном с предприятиями мирового уровня, утрачивается или становится существенно менее значительной.

Криогенное ожижение газообразных веществ используют для разделения компонентов, очистки, хранения и транспортировки этих компонентов в более экономичной и удобной форме. Большинство таких систем ожижения включает в общем много операций, не считая используемых газов, и поэтому имеют много одинаковых проблем. Одной обычно встречающейся проблемой является наличие множества технологических емкостей и их стоимость и связанные с ними сложности, относящиеся к эксплуатации и обслуживанию таких емкостей. Такие проблемы становятся более значительными по мере того как уменьшается масштаб процессов ожижения мирового уровня и утрачивается экономический эффект от масштаба производства. Хотя настоящее изобретение будет описано с конкретной ссылкой на переработку природного газа, оно применимо к переработке обычно газообразных веществ в других системах, где возникают подобные проблемы.

В общепринятой практике предшествующих технических решений по переработке природного газа принято подвергать газ криогенной обработке для отделения от природного газа углеводородов, имеющих молекулярный вес, более высокий, чем у метана, (С₂-), с получением таким образом трубопроводного газа, состоящего главным образом из метана, и потока углеводородов С₂+, полезных для других целей. Часто поток С₂+ подлежит разделению на потоки отдельных компонентов, например С₂, С₃, С₄ и С₅+.

В общепринятой практике предшествующих технических решений в области криогенной обработки природного газа принято также ожижать его для транспортировки и хранения. Основной причиной ожижения природного газа является то, что в результате ожижения уменьшение объема составляет приблизительно 1/600, что тем самым делает возможным хранить и транспортировать ожиженный газ в контейнерах более экономичной и практичной конструкции. Так, например, когда газ транспортируют по трубопроводу от источника добычи на отдаленный рынок сбыта, необходимо эксплуатировать трубопровод по существу с коэффициентом постоянной и высокой загрузки. Часто производительность или мощность трубопровода будет превосходить спрос, тогда как в других случаях спрос может превышать производительность трубопровода. Для того чтобы преодолеть пиковые ситуации, когда спрос превышает поставку, необходимо хранить запасы газа так, чтобы можно было его добавлять, когда поставка превышает спрос, обеспечивая тем самым будущие пики спроса, который восполняют запасами из места хранения. Один из таких способов заключается в превращении газа в жидкость для хранения, а затем испарении жидкости по мере возникновения спроса.

Ожижение природного газа является даже более важным для обеспечения возможности транспортирования газа из источника добычи на рынок сбыта, когда источник газа и рынок его сбыта разделяют огромные расстояния, а трубопровод отсутствует или не действует. Это особенно необходимо там, где транспортировка должна выполняться океанскими судами. Транспортировку судами в газообразном состоянии, как правило, не практикуют, поскольку требуется значительное повышение давления, чтобы существенно уменьшить удельный объем газа, что в свою очередь требует использования более дорогостоящих емкостей для хранения.

Для того чтобы хранить и транспортировать природный газ в жидком состоянии, его предпочтительно охлаждают до температур от -151,11 до -162,22°С, при которых он имеет давление пара, близкое к атмосферному. На основе предшествующих технических решений можно создать многочисленные системы ожижения природного или подобного ему газа, в которых газ ожижают путем последовательного пропуска газа при повышенном давлении через множество этапов охлаждения, где газ последовательно охлаждают до все более низких температур до тех пор, пока он не достигает температуры ожижения. Охлаждение обычно выполняют путем теплообмена с одним или несколькими хладагентами, такими как пропан, пропилен, этан, этилен и метан или смесью с одним или несколькими из перечисленных. В предшествующих технических решениях хладагенты часто располагают каскадным образом, и каждый хладагент используют в замкнутом цикле охлаждения. Дальнейшее охлаждение жидкости возможно путем расширения ожиженного природного газа до атмосферного давления в одном или нескольких этапах расширения. На каждом этапе сбрасывают давление ожиженного газа до более низкого давления, что приводит к образованию двухфазной смеси газ-жидкость при значительном снижении температуры. Происходит восстановление жидкости, и ее снова можно подвергнуть сбросу давления. Подобным образом ожиженный газ продолжают охлаждать дальше до температуры хранения и транспортировки, позволяющей хранить ожиженный газ при давлении, близком к атмосферному. При таком расширении до давления, близкого к атмосферному, происходит сброс давления у некоторого дополнительного объема ожиженного газа. Образованные на этапе сброса давления пары обычно собирают и отправляют на повторный цикл ожижения или используют как топливный газ для выработки энергии.

Как отмечено выше, настоящее изобретение относится к разработке/выбору устройства и соответствующего способа, посредством которых значительно уменьшается количество технологических емкостей в каждом замкнутом цикле охлаждения. Этот фактор становится очень важным по мере того, как уменьшается масштаб (т.е. в каждом цикле снижается мощность охлаждения), что приводит к экономическим потерям. Настоящее изобретение обеспечивает уменьшение количества емкостей и предназначенной для них площади, за счет чего снижаются затраты, при относительно небольшом уменьшении эффективности способа.

Необходимо сократить число технологических емкостей, требуемых для ожижения обычно газообразного вещества.

Необходимо также уменьшить площади для ожижения газообразного вещества.

Необходимо, кроме того, создать способ и устройство для ожижения газообразного вещества, которые требуют меньше капиталовложений, чем другие технологические способы ожижения.

Поставленная задача достигается посредством способа ожижения газообразного вещества, включающего этапы:

(а) пропуска потока газообразного вещества и потока хладагента через одну или несколько секций теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с одним или несколькими потоками охлаждения, причем один или несколько потоков охлаждения образуются

(i) отделением бокового потока от потока хладагента или его части, полученного из одной секции теплообмена с пластинчатыми ребрами;

(ii) снижением давления в боковом потоке за счет образования потока охлаждения; и

(iii) пропуском потока охлаждения в секцию теплообмена, из которой получен поток хладагента этапа (i), при этом поток охлаждения становится одним из потоков охлаждения этапа (а);

(b) раздельного прохождения потока хладагента из последней секции теплообмена этапа (а) через секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой поток находится в непрямом теплообмене и проходит в противотоке с потоком парообразного хладагента;

(c) снижения давления потока хладагента из секции теплообмена этапа (b);

(d) использования потока этапа (с) в качестве хладагента на стороне испарителя теплообменника с сердечником в испарителе для образования потока парообразного хладагента;

(e) подогрева потока парообразного хладагента этапа (а) при прохождении по меньшей мере через секцию (b) теплообмена с пластинчатыми ребрами;

(f) сжатия потоков охлаждения этапа (а) и подогретого потока парообразного хладагента этапа (е);

(g) охлаждения подвергнутого сжатию потока этапа (f); и

(h) пропуска газообразного потока этапа (а) через сторону сердечника теплообменника с сердечником в испарителе для получения несущего жидкость потока.

Способ дополнительно включает этап:

(I) пропуска подогретого потока охлаждения этапа (е) через одну или несколько секций теплообмена этапа (а), в которой поток проходит в противотоке с потоком хладагента в секции теплообмена перед сжатием на этапе (f).

Предпочтительно, газообразным потоком является метан, а потоком хладагента является этилен или этан.

Основную часть несущего жидкость потока из теплообменника с сердечником в испарителе составляет жидкость.

Поставленная задача также достигается посредством способа ожижения газообразного вещества, включающего этапы:

(a) пропуска потока газообразного вещества и первого потока хладагента через первую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с потоком охлаждения высшего этапа для получения первого охлажденного потока и второго потока хладагента;

(b) пропуска первого охлажденного потока через сердечник теплообменника с сердечником в испарителе для получения несущего жидкость потока;

(c) разделения второго потока хладагента на третий поток хладагента и четвертый поток хладагента;

(d) снижения давления третьего потока хладагента для получения потока охлаждения высшего этапа;

(e) пропуска потока охлаждения высшего этапа через первую секцию теплообмена для получения рециклового потока высшего этапа;

(f) пропуска четвертого потока хладагента через вторую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой поток находится в непрямом теплообмене и проходит в противотоке с потоком охлаждения низшего этапа для получения пятого потока хладагента;

(g) снижения давления пятого потока хладагента для получения двухфазного потока хладагента;

(h) использования потока этапа (g) в качестве хладагента на стороне испарения теплообменника с сердечником в испарителе, в котором содержатся газовая и жидкая части, а сердечник по меньшей мере частично погружен в жидкость;

(i) извлечения потока охлаждения низшего этапа из газовой части на стороне испарения теплообменника с сердечником в испарителе;

(j) пропуска потока охлаждения низшего этапа через вторую секцию теплообмена для получения рециклового потока низшего этапа;

(k) сжатия рециклового потока низшего этапа для получения сжатого рециклового потока низшего этапа;

(l) объединения сжатого рециклового потока низшего этапа и рециклового потока высшего этапа для получения объединенного потока высшего этапа;

(m) сжатия объединенного потока высшего этапа до повышенного давления для получения сжатого потока хладагента;

и

(n) охлаждения сжатого потока хладагента.

Предпочтительно, газообразным потоком является этилен или этан, а первым потоком хладагента является пропан.

Способ дополнительно включает этап объединения первого охлажденного потока с предварительно охлажденным обогащенным метаном потоком перед подачей в теплообменник с сердечником в испарителе.

Основную часть несущего жидкость потока из теплообменника с сердечником в испарителе составляет жидкость.

Способ дополнительно включает этап:

(о) пропуска рециклового потока низшего этапа через секцию теплообмена в непрямом теплообмене и противотоке как с первым потоком хладагента, так и с обычно газообразным потоком, перед этапом (k) сжатия.

Предпочтительно, первая секция теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами и вторая секция теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами расположены в одном теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

Поставленная задача также достигается посредством способа ожижения газообразного потока, включающего этапы:

(a) пропуска газообразного потока и первого потока хладагента через первую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с потоком охлаждения высшего этапа для получения первого охлажденного потока и второго потока хладагента;

(b) разделения второго потока хладагента на третий поток хладагента и четвертый поток хладагента;

(c) снижения давления третьего потока хладагента для получения потока охлаждения высшего этапа;

(d) пропуска потока охлаждения высшего этапа через первую секцию теплообмена для получения рециклового потока высшего этапа;

(e) пропуска первого охлажденного потока и четвертого потока хладагента через вторую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с потоком охлаждения промежуточного этапа для получения второго охлажденного потока и пятого потока хладагента;

(f) разделения пятого потока хладагента на шестой поток хладагента и седьмой поток хладагента;

(g) снижения давления шестого потока хладагента для получения потока охлаждения промежуточного этапа;

(h) пропуска потока охлаждения промежуточного этапа через вторую секцию теплообмена для получения рециклового потока промежуточного этапа;

(i) пропуска седьмого потока хладагента через третью секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой поток находится в непрямом теплообмене и проходит в противотоке с потоком охлаждения нижнего этапа для получения восьмого потока хладагента;

(j) пропуска второго охлажденного потока через сердечник теплообменника с сердечником в испарителе для получения дополнительно охлажденного потока;

(k) снижения давления седьмого потока хладагента для получения двухфазного потока хладагента;

(l) использования потока этапа (k) в качестве хладагента на стороне испарения теплообменника с сердечником в испарителе, в котором содержится газовая и жидкая части, а сердечник по меньшей мере частично погружен в жидкость;

(m) извлечения потока охлаждения низшего этапа из газовой части на стороне испарения теплообменника с сердечником в испарителе;

(n) пропуска потока охлаждения низшего этапа через третью секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами для получения рециклового потока низшего этапа;

(о) сжатия рециклового потока низшего этапа для получения сжатого рециклового потока низшего этапа;

(р) объединения сжатого рециклового потока низшего этапа и рециклового потока промежуточного этапа для получения объединенного потока промежуточного этапа;

(q) сжатия объединенного потока промежуточного этапа до повышенного давления для получения сжатого рециклового потока промежуточного этапа;

(r) объединения сжатого рециклового потока промежуточного этапа и рециклового потока высшего этапа для получения объединенного рециклового потока высшего этапа;

(s) сжатия объединенного рециклового потока высшего этапа до повышенного давления для получения сжатого потока хладагента; и

(t) охлаждения сжатого потока хладагента.

Предпочтительно, газообразным потоком является этилен или этан, а первым потоком хладагента является пропан.

Способ дополнительно включает этапы:

(u) пропуска потока преимущественно метана через первую секцию теплообмена в непрямом теплообмене и противотоке с потоком охлаждения высшего этапа для получения первого потока охлажденного метана;

(v) пропуска первого потока охлажденного метана через вторую секцию теплообмена в непрямом теплообмене и противотоке с потоком охлаждения промежуточного этапа для получения второго потока охлажденного метана; и

(w) пропуска второго потока охлажденного метана через второй сердечник, в котором второй сердечник расположен в теплообменнике с сердечниками в испарителе этапа (1), для получения третьего потока охлажденного метана.

Способ также дополнительно включает этап:

(u) пропуска рециклового потока низшего этапа через вторую секцию теплообмена в непрямом теплообмене и противотоке с первым охлажденным потоком и четвертым потоком хладагента перед этапом сжатия.

Способ также дополнительно включает этап:

(u) пропуска рециклового потока промежуточного этапа через первую секцию теплообмена в непрямом теплообмене и противотоке с газообразным потоком и первым потоком хладагента перед этапом сжатия.

Способ также дополнительно включает этап:

(v) пропуска рециклового потока промежуточного этапа через первую секцию теплообмена в непрямом теплообмене и противотоке с газообразным потоком и первым потоком хладагента перед этапом сжатия.

Предпочтительно, газообразным потоком является метан, а первым потоком хладагента является этилен или этан.

Способ дополнительно включает этап объединения второго охлажденного потока и предварительно охлажденного обогащенного метаном газового потока перед пропуском объединенного потока через сердечник в теплообменнике с сердечниками в испарителе.

Предпочтительно, основную часть дополнительно охлажденного потока из теплообменника с сердечниками в испарителе составляет жидкость.

Предпочтительно, две или несколько секций теплообмена, выбранных из группы, включающей первую секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами, вторую секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами и третью секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами, расположены в одном теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

Поставленная задача достигается также посредством способа ожижения потока газообразного вещества, включающего этапы:

(a) пропуска газообразного потока и потока хладагента первого цикла через первую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с потоком охлаждения высшего этапа первого цикла для получения охлажденного потока и второго потока хладагента первого цикла;

(b) разделения второго потока хладагента первого цикла на третий поток хладагента первого цикла и четвертый поток хладагента первого цикла;

(c) снижения давления третьего потока хладагента первого цикла для получения потока охлаждения высшего этапа первого цикла;

(d) пропуска потока охлаждения высшего этапа первого цикла через первую секцию теплообмена для получения рецикловогю потока высшего этапа первого цикла;

(e) пропуска охлажденного потока и четвертого потока хладагента первого цикла через вторую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с потоком охлаждения промежуточного этапа первого цикла для получения второго охлажденного потока и пятого потока хладагента первого цикла;

(f) разделения пятого потока хладагента первого цикла на шестой поток хладагента первого цикла и седьмой поток хладагента первого цикла;

(g) снижения давления шестого потока хладагента первого цикла для получения потока охлаждения промежуточного этапа первого цикла;

(h) пропуска потока охлаждения промежуточного этапа первого цикла через вторую секцию теплообмена для получения рециклового потока промежуточного этапа первого цикла;

(i) пропуска седьмого потока хладагента первого цикла через третью секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой поток находится в непрямом теплообмене и проходит в противотоке с потоком охлаждения нижнего этапа для получения восьмого потока хладагента первого цикла;

(j) пропуска второго охлажденного потока через сердечник теплообменника с сердечником в испарителе для получения третьего охлажденного потока;

(k) снижения давления восьмого потока хладагента первого цикла для получения двухфазного потока хладагента первого цикла;

(l) использования потока этапа (k) в качестве хладагента на стороне испарения теплообменника с сердечниками в испарителе, в котором содержится газовая и жидкая части, а сердечник по меньшей мере частично погружен в жидкость;

(m) извлечения потока охлаждения низшего этапа первого цикла из газовой части на стороне испарителя теплообменника с сердечником в испарителе;

(n) пропуска потока охлаждения низшего этапа первого цикла через третью секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами для получения рециклового потока низшего этапа первого цикла;

(о) сжатия рециклового потока низшего этапа первого цикла для получения сжатого рециклового потока низшего этапа первого цикла;

(р) объединения сжатого рециклового потока низшего этапа первого цикла и рециклового потока промежуточного этапа первого цикла для получения объединенного потока промежуточного этапа первого цикла;

(q) сжатия объединенного потока промежуточного этапа первого цикла до повышенного давления для получения сжатого рециклового потока промежуточного этапа первого цикла;

(r) объединения сжатого рециклового потока промежуточного этапа первого цикла и рециклового потока высшего этапа первого цикла для получения объединенного рециклового потока высшего этапа первого цикла;

(s) сжатия объединенного рециклового потока высшего этапа первого цикла до повышенного давления для получения сжатого потока хладагента первого цикла;

(t) охлаждения сжатого потока хладагента первого цикла для получения первого потока хладагента этапа (а) первого цикла;

(u) пропуска охлажденного потока и потока хладагента второго цикла через четвертую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в котором потоки находятся в непрямом теплообмене и проходят в противотоке с потоком охлаждения высшего этапа второго цикла для получения второго потока хладагента второго цикла;

(v) разделения второго потока хладагента второго цикла на третий поток хладагента второго цикла и четвертый поток хладагента второго цикла;

(w) снижения давления третьего потока хладагента второго цикла для получения потока охлаждения высшего этапа второго цикла;

(х) пропуска потока охлаждения высшего этапа второго цикла через четвертую секцию теплообмена для получения рециклового потока высшего этапа второго цикла;

(y) пропуска четвертого потока хладагента второго цикла через пятую секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой поток находится в непрямом теплообмене и проходит в противотоке с потоком охлаждения низшего этапа второго цикла для получения пятого потока хладагента второго цикла;

(z) снижения давления пятого потока хладагента второго цикла для получения двухфазного потока хладагента второго цикла;

(аа) использования потока этапа (z) в качестве хладагента на стороне испарения теплообменника с сердечником в испарителе, в котором содержится газовая и жидкая части, а сердечник по меньшей мере частично погружен в жидкость;

(bb) извлечения потока охлаждения низшего этапа второго цикла из газовой части на стороне испарителя теплообменника с сердечником в испарителе;

(cc) пропуска четвертого охлажденного потока через сердечник теплообменника с сердечником в испарителе для получения несущего жидкость потока;

(dd) пропуска потока охлаждения низшего этапа второго цикла через четвертую секцию теплообмена для получения рециклового потока низшего этапа второго цикла;

(ее) сжатия рециклового потока низшего этапа второго цикла для получения сжатого рециклового потока низшего этапа второго цикла;

(ff) объединения сжатого рециклового потока низшего этапа второго цикла и рециклового потока высшего этапа второго цикла для получения объединенного потока высшего этапа второго цикла;

(gg) сжатия объединенного рециклового потока высшего этапа второго цикла до повышенного давления для получения сжатого потока хладагента второго цикла; и

(hh) охлаждения сжатого потока хладагента второго цикла для получения второго потока хладагента этапа (u) второго цикла.

Предпочтительно, газообразным потоком является метан, потоком хладагента первого цикла является пропан, а потоком хладагента второго цикла является этилен или этан.

Способ дополнительно включает этап объединения четвертого охлажденного потока и предварительно охлажденного обогащенного метаном газового потока перед пропуском объединенного потока через сердечник холодильника с сердечником в испарителе.

Предпочтительно, две или несколько секций теплообмена, выбранных из группы, включающей первую секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами, вторую секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами и третью секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами, находятся в одном теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

Предпочтительно также, четвертая секция теплообмена с пластинчатыми ребрами и пятая секция теплообмена с пластинчатыми ребрами находятся в одном теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

В способе по меньшей мере часть охлаждения этапа (hh) обеспечивают пропуском сжатого потока через одну или несколько секций теплообмена, выбранных из группы, включающей первую секцию теплообмена, вторую секцию теплообмена и третью секцию теплообмена, при этом поток находится в непрямом контакте и проходит в противотоке с одним или несколькими потоками охлаждения.

В способе по меньшей мере часть охлаждения этапа (hh) обеспечивают пропуском сжатого потока через второй сердечник, причем сердечник находится в теплообменнике с сердечником в испарителе этапа (j).

Поставленная задача достигается посредством устройства для ожижения газообразного вещества, которое содержит

(a) компрессор,

(b) конденсатор,

(с) теплообменник с сердечником в испарителе,

(d) секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, включающую два впускных и два выпускных коллектора и сердечник, которые предусмотрены для обеспечения прохождения сред в противотоке,

(e) по меньшей мере одну ступень охлаждения, выполненную из:

(i) секции теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, составленной из впускных и выпускных коллекторов и сердечника, предусмотренных для обеспечения прохождения потоков первой и второй сред в противотоке с прохождением потока третьей среды,

(ii) средства разделения,

(iii) средства снижения давления,

(iv) трубопроводов, предусмотренных для проточной связи между выпускным коллектором для первого потока и средством разделения, средством разделения и средством снижения давления, средством снижения давления и впускным коллектором для третьего потока, выпускным коллектором для третьего потока и компрессором, и между средством разделения и впускным коллектором для первого потока в секции теплообмена с пластинчатыми ребрами ниже по ходу потока в следующем этапе охлаждения или впускном коллекторе секции теплообмена с пластинчатыми ребрами, и

(v) трубопровод, соединяющий выпускной коллектор для второго потока с впускным коллектором для второго потока в теплообменнике с пластинчатыми ребрами ниже по потоку в следующей ступени охлаждения или на входе сердечника теплообменника с сердечником в испарителе,

(f) средство снижения давления,

(g) трубопровод, соединяющий выпускной коллектор секции теплообмена с пластинчатыми ребрами, который находится в проточной связи с впускным коллектором для секции теплообмена с пластинчатыми ребрами, со средством снижения давления этапа (f),

(h) средство для обеспечения проточной связи между средством снижения давления (f) и стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе,

(i) трубопровод, соединяющий сторону испарителя теплообменника с сердечником в испарителе с впускным коллектором на секции теплообмена с пластинчатыми ребрами (d),

(j) трубопровод, соединяющий выпускной коллектор на секции теплообмена с пластинчатыми ребрами (а) с компрессором,

(k) трубопровод, соединяющий выпускной патрубок в компрессоре с конденсатором,

(l) трубопровод, соединяющий конденсатор с впускным коллектором на секции теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой коллектор находится в проточной связи с выпускным коллектором (iv),

(m) трубопровод, присоединенный к впускному коллектору для начального этапа охлаждения, и

(n) трубопровод, присоединенный к выпускному концу сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, в котором трубопровод проходит сквозь стенку испарителя.

Предпочтительно, компрессор предназначен для выполнения сжатия углеводородов.

При этом выполнение сжатия углеводородов предназначено для сжатия этана, этилена или пропана.

Поставленная задача также достигается посредством устройства для сжижения потока газообразного вещества, которое содержит

(a) двухступенчатый компрессор,

(b) конденсатор хладагента,

(c) первый теплообменник с пластинчатыми ребрами, выполненный из:

(i) первого и второго впускных коллекторов и третьего и четвертого выпускных коллекторов, расположенных с промежутками вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами,

(ii) первого и второго выпускных коллекторов и третьего и четвертого впускных коллекторов, расположенных с промежутками вблизи конца, противоположного упомянутому концу, концу,

(iii) сердечника, составленного по меньшей мере из четырех проточных трубопроводов, в котором трубопроводы соединяют соответственно первый впускной коллектор с первым выпускным коллектором, второй впускной коллектор со вторым выпускным коллектором, третий впускной коллектор с третьим выпускным коллектором и четвертый впускной коллектор с четвертым выпускным коллектором,

(d) второй теплообменник с пластинчатыми ребрами, выполненный из:

(i) первого впускного коллектора и второго выпускного коллектора, расположенных с промежутками вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами,

(ii) первого выпускного коллектора и второго впускного коллектора, расположенных с промежутками вблизи конца, противоположного концу теплообменника, и

(iii) сердечника, составленного по меньшей мере из двух проточных трубопроводов, в котором трубопроводы соединяют соответственно первый впускной коллектор с первым выпускным коллектором и второй впускной коллектор со вторым выпускным коллектором,

(e) первое средство разделения,

(f) первое и второе средство снижения давления,

(g) теплообменник с сердечником в испарителе,

(h) первый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускное отверстие высшей ступени в компрессоре с конденсатором хладагента,

(i) второй трубопровод для хладагента, соединяющий конденсатор с первым впускным коллектором на первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(j) третий трубопровод для хладагента, соединяющий первый выпускной коллектор в первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами со средством разделения потоков,

(k) четвертый трубопровод для хладагента, соединяющий средство разделения потоков с первым средством снижения давления,

(l) пятый трубопровод для хладагента, соединяющий первое средство снижения давления с третьим впускным коллектором в первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(m) шестой трубопровод для хладагента, соединяющий третий выпускной коллектор в первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами с впускным патрубком высшей ступени в компрессоре для хладагента,

(n) седьмой трубопровод для хладагента, соединяющий средство разделения с первым впускным коллектором во втором теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(о) восьмой трубопровод для хладагента, соединяющий выпускной коллектор во втором теплообменнике с пластинчатыми ребрами со вторым средством снижения давления,

(р) средство соединения, обеспечивающее проточную связь между вторым средством снижения давления со стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе,

(q) девятый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускное отверстие для пара стороны испарителя со вторым впускным коллектором на втором теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(r) десятый трубопровод для хладагента, соединяющий второй выпускной коллектор на втором теплообменнике с пластинчатыми ребрами с четвертым впускным коллектором в первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(s) одиннадцатый трубопровод для хладагента, соединяющий четвертый выпускной коллектор в первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами с впускным патрубком низшей ступени в компрессоре,

(t) первый трубопровод, соединенный с вторым впускным коллектором на первом теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(u) второй трубопровод, соединяющий второй выпускной коллектор в первом теплообменнике с впускной секцией сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, и

(v) третий трубопровод, соединенный с выпускной секцией сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе и проходящий сквозь стенку испарителя теплообменника с сердечником в испарителе.

Устройство дополнительно содержит

(w) средство объединения, расположенное во втором трубопроводе, и

(х) первый рецикловый трубопровод, присоединенный к средству объединения.

Предпочтительно, двухступенчатый компрессор имеет охлаждение между ступенями и предназначен для выполнения сжатия углеводородов и для обслуживания пропана, этана или этилена.

Поставленная задача также достигается посредством устройства для ожижения газообразного вещества, которое содержит

(a) компрессор,

(b) конденсатор,

(с) теплообменник с сердечником в испарителе,

(d) по меньшей мере два средства снижения давления,

(е) теплообменник с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, выполненный из:

(i) по меньшей мере двух впускных коллекторов и по меньшей мере одного выпускного коллектора, расположенных в непосредственной близости один к другому у одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами или вблизи него,

(ii) по меньшей мере одного впускного коллектора и по меньшей мере одного выпускного коллектора, расположенных в непосредственной близости один к другому у конца, противоположного упомянутому концу или вблизи него,

(iii) по меньшей мере одного промежуточного впускного коллектора и по меньшей мере одного промежуточного выпускного коллектора, в котором коллекторы расположены вдоль теплообменника между впускным и выпускным коллекторами, и

(iv) сердечника, выполненного из

(аа) по меньшей мере одного проточного канала, соединяющего один из впускных коллекторов (i), выпускной коллектор (ii) и по меньшей мере один промежуточный выпускной коллектор (iii),

(bb) по меньшей мере одного проточного канала между одним из впускных коллекторов (ii) и либо промежуточным выпускным коллектором (iii), либо выпускным коллектором (i),

(cc) по меньшей мере одного проточного канала между одним из промежуточных впускных коллекторов (iii) и по меньшей мере одним выпускным коллектором (i), и

(dd) по меньшей мере одного проточного канала между впускным коллектором (i), либо промежуточным выпускным коллектором (iii) или выпускным коллектором (ii),

(f) трубопровода, соединяющего компрессор с конденсатором,

(g) трубопровода, соединяющего конденсатор с впускным коллектором, который находится в проточной связи с по меньшей мере одним промежуточным выпускным коллектором,

(h) трубопроводов, соединяющих каждый из промежуточных выпускных коллекторов в проточной связи с впускным коллектором, со средством снижения давления и соединяющих каждые средства снижения давления с промежуточным впускным коллектором,

(i) трубопроводов, соединяющих выпускные коллекторы и коллекторы с компрессором,

(j) трубопровода, соединяющего выпускной коллектор, который находится в проточной связи с промежуточными выпускными коллекторами, со средством снижения давления,

(k) средства обеспечения проточной связи между средством снижения давления и стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе,

(l) трубопровода, соединяющего сторону испарителя теплообменника с сердечником в испарителе с одним из впускных коллекторов,

(m) трубопровода, присоединенного к одному из остальных впускных коллекторов,

(n) трубопровода, соединяющего выпускной коллектор или промежуточный выпускной коллектор, который находится в проточной связи с трубопроводом у сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, и

(о) трубопровода, присоединенного к выпускной секции сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, в котором трубопровод проходит внутрь испарителя.

Устройство дополнительно содержит

(р) один или несколько дополнительных промежуточных выпускных коллекторов, расположенных между промежуточными коллекторами (iii) и выпускными коллекторами (ii), причем коллекторы соединены с каналом (аа),

(q) один или несколько дополнительных промежуточных впускных коллекторов, причем каждый один из таких коллекторов находится на теплообменнике в непосредственной близости к промежуточному выпускному коллектору (р),

(r) трубопровод, средство снижения давления и трубопровод, обеспечивающий проточную связь между каждым коллектором (р) и (q), которые находятся с промежутками поблизости один от другого,

(s) промежуточный впускной коллектор (q), промежуточный выпускной коллектор, расположенный вблизи коллекторов (i) или промежуточный выпускной коллектор, расположенный вдоль теплообменника с пластинчатыми ребрами между выпускным коллектором (i) и промежуточным впускным коллектором (q), для каждого промежуточного впускного коллектора (q), и

(t) сердечник, составленный из каналов, соединяющих каждый такой промежуточный впускной коллектор (q) с соответствующем промежуточным выпускным коллектором (s), причем трубопровод (1) состоит из такого трубопровода, который необходим для соединения выпускных коллекторов (s) с компрессором.

Поставленная задача также достигается посредством устройства для ожижения газообразного вещества, которое содержит

(a) двухступенчатый компрессор,

(b) конденсатор,

(с) теплообменник с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, выполненный из

(i) первого и второго впускных коллекторов и третьего и четвертого выпускных коллекторов, расположенных в непосредственной близости один к другому вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами,

(ii) второго выпускного коллектора и четвертого впускного коллектора, расположенных в непосредственной близости один к другому у противоположного конца теплообменника,

(iii) первого промежуточного коллектора, второго промежуточного коллектора и третьего промежуточного коллектора, расположенных между коллекторами на теплообменнике с пластинчатыми ребрами, и

(iv) сердечника внутри теплообменника с пластинчатыми ребрами, выполненного по меньшей мере из одного трубопровода для теплообмена, соединяющего первый впускной коллектор и первый промежуточный коллектор, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединенного вторым впускным коллектором со вторым промежуточным коллектором и вторым выпускным коллектором, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего третий промежуточный коллектор с третьим выпускным коллектором, и по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединенного четвертым впускным коллектором с четвертым выпускным коллектором,

(d) первое средство снижения давления,

(e) второе средство снижения давления,

(f) теплообменник с сердечником в испарителе,

(g) первый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускной патрубок высшей ступени в компрессоре с конденсатором хладагента,

(h) второй трубопровод для хладагента, присоединенный к конденсатору у второго впускного коллектора на теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(i) третий трубопровод для хладагента, соединяющий второй промежуточный коллектор с первым средством снижения давления,

(j) четвертый трубопровод для хладагента, соединяющий средство снижения давления с третьим промежуточным коллектором,

(k) пятый трубопровод для хладагента, соединяющий третий выпускной коллектор с впускным патрубком второй ступени на компрессоре,

(l) шестой трубопровод для хладагента, соединяющий второй выпускной коллектор со вторым средством снижения давления,

(m) средство обеспечения проточной связи между средством снижения давления и стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе,

(n) седьмой трубопровод для хладагента, соединяющий выпускной патрубок для пара стороны испарителя на теплообменнике с сердечником в испарителе и четвертый впускной коллектор,

(о) восьмой трубопровод для хладагента, соединяющий четвертый выпускной коллектор и впускной патрубок первой ступени в компрессоре,

(р) трубопровод, присоединенный к первому впускному коллектору,

(q) трубопровод, соединяющий первый промежуточный коллектор с впускным концом сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, и

(r) трубопровод, присоединенный к выпускному концу сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе.

Устройство дополнительно содержит

(s) средство объединения, расположенное в трубопроводе между первым промежуточным коллектором и теплообменником с сердечником в испарителе, и

(t) первый рецикловый трубопровод, присоединенный к средству объединения.

Предпочтительно, компрессор предназначен для обслуживания этилена или этана.

Поставленная задача также достигается посредством устройства для ожижения газообразного вещества, которое содержит

(а) двухступенчатый компрессор,

(b) конденсатор,

(с) теплообменник с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, выполненный из

(i) первого и второго впускных коллекторов и третьего и четвертого выпускных коллекторов, расположенных в непосредственной близости один к другому вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами,

(ii) первого и второго выпускных коллекторов и четвертого впускного коллектора, расположенных в непосредственной близости один к другому у противоположного конца теплообменника,

(iii) второго промежуточного коллектора и третьего промежуточного коллектора, причем коллекторы расположены между впускным и выпускным коллекторами на теплообменнике с пластинчатыми ребрами, и

(iv) сердечника внутри теплообменника с пластинчатыми ребрами, составленного по меньшей мере из одного трубопровода для теплообмена, соединяющего первый впускной коллектор и первый выпускной коллектор, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединенного вторым впускным коллектором со вторым промежуточным коллектором и вторым выпускным коллектором, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего третий промежуточный коллектор с третьим выпускным коллектором, и по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединенного четвертым впускным коллектором с четвертым выпускным коллектором,

(d) первое средство снижения давления,

(e) второе средство снижения давления,

(f) теплообменник с сердечником в испарителе,

(g) первый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускное отверстие высшей ступени в компрессоре с конденсатором хладагента,

(h) второй трубопровод для хладагента, присоединенный к конденсатору и второму впускному коллектору на теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(i) третий трубопровод для хладагента, соединяющий второй промежуточный коллектор с первым средством снижения давления,

(j) четвертый трубопровод для хладагента, соединяющий средство снижения давления с третьим промежуточным коллектором,

(k) пятый трубопровод для хладагента, соединяющий третий выпускной коллектор с впускным патрубком второй ступени на компрессоре,

(l) шестой трубопровод для хладагента, соединяющий второй выпускной коллектор со вторым средством снижения давления,

(m) средство обеспечения проточной связи между средством снижения давления и стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе,

(n) седьмой трубопровод для хладагента, соединяющий выпускной патрубок для пара стороны испарителя на теплообменнике с сердечником в испарителе и четвертый впускной коллектор,

(о) восьмой трубопровод для хладагента, соединяющий четвертый выпускной коллектор и впускной патрубок первой ступени компрессора,

(р) трубопровод, присоединенный к первому впускному коллектору,

(q) трубопровод, соединяющий первый выпускной коллектор с впускным концом сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, и

(r) трубопровод, присоединенный к выпускному концу сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе.

Поставленная задача также достигается посредством устройства для сжижения газообразного вещества, которое содержит

(a) трехступенчатый компрессор,

(b) конденсатор,

(с) теплообменник с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, выполненный из

(i) впускных коллекторов первого и второго и третьего потоков и выпускного коллектора четвертого потока, расположенных в непосредственной близости один к другому вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами,

(ii) выпускного коллектора третьего потока и впускного коллектора шестого потока, расположенных в непосредственной близости один к другому вблизи противоположного конца теплообменника,

(iii) промежуточных коллекторов третьего, четвертого и пятого потоков, расположенных с промежутками вдоль теплообменника между впускным (i) и выпускным (ii) коллекторами на теплообменнике с пластинчатыми ребрами и поблизости с небольшим промежутком один от другого,

(iv) промежуточных коллекторов первого, второго, третьего, пятого и шестого промежуточных коллекторов, расположенных с промежутками вдоль впускных (iii) и выпускных (ii) коллекторов, и

(v) сердечника внутри теплообменника с пластинчатыми ребрами, составленного по меньшей мере из одного трубопровода для теплообмена, соединяющего впускной коллектор первого потока и промежуточный коллектор (iv) первого потока, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего впускной коллектор второго потока и промежуточный коллектор (iv) второго потока, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего впускной коллектор третьего потока и промежуточный коллектор (iii) третьего потока, промежуточный коллектор (iv) третьего потока и выпускной коллектор третьего потока, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего промежуточный коллектор четвертого потока с выпускным коллектором четвертого потока, по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего промежуточный коллектор (iv) пятого потока с выпускным коллектором (iii) пятого потока и по меньшей мере одного трубопровода для теплообмена, соединяющего впускной коллектор шестого потока с промежуточным коллектором (iv) шестого потока,

(d) первое, второе и третье средство снижения давления,

(e) теплообменник с сердечником в испарителе, в котором теплообменник содержит первый сердечник и второй сердечник,

(g) первый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускное отверстие высшей ступени в компрессоре с конденсатором хладагента,

(h) второй трубопровод для хладагента, соединяющий конденсатор с впускным коллектором третьего потока на теплообменнике с пластинчатыми ребрами,

(i) третий трубопровод для хладагента, соединяющий промежуточный коллектор третьего потока с первым средством снижения давления,

(j) четвертый трубопровод для хладагента, соединяющий средство снижения давления с промежуточным коллектором (iii) четвертого потока,

(k) пятый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускной коллектор четвертого потока с впускным патрубком третьей ступени на компрессоре,

(l) шестой трубопровод для хладагента, соединяющий промежуточный коллектор третьего потока со вторым средством снижения давления,

(m) седьмой трубопровод для хладагента, соединяющий средство снижения давления с промежуточным коллектором пятого потока,

(n) восьмой трубопровод для хладагента, соединяющий промежуточный коллектор пятого потока с впускным патрубком второй ступени на компрессоре,

(о) девятый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускной коллектор третьего потока с третьим средством снижения давления,

(р) средство обеспечения проточной связи между средством снижения давления (о) и стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе,

(q) десятый трубопровод для хладагента, соединяющий выпускное отверстие для пара на теплообменнике с сердечником в испарителе и впускной коллектор шестого потока,

(r) одиннадцатый трубопровод для хладагента, соединяющий промежуточный коллектор шестого потока с впускным патрубком первой ступени на компрессоре,

(s) трубопровод, соединенный с первым впускным коллектором,

(t) трубопровод, соединяющий первый промежуточный коллектор и впускное отверстие у первого сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе,

(u) трубопровод, присоединенный к выпускному концу первого сердечника в теплообменнике с сердечниками в испарителе,

(v) трубопровод, присоединенный ко второму впускному коллектору,

(w) трубопровод, соединяющий второй промежуточный коллектор и впускное отверстие у второго сердечника в теплообменнике с сердечниками в испарителе, и

(х) трубопровод, присоединенный к выпускному концу второго сердечника в теплообменнике с сердечниками в испарителе.

Предпочтительно, компрессор предназначен для обслуживания пропана.

На фиг.1 представлена упрощенная поточная диаграмма криогенного способа получения ожиженного природного газа (ОПГ), которая иллюстрирует технологический способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 и 3 показаны варианты настоящего изобретения, в которых в одном теплообменнике расположено несколько передающих тепло секций с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

Поскольку переработка потока природного газа представлена иллюстративно посредством охлаждения газообразного вещества, в которой из потока удаляют предварительно выбранные компоненты, а по меньшей мере часть потока ожижают, и поскольку такое применение представляет собой предпочтительный вариант настоящего изобретения, то следующее далее описание со ссылкой на чертежи ограничено переработкой потока природного газа. Однако должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничено ни переработкой природного газа, ни отделением из газа компонентов или ожижением газа, но в широком смысле относится в целом к охлаждению газообразного материала, посредством которого получают ожиженный продукт и, в частности, к многоэтапному охлаждению обычно газообразного материала, посредством которого получают ожиженный продукт.

При переработке природного газа обычно используют этапы предварительной обработки для удаления нежелательных компонентов, таких как кислые газы, меркаптаны, ртуть и влага, из потока сырьевого природного газа, подаваемого на оборудование. Состав потока такого газа может существенно изменяться. Как правило, поток природного газа представляет собой поток, состоящий в основном из метана, который исходно составляет основную часть потока сырьевого природного газа, например, поток, содержащий по меньшей мере 85 об.% метана, причем остальное составляют этан, высокомолекулярные углеводороды, азот, двуокись углерода и минимальные составные части других загрязняющих примесей, таких как ртуть, сероводород, меркаптаны. Этапы предварительной обработки могут подразделяться на этапы, расположенные или выше по потоку от циклов охлаждения, или ниже по потоку от одного из этапов, предшествующих этапам охлаждения на начальном цикле. Далее следует перечень, не включающий некоторые из имеющихся в наличии средств, которые известны любому специалисту в данной области техники. Кислые газы и в меньшей степени меркаптаны обычно удаляют посредством процесса сорбции с использованием водного раствора на основе аминов. Такой этап обработки, как правило, выполняют выше по потоку от этапов охлаждения, используемых на начальном цикле. Основную часть воды обычно удаляют в виде жидкости посредством разделения двух фаз газ-жидкость с последующим сжатием и охлаждением газа выше по потоку от начального цикла охлаждения, а также ниже по потоку от первого этапа охлаждения в начальном цикле охлаждения. Ртуть обычно извлекают через слои сорбента ртути. Остаточные количества воды и кислых газов обычно удаляют посредством слоев правильно выбранных сорбентов, таких как молекулярные сита. Процессы, в которых используют слои сорбентов, обычно находятся ниже по потоку от первого этапа охлаждения в начальном цикле охлаждения.

Одним из наиболее выгодных и эффективных технологических способов ожижения природного газа является способ каскадного типа, а также такой способ в сочетании с охлаждением посредством расширения. Такие способы получения ожиженного природного газа (ОПГ) кроме того включают отделение углеводородов с более высоким молекулярным весом, чем у метана, как его первая часть, в описании установки для криогенного получения ОПГ подробно описана похожая установка для отделения углеводородов С₂+ из потока природного газа.

Предпочтительный вариант, в котором используется каскадная система охлаждения, включает последовательное охлаждение потока природного газа при повышенном давлении, например приблизительно 4,482 МПа, последовательным охлаждением газового потока путем прохождения через многоэтапный пропановый цикл, многоэтапный этановый или этиленовый цикл и либо (а) замкнутый метановый цикл с последующим одно- и многоэтапным циклом расширения с дальнейшим его охлаждением и снижением давления до близкого к атмосферному, или (b) метановый цикл с открытым выходом, в котором используют часть сырьевого газа в качестве источника метана и который включает многоэтапный цикл расширения с дальнейшим его охлаждением и снижением давления до близкого к атмосферному. В последовательности циклов охлаждения сначала используют хладагент, имеющий более высокую точку кипения, и затем хладагент, имеющий промежуточную точку кипения, и наконец, хладагент, имеющий наиболее низкую точку кипения.

Поток природного газа обычно подают в процесс ожижения при повышенном давлении или подвергают сжатию с повышением давления, так чтобы давление было выше 3,447 МПа, предпочтительно приблизительно от 3,447 до 6,205 МПа, более предпочтительно, приблизительно от 3,792 до 4,654 МПа, еще более предпочтительно, приблизительно от 3,965 до 4,482 МПа, и наиболее предпочтительно, приблизительно 4,137 МПа. Температура потока, как правило, близка или несколько выше температуры окружающей среды. Типичный температурный диапазон составляет от 15,56 до 48,89°С.

Как отмечено выше, поток природного газа в этой точке охлаждают во множестве многоэтапных (например, трех) циклах или этапах посредством непрямого теплообмена с множеством хладагентов, предпочтительно трех. Общая эффективность охлаждения для данного цикла повышается по мере того как увеличивается число этапов, однако это увеличение эффективности сопровождается соответствующим увеличением капиталовложений и сложности процесса. Сырьевой газ предпочтительно проходит через эффективное число этапов охлаждения, номинально два, предпочтительно от двух до четырех, а более предпочтительно, через три этапа, в первом замкнутом цикле охлаждения при использовании хладагента с относительно высокой точкой кипения. Основную часть такого хладагента преимущественно составляют пропан, пропилен или их смеси, более предпочтительно пропан, а наиболее предпочтительно хладагент состоит по существу из пропана. Таким образом, обрабатываемый сырьевой газ проходит через эффективное число этапов, номинально два, предпочтительно от двух до четырех, и более предпочтительно два или три, во второй замкнутый цикл при непрямом теплообмене с хладагентом, имеющим более низкую точку кипения. Основную часть такого хладагента составляет этан, этилен или их смесь, более предпочтительно этилен, и наиболее предпочтительно хладагент по существу состоит из этилена. Каждый из этапов охлаждения содержит отдельную зону охлаждения для каждого хладагента.

Поток сырьевого природного газа, как правило, содержит такое количество компонентов C₂+, чтобы в результате в одном или нескольких этапах охлаждения образовалась жидкость, обогащенная С₂+. Такую жидкость удаляют с помощью средства отделения газ-жидкость, предпочтительно, одного или нескольких отделителей газ-жидкость обычного типа. Последовательное охлаждение природного газа в каждом этапе регулируют так, чтобы удалить из газа как можно больше С₂ и углеводородов с более высоким молекулярным весом, чтобы получить первый газовый поток, преимущественно содержащий метан, и второй поток жидкости, содержащий значительные количества этана и более тяжелых компонентов. Средства отделения газ/жидкость располагают в наиболее подходящих местах ниже по потоку от зон охлаждения для удаления потоков жидкости, обогащенной компонентами С₂+. Точные места расположения средств отделения газ/жидкость к их количество зависит от числа технологических параметров, таких как состав С₂+ в потоке сырьевого природного газа, нужная теплотворная способность готового продукта, количество компонентов С₂+ для других применений и других факторов, обычно учитываемых специалистами в области установок ОПГ и технологии переработки газа. Из потока или потоков углеводородов С₂+ может быть удален метан на одном этапе испарения или с помощью фракционирующей колонны.

В первом случае обогащенный метаном поток может быть подвергнут повторному повышению давления и подаче на повторный цикл или может быть использован как топливный газ. В последнем случае обогащенный метаном поток может быть напрямую подвергнут возврату давления до процесса ожижения. Поток или потоки углеводородов С₂+ или деметанизированный поток углеводородов С₂+ может быть использован как топливо или может быть подвергнут дальнейшей переработке, такой как фракционирование в одной или нескольких зонах фракционирования для получения отдельных потоков, обогащенных конкретными химическими компонентами (например, С₂, С₃, С₄ и С₅+). На последнем этапе второго цикла охлаждения большую часть, предпочтительно весь поток газа, который в основном содержит метан (обычно более 95 моль.% метана, а как правило, более 97 моль.%), конденсируют (т.е. ожижают).

Поток ожиженного природного газа затем охлаждают на третьем этапе посредством одного или двух вариантов. В одном варианте поток ожиженного природного газа охлаждают путем прямого теплообмена с третьим замкнутым циклом ожижения, в котором поток конденсированного газа переохлаждают путем пропуска через эффективное количество этапов, обычно 2 этапа; предпочтительно от 2 до 4; а более предпочтительно 3, в которых охлаждение обеспечивает третий хладагент, имеющий более низкую точку кипения, чем у хладагента, используемого на втором цикле. Этот хладагент предпочтительно в основном состоит из метана, более предпочтительно он содержит более 90 моль.% метана, и наиболее предпочтительно, по существу состоит из метана. Во втором и предпочтительном варианте, в котором используют открытый цикл ожижения метана, поток ожиженного природного газа переохлаждают путем непрямого теплообмена с газами в основном метановом экономайзере по технологии, описанной ниже.

На четвертом этапе ожиженный газ охлаждают путем расширения и отделения испарившегося газа от охлажденной жидкости. Из системы извлекают азот, а конденсированный продукт используют как часть этого этапа или в отдельном следующем этапе. Основным фактором, отличающим замкнутый цикл от открытого цикла, является начальная температура ожиженного потока перед сбросом давления до близкого к атмосферному, относительные количества испарившегося газа, образованного при сбросе давления и удаление испарившихся газов. В то время как основную часть испарившегося газа направляют для рециркулирования в компрессор для метана в системе с открытым циклом, испарившийся газ в системе с замкнутым циклом обычно используют как топливо.

На четвертом этапе в системах переработки метана либо с открытым, либо с закрытым циклом ожиженный продукт охлаждают посредством одного, предпочтительно от двух до четырех, а более предпочтительно трех этапов расширения, где при каждом расширении используют либо расширительные клапаны Джоуля-Томсона, либо гидравлические расширители после разделения продукта на газ-жидкость при использовании отделителя. Как использовано здесь, термин “гидравлические расширители” не ограничивается расширителем, который принимает и производит поток жидкости, а включает расширители, которые принимают преимущественно жидкофазный поток и производят двухфазный поток (газ/жидкость). Когда используют гидравлический расширитель и он правильно работает, то более высокая эффективность, связанная с регенерацией энергии, повышенным снижением температуры потока и получением меньшего количества пара в ходе этапа расширения, часто должна заключаться в экономической эффективности, даже при повышенных капиталовложениях и производственных расходах, связанных с расширителем. В одном варианте, используемом в системе с открытым циклом, дополнительное охлаждение ожиженного продукта при высоком давлении перед испарением становится возможным за счет первого испарения части этого потока с помощью одного или нескольких расширителей, а затем за счет средства непрямого теплообмена, использующего подвергнутый испарению поток для охлаждения ожиженного потока высокого давления перед испарением. Подвергнутый испарению продукт затем возвращают в режиме рециркуляции в соответствующее место, основанное на учете температуры и давления в открытом метановом цикле.

Когда жидкий продукт, поступающий на четвертый цикл, имеет давление предпочтительно 4,137 МПа, типичные сбросы давления в ходе трех этапов процесса испарения составляют приблизительно 1,31, 0,421 и 0,101 МПа. В системе открытого типа пар, образованный при сбросе давления или отделенный на этапе извлечения азота, который испарился на этапах расширения при сбросе давления, используют как хладагенты в третьем этапе или цикле, которые были описаны выше. В системе замкнутого типа пар с этапов испарения также может быть использован в качестве хладагента либо перед рециркулированием, либо для использования в виде топлива. Как в системе открытого цикла, так и в системе закрытого цикла, при сбросе давления ожиженного потока до давления, близкого к атмосферному, будет получен продукт ОПГ, имеющий температуру от -151,11°С до -162,22°С.

Чтобы сохранить теплосодержание ожиженного продукта в допустимом пределе, когда в потоке сырья присутствует значительное количество азота, азот необходимо концентрировать и удалить в определенном месте процесса. Специалистам в данной области техники известны различные технологии для решения этой проблемы. Далее приведены примеры. Если используют открытый метановый цикл, а концентрация азота в сырье является низкой, обычно менее приблизительно 1,0 об.%, извлечение азота обеспечивают, как правило, путем удаления небольшого бокового потока при высоком давления у впускного или выпускного отверстия в метановом компрессоре. В ходе замкнутого цикла при концентрациях азота в сырьевом газе вплоть до 1,5 об.% обычно производят сброс давления от действующего в процессе до давления, близкого к атмосферному, в единственном этапе, обычно в испарительном барабане. Образованные при испарении пары на основе азота затем используют обычно в качестве топливного газа для газовых турбин, приводом которых является компрессор. ОНГ продукт, который теперь имеет давление, близкое к атмосферному, направляют на хранение. Если концентрация азота в газовом сырье на впуске составляет приблизительно от 1,0 до 1,5 об.% и используют открытый цикл, то азот можно удалять, подвергнув поток сжиженного газа с третьего цикла охлаждения этапу сброса давления перед четвертым этапом охлаждения. Полученный при сбросе давления пар будет содержать значительное количество азота и впоследствии может быть использован как топливный газ. Типичное давление при его сбросе для удаления азота при таких концентрациях составляет приблизительно 2,758 МПа. Если концентрация азота в сырьевом потоке составляет приблизительно более 1,5 об.% и используют открытый или закрытый цикл, то этап сброса давления может не обеспечить достаточного удаления азота. В таком случае можно использовать мембранную колонну для отвода азота, из которой получают обогащенный азотом поток пара и поток жидкости.

В предпочтительном варианте, в котором используют мембранную колонну для отвода азота, поток ожиженного метана высокого давления делится в метановом экономайзере на первую и вторую части. В первой части сбрасывают давление приблизительно до 2,758 МПа, и двухфазную смесь подают как сырьевой поток в мембранную колонну отвода азота. Вторую часть потока ожиженного метана высокого давления затем охлаждают посредством пропуска через метановый экономайзер, который будет описан ниже, а затем сбрасывают давление до 2,758 МПа, и полученную в результате двухфазную смесь или ее ожиженную часть подают в верхнюю секцию колонны, где она функционирует как поток орошения. Обогащенный азотом поток пара, получаемый из верха мембранной колонны отвода азота, обычно используют как топливо. Поток ожиженного продукта из донной части колонны затем подают на первый этап расширения метана.

При ожижении природного газа в каскадном процессе критическим фактором является использование одного или нескольких хладагентов для передачи тепловой энергии от потока природного газа хладагенту и в конечном счете передачи тепловой энергии окружающей среде. Система охлаждения функционирует по существу как тепловой насос за счет извлечения тепловой энергии из потока природного газа как потока, который постепенно охлаждают до все более и более низкой температуры. В таком случае тепловая энергия, отводимая из потока природного газа, оказывается в конечном счете извлеченной (откачанной) в окружающую среду за счет обмена энергией с одним или несколькими хладагентами.

В процессе ожижения используют несколько типов охлаждения, которые включают, но не ограничены ими (а) непрямой теплообмен, (b) испарение и (с) расширение или снижение давления. Основным аспектом настоящего изобретения является способ, в котором используют непрямой теплообмен. Непрямой теплообмен, как он использован здесь, относится к форме охлаждения, в которой хладагент, или охлаждающий агент, охлаждает вещество, подлежащее охлаждению, без реального физического контакта между хладагентом и веществом, подлежащим охлаждению. Конкретные примеры включают теплообмен, происходящий в кожухотрубном теплообменнике, теплообменнике с сердечником в испарителе и в теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

Настоящее изобретение отличается от обычных технологий новым и стратегическим использованием теплообменника с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами вместо некоторых из теплообменников с сердечником в испарителе, результатом чего является уменьшение количества технологических емкостей и соответственно предназначенной для них площади, только при относительно небольшом уменьшении эффективности способа. Как отмечено выше, эти факторы становятся значительно более важными по мере того, как уменьшается масштаб процесса и утрачивается экономический эффект для некоторых из технологических емкостей.

Второй формой охлаждения, которая может быть использована, является охлаждение испарением. Охлаждение испарением относится к охлаждению вещества посредством испарения части вещества с системой, поддерживающей постоянное или близкое к нему давление. Таким образом, в ходе охлаждения испарением часть вещества, которое испаряется, поглощает тепло из части вещества, которое остается в жидком состоянии и, следовательно, охлаждает часть жидкости.

Третьей формой охлаждения, которая может быть использована, является охлаждение расширением, или снижением давления. Охлаждение расширением или снижением давления относится к типу охлаждения, которое происходит, когда снижают давление газовой, жидкофазной или двухфазной системы с помощью средства снижения давления. В одном варианте таким средством расширения является расширительный клапан Джоуля-Томсона. В другом варианте средством расширения является гидравлический или газовый расширитель. Поскольку расширители утилизируют энергию работы из процесса расширения, при расширении становятся возможными более низкие температуры технологических потоков.

В описании и чертежах описано и показано расширение хладагента путем пропуска через дроссельный клапан с последующим отделением частей газа и жидкости на испарительной стороне теплообменника с сердечником в испарителе. В альтернативном варианте дроссельный или расширительный клапан может быть не столько отделительным компонентом, соединенным трубопроводом с теплообменником с сердечником в расширителе, а составной частью теплообменника с сердечником в испарителе (т.е. сброс давления или расширение происходит на входе ожиженного хладагента на испарительной стороне теплообменника с сердечником в испарителе). К тому же в единственном теплообменнике с сердечником в испарителе можно охлаждать множество потоков посредством размещения множества сердечников в один испаритель. Чертежи и описание также характеризуют отделяющие или разделительные средства, в которых поток делится на два или более потоков. Такие средства для отделения или разделения потока состоят из тех средств, которые обычно используют специалисты в данной области техники, но не ограничены ими, а также другое оборудование трубопроводов, связанное с механизмами регулирования течения, обычно используемыми в разделении и отделении таких потоков, и с использованием емкостей, имеющихся у по меньшей мере одного впускного канала и двух или более выпускных каналов и связанных с механизмами регулирования течения, обычно используемыми специалистами в данной области техники.

В первом цикле охлаждения каскадного процесса охлаждения охлаждение производят посредством сжатия газообразного хладагента с повышенной температурой кипения, предпочтительно пропана, до давления, когда он может быть ожижен, путем непрямого теплообмена с передающей тепло средой, при котором в конечном счете используют окружающую среду как сток тепла, причем стоком тепла обычно является атмосфера, источник пресной воды, источник соленой воды, земля или два или несколько из перечисленных источников. Конденсированный хладагент затем подвергают одному или нескольким этапам охлаждения при использовании подходящего средства расширения, посредством чего получают двухфазную смесь, имеющую значительно более низкую температуру, которую используют в качестве хладагентов, также упоминаемых здесь как потоки охлаждения. В первом цикле охлаждения поток охлаждения охлаждает и конденсирует по меньшей мере поток охлаждения второго цикла (как правило, газообразный поток) и охлаждает один или несколько обогащенных метаном газовых потоков (например, поток природного газа).

Подобным образом во втором цикле охлаждения каскадного процесса охлаждения охлаждение выполняют посредством сжатия хладагента, имеющего более низкую точку кипения, чем у хладагента в первом цикле, предпочтительно этана или этилена, более предпочтительно этилена, до давления, при котором он впоследствии может быть ожижен путем контакта с хладагентом первого цикла, из числа других охлаждающих сред. Поток конденсированного хладагента затем подвергают одному или нескольким этапам охлаждения расширением при использовании подходящего средства расширения, посредством чего получают двухфазную смесь, имеющую значительно более низкие температуры, которую используют в качестве хладагентов, также упоминаемых здесь как потоки охлаждения. Эти хладагенты или потоки охлаждения используют для охлаждения и по меньшей мере для частичной конденсации, предпочтительно для конденсации большей части по меньшей мере одного обогащенного метаном потока.

Когда используют замкнутую каскадную систему с третьим циклом охлаждения, то хладагент третьего цикла сжимают поэтапно, предпочтительно посредством необязательного охлаждения при непрямом теплообмене с окружающей средой в качестве стока тепла (например, между этапами и/или после охлаждения при последующем сжатии), а затем охлаждают путем непрямого теплообмена либо на всех, или на отдельных этапах охлаждения в первом и втором циклах охлаждения, в которых предпочтительно используют пропан и этилен как соответствующие хладагенты. Предпочтительно, этот поток контактирует последовательно с каждым постепенно более холодным этапом охлаждения первого и второго циклов охлаждения соответственно.

В системе каскадного охлаждения с открытым циклом, таком как показан на фиг.1, первый и второй циклы функционируют аналогично тому, как описано для закрытого типа. Однако система с открытым титановым циклом несколько отличается от замкнутых циклов охлаждения обычного типа. Как отмечено выше при описании четвертого этапа, значительную часть потока ожиженного природного газа (например, обогащенного метаном газа), сначала находящегося при повышенном давлении, охлаждают приблизительно до -162,22°С посредством охлаждения расширением поэтапно до давления, близкого в атмосферному. На каждом этапе при данном давлении образуются значительные количества пара. От каждого потока пара отводят значительное количество тепла в метановом экономайзере и предпочтительно возвращают поток во впускной канал компрессора открытого метанового цикла в ходе этапа преимущественно при температуре окружающей среды. В процессе течения через метановый экономайзер образованные при сбросе давления пары контактируют в противотоке с более теплыми потоками и предназначены для максимального охлаждения более теплых потоков. Давление, выбираемое для каждого этапа охлаждения расширением, является таким, чтобы в ходе каждого этапа объем полученного газа плюс объем сжатого пара из соседнего предшествующего этапа поступают в результате в эффективный полный процесс работы многоэтапного компрессора открытого метанового цикла. Происходит межэтапное охлаждение и охлаждение окончательно сжатого газа, и предпочтительно его выполняют через непрямой теплообмен с одним или несколькими хладагентами, напрямую связанными со сливом тепла в окружающую среду. Подвергнутый сжатию обогащенный метаном поток затем дополнительно охлаждают при непрямом теплообмене с хладагентом в первом или втором циклах, предпочтительно на всех этапах, связанных с хладагентом, используемым в первом цикле, более предпочтительно в первых двух этапах, а более предпочтительно, только в первом этапе. Охлажденный обогащенный метаном поток затем охлаждают через непрямой теплообмен с полученными при сбросе давления парами в метановом экономайзере, а затем объединяют с потоком сырьевого природного газа в месте процесса ожижения, где поток сырьевого природного газа и обогащенный метаном охлажденный поток имеют одинаковую температуру и давление.

В одном варианте охлажденный поток метана объединяют с природным газом непосредственно перед этиленовым этапом охлаждения, в котором основную часть объединенного потока ожижают (а именно, в этиленовом конденсаторе), в котором этот этап предпочтительно является последним этапом охлаждения во втором цикле.

В другом предпочтительном варианте обогащенный метаном поток постепенно охлаждают в метановом экономайзере, при этом части потока извлекают и объединяют с потоком природного газа или образованным ранее объединенным потоком природный газ/обогащенный метаном поток, в зависимости от обстоятельств в определенных местах выше по потоку от различных этапов охлаждения во втором цикле, в которых температура потоков, подлежащих объединению, является очень близкой.

Предпочтительный вариант такой технологии показан на фиг.1, в котором во втором цикле используют два этапа охлаждения. Поток обогащенного метаном газа охлаждают при первой температуре в метановом экономайзере и отделяют боковой поток, который объединяют с потоком природного газа выше по ходу потока от первого этапа охлаждения во втором цикле, посредством чего получают первый поток на основе природного газа. Остальную часть обогащенного метаном потока охлаждают далее в экономайзере и объединяют с первым потоком на основе природного газа, который также подвергают дальнейшему охлаждению непосредственно выше по ходу потока от второго этапа охлаждения во втором цикле, посредством чего получают второй поток на основе природного газа.

Основным аспектом настоящего изобретения является технология и устройство для охлаждения обычно газообразного материала в первом и втором циклах каскадного процесса охлаждения и, кроме того, возможность возврата потоков охлаждения в соответствующие компрессоры при температурах, близких к температуре окружающей среды, что позволяет избежать или значительно уменьшить пребывание основных компонентов компрессора в криогенных условиях. Этого достигают без расходов на дополнительные теплообменники, иногда упоминаемые как экономайзеры, функция которых заключается в подъеме температуры соответствующих потоков хладагентов перед сжатием до температуры, близкой к температуре окружающей среды.

В приведенном ниже описании будет ссылка на течение в противотоке и противотечение сред при пропуске через секции теплообменника с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами. Течение в противотоке, как его используют здесь, включает противотечение, поперечное противотечение и сочетание их, поскольку такую терминологию использует ассоциация Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers и поскольку она упоминается в The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association, First Edition (1994), которые указаны в описании путем ссылки. При описании течения через секции теплообменника с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами или через теплообменники с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами будет ссылка на “пропуск”. Такая ссылка не ограничивается только единичным пропуском, а включает наличие множества пропусков данного потока при его течении через секцию теплообменника или теплообменник.

В одном варианте настоящего изобретения газообразный поток охлаждают и частично конденсируют посредством способа, включающего этапы: (а) течения потока газообразного вещества и потока хладагента через одну или несколько секций теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой потоки находятся в непрямом теплообмене с одним или несколькими потоками охлаждения и проходят в противотоке с ним, причем один или несколько потоков охлаждения образуются путем (i) отделения через средство разделения бокового потока от потока охлаждения или его оставшейся части, проходящей через одну из секций теплообмена с пластинчатыми ребрами, (ii) снижения давления в боковом потоке с помощью средства снижения давления для образования потока охлаждения и (iii) течения потока охлаждения в секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами в месте, расположенном в непосредственной близости к месту выпуска потока охлаждения этапа (i), а затем через секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами этапа (а) в качестве потока охлаждения; (b) раздельного течения потока хладагента из последней секции теплообмена этапа (а) через секцию теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в которой поток находится в непрямом теплообмене с потоком парообразного хладагента и проходит в противотоке с ним; (с) снижения давления с помощью средства снижения давления в потоке хладагента из секции теплообмена этапа (b); (d) использования потока этапа (с) в качестве хладагента на стороне испарителя теплообменника с сердечником в испарителе для образования потока парообразного хладагента; (е) подогрева парообразного потока охлаждения этапа (d) посредством его прохождения по меньшей мере через секцию теплообмена с пластинчатыми ребрами этапа (b); (f) сжатия в компрессоре потоков охлаждения этапа (а) и подогретого потока парообразного хладагента этапа (е); (g) охлаждения с помощью конденсатора подвергнутого сжатию потока этапа (f) с получением за счет этого потока хладагента этапа (а); и (h) течения газообразного потока этапа (а) через сердечник теплообменника с сердечником в испарителе для образования несущего жидкость потока. При этом необходимо наличие на месте необходимых трубопроводов, которые обеспечивают прохождение таких потоков между элементами системы.

В предпочтительном варианте предшествующий способ дополнительно включает прохождение потока подогретого парообразного хладагента этапа (е) через одну или несколько секций теплообмена этапа (а), в которой поток проходит в противотоке с потоком хладагента в секции теплообмена перед этапом сжатия (f). Конструкция компрессора предусмотрена предпочтительно для углеводородов, а более предпочтительно для сжатия этана, этилена и пропана. Предпочтительно газообразным потоком является в основном метан, а хладагентом предпочтительно является в основном этан или этилен, более предпочтительно он состоит по существу из этана, этилена или их смеси, а наиболее предпочтительно состоит по существу из этилена. Когда секции теплообмена представляют собой отдельные холодильники, то секция теплообмена этапа (b) предпочтительно включает сердечник и два впускных и два выпускных коллектора у сердечника, где впускные и выпускные коллекторы расположены таким образом, чтобы обеспечить прохождение в противотоке потоков двух сред. Подобно этому, секция или секции теплообмена этапа (а) предпочтительно состоят из сердечника и впускных и выпускных коллекторов у сердечника, где коллекторы присоединены к сердечнику таким образом, чтобы обеспечить прохождение в противотоке, более предпочтительно противотечение этих потоков двух сред (например, потока хладагента и потока обычно газообразной среды) относительно одного или нескольких потоков хладагента. В более предпочтительном варианте, который особенно приемлем для охлаждения в первом цикле, секция теплообмена этапа (а) предпочтительно включает сердечник и впускные и выпускные коллекторы у такого сердечника, который обеспечивает прохождение в противотоке, более предпочтительно противотечение трех потоков, причем эти потоки предпочтительно являются двумя обычно газообразными потоками и потоком хладагента, относительно двух потоков, причем этими потоками являются предпочтительно два потока хладагента.

В другом еще более предпочтительном варианте секции теплообмена с пластинчатыми ребрами, используемые на этапах (а) и необязательно (b), находятся в одном теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами. Одно такое устройство для охлаждения газообразного потока, в котором использованы секции теплообменника этапов (а) и (b) в одном теплообменнике с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, представляет собой устройство, включающее: (а) компрессор; (b) конденсатор; (с) теплообменник с сердечником в испарителе; (d) по меньшей мере два средства снижения давления; (е) теплообменник с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, включающий (i) по меньшей мере два впускных коллектора и по меньшей мере один выпускной коллектор, расположенные в непосредственной близости один к другому или вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами, (ii) по меньшей мере один впускной коллектор и по меньшей мере один выпускной коллектор, расположенные в непосредственной близости один к другому или вблизи конца, противоположного в (i), (iii) по меньшей мере один промежуточный впускной коллектор и по меньшей мере один промежуточный выпускной коллектор, где коллекторы расположены вдоль теплообменника между коллекторами (i) и (ii), (iv) сердечник, включающий (аа) по меньшей мере один канал, соединяющий один из впускных коллекторов (i), выпускной коллектор (ii) и по меньшей мере промежуточный выпускной коллектор (iii), (bb) по меньшей мере проточный канал между одним из впускных коллекторов (ii) и либо промежуточным выпускным коллектором (iii) или выпускным коллектором (i), (cc) по меньшей мере один проточный канал между одним из промежуточных впускных коллекторов (iii) и по меньшей мере одним выпускным коллектором (i), и (dd) по меньшей мере один проточный канал между впускным коллектором (i) и либо промежуточным выпускным коллектором (iii) или выпускным коллектором (ii); (f) трубопровод, соединяющий конденсатор с выпускным коллектором; (g) трубопровод, соединяющий конденсатор с впускным коллектором (i), который находится в проточном соединении с по меньшей мере одним промежуточным выпускным коллектором (iii); (h) трубопроводы, присоединяющие каждый промежуточный выпускной коллектор в проточном соединении с впускным коллектором, используемым в (g), к средству снижения давления и присоединяющие каждое средство снижения давления к промежуточному впускному коллектору; (I) трубопроводы, присоединяющие выпускные коллекторы (i) и коллекторы (bb) к компрессору; (j) трубопровод, присоединяющий выпускной коллектор (ii), который находится в проточном соединении с промежуточными выпускными коллекторами, к средству снижения давления; (k) средство обеспечения проточного соединения между средством снижения давления (j) и стороной испарителя теплообменника с сердечником в испарителе; (l) трубопровод, присоединяющий сторону испарителя теплообменника с сердечником в испарителе к одному из впускных коллекторов, используемых в (bb); (m) трубопровод, присоединенный к одному из оставшихся впускных коллекторов (i); (n) трубопровод, соединяющий выпускной коллектор (dd) или промежуточный выпускной коллектор (dd), который находится в проточном соединении с трубопроводом (m), к сердечнику теплообменника с сердечником в испарителе; и (о) трубопровод, присоединенный к выпускной секции сердечника в теплообменнике с сердечником в испарителе, в котором трубопровод проходит снаружи к испарителю.

В другом предпочтительном варианте предыдущее устройство, кроме того, включает (р) один или несколько дополнительных промежуточных выпускных коллекторов, расположенных между промежуточными коллекторами (iii) и выпускными коллекторами (ii), в котором коллекторы присоединены к каналу (аа); (g) один или несколько дополнительных промежуточных коллекторов, где каждый один из таких коллекторов находится на теплообменнике с пластинчатыми ребрами в непосредственной близости к промежуточному выпускному коллектору (р); (r) трубопровод, средство снижения давления и трубопровод, обеспечивающий проточное соединение между каждым коллектором (р) и (q), которые находятся в непосредственной близости один к другому; (s) для каждого промежуточного впускного коллектора (q), выпускного коллектора в непосредственной близости к коллектору (i) или промежуточного выпускного коллектора, расположенного вдоль теплообменника с пластинчатыми ребрами между коллектором (i) и промежуточным впускным коллектором (q); и (t) сердечник, включающий, кроме того, каналы, присоединяющие каждый такой промежуточный впускной коллектор (q) к соответствующему промежуточному выпускному коллектору (s), в котором трубопровод (I), кроме того, включает дополнительный трубопровод, необходимый для присоединения выпускных коллекторов (s) к компрессору.

В настоящем изобретении функции, выполняемые экономайзерами в предшествующих технических решениях, могут быть обеспечены использованием требуемой площади теплообмена и соответствующих каналов охлаждения в секциях теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, используемыми в первом и втором циклах. Таким образом, повышается общая эффективность и исключаются проблемы, связанные с наличием основных элементов компрессора в криогенных условиях. Настоящий вариант изобретения также содержит основной метановый экономайзер, но он выполнен так, что имеет форму теплообменника с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами.

Поточные диаграммы и устройство, приведенные на фиг.1-3, представляют собой предпочтительный вариант настоящего изобретения, в котором используется способ каскадного ожижения с открытым циклом и который показан для иллюстративных целей. Из предпочтительного варианта преднамеренно исключена система извлечения азота, поскольку такая система зависит от содержания азота в сырьевом газе. Однако, как отмечено в предшествующем описании технологий извлечения азота, способы, применимые в данном предпочтительном варианте, легко доступны специалистам в данной области техники. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что фиг.1-3 являются схемами и поэтому многие элементы оборудования, которые необходимы в промышленной установке для эффективной работы, были исключены для ясности. К таким элементам могут относиться, например, регуляторы компрессоров, средства измерения скорости течения и уровня и соответствующие контроллеры, дополнительные средства регулирования температуры и давления, насосы, двигатели, фильтры, дополнительные теплообменники, клапаны и т.д. Эти элементы должны быть предусмотрены в соответствии со стандартной инженерной практикой.

Первый цикл в каскадном процессе охлаждения иллюстрирует способ и устройство, в которых использованы три этапа охлаждения хладагентами для охлаждения и ожижения газообразного вещества. Хладагент из второго цикла конденсируют в этом этапе, и в этом цикле охлаждают несколько обогащенных метаном потоков, включающих поток природного газа. Второй цикл в каскадном процессе охлаждения иллюстрирует способ и устройство, в которых использованы два этапа охлаждения хладагентами для охлаждения и ожижения газообразного вещества.

Для облегчения понимания фиг.1-3 элементы, имеющие ссылочные номера с 1 по 99, обычно относятся к технологическим емкостям и оборудованию, непосредственно связанным с процессом ожижения. Ссылочные номера со 100 до 199 относятся к каналам или трубопроводам, по которым проходит в основном метан. Ссылочные номера с 200 по 299 относятся к каналам и трубопроводам, по которым в качестве хладагента проходит этилен и, необязательно, этан. Ссылочные номера 300 по 399 соответствуют каналам и трубопроводам, по которым в качестве хладагента пропускают пропан. Ссылочные номера с 400 по 499 соответствуют элементам, связанным с секциями теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, когда одна или несколько таких секций включает один теплообменник.

Как показано на фиг.1, газообразный пропан сжимают в многоступенчатом компрессоре 18, приводимом газотурбинным приводом, который не показан. Три этапа сжатия осуществляют предпочтительно в одном агрегате, хотя каждый этап сжатия можно выполнять в отдельном агрегате, а механически соединенные агрегаты приводят от одного привода. После сжатия подвергнутый сжатию пропан проходит через канал 303 в холодильник 16, где его ожижают. Типичное давление и температура ожиженного пропана как хладагента перед сбросом давления составляет соответственно приблизительно 37,78°С и приблизительно 1,31 МПа. Хотя на фиг.1 и не показано, предпочтительно, чтобы ниже по потоку от холодильника 16 и выше по потоку от пропанового теплообменника 2 с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами высшего этапа была размещена отделительная емкость для удаления остаточных легких компонентов из ожиженного пропана и регулирования перепадов в системе. Такие емкости могут включать одноэтапный отделитель газ-жидкость или могут быть более сложными и включать секцию накопителя, секцию конденсатора и секцию абсорбера, из которых последние две могут действовать постоянно или периодически, находясь в соответствующем режиме, для удаления остаточных легких компонентов из пропана. Поток хладагента из этой емкости или поток из холодильника 16, в зависимости от обстоятельств, проходят по каналу 302 в пропановую секцию 2 с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами высшего этапа, в которой поток проходит через каналы 10 сердечника, где происходит непрямой теплообмен. Поток охлажденного или второго хладагента проходит через трубопровод 303. Этот поток затем разделяют с помощью средства расщепления или разделения (показано, но без ссылочного номера) на две части, третий и четвертый потоки хладагента, и проходит через трубопроводы 304 и 307. Третий поток хладагента по трубопроводу 304 проходит в средство снижения давления, показанное как расширительный клапан 14, где происходит снижение давления ожиженного пропана посредством его испарения или сброса давления, и тем самым получают поток охлаждения высшего этапа. Этот поток затем проходит по трубопроводу 305 и по каналам 12 сердечника, где этот поток проходит в противотоке с потоками канала 10 и с потоками в каналах 4, 6 и 8 и где происходит непрямой теплообмен. Этот поток, рецикловый поток высшего этапа, проходит по трубопроводу 306 к впускному отверстию высшей ступени в пропановом компрессоре 18. При таком перемещении поток, как правило, будет проходить через скруббер всасывания. Кроме того, в секцию 2 теплообмена с пластинчатыми ребрами по трубопроводу 100 подают поток природного газа, по трубопроводу 202 подают поток газообразного этилена и по трубопроводу 152 обогащенный метаном поток. Эти потоки в проточных каналах 6, 8 и 4 и поток хладагента в канале 10 проходят в противотоке, более предпочтительно в противотечении с потоком в канале 12. Между этими потоками происходит теплообмен. Потоки, проходящие соответственно в каналах 4, 6 и 8, проходят через трубопроводы 102, 204 и 154. На поток в трубопроводе 204 следует ссылаться как на первый охлаждаемый поток.

Охлаждаемый поток природного газа в трубопроводе 102, первый охлаждаемый поток в трубопроводе 204 и четвертый поток хладагента в трубопроводе 307 проходят соответственно через каналы 22, 24 и 25 в секции 20 теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами в противотоке, более предпочтительно в противотечении с потоком охлаждения для получения дополнительного потока охлаждаемого природного газа, второй охлаждаемый поток и пятый поток хладагента, которые проходят через трубопроводы 110, 206 и 308. Пятый поток хладагента затем разделяют посредством средства расщепления или разделения (показанные, но без ссылочных номеров) на две части, шестой и седьмой потоки хладагентов и проходят соответственно через трубопроводы 309 и 312. Шестой хладагент по каналу 309 проходит в средство снижения давления, показанное как расширительный клапан 27, в котором происходит снижение давления ожиженного пропана посредством его испарения или сброса давления для получения потока охлаждения промежуточного этапа. Этот поток затем проходит по трубопроводу 310 и по каналу 26 сердечника, в котором поток проходит в противотоке с потоками в каналах 22, 24 и 25 и где происходит непрямой теплообмен. Образованный в результате поток получают как рецикловый поток промежуточного этапа по каналу 311. Этот поток возвращают во впускное отверстие промежуточной ступени в пропановом компрессоре 18, предпочтительно после пропуска через скруббер всасывания.

Затем поток охлаждаемого природного газа и второй охлаждаемый поток проходит по трубопроводам 110 и 206 в соответствующие сердечники 36 и 38 в теплообменнике 34 с сердечниками в испарителе, в котором поток природного газа дополнительно охлаждают, а основную часть второго охлаждаемого потока ожижают. Потоки проходят соответственно по трубопроводам 112 и 208.

Седьмой поток хладагента по трубопроводу 312 проходит в секцию 28 с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, в котором поток проходит по каналу 29 в противотоке, более предпочтительно в противотечении с охлаждающей средой низшего этапа, проходящей по каналу 30 и в непрямом теплообмене с ней для получения восьмого потока хладагента по трубопроводу 314. Восьмой хладагент по трубопроводу 314 проходит в средство снижения давления, показанное как расширительный клапан 32, в котором происходит снижение давления ожиженного пропана посредством испарения или сброса давления его части для получения двухфазного потока охлаждения с хладагентом.

Как отмечено выше, этап снижения давления может происходить через клапан с каналом (показанным как 316), присоединяющим клапан к теплообменнику с сердечником в испарителе или к впускному каналу теплообменника с сердечником в испарителе. Двухфазный поток охлаждения затем используют как хладагент на стороне испарителя теплообменника 34 с сердечниками в испарителе, где поток разделяется на газовую и ожиженную части, а сердечники частично погружены в ожиженную часть. Из теплообменника с сердечниками в испарителе поток охлаждения низшего этапа удаляют по трубопроводу 318. Данный трубопровод присоединен к каналу 30 секции 28 теплообменника, в котором поток проходит в противотоке и находится в непрямом теплообмене с седьмым потоком хладагента в канале 29 для получения рециклового потока низшего этапа. Рецикловый поток низшего этапа затем возвращают на низший этап во впускной канал компрессора 18, предпочтительно после пропуска по трубопроводу 320 через скруббер всасывания, где этот поток сжимают для получения сжатого рециклового потока низшего этапа, объединяемого с рецикловым потоком промежуточного этапа для образования объединенного потока промежуточного этапа и подвергаемого сжатию для образования сжатого рециклового потока промежуточного этапа. Такой поток затем объединяют с рецикловым потоком высшего этапа для образования объединенного рециклового потока высшего этапа, который сжимают для образования сжатого потока хладагента, получаемого по трубопроводу 300.

В одном варианте настоящего изобретения секции 2, 20 и 28 теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами являются отдельными теплообменниками. В других вариантах секции теплообмена объединены в одном или в нескольких теплообменниках. Хотя это приводит в результате к более сложным теплообменникам, которые имеют промежуточные коллекторы, этот подход обладает преимуществами относительно планировки оборудования и экономической перспективы. Следующий вариант, в котором секции теплообменника объединены в одной секции теплообмена, является предпочтительным вариантом.

Что касается определений элементов, то в последующем описании будут ссылки на элементы первого потока, второго потока, третьего потока, четвертого потока, пятого потока и шестого потока. Примером такой ссылки является понятие “промежуточный коллектор первого потока”. В этом контексте будут даны ссылки на данный элемент, который является промежуточным коллектором, в который направляют по меньшей мере часть этого проходящего потока, который является первым потоком. Таким образом, впускной коллектор первого потока, промежуточный коллектор первого потока и выпускной коллектор первого потока относятся к коллекторам, которые присоединены к общему проточному каналу в теплообменнике с пластинчатыми ребрами, через который может проходить первый поток.

В предпочтительном варианте используют теплообменник с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, который схематично показан на фиг.2. Показанный теплообменник включает: (i) коллекторы (450, 451, 452) первого, второго и третьего потоков и выпускной коллектор 453 четвертого потока, расположенные в непосредственной близости один к другому вблизи конца теплообменника 495 с пластинчатыми ребрами; (ii) выпускной коллектор 458 третьего потока и впускной коллектор 462 шестого потока, расположенные в непосредственной близости один к другому вблизи конца, противоположного в (i); (iii) промежуточные коллекторы (iii) (456, 459, 461) третьего, четвертого и пятого потоков, расположенные с промежутками вдоль теплообменника между коллекторами (i) и (ii) и с промежутками вблизи один к другому; (iv) промежуточные коллекторы (iv) (454, 455, 457, 460, 463), расположенные с промежутками вдоль теплообменника между коллекторами (iii) и коллекторами (ii); и (v) сердечник внутри теплообменника с пластинчатыми ребрами, включающего по меньшей мере один трубопровод (канал) 470 теплообмена, соединяющий впускной коллектор 450 первого потока и промежуточный коллектор (iv) 454, по меньшей мере один канал 471 теплообмена, соединяющий впускной коллектор 451 второго потока и промежуточный коллектор (iv) 455, по меньшей мере один трубопровод теплообмена, соединявший впускной коллектор 452 третьего потока, промежуточный коллектор (iii) 456 третьего потока, промежуточный коллектор (iv) 457 третьего потока и выпускной коллектор 458 третьего потока (такие трубопроводы, как 472, 473 и 474, показанные на фиг.2), по меньшей мере один трубопровод 475 теплообмена, соединяющий промежуточный коллектор 459 четвертого потока с выпускным коллектором 453 четвертого потока, по меньшей мере трубопровод 476 теплообмена, соединяющий промежуточный коллектор (iv) 460 пятого потока с промежуточным коллектором (iii) 461 пятого потока, и по меньшей мере один трубопровод 477 теплообмена, соединяющий впускной коллектор 462 шестого потока с промежуточным коллектором (iv) 463 шестого потока.

Данный вариант дополнительно включает два средства снижения давления 14 и 27. Средство 14 снижения давления соединено соответственно через трубопровод 304 с промежуточным коллектором (iii) 456 третьего потока и через трубопровод 305 с промежуточным коллектором (iii) 459 четвертого потока. Средство снижения давления 27 соединено соответственно через трубопровод 309 с промежуточным коллектором (iv) 457 третьего потока и через трубопровод 310 с промежуточным коллектором (iv) 460 пятого потока.

В данном варианте трубопровод 100 соединен с впускным коллектором 450 первого канала, трубопровод 202 соединен с впускным коллектором 451 второго потока, трубопровод 302 соединен с впускным коллектором 452 третьего потока, трубопровод 306 соединен с выпускным коллектором 453 четвертого потока, трубопровод 110 соединен с промежуточным коллектором 454 первого потока, трубопровод 206 соединен с промежуточным коллектором 455 второго потока, трубопровод 314 соединен с выпускным коллектором 458 третьего потока, трубопровод 318 соединен с впускным коллектором 462 шестого потока, трубопровод 320 соединен с промежуточным коллектором 463 шестого потока и трубопровод 311 соединен с промежуточным коллектором 461 пятого потока.

В другом подобном варианте коллекторы и внутренние каналы, связанные с промежуточным коллектором в (iii) пятого потока и с промежуточным коллектором (iv) шестого потока, могут быть перемещены так, чтобы выпускные отверстия были выполнены в непосредственной близости к каналам (i), показанным на фиг.2 соответственно как трубопроводы теплопередачи 480, 481 и 482, и места расположения 467, 468 и 469 коллекторов. Подобным образом промежуточные коллекторы (iv) первого и второго потоков и связанные с ними каналы могут быть размещены так, чтобы они были расположены в непосредственной близости к коллекторам (ii), показанным соответственно как трубопроводы 478 и 479 теплопередачи, и места расположения 465 и 466 коллекторов. Эти последние варианты показаны на фиг.2 пунктирными линиями.

Во втором цикле охлаждения предпочтительного варианта, показанного на фиг.1, конденсируют поток природного газа, который обычно находится в газообразной форме. Поток хладагента, используемого в этом варианте, предпочтительно является этиленом. Как показано на фиг.1, рецикловый поток низшего этапа, проходящий по трубопроводу 232, подвергают сжатию, а полученный в результате сжатый рецикловый поток низшего этапа предпочтительно удаляют из компрессора 40 по трубопроводу 234, охлаждают в холодильнике 71 между этапами, возвращают в компрессор по трубопроводу 236 и объединяют с рецикловым потоком высшего этапа, проходящим по трубопроводу 216, где объединенный поток сжимают для получения при этом по каналу 200 сжатого потока хладагента. Предпочтительно давление в потоке сжатого хладагента составляет приблизительно 2,068 МПа. Предпочтительно этапы с двумя компрессорами составляют единый модуль, хотя они могут быть отдельным модулем и модулями, механически связанными с общим приводом. Сжатый этилен, также упоминаемый в данном цикле как сжатый поток хладагента, поступает из компрессора по трубопроводу 200 в холодильник 72 ниже по потоку. Продукт из холодильника проходит по трубопроводу 202 и вводится, как описано выше, в первый цикл, где этот поток затем охлаждают, ожижают и возвращают по трубопроводу 208. Этот поток предпочтительно проходит в разделительную емкость 41, который предусмотрен для извлечения остаточных легких компонентов из ожиженного потока и в котором также предусмотрен уравнительный объем для системы охлаждения. Такие емкости могут включать одноэтапный отделитель газ-жидкость или могут быть более сложными и включать секцию накопителя, секцию конденсатора и секцию абсорбера, из которых последние два могут действовать постоянно или периодически, являясь встроенными в поток, для удаления остаточных легких компонентов из хладагента. Поток хладагента, упоминаемый здесь в отношении второго цикла как первый поток хладагента, получают из емкости 41 по каналу 209.

Охлаждаемый поток природного газа (обычно газообразного вещества), получаемого по трубопроводу 112, объединяют с обогащенным метаном потоком, подаваемым по трубопроводу 156. Этот объединенный поток по трубопроводу 114 и первый поток хладагента по трубопроводу 209 проходят в секцию 42 теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами в данном цикле, в котором эти потоки проходят через каналы 44 и 46 сердечника в противотоке, более предпочтительно в противотечении с потоком охлаждения высшего этапа и в непрямом теплообмене с ним и, необязательно, с потоком охлаждения низшего этапа, проходящих соответственно в каналах 48 и 50. Охлаждаемый поток, упоминаемый здесь как второй поток хладагента, проходит из канала 46 по трубопроводу 210. Этот поток затем разделяют с помощью средства расщепления или разделения (показанного, но без ссылочного номера) на две части, третий и четвертый потоки хладагента, которые проходят по трубопроводам 212 и 218. Третий поток хладагента по трубопроводу 212 проходит в средство снижения давления, показанное как расширительный клапан 52, в котором снижают давление ожиженного этилена посредством испарения или сброса давления его части для получения потока охлаждения высшего этапа. Этот поток затем проходит по трубопроводу 214 и по каналу 48 сердечника для получения рециклового потока высшего этапа, который поступает по трубопроводу 216 во впускное отверстие высшей ступени компрессора 40.

Из канала 44 по трубопроводу 116 проходит дополнительный охлаждаемый поток природного газа, который необязательно объединяют с обогащенным метаном рецикловым потоком, проходящим по трубопроводу 158. Получен в результате поток, проходящий по трубопроводу 120 в сердечник 59 теплообменника 58 с сердечником в испарителе, в котором основную часть потока ожижают, а полученный в результате поток проходит по трубопроводу 122.

Четвертый поток хладагента проходит по трубопроводу 218 в канал 54 во второй секции 53 теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами. Четвертый поток хладагента проходит в противотоке, более предпочтительно в противотечении и находится в непрямом теплообмене со средой охлаждения низшего этапа, проходящей по каналу 55 в секцию 53 теплообмена, посредством чего по каналу 220 проходит пятый поток хладагента. Пятый поток хладагента по каналу 220 проходит через средство снижения давления, показанное как расширительный клапан 56, в котором снижают давление ожиженного этилена посредством испарения или сброса давления его части, с получением двухфазного потока хладагента.

Как отмечено выше, снижение давления можно выполнять через клапан с трубопроводом (показанным как 226), соединяющим клапан с теплообменником с сердечником в испарителе или с впускным отверстием теплообменника с сердечником в испарителе. Полученный в результате двухфазный поток хладагента затем используют как хладагент на стороне испарения теплообменника 58 с сердечником в испарителе, в котором поток разделяется на газовую и ожиженную части, а сердечник частично погружен в ожиженную часть. Со стороны испарения теплообменника по трубопроводу 228 проходит поток охлаждения низшего этапа. Этот трубопровод присоединен к каналу 55 в секции 53 теплообменника, в которой поток проходит в противотоке и находится в непрямом теплообмене со средой в канале 54 для получения рециклового потока низшего этапа. Этот поток по каналу 232 возвращают во впускное отверстие низшей ступени в компрессоре 40. Необязательно, и как показано на фиг.1, этот поток может также проходить в первый теплообменник 42 с пластинчатыми ребрами в цикле по трубопроводу 230 и через канал 50, в котором поток проходит в противотоке, более предпочтительно в противотечении, со средами в каналах 44 и 46 и дополнительно подогревается перед подачей в компрессор по трубопроводу 232. Поскольку имеет значение нахождение элементов компрессора в криогенных условиях, последний вариант является предпочтительным.

В одном варианте настоящего изобретения секции 42 и 53 теплообмена с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, которые расположены во втором цикле, являются отдельными теплообменниками. В другом варианте секции теплообмена объединены в одном теплообменнике. Хотя в результате получают более сложный теплообменник, который имеет промежуточные коллекторы, такой вариант обладает преимуществами, связанными с планировкой оборудования и экономической перспективой. Следующий вариант, в котором секции теплообменника объединены в единой секции теплообмена, является предпочтительным вариантом.

Что касается определений элементов, то далее в описании будут ссылки на элементы первого потока, второго потока, третьего потока и четвертого потока, например, на промежуточный коллектор первого потока. В этом контексте ссылки будут на этот элемент, который является промежуточным коллектором, в который проходит по меньшей мере часть этого потока, которым является первый поток. Таким образом, впускной коллектор второго потока, промежуточный коллектор второго потока и выпускной коллектор второго потока относятся к коллекторам, которые присоединены к общему проточному каналу в теплообменнике с пластинчатыми ребрами, через который может проходить второй поток.

В предпочтительном варианте, который показан на фиг.3, используют теплообменник 490 с припаянными пластинчатыми алюминиевыми ребрами, который включает: (i) впускные коллекторы 401 и 402 первого и второго потоков и выпускные коллекторы 403 и 404 третьего и четвертого потоков, расположенные в непосредственной близости один к другому вблизи одного конца теплообменника с пластинчатыми ребрами; (ii) выпускной коллектор 408 второго потока и впускной коллектор 409 четвертого потока, расположенные в непосредственной близости один к другому у конца, противоположного в (i); (iii) промежуточный коллектор 405 первого потока, промежуточный коллектор 406 второго потока и промежуточный коллектор 407 третьего потока, где коллекторы расположены между коллекторами (i) и (ii) на теплообменнике с пластинчатыми ребрами; (iv) сердечник внутри теплообменника с пластинчатыми ребрами, включенный по меньшей мере в один трубопровод или канал 420 теплообмена, соединенный с впускным коллектором 401 первого потока и промежуточным коллектором 405 первого потока, по меньшей мере один трубопровод 421 теплообмена, соединяющий впускной коллектор 402 второго потока с промежуточным коллектором 406 второго потока, и по меньшей мере один трубопровод 422 теплообмена, соединяющий промежуточный коллектор 406 второго потока с впускным коллектором 408 второго потока, по меньшей мере один трубопровод 423 теплообмена, соединяющий промежуточный коллектор 407 третьего потока с выпускным коллектором 403 третьего потока, и по меньшей мере один трубопровод 424 теплообмена, соединяющий впускной коллектор 409 четвертого потока с выпускным коллектором 404 четвертого потока. Средство 52 снижения давления соединено через трубопровод 212 соответственно с промежуточным коллектором 406 второго потока и через канал 214 с промежуточным коллектором 407 третьего потока. В этом варианте трубопровод 114 соединен с впускным коллектором 401 первого потока, трубопровод 116 соединен с промежуточным коллектором 405 первого потока, трубопровод 209 соединен с внутренним коллектором 402 второго потока, трубопровод 220 соединен с выпускным коллектором 408 второго потока, трубопровод 216 соединен с выпускным коллектором 403 третьего потока, трубопровод 228 соединен с впускным коллектором 409 четвертого потока и трубопровод 232 соединен с выпускным коллектором 404 четвертого потока. В необязательной схеме промежуточный коллектор 405 первого потока и связанный с ним проточный канал расположены так, чтобы место расположения коллектора было расположено в непосредственной близости к коллекторам (ii). Это показано на фиг.3 пунктирными линиями с добавлением проточного канала 426 к проточному каналу 420 и заменой выпускного коллектора 410 первого потока на промежуточный коллектор 405 первого потока. В другом варианте трубопровод 424 теплообмена укорочен и показан как трубопровод 425, а выпускной коллектор 404 четвертого потока заменен промежуточным коллектором 411 четвертого потока. Эти схемы показаны на фиг.3 пунктирными линиями.

Газ в трубопроводе 154, который является сжатым рецикловым потоком метанового хладагента, подают в основной метановый экономайзер 74, который будет описан ниже более подробно, где поток охлаждают в средстве непрямого теплообмена. В одном варианте, и как показано на фиг.1, поток, подаваемый по трубопроводу 154, охлаждают в основном метановом экономайзере 74 в средстве 97 непрямого теплообмена, часть удаляют по трубопроводу 156, а остальной поток затем охлаждают в средстве 98 непрямого теплообмена и направляют по каналу 158. Данный вариант является предпочтительным. В этом варианте расщепления потока часть сжатого рециклового потока метана, подаваемого по трубопроводу 156, объединяют с потоком природного газа через трубопровод 112 непосредственно выше по потоку от второго цикла, а оставшуюся часть подают по трубопроводу 158, объединяют с потоком в трубопроводе 116 непосредственно выше по потоку от теплообменника 58 с сердечником в испарителе, в котором происходит основное ожижение потока природного газа. В упрощенном варианте (т.е. менее предпочтительном по сравнению со способом, имеющим экономическую перспективу), рецикловый поток метана охлаждают целиком в основном метановом экономайзере 74 и объединяют в трубопроводе 158 с потоком природного газа в трубопроводе 112 непосредственно выше по потоку от второго цикла.

Ожиженный поток, проходящий из теплообменника с сердечником в испарителе по трубопроводу 122, в основном имеет температуру приблизительно -87,22°С и давление приблизительно 4,14 МПа. Этот поток проходит по трубопроводу 122 в основной метановый экономайзер 74, в котором поток затем охлаждают в средстве непрямого теплообмена 76, как описано выше. Из основного метанового экономайзера 74 ожиженный газ подают по трубопроводу 124 и снижают его давление в средстве снижения давления, которое показано как расширительный клапан 78, где часть газового потока подвергают испарению или сбросу давления. Подвергнутый сбросу давления поток затем подают в испарительный барабан 80, где от него отделяют газовую фазу, выпускаемую по трубопроводу 126, а жидкую фазу по трубопроводу 130. Газовую фазу затем подают по трубопроводу 126 в основной метановый экономайзер, в котором пар функционирует как хладагент в средстве 82 непрямого теплообмена. Пар выходит из основного метанового экономайзера по трубопроводу 128, который соединен с впускным отверстием высшей ступени давления в компрессоре 83, из которого выходит поток сжатого метана, который по трубопроводу 150 поступает в холодильник 86, где этот поток охлаждают и подают по трубопроводу 152.

Ожиженная фаза, проходящая по трубопроводу 130, проходит через второй метановый экономайзер 87, в котором жидкость затем охлаждают парами, полученными при сбросе давления ниже по потоку, средстве 88 непрямого теплообмена, предназначенном предпочтительно для обеспечения прохождения ожиженного потока в противотоке относительно потоков пара ниже по потоку. Охлажденная жидкость выходит из второго метанового экономайзера 87 по трубопроводу 132 и подвергается расширению или сбросу давления в средстве снижения давления, показанном как расширительный клапан 91, для дальнейшего снижения давления и одновременно испарения второй его части. Такой подвергнутый сбросу давления поток затем проходит в метановый испарительный барабан 92 второго этапа, в котором поток разделяют на газовую фазу, подаваемую по трубопроводу 136, и ожиженную фазу, подаваемую по трубопроводу 134. Газовая фаза проходит по трубопроводу 136 во второй метановый экономайзер 87, в котором пар охлаждает жидкость, вводимую в экономайзер 87 по трубопроводу 130 в средство 89 непрямого теплообмена. Трубопровод 138 служит в качестве проточного трубопровода между средством 89 непрямого теплообмена во втором метановом экономайзере 87 и средством 95 непрямого теплообмена в основном метановом экономайзере 74. Пар выходит из основного метанового экономайзера 74 по трубопроводу 140, который соединен с впускным отверстием промежуточной ступени в метановом компрессоре 83.

В ожиженной фазе, выходящей из испарительного барабана 92 промежуточного этапа по трубопроводу 134, затем снижают давление путем пропуска через средство снижения давления, показанное как расширительный клапан 93. Третью часть ожиженного газа снова подвергают испарению или сбросу давления. Из расширительного клапана 93 среды поступают в испарительный барабан 94 завершающего или низшего этапа. В расширительном барабане 94 паровую фазу отделяют и подают по трубопроводу 144 во второй метановый экономайзер 87, в котором пар функционирует как хладагент в средстве 90 непрямого теплообмена, выпускают из второго метанового экономайзера по трубопроводу 146, который соединен с первым метановым экономайзером 74, в котором пар функционирует как хладагент в средстве 96 непрямого теплообмена и затем выходит из первого метанового экономайзера по трубопроводу 148, который соединен с впускным патрубком низшей ступени в компрессоре 83. Предпочтительно, как показано на фиг.1, потоки пара в средствах 82, 95 и 96 непрямого теплообмена в основном метановом экономайзере проходят в противотоке с ожиженным потоком в средстве 76 непрямого теплообмена и с потоками паре в средствах 97 и 98 непрямого теплообмена.

Готовый ожиженный природный газ из испарительного барабана 94, который находится приблизительно при атмосферном давлении, подают по трубопроводу 142 в средство хранения. Поток пара, образованного из ОПГ низкого давления и низкой температуры, из средства хранения и, необязательно, пар, возвращаемый после охлаждения по возвратным трубопроводам, связанным с системой заливки ОПГ, предпочтительно возвращают посредством объединения такого потока или потоков с парами низкого давления, присутствующими в трубопроводах 144, 146 или 148; выбор трубопровода основан на том, чтобы температура потоков пара была как можно ближе.

Как показано на фиг.1, три этапа сжатия, выполненные в компрессоре 83, предпочтительно предусмотрены в одной установке. Однако каждый этап сжатия можно выполнять в отдельной установке, где установки механически связаны приведением в действие от одного привода. Сжатый газ из секции низшего этапа предпочтительно пропускают через межэтапный холодильник 85 и объединяют с газом промежуточного давления в трубопроводе 140 перед вторым этапом сжатия. Сжатый газ из компрессора 83 промежуточного этапа предпочтительно пропускают через межэтапный холодильник 84 и объединяют с газом высокого давления в трубопроводе 140 перед третьим этапом сжатия. Сжатый газ выпускают из метанового компрессора высшего этапа по трубопроводу 150, охлаждают в холодильнике 86 и подают в пропановый морозильник по трубопроводу 152, как описано выше.

На фиг.1 показано расширение ожиженной фазы при использовании расширительных клапанов с последующим разделением частей газа и жидкости в холодильнике или конденсаторе. Хотя эта упрощенная схема работоспособна и используется в некоторых случаях, часто более выгодно и эффективно выполнять этапы частичного испарения и разделения на отдельном оборудовании, например, могут быть использованы расширительный клапан и отдельный испарительный барабан перед подачей либо отделенного пара, либо жидкости в холодильник. Подобным образом, при выполнении расширения нескольких технологических потоков в зависимости от обстоятельств идеально подходит использование гидравлических или газовых расширителей в качестве составных частей средства снижения давления, за счет чего можно использовать энергию работы, а также снизить температуры двухфазной среды.

Что касается установок компрессор/привод, используемых в способе, то на фиг.1 показаны отдельные установки компрессор/привод (т.е. единый компрессионный агрегат) для пропана, этилена и этапов сжатия метана открытого цикла. Однако в предпочтительном варианте надежность любого каскадного процесса может быть значительно улучшена при использовании нескольких компрессионных агрегатов, включающих две или несколько комбинаций компрессор/привод, расположенных параллельно, вместо показанных единых установок компрессор/привод. В случае, когда установка компрессор/привод выходит из строя, процесс может продолжаться при сниженной производительности.

Хотя здесь перечислены конкретные способы охлаждения, материалы, элементы оборудования и средства регулирования, должно быть понятно, что такое конкретное перечисление не следует считать ограничивающим, а приведенным в качестве иллюстрации и для описания предпочтительных вариантов в соответствии с настоящим изобретением.

Реферат

В способе ожижения поток газообразного вещества и поток хладагента пропускают через секции теплообмена с припаянными пластинчатыми ребрами. Потоки пропускают в противотоке с потоками охлаждения, образованными отделением бокового потока от потока хладагента. Поток хладагента из последней секции теплообмена пропускают через секцию теплообмена в противотоке с потоком парообразного хладагента. Снижают давление потока хладагента. Используют поток хладагента на стороне испарителя с сердечником для образования потока парообразного хладагента. Подогревают поток парообразного хладагента в секции теплообмена. Сжимают поток охлаждения и подогретый поток парообразного хладагента. Охлаждают сжатый поток. Пропускают газообразный поток через сторону сердечника теплообменника с сердечником в испарителе для получения несущего жидкость потока. Использование изобретения позволит сократить число технологических емкостей, уменьшить площадь и снизить капиталовложения. 10 с. и 50 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула