(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOITA POSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) P (11) (21) Numer zgłoszenia: \ (13) B1 (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/US98/12742 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , W98/5925, PCT Gazette nr 52/98 (51) IntCl7 F25J 3/ (54) Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego (3) Pierwszeństwo: ,US,6/5, ,US,6/79,612 (73) Uprawniony z patentu: EXXONMOBI UPSTREAM RESEARCH COMPANY, Houston, US (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 18/ (72) Twórcy wynalazku: Eugene R. Thomas, Houston, US Ronald R. Bowen, Magnolia, US Eric T. Cole, Kingwood, US Edward. Kimble, Sugar and, US (4 5) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 9/5 (74) Pełnomocnik: Słomczyńska Elżbieta, POSERICE Sp. z.. P B1 (57) 1. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczaniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia, rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania, znamienny tym, że dostarcza się strumień gazu o ciśnieniu około 313 kpa (45 psia), rozpręża się gaz do ciśnienia, w którym ciekła faza jest w/lub poniżej punktu wrzenia, i w temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i po rozdzieleniu faz gazowej i ciekłej, ciekły produkt magazynuje się w temperaturze C (-17 F). Fig.1

2 Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczaniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia, rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania, znamienny tym, że dostarcza się strumień gazu o ciśnieniu około 313 kpa (45 psia), rozpręża się gaz do ciśnienia, w którym ciekła faza jest w/lub poniżej punktu wrzenia, i w temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i po rozdzieleniu faz gazowej i ciekłej, ciekły produkt magazynuje się w temperaturze C (-17 F). 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wstępnie chłodzi się strumień gazu przed rozprężaniem strumienia gazu. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że chłodzi się strumień gazu w wymienniku ciepła chłodzonym przez układ mrożenia z zamkniętym obiegiem. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że w układzie mrożenia z zamkniętym obiegiem stosuje się propan jako główne chłodziwo. 5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że w układzie mrożenia z zamkniętym obiegiem stosuje się dwutlenek węgla jako główne chłodziwo. 6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że strumień gazu chłodzi się przez wymianę ciepła z fazą gazową ogrzewając w ten sposób fazę gazową. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że spręża się ogrzaną fazę gazową chłodzi się sprężoną fazę gazową i zawraca się ochłodzoną, sprężoną fazę gazową do strumienia gazu w celu ponownego użycia. 8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przed etapem chłodzenia sprężonej fazy gazowej, chłodzi się strumień gazu w wymienniku ciepła chłodzonym przez układ zamrażający z zamkniętym obiegiem. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed skraplaniem strumienia gazu łączy się ze strumieniem gazu pary gazu, powstałe w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego. 1. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ze strumienia gazu zawierającego metan i składniki węglowodorowe cięższe niż metan, usuwa się przeważającą część cięższych węglowodorów przez frakcjonowanie i wytwarza się strumień par bogatych w metan i strumień cieczy bogatej w cięższe węglowodory, przy czym strumień par skrapla się przez rozprężanie. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodzi się strumień gazu przed frakcjonowaniem strumienia gazu. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że skrapla się strumień gazu z wyłączeniem układu zamrażania z obiegiem zamkniętym. 13. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczeniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, chłodzeniu i rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia oraz rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania, znamienny tym, że separuje się fazowo strumień gazu na pierwszy strumień gazu i pierwszy strumień cieczy, przesyła się pierwszy strumień cieczy do kolumny odpędzania metanu, spręża się i chłodzi pierwszy strumień gazu i produkuje się w ten sposób fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo uzyskane fazy gazową i ciekłą wytwarzając drugi strumień gazu i drugi strumień cieczy, rozpręża się co najmniej części drugiego strumienia gazu do niższego ciśnienia dalej chłodząc drugi strumień gazu, dostarcza się drugi strumień cieczy i rozprężony drugi strumień gazu do kolumny odpędzania metanu, usuwa się z górnych rejonów kolumny odpędzania metanu trzeci strumień gazu, przy czym trzeci strumień gazu zawiera przeważnie metan i przepuszcza się trzeci strumień gazu przez wymiennik ciepła ogrzewając trzeci strumień gazu, usuwa się z kolumny do odpędzania metanu trzeci strumień cieczy i przesyła się trzeci strumień cieczy do układu frakcjonującego, mającego przynajmniej jedną kolumnę frakcjonu-

3 jącą i mającego przynajmniej jeden strumień par, łączy się ogrzany trzeci strumień gazu i strumień par i spręża się połączony strumień, chłodzi się sprężony połączony strumień, dzieli się chłodzony, sprężony strumień na pierwszy chłodzony strumień i drugi chłodzony strumień i przepuszcza się pierwszy chłodzony strumień przez wymiennik ciepła dalej chłodząc pierwszy chłodzony strumień, rozpręża się pierwszy chłodzony strumień wytwarzając fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą w separatorze faz i wytwarza się w ten sposób bogaty w metan, skroplony gaz ziemny o temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i ciśnieniu dostatecznym, aby bogaty w metan, skroplony gaz ziemny był w lub poniżej swojego punktu wrzenia, rozpręża się drugi chłodzony strumień do niższego ciśnienia, przy czym chłodzi się go dalej i wytwarza się fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą i przesyła się fazę ciekłą do separatora faz. 14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że łączy się fazę gazową uzyskaną po rozprężeniu drugiego chłodzonego strumienia z trzecim strumieniem gazu i przepuszcza się połączone strumienie gazu przez wymiennik ciepła. 15. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że łączy się fazę gazową z separatora faz z trzecim strumieniem gazu i przepuszcza się połączone strumienie gazu przez wymiennik ciepła. 16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że chłodzi się przez pośrednią wymianę ciepła z chłodziwem z układu zamrażania z obiegiem zamkniętym. 17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że w układzie zamrażania z zamkniętym obiegiem stosuje się propan jako przeważające chłodziwo, zaś w układzie frakcjonującym stosuje się kolumnę odpędzania propanu, wytwarzającą w górze strumień gazu bogaty w propan i przesyła się do układu zamrażania z obiegiem zamkniętym bogaty w propan strumień gazu z układu frakcjonującego jako uzupełnienie chłodziwa. 18. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że do trzeciego strumienia gazu wprowadza się pary gazu powstające w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego i przepuszcza się połączony trzeci strumień gazu i par gazu przez wymiennik ciepła. 19. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczaniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, chłodzeniu i rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia oraz rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania, znamienny tym, że spręża się strumień gazu do ciśnienia większego niż 313 kpa (45 psia), separuje się fazowo strumień gazu na pierwszy strumień gazu i pierwszy strumień cieczy, przesyła się pierwszy strumień cieczy do kolumny odpędzania metanu, spręża się i chłodzi pierwszy strumień gazu z wyłączeniem układu mrożenia z obiegiem zamkniętym i produkuje się fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą wytwarzając drugi strumień gazu i drugi strumień cieczy, rozpręża się co najmniej części drugiego strumienia gazu do niższego ciśnienia, nadal go chłodząc, dostarcza się drugi strumień cieczy i rozprężony drugi strumień gazu do kolumny odpędzania metanu, usuwa się z górnych rejonów kolumny odpędzania metanu trzeci strumień par, przy czym strumień par zawiera przeważnie metan i przepuszcza się strumień par przez wymiennik ciepła ogrzewając strumień par, usuwa się z kolumny do odpędzania metanu strumień cieczy i przesyła się strumień cieczy do układu frakcjonującego, mającego co najmniej jedną kolumnę frakcjonującą i mającego co najmniej jeden strumień par, łączy się ogrzane strumienie par i spręża się połączone strumienie, chłodzi się sprężone połączone strumienie z wyłączeniem układu zamrażania z pętlą zamkniętą, dzieli się chłodzony, sprężony strumień na pierwszy chłodzony strumień i drugi chłodzony strumień i przepuszcza się pierwszy chłodzony strumień przez wymiennik ciepła dalej chłodząc pierwszy chłodzony strumień, rozpręża się pierwszy chłodzony strumień wytwarzając fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą w separatorze faz i wytwarza się bogaty w metan, skroplony gaz ziemny o temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i ciśnieniu dostatecznym, aby bogaty w metan, skroplony gaz ziemny był w lub poniżej swojego punktu wrzenia, rozpręża się drugi chłodzony strumień do niższego ciśnienia, dalej go chłodząc i wytwarza się fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą i przesyła się fazę ciekłą do separatora faz.

4 Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że wprowadza się do strumienia par zawierających przeważnie metan par gazu, powstających w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego i przepuszcza się połączone strumienie par przez wymiennik ciepła. 21. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że fazę gazową z separatora faz łączy się z resztkową parą zawierającą przeważnie metan, a połączony strumień gazu przepuszcza się przez wymiennik ciepła. 22. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że obniża się temperaturę chłodzenia strumienia gazu przy pomocy wody lub powietrza. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób skraplania gazu ziemnego, a dokładniej sposób wytwarzania sprężonego, ciekłego gazu ziemnego (PNG). Ze względu na jasne spalanie i wygodną eksploatację, gaz ziemny jest szeroko stosowany od pewnego czasu. Wiele źródeł gazu ziemnego znajduje się w oddalonych rejonach, w znacznych odległościach od komercyjnych rynków na gaz. Czasem rurociąg jest dostępny dla transportu wytworzonego gazu ziemnego na komercyjny rynek. Kiedy transport rurociągiem nie jest możliwy, wyprodukowany gaz ziemny jest często przetwarzany na skroplony gaz ziemny (zwany NG ) w celu przetransportowania na rynek. Jedną z wyróżniających cech fabryki NG jest duża inwestycja kapitałowa, jaka jest potrzebna w celu wybudowania fabryki. Urządzenia używane do skraplania gazu ziemnego są ogólnie dość drogie. Fabryka skraplania składa się z kilku układów podstawowych, obejmujących obróbkę gazu w celu usunięcia zanieczyszczeń, skraplanie, zamrażanie, urządzenia energetyczne oraz urządzenia do magazynowania i załadunku statków. Chociaż koszt fabryki NG może zmieniać się w szerokim zakresie zależnie od położenia fabryki, to typowy tradycyjny projekt może kosztować od 5 do 1 miliardów dolarów USA. Urządzenia zamrażające mogą stanowić do 3 procent kosztu. Przy konstruowaniu fabryki NG, należy rozważyć trzy najważniejsze aspekty: 1) wybór sposobu skraplania, 2) materiały używane na pojemniki, rurociągi i inne urządzenia i 3) etapy procesu, służące do przetwarzania wejściowego strumienia gazu ziemnego na NG Układy zamrażania NG są drogie, ponieważ potrzebne jest głębokie mrożenie, aby uzyskać skroplony gaz ziemny. Typowy strumień gazu ziemnego jest wprowadzany do fabryki NG pod ciśnieniem od około 483 kpa (7 psia) do około 76 kpa (11 psia) i o temperaturach od około 2 C (68 F) do około 4 C (14 F). Gaz ziemny, którym jest głównie metan, nie może być skraplany przez proste zwiększenie ciśnienia, jak w przypadku cięższych węglowodorów, używanych dla celów energetyki. Krytyczną temperaturą metanu jest -82,5 C (-116,5 F). Oznacza to, że metan może być skroplony tylko poniżej tej temperatury, niezależnie od wywieranego ciśnienia. Ponieważ gaz ziemny jest mieszaniną gazów, ulega skropleniu w pewnym zakresie temperatur. Krytyczna temperatura gazu ziemnego jest równa między około -85 C (-121 F) a -62 C (-8 F). Zwykle związki gazu ziemnego pod ciśnieniem atmosferycznym skraplają się w zakresie temperatury między około -165 C (-265 F) a -155 C (-247 F). Ponieważ urządzenia zamrażające stanowią tak znaczną część kosztu instalacji NG został podjęty znaczny wysiłek, aby zredukować koszty zamrażania. Chociaż używa się wielu różnych sposobów mrożenia w celu skroplenia gazu ziemnego, trzy typy, najbardziej powszechnie używane obecnie w fabrykach NG są: 1) sposób kaskadowy, który wykorzystuje liczne pojedyncze chłodziwa składowe w wymiennikach ciepła, rozmieszczone stopniowo w celu redukcji temperatury gazu do temperatury skraplania, 2) wieloskładnikowy sposób mrożenia, który wykorzystuje wieloskładnikowe chłodziwo w specjalnie skonstruowanych wymiennikach i 3) sposób wykorzystujący rozprężanie, w którym rozpręża się gaz z dużego ciśnienia do małego ciśnienia z odpowiednią redukcją temperatury. Większość sposobów skraplania gazu ziemnego wykorzystuje odmiany lub kombinacje tych trzech podstawowych typów.

5 Układ rozprężania działa na zasadzie, że gaz może być sprężony do wybranej wartości ciśnienia, ochłodzony, a następnie rozprężony przez turbinę rozprężającą, wykonując przy tym pracę i redukując temperaturę gazu. Możliwe jest skroplenie części gazu w takim rozprężeniu. Gaz o niskiej temperaturze przechodzi następnie przez wymienniki ciepła w celu skroplenia. Energia uzyskana z rozprężania jest zwykle używana do zasilania części głównej instalacji sprężającej, wykorzystywanej w cyklu zamrażania. Znane sposoby rozprężania, wykorzystywane do produkcji NG są opisane w patentach USA 3,724,226; 4,456,459; 4,698,81 i WO 97/1319. Materiały użyte w tradycyjnych fabrykach NG również mają udział w koszcie fabryki. Pojemniki, rury i inne urządzenia wykorzystywane w fabrykach NG są zwykle konstruowane, przynajmniej częściowo, z aluminium, ze stali nierdzewnej lub ze stali o dużej zawartości niklu w celu dostarczenia koniecznej wytrzymałości i odporności na pękanie w niskich temperaturach. W tradycyjnych fabrykach NG woda, dwutlenek węgla, związki zawierające siarkę, takie jak siarczek wodoru i inne kwaśne gazy, n-pentany i cięższe węglowodory, włącznie z benzenem, muszą być w zasadzie usuwane z procesu przetwarzania gazu ziemnego, aż do koncentracji rzędu części na milion (ppm). Niektóre z tych związków zamarzają, powodując problemy z zatykaniem urządzeń procesu. Inne związki, na przykład zawierające siarkę, są zwykle usuwane, aby spełnić parametry gazu określone w umowie sprzedaży. W tradycyjnej fabryce NG, wymagane jest urządzenie do obróbki gazu w celu usuwania dwutlenku węgla i kwaśnych gazów. Urządzenia do obróbki gazu zwykle używają chemiczne i/lub fizyczne procesy regeneracji rozpuszczalnika i wymagają znacznych nakładów finansowych. Również koszty eksploatacyjne są wysokie. Odwadniacze suchego złoża, takie jak sita molekularne, są wymagane do usuwania pary wodnej. Wieża frakcjonująca i urządzenia do frakcjonowania są zwykle używane w celu usuwania węglowodorów, które mogą powodować problemy z zatykaniem urządzeń. W tradycyjnej fabryce NG usuwana jest również rtęć, ponieważ może ona spowodować uszkodzenia urządzeń wykonanych z aluminium. Dodatkowo, duża część azotu, która może być obecna w gazie ziemnym, jest usuwana po przetworzeniu, ponieważ azot nie pozostaje w fazie ciekłej podczas transportu tradycyjnego NG i obecność par azotu w pojemnikach NG w punkcie dostawy jest niepożądane. Istnieje stałe zapotrzebowanie w przemyśle na ulepszony proces skraplania gazu ziemnego, który minimalizuje ilość wymaganych urządzeń obróbki gazu. Celem wynalazku jest opracowanie sposobu skraplania wprowadzanego strumienia gazu, bogatego w metan. Innym celem wynalazku jest opracowanie procesu skraplania, który jest ekonomiczny i wydajny w działaniu oraz wymaga małej energii kompresji. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczaniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia, rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania według wynalazku charakteryzuje się tym, że dostarcza się strumień gazu o ciśnieniu około 313 kpa (45 psia), rozpręża się gaz do ciśnienia, w którym ciekła faza jest w/lub poniżej punktu wrzenia, i w temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i po rozdzieleniu faz gazowej i ciekłej, ciekły produkt magazynuje się w temperaturze -112 C (-17 F). Korzystnie wstępnie chłodzi się strumień gazu przed rozprężaniem strumienia gazu. Korzystnie chłodzi się strumień gazu w wymienniku ciepła chłodzonym przez układ mrożenia z zamkniętym obiegiem. Korzystnie w układzie mrożenia z zamkniętym obiegiem stosuje się propan jako główne chłodziwo. Korzystnie w układzie mrożenia z zamkniętym obiegiem stosuje się dwutlenek węgla jako główne chłodziwo. Korzystnie strumień gazu chłodzi się przez wymianę ciepła z fazą gazową ogrzewając w ten sposób fazę gazową. Korzystnie spręża się ogrzaną fazę gazową, chłodzi się sprężoną fazę gazową i zawraca się ochłodzoną, sprężoną fazę gazową do strumienia gazu w celu ponownego użycia.

6 Korzystnie przed etapem chłodzenia sprężonej fazy gazowej, chłodzi się strumień gazu w wymienniku ciepła chłodzonym przez układ zamrażający z zamkniętym obiegiem. Korzystnie przed skraplaniem strumienia gazu łączy się ze strumieniem gazu pary gazu, powstałe w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego. Korzystnie ze strumienia gazu zawierającego metan i składniki węglowodorowe cięższe niż metan, usuwa się przeważającą część cięższych węglowodorów przez frakcjonowanie i wytwarza się strumień par bogatych w metan i strumień cieczy bogatej w cięższe węglowodory, przy czym strumień par skrapla się przez rozprężanie. Korzystnie chłodzi się strumień gazu przed frakcjonowaniem strumienia gazu. Korzystnie skrapla się strumień gazu z wyłączeniem układu zamrażania z obiegiem zamkniętym. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczeniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, chłodzeniu i rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia oraz rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że separuje się fazowo strumień gazu na pierwszy strumień gazu i pierwszy strumień cieczy, przesyła się pierwszy strumień cieczy do kolumny odpędzania metanu, spręża się i chłodzi pierwszy strumień gazu i produkuje się w ten sposób fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo uzyskane fazy gazową i ciekłą wytwarzając drugi strumień gazu i drugi strumień cieczy, rozpręża się co najmniej części drugiego strumienia gazu do niższego ciśnienia dalej chłodząc drugi strumień gazu, dostarcza się drugi strumień cieczy i rozprężony drugi strumień gazu do kolumny odpędzania metanu, usuwa się z górnych rejonów kolumny odpędzania metanu trzeci strumień gazu, przy czym trzeci strumień gazu zawiera przeważnie metan i przepuszcza się trzeci strumień gazu przez wymiennik ciepła ogrzewając trzeci strumień gazu, usuwa się z kolumny do odpędzania metanu trzeci strumień cieczy i przesyła się trzeci strumień cieczy do układu frakcjonującego, mającego przynajmniej jedną kolumnę frakcjonującą i mającego przynajmniej jeden strumień par, łączy się ogrzany trzeci strumień gazu i strumień par i spręża się połączony strumień, chłodzi się sprężony połączony strumień, dzieli się chłodzony, sprężony strumień na pierwszy chłodzony strumień i drugi chłodzony strumień i przepuszcza się pierwszy chłodzony strumień przez wymiennik ciepła dalej chłodząc pierwszy chłodzony strumień, rozpręża się pierwszy chłodzony strumień wytwarzając fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą w separatorze faz i wytwarza się w ten sposób bogaty w metan, skroplony gaz ziemny o temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i ciśnieniu dostatecznym, aby bogaty w metan, skroplony gaz ziemny był w lub poniżej swojego punktu wrzenia, rozpręża się drugi chłodzony strumień do niższego ciśnienia, przy czym chłodzi się go dalej i wytwarza się fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą i przesyła się fazę ciekłą do separatora faz. Korzystnie łączy się fazę gazową uzyskaną po rozprężeniu drugiego chłodzonego strumienia z trzecim strumieniem gazu i przepuszcza się połączone strumienie gazu przez wymiennik ciepła. Korzystnie łączy się fazę gazową z separatora faz z trzecim strumieniem gazu i przepuszcza się połączone strumienie gazu przez wymiennik ciepła. Korzystnie chłodzi się przez pośrednią wymianę ciepła z chłodziwem z układu zamrażania z obiegiem zamkniętym. Korzystnie w układzie zamrażania z zamkniętym obiegiem stosuje się propan jako przeważające chłodziwo, zaś w układzie frakcjonującym stosuje się kolumnę odpędzania propanu, wytwarzającą w górze strumień gazu bogaty w propan i przesyła się do układu zamrażania z obiegiem zamkniętym bogaty w propan strumień gazu z układu frakcjonującego jako uzupełnienie chłodziwa. Korzystnie do trzeciego strumienia gazu wprowadza się pary gazu powstające w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego i przepuszcza się połączony trzeci strumień gazu i par gazu przez wymiennik ciepła. Sposób skraplania strumienia gazu ziemnego bogatego w metan polegający na dostarczaniu strumienia gazu o podwyższonym ciśnieniu, chłodzeniu i rozprężaniu strumienia gazu do niższego ciśnienia oraz rozdzielaniu faz ciekłej od gazowej z etapu rozprężania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że spręża się strumień gazu do ciśnienia większego niż 313 kpa (45 psia), separuje się fazowo strumień gazu na pierwszy strumień gazu i pierwszy

7 strumień cieczy, przesyła się pierwszy strumień cieczy do kolumny odpędzania metanu, spręża się i chłodzi pierwszy strumień gazu z wyłączeniem układu mrożenia z obiegiem zamkniętym i produkuje się fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą wytwarzając drugi strumień gazu i drugi strumień cieczy, rozpręża się co najmniej części drugiego strumienia gazu do niższego ciśnienia, nadal go chłodząc, dostarcza się drugi strumień cieczy i rozprężony drugi strumień gazu do kolumny odpędzania metanu, usuwa się z górnych rejonów kolumny odpędzania metanu trzeci strumień par, przy czym strumień par zawiera przeważnie metan i przepuszcza się strumień par przez wymiennik ciepła ogrzewając strumień par, usuwa się z kolumny do odpędzania metanu strumień cieczy i przesyła się strumień cieczy do układu frakcjonującego, mającego co najmniej jedną kolumnę frakcjonującą i mającego co najmniej jeden strumień par, łączy się ogrzane strumienie par i spręża się połączone strumienie, chłodzi się sprężone połączone strumienie z wyłączeniem układu zamrażania z pętlą zamkniętą, dzieli się chłodzony, sprężony strumień na pierwszy chłodzony strumień i drugi chłodzony strumień i przepuszcza się pierwszy chłodzony strumień przez wymiennik ciepła dalej chłodząc pierwszy chłodzony strumień, rozpręża się pierwszy chłodzony strumień wytwarzając fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą w separatorze faz i wytwarza się bogaty w metan, skroplony gaz ziemny o temperaturze powyżej około -112 C (*17 F) i ciśnieniu dostatecznym, aby bogaty w metan, skroplony gaz ziemny był w lub poniżej swojego punktu wrzenia, rozpręża się drugi chłodzony strumień do niższego ciśnienia, dalej go chłodząc i wytwarza się fazy gazową i ciekłą, separuje się fazowo fazy gazową i ciekłą i przesyła się fazę ciekłą do separatora faz. Korzystnie wprowadza się do strumienia par zawierających przeważnie metan par gazu, powstających w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego i przepuszcza się połączone strumienie par przez wymiennik ciepła. Korzystnie fazę gazową z separatora faz łączy się z resztkową parą zawierającą przeważnie metan, a połączony strumień gazu przepuszcza się przez wymiennik ciepła. Korzystnie obniża się temperaturę chłodzenia strumienia gazu przy pomocy wody łub powietrza. Wprowadzany strumień gazu ma ciśnienie powyżej 31 5 kpa (45 psia). Jeśli ciśnienie jest zbyt niskie, gaz może być wstępnie sprężany. Gaz jest skraplany przez rozprężanie w odpowiednich środkach rozprężających w celu wytwarzania ciekłego produktu, mającego temperaturę powyżej około -112 C (-17 F) i ciśnienie dostateczne, aby płynny produkt był w lub poniżej temperatury punktu wrzenia. Przed rozprężaniem, gaz jest korzystnie chłodzony przez recyrkulację pary, która przeszła przez środki rozprężające i nie została skroplona. Separator faz oddziela płynny produkt od gazów nie skroplonych przez środki rozprężające. Płynny produkt z separatora fazy jest następnie magazynowany lub transportowany w temperaturze powyżej około -112 C (-17 F). W innym przykładzie wykonania wynalazku, jeśli wprowadzany gaz zawiera składniki cięższe niż metan, główna część cięższych węglowodorów jest usuwana w procesie frakcjonowania przed skraplaniem w procesie rozprężania. W jeszcze innym przykładzie wykonania niniejszego wynalazku, pozostały gaz, powstający po odparowaniu skroplonego gazu ziemnego może być dodany do wprowadzanego gazu w celu skroplenia przez rozprężenie w celu wytworzenia sprężonego ciekłego gazu ziemnego (PNG). Sposób według wynalazku może być użyty zarówno do początkowego skraplania gazu ziemnego w źródle dostaw w celu magazynowania lub transportowania oraz do ponownego skraplania par gazu ziemnego, powstających podczas magazynowania i załadunku statku. Zamrażanie do bardzo niskiej temperatury w tradycyjnym procesie PNG jest bardzo kosztowne w porównaniu ze stosunkowo średnim zamrażaniem, potrzebnym do produkcji PNG według sposobu niniejszego wynalazku. Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat jednego przykładu wykonania niniejszego wynalazku do produkcji PNG, fig. 2 przedstawia schemat drugiego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, w którym gaz ziemny jest wstępnie chłodzony przez układ mrożenia w cyklu zamkniętym przed skraplaniem gazu ziemnego przez rozprężanie, fig. 3 przedstawia schemat trzeciego

8 przykładu wykonania niniejszego wynalazku, w którym wejściowy gaz ziemny jest frakcjonowany przed skraplaniem do PNG, fig. 4 przedstawia schemat czwartego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, podobnego do sposobu przedstawionego na fig. 3, przy czym do produkcji PNG używane są układ mrożenia w cyklu zamkniętym i rozprężanie. Schematy przedstawione na figurach prezentują różne przykłady wykonania sposobu według wynalazku. Różne wymagane podukłady, takie jak pompy, zawory, mieszacze strumieni, układy sterowania i czujniki zostały usunięte z figur dla uproszczenia i przejrzystości prezentacji. Niniejszy wynalazek jest ulepszonym sposobem skraplania gazu ziemnego przez rozprężanie w celu produkcji bogatego w metan produktu ciekłego, mającego temperaturę ponad około -112 C (-17 F) i ciśnienie dostateczne, aby płynny produkt był w lub poniżej swojego punktu wrzenia. Bogaty w metan produkt zwany jest w tym opisie sprężonym, płynnym gazem ziemnym ( PNG ). Określenie punkt wrzenia określa wartości temperatury i ciśnienia, w których płyn zaczyna przekształcać się w gaz. Na przykład, jeśli pewna objętość PNG jest trzymana pod stałym ciśnieniem, ale temperatura jest zwiększana, temperatura, przy której zaczną formować się pęcherzyki gazu w PNG jest punktem wrzenia. Podobnie, jeśli pewna objętość PNG jest trzymana w stałej temperaturze, ale ciśnienie jest zmniejszane, wówczas wartość ciśnienia, przy której gaz zaczyna się formować określa punkt wrzenia. W punkcie wrzenia mieszanina jest nasyconym płynem. Sposób skraplania gazu według wynalazku wymaga mniej energii do skraplania gazu ziemnego niż znane sposoby, zaś urządzenia użyte w procesie według niniejszego wynalazku mogą być wykonane z mniej kosztownych materiałów. Dla kontrastu, dotychczasowe procesy, w których wytwarzano NG pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturach nawet -16 C (-256 F) wymagały urządzeń przetwórczych wykonanych z drogich materiałów w celu zapewnienia bezpiecznej pracy. Energia potrzebna do skraplania gazu ziemnego w praktyce niniejszego wynalazku jest znacznie zredukowana w stosunku do wymagań na energię tradycyjnej fabryki NG. Redukcja energii mrożenia, potrzebnej dla sposobu według wynalazku daje znaczną redukcję ogólnych kosztów, proporcjonalnie niższe koszty robocze i zwiększoną wydajność i wiarygodność, zwiększając w ten sposób znacznie ekonomię produkcji skroplonego gazu ziemnego. Przy ciśnieniach roboczych i temperaturach według wynalazku, może być stosowana stal z zawartością około 3,5% wagowo niklu do wykonania rur i urządzeń w najzimniejszych rejonach roboczych procesu skraplania, podczas gdy droższa stal o zawartości 9% wagowo niklu lub aluminium są ogólnie wymagane dla tych samych urządzeń w tradycyjnym procesie NG Daje to następną znaczną redukcję kosztów procesu według wynalazku w porównaniu z dotychczasowymi procesami NG. Pierwszym problemem, związanym z przetwarzaniem kriogenicznym gazu ziemnego jest zanieczyszczenie. Surowy gaz ziemny, odpowiedni dla sposobu według niniejszego wynalazku, może zawierać gaz ziemny uzyskany z odwiertu ropy naftowej (gaz towarzyszący) lub z odwiertu gazowego (nie jako gaz towarzyszący). Skład gazu ziemnego może znacznie się różnić. Używany tutaj strumień gazu ziemnego zawiera metan (Ci) jako główny składnik. Gaz ziemny zwykle zawiera również etan (C2), wyższe węglowodory (C3+) i mniejsze ilości zanieczyszczeń, jak woda, dwutlenek węgla, siarczek wodoru, azot, butan, węglowodory o sześciu lub więcej atomach węgla, kurz, siarczek żelaza, wosk i ropę naftową. Rozpuszczalność tych składników zmienia się z temperaturą, ciśnieniem i składem. W temperaturach kriogenicznych, CO2, woda i inne zanieczyszczenia mogą tworzyć fazę stałą, która może zatykać przewody w kriogenicznych wymiennikach ciepła. Tych potencjalnych utrudnień można uniknąć przez usunięcie zanieczyszczeń, jeśli oczekiwane jest przekroczenie granicznych wartości temperatury i ciśnienia dla powstawania stałej fazy ich czystych składników. W poniższym opisie wynalazku przyjęto, że strumień gazu ziemnego został poddany odpowiedniej obróbce w celu usunięcia siarczków i dwutlenku węgla i osuszony w celu usunięcia wody przy użyciu tradycyjnych i dobrze znanych procesów w celu wyprodukowania strumienia czystego, suchego gazu ziemnego. Jeśli strumień gazu ziemnego zawiera ciężkie węglowodory, które mogą zamarzać podczas skraplania lub jeśli ciężkie węglowodory nie są pożądane w PNG

9 ciężkie węglowodory mogą być usuwane w procesie frakcjonowania przed produkcją PNG, jak opisano dokładniej poniżej. Zaletą niniejszego wynalazku jest to, że wyższe temperatury robocze umożliwiają zachowanie przez gaz ziemny wyższych poziomów koncentracji zamarzających składników niż byłoby to możliwe w tradycyjnym procesie NG. Na przykład, w tradycyjnej fabryce NG, która produkuje NG o temperaturze -16 C (-256 F), zawartość CO2 musi być mniejsza od około 5 ppm w celu uniknięcia problemów z zamarzaniem. Przeciwnie, utrzymując temperatury procesu powyżej -112 C (-179 F), gaz ziemny może zawierać C 2 w ilościach do około 1,4 mola % CO2 w temperaturze od -112 C (-179 F) i około 4,2% w temperaturze -95 C (-139 F) bez wywoływania problemów z zamarzaniem w sposobie skraplania według wynalazku. Dodatkowo, niewielkie ilości azotu w gazie ziemnym nie muszą być usuwane w sposobie według wynalazku, ponieważ azot pozostaje w fazie ciekłej ze skroplonymi węglowodorami przy roboczych wartościach ciśnienia i temperatury. Możliwość redukcji, lub w pewnych przypadkach pominięcia, urządzeń wymaganych do obróbki gazu i usuwania azotu, kiedy skład gazu ziemnego na to pozwala, dostarcza znacznych technicznych i ekonomicznych korzyści. Zgodnie z fig. 1, strumień 1 dostarczanego gazu ziemnego korzystnie jest wprowadzany do procesu skraplania pod ciśnieniem około 31 kpa (45 psia) i bardziej korzystnie powyżej około 4827 kpa (7 psia) i 2 korzystnie w temperaturze poniżej około 4 C (14 F); jednakże można zastosować inne wartości ciśnienia i temperatury, jeśli trzeba i układ może być odpowiednio zmodyfikowany. Jeśli strumień 1 gazu ma ciśnienie poniżej 312 kpa (45 psia), może zostać sprężony przy pomocy odpowiednich środków sprężających (nie pokazane), które mogą obejmować jeden lub kilka kompresorów. Strumień 1 sprężonego gazu jest chłodzony przez jeden lub kilka wymienników ciepła 2. Ochłodzony strumień 11 jest następnie rozprężany przy pomocy przynajmniej jednego środka rozprężającego 3. Rozprężarka może być rozprężarką turbinową, która jest sprzężona wałem z odpowiednimi kompresorami, pompami lub generatorami, umożliwiając przetwarzanie energii uzyskiwanej z rozprężarki na użyteczną pracę mechaniczną i/lub elektryczną, powodując dzięki temu znaczne oszczędności energii całego układu. Środki rozprężające 3 skraplają przynajmniej część strumienia 11 gazu ziemnego w celu wytworzenia strumienia 12. Strumień 12 jest transportowany do tradycyjnego separatora fazy 4, który wytwarza strumień 13 ciekłego produktu, którym jest PNG o temperaturze powyżej około -112 C (-179 F) i o ciśnieniu dostatecznym, aby płynny produkt znajdował się w lub poniżej punktu wrzenia. PNG jest przesyłany do odpowiednich środków magazynowych lub transportowych 9 (takich jak rurociąg, stacjonarny zbiornik magazynowy lub urządzenie transportowe, na przykład statek PNG, ciężarówka lub cysterna kolejowa) w celu przechowywania w temperaturze powyżej około -112 C (-179 F). Jeśli płynny produkt powinien pozostawać w fazie ciekłej, temperatura musi być poniżej temperatury krytycznej produktu, która zwykle jest poniżej -62 C (-8 F). Separator 4 wytwarza również parę nad strumieniem 14, która przechodzi przez wymiennik ciepła 2, gdzie strumień 14 pary chłodzi strumień dostarczany 1. Jeden lub więcej kompresorów spręża następnie strumień pary. Figura 1 przedstawia korzystne użycie jednego kompresora 5 do sprężania pary powrotnej w przybliżeniu do ciśnienia dostarczanego strumienia 1. Jednakże również mogą zostać użyte dodatkowe kompresory. Strumień 16 sprężonego gazu jest chłodzony przez wymiennik ciepła 6 w celu odzyskania ciepła, które może zostać użyte w innym miejscu lub chłodzenie takie może zostać wywołane przy użyciu powietrza lub wody. Po opuszczeniu wymiennika ciepła 6, strumień 17 ochłodzonej pary jest łączony z dostarczanym strumieniem 1 w celu powtórnego użycia. W tym przykładzie wykonania, dostarczany strumień może być skraplany bez potrzeby używania układu zamrażania w pętli zamkniętej. Przy magazynowaniu, transporcie i obróbce skroplonego gazu ziemnego mogą wystąpić znaczne ilości pary, powstającej w wyniku parowania skroplonego gazu ziemnego. Niniejszy wynalazek jest szczególnie dobrze przystosowany do skraplania par wytwarzanych przez parowanie PNG Zgodnie z fig. 1, para może być wprowadzana do procesu skraplania linią 18 w celu połączenia ze strumieniem 14, który jest kierowany do ponownego użycia, jak opisano

10 powyżej. Ciśnienie pary powinno być korzystnie równe lub bliskie ciśnieniu strumienia 14 gazu. Jeśli para ma niższe ciśnienie niż strumień 14, para może zostać skroplona przez tradycyjne środki sprężające (nie pokazane na fig. 1). Niewielka część strumienia 15 pary może być opcjonalnie usunięta z procesu jako paliwo (strumień 19) w celu dostarczania części energii potrzebnej do napędu kompresorów i pomp w procesie skraplania. Chociaż ta niewielka część może zostać wycofana z procesu w dowolnym miejscu po opuszczeniu separatora 4, korzystnie paliwo jest usuwane z procesu po ogrzaniu w wymienniku ciepła 2. Figura 2 ilustruje inny przykład wykonania procesu według niniejszego wynalazku i w tym przykładzie, części, mające te same oznaczniki liczbowe co części z fig. 1 mają te same funkcje w procesie. Przykład wykonania przedstawiony na fig. 2 jest podobny do przykładu wykonania pokazanym na fig. 1poza tym, że dostarczone jest dodatkowe chłodzenie dostarczanego strumienia 1 przez wymiennik ciepła 7. Przykład wykonania z fig. 2 redukuje wielkość strumienia powrotnego 14 i wymaga mniej energii niż przykład wykonania z fig. 1. Chłodzenie wymiennika ciepła 7 jest uzyskiwane przez tradycyjny układ 8 chłodzenia w pętli zamkniętej. Chłodziwem do układu chłodzenia może być propan, propylen, etan, dwutlenek węgla lub dowolne inne odpowiednie chłodziwo. Figura 3 przedstawia jeszcze inny przykład wykonania niniejszego wynalazku. Ten przykład zawiera układ do usuwania ciężkich węglowodorów i układ rozdzielania strumienia sprężonego gazu tuż za etapami końcowego skraplania. Układ rozdzielania strumienia może zredukować ogólne zapotrzebowanie na energię w porównaniu z przykładem wykonania z fig. 2, umożliwiając większe spadki temperatury w głównym wymienniku ciepła 142. Układ rozdzielania strumienia daje również większą elastyczność operacyjną przy przetwarzaniu zmiennych ilości par z operacji ładowania i rozładowywania NG lub PNG. Zgodnie z fig. 3, dostarczany strumień 1 jest wprowadzany do separatora 13, gdzie strumień jest dzielony na dwa oddzielne strumienie, strumień 11 pary i strumień 12 cieczy. Chociaż nie pokazano na fig. 3,. dostarczany strumień 1 może być chłodzony przez dowolny odpowiedni układ chłodzący przed wprowadzeniem do separatora 13. Strumień 12 cieczy jest przesyłany do tradycyjnego układu 131 oddzielającego metan. Strumień 11 pary przechodzi przez dwa lub więcej kompresory i urządzenia chłodzące w celu zwiększenia ciśnienia strumienia 11 pary od ciśnienia dostarczanego gazu do około 1343 kpa (15 psia). Fig. 3 przedstawia ciąg dwóch kompresorów 132 i 133 do sprężania gazu i tradycyjne wymienniki ciepła 134 i 135 po każdym stopniu sprężania w celu ochłodzenia sprężonego gazu. Kiedy strumień 11 opuszcza wymiennik ciepła 135, reboiler 136 dalej go chłodzi używając cieczy z układu oddzielającego metan 131. Z układu 136, ochłodzony strumień 11 jest przesyłany do tradycyjnego separatora fazy 137. Strumień pary 13 z separatora 137 jest rozprężany przez tradycyjną rozprężarkę turbinową 138, redukując ciśnienie strumienia gazu, zanim zostanie podany do górnej sekcji układu do odpędzania metanu 131. Kiedy ciecz jest wprowadzana do kolumny 131 odpędzania metanu, przepływa w dół pod działaniem siły grawitacji. Po drodze, ciecz napotyka unoszące się do góry pary, które oddzielają metan od cieczy. Operacja odpędzania wytwarza produkt w zasadzie pozbawiony metanu, po czym produkt jest usuwany z dna kolumny 131 odpędzania metanu jako strumień 15. Unoszący się do góry strumień pary 16, opuszczający kolumnę odpędzania metanu jest przesyłany do wymiennika ciepła 139. Po ogrzaniu przez wymiennik ciepła 139, pierwsza część ogrzanego strumienia pary (strumień 17) może być opcjonalnie odprowadzona (strumień 18, w celu użycia jako paliwo w fabryce skraplania gazu. Druga część strumienia 17 jest następnie przepuszczana przez ciąg kompresorów 14 i 141 i wymienników ciepła 142 i 143 w celu zwiększenia ciśnienia strumienia pary i w celu zapewnienia chłodzenia po każdym etapie sprężania. iczba etapów kompresji korzystnie waha się od dwóch do czterech. Część strumienia, który opuszcza wymiennik ciepła 142 jest odprowadzana i przechodzi jako strumień 11 do wymiennika ciepła 139 w celu dalszego chłodzenia strumienia 11. Optymalna część strumienia 19, która jest oddzielana jako strumień 11 zależy od temperatury, ciśnienia i składu strumienia 19. Po opuszczeniu wymiennika ciepła 139, strumień 11 przechodzi do środków rozprężających, takich jak rozprężarki turbinowe 144, które przynajmniej częściowo skraplają strumień 11 w celu wytworzenia strumienia 111. Strumień 111 jest na-

11 stępnie przepuszczany do tradycyjnego separatora fazy 145. Separator fazy 145 wytwarza PNG (strumień 121) o temperaturze powyżej około -112 C (-17 F) i pod ciśnieniem dostatecznym, aby ciekły produkt był w lub poniżej punktu wrzenia. PNG jest przekazywany do odpowiednich środków magazynowych 153 w celu magazynowania PNG w temperaturze powyżej -112 C (-17 F). Separator 145 wytwarza również strumień par sprężonego gazu 115, który jest łączony ze strumieniem 16 w celu ponownego użycia. Strumień 112, który jest chłodzonym strumieniem opuszczającym wymiennik ciepła 143, przechodzi do odpowiednich środków rozprężających, takich jak rozprężarka turbinowa 146 w celu redukcji ciśnienia i dalszego chłodzenia strumienia 112. Rozprężarka turbinowa 146 przynajmniej częściowo skrapla strumień 112 gazu ziemnego. Po opuszczeniu rozprężarki turbinowej 146, częściowo skroplony strumień jest przesyłany do separatora fazy 147 w celu wytworzenia strumienia cieczy 113 i strumienia pary 114. Strumień pary 114 jest przesyłany z powrotem i łączony, w celu ponownego użycia, ze strumieniem 16 opuszczającym od góry urządzenie do odpędzania metanu. Strumień cieczy 113 opuszczający separator 147 jest łączony ze strumieniem 111. Strumień cieczy 15 opuszczający układ do odpędzania metanu 131 jest przepuszczany do tradycyjnego stabilizatora kondensatu 15, który wytwarza strumień 116, który jest bogaty w etan i inne lekkie węglowodory, głównie metan. Strumień 116 pary przechodzi przez wymiennik ciepła 151, który ochładza parę 116. Część strumienia 116 jest następnie zawracana jako strumień wykroplin 117 do stabilizatora kondensatu 15. Pozostała część strumienia 116 przechodzi przez kompresor 152 w celu zwiększenia ciśnienia strumienia 116 do w przybliżeniu ciśnienia strumienia 17. Po skompresowaniu, strumień 116 jest chłodzony i ochłodzony gaz (strumień 118) jest zmieszany ze strumieniem 17. Ciecz opuszczająca dołem stabilizator kondensatu 15 jest dostępna jako produkt skondensowany (strumień 119). Sposób według wynalazku, jak przedstawiono na fig. 3, może opcjonalnie ponownie skraplać pary gazu. Pary gazu mogą być wprowadzane do procesu przedstawionego na fig. 3 linią 12, która jest połączona ze strumieniem par 16. Odnośnie fig. 4, wprowadzany strumień 21 jest wprowadzany do separatora 23, gdzie strumień jest dzielony na dwa oddzielne strumienie, strumień pary 22 i strumień cieczy 23. Ten przykład wykonania ilustruje zewnętrzną pętlę mrożenia w celu zminimalizowania zapotrzebowania na energię i rozmiarów urządzeń technologicznych i ciągu frakcjonowania w celu dostarczenia mrożenia, wykonywanego w pętli mrożenia. Strumień cieczy 23 jest przepuszczany przez kolumnę 231 do odpędzania metanu. Strumień pary 22 jest sprężany w jednym lub kilku stopniach kompresji, korzystnie w dwóch stopniach. Dla uproszczenia, fig. 3 przedstawia tylko jeden kompresor 232. Po każdym etapie kompresji, sprężona para jest korzystnie chłodzona przez tradycyjne urządzenie chłodzące powietrzem lub wodą, jak na przykład chłodnicę 234. Strumień gazu 22, po opuszczeniu chłodnicy 234, jest chłodzony przez reboiler 235, przez który pozbawiona metanu ciecz przepływa od kolumny do odpędzania metanu 231. Z reboilera 235, ochłodzony 5 strumień 22 jest dalej chłodzony przez wymienniki ciepła 236 i 237, które są chłodzone przez tradycyjny układ chłodzenia w zamkniętej pętli 238, w którym chłodziwem jest korzystnie propan. Z wymienników 236 i 237, ochłodzony gaz ziemny jest znów rozdzielany w tradycyjnym separatorze fazy 238. Strumień par 24 z separatora 238 jest rozprężany przez rozprężarkę turbinową 239, redukując przez to ciśnienie strumienia gazu, zanim osiągnie on górną sekcję urządzenia do odpędzania metanu 231. Rozprężarka turbinowa 239 korzystnie dostarcza energii dla kompresora 232. Ciecze z separatora 238 są przepuszczane linią 25 do średniej sekcji urządzenia do odpędzania metanu 231. Strumień par 27 opuszczający urządzenie do odpędzania metanu 231 jest przesyłany do wymiennika 2 ciepła 24. Część strumienia 28, który opuszcza wymiennik ciepła 24 może być opcjonalnie odprowadzona (strumień 29) w celu użycia jako paliwo w fabryce skraplania gazu. Pozostała część strumienia 28 jest sprężana przez jeden lub kilka kompresorów 241 do ciśnienia, korzystnie między około 5516 kpa (8 psia) a 1379 kpa (2 psia). Sprężony gaz jest następnie przepuszczany przez ciąg wymienników ciepła 242, 243 i 244 w celu ochłodzenia gazu i wytworzenia strumienia 21.

12 Wymiennik ciepła 242 jest korzystnie chłodzony powietrzem lub wodą. Wymienniki ciepła 243 i 244 są korzystnie chłodzone przez układ mrożenia 238, ten sam układ używany do chłodzenia wymienników ciepła 236 i 237. Część strumienia 21 jest przepuszczana jako strumień 211 do wymiennika ciepła 24 w celu dostarczenia chłodzenia w celu dalszego chłodzenia strumienia par 211. Strumień 211, który opuszcza wymiennik ciepła 24 przechodzi do środków rozprężających, na przykład rozprężarki turbinowej 245, które przynajmniej częściowo skraplają strumień 211 w celu wytworzenia strumienia 212. Strumień 212 jest następnie przepuszczany do tradycyjnego separatora fazy 246. Część strumienia 21, która pozostaje po odprowadzeniu strumienia 211, jest przepuszczana do odpowiednich środków rozprężających, takich jak rozprężarka turbinowa 248 w celu zredukowania ciśnienia gazu i dalszego chłodzenia strumienia gazu. Rozprężarka turbinowa 248 wytwarza strumień 213, który jest przynajmniej częściowo ciekłym gazem ziemnym. Strumień 213 jest przepuszczany do tradycyjnego separatora fazy 249 w celu wytworzenia strumienia cieczy 214 i strumienia par 215. Strumień 215 jest ponownie użyty przez połączenie ze strumieniem par 27, opuszczającym urządzenie do odpędzania metanu. Strumień cieczy 214 jest łączony ze strumieniem 212 i przechodzi do separatora 246, który oddziela gaz na strumień par 216 i strumień cieczy 217. Strumień par 216, jak strumień par 215, jest łączony ze strumieniem 27 opuszczającym urządzenie do odpędzania metanu w celu ponownego użycia. Strumień cieczy 217, czyli PNG, mający temperaturę powyżej około -112 C (-17 F) i ciśnienie dostateczne, aby ciecz była w lub poniżej punktu wrzenia, jest przesyłany do odpowiedniego pojemnika magazynowego 258 w celu magazynowania w temperaturze powyżej około-112 C (-17 F). Strumień 26 cieczy opuszczający urządzenie 231 do odpędzania metanu przechodzi do układu frakcjonującego, zawierającego szereg kolumn frakcjonujących 25, 251 i 252. Kolumna frakcjonująca 25 jest tradycyjną wieżą do odpędzania etanu, która wytwarza strumień bogaty w etan i inne lekkie węglowodory, głównie metan. Strumień 218 par jest przepuszczany do wymiennika ciepła 253 w celu ogrzania strumienia paliwa 29. Po przejściu przez wymiennik ciepła 253, strumień par 218 przechodzi do tradycyjnego separatora fazy 254, który wytwarza strumień par 22 i strumień cieczy 221. Strumień cieczy 221 jest zawracany do kolumny 25 odpędzania etanu jako wykroplenie. Strumień par 22 jest łączony ze strumieniem 28. Ciecze opuszczające dołem urządzenie 25 do odpędzania etanu są chłodzone przez wymiennik ciepła 257 i przesyłane do urządzenia do odpędzania propanu 251. Para uchodząca górą z urządzenia do odpędzania propanu 251 jest bogata w propan i może być opcjonalnie używana jako uzupełnienie propanu używanego w układzie mrożącym 238. Ciecze opuszczające dołem urządzenie do odpędzania propanu 251 są następnie przesyłane do urządzenia do odpędzania butanu 252. Ciecze opuszczające dołem urządzenia do odpędzania butanu 252 są odprowadzane z procesu jako ciekły kondensat (strumień 222). Przynajmniej część par z urządzenia do odpędzania butanu 252 jest przesyłana linią 223 przez wymiennik ciepła 255 w celu ochłodzenia strumienia pary. Strumień par 223 jest następnie przepuszczany przez kompresor 256, aby zwiększyć ciśnienie strumienia 223 do w przybliżeniu ciśnienia strumienia 28. Po opuszczeniu kompresora 256, sprężony strumień jest łączony ze strumieniem 22. Pary gazu mogą być opcjonalnie wprowadzone do procesu według niniejszego wynalazku linią 224, która jest związana ze strumieniem par 27. Przykład Wykonano symulację równoważenia masy i energii w celu zilustrowania przykładów wykonania przedstawionych na figurach, a wyniki są przedstawione w tabelach 1, 2, 3, 4 i 5 poniżej. Dane przedstawione w tabelach są przykładowe. Dane zostały uzyskane przy użyciu dostępnego komercyjnie programu symulacji procesu, zwanego HYSYS, jednakże inne, dostępne komercyjnie, programy symulacji procesu mogą zostać użyte do wyliczenia danych, włącznie, na przykład z HYSIM, PROII i ASPEN PUS, które są znane dla specjalistów w danej dziedzinie. Energia potrzebna do produkcji PNG według niniejszego wynalazku jest znacznie mniejsza niż energia potrzebna do produkcji NG w warunkach ciśnienia bliskiego atmosferycznemu i w temperaturze -164,5 (-264 F) używając procesu rozprężania. Porównanie tabeli 2 z tabelą 1 ilustruje różnicę energii. Tabela 2 przedstawia wyniki symulowanej równo-

13 wagi masy i energii przy użyciu algorytmu z fig. 1 w celu produkcji NG przy prawie atmosferycznym ciśnieniu. Wyniki zapisane w tabeli 2 zostały oparte na produkcji ciekłego produktu o niemal atmosferycznym ciśnieniu, znacznie zredukowanej ilości par wprowadzanych do procesu i potrzebie stopniowej kompresji z obiegiem wtórnym (cztery kompresory z obiegiem wtórnym zamiast jednego kompresora 5 pokazanego na fig. 1). W tych dwu symulacjach, całkowita zainstalowana moc, potrzebna do produkcji tradycyjnego NG (dane tabeli 2) była ponad dwukrotnie większa niż wymagana do produkcji PNG (dane tabeli 1). Ulepszenie procesu rozprężania PNG, jak to pokazane na fig. 2, może również poprawić tradycyjny proces NG Jednakże stosunek zainstalowanej mocy dla tradycyjnego procesu NG i zainstalowanej mocy dla procesu PNG zgodnie z praktyką niniejszego wynalazku nie zmieni się istotnie. Proces PNG według niniejszego wynalazku wymaga około połowy mocy zużywanej w tradycyjnym procesie rozprężania do produkowania NG pod ciśnieniem atmosferycznym. Dane przedstawione w tabeli 3 są pokazane w celu lepszego zrozumienia przykładu wykonania przedstawionego na fig. 2. W porównaniu z przykładem wykonania pokazanym na fig. 1, wymaganie na całkowitą zainstalowaną moc przykładu wykonania z fig. 2 może być zredukowane z kw (266 KM) do kw (15KM) przez dodanie propanowego układu zamrażania. Specjaliści w danej dziedzinie mogą dalej zredukować żądaną moc przez optymalizację procesu. Dane przedstawione w tabeli 4 są pokazane w celu lepszego zrozumienia przykładu wykonania przedstawionego na fig. 3. Dostarczany gaz na fig. 3 i 4 ma inny skład i jest w innych warunkach niż dostarczany gaz na fig. 1 i 2. Dane przedstawione w tabeli 5 są pokazane w celu lepszego zrozumienia przykładu wykonania pokazanego na fig. 4. Sposób ten ponownie demonstruje korzyści propanowego układu zamrażania przez znaczne obniżenie wymaganej mocy zainstalowanej w porównaniu z przykładem wykonania pokazanym na fig. 3. Wiele modyfikacji i zmian można wprowadzić w sposobach opisanych powyżej. Na przykład, różne wartości temperatur i ciśnień mogą być użyte według wynalazku, zależnie od ogólnej konstrukcji układu i składu dostarczanego gazu. Również ciąg technologiczny chłodzenia dostarczanego gazu może być uzupełniony lub przekonfigurowany, zależnie od ogólnych wymagań konstrukcyjnych, aby uzyskać optymalną i wydajną wymianę ciepła.

14 Tabela 1 Faza Strumień P a r a () / ciecz () / Moc Kompresor 5 Rozprężarka 3 Moc netto Całkowita moc zainstalowana Ciśnienie kpa psia Temperatura C F Szybkość przepływu Kgmo1 /h bmol/h [ Moc KM Moc kw Skład, mol % Cl C C N

15 Tabela 2 Strumień Faza Para () / ciecz () / Moc Kompresory 5, stopień 1 5, stopień 2 5, stopień 3 5, stopień 4 Rozprężarka 3 Moc netto Moc całkowita Moc KM Ciśnienie kpa Moc kw psia Temperatura C [ j [44.4 I Szybkość przepływu Kgmol/h bmol/h I

16 Tabela 3 Faza Strumień P a r a () / ciecz () / Moc Kompresory 5 8, stopień 1 8, stopień 2 Rozprężarka 3 Moc netto Całkowita moc Zainstalowana Ciśnienie Temperatura j kpa psia C F [2689 [ [ [71.1 j [ Moc KM Moc kw Szybkość przepływu Kgmol/h bmol/h [ [ [ Skład, mol % Cl C [91.24 [ I C N

17 Tabela 4 Faza Ciśnieni Strumień Para() / ciecz () / v v / v / kpa [2813 Tabela 4, ciąg dalszy Kompresory , stopień 1 14, stopień 2 141, stopień 1 141, stopień Rozprężarki Moc netto Moc całkowita Moc KM ie psia Moc kw Temperatura C F Szybkość przepływu Kgmol/h bmol/h Skład, mol % Cl C [ lo C CO N I.6

18 Tabela 5 Strumień I29 I Faza P a r a () / ciecz () v / / l [Ciśnienie kpa psia [ [2779 I [ _ [ I [ Temperatura F C [7.8 J -85 j [ [46. I Szybkość przepływu Kgmol/h bmol/h 3677 j j j Skład, mol % Cl C [4.28 j Tabela 5, ciąg dalszy Kompresory 232, stopień 1 232, stopień 2 238, stopień 1 238, stopień 2 241, stopień 1 241, stopień 2 56 Rozprężarki Moc netto Moc całkowita MOC KM MOC KW C , CO 2.98 [ N

19 189 83

20 FIG. 3