BRPI0608158A2

BRPI0608158A2 - instalação para a liquefação de gás natural, e, método para a liquefação de uma corrente de gás natural

Info

Publication number: BRPI0608158A2
Application number: BRPI0608158-4A
Authority: BR
Inventors: Cornelis Buijs; Robert Klein Nagelvoort
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2010-11-09
Also published as: KR20070111531A; US20080156037A1; CN101120220A; AU2006215629A1; AU2006215629C1; RU2395765C2; RU2395764C2; MX2007009824A; RU2007130260A; KR20070114751A; AU2006215630B2; WO2006087330A2; BRPI0607453A2; MY143097A; MX2007009830A; WO2006087330A3; CN101120219A; JP2008530506A; NO20074682L; EP1848945A2

Abstract

INSTALAçãO PARA A LIQUEFAçãO DE GáS NATURAL, E, MéTODO PARA A LIQUEFAçãO DE UMA CORRENTE DE GáS NATURAL Instalação e método para a liquefação de gás natural. A instalação compreendendo um trem de trocador de calor de pré-resfriamento(1) tendo uma entrada (13) para gás natural e uma saída (14) para gás natural pré-resfriado, um distribuidor (4) tendo uma entrada (18) conectada à saída (14) para gás natural pré-resfriado e tendo duas saídas de distribuidor (22, 23). A instalação compreende ainda duas unidades de extração de líquidos de gás natural tendo uma entrada de unidade de extração, uma saída de fração pesada e uma saída de fração leve de topo, e dois trocadores de calor principais (5,5') de modo a resfriar a fração leve a partir de sua unidade de extração de líquidos de gás natural correspondente para a liquefação.

Description

"INSTALAÇÃO PARA A LIQUEFAÇÃO DE GÁS NATURAL, E,MÉTODO PARA A LIQUEFAÇÃO DE UMA CORRENTE DE GÁS NATURAL"

A presente invenção refere-se a uma instalação e método paraa liquefação de gás natural.

A patente US 6.389.844 expõe uma tal instalação e métodopara a liquefação de gás natural. A instalação de acordo com a US 6.389.844compreende um ciclo de pré-resfriamento comum único, seguido por doisciclos de liquefação principais dispostos de modo paralelo, que operamsimultaneamente, em que o gás natural, que flui através da instalação, éliqüefeito e subresfriado. Como o ciclo de pré-resfriamento serve a dois ciclosde liquefação principais, a profundidade, na qual o gás natural pode ser pré-resfriado, é normalmente reduzida.

Outra instalação para a produção de gás natural liqüefeito édescrita na US 2005/ 0005635.

Diferentes especificações de gás natural liqüefeito, emparticular com relação ao valor de aquecimento, são requeridas em váriosmercados.

De modo a satisfazer a demanda, a instalação para a liquefaçãode gás natural de acordo com a presente invenção compreende:

- um trem de trocador de calor de pré-resfriamento com umcircuito refrigerante de pré-resfriamento para a remoção de calor a partir dogás natural no trem do trocador de calor de pré-resfriamento, e tendo umaentrada para o gás natural e uma saída para o gás pré-resfriado;

- um distribuidor para dividir a corrente de gás natural nasprimeira e segunda subcorrentes de gás natural;

- pelo menos duas unidades de extração de líquidos de gásnatural, cada qual provida com uma entrada de unidade de extração, de modoa receber uma das subcorrentes de gás natural, e compreendendo uma saída defração pesada, e uma saída de fração leve de topo; e

- pelo menos dois sistemas criogênicos principais, cada qualcompreendendo um trocador de calor principal tendo um primeiro lado quentetendo uma entrada conectada à saída da fração leve de topo de pelo menosuma das unidades de extração de líquidos de gás natural liqüefeito, e cadaqual compreendendo um circuito refrigerante principal para a remoção decalor a partir do gás natural, que flui através do primeiro lado quente dotrocador de calor principal correspondente.

O método de liquefação de uma corrente de gás natural deacordo com a presente invenção compreende:

- o pré-resfriamento da corrente de gás natural em um tremtrocador de calor contra um refrigerante de pré-resfriamento, que é recicladoem um circuito refrigerante de pré-resfriamento;

- a divisão da corrente de gás natural em pelo menos umaprimeira e segunda subcorrentes de gás natural;

- separar, de modo simultâneo, cada uma da primeira esegunda subcorrentes de gás natural em uma fração pesada líquida, e em umafração leve de topo vaporosa;

- resfriar adicionalmente as frações leves de topo vaporosas emcondensação total contra um refrigerante principal em pelo menos doissistemas criogênicos principais, de tal modo que, em cada sistema criogênicoprincipal, o refrigerante principal seja reciclado em um circuito derefrigerante principal; e

- extrair uma corrente de gás natural liqüefeito a partir domesmo.

O circuito refrigerante de pré-resfriamento serve agora a doiscircuitos refrigerantes principais, mas cada circuito de refrigerante principal éservido por sua própria unidade de extração de líquidos de gás natural. Destemodo, a capacidade de liquefação não está limitada pela capacidade deextração de líquidos de gás natural.

Foi verificado, de modo surpreendente, que a extração delíquidos de gás natural a jusante do pré-resfriamento ou do trem do trocadorde calor é possível, enquanto que, devido a uma taxa de fluxo mais alta datemperatura de pré-resfriamento é inferior, em um caso em que o pré-resfriamento seja seguido por um trocador de calor principal único com umciclo de refrigerante principal único.

Outra vantagem da invenção consiste em que as unidades deextração de gás natural não tenham que se escalonadas para acomodar a taxade fluxo mais alta. Foi verificado que, em altas vazões de gás natural, o limitede capacidade de execução da construção e de transporte de colunas deseparação sob alta pressão é alcançado. Este problema é eliminado através daprovisão de duas colunas menores, dispostas em paralelo, e operando demodo simultâneo. Pode ainda ser considerado, que o custo de capitaladicional (CAPEX) para prover duas ou mais unidades de extração delíquidos de gás natural em paralelo é mais baixo do que aquele de umaunidade de extração de líquidos acomodada para manipular o fluxo total degás natural.

A invenção inclui não apenas um primeiro grupo demodalidades, em que cada um dos trocadores de calor principal recebe afração leve de topo vaporosa exclusivamente a partir de uma das unidades deextração de líquidos de gás natural, mas também um segundo grupo demodalidades, em que cada um dos trocadores de calor principal recebe partesda fração leve de topo vaporosa a partir de duas ou mais unidades de extraçãode líquidos de gás natural.

Uma vantagem do primeiro grupo e modalidades é a de que oalinhamento do equipamento é relativamente contínuo; uma vantagem dosegundo grupo de modalidades é a de que uma má distribuição possível, sob aforma de pequenas variações em, por exemplo, a composição ou atemperatura das frações leves de topo vaporosas respectivas é eliminada.

O distribuidor para dividir a corrente de gás natural em pelomenos uma primeira e uma segunda subcorrentes de gás natural pode estarlocalizado a jusante do trem do trocador de calor de pré-resfriamento, ou amontante do mesmo. Neste caso, a divisão da corrente de gás natural emprimeira e segunda subcorrente pode ser efetuada antes ou após o pré-resfriamento.

Quando o trem do trocador de calor de pré-resfriamentocompreender dois ou mais trocadores de calor dispostos em série, ou o pré-resfriamento for executado em dois ou mais estágios seriais, o distribuidorpode estar localizado entre dois trocadores de calor no trem, de modo a dividira corrente de gás natural entre estágios de pré-resfriamento consecutivos.

Uma vantagem da divisão da corrente de gás natural em duassubcorrentes a montante de um estágio de pré-resfriamento final é a de que acorrente de gás natural pode ser dividida nas primeira e segunda subcorrentesde gás natural, antes que ela seja parcialmente condensada devido ao fato deque o pré-resfriamento reduz a probabilidade de má distribuição. Estavantagem é também alcançada em uma instalação e método para a liquefaçãodo gás natural, tal como presentemente reivindicado, mas sem as pelo menosduas unidades de extração de líquidos de gás natural e a separação de cadauma das primeira e segunda subcorrentes de gás natural em uma fraçãopesada de líquido.

A invenção será agora descrita a título de exemplo, emmaiores detalhes, com referência aos desenhos não limitativos anexos, emque:

A figura Ia apresenta um diagrama de fluxo esquemático geralde um primeiro grupo de modalidades da invenção;

A figura Ib apresenta um diagrama de fluxo esquemático geralde um segundo grupo de modalidades da invenção;A figura 2 apresenta, de modo esquemático, a instalação e oprocesso de liquefação de acordo com a presente invenção;

A figura 3 apresenta, de modo esquemático, uma modalidademais específica da instalação e do processo de acordo com a presenteinvenção; e

A figura 4 apresenta, de modo esquemático, uma unidade decintilação extrema para o uso em combinação com as modalidades.

Faz-se referência às Figuras Ia e lb. A instalação para aliquefação do gás natural de acordo com a presente invenção compreende umtrem de trocador de calor de pré-resfriamento de gás natural 1, umdistribuidor 4, dois sistemas criogênicos principais 200 e 200', eopcionalmente duas unidades de extração de líquidos de gás natural 100 e100'. O trem de trocador de calor de pré-resfriamento possui uma linha deadmissão 90 para o gás natural e uma linha de saída 19 o gás natural pré-resfriado. O distribuidor 4 está conectado à linha de saída 19 e possui pelomenos duas saídas 27, 27'.

Cada uma das unidades de extração de líquidos 100, 100' estáconectada a uma linha 27 ou 27', e possui uma linha de descarga 108, 108'para descarregar uma fração pesada, uma linha de descarga a 127, 127' paradescarregar uma fração leve de topo. A fração pesada compreende um líquidode gás natural, que é enriquecido em componentes mais pesados, tais quecomponentes C3+, a fração leve de topo compreende uma mistura mais pobre,desenriquecida daqueles componentes mais pesados, e deve ser liqüefeita.

Cada sistema criogênico 200, 200' está associado com umalinha de descarga 95, 95' para descarregar o gás natural liqüefeito.

Na figura la, é mostrada uma modalidade genérica, em quecada um dos sistemas criogênicos principais 200, 200' está associadoexclusivamente com uma das unidades de extração de líquidos de gás natural100, 100'. Na Figura lb, é mostrada uma modalidade genérica, em que ascorrentes de produto a partir das unidades de extração de líquidos de gásnatural 100 e 100' nas respectivas linhas 127 e 127', são unidas eredistribuídas em uma segunda saída de distribuição. Nesta modalidade, cadasistema criogênico principal 200 e 200' recebe, deste modo, partes da fraçãoleve de topo vaporosa a partir de ambas as unidades de extração de líquidos100 e 100'.

Com referência agora a uma modalidade mais detalhada, comomostrado na Figura 2, o trem de trocador de calor de pré-resfriamento de gásnatural pode compreender um trocador de calor de pré-resfriamento 2, mascompreende, de modo adequado, um conjunto de dois ou mais trocadores decalor dispostos em série e/ ou em paralelo, em que o refrigerante de pré-resfriamento é deixado evaporar em um ou mais níveis de pressão. Porquestões de simplicidade, a seguir o trem de trocador de calor de pré-resfriamento 1 será representado sob a formar de um trocador de calor de pré-resfriamento 2.

O trocador de calor de pré-resfriamento 2 possui um ladoquente mostrado esquematicamente sob a forma do tubo 12, que possui umaentrada 13 para gás natural e uma saída 14 para o gás natural pré-resfriado. Otubo 12 é disposto no lado frio 15, que pode ser um lado de alojamento 15, dotrocador de calor de pré-resfriamento de gás natural 2.

A instalação de acordo com a invenção compreende tambémum circuito refrigerante de pré-resfriamento 3. O circuito refrigerante de pré-resfriamento 3 compreende um compressor de refrigerante de pré-resfriamento 31 tendo uma entrada 33 e uma saída 34. A saída 34 é conectadaatravés de um conduto 35 a um resfriador 36, que pode ser um resfriador a arou um resfriador a água. O conduto 35 se estende através de um dispositivode expansão, aqui provido sob a forma de uma válvula de estrangulamento 38,para a entrada 39 do lado frio do trocador de calor de pré-resfriamento de gásnatural 2. A saída 40 do lado frio é conectada por meio de um conduto deretorno 41 à entrada 33 do compressor de refrigerante de pré-resfriamento 31.

De modo adequado, o circuito refrigerante de pré-resfriamentocompreende quatro níveis de pressão para o pré-resfriamento da corrente degás natural em dois ou três ou quatro estágios. O alinhamento do refrigerantede pré-resfriamento pode ser provido de acordo com a patente US 6.637.238,que é incorporada a este a título referencial.

O distribuidor 4 possui uma entrada, conectada por meio doconduto 19 à saída 14 para a recepção do gás natural pré-resfriado e de duassaídas 22 e 23.

Em alternativa, de modo aqui não mostrado, o distribuidor 4pode ser provido a montante de um estágio de pré-resfriamento, de tal modoque as duas saídas 22 e 23 sejam conectadas às entradas de dois lados quentesparalelos no estágio de pré-resfriamento final, de tal modo que as correntes,que fluem através destes lados quentes paralelos, possam trocar calor contra orefrigerante de pré-resfriamento no circuito refrigerante de pré-resfriamento.

Cada sistema criogênico principal 200, 200' contém umtrocador de calor principal 5, 5' e um circuito refrigerante principal 9, 9'.Cada trocador de calor principal 5, 5' compreende um primeiro lado quente25, 25' tendo uma entrada 26, 26'. A entrada do primeiro lado quente estáconectada à saída 22 do distribuidor 4 através da unidade de extração delíquidos de gás natural 100 por meio dos condutos 27 e 127, e a entrada 26'do primeiro lado quente 25' está conectada à saída 23 através da unidade deextração de líquidos de gás natural 100', através dos condutos 27' e 127'.Cada primeiro lado quente 25, 25' possui uma saída 28, 28' no topo dotrocador de calor principal 5, 5' para o gás natural liqüefeito. O primeiro ladoquente 25, 25' está localizado no lado frio 29, 29' do trocador de calorprincipal 5,5', cujo lado frio 29, 29' possui uma saída 30, 30'.

Os trocadores de calor principais 5 e 5' estão, cada qual,associados com um circuito refrigerante de liquefação 9, respectivamente 9'.Cada circuito de refrigerante de liquefação 9, 9' compreende um compressorde refrigerante de liquefação 50, 50' tendo uma entrada 51, 51' e uma saída52, 52'. A entrada 51, 51' está conectada através de um conduto de retorno53, 53' à saída 30, 30' do lado frio 29, 29' do trocador de calor principal 5, 5'.

A saída 52, 52' está conectada através do conduto 54, 54' a um resfriador 56,56', que pode ser um resfriador a ar ou um resfriador a água, e o lado quente57, 57' do trocador de calor refrigerante 58, 58' a um separador 60, 60'. Cadaseparador 60 possui uma saída 61, 61' para líquidos em sua extremidadeinferior uma saída 62, 62' para gás em sua extremidade superior.

Cada trocador de calor refrigerante 58, 58' inclui um lado frio85, 85' tendo uma entrada 139, 139' e uma saída 140, 1401 para permitir aentrada de um refrigerante auxiliar e a descarga do refrigerante auxiliar gasto.O lado frio 85 é incluído em um ciclo refrigerante auxiliar, para o qual muitasopções são exeqüíveis, dentre as quais as seguintes:

Uma opção é a de que o ciclo de refrigerante auxiliar sejaconcretizado como um ciclo paralelo na patente US acima mencionada6.389.844, incorporada a este a título referencial, utilizando o compressor derefrigerante de pré-resfriamento 31 e o resfriador 36, de modo a que asentradas 139, 139 ' sejam conectadas à linha 37 através de um dispositivo deexpansão, tal que uma válvula de estrangulamento, e a saída 140, 140' sejaconectada à linha 41. Em outra opção, um circuito refrigerante auxiliarseparado é provido, tal como exposto na publicação do pedido de patente USacima mencionado 2005/ 0005635, incorporado a este a título referencial,utilizando ou um compressor de refrigerante auxiliar para a alimentação decada um dos trocadores de calor 58, 58' em paralelo, ou utilizando umcompressor de refrigerante auxiliar dedicado para cada trocador de calorrefrigerante 58, 58'. Em ainda outra opção, à qual se faz referência nasFiguras 2 e 2 da patente US 6.389.844, já incorporada na presenteespecificação, o trocador de calor de pré-resfriamento de gás natural e ostrocadores de calor refrigerantes 58 e 58' mostrados na Figura 2 sãocombinados em um trocador de calor integrado, de tal modo que os ladosquentes 57 e 57' sejam concretizados sob a forma de feixes de tubo quentesadicionais em um ou mais dos trocadores de calor de pré-resfriamento 2 dotrem de troca de calor de pré-resfriamento 1.

Em vez de um estágio, o trem do trocador de calor de pré-resfriamento integrado pode compreender dois ou três ou mais estágios emsérie, tal como exposto com referência específica à Figura 3 na patente US 6.389. 844, já incluída a título referencial.

Cada circuito de refrigerante de liquefação 9,9' inclui aindaum primeiro conduto 65, 65', que se estende a partir da saída 61, 61 ' para aentrada d e um segundo lado quente 67, 67', que se estende a um ponto médiodo trocador de calor 5, 5', um conduto 69, 69 ', e um dispositivo de expansão70, 70', e um bocal de injeção 73, 73'.

Cada circuito refrigerante de liquefação 9,9' inclui ainda umsegundo circuito 75, 75', que se estende a partir da saída 62, 62' para aentrada de um terceiro lado quente 77, 77', que se estende para o topo dotrocador de calor principal 5, 5', um conduto 79, 79', um dispositivo deexpansão 80, 80' e um bocal de injeção 83, 83'.

As duas unidades de extração de líquidos naturais 100 e 100'compreendem, cada qual, uma coluna de destilação 105 e, respectivamente,105'. A coluna de destilação 105, 105' é provida cm uma entrada de colunade destilação 107, 107', que, na presente modalidade, é ao mesmo tempo, aentrada da unidade de extração que é conectada ao distribuidor 4. De modoespecífico, a entrada da coluna de destilação 107 é conectada à saída 22 dodistribuidor 4 através do conduto 27, e a entrada da coluna de destilação 107'é conectada à saída 23, através do conduto 27'. As saídas da unidade deextração são providas sob a forma das linhas 127 e 127', respectivamente.

A coluna de destilação 105, 105' possui ainda uma saída defração pesada 109, 109' para a descarga de um líquido (para a linha 108,108') separada a partir da corrente de gás natural previamente resfriada nalinha correspondente 27, 27' e uma saída de topo de fração leve 111, 111'para descarregar um vapor separado a partir da corrente de gás natural pré-resinado na linha correspondente 27, 27".

Uma unidade de fracionamento (não mostrada), seja operandonas frações pesadas paralelas ou nas frações pesadas combinadas, pode serconectada à saída da fração pesada 109, 109'.

A coluna de destilação 105, 105', como mostrada na figura 2,é provida apenas com uma seção de retificação. Embora não requerido poresta invenção, a coluna de destilação pode ser também provida com umaseção de retificação e de extração, através da adição de uma caldeira derecozer, de modo e elevar a temperatura no fundo da coluna. Além disso, umaseção absorvedora pode ser provida na coluna de destilação, se necessário. Acoluna de destilação pode ser uma coluna de purificação.

A unidade de extração de líquidos de gás natural 100, 100'compreende ainda uma unidade de trocador de calor de topo 113, 113', umseparador de topo 117, 117', sob a forma de um tambor de refluxo, e umabomba de refluxo 119, 119'. O tambor de refluxo 117, 117' compreende umasaída de refluxo de líquido 121, 121e uma saída de vapor 123, 123'.

A saída de topo da fração leve 111, 111' está conectada a umlado quente 116, 116' da unidade de trocador de calor de topo 113, 113', daqual o lado frio 112, 112' pode ser exposto a uma corrente fria 115, 115'. Asaída lateral quente do trocador de calor de topo 113, 113' está conectada aotambor de refluxo 117, 117'. A saída de refluxo de líquido 121, 121' estáconectada a um lado de sucção da bomba de refluxo 119, 119', da qual umlado de pressão está conectado a uma entrada de refluxo, 125, 125', providana coluna de destilação correspondente 105, 105'. A saída de vapor 123, 123'está conectada à linha 127, 127'.De modo adequado, os circuitos refrigerantes principais 9 e 9'são idênticos um ao outro, e, deste modo, são os trocadores de calor principais5 e 5' e as unidades de extração de líquidos de gás natural 100 e 100'.

Durante a operação normal, o gás natural é suprido ao trem dotrocador de calor de pré-resfriamento 1 através da entrada 13 do lado quente14 do trocador de calor de pré-resfriamento de gás natural 2, através doconduto 90. Normalmente, dependendo da composição de gás natural, o gásnatural é parcialmente condensado no trem de trocador de calor de pré-resfriamento 1.

O refrigerante de pré-resfriamento é removido a partir da saída40 do lado quente do trocador de calor de pré-resfriamento de gás natural 2,comprimido no compressor de refrigerante de pré-resfriamento 31 a umatemperatura elevada, condensado no condensador 36 e deixado expandir nodispositivo de expansão a uma baixa pressão. No lado frio 15, o refrigerantede pré-resfriamento expandido é deixado evaporar em baixa pressão e, destemodo, o calor é removido a partir do gás natural.

O gás natural pré-resfriado, removido a partir do lado quente14, é passado ao distribuidor 4 através do conduto 19, onde ele é divido empelo menos uma primeira e uma segunda subcorrentes de gás naturalpreviamente resfriadas.

As quantidades de gás natural, que passam através doscondutos 27 e 27' são, de modo adequado, uma igual à outra. Através doscondutos 27 e 27', as respectivas primeira e segunda correntes de gás naturalpreviamente resfriadas são supridas às entradas 107 e 107' das unidades deextração de líquidos de gás natural 100 e 100'. Neste caso, cada uma dasprimeira e segunda subcorrentes de gás natural previamente resfriadas sãoalimentadas ao interior de suas respectivas colunas de destilação 105 e 105',onde elas são simultaneamente separadas, de modo típico através dedestilação ou de purificação, em uma fração pesada, que compreende a partecondensada da subcorrente correspondente, e uma fração leve de topovaporosa.

Dependendo da temperatura na coluna de destilação, a fraçãoleve de topo vaporosa é desenriquecida dos componentes C3+, que incluipropano e contém, predominantemente, metano, e também dos componentesC2, que incluem etano, e nitrogênio.

A corrente de topo leve vaporosa deixa a coluna de destilação105, 105' através da saída de topo de fração leve 111, 111', que é alimentadaao interior do lado quente 116, 116' do trocador de calor de topo 113, 113',onde ela é parcialmente condensada em uma corrente de topo parcialmentecondensada, que compreende uma mistura de condensado leve e de vapor leve.

A corrente de topo parcialmente condensada é alimentada aotambor de refluxo 117, 117', onde o condensado leve é separado do vaporleve. O condensado leve é extraído a partir do tambor de refluxo 117, 117',através da saída de refluxo de líquido 121, 121', e um refluxo líquido frioalimentado ao interior da coluna de destilação 105, 105'.

O vapor leve é extraído a partir da saída de vapor 123, 123' ealimentado às entradas 26 e 26' dos primeiros lados quentes 25 e 25' dostrocadores de calor principais 5 e 5'. No primeiro lado quente 25, 25', afração de vapor leve do gás natural é liqüefeita e subresfriada. O gás naturalsubresfriado é passado a uma unidade para tratamento adicional, da qualalgumas opções serão discutidas posteriormente neste relatório, e a tanquespara o armazenamento do gás natural liqüefeito (não mostrado).

O refrigerante principal é removido a partir da saída 30, 30' dolado frio 29, 29' do trocador de calor principal 5, 5', comprimido a umapressão elevada no compressor de refrigerante de liquefação 50, 50'. O calorda compressão é removido no resfriador 56, 56' e o calor adicional éremovido a partir do refrigerante principal no trocador de calor refrigerante58, 58', de modo a obter refrigerante parcialmente condensado. O refrigeranteparcialmente condensado é então separado no separador 60, 60' em umafração líquida, pesada, e em uma fração gasosa, leve, cujas frações sãoadicionalmente resinadas no segundo e no terceiro lados quentes 67, 67' e 77,77', respectivamente, de modo a obter as frações liqüefeitas e subresfriadasem temperatura elevada. O refrigerante principal parcialmente condensado éentão separado no separador 60, 60' em uma fração líquida, pesada e em umafração gasosa, leve, cujas frações são adicionalmente resfriadas no segundo eterceiro lados quentes 67, 67' e 77, 77', de modo a respectivamente obterfrações subresfriadas e liqüefeitas, em temperatura elevada. Os refrigerantessubresfriados são deixados expandir em dispositivos de expansão 70, 70', e80, 80', a uma pressão mais baixa. Nesta pressão, o refrigerante é deixadoevaporar no lado frio 29, 29' do trocador de calor principal 5, 5', de modo aremover o calor a partir do gás natural, que passa através do lado frio, 25, 25'.

A corrente fria 115, 115', ou a corrente de refrigerante de topo115, 115', requerida para condensar o refluxo de líquido a partir da fraçãoleve de topo vaporosa, pode provir de qualquer fonte adequada. Por exemplo,ela pode ser alimentada com uma corrente de suspensão a partir do ciclo 3, ouela pode ser integrada como um nível de pressão no ciclo 3. No último caso, olado quente 116, 116" pode ser integrado paralelamente ao lado quente 12 emum trocador de calor integrado, ou o lado quente 116, 116" pode fazer partede uma unidade de trocador de calor separada 113, 113" de tal modo que orefrigerante de pré-resfriamento seja alimentado ao interior do lado frio, 112, 112'.

Em alternativa, a corrente de refrigerante de topo 115, 115'pode ser alimentada com uma corrente de suspensão do refrigerante principal,por exemplo a partir da linha 65, 65'. Isto pode ser alcançado em um arranjo,em que o lado frio 115, 115' do trocador de calor de topo está emcomunicação fluida com pelo menos um dos pelo menos dois circuitos derefrigerante principais 9, 9'. Uma vantagem da troca de calor indireta dafração leve de topo vaporosa com o refrigerante principal em pelo menos umdos dois circuitos refrigerantes principais 9, 9' é a de que a temperatura dacorrente gasosa natural previamente resfriada é tão baixa quanto possível, oque auxilia a que seja alcançada uma extração de C3+ mais profunda naseparação de líquidos do gás natural. Em adição, a temperatura da corrente derefluxo de líquido, que deixa a saída 121, 121' pode ser mais baixa, de modoa aumentar a recuperação de C3+.

Outras opções são formadas através de qualquer combinaçãode duas ou mais das opções descritas para o resfriamento da fração leve detopo vaporosa, em particular uma combinação, que envolva uma integraçãodo lado quente 116, 116' em outro trocador de calor, seguida por uma unidadede trocador de calor de topo separada 113, 113', disposta a jusante daquelaintegrada.

Foi verificado que a temperatura do gás natural pré-resfriadoestá em torno de - 25°C quando a potência do acionador do compressor paracada um dos circuitos de refrigerante principais 9, 9' e a potência doacionador do compressor para o circuito de refrigerante de pré-resfriamento 3são iguais e a instalação é operada em plena capacidade. A pressão do gásnatural pré-resfriado está, de modo típico, entre 40 e 60 bar. De modopreferido, a temperatura da corrente de refluxo de líquido está entre - 25°C e- 65°C, de tal modo que quanto mais baixa a temperatura, mais componentesC3+ são separados a partir do gás natural pré-resfriado. De modo maispreferido, a temperatura da corrente de refluxo de líquido é inferior a - 310Cuma recuperação de propano de 40 a 45% é exeqüível com uma temperaturade refluxo fira de cerca de - 45°C, usando o refrigerante principal para oresfriamento de topo no trocador de calor de topo 113, 113'. Isto depende dapressão e da composição do gás.

Faz-se agora referência à Figura 3, que mostra umamodalidade, que envolve um exemplo específico de utilização do refrigeranteprincipal a partir de um dos circuitos de refrigerante principal 9, 9' para oresfriamento da fração leve vaporosa de topo, extraída a partir do separadorde topo 117, 117'. O lado quente é integrado no trocador de calor principal. Afigura 3 corresponde amplamente à figura 2, mas em que as unidades deextração de líquidos de gás natural 100, 100' foram substituídas por umamodalidade alternativa da unidade de extração de líquidos de gás natural110,110'. Como a Figura 3 corresponde à Figura 2, ela não será novamentedescrita, mas em vez disso, far-se-á referência às partes correspondentes daFigura 2.

Os trocadores de calor criogênicos principais 5, 5' foramsubstituídos por uma versão modificada 55, 55', em que o lado quente 25, 25'é dividido em uma parte a montante 24, 24' e uma parte a jusante 24a, 24a'.

Na modalidade alternativa, a saída de topo da fração leve 111,111' está conectada à entrada 26, 26' da parte a montante correspondente 24,24' através do conduto 126, 126'. A saída da parte a montante 24, 24' estáconectada ao tambor de refluxo 117, 117' e a saída de vapor 123, 123' dotambor de refluxo 117, 117' está concentrada à entrada correspondente daparte a jusante 24a, 24a' do lado quente 25, 25' através do conduto 127, 127'.Como no caso do trocador de calor principal, 5, 5', a parte a jusante 24a, 24a'possui uma saída 28, 28' no topo do trocador de calor principal 55, 55' para ogás natural liqüefeito.

Durante a operação normal da modalidade alternativa, o friorequerido para a condensação do refluxo de líquido da fração leve de topovaporosa é provido pelo refrigerante principal.

Em outra modalidade (não mostrada), a unidade de extração delíquidos do gás natural 100, 100' e/ ou 110, 110' e a separação dassubcorrentes de gás natural parcialmente condensadas em uma fração pesada,que compreende a parte condensada da subcorrente correspondente, e umafração leve vaporosa, assume uma forma de acordo com modalidades damesma, conforme exposto na publicação Internacional WO 2004/ 069384,incorporada a este a título referencial. Em particular, o refluxo de líquido frioem tais modalidades é divido em uma primeira e uma segunda correntes derefluxo, das quais a primeira é introduzida no topo da coluna de purificação ea segunda em um ponto médio.

Nas modalidades acima descritas, o refrigerante de pré-resfriamento é, de modo adequado, um refrigerante de componente único, talque propano, ou uma mistura de componentes de hidrocarboneto de outrorefrigerante adequado, usado em um ciclo de resfriamento por compressão ouem um ciclo de resfriamento por absorção. O refrigerante principal é, demodo adequado, um refrigerante de múltiplos componentes, que compreendenitrogênio, metano, etano, propano e butano.

De modo adequado, os trocadores de calor refrigerantes 58 e58' compreendem um conjunto de dois ou mais trocadores de calor, dispostosem série, em que o refrigerante de pré-resfriamento é deixado evaporar emum ou mais níveis de pressão.

Os trocadores de calor principais 5 e 5' e 55 e 55' podemapresentar qualquer configuração adequada, tal que a de um trocador de calorenrolado em bobina ou um trocador de calor de placa- aleta.

Nas modalidades como descritas com referência às Figuras 2 e3, os trocadores de calor principais 5, 5', 55, 55' possuem um segundo e umterceiro lados quentes, 67, 67' e 77, 77', respectivamente. Em umamodalidade alternativa, o trocador de calor principal possui apenas um ladoquente, no qual o segundo e o terceiro lados quentes são combinados. Nestecaso, o refrigerante principal parcialmente condensado é diretamente supridoao terceiro lado quente 77, 77', sem separá-lo em uma fração líquida, pesada,e uma fração gasosa, leve.

Os compressores 31, 50 e 50' podem ser compressores devários estágios com inter-resfriamento, ou uma combinação de compressoresem série com inter- resfriamento entre os dois compressores, ou umacombinação de compressores em paralelo.

Os compressores 31', 50 e 50' no circuito refrigerante de pré-resfriamento 3 e os dois circuitos refrigerantes principais 9 e 9' principaispodem ser acionados a turbina ou acionados a motor elétrico, ou acionados aturbina/ motor elétrico combinados.

De modo adequado, a turbina (não mostrada) no circuito derefrigerante de pré-resfriamento, é uma turbina a vapor. Neste caso, de modoadequado, o vapor requerido para acionar a turbina vapor é gerado com ocalor liberado a partir do resfriamento de exaustão das turbinas de gás (nãomostradas ) dos circuitos de refrigerantes principais.

A presente invenção provê uma instalação expansível para aliquefação de gás natural, em que, em um primeiro estágio, um trem único éconstruído com uma capacidade de 100 % de liquefação, e em que, em umsegundo estágio, o segundo trocador de calor principal e o segundo circuitorefrigerante de liquefação do mesmo tamanho dos primeiros, podem seradicionados, de modo a que seja expandida a capacidade de liquefação a entrecerca de 140 e cerca de 160%, enquanto que os componentes C3+ do gásnatural podem ser controlados.

Uma vantagem da presente invenção é a de que as condiçõesde pré-resfriamento e de liquefação, por exemplo, das composições derefrigerante, podem ser facilmente adaptadas, de tal modo que uma operaçãoeficiente possa ser alcançada. Além disso, no caso em que um dos circuitos deliquefação tenha que ser retirado de operação, as condições podem seradaptadas de modo a que operem de modo eficiente com um único trem deliquefação.

Os cálculos demonstraram, além disso, que a eficiência deliquefação (quantidade de gás liqüefeito produzida por unidade de trabalhoexecutada pelos compressores) não é adversamente afetada pelo uso de umcircuito refrigerante de pré-resfriamento, que serve a dois circuitosrefrigerantes principais.

A capacidade de liquefação pode ser ainda mais expandidaatravés da provisão de pelo menos uma unidade de cintilação extrema,conectada aos condutos de saída 95, 95' para o gás natural liqüefeito. A figura4 mostra uma modalidade de uma tal unidade de cintilação terminal, que podeser adicionada a qualquer uma das planas acima descritas. Cada conduto 95,95' é conectado a um expansor de cintilação final 97, 97' e a uma válvula eestrangulamento 99, 99'. As extremidades de baixa pressão são descarregadasao interior de condutos 101, 101', que são ambos conectados a um separadorde gás de cintilação 103.

De modo alternativo, a junção, em que o gás natural liqüefeitonos condutos 95 e 95' é combinado, a montante de um expansor de cintilaçãoterminal único (não mostrada).

O separador de gás de cintilação final é provido com umasaída de gás de cintilação terminal 133 e uma saída de gás natural liqüefeito135. Uma bomba opcional 137 pode ser provida, de modo a colocar o gásnatural liqüefeito em qualquer pressão desejada, antes de descarregá-lo nalinha 138 para o transporte ou o armazenamento.

A saída do gás de cintilação 133 é conectada a um compressor139. A saída de gás em alta pressão do compressor 139 é conectada a umresfriador 141, que pode ser um resíriador ambiente. A montante docompressor 139, um trocador de calor 143 é provido, de modo a que sejacapaz de reter o frio presente no gás de cintilação final.

Durante a operação normal, a pressão no gás natural liqüefeitoé reduzida no expansor de cintilação final 97, 97' e na válvula deestrangulamento 99, 99', de modo preferido a condições atmosféricas ou acondições próximas à atmosférica. Esta expansão reduz a temperatura do gásnatural liqüefeito, e também do gás de cintilação fina, que é formado noprocesso.

De modo típico, a temperatura é reduzida a aproximadamente10°C, quando cintilada de 50 bar até a pressão atmosférica. Devido à reduçãoadicional da temperatura, mais gás natural liqüefeito pode ser produzido comuma certa potência de resfriamento no trem de pré-resfriamento 1 e nossistemas criogênicos principais, 200, 200'.

O gás de cintilação final é separado a partir do gás naturalliqüefeito no separador de gás de cintilação final 103.

O gás de cintilação final, que deixa o separador de gás decintilação final 103, é comprimido a uma pressão, em que ele pode serdescarregado através da linha 145 para o uso adicional, por exemplo como umgás combustível. O frio presente no gás de cintilação final pode ser retidoatravés do trocador de calor 143, por exemplo para resfriar previamente orefrigerante principal. Naquele caso, o trocador de calor 143 pode ser incluídonos circuitos refrigerantes principais 9,9'.

De modo a expandir ainda mais a capacidade da instalação, umcircuito fechado de realimentação de gás de cintilação final pode ser provido,de modo a que uma parte do gás de cintilação final na linha 145 seja pelomenos parcialmente condensado e novamente injetado no gás naturalliqüefeito, a montante do separador de cintilação final 103. Para este fim, umcircuito fechado de realimentação opcional pode compreender ainda umcompressão 147, cuja terminação de baixa pressão é conectada à linha 145. Aterminação de alta pressão do compressor adicional 147 está conectado a umalinha a montante do separação de gás de cintilação final, de modoconsecutivo, através de um resfriador adicional opcional 149, de um trocadorde calor 143 e de um dispositivo de expansão, tal que uma válvula deestrangulamento 151.

Com a reinjeção opcional, os compressores adicionais 139 e147 proporcionam pontos extras, em que a tarefa de resfriamento pode sercolocada no processo e a temperatura de resfriamento nos circuitosrefrigerantes principais pode ser aumentada. Devido à tarefa de resfriamentoextra adicionada deste modo, uma quantidade mais alta de gás natural líquidopode ser produzida. Os cálculos revelaram que uma capacidade de liquefaçãoadicional de 4 a 5% pode ser alcançada com o sistema de cintilação final, queinclui o reciclo opcional.

Outros sistemas de cintilação ou estendidos podem ser usados,em vez daqueles aqui descritos. É incluído, a título referencial, o sistema decintilação final, tal como exposto na patente US 5.893.274.

Claims

1. Instalação para a liquefação de gás natural, caracterizadapelo fato de que compreende:- um trem de trocador de calor de pré-resfriamento, com umcircuito refrigerante de pré-resfriamento para remover calor a partir do gásnatural no trem do trocador de calor de pré-resfriamento, e tendo uma entradapara gás natural e uma saída para gás natural pré-resfriado;- um distribuidor para dividir a corrente de gás natural em pelomenos uma primeira e uma segunda subcorrentes de gás natural;- pelo menos duas unidades de extração de líquidos de gásnatural, cada qual provida com uma entrada de unidade de extração, dispostapara receber uma das subcorrentes de gás natural, e compreendendo umasaída de fração pesada, e um saída de fração leve de topo; e- pelo menos dois sistemas criogênicos principais, cada qualcompreendendo um trocador de calor principal tendo um primeiro lado quentetendo uma entrada conectada à saída da fração leve de topo de pelo menosuma das unidades de extração de líquidos de gás natural e uma saída para ogás natural liqüefeito, e cada qual compreendendo um circuito de refrigeranteprincipal para a remoção de calor a partir do gás natural, que flui através doprimeiro lado quente do trocador de calor principal correspondente.

2. Instalação de acordo cm a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que cada uma das unidades de extração de líquidos do gás naturalé provida com uma entrada de refluxo, disposta para receber um refluxo delíquido a partir de uma saída de refluxo de líquido de um separador de topo,cujo separador de topo é provido com uma entrada em comunicação fluidacom a saída da fração leve de topo e uma saída de vapor em comunicaçãofluida com o trocador de calor criogênico principal correspondente.

3. Instalação de acordo com a reivindicação 2, caracterizadapelo fato de que a montante do separador de topo um trocador de calor detopo é provido para a remoção de calor a partir da fração leve de topo, cujolado frio do referido trocador de calor de topo está em comunicação fluidacom pelo menos dois circuitos refrigerantes principais.

4. Instalação de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3,caracterizada pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma unidade decintilação extrema, conectada às saídas para o gás natural liqüefeito de pelomenos dois trocadores de calor e compreendendo pelo menos uma saída parao gás de cintilação final e uma saída para o gás natural liqüefeito.

5. Instalação para a liquefação de gás natural de acordo comqualquer uma das reivindicações 1-4, caracterizada pelo fato de que odistribuidor possui duas saídas, e em que a instalação compreende duasunidades de extração de líquidos de gás natural e dois trocadores de calorprincipais.

6. Método para a liquefação de uma corrente de gás natural,caracterizado pelo fato de que compreende:- pré-resfriamento da corrente de gás natural em um trem detrocador de calor contra um refrigerante de pré-resfriamento, que é recicladoem um circuito refrigerante de pré-resfriamento;- dividir a corrente de gás natural em pelo menos uma primeirae uma segunda subcorrentes de gás natural;- separar simultaneamente cada uma das primeira e segundasubcorrentes de gás natural em uma fração pesada líquida e uma fração levede topo vaporosa;- resfriar adicionalmente as frações leves de topo vaporosas emcondensação total contra um refrigerante principal em pelo menos doissistemas criogênicos principais, em que cada sistema criogênico norefrigerante principal é reciclado em um circuito refrigerante principal; e- extrair uma corrente de gás natural liqüefeita a partir domesmo.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que o resfriamento adicional compreende condensar parcialmente cadauma das frações leves de topo, de modo a formar condensado leve e vaporleve, separar o condensado leve a partir do vapor leve, alimentar o referidocondensado leve como um refluxo frio ao interior do estágio de separar, demodo simultâneo, cada uma das primeira e segunda subcorrentes de gásnatural parcialmente condensadas e ainda resfriar o vapor leve emcondensação completa.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que a condensação parcial de cada uma das frações leves de topocompreende a troca de calor indireta com o refrigerante principal em pelomenos um dos pelo menos dois circuitos de refrigerante principal.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a corrente de gás natural liqüefeito éparcialmente expandida, pelo que é formada uma mistura, que compreendeum gás natural liqüefeito ainda mais resfriado e um vapor de cintilação, emque o vapor de cintilação é separado do gás natural liqüefeito ainda maisresfriado, comprimido, pelo menos parcialmente condensado e novamenteinjetado na corrente de gás natural liqüefeita a montante da separação dovapor de cintilação.

10. Instalação para a liquefação de gás natural, caracterizadapelo fato de que compreende:- um trem de trocador de calor de pré-resfriamento, quecompreende um trocador de calor final, opcionalmente precedido por um oumais trocadores de calor e provida com um circuito refrigerante de pré-resfriamento para a remoção de calor do gás natural no trem do trocador decalor de pré-resfriamento;- um distribuidor para dividir a corrente de gás natural em pelomenos uma primeira e segunda subcorrentes de gás natural;- pelo menos um primeiro e um segundo sistemas criogênicosprincipais, cada qual compreendendo um trocador de calor principal tendo umprimeiro lado quente tendo uma entrada disposta para respectivamentereceber a primeira e a segunda subcorrentes de gás natural, e cada qualcompreendendo um circuito refrigerante principal para a remoção de calor apartir do gás natural, que flui através do primeiro lado quente do trocador decalor principal correspondente;em que o distribuidor está localizado a montante do trocador de calor final.

11. Método para a liquefação de uma corrente de gás natural,caracterizado pelo fato de que compreende:- o pré-resfriamento da corrente de gás natural em um ou maisestágios, incluindo um estágio final em um trem de trocador de calor contraum refrigerante de pré-resfriamento, que está sendo reciclado em um circuitorefrigerante de pré-resfriamento;- a divisão da corrente de gás natural em pelo menos umaprimeira e uma segunda subcorrentes de gás natural;- o resfriamento adicional das primeira e segunda subcorrentesde gás natural em condensação total contra um refrigerante principal em pelomenos dois sistemas criogênicos principais, em que, em cada sistemacriogênico principal, o refrigerante principal é reciclado em um circuitorefrigerante principal; e- extrair uma corrente de gás natural liqüefeito a partir da mesma;em que a divisão da corrente de gás natural em uma primeira euma segunda subcorrentes naturais é efetuada a montante do estágio de pré-resfriamento final.