BRPI0911489B1 - Remoção de nitrogênio otimizada em uma instalação de gnl - Google Patents

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BRPI0911489B1
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fact
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Weldon L. Ransbarger
Dale J. Ortego
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Conocophillips Company
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Abstract

remoção de nitrogênio otimizada em uma instalação de gnl trata-se de uma instalação de gnl que emprega um sistema de remoção de nitrogênio otimizado que concentra a quantidade de nitrogênio no fluxo de alimentação em uma unidade de remoção de nitrogênio (nru), para aumentar, assim, a eficiência de separação da nru. em uma modalidade, o sistema de remoção de nitrogênio compreende um recipiente de separação de múltiplos estágios operável para separar o nitrogênio a partir de um fluxo de gás natural resfriado. ao menos uma parte do fluxo resultante contendo nitrogênio que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios pode ser usada como um refrigerante, processada em uma unidade de remoção de nitrogênio e/ou utilizada como gás combustível para a instalação de gnl.

Description

REMOÇÃO DE NITROGÊNIO OTIMIZADA EM UMA INSTALAÇÃO DE GNL
Fundamentos da invenção
1. Campo da invenção
Esta invenção refere-se a métodos e aparelhos para a liquefação de gás natural. Em outro aspecto, a invenção está relacionada a uma instalação de GNL que emprega um sistema de remoção de nitrogênio otimizado.
2. Descrição da técnica relacionada
A liquefação criogênica é comumente usada para converter o gás natural em uma forma mais conveniente para o transporte e/ou armazenamento. Devido ao fato de que a liquefação de gás natural reduz muito seu volume específico, grandes quantidades de gás natural podem ser economicamente transportadas e/ou armazenadas na forma liquefeita.
transporte de gás natural em sua forma liquefeita pode unir de maneira eficaz uma fonte de gás natural a um mercado distante, quando a fonte e o mercado não estão conectados por uma tubulação. Esta situação surge comumente quando a fonte de gás natural e o mercado para o gás natural são separados por grandes corpos de água. Em tais casos, o gás natural liquefeito (GNL) pode ser transportado a partir da fonte para o mercado com o uso de navios-tanque de GNL de alto mar especialmente projetados.
armazenamento do gás natural em sua forma liquefeita pode auxiliar a equilibrar as flutuações periódicas na demanda e fornecimento de gás natural, em particular, o GNL pode ser colocado em estoque para o uso quando a demanda de gás natural é menor e/ou o fornecimento é alto. Como consequência disto, os picos de demanda futura
2/51 podem ser atendidos com o GNL a partir do armazenamento, o qual pode ser vaporizado à medida que a demanda exigir.
Existem vários métodos para a liquefação de gás natural. Alguns métodos produzem um produto de GNL pressurizado (PGNL) que é útil, mas exige recipientes contendo pressão dispendiosos para o armazenamento e transporte. Outros métodos produzem um produto de GNL que tem uma pressão atmosférica ou quase. Em geral, estes métodos de produção de GNL não-pressurizado envolvem o resfriamento de um fluxo de gás natural através da troca de calor indireta com um ou mais refrigerantes e, então, expandindo o fluxo de gás natural resfriado para próximo à pressão atmosférica. Além disso, a maioria das instalações de GNL emprega um ou mais sistemas para remover os contaminantes (por exemplo, água, gases ácidos, nitrogênio, e etano e componentes mais pesados) a partir do fluxo de gás natural em diferentes momentos durante o processo de liquefação.
Frequentemente, o fluxo de gás natural introduzido na instalação de GNL pode ter uma concentração de nitrogênio relativamente alta. As altas concentrações de nitrogênio no fluxo de alimentação de gás natural podem apresentar vários problemas operacionais, à medida que o gás é submetido à liquefação em uma instalação de GNL. Por exemplo, o gás natural pode ser difícil de condensar, aumentando, assim, as exigências de potência do compressor. A liquefação de gás natural que tem uma concentração de nitrogênio aumentada também pode conduzir a volumes maiores de GNL fora das especificações e gás combustível de qualidade inferior para o uso dentro da instalação. Os
3/51 problemas com o gás natural com alto teor de nitrogênio podem ser adicionalmente exacerbados quando a instalação de GNL emprega um ou mais ciclos de refrigeração de circuito aberto que utiliza ao menos uma parte do fluxo de alimentação de gás natural como um refrigerante.
Embora altamente desejável e até necessário em alguns casos, os processos convencionais de remoção de nitrogênio a partir do gás natural liquefeito em uma instalação de GNL podem ser dispendiosos. As unidades típicas de remoção de nitrogênio (NRUs) processam grandes volumes de fluxos do processo intermediários contendo metano que têm concentrações de nitrogênio relativamente diluídas, mas apesar disso indesejáveis. O processamento destes volumes maiores de fluxos do processo com mais nitrogênio diluído aumenta o custo total da remoção de nitrogênio, em termos de capital, manutenção e custos de operação, a fim de minimizar os custos e maximizar o lucro, é desejável um processo mais eficiente para a remoção de nitrogênio a partir de um sistema de GNL.
Sumário da invenção
Em uma modalidade da presente invenção, é fornecido um processo para a liquefação de um fluxo de gás natural, o processo que compreende: (a) resfriar ao menos uma parte do fluxo de gás natural em um primeiro trocador de calor de um primeiro ciclo de refrigeração a montante através da troca de calor indireta com um primeiro refrigerante de componente puro para fornecer, assim, um fluxo de gás natural resfriado; (b) resfriar ao menos uma parte do fluxo de gás natural resfriado em uma passagem de resfriamento de um segundo trocador de calor em um ciclo de refrigeração de
4/51 metano de circuito aberto para fornecer, assim, um fluxo predominantemente de metano resfriado; (c) separar ao menos uma parte do fluxo predominantemente de metano resfriado em um recipiente de separação de múltiplos estágios para fornecer, assim, um fluxo predominantemente de vapor e um fluxo predominantemente líquido; e (d) passar ao menos uma parte do fluxo predominantemente de vapor através de uma passagem de aquecimento do segundo trocador de calor para completar, assim, ao menos uma parte do resfriamento da etapa (b) , em que o recipiente de separação de múltiplos estágios é posicionado a jusante da passagem de resfriamento e a montante da passagem de aquecimento do segundo trocador de calor, em que a fração de mol de nitrogênio do fluxo predominantemente de vapor é de ao menos cerca de 1,25 vezes maior que a fração de mol de nitrogênio do fluxo predominantemente de metano resfriado introduzido no recipiente de separação de múltiplos estágios.
Em outra modalidade da presente invenção, é fornecido um processo para liquefação de um fluxo de gás natural em uma instalação de GNL, o processo que compreende: (a) resfriar o fluxo de gás natural em um ciclo de refrigeração a montante para fornecer, assim, um fluxo de gás natural resfriado; (b) separar ao menos uma parte do fluxo de gás natural resfriado em uma coluna de remoção de frações pesadas para fornecer, assim, um fluxo suspenso predominantemente de metano e um fluxo de frações de fundo; (c) resfriar ao menos uma parte do fluxo suspenso predominantemente de metano em um trocador de calor de um ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto para
5/51 fornecer, assim, um fluxo predominantemente de metano resfriado; (d) vaporizar instantaneamente ao menos uma parte do fluxo predominantemente de metano resfriado para fornecer, assim, a fluxo predominantemente de metano bifásico; (e) separar ao menos uma parte do fluxo predominantemente de metano bifásico em um recipiente de separação de múltiplos estágios para produzir, assim, um fluxo predominantemente de vapor e um fluxo predominantemente líquido; (f) passar ao menos uma parte do fluxo predominantemente de vapor através do trocador de calor para completar, assim, ao menos uma parte do resfriamento da etapa (c) , em que a ao menos uma parte do fluxo predominantemente de vapor passada através do trocador de calor é retirada a partir do trocador de calor como um fluxo de vapor aquecido; (g) dividir ao menos uma parte do fluxo de vapor aquecido em uma fração de refrigerante e uma fração removida; (h) comprimir ao menos uma parte da fração de refrigerante em um compressor de metano do ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto para produzir, assim, um fluxo de refrigerante comprimido; (i) resfriar ao menos uma parte do fluxo de refrigerante comprimido no ciclo de refrigeração a montante para produzir, assim, um fluxo de refrigerante resfriado; e j) introduzir ao menos uma parte do fluxo de refrigerante resfriado no recipiente de separação de múltiplos estágios como um fluxo de otimização de separação.
Em mais outra modalidade da presente invenção, é fornecido uma instalação para a liquefação de um fluxo de gás natural. A instalação compreende um primeiro ciclo de refrigeração, um segundo ciclo de refrigeração e um
6/51 recipiente de separação de múltiplos estágios. 0 primeiro ciclo de refrigeração compreende um primeiro trocador de calor que compreende uma primeira passagem de resfriamento que define uma primeira entrada de fluido quente e uma primeira saida de fluido frio. 0 segundo ciclo de refrigeração compreende um segundo trocador de calor que define uma segunda passagem de resfriamento e uma segunda passagem de aquecimento. A segunda passagem de resfriamento define uma segunda entrada de fluido quente e uma segunda saida de fluido frio, enquanto que a segunda passagem de aquecimento define uma segunda entrada de fluido frio e uma segunda saida de fluido quente. 0 recipiente de separação de múltiplos estágios define uma primeira entrada de fluido, uma saida de vapor superior e uma saída de líquido inferior. 0 recipiente de separação de múltiplos estágios é posicionado a jusante da primeira passagem de resfriamento do primeiro trocador de calor e é posicionado a montante da segunda passagem de aquecimento do segundo trocador de calor. A primeira saída de fluido frio da primeira passagem de resfriamento fica em comunicação de fluxo fluido com a segunda entrada de fluido quente da segunda passagem de resfriamento. A segunda saída de fluido frio da segunda passagem de resfriamento fica em comunicação de fluxo fluido com a primeira entrada de fluido do recipiente de separação de múltiplos estágios. A saída de vapor superior do recipiente de separação de múltiplos estágios fica em comunicação de fluxo fluido com a segunda entrada de fluido frio da segunda passagem de aquecimento.
Breve descrição das figuras
Determinadas modalidades da presente invenção são
7/51 descritas em detalhes abaixo com referência às figuras em anexo, em que:
A Figura 1 é um resumo simplificado de uma instalação de GNL do tipo cascata, configurada de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 2 é um diagrama esquemático de uma instalação de GNL do tipo cascata, configurada de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 3 é um diagrama esquemático de uma instalação de GNL do tipo cascata, configurada de acordo com outra modalidade da presente invenção; e
A Figura 4 é um diagrama esquemático de uma instalação de GNL do tipo cascata, configurada de acordo com mais outra modalidade da presente invenção.
Descrição detalhada
A presente invenção pode ser implantada em uma instalação usada para resfriar o gás natural a sua temperatura de liquefação, para produzir, assim, o gás natural liquefeito (GNL). Em geral, a instalação de GNL compreende uma pluralidade de ciclos de refrigeração que empregam um ou mais refrigerantes para extrair o calor do gás natural e, então, expelir o calor para o ambiente. Em uma modalidade, a instalação de GNL, na qual a presente invenção é incorporada ou usada em combinação, pode compreender ao menos um, ao menos dois ou ao menos três ou mais ciclos de refrigeração. Existem inúmeras configurações de sistemas de GNL e a presente invenção pode ser implantada em muitos tipos diferentes de sistemas de GNL.
Em uma modalidade, a presente invenção pode ser implantada em um sistema de GNL de refrigerante misturado.
8/51
Os exemplos de processos de refrigerante misturado podem incluir, mas não se limitam a, um sistema de refrigeração de circuito único com o uso de um refrigerante misturado, um sistema de refrigerante misturado de propano préresfriado e um sistema duplo de refrigerante misturado. Alguns sistemas de refrigerante misturado também podem incluir um ou mais ciclos de refrigeração de componente puro.
Em outra modalidade, a presente invenção é implantada em um sistema de GNL em cascata que emprega um processo de refrigeração do tipo cascata com o uso de um ou mais refrigerantes de componente puro. Os refrigerantes utilizados nos processo de refrigeração do tipo cascata podem ter pontos de ebulição sucessivamente menores a fim de maximizar a remoção de calor a partir do fluxo de gás natural que é liquefeito. Adicionalmente, os processos de refrigeração do tipo cascata podem incluir algum nível de integração de calor. Por exemplo, um processo de refrigeração do tipo cascata pode resfriar um ou mais refrigerantes que têm uma volatilidade maior através da troca de calor indireta com um ou mais refrigerantes que têm uma volatilidade menor. Além de resfriar o fluxo de gás natural através da troca de calor indireta com um ou mais refrigerantes, os sistemas de GNL de refrigerante misturados e em cascata podem empregar um ou mais estágios de resfriamento de expansão para resfriar simultaneamente o GNL, enquanto que reduz sua pressão para próxima à pressão atmosférica.
A Figura 1 ilustra uma modalidade de uma instalação de GNL simplificada que emprega um sistema de remoção de
9/51 nitrogênio otimizado. A instalação de GNL em cascata da Figura 1 compreende, geralmente, uma seção de resfriamento em cascata 10, uma zona de remoção de frações pesadas 11 e uma seção de resfriamento de expansão 12. A seção de resfriamento em cascata 10 é descrito como compreendendo um primeiro ciclo de refrigeração mecânica 13, um segundo ciclo de refrigeração mecânica 14 e um terceiro ciclo de refrigeração mecânica 15. Em geral, cada um dentre o primeiro, o segundo e o terceiro ciclo de refrigeração 13, 14, 15 pode ser operável para resfriar ao menos uma parte do fluxo de gás natural que entra na instalação de GNL. O primeiro, segundo e terceiro ciclo de refrigeração 13, 14, 15 podem consistir em ciclos de refrigeração de circuito
fechado, ciclos de refrigeração de circuito aberto, ou
qualquer combinação dos mesmos. Em uma modalidade da
presente invenção, o primeiro e segundo ciclo de
refrigeração 13 e 14 podem ser ciclos de circuito fechado e o terceiro ciclo de refrigeração 15 pode ser um ciclo de circuito aberto que utiliza um refrigerante que compreende ao menos uma parte do fluxo de alimentação de gás natural que é submetido à liquefação. Quando o terceiro ciclo de refrigeração 15 compreende um ciclo de refrigeração de circuito aberto, conforme mostrado na Figura 1, a instalação de GNL pode incluir, adicionalmente, uma unidade de remoção de nitrogênio (NRU) 26 para remover ao menos uma parte do nitrogênio que entra no sistema através do fluxo de alimentação de gás natural.
De acordo com uma modalidade da presente invenção, o primeiro, segundo e terceiro ciclo de refrigeração 13, 14, 15 podem empregar os respectivos primeiro, segundo e
10/51 terceiro refrigerantes que têm pontos de ebulição sucessivamente menores. Por exemplo, o primeiro, segundo e terceiro refrigerante podem ter pontos de ebulição de nível intermediário em pressão padrão (isto é, pontos de ebulição padrão de nível intermediário) dentro de cerca de 10°C (18°F) , dentro de cerca de 5°C (9°F) ou dentro de 2°C (3,6°F) dos pontos de ebulição padrão de propano, etileno e metano, respectivamente. Em uma modalidade, o primeiro refrigerante pode compreender ao menos cerca de 75 mol por cento, ao menos cerca de 90 mol por cento, ao menos 95 mol por cento, pode consistir em ou consistir essencialmente em propano, propileno, ou misturas dos mesmos. O segundo refrigerante pode compreender ao menos cerca de 75 mol por cento, ao menos cerca de 90 mol por cento, ao menos 95 mol por cento, pode consistir em ou consistir essencialmente em etano, etileno, ou misturas dos mesmos. 0 terceiro refrigerante pode compreender ao menos cerca de 75 mol por cento, ao menos cerca de 90 mol por cento, ao menos 95 mol por cento, pode consistir em ou consistir essencialmente em metano. Em uma modalidade, ao menos um dentre o primeiro, segundo e terceiro refrigerante pode consistir em um refrigerante misturado. Em outra modalidade, ao menos um dentre o primeiro, segundo e terceiro refrigerante pode consistir em um refrigerante de componente puro.
Conforme mostrado na Figura 1, o primeiro ciclo de refrigeração 13 pode compreender um primeiro compressor de refrigerante 16, um primeiro refrigerador 17 e um primeiro resfriador de refrigerante 18. O primeiro compressor de refrigerante 16 pode descarregar um fluxo de primeiro refrigerante comprimido, o qual pode ser subsequentemente
11/51 resfriado e ao menos parcialmente liquefeito no refrigerador 17. O fluxo de refrigerante resultante pode, então, entrar no primeiro resfriador de refrigerante 18, em que ao menos uma parte do fluxo de refrigerante pode resfriar o fluxo de gás natural entrante em um conduto 100 através da troca de calor indireta com o primeiro refrigerante vaporizado. O refrigerante gasoso pode sair do primeiro resfriador de refrigerante 18 e pode, então, ser dirigido para uma porta de entrada do primeiro compressor de refrigerante 16 para ser recirculado, conforme anteriormente descrito.
O primeiro resfriador de refrigerante 18 pode compreender um ou mais estágios de resfriamento operáveis para reduzir a temperatura do fluxo de gás natural entrante no conduto 100 por uma quantidade na faixa a partir de cerca de 20°C (36°F) a cerca de 120°C (216°F) , cerca de 25°C (45°F) a cerca de 110°C (198°F) ou 40°C (72°F) a 85°C (153°F). Tipicamente, o gás natural que entra no primeiro resfriador de refrigerante 18 através do conduto 100 pode ter uma temperatura na faixa a partir de cerca de -2 0°C (-4°F) a cerca de 95°C (203°F), cerca de -10°C (14°F) a cerca de 75°C (167°F) , ou 10°C (50°F) a 50°C (122°F) . Em geral, a temperatura do fluxo de gás natural resfriado que sai do primeiro resfriador de refrigerante 18 pode ser na faixa a partir de cerca de -55°C (-67°F) a cerca de -15°C (5°F), cerca de -45°C (-49°F) a cerca de -20°C (-4°F) ou -40°C (-40°F) a -30°C (-22°F) . Em geral, a pressão do fluxo de gás natural no conduto 100 pode ser na faixa a partir de cerca de 690 kPa (100,1 psi) a cerca de 20.690 kPa (3.000,8 psi) , cerca de 1.725 kPa (250,2 psi) a cerca de 6.900 kPa
12/51 (1.000,8 psi) ou 2.760 kPa (400,3 psi) a 5.500 kPa (797,7 psi) . Devido ao fato de que a queda de pressão através do primeiro resfriador de refrigerante 18 pode ser menor que cerca de 690 kPa (100,1 psi) , menor que cerca de 345 kPa (50 psi) ou menor que 175 kPa (25,4 psi), o fluxo de gás natural resfriado no conduto 101 pode ter substancialmente a mesma pressão que o fluxo de gás natural no conduto 100.
Conforme ilustrado na Figura 1, o fluxo de gás natural resfriado que sai do primeiro ciclo de refrigeração 13 pode, então, entrar no segundo ciclo de refrigeração 14, o qual pode compreender um segundo compressor de refrigerante 19, um segundo refrigerador 20 e um segundo resfriador de refrigerante 21. Um fluxo de refrigerante comprimido pode ser descarregado a partir do segundo compressor de refrigerante 19 e pode ser subsequentemente resfriado e ao menos parcialmente liquefeito no refrigerador 20 antes de entrar no segundo resfriador de refrigerante 21. O segundo resfriador de refrigerante 21 pode empregar uma pluralidade de estágios de resfriamento para reduzir progressivamente a temperatura do fluxo predominantemente de metano no conduto 101 por uma quantidade na faixa a partir de cerca de 3 0°C (54°F) a cerca de 100°C (180°F) , cerca de 35°C (63°F) a cerca de
85°C (153°F) ou 50°C (90°F) a 70°C (126°F) . Conforme mostrado na Figura 1, o segundo refrigerante vaporizado pode, então, retornar para uma porta de entrada do segundo compressor de refrigerante 19 antes de ser recirculado no segundo ciclo de refrigeração 14, conforme anteriormente descrito.
fluxo de alimentação de gás natural no conduto
13/51
100 irá conter usualmente etano e componentes mais pesados (C2+), o qual pode resultar na formação de uma fase líquida rica em C2+ durante a liquefação. Com a finalidade de remover os materiais pesados indesejados a partir do fluxo predominantemente de metano antes de sua liquefação completa, ao menos uma parte do fluxo de gás natural pode passar através da zona de remoção de frações pesadas 11, a qual pode estar geralmente localizada a montante do terceiro ciclo de refrigeração 15. Em uma modalidade (não mostrada), o fluxo de gás natural ou parte do mesmo que passa através da zona de remoção de frações pesadas 11 pode ser retirado antes de entrar, durante a passagem através de, ou imediatamente apôs sair do primeiro ciclo de refrigeração 13. Em outra modalidade (não mostrada), o fluxo de gás natural ou parte do mesmo que passa através da zona de remoção de frações pesadas 11 pode ser retirado antes de entrar ou imediatamente após sair do segundo ciclo de refrigeração 14. Em mais outra modalidade, a ao menos uma parte do fluxo de gás natural resfriado que passa através do segundo resfriador de refrigerante 21 pode ser retirada através do conduto 102 e processada na zona de remoção de frações pesadas 11, conforme mostrado na Figura 1. O fluxo no conduto 102 pode ter uma temperatura na faixa a partir de cerca de -110°C (-166°F) a cerca de -45°C (-49°F), cerca de -95°C (-139°F) a cerca de -50°C (-58°F) ou -85°C (-121°F) a -65°C (-85°F). Tipicamente, o fluxo no conduto 102 pode ter a pressão que se inclui em cerca de 5 por cento, cerca de 10 por cento ou 15 por cento da pressão do fluxo de alimentação de gás natural no conduto 100.
A zona de remoção de frações pesadas 11 pode
14/51 compreender geralmente um ou mais separadores de gáslíquido operáveis para remover ao menos uma parte do material de hidrocarboneto pesado a partir do fluxo de gás natural resfriado. Tipicamente, a zona de remoção de frações pesadas 11 pode ser operada para remover o benzeno e outros componentes aromáticos de alto peso molecular, os quais podem congelar nas etapas de liquefação subsequentes e obstruir os equipamentos do processo a jusante. Além disso, a zona de remoção de frações pesadas 11 pode ser operada para recuperar os hidrocarbonetos pesados em um fluxo de produto de líquidos de gás natural (NGL) . Os exemplos de componentes de hidrocarboneto típicos incluídos em fluxos de NGL podem incluir etano, propano, isômeros de butano, isômeros de pentano e hexano e componentes mais pesados (isto é, C6+). A extensão de recuperação de NGL a partir do fluxo predominantemente de metano afeta basicamente uma ou mais características finais do produto de GNL, tal como, por exemplo, índice de Wobbe, teor de BTU, valor de aquecimento maior (HHV), teor de etano, e similares. Em uma modalidade, o fluxo de produto de NGL que sai da zona de remoção de frações pesadas 11 pode ser submetido ao fracionamento adicional a fim de obter um ou mais fluxos de componente puro. Muitas vezes, os fluxos de produto de NGL e/ou seus constituintes podem ser usados como componente de mistura de gasolina.
Conforme mostrado na Figura 1, um fluxo predominantemente de metano com frações pesadas exauridas pode ser retirado a partir da zona de remoção de frações pesadas 11 através do conduto 103 e pode ser encaminhado de volta para segundo ciclo de refrigeração 14. Geralmente, o
15/51 fluxo no conduto 103 pode ter uma temperatura na faixa a partir de cerca de -100°C (-148°F) a cerca de -40°C (-40°F), cerca de -90°C (-130°F) a cerca de -50°C (-58°F) ou -80°C (-112°F) a -55°C (-67°F). A pressão do fluxo no conduto 103 pode se situar tipicamente na faixa a partir de
cerca de 1.380 kPa (200,15 psi) a cerca de 8.275 kPa
(1200,2 psi), cerca de 2.420 kPa (351 psi) a cerca de 5.860
kPa (849,9 psi) ou 3.450 KPa (500,4 psi) a 4 . 830 kPa (700,5
psi) .
Conforme mostrado na Figura 1, o fluxo
predominantemente de metano no conduto 103 pode ser
subsequentemente resfriado através do segundo resfriador de refrigerante 21. Em uma modalidade, o fluxo que sai do segundo resfriador de refrigerante 21 através do conduto 104 pode ser completamente liquefeito e pode ter uma temperatura na faixa a partir de cerca de -135°C (-211°F) a cerca de -55°C (-67°F), cerca de -115°C (-175°F) a cerca de -65°C (-85°F) ou -95°C (-139°F) a -85°C (-121°F). Geralmente, o fluxo no conduto 104 pode ser aproximadamente na mesma pressão que o fluxo de gás natural que entra na instalação de GNL no conduto 100.
Conforme ilustrado na Figura 1, o fluxo contendo o GNL pressurizado no conduto 104 pode combinar com um fluxo inda a ser discutido no conduto 109 antes de entrar no terceiro ciclo de refrigeração 15, o qual é descrito como compreendendo, geralmente, um terceiro compressor de refrigerante 22, um refrigerador 23 e um terceiro economizador de refrigerante 24. O refrigerante comprimido descarregado a partir do terceiro compressor de refrigerante 22 entra no refrigerador 23, em que o fluxo de
16/51 refrigerante é resfriado através da troca de calor indireta, antes de entrar na zona de resfriamento 29. A zona de resfriamento 29 pode compreender um ou mais estágios de resfriamento operáveis para resfriar e condensar ao menos parcialmente o fluxo predominantemente de metano no conduto 109. Em uma modalidade, a zona de resfriamento 29 pode ser ao menos parcialmente definida dentro de um ou mais dentre o primeiro ou segundo resfriador de refrigerante 18, 21 e/ou dentro do terceiro economizador de refrigerante 24. Quando uma parte da zona de resfriamento 29 é definida dentro de um ou mais dentre o primeiro, segundo e terceiro ciclo de refrigeração 13, 14, 15, em uma modalidade, um ou mais dentre os ciclos de refrigeração podem definir uma ou mais passagens de resfriamento.
Conforme mostrado na Figura 1, o terceiro economizador de refrigerante 24 pode compreender um ou mais estágios de resfriamento operáveis para sub-resfriar o fluxo predominantemente de metano pressurizado através da troca de calor indireta com o refrigerante de vaporização. Em uma modalidade, a temperatura do fluxo contendo GNL pressurizado no conduto 105 pode ser reduzida por uma quantidade na faixa a partir de cerca de 2°C (3,6°F) a cerca de 35°C (63°F), cerca de 3°C (5,4°F) a cerca de 30°C (54°F) ou 5°C (9°F) a 25°C (45°F) no terceiro economizador de refrigerante 24. Tipicamente, a temperatura do fluxo contendo GNL pressurizado que sai do terceiro economizador de refrigerante 24 pode se situar na faixa a partir de cerca de -170°C (-274°F) a cerca de -55°C (~67°F), cerca de -145°C (~229°F) a cerca de -70°C (-94°F) ou -130°C (-202°F)
17/51 a -85°C (-121°F).
Conforme ilustrado na Figura 1, ao menos uma parte do fluxo contendo GNL resfriado no conduto 105 que sai do terceiro resfriador de refrigeração 24 pode ser introduzida em uma entrada de fluido de um recipiente de separação de múltiplos estágios 25. O recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode compreender uma pluralidade de superfícies de transferência de massa, tais como, por exemplo, bandejas, placas, embalagem estruturada, embalagem aleatória, ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma modalidade, o recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode incluir uma série de bandejas e/ou quantidade de embalagem suficiente para fornecer na faixa a partir de cerca de 2 a cerca de 30, cerca de 3 a cerca de 20, cerca de 4 a cerca de 15 ou 5 a 10 estágios de transferência de energia e massa teórica (isto é, estágios teóricos). O recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode separar ao menos uma parte do fluxo contendo GNL resfriado no conduto 105 em um fluxo predominantemente de vapor no conduto 106a e um fluxo predominantemente líquido em 105a.
Em geral, o recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode ser operável para remover ao menos uma parte do nitrogênio a partir do fluxo contendo GNL resfriado no conduto 105. Em geral, a capacidade do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 em separar o nitrogênio a partir do fluxo contendo GNL pressurizado no conduto 105 pode ser expressa como a eficiência de remoção de nitrogênio do recipiente de separação de múltiplos estágios 25. O termo eficiência de remoção de nitrogênio pode ser definido de acordo com a seguinte fórmula: (taxa
18/51 de fluxo de massa do nitrogênio que entra no recipiente de separação de múltiplos estágios 25 - taxa de fluxo de massa do nitrogênio no fluxo predominantemente líquido no conduto 105a) / (massa do nitrogênio que entra no recipiente de separação de múltiplos estágios 25), expresso como uma porcentagem. Em uma modalidade, o recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode ter uma eficiência de remoção de nitrogênio na faixa a partir de cerca de 35 a cerca de 99,5 por cento, cerca de 45 a cerca de 95 por cento, cerca de 55 a cerca de 90 por cento ou 60 a 80 por cento.
Em uma modalidade, o fluxo suspenso que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode ter uma fração de mol de nitrogênio que é ao menos cerca de 1,25 vezes, ao menos cerca de 1,5 vezes, ao menos cerca de 2 vezes, ao menos cerca de 4 vezes, ao menos 6 vezes maior que a fração de mol de nitrogênio do fluxo de alimentação para o recipiente de separação de múltiplos estágios 25 no conduto 105. Geralmente, o fluxo de alimentação do recipiente de separação de múltiplos estágios no conduto 105 pode ter uma fração de mol de nitrogênio na faixa a partir de cerca de 0,005 a cerca de 0,20, cerca de 0,01 a cerca de 0,15 ou 0,05 a 0,10, enquanto que o fluxo suspenso que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 através do conduto 106a pode ter uma fração de mol de nitrogênio na faixa a partir de cerca de 0,10 a cerca de 0,50, cerca de 0,15 a cerca de 0,45 ou 0,20 a 0,40.
Em uma modalidade, o recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode empregar ao menos um fluxo de otimização de separação para facilitar a remoção de nitrogênio aumentada. Os exemplos de fluxo de otimização de
19/51 separação podem incluir, por exemplo, um fluxo de refluxo e/ou um fluxo de gás retificado. Quando o fluxo de otimização de separação consiste em um fluxo de refluxo, o fluxo de otimização de separação pode ser introduzido no recipiente de separação de múltiplos estágios 25 através de uma entrada de refluxo, localizada na ou próxima à parte superior do recipiente de separação de múltiplos estágios 25. Quando o fluxo de otimização de separação consiste em um fluxo de gás retificado, o fluxo de otimização de separação pode ser introduzido em uma entrada de gás retificado do recipiente de separação de múltiplos estágios 25, a qual pode estar geralmente localizada na ou próxima à parte inferior do recipiente de separação de múltiplos estágios 25. Em uma modalidade, ao menos uma parte do fluxo de otimização de separação pode ter passado através do recipiente de separação de múltiplos estágios 25, enquanto que, em outra modalidade, o fluxo de otimização de separação pode ter se originado a montante do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 (por exemplo, o fluxo de otimização de separação pode não ter passado através do recipiente de separação de múltiplos estágios 25.) Em uma modalidade, antes de entrar no recipiente de separação de múltiplos estágios 25, o fluxo de otimização de separação pode ser resfriado, separado e/ou passado através de um estágio de expansão, a fim de afetar a pressão, temperatura e/ou fração de vapor do fluxo de otimização de separação. Várias modalidades que ilustram as configurações específicas de uma instalação de GNL do tipo cascata, que compreende um terceiro ciclo de refrigeração que emprega um recipiente de separação de múltiplos estágios que tem um
20/51 fluxo de otimização de separação, são ilustradas nas Figuras 2 a 4, as quais serão discutidas em maiores detalhes em uma seção subsequente.
Com referência novamente à Figura 1, o fluxo predominantemente de vapor que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 no conduto 106a pode ter uma temperatura, medida na saída de vapor superior do recipiente de separação de múltiplos estágios 25, na faixa a partir de cerca de -80°C (-112°F) a cerca de -140°C (-220°F), cerca de -85°C (-121°F) a cerca de -130°C (-202°F), cerca de -95°C (- 139°F) a cerca de -125°C (-193°F) ou -110°C (~148°F) a -120°C (-184°F). Tipicamente, a pressão do fluxo que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 através do conduto 106a pode se situar na faixa a partir de cerca de 1.515 kPa (219,7 psia) a cerca de 2.140 kPa (310,4 psia), cerca de 1.585 kPa (229,8 psia) a cerca de 2.070 kPa (300,2 psia) ou 1.720 kPa (249,5 psia) a 1.935 kPa (280,6 psia).
Conforme mostrado na Figura 1, ao menos uma parte do fluxo suspenso predominantemente de vapor que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 através do conduto 106a pode ser subsequentemente dirigida para o terceiro economizador de refrigerante 24, em que o fluxo pode agir como um refrigerante para resfriar ao menos uma parte do fluxo de gás natural que entra no terceiro economizador de refrigerante através do conduto 104. Em geral, o fluxo predominantemente de vapor aquecido no conduto 108 pode ser utilizado em um ou mais locais dentro da instalação de GNL, em uma modalidade, ao menos uma parte do fluxo aquecido resultante que sai do terceiro
21/51 economizador de refrigerante 24 pode ser dirigido para o sistema de gás combustível da instalação (não mostrado) através do conduto 108a.
Em outra modalidade, também ilustrado na Figura 1, ao menos uma parte do fluxo rico em nitrogênio aquecido predominantemente de vapor que sai terceiro economizador de refrigerante 24 através do conduto 108 pode ser dividida em duas frações. Em uma modalidade, ao menos uma parte da primeira fração ou fração de refrigerante no conduto 108a pode ser subsequentemente introduzida na porta de entrada (isto é, sucção) do terceiro compressor de refrigerante 22 através do conduto 108c, enquanto que ao menos uma parte da segunda ou fração removida no conduto 108b pode ser dirigida para a entrada de fluido quente da unidade de remoção de nitrogênio (NRU) 26. Em geral, a NRU 26 pode consistir em qualquer sistema capaz de remover ao menos uma parte do nitrogênio no fluxo predominantemente de metano no conduto 108b. Um exemplo de uma NRU adequada para o uso com a presente invenção é descrito na patente U.S. n2. 7.234.322, aqui incorporada a título de referência, em sua totalidade, ao ponto que não seja inconsistente com a presente descrição. Geralmente, a NRU 26 pode ser operável para produzir um fluxo rico em nitrogênio no conduto 108d, o qual pode ser dirigido para armazenamento subsequente, processamento e/ou uso adicional, e um fluxo com nitrogênio exaurido no conduto 108e. Em uma modalidade ilustrada na Figura 1, ao menos uma parte do fluxo com nitrogênio exaurido no conduto 108e pode ser subsequentemente combinada com o fluxo de vapor aquecido predominantemente de metano que sai do terceiro resfriador de refrigeração 24
22/51 no conduto 108c. 0 fluxo combinado pode, então, entrar na porta de sucção do terceiro refrigeração compressor 22.
Conforme mostrado na Figura 1, o fluxo predominantemente líquido no conduto 105a retirado a partir de uma saída de líquido inferior do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 pode ser dirigido para a seção de resfriamento de expansão 12, em que o fluxo pode ser ao menos parcialmente sub-resfriado através da redução de pressão sequencial para próximo à pressão atmosférica mediante a passagem através de um ou mais estágios de expansão. A seção de resfriamento de expansão 12 pode compreender na faixa a partir de cerca de 1 a cerca de 6, cerca de 2 a cerca de 5 ou 3 a 4 estágios de expansão. Em uma modalidade, cada estágio de expansão pode reduzir a temperatura do fluxo contendo GNL por uma quantidade na faixa a partir de cerca de 5°C (9°F) a cerca de 35°C (63°F), cerca de 7,5°C (13,5°F) a cerca de 30°C (54°F) ou 10°C (18°F) a 25°C (45°F). Cada estágio de expansão compreende um ou mais expansores, os quais reduzem a pressão do fluxo liquefeito para assim evaporar ou vaporizar instantaneamente uma parte do mesmo. Os exemplos de expansores adequados podem incluir, mas não se limitam a, válvulas de Joule-Thompson, bocais venturi, e turboexpansores. Em uma modalidade da presente invenção, a seção de expansão 12 pode reduzir a pressão do fluxo contendo GNL no conduto 105 por uma quantidade na faixa a partir de cerca de 520 kPa (75,4 psi) a cerca de 3.100 kPa (449,6 psi), cerca de 860 kPa (124,7 psi) a cerca de 2.070 kPa (300,2 psi) ou 1.030 kPa (149,4 psi) a 1.550 kPa (224,8 psi) .
23/51
Cada estágio de expansão pode empregar, adicionalmente, um ou mais separadores de vapor-líquido operáveis para separar a fase de vapor (isto é, o fluxo de gás de vaporização instantânea) a partir do fluxo de líquido resfriado. Conforme anteriormente discutido, o terceiro ciclo de refrigeração 15 pode compreender um ciclo de refrigeração de circuito aberto, ciclo de refrigeração de circuito fechado, ou qualquer combinação dos mesmos. Quando o terceiro ciclo de refrigeração 15 compreende um ciclo de refrigeração de circuito fechado, o fluxo de gás de vaporização instantânea pode ser usado como combustível dentro da instalação ou dirigido a jusante para o armazenamento, processamento adicional e/ou descarte. Quando o terceiro ciclo de refrigeração 15 compreende um ciclo de refrigeração de circuito aberto, ao menos uma parte do fluxo de gás de vaporização instantânea que sai da seção de expansão 12 pode ser usada como um refrigerante para completar ao menos uma parte do resfriamento do fluxo de gás natural no conduto 104. Geralmente, quando o terceiro ciclo refrigerante 15 compreende um ciclo de circuito aberto, o terceiro refrigerante pode compreender ao menos 50 em peso por cento, ao menos cerca de 75 em peso por cento ou ao menos 90 em peso por cento do gás de vaporização instantânea a partir da seção de expansão 12, com base no peso total do fluxo.
Conforme mostrado na Figura 1, um fluxo de gás de vaporização instantânea que sai da seção de resfriamento de expansão 12 através do conduto 106 pode ser dirigido para o terceiro economizador de refrigerante 24, em que ao menos uma parte do fluxo de gás de vaporização instantânea pode
24/51 ser usada como um refrigerante para resfriar o fluxo de gás natural entrante no conduto 104. O fluxo de refrigerante aquecido resultante pode, então, combinar com o fluxo aquecido predominantemente de vapor a partir do recipiente de separação de múltiplos estágios 25 no conduto 108. O fluxo combinado pode, então, ser dividido em duas partes e ser introduzido na sucção do terceiro compressor de refrigerante 22, conforme anteriormente discutido. Conforme mostrado na Figura 1, o terceiro compressor de refrigerante 22 pode descarregar um fluxo do terceiro refrigerante comprimido, o qual pode ser posteriormente resfriado no refrigerador 23. O fluxo de refrigerante resfriado predominantemente de metano resultante no conduto 109 que sai do terceiro ciclo de refrigeração 15 pode, então, combinar com o fluxo resfriado predominantemente de metano e com frações pesadas exauridas no conduto 104 antes de entrar no terceiro economizador de refrigerante 24, conforme anteriormente discutido.
Em uma modalidade descrita na Figura 1, o fluxo de líquido que sai da seção de expansão 12 através do conduto 107 pode compreender GNL. Em uma modalidade, o GNL no conduto 107 pode ter uma temperatura na faixa a partir de cerca de -130°C (-202°F) a cerca de -185°C (-301°F), cerca de -145°C (-229°F) a cerca de -170°C (-274°F) ou -155°C (-247°F) a -165°C (-265°F) e uma pressão na faixa a partir de cerca de 0 kPa (0 psia) a cerca de 345 kPa (50 psia) , cerca de 35 kPa (5,1 psia) a cerca de 210 kPa (30,5 psia) ou 82,7 kPa (10,2 psia) a 210 kPa (20,3 psia).
De acordo com uma modalidade, o GNL no conduto 107 pode compreender ao menos cerca de 85 por cento em volume
25/51 de metano, ao menos cerca de 87,5 por cento em volume de metano, ao menos cerca de 90 por cento em volume de metano, ao menos cerca de 92 por cento em volume de metano, ao menos cerca de 95 por cento em volume de metano ou ao menos 97 por cento em volume de metano. Em outra modalidade, o GNL no conduto 107 pode compreender menos que cerca de 15 por cento em volume de etano, menos que cerca de 10 por cento em volume de etano, menos que cerca de 7 por cento em volume de etano ou menos que 5 por cento em volume de etano. Em mais outra modalidade, o GNL no conduto 107 pode ter menos que cerca de 2 por cento em volume de material de C3+, menos que cerca de 1,5 por cento em volume de material de C3+, menos que cerca de 1 por cento em volume de material de C3+ ou menos que 0,5 por cento em volume de material de C3+. Em uma modalidade (não mostrada), o GNL no conduto 107 pode ser subsequentemente dirigido para o armazenamento e/ou expedido para outro local através da tubulação, embarcação de alto mar, caminhão ou qualquer outro meio de transporte adequado. Em uma modalidade, ao menos uma parte do GNL pode ser subsequentemente vaporizada para o transporte de tubulação ou para o uso em aplicações que exigem o gás natural em fase de vapor.
As Figuras 2 a 4 apresentam várias modalidades de configurações específicas da instalação de GNL descrita anteriormente em relação à Figura 1. Para facilitar a compreensão das Figuras 2 a 4, a seguinte nomenclatura numérica foi empregada. Os itens numerados 31 a 49 consistem em equipamentos e recipientes do processo geralmente associados ao primeiro ciclo de refrigeração de propano 30 e os itens numerados 51 a 69 consistem em
26/51 equipamentos e recipientes do processo tipicamente relacionados ao segundo ciclo de refrigeração de etileno 50. Os itens numerados 71 a 94 correspondem geralmente aos equipamentos e recipientes do processo associados ao terceiro ciclo de refrigeração de metano 70 e/ou seção de expansão 80. Os itens numerados 96 a 99 podem consistir geralmente em equipamentos e recipientes do processo associados à zona de remoção de frações pesadas 95. Os itens numerados 100 a 199 correspondem geralmente a condutos ou linhas de fluxo que contêm os fluxos predominantemente de metano. Os itens numerados 200 a 299 correspondem geralmente a condutos ou linhas de fluxo que contêm fluxos predominantemente de etileno. Os itens numerados 300 a 399 correspondem geralmente a condutos ou linhas de fluxo que contêm fluxos predominantemente de propano. Os itens numerados 400 a 499 correspondem geralmente a equipamentos, recipientes do processo variados ou condutos ou linhas de fluxo que contêm fluxos predominantes em um ou mais componentes além de metano, etileno ou propano.
Com referência à Figura 2, é ilustrada uma instalação de GNL do tipo cascata de acordo com uma modalidade da presente invenção. A instalação de GNL descrita na Figura 2 compreende geralmente um ciclo de refrigeração de propano 30, um ciclo de refrigeração de etileno 50, um ciclo de refrigeração de metano 7 0 com uma seção de expansão 80 e uma zona de remoção de frações pesadas 95. Embora propano, etileno e metano sejam usados para se referir aos respectivos primeiro, segundo e terceiro refrigerantes, deve-se compreender que a
27/51 modalidade ilustrada na Figura 2 e descrita no presente documento pode se aplicar a qualquer combinação de refrigerantes adequados. Os principais componentes do ciclo de refrigeração de propano 30 incluem a compressor de propano 31, um refrigerador de propano 32, um resfriador de propano de alto estágio 33, um resfriador de propano de estágio intermediário 34 e um resfriador de propano de estágio inferior 35. Os componentes principais do ciclo de refrigeração de etileno 50 incluem um compressor de etileno 51, um refrigerador de etileno 52, um resfriador de etileno de alto estágio 53, em primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54, um segundo resfriador/condensador de etileno de estágio inferior 55 e um economizador de etileno 56. Os componentes principais do ciclo de refrigeração de metano 70 incluem um compressor de metano 71, um refrigerador de metano 72, um economizador de metano principal 73 e um economizador de metano secundário 74. O ciclo de refrigeração de metano 70 também é ilustrado como compreendendo um expansor pré-vaporização instantânea 402, um recipiente de separação de múltiplos estágios 404, um refervedor de recipiente de separação de múltiplos estágios 406, um expansor de refluxo 4 08 e uma unidade de remoção de nitrogênio (NRU) 430. Os componentes principais da seção de expansão 80, um expansor de metano de estágio intermediário 83, um tambor de vaporização instantânea de metano de estágio intermediário 84, um expansor de metano de estágio inferior 85 e um tambor de vaporização instantânea de metano de estágio inferior 86.
A instalação de GNL da Figura 2 também inclui a zona de remoção de frações pesadas localizada a jusante do
28/51 primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54 para a remoção de componentes de hidrocarboneto pesado a partir do gás natural processado e para a recuperação dos líquidos de gás natural resultantes. A zona de remoção de frações pesadas 95 da Figura 2 é mostrada côo compreendendo geralmente uma primeira coluna de destilação 96 e uma segunda coluna de destilação 97.
A operação da instalação de GNL ilustrado na Figura 2 será agora descrita em mais detalhes, começando com o ciclo de refrigeração de propano 30. O propano é comprimido no compressor de propano de múltiplos estágios (por exemplo, três estágios) 31 acionado, por exemplo, por um acionador de turbina a gás (não ilustrado). Os três estágios de compressão existem, de preferência, uma única unidade, embora cada estágio de compressão possa consistir em uma unidade separada e unidades mecanicamente acopladas para serem acionadas por um único acionador. Sob compressão, o propano é passado através do conduto 300 para o refrigerador de propano 32, em que é resfriado e liquefeito através da troca de calor indireta com um fluido externo (por exemplo, ar ou água) . Uma pressão e temperatura representativa do refrigerante de propano liquefeito que sai do refrigerador 32 é de cerca de 38°C (100,4°F) e cerca de 1.310 kPa (190 psi). 0 fluxo a partir do refrigerador de propano 32 pode, então, ser passado através do conduto 302 para um meio de redução de pressão, ilustrado como válvula de expansão 36, em que a pressão do propano liquefeito é reduzida, deste modo, evaporando ou vaporizando instantaneamente uma parte do mesmo. O fluxo bifásico resultante, então, flui através do conduto 304 no
29/51 resfriador de propano de alto estágio 33. O resfriador de propano de alto estágio 33 utiliza o meio de troca de calor indireta 37, 38 e 39 para resfriar, respectivamente, os fluxos de gás entrantes, que incluem um fluxo de refrigerante de metano, ainda a ser discutido, no conduto 112, um fluxo de alimentação de gás natural no conduto 110 e um fluxo de refrigerante de etileno, ainda a ser discutido, no conduto 202 através da troca de calor indireta com o refrigerante de vaporização. 0 fluxo de refrigerante de metano resfriado sai do resfriador de propano de alto estágio 33 através do conduto 13 0 e pode ser subsequentemente dirigido para a entrada do economizador de metano principal 73, o qual será discutido em maiores detalhes em uma seção subsequente.
O fluxo de gás natural resfriado a partir do resfriador de propano de alto estágio 33 (também mencionado no presente documento como o fluxo rico em metano) flui através do conduto 114 para um recipiente de separação 40, em que as fases gasosa e líquida são separadas. A fase líquida, a qual pode ser rica em propano e componentes mais pesados (C3 + ) , é removida através do conduto 303. A fase predominantemente de vapor sai do separador 40 através do conduto 116 e pode, então, entrar no resfriador de propano de estágio intermediário 34, em que o fluxo é resfriado no meio de troca de calor indireta 41 através da troca de calor indireta com um fluxo de refrigerante de propano ainda a ser discutido. O fluxo rico em metano bifásico resultante no conduto 118 pode, então, ser dirigido para o resfriador de propano de estágio inferior 35, em que o fluxo pode ser adicionalmente resfriado através do meio de
30/51 troca de calor indireta 42. O fluxo predominantemente de metano resultante pode, então, sair do resfriador de propano de estágio inferior 34 através do conduto 120. Subsequentemente, o fluxo rico em metano resfriado no conduto 120 pode ser dirigido para o resfriador de etileno de alto estágio 53, o qual será discutido em mais detalhes brevemente.
O refrigerante de propano vaporizado que sai do resfriador de propano de alto estágio 33 retorna para a porta de entrada de alto estágio do compressor de propano 31 através do conduto 306. O refrigerante de propano líquido residual no resfriador de propano de alto estágio 33 pode ser passado através do conduto 308, através de um meio de redução de pressão, aqui ilustrado como válvula de expansão 43, em seguida, uma parte do refrigerante liquefeito é vaporizada instantaneamente ou vaporizado. O fluxo de refrigerante bifásico resfriado resultante pode, então, entrar no resfriador de propano de estágio intermediário 34 através do conduto 310, fornecendo, assim, agente refrigerante para o fluxo de gás natural e o fluxo de refrigerante de etileno, ainda a ser discutido, que entra no resfriador de propano de estágio intermediário 34. 0 refrigerante de propano vaporizado sai do resfriador de propano de estágio intermediário 34 através do conduto 312 e pode, então, entrar na porta de entrada de estágio intermediário do compressor de propano 31. O refrigerante de propano liquefeito restante sai do resfriador de propano de estágio intermediário 34 através do conduto 314 e é passado através de um meio de redução de pressão, aqui ilustrado como válvula de expansão 44, em seguida, a
31/51 pressão do fluxo é reduzida para, deste modo, vaporizar instantaneamente ou vaporizar uma parte do mesmo. O fluxo de refrigerante de vapor-líquido resultante, então, entra no resfriador de propano de estágio inferior 35 através do conduto 316 e resfria os fluxos de refrigerante de etileno, ainda a ser discutido, ricos em metano, que entram no resfriador de propano de estágio inferior 35 através dos condutos 118 e 206, respectivamente. O fluxo de refrigerante de propano vaporizado, então, sai do resfriador de propano de estágio inferior 35 e é dirigido para a porta de entrada de estágio inferior do compressor de propano 31 através do conduto 318, em que é comprimido e reciclado, conforme anteriormente descrito.
Conforme mostrado na Figura 2, um fluxo de refrigerante de etileno no conduto 202 entra no resfriador de propano de alto estágio, em que o fluxo de etileno é resfriado através do meio de troca de calor indireta 39. 0 fluxo resfriado resultante no conduto 204, então, sai do resfriador de propano de alto estágio 33, onde posteriormente o fluxo entra no resfriador de propano de estágio intermediário 34. Na entrada no resfriador de propano de estágio intermediário 34, o fluxo de refrigerante de etileno pode ser adicionalmente resfriado através do meio de troca de calor indireta 45. 0 fluxo de etileno resfriado resultante pode, então, sair do resfriador de propano de estágio intermediário 34 antes de entrar no resfriador de propano de estágio inferior 35 através do conduto 206. No resfriador de propano de estágio inferior 35, o fluxo de refrigerante de etileno pode ser ao menos parcialmente condensado ou condensado por completo,
32/51 através do meio de troca de calor indireta 46. O fluxo resultante sai do resfriador de propano de estágio inferior 35 através do conduto 208 e pode ser subsequentemente dirigido para um acumulador 47, conforme mostrado na Figura 2. 0 fluxo de refrigerante de etileno liquefeito que sai do acumulador 47 através do conduto 212 pode ter uma temperatura e pressão representativa de cerca de -30°C (-22°F) e cerca de 2.032 kPa (295 psia).
Agora com referência novamente ao ciclo de refrigeração de etileno 50 na Figura 2, o fluxo de refrigerante de etileno liquefeito no conduto 212 pode entrar no economizador de etileno 56, em que o fluxo pode ser adicionalmente resfriado por um meio de troca de calor indireta 57. O fluxo de etileno líquido sub-resfriado no conduto 214 pode, então, ser dirigido através de um meio de redução de pressão, aqui ilustrado como válvula de expansão 58, em seguida, a pressão do fluxo é reduzida para, deste modo, vaporizar instantaneamente ou vaporizar uma parte do mesmo. 0 fluxo bifásico resfriado no conduto 215 pode, então, entrar no resfriador de etileno de alto estágio 53, em que ao menos uma parte do fluxo de refrigerante de etileno pode vaporizar para resfriar, assim, o fluxo rico em metano que entra em um meio de troca de calor indireta 59 do resfriador de etileno de alto estágio 53, através do conduto 120. O refrigerante liquefeito restante e vaporizado sai do resfriador de etileno de alto estágio 53 através dos respectivos condutos 216 e 220. O refrigerante de etileno vaporizado no conduto 216 pode entrar novamente no economizador de etileno 56, em que o fluxo pode ser aquecido através de um meio de troca de calor indireta 60
33/51 antes de entrar na porta de entrada de alto estágio do compressor de etileno 51 através do conduto 218, conforme mostrado na Figura 2.
refrigerante liquefeito restante no conduto 220 pode entrar novamente no economizador de etileno 56, em que o fluxo pode ser adicionalmente sub-resfriado por um meio de troca de calor indireta 61. 0 fluxo de refrigerante resfriado resultante sai do economizador de etileno 56 através do conduto 222 e pode ser subsequentemente dirigido para um meio de redução de pressão, aqui ilustrado como válvula de expansão 62, em seguida, a pressão do fluxo é reduzida para, deste modo, vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do mesmo. O fluxo bifásico resfriado resultante no conduto 224 entra no primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54, em que o fluxo de refrigerante pode resfriar o fluxo de gás natural no conduto 122 que entra no primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54 através de um meio de troca de calor indireta 63. Conforme mostrado na Figura 2, o fluxo rico em metano resfriado resultante que sai do resfriador de etileno de estágio intermediário 54 pode, então, ser dirigido para a zona de remoção de frações pesadas 95 através do conduto 124. A zona de remoção de frações pesadas 95 será discutida em detalhes em uma seção subsequente.
O refrigerante de etileno vaporizado sai do primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54 através do conduto 226, onde posteriormente o fluxo pode combinar com um fluxo de vapor de etileno ainda a ser discutido no conduto 238. O fluxo combinado no conduto 240
34/51 pode entrar no economizador de etileno 56, em que o fluxo é aquecido em um meio de troca de calor indireta 64 antes de ser alimentado na porta de entrada de estágio inferior do compressor de etileno 51 através do conduto 230. Conforme 5 mostrado na Figura 2, um fluxo de refrigerante de etileno comprimido no conduto 236 pode ser subsequentemente dirigido para o refrigerador de etileno 52, em que o fluxo de etileno pode ser resfriado através da troca de calor indireta com um fluido externo (por exemplo, água ou ar. O 10 fluxo resultante de etileno ao menos parcialmente condensado pode, então, ser introduzido através do conduto 202 no resfriador de propano de alto estágio 33 para o resfriamento adicional, conforme anteriormente descrito.
refrigerante de etileno liquefeito restante sai do primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54 através do conduto 228, antes de entrar no segundo resfriador/condensador de etileno de estágio inferior 55, em que o refrigerante pode resfriar o fluxo rico em metano que sai da zona de remoção de frações 20 pesadas 95 através do conduto 126, através do meio de troca de calor indireta 65, no segundo resfriador/condensador de etileno de estágio inferior 55. Conforme mostrado na Figura 2, o refrigerante de etileno vaporizado pode, então, sair do segundo resfriador de etileno de estágio 25 inferior/condensador 55 através do conduto 238, antes de combinar com o etileno vaporizado que sai do primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54 e que entra na porta de entrada de estágio inferior do compressor de etileno 51, conforme anteriormente discutido.
0 0 fluxo de gás natural resfriado que sai do
35/51 resfriador/condensador de etileno de estágio inferior também pode ser mencionado como o fluxo contendo GNL pressurizado. Conforme mostrado na Figura 2, o fluxo contendo GNL pressurizado sai do segundo resfriador/condensador de etileno de estágio inferior 55 através do conduto 132, antes de entrar no economizador de metano principal 73, em que o fluxo pode ser resfriado em um meio de troca de calor indireta 75 através da troca de calor indireta com um ou mais fluxos de refrigerante de metano ainda a serem discutidos. O fluxo contendo GNL pressurizado resfriado pode, então, sair do economizador de metano principal 73 através do conduto 134 e pode, então, passar através do expansor de pré-vaporização instantânea 402, em que a pressão do fluxo pode ser reduzida para vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do mesmo. O fluxo bifásico resultante no conduto 135 pode, então, ser introduzido em uma entrada de alimentação do recipiente de separação de múltiplos estágios 404.
Conforme mostrado na Figura 2, um fluxo predominantemente de vapor pode ser retirado a partir da saída de vapor superior do recipiente de separação de múltiplos estágios 404 e pode entrar subsequentemente no conduto 436, onde posteriormente ao menos uma parte do fluxo predominantemente de vapor pode entrar em uma entrada de fluido frio do meio de troca de calor indireta 76 no economizador de metano principal 73. Ao menos uma parte do fluxo no meio de troca de calor indireta 76 pode agir como um refrigerante para resfriar ao menos uma parte do fluxo predominantemente de metano no meio de troca de calor indireta 75, conforme anteriormente discutido. O fluxo de
36/51 vapor aquecido resultante pode sair de uma saída de fluido quente do meio de troca de calor indireta 76 através do conduto 438 e, então, ao menos uma parte do fluxo aquecido pode ser dirigida através do conduto 440 para a entrada de gás de alimentação da NRU 430, conforme ilustrado na Figura 2. Tipicamente, a NRU 430 pode produzir um fluxo rico em nitrogênio e ao menos um fluxo com nitrogênio exaurido, na modalidade, o fluxo rico em nitrogênio que sai da NRU 430 através do conduto 4 50 pode ser removido a partir da instalação através de uma ventilação atmosférica ou queimador (não mostrado), em outra modalidade descrita na Figura 2, a NRU 430 pode produzir ao menos dois fluxos com nitrogênio exaurido através dos condutos 452 e 454, os quais podem combinar, respectivamente, com os fluxos de refrigerante aquecidos, ainda a serem discutidos, que saem do economizador de metano principal 73 através dos condutos 154 e 164. Os fluxos combinados resultantes podem, então, entrar nas respectivas entradas de estágio intermediário e de estágio inferior do compressor de metano 71, conforme mostrado na Figura 2.
Em uma modalidade ilustrada na Figura 2, um fluxo predominantemente líquido retirado a partir do recipiente de separação de múltiplos estágios 404, através do conduto 435, pode ser introduzido na entrada de fluido frio de um meio de troca de calor indireta 405 do refervedor do recipiente de separação de múltiplos estágios 406. O fluxo predominantemente líquido pode ser aquecido e ao menos parcialmente vaporizado através da troca de calor indireta com um fluxo ainda a ser discutido que entra em uma entrada de fluido quente do meio de troca de calor indireta 407,
37/51 conforme mostrado na Figura 2. 0 fluxo aquecido resultante que sai de uma saída de fluido quente do meio de troca de calor indireta 405 pode ser, então, dirigido através do conduto 437 para uma entrada inferior do recipiente de separação de múltiplos estágios 404, enquanto que o fluxo resfriado que sai de uma saída de fluido frio do meio de troca de calor indireta 407 através do conduto 178 pode ser passado através do expansor de refluxo 408 para, deste modo, vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do mesmo. O fluxo bifásico resultante pode, então, ser introduzido como um fluxo de refluxo através de uma entrada de refluxo do recipiente de separação de múltiplos estágios 404 .
Conforme ilustrado na Figura 2, um fluxo predominantemente líquido retirado a partir de uma saída de líquido inferior do recipiente de separação de múltiplos estágios 404 pode ser dirigido através do conduto 136 para o segundo economizador de metano 74, em que o fluxo predominantemente de metano pode ser resfriado através do meio de troca de calor indireta 88. O fluxo resfriado resultante no conduto 144 pode, então, ser dirigido para um segundo estágio de expansão, aqui ilustrado como o expansor de estágio intermediário 83. O expansor de estágio intermediário 83 reduz a pressão do fluxo de metano que passa através do mesmo para reduzir, assim, a temperatura do fluxo mediante a vaporização ou vaporização instantânea de uma parte do mesmo. O fluxo rico em metano bifásico resultante no conduto 146 pode, então, entrar no tambor de vaporização instantânea de metano de estágio intermediário 84, em que as porções de vapor e líquidas do fluxo podem
38/51 ser separadas e podem sair do tambor de vaporização instantânea de estágio intermediário através dos respectivos condutos 148 e 150. A porção de vapor (isto é, o gás de vaporização instantânea de estágio intermediário) no conduto 150 pode entrar novamente no economizador de metano secundário 74, em que o fluxo pode ser aquecido através de um meio de troca de calor indireta 87. O fluxo aquecido pode, então, ser dirigido através do conduto 152 para o economizador de metano principal 73, em que o fluxo pode ser adicionalmente aquecido através de um meio de troca de calor indireta 77. O fluxo de refrigerante aquecido, o qual pode compreender ao menos uma parte do fluxo com nitrogênio exaurido que sai da NRU 430 através do conduto 452, conforme discutido anteriormente, pode, então, ser dirigido para a porta de entrada de estágio intermediário do compressor de metano 71 através do conduto 154, conforme ilustrado na Figura 2.
O fluxo líquido que sai do tambor de vaporização instantânea de metano de estágio intermediário 84 através do conduto 148 pode, então, passar através de um expansor de estágio inferior 85, em seguida, a pressão do fluxo rico em metano liquefeito pode ser adicionalmente reduzida para, deste modo, vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do mesmo. O fluxo bifásico resfriado resultante no conduto 156 pode, então, entrar no tambor de vaporização instantânea de metano de estágio inferior 86, em que as fases líquidas e de vapor podem ser separadas. O fluxo líquido que sai do tambor de vaporização instantânea de metano de estágio inferior 86 pode compreender o gás natural liquefeito (GNL) . O GNL, o qual pode se encontrar
39/51 em cerca da pressão atmosférica, pode ser dirigido através do conduto 158 a jusante para o armazenamento, transporte e/ou uso subsequente.
fluxo de vapor que sai do tambor de vaporização instantânea de metano de estágio inferior (isto é, o gás de vaporização instantânea de metano de estágio inferior) no conduto 160 pode ser dirigido para o economizador de metano secundário 74, em que o fluxo pode ser aquecido através de um meio de troca de calor indireta 89. 0 fluxo resultante pode sair do economizador de metano secundário 74 através do conduto 162, onde posteriormente o fluxo pode ser dirigido para o economizador de metano principal 73 para ser adicionalmente aquecido através do meio de troca de calor indireta 78. 0 fluxo de vapor de metano aquecido que sai do economizador de metano principal 73 através do conduto 164, o qual, conforme discutido anteriormente, pode compreender ao menos uma parte do fluxo com nitrogênio exaurido que sai da NRU 43 0 através do conduto 454, pode, então, ser dirigido para a porta de entrada de estágio inferior do compressor de metano 71, conforme mostrado na Figura 2.
Geralmente, o compressor de metano 71 pode compreender um ou mais estágios de compressão. Em uma modalidade, o compressor de metano 71 compreende três estágios de compressão em um único módulo. Em outra modalidade, os módulos de compressão podem ser separados, mas podem ser mecanicamente acoplados a um acionador comum. Geralmente, quando o compressor de metano 71 compreende dois ou mais estágios de compressão, um ou mais interrefrigeradores (não mostrados) podem ser fornecidos entre
40/51 os estágios de compressão subsequentes. Conforme mostrado na Figura 2, o fluxo de refrigerante de metano comprimido que sai do compressor de metano 71 pode ser descarregado no conduto 166, onde posteriormente o fluxo pode ser resfriado através da troca de calor indireta com um fluido externo (por exemplo, ar ou água) no refrigerador de metano 72. O fluxo de refrigerante de metano resfriado que sai do refrigerador de metano 72 pode, então, entrar no conduto 112, onde posteriormente o fluxo de refrigerante de metano pode ser adicionalmente resfriado no ciclo de refrigeração de propano 30, conforme anteriormente descrito em detalhes.
Ao ser resfriado no ciclo de refrigeração de propano 30, o fluxo de refrigerante de metano pode ser descarregado no conduto 130 e subsequentemente dirigido para o economizador de metano principal 73, em que o fluxo pode ser adicionalmente resfriado através do meio de troca de calor indireta 79. 0 fluxo resfriado resultante sai do economizador de metano principal 73 através do conduto 168 e ao menos uma parte do fluxo pode ser, então, introduzida em uma entrada de fluido quente do meio de troca de calor indireta 68, no segundo resfriador-condensador de etileno de estágio inferior 55, em que o fluxo pode ser resfriado e ao menos parcialmente condensado ou pode ser sub-resfriado através da troca de calor indireta com o refrigerante de etileno de vaporização, conforme anteriormente discutido. 0 fluxo resfriado resultante pode sair de uma saída de fluido frio do meio de troca de calor indireta 68 e ao menos uma parte do fluxo pode entrar no conduto 176. Então, ao menos uma parte do fluxo no conduto 176, a qual pode ser adicionalmente resfriada no trocador de calor 406 através
41/51 do meio de troca de calor indireta 4 07, pode ser subsequentemente introduzida no recipiente de separação de múltiplos estágios 404 como um fluxo de refluxo, conforme anteriormente discutido em detalhes.
Agora com referência novamente à zona de remoção de frações pesadas 95, ao menos uma parte do fluxo predominantemente de metano retirada a partir do primeiro resfriador de etileno de estágio inferior opcional 54 através do conduto 124 pode ser subsequentemente introduzida na primeira coluna de destilação 96. Conforme mostrado na Figura 2, ao menos uma parte de um fluxo suspenso predominantemente de vapor retirado a partir da primeira coluna de destilação 96 pode ser subsequentemente dirigida para o segundo resfriador/condensador de etileno de estágio inferior 55, em que o fluxo pode ser adicionalmente resfriado através do meio de troca de calor indireta 65, conforme anteriormente discutido em detalhes. Um fluxo de frações de fundo rico em frações pesadas predominantemente líquido, retirado a partir da primeira coluna de destilação 96 através do conduto 170 pode, então, ser introduzido na segunda coluna de destilação 97. 0 fluxo de frações de fundo predominantemente líquido que sai da segunda coluna de destilação 97 através do conduto 171, o qual compreende geralmente o NGL, pode ser dirigido para fora da zona de remoção de frações pesadas 95 para o armazenamento subsequente, processamento e/ou uso futuro. O fluxo suspenso predominantemente de vapor retirado a partir da segunda coluna de destilação 97 pode ser dirigido através do conduto 14 0 para um ou mais locais dentro da instalação de GNL. Em uma modalidade, o fluxo pode ser
42/51 introduzido na porta de sucção de alto estágio do compressor de metano 71. Em outra modalidade, o fluxo pode ser dirigido para o armazenamento ou submetido ao processamento adicional e/ou uso.
Agora com referência à Figura 3, é ilustrada uma instalação de GNL configurada de acordo com outra modalidade da presente invenção. Os componentes principais da instalação de GNL, descrita na Figura 3, consistem nos mesmos que aqueles anteriormente descritos em relação à Figura 2, exceto pelo fato de que a instalação de GNL descrita na Figura 3 não inclui o expansor de refluxo 408 e compreende adicionalmente um expansor de gás retificado 412 e um separador de gás retificado 414. A operação da instalação de GNL apresentada na Figura 3, à medida que se difere da operação da instalação anteriormente descrita em relação à Figura 2, será agora descrita em detalhes.
Com referência novamente ao meio de troca de calor indireta 68 do segundo resfriador/condensador de etileno de estágio inferior 55 ilustrado na Figura 3, o fluxo predominantemente de metano resfriado que sai da saída de fluido frio do meio de troca de calor indireta 68, através do conduto 176, pode ser subsequentemente passado através do expansor de gás retificado 412 para, deste modo, vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do fluxo. O fluxo bifásico resultante pode, então, entrar em uma entrada de fluido do recipiente de separação 414, onde posteriormente as porções líquidas e de vapor do fluxo podem ser separadas. Conforme mostrado na Figura 3, um fluxo predominantemente de vapor retirado através do conduto 179 pode ser introduzido em uma entrada de gás
43/51 retificado do recipiente de separação de múltiplos estágios 404, como um fluxo de gás retificado, enquanto que o fluxo predominantemente líquido que sai do recipiente de separação 414 pode ser combinado como o fluxo de frações de 5 fundo predominantemente líquido que sai do recipiente de separação de múltiplos estágios 404. Conforme ilustrado na Figura 3, o fluxo predominantemente líquido combinado pode ser, então, dirigido para o economizador de metano secundário 74 e pode ser adicionalmente processado conforme 10 anteriormente discutido em detalhes, em relação à Figura 2.
Agora com referência à Figura 4, é ilustrada uma instalação de GNL configurada de acordo com mais outra modalidade da presente invenção. Os componentes principais da instalação de GNL descrita na Figura 4 consistem nos 15 mesmos que aqueles anteriormente descritos em relação à Figura 2, exceto pelo fato de que a instalação de GNL descrita na Figura 4 não inclui a NRU 43 0 e compreende adicionalmente um expansor de metano de alto estágio 81, um tambor de vaporização instantânea de metano de alto estágio 20 82 e um sistema de gás combustível 420. Além disso, turbinas a gás 31a, 51a e 71a, as quais alimentam os respectivos compressores de propano, etileno e metano 31, 51 e 71, são ilustradas na instalação de GNL descrita na Figura 4. Em uma modalidade, a instalação de GNL descrita 25 na Figura 4 pode ser utilizada em uma instalação de GNL que não tem uma NRU ou não está atualmente utilizando sua NRU.
Tipicamente, as instalações de GNL que não têm ou não empregam uma NRU podem processar os fluxos de alimentação de gás natural que têm concentrações de nitrogênio de menos 30 que cerca de 5 mol por cento de nitrogênio, menos que cerca
44/51 de 2,5 mol por cento de nitrogênio ou menos que 1,5 mol por cento de nitrogênio. A operação da instalação de GNL apresentada na Figura 4, à medida que se difere da operação da instalação anteriormente descrita em relação à Figura 2, será agora descrita em detalhes.
Com referência novamente ao meio de troca de calor indireta 75 do economizador de metano principal 73, ao menos uma parte do fluxo contendo GNL pressurizado resfriado que sai de uma saída de fluido frio do meio de troca de calor indireta 75, através do conduto 134, pode passar através do expansor de pré-vaporização instantânea 402 para, deste modo, vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do fluxo. O fluxo bifásico resultante pode, então, ser introduzido em uma entrada de fluido do recipiente de separação de múltiplos estágios 404. Um fluxo predominantemente de vapor pode ser retirado a partir do recipiente de separação de múltiplos estágios 404 através do conduto 436 e pode ser, então, dirigido para o economizador de metano principal 73, conforme mostrado na Figura 4. 0 fluxo predominantemente de vapor que entra no economizador de metano principal 73 pode entrar em uma entrada de fluido frio de um meio de troca de calor indireta 418, em que ao menos uma parte do fluxo pode agir como um refrigerante para resfriar ao menos uma parte dos fluxos no meio de troca de calor indireta 75 e/ou 79. O fluxo predominantemente de vapor aquecido pode, então, sair de uma saída de fluido quente do meio de troca de calor indireta 418 e pode, então, ser dirigido para uma entrada de gás de alimentação de um sistema de gás combustível 420. Ao menos uma parte do fluxo no conduto 440 introduzido no
45/51 sistema de gás combustível 420 pode ser utilizada como combustível para ao menos um dentre as turbinas a gás 31a, 51a, 71a, conforme descrito na Figura 4. O sistema de gás combustível pode incluir um compressor para liberar o fluxo de gás combustível no conduto 442 para as turbinas a gás 31a, 51a e 71a em uma pressão maior para atender a exigência de pressão do gás combustível do acionador de turbinas a gás aeroderivadas.
Conforme ilustrado na Figura 4, ao menos uma parte do fluxo predominantemente líquido retirada a partir de uma saída de líquido inferior do recipiente de separação de múltiplos estágios 404 pode ser subsequentemente dirigidas através do conduto 136, através do expansor de metano de alto estágio 81, em seguida, a pressão do fluxo pode ser reduzida para, deste modo, vaporizar ou vaporizar instantaneamente uma parte do mesmo. 0 fluxo bifásico resultante pode, então, ser dirigido para uma entrada de fluido do tambor de vaporização instantânea de metano de alto estágio 82, em que as porções líquidas e de vapor do fluxo podem ser separadas. Conforme mostrado na Figura 4, o fluxo predominantemente de vapor que sai de uma saída superior do tambor de vaporização instantânea de alto estágio 82 através do conduto 143 pode ser subsequentemente introduzido em uma entrada de fluido frio do meio de troca de calor indireta 76 do economizador de metano principal 73, em que ao menos uma parte do fluxo pode ser usada como um refrigerante para resfriar um ou mais fluxos de fluido no economizador de metano principal 73. Ao menos uma parte do fluxo aquecido resultante que sai de uma saída de fluido quente do economizador de metano principal 73, através do
46/51 conduto 138, pode ser, então, dirigida para a porta de sucção de alto estágio do compressor de metano 71, em que o fluxo pode ser pressurizado. O fluxo predominantemente de metano comprimido resultante pode, então, continuar através da instalação, conforme anteriormente descrito em relação à Figura 2. Conforme mostrado na Figura 4, ao menos uma parte do fluxo predominantemente líquido que sai do tambor de vaporização instantânea de metano de alto estágio 82, através do conduto 142, pode ser dirigida para o economizador de metano secundário 74 e pode continuar através da seção de resfriamento de expansão 80 do ciclo de refrigeração de metano 70, conforme anteriormente discutido em relação à Figura 2.
Em uma modalidade da presente invenção, os sistemas de produção de GNL ilustrados nas Figuras 2 a 4 são simulados em um computador com o uso de software de simulação de processo convencional, a fim de gerar dados de simulação de processo em uma forma legível por humano. Em uma modalidade, os dados de simulação de processo podem ser na forma de uma cópia impressa por computador. Em outra modalidade, os dados de simulação de processo podem ser exibidos em uma tela, um monitor ou outro dispositivo de visualização. Os dados de simulação podem ser, então, usados para manipular o sistema de GNL. Em uma modalidade, os resultados de simulação podem ser usados para projetar uma nova instalação de GNL e/ou renovar ou expandir uma instalação existente. Em outra modalidade, os resultados de simulação podem ser usados para otimizar a instalação de GNL de acordo com um ou mais parâmetros de operação. Os exemplos de software adequado para a produção dos
47/51 resultados de simulação incluem HYSYS™ ou Aspen Plus® disponível junto a Aspen Technology, Inc., e PRO/II® disponível junto a Simulation Sciences Inc.
Faixas numéricas
A presente descrição utiliza faixas numéricas para quantificar determinados parâmetros relacionados à invenção. Deve-se compreender que, quando as faixas numéricas são fornecidas, tais faixas devem ser construídas como fornecimento de suporte literal para as limitações de reivindicação que relatam somente o valor inferior da faixa, assim, como a limitação de reivindicações que relatam somente o valor superior da faixa. Por exemplo, uma faixa numérica apresentada de 10 a 100 fornece suporte literal para uma reivindicação que relata maior que 10 ou ao menos 10 (sem limites superiores) e uma reivindicação que relata menor que 100 ou no máximo 100 (sem limites inferiores).
Definições
Para uso na presente invenção, os termos um, o e dito se referem a um ou mais.
Para uso na presente invenção, o termo e/ou, quando usado em uma lista de dois ou mais itens, significa que qualquer um dos itens relacionados pode ser empregado por si mesmo, ou qualquer combinação de dois ou mais dos itens relacionados pode ser empregada. Por exemplo, se uma composição for descrita como contendo os componentes A, B e/ou C, a composição pode conter o A sozinho; B sozinho; C sozinho; A e B em combinação; A e C em combinação; B e C em combinação; ou A, B e C em combinação.
Para uso na presente invenção, o termo processo de
48/51 refrigeração do tipo cascata se refere a um processo de refrigeração que emprega uma pluralidade de ciclos de refrigeração, em que cada um emprega um refrigerante de componente puro diferente para resfriar sucessivamente o gás natural.
Para uso na presente invenção, o termo ciclo de refrigeração de circuito fechado se refere a um ciclo de refrigeração em que substancialmente nenhum refrigerante entra ou sai do ciclo durante a operação normal.
Para uso na presente invenção, os termos que compreende, compreende e compreendem consistem em termos de transição ilimitada usados para a transição a partir de um sujeito relatado antes do termo a um elemento ou elementos relatados após o termo, onde o elemento ou elementos relacionados após o termo de transição não são necessariamente somente os elementos que constituem o suj eito.
Para uso na presente invenção, os termos contendo, contém e contêm têm o mesmo significado ilimitado que que compreende, compreende e compreendem fornecidos acima.
Para uso na presente invenção, os termos economizador ou trocador de calor economizador se referem a uma configuração que utiliza uma pluralidade de trocadores de calor que empregam o meio de troca de calor indireta para transferir de maneira eficaz o calor entre os fluxos do processo.
Para uso na presente invenção, o termo comunicação de fluxo fluido entre dois componentes significa que ao menos uma parte do fluido ou material a partir do primeiro
49/51 componente entra, passa através de ou, de outra forma, entra em contato com o segundo componente.
Para uso na presente invenção, os termos que tem, tem e têm têm o mesmo significado ilimitado que que compreende, compreende e compreendem fornecidos acima.
Para uso na presente invenção, os termos hidrocarboneto pesado e frações pesadas se referem a qualquer componente que é menos volátil (isto é, tem um ponto de ebulição maior) do que o metano.
Para uso na presente invenção, os termos que inclui, inclui e incluem têm o mesmo significado ilimitado que que compreende, compreende e compreendem fornecidos acima.
Para uso na presente invenção, o termo ponto de ebulição padrão de nível intermediário se refere à temperatura na qual metade do peso de uma mistura de componentes físicos tem sido vaporizado (isto é, fervido) em pressão padrão.
Para uso na presente invenção, o termo refrigerante misturado se refere a um refrigerante que contém uma pluralidade de componentes diferentes, onde nenhum componente único constitui mais que 75 mol por cento do refrigerante.
Para uso na presente invenção, o termo gás natural se refere a um fluxo que contém ao menos cerca de 60 mol por cento de metano, sendo que o restante consiste em produtos inertes, etano, hidrocarbonetos superiores, nitrogênio, dióxido de carbono e/ou uma pequena quantidade de outros contaminantes, tais como mercúrio, sulfeto de hidrogênio e mercaptano.
50/51
Para uso na presente invenção, os termos líquidos de gás natural ou NGL se referem a misturas de hidrocarbonetos cujos componentes são, por exemplo, tipicamente, mais pesados que o metano. Alguns exemplos de componentes de hidrocarboneto de fluxos de NGL incluem isômeros de pentano, etano, propano e butano, benzeno, tolueno e outros compostos aromáticos.
Para uso na presente invenção, o termo fração de mol de nitrogênio se refere aos moles de nitrogênio relativos aos moles totais em um fluxo de fluido.
Para uso na presente invenção, o termo ciclo de refrigeração de circuito aberto se refere a um ciclo de refrigeração em que ao menos uma parte do refrigerante empregada durante a operação normal se origina a partir do fluido que é resfriado pelo ciclo de refrigerante.
Para uso na presente invenção, os termos predominantemente, primeiramente, principalmente e em maior parte, quando usados para descrever a presença de um componente particular de um fluxo de fluido, significa que o fluxo de fluido compreende ao menos 50 mol por cento do componente mencionado. Por exemplo, cada um dos termos: um fluxo predominantemente de metano, um fluxo primeiramente de metano, um fluxo que compreende principalmente metano ou um fluxo que compreende o metano em maior parte, denota um fluxo que compreende ao menos 50 mol por cento de metano.
Para uso na presente invenção, o termo refrigerante de componente puro significa um refrigerante que não consiste em um refrigerante misturado.
Para uso na presente invenção, os termos
51/51 montante e a jusante se referem à posições relativas de diversos componentes de uma instalação de liquefação de gás natural ao longo de uma trajetória de fluxo de fluido em uma instalação de GNL. Por exemplo, um componente A está localizado a jusante de outro componente B se o componente A estiver posicionado ao longo de uma trajetória de fluxo de fluido que já tenha passado através do componente B. Semelhantemente, o componente A está localizado a montante do componente B se o componente A estiver localizado em uma trajetória de fluxo de fluido que ainda não tenha passado através do componente B.
Reivindicações não limitadas às modalidades apresentadas
As formas preferidas da invenção descrita acima devem ser usadas somente como ilustração e não deveríam ser usadas em um sentido limitador para interpretar o escopo da presente invenção. As modificações para as modalidades exemplificadoras, apresentadas acima, poderíam ser prontamente feitas pelo versados na técnica, sem que se desvie do espírito da presente invenção.
Os inventores mencionam no presente documento sua intenção em contar com a doutrina dos equivalentes para determinar e avaliar o escopo razoavelmente justo da presente invenção, à medida que pertence a qualquer aparelho que não se desvia materialmente do mesmo, mas fora do espoco literal da invenção, conforme apresentado nas seguintes reivindicações.

Claims (11)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para liquefação de um fluxo de gás natural em uma instalação de gás natural liquefeito (GNL), CARACTERIZADO pelo fato de que o dito processo compreende:
    (a) resfriar ao menos uma parte do dito fluxo de gás natural em um primeiro trocador de calor de um primeiro ciclo de refrigeração a montante através da troca de calor indireta com um primeiro refrigerante de componente puro, para fornecer, assim, um fluxo de gás natural resfriado;
    (b) resfriar ao menos uma parte do dito fluxo de gás natural resfriado em uma passagem de resfriamento de um segundo trocador de calor em um ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto, para fornecer, assim, um fluxo predominantemente de metano resfriado;
    (c) separar ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente de metano resfriado em um recipiente de separação de múltiplos estágios compreendendo uma pluralidade de superfícies de transferência de massa para fornecer, assim, um fluxo predominantemente de vapor e um fluxo predominantemente líquido; e (d) passar ao menos uma parte do dito fluxo
    predominantemente de vapor através de uma passagem de aquecimento do dito segundo trocador de calor, para completar, assim, ao menos parcialmente o dito resfriamento da etapa (b), em que o dito recipiente de separação de múltiplos
    estágios é posicionado a jusante da dita passagem de resfriamento e a montante da dita passagem de aquecimento do dito segundo trocador de calor, em que uma fração de mol de nitrogênio do dito
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 9/19
  2. 2/11 fluxo predominantemente de vapor é ao menos 1,25 vezes maior que uma fração de mol de nitrogênio do dito fluxo predominantemente de metano resfriado introduzido no dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa (d) causa o aquecimento do dito fluxo predominantemente de vapor para fornecer um fluxo predominantemente de vapor aquecido, que compreende, adicionalmente, separar o dito fluxo predominantemente de vapor aquecido em uma fração de refrigerante e uma fração removida e introduzir a dita fração de refrigerante em um compressor de metano do dito ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto.
  3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, introduzir ao menos uma parte da dita fração removida em uma unidade de remoção de nitrogênio.
  4. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, usar uma coluna de remoção de frações pesadas localizada a montante do dito ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto para separar o dito fluxo de gás natural resfriado em um fluxo com frações pesadas exauridas e um fluxo rico em frações pesadas, em que a dita ao menos uma parte do dito fluxo de gás natural resfriado introduzido no dito segundo trocador de calor compreende ao menos uma parte do dito fluxo com frações pesadas exauridas.
  5. 5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, combinar um fluxo de refrigerante predominantemente de
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 10/19
    3/11 metano a partir do dito ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto com ao menos uma parte do dito fluxo com frações pesadas exauridas, para formar, assim, um fluxo combinado predominantemente de metano, em que o dito vapor de gás natural resfriado introduzido no dito segundo trocador de calor compreende ao menos uma parte do dito fluxo combinado predominantemente de metano.
  6. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fração de mol de nitrogênio do dito fluxo predominantemente de vapor é ao menos 2 vezes maior que a fração de mol de nitrogênio do dito fluxo resfriado predominantemente de metano introduzido no dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
  7. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito fluxo resfriado predominantemente de metano introduzido no dito recipiente de separação de múltiplos estágios tem uma concentração de nitrogênio de menos que 15 mol por cento, em que o dito fluxo predominantemente de vapor tem uma concentração de
    nitrogênio de ao menos 20 mol por cento. 8 . Processo, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito fluxo predominantemente de vapor tem uma concentração de nitrogênio de ao menos 30 mol por cento. 9 . Processo, de acordo com a reivindicação 1,
    CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, vaporizar instantaneamente ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente líquido para fornecer, assim, um fluxo bifásico e usar ao menos uma parte do vapor de vaporização
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 11/19
    4/11 instantânea a partir do dito fluxo bifásico para completar ao menos parcialmente o dito resfriamento da etapa (b).
    10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreende, adicionalmente, vaporizar instantaneamente o dito fluxo resfriado predominantemente de metano antes da introdução no dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito recipiente de separação de múltiplos estágios compreende ao menos três estágios teóricos.
    12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, introduzir um fluxo de gás retificado, um fluxo de refluxo ou ambos um fluxo de gás retificado e um fluxo de refluxo no dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito fluxo de gás retificado, o dito fluxo de refluxo ou ambos o dito fluxo de gás retificado e o dito fluxo de refluxo compreendem ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente de vapor.
    14. Processo, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de compreende, adicionalmente, retirar um fluxo líquido a partir da parte inferior do dito recipiente de separação de múltiplos estágios e aquecer ao menos uma parte do fluxo líquido retirado através da troca de calor indireta com o dito fluxo de refluxo, antes de introduzir o dito fluxo de refluxo no dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    15. Processo, de acordo com a reivindicação 1,
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 12/19
    5/11
    CARACTERIZADO pelo fato de que o dito primeiro refrigerante de componente puro compreende, predominantemente, propano, propileno, etano ou etileno.
    16. Processo, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, antes da etapa (b), resfriar adicionalmente o dito fluxo de gás natural resfriado através da troca de calor indireta com um segundo refrigerante em um segundo ciclo de refrigeração a montante, para produzir, assim, um fluxo de gás natural resfriado adicional, em que a dita ao menos uma parte do dito fluxo de gás natural resfriado introduzido no dito segundo trocador de calor compreende ao menos uma parte do dito fluxo de gás natural resfriado adicional.
    17. Processo, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito primeiro refrigerante compreende, predominantemente, propano ou propileno e o dito segundo refrigerante compreende, predominantemente, etano ou etileno.
    18. Processo para liquefação de um fluxo de gás natural em uma instalação de gás natural liquefeito (GNL), CARACTERIZADO pelo fato de que o dito processo compreende:
    (a) resfriar o dito fluxo de gás natural em um ciclo de refrigeração a montante para fornecer, assim, um fluxo de gás natural resfriado;
    (b) separar ao menos uma parte do dito fluxo de gás natural resfriado em uma coluna de remoção de frações pesadas para fornecer, assim, um fluxo suspenso predominantemente de metano e um fluxo de frações de fundo;
    (c) resfriar ao menos uma parte do dito fluxo suspenso predominantemente de metano em um trocador de
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 13/19
    6/11 calor de um ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto, para fornecer, assim, um fluxo predominantemente de metano resfriado;
    (d) vaporizar instantaneamente ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente de metano resfriado para fornecer, assim, um fluxo predominantemente de metano bifásico;
    (e) separar ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente de metano bifásico em um recipiente de separação de múltiplos estágios para compreendendo uma pluralidade de superfícies de transferência de massa para produzir, assim, um fluxo predominantemente de vapor e um fluxo predominantemente líquido;
    (f) passar ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente de vapor através do dito trocador de calor para completar, assim, ao menos parcialmente o dito resfriamento da etapa (c), em que a dita ao menos uma parte do dito fluxo predominantemente de vapor passado através do dito trocador de calor é retirada a partir do dito trocador de calor como um fluxo de vapor aquecido;
    (g) dividir ao menos uma parte do dito fluxo de vapor aquecido em uma fração de refrigerante e uma fração removida;
    (h) comprimir ao menos uma parte da dita fração de refrigerante em um compressor de metano do dito ciclo de refrigeração de metano de circuito aberto, para produzir,
    assim, um fluxo de refrigerante comprimido;
    (i) resfriar ao menos uma parte do dito fluxo de refrigerante comprimido no dito ciclo de refrigeração a montante, para produzir, assim, um fluxo de refrigerante
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 14/19
    7/11 resfriado; e
    j) introduzir ao menos uma parte do dito fluxo de refrigerante resfriado no dito recipiente de separação de múltiplos estágios como um fluxo de otimização de separação. 19. Processo, de acordo com a reivindicação 18,
    CARACTERIZADO pelo fato de que o dito fluxo de otimização de separação compreende um fluxo de refluxo.
    20. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que a fração de mol de nitrogênio do dito fluxo predominantemente de vapor é ao menos 2 vezes maior que a fração de mol de nitrogênio do dito fluxo bifásico predominantemente de metano introduzido no dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    21. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que ao menos uma parte da dita fração removida é dirigida para uma unidade de remoção de nitrogênio.
    22. Instalação para a liquefação de um fluxo de gás natural, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita instalação compreende:
    um primeiro ciclo de refrigeração que compreende um primeiro trocador de calor, em que o dito primeiro trocador de calor define uma primeira passagem de resfriamento, em que a dita primeira passagem de resfriamento compreende uma primeira entrada de fluido quente e uma primeira saída de fluido frio;
    um segundo ciclo de refrigeração que compreende um segundo trocador de calor, em que o dito segundo trocador de calor define uma segunda passagem de resfriamento e uma
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 15/19
  8. 8/11 segunda passagem de aquecimento, em que a dita segunda passagem de resfriamento compreende uma segunda entrada de fluido quente e uma segunda saída de fluido frio, em que a dita segunda passagem de aquecimento compreende uma segunda entrada de fluido frio e uma segunda saída de fluido quente; e um recipiente de separação de múltiplos estágios compreendendo uma pluralidade de superfícies de transferência de massa, em que o dito recipiente de separação de múltiplos estágios é fluidicamente conectado a uma primeira entrada de fluido, uma saída de vapor superior e uma saída de líquido inferior, em que o dito recipiente de separação de múltiplos estágios é posicionado a jusante da dita primeira passagem de resfriamento do dito primeiro trocador de calor e a montante da dita segunda passagem de aquecimento do dito segundo trocador de calor, em que a dita primeira saída de fluido frio da dita primeira passagem de resfriamento está em comunicação de fluxo fluido com a dita segunda entrada de fluido quente da dita segunda passagem de resfriamento, em que a dita segunda saída de fluido frio da dita segunda passagem de resfriamento está em comunicação de fluxo fluido com a dita primeira entrada de fluido do dito recipiente de separação de múltiplos estágios, e em que a dita saída de vapor superior do dito recipiente de separação de múltiplos estágios está em comunicação de fluxo fluido com a dita segunda entrada de fluido frio da dita segunda passagem de aquecimento.
    23. Instalação, de acordo com a reivindicação 22,
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 16/19
  9. 9/11
    CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, adicionalmente, um compressor de refrigerante que define uma porta de sucção e uma porta de descarga, que compreende, adicionalmente, uma unidade de remoção de nitrogênio (NRU) que define uma entrada de gás de alimentação, uma saída rica em nitrogênio e uma saída com nitrogênio exaurido, em que a dita segunda saída de fluido quente do dito segundo trocador de calor está em comunicação de fluxo fluido com a dita porta de sucção do dito compressor de refrigerante e a dita entrada de gás de alimentação da dita NRU.
    24. Instalação, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita saída com nitrogênio exaurido da dita NRU está em comunicação de fluxo fluido
    com a dita porta de sucção do dito compressor de refrigerante. 25. Instalação, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito primeiro trocador de
    calor ou o dito segundo trocador de calor compreende, adicionalmente, uma terceira passagem de resfriamento que define uma terceira entrada de fluido quente e uma terceira saída de fluido frio, em que o dito recipiente de separação de múltiplos estágios compreende, adicionalmente, uma segunda entrada de fluido, em que a dita porta de descarga do dito compressor de refrigerante está em comunicação de fluxo fluido com a dita terceira entrada de fluido quente da dita terceira passagem de resfriamento, em que a dita terceiro saída de fluido frio da dita terceira passagem de resfriamento está em comunicação de fluxo fluido com a dita segunda entrada de fluido do dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 17/19
  10. 10/11
    26. Instalação, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, adicionalmente, um expansor disposto de maneira fluida entre a dita
    terceira saída de fluido frio da dita terceira passagem de resfriamento e a dita segundo entrada de fluido do dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    27. Instalação, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita segunda entrada de fluido está localizada próximo à parte superior do dito recipiente de separação de múltiplos estágios e é configurada para receber um fluxo de refluxo.
    28. Instalação, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito primeiro trocador de calor compreende, adicionalmente, a dita terceira passagem de resfriamento, em que o dito segundo trocador de calor compreende, adicionalmente, uma quarta passagem de resfriamento que define uma quarta entrada de fluido quente e uma quarta saída de fluido frio, em que a dita terceira saída de fluido frio do dito primeiro trocador de calor está em comunicação de fluxo fluido com a dita quarta entrada de fluido quente do dito segundo trocador de calor, em que a dita quarta saída de fluido frio do dito segundo trocador de calor está em comunicação de fluxo fluido com a dita segunda entrada de fluido do dito recipiente de separação de múltiplos estágios.
    29. Instalação, de acordo com a reivindicação 22, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito primeiro ciclo de refrigeração compreende um ciclo de refrigeração de propano, propileno, etano ou etileno.
    30. Instalação, de acordo com a reivindicação 22,
    Petição 870190082979, de 26/08/2019, pág. 18/19
  11. 11/11
    CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma seção de resfriamento de expansão que define uma entrada de alimenta de líquido e uma saída de gás natural liquefeito (GNL), em que a dita saída de líquido inferior 5 do dito recipiente de separação de múltiplos estágios está em comunicação de fluxo fluido com a dita entrada de alimentação de líquido da dita seção de resfriamento de expansão.
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