Un método para licuar un gas (1) que comprende enfriar una corriente de gas de alimentación sucesivamente a través de al menos dos zonas (310,

311 y 312) de intercambio de calor a sus respectivos intervalos de temperatura para obtener un producto (13) licuado, en el que la refrigeración para enfriar la corriente de alimentación de gas en los citados intervalos de temperatura es proporcionada por los respectivos refrigerantes (117, 213 y 315) que se vaporizan y el refrigerante (315) en el intervalo de temperatura más frío se vaporiza sólo parcialmente en la zona (312) más fría de intercambio de calor y se recircula en un proceso de refrigeración por recirculación que comprende vaporizar más el refrigerante (316) parcialmente vaporizado en una zona (317) de intercambio de calor adicional a temperaturas por encima de la temperatura más alta de la zona (312) de intercambio de calor más fría para formar un refrigerante (318) totalmente vaporizado, comprimir (319, 324) el refrigerante (318) totalmente vaporizado para producir una corriente (328) refrigerante comprimida, y enfriar la corriente (328) refrigerante comprimida para proporcionar el refrigerante (315) más frío, en el que el gas de alimentación no pasa a través de la zona (317) de intercambio de calor adicional, caracterizado porque la citada corriente (328) entera refrigerante comprimida se enfría (i) opcionalmente, en una zona (353) de intercambio de calor que precede a la zona (312) de intercambio de calor más fría, por intercambio (352) indirecto de calor con el refrigerante que se vaporiza de dicha zona (353) precedente de intercambio de calor; (ii) en la zona (317) de intercambio de calor adicional por intercambio (317) indirecto de calor de la corriente (328; 354) refrigerante comprimida opcionalmente enfriada con el refrigerante (316) que se vaporiza de nuevo para proporcionar una corriente (329) refrigerante enfriada, y luego (iii) mediante nuevo enfriamiento (312) de la corriente refrigerante (329) enfriada para obtener el refrigerante (315) más frío, por lo cual el citado proceso de refrigeración por recirculación se auto-refrigera, excepto para cualquier enfriamiento mediante el citado paso (i) de enfriamiento opcional.

Proceso de refrigeración integrado de múltiples circuitos cerrados para la licuación de gases.

Los sistemas de refrigeración de circuitos cerrados múltiples son ampliamente utilizados para la licuación de gases a bajas temperaturas. En la licuación de gas natural, por ejemplo, se pueden integrar dos o tres sistemas de refrigeración en circuito cerrado para proporcionar la refrigeración a intervalos de temperatura sucesivamente más bajos para enfriar y licuar el gas de alimentación. Normalmente, al menos uno de estos sistemas de refrigeración de circuito cerrado utiliza un refrigerante de varios componentes o mixto que proporciona refrigeración en un intervalo de temperatura seleccionado a medida que el líquido refrigerante mixto se vaporiza y enfría el gas de alimentación mediante transferencia indirecta de calor. Son muy conocidos los sistemas que utilizan dos sistemas de refrigerante mixto; en algunas aplicaciones, un tercer sistema refrigerante que utiliza un refrigerante de componente puro como el propano proporciona el enfriamiento inicial del gas de alimentación. Este tercer sistema refrigerante también se puede utilizar para proporcionar una parte del enfriamiento para condensar uno o ambos refrigerantes mixtos después de la compresión. La refrigeración en el intervalo de temperatura más bajo se puede obtener mediante un circuito de expansión de gas que se integra con un circuito de refrigerante mixto que opera en un intervalo de temperatura más alto.

En un proceso de refrigerante mixto típico multicircuito para licuar gas natural, el nivel bajo o circuito de refrigeración más frío proporciona la refrigeración mediante la vaporización en un intervalo de temperatura de -30º C a -165º C para proporcionar la licuación final y el subenfriamiento opcional del gas de alimentación enfriado. El refrigerante se vaporiza completamente en el intervalo de temperatura más frío y se puede devolver directamente al compresor del refrigerante, por ejemplo, como se describe en las patentes representativas U.S. 6.119.479 y 6.253.574 B1. Alternativamente, el refrigerante completamente vaporizado se puede calentar antes de la compresión para proporcionar el enfriamiento previo del gas de alimentación como se describe en las patentes U.S. 4.274.849 y 4.755.200 o para el enfriamiento de las corrientes de refrigerante como se describe en la patente australiana AU-A43943/85. Un rasgo característico común de estos procesos de licuación típicos es que el refrigerante en el nivel bajo o circuito de refrigeración más frío se vaporiza completamente al tiempo que proporciona la refrigeración en el intervalo más bajo de temperatura. Cualquier refrigeración adicional facilitada por el refrigerante antes de la compresión se efectúa así mediante la transferencia de calor sensible procedente del refrigerante vaporizado a otras corrientes de proceso.

En procesos de licuación conocidos que utilizan tres sistemas integrados de refrigeración en circuito cerrado, el tamaño de los equipos de proceso en el sistema tercero o de refrigeración de temperatura más baja puede ser más pequeño con respecto a los dos sistemas de refrigeración más calientes. A medida que la capacidad del proceso de licuación se incrementa, los tamaños de los equipos de compresión y de intercambio de calor en los dos sistemas más calientes alcanzarán los tamaños máximos disponibles por parte de los suministradores de equipos, mientras que los tamaños de los equipos correspondientes en el sistema de refrigeración de más baja temperatura serán más pequeños que los tamaños máximos. Con el fin de incrementar aún más la capacidad de producción de este proceso de licuación, serían necesarios trenes paralelos debido a las limitaciones de tamaño de los equipos de compresión y/o de intercambio de calor en los dos sistemas de refrigeración más calientes.

Sería deseable incrementar la capacidad de producción máxima de este proceso de licuación dentro de los límites de tamaños disponibles de compresor e intercambiador de calor, permitiendo de este modo la utilización de procesos de licuación de un solo tren más grande. Esta necesidad es a la que se enfrenta la presente invención, que proporciona un sistema de refrigeración integrado que incrementa la capacidad de producción sin requerir equipo paralelo duplicado en los sistemas de refrigeración más calientes.

La patente GB-A-1572900, que muestra las características del preámbulo de la reivindicación 1, describe el enfriamiento sucesivo de una corriente de gas de alimentación a través de dos zonas de intercambio de calor a los intervalos de temperatura respectivos para obtener un producto licuado. El calor intercambiado necesario para enfriar la corriente de gas de alimentación a los citados intervalos de temperatura se obtiene a través de las respectivas vaporizaciones de los refrigerantes. El refrigerante en el intervalo de temperatura más fría se evapora al menos en parte al pasar a través del segundo intercambiador de calor. El refrigerante evaporado al menos en parte proporciona el enfriamiento necesario en un tercer intercambiador de calor, en el que se enfría una corriente refrigerante comprimida. El refrigerante que sale del tercer intercambiador de calor se comprime para proporcionar una corriente refrigerante comprimida. Una parte de esta corriente se enfría en el tercer intercambiador de calor y el resto se enfría en el primer intercambiador de calor y la corriente enfriada resultante se alimenta directamente al mismo separador de fase que la corriente enfriada del tercer intercambiador de calor. El enfriamiento de una parte de la corriente refrigerante comprimida en el tercer intercambiador de calor es opcional en la invención de GB-A1572900, pero el enfriamiento de al menos una parte de esta corriente en el primer intercambiador de calor es esencial para la invención.

La patente US-A-4094655 describe un proceso en el que una corriente de gas de alimentación se enfría secuencialmente en cuatro intercambiadores de calor. El enfriamiento necesario se proporciona en los cuatro intercambiadores de calor mediante un circuito incorporado de refrigeración en cascada en el cual una corriente de vapor refrigerante resulta casi completamente condensada y se sobreenfría al pasar a través de los dos últimos intercambiadores de calor. La corriente condensada se expansiona y proporciona entonces el enfriamiento necesario al intercambiador de calor más frío mezclándose antes con una corriente refrigerante expansionada procedente del tercer intercambiador de calor y proporcionando secuencialmente el enfriamiento necesario al tercer intercambiador de calor y algo del enfriamiento necesario al segundo intercambiador de calor. El enfriamiento necesario adicional se proporciona al segundo intercambiador de calor por medio de una corriente refrigerante expansionada de este intercambiador, cuya corriente proporciona después algo del enfriamiento necesario al primer intercambiador de calor. Un circuito de refrigeración de enfriamiento previo separado proporciona el resto del enfriamiento necesario al primer intercambiador de calor. La corriente refrigerante mixta que retorna de los dos últimos intercambiadores de calor se comprime, se mezcla con la corriente refrigerante que retorna del segundo intercambiador de calor y luego es comprimida de nuevo antes de reciclarla hacia el primer intercambiador de calor.

La patente US-A-6250105 describe la licuación de un gas de alimentación en un intercambiador de calor de producto utilizando un refrigerante de bajo nivel enfriado por un refrigerante de alto nivel. Hay intercambiadores de calor periféricos que recuperan la refrigeración a partir de un producto combustible y proporcionan la refrigeración necesaria a la Unidad de Recuperación de Gas Natural Licuado (GNL) . El refrigerante gastado del intercambiador de calor de producto se encuentra en un estado predominantemente gaseoso y continúa para calentarse y vaporizarse en una zona de intercambio de calor del refrigerante. Entonces se comprime, se enfría de forma secuencial en intercambiadores de calor y se expande para obtener el refrigerante más frío. Aunque parte de la refrigeración necesaria en el intercambiador de calor del refrigerante se obtiene por medio del refrigerante de recirculación comprimido, la mayor parte de la refrigeración necesaria se obtiene por medio del refrigerante de alto nivel.

En un aspecto, la presente invención facilita un método para licuar un gas, que consiste en enfriar sucesivamente una corriente de gas de alimentación a través de al menos dos zonas de intercambio de calor en intervalos de temperatura respectivos para proporcionar... [Seguir leyendo]

1. Un método para licuar un gas (1) que comprende enfriar una corriente de gas de alimentación sucesivamente a través de al menos dos zonas (310, 311 y 312) de intercambio de calor a sus respectivos intervalos de temperatura para obtener un producto (13) licuado, en el que la refrigeración para enfriar la corriente de alimentación de gas en los citados intervalos de temperatura es proporcionada por los respectivos refrigerantes (117, 213 y 315) que se vaporizan y el refrigerante (315) en el intervalo de temperatura más frío se vaporiza sólo parcialmente en la zona (312) más fría de intercambio de calor y se recircula en un proceso de refrigeración por recirculación que comprende vaporizar más el refrigerante (316) parcialmente vaporizado en una zona (317) de intercambio de calor adicional a temperaturas por encima de la temperatura más alta de la zona (312) de intercambio de calor más fría para formar un refrigerante (318) totalmente vaporizado, comprimir (319, 324) el refrigerante (318) totalmente vaporizado para producir una corriente (328) refrigerante comprimida, y enfriar la corriente (328) refrigerante comprimida para proporcionar el refrigerante (315) más frío, en el que el gas de alimentación no pasa a través de la zona (317) de intercambio de calor adicional, caracterizado porque la citada corriente (328) entera refrigerante comprimida se enfría (i) opcionalmente, en una zona (353) de intercambio de calor que precede a la zona (312) de intercambio de calor más fría, por intercambio (352) indirecto de calor con el refrigerante que se vaporiza de dicha zona (353) precedente de intercambio de calor; (ii) en la zona (317) de intercambio de calor adicional por intercambio (317) indirecto de calor de la corriente (328; 354) refrigerante comprimida opcionalmente enfriada con el refrigerante (316) que se vaporiza de nuevo para proporcionar una corriente (329) refrigerante enfriada, y luego (iii) mediante nuevo enfriamiento (312) de la corriente refrigerante (329) enfriada para obtener el refrigerante (315) más frío, por lo cual el citado proceso de refrigeración por recirculación se auto-refrigera, excepto para cualquier enfriamiento mediante el citado paso (i) de enfriamiento opcional.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el enfriamiento de la corriente (328) refrigerante comprimida no comprende el paso (i) .

3. El método de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en el que el enfriamiento de la corriente (328; 351) refrigerante comprimida comprende el paso (i) .

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la corriente (1) de gas de alimentación es gas natural.

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el refrigerante en el proceso (315) de refrigeración por recirculación es una mezcla de varios componentes que comprende nitrógeno, i-pentano y npentano, siendo la relación molar entre el i-pentano y el n-pentano en el refrigerante más frío mayor que uno, obteniéndose dicho i-pentano y n-pentano a partir de la corriente (1) de gas de alimentación y siendo la citada relación molar en el refrigerante (315) más frío mayor que la relación molar entre el i-pentano y el n-pentano en la corriente (1) del gas de alimentación.

6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el refrigerante en el proceso (315) de refrigeración por recirculación es una mezcla de varios componentes que comprende nitrógeno, i-pentano y uno o más hidrocarburos que tienen cuatro átomos de carbono, siendo obtenidos el citado i-pentano y uno o más hidrocarburos se obtienen a partir de la corriente (1) del gas de alimentación, y siendo la relación molar entre el ipentano y el uno o más hidrocarburos que tienen cuatro átomos de carbono en el refrigerante (315) más frío mayor que la relación molar entre el i-pentano y uno o más hidrocarburos que tienen cuatro átomos de carbono en la corriente (1) del gas de alimentación.

7. El método de la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en el que le refrigerante (315) más frío comprende (en % molar) el 5-15% de nitrógeno.

3. 60% de metano, 10-30% de etano, 0-10% de propano y 5-15% de i-pentano.

8. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el enfriamiento adicional de la corriente (329) refrigerante enfriada se efectúa por intercambio de calor indirecto con el refrigerante (315) más frío que se vaporiza en la zona (312) de intercambio de calor más fría.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, antes de la vaporización para enfriar la corriente (328; 339) refrigerante comprimida, el refrigerante (316) parcialmente vaporizado se combina con un líquido refrigerante (345) de presión reducida enfriado para proporcionar un refrigerante (347) combinado de dos fases que se vaporiza para enfriar la corriente (328; 339) refrigerante comprimida, siendo el vapor (330) refrigerante comprimido y enfriado (332) para obtener un refrigerante parcialmente condensado, siendo separado el refrigerante parcialmente condensado (333) en una corriente (334) de vapor refrigerante y una corriente (335) de líquido refrigerante, siendo la corriente (334) de vapor refrigerante comprimida (336) y enfriada para formar una corriente parcialmente condensada y siendo separada la corriente parcialmente condensada (338) en el vapor (328; 339) refrigerante comprimido y un líquido refrigerante (340) , siendo reducida la presión del líquido refrigerante (341) para proporcionar un líquido refrigerante (342) de presión reducida, combinándose el líquido refrigerante (342) de presión reducida con la corriente (335) líquida refrigerante para proporcionar un líquido (343) refrigerante combinado, siendo subenfriada la corriente (343) líquida refrigerante combinada por intercambio (344) indirecto de calor con el refrigerante (347) combinado de dos fases y luego reducida de presión para obtener el líquido refrigerante (345) de presión reducida enfriado para combinar con el refrigerante (316) parcialmente vaporizado.

10. Un sistema para licuar una corriente (1) de gas por el método de la reivindicación 1, cuyo sistema comprende:

al menos dos zonas (310, 311 y 312) de intercambio de calor para enfriar la corriente (1) de gas sucesivamente a través de los respectivos intervalos de temperatura para obtener un producto (13) licuado y respectivos sistemas de refrigeración para proporcionar respectivos refrigerantes en las respectivas líneas (117, 213 y 315) de refrigerantes a las zonas (310, 311 y 312) de intercambio de calor, vaporizando la zona (312) de intercambio de calor de temperatura más fría sólo parcialmente el respectivo (es decir, más frío) refrigerante y siendo el sistema de refrigeración que proporciona el refrigerante más frío un sistema de recirculación que comprende:

una zona (317) de intercambio de calor adicional para vaporizar totalmente el refrigerante resultante parcialmente vaporizado a temperaturas por encima de la temperatura más alta de la zona (312) de intercambio de calor más fría, medios (319, 324) de compresión para comprimir el refrigerante vaporizado para obtener la corriente (328) de refrigerante comprimida, medios (318) de tuberías para proporcionar refrigerante vaporizado procedente de la zona (317) de intercambio de calor adicional a los citados medios (319, 324) de compresión, medios (328) de tuberías para proporcionar el refrigerante comprimido a la zona (317) de intercambio de calor adicional,

medios (329) de tuberías para proporcionar un refrigerante comprimido enfriado procedente de la zona (317) de intercambio de calor adicional a la zona (312) de intercambio de calor más fría, y medios para enfriar aún más (356) el refrigerante comprimido enfriado para obtener un refrigerante condensado

caracterizado porque:

el gas de alimentación no pasa a través de la zona de intercambio de calor adicional y los medios (328) de tuberías que proporcionan el refrigerante comprimido a la zona (317) de intercambio de calor adicional transporta toda la corriente (328) de refrigerante comprimida y opcionalmente pasa a través de una zona (353) de intercambio de calor que precede a la zona (312) de intercambio de calor más fría para enfriar todo el refrigerante comprimido mediante intercambio (352) de calor indirecto con el respectivo refrigerante (117) que vaporiza, por lo cual el citado sistema de refrigeración por recirculación que proporciona el proceso de refrigerante más frío se auto-refrigera, excepto para cualquier enfriamiento proporcionado por la citada opción de enfriar en la zona (353) precedente de intercambio de calor.

11. El sistema de la reivindicación 10, en el que:

los medios para enfriar (356) aún más el refrigerante comprimido enfriado para obtener un refrigerante condensado comprenden la zona (312) de intercambio de calor más fría y el sistema comprende además medios (314) de reducción de presión para reducir la presión del refrigerante condensado para proporcionar el refrigerante a la línea (315) de refrigerante para la zona (312) de intercambio de calor más fría.

12. El sistema de la reivindicación 11, en el que la zona (317; 344) de intercambio de calor adicional incluye medios para subenfriar un líquido refrigerante para proporcionar un líquido refrigerante subenfriado y el sistema de refrigeración más frío comprende medios (346) de reducción de presión para reducir la presión del líquido refrigerante subenfriado para proporcionar un refrigerante de presión reducida, y (347) de tuberías para combinar el refrigerante de presión reducida con el refrigerante parcialmente vaporizado procedente de la zona (312) de intercambio de calor más fría para proporcionar una corriente combinada de refrigerante que se vaporiza a la zona (317; 344) de intercambio de calor adicional, en el que la corriente de refrigerante que se vaporiza, combinada, se vaporiza para proporcionar la alimentación de refrigerante vaporizado a los medios (319) de compresión.

13. El sistema de la reivindicación 12, en el que los medios de compresión para comprimir el refrigerante vaporizado procedente de la zona (344) de intercambio de calor adicional comprenden:

un compresor (331) de primera etapa, un intercambiador enfriador (332) para enfriar y condensar parcialmente la primera corriente refrigerante resultante comprimida para producir una primera corriente de refrigerante comprimida parcialmente condensada, un primer separador (333) para separar la primera corriente de refrigerante comprimida parcialmente condensada en una primera corriente de refrigerante vapor y una primera corriente de refrigerante líquida, un compresor (336) de segunda etapa para comprimir la corriente de refrigerante vapor para proporcionar una corriente de refrigerante vapor comprimida, un pos-enfriador (337) para enfriar la corriente de refrigerante vapor comprimida para proporcionar una corriente de refrigerante de dos fases enfriada, un segundo separador (338) para proporcionar una segunda corriente de refrigerante líquida y el refrigerante comprimido a los medios (328) de tuberías para alimentar la zona (317) de intercambio de calor adicional, medios (341) de reducción de presión para reducir la presión de la segunda corriente de refrigerante líquida para proporcionar una segunda corriente de refrigerante líquida de presión reducida, y medios (335, 342, 343) de tuberías para combinar la segunda corriente de refrigerante líquida de presión reducida y la primera corriente de refrigerante líquida para proporcionar el líquido refrigerante a la zona (344) de intercambio de calor adicional.

14. El sistema de la reivindicación 10 para licuar una corriente (1) de gas mediante el método de la reivindicación 4, en el que el sistema de refrigeración más frío comprende:

medios (348) de tuberías para proporcionar refrigerante vaporizado procedente de la zona (317; 355) de intercambio de calor adicional a medios (349) de compresión para comprimir un refrigerante vaporizado para proporcionar un refrigerante comprimido, medios (352) de enfriamiento en una zona (353) de intercambio de calor que precede a la zona (312) de intercambio de calor más fría para enfriar el refrigerante comprimido por intercambio de calor indirecto con el refrigerante respectivo que vaporiza en la citada zona (353) de intercambio de calor para proporcionar un refrigerante comprimido enfriado, medios de tuberías para proporcionar el refrigerante comprimido enfriado a la zona (317; 355) de intercambio de calor adicional para enfriar aún más el refrigerante comprimido enfriado por intercambio de calor indirecto con el refrigerante que se vaporiza procedente de la zona (312) de intercambio de calor más fría para proporcionar el tercer refrigerante vaporizado y un refrigerante comprimido más enfriado, medios para enfriar (356) aún más el refrigerante comprimido enfriado en la zona (312) de intercambio de calor más fría para proporcionar un refrigerante condensado, y medios (314) de reducción de presión para reducir la presión del refrigerante condensado para proporcionar el refrigerante a la línea (315) de refrigerante a la zona (312) de intercambio de calor más fría.