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

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

311 y 312) de intercambio de calor a respectivos, primero, segundo y tercero intervalos de temperatura para obtener un producto (13) licuado, en el que la refrigeración para enfriar la corriente de gas de alimentación en el primer intervalo de temperatura es proporcionada por un primer refrigerante (117) de vaporización; la refrigeración para enfriar la corriente en el segundo intervalo de temperatura es facilitada por un segundo refrigerante (213) de vaporización y la refrigeración para enfriar la corriente en el tercer intervalo de temperatura es facilitada por un tercer refrigerante (315) de vaporización, en el que se proporciona un refrigerante adicional mediante la vaporización (357, 379), a temperaturas por encima de la temperatura más baja en la segunda zona (315) de intercambio de calor, de un refrigerante auxiliar (373, 377) caracterizado porque dicho refrigerante auxiliar es un derivado de dicho tercer refrigerante (315) de vaporización vaporizado en la tercera y más fría zona (312) de intercambio de calor y porque dicho primer, segundo y tercer refrigerantes son de diferentes composiciones entre sí.

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 entre alrededor de -30º C a alrededor de -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-A- 43943/85. 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.

El documento US-A-4112700 describe la licuación de gas natural mediante un proceso en el cual el refrigerante que tiene que ser vaporizado en la zona de intercambio de calor más fría es enfriado en zonas de intercambio de calor proporcionando el enfriamiento de nivel más bajo del gas natural y luego en una zona auxiliar de intercambio de calor en el cual se vaporiza una parte del refrigerante.

El documento US-A-4057972 describe con referencia a la Figura 4, la licuación de gas natural utilizando tres zonas de intercambio de calor de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 10. En la primera y segunda zonas, la alimentación de gas natural es enfriada mediante la vaporización de propano a diferentes presiones; siendo la presión en la segunda zona más alta que en la primera zona. Las corrientes de propano vaporizado desde esas zonas son comprimidas y condensadas para proporcionar una corriente única de refrigerante líquido desde el cual la carga de refrigeración es rechazada al aire o al agua antes de la separación en corrientes de refrigerante respectivas para descargar a ráfagas en la primera y segunda zonas. La primera zona enfría el gas de alimentación por debajo de aproximadamente los 21º C (70º F) antes del secado y la segunda zona elimina los carbonos pesados del gas de alimentación seco enfriándolo por debajo de aproximadamente –40º C (-40º F) . El gas de alimentación libre de hidrocarbonos es posteriormente licuado en la tercera zona mediante la vaporización de la fracción más ligera de un refrigerante de varios componentes o multicomponente (MCR) . La tercera zona está situada en el extremo frío de un intercambiador de calor en cascada de MCR, que funciona independientemente del ciclo de refrigerante que incorpore la primera y segunda zonas. Las corrientes de MCR conteniendo la fracción más ligera son enfriados en partes más calientes del intercambiador de calor en cascada mediante la vaporización de las fracciones MRC más pesadas.

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.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN Esta necesidad es a la que se enfrenta las realizaciones de la presente invención, que se refiere a sistemas de refrigeración integrados que incrementan la capacidad de producción sin requerir equipo paralelo duplicado en los sistemas de refrigeración más calientes.

La invención proporciona un método para licuar un gas, que comprende enfriar sucesivamente una corriente de gas de alimentación a través de un primero, un segundo y un tercero intervalo de temperatura para proporcionar un producto licuado, en el que la refrigeración para enfriar la corriente del gas de alimentación en el primer intervalo de temperatura es facilitado por un primer refrigerante de vaporización. La refrigeración para enfriar la corriente en el segundo intervalo de temperatura es facilitado por un segundo refrigerante de vaporización, y la refrigeración para enfriar la corriente en el tercer intervalo de temperatura es facilitado por un tercer refrigerante de vaporización, dichos primero, segundo y tercero refrigerantes siendo de diferentes composiciones entre sí, y además en el que un refrigerante auxiliar derivado del tercer refrigerante de vaporización proporciona refrigeración adicional mediante la vaporización a temperatura por encima de la temperatura más baja en el segundo intervalo de temperatura.

El refrigerante auxiliar puede ser una segunda porción del tercer refrigerante vaporizado a una presión diferente.

La primera presión puede ser más baja que la segunda presión. El primer refrigerante puede ser un refrigerante de componente único, el segundo y tercer refrigerantes pueden ser refrigerantes de varios componentes. El primer intervalo de temperatura puede estar entre los 35º C y los -70º C, el segundo intervalo de temperatura puede estar entre los 0º C y los -140º C, y el tercer intervalo de temperatura puede estar entre las temperaturas de los -90º C y los -165º C. La corriente de gas de alimentación puede ser gas natural.

El tercer refrigerante puede ser facilitado mediante:

(1) Compresión y enfriamiento de un refrigerante vaporizado para proporcionar un refrigerante comprimido intermedio;

(2) Combinación del refrigerante comprimido intermedio con un refrigerante vaporizado adicional para proporcionar un refrigerante intermedio combinado;

(3) Compresión y enfriamiento del refrigerante intermedio combinado para proporcionar un refrigerante comprimido enfriado; y

(4) Enfriamiento y condensación adicional del refrigerante comprimido enfriado para proporcionar el tercer refrigerante,... [Seguir leyendo]

1. Un método para licuar un gas (1) que comprende enfriar una corriente de gas de alimentación sucesivamente a través de tres zonas (310, 311 y 312) de intercambio de calor a respectivos, primero, segundo y tercero intervalos de temperatura para obtener un producto (13) licuado, en el que la refrigeración para enfriar la corriente de gas de alimentación en el primer intervalo de temperatura es proporcionada por un primer refrigerante (117) de vaporización; la refrigeración para enfriar la corriente en el segundo intervalo de temperatura es facilitada por un segundo refrigerante (213) de vaporización y la refrigeración para enfriar la corriente en el tercer intervalo de temperatura es facilitada por un tercer refrigerante (315) de vaporización, en el que se proporciona un refrigerante adicional mediante la vaporización (357, 379) , a temperaturas por encima de la temperatura más baja en la segunda zona (315) de intercambio de calor, de un refrigerante auxiliar (373, 377) caracterizado porque dicho refrigerante auxiliar es un derivado de dicho tercer refrigerante (315) de vaporización vaporizado en la tercera y más fría zona (312) de intercambio de calor y porque dicho primer, segundo y tercer refrigerantes son de diferentes composiciones entre sí.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el refrigerante auxiliar (373) es de la misma composición que el refrigerante (315) vaporizado en la zona (312) de intercambio de calor más fría, pero es vaporizada (357) a una diferente presión.

3. El método de la reivindicación 2, en el que el refrigerante (315) para la zona (312) de intercambio de calor más fría es facilitado mediante:

(1) compresión (359) y enfriamiento (363) de un refrigerante vaporizado (316) para proporcionar un refrigerante

(365) comprimido intermedio:

(2) combinación del refrigerante comprimido intermedio (363) con el refrigerante auxiliar (367) vaporizado para proporcionar un refrigerante intermedio combinado;

(3) compresión (319) y enfriamiento (320) del refrigerante intermedio combinado para proporcionar un refrigerante comprimido (328) enfriado; y

(4) enfriamiento y condensación (357) adicionales del refrigerante comprimido enfriado (328) mediante el intercambio de calor indirecto con refrigerante auxiliar de vaporización (373) para proporcionar el refrigerante combinado (369) , una parte (329) del cual proporciona el refrigerante (315) para dicha zona

(312) de intercambio de calor más fría y otra porción del cual proporciona el refrigerante auxiliar (373) .

4. El método de la reivindicación 1, en el que el refrigerante auxiliar (377) es de una composición diferente del refrigerante (315) vaporizado en la zona (312) de intercambio de calor más fría.

5. El método de la reivindicación 4, en el que el refrigerante auxiliar (377) es facilitado mediante:

(1) vaporización parcial o completa del refrigerante (315) en la zona (312) de intercambio de calor más fría para proporcionar un refrigerante calentado (316) vaporizado parcial o totalmente; y

(2) combinación del refrigerante calentado con un refrigerante de presión reducida (375) enfriado para proporcionar el refrigerante auxiliar (377) ;

y en el que dicho refrigerante de presión reducida enfriado es facilitado mediante

(3) vaporización (379) del refrigerante auxiliar (377) para obtener un refrigerante auxiliar vaporizado (381) ;

(4) compresión (319) y enfriamiento (320) del refrigerante auxiliar vaporizado para proporcionar un refrigerante auxiliar (328) parcialmente condensado, comprimido enfriado;

(5) separación (330) del refrigerante auxiliar (328) parcialmente condensado, comprimido enfriado en una fracción líquida (383) y en una fracción de vapor (385) :

(6) enfriamiento adicional de la fracción líquida (383) mediante el intercambio de calor indirecto (379) con el refrigerante auxiliar de vaporización (377) para proporcionar un refrigerante líquido enfriado (389) ; y

(7) reducción de la presión (375) del refrigerante líquido enfriado (389) para proporcionar el refrigerante (375) de presión reducida enfriado.

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

7. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer refrigerante es un refrigerante simple o de varios componentes, y el segundo y tercer refrigerantes son respectivamente refrigerante de varios componentes.

8. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primero, segundo y tercer sistemas de refrigeración son sistemas de circuito cerrado independientes.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera zona (310) de intercambio de calor enfría la corriente del gas de alimentación a entre -35º C y -55º C, dicha segunda zona (311) de intercambio de calor enfría la corriente de gas de alimentación a entre -40º C y -100º, y dicha tercera zona (312) de intercambio de calor enfría la corriente de gas de alimentación a entre -82º C y -160º C.

10. Un sistema para licuar una corriente (1) de gas por el método de la reivindicación 1, dicho sistema comprende tres intercambiadores de calor (310, 311 y 312) para enfriar la corriente (1) de gas sucesivamente a través de primero, segundo y tercer intervalos de temperatura respectivos para obtener un producto (13) licuado; respectivos sistemas de refrigeración para proporcionar respectivos primero, segundo y tercer refrigerantes (117, 213 y 315) a dichos intercambiadores de calor (310, 311 y 312) , y un intercambiador de calor adicional (357; 379) para la vaporización, a temperaturas por encima de la temperatura más baja del segundo intercambiador de calor (311) , caracterizado porque dicho refrigerante auxiliar es un refrigerante auxiliar (373, 377) derivado de dicho tercer refrigerante (315) vaporizado en el tercero y más frío intercambiador de calor (312) , y porque los sistemas de refrigeración respectivos están para proporcionar respectivos primero, segundo y tercer refrigerantes (117, 213 y 315) de composiciones diferentes entre sí a dichos tres intercambiadores de calor (310, 311 y 312) .

11. El sistema de la reivindicación 10, en el que el refrigerante auxiliar (373) es de la misma composición que el refrigerante (315) vaporizado en el intercambiador de calor (312) más frío pero se vaporiza en dicho intercambiador de calor adicional (357) a una presión diferente.

12. El sistema de la reivindicación 10 ó de la reivindicación 11, que comprende medios para comprimir (359) y enfriar (363) un refrigerante vaporizado (316) para proporcionar un refrigerante comprimido intermedio (365) ; medios para combinar el refrigerante intermedio (363) comprimido con el refrigerante auxiliar (367) vaporizado para proporcionar un refrigerante intermedio combinado; y medios para comprimir (319) y enfriar (320) el refrigerante intermedio combinado para proporcionar un refrigerante comprimido (328) enfriado; y en el que dichos medios de intercambio de calor adicional (357) además enfría y condensa el refrigerante comprimido (328) enfriado mediante intercambio de calor indirecto con refrigerante auxiliar (373) de vaporización para proporcionar un refrigerante combinado (369) , una parte (329) del cual facilita el refrigerante (315) para el intercambiador de calor (312) más frío y otra parte del cual facilita el refrigerante auxiliar (373) .

13. El sistema de la reivindicación 10 ó de la reivindicación 11, en el que el refrigerante auxiliar (377) se vaporiza en dicho intercambiador de calor adicional para obtener un refrigerante auxiliar (381) vaporizado y el sistema comprende:

medios para combinar refrigerante (316) calentado vaporizado parcial o completamente desde el intercambiador de calor (312) más frío con un refrigerante (375) de presión reducida enfriado para proporcionar el refrigerante auxiliar (377) ; medios para comprimir (319) y enfriar (320) el refrigerante auxiliar vaporizado para proporcionar un refrigerante auxiliar (328) parcialmente condensado comprimido enfriado; medios para separar (330) el refrigerante auxiliar (328) parcialmente condensado, comprimido enfriado en una fracción de líquido (383) y en una fracción de vapor (385) : medios para además enfriar la fracción de líquido (383) mediante intercambio de calor indirecto (379) con el refrigerante auxiliar (377) de vaporización para proporcionar un refrigerante líquido enfriado (389) ; y medios (375) para reducir la presión del refrigerante líquido enfriado (389) para proporcionar el refrigerante (375) de presión reducida enfriado.