Повышение эффективности каскадного способа охлаждения открытого цикла

Повышение эффективности каскадного способа охлаждения открытого цикла

Реферат

 

Ожижение потока природного газа производится посредством охлаждения каскадом замкнутых холодильных циклов с различными хладагентами. В последовательности циклов каскада первым используется цикл, хладагент которого имеет самую высокую температуру кипения. За ним следует цикл с хладагентом, имеющим промежуточную температуру кипения, и затем следует цикл с хладагентом, имеющим самую низкую температуру кипения. Для повышения КПД цикла охлаждения создают два или более обратных потока различных температур, которые затем соединяют с главным потоком обрабатываемого природного газа. 4 с. и 25 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Настоящее изобретение касается способа и устройства для повышения коэффициента полезного действия (КПД) каскадного процесса охлаждения открытого цикла, используемых для охлаждения потока природного газа.

Криогенное ожижение обычно газообразных материалов используют для целей разделения, очистки, хранения компонентов и для транспортирования упомянутых компонентов в более экономичной и удобной форме. Большинство таких систем ожижения имеют много общих операций не зависимо от вовлекаемых газов и, следовательно, имеют много одинаковых проблем. Одна общая проблема в таких процессах ожижения состоит в наличии термодинамической необратимости в различных циклах охлаждения, которая снижает производительность процесса до уровней, значительно ниже теоретически возможных. В соответствии с этим настоящее изобретение будет описано с конкретной ссылкой на обработку природного газа, но оно применимо к другим газовым системам, в которых используется открытый цикл ожижения, и таким циклом создается ожиженный продукт.

Обычная практика в технике обработки природного газа состоит в воздействии на газ криогенной обработкой с целью выделения из природного газа углеводородов, имеющих молекулярный вес выше молекулярного веса метана (C₂₊), создавая тем самым трубопроводный газ с преобладанием метана, и поток C₂₊, полезный для других целей. Часто поток C₂₊ разделяют на потоки отдельных компонентов, например C₂, C₃, C₄ и C₅₊.

Обычно на практике используют также криогенную обработку природного газа с целью ожижения его для транспортирования и хранения. Основная причина ожижения природного газа состоит в том, что ожижение приводит к уменьшению объема примерно в соотношении 1/600, обеспечивая тем самым возможность хранить и транспортировать ожиженный газ в контейнерах более экономичной и практичной конструкции. Например, когда газ транспортируют по трубопроводу от источника подачи к удаленному рынку, желательно, чтобы трубопровод работал, по существу, с постоянным и высоким коэффициентом нагрузки. Часто производительность или мощность трубопровода превышает потребность, тогда как в другое время потребность может превышать производительность трубопровода. Чтобы сгладить пики, когда потребность превышает подачу, желательно хранить избыточный газ таким образом, чтобы его можно было подавать, когда подачу превышает потребность, позволяя тем самым удовлетворять дополнительные пики в потреблении подачей материала из хранилища. Один практический способ выполнения этого состоит в преобразовании газа в ожиженное состояние для хранения и затем испарения жидкости, когда потребуется потребление.

Ожижение природного газа имеет даже более важное значение при осуществлении возможного транспортирования газа от источника снабжения к рынку, когда источник и рынок отделены большими расстояниями, а трубопроводы отсутствуют или не применяются на практике. Это, в частности, справедливо, когда транспортирование следует осуществлять посредством морских судов. Судовое транспортирование в газообразном состоянии обычно не практикуется из-за того, что требуется создание существенного давления с целью значительного уменьшения удельного объема газа, что в свою очередь требует использования более дорогостоящих резервуаров хранения.

Чтобы хранить и транспортировать природный газ в жидком состоянии, природный газ предпочтительно ожижают до температуры от -240^oF до -260^oF (от -151,11^oC до -162,22^oC), когда он обретает почти атмосферное давление пара. В известной технике существуют различные системы для ожижения природного газа или аналогичного вещества, в котором газ ожижают посредством последовательного пропускания газа под повышенным давлением через множество ступеней ожижения, после чего газ охлаждается до последовательно более низких температур, пока не будет достигнута температура ожижения. Охлаждение обычно выполняют посредством теплообменника с одним или более хладагентами, такими как пропан, пропилен, этан, этилен и метан. В технике хладагенты часто располагают каскадным способом, и каждый хладагент используют в замкнутом цикле охлаждения.

При нахождении конденсированной жидкости под повышенным давлением дальнейшее охлаждение возможно посредством расширения ожиженного природного газа до атмосферного давления в одной или более ступенях расширения. В каждой ступени ожиженный газ быстро испаряется до более низкого давления, создавая тем самым двухфазную газожидкостную смесь на значительно более низкой температуре. Жидкость восстанавливается и может снова мгновенно испаряться. Таким образом, ожиженный газ дополнительно охлаждается до температуры хранения или транспортирования, подходящей для хранения ожиженного газа при почти атмосферном давлении. При этом расширении до почти атмосферного давления быстро испаряются значительные объемы ожиженного газа. Пары быстрого испарения из ступеней расширения обычно собирают и рециркулируют с целью ожижения или использования в качестве топливного газа для вырабатывания энергии.

При так называемом открытом цикле окончательный цикл охлаждения состоит из быстрого охлаждения ожиженного продукта отдельными этапами, используя пары быстрого испарения для охлаждения, повторного сжатия большей части паров быстрого испарения, охлаждения упомянутого потока газа под давлением и возвращением охлажденного газа под давлением к технологическому процессу ожижения для его ожижения. В связанных процессах теплообмена можно уменьшить термодинамическую необратимость посредством снижения температурных градиентов между текучими средами, подвергающимися теплообмену. Это обычно требует прохождения в противотоке текучих сред через теплообменники, значительных величин площади переноса тепла и выбора скоростей потока и температур для потоков, подвергающихся теплообмену, которые обеспечивают эффективный перенос тепла. С точки зрения перспективы расходов расходы, связанные с потерей термодинамического коэффициента полезного действия (КПД), часто уравновешиваются в зависимости от дополнительной величины капитальных затрат на дополнительную площадь переноса тепла, трубопроводы и другие элементы, которые повышают термодинамические КПД. В течение многих лет проводился поиск новых и эффективных в отношении стоимости средств для увеличения термодинамического КПД процесса охлаждения с каскадным открытым циклом.

Настоящее изобретение обеспечивает способ увеличения КПД процесса в каскадном процессе охлаждения открытого цикла посредством увеличения эффективности замкнутого цикла охлаждения сразу же выше по потоку открытого цикла охлаждения.

Изобретение также обеспечивает способ, в котором охлаждение замкнутого цикла непосредственно выше по потоку открытого цикла каскадного процесса охлаждения открытого цикла видоизменено посредством увеличения относительной нагрузки в упомянутом цикле до камеры охлаждения ступени высокого давления и снижения режима охлаждения до конденсатора ступени низкого давления.

Изобретение также обеспечивает способ и соответственное устройство для увеличения КПД технологического процесса, которое является простым, компактным и рентабельным.

Изобретение далее обеспечивает способ и устройство для увеличения КПД технологического процесса, которые легко используют имеющиеся компоненты и требуют минимальных модификаций существующих методов искусственного охлаждения и коммерчески используемого устройства.

В одном варианте этого изобретения раскрыт усовершенствованный способ каскадного охлаждения открытого цикла для ожижения основной части потока газа под давлением, содержащий этапы: (а) охлаждения потока газа под давлением открытого цикла посредством противотока или в общем переноса тепла противотоком с одним или более потоками пара быстрого испарения открытого цикла до первой температуры, (b) разделения упомянутого охлажденного потока сжатого газа открытого цикла на первый охлажденный поток повторного цикла и второй поток, (с) объединения первого охлажденного потока повторного цикла с потоком газа под давлением непосредственно выше по потоку первой ступени охлаждения в замкнутом цикле охлаждения, d) охлаждения, соответственного этапу (с) потока газа, посредством прохождения по меньшей мере через одну ступень искусственного охлаждения, (е) дополнительного охлаждения второго потока посредством противотока или в общем переноса тепла противотоком одним или более потоками пара быстрого испарения открытого цикла до второй температуры, создавая тем самым второй охлажденный поток рециркуляции, (f) объединения второго охлажденного потока рециркуляции с соответствующим этапу (d) потоком газа, но выше по потоку ступени искусственного охлаждения, в котором поток большей частью ожижается.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения раскрыто устройство для эффективного охлаждения потока под давлением открытого цикла перед объединением с потоком исходного газа под давлением в каскадном способе охлаждения открытого цикла, содержащее: (а) средство косвенного теплообмена в связи по потоку с наружной частью компрессора открытого цикла, (b) по меньшей мере одно средство переноса косвенного теплообмена, соединенное с трубопроводом возврата потока газа быстрого охлаждения открытого цикла, в котором средство находится в непосредственной близости к соответствующему пункту (а) элемента, чтобы обеспечить теплообмен между двумя средствами, и упомянутые средства расположены для обеспечения потока противотока или, в общем, противотока соответственных текучих сред, подаваемых в трубопровод, (с) трубопровод, подсоединенный в местоположении рядом с соответствующим пункту (а) средством косвенного теплообмена, и в котором трубопровод находится в связи по потоку с трубопроводом, подающим поток газа под давлением к первой ступени охлаждения в замкнутом цикле охлаждения, или трубопровод находится в прямой связи по потоку с первой ступенью охлаждения, к которой также подается поток газа под давлением, и (d) трубопровод, подсоединенный к выходному концу соответственного пункту (а) первого средства косвенного теплообмена, в котором трубопровод подсоединен к трубопроводу, несущему поток газа под давлением, в некотором местоположении ниже по потоку первой ступени охлаждения.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет упрощенную блок-схему процесса криогенного производства охлажденного природного газа (ОПГ), которая иллюстрирует соответствующие изобретению способ и устройство.

Фиг. 2 представляет кривую охлаждения, которая иллюстрирует тесное сближение температур нагрева и охлаждения текучей среды в основном экономайзере метана, которое делает возможным настоящее изобретение.

Фиг. 3 представляет кривую охлаждения, которая иллюстрирует сближение температур нагревания и охлаждения текучей среды в основном экономайзере метана, использующем способ открытого цикла, предлагаемый в известной технике.

Хотя настоящее изобретение применимо для повышения КПД способа в каскадных процессах охлаждения, в которых используется конечный открытый цикл, когда такие процессы используются для криогенной обработки газа, последующее описание для целей простоты и четкости осуществляет конкретную ссылку на криогенное охлаждение потока природного газа для производства ожиженного природного газа. Однако проблемы, связанные с менее чем требуемыми КПД технологического процесса, являются общими для всего криогенного процесса, использующего открытый цикл.

Используемый здесь термин "каскадный способ охлаждения открытого цикла" касается каскадного способа охлаждения, использующего по меньшей мере один замкнутый цикл охлаждения и один открытый цикл, в котором точка кипения хладагента-охладителя в открытом цикле ниже точки кипения агента или агентов охлаждения, используемых в замкнутом цикле или циклах, и часть режима охлаждения для конденсирования сжатого хладагента/агента охлаждения открытого цикла обеспечивается одним или более замкнутыми циклами.

Как отмечено в части, касающейся предпосылок создания изобретения, конструкция каскадного способа охлаждения включает балансирование термодинамических КПД и капитальных затрат. В процессах переноса тепла динамическая необратимость снижается по мере постепенного уменьшения температурных градиентов между нагревающей и охлаждающей текучими средами, но получающиеся маленькие температурные градиенты обычно требуют значительных расширений величины площади переноса тепла и основных модификаций различного оборудования технологического процесса и надлежащего выбора скоростей потока через такое оборудование, чтобы гарантировать, что скорости потока и подход к решению, а также выходные температуры оказались сопоставимыми с требуемым режимом нагрева-охлаждения. При обработке потока природного газа настоящее изобретение обеспечивает простое рентабельное средство для значительного снижения температурных градиентов между потоком сжатого, основанного на метане газа открытого цикла (то есть потока рециркуляции), и потоками пара быстрого испарения от быстрого испарения ОПГ, вследствие этого приводя к значительному снижению потребностей энергии замкнутого цикла непосредственно выше по потоку открытого цикла, и более того, полезно сдвигая режимы охлаждения в таком замкнутом цикле к предшествующей ступени либо ступени или ступеням более высокой температуры.

Ожижение потока природного газа Криогенные установки имеют разнообразные формы; наиболее действенной и эффективной является оптимизированная работа каскадного типа, и этот оптимизированный тип сочетается с охлаждением расширяющего типа. Кроме того, поскольку способы производства ожиженного природного газа (ОПГ) включают в себя выделение углеводородов более высокого молекулярного веса, чем метан, в качестве первой его части описание установки для криогенного производства ОПГ эффективно объясняет аналогичную установку для удаления углеводородов С₂₊ из потока природного газа.

В предпочтительном варианте осуществления изобретение касается последовательного охлаждения потока природного газа при повышенном давлении, например, порядка 650 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления (ф/д² ад) (448,2 10⁴Па) путем последовательного охлаждения потока газа посредством прохождения через многоступенчатый пропановый цикл, многоступенчатый этановый или этиленовый цикл и метановый цикл открытого конца, который использует часть исходного газа в качестве источника метана и который включает в себя многоступенчатый цикл расширения для дальнейшего его охлаждения и уменьшения давления до близкого к атмосферному. В последовательности циклов охлаждения первым используется хладагент, имеющий самую высокую точку кипения, за которым следует хладагент, имеющий промежуточную точку кипения, и, наконец, хладагент, имеющий самую низкую точку кипения.

Этапы предварительной обработки обеспечивают средство для удаления нежелательных компонентов, таких как кислые газы, меркаптан, ртуть и влагу, из исходного потока природного газа, подаваемого на оборудование. Состав этого газового потока может существенно изменяться. Используемый здесь поток природного газа представляет собой любой поток, главным образом, содержащий метан, который получается большей частью из потока исходного природного газа типа исходного потока, например, содержащего по меньшей мере 85% по объему, где балансирование осуществляется этаном, высокими углеродами, азотом, двуокисью углерода и незначительными количествами других загрязняющих веществ типа ртути, сероводорода и меркаптина. Этапы предварительной обработки могут быть отдельными этапами, расположенными либо выше по потоку охлаждающих циклов или расположенными ниже по потоку одной из ранних ступеней охлаждения в первоначальном цикле. Ниже приводится невключающее перечисление некоторых из имеющихся средств, которые легко доступны специалистам в данной области техники. Кислые газы и (в меньшей степени) меркаптан регулярно удаляются посредством процесса сорбции, использующего водный раствор, содержащий амин. Этот этап обработки обычно выполняется выше по потоку охлаждающих ступеней в начальном цикле. Основная часть воды регулярно удаляется в виде жидкости посредством двухфазного газожидкостного разделения после сжатия газа и охлаждения выше по потоку первоначального цикла охлаждения, а также ниже по потоку первой ступени охлаждения в первоначальном цикле охлаждения. Ртуть периодически удаляется посредством слоев сорбента ртути. Остаточные количества воды и кислых газов систематически удаляются посредством использования правильно выбранных слоев сорбента типа регенерируемых молекулярных сит. Технологические процессы, в которых используются слои сорбента, как правило, располагают ниже по потоку первой ступени охлаждения в первоначальном цикле охлаждения.

Природный газ обычно в технологический процесс охлаждения подают при повышенном давлении или сжимают до повышенного давления, и это давление больше 500 ф/д² ад (344,710⁴ Па), предпочтительно от 500 ф/д²ад (344,710⁴ Па), примерно до 900 ф/д² ад (620,510⁴ Па) и более предпочтительно от примерно 600 ф/д² ад (413,710⁴Па) до примерно 675 ф/д² ад (496,410⁴ Па) и еще более предпочтительно 650 ф/д² ад (448,210⁴ Па). Температура потока обычно равна от примерно температуры окружающей среды до несколько выше температуры окружающей среды. Типичный диапазон температур составляет от 60^oF (15,6^oC) до 120^oF (48,9^oC).

Как отмечалось выше, поток природного газа охлаждается в большом количестве многоступенчатых (например, трехступенчатых) циклов или этапов посредством косвенного теплообмена с большим количеством (предпочтительно с тремя) хладагентов. Общая хладопроизводительность для данного цикла увеличивается с увеличением количества ступеней, но это увеличение производительности сопровождается соответствующим увеличением чистых капитальных затрат и сложности технологического процесса. Исходный газ предпочтительно пропускают через эффективное количество ступеней охлаждения, номинально равное 2, предпочтительно равное от двух до четырех и более предпочтительно - трем ступеням, где в первом замкнутом цикле охлаждения используется хладагент со сравнительно высокой точкой кипения. Такой хладагент предпочтительно состоит в основном из пропана, пропилена, их смесей, более предпочтительно из пропана и более предпочтительно хладагент состоит, по существу, из пропана. После этого обработанный исходный газ проходит через эффективное количество ступеней, номинально через две, предпочтительно через две-четыре, и более предпочтительно - через две или три, во втором замкнутом цикле охлаждения при теплообмене с хладагентом, имеющим более низкую точку кипения.

Такой хладагент предпочтительно состоит в основном из этана, этилена или их смесей, более предпочтительно из этилена и еще более предпочтительно хладагент состоит, по существу, из этилена. Каждая ступень охлаждения содержит отдельную зону охлаждения.

Обычно исходный природный газ содержит такое количество составляющих С₂₊, которое может привести к образованию богатой С₂₊ жидкости в одной или более ступенях охлаждения. Эта жидкость удаляется с помощью средства газожидкостного разделения, предпочтительно с помощью одного или более обычных газожидкостных разделителей. Как правило, последовательным охлаждением природного газа в каждой ступени управляют так, чтобы удалить как можно больше С₂ и углеводородов с более высоким молекулярным весом из газа с целью создания газового потока, преобладающего в метане, и потоки жидкости, содержащей значительные количества этана и более тяжелых компонентов. Эффективное количество средств разделения газа и жидкости располагают в важных местоположениях ниже по потоку зон охлаждения для удаления потоков жидкостей, богатых компонентами С₂₊. Точные местоположения и количество средств разделения газа и жидкости, предпочтительно обычных средств разделения газа и жидкости, будет зависеть от количества рабочих параметров, таких как состав С₂₊ потока исходного природного газа, требуемое содержание британских тепловых единиц (БТЕ) продукта ОПГ, значения составляющих С₂₊ для других применений и другие факторы, регулярно рассматриваемые специалистами в области работы установок ОПГ и газовых установок. Поток или потоки углеводородов С₂₊ можно демонстрировать посредством быстрого испарения одной ступени или фракционирующей колонны. О последнем случае - богатый метаном поток можно непосредственно вернуть под давлением в процесс ожижения. В первом случае богатый метаном поток можно подвергнуть повторному сжатию или повторному циклу либо можно использовать в качестве топливного газа. Поток или потоки углеводородов C₂₊, или деметанизированный поток углеводородов С₂₊ можно использовать в качестве топлива либо можно дополнительно обработать, например, посредством фракционирования в одной или более зонах фракционирования для создания отдельных потоков, богатых определенными химическими компонентами (например, C₂, C₃, С₄ и С₅₊). В последней ступени второго цикла охлаждения газовый поток, в котором преобладает метан, большей частью, предпочтительно полностью конденсирует (то есть ожижается). Давление технологического процесса в этом местоположении только несколько ниже давления исходного газа для первой ступени первого цикла.

Затем поток ожиженного природного газа дополнительно охлаждается на третьем этапе или в открытом цикле посредством соприкосновения в основном экономайзере метана с газами быстрого испарения, вырабатываемыми на этом третьем этапе, способом, который будет описан ниже, и последующего расширения потока ожиженного газа до почти атмосферного давления. Во время этого расширения ожиженный продукт охлаждения расширяется посредством по меньшей мере одного, предпочтительно двух-четырех и более предпочтительно трех расширений, где каждое расширение используется в качестве средства снижения давления, либо регулирующими вентилями Джоуля-Томсона, либо гидравлическими расширителями. После расширения следует разделение газожидкостного продукта разделителями. Если используется гидравлический расширитель и он правильно функционирует, то чем выше коэффициент полезного действия, связанный с регенерацией мощности, тем больше снижение температуры потока, и производство меньшего количества пара во время этапа быстрого испарения часто оказывается больше, чем возмещение более высоких капитальных затрат и эксплуатационных затрат, связанных с расширителем. В одном варианте осуществления обеспечивается возможность дополнительного охлаждения ожиженного продукта высокого давления перед быстрым испарением посредством вначале быстрого испарения части этого потока с помощью одного или более гидравлических расширителей и затем средства косвенного теплообмена, использующего упомянутый быстро испаряемый поток с целью охлаждения ожиженного потока высокого давления перед быстрым испарением. Затем создаваемый быстрым испарением поток рециркулирует посредством возврата в соответственное местоположение, на основании соображений температуры и давления, в открытом метановом цикле, и наконец, будет повторно сжат. Используемое здесь выражение "поток открытого метанового цикла" касается потока, который преимущественно является метаном и появляется в основной части из паров быстрого испарения ожиженного продукта, а открытый метановый цикл относится к открытому циклу, использующему упомянутый поток. Ожиженный продукт, как правило, будет называться метаном, хотя он может содержать незначительные концентрации других составляющих.

Если поступающий в третий цикл жидкий продукт имеет предпочтительное давление примерно 600 ф/д² ад (413,7 10⁴Па), то типичные давления быстрого испарения в случае трехступенчатого процесса быстрого испарения составляют примерно 190, 61 и 27,7 ф/д²ад (13110⁴, 42,110⁴ и 17,010⁴ Па). Быстро испаряемый или фракционированный пар на этапе отделения азота, что будет описано ниже, и затем быстро испаряемый на этапах быстрого расширения используется в главном экономайзере метана с целью охлаждения только что ожиженного продукта от второго цикла-этапа перед расширениям и для охлаждения сжатого потока открытого метанового цикла. В последующем разделе будут описаны соответствующие изобретению средство и связанное с ним устройство для повторного цикла быстро испаряемого продукта. Быстрое испарение ожиженного потока почти до атмосферного давления создает продукт ОПГ, имеющий температуру -240^oF (-151,1^oC) - -260^oF (- 162,2^oC).

Для сохранения приемлемого содержания БТЕ в ожиженном продукте, когда в исходном природном газе имеется ощутимое количество азота, азот должен концентрироваться и удаляться в некоторых местах в технологическом процессе. Для этих целей у специалистов в данной области техники имеются различные способы. Ниже приводятся примеры. Когда концентрация азота в исходном газе низкая, обычно меньше примерно 1,0% по объему, удаление азота, как правило, достигается посредством удаления небольшого потока на впускном или выпускном порте высокого давления компрессора открытого метанового цикла. Если концентрация азота во впускном исходном газе составляет примерно от 1,0% до примерно 1,5% по весу, то азот можно удалять посредством воздействия на ожиженный газовый поток из главного экономайзера метана быстрым испарением перед ранее описанными этапами расширения. Использование этапа быстрого испарения демонстрируется на примере. Пар быстрого испарения содержит ощутимую концентрацию азота и может впоследствии использоваться в качестве топливного газа. Типичным давлением быстрого испарения для удаления азота при этих концентрациях является примерно 400 ф/д² ад (275,810⁴ Па). Если исходный поток содержит концентрацию азота больше примерно 1,5% по объему, то этап быстрого испарения после прохождения через главный экономайзер метана не может обеспечить достаточное удаление азота и потребуется колонна отвода азота, из которой создается богатый азотом поток пара и поток жидкости. В предпочтительном варианте осуществления, в котором используется колонна отвода азота, ожиженный метановый поток высокого давления в главный экономайзер метана разделяется на первую и вторую части. Первая часть быстро испаряется до давления примерно 400 ф/д² ад (275,810⁴ Па) и в качестве исходного потока в колонну отвода азота подается двухфазная смесь. Вторая часть ожиженного метанового потока высокого давления дополнительно охлаждается посредством прохождения через главный экономайзер метана, затем он быстро испаряется до давления 400 ф/д² ад (275,810⁴ Па), и получающаяся двухфазная смесь подается в колонну, где она обеспечивает обратный ток. Созданный в верхней части колонны отвода азота поток богатого азотом газа обычно используют в качестве топлива. В нижней части колонны создается поток жидкости, который либо возвращается в главный метановый экономайзер для охлаждения, либо, в предпочтительном варианте, подается в следующую ступень расширения для потока открытого метанового цикла.

Холодильное охлаждение для ожижения природного газа.

Критическим для ожижения природного газа в каскадном технологическом процессе является использование одного или более хладагентов для передачи тепловой энергии от потока природного газа хладагенту и, в конечном итоге, передачи тепловой энергии в окружающее пространство. По существу общая система охлаждения функционирует как тепловой насос благодаря удалению тепловой энергии из потока природного газа, когда поток постепенно охлаждается до все более низких температур.

В соответствующем изобретению способе используются несколько типов охлаждения, которые включают в себя, но не ограничиваются ими а) косвенный теплообмен, в) испарение и с) расширение или снижение давления. Используемый здесь косвенный теплообмен касается способа, в котором хладагент охлаждает подлежащее охлаждению вещество без действительного физического контакта между охлаждающим веществом и подлежащим охлаждению веществом. Конкретные примеры средств косвенного теплообмена включают в себя теплообмен, происходящий в кожухотрубном теплообменнике, теплообменнике типа стержня в котле и теплообменнике типа припаянных твердым припоем алюминиевых пластинчатых ребер. Физическое состояние хладагента и подлежащего охлаждению вещества может сильно зависеть от потребностей системы и типа выбранного теплообменника. Таким образом, в соответствующем изобретению способе обычно используют кожухотрубный теплообменник, где охлаждающее вещество находится в жидком состоянии, а подлежащее охлаждению вещество находится в жидком или газообразном состоянии, или когда одно из веществ подвергается фазовому изменению и условия процесса не благоприятствуют использованию теплообменника типа стержня в котле, в качестве примера предпочтительными материалами конструирования стержня являются алюминий или алюминиевые сплавы, но такие материалы могут не подходить для использования в указанных условиях технологического процесса. Ребристый пластинчатый теплообменник обычно используют там, где хладагент находится в газообразном состоянии, а подлежащее охлаждению вещество находится в жидком или газообразном состоянии. И, наконец, теплообменник типа стержня в котле обычно используют там, где подлежащее охлаждению вещество является жидкостью или газом, а хладагент испытывает фазовое изменение из жидкого состояния в газообразное состояние во время теплообмена.

Охлаждение испарением касается охлаждения вещества посредством испарения или парообразования части вещества системой, поддерживаемой под постоянным давлением. Таким образом, во время парообразования часть вещества, которое испаряется, абсорбирует тепло из части вещества, которое остается в жидком состоянии и, отсюда, охлаждает жидкую часть.

И, наконец, охлаждение расширением или снижением давления относится к охлаждению, которое происходит, когда давление газовой, жидкостной или двухфазной системы уменьшается посредством пропускания через средство снижения давления. В одном варианте осуществления это средство расширения представляет собой регулировочный вентиль Джоуля-Томсона. В другом варианте осуществления средством расширения является либо гидравлический, либо газовый расширитель. Вследствие того, что расширители преобразуют рабочую энергию от расширительного процесса, при расширении возможны более низкие температуры потока технологического процесса.

В последующем описании и на чертежах показано расширение хладагента посредством пропускания через дроссель, после которого происходит последующее разделение газовой и жидкой частей в камерах охлаждения хладагента, в которых происходит также косвенный теплообмен. Хотя эта упрощенная схема является работоспособной и иногда ее предпочитают из-за стоимости и простоты, может оказаться более эффективным выполнять расширение и разделение, а затем частичное испарение в виде отдельных этапов, например, сочетания дросселей и испарительных барабанов перед косвенным теплообменом в камерах охлаждения. В другом работоспособном варианте осуществления дроссель или расширительный клапан может быть не отдельным элементом, а неотъемлемой частью камеры охлаждения хладагента (то есть быстрое испарение происходит при вводе ожиженного хладагента в камеру охлаждения).

В первом охлаждающем цикле или этапе охлаждение обеспечивается сжатием газообразного хладагента с более высокой точкой кипения, предпочтительно пропана, когда он может быть ожижен посредством косвенной теплопередачи средой переноса, которая, в конечном итоге, использует окружающее пространство в качестве поглотителя тепла, и этим поглотителем тепла, как правило, является атмосфера, источник пресной воды, источник соленой воды, земля или две или более из вышеупомянутых сред. Затем конденсированный хладагент подвергается одному или более этапам расширяющего охлаждения посредством подходящего средства расширения, создавая тем самым двухфазные смеси, обладающие значительно более низкими температурами. В одном варианте осуществления основной поток разделяется по меньшей мере на два отдельных потока, предпочтительно на два-четыре потока и более предпочтительно на три потока, где каждый поток отдельно расширяется до установленного давления. Затем каждый поток обеспечивает испарительное охлаждение посредством косвенного переноса тепла одним или более выбранными потоками, где один такой поток является подлежащим ожижению потоком природного газа. Количество отдельных потоков хладагента соответствует количеству ступеней компрессора хладагента. Затем испаряемый хладагент из каждого отдельного потока возвращается в соответствующую ступень в компрессоре хладагента (например, два отдельных потока соответствуют двухступенчатому компрессору). В более предпочтительном варианте осуществления весь ожиженный хладагент расширяется до предопределенного давления и затем этот поток используется для обеспечения испарительного охлаждения посредством косвенного теплообмена с одним или более выбранными потоками, где одним таким потоком является подлежащий ожижению поток природного газа. Затем часть ожиженного хладагента изымается из средства косвенного теплообмена с расширенным охлаждением посредством расширения до более низкого давления и, соответственно, более низкой температуры, где оно обеспечивает испарительное охлаждение с помощью средства косвенного теплообмена с одним или более названными потоками, где одним таким потоком является подлежащий ожижению поток природного газа. Номинально, в этом варианте осуществления используются два, предпочтительно два-четыре и более, предпочтительно три таких этапа расширительного охлаждения - испарительного охлаждения. Подобно первому варианту осуществления пар хладагента от каждого этапа возвращается к соответственному впускному порту у ступенчатого компрессора.

В каскадной системе охлаждения значительная часть охлаждения для ожижения хладагентов с более низкой температурой кипения (например хладагентов, используемых во втором и третьем циклах) делается возможной благодаря охлаждению этих потоков посредством косвенного теплообмена с выбранными потоками хладагента с более высокой температурой кипения. Этот способ охлаждения называется "каскадным охлаждением". Фактически хладагенты с более высокой температурой кипения функционируют