[**]

Изобретение относится к способу на основе цикла на одном смешанном хладагенте для промышленных применений охлаждения, например, сжижения природного газа. Изобретение также относится к узлу охлаждения, сконфигурированному для выполнения процессов, описанных в настоящем документе, и к составу смешанного хладагента, используемому в таких процессах.

(57) Реферат / Формула:

Изобретение относится к способу на основе цикла на одном смешанном хладагенте для промышленных применений охлаждения, например, сжижения природного газа. Изобретение также относится к узлу охлаждения, сконфигурированному для выполнения процессов, описанных в настоящем документе, и к составу смешанного хладагента, используемому в таких процессах.

---

Евразийское (21) 201290951 (13) Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. F25J1/02 (2006.01)
2013.07.30
(22) Дата подачи заявки 2011.03.25
(54) СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ
(31) 1005016.9; PCT/GB2011/050444
(32) 2010.03.25; 2011.03.07
(33) GB
(86) PCT/GB2011/050617
(87) WO 2011/117655 2011.09.29
(71) Заявитель:
ДЗЕ ЮНИВЕРСИТИ ОФ МАНЧЕСТЕР (GB)
(72) Изобретатель:
Ким Дзин-Кук (KR), Чжэн Суэсун
(GB)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(57) Изобретение относится к способу на основе цикла на одном смешанном хладагенте для промышленных применений охлаждения, например, сжижения природного газа. Изобретение также относится к узлу охлаждения, сконфигурированному для выполнения процессов, описанных в настоящем документе, и к составу смешанного хладагента, используемому в таких процессах.
2420-190651ЕА/015
СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ
Данное изобретение относится к способу охлаждения и, более конкретно, но не исключительно, к способу охлаждения, который применим для сжижения природного газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Доставка природного газа от места добычи к конечному потребителю представляет существенную проблему логистики. Трубопроводы могут использоваться для транспортировки природного газа на короткие расстояния (как правило, менее 2000 км в море и менее 38 00 км на суше) , но они не являются экономически целесообразными средствами транспортировки на более протяженные расстояния. Более того, практически трудноосуществимо построить трубопроводы в определенных местах, например, через обширные водные пространства.
Более рентабельно транспортировать сжиженный природный газ (СПГ) на очень большие расстояния, и в тех случаях, когда требуется доставка к ряду различных пунктов назначения. Первый этап в цепи доставки сжиженного природного газа включает добычу природного газа. Далее природный газ подают на завод по производству СПГ, где он сжижается перед транспортировкой (как правило, морскими судами). Далее сжиженный природный газ регазифицируется в пункте назначения и распределяется конечным потребителям по трубопроводу.
Сжижение природного газа достигается посредством того, что подающий поток природного газа подвергается воздействию одного или более холодильных циклов. Данные холодильные циклы могут быть исключительно энергоемкими, главным образом, из-за величины мощности на входном валу, требуемой для работы холодильных компрессоров.
В данной области техники известен ряд процессов охлаждения для сжижения природного газа. Один прочно установившийся подход включает охлаждение и конденсацию подающего потока природного газа в одном или более теплообменниках в противотоке с несколькими потоками хладагента, подаваемыми при помощи рециркуляционных систем охлаждения. Охлаждение сырьевого
природного газа выполняется посредством различных холодильных циклов, таких как хорошо известный каскадный цикл, в котором охлаждение обеспечивается тремя различными контурами циркуляции хладагента. В одном таком каскадном цикле используются последовательно метановый, этиленовый и пропановый циклы для получения охлаждения на трех различных температурных уровнях. Другой хорошо известный холодильный цикл использует холодильный цикл смешанного хладагента с предохлаждением пропаном, в котором смесь многокомпонентного хладагента производит охлаждение в выбранном температурном диапазоне. Смешанный хладагент может содержать такие углеводороды, как метан, этан, пропан и другие легкие углеводороды, а также может содержать азот. Модификации этой системы охлаждения используются на многих работающих заводах СПГ по всему миру.
Одна из простейших систем охлаждения включает цикл на
одном смешанном хладагенте (например, процесс "PRICO" компании
"Black & Veatch") . Проблемой таких процессов является низкая
термодинамическая эффективность относительно более сложных
процессов (например, цикла на смешанном хладагенте с
предварительным пропановым охлаждением компании "Air Products",
или цикла с двумя смешанными хладагентами компании "Shell").
Более того, термодинамическая результативность и эффективность
цикла на одном смешанном хладагенте могут быть изменены путем
регулировки только небольшого числа рабочих переменных, таких
как состав хладагента, температура конденсации и испарения, и
уровень давления. Более сложные многоконтурные процессы
способны предложить повышенную эффективность цикла посредством
обеспечения большего числа рабочих переменных, включающих,
например, изменение состава и температуры нескольких потоков
хладагента, которые могут существенно повлиять на потери
эксергии в теплообменниках. Путем правильной регулировки данных
дополнительных рабочих переменных термодинамическая
эффективность в этих более сложных процессах охлаждения может быть существенно повышена по сравнению с циклом на одном смешанном хладагенте. Однако, многоступенчатые или каскадные процессы охлаждения обычно требуют гораздо более сложных
конфигураций оборудования, а это приводит к значительным затратам на узел и оснащение.
Следовательно, необходимо соблюдать баланс между обеспечением процесса охлаждения, который прост в конструктивном исполнении, и таким образом, экономит затраты на узел и оснащение, и обеспечением процесса, который также обладает достаточными рабочими переменными, чтобы обеспечить возможность приемлемой и/или повышенной эффективности эксплуатации.
Настоящее изобретение предлагает способы охлаждения, которые устраняют один или более из вышеупомянутых недостатков путем осуществления одноконтурного процесса охлаждения смешанным хладагентом, который включает дополнительные рабочие переменные для обеспечения повышенной эффективности эксплуатации.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается способ охлаждения для охлаждения подающего потока продукта, способ, включающий прохождение подающего потока продукта через теплообменник, включающий первый поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента, и второй поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента; где первый поток хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента;
и где первый поток хладагента после выхода из теплообменника подвергается первичному сжатию перед смешиванием со вторым подающим потоком хладагента из теплообменника для образования единого потока хладагента, который подвергают вторичному сжатию для образования сжатого потока хладагента,
и где:
(i) хладагент в сжатом потоке хладагента подвергается далее охлаждению в теплообменнике с последующим расширением до повторного введения в теплообменник для охлаждения подающего потока; и
(ii) сжатый поток хладагента разделяют на два потока, которые образуют первый и второй потоки хладагента, которые
(i)
подают в теплообменник до, во время или после упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
В способе по настоящему изобретению предлагается новый цикл смешанного хладагента, который обеспечивает баланс между термодинамической эффективностью и сложностью процесса, представляя, таким образом, рентабельную альтернативу существующим процессам сжижения. По существу, способ по первому аспекту настоящего изобретения обеспечивает простоту цикла с одним смешанным хладагентом и одним теплообменником, но предлагает больше рабочих переменных (или "степеней свободы"), чтобы дать возможность повышения термодинамической эффективности процесса.
В частности, создание первого и второго потоков хладагента
различной температуры, давления и/или состава (как предлагается
в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения) в
процессе на основе цикла на одном смешанном хладагенте
обеспечивает дополнительную гибкость, позволяющую
оптимизировать термодинамическую эффективность. В частности, данная гибкость позволяет температурно-энтальпийному профилю хладагента быть как можно ближе совмещенным с кривой охлаждения потока питающего газа.
Более того, обеспечение по меньшей мере двух ступеней сжатия (а именно, первичное сжатие, которое применяют только к первому потоку хладагента (потоку с наиболее низким давлением), выходящему из теплообменника, за которым следует вторичное сжатие, применяемое к смеси из сжатого первого потока хладагента и хладагента из второго потока хладагента, выходящего из теплообменника) позволяет процессу сжатия стать более эффективным, чем было бы в случае, если бы все потоки хладагента, выходящие из теплообменника, сжимались вместе.
По второму аспекту в настоящем изобретении предлагается способ охлаждения для охлаждения подающего потока продукта, способ, включающий прохождение подающего потока продукта через теплообменник, включающий первый поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента, и второй поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента; где первый поток хладагента сформирован
для испарения при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента;
и где первый поток хладагента после выхода из теплообменника подвергается первичному сжатию перед смешиванием со вторым подающим потоком хладагента из теплообменника для образования единого потока хладагента, который подвергают вторичному сжатию для образования сжатого потока хладагента,
и где:
(i) хладагент в сжатом потоке хладагента подвергается далее охлаждению в теплообменнике с последующим расширением до повторного введения в теплообменник для охлаждения подающего потока; и
(ii) сжатый поток хладагента разделяют на два отдельных потока, которые образуют первый и второй потоки хладагента до или во время упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
В способе по второму аспекту настоящего изобретения предлагается еще один новый цикл смешанного хладагента, который обеспечивает баланс между термодинамической эффективностью и сложностью процесса, представляя, таким образом рентабельную альтернативу существующим процессам сжижения. По существу, способ по второму аспекту настоящего изобретения также обеспечивает простоту цикла на одном смешанном хладагенте, но предлагает больше рабочих переменных (или "степеней свободы"), чтобы дать возможность повысить термодинамическую эффективность процесса.
Способ по второму аспекту изобретения может включать единственный теплообменник или один или несколько теплообменников, установленных последовательно. Соответственно, чтобы свести затраты к минимуму, количество теплообменников должно быть ограничено между одним и тремя. В варианте осуществления могут присутствовать один или два теплообменника. В частном варианте осуществления используется только один единственный теплообменник.
В варианте осуществления сжатый поток хладагента разделяют на отдельные потоки, которые образуют первый и второй потоки
хладагента до охлаждения сжатого хладагента. В частном варианте осуществления, потоки хладагента разделяют в испарительном устройстве до охлаждения в теплообменнике. Так создают отдельные потоки с разными составами.
Что касается способа по первому аспекту изобретения,
создание первого и второго потоков хладагента различной
температуры, давления и/или состава (как предлагается в
некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения) в
процессе на основе цикла на одном смешанном хладагенте
обеспечивает дополнительную гибкость, позволяющую
оптимизировать термодинамическую эффективность. В частности, данная гибкость позволяет температурно-энтальпийному профилю хладагента быть как можно ближе совмещенным с кривой охлаждения потока питающего газа.
Более того, обеспечение по меньшей мере двух ступеней сжатия (а именно, первичное сжатие, которое применяют только к первому потоку хладагента (потоку с наиболее низким давлением), выходящему из теплообменника, за которым следует вторичное сжатие, применяемое к смеси из сжатого первого потока хладагента и хладагента из второго потока хладагента, выходящего из теплообменника) опять позволяет процессу сжатия быть более эффективным, чем было бы в случае, если бы все потоки хладагента, выходящие из теплообменника, сжимались вместе.
В частном аспекте, настоящее изобретение предлагает способ сжижения природного газа, определенный в настоящем документе.
В еще одном аспекте настоящее изобретение предлагает узел охлаждения, определенный в настоящем документе, который сконфигурирован для выполнения процесса, определенного в настоящем документе.
В частном аспекте настоящее изобретение предлагает узел охлаждения/устройство, включающее единственный теплообменник, приспособленный для получения потока продукта для охлаждения в процессе использования и холодильный цикл, упомянутый узел/устройство включает:
первый и второй поток хладагента, текущие через
теплообменник для обеспечения охлаждения; где хладагент в первом потоке хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура хладагента во втором потоке хладагента;
первое средство сжатия, приспособленное для получения первого потока хладагента, выходящего из теплообменника, и сжатия хладагента до первого уровня сжатия;
второе средство сжатия, приспособленное для получения смеси из второго потока хладагента, выходящего из теплообменника, и сжатого потока хладагента из первого средства сжатия, и сжатия смеси для формирования сжатого потока хладагента;
средство для направления хладагента в сжатом потоке хладагента в теплообменник на охлаждение;
средство для доставки охлажденного хладагента к средству расширения, и далее доставки расширенного хладагента в теплообменник; и
средство для разделения сжатого потока хладагента на два отдельных потока хладагента, которые образуют первый и второй потоки хладагента, которые подаются в теплообменник, и где упомянутое разделение сжатого потока хладагента происходит до, во время или после упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается узел охлаждения/устройство, включающее один или несколько теплообменников, приспособленных для получения потока продукта для охлаждения во время использования и холодильный цикл, упомянутый узел/устройство включает:
первый и второй поток хладагента, текущие через теплообменник(и) для обеспечения охлаждения; где хладагент в первом потоке хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура хладагента во втором потоке хладагента;
первое средство сжатия, приспособленное для получения первого потока хладагента, выходящего из теплообменника(ов) , и сжатия хладагента до первого уровня сжатия;
второе средство сжатия, приспособленное для получения смеси из второго потока хладагента, выходящего из теплообменника(ов), и сжатого потока хладагента из первого средства сжатия, и сжатия смеси для формирования сжатого потока хладагента;
средство для направления хладагента в сжатом потоке хладагента в теплообменник(и) на охлаждение;
средство для доставки охлажденного хладагента к средству расширения, и далее доставки расширенного хладагента в теплообменник(и); и
средство для разделения сжатого потока хладагента на два отдельных потока хладагента, которые образуют первый и второй потоки хладагента, которые подаются в теплообменник, и где упомянутое разделение сжатого потока хладагента происходит либо до, либо во время, или после упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается состав хладагента, включающий:
метан - 15-25 мол.%,
этан - 30-45 мол.%,
пропан - 0-2 0 мол.%,
н-бутан - 0-25 мол.%,
и азот - 5-20 мол.%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения далее описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
Фигура 1 является принципиальной схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления настоящего изобретения;
Фигура 2 является принципиальной схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления настоящего изобретения;
Фигура 3 является принципиальной схемой, иллюстрирующей третий вариант осуществления настоящего изобретения;
Фигура 4 является принципиальной схемой, иллюстрирующей четвертый вариант осуществления настоящего изобретения;
Фигура 5 является принципиальной схемой, иллюстрирующей концептуальную модель генетического алгоритма оптимизации;
Фигура б(а) является принципиальной схемой, иллюстрирующей оптимизированные рабочие условия для процесса на одном смешанном хладагенте (MR), а на фигуре б(Ь) представлены композитные кривые и температурно-энтальпийные профили для данного процесса;
Фигура 7(a) является принципиальной схемой, иллюстрирующей оптимизированные рабочие условия для первого варианта осуществления настоящего изобретения, представленного на фигуре 1, а фигура 7(b) иллюстрирует композитные кривые и температурно-энтальпийные профили для данного варианта осуществления;
Фигура 8(a) является принципиальной схемой, иллюстрирующей оптимизированные рабочие условия для второго варианта осуществления настоящего изобретения (фигура 2), а на фигуре
8 (Ь) представлены композитные кривые и температурно-энтальпийные профили для данного варианта осуществления;
Фигура 9(a) является принципиальной схемой, иллюстрирующей оптимизированные рабочие условия для третьего варианта осуществления настоящего изобретения (фигура 3), а на фигуре
9 (Ь) представлены композитные кривые и температурно-энтальпийные профили для данного варианта осуществления; и
Фигура 10(a) является принципиальной схемой,
иллюстрирующей оптимизированные рабочие условия для четвертого варианта осуществления настоящего изобретения (фигура 4), а на фигуре 10(Ь) представлены композитные кривые и температурно-энтальпийные профили для данного варианта осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Термины "смешанный хладагент" и "СХ" используются взаимозаменяемо в данном документе и означают смесь, которая содержит два или более компонента хладагента.
Термин "компонент хладагента" означает вещество, используемое для теплопередачи, которое поглощает тепло при пониженных температуре и давлении и отдает тепло при повышенных температуре и давлении. Например, "компонент хладагента" в системе компрессионного охлаждения будет поглощать тепло при пониженных температурах и давлении посредством испарения и
будет отдавать тепло при повышенных температуре и давлении посредством конденсации. Типичные компоненты хладагента могут включать, но не ограничиваются алканами, алкенами и алкинами, имеющими от одного до пяти атомов углерода, азотом, хлорированными углеводородами, фторированными углеводородами, другими галогензамещенными углеводородами, и их смесями или сочетаниями.
Термин "природный газ" хорошо известен в данной области техники. Природный газ обычно является легким углеводородным газом или смесью двух или более легких углеводородных газов. Типичные легкие углеводородные газы могут включать, но не ограничиваются метаном, этаном, пропаном, бутаном, пентаном, гексаном, их изомерами, ненасыщенными соединениями и их смесями. Термин "природный газ" может также включать некоторое количество примесей, таких как азот, сероводород, углекислый газ, карбонилсульфид, меркаптаны и вода. Точный процентный состав природного газа меняется в зависимости от месторождения и любых операций предварительной обработки, используемых как часть процесса добычи, например, таких, как извлечение аминов или осушка на молекулярных ситах.
Термины "газ" и "пар" используются взаимозаменяемо и означают вещество или смесь веществ в газообразном состоянии в отличие от жидкого или твердого состояния.
Термин "теплообменник" означает любой тип или сочетание сходных или различных типов оборудования, известных в данной области техники для обеспечения теплопередачи. Например, "теплообменник" может находиться, или, по меньшей мере, частично находиться внутри одного или нескольких теплообменников спирального типа, теплообменников пластинчато-ребристого типа, теплообменника кожухотрубного типа, или любого другого типа теплообменников, известных в данной области техники, которые способны выдерживать технологические условия, подробно описанные в данном документе ниже. Теплообменники обычно также называют в данной области техники "холодными блоками" (cold boxes).
Термины "компрессор" или "средство сжатия" использованы в
данном документе для обозначения любого конкретного типа или сочетания сходных или различных типов компрессионного оборудования, и могут включать вспомогательное оборудование, известное в данной области техники для сжатия вещества или смеси веществ. "Компрессор" или "средство сжатия" могут использовать одну или несколько ступеней сжатия. Типичные компрессоры могут включать, но не ограничиваются компрессорами объемного типа, например, такие, как поршневые и роторные компрессоры, и динамического типа, например, такие как центробежные и осевые компрессоры. Типичное вспомогательное оборудование может включать, но не ограничивается всасывающими сепараторами-каплеотбойниками, охладителями или холодильниками на выходе, промежуточными холодильниками, циркуляционными охладителями или холодильниками, и любыми их сочетаниями.
Термин "расширение" использован в настоящем документе для обозначения расширения потока хладагента, которое вызывает последующее понижение давления. Расширение потока хладагента осуществляется путем использования любых подходящих средств расширения, известных в данной области техники. Например, "средством расширения" может быть расширительный клапан или детандер или расширительная камера.
Большинство работающих сегодня установок сжиженного природного газа обеспечивают охлаждение посредством компримирования газообразного хладагента до высокого давления, сжижения газообразного хладагента с источником охлаждения, расширения жидкого хладагента до низкого давления и отведения тепла от подающего потока природного газа для испарения жидкого хладагента. Испарившийся хладагент затем повторно сжимают и повторно используют в процессе. Таким образом, совокупный эффект данного непрерывного цикла заключается в охлаждении и сжижении подающего потока природного газа. В способе настоящего изобретения использован данный непрерывный холодильный цикл с рядом видоизменений для повышения термодинамической эффективности процесса, без добавления процессу чрезмерной сложности.
Как было сказано выше, настоящее изобретение предлагает по
первому аспекту способ охлаждения для охлаждения подающего потока продукта, способ, включающий прохождение подающего потока продукта через теплообменник, включающий первый поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента, и второй поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента; где первый поток хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента;
и где первый поток хладагента после выхода из теплообменника подвергается первичному сжатию перед смешиванием со вторым подающим потоком хладагента из теплообменника для образования единого потока хладагента, который подвергают вторичному сжатию для образования сжатого потока хладагента,
и где:
(i) хладагент в потоке сжатого хладагента подвергается
далее охлаждению в теплообменнике с последующим расширением до
повторного введения в теплообменник; и
(ii) сжатый поток хладагента разделяют на два потока,
которые образуют первый и второй потоки хладагента, которые
подают в теплообменник до, во время или после упомянутого
охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
Таким образом, в способе настоящего изобретения предлагается процесс на основе цикла на одном смешанном хладагенте для сжижения подающего потока газа. В частности, способ настоящего изобретения сформирован для обеспечения первого и второго потока хладагента для осуществления разных охлаждающих действий с подающим потоком газа. В некоторых вариантах изобретений способ может также включать дополнительные (например, 3, 4 или 5) потоки хладагента.
Первый поток хладагента может быть сформирован для обеспечения охлаждения при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента, при помощи изменения, в некоторых вариантах осуществления, температуры, давления и/или состава первого потока хладагента относительно второго потока хладагента. Соответственно, температура и/или давление первого потока хладагента ниже, чем давление и/или температура второго потока смешанного хладагента. В качестве альтернативы или в
дополнение, состав первого потока смешанного хладагента может отличаться от такового второго потока хладагента, так, что первый поток хладагента будет испаряться и обеспечивать охлаждающее действие при более низкой температуре, чем температура во втором потоке хладагента.
В варианте осуществления изобретения первый поток хладагента находится в условиях давления и/или температуры, которые ниже, чем таковые во втором потоке хладагента.
В еще одном варианте осуществления первый поток хладагента имеет отличный состав от такового во втором потоке хладагента, и находится в некоторых случаях также при температуре и/или давлении, которые ниже, чем таковые во втором потоке хладагента.
В варианте осуществления изобретения первый поток хладагента находится при давлении, которое ниже, чем таковое во втором потоке хладагента.
Соответственно, первый поток хладагента находится при низком давлении, а второй поток хладагента находится при промежуточном давлении.
Процессы, при помощи которых могут быть изменены температура, давление и/или состав первого и второго потоков хладагента, описаны далее в настоящем документе.
Температурный диапазон, внутри которого первый и второй потоки хладагента испаряются, будет подобран для соответствующего конкретного варианта применения.
После выхода из теплообменника первый поток хладагента направляют в компрессор, где он подвергается первичному сжатию до смешивания со вторым потоком хладагента, вытекающим из теплообменника. Данное первичное сжатие надлежащим образом сжимает первый поток хладагента до давления, которое имеет тот же порядок величины, что и таковое во втором потоке хладагента. Эти два потока далее смешивают и подвергают дальнейшему сжатию для образования единого (объединенного) сжатого потока хладагента.
Вариативность рабочих характеристик в способе на основе одноконтурного цикла смешанного хладагента настоящего
изобретения появляется при последующей обработке сжатого потока хладагента для регенерирования первого и второго подающих потоков хладагента, которые поступают в теплообменник. Для того, чтобы регенерировать первый и второй потоки хладагентов, которые поступают в теплообменник, сжатый хладагент необходимо охладить (что достигают путем направления хладагента через теплообменник, где он охлаждается при помощи первого и/или второго потоков хладагента) и далее расширить для понижения давления. В дополнение, единый поток необходимо расщепить на отдельные потоки, которые образуют первый и второй подающие потоки хладагента для теплообменника. Место, в котором это разделение происходит, может меняться. В частности, разделение на отдельные потоки может иметь место до, во время или после охлаждения потока хладагента в теплообменнике.
В варианте осуществления единый сжатый поток хладагента разделяют на отдельные подающие потоки (которые, в конечном счете, формируют первый и второй подающие потоки хладагента) до охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике. В такой схеме дополнительную вариативность рабочих характеристик обеспечивают посредством возможности охладить далее хладагент индивидуальных потоков в теплообменнике до различной степени. Каждый поток хладагента может затем быть расширен для формирования требуемых первого и второго подающих потоков хладагента для теплообменника с оптимальными температурой и давлением.
В еще одном варианте осуществления единый сжатый поток хладагента разделяют на отдельные подающие потоки (которые, в конечном счете, формируют первый и второй подающие потоки хладагента) после охлаждения хладагента в теплообменнике. В такой схеме дополнительную вариативность рабочих характеристик обеспечивают посредством возможности расширить далее хладагент индивидуальных потоков до различной степени для формирования необходимого давления в первом и втором подающих потоках хладагента.
Соответственно, сжатый поток хладагента является либо: (i) охлажденным первым и/или вторым потоками хладагента в теплообменнике как единым потоком до разделения на первый и
второй потоки, которые затем независимо подвергаются расширению для формирования первого и второго потоков хладагента соответственно, которые втекают в теплообменник для обеспечения охлаждающего действия;
(ii) охлажденным первым и/или вторым потоками хладагента в
теплообменнике как единым потоком до подвергания первичному
расширению и далее расщепленным на первый и второй потоки,
первый поток, подверженный дальнейшему расширению для
формирования первого потока хладагента, и второй поток,
формирующий второй поток хладагента;
или
(iii) расщепленным на два отдельных потока хладагента,
которые далее охлаждаются первым и/или вторым потоками
хладагента в теплообменнике и подвергаются независимо
расширению для формирования первого и второго потоков
хладагента, которые втекают в теплообменник для обеспечения
охлаждающего действия.
В частном варианте осуществления изобретения сжатый поток хладагента первоначально охлаждают первым и/или вторым потоками хладагента в теплообменнике как единым потоком хладагента до разделения на первый и второй потоки, которые далее подвергаются расширению по отдельности для формирования первого и второго потоков хладагента соответственно, которые втекают в теплообменник для обеспечения охлаждающего действия.
В другом варианте осуществления изобретения сжатый поток хладагента первоначально охлаждают первым и/или вторым потоками хладагента в теплообменнике как единым потоком до подвержения первичному расширению, и далее разделяют на первый и второй потоки, первый поток, подверженный дальнейшему расширению для формирования первого потока хладагента, и второй поток, формирующий второй поток хладагента.
В другом варианте осуществления изобретения сжатый поток хладагента разделяют на два отдельных потока хладагента, которые далее охлаждают первым и/или вторым потоками хладагента в теплообменнике и подвергают расширению для формирования первого и второго потоков хладагента, которые втекают в
теплообменник для обеспечения охлаждающего действия.
Способ настоящего изобретения может также включать стадию разделения единого сжатого потока хладагента в испарительном устройстве. "Испарительное устройство" является устройством, которое позволяет разделять единый сжатый смешанный хладагент на жидкую и газовую/паровую фазы. Соответственно испарительное устройство размещается выше по потоку от теплообменника, таким образом, что единый сжатый поток смешанного хладагента разделяется в испарительном устройстве до последующего охлаждения и далее расширения потоков хладагента. Использование испарительного устройства обеспечивает дополнительную вариативность рабочих характеристик, давая возможность изменять состав отдельных подающих потоков. Например, можно извлечь газовую/паровую фазу и жидкую фазу из испарительного устройства. Паровая и жидкая фаза потоков хладагента, извлеченные из испарительного устройства, могут, в одном варианте осуществления, быть охлаждены и затем расширены, чтобы сформировать первый и второй подающие потоки хладагента. Ясно, что поток пара нужно охладить в значительной степени для превращения в жидкость. В альтернативном варианте осуществления, отдельные потоки парового и жидкого хладагента, извлеченные из испарительного устройства, могут далее быть смешаны друг с другом в определенных соотношениях для формирования отдельных подающих потоков с различными составами. Использование испарительного устройства, следовательно, позволяет варьировать состав отдельных потоков хладагента, давая возможность по меньшей мере частичного разделения компонентов сжатого потока хладагента на основе их агрегатного состояния в испарительном устройстве. Возможность варьировать состав хладагента в первом и втором подающих потоках хладагента таким путем обеспечивает дополнительную вариативность рабочих характеристик и предоставляет дальнейшие средства для оптимизации состава первого и второго потоков хладагента для требуемого варианта применения охлаждения.
Состав, температура и давление двух подающих потоков хладагента могут быть изменены при помощи различных способов,
описанных в настоящем документе для оптимизации термодинамической эффективности цикла для соответствующего конкретного подающего потока газа.
Первый и второй потоки хладагента обеспечивают охлаждение подающего потока газа в теплообменнике так же как и предварительное охлаждение сжатого хладагента как часть рециркуляции хладагента.
Ясно, что точный состав, температура и давление первого и второго подающих потоков могут быть оптимизированы для соответствующего конкретного варианта применения. Для сжижения природного газа давление потока хладагента до расширения, как правило, будет составлять от 4 до 5 МПа. После расширения давление хладагента в первом потоке хладагента, как правило, будет находиться в диапазоне от 0,11 до 0,3 МПа, а давление во втором потоке хладагента, как правило, будет находиться в диапазоне от 0,5 до 1,5 МПа.
Может быть использован любой подходящий состав смешанного хладагента. Ясно, что состав смешанного хладагента может быть отрегулирован в зависимости от используемого потока продукта и конкретной применяемой схемы охлаждения. В частном варианте осуществления хладагент имеет следующий состав:
метан 15 - 2 5 мол.%,
этан 30 - 45 мол.%,
пропан 0-20 мол.%,
н-бутан 0-25 мол.%,
и азот 5-20 мол.%.
В способе по первому аспекту настоящего изобретения применяется цикл на одном хладагенте, использующий один теплообменник. В качестве альтернативы способ может включать несколько холодильных циклов в одном теплообменнике.
Как прежде было указано, настоящее изобретение также предлагает узел охлаждения/устройство, включающее единственный теплообменник, приспособленный для получения потока продукта для охлаждения во время использования и холодильный цикл, упомянутый узел/устройство включает:
первый и второй поток хладагента, текущие через
теплообменник для обеспечения охлаждения; где хладагент в первом потоке хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура хладагента во втором потоке хладагента;
первое средство сжатия, приспособленное для получения первого потока хладагента, выходящего из теплообменника, и сжатия хладагента до первого уровня сжатия;
второе средство сжатия, приспособленное для получения смеси из второго потока хладагента, выходящего из теплообменника, и сжатого потока хладагента из первого средства сжатия, и сжатия смеси для формирования сжатого потока хладагента;
средство для направления хладагента в сжатом потоке хладагента в теплообменник на охлаждение;
средство для доставки охлажденного хладагента к средству расширения, и далее доставки расширенного хладагента в теплообменник; и
средство для разделения сжатого потока хладагента на два отдельных потока хладагента, которые образуют первый и второй потоки хладагента, которые подаются в теплообменник, и где упомянутое разделение сжатого потока хладагента происходит до, во время или после упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
Конкретные конфигурации установок охлаждения настоящего изобретения будут ясны из описания конкретных вариантов осуществления изобретения, представленных в настоящем документе.
Как утверждалось выше, по второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ охлаждения для охлаждения подающего потока продукта, способ, включающий прохождение подающего потока продукта через теплообменник, включающий первый поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента, и второй поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента; где первый поток хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента;
и где первый поток хладагента после выхода из теплообменника подвергается первичному сжатию до смешивания со вторым подающим потоком хладагента из теплообменника для образования единого потока хладагента, который подвергают вторичному сжатию для образования сжатого потока хладагента,
и где:
(i) хладагент в сжатом потоке хладагента подвергается
далее охлаждению в теплообменнике с последующим расширением до
повторного введения в теплообменник для охлаждения подающего
потока; и
(ii) сжатый поток хладагента разделяют на отдельные
потоки, которые образуют первый и второй потоки хладагента до
или во время упомянутого охлаждения сжатого хладагента в
теплообменнике.
Способ по второму аспекту настоящего изобретения является тем же самым, что и способ по первому аспекту, определенный выше, кроме того, что в нем требуется разделение потока хладагента до или во время охлаждения в теплообменнике. Более того, он не требует использования только одного теплообменника. Однако, все другие особенности способа второго аспекта изобретения (такие как подающий поток продукта, первый и второй потоки хладагента из смешанного хладагента, первичное сжатие первого потока хладагента до смешивания со вторым подающим потоком хладагента из теплообменника для формирования единого потока хладагента; вторичное сжатие объединенного потока хладагента для формирования сжатого потока хладагента, подвержение хладагента в сжатом потоке хладагента охлаждению в теплообменнике, за которым следует расширение до повторного введения в теплообменник, чтобы охладить подающий поток) соответствуют определенным выше для способа по первому аспекту изобретения.
Способ по второму аспекту изобретения может включать единственный теплообменник или один или несколько теплообменников, установленных, например, последовательно. Соответственно, чтобы свести затраты к минимуму, в нем может присутствовать от одного до трех теплообменников. В варианте
осуществления предусмотрены один или два теплообменника. В предпочтительном варианте осуществления присутствует только один единственный теплообменник.
В варианте осуществления сжатый поток хладагента разделяют на два отдельных потока, которые образуют первый и второй потоки хладагента ранее охлаждения сжатого газа. В частном варианте осуществления, потоки хладагента разделяют в испарительном устройстве до охлаждения в теплообменнике. Так создают отдельные потоки с разными составами.
В настоящем изобретении далее предлагается узел охлаждения, включающая один или несколько теплообменников, приспособленных для получения потока продукта для охлаждения в процессе использования и холодильный цикл, упомянутый теплообменник(и) включающий:
первый и второй поток хладагента, текущие через теплообменник(и) для обеспечения охлаждения; где хладагент в первом потоке хладагента сформирован для испарения при температуре, которая ниже, чем температура хладагента во втором потоке хладагента;
первое средство сжатия, приспособленное для получения первого потока хладагента, выходящего из теплообменника(ов) , и сжатия хладагента до первого уровня сжатия;
второе средство сжатия, приспособленное для получения смеси из второго потока хладагента, выходящего из теплообменника(ов), и сжатого потока хладагента из первого средства сжатия, и сжатия смеси для формирования сжатого потока хладагента;
средство для направления хладагента в сжатом потоке хладагента в теплообменник(и) на охлаждение;
средство для доставки охлажденного хладагента к средству расширения, и далее доставки расширенного хладагента в теплообменник(и); и
средство для разделения сжатого потока хладагента на два отдельных потока хладагента, которые образуют первый и второй потоки хладагента, которые подаются в теплообменник, и где упомянутое разделение сжатого потока хладагента происходит либо
до, либо во время упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
Конкретные конфигурации установок охлаждения настоящего изобретения будут ясны из описания конкретных вариантов осуществления изобретения, представленных в настоящем документе.
Способы и узлы охлаждения настоящего изобретения могут быть использованы в любой области промышленного применения, где требуется охлаждение ниже -30°С. Как правило, способ будет применим в областях, где требуется охлаждение до температур ниже, например, -50°С или -8 0°С. Для сжижения природного газа требуется охлаждение ниже приблизительно -150°С и приблизительно -160°С.
Хотя способ охлаждения и узлы настоящего изобретения могут быть использованы в любой области промышленного применения, они особенно подходят для сжижения газов, таких как воздух, кислород, С02, азот и природный газ.
В частном варианте осуществления способы изобретения являются процессами для сжижения природного газа.
Простое конструктивное исполнение способа настоящего изобретения означает, что он может быть осуществлен с использованием более простых и более компактных конфигураций оборудования. Это означает, что способы и узлы настоящего изобретения подходят для размещения на мобильной платформе, такой как, например, плавучее судно. Таким образом, жидкий природный газ, например, может быть перекачан по трубопроводу непосредственно на плавучее судно, где он сжижается. Данная технология известна в области техники как "плавучая добыча, хранение и отгрузка" (FPSO), и она устраняет необходимость в крупных базирующихся на суше заводах по сжижению. Технология FPSO является привлекательной, поскольку она предоставляет дополнительную гибкость в логистике для экономичной доставки сжиженного природного газа.
Настоящее изобретение также может быть использовано в малогабаритных узлах сжиженного природного газа (известных в области техники как узлы сжижения природного газа для
обеспечения пиковых нагрузок), которые используют для дополнения крупномасштабного производства сжиженного природного газа в периоды пикового потребления, которое превышает рабочую производительность крупномасштабного узла.
Настоящее изобретение может быть также использовано в других областях промышленного применения, где необходимы низкие температуры охлаждения, например, в производстве этилена, в процессах криогенного разделения воздуха и криогенного удаления углекислого газа. Для данных низкотемпературных процессов необходима значительная холодопроизводительность, чтобы сделать возможной сепарацию и/или получение требуемых углеводородов и/или химических продуктов, а также способ настоящего изобретения может быть применен для повышения термодинамической эффективности холодильных циклов.
В варианте осуществления изобретения подающий поток продукта отбирают из природного газа, воздуха, кислорода, азота, углекислого газа или их смесей.
В нижеследующем разделе описаны некоторые конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры. В соответствующих случаях одинаковые ссылочные номера используются для обозначения одинаковых или соответствующих частей на разных фигурах.
Способы согласно настоящему изобретению являются системами на основе одноконтурного цикла хладагента, которые используют преимущество обеспечения нескольких уровней давления и/или
температуры для испарения хладагента. Более того, в некоторых вариантах осуществления испарительное устройство используют для изменения состава охлаждающих потоков хладагента. Данные способы позволяют кривым температуры, энтальпии и охлаждения подающего потока газа быть тесно подогнанными друг к другу, и именно это тесное сближение дает возможность повысить термодинамическую эффективность холодильного цикла.
По сравнению с известными циклами на одном смешанном хладагенте, новые циклы смешанного хладагента настоящего изобретения, определенные в настоящем документе, включают ряд существенных изменений параметров процесса. Однако процесс все еще остается сравнительно простым, и конфигурация оборудования, необходимая для осуществления процесса, также гораздо проще, чем конфигурация, требуемая для более сложных многоступенчатых или каскадных процессов. Обеспечение простой конфигурации оборудования особенно важно для судовых комплексов плавучей добычи, хранения и отгрузки (FPSO), где компактность и вес оборудования имеют более высокий приоритет, чем производительность узла и эффективность цикла.
(i) Вариант осуществления 1 (Фигура 1) - Многоступенчатое расширение
Для того, чтобы иметь несколько уровней давления для испарения хладагента в первом и втором потоках хладагента, в настоящем изобретении предлагается простой способ охлаждения, в котором применяется несколько уровней расширения. Как показано на фигуре 1, единый сжатый поток смешанного хладагента 1 предварительно охлаждают в теплообменнике 2 для образования охлажденного потока смешанного хладагента 3. Охлажденный поток смешанного хладагента далее подвергается первичному расширению в детандере (или расширительном клапане) 4 для образования потока 5 смешанного хладагента при промежуточном давлении. Поток 5 промежуточного уровня давления далее разделяют на два потока (б и 7) . Поток б образует второй подающий поток хладагента, который испаряется при промежуточном уровне давления. Поток 7 далее расширяется до пониженного уровня давления в детандере 8 и образует первый поток хладагента,
который поступает в теплообменник 2.
Первый и второй потоки хладагента (б и 7) подаются в теплообменник 2, где они обеспечивают охлаждение единого сжатого потока хладагента 1 и подающего технологического потока 9, который выходит из теплообменника как охлажденный технологический поток.
Для сжижения природного газа подающий технологический поток 9 является подающим потоком природного газа, который подвергается первичному охлаждению в теплообменнике 2 и далее подается в испарительное устройство 30, которое отделяет любые сжиженные компоненты 9а от газообразных компонентов 9Ь. Газообразные компоненты 9Ь отводят и подвергают дальнейшему охлаждению в теплообменнике 2, тогда как сжиженные компоненты 9а могут быть отведены для хранения.
Первый поток хладагента 7 после выхода из теплообменника 2 направляют к первому компрессору 10, где он подвергается первичному сжатию до давления, которое является таким же или близким к таковому для второго потока хладагента б. Сжатый первый поток 7 далее смешивается со вторым потоком хладагента б из теплообменника во втором компрессоре 11. Второй компрессор сжимает объединенные потоки хладагента б и 7 для повторного формирования единого сжатого потока хладагента 1. Весь цикл повторяется непрерывно.
Поскольку первый и второй потоки хладагента (б и 7)
испаряются при различных уровнях давления, они имеют разные
температурно-энтальпийные профили. Форма холодной композитной
кривой, сочетание температурно-энтальпийных профилей первого и
второго потоков хладагента (б и 7), могут быть теперь
отрегулированы путем изменения двух уровней давления для
испарения хладагента (вместо только одного для традиционного
цикла на одном смешанном хладагенте с единственным потоком
хладагента). Следовательно, возможность управлять таким путем
температурно-энтальпийными профилями обеспечивает
дополнительную гибкость эксплуатации. Более того, создание данной дополнительной гибкости эксплуатации, совместно с дополнительной вариабельностью, обеспечиваемой созданием двух
потоков хладагента и возможностью менять соотношение, при котором потоки разделяют, предоставляет дальнейшие возможности для оптимизации эффективности процесса. Таким образом, это дает возможность повышения эффективности относительно традиционного цикла на одном смешанном хладагенте.
(ii) Вариант осуществления 2 (Фигура 2) - Многопоточное предварителвное охлаждение
Охлаждающее действие во время расширения ограничено, так что температуры потоков б и 7 в процессе на фигуре 1 будут очень близки друг к другу (поскольку они имеют тот же самый температурный уровень перед первой ступенью расширения). В результате, данная особенность данной конкретной конфигурации процесса накладывает некоторые ограничения на управление температурно-энтальпийными профилями потока. С целью преодолеть данное структурное ограничение и позволить двум потокам хладагента иметь разные температуры был разработан дальнейший модифицированный вариант осуществления процесса, представленный на фигуре 2.
Вариант осуществления, проиллюстрированный на фигуре 2, является во многих отношениях тем же самым, что и варианты осуществления, показанные на фигуре 1, однако главное различие заключается в том, что единый сжатый поток хладагента 1 разделяют для образования двух отдельных потоков 18 и 19 до предварительного охлаждения потока хладагента в теплообменнике 2 .
Температуры обоих потоков хладагента 18 и 19 после предварительного охлаждения могут быть различными за счет изменения степени охлаждения для каждого из потоков 18 и 19 в теплообменнике (и это означает, что данные два потока хладагента могут испаряться в различных температурных диапазонах). Каждый из охлаждаемых технологических потоков 18 и 19 далее по отдельности расширяют в детандерах или расширительных клапанах 4а и 4Ь, чтобы обеспечить первый и второй потоки хладагента б и 7. Хладагент из потоков б и 7 далее повторно используют, как описано со ссылкой на фигуру 1.
Таким образом, данный вариант осуществления обеспечивает
дополнительную гибкость эксплуатации, позволяя при
необходимости изменять: (i) температуру (путем различного предварительного охлаждения в теплообменнике 2); (ii) давление (путем различного расширения в детандерах или расширительных клапанах 4а и 4Ь), и (iii) соотношение, в котором хладагент разделяют между потоками 18 и 19.
Более того, данный процесс не имеет конструктивных ограничений, накладываемых за счет использования более сложных процессов многоступенчатого расширения.
Когда требуется охлаждение, чтобы охладить подающий технологический поток в диапазоне умеренных температур, уровни давления и температуры для испарения хладагента оказывают сильное влияние на форму температурно-энтальпийных профилей потока. Следовательно, возможность изменять температуру и давление первого и второго потоков хладагента в данном варианте осуществления дают дополнительную гибкость, позволяющую повысить термодинамическую эффективность.
(iii) Варианты осуществления Зг 4 и 5 (Фигуры Зг 4 и 11) -Варианты осуществления с испарителвным устройством
Простое разделение потока, применяемое в вариантах осуществления, описанных на фигурах 1 и 2 выше, все же имеет ограничение в том, что оба потока хладагента имеют идентичный состав.
Если требуется охлаждение в широком температурном диапазоне, воздействие одних только уровней давления и температуры на термодинамическую результативность может быть ограниченным. Другой решающий фактор, состав хладагента, играет в таких случаях более значительную роль в предоставлении возможности оптимизации температурно-энтальпийных профилей хладагентов. Таким образом, возможность получать отдельные потоки хладагента с различными составами внутри цикла на одном смешанном хладагенте, дает возможность более эффективного управления температурно-энтальпийными профилями и повышения эффективности эксплуатации.
Некоторые варианты осуществления изобретения используют изобарическое испарение при помощи узла испарительного
устройства. Изобарическое испарение является установившимся техническим приемом, который создает два потока продукта с различными составами, один в виде пара, а другой в виде жидкости. Для смешанных хладагентов скорость поступления и состав потоков продукта определяются парожидкостным равновесием и могут быть получены с помощью расчета "мгновенного" фазового состава смеси. При регулировке условий испарения, включая уровни давления и температуры, а также состав подающего потока, скорость поступления и составы потоков продукта изменяются соответственно. Если цикл на одном смешанном хладагенте способен уловить данные особенности процесса испарения, тогда оптимизация цикла может быть более гибкой за счет создания двух потоков хладагента с разными составами. Следующие два варианта осуществления изобретения, проиллюстрированные на фигурах 3 и 4, были разработаны, чтобы использовать преимущество процессов испарения для повышения термодинамической эффективности.
Вариант осуществления с предварителвным испарением (Вариант осуществления Зг фигура 3)
Вариант осуществления, представленный на фигуре 3, является таким же, как и вариант, представленный на фигуре 2, за исключением того, что перед предварительным охлаждением в теплообменнике 2 единый сжатый поток хладагента 1 разделяют на два отдельных потока 18 и 19 в испарительном устройстве 30. Сжатый подающий поток смешанного хладагента 1 является смесью пара и жидкости, которые разделяют в испарительном устройстве 3 0 для получения двух потоков продукта 18 и 19. Поток 18 включает пар, отводимый из верхней части испарительного устройства 30, а поток 19 включает жидкость, отводимую из нижней части испарительного устройства.
Поток 18, включающий пар, подвергается большему предварительному охлаждению в теплообменнике 2 для превращения пара в жидкость. Это обеспечивает два жидких потока хладагента 18 и 19 различных составов, которые дальше расширяют в детандерах или расширительных клапанах 4Ь и 4а соответственно, для образования первого и второго подающих потоков хладагента б и 7 соответственно. Хладагент далее повторно используют, как
описано выше со ссылкой на фигуру 1.
В данном варианте осуществления состав двух потоков хладагента в теплообменнике может быть изменен посредством регулировки условий испарения. Это обеспечивает дальнейшую вариативность рабочих характеристик за счет обеспечения возможности дальнейшего управления температурно-энтальпийными профилями хладагента. Это дает возможность более тесного сближения профиля хладагента с композитной кривой охлаждения технологического потока. Следовательно, данный процесс имеет гораздо большую вариативность рабочих характеристик, чем цикл на одном смешанном хладагенте.
Ясно, что в данном варианте осуществления с предварительным испарением, условия потоков 18 и 19 полностью определяют при помощи расчета "мгновенного" фазового состава смеси. Единственным способом регулировки условий данных потоков является изменение условий подающего потока. Поэтому выбор условий для испарения потоков продукта является ограничивающим фактором в данном процессе.
Предварительное испарение с распределением потока (Вариант осуществления 4Г фигура 4)
Еще один альтернативный вариант осуществления изобретения проиллюстрирован на фигуре 4. Данный вариант осуществления включает дополнительную гибкость для устранения ограничений распределения продуктов испарения.
Вариант осуществления, представленный на фигуре 4, является таким же, что и представленный на фигуре 3, в том, что он использует испарительное устройство 30 для получения потоков 18 и 19 с разными составами. Однако паровой и жидкий потоки, отведенные из испарительного устройства 30, не выступают в качестве потоков хладагента непосредственно, как это происходит в варианте осуществления с предварительным испарением (фигура 3) . Вместо этого, действительные составы хладагента формируют путем смешивания части отведенного парового потока с частью отведенного жидкого потока из испарительного устройства 30. Таким образом, поток 18 формируют из части 18а парового потока и части 18Ь жидкого потока из испарительного устройства 30.
Аналогичным образом, остающуюся часть парового потока 19а и остающуюся часть жидкого потока 19Ь объединяют для образования потока хладагента 19.
Посредством изменения количества паровой и жидкой фазы в каждом потоке хладагента состав потоков хладагента может быть дополнительно оптимизирован для охлаждения требуемого технологического потока 9. Даже при неизменных параметрах подающего потока, скорость поступления и составы обоих потоков хладагента могут все же быть изменены за счет изменения соотношения потоков. Следовательно, это обеспечивает дальнейшую вариативность рабочих характеристик для оптимизации термодинамической эффективности.
Хотя в варианте осуществления, проиллюстрированном на фигуре 4, разделение и смешивание хладагента приводят в результате к дополнительным потерям эксергии, дополнительная вариативность рабочих характеристик и выбор условий предварительного охлаждения и испарения хладагента помогают сблизить горячие и холодные композитные кривые технологических потоков более тесно и сократить потери эксергии во время теплообмена. Таким образом, схема предварительного испарения с распределением потока имеет возможность чрезвычайно повысить эффективность цикла, если польза от более эффективного теплообмена перевешивает негативный эффект, вызванный разделением и смешиванием хладагента.
Предварительное испарение с двумя теплообменниками (Вариант осуществления 5Г фигура 11)
На фигуре 11 проиллюстрирован еще один вариант осуществления, который сходен в конструктивном исполнении с вариантом осуществления с предварительным испарением (вариант осуществления 3), описанным выше со ссылкой на фигуру 3. В данном варианте осуществления единый сжатый поток хладагента 1 вводят в первое испарительное устройство 30а, где он разделяется на два потока хладагента 18 и 19 тем же самым способом, как описано выше со ссылкой на вариант осуществления 3 (фигуру 3).
Первый поток хладагента 19 предварительно охлаждают в
первом теплообменнике 2а и далее пропускают через расширительную камеру или расширительный клапан 4а для образования расширенного потока хладагента б, который формирует первый поток хладагента в теплообменнике 2а. Первый поток хладагента б далее возвращают обратно к сжатому потоку хладагента 1 точно так же, как описано ранее в отношении вариантов осуществления 1 и 3 (фигуры 1 и 3).
Второй поток хладагента 18 также предварительно охлаждают
в теплообменнике 2а и далее подают во второе испарительное
устройство ЗОЬ, где он разделяется на два потока хладагента 18а
и 18Ь. Потоки хладагента 18а и 18Ь далее подвергают
предварительному охлаждению во втором теплообменнике 2Ь,
который установлен последовательно с теплообменником 2а. Два
предварительно охлажденных потока хладагента 18а и 18Ь далее
подвергают расширению при помощи расширительной
камеры/расширительных клапанов 4Ь, 4с для получения двух отдельных потоков хладагента 7а и 7Ь, которые направляют во второй теплообменник 2Ь и далее подают в первый теплообменник 2а, чтобы доставить холодоноситель к технологическому потоку 9.
Поток хладагента 7а находится, как правило, при более высоком давлении, чем поток хладагента 7Ь. Соответственно необходимо поток хладагента 7Ь подвергнуть первичному сжатию в первом компрессоре 10 для того, чтобы повысить давление данного хладагента до уровня, который является таким же или близким к таковому для потока хладагента 7а. Все потоки хладагента 7а, 7Ь, б далее смешивают и сжимают в компрессоре 11 для формирования единого сжатого потока хладагента 1, который далее возвращают обратно в испарительное устройство 30а.
Соответственно, поток хладагента б находится при высоком
давлении, поток хладагента 7а находится при
пониженном/промежуточном давлении, и поток хладагента 7Ь находится при самом низком давлении.
Обеспечение двух теплообменников (2а и 2Ь) и потоков хладагента (б, 7а и 7Ь) позволяет оптимизировать свойства потоков хладагента для охлаждения технологического потока 9. Данная оптимизация является улучшенной за счет обеспечения
дополнительных переменных, которые позволяют оптимизировать состав и давление хладагента для обеспечения кривой охлаждения соответствующего технологического потока. Однако, данный вариант осуществления также требует относительно более сложного и дорогого конструктивного исполнения.
Конкретные примеры практического осуществления изобретения будут пояснены ниже со ссылкой на следующий пример.
ПРИМЕР - МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА
Для каждого варианта осуществления, описанного выше со ссылкой на фигуры 1-4, сначала определяют независимые переменные процесса, а затем выполняют вычисления физических свойств, баланса вещества и баланса энергии для расчета других промежуточных рабочих условий и оценки общей результативности способа охлаждения. Расчет физических свойств основан на уравнении состояния (например, метод Пенга-Робинсона), которое дает термодинамические данные, от характеристик потока (состав, температура, давление) до физических свойств (энтальпия, энтропия). В принципе, если задан состав, физическое состояние потока определяется любыми двумя из следующих параметров: температура, давление, удельная энтальпия и удельная энтропия. Данную особенность используют для расчета изменения энтальпии потока в теплообменнике, и для определения характеристик потока после расширения и сжатия. Если происходит смешивание или разделение потока, тогда для расчета состава и скорости поступления потоков продукта используется баланс вещества.
Моделирование процесса новых холодильных циклов также
включает оценку технической осуществимости теплопередачи в
теплообменнике. Для теплообменного узла, включающего три или
более потоков, как рассматриваемый здесь узел, технически
осуществимая теплопередача может быть полностью
удовлетворительной, только если разность температур между горячей и холодной композитной кривой не меньше, чем определенное минимальное значение. Таким образом, чтобы гарантировать, что теплообмен может быть успешно реализован в теплообменнике, необходимо построить и сравнить горячую и холодную композитные кривые для данного теплообменного узла.
Как только горячая композитная кривая и холодная кривая построены, проверка технической осуществимости выполняется по обеим кривым.
Как только агрегатное состояние всех технологических потоков получено путем расчетов физических свойств, потребляемая мощность на валу холодильных компрессоров и режим естественного охлаждения могут быть рассчитаны на основе балансов вещества и энергии. Многоступенчатое сжатие применяется с промежуточным охлаждением.
В данном разделе моделирования потребляемая мощность на
валу выбрана в качестве основной цели для уменьшения. Однако,
если доступны данные для соотнесения размеров и стоимости
оборудования, тогда капиталовложения также могут
рассматриваться во время проектирования процесса с целевой функцией, замененной суммарными среднегодовыми затратами.
Моделирование используется для оценки результативности всех холодильных циклов, описанных со ссылками на фигуры 1-4. Однако, для вариантов осуществления, представленных на фигурах 3 и 4, оба из которых включают испарительное устройство 30, действительный состав хладагента требуется определять сначала при помощи расчета "мгновенного" фазового состава смеси, перед моделированием процесса расширения. После моделирования основного оборудования, такого как средство расширения, теплообменник и многоступенчатые компрессоры, показатель результативности - потребляемую мощность на валу, также как и показатель технической осуществимости - степень нарушения температурного напора в теплообменнике (широко известную как минимальный температурный напор, ATmin) получают в результате моделирования. В соответствии с данными двумя параметрами конечную целевую функцию определяют и используют для оценки приспособленности кандидатов в ходе оптимизации на основе ГА (генетического алгоритма).
Результативность систем охлаждения сильно зависит от выбранных рабочих условий. Путем регулировки данных рабочих условий результативность системы могла бы быть повышена. Задача проектирования системы охлаждения является исключительно
нелинейной, с обилием локальных оптимумов, существующих в
пространстве поиска. Вследствие данной особенности оптимизация
может легко оказаться в ловушке одного из локальных оптимумов,
если для решения задачи применяются традиционные
детерминистские методы. Поэтому метод стохастической
оптимизации дает преимущества большей достоверности конечного
оптимального решения (решений) над традиционными
детерминистскими методами. Методы стохастической оптимизации, такие как генетический алгоритм (ГА) и алгоритм имитации отжига (математический аннилинг), широко применяются в задачах разработки и проектирования технологического процесса. ГА выбран для оптимизации данной задачи.
Полная ГА оптимизация включает два этапа: инициализацию
или создание начальной популяции, и эволюцию. Оптимизация на
основе ГА начинается с создания начальной популяции кандидатов,
где каждый кандидат представляет множество рабочих условий.
Процесс скрининга вводится для отфильтровывания кандидатов
плохого качества и сохранения в начальной популяции кандидатов
с лучшей приспособленностью. Хотя создание кандидатов высокого
качества требует больше времени на этапе инициализации, время,
расходуемое на этапе эволюции, может быть сокращено благодаря
старту из начальной популяции лучшего качества. Качество
кандидата главным образом оценивается по его технической
осуществимости, которую получают из моделирования. Если
кандидат является технически осуществимым или имеет только
приемлемые температурные нарушения в теплообменнике, он
сохраняется в начальной популяции. После того, как начальная
популяция создана на этапе инициализации, созданные кандидаты
обрабатываются с помощью ГА операторов: отбора, скрещивания и
мутации для воспроизводства следующего поколения.
Приспособленность кандидата оказывает сильное воздействие на вероятность перехода его признаков к следующему поколению. Кандидаты в новом поколении более вероятно наследуют характеристики от кандидатов с лучшей приспособленностью. Когда достигнуто последнее поколение, лучший кандидат возвращается в качестве конечного оптимального решения.
Концептуальная модель ГА оптимизации проиллюстрирована на фигуре 5. Каждый кандидат является множеством независимых рабочих условий. Приспособленность каждого кандидата является отражением показателя результативности, оцениваемого при помощи моделирования процесса. В данном исследовании потребляемая мощность на валу выбрана в качестве основной цели для минимизации, хотя штрафной компонент тоже вносит вклад в целевую функцию, чтобы позволить разумную степень неосуществимости в теплообменнике.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ
Два различных примера используются в данном разделе, чтобы проиллюстрировать результативность новых схем, предложенных в настоящем документе. Первый пример (Практический пример 1) был первоначально опубликован Vaidyaraman et al, (2002), в нем требовалось охладить поток природного газа от окружающей температуры до приблизительно -60°С, довольно умеренного температурного уровня. Другой пример (Практический пример 2), цитированный по Lee (2002), предполагает оптимизацию результативности процесса производства СПГ. В данном случае подающий поток газа необходимо охладить от окружающей температуры до -160°С, очень низкого температурного уровня.
Для обоих примеров оптимизация выполнялась для всех новых схем MR цикла, чтобы добиться их наилучшей энергоэффективности. Дополнительные усилия были приложены, чтобы удостовериться, что оптимизация была выполнена на той же самой конструктивной основе. В ходе оптимизации применена модель многоступенчатого сжатия, чтобы отразить наилучшую результативность, которую способен предложить каждый индивидуальный процесс. Дополнительно, для каждого процесса сделано конкретное описание максимальной степени повышения давления, так, чтобы все оптимальные решения могли сохранять аналогичное число ступеней сжатия, которое оказывает существенное воздействие на потребляемую мощность на валу процесса. Как только для каждого процесса получены конечные решения, - устанавливаются преимущества различных схем. И данные полезные рекомендации могут использоваться для выбора подходящих схем для заданной
задачи охлаждения.
ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР 1
Предварительно обработанный поток природного газа нужно охладить от 19,85°С до -58,15°С, используя смесь углеводородов СгНб, СзЩ, и П-С4Н10 в качестве компонентов хладагента. Целью является уменьшение компрессорного энергопотребления. Внешний холодильный узел доступен для охлаждения горячего хладагента до 4 0°С. Минимальная разность температур для осуществимой теплопередачи составляет 2,5°С. Предполагается, что изоэнтропический КПД компрессора составляет 80%. Для сопоставимости с прежней работой Vaidyaraman et al, (2002), расчеты физических свойств проведены при помощи уравнения состояния Соаве-Редлиха-Квонга (SRK). Температурно-энтальпийный профиль потока природного газа приводится в таблице 1.
Обычный цикл на одном смешанном хладагенте и все новые процессы охлаждения, описанные со ссылками на фигуры 1-4, были разработаны, чтобы удовлетворить потребность в охлаждении, описанную в данном примере. Диапазон показателей результативности для каждого процесса охлаждения был подобран для сравнения.
Как важный показатель результативности, потребляемая мощность на валу отражает энергоэффективность каждого процесса, причем более высокая потребляемая мощность на валу означает более низкую эффективность цикла. Кроме того, число ступеней компрессора также было выбрано для сравнения, поскольку данный параметр не только существенно влияет на эффективность цикла, но также определяет и конструктивную сложность процессов охлаждения. Если какой-нибудь процесс охлаждения достигает лучшей эффективности цикла, чем другие, но требует больше ступеней сжатия, тогда повышение эффективности может не происходить за счет изменений конфигураций процесса, но фактически может достигаться благодаря большему промежуточному охлаждению между ступенями сжатия. Таким образом, чтобы добиться объективного сравнения различных процессов, максимальная степень повышения давления ступеней сжатия тщательно подбиралась для каждого процесса в ходе оптимизации. И итоговое число ступеней сжатия должно быть равным или близким к 4. Более того, показатель технически осуществимого теплообмена, т.е. минимальная разность температур также была включена в сравнительную таблицу, поскольку полное достижение осуществимой теплопередачи в теплообменнике существенно для проектирования процесса охлаждения. Вышеупомянутые показатели результативности всех процессов охлаждения получены после применения ГА оптимизации, как показано в таблице 2.
Цикл на одном смешанном хладагенте
Наилучшее конструктивное исполнение цикла на одном смешанном хладагенте проиллюстрировано на фигуре 6(a) . Горячие и холодные композитные кривые и температурно-энтальпийные (Т-Н) профили потока показаны на фигуре б (Ь) . Как можно видеть на фигуре б, хотя тесное сближение наблюдается на нижнем конце, существует большое расхождение между композитными кривыми в
высокотемпературной области. Такое большое расхождение
означает, что эффективность цикла оказывается очень низкой из-
за значительной термодинамической необратимости и
результирующей потери эксергии во время теплообмена. Между
композитными кривыми нет температурных пересечений, и
техническая осуществимость теплопередачи в теплообменнике
полностью достижима.
Многоступенчатое расширение
Наилучшее конструктивное исполнение схемы
многоступенчатого расширения проиллюстрировано на фигуре 7(a). Композитные кривые и температурно-энтальпийные (Т-Н) профили потока в теплообменнике проиллюстрированы на фигуре 7 (Ь) . Как можно видеть на фигуре 7, хотя горячий хладагент предварительно охлажден в едином потоке, два холодных хладагента после разделения потока испаряются при различных уровнях давления и образуют Т-Н профили в различных температурных диапазонах. В результате, объединенная холодная композитная кривая сближается с горячей очень тесно, внося вклад в уменьшение потребляемой мощности на валу.
Однако, как следствие предварительного охлаждения единого потока, температуры нижнего конца обоих холодных хладагентов довольно близки (так как охлаждающее действие расширения потока очень ограничено). Это чрезвычайно ограничивает выбор условий для испарения хладагента. Простым способом устранить такое структурное ограничение является введение многопоточного предварительного охлаждения.
Многопоточное предварительное охлаждение
Наилучшее конструктивное исполнение схемы многопоточного предварительного охлаждения показано на фигуре 8 (а) . Композитные кривые и температурно-энтальпийные (Т-Н) профили потока в теплообменнике проиллюстрированы на фигуре 8 (Ь) . В противоположность прежним схемам цикла MR, два горячих потока хладагента предварительно охлаждены до разных температурных уровней, и выбор условий для испарения холодного хладагента становится более гибким. Как можно видеть на фигуре 8, два холодных хладагента осуществляют процесс охлаждения в разных
температурных диапазонах, и композитные кривые тесно сближены. Более того, при сравнении данного конструктивного исполнения с лучшим аналогичным для схемы многоступенчатого расширения, можно видеть, что требуемое количество циркулирующего хладагента становится меньше. Кроме того, хладагент содержит меньшую долю СгНб, который труднее поддается сжатию, чем два других компонента. Все данные особенности вносят вклад в дальнейшее уменьшение потребляемой мощности на валу. Схема предварительного испарения
Наилучшее конструктивное исполнение для варианта осуществления с предварительным испарением проиллюстрировано на фигуре 9(a). Композитные кривые и температурно-энтальпийные (Т-Н) профили потока в теплообменнике показаны на фигуре 9(Ь).
Для данного конструктивного исполнения необходимо отметить, что скорость поступления парового продукта является нулевой после испарительной сепарации. Это означает, что в данном конкретном примере схема предварительного испарения выродилась в обычный цикл на одном смешанном хладагенте, поскольку хладагент более низкого уровня не присутствует. Потребляемая мощность на валу, аналогичная таковой для конструктивного исполнения цикла на одном смешанном хладагенте, также отвечает за вырождение данного процесса.
Схема предварительного испарения с распределением потока
Наилучшее конструктивное исполнение схемы предварительного испарения с распределением потока проиллюстрировано на фигуре 10(а). Композитные кривые и температурно-энтальпийные (Т-Н) профили потока в теплообменнике показаны на фигуре 10(b). В данной схеме действительные потоки хладагента получают при помощи частичного смешивания паровых и жидких продуктов из испарительного устройства. Это дает дополнительную гибкость для регулирования состава и скорости поступления действительных потоков хладагента в теплообменник. Следовательно, для данной схемы композитные кривые могут сближаться более тесно, чем для схемы предварительного испарения, в которой продукты испарения непосредственно выступают в качестве потоков хладагента, и можно соответственно экономить потребляемую мощность на валу.
Из сводки результатов, представленной в таблице 2, можно
видеть, что три из четырех вариантов осуществления настоящего
изобретения могут повысить результативность цикла примерно на
10%, с введенными новыми степенями свободы и созданными
возможностями большей тепловой интеграции. Схема
предварительного испарения не может предложить лучшую эффективность цикла в данном конкретном примере и вырождается к циклу на одном смешанном хладагенте в наилучшем конструктивном исполнении. Это означает, что конструктивное ограничение, т.е. отсутствие распределения потока после испарительной сепарации, оказывает значительное негативное воздействие на повышение эффективности цикла в данном конкретном примере. Однако, данный недостаток может быть устранен при помощи распределения и смешивания потоков продукта из испарительного устройства, что использовано в варианте осуществления с предварительным испарением и распределением потока.
Для того, чтобы подтвердить правильность наилучших конструктивных исполнений, проиллюстрированных в таблице 2, все конфигурации процесса были промоделированы в коммерческом пакете моделирования процесса ASPEN HYSYS(r). Таблица 3 иллюстрирует сравнение результатов между основными параметрами результативности, полученными в данной работе, и результатами моделирования в ASPEN HYSYS(r). Как можно видеть, оба параметра, потребляемая мощность на валу и минимальная разность температур, имеют очень близкие результаты моделирования. Таким образом, средства моделирования процесса, использованные в данной работе, достигают достаточной точности.
Практический пример 2
В данном примере существующие процессы, так же как и четыре варианта осуществления настоящего изобретения, были оптимизированы для производства СПГ. Предварительно обработанный поток природного газа нужно охладить от окружающей температуры 25°С до -163°С. Смесь углеводородов СН4, СгН6, СзН8,
П-С4Н10 и N2 использована в качестве смешанного хладагента. Целью являлось уменьшение компрессорного энергопотребления на основе многоступенчатого сжатия. Внешний холодильный узел доступен для охлаждения горячего хладагента до 30°С. Минимальная разность температур для теплопередачи составляет 5°С. Предполагается, что изоэнтропический КПД компрессора составляет 80%. Расчеты физических свойств выполнены на основе уравнения состояния Пенга-Робинсона. Температурно-энтальпийный профиль потока природного газа приводится в таблице 4.
Для того, чтобы иметь эталон потребляемой мощности на валу для производства СПГ, технология APCI охлаждения смешанным хладагентом с предохлаждением пропаном, широко используемый процесс производства СПГ в современной промышленной практике, также была промоделирована и оптимизирована в соответствии с подходом, описанным в настоящем документе. Предполагается, что цикл с предохлаждением пропаном осуществляет процесс охлаждения при четырех различных уровнях давления, и смешанный хладагент основного криогенного цикла состоит из СН4, СгН6, СзН8, П-С4Н10 и
N2. Рабочие условия для пропана и смешанного хладагента, так же как и состав смешанного хладагента, были оптимизированы в соответствии с концептуальной моделью ГА оптимизации. В конце ГА оптимизации наилучшее конструктивное исполнение с минимальной потребляемой мощностью на валу получено в качестве эталона для сравнения в таблице 5.
Таблица 5
Сводка результатов для различных процессов производства СПГ
(Практический пример 2)
Процесс охлаждения
Потребляемая мощность на валу (МВт)
Относительное понижение
Количество ступеней сжатия
Цикл на одном смешанном хладагенте
28,27
Многоступенчатое расширение (Вариант осуществления 1)
28,2
0,25%
Многопоточное предохлаждение (Вариант осуществления 2)
27,42
3, 01%
Предварительное испарение (Вариант осуществления 3)
26, б
5, 91%
Предварительное испарение с распределением потока (Вариант осуществления 4)
26, 05
7, 85%
Процесс APCI C3/MR
24, 82
12,2%
Как показано в таблице 5, цикл на одном смешанном хладагенте имеет наименьшую эффективность цикла и потребляет 2 8, 27 МВт мощности на валу для приведения в действие холодильных компрессоров. Процессом охлаждения с наибольшей эффективностью является процесс APCI C3/MR, который может понизить потребляемую мощность на валу на 12,2% по сравнению с циклом на одном смешанном хладагенте. Потребляемая мощность на
валу наилучшего конструктивного исполнения многоступенчатого расширения оказывается очень близка к таковой для конструктивного исполнения цикла на одном смешанном хладагенте, и наилучшее конструктивное исполнение имеет очень низкую скорость поступления хладагента 0,0299 кмоль/с при промежуточном уровне давления. Это означает, что оно вырождается в цикл на одном смешанном хладагенте. Для варианта осуществления с многопоточным предварительным охлаждением, поскольку не удается избежать структурных ограничений, вызванных простым разделением потока и идентичными составами обоих потоков хладагента, эффективность цикла оказывается только незначительно повышенной, примерно на 3%. В варианте осуществления с предварительным испарением и в варианте осуществления с распределением потока потребляемая мощность на валу снижена приблизительно на б% и 8%, соответственно. Каждый из этих вариантов выигрывает от создания потоков хладагента с различными составами и демонстрирует более высокую эффективность цикла, чем другие схемы цикла на одном смешанном хладагенте без процессов испарения. Также можно отметить, что введение распределения потока еще более повысит результативность цикла за счет более гибкого выбора скоростей поступления и составов для действительных потоков хладагента.
Процесс APCI C3/MR показывает свои преимущества над
другими процессами охлаждения с точки зрения
энергоэффективности, но он отличается гораздо более сложной конфигурацией процесса, чем другие. Прежде всего, он требует в целом 7 ступеней холодильного компрессора, четыре ступени для сжатия пропана и три ступени для сжатия смешанного хладагента. Большее количество ступеней сжатия существенно увеличивает сложность процесса и также оказывает негативное воздействие на общую надежность процесса, поскольку вовлечено больше единиц оборудования. Во-вторых, цикл предохлаждения пропаном требует сложной сети сепарации и распределения пропана, которая также значительно повышает сложность процесса. Для применений охлаждения, которые не имеют ограничений по сложности процесса, процесс APCI C3/MR может быть хорошей альтернативой из-за его
эффективного обеспечения процесса охлаждения. Однако, если применения имеют конкретные ограничения по сложности конструкции или весу, тогда способы охлаждения настоящего изобретения будут выигрышными из-за их простой и компактной конструкции с повышенной эффективностью цикла. Более того, при меньшем количестве используемого оборудования данные процессы должны также выигрывать за счет более высокой надежности, чем более сложные процессы, такие как процесс APCI C3/MR.
Из вышеприведенных результатов оптимизации двух различных примеров, можно видеть, что каждая схема может демонстрировать различное влияние на повышение результативности цикла для разных задач охлаждения. В первом примере понижение температуры природного газа умеренное, так что схема многоступенчатого расширения и схема многопоточного предварительного охлаждения имеют хорошие шансы выиграть от применения нескольких уровней температуры и давления для испарения хладагента, и повысить результативность цикла. Однако, во втором примере, где в процессе сжижения природного газа покрывается широкий температурный диапазон, обе из них не могут существенно повысить эффективность цикла, и даже должны сталкиваться с возможностью вырождения к циклу на одном смешанном хладагенте. Для повышения результативности цикла в приведенных примерах с большими изменениями температур рекомендуются схемы с процессами испарения, особенно схема с распределением потока. Данные схемы могут воспользоваться преимуществом создания хладагентов с различными составами, чтобы более эффективно регулировать форму Т-Н профилей, и, следовательно, снижать потребляемую мощность на валу.
Более того, необходимо отметить, что схема предварительного испарения с распределением потока неизменно показывает в обоих примерах высокую эффективность цикла, благодаря гибкости, появившейся за счет процесса испарения и распределения потока. И такая схема сохраняет относительно простую конфигурацию оборудования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Четыре варианта осуществления способа изобретения,
основанные на цикле на одном смешанном хладагенте, обеспечивают сравнительно простую конфигурацию оборудования, к тому же способны предложить дополнительные рабочие переменные, позволяющие повысить термодинамическую эффективность цикла охлаждения.
Повышенная эффективность появляется в определенных обстоятельствах за счет использования преимущества нескольких уровней давления и температуры испарения хладагента, и, в некоторых вариантах осуществления, за счет использования испарительного устройства.
Для задач охлаждения с умеренным изменением температуры схема многоступенчатого расширения и схема многопоточного предварительного охлаждения может обеспечить повышенную эффективность цикла при относительно простой конструкции цикла. Потоки хладагента в каждой схеме испаряются при нескольких уровнях давления и предоставляют больше возможностей для тесного сближения всех композитных кривых. Если охлаждение покрывает широкий температурный диапазон, воздействие нескольких уровней давления и температуры на повышение результативности очень ограничено. И в таких случаях использование испарительных устройств для введения хладагентов с различными составами поможет более эффективному управлению Т-Н профилями. Обеспечение распределения потока еще более повысит эффективность цикла. В результатах практических примеров также показано, что схема предварительного испарения с распределением потока может неизменно предлагать высокую эффективность цикла в обоих примерах, в отличие от других схем, для которых повышение результативности цикла могло бы основываться на особенностях конкретных задач охлаждения.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Lee, G.C., Optimal design and analysis of refrigeration systems for low temperature processes, PhD thesis, Department of Process Integration - UMIST, UK, 2001.
Vaidyaraman, S. and Maranas, CD., Synthesis of mixed
refrigerant cascade cycles, Chemical Engineering
Communications, Vol. 189, No. 8, pp 1057-1078, 2002.
Везде в описании и формуле изобретения данного описания изобретения слова "включает" и "содержит" и их производные означают "в том числе, но без ограничения", и они не подразумевают исключение (и не исключают) другие части, дополнения, компоненты, целые числа или этапы. Везде в описании и формуле изобретения данного описания изобретения единственное число охватывает множественное, если контекст не требует иного. В частности, там, где использован неопределенный артикль, описание следует понимать как предполагающее множественность так же как и единичность, если контекст не требует иного.
Признаки, целые числа и характеристики, описанные в отношении конкретного аспекта, варианта осуществления или примера изобретения следует понимать как применимые к любому другому аспекту, варианту осуществления или примеру, описанному в настоящем документе, если это не входит в противоречие с ним. Все признаки, раскрытые в данном описании изобретения (включая любую прилагаемую формулу изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого способа или процесса, раскрытого таким образом, могут быть объединены в любом сочетании, кроме сочетаний, где, по меньшей мере, некоторые из таких особенностей и/или этапов являются взаимоисключающими. Изобретение не ограничено деталями любых вышеприведенных вариантов осуществления.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ охлаждения для охлаждения подаваемого потока продукта, включающий пропускание подаваемого потока продукта через единственный теплообменник, содержащий первый поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента, и второй поток хладагента, состоящий из смешанного хладагента; причем первый поток хладагента является испаряемым при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента;
и причем первый поток хладагента после выхода из упомянутого теплообменника подвергают первичному сжатию до смешивания со вторым подаваемым потоком хладагента из упомянутого теплообменника для образования единого потока хладагента, который подвергают вторичному сжатию для образования сжатого потока хладагента,
и причем:
(i) хладагент в сжатом потоке хладагента далее подвергают
охлаждению в упомянутом теплообменнике с последующим
расширением до повторного введения в упомянутый теплообменник
для охлаждения упомянутого подаваемого потока; и
(ii) сжатый поток хладагента разделяют на два потока,
которые образуют упомянутые первый и второй потоки хладагента,
которые подают в упомянутый теплообменник до, во время или
после упомянутого охлаждения сжатого хладагента в
теплообменнике.
2. Способ по п.1, в котором дополнительные (например, 3, 4 или 5) потоки хладагента обеспечивают в теплообменнике.
3. Способ по п.1 или п. 2, где температура и/или давление первого потока хладагента ниже, чем давление и/или температура второго потока смешанного хладагента.
4. Способ по п.З, в котором первый поток хладагента находится при давлении, которое ниже, чем давление второго потока хладагента.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором сжатый поток хладагента разделяют на отдельные подаваемые потоки (которые в конечном счете формируют первый и второй подаваемые потоки хладагента) до охлаждения хладагента в
2.
теплообменнике.
6. Способ по любому из пп.1-4, где сжатый поток хладагента разделяют на отдельные подающие потоки (которые в конечном счете формируют первый и второй подающие потоки хладагента) после охлаждения хладагента в теплообменнике.
7. Способ по любому из пп.1-4, где сжатый поток хладагента является либо:
(i) охлажденным первым и/или вторым потоками хладагента в теплообменнике как единый поток до разделения на первый и второй потоки, которые далее подвергаются расширению для формирования первого и второго потоков хладагента соответственно, которые протекают в теплообменник для обеспечения охлаждающего действия;
(ii) охлажденным первым и/или вторым потоками хладагента в теплообменнике как единый поток до подвергания первичному расширению и далее расщепленный на первый и второй потоки, первый поток, подверженный дальнейшему расширению для формирования первого потока хладагента, и второй поток, формирующий второй поток хладагента;
или
(iii) разделенным на два отдельных потока хладагента,
которые далее охлаждаются первым и/или вторым потоками
хладагента в теплообменнике и подвергаются расширению для
формирования первого и второго потоков хладагента, которые
протекают в теплообменник для обеспечения охлаждающего
действия.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором подающий поток хладагента разделяют на паровую и жидкую фазы в испарительном устройстве.
9. Способ по п. 8, в котором отдельные части паровой и жидкой фаз объединяют для создания отдельных потоков хладагента различного состава.
10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором
подающий поток продукта отбирается из группы, состоящей из
природного газа, воздуха, азота, углекислого газа и кислорода.
11. Способ для сжижения природного газа, включающий
охлаждение подаваемого потока природного газа для образования сжиженного природного газа, использующий способ по любому из пп.1-10.
12. Узел охлаждения, содержащий единственный
теплообменник, выполненный с возможностью получения потока
продукта подлежащего охлаждению во время использования и
холодильный цикл, причем упомянутый узел включает в себя:
первый и второй поток хладагента, протекающие через теплообменник для обеспечения охлаждения; причем хладагент в первом потоке хладагента является испаряемым при температуре, которая ниже, чем температура хладагента во втором потоке хладагента;
первое средство сжатия, выполненное с возможностью получения первого потока хладагента, выходящего из упомянутого теплообменника, и сжатия хладагента до первого уровня сжатия;
второе средство сжатия, выполненное с возможностью получения смеси из второго потока хладагента, выходящего из упомянутого теплообменника, и сжатого потока хладагента из первого средства сжатия, и сжатия смеси для формирования сжатого потока хладагента;
средство для направления хладагента в сжатом потоке хладагента в упомянутый теплообменник на охлаждение;
средство для доставки охлажденного хладагента к средству расширения, и далее доставки расширенного хладагента в упомянутый теплообменник; и
средство для разделения сжатого потока хладагента на два отдельных потока хладагента, которые образуют упомянутый первый и второй потоки хладагента, которые подаются в упомянутый теплообменник, и причем упомянутое разделение сжатого потока хладагента происходит до, во время или после упомянутого охлаждения сжатого хладагента в теплообменнике.
13. Способ охлаждения для охлаждения подаваемого потока
продукта, включающий пропускание подаваемого потока продукта
через теплообменник, содержащий первый поток хладагента,
состоящий из смешанного хладагента, и второй поток хладагента,
состоящий из смешанного хладагента; причем первый поток
хладагента является испаряемым при температуре, которая ниже, чем температура второго потока хладагента;
и причем первый поток хладагента после выхода из упомянутого теплообменника подвергают первичному сжатию до смешивания со вторым подаваемым потоком хладагента из упомянутого теплообменника для образования единого потока хладагента, который подвергают вторичному сжатию для образования сжатого потока хладагента,
и причем:
(i) хладагент в сжатом потоке хладагента подвергают далее
охлаждению в упомянутом теплообменнике с последующим
расширением до повторного введения в упомянутый теплообменник
для охлаждения упомянутого подаваемого потока; и
(ii) сжатый поток хладагента разделяют на два отдельных
потока, которые образуют первый и второй потоки хладагента до
или во время упомянутого охлаждения сжатого хладагента в
упомянутом теплообменнике.
14. Способ по п.13, в котором дополнительные (например, 3, 4 или 5) потоки хладагента обеспечивают в теплообменнике.
15. Способ по п. 13 или п. 14, в котором температура и/или давление первого потока хладагента ниже, чем давление и/или температура второго потока смешанного хладагента.
16. Способ по п.15, в котором первый поток хладагента находится при давлении, которое ниже, чем давления второго потока хладагента.
17. Способ по любому из пп.13-16, в котором сжатый поток хладагента разделяют на отдельные подающие потоки (которые в конечном счете формируют первый и второй подающие потоки хладагента) до охлаждения хладагента в теплообменнике.
18. Способ по п.17, в котором единый сжатый поток
хладагента разделяют на два отдельных потока хладагента,
которые далее охлаждают первым и/или вторым потоками хладагента
в теплообменнике и подвергают расширению для формирования
первого и второго потоков хладагента, которые протекают в
теплообменник для обеспечения охлаждающего эффекта.
19. Способ по любому из пп.13-18, в котором подающий поток
хладагента разделяют на паровую и жидкую фазы в испарительном устройстве.
20. Способ по п.19, в котором отдельные части паровой и жидкой фаз объединяют для обеспечения отдельных потоков хладагента различного состава.
21. Способ по любому из пп.13-2 0, в котором подающий поток продукта выбирают из группы, состоящей из природного газа, воздуха, азота, углекислого газа и кислорода.
22. Способ по любому из пп. 13-21, в котором один или два теплообменника предусмотрены для охлаждения подающего потока.
23. Узел охлаждения, содержащий один или более
теплообменников, выполненных с возможностью получения потока
продукта подлежащего охлаждению во время использования и
холодильный цикл, упомянутый узел содержит:
первый и второй поток хладагента, протекающие через упомянутый теплообменник(и) для обеспечения охлаждения; причем хладагент в первом потоке хладагента является испаряемым при температуре, которая ниже, чем температура хладагента во втором потоке хладагента;
первое средство сжатия, выполненное с возможностью получения первого потока хладагента, выходящего из упомянутого теплообменника(ов) , и сжатия хладагента до первого уровня сжатия;
второе средство сжатия, выполненное с возможностью получения смеси из второго потока хладагента, выходящего из упомянутого теплообменника(ов), и сжатого потока хладагента из первого средства сжатия, и сжатия смеси для формирования сжатого потока хладагента;
средство для направления хладагента в сжатом потоке хладагента в упомянутый теплообменник(и) на охлаждение;
средство для доставки охлажденного хладагента к средству расширения, и далее доставки расширенного хладагента в теплообменник(и); и
средство для разделения сжатого потока хладагента на два отдельных потока хладагента, которые образуют упомянутый первый и второй потоки хладагента, которые подаются в упомянутый
теплообменник, и причем упомянутое разделение сжатого потока хладагента происходит либо до, либо во время упомянутого охлаждения сжатого хладагента в упомянутом теплообменнике.
По доверенности
зо l8;
игЧлл/
nwv
AX AX
ФИГ.З
Имитатор
Решатель ГА
Инициализация
Эволюция
Начальные независимые рабочие условия
Моделирование расширения +
Моделирование теплообменника
Моделирование сжатия
Оптимальное решение
ФИГ.5
Конец №
0 2561 кмоль/с
Состав хладагента
С2Н6: 0.41418 С3Н8: 0.09813 С4Н10: 0.48769
37.48°С
0,14 МПа
'К~У2А88 МПа
-55.23°С
ФИГ.6
Холодная композитная кривая Горячая композитная кривая Предохлаждение горячего хладагента
7(Г
4.0
7.0
-Q-Охлаждение питающего природного газа Нагревание холодного хладагента
1дГ
Поток тепла
Состав хладагента
С2Н6: 0.48335 С3Н8: 0.29782 С4Ню: 0.21883
16.34°С
0,18 МПа
Состав хладагента
С2Н6: 0.42732 С3Н8: 0.34313 С4Ню: 0.22955
40.0
-80.0
1.0
Q^j Композитные кривые
0.0
2.0
3.0
Холодная композитная кривая
Нижний уровень предохлаждения
горячего хладагента
Верхний уровень нагревания холодного
хладагента
Нижний уровень нагревания холодного хладагента
Верхний уровень предохлаждения горячего хладагента
То"
Охлаждение питающего природного газа
4.0
То"
7.0
Поток тепла (МВт)
Составы:
Суммарный
Жидкость
С2Н6:
0.42008
0.42008
СзНв:
0.08675
0.08675
С4Н10:
0.49318
0.49318
(Ь) Композитные кривые
60.0
3.0 4.0
Поток тепла
624.09 °С
-18
30b
•4а
~7~
7Ь Технологический поток
ФИГ.11
ОТЧЕТ О ПАТЕНТНОМ ПОИСКЕ
(статья 15(3) ЕАПК и правило 42
Номер евразийской заявки: 201290951
Датаподачи: 25 марта 2011 (25.03,2011) Дата испрашиваемого приоритета: 25 марта 2010 (25.03.2010) Название изобретения: Способ охлаждения
Заявитель: ДЗЕ ЮНИВЕРСИТИ ОФ МАНЧЕСТЕР
I | Некоторые пункты формулы не подлежат поиску (см. раздел I дополнительного листа) | | Единство изобретения не соблюдено (см. раздел II дополнительного листа)
А. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДМЕТА ИЗОБРЕТЕНИЯ:
F25J1/02 (2006.01)
Согласно Международной патентной классификации (МПК) или национальной классификации и МПК
Б. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
Минимум просмотренной документации (система классификации и индексы МПК) F25J 1/00-1/02, 3/00-3/02,
Другая проверенная документация в той мере, в какой она включена в область поиска:
В. ДОКУМЕНТЫ, СЧИТАЮЩИЕСЯ РЕЛЕВАНТНЫМИ
Категория*
Ссылки на документы с указанием, где это возможно, релевантных частей
Относится к ПУНКТУ №
А А
RU 2352877 С2 (СТАТОИЛ АСА и др.) 27.10.2007, фиг. 1, с. 9. строка 34-с. 10, строка 31
GB 2326465 А ( COSTAIN OIL, GAS & PROCESS LIMITED et al.) 23.12.1998 фиг. 2 с. 7, строки 16-25
EA 004468 Bl (ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В.) 2004.04.29 JP 8159652 A (KOBE STEEL LTD) 1996.06.21
1-8, 10-19, 21-23
1-8, 10-19. 21-23
1-23
1-23
последующие документы указаны в продолжении графы В
данные о патентах-аналогах указаны в приложении
Особые категории ссылочных документов: "А" документ, определяющий общий уровень техники "Е" более ранний документ, но опубликованный на дату
подачи евразийской заявки или после нее "О" документ, относящийся к устному раскрытию, экспонированию и т.д.
"Р" документ, опубликованный до даты подачи евразийской
заявки, но после даты испрашиваемого приоритета "D" документ, приведенный в евразийской заявке
"Т"
"X"
более поздний документ, опубликованный после даты приоритета и приведенный для понимания изобретения
документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету поиска, порочащий новизну или изобретательский уровень, взятый в отдельности
документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету поиска, порочащий изобретательский уровень в сочетании с другими документами той же категории
документ, являющийся патентом-аналогом
документ, приведенный в других целях
Дата действительного завершения патентного поиска:
12 апреля 2013 (12.04.2013)
Наименование и адрес Международного поискового органа: Федеральный институт промышленной собственности
РФ, 123995,Москва, Г-59, ГСП-5, Бережковская наб., д. 30-1.Факс: (499) 243-3337, телетайп: 114818 ПОДАЧА
Л. В. Андреева
Телефон № (499) 240-25-91
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
6/11
(а) Рабочие условия
7/11
(а) Рабочие условия
7/11
(а) Рабочие условия
7/11
(а) Рабочие условия
7/11
(а) Рабочие условия
8/11
(Q) Рабочие условия
9/11
8/11
(Q) Рабочие условия
9/11
8/11
(Q) Рабочие условия
9/11
8/11
(Q) Рабочие условия
9/11
10/11
(Q) Рабочие условия
9/11
10/11
(Q) Рабочие условия
9/11