способ и система охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента

Формула изобретения

1. Способ охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента для охлаждения текучей среды в температурном диапазоне, превышающем 200^oF (111^oC), посредством теплообмена со смешанным хладагентом в холодильном цикле с замкнутым контуром, включающий сжатие газообразного смешанного хладагента, состоящего, по существу, из по меньшей мере пяти компонентов, выбранных из группы, включающей азот и углеводороды, содержащие 1 - 5 атомов углерода, компрессором первой ступени; подачу сжатого смешанного хладагента из первого компрессора в первый теплообменник для охлаждения смешанного хладагента и получения первой смеси первой сконденсированной части смешанного хладагента, причем первая сконденсированная часть обогащена компонентами с более высокой температурой кипения смешанного хладагента, и газообразного хладагента; разделение первой сконденсированной части смешанного хладагента и газообразного хладагента; подачу газообразного хладагента во второй компрессор и дальнейшее сжатие газообразного хладагента до давления, приблизительно 3,1 МПа (450 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления) - 4,5 МПа (650 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления), для получения второго сжатого газообразного хладагента; подачу второго сжатого газообразного хладагента во второй теплообменник для охлаждения сжатого газообразного хладагента и получения второй смеси второй сконденсированной части газообразного хладагента и второго газообразного хладагента; разделение второй сконденсированной части газообразного хладагента и второго газообразного хладагента; объединение первой сконденсированной части смешанного хладагента со второй сконденсированной частью газообразного хладагента и вторым газообразным хладагентом для восстановления смешанного хладагента; подачу сжатого смешанного хладагента в зону охлаждения, где сжатый смешанный хладагент охлаждается с образованием охлажденного, по существу, жидкого смешанного хладагента, подаваемого в дроссельный вентиль и дросселируемого для получения низкотемпературного хладоносителя; подачу низкотемпературного хладоносителя для противоточного теплообмена со сжатым смешанным хладагентом и текучей средой в зоне охлаждения для образования охлажденного, по существу жидкого, смешанного хладагента, охлажденной, по существу жидкой, текучей среды и газообразного смешанного хладагента; и повторную подачу газообразного смешанного хладагента в компрессор первой ступени.

2. Способ по п.1, в котором первая сконденсированная часть равна приблизительно 5 - 25 мол.% смешанного хладагента.

3. Способ по п.1 или 2, в котором первую сконденсированную часть смешанного хладагента объединяют со вторым сжатым газообразным хладагентом до охлаждения второго сжатого газообразного хладагента.

4. Способ по п.1 или 2, в котором первую сконденсированную часть смешанного хладагента объединяют со вторым сжатым газообразным хладагентом после охлаждения второго сжатого газообразного хладагента.

5. Способ охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента для охлаждения текучей среды в температурном диапазоне, превышающем 200^oF (111^oС), посредством теплообмена со смешанным хладагентом в замкнутом холодильном цикле, включающий сжатие газообразного смешанного хладагента компрессором для образования сжатого смешанного хладагента; охлаждение сжатого хладагента для образования смеси сконденсированной части смешанного хладагента и газообразного хладагента; отделение сконденсированной части смешанного хладагента; объединение сконденсированной части смешанного хладагента и газообразного хладагента для восстановления смешанного хладагента; подачу смешанного хладагента в зону охлаждения, где смешанный хладагент подвергается противоточному теплообмену с низкотемпературным хладоносителем для получения, по существу, жидкого смешанного хладагента; подачи, по существу, жидкого смешанного хладагента в дроссельный вентиль для получения низкотемпературного хладоносителя; подачу текучей среды в зону охлаждения, где текучая среда подвергается противоточному теплообмену с низкотемпературным хладоносителем; отбор текучей среды в, по существу, жидкой фазе; отбор смешанного хладагента после противоточного теплообмена в, по существу, газообразной фазе; повторную подачу газообразного смешанного хладагента в компрессор, отличающийся тем, что включает сжатие смешанного хладагента, состоящего, по существу, из по меньшей мере пяти компонентов, выбранных из группы, включающей азот и углеводороды, содержащие 1 - 5 атомов углерода, компрессором первой ступени; охлаждение смешанного хладагента из компрессора первой ступени для образования смеси первой ступени сконденсированного жидкого хладагента первой ступени, обогащенного компонентами с более высокой температурой кипения смешанного хладагента и газообразного хладагента первой ступени; отделение сконденсированного жидкого хладагента первой ступени от газообразного хладагента первой ступени; сжатие газообразного хладагента первой ступени до давления приблизительно 3,1 МПа (450 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления) - 4,5 МПа (650 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления) компрессором второй ступени; охлаждение сжатого газообразного хладагента первой ступени для получения смеси второй ступени сконденсированного жидкого хладагента второй ступени и газообразного хладагента второй ступени; разделение сконденсированного жидкого и газообразного хладагента второй ступени; объединение сконденсированного жидкого хладагента первой ступени, сконденсированного жидкого хладагента второй ступени и газообразного хладагента второй ступени для восстановления сжатого смешанного хладагента; подачу сжатого восстановленного смешанного хладагента в зону охлаждения.

6. Способ по п.5, в котором сконденсированный жидкий хладагент первой ступени составляет приблизительно 5 - 25 мол.% смешанного хладагента.

7. Способ по п.5 или 6, в котором сконденсированный жидкий хладагент первой ступени объединяют со сжатым газообразным хладагентом первой ступени до охлаждения сжатого газообразного хладагента первой ступени.

8. Способ по п.5 или 6, в котором сконденсированный жидкий хладагент первой ступени объединяют со сжатым газообразным хладагентом первой ступени после охлаждения сжатого газообразного хладагента первой ступени.

9. Способ по любому из пп.1 - 8, в котором текучей средой является природный газ.

10. Способ по п.9, в котором природный газ отводится из зоны охлаждения; подается в зону отделения тяжелых жидкостей, в которой из природного газа удаляется, как минимум, основная часть компонентов природного газа, содержащих шесть или более атомов углерода; возвращается в зону охлаждения.

11. Способ по п.9 или 10, в котором сжиженный природный газ отводится из зоны охлаждения при температуре приблизительно (-146)^oС (-230^oF) - (-171)^oС (-275^oF).

12. Способ по любому из пп.1 - 11, в котором смешанный хладагент состоит, по существу, из не более приблизительно 12 мол.% азота, приблизительно 20 - 36 мол.% метана, приблизительно 20 - 40 мол.% углеводорода C₂, приблизительно 2 - 12 мол.% углеводорода С₃, приблизительно 6 - 24 мол.% углеводорода С₄ и приблизительно 2 - 20 мол.% углеводорода С₅.

13. Способ по любому из пп.1 - 11, в котором смешанный хладагент состоит, по существу, из по меньшей мере пяти компонентов, выбранных из группы, включающей азот и углеводороды, содержащие 1 - 5 атомов углерода, кроме пропана.

14. Способ по любому из пп.1 - 11, в котором смешанный хладагент состоит, по существу, из по меньшей мере пяти компонентов, выбранных из группы, включающей азот и углеводороды, содержащие 1 - 5 атомов углерода, кроме углеводорода С₄.

15. Способ по любому из пп.1 - 11, в котором смешанный хладагент включает азот, метан, этан и изопентан.

16. Способ по любому из пп.1 - 15, в котором смешанный хладагент сжимается компрессором первой ступени до давления, приблизительно 0,7 - 1,7 МПа (приблизительно 100 - 250 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления).

17. Способ по любому из пп.1 - 16, в котором сжатый смешанный хладагент из компрессора первой ступени охлаждается до температуры ниже приблизительно 57^oС (135^oF).

18. Способ по любому из пп.1 - 17, в котором сжатый газообразный хладагент из компрессора второй ступени охлаждается до температуры ниже приблизительно 57^oС (135^oF).

19. Способ по любому из пп.1 - 18, в котором компрессор первой ступени и компрессор второй ступени представляют собой первый компрессор и второй компрессор.

20. Система охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента, включающая емкость на линии всасывания для смешанного хладагента; первый компрессор, вход которого связан с выходом газообразного смешанного хладагента емкости для смешанного хладагента; первый конденсатор, вход которого связан с выходом первого компрессора; первый отделитель, вход которого связан с выходом первого конденсатора; второй компрессор, вход которого связан с выходом газообразного хладагента первого отделителя, способный сжимать газообразный хладагент до давления, приблизительно 3,1 МПа (450 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления) - 4,5 МПа (650 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления); второй конденсатор, вход которого связан с выходом второго компрессора; второй отделитель, вход которого связан с выходом второго конденсатора и выходом жидкого хладагента первого отделителя; охлаждающий сосуд, включающий первый теплообменный проход, вход которого связан с выходом газообразного хладагента второго отделителя и выходом жидкого хладагента второго отделителя, второй теплообменный проход, связанный с источником текучей среды, подлежащей охлаждению, третий теплообменный проход, расположенный в охлаждающем сосуде противоточно относительно первого теплообменного прохода и второго теплообменного прохода, и дроссельный вентиль между выходом первого теплообменного прохода и входом третьего теплообменного прохода; возвратный трубопровод хладагента, связанный с выходом третьего теплообменного прохода и впускным отверстием емкости на линии всасывания для смешанного хладагента; линию вывода сжиженного газа, связанную с выходом второго теплообменного прохода.

21. Система по п. 20, в которой первый компрессор и второй компрессор составляют двухступенчатый компрессор.

22. Система по п.20 или 21, в которой выход жидкого хладагента первого отделителя связан с входом второго отделителя через второй конденсатор.

23. Система по пп.20, 21 или 22, в которой, как минимум, часть текучей среды отводится из промежуточного участка второго теплообменного прохода, подается на участок выделения тяжелых жидкостей и возвращается на второй теплообменный проход после удаления тяжелых жидкостей.

24. Система по любому из пп.20 - 23, в которой текучая среда по линии вывода сжиженного газа проходит через дроссельный вентиль для дальнейшего охлаждения текучей среды.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному процессу охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента (простой (неазеотропной) смеси хладагентов), повышенная эффективность которого обеспечивается применением охлаждения и этапа отделения жидкого хладагента между первой и второй ступенями компрессора в сочетании с восстановлением смешанного хладагента перед использованием сжатого смешанного хладагента.

В последние годы увеличился спрос на природный газ. Во многих случаях природный газ обнаруживается в районах, удаленных от рынков сбыта природного газа. Если только природный газ не обнаруживается достаточно близко от рынка, когда оказывается возможным сооружение трубопровода для его транспортировки, природный газ должен транспортироваться танкерами и т.п. Для транспортировки природного газа в газообразном виде требуются танкеры чрезмерно больших объемов, поэтому природный газ для хранения и транспортировки, как правило, сжижается. Общеизвестны как применение сжиженного природного газа, так и методы его хранения и использования. Природный газ может также сжижаться в месте использования, когда он доступен в избыточных количествах, однако в будущем может потребоваться в объемах больших, чем те, которые могут быть доставлены в место использования, и т.п. Такие запасы природного газа могут использоваться, например, для обеспечения в зимнее время максимальной потребности в нем, превышающей то, что может быть поставлено по существующей системе трубопроводов и т.п. Различные другие промышленные потребности также требуют сжижения природного газа для хранения и т.п.

Другие газы сжижаются несколько реже, однако для этого может также использоваться описанный здесь усовершенствованный процесс.

Ранее такие вещества, как природный газ, сжижались посредством таких способов, как описанные в патенте США N 4033735, выданном 5 июля 1977 г. на имя Леонарда К. Свенсона (Leonard К. Swenson), который включается в полном объеме в качестве ссылки. В подобных способах используется смешанный хладагент. Подобные способы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими процессами, например, каскадными системами, заключающихся в том, что для их осуществления требуется не столь дорогостоящее оборудование и они легче поддаются управлению по сравнению с процессами каскадного типа. К сожалению, способы со смешанным хладагентом требуют несколько больших энергетических затрат по сравнению с каскадными системами.

В каскадных системах, например, в системе, описанной в патенте США N 3855810, выданном 24 декабря 1974 г. на имя Симона (Simon) и др., по существу, используется ряд зон охлаждения, в которых хладагенты со все более низкой температурой кипения испаряются для образования хладоносителя. В таких системах хладагент с наивысшей температурой кипения, один либо в сочетании с другими хладагентами, обычно сжимается, конденсируется и отделяется для охлаждения в первой зоне охлаждения. Затем сжатый охлажденный хладагент с наивысшей температурой кипения испаряется с образованием потока холодного хладагента, используемого для охлаждения сжатого хладагента с наивысшей температурой кипения в первой зоне охлаждения. В первой зоне охлаждения может также охлаждаться некоторое количество хладагентов с более низкой температурой кипения, которое затем конденсируется и испаряется для использования в качестве хладоносителя на второй или последующих зонах охлаждения и т.п. В результате этого сжатию подвергается, главным образом, хладагент с наивысшей температурой кипения и оно оказывается более эффективным, чем в том случае, когда должен быть сжат весь поток смешанного хладагента.

Учитывая пониженную стоимость оборудования и упрощенное управление процесса со смешанным хладагентом, исследования были направлены на разработку такого процесса, в котором было бы сокращено потребление энергии.

Краткое изложение сущности изобретения

В соответствии с настоящим изобретением уменьшенное потребление энергии достигается в способе охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента для охлаждения текучей среды в температурном диапазоне, превышающем 200^oF(111^oC), посредством теплообмена со смешанным хладагентом в системе охлаждения с замкнутым циклом, включающем: а) сжатие смешанного хладагента в компрессоре для получения сжатого смешанного хладагента; b) охлаждение сжатого смешанного хладагента для получения смеси сконденсированной части смешанного хладагента и газообразного хладагента; c) отделение сконденсированной части смешанного хладагента от газообразного хладагента; d) объединение сконденсированной части смешанного хладагента и газообразного хладагента для восстановления смешанного хладагента; e) подачу сжатого смешанного хладагента в зону охлаждения, в которой смешанный хладагент подвергается противоточному теплообмену с низкотемпературным хладоносителем для образования, по существу жидкого, смешанного хладагента; f) пропускание, по существу жидкого, смешанного хладагента через дроссельный вентиль для образования низкотемпературного хладоносителя; g) подачу текучей среды в зону охлаждения, в которой текучая среда подвергается противоточному теплообмену с низкотемпературным хладоносителем; h) отбор текучей среды в, по существу жидкой, фазе; i) отбор смешанного хладагента из зоны охлаждения в, по существу газообразной, фазе; и j) повторную подачу газообразного смешанного хладагента в компрессор, и, посредством усовершенствования, включающем: 1) сжатие смешанного хладагента в компрессоре первой ступени; 2) охлаждение сжатого смешанного хладагента из компрессора первой ступени для получения смеси первой ступени из сконденсированного жидкого хладагента первой ступени, обогащенного компонентами смешанного хладагента с более высокой температурой кипения, и газообразного хладагента первой ступени; 3) отделение сконденсированного жидкого хладагента первой ступени от газообразного хладагента первой ступени; 4) сжатие газообразного хладагента первой ступени в компрессоре второй ступени; 5) охлаждение сжатого газообразного хладагента второй ступени для получения смеси второй ступени из сконденсированного жидкого хладагента второй ступени и газообразного хладагента второй ступени; 6) разделение сконденсированного жидкого хладагента второй ступени и газообразного хладагента второй ступени; 7) объединение сконденсированного жидкого хладагента первой ступени, сконденсированного жидкого хладагента второй ступени и газообразного хладагента второй ступени для восстановления смешанного хладагента; и 8) подачу сжатого смешанного хладагента в зону охлаждения.

Настоящее изобретение включает также способ охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента для охлаждения текучей среды в температурном диапазоне, превышающем 200^oF(111^oC), посредством теплообмена со смешанным хладагентом в замкнутом холодильном цикле, включающий: а) сжатие смешанного хладагента в компрессоре первой ступени; b) подачу сжатого смешанного хладагента из компрессора первой ступени в первый теплообменник для охлаждения смешанного хладагента и получения первой смеси первой сконденсированной части смешанного хладагента, причем первая сконденсированная часть обогащена компонентами с более высокой температурой кипения смешанного хладагента, и газообразного хладагента; c) отделение первой сконденсированной части смешанного хладагента от газообразного хладагента; d) подачу газообразного хладагента в компрессор второй ступени и дальнейшее сжатие газообразного хладагента; e) подачу сжатого газообразного хладагента второй ступени во второй теплообменник для охлаждения сжатого газообразного хладагента и получения второй смеси второй сконденсированной части газообразного хладагента и второго газообразного хладагента; f) разделение второй сконденсированной части газообразного хладагента и второго газообразного хладагента; g) объединение первой сконденсированной части смешанного хладагента со второй сконденсированной частью газообразного хладагента и вторым газообразным хладагентом для восстановления смешанного хладагента; h) подачу смешанного хладагента в зону охлаждения, где сжатый смешанный хладагент охлаждается с образованием охлажденного, по существу, жидкого смешанного хладагента, подаваемого на дроссельный вентиль и дросселируемого для получения низкотемпературного хладоносителя; i) подачу низкотемпературного хладоносителя для противоточного теплообмена со смешанным хладагентом и текучей средой в зоне охлаждения для образования охлажденного, по существу, жидкого смешанного хладагента, охлажденной, по существу жидкой, текучей среды и газообразного смешанного хладагента; и j) повторную подачу газообразного смешанного хладагента в компрессор первой ступени.

Изобретение включает также систему охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента, включающую: а) емкость на линии всасывания смешанного хладагента; b) первый компрессор, вход которого связан с выходом газовой фракции емкости на линии всасывания смешанного хладагента; c) первый конденсатор, вход которого связан с выходом первого компрессора; d) первый отделитель, вход которого связан с выходом первого конденсатора; e) второй компрессор, вход которого связан с выходом газообразного хладагента первого отделителя; f) второй конденсатор, вход которого связан с выходом второго компрессора; g) второй отделитель, вход которого связан с выходом второго конденсатора и выходом жидкого хладагента первого отделителя; h) охлаждающий сосуд, включающий первый теплообменный проход, связанный с выходом газообразного хладагента второго отделителя и выходом жидкого хладагента второго отделителя, второй теплообменный проход, связанный с источником текучей среды, подлежащей охлаждению, третий теплообменный проход, расположенный в охлаждающем сосуде противоточно относительно первого теплообменного прохода и второго теплообменного прохода, и дроссельный вентиль, связанный с выходом первого теплообменного прохода и входом третьего теплообменного прохода; i) возвратный трубопровод хладагента, связанный с выходом третьего теплообменного прохода и впускным отверстием емкости на линии всасывания для смешанного хладагента; и j) линию вывода сжиженного газа, связанную с выходом второго теплообменного прохода.

Краткое описание фигур

Фиг. 1 - принципиальная схема способа охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента предшествующего уровня техники для сжижения потока обезвоженного природного газа.

Фиг. 2 - кривая охлаждения холодного хладагента и кривая охлаждения горячего хладагента плюс подача способа охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента предшествующего уровня техники, в котором обезвоженный природный газ является подаваемым потоком.

Фиг. 3 - принципиальная схема усовершенствованного способа охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента, соответствующего настоящему изобретению, в котором поток обезвоженного природного газа охлаждается для образования потока сжиженного природного газа.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

В описании фигур для обозначения соответствующих элементов используется сплошная нумерация. На фигурах показаны не все вентили, насосы и т.п., необходимые для получения нужных потоков, поскольку для описания настоящего изобретения потребности в них не возникает.

На фиг. 1 изображена система охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента известного уровня техники. Смешанный хладагент из емкости 10 на линии всасывания подается по трубопроводу 12 в компрессор 14. Компрессор 14 сжимает смешанный хладагент и по трубопроводу 16 нагнетает его в конденсатор 18, где в результате теплообмена с хладоносителем типа воды, воздуха и т.п. смешанный хладагент охлаждается. После этого охлажденный сжатый смешанный хладагент по трубопроводу 22 поступает на отделитель 24, где происходит разделение смешанного хладагента на жидкую и газообразную фракции. Газообразный хладагент по трубопроводу 26 поступает в теплообменник 36. Жидкий хладагент отводится из отделителя 24 по трубопроводу 32 и подается к насосу 30, который по трубопроводу 34 нагнетает его в трубопровод 26, где газообразный хладагент из трубопровода 26 и жидкий хладагент из трубопровода 34 объединяются, восстанавливая сжатый смешанный хладагент, который по оставшейся части трубопровода 26, изображенной на фиг. 1 как трубопровод 26", поступает на теплообменник 36. Сжатый смешанный хладагент проходит через теплообменник 36 по проходу 38 к нагнетательному трубопроводу 40. Смешанный хладагент по мере его прохождения из теплообменника 36 к трубопроводу 40 необходимо охладить до температуры его полного перехода в жидкое состояние. Давление хладагента в трубопроводе 40, по существу, почти такое же, как и в трубопроводе 26", с учетом потерь в трубопроводе вследствие его прохождения по проходу 38.

Смешанный хладагент проходит через дроссельный вентиль 42, где расширяется такое количество смешанного хладагента, которое достаточно для снижения температуры смешанного хладагента до требуемого уровня. Температура, необходимая для сжижения природного газа, располагается, как правило, в пределах от, приблизительно, -146^oC (-230^oF) до, приблизительно, -171^oC(-275^oF). Эта температура составляет, обычно, около -148^oC(-235^oF). Давление в дроссельном вентиле 42 снижается до величины от, приблизительно, 345 кПа до, приблизительно, 517 кПа (приблизительно, с 50 до, приблизительно, 75 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления). Смешанный хладагент низкого давления кипит по мере продвижения по проходу 46 через теплообменник 36, благодаря чему смешанный хладагент нагнетается в трубопровод 50 в газообразном состоянии. В трубопровод 50 смешанный хладагент нагнетается, по существу, полностью испаренный. Газообразный смешанный хладагент, поступающий в трубопровод 50, проходит по трубопроводу 50 к емкости 10. В случае обнаружения каких-либо следов жидкого хладагента в трубопроводе 50, они накапливаются в емкости 10, где, в конечном счете, испаряются и составляют часть смешанного хладагента, проходящего по трубопроводу 12 в компрессор 14.

Природный газ, как правило, осушается и может подвергаться обработке для удаления материалов типа сернистых соединений, двуокиси углерода и т.п. Природный газ подается в теплообменник 36 по трубопроводу 48 и проходит теплообменник 36 в проходе 52. Как показано, поток природного газа может отводиться из теплообменника 36 по трубопроводу 54 и поступать в отделитель тяжелых жидкостей 56, в котором, в предпочтительном варианте, отделяются углеводороды, содержащие шесть или более атомов углерода, и отводятся по трубопроводу 58, а газ возвращается из отделителя 56 через трубопровод 60 на второй отрезок 52" прохода 52. В некоторых случаях может возникнуть необходимость отведения потока C₂-C₅ в отделитель 56 для использования в качестве продукта, либо для иных целей. Использование и функционирование соответствующего отделителя тяжелых жидкостей показано в патенте США N 4033735, ранее включавшегося в качестве ссылки. Выделение этих более тяжелых материалов из потока природного газа необходимо в некоторых случаях, когда в природном газе присутствуют более тяжелые материалы, которые в противном случае замерзли бы в проходе 52" при охлаждении природного газа до жидкого состояния. Подобные соединения, которые могли бы отверждаться в проходе 52", удаляются в отделителе тяжелых жидкостей 56. В случае отсутствия подобных тяжелых материалов либо присутствия в таких незначительных количествах, что в проходе 52" не происходит их осаждения, поток природного газа может сжижаться в теплообменнике 36 без обработки для удаления тяжелых углеводородов.

Сжиженный природный газ отводится из теплообменника 36 по трубопроводу 62 при температуре, как правило, от, приблизительно, -146^oC (-230^oF) до, приблизительно, -171^oC (-275^oF). Затем сжиженный природный газ по трубопроводу 62 поступает в дроссельный вентиль 64, где сжиженный природный газ расширяется со снижением давления, вследствие чего температура сжиженного природного газа снижается, приблизительно, до -162^oC (-260^oF) при давлении в одну атмосферу. При этой температуре сжиженный природный газ удобно хранить в виде жидкости при атмосферном давлении. Подобный способ описан в патенте США N 4033735, ранее включавшемся в виде ссылки.

На фигуре 2 изображены кривые теплообмена, включающие кривую охлаждения холодного хладагента и кривую охлаждения горячего хладагента плюс подача. Желательно, чтобы кривые располагались в непосредственной близости в диапазоне низких температур, поскольку отведение тепла при пониженных температурах требует значительно больших затрат по сравнению с отведением тепла при повышенных температурах. Поскольку компоненты природного газа и смешанного хладагента в определенной мере сходны, кривая охлаждения поддается регулированию посредством добавления либо удаления компонентов из смешанного хладагента. Желательно, чтобы кривые изменения температуры расходились в верхнем конце диапазона температуры охлаждения. Необходимость охлаждения в соответствии с подобной кривой и регулирования состава смешанного хладагента для получения необходимых кривых охлаждения продемонстрирована в патенте США N 4033735, включавшемся ранее в качестве ссылки. Регулирование состава хладагента и способы контролирования состава хладагента для получения необходимых кривых охлаждения далее обсуждаться не будут, учитывая обсуждение в патенте США N 4033735.

На фигуре 3 представлен вариант осуществления усовершенствованного способа охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента, соответствующего настоящему изобретению. Смешанный хладагент, отводимый из емкости 10, подается по трубопроводу 12 в компрессор 14, в качестве которого на фиг. 3 представлен двухступенчатый компрессор. Как известно специалистам в данной области техники, вместо двухступенчатого компрессора могут быть использованы два отдельных одноступенчатых компрессора. В первой ступени смешанный хладагент сжимается до давления от, приблизительно, 0,7 МПа (100 фунтов/дюйм²) до, приблизительно, 1,7 МПа (250 фунтов/дюйм²), обычно до 1,2 МПа (175 фунтов/дюйм²), и полностью отводится по трубопроводу 68 в конденсатор 70, где сжатый смешанный хладагент вступает в теплообмен с потоком, например, воды, воздуха и т.п., подаваемым по трубопроводу 72. Получаемый в результате охлажденный сжатый смешанный хладагент отводится по трубопроводу 74 в отделитель 76. В отделителе 76 смешанный хладагент разделяется на жидкую и газообразную фракции. Газообразная фракция поступает по трубопроводу 88 во вторую ступень компрессора 14, где подвергается дальнейшему сжатию до давления в пределах от, приблизительно, 3,1 МПа (450 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления) до, приблизительно, 4,5 МПа (650 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления). Температура сжимаемого хладагента увеличивается по мере повышения его давления при сжатии. Приращение температуры, как минимум отчасти, является функцией количества энергии, необходимой для сжатия. Сжатый хладагент после второй ступени компрессора 14 по трубопроводу 16 поступает в конденсатор 18, где он подвергается теплообмену с текучей средой, например, водой, воздухом и т.п., подводимой по трубопроводу 20 для охлаждения сжатого газообразного хладагента. Состав газообразного хладагента в трубопроводе 16 отличается от состава смешанного хладагента, первоначально поступившего в компрессор 14, поскольку отсутствуют жидкостные составляющие, отведенные от смешанного хладагента в отделителе 76. Охлажденный хладагент из конденсатора 18 по трубопроводу 22 поступает в отделитель 24. Жидкий хладагент, отделенный в отделителе 76, отводится по трубопроводу 78 и с помощью насоса 80 нагнетается по трубопроводу 82 в конденсатор 18, либо по трубопроводу 82 в трубопровод 16 (как показано пунктирной линией 84) для образования смеси двух потоков на участке трубопровода 16, изображенном, как трубопровод 16", или в трубопровод 22 (как показано пунктирной линией 86) для образования смеси двух потоков, проходящей по участку трубопровода 22, изображенного как трубопровод 22". В результате этого жидкий хладагент, полученный в отделителе 76, объединяется со сжатым охлажденным газообразным хладагентом в отделителе 24. В отделителе 24 жидкий хладагент отделяется, отводится по трубопроводу 32 и нагнетается насосом 30 по трубопроводу 34 для объединения с газообразным хладагентом, отведенным из отделителя 24 по трубопроводу 26. Объединенные жидкий и газообразный хладагенты подаются по участку трубопровода 26, изображенного в виде трубопровода 26", в теплообменник 36. Теплообменник 36 работает, как обсуждалось ранее в связи с фиг. 1. Жидкая и газообразная фракции хладагентов могут смешиваться в любой подходящей точке до использования в теплообменнике 36.

В усовершенствованном способе производится отведение части смешанного хладагента в отделитель 76 до сжатия газообразного хладагента до конечного давления. Отведенный жидкий хладагент составляет, приблизительно, от 5 до 25 мольных процентов смешанного хладагента, поданного на компрессор 14. Жидкий хладагент, отделенный в отделителе 76, обогащен высококипящими компонентами смешанного хладагента.

Ранее весь смешанный хладагент было необходимо сжимать до конечного давления, следствием чего являлся большой расход энергии на осуществление способа охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента. Вся смесь сжималась, как единый поток для поддержания постоянства состава смешанного хладагента в ходе процесса.

При осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением, часть смешанного хладагента отводится в отделитель 76, благодаря чему сокращается объем газообразного хладагента, подлежащего сжатию во второй ступени компрессора 14. Далее температура газообразного хладагента, поступающего во вторую ступень компрессора 14, ниже температуры хладагента на выходе из первой ступени компрессора 14. Сжатый газообразный хладагент из отделителя 76, после соответствующего охлаждения в конденсаторе 18, разделяется в отделителе 24 на жидкую и газообразную фракции. Поскольку жидкий хладагент, отведенный из отделителя 24, включает жидкий хладагент, отведенный из отделителя 76, сочетание этих двух жидкостных потоков, в соответствующих пропорциях, с остальными газообразными компонентами хладагента в трубопроводе 26, обеспечивает получение смешанного хладагента необходимого состава. Количество жидкости и газа, объединяемое в трубопроводе 26", контролируется для получения смешанного хладагента необходимого состава. Поскольку в систему с замкнутым циклом хладагент не добавляется и из нее не отбирается, в трубопроводе 26 образуется смешанный хладагент необходимого состава и обеспечивается значительное сокращение количества энергии, необходимого для сжатия смешанного хладагента до необходимого давления. В предшествующих способах подобного типа расход энергии был высок потому, что весь поток смешанного хладагента сжимался как единое целое для получения сжатого смешанного хладагента, поступающего в теплообменник 36 из отделителя 24.

Вышеописанный процесс идеально приспособлен для сжижения природного газа. Способ может использоваться для охлаждения других веществ, однако, поскольку многие компоненты предпочтительного смешанного хладагента и природного газа одинаковы, теплообменные кривые легко удерживать в непосредственной близости, как указывалось ранее. Далее, компоненты природного газа, в случае необходимости, могут использоваться в качестве добавок к смешанному хладагенту.

Смешанный хладагент включает компоненты, подобранные из группы, включающей азот и углеводороды, содержащие от 1 до 5 атомов углерода. В предпочтительном варианте, смешанный хладагент включает азот, метан, этан и изопентан. В другом предпочтительном варианте, хладагент включает, как минимум, 5 компонентов, выбранных из этой группы. Смешанный хладагент должен обладать свойством становиться, по существу, жидким при температуре в трубопроводе 40. Смешанный хладагент должен также обладать свойством, обеспечивающим его полное испарение при теплообмене с потоком природного газа, так чтобы на выход из теплообменника 36 он поступал полностью переведенным в парообразное состояние. Хладагент не должен содержать соединений, которые отверждались бы в смешанном хладагенте в теплообменнике 36. Смешанные хладагенты подобного типа описываются в патенте США N 4033735, ранее включавшемся в виде ссылки. В том случае, когда в качестве материала, подлежащего охлаждению, выступает природный газ, мольный процент компонентов хладагента располагается в следующем диапазоне: азот - от 0 до, приблизительно, 12; C₁ - приблизительно, от 20 до 36; C₂ приблизительно, от 20 до 40; C₃ - приблизительно, от 2 до 12; C₄ - приблизительно, от 6 до 24; и C₅ - приблизительно, от 2 до 20.

Желательно, чтобы потоки сжатого смешанного хладагента в трубопроводе 16 и в трубопроводе 68 охлаждались, приблизительно, до температуры ниже 57^oC (135^oF). Эти потоки желательно охлаждать такими средами, как вода, применяя кожухотрубные теплообменники и т.п., либо воздух, применяя ребристые охладители и т. п. Обычно, при использовании воздуха в качестве хладоносителя, потоки охлаждаются до температуры, приблизительно, от 38^oC (100^oF) до 57^oC (135^oF), хотя температуры охлаждения могут быть достигнуты при доступности охлаждающего воздуха. При охлаждении водой потоки охлаждаются, обычно, до температуры, приблизительно, от 27^oC (80^oF) до 38^oC (100^oF), хотя температуры охлаждения могут быть достигнуты при доступности охлаждающей воды. После этого охлажденный сжатый смешанный хладагент подвергается разделению на жидкую и газообразную фазы для последующего использования, как обсуждалось ранее, с целью восстановления смешанного хладагента для подачи в теплообменник 36 для охлаждения природного газа. Тепло легко отводится от этих потоков (трубопроводы 16 и 68) потоками, которые легко образуются при очень низких затратах. Теплообменник 36 желательно изготавливать, для хорошего теплообмена, из металла, паяного твердым припоем, например, алюминия.

Специалистам в данной области техники хорошо известно, что полученный подобным образом сжиженный природный газ легко хранить при условии испарения небольших количеств сжиженного природного газа для поддержания в хранилище температуры сжиженного природного газа. В отличие от каскадных систем, в данном способе используется одиночный теплообменник 36, хотя может использоваться и множество теплообменников, соединенных параллельно либо последовательно при условии использования во всех смешанного хладагента.

В отличие от каскадных систем, в теплообменнике 36 используется лишь одно расширительное сопло, и поток смешанного хладагента с низкой температурой кипения проходит в противоток со смешанным хладагентом с высокой температурой кипения, подаваемым в теплообменник 36. Смешанный хладагент испаряется со скоростью, определяемой его составом, по всей длине пути теплообменника. Это совершенно отличается от каскадных систем, в которых компоненты хладагента, имеющие последовательно более низкие температуры кипения, раздельно испаряются на отдельных участках теплообменника. Поверхность теплообмена прохода 38 хладагента высокого давления, сжижаемого в теплообменнике 36, составляет, обычно, около 35% от всей поверхности теплообмена теплообменника 36. Проход 46 испаряющегося смешанного хладагента содержит около 65% поверхности теплообмена 36, а проход 52 теплообмена природного газа содержит около 5% поверхности теплообмена. Следует заметить, что в случае соответствующего равновесия пути охлаждения хладагента и пути испарения хладагента, изменения потока природного газа оказывают незначительное влияние на функционирование теплообменника 36, поскольку проход 52 теплообмена природного газа составляет сравнительно небольшую часть всей поверхности теплообмена теплообменника 36.

При охлаждении потока обезвоженного природного газа с температурой 43^oC (110^oF) для получения сжиженного природного газа с температурой -165^oC (-265^oF) с помощью способа, соответствующего настоящему изобретению, затраты мощности (в л. с. ) на охлаждение составляют на 14% меньше по сравнению со способом известного уровня техники. Это является существенным снижением расхода энергии.

Описание изобретения выполнено со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления. Следует указать на то, что описанные варианты осуществления являются иллюстративными, а не ограничительными по своей природе, и что объем настоящего изобретения допускает многочисленные изменения и модификации. Многие из этих изменений и модификаций могут оказываться очевидными и желательными для специалистов в данной - области техники по прочтении предшествующего описания предпочтительных вариантов осуществления.