CN102272544A - 用于在lng液化设备中脱氮和/或回收氦气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了降低液化天然气中低沸点组分浓度的方法。该方法涉及动态减压液化天然气和一个或多个预分馏容器。特定实施例适合于从液化天然气流回收富含氦气和/或氮气的流。

Description

用于在LNG液化设备中脱氮和/或回收氦气的方法
技术领域
本实施例大体而言涉及液化烃流体，且涉及处理这样的流体的方法和设备。本实施例更特定而言涉及从在天然气液化设备中处理的烃流移除诸如氮气和/或氦气这样的低沸点组分。
背景技术
天然气是从地下井获得的重要能源，但是其有时含有诸如氮气和氦气的杂质。在这些情形下，可执行杂质提取，诸如脱氮。氦气也可存在于天然气中，且能够被分离以在氦气回收设备中进一步处理。
原料天然气主要含甲烷。其也可包含更少量的乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷和较重烃以及水、氮气、氦气、汞和酸气，诸如二氧化碳、硫化氢和硫醇。
通过将天然气冷却到大约-161℃(取决于其确切组成)能够将天然气转换成液化天然气(LNG)，这将其体积减小至其在标准条件体积的大约1/600。这种体积的减小可使得运输更经济。液化天然气(LNG)可转移到位于远洋轮船上的冷冻储罐。液化天然气所需的制冷生产通常为LNG液化设备内最高支出之一。
在LNG中氮气的存在可增加运输成本且降低天然气的热值。氮气污染的常用方案是脱氮。包含所提取的氮气的流可包含烃，其可用于诸如掺混到燃气流内的目的。
氦气可存在于天然气中且可作为产物回收。可利用产生富含氦气的气流的方法来从天然气分离氦气，富含氦气的气流然后可进一步在氦气回收设施中处理。
鉴于上文所述，需要有一种有效的方法来减小LNG流的氮气浓度，从所述LNG流提取富含氮气的流，且减少了对LNG液化设备的制冷需要。
附图说明
为了更详细地理解本发明的上述特征，上文简要总结的本发明的更特定的描述可参考实施例作出，这些实施例中的某些在附图中示出。但应指出的是，附图只是说明本发明的典型实施例且因此不应认为限制其范围，因为本发明可容许其它等效的实施例。
图1示出概括性LNG液化设备方块流程图，其示出了总LNG液化设施的主要构件。
图2示出端部闪蒸部段能够从LNG移除氮气的一个实施例。
图3示出在LNG液化设备内氮气和/或氦气脱除的工艺的实施例。
图4示出在LNG液化设备内氮气和/或氦气脱除的工艺的实施例。
图5示出在LNG液化设备内脱氮和/或回收氦气的工艺的实施例。
具体实施方式
现将提供详细描述。所附权利要求中的每一个限定了单独的发明，其用于涉及侵权的目的，被认为包括权利要求中所规定的各种元件或限制的等效物。取决于上下文，在下文中对“发明”的所有提及可在某些情况下仅指特定具体实施例。在其它情况下，应认识到对于“发明”的提及将指在一个或多个但未必所有权利要求中所陈述的主题。现将在下文中更详细地描述这些本发明中的每一个，包括具体实施例、变型和实例，但本发明并不限于这些实施例、变型或实例，包括这些是为了使得本领域普通技术人员能在组合本专利中的信息与可用的信息和技术时做出和使用本发明。
本发明的一实施例为一种减少液化天然气中氮气浓度的方法，该方法包括：使初始LNG流通过第一热交换器和第一液体膨胀机以降低温度且使LNG流动态地减压从而获得第一膨胀的LNG流；在第二静态液体膨胀机中使第一膨胀的LNG流减压以获得含蒸气相的第二膨胀的LNG流；以及，将第二膨胀的LNG流传递到一个或多个预分馏容器以进行闪蒸平衡分离以获得具有增加的氮气浓度的一个或多个蒸气流和具有减小的氮气浓度的液体流。具有减小的氮气浓度的液体流作为进料进入分馏塔，从分馏塔的上部抽提与到分馏塔的进料相比富含氮气的流，且从分馏塔的下部抽提与初始LNG流相比具有减小的氮气浓度的LNG产物流。自该一个或多个预分馏容器的蒸气或液体流的至少一部分通过第一热交换器以提供对初始LNG流的冷却。
该方法也可包括在一个或多个蒸气膨胀机中对自该一个或多个预分馏容器的蒸气流中的至少一个进行动态减压。
又一实施例为一种回收氦气和降低液化天然气中氮气浓度的方法，通过使初始LNG流通过第一热交换器和第一液体膨胀机以降低温度且使LNG流动态地减压从而获得第一膨胀的LNG流。在第二静态液体膨胀机中使第一膨胀的LNG流减压以获得含蒸气相的第二膨胀的LNG流。使第二膨胀的LNG流进入一个或多个氦气闪蒸罐进行闪蒸平衡分离以获得富含氦气的蒸气流和具有减小的氦气浓度的LNG流。具有减小的氦气浓度的LNG流进入一个或多个预分馏容器进行闪蒸平衡分离以获得富含氮气的蒸气流和具有减小的氮气浓度的液体流。自该一个或多个预分馏容器的蒸气和液体流的至少一部分进入分馏塔，在分馏塔中,从分馏塔的上部抽提与到分馏塔的进料相比富含氮气的蒸气流且从分馏塔的下部抽提与初始LNG流相比具有减小的氮气浓度的LNG产物流。自该一个或多个预分馏容器的蒸气或液体流中的至少一个通过第一热交换器以提供对初始LNG流的冷却。
可在氦气回收设施中对富含氦气的蒸气流进行进一步处理。富含氮气的蒸气流可用作燃气。
该方法还可包括：在一个或多个蒸气膨胀机中对自一个或多个氦气闪蒸罐或一个或多个预分馏容器的蒸气流中的至少一个进行动态减压。该方法还可包括：使具有减小的氦气浓度的LNG流通过第二热交换器进行冷却，之后进入一个或多个预分馏容器，其中自一个或多个预分馏容器的蒸气或液体流的至少一个、富含氦气的蒸气流、或自分馏塔的富含氮气的蒸气流通过第二热交换器以在进入一个或多个预分馏容器之前提供对具有减小的氦气浓度的LNG流的冷却。
本发明的一替代实施例包括在初始液化温度和压力的初始LNG流。初始LNG流通过第一热交换器和第一液体膨胀机以降低温度且使得LNG流动态地减压从而获得温度和压力小于或等于初始液化温度和压力的第一膨胀的LNG流。在第二液体膨胀机中使第一膨胀的LNG流进一步减压以获得含蒸气相的第二膨胀的LNG流。第二膨胀的LNG流进入第一预分馏容器进行闪蒸平衡分离以获得具有增加的低沸点组分浓度的第一蒸气流和具有减小的低沸点组分浓度的第三液体流。自预分馏容器的第一蒸气流或第三液体流之一的至少一部分通过第一热交换器以提供对初始LNG流的冷却。第一蒸气流和第三液体流进入分馏塔，从它们抽提与初始LNG流相比具有增加的低沸点组分浓度的第二蒸气流和抽提与初始LNG流相比具有减小的低沸点组分浓度的第四液体流。
第一预分馏容器能进行第二膨胀的LNG流的多级预分馏。第四液体流可具有1.5mol%或更小的氮气浓度。第二蒸气流可通过第一热交换器向初始LNG流提供冷却或“冷能”。第二液体膨胀机可提供静态膨胀以获得第二膨胀的LNG流。
第四液体流的一部分可通过第一热交换器以在将第四液体流的该部分喷射到分馏塔内之前向初始LNG流提供冷能。此部分也可从第一热交换器传递到随即后的预分馏容器以进行闪蒸平衡分离为随后的蒸气和液体流，之后进入到分馏塔内。
第一蒸气膨胀机可与第一预分馏容器和分馏塔流体连通，其中第一蒸气膨胀机在第一蒸气流喷射到分馏塔内之前使之减压。第一蒸气膨胀机可提供第一蒸气流的动态膨胀，其然后可进入分馏塔的上部。
第二预分馏容器与第一预分馏容器流体连通且位于第一预分馏容器后方，第二预分馏塔可与第三液体膨胀机一起提供，第三液体膨胀机与第一预分馏容器和第二预分馏容器流体连通且位于第一预分馏容器和第二预分馏容器之间。第三液体流可在第三液体膨胀机中减压以获得第五液体流，第五液体流包含蒸气相，该蒸气相进入第二预分馏容器进行闪蒸平衡分离以形成与第五液体流相比具有增加的低沸点组分浓度的第三蒸气流和与第五液体流相比具有减小的低沸点组分浓度的第六液体流，第三蒸气流和第六液体流然后可进入分馏塔。第三液体膨胀机可提供静态膨胀以获得第五液体流。
第二蒸气膨胀机可被提供为与第二预分馏容器和分馏塔流体连通，其中第二蒸气膨胀机在第三蒸气流喷射到分馏塔内之前使之减压。第二蒸气膨胀机可提供第三蒸气流的动态膨胀。
第六液体流的一部分可流经第一热交换器以向初始LNG流提供冷能且获得比第六液体流具有更温热温度的第七流，第七流可进入分馏塔。第七流可向分馏塔提供汽提低沸点组分所需的蒸气。
该方法还可包括提供第三预分馏容器，其与第二预分馏容器流体连通，使第七流流到第三预分馏容器以进行闪蒸平衡分离来获得与第六液体流相比具有增加的低沸点组分浓度的第四蒸气流和与第六液体流相比具有降低的低沸点组分浓度的第八液体流，以及，使第四蒸气流和第八液体流流入到分馏塔内。
第八液体流可进入分馏塔的下部。第四蒸气流可向分馏塔提供汽提低沸点组分所需的蒸气。
该方法还可包括提供第一氦气闪蒸罐，其与第一预分馏容器流体连通且位于第一预分馏容器之前，使包含蒸气的第二膨胀的LNG流传递到第一氦气闪蒸罐以进行闪蒸平衡分离以获得第一富含氦气的蒸气流和第一减少氦气的液体流，以及，提供第四液体膨胀机，其与第一氦气闪蒸罐和第一预分馏容器流体连通且位于第一氦气闪蒸罐与第一预分馏容器之间，以及，在第一减少氦气的液体流进入第一预分馏容器之前使第一减少氦气的液体流减压。第四液体膨胀机可在第一预分馏容器之前向第一减少氦气的液体流提供静态膨胀。
在某些实施例中，包含于初始LNG流中的至少40%的氦气被提取且被包含或存在于第一富含氦气的蒸气流中。第一富含氦气的蒸气流可通过第一热交换器以向初始LNG流提供冷能。
第一氦气闪蒸罐能进行多级闪蒸平衡分离以获得至少一个富含氦气的蒸气流和至少一个减少氦气的液体流。
该方法还可包括第三蒸气膨胀机，第三蒸气膨胀机与第一氦气闪蒸罐流体连通，其在第一热交换器之前使第一富含氦气的蒸气流减压。第三蒸气膨胀机可提供第一富含氦气的蒸气流的动态膨胀。
第二热交换器可与第一氦气闪蒸罐和第四液体膨胀机流体连通且位于第一氦气闪蒸罐与第四液体膨胀机之间，其通过与第一富含氦气的蒸气流进行交叉交换来冷却第一减少氦气的液体流。第二蒸气流可流经第二热交换器以向第一减少氦气的液体流提供冷能。第六液体流的一部分可在流经第一热交换器之前流经第二热交换器以向第一减少氦气的液体流提供冷能。
该方法还可包括提供第三热交换器，其与第二预分馏容器和分馏塔流体连通且位于第二预分馏容器与分馏塔之间，其可通过与第一富含氦气的蒸气流进行热交换而冷却第三蒸气流。在第三蒸气流进入分馏塔之前，第一富含氦气的蒸气流的至少一部分可通过第三热交换器以向第三蒸气流提供冷能。
该方法还可包括第二氦气闪蒸罐，其与第一氦气闪蒸罐和第四液体膨胀机流体连通且位于第一氦气闪蒸罐与第四液体膨胀机之间；以及，第五液体膨胀机，其与第一氦气闪蒸罐和第二氦气闪蒸罐流体连通且位于第一氦气闪蒸罐与第二氦气闪蒸罐之间。第一减少氦气的液体流可在第五液体膨胀机中减压以获得包含蒸气相的第二减少氦气的液体流。第二减少氦气的液体流可进入第二氦气闪蒸罐以进行闪蒸平衡分离从而形成与第一减少氦气的液体流相比具有增加的氦气浓度的第二富含氦气的蒸气流和与第一减少氦气的液体流相比具有减少的氦气浓度的第三减少氦气的液体流。第二富含氦气的蒸气流可与第一富含氦气的蒸气流合并，且第三减少氦气的液体流可在流入到第一预分馏容器之前流经第二热交换器和第四液体膨胀机。第五液体膨胀机可提供静态膨胀以获得第二富含氦气的蒸气流。
参看附图，图1示出概括性LNG液化设备方块图，其示出总LNG液化设施10的主要构件，诸如气体处理部段20、液化/制冷部段30、和LNG发出和储存部段50。气体处理部段20可包括气体接收设施22、酸气移除单元24、脱水/汞移除单元26。液化部段30可包括：初始冷却/冷凝单元32，其用于移除较重烃；通过分馏移除液体34；液化38；制冷系统36；以及端部闪蒸/脱氮单元40。LNG发出和储存部段50可包括用于LNG52、LNG/LPG54和较重烃液体56(其有时被称作汽油)的储存装置。酸气移除单元120可经由管线25移除硫化氢、二氧化碳和其它杂质。脱水/汞移除单元26可如图所示经由管线27移除水和汞。端部闪蒸/脱氮单元40可如图所示经由管线41移除氮气。在某些设施中，也产生富含氦气的流来在氦气设备中进行进一步处理。通常在运输之前从LNG移除氮气的一部分。在工艺的某些实施例中，在处理之后的天然气可具有1mol%的最大氮气浓度。
修改液化设施处LNG的热值可包括添加或提取乙烷、丙烷和丁烷(LPG)且也可包括移除氮气。能产生不同热值和不同成分的两种或两种以上的产物品质。
图2示出现有技术中已知的端部闪蒸部段500，其可从LNG流移除氮气。在天然气在液化部段510中在高压液化之后，在进入储罐526之前，可减小LNG压力，诸如通过一个或多个静态膨胀机512、514到接近大气压力。这最小化罐中闪蒸蒸气生成，该闪蒸蒸气必须由蒸发气体压缩机(boil off gas compressor)再次压缩。如果LNG中的氮气浓度高于大约1%，则可使用端部闪蒸500。端部闪蒸500也可移除甲烷和氮气，可通过将其再加压为燃气压力而返回到燃气系统。端部闪蒸部段500可包括闪蒸罐516和/或再沸腾盘式塔520用于更广泛的氮气移除。塔520可浓缩氮气且减少自LNG的甲烷损失。蒸气可通过交换器522发送以在燃料压缩机524中压缩之前回收某些冷能。塔520也可为闪蒸罐而不是盘式塔。
参看图3，本发明的一个实施例为后端闪蒸工艺用于从液化天然气分离N2，其利用一个或多个闪蒸罐和蒸气膨胀结合可用作氮气汽提塔的分馏塔。该工艺始于冷却和液化进给气流100的任何方法，通常涉及低温热交换器154。包含氮气和可能其它轻组分的冷却和液化流作为LNG流102离开交换器154。
流102通过第一热交换器104，其中由于自冷流144和150的制冷，流102被冷却以形成流106。离开第一热交换器104的流106在第一液体膨胀机108中动态地膨胀，由此降低压力，且单相液体膨胀流110的压力可由液体膨胀机112(诸如J-T阀)的静态膨胀而进一步降低以形成流114。
第一液体膨胀机可为涡轮或涡轮膨胀机或适合于使液体动态膨胀的其它设备。一般而言，液体膨胀机在特定条件下操作以保持LNG流为液态从而避免膨胀机内的两相。
在替代实施例中，第一液体膨胀机108可位于第一热交换器104之前。第一液体膨胀机108和第一热交换器104彼此流体连通且位于低温热交换器154与静态液体膨胀机112之间，无论其相对于彼此的配置如何。
流114在第一闪蒸罐182中经历闪蒸平衡分离以形成第一蒸气流194和液体流206。
在本发明的一个实施例中，自闪蒸罐的第一蒸气流194将包含存在于LNG流102中的大部分氮气，且此实施例可包含存在于LNG流102中至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或高达95%或更多的氮气。
离开第一闪蒸罐182的第一蒸气流194通过第一蒸气膨胀机196，减小进给到分馏塔142的上部(诸如第一塔盘)的流198的压力和温度。
自分馏塔142的富含氮气的蒸气流144通过第一热交换器104且被温热以变成富含氮气的产物流166。富含氮气的产物流166可用于燃气，因为其将具有带热值的天然气组分。富含氮气的产物流166可被称作富含氮气的燃气流或简单地为燃气流。
离开第一闪蒸罐182的液体流206可被分成流150和204。液体流204为可选的流，其直接进给到将汽提氮气的分馏塔142。液体流204的流量可从零变化到大部分液体流206且可改变以调整流150的流率且可用于最小化分馏塔142上的负荷。
流150流经第一交换器104，在第一交换器104中，其被加热以形成部分汽化的流148且作为侧流蒸气进料进入分馏塔142以提供汽提氮气所需蒸气的一部分或充当分馏塔142的再沸腾器且向分馏塔142的下部提供热流。
离开分馏塔142的LNG产物流146为进入分馏塔142的各个流的液体部分形成的掺混物且与该工艺之前的LNG流102相比具有减小的N2摩尔分数。LNG产物流146的一部分可流经第一交换器104，在第一交换器104中，其被加热以形成部分汽化的流且返回到分馏塔142以充当再沸腾器且向分馏塔142的下部提供热源。
参看图4，本发明的一个实施例为后端闪蒸工艺用于从液化天然气分离N2，其利用一个或多个闪蒸罐和蒸气膨胀结合可用作氮气汽提塔的分馏塔。该工艺始于冷却和液化进给气流100的任何方法，通常涉及低温热交换器154。包含氮气和可能其它轻组分的冷却和液化流作为LNG流102离开交换器154。
流102通过第一热交换器104，其中由于自冷流144和150的制冷，流102被冷却以形成流106。离开第一热交换器104的流106在第一液体膨胀机108中动态地膨胀，由此降低压力，且单相液体膨胀流110的压力可由液体膨胀机112(诸如J-T阀)的静态膨胀而进一步降低以形成流114。
第一液体膨胀机可为涡轮或涡轮膨胀机或适合于使液体动态膨胀的其它设备。一般而言，液体膨胀机在特定条件下操作以保持LNG流为液态从而避免膨胀机内的两相。
在替代实施例中，第一液体膨胀机108可位于第一热交换器104之前。第一液体膨胀机108和第一热交换器104彼此流体连通且位于低温热交换器154与静态液体膨胀机112之间，无论其相对于彼此的配置如何。
流114在第一闪蒸罐182中经历闪蒸平衡分离以形成蒸气流194和液体流184。自第一闪蒸罐182底部的液体流184通过液体膨胀机186，降低压力形成流188，流188被进给到第二闪蒸罐138。第二闪蒸罐138可与第一闪蒸罐182相邻(如图3所示)或者可为单独的容器。自第二闪蒸罐138的蒸气为流190且自第二闪蒸罐138的液体为流206。
在本发明的一实施例中，自第一闪蒸罐和第二闪蒸罐的蒸气流，分别为流194和190，将包含存在于LNG流102中的大部分氮气且此实施例可包含存在于LNG流102中至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或高达95%或更多的氮气。
离开第一闪蒸罐182的蒸气流194通过第一蒸气膨胀机196，减小流198的压力和温度。离开第二闪蒸罐138的蒸气流190通过第二蒸气膨胀机220，减小流222的压力。第一蒸气膨胀机196和第二蒸气膨胀机220可为并联布置，其中每个使自第一闪蒸罐182和第二闪蒸罐138的蒸气流膨胀。蒸气流198可与蒸气流222结合，形成合并流140。需要管线140具有充分的长度和/或混合能力以获得流198和222的充分混合。混合流140被进给到分馏塔142的上部，诸如第一塔盘。流198和222的合并可为2相进给流，其向塔142提供冷液体回流的一部分。
自分馏塔142的富含氮气的蒸气流144通过第一热交换器104且被温热以变成富含氮气的产物流166。富含氮气的产物流166可用于燃气，因为它将具有带热值的天然气组分。富含氮气的产物流166可被称作富含氮气的燃气流或简单地为燃气流。
自第一闪蒸罐182的液体流184经过静态液体膨胀机186以形成二相流188，其在第二闪蒸罐138中被分成蒸气部分和液体部分。离开第二闪蒸罐138的液体流206可被分成流150和204。液体流204为可选的流，其直接进给到分馏塔142以对氮气进行汽提。液体流204的流量可从零变化到大部分液体流206且可改变以调整流150的流率且可用于最小化分馏塔142上的负荷。
尽管图3所示的实施例包含两个串联的闪蒸罐182、138用于移除氮气，本发明的替代实施例可具有用于此目的的单个闪蒸罐或可具有多于两个闪蒸罐。
流150流经第一交换器104，在第一交换器104中，其被加热且进入可选的第三闪蒸罐176，在第三闪蒸罐176中，分开液相和气相。作为流182离开第三闪蒸罐176的蒸气作为侧流蒸气进料进入分馏塔142且提供氮气汽提所需的蒸气的一部分。作为流148离开第三闪蒸罐的液体在塔下部进入分馏塔142。在各种实施例中，第一交换器104可通过加热流150而充当分馏塔142的再沸腾器，流150变成流180和148，且向分馏塔142的下部提供热流。
离开分馏塔142的LNG产物流146为进入分馏塔142的各个流的液体部分形成的掺混物且与该工艺之前的LNG流102相比具有减小的N2摩尔分数。
参看图5，本发明的一个实施例为后端闪蒸工艺用于在双He闪蒸罐中从天然气分离氦气，在闪蒸罐和分馏塔中从天然气移除N2且将自分馏塔的LNG产物发送到储存装置。该工艺始于冷却和液化进给气流100的任何方法，通常涉及低温热交换器154。包含氮气和氦气的冷却和液化流作为LNG流102离开交换器154。
流102通过第一热交换器104，其中流102由于自冷流168、170和178的制冷而被冷却以形成流106，分别作为流164、166和148离开第一热交换器104。离开第一热交换器104的流106在第一液体膨胀机108中动态地膨胀，由此降低压力，且单相液体膨胀流110的压力可由液体膨胀机112(诸如J-T阀)的静态膨胀而进一步降低以形成流114。
第一液体膨胀机可为涡轮或涡轮膨胀机或适合于使液体动态膨胀的其它设备。一般而言，液体膨胀机在特定条件下操作以保持LNG流为液态从而避免膨胀机内的气穴现象。
流114在第一闪蒸罐116中经历闪蒸平衡分离以形成蒸气流156和液体流160。自第一闪蒸罐底部的液体流160通过静态液体膨胀机122，降低压力形成流162，其被进给到第二闪蒸罐118。第二闪蒸罐118可与第一闪蒸罐116相邻(如图所示)或者可为单独的容器。自第二闪蒸罐118的蒸气为流172且自第二闪蒸罐118的液体为流120。
尽管图4所示的实施例包含两个闪蒸罐116、118用于移除氦气，本发明的替代实施例可具有用于氦移除的单个闪蒸罐或可具有多于两个闪蒸罐。
在本发明的一个实施例中，自第一闪蒸罐和第二闪蒸罐的蒸气流，分别为流156和172，将包含存在于LNG流102中的大部分氦气，且在实施例中将包含存在于LNG流102中至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或高达95%或更多的氦气。
离开第一闪蒸罐116的蒸气流156通过第一蒸气膨胀机128，减小流158的压力和温度。离开第二闪蒸罐118的蒸气流172通过第二蒸气膨胀机200，减小流212的压力，其可根据需要流向流124或流125，取决于流212的温度，以优化交换器192、130和104的操作。
在交换器192中未使用或不需要自流212的任何冷能可经由流174用于交换器130和/或经由流168用于交换器104。供应到交换器104的冷能可允许LNG流102更高的温度，其可降低低温热交换器154的冷却负荷，从而减小LNG液化实施的制冷负荷和开支。
蒸气流158可与蒸气流124结合，形成合并流126，其被进给到第三热交换器192且被温热(通过向流190供应制冷)且与流125合并以形成流174，流174为富含氦气的流。流174然后在第二热交换器130中加热以形成流168和用于冷却流120的冷能，且可在第一热交换器104中进一步温热以形成流164和用于冷却流102的冷能。然后富含氦气的流164可被发送以进行进一步处理，通常发送到氦气回收设备。
离开第二闪蒸罐118的液体流120通过第二热交换器130且被冷却以形成流132；从制冷来自冷流174、144和150，其分别作为流168、170和152离开。液体流132通过穿过静态液体膨胀机134闪蒸而被进一步冷却以形成流136。
两相流136进入第三闪蒸罐182，在第三闪蒸罐182中分开液相和气相。蒸气流194通过第三蒸气膨胀机196且膨胀的蒸气流198与离开第三热交换器192的部分冷凝的流202混合以形成流140。需要管线140具有充分的长度和/或混合能力以获得流198和202的充分混合。混合液体和蒸气流140被进给到分馏塔142的上部，诸如第一塔盘。流198和202的合并构成2相进给流140，其向塔142提供冷回流的一部分。
自第三闪蒸罐182的液体流184经过静态液体膨胀机186以形成二相流188，二相流188在第四闪蒸罐138中被分成蒸气部分和液体部分。蒸气作为流190离开第四闪蒸罐138且在第三热交换器192中冷却以形成流202。离开第四闪蒸罐138的液体流206可被分成流150和204。液体流204为可选的流，其直接进给到分馏塔142以汽提氮气。液体流204的流量可从零变化到大部分液体流206且可改变以优化分馏塔142的操作。流150进入第三交换器130且温热以形成流152且利用其冷能中的某些来冷却流120。
流152可进入第五闪蒸罐176，在第五闪蒸罐176中，分开液相和气相。做为流180离开第五闪蒸罐176且作为侧流蒸气进料进入分馏塔142的蒸气供应汽提氮气所需蒸气的一部分且最小化需要在流148中生成的蒸气量。液体作为流178离开第五闪蒸罐且在第一热交换器104中进一步加热以形成流148且利用其冷能中的某些来冷却流102。流148进入分馏塔142的下部且可供应汽提氮气所需蒸气的一部分。
自分馏塔142的富含氮气的蒸气流144通过第二热交换器130且被温热以变成流170且利用其冷能中的某些来冷却流120。自第二热交换器出口的流170进入第一热交换器104且进一步被温热以变成富含氮气的产物流166且利用其冷能中的某些来冷却流102。富含氮气的产物流166可用于燃气，因为其将具有带热值的天然气组分。富含氮气的产物流166可被称作富含氮气的燃气流或简单地为燃气流。
在第一闪蒸罐116和第二闪蒸罐118中未移除的氦气将在第三闪蒸罐182或第四闪蒸罐138和/或分馏塔142中通过氮气移除工艺而从LNG流移除且为富含氮气的燃气产物流166的组分。富含氮气的燃气和富含氦气的产物，分别为流166和164，在它们离开此工艺时通常低于LNG流102的温度，且可用于进一步制冷负荷。
在本发明的一个实施例中，第一热交换器104和第二热交换器130中的一个或两个充当分馏塔142的再沸腾器。
离开分馏塔142的LNG产物流146为进入分馏塔142的各个流的液体部分的合并且与该工艺之前的LNG流102相比具有减小的N2摩尔分数。在一实施例中，LNG产物流146的N2摩尔分数小于2%，在替代实施例中，LNG产物流146的N2摩尔分数小于1%或小于0.5%，或小于0.25%。
改进的设计的益处可为显著的，因为该工艺利用制冷，该制冷在低于常规做法的温度产生。使用闪蒸罐182、138和液体流150的部分汽化可显著地减小分馏塔内的液体流量，在某些实施例中，减小至少40%，至少50%，至少60%，至少70%，或更多。在LNG工艺中温度最低的情况下发生此工艺，且所产生的制冷可导致显著功率节省。通常，当与常规做法相比时，流102的温度可升高。随着LNG流102的温度可升高，在LNG制冷系统内实现显著的节省。
改进的某些特定特征为优化通过氮气塔进料的部分汽化可实现的预分馏，使用多个闪蒸压力，减小分馏塔内液体流量的能力，和优化塔汽提蒸气流动比率的性能。
在该工艺内汽化的产物量可通常在LNG流102的大约1%至大约15%的范围变化。在本发明的某些实例实施例中，在该工艺内汽化的产物量根据燃料要求确定可在LNG流102的大约5%至大约10%的范围变化。
在附图中并未示出本发明的所有可能的实施例。提供以下列表是为了帮助解释图3、图4和图5，而并不限制其解释：第一热交换器(104)；第二热交换器(103)；第三热交换器(192)；第一液体膨胀机(108)；
第二液体膨胀机(112)；第三液体膨胀机(186)；第四液体膨胀机(134)；第五液体膨胀机(122)；第一蒸气膨胀机(196)；第二蒸气膨胀机(220)；分馏塔(142)；第一预分馏容器(182)；第二预分馏容器(138)；第三预分馏容器(176)；第一蒸气流(194)；第二蒸气流(144)；第三蒸气流(190)；第四蒸气流(180)；用于氦气移除的第一闪蒸罐(116)；用于氦气移除的第二闪蒸罐(118)；第一富含氦气的蒸气流(156)；第二富含氦气的蒸气流(172)；第一减少氦气的液体流(160)；第二减少氦气的液体流(162)；以及，第二减少氦气的液体流(120)。
在本文中使用了各种术语，在所用术语并未在此处定义的范围，其应被给予相关领域技术人员对于该术语给出的最广泛的定义，如在印刷出版物和发布专利中所反映的那样。取决于上下文，在下文中对“发明”的所有提及可在某些情况下仅指特定具体实施例。在其它情况下，其可指在一个或多个但未必所有权利要求中所陈述的主题。
如本文所用的术语“冷能”被定义为表示由于热能从更温热的第二流流向更冷的第一流的第一流冷却第二流的能力。冷能从第一流到第二流的转移应意味着热能从第二流流向第一流，导致第一流被温热而第二流被冷却。
如本文所用的“液体膨胀机”被定义为表示能对液体流施加受控制的压力降低的设备。液体膨胀机的非限制性实例可包括诸如阀的静态膨胀机和诸如涡轮的动态膨胀机。液体膨胀机可由于液体流的部分蒸发而形成两相流。
如本文所用的“并联(平行)”或“并联(平行)布置”被定义为表示构件并非串联布置且每个构件单独地处理流的一部分。因此，构件并非必须以真实物理平行方式相对于彼此对准。
如本文所用的“之间”被定义为表示构件以串联过程流动布置而不是以并联过程流动布置且所提及的构件位于经过所参考的项目之一的过程流动之后且位于经过另一参考项目的过程流动之前。因此，构件并非必须以特定物理位置相对于彼此对准。
某些实施例和特征使用一组数值上线和一组数值下限来描述。应了解除非另外表明，涵盖从任何下限到任何上限的范围。在下面的一个或多个权利要求中出现了某些下限、上限和范围。所有数值为所示值的“大约”或“近似”，且考虑本领域普通技术人员预期的经验误差和变型。
各种术语在上文中定义。在权利要求中所用术语并未定义的范围，其应被予相关领域技术人员对于该术语给出的最广泛的定义，如在至少一个印刷出版物或者发布专利中所反映的那样。而且，所有专利、测试程序和在此申请中所引用的其它文献以引用的方式完全结合到本文中，达到程度是这些公开无与本申请不一致的地方，且用于容许这些结合的所有管辖区域。
虽然前文是针对于本发明的实施例，但是可在不偏离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其它和另外的实施例，本发明的范围由下面的权利要求确定。

Claims (25)

1. 一种减少液化天然气中氮气浓度的方法，包括：
使初始LNG流通过第一热交换器和第一液体膨胀机以降低温度且使LNG流动态地减压从而获得第一膨胀的LNG流；
在第二静态液体膨胀机中使第一膨胀的LNG流减压以获得含蒸气相的第二膨胀的LNG流；
将第二膨胀的LNG流传递到一个或多个预分馏容器以进行闪蒸平衡分离以获得与初始LNG流相比具有增加的氮气浓度的一个或多个蒸气流和与初始LNG流相比具有减小的氮气浓度的液体流；
将所述具有减小的氮气浓度的液体流作为进料传递到分馏塔和从所述分馏塔的上部抽提与到所述分馏塔的所述进料相比富含氮气的流；以及，
从所述分馏塔的下部抽提与所述初始LNG流相比具有减小的氮气浓度的LNG产物流，其中使自所述一个或多个预分馏容器的蒸气或液体流的至少一个的至少一部分通过第一热交换器以提供对所述初始LNG流的冷却。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在一个或多个蒸气膨胀机中对自所述一个或多个预分馏容器的蒸气流中至少一个进行动态减压。
3. 一种回收氦气和降低液化天然气中氮气浓度的方法，包括：
使得初始LNG流通过第一热交换器和第一液体膨胀机以降低温度且使所述LNG流动态地减压从而获得第一膨胀的LNG流；
在第二静态液体膨胀机中使所述第一膨胀的LNG流减压以获得含蒸气相的第二膨胀的LNG流；
使所述第二膨胀的LNG流传递到一个或多个氦气闪蒸罐进行闪蒸平衡分离以获得富含氦气的蒸气流和具有减小的氦气浓度的LNG流；
将所述具有减小的氦气浓度的LNG流传递到一个或多个预分馏容器进行闪蒸平衡分离以获得富含氮气的蒸气流和具有减小的氮气浓度的液体流；
将自所述一个或多个预分馏容器的蒸气流和液体流的至少一部分作为进料传递到分馏塔且从所述分馏塔的上部抽提与到分馏塔的所述进料相比富含氮气的蒸气流；以及，
从所述分馏塔的下部抽提与所述初始LNG流相比具有减小的氮气浓度的LNG产物流，其中自所述一个或多个预分馏容器的蒸气流或液体流中的至少一个通过所述第一热交换器以提供对所述初始LNG流的冷却。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括在氦气回收设施中进一步处理所述富含氦气的蒸气流。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括利用所述富含氮气的蒸气流作为燃气。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括在一个或多个蒸气膨胀机中对自所述一个或多个氦气闪蒸罐或所述一个或多个预分馏容器的蒸气流中的至少一个进行动态减压。
7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括使具有减小的氦气浓度的LNG流在进入所述一个或多个预分馏容器之前通过第二热交换器进行冷却，其中自所述一个或多个预分馏容器的蒸气或液体流中的至少一个、富含氦气的蒸气流、或自所述分馏塔的富含氮气的蒸气流在进入所述一个或多个预分馏容器之前通过第二热交换器以提供对该具有减小的氦气浓度的LNG流的冷却。
8. 一种减少液化天然气中具有低沸点的组分浓度的方法，包括：
提供在初始液化温度和压力的初始LNG流；
提供第一热交换器和与所述第一热交换器流体连通的第一液体膨胀机；
使所述初始LNG流通过所述第一热交换器和所述第一液体膨胀机以降低温度且使所述LNG流动态地减压从而获得温度和压力小于或等于初始液化温度和压力的第一膨胀的LNG流；
提供第二液体膨胀机，其与所述第一热交换器和所述第一液体膨胀机流体连通且位于所述第一热交换器与所述第一液体膨胀机之后，以及在所述第二液体膨胀机中使所述第一膨胀的LNG流减压以获得含蒸气相的第二膨胀的LNG流；以及，
提供第一预分馏容器，其与所述第二液体膨胀机流体连通且位于所述第二液体膨胀机之后，以及将所述第二膨胀的LNG流传递到所述第一预分馏容器进行闪蒸平衡分离以获得具有增加的低沸点组分浓度的第一蒸气流和具有减小的低沸点组分浓度的第三液体流；
提供分馏塔，其与所述第一预分馏容器流体连通且位于所述第一预分馏容器之后且将所述第一蒸气流和第三液体流喷射到所述分馏塔；
从所述分馏塔的上部抽提第二蒸气流，其与所述初始LNG流相比具有增加的低沸点组分浓度；以及，
从所述分馏塔的下部提取第四液体流，其与所述初始LNG流相比具有减小的低沸点组分浓度，其中自所述预分馏容器的第一蒸气流或第三液体流之一的至少一部分通过所述第一热交换器以提供对所述初始LNG流的冷却。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：使所述第二蒸气流的至少一部分通过所述第一热交换器以向所述初始LNG流提供冷能。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：
使所述第四液体流的至少一部分通过所述第一热交换器以向所述初始LNG流提供冷能且形成部分汽化的第四液体流；以及
将所述部分汽化的第四液体流再喷射到所述分馏塔内以向所述分馏塔提供热负荷。
11. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：在进入到所述分馏塔内之前，将自所述第一热交换器的第三液体流的部分传递到随后的预分馏容器以进行闪蒸平衡分离为随后的蒸气和液体流。
12. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：
提供第一蒸气膨胀机，其与所述第一预分馏容器和所述分馏塔流体连通，其中所述第一蒸气膨胀机在所述第一蒸气流喷射到所述分馏塔内之前使之减压。
13. 如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：
提供第二预分馏容器，其与所述第一预分馏容器流体连通且位于所述第一预分馏容器之后；
提供第三液体膨胀机，其与所述第一预分馏容器和所述第二预分馏容器流体连通且位于所述第一预分馏容器与所述第二预分馏容器之间，以及在所述第三静态液体膨胀机中使所述第三液体流减压以获得含蒸气相的第五液体流；
使所述第五液体流流入到所述第二预分馏容器以进行闪蒸平衡分离来形成与所述第五液体流相比具有增加的低沸点组分浓度的第三蒸气流和与所述第五液体流相比具有降低的低沸点组分浓度的第六液体流；以及
使所述第三蒸气流和所述第六液体流流入到所述分馏塔内。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括提供第二蒸气膨胀机，其与所述第二预分馏容器和所述分馏塔流体连通，其中所述第二蒸气膨胀机在所述第三蒸气流喷射到所述分馏塔内之前使之动态地减压。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于还包括：
使所述第一蒸气流的至少一部分在所述第一蒸气膨胀机之后流经所述第一热交换器以向所述初始LNG流提供冷能且获得温热的第一蒸气流；以及
在到所述第二蒸气膨胀机之前，合并离开所述第一热交换器的所述温热的第一蒸气流与所述第三蒸气流。
16. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括：
使所述第六液体流的至少一部分流经所述第一热交换器以向所述初始LNG流提供冷能且获得比所述第六液体流具有更温热温度的第七液体流；以及
使所述第七液体流流到所述分馏塔。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第七液体流向所述分馏塔提供汽提低沸点组分所需的蒸气。
18. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括：
提供与所述第二预分馏容器流体连通的第三预分馏容器；
使所述第七液体流流到所述第三预分馏容器以进行闪蒸平衡分离来获得与所述第六液体流相比具有增加的低沸点组分浓度的第四蒸气流和与所述第六液体流相比具有降低的低沸点组分浓度的第八液体流；以及
使所述第四蒸气流和所述第八液体流流入到所述分馏塔内。
19. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：
提供第一氦气闪蒸罐；其与所述第一预分馏容器流体连通且位于所述第一预分馏容器之前，
使所述第二膨胀的LNG流传递到所述第一氦气闪蒸罐以进行闪蒸平衡分离以获得第一富含氦气的蒸气流和第一减少氦气的液体流；以及
提供第四液体膨胀机，其与所述第一氦气闪蒸罐和所述第一预分馏容器流体连通且位于所述第一氦气闪蒸罐与所述第一预分馏容器之间，以及在所述第一减少氦气的液体流进入所述第一预分馏容器之前使所述第一减少氦气的液体流在第四液体膨胀机中减压。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于还包括使所述第一富含氦气的蒸气流的至少一部分通过所述第一热交换器以向所述初始LNG流提供冷能。
21. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：
提供第三热交换器，其与所述第二预分馏容器和所述分馏塔流体连通且位于所述第二预分馏容器与所述分馏塔之间，其能够通过与所述第一富含氦气的蒸气流进行热交换而冷却所述第三蒸气流，以及
在所述第三蒸气流进入所述分馏塔之前，使所述第一富含氦气的蒸气流的至少一部分通过所述第三热交换器以向所述第三蒸气流提供冷能。
22. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于还包括提供第二热交换器，其与所述第一氦气闪蒸罐和所述第四液体膨胀机流体连通且位于所述第一氦气闪蒸罐与所述第四液体膨胀机之间，其通过与所述第一富含氦气的蒸气流进行热交换来冷却所述第一减少氦气的液体流。
23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于还包括使所述第二蒸气流的至少一部分流经所述第二热交换器以向所述第一减少氦气的液体流提供冷能。
24. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于还包括使所述第六液体流的至少一部分在流经所述第一热交换器之前流经所述第二热交换器以向所述第一减少氦气的液体流提供冷能。
25. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于还包括：
提供第二氦气闪蒸罐，其与所述第一氦气闪蒸罐和所述第四液体膨胀机流体连通且位于所述第一氦气闪蒸罐与所述第四液体膨胀机之间，
提供第五液体膨胀机，其与所述第一氦气闪蒸罐和所述第二氦气闪蒸罐流体连通且位于所述第一氦气闪蒸罐与所述第二氦气闪蒸罐之间，以及在所述第五液体膨胀机中使所述第一减少氦气的液体流减压以获得包含蒸气相的第二减少氦气的液体流；
使所述第二减少氦气的液体流流入所述第二氦气闪蒸罐以进行闪蒸平衡分离从而形成与所述第一减少氦气的液体流相比具有增加的氦气浓度的第二富含氦气的蒸气流和与所述第一减少氦气的液体流相比具有减少的氦气浓度的第三减少氦气的液体流；
合并所述第二富含氦气的蒸气流与所述第一富含氦气的蒸气流；
使所述第三减少氦气的液体流在流入所述第一预分馏容器之前流经所述第二热交换器和所述第四液体膨胀机。
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