CN103415752A - 制冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于工业冷却应用例如天然气的液化的单循环混合制冷剂方法。本发明还涉及一种构造成实行文中所述的方法的制冷组件和可用于此类方法中的混合制冷剂组分。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷方法，并且更具体地但不排他地涉及适合于天然气的液化的制冷方法。
背景技术
天然气从提取地点输送到终端消费者存在显著的物流挑战。可使用管道来短距离（通常在离岸环境中小于2000km并且在岸上环境中小于3800km）运输天然气，但当涉及更长的距离时它们并不是经济的运输手段。此外，在某些环境中例如跨越大的水域建设管道也是不切实际的。
在很长的距离上并且在需要输送至多个不同目的地的状况下运输液化天然气（LNG）是更经济的。液化天然气输送链中的第一阶段包含天然气的生产。然后将天然气转移至LNG生产设施，其中它在运输（通常通过船运）前被液化。液态天然气然后在目的地被重新气化并通过管道输送分配至终端消费者。
通过将天然气供料流投入一个或多个制冷循环来实现天然气的液化。这些制冷循环会是能源消耗量极大的，主要原因是运转制冷剂压缩机所需的轴功率输入量。
本领域中已知许多用于使天然气液化的制冷方法。一种众所周知的方法包括与通过再循环制冷系统提供的多股制冷剂流相对地在一个或多个热交换器中冷却和冷凝天然气供料气流。通过各种冷却过程循环来完成天然气供料的冷却，例如公知的级联循环（复叠循环）——其中由三个不同的制冷剂环路提供制冷。一个这样的级联循环顺次使用甲烷、乙烯和丙烷循环以在三个不同温度水平产生制冷。另一种公知的制冷循环使用经丙烷预冷却的混合制冷剂循环，其中多成分制冷剂混合物在所选择的温度范围上产生制冷。混合制冷剂可包含诸如甲烷、乙烷、丙烷和其他轻质烃之类的烃，并且还可包含氮。该制冷系统的各种形式在全世界的许多运转的LNG设施中使用。
最简单的制冷系统之一包括单混合制冷剂循环（例如Black & VeatchPRICO过程）。此类过程存在的一个问题在于它们相对于更复杂的过程（例如Air products的经丙烷冷却的混合制冷剂循环或Shell的双混合制冷剂循环）呈现较低的热力学效率。此外，单混合制冷剂循环的热力学性能和效率只能通过调节少数操作变量例如制冷剂组分、冷凝和蒸发温度以及压力水平来改变。更复杂的多循环过程能够通过更多操作变量来提供提高的循环效率，包括例如改变多股制冷剂流的组分和温度，这可显著影响热交换器中的有效能损失。通过适当调节这些另外的操作变量，与单混合制冷剂循环相比，在这些更复杂的制冷过程中显著提高了热力学效率。然而，多级或级联制冷过程通常需要复杂得多的设施构造，并且这引起显著的设施和设备成本。
因此，要在提供设计和结构简单的制冷过程并由此节省设施和设备成本与提供还具备充分的操作变量以实现合意和/或提高的运转效率的过程之间取得平衡。
本发明旨在通过提供包括另外的操作变量以实现提高的运转效率的单循环、混合制冷过程来提供克服前述缺点中的一个或多个的制冷方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于冷却产品供料流的制冷方法，所述方法包括使所述产品供料流经过热交换器，所述热交换器包括混合制冷剂的第一制冷剂流和混合制冷剂的第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流配置成在低于所述第二制冷剂流的温度的温度下蒸发；
并且其中，所述第一制冷剂流在离开所述热交换器后接受初始压缩，接着与来自所述热交换器的所述第二制冷剂供料流混合，以形成单股制冷剂流，该单股制冷剂流接受第二压缩以形成压缩制冷剂流，
并且其中：
（i）所述压缩制冷剂流中的制冷剂然后在所述热交换器中接受冷却，接着膨胀，之后被重新导入所述热交换器以冷却所述供料流；并且
（ii）在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前、所述冷却期间或所述冷却后，所述压缩制冷剂流被分割成形成所述第一和第二制冷剂流的两股流，所述第一和第二制冷剂流供给到所述热交换器中。
本发明的方法提供一种新颖的混合制冷剂循环，该混合制冷剂循环提供了热力学效率与方法复杂性之间的平衡，由此提供了当前液化方法的成本经济的替代方案。实质上，本发明的第一方面的方法提供了单混合制冷剂循环和单个热交换器的简单性，而且提供了更多操作变量（或“自由度”），以便能够提高方法的热力学效率。
特别地，在单循环混合制冷剂方法中提供不同温度、压力和/或组分的第一和第二制冷剂流（如在本发明的一些实施例中提供）提供了另外的灵活性，以便能够优化热力学效率。更具体地，这一灵活性使制冷剂的温度-焓轮廓能够与供料气流的冷却轮廓尽可能接近地匹配。
此外，至少两个压缩步骤（即仅施加于离开热交换器的第一制冷剂流（最低压力流）的初始压缩，接着施加于经压缩的第一制冷剂流与离开热交换器的第二制冷剂流的制冷剂的混合物的第二压缩）的提供使得能使该压缩过程比离开热交换器的所有制冷剂被一起压缩的情况更有效。
在第二方面，本发明提供一种用于冷却产品供料流的制冷方法，所述方法包括使所述产品供料流经过热交换器，所述热交换器包括混合制冷剂的第一制冷剂流和混合制冷剂的第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流配置成在低于所述第二制冷剂流的温度的温度下蒸发；
并且其中，所述第一制冷剂流在离开所述热交换器后接受初始压缩，接着与来自所述热交换器的所述第二制冷剂供料流混合，以形成单股制冷剂流，该单股制冷剂流接受第二压缩以形成压缩制冷剂流，
并且其中：
（i）所述压缩制冷剂流中的制冷剂然后在所述热交换器中接受冷却，接着膨胀，之后被重新导入所述热交换器以冷却所述供料流；并且
（ii）在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前或所述冷却期间，所述压缩制冷剂流被分割成分开的流，该分开的流形成所述第一和第二制冷剂流。
本发明的第二方面方法提供又一种新颖的混合制冷剂循环，该混合制冷剂循环提供了热力学效率与方法复杂性之间的平衡，由此提供了当前液化方法的成本经济的替代方案。实质上，本发明的第二方面的方法还提供了单混合制冷剂循环的简单性，而且提供了更多操作变量（或“自由度”），以便能够提高方法的热力学效率。
本发明的第二方面的方法可包括单个热交换器或一个或多个串联布置的热交换器。合适地，为了将成本保持在最低，热交换器的数量将被限制在一到三个之间。在一个实施例，可存在一个或两个热交换器。在一个特定实施例中，仅采用单个热交换器。
在一个实施例中，压缩制冷剂流在压缩制冷剂的冷却前被分割成分开的流，该分开的流形成第一和第二制冷剂流。在一个特定实施例中，制冷剂流在于热交换器中冷却前在闪蒸单元中被分割。这提供了具有不同组分的分开的流。
对于本发明的第一方面的方法，在单循环混合制冷剂过程中提供不同温度、压力和/或组分的第一和第二制冷剂流（如在本发明的一些实施例中提供）提供了另外的灵活性，以便能够优化热力学效率。更具体地，这一灵活性使制冷剂的温度-焓轮廓能够与供料气流的冷却轮廓尽可能接近地匹配。
此外，至少两个压缩步骤（即仅施加于离开热交换器的第一制冷剂流（最低压力流）的初始压缩，接着施加于经压缩的第一制冷剂流与离开热交换器的第二制冷剂流的制冷剂的混合物的第二压缩）的提供同样使得能使该压缩过程比离开热交换器的所有制冷剂被一起压缩的情况更有效。
在一个特定方面，本发明提供一种如文中所述的天然气液化方法。
在又一个方面，本发明提供一种构造成实行如文中所述的方法的如文中所述的制冷组件。
在一个特定方面，本发明提供一种制冷组件/设备，所述制冷组件/设备包括适于在使用期间接收待冷却的产品流的单个热交换器和制冷剂循环，所述组件/设备包括：
流经所述热交换器以提供冷却的第一和第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流中的制冷剂配置成在低于所述第二制冷剂流中的制冷剂的温度的温度下蒸发；
第一压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的所述第一制冷剂流并且将所述制冷剂压缩至第一压缩水平；
第二压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的第二制冷剂流与来自所述第一压缩装置的所述压缩制冷剂流的混合物并且压缩所述混合物以形成压缩制冷剂流；
用于将所述压缩制冷剂流中的制冷剂引导到所述热交换器中以进行冷却的装置；
用于将所述经冷却的制冷剂输送至膨胀装置并且然后将所述经膨胀的制冷剂输送到所述热交换器中的装置；以及
用于将所述压缩制冷剂流分割成两股分开的制冷剂流的装置，所述两股分开的制冷剂流形成供给到所述热交换器中的所述第一和第二制冷剂流，并且其中所述压缩制冷剂流的所述分割发生在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前、所述冷却期间或所述冷却后。
在又一个方面，本发明提供一种制冷组件/设备，所述制冷组件/设备包括适于在使用期间接收待冷却的产品流的一个或多个热交换器和制冷剂循环，所述组件/设备包括：
流经所述热交换器以提供冷却的第一和第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流中的制冷剂配置成在低于所述第二制冷剂流中的制冷剂的温度的温度下蒸发；
第一压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的所述第一制冷剂流并且将所述制冷剂压缩至第一压缩水平；
第二压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的第二制冷剂流与来自所述第一压缩装置的所述压缩制冷剂流的混合物并且压缩所述混合物以形成压缩制冷剂流；
用于将所述压缩制冷剂流中的制冷剂引导到所述热交换器中以进行冷却的装置；
用于将所述经冷却的制冷剂输送至膨胀装置并且然后将所述经膨胀的制冷剂输送到所述热交换器中的装置；以及
用于将所述压缩制冷剂流分割成两股分开的制冷剂流的装置，所述两股分开的制冷剂流形成供给到所述热交换器中的所述第一和第二制冷剂流，并且其中所述压缩制冷剂流的所述分割发生在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前或所述冷却期间或所述冷却后。
在又一个方面，本发明提供一种制冷剂组分，所述制冷剂组分包括：
甲烷15-25mol%，
乙烷30-45mol%，
丙烷0-20mol%，
n-丁烷0-25mol%，
和氮5-20mol%。
附图说明
下文将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：
图1是示出了本发明的第一实施例的示意图；
图2是示出了本发明的第二实施例的示意图；
图3是示出了本发明的第三实施例的示意图；
图4是示出了本发明的第四实施例的示意图；
图5是示出了遗传算法优化构架的示意图；
图6（a）是示出了用于单混合制冷剂（MR）过程的优化后的运转条件的示意图，且图6（b）示出了用于该过程的组合曲线和温度-焓轮廓；
图7（a）是示出了用于图1所示的本发明的第一实施例的优化后的运转条件的示意图，且图7（b）示出了用于该实施例的组合曲线和温度-焓轮廓；
图8（a）是示出了用于本发明的第二实施例（图2）的优化后的运转条件的示意图，且图8（b）示出了用于该实施例的组合曲线和温度-焓轮廓；
图9（a）是示出了用于本发明的第三实施例（图3）的优化后的运转条件的示意图，且图9（b）示出了用于该实施例的组合曲线和温度-焓轮廓；并且
图10（a）是示出了用于本发明的第四实施例（图4）的优化后的运转条件的示意图，且图10（b）示出了用于该实施例的组合曲线和温度-焓轮廓。
具体实施方式
术语“混合制冷剂”和“MR”在文中可互换地使用并且指包含两种或更多制冷剂成分的混合物。
术语“制冷剂成分”指在较低的温度和压力下吸热并在较高的温度和压力下放热的用于热传递的物质。例如，压缩制冷系统中的“制冷剂成分”将通过蒸发而在较低的温度和压力下吸热并且将通过冷凝而在较高的温度和压力下放热。说明性的制冷剂成分可包括但不限于具有一到五个碳原子的烷烃、烯烃和炔烃、氮、氯代烃、氟化烃、其它卤代烃及其混合物或结合。
术语“天然气”在本领域中是公知的。天然气通常是轻质烃类气体或两种或更多轻质烃类气体的混合物。说明性的轻质烃类气体可包括但不限于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、其异构体、其不饱和物和其混合物。术语“天然气”还可包括一定水平的杂质，例如氮、硫化氢、二氧化碳、硫化羰、硫醇和水。例如，天然气的精确百分比组分根据储器源和被用作提取过程例如经由分子筛的胺提取或干燥的一部分的任何预处理步骤而变化。
术语“气体”和“蒸气”可互换地使用并且指如与液态或固态有区别的气态下的物质或物质的混合物。
术语“热交换器”指用于有利于热传递的本领域中已知的任一类型设备或相似或不同类型设备的组合。例如，“热交换器”可被包含或至少部分包含在一个或多个螺旋缠绕式交换器、板翅式交换器、壳管式交换器或能够耐受下文详细描述的过程条件的本领域中已知的任何其他类型的热交换器内。热交换器在本领域中还普遍被称为“冷箱”。
术语“压缩机”或“压缩装置”在文中用来指代任一特定类型的压缩设备或相似或不同类型的压缩设备的组合，并且可包括本领域中已知的用于压缩物质或物质的混合物的辅助设备。“压缩机”或“压缩装置”可采用一个或多个压缩级。说明性的压缩机可包括但不限于诸如例如往复压缩机和旋转压缩机之类的容积式压缩机以及诸如例如离心压缩机和轴流压缩机之类的动态式压缩机。说明性的辅助设备可包括但不限于吸入分离容器（suctionknock-out vessel）、排出冷却器或致冷器、级间冷却器、再循环冷却器和致冷器和其任何组合。
术语“膨胀”在文中用来指制冷剂流的膨胀，其导致压力因此降低。通过使用本领域中已知的任何合适的膨胀装置来促进制冷剂流的膨胀。例如，“膨胀装置”可以是膨胀阀或膨胀器或膨胀室。
当今使用的大部分液态天然气通过将制冷剂气体压缩至高压来提供冷却，使用冷却源来使制冷剂气体液化，使制冷剂液体膨胀到低压力，并从天然气供料流吸热以使液态制冷剂气化。气化的制冷剂然后在该过程中被重新压缩并重复利用。因此，该连续循环的净效应是天然气供料流的冷却和液化。本发明的方法以多个改型利用这种连续制冷剂循环来提高方法的热力学效率而不使方法增加不必要的复杂性。
如前文所述，在第一方面，本发明提供一种用于冷却产品供料流的制冷方法，所述方法包括使所述产品供料流经过热交换器，所述热交换器包括混合制冷剂的第一制冷剂流和混合制冷剂的第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流配置成在低于第二制冷剂流的温度的温度下蒸发；
并且其中，所述第一制冷剂流在离开所述热交换器后接受初始压缩，接着与来自所述热交换器的所述第二制冷剂供料流混合，以形成单股制冷剂流，该单股制冷剂流接受第二压缩以形成压缩制冷剂流，
并且其中：
（i）所述压缩制冷剂流中的制冷剂然后在所述热交换器中接受冷却，接着膨胀，之后被重新导入所述热交换器；并且
（ii）在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前、所述冷却期间或所述冷却后，所述压缩制冷剂流被分割成形成所述第一和第二制冷剂流的两股流，所述第一和第二制冷剂流供给到所述热交换器中。
因此，本发明的方法提供了用于气体供料流的液化的单循环、混合制冷剂过程。特别地，本发明的方法配置成提供第一和第二制冷剂流，以向气体供料流提供不同的冷却作用。在本发明的一些实施例中，该方法还可包括另外的（例如，3、4或5股）制冷剂流。
第一制冷剂流可配置成通过在某些实施例中相对于第二制冷剂流改变第一制冷剂的温度、压力和/或组分来在低于第二制冷剂流的温度的温度下提供冷却。合适地，第一制冷剂流的温度和/或压力低于第二混合制冷剂流的压力和/或温度。可选地或另外，第一混合制冷剂流的组分可不同于第二制冷剂流，使得第一制冷剂流将在低于第二制冷剂流的温度下蒸发并提供冷却作用。
在本发明的一个实施例中，第一制冷剂流处于低于第二制冷流的压力和/或温度下。
在本发明的又一个实施例中，第一制冷剂流具有不同于第二制冷剂流的组分，并且可选地还处于低于第二制冷流的温度和/或压力下。
在本发明的一个实施例中，第一制冷剂流处于低于第二制冷流的压力下。
合适地，第一制冷剂流处于低压力下，而第二制冷剂流处于中间压力下。
可借以改变第一和第二制冷流的温度、压力和/或组分的过程在文中进一步描述。
将为有关的特定应用选择第一和第二制冷剂流气化的温度范围。
在离开热交换器后，第一制冷剂流被转移到压缩机，其中它在与从热交换器流出的第二制冷剂流混合前接受初始压缩。该初始压缩适当地将第一制冷剂流加压到大小与第二制冷剂供料流的压力相似的压力。两股流然后混合并接受又一次压缩，以形成单股（合并的）压缩制冷剂流。
本发明的单循环、混合制冷剂过程中的运转可变性在压缩制冷剂流的后续处理——以再生供给到热交换器中的第一和第二制冷剂供料流——中出现。为了再生供给到热交换器中的第一和第二制冷剂流，压缩制冷剂需要冷却（其通过使制冷剂经过热交换器实现，在热交换器中，制冷剂被第一和/或第二制冷剂流冷却）并且然后膨胀以降低压力。另外，需要将单股流分割成形成用于热交换器的第一和第二制冷剂供料流的分开的流。发生这一分割的部位可以变化。特别地，分割成分开的流可发生在制冷剂流在热交换器中的冷却前、所述冷却期间或所述冷却后。
在一个实施例中，单股压缩制冷剂流在压缩制冷剂在热交换器中冷却前被分割成分开的供料流（其最终形成第一和第二制冷剂供料流）。在这种布置结构中，通过随后在热交换器中以不同程度在单独的流中冷却制冷剂的能力来提供另外的运转可变性。每股制冷剂流然后可膨胀，以形成具有最佳温度和压力的用于热交换器的期望第一和第二制冷剂供料流。
在又一个实施例中，单股压缩制冷剂流在制冷剂已在热交换器中冷却后被分割成分开的供料流（其最终形成第一和第二制冷剂供料流）。在这种布置结构中，通过随后使单独的流中的制冷剂以不同程度膨胀以形成第一和第二制冷剂供料流中的期望压力的能力来提供运转可变性。
适当地，压缩制冷剂流：
（i）要么在被分割成第一和第二流前作为单股流在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却，所述第一和第二流然后独立地接受膨胀，以分别形成流入热交换器以提供冷却作用的第一和第二制冷剂流；
（ii）要么在接受初始膨胀并且然后分割成第一和第二流前作为单股流在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却，第一流接受进一步的膨胀，以形成第一制冷流，第二流形成第二制冷剂流；或者
（iii）要么分割成两股分开的制冷剂流，所述两股分开的制冷剂流然后在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却并独立地接受膨胀，以形成流入热交换器以提供冷却作用的第一和第二制冷剂流。
在本发明的一个特定实施例中，压缩制冷剂流在被分割成第一和第二流前首先作为单股制冷剂流在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却，所述第一和第二流然后分开接受膨胀，以分别形成流入热交换器以提供冷却作用的第一和第二制冷剂流。
在本发明的另一个实施例中，压缩制冷剂流在接受初始膨胀前首先作为单股流在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却并且然后分割成第一和第二流，第一流接受进一步的膨胀，以形成第一制冷流，第二流形成第二制冷剂流。
在本发明的另一个实施例中，压缩制冷剂流被分割成两股分开的制冷剂流，所述两股分开的制冷剂流然后在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却并接受膨胀以形成流入热交换器以提供冷却作用的第一和第二制冷剂流。
本发明的方法还可包括在闪蒸单元中分割单股压缩制冷剂流的步骤。“闪蒸单元”是使单股压缩混合制冷剂能够分离成液态和气态/蒸气相的单元。适当地，闪蒸单元定位在热交换器上游，使得单股压缩混合制冷剂流在制冷剂流的后续冷却和然后膨胀前在闪蒸单元中分离。闪蒸单元的使用通过使分开的供料流的组分能够被改变而提供了进一步的运转可变性。例如，可以从闪蒸单元抽取气态/气相和液相。在一个实施例中，从闪蒸单元抽取的气相和液相制冷剂流可被冷却并且然后膨胀以形成第一和第二制冷剂供料流。应理解，蒸气流将需要以充分的程度被冷却以将其转化成液体。在一个可选实施例中，从闪蒸单元抽取的分开的气态和液态制冷剂流然后可以一定比例被混合在一起，以形成具有不同组分的分开的供料流。因此，闪蒸单元的使用使得能够通过能够基于它们在闪蒸单元内的物理状态至少部分分离压缩制冷剂流的成分来改变分开的制冷剂流的组分。以这种方式改变第一和第二制冷剂供料流中的制冷剂的组分的能力提供了另外的运转可变性并且提供了用于为期望的冷却应用优化第一和第二制冷剂流的组分的又一种手段。
两股制冷剂供料流的组分、温度和压力全部可通过文中描述的各种技术改变，以优化用于有关的特定气体供料流的循环的热力学效率。
第一和第二制冷剂流向热交换器中的气体供料流提供冷却并向压缩制冷剂提供预冷却，作为制冷剂再循环的一部分。
应理解，可为有关的特定应用优化第一和第二供料流的精确组分、温度和压力。对于天然气的液化，制冷剂流在膨胀前的压力通常将为40至50bar。在膨胀后，第一制冷剂流中的制冷剂的压力通常将处于1.1至3bar的范围内，并且第二制冷剂流的压力通常将在5至15bar的范围内。
可使用混合制冷剂的任何合适的组分。应理解，可根据所包含的产品流和所采用的特定制冷方案来调节混合制冷剂组分。在一个特定实施例中，制冷剂具有以下组分：
甲烷15-25mol%
乙烷30-45mol%，
丙烷0-20mol%，
n-丁烷0-25mol%，
和氮5-20mol%。
本发明的第一方面的方法利用了使用单个热交换器的单个制冷剂循环。或者，该方法可在单个热交换器中包括多个制冷剂循环。
如前文所述，本发明还提供一种制冷组件/设备，所述制冷组件/设备包括适于在使用期间接收待冷却的产品流的单个热交换器和制冷剂循环，所述组件/设备包括：
流经所述热交换器以提供冷却的第一和第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流中的制冷剂配置成在低于所述第二制冷剂流中的制冷剂的温度的温度下蒸发；
第一压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的所述第一制冷剂流并将所述制冷剂压缩至第一压缩水平；
第二压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的第二制冷剂流与来自所述第一压缩装置的所述压缩制冷剂流的混合物并且压缩所述混合物以形成压缩制冷剂流；
用于将所述压缩制冷剂流中的制冷剂引导到所述热交换器中以进行冷却的装置；
用于将经冷却的制冷剂输送到膨胀装置并且然后将经膨胀的制冷剂输送到所述热交换器中的装置；以及
用于将所述压缩制冷剂流分割成两股分开的制冷剂流的装置，所述两股分开的制冷剂流形成供给到所述热交换器中的所述第一和第二制冷剂流，并且其中所述压缩制冷剂流的所述分割发生在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前、所述冷却期间或所述冷却后。
本发明的制冷组件的特定构造将从文中提供的本发明的特定实施例的描述显而易见。
如上所述，在第二方面，本发明提供一种用于冷却产品供料流的制冷方法，所述方法包括使所述产品供料流经过热交换器，所述热交换器包括混合制冷剂的第一制冷剂流和混合制冷剂的第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流配置成在低于所述第二制冷剂流的温度的温度下蒸发；
并且其中，所述第一制冷剂流在离开所述热交换器后在与来自所述热交换器的所述第二制冷剂供料流混合前接受初始压缩，以形成单股制冷剂，该单股制冷剂接受第二压缩以形成压缩制冷剂流，
并且其中：
（i）所述压缩制冷剂流中的制冷剂然后在所述热交换器中接受冷却，接着膨胀，之后被重新导入所述热交换器以冷却所述供料流；并且
（ii）在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前或所述冷却期间，所述压缩制冷剂流被分割成形成所述第一和第二制冷剂流的分开的流。
本发明的第二方面的方法除了它需要在热交换器中的冷却前或冷却期间分割制冷剂流之外与上述第一方面的方法相同。此外，该方法不要求使用仅单个热交换器。然而，本发明的第二方面的方法的所有其他特征（例如产品供料流、混合制冷剂的第一和第二制冷剂流、第一制冷剂流在与来自热交换器的第二制冷剂供料流混合以形成单股制冷剂流前的初始压缩；合并的制冷剂流的第二次压缩以形成压缩制冷剂流，使压缩制冷剂流中的制冷剂在热交换器中接受冷却，接着在被重新导入热交换器以冷却供料流前膨胀）全部如上文对本发明的第一方面的方法所述的那样。
本发明的第二方面的方法可包括单个热交换器或一个或多个例如串联布置的热交换器。适当地，为了将成本保持在最低，可以存在一到三个热交换器。在一个实施例中，提供一个或两个热交换器。在一个优选实施例中，仅存在单个热交换器。
在一个实施例中，压缩制冷剂流在压缩气体的冷却前被分割成形成第一和第二制冷剂流的分开的流。在一个特定实施例中，制冷剂流在于热交换器中冷却前在闪蒸单元中被分割。这提供了具有不同组分的分开的流。
本发明还提供一种制冷组件，所述制冷组件包括适于在使用期间接收待冷却的产品流的一个或多个热交换器和制冷剂循环，所述（多个）热交换器包括：
流经所述（多个）热交换器以提供冷却的第一和第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流中的制冷剂配置成在低于所述第二制冷剂流中的制冷剂的温度的温度下蒸发；
第一压缩装置，其适于接收离开所述（多个）热交换器的所述第一制冷剂流并且将所述制冷剂压缩至第一压缩水平；
第二压缩装置，其适于接收离开所述（多个）热交换器的第二制冷剂流与来自所述第一压缩装置的所述压缩制冷剂流的混合物并且压缩所述混合物以形成压缩制冷剂流；
用于将所述压缩制冷剂流中的制冷剂引导到所述（多个）热交换器中以进行冷却的装置；
用于将所述经冷却的制冷剂输送至膨胀装置并且然后将所述经膨胀的制冷剂输送到所述（多个）热交换器中的装置；以及
用于将所述压缩制冷剂流分割成两股分开的制冷剂流的装置，所述两股分开的制冷剂流形成供给到所述热交换器中的所述第一和第二制冷剂流，并且其中所述压缩制冷剂流的所述分割发生在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前或所述冷却期间。
本发明的制冷组件的特定构造将从文中提供的本发明的特定实施例的描述显而易见。
本发明的方法和制冷组件可用于需要低于-30°C的冷却的任何工业应用。通常，该方法将适用于需要冷却到低于例如-50°C或-80°C的温度的应用。对于天然气的液化，需要冷却到低于约-150°C和约-160°C。
尽管本发明的制冷方法和组件可用于任何工业应用，但它们尤其适于诸如空气、氧气、CO2、氮气和天然气之类的气体的液化。
在一个特定实施例中，本发明的方法是用于天然气的液化的方法。
本发明的方法的简单设计意味着它可利用更简单和更紧凑的设备构造达到效果。这意味着本发明的方法和组件适合于收容诸如例如船运容器之类的移动单元。因此，液态天然气例如可被直接用管道输送到其中它被液化的船运容器上。这在本领域中称为浮式生产存储卸货装置（FloatingProduction Storage and Offloading（FPSO））并且其消除了对大型基于陆地的液化设施的要求。FPSO由于它为液态天然气的有效输送提供另外的物流灵活性而有吸引力。
本发明还可用于小规模液态天然气设备（本领域中称为峰值调节液态天然气设备）中，所述设备用于在超过大规模设备的运转容量的高峰需求时段对大规模液化天然气生产进行补偿。
本发明还可用于需要低制冷温度的其他工业应用中，例如乙烯生产、低温空气分离和二氧化碳的低温去除中。对于这些低于环境温度的过程，需要大量冷负荷来实现期望的烃和/或化学品的分离和/或回收，并且可采用本发明的方法来提高制冷循环的热力学效率。
在本发明的一个实施例中，产品供料流是从天然气、空气、氧气、氮气、二氧化碳或其混合物选择的。
在本发明的一个特定实施例中，待冷却的产品供料流为天然气。
在本发明的又一个实施例中，待冷却的产品供料流为空气。
在本发明的又一个实施例中，待冷却的产品供料流为二氧化碳。
在本发明的又一个实施例中，待冷却的产品供料流为氧气。
在本发明的又一个实施例中，待冷却的产品供料流为氮气。
本发明的实施例
以下章节参照附图描述本发明的一些特定实施例。在适当的情况下，使用相似的参考标号来表示不同图中的相似或对应的部件。
根据本发明的方法全部是利用用于制冷剂蒸发的多个压力和/或温度水平的单循环制冷剂系统。此外，在一些实施例中，利用闪蒸单元来改变冷却制冷剂流的组分。这些方法使得用于供料气流的温度-焓冷却曲线尽可能接近地匹配，并且这种接近的匹配使得制冷循环的热力学效率能够提高。
与已知的单混合制冷剂循环相比，本文所述的本发明的新型制冷剂循环包括多个显著的过程变化。然而，该方法仍保持比较简单，并且实行该方法所需的设备构造也比更复杂的多级或级联过程所需的设备构造简单得多。简单设备构造的提供对于浮式生产存储卸货（FPSP）船应用特别重要，其中设备的紧凑性和重量而不是设备容量和循环效率享有较高优先度。
(i）实施例1（图1）-多级膨胀
为了具备用于第一和第二制冷剂流中内的制冷剂蒸发的多个压力水平，本发明提供了采用多个膨胀水平的简单制冷方法。如图1所示，单股压缩混合制冷剂流1在热交换器2中被预冷却，以形成经冷却的混合制冷剂流3。经冷却的混合制冷剂流然后在膨胀器（或膨胀阀）4中经历初始膨胀，以形成处于中间压力下的混合制冷剂流5。中间压力水平流5然后被分割成两股流（6和7）。流6形成在中间压力水平蒸发的第二制冷剂供料流。流7在膨胀器8中进一步膨胀到较低的压力水平并形成供给到热交换器2中的第一制冷剂流。
第一和第二制冷剂流（6和7）被供给到热交换器2中，其中它们向单股压缩制冷剂流1和过程供料流（process feed stream）9提供冷却，所述过程供料流作为经冷却的过程流在热交换器出现。
为了使天然气液化，过程供料流9是在热交换器2中经历初始冷却并且然后被供给到闪蒸单元30中的天然气供料流，所述闪蒸单元使任何液化成分9a与气态成分9b分离。气态成分9b被抽取并在热交换器2中接受进一步的冷却，而液化成分9a可被抽取以用于存储。
第一制冷剂流7在离开热交换器2后被引导到第一压缩机10，其中它经历初始压缩至与第二制冷剂流6相同或接近的压力。经压缩的第一流7然后在第二压缩机11中与来自热交换器的第二制冷剂流6混合。第二压缩机压缩合并的制冷剂流6和7以重新形成单股压缩制冷剂流1。连续重复整个循环。
由于第一和第二制冷剂流（6和7）在不同的压力水平蒸发，所以它们具有不同的温度-焓轮廓。冷组合曲线的形状、第一和第二制冷剂流（6和7）的温度-焓轮廓的结合现在可通过改变用于制冷剂蒸发的两个压力水平（而不是在具有单股制冷剂流的传统单混合制冷剂循环中仅一个压力水平）来操纵。因此，以这种方式操纵温度-焓轮廓的能力提供了另外的运转灵活性。此外，连同通过两股制冷剂流的提供而提供的另外的可变性一起，提供这种另外的运转灵活性以及改变流被分割的比率的可能性为优化过程效率提供了更多选择。因此，它提供了相对于传统单MR循环提高效率的潜力。
(ii）实施例2（图2）-多股流预冷却
膨胀期间的冷却作用是有限的，因此图1的过程中的流6和7的温度将彼此非常接近（因为它们在第一级膨胀前具有相同的温度水平）。结果，这一特定过程构造的这一特征对流温度-焓轮廓的操纵施加了一些制约。为了克服这一结构局限性并允许两股制冷剂流具有不同温度，开发了如图2所示的该过程的又一个修改实施例。
图2所示的实施例在许多方面与图1所示的实施例相同，但主要差别在于单股压缩制冷剂流1在制冷剂流在热交换器2预冷却前被分割，以形成两股分开的流18和19。
两股制冷剂流18和19在预冷却后的温度可通过改变各股流18和19在热交换器中的冷却程度而不同（并且这意味着两股制冷剂流能够在不同的温度范围上蒸发）。各股经冷却的过程流18和19然后在膨胀器或膨胀阀4a和4b中分开膨胀，以提供第一和第二制冷剂流6和7。来自流6和7的制冷剂然后如参照图1所述再循环。
因此，如果需要的话，该实施例提供了通过使得以下参数全部能够改变而提供了另外的运转灵活性：（i）温度（通过热交换器2中的不同预冷却）；（ii）压力（通过膨胀器或膨胀阀4a和4b中的不同膨胀），以及（iii）制冷剂在流18和19之间被分割的比率。
此外，该过程不具备由于使用更复杂的多级膨胀过程而带来的结构制约。
当需要制冷以在适度的温度范围冷却过程供料流时，用于制冷剂蒸发的压力和温度水平将对流温度-焓轮廓形状有很大的影响。因此，本实施例中改变第一和第二制冷剂流的温度和压力的能力提供了另外的灵活性，以使得热力学效率能够提高。
（iii）实施例3、4和5（图3、4和11）-闪蒸单元实施例
以上在图1和2中所述的实施例中采用的简单流分割具有局限性，因为两股制冷剂流都具有相同的组分。
如果需要在宽温度范围上制冷，则可限制压力和温度水平单独对热力学性能的影响。另一个关键因素——制冷剂组分——在这些情况下对实现制冷剂的温度-焓轮廓的优化起到更重要的作用。因此，在单混合制冷剂循环内提供具有不同组分的分开的制冷剂流的能力实现了温度-焓轮廓的更有效的操纵并且能够提高运转效率。
本发明的特定实施例通过加入闪蒸单元来利用等压闪蒸。等压闪蒸是产生具有不同组分的两股产品流——一股为蒸气且另一股为液体——的成熟技术。对于混合制冷剂，产品流的流速和组分由气-液平衡决定并且可通过闪蒸计算获得。通过调节闪蒸条件，包括压力和温度水平，以及供料流组分，产品流的流速和组分相应地改变。如果单混合制冷剂循环能够捕获闪蒸运转的这些特征，则循环优化可通过提供具有不同组分的两股制冷剂流而更灵活。已开发以下图3和4所示的两个实施例来利用闪蒸运转提高热力学效率。
预闪蒸实施例（实施例3，图3）
图3所示的实施例除以下之外与图2所示的实施例相同：在热交换器2内预冷却前，单股压缩制冷剂流1在闪蒸单元30中被分割成两股分开的流18和19。经压缩的混合制冷剂流1是蒸气与液体的混合物，该混合物在闪蒸单元30中分离，以提供两股产品流18和19。流18包括从闪蒸单元30的顶部抽取的蒸气，并且流19包括从闪蒸单元的底部抽取的液体。
包括蒸气的流18在热交换器2中接受更大的预冷却，以将蒸气转化成液体。这提供不同组分的两股液态制冷剂流18和19，其然后分别在膨胀器或膨胀阀4b和4a中膨胀，以分别形成第一和第二制冷剂供料流6和7。制冷剂然后如上文参照图1所述再循环。
在该实施例中，可通过调节闪蒸条件来改变热交换器中两股制冷剂流的组分。这通过实现进一步操纵制冷剂的温度-焓轮廓而提供了进一步的运转可变性。这实现了制冷剂的轮廓与过程流的组合冷却曲线更接近的匹配。因此，该过程具有比单混合制冷剂循环大得多的运转可变性。
应理解，在该预闪蒸实施例中，制冷剂流18和19的状态完全通过闪蒸计算来确定。调节这些流的状态的唯一途径是改变供料流的状态。因此，该过程中对闪蒸产品流的状态选择是一个限制因素。
具有流分配的预闪蒸（实施例4，图4）
图4中示出了本发明的又一个可选实施例。该实施例包括用于消除闪蒸产品分配的局限性的另外的灵活性。
图4所示的实施例与图3所示的实施例的相同之处在于它使用闪蒸单元30来产生具有不同组分的流18和19。然而，从闪蒸单元30抽取的蒸气和液体流并未如它们在预闪蒸实施例（图3）中那样直接用作制冷剂流。相反，实际制冷剂组分是通过使从闪蒸单元30抽取的蒸气流的一部分与从闪蒸单元30抽取的液流的一部分混合而形成的。因此，流18是由来自闪蒸单元30的蒸气流的一部分18a和来自闪蒸单元30的液流的一部分18b形成的。同样，蒸气流的其余部分19a和液流的其余部分19b被合并以形成制冷剂流19。
通过改变每股制冷剂流中的气相和液相的量，可针对期望过程流9的冷却而进一步优化制冷剂流的组分。即使对于固定的供料流状态，两股制冷剂流的流速和组分也仍可通过改变流量比来改变。因此，这提供了用于实现热力学效率的优化的进一步运转可变性。
尽管在图4所示的实施例中，制冷剂分割和混合引起另外的能量损失，但另外的运转可变性以及制冷剂预冷却和蒸发条件的选择有助于使过程流的总体热和冷组合曲线更接近地匹配并减少热交换期间的放热损失。因此，具有流分配方案的预闪蒸在更有效的热交换的益处比制冷剂分割和混合导致的负面影响重要的情况下具有大幅提高循环效率的潜力。
具有两个热交换器的预闪蒸（实施例5，图11）
图11示出了结构类似于上文参照图3所述的预闪蒸实施例（实施例3）的又一个实施例。在该实施例中，单股压缩制冷剂流1被导入第一闪蒸单元30a，其中它以与上文参照实施例3（图3）所述相同的方式被分离成两股制冷剂流18和19。
第一制冷剂流19在第一热交换器2a中预冷却并且然后经过膨胀室或膨胀阀4a，以形成膨胀制冷剂流6，该膨胀制冷剂流在热交换器2a中形成第一制冷剂流。第一制冷剂流6然后以与前文关于实施例1和3（图1和3）所述相同的方式再循环回到压缩制冷剂流1。
第二制冷剂流18也在热交换器2a中预冷却并且然后供给到第二闪蒸单元30b中，其中它被分离成两股制冷剂流18a和18b。制冷剂流18a和18b然后在与热交换器2a串联定位的第二热交换器2b中接受预冷却。两股经预冷却的制冷剂流18a和18b然后接受通过膨胀室/膨胀阀4b、4c进行的膨胀，以产生两股分开的制冷剂流7a和7b，该两股分开的制冷剂流7a和7b进入第二热交换器2b并且然后被供给到第一热交换器2a中以向过程流9提供冷却剂。
制冷剂流7a通常处于高于制冷剂流7b的压力下。因此，制冷剂流7b需要在第一压缩机10中接受初始压缩，以便将该制冷剂的压力提高到与制冷剂流7a相同或接近的水平。制冷剂流7a、7b、6然后全部在压缩机11中混合并压缩，以形成单股压缩制冷剂流1，该单股压缩制冷剂流1随后再循环回到闪蒸单元30a中。
适当地，制冷剂流6处于高压力下，制冷剂流7a处于较低/中间压力下，并且制冷剂流7b处于最低压力下。
两个热交换器（2a和2b）以及制冷剂流（6、7a和7b）的提供实现了为过程流9的冷却优化制冷剂流的特性。该优化通过提供实现优化制冷剂组分和压力以向有关的过程流提供冷却轮廓的另外的变量而增强。然而，该实施例还需要相对更精细和昂贵的结构。
现在将参照以下示例描述可如何实施本发明的特定示例。
示例-过程建模和优化
对于上文参照图1至4所述的每个实施例，首先确定过程中的独立变量，并且然后进行物理性质计算、质量平衡和能量平衡，以计算其他中间运转条件并评估制冷过程的整体性能。物理性质计算基于提供流条件（组分、温度、压力）与物理性质（焓、熵）之间的热力学信息的状态方程式（例如，Peng-Robinson法）。原则上，一旦给定组分，就通过以下参数中的任意两个来确定流的物理状态：温度、压力、比焓和比熵。该特征用于计算热交换器中的流焓变化，并确定膨胀和压缩后的流条件。如果存在流混合或分割，则采用质量平衡来计算产品流的组分和流速。
新的制冷循环的过程建模还包括热交换器中的热传递的可行性的评估。对于包括三股或更多股流的热交换器系统，比如在此研究的系统，可行的热传递只能在热组合曲线与冷组合曲线之间的温差不小于规定的最小值的情况下完全满足。因此，为了确保可遍及热交换器成功地实行热交换，需要为该热交换系统构建并比较热和冷组合曲线。一旦构建热组合曲线和冷组合曲线，就沿着两曲线执行可行性检查。
一旦通过物理性质计算获得所有过程流的物理状态，就可根据质量和能量平衡来计算制冷剂压缩机的轴功率消耗和环境冷却负荷。多级压缩与中间冷却联用。
在该建模部分中，已选择轴功率消耗作为主要最小化目标。然而，如果可获得用于将设备尺寸和成本关联的数据，则过程设计期间也可考虑资本投资，其中目标功能由总年化成本替代。
利用模拟来评估参照图1至4所述的所有制冷循环的性能。然而，对于两者都包括闪蒸单元30的图3和4所示的实施例，在模拟膨胀过程前，需要首先通过闪蒸计算确定实际制冷剂组分。在模拟主设备例如膨胀装置、热交换器和多级压缩机后，从该模拟获得性能指标、轴功率消耗以及可行性指标、热交换器中的温度驱动力的背离程度（普遍称为最低温度法，ATmin）。通过这两个参数，确定最终目标函数，并将其用于评估GA（遗传算法）优化期间的候选表（candidate）适合度。
制冷系统的性能极大地取决于所选择的运转条件。通过调节这些运转条件，可提高系统性能。制冷系统设计的问题是高度非线性的，其中在搜索空间内存在充足的局部最佳条件（optima）。由于这一特征，如果采用传统确定方法来解决该问题，则可在局部最佳条件之一中容易地获得（trap）优化。因此，随机优化技术与传统确定方法相比提供了更信任最终最佳方案的优势。随机优化技术例如遗传算法（GA）和模拟退火（SA）已被广泛用于过程设计和工程问题。为该问题的优化选择GA。
总体GA优化包括两个阶段，即初始化或初始族群的产生和进化。基于GA的优化从产生候选表的初始族群开始，其中每个候选表代表一组运转条件。引入筛查处理以过滤掉质量不佳的那些候选表并且将具有较佳适合度的候选表保持在初始族群中。尽管对于初始化阶段而言产生高品质候选表耗费了更多时间，但在进化部分中消耗的时间可由于从具有更好品质的初始化族群开始而减少。候选表的品质主要通过其可行性来判断，所述可行性是从模拟获得的。如果候选表是可行的并且在热交换器中仅具有可接受的温度背离，则将它保持在初始族群中。在初始化阶段产生初始族群后，通过GA算子操纵所产生的候选表：选择、交叉和突变以复制下一批。候选表的适合度对使其特征遗传到下一批的可能性有巨大的影响。新一批中的候选表更有可能继承来自具有更好适合度的候选表的特性。当到达最后一批时，返回最佳候选表作为最终优化方案。
GA优化构架在图5中示出。每个候选表都是一组独立的运转条件。每个候选表的适合度都是通过过程模拟评估的性能指标的反映。在这一研究中，选择轴功率消耗作为主要最小化目标，尽管惩罚因子也有助于目标功能以允许热交换器中的合理不可行程度。
案例研究
在本节中利用两个不同案例来说明本文提出的新方案的进行。第一案例（案例研究1）最初在Vaidyaraman et al.（2002）中公开，其中需要将天然气流从环境温度冷却到-60℃左右，一个相对适度的温度水平。从Lee（2002）引用的另一个案例（案例研究2）的目的是优化LNG生产过程的进行。在该案例中，供料气流需要从环境温度冷却到-160℃左右，一个很低的温度水平。
对于两个案例而言，对所有新MR循环执行优化，以获得它们的最佳能量性能。已做出另外的努力来确保以相同的设计基础实行优化。在优化期间采用多级压缩模型来反映每个单独过程能够提供的最佳性能。另外，对每个过程做出最大压力比的具体指定，使得所有最佳方案可保持相似数量的压缩级，这对过程轴功率消耗有显著影响。一旦为每个过程获得最终方案，就确定了不同方案的优势。并且这些有用的指南可用于为给定的制冷任务选择适当的方案。
案例研究1
利用烃C2H6、C3H8和n-C4H10的混合物作为制冷剂成分将预处理后的天然气流从19.85℃冷却到-58.15℃。目的是使压缩功率消耗最小化。可获得外部冷量利用，以将热制冷剂冷却到40℃。用于可行的热传递的最小温差为2.5℃。假设压缩机等熵效率为80%。为了与Vaidyaraman et al.(2002)以前完成的工作一致，使用SRK（Soave-Redlich-Kwong）状态方程式来进行物理性质计算。表1中给出了天然气流的温度-焓轮廓。
表1.天然气流的温度-焓轮廓
| 温度(℃) | 焓(kW) |
| 19.85 | 3969.838 |
| 11.52 | 3608.943 |
| 3.26 | 3248.05 |
| -4.92 | 2887.157 |
| -12.97 | 2526.262 |
| -20.86 | 2165.368 |
| -28.55 | 1804.474 |
| -35.98 | 1443.579 |
| -41.45 | 1167.567 |
| -42.78 | 1082.685 |
| -48.27 | 721.791 |
| -53.42 | 360.896 |
| -58.15 | 0 |
常规单混合循环和参照图1至4所述的所有新型制冷过程已全部设计成满足在本案例中指定的制冷需求。已选择用于每个制冷过程的一定范围的性能指标来进行比较。
作为一个重要的性能指标，轴功率消耗反映了每个过程的能量效率，其中较高的轴功率消耗代表较低的循环效率。另外，还为了进行比较而选择压缩机级数，因为该参数不仅显著影响循环效率，而且决定制冷过程的结构复杂性。如果任何制冷过程都实现了比其他过程好的循环效率但需要更多压缩级，则效率提高可以不来自过程构造的变化，而是实际上可更多地归因于压缩级之间的级间冷却。因此，为了获得各种过程之间的公正比较，已在优化期间为每个过程谨慎选择用于压缩级的最大压力比率。并且得到的压缩级的数量已等于或接近4。此外，可行的热交换的指标——即最小温差——已被包括在比较表中，因为跨热交换器的可行热传递的完全实现对于制冷过程设计很重要。在GA优化后获得所有制冷过程的以上性能指标，如表2所示。
表2.制冷过程之间的性能比较（案例研究1）
单MR循环
单MR循环的最佳设计在图6（a）中示出。热和冷组合曲线和流温度-焓（T-H）轮廓在图6（b）中示出。如在图6中可见，尽管在下端获得接近的匹配，但高温段中的组合曲线之间存在大的间隙。这种大的间隙意味着循环效率由于热交换器期间相当大的热力学不可逆性和带来的有效能损失而很低。在组合曲线之间未观察到温度交叉，并且完全实现热交换器中的热传递的可行性。
多级膨胀
用于多级膨胀方案的最佳设计在图7（a）中示出。热交换器中的组合曲线和流T-H轮廓在图7（b）中示出。如在图7中可见，尽管热制冷剂在单股流中被预冷却，但流分割后的两股冷制冷剂在不同的压力水平蒸发并在不同的温度范围上产生T-H轮廓。结果，合并的冷组合曲线与热组合曲线很接近地匹配，从而有助于轴功率消耗的减少。
然而，作为单股流预冷却的结果，两股冷制冷剂的下端温度相当接近（由于流膨胀的冷却作用很有限）。这极大地制约了对制冷剂蒸发的条件选择。消除这种结构局限性的简单途径是引入多股流预冷却。
多股流预冷却
用于多股流预冷却的最佳设计在图8（a）中示出。热交换器中的组合曲线和流T-H轮廓在图8（b）中示出。与前面的MR循环方案相反，两股热制冷剂流被预冷却到不同温度水平，并且对冷制冷剂蒸发的条件选择变得更加灵活。如在图8中可见，两股冷制冷剂在不同温度范围上提供过程冷却并且组合曲线接近地匹配。此外，当将这一设计与用于多级膨胀方案的最佳设计进行比较时，可见所需的制冷剂循环量小。另外，制冷剂包含较低比例的C2H6，其比其他两种成分更加难以压缩。所有这些特征都有助于轴功率消耗的进一步减少。
预闪蒸方案
用于预闪蒸实施例的最佳设计在图9（a）中示出。热交换器中的组合曲线和流T-H轮廓在图9（b）中示出。
在这一设计中，应注意，蒸气产品流速在闪蒸分离后为零。这意味着预闪蒸方案在该特定案例中已退化到传统单MR循环，因为不存在较低水平制冷剂。与单MR循环设计相似的轴功率需求也说明了这一过程退化。
具有流分配方案的预闪蒸
用于具有流分配方案的预闪蒸的最佳设计在图10（a）中示出。热交换器中的组合曲线和流T-H轮廓在图10（b）中示出。在该方案中，通过使来自闪蒸单元的蒸气和液体产品部分混合来获得实际制冷剂流。该方案提供了调节热交换器中的实际制冷剂流的组分和流速的另外的灵活性。因此，该方案可比预闪蒸方案更接近地匹配组合曲线，其中闪蒸产品直接用作制冷剂流，并且相应地节省了轴功率消耗。
从表2所示的结果归纳可见，本发明的四个实施例之中的三个可将循环性能提高10%左右，其中引入了新的自由度并形成了更多热集成机会。预闪蒸方案在该特定案例中未能提供更好的循环效率，并且在最佳设计中退化到单MR循环。这意味着在该特定案例中结构局限性——即闪蒸分离后无流分配——对循环效率提高有相当大的负面影响。然而，可通过分配和混合来自闪蒸单元的产品流来消除这一局限性，如具有流分配的预闪蒸实施例中所采用。
为了验证表2所示的最佳设计，已在商业过程模拟软件包ASPEN中模拟所有过程构造。表3示出了在本发明中获得的主要性能参数与ASPEN中的模拟结果之间的结果比较。如可见的，两参数——即轴功率消耗和最小温差——具有非常接近的模拟结果。因此，本发明中采用的过程建模技术已实现合意的精度。
表3.用于结果验证的性能参数比较（案例研究1）
案例研究2
在这一研究中，对LNG生产优化现有的过程以及本发明的四个实施例。将经预处理的天然气流从环境温度25℃冷却到-163℃。采用烃CH4、C2H6、C3H8、n-C4H10和N2的混合物作为混合制冷剂。目的是使基于多级压缩的压缩功率消耗最小化。可获得外部冷量利用，以将热制冷剂冷却到30℃。用于热传递的最小温差为5℃。假设压缩机等熵效率为80%。基于Peng-Robinson状态方程式来进行物理性质计算。表4中给出了天然气流的温度-焓轮廓。
表4.天然气流的温度-焓轮廓
| 温度(℃) | 焓(kW) |
| 25 | 20178.8 |
| -6.03 | 18317 |
| -34.09 | 16352.8 |
| -57.65 | 14468 |
| -70.1 | 11978 |
| -74.55 | 10198 |
| -82.26 | 7114 |
| -96.5 | 5690 |
| -115 | 3840 |
| -163 | 0 |
为了具有用于LNG生产的轴功率消耗的比较基准，也使用本文所述的方法对APCI丙烷预冷却后的混合制冷剂过程——一种在当前工业实践中广泛使用的LNG生产过程——进行建模和优化。假设丙烷预冷却循环在四个不同压力水平提供过程冷却并且主低温循环中的混合制冷剂由CH4、C2H6、C3H8、n-C4H10和N2组成。用于丙烷和混合制冷剂的运转条件以及混合制冷剂的组分全部在GA优化构架下进行优化。在GA优化结束时，获得具有最低轴功率消耗的最佳设计作为用于表5中的比较用的基准。
表5.各种LNG生产过程的结果归纳（案例研究2）
如表5所示，单MR循环具有最低循环效率并且消耗28.27MW轴功率以驱动制冷剂压缩机。最高效率的制冷过程为APCI C3/MR过程，其与单MR循环相比能将轴功率消耗减少12.2%。最佳多级膨胀设计的轴功率消耗与单MR循环设计的轴功率消耗非常接近，并且最佳设计在中间压力水平具有0.0299kmol/s的很低制冷剂流速。这意味着它已退化到单MR循环。对于多股流预冷却实施例，由于不能避免用于两股制冷剂流的简单流分割和等同组分导致的结构局限性，所以循环效率仅稍微提高3%左右。在预闪蒸实施例和具有流分配的实施例中，轴功率需求分别减少6%和8%左右。它们两者都受益于具有不同组分的制冷剂流的形成并且呈现高于不具有闪蒸操作的其他单MR循环方案的循环效率。还可注意到，引入流分配将通过用于实际制冷剂流的流速和组分的更灵活的选择而进一步增强循环性能。
APCI C3/MR过程表明其在能量效率方面较其他制冷过程的优势，但其具有比其他评估的过程复杂得多的过程构造。首先，它总计需要7个制冷剂压缩级，4个级用于丙烷压缩且3个级用于混合制冷剂压缩。更多压缩级显著增加了过程复杂性并且还对过程总体可靠性具有负面影响，因为包括了更多设备构件。其次，丙烷预冷却循环要求复杂的丙烷分离和分配网络，这也大大增加了过程复杂性。对于对过程复杂性无制约的制冷应用，APCI C3/MR过程可由于其有效提供了过程冷却而是一个很好的选择。然而，如果应用对结构复杂性或重量有具体制约，则本发明的制冷过程将由于它们具有提高的循环效率、简单和紧凑的结构而有利。此外，在包含较少设备的情况下，这些过程也应该受益于高于更复杂的过程例如APCIC3/MR过程的可靠性。
从以上两个不同案例的优化结果可见，每个方案都对不同的制冷任务展现对循环性能提高的不同影响。在第一案例中，天然气流的降温是适度的，因此多级膨胀方案和多股流预冷却方案有很好的机会受益于用于制冷剂蒸发的多个压力和温度水平，并且增强循环性能。然而，在第二案例中，其中天然气液化中包含宽温度范围，它们两者都不能显著提高循环效率，并且甚至不得不面临退化到单MR循环的可能性。为了在这些具有大的温度变化的案例中提高循环性能，推荐具有闪蒸操作的方案，尤其是具有流分配的方案。这些方案可利用形成具有不同组分的制冷剂以更有效地调节T-H轮廓的形状，因此减少轴功率消耗。
此外，应注意，具有流分配的预闪蒸由于通过闪蒸操作和流分配带来的灵活性而在两个案例中始终呈现高循环效率。并且这种方案保持了相对简单的机械构造。
结论
基于单混合制冷剂循环的本发明的过程的四个实施例提供了比较简单的设备构造，不过能提供另外的实现提高制冷循环的热力学效率的操作变量。
提高的效率通过利用制冷剂蒸发的多个压力和温度水平并且在一些实施例中通过闪蒸单元的利用而在特定情形中出现。
对于具有适度温度变化的制冷任务，多级膨胀方案和多股流预冷方案可通过比较简单的循环结构提供提高的循环效率。每个方案中的制冷剂流在多个压力水平蒸发并且提供更多接近地匹配整体组合曲线的机会。当制冷涵盖宽温度范围时，多个压力和温度水平对性能提高的影响非常有限。并且在这种情形中，利用闪蒸单元导入具有不同组分的制冷剂将有助于更有效地管理T-H轮廓。允许流分配将进一步提高循环效率。案例研究结果还表明，具有流分配方案的预闪蒸在两案例中可始终提供高循环效率，与循环性能提高可能依赖于特定制冷任务的特征的其他方案不一样。
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在整个本说明书的说明和权利要求中，用词“包括”和“包含”及它们的变型意味着“包括但不限于”，并且它们并非旨在（且不会）排除其其他份额、增加、构件、整数或步骤。在整个本说明书的说明和权利要求中，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，说明书应理解为预期复数及单数，除非上下文另有要求。
结合本发明的特定方面、实施例或示例描述的特征、整数和特性应理解为适用于文中描述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不相容。本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征和/或因此公开的任何方法或过程的所有步骤可在任何组合中结合，此类特征和/或步骤的至少一部分互相排斥的组合除外。本发明并不限于任何前述实施例的细节。
Claims (23)
1.一种用于冷却产品供料流的制冷方法，所述方法包括使所述产品供料流经过单个热交换器，所述热交换器包括混合制冷剂的第一制冷剂流和混合制冷剂的第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流配置成在低于所述第二制冷剂流的温度的温度下蒸发；
并且其中，所述第一制冷剂流在离开所述热交换器后接受初始压缩，接着与来自所述热交换器的所述第二制冷剂供料流混合以形成单股制冷剂流，该单股制冷剂流接受第二压缩以形成压缩制冷剂流，
并且其中：
（i）所述压缩制冷剂流中的制冷剂然后在所述热交换器中接受冷却，接着膨胀，之后被重新导入所述热交换器以冷却所述供料流；并且
（ii）在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前、所述冷却期间或所述冷却后，所述压缩制冷剂流被分割成形成所述第一和第二制冷剂流的两股流，所述第一和第二制冷剂流供给到所述热交换器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述热交换器中提供另外的（例如，3、4或5股）制冷剂流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一制冷剂流的温度和/或压力低于所述第二混合制冷剂流的压力和/或温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一制冷剂流处于低于所述第二制冷剂流的压力的压力下。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述压缩制冷剂流在制冷剂在所述热交换器中的冷却前被分割成分开的供料流（其最终形成所述第一和第二制冷剂供料流）。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述压缩制冷剂流在所述制冷剂已在所述热交换器中冷却后被分割成分开的供料流（其最终形成所述第一和第二制冷剂供料流）。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述压缩制冷剂流：
（i）要么在被分割成第一和第二流前在热交换器中作为单股流由第一和/或第二制冷剂流冷却，所述第一和第二流然后接受膨胀，以分别形成流入热交换器以提供冷却作用的第一和第二制冷剂流；
（ii）要么在接受初始膨胀并且然后分割成第一和第二流前作为单股流在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却，第一流接受进一步的膨胀，以形成第一制冷流，第二流形成第二制冷剂流；或者
（iii）要么分割成两股分开的制冷剂流，所述两股分开的制冷剂流然后在热交换器中由第一和/或第二制冷剂流冷却并接受膨胀，以形成流入所述热交换器以提供冷却作用的第一和第二制冷剂流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述制冷剂供料流在闪蒸单元中被分割成气相和液相。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述气相和液相的分开的部分被合并，以提供不同组分的分开的制冷剂流。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述产品供料流是从包括天然气、空气、氮气、二氧化碳和氧气的群组中选择的。
11.一种用于天然气的液化的方法，所述方法包括使用如权利要求1至10中任一项所述的方法冷却天然气供料流以形成液态天然气。
12.一种包括适于在使用期间接收待冷却的产品流的单个热交换器和制冷剂循环的制冷组件，所述组件包括：
流经所述热交换器以提供冷却的第一和第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流中的制冷剂配置成在低于所述第二制冷剂流中的制冷剂的温度的温度下蒸发；
第一压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的所述第一制冷剂流并将所述制冷剂压缩至第一压缩水平；
第二压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的第二制冷剂流与来自所述第一压缩装置的所述压缩制冷剂流的混合物并且压缩所述混合物以形成压缩制冷剂流；
用于将所述压缩制冷剂流中的制冷剂引导到所述热交换器中以进行冷却的装置；
用于将经冷却的制冷剂输送到膨胀装置并且然后将经膨胀的制冷剂输送到所述热交换器中的装置；以及
用于将所述压缩制冷剂流分割成两股分开的制冷剂流的装置，所述两股分开的制冷剂流形成供给到所述热交换器中的所述第一和第二制冷剂流，并且其中所述压缩制冷剂流的所述分割发生在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前、所述冷却期间或所述冷却后。
13.一种用于冷却产品供料流的制冷方法，所述方法包括使所述产品供料流经过热交换器，所述热交换器包括混合制冷剂的第一制冷剂流和混合制冷剂的第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流配置成在低于所述第二制冷剂流的温度的温度下蒸发；
并且其中，所述第一制冷剂流在离开所述热交换器后接受初始压缩，接着与来自所述热交换器的所述第二制冷剂供料流混合，以形成单股制冷剂流，该单股制冷剂流接受第二压缩以形成压缩制冷剂流，
并且其中：
（i）所述压缩制冷剂流中的制冷剂然后在所述热交换器中接受冷却，接着膨胀，之后被重新导入所述热交换器以冷却所述供料流；并且
（ii）在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前或所述冷却期间，所述压缩制冷剂流被分割成形成所述第一和第二制冷剂流的分开的流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述热交换器中提供另外的（例如，3、4或5股）制冷剂流。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中，所述第一制冷剂流的温度和/或压力低于所述第二混合制冷剂流的压力和/或温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一制冷剂流处于低于所述第二制冷剂流的压力的压力下。
17.根据权利要求中13至16中任一项所述的方法，其中，所述压缩制冷剂流在制冷剂在所述热交换器中的冷却前被分割成分开的供料流（其最终形成所述第一和第二制冷剂供料流）。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述单股压缩制冷剂流被分割成两股分开的制冷剂流，所述两股分开的制冷剂流然后在热交换器中由所述第一和/或第二制冷剂流冷却并接受膨胀以形成流入所述热交换器以提供冷却作用的所述第一和第二制冷剂流。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述制冷剂供料流在闪蒸单元中被分割成气相和液相。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述气相和液相的分开的部分被合并，以提供不同组分的分开的制冷剂流。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述产品供料流是从包括天然气、空气、氮气、二氧化碳和氧气的群组中选择的。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的方法，其中，设置一个或两个热交换器以用于冷却所述供料流。
23.一种包括适于在使用期间接收待冷却的产品流的一个或多个热交换器和制冷剂循环的制冷组件，所述制冷组件包括：
流经所述热交换器以提供冷却的第一和第二制冷剂流；其中，所述第一制冷剂流中的制冷剂配置成在低于所述第二制冷剂流中的制冷剂的温度的温度下蒸发；
第一压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的所述第一制冷剂流并且将所述制冷剂压缩至第一压缩水平；
第二压缩装置，其适于接收离开所述热交换器的第二制冷剂流与来自所述第一压缩装置的所述压缩制冷剂流的混合物并且压缩所述混合物以形成压缩制冷剂流；
用于将所述压缩制冷剂流中的制冷剂引导到所述热交换器中以进行冷却的装置；
用于将所述经冷却的制冷剂输送至膨胀装置并且然后将所述经膨胀的制冷剂输送到所述热交换器中的装置；以及
用于将所述压缩制冷剂流分割成两股分开的制冷剂流的装置，所述两股分开的制冷剂流形成供给到所述热交换器中的所述第一和第二制冷剂流，并且其中所述压缩制冷剂流的所述分割发生在压缩制冷剂在所述热交换器中的所述冷却前或所述冷却期间。
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