CN105043011A - 在生产液化天然气时用中间进料气体分离来一体地移除氮 - Google Patents

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Abstract

一种用于使天然气进料流液化和从中移除氮以产生脱氮液化天然气产物的方法和设备，其中，天然气进料流馈送到主热交换器的暖端中，天然气进料流被冷却和至少部分地液化，自主热交换器的中间位置抽出，并且分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流，液体和蒸气流再引入到主热交换器的中间位置中，并且进一步并行地冷却，以分别形成第一液化天然气流和第一至少部分地液化的富氮天然气流。

Description

在生产液化天然气时用中间进料气体分离来一体地移除氮
技术领域
本发明涉及一种用于使天然气进料流液化和从中移除氮以产生脱氮、液化天然气(LNG)产物的方法。本发明还涉及一种用于使天然气进料流液化和从中移除氮以产生脱氮液化天然气产物的设备(诸如例如天然气液化装置或其它形式的处理设施)。
背景技术
在用于使天然气液化的工艺中，例如由于纯度和/或回收要求的原因，从进料流中移除氮，同时最大程度地减少产物(甲烷)损失通常是合乎需要或必要的。移除的氮产物可用作燃料气体或者排到大气中。如果用作燃料气体，则氮产物必须包含合理的甲烷量(典型地>30摩尔%)，以保持其加热值。在这种情况下，分离氮不难，因为对氮产物的纯度要求不高，而且目标是以最少额外装备和功率消耗来选择最高效工艺。但是，在由电动马达驱动的许多小规模和中等规模的液化天然气设施中，燃料气体的需求较少，而氮产物必须排到大气中。由于环境考虑和/或甲烷回收要求的原因，如果排出，氮产物必须满足严格的纯度规定(例如，>95摩尔%，或>99摩尔%)。这个纯度要求对分离提出了挑战。在天然气进料中的氮浓度非常高的情况下(典型地大于10摩尔%，在一些情况下，高达或者甚至大于20摩尔%)，专用除氮单元(NRU)被证明是高效地移除氮和产生纯(>99摩尔%)氮产物的可靠方法。但是，在大多数情况下，天然气包含大约1至10摩尔%的氮。当进料中的氮浓度在此范围内时，由于与额外的装备相关联的复杂性的原因，NRU的适用性受到高资金成本的阻碍。多个现有技术文献已经提出了从天然气中移除氮的备选解决办法，包括对NRU添加氮再循环流或者使用专用精馏器塔。但是，这些工艺往往非常复杂，需要大量装备(具有相关联的资金成本)，难以运行和/或效率低下，尤其是对于氮浓度较低(<5摩尔%)的进料流。此外，通常的情况是，天然气进料中的氮浓度有时会改变，这意味着即使正应付目前氮含量高的进料，也无法保证将保持这样。因此开发一种简单、高效且能够有效地从氮浓度低的天然气进料中移除氮的工艺将是合乎需要的。
US3,721,099公开了一种用于使天然气液化和通过精馏从液化天然气中分离出氮的工艺。在此工艺中，天然气进料在一系列热交换器单元中预先冷却和部分地液化，并且在相分离器中分离成液体相和蒸气相。然后天然气蒸气流在双精馏塔的底部中的盘管中液化和过冷，从而对高压塔提供沸腾任务。然后来自盘管的液体天然气流在中热交换器单元进一步过冷，在膨胀阀中膨胀，并且引入到高压塔中且在高压塔中分离。富含甲烷的液体流从高压精馏塔的底部抽出，并且从相分离器获得的富含甲烷的液体流在热交换器单元中进一步过冷，通过膨胀阀膨胀，并且引入到低压塔中且在低压塔中分离。通过在热交换器单元中液化在高压塔的顶部部分获得的氮流所获得的液体氮流提供通往低压塔的逆流。从低压塔的底部获得脱氮液化天然气(主要是液体甲烷)产物(包含大约0.5%的氮)，并且脱氮液化天然气产物发送到液化天然气存储罐。从低压塔的顶部(包含大约95摩尔%的氮)和高压塔的顶部获得富氮流。来自液化天然气罐的富氮流和沸腾气体在各种热交换器单元中升温，以对其提供制冷作用。
US7,520,143公开了一种工艺，其中，包含98摩尔%的氮的氮排出流被除氮塔分离。天然气进料流在主热交换器的第一(暖)区段中液化，以产生液化天然气流，液化天然气流从热交换器的中间位置抽出，在膨胀阀中膨胀，并且发送到除氮塔的底部。来自除氮塔的底部液体在主热交换器的第二(冷)区段中过冷，并且通过阀膨胀到闪蒸鼓中，以提供脱氮液化天然气产物(小于1.5摩尔%的氮)和富氮流，富氮流的纯度比氮排出流低(30摩尔%的氮)，而且用于燃料气体。来自除氮塔的塔顶蒸气被分割，蒸气的一部分被抽出为氮排出流，其余部分在闪蒸鼓中的热交换器中冷凝，以对除氮塔提供逆流。采用混合制冷剂的闭环制冷系统对主热交换器提供制冷作用。
US2011/0041389公开了一种有点类似于US7,520,143中描述的工艺，其中，在精馏塔中从天然气进料流中分离出高纯度氮排出流(典型地90-100体积%的氮)。天然气进料流在主热交换器的暖区段中冷却，以产生经冷却天然气流。这个流的一部分从主热交换器的第一中间位置抽出，膨胀且发送到精馏塔的底部作为汽提气。流的其余部分在主热交换器的中间区段中进一步冷却和液化，以形成液化天然气流，从热交换器的第二(较冷的)中间位置抽出液化天然气流，液化天然气流膨胀且发送到精馏塔的中间位置。来自精馏塔的底部液体被抽出作为脱氮液化天然气流，在主热交换器的冷区段中过冷，并且膨胀到相分离器中，以提供脱氮液化天然气产物和富氮流，富氮流被压缩且再循环回到天然气进料流中。来自精馏塔的塔顶蒸气被分割，蒸气的一部分被抽出作为高纯度氮排出流，而其余部分则在相分离器中的热交换器中冷凝，以对精馏塔提供逆流。
ip.com数据库中的文献IPCOM000222164D公开了一种工艺，其中，使用独立的除氮单元(NRU)来产生脱氮天然气流和纯氮排出流。天然气进料流在暖热交换器单元中冷却和部分地液化，并且在相分离器中分离成天然气蒸气和液体流。蒸气流在冷热交换器单元中液化，并且发送到蒸馏塔的顶部或中间位置。液体流进一步与蒸气流分开地且并行地在冷热交换器单元中冷却，并且然后发送到蒸馏塔的中间位置(在引入蒸气流的位置下方)。通过在冷热交换器单元中使来自蒸馏塔的脱氮塔底液体的一部分升温和蒸发来对蒸馏塔提供沸腾，从而也对单元提供制冷作用。脱氮塔底液体的其余部分泵送到暖热交换器单元，并且在暖热交换器单元中升温和蒸发，从而对那个单元提供制冷作用，并且作为完全蒸发的蒸气流离开暖交换器。从蒸馏塔抽出的塔顶富氮蒸气在冷和暖热交换器单元中升温，以对所述单元进一步提供制冷作用。在蒸气流引入到蒸馏塔的中间位置中的情况下，可通过使塔顶蒸气的一部分冷凝，以及使其回到这个塔，来对塔提供额外的逆流。这可通过下者实现：使塔顶蒸气在节约器热交换器中升温，分割经升温塔顶蒸气，以及在节约器热交换器中使经升温塔顶蒸气的一部分冷凝，以及使冷凝部分回到蒸馏塔的顶部。在此工艺中未使用外部制冷作用。
US2011/0289963公开了一种工艺，其中，使用氮洗提塔来从天然气流中分离出氮。在此工艺中，天然气进料流在主热交换器的暖区段中通过与单混合制冷剂进行热交换而被冷却和部分地液化。部分地冷凝的天然气从主热交换器中抽出，并且在相分离器或蒸馏容器中分离成天然气蒸气和液体流。液体流进一步在主热交换器的冷区段中冷却，然后膨胀且引入到氮洗提塔中。脱氮液化天然气产物(包含1至3体积%的氮)从洗提塔的底部抽出，并且富氮蒸气流(包含小于10体积%的甲烷)从洗提塔的顶部抽出。来自相分离器或蒸馏容器的天然气蒸气流在单独的热交换器中膨胀且冷却，并且引入到洗提塔的顶部，以提供逆流。通过使来自洗提塔的塔底液体的一部分蒸发(从而也从塔提供沸腾)，以及通过使抽出自洗提塔的顶部的富氮蒸气流升温，来对额外的热交换器提供制冷作用。
US8,522,574公开了另一个工艺，其中，从液化天然气中移除氮。在此工艺中，天然气进料流首先在主热交换器中冷却和液化。然后液体流在辅助热交换器中冷却，并且膨胀到闪蒸器中，在闪蒸器中，富氮蒸气与富含甲烷的液体分离。蒸气流进一步膨胀和发送到分馏塔的顶部。来自闪蒸器的液体流被分割，其一部分引入到分馏塔的中间位置，而其另一部分则在辅助热交换器中升温，并且引入到分馏塔的底部中。从分馏塔获得的塔顶富氮蒸气传送通过辅助热交换器，并且在辅助热交换器中升温，以对所述热交换器提供额外的制冷作用。从分馏塔的底部回收产物液化天然气。
US2012/019883公开了一种用于使天然气流液化和从中移除氮的工艺。天然气进料流在主热交换器中液化、膨胀且引入到分离塔的底部中。使混合制冷剂循环的闭环制冷系统对主热交换器提供制冷作用。抽出自分离塔的底部的脱氮液化天然气膨胀，并且在相分离器中进一步分离。来自相分离器的脱氮液化天然气发送到液化天然气存储罐。来自相分离器的蒸气流与来自液化天然气存储罐的沸腾气体组合，在主热交换器中升温以对主热交换器提供额外的制冷作用，被压缩且再循环到天然气进料流中。抽出自分离塔的顶部的富氮蒸气(90至100体积%的氮)也在主热交换器中升温，以对主热交换器提供额外的制冷作用。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于产生脱氮液化天然气产物的方法，该方法包括：
(a)将天然气进料流引入到主热交换器的暖端中，使天然气进料流冷却和至少部分地液化，以及从主热交换器的中间位置抽出经冷却和至少部分地液化的流；
(b)使经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流；
(c)分开地将所述蒸气和液体流再引入到主热交换器的中间位置中，进一步并行地冷却蒸气和液体流，液体流进一步被冷却，以形成第一液化天然气流，并且蒸气流进一步被冷却和至少部分地液化，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流，以及从主热交换器的冷端抽出第一液化天然气流和第一至少部分地液化的富氮天然气流；
(d)使至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离第一，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
(e)使第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
根据本发明的第二方面，提供一种用于产生脱氮液化天然气产物的设备，该设备包括：
主热交换器，其具有(i)第一冷却通道，从热交换器的暖端延伸到热交换器的中间位置，以接收天然气进料流，以及使所述流冷却和至少部分地液化，以便产生经冷却和至少部分地液化的流，(ii)第二冷却通道，其从热交换器的中间位置延伸到热交换器的冷端，以接收和进一步冷却脱氮天然气液体流，以形成第一液化天然气流，以及(iii)第三冷却通道，其从热交换器的中间位置延伸到热交换器的冷端，以接收富氮天然气蒸气流，以及与脱氮天然气液体流分开地且并行地进一步冷却富氮天然气蒸气流，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流；
制冷系统，其对主热交换器供应制冷剂，以对冷却通道进行冷却；
与主热交换器处于流体流连通的第一分离系统，其用于(i)接收来自主热交换器的第一冷却通道的经冷却和至少部分地液化的流，(ii)使所述流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流，以及(iii)使所述液体和蒸气流分别回到主热交换器的第二冷却通道和第三冷却通道；
第二分离系统，其与主热交换器处于流体流连通，以接收第一至少部分地液化的富氮天然气流，使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
第三分离系统，其与第二分离系统处于流体流连通，以接收第二液化天然气流，使第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
本发明的优选方面包括以下方面，其编号为#1至#25：
#1.一种用于产生脱氮液化天然气产物的方法，该方法包括：
(a)将天然气进料流引入到主热交换器的暖端中，使天然气进料流冷却和至少部分地液化，以及从主热交换器中间位置的抽出经冷却和至少部分地液化的流；
(b)使经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流；
(c)分开地将所述蒸气和液体流再引入到主热交换器的中间位置中，进一步并行地冷却蒸气和液体流，液体流进一步被冷却，以形成第一液化天然气流，并且蒸气流进一步经冷却和至少部分地液化，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流，并且从主热交换器的冷端抽出第一液化天然气流和第一至少部分地液化的富氮天然气流；
(d)使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
(e)使第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
#2.方面#1的方法，其中，步骤(e)进一步包括用富氮天然气蒸气或其一部分形成再循环流；以及其中，该方法进一步包括；
(f)压缩再循环流，以形成压缩再循环流；以及
(g)使压缩再循环流回到主热交换器，以使压缩再循环流与天然气进料流共同或分开地冷却和至少部分地液化。
#3.方面#2的方法，其中，步骤(g)包括对天然气进料流添加压缩再循环流，使得再循环流与天然气进料流共同或作为其一部分在主热交换器中冷却和至少部分地液化。
#4.方面#2的方法，其中，步骤(g)包括将压缩再循环流引入到主热交换器的暖端或中间位置中，冷却压缩再循环流，以及使所有压缩再循环流或其一部分与天然气进料流分开地且并行地至少部分地液化，以形成第二至少部分地液化的富氮天然气流，并且从主热交换器的冷端抽出第二至少部分地液化的富氮天然气流。
#5.方面#1至#4中的任一方面的方法，其中，步骤(b)包括使经冷却和至少部分地液化的流膨胀和部分地蒸发，以及使所述流在相分离器中分离成蒸气相和液体相，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流
#6.方面#1至#5中的任一方面的方法，其中，步骤(e)包括使第二液化天然气流膨胀，将经膨胀流传输到液化天然气存储罐中，在液化天然气存储罐中，液化天然气的一部分蒸发，从而形成富氮天然气蒸气和脱氮液化天然气产物。
#7.方面#1至#6中的任一方面的方法，其中，步骤(d)包括使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，以及使所述流在相分离器中分离成蒸气相和液体相，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流。
#8.方面#7的方法，其中，步骤(e)进一步包括使第一液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以产生额外的脱氮液化天然气产物和额外的富氮天然气蒸气。
#9.方面#1至#6中的任一方面的方法，其中，步骤(d)包括使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相，用抽出自蒸馏塔的塔顶蒸气形成富氮蒸气产物，以及用抽出自蒸馏塔的塔底液体形成第二液化天然气流。
#10.方面#9的方法，其中，步骤(e)进一步包括使第一液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以产生额外的脱氮液化天然气产物和额外的富氮天然气蒸气。
#11.方面#9的方法，其中，步骤(d)进一步包括使第一液化天然气流膨胀和部分地蒸发，以及将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相，第一液化天然气流在将第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔中的位置下方的位置引入到蒸馏塔中。
#12.方面#11的方法，其中，第一液化天然气流在塔的中间位置处引入到蒸馏塔中，并且通过在第一液化天然气流引入到蒸馏塔中之前使塔底液体的一部分在再沸器热交换器通过与第一液化天然气流进行间接热交换而加热和蒸发，来对蒸馏塔提供沸腾。
#13.方面#11的方法，其中，第一液化天然气流引入到蒸馏塔的底部中。
#14.方面#9至#12中的任一方面的方法，其中，通过在第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔中之前，使塔底液体的一部分在再沸器热交换器中通过与所有所述流的一部分进行间接热交换而加热和蒸发，来对蒸馏塔提供沸腾。
#15.方面#9至#14中的任一方面的方法，其中：
步骤(b)包括使经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流、由富氮天然气蒸气组成的汽提气流和脱氮天然气液体流；以及
步骤(d)进一步包括将汽提气流引入到蒸馏塔的底部中。
#16.当从属于方面#4时，方面#9至#15中的任一方面的方法，其中，步骤(d)进一步包括使第二至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，并且将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相。
#17.方面#16的方法，其中，第二至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔的顶部中。
#18.方面#9至#15中的任一方面的方法，其中，第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔的顶部中。
#19.方面#9至#16中的任一方面的方法，其中，通过使来自蒸馏塔的塔顶蒸气的一部分在冷凝器热交换器中冷凝，来对蒸馏塔提供逆流。
#20.方面#19的方法，其中，通过使抽出自蒸馏塔的塔顶蒸气升温来对冷凝器热交换器提供制冷作用。
#21.方面#19或#20的方法，其中，闭环制冷系统对冷凝器热交换器提供制冷作用，闭环制冷系统同样对主热交换器提供制冷作用，由闭环制冷系统循环的制冷剂传送通过冷凝器热交换器且在冷凝器热交换器中升温。
#22.方面#1至#21中的任一方面的方法，其中，闭环制冷系统对主热交换器提供制冷作用，由闭环制冷系统循环的制冷剂传送通过主热交换器且在主热交换器中升温。
#23.一种用于产生脱氮液化天然气产物的设备，该设备包括：
主热交换器，其具有(i)第一冷却通道，其从热交换器的暖端延伸到热交换器的中间位置，以接收天然气进料流，以及使所述流冷却和至少部分地液化，以便产生经冷却和至少部分地液化的流，(ii)第二冷却通道，其从热交换器的中间位置延伸到热交换器的冷端，以接收和进一步冷却脱氮天然气液体流，以形成第一液化天然气流，以及(iii)第三冷却通道，其从热交换器的中间位置延伸到热交换器的冷端，以接收富氮天然气蒸气流，以及与脱氮天然气液体流分开地且并行地进一步冷却富氮天然气蒸气流，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流；
制冷系统，其用于对主热交换器供应制冷剂，以对冷却通道进行冷却；
与主热交换器处于流体流连通的第一分离系统，其用于(i)接收来自主热交换器的第一冷却通道的经冷却和至少部分地液化的流，(ii)使所述流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流，以及(iii)使所述液体和蒸气流分别回到主热交换器的第二冷却通道和第三冷却通道；
第二分离系统，其与主热交换器处于流体流连通，以接收第一至少部分地液化的富氮天然气流，使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
第三分离系统，其与第二分离系统处于流体流连通，以接收第二液化天然气流，使第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
#24.根据方面#23的设备，其中，该设备进一步包括压缩机系统，压缩机系统与第三分离系统和主热交换器处于流体流连通，以接收来自第三分离系统、由富氮天然气蒸气或其一部分形成的再循环流，压缩再循环流，以形成压缩再循环流，并且使压缩再循环流回到主热交换器，以使压缩再循环流与天然气进料流共同或分开地冷却和至少部分地液化。
#25.根据方面#23或#24的设备，其中，制冷系统是闭环制冷系统，第一分离系统包括膨胀装置和相分离器，第二分离系统包括膨胀装置和相分离器或蒸馏塔，并且第三分离系统包括膨胀装置和液化天然气罐。
附图说明
图1是示意性流程图，其描绘根据本发明的一个实施例的用于使天然气流液化和从天然气流中移除氮，以产生脱氮液化天然气产物的方法和设备。
图2是描绘根据本发明的另一个实施例的方法和设备的示意性流程图。
图3是描绘根据本发明的另一个实施例的方法和设备的示意性流程图。
图4是描绘根据本发明的另一个实施例的方法和设备的示意性流程图。
图5是描绘根据本发明的另一个实施例的方法和设备的示意性流程图。
图6是描绘根据本发明的另一个实施例的方法和设备的示意性流程图。
图7是显示关于在图6中描绘的方法和设备中使用的冷凝器热交换器的冷却曲线的曲线图。
具体实施方式
除非另有规定，否则当应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施例中的任何特征时，本文所用的冠词“一”和“一个”表示一个或多个。使用“一”和“一个”不将含义限制为单个特征，除非明确陈述了这种限制。在单数或复数名词短语前面的冠词“该”表示特别规定的特征或多个特别规定的特征，而且可具有单数或复数涵义，这取决于其使用的上下文。
如上面提到的那样，根据本发明的第一方面，提供一种用于产生脱氮液化天然气产物的方法，其包括：
(a)将天然气进料流引入到主热交换器的暖端中，使天然气进料流冷却和至少部分地液化，以及从主热交换器的中间位置抽出经冷却和至少部分地液化的流；
(b)使经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流；
(c)分开地将所述蒸气和液体流再引入到主热交换器的中间位置中，进一步并行地冷却蒸气和液体流，液体流进一步被冷却，以形成第一液化天然气流，并且蒸气流进一步被冷却和至少部分地液化，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流，并且从主热交换器的冷端抽出第一液化天然气流和第一至少部分地液化的富氮天然气流；
(d)使第一至少部分地液化富氮天然气的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
(e)使第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
在优选实施例中，步骤(e)进一步包括用富氮天然气蒸气或其一部分形成再循环流；并且方法进一步包括；
(f)压缩再循环流，以形成压缩再循环流；以及
(g)使压缩再循环流回到主热交换器，以使压缩再循环流与天然气进料流共同或分开地冷却和至少部分地液化。
如本文所用，用语“天然气”还包含合成天然气和替代天然气。天然气进料流包括甲烷和氮(甲烷典型地是主要组分)。典型地，天然气进料流具有1至10摩尔%的氮浓度，而且本文描述的方法和设备可有效地从天然气进料流中移除氮，即使天然气进料流中的氮浓度较低，诸如5摩尔%或更低。天然气流通常还将包含其它组分，诸如例如一种或多种其它烃和/或其它组分，诸如氦、二氧化碳、氢等。但是，天然气流不应包含浓度在流的冷却和液化期间将在主热交换器中结冻的任何额外的组分。因此，在引入到主热交换器中之前，如有必要，可对天然气进料流进行预处理，以从天然气进料流中移除水、酸性气体、汞和重烃，以便使天然气进料流中的任何这样的组分的浓度降低到不会引起任何结冻问题的水平。
如本文所用且除非另有规定，如果流中的氮的浓度高于天然气进料流中的氮的浓度，则流是“富氮的”。如果流中的氮的浓度低于天然气进料流中的氮的浓度，则流是“脱氮的”。在根据上面描述本发明的第一方面的方法中，富氮蒸气产物比第一至少部分地液化的富氮天然气流具有更高的氮浓度(并且因而可被描述成相对于天然气进料流进一步富含氮)。在天然气进料流包含除了甲烷和氮之外的其它组分的情况下，“富氮”流还可富含其它较轻的组分(例如具有类似于或低于氮的沸点的其它组分，诸如例如氦)，而且“脱氮”流还可脱除其它较重的组分(例如具有类似于或高于甲烷的沸点的其它组分，诸如例如较重的烃)。
如本文所用，用语“主热交换器”指的是负责使所有天然气流或天然气流的一部分冷却和液化以产生第一液化天然气流的热交换器。如下面更详细地描述的那样，热交换器可由串行和/或并行地布置的一个或多个冷却区段组成。各个这样的区段可构成具有其本身的壳体的单独的热交换器单元，但区段同样可组合成共用公共壳体的单个热交换器单元。热交换器单元(一个或多个)可为任何适当的类型，诸如(但不限于)壳管型热交换器单元、盘管型热交换器单元或板翅型热交换器单元。在这样的单元中，各个冷却区段将典型地包括其本身的管束(其中，单元为壳管或盘管型)或板翅束(其中，单元为板翅型)。如本文所用，主热交换器的“暖端”和“冷端”是相对用语，指的是主热交换器的温度最高和最低(分别)的端部，而且不意于暗示任何特定的温度范围，除非另有规定。短语“主热交换器的中间位置”指的是暖端和冷端之间的位置，典型地在连续的两个冷却区段之间的位置。
典型地，闭环制冷系统对主热交换器提供一些或所有制冷作用，由闭环制冷系统循环的制冷剂传送通过主热交换器且在主热交换器中升温。闭环制冷系统(或多个闭环制冷系统，其中，使用不止一个来对主热交换器提供制冷作用)可为任何适当的类型。根据本发明可使用的示例性制冷系统(包括一个或多个闭环系统)包括单混合制冷剂(SMR)系统、双混合制冷剂(DMR)系统、混合式丙烷混合制冷剂(C3MR)系统、氮膨胀循环(或其它气态膨胀循环)系统和级联制冷系统。
在本文描述的方法和设备中，并且除非另有规定，流可膨胀，而且/或者，在液体或两相流的情况下，通过传送该流通过任何适当的膨胀装置，使流膨胀和部分地蒸发。例如可通过使流传送通过膨胀阀或J-T阀，或者用于使流实现(基本)等焓膨胀(且因此闪蒸)的任何其它装置，来使流膨胀和部分地蒸发。另外或备选地，例如可通过下者来使流膨胀和部分地蒸发：使流传送通过功抽取装置(诸如例如水力涡轮或涡轮膨胀器)且做功膨胀，从而使流实现(基本)等熵膨胀。
在一个实施例中，方法的步骤(g)包括对天然气进料流添加压缩再循环流，使得再循环流与天然气进料流共同和作为其一部分在主热交换器中冷却和至少部分地液化。
在另一个实施例中，方法的步骤(g)包括将压缩再循环流引入到主热交换器的暖端或中间位置中，冷却压缩再循环流，以及使所有压缩再循环流或其一部分与天然气进料流分开地且并行地至少部分地液化，以形成第二至少部分地液化的富氮天然气流，并且从主热交换器的冷端抽出第二至少部分地液化的富氮天然气流。
在优选实施例中，方法的步骤(b)使用相分离器来分离经冷却和至少部分地液化的天然气进料流，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流。因而，步骤(b)可包括使经冷却和至少部分地液化的流膨胀和部分地蒸发，以及使所述流在相分离器中分离成蒸气相和液体相，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流。
如本文所用，用语“相分离器”指的是装置，诸如鼓或其它形式的容器，其中，可引入两相流，以使流分离成其组成蒸气相和液体相。与蒸馏塔(在下面论述)相反，容器不包含设计成在容器内部的对流液体流和蒸气流之间实现传质的任何分离区段。在流在分离之前膨胀(或者膨胀和部分地蒸发)的情况下，用于使流膨胀的膨胀装置和用于分离流的相分离器可组合成单个装置，诸如例如闪蒸鼓(其中，通往鼓的入口结合膨胀阀)。
在优选实施例中，在优选实施例中，方法的步骤(e)使用液化天然气存储罐来分离第二液化天然气流，以形成富氮天然气蒸气和脱氮液化天然气产物。因而，方法的步骤(e)可包括使第二液化天然气流膨胀，将膨胀流传输到液化天然气存储罐中，在液化天然气存储罐中，液化天然气的一部分蒸发，从而形成富氮天然气蒸气和脱氮液化天然气产物。
在一个实施例中，方法的步骤(d)使用相分离器来分离第一至少部分地液化的富氮天然气流，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流。因而，方法的步骤(d)可包括使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，以及使所述流在相分离器中分离成蒸气相和液体相，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流。
在步骤(d)使用上面描述的相分离器的情况下，方法的步骤(e)优选进一步包括使第一液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以产生额外的脱氮液化天然气产物和额外的富氮天然气蒸气。在第一液化天然气流也膨胀、部分地蒸发和分离以产生额外的富氮天然气蒸气和额外的脱氮液化天然气产物的这个和其它实施例中，这可通过下者执行：组合第一和第二液化天然气流，并且然后使组合流膨胀、部分地蒸发和分离；分开地使流膨胀和部分地蒸发，组合膨胀流，并且然后分离组合流；或者使各个流单独地膨胀、部分地蒸发和分离。
在另一个实施例中，方法的步骤(d)使用蒸馏塔来分离第一至少部分地液化的富氮天然气流，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流。因而，方法的步骤(d)可包括使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相，用抽出自蒸馏塔的塔顶蒸气形成富氮蒸气产物，以及用抽出自蒸馏塔的塔底液体形成第二液化天然气流。
如本文所用，用语“蒸馏塔”指的是包含一个或多个分离区段的塔(或一组塔)，各个分离区段由插件组成，诸如填料和/或一个或多个塔盘，它们增加流过塔内部的区段的上升蒸气和向下流动的液体之间的接触，并且因而增强传质。照这样，塔顶蒸气(即，聚集在塔的顶部处的蒸气)中的较轻组分(诸如氮)的浓度增加，并且塔底液体(即，聚集在塔的底部处的液体)中的较重组分(诸如甲烷)的浓度增加。塔的“顶部”表示塔的在分离区段上方的部分。塔的“底部”表示塔的在分离区段下方的部分。塔的“中间位置”表示塔的顶部和底部之间的位置，典型地在连续的两个分离区段之间的位置。
在步骤(d)使用上面描述的蒸馏塔的情况下，方法的步骤(e)可进一步包括使第一液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以产生额外的脱氮液化天然气产物和额外的富氮天然气蒸气。再次，在这种情况下，第一液化天然气流和第二液化天然气流可单独或共同膨胀和/或分离，如上面描述的那样。
备选地，步骤(d)可进一步包括使第一液化天然气流膨胀和部分地蒸发，以及将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相，第一液化天然气流在第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔中的位置下方的位置引入到蒸馏塔中。第一液化天然气流可在塔的中间位置处引入到蒸馏塔中。第一液化天然气流可引入到蒸馏塔的底部中。
可通过在第一液化天然气流引入到蒸馏塔中之前，使塔底液体的一部分在再沸器热交换器中通过与第一液化天然气流进行间接热交换而加热和蒸发，来对蒸馏塔提供沸腾。
可通过在第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔中之前，使塔底液体的一部分在再沸器热交换器中通过与所有所述流或其一部分进行间接热交换而加热和蒸发，来对蒸馏塔提供沸腾。
可通过使塔底液体的一部分在再沸器热交换器中靠着外部热源(例如诸如(但不限于)电加热器)加热和蒸发，来对蒸馏塔提供沸腾。
在一个实施例中，方法的步骤(b)可包括使经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流、由富氮天然气蒸气组成的汽提气流和脱氮天然气液体流。方法的步骤(d)然后可进一步包括将汽提气流引入到蒸馏塔的底部中。
方法的步骤(d)可进一步包括将由任何适当的源产生的汽提气流引入到蒸馏塔的底部中。除了由上面描述的源产生的汽提气流之外，额外的源或备选源可包括在其余压缩再循环回到主热交换器之前，用压缩再循环气体的一部分形成汽提气流；以及用天然气进料的一部分形成汽提气流。
优选地，第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔的顶部中，或者在塔的中间位置处引入到蒸馏塔中。
如果期望，第一至少部分地液化的富氮天然气流可在引入到蒸馏塔中之前膨胀、部分地蒸发和分离成单独的蒸气流和液体流，液体流在中间位置处引入到蒸馏塔中，并且蒸气流在冷凝器热交换器中通过与抽出自塔的塔顶蒸气进行间接热交换来冷却和至少部分地冷凝，并且然后引入到塔的顶部中。第一至少部分地液化的富氮天然气流在这种情况下优选在相分离器中分离成单独的蒸气相和液体流。在第一至少部分地液化的富氮天然气流已经是两相流的情况下，可能需要使流最小程度地额外膨胀和蒸发，在这种情况下，不必在将流引入到相分离器中之前，将流传送通过膨胀装置(所需的任何膨胀和蒸发由两相流引入到鼓或其它这种容器中时必然会出现的膨胀和蒸发实现)。
在其中压缩再循环流在主热交换器中分开地冷却，以形成第二至少部分地液化的富氮天然气流的那些实施例中，方法的步骤(d)可进一步包括使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，并且将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相，使第二至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，并且将所述流引入到蒸馏塔中，以使流分离成蒸气相和液体相，用抽出自蒸馏塔的塔顶蒸气形成富氮蒸气产物，以及用抽出自蒸馏塔的塔底液体形成第二液化天然气流。在这个实施例中，将第二至少部分地液化的富氮天然气流引入到蒸馏塔的顶部中是优选的。
可通过使来自蒸馏塔的塔顶蒸气的一部分在冷凝器热交换器中冷凝来对蒸馏塔提供逆流。可通过使抽出自蒸馏塔的塔顶蒸气升温来对冷凝器热交换器提供制冷作用。闭环制冷系统可对冷凝器热交换器提供制冷作用，闭环制冷系统同样对主热交换器提供制冷作用，由闭环制冷系统循环的制冷剂传送通过冷凝器热交换器且在冷凝器热交换器中升温。
还如上面提到的那样，根据本发明的第二方面，提供一种用于产生脱氮液化天然气产物的设备，该设备包括：
主热交换器，其具有(i)第一冷却通道，其从热交换器的暖端延伸到热交换器的中间位置，以接收天然气进料流，以及使所述流冷却和至少部分地液化，以便产生经冷却和至少部分地液化的流，(ii)第二冷却通道，其从热交换器的中间位置延伸到热交换器的冷端，以接收和进一步冷却脱氮天然气液体流，以形成第一液化天然气流，以及(iii)第三冷却通道，其从热交换器的中间位置延伸到热交换器的冷端，以接收富氮天然气蒸气流，以及与脱氮天然气液体流分开地且并行地进一步冷却富氮天然气蒸气流，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流；
制冷系统，其用于对主热交换器供应制冷剂，以对冷却通道进行冷却；
与主热交换器处于流体流连通的第一分离系统，其用于(i)接收来自主热交换器的第一冷却通道的经冷却和至少部分地液化的流，(ii)使所述流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流，以及(iii)使所述液体和蒸气流分别回到主热交换器的第二冷却通道和第三冷却通道；
第二分离系统，其与主热交换器处于流体流连通，以接收第一至少部分地液化的富氮天然气流，使第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
第三分离系统，其与第二分离系统处于流体流连通，以接收第二液化天然气流，使第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
如本文所用，用语“流体流连通”表示所述装置或系统彼此连接，使得所说的流可由所述装置或系统发送和接收。装置或系统例如可通过适当的管、通道或用于传输所述流的其它形式的管道连接。
根据本发明的第二方面的设备适合执行根据本发明的第一方面的方法。因而，基于前面对根据第一方面的方法的各种优选的或可选的实施例和特征的讨论，根据第二方面的设备的各种优选的或可选的特征和实施例将是显而易见的。
例如，在优选实施例中，设备进一步包括压缩机系统，压缩机系统与第三分离系统和主热交换器处于流体流连通，以接收来自第三分离系统、由富氮天然气蒸气或其一部分形成的再循环流，压缩再循环流，以形成压缩再循环流，并且使压缩再循环流回到主热交换器，以使压缩再循环流与天然气进料流共同或分开地冷却和至少部分地液化。制冷系统优选包括闭环制冷系统。第一分离系统优选包括膨胀装置和相分离器。第二分离系统例如可包括膨胀装置和相分离器、膨胀装置和蒸馏塔，或者它们的一些组合。第三分离系统优选包括膨胀装置和液化天然气罐。
仅以示例的方式，现在将参照图1至7来描述本发明的各种优选实施例。在其中特征为不止一幅图公共的这些图中，为了清楚和简洁，在各图中对那个特征分派相同的参考标号。
参照图1，显示了根据本发明的一个实施例的用于使天然气流液化和从天然气流中移除氮的方法和设备。
天然气进料流100首先传送通过主热交换器中的一组冷却通道，以使天然气流冷却，以及使天然气流的一部分液化和(典型地)过冷，从而产生第一液化天然气流128，如将在下面更详细地描述的那样。天然气进料流包括甲烷和氮。典型地，天然气进料流具有1至10摩尔%的氮浓度，并且本文描述的方法和设备可有效地从天然气中移除氮，即使天然气进料流中的氮浓度较低，诸如5摩尔%或更低。如本领域中众所周知的那样，天然气进料流不应包含在流冷却和液化期间将在主热交换器中结冻的浓度的任何额外的组分。因此，在引入到主热交换器中之前，如有必要，可对天然气进料流进行预处理，以从天然气进料流中移除水、酸性气体、汞和重烃，以便使天然气进料流中的任何这样的组分的浓度降低到不会引起任何结冻问题的水平。用于实现脱水、酸性气体移除、汞移除和重烃移除的合适装备和技术是众所周知的。天然气流还必须高于周围压力，并且因而在必要时可在引入到主热交换器中之前，在一个或多个压缩机和后冷却器(未显示)中压缩和冷却。
在图1中描绘的实施例中，主热交换器由连续的三个冷却区段组成，即，其中使天然气进料流100预冷的暖区段102、其中使冷却天然气进料流104至少部分地液化的中部或中间区段106，以及其中使液化天然气进料流的液化部分118过冷的冷区段120，因此天然气进料流100引入到其中的暖区段102的端部构成主热交换器的暖端，而从中抽出第一液化天然气流128的冷区段120的端部因此构成主热交换器的冷端。如将认识到的那样，用语“暖”和“冷”在此语境中仅表示冷却区段内部的相对温度，并且不暗示任何特定的温度范围。在图1描绘的布置中，这些区段中的各个都组成单独的热交换器单元，其具有其本身的壳、外壳或其它形式的壳体，但区段中的两个或所有三个同样可组合成共用公共的壳体的单个热交换器单元。热交换器单元(一个或多个)可为任何适当的类型，诸如(但不限于)壳管型热交换器单元、盘管型热交换器单元或板翅型热交换器单元。在这样的单元中，各个冷却区段将典型地包括其本身的管束(其中，单元为壳管或盘管型)或板翅束(其中，单元为板翅型)。
任何适当的闭环制冷系统(未显示)可对主热交换器提供一些或所有制冷作用。可使用的示例性制冷系统包括单混合制冷剂(SMR)系统、双混合制冷剂(DMR)系统、混合式丙烷混合制冷剂(C3MR)系统和氮膨胀循环(或其它气态膨胀循环)系统和级联制冷系统。在SMR和氮膨胀循环系统中，单混合制冷剂(在SMR系统的情况下)或由闭环制冷系统循环的氮(在氮膨胀循环系统的情况下)对主热交换器的所有三个区段102、106、110供应制冷作用。在DMR和C3MR系统中，使用使两种单独的制冷剂(在DMR系统的情况下，两种不同的混合制冷剂，以及在C3MR系统的情况下，丙烷制冷剂和混合制冷剂)循环的两个单独的闭环制冷系统来供应制冷剂主热交换器，使得主热交换器的不同区段可由不同的闭环系统冷却。SMR、DMR、C3MR、氮膨胀循环和其它这样的闭环制冷系统的运行是众所周知的。
天然气进料流100引入到主热交换器的暖端中，并且传送通过延伸通过主热交换器的暖区段102和中部区段106的第一冷却通道，其中，流被冷却和至少部分地液化，从而产生经冷却和至少部分地液化的天然气流108。经冷却和至少部分地液化的天然气流108然后从主热交换器的中部区段和冷区段的之间的主热交换器的中间位置抽出，并且膨胀、部分地蒸发，在由膨胀装置(诸如J-T阀110)或功抽取装置(例如水力涡轮或涡轮膨胀器(未显示))和相分离器(诸如闪蒸鼓)114组成的第一分离系统中分离，以形成富氮天然气蒸气流116和脱氮天然气液体流118。更具体地，至少部分地液化的天然气流108传送通过膨胀装置110，以形成经膨胀和部分地蒸发的流112，流112在相分离器114中分离成蒸气相和液体相，以便形成所述蒸气流116和液体流118。蒸气流116和液体流118然后分开地再引入到中部区段106和冷区段120之间的主热交换器的中间位置中，以进一步在主热交换器的冷区段120中并行地冷却。更具体地，脱氮天然气液体流118引入到延伸通过主热交换器的冷区段120的第二冷却通道中且传送通过其中，在第二冷却通道中，使流过冷，以形成第一(过冷)液化天然气流128。富氮天然气蒸气流116引入到第三冷却通道中且传送通过第三冷却通道，第三冷却通道与第二冷却通道分开地且并行地延伸通过主热交换器的冷区段120，在第三冷却通道中，流被冷却和至少部分地液化，以形成第一至少部分地液化的(即，部分地液化或完全液化)富氮天然气流122。然后从主热交换器的冷端抽出第一液化天然气流128和第一至少部分地液化的富氮天然气流122。
第一至少部分地液化的富氮天然气流122和第一液化天然气流128然后膨胀、部分地蒸发和引入到蒸馏塔134中，在蒸馏塔134中，它们分离成蒸气相和液体相，以形成富氮蒸气产物136、139和第二液化天然气流138。蒸馏塔134包括分离区段，分离区段由插件组成，诸如填料和/或一个或多个塔盘，它们增加塔内部的上升蒸气和向下流动的液体之间的接触，并且因而增强传质。第一至少部分地液化的富氮天然气流122通过传送通过膨胀装置(诸如例如通过J-T阀124或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，从而形成经膨胀和部分地蒸发的流126，流126引入到分离区段上方的蒸馏塔的顶部中，以分离成蒸气相和液体相，从而也对塔提供逆流。第一液化天然气流128通过传送通过膨胀装置(诸如例如通过J-T阀130或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，从而形成膨胀和部分地蒸发的流132，流132引入到分离区段下方的蒸馏塔的底部中，以分离成蒸气相和液体相，从而好对塔提供汽提气。在第一至少部分地液化的富氮天然气流122部分地液化的(即，两相)流的情况下，这个流在备选实施例(未显示)也可在相分离器中分离成单独的蒸气和液体流，然后膨胀和引入到蒸馏中。在这种情况下，在第一至少部分地液化的富氮天然气流122已经在相分离器中分离成液体和蒸气流之后，然后这些流中的两者将通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀或涡轮膨胀器)而膨胀(以及在液体流部分地蒸发的情况下)，然后分开地引入到蒸馏塔中。
来自蒸馏塔134的塔顶蒸气进一步富含氮(即，其相对于第一至少部分地液化的富氮天然气流122富含氮，并且因而相对于天然气进料流100进一步富含氮)，并且抽出自蒸馏塔134的顶部，从而形成富氮蒸气产物流136，富氮蒸气产物流136传送通过控制阀137(其控制蒸馏塔的运行压力)，以形成最终富氮蒸气产物流139(其然后可用作燃料或者排出，这取决于其成分)。最终富氮蒸气产物流139可通过与其它制冷剂流进行热结合而升温，以恢复制冷作用(未显示)。来自蒸馏塔的塔底液体进一步脱除氮(即，相对于由脱氮天然气液体流118形成的第一液化天然气流128脱除氮，并且因而相对于天然气进料流100进一步脱除氮)，而且抽出自蒸馏塔134的底部，从而形成第二液化天然气流138。
第二液化天然气流138然后进一步膨胀，例如通过将流传送通过膨胀装置，诸如J-T阀140或涡轮膨胀器(未显示)，以形成膨胀液化天然气流142，膨胀液化天然气流142引入到液化天然气存储罐144中。在液化天然气存储罐144的内部，液化天然气的一部分蒸发，因为液化天然气最初膨胀和引入到罐中，以及/或者因为周围随着时间的推移而加热(因为无法完全隔离存储罐)，从而产生富氮天然气蒸气，富氮天然气蒸气聚集在罐的顶部空间中，并且作为再循环流146从罐的顶部空间中抽出，而且留下脱氮液化天然气产物，脱氮液化天然气产物存储在罐中，并且可作为产物流196被抽出。在备选实施例(未描绘)中，液化天然气存储罐128可由相分离器(诸如闪蒸鼓)或其它形式的分离装置代替，其中，膨胀液化天然气流142分离成液体相和蒸气相，从而分别形成脱氮液化天然气产物196和由富氮天然气蒸气组成的再循环流146。在使用了液化天然气存储罐的情况下，聚集在罐的顶部空间中且从顶部空间中抽出的富氮天然气蒸气也可被称为罐闪蒸气体(TFG)或沸腾气体(BOG)。在使用了相分离器的情况下，在相分离器中形成且从相分离器中抽出的富氮天然气蒸气还可被称为最终闪蒸气体(EFG)。
由富氮天然气蒸气组成的再循环流146然后在一个或多个压缩机148中再次压缩，并且在一个或多个后冷却器152中冷却，以形成压缩再循环流154，压缩再循环流154在此实施例中通过引入回到天然气进料流100中来再循环回到主热交换器(因此，这是这个流被称为再循环流的原因)，使得其在主热交换器中与天然气进料流共同和作为其一部分被冷却和至少部分地液化。后冷却器(一个或多个)154可使用任何适当形式的冷却剂，诸如例如处于周围温度的水或空气。
可轻易地应用图1中描绘的实施例来获得富氮蒸气产物139，其适合用作燃料气体，或者具有10摩尔%或更少的甲烷浓度，而且适合排出。实施例提供这样的方法和设备：其具有较少装备数、高效、运行起来简单容易，并且即使天然气进料成分的氮浓度较低也能良好地工作。
现在参照图2至6，这些图描绘了根据本发明的备选实施例的用于使天然气流液化和从天然气流中移除氮的各种另外的方法和设备。
图2中描绘的方法和设备不同于图1中描绘的方法和设备，只是因为第一至少部分地液化的富氮天然气流122(与第一至少部分地液化的富氮天然气流122和第一液化天然气流128两者相反)分离，形成富氮蒸气产物136、139和第二液化天然气流138，所述分离在相分离器中而非在蒸馏塔中进行，第一液化天然气流128与第二液化天然气流138一起发送到液化天然气存储罐144。
更具体地，通过将流传送通过膨胀装置(诸如例如J-T阀124或涡轮-膨胀器(未显示))，来使抽出自主热交换器的冷端的第一至少部分地液化的富氮天然气流122膨胀和部分地蒸发，并且第一至少部分地液化的富氮天然气流122在相分离器(诸如闪蒸鼓)234中分离成蒸气相和液体相，以分别形成富氮蒸气产物136、139和第二液化天然气流138。然后第二液化天然气流138膨胀，形成膨胀液化天然气流142，膨胀液化天然气流142引入到液化天然气存储罐144中，如前面描述的那样。如前面那样，富氮蒸气产物相对于第一至少部分地液化的富氮天然气流122富含氮，并且因而相对于天然气进料流100进一步富含氮。
通过将流传送通过膨胀装置(诸如J-T阀130或涡轮膨胀器(未显示))，来使抽出自主热交换器的冷端的第一液化天然气流128膨胀，以形成膨胀液化天然气流132，膨胀液化天然气流132与由第二液化天然气流138形成的膨胀液化天然气流142处于大约相同的压力。膨胀第一液化天然气流132同样引入到液化天然气存储罐144中，如上面描述的那样，在液化天然气存储罐144中，液化天然气的一部分蒸发，从而提供富氮天然气蒸气，作为再循环流146从罐的顶部空间抽出富氮天然气蒸气，并且留下脱氮液化天然气产物，脱氮液化天然气产物存储在罐中，并且可作为液化天然气产物流196被抽出。照这样，第一液化天然气流128和第二液化天然气流138膨胀、组合，并且共同分离成再循环流146和液化天然气产物196。但是，在备选实施例(未描绘)中，第一液化天然气流128和第二液化天然气流138可膨胀和引入到不同的液化天然气存储罐(或其它形式的分离系统)中，以产生单独的再循环流和单独的液化天然气产物流，单独的再循环流然后被组合。同样，在又一个实施例(未描绘)中，第一液化天然气流128和第二液化天然气流138可(如果为相似的压力或调节成相似的压力)在通过J-T阀、涡轮膨胀器或其它形式的膨胀装置而膨胀之前组合，并且然后组合的膨胀流引入到液化天然气存储罐(或其它形式的分离系统)中。
图3中描绘的方法和设备与图1中描绘的方法和设备的不同在于，蒸馏塔334具有两个分离区段(如上面描述的那样，各自由插件组成，诸如填料和/或一个或多个塔盘)，第一液化天然气流128通过引入到蒸馏塔334的在两个分离区段之间的中间位置中而在蒸馏塔中分离成蒸气相和液体相。更具体地，抽出自主热交换器的冷端的第一液化天然气流128在再沸器热交换器324中冷却，例如通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀333或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，并且作为部分地蒸发的流335引入到蒸馏塔334的中间位置中。在这个实施例中，第一至少部分地液化的富氮天然气流122也在再沸器热交换器324中冷却，然后例如通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀328或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，并且作为部分地蒸发的流330引入到蒸馏塔334的顶部中，从而对塔提供逆流。通过使来自塔的塔底液体的流360在再沸器热交换器324中升温和至少部分地蒸发，以及使升温和至少部分地蒸发的流362回到塔的底部，从而对塔提供汽提气，来对蒸馏塔334提供沸腾。从蒸馏塔的底部抽出未在再沸器热交换器中蒸发的塔底液体的其余部分，以形成第二液化天然气流138。
图4中描绘的方法和设备与图1中描绘的方法和设备的不同在于，未通过对天然气进料流添加压缩再循环流154且使它们混合来使压缩再循环流154再循环到主热交换器。而是改为与天然气进料流分开地且并行地将压缩再循环流引入到主热交换器中，且将压缩再循环流传送通过(且在其中冷却)主热交换器，以便形成第二至少部分地液化的富氮天然气流444。然后从主热交换器的冷端抽出这个流，与第一至少部分地液化的富氮天然气流一样，这个流也引入到蒸馏塔434(在这种情况下，包括两个分离区段)，以分离成蒸气相和液体相。
更具体地，离开后冷却器152、与天然气进料流100处于大约相同的温度(例如周围)的压缩再循环流154与天然气进料流分开地引入到主热交换器的暖端，并且传送通过第四冷却通道(其与第一、第二和第三冷却通道分开地且并行地延伸通过主热交换器的暖区段102、中部区段104和冷区段120)，使得压缩再循环流154与天然气进料流100分开地且并行地冷却。再循环流在传送通过第四冷却通道时冷却和部分地液化，以便形成第二至少部分地液化的富氮天然气流444，从主热交换器的冷端抽出第二至少部分地液化的富氮天然气流444。
抽出自主热交换器的冷端的第一液化天然气流128、第一至少部分地液化的富氮天然气流122和第二至少部分地液化的富氮天然气流444然后全部发送到蒸馏塔434，以分离成蒸气相和液体相。蒸馏塔434在这种情况下如上面描述的那样包括两个分离区段。第一液化天然气流128(其在流128、122和444中具有最低氮含量)例如通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀130或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，并且作为部分地蒸发的流132引入到蒸馏塔434的底部中，从而也对塔提供汽提气。第一至少部分地液化的富氮天然气流122例如通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀124或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，并且作为部分地蒸发的流126引入到蒸馏塔434的在两个分离区段之间的中间位置中。第二至少部分地液化的富氮天然气流444(在流128、122和444中具有最高氮含量)在热交换器446中冷却，例如通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀448或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，并且作为部分地蒸发的流460引入到蒸馏塔434的顶部中，从而也对塔提供逆流。从蒸馏塔434的底部抽出脱氮塔底液体，形成第二液化天然气流138，如前面那样，第二液化天然气流138膨胀且引入到液化天然气存储罐144中。抽出自蒸馏塔的顶部的塔顶蒸气再次形成富氮蒸气产物流136，在这种情况下，富氮蒸气产物流136在热交换器446中升温(通过与第一至少部分地液化的富氮天然气流444进行间接热交换)，以提供升温富氮蒸气产物流139。在这个实施例中，从蒸馏塔的顶部获得的富氮蒸气产物流136、139可为几乎纯的氮蒸气流。
使用主热交换器来与天然气进料并行但分开地冷却和至少部分地液化再循环流提供独特的优点。与天然气进料流相比，再循环流富含氮，并且与再循环流再循环回到天然气进料流中且共同与天然气进料流分离的情况相比，与天然气进料分开地使这个流液化或部分地液化，然后使产生的至少部分地冷凝的富氮流分离，提供了分离再循环流的氮和甲烷组分的更高效的工艺。同样，虽然可通过添加专用热交换器和制冷系统来冷却和至少部分地液化再循环流，但使用主热交换器及其相关联的现有制冷系统来冷却和至少部分地液化再循环流，使得然后可将该再循环流分离成富氮产物和额外的液化天然气产物，提供了较紧凑和成本高效的工艺和设备。
还应注意，虽然在图4中描绘的实施例中，压缩再循环流154引入到主热交换器的暖端中，但这不是必要的。特别地，如果获得温度比天然气进料流的温度更低的压缩再循环流，则压缩再循环流可在主热交换器的中间位置处引入，在此处，压缩再循环流的温度较好地匹配(刚被冷却的)天然气进料流的温度(在这种情况下，第四冷却通道然后通过主热交换器从所述中间位置延伸到主热交换器的冷端)。例如，压缩再循环流可引入冷区段102和中部区段106之间，或者引入主热交换器的中部区段106和冷区段120之间。例如通过在再循环流146在压缩机148中压缩之前，在节约器热交换器(未显示)中逆着离开液化天然气存储罐144的再循环流146进一步冷却离开后冷却器152的再循环流154，来获得温度更低的压缩再循环流154。
图5中描绘的方法和设备与图1中描绘的方法和设备的不同在于，第一液化天然气流128不引入到蒸馏塔134中，而是改为与第二液化天然气流138一起发送到液化天然气存储罐144，而且从相分离器114获得的富氮天然气蒸气的部分574对蒸馏塔提供汽提气。
更具体地，在图5中描绘的实施例中，抽出自主热交换器中部区段和冷区段之间的主热交换器的中间位置的经冷却和至少部分地液化的天然气流108(如前面描述的那样)膨胀、部分地蒸发，在由膨胀装置(诸如J-T阀110或涡轮膨胀器(未显示))和相分离器(诸如闪蒸鼓)114组成的第一分离系统中分离，以形成富氮天然气蒸气和脱氮天然气液体。还如前面描述的那样，脱氮天然气液体作为液体流118从相分离器114中抽出，液体流118然后在主热交换器的冷区段120中进一步冷却，以形成第一液化天然气流128。但是，抽出自相分离器114的富氮天然气蒸气在这个实施例中被分割，以便形成两个富氮天然气蒸气流116、574。一个蒸气流116在主热交换器的冷区段120中进一步冷却，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流122，如前面描述的那样。另一个蒸气流574形成汽提气流，汽提气流通过将该流传送通过膨胀装置(诸如J-T阀584或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀，并且发送到蒸馏塔134的底部，从而对所述塔提供汽提气。通过将流传送通过膨胀装置(诸如J-T阀130或涡轮膨胀器(未显示))而使抽出自主热交换器的冷端的第一液化天然气流128膨胀，以形成膨胀液化天然气流132，其与由第二液化天然气流138形成的膨胀液化天然气流142处于大约相同的压力，而且同样引入到液化天然气存储罐144中。就此而言，在这个实施例中，以与图2中描绘的实施例中的第一液化天然气流128相同的方式使用和处理第一液化天然气流128，这在上面有详细描述。
图6中描绘的方法和设备与图5中描绘的方法和设备的不同在于，蒸馏塔534在这种情况下具有两个分离区段，第一至少部分地液化的富氮天然气流122在两个区段之间引入到蒸馏塔534中，并且通过使塔顶蒸气的一部分在冷凝器热交换器554中冷凝，来对蒸馏塔534提供逆流。图6更一般地还用来示出一个可行的闭环制冷系统，其可用来对本发明的任何前述实施例中的主热交换器提供制冷作用。
更具体地，在图6中描绘的实施例中，抽出自主热交换器的冷端的第一至少部分地液化的富氮天然气流122例如通过传送通过膨胀装置(诸如J-T阀124或涡轮膨胀器(未显示))而膨胀和部分地蒸发，并且作为部分地蒸发的流126引入到蒸馏塔534的在两个分离区段之间的中间位置中，以便分离成蒸气相和液体相。通过使来自蒸馏塔的塔顶蒸气136的一部分在冷凝器热交换器554中冷凝，来对蒸馏塔534提供逆流。
在这个实施例中用两种不同的方法对冷凝器热交换器554提供制冷作用。使塔顶蒸气的一部分冷凝所必需的一些制冷作用由冷的塔顶蒸气本身提供。一些制冷作用由闭环制冷系统提供，闭环制冷系统也对主热交换器提供制冷作用。
更具体地，抽出自蒸馏塔534的顶部的塔顶蒸气136首先在冷凝器热交换器554中升温。升温的塔顶蒸气的一部分然后在压缩机566中压缩，在后冷却器568中冷却(使用冷却剂，诸如例如，处于周围温度的空气或水)，在冷凝器热交换器554中进一步冷却和至少部分地液化，例如通过J-T阀576而膨胀，并且回到蒸馏塔534的顶部，从而对塔提供逆流。升温的塔顶蒸气的其余部分形成富氮蒸气产物139。通过使用这个氮热泵循环(包括冷凝器热交换器554、压缩机566和后冷却器568)来使蒸馏塔462的顶部甚至更冷，可获得纯度甚至更高的富氮产物170。
转到闭环制冷系统，主热交换器的制冷作用例如可由单混合制冷剂(SMR)系统提供。在此类闭环系统中，循环的混合制冷剂由组分的混合物构成，诸如氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和异戊烷的混合物。在这个示例中，热交换器单元为盘管型。离开主热交换器的暖端的升温的混合制冷剂650在压缩机652中压缩，以形成压缩流656。压缩流然后传送通过后冷却器，以使流冷却和部分地冷凝，并且然后在相分离器中分离成蒸气流658和液体流606。蒸气流658在压缩机660中进一步压缩，并且冷却和部分地冷凝，以形成处于周围温度的高压混合制冷剂流600。后冷却器可使用任何适当的周围热沉，诸如空气、淡水、海水或来自蒸发冷却塔的水。
高压混合制冷剂流600在相分离器中分离成蒸气流604和液体流602。液体流602和606然后在主热交换器的暖区段102中过冷，然后压力降低且组合而形成冷的制冷剂流628，冷的制冷剂流628传送通过主热交换器的暖区段102的壳侧，在那里，冷的制冷剂流628蒸发且升温，以对所述区段提供制冷作用。蒸气流604在主热交换器的暖区段102中冷却和部分地液化，作为流608离开。然后流608在相分离器中分离成蒸气流612和液体流610。液体流610在主热交换器的中间区段106中过冷，并且然后降低压力，以形成冷的制冷剂流680，冷的制冷剂流680传送通过主热交换器的中间区段106的壳侧，在那里，冷的制冷剂流680蒸发且升温，以对所述区段提供制冷作用。蒸气流612在主热交换器的中部区段106和冷区段120中冷凝和过冷，作为流614离开，流614膨胀，以提供冷的制冷剂流632，冷的制冷剂流632传送通过主热交换器的冷区段120的壳侧，在那里，冷的制冷剂流632蒸发且升温，以对所述区段提供制冷作用。离开冷区段120的壳侧的经升温制冷剂(源自流632)与制冷剂流680在中部区段106的壳侧中组合，在中部区段106的壳侧中，经升温制冷剂进一步升温和蒸发，从而对该区段提供额外的制冷剂。离开中部区段106的壳侧的组合的经升温制冷剂与制冷剂流628在暖区段102的壳侧中组合，在暖区段102的壳侧中，组合的经升温制冷剂进一步升温和蒸发，从而对那个区段提供额外的制冷剂。离开暖区段102的壳侧的组合的经升温制冷剂已经完全蒸发和过热55℃，并且作为升温的混合制冷剂流650离开，因而完成制冷作用回路。
如上面提到的那样，在图6中描绘的实施例中，闭环制冷系统还对冷凝器热交换器554提供制冷作用，冷凝器热交换器554使来自蒸馏塔534的塔顶蒸气136的一部分冷凝，以便对所述塔提供逆流。这由下者实现：冷却离开主热交换器的混合制冷剂，并且发送所述制冷剂的一部分，以使其在冷凝器热交换器554中升温，然后回到主热交换器，并且在主热交换器中进一步升温。更具体地，离开主热交换器的冷端的混合制冷剂蒸汽614分成两个部分，小部分618(典型地小于10%)和大部分616。小部分膨胀，以提供冷制冷剂流632，冷制冷剂流632用来对主热交换器的冷区段120提供制冷剂，如上面描述的那样。例如通过将流传送通过J-T阀220(另一个适当形式的膨胀装置(诸如例如涡轮膨胀器))来使大部分618膨胀，以形成冷的制冷剂流222。然后流222在冷凝器热交换器554中升温和至少部分地蒸发，从而产生流224，流224然后通过与离开主热交换器的冷区段120的壳侧的经升温制冷剂(流632)组合且与制冷剂流680进入中部区段106的壳侧，来回到主热交换器。备选地，流224也可直接与流680(未显示)混合。
通过最大程度地降低冷凝器交换器554中的内部温差，使用闭环制冷系统来对冷凝器热交换器554提供制冷作用会改进工艺的整体效率，其中混合制冷剂在再循环氮发生冷凝的合适温度下提供冷却。这由图7中描绘的冷却曲线示出，当冷凝器热交换器554根据图6中描绘的实施例和如上面描述的那样运行时获得其冷却曲线。优选地，选择压缩机566的排出压力，使得待在冷凝器热交换器554中冷却的塔顶蒸气572的压缩和升温部分在正好比混合制冷剂蒸发的温度高的温度下冷凝。抽出自蒸馏塔534的塔顶蒸气136可在其露点(大约-159℃)下进入冷凝器热交换器554，并且升温成接近周围条件。在抽出富氮蒸气产物139之后，其余的塔顶蒸气然后在压缩机566中压缩，在后冷却器568中冷却到接近周围温度，并且回到冷凝器热交换器554，以冷却和冷凝，对蒸馏塔534提供逆流，如前面描述的那样。
示例
为了示出本发明的运行，图1中描述和描绘的工艺如下，以便获得具有灵活加热值的富氮蒸气产物流和具有仅1摩尔%的氮的液化天然气产物流。在表1中显示进料气体成分，而且表2中列出主要流的成分。使用ASPEN+软件来产生数据。如可从表2中的数据看出的那样，工艺能够有效地从液化天然气流中移除氮，并且提供可出售的液化天然气产物以及可用作燃料气体的氮流。
表1.所考虑的进料条件和成分
表2.流成分
将理解的是，本发明不限于上面参照优选实施例所描述的细节，而是可在不偏离所附权利要求中限定的本发明的精神或范围的情况作出许多修改和变型。

Claims (25)

1.一种用于产生脱氮液化天然气产物的方法，所述方法包括：
(a)将天然气进料流引入到主热交换器的暖端中，使所述天然气进料流冷却和至少部分地液化，以及从所述主热交换器的中间位置抽出经冷却和至少部分地液化的流；
(b)使所述经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮天然气蒸气流和脱氮天然气液体流；
(c)分开地将所述蒸气和液体流再引入到所述主热交换器的中间位置中，进一步并行地冷却所述蒸气和液体流，所述液体流进一步冷却，以形成第一液化天然气流，并且所述蒸气流进一步冷却和至少部分地液化，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流，并且从所述主热交换器的冷端抽出所述第一液化天然气流和所述第一至少部分地液化的富氮天然气流；
(d)使所述第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
(e)使所述第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(e)进一步包括用所述富氮天然气蒸气或其一部分形成再循环流；以及其中，所述方法进一步包括；
(f)压缩所述再循环流，以形成压缩再循环流；以及
(g)使所述压缩再循环流回到所述主热交换器，以与所述天然气进料流共同或分开地被冷却和至少部分地液化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(g)包括对所述天然气进料流添加所述压缩再循环流，使得所述再循环流在所述主热交换器中与所述天然气进料流共同和作为其一部分被冷却和至少部分地液化。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(g)包括将所述压缩再循环流引入到所述主热交换器的暖端或中间位置中，冷却所述压缩再循环流，以使所有所述压缩再循环流或其一部分与所述天然气进料流分开地且并行地至少部分地液化，以形成第二至少部分地液化的富氮天然气流，并且从所述主热交换器的冷端抽出所述第二至少部分地液化的富氮天然气流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括使所述经冷却和至少部分地液化的流膨胀和部分地蒸发，以及使所述流在相分离器中分离成蒸气相和液体相，以形成所述富氮天然气蒸气流和所述脱氮天然气液体流。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括使所述第二液化天然气流膨胀，将经膨胀流传输到液化天然气存储罐中，在所述液化天然气存储罐中，所述液化天然气的一部分蒸发，从而形成所述富氮天然气蒸气和所述脱氮液化天然气产物。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括使所述第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，以及使所述流在相分离器中分离成蒸气相和液体相，以形成所述富氮蒸气产物和所述第二液化天然气流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(e)进一步包括使所述第一液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以产生额外的脱氮液化天然气产物和额外的富氮天然气蒸气。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括使所述第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，将所述流引入到蒸馏塔中，以使所述流分离成蒸气相和液体相，用抽出自所述蒸馏塔的塔顶蒸气形成所述富氮蒸气产物，以及用抽出自所述蒸馏塔的塔底液体形成所述第二液化天然气流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(e)进一步包括使所述第一液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以产生额外的脱氮液化天然气产物和额外的富氮天然气蒸气。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(d)进一步包括使所述第一液化天然气流膨胀和部分地蒸发，以及将所述流引入到所述蒸馏塔中，以使所述流分离成蒸气相和液体相，所述第一液化天然气流在将所述第一至少部分地液化富氮天然气流引入到所述蒸馏塔中的位置处下方的位置引入到所述蒸馏塔中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一液化天然气流在所述塔的中间位置处引入到所述蒸馏塔中，并且通过在所述第一液化天然气流引入到所述蒸馏塔中之前，使所述塔底液体的一部分在再沸器热交换器中与所述第一液化天然气流进行间接热交换而加热和蒸发，来对所述蒸馏塔提供沸腾。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一液化天然气流引入到所述蒸馏塔的底部中。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过在所述第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到所述蒸馏塔中之前，使所述塔底液体的一部分在再沸器热交换器中与所有所述流或其一部分进行间接热交换而加热和蒸发，来对所述蒸馏塔提供沸腾。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
步骤(b)包括使所述经冷却和至少部分地液化的流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成所述富氮天然气蒸气流、由富氮天然气蒸气组成的汽提气流，以及所述脱氮天然气液体流；以及
步骤(d)进一步包括将所述汽提气流引入到所述蒸馏塔的底部中。
16.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括使所述第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，以及将所述流引入到蒸馏塔中，以使所述流分离成蒸气相和液体相，使所述第二至少部分地液化的富氮天然气流膨胀和部分地蒸发，以及将所述流引入到所述蒸馏塔中，以使所述流分离成蒸气相和液体相，用抽出自所述蒸馏塔的塔顶蒸气形成所述富氮蒸气产物，以及用抽出自所述蒸馏塔的塔底液体形成所述第二液化天然气流。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二至少部分地液化的富氮天然气流引入到所述蒸馏塔的顶部中。
18.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一至少部分地液化的富氮天然气流引入到所述蒸馏塔的顶部中。
19.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过使来自所述蒸馏塔的塔顶蒸气的一部分在冷凝器热交换器中冷凝，来对所述蒸馏塔提供逆流。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，通过使抽出自所述蒸馏塔的塔顶蒸气升温，来对所述冷凝器热交换器提供制冷作用。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，闭环制冷系统对所述冷凝器热交换器提供制冷作用，所述闭环制冷系统同样对所述主热交换器提供制冷作用，由所述闭环制冷系统循环的制冷剂传送通过所述冷凝器热交换器且在所述冷凝器热交换器中升温。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，闭环制冷系统对所述主热交换器提供制冷作用，由所述闭环制冷系统循环的制冷剂传送通过所述主热交换器且在所述主热交换器中升温。
23.一种用于产生脱氮液化天然气产物的设备，所述设备包括：
主热交换器，其具有(i)第一冷却通道，其从所述热交换器的暖端延伸到所述热交换器的中间位置，以接收天然气进料流，以及使所述流冷却和至少部分地液化，以便产生经冷却和至少部分地液化的流，(ii)第二冷却通道，其从所述热交换器的中间位置延伸到所述热交换器的冷端，以接收和进一步冷却脱氮天然气液体流，以形成第一液化天然气流，以及(iii)第三冷却通道从所述热交换器的中间位置延伸到所述热交换器的冷端，以接收富氮天然气蒸气流，以及进一步与所述脱氮天然气液体流分开地且并行地冷却富氮天然气蒸气流，以形成第一至少部分地液化的富氮天然气流；
制冷系统，其用于对所述主热交换器供应制冷剂，以冷却所述冷却通道；
与所述主热交换器处于流体流连通的第一分离系统，其用于(i)接收来自所述主热交换器的第一冷却通道的经冷却和至少部分地液化的流，(ii)使所述流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成所述富氮天然气蒸气流和所述脱氮天然气液体流，以及(iii)使所述液体和蒸气流分别回到所述主热交换器的第二冷却通道和第三冷却通道；
与所述主热交换器处于流体流连通的第二分离系统，其用于接收所述第一至少部分地液化的富氮天然气流、使所述第一至少部分地液化的富氮天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成富氮蒸气产物和第二液化天然气流；以及
与所述第二分离系统处于流体流连通的第三分离系统，其用于接收所述第二液化天然气流、使所述第二液化天然气流膨胀、部分地蒸发和分离，以形成脱氮液化天然气产物和富氮天然气蒸气。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括压缩机系统，所述压缩机系统与所述第三分离系统和主热交换器处于流体流连通，以接收来自所述第三分离系统的由所述富氮天然气蒸气或其一部分形成的再循环流，压缩所述再循环流，以形成压缩再循环流，以及使所述压缩再循环流回到所述主热交换器，以使所述压缩再循环流与所述天然气进料流共同或分开地冷却和至少部分地液化。
25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述制冷系统是闭环制冷系统，所述第一分离系统包括膨胀装置和相分离器，所述第二分离系统包括膨胀装置和相分离器或蒸馏塔，并且所述第三分离系统包括膨胀装置和液化天然气罐。
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