CN106461320A - 使用优化的混合制冷剂系统的液化天然气设施 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于用单一混合制冷剂、闭环制冷循环生产液化天然气(LNG)的工艺和系统。根据本发明的实施例配置的液化天然气设施包含经优化以按最小额外装备或费用提供增加的效率和增强的可操作性的制冷循环。

Description

使用优化的混合制冷剂系统的液化天然气设施
技术领域
本发明的一个或多个实施例大体涉及用于通过单一闭环混合制冷剂循环冷却馈入气流的系统和工艺。
背景技术
近年来，天然气已变为广泛使用的燃料源。除了其清洁燃烧质量和方便性之外，开发和生产技术的进展也已准许先前不能达到的气体储备变得可行。因为这些先前不可达到的天然气源中的许多在远处且未通过管线连接到商业市场或基础设施，所以天然气的低温液化以为了输送和存储已变得日益重要。此外，液化准许天然气的长期存储，这可帮助抵消供求的周期性波动。
当前在实践中有若干用于液化天然气的方法。虽然每一设施的具体配置和/或操作可取决于(例如)使用的制冷系统的类型、馈入气体的速率和组成和其它因素而变化，但多数商业设施大体包含类似的基本组件。举例来说，多数设施通常包含用于从传入的气流去除一种或多种杂质的预处理区域、用于液化气流的液化地带、用于对液化地带提供制冷的制冷系统，和用于接收、存储和输送最终液化产物的存储和/或装载区域。总体上，建构和操作这些设施的成本可广泛地变化，但一般来说，工厂的制冷部分的成本可占到设施的总成本的高达百分之30或更多。
因此，存在对于能够有效率地按所要的容量但用最少量的设备生产液化气产物的优化的制冷系统的需求。理想地，制冷系统将既稳固又操作灵活，以便处置馈入气体组成和流动速率的变化，同时仍然需要最小量的资金支出和按最低可能成本的操作。
发明内容
本发明的一个实施例关于一种用于生产液化天然气(LNG)的工艺。所述工艺包括以下步骤：(a)在第一热交换器中冷却天然气流以提供经冷却的天然气流；(b)压缩混合制冷剂流以提供经压缩的制冷剂流；(c)冷却和至少部分冷凝所述经压缩的制冷剂流以提供两相制冷剂流；(d)在第一蒸气液体分离器中将所述两相制冷剂流分离成第一制冷剂蒸气流和第一制冷剂液体流；(e)组合从所述第一蒸气液体分离器取出的所述第一制冷剂蒸气流的至少一部分与所述第一制冷剂液体流的至少一部分以提供经组合制冷剂流；(f)冷却所述经组合制冷剂流的至少一部分以提供经冷却的经组合制冷剂流；(g)在第二蒸气液体分离器中将所述经冷却的组合制冷剂流分离成第二制冷剂蒸气流和第二制冷剂液体流；(h)将所述第二制冷剂液体流分成第一制冷剂液体部分和第二制冷剂液体部分；(i)冷却所述第一制冷剂液体部分的至少一部分和第二制冷剂液体部分的至少一部分以提供相应的第一经冷却的液体制冷剂部分和第二经冷却的液体制冷剂部分；以及(j)将所述第一经冷却的液体制冷剂部分和所述第二经冷却的液体制冷剂部分引入到所述第一热交换器的单独入口，其中所述第一经冷却的液体制冷剂部分和所述第二经冷却的液体制冷剂部分用以进行步骤(a)的所述冷却的至少一部分。
本发明的另一实施例关于一种用于生产液化气流的工艺。所述工艺包括以下步骤：(a)在压缩机的第一压缩级中压缩混合制冷剂流以提供第一经压缩的制冷剂流；(b)冷却和至少部分冷凝所述第一经压缩的制冷剂流以提供经冷却的经压缩的制冷剂流；(c)将所述经冷却的经压缩的制冷剂流分离成第一制冷剂蒸气流和第一制冷剂液体流；(d)在所述压缩机的第二压缩级中压缩所述第一制冷剂蒸气流以提供第二经压缩制冷剂流；(e)冷却和至少部分冷凝所述第二经压缩制冷剂流的至少一部分以提供经部分冷凝的制冷剂流；(f)将所述经部分冷凝的制冷剂分离成第二制冷剂蒸气流、第二制冷剂液体流和第三制冷剂液体流；(g)冷却所述第二制冷剂液体流和所述第三制冷剂液体流以提供相应的经冷却的第二制冷剂液体流和经冷却的第三制冷剂液体流；(h)膨胀所述经冷却的第二制冷剂液体流和经冷却的第三制冷剂液体流中的至少一个以提供至少一个经冷却的经膨胀的制冷剂流；(i)经由与所述至少一个经冷却的经膨胀的制冷剂流的间接热交换来冷却馈入气流以提供经冷却的馈入气流和至少一个经升温的制冷剂流。
本发明的又一实施例关于一种用于冷却天然气流的系统。所述系统包括用于冷却天然气进料流的第一热交换器。所述第一热交换器包括具有馈入气体入口和凉天然气出口的第一冷却通道、用于接收和冷却第一制冷剂液体流的第二冷却通道，其中所述第二冷却通道具有第一温制冷剂入口和第一凉制冷剂出口；第三冷却通道，其用于接收和冷却第二制冷剂液体流，其中所述第三冷却通道具有第二温制冷剂入口和第二凉制冷剂出口；第一升温通道，其用于接收和升温经冷却的第一制冷剂流，其中所述第一升温通道具有第一凉制冷剂入口和第一温制冷剂出口；以及第二升温通道，其用于接收和升温经冷却的第二制冷剂液体流，其中所述第二升温通道具有第二凉制冷剂入口和第二温制冷剂出口。所述第二冷却通道的所述第一凉制冷剂出口与所述第一升温通道的所述第一凉制冷剂入口流体流连通，且所述第三冷却通道的所述第二凉制冷剂出口与所述第二升温通道的所述第二凉制冷剂入口流体流连通。所述系统还包括至少一个压缩机，用于接收和加压混合制冷剂流。所述压缩机具有低压入口和高压出口，且所述低压入口与所述第一升温通道的所述第一温制冷剂出口和所述第二升温通道的所述第二温制冷剂出口中的至少一个流体流连通。所述系统还包括第一冷却器，用于冷却经加压的所述混合制冷剂流。所述第一冷却器具有第一温流体入口和第一凉流体出口，且所述第一温流体入口与所述压缩机的所述高压出口流体流连通。所述系统还包括第一蒸气液体分离器，用于分离所述经冷却的制冷剂流的一部分。所述蒸气液体分离器包括第一流体入口、第一蒸气出口和第一液体出口，且所述第一蒸气液体分离器的所述第一流体入口与所述第一冷却器的所述凉流体出口流体流连通。所述系统还包括第一液体管道，用于输送离开所述第一蒸气液体分离器的所述液体的至少一部分。所述第一液体管道具有制冷剂液体入口和一对制冷剂液体出口。所述制冷剂液体入口与所述第一蒸气液体分离器的所述第一液体出口流体流连通。所述一对制冷剂液体出口中的一个与所述第二冷却通道的所述第一温制冷剂入口流体流连通，且所述一对制冷剂液体出口中的另一个与所述第三冷却通道的所述第二温制冷剂入口流体流连通。
附图说明
下文将参看附图详细描述本发明的各种实施例，其中：
图1提供根据本发明的一个实施例配置的液化天然气(LNG)设施的示意性描绘，特别说明优化的混合制冷剂系统；
图2提供根据本发明的另一实施例配置的液化天然气(LNG)设施的示意性描绘，其类似于图1中所描绘的实施例，但包含用于再循环制冷剂液体的方法；和
图3提供根据本发明的另一实施例配置的液化天然气(LNG)设施的示意性描绘，其类似于图1中所描绘的实施例，但包含用于再循环制冷剂液体的另一方法。
具体实施方式
本发明的实施例的以下详细描述参考了附图。希望实施例足够详细地描述本发明的方面以使所属领域的技术人员能够实践本发明。可利用其它实施例并且可在不脱离权利要求书的范围的情况下进行改变。因此，不应按限制性意义来看待以下详细描述。本发明的范围仅由所附的权利要求书连同此权利要求书所授权的等效物的完整范围来定义。
本发明大体涉及用于液化天然气原料流以由此提供液化天然气(LNG)产物的工艺和系统。确切地说，本发明涉及用于冷却传入的气体的优化的制冷工艺和系统。如以下进一步详细地描述，可冷却和用使用单一混合制冷剂的闭环制冷系统至少部分冷凝传入的馈入气流。根据本发明的各种实施例，可优化制冷系统以提供用于馈入气流的有效率的冷却，同时使与装备相关联的费用和设施的操作成本最小化。
首先参看图1，LNG生产设施10的一个实施例被示出为包括闭环混合制冷剂制冷系统12和气体分离地带14。如图1中所示，管道110中的传入馈入气流可在被分离且进一步在气体分离地带14中冷却之前在制冷循环12的主要热交换器16中被冷却和被至少部分冷凝，以提供LNG产物。以下参看图1来描述根据本发明的各种实施例的关于LNG设施10的配置和操作的额外细节。
如图1所示，可经由管道110将馈入气流引入到LNG设施10内。管道110中的传入气流可为需要冷却的任何气流，并且，在一些实施例中，可为源自一种或多种气体源(未示出)的天然气进料流。合适气体源的实例可包含(但不限于)天然来源，例如，地层和石油生产井，和/或改进单元，例如，流化催化裂化器、石油炼焦器或重油处理单元(例如，油砂质量改善装置)。取决于馈入气流的来源和组成，LNG设施10可包含在主要热交换器16上游的一个或多个额外处理单元或地带(未示出)，用于从馈入气流去除不想要的组分(在馈入气流的液化前)，例如，水、硫、汞、氮和重(C6 +)烃材料。
根据一个实施例，管道110中的馈入气流可基于流的总重量而包括至少约65重量百分比、至少约75重量百分比、至少约85重量百分比、至少约95重量百分比、至少99重量百分比的甲烷。通常，较重组分(例如，C2、C3和较重烃)和微量组分(例如，氢和氮)可组成馈入气流的组成的其余部分。如先前所论述，管道110中的流可已经历一个或多个预处理步骤以从馈入气流减少除甲烷外的一种或多种组分的量或去除除甲烷外的一种或多种组分。在一个实施例中，管道110中的馈入气流包括小于约25％、小于约20％、小于约15％、小于约10％或小于约5％的除甲烷外的组分。取决于馈入气流的来源和组成，在预处理步骤中去除的不当组分可包含(但不限于)水、汞、含硫化合物和其它材料。
如图1中所示，可将管道110中的馈入气流引入到主要热交换器16的第一冷却通道18内，其中可以经由与至少一个尚待论述的混合制冷剂流的间接热交换来冷却和至少部分冷凝该流。在本文中和在所附权利要求书中所使用的例如“第一”、“第二”和“第三”等的术语是用以描述本发明的系统和工艺的各种要素的，且此类要素不应受到这些术语限制。这些术语仅用以区分一个要素与另一个要素且未必暗示具体次序或甚至具体要素。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，可在描述中将一个要素视作“第一”要素并且在权利要求书中视作“第二”要素。在描述和每项独立权利要求中维持一致性，但是此术语未必希望在其间是一致的。
图1中示出的主要热交换器16可为任何类型的热交换器，或一系列热交换器，其可操作以冷却和至少部分冷凝管道110中的馈入气流。举例来说，在一些实施例中，主要热交换器16可为铜焊铝热交换器，其包括安置于该交换器内的多个升温通道和冷却通道(例如，核心)，该交换器被配置以有助于一个或多个工艺物料流与一个或多个制冷剂流之间的间接热交换。在一些实施例中，升温通道和/或冷却通道中的一个或多个可交替地界定于安置于交换器16的外部“壳”内的多个板之间。应理解，虽然在图1中大体示出为包括单一壳，但在一些实施例中，主要热交换器16可包括由“冷盒”任选地涵盖的两个或更多个单独壳以最小化到周围环境的热损失。主要热交换器16的其它类型或配置也可为合适的，且预期在本发明的范围内。
返回参看图1，可随后将经由管道112从主要热交换器16的冷却通道18取出的经冷却的两相流引入到蒸气液体分离器20内。分离器20可为任何合适类型的蒸气液体分离容器且可包含任何数目个实际或理论分离级。在一个实施例中，蒸气液体分离容器可包括单一分离级，而在其它实施例中，分离容器20可包含至少约2个、至少约5个、至少约10个和/或不大于约50个、不大于约40个、不大于约25个实际或理论分离级。分离器20可包含任何合适类型的柱状内部件，包含(例如)除雾器、网垫、蒸气液体接触盘、随机填料和/或结构化填料以便有助于蒸气与液体流之间的热量和/或质量转移。在一些实施例中，当分离器20包括单级分离容器时，可以使用极少柱状内部件或不使用柱状内部件。另外，气体分离地带14可包含与分离器20并联或串联布置的一个或多个其它分离容器(未示出)。当气体分离地带14包含一个或多个额外蒸气液体分离器时，该额外分离器中的每一个可类似于或不同于分离器20来配置。
如图1中所示，分离器20可将管道112中的两相流体流分离成管道114中的过顶蒸气流和管道116中的底部液体流。通常，经由管道114从分离器20取出的过顶蒸气流可富含甲烷和较轻组分，而管道116中的底部液体流可为富含一种或多种较重组分(例如，乙烷、丙烷和其它者)的缺乏甲烷的流。在一些实施例中，管道116中的底部液体流可回收为单独的天然气液体(NGL)产物流，且可经受进一步的下游加工和/或分离(未示出)。
如图1中所描绘的一个实施例中所示出的，可将经由管道114从分离器20取出的过顶蒸气流导引到主要热交换器16的第二天然气冷却通道22内。在冷却通道22中，可经由与一个或多个尚待论述的制冷剂流的间接热交换来进一步冷却、冷凝和任选地过冷却经冷却的气流。如图1中所示，所得过冷却的LNG产物流可经由管道118从主要热交换器16取出。在一些实施例中，管道118中的LNG产物流可具有在从约200℉到约290℉、约220℉到约280℉或约240℉到约275℉的范围中的温度，和/或具有绝对压强小于约50、绝对压强小于约40、绝对压强小于约30或绝对压强小于约20的压力。虽未在图1中示出，但LNG设施10还可以包含在主要热交换器16下游的额外处理单元和/或存储设施以进一步处理、分离和/或存储管道118中的LNG产物流。在一些实施例中，可将LNG产物的至少一部分从LNG设施10输送到一个或多个单独的设施(未示出)，供随后存储、处理和/或使用。
现在来看图1中所描绘的LNG设施10的制冷系统12的实施例，制冷循环12示出为大体上包含制冷剂吸鼓28、多级制冷剂压缩机30、级间冷却器32、级间蓄压器34、级间制冷剂泵36、制冷剂冷凝器38、制冷剂蓄压器40和制冷剂泵42。另外，制冷系统12包含一对制冷剂冷却通道52与58和一对制冷剂升温通道56与62，每一者分别具有安置于冷却通道52与升温通道56和冷却通道58与升温通道62之间的膨胀装置54和60。
根据本发明的一个实施例，在闭环制冷循环12中使用的制冷剂可为混合制冷剂。如本文中所使用，术语“混合制冷剂”指包括两种或更多种成分的制冷剂组合物。在一个实施例中，由制冷循环12使用的混合制冷剂可为单一混合制冷剂且可包括选自由以下各者组成的群组的两种或更多种组分：甲烷、乙烯、乙烷、丙二醇、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷和其组合。在一些实施例中，制冷剂组合物可包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和异戊烷，且可不包括包含(例如)氮或卤代烃的某些组分。根据本发明的实施例，可以预料到各种具体制冷剂组成。下表1总结了根据本发明的各种实施例的可适合于在制冷剂循环12中使用的制冷剂混合物中所使用的若干示范性组分的宽、中等和窄范围。
表1：示范性混合制冷剂组成
在本发明的一些实施例中，可能需要调整混合制冷剂的组成以由此更改其冷却曲线，并且因此改变其制冷潜能。例如，可利用此修改以适应被引入到LNG设施10内的馈入气流的组成和/或流动速率的改变。在一个实施例中，可调整混合制冷剂的组成，使得蒸发的制冷剂的加热曲线更紧密匹配馈入气流的冷却曲线。美国专利第4,033,735号详细地描述了此曲线匹配的一个方法，此专利的揭示内容的全部且在与本发明一致的程度上以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，更改制冷剂的组成和因此更改加热曲线的能力为设施提供增大的灵活性和可操作性，从而使其能够接收且有效率地处理具有较宽泛的多种气体组成的进料流。
再次参照在图1中的设施10的实施例中示出的制冷循环12，可将管道120中的混合制冷剂的流引入到制冷剂吸鼓28的流体入口内，其中可从蒸气相分离任何存在的液体。当存在时，液体可接着从吸鼓28的下部液体出口被取出且可返回到循环系统(未展示)。如图1中所示，混合制冷剂的蒸气相流可从吸鼓28的上部蒸气出口被取出且被导引到多级压缩机30的低压压缩级44的低压入口。多级压缩机30可为适合于增大闭环混合制冷循环12中的混合制冷剂的压力的任何类型的压缩机。虽然图1中示出大体上包括两个压缩级，但根据本发明的其它实施例，多级压缩机30可包含三个或更多个级。
如图1中所示，可将经由管道126从制冷剂压缩机30的低压压缩级44的中压出口取出的经压缩的制冷剂流导引到级间冷却器32的温流体入口，其中可经由与至少一个冷却剂流(例如，空气或冷却水)的间接热交换来冷却和至少部分冷凝所述流。可接着将管道128中的所得两相制冷剂流导引到级间蓄压器34，其中可分开蒸气相位与液体相位。如图1中所示，可将经由管道132从级间蓄压器34取出的蒸气流引入到多级压缩机的高压压缩级46的中压入口内，高压压缩级46可经由轴杆48连接到低压压缩级44。在高压压缩级46中，混合制冷剂流可在从高压压缩级46的高压出口排放到管道134前被进一步压缩。另外，如图1中示出的实施例中所描绘，可经由制冷剂泵36将经由管道130从级间蓄压器34取出的制冷剂流的液体部分抽汲到较高压力，然后与管道134中的经压缩的制冷剂流组合。在一个实施例中，在两个流的组合前，管道136中的从制冷剂泵36排放的液流的压力可在管道134中的蒸气流的压力的约100磅/平方英寸内、约50磅/平方英寸内、约20磅/平方英寸内、约10磅/平方英寸内或约5磅/平方英寸内。
管道138中的经组合的制冷剂流可接着被引入到制冷剂冷凝器38内，其中可经由与冷却剂流(例如，冷却水)的间接热交换来冷却和至少部分冷凝所述流。接着可将管道140中的所得经冷却且至少部分经冷凝的制冷剂流引入到制冷剂蓄压器40内，其中可分开蒸气相位与液体相位。如图1所示，管道142中的蒸气相制冷剂流可被取出且与尚待论述的液体制冷剂流组合，然后被引入到主要热交换器16内。
根据本发明的一个实施例，可经由制冷剂泵40对经由管道144从制冷剂蓄压器40取出的液体制冷剂流加压，且可使排放到管道146内的所得流穿过划分装置50，所述划分装置可被配置以将经加压液体制冷剂分成管道148和管道150中的两个单独的部分。如图1所示，划分装置50并非蒸气液体分离器，而取而代之，可为被配置以将管道146中的液体流分成具有类似组成和状态的两个流的任一装置。管道148与管道150中的个别流的流动速率可类似或不同。举例来说，在一些实施例中，管道148中的流的质量流率对管道150中的流的质量流率的比率可以是至少约0.5:1、至少约0.75:1、至少约0.95:1和/或不大于约2:1、不大于约1.75:1、不大于约1.5:1、不大于约1.25:1。在相同或其它实施例中，管道148中的流的质量流率对管道150中的流的质量流率的比率可为大致1:1。
如图1所示，管道148中的液体制冷剂流的第一部分可与从管道142中的制冷剂蓄压器40取出的蒸气相制冷剂流组合。可控制引入到管道142和/或管道148内的蒸气和/或液体的量以达成引入到安置于主要热交换器16内的制冷剂冷却通道58内的蒸气对液体的所要的比率。在一个实施例中，引入到冷却通道58内的组合流可具有至少约0.45、至少约0.55、至少约0.65和/或不大于约0.95、不大于约0.90、不大于约0.85的蒸气部分。虽然仅示出为在被引入到冷却通道58内前组合，但应理解，管道148中的液体流与管道142中的蒸气相制冷剂流可替代地在主要热交换器16内组合或可在处于热交换器16的更远上游的不同位置处组合，以使得可经由在主要热交换器16外部的通常管道(图1中未示出的实施例)将组合流引入到冷却通道58内。
如图1所示，被引入到主要热交换器16内的经组合制冷剂流垂直向下下降通过冷却通道58，其中可经由与一个或多个制冷剂流的热交换而冷却和冷凝该经组合制冷剂流。所得经冷凝和过冷却的液体流可经由管道158从主要热交换器16的下部部分被取出。如图1所示，可接着使管道158中的液体制冷剂流穿过膨胀装置60，其中可减小所述流的压力以由此闪现其一部分。可接着将管道160中的所得经冷却的两相流引入到制冷剂升温通道62内，其中所述流可在其垂直向上上升通过主要热交换器16时升温。随着上升的制冷剂流升温，其可对如先前所描述的正被冷却的流中的一个或多个提供制冷。
根据本发明的一个实施例，经由管道150从制冷剂蓄压器40取出的液体制冷剂流的第二部分可以被独立地引入到安置于主要热交换器16内的第二制冷剂冷却通道52内。随着液体流垂直向下行进通过冷却通道52，该液体流经由与一个或多个制冷剂流的间接热交换而被冷却和冷凝。可接着使冷却通道52中离开管道152的所得液体制冷剂流穿过膨胀装置54，其中可减小所述流的压力以由此闪现所述流的一部分。虽然在图1中大体描绘为膨胀阀或焦耳-汤普森(JT)阀，但还应理解，膨胀装置54可包括任何合适类型的膨胀器，包含(例如)JT孔口或涡轮膨胀器(未示出)。类似地，在一些实施例中，膨胀装置54可包含并联或串联布置的两个或更多个膨胀装置，其被配置以减小管道152中的液体制冷剂流的压力。
可接着将管道154中的所得经冷却的两相制冷剂流再引入到主要热交换器16的另一制冷剂升温通道56内，其中可升温所述流以由此对正在主要热交换器16中冷却的一个或多个其它流体流提供制冷，该其他流体流包含在相应的冷却通道52和58中的管道150和158中的制冷剂流、在冷却通道18中的管道110中的天然气进料流和/或在冷却通道22中的管道114中的过顶蒸气流。
根据图1中所描绘的一个实施例，制冷剂冷却通道52的总长度可小于制冷剂冷却通道58的总长度。因此，与从制冷剂冷却通道58取出的经冷却的制冷剂流相比，经由管道152离开制冷剂冷却通道52的经冷却的制冷剂流可沿着主要热交换器16的高度从较高的垂直高度被取出。举例来说，在图1中所描绘的一个实施例中，可从主要交换器16的垂直中点取出离开制冷剂冷却通道52的经冷却的制冷剂流，而可从定位于主要交换器16的下部垂直端附近的出口取出离开制冷剂冷却通道58的经冷却的制冷剂流。根据一个实施例，制冷剂冷却通道52的总长度对制冷剂冷却通道58的总长度的比率可以是至少约0.15:1、至少约0.25:1、至少约0.35:1和/或不大于约0.75:1、不大于约0.65:1、不大于约0.50:1，或在从约0.15:1到约0.75:1、约0.25:1到约0.65:1或约0.25:1到约0.50:1的范围中。在相同或其它实施例中，制冷剂冷却通道52的总长度对主要热交换器16的总高度(即，垂直尺寸)的比率可以是至少约0.15:1、至少约0.25:1、至少约0.35:1和/或不大于约0.75:1、不大于约0.65:1、不大于约0.55:1，而冷却通道58的总长度对主要热交换器16的总高度的比率可为约1:1。
如图1所示，可经由管道162从升温通道62取出可具有至少约0.85、至少约0.90、至少约0.95的蒸气部分的第一经升温的混合制冷剂流，且可经由管道156从升温通道58取出具有类似蒸气部分的第二经升温的制冷剂流。根据图1中所描绘的一个实施例，可接着组合经升温的制冷剂流的两个流，且其后可将管道120中的所得流再循环到制冷剂吸鼓28的入口，如先前详细地描述。
现在来看图2，说明LNG设施10的另一实施例。图2中示出的LNG设施10的实施例类似于图1中描绘的实施例，但包含制冷系统12的各种组件的不同配置。图2中示出的LNG设施10的主要组件与图1中所描绘的那些组件有相同的附图标记。现将在下文详细地描述图2中说明的LNG设施10的操作，因为其与先前关于图1论述的操作不同。
如图2所示，被引入到制冷剂吸鼓28内的管道120中的混合制冷剂流可以被分离成管道124中的过顶蒸气流和管道122中的底部液体流。根据图2中所描绘的实施例，可经由制冷剂泵64来对从制冷剂吸鼓28取出的在管道122中的底部液体流加压，且可接着将管道123中的所得流与管道138中的两相制冷剂流组合。其后，可将管道138中的经组合制冷剂流引入到制冷剂冷凝器38，且所得经冷却的流可接着穿过制冷循环12的其余部分，如先前关于图1详细地论述。在一个实施例(图2中未示出)中，可以将管道123中的经加压液体底部流与管道134中离开高压压缩级46的经压缩的蒸气制冷剂流组合，以产生经组合流，随后可将该经组合流与管道136中的从级间泵36排放的经加压液体相制冷剂流组合。
根据一个实施例，将制冷剂泵64添加到制冷吸鼓28的下部液体管道122，可准许制冷循环12利用具有与适合于在图1中展示的LNG设施10的实施例中使用的制冷剂不同的组成的制冷剂。确切地说，如在图2中所描绘的LNG设施10的实施例中所示出的，使用制冷液体回收管道123可允许制冷循环12使用这样的混合制冷剂：与在图1所示的LNG设施10中所利用的混合制冷剂相比，该混合制冷剂包含更高浓度的重烃。如先前所描述，可能需要更改在制冷循环12中使用的混合制冷剂的组成以(例如)适应馈入气流的组成的改变，且更紧密地匹配混合制冷剂的加热曲线与天然气流的冷却曲线。在一些实施例中，利用选择变化组成的混合制冷剂(包括具有较高量的较重组分的那些制冷剂组成)可对根据本发明的实施例配置的LNG设施赋予甚至更多的操作灵活性。
现在转到图3，说明LNG设施10的又一实施例。图3中示出的LNG设施10的实施例类似于图1中描绘的实施例，但包含制冷系统12的各种组件的不同配置。图3中示出的LNG设施10的主要组件与图1中所描绘的那些组件有相同的附图标记。现将描述图3中说明的LNG设施10的操作，因为其与先前关于图1论述的操作不同。
如图3中所示，可经由相应管道156和管道162从制冷剂升温通道56和制冷剂升温通道62取出经升温的混合制冷剂的两个流。与图1中所示的实施例中展示加以组合不同，管道156和管道162中的经升温的制冷剂流保持分开，如在图3中所示的LNG设施10的实施例中所示出的。如图3所示，管道156中的经升温的制冷剂蒸气流被导引到制冷剂分离器68的流体入口，其中可将蒸气与液体部分相互分开，管道156中的经升温的制冷剂蒸气流具有比管道162中的经升温的制冷剂蒸气流暖至少约25℉、至少约50℉、至少约75℉和/或不大于约150℉、不大于约125℉、不大于约100℉的温度。制冷剂分离器68可为任何合适类型的蒸气液体分离器，且可任选地包含先前关于分离器20详细描述的一个或多个塔内部件(towerinternals)。
如图3所示，引入到制冷剂分离器68内的经升温的制冷剂流的液体部分可经由管道166从分离器68取出，且经由制冷剂泵70被抽汲到较高压力。可接着将管道168中的所得经加压的液体制冷剂流与管道138中的先前论述的两相经加压的制冷剂流组合。可接着将管道139中的所得经组合制冷剂流引入到制冷剂冷凝器38内，其中在继续通过如先前关于图1所描述的制冷循环12的其余部分前，冷却和至少部分冷凝所述流。
再次参看图3，引入到制冷剂分离器68内的经升温的制冷剂流的蒸气部分可经由管道164从分离器68的上部部分取出且与管道162中的从制冷剂升温通道62取出的第二经升温的制冷剂流组合。可接着将管道120中的所得经组合蒸气相制冷剂流导引到制冷剂吸鼓28的入口，其中可将所述流分离成经由相应管道124和管道122从鼓28取出的蒸气部分与液体部分，如图3中所展示。其后，蒸气部分和液体部分中的每一个可继续通过如先前关于图1详细论述的制冷循环12的其余部分。
虽然本文中关于液化天然气流来描述，但还应理解，本发明的工艺和系统也可适合于在其它气体处理和分离应用中使用，包含(但不限于)乙烷回收和液化、天然气液体(NGL)的回收、合成气分离和甲烷回收，和来自各种含烃气流的氮和/或氧的冷却与分离。
以上描述的本发明的优选形式仅用作说明，并且不应按限制性意义使用以解释本发明的范围。在不脱离本发明的精神的情况下，所属领域的技术人员可易于进行对上文阐述的示范性的一个实施例的明显修改。本发明人特此将其意图声明为依赖于等效物原则来确定和评估合理公平的本发明的范围，因为关于实质上未脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的文字范围但是在所述文字范围之外的任何设备。

Claims (29)

1.一种用于生产液化天然气(LNG)的工艺，所述工艺包括：
(a)在第一热交换器中冷却天然气流以提供经冷却的天然气流；
(b)压缩混合制冷剂流以提供经压缩的制冷剂流；
(c)冷却并至少部分冷凝所述经压缩的制冷剂流，以提供两相制冷剂流；
(d)在第一蒸气液体分离器中将所述两相制冷剂流分离成第一制冷剂蒸气流和第一制冷剂液体流；
(e)将从所述第一蒸气液体分离器取出的所述第一制冷剂蒸气流的至少一部分与所述第一制冷剂液体流的至少一部分组合，以提供经组合的制冷剂流；
(f)冷却所述经组合的制冷剂流的至少一部分，以提供经冷却的经组合的制冷剂流；
(g)在第二蒸气液体分离器中将所述经冷却的经组合的制冷剂流分离成第二制冷剂蒸气流和第二制冷剂液体流；
(h)将所述第二制冷剂液体流分成第一制冷剂液体部分和第二制冷剂液体部分；
(i)冷却所述第一制冷剂液体部分的至少一部分和第二制冷剂液体部分的至少一部分，以提供相应的第一经冷却的液体制冷剂部分和第二经冷却的液体制冷剂部分；以及
(j)将所述第一经冷却的液体制冷剂部分和所述第二经冷却的液体制冷剂部分引入到所述第一热交换器的单独入口，
其中所述第一经冷却的液体制冷剂部分和所述第二经冷却的液体制冷剂部分被用来完成步骤(a)的所述冷却的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括：在步骤(b)的所述压缩之前，在第三蒸气-液体分离器中分离混合制冷剂流的流，以提供蒸气相的混合制冷剂流和液体相的混合制冷剂流，其中在步骤(b)中被压缩的所述混合制冷剂流包括从所述第三蒸气-液体分离器取出的所述蒸气相的混合制冷剂流的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的工艺，进一步包括：在步骤(f)的所述冷却之前，将从所述第三蒸气-液体分离器取出的所述液体相的混合制冷剂流的至少一部分与所述经组合的制冷剂流的至少一部分组合。
4.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括：在步骤(a)的所述冷却之后，从所述第一热交换器取出第一经升温制冷剂流和第二经升温制冷剂流，其中在步骤(b)中被压缩的所述混合制冷剂流包括所述第一经升温制冷剂流的至少一部分和所述第二经升温制冷剂流的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的工艺，进一步包括：将所述第一经升温制冷剂流与所述第二经升温制冷剂流组合，以提供经组合的经升温制冷剂流，其中在步骤(b)中被压缩的所述混合制冷剂流包括所述经组合的经升温制冷剂流的至少一部分。
6.根据权利要求4所述的工艺，进一步包括：在第四蒸气液体分离器中将所述第一经升温制冷剂流分离成第一经升温制冷剂蒸气流和第一经升温制冷剂液体流，其中在步骤(b)中被压缩的所述混合制冷剂流包括所述第一经升温制冷剂蒸气流的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的工艺，进一步包括：将所述第一经升温制冷剂蒸气流与所述第二经升温制冷剂流组合，以提供经组合的制冷剂蒸气流，其中在步骤(b)中被压缩的所述混合制冷剂流包括所述经组合的制冷剂蒸气流的至少一部分。
8.根据权利要求6所述的工艺，进一步包括：在步骤(f)的所述冷却之前，将所述第一经升温制冷剂液体流的至少一部分与所述经组合的制冷剂流的至少一部分组合。
9.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括：压缩从所述第一蒸气-液体分离器取出的所述第一制冷剂蒸气流的至少一部分，以提供第一经压缩制冷剂蒸气流，其中在步骤(e)中与所述第一制冷剂液体流组合的所述第一制冷剂蒸气流包括所述第一经压缩蒸气流。
10.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括：膨胀所述第一经冷却的液体制冷剂部分和所述第二经冷却的液体制冷剂部分，以提供相应的第一经膨胀的制冷剂部分和第二经膨胀的制冷剂部分，其中在步骤(j)中被引入到所述第一热交换器内的所述第一经冷却的液体制冷剂流和所述第二经冷却的液体制冷剂流包括相应的第一经膨胀的制冷剂部分和第二经膨胀的制冷剂部分。
11.根据权利要求10所述的工艺，其中，经由与所述第一经膨胀的制冷剂液体部分的至少一部分和第二经膨胀的制冷剂液体部分的至少一部分的间接热交换进行步骤(i)的所述冷却的至少一部分。
12.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括：将所述第二制冷剂蒸气流的至少一部分与所述第二液体制冷剂部分组合，以提供第二经组合的制冷剂流，其中在步骤(i)中冷却的所述第二液体部分包括所述第二经组合的制冷剂流。
13.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括：将所述经冷却的天然气流分离成富含甲烷的蒸气流和缺乏甲烷的液体流，和在所述第一热交换器中冷却所述富含甲烷的蒸气流的至少一部分以提供液化天然气流，其中用所述第一经冷却的液体制冷剂部分和所述第二经冷却的液体制冷剂部分中的至少一个完成所述富含甲烷的蒸气流的所述冷却的至少一部分。
14.一种用于生产液化气流的工艺，所述工艺包括：
(a)在压缩机的第一压缩级中压缩混合制冷剂流以提供第一经压缩制冷剂流；
(b)冷却和至少部分冷凝所述第一经压缩制冷剂流以提供经冷却的经压缩制冷剂流；
(c)将所述经冷却的经压缩制冷剂流分离成第一制冷剂蒸气流和第一制冷剂液体流；
(d)在所述压缩机的第二压缩级中压缩所述第一制冷剂蒸气流，以提供第二经压缩制冷剂流；
(e)冷却和至少部分冷凝所述第二经压缩制冷剂流的至少一部分，以提供经部分冷凝的制冷剂流；
(f)将所述经部分冷凝的制冷剂分离成第二制冷剂蒸气流、第二制冷剂液体流和第三制冷剂液体流；
(g)冷却所述第二制冷剂液体流和第三制冷剂液体流，以提供相应的经冷却的第二制冷剂液体流和经冷却的第三制冷剂液体流；
(h)膨胀所述经冷却的第二制冷剂液体流和所述经冷却的第三制冷剂液体流中的至少一个，以提供至少一个经冷却的经膨胀的制冷剂流；
(i)经由与所述至少一个经冷却的经膨胀的制冷剂流的间接热交换来冷却馈入气流，以提供经冷却的馈入气流和至少一个经升温的制冷剂流。
15.根据权利要求14所述的工艺，其中，由步骤(i)的所述冷却提供的所述至少一个经升温的制冷剂流包括第一经升温制冷剂流和第二经升温制冷剂流，其中在步骤(a)中被压缩的混合制冷剂流包括所述第一经升温制冷剂流的至少一部分和第二经升温制冷剂流的至少一部分。
16.根据权利要求15所述的工艺，进一步的：将所述第一经升温制冷剂流的至少一部分分离成第一经升温制冷剂蒸气部分和第一经升温制冷剂液体部分；和将所述第一经升温制冷剂蒸气部分的至少一部分与所述第二经升温制冷剂流组合以提供经组合的蒸气流，其中在步骤(a)中被压缩的混合制冷剂流包括所述经组合的蒸气流。
17.根据权利要求16所述的工艺，进一步的：在步骤(e)的所述冷却之前，将所述第一经升温制冷剂液体部分与所述第二经压缩制冷剂流的至少一部分组合。
18.根据权利要求14所述的工艺，其中，步骤(h)的所述膨胀包含膨胀所述经冷却的第二液体制冷剂流和所述经冷却的第三液体制冷剂流中的每一个，以提供相应的第一经冷却的经膨胀的制冷剂流和第二经冷却的经膨胀的制冷剂流，其中所述第一经冷却的经膨胀的制冷剂流和所述第二经冷却的经膨胀的制冷剂流中的每一个用以完成步骤(i)的所述冷却的至少一部分。
19.根据权利要求14所述的工艺，进一步的：在步骤(e)的所述冷却之前，将所述第一制冷剂液体流的至少一部分与所述第二经压缩制冷剂流的一部分组合。
20.根据权利要求19所述的工艺，其中，在所述组合的期间，所述第一制冷剂液体流的压力在所述第二经压缩制冷剂流的压力的约100磅/平方英寸内。
21.根据权利要求14所述的工艺，进一步的：在步骤(a)的所述压缩之前，在第一蒸气液体分离器中将混合制冷剂流分离成第一蒸气部分和第一液体部分，其中在步骤(a)中被压缩的所述混合制冷剂流包括所述第一蒸气部分；和在步骤(e)的所述冷却之前，将所述第一液体部分与所述第二经压缩蒸气部分的至少一部分组合。
22.根据权利要求14所述的工艺，进一步的：经由与所述至少一个经冷却的经膨胀的制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述经冷却的馈入气流的至少一部分，以由此提供经冷凝的气流；和从所述经冷凝的气流回收液化天然气(LNG)。
23.一种用于冷却天然气流的系统，所述系统包括：
第一热交换器，其用于冷却天然气进料流，其中所述第一热交换器包括：
具有馈入气体入口和凉天然气出口的第一冷却通道；
用于接收和冷却第一制冷剂液体流的第二冷却通道，其中所述第二冷却通道具有第一温制冷剂入口和第一凉制冷剂出口；
用于接收和冷却第二制冷剂液体流的第三冷却通道，其中所述第三冷却通道具有第二温制冷剂入口和第二凉制冷剂出口；
用于接收和升温经冷却的第一制冷剂流的第一升温通道，其中所述第一升温通道具有第一凉制冷剂入口和第一温制冷剂出口；以及
用于接收和升温经冷却的第二制冷剂液体流的第二升温通道，其中所述第二升温通道具有第二凉制冷剂入口和第二温制冷剂出口，
其中所述第二冷却通道的所述第一凉制冷剂出口与所述第一升温通道的所述第一凉制冷剂入口是流体流连通的，
其中所述第三冷却通道的所述第二凉制冷剂出口与所述第二升温通道的所述第二凉制冷剂入口是流体流连通的；
至少一个压缩机，其用于接收和加压混合制冷剂流，其中所述压缩机具有低压入口和高压出口，其中所述低压入口与所述第一升温通道的所述第一温制冷剂出口和所述第二升温通道的所述第二温制冷剂出口中的至少一个是流体流连通的；
第一冷却器，其用于冷却经加压的所述混合制冷剂流，其中所述第一冷却器具有第一温流体入口和第一凉流体出口，其中所述第一温流体入口与所述压缩机的所述高压出口是流体流连通的；
第一蒸气液体分离器，其用于分离经冷却的所述制冷剂流的一部分，其中所述蒸气液体分离器包括第一流体入口、第一蒸气出口和第一液体出口，其中所述第一蒸气液体分离器的所述第一流体入口与所述第一冷却器的所述第一凉流体出口是流体流连通的；
第一液体管道，其用于输送离开所述第一蒸气液体分离器的所述液体的至少一部分，其中所述第一液体管道具有制冷剂液体入口和一对制冷剂液体出口，其中所述制冷剂液体入口与所述第一蒸气液体分离器的所述第一液体出口是流体流连通的，其中所述一对制冷剂液体出口中的一个与所述第二冷却通道的所述第一温制冷剂入口是流体流连通的，且所述一对制冷剂液体出口中的另一个与所述第三冷却通道的所述第二温制冷剂入口是流体流连通的。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述压缩机为包括第一压缩级和第二压缩级的多级压缩机，其中所述第一压缩级包括所述低压入口和中压出口，且所述第二压缩级包括中压入口和所述高压出口；且
进一步包括：
第二冷却器，其具有第二温流体入口和第二凉流体出口，其中所述第二温流体入口与所述第一压缩级的所述中压出口流体流连通；
第二蒸气液体分离器，其具有第二流体入口、第二蒸气出口和第二液体出口，其中所述第二流体入口与所述第二冷却器的所述第二凉流体出口流体流连通，其中所述第二蒸气出口与所述第二压缩级的所述中压入口流体流连通，
其中所述第二压缩级的所述高压出口和所述第二蒸气液体分离器的所述第二液体出口中的每一个，都与所述第一冷却器的所述第一温流体入口是流体流连通的。
25.根据权利要求24所述的系统，进一步包括：
第三蒸气液体分离器，其具有第三流体入口、第三蒸气出口和第三液体出口，其中所述第三流体入口与所述第二升温通道的所述第二温制冷剂出口和所述第一升温通道的所述第一温制冷剂出口中的至少一个是流体流连通的，其中所述第三蒸气出口与所述第一压缩级的所述低压入口是流体流连通的，且其中所述第三液体出口与所述第二热交换器的所述第一温流体入口是流体流连通的。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第三蒸气液体分离器的所述第三流体入口与所述第二升温通道的所述第二温制冷剂出口和所述第一升温通道的所述第一温制冷剂出口两者是流体流连通的。
27.根据权利要求23所述的系统，进一步包括：
第四蒸气液体分离器，其具有第四流体入口、第四蒸气出口和第四液体出口，其中所述第四流体入口与所述第一升温通道的所述第一温制冷剂出口是流体流连通的，其中所述第四蒸气出口与所述压缩机的低压入口是流体流连通的，且其中所述第四液体出口与所述第一冷却器的所述第一温流体入口是流体流连通的。
28.根据权利要求23所述的系统，进一步包括：
第一膨胀装置，其具有第一高压入口和第一低压出口；以及
第二膨胀装置，其具有第二高压入口和第二低压出口，
其中所述第一膨胀装置的所述第一高压入口与所述第二冷却通道的所述第一凉制冷剂出口是流体流连通的，且其中所述第一膨胀装置的所述第一低压出口与所述第一升温通道的所述第一凉制冷剂入口是流体流连通的，
其中所述第二膨胀装置的所述第二高压入口与所述第三冷却通道的所述第二凉制冷剂出口是流体流连通的，且其中所述第二膨胀装置的所述第二低压出口与所述第二升温通道的所述第二凉制冷剂入口是流体流连通的。
29.根据权利要求23所述的系统，进一步包括：第五蒸气液体分离器，其具有第五流体入口、第五蒸气出口和第五液体出口；
第四冷却通道，其具有凉天然气入口和凉产物出口；以及
LNG产物管道，其用于输送LNG产物流，
其中所述第五蒸气液体分离器的所述第五流体入口与所述第一冷却通道的所述凉天然气出口是流体流连通的，其中所述第五蒸气出口与所述第四冷却通道的所述凉天然气入口是流体流连通的，且其中所述第四冷却通道的所述凉产物出口与所述LNG产物管道是流体流连通的。
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