CN107560317A - 用于生产液化天然气的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产液化天然气的系统和方法。所述系统包括制冷循环系统，用于提供制冷剂的冷流；超音速冷凝器，用于接收并冷却第一气态天然气流，以产生液化的天然气凝液，并将所述液化的天然气凝液从所述第一气态天然气流分离，以获得第二气态天然气流；及冷箱，用于接收所述制冷剂的冷流以及所述第二气态天然气流，并通过在所述制冷剂的冷流和所述第二气态天然气流之间进行热交换来冷却所述第二气态天然气流，以获得液化天然气。

Description

用于生产液化天然气的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于生产液化天然气的系统和方法。
背景技术
天然气是一种矿物燃料，可以被当做一种能源用于供暖、烹饪和发电。它也可以被用做汽车燃料和作为塑料制造和其他重要的有机化学物的制备的化工原料。天然气的体积在被液化后会大幅缩减。液化天然气的体积是气态天然气体积的1/625，所以液化天然气容易被储存和运输。多种液化天然气生产系统已被提供，在该等多种液化天然气生产系统中，冷箱通常被使用以液化天然气。
然而，上述多种液化天然气生产系统仍然欠佳，需要新的液化天然气生产系统和方法。
发明内容
在一个方面，本发明的实施例涉及一种用于生产液化天然气的系统，其包括：制冷循环系统，用于提供制冷剂的冷流；超音速冷凝器，用于接收并冷却第一气态天然气流，以产生液化的天然气凝液，并将所述液化的天然气凝液从所述第一气态天然气流分离，以获得第二气态天然气流；及冷箱，用于接收所述制冷剂的冷流以及所述第二气态天然气流，并通过在所述制冷剂的冷流和所述第二气态天然气流之间进行热交换来冷却所述第二气态天然气流，以获得液化天然气。
在另一个方面，本发明的实施例涉及一种用于生产液化天然气的方法，其包括：通过制冷循环系统，提供制冷剂的冷流；通过超音速冷凝器，接收并冷却第一气态天然气流，以产生液化的天然气凝液，并将所述液化的天然气凝液从所述第一气态天然气流分离，以获得第二气态天然气流；及通过冷箱，接收所述制冷剂的冷流以及所述第二气态天然气流，并通过在所述制冷剂的冷流和所述第二气态天然气流之间进行热交换来冷却所述第二气态天然气流，以获得液化天然气。
附图说明
参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：
图1为本发明一个实施例的用于生产液化天然气的系统的示意图；
图2为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的系统的示意图；
图3为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的系统的示意图；
图4为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的系统的示意图；
图5为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的系统的示意图；
图6为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的系统的示意图；
图7为本发明一个实施例的制冷循环系统和冷箱的示意图；
图8为本发明一个实施例的用于生产液化天然气的方法的示意图；
图9为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的方法的示意图；
图10为本发明另一个实施例的用于生产液化天然气的方法的示意图。
具体实施方式
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在说明书和权利要求中，除非清楚地另外指出，所有项目的单复数不加以限制。本申请中使用的“包括”、“包含”、“含有”或“具有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的材料或实施例等。
本申请中的用来修饰数量的近似用语，如“约”、“大约”等，表示本发明并不限定于所述数量，还包括与所述数量接近的、可接受的、不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。除非上下文另外清楚地说明，术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。本申请说明书中提及“一些实施例”等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出现于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以任何适合的方式结合。
“气(gas)”可以和“蒸汽(vapor)”互换使用，且表示区别于液态或固态的气态物质或者混合物。同样地，“液体”表示区别于气态或固态的液态物质或混合物。
“天然气(Natural Gas)”表示包含烃类混和物的多组分物质。天然气的组份和压力可明显改变。一种典型的天然气包含甲烷为主要成分。原料天然气(Raw Natural Gas)可从天然油井(伴生气)或者地下含气形成物(非缔合天然气)中获得。原料天然气可典型地包括甲烷(C1)，还可典型地包含乙烷(C2)、高分子量的碳氢化合物、一种或多种酸性气体(例如二氧化碳、硫化氢、硫化羰、二硫化碳、硫醇)和少量的污染物(例如水、汞、氦、氮、硫化铁、蜡、原油)。原天然气的组份可以改变。
“酸性气体(Acid Gases)”为经常掺杂在天然气中的污染物。典型地，酸性气体包括二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)，然而任意数量的其他杂质也可能形成酸性气体。酸性气体一般通过接触含有能与酸性气体反应的吸收剂，例如胺，来去除。当吸收剂富含酸性气体时，吸附步骤可被用来从吸收剂分离酸性气体。然后，吸收剂可循环利用，再用来吸收酸性气体。
“液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)”是天然气的冷凝液态，一般包含高百分比的甲烷，但也可包含微量的其他元素和/或组合物，其包含但不限于乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气、氦气、硫化氢、或污染物。
“天然气凝液(NGL，Natural Gas Liquid)”是天然气的冷凝液态，一般包含高百分比的“重烃”，但也可包含微量的其他元素和/或组合物，其包含但不限于甲烷、乙烷、二氧化碳、氮气、氦气、硫化氢、或污染物。
“气态天然气流(Gaseous Natural Gas Stream)”表示主要包含气态天然气的流，但也可包含少量的液体。
“重烃(Heavy Hydrocarbons)”表示碳原子个数为三个或三个以上的烃类物质，重烃也可称为“高碳数碳氢化合物(higher carbon number hydrocarbons)”或简写为“C3+”。
以下根据附图说明本发明的实施方式，下文中可能不会详细描述众所周知的功能和结构，以避免因不必要的细节而使本发明变得令人费解。
图1示出了根据本发明一个实施例的用于生产LNG的系统10的示意图。系统10包括冷箱101、超音速冷凝器200和制冷循环系统300。
冷箱101包括一个或多个换热器。换热器指允许两个或更多个流体流过以使该两个或更多个流体进行直接或间接的热交换的罐、塔、单元或其他装置。换热器的实例包括壳管式热交换器(tube-in-shell heat exchanger)、冷冻绕线式热交换器(cryogenicspool-wound heat exchanger)、或铝制板翅式换热器(brazed aluminum-plate fin heatexchanger)。
“超音速冷凝器”(或称作“超音速旋流分离器”)200接收并冷却第一气态天然气流601，以产生液化的天然气凝液(以下简称“NGL”)603，并将液化的NGL 603从第一气态天然气流601分离，以获得第二气态天然气流602。
在一些实施例中，超音速冷凝器200指主要使用缩扩拉伐尔喷嘴的装置，在其中，第一气态天然气流601的能量(压力和温度)转化为第一气态天然气流601的动能(速度)。第一气态天然气流601的速度达到超音速。由于气流的加速，温度和压力明显降低，因此第一气态天然气流601中的目标成份，如重烃，被液化，以形成液化的NGL 603。液化的NGL 603通过高速旋流从第一气态天然气流601中被分离。然后气体的速度被降低并且气体的压力恢复到差不多原始压力，由此得到第二气态天然气流602。
在一些实施例中，第一气态天然气流601的压力范围约为3-8MPa。在一些实施例中，第一气态天然气流601的温度在常温范围内，如约在20-45℃内，且第二气态天然气流602的温度从约10℃至约40℃。在一些实施例中，第一气态天然气流601的温度从约0℃至约-10℃，且第二气态天然气流602的温度从约-25℃至约-30℃。在一些实施例中，液化的NGL 603的温度从约-45℃至约-75℃。
制冷剂流在制冷循环系统300中流动。制冷循环系统300向冷箱101提供制冷剂的冷流609。在一些实施例中，制冷剂包括但不限于氮气、甲烷、混合制冷剂或它们的组合。在一些实施例中，混合制冷剂包括氮气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷；在一些实施例中，混合制冷剂还包括丁烷、戊烷、己烷中的至少一者。
在一些实施例中，制冷循环系统300包括压缩模块301和膨胀模块302。
压缩模块301表示用于压缩制冷剂流以提高其压力的模块。压缩模块301接收并压缩经热交换的、来自冷箱101的制冷剂流606，以获得制冷剂的热流607，并将制冷剂的热流607提供给冷箱101。冷箱101冷却该制冷剂的热流607，以获得被冷却的制冷剂流608。
在一些实施例中，经热交换的制冷剂流606的温度在常温范围，如约在20-45℃内，且该经热交换的制冷剂流606的压力从约0.2MPa至约1.5MPa。在一些实施例中，制冷剂的热流607的温度从约30℃至约50℃，且该制冷剂的热流607的压力从约2MPa至约6MPa。在一些实施例中，被冷却的制冷剂流608的温度从约-80℃至约-162℃，且该被冷却的制冷剂流608的压力从约2MPa至约6MPa。
在一些实施例中，压力模块301可能包括多个压缩器，以实现多级压缩。“压缩器”表示压缩气体的装置，包括但不限于泵、压缩机涡轮(compressor turbine)、往复式压缩机(reciprocating compressor)、活塞式压缩机(piston compressor)、回转式压缩机(rotary vane)、螺杆式压缩机(screw compressor)、或其他能够压缩气体的装置或组件。
膨胀模块302表示用于膨胀制冷剂流，以降低其压力和温度的模块。膨胀模块302接收并膨胀被冷却的制冷剂流608，以获得制冷剂的冷流609，并将制冷剂的冷流609提供给冷箱101。冷箱101通过将制冷剂的冷流609与第二气态天然气流602和制冷剂的热流607进行热交换，获得经热交换的制冷剂流606。经热交换的制冷剂流606被提供给压缩模块301，由此形成制冷剂的流动的循环。
在一些实施例中，制冷剂的冷流609的温度从约-160℃至约-170℃，制冷剂的冷流609的压力从约0.2MPa至约1.5MPa。
在一些实施例中，膨胀模块302包括J-T阀(Joule-Thomson valve)，其利用气体膨胀导致气体冷却的焦耳-汤姆逊原理。在一些实施例中，焦耳-汤姆逊阀可以由其他膨胀装置，例如涡轮膨胀机，代替。
在一些实施例中，膨胀模块302包括多个膨胀机，其中每个膨胀机对来自冷箱101的被冷却的制冷剂流进行膨胀，并向冷箱101提供被膨胀的制冷剂流。例如，如图7所示，膨胀模块302包括第一膨胀机312、第二膨胀机322和第三膨胀机332。第一膨胀机312接收并膨胀来自冷箱101的被冷却的制冷剂流608，以获得被膨胀的制冷剂流618，并将其提供给冷箱101。冷箱101冷却被膨胀的制冷剂流618以获得被冷却的制冷剂流628。第二膨胀机322接收并膨胀来自冷箱101的被冷却的制冷剂流628，以获得被膨胀的制冷剂流638，并将其提供给冷箱101。冷箱101冷却被膨胀的制冷剂流638以获得被冷却的制冷剂流648。第三膨胀机332接收并膨胀来自冷箱101的被冷却的制冷剂流648，以获得制冷剂的冷流609(即通过膨胀被冷却的制冷剂流648获得的被膨胀的制冷剂流)，并将其提供给冷箱101。
请继续参阅图1，冷箱101接收制冷剂的冷流609以及第二气态天然气流602，并通过在制冷剂的冷流609和第二气态天然气流602之间进行热交换来冷却第二气态天然气流602，以获得液化天然气(以下简称“LNG”)604。
在一些实施例中，系统10进一步包括预处理模块400。预处理模块100接收原料天然气流610，并将杂质612从原料天然气流610中分离，以获得第一气态天然气流601，并将所述第一气态天然气流601提供给超音速冷凝器200。
杂质612可包括但不限于诸如二氧化碳、硫化氢、硫化羰、二硫化碳、硫醇等酸性气体以及诸如水、汞、氦、氮、硫化铁、蜡、原油等少量的污染物。
在一些实施例中，预处理模块400可包括多个单元(未图示)，用以分别去除酸性气体和少量的污染物。在一些实施例中，酸性气体可通过使原料天然气610与吸收剂接触来去除，少量的污染物可通过分子筛去除。
系统10可具有多种变形。以下介绍一些实施例，以对系统10的该多种变形中的一些变形进行说明。
在参照图2所示实施例中，图1中所示的冷箱101被包含预冷模块104的冷箱102替代。在一些实施例中，预冷模块104可包含冷箱102中的一组换热器。
图2中的预处理模块400接收原料天然气流610，并将杂质612从原料天然气流610中分离，以获得第三气态天然气流611，并将第三气态天然气流611提供给预冷模块104。在一些实施例中，第三气态天然气流611的压力从约3MPa至约8MPa。在一些实施例中，第三气态天然气流611的温度在常温范围内，如约在20-45℃内。
预冷模块104接收并冷却第三气态天然气流611，以获得第一气态天然气流601，并将该第一气态天然气流601提供给超音速冷凝器200。在根据图2所示实施例中，第一气态天然气流601的温度从约0℃至约-10℃。
在参照图3所示实施例中，系统10包括位于预处理模块400和超音速冷凝器200之间的预冷模块105。预冷模块105可包括与冷箱101分离的另一个冷箱。预冷模块105冷却来自预处理模块400的第三气态天然气流611，以获得第一气态天然气流601，并将该第一气态天然气流601提供给超音速冷凝器200。在根据图3所示实施例中，第一气态天然气流601的温度从约0℃至约-10℃。
在一些实施例中，系统10进一步包括位于超音速冷凝器200上游的压缩器，以提供更高压力的第一气态天然气流601。例如，在参照图4所示实施例中，压缩器501位于预处理模块400的上游；在参照图5所示实施例中，压缩器502位于预处理模块400和超音速冷凝器200之间。
在参照图6所示实施例中，系统10进一步包括位于超音速冷凝器200和冷箱101之间的压缩器503，以提供更高压力的第二气态天然气流602。
系统10的、参照图2至图6所述的上述各种变形，仅用于更好的说明，而非用于限定。
图8示出了根据本发明一个实施例的用于生产LNG的方法70的流程示意图。方法70包括步骤701、步骤702和步骤703。
在步骤701种，通过制冷循环系统，提供制冷剂的冷流。在步骤702中，通过超音速冷凝器，接收并冷却第一气态天然气流，以产生液化的天然气凝液，并通过所述超音速冷凝器，将所述液化的天然气凝液从所述第一气态天然气流分离，以获得第二气态天然气流。在步骤703中，通过冷箱，接收所述制冷剂的冷流以及所述第二气态天然气流，并通过冷箱，在所述制冷剂的冷流和所述第二气态天然气流之间进行热交换，来冷却所述第二气态天然气流，以获得液化天然气。
方法70可具有多种变形。以下介绍一些实施例，以对方法70的该多种变形中的一些变形进行说明。
在参照图9所示实施例中，方法70进一步包括步骤704。在步骤704中，通过预处理模块，接收原料天然气流，并将杂质从所述原料天然气流中分离，以获得第一气态天然气流，并将所述第一气态天然气流提供给超音速冷凝器。
在参照图10所示实施例中，方法70进一步包括步骤705和步骤706。在步骤705中，通过预处理模块，接收原料天然气流，并将杂质从原料天然气流中分离，以获得第三气态天然气流，并将所述第三气态天然气流提供给预冷模块。在步骤706中，通过预冷模块，接收并冷却第三气态天然气流，以获得第一气态天然气流，并将该第一气态天然气流提供给超音速冷凝器。
图8至图10中的步骤的先后顺序和步骤中的动作的划分并不限于图示的实施例。例如，步骤可以按照不同的顺序执行，一个步骤中的动作可与另一个或多个其他步骤中的动作结合，或拆分成几个子步骤。另外在一些实施例中，方法70之前、过程中和/或之后还可以有一个或多个其他动作。
在传统的LNG生产系统和方法中，由于用于冷却天然气的冷箱的存在，很容易想到利用冷箱来多次冷却天然气，以先获得NGL，再获得LNG。而根据本发明的实施例，冷箱并未被用于生产NGL，反而，在将天然气送入冷箱之前，NGL已从天然气中分离。由此，冷箱的尺寸减少，LNG生产系统的成本被节约。在一些实施例中，冷箱的尺寸可减少20％。此外，与传统的系统和方法相比较，在给料相同的情况下，根据本发明的实施例可以获得更多的NGL。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种用于生产液化天然气的系统，其特征在于，其包括：
制冷循环系统，用于提供制冷剂的冷流；
超音速冷凝器，用于接收并冷却第一气态天然气流，以产生液化的天然气凝液，并将所述液化的天然气凝液从所述第一气态天然气流分离，以获得第二气态天然气流；及
冷箱，用于接收所述制冷剂的冷流以及所述第二气态天然气流，并通过在所述制冷剂的冷流和所述第二气态天然气流之间进行热交换来冷却所述第二气态天然气流，以获得液化天然气。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其还包括预处理模块，用于接收原料天然气流，并将杂质从所述原料天然气流中分离，以获得所述第一气态天然气流，并将所述第一气态天然气流提供给所述超音速冷凝器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其还包括预冷模块，用于接收并冷却第三气态天然气流，以获得所述第一气态天然气流，并将该第一气态天然气流提供给所述超音速冷凝器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一气态天然气流的温度范围为0℃至-10℃。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其还包括预处理模块，用于接收原料天然气流，并将杂质从所述原料天然气流中分离，以获得所述第三气态天然气流，并将所述第三气态天然气流提供给所述预冷模块。
6.根据权利要求2或5所述的系统，其特征在于，其还包括位于所述超音速冷凝器上游的压缩器。
7.根据权利要求2或5所述的系统，其特征在于，其还包括位于所述冷箱和所述超音速冷凝器之间的压缩器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液化的天然气凝液的温度范围为-45℃至-75℃。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一气态天然气流的压力范围为3-8MPa。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷循环系统包括：
压缩模块，用于接收并压缩经热交换的制冷剂流，以获得制冷剂的热流，并将所述制冷剂的热流提供给所述冷箱，所述冷箱冷却该制冷剂的热流以获得被冷却的制冷剂流；及
膨胀模块，用于接收并膨胀所述被冷却的制冷剂流，以获得所述制冷剂的冷流，并将所述制冷剂的冷流提供给所述冷箱，所述冷箱通过将所述制冷剂的冷流与所述第二气态天然气流和所述制冷剂的热流进行热交换来获得所述经热交换的制冷剂流。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷剂包括氮气、甲烷、混合制冷剂或它们的任意组合。
12.一种用于生产液化天然气的方法，其特征在于，其包括：
通过制冷循环系统，提供制冷剂的冷流；
通过超音速冷凝器，接收并冷却第一气态天然气流，以产生液化的天然气凝液，并将所述液化的天然气凝液从所述第一气态天然气流分离，以获得第二气态天然气流；及
通过冷箱，接收所述制冷剂的冷流以及所述第二气态天然气流，并通过在所述制冷剂的冷流和所述第二气态天然气流之间进行热交换来冷却所述第二气态天然气流，以获得液化天然气。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其还包括：通过预处理模块，接收原料天然气流，并将杂质从所述原料天然气流中分离，以获得所述第一气态天然气流，并将所述第一气态天然气流提供给所述超音速冷凝器。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其还包括：通过预冷模块，接收并冷却第三气态天然气流，以获得所述第一气态天然气流，并将该第一气态天然气流提供给所述超音速冷凝器。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其还包括：通过预处理模块，接收原料天然气流，并将杂质从所述原料天然气流中分离，以获得所述第三气态天然气流，并将所述第三气态天然气流提供给所述预冷模块。
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