CN113865266B - 液化系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述了利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法和系统；适合通过与气态制冷剂的间接热交换以冷却一股或多股原料流(诸如例如一股或多股天然气原料流)的盘管式换热器单元；和在利用开环天然气制冷循环液化天然气之前从天然气中去除重组分的方法和系统。

Description

液化系统
背景技术
本发明整体涉及利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法和系统。本发明也涉及适合通过与气态制冷剂的间接热交换以冷却一股或多股原料流(诸如例如一股或多股天然气原料流)的盘管式换热器单元。本发明进一步涉及在利用开环天然气制冷循环液化天然气之前从天然气中去除重组分的方法和系统。
天然气的液化是重要的工业过程。LNG的全球生产量高于3亿吨/年(MTPA)。本领域已知多种用于预处理、冷却和液化天然气的方法和系统。
在用于液化天然气的典型方法和系统中，通过与在开环或闭环循环中流通的一个或多个制冷剂的间接热交换来冷却和液化天然气原料流。天然气的冷却和液化发生在一个或多个换热器段中，所述换热器段可以是多种不同类型的，诸如但不限于盘管式、管壳式或板翅式换热器。如有必要，在冷却和液化前要处理天然气原料流以将任意(相对)高冰点组分(诸如水分、酸性气体、汞和/或重烃)的水平降低到能够避免待冷却和液化天然气的换热器段中的结冰或其他操作问题的水平。
US2017/0167786A1公开了利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法和系统。特别参照本文件的图6，膨胀高压组合原料流(组合并压缩天然气原料流和循环气流而形成)以将其冷却，然后将原料流分成第一制冷剂流、第二制冷剂流和第一原料流。膨胀后，第一制冷剂流在第一换热器的冷侧中的其中一个通道中流过并加热。未说明膨胀后的第一制冷剂流是否为气态、液态或两相态。第二制冷剂流在第一换热器的热侧中的其中一个通道中流过并冷却，然后膨胀第二制冷剂流以形成分离形成气态制冷剂流和第一LNG流的两相流，其中气态制冷剂流在第一换热器的冷侧中的另一个通道中流过并加热。第一原料流在第一换热器的热侧中的另一个通道中流过、冷却并液化以形成第二LNG流，然后在闪蒸气体换热器中进一步冷却所述第二LNG流。第一LNG流和第二LNG流随后闪蒸并发送至末端闪蒸分离器以形成闪蒸气流和LNG产物流，所述闪蒸气流在闪蒸气体换热器中加热然后在第一换热器的冷侧中的另一个通道中进一步加热。然后压缩并组合加热的第一制冷剂流、加热的气态制冷剂流和加热的闪蒸气流以形成与天然气原料流组合的循环气流。应注意的是，由于第一换热器利用换热器的冷侧上的三股分离流为换热器提供冷却能力，这有效地避免了用于该换热器的盘管式换热器的使用，这是因为盘管式换热器在其壳侧(正常来说是冷侧)只能容纳一股制冷剂流。虽然理论上可能通过盘管式交换器的管侧(正常来说是热侧)将一股或多股低压制冷剂流分配到其中一个通道，但是管侧的高压降损失将会需求非常高的动力，所以这是不切实际的。
US2014/0083132A1公开了利用开环天然气制冷循环液化天然气的另一种方法和系统。特别参照本文件的图1，将循环气流分成两部分。膨胀一部分以形成第一制冷剂流，然后该第一制冷剂流在第一预冷器换热器和第二预冷器换热器中加热。另一部分与天然气原料流组合以形成组合原料流。然后在第一预冷器换热器中冷却所述组合原料流，随后去除重组分(特别是重烃)，其中这些重组分分离为天然气液(NGL)流。然后在分成第一原料流和第二原料流前，在第二预冷器换热器中进一步冷却排除重组分后的组合流。在主换热器中冷却和液化第一原料流以形成第一LNG流。膨胀第二原料流以形成两相流，随后该两相流分离形成第二LNG流和气态制冷剂流。在主换热器中加热气态制冷剂流，然后在预冷器换热器中进一步加热气态制冷剂流。第一LNG流和第二LNG流闪蒸并随后分离成闪蒸气流和LNG产物，所述闪蒸气流在主换热器中加热然后在预冷器换热器中进一步加热。随后压缩和组合加热的制冷剂流和闪蒸气流以形成循环气流。
US2019/0346203A1公开了组合换热器和分离器单元，所述组合换热器和分离器单元适合接收并分离闪蒸LNG流以形成闪蒸气流和LNG产物，并且适合通过与原料流的间接热交换加热分离的闪蒸气以冷却原料流和从闪蒸气流中回收制冷。所述单元包含由相同的壳体包围的换热器段和分离段，其中换热器段是盘管式换热器段，并且位于分离段上方，因此与分离段中的闪蒸LNG流分离的闪蒸气通过换热器段的壳侧上升，从而向换热器段提供制冷。
US9,310,127公开了一种用于在利用闭环制冷剂循环液化天然气之前从天然气中去除重组分的方法。特别参照本文件的图2，冷却并膨胀天然气原料流，并将其引入蒸馏柱以从原料流中去除重组分(特别是重烃)，其中所述重烃分离成天然气液流。然后，在主换热器中通过与在闭环路中流通的制冷剂的间接热交换液化排除重组分后的天然气原料流之前，在压缩机组中压缩该排除重组分后的天然气原料流。随后闪蒸形成的LNG流以产生LNG产物和闪蒸气。可将一部分闪蒸气回收到排除重组分后的天然气原料流中。
US10,641,548公开了一种用于从天然气中去除重组分并利用开环制冷循环液化天然气的方法。特别参照本文件的图1，天然气原料流和第一回收流组合以产生第一组合原料流，然后膨胀第一组合原料流以产生第一冷却的组合原料流。然后第一冷却的组合原料流在分离器中分离成排除重组分(特别是重烃)的气态原料流和富有重组分的液流(NGL流)。然后，排除重组分后的气态原料流在第一换热器中加热并与第二回收流组合并压缩以形成第二组合原料流。第二组合原料流分离形成第一回收流和第一原料流。第一原料流在第一换热器中冷却，然后分成第二原料流和第三原料流。在第二换热器中进一步冷却第二原料流以形成第一LNG流。膨胀并分离第三原料流以形成第二LNG流和气态制冷剂流。然后在第二换热器和第一换热器中加热气态制冷剂流以形成第二回收流。
发明内容
本文公开了利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法和系统；适合通过与气态制冷剂的间接热交换以冷却一股或多股原料流(例如一股或多股天然气原料流)的盘管式换热器单元；和在利用开环天然气制冷循环液化天然气之前从天然气中去除重组分的方法和系统。公开的方法和系统及单元具有各种效果：提高了效率、降低了资金成本、减少了占地面积和/或改善了机械设计。
下面概述了根据本发明的装置、系统和方法的几个优选方面。
方面1：一种利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法，所述方法包含以下步骤：
(a)通过将一股或多股循环气流与天然气原料流组合以形成组合原料流并压缩所述组合原料流或在与所述天然气原料流组合前压缩所述一股或多股循环气流，或压缩两者，以形成高压组合原料流；
(b)膨胀所述高压组合原料流以冷却所述流，从而形成冷却的组合原料流；
(c)将所述冷却的组合原料流分割成至少三股分离流，从而形成第一原料流、第二原料流和第三原料流；
(d)通过与气态制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述第一原料流，其中冷却所述第一原料流以形成第一LNG流，加热所述气态制冷剂流以形成加热的气态制冷剂流，其中所述加热的气态制冷剂流形成所述一股或多股循环气流之一；
(e)进一步膨胀所述第二原料流以进一步冷却所述流，从而形成两相的具有液体部分和蒸汽部分的进一步膨胀和冷却的第二原料流，并且分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由所述蒸汽部分形成所述气态制冷剂流并由所述液体部分形成第二LNG流；
(f)通过与第一闪蒸气流的间接热交换进一步冷却所述第三原料流以形成第三LNG流；以及
(g)闪蒸所述第一LNG流、所述第二LNG流和所述第三LNG流以使得每股流都有液体部分和蒸汽部分，并且分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由一股或多股所述流的所述液体部分形成第一LNG产物流并由一股或多股所述流的所述蒸汽部分形成所述第一闪蒸气流。
方面2：根据方面1所述的一种方法，其中所述高压组合原料流的压力至少是150绝对压，更优选地是至少200绝对压。
方面3：根据方面1或2所述的一种方法，其中步骤(a)进一步包含在压缩后通过与一股或多股环境温度流体的间接热交换冷却所述一股或多股循环气流和/或所述组合原料流，使得所述高压组合原料流约处于环境温度。
方面4：根据方面1至3中的任一方面所述的一种方法，其中所述冷却的组合原料流的温度低于0℃，更优选地是-20℃至-40℃，更优选地是约-30℃，并且其中所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的温度是-110℃至-140℃，更优选地是约-125℃。
方面5：根据方面1至4中的任一方面所述的一种方法，其中在步骤(b)和(e)中，分别基本上等熵地膨胀所述高压组合原料流和所述第二原料流。
方面6：根据方面1至5中的任一方面所述的一种方法，其中在步骤(c)中，分割所述冷却的组合原料流以使得在所述冷却和组合原料流分割成的所述分离流中，所述第二原料流具有最高的质量流率，并且在所述冷却和组合原料流分割成的所述流中，所述第一原料流具有第二高的流率。
方面7：根据方面1至6中的任一方面所述的一种方法，其中所述第二原料流的所述质量流率是所述冷却的组合原料流的质量流率的65％至75％，更优选地是约70％；并且其中所述第一原料流的所述质量流率是所述冷却的组合原料流的所述质量流率的20％至30％，更优选地是约25％。
方面8：根据方面1至7中的任一方面的一种方法，其中所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的所述蒸汽部分构成所述流的大部分，更优选地是75摩尔％至95摩尔％。
方面9：根据方面1至8中的任一方面所述的一种方法，其中在步骤(f)中通过与所述第三原料流的间接热交换加热后，所述第一闪蒸气流形成所述一股或多股循环气流中的另一股。
方面10：根据方面1至9中的任一方面所述的一种方法，其中在步骤(d)中，通过与盘管式换热器段中的所述气态制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述第一原料流，其中在所述盘管式换热器段的管侧中进一步冷却所述第一原料流，并且在所述盘管式换热器段的壳侧中加热所述气态制冷剂流。
方面11：根据方面1至10中的任一方面所述的一种方法，其中步骤(a)包含通过将一股或多股循环气流与天然气原料流组合以形成所述组合原料流并且然后压缩所述组合原料流以形成所述高压组合原料流。
方面12：根据方面1至11中的任一方面所述的一种方法，其中步骤(g)包含闪蒸所述第一LNG流、所述第二LNG流和所述第三LNG流以得使每股流都有液体部分和蒸汽部分，以及分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由全部所述流的所述液体部分形成所述第一LNG产物流并由全部所述流的所述蒸汽部分形成所述第一闪蒸气流。
方面13：根据方面1至12中的任一方面所述的一种方法，其中步骤(c)包含将所述冷却的组合原料流分割成至少四股分离流，从而形成第一原料流、第二原料流、第三原料流和第四原料流；并且
其中所述方法进一步包含以下步骤：
(h)通过与第二闪蒸气流的间接热交换进一步冷却所述第四原料流以形成第四LNG流；以及
(i)闪蒸所述第四LNG流和所述第一LNG产物流以使得每股流都有液体部分和蒸汽部分，以及分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由一或两股所述流的所述液体部分形成第二LNG产物流并由一或两股所述流的所述蒸汽部分形成所述第二闪蒸气流。
方面14：根据方面13所述的一种方法，其中步骤(i)包含闪蒸所述第四LNG流和所述第一LNG产物流以使得每股流都有液体部分和蒸汽部分，以及分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由两股所述流的所述液体部分形成第二LNG产物流并由两股所述流的所述蒸汽部分形成所述第二闪蒸气流。
方面15：一种用于通过方面1至14中的任一方面所述的方法液化天然气的系统，所述系统包含：
压缩机组，包含一个或多个压缩机，用于通过将一股或多股循环气流与天然气原料流组合以形成组合原料流并压缩所述组合原料流或在与所述天然气原料流组合前压缩所述一股或多股循环气流，或压缩两者，以形成高压组合原料流；
第一膨胀设备，与所述压缩机组流体连通，用于接收并膨胀所述高压组合原料流以冷却所述流从而形成冷却的组合原料流；
一组导管，与所述第一膨胀设备流体连通，用于将所述冷却的组合原料流分割成包含第一原料流、第二原料流和第三原料流的至少三股分离流，其中所述一组导管包含用于接收所述第一原料流的第一导管、用于接收所述第二原料流的第二导管和用于接收所述第三原料流的第三导管；
第一换热器段，与所述第一导管流体连通，用于接收并通过与气态制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述第一原料流，冷却所述第一原料流以形成第一LNG流，加热所述气态制冷剂流以形成加热的气态制冷剂流，其中所述加热的气态制冷剂流形成所述一股或多股循环气流之一；
第二膨胀设备，与所述第二导管流体连通，用于接收并进一步膨胀所述第二原料流以进一步冷却所述流，从而形成两相的具有液体部分和蒸汽部分的进一步膨胀和冷却的第二原料流；
第一分离段，与所述第二膨胀设备和所述第一换热器段流体连通，用于接收所述进一步膨胀和冷却的第二原料流并分离所述流的所述液体部分和所述蒸汽部分以由所述蒸汽部分形成所述气态制冷剂流并由所述液体部分形成第二LNG流；
第二换热器段，与所述第三导管流体连通，用于接收并通过与第一闪蒸气流的间接热交换进一步冷却所述第三原料流以形成第三LNG流；和
第三膨胀设备或一组膨胀设备，用于接收和闪蒸所述第一LNG流、所述第二LNG流和所述第三LNG流以使得每股流都有液体部分和蒸汽部分；和第二分离段或一组分离段，与所述第三膨胀设备或一组膨胀设备流体连通，用于分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由一股或多股所述流的所述液体部分形成第一LNG产物流并由一股或多股所述流的所述蒸汽部分形成所述第一闪蒸气流。
方面16：一种盘管式换热器单元，适合于通过与气态制冷剂流的间接热交换冷却一股或多股原料流，所述盘管式换热器单元包含包围换热器段的壳体、位于所述换热器段上方的分离段、将所述换热器段与所述分离段分离的隔板和所述换热器段与所述分离段之间贯穿所述隔板的一个或多个导管，其中：
所述换热器段包含限定了所述换热器段的管侧和壳侧的至少一个盘管管束，所述管侧限定了一个或多个通道，所述通道贯通用于冷却所述一股或多股原料流以形成一股或多股冷却的原料流的所述换热器段，所述壳侧限定了一个通道，所述通道贯通用于加热所述气态制冷剂流以形成加热的气态制冷剂流的所述换热器段；
所述分离段配置为接收具有蒸汽部分和液体部分的两相流，以及分离所述流的所述液体部分和所述蒸汽部分，其中在所述分离段的底部收集所述液体部分，在所述分离段的顶部收集所述蒸汽部分；
所述隔板和所述一个或多个导管配置为防止流体在所述分离段和所述换热器段之间流动而不是流过所述一个或多个导管，所述一个或多个导管中的每一个具有位于所述隔板上方并朝向所述分离段的顶部的入口和位于所述隔板下方并在所述换热器段的所述壳侧朝向所述换热器段的顶部的出口，借此在所述分离段的底部收集的液体不能流进所述换热器段，而在所述分离段的顶部收集的蒸汽能流过所述一个或多个导管并流入所述换热器段所述壳侧的顶部以形成所述气态制冷剂流，所述气态制冷剂流流过所述换热器段的所述壳侧并在其中加热；并且
所述壳体具有与换热器段的所述管侧流体连通以引入所述一股或多股原料流的第一入口或一组入口；与所述换热器段的所述管侧流体连通以收回所述一股或多股冷却的原料流的第一出口或一组出口；与所述分离段流体连通以引入所述两相流的第二入口；与所述分离段流体连通以收回在所述分离段的底部收集的所述液体流的第二出口；和与所述换热器段的所述壳侧流体连通以从所述换热器段的所述壳侧的底部收回所述加热的气态制冷剂流的第三出口。
方面17：根据方面16所述的一种盘管式换热器单元，其中所述壳体的所述第一入口或一组入口用于将所述一股或多股原料流引入所述换热器段的所述管侧的底部；并且其中所述壳体的所述第一出口或一组出口用于从所述换热器段的所述管侧的顶部收回所述一股或多股冷却的原料流。
方面18：根据方面16或17所述的一种盘管式换热器单元，其中所述壳体的所述第二入口定位成使得在所述一个或多个导管中的每一个的所述入口的位置的下方位置处将所述两相流引入所述分离段。
方面19：根据方面16至18中的任一方面所述的一种盘管式换热器单元，其中所述盘管式换热器单元进一步包含除雾器，所述除雾器位于所述壳体的所述第二入口和所述一个或多个导管中的每一个的入口之间的所述分离段中。
方面20：根据方面16至19中的任一方面所述的盘管式换热器单元，其中所述换热器段进一步包含芯轴，所述盘管管束的管缠绕在所述芯轴上，并且其中所述芯轴向上延伸穿过所述隔板，所述芯轴的所述向上延伸段是中空的并形成延伸穿过所述隔板的所述一个或多个导管中的至少一个。
方面21：根据方面15所述的一种系统，所述系统包括根据方面16至20中的任一方面所述的盘管式换热器单元，其中：
所述盘管式换热器单元的所述换热器段是所述系统的所述第一换热器段，由所述盘管式换热器单元冷却的所述一股或多股原料流是所述第一原料流，并且从所述第一出口或一组出口收回的所述一股或多股冷却的原料流是所述第一LNG流；并且
所述盘管式换热器单元的所述分离段是所述系统的所述第一分离段，由所述分离段接收的所述两相流是所述进一步膨胀和冷却的第二原料流，并且在所述分离段的底部收集的并从所述第二出口收回的所述液体流是所述第二LNG流。
方面22：一种利用根据方面16至20中的任一方面所述的盘管式换热器单元冷却一股或多股原料流的方法，所述方法包含：
通过所述壳体的所述第一入口或一组入口将所述一股或多股原料流引入所述换热器段的所述管侧；
通过所述壳体的所述第一出口或一组出口将一股或多股冷却的原料流从所述换热器段的管侧收回；
通过所述壳体的所述第二入口将两相流引入所述分离段；
通过所述壳体的所述第二出口收回在所述分离段的底部收集的所述液体流；以及
通过所述壳体的所述第三出口从所述换热器段的所述壳侧的底部收回加热的气态制冷剂流。
方面23：根据方面22所述的一种方法，其中所述一股或多股原料流包含天然气原料流。
方面24：根据方面23所述的一种方法，其中所述一股或多股冷却的原料流包含LNG流。
方面25：根据方面23或24所述的一种方法，其中所述两相流是膨胀和冷却的天然气原料流。
方面26：根据方面1至14中的任一方面所述的一种液化天然气的方法，其中所述方法利用根据方面16至20中的任一方面所述的盘管式换热器单元进行步骤(d)并分离所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的所述液体部分和所述蒸汽部分以形成步骤(e)中的气态制冷剂流和第二LNG流；由所述盘管式换热器单元冷却的所述一股或多股原料流是所述第一原料流；从所述盘管式换热器单元壳体的所述第一出口或一组出口收回的所述一股或多股冷却的原料流是所述第一LNG流；由所述盘管式换热器单元的所述分离段接收的所述两相流是所述进一步膨胀和冷却的第二原料流；并且在所述分离段的底部收集的并从所述盘管式换热器单元壳体的所述第二出口收回的所述液体流是第二LNG流。
方面27：一种在利用开环天然气制冷循环液化天然气之前从所述天然气中去除重组分的方法，所述方法包含以下步骤：
(i)膨胀含有重组分的天然气原料流以形成冷却的天然气原料流；
(ii)将所述冷却的天然气原料流分离成排除重组分的气态天然气原料流和富有重组分的液流；
(iii)将所述气态天然气原料流和一股或多股循环气流组合以形成组合原料流，所述流在低于甲烷临界压力的压力下组合，并且在与所述一股或多股循环气流组合前，所述气态天然气原料流未进行外部驱动的压缩；
(iv)压缩所述组合原料流以形成高压组合原料流；以及
(v)将所述高压组合原料流的第二部分作为用于提供液化第一部分的制冷能力的制冷剂，在开环天然气制冷循环中液化所述高压组合原料流的所述第一部分，其中加热所述第二部分一次以形成所述一股或多股循环气流中的一股或多股；
其中在将所述天然气流与来自所述开环天然气制冷循环的任意股循环气流组合之前进行步骤(i)和(ii)。
方面28：根据方面1至14中的任一方面所述的一种液化天然气的方法，其中步骤(a)包含：
(i)膨胀含有重组分的天然气原料流以形成冷却的天然气原料流；
(ii)将所述冷却的天然气原料流分离成排除重组分的气态天然气原料流和富有重组分的液流；
(iii)将所述气态天然气原料流和所述一股或多股循环气流组合以形成所述组合原料流，所述流在低于甲烷临界压力的压力下组合，并且在与所述一股或多股循环气流组合前，所述气态天然气原料流未进行外部驱动的压缩；以及
(iv)压缩所述组合原料流以形成所述高压组合原料流。
方面29：一种用于进行方面27所述的方法的系统，所述系统包含：
第一膨胀设备，用于接收并膨胀含有重组分的天然气原料流以形成冷却的天然气原料流；
一个或多个分离设备，与所述第一膨胀设备流体连通，用于接收并将所述冷却的天然气原料流分离成排除重组分的气态天然气原料流和富有重组分的液流；
压缩机组，包含一个或多个压缩机，用于接收所述气态天然气原料流和一股或多股循环气流、组合所述流以形成组合原料流，以及压缩所述组合原料流以形成高压组合原料流，其中所述气态天然气原料流和一股或多股循环气流在低于甲烷临界压力的压力下组合，在与所述一股或多股循环气流组合前，所述气态天然气原料流未进行外部驱动的压缩；和
液化系统，与所述压缩机组流体连通，用于将所述高压组合原料流的第二部分作为用于提供液化第一部分的制冷能力的制冷剂，在开环天然气制冷循环中液化所述高压组合原料流的所述第一部分，其中加热所述第二部分一次以形成所述一股或多股循环气流中的一股或多股。
方面30：根据方面15所述的一种系统，其中所述压缩机组将所述一股或多股循环气流与排除重组分的气态天然气原料流组合形成组合原料流并压缩所述组合原料流以形成所述高压组合原料流，其中所述气态天然气原料流和一股或多股循环气流在低于甲烷临界压力的压力下组合，并且在与所述一股或多股循环气流组合前，所述气态天然气原料流未进行外部驱动的压缩；并且其中所述系统进一步包含：
第四膨胀设备，用于接收并膨胀含有重组分的天然气原料流以形成冷却的天然气原料流；和
一个或多个分离设备，与所述第四膨胀设备流体连通，用于接收并将所述冷却的天然气原料流分离成所述排除重组分的气态天然气原料流和富有重组分的液流。
附图说明
图1是描绘了利用开环制冷循环的天然气液化方法和系统的示意流程图。
图2是描绘了用于通过与气态制冷剂的间接热交换冷却一股或多股原料流的盘管式换热器单元的示意流程图。
图3是描绘了在利用开环天然气制冷循环液化天然气之前从天然气中去除重组分的方法和系统的示意流程图。
具体实施方式
本文描述了利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法和系统；适合通过与气态制冷剂的间接热交换以冷却一股或多股原料流(诸如例如一股或多股天然气原料流)的盘管式换热器单元；和在利用开环天然气制冷循环液化天然气之前从天然气中去除重组分的方法和系统。公开的方法和系统及单元具有各种效果：提高了效率、降低了资金成本、减少了占地面积和/或改善了机械设计，下面将参照图1至3更详细地描述。
如本文所用，除非另有说明，当应用于本说明书和权利要求书中描述的本发明实施例中的任何特征时，冠词“一”和“一个”是指一个或多个。“一”和“一个”的使用并不将含义限制在单个特征上，除非明确说明了这种限制。单数名词或复数名词或名词短语前的冠词“该”表示特别的特定特征，并且根据使用的上下文，可以具有单数或复数含义。
如果在本文中使用字母来标识方法的列举的步骤(例如(a)、(b)和(c))，则这些字母仅用于帮助提及方法步骤，并且不意在指示执行所要求的步骤的特定顺序，除非并且仅在具体列举这种顺序的范围内。
在本文中用于识别方法或系统的列举特征时，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于帮助提及和区分所讨论的特征，并不意在指示特征的任何特定顺序，除非仅在具体列举这种顺序的范围内。
如本文所用，术语“天然气”和“天然气流”也涵盖包含合成和/或替代天然气的气体和气流。天然气的主要成分是甲烷(通常包含至少85摩尔％，更经常至少90摩尔％，平均约95摩尔％的原料流)。原天然气中可能少量存在的其他典型成分包括一个或多个“轻组分”(即沸点低于甲烷的组分)，诸如氮、氦和氢；和/或一个或多个“重组分”(即沸点高于甲烷的组分)，诸如二氧化碳和其他酸性气体、水分、汞和诸如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等的重烃。然而，液化前，如有必要，将处理原天然气原料流(本文也指“调节”天然气)以将可能存在的任何重组分的水平降低到能够避免待冷却和液化天然气的换热器段中的结冰或其他操作问题的水平。与初始未经处理的天然气原料流相比，经过处理后的“排除重组分”的天然气流原料流中，重组分的含量降低。同样，与初始未经处理的天然气原料流相比，通过处理天然气原料流以去除其中的重组分而产生的“富有重组分”的液体中，重组分的含量增加。
如本文所用，术语“制冷循环”是指循环制冷剂为向另一流体提供制冷而进行的一系列步骤。在“开环制冷循环”中，包含待冷却/液化流体的原料流不仅提供液化进料，而且还提供循环制冷剂。例如，在“开环天然气制冷循环”中，冷却和液化天然气原料流的第一部分以形成LNG产物，而第二部分用作制冷剂然后再回收回天然气原料流中(这通常涉及膨胀并冷却第二部分以形成冷制冷剂，通过与第一部分间接热交换来加热所述制冷剂，以提供冷却和/或液化第一部分的冷却能力，然后将加热的制冷剂回收回原料流中)。相反，在“闭环制冷剂循环”中，制冷剂在闭环回路中循环，在正常循环期间不与待冷却/液化的流体混合(尽管如果制冷剂的组成与待冷却/液化的流体的组成相同，或含有相同成分，流体原料流最初可用于填充闭环回路，并且/或者可用于周期性地向回路加注，以考虑泄漏或其他操作损失)。
如本文所用，术语“流体连通”表示所讨论的设备或组件彼此连接，使得所提及的流可以由所讨论的设备或组件发送和接收。例如，设备或组件可以通过用于传输所讨论的流的适当管道、通道或其他形式的导管连接，并且也可以通过系统的其他组件耦合在一起(这些组件可以将它们分开)，诸如例如通过一个或多个阀门、闸门或其他可选择地限制或引导流体流动的设备。
如本文所用，术语“膨胀设备”是指适合膨胀并由此降低流体压力的任何设备或设备集合。用于膨胀流体的适当类型的膨胀设备包括“等熵”膨胀设备，诸如涡轮膨胀器或水轮机，其中流体膨胀，从而以基本等熵的方式降低流体的压力和温度(即，以产生功的方式)；以及“等焓”膨胀设备，诸如阀门或其他节流设备，其中流体膨胀，从而降低流体的压力和温度，而不需要产生功。
如本文所用，术语“闪蒸”(在本领域中也称为“闪发”)是指降低液流或两相流(即包含蒸汽和液体的流)的压力，从而部分蒸发该流的过程。闪蒸气流中存在的蒸汽在本文称为“闪蒸气体”。
如本文所用，术语“间接热交换”是指两种流体之间的热交换，其中两种流体通过某种形式的物理屏障保持彼此分离。
如本文所用，术语“换热器段”是指单元或单元的一部分，在其中，流经换热器段冷侧的一股或多股流体与流经换热器段热侧的一股或多股流体进行间接热交换，从而加热流经冷侧的流体，并冷却流经热侧的流体。术语“热侧”在本文中用于指换热器段的一部分，是指将通过与流经冷侧的流体的间接热交换而被冷却的一股或多股流体流过的换热器的一侧。术语“冷侧”在本文中用于指换热器段的一部分，是指将通过与流经热侧的流体的间接热交换而被加热的一股或多股流体流过的换热器的一侧。除非另有说明，否则换热器段可以是任何合适类型的换热器，例如但不限于管壳式、盘管式或板翅式换热器。
如本文所用，术语“盘管式换热器”是指本领域已知的换热器类型，包含一个或多个封装在壳体内的管束，其中每个管束可以有自己的壳体，或者其中两个或更多个管束可以共用一个壳体。“盘管式换热器段”可包含一个或多个管束，管束的管侧(管束中的管的内部)通常代表所述段的热侧，并限定通过该段的一个或多个通道，管束的壳侧(壳体内部和管外部之间限定的空间)通常代表所述段的冷侧，并限定通过该段的单个通道。盘管式换热器是一种紧凑的换热器设计，以其坚固性、安全性和传热效率而闻名，因此具有提供与其占地面积相关的高效换热水平的优点。然而，由于壳侧仅限定了通过换热器段的单个通道，因此在所述换热器段的壳侧没有混合所述制冷剂流的情况下，不可能在盘管式换热器段的壳侧使用多股制冷剂流。
如本文所用，术语“分离段”是指单元或单元的一部分，在其中，两相流或混合物(同时含有液体和蒸汽的流或混合物)的蒸汽部分和液体部分进行分离。分离段可以单纯是开放区域或容器或壳体，其在该段底部限定集水坑区用于收集液体，在集水坑区上方限定顶部空间区用于收集蒸汽气体。或者，分离段可以包含一个或多个传质设备，用于使向下流动的流体与向上上升的蒸汽接触，从而增强该段内向上上升的蒸汽和向下流动的液体之间的传质。一个或多个传质设备可以是本领域已知的任何合适类型，例如，随机填料、规整填料和/或一个或多个板或托盘。
如本文所用，术语“蒸馏柱”是指包含一个或多个分离段的柱，每个分离段含有一个或多个传质设备(诸如例如，随机填料、规整填料和/或一个或多个板或托盘)，用于使向下流动的液体与向上上升的蒸汽接触，从而增强向上上升的蒸汽和流经该柱内该段的向下流动的液体之间的传质。这样，顶部蒸汽中较轻组分的浓度增加，而底部液体中较重组分的浓度增加。术语“顶部蒸汽”在本文中是指在柱顶部收集的蒸汽。术语“底部液体”在本文中是指在柱底部收集的液体。柱的“顶部”是指分离段上方的柱部分。柱的“底部”是指分离段下方的柱部分。柱的“中间位置”是指柱顶部和底部之间、两个分离段之间的位置。术语“回流”是指从柱顶部向下流动的液体的来源。术语“蒸出”是指从柱底部向上上升的蒸汽的来源。
如本文所用，术语“气液分离”罐(在本领域中也称为闪蒸罐或汽液分离器)是指具有开放区域的容器，该开放区域在容器底部限定用于收集液体的集水坑区，在集水坑区上方限定用于收集蒸汽的顶部空间区。在容器顶部收集的蒸汽再次被称为“顶部蒸汽”，在容器底部收集的液体在此再次被称为“底部液体”。
如本文所用，术语“除雾器”是指从蒸汽流中去除夹带的液滴或雾的设备。除雾器可以是本领域已知的任何合适的设备，包括但不限于网垫式除雾器或叶片式除雾器。
现在参照图1，示出了根据本发明的一个实施例的一种天然气液化方法和系统。该方法和系统利用开环天然气制冷循环液化天然气并产生液化天然气(LNG)产物。
在压缩机组的第一级100中压缩循环气流104，该压缩机组包含压缩级100、106、108和110，其中每个级可代表单独的压缩机或多级压缩机的一个或多个级。因此，例如，压缩级100可以是(具有一个或多个级的)独立压缩机，或者可以是多级压缩机的一个或多个低压级，其中该多级压缩机包括压缩机级106作为一个或多个高压级。如图所示，压缩机组也可合并一个或多个级间冷却器107用于在压缩级之间通过与一个或多个环境温度流体(诸如空气或水)的间接热交换冷却压缩气。一些压缩级(诸如例如图1所示的压缩级108和110)可通过直接耦合到“压缩扩张器”设备形式的膨胀器而驱动，而其他压缩级可由电机或燃气轮机驱动。
退出第一压缩级100的循环气流105与天然气原料流102组合形成组合原料流103，然后在压缩机组的进一步压缩级106、108和110中进一步压缩该组合原料流，通常是达到150绝对压或以上，更优选地是200绝对压或以上，从而形成高压组合原料流114。如图1所示，若需要，也可在压缩机组的中间位置从组合原料流中收回小燃料流112(通常质量流率小于天然气原料流102的质量流率的10％)。优选地，通过与一个或多个环境温度流体(诸如空气或水)的间接热交换，在后冷却器116中冷却退出最终压缩级110的高压组合原料流114，从而形成处于或约处于环境温度的高压组合原料流118。
应该注意的是，尽管图1示出的天然气原料流是在压缩机组的压缩级100和106之间与循环气流105组合的，可替代地，天然气原料流可在压缩级100、106、108和110的任意级前或后与循环气流组合，这取决于天然气原料流的启动压力(即天然气原料流由系统接收的压力)。因此，天然气原料流可例如在循环气流104发生任意压缩前与该循环气流组合，得到的组合原料流在压缩机组的每个级100、106、108和110中压缩；或者，天然气原料流可在两个随后的(高压)压缩级之间(诸如级106和108之间)与循环气流组合；或者，天然气原料流可与退出最终压缩级110的完全压缩的循环气流组合以形成高压组合原料流114，而不发生天然气原料流本身的压缩。
在第一膨胀设备119中膨胀高压组合原料流118，更优选地在诸如例如涡轮膨胀机119的等熵膨胀设备中基本等熵地膨胀，从而冷却该流，优选地冷却到低于0℃的温度，更优选地到-20℃至-40℃的温度，最优选地到约-30℃的温度，从而形成冷却的组合原料流120。冷却的组合原料流120的压力将取决于膨胀前高压组合原料流118的压力和温度以及实现期望的冷却水平所需的膨胀率(即膨胀后该流的压力与膨胀开始前的压力的比值)，但可例如是约90绝对压。高压组合原料流118的等熵膨胀生成的功可用于任意合适的方面，但在优选实施例中可用于驱动压缩机组的一个或多个压缩级，诸如，如图1所示，第一膨胀设备119为直接耦合到并驱动压缩级110的涡轮膨胀机。
然后将冷却的组合原料流120分割成至少三部分，从而至少形成第一原料流122、第二原料流127和第三原料流146，所有的原料流的压力和温度都与冷却的组合原料流相同。在图1所示的特定实施例中，组合原料流120被分割成四部分，因而也形成了第四原料流154，但是产生这样的额外原料流是可选的。
第一原料流122是冷却的组合原料流120分割成的流中的第二大流(即具有第二大质量流率)。通常，第一原料流122的质量流率是冷却的组合原料流120的质量流率的20％至30％，更优选地是约25％。第一原料流122通过在第一换热器段124中与气态制冷剂流134的间接热交换进一步冷却和凝聚，冷却和凝聚第一原料流122以形成第一LNG流126，加热气态制冷剂流134以形成加热的气态制冷剂流，其中该加热的气态制冷剂流形成如上所述被压缩并与天然气原料流102组合的循环气流138、104。退出第一换热器段124的第一LNG流126的温度将通常处于或接近(但是稍高于)进入第一换热器段124的气态制冷剂流134的温度。在优选实施例中，第一LNG流126的温度可以是约-120℃。第一换热器段124可以是任意类型的换热器段，诸如例如板翅式、管壳式或盘管式，但最优选地是如图1所示的盘管式换热器段，其中第一原料流122在盘管式换热器段的管侧中流过并进一步冷却和凝聚，气态制冷剂流134在盘管式换热器段的壳侧中流过并加热。
第二原料流127是冷却的组合原料流120分割成的流中的最大流(即具有最大质量流率)。通常，第二原料流127的质量流率是冷却的组合原料流120的质量流率的65％至75％，更优选地是约70％。在第二膨胀设备128中进一步膨胀第二原料流127，更优选地在诸如例如涡轮膨胀机128的等熵膨胀设备中基本等熵地进一步膨胀，从而进一步冷却该流，优选地冷却到-110℃至-140℃的温度，最优选地到约-125℃的温度，从而形成两相的(即具有液体部分和蒸汽部分)进一步膨胀和冷却的第二原料流130。进一步膨胀和冷却的第二原料流130中液体的比例和蒸汽的比例将取决于膨胀前第二原料流127的压力和温度以及膨胀率，但优选的是，使得进一步膨胀和冷却的第二原料流的蒸汽部分占大部分，更优选地是占进一步膨胀和冷却的第二原料流的75摩尔％至95摩尔％，因此液体部分优选地占小部分，更优选地占该流的5摩尔％至25摩尔％。进一步膨胀和冷却的第二原料流130的压力将相似地取决于膨胀前高压组合原料流118的压力和温度以及实现期望的冷却水平和产生期望的蒸汽-液体比所需的膨胀率，但可例如是约9绝对压。第二原料流127的等熵膨胀生成的功可用于任意合适的方面，但在优选实施例中可用于驱动压缩机组的一个或多个压缩级，诸如，如图1所示，第二膨胀设备128为直接耦合到并驱动压缩级108的涡轮膨胀机。
然后将进一步膨胀和冷却的第二原料流130引入第一分离段132，该流的液体部分和蒸汽部分在该第一分离段中分离，其中如上所述，蒸汽部分形成气态制冷剂流134，该气态制冷剂流随后在第一换热器段124中加热以提供用于进一步冷却和凝聚第一原料流122的制冷能力，液体部分形成第二LNG流136。在优选实施例中，第一分离段132与第一换热器段124在单个单元的壳体内集成，如图1所示，第一分离段132位于第一换热器段124上方，下面将参照图2进一步描述。在其他实施例中，第一分离段可与第一换热器段在单个单元的壳体内集成，但是分离段位于换热器段下方，诸如例如如US2019/0346203A1中所述，使用了组合换热器和分离器单元，其全部内容并入本文。在另外的其他实施例中，第一分离段和第一换热器段可通过合适的管道连接构成单独的单元。
第三原料流146和第四原料流154(若存在)是冷却的组合原料流120分割成的流中的最小流(即具有最小质量流率)。通常，第三原料流146的质量流率仅仅是冷却的组合原料流120的质量流率的1％至5％。同样，第四原料流154(若存在)的质量流率通常仅仅是冷却的组合原料流120的质量流率的1％至5％。
通过与第一闪蒸气流150在第二换热器段142中的间接热交换，进一步冷却和凝聚第三原料流146，进一步冷却和凝聚第三原料流146以形成第三LNG流148，加热第一闪蒸气流150以形成加热的第一闪蒸气流152。退出第二换热器段142的第三LNG流148的温度优选地低于第一LNG流126的温度，例如可以是约-140℃。正如第一换热器段124，第二换热器段142可以是任意类型的换热器段，但是如图1所示，最优选地是盘管式换热器段，第三原料流146在盘管式换热器段的管侧中流过并进一步冷却和凝聚，第一闪蒸气流150在盘管式换热器段的壳侧中流过并加热。
然后在一组膨胀设备141、143的第三膨胀设备中闪蒸第一LNG流126、第二LNG流136和第三LNG流148，以将压力降到低于第二膨胀设备128的排放压力(高于大气压)，诸如例如降到约4绝对压，以使得每股流都有液体部分和蒸汽部分，然后在第二分离段140或一组分离段中分离所述液体部分和蒸汽部分，液体部分形成第一LNG产物流144，蒸汽部分形成第一闪蒸气流150，如上所述，随后在第二换热器段142中加热该第一闪蒸气流。
在图1所示的布置中，单独的膨胀设备141、143用于分别闪蒸第一LNG流、第二LNG流和第三LNG流中的每一股，利用诸如例如稠密流体膨胀机或水轮机143(或后面有阀门的水轮机)的等熵膨胀设备闪蒸第一LNG流126，利用诸如阀门141的等焓膨胀设备闪蒸第二LNG流136和第三LNG流148，然后将该流混合并作为单股流145引入单个分离段140，在该分离段中收集和分离所有流的液体部分和蒸汽部分。在图1所示的布置中，第二分离段140也与第二换热器段124在单个单元的壳体内集成，该分离段位于换热器段的下方(例如，分离段是空段，在该段的底部限定了集水坑区用于收集液体部分，在集水坑区上方限定了顶部空间区用于收集蒸汽部分)，诸如例如如US2019/0346203A1中所述，使用了组合换热器和分离器单元。然而，也可以使用其他布置代替。第二分离段可与第二换热器段在单个单元的壳体内集成，但是该第二分离段位于第二换热器段上方(利用下面将参照图2进一步描述的单元)，或者可替代地，第二分离段和第二换热器段可通过合适的管道连接构成单独的单元。可以使用任意形式的等熵膨胀设备和等焓膨胀设备或其组合闪蒸第一LNG流、第二LNG流和第三LNG流。可在闪蒸前组合第一LNG流、第二LNG流和第三LNG流，然后将组合流闪蒸并引入第二分离段。可替代地，单独的膨胀设备可用于分别闪蒸第一LNG流、第二LNG流和第三LNG流中的每一股，然后单独的分离段可用于接收每股闪蒸流并分离每股流的液体部分和蒸汽部分，然后组合分离的液体部分，并组合分离的蒸汽部分(如此的布置也可替代地允许第一闪蒸气流仅由第一LNG流、第二LNG流和第三LNG流中的仅仅一股或两股流的蒸汽部分形成，并且/或者第一LNG产物流由第一LNG流、第二LNG流和第三LNG流中的仅仅一股或两股流形成)。
通过与第二闪蒸气流164在第三换热器段156中的间接热交换，可进一步冷却和凝聚第四原料流154(若存在)，进一步冷却和凝聚第四原料流154以形成第四LNG流158，加热第二闪蒸气流164以形成加热的第二闪蒸气流166。退出第三换热器段156的第四LNG流158的温度优选地低于第三LNG流148的温度，例如可以是约-150℃。正如第一换热器段和第二换热器段，第三换热器段156可以是任意类型的换热器段，但是如图1所示，最优选地是盘管式换热器段，第四原料流154在盘管式换热器段的管侧中流过并进一步冷却和凝聚，第二闪蒸气流164在盘管式换热器段的壳侧中流过并加热。
其中，如上所述，生成第四LNG流158，然后可在一组膨胀设备161的第四膨胀设备中闪蒸第四LNG流158和第一LNG产物流144，以将压力降到低于第三膨胀设备或一组膨胀设备141、143的排放压力(处于或高于大气压)，诸如例如降到约1至1.5绝对压，以使得每股流都有液体部分和蒸汽部分，然后在第三分离段160或一组分离段中分离液体部分和蒸汽部分，液体部分形成第二LNG产物流162，蒸汽部分形成第二闪蒸气流160，如上所述，随后在第三换热器段156中加热该第二闪蒸气流。
在图1所示的布置中，单独的膨胀设备161用于分别闪蒸第四LNG流158和第一LNG产物流144，两股所述流158和144都利用诸如阀门161的等焓膨胀设备闪蒸，然后将该流混合并作为单股流165引入单个分离段160，在该分离段中收集和分离该两股流的液体部分和蒸汽部分。在图1所示的布置中，第三分离段160也与第三换热器段156在单个单元的壳体内集成，分离段位于换热器段的下方(例如，分离段是壳体的空段，在该段的底部限定了集水坑区用于收集液体部分，在集水坑区上方限定了顶部空间区用于收集蒸汽部分)，诸如例如如US2019/0346203A1中所述，使用了组合换热器和分离器单元。再次，然而，也可以使用其他布置代替。第三分离段可与第三换热器段在单个单元的壳体内集成，但是第三分离段位于第三换热器段上方(利用下面将参照图2进一步描述的单元)，或者可替代地，第三分离段和第三换热器段可通过合适的管道连接构成单独的单元。可以使用任意形式的等熵膨胀设备和等焓膨胀设备或其组合闪蒸第四LNG流和第一LNG产物流。可在闪蒸前组合第四LNG流和第一LNG产物流，然后将组合流闪蒸并引入第三分离段。可替代地，单独的膨胀设备可用于分别闪蒸第四LNG流和第一LNG产物流中的每一股，然后单独的分离段可用于接收每股闪蒸流并分离每股流的液体部分和蒸汽部分，然后组合分离的液体部分，并组合分离的蒸汽部分。
最终，加热的第一闪蒸气流152和加热的第二闪蒸气流166(若存在)也可作为与天然气原料流组合的一股或多股额外的循环气流循环。在图1所示的特定布置中，第一闪蒸气流152和第二闪蒸气流在多级压缩机168中组合和压缩，优选地在后冷却器170中通过与一个或多个环境温度流体(诸如空气或水)的间接热交换冷却，从而形成额外的循环气流172(尽管单独的压缩机可同样地用于分别压缩闪蒸气流，然后组合压缩的流或以其他方式形成两股单独的循环气流)。额外的循环气流172的压力与从第一换热器段124中收回的循环气流138相同，两股流可如图1所示组合以形成单股循环气流104，然后该循环气流在压缩机组的第一级100中压缩。可替代地，额外的循环气流172的压力与从第一换热器段124中收回的循环气流138不同，两股流可在不同位置处引入压缩机组。例如，额外的循环气流172的压力高于循环气流138，根据额外的循环气流172的压力，通过在压缩级100、106、108和110的两级之间甚至在最后的压缩级110之后引入压缩机组，额外的循环气流172可与循环气流138和天然气原料流102组合。
图1所描绘和上述的天然气液化方法和系统具有多种效果。
第一，通过压缩循环气和天然气原料流(如有必要)到非常高的压力以形成压力通常在150绝对压或以上(更优选地是200绝对压或以上)的高压组合原料流114、118，可能实现第一膨胀设备119和第二膨胀设备128两者的高膨胀率和大压降，从而在膨胀高压组合原料流118以产生冷却的组合原料流120时并且在膨胀第二原料流127以产生进一步膨胀和冷却的第二原料流130时产生大量的冷却。这反之允许第一原料流122和进一步膨胀和冷却的第二原料流130在低温下产生，因而不需要在将第一原料流122引入第一换热器段124并冷却之前以及在将进一步膨胀和冷却的第二原料流130分离以提供气态制冷剂流134之前在任意的额外换热器段中预冷却这些流，其中该气态制冷剂流为第一换热器段124提供冷却能力。因为不需要任何这样的额外换热器(不得不适当地设计其尺寸以适应第一原料流122和进一步膨胀和冷却的第二原料流130的大质量流率)，所以可减少液化设施的资金成本和占地面积。
第二，通过在第一分离段132将进一步膨胀和冷却的第二原料流130分离成其液体部分和蒸汽部分、由所述蒸汽部分形成气态制冷剂流134、然后仅利用所述气态制冷剂流134(不是任何分离的液体部分)作为第一换热器段124中的制冷剂，可避免在第一换热器段124中使用两相制冷剂流。若反而利用第一换热器段124中的两相制冷剂流为进一步冷却和凝聚第一原料流提供制冷能力，将降低该过程和系统的效率，因为第一换热器段的冷端中液体的沸腾将增加换热器中的温差，从而造成火用损失。本发明人所进行的模拟已经显示，通过在第一分离段132中将进一步膨胀和冷却的第二原料流130分离成其液体部分和蒸汽部分并仅利用蒸汽部分作为第一换热器段中的制冷剂，该过程的功率需求降低了4％，甚至对于相对贫瘠的天然气原料流(其中进一步膨胀和冷却的第二原料流的液体部分仅占所述流的14摩尔％)也同样。
第三，因为第一换热器段124、第二换热器段142和第三换热器段156(若存在)都仅利用单股制冷剂流提供所需的制冷能力(即第一换热器段124的情况下的气态制冷剂流134、第二换热器段142的情况下的第一闪蒸气流150和第三换热器段156的情况下的第二闪蒸气流164)，可能将盘管式换热器段用于每个换热器段，从而获得利用此类交换器的效果(即紧凑性和高效率)。
现在参照图2，示出了根据本发明另一实施例的盘管式换热器单元，其中盘管式换热器单元用于通过与气态制冷剂流的间接热交换冷却一股或多股原料流，其中该气态制冷剂流由被此单元分离的两相流的蒸汽部分形成。如上所述，例如，本实施例的盘管式换热器单元可有利地用作图1所示系统的第一分离段132和第一换热器段124，由盘管式换热器单元冷却的原料流是图1的第一原料流122，本单元所用的两相流和气态制冷剂流分别是图1的进一步膨胀和冷却的第二原料流130和气态制冷剂流134。然而，通过与由任意其他类型的两相流的蒸汽部分形成的气态制冷剂流的间接换热器，该盘管式换热器单元可同样地用于冷却任意其他类型的原料流。例如，也如上所述，盘管式换热器单元可用作图1所示系统的第二分离段140和第二换热器段142或用作第三分离段160和第三换热器段156，原料流、两相流和气态制冷剂流分别是流146、145和150或154、165和164。同样，利用任意类型的两相流和气态制冷剂流(诸如但不限于由天然气原料流衍生的两相流和气态制冷剂流本身)，盘管式换热器单元可用于冷却任意其他类型的天然气原料流。
该盘管式换热器单元包含包围换热器段224的壳体(容器壳)282、位于换热器段224上方的分离段232、将换热器段224与分离段232分离的隔板279和换热器段224与分离段232之间贯穿隔板279的一个或多个导管276。
换热器段是盘管式换热器段224，其包含限定了所述换热器段的管侧和壳侧的至少一个盘管管束(在图2中示意性地描绘为阴影段278)，该管侧限定了一个或多个通道，该通道贯通用于冷却一股或多股原料流222(诸如例如图1的第一原料流122)以形成一股或多股冷却的原料流226(诸如例如图1的第一LNG流126)的换热器段，该壳侧限定了一个通道，该通道贯通用于加热所述气态制冷剂流234(诸如图1的流134)以形成加热的气态制冷剂流238(诸如图1的流138)的换热器段。通过壳体的与换热器段的管侧流体连通的第一入口或一组入口，将一股或多股原料流222引入换热器段的管侧(优选地位于换热器段的底部)；通过壳体的与换热器段的管侧流体连通的第一出口或一组出口，将一股或多股冷却的原料流226从换热器段的管侧(优选地位于换热器段的顶部)和盘管式换热器单元一体地收回。理论上，盘管式换热器单元和换热器段224也可与需要冷却的气态流234以及用作制冷剂的原料流222一起操作，其中气态流234流过换热器段的壳侧以被冷却，原料流222流过管侧以被加热，然而，这样的布置实际上很低效。
分离段232配置为接收两相流230(诸如例如图1中进一步膨胀和冷却的第二原料流130)，并且分离所述流的液体部分和蒸汽部分，在分离段的底部收集液体部分，在分离段的顶部收集蒸汽部分。两相流230的蒸汽部分可例如占两相流230的2摩尔％至98摩尔％，但是对于大多数应用来说，蒸汽部分将占两相流的大部分，优选地蒸汽部分将占两相流的75摩尔％至98摩尔％，更优选地占75摩尔％至95摩尔％或80摩尔％至98摩尔％或80摩尔％至95摩尔％(因此液体部分占两相流的小部分，优选地占2摩尔％至25摩尔％，更优选地占5摩尔％至25摩尔％或2摩尔％至20摩尔％或5摩尔％至20摩尔％)。通过壳体的与分离段232流体连通的第二入口，将两相流230引入分离段232。该壳体也具有第二出口，该第二出口与用于收回在分离段底部收集的液体流236的分离段流体连通。
隔板279(例如可采用舱壁板形式)和一个或多个导管276配置为防止流体在分离段232和换热器段224之间流动而不是流过一个或多个导管276。隔板279和壳体的第二出口也被定位并配置为使得在盘管式换热器单元的普通操作中，在分离段底部收集的液体的平面位于壳体的第二出口的位置上方，从而只有液体(没有蒸汽)可通过第二出口退出分离段。一个或多个导管276中的每一个具有位于隔板224上方并朝向分离段的顶部的入口273和位于隔板224下方并在换热器段的壳侧朝向换热器段的顶部的出口274，借此在分离段的底部收集的液体不能流进换热器段，而在分离段的顶部收集的蒸汽能流过一个或多个导管276并流入换热器段的壳侧的顶部，从而形成气态制冷剂流234，该气态制冷剂流流过换热器段的壳侧并在其中加热。然后通过壳体的与换热器段的壳侧流体连通的第三出口，将得到的加热的气态制冷剂流238从换热器段的壳侧的底部和盘管式换热器单元一体地收回。
壳体的第二入口(通过其，将两相流230引入分离段232)优选地位于导管276的入口273的下方以将两相流引入分离段，其中通过该导管的入口，气态制冷剂流234从分离段232流进换热器段224。为了帮助防止任意液体流进换热器段，盘管式换热器单元也可进一步包含除雾器272，该除雾器位于壳体的第二入口(通过其，将两相流230引入分离段232)和导管276的入口273之间的分离段232中，除雾器被设计和配置为保证在所述蒸汽进入导管276并形成气态制冷剂流234之前从分离段顶部收集的蒸汽中大量去除任意夹带的液体。
在图2所示的布置中，换热器段224进一步含有芯轴277，盘管管束的管缠绕在该芯轴上，并且其中该芯轴向上延伸穿过隔板279，芯轴的向上延伸段是中空的并形成导管276，通过该导管，在分离段的顶部收集的蒸汽作为气态制冷剂流234流过并流进换热器段的壳侧的顶部。芯轴的向上延伸段的顶端是开口的，因而形成导管的入口273，其中通过该入口，分离段顶部的蒸汽进入导管276并形成气态制冷剂流234。在隔板279下方，芯轴的向上延伸段中的各种圆形槽或孔形成出口274，通过该出口，气态制冷剂流234退出导管并进入换热器段的壳侧的顶部。芯轴中位于出口274下方的密封板280防止气态制冷剂在芯轴的内部进一步流下，从而绕过换热器段的壳侧。在所示的布置中，通过支撑结构270支撑盘管管束的重量，其中该支撑结构将芯轴的向上延伸段/导管276的顶部连接到容器壳282。同样地，图2示出了额外的或替代的适合较大和较重管束的支撑布置，其利用芯轴和壳之间的针状支撑臂271。
在图2未示出的替代布置中，导管276(通过其，气态制冷剂流234从分离段232流进换热器段224)可与支撑盘管管束的芯轴分离。在此布置中，芯轴和导管的直径可以不同，可根据需要设计尺寸以实现其各自的功能，如果需要，可使用多个导管以改善蒸汽分布。
与US2019/0346203A1所述的组合换热器和分离器单元相比，如图2所描绘和如上所述的盘管式换热器单元的效果如下。
对于机械设计和管道原因来说，通常有利于布置盘管式换热器段以使得壳侧的流动向下通过盘管管束(即在使用壳侧制冷剂的情况下，使得盘管式换热器段的冷端朝上)。设计盘管式换热器管束中的支撑结构以在操作时承载管束的重量和壳侧的流动产生的压力。对于壳侧流动向上的换热器单元来说，和美US2019/0346203A1中的单元一样，重力方向与压降力方向相反，支撑系统必须设计为处理重力方向和压降力方向两者。在关闭或调低的情况中，净力朝下，而在高产出情况中，净力可以朝上。由于需要支撑来处理两个方向的力，这能引起交换器的机械设计的难度，因为如果净力方向的转换频繁，可能导致材料疲劳。在根据工厂布置将管道连接到其他设备的布局中，设计用于向下的壳侧流动的交换器也可能具有效果。由于提供了向下的壳侧流动(即气态制冷剂流向下流过换热器段的壳侧)，图2示出的布置解决了这种问题，而在提供分离两相流然后利用蒸汽部分作为换热器段的壳侧中的气态制冷剂的单个单元的方面，仍然执行和US2019/0346203公开和描述的单元相同的功能(从而提供了比利用单独的分离容器和换热器的那些系统更紧凑、更有成本效益和占地面积更小的布置)。
现在参照图3，示出了根据本发明另一实施例的方法和系统，用于从天然气原料流中去除重组分以在必要时制备和调节天然气用于随后的液化。该方法和系统可用于在任意类型的开环天然气制冷循环中液化天然气之前去除重组分，但在优选的布置中，图3所描绘的方法和系统用于在如图1所示和如上所述的方法和系统中液化天然气之前从天然气原料流中去除重组分。
在重组分去除系统391中处理含有重组分的天然气原料流390，其中该重组分去除系统基于液-汽相平衡从较重组分中分离甲烷。已知各种此类系统，但是为了说明的目的，图3示出了利用Ortloff GSP工艺的系统391。优选地，天然气原料流390首先在省煤器换热器段384中冷却，然后在一个或多个膨胀设备392中膨胀以被冷却，从而形成冷却的天然气原料流。尽管可额外地或可替代地使用利用一个或多个阀门的等焓膨胀或其他此类等焓膨胀设备，但是优选地，膨胀设备392包含以基本等熵的方式膨胀天然气原料流的一个或多个等熵膨胀设备，诸如例如一个或多个涡轮膨胀机392。
然后在一个或多个分离设备397和395(诸如例如一个或多个气液分离罐397和/或蒸馏柱395)中分离冷却的天然气流，以形成排除重组分的气态天然气原料流394(保留了原始天然气原料流中存在的大部分甲烷)和富有重组分的液流395。在图3所示的具体布置中，两相的冷却的天然气流首先在气液分离罐397中分离成液体原料流385和蒸汽原料流386。将液体原料流385发送至蒸馏柱395的中间位置。在顶部换热器段388中进一步冷却蒸汽原料流386，并将该蒸汽原料流发送至蒸馏柱的顶部以提供柱顶部的冷却和回流。再沸器389提供了蒸馏柱的蒸出。蒸馏柱395将液体和蒸汽原料流385、385分离成顶部蒸汽和底部液体，其中该顶部蒸汽形成了排除重组分的气态天然气原料流394，该底部液体形成了富有重组分的液流395。然后在顶部换热器段388中加热排除重组分的气态天然气原料流394，若存在，在省煤器换热器段384中进一步加热以提供准备通过开环制冷循环液化的排除重组分的气态天然气原料流302。
在开环制冷循环中，随后将排除重组分的气态天然气原料流302与一股或多股循环气流304在低于甲烷的临界压力的压力下组合，然后压缩得到的组合原料流303以形成高压组合流(优选地，压力高于含有重组分的天然气原料流390的启动压力)，将所述高压组合原料流的第二部分作为用于提供液化第一部分的制冷能力的制冷剂，液化该高压组合原料流的第一部分，加热第二部分(即制冷剂)一次以形成一股或多股循环气流中的一股或多股。尽管循环气流中优选地多于50摩尔％和优选地多于70摩尔％的气体是循环的加热的制冷剂，但除了一股或多股加热的制冷剂流，一股或多股循环气流也可包括一股或多股(优选地加热的)闪蒸气流。如图3所示，根据该股循环气流与排除重组分的气态天然气原料流的相对压力，在与排除重组分的气态天然气原料流302组合之前，可选地在一个或多个可选的压缩级300中压缩该股循环气流304。如上所示，可以使用任意类型的开环制冷循环，但在优选实施例中，使用图1的方法和系统，其中排除重组分的气态天然气原料流302对应图1的天然气原料流102，循环气流304对应图1的循环气流104，图3所描绘的压缩级300和306以及中间冷却器307对应图1的压缩级100和106以及中间冷却器107。
在一个或多个等熵膨胀设备392用于膨胀含有重组分的天然气原料流390的情况下，由所述等熵膨胀设备392产生的功驱动的一个或多个压缩级393可用于在所述流302与一股或多股循环气流304组合前压缩排除重组分的气态天然气原料流394，诸如例如如图3所示，其中可选的压缩机393直接耦合到“压缩扩张器”设备形式的涡轮膨胀机392而被驱动。然而，应该注意的是，在图3的方法和系统中，在排除重组分的气态天然气原料流394、304与一股或多股循环气流304组合前，排除重组分的气态天然气原料流394、304未进行任意的外部驱动的压缩(即由电源驱动而不是由膨胀天然气原料流所生成的动力驱动的任意压缩)。还应该注意的是，在图3的方法和系统中，在与开环天然气制冷循环中的任意股循环气流(例如流304)组合前，处理含有重组分的天然气原料流390以去除重组分，从而形成排除重组分的气态天然气原料流394。
图3所描绘的方法和系统的效果在于不使用或不需要外部驱动的压缩来制备用于随后液化的天然气原料流。为了高效地从天然气原料流中去除重组分，通常有必要降低原料流的压力以实现用于分离重组分的更有利的重-轻组分相对挥发度，以提供冷却原料流所需的制冷并去除作为液体的重组分。相反，为了高效液化原料流，通常有必要将天然气原料流压缩到高压。然而，在图3所示的实施例中，用于在开环制冷循环中压缩循环气的压缩机组中的压缩机也用于在从所述原料流中去除重组分后再压缩天然气原料流，从而避免用于在去除重组分后再压缩天然气原料流的单独的外部驱动的压缩机和驱动系统的额外费用。
图3所描绘的方法和系统的进一步效果在于在将天然气原料流与开环制冷循环中的循环气组合前，从天然气原料流中去除重组分。在从天然气原料流中去除重组分前组合循环气和天然气原料流将导致在从该流中去除重组分前，天然气原料流中的重组分的浓度降低，这将使重组分的去除更加困难，并将因此降低该工艺的效率。
实例
模拟了图1所述和描绘的方法和系统，模拟的结果如下面的表1a和1b所示。在这些表中，所列举的流的编号对应图1所用的标号。
表1a
Figure GDA0004088416200000251
表1b
Figure GDA0004088416200000261
应当理解，本发明不限于上文参考优选实施例描述的细节，而是可以在不脱离如以下权利要求中所定义的本发明的精神或范围的情况下进行许多修改和变化。

Claims (24)

1.一种利用开环天然气制冷循环液化天然气的方法，所述方法包含以下步骤：
(a)通过将一股或多股循环气流与天然气原料流组合以形成组合原料流并压缩所述组合原料流或在与所述天然气原料流组合前压缩所述一股或多股循环气流，或两者，以形成高压组合原料流；
(b)膨胀所述高压组合原料流以冷却所述流，从而形成冷却的组合原料流；
(c)将所述冷却的组合原料流分割成至少三股分离流，从而形成第一原料流、第二原料流和第三原料流；
(d)通过与气态制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述第一原料流，冷却所述第一原料流以形成第一LNG流，并加热所述气态制冷剂流以形成加热的气态制冷剂流，所述加热的气态制冷剂流形成所述一股或多股循环气流之一；
(e)进一步膨胀所述第二原料流以进一步冷却所述流，从而形成两相的具有液体部分和蒸汽部分的进一步膨胀和冷却的第二原料流，并且分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由所述蒸汽部分形成所述气态制冷剂流并由所述液体部分形成第二LNG流；
(f)通过与第一闪蒸气流的间接热交换进一步冷却所述第三原料流以形成第三LNG流；以及
(g)闪蒸所述第一LNG流、所述第二LNG流和所述第三LNG流以使得每股流具有液体部分和蒸汽部分，并且分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由一股或多股所述流的所述液体部分形成第一LNG产物流并由一股或多股所述流的所述蒸汽部分形成所述第一闪蒸气流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压组合原料流的压力至少是150绝对压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述高压组合原料流的压力至少是200绝对压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)进一步包含在压缩后通过与一股或多股环境温度流体的间接热交换冷却所述一股或多股循环气流和/或所述组合原料流，使得所述高压组合原料流处于环境温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却的组合原料流的温度低于0℃，并且其中所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的温度是-110℃至-140℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述冷却的组合原料流的温度是-20℃至-40℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述冷却的组合原料流的温度是-30℃。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的温度是-125℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)和(e)中，所述高压组合原料流和所述第二原料流各自基本上等熵地膨胀。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)中，分割所述冷却的组合原料流以使得在冷却和组合原料流分割成的所述分离流中，所述第二原料流具有最大的质量流率，并且在所述冷却和组合原料流分割成的所述流中，所述第一原料流具有第二大的流率。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二原料流的质量流率是所述冷却的组合原料流的质量流率的65％至75％；并且其中所述第一原料流的质量流率是所述冷却的组合原料流的质量流率的20％至30％。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二原料流的质量流率是所述冷却的组合原料流的质量流率的70％。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一原料流的质量流率是所述冷却的组合原料流的质量流率的25％。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的所述蒸汽部分构成所述流的大部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述进一步膨胀和冷却的第二原料流的所述蒸汽部分构成所述流的75摩尔％至95摩尔％。
16.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(f)中通过与所述第三原料流的间接热交换加热后，所述第一闪蒸气流形成所述一股或多股循环气流中的另一股。
17.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中，通过在盘管式换热器段中与所述气态制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述第一原料流，在所述盘管式换热器段的管侧中进一步冷却所述第一原料流，并且在所述盘管式换热器段的壳侧中加热所述气态制冷剂流。
18.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包含通过将一股或多股循环气流与所述天然气原料流组合以形成所述组合原料流并且然后压缩所述组合原料流以形成所述高压组合原料流。
19.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(g)包含闪蒸所述第一LNG流、所述第二LNG流和所述第三LNG流以使得每股流具有液体部分和蒸汽部分，以及分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由全部所述流的所述液体部分形成所述第一LNG产物流并由全部所述流的所述蒸汽部分形成所述第一闪蒸气流。
20.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包含将所述冷却的组合原料流分割成至少四股分离流，从而形成第一原料流、第二原料流、第三原料流和第四原料流；并且
其中所述方法进一步包含以下步骤：
(h)通过与第二闪蒸气流的间接热交换进一步冷却所述第四原料流以形成第四LNG流；以及
(i)闪蒸所述第四LNG流和所述第一LNG产物流以使得每股流具有液体部分和蒸汽部分，以及分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由一股或两股所述流的所述液体部分形成第二LNG产物流并由一股或两股所述流的所述蒸汽部分形成所述第二闪蒸气流。
21.根据权利要求20所述的方法，其中步骤(i)包含闪蒸所述第四LNG流和所述第一LNG产物流以使得每股流具有液体部分和蒸汽部分，以及分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由两股所述流的所述液体部分形成所述第二LNG产物流并由两股所述流的所述蒸汽部分形成所述第二闪蒸气流。
22.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包含：
(i)膨胀含有重组分的天然气原料流以形成冷却的天然气原料流；
(ii)将所述冷却的天然气原料流分离成排除重组分的气态天然气原料流和富有重组分的液流；
(iii)将所述气态天然气原料流与所述一股或多股循环气流组合以形成所述组合原料流，所述流在低于甲烷临界压力的压力下组合，并且在与所述一股或多股循环气流组合前，所述气态天然气原料流未经受外部驱动的压缩；以及
(iv)压缩所述组合原料流以形成所述高压组合原料流。
23.一种用于通过权利要求1所述的方法液化天然气的系统，所述系统包含：
压缩机组，包含一个或多个压缩机，用于通过将一股或多股循环气流与天然气原料流组合以形成组合原料流并压缩所述组合原料流或在与所述天然气原料流组合前压缩所述一股或多股循环气流，或两者，以形成高压组合原料流；
第一膨胀设备，与所述压缩机组流体流连通，用于接收并膨胀所述高压组合原料流以冷却所述流且从而形成冷却的组合原料流；
一组导管，与所述第一膨胀设备流体流连通，用于将所述冷却的组合原料流分割成包含第一原料流、第二原料流和第三原料流的至少三股分离流，所述一组导管包含用于接收所述第一原料流的第一导管、用于接收所述第二原料流的第二导管和用于接收所述第三原料流的第三导管；
第一换热器段，与所述第一导管流体流连通，用于接收并通过与气态制冷剂流的间接热交换进一步冷却所述第一原料流，冷却所述第一原料流以形成第一LNG流，并加热所述气态制冷剂流以形成加热的气态制冷剂流，所述加热的气态制冷剂流形成所述一股或多股循环气流之一；
第二膨胀设备，与所述第二导管流体流连通，用于接收并进一步膨胀所述第二原料流以进一步冷却所述流，且从而形成两相的具有液体部分和蒸汽部分的进一步膨胀和冷却的第二原料流；
第一分离段，与所述第二膨胀设备和所述第一换热器段流体流连通，用于接收所述进一步膨胀和冷却的第二原料流并分离所述流的所述液体部分和所述蒸汽部分以由所述蒸汽部分形成所述气态制冷剂流并由所述液体部分形成第二LNG流；
第二换热器段，与所述第三导管流体流连通，用于接收并通过与第一闪蒸气流的间接热交换进一步冷却所述第三原料流以形成第三LNG流；和
第三膨胀设备或一组膨胀设备，用于接收和闪蒸所述第一LNG流、所述第二LNG流和所述第三LNG流以使得每股流具有液体部分和蒸汽部分；和第二分离段或一组分离段，与所述第三膨胀设备或一组膨胀设备流体流连通，用于分离所述液体部分和所述蒸汽部分以由一股或多股所述流的所述液体部分形成第一LNG产物流并由一股或多股所述流的所述蒸汽部分形成所述第一闪蒸气流。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述压缩机组通过将所述一股或多股循环气流与排除重组分的气态天然气原料流组合以形成组合原料流并压缩所述组合原料流以形成所述高压组合原料流，所述气态天然气原料流和一股或多股循环气流在低于甲烷临界压力的压力下组合，并且在与所述一股或多股循环气流组合前，所述气态天然气原料流未经受外部驱动的压缩；并且其中所述系统进一步包含：
第四膨胀设备，用于接收并膨胀含有重组分的天然气原料流以形成冷却的天然气原料流；和
一个或多个分离设备，与所述第四膨胀设备流体流连通，用于接收所述冷却的天然气原料流并将所述冷却的天然气原料流分离成排除重组分的气态天然气原料流和富有重组分的液流。
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