CN1256392A - 气体液化的双混合制冷剂循环方法 - Google Patents

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Abstract

一种液化加压气体,特别是天然气的方法和系统。该方法是在两个换热器中进行的,每一换热器的冷却是在基本恒定的单一压力下由汽化的混合制冷剂提供。进料预冷却、低位制冷剂预冷却、和高位液体制冷剂的过冷是在一个换热器中进行,而不是低位制冷剂在基本恒定的单一压力下汽化。本发明方法和系统特别适合于安装在船、驳船和海面平台上。

Description

气体液化的双混合制冷剂循环方法
在远地点将天然气液化，并将液化天然气(LNG)输送到人口稠密的地方，储存和汽化LNG以在当地消耗，这已在全世界成功实施了许多年。LNG生产地点通常位于遥远的地方，这些地方便于停放将LNG输送到终端用户的大型LNG罐。
为了提供液化所需的高制冷量，已开发了多种生产LNG的循环方法。这些循环通常利用单组分制冷系统的组合，使用丙烷或单氯氟代烃制冷剂结合一种或多种混合制冷剂(MR)系统进行操作。已知的混合制冷剂通常包括轻烃以及任选的氮气，并利用满足特定工艺步骤的温度和压力水平的组合物。
现有LNG工艺循环和设备的设计和操作目的是使能耗最小，并使LNG产率最大，同时能在改变产品需求量和改变环境温度条件下操作。因为LNG生产设备通常位于遥远的地方，在设备设计和布置中，所需的陆地面积对设备的限制不是很重要的因素。
在现有技术中，已公开了各种混合制冷剂(MR)LNG循环。这些循环通常在第一换热器(即温或高位换热器)中使用在较高温度下汽化的第一制冷剂(即温或高位MR)，在第二换热器(即冷或低位换热器)中使用在较低温度下汽化的第二制冷剂(即冷或低位MR)。US4274849公开了一种双混合制冷剂方法，其中进料气体首先在单独的换热器中使用从冷或低位MR换热器中排出的制冷剂流体预冷却。然后，预冷却的进料在冷MR换热器中进一步冷却和液化。压缩后，汽化的低位制冷剂在温或高位MR换热器中被温的或高位制冷剂冷却。这种方法的缺点是预冷却进料需要额外的换热器。
US4112700公开了一种双MR方法，其中高位MR在三种不同压力水平下用级间压缩使之沸腾。这需要使用多个换热器或多个换热区，需要向压缩机返回多股物流。从热力学的观点来看，这种多换热器/多压缩级有一个缺点，因为不同组成的非平衡物流在温混合制冷剂压缩链的级间被混合。物流的混合引起热力学不可逆性，会引起循环效率的下降。
一种双混合制冷剂方法公开在US4525185中，其中高位MR在三种不同压力水平下沸腾。这需要使用多个换热器或换热区，导致了需要许多容器、阀门和向高位MR压缩机级间进料的管线，增加了对设备面积的需要量。在该方法中，首先使用从低位MR换热器排出的低位MR冷却进料。该方法的缺点是需要额外的换热器，与前面引证的US4274849一样。在这一工艺循环中，非平衡物流在高位混合制冷剂压缩链的级间被混合，这会引起热力学不可逆性，并降低循环效率。
US4545795公开了一种双MR方法，其中高位MR在三个不同压力水平下沸腾。这需要多个换热器或在高位MR换热器中需要多个换热区。在该方法中，进料首先使用从低位MR换热器排出的流体冷却，如上面引证的US4274849一样，需要额外的换热器。从热力学的观点来看，这一流程也有缺点，因为非平衡物流在高位MR压缩链的级间被混合，如前文所讨论的，这会引起热力学不可逆性。
双混合制冷剂方法公开在US4539028中，其中高位MR在三个不同压力水平下沸腾，这需要使用多个换热器或换热区。低位混合MR在两个不同压力水平下沸腾，这也需要使用多个换热器或换热区。在该方法中，进料首先使用低位MR冷却，这需要额外的换热器，具有前面引证的几种方法的缺点。从热力学的观点来看，这一循环也具有缺点，因为非平衡物流在混合制冷剂压缩链的级间被混合。这种混合会引起热力学不可逆性，从而降低循环效率。
H.Paradowski等在7th International Conference on LNG，May 15-19，1983提交的论文“Liquefaction of AssociatedGases”中公开了一种双MR方法，其中高位混合制冷剂在三个不同的压力水平下沸腾，这需要使用多个换热器或换热区。另外，进料首先使用从低位MR换热器排出的低位MR冷却，这需要额外的换热器。从热力学的观点来看，该方法也存在缺点，因为高位和级间MR物流在制冷剂压缩链中混合之前，高位MR物流与级间物流通常是非热平衡的。物流混合到压缩机的主物流中会引起热力学不可逆性从而降低循环效率。
US4911741公开了一种双MR方法，其中高位MR在三个不同压力水平下沸腾。这需要使用多个换热器或换热区，与前面讨论的一样，从热力学的观点来看，这一流程也具有缺点，因为可能处于不同温度的物流在高位混合制冷剂压缩链的级间被混合。这种物流混合会引起热力学不可逆性，从而降低循环效率。
双MR方法还公开在US 4339253中，其中高位MR在两个不压力水平下沸腾。此外，来自高位MR的级间液体物流在第三压力下沸腾。这需要使用多个换热器或换热区。在该方法中，在重烃被除去之前，进料首先与从低位MR换热器的温端排出的低位MR蒸汽进行热交换而被冷却。该方法的缺点是需要额外的换热器。该换热还在压缩前提高了低位MR物流的压力降。与前面描述的几种方法一样，该方法具有热力学缺点，因为非平衡物流在高位MR压缩链的级间被混合。这种进入主物流的物流混合会引起热力学不可逆性，从而降低循环效率。
US4094655公开了一种双MR方法，其中低位MR在两个不同的压力水平下沸腾，这需要使用多个换热器或换热区。在该方法中，高位MR首先使用来自低位MR换热器的流体进行冷却，而不是由高位混合制冷剂环路自身冷却。该方法的缺点是需要一个额外的换热器。与前面描述的几种方法一样，该方法具有热力学缺点，因为非平衡物流在高位MR压缩链的级间被混合。这种进入主物流的物流混合会引起热力学不可逆性，从而降低循环效率。
其中高位MR在几个不同压力下沸腾的其它双MR方法公开在US4504296、4525185、4755200和4809154中。
上述LNG方法通常在以陆地为基础的地点使用，在设备的设计和布置中，设备所需陆地面积的限制通常不是很重要的因素。最近，对不适合于前述陆地液化方法的气体储备(reserves)的回收潜能，在商业上的价值不断提高。这种储备存在于海洋，这些储备的回收对适合于安装在船、驳船、海面平台上的气体液化系统来说，其需求在增长。
在利用多组分或混合制冷剂(MR)循环进一步冷却和液化之前，大多数大型LNG生产设备使用丙烷制冷剂循环来预冷却进料气体。丙烷预冷却循环非常有效，在陆地设备中是成本有效的，应用在船上或驳船上具有某些缺点。需要维持相当大的丙烷量，具有潜在的安全问题，数量众多的丙烷汽化器消耗了宝贵的地区面积。上述双混合制冷剂循环的几个实例降低了丙烷在预冷却系统中的装料量，但需要多个换热器和容器，提高了对使用面积的需求量，因此，并不适合于在海面上应用。
本发明了满足了具有适合于海面应用的最小使用面积的天然气液化方法的要求，能在高效率下操作，在循环中不需要丙烷预冷却，紧凑而成本有效。以下描述满足这些目的的天然气液化方法和系统，并在权利要求书中作了限定。
本发明是一种液化加压进料气体的方法，包括：
(a)通过间接换热，在第一换热区用第一汽化混合制冷剂冷却加压进料气体，产生冷却的进料气体和第一混合制冷剂蒸汽，其中第一汽化混合制冷剂是在基本恒定的第一压力下汽化的；
(b)通过间接换热，在第二换热区用第二汽化混合制冷剂进一步冷却和冷凝已被冷却的进料气体，产生液体产品和第二混合制冷剂蒸汽，其中第二汽化混合制冷剂是在基本恒定的第二压力下汽化的；
(c)压缩第一制冷剂蒸汽；并冷却、冷凝和闪蒸所得的压缩的第一混合制冷剂蒸汽，提供第一汽化混合制冷剂；和
(d)压缩第二混合制冷剂蒸汽；并冷却、冷凝和闪蒸所得的压缩的第二混合制冷剂蒸汽，提供第二汽化混合制冷剂，其中至少一部分用于冷却和冷凝第二混合制冷剂蒸汽所需的冷量是由在第一换热区中用第一汽化液体混合制冷剂间接换热提供。
在步骤(c)中，必要时，第一混合制冷剂蒸汽的压缩可以在至少两级压缩中进行，产生了至少一股级间两相制冷剂物流；该级间两相制冷剂物流被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体；级间制冷剂蒸汽被压缩产生进一步压缩的制冷剂；级间液体制冷剂被泵送以产生进一步加压的液体制冷剂；该进一步压缩的制冷剂和该进一步加压的液体制冷剂合并；所得的合并的第一混合制冷剂被冷却、冷凝、任选地过冷，和闪蒸，以提供步骤(a)中的第一汽化混合制冷剂。
在压缩后，冷却和冷凝第一混合制冷剂蒸汽所需的冷量的至少一部分是由在第一换热区与第一汽化液体混合制冷剂间接换热提供的。通常，第一汽化混合制冷剂是在约1至约30巴(绝压)的压力范围内汽化的，而第二汽化混合制冷剂是在约1至约15巴(绝压)的压力范围内汽化的。
第一混合制冷剂蒸汽通常包括两种或多种选自氮气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丁烷、丁烷、异戊烷、氯代烃和氟代烃的组分。第二混合制冷剂蒸汽通常包括两种或多种选自氮气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丁烷、丁烷、异戊烷、氯代烃和氟代烃的组分。
优选地，加压进料气体通过处理加压天然气物流，除去来自水、二氧化碳、含硫化合物、汞、含汞化合物的污染物来提供。必要时，重于甲烷的烃可以这样从加压进料气体中除去：
(1)将冷却的进料气体从第一位置引入到蒸馏塔中，从中排出富含甲烷的塔顶物流和重于甲烷的组分的塔釜物流；和
(2)分离塔釜物流以获得含有多至4个碳原子的组分的第一烃物流，和含有多于4个碳原子的组分的第二烃物流。
任选地，该方法还可以进一步包括
(3)在第一换热区通过间接换热冷却至少一部分第一烃物流；和
(4)在步骤(b)中的第二换热区通过间接换热进一步冷却和冷凝之前，合并所得的冷却的烃物流和富含甲烷的塔顶物流。
步骤(b)的液体产物可以是富含甲烷的液体，富含甲烷的液体可以闪蒸并分离，以产生进一步富含甲烷的液体产物和含有轻于甲烷的组分的排放气流。
在压缩后，冷却和冷凝第二混合制冷剂蒸汽所需冷量的一部分可以由在第三换热区与含有轻于甲烷的组分的排放气流进行间接换热来至少部分地提供。此外，在压缩后，冷却和冷凝第二混合制冷剂蒸汽所需冷量的一部分可以由在第二换热区与第二汽化混合制冷剂进行间接换热来至少部分地提供。
在压缩后，第二混合制冷剂蒸汽可以在第一换热区通过间接换热来冷却，并从中以第一温度排出。所得的冷却后的第二混合制冷剂物流可以引入第二换热区，并通过间接换热在其中进一步冷却。第二混合制冷剂蒸汽可以从第二换热区以第二温度排出，该温度优选低于第一温度，得到的进一步冷却的第二混合制冷剂蒸汽优选直接压缩，而不进行预热。
本发明方法可以进一步包括：在步骤(b)中在第二换热区通过间接换热以进一步冷却和冷凝之前，从加压进料气体中除去重于甲烷的烃，
(1)冷却加压进料气体，并将所得的冷却进料气体引入到蒸馏塔中，从中排出富含甲烷的塔顶物流和含有重于甲烷的组分的塔釜物流；和
(2)分离塔釜物流以获得含有多至4个碳原子的组分的第一烃物流，和含有多于4个碳原子的组分的第二烃物流；
(3)在第一换热区通过间接换热来冷却第一烃物流；和
(4)利用至少一部分从步骤(3)得到的冷却烃物流作为步骤(1)中蒸馏塔的回流。
任选地，一部分加压进料气体可以从第二位置引入到蒸馏塔中，第二位置低于第一位置。
在上述步骤(c)中，必要时，第一混合制冷剂蒸汽的压缩可以在至少两级压缩中进行，产生级间压缩制冷剂；级间压缩制冷剂被冷却、部分冷凝，并分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体；级间制冷剂蒸汽被压缩以产生进一步压缩的制冷剂，进一步压缩的制冷剂被冷却、冷凝，任选地过冷，并闪蒸以提供上述步骤(a)的第一汽化混合制冷剂；级间液体制冷剂被过冷，并在基本恒定的第一压力下闪蒸，以在第一换热区中产生附加的冷量。
在压缩后，第二混合制冷剂蒸汽的冷却和冷凝可以在第一换热区通过间接换热进行，产生部分冷凝的第二混合制冷剂物流，该物流含有中位(intermediate)第二混合制冷剂蒸汽和中位第二混合制冷剂液体。
在多个附加的和任选的步骤中，
(1)部分冷凝的第二混合制冷剂物流被分离以产生中位第二混合制冷剂蒸汽和中位第二混合制冷剂液体；
(2)中位第二混合制冷剂蒸汽被冷却、冷凝、任选地过冷，并闪蒸以提供步骤(c)的第二汽化混合制冷剂；和
(3)中位第二混合制冷剂液体被过冷，并在基本恒定的第二压力下闪蒸，以在第二换热区中产生附加的冷量。
本发明包括一种液化加压进料气体的系统，包括：
(a)冷却加压进料气体、冷却压缩的第一混合制冷剂、冷却压缩的第二混合制冷剂的第一换热装置，其中至少部分冷却是与第一汽化混合制冷剂间接换热进行的，第一汽化混合制冷剂在基本恒定的第一压力下汽化，以及其中，冷却产生了冷却的加压进料气体、液化的第一混合制冷剂、冷却的第二压缩混合制冷剂，其中第一汽化混合制冷剂产生了第一混合制冷剂蒸汽；
(b)压缩第一混合制冷剂蒸汽以提供压缩的第一混合制冷剂的第一压缩装置；
(c)闪蒸液化的第一混合制冷剂以提供第一汽化混合制冷剂的减压装置；
(d)进一步冷却和冷凝已冷却的进料气体和进一步冷却和液化已冷却的第二压缩混合制冷剂的第二换热装置，其中至少部分冷却是与第二汽化混合制冷剂间接换热进行的，第二汽化混合制冷剂在基本恒定的第二压力下汽化，其中冷却产生液体产物和液化的第二混合制冷剂，以及其中第二汽化混合制冷剂产生第二混合制冷剂蒸汽；
(e)压缩第二混合制冷剂蒸汽以提供压缩的第二混合制冷剂的第二压缩装置；
(f)闪蒸液化的第二混合制冷剂以提供第二汽化混合制冷剂的减压装置；和
(g)管线装置，该管线装置用于
   向第一换热装置引入加压进料气体，
   从第一换热装置向第二换热装置输送冷却的进料气体，
   从第二换热装置排出液体产物，
   从第一换热装置向第一压缩装置输送第一混合制冷剂蒸
汽，和从第一压缩装置向第一换热装置输送所得的压缩的第一
混合制冷剂蒸汽，
    从第一换热装置向第二换热装置输送冷却的第二压缩混合
制冷剂，
    从第二换热装置向第二压缩装置输送第二混合制冷剂蒸
汽，和从第二压缩装置向第一换热装置输送所得的压缩的第二
混合制冷剂蒸汽。
必要时，第一压缩装置包括：
至少两个压缩机级及与之相连的管线，其中一级产生级间压缩制冷剂，
级间冷却器，级间压缩的制冷剂在其中冷却和部分冷凝，从而产生两相级间制冷剂，
分离器和与之相连的管线，在其中，两相级间制冷剂被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体；
附加压缩机级，在其中级间制冷剂蒸汽被压缩以产生进一步压缩的制冷剂，
用于使级间制冷剂液体加压的泵以及与之相连的管线，和
使所得的加压级间制冷剂液体和进一步压缩的制冷剂合并以产生步骤(a)的压缩的第一混合制冷剂的管线。
该系统可以进一步包括：
(1)蒸馏塔以及与之相连的用于向蒸馏塔引入冷却的加压进料气体的管线，其中，冷却的加压进料气体是从天然气获得的富含甲烷的进料气体，被分离成进一步富含甲烷的塔顶物流和含有重于甲烷的组分的塔釜物流；
(2)分离装置和与之相连的管线，用于将塔釜物流分离成含有多至四个碳原子的组分的轻烃物流和含有多于四个碳原子的组分的重烃物流；
(3)位于第一换热装置内的用于冷却轻烃物流的冷却装置；和
(4)在第二换热装置中通过间接换热以进一步冷却和冷凝之前，合并(3)中所得的冷却的轻烃物流和(1)的塔顶物流的管线。
任选地，该系统进一步包括向蒸馏塔引入一部分加压进料气体的管线，这一引入位置低于向蒸馏塔中引入冷却的加压进料气体的位置。
该系统还可以包括：在步骤(b)的第二换热区中通过间接换热进一步冷却和冷凝之前，从冷却的加压进料气体中除去重于甲烷的烃的装置，其中冷却的加压进料气体是从天然气获得的富含甲烷的进料气体，该装置包括：
(1)将冷却的加压进料气体分离成进一步富含甲烷的塔顶物流和重于甲烷的组分的塔釜物流的蒸馏塔；
(2)将塔釜物流分离成含有含有三个或更少碳原子的组分的轻烃物流和含有多于三个碳原子的组分的重烃物流的分离装置；
(3)在第一换热装置中冷却轻烃物流的冷却装置；和
(4)将(3)中所得的冷却的烃物流的一部分引入(1)中蒸馏塔作为回流的管线。
必要时，第一压缩装置可以包括：
至少两个压缩机级及与之相连的管线，其中一级产生级间压缩制冷剂，
级间冷却器，级间压缩的制冷剂在其中冷却和部分冷凝，从而产生两相级间制冷剂，
分离器和与之相连的管线，在其中两相级间制冷剂被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体，和
附加压缩机级，在其中级间制冷剂蒸汽被压缩以产生进一步压缩的制冷剂。
该系统进一步包括：
提供进一步压缩的制冷剂作为压缩的第一混合制冷剂的管线装置，压缩的第一混合制冷剂被冷却、冷凝和闪蒸以提供上述步骤(a)中的第一汽化混合制冷剂，
向第一换热装置输送级间制冷剂液体的管线，
在第一换热装置内的用于冷却级间制冷剂液体的传热装置，
闪蒸所得的冷却的级间制冷剂液体以在基本恒定的第一压力下提供附加的汽化混合制冷剂的减压装置，和
向第一换热装置引入附加汽化混合制冷剂以在其中提供冷量的管线。
该系统还包括：
(1)当冷却的第二压缩的混合制冷剂被部分冷凝时，分离冷却的第二压缩混合制冷剂以产生中位第二混合制冷剂蒸汽和中位第二混合制冷剂液体的分离器；
(2)在第二换热装置内的冷却中位第二混合制冷剂液体的传热装置；
(3)闪蒸所得的过冷中位第二混合制冷剂液体在基本恒定的第二压力下提供附加的汽化混合制冷剂的减压装置，和
(4)向第二换热装置中引入附加的汽化混合制冷剂以在其中提供冷量的管线。
图1是本发明主要方案的流程图。
图2是本发明第一选择方案的流程图。
图3是本发明第二选择方案的流程图。
图4是本发明第三选择方案的流程图。
图5是本发明第四选择方案的流程图。
本发明为一种气体液化的方法和系统，对在船舶、驳船、海面平台等空间十分宝贵的地方液化天然气是特别有用的。本发明使得所需设备的尺寸和数量最小。
按照本发明，使用双混合组分制冷剂以提供系统的制冷，不需要丙烷或其它单一烃预冷系统。在优化的温度范围内，提供高位或较暖制冷(high level or warmer refrigeration)以通过蒸馏从进料中除去重烃，这一制冷在单一汽化压力下提供给同时预冷天然气进料和冷却低位的或冷的混合制冷剂。
低位混合制冷剂在单一汽化压力下提供制冷以最终冷却和液化进料。低位混合制冷剂蒸汽在由高位混合制冷剂提供的近似最低温度下冷压缩。每一混合制冷剂包括一种或多种选自氮气、甲烷、乙烷、丙烷、丙烯、异丁烷、丁烷、异丙烷和其它烃的组分。在混合制冷剂中可以包括其它化合物，如氯代烃和/或氟代烃。
使用混合组分环路提供高位制冷的方法包括压缩高位混合组分物流，并使用如空气或冷却水的外部冷却流体将其冷却。一部分混合制冷剂可以在压缩级之间用外部冷却来液化。在本发明的有效方案中，这一液体可以泵送，与从最后一个压缩级中排出的气体混合，并通过外部冷却来冷却。一部分压缩的高位混合制冷剂物流在外部冷却后被液化。
至少一部分压缩和冷却的混合制冷剂物流在换热器中被进一步冷却，然后，通过换热被减压和汽化，同时冷却进料气体和低位混合制冷剂。被蒸发和升温的混合制冷剂物流被压缩和再循环。按照本发明，高位混合制冷剂环路在-20℃至-70℃的温度下提供制冷，作为天然气液化所需全部制冷量的一部分。
使用混合组分环路提供低位制冷的方法包括压缩混合组分物流和使用如空气或冷却水的外部冷却流体冷却压缩物流。至少一部分压缩和冷却的混合制冷剂物流在换热器中使用高位混合制冷剂被进一步冷却，在进一步冷却后，通过换热被减压(闪蒸)和汽化，而不冷却和冷凝进料气流。蒸发和升温的制冷剂物流被冷压缩，不进行进一步的换热和循环。
本发明的主要方案示于图1中。进料气体90，通常是含甲烷的气体优选为天然气，在预处理部分100在高达约300巴的压力(在这里所有压力都为绝压)下通过已知方法干燥和净化，除去如二氧化碳和硫化氢的酸性气体以及其它污染物，如汞或含汞化合物。
预处理过的气体102进入第一换热器或换热区104，在其中冷却到约-20℃至-70℃的中间温度。这一冷却步骤的实际温度值取决于进料的组成和所需LNG产品规格(如热值)，有时受制于在压缩操作之间实现某种功率分离(power split)的要求。在换热器104中的冷却是通过使高位混合制冷剂物流110升温和汽化实现的，高位混合制冷剂通常含有一种或多种选自甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、丁烷以及可能的异戊烷的烃，也可以含有其它组分，如氮气。
冷却的进料物流108被引入再沸汽提器或洗涤塔106中，以除去比甲烷重的烃。塔釜产物流112进入分馏区114，在其中分离戊烷和重组分，并从物流116中回收。来自洗涤塔106的一部分塔釜物流在加热器172中汽化，以向塔中提供沸腾或汽提气体。丁烷和轻组分以物流118回收，在换热器104中冷却，并与洗涤塔106的塔顶产物合并，产生预冷的进料物流120。另外，根据LNG产品规格，可以进行分馏以使物流118中含有丙烷和较轻组分。
预冷的进料物流120在换热器122中通过间接换热进一步冷却和液化，并使低位混合制冷剂物流124升温和汽化。所得的液化产品物流121，通常是液化天然气(LNG)，经节流阀126绝热减压到低压而进行闪蒸。另外，液化产品物流121的压力可以通过涡轮膨胀机做功膨胀来降低。
减压LNG产品物流被引入储罐128，最终液化产品物流130从其中排出。在某些情况下，根据天然气进料组成和来自换热器122的物流121的温度，可以在通过阀门126的闪蒸后放出大量的轻气体132。闪蒸气流132通常在如换热器162中被升温，并在排气(offgas)压缩机134中压缩以用作燃料气。
将天然气进料从环境温度冷却到约-20℃至约-70℃的温度所需冷量是由上述高位多组分制冷环路提供的。物流136是压缩和冷却后的高位混合制冷剂，通常含有一些冷凝液体。该物流在环境温度和通常高于约3巴(绝压)的提高压力下进入换热器104，被冷凝、冷却和任选地过冷到约-20℃至-70℃的温度，以物流138排出。物流138通过节流阀150绝热闪蒸到约1巴至约30巴(绝压)的低压，减压物流110引入到换热器104的冷端。另外，冷却的制冷剂物流138的压力可以通过涡轮膨胀机做功膨胀来降低。闪蒸步骤，定义为等焓或基本等熵降压，可以包括冷却或汽化，可以通过经减压阀节流或在涡轮膨胀机或膨胀发动机中做功膨胀来完成。
闪蒸后的高位制冷剂物流110在换热器104中升温和汽化，以蒸汽制冷剂物流140离开，其温度优选低于返回换热器104的压缩制冷剂物流136的温度。蒸汽制冷剂物流140在多级中间冷却的压缩机142中被压缩到高于约3巴的压力(绝压)。在分级压缩机142的中间冷却器中可以形成液体144，如果是这样，优选被泵送，并与来自压缩机142最后一级的压缩制冷剂蒸汽146合并。合并的制冷剂物流148被冷却到接近环境温度，以提供如前面描述的高位混合制冷剂物流136。通常需要使用两级以上的压缩。
在压缩级之间冷凝液体、将冷凝的液体泵送到后续压缩级蒸汽排出的压力、将蒸汽和液体物流合并、以及冷却合并后的物流，这些步骤组合起来提高了整个气体液化循环的效率。这是通过降低后续压缩级中压缩气体的质量流量和减轻换热器104中的制冷负荷来实现的。
将气体进料物流120从约-20℃至-70℃最终冷却到最终液化温度是使用含有前述制冷剂组分的低位混合制冷剂回路完成的。压缩的低位混合制冷剂物流152在环境温度左右和高于约3巴的压力(绝压)下进入换热器104，在其中通过间接换热冷却到约-20℃至-70℃的温度，以冷却的低位混合制冷剂物流154排出。
在换热器122中，制冷剂物流154被进一步冷却和任选地过冷到低于-125℃左右的最终温度，然后，冷却的物流158通过节流阀156等焓闪蒸到约3.3巴(绝压)的压力。另外，冷却物流158的压力可以通过涡轮膨胀机或往复膨胀发动机做功膨胀来降低。一小部分制冷剂物流154，作为物流160，可以在换热器162中用闪蒸气流132冷却。
闪蒸后的低位混合制冷剂物流124被引入到换热器122的冷端，在这里其被汽化以提供冷量。被汽化的低位混合制冷剂物流164离开换热器122，其温度低于返回换热器122的冷却制冷剂物流154的温度。然后，被汽化的制冷剂物流164在多级中间冷却的压缩机166中被直接压缩到高于约5巴的压力(绝压)，以提供低位混合制冷剂物流152。汽化的低位混合制冷剂物流164不被用于预冷进料气体或其它工艺物流，而是在未预热的情况下直接压缩。
换热器104和122可以利用任何合适的换热装置，如现有技术中已知的盘管式、壳-管式或翅片式换热器。盘管式换热器是优选的，因为它们结构紧凑而且换热性能好。
本发明的另一选择方案示于图2中。在这一方案中，含有丁烷和较轻组分的物流118被再循环到换热器104，在其中被冷却，并被分为两股268和270。268这一股用作洗涤塔106的回流，以将如苯等重组分除去，达到很低的浓度。剩余的一股270与洗涤塔106的塔顶产物合并形成预冷的进料物流120。物流268和270的相对流量取决于进料组成和要求从进料物流中除去污染物的程度。另外，该系统也可以这样操作：使物流118主要含有丙烷和较轻组分。
本发明的第二选择方案示于图3中。其中热天然气进料102中的一小部分374，在未经换热器104冷却的情况下，直接输入到洗涤塔106中，其输入位置在塔顶进料物流108下方。这一选择方案减少了洗涤塔106的再沸换热器172为产生汽提蒸汽所需的外部热量。这一选择方案还降低了换热器104的制冷负荷，当进料102含有较多的重烃和物流108的液体馏分大时，这一方案是有利的。
本发明的第三选择方案示于图4中。在这一方案中，在压缩机142的级间冷凝的高位液体制冷剂144被直接输入到换热器404中，而不象图1所示的被泵送与压缩机排出物合并。压缩的蒸汽制冷剂146被冷却，并作为物流436输入到换热器404中，在其中被冷却，并任选地过冷到约-30℃至-70℃的温度，通过节流阀450闪蒸，以物流410输入到换热器404中。级间的制冷剂液体物流144被输入到换热器404中，在其中被冷却和任选地过冷到高于物流438的温度，经节流阀468闪蒸，并从换热器404中部引入换热器404。通过每个节流阀450和468的压力降如此选择：被闪蒸的流体在基本上相同的压力下汽化。
在这里，术语“基本相同的压力”是指在换热器内汽化制冷剂压力的变化仅仅是由液流或汽流引起的小的液压或气压降或变化。制冷剂在不同压力下的单独换热管道或区域中不汽化，与前述许多现有技术工艺中所描述的一样。
图4所示方案可以在比图1所示方案高约3％-4％的效率下操作，但其基建费用也较高。对于给定的表面积，换热器404较高，如果安装在船或驳船上，其吸引力就下降了。
本发明的第四选择方案示于图5中，其中冷却的低位混合制冷剂物流154是两相物流，在转鼓576中被分离成蒸汽物流568和液体物流570。这些制冷剂物流分别被引入换热器522中。蒸汽制冷剂物流568被液化并任选地被过冷到低温，通过节流阀556等焓闪蒸，以产生制冷剂物流524，它被引入到换热器522的冷端，在换热器522中被汽化以提供产品液化所需的一部分冷量。液体制冷剂物流570在换热器522中被过冷到高于物流558的温度，通过节流阀572绝热闪蒸成低压制冷剂物流574，并在中部引入换热器522，在其中汽化以提供产品液化所需的另一部分冷量。两股制冷剂物流在换热器中的汽化压力通常在约1至约30巴的压力(绝压)范围内。
与图1所示方案相比，图5所示方案的效率高约4％，但其基建费用也较高。此外，对于给定的表面积，换热器522较高，如果安装在船或驳船上，其吸引力就下降了。实施例
通过对图1所示天然气液化方法热量和物料衡算上模拟以说明本发明。天然气进料90在预处理部分100中首先被净化和干燥，除去如二氧化碳和硫化氢等酸性气体以及其它如汞等污染物。预处理过的进料气体102的流量为17,470kg摩尔/hr，压力为52巴(绝压)，温度为38℃，其摩尔组成如下表1所示。
                            表1
                   实施例的进料气体组成
    组分     摩尔分数
    氮气     0.005
    甲烷     0.8738
    乙烷     0.067
    丙烷     0.035
    异丁烷     0.006
    丁烷     0.009
    异戊烷     0.003
    戊烷     0.002
    己烷     0.001
预处理过的进料气体102在换热器104中预冷到-36℃的温度，预冷后的进料物流108进入洗涤塔106。在换热器104中，通过使流量为25,433kg-摩尔/hr的高位混合制冷剂物流110升温和汽化，有效地进行冷却。制冷剂物流110的组成(摩尔分数)为：甲烷，0.01；乙烷，0.47；丙烷，0.06；异丁烷，0.16；丁烷，0.30。
在洗涤塔106中，戊烷和较重组分被从进料中除去。洗涤塔106的塔釜产物112进入分馏部分114，在其中，重于丙烷的组分以物流116回收。丙烷和较轻组分以物流118回收，在换热器104中被冷却到-36℃，再与洗涤塔的塔顶产物合并，形成预冷后的进料物流120，其流量为17,315kg-摩尔/hr。
预冷后的进料物流120在换热器122中通过间接换热进一步冷却和液化到-162℃的温度，同时使低位混合制冷剂物流124升温和汽化，其进入换热器122的摩尔流量为28,553kg-摩尔/hr，温度为-164℃，压力为3.35巴(绝压)。制冷剂物流120的组成(摩尔分数)为：氮气，0.14；甲烷，0.35；乙烷，0.41；丙烷，0.10。
然后，所得的液化天然气(LNG)物流(121)通过节流阀126绝热闪蒸到其泡点压力1.05巴(绝压)。闪蒸LNG物流进入罐128，从其中排出最终LNG产品物流130。在这一实施例中，在通过阀门126闪蒸后，不排放轻气体132，所以换热器162和压缩机134不是必须的。
将天然气进料102从环境温度冷却到-36℃的温度所需的冷量由前面描述的高位多组分制冷环路提供。高位混合制冷剂物流136在38℃的温度和24巴(绝压)的压力下进入换热器104。在换热器104中被冷却到-36℃的温度，然后通过节流阀150闪蒸以产生温度为-38℃的降压制冷剂物流110。物流110在换热器104中升温和汽化，在34℃和3.8巴(绝压)下以制冷剂蒸汽物流140排出。低压制冷剂蒸汽在两级中间冷却的压缩机142中被压缩到最终压力24巴(绝压)。在压缩机的中间冷却器中形成的液体144被泵送，并与来自最终压缩级的压缩制冷剂146合并。合并后的制冷剂物流148的液体流量为12,870kg-摩尔/hr。
将天然气进料在换热器122中从-36℃到约-162℃的最终冷却是由上面描述的低位多组分制冷剂环路提供的。压缩的低位混合制冷剂物流152在38℃的温度和55巴的压力(绝压)下进入换热器104，在其中被冷却到-36℃的温度，得到物流154。预冷后的低位制冷剂在换热器122中进一步冷却到-162℃，以产生物流158，该物流158通过节流阀156闪蒸。降压后的制冷剂物流124在换热器122中升温和汽化，最终在-39℃和3.25巴的压力(绝压)下以物流164排出换热器122。然后，这一低压蒸汽制冷剂物流在三级中间冷却的压缩机166中压缩到最终压力55巴(绝压)。
因此，本发明提供一种液化进料气体的方法，它使用了数量最少的换热器，并利用了混合制冷剂，其中每一制冷剂在每一换热器中在基本恒定的压力下汽化。与已知的液化方法相比，这些特征降低了方法的复杂性和所需的设备占地面积。前述每一现有技术的方法在至少一个换热器中在低位和高位下进行冷却方面利用了至少两个制冷剂汽化压力水平。由于简化的方法特征和所需要的占地面积最小，本发明方法和系统特别适合于安装在船舶、驳船、海面平台上。
本发明方法的特征在于其进料预冷、低位制冷剂预冷和高位制冷剂冷却是在一个换热器中进行，而不是高位制冷剂在基本恒定的单一压力下汽化。此外，本方法不需要单独的进料预冷换热器，因为进料预冷与低位制冷剂预冷和高位液体制冷剂的冷却结合在一起进行。低位混合制冷剂不用于预冷进料气体，因此，在不预热的情况下直送去压缩。这样，对于给定的总压力比，压缩机所需的中间冷却器较少，因为在第一级中的压力比可以很高。
在前面的描述中，已完全公开了本发明的重要特征。本领域的熟练技术人员可以理解本发明，并在不脱离本发明精神和不偏离下述权利要求的范围和等效的前提下作出各种改进。

Claims (17)

1.一种液化加压进料气体的方法，包括：
(a)通过间接换热，在第一换热区用第一汽化混合制冷剂冷却加压进料气体，产生冷却的进料气体和第一混合制冷剂蒸汽，其中第一汽化混合制冷剂是在基本恒定的第一压力下汽化的；
(b)通过间接换热，在第二换热区用第二汽化混合制冷剂进一步冷却和冷凝已被冷却的进料气体，产生液体产品和第二混合制冷剂蒸汽，其中第二汽化混合制冷剂是在基本恒定的第二压力下汽化的；
(c)压缩第一混合制冷剂蒸汽；并冷却、冷凝和闪蒸所得的压缩的第一混合制冷剂蒸汽，提供第一汽化混合制冷剂；和
(d)压缩第二混合制冷剂蒸汽；并冷却、冷凝和闪蒸所得的压缩的第二混合制冷剂蒸汽，提供第二汽化混合制冷剂，其中至少一部分用于冷却和冷凝第二混合制冷剂蒸汽所需的冷量是由在第一换热区中用第一汽化液体混合制冷剂间接换热提供的。
2.权利要求1的方法，其中，在步骤(c)中，第一混合制冷剂蒸汽的压缩可以在至少两级压缩中进行，产生了至少一股级间两相制冷剂物流；该级间两相制冷剂物流被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体；该级间制冷剂蒸汽被压缩产生进一步压缩的制冷剂；该级间液体制冷剂被泵送以产生进一步加压的液体制冷剂；进一步压缩的制冷剂和进一步加压的液体制冷剂合并；所得的合并的第一混合制冷剂被冷却、冷凝、任选地过冷，和闪蒸以提供步骤(a)中的第一汽化混合制冷剂。
3.权利要求1的方法，其中，在压缩后，冷却和冷凝第一混合制冷剂蒸汽所需的冷量的至少一部分是由在第一换热区与第一汽化液体混合制冷剂间接换热提供的。
4.权利要求1的方法，进一步包括通过以下步骤从加压进料气体中除去重于甲烷的烃：
(1)将冷却的进料气体从第一位置引入到蒸馏塔中，从中排出富含甲烷的塔顶物流和重于甲烷的组分的塔釜物流；和
(2)分离塔釜物流以获得含有多至4个碳原子的组分的第一烃物流，和含有多于4个碳原子的组分的第二烃物流。
5.权利要求1的方法，其中在压缩后，冷却和冷凝第二混合制冷剂蒸汽所需冷量的一部分由在第二换热区与第二汽化混合制冷剂间接换热至少部分地提供。
6.权利要求1的方法，其中：
在压缩后，第二混合制冷剂蒸汽在第一换热区通过间接换热来冷却，并从中以第一温度排出，
所得的冷却后的第二混合制冷剂物流被引入第二换热区，并通过间接换热在其中进一步冷却，
第二混合制冷剂蒸汽从第二换热区以第二温度排出，该温度低于第一温度，和
得到的进一步冷却的第二混合制冷剂蒸汽在未预热的情况下直接压缩。
7.权利要求1的方法，进一步包括通过以下步骤在步骤(b)的第二换热区通过间接换热以进一步冷却和冷凝之前，从加压进料气体中除去重于甲烷的烃：
(1)冷却加压进料气体，并将所得的冷却的进料气体引入到蒸馏塔中，从中排出富含甲烷的塔顶物流和含有重于甲烷的组分的塔釜物流；
(2)分离塔釜物流以获得含有多至4个碳原子的组分的第一烃物流，和含有多于4个碳原子的组分的第二烃物流；
(3)在第一换热区通过间接换热冷却第一烃物流；和(4)利用至少一部分从步骤(3)得到的冷却的烃物流作为步骤(1)中蒸馏塔的回流。
8.权利要求4的方法，进一步包括将一部分加压进料气体从第二位置引入到蒸馏塔中，第二位置低于第一位置。
9.权利要求1的方法，其中在步骤(c)中，第一混合制冷剂蒸汽的压缩在至少两级压缩中进行，产生了级间压缩制冷剂；该级间压缩的制冷剂被冷却、部分冷凝并被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体；级间制冷剂蒸汽被压缩产生进一步压缩的制冷剂，该制冷剂被冷却、冷凝、任选地过冷，并闪蒸以提供步骤(a)中的第一汽化混合制冷剂；级间液体制冷剂在第一换热区被过冷，并在基本恒定的第一压力下闪蒸，产生附加的冷量。
10.权利要求1的方法，其中在压缩后，第二混合制冷剂蒸汽的冷却和冷凝在第一换热区通过间接换热进行，产生部分冷凝的第二混合制冷剂物流，该物流含有中位第二混合制冷剂蒸汽和中位第二混合制冷剂液体，其中进一步：
(1)部分冷凝的第二混合制冷剂物流被分离以产生中位第二混合制冷剂蒸汽和中位第二混合制冷剂液体；
(2)中位第二混合制冷剂蒸汽被冷却、冷凝、任选地过冷，并闪蒸以提供步骤(c)的第二汽化混合制冷剂；和
(3)中位第二混合制冷剂液体在第二换热区中被过冷，并在基本恒定的第二压力下闪蒸，以产生附加的冷量。
11.一种液化加压进料气体的系统，包括：
(a)冷却加压进料气体、冷却压缩的第一混合制冷剂、冷却压缩的第二混合制冷剂的第一换热装置，其中至少部分冷却是与第一汽化混合制冷剂间接换热进行的，第一汽化混合制冷剂在基本恒定的第一压力下汽化，其中冷却产生了冷却的加压进料气体、液化的第一混合制冷剂、冷却的第二压缩混合制冷剂，其中第一汽化混合制冷剂产生了第一混合制冷剂蒸汽；
(b)压缩第一混合制冷剂蒸汽以提供压缩的第一混合制冷剂的第一压缩装置；
(c)闪蒸液化的第一混合制冷剂以提供第一汽化混合制冷剂的减压装置；
(d)进一步冷却和冷凝已冷却的进料气体，以及进一步冷却和液化已冷却的第二压缩混合制冷剂的第二换热装置，其中至少部分冷却是与第二汽化混合制冷剂间接换热进行的，第二汽化混合制冷剂在基本恒定的第二压力下汽化，其中冷却产生液体产物和液化的第二混合制冷剂，并且其中第二汽化混合制冷剂产生第二混合制冷剂蒸汽；
(e)压缩第二混合制冷剂蒸汽以提供压缩的第二混合制冷剂的第二压缩装置；
(f)闪蒸液化的第二混合制冷剂以提供第二汽化混合制冷剂的减压装置；和
(g)管线装置，该管线装置用于：
向第一换热装置引入加压进料气体，
从第一换热装置向第二换热装置输送冷却的进料气体，
从第二换热装置排出液体产物，
从第一换热装置向第一压缩装置输送第一混合制冷剂蒸汽，和第一压缩装置向第一换热装置输送所得的压缩的第一混合制冷剂蒸汽，
从第一换热装置向第二换热装置输送冷却的第二压缩混合制冷剂，
从第二换热装置向第二压缩装置输送第二混合制冷剂蒸汽，和从第二压缩装置向第一换热装置输送所得的压缩的第二混合制冷剂蒸汽。
12.权利要求11的系统，其中第一压缩装置包括：
至少两个压缩机级及与之相连的管线，其中一级产生级间压缩制冷剂，
级间冷却器，级间压缩的制冷剂在其中冷却和部分冷凝，从而产生两相级间制冷剂，
分离器和与之相连的管线，在其中，两相级间制冷剂被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体；
附加压缩机级，在其中级间制冷剂蒸汽被压缩以产生进一步压缩的制冷剂，
用于对级间制冷剂液体加压的泵以及与之相连的管线，和
使所得的加压级间制冷剂液体和进一步压缩的制冷剂合并以产生步骤(a)的压缩的第一混合制冷剂的管线。
13.权利要求11的系统，进一步包括：
(1)蒸馏塔以及与之相连的用于向蒸馏塔引入冷却的加压进料气体的管线，其中，冷却的加压进料气体是从天然气获得的富含甲烷的进料气体，被分离成进一步富含甲烷的塔顶物流和含有重于甲烷的组分的塔釜物流；
(2)分离装置和与之相连的管线，用于将塔釜物流分离成含有四个或者少于四个碳原子的组分的轻烃物流和含有多于四个碳原子的组分的重烃物流；
(3)位于第一换热装置内的用于冷却轻烃物流的冷却装置；和
(4)在第二换热装置中通过间接换热以进一步冷却和冷凝之前，合并(3)中所得的冷却的轻烃物流和(1)的塔顶物流的管线。
14.权利要求13的系统，进一步包括向蒸馏塔引入一部分加压进料气体的管线，这一引入位置低于向蒸馏塔中引入冷却的加压进料气体的位置。
15.权利要求11的系统，进一步包括：在步骤(b)的第二换热区中通过间接换热进一步冷却和冷凝之前，从冷却的加压进料气体中除去重于甲烷的烃的装置，其中冷却的加压进料气体是从天然气获得的富含甲烷的进料气体，该装置包括：
(1)将冷却的加压进料气体分离成进一步富含甲烷的塔顶物流和重于甲烷的组分的塔釜物流的蒸馏塔；
(2)将塔釜物流分离成含有含有三个或更少碳原子的组分的轻烃物流和含有多于三个碳原子的组分的重烃物流的分离装置；
(3)在第一换热装置中冷却轻烃物流的冷却装置；和
(4)将(3)中所得的冷却的烃物流的一部分引入(1)中蒸馏塔作为回流的管线。
16.权利要求11的系统，其中第一压缩装置包括：
至少两个压缩机级及与之相连的管线，其中一级产生级间压缩制冷剂，
级间冷却器，级间压缩的制冷剂在其中冷却和部分冷凝，从而产生两相级间制冷剂，
分离器和与之相连的管线，在其中两相级间制冷剂被分离成级间制冷剂蒸汽和级间制冷剂液体，和
附加压缩机级，在其中级间制冷剂蒸汽被压缩以产生进一步压缩的制冷剂，
并且其中该系统进一步包括：
提供进一步压缩的制冷剂作为压缩的第一混合制冷剂的管线装置，压缩的第一混合制冷剂被冷却、冷凝和闪蒸以提供步骤(a)中的第一汽化混合制冷剂，
向第一换热装置输送级间制冷剂液体的管线，
在第一换热装置内的用于冷却级间制冷剂液体的传热装置，闪蒸所得的冷却的级间制冷剂液体以提供处于基本恒定的第一压力下的附加汽化混合制冷剂的减压装置，和
向第一换热装置引入附加汽化混合制冷剂以在其中提供冷量的管线。
17.权利要求11的系统，进一步包括：
(1)当冷却的第二压缩的混合制冷剂被部分冷凝时，分离冷却的第二压缩混合制冷剂以产生中位第二混合制冷剂蒸汽和中位第二混合制冷剂液体的分离器；
(2)在第二换热装置内的冷却中位第二混合制冷剂液体的传热装置；
(3)闪蒸所得的过冷中位第二混合制冷剂液体提供处于基本恒定的第二压力下的附加汽化混合制冷剂的减压装置，和
(4)向第二换热装置中引入附加的汽化混合制冷剂以在其中提供冷量的管线。
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