CN207922696U - 用于冷却碳氢化合物原料流的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于冷却碳氢化合物原料流的装置。更具体地说，在天然气液化车间的预冷热交换器中使用的制冷剂从预冷却热交换器中提取、冷却和压缩之后在气液分离器中被分离为液态和蒸汽流。蒸汽部分进一步压缩、冷却并完全冷凝，然后返回到气液分离器。可选地，完全冷凝流可以在返回到气液分离器之前通过热交换器循环以便冷却包括来自气液分离器的液流其它流。

Description

用于冷却碳氢化合物原料流的装置
技术领域
本发明涉及用于冷却碳氢化合物原料流的装置。
背景技术
许多用于冷却、液化以及可选择地过冷却天然气的液化系统在本领域是众所周知的，例如单一混合制冷剂（SMR）循环、丙烷预冷混合制冷剂（C3MR）循环、双混合制冷剂（DMR）循环、C3MR-氮混合（例如AP-X™）循环、氮气或甲烷膨胀剂循环以及级联循环。通常，在这些系统中，天然气使用同一种或多种制冷剂通过进行间接热交换进行冷却、液化以及可选择地过冷却。可以使用多种制冷剂，例如混合制冷剂、纯组分、两相制冷剂以及气相制冷剂等。混合制冷剂（MR）是氮气、甲烷、乙烷和/或乙烯、丙烷、丁烷以及戊烷的混合物，它们已经在许多基础液化天然气（LNG）工厂被使用。混合制冷剂的成分通常是根据原料气的成分和操作条件进行优化的。
制冷剂在包含一个或多个热交换器和制冷剂压缩系统的制冷剂回路中循环。制冷剂回路可以是闭环或开环。通过与热交换器中的制冷剂间接热交换在一个或多个制冷剂回路中的进行间接热交换，使天然气冷却、液化和/或过冷却。
制冷剂压缩系统包括用于压缩和冷却循环制冷剂的压缩序列和提供驱动压缩机所需的动力的驱动装置。制冷剂压缩系统是液化系统的关键组成部分，因为制冷剂膨胀前需要被压缩到高压且冷却以产生冷低压的制冷剂流以提供必要的热负荷以冷却、液化以及可选择地过冷却天然气。参考图1，在液化系统100中示出了现有技术的典型DMR过程。优选地，是天然气的原料流，在预处理部分（未示出）中进行清洗和干燥以去除水、酸性气体，例如二氧化碳和H2S以及其他污染物，例如汞，结果产生预处理的原料流101。预处理的原料流101，基本上无水，是在预冷却系统134中预冷以产生预冷的天然气流102并且在主要的低温换热器(MCHE)165中进一步冷却、液化和或过冷却以产生液化天然气流104。液化天然气流104通常通过阀门或涡轮机（未示出）传递使其降压，然后送往液化天然气储罐（未示出）。降压期间产生的闪急蒸汽和或储罐中的汽化损耗在工厂中被用作燃料，再循环进料和或发送到照明弹。
预处理的原料流101预冷至温度低于10摄氏度，优选地低于约-30摄氏度，最好是低于30摄氏度。预冷的天然气流102通过冷却至温度约-150摄氏度至-70摄氏度之间得以液化，优选地在约-145摄氏度至约-100摄氏度之间，随后，过冷却至约-170摄氏度和约-120摄氏度，优选地在约-170摄氏度和约-140摄氏度之间。图1中所示的MCHE165是具有两个管束，一个温束166和一个冷束167的卷绕式热交换器。然而，可以使用任何数量的束和任何类型的交换器。
术语“基本上无水”是指在预处理的原料流101中，任何残留的水以足够低的浓度呈现以防止与下游冷却和液化过程中水冬析有关的操作问题。在本文所述的实施例中，水的浓度优选地不要超过1.0ppm，最好在0.1ppm和0.5ppm之间。
在DMR过程中使用的预冷制冷剂是一种混合制冷剂(MR)，本文称为温混合制冷剂(WMR)，包括氮、甲烷、乙烷和/或乙烯、丙烷、丁烷等碳氢化合物。如图1所示，温热低压WMR流110从预冷却热交换器160壳侧的底部提取，并且在WMR压缩系统111中被压缩和冷却以产生压缩WMR流132。WMR压缩系统111在图2中示出。压缩WMR流132在预冷却热交换器160的管路连接中冷却以产生冷流，然后通过第一WMR膨胀装置137的降压以产生膨胀后的WMR流135。在预冷却热交换器160的壳侧注入膨胀的WMR流135，并且相对于预处理的原料流101进行加热以产生温热低压WMR流110。图1示出了用于预冷却热交换器160，具有单个管束的卷绕式热交换器，但是可以采用任意数量的管束和任何类型的换热器。
在DMR过程中，液化和过冷却通过预冷天然气与另一种混合制冷剂流（这里称为冷混合制冷剂（CMR））进行热交换得以执行。
温低压CMR流140从MCHE165的壳侧底部提取，通过吸鼓（未示出）送出以分离出任何液体和在CMR压缩机141中压缩的蒸汽流以产生压缩的CMR流142。温低压CMR流140通常在温度接近WMR预冷却温度下提取，优选地低于零下30摄氏度且压力小于10巴拉（145磅/平方英寸）。压缩的CMR流142在CMR后冷却器143中冷却以产生压缩的冷却CMR流144。可能存在附加的分离器、压缩机和后冷却器。在从MCHE165的底部提取后，压缩和冷却CMR的过程通常被称为CMR压缩序列。
随后压缩冷却后的CMR流144相对于预冷系统134中蒸发的WMR被冷却以产生预冷的CMR流145，这可以根据预冷温度和CMR流的组成而完全或两相冷凝。图1示出了其中两相预冷CMR流145的配置，并将预冷CMR流145发送到CMR相位分离器164，在此获得CMR液体（CMRL）流147和CMR蒸汽（CMRV）流146，并且将其送回MCHE165以便进一步冷却。在化工行业中，离开相位分离器由于MRL和蒸汽流离开相位分离器，在工业中被称为MRV，即使在随后液化后，液体流离开相位分离器也被称为MRV。
CMRL流147和CMRV流146都在MCHE165的两个独立的电路中冷却。CMRL流147在MCHE165的温束中冷却并部分液化，结果产生通过CMRL膨胀装置149降压的冷流以产生膨胀的CMRL流148，膨胀的CMRL流148被送回MCHE165的壳侧以提供温束166中所需的制冷。CMRV流146在第一和第二管束MCHE165中冷却，并且通过CMRV膨胀装置151降压以产生膨胀的CMRV流150，膨胀的CMRV流150被引入到MCHE165以提供冷束167和温束166所需的制冷。
MCHE165和预冷却热交换器160可以是任何适用于天然气冷却和液化的交换器，例如卷绕式热交换器、板翅式热交换器或壳管式热交换器。卷绕式热交换器处于用于天然气液化的现有技术的交换器状态，包括至少一个管束，管束包括用于流动作业的多个螺旋缠绕管和温的制冷剂流和用于流动制冷剂流的壳体间隔。
图2示出了WMR压缩系统211的细节。任何出现在温低压WMR流210中的液体通过相位分离器（未示出）被去除并且来自相位分离器的蒸汽流在低压WMR压缩机212中压缩以产生中压WMR流213，中压WMR流213在低压WMR后冷却器214中冷却产生冷却的中压WMR流215。低压WMR后冷却器214还可以包括多个热交换器，例如过热降温器和冷凝器。冷却的中压WMR流215是两相的并且被送到WMR相位分离器216产生WMR蒸汽（WMRV）流217和WMR液体（WMRL）流218。WMRV流217在高压WMR压缩机221中压缩产生高压WMR流222，并在高压WMR过热降温器223中冷却产生过热高压WMR流224。WMRL流218被泵出以产生泵送的WMRL流220，其压力与过热高压WMR流224相差无几，泵送的WMRL流220和过热高压WMR流224混合产生混合高压WMR流225，混合高压WMR流225在高压WMR冷凝器226中冷却产生压缩的WMR流232。混合高压WMR流225是两相的，其气相分率约为0.5。
高压WMR冷凝器226可以是板式翅片热交换器或钎焊铝热交换器，必须设计成处理两相入口流。这样做的挑战之一是液相和气相在高压WMR冷凝器226中分布不匀。因此，压缩的WMR流232可能不会完全冷凝，这反过来又意味着降低预冷和液化过程的处理效率。另外，两入口热交换器可能涉及操作上的挑战。
解决这些问题的一种方法是补偿高压WMR冷凝器226设计中液体和气体的不均匀分布，并且比未发生不均匀分布的情况大得多，使得压缩WMR流232完全被冷凝。但是，这种方法有两个缺陷。首先，由于冷凝器中不均匀分布程度是不可预知的，所以该方法多少是武断的并且可能导致压缩的WMR流232的非零气相分率。其次，这种方法会增加资金成本和绘图空间，这是不希望的。
解决该问题的另一解决方案是在预冷却热交换器260的分离管路连接中冷却WMRL流218和压缩的WMR流232到约相同的预冷却温度。每个冷却流通过单独的膨胀装置（类似于第一WMR膨胀装置237）上被降压，并且作为壳侧制冷剂输送到预冷却热交换器260中。或者，在共用的膨胀装置中，两个冷却流可以组合并且降压。这种方法消除了高压WMR冷凝器226中的两相入口的问题，然而降低了液化过程的总体效率，在某些情况下，效率比图2低了4％。此外，该解决方案将意味着卷绕式热交换器或板式和板翅式热交换器中附加管道，这意味着增加资金成本。
另一种解决方案是,在与泵送的WMRL流220混合之前，完全冷凝过热高压WMR流224。该方法还包括预冷却热交换器260的管路中冷却混合流。然而，该方法与之前的解决方案所述的单个管路具有相同的缺点。
另一个解决方案包括将预冷却热交换器260分成两个部分，即温部分和冷部分。在盘绕式热交换器的情况下，温和冷部分是预冷却热交换器260内的独立管束。WMRL流218在预冷却热交换器260温部分的单个管路中冷却，穿过膨胀装置的压力降低，并作为壳侧制冷剂返回以向温部提供制冷。压缩的WMR流232在预冷却热交换器260的温和冷部分单个管道路中冷却，通过膨胀装置降压，并作为壳侧制冷剂返回，以向冷和温部分提供制冷。与图2相比，这种布置消除了两相入口的问题，并且还提高了液化过程的整体效率。然而，由于将预冷热交换器分解成多个部分，导致资金成本显着增加，所以是不希望的。
需要一个可靠有效的解决方案消除冷凝器中的两相进入问题，同时不会
显著增加设备的资金成本。本发明提供了新颖的WMR配置，消除了高压WMR冷凝器226的两相入口，并且消除了WMR泵268，从而降低了投资成本，并提高了DMR过程的可操作性和设计。本发明还可以应用于涉及多种成分制冷剂的冷却，液化或过冷却方法。
发明内容
方面1：在冷却热交换器中，通过使用第一制冷剂流的间接热交换来冷却碳氢化合物原料流的方法，包括：
a）在一个或多个压缩阶段中压缩温低压第一制冷剂流以产生压缩的第一制冷剂流；
b）在一个或多个冷却单元中冷却压缩的第一制冷剂流以产生压缩冷却的第一制冷剂流；
c）将压缩冷却的第一制冷剂流引入第一气液分离装置，以产生第一蒸汽制冷剂流和第一液体制冷剂流；
d）将第一液体制冷剂流引入冷却热交换器；
e）在冷却热交换器中冷却第一液体制冷剂流以产生冷却的液体制冷剂流；
f）膨胀冷却的液体制冷剂流以产生冷的制冷剂流，将冷制冷剂流引入冷却热交换器以提供冷却碳氢化合物原料流、第一液体制冷剂流和第二制冷剂流所需的制冷负荷；
g）在一个或多个压缩阶段压缩第一蒸汽制冷剂流以产生压缩蒸汽制冷剂流；
h）冷却且冷凝压缩蒸汽制冷剂流以产生冷凝的制冷剂流；
i）膨胀冷凝制冷剂流以产生膨胀的制冷剂流；
j）将膨胀的制冷剂流引入第一气液分离装置；
k）将第二制冷剂流引入冷却热交换器；
l）将碳氢化合物原料流引入冷却热交换器；
m）在冷却热交换器中冷却碳氢化合物原料流以产生冷却的碳氢化合物原料流；并进一步冷却和液化冷却的碳氢化合物原料流以产生液化碳氢化合物原料流。
方面2：方面1的方法，其中步骤（i）包括通过将膨胀的制冷剂流与第一气液分离装置上游的压缩冷却第一制冷剂流混合，使膨胀的制冷剂流引入第一气液分离装置中。
方面3：方面1-2中任一项方法，在冷却热交换器中冷却的第一制冷剂流是第一液体制冷剂流。
方面4：方面1-3中任一项的方法：
步骤（e）还包括在冷却热交换器中通过经由冷却热交换器的第一管道连接传递第一制冷剂流冷却第一液体制冷剂流，其中冷却热交换器是卷绕式热交换器；
步骤（m）还包括在冷却热交换器中通过经由冷却热交换器的第二管路连接传递碳氢化合物原料流冷却碳氢化合物原料流；和
步骤（f）还包括将冷制冷剂流引入到冷却热交换器的壳侧。
方面5：方面1-4中任一项的方法，还包括：
n）在冷却热交换器中冷却第二制冷剂流产生冷却的第二制冷剂流；
o）在主热交换器中，进一步冷却冷却的第二制冷剂流以产生进一步冷却的第二制冷剂流；
p）膨胀进一步冷却的第二制冷剂流以产生膨胀的第二制冷剂流；
q）将膨胀的第二制冷剂流返回到所述主热交换器；和
r）在主热交换器中通过使用膨胀的第二制冷剂流的间接热交换进一步冷却和冷凝冷却的碳氢化合物流。
方面6：方面1-5中任一项的方法，还包括在执行步骤（d）之前，在第一热交换器中，通过至少与部分膨胀的制冷剂流的间接热交换冷却至少部分第一液体制冷剂流。
方面7：方面6的方法，还包括在执行步骤（I）之前，在第一热交换器中冷却至少一部分的碳氢化合物原料流。
方面8：方面6-7中任一项的方法，还包括在执行步骤（k）之前，在第一热交换器中冷却至少一部分的第二制冷剂流。
方面9：方面1-8中任一项的方法，还包括：
k）将膨胀的制冷剂流引入第二气液分离装置以产生第二蒸汽制冷剂流和第二液体制冷剂流；
l）将第二蒸汽制冷剂流引入第一气液分离装置；
m）在步骤（d）中冷却第一热交换器中的第一液体制冷剂流之前，在第一热交换器中通过与第二液体制冷剂流进行间接热交换来冷却第一液体制冷剂流；
n）执行步骤（m）之后，将第二液体制冷剂流引入第一气液分离装置。
方面10：方面9的方法，其中第二蒸汽制冷剂流和第二液体制冷剂流在第一气液分离装置的上游步骤（b）的压缩冷却的第一制冷剂流混合，在第二蒸汽制冷剂流和液体制冷剂流到第一气液分离器装置的导入前。
方面11：方面1-10中任一项的方法，其中步骤（c）包括将经压缩且冷却的第一制冷剂流引入第一气液分离装置，包括混合塔以产生第一蒸汽制冷剂流和第一液体制冷剂流。
方面12：方面11的方法，其中压缩冷却的第一制冷剂流引入混合塔的顶部或顶部的上方，并且膨胀的第一制冷剂流被引入混合塔的底部或底部的下方。
方面13：方面1-12中任一项的方法，其中碳氢化合物原料流是天然气。
方面14：方面1-12中任一项的方法，其中冷凝的制冷剂流被完全冷凝。
方面15：方面1-14中任一项的方法，其中还包括步骤a）和c）：
a）在一个或多个压缩阶段压缩温低压第一制冷剂流以产生压缩的第一制冷剂流，其中温低压第一制冷剂流是第一组成；
c）引压缩冷却的第一制冷剂流到第一气液分离装置,以产生第一蒸汽制冷剂流和第一液体制冷剂流，其中第一蒸汽制冷剂流是第二组成，第二组成具有较高的百分比(基于摩尔数）,但乙烷比第一组成轻。
方面16：方面1-15中任一项的方法，其中还包括步骤a）：
a）在一个或多个压缩阶段中压缩温低压第一制冷剂流,以产生压缩的第一制冷剂流，其中温低压第一制冷剂流具有第一组成，轻质量组分小于10％。
方面17：方面1-16中任一项的方法，其中还包括步骤c）：
c）引压缩冷却的第一制冷剂流到第一气液分离装置中,以产生第一蒸汽制冷剂流和第一液体制冷剂流，其中第一蒸汽制冷剂流具有第二组成，乙烷小于20％。
方面18：用于冷却碳氢化合物原料流的装置包括：
冷却热交换器包括第一碳氢化合物供给回路、第一制冷剂回路、第二制冷剂回路、位于第一制冷剂回路上游端的第一制冷剂回路入口、位于第一制冷剂回路的下游端的第一降压装置以及源自且与降压装置流体流动连接的膨胀的第一制冷剂导管下游，冷却热交换器可操作地配置以冷却，通过与冷的制冷剂流间接热交换，当碳氢化合物原料流流经第一碳氢化合物供给回路时，从而产生预冷碳氢化合物原料流，第一制冷剂流过第一制冷剂回路并且第二制冷剂流经第二制冷剂回路；
压缩系统，包括：
温低压第一制冷剂管道与冷却热交换器的下端流体流动连接以及第一压缩机；
与第一压缩机流体流动连接和下游的第一后冷却器；
第一气液分离装置，具有与第一后冷却器流体流动连接且下游自的第一入口、位于第一气液分离装置上游端的第一蒸汽出口、位于第一气液分离装置下游端的第一液体出口，第一液体出口与第一制冷剂回路入口流体流动连接；
与第一蒸汽出口流体流动连接且下游的第二压缩机；
与下游自且与第二压缩机流体流动连接的冷凝器；和下游自且与冷凝器流体流动连接的第二降压装置;并且
第二降压装置上游自且在第一气液分离装置流体流动连接，使得流过第二降压装置的所有流体在流入冷却热交换器之前流过第一气液分离装置。
方面19：方面18的装置，还包括：
具有的主热交换器，第二碳氢化合物回路下游自且与冷却热交换器的第一碳氢化合物供给回路流体流动连接，主热交换器可操作地配置为通过与第二制冷剂进行热交换，至少部分间接液化预冷碳氢化合物原料流。
方面20：方面18-19中任一项的装置，还包括：
第一热交换器具有第一热交换回路，可操作配置提供与第二热交换回路的间接热交换，第一热交换回路与在下游流体流动连接的第二减压装置，第二热交换电路从第一液体蒸汽分离装置的第一出口流出并流体流连通。
方面21：方面18-20中任一项的装置，还包括：
具有第三入口的第二气液分离装置，与第二降压装置流体流动连接且下游自第二降压装置、位于第二气液分离装置的上半部分的第二蒸汽出口以及位于第二气液分离装置的下半部的第二液体出口，第一液体出口上游自且与第一热交换器的第一热交换回路流体流动连接。
方面22：方面18-21中任一项装置，其中第一热交换器还包括第三热交换回路和第四热交换回路，第三热交换回路上游自且与第一制冷剂回路流体流动连接，第四热交换器上游自且与第一碳氢化合物供给回路流体流动连接，第一热交换器可操作地配置成用于相对于第一热交换回路，冷却流经第二热交换回路、第三热交换回路和第四热交换回路的流体。
方面23：方面18-22中任一项装置，其中第一气液分离装置是混合塔。
方面24：方面23的装置，其中第一气液分离装置的第一入口位于混合塔的顶部，第一气液分离装置的第二入口位于混合塔的底部。
方面25：方面18-24中任一项的装置，冷却热交换器是卷绕式热交换器。
方面26：方面18-25中任一项所的装置，还包括与第二压缩机下游流体流动连接的过热降温器，并且与冷凝器的上游流体流动连接。
方面27：方面18-26中任一项的装置，其中第一混合制冷剂组成第一制冷剂。
方面28：方面18-27中任一项的装置，其中第二制冷剂组成第二制冷剂，其组成不同于第一混合制冷剂。
附图说明
图1是根据现有技术的DMR系统的示意性流程图；
图2是根据现有技术的预冷系统的DMR系统的示意流程图；
图3是根据本发明的第一示例性实施例的预冷却系统的DMR系统的示意性流程图；
图4是根据本发明的第二示例性实施例的预冷却系统的DMR系统的示意性流程图；
图5是根据本发明的第三示例性实施例的预冷却系统的DMR系统的示意性流程图；
图6是根据本发明的第四示例性实施例的预冷却系统的DMR系统的示意性流程图；以及
图7是根据本发明的第五示例性实施例的预冷却系统的DMR系统的示意性流程图。
具体实施方式
接下来，详细描述仅提供优选示例性实施例，并不打算限制发明的范围、适用性或配置。相反，接下来对优选示例性实施例的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实现所要求的发明的优选示例性实施例的授权描述。在不脱离发明的精神和范围的情况下，可以在元件的功能和布置方面进行各种改变。
与附图相关联的说明书中引入的参考数字可以在一个或多个后续图中重复，而不需在说明书中额外描述，以便为其他特征提供上下文。
说明书和权利要求书中使用的术语，“流体流动连接”，是指两个或两个以上的部件之间的连接，在输送部件之间以直接或间接的方式（即无泄漏）控制液体、蒸汽/和或两相混合物。将两个或多个部件连接，使它们彼此流体流动连接，可以包括本领域中任何已知的合适的方法，例如使用焊缝、法兰导管、垫圈和螺栓。两个或多个部件也可以通过系统的其它部件耦合在一起，这些部件可以分离他们，例如，阀、门或其它可以选择性地限制或引导流体流动连接的装置。
说明书和权利要求中使用的“导管”意指一种或多种结构，通过这种结构流体可以在系统的两个或多个部件之间传输。例如，导管可以包括输送液体、蒸汽/和或气体的管道、管道、通道及其组合。
在说明书和权利要求中所用的“天然气”一词，是指主要由甲烷构成的碳氢化合物类气体混合物。
在说明书和权利要求中所用的术语“碳氢气体”或“碳氢化合物流体”，是指，至少含有一种碳氢化合物的气体/流体，其中碳氢化合物类包含至少80%，优选地，至少占气/液总体组成的90%。
在说明书和权利要求中所用的术语“混合制冷剂”（简称“MR”），是指至少含有两种碳氢化合物的流体，其中碳氢化合物至少占制冷剂总组成的80%。
“重混合制冷剂”，用在说明书和权利要求中，是指其中碳氢化合物至少占MR的总体组成的80％，至少与乙烷一样重。优选地，碳氢化合物至少与丁烷一样重的包含混合制冷剂的总组合物至少10％。
在这个应用程序中术语“束”和“管束”，可以互换使用，并且是同义词。
在说明书和要求中使用的术语，“环境流体”，是指在环境压力和温度附近或接近环境时提供给系统的流体。
在权利要求中，字母用于表示权利要求的步骤（例如（a）、（b）和（c））。这些字母帮助说明方法步骤，而不是指所要求的步骤执行顺序，除非扩展到仅在权利要求中特别说明该顺序。
在说明书和权利要求书中使用定向术语来描述本发明（例如，上、下、左、右等）。这些方向性术语仅用于帮助描述示例性实施例，并不限制发明的范围。如本文所述的，术语“上游”的意思是指在系统的正常操作期间，管道中的流体与基准点的流体流向相反的方向。类似地，“下游”一词指的是在系统的正常操作期间，管道中的流体与基准点的流体流向相同的方向。
在说明书和权利要求中所用，术语“高-高”、“高”、“中”和“低”是用来表示这些术语使用的元素的属性的相对值。例如，高高压流指示比本申请或权利要求中相应的高压流或中压流或低压流的压力更高的流。同样，高压流指的是具有比说明书和权利要求中相应的中压压力流或低压流更高的压力流，但低于相应的高高压流。类似地，中压流指的是具有比说明书或要求中相应的低压流更高的压流，但低于本申请描述或权利要求的相应的高压流。
在发明、附图和权利要求中除非另有说明，所有百分比均应按重量百分比计算。在发明、附图和权利要求中，除非另有说明所有压力都应理解为压力表。
本发明所使用的术语“制冷剂”或“低温流体”是意指液体、气体、或混合相流体的温度低于-70摄氏度。包括液氮制冷剂（LIN），液化天然气（LNG）、液氦、液态二氧化碳加压，混合相制冷剂（例如，LIN和气态氮的混合物）。如本发明所用，“低温温度”意指低于摄氏-70度的温度。
除非本发明另作说明，在位置上引入流意味着将流全部引入该位置。说明书讨论的附图中的流（通常一条箭头表示说明在正常操作过程中流体流动连接的整体方向）应包含在相应的管道内。每个管道应该至少有一个入口和一个出口。此外，每件设备应至少有一个入口和一个出口。
参照图3，所示的本发明的第一实施例。温低压WMR流310中的任何液体通过相位分离器（未示出）被去除，并且相位分离器的蒸汽流在低压WMR压缩机312中被压缩，以产生中压的WMR流313，冷却到低压WMR后冷却器314，以产生冷却的中压WMR流315。低压WMR后冷却器314还包括多个热交换器，例如过热降温器和冷凝器。冷却的中压WMR流315是两相并且送到WMR相位分离器316中以产生WMRV流317和WMRL流318。WMRL流318在预冷却热交换器360的管电路中进一步冷却，以产生另一个冷却的WMRL流319，在第一WMR膨胀装置337上降压以产生膨胀的WMR流335，然后作为壳侧制冷剂返回到预冷却交换器360。在预冷却热交换器360中，预处理的原料流301被预冷却以产生预冷的天然气流302。
WMRV流317在高压WMR压缩机321中被压缩产生高压WMRV流322，在高压WMR过热降温器323中冷却产生冷却的高压MRV流324，在高压WMR冷凝器326中进一步冷却和冷凝以产生冷凝的高压WMR流327，其至少部分地,最好完全冷凝。由于温低压WMR流310预冷天然气流，因此它具有低浓度的轻质组分,如氮气和甲烷，主要含有乙烷和重质组分。温低压WMR流310的组分包含乙烷的少于10％,优选小于乙烷的5％，更优选小于乙烷组分的2％。轻质组分积聚在WMRV流317中，其包含小于乙烷组分的20％，优选小于乙烷组分的15％，更优选小于乙烷组分的10％。因此，WMRV流317可以完全冷凝以产生完全冷凝的高压WMR流327，而不需要压缩至非常高的压力。高压WMRV流322可以450磅/平方英寸（31bar）和700磅/平方英寸（48bar）之间的压力，并且优选地在500磅/平方英寸（34bara）和650磅/平方英寸（45bara）之间。如果预冷却热交换器360用于完全液化天然气的液化热交换器，则温低压WMR流310会有较高浓度的氮和甲烷，因此高压WMRV流322的压力必须更高,使冷凝的高压WMR流327完全冷凝。这可能不可能实现，冷凝的高压WMR流327将不会完全冷凝，并且可能需要单独液化的显著蒸汽浓度。
在第二WMR膨胀装置328中冷凝的高压WMR流327降压以产生与冷却的中压WMR流315相同压力的膨胀高压WMR流329，该压力可能处于200磅/平方英寸（14巴）和400磅/平方英寸（28巴），优选在300磅/平方英寸（21巴）和350磅/平方英寸（24巴）之间。膨胀的高压WMR流329的温度可以处于-10摄氏度和20摄氏度之间，优选地在-5摄氏度和5摄氏度之间。膨胀的高压WMR流329的气相分率,在0.1至0.6之间，优选在0.2和0.4之间。所述流的条件将根据环境温度和操作条件而变化。膨胀的高压WMR流329返回到WMR相位分离器316。
可选择地，膨胀的高压WMR流329可以返回到WMR相位分离器316的上游位置（图3中的虚线329a示出），例如通过与冷却的中压WMR流混合，第一WMR膨胀装置337和第二WMR膨胀装置328可以是涡轮机，焦耳汤姆逊（JT）阀或本领域任何已知的其它合适的膨胀装置。
图3所示的是实施例的优点。在现有技术中，高压WMR冷凝器326只需要设计用于气相入口。这有助于消除任何设计问题并减轻冷凝器中潜在的气液分布问题。另外，图3所示的配置消除了现有技术图2所示的WMP泵268，从而降低了LNG设施的资金成本，设备数量和占地面积。
图3涉及使用喷射器/喷射器，其中冷却的中压WMR流315和冷凝的高压WMR流327发送到喷射器以产生两相流并发送到WMR相位分离器316。
图4示出了本发明的优选实施例。参照图4，在温低压WMR流410中任何液体经由过相位分离器传递（未示出）而去除，并且相位分离器的蒸汽流在低压WMR压缩机412中被压缩以产生中压WMR流413，在低压WMR后冷却器414中冷却,以产生冷却的中压WMR流415。低压WMR后冷却器414还可包括多个热交换器，例如过热降温器和冷凝器。冷却的中压WMR流415是两相,并且发送到WMR相位分离器416,以产生WMRV流417和WMRL流418。
在高压WMR压缩机421中WMRV流417压缩,以产生高压WMRV流422，其在高压WMR过热降压器423中冷却,以产生冷却的高压MRV流424，在高压WMR冷凝器426中进一步冷却和冷凝,以产生冷凝的高压WMR流427。在第二WMR膨胀装置428中冷凝的高压WMR流427降压，以产生膨胀的高压WMR流429。膨胀的高压WMR流429在WMR热交换器430产生热膨胀高压WMR流431返回到WMR相位分离器416。第二WMR膨胀装置428调节成使得热膨胀的高压WMR流431的压力与冷却的中压WMR流415一样。
WMRL流418在WMR热交换器430中冷却，以对抗膨胀的高压WMR流429产生冷却的WMRL流433。热膨胀的高压WMR流431可以处于-20摄氏度和15度摄氏度的温度，最好在-10摄氏度和0摄氏度之间。所述流的温度将基于环境温度和操作条件而变化。
在预冷却热交换器460的管道电路中冷却的WMRL流433进一步冷却以产生进一步冷却的WMRL流319，在第一WMR膨胀装置437上被压缩，以产生膨胀的WMR流435，然后作为壳侧制冷剂返回到预冷却交换器460。
WMR热交换器430是板和翅片、钎焊铝、线圈缠绕或本领域已知的任何其它合适类型的热交换器。WMR热交换器430还可以由串联或并联的多个热交换器组成。
在现有技术基础上，图4所示的实施例保留了图3的所有优点。此外，本实施例改进了图3所示过程的处理效率约2%，从而减少了生产相同数量的LNG所需的功率。效率的提高主要是由于液体流被送入预冷热交换器的温度较冷。
另一个实施例是图4的变型。其中在膨胀的高压WMR流429和WMRV流417（而不是WMRL流418）之间热交换器430提供了间接热交换。该实施例导致在高压WMR压缩机421吸入时的条件较冷。
另一实施例是变化的图4。其中热交换器430在膨胀的高压WMR流429和冷却的中压WMR流415之间提供间接热交换。该实施例导致冷却高压WMR压缩机421的入口和冷却的WMRL流433。
膨胀的高压WMR流429可以是两相的。然而，由于在膨胀的高压WMR流429中存在典型地低的蒸汽量，预WMR热交换器430的性能不会受到显着的影响。在扩大的高压中存在较高量的蒸汽的情况下WMR流429，图5提供了替代实施例。
参照图5，膨胀的高压WMR流529发送到第二WMR相位分离器538以产生第二WMRV流539和第二WMRL流536。第二WMRV流539返回到WMR相位分离器516。第二WMR膨胀装置528调节为使第二MRV流539与冷却的介质压力WMR流515大约相同的压力。
第二WMRL流536在WMR热交换器530中加热以产生返回到WMR相位分离器516的热膨胀的高压WMR流531。或者，热膨胀的高压WMR流531可以与WMR相位分离器516上游的冷却介质压力WMR流515（图5中的虚线531a所示）。来自WMR相位分离器516的WMRL流518在WMR热交换器530中相对于第二WMRL流536冷却以产生冷却的WMRL流533。冷却的WMRL流533在预冷却热交换器560的管路中进一步冷却至产生进一步冷却的WMRL流319，其在第一WMR膨胀装置537上被压缩，以产生膨胀的WMR流535，然后将其作为壳侧制冷剂返回到预冷却交换器560。
本发明图5的实施例具有图4的所有优点。它包括一个附加设备，并且高蒸汽流在第二WMR膨胀装置528的情况下是有益的。
在另一实施例中，在返回到WMR相位分离器516之前通过WMR热交换器530的单独通道来加热第二WMRV流539。
图6示出了本发明的另一实施例并且是图3的变型。温低压WMR流610在低压WMR压缩机612中压缩以产生中压WMR流613，在低压WMR后冷却器614中冷却以产生冷却的中压WMR流615。低压WMR后冷却器614还包括多个热交换器，例如过热降温器和冷凝器。冷却的中压WMR流615送到混合塔655的顶部以产生来自混合塔655的顶部的WMRV流617和来自混合塔655底部的WMRL流618。WMRL流618在预冷却热交换器660的管路中进一步冷却以产生进一步冷却的WMRL流319，在第一WMR膨胀装置637上压缩以产生膨胀的WMR流635，然后作为壳制冷剂返回到预冷却交换器660。
WMRV流617在高压WMR压缩机621中压缩以产生高压WMRV流622，其在高压WMR过热降温器623中冷却产生冷却的高压MRV流624，进一步在高压WMR冷凝器626中冷却并且冷凝以产生冷凝的高压WMR流627。冷凝的高压WMR流627在第二WMR膨胀装置628中降压产生膨胀的高压WMR流629。膨胀的高压WMR流629返回到混合塔655的底部。该实施例具有图3的所有优点。由于冷却液体流送到预冷热交换器,所以与图3相比处理效率更高。
混合塔，例如混合塔655，与蒸馏塔的热力学原理相同（本领域中也称为分离塔或分馏塔）。然而，混合塔655执行与蒸馏塔相反的任务。它可逆地将液体混合在多个平衡阶段，而不是分离液体的组分。与蒸馏塔相比，混合塔的顶部比底部更热。混合塔655包含包装和或任何数量的托盘。顶部是指混合塔655顶部的托盘或顶部部分。底部是指混合塔655底部的托盘或底部部分。
另一实施例涉及用蒸馏塔替换混合塔。在该实施例中，将膨胀的高压WMR流629插入蒸馏塔的顶部以提供回流，同时将冷却的中压WMR流615插入塔的底端。可以提供额外的再沸器负荷或冷凝负荷。
图7所示的实施例是图4的变型。在该实施例中，预处理的原料流701和压缩冷却的CMR流745也通过间接热交换来冷却，在WMR热交换器730中膨胀的高压WMR流729分别产生冷却的预处理原料流752和压缩两次冷却的CMR流753。冷却的预处理原料流752和压缩两次冷却的CMR流753在预冷却热交换器760的单个管路中进一步冷却。
该实施例通过降低预冷热交换器760中原料流的温度，同时确保进入预冷却热交换器760原料流的温度相同，进一步提高了该方法的效率。在该实施例中，预处理的原料流701和压缩冷却的CMR流745在WMR热交换器730中得到冷却。
本发明所述的所有实施例，WMR流可根据原料成分、环境温度和其它条件来调节其组成。通常，WMR流含有40摩尔优选地超过50摩尔比丁烷轻的组分。
本发明的实施例可应用于任何压缩机的设计，包括任何数量的压缩机、压缩机壳体、压缩阶段、存在内部或后冷却等。此外，本发明的实施例可应用于任何热交换器类型，如板翅式热交换器、盘绕式热交换器、壳管式热交换器、钎焊铝热交换器、釜、芯釜及其他合适的热交换器。虽然本发明的实施例涉及含碳氢化合物的混合制冷剂，但亦适用于其他制冷剂混合物，如氟碳化合物。与本发明相关的方法和系统可作新工厂设计的一部分，或作为现有LNG装置的改造实施。
实施例1
以下是本发明的示例性实施例的操作示例。示例的过程和数据是基于LNG工厂DMR过程的模拟，它大约每年生产550万公吨的液化天然气，具体参考图4所示的实施例。为简化对该实施例的描述，使用关于图4所示实施例描述的元素和参考数字。
温低压WMR流410在51华氏度（11摄氏度）、55磅/平方英寸（3.8巴）和42,803磅/英寸（19,415千摩尔/小时）时在低压WMR压缩机412中压缩产生中压WMR流413。在华氏温度（97.5摄氏度）和331磅/平方英寸（22.8巴）时在低压WMR后冷却器414中冷却以在77华氏度（25摄氏度）和316磅/平方英寸（21.8巴）时产生冷却的中压WMR流415。冷却的中压WMR流415发送到WMR相位分离器416产生WMRV流417和WMRL流418。
在15,811磅/小时（7172千摩尔/小时）情况下，WMRV流417在高压WMR压缩机421中压缩，以在146华氏度（63摄氏度）和598磅/平方英寸（41巴）下产生高压WMRV流422，其中在高压WMR减温器423中冷却以产生冷却的高压MRV流424，在高压WMR冷凝器426中进一步冷却和冷凝，以在77华氏度（25摄氏度），583磅/平方英寸（40.2℃）时产生冷凝高压WMR流427，气相分率为0。冷凝的高压WMR流427在第二WMR膨胀装置428中压缩以在34华氏度（1.4摄氏度）和324磅/平方英寸（22.2巴）下产生膨胀的高压WMR流429。膨胀的高压WMR流429在WMR热交换器430中加热以产生温度为53华氏度（11.8华氏度）的热膨胀高压WMR流431并且在316磅/平方英寸（21.8巴）下返回到WMR相位分离器316。在该示例中，温低压WMR流410包含的组分比乙烷轻1％，并且膨胀的高压WMR流429的气相分率为0.3。
对于膨胀的高压WMR流429，WMRL流418在42，800磅/小时（19,415千摩尔/小时）的情况下在WMR热交换器430中冷却以便在华氏38度（3.11摄氏度）和308磅/平方英寸（21.2巴）下产生冷却WMRL流433。
预处理的原料流401在68华氏度（20摄氏度）和1100磅/平方英寸（76巴）的情况下进入预冷热交换器460，以便在-41华氏度（-40.5摄氏度）下产生预冷的天然气流402，其气相分率为0.74。压缩冷却的CMR流444在77华氏度（25摄氏度），890磅/平方英寸（61巴）下进入预冷热交换器460，以便在-40华氏度（-40摄氏度）下产生预冷CMR流445，其气相分率为0.3。
在该实施例中，该过程的效率比图3高2-3％。因此，本实施例表明，本发明提供了一种有效且低成本的方法和系统，用于消除WMR冷凝器热交换器中的两相入口，并消除WMR液体泵。

Claims (7)

1.用于冷却碳氢化合物原料流的装置，包括：
冷却热交换器，其包括第一碳氢化合物供给回路、第一制冷剂回路、第二制冷剂回路、位于所述第一制冷剂回路的上游端处的第一制冷剂回路入口、位于所述第一制冷剂回路的下游端处的第一降压装置以及在所述第一降压装置下游且与所述第一降压装置流体流动连接的膨胀的第一制冷剂导管，所述冷却热交换器可操作地配置以当所述碳氢化合物原料流流经所述第一碳氢化合物供给回路时通过与冷的制冷剂流的间接热交换而冷却所述碳氢化合物原料流，从而产生预冷碳氢化合物原料流，第一制冷剂流过所述第一制冷剂回路并且第二制冷剂流经所述第二制冷剂回路；以及
压缩系统，其包括：
温低压第一制冷剂管道，其与所述冷却热交换器的下端以及第一压缩机流体流动连接；
与所述第一压缩机流体流动连接且在所述第一压缩机下游的第一后冷却器；
第一气液分离装置，其具有与所述第一后冷却器流体流动连接且在所述第一后冷却器下游的第一入口、位于所述第一气液分离装置的上半部中的第一蒸汽出口、位于所述第一气液分离装置的下半部中的第一液体出口，所述第一液体出口在所述第一制冷剂回路入口上游且与所述第一制冷剂回路入口流体流动连接；
在所述第一蒸汽出口下游且与所述第一蒸汽出口流体流动连接的第二压缩机；
在所述第二压缩机下游且与所述第二压缩机流体流动连接的冷凝器；和
在所述冷凝器下游且与所述冷凝器流体流动连接的第二降压装置，并且所述第二降压装置在所述第一气液分离装置上游且与所述第一气液分离装置流体流动连接，使得流过所述第二降压装置的所有流体在流入所述冷却热交换器之前流过所述第一气液分离装置。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
具有第二碳氢化合物回路的主热交换器，所述第二碳氢化合物回路在所述冷却热交换器的所述第一碳氢化合物供给回路下游且与所述冷却热交换器的所述第一碳氢化合物供给回路流体流动连接，所述主热交换器可操作地配置为通过与所述第二制冷剂的间接热交换而至少部分液化所述预冷碳氢化合物原料流。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括：
具有第一热交换回路的第一热交换器，所述第一热交换回路可操作地配置为提供与第二热交换回路的间接热交换，所述第一热交换回路在所述第二降压装置下游且与所述第二降压装置流体流动连接，并且所述第二热交换回路在所述第一气液分离装置的所述第一液体出口下游且与所述第一气液分离装置的所述第一液体出口流体流动连接。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括：
第二气液分离装置，其具有与所述第二降压装置流体流动连接且在所述第二降压装置下游的第三入口、位于所述第二气液分离装置的上半部中的第二蒸汽出口以及位于所述第二气液分离装置的下半部中的第二液体出口，所述第一液体出口在所述第一热交换器的所述第一热交换回路上游且与所述第一热交换器的所述第一热交换回路流体流动连接。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一热交换器还包括第三热交换回路和第四热交换回路，所述第三热交换回路在所述第一制冷剂回路上游且与所述第一制冷剂回路流体流动连接，所述第四热交换回路在所述第一碳氢化合物供给回路上游且与所述第一碳氢化合物供给回路流体流动连接，所述第一热交换器可操作地配置成用于相对于所述第一热交换回路，冷却流经所述第二热交换回路、第三热交换回路和第四热交换回路的流体。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一气液分离装置是混合塔。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一气液分离装置的所述第一入口位于所述混合塔的顶部，并且所述第一气液分离装置的第二入口位于所述混合塔的底部。
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