CN218469418U - 用于从含甲烷的合成气产生液化天然气的系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述了用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统。可以使用一个或多个热交换器单元冷却且部分液化MCSG进料流。第一相分离器和与所述第一相分离器下游流体流动连通的第二相分离器可以用于将所述部分液化的MCSG流分离成第一残余气体流以及第一进料流和第二进料流，然后将所述第一进料流和第二进料流进料到蒸馏塔中以产生LNG流和第二残余气体流。

Description

用于从含甲烷的合成气产生液化天然气的系统
技术领域
本实用新型涉及用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统。
背景技术
环境友好型燃料技术的发展导致了气化和天然气液化过程的整合，以从MCSG产生LNG。MCSG是包括甲烷和比甲烷轻的杂质的轻质含烃气体，可以从煤或石油残渣的气化中产生。从气化产品制造MCSG是一种使用传统固体和低价值重液体燃料的清洁方式，它允许集中碳捕获和封存，同时产生和分配含甲烷的清洁低碳燃料。此外，从气化过程中联合生产LNG为产品组合的多样化提供一个有吸引力的选择，从而提高了项目的整体经济性。
在美国专利10,436,505中描绘并且描述了用于从MCSG产生LNG的示例性现有技术过程。在其中描绘的过程中，含烃进料气体流，诸如合成气体流，在主热交换器中被冷却到-30℃至-130℃的相对热的温度，主热交换器利用汽化混合制冷剂来提供制冷。离开主热交换器的冷却进料气体流在再沸器中进一步冷却，再沸器为次级蒸馏塔中的沸腾提供热量(较低的操作压力)。离开再沸器的冷却的进料气体流然后被进一步冷却到-120℃至-200℃的温度，并且在主热交换器中至少部分液化，然后在罐中闪蒸和分离以形成闪蒸的蒸气流和液体流。闪蒸的蒸气流在压扩器的膨胀器部分膨胀并且被输送到初级蒸馏塔的精馏部段(较高的操作压力)。经由阀门降低液体流的压力，并且将其输送到初级蒸馏塔的底部。
从初级蒸馏塔取出的底部液体流被输送到次级蒸馏塔以进一步提高甲烷回收率。从次级蒸馏塔取出的底部液体流在主热交换器中被冷却到-120℃至-200℃的最终温度以形成LNG产品流。来自次级蒸馏塔的塔顶蒸气流在主热交换器中冷凝，并且在回流罐中闪蒸。回流罐液体用作初级蒸馏塔和次级蒸馏塔的回流。回流罐蒸气在压扩器的压缩部分被压缩，并且与来自初级蒸馏塔的塔顶蒸气汇合，形成残余气体流，残余气体流在主热交换器中被加热，并且在排出装置之前在残余气体压缩机中被再压缩。
使用两阶段压缩机和JT阀的标准热泵配置用于向主热交换器提供冷制冷剂并且因此提供制冷。
美国专利10,436,505示出的配置可以产生高纯度的富含甲烷的LNG，但是它确实具有某些缺点。一个问题是混合制冷剂流作为两相混合物被引入主热交换器。这使得管道的设计复杂化，并且可能由于堵塞而导致不期望的不稳定操作。此外，两相流需要主热交换器的特殊设计特征，以确保液相和气相均匀分布。例如，如果主热交换器是板翅式热交换器，则必须提供诸如分离器和注射管的特殊装置，以便跨所有通道均匀分配各相。这些装置的使用增加了成本，并且会降低操作稳定性。此外，两相流在低流速下可能变得不稳定，导致相分离，从而导致大的内部温度梯度和对主热交换器的潜在损坏。
另一个缺点是，主交换器利用两种不同的低压流来为热交换器提供冷却负荷(即冷汽化混合制冷剂流和残余气体流)，这实际上排除了使用盘管式型热交换器作为主热交换器。对于天然气液化和末端闪蒸气体热交换应用，盘管式热交换器被证明是高效、可靠和稳健的。盘管式热交换器的设计和制造技术允许更高的单位处理能力(每个盘管式热交换器单元实现的热交换负荷)，避免使用并联的多个热交换器单元(在板翅式热交换器的情况下)直到非常大的能力。一种盘管式热交换器单元包括一个或多个管束，一个或多个管束封装在外壳壳体中，单元的管侧被设计成接收一个或多个需要冷却的热流，单元的外壳侧被设计成接收单个冷制冷剂流或两个或更多个冷流，单个冷制冷剂流或两个或更多个冷流在外壳侧混合并作为单个热制冷剂流离开。盘管式热交换器能够适应两种或更多种保持分离的冷流的使用的唯一方法是使至少一种冷流通过热交换器管侧的通道中的一个。然而，考虑到热交换器管侧通道中的低可用压降和相对较高的典型阻力，盘管式交换器的设计将会很困难。
所描绘过程的另一个缺点是所有的残余气体都是在相对较低的压力下产生的。这增加了此过程的操作和资金成本，因为在低压下产生的残余气体量越大，其用于再压缩此气体所需的能量就越大，并且容纳所述气体的残余气体压缩机必须越大。
实用新型内容
本文公开了用于从MCSG产生LNG的系统，其提供优于上述现有技术的若干优点。系统可以采用单个蒸馏塔(而不是两个或更多个塔)。可以使用与用于从残余气体流回收制冷的热交换器单元分离的盘管式热交换器单元，盘管式热交换器单元可以接收、冷却且部分液化MCSG进料流的一部分，和/或可以接收且冷却制冷剂(诸如混合制冷剂或其他汽化制冷剂)，制冷剂然后用于冷却且部分液化MCSG进料流。一部分残余气体可在与MCSG进料流基本上相同的压力下排出，并且需要相对少的再压缩或不需要再压缩。
下面概述了根据本实用新型的系统的若干优选方面。
方面1：一种用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统，所述系统包括：
一个或多个热交换器单元，其用于接收、冷却且部分液化MCSG进料流，以产生部分液化的MCSG进料流；
第一相分离器和第二相分离器，其与所述一个或多个热交换器单元流体流动连通并且串联布置，其中所述第二相分离器处于与所述第一相分离器的下游流体流动连通，其用于将所述部分液化的MCSG进料流分离成包括液体流和两个蒸气流的至少三个流，所述液体流形成第一进料流，所述蒸气流中的一者形成第二进料流，并且所述蒸气流中的另一者形成第一残余气体流；以及
蒸馏塔，其具有：在第一位置的第一入口，其用于接收所述第一进料流；在第二位置的第二入口，其用于接收所述第二进料流，所述第二位置在所述第一位置上方；在所述第一位置和所述第二位置之间的至少一个分离阶段；在所述蒸馏塔的底部的出口，其用于取出由蒸馏塔底部液体形成的LNG流；以及在所述蒸馏塔的顶部的出口，其用于取出由蒸馏塔塔顶蒸气形成的第二残余气体流。
方面2：一种用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统，所述系统包括：
导管组，其用于将MCSG进料流分成包括第一部分和第二部分的至少两个部分；
第一热交换器单元或单元组，其用于接收所述第一部分并且经由与第一制冷剂的间接热交换来冷却且部分液化所述第一部分，其中所述第一热交换器单元或单元组是盘管式热交换器单元或单元组；
第二热交换器单元或单元组，其用于接收所述第二部分并且经由与一个或多个过程流的间接热交换来冷却且部分液化所述第二部分；
导管组，其用于接收并组合所冷却且部分液化的第一部分和所冷却且部分液化的第二部分，以形成部分液化的MCSG进料流；以及
一个或多个相分离器和/或一个或多个蒸馏塔，其用于接收所述部分液化的MCSG进料流并且将其分离成LNG流和一个或多个残余气体流。
方面3：一种用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统，所述系统包括：
第一热交换器单元或单元组，其用于冷却第一制冷剂以产生冷却的第一制冷剂，其中所述第一热交换器单元或单元组是盘管式热交换器单元或单元组；
第二热交换器单元或单元组，其用于接收来自所述第一热交换器单元的所述冷却的第一制冷剂的一个或多个流，用于接收一个或多个过程流，以及用于接收MCSG进料流并且经由与所述冷却的第一制冷剂的一个或多个流和所述一个或多个过程流间接热交换来冷却且部分液化所述MCSG进料流以形成部分液化的MCSG进料流；以及
一个或多个相分离器和/或一个或多个蒸馏塔，其用于接收所述部分液化的MCSG进料流并且将其分离成LNG流和一个或多个残余气体流。
附图说明
图1是描绘根据本实用新型的一个实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统的示意流程图。
图1A是描绘适用于图1的方法和系统的制冷系统的示意流程图。
图2是描绘根据本实用新型的另一个实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统的示意流程图。
图3是描绘根据本实用新型的另一个实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统的示意流程图。
图3A是描绘适用于图3的方法和系统的制冷系统的示意流程图。
图4是描绘根据本实用新型的另一个实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统的示意流程图。
具体实施方式
本文描述了用于从MCSG产生LNG的方法和系统。
如本文所用，并且除非另有指示，否则冠词“一”和“一个”在应用于说明书和权利要求书中描述的本实用新型实施例的任何特征时，指示一个或多个。“一”和“一个”的使用并不将含义限制到单个特征，除非特别声明了此类限制。单数或复数名词或名词短语前面的冠词“该”表示一个特定的指定特征或多个特定的指定特征，并且根据其使用的上下文，可以具有单数或复数含义。
在本文中使用字母来识别方法的列举步骤(例如(a)、(b)和(c))的情况下，这些字母仅用于帮助指代方法步骤，而不意图指示执行所要求保护的步骤的特定顺序，除非并且仅在此类顺序被具体列举的范围内。
在本文中用于识别方法或系统的所述特征时，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于帮助指代和区分所讨论的特征，并且不意图指示这些特征的任何特定顺序，除非且仅在此类顺序被具体列举的范围内。
如本文所用，术语“含甲烷的合成气”，在本文中也称为“MCSG”，是指包括甲烷和比甲烷轻的组分(即比甲烷具有更高挥发性和更低沸点的组分)的气体，诸如特别是氢气和/或一氧化碳。如本文所用的术语包含含有甲烷分子的气化合成气产品流和由甲烷化过程产生的含有杂质诸如氢气和一氧化碳的合成天然气体流。在优选的实施例中，含甲烷的合成气进料流可以包括10摩尔%至60摩尔%的甲烷，其余的含量是一氧化碳和氢气的混合物，可选地具有少量的二氧化碳、水和/或其他杂质。
如本文所用，术语残余气体是指主要包括从MCSG进料流中移除的比甲烷更轻的组分的气体，诸如特别是氢气和/或一氧化碳。在优选的实施例中，残余气体流可以包括小于10摩尔%的甲烷，并且更优选地小于2摩尔%的甲烷，其余部分由或基本上由比甲烷轻的组分(诸如例如氢气和一氧化碳的混合物)组成，可选地具有少量的其他组分(诸如氮气和/或氩气)。
如本文所用，术语“液化天然气”或“LNG”是指主要包括甲烷的液化气体流，其优选地包括进料流的至少85摩尔%，更优选地至少90摩尔%，并且最优选地至少约95摩尔%。LNG流可能仍然含有少量的其他组分，如可能已经存在于MCSG进料流中并且没有被过程移除的组分，诸如少量的比甲烷更重的其他组分(即更低的挥发性和更高的沸点)，诸如二氧化碳或比甲烷更重的烃(例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷)和/或少量的比甲烷更轻的组分，诸如氮气、氢气或一氧化碳。
如本文所用，术语“蒸馏塔”是指含有一个或多个分离阶段的塔，由诸如填料或塔盘的装置组成，其增加接触并且因此增强塔内向上升的蒸气和向下流动的液体之间的传质。这样，较轻(即较高挥发性和较低沸点)组分的浓度在上升的蒸气中增加，蒸气作为塔顶蒸气在塔的顶部收集，而较重(即较低挥发性和较高沸点)组分的浓度在下降的液体中增加，液体作为底部液体在塔的底部收集。蒸馏塔的“顶部”是指塔的位于或高于最顶部分离阶段的部分。塔的“底部”是指塔的位于或低于最底部分离阶段的部分。塔的“中间位置”是指在塔的顶部和底部之间，在两个分离阶段之间的位置。
如本文所用，术语“相分离器”是指罐或其他形式的容器，其中可以引入两相流，以便将流分离成其组成蒸气相和液相，其中离开容器的液体流和蒸气流处于平衡。与蒸馏塔(其中离开塔的液体流和蒸气流不平衡)相反，相分离器在容器内不含有任何分离阶段(即填料或塔盘)来使向上升的蒸气和向下流动的液体接触。
如本文所用，术语“流体流动连通”是指两个或更多个部件之间的连接性的性质，其使得液体、蒸气和/或两相混合物能够以受控的方式(即，没有泄漏)直接或间接地在部件之间输送。将两个或更多个部件联接成使得它们彼此流体流动连通可涉及本领域已知的任何合适的方法，诸如使用焊接、法兰导管、垫圈和螺栓。两个或更多个部件也可以经由系统的其他部件联接在一起，系统的其他部件可以将它们分离，例如阀门、闸门或可以选择性地限制或引导流体流动的其他装置。
本文提及的与第一装置或部件处于“下游”流体流动连通的第二装置或部件意味着第二装置或部件被布置成直接地或间接地从第一装置或部件接收流体。
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“盘管式热交换器单元”是指本领域已知类型的热交换器单元，其包括一个或多个管束，一个或多个管束封装在外壳壳体中。每个管束包括多个管，管的内部限定一个或多个通道(也称为管回路)，其用于使一个或多个流体流通过热交换器单元，所述管的内部在本文中被称为热交换器单元的“管侧”。外壳壳体内部和管外部的空间限定用于使流体流通过热交换器单元的单个通道，所述外壳壳体内部和管外部的空间在本文中被称为热交换器单元的“外壳侧”。这样，通过热交换器外壳侧的流体可以与通过热交换器管侧的流体进行间接热交换。在盘管式热交换器单元被用于经由与‘冷’制冷剂的间接热交换来冷却一个或多个‘热’流体流的情况下，冷制冷剂几乎总是通过热交换器的外壳侧，因为外壳侧提供低得多的流动阻力，并且允许比管侧大得多的压降，这使得冷制冷剂通过外壳侧更加有效和高效(冷制冷剂通常是处于相对较低压力下的汽化或膨胀流体)。盘管式热交换器是一种紧凑设计的热交换器，以其稳健性、安全性和传热效率而闻名，并且因此具有相对于其占地面积提供高效热交换水平的优点。然而，因为外壳侧仅限定穿过热交换器的单个通道，所以如果不准许混合所述制冷剂流，则在盘管式热交换器中使得用一个以上冷制冷剂流来提供冷却负荷是不可行的。
仅作为示例，现在将参考附图描述本实用新型的各种示例性实施例。
现在参考图1，示出了根据本实用新型第一实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统。
MCSG进料流100，诸如包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、水、甲烷、乙烷和其他烃的混合物的合成气体流100，其处于环境温度和高压下，通常为20巴至80巴(绝压)，可以首先被输送到预处理系统105。根据MCSG进料流的组分，预处理系统可以包含用于移除硫化氢和二氧化碳杂质的酸性气体移除单元、用于移除水的脱水单元和用于移除汞的除汞单元。还可以有重组分移除步骤，其中LPG(液化石油气)组分、可冻结戊烷和更重组分被移除。因此，离开预处理部段105的MCSG进料流111的流速和组分可能显著不同于进入所述预处理部段105的MCSG进料流100的流速和组分，尽管MCSG进料流仍将包括甲烷和比甲烷轻的组分，特别是氢气和一氧化碳。
离开预处理部段105的MCSG进料流111通常处于环境温度，然后被分成两个流，即第一个流113和第二个流115。优选地由MCSG进料流111的小部分(诸如MCSG进料流111流量的10%至40%并且更优选地20%至30%)组成的第一流113被送到第一热交换器单元或单元组114。由MCSG进料流111的其余流量组成并且因此优选地由所述流的主要部分组成的第二流115被送到第二热交换器单元或单元组116。第二热交换器单元或单元组116可以例如包括板翅式交换器单元或平行布置的多个板翅式交换器单元。第一流113和第二流115相应地在第一热交换器单元114和第二热交换器单元116中冷却且部分液化，相应地形成第一冷却且部分液化的流120和第二冷却且部分液化的流117，第一冷却且部分液化的流和第二冷却且部分液化的流的温度相应地在-130℃和-160℃之间并且更优选地在-140℃和-150℃之间。然后将第一和第二冷却且部分液化的流120、117组合(如果需要，首先调节第二冷却且部分液化的流117的压力，并且经由例如压力调节阀117A来控制所述流117的流量)以形成部分液化的MCSG进料流130，然后使用串联布置的第一相分离器140和第二相分离器135分离该进料流，其中第二相分离器与第一相分离器处于下游流体流动连通。
更具体地，部分液化的MCSG进料流130首先被引入第一相分离器140中，在此情况下，第一相分离器是闪蒸罐，其中部分液化的MCSG进料流被闪蒸并且分离成形成第一进料流152的液体流和蒸气流141。蒸气流141被分割以形成第二进料流143(其优选地由蒸气流141的流量的60%至90%组成，或更优选地由70%至80%组成)和第三进料流142(其由蒸气流141的其余部分组成，即优选地是所述流的流量的10%至40%，并且更优选地是20%至30%)。第三进料流142在-170℃和-200℃之间并且更优选地-180℃和-190℃之间的温度下被进一步冷却且部分液化以形成部分液化的第三进料流133。然后将部分液化的第三进料流133引入第二相分离器135，在此情况下，第二相分离器是闪蒸罐，其中将部分液化的第三进料流闪蒸并且分离成形成第四进料流150的液体流和形成第一残余气体流137的蒸气流。
通过使第三进料流142通过如图1中所示的第三热交换器单元或单元组131，第三进料流142可以被进一步冷却且部分液化以形成部分液化的第三进料流133，单元可以例如包括板翅式交换器单元或平行布置的多个板翅式交换器单元。替代地，第三热交换器单元可以与第二热交换器单元组合成单个单元或并联的单元组，其中流115在所述单元的较热部段被冷却，并且流142在所述单元的较冷部段被冷却。
例如通过使流152通过J-T阀152A和流150通过J-T阀150A来降低第一进料流152和第四进料流150的压力，之后所述流中的每一个都将是两相的。例如通过在膨胀器179中膨胀流来降低第二进料流143的压力，之后所述第二进料流151可以是蒸气或两相的。来自膨胀器179的膨胀功可以例如通过将膨胀器联接到压缩进料或残余气体的压缩机来回收，或可以例如在发电机回收。然后将第一进料流152、第二进料流151和第四进料流150各自引入蒸馏塔145的不同位置，如下文将进一步描述的，蒸馏塔145在1.0巴至5.0巴(绝压)之间并且更优选地1.5巴至3.5巴(绝压)之间的压力下操作。
将第一进料流152在第一位置引入蒸馏塔145，第一位置在图1中由塔的部段145C表示的塔的一个或多个分离阶段之上，并且在图1中由塔的部段145B表示的塔的一个或多个分离阶段之下。将第二进料流151在第二位置引入蒸馏塔，第二位置在由部段145B表示的塔的一个或多个分离阶段之上，并且在图1中由塔的部段145A表示的塔的一个或多个分离阶段之下。将第四进料流150在第三位置引入蒸馏塔，第三位置在塔的顶部，在由部段145A表示的塔的一个或多个分离阶段的上方，从而为塔提供回流源。
蒸馏塔145的再沸器负荷的提供是经由与第二流115(从分割MCSG进料流获得)的间接热交换来加热并且由此至少部分汽化第二热交换器单元或单元组116中的蒸馏塔底部液体153，由此形成再次引入蒸馏塔的底部的沸腾流154(由所述部分汽化的蒸馏塔底部液体形成)。
由蒸馏塔底部液体形成的LNG流180在-130℃和-160℃之间并且更优选地在-140℃和-150℃之间的温度下从蒸馏塔145的底部取出，并且优选地在泵181中增加压力，并且(作为流183)被送到和通过第一热交换器单元或单元组114以被过冷，从而形成过冷的LNG产品流187，过冷的LNG产品流可以被储存在现场的LNG储存容器中或直接转移到场外(例如经由管道或输送容器)。LNG流180、187通常含有1摩尔%或更少的氮气，优选地小于0.5摩尔%，并且优选地还具有10 ppm或更少的一氧化碳含量。从MCSG进料流111的LNG流180、187回收的甲烷的百分比可以高于95%。
由蒸馏塔塔顶蒸气形成的第二残余气体流160在-170℃和-200℃之间并且更优选地在-180℃和-190℃之间的温度下从蒸馏塔145的顶部取出，并且通常含有大于95摩尔%，并且优选地大于98摩尔%的氢气和一氧化碳。
第一残余气体流137和第二残余气体流160各自通过第三热交换器单元或单元组131并经由与第三进料流142的间接热交换在其中被加热，然后各自(对比流138和161)通过第二热交换器单元或单元组116并经由与从分割MCSG进料流获得的第二料流115间接热交换在其中被进一步加热(或在第三热交换器单元与第二热交换器单元组合的替代实施例中，第一残余气体料流137和第二残余气体料流160在所述组合单元的较冷部段中被加热，然后在所述组合单元的较热部段中被进一步加热)。然后，在与所得加热的第一残余气体流139混合以形成组合残余气体流173之前，所得加热的第二残余气体流162在压缩机163和后冷却器165中被压缩和冷却。残余气体流173可用作工厂的燃料，或被送到下游单元以进一步纯化、分离和/或化学合成。可选地，可以纯化一些或全部流139以制备氢气产品并且不与带有残余气体流170的流组合。
第一热交换器单元或单元组114优选地是盘管式单元或单元组，例如如图1A示出的。现有技术中已知的用于天然气(包含合成或替代天然气)液化的任何类型的制冷过程可以用于第一热交换器单元或单元组114中，诸如单一混合制冷剂过程；双重混合制冷剂过程；丙烷、氨或HFC预冷混合制冷剂过程；使用氮气、甲烷或乙烷的逆向布雷顿循环；或多流体级联循环。然而，在示例性实施例中，可以使用SMR(单一混合制冷剂)过程，诸如图1A中描绘的过程。
如图1A中所示，盘管式热交换器单元114包括包括有热管束114A的热部段和包括有冷管束114B的冷部段(术语热和冷是相对的)。从分割MCSG进料流获得的第一流113通过并且在热管束114A中冷却且部分液化，以形成第一冷却且部分液化的流120。LNG流183通过冷管束114B并且在其中过冷，以形成过冷的LNG产品流187。通过汽化穿过热交换器单元的外壳侧的混合制冷剂，冷却负荷被供应给盘管式热交换器单元的热管束和冷管束。图1A中描绘的用于向热交换器单元的外壳侧供应汽化冷混合制冷剂的SMR循环是本领域中众所周知的循环，并且因此为了简洁起见，这里仅粗略描述。非常简而言之，在包括一个或多个压缩机阶段115A、115B、后冷却器和相分离器的压缩机组中，从热交换器单元底部的外壳侧取出的加热的汽化混合制冷剂被压缩、冷却和分离成一个或多个MRL(混合制冷剂液体)流(图中示出了两个)和一个或多个MRV(混合制冷剂蒸气)流(图中示出了一个)。MRL流通过热管束并且在热管束中被冷却，通过J-T阀膨胀，并且在热管束的顶部组合并且引入热交换器单元的外壳侧，以提供围绕热管束的管通过外壳侧向下流动的汽化制冷剂。MRV流通过热管束和冷管束并且被冷却且至少部分液化，通过J-T阀膨胀，并且在冷管束的顶部引入热交换单元的外壳侧，以提供围绕冷管束和热管束的管通过外壳侧向下流动的汽化制冷剂。
图1的方法和系统以高甲烷回收率产生高纯度的富含甲烷的LNG产品。它仅需要单个蒸馏塔和仅再压缩部分产生的残余气体(即，仅包括在第二残余气体流中的残余气体)，因此与需要多个蒸馏塔、再压缩所有产生的残余气体和能够压缩所有产生的残余气体的压缩机的系统相比，降低了系统的资金和操作成本以及占地面积。它允许使用盘管式热交换器单元，从而也利用了此类单元在其紧凑设计、稳健性、安全性和传热效率方面提供的优点，进一步减小了占地面积并且提升了系统和过程的效率。它还避免了在第二热交换器单元和第三热交换器单元中使用两相制冷剂，所述第二热交换器单元和第三热交换器单元例如可以是板翅式热交换器单元，从而避免了在此类类型的热交换器中使用此类制冷剂可能导致的任何操作困难。
图2示出了根据本实用新型第二实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统。图2描绘的实施例与图1示出的不同之处在于部分液化的MCSG进料流被第一相分离器和第二相分离器分离的方式，以及向蒸馏塔提供回流的方式。
MCSG进料流200，诸如包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、水、甲烷、乙烷和其他烃的混合物的合成气体流200，其处于环境温度和高压下，通常为20巴至80巴(绝压)，可首先被输送到预处理系统205。根据MCSG进料流的组分，预处理系统可以包含用于移除硫化氢和二氧化碳杂质的酸性气体移除单元、用于移除水的脱水单元和用于移除汞的除汞单元。还可以有重组分移除步骤，其中LPG(液化石油气)组分、可冻结戊烷和更重组分被移除。因此，离开预处理部段205的MCSG进料流211的流速和组分可能显著不同于进入所述预处理部段205的MCSG进料流200的流速，尽管MCSG进料流仍将包括甲烷和比甲烷轻的组分，特别是氢气和一氧化碳。
离开预处理部段205的MCSG进料流211通常处于环境温度，然后被分成两个流，即第一个流213和第二个流215。优选地由MCSG进料流211的小部分(诸如MCSG进料流211流量的10%至40%，并且更优选地20%至30%)组成的第一流213被送到第一热交换器单元或单元组214。由MCSG进料流211的其余流量组成并且因此优选地由所述流的主要部分组成的第二流215被送到第二热交换器单元或单元组216。第二热交换器单元或单元组216可以例如包括板翅式交换器单元或平行布置的多个板翅式交换器单元。第一流213和第二流215相应地在第一热交换器单元214和第二热交换器单元216中冷却且部分液化，相应地形成第一冷却且部分液化的流220和第二冷却且部分液化的流217，第一冷却且部分液化的流和第二冷却且部分液化的流的温度相应地在-120℃和-150℃之间并且更优选地在-130℃和-140℃之间。然后将第一冷却且部分液化的流220和第二冷却且部分液化的流217组合(如果需要，首先调节第二冷却且部分液化的流217的压力，并且经由例如阀217A控制流217的流量)以形成部分液化的MCSG进料流230。
部分液化的MCSG进料流230然后在第三热交换器单元或单元组231中进一步冷却(并且进一步部分液化)，以在-155℃和-185℃之间并且更优选地-165℃和-175℃之间的温度下形成部分液化的MCSG进料流233。第三热交换器单元或单元组231可以例如包括板翅式交换器单元或平行布置的多个板翅式交换器单元。在替代实施例(未描绘)中，第三热交换器单元可以与第二热交换器单元组合成单个单元或并联的单元组，其中流215在所述单元的较热部段被冷却，并且流230在所述单元的较冷部段被冷却。
然后使用串联布置的第一相分离器235和第二相分离器240分离部分液化的MCSG进料流233，其中第二相分离器与第一相分离器处于下游流体流动连通。更具体地，部分液化的MCSG流233首先被引入第一相分离器235，在此情况下是闪蒸罐，其中部分液化的MCSG进料流被闪蒸并且分离成形成第三进料流236的液体流和形成第一残余气体流237的蒸气流。第三进料流236减压并且部分汽化，例如通过使流通过J-T阀237A，之后所述流是两相的，之后部分汽化的两相第三进料流被引入第二相分离器240，在此情况下是闪蒸罐，其中部分液化的第三进料流被闪蒸并且分离成形成第一进料流242的液体流和形成第二进料流251的蒸气流。
经由与部分液化的MCSG进料流230间接热交换，第一进料流242(由阀242A控制流动，以控制第二相分离器240中的液位)通过第三热交换器单元或单元组231并且在其中被加热，之后所述流将是两相的(或在第三热交换器单元与第二热交换器单元组合的替代实施例中，第三进料流242在所组合单元的较冷部段中被加热)。然后将第一进料流252和第二进料流251各自引入蒸馏塔245的不同位置，如下文将进一步描述的，蒸馏塔245在3.0巴至7.0巴(绝压)，并且更优选地4.5巴至5.5巴(绝压)的压力下操作。
将第一进料流252在第一位置引入蒸馏塔245，第一位置在图2中由塔的部段245C表示的塔的一个或多个分离阶段之上，并且在图1中由塔的部段245B表示的塔的一个或多个分离阶段之下。将第二进料流251在第二位置引入蒸馏塔，第二位置在由部段245B表示的塔的一个或多个分离阶段之上，并且在图2中由塔的部段245A表示的塔的一个或多个分离阶段之下。
蒸馏塔245的再沸器负荷的提供是经由与第二流215(从分割MCSG进料流获得)的间接热交换来加热并且由此至少部分汽化第二热交换器单元或单元组116中的蒸馏塔底部液体253，由此形成再次引入蒸馏塔的底部的沸腾流254(由所述部分汽化的蒸馏塔底部液体形成)。
由蒸馏塔底部液体形成的LNG流280在-125℃和-155℃之间并且更优选地在-135℃和-145℃之间的温度下从蒸馏塔245的底部取出，并且优选地在泵181中增加压力，并且(作为流283)被送到和通过第一热交换器单元或单元组214以被过冷，从而形成过冷的LNG产品流287，过冷的LNG产品流可以被储存在现场的LNG储存容器中或直接转移到场外(例如经由管道或输送容器)。LNG流280、287通常含有1摩尔%或更少的氮气，优选地小于0.5摩尔%，并且优选地还具有10 ppm或更少的一氧化碳含量。从MCSG进料流211的LNG流280、287回收的甲烷的百分比可以高于95%。
由蒸馏塔塔顶蒸气形成的第二残余气体流260在-160℃和-190℃之间并且更优选地在-170℃和-180℃之间的温度下从蒸馏塔245的顶部取出，并且通常含有大于95摩尔%，并且优选地大于98摩尔%的氢气和一氧化碳。
第一残余气体流237和第二残余气体流260各自通过第三热交换器单元或单元组231并且在其中加热，然后各自(对比流238和流261)通过第二热交换器单元或单元组216并且在其中进一步加热，产生加热的第一残余气体流239和加热的第二残余气体流262(或在第三热交换器单元的替代实施例中与第二热交换器单元组合，第一残余气体流237和第二残余气体流260在所述组合单元的较冷部段中被加热，然后在所述组合单元的较热部段中被进一步加热)。加热的第二残余气体流262然后在压缩机263和后冷却器265中被压缩和冷却，以形成压缩的第二残余气体流270，其然后被分成两部分271、275。
压缩的第二残余气体流的第一部分271，其优选地由压缩的第二残余气体流270的小部分(诸如所述流的流量的10%和30%之间并且更优选地15%和25%之间)组成，与加热的第一残余气体流239混合，以形成组合的残余气体流273。残余气体流273可用作工厂的燃料，或被送到下游单元用于进一步纯化、分离和/或化学合成。可选地，可以纯化一些或全部流239以制备氢气产品并且不与残余气体流271组合。
压缩的第二残余气体流的第二部分275由压缩的第二残余气体流270的其余流量组成，因此优选地由所述流的主要部分组成，通过第二热交换器单元或单元组216并且在其中冷却(或在第三热交换器单元与第二热交换器单元组合的替代实施例中，第二部分275在所述组合单元的较热部段中冷却)，以形成温度在-120℃和-150℃之间并且更优选地在-130℃和-140℃之间的冷却流277。所述冷却流277然后在膨胀器279中膨胀，以形成至少部分液化的回流250，其温度在-160℃和-190℃之间并且更优选地在-170℃和-180℃之间，其在第三位置被引入蒸馏塔245，第三位置在塔的顶部，在由部段245A表示的塔的一个或多个分离阶段之上，从而为塔提供回流源。来自膨胀器279的膨胀功可以例如通过将膨胀器联接到压缩进料或残余气体的压缩机来回收，或可以例如在发电机回收。
第一热交换器单元或单元组214优选地是盘管式单元或单元组，例如如图1A示出的。现有技术中已知的用于天然气(包含合成或替代天然气)液化的任何类型的制冷过程可用于第一热交换器单元或单元组214中，诸如单一混合制冷剂过程；双重混合制冷剂过程；丙烷、氨或HFC预冷混合制冷剂过程；使用氮气、甲烷或乙烷的逆向布雷顿循环；或多流体级联循环。然而，在示例性实施例中，可以使用SMR(单一混合制冷剂)过程，诸如图1A中描绘的和上面描述的过程。
图2的方法和系统具有与上述图1的方法和系统相同的优点和益处。与图1示出的实施例相比，图2示出的实施例通过采用具有非常低的甲烷含量的回流，可以实现甚至更高的甲烷回收率，因此进一步提高了过程的甲烷回收率。然而，与图2示出的实施例相比，图1示出的实施例确实具有更好的比功率。
图3示出了根据本实用新型第三实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统。在图3中，与图1中描绘的第一实施例共享的特征被分配了增加了200的相同附图标记。因此，例如，图3中的部分液化的MCSG进料流330对应于图1中的部分液化的MCSG进料流130，并且图3中的蒸馏塔345对应于图1示出的蒸馏塔145。除非图3的特征被具体描述为不同于图1的对应特征，否则该特征可以被认为与上述图1中的对应特征具有相同的结构和功能。此外，如果该特征不具有不同的结构或功能，则在下面图3的进一步描述中可能不会具体提及。
图3中描绘的实施例不同于图1中描绘的实施例，不同之处在于冷却MCSG进料流以形成部分液化的MCSG进料流的方式，以及使用第一热交换器单元或单元组的方式，第一热交换器单元或单元组用于向第三热交换器单元或单元组和第二热交换器单元或单元组供应制冷剂并且由此供应另外的制冷。
更具体地，在图3中，离开预处理部段305的全部MCSG进料流311被送到并且通过第二热交换器单元或单元组316，在其中MCSG进料流311在-130℃和-160℃之间并且更优选地在-140℃和-150℃之间的温度下被冷却且部分液化以形成部分液化的MCSG进料流330，然后使用串联布置的第一相分离器340和第二相分离器335将其分离(如上文关于图1所描述的)。如上文关于图1所描述的，第二热交换器单元或单元组316可以例如包括板翅式交换器单元或平行布置的多个板翅式交换器单元。
第一热交换器单元或单元组314不用于接收且冷却MCSG进料流的任何部分。相反，在图3示出的布置中，第一热交换器单元或单元组314用于冷却第一制冷剂并且产生冷却的第一制冷剂流390，该第一制冷剂流从第一热交换器单元或单元组314取出，并且通过第三热交换器单元或单元组331并经由与第三进料流342的间接热交换在其中加热，从而为所述单元提供另外的制冷(与第一残余气体流337和第二残余气体流360一起)。离开第三热交换器单元或单元组331的所得第一制冷剂流392然后通过第二热交换器单元或单元组316并且经由与MCSG进料流311间接热交换在其中进一步加热，从而为所述单元提供另外的制冷(与第一残余气体流338、第二残余气体流361和蒸馏塔底部液体流353一起)。得到的加热的第一制冷剂流395然后返回到第一热交换器单元或单元组314，以在所述单元中再次被冷却。在第三热交换器单元与第二热交换器单元组合的那些替代实施例中，冷却的第一制冷剂流390相反在所述组合单元的较冷部段加热，然后在所述组合单元的较热部段进一步加热。
第一热交换器单元或单元组314优选地是盘管式单元或单元组，例如如图3A示出的。现有技术中已知的用于天然气(包含合成或替代天然气)液化的任何类型的制冷过程可用于第一热交换器单元或单元组314中，诸如单一混合制冷剂过程；双重混合制冷剂过程；丙烷、氨或HFC预冷混合制冷剂过程；使用氮气、甲烷或乙烷的逆向布雷顿循环；或多流体级联循环。然而，在示例性实施例中，可以使用SMR(单一混合制冷剂)过程，诸如图3A中描绘的过程，其中第一制冷剂是混合制冷剂。
如图3A中所示，盘管式热交换器单元314包括包括有热管束314A的热部段和包括有冷管束314B的冷部段(术语热和冷是相对的)。LNG流383通过冷管束114B并且在其中过冷，以形成过冷的LNG产品流387。冷却负荷由冷却的第一制冷剂供应给盘管式热交换器单元的热管束和冷管束，该冷却的第一制冷剂通过热交换器单元的外壳侧并且在其中加热和汽化。图3A中描绘的用于冷却第一制冷剂的SMR循环是本领域中众所周知的，并且因此为了简洁起见，这里仅粗略描绘。非常简而言之，从热交换器单元底部的外壳侧取出的加热的汽化的第一制冷剂与加热的汽化的第一制冷剂流395(从第一热交换器单元或单元组314返回)组合，并且在包括一个或多个压缩机、后冷却器和相分离器的压缩机组中压缩、冷却和分离成一个或多个MRL(混合制冷剂液体)流(图中示出了两个)和一个或多个MRV(混合制冷剂蒸气)流(图中示出了一个)。MRL流通过热管束并且在热管束中被冷却，通过J-T阀膨胀，并且在热管束的顶部组合并且引入热交换器单元的外壳侧，以提供围绕热管束的管通过外壳侧向下流动的汽化第一制冷剂。
MRV流通过并且在热管束和冷管束中冷却和至少部分液化，以形成从冷管束顶部取出的冷却的第一制冷剂流，并且膨胀和分割以形成冷却的第一制冷剂流390(如上所描述的，其被加热，在此情况下，在第三热交换器单元或单元组331和第二热交换器单元或单元组316中汽化)和冷却的第一制冷剂流，该第一制冷剂流在冷管束的顶部被引入第一热交换器单元314的外壳侧，以提供围绕冷管束和热管束的管通过外壳侧向下流动的汽化第一制冷剂。从冷管束顶部取出的冷却的第一制冷剂流可以膨胀，例如通过使流通过J-T阀，然后分割以形成冷却的第一制冷剂流390和冷却的第一制冷剂流，该冷却的第一制冷剂流在冷管束顶部被引入第一热交换器单元314的外壳侧，如图3A中所示。替代地，从冷管束顶部取出的冷却的第一制冷剂流可以首先被分割，然后所得分割的流单独膨胀(例如使用单独的J-T阀)。
图3的方法和系统具有与上述图1的方法和系统类似的优点和益处。与图1示出的实施例相比，图3示出的实施例避免了在第一热交换器单元和第二热交换器单元之间分割和分配MCSG进料流的需要，但是具有在第二热交换器单元和/或第三热交换器单元中需要使用两相制冷剂的潜在缺点(即，在第二热交换器单元和/或第三热交换器单元中使用的第一制冷剂是两相的)。
图4示出了根据本实用新型第四实施例的用于从MCSG产生LNG的方法和系统。在图4中，与图2中描绘的第二实施例共享的特征被分配了增加了200的相同附图标记。因此，例如，图4中的部分液化的MCSG进料流430对应于图2中的部分液化的MCSG进料流230，并且图4中的蒸馏塔445对应于图1中的蒸馏塔445。除非图4的特征被具体描述为不同于图2的对应特征，否则该特征可以被认为与上述图2中的对应特征具有相同的结构和功能。此外，如果该特征不具有不同的结构或功能，则在下面图4的进一步描述中可能不会具体提及。
图4中描绘的实施例不同于图2中描绘的实施例，不同之处在于冷却MCSG进料流以形成部分液化的MCSG进料流的方式，以及使用第一热交换器单元或单元组的方式，第一热交换器单元或单元组用于向第三热交换器单元或单元组和第二热交换器单元或单元组供应制冷剂并且由此供应另外的制冷。
更具体地，在图4中，离开预处理部段405的全部MCSG进料流411被送到并且通过第二热交换器单元或单元组416，在其中MCSG进料流411在-120℃和-150℃之间并且更优选地在-130℃和-140℃之间的温度下被冷却且部分液化以形成部分液化的MCSG进料流430，然后使用串联布置的第一相分离器435和第二相分离器440将其分离(如上文关于图2所描述的)。如上文关于图2所描述的，第二热交换器单元或单元组416可以例如包括板翅式交换器单元或平行布置的多个板翅式交换器单元。
第一热交换器单元或单元组414不用于接收且冷却MCSG进料流的任何部分。相反，在图4示出的布置中，第一热交换器单元或单元组414用于冷却第一制冷剂并且产生冷却的第一制冷剂流490，该第一制冷剂流从第一热交换器单元或单元组414取出，并且通过第三热交换器单元或单元组431并经由与部分液化的MCSG进料流430间接热交换在其中加热，从而为所述单元提供另外的制冷(与第一残余气体流437、第二残余气体流460和第一进料流442一起)。离开第三热交换器单元或单元组431的所得第一制冷剂流492然后通过第二热交换器单元或单元组416并且经由与MCSG进料流411间接热交换在其中进一步加热，从而为所述单元提供另外的制冷(与第一残余气体流438、第二残余气体流461和蒸馏塔底部液体流453一起)。得到的加热的第一制冷剂流495然后返回到第一热交换器单元或单元组414，以在所述单元中再次被冷却。在第三热交换器单元与第二热交换器单元组合的那些替代实施例中，冷却的第一制冷剂流490相反在所述组合单元的较冷部段加热，然后在所述组合单元的较热部段进一步加热。
第一热交换器单元或单元组414优选地是盘管式单元或单元组，例如如图3A示出的。现有技术中已知的用于天然气(包含合成或替代天然气)液化的任何类型的制冷过程可用于第一热交换器单元或单元组414中，诸如单一混合制冷剂过程；双重混合制冷剂过程；丙烷、氨或HFC预冷混合制冷剂过程；使用氮气、甲烷或乙烷的逆向布雷顿循环；或多流体级联循环。然而，在示例性实施例中，可以使用SMR(单一混合制冷剂)过程，诸如图3A中描绘的和上文描述的过程。
图4的方法和系统具有与上述图3的方法和系统相同的优点和益处。与图3示出的实施例相比，图4示出的实施例通过采用具有非常低的甲烷含量的回流，可以实现甚至更高的甲烷回收率，因此进一步提高了过程的甲烷回收率。然而，与图4示出的实施例相比，图3示出的实施例确实具有更好的比功率。
示例1
在此示例中，使用Aspen版本10模拟了如图1所描绘的由含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的方法和系统。下表1提供来自模拟的流数据。在此示例中，残余气体压缩机163具有四个阶段，具有约61.8 MW的制动马力，混合制冷剂压缩机115A和115B具有约30.3 MW的制动马力，膨胀器179提取10.5 MW的功，并且过程具有95%的甲烷回收率。
表1：热量和材料平衡
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_828777DEST_PATH_IMAGE002
示例2
在此示例中，使用Aspen版本10模拟了如图2所描绘的由含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的方法和系统。下表2提供来自模拟的流数据。
表2：热量和材料平衡
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_168754DEST_PATH_IMAGE004
此示例中的方法和系统使用热泵(膨胀器279)以允许极高的产品回收率。它产生具有非常低甲烷含量的高纯度回流，因此与实施例1过程相比，提高了过程的甲烷回收率。然而，与实施例2的过程相比，实施例1的过程具有更好的比功率，848.5千瓦小时/吨对922.6千瓦小时/吨。
应理解，本实用新型不限于上面参考优选实施例描述的细节，而是在不脱离如下面的权利要求所限定的本实用新型的精神或范围的情况下，可以进行许多修改和变化。

Claims (3)

1.一种用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统，所述系统包括：
一个或多个热交换器单元，其用于接收、冷却且部分液化MCSG进料流，以产生部分液化的MCSG进料流；
第一相分离器和第二相分离器，其与所述一个或多个热交换器单元流体流动连通并且串联布置，其中所述第二相分离器处于与所述第一相分离器的下游流体流动连通，其用于将所述部分液化的MCSG进料流分离成包括液体流和两个蒸气流的至少三个流，所述液体流形成第一进料流，所述蒸气流中的一者形成第二进料流，并且所述蒸气流中的另一者形成第一残余气体流；以及
蒸馏塔，其具有：在第一位置的第一入口，其用于接收所述第一进料流；在第二位置的第二入口，其用于接收所述第二进料流，所述第二位置在所述第一位置上方；在所述第一位置和所述第二位置之间的至少一个分离阶段；在所述蒸馏塔的底部的出口，其用于取出由蒸馏塔底部液体形成的LNG流；以及在所述蒸馏塔的顶部的出口，其用于取出由蒸馏塔塔顶蒸气形成的第二残余气体流。
2.一种用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统，所述系统包括：
导管组，其用于将MCSG进料流分成包括第一部分和第二部分的至少两个部分；
第一热交换器单元或单元组，其用于接收所述第一部分并且经由与第一制冷剂的间接热交换来冷却且部分液化所述第一部分，其中所述第一热交换器单元或单元组是盘管式热交换器单元或单元组；
第二热交换器单元或单元组，其用于接收所述第二部分并且经由与一个或多个过程流的间接热交换来冷却且部分液化所述第二部分；
导管组，其用于接收并组合所冷却且部分液化的第一部分和所冷却且部分液化的第二部分，以形成部分液化的MCSG进料流；以及
一个或多个相分离器和/或一个或多个蒸馏塔，其用于接收所述部分液化的MCSG进料流并且将其分离成LNG流和一个或多个残余气体流。
3.一种用于从含甲烷的合成气(MCSG)产生液化天然气(LNG)的系统，所述系统包括：
第一热交换器单元或单元组，其用于冷却第一制冷剂以产生冷却的第一制冷剂，其中所述第一热交换器单元或单元组是盘管式热交换器单元或单元组；
第二热交换器单元或单元组，其用于接收来自所述第一热交换器单元的所述冷却的第一制冷剂的一个或多个流，用于接收一个或多个过程流，以及用于接收MCSG进料流并且经由与所述冷却的第一制冷剂的一个或多个流和所述一个或多个过程流间接热交换来冷却且部分液化所述MCSG进料流以形成部分液化的MCSG进料流；以及
一个或多个相分离器和/或一个或多个蒸馏塔，其用于接收所述部分液化的MCSG进料流并且将其分离成LNG流和一个或多个残余气体流。
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