CN85101713A - 两种混合致冷剂液化天然气 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了用两个闭合循环、多组分致冷剂液化天然气的方法和设备，其中，低度致冷剂通过间接热交换冷却并液化天然气，高度致冷剂通过多级间接热交换冷却并部分液化低度致冷剂，使高度致冷剂进行相分离，以便用较轻的致冷剂组分进行最后的最低温度的致冷，将分离得到液相分开两部分，然后使其膨胀，以进行致冷，以免多级快速分离，其中较重的组分用来进行低度致冷。

Description

本发明是有关天然气和其它富含甲烷气流的液化方法。更准确地说，本发明是有关用两种混合致冷剂的液化方法，该方法采用的致冷剂具有高效流动径迹，可用于液化天然气或富含甲烷的气流。

回收和利用作为经济燃料源的天然气和其它富含甲烷气流需要液化的天然气，以便从生产地点将气体经济地输送到使用地点。显然，大量天然气的液化会增加能耗。为使可买到的天然气的价格合适，液化工艺必须尽可能节省能量。

另外，鉴于各种形式的能耗均会增加成本，必须提高天然气液化工艺的效率，以使进行液化时所需的燃料量和能量减至最少。

在某些条件下，如冷却水的温度低（低于65°F），若用于进行液化的致冷设备中的压力不平衡时（这与发动机或用于运转致冷设备的机器无关），会降低单组分循环的液化效率。液化过程中主要的能耗是加压。液化方法必须容易适应气候条件的变化，也就是说，不仅在温和的环境和寒冷的环境，如在世界的近北极地区，该液化方法必须是有效的，就在炎热的环境中，在操作环境条件下，该液化方法也必须是有效的。这种气候条件对液化过程的影响主要是对冷却水的温度的影响，这冷却水可用于生产液化天然气用的致冷剂，由于季节的变化或各地区气候的不同，所用的冷却水的温度会有相当大的差别，从而在混合循环的各种致冷循环中会产生不平衡。

为提供易适应各种环境条件变化的高效液化方法，已进行了许多试验。在美国专利4112700中提出了用于处理天然气的液化方法，该方法中采用两种闭合循环致冷剂流以液化天然气。第一个高度预冷致冷循环以多步用于冷却天然气。将第一种高度预冷致冷剂进行多步相分离，回收致冷剂的轻质部分以用于再循环，而残留的致冷剂的重质部分在较低的温度下进行冷却。第一种高度预冷致冷剂也可用来冷却第二种低度致冷剂。第二种低度致冷剂以一步进行天然气的液化。本方法的缺点是：高度预冷致冷剂用较重的组分进行低温冷却，这对所要求的高效冷却方法是不利的。而且，这第二种或低度致冷剂是以一步用于液化天然气，而不是以多步进行这种液化。

美国专利4274849公开了富含甲烷气体的液化方法，该方法采用两个单独的致冷循环。每个循环均使用一种多组分致冷剂，低度致冷剂通过间接热交换以二步冷却并液化天然气。高度致冷剂与待液化的天然气不发生热交换，但它可在辅助热交换器中，通过间接热交换来冷却低度致冷剂。这种热交换是以一步进行的。

美国专利4339253公开了用混合致冷剂液化天然气的方法，该方法中，低度致冷剂以二步冷却并液化天然气。高度致冷剂以一步依次冷却这种低度致冷剂。最初用于冷却天然气的高度致冷剂仅为除去水分的温度（在将干燥的天然气加到主要的液化区之前）。若致冷剂由混合成分的致冷剂组成，在混合循环致冷的液化工艺的各循环之间采用这种分步热交换，可消除由于致冷剂成分有规则变化而出现各循环之间热交换接近相等的可能性。

文献中，有Paradowski，H和SqMera，在液化天然气的第七次国际会议（1983年5月15日-19日召开）上发表的题为“缔合气体的液化”的文章，该文章的图3所示的液化流程图中用两个闭合的致冷循环来液化气体。在右边的流程图中所画的高度致冷循环不仅用于冷却原始气流中的水分，而且用于冷却低度循环。以多步方法再次压缩高度致冷剂，并且在三种截然不同的温度和压力下冷却低度致冷剂。高度致冷剂成分的变化应与热交换器中各致冷步骤的变化不一致。

本发明采用一种独特的液化流程，克服了先行技术中存在的缺点，按本发明的方法，在液化工艺中，在闭合循环中，采用两种混合组分致冷剂，该致冷剂互相间进行多步间接热交换，包括改变致冷剂的成分，其中较轻的组分用来进行低度致冷。

本发明是一种用于液化天然气的方法，该方法采用两种闭合循环多组分致冷剂，其中，高度致冷剂冷却低度致冷剂，低度致冷剂冷却并液化天然气，该方法包括下列步骤：在第一个闭合的致冷循环中，通过热交换，用低度多组分致冷剂冷却和液化天然气流，该致冷剂在上述的热交换过程中被再次加热，将这种再次加热的低度致冷剂压缩至高压并用一种外部冷却液使其再次冷却，接着在第二个闭合致冷循环中，通过多步热交换用一种高度多组分致冷剂冷却上述的低度致冷剂，在该热交换过程中，高度致冷剂被再次加热，将这种再次加热的高度致冷剂压缩至高压并用一种外部冷却液使其再次冷却，以部分液化上述的致冷剂，通过相分离，使上述的高度致冷剂分成汽相致冷剂流和液相致冷剂流，使液相致冷剂流经多步过度冷却和膨胀至较低的温度和压力，以冷却低度致冷剂，并冷却和液化气相致冷剂流，使已液化的汽相致冷剂流膨胀至较低的温度和压力，以提供达最低冷却程度的低度致冷剂。使再次加热的汽相致冷剂流与达最低温度的液相致冷剂流混合，这种混合的致冷剂流形成了一种中等冷却程度的低度致冷剂。然后，这种再次加热的高度致冷剂流被重复用于在各种压力状态下进行压缩。

本发明还论及用两种闭合循环多组分致冷剂液化天然气所用的一种设备，该设备中，高度致冷剂冷却低度致冷剂，低度致冷剂冷却并液化天然气，该设备包括：一个热交换器，以用低度致冷剂来冷却并液化天然气，至少一个压缩机，以使低度致冷剂压缩至高压;一个辅助的热交换器，可使高度致冷剂以多步冷却低度致冷剂;一个相分离器，用来使低度致冷剂分成汽相致冷剂流和液相致冷剂流;分别将汽相致冷剂流和液相致冷剂流输送到上述的热交换器并返回与上述相同的压缩机所用的装置;至少一个附加的压缩机，以使高度致冷剂压缩至高压;一个再次冷却的热交换器，以用一种外部冷却液来冷却已压缩的高度致冷剂，一个相分离器，用以将高度致冷剂分成汽相致冷剂流和液相致冷剂流;将上述的高度汽相致冷剂流输送到上述的辅助热交换器并使该流膨胀以便冷却低度致冷剂流所用的装置;将上述的高度液相致冷剂流输送到上述热交换器所用的装置，该装置包括分离该流然后使它们逐步膨胀至较低的温度和压力以冷却上述的低度致冷剂所用的装置;以及使高度致冷剂循环以进行再次压缩所用的装置。

最初最好用高度致冷剂的液相流来冷却汽相流，然后进行相分离以分成轻质汽相流和轻质液相流，接着使轻质汽相流冷却并膨胀以形成用于冷却低度致冷剂的最低度致冷剂，将轻质液相流与高度致冷循环中从第一个相分离器分出的液相流混合。

另一方面，在高度致冷剂的液相流和高度致冷剂的汽相流之间进行许多多步热交换以后再用液相致冷剂进行部分液化后的汽相流的相分离。

该图是本发明的最佳操作方式的流程示意图。

本说明参照附图对本发明作了详细叙述，并提供了最佳实施方案，将原始的天然气流通过管道10引入本发明的流程中。一般天然气含有下列成分：

C₁91.69%

C₂4.56%

C₃2.05%

C₄0.98%

C₅0.41%

N₂0.31%

加入的这种气体原料约为93°F，压力为655Psia（每平方英寸磅数），液化前，必须从原料流中除去大部分比甲烷重的烃;而且，也必须从原料流中除去剩余的水分。这些预处理步骤不属于本发明的范围，而只是一般的预处理工序，在先行技术中是众所周知的，因此在本说明中不再论及预处理工序，只要说管道10中的气体原料流最初是在热交换器12中经管道100中的低度（低温度）致冷剂热交换而进行冷却就足够了。现在管道14中的经预冷的天然气环行通过干燥和蒸馏装置以除去水分和较高级的烃，这是一般的清洗步骤，在图中没有表示出来，只是指出通常在工段16在液化前进行清洗工序。

使天然气（已没有水分且较高级烃的含量大大减少）通过管道18加到主热交换器20中，该热交换器最好由两级线圈热交换器构成。在主热交换器20的第一组或第一级的管道22中，该天然气被冷却且被完成冷凝成液体，从第一级主热交换器20流出的液化气温度约为-208°F。通过阀24使该液化天然气减压，然后在主热交换器20的第二组或第二级管道26中进行过度冷却，从该交换器流出的液化气（在管道28中）的温度约为-245°F。通过阀30使该液化天然气减压并在相分离器32中进行急骤蒸发。天然气的液相作为残渣液流从管道34中排出，然后用泵36的装置送到液化天然气（LNG）的贮罐。经管道40从贮气罐中提取液化天然气产品。来自液化天然气贮罐38的蒸气经管道42排出并在压缩机44中经再次压缩，使该蒸气与来自相分离器32的汽相天然气（由管道46排出）相混合。管道48中的混合气流在闪蒸气体回收热交换器50中被再次加热并由管道52排出，以用作燃料气体，最好用于运行液化厂的设备。

实际上用低度多组分致冷剂来进行天然气的冷却，液化和过度冷却。这种低度多组分致冷剂通常由氮、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷组成。在这种致冷剂中还可含乙烯和丙烯。在低度致冷剂中的各组分的准确浓度取决于环境条件，天然气原料的成分，特别是在液化装置中所用的外部冷却液的温度。低度致冷剂的各组分的准确成分和浓度范围也取决于低度致冷循环和高度致冷循环之间所要求的精确的能量转移或能量平衡。

通过压缩机54、56和58使低度致冷剂进行多级压缩。经多级压缩的致冷剂通过热交换器55、57和59（用外部冷却液冷却的），这种致冷剂也可除去压缩产生的热量。外部冷却液最好是周围条件中的水。通常，液化天然气的工厂靠近海港，用周围的海水作冷却水来进行液化是最理想的。

将低度致冷剂（其温度为100°F，压力为500Psia，主要含甲烷和乙烷，还含有少量丙烷和氮气）送入四级辅助热交换器的第一级。该热交换器带有使低度致冷剂与高度致冷剂进行热交换所用的装置。所谓高度致冷剂表示该致冷剂在致冷过程中温度比低度致冷剂高。管道60中的低度致冷剂通过第一级热交换器62后温度降低，但它的温度仍高于液化点。该致冷剂流继续通过辅助热交换器64（级）并且被部分液化，低度致冷剂通过热交换器的级66和68后进一步降温，但仍没有完全被液化。辅助热交换器的冷却温度是逐级降低的，因此热交换器62要比热交换器68的温度高，热交换68是该辅助热交换器中温度最低即最冷的点。然后将管道70中的两相低度致冷剂送入相分离器72。低度致冷剂的液相作为残渣液流由管道74排出。将该致冷剂流送入主热交换器20的第一组管道76。使液相低度致冷剂过度冷却并排出，通过阀78进行降压和降温。然后，通过管道80将该致冷剂送入线圈主热交换器的管际空间（作为向下喷射的致冷剂），以通过间接热交换冷却在第一级或第一组主热交换器中的各种致冷剂流。

来自分离器72的汽相作为一种上层致冷剂流由管道82排出。大部分汽相低度致冷剂直接通过管道84，在主热交换器20中的第一组或第一级管道86中进行液化。管道86中的致冷剂在主热交换器20的第二组或第二级管道88中被过度冷却。经过冷的液态致冷剂通过阀90被降温和降压。从相分离器72逃逸的汽相致冷剂流由94排出，用以回收贮存在热交换器50中的液化天然气自蒸发出来的致冷成分。这种逃逸的致冷剂流在阀96中进行降温和降压，并与管道92中的其余部分的原始汽相致冷剂相混合。将管道98中的混合致冷剂流送入主热交换器20的上部，并且先在由管道26和88组成的第二个组件，然后在由管道22、86和76组成的第一个组件的上面喷射致冷剂。形成低度致冷的第二个组件由热交换器20提供。这种低压和经再次加热的低度致冷剂在主热交换器20中进行热交换后，从热交换后，从热交换器20的底部经管道100排出。该低度致冷剂使加到热交换器12中的天然气达到初步冷却，然后由管道102返回用以再次压缩。

所用的高度致冷剂（其致冷温度大大高于低度致冷剂）构成了本发明的两个闭合循环致冷系统的第二个系统。该高度致冷剂通过间接热交换最好只用于冷却低度致冷剂。该高度致冷剂还能冷却已液化的天然气。如在交换器12中接近各种致冷剂流的冷却曲线的天然气。高度致冷剂通常含下列成分：

C₂28.79%＊

C₃67.35%＊

C₄3.86%

（＊此外，在致冷剂中也能用乙烯和丙烯）。

将高度致冷剂（可为各种压力）送入多级压缩机104，经中间选择性冷却后，气相中的高度致冷剂经管道106排出，其温度为170°F，压力约为350Psia。该致冷剂在热交换器108中被外部冷却液（如，温度为室温的水）再次冷却。用外部冷却液使该高度致冷剂部分冷凝，从热交换器排出的流经管道110的致冷剂是汽相和液相混合物。高度致冷剂的汽相和液相在相分离器112中进行分离。汽相从相分离器112的顶部经管道114排出。

然后，使高度致冷剂的汽相流通过辅助热交换器（特别是62、64、66和68级），以便冷却并液化该汽相流。接着，液化了的汽相流通过阀116膨胀至较低的温度和压力。这时，温度约为-55°F的两相致冷剂以对流方式通过辅助热交换器的最冷级或低温级68，以使管道70中的低度致冷剂以及管道114中的汽相致冷剂流具有最低的致冷度。由辅助热交换器的最后级68排出的这种两相致冷剂以两相致冷剂流流经管道118，其温度约为-30°F。

来自相分离器112的液相高度致冷剂作为残留致冷剂流由管道120排出。该液相流通过第一级辅助热交换器62并进行过度冷却，然后排出液相致冷剂流，其中一股支流在阀122中膨胀平较低的温度和压力。将管道124中的液相支流（此时该致冷剂流为两相）以对流方式流经第一级辅助热交换器62，在该级热交换器中起冷却作用。经再次加热的致冷剂经管道125返回压缩机104（压力为中等程度）用以再次压缩。

使管道126中的剩余致冷剂流（为最初的经过冷的液相致冷剂流）在第二级辅助热交换器64中进一步过冷，并排出第二股支流，这股支流在阀128中膨胀，以降温和降压。将管道130中的两相致冷剂以对流的方式通过第二级辅助热交换器64，以便在该级热交换器中进行冷却。经再次加热的致冷剂经管道131返回压缩机104（其压力为中等程度）用以再次压缩，管道131中致冷剂流的压力比上述的回流125的压力低。在管道132中的剩余的第二股液相致冷剂流通过第三级辅助热交换器66，然后所有的致冷剂流在阀130中膨胀至较低的温度和压力，并与管道118中的汽相流混合。在管道136中的混合致冷剂流以对流方式通过第三级辅助热交换器66，以便在该级热交换器中进行冷却或致冷。在所有循环的致冷剂流中，管道138中的致冷剂其压力最低，使该致冷剂返回压缩机104（其压力为最低级）用以再次压缩。

高度致冷剂的流程图可使高度致冷剂冷却低度致冷剂时致冷效率提高。先行技术中用的级联系统通常早在热交换循环中，使致冷剂的轻质组分返回，以进行再次压缩，并继续分离重质组分，用以在多种流体之间，在多级热交换的低温热交换中进行致冷。本发明在分离器112中进行最初的相分离，然后使高度致冷剂的轻质组分直接通过热的和中等程度的热交换级，然后使轻质组分膨胀至较低的温度和压力，将该组分用于低温级的辅助热交换器中。该轻质组分达沸腾的温度最低，用于热交换器68级中，具有良好的降低温度或致冷作用。

此外，先行技术中，在分离器112中经相分离后排出的液相高度致冷剂流分成许多支流，这些支流不再进行分离，只是所有液流中的一部分进行一次相分离。这种非相分离可防止所有较冷级热交换中具有冷却作用的致冷剂的重质组分聚集。本发明在各支流分离后使已分离的液相致冷剂流膨胀，因此，膨胀本身就具有冷却作用，而且轻质致冷剂组分具有良好的适应性，加到各级辅助热交换器的致冷剂流组分是相同的（在辅助热交换器中，热级为62，中等级为64以及较冷级为66），而不象先行技术那样，含重质组分的致冷剂流，只在有关的热交换器起致冷作用时温度降低。

此外，在较冷的中等级辅助热交换器66中，管道118中的汽相致冷剂与管道132中的液相致冷剂流相混合，以提供更理想的混合，高浓度轻质致冷剂组分。这种致冷流程可提高致冷效率并使高度致冷剂和低度致冷剂之间的致冷作用较好的符合热力学规律。

最好利用附加级（如辅助热交换器的140），在级140中使汽相流114初步冷却，然后在分离器144中进行相分离，在分离器上层的较轻的混合致冷剂组分经管道146排出，送入级68中，在该最冷级的辅助热交换器中进行最后致冷。在144中由相分离生成的液相流经管道148排出，然后再次送入液相致冷剂流120中。使添加的重质组分从汽相流转到液相流，这适用于各级致冷作用。另一方面，致冷剂流148可通过级62、64和66，并单独与致冷剂流118混合，从而进一步分离轻质组分以用来进行最后的致冷。

其次，经辅助热交换器的各级如62、64和66冷却后，用相分离方法使部分汽相致冷剂流冷凝并分离轻质致冷剂组分以进行较低温度的致冷，这过程是反复进行的。

在液化装置中采用二元混合致冷循环，可使每个循环中致冷剂组分的变化自由度大，以使压缩能量可从高度致冷剂向低度致冷剂转移，这种情况取决于用外界冷却液进行致冷的可能性，在致冷过程中，需用外界冷却液使高度致冷剂和低度致冷剂再次冷却，接着进行再次压缩。在本发明中，用两种混合组分致冷剂进行液化，其优点是：具有极高的致冷效率。

虽然附图中辅助交换器的构形表明，在其最高位置致冷度最低，但可设想一种辅助交换器，其构形与上述相反，即在最低处致冷度最低，而且致冷剂流以相同的方式流过各级交换器。

还可设想：在交换器12中使天然气流致冷，在该交换器中不仅用低度致冷剂进行致冷，而且也应有高度致冷剂的支流参与致冷。相反，天然气的支流应从加料管道10排出，并用高度致冷剂使其冷却，然后返回到交换器12中，这些实施方案不再用图解说明。

以上根据最佳实施方案对本发明作了详细说明，但是，对于本专业技术人员来说，可在本专利范围内对本方案进行各种变更。本专利的范围应由下列权项来确定。

Claims (13)

1、用两个闭合循环、多组分致冷剂液化天然气的方法，其中，高度致冷剂冷却低度致冷剂，低度致冷剂冷却并液化天然气，该方法包括下列步骤：

a、在第一个闭合致冷循环中，通过低度多组分致冷剂的热交换冷却并液化天然气流，在该热交换过程中致冷剂被再次加热；

b、使上述再加热的低度致冷剂压缩至一个升高的压力，并用一种外部的冷却液使其再次冷却；

c、在第二个闭合致冷循环中，通过高度多组分致冷剂的多级热交换，进一步冷却上述的低度致冷剂，在该热交换过程中，高度致冷剂被再次加热；

d、使上述再加热的高度致冷剂压缩至一个升高的压力，并用一种外部的冷却液使其再次冷却，以使该致冷剂部分液化；

e、通过相分离，使该高度致冷剂分成汽相致冷剂流和液相致冷剂流；

f、使液相部分的致冷剂流多级过冷和膨胀至较低的温度和压力从而冷却步骤C中的低度致冷剂，并且冷却和液化步骤e中的汽相致冷剂流；

g、使已液化的汽相致冷剂冷却，然后膨胀至较低的温度和压力，从而使低度致冷剂达到最低冷却程度。

2、按照权利要求的方法，其中汽相高度致冷剂流最初用液相高度致冷剂流进行冷却，然后经相分离分成轻质汽相流和轻质液相流，使轻质汽相流进一步冷却和膨胀，以使低度致冷剂达到最低的冷却程度，将相分离得到的轻质液相流与液相致冷剂流混合。

3、按照权利要求2的方法，其中使汽相高度致冷剂流进行多步冷却、相分离以及进一步冷却。

4、按照权利要求1的方法，其中使低度致冷剂进行相分离，其液相用以初步冷却天然气，而且汽相再分成二股支流，第一股汽流被液相冷却，第二股汽流被生成液化天然气的自蒸发气体冷却，然后该第一股汽流和第二股汽流混合以进行最后的冷却并液化天然气。

5、按照权利要求1的方法，其中低度致冷剂的压缩是在多步中进行的。

6、按照权利要求1的方法，其中高度致冷剂的压缩是在多步中进行的。

7、按照权利要求1的方法，其中外部冷却液是外界条件中的水。

8、按照权利要求7的方法，其中水的温度低于65°F。

9、按照权利要求1的方法，其中多组分致冷剂由两种或多种成分组成，这些成分选自下列化合物：甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、戊烷和氮。

10、用两个闭合循环，多组分致冷剂液化天然气所用的一种设备，该设备中，高度致冷剂冷却低度致冷剂，低度致冷剂冷却并液化天然气，该设备包括：

a、一个热交换器，用以使低度致冷剂冷却并液化天然气;

b、至少一个压缩机，以使低度致冷剂压缩至一个升高的压力;

c、一个辅助的热交换器，以使高度致冷剂经过多步冷却低度致冷剂;

d、一个相分离器，用以使低度致冷剂分成汽相流和液相流;

e、用于将汽相流和液相流分别输送到（a）段所述的热交换器，以及返回相同的（b）段所述的压缩器的装置;

f、至少一个压缩机，用以使高度致冷剂压缩至一个升高的压力;

g、一个再次冷却的热交换器，以用一种外部冷却液冷却经压缩的高度致冷剂;

h、一个相分离器，用以使高度致冷剂分成汽相流和液相流;

i、将上述的高度汽相流送入上述的辅助热交换器并使该气流膨胀以便冷却低度致冷剂流所用的装置;

j、用于将上述的高度液相流送入上述的辅助热交换器的装置，包括使该流的一部分分离，然后使其逐渐膨胀至较低温度和压力以冷却该低度致冷剂的装置;

k、用于使高度致冷剂循环以进行再次压缩的装置。

11、按照权利要求10的设备包括一个相分离器，用以使（h）段的高度汽相流分成轻质汽相流和轻质液相流。

12、按照权利要求10的设备中压缩机有多级。

13、按照权利要求11的设备包括多个相分离器，用以使高度汽相致冷剂分成轻质汽相流和轻质液相流。

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