TW201930799A - 混合製冷劑系統和方法 - Google Patents
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Abstract
用混合製冷劑來冷卻氣體的系統，包括熱交換器，該熱交換器接收並冷卻氣體進料，從而産生産品。該系統包括混合製冷劑處理系統，其具有壓縮裝置和後冷卻器以及低壓蓄積器和高壓蓄積器。冷蒸汽分離器接收來自高壓蓄積器的蒸汽，並具有蒸汽出口和液體出口。來自冷蒸汽分離器蒸汽出口的蒸汽被冷卻，膨脹並被引導至熱交換器的主製冷通道。來自冷蒸汽分離器的液體出口的液體被過冷，膨脹並被引導至主製冷通道。來自低壓蓄積器的液體被過冷，膨脹並被引導至主製冷通道。來自高壓蓄積器的液體被過冷，膨脹並引導至主製冷通道。
Description
本申請要求2017年9月21日提交的美國臨時申請No.62/561,417的優先權，其內容通過引用結合於此。
本發明總體涉及用於冷卻或液化氣體的方法和系統，且更具體地涉及用於冷卻或液化氣體的混合製冷劑系統和方法。
主要是甲烷和其他氣體的天然氣在壓力下液化以便儲存和運輸。由液化引起的體積减小允許使用更實用和經濟的容器設計。液化通常通過一個或多個製冷循環通過間接熱交換來冷卻氣體來實現。由於所需設備的複雜性和製冷劑的所需性能效率，這種製冷循環在設備成本和操作方面都是昂貴的。因此，需要一種氣體冷卻和液化系統，其具有提高的製冷效率和降低的操作成本，同時降低了複雜性。
在用於液化系統的製冷循環中使用混合製冷劑提高了效率，因爲製冷劑的升溫曲綫更緊密地匹配氣體的冷卻曲綫。用於液化系統的製冷循環通常包括用於調節或處理混合製冷劑的壓縮系統。混合製冷劑壓縮系統通常包括一個或多個級，每個級包括壓縮機、冷卻器、以及分離和液體蓄積器裝置。離開壓縮機的蒸汽在冷卻器中冷卻，並且所得的兩相或混合相流束被引導至分離和液體蓄積器裝置（accumulator device），蒸汽和液體從該裝置離開以進行進一步處理和/或被引導至液化熱交換器。
來自壓縮系統的混合製冷劑的分離的液相和蒸汽相可以被引導到熱交換器的多個部分以提供更有效的冷卻。在Gushanas等人的共同擁有的美國專利No.9,441,877中，Ducote等人的美國專利申請公開US2014/0260415中，以及Ducote等人的美國專利申請公開US2016/0298898中，提供了這種系統的示例，其各自的內容在此引入作爲參考。
需要進一步提高冷卻效率並降低氣體冷卻和液化系統中的操作成本。
本發明的若干方面可以在下面描述和要求保護的裝置和系統中單獨或一起實施。這些方面可以單獨使用或與本文描述的主題的其他方面結合使用，並且這些方面的描述一起並不旨在排除這些方面的單獨地使用或者也不排除單獨地或以與所附請求項中所述的不同的組合來設置這些方面。
在一個方面，一種用混合製冷劑來冷卻氣體的系統，包括具有冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口，所述熱交換器還包括主製冷通道，預冷液體通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道。第一級壓縮裝置具有與主製冷通道的出口流體連通的入口。第一級後冷卻器具有與第一級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。低壓蓄積器具有與第一級後冷卻器的出口流體連通的入口，與熱交換器的預冷液體通道流體連通的液體出口，和蒸汽出口。第二級壓縮裝置具有與低壓蓄積器的蒸汽出口流體連通的入口，和出口。第二級後冷卻器具有與第二級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。高壓蓄積器具有與第二級後冷卻器的出口流體連通的入口，與熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口，和與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口。冷蒸汽分離器具有與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口。第一膨脹裝置具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口，和出口。可選的中溫分離裝置具有與第一膨脹裝置的出口流體連通的入口，與主製冷通道流體連通的蒸汽出口和與主製冷通道流體連通的液體出口。第二膨脹裝置具有與熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口，和出口。可選的CVS溫度分離裝置具有與第二膨脹裝置的出口流體連通的入口，與主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與主製冷通道流體連通的液體出口。第三膨脹裝置具有與熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與主製冷通道流體連通的出口。第四膨脹裝置具有與熱交換器的預冷液體通道流體連通的入口和與中溫分離裝置、CVS溫度分離裝置和主製冷通道中的至少一個流體連通的出口。
在又一方面，一種用混合製冷劑來冷卻氣體的系統，包括具有冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口。所述熱交換器還包括主製冷通道，預冷液體通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道。第一級壓縮裝置具有與主製冷通道的出口流體連通的入口。第一級後冷卻器具有與第一級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。低壓蓄積器具有與第一級後冷卻器的出口流體連通的入口，與熱交換器的預冷液體通道流體連通的液體出口，和蒸汽出口。第二級壓縮裝置具有與低壓蓄積器的蒸汽出口流體連通的入口，和出口。第二級後冷卻器具有與第二級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。高壓蓄積器具有與第二級後冷卻器的出口流體連通的入口，並具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口，和與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口。冷蒸汽分離器具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口。第一膨脹裝置具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。第二膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。第三膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。第四膨脹裝置具有與所述熱交換器的預冷液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。
在仍另一方面，一種用混合製冷劑來冷卻氣體的系統，具有包括冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口。所述熱交換器還包括主製冷通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道。壓縮裝置具有與主製冷通道的出口流體連通的入口。後冷卻器具有與壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。蓄積器具有與後冷卻器的出口流體連通的入口，與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口，和與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口。冷蒸汽分離器具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口。第一膨脹裝置具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口，和出口。中溫分離裝置具有與第一膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。第二膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。第三膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。
在仍另一方面，一種用混合製冷劑來冷卻氣體的系統，包括具有冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口。所述熱交換器還包括主製冷通道、高壓蒸汽通道、高壓液體通道、冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道。壓縮裝置具有與主製冷通道的出口流體連通的入口。後冷卻器具有與壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。蓄積器具有與後冷卻器的出口流體連通的入口，與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口，和與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口。冷蒸汽分離器具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口。第一膨脹裝置具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。第二膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口，和出口。CVS溫度分離裝置具有與所述第二膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。第三膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。
在又一方面，一種用混合製冷劑來冷卻氣體的系統，包括：熱交換器，其包括限定內部的殼體，位於該內部內的冷卻通道，該冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口。所述熱交換器還包括預冷液體通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道，和位於該內部內的冷分離器液體通道。第一級壓縮裝置具有與熱交換器的內部的出口流體連通的入口。第一級後冷卻器具有與第一級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。低壓蓄積器具有與第一級後冷卻器的出口流體連通的入口，與熱交換器的預冷液體通道流體連通的液體出口，和蒸汽出口。第二級壓縮裝置具有與低壓蓄積器的蒸汽出口流體連通的入口，和出口。第二級後冷卻器具有與第二級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口。高壓蓄積器具有與第二級後冷卻器的出口流體連通的入口，與熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口，和與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口。冷蒸汽分離器具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口。第一膨脹裝置具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和與所述熱交換器的內部流體連通的出口。第二膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和與所述熱交換器的內部流體連通的出口。第三膨脹裝置具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述熱交換器內部流體連通的出口。第四膨脹裝置具有與所述熱交換器的預冷液體通道流體連通的入口和與所述熱交換器內部流體連通的出口。
在仍另一方面，一種用混合製冷劑來冷卻氣體的方法，包括以下步驟：使氣體與流經主製冷通道的混合製冷劑呈逆流間接熱交換關係而流過熱交換器的冷卻通道；在壓縮系統中對離開主製冷通道的混合製冷劑進行調節和分離，以形成高沸點製冷劑液體流束，高壓蒸汽流束和中沸點液體流束；在所述熱交換器中冷卻高壓蒸汽；將冷卻的高壓蒸汽分離成冷分離器蒸汽流束和冷分離器液體流束；在所述熱交換器中過冷所述冷分離器液體流束；將過冷的冷分離器液體流束閃蒸，以形成第一冷分離器混合相流束；將第一冷分離器混合相流束引導至所述主製冷通道；在所述熱交換器中冷卻冷分離器蒸汽流束；使冷卻的冷分離器蒸汽流束閃蒸，形成第二冷分離器混合相流束；將第二冷分離器混合相流束引導至所述主製冷通道；在所述熱交換器中過冷該中沸點液體流束；使過冷的中沸點液體流束閃蒸以形成中沸點混合相流束；將中沸點混合相流束引導至主製冷通道；在所述熱交換器中過冷所述高沸點製冷劑液體流束；使過冷的高沸點製冷劑液體流束閃蒸，以形成高沸點混合相流束；和將所述高沸點混合相流束引導至所述主製冷通道。
混合製冷劑液化系統的第一實施例在圖1中大體以10表示。該系統包括壓縮系統，大體以12指示，和熱交換器系統，大體以14指示。使用由壓縮系統12處理和恢復的混合製冷劑在熱交換器系統14中完成熱量的移除。
在此應該注意，在附圖中通道和流束有時用相同附圖標記來表示。此外，如本文所用，並且如本領域中已知的，熱交換器是裝置或裝置中的區域，其中在不同溫度下的兩股或更多股流束之間或在流束與環境之間發生間接熱交換。如本文所用，除非另有說明，否則術語“連通”（“communication”，“communicating” 等）通常指的是流體連通。此外，儘管兩種連通的流體可以在混合時進行熱交換，但是這種交換不會被認爲與熱交換器中的熱交換相同，儘管這種交換可以在熱交換器中進行。如本文所用，術語“降低壓力”（或其變形）不涉及相變，而術語“閃蒸”（或其變形）涉及相變，包括甚至部分相變。如本文所用，術語“高”，“中”，“暖”等是相對於可比較的流束，如本領域中常規的。
熱交換器系統包括多流束熱交換器，大體以16指示，其具有熱端18和冷端20。熱交換器接收在冷卻通道中液化的高壓天然氣進料流束22，該天然氣進料流束22通過在熱交換器中與製冷劑流束進行熱交換來除去熱量從而液化。結果，産生了液態天然氣産品流束26。熱交換器的多流束設計允許將多個流束方便且節能地集成到單個交換器中。合適的熱交換器可購自德克薩斯州的伍德蘭德（The Woodlands）的Chart Energy＆Chemicals, Inc。由Chart Energy＆Chemicals, Inc.提供的釺焊鋁板和翼片多流束熱交換器提供了實體上緊凑的進一步優勢。
包括熱交換器16的圖1的系統可以配置成執行現有技術中已知的其他氣體處理選項，以虛綫28指示。這些處理選擇可能需要氣體流束一次或多次地離開並重新進入熱交換器，並且可包括例如天然氣液體回收或脫氮。此外，儘管下面根據天然氣的液化描述了實施方式，但它們可以用於冷卻，液化和/或處理除天然氣之外的氣體，包括但不限於空氣或氮氣。
參考壓縮系統12，壓縮機的第一級32接收蒸汽混合製冷劑流束34並將其壓縮。然後，所得到的流束36行進到第一級後冷卻器38，在那裏冷卻並部分冷凝。得到的混合相製冷劑流束42行進到低壓蓄積器44，並分離成蒸汽流束46和高沸點製冷劑液體流束48。雖然蓄積器罐被示出爲低壓蓄積器44，然而可以使用替代的分離裝置，包括但不限於立管或其他類型的容器，旋風分離器，蒸餾單元，聚結分離器或網或葉片式除霧器。這適用於下面提到的所有蓄積器，分離器，分離裝置和立管。
蒸汽流束46從低壓蓄積器44的蒸汽出口行進到壓縮機的第二級64，在那裏它被壓縮爲高壓。流束66離開壓縮機第二級並行進通過第二或最後一級後冷卻器68，在該處冷卻。得到的流束72含有蒸汽相和液相，它們在高壓蓄積器74中分離，形成高壓蒸汽流束76和高壓或中沸點製冷劑液體流束78。
雖然第一和第二壓縮機級被示爲單個壓縮機的一部分，但是可以替代地使用單獨的壓縮機。另外，該系統不僅限於兩個壓縮和冷卻階段，可以使用更多或更少的壓縮和冷卻階段。
轉向熱交換器系統14，熱交換器16包括高壓蒸汽通道82，高壓蒸汽通道82接收來自高壓蓄積器74的高壓蒸汽流束76，並將其冷卻以使其部分冷凝。將得到的混合相冷分離器進料流束84提供至冷蒸汽分離器86，從而産生冷分離器蒸汽流束88和冷分離器液體流束90。
熱交換器16包括冷分離器蒸汽通道92，其接收冷分離器蒸汽流束88。冷分離器蒸汽流束在通道92中冷卻並冷凝成液體流束94，通過膨脹裝置96閃蒸並被引導到冷卻溫度分離器98以形成低溫液體流束102和低溫蒸汽流束104。如下面所述的所有膨脹裝置的情况，膨脹裝置96可以是膨脹閥，例如焦耳-湯姆遜閥，或其他類型的膨脹裝置，包括但不限於渦輪機或孔口。冷溫液體和蒸汽流束被組合（在熱交換器內，在熱交換器的集管內，或在進入熱交換器的集管之前）並被引導到熱交換器的主製冷通道106以提供冷卻。
冷分離器液體流90在冷分離器液體通道108中冷卻以形成過冷的冷分離器液體110，其在112處閃蒸並被引導至CVS溫度分離器114。得到的CVS溫度液體流束116和得到的CVS蒸汽流束118被組合（在熱交換器內，在熱交換器的集管內，或在進入熱交換器的集管之前）並被引導到熱交換器的主製冷通道106以提供冷卻。在這樣的布置中，CVS溫度分離器114改善了熱力學和流體分配性能。
在圖1中以117指示的液位檢測器或傳感器確定冷蒸汽分離器86內的液位並通過綫119將該數據傳送到閥控制器120，該閥控制器120控制閥112的操作。閥控制器120被編程以當冷蒸汽分離器86內的液位上升到預定水平以上時進一步打開閥112。因此，CVS溫度分離器114允許調節或控制冷蒸汽分離器86內的液位。
中沸點製冷劑液體流束78從高壓蓄積器74被引導通過熱交換器的高壓液體通道122，過冷卻然後使用膨脹裝置124閃蒸，並引導至中溫立管126以形成中溫製冷劑蒸汽流束128和中溫液體流束130，其被組合（在熱交換器內，在熱交換器的集管內，或在進入熱交換器的集管之前）並且被引導到熱交換器的主製冷通道106以提供冷卻。
離開低壓蓄積器44的液體流束48是溫熱的且是混合製冷劑的大部分，該液體流束48進入熱交換器16的預冷液體通道52並且被過冷。得到的過冷的高沸點流束54離開熱交換器，並通過膨脹裝置56閃蒸且導向暖溫立管62。結果，形成溫熱的製冷劑蒸汽流束61和溫熱的液體流束63，然後混合（在熱交換器內，在熱交換器的集管內，或在進入熱交換器的集管之前），並且引導到熱交換器的主製冷通道106以提供冷卻。
來自暖溫立管62、中溫立管126、CVS溫度立管114和冷溫立管98的組合製冷劑流束作爲組合返回製冷劑流束132離開主製冷通道106，該組合返回製冷劑流束132優選地處於蒸汽相。返回的製冷劑流束132流到可選的抽吸罐134，從而得到蒸汽混合的製冷劑流束34，如前所述。如本領域所公知的，可選的抽吸罐134防止液體輸送到系統壓縮機。
在圖1所示系統的實施例中，代替例如在Ducote等人的美國專利申請公開No.US2014/0260415中在進入熱交換器之前將來自冷蒸汽分離器86的液體與來自高壓混合製冷劑蓄積器74的液體混合，將液體分別引入熱交換器中。此外，來自冷蒸汽分離器和高壓混合製冷劑蓄積器的液體流束在初始單獨的液體流束被冷卻然後由相應的膨脹裝置閃蒸之後，與相應的蒸汽流束分開引入。這爲熱交換器提供了適當的蒸汽和液體分配的優點，這對於釺焊鋁熱交換器（BAHX）尤其重要，特別是在並行使用多個BAHX的情况下。此外，本發明人已經發現，與來自冷蒸汽分離器和高壓混合製冷劑蓄積器的液體在進入熱交換器之前混合的設計相比，圖1的系統使得效率稍稍提高。
可以改變圖1中所示的配置以降低各種尺寸的液態天然氣設備的成本和複雜性。例如，在圖2所示的可選實施例中，省略了圖1的暖溫立管62。離開低壓蓄積器244的液體流束248是溫熱的且是大部分混合製冷劑，該液體流束248進入熱交換器216的預冷液體通道252且被過冷。得到的過冷的高沸點流束254離開熱交換器並通過膨脹裝置256降低壓力或閃蒸。所得的製冷劑流束258被引導到熱交換器的主製冷通道206以提供冷卻。
圖2的系統的剩餘部分和相應的部件，與圖3-6的系統（除了下文中描述部分之外）的情况一樣，與圖1所示的系統是相同的，並且以相同的方式操作。
在另一個實施例中，如圖3所示，省略了圖1的冷溫立管98（以及暖溫立管62）。熱交換器316包括冷分離器蒸汽通道392，其接收冷分離器蒸汽流束388。冷分離器蒸汽流束在通道392中冷卻並冷凝成液體流束394，通過膨脹裝置396降低壓力或閃蒸，且産生的製冷劑流束398被引導到熱交換器的主製冷通道306以提供冷卻。
如圖4所示，幷且與圖1-3的系統相比，系統的可選實施例可以配置成在不使用來自低壓蓄積器444的低壓製冷劑的情况下運行。
在圖5中所示的另一可選配置中，來自低壓蓄積器的液體製冷劑流束被送至中溫立管526或CVS溫度立管514，而不是單獨進入熱交換器。更具體地，參考圖5，離開低壓蓄積器544的液體流束548是溫熱的且是大部分混合製冷劑，該液體流束548進入熱交換器516的預冷液體通道552並且被過冷。得到的過冷的高沸點流束554離開熱交換器並通過膨脹裝置556降低壓力或閃蒸。所得的製冷劑流束558被引導至中溫立管526。可替代地，或另外地，如圖中的560所指示的虛綫所示，離開膨脹裝置556的製冷劑流束可以被引導到CVS溫度立管514。作爲另一替代方案，如圖5中的561指示的虛綫所示，製冷劑流束558的一部分或全部可以被引導到主製冷通道506。
圖5的系統和過程减少了進入熱交換器516的主製冷通道506的噴射點的數量。假定進入主製冷通道的每個噴射點導致通道中的壓力下降，噴射點的數量减少使得系統的功耗降低，從而提高了操作效率。此外，簡化了熱交換器的製造，這降低了設備成本。
在圖6中所示的另一替代配置中，芯和釜（kettle）或殼和管式熱交換器616用於經由通道624液化天然氣進料流束622，從而形成液態天然氣産品流束626。如在前面的實施例中那樣，包括熱交換器616的圖6的系統可以配置成執行現有技術中已知的其他氣體處理選項，以628指示的虛綫表示。這些處理選擇可能需要氣體流束一次或多次地離開並重新進入熱交換器，並且可包括例如天然氣液體回收或除氮。
在圖6的實施例中，離開低壓蓄積器644的液體流束648是溫熱的並且是混合製冷劑的大部分，該液體流束658進入熱交換器616的預冷液體通道652並且被過冷。得到的過冷的高沸點流束離開熱交換器並通過膨脹裝置656降低壓力或閃蒸，並且所得的製冷劑流束658被引導至熱交換器616的釜或殼以提供冷卻。
熱交換器616包括高壓蒸汽通道682，高壓蒸汽通道682接收來自高壓蓄積器674的高壓蒸汽流束676並將其冷卻以使其部分冷凝。將得到的混合相冷分離器進料流束提供給冷蒸汽分離器686，從而産生冷分離器蒸汽流束688和冷分離器液體流束690。
熱交換器616包括冷分離器蒸汽通道692，其接收冷分離器蒸汽流束688。冷分離器蒸汽流束在通道692中冷卻並冷凝，通過膨脹裝置696閃蒸並被引導至熱交換器616的釜或殼的頂部以提供冷卻。
冷分離器液體流束690在冷分離器液體通道608中冷卻以形成過冷的冷分離器液體流束，其在612處閃蒸並被引導至熱交換器616的釜或殼體以提供冷卻。
中沸點製冷劑液體流束678從高壓蓄積器674引導通過熱交換器的高壓液體通道622，過冷卻然後使用膨脹裝置625閃蒸並被引導至熱換熱器616的釜或殼體以提供冷卻。
被引導至圖6的熱交換器616的釜或殼體以提供冷卻的每個製冷劑流束進入位於釜或殼體內部的噴杆或其他分配裝置。在流束通過一個或多個芯或管（包含上述通道）上方的釜或殼體內部向下級聯以提供冷卻之後，它們組合並離開熱交換器616的底部並行進到壓縮系統的可選的抽吸罐634，以作爲製冷劑返回流束632。
儘管已經示出和描述了本發明的優選實施例，但是對於本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的實質的情况下，可以在其中進行改變和修改，本發明的範圍由所附請求項限定。
10‧‧‧混合製冷劑液化系統
12‧‧‧壓縮系統
14‧‧‧熱交換器系統
16、216、316、516、616‧‧‧熱交換器
18‧‧‧熱端
20‧‧‧冷端
22‧‧‧天然氣進料流束
26、626‧‧‧液態天然氣産品流束
28、560、561、628‧‧‧虛線
32‧‧‧壓縮機的第一級
34、42‧‧‧製冷劑流束
36、66、72‧‧‧流束
38、68‧‧‧冷卻器
44、244、444、544、644‧‧‧低壓蓄積器
46‧‧‧蒸汽流束
48、94、248、394、548、648‧‧‧液體流束
52、252、552、652‧‧‧預冷液體通道
54‧‧‧高沸點流束
56、96、124、256、396、556、625、656、696‧‧‧膨脹裝置
61‧‧‧溫熱的製冷劑蒸汽流束
62‧‧‧暖溫立管
63‧‧‧溫熱的液體流束
64‧‧‧壓縮機的第二級
74、674‧‧‧高壓蓄積器
76、676‧‧‧高壓蒸汽流束
78、678‧‧‧製冷劑液體流束
82、682‧‧‧高壓蒸汽通道
84‧‧‧分離器進料流束
86、686‧‧‧冷蒸汽分離器
88、388、688‧‧‧冷分離器蒸汽流束
90、690‧‧‧冷分離器液體流束
92、392、692‧‧‧冷分離器蒸汽通道
98‧‧‧冷溫立管
102‧‧‧低溫液體流束
104‧‧‧低溫蒸汽流束
106、206、306、506‧‧‧主製冷通道
108、608‧‧‧冷分離器液體通道
110‧‧‧冷分離器液體
112‧‧‧控制閥
114、514‧‧‧CVS溫度立管
116‧‧‧CVS溫度液體流束
117‧‧‧液位檢測器
118‧‧‧CVS蒸汽流束
119‧‧‧線
120‧‧‧閥控制器
122‧‧‧高壓液體通道
126、526‧‧‧中溫立管
128‧‧‧中溫製冷劑蒸汽流束
130‧‧‧中溫液體流束
132、258、398、558、658‧‧‧製冷劑流束
134、634‧‧‧抽吸罐
254、554‧‧‧過冷的高沸點流束
622‧‧‧液體通道
624‧‧‧通道
632‧‧‧製冷劑返回流束
圖1是示出本發明的方法和系統的第一實施方式的工藝流程圖和示意圖；
圖2是示出本發明的方法和系統的第二實施方式的工藝流程圖和示意圖；
圖3是示出本發明的方法和系統的第三實施方式的工藝流程圖和示意圖；
圖4是示出本發明的方法和系統的第四實施方式的工藝流程圖和示意圖；
圖5是示出本發明的方法和系統的第五實施方式的工藝流程圖和示意圖；
圖6是示出本發明的方法和系統的第六實施方式的工藝流程圖和示意圖。
Claims (25)
- 一種用混合製冷劑冷卻氣體的系統，包括： a）包括冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口，所述熱交換器還包括主製冷通道、預冷液體通道、高壓蒸汽通道、高壓液體通道、冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道； b）第一級壓縮裝置，其具有與主製冷通道的出口流體連通的入口； c）第一級後冷卻器，其具有與第一級壓縮裝置的出口流體連通的入口和出口； d）低壓蓄積器，其具有與第一級後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與熱交換器的預冷液體通道流體連通的液體出口和蒸汽出口； e）第二級壓縮裝置，其具有與低壓蓄積器的蒸汽出口流體連通的入口和出口； f）第二級後冷卻器，其具有與第二級壓縮裝置的出口流體連通的入口和出口； g）高壓蓄積器，其具有與第二級後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口和與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口； h) 冷蒸汽分離器，其具有與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口和與熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口； i）第一膨脹裝置，其具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和出口； j）中溫分離裝置，其具有與第一膨脹裝置的出口流體連通的入口，與主製冷通道流體連通的蒸汽出口和與主製冷通道流體連通的液體出口； k）第二膨脹裝置，其具有與熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和出口； l）CVS溫度分離裝置，其具有與第二膨脹裝置的出口流體連通的入口，與主製冷通道流體連通的蒸汽出口和與主製冷通道流體連通的液體出口； m）第三膨脹裝置，其具有與熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與主製冷通道流體連通的出口；和 n）第四膨脹裝置，其具有與熱交換器的預冷液體通道流體連通的入口和與中溫分離裝置、CVS溫度分離裝置和主製冷通道中的至少一個流體連通的出口。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第一和第二壓縮級是單個壓縮機的級。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述中溫、CVS溫度和冷溫度分離裝置是立管。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，還包括暖溫分離裝置，其具有與所述第四膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，還包括冷溫度分離裝置，所述冷溫度分離裝置具有與所述第三膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第四膨脹裝置的出口僅與所述中溫分離裝置流體連通。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第四膨脹裝置的出口僅與CVS溫度分離裝置流體連通。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中第四膨脹裝置的出口僅與所述主製冷通道流體連通。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第四膨脹裝置的出口與所述中溫和CVS溫度分離裝置均流體連通。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第四膨脹裝置的出口與所述中溫分離裝置和所述主製冷通道均流體連通。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第四膨脹裝置的出口與所述CVS溫度分離裝置和所述主製冷通道均流體連通。
- 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第四膨脹裝置的出口與所述中溫和CVS溫度分離裝置以及所述主製冷通道流體連通。
- 一種用混合製冷劑冷卻氣體的系統，包括： a）包括冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口，所述熱交換器還包括主製冷通道，預冷液體通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道； b）第一級壓縮裝置，其具有與主製冷通道的出口流體連通的入口； c）第一級後冷卻器，其具有與第一級壓縮裝置的出口流體連通的入口和出口； d）低壓蓄積器，其具有與第一級後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與熱交換器的預冷液體通道流體連通的液體出口和蒸汽出口； e）第二級壓縮裝置，其具有與低壓蓄積器的蒸汽出口流體連通的入口和出口； f）第二級後冷卻器，其具有與第二級壓縮裝置的出口流體連通的入口和出口； g）高壓蓄積器，其具有與第二級後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口和與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口； h) 冷蒸汽分離器，其具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口和與熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口； i）第一膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口； j）第二膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口； k）第三膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口；和 n）第四膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的預冷液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。
- 如申請專利範圍第13項所述的系統，還包括中溫分離裝置，該中溫分離裝置具有與所述第一膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。
- 如申請專利範圍第13項所述的系統，還包括CVS溫度分離裝置，CVS溫度分離裝置具有與所述第二膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。
- 如申請專利範圍第13項所述的系統，還包括冷溫度分離裝置，所述冷溫度分離裝置具有與第三膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。
- 如申請專利範圍第13項所述的系統，還包括暖溫分離裝置，暖溫分離裝置具有與所述第四膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口。
- 一種用混合製冷劑冷卻氣體的系統，包括： a）包括冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口，所述熱交換器還包括主製冷通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道； b）壓縮裝置，其具有與主製冷通道的出口流體連通的入口； c）後冷卻器，其具有與壓縮裝置的出口流體連通的入口和出口； d）蓄積器，其具有與後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口和與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口； e）冷蒸汽分離器，其具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口； f）第一膨脹裝置，其具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和出口； g）中溫分離裝置，其具有與第一膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口； h）第二膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口；和 i）第三膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。
- 一種用混合製冷劑冷卻氣體的系統，包括： a）包括冷卻通道的熱交換器，所述冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口，所述熱交換器還包括主製冷通道、高壓蒸汽通道、高壓液體通道、冷分離器蒸汽通道和冷分離器液體通道； b）壓縮裝置，其具有與主製冷通道的出口流體連通的入口； c）後冷卻器，其具有與壓縮裝置的出口流體連通的入口和出口； d）蓄積器，其具有與後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口和與熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口； e）冷蒸汽分離器，其具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口； f）第一膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口； g）第二膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口和出口； h）CVS溫度分離裝置，其具有與所述第二膨脹裝置的出口流體連通的入口，與所述主製冷通道流體連通的蒸汽出口，和與所述主製冷通道流體連通的液體出口；和 i）第三膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口和與所述主製冷通道流體連通的出口。
- 一種用混合製冷劑冷卻氣體的系統，包括： a）熱交換器，其包括限定內部的殼體，位於該內部內的冷卻通道，該冷卻通道具有構造成接收氣體進料的入口和産品離開所述熱交換器所通過的出口，所述熱交換器還包括位於該內部內的預冷液體通道，高壓蒸汽通道，高壓液體通道，冷分離器蒸汽通道，和冷分離器液體通道； b）第一級壓縮裝置，其具有與熱交換器的所述內部的出口流體連通的入口； c）第一級後冷卻器，其具有與第一級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口； d）低壓蓄積器，其具有與第一級後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與熱交換器的預冷液體通道流體連通的液體出口，和蒸汽出口； e）第二級壓縮裝置，其具有與低壓蓄積器的蒸汽出口流體連通的入口，和出口； f）第二級後冷卻器，其具有與第二級壓縮裝置的出口流體連通的入口，和出口； g）高壓蓄積器，其具有與第二級後冷卻器的出口流體連通的入口，並且具有與熱交換器的高壓液體通道流體連通的液體出口，和與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的蒸汽出口； h）冷蒸汽分離器，其具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通道流體連通的入口，與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的蒸汽出口，和與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的液體出口； i）第一膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的高壓液體通道流體連通的入口，和與所述熱交換器的所述內部流體連通的出口； j）第二膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器液體通道流體連通的入口，和與所述熱交換器的所述內部流體連通的出口； k）第三膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的冷分離器蒸汽通道流體連通的入口，和與所述熱交換器的所述內部流體連通的出口；和 l）第四膨脹裝置，其具有與所述熱交換器的預冷液體通道流體連通的入口，和與所述熱交換器的所述內部流體連通的出口。
- 一種用混合製冷劑來冷卻氣體的方法，包括以下步驟： a）使氣體與流經主製冷通道的混合製冷劑呈逆流間接熱交換關係而流過熱交換器的冷卻通道； b）在壓縮系統中對離開主製冷通道的混合製冷劑進行調節和分離，以形成高沸點製冷劑液體流束，高壓蒸汽流束和中沸點液體流束； c）在所述熱交換器中冷卻高壓蒸汽； d）將冷卻的高壓蒸汽分離成冷分離器蒸汽流束和冷分離器液體流束； e）在所述熱交換器中過冷所述冷分離器液體流束； f）將過冷的冷分離器液體流束閃蒸，以形成第一冷分離器混合相流束； g）將第一冷分離器混合相流束引導至所述主製冷通道； h）在所述熱交換器中冷卻所述冷分離器蒸汽流束； i）使冷卻的冷分離器蒸汽流束閃蒸，形成第二冷分離器混合相流束； j）將第二冷分離器混合相流束引導至所述主製冷通道； k）在所述熱交換器中過冷所述中沸點液體流束； l）使過冷的中沸點液體流束閃蒸，形成中沸點混合相流束； m）將中沸點混合相流束引導至主製冷通道； n）在所述熱交換器中過冷所述高沸點製冷劑液體流束； o）使過冷的高沸點製冷劑液體流束閃蒸，以形成高沸點混合相流束；和 p）將所述高沸點混合相流束引導至所述主製冷通道。
- 如申請專利範圍第21項所述的用混合製冷劑來冷卻氣體的方法，其中步驟g）包括分離第一冷分離器混合相流束以形成CVS溫度蒸汽流束和CVS溫度液體流束，並將該CVS溫度蒸汽和液體流束引導到所述主製冷通道。
- 如申請專利範圍第22項所述的用混合製冷劑來冷卻氣體的方法，其中步驟p）包括將高沸點混合相流束與第一冷分離器混合相流束合併。
- 如申請專利範圍第21項所述的用混合製冷劑來冷卻氣體的方法，其中步驟m）包括分離中沸點混合相流束以形成中溫蒸汽流束和中溫液體流束，並將中溫蒸汽和液體流束引導到所述主製冷通道。
- 如申請專利範圍第24項所述的用混合製冷劑來冷卻氣體的方法，其中步驟p）包括將高沸點混合相流束與中沸點混合相流束合併。
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