TWI251066B - Hybrid gas liquefaction cycle with multiple expanders - Google Patents

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TWI251066B
TWI251066B TW093127656A TW93127656A TWI251066B TW I251066 B TWI251066 B TW I251066B TW 093127656 A TW093127656 A TW 093127656A TW 93127656 A TW93127656 A TW 93127656A TW I251066 B TWI251066 B TW I251066B
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cooling
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gas
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Mark Julian Roberts
Christopher Geoffrey Spilsbury
Adam Adrian Brostow
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Air Prod & Chem
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1251066 九、發明說明： 發明所屬之技術領域. …天然氣液化係藉由將饋料氣體流束靠著為—個或多個 '衣、々H统所提供的複數個冷;東劑流束進行冷卻與凝結 而達成。饋料氣體的冷卻係藉由各種冷卻方法而完成，諸 如由三個不同冷;東劑回路提供冷料用的熟知複疊循環。 在天然氣的液化中，該複疊冷H统可諸如依序使用於甲 燒、乙烯、丙烧循環，以在三個不同的溫度水平下產生冷 柬作用。另-種熟知的冷耗環係使用丙烧預冷的混合冷 卻，循環，其中複數個成分的冷;東劑混合物將在選定的溫 度範圍内產生冷凍作用。該混合冷凍劑可包含有諸如甲 〇二乙烷、丙烷的碳氫化物及其他輕的碳氫化物，且亦可 包：有氮氣。該有效率的冷凍系統型式係使用於全世界之 諸夕作業中的液化天然氣（LNG )廠内。 先前技術 1另一種天然氣液化的冷凍方法係使用氣體膨脹循環， 其中諸如氮氣的冷;東#丨氣體隸壓縮並藉由氣冷或水冷而 :部至室溫條件’以及藉由冷低壓氮氣的逆流熱交換而進 =進步的冷郃。其次，藉由渦輪膨脹器將經冷卻的氮氣 T束進行作功膨脹，以產生冷低壓氮氣，且該氣體係用於 天,然氣饋料與經壓縮的氮氣流束。由氛氣膨脹所產生 的功可用於傳動連接至膨脹器軸部的氮氣增壓壓縮器。在 該方法中，該冷膨脹氮氣用於液化天然氣，並在相同熱交 1251066 換器中冷卻經壓縮的氮氣。在作功膨脹步驟中將經冷卻的 加壓氮氣進一步進行冷卻，以提供冷氮氣冷凍劑。 經整合的冷凍系統可用於氣體液化，其中由室溫至中 門度的氣體冷卻係由一個或多個蒸氣再壓縮循環所提 八 由中間/jm·度至敢終液化溫度的冷卻係由氣體膨脹循 環所提供。這些組合液化循環的實例係揭示於德國專利第 M2440215號及美國專利第5,768,912號、第6,〇62,〇41 就、第 6,308,531 B1 號、第 6,446,465 B1 號。 在德國專利第1^ 2440215號及美國專利第5,768,912 號、第M46,465 B1號所揭示的方法中，來自氣體膨服循 環的饋肖氣體與壓縮冷;東劑氣體係於共用#熱交換器中使 用冷作功膨脹冷束劑所提供的冷象作用一同進行冷卻。在 美國專利第6,3G8,531B1號所揭示的另—個方法中，來自 ，體：脹循環的饋料氣體與壓縮冷凍劑氣體係於個別的熱 又換益中使用冷作功膨脹冷;東劑所提供的冷來作用進行冷 卻。在該方法中，來自蒸氣再麼縮循環的附加冷象作⑽ 用於在氣體膨脹循環中提供附加的I缩冷滚劑氣體冷卻。 此可藉由將來自蒸氣再壓縮循環的冷凌劑流束穿經冷卻該 壓縮冷;東劑氣體的熱交換器而完成。或者，部分的氣體膨 ，循壞塵縮冷;東劑氣體可在蒸氣再堡縮循環熱交換器中靠 者蒸發的冷凍劑進行冷卻，以提供附加的冷凍作用。 天然氣的液化為極度能源密集的方法。使用組合的塞 氣再壓縮與氣體膨脹冷; 東循環來提高氣體液化方法的效率 與作業彈性係為所高度希冀，並為刻正開發之氣體液化技 1251066 藝中之新循環的㈣。本發明的實施例係藉由提供複數個 膨脹器於氣體㈣循環中，以降低或消除蒸氣再壓縮及氣 體膨脹循環間之平衡冷;東作用的需要，並同時允許饋料氣 體與壓縮氣體膨脹冷凍劑得以在個別的熱交換器中冷卻， 亦允許蒸氣再壓縮與氣體膨脹循環的獨立作業而解決此要 求。 發明内容 在本發明的一實施例中，氣體液化方法包含有：藉由 與第一冷凍系統所提供的一個或多個冷凍劑流束進行間接 熱父換，便可在第一熱交換區内冷卻饋料氣體；以及由該 第一熱交換區抽出經實質液化的流束。藉由與第二冷凍系 統所提供的一個或多個作功膨脹冷凍劑流束進行間接熱交 換便可在第一熱交換區内進一步冷卻該經實質液化的流 束，以及由該第二熱交換區抽出經進一步冷卻之實質液化 的流束。二個或多個經冷卻的壓縮冷凍劑流束係於該第二 冷束系統中進行作功膨脹，以提供該一個或多個作功膨脹 冷柬劑流束中的至少一個於該第二熱交換區内。 第二冷凍系統的作業包含有的步驟為：壓縮一個或多 個冷柬劑氣體，以提供壓縮冷凍劑流束；在第三熱交換區 中冷卻所有或部分的壓縮冷凍劑流束，以提供冷卻的壓縮 冷涞劑流束；以及將該冷卻的壓縮冷凍劑流束作功膨脹， 以提供該一個或多個作功膨脹冷凍劑流束之一。該第二埶 交換區中之作功膨脹冷凍劑流束的流速係小於第三熱交換 1251066 區中之一個或多個作功膨脹冷凍劑流束的總流速。 通常’饋料氣體或冷卻饋料流束的冷卻並未發生於第 一熱父換區内。在第三熱交換區内冷卻之壓縮冷凍劑流束 的流速可小於在第三熱交換區内加溫之一個或多個作功膨 脹冷凍劑流束的總流速。通常，第一冷凍系統的作業獨立 於第二冷凍系統。 第一熱交換區中之饋料氣體的冷卻可藉由包含有下列 步驟的方法而完成，其中該步驟為：壓縮並冷卻含有一個 或多個成分的冷凍劑氣體，以提供冷卻或至少部分凝結的 冷凍劑；降低該冷卻或至少部分凝結之冷凍劑的壓力，以 提供蒸發冷凍劑；以及藉由與第一熱交換區中之蒸發冷凍 蜊的間接熱父換而冷卻該饋料氣體，以提供該實質液化流 束與該冷凍劑氣體。該饋料氣體可藉由與第二蒸發冷凍劑 的間接熱父換，而在第_熱交換區之前進行冷卻。在壓縮 後，至少部分的冷;東劑氣體冷卻可藉由與第二蒸發冷束劑 的間接熱交換而提供。 該壓縮冷凍劑氣體的第一部分可於第三熱交換區中進 行冷卻’且該壓縮冷㈣丨氣體的第二部分可於第三熱交換 區中進行冷卻、作功膨脹及加溫，以提供用於冷卻該廢縮 冷凍劑氣體之第一部分的冷凍作用於其中。 ^在一替代的實施例中，該壓縮冷凍劑氣體可於第三熱 :換區中進行冷卻及作功膨脹’以提供第_作功膨脹冷凍 該第-作功膨脹冷束劑可分隔成第一與第二冷卻冷束 劑，該第—冷卻冷象劑可於該第三熱交換區中加溫，以提 1251066 供用於冷卻該壓縮冷凍劑氣體的冷凍作用 、/、甲，該弟一 冷卻冷凍劑可進-步冷卻並作功膨脹，以提供第二作功膨 脹冷凍劑；以及該第二作功膨脹冷凍劑可於第二埶交換區 中加溫，以提供用於冷卻來自該第一熱交換區之實質液化 流束的冷凍作用於其中。 ' 在另一個實施例中，該壓縮冷;東劑氣體的第一部分可 於第三熱交換區中進行冷卻及作功膨脹，以提供第一作功 膨脹冷凍劑；該壓縮冷凍劑氣體的第二部分可藉由與第二 冷凍系統所提供之蒸發冷凍劑的間接熱交換而進行冷卻並 作功膨脹，以提供第二作功膨脹冷凍劑；以及該第一與第 二作功膨脹冷凍劑可於第二熱交換區中加溫，以提供用於 冷卻來自該第-熱交換區之實質液化流束的冷;東作用於其 中。 、 在另一個替代性的實施例中，該壓縮冷凍劑氣體可於 第三熱交換區中進行冷卻，以提供冷卻的壓縮冷凍劑氣 體，其中部分的該冷卻壓縮冷凍劑氣體可於該第二熱交換 區中進行作功膨脹與加溫，以提供用於冷卻來自該第一熱 交換區之實質液化流束的冷凍作用於其中。 該第二冷凍系統可根據第一個替代實施例的方法進行 作業，該方法包含有： (d )壓縮第一冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣 體；並將該壓縮冷凍劑氣體分隔成第一與第二壓縮冷凍劑； (e )在該第三熱交換區中冷卻該第一壓縮冷凍劑，以 提供第一冷卻壓縮冷凍劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 1251066 作功膨脹’以提供冷作功膨脹冷;東劑；在該第二熱交換& 十加溫該冷作功膨脹冷㈣，以提供用於冷卻該冷卻饋料 流束於其中的冷凍作用；以及由此抽出中間冷凍劑； (f)藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第二壓 縮冷束劑，以提供第二冷卻壓縮冷錢；將該第二冷卻壓 縮冷耗進行作功膨脹，以提供作功膨脹第二冷;東劑；以 及將該作功膨脹第二冷;東劑與該中間冷;東劑結合，以提供 組合中間冷象劑；以及 (g )在該第三熱交換區中加溫該組合中間冷凍劑，以 提供用於冷卻該第一壓縮冷凍劑於其中的冷凍作用；以及 由此抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷凍劑氣體。 該第二冷凍系統可根據第二個替代實施例的方法進行 作業’該方法包含有： (d )壓縮第一冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體； (e )在該第三熱交換區中冷卻該壓縮冷凍劑氣體，以 提供冷卻壓縮冷凍劑；並將該冷卻壓縮冷凍劑分隔成第一 與第二冷卻壓縮冷束劑； (f)在該第三熱交換區中進一步冷卻該第一冷卻壓縮 冷;東劑，以提供第一進一步冷卻的冷床劑； (g )將該第一進一步冷卻的冷凍劑進行作功膨脹，以 提供作功膨脹第一冷凍劑；並將該第二冷卻壓縮冷凍劑進 行作功膨脹，以提供作功膨脹第二冷涞劑； (h )在該第一熱父換區中加溫該第一作功膨脹冷康劑 與該第二作功膨脹冷凍劑，以提供用於冷卻來自該第一熱 11 1251066 交換區之該實質液化流束的冷束作用於其令 熱交換區抽出組合中間冷凍劑；以及 w ox — ⑴在該第三熱交換區中加溫該組合 =供用於冷卻該第一昼嶋劑於其中的冷;東二二： 此抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷凍劑氣體。 法進在替代實施例中，該第二冷;東系統可根據下列方 法進仃作業，該方法包含有·· j万 广）在多段式冷滚劑壓縮器中麼縮該第一 與第二冷滚劑氣體，以提供該壓縮冷;東劑氣體 ^ 縮冷來劑氣體分隔成第一與第二麼縮冷;東劑；^ (e)在該第三熱交換區中冷卻該第一 a縮冷凌 :供第-冷卻遷縮冷束劑；將該第一冷卻壓 …一 第一個塵力的冷作功膨脹冷康劑’· 該一熱乂換區中加溫該冷作功膨服冷康劑， 於冷卻來自該第-熱交換區之該實質液化流束的冷二用 於其中，並由該第二熱交換區抽出中間冷凍劑； (f) 藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷 縮冷康劑，以提供第：冷卻壓縮冷耗；將該第二” 縮冷耗進行作功膨脹，以提供作功㈣第二冷 該作功膨脹第二冷束劑具有大於且 力;將該第三熱交換區中的該作功膨服第二::;二壓 ^提供用於冷卻該第-壓縮冷束劑於其中的冷康作用Γ以 (g) 在該第三熱交換區中加溫該中間冷凍劑，以提供 12 1251066 用於冷卻該第-壓縮冷;東劑於其中的冷料用；以及由此 抽出加溫冷凍劑’以提供該第一冷凍劑氣體；以及 〃 U)將該第一冷凍劑氣體輸入該多段式冷束劑壓縮器 的第’並將《第：冷來劑氣體輪人該多段式冷束劑 壓縮器的中間階段。 該第二冷涞系統可根據第四個替代實施例的方法進行 作業’該方法包含有：
(d)壓縮冷耗氣體，以提供該_冷㈣氣體；並 將該壓縮冷;東劑氣體分隔成第—與第二壓縮冷象劑； (〇在該第三熱交換區中冷卻該第—壓縮冷凍劑，以 提供第-冷卻壓縮冷束劑；並將該第—冷卻壓縮冷康劑進 行作功膨脹，以提供第一作功膨脹冷凍劑； ⑺在該第二熱交換區中冷卻該第一作功膨服冷凍 劑，以提供冷卻的第一作功膨脹冷珠劑；將該冷卻的第一 作功膨脹冷_進行作㈣脹，以提供冷料功膨脹冷;東
J ’在a第—熱父換區中加溫該冷卻作功膨脹冷来劑，以 提供用於冷卻來自㈣—熱交換區之該實質液化流束的冷 凍作用於其广並由該第二熱交換區抽出中間冷凌劑； (g)藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第 縮冷束劑、，以提供第二冷卻I縮冷㈣；將該第二冷卻遷 縮冷珠進仃作功膨脹，以提供作功膨脹第二冷束劑.以 及將該作功膨脹第二冷㈣與該中間冷㈣結合，以提供 組合中間冷凍劑；以及 ()在該第二熱父換區中加溫該組合冷凍劑，以提供 13 l25l〇66 用於冷部該第一壓縮冷凍劑於其中的冷凍作用；以及由 插出該第一冷凍劑氣體。 、在第五替代實施例中，該第二冷涞系統可根據下列方 去進行作業，該方法包含有： ★ ( d)在多段式冷凍劑壓縮器中壓縮第一冷凍劑氣體與 第一冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體； (e )在該第三熱交換區中冷卻該壓縮冷凍劑氣體，以 提供第一冷部壓縮冷凍劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 =功膨脹，以提供具有第—個壓力的第—冷作功膨脹冷Z · 背J ’並將該第一冷作功膨脹冷束劑分隔成第一與第二冷 劑； V /果 (f) 在5亥第二熱交換區_加溫該第一冷凍劑，以提供 用於冷卻該第-壓縮冷;東劑於其中的冷束作用；並由此抽 出加溫冷凍劑，以提供該第二冷凍劑氣體； (g) 將該第二熱交換區中的該第二冷凍劑進行冷卻， 以提供第二冷卻壓縮冷;東劑；將該第二冷卻壓縮冷㈣$ 料功膨脹，以提供第二作功膨脹冷;東劑，且該第二作功 膨脹冷凍劑具有小於該第一個壓力的第二個壓力； (h) 在該第二熱交換區中加溫該第二作功膨服冷凍 劑，以提供用於冷卻來自該第一熱交換區之實質液化流束 的冷涞作用於其中，並提供用於冷卻該第三熱交換區中之 該第-壓縮冷耗的冷料用；並由此抽出加溫冷耗， 以提供該第一冷凍劑氣體；以及 (i) 將該第一冷耗氣體輸人該多段式冷耗壓縮器 14 1251066 的第一階段，並將該第二冷凍剤氣體輸入該多段式冷凍劑 壓縮器的中間階段。 該第一冷凍系統可根據第六個替代實施例的方法進行 作業，該方法包含有： (d )壓縮冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體；並 將該壓縮冷凍劑氣體分隔成第一與第二壓縮冷凍劑；
(e) 在該第三熱交換區中冷卻該第一壓縮冷凍劑，以 提供第一冷卻壓縮冷凍劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 作功膨脹，以提供冷作功膨脹第一冷凍劑；在該第二熱交 換區中加溫該冷作功膨脹第一冷凍劑，以提供用於冷卻來 自該第一熱交換區之實質液化流束的冷凍作用於其中；以 及在該第二熱交換區中形成部分加溫冷涞劑； (f) 藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第二壓 縮冷凍劑，以提供中間冷卻冷凍劑；在該第三熱交換區中 將該中間冷卻冷凍劑進行冷卻，以提供冷卻第二壓縮冷凍
劑，以及將該第二冷卻壓縮冷凍劑進行作功膨脹，以提供 作功膨脹第二冷凍劑； " (g)結合冷作功膨脹第二冷束劑與部分加溫冷束劑， 以提供組合中間冷;東劑；在該第二熱交換區中加溫該么且人 中間冷柬劑’以提供用於冷卻來自該第一熱交換區之實； 液化流束的附加冷料用於其中；並由該第二熱交換區貝中 抽出部分加溫冷束劑；以及 ⑴在該第三熱交換區中加溫該部分加溫冷凍劑，以 提供用於冷卻該第一壓縮冷凍劑與第二壓縮冷凍劑於其中 15 !251〇66 的冷凍作用；以及由此抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷 凍劑氣體。 飞 在本第六個實施例中，藉由將提供於該第一冷凍系統 中之部分的該—個或多個冷來劑進行加溫，便可將附加的 令’東作用提供至該第三熱交換區。藉由將提供於該第二冷 凍糸統中之部分的中間冷凍劑進行加溫，便可將附加的冷 /東作用提供至該第一熱交換區。 Ύ
該第二冷來系統可根據第七個替代實施例的方法進 作業，該方法包含有·· ⑷在多段式冷；東劑壓縮器中壓縮第一冷束劑氣心 第二冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體； (e)在該第三熱交換區中冷卻該壓縮冷;東劑氣體，^ ^供冷部壓縮冷;東劑；並將該冷卻壓縮冷;東劑分隔成第_ ，、第二冷卻冷束劑；
*⑺將該第-冷卻冷;東劑進行作功膨脹以提供具 第-個壓力的第一作功膨脹冷; 東劑；在該第二熱交換區令 :溫該第-作功膨脹冷;東劑，以提供心冷卻來自該第 …父換區之該實質液化流束的冷;東作用於其中，並提 於冷卻第三熱交換區中$ #楚 、品 ^弟一壓縮冷凍劑的冷;東作用· 以及由此抽出加溫冷束劑，以提供該第二冷_體；，
、⑴將㈣二熱交換區中的該第二冷卻冷;東劑進行A 部，以提供第二冷卻麼縮冷，東劑；將該第二冷卻 劑進行作功膨脹，以提供第 7凍 作功膨脹冷㈣|且有』東劑，且該第二 果切具有小於該第一個壓力的第二個壓力. 16 1251066 (h )加溫該第二作a脖 乍功膨脹冷凍劑，以提供用於將該第 熱交換區中的冷卻籍M、六土 x P饋枓流束進行冷卻的冷凍作用，並提 供用於冷卻該第三埶夺姑π占 “、、又換&中之該弟一壓縮冷凍劑的冷凍 作用；並由此抽出加溫冷凌 果d以提供該第一冷凍劑氣體； 以及 (·)將^第冷康劑氣體輸入該多段式冷凍劑壓縮器 的第又並將4第二冷凍劑氣體輸入該多段式冷凍劑 壓縮器的中間階段。 在所有的實施例中’該饋料氣體皆可包含有天然氣
在所有的實施例中，提供於該第一冷束系統中的該一個或 多個冷珠劑可選自由氮、含有—個或多個碳原子之碳氯化 物及3有個或夕個碳原子之碳函化物所組成之族群。再 者，在所有的實施例中，該第二冷凍系統中的冷凍劑氣體 可包含有選自由氮、氬、甲烷、乙烷及丙烷所組成之族群 的一個或多個成分。
在另一個製程實施例中，該氣體液化方法可包含有： (a)藉由與提供於第一冷凍系統中的一個或多個冷凍 劑的間接熱交換而冷卻第一熱交換區中的饋料氣體，並由 -亥第一熱父換區抽出實質液化流束；以及 (b )藉由與冷作功膨脹冷凍劑的間接熱交換而進一步 冷卻第二熱交換區中的該實質液化流束，並由此抽出進一 步冷卻的實質液化流束； 其中該冷作功膨脹冷凍劑係藉由下列方法而提供至包 含有至少二個冷凍回路的第二冷凍系統中，其中該方法包 17 1251066 含有： :〇壓縮第一冷象回路中的冷象劑氣體，以提供壓縮 冷凍劑氣體； 供」2厂）纟第三熱交換區中冷卻該壓縮冷來劑氣體，以提 1部縮冷;東劑氣體，其中部分的冷卻作用係藉由將第 :冷束回路所提供的多成分冷㈣進行蒸發而提供 中； (3) 將冷卻壓縮冷;㈣氣體進行作功膨脹，以提供冷 作功膨脹冷凍劑；以及 (4) 在該第二熱交換區中加溫該冷作功膨脹冷束劑， :提供用於冷卻來自該第一熱交換區之實質液化流束的冷 :作用於其中’並提供用於冷卻該第三熱交換區中之壓縮 ^東劑氣體的冷;東作用；以及由此抽出加溫冷㈣，以提 供該冷凍劑氣體。 通常，饋料氣體或冷卻饋料流束的冷卻並未發生於該 第三熱交換區中。 本發明亦提供改良氣體液化方法，其包含有： (a)藉由與提供於第一冷凍系統中的一個或多個冷凍 :的間接熱交換而冷卻第一熱交換區中的饋料氣體，藉此 提供冷卻饋料流束；以及 (?藉由與第二冷凍系統所提供之作功膨脹冷凍劑的 間接熱交換而進一步冷卻該冷卻饋料流束，並由該第二熱 交換區抽出進一步冷卻的流束’纟中該第二冷涞系統之： 業所包含有的步驟為： 18 !251〇66 (1) 壓縮冷凍劑氣體，以提供壓縮冷凍劑； (2) 冷卻該壓縮冷凍劑，以提供冷卻壓縮冷凍劑； (3 )將冷卻壓縮冷凍劑進行作功膨脹，以提供冷作功 膨脹冷凍劑； 其中用於冷卻該壓縮冷凍劑的冷凍作用部分係藉由在 第三熱交換區中之與來自該第二熱交換區的作功膨脹冷凍 纠進行間接熱交換且部分係藉由該第一冷凍系統所提供的 平衡冷凍作用來提供； 藉由冷卻並作功膨脹部分的該壓縮冷凍劑而提供附加 =作功膨脹冷凍劑，並使用該附加的作功膨脹冷凍劑而提 供附加的冷凍作用於該第三熱交換區，便得以降低或消除 對於平衡冷凍作用的需要。 本發明的實施例可於包含有下列元件的氣體液 中進行： —(a)第一冷凍系統與第一熱交換構件，其用於與該第 :冷：系：所提供的—個或多個冷束劑進行間接熱交換而 令I7貝料氣體，以提供實質液化的流束； (二)第二冷束系統與第二熱交換構件，其用於與該第 —冷康糸統所提供的一個. 接-a μ 次個冷作功膨脹冷凍劑進行間 接熱父換而進一步Α名卩兮每併— T间 μ… 部該貫質液化的流束，以提供進-步 冷部的貫質液化流束； 夕 (。氣體壓縮構件及第三熱 縮構件用於壓缩一個#λ ，、中該軋體壓 交換構件二 冷康劑氣體流束，且該第三哉 又換構件用於冷卻該第二 …、 ν凍系統中的一個或多個壓縮冷 19 I251066 /東劑氣體流束； t (d )二個或多個膨脹器，其用於將該第二冷凍系統中 的冷卻壓縮冷凍劑氣體流束進行作功膨脹，以提供二個或 夕個冷作功膨脹冷涞劑流束；以及 (e )官體構件，其用於將該二個或多個冷作功膨脹冷 凍劑流束由該二個或多個膨脹器傳送至該第二熱交換構件 或第三熱交換構件。 在本系統中，該第三熱交換構件通常不適用於饋料氣 體或冷卻饋料流束的冷卻。該系統更可包含有第三冷康系 為，其適用於冷卻該第二冷束系統之一個或多個壓縮冷束 Μ虱體流束的至少一個。該第三冷凍系統可適用於在該第 一熱交換構件之前冷卻該饋料氣體。 一替代的氣體液化系統包含有： U)第一冷凍系統與第一熱交換構件，其用於與該第 m 统所提供的-個或多個冷象劑進行間接熱交換而 冷卻饋料氣體，以提供實質液化的流束； _、⑴第二冷凍系統與第二熱交換構件，其用於與該第 二冷束系統所提供的-個或多個冷作功膨脹冷束劑進行間 接熱交換而進-步冷卻該實質液化的流束’以提供進一步 冷卻的實質液化流束； / (C)氣體壓縮構件及第三熱交換構件，其中該氣體壓 &構件用於壓嶋劑氣體流束，且該第三熱交換構件用 於冷部一個或多個壓縮冷凍劑流束； ⑷第三冷;東系統’其適用純供附加冷料用於該 20 1251066 第三熱交換構件； (e )私服器’其用於將該第二冷凍系統中的冷卻壓縮 冷；東劑氣體流束進行作A .. 叮邪功恥脹，以提供冷作功膨脹冷凍劑 流束；以及 )苔構件其用於將該冷作功膨脹冷束劑流束由 該膨服器傳送至該第二熱交換構件。 通常’《第二熱交換構件不適用力饋料氣體或冷卻饋 料流束的冷卻。 實施方式 本發明的實施例係使用複數個膨脹器於用以將經實質 液化的饋料氣體進行料的氣㈣脹冷Μ統巾，而有助 於用以將經液化的天然氣流束進行過冷。藉由與熱交換設 備中之二種或多種冷;東劑成分或含有二種或多種成分的多 成分冷凍劑進行熱交換，便可將饋料氣體實質地液化，其 中該熱父換設備係有別於在實質液化饋料氣體後用以將其 :行過冷的熱交換設備”吏用個㈣熱交換設備於各工作 得使氣體膨脹冷束系統（主要係使用蒸氣冷;東劑流束）鱼 蒸氣再壓縮冷;東系統（使用一個或多個蒸發的冷;東劑流束、) 具有最佳化的設計。個別的設備物件亦有助益於將氣體膨 脹冷凍系統改裝成現有氣體液化設備的狀況。 冷凍系統係定義為一個或多個閉路的冷凍回路或循 環；在各回路或循環中，冷;東劑被壓縮、減壓並加溫，以 藉由間接熱傳至已經冷卻的一個或多個製程流束而提供冷 21 1251066 東作用。冷凍劑可為純的成分， 合私如兮尸 或者一種或多種成分的混 物。在蒸氣再壓縮冷凍回路戋 壓仏 A循壤中，冷凍劑蒸氣係經 %、冷卻、完全或幾乎完 凌从 竣結、降壓及蒸發而提供冷 乍用’且該蒸氣係經再遷墙 體膨脹冷;東回路或循環：二!元成該回路或循環。在氣 你 $凍劑氣體係經壓縮、冷卻、 功膨脹、提供冷凍作用的加 循 及壓縮，而完成該回路或 液:。該作功膨服冷;東劑可為單相氣體，或可為具有微量 液:的氣體;該作功膨脹冷滚劑可包含有。至2。莫耳%的 、 ^ Ρ曲線在整個過程中都彼此緊密靠 便可在^東循環中獲得高熱力學效率。當氣體膨脹 "冷束系統使用獨立於蒸發冷康劑系統熱交換設備的熱交 換叹備時’輸运至膨脹器的冷卻高壓氣體流量相同於自膨 脹器返回的加溫低壓氣體流量。基於在二個壓力水平下的 炙體…、合差加/JBL曲線與冷卻曲線無法在整個過程當中保 持平仃。為调整該差異，冷猿平衡流束通常取自液化熱交 換器：在相同溫度水平作業的氣體膨脹熱交換器之間。、此 舉係糟由獲得更為平行的加溫與冷卻曲線而增加該方法的 效率’惟其具有氣體膨脹與蒸氣再壓縮冷康系統不再獨立 的缺點。 先刖引用的美國專利第6,308,53 1號說明一種液化循 環，其中饋料氣體（以天然氣為較佳）的冷卻、液化與過 冷係使用二個冷凍系統完成。該加溫器冷凍系統使用二個 禝®療亂再壓縮循環，諸如丙烷與混合冷凍劑循環或二個 22 1251066 冷凍劑循環。最強的冷凍作用係由氣體膨脹冷凍系統 所&供，並以使用氮氣作為作功流體為較佳。美國專利第 號的帛i圖表示一種單獨的膨脹器冷凍系統其 具有混合冷象劑平衡流束使用於加溫氣體膨服熱交換器: 該專利的第2圖表示在混合冷滚劑熱交換器中冷卻的部八 :麼氮氣係作為替代物，以在氣體膨脹熱交換器中獲得: ;平衡。本發明得以在未犧牲熱力學效率的情況下 體膨脹冷束系統與混合糊蒸氣再壓縮冷康回路完全： 離。較佳方式係使用二個或多個膨脹器於氣體膨服冷來系 ^以降低或消除在混合冷;東劑熱交換器與氣體膨服熱交 換器之間提供平衡冷凍作用的需求。 在本揭示中，冷床系統係定義為包含有一個或多個冷 心路的“；其中該—個或多個冷康回路係使用-個i 夕個適當的熱交換器，以藉由與該—個或多個冷康回路所 獒供的-個或多個冷;東劑進行間接熱交換，而冷卻一個或 f個製程流束。冷來回路為冷康劑氣體在熱交換器或諸孰 父換盗中進行壓縮、冷卻、減壓及加溫，以藉由間接孰交 :而冷卻-個或多個製程流束的冷，東劑回路。將經加溫的 冷柬劑氣體壓縮而完成該回路。單—的冷来回路可包含有 專用的壓縮器；或者複數個冷象回路可包含有共用的壓縮 :’其中經壓縮的冷束劑氣體係經分割，並在不同壓力下 穿經該複數個冷柬回路進行循環。熱交換器係定義為完成 一個或多個加溫流束與一個或多個冷卻流束間之間接:交 換的裝置，其中加溫流束與冷卻流束係實f上彼此分離。 23 1251066 熱交換區可包含有一個或多個熱交換器，或者可包含有一 段熱交換器。 其已發現第二膨脹器可以降低及消除（在較佳實施例 中）對平衡流束之需要，而未對製程熱力學效率產生負面 影響的方式，置於氣體膨脹系統中。配置較小的第二膨脹 器，以使其接收加溫氣體，並將其膨脹至中溫水平。在冷 膨脹氣體已提供大多數的LNG過冷負載後，該經膨脹的中 溫流束係添加至或補充來自冷膨脹器的回收較低壓氣體。 在加溫氣體膨脹熱交換器中，中溫膨脹氣體取代混合冷凍 劑平衡流束。第三膨脹器亦可使用於該氣體膨脹冷凍系 統，以進一步提高製程效率。通常，藉由提供較單一膨脹 器冷凍劑加溫曲線更為靠近冷凍劑冷卻曲線的冷凍劑加溫 曲線，使用複數個膨脹器便得以提高氣體膨脹冷凍系統的 效率。 在另一個實施例中，加壓冷凍劑氣體係使用個別的混 口冷凍劑蒸氣再壓縮系統進行預冷卻，並移除加溫膨脹 裔。混合冷凍劑系統係由第一冷凍系統拆除，其中該第一 冷凍系統用於提供冷卻與實質液化饋料氣體流束所需的冷 凍作用，並得以使氣體膨脹冷凍系統與第一冷凍系統完全 分離。 在本發明的一實施例中，複數個膨脹器係整合於氣體 %脹冷凍系統中，其中該氣體膨脹冷凍系統係提供冷凍作 用’以將已為第一冷凍系統所實質液化的饋料氣體進行過 冷。此使氣體膨脹冷凍系統得以分離自提供加溫器冷凍作 24 1251066 用的冷束系統。所形成的設備結構將增加冷涑循環的熱力 學效率’並使各冷凍系統的熱交換設備具有最佳的設叶。 當附加氣體膨脹冷料、統作“薇去瓶頸或膨脹的部件 時，冷凍系統的卸除得使設計更有效率。 提供實質液化饋料氣體所需之至少部分冷象作用的第 -冷束系統可使用二個或多個冷柬劑成分於一個或多個冷 束回路或蒸氣再壓縮循環中。提供將至少部分液化饋料氣 體過冷所需之至少部分冷康作用的第二冷象系統係利用加 壓冷柬劑氣體或氣體混合物在至少二個膨脹器中的作功膨 脹。複數個膨脹器在多個溫度水平下產生冷東作用，且經 加壓的冷㈣氣體係於膨脹前便在—個或多個熱交換器或 不會冷卻饋料氣體流束的熱交換器部位進行冷卻。 在本發明的另一個實施例中，在氣體膨脹冷柬系統中 的加壓冷㈣氣體係使用個別的第三冷料、統進行預冷 卻’且僅需要-個膨脹器。該個別的第三冷凍系統係分離 自提供冷卻與部分液化饋料氣體流束所需之冷凍作用的第 -冷柬系、统，且此舉得使氣體膨服冷束系統完全分離自第 一冷束系統。 使用一個或多個冷;東劑成分之任何類型的第一冷凍系 統可用於提供冷卻與實質液化饋料氣體流束所需的高水平 與中水平冷料用。該-個或多個冷錢成分可用於一個 或多個冷;東作用回路或蒸氣㈣縮循環。例如，第一冷洗 系統可僅使用含有二個或多個冷凍劑成分的蒸發混合冷凍 劑回路。第一冷凍系統亦可視需要而包含有第二冷凍回 25 1251066 路；其中該第二冷凍回路係使用蒸發單成分冷凍劑，或者 含有二個或多個冷凍劑成分的蒸發混合冷凍劑。或者，第 一冷珠系統的第一與第二冷凍回路可使用蒸發單成分冷凍 劑’或含有二個或多個成分的蒸發混合冷凍劑，或者單與 混合冷凍劑的任何組合。任一個或二個冷凍回路可使用在 多於一個壓力水平下蒸發的冷凍劑，並可包含諸如複疊冷 凍回路。該方法與用於提供冷卻與實質液化饋料氣體流束 所需之冷凍作用的第一冷凍系統的結構無關。 0 第一冷凍系統中的冷凍劑可包含有選自由氮、含有一 個或多個碳原子之碳氫化物及含有一個或多個碳原子之碳 鹵化物所組成之族群的一個或多個成分。典型的碳氫化物 冷凍劑包含有甲烷、乙烷、異丙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、 戊烷及異戊烷。代表性的碳鹵化物冷凍劑包含有R22、 R23、R32、Ri34a及R41〇a。第二冷凍系統（亦即，氣體 膨脹系統）中的冷;東劑可為選自由氮、氮、甲烧、乙燒及 丙烷所組成之族群的純成分或諸成分的混合物。 泰 $方法可用於液化任何饋料氣體流束，並圖示說明於 第1圖中的天然氣液化。管線！中的天然氣饋料係進入視 需要而選用的預冷卻熱交換器部位3,並使用諸如丙烧或 混合冷來劑的蒸發冷;東劑冷卻至約-HTC至-3(TC的中間溫 度’其中該管線i已在預處理部位（未表示於圖式中）中 月洗與供乾’以用於移除諸如二氧化碳與硫化氯的酸 :氣體’並移除諸如水銀的其他污染物。蒸發冷束劑係由 技藝所熟知之任何類型的再循環冷柬回路（未表示於圖 26 Ϊ251066 式中）所提供。 預冷卻天然氣饋料流束5進入淨化柱7内，其中該鑛 料的較重成分（諸如戊烷或較重碳氫化物）係於該淨化柱 7内進行移除，以避免在後讀液化製程中發生凝固。淨化 柱具有懸空凝結器9，該懸空凝結器9亦可使用諸如丙燒 之冷康劑或混合冷凍劑，以提供回流至淨化柱。管線丨工中 之來自淨化柱的底部製品係輸送至分餾部位13，其中重成 分係穿經管線1 5而分離並回收，而管線17中的較輕成分 則與淨化柱的懸空蒸氣製品結合而形成純化的天然氣於管 線19中。管線17中的輕成分可為蒸氣流束或液體流束， 並最好預冷卻至約等於來自淨化柱7之懸空蒸氣流束的溫 度。 管線19中的純化天然氣係進一步冷卻至低於_5(rc(且 最好為約-lOOt：至-120°C之間）的溫度’·以及最好在第_ 熱父換區或混合冷凍劑熱交換器21中，藉由與管線23所 提供之加溫與蒸發中溫混合冷凍劑的間接熱交換而進行實 質液化。在此所使用的術語“實質液化，，意指當在大氣壓 力下進行絕熱膨脹時，實質液化的蒸氣將具有〇·25至1 〇 間（且最好為〇·5至ι·〇間）的液體比率。的液體比率 將形成完全液化或凝結的流束，其中該液體可為飽和或過 冷的；以及0的液體比率將形成完全為蒸氣且不含液體的 流束。在此所定義的實質液化流束可包含有壓力高於流束 6¾界壓力的任何壓力。 管線25中的實質液化天然氣係於第二熱交換區或熱交 27 1251066 換器27中，藉由與膨脹器3 1所提供之管線29内的冷作功 膨脹冷凍劑的間接熱交換，而進一步冷卻至約-12(rc至 -1 60°C的溫度。該冷的冷凍劑（通常為氮）主要為在約15 至30 bara ( 15至3 MPaa)壓力且在約]22r至]62t：溫 度下具有低於約20%液體（莫耳分率）的蒸氣。 官線33中所形成之經進一步冷卻且實質液化的天然氣
可為高於、位於或低於其臨界壓力，並在低於其臨界壓力 時可為過冷液體。管線33中之經進一步冷卻且實質液化的 天然氣可穿經節流閥35而以絕熱方式達成約1〇5至12 bara (·1〇5-〇·ι2ΜΡμ)的壓力。或者，管線33中的過冷 LNG壓力可使用緻密流體膨脹器或膨脹器與閥門的組合而 降低。管線37中的低壓LNG流至分離器或儲存槽39，且 L觸製品在管線41中離開。在部分狀況中，依據離開熱交 換器27的天然氣組成物與LNG溫度而定，相當數量的輕 氣體係於閃過閥門35後逐漸形成於管線43中。在部分狀 况中s線43中的閃氣可加溫並壓縮至足以作為l廠 之燃料氣體使用或其他用途的壓力。 用於冷卻並實質液化天然氣饋料流心的冷州 =下列方式提供：熱交換器21中的中溫混合冷束劑 換器部位= i冷束作用於預冷㈣ ^ ^ ^^ . —冷凍劑（諸如戊太 成第一此合冷凍劑。管線23中 ,L 幻令凍劑係於埶交換器 中加溫並蒸發，以於其中提供A .、 45 Φ A ^ 7東作用，並離開作為ί 中的冷凍为彳蒸氧。該冷凍左 “、、乳係U多階段方式壓與 28 1251066 適當的高壓，在壓縮器47中進行中間冷卻，在室溫後冷卻 器49中進行冷卻，以及藉由與諸如戊烷之附加蒸發冷凍劑 及混合冷凍劑的間接熱接換而進一步冷卻且部分或完全凝 結於熱交換器部位5 1中。該蒸發冷凍劑係藉由本技藝所熟 知之任何類型的循環冷凍回路（未表示於圖式中）進行提 供，並可為前揭提供冷凍作用於熱交換器部位3的相同循 環冷凍回路。
管線53中的預冷卻高壓混合冷凍劑係以約_2〇。匸至_4 C的中間溫度及約50至7〇 bara ( 5_7 Mpaa)的壓力進么 混合冷凍劑熱交換器21中。該高壓混合冷凍劑係於熱交去 器U中冷卻至約_1〇〇它至_12〇它的溫度且最好為完全凝 結，並於管線55中離開。管線55中的凝結高壓混合冷^ 劑流束係閃過閥門57(或緻密相膨脹器）而達約3_6b7ar (〇3'MPaa) #壓力，並流至管線23中之熱交換器u ^ 冷卻端。錢混合冷㈣流束係於熱交換器21中加溫並蕩 發，以及離開成為管線45中的加溫混合冷凍劑。 、前揭冷卻管線i内的天然氣饋料以提供經冷卻且實質 二化的天然氣於管線25中係藉由第-冷凍系統進行提、 中該苐—冷;東系統包含有提供冷;東作用於熱交換哭 21的中溫混合冷束劑回路、提供諸如丙院之第二冷她 此合冷;東劑於饋料預冷卻熱交換器部位3的冷 =:::r之第三_或另-種混合冷-路可同時提”二:^^如前料，相同的冷凌回 29 1251066 將管線2 5中之實質液化的天然氣進行進一步冷卻係藉 由具有複數個膨脹器的氣體膨脹系統而完成，其中該具有 複數個膨脹器的氣體膨脹系統係使用包含有擇自由氮氣、 氬氣、甲烧、乙烧與丙烧所組成之族群的一種或多種氣體 的冷凍劑。在本實例中，其係使用氮氣作為冷;;東劑。在室 溫且約50至80 bara ( 5- 8 MPaa)之管線59中的高壓氮氣 係分隔成二個部分。管線61中的較大部分進入第三熱交換 區或加溫氣體膨脹熱交換器63，並冷卻至約-1〇〇。0至-120 C的溫度。管線6 5中的冷卻高壓氮氣係於冷卻膨脹器3 1 中作功膨脹，並以約1 5至30 bara ( 1 ·5- 3 MPaa )的壓力 及約-152°C至-162°C的溫度離開。通常，膨脹器的排出壓 力係位於或靠近於氮氣的露點壓力，且氮氣溫度足夠冷， 以提供管線3 3中的LNG希冀的過冷水平。該作功膨脹冷 凍劑可包含有高達約20%莫耳的液體。管線29中的冷作功 膨脹氮氣流束係於冷氣體膨脹熱交換器27中加溫，以提供 過冷管線3 3中之LNG流束所需的冷凍作用；以及中間加 溫氮氣離開管線67中的交換ϋ。 管線69中的較小部分高壓氮氣流束可使用熱交換部位 7 1中的諸如丙烷之冷凍劑或第二混合冷凍劑而預冷卻到約 -20 C至-40 C的中間溫度。管線73中的預冷卻高壓氮氣流 束係於加溫膨脹器75中作功膨脹，並以約15至3〇 bara (1.5-3 MPaa)的壓力及約_9〇〇c至_u〇〇c的溫度排出。管 線77中的作功膨脹冷凍劑流束係與來自冷熱交換器27之 管線67中的加溫氮氣流束結合，且所結合的流束係穿經管 30 1251066 線7 9而流入加溫妖夺拖 、 …又換裔63。所結合的氮氣流束係於加 溫熱交換器63中加溫至室溫，穿經管線81抽出，並以多 階段：間冷卻壓縮器83壓縮至適當的高壓，以提供循環所 需的尚壓氮氣流束5 9。、禾‘ ^ 不 添加在熱父換器63内加溫之較小 的％服氮氣流束7 7可將知、、w名触 ” J將加纟皿軋體膨脹熱交換器63中的冷 P曲線維持在罪近理想狀態，亦#，該流體的加溫與冷卻 曲線在整個過程中皆彼此靠近。
B線59中之所有的或部分的高壓氮氣應使用丙烧或其 他间級冷4劑作為替代品進行預冷卻，以預冷卻進入加溫 熱交換器63中之冷卻膨脹器31的部分，並使用熱交換部 位71中的丙烷或其他冷凍劑預冷卻進入加溫膨脹器Μ的 部分。或者，該氣體膨脹冷凍系統可在未於熱交換器〇與 /脹器75之萷預冷卻壓縮氮氣的情況下進行作業。這些用 於氣體膨脹系統冷卻劑預冷卻的選擇得使用於本發明的任 何實施例。
加溫與冷氣體膨脹熱交換器63, 27可整合成單一的單 凡’並可為任何適當的類型，諸如散熱片、螺旋管、或軸 套與管體結構，或任何其組合。相似地，混合冷凍劑熱交 換器21及視需要而選用的預冷卻熱交換器部位3, $丨，71 可由單一個或複數個熱交換器所組成，並可為任何適當的 結構。這些熱交換器選擇亦適用於本發明的任何實施例。 本發明係與所主張之製程中使用的熱交換器的數目與配置 無關。 倘若管線53中的高壓混合冷凍劑為雙相混合物，則蒸 31 1251066 氣與液體部分可於混合冷;東劑熱交換 於熱交換器21中以相同或相異懕+ 干刀別冷郃，並 社人 水平分別蒸發或成兔 …流束。該混合冷來劑亦可分離成二個或多個二 且該二個或多個流束可於不同的壓 Ά杰，丨-Τ' 1 “、、知 孩混合冷 可:一個或多個平衡（蒸氣/液體)分離或 =離或任何其組合所分隔。這些混合冷束劑選擇可適 明的广冷珠系統的任一個冷束回路，且亦可適用於本發
料氣施例。本發明係與用於提供冷卻與實質液化饋 料嫌流束所需之冷凌作用的第一冷束系統的結構無關。 通常，用於將管線1中之天然氣饋料轉換成管線41中 之製品的總冷凍負載的至少4〇%係由第一冷凍系統 所，供^第i圖的實施例中，該冷束作用係提供於熱交 換益位3、#交換器部位5 1及熱交換器2!。
第1圖所舉例說明之實施例的特徵在於該第一冷凍系 统（亦即，包含有壓縮器47、熱交換器21及膨服閱·^的 糸統）可獨立於第二冷;東系統（亦即，包含有壓縮器 熱交換器27,63及膨脹閥31，75的系統）進行作業。獨立 作業^扣第一冷凍系統内的混合冷束劑與第二冷凍系統内 的氮冷;東劑之間並無熱交換，且該二個冷Μ統之間無須 平衡冷凍作用。 另一個特徵在於在第二熱交換區27内穿經管線29之 作功膨脹氮的流速小於第三熱交換區63内之作功膨脹氮 氣流束79的流速。饋料氣體或冷卻饋料流束的冷卻並未發 生於第三熱交換區63内。此外，在第三熱交換區63内冷 32 1251066 郃之管線61中的壓縮氮氣的流速通常小於在第三献交換 區線79中的組合作功膨脹氮氣的流速。 — 本發呢的替代實施例係圖示於第2圖中。在本替代實 施例中，來自壓縮器83之管線59内的所有高壓氮冷;東劑 係於加溫氣體膨脹熱交換器63中進行預冷卻，且該高壓氮 氣並未於第！圖的熱交換部位71中以諸如丙烷的冷凍劑進 行：卻。少部分之熱交換器63内的部分冷卻氮冷束劑係穿 左&線201而在中間點抽出，並於膨張器加内作功膨服， 以提夂作功膨脹氮氣官線2〇5中。管線内的膨脹氮氣 最好。卩刀加溫膨脹氮氣流束在熱交換器27的中間點及 低於管線25中之注入實質液化天然氣的溫度下相互混合。 或者，管線59内的高壓氮氣可分成在熱交換器〇内 分別冷卻的二個部分（未表示於圖式中）。若有必要，熱交 換Θ 27’ 63 #中之一或二者可分隔成二個&交換器。管線 201内之高壓氮氣的冷卻亦可藉由在加溫熱交換器63内之 冷郃與使用另一種高級冷凍劑（諸如丙烷）之冷卻的組合 _ 而完成。 在本實例中，來自分離器39之管線43内的LNG閃氣 係於氣體交換器27, 63内進行加溫，穿經管線2〇7離開， 並於閃氣壓縮器209内壓縮至足以作為LNG廠之燃料氣體 使用或其他使用的壓力。然而，閃氣在熱交換器27,63内 的加溫係視需要而選用，且並非本發明的任一實施例所必 要的。 第2圖所圖示之實施例的特徵在於該第一冷凍系統（亦 33 Ϊ251066 即’包含有壓縮器47、熱交換器21及膨脹閥57的系統） 可獨立於第二冷凍系統（亦即，包含有壓縮器83、熱交換 器27, 63及膨脹閥31，203的系統）進行作業。獨立作業意 指第一冷凍系統内的混合冷凍劑與第二冷凍系統内的氮冷 4劑之間並無熱交換。本實施例之二個冷凍系統之間無須 平衡冷凍作用。 另一個特徵在於在第二熱交換區27内穿經管線29之 作功膨脹氮的流速（在與管線205内的膨脹氮氣結合前） 可小於第三熱交換區63内之組合作功膨脹氮氣流束79的 流速。饋料氣體或冷卻饋料流束的冷卻並未發生於第三熱 父換區63内。此外，在第三熱交換區63内冷卻之壓縮氮 氣的流速（在穿經管線201抽出氮氣後）可小於在第三熱 交換區63内加溫之管線79中的組合作功膨脹氮氣的流速。 本發明的另一個實施例係圖示於第3圖中，並為第1 圖與第2圖之實施例的修改。管線73内的預冷卻高壓氮氣 係於加溫膨脹器75内膨脹至中壓，諸如25至45 bara( 2.5-4·5 MPaa)。管線301内的中壓膨脹氮氣係於加溫氣體膨脹 熱交換器303内獨立加熱，並流至多段式壓縮器3〇5的中 間階段’以降低電力需求。本實施例的替代方法係使用中 壓而由壓縮器3 0 5的中間階段抽出流束3 〇 7，在熱交換部 位71内冷卻其，在膨脹器75内將管線73中的冷卻流束膨 張至較低的壓力水平，以及將管線3〇1内的較低壓膨脹流 束與管線67内的中溫冷凍劑（用於在加温氣體膨脹熱交換 器3 0 3内加)結合，如第1圖所示。在任一個替代方法 34 1251066 中，管線307内的高或中壓氮氣流束可使用如所示之熱交 換器部位71中或加溫熱交換器3〇3中或二者之組合中的高 級冷凍劑（諸如丙烷）進行冷卻。 第3圖所舉例說明之實施例的特徵在於第二熱交換區 27内穿經管線29之作功膨脹氮的流速通常小於第三熱交 換區303内之作功膨脹氮氣流束67的總流速。通常，饋料 氣體或冷卻饋料流束的冷卻並未發生於第三熱交換區3〇3 内。此外，在第二熱交換區303内冷卻之管線3〇6中的壓 縮氮氣的流速通常小於在第三熱交換區3〇3内加溫之管線 67, 301中的作功膨脹氮氣的總流速。 第4圖係圖示第1圖的替代實施例，其中管線65内的 冷卻高壓氮氣流束係以二階段進行作功膨脹。該流束係首 先在中間膨脹器31内膨脹至諸如25至45bara ( 2·5_ 4 5 MPaa )的中間壓力及低於管線2 5内之注入實質液化天然 氣流束的溫度。管線29内的中壓膨脹流束最好在冷卻氣體 膨脹熱交換器40 1内加溫，以提供冷凍作用於其中；並接 著在冷卻膨脹器403中進一步膨脹至諸如15_3〇bara( 15_ 3 MPaa)的較低壓力。其次，管線4〇5中的較低壓膨脹氮 氣流束係七供最冷程度的冷束作用於冷卻熱交換器4 〇 1 中’以將注入貫質液化天然氣流束在管線25中進行過冷。 管線405中之部分的中壓膨脹氮氣流束（最好在冷卻 熱交換器40 1中加溫後）可在加溫熱交換器63中個別加溫 (未表示於圖式中），並傳送至多段式壓縮器83的中間階 段。如第3圖的實施例所示，管線69中的高壓氮氣流束可 35 1251066 使用如所不之熱交換器部位71中或加溫熱交換器63中或 -者之組合中的高級冷凍劑（諸如丙烷）進行預冷卻。 …本貝鉍例中所附加的中間膨脹器將以較高的熱力學效 轉供冷涞作用於冷卻氣體膨脹熱交換器4gi卜該交換 1之流體的加溫與冷卻曲線在整個過程中彼此更為緊密 地#近’雖然此舉為有益的，但是該系統中需要多加一件 設備（亦即，膨脹器4〇3)。 第4圖所舉例說明之實施例的特徵在於第二熱交換區 4〇1内穿經管線405之作功膨脹氮的流速通常小於第三熱 父換區63内之作功膨脹氮氣流束407的流速。饋料氣體或 冷卻饋料流束的冷卻並未發生於第三熱交換區63内。此 外，在第三熱交換區63内冷卻之管線61中的壓縮氮氣的 流速小於在第三熱交換區63内加溫之管線4〇7中的作功膨 脹氮氣的流速。 本發明的另一個實施例係圖示於第5圖中，其中該氣 體膨脹冷凍系統使用二階段的膨脹。管線5〇1中的預冷卻 尚壓氮氣流束係由加溫熱交換器5 〇 3的中間點抽出，並在 加脈％服器31内膨脹至諸如25至45bara(2.5-4.5 MPaa) 的中間壓力及低於管線25内之注入天然氣流束的溫度。管 線29中之部分的中壓膨脹氮氣流束係穿經管線505抽出， 在加溫氣體膨脹熱交換器5 0 3中個別加溫，並傳送至多段 式壓縮器5 0 7的中間階段，以降低電力需求。 管線509中的殘留中壓氮氣（最好在冷卻氣體膨脹熱 交換器511内再加熱後）係進一步於冷卻膨脹器513中膨 36 1251066 脹至諸如15- 30 bara ( 1·5- 3 MPaa)的較低壓力。其次， 管線5 1 5中的較低壓膨脹氮氣流束係提供最冷程度的冷束 作用於冷卻氣體膨脹熱交換器5丨丨中，以將注入實質液化 天然氣流束在管線25中進行過冷。管線5 1 7中的加溫高壓 氮氣流束可在如所示之加溫熱交換器503中或使用諸如丙 烷的高級冷凍劑或二者之組合進行預冷卻。 第5圖所舉例說明之實施例的特徵在於第二熱交換區 5 11内穿經管線5丨5之作功膨脹氮的流速通常小於第三熱 交換區503内之管線5〇5,519中的作功膨脹氮氣流束的總 流速。較佳方式係饋料氣體或冷卻饋料流束的冷卻並未發 生於第三熱交換區503内。 本發明的其他實施例可使用氣體膨脹冷;東熱交換器與 混合冷凍劑熱交換器之間的整合平衡流束，以獲得更具熱 力予效率之一個冷凍系統的整合。使用複數個膨脹器的這 些實施例可提供更有效率的設計於去瓶頸或擴充現有氣體 液化設備。 第6圖圖示具有複數個膨脹器的氣體膨脹冷凍系統， 其具有使用於加溫氣體膨脹熱交換器601中的混合冷凍劑 平衡流束。管線603中的少部分高壓混合冷凍劑係穿經管 、良605抽出，並輸送至中壓橫向閥007。形成於管線609 内的中壓混合冷凍劑流束（通常為_9〇至_11〇。〇及5至1〇 bai*a (〇·5- 1 MPaa))係於加溫氣體膨脹熱交換器6〇ι中加 以於忒熱父換器内提供更為平行的加溫與冷卻曲線， 因而提高製㈣效率。㈣近室溫的加溫混合冷束劑流束 37 1251066 6 11送返循環用之多段式混合冷凍劑壓縮器6丨3的中間階 段。或者，管線605中經凝結的高壓混合冷凍劑平衡流束 可輸送至混合冷凍劑回路的最低壓力水平（諸如，3至6 bara ( 0.3至0.6 MPaa))，在加溫熱交換器601中加溫至中 間溫度（諸如-20至-40°C )，以及送返混合冷;東劑壓縮器 6 13的第一階段。 在本實施例的氣體膨脹冷凍系統中，管線6 1 5中經預 冷卻的少部分高壓氮氣流束最好在加溫膨脹器617中作功 膨脹前，便於加溫熱交換器601中進一步冷卻至低於丙院 或其他高級冷凍劑的溫度。管線619中之經膨脹的中溫氮 氣流束最好在低於注入實質液化天然氣流束25的溫度 下’於冷卻氣體膨脹熱交換器27的中間點上，與管線29 中之部分加溫的冷卻氮氣流束混合。若有必要，氣體膨脹 熱父換器27, 601其中之一或二者可分隔成二個或多個熱 交換器。 弟7圖圖示另一種具有複數個膨脹器的氣體膨脹冷來 糸統’其中部分面壓氮氣係以於混合冷束劑熱交換器7 〇 5 中冷卻作為替代方式，而於加溫氣體膨脹熱交換器7〇丨中 獲得更有效率的冷凍平衡。管線73中之約-20至-4(TC的部 分預冷卻高壓氮氣流束係穿經管線703抽出，並於混合冷 東劑熱交換器705中進一步冷卻到約-100至-UOt。在於 加溫熱交換器701中冷卻後，管線707中之冷卻高壓氮氣 流束係與部分的高壓氮氣流束61混合，且管線709中的組 合流束會流至冷卻膨脹器7 11的入口。 1251066 在本實施例的氣體膨脹冷凍系統中，管線713内殘留 的預冷卻高壓氮氣流束部分最好在加溫膨脹器7 1 7中作功 膨脹前，便於加溫熱交換器701中進一步冷卻至低於丙烧 或其他高級冷凍劑的溫度。管線719中的中溫氮氣流束在 低於管線2 5内之注入貫質液化天然氣流束的溫度下，於冷 卻氣體膨脹熱交換器27的中間點上，與部分加溫的冷卻氮 氣流束混合。若有必要，氣體膨脹熱交換器27, 701其中之 一或二者可分隔成二個或多個熱交換器。 本實施例的特徵在於在與管線719中的膨脹氮氣結合 前，作功膨脹氮的流速小於第三熱交換區7〇丨内之組合作 功膨脹氮氣流束7 1 0的流速。饋料氣體或冷卻饋料流束的 冷卻並未發生於第三熱交換區63内。此外，在熱交換器 70 1内冷卻之任一壓縮氮氣流束6丨，7丨3的流速係小於在熱 交換器701内加溫之管線701中的作功膨脹氮氣的流速。 第8圖表示結合具有複數個膨脹器之氣體膨脹冷束系 統的單一混合冷凍劑冷涑系統，該系統無須如第丨_7圖之 實施例所示之諸如丙烷的外加冷凍作用。在進入混合冷康 劑熱交換器21之前，該單一混合冷凍系統中的冷凍作用並 未藉由諸如丙烷或另一種高級的混合冷凍劑而預冷卻至低 於至温。在本實例中，混合冷凍劑係於壓縮器8〇丨的中間 階段進行部分液化，且管線8〇3内的液體部分係加壓至最 終的向壓力水平，並與後冷卻器805的最終壓縮蒸氣部分
入口端結合。該特徵係視需要而選用，並可使用於本發明 的任—個實施例中。 X 39 1251066 在本實施例的氣體細張冷束糸統中，所有的高壓氣氣 流束807係於加溫氣體膨脹熱交換器809中冷卻至接近或 冷於管線25中之注入實質液化天然氣流束的溫度。管線 8 11中部分的冷卻面壓氮氣流束係於加溫膨張器$ 1 3中作 功膨脹至中壓。管線815中的中壓膨脹氮氣流束係分別於 氣體膨脹熱交換器817，809中加溫，並輸送至多段式壓縮 器的中間階段，以降低電力需求。在於冷卻熱交換器817 中進一步冷卻後，管線819中的殘留高壓氮氣流束係於冷 卻膨脹器82 1中膨脹至較低壓力。管線823中的較低壓膨 服氮氣流束係於冷卻熱交換器817中進行加溫，以提供將 注入貫質液化天然氣流束2 5進行過冷所需之最冷程度的 冷凍作用。 該注入實質液化天然氣流束25視需要可在高於_i〇〇°c 的溫度’並可僅為部分液化。在該狀況中，管線815，823 中的一個膨脹氮氣流束係提供冷凍作用，以將管線25中的 注入貫質液化天然氣流束完全液化及過冷。若有必要，冷 部氣體膨脹熱交換器817可分隔成二個或多個熱交換器， 或者熱交換器809, 817可組合成單一的熱交換器。 本實施例的特徵在於第二熱交換區内穿經管線823之 作功膨服氮的流速通常小於第三熱交換區803内之作功膨 脹氮氣流束825, 827的總流速。通常，饋料氣體或冷卻饋 料流束的冷卻並未發生於第三熱交換區8〇9内。 本發明的替代實施例係表示於第9圖中。在本實施例 中’官線90 1中的高壓冷凍劑氣體流束係以使用混合冷凍 40 1251066
劑之獨立冷凍系統所提供的部分冷凍作用，而在加溫氣體 膨服熱交換·器903中進行預冷卻。使用該獨立的冷凍作用 知以省略使用加溫氮氣膨脹器。高壓混合冷凍劑流束905 係於加溫熱交換器903中進行冷卻及至少部分凝結。管線 中的冷卻高壓混合冷凍劑流束係穿經閥門9〇7或緻密相膨 服器’且降低壓力的冷凍劑係穿經管線9〇9而流至加溫熱 父換器903的冷卻端。管線9〇9中的低壓混合冷凍劑流束 係於加溫熱交換器903中加溫及蒸發，並離開變成管線91工 中的加溫混合冷凍劑流束。管線911中的加溫低壓混合冷 凍劑流束係於混合冷凍劑壓縮器913中壓縮至適當的高 壓，並冷卻至室溫而進行循環。
線9 0 1中的氣體膨脹系統冷束劑預冷卻的混名 凍劑冷凍系統係卸自將液化饋料氣體流束i所需的至」 分冷凍作用提供於熱交換器21 +的第一或加溫冷凍系 統。本發明的實施例提供將氣體膨脹冷凍系統與第―、 系統完全分離，而無須犧牲熱力》效率的替代方法。 用任何形式之利用二個或多個冷耗成分的第一冷束 統。替代實施例可於結合有整合壓縮作業的熱交換器 9〇3中使用個別的混合冷凍劑回路。熱交換器 ㈣具有相同組成物’或可具有由平衡分離 付的不同組成物。熱交換器9〇3中所使用的部分混合 «丨可在整合壓縮器的階段間抽出和/或送返該階段。 實例 41 !251〇66 第1圖的實施例係以下列非限制性的實例作為舉例說 月B線1中的天然氣饋料係以每小時59,668 kgmole的流 速進行提供，並在27°C與60·3 bara (6.03 MPaa)下具有 3·9〇莫耳％氮氣、87.03%甲烷、5·50%乙烷、2〇2%丙烧 及1.55%C4與較重碳氫化物（Co)的組成物。該饋料已在 入口端預處理部位（未表示於圖式中）進行淨化與烘乾， 以移除諸如二氧化碳與硫化氫的酸性氣體及諸如汞的其他 巧染物。管線1中的天然氣饋料進入第一熱交換器部位3， 並使用數個階段的丙烷冷凍作用而預冷卻至q8t：。管線5 中的預冷卻天然氣饋料流束進入淨化柱7，該饋料的較重 成分（丙烷與較重的碳氫化物）係於該淨化柱7内移除， 以避免在液化製程中發生冷凝。淨化柱具有懸空凝結器9， 其中該懸空凝結器9亦使用丙烷冷凍，以提供回流至淨化 柱。來自淨化柱的底部製品係穿經管線11輸送至分顧部位 1 3 ’其中戊烷與重成分係分離並回收於管線1 5中。流束 1 7中的較輕液體成分則與淨化柱的懸空蒸氣製品結合而形 成純化的天然氣流束於管線19中。 管線19中的純化天然氣流束具有每小時57,274 kgmole 的流速，並在-32.9°C 與 5 8·0 bara ( 5.80 MPaa)下具有 3.95 莫耳％氮氣、87·74%曱烷、5.31%乙烷、2·04%丙烷及0.96 % C4與較重碳氫化物的組成物。藉由加溫並蒸發由管線23 所提供的低壓混合冷凍劑，該流束便於混合冷凍劑熱交換 器21中進一步冷卻至-Π9.7°C的溫度並凝結。管線25中的 實質液化天然氣流束（在本實例中為完全液化）係於冷卻 42 1251066 氣體膨脹熱交換器27中過冷至-15〇.2°C的溫度。在熱交換 器27中進行冷卻的冷凍作用係由來自膨脹器31之管線29 中的冷作功膨脹氮氣冷凍劑流束所提供。其次，管線33中 的過冷LNG流束係穿過閥門35,而以絕熱方式獲得ιΐ7 bara (0.117 MPaa)的壓力。將_162·3χ：之管線37中的低 壓LNG /;IL束輸送至分離态3 9，並穿經管線41將LNG製品 流束抽出至儲存槽。管線43中的輕閃氣流束可加溫並壓縮 至足以作為LNG廠之燃料氣體或其他用途的壓力。 本實例中之用於冷卻與液化天然氣饋料流束丨的冷凍 作用係由丙烷冷凍劑回路與混合冷凍劑冷凍回路所提供。 管線50中的高壓混合冷凍劑係使用數個階段的丙烷冷凍 劑而在熱交換器部位51中進行預冷卻與完全凝結，其中該 管線50中的高壓混合冷;東劑具有每小時51，2〇〇_士的 々比速，並在 36.5 C 與 61.6 bara ( 6.16 MPaa)下具有 36 92 莫耳％甲燒、54.63%乙燒及8·45%丙燒的組成物。管線53 中的預冷卻混合冷凍劑流束進入_33它與58·9 “η ( 589 MPaa)的混合冷凍劑熱交換器21。 混合冷凍劑係於熱交換器21中過冷至_12〇t的溫度， 並自管線55離開。該過冷混合冷康劑係穿經閥門57而以 絕熱方式獲得與4.2 bara ( 〇 42 Mpa〇，並穿經管 線23而流至熱交換器21的冷卻端。管線η内的低壓混合 _流束係於熱交換器21中加溫並蒸發，以及離開成為 管線45中之_345Τ盘Λ 34·5ϋ ” 3.6bara(0.36MPaa)的加溫混合冷 珠劑流束。管線45中的加溫低難合冷耗流束係於多段 43 1251066 式中間冷卻混合冷凍劑壓縮器47中壓縮至61·6 bara ( 6.16 MPaa)，並冷卻至室溫以進行循環。 管線25中之液化天然氣的過冷係使用具有複數個膨脹 ’ 器的氣體膨脹冷凍系統（使用氮氣作為工作流體）來完成。 管線59中之每小時82，109 kgmole流速、36_5°C溫度與75.9 bara ( 7.5 9 MPaa)壓力的高壓氮氣係分隔成二個部分。管 線61中之每小時69,347 kgmole的較大高壓氮氣部分係進 入加溫氮氣熱交換器63並冷卻至-107·7°C。管線65中之冷 馨 卻鬲壓氮氣流束係於冷卻膨脹器3 1中作功膨脹至-15 2.4 °C 與23·7 bara ( 2.3 7 MPaa)。管線29中的冷作功膨脹氮氣流 束（在本實例中完全為蒸氣）係於冷氮氣熱交換器27中加 溫’並在-121·9。C抽出，以提供將管線25中的LNG過冷所 需的冷凍作用。管線69中之每小時12,762 kgm〇le的較小 尚壓氮氣流束係使用數個階段的丙烷冷凍劑而在熱交換器 部位71中預冷卻至_33；rc。其次，管線73中的預冷卻高 壓氮氣流束係於加溫膨脹器75中作功膨脹至_96。(：與23.4 _ bara (2.34 MPaa)。管線77中的作功膨脹氮氣流束係與來 自冷卻熱交換器27之管線67中的加溫氮氣流束結合，並 在118.1 C下穿經管線79而流動至加溫熱交換器63。管線 79中的組合氮氣流束係於加溫熱交換器63中加溫，且管 、 已抽出的冷凍劑係於多段式中間冷卻氮氣壓縮器 63中昼縮至75.9bara( 7 59 MPaa)，並冷卻回室溫而用於 進行循環。 、、力用於在加溫氮氣熱交換器63中加溫之管線77中 44 1251066 =量膨錢氣流束係將熱交…的冷卻曲線維持 。罪理想狀悲，亦即該流體的加溫與冷卻曲線在整個過 #中白被此# # ’因而提高製程效率。其無須提供蒸發混 合冷凍劑的平衡流束來加溫氣體膨脹熱交換器63或：卻 混合冷來劑熱交換器21中之管線73内的部分高壓冷：劑 氣體’以獲得更為平行的冷料線。本發明的實例及參考 第1-5圖與第7，8圖的前揭實施例係舉例說明第一冷凍系 統與氣體膨脹冷凍系統的獨立作業。 7 ’、 W式之簡單說明 下列說明係僅作為舉例並參考目前本發明較佳實施例 的附圖。在該圖式中·· 第1圖為根據本發明實施例之使用具有類似壓力排出 机束之二個氣體膨脹器的氣體液化製程的示意流程圖； 第2圖為根據本發明另一個實施例之使用具有類似壓 力排出流束之二個氣體膨脹器的氣體液化製程的示意流程 圖； ’ 第3圖為根據本發明另一個實施例之使用具有不同壓 力排出流束之二個氣體膨脹器的氣體液化製程的示意流程 圖； 第4圖為根據本發明另一個實施例之使用具有類似壓 力排出流束之二個氣體膨脹器的氣體液化製程的示意流程 圖； 第5圖為根據本發明另一個實施例之使用具有不同壓 45 1251066 力排出流束之二個氣體膨脹器的氣體液化製程的示意流程 圖； 第6圖為根據本發明另一個實施例之使用具有類似壓 力排出流束及平衡冷凍流束之二個氣體膨脹器的氣體液化 製程的示意流程圖； 第7圖為根據本發明另一個實施例之使用具有類似壓 力排出流束及平衡冷凍流束之二個氣體膨脹器的氣體液化 製程的示意流程圖·， 第8圖為根據本發明另一個實施例之使用具有不同壓 力排出流束之二個氣體膨脹器的氣體液化製程的示意流程 圖；以及 第9圖為根據本發明另一個實施例之使用單一氣體膨 脹器與二個蒸氣再壓縮冷凍循環的氣體液化製程的示意流 程圖。 主要元件之符號說明
卜 η、15、17、19、23、25、29、33、37、4卜 43、45、50、53、55、61、 65、67、69、73、77、79、81、2(Η、205、207、301、306、405、501、505、 509、515、517、519、603、605、609、615、619、703、707、709、713、 719、803、8η、815、819、823、901、909、911·.管線；3、5卜 71..熱交換 器部位；5··饋料流束；7··淨化柱；9..凝結器；13..分餾部位；2卜27、63、 303、4(U、503、511、601、7(Η、705、809、817、903··熱交換器；3卜 75、 203、403、513、617、7U、717、813、821··膨脹器；35··節流閥；39··儲存 槽；47、83、209、305、507、613、8(U、913•.壓縮器；49、805··冷卻器； 57、907··閥門；59、407、710、807、825、827.·氮氣流束；307··抽出流束； 607··橫向閥；611、905·.冷凍劑流束 46

Claims (1)

1251·: 1251·: (2005年11月修正) 〔:修D正本! 外-.β .，· j *< tf·- ·<· τ*ύ» t .-· · rrxiyrTrff^jr 、申請專利範園： 1 · 一種氣體液化方法，包含有： ，（a)藉由與第一冷康系統所提供的一個_多個冷束劑 流束進行間接熱交換，便可在第—熱交換區内冷卻饋料氣 體；並：該第-熱交換區抽出經實質液化的饋料流束（亦 即’當藉由調整至大氣壓力而以絕熱方式進行膨服時，該 流束具有025至1 ·〇之間的液體比率）；
(b )藉由與第二冷凍系統所提供的一個或多個作功膨 脹冷;東劑流束進行間接熱交換，便可在第：熱交換區内進 -步冷卻該經實質液化的流束；纟由該第二熱交換區抽出 經進一步冷卻之實質液化的饋料流束； (C)，個或多個經冷卻的壓縮氣態冷;東劑流束係於該 第二冷凍系統中進行作功膨脹，以提供該一個或多個作功 膨脹冷凍劑流束中的至少一個於該第二熱交換區内，其中 該第二冷凍系統的作業包含有的步驟為：
(1)壓縮一個或多個冷凍劑氣體，以提供壓縮氣態冷 凍劑流束； (2 )藉由與一個或多個作功膨脹冷凍劑流束的間接熱 交換，便可在第二熱交換區中冷卻所有或部分的壓縮氣態 冷凍劑流束，以提供冷卻的壓縮氣態冷凍劑流束；以及 (3)將該冷卻的壓縮氣態冷凍劑流束作功膨脹，以提 供該一個或多個作功膨脹冷凍劑流束之一於該第二熱交換 區中； 以及，該第二熱交換區中之作功膨脹冷凍劑流束的流 47 1251066 (2005年11月修正) 速係小於該第三熱交換區中之一個或多個作功膨脹冷束劑 流束的總流速。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中在該第三熱交換 區中提供冷卻負載的該一個或多個作功膨脹冷凍劑流束之 一係於該第二熱交換區中冷卻負載後便在該第二熱交換區 中包含有該一個或多個作功膨脹冷凍劑流束之一，且該二 個或多個膨脹冷卻壓縮冷凍劑流束的第二個則提供冷卻負 載於至少該第三熱交換區中。 3 ·如申哨專利範圍第2項之方法，其中該二個或多個膨 脹冷卻壓縮冷凍劑流束的第二個亦提供冷卻負載於該第二 熱交換區中。 4.如申請專利範圍第3項之方法，其中該二個或多個膨 脹冷卻壓縮冷凍劑流束的第二個係於該第二熱交換區的中 溫位置與該一個或多個作功膨脹冷凍劑流束的該一個結 合。 、5:如申請專利範圍第2項之方法，其中該二個或多個膨 脹冷卻壓縮冷凍劑流束的第二個係提供冷卻負載於該第三 熱交換區中，但並未提供於該第二熱交換區中。 6.如申請專利範圍第5項之方法，其中該二個或多個膨 脹冷卻壓縮〜東劑流束的第二個係於第二與第三熱交換區 間的位置與該一個或多個作功膨脹冷凍劑流束的該一個結 合。 、、口 7·如申請專利範圍第！項之方法，其中該壓縮冷凍劑氣 體的第-部分係於該第三熱交換區中進行冷卻，且該壓縮 48 1251066 (20〇5年11月修正） 冷㈣氣體的第二部分係於該第三熱交換區中進行冷卻、 t脹。加/皿’以提供用於冷卻該壓縮冷凍劑氣體之第 一部分的冷凍作用於其中。 如申#專利乾圍第i項之方法，其中該壓縮冷柬劑氣 體係於該第一熱父換區中進行冷卻及作功膨脹，以提供第 作功膨脹冷4劑；該第_作功膨脹冷束劑係分隔成第一 與第二冷卻冷柬劑；該第一冷卻冷象劑係於該第三熱交換 £中加溫’以提供用於冷卻該壓縮冷；東劑氣體的冷柬作用 t其中；該第二冷卻冷;東劑係、進-步冷卻並作功膨脹，以 提供第二作功膨脹冷束劑；以及該第二作功膨脹冷柬劑係 於。亥第一熱乂換區中加溫，以提供用於冷卻來自該第一熱 交換區之實質液化流束的冷凍作用於其中。 如申明專利範圍第i項之方法，其中該壓縮冷柬劑氣 體的第Θ部分係於該第三熱交換區中進行冷卻及作功膨 服:以提供第-作功膨脹冷束劑；該壓縮冷來劑氣體的第 15刀係藉由與第二》;東系統所提供之蒸發冷;東劑的間接 I又換而進行冷部並作功膨脹，以提供第二作功膨服冷;東 、/第與第一作功膨脹冷束劑係於該第二熱交換 區中加溫，以提供用於冷卻來自該第一熱交換區：：實質 液化流束的冷凍作用於其中。 10·如巾請專利範圍第lJ：M之方法，其中該壓縮冷束劑 氣體係於該第三熱交換區中進行冷卻，以提供冷卻的壓縮 冷柬心體，其中部分的該冷卻壓縮冷涞劑氣體係於該第 -熱交換區中進行作功膨脹與加溫，以提供用於冷卻來自 49 1251066 (2005年11月修正) 該第一熱交換區之實質液化流束的冷凍作用於其中。/ 11 ·如申請專利範圍第i項之方法，复 /、T 5¾弟二冷；東系 統係以下列方法進行作業，該方法包含有： ⑷壓縮第-冷束劑氣體’以提供該壓縮冷柬劑氣 體；並將該壓縮冷凍劑氣體分隔成第一與第二壓縮冷凍劑； (e) 在該第三熱交換區中冷卻該第—壓縮冷柬劑，以 提供第一冷卻壓縮冷;東劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 作功膨脹，以提供冷作功膨脹冷;東劑；㈣第二熱交換= 中加溫該冷作功膨脹冷凍劑，以提供用於冷卻該冷卻饋^ 流束於其中的冷象作用；以及由此抽出中間冷;東劑； (f) 藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第二壓 縮冷凍劑’ W提供第二冷卻壓縮冷凍劑；冑該第二冷卻壓 縮冷凍劑進行作功膨脹，以提供作功膨脹第二冷凍劑·，以 及將該作功膨脹第二冷凍劑與該中間冷凍劑結合，以提供 組合中間冷凍劑；以及 (g) 在該第三熱交換區中加溫該組合中間冷凍劑，以 提供用於冷卻該第一壓縮冷柬劑於其中的冷束作用；以及 由此抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷凍劑氣體。 12·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該第二冷凍系 統係以下列方法進行作業，該方法包含有： (d)壓縮第一冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體； (e )在該第三熱交換區中冷卻該壓縮冷凍劑氣體，以 提供冷卻壓縮冷凍劑；並將該冷卻壓縮冷凍劑分隔成第一 與苐一冷卻壓縮冷;東劑； 50 1251066 (2005年11月修正） (f) 在該第三熱交換區中進一步冷卻該第一冷卻壓縮 冷凍劑，以提供第一進一步冷卻的冷凍劑； (g) 將該第一進一步冷卻的冷;東劑進行作功膨服，以 提供作功膨脹第-冷束劑；並將該第二冷卻壓縮冷涞劑進 行作功膨脹，以提供作功膨脹第二冷凍劑； U)在該第二熱交換區中加溫該第—作功膨脹冷束劑 與該第二作功膨脹冷凍劑，以提供用於冷卻來自該第一熱 父換區之該實質液化流束的冷凍作用於其中；並由該第二 _ 熱交換區抽出組合中間冷凍劑；以及 (1 )在該第二熱交換區中加溫該組合中間冷凍劑，以 提供用於冷卻該第一壓縮冷凍劑於其中的冷凍作用；以及 由此抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷凍劑氣體。 13·如申請專利範圍第！項之方法，其中該第二冷来系 統係以下列方法進行作業，該方法包含有： (d) 在多段式冷凍劑壓縮器中壓縮第一冷凍劑氣體與 第二冷束劑氣冑，以提供壓縮冷束劑氣冑；並將該I縮冷 φ 凍劑氣體分隔成第一與第二壓縮冷凍劑； (e) 在該第三熱交換區中冷卻該第一壓縮冷凍劑，以 提供第一冷卻壓縮冷凍劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 作功膨脹，以提供具有第-個壓力的冷作功膨脹冷;東劑； 在该第二熱交換區中加溫該冷作功膨服冷康劑，以提供用 於冷卻來自該第一熱交換區之該實質液化流束的冷康作用 於其中’並由該第二熱交換區抽出中間冷凍劑； (f) 藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第二壓 51 1251066 (2005年u月修正) 縮冷束劑，以提供第二冷卻壓縮冷;東劑；將該第二冷卻壓 縮冷束劑進行作功膨脹，以提供作功膨脹第二冷束劑且 該作功膨脹第二冷，東劑具有大於該第一個壓力的第二個壓 力；將該第三熱交換區中的該作功膨脹第二冷凍劑加溫， 以提供用於冷卻該第縮冷滚劑於其中的冷♦作用·以
(g) 在該第三熱交換區中加溫該中間冷凍劑，以提供 用於冷卻該第-壓縮冷;東劑於其中的冷料用；以及由此 抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷凍劑氣體；以及 (h) 將該第一冷凍劑氣體輸入該多段式冷凍劑壓縮器 的第一階段，並將該第二冷;東劑氣體輪人該多段式冷束劑 壓縮器的中間階段。 14.如申請專利範圍第 統係以下列方法進行作業 1項之方法，其中該第二冷凍系 ，該方法包含有：
(d )壓縮冷;東劑氣體，以提供該壓縮冷;東劑氣體；並 將該壓縮冷;東劑氣體分隔成第—與第二壓縮冷凌劑； (e)在該第三熱交換區中冷卻該第_壓縮冷;東劑，以 提供第-冷卻壓縮冷㈣；並將㈣—冷卻壓縮冷柬劑進 订作功膨脹，以提供第一作功膨脹冷凍劑； ί )在該第二熱交換區中冷卻 'χ -I TP切妙服令 劑，以提供冷卻的第—作功膨脹冷;東劑；將該冷卻的 =力膨脹冷束劑進行作功膨脹，以提供冷卻作功膨服 e在/第…、父換區中加溫該冷卻作功膨脹冷凍劑 ^供用於冷卻來自該箆一初上 /第熱父換區之該實質液化流束 52 1251066 (2005年11月修正） 凍作用於其中·’並由該第二熱交換區抽出中間冷凍劑； (g)藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第二壓 縮冷凍劑’以提供第二冷卻壓縮冷凍劑；將該第二冷卻壓 縮冷床劑進行作功膨脹，以提供作功膨服第二冷束劑；以 及將該作功膨脹第二冷;東劑與該中間冷束劑結合，以提供 組合中間冷康劑；以及 (h )在該第二熱父換區中加溫該組合冷柬劑，以提供 用於冷卻該第-壓縮冷;東劑於其中的冷康作用；以及由此 抽出該第-冷凍劑氣體。 · 如申請專利範圍第1JS之方法，其中該第二冷凍系 統係以下列方法進行作業，該方法包含有： * ( d )在多段式冷凍劑壓縮器中壓縮第一冷凍劑氣體與 第二冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體； (e )在該第三熱交換區中冷卻該壓縮冷；東劑氣體，以 提供第一冷卻壓縮冷凍劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 作功膨脹，以提供具有第一個麼力的第一冷作功膨服冷滚% 劑；並將該第一冷作功膨脹冷凍劑分隔成第一與第二冷凍 劑； (G在該第三熱交換區中加溫該第一冷凍劑，以提供 用於冷卻該第一壓縮冷凍劑於其中的冷凍作用；並由此抽 出加溫冷凍劑，以提供該第二冷凍劑氣體； (g )將該第二熱交換區中的該第二冷凍劑進行冷卻， 以提供第二冷卻壓縮冷凍劑；將該第二冷卻壓縮冷凍劑進 行作功膨脹，以提供第二作功膨脹冷凍劑，且該第二作功 53 1251066 (2005年11月修正） 膨脹冷束劑具有小於該第—個壓力的第二個壓力； U)在該第二熱交換區中加溫該第二作功膨服冷凍 劑、，以提供用於冷卻來自該第一熱交換區之實質液化流束 的冷束作用於其中’並提供用於冷卻該第三熱交換區中之 該第-壓縮冷來劑的冷;東作用；並由此抽出加溫冷東劑， 以知:供該第一冷凍劑氣體；以及 (i)將該第一冷凍劑氣體輸入該多段式冷凍劑壓縮器 的第一階段，並將該第二冷;東劑氣體輸入該多段式冷来劑# 壓縮器的中間階段。 16·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該第二冷凍系 統係以下列方法進行作業，該方法包含有： (d)壓縮冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體；並 — 將該壓Ιί§冷束劑氣體分隔成第一與第二壓縮冷來劑； (e )在該第三熱交換區中冷卻該第一壓縮冷凍劑，以 提供第一冷卻壓縮冷凍劑；將該第一冷卻壓縮冷凍劑進行 作功膨脹，以提供冷作功膨脹第一冷凍劑；在該第二熱交 _ 換區中加溫該冷作功膨脹第一冷凍劑，以提供用於冷卻來 自"亥第一熱父換區之實質液化流束的冷凍作用於其中；以 及在該第二熱交換區中形成部分加溫冷凍劑； (f)藉由與蒸發冷凍劑的間接熱交換而冷卻該第二壓 縮冷凍劑，以提供中間冷卻冷凍劑；在該第三熱交換區中 將該中間冷卻冷凍劑進行冷卻，以提供冷卻第二壓縮冷凍 劑’以及將該第二冷卻壓縮冷凍劑進行作功膨脹，以提供 作功膨脹第二冷凍劑； 54 1251066 (2005年11月修正） (g )結合冷作功膨脹第二冷凍劑與部分加溫冷凍劑， 以提供組合中間冷凍劑；在該第二熱交換區中加溫該組合 中間冷凍劑，以提供用於冷卻來自該第一熱交換區之實質 液化流束的附加冷凍作用於其中；並由該第二熱交換區中 抽出部分加溫冷凍劑；以及 (h )在該第三熱交換區中加溫該部分加溫冷凍劑，以 提供用於冷卻該第一壓縮冷凍劑與第二壓縮冷凍劑於其中 的冷凍作用；以及由此抽出加溫冷凍劑，以提供該第一冷 _ 凍劑氣體。 17·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該第二冷凍系 統係以下列方法進行作業，該方法包含有： (d) 在多段式冷凍劑壓縮器中壓縮第一冷凍劑氣體與 第二冷凍劑氣體，以提供該壓縮冷凍劑氣體； (e) 在該第三熱交換區中冷卻該壓縮冷凍劑氣體，以 提供冷卻壓縮冷凍劑；並將該冷卻壓縮冷凍劑分隔成第一 與第二冷卻冷凍劑； 籲 (f) 將該第一冷卻冷凍劑進行作功膨脹，以提供具有 第一個壓力的第一作功膨脹冷凍劑；在該第二熱交換區中 加溫該第一作功膨脹冷凍劑，以提供用於冷卻來自該第一 熱父換區之該實質液化流束的冷康作用於其中，並提供用 於冷部第三熱交換區中之該第一壓縮冷凍劑的冷凍作用； 以及由此抽出加溫冷凍劑，以提供該第二冷凍劑氣體； (g )將該第二熱交換區中的該第二冷卻冷凍劑進行冷 卻，以提供第二冷卻壓縮冷凍劑；將該第二冷卻壓縮冷柬 55 1251066 杰 （2005年11月修正) 仃作功膨脹’以提供第二作功膨脹冷柬劑，且該第二 作力膨脹冷凍劑具有小於該第一個壓力的第二個壓力； U)加溫該第二作功膨脹冷凍劑，以提供用於將該第 -熱交換區中的冷卻饋料流束進行冷卻的冷料用，並提 :用於冷卻該第三熱交換區中之該第一壓縮冷束劑的冷束 用’並由此抽出加溫冷凍劑’以提供該第一冷凍劑氣體; 以及 ⑴㈣第-冷;東劑氣體輸人該多段式冷束劑壓縮器 =第-階段，並將該第二冷;東劑氣體輸人該多段式冷束劑 壓縮器的中間階段。 18·—種氣體液化方法，包含有： ⑴藉由與提供於第，系統中的一個或多個冷珠 :的間接熱交換而冷卻第一熱交換區中的饋料氣體，藉此 提供冷卻實質液化饋料流束；以及 (b)藉由與第二冷;東系、統所提供之作功膨脹冷束劑的 間接熱交換而進—步冷卻該冷卻實質液化镇料流束，並由 该第二熱交換區抽出進-步冷卻的實質液化流束，其中該 第二冷凍系統之作業所包含有的步驟為： 、^ (1) 壓縮冷凍劑氣體，以提供壓縮冷凍劑氣體； (2) 冷卻該壓縮冷;東劑氣體，以提供冷卻壓縮冷减劑； (3) 將冷卻壓縮冷;東劑氣體進行作功膨脹，以提供冷 作功膨脹冷凍劑； ^ 丹T用於冷卻
π W乳菔的冷凍作用部分 由在第三熱交換區中之與來自該第二熱交換區的作女 56 1251066 冷束劑進行交換且 月修正〕 供的平衡冷凌作用來提供；由㈣―冷珠系統所提 其特徵在於藉由冷卻 而提供附加的作功膨脹部分的該壓縮冷康劑 $凍背，亚使用該附加的作功膨脹 冷束劑而提供附加的冷凌作用乍力知脹 政&』、系第二熱父換區，便得以 降低或消除對於平衡冷凍作用的需要。 卜Λ9·如中請專利範圍第1至18項中任—項之方法，其令 中。 饋枓抓束的冷卻並未發生於第三熱交換區 :如申請專利範圍第】至18項中任一項之方法 在該第三熱交換區1:ΙΓ編束的流速係小於 、 μ之個或多個作功膨脹冷凍劑流 束的總流速。 7术則机 .如申請專利範圍第項中任一項 该第-冷康系統的作業獨立於第二冷束系統。 -中 22.如申請專利範圍第m項中任一項之方法 δ玄第一熱交換區中之餹粗 十4孔體的冷卻係藉由包含有下列+ 驟的方法而完成，其中該步驟為： 夕 U)壓縮並冷卻含有一個或多個成分 以提供冷卻或至少部分凝結的冷柬劑； 體 U)降低該冷卻或至少部分凝結之冷柬劑的壓 =蒸發冷束劑；以及藉由與該第一熱交換區中之 冷柬劑的間接熱交換而冷卻該饋料氣體，以提供：’二 實質液化流束與該冷凍劑氣體。 、^ 57 1251065 23. 如申請專利範圍第！至18項中任1 (細年11月修正 該饋料氣體係藉由與蒸發冷凍 之方法’其中 熱交換區之前進行冷卻。 接《換，而在第一 24. 如申請專利範圍第22項之方法其中至少泣八 ^ )中的冷;東#丨氣體冷料藉由與蒸發冷㈣的H刀之 換而提供。 』段…又 25. M請專利範圍第u18項中任—項之方法，其更 匕含有錯由將提供於該第一冷凍系統中之部分的 多個冷殊劑進行加温，便可提供附加冷; 東作用 ：： 交換區。 —…、 26. 如申請專利範圍第4 18項中任—項之方法 包含有藉由將提供於該第二冷束系統中之部分的中間：卻 冷凍劑進仃加溫，便可提供附加冷凍作 區。該第—熱交換 27·如申請專利範圍第1至18項中一 7心万法，其中 該饋料氣體包含有天然氣。 、 2 8.如申請專利範圍第1至18項中任一項之方去 提供於该第一冷凍系統中的該一個或多個冷凍劑係選自'由 氮、含有一個或多個碳原子之碳氫化物及含有一 ^ 1固或多個 碳原子之碳函化物所組成之族群。 29·如申請專利範圍第1至18項中任一項之方 ^ 5其中 該第二冷凍系統中的該冷凍劑氣體可包含有選自由氮、 氬、曱烷、乙烷及丙烷所組成之族群的一個或多個成八 3〇·—種氣體液化系統，包含有·· 58 1251066 (2005年11月修正) (a)第一冷束系統與第-熱交換構件，其用於與該第 -冷束系統所提供的一個或多個冷象劑進行間接熱交換而 冷卻饋料氣體，以提供實質液化饋料流束·， (b )第二冷凍系統盘篦—勒上 弟一"、、父換構件，其用於與該第 二冷凍系統所提供的一個或多個 飞夕個冷作功膨脹冷凍劑進行間 接熱交換而進一步冷卻該實質液 貝汉化饋枓流束，以提供進一 步冷卻的實質液化流束； (C)氣體壓縮構件及第三執 甘祕广 又換構件，其中該氣體壓 縮構件用於愿縮一個或多個冷爽逾 _ u果劑乳體流束，且該第三熱 父換構件用於冷卻該第二A ;金金 弟令凍系統中的一個或多個壓縮冷 凍劑氣體流束； (d)二個或多個膨脹並 ^其用於將該第二冷凍系統中 的冷卻壓縮冷凍劑氣體流束進 π疋玎功膨脹，以提供二個戋 多個冷作功膨脹冷凍劑流束；以及 (〇管體構件，其用於將該二個或多個冷作功膨脹冷 、刎机束t冑送至該第二熱交換構件，並將該二個或多 個冷作功膨脹冷凌劑流束之另一個傳送至該第二或第三敎 交換構件。 Μ 31‘如中請__第3〇項之系統，具有用於進行 請專利範圍第2至26項中任—項之方法的元件。 59
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