TWI641789B - 使用液化天然氣製造液化氮氣之系統與方法 - Google Patents

使用液化天然氣製造液化氮氣之系統與方法 Download PDF

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Abstract

文中描述使用液化天然氣(LNG)作為冷凍劑以製造液化氮(LIN)之系統和方法。該LIN可藉至少一個氮氣物流與至少兩個LNG流在該等LNG流處於不同壓力的至少一個熱交換器內間接熱交換而製得。

Description

使用液化天然氣製造液化氮氣之系統與方法 相關申請案之交互參照
此申請案主張2015年7月10日提出申請之標題為SYSTEM AND METHODS FOR THE PRODUCTION OF LIQUEFIED NITROGEN GAS USING LIQUEFIED NATURAL GAS的美國專利申請案第62/191,130號之優先權利益，茲將該案全文以引用方式納入本文中。
本發明是有關使用液化天然氣製造液化氮氣之系統與方法。
液化天然氣(“LNG”)使得天然氣自大量供應天然氣的地點供應至對於天然氣有強烈須求的遠方地點。慣用的LNG循環包括：(a)初步處理天然氣來源以移除污染物，如水、硫化合物、和二氧化碳；(b)自天然氣分離一些重質烴氣體，如丙烷、丁烷、和戊烷，其中該分離可藉 各種可能的方法(包括自身冷凍、外部冷凍、或貧油等)進行；(c)天然氣於接近大氣壓和約-160℃冷凍形成液化天然氣；(d)LNG產物在船舶或油船中運送至銷售地點；和(e)LNG在再氣化設備中再增壓和再氣化至天然氣可分送至天然氣顧客的壓力。慣用LNG循環的步驟(c)基本上使用外部冷凍處理，該冷凍處理須使用通常藉會製造溫室氣體散逸的大型氣體渦輪驅動器供應電力之大型冷凍壓縮機。因此，基本上使得用於液化設備的大規模基礎設施到位需要大的投資成本。LNG循環的步驟(e)通常包括使用低溫泵將LNG再增壓至所須壓力及之後藉由與中間流體(如海水)熱交換，或藉由燃燒一部分的天然氣以蒸發LNG的方式將LNG再氣化成壓縮天然氣。
在不同地點製造的冷凍劑(如液化氮氣(“LIN”))，可用以將天然氣液化。例如，美國專利案第3,400,547號描述液態氮或液態空氣自銷售點運送至用以液化天然氣的現場點。LNG再在用於將液化氮或空氣運送至現場點之相同的低溫載體槽中運回銷售點。LNG的再氣化係在銷售點進行，於此處，來自再氣化程序的過冷被用於液化運送至現場點的氮或空氣。
但是，由於來自LNG之再氣化的天然氣必須處於較高壓力(如高於800psi)以引至氣體銷售管線中，所以製造LIN和將天然氣再增壓二者所須的總能量可能明顯高於使用慣用程序製造LNG所須的能量。因此，須開發自NG的再氣化程序製造LIN和高壓天然氣之能量更有效 的方法。
此外，美國專利案第3,400,547號之方法要求完整的LNG價值鏈之整合。即，必須整合LNG之製造，其中包括使用LIN作為冷凍劑、LIN運送至天然氣資源地點、LNG運送至再氣化地點、及使用來自LNG再氣化之可資利用的能量製造LIN。此價值鏈另述於美國專利申請案第2010/0319361號和第2010/0251763號。
使用LIN作為單一冷凍劑，在氣體來源點製造LNG要求LIN對LNG的比大於1：1。因此，在再氣化點製造LIN有利於LIN對LNG的比大於1：1，以確保只有使用LIN製得的LNG之後被用於液化所須量的氮。由於不需要來自額外製造源的LNG，所以在LNG設備和再氣化設備二者中之LIN對LNG的比相符使得LNG價值鏈的整合較容易。
GB專利申請公告第2,333,148號描述一種方法，其中，使用LNG的蒸發處理製造LIN，此處，所用LIN對LNG的比大於1.2：1。在GB公告第2,333,148號中，LNG被蒸發至接近大氣壓。因此，由於LNG進入氣體銷售管線必要的標準化壓力大於800psi，所以需要大量能量將天然氣壓縮至管線壓力。因此，需要有在蒸發之前，將LNG抽至較高壓力以使得所須的天然氣壓縮量最小化的方法。
GB專利案第1,376,678號及美國專利案第5,139,547號和第5,141,543號描述方法，其中在LNG的 蒸發處理之前，LNG先被加壓至管線運輸壓力。在這些揭示中，將LNG蒸發用於凝結氮氣且作為氮氣多階段壓縮至至少350psi的壓力的階段間冷卻劑。氮氣的階段間冷卻使用蒸發和溫熱該天然氣以造成氮氣冷壓縮，此顯著降低其壓縮能量。但是，在這些揭示中，所用LIN對LNG的比低於0.5：1，以此製造LIN和高壓天然氣。由於LIN對LNG比至少1：1為使用LIN作為單一冷凍劑製造LNG之基本要求，所以此低LIN對LNG比無法得到再氣化設備與LNG設備的點對點整合。
美國專利申請公告第2010/0319361號描述一種方法，其中來自多重製造源的LNG用於在一個製造點製造產製LNG所須的LIN。但是，此多重來源LNG價值鏈配置明顯使得LNG價值鏈複雜化。
因此，對於開發用於自LNG的再氣化製造LIN和高壓天然氣之能量有效的方法有須求存在。另需要能夠利用大於1：1，或更佳地大於1.2：1的LIN對LNG比之整合法。
其他背景參考資料包括GB專利案第1596330號、GB專利案第2172388號、美國專利案第3,878,689號、美國專利案第5,950,453號、美國專利案第7,143,606號、和PCT公告WO 2014/078092。
此處所提出的是製造液化氣體物流(如液化氮 氣物流)之方法。例如，該方法可包含在液體天然氣(LNG)再氣化設備中製造液化氮氣(LIN)物流之方法。一些具體實施例中，該方法可包含(a)提供氮氣物流；(b)提供至少兩個LNG物流，其中各LNG物流的壓力彼此無關且不同；(c)藉該氮氣物流與該LNG物流在至少一個熱交換器中之間接熱交換而液化該氮氣物流；(d)將該兩個LNG物流的至少一部分蒸發以製造至少兩個天然氣物流；和(e)將該兩個天然氣物流中之至少一者壓縮以形成壓縮天然氣。
101‧‧‧LNG物流
102‧‧‧中壓LNG物流
103‧‧‧第一LNG物流
104‧‧‧第二LNG物流
105‧‧‧減壓的LNG物流
106‧‧‧增壓的LNG物流
107‧‧‧經蒸發之減壓的LNG物流
108‧‧‧壓縮天然氣物流
109‧‧‧經蒸發之增壓的LNG物流
110‧‧‧高壓天然氣物流
111‧‧‧氮氣物流
112‧‧‧高壓氮氣物流
112a‧‧‧氮氣物流
112b‧‧‧氮氣物流
113‧‧‧高壓LIN物流
113a‧‧‧高壓LIN物流
113b‧‧‧高壓LIN物流
114‧‧‧次冷的高壓LIN物流
115‧‧‧減壓的LIN物流
116‧‧‧產物LIN物流
117‧‧‧急速氮氣物流
118‧‧‧急速氮氣物流
119‧‧‧循環的氮氣物流
120‧‧‧壓縮機
121‧‧‧第一熱交換器
122‧‧‧第二熱交換器
123‧‧‧泵
124‧‧‧閥
125‧‧‧壓縮機
126‧‧‧泵
127‧‧‧熱交換器
128‧‧‧二階段水力渦輪
129‧‧‧壓縮
201‧‧‧LNG物流
202‧‧‧中壓LNG物流
203‧‧‧第一LNG物流
204‧‧‧第二LNG物流
205‧‧‧減壓的LNG物流
206‧‧‧增壓的LNG物流
207‧‧‧經蒸發之減壓的LNG物流
208‧‧‧壓縮天然氣物流
209‧‧‧蒸發之增壓的LNG物流
210‧‧‧高壓天然氣物流
211‧‧‧氮氣物流
212‧‧‧氮氣物流
213‧‧‧高壓LIN物流
214‧‧‧次冷的高壓LIN物流
215‧‧‧減壓的LIN物流
216‧‧‧產物LIN物流
217‧‧‧急速氮氣物流
218‧‧‧溫熱的急速氮氣物流
219‧‧‧循環的氮氣物流
220‧‧‧壓縮機
221‧‧‧多物流熱交換器
223‧‧‧增壓
224‧‧‧閥
225‧‧‧壓縮機
226‧‧‧泵
227‧‧‧急速氣體交換器
228‧‧‧水力渦輪
229‧‧‧冷壓縮
301‧‧‧主要LNG物流
302‧‧‧中壓LNG物流
303‧‧‧第一LNG物流
304‧‧‧第二LNG物流
305‧‧‧第三LNG物流
306‧‧‧第四LNG物流
307‧‧‧第一減壓的LNG物流
308‧‧‧第二減壓的LNG物流
309‧‧‧第三減壓的LNG物流
310‧‧‧額外增壓的LNG物流
311‧‧‧第一蒸發之減壓的LNG物流
312‧‧‧第二蒸發之減壓的LNG物流
313‧‧‧第三蒸發之減壓的LNG物流
314‧‧‧壓縮天然氣物流
315‧‧‧額外增壓的LNG物流
316‧‧‧銷售氣體管線
317‧‧‧氮氣物流
318‧‧‧經居間冷卻的氮氣物流
319‧‧‧高壓氮氣物流
320‧‧‧氮氣物流
321‧‧‧高壓LIN物流
322‧‧‧經次冷的高壓LIN物流
323‧‧‧減壓的LIN物流
324‧‧‧產物LIN物流
325‧‧‧急速氮氣物流
326‧‧‧溫熱的急速氮氣物流
327‧‧‧循環的氮氣物流
328‧‧‧增壓
329‧‧‧閥
330‧‧‧閥
331‧‧‧閥
332‧‧‧泵
333‧‧‧多物流低溫熱交換器
334‧‧‧壓縮機
335‧‧‧額外增壓的LNG物流
336‧‧‧熱交換器
337‧‧‧熱交換器
338‧‧‧增壓壓縮機
339‧‧‧急速氣體交換器
340‧‧‧水力渦輪
341‧‧‧冷壓縮
圖1圖解說明一個系統，其中藉至少一個氮氣物流與LNG物流各者處於不同壓力的二或更多個LNG物流在至少兩個熱交換器中之間接熱交換製造用於管線運輸的LIN和加壓天然氣。
圖2圖解說明一個系統，其中藉氮氣物流和兩個處於不同壓力的LNG物流在單一多物流熱交換器中間接熱交換製造用於管線運輸的LIN和加壓天然氣。
圖3圖解說明一個系統，其中藉氮氣物流和四個處於不同壓力的LNG物流之間接熱交換製造用於管線運輸的LIN和加壓天然氣。
圖4出示圖3中的系統所用之氮氣物流的冷卻曲線和四個LNG物流的複合溫熱曲線之模型。
現將描述本發明的各種特定具體實施例和變體，包括較佳具體實施例和此處採用的定義。在以下詳述提供特定的較佳具體實施例的同時，嫻於此技術之人士將理解這些具體實施例僅為例示，且本發明可以其他方式實施。任何關於“本發明”的參考資料是指申請專利範圍界定之具體實施例的一或多者，但不必為全數。標題僅為便利之用且不限制本發明之範圍。
此處，詳述和申請專利範圍中的所有數值可藉“約”或“大約”該指定值修飾，且將嫻於此技術之人士預期的實驗誤差和變化列入考慮。
此處所用“自動冷凍”是指流體經由壓力降低而冷卻的程序。在液體的情況中，自動冷凍是指液體藉蒸發(此對應於壓力降低)而冷卻。更特定言之，在通過節流裝置的同時驅動壓力降低，液體的一部分閃蒸成蒸汽。結果，蒸汽和殘留液體冷卻至液體於該減低壓力的飽和溫度。例如，天然氣的自動冷凍可藉由使得天然氣維持於其沸點以使得天然氣在沸除期間內因熱損失而冷卻。亦將此程序稱為“閃蒸”。
此處所謂“壓縮機”是指藉功之施用而提高氣體壓力的設備。“壓縮機”或“冷凍壓縮機”包括能夠提高氣體物流壓力的任何單元、裝置、或設備。此包括在單一護罩或殼中具有單一壓縮程序或步驟的壓縮機、或具有多階段壓縮或步驟的壓縮機，或更特別地多階段壓縮機。待壓縮之蒸發的物流可以不同壓力供應至壓縮機。冷卻程序的 一些階段或步驟可含括並接、串接的二或更多個壓縮機、或此二者。本發明不限於一或多個壓縮機的排列或配置，特別是在任何冷凍線路中。
此處所謂“冷卻”是廣義地指降低和/或下降物質的溫度和/或內部能量，例如任何適當量。冷卻可包括溫度下降至少約1℃，至少約5℃，至少約10℃，至少約15℃，至少約25℃，至少約35℃，或至少約50℃，或至少約75℃，或至少約85℃，或至少約95℃，或至少約100℃。此冷卻可使用任何適當的散熱器，如蒸氣生成、熱水加熱、冷卻水、空氣、冷凍機、其他程序蒸氣(整合)、和其組合。可合併和/或串接一或多個冷卻源以達到所欲出口溫度。冷卻步驟可使用具任何適當裝置和/或設備的冷卻單元。根據一些具體實施例，冷卻可包括間接熱交換，如使用一或多個熱交換器。或者，冷卻可使用蒸發式(蒸發作用的熱)冷卻和/或直接熱交換，如液體直接噴入程序物流中。
此處所謂“膨脹裝置”是指一或多個適用於降低線路中的流體(例如，液體物流、蒸汽物流、或含有液體和蒸汽二者的多相物流)之壓力的裝置。除非特定陳述特別的膨脹裝置類型，否則膨脹裝置可為(1)至少部分藉等焓方式，或(2)可為至少部分藉等熵方式，或(3)可為等焓方式和等熵方式二者之組合。用於天然氣的等焓膨脹的適當裝置為此技術已知者且通常包括，但不限於，手動或自動，促動節流裝置，例如，閥、控制閥、Joule- Thomson(J-T)閥、或文丘理裝置(venturi devices)。用於天然氣的等熵膨脹的適當裝置為此技術已知者且通常包括設備，如自此膨脹取得或產生功的膨脹器或渦輪膨脹器。用於液體物流的等熵膨脹的適當裝置為此技術已知者且通常包括設備，如自此膨脹取得或產生功的膨脹器、水力膨脹器、液體渦輪、或渦輪膨脹器。等焓方式和等熵方式二者之組合的例子可為並接的Joule-Thomson閥和渦輪膨脹器，其提供單獨使用或同時使用J-T閥和渦輪膨脹器二者的能力。等焓或等熵膨脹可以全液相、全蒸汽相、或混合相中進行，且可實行以有助於自蒸汽物流或液體物流相轉變成多相物流(具有蒸汽和液相二者的物流)或與其初始相不同的單相物流。此處附圖的描述中，任何附圖中之超過一個膨脹裝置不須意味各膨脹裝置屬相同類型或尺寸。
所謂“氣體”可與“蒸汽”互換使用且定義為不同液或固態之氣態的物質或物質混合物。同樣地，“液體”是指不同於氣或固態之液態的物質或物質混合物。
“熱交換器”廣泛意味能夠將熱能源或冷能源自一個介質轉移至另一個介質(如介於至少兩個不同的流體之間)的任何裝置。熱交換器包括“直接熱交換器”和“間接熱交換器”。因此，熱交換器可為任何適當設計，如並流或逆流熱交換器、間接熱交換器(如螺旋纏繞型熱交換器或板鰭式熱交換器，如銅焊的鋁板鰭型熱交換器)、直接接觸熱交換器、殼-和-管熱交換器、螺旋型、U型、核型、核-和-鍋(core-and-kettle)型、雙重管型或任何已知其 他類型的熱交換器。“熱交換器”亦可以是指用以使得一或多個物流通過並影響介於冷凍劑的一或多個管線和一或多個進料物流之間的直接或間接熱交換的任何管柱、塔、單元或其他配置。
此處所謂“間接熱交換”是指’將兩個流體以流體彼此無任何物理接觸或混合的方式帶到熱交換關係。鍋中的核心型熱交換器和銅焊的鋁板鰭式熱交換器為促進間接熱交換之設備的例子。
此處所謂“天然氣”是指自原油井(伴產氣)得到的多組份氣體或自形成的地下燃氣(異源氣)得到的多組份氣體。天然氣的組成和壓力可以有很大的變化。典型的天然氣物流含有甲烷(C1)作為主要組份。天然氣物流亦可含有乙烷(C2)、較高分子量烴、和一或多種酸氣體。天然氣亦可含有次要量的污染物，如水、氮、硫化鐵、蠟、和原油。
此處所述者是系統和方法，其中藉至少一個氮氣物流與至少兩個處於不同壓力的LNG物流在至少一個熱交換器中之間接熱交換製得的LIN和天然氣處於夠高的壓力，使其適用於管線運輸(如800psi或更高)。一些具體實施例中，LIN和高壓天然氣係藉至少兩個氮氣物流與至少三、或至少四個LNG物流(其中各個LNG物流處於與其他LNH物流不同的壓力)在多物流熱交換器之間接熱交換器製得。
例如，單一LNG物流可經增壓，例如，藉由 使用一或多個泵，至中間壓力。此中間壓力LNG物流之後分流成至少兩個LNG物流。處於中間壓力的至少一個LNG物流經減壓，例如使用一或多個膨脹裝置，如閥、水力渦輪、或此技術已知的其他裝置。經減壓的LNG物流之後運送至至少一個熱交換器。至少一個LNG物流以一或多個泵再增壓至高於中間壓力的壓力，如壓力等於或高於天然氣銷售管線壓力。額外增壓的LNG物流之後被抽至至少一個熱交換器。此至少兩個LNG物流與至少一個氮氣物流在至少一個熱交換器中進行間接熱交換，藉此該氮氣物流經液化形成LIN。
在較佳的具體實施例中，單一LNG物流被引至系統。一些具體實施例中，進入系統的LNG物流處於高於14psia，或高於15psia的壓力。進入系統的此LNG物流可處於低於65psia，或低於55psia，或低於45psia，或低於35psia，或低於25psia，或低於20psia的壓力。例如，在一些具體實施例中，進入系統的此LNG物流可處於約14至約25psia，或約15至約25psia，或處於基本上用於運輸LNG的壓力，如約17psia。
此LNG物流之後使用一或多個泵增壓至中間壓力。此中間壓力可為高於50psia，或高於60psia，或高於70psia，或高於75psia的壓力。中間壓力可低於250psia，或低於200psia，或低於175psia，或低於150psia。一些具體實施例中，中間增壓的LNG物流的壓力可為50至200psia，或70至150psia，或75至100psia。
增壓的LNG物流之後分流成二或更多個物流。例如，增壓的LNG物流可分流成三或四個LNG物流。所有增壓的LNG物流，但一者除外，之後使用一或多個膨脹裝置(如閥、水力渦輪)或裝置之組合降低壓力，其中減低的壓力不同於其他減低的壓力。因此，在一個具體實施例中，增壓的LNG物流分流成三個LNG物流，該LNG物流中的二者使用一或多個閥減低至不同壓力且一個LNG物流未減低壓力或是維持於中間壓力。類似地，在增壓的LNG物流分流成四個LNG物流的具體實施例中，使用一或多個閥將三個LNG物流的壓力減低至不同的壓力且一個LNG物流未減低壓力或是維持於中間壓力。未減低壓力的LNG物流可維持於中間壓力，或可使用一或多個泵增壓至等於或高於天然氣銷售管線壓力，如高於800psia，或高於1200psia。
一個具體實施例中，增壓的LNG物流分流成至少四個物流，各物流的壓力彼此不同。例如，第一LNG物流的壓力可降至10psia至35psia，或15psia至30psia，或20psia至25psia的壓力。第二LNG物流的壓力可介於30至60psia，或35至55psia，或40至50psia之間。第三LNG物流的壓力可介於50psia和中間壓力之間，或50至100psia，或60至90psia，或65至80psia。第四LNG物流可維持於中間壓力或可使用一或多個泵增壓至等於或高於天然氣銷售管線壓力，如高於800psia，或高於900psia，或高於1000psia，或高於1100 psia，或高於1200psia。
減壓的LNG物流和額外增壓的LNG物流皆被抽至至少一個熱交換器，且在較佳具體實施例中，被抽至單一多物流低溫熱交換器。此LNG物流驅動與亦被抽至熱交換器的氮氣物流之間接熱交換。適當的熱交換器包括，但不限於，低溫熱交換器，其可包括銅焊的鋁型熱交換器、螺旋纏繞型熱交換器、和印刷電路型熱交換器。如此技術已知者，適當的熱交換器得以在防止介於LNG物流之間的間接熱交換或使其最小化的同時，進行LNG物流和氮氣物流之間的間接熱交換。此氮氣物流在熱交換中至少部分液化，使得低於20mol%，或低於15mol%，或低於10mol%，或低於7mol%，或低於5mol%，或低於3mol%，或低於2mol%，或低於1mol%，的物流留在蒸汽相中。
被抽至熱交換器的氮氣物流的壓力可高於200psia，或高於氮氣物流的臨界點壓力，或高於700psia，或高於800psia，或高於900psia，或高於1000psia，或高於1100psia，或高於1200psia。
氮氣物流組成物可為至少70%氮，或至少75%氮，或至少80%氮，或至少85%氮，或至少90%氮，或至少95%氮。此氮氣物流可包含其他氣體雜質，如空氣中發現的其他組份，如氧、氬和二氧化碳。
可選擇LNG物流進入多物流熱交換器的壓力、流率和熱交換器出口溫度，以使得氮氣物流的冷卻曲線 與LNG物流的溫熱曲線或複合溫熱曲線緊密相符。一些具體實施例，較佳地，額外增加的LNG物流之熱交換器出口溫度高於-150℃，或高於-140℃，或高於-130℃，或高於-120℃，或高於-115℃，或高於-110℃，或高於-105℃，或高於-100℃，或高於-75℃，或高於-50℃，或高於0℃，或高於20℃。一些具體實施例中，額外增壓的LNG物流的熱交換器出口溫度可為-150℃至20℃，或-140至0℃，或-130℃至-50℃，或-120℃至-75℃。一度蒸發之額外增壓的LNG物流可處於足以進入氣體銷售管線的壓力或被用於無須額外壓縮的再氣化設備中的壓力。較佳地，減壓的LNG物流的熱交換器出口溫度可低於-50℃，或低於-75℃，或低於-100℃，或低於-105℃，或低於-110℃，或低於-115℃。一些具體實施例中，減壓的LNG物流的熱交換器出口溫度是-50℃至-150℃，或-75℃至-125℃，或-80℃至-100℃。減壓的LNG物流可在至少一個熱交換器中完全或部分蒸發。
離開至少一個熱交換器之後，減壓的LNG物流可分離成其液體和氣體組份。減壓的LNG物流的液體組份可被抽至高於或等於額外增壓的LNG物流的壓力及之後循環回到至少一個熱交換器。減壓的LNG物流的氣體組份可在壓縮機中增壓至適合將壓縮氣體引至銷售氣體管線的壓力或至適用於再氣化設備中之壓縮氣體的壓力。通常較佳地，壓縮氣體可在分送氣體之前，與經蒸發之額外增壓的LNG物流的一些或全數混合。較佳具體實施例 中，減壓的LNG物流的熱交換器出口溫度夠低，足以使得氣體冷壓縮至適用壓力且在壓縮期間內不需要氣體的任何居間的冷卻處理。
一些具體實施例中，額外增壓的LNG物流的全數或一部分，在流經至少一個熱交換器之後，可被抽至至少一個第二熱交換器。或者，額外增壓的LNG物流的全數或部分繞行至少一個熱交換器且可直接被抽至至少一個第二熱交換器。此至少一個第二熱交換器可用於額外增壓的LNG物流與至少一個氮氣物流在氮氣物流的壓縮之前的間接熱交換。至少一個氮氣物流與額外增壓的LNG物流之冷卻可以發生於至少一個氮氣物流的一或多個壓縮階段之前。至少一個氮氣物流與額外增壓的LNG物流之冷卻可發生於氮氣物流的居間冷卻和/或後冷卻之後。如此技術已知者，氣體的居間冷卻和後冷卻可含括在藉由與環境間接熱交換而壓縮之後，自氣體移除熱。常使用來自環境的空氣或水移除熱。在至少一個氮氣物流壓縮之前，至少一個氮氣物流以額外增壓的LNG物流的全數或一部分加以冷卻，可以使得至少一個氮氣的壓縮的抽氣溫度低於0℃，或低於-10℃，或低於-20℃，或低於-30℃，或低於-40℃，或低於-50℃。至少一個氮氣物流的冷壓縮顯著降低壓縮該氣體的能量。
此處描述的程序具有藉由利用至少兩個LNG物流，將至少一個氮氣物流液化成至少一個LIN物流的優點，其中蒸汽化的LNG物流所須的壓縮明顯低於先前技 術。例如，GB專利申請案第2,333,148號揭示一種使用LNG的蒸發處理製造LIN之方法。GB專利申請案第2,333,148號的優點在於製造LIN所用之LIN對LNG的比大於1.2：1。但是GB專利申請案第2,333,148號的缺點在於單一LNG物流蒸發接近大氣壓。由於天然氣必須於高壓(高於800psi)用於氣體銷售管線，所以需要大量壓縮將天然氣增壓至管線壓力。此接近大氣壓天然氣物流的壓縮將大多含括使用多重壓縮階段和天然氣物流在各壓縮階段之後之大量的居間冷卻和後冷卻。此天然氣流之壓縮需要再氣化設備中之壓縮機和冷卻器的大量投資成本。其亦為大量能量的程序，此大多將抵消在氣化LNG以製造LIN中之利用可資利用的能量之任何熱力優點。不同於GB專利申請案第2,333,148號，此處描述的系統和方法僅須壓縮總LNG流量的一部分。本發明的一些具體實施例中，以總LNG流量計，減壓的LNG物流共計不超過20%，或不低於總LNG流量的15%，或低於總LNG流量的10%。本系統和方法的另一優點在於減壓的LNG物流氣體之壓縮可發生於低於-50℃的溫度。減壓的LNG物流氣體的冷壓縮顯著降低壓縮該氣體所須能量的量。
例如，具體實施例中，LNG物流分流成四個物流，以總LNG流量計，三個減壓的物流共計低於20%，或低於17%，或低於15%，或低於12%，或低於10%。一些具體實施例中，以總LNG流量計，最低壓力LNG物流共計低於5%，或低於4%，或低於3%，或低 於2%，或低於1%。一些具體實施例中，以總LNG流量計，第二最低壓LNG物流共計低於7%，或低於6%，或低於5%，或低於4%，或低於3%，或低於2%。一些具體實施例中，以總LNG流量計，第三最低壓LNG物流共計低於10%，或低於9%，或低於8%，或低於7%，或低於6%。一些具體實施例中，以總LNG流量計，最高壓LNG物流共計高於80%，或高於82%，或高於84%，或高於86%，或高於88%，或高於90%。
此系統和方法亦具有藉由利用至少兩個LNG物流液化至少一個氮氣物流以形成至少一個LIN物流的額外優點，其中總LIN對LNG的比大於1：1。例如，GB專利案第1,376,678號和美國專利案第5,139,547號和第5,141,543號揭示方法，其中在LNG的蒸發處理之前，LNG先被增壓至轉現運輸壓力。這些參考文獻中，蒸發LNG係用以凝結氮氣及作為介於氮氣多階段壓縮至至少高於350psi的壓力之居間冷卻器中的冷卻劑。使用蒸發和溫熱天然氣進行氮氣的居間冷卻，使得氮氣冷壓縮，此明顯降低其壓縮能量。這些參考文獻所有三者中所描述的方法和程序具有用於製造LIN和高壓天然氣之LIN對LNG比低於0.5：1的缺點。由於LIN對LNG比為1：1或更高為使用LIN作為單一冷凍劑製造LNG的基本要求，所以此低的LIN對LNG比無法達到再氣化設備和LNG設備的點至點整合。GB專利案第1,376,678號和美國專利案第5,139,547號和第5,141,543號中描述的再氣化設備中，除 了自LIN製造的LNG以外，須使用源自慣用的LNG設備的LNG。反之，此處描述的系統和方法具有使用LIN對LNG比大於1：1，以能量有效的方式製造LIN的優點。由於不需要來自慣用製造來源的LNG，所以在LNG設備和再氣化設備二者中之LIN對LNG比使得LNG價值鏈較易整合。此外，此系統和方法的某些具體實施例能夠使用一或多個蒸發LNG物流以在氮氣物流壓縮之前冷卻氮氣物流，以改良程序效率。
此處已描述系統和方法的各方面，本發明的其他特定具體實施例包括參照附圖描述的以下段落中所述者。在一些特徵僅特別參照一個附圖(如圖1、2或3)作描述的同時，彼等可等同地施用於其他附圖且可與其他附圖或前面的討論合併。
圖1圖解說明一個系統，其中藉至少一個氮氣物流與二或更多個LNG物流在該等LNG物流處於不同壓力的至少一個熱交換器中之間接熱交換製造用於管線運輸的LIN和加壓天然氣。氮氣物流111供應至系統。氮氣物流111包含氮氣且可含有低於1000ppm雜質，如氧，或低於750ppm，或低於500ppm，或低於250ppm，或低於200ppm，或低於150ppm，或低於100ppm，或低於75ppm，或低於50ppm，或低於25ppm，或低於20ppm，或低於15ppm，或低於10ppm，或低於5ppm雜質。氮氣物流111可由任何可資利用的來源提供，例如，其可由一般已知之用於自空氣分離氮氣的工業程序(如膜 分離、壓力變動吸附分離、或低溫空氣分離)提供。一些較佳的具體實施例中，氮氣物流111由低溫空氣分離系統供應。此系統較佳地的因素在於其能夠以高量(如，高於100 MSCFD)提供高純度氮氣物流(如，低於10ppm雜質，如O2)。氮氣物流111可於高於大氣壓，或高於25psia，或高於50psia，或高於75psia，或高於100psia，或高於125psia，或高於150psia，或高於200psia的壓力被供應至系統。
氮氣物流111可被運送或運輸，例如，抽送，至壓縮機120。壓縮機120將氮氣物流的壓力提高至高於200psia，或高於300psia，或高於400psia，或高於500psia，或高於600psia，或高於700psia，或高於800psia，或高於900psia，或高於1000psi的壓力。一些具體實施例中，壓縮機120將氮氣物流的壓力提高至高於氮氣物流之臨界點壓力的壓力。氮氣物流的壓縮可以單階段或多階段壓縮進行。一些具體實施例中，可使用超過一個壓縮機，其中壓縮機並接、串接、或二者。高壓氮氣物流112可於之後分流成兩個氮氣物流112a和112b，其之後被抽至第一熱交換器121和第二熱交換器122，於此處與蒸發LNG物流熱交換而被液化而形成高壓LIN物流113。
參照圖1，LNG物流101引至系統並加壓至中間壓力以形成中壓LNG物流102。LNG物流101可利用此技術已知的設備，例如泵123增壓。中壓LNG物流102被分流成少兩個LNG物流，第一LNG物流103和第 二LNG物流104。第一LNG物流103可藉流經一或多個閥124以減低壓力以形成減壓的LNG物流105。減壓的LNG物流105的壓力可低於800psia，或低於700psia，或低於600psia，或低於500psia，或低於400psia,or 300psia，或低於250psia，或低於200psia，或低於175psia，或低於150psia。減壓的LNG物流105的壓力可高於5psia，或高於10psia，或高於15psia，或高於20psia，或高於25psia。一些具體實施例中，減壓的LNG物流105的壓力可為約10psia至約300psia，或約15psia至200psia。減壓的LNG物流105之後被運送至第一熱交換器121，於此處，減壓的LNG物流105藉由與氮氣物流112a熱交換而蒸發。經蒸發之減壓的LNG物流107離開熱交換器121的出口溫度可低於-50℃，或低於-75℃，或低於-80℃，或低於-85℃，或低於-90℃，或低於-95℃，或低於-100℃。此經蒸發之減壓的LNG物流107可於之後在壓縮機125中被冷壓縮至高於800psia的壓力以形成壓縮天然氣物流108。經蒸發之減壓的LNG物流107之壓縮可以單階段或多階段壓縮進行。第二LNG物流104在泵126被抽取以製造增壓的LNG物流106。增壓的LNG物流106的壓力可高於800psia，或高於850psia，或高於900psia，或高於1000psia。增壓的LNG物流106之後被抽至第二熱交換器122，LNG物流於此處藉由與氮氣物流112b熱交換而蒸發。經蒸發之增壓的LNG物流109的出口溫度可高於-10℃，或高於0℃，或高於10℃， 或高於15℃，或高於20℃。經蒸發之增壓的LNG物流109可以與壓縮天然氣物流108合併形成適用於在氣體銷售管線中運輸的高壓天然氣物流110。
離開第一熱交換器121和第二熱交換器122的高壓LIN物流113a和113b可以合併成一個物流113且之後可在熱交換器127中進一步冷卻。一些具體實施例中，高壓LIN物流113a和113b各自引至熱交換器127中，而在其他具體實施例中，高壓LIN物流引入熱交換器之前，如圖1所示地合併。一些具體實施例中，高壓LIN物流113在急速氣體熱交換器127中經次冷處理以形成次冷的高壓LIN物流114。次冷的高壓LIN物流114可於之後使用二階段水力渦輪、單階段渦輪、閥、或此技術中一般已知的裝置減壓。較佳的具體實施例中，次冷的高壓LIN物流114以用於最後降壓階段的二階段水力渦輪128減壓。減壓的LIN物流115可於之後分離成蒸汽組份(急速氮氣物流117)和液體組份(產物LIN物流116)。急速氮氣物流117可於之後被送至急速氣體熱交換器127，其可於此處被用以經由間接熱交換而冷卻高壓LIN物流113。經溫熱的急速氮氣物流118可於之後被冷壓縮成循環的氮氣物流119。溫熱的急速氮氣物流之壓縮可以單階段或多階段壓縮129進行。之後，循環的氮氣物流119可在壓縮機120之氮氣物流壓縮階段之一之前與氮氣物流111混合。
圖2圖解說明一個具體實施例，其中使用單一個多物流熱交換器221。此具體實施例具有用於運輸 LNG物流和LIN物流所須的管線較少的優點。類似於圖1的系統，在圖2中，LNG物流201引至系統中並增壓223至中間壓力。中壓LNG物流202分流成第一LNG物流203和第二LNG物流204。第一LNG物流203可藉流經一或多個閥224而減壓以形成減壓的LNG物流205，其之後被引至多物流熱交換器221。離開多物流熱交換器221之經蒸發之減壓的LNG物流207可於之後在壓縮機225中冷壓縮至高於800psia的壓力以形成壓縮天然氣物流208。第二LNG物流204在泵226中被抽取以製造增壓的LNG物流206，其被引至多物流熱交換器221，於此處，LNG物流藉由與氮氣物流212熱交換而蒸發。離開多物流熱交換器221之蒸發之增壓的LNG物流209可與壓縮天然氣物流208合併形成高壓天然氣物流210，其適用於在氣體銷售管線中運輸。
類似於圖1，圖2亦顯示氮氣物流211進入系統且被被抽至壓縮機220。壓縮的高壓氮氣212進入多物流熱交換器221，其於此處藉由與蒸發的LNG物流熱交換而形成高壓LIN物流213。高壓LIN物流213可於之後在急速氣體交換器227中次冷卻以形成次冷的高壓LIN物流214。次冷的高壓LIN物流214可於之後減壓，如在二階段水力渦輪228中，以形成減壓的LIN物流215。減壓的LIN物流215可於之後分離成急速氮氣物流217和產物LIN物流216。急速氮氣物流217可於之後被送回急速氣體交換器227，其可於此處經由間接熱交換冷卻高壓LIN 物流213。溫熱的急速氮氣物流218可於之後被冷壓縮229成循環的氮氣物流219，其可於之後，於壓縮機220之氮氣物流壓縮階段之一之前與氮氣物流211混合。
圖3圖解說明一個系統，其中用於管線運輸的LIN和加壓天然氣係藉氮氣物流和四個處於不同壓力的LNG物流之間接熱交換製造。主要LNG物流301被增壓328至中間壓力以形成中壓LNG物流302。中壓LNG物流302可處於50至200psia，或60至175psia，或75至150psia的壓力。中壓LNG物流被分流成四個LNG物流，第一LNG物流303，第二LNG物流304，第三LNG物流305、和第四LNG物流306。第一、第二和第三LNG物流可以使用一或多個閥329、330、和331減壓以分別製造第一減壓的LNG物流307、第二減壓的LNG物流308、和第三減壓的LNG物流309。第一減壓的LNG物流307的壓力可介於15至30psia。第二減壓的LNG物流308的壓力可介於30至60psia。第三減壓的LNG物流309的壓力可介於50psia和中間壓力之間。第一、第二和第三減壓的LNG物流彼此不相干也不同。第四LNG物流306使用一或多個泵332增壓至可能高於800psia的壓力，或更可能，至可能高於900psia，或高於1000psia，或高於1100psia，或高於1200psia的壓力，以形成額外增壓的LNG物流(310)。此三個減壓的LNG物流307、308、和309及額外增壓的LNG物流310皆被抽至單一個多物流低溫熱交換器333。適當的低溫熱交換器包括，但 不限於、銅焊的鋁型熱交換器、螺旋纏繞型熱交換器、和印刷電路型熱交換器。如此技術已知者，適當類型的熱交換器可進行介於四個LNG物流307、308、309、和310與氮氣物流320之間的間接熱交換，同時防止或儘量減少介於LNG物流之間的間接熱交換。第一307、第二308、和第三309減壓的LNG物流分別以第一蒸發之減壓的LNG物流311、第二蒸發之減壓的LNG物流312、和第三蒸發之減壓的LNG物流313離開多物流低溫熱交換器333。可選擇減壓的LNG物流之壓力、流率和熱交換器出口溫度以使得熱交換器中的溫度和熱轉移曲線緊密相符。較佳地，蒸發之減壓的LNG物流的溫度可低於-50℃，或低於-60℃，或低於-70℃，或低於-80℃，或低於-90℃，低於-100℃。蒸發之減壓的LNG物流可在低溫熱交換器中完全或部分蒸發。離開熱交換器333之後，蒸發之減壓的LNG物流可分離成其液體和氣體組份。此蒸發之減壓的LNG物流的液體組份可被抽至等於或高於額外增壓的LNG物流的壓力，之後循環回到低溫熱交換器(為簡化，未示於圖3)。蒸發之減壓的LNG物流可在壓縮機334中增壓至適合將壓縮天然氣物流314引至銷售氣體管線316的壓力或至適合使得壓縮天然氣物流在再氣化設備中的壓力。適用於壓縮天然氣物流的壓力可高於800psia，或高於900psia，或高於1000psia，或高於1100psia，或可高於1200psia。此發明的較佳具體實施例中，蒸發之減壓的LNG物流的溫度夠低，以使得氣體冷壓縮至適用壓 力且不須在壓縮期間內進行氣體的居間冷卻。通常，較佳地，在氣體分送至氣體銷售管線或其他用戶之前，壓縮天然氣物流與一些或所有經蒸發之額外增壓的LNG物流315混合以形成高壓天然氣物流。
額外增壓的LNG物流310以物流335離開多物流低溫熱交換器333，其之後抽至至少一或二個熱交換器336和337以於氮氣物流冷卻曲線之較溫暖端進一步冷卻氮氣物流。可選擇額外增壓的LNG物流的壓力、流率和熱交換器出口溫度，以使得熱交換器中之溫度和熱轉移曲線緊密相符。較佳地，蒸發之額外增壓的LNG物流315的溫度可高於0℃，或高於10℃，或高於15℃，或高於20℃。
圖3出示進入系統的氮氣物流317。此氮氣物流可以與循環的氮氣物流327混合。氣體混合物，此處仍稱為氮氣物流，可於之後被抽至至少一個熱交換器337，於此處藉由與額外增壓的LNG物流335全數或一部分的間接熱交換而冷卻而形成經居間冷卻的氮氣物流318。在流經多物流低溫熱交換器之後，此額外增壓的LNG物流可被抽至少一個熱交換器，或者，在一些未示的具體實施例中，可繞行多物流低溫熱交換器並直接引熱交換器。一些具體實施例中，氮氣物流以額外增壓的LNG物流冷卻可發生於氮氣物流的一或多個壓縮階段之前。一些具體實施例中，氮氣物流以額外增壓的LNG物流冷卻可以在氮氣物流以環境冷卻之後進行。經居間冷卻的氮氣 物流的溫度低於0℃，或低於-10℃，或低於-20℃，或低於-30℃，或低於-40℃，或低於-50℃。經居間冷卻的氮氣物流的冷壓縮明顯減少該氣體的壓縮能量。圖3顯示經居間冷卻的氮氣物流318之後被抽至增壓壓縮機338以形成高壓氮氣物流319。高壓氮氣物流319的壓力是高於200psia，或高於氮氣物流的臨界點壓力，或高於1000psia的壓力。經居間冷卻的氮氣物流之壓縮可以單階段或多階段壓縮進行。高壓氮氣物流319可於之後被抽至至少一個熱交換器336，其於此處藉由與額外增壓的LNG物流335全數或一部分間接熱交換而冷卻而形成經後冷卻的氮氣物流320。一些具體實施例，高壓氮氣物流以額外增壓的LNG物流冷卻可發生於氮氣物流以環境冷卻之後。經後冷卻的氮氣物流320的溫度低於0℃，或低於-10℃，或低於-20℃，或低於-30℃，或低於-40℃，或低於-50℃。經後冷卻的氮氣物流320之後被抽至多物流低溫熱交換器333，於此處藉由與蒸發LNG物流307、308、309、和310之熱交換而被液化成高壓LIN物流321。
圖3中所示LIN物流321可在急速氣體交換器339中經進一步次冷。經次冷的高壓LIN物流322使用二階段水力渦輪、單階段水力渦輪、閥、或此技術中已知的其他常見裝置中之一或多者或組合減壓。本發明之較佳具體實施例中，經次冷的高壓LIN物流的最後減壓階段使用二階段水力渦輪340減壓。減壓的LIN物流323之後分離成蒸汽組份(急速氮氣物流325)和其液體組份(產物LIN 物流324)。急速氮氣物流被送至急速氣體交換器339，於此處經由間接熱交換而用於冷卻高壓LIN物流321。溫熱的急速氮氣物流326之後經冷壓縮341成循環的氮氣物流327。溫熱的急速氮氣物流之壓縮可以單階段或多階段壓縮進行。循環的氮氣物流327之後在氮氣物流的一個壓縮階段之前，與氮氣物流317混合。
實例
進行構造如圖3所示之系統的氮氣物流和LNG物流所展現的冷卻曲線模型之模擬。圖4出示使用圖3中的系統之氮氣物流401的冷卻曲線和四個LNG物流402的複合溫熱曲線。此模擬中，氮氣物流320於1295psia進入多物流熱交換器333。第一減壓的LNG物流307於22.4psia的壓力進入熱交換器並於-118℃的溫度離開熱交換器。第二減壓的LNG物流308於42.5psia的壓力進入熱交換器並於-118℃的溫度離開熱交換器。第三減壓的LNG物流309於74psia的壓力進入熱交換器並於-118℃的溫度離開熱交換器。額外增壓的LNG物流310於1230psi的壓力進入熱交換器並於-98.5℃的溫度離開熱交換器。第一、第二和第三減壓的LNG物流分別佔總LNG流量的0.93%、1.9%和5.23%。額外增壓的LNG物流佔LNG流量的其餘部分(91.94%)。此例子中，熱交換器經設計用於約2℃的最低溫。48.1MW的熱負載的記錄平均溫度差是2.884℃。如圖4中可見者，藉由改變壓力和 LNG在各物流中的量，四個LNG物流的複合溫熱曲線能夠估計氮氣物流的冷卻曲線。當形成LIN及再氣化LIN時，此得以有效地使用系統的能量。
已使用一組數字上限和一組數字下限描述某些具體實施例和特徵。應理解除非另外指出，否則含括自任何下限至任何上限的範圍。所有的數值是“約”或“大約”所指的值，並將嫻於此技術之人士將預期的實驗誤差和變數列入考慮。
茲將此申請案中所列所有專利案、試驗程序、和其他論文之與此申請案不一致的揭示及所揭示者被允許的所有權利全數列入參考。
在前述者針對本發明之具體實施例的同時，可以未背離其基本範圍地衍生出本發明的其他和進一步具體實施例，且其範圍由以下申請專利範圍界定。

Claims (10)

  1. 一種在液體天然氣(LNG)再氣化設備製造液化氮氣(LIN)物流之方法，包含：(a)提供氮氣物流；(b)提供液化天然氣(LNG)物流；(c)將該LNG物流分流成至少第一、第二、第三、和第四LNG物流；(d)降低該第一、第二、和第三LNG物流的壓力，使得該第一LNG物流的壓力是約10psia至約35psia，該第二LNG物流的壓力是約30至約60psia，而該第三LNG物流的壓力是約50至約100psia；(e)藉該氮氣物流與該第一、第二、第三、和第四LNG物流之間接熱交換而液化該氮氣物流以形成液化氮物流；(f)將該第一、第二、第三、和第四LNG物流的至少一部分蒸發以形成第一、第二、第三、和第四天然氣物流；(g)將該第一、第二、第三、或第四天然氣物流中之至少一者壓縮以形成壓縮天然氣物流。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(b)中提供的LNG物流係以約14psia至約25psia的壓力提供。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(c)之前，另包含將步驟(b)的LNG物流增壓到約50psia至約200psia的壓力。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中另包含將步驟(c)的第四LNG物流的壓力提高到高於800psia的壓力。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(e)中被引至該熱交換器的氮氣物流的壓力是大於1000psia的壓力。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一、第二、和第三天然氣物流於該熱交換器出口處的溫度是-120℃至-75℃。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第四天然氣物流於該熱交換器出口處的溫度是-80℃至-100℃。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一LNG物流的量低於總LNG流量的5%。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二LNG物流的量低於總LNG流量的7%。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第三LNG物流的量低於總LNG流量的10%。
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