專利名稱：具有多個膨脹器的混合氣體液化循環(huán)的制作方法
背景技術(shù)：
氣體液化是通過由一個或多個循環(huán)制冷系統(tǒng)提供的多股制冷劑流對原料氣流進行冷卻和冷凝而實現(xiàn)。通過不同的冷卻工藝循環(huán)，比如眾所周知的由三個不同的制冷劑回路提供制冷的階式循環(huán)，實現(xiàn)原料氣體的冷卻。在液化天然氣的過程中，例如，可以采用具有順次的甲烷、乙烯和丙烷循環(huán)的階式制冷系統(tǒng)，在三個不同溫度水平上制冷。另一種公知的制冷循環(huán)采用的是丙烷預(yù)冷卻的、混合制冷劑循環(huán)，其中多組分制冷劑混合物在選定的溫度范圍進行制冷。所述混合的制冷劑可以包含烴，比如甲烷、乙烷、丙烷和其它輕質(zhì)烴，還可以含有氮。在全世界的許多處于運行狀態(tài)的液化天然氣(LNG)工廠中，這種高效制冷系統(tǒng)的版本都得到了應(yīng)用。
另一種用于天然氣液化的制冷工藝采用了氣體膨脹循環(huán)，其中，制冷劑氣體比如氮氣被壓縮并用空氣或水冷卻到環(huán)境條件，然后通過和冷的低壓氮氣進行逆流換熱而進一步冷卻。隨后，所述冷卻的氮流通過渦輪膨脹器做功膨脹，生成所述冷的低壓氮氣，所述氮氣被用于冷卻所述天然氣原料以及所述壓縮的氮流。氮膨脹產(chǎn)生的功可用來驅(qū)動和所述膨脹器的軸相連的氮增壓壓縮機。在這種工藝中，所述冷的、膨脹的氮可用以在同一換熱器中液化天然氣并冷卻所述壓縮的氮氣。所述冷卻的壓縮的氮氣在做功膨脹步驟進一步冷卻，以提供所述冷的氮制冷劑。
集成制冷系統(tǒng)可用于氣體液化，其中由一個或多個蒸氣再壓縮循環(huán)提供氣體從室溫到中間溫度的冷卻，而由所述中間溫度到最終液化溫度的冷卻由氣體膨脹循環(huán)提供。在德國專利DE 2440215、美國專利No.5768912、6062041、6308531B1和6446465B1中，公開了這些組合液化循環(huán)的例子。
在DE 2440215、美國專利No.5768912和6446465B1描述的工藝中，來自氣體膨脹循環(huán)的原料氣和壓縮的制冷劑氣體由冷的、做功膨脹后的制冷劑所提供的制冷作用在公用換熱器中一起冷卻。在美國專利No.6308531 B1公開的可替換方法中，來自氣體膨脹循環(huán)的原料氣和壓縮的制冷劑氣體由冷的、做功膨脹后的制冷劑所提供的制冷作用在單獨的換熱器中冷卻。在這種方法中，來自蒸氣再壓縮循環(huán)的輔助制冷作用被用于在氣體膨脹循環(huán)中輔助冷卻所述壓縮的制冷劑氣體。這可以通過使來自蒸氣再壓縮循環(huán)的冷卻劑流流經(jīng)冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的換熱器而實現(xiàn)?？商鎿Q地，氣體膨脹循環(huán)的部分壓縮冷卻劑氣體可以通過蒸氣再壓縮循環(huán)換熱器中的制冷劑的汽化而冷卻，從而提供輔助制冷作用。
天然氣的液化是極其耗費能量的工藝。人們迫切希望提高采用了組合式蒸氣再壓縮和氣體膨脹制冷循環(huán)的氣體液化工藝的效率和操作靈活性，而且這正是氣體液化領(lǐng)域中正在開發(fā)的新循環(huán)的目標(biāo)之一。本發(fā)明的實施方案解決了這個需求，方法是在氣體膨脹循環(huán)中提供多個膨脹器，以減少或消除在蒸氣再壓縮和氣體膨脹循環(huán)之間平衡制冷能力的需要，同時使原料氣和壓縮的氣體膨脹制冷劑在單獨的換熱器中冷卻，還使得蒸氣再壓縮和氣體膨脹循環(huán)獨立進行。
發(fā)明簡述在本發(fā)明的一個實施方案中，用于氣體液化的方法包括在第一換熱區(qū)通過和第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑流間接換熱從而冷卻原料氣體，以及從所述第一換熱區(qū)抽取基本液化的流。所述基本液化的流在第二換熱區(qū)通過和第二制冷系統(tǒng)提供的一股或多股做功膨脹后的制冷劑流間接換熱而被進一步冷卻，并從所述第二換熱區(qū)抽取進一步冷卻的、基本液化的流。在所述第二制冷系統(tǒng)中做功膨脹兩股或多股冷卻的壓縮的制冷劑流，以在第二換熱區(qū)提供所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的至少之一。
所述第二制冷系統(tǒng)的操作包括下列步驟壓縮一種或多種制冷劑氣體，以提供壓縮的制冷劑流；在第三換熱區(qū)冷卻全部或部分所述壓縮的制冷劑流，以提供冷卻的、壓縮的制冷劑流；和使所述冷卻的、壓縮的制冷劑流做功膨脹，以提供所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的之一。在第二換熱區(qū)里的做功膨脹后的制冷劑流的流速小于在所述第三換熱器中的所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的總流速。
通常情況下，在所述第三換熱區(qū)不發(fā)生原料氣或所述冷卻的原料流的冷卻。在所述第三換熱區(qū)中冷卻的壓縮的制冷劑流的流速可以小于在所述第三換熱區(qū)中加熱的一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的總流速。通常情況下，所述第一制冷系統(tǒng)和所述第二制冷系統(tǒng)獨立操作。
原料氣在所述第一換熱區(qū)中的冷卻可以受到包括下列步驟的方法實現(xiàn)壓縮和冷卻含有一種或多種組分的制冷劑氣體以提供冷卻的并且至少部分冷凝的制冷劑，降低所述冷卻的并且至少部分冷凝的制冷劑的壓力以提供汽化的制冷劑，和通過在所述第一換熱區(qū)和所述汽化的制冷劑間接換熱來冷卻原料氣以提供基本液化的流和制冷劑氣體。原料氣在進入所述第一換熱區(qū)之前可以通過和第二汽化的制冷劑間接換熱而冷卻。所述制冷劑氣體在壓縮后的至少部分冷卻可以由和第二汽化制冷劑間接換熱提供。
所述壓縮的制冷劑氣體的第一部分可以在所述第三換熱區(qū)中冷卻，所述壓縮的制冷劑氣體的第二部分可以在所述第三換熱區(qū)中冷卻、做功膨脹和加熱以在其中提供用于冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的第一部分的制冷能力。
在可替換的實施方案中，所述壓縮的制冷劑氣體可以在所述第三換熱區(qū)中冷卻和做功膨脹以提供第一做功膨脹后的制冷劑，所述第一做功膨脹后的制冷劑可以分成第一和第二冷卻的制冷劑，所述第一冷卻的制冷劑可以在所述第三換熱區(qū)中加熱以在其中提供用于冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的制冷能力，所述第二冷卻的制冷劑可以進一步冷卻和做功膨脹以提供第二做功膨脹后的制冷劑，和所述第二做功膨脹后的制冷劑可以在所述第二換熱區(qū)中加熱以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的制冷能力。
在另一實施方案中，所述壓縮的制冷劑氣體的第一部分可以在所述第三換熱區(qū)中冷卻，并做功膨脹以提供第一做功膨脹后的制冷劑，所述壓縮的制冷劑氣體的第二部分可以通過和第三制冷系統(tǒng)提供的汽化制冷劑間接換熱而冷卻，并做功膨脹以提供第二做功膨脹后的制冷劑，以及所述第一和第二做功膨脹后的制冷劑可以在所述第二換熱器中加熱以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的制冷能力。
在另一可替換實施方案中，所述壓縮的制冷劑氣體在所述第三換熱區(qū)中冷卻以提供冷卻的壓縮的制冷劑氣體，而且其中所述冷卻的壓縮的制冷劑氣體的一部分可以做功膨脹并在所述第二換熱區(qū)中加熱，以在其中提供對來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的冷卻。
所述第二制冷系統(tǒng)可以根據(jù)第一可替換的實施方案由包括下列步驟的方法操作(d)壓縮第一制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的制冷劑，在所述第二換熱區(qū)加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑以提供用于在其中冷卻所述冷卻的原料流的制冷能力，和從中抽取中間制冷劑；(f)通過和汽化制冷劑間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑，和將所述做功膨脹后的第二制冷劑和所述中間制冷劑合并在一起以提供組合的中間制冷劑；和(g)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述組合的中間制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的冷卻能力，和從中抽取熱制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體。
所述第二制冷系統(tǒng)可以根據(jù)第二可替換的實施方案由包括下列步驟的方法操作(d)壓縮第一制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體；(e)在所述第三換熱區(qū)冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供冷卻的壓縮的制冷劑，和將所述冷卻的壓縮的制冷劑分成第一和第二冷卻的壓縮的制冷劑；(f)在所述第三換熱區(qū)中進一步冷卻所述第一冷卻的壓縮的制冷劑以提供第一進一步冷卻的制冷劑；(g)使所述第一進一步冷卻的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第一制冷劑，和使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑；(h)在所述第二換熱區(qū)中加熱所述第一做功膨脹后的制冷劑和第二做功膨脹后的制冷劑，以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的制冷能力，和從所述第二換熱區(qū)抽取組合的中間制冷劑；和
(i)在所述第三換熱區(qū)加熱所述組合的中間制冷劑以在其中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體。
在第三可替換的實施方案中，所述第二制冷系統(tǒng)可以由包括下列步驟的方法操作(d)在多級制冷劑壓縮器中壓縮第一制冷劑氣體和第二制冷劑氣體以提供壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，和使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于第一壓力的冷的做功膨脹后的制冷劑，和在所述第二換熱區(qū)加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的冷卻能力，和從所述第二換熱區(qū)抽取中間制冷劑；(f)通過和汽化制冷劑間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于比所述第一壓力大的第二壓力的做功膨脹后的第二制冷劑，在所述第三換熱區(qū)中加熱所述做功膨脹后的第二制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第二制冷劑氣體；(g)在所述第三換熱區(qū)加熱所述中間制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體；和(h)將所述第一制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的第一階段，和引入所述第二制冷劑氣體到所述多級制冷劑壓縮器的中間階段。
所述第二制冷系統(tǒng)可以根據(jù)第四可替換實施方案操作，包括(d)壓縮制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，和使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供第一做功膨脹后的制冷劑；
(f)在所述第二換熱區(qū)中冷卻所述第一做功膨脹后的制冷劑以提供冷卻的第一做功膨脹后的制冷劑，使所述冷卻的第一做功膨脹后的制冷劑做功膨脹以提供冷卻的做功膨脹后的制冷劑，在所述第二換熱區(qū)加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的冷卻能力，和從所述第二換熱區(qū)抽取中間制冷劑；(g)通過和汽化冷卻劑間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑，以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑，和將所述做功膨脹后的第二制冷劑和所述中間制冷劑合并在一起以提供組合制冷劑；和(h)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述組合制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取所述第一制冷劑氣體。
在第五可替換的實施方案中，所述第二制冷系統(tǒng)可以由包括下列步驟的方法操作(d)在多級制冷劑壓縮器中壓縮第一制冷劑氣體和第二制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于第一壓力的第一冷的做功膨脹后的制冷劑，和將所述第一冷的做功膨脹后的制冷劑分成第一和第二冷制冷劑；(f)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述第一冷制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的冷卻能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第二制冷劑氣體；(g)在所述第二換熱區(qū)中冷卻所述第二冷制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于比所述第一壓力小的第二壓力的第二做功膨脹后的制冷劑；(h)在所述第二換熱區(qū)中加熱所述第二做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的基本液化的流的制冷能力，并提供用于在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體；和(i)將所述第一制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的第一階段，和將所述第二制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的中間階段。
所述第二制冷系統(tǒng)可以根據(jù)第六可替換的實施方案操作，包括(d)壓縮制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，和使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的第一制冷劑，在所述第二換熱區(qū)中加熱所述冷的做功膨脹后的第一制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的制冷能力，和在所述第二換熱區(qū)中形成部分加熱的制冷劑；(f)通過和汽化制冷劑的間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑以提供中間冷卻的制冷劑，進一步在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述中間冷卻的制冷劑以提供冷卻的第二壓縮的制冷劑，和使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑；(g)將所述冷的做功膨脹后的第二制冷劑和所述部分加熱的制冷劑合并在一起以提供組合的中間制冷劑，在所述第二換熱區(qū)中加熱所述組合中間制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的輔助制冷能力，和從所述第二換熱區(qū)中抽取部分加熱的制冷劑；和(h)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述部分加熱的制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑和第二壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體。
在該第六實施方案中，輔助制冷能力可以通過在其中加熱在所述第一制冷系統(tǒng)中提供的所述一股或多股制冷劑的一部分而提供給所述第三換熱區(qū)。輔助制冷能力可以通過在其中加熱在所述第二制冷系統(tǒng)中提供的所述中間冷卻的制冷劑的一部分而提供給所述第一換熱區(qū)。
所述第二制冷系統(tǒng)可以根據(jù)第七可替換的實施方案操作，包括(d)在多級制冷劑壓縮器中壓縮第一制冷劑氣體和第二制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供冷卻的壓縮的制冷劑，和將所述冷卻的壓縮的制冷劑分成第一和第二冷卻的制冷劑；(f)使所述第一冷卻的制冷劑做功膨脹以提供處于第一壓力的第一做功膨脹后的制冷劑，在所述第二換熱區(qū)中加熱所述第一做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的制冷能力和提供用于在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第二制冷劑氣體；(g)在所述第二換熱區(qū)中冷卻所述第二冷卻的制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于比所述第一壓力小的第二壓力的第二做功膨脹后的制冷劑；(h)加熱所述第二做功膨脹后的制冷劑以在所述第二換熱區(qū)中提供用于冷卻所述冷卻的原料流的制冷能力，和在所述第三換熱區(qū)中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體；和(i)將所述第一制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的第一階段，和將所述第二制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的中間階段。
在所有實施方案中，原料氣可以包括天然氣。在所有實施方案中，所述在第一制冷系統(tǒng)中提供的一股或多股制冷劑可以選自氮、含有一個或多個碳原子的烴、和含有一個或多個碳原子的鹵代烴。另外，在所有實施方案中，在所述第二制冷系統(tǒng)中的所述制冷劑氣體可以包括一種或多種選自氮、氬、甲烷、乙烷和丙烷的組分。
在另一工藝實施方案中，所述用于氣體液化的方法包括(a)在第一換熱區(qū)通過和第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱來冷卻原料流，以及從所述第一換熱區(qū)抽取基本液化的流；和(b)在第二換熱區(qū)通過和冷的做功膨脹后的制冷劑間接換熱進一步冷卻所述基本液化的流，并從中抽取進一步冷卻的、基本液化的流；和其中所述冷的做功膨脹后的制冷劑在包括至少兩個制冷環(huán)路的所述第二制冷系統(tǒng)中由包括下列步驟的方法提供(1)在第一制冷環(huán)路中壓縮制冷劑氣體，以提供壓縮的制冷劑氣體；(2)在第三換熱區(qū)冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供冷卻的壓縮的制冷劑氣體，其中部分所述冷卻通過汽化由第二制冷環(huán)路提供的多組分制冷劑而提供在其中；(3)所述冷卻的、壓縮的制冷劑氣體做功膨脹，以提供冷的做功膨脹后的制冷劑；和(4)在所述第二換熱區(qū)中加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑，以在所述第二換熱區(qū)提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的流的制冷能力和在所述第三換熱區(qū)提供用于冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述制冷劑氣體。
通常情況下，在所述第三換熱區(qū)不發(fā)生原料氣或所述冷卻的原料流的冷卻。
本發(fā)明還提供用于氣體液化的方法，包括(a)在第一換熱區(qū)通過和第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱來冷卻原料氣體，從而提供冷卻的原料流；和(b)在第二換熱區(qū)通過和第二制冷系統(tǒng)提供的做功膨脹后的制冷劑間接換熱進一步冷卻所述冷卻的原料流，并從所述第二換熱區(qū)抽取進一步冷卻的流；所述第二制冷系統(tǒng)的操作包括下列步驟(1)壓縮制冷劑氣體以提供壓縮的制冷劑；(2)冷卻所述壓縮的制冷劑以提供冷卻的壓縮的制冷劑；(3)所述冷卻的、壓縮的制冷劑做功膨脹，以提供做功膨脹后的制冷劑；其中用于冷卻所述壓縮的制冷劑的制冷能力部分由在第三換熱區(qū)中和來自所述第二換熱區(qū)的做功膨脹后的制冷劑間接換熱而提供，部分由所述第一制冷系統(tǒng)提供的平衡制冷提供；通過冷卻和做功膨脹所述壓縮的制冷劑的一部分以提供輔助的做功膨脹后的制冷劑，降低或去除了對所述平衡制冷的需求，而且所述輔助的做功膨脹后的制冷劑用于向所述第三換熱區(qū)提供輔助的制冷能力。
本發(fā)明的實施方案可以在用于氣體液化的系統(tǒng)中實施，所述系統(tǒng)包括(a)第一制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱而冷卻原料氣以提供基本液化的流的第一換熱裝置；(b)第二制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第二制冷系統(tǒng)提供的一股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑間接換熱而進一步冷卻所述基本液化的流以提供進一步冷卻的、基本液化的流的第二換熱裝置；(c)用于壓縮一股或多股制冷劑氣流的氣體壓縮裝置，和用于冷卻所述第二制冷系統(tǒng)的一股或多股壓縮的制冷劑氣流的第三換熱裝置；(d)用于使所述第二制冷系統(tǒng)的冷卻的壓縮的制冷劑氣流做功膨脹以提供兩股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑流的兩個或多個膨脹器；和(e)用于將所述兩股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑流從所述兩個或多個膨脹器傳輸?shù)剿龅诙Q熱裝置以及傳輸?shù)剿龅诙虻谌龘Q熱裝置的管道裝置。
在該系統(tǒng)中，所述第三換熱裝置通常不用于冷卻原料氣或所述冷卻的原料流。該系統(tǒng)還可以包括用于冷卻所述第二制冷系統(tǒng)的所述一股或多股壓縮的制冷劑氣流的至少之一的第三制冷系統(tǒng)。所述第三制冷系統(tǒng)可以用于在所述原料氣進入所述第一換熱裝置之前對其進行冷卻。
用于氣體液化的可替換的系統(tǒng)，包括(a)第一制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱而冷卻原料氣以提供基本液化的流的第一換熱裝置；(b)第二制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第二制冷系統(tǒng)提供的一股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑間接換熱而進一步冷卻所述基本液化的流以提供進一步冷卻的、基本液化的流的第二換熱裝置；(c)用于壓縮制冷劑氣流的氣體壓縮裝置，和用于冷卻一股或多股壓縮的制冷劑流的第三換熱裝置；(d)用以向所述第三換熱裝置提供輔助制冷能力的第三制冷系統(tǒng)；(e)用于使所述第二制冷系統(tǒng)中的冷卻的壓縮的制冷劑流做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的制冷劑流的膨脹器；和
(f)用于將所述冷的做功膨脹后的制冷劑流從所述膨脹器傳輸?shù)剿龅诙Q熱裝置的管道裝置。
通常，所述第三換熱裝置不用于冷卻所述原料氣或所述冷卻的原料流。
附圖簡述下面的描述僅僅是舉例說明，并參考了本發(fā)明目前優(yōu)選的實施方案的附圖。在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且排出流具有相似壓力；圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且排出流具有相似壓力；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且排出流具有不同壓力；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了三個氣體膨脹器，并且排出流具有相似壓力；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且排出流具有不同壓力；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且具有相似壓力的排出流和平衡制冷流；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且具有相似壓力的排出流和平衡制冷流；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了兩個氣體膨脹器，并且排出流具有不同壓力；和圖9是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的氣體液化工藝的示意流程圖，采用了單個氣體膨脹器和兩個蒸氣再壓縮制冷循環(huán)。
發(fā)明詳述本發(fā)明的實施方案在氣體膨脹制冷系統(tǒng)中采用多個膨脹器用于低溫冷卻已經(jīng)基本上液化的原料氣，而且可以用來有利地低溫冷卻液化的天然氣流。通過和換熱裝置中的兩種或多種制冷劑組分或者包含兩種或多種組分的多組分制冷劑進行換熱，原料氣可以基本液化，其中所述換熱裝置和用于對已經(jīng)基本液化后的所述原料氣進行低溫冷卻的換熱裝置是獨立的。針對每種職能采用獨立的換熱裝置，使得氣體膨脹制冷系統(tǒng)和蒸氣再壓縮制冷系統(tǒng)可以進行最優(yōu)化設(shè)計，其中所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)主要利用蒸氣(vapor)制冷劑流，而蒸氣再壓縮制冷系統(tǒng)采用一種或多種汽化(vaporizing)制冷劑流。對于將所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)裝配到現(xiàn)有的氣體液化裝備的情況而言，獨立的裝置項也可能是有利的。
制冷系統(tǒng)被定義為一個或多個閉路制冷環(huán)路或循環(huán)；在每一環(huán)路或循環(huán)中，制冷劑被壓縮、減壓和加熱，通過間接傳熱到一股或多股被冷卻的過程流而提供制冷。制冷劑可以是純組分或者兩種或多種組分的混合物。在蒸氣再壓縮制冷環(huán)路或循環(huán)中，制冷劑蒸氣被壓縮、冷卻、完全或近乎完全冷凝、減壓和蒸氣化，以提供制冷，以及所述蒸氣被再壓縮，從而完成該環(huán)路或循環(huán)。在氣體膨脹制冷環(huán)路或循環(huán)中，制冷劑氣體被壓縮、冷卻、做功膨脹、加熱，以提供制冷，并被壓縮從而完成該環(huán)路或循環(huán)。所述做功膨脹后的制冷劑可以是單相氣體，或者可以主要是氣體以及少量液體；所述做功膨脹后的制冷劑可以含有0-20摩爾％液體。
當(dāng)所述流體的加熱曲線和冷卻曲線在整個長度上互相接近時，制冷循環(huán)獲得了高的熱力學(xué)效率。當(dāng)氣體膨脹器制冷系統(tǒng)采用和汽化制冷劑系統(tǒng)換熱裝置獨立的換熱裝置時，冷卻的高壓氣體向膨脹器的流動和從所述膨脹器返回的熱低壓氣體的流動相同。由于所述氣體在所述兩個壓力水平的熱容量有差異，加熱曲線和冷卻曲線在其整個長度上不能保持平行。為了調(diào)整這個差異，通常在液化換熱器和在同一溫度水平操作的氣體膨脹換熱器的一部分之間，采用制冷平衡流。這樣通過使加熱曲線和制冷曲線更接近平行，提高了工藝的效率，但是缺點在于氣體膨脹和蒸氣再壓縮制冷系統(tǒng)不再互相獨立。
前面引用的美國專利No.6308531描述了一種液化循環(huán)，其中原料氣，優(yōu)選天然氣，的冷卻、液化和低溫冷卻采用兩個制冷系統(tǒng)來完成。較熱的制冷系統(tǒng)采用二階式蒸氣再壓縮循環(huán)，比如丙烷和混合的制冷劑循環(huán)或者兩個混合的制冷劑循環(huán)。最冷的制冷通過氣體膨脹制冷系統(tǒng)提供，優(yōu)選采用氮作為工作流體。美國專利No.6308531的圖1示出了單一膨脹器制冷系統(tǒng)，其中在較熱的氣體膨脹換熱器中采用了混合制冷劑平衡流。該專利的圖2顯示出部分高壓氮氣正在混合制冷劑換熱器中冷卻，以此作為替換手段在所述氣體膨脹換熱器中實現(xiàn)制冷平衡。本發(fā)明使得氣體膨脹制冷系統(tǒng)從所述混合制冷劑蒸氣再壓縮制冷環(huán)路中完全獨立出來，同時不犧牲熱力學(xué)效率。這優(yōu)選通過在所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)中采用兩個或多個膨脹器而實現(xiàn)，采用兩個或多個膨脹器減少或消除了在混合制冷劑換熱器和氣體膨脹換熱器之間保持制冷平衡的需要。
在本公開中，制冷系統(tǒng)定義為這種系統(tǒng)，它包括和一個或多個合適的換熱器一起使用的一個或多個制冷環(huán)路，以通過和所述一個或多個制冷環(huán)路提供的一種或多種制冷劑發(fā)生間接換熱，冷卻一股或多股過程流。制冷環(huán)路是這樣的制冷劑回路，其中制冷劑氣體被壓縮、冷卻、減壓、和在一個或多個換熱器中加熱，從而通過間接換熱冷卻一股或多股過程流。正加熱的制冷劑可以是單相或兩相流體。加熱后的制冷劑氣體經(jīng)過壓縮，以完成所述環(huán)路。單一制冷環(huán)路可以包括專用壓縮機，或者可替換地多個制冷環(huán)路可以包括公用壓縮機，其中所述壓縮的制冷劑氣體被分開并循環(huán)通過處于不同壓力的多個制冷環(huán)路。換熱器定義為在一股或多股熱流和一股或多股冷流之間實現(xiàn)間接換熱的設(shè)備，其中所述熱流和冷流互相物理分離。換熱區(qū)可以包括一個或多個換熱器，或者可替換地可以包括換熱器的一部分。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以在所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)中設(shè)置第二膨脹器，以使對平衡流的需求最小化以及在優(yōu)選實施方案中消除該需求，同時對所述工藝的熱力學(xué)效率沒有負面影響。設(shè)置第二小型膨脹器，使其吸入較熱的氣體并將其膨脹到中間溫度水平。該膨脹的中間溫度流在所述冷膨脹氣體已經(jīng)完成了大部分LNG低溫冷卻職能后，加入到或補充到從所述冷膨脹器返回的低壓氣體中。所述中間溫度的膨脹氣體代替了熱氣體膨脹換熱器中的混合制冷平衡流。在所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)中還可以采用第二膨脹器，以進一步提高工藝效率。通常，采用多個膨脹器通過提供比單一膨脹器制冷劑加熱曲線更接近制冷劑冷卻曲線的制冷劑加熱曲線，提高了所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)的效率。
在另一實施方案中，壓縮的制冷劑氣體采用獨立的混合制冷劑蒸氣再壓縮系統(tǒng)進行預(yù)冷卻，取消了熱膨脹器。所述混合的制冷劑系統(tǒng)和所述第一制冷系統(tǒng)分離，其還使得氣體膨脹制冷系統(tǒng)可以完全獨立于所述第一制冷系統(tǒng)，其中所述第一制冷系統(tǒng)用于提供冷卻以及基本液化原料氣流所需的制冷能力。
在本發(fā)明的一個實施方案中，在提供制冷的氣體膨脹制冷系統(tǒng)中集成了多個膨脹器，以對已經(jīng)被第一制冷系統(tǒng)基本液化的原料氣進行低溫冷卻。這樣使得所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)和提供較熱制冷的制冷系統(tǒng)分離。所得的裝置構(gòu)造增加了制冷循環(huán)的熱力學(xué)效率，并使得每個制冷系統(tǒng)的換熱裝置可以進行最優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)氣體膨脹制冷系統(tǒng)作為工廠的去瓶頸或擴展工程的部分加入時，制冷系統(tǒng)的分離也使得設(shè)計更加有效。
第一制冷系統(tǒng)提供了基本液化原料氣所需的制冷能力的至少一部分，可以在一個或多個制冷環(huán)路或蒸氣再壓縮循環(huán)中采用兩種或多種制冷劑組分。第二制冷系統(tǒng)提供了使所述至少部分液化的原料氣低溫冷卻所需的制冷能力的至少部分，它利用了壓縮的制冷劑氣體或氣體混合物在至少兩個膨脹器中的做功膨脹。所述多個膨脹器在不止一個溫度水平上進行制冷，所述壓縮的制冷劑氣體先冷卻，然后在一個或多個換熱器中或不冷卻原料氣流的換熱器部分中膨脹。
在本發(fā)明的可替換實施方案中，所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)中的壓縮的制冷劑氣體采用獨立的第三制冷系統(tǒng)進行預(yù)冷卻，而且僅僅要求一個膨脹器。所述獨立的第三制冷系統(tǒng)和所述第一制冷系統(tǒng)分離，還使得氣體膨脹制冷系統(tǒng)可以完全獨立于所述第一制冷系統(tǒng)，其中所述第一制冷系統(tǒng)提供了冷卻以及至少部分液化原料氣流所需的制冷能力。
采用一種或多種制冷劑組分的任何類型的第一制冷系統(tǒng)可用于提供冷卻以及基本液化所述原料氣流所需的高水平和中等水平的制冷。所述一種或多種制冷劑組分可用于一個或多個制冷環(huán)路或蒸氣再壓縮循環(huán)中。例如，所述第一制冷系統(tǒng)可以僅僅采用包含兩種或多種制冷劑組分的汽化混合制冷劑的環(huán)路。任選地，所述第一制冷系統(tǒng)還可以包括第二制冷環(huán)路，該環(huán)路采用了汽化單一組分制冷劑或者含有兩種或多種制冷劑組分的汽化混合制冷劑?？商鎿Q地，所述第一制冷系統(tǒng)的第一和第二制冷環(huán)路可以采用汽化單一組分制冷劑或者包含兩種或多種組分的汽化混合制冷劑或者單一和混合制冷劑的任意組合。這兩個制冷環(huán)路之一或全部可以采用在不止一個壓力水平下汽化的制冷劑，而且可以包括例如階式制冷環(huán)路。該工藝和用于提供冷卻和基本液化原料氣流所需的制冷能力的第一制冷系統(tǒng)的構(gòu)造無關(guān)。
第一制冷系統(tǒng)中的制冷劑可以包括一種或多種選自氮、含一個或多個碳原子的烴、和含有一個或多個碳原子的鹵代烴的組分。典型的烴制冷劑包括甲烷、乙烷、異丙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、戊烷和異戊烷。代表性的鹵代烴制冷劑包括R22、R23、R32、R134a和R410a。第二制冷劑系統(tǒng)，即氣體膨脹系統(tǒng)中的制冷劑可以是選自氮、氬、甲烷、乙烷和丙烷的純組分或組分混合物。
該工藝可用于液化任何原料氣流，圖1示出了它液化天然氣的情況。管線1里的天然氣原料已經(jīng)在預(yù)處理區(qū)(未示出)進行了清潔和干燥，去除了酸性氣體比如CO2和H2S，并去除了其它雜質(zhì)比如汞，進入任選的預(yù)冷卻換熱器區(qū)3，利用汽化制冷劑比如丙烷或混合制冷劑，冷卻到約-10℃--30℃的中間溫度。所述汽化制冷劑通過本領(lǐng)域公知的任何類型的循環(huán)制冷環(huán)路(未示出)提供。
預(yù)冷的天然氣原料流5進入洗滌塔7，在此去除原料中的較重組分，比如戊烷和較重的烴，以防后續(xù)在液化工藝中出現(xiàn)凍結(jié)。洗滌塔具有頂置冷凝器9，該冷凝器也可以利用制冷劑，比如丙烷或混合制冷劑，向該洗滌塔提供回流。管線11中的來自所述洗滌塔的塔底產(chǎn)物被送到分餾區(qū)13，在此重組分被分離并經(jīng)由管線15回收，而管線17中的輕組分和所述洗滌塔的頂置蒸氣產(chǎn)物組合起來形成管線19中的純化天然氣。管線17中的輕組分可以是蒸氣流或者液體流，優(yōu)選被預(yù)冷到大約和來自洗滌塔7的頂置蒸汽流相同的溫度。
管線19中的純化天然氣進一步冷卻到低于-50℃的溫度，優(yōu)選為約-100℃--120℃，并且優(yōu)選通過和經(jīng)由管線23提供的正在加熱和汽化的中間溫度混合制冷劑發(fā)生間接換熱，而在第一換熱區(qū)或混合制冷劑換熱器21中基本液化。本文所用術(shù)語“基本液化”是指當(dāng)通過節(jié)流閥絕熱膨脹到大氣壓時具有0.25-1.0，優(yōu)選0.5-1.0的液體分數(shù)的基本液化的流。液體分數(shù)為1.0用以定義完全液化或冷凝的流，其中所述液體可以是飽和的或者低溫冷卻的，而液體分數(shù)為0用以定義完全為蒸氣并且不含液體的流。本文定義的基本液化的流可以處于任何壓力，包括所述流的臨界壓力以上的壓力。
管線25中的基本液化的天然氣在第一換熱區(qū)或換熱器27中，通過和管線29中由膨脹器31提供的冷的做功膨脹后的制冷劑相互間接換熱，進一步冷卻到約-120℃--160℃的溫度。所述冷的制冷劑，通常是氮，在約15-30巴(1.5-3MPa)的壓力和約-122℃--162℃的溫度下主要是通常具有小于約20％液體(摩爾比)的蒸氣。
在管線33中的所得的進一步冷卻的并且基本液化的天然氣可以處于其臨界壓力以上、之中或以下，而且如果低于臨界壓力則可以是低溫冷卻的液體。所述管線33中的進一步冷卻的而且基本液化的天然氣可以通過節(jié)流閥35絕熱閃蒸(flash)到約1.05-1.2巴(0.105-0.12MPa)的壓力?？商鎿Q地，管線33中的低溫冷卻的LNG的壓力可以通過高粘度流體膨脹器，或者膨脹器和閥的組合降低。管線37中的低壓LNG流到分離器或存儲罐39，其中所述LNG產(chǎn)物從管線41中排出。在有些情況下，基于天然氣組成和從換熱器27排出的LNG溫度，在通過閥35閃蒸后管線43中具有明顯量的輕質(zhì)氣體。在這些情況下，管線43中的閃蒸氣體可以被加熱并壓縮到足以在LNG設(shè)備或其它用途中用作燃料氣體的壓力。
用以冷卻和基本液化天然氣原料流1的制冷能力是通過換熱器21中的中間溫度混合制冷劑環(huán)路提供的，而且在本實施例中，是通過在第二制冷環(huán)路中的第二制冷劑比如丙烷或者第二混合制冷劑提供，所述第二制冷環(huán)路在預(yù)冷換熱區(qū)域3中提供了在較高溫度的制冷。管線23中的制冷劑在換熱器21中被加熱和汽化，以在其中提供制冷能力并以制冷劑蒸氣形式從管線45中排出。所述制冷劑蒸氣在多級內(nèi)冷壓縮器47中被壓縮到合適的高壓，在環(huán)境二次冷卻器49中冷卻，并且在換熱區(qū)域51中通過和輔助汽化制冷劑，比如丙烷或混合制冷劑，發(fā)生間接換熱而進一步冷卻以及部分或者全部冷凝。所述汽化的制冷劑通過本領(lǐng)域已知的任何類型的再循環(huán)制冷環(huán)路(未示出)提供，而且可以是為前述換熱區(qū)域3提供制冷能力的同一再循環(huán)制冷環(huán)路。
管線53中的所述預(yù)冷高壓混合制冷劑以約-20℃--40℃的溫度和約50-70巴(5-7MPa)的壓力進入混合制冷劑換熱器21。所述高壓混合制冷劑在換熱器21中冷卻到約-100℃--120℃的溫度，優(yōu)選完全冷凝，并從管線55中排出。管線55中的所述冷凝的高壓混合制冷劑流通過閥57(或者可替換地通過粘稠相膨脹器)閃蒸至約3-6巴(0.3-0.6MPa)的壓力，并在管線23中流到換熱器21的冷端。所述低壓混合制冷劑流在換熱器21中加熱和汽化，并以加熱的混合制冷劑形式從管線45中排出。
因此，如上所述，由第一制冷系統(tǒng)提供管線1中的天然氣原料的冷卻，以提供管線25中的所述冷卻的基本液化的天然氣，所述第一制冷系統(tǒng)包括為換熱器21提供制冷能力的中間溫度混合制冷劑環(huán)路、為原料預(yù)冷換熱區(qū)域3提供第一制冷劑比如丙烷或另一混合制冷劑的制冷環(huán)路、為換熱區(qū)域51提供第三制冷劑比如丙烷或另一混合制冷劑的制冷環(huán)路。如上所述，同一制冷環(huán)路可以提供第二和第三制冷劑。
管線25中的所述基本液化的天然氣由多個膨脹器氣體膨脹系統(tǒng)實現(xiàn)進一步冷卻，所述氣體膨脹系統(tǒng)采用了包括選自氮、氬、甲烷、乙烷和丙烷的一種或多種氣體的制冷劑。在該示例中，氮用作制冷劑。管線59中的處于環(huán)境溫度和約50-80巴(5-8MPa)下的高壓氮被分成兩部分。管線61中的較大部分進入到第三換熱區(qū)或者熱氣體膨脹換熱器63，并冷卻到約-100℃--120℃的溫度。管線65中的所述冷卻的高壓氮在冷膨脹器31中做功膨脹，以約15-30巴(1.5-3MPa)的壓力和約-152℃--162℃的溫度排出。通常，所述膨脹器排放壓力處于或接近溫度冷得足以在管線33中提供LNG所需水平低溫冷卻的氮的露點壓力。所述做功膨脹后的制冷劑可以含有最高達約20％液體(摩爾比)。管線29中的所述冷的做功膨脹后的氮流在冷氣體膨脹換熱器27中被加熱，以提供低溫冷卻管線33中的所述LNG流所需的冷卻制冷能力，而且中間溫度的氮從管線67離開所述換熱器。
管線69中的較小部分高壓氮流可以在換熱區(qū)域71中采用制冷劑，比如丙烷或第二混合制冷劑，預(yù)冷到約-20℃--40℃的中間溫度。管線73中的所述預(yù)冷的高壓氮流在熱膨脹器75中做功膨脹，并以約15-30巴(1.5-3MPa)的壓力和約-90℃--110℃的溫度被排出。管線77中的做功膨脹后的制冷劑流和管線67中來自冷換熱器27的加熱的氮流合并在一起，而且所述組合的流經(jīng)由管線79流到熱換熱器63中。所述組合的氮流在熱換熱器63中被加熱到環(huán)境溫度，經(jīng)由管線81中被抽取，并在多級內(nèi)冷壓縮器83中壓縮到合適的高壓以提供高壓氮流59，以供循環(huán)。加入所述較小部分的膨脹氮流77以便在換熱器63中加熱，使得熱氣體膨脹換熱器63的冷卻曲線可以維持在接近理想狀態(tài)，也即，所述流體的加熱曲線和冷卻曲線在全部長度上互相緊密接近。
管線59中的全部或部分所述高壓氮可以用丙烷或者其它高級制冷劑預(yù)冷卻，作為以下的替換方案在熱換熱器63中對進入冷膨脹器31的部分進行預(yù)冷卻以及在換熱區(qū)域71中用丙烷或其它制冷劑對進入熱膨脹器75中的部分進行預(yù)冷卻?？商鎿Q地，所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)可以在所述壓縮的氮進入換熱器63和膨脹器75之前沒有任何預(yù)冷卻的情況下操作。這些針對氣體膨脹系統(tǒng)制冷劑預(yù)冷卻的選項對本發(fā)明的任何實施方案都適用。
熱氣體膨脹換熱器63和冷氣體膨脹換熱器27可以組合成單一單元，而且可以是任何合適的類型，比如板-肋片、卷繞-線圈、或者殼管構(gòu)造、或者其組合。同樣，所述混合制冷劑換熱器21和任選的預(yù)冷換熱區(qū)域3、51和71可以由單一或多個換熱器構(gòu)成，而且可以是任何合適構(gòu)造。這些換熱器選項同樣對本發(fā)明的任何實施方案都適用。本發(fā)明不依賴于在本發(fā)明方法中采用的換熱器的數(shù)目和布置。
如果管線53中的所述高壓混合制冷劑是兩相混合物，那么蒸氣部分和液體部分可以獨立地在所述混合制冷劑換熱器21中冷卻，并且在換熱器21中或者在相同或不同壓力水平上獨立汽化或者作為組合流汽化。所述混合制冷劑還可以分成兩股或多股可以在不同壓力水平下汽化的流。所述混合制冷劑可以通過一次或多次平衡(蒸氣/液體)分離或者一次或多次單相分開或者其任何組合進行劃分。這些混合制冷劑選項可用于所述第一制冷系統(tǒng)的任何制冷環(huán)路中，也適用于本發(fā)明的任何實施方案。本發(fā)明不依賴于用于提供冷卻和基本液化所述原料氣流所需制冷能力的第一制冷系統(tǒng)的構(gòu)造。
通常，至少40％的用以將管線1中的天然氣原料轉(zhuǎn)換成管線41中的LNG制品的總制冷任務(wù)由所示第一制冷系統(tǒng)完成。在圖1的實施方案中，該制冷能力在換熱區(qū)域3、換熱區(qū)域51和換熱器21中提供。
圖1所示的實施方案的特征在于所述第一制冷系統(tǒng)，即包括壓縮器47、換熱器21和膨脹閥57的系統(tǒng)，可以獨立于第二制冷系統(tǒng)操作，所述第二制冷系統(tǒng)即包括壓縮器83、換熱器27和63、和膨脹器31和75的系統(tǒng)。獨立操作意味著在第一制冷系統(tǒng)的混合制冷劑和第二制冷系統(tǒng)的氮制冷劑之間沒有熱交換，而且在所述兩個制冷系統(tǒng)之間無需平衡制冷。
另一特征是在第二換熱區(qū)27中經(jīng)由管線29的做功膨脹后的氮的流速通常小于第三換熱區(qū)域63中的做功膨脹后的氮流79的流速。在第三換熱區(qū)域63中不發(fā)生原料氣或冷卻的原料流的冷卻。另外，管線61中的、在第三換熱區(qū)63中冷卻的壓縮氮的流速通常小于管線79中的、在第三換熱器63中加熱的組合的做功膨脹后的氮的流速。
圖2示出了本發(fā)明的可替換實施方案。在該替換實施方案中，管線59中的來自壓縮器83的全部高壓氮制冷劑在熱氣體膨脹換熱器63中預(yù)冷卻，而且該高壓氮都不在圖1的換熱區(qū)域71中用制冷劑比如丙烷冷卻。換熱器63中的部分冷卻的氮制冷劑的較小部分在中間點經(jīng)由管線201抽取出來，并在膨脹器203中做功膨脹，以提供管線205中的做功膨脹后的氮。管線205中的膨脹的氮在換熱器27的中間點和所述部分加熱的膨脹的氮流混合，所述混合時的溫度稍稍低于從管線25中進來的基本液化的天然氣。
可替換地，管線59中的高壓氮可以分成在換熱器63中獨立冷卻的兩部分(未示出)。需要時，換熱器27和63之一或全部可以分成兩個換熱器。管線201中的高壓氮的冷卻還可以通過將在熱換熱器63中的冷卻和采用另一高級制冷劑比如丙烷的冷卻結(jié)合起來而實現(xiàn)。
在本實施例中，管線43中來自分離器39的LNG閃蒸氣體在氣體換熱器27和63中加熱，經(jīng)由管線207排出，并在閃蒸氣體壓縮器209中壓縮到足以在LNG設(shè)備或其它用途用作燃料氣體的壓力。但是，所述閃蒸氣體在換熱器27和63中的加熱是任選的，在本發(fā)明的任何實施方案中并不要求。
圖2示出的本實施方案的特征在于所述第一制冷系統(tǒng)，即包括壓縮器47、換熱器21和膨脹閥57的系統(tǒng)，獨立于第二制冷系統(tǒng)操作，所述第二制冷系統(tǒng)即包括壓縮器83、換熱器27和63、和膨脹器31和203的系統(tǒng)。獨立操作意味著在第一制冷系統(tǒng)的混合制冷劑和第二制冷系統(tǒng)的氮制冷劑之間沒有熱交換。在本實施方案中在所述兩個制冷系統(tǒng)之間無需平衡制冷。
另一特征是在第二換熱區(qū)27中經(jīng)由管線29的做功膨脹后的氮的流速通?？梢孕∮诘谌龘Q熱區(qū)域63中的組合的做功膨脹后的氮流79的流速。在第三換熱區(qū)域63中不發(fā)生原料氣或冷卻的原料流的冷卻。另外，在第三換熱區(qū)63中冷卻的壓縮氮的流速在經(jīng)由管線201抽取了氮以后，可以小于管線79中的、在第三換熱器63中加熱的組合的做功膨脹后的氮的流速。
圖3示出了本發(fā)明的另一實施方案，它是對圖1和圖2的實施方案的修改。管線73中的預(yù)冷的高壓氮在熱膨脹器75中膨脹到中間壓力，例如25-45巴(2.5-4.5MPa)。在管線301中的所述中間壓力的膨脹氮在熱氣體膨脹換熱器303中獨立加熱，并流動到多級壓縮器305的中間階段以減少對電力的要求。本實施方案的可替換方案是從壓縮器305的中間階段在中間壓力下抽取流307，在換熱區(qū)域71中使其冷卻，在膨脹器75中將管線73中的所述冷卻的流膨脹到較低壓力水平，并將管線301中的低壓膨脹流和管線67中的中間熱制冷劑合并在一起，以在熱氣體膨脹換熱器303中加熱，如圖1所示。在任一可替換方案中，管線307中的所述高壓或中壓氮流可以或者在換熱區(qū)域71中采用高級制冷劑比如丙烷冷卻，如圖所示，或者可以在熱換熱器303中冷卻，或者兩者組合。
圖3所示的實施方案的特征在于在第二換熱區(qū)27中經(jīng)由管線29的做功膨脹后的氮的流速通常小于第三換熱區(qū)303中的做功膨脹后的氮流67和301的總流速。通常，在第三換熱區(qū)303中不發(fā)生原料氣或所述冷卻的原料流的冷卻。另外，管線306中的在第三換熱器303中冷卻的壓縮氮的流速通常小于在第三換熱區(qū)303中加熱的管線67和301中的做功膨脹后的氮的總流速。
圖4示出了圖1的可替換實施方案，其中管線65中的所述冷卻的高壓氮流在兩個階段做功膨脹。所述流在中間膨脹器31中首先膨脹到中間壓力，例如25-45巴(2.5-4.5MPa)，和低于管線25中的進來的基本液化的天然氣流的溫度的溫度。管線29中的中間壓力的膨脹流優(yōu)選在冷氣體膨脹換熱器401中加熱，以在其中提供制冷，然后進一步在冷膨脹器403中膨脹到較低的壓力，例如15-30巴(1.5-3MPa)。隨后，管線405中的低壓膨脹氮流提供了冷換熱器401中的最冷水平的制冷，以對管線25中進來的基本液化的天然氣流進行低溫冷卻。
管線405中的中間壓力膨脹氮流的部分，優(yōu)選在冷換熱器401中加熱后，可以在熱換熱器63中獨立加熱(未示出)，并送到所述多級壓縮器83的中間階段。如同圖3的實施方案，管線69中的高壓氮流可以或者在換熱區(qū)域71中采用高級制冷劑比如丙烷預(yù)冷，如圖所示，或者在熱換熱器63中預(yù)冷，或者兩者組合。
在該實施方案中加入中間膨脹器在冷氣體膨脹換熱器401中以較高熱力學(xué)效率提供了制冷。在所述換熱器中的所述流體的加熱曲線和冷卻曲線在其全部長度上互相之間更加接近，這是有利的，但是這要求在系統(tǒng)中具有另一件裝置，即膨脹器403。
圖4所示的實施方案的特征在于在第二換熱區(qū)401中的經(jīng)由管線405的做功膨脹后的氮的流速通常小于第三換熱區(qū)63中的做功膨脹后的氮流407的流速。在第三換熱器63中不發(fā)生原料氣體或冷卻的原料流的冷卻。另外，在第三換熱區(qū)63中冷卻的、管線61中的壓縮氮的流速通常小于在第三換熱區(qū)63中加熱的、管線407中的做功膨脹后的氮流速。
圖5示出了本發(fā)明的另一實施方案，其中所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)采用兩級膨脹。管線501中的預(yù)冷的高壓氮流從熱換熱器503中的中間點抽取，并在熱膨脹器31中膨脹到中間壓力，例如25-45巴(2.5-4.5MPa)，和低于在管線25中的進來的天然氣流溫度的溫度。管線29中的中間壓力的膨脹氮流的部分經(jīng)由管線505抽取，在熱氣體膨脹換熱器503中獨立加熱，并送到所述多級壓縮器507的中間階段，以減少電力要求。
管線509中的剩余的中間壓力氮，優(yōu)選在冷氣體膨脹換熱器511中重新加熱后，在冷膨脹器513中進一步膨脹到較低壓力，例如15-30巴(1.5-3MPa)。隨后，管線515中的低壓膨脹氮流提供了在冷氣體膨脹換熱器511中的最冷水平的制冷，所述制冷是低溫冷卻在管線25中的進來的基本液化的天然氣流所需的。管線517中的熱高壓氮流任選可以在熱換熱器503中預(yù)冷，如圖所示，或者采用高級制冷劑比如丙烷預(yù)冷，或者兩者組合。
圖5所示的實施方案的特征在于在第二換熱區(qū)511中的經(jīng)由管線515的做功膨脹后的氮的流速通常小于第三換熱區(qū)503中在管線505和519中的做功膨脹后的氮流的流速。優(yōu)選，在第三換熱器503中不發(fā)生原料氣體或冷卻的原料流的冷卻。
本發(fā)明的其它實施方案可以在氣體膨脹制冷換熱器和混合制冷劑換熱器之間采用集成平衡流，以便實現(xiàn)所述兩個制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)更有效集成。這些實施方案也采用了多級膨脹器，可以提供針對現(xiàn)有氣體液化設(shè)備進行去瓶頸或擴展的更有效設(shè)計。
圖6示出了多級膨脹器氣體膨脹制冷系統(tǒng)，它在熱氣體膨脹換熱器601中采用了混合制冷劑平衡流。管線603中的高壓混合制冷劑的小部分經(jīng)由管線605抽取，并穿過閥607閃蒸到中間壓力。管線609中的所得的中間壓力混合制冷劑流，通常為-90℃--110℃和5-10巴(0.5-1MPa)，在熱氣體膨脹換熱器601中加熱，以在該換熱器中提供更加靠近平行的加熱曲線和冷卻曲線，并因而提高所述方法的效率。處于環(huán)境溫度附件的所述加熱的混合制冷劑流611被返回到多級混合制冷劑壓縮器613的中間階段，以供再循環(huán)?？商鎿Q地，管線605中的所述冷凝的高壓混合制冷劑平衡流可以被閃蒸到所述混合制冷劑環(huán)路的最低壓力水平，例如3-6巴(0.3-0.6MPa)，在熱換熱器601中加熱到中間溫度，例如-20℃--40℃，并返回所述混合制冷劑壓縮器613的第一階段。
在本發(fā)明的氣體膨脹制冷系統(tǒng)中，管線615中的所述預(yù)冷的小部分高壓氮流優(yōu)選在熱膨脹器617中做功膨脹之前在熱換熱器601中進一步冷卻到低于丙烷或其它高級制冷劑的溫度的溫度。管線619中的所述膨脹的中間溫度氮流優(yōu)選在冷氣體膨脹換熱器27的中間點和管線29中的部分加熱的冷氮流混合，混合溫度低于所述進來的基本液化的天然氣流25的溫度。需要時，氣體膨脹換熱器27和601之一或全部可以分為兩個或多個換熱器。
圖7示出了可替換的多級膨脹器氣體膨脹制冷系統(tǒng)，其中高壓氮氣的部分在混合制冷換熱器705中冷卻，作為一種可替換方案在所述熱氣體膨脹換熱器701中實現(xiàn)更有效的制冷平衡。在管線73中處于約-20--40℃的預(yù)冷的高壓氮流的部分經(jīng)由管線703抽取出來，并且在混合制冷劑換熱器705中進一步冷卻到約-100--120℃。管線707中的所述冷卻的高壓氮流和在熱換熱器701中冷卻后的高壓氮流部分61混合，而且管線709中的所述組合流流到冷膨脹器711的入口。
在本實施方案的氣體膨脹制冷系統(tǒng)中，管線713中的剩余部分的預(yù)冷的高壓氮流優(yōu)選在熱膨脹器717中做功膨脹之前，在熱換熱器701中進一步冷卻到比丙烷或其它高級制冷劑溫度更低的溫度。管線719中的中間溫度氮流優(yōu)選在冷氣體膨脹換熱器27中的中間點處和所述部分加熱的冷氮流混合，所述混合溫度低于管線25中的進來的基本液化的天然氣流的溫度。需要時，氣體膨脹換熱器27和701之一或全部還可以分成兩個或多個換熱器。
本實施方案的特征在于在第二換熱區(qū)27中的經(jīng)由管線712的做功膨脹后的氮在和管線719中的膨脹后的氮組合之前，其流速低于第三換熱區(qū)701中的組合的做功膨脹后的氮流710的流速。在第三換熱區(qū)63中不發(fā)生原料氣或冷卻的原料流的冷卻。另外，在換熱器701中冷卻的壓縮氮流61和713之一的流速低于管線710中的在換熱器701中加熱的做功膨脹后的流速。
圖8示出了和多級膨脹器氣體膨脹制冷系統(tǒng)組合的單一混合制冷劑制冷系統(tǒng)，其操作時無需輔助的外部制冷，例如，丙烷，如圖1-7的實施方案所示。在單一混合制冷系統(tǒng)中的制冷劑在進入混合制冷劑換熱器21之前，并不例如由丙烷或另一種高級混合制冷劑預(yù)冷到環(huán)境溫度以下。在該例子中，所述混合制冷劑在壓縮器801的中間階段部分液化，管線803中的液體部分被泵到最終的高壓水平并和二次冷卻器805上游的最終的壓縮蒸氣部分結(jié)合在一起。本特征是任選的，可以用于本發(fā)明的任一實施方案。
在本實施方案的氣體膨脹制冷系統(tǒng)中，全部高壓氮流807在熱氣體膨脹換熱器809中冷卻到和管線25中的進來的基本液化的天然氣流的溫度接近或更冷的溫度。管線811中的所述冷卻的高壓氮流的一部分在熱膨脹器813中做功膨脹到中間壓力。管線815中的所述中間壓力的膨脹氮流在氣體膨脹換熱器817和809中獨立加熱，并送到多級壓縮器的中間階段，以便降低電力要求。管線819中的剩余高壓氮流當(dāng)在冷換熱器817中進一步冷卻后，在冷膨脹器821中膨脹到較低壓力。管線823中的所述低壓膨脹氮流在冷換熱器817中加熱，以提供低溫冷卻進來的基本液化的天然氣流25所需的最冷水平的制冷。
任選地，所述進來的基本液化的天然氣流25可以處于比-100℃更高的溫度，而且可以僅僅部分液化。在這種情況下，管線815和823中的兩股膨脹氮流提供了制冷能力，以完全液化和低溫冷卻管線25中的所述進來的基本液化的天然氣流。如果需要，所述冷氣體膨脹換熱器817可以被分成兩個或多個換熱器，或者換熱器809和817可以組成成單一換熱器。
本實施方案的特征在于在第二換熱區(qū)中的經(jīng)由管線823的做功膨脹后的氮的流速通常小于第三換熱區(qū)809中的做功膨脹后的氮流825和827的總流速。通常，在第三換熱區(qū)809中不發(fā)生原料氣或冷卻的原料流的冷卻。
圖9示出了本發(fā)明的可替換實施方案。在該實施方案中，管線901中的高壓制冷劑氣流在熱氣體膨脹換熱器903中通過由采用混合制冷劑的獨立制冷系統(tǒng)提供的部分制冷能力預(yù)冷。該獨立制冷的采用使得可以去除所述熱氮膨脹器。高壓混合制冷劑流905在熱換熱器903中冷卻和至少部分冷凝。管線中的所述冷卻的高壓混合制冷劑流穿過閥907或者通過粘稠相膨脹器閃蒸，并且所述減壓的制冷劑經(jīng)由管線909流到熱換熱器903的冷端。管線909中的所述低壓混合制冷劑流在熱換熱器903中加熱和汽化，并以管線911中的熱混合制冷劑流的形式排出。管線911中的所述熱低壓混合制冷劑流在混合制冷劑壓縮器913中壓縮到合適高壓，并冷卻到環(huán)境溫度，以供再循環(huán)。
使管線901中的氣體膨脹系統(tǒng)制冷劑預(yù)冷的混合制冷劑制冷系統(tǒng)與所述第一或熱制冷系統(tǒng)相分離，其中所述第一或熱制冷系統(tǒng)在換熱器21中提供了液化所述原料氣流1所需的制冷能力的至少一部分。本發(fā)明的這個實施方案提供了用以將氣體膨脹制冷系統(tǒng)完全獨立于所述第一制冷系統(tǒng)同時不犧牲熱力學(xué)效率的可替換方法。可以采用任何類型的采用兩種或多種制冷劑組分的第一制冷系統(tǒng)?？商鎿Q的實施方案可以在換熱器21和903中采用獨立的混合制冷劑環(huán)路，所述環(huán)路具有組合的集成壓縮功能。換熱器21和903中的混合制冷劑可以具有相同組成，或者可以具有通過平衡分離獲得的不同組成。部分在換熱器903中采用的混合制冷劑可以在所述集成壓縮器的各階段之間抽取和/或返回。
實施例圖1的實施方案通過下面的非限制性實施例進行了說明。在管線1中以27℃、6.03巴(6.03MPa)和59668kgmol/h的流速提供了天然原料氣，其組成為3.90mol％氮、87.03％甲烷、5.50％乙烷、2.02％丙烷和1.55％的C4和較重的烴(C4+)。所述原料已經(jīng)在上游預(yù)處理區(qū)(未示出)進行了清潔和干燥，以去除酸性氣體，比如CO2和H2S，以及其它雜質(zhì)，比如汞。管線1里的天然氣原料進入第一換熱區(qū)3，通過多種水平的丙烷制冷預(yù)冷卻到-18℃。管線5中的預(yù)冷天然氣原料流進入洗滌塔7，在此去除原料中的較重組分，比如戊烷和較重?zé)N，以防在液化工藝中出現(xiàn)凝固。該洗滌塔具有頂置冷凝器9，它同樣采用丙烷制冷以向該洗滌塔提供回流。來自該洗滌塔的塔底產(chǎn)物經(jīng)由管線11送到分餾區(qū)13，在此戊烷和較重的組分被分離出來并經(jīng)由管線15回收。在-33℃的流17中的較輕液體組分和該洗滌塔的頂置蒸氣產(chǎn)物合并在一起，得到管線19中的純化天然氣流。
管線19中的純化天然氣流的流速為57274kgmol/h、溫度-32.9℃、壓力為58.0巴(MPa)、組成為3.95mol％氮、87.74％甲烷、5.31％乙烷、2.04％丙烷、0.96％的C4和較重?zé)N。所述流通過加熱和汽化管線23提供的低壓混合制冷劑，在混合制冷劑換熱器21中進一步冷卻到-119.7℃的溫度并冷凝。管線25中的所述基本液化的天然氣流在本實施例中是完全液化的，其在冷氣體膨脹換熱器27中低溫冷卻到-150.2℃。用于在換熱器27中冷卻的制冷能力由通過管線29來自膨脹器31的冷做功膨脹后的氮制冷劑流提供。然后，管線33中的低溫冷卻的LNG流穿過閥35絕熱閃蒸到1.17巴(0.117MPa)。在管線37中的-162.3℃的低壓LNG流被送到分離器39，并且經(jīng)由管線41抽出所述LNG產(chǎn)物流以供儲存。管線43中的輕質(zhì)閃蒸氣流可以升溫并壓縮到足以在LNG設(shè)備或其它用途中用作燃料氣的壓力。
本實施例中用以冷卻和液化所述天然氣原料流1的制冷能力是由丙烷制冷劑環(huán)路和混合制冷劑制冷環(huán)路提供的。管線50中的高壓混合制冷劑的流速為51200kgmol/h、溫度為36.5℃、壓力為61.6巴(6.16MPa)，組成為36.92mol％甲烷、54.63％乙烷和8.45％丙烷，其通過在換熱器區(qū)域51中的多級丙烷制冷劑進行預(yù)冷卻和完全冷凝。管線53中的預(yù)冷卻的混合制冷劑流以-33℃和58.9巴(5.89Mpa)進入到混合制冷劑換熱器21中。
所述混合制冷劑在換熱器21中低溫冷卻到-120℃，從管線55中排出。所述低溫冷卻的混合制冷劑穿過閥57絕熱閃蒸到-122.5℃和4.2巴(0.42MPa)，并經(jīng)由管線23流到換熱器21的冷端。管線23中的所述低壓混合制冷劑流在換熱器21中被加熱和汽化，以加熱的混合制冷劑流的形式在-34.5℃和3.6巴(0.36MPa)下從管線45中排出。管線45中的所述加熱的低壓混合制冷劑流在多級內(nèi)冷混合制冷劑壓縮器47中被壓縮到61.6巴(6.16MPa)，并冷卻到環(huán)境溫度以供循環(huán)。
管線25中的液化天然氣通過多個膨脹器氣體膨脹制冷系統(tǒng)進行低溫冷卻，所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)采用氮作為工作流體。管線59中的高壓氮的流速為82109kgmol/h、溫度為36.5℃、壓力為75.9巴(7.59MPa)，其被分成兩個部分。管線61中的較大部分的高壓氮部分以69347kgmol/h進入熱氮換熱器63，并被冷卻到-107.7℃。管線65中的所述冷卻的高壓氮流在冷膨脹器31中做功膨脹到-152.4℃和23.7巴(2.37MPa)。管線29中的所述冷做功膨脹后的氮流(在本實施例中全部是蒸氣)在冷氮換熱器27中加熱，并以-121.9℃被抽出以提供低溫冷卻管線25中的LNG所需的冷卻制冷能力。管線69中的較小部分的高壓氮流流速為12762kgmol/h，在換熱區(qū)域71中采用多級丙烷制冷劑預(yù)冷卻到-33.1℃。隨后，管線73中的所述預(yù)冷的高壓氮流在熱膨脹器75中做功膨脹到-96℃和23.4巴(2.34MPa)。管線77中的所述做功膨脹后的氮流和管線67中的來自冷換熱器27的加熱的氮流合并在一起，通過管線79以-118.1℃流到熱換熱器63。管線79中的所述組合氮流在熱換熱器63中加熱到27.8℃，而且管線81中的抽取的制冷劑在多級內(nèi)冷氮壓縮器83中被壓縮到75.9巴(7.59MPa)，并冷卻到環(huán)境溫度，以供循環(huán)。
在管線77中加入較小部分的膨脹氮流以在熱氮換熱器63中進行加熱，使得換熱器63中的冷卻曲線可以維持在接近理想狀態(tài)，即所述流體的加熱曲線和冷卻曲線在整個長度上互相緊密接近，從而提高了工藝效率。無需為了獲得更接近的平行冷卻曲線而在混合制冷劑換熱器21中提供汽化的混合制冷劑平衡流，以加熱氣體膨脹換熱器63或者可替換地冷卻管線73中的所述高壓制冷劑氣體的一部分。本發(fā)明的本實施例，和前面參考圖1-5，7和8描述的實施方案，舉例說明了第一制冷系統(tǒng)和氣體膨脹制冷系統(tǒng)的獨立操作。
權(quán)利要求
1.氣體液化的方法，包括(a)在第一換熱區(qū)通過和第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑流間接換熱來冷卻原料氣體，以及從所述第一換熱區(qū)抽取基本液化的原料流(即，當(dāng)通過節(jié)流閥絕熱膨脹到大氣壓時，所述流具有0.25-1.0的液體分數(shù))；(b)在第二換熱區(qū)通過和第二制冷系統(tǒng)提供的一股或多股做功膨脹后的制冷劑流間接換熱來進一步冷卻所述基本液化的原料流，并從所述第二換熱區(qū)抽取進一步冷卻的、基本液化的原料流；和(c)在第二制冷系統(tǒng)中做功膨脹兩股或多股冷卻的壓縮的制冷劑流，以在第二換熱區(qū)提供所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的至少之一，其中所述第二制冷系統(tǒng)的所述操作包括下列步驟(1)壓縮一種或多種制冷劑氣體，以提供壓縮的制冷劑流；(2)在第三換熱區(qū)通過和一股或多股做功膨脹后的制冷劑流間接換熱使所述壓縮的制冷劑流的全部或部分冷卻，以提供冷卻的、壓縮的制冷劑流；和(3)所述冷卻的、壓縮的制冷劑流做功膨脹，以在所述第二換熱區(qū)中提供所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的之一；和在第二換熱區(qū)里的做功膨脹后的制冷劑流的流速小于在所述第三換熱區(qū)中的所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的總流速。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在所述第三換熱區(qū)中提供制冷職能的所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流之一包括當(dāng)在所述第二換熱區(qū)中提供制冷職能后在所述第二換熱區(qū)中的所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流之一，而且所述兩股或多股膨脹的冷卻的壓縮的制冷劑流的第二股在至少所述第三換熱區(qū)提供了冷卻職能。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述兩股或多股膨脹的冷卻的壓縮的制冷劑流的所述第二股還在所述第二換熱區(qū)提供了冷卻職能。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述兩股或多股膨脹的冷卻的壓縮的制冷劑流的所述第二股在所述第二換熱區(qū)的中間溫度位置和所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流之一相結(jié)合。
5.權(quán)利要求2的方法，其中所述兩股或多股膨脹的冷卻的壓縮的制冷劑流的所述第二種在所述第三換熱區(qū)而不在所述第二換熱區(qū)中提供冷卻職能。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述兩股或多股膨脹的冷卻的壓縮的制冷劑流的所述第二股在所述第二和第三換熱區(qū)之間的位置和所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流之一相結(jié)合。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述壓縮的制冷劑氣體的第一部分在所述第三換熱區(qū)中冷卻，所述壓縮的制冷劑氣體的第二部分在所述第三換熱區(qū)中冷卻、做功膨脹和加熱，以在其中提供用于冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的所述第一部分的制冷能力。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述壓縮的制冷劑氣體在所述第三換熱區(qū)中冷卻，和做功膨脹以提供第一做功膨脹后的制冷劑，所述第一做功膨脹后的制冷劑分成第一和第二冷卻的制冷劑，所述第一冷卻的制冷劑在所述第三換熱區(qū)中加熱以在其中提供用于冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的制冷能力，所述第二冷卻的制冷劑進一步冷卻并做功膨脹以提供第二做功膨脹后的制冷劑，和所述第二做功膨脹后的制冷劑在所述第二換熱區(qū)中加熱以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的制冷能力。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述壓縮的制冷劑氣體的第一部分在所述第三換熱區(qū)中冷卻，和做功膨脹以提供第一做功膨脹后的制冷劑，所述壓縮的制冷劑氣體的第二部分通過和第三制冷系統(tǒng)提供的汽化制冷劑間接換熱而冷卻，并做功膨脹以提供第二做功膨脹后的制冷劑，以及所述第一和第二做功膨脹后的制冷劑在所述第二換熱區(qū)中加熱以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的制冷能力。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述壓縮的制冷劑氣體在所述第三換熱區(qū)中冷卻以提供冷卻的壓縮的制冷劑氣體，而且其中所述冷卻的壓縮的制冷劑氣體的一部分做功膨脹并在所述第二換熱區(qū)中加熱，以在其中提供對來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的冷卻。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)壓縮第一制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的制冷劑，在所述第二換熱區(qū)加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑以提供用于在其中冷卻所述冷卻的原料流的制冷能力，和從中抽取中間制冷劑；(f)通過和汽化制冷劑間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑，和將所述做功膨脹后的第二制冷劑和所述中間制冷劑合并在一起以提供組合的中間制冷劑；和(g)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述組合的中間制冷劑以在其中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的冷卻能力，和從中抽取熱制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)壓縮第一制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體；(e)在所述第三換熱區(qū)冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供冷卻的壓縮的制冷劑，和將所述冷卻的壓縮的制冷劑分成第一和第二冷卻的壓縮的制冷劑；(f)在所述第三換熱區(qū)中進一步冷卻所述第一冷卻的壓縮的制冷劑以提供第一進一步冷卻的制冷劑；(g)使所述第一進一步冷卻的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第一制冷劑，和使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑；(h)在所述第二換熱區(qū)中加熱所述做功膨脹后的第一制冷劑和所述做功膨脹后的第二制冷劑，以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的制冷能力，和從所述第二換熱區(qū)抽取組合的中間制冷劑；和(i)在所述第三換熱區(qū)加熱所述組合的中間制冷劑以在其中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)在多級制冷劑壓縮器中壓縮第一制冷劑氣體和第二制冷劑氣體以提供壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，和使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于第一壓力的冷的做功膨脹后的制冷劑，和在所述第二換熱區(qū)加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的冷卻能力，和從所述第二換熱區(qū)抽取中間制冷劑；(f)通過和汽化制冷劑間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于比所述第一壓力大的第二壓力的做功膨脹后的第二制冷劑，在所述第三換熱區(qū)中加熱所述做功膨脹后的第二制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第二制冷劑氣體；(g)在所述第三換熱區(qū)加熱所述中間制冷劑以提供用于在其中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體；和(h)將所述第一制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的第一階段，和引入所述第二制冷劑氣體到所述多級制冷劑壓縮器的中間階段。
14.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)壓縮制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，和使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供第一做功膨脹后的制冷劑；(f)在所述第二換熱區(qū)中冷卻所述第一做功膨脹后的制冷劑以提供冷卻的第一做功膨脹后的制冷劑，使所述冷卻的第一做功膨脹后的制冷劑做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的制冷劑，在所述第二換熱區(qū)加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的冷卻能力，和從所述第二換熱區(qū)抽取中間制冷劑；(g)通過和汽化冷卻劑間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑，以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑，和將所述做功膨脹后的第二制冷劑和所述中間制冷劑合并在一起以提供組合制冷劑；和(h)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述組合制冷劑以在其中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取所述第一制冷劑氣體。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)在多級制冷劑壓縮器中壓縮第一制冷劑氣體和第二制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于第一壓力的第一冷的做功膨脹后的制冷劑，和將所述第一冷的做功膨脹后的制冷劑分成第一和第二冷制冷劑；(f)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述第一冷制冷劑以在其中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的冷卻能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第二制冷劑氣體；(g)在所述第二換熱區(qū)中冷卻所述第二冷制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于比所述第一壓力小的第二壓力的第二做功膨脹后的制冷劑；(h)在所述第二換熱區(qū)中加熱所述第二做功膨脹后的制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的基本液化的原料流的制冷能力，和提供用于在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體；和(i)將所述第一制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的第一階段，和將所述第二制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的中間階段。
16.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)壓縮制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體，和將所述壓縮的制冷劑氣體分成第一和第二壓縮的制冷劑；(e)在所述第三換熱區(qū)冷卻所述第一壓縮的制冷劑以提供第一冷卻的壓縮的制冷劑，和使所述第一冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的第一制冷劑，在所述第二換熱區(qū)中加熱所述冷的做功膨脹后的第一制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的制冷能力，和在所述第二換熱區(qū)中形成部分加熱的制冷劑；(f)通過和汽化制冷劑的間接換熱來冷卻所述第二壓縮的制冷劑以提供中間冷卻的制冷劑，進一步在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述中間冷卻的制冷劑以提供冷卻的第二壓縮的制冷劑，和使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供做功膨脹后的第二制冷劑；(g)將所述冷的做功膨脹后的第二制冷劑和所述部分加熱的制冷劑合并在一起以提供組合的中間制冷劑，在所述第二換熱區(qū)中加熱所述組合的中間制冷劑以在其中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的輔助制冷能力，和從所述第二換熱區(qū)中抽取部分加熱的制冷劑；和(h)在所述第三換熱區(qū)中加熱所述部分加熱的制冷劑以在其中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑和第二壓縮的制冷劑的制冷能力，和從中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二制冷系統(tǒng)由包括下列步驟的方法操作(d)在多級制冷劑壓縮器中壓縮第一制冷劑氣體和第二制冷劑氣體以提供所述壓縮的制冷劑氣體；(e)在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供冷卻的壓縮的制冷劑，和將所述冷卻的壓縮的制冷劑分成第一和第二冷卻的制冷劑；(f)使所述第一冷卻的制冷劑做功膨脹以提供處于第一壓力的第一做功膨脹后的制冷劑，在所述第二和第三換熱區(qū)中加熱所述第一做功膨脹后的制冷劑以在所述第二換熱區(qū)中提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的制冷能力和在所述第三換熱區(qū)中提供用于在所述第三換熱區(qū)中冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從所述第三換熱區(qū)抽取加熱的制冷劑以提供所述第二制冷劑氣體；(g)在所述第二換熱區(qū)中冷卻所述第二冷卻的制冷劑以提供第二冷卻的壓縮的制冷劑，使所述第二冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹以提供處于比所述第一壓力小的第二壓力的第二做功膨脹后的制冷劑；(h)在所述第二和第三換熱區(qū)中加熱所述第二做功膨脹后的制冷劑以在所述第二換熱區(qū)中提供用于冷卻所述冷卻的原料流的制冷能力，和在所述第三換熱區(qū)中提供用于冷卻所述第一壓縮的制冷劑的制冷能力，和從所述第三換熱區(qū)中抽取加熱的制冷劑以提供所述第一制冷劑氣體；和(i)將所述第一制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的第一階段，和將所述第二制冷劑氣體引入所述多級制冷劑壓縮器的中間階段。
18.用于氣體液化的方法，包括(a)在第一換熱區(qū)通過和第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱來冷卻原料流，以及從所述第一換熱區(qū)抽取基本液化的原料流；和(b)在第二換熱區(qū)通過和冷的做功膨脹后的制冷劑間接換熱進一步冷卻所述基本液化的原料流，并從中抽取進一步冷卻的、基本液化的原料流；和其中所述冷的做功膨脹后的制冷劑在包括至少兩個制冷環(huán)路的所述第二制冷系統(tǒng)中由包括下列步驟的方法提供(1)在第一制冷環(huán)路中壓縮制冷劑氣體，以提供壓縮的制冷劑氣體；(2)在第三換熱區(qū)冷卻所述壓縮的制冷劑氣體以提供冷卻的壓縮的制冷劑氣體，其中所述冷卻的一部分通過汽化由第二制冷環(huán)路提供的多組分制冷劑而提供在其中；(3)所述冷卻的壓縮的制冷劑氣體做功膨脹，以提供冷的做功膨脹后的制冷劑；和(4)在所述第二和第三換熱區(qū)中加熱所述冷的做功膨脹后的制冷劑，以在所述第二換熱區(qū)提供用于冷卻來自所述第一換熱區(qū)的所述基本液化的原料流的制冷能力和在所述第三換熱區(qū)提供用于冷卻所述壓縮的制冷劑氣體的制冷能力，和從所述第三換熱區(qū)抽取加熱的制冷劑以提供所述制冷劑氣體。
19.用于氣體液化的方法，包括(a)在第一換熱區(qū)通過和第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱來冷卻原料氣體，從而提供冷卻的原料流；和(b)在第二換熱區(qū)通過和第二制冷系統(tǒng)提供的做功膨脹后的制冷劑間接換熱進一步冷卻所述冷卻的原料流，并從所述第二換熱區(qū)抽取進一步冷卻的流；所述第二制冷系統(tǒng)的操作包括下列步驟(1)壓縮制冷劑氣體以提供壓縮的制冷劑；(2)冷卻所述壓縮的制冷劑以提供冷卻的壓縮的制冷劑；(3)所述冷卻的壓縮的制冷劑做功膨脹，以提供做功膨脹后的制冷劑；其中用于冷卻所述壓縮的制冷劑的制冷能力部分由在第三換熱區(qū)中和來自所述第二換熱區(qū)的做功膨脹后的制冷劑間接換熱而提供，部分由所述第一制冷系統(tǒng)提供的平衡制冷而提供；特征在于通過冷卻和做功膨脹所述壓縮的制冷劑的一部分以提供輔助的做功膨脹后的制冷劑降低或去除了對所述平衡制冷的需求，而且所述輔助的做功膨脹后的制冷劑用于向所述第三換熱區(qū)提供輔助的制冷能力。
20.前述任一權(quán)利要求的方法，其中在所述第三換熱區(qū)不發(fā)生所述原料氣或所述冷卻的原料流的冷卻。
21.前述任一權(quán)利要求的方法，其中在所述第三換熱區(qū)中冷卻的壓縮的制冷劑流的流速小于在所述第三換熱區(qū)中加熱的一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的總流速。
22.前述任一權(quán)利要求的方法，其中所述第一制冷系統(tǒng)和所述第二制冷系統(tǒng)獨立操作。
23.前述任一權(quán)利要求的方法，其中在所述第一換熱區(qū)中的所述原料氣的冷卻由包括下列步驟的方法實現(xiàn)(d)壓縮和冷卻包含一種或多種組分的制冷劑氣體以提供冷卻的至少部分冷凝的制冷劑；(e)降低所述冷卻的至少部分冷凝的制冷劑的壓力以提供汽化制冷劑，和通過與所述第一換熱區(qū)中的所述汽化制冷劑間接換熱來冷卻所述原料氣以提供所述基本液化的原料流和(d)的所述制冷劑氣體。
24.前述任一權(quán)利要求的方法，其中所述原料氣在所述第一換熱區(qū)之前通過和汽化制冷劑的間接換熱進行冷卻。
25.權(quán)利要求23的方法，其中(d)中的所述制冷劑氣體的冷卻的至少一部分由和汽化制冷劑的間接換熱提供。
26.前述任一權(quán)利要求的方法，還包括通過在其中加熱在所述第一制冷系統(tǒng)中提供的所述一股或多股制冷劑的一部分而向所述第三換熱區(qū)提供輔助的制冷能力。
27.前述任一權(quán)利要求的方法，進一步包括通過在其中加熱在所述第二制冷系統(tǒng)中提供的中間冷卻的制冷劑的一部分而向所述第一換熱區(qū)提供輔助的制冷能力。
28.前述任一權(quán)利要求的方法，其中所述原料氣包括天然氣。
29.前述任一權(quán)利要求的方法，其中在所述第一制冷系統(tǒng)中提供的所述一股或多股制冷劑選自氮、含有一個或多個碳原子的烴、和含有一個或多個碳原子的鹵代烴。
30.前述任一權(quán)利要求的方法，其中在所述第二制冷系統(tǒng)中的所述制冷劑氣體包括一種或多種選自氮、氬、甲烷、乙烷和丙烷的組分。
31.用于氣體液化的系統(tǒng)，包括(a)第一制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱而冷卻原料氣以提供基本液化的原料流的第一換熱裝置；(b)第二制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第二制冷系統(tǒng)提供的一股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑間接換熱而進一步冷卻所述基本液化的原料流以提供進一步冷卻的、基本液化的原料流的第二換熱裝置；(c)用于壓縮一股或多股制冷劑氣流的氣體壓縮裝置，和用于冷卻所述第二制冷系統(tǒng)的一股或多股壓縮的制冷劑氣流的第三換熱裝置；(d)用于使所述第二制冷系統(tǒng)的冷卻的壓縮的制冷劑氣流做功膨脹以提供兩股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑流的兩個或多個膨脹器；和(e)用于將所述兩股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑流之一傳輸?shù)剿龅诙Q熱裝置以及將所述兩股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑流的另一股傳輸?shù)剿龅诙虻谌龘Q熱裝置的管道裝置。
32.用于氣體液化的系統(tǒng)，包括(a)第一制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第一制冷系統(tǒng)提供的一股或多股制冷劑間接換熱而冷卻原料氣以提供基本液化的原料流的第一換熱裝置；(b)第二制冷系統(tǒng)和用于通過和所述第二制冷系統(tǒng)提供的一股或多股冷的做功膨脹后的制冷劑間接換熱而進一步冷卻所述基本液化的原料流以提供進一步冷卻的、基本液化的原料流的第二換熱裝置；(c)用于壓縮制冷劑氣流的氣體壓縮裝置，和用于冷卻一股或多股壓縮的制冷劑流的第三換熱裝置；(d)用以向所述第三換熱裝置提供輔助制冷能力的第三制冷系統(tǒng)；(e)用于使所述第二制冷系統(tǒng)中的冷卻的壓縮的制冷劑流做功膨脹以提供冷的做功膨脹后的制冷劑流的膨脹器；和(f)用于將所述冷的做功膨脹后的制冷劑流從所述膨脹器傳輸?shù)剿龅诙Q熱裝置的管道裝置。
33.權(quán)利要求31或32的系統(tǒng)，其具有實施權(quán)利要求2-27任一項所述的方法的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液化氣體的方法，所述方法包括在第一換熱區(qū)(21)中通過第一制冷系統(tǒng)(45、47、49、51、53、21、55、57、23、21)冷卻原料氣并從中抽取基本液化的原料流(25)，在第二換熱區(qū)(27)中通過和第二制冷系統(tǒng)(81、83、59、(i)61、63、65、31、29、27、67&(ii)69、71、73、75、77、&79、63)提供的一股或多股做功膨脹后的制冷劑流(29)間接換熱來冷卻所述基本液化的原料流，以及從中抽取進一步冷卻的、基本液化的原料流(33)。所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的至少之一(29)通過壓縮(83)一股或多股制冷劑氣體(81)提供，以提供壓縮的制冷劑流(59)，在第三換熱區(qū)(63)中冷卻所述壓縮的制冷劑流(59)的全部或部分(61)，以提供冷卻的壓縮的制冷劑流(65)，和使所述冷卻的壓縮的制冷劑流(65)做功膨脹(31)以提供所述一股或多股做功膨脹后的制冷劑流(29)之一。在所述第二換熱區(qū)(27)中的做功膨脹后的制冷劑流(29)的流速小于在所述第三換熱區(qū)(63)中的一股或多股做功膨脹后的制冷劑流的總流速(67+77＝79)，或者通過第三制冷系統(tǒng)(圖9911、913、905、903、907、909、903)將輔助制冷職能提供給所述第三換熱區(qū)。
文檔編號F25J1/02GK1853078SQ200480026505
公開日2006年10月25日 申請日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月17日
發(fā)明者M·J·羅伯特斯, C·G·斯皮斯伯里, A·A·布羅斯托 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司