專利名稱:天然氣的液化方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)被給予并要求提交于2004年8月6日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第60/599,753號(hào)的權(quán)益，其教導(dǎo)被全部引入本文以供參考。
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種液化富甲烷的氣流如天然氣的方法，并涉及更有效地生產(chǎn)這種液化流。
發(fā)明背景天然氣通常是指發(fā)現(xiàn)于地球內(nèi)部的稀薄或氣態(tài)的烴(由甲烷和輕質(zhì)烴組成，所述輕質(zhì)烴為例如乙烷、丙烷、丁烷等)。地球內(nèi)部存在的不燃?xì)怏w如二氧化碳、氦和氮，通常是依據(jù)它們固有的化學(xué)名稱來(lái)稱呼的。但是，不燃?xì)怏w經(jīng)常結(jié)合易燃?xì)怏w一起被發(fā)現(xiàn)，由于不想用易燃?xì)怏w和不燃?xì)怏w來(lái)區(qū)分該混合物，所以它通常被稱作“天然氣”。參見(jiàn)Priutt，“Mineral Terms-Some Problems in Their Use andDefinition，”Rocky Mt.Min.L.Rev.1，16(1966)。
天然氣常常在某些地方很豐富，但是由于那里缺乏天然氣的本地市場(chǎng)或者處理和運(yùn)輸該天然氣至遠(yuǎn)方市場(chǎng)的成本很高，開(kāi)發(fā)那些儲(chǔ)量是不經(jīng)濟(jì)的。
通常的做法是，低溫下使天然氣液化，以產(chǎn)生更便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)囊夯烊粴猱a(chǎn)品(“LNG”)。天然氣液化的根本理由是液化導(dǎo)致體積減少為約1/600，因此有可能在低壓或甚至大氣壓下在容器中儲(chǔ)存和運(yùn)輸液化氣。在供應(yīng)源和市場(chǎng)相隔很遠(yuǎn)，并且管道運(yùn)輸不可用或經(jīng)濟(jì)上不可行時(shí)的情況下，天然氣的液化甚至更為重要，它能將氣體從供應(yīng)源運(yùn)輸至市場(chǎng)。在一些情況下，運(yùn)輸?shù)姆椒ㄊ抢眠h(yuǎn)洋船舶。如果氣體原料沒(méi)有被高度壓縮，那么運(yùn)輸這些氣體原料是不經(jīng)濟(jì)的。即使那樣，由于必須要提供適當(dāng)強(qiáng)度和容量的容器，運(yùn)輸也將是不經(jīng)濟(jì)的。
為了儲(chǔ)存和運(yùn)輸液態(tài)的天然氣，典型地，天然氣被冷卻至-240(-151℃)至-260(-162℃)，在這個(gè)范圍內(nèi)，在接近大氣壓的壓力下天然氣可以作為液體存在。許多LNG液化設(shè)備利用機(jī)械制冷循環(huán)來(lái)進(jìn)行入口氣流的冷卻，例如級(jí)聯(lián)或混合制冷劑型，它們?cè)诿绹?guó)專利第3,548,606號(hào)中被廣泛公開(kāi)，該文獻(xiàn)的教導(dǎo)被引入本文以供參考。對(duì)于液化天然氣，存在各種其它的方法和/或系統(tǒng)，由此，通過(guò)順序地將高壓氣體通過(guò)多個(gè)冷卻階段，并將氣體冷卻至相繼較低的溫度，直至實(shí)現(xiàn)液化，從而可使氣體液化。通常，在封閉回路或開(kāi)放回路的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)與一種或多種制冷劑的換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，所述制冷劑為例如丙烷、丙烯、乙烷、乙烯、氮?dú)?、甲烷、或其混合物。為了降低制冷劑的沸點(diǎn)，可以將它們以級(jí)聯(lián)方式排列。例如，在美國(guó)專利4,445,917、5,537,827、6,023,942、6,041,619、6,062,041、6,248,794和英國(guó)專利申請(qǐng)GB2,357,140A中廣泛公開(kāi)了制備LNG的方法。所有前述專利的教導(dǎo)被全部引入本文以供參考。
另外，將液化的天然氣通過(guò)一個(gè)或多個(gè)膨脹階段，可以使液化的氣體膨脹至大氣壓。在膨脹過(guò)程中，氣體被進(jìn)一步冷卻至適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存或運(yùn)輸溫度，并且其壓力減少至近似大氣壓。在這個(gè)膨脹至大氣壓的過(guò)程中，天然氣的體積急速地發(fā)生顯著變化。可以從膨脹階段收集急驟蒸氣(flashed vapor)，將其循環(huán)或燃燒，以產(chǎn)生用于液態(tài)天然氣生產(chǎn)設(shè)施的能量。
典型地，級(jí)聯(lián)制冷循環(huán)型設(shè)備在建造和操作方面相對(duì)昂貴，混合制冷劑循環(huán)設(shè)備也可能需要密切關(guān)注操作過(guò)程中的流組合物。由于組分需要低溫冶金術(shù)，所以制冷裝置特別昂貴。但是，天然氣的液化是一種日益重要且廣泛應(yīng)用的技術(shù)，該技術(shù)將氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇菀浊医?jīng)濟(jì)地運(yùn)輸和儲(chǔ)存的形態(tài)。被花費(fèi)用于使氣體液化的成本和能量必須最小化，以得到一種成本有效的方式，用于生產(chǎn)氣體并將氣體從氣田運(yùn)輸至最終用戶。降低液化成本的工藝技術(shù)又降低了氣體產(chǎn)品至終端用戶的成本。
歷史上，天然氣液化用的工藝循環(huán)利用等熵膨脹閥或JouleThomson(J-T)閥來(lái)產(chǎn)生使氣體液化所需的制冷。為了這個(gè)目的而使用膨脹閥的典型工藝循環(huán)在例如美國(guó)專利第3,763,658、4,065,276、4,404,008、4,445,916、4,445,917和4,504,296號(hào)中被描述。
當(dāng)工藝流體流過(guò)這樣的閥時(shí)所產(chǎn)生的膨脹功基本上損失了。為了回收至少一部分通過(guò)這些工藝流體膨脹而產(chǎn)生的功，可以利用膨脹機(jī)器，如往復(fù)式膨脹機(jī)或渦輪膨脹機(jī)。例如，美國(guó)專利4,445,916、4,970,867和5,755,114描述了與生產(chǎn)LNG有關(guān)的渦輪膨脹機(jī)的使用。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“膨脹機(jī)”或“膨脹機(jī)/壓縮設(shè)備”通常是指這些渦輪膨脹機(jī)或往復(fù)式膨脹機(jī)。在天然氣液化的領(lǐng)域內(nèi)，術(shù)語(yǔ)“膨脹機(jī)”經(jīng)常被用于表示渦輪膨脹機(jī)，并且在本公開(kāi)內(nèi)容中也如此使用。
申請(qǐng)人:未找到任何以前的方法，該方法使用富甲烷氣的原料流如天然氣流的超壓作為L(zhǎng)NG方法用的制冷源，以在天然氣被引導(dǎo)至液化區(qū)之前，提供用于預(yù)冷天然氣的制冷循環(huán)用的壓縮，或者提供在液化區(qū)用于使天然氣液化的一個(gè)或多個(gè)制冷循環(huán)用的壓縮。雖然大部分液化方法利用富甲烷原料，該富甲烷原料典型地以650psig(44.8巴)至1000psig(69.0巴)壓力被輸送，但是在許多情況下，提供的天然氣可用的壓力更高，例如從約1000psig(69.0巴)至高達(dá)2500psig(172.4巴)，或者更高。在這種壓力下產(chǎn)生的氣體可能來(lái)自地下地質(zhì)構(gòu)造；或者在由于與產(chǎn)地要求相關(guān)的許多原因而生產(chǎn)天然氣之后，它可以被壓縮至這種壓力；或者由于鄰近產(chǎn)地的局部管道或氣體運(yùn)輸系統(tǒng)的要求，它可以被壓縮。在液化前使用這種預(yù)備步驟可能會(huì)導(dǎo)致并不昂貴的液化設(shè)備的建造和/或操作，和/或?qū)τ诮o定的設(shè)備設(shè)計(jì)，可能會(huì)考慮更大量的LNG生產(chǎn)。或者，超壓可以被轉(zhuǎn)化成機(jī)械功，該機(jī)械功可被用于產(chǎn)生電能，該電能還可產(chǎn)生更有效的方法。
可以看出，希望以一種能導(dǎo)致更有效和/或潛在地不昂貴的LNG液化方法的方式，利用在這種可得到的氣流中固有的額外能量。
發(fā)明概述依照本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)前述的目的和優(yōu)點(diǎn)，這在一方面涉及一種用于液化受壓的天然氣流的方法。該方法包括如下步驟(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流；(c)在膨脹設(shè)備中使冷卻的受壓天然氣流膨脹，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于發(fā)動(dòng)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)壓縮制冷劑流以產(chǎn)生受壓制冷劑流，該膨脹導(dǎo)致冷凍的原料流，該冷凍原料流被引導(dǎo)至天然氣液化區(qū)；(d)將受壓制冷劑流冷卻以產(chǎn)生冷卻的、至少部分冷凝的受壓制冷劑流；(e)使冷卻的、至少部分冷凝的受壓制冷劑流膨脹，以產(chǎn)生在(b)中使用的冷的制冷劑流；和(f)在天然氣液化區(qū)將冷凍原料流液化。
在實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種用于液化受壓天然氣流的方法，該方法包括如下步驟(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流；
(c)在膨脹設(shè)備中使冷卻的受壓天然氣流膨脹，以產(chǎn)生冷凍原料流，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于提供制冷，以產(chǎn)生冷的制冷劑流；和(d)在液化區(qū)將冷凍原料流液化。
在其他方面，本發(fā)明涉及一種制備冷凍天然氣原料流的方法，該方法包括(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流；(c)在膨脹設(shè)備中使冷卻的受壓天然氣流膨脹以產(chǎn)生冷凍原料流，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于產(chǎn)生冷的制冷劑流。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于液化受壓天然氣流的方法，該方法包括(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)在膨脹設(shè)備中使受壓天然氣流膨脹，以產(chǎn)生冷凍原料流，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于提供制冷，以生產(chǎn)LNG；和(c)在液化區(qū)將冷凍原料流液化。
在還一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于液化受壓天然氣流的方法。該方法包括如下步驟(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)在膨脹設(shè)備中使受壓天然氣流膨脹，以產(chǎn)生冷凍原料流和膨脹功；和(c)在液化區(qū)將冷凍原料流液化。
附圖簡(jiǎn)述圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的簡(jiǎn)化工藝流程圖，其中來(lái)自受壓天然氣流的超壓在膨脹機(jī)/壓縮機(jī)設(shè)備中膨脹以產(chǎn)生機(jī)械功，該機(jī)械功(1)發(fā)動(dòng)設(shè)備的壓縮機(jī)，并由此提供閉環(huán)丙烷制冷循環(huán)用的壓縮，以預(yù)冷天然氣流，(2)產(chǎn)生用于液化方法的膨脹的冷凍天然氣原料。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種從富甲烷的氣流中生產(chǎn)LNG的方法，所述氣流為例如上面所定義的術(shù)語(yǔ)天然氣。本文預(yù)期的天然氣通常包括至少50摩爾％的甲烷，優(yōu)選至少75摩爾％的甲烷，更優(yōu)選至少90摩爾％的甲烷。天然氣的余量通常包括其它可燃烴，例如但不限于較少量的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷，和重質(zhì)烴，以及不燃組分，例如二氧化碳、硫化氫、氦和氮。
通常，通過(guò)氣液分離步驟，降低了天然氣中重質(zhì)烴如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷，以及沸點(diǎn)高于丙烷的烴的存在量。沸點(diǎn)高于戊烷或己烷的烴通常是指原油。為本發(fā)明的目的，沸點(diǎn)基本上高于乙烷、并低于戊烷或己烷的烴通常被除去，并被認(rèn)為是天然氣液體或“NGL”。這種NGL可以從本發(fā)明所用的天然氣原料流中、在本文公開(kāi)的工藝的上游或下游處進(jìn)行回收。
對(duì)于大部分市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，還希望將LNG中的不燃物和污染物如二氧化碳、氦、氮和硫化氫的存在量減到最小。根據(jù)所給天然氣儲(chǔ)蓄器(該儲(chǔ)蓄器可包含多達(dá)50％至70％的二氧化碳)的性質(zhì)，可以在天然氣設(shè)備內(nèi)預(yù)處理天然氣以預(yù)先除去上述這些組分，或可以在生產(chǎn)LNG之前將天然氣直接運(yùn)送至該設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理。
通常在高達(dá)2800psig(193.1巴)的高壓或更高的壓力下，利用或運(yùn)輸天然氣。根據(jù)本發(fā)明，合適的天然氣原料所具有的壓力通常比那些典型地提供給LNG設(shè)施的壓力更高，例如比典型LNG液化方法的設(shè)計(jì)壓力高至少約200psig(13.8巴)的壓力，原料壓力典型地設(shè)計(jì)為約650psig(44.8巴)至1000psig(69.0巴)。希望在本發(fā)明方法中使用的原料壓力為約1000psig(69.0巴)或更高，例如從約1300psig(89.6巴)至約2500psig(172.4巴)或更高。天然氣的溫度取決于它的起始源。當(dāng)天然氣是管道氣時(shí)，它的溫度可接近周圍條件，例如0(-17.8℃)至120(48.9℃)，更典型地從50(10℃)至100(37.8℃)。如果天然氣條件的測(cè)定接近運(yùn)送設(shè)備如天然氣壓縮機(jī)，那么出口和壓縮后裝置就可以指示或影響天然氣原料的溫度和壓力。
適用于本發(fā)明的預(yù)處理步驟通常始于如下步驟，該步驟一般被確認(rèn)和已知與LNG生產(chǎn)有關(guān)，包括但不限于從天然氣流中除去酸性氣體(例如H2S和CO2)、硫醇、汞和濕氣。酸性氣體和硫醇一般通過(guò)吸附方法來(lái)除去，該吸附方法采用含胺的水溶液或其它類型的已知物理或化學(xué)溶劑。通常在天然氣液化區(qū)的上游實(shí)施這個(gè)步驟。通常，通過(guò)在低水平冷卻之前或之后進(jìn)行兩相氣液分離，大部分水作為液體被除去，接著用分子篩處理來(lái)除去微量水。除水步驟通常發(fā)生在如本文預(yù)期的任意膨脹的上游。通過(guò)使用汞吸附床來(lái)除去汞。剩余量的水和酸性氣體最經(jīng)常通過(guò)使用特別選擇的吸附床如可再生分子篩而除去。通常，這種特別選擇的吸附床也被安置于大多數(shù)的天然氣液化步驟的上游。
參考圖1描述本發(fā)明，該圖描繪了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中來(lái)自受壓天然氣流的超壓通過(guò)在膨脹機(jī)/壓縮機(jī)設(shè)備中的氣流膨脹而被利用，從而產(chǎn)生機(jī)械功，該機(jī)械功例如(1)發(fā)動(dòng)設(shè)備的壓縮機(jī)，由此提供閉環(huán)丙烷制冷循環(huán)用的壓縮來(lái)預(yù)冷天然氣流，和(2)產(chǎn)生用于液化方法的膨脹的冷凍天然氣原料。制冷循環(huán)也可使用本領(lǐng)域所知的任何其它制冷劑，例如雙混合制冷劑。
參考圖1，天然氣原料處于相對(duì)高的壓力下，例如從約1000psig(69.0巴)至2500psig(172.4巴)，更希望從1300psig(89.6巴)至2500psig(172.4巴)，該天然氣原料通過(guò)管道10被引導(dǎo)至工藝中。這種原料可以處于室溫下，例如前面提到的約50(10℃)至100(37.8℃)。管道10將天然氣原料引導(dǎo)至冷凍器15，其中原料通過(guò)與制冷劑如丙烷的間接換熱而被冷卻，所述制冷劑通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)被運(yùn)送。制冷劑可以以兩相(蒸氣和液體)的形式被引導(dǎo)至冷凍器15，但是，優(yōu)選的是，蒸氣量被減至最少，使得制冷劑基本上處于液相。通過(guò)管道120將制冷劑引導(dǎo)至冷凍器15。在冷凍器15中，制冷劑被蒸發(fā)，并通過(guò)管道50離開(kāi)冷凍器15。天然氣原料在冷凍器15中被冷卻，并通過(guò)管道20離開(kāi)。如果原料以前述的溫度和壓力范圍被引導(dǎo)至本發(fā)明的工藝中，那么在基本上與施加于冷凍器15的壓力相同的壓力下，在約-30(-34.4℃)至50(10℃)的溫度下，冷卻的天然氣原料離開(kāi)。
然后，將冷卻的天然氣原料通過(guò)管道20運(yùn)送至渦輪膨脹機(jī)25，其中該原料被引導(dǎo)至其膨脹機(jī)部分30內(nèi)。在膨脹機(jī)部分30內(nèi)，可使天然氣原料膨脹，以調(diào)整其壓力基本上為在LNG生產(chǎn)中使用的液化方法的設(shè)計(jì)壓力。典型地，使天然氣的壓力膨脹至約650psig(44.8巴)至1000psig(69.0巴)。通過(guò)管道140離開(kāi)膨脹機(jī)部分30的冷凍天然氣原料的溫度可處于相對(duì)低的溫度，例如-100(-73.3℃)至-60(-51.1℃)溫度，使得該天然氣原料可有利地用作NGL回收單元(如果需要)和/或液化區(qū)的原料。如果需要，還可以將冷凍天然氣原料引導(dǎo)至工藝單元，以除去酸性氣體或汞污染物，不過(guò)在前述的預(yù)冷步驟之前除去這些污染物可能是更有利的。
從冷凍器15通過(guò)管道50運(yùn)送的制冷劑蒸氣在渦輪膨脹機(jī)25的壓縮機(jī)部分40中被壓縮。在壓縮機(jī)部分40中壓縮后，受壓的制冷劑蒸氣通過(guò)管道60運(yùn)送至冷凝器70。冷凝器70可以是空氣冷卻的換熱器，但是也可以使用在本領(lǐng)域已知的任意換熱儀器。冷凝器70被用于至少部分地將制冷劑冷凝至液相，優(yōu)選基本上將大部分制冷劑冷凝至液相，更優(yōu)選將全部制冷劑冷凝至液相。此外，盡管在圖1中沒(méi)有顯示，優(yōu)選使用在冷凝器70下游的附加冷卻器來(lái)過(guò)冷該冷凝的、至少部分(優(yōu)選全部)液態(tài)的制冷劑流，使得在制冷劑離開(kāi)減壓設(shè)備90后，如在下文中描述的，制冷劑流的蒸氣分?jǐn)?shù)被減到最小，也就是說(shuō)，該蒸氣分?jǐn)?shù)優(yōu)選小于0.5，更優(yōu)選小于0.35。此后，冷卻的制冷劑通過(guò)減壓設(shè)備90如Joule-Thompson閥被引導(dǎo)，制冷劑在其中被進(jìn)一步冷卻。其后，冷卻的制冷劑可任選地被管道100引導(dǎo)至分離器110，該分離器110分離并回收蒸氣形式的制冷劑，并通過(guò)管道130和50將所述制冷劑引導(dǎo)回到壓縮機(jī)部分40。然后，將制冷劑從分離器110通過(guò)管道120引導(dǎo)至冷凍器15。有利地，通常更方便的是，簡(jiǎn)單地省略管道100、分離器110和管道130，如下文描述的實(shí)施例所說(shuō)明的那樣，使得在所得制冷劑流被引導(dǎo)到減壓設(shè)備90之后，該制冷劑流通過(guò)管道120被直接輸送至冷凍器15。這樣，基本上全部冷凍制冷劑流在冷凍器15中被使用，在這點(diǎn)上該制冷劑流可能是兩相(蒸氣和液體)。
冷凍的天然氣原料被引導(dǎo)至生產(chǎn)LNG用的液化區(qū)，該液化區(qū)可包括在本領(lǐng)域已知的任意液化方法。在美國(guó)專利4,172,711、5,537,827、5,669,234和6,158,240中公開(kāi)了級(jí)聯(lián)型液化方法的例子，所述專利的教導(dǎo)以其全部引入本文以供參考?；旌现评鋭┬鸵夯椒ǖ睦庸_(kāi)于美國(guó)專利4,901,533(單級(jí)混合制冷劑循環(huán))；美國(guó)專利4,545,795和6,119,479(雙混合制冷劑循環(huán))；和美國(guó)專利6,253,574(三級(jí)混合制冷劑循環(huán))。這些專利的教導(dǎo)也被全部引入本文以供參考。
如前文所述，通過(guò)使用在這樣的天然氣原料中可獲得的超壓，只需要僅提供必需的制冷，以將冷凍原料的溫度降低至產(chǎn)生液化的溫度，例如從約-90(-67.8℃)至-260(-162.2℃)，而不是從室溫如75(23.9℃)至-260(-162.2℃)。結(jié)果，在常規(guī)LNG工藝中，對(duì)于相同量的安裝設(shè)備馬力(制冷)，可以產(chǎn)生體積增加的LNG。對(duì)于同樣的安裝馬力，這種產(chǎn)量的增加可以為約15％至20％。或者，通過(guò)降低對(duì)于生產(chǎn)給定量的LNG所必需的安裝馬力，可以使用這種超壓來(lái)減少工藝用的資本成本和/或操作成本。
另外，通過(guò)在膨脹設(shè)備如渦輪膨脹機(jī)中使受壓的天然氣原料流膨脹而獲得的膨脹功，可被用于提供在液化區(qū)使用的其它制冷劑流用的壓縮，例如前述在級(jí)聯(lián)型液化方法中使用的級(jí)聯(lián)制冷劑流用的壓縮，該方法被引入本文以供參考，或者如前述的混合制冷劑型方法(該方法可使用一種或多種混合制冷劑循環(huán))，所述方法被引入本文以供參考。膨脹功也可被用于發(fā)動(dòng)產(chǎn)生電力用的發(fā)電機(jī)，其或者用于液化方法中或者輸出至局部電力網(wǎng)。
通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)一步描述了本發(fā)明，應(yīng)理解該實(shí)施例僅僅作為提供說(shuō)明目的的例子，而不是限制所附權(quán)利要求
書(shū)的范圍。
本發(fā)明的具體實(shí)施方案在這個(gè)實(shí)施例中，在實(shí)施本發(fā)明中所使用的方法和儀器被用于先冷凍該天然氣原料流，然后再回收其中的NGL組分，以及在天然氣液化設(shè)備中進(jìn)一步用于生產(chǎn)LNG，例如級(jí)聯(lián)型或雙混合制冷劑方法，被設(shè)計(jì)用于每年生產(chǎn)約5百萬(wàn)噸LNG。
所用的天然氣原料首先被處理以除去污染物、水和酸性氣體組分，例如CO2和含硫化合物，在這種預(yù)處理后，它具有如下摩爾百分比的組成甲烷(94.12％)、乙烷(3.34％)、丙烷(1.23％)、異丁烷(0.31％)、正丁烷(0.38％)、異戊烷(0.20％)、正戊烷(0.20％)和己烷(0.22％)。在圖1的管道10內(nèi)的位置，天然氣原料的溫度為23.9℃，壓力為137.9巴。管道10內(nèi)的天然氣原料的摩爾流量和質(zhì)量流量如下表I所示。
所用的儀器參照?qǐng)D1所示(為了方便，在本文中保留了裝置和管道的附圖標(biāo)記)，除非下文另有指出。丙烷用作制冷劑。在丙烷制冷劑回路和冷凝器70的下游，在丙烷制冷劑在冷凝器70中被冷凝后，另一個(gè)冷卻器如空氣冷卻的換熱器(圖1中沒(méi)有顯示)，被用于使液態(tài)丙烷制冷劑過(guò)冷，使得在制冷劑離開(kāi)Joule-Thompson閥90后，制冷劑流仍基本上處于液相。丙烷制冷劑在冷凝器70中被冷卻后、但在被過(guò)冷前的條件顯示于表I中工藝流75(該流未示于圖1中)欄下；制冷劑在被過(guò)冷后、但在被引導(dǎo)至Joule-Thompson閥90前的條件顯示于表I中工藝流80欄下。而且，所用的儀器不使用如圖1所示的管道100、分離器110或管道130。相反，在所得的冷丙烷制冷劑流離開(kāi)Joule-Thompson閥90后，它(此刻為兩相流-蒸氣分?jǐn)?shù)為0.305)通過(guò)管道120被直接運(yùn)送至冷凍器15。離開(kāi)Joule-Thompson閥90的制冷劑流的條件顯示于表I中工藝流120欄下。
在這個(gè)實(shí)施例的儀器中使用的其它工藝流如表I所示，在其他情況下對(duì)應(yīng)于圖1的工藝流。此外，渦輪膨脹機(jī)25的膨脹機(jī)部分30中的冷卻天然氣原料的膨脹導(dǎo)致產(chǎn)生10,430千瓦(kw)機(jī)械功，它被用于在渦輪膨脹機(jī)25的壓縮機(jī)部分40中壓縮丙烷制冷劑。
在摩爾流量49,807kmol/hr和質(zhì)量流量872,832kg/hr下，生產(chǎn)在管道140中得到的冷凍天然氣原料，然后將它引導(dǎo)至常規(guī)儀器，用于回收一部分NGL，所述NGL在冷卻的天然氣流20于渦輪膨脹機(jī)25的膨脹機(jī)部分30中膨脹后冷凝。在回收NGL后，所述冷凍天然氣原料流的剩余部分被輸送至液化設(shè)備以制備LNG。
表I
本文參考的所有專利或其它文獻(xiàn)都以其全部引入本文以供參考。
通過(guò)考慮本說(shuō)明書(shū)或?qū)嵤┍疚墓_(kāi)的發(fā)明，本發(fā)明的其它實(shí)施方案和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。申請(qǐng)人的目的在于，本說(shuō)明書(shū)僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神通過(guò)下面的權(quán)利要求
書(shū)來(lái)表明。
權(quán)利要求
1.一種用于液化受壓天然氣流的方法，包括如下步驟(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流；(c)在膨脹設(shè)備中使冷卻的受壓天然氣流膨脹，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于發(fā)動(dòng)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)壓縮制冷劑流以產(chǎn)生受壓的制冷劑流，所述膨脹導(dǎo)致冷凍原料流，該冷凍原料流被引導(dǎo)至天然氣液化區(qū)；(d)將受壓制冷劑流冷卻，以產(chǎn)生冷卻的、至少部分冷凝的受壓制冷劑流；(e)使冷卻的、至少部分冷凝的受壓制冷劑流膨脹，以產(chǎn)生在(b)中使用的冷制冷劑流；和(f)在天然氣液化區(qū)將冷凍原料流液化。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中第一壓力為約1000psig(69.0巴)或更高。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中第一壓力為約1300psig(89.6巴)或更高。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中第一壓力為從約1300psig(89.6巴)至2500psig(172.4巴)。
5.如權(quán)利要求
2所述的方法，其中第一溫度為從約50(10℃)至100(37.8℃)。
6.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中制冷劑流包括丙烷。
7.如權(quán)利要求
5所述的方法，其中第二溫度為從約-30(-34.4℃)至50(10℃)。
8.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中膨脹設(shè)備是渦輪膨脹機(jī)。
9.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中冷凍原料流的壓力為650psig(44.8巴)至1000psig(69.0巴)。
10.如權(quán)利要求
7所述的方法，其中冷凍原料流的溫度為從-100(-73.3℃)至-60(-51.1℃)。
11.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中液化區(qū)包括級(jí)聯(lián)型液化方法。
12.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中液化區(qū)包括混合制冷劑型液化方法。
13.一種用于液化受壓天然氣流的方法，包括如下步驟(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流；(c)在膨脹設(shè)備中使冷卻的受壓天然氣流膨脹以產(chǎn)生冷凍原料流，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于提供制冷，以產(chǎn)生冷的制冷劑流；和(d)在液化區(qū)將冷凍原料流液化。
14.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中第一壓力為約1000psig(69.0巴)或更高。
15.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中第一壓力為約1300psig(89.6巴)或更高。
16.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中第一壓力為從約1300psig(89.6巴)至2500psig(172.4巴)。
17.如權(quán)利要求
14所述的方法，其中第一溫度為從約50(10℃)至100(37.8℃)。
18.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中制冷劑流包括丙烷。
19.如權(quán)利要求
17所述的方法，其中第二溫度為從約-30(-34.4℃)至50(10℃)。
20.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中膨脹設(shè)備是渦輪膨脹機(jī)。
21.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中冷凍原料流的壓力為650psig(44.8巴)至1000psig(69.0巴)。
22.如權(quán)利要求
19所述的方法，其中冷凍原料流的溫度為從-100(-73.3℃)至-60(-51.1℃)。
23.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中液化區(qū)包括級(jí)聯(lián)型液化方法。
24.如權(quán)利要求
13所述的方法，其中液化區(qū)包括混合制冷劑型液化方法。
25.一種制備冷凍天然氣原料流的方法，包括(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流；和(c)在膨脹設(shè)備中使冷卻的受壓天然氣流膨脹以產(chǎn)生冷凍原料流，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于產(chǎn)生冷的制冷劑流。
26.一種用于液化受壓天然氣流的方法，包括(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)在膨脹設(shè)備中使受壓天然氣流膨脹以產(chǎn)生冷凍原料流，其中來(lái)自膨脹設(shè)備的膨脹功被用于提供制冷，以生產(chǎn)LNG；和(c)在液化區(qū)將冷凍原料流液化。
27.如權(quán)利要求
26所述的方法，還包括在所述膨脹步驟之前，通過(guò)將受壓天然氣流與冷的制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流。
28.如權(quán)利要求
27所述的方法，其中至少一部分膨脹功被用于提供制冷，以產(chǎn)生冷的制冷劑流。
29.如權(quán)利要求
26所述的方法，其中至少一部分膨脹功被用于提供液化區(qū)用的制冷。
30.如權(quán)利要求
26所述的方法，其中液化區(qū)是級(jí)聯(lián)型方法。
31.如權(quán)利要求
26所述的方法，其中液化區(qū)是混合制冷劑型方法。
32.一種用于液化受壓天然氣流的方法，包括(a)提供在第一壓力和第一溫度下的受壓天然氣流；(b)在膨脹設(shè)備中使受壓天然氣流膨脹，以產(chǎn)生冷凍原料流和膨脹功；和(c)在液化區(qū)將冷凍原料流液化。
33.如權(quán)利要求
32所述的方法，還包括在所述膨脹步驟之前，通過(guò)將受壓天然氣流與冷制冷劑流間接換熱來(lái)冷卻該受壓天然氣流，以產(chǎn)生在比第一溫度更冷的第二溫度下的冷卻的受壓天然氣流。
34.如權(quán)利要求
33所述的方法，其中至少一部分膨脹功被用于提供制冷，以產(chǎn)生冷的制冷劑流。
35.如權(quán)利要求
32所述的方法，其中至少一部分膨脹功被用于提供液化區(qū)用的制冷。
36.如權(quán)利要求
32所述的方法，其中一部分膨脹功被用于發(fā)動(dòng)發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電能。
37.如權(quán)利要求
32所述的方法，其中液化區(qū)是級(jí)聯(lián)型方法。
38.如權(quán)利要求
32所述的方法，其中液化區(qū)是混合制冷劑型方法。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于液化天然氣的方法，其中使在超壓下可用的富甲烷原料即天然氣膨脹，以提供膨脹功，該膨脹功可以通過(guò)許多新的方式而被利用，以在用于冷卻原料的制冷劑循環(huán)中或在一個(gè)或多個(gè)用于液化區(qū)中的制冷劑循環(huán)中提供制冷以液化該原料，或產(chǎn)生電能，用于液化方法或輸出。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)使用膨脹機(jī)/壓縮機(jī)裝置(渦輪膨脹機(jī)30)而獲得膨脹功，所述裝置使原料膨脹，以(1)發(fā)動(dòng)裝置(25)的壓縮機(jī)(40)，從而提供閉環(huán)丙烷制冷循環(huán)(60)用的壓縮，以預(yù)冷(15)天然氣流(10)，和(2)產(chǎn)生膨脹的冷凍天然氣原料(140)用于液化方法。用于液化方法的冷凍天然氣原料的生產(chǎn)，或者可以增加在給定量的安裝馬力用的LNG生產(chǎn)的體積，或者可被用于降低與給定量LNG的生產(chǎn)有關(guān)的資本成本和/或操作成本。
文檔編號(hào)F25J1/02GK1993593SQ200580026729
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年8月4日
發(fā)明者瑞安·歐文, 小理查德·瓊斯, 杰弗里·H·索楚克 申請(qǐng)人:Bp北美公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan