專利名稱：在深冷天然氣加工廠中生產(chǎn)液體天然氣的制作方法
背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種新的、有用的天然氣液化方法。特別是，本發(fā)明涉及一種含高純度甲烷的液體天然氣(LNG)的生產(chǎn)方法，該方法很適于同回收天然氣液體(NGLs)的深冷氣體加工工廠相結(jié)合。
由石油礦井回收的天然氣通常主要由甲烷組成。根據(jù)回收天然氣的地層，氣體中通常還含有不同量的重于甲烷的烴類如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及某些芳烴。天然氣還可能含非烴類如水、氮、二氧化碳、硫化合物、硫化氫等等。
希望將天然氣液化的理由很多以液體形式貯存天然氣比氣體形式更容易，因?yàn)橐后w所占體積較小而且不需在高壓下貯存；LNG可以以液體形式用汽車拖車或鐵路槽車運(yùn)輸；而且貯存的LNG可在高峰需用期再蒸發(fā)并引入管網(wǎng)。
高度純化的LNG(即甲烷純度為大約95至99mol％的)適于用作車輛燃料，這是由于它可完全燃燒，其價(jià)格比石油或其它潔凈燃料低很多，充填燃料之間的行駛距離幾乎和汽油或柴油相同，且所需充填時(shí)間相同。高甲烷純度的LNG還可以經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化為另一種清潔、便宜的車輛燃料，壓縮天然氣(CNG)。對廉價(jià)、完全燃燒燃料的需求特別緊迫，這是由于1992年的清潔空氣法修正案(CAAA)和能源政策法強(qiáng)迫那些在有臭氧問題的區(qū)域擁有大型運(yùn)營車隊(duì)的公司，鐵路，以及某些固定裝置的經(jīng)營者們轉(zhuǎn)變?yōu)楦耆紵剂稀?br> 背景技術(shù)：
天然氣(主要成分是甲烷，含少量乙烷和重質(zhì)烴類)液化的已知方法有很多。這些方法一般包括氣體的壓縮、冷卻、冷凝及膨脹步驟。冷卻和冷凝可通過與沸點(diǎn)逐漸降低的幾種冷凍流體(“階式系統(tǒng)”)進(jìn)行熱交換的方法來完成，例如，Haak(US.Pat.No.4,566,459)和Maber et al.(U.S.Pat.No.3，195，316)對該法作了闡述?；蛘哌€可使用處于幾種不同壓力的一種冷凍劑以產(chǎn)生幾種不同溫度。也可使用含幾種冷凍成分的一種冷凍液體(“多組元系統(tǒng)”)。一種典型冷凍劑組合是丙烷、乙烯和甲烷。有時(shí)也使用氮。Swenson(U.S.Pat.No.4,033,735)，Garier et al.(U.S.Pat.No.4,274,849)，Caetani et al.(U.S.Pat.No.4,339,253)和Paradowski etal.(U.S.Pat.No.4,539,028)描述了多組元冷凍方法的一些變體。膨脹一般是等焓的(通過一種節(jié)流設(shè)備如一種Joule-Thomson閥)或者是等熵的(在一種做功膨脹汽輪機(jī)中進(jìn)行)。
不管這些方法的可獲性如何，在美國可生產(chǎn)大量車用級LNG的裝置非常少。原則上，上述任何方法都可以用來液化天然氣。但用以生產(chǎn)LNG的冷凍系統(tǒng)的建設(shè)和維修基本投資很高。輔助冷凍系統(tǒng)能耗大，需使用大量燃料氣或電并生產(chǎn)大量空氣排放物(如果使用燃料氣)。
現(xiàn)在要考慮各種現(xiàn)有LNG生產(chǎn)方法以及在各類天然氣加工工廠生產(chǎn)LNG的可能性。我們將會看到，我們?nèi)匀恍枰环N經(jīng)濟(jì)的液化方法，它可與普遍可獲型天然氣加工廠兼容，而且可以生產(chǎn)大噸位及具有車輛燃料實(shí)際應(yīng)用所需高純度的LNG(還可參見“LNG供應(yīng)”，LNG Express，Volume IV，No.1，PP.1-4，January 1994，關(guān)于美國對增長的車用級LNG生產(chǎn)需求，生產(chǎn)LNG的可能方法以及改造現(xiàn)有工廠以生產(chǎn)LNG是否值得等問題的進(jìn)一步討論。
LNG高峰調(diào)節(jié)工廠被用來將天然氣液化，加以貯存為以后高峰需用期使用，以保證都市氣分配管網(wǎng)在嚴(yán)寒天氣有足夠的燃?xì)夤?yīng)。這些工廠典型地使用階式或多組元冷凍系統(tǒng)來液化管道級氣體。在美國，大部分LNG由高峰調(diào)節(jié)工廠生產(chǎn)，但僅有一部分能力可用于運(yùn)輸。而且，大多數(shù)高峰調(diào)節(jié)工廠不生產(chǎn)甲烷含量足夠高從而可用作車輛燃料的LNG產(chǎn)品。LNG高峰調(diào)節(jié)工廠通常所液化的管道級氣體典型地含過多的乙烷和重質(zhì)烴類而不能用作車輛級LNG產(chǎn)品。
Pachaly(U.S.Pat.No.3,724,226)描述了一種將深冷分餾與膨脹機(jī)循環(huán)冷凍方法結(jié)合以生產(chǎn)LNG的工廠。該工廠的目的是將邊遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣液化以便于運(yùn)輸。但是，該工廠并不生產(chǎn)高甲烷純度的LNG，而且其設(shè)計(jì)的經(jīng)營成本將很高。
“平地(Grass Roots)”或?qū)Ｓ肔NG工廠是專門為生產(chǎn)車輛級LNG而設(shè)計(jì)和建造的新工廠。這些工廠可以有各種設(shè)計(jì)，但都打算使用如前文所述的輔助冷凍系統(tǒng)。這類工廠的主要缺點(diǎn)是建造一套新裝置比改造現(xiàn)有裝置更昂貴。
氮?dú)饷摮b置(NRUs)使用深冷分餾將甲烷液化并與氣體氮分離。NRUs用在天然氣含氮量高的地方，這種天然氣或者是自然形成，或者是為了提高礦井壓力從而增加油和/或氣體的產(chǎn)量而向礦井注入氮?dú)獾慕Y(jié)果。這些工廠生產(chǎn)的LNG中甲烷純度常常足以達(dá)到作為車輛燃料使用的要求。但是，這種地方不很多，而且經(jīng)常是在邊遠(yuǎn)地區(qū)，所以NRUs不能代表美國LNG的主要來源。況且，它們需要使用大量輔助冷凍。
另一類天然氣加工工廠是用來回收NGLs的天然氣液體(NGL)工廠。NGL回收包括將天然氣的重質(zhì)烴組分(乙烷、丙烷、丁烷、汽油等)液化并與處于氣體形式的粗甲烷餾分(殘余氣體)分離。這些重質(zhì)烴作為液體在商業(yè)上比作為天然氣有更高的價(jià)值。NGLs可作為石油化學(xué)原料、汽油調(diào)和成分和燃料而出售。這些工廠典型地還除去非烴類如水和二氧化碳以滿足氣體管網(wǎng)對這些成分的限制。全美國有數(shù)百座這種NGL工廠。NGL工廠包括貧油吸收工廠，冷凍工廠和深冷工廠。就發(fā)明者們所知，目前這些工廠并不用于生產(chǎn)LNG(液體天然氣)。但是，如果將成本上有利的液化殘余天然氣的方法與這些工廠相結(jié)合，NGL氣體加工廠可以成為美國車輛燃料的重大來源。
現(xiàn)有LNG高峰調(diào)節(jié)工廠，NRUs和用于回收NGLs的天然氣加工工廠可通過添加分餾系統(tǒng)和輔助冷凍系統(tǒng)加以改造，用來生產(chǎn)車輛級LNG燃料。添加的深冷精餾系統(tǒng)可通過由天然氣中除去乙烷和重質(zhì)烴來提高LNG純度以便生產(chǎn)燃料級LNG。但是，由于安裝分餾塔及輔助冷凍系統(tǒng)非常昂貴，所以這并不總是經(jīng)濟(jì)上可行的生產(chǎn)適合車輛燃料的高甲烷純度LNG的方法。
我們發(fā)現(xiàn)了一種新奇的方法，可將深冷NGL工廠的基本設(shè)計(jì)加以改造而成為生產(chǎn)高甲烷純度LNG的工廠而無需增添分餾和冷凍系統(tǒng)。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種生產(chǎn)液化天然氣(LNG)的方法設(shè)計(jì)，這種LNG在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中是一種可用作車輛燃料的LNG的高甲烷純度形式。本發(fā)明也可用來生產(chǎn)較低純度的LNG，盡管這不太優(yōu)選。
本方法可與現(xiàn)有深冷天然氣液體工廠相結(jié)合。本發(fā)明也可用在新深冷工廠?！吧罾涞摹边@一術(shù)語是指在華氏-50度以下操作的工廠。并非所有深冷工廠都是NGL工廠。但本文所用術(shù)語“深冷的”，總是指用于生產(chǎn)NGLs的深冷工廠。本發(fā)明方法通過將流出深冷工廠的殘余氣支流液化來生產(chǎn)LNG。該支流最好先在深冷廠殘余氣壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮。用深冷工廠脫甲烷塔塔頂氣(或工廠的類似冷氣流)作冷凝介質(zhì)將該支流冷凝成液體。然后讓冷凝液體在一系列逐漸降低的壓力下利用Joule-Thomson(JT)效應(yīng)進(jìn)行等焓膨脹，從而使LNG達(dá)到便于貯存和運(yùn)輸?shù)臏囟群蛪毫Α?br> 本發(fā)明向氣體加工廠提供一種廉價(jià)、簡便而有效的方法來更新它們現(xiàn)有的裝置，以便生產(chǎn)LNG而且只需增加少量設(shè)備?；就顿Y和能量成本卻減至最低。更新氣體加工廠，特別是深冷工廠來生產(chǎn)LNG的主要優(yōu)點(diǎn)是，由這些裝置可得到的原料氣體純度。本發(fā)明特別適合高乙烷回收率的深冷工廠，因?yàn)檫@種工廠生產(chǎn)的殘余氣容易滿足用作車輛燃料的LNG中所要求的高甲烷純度和低乙烷限制。但是，為低乙烷回收率設(shè)計(jì)的工廠通過附加的改造也可使用。
天然氣中通常含有重質(zhì)烴和非烴類，特別是水和CO2，在液化前必須除去。重質(zhì)烴使LNG純度下降并因產(chǎn)生預(yù)燃問題而使其不能用作車輛燃料，而CO2和水會在LNG液化過程中分別造成凍結(jié)及形成水合物。深冷工廠典型地在適當(dāng)?shù)胤接腥コ鼵O2、水和重質(zhì)烴(以NGLs形式)的設(shè)備。在這些情況下，可省去為液化過程而進(jìn)行的原料預(yù)處理成本。預(yù)處理成本是新LNG液化裝置主要基本投資。
本發(fā)明還使用脫甲烷塔塔頂冷物流的冷卻能力來冷凝LNG原料，免除或降低了對輔助冷凍系統(tǒng)的需要。根據(jù)深冷工廠的相對能力和LNG的生產(chǎn)速率，還可能需要對現(xiàn)有NGL工廠的冷凍系統(tǒng)進(jìn)行少量補(bǔ)充。
如果以高峰調(diào)節(jié)為目的而生產(chǎn)LNG(將其蒸發(fā)并引入管道以滿足高峰期的需要)，乙烷回收不是關(guān)鍵，本發(fā)明可與幾乎任何深冷工廠相結(jié)合。
本發(fā)明目的之一是提供一種比倒退至現(xiàn)有深冷工廠的常規(guī)冷凍或精餾需要投資少的天然氣液化方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種比使用常規(guī)冷凍系統(tǒng)的系統(tǒng)能耗小、經(jīng)營成本低的天然氣液化方法。本發(fā)明的再一目的是提供一種制造具有固定的高甲烷純度并可用作車輛燃料的液體天然氣的方法。
附圖簡要說明

圖1是本發(fā)明及本發(fā)明與之結(jié)合使用的深冷工廠流程圖。
圖2表示本發(fā)明與一汽輪膨脹機(jī)工廠聯(lián)用的一個(gè)實(shí)施例。
圖3表示本發(fā)明與一JT工廠聯(lián)用的一個(gè)實(shí)施例。
圖4表示由汽輪膨脹機(jī)工廠和Joule-Thomson廠向LNG過程供給原料氣的不同取料點(diǎn)(分別為4a和4b及4c和4d)。
圖5說明冷凝器中三種致冷劑的使用(a)取自第一閃蒸槽的LNG，(b)取自第二閃蒸槽的LNG，或(c)取自儲罐的LNG。
發(fā)明詳述本發(fā)明是用于天然氣液化的一種方法和系統(tǒng)。特別是，本方法非常適于生產(chǎn)高甲烷純度的液體天然氣。本發(fā)明幾乎可以和任何用深冷方法回收天然氣液體的工廠一起使用?？梢耘c本發(fā)明結(jié)合的兩類主要深冷工廠是汽輪膨脹機(jī)廠(TXP5)和Joule-Thomson(JT)廠。后面將討論這兩類工廠的區(qū)別。
本發(fā)明最好與一個(gè)現(xiàn)有深冷工廠結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。但是本發(fā)明也可納入新的工廠設(shè)計(jì)中。
發(fā)明詳述圖1是說明本發(fā)明與一典型深冷工廠聯(lián)用的流程圖。入口冷卻器20，膨脹入口分離器30，膨脹器40，膨脹出口分離器50，液體分餾塔60，和殘余氣壓縮機(jī)組70是深冷工廠1的組成部分。所說組成部分對大多數(shù)深冷工廠是共同的。深冷工廠1的邊界用虛線表示。天然氣原料(即工廠的原料)由入口10引入并在入口冷卻器20中冷卻，使某些重?zé)N組分冷凝，結(jié)果得到的冷卻天然氣是第一氣/液混合物。入口冷卻器20可由一臺或多臺以下類型的換熱器組成鰭板式換熱器，殼管式換熱器，或冷凍冷凝器；或其它換熱器。這些換熱器可用液體分餾塔60的塔頂氣208，一種補(bǔ)充冷凍劑24，如丙烷，或來自液體分餾塔60的液體作冷凍介質(zhì)。
所說第一氣/液混合物在膨脹入口分離器30被分離為第一液體餾分和第一氣體餾分，該分離器是一種常用的兩相分離器或類似的分離設(shè)備。所說第一氣體餾分被送往膨脹器40，在這里進(jìn)行膨脹以使其冷卻和降壓，從而形成第二氣/液混合物。膨脹器40最好是一臺汽輪膨脹機(jī)(在汽輪膨脹機(jī)工廠)；或者包括一個(gè)或多個(gè)Joule-Thomson(JT)閥或某些其它膨脹設(shè)備。在所說膨脹器生成的所說第二氣/液混合物經(jīng)管線206到達(dá)膨脹出口分離器50，它可以是一臺兩相分離器或脫甲烷塔的頂部擴(kuò)大段(用作兩相分離器)，在這里混合物分離為第二氣體餾分和第二液體餾分。來自膨脹出口分離器50的所說第二液體餾分和來自膨脹入口分離器30的所說第一液體餾分進(jìn)入液體分餾塔60，液體分餾塔60通常被認(rèn)為是脫甲烷塔，但也可以是帶有任選的再沸器和/或塔頂冷凝器的分餾柱。
液體分餾塔60的主要目的是除去在膨脹時(shí)可能與液體一起冷凝下來的甲烷。液體分餾塔60將主要含甲烷的塔頂氣(還叫做殘余氣)與重質(zhì)烴如乙烷、丁烷、丙烷等分離，重質(zhì)烴作為液體由分餾塔流出。一般，膨脹入口分離器30，膨脹器40，膨脹出口分離器50和液體分餾塔60合在一起用作一種冷凍手段，類似組成單元的一些其它配置也可用以完成同樣的分餾作用(例如，將主要是甲烷氣與重質(zhì)烴液體分離)。雖然這里給出的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，而且是在深冷工廠最常見到的，但組成單元的任何其它結(jié)構(gòu)都可替代優(yōu)選結(jié)構(gòu)在本發(fā)明實(shí)際中應(yīng)用，只要它能完成分餾作用。
塔頂物流208(塔頂氣和/或來自膨脹出口分離器50的所說第二氣體餾分)被用作本發(fā)明方法中的一種冷卻劑。塔頂物流208被用作一種冷卻劑是因?yàn)樗商峁┰撋罾涔S能得到的最低溫度并能在中等壓力下將殘余氣物流液化。本發(fā)明最好用在塔頂物流208溫度大約是-200至-100°F，壓力為100至600psig的深冷工廠。塔頂物流208的一股支流209被用作殘余氣冷凝器80的冷卻劑。塔頂物流208最好也用作入口冷卻器20的冷卻介質(zhì)。塔頂物流208在壓縮機(jī)組70中被壓縮。如果膨脹器40是汽輪膨脹機(jī)，壓縮機(jī)組70最好包括所說汽輪膨脹器的增壓壓縮機(jī)加上一或多臺附加壓縮機(jī)(可用各種類型的壓縮機(jī)，如離心壓縮機(jī)，活塞壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)，或其它壓縮機(jī))以提供進(jìn)一步壓縮。如果膨脹器50不是汽輪膨脹機(jī)，壓縮機(jī)組70應(yīng)包括一臺或多臺前文所列類型的壓縮機(jī)或類似物，但沒有汽輪膨脹機(jī)驅(qū)動的增壓壓縮機(jī)。
被壓縮塔頂物流(殘余氣)的一股支流210被用作供應(yīng)殘余氣冷凝器80的原料氣，它在這里被冷凝而形成冷凝物流214，它含有冷卻至其始沸點(diǎn)或更低溫度的液體天然氣。典型地，支流210的溫度在大約0和大約400°F之間，壓力在大約100和大約1200psig之間。最好是支流210的溫度在大約20和大約200°F之間，壓力在大約300和大約900psig之間。支流210也叫做冷凝器原料210。
殘余氣冷凝器80被支流209或任選地被取自深冷或LNG工廠其它級的冷氣流，或被一輔助冷凍劑物流230冷卻。冷凝器原料210在殘余氣冷凝器80被冷凝至其始沸點(diǎn)溫度或更低。冷凝物流214典型地處于大約100至700psig壓力，相應(yīng)的始沸點(diǎn)溫度為-203至-100°F，最好是處于大約300至700psig的壓力，相應(yīng)的始沸點(diǎn)溫度為-159至-100°F。冷凝物流214在膨脹器90中膨脹，進(jìn)一步降低LNG的溫度和壓力。在膨脹過程中小部分液體被蒸發(fā)。膨脹器90最好含有一個(gè)或多個(gè)閃蒸槽，利用Joule-Thomson(TJ)效應(yīng)讓天然氣物流向其中發(fā)生等焓膨脹(“閃蒸”)。所說膨脹器或者還可包含一臺膨脹器。在膨脹器90中進(jìn)行的膨脹步驟使所說液體天然氣的壓力降至可方便貯存和運(yùn)輸?shù)乃?。LNG產(chǎn)品典型地持有大約0.0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。最好持有大約0.5至10psig的壓力和大約-258至-247°F的溫度。LNG可由出口11取出加以貯存或運(yùn)輸或用作其它所希望的用途。
為了使本發(fā)明與現(xiàn)有深冷工廠相結(jié)合，該廠必須達(dá)到一定規(guī)格(例如具有某些組成單元和一定的操作條件)。此外，重要的是本發(fā)明與現(xiàn)有工廠結(jié)合的方式應(yīng)使現(xiàn)有工廠在其原來能力(例如液體天然氣的生產(chǎn)等)下的操作不至于退化。假定深冷廠的設(shè)計(jì)適于與本發(fā)明相結(jié)合，本發(fā)明優(yōu)選方案的詳情取決于與之結(jié)合的深冷廠的設(shè)計(jì)。因此，本發(fā)明最佳模式的確定應(yīng)考慮以下指導(dǎo)原則。
許多變量影響用本發(fā)明生產(chǎn)的LNG的數(shù)量和質(zhì)量以及能耗。下面將討論冷凝器原料質(zhì)量、冷凝器原料壓力、冷凝溫度和膨脹級數(shù)如何影響本發(fā)明。還將討論本發(fā)明的典型操作參數(shù)。整個(gè)給定工廠的溫度和壓力可用過程模擬模型做出估算。完成這種模擬的軟件很容易獲得(例如HYSIMTM，CHEMSHARETM，和PROSIMTM)，而且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對它們很熟悉。冷凝器原料質(zhì)量冷凝器原料(即來自深冷工廠的壓縮殘余氣支流)應(yīng)該含低于50ppm的二氧化碳，而且實(shí)際上不含水以防止在LNG液化過程中CO2發(fā)生凍結(jié)和水合物形成。水典型地在深冷工廠上游由天然氣中除去，方法是用乙二醇脫水(吸收)然后用分子篩床?；蛑挥梅肿雍Y床，或用其它常用方法脫除水分。分子篩脫水裝置通常安裝在深冷工廠的上游以便在氣體進(jìn)入冷卻器之前除去水分。
如果天然氣在深冷工廠入口未經(jīng)脫CO2處理，則必須安裝一個(gè)CO2脫除系統(tǒng)79以便由用作本發(fā)明方法原料的殘余氣中除去CO2，在這種情況下，所說CO2脫除系統(tǒng)79應(yīng)放在壓縮機(jī)組70的出口和殘余氣冷凝器80的入口之間?？晒┌惭b以脫除CO2的某些可能的處理系統(tǒng)是一種胺系統(tǒng)或分子篩。如果使用胺系統(tǒng)，由系統(tǒng)出來的氣體還必須進(jìn)行脫水。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都熟悉這些方法。
如果原料氣中非烴組分如硫化氫(H2S)，硫、汞等含量對深冷工廠的操作有不利影響，可在將其通入汽輪膨脹機(jī)或JT工廠之前對其進(jìn)行處理以除去非烴成分。許多可用來除去這些成分的方法對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是熟悉的，這里不再討論。
冷凝氣原料中甲烷、惰性氣體(如氮)、乙烷，及重于乙烷的烴含量將決定所生產(chǎn)的LNG的質(zhì)量。該過程中產(chǎn)生的閃蒸氣主要是含較高百分比氮?dú)獾募淄?，而乙烷和重質(zhì)烴在整個(gè)LNG液化過程中保持液體狀態(tài)。結(jié)果，乙烷和重質(zhì)烴會在LNG中濃集，所以，貯罐內(nèi)LNG中的乙烷和重質(zhì)烴的摩爾分?jǐn)?shù)高于冷凝氣原料中的這一分?jǐn)?shù)。最好是與本發(fā)明結(jié)合的深冷過程能夠由深冷廠入口物流中除去大部分乙烷和實(shí)際上所有的丙烷和重質(zhì)烴，以滿足LNG車輛燃料所要求的高甲烷純度。對工廠的原料組成和乙烷回收率的要求將取決于所要求的LNG純度及LNG過程的條件?？赡苄枰淖兩罾涔S的操作以增加乙烷的回收。增加乙烷回收的可能性包括安裝附加的分餾塔(通常叫做冷分餾塔)，用深度乙烷回收過程改造流程和/或安裝能使脫甲烷塔操作壓力降低的附加殘余氣再壓縮機(jī)。原料物流的壓力進(jìn)入殘余氣冷凝器的冷凝器原料壓力對過程設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了LNG原料物流的冷凝溫度。提高冷凝器原料壓力也將提高LNG原料物料液化所需要的溫度。冷凝壓力必須高于脫甲烷塔的操作壓力，但最好低于甲烷的臨界壓力(690psia)。冷凝器原料必須有足夠高的壓力，使其能被得自脫甲烷塔塔頂物流，加上進(jìn)入殘余氣冷凝器的任何閃蒸蒸氣，以及任何補(bǔ)充冷凍(如有必要)的冷量所冷凝。如下所述(見冷凝溫度)，希望將原料冷凝至它的始沸點(diǎn)(100％飽和的液體)，或更低溫度。
原料壓力也影響閃蒸階段產(chǎn)生的閃蒸蒸氣的數(shù)量。如果冷凝器原料冷凝至其始沸點(diǎn)，壓力越高，閃蒸階段產(chǎn)生的閃蒸蒸氣也越多。增加閃蒸蒸氣的量也就降低了最終LNG產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)橐彝楹椭刭|(zhì)成分在LNG產(chǎn)品中得到濃集。冷凝溫度冷凝溫度是另一個(gè)重要的操作參數(shù)。如上所述，冷凝器原料最好在LNG原料物流壓力下冷凝至其始沸點(diǎn)溫度或更低。對給定壓力的始沸點(diǎn)定義為當(dāng)液體在固定壓力下加熱時(shí)，第一個(gè)蒸氣泡形成的溫度。在始沸點(diǎn)下，混合物是飽和的液體。如果脫甲烷塔塔頂物可提供足夠的冷量，原料最好不要正好冷凝到始沸點(diǎn)，而是進(jìn)一步冷卻使液體過冷。使液體過冷可減少膨脹步驟中產(chǎn)生的蒸氣量。因而，在液化過程中可生產(chǎn)更多的液體。如果原料受到過冷而不是僅僅冷凝到它的始沸點(diǎn)，那么，為生產(chǎn)給定量的LNG液體產(chǎn)品需要較低的冷凝器原料流速。閃蒸級數(shù)閃蒸級數(shù)的選擇影響到LNG產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。大多數(shù)情況下，閃蒸級數(shù)和閃蒸壓力的設(shè)定，應(yīng)能使閃蒸蒸氣可用于工廠的其它過程，如工廠的燃料系統(tǒng)，而無需進(jìn)行再壓縮。如果產(chǎn)生的蒸氣超過工廠對燃料氣的需要，也可將閃蒸蒸氣再壓縮，送至外銷管網(wǎng)或循環(huán)至LNG生產(chǎn)過程。所用閃蒸室數(shù)目越大(于是閃蒸室之間壓力的增量也就越小)，產(chǎn)生的閃蒸蒸氣就越少，可回收的液體天然氣的量就越大。閃蒸蒸氣的產(chǎn)量影響到LNG的質(zhì)量以及產(chǎn)量(或者生產(chǎn)給定量LNG所需原料氣的量)。但是，當(dāng)閃蒸級數(shù)增加時(shí)，每一附加級因閃蒸氣產(chǎn)量降低得到的好處迅速減小。當(dāng)使用更多的閃蒸室時(shí)，購置和維修設(shè)備的相關(guān)費(fèi)用也增加。在LNG的最優(yōu)質(zhì)量和產(chǎn)量及最小的設(shè)備費(fèi)用之間必須進(jìn)行權(quán)衡。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)施例1中(示于圖2)，閃蒸三次(即進(jìn)入兩個(gè)閃蒸槽和一個(gè)貯罐)被認(rèn)為是最佳。但是，在不同工廠，更多或更少的閃蒸室數(shù)目可能是優(yōu)選的，加以采用并不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。冷凍能力工廠的容量必須足夠大，以便使脫甲烷塔塔頂物能夠向殘余氣冷凝器和入口冷卻器提供足夠的冷量。脫甲烷塔塔頂物的溫度及可用作致冷介質(zhì)的脫甲烷塔塔頂物的量(在深冷廠入口冷卻器中有等量的冷量損失)可限制殘余氣冷凝器中的致冷量。使用脫甲烷塔塔頂物來冷凝殘余氣，則在深冷廠入口冷卻器中要損失等量的冷量，而且NGL的回收量可能降低。對深冷廠在新條件下的性能要進(jìn)行估計(jì)。為彌補(bǔ)這一損失并保持工廠天然氣液體(NGLs)的高回收量，可能需要向深冷廠入口冷卻器補(bǔ)充冷凍量。如果能得到足夠的脫甲烷塔和閃蒸蒸氣，而將LNG原料冷卻至其始沸點(diǎn)，但又要補(bǔ)充冷凍而使液體過冷，則安裝這一冷凍系統(tǒng)所需投資的經(jīng)濟(jì)效果多半是不佳的。實(shí)施例1給出以下實(shí)施例以便更清楚地說明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的操作。本發(fā)明的這一實(shí)施方案繪于圖2。在該實(shí)施例中，本發(fā)明是與一座汽輪膨脹機(jī)深冷工廠相結(jié)合，該廠主要設(shè)計(jì)功能是加工天然氣以生產(chǎn)天然氣液體(例如液體形式的乙烷、丙烷、和重質(zhì)烴)和管道級天然氣。如前所述，本發(fā)明可與其它構(gòu)型的工廠一起使用并且實(shí)施例打算用來說明本發(fā)明的使用，而不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明只限于與這種特殊類型的工廠一起使用。
這一汽輪膨脹機(jī)冷凍廠加工350 mmscfd(每天百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺)天然氣。當(dāng)與本發(fā)明結(jié)合使用時(shí)，該廠每天可生產(chǎn)10,000加侖LNG。
工廠原料，經(jīng)過預(yù)先脫水及脫二氧化碳?xì)馓幚淼奶烊粴?，在深冷廠入口10引入。也可在過程的稍后階段將二氧化碳從氣體中除去，但必須是在殘余氣冷凝器80中進(jìn)行的冷凝(液化)步驟之前，因?yàn)樗玫蜏貢餋O2在LNG過程中凍結(jié)。工廠原料的摩爾組成為92.76％甲烷，4.39％乙烷，1.52％丙烷，0.91％丁烷和重質(zhì)烴，和0.42％氮。
入口物流10被分成兩個(gè)物流，物流202流經(jīng)氣/氣換熱器21和入口氣冷卻器22，物流203流經(jīng)脫甲烷塔再沸器23。在本實(shí)施例中，氣/氣換熱器21，入口氣冷卻器22，和脫甲烷塔再沸器23一起組成冷卻系統(tǒng)20。氣/氣換熱器21使用來自汽輪膨脹機(jī)工廠的殘余氣來冷卻入口氣流。該換熱器可以是殼管式換熱器或鋁質(zhì)鰭板換熱器，或某些類似的換熱器。入口氣冷卻器22使用一種冷卻劑或冷凍劑24將入口氣流進(jìn)一步冷卻。丙烷是汽輪膨脹機(jī)工廠的冷卻器中常用的冷凍劑，但是，其它冷凍劑也能使用。氣/氣換熱器21和入口冷卻器22也可合并為一臺多程換熱器。一臺以上的氣/氣換熱器和/或入口冷卻器也可用于本發(fā)明實(shí)際中，可作為分立組元或合并成一臺換熱器。
物流203在脫甲烷塔再沸器23中被由脫甲烷塔61取出的冷液體物流62和63冷卻。所說冷液體物流被進(jìn)口氣暖物流同時(shí)加熱，為脫甲烷塔6 1的正常操作提供所需熱量。脫甲烷塔61是一個(gè)分餾塔，用來除去與作為深冷廠產(chǎn)品的烴類液體(如乙烷、丙烷、丁烷)一起冷凝的任何甲烷。某些重質(zhì)烴在入口冷卻系統(tǒng)20中由入口物流10中冷凝下來。因此，由來自入口冷卻器22和脫甲烷塔再沸器23的合并物流組成的物流204是液體和氣體組成的兩相物流。
物流204進(jìn)入膨脹機(jī)入口分離器30，在入口冷卻系統(tǒng)20中冷凝的液體在這里與氣相分離。所說液體餾分被送往脫甲烷塔61的中部。
所說氣相餾分被送往汽輪膨脹機(jī)41的膨脹器40，氣體在此進(jìn)行等熵膨脹直到達(dá)到與脫甲烷塔61同樣的壓力。在汽輪膨脹機(jī)中，膨脹器40的軸與壓縮機(jī)71相連以便使用膨脹過程產(chǎn)生的功來驅(qū)動所說壓縮機(jī)71。等熵膨脹使氣體溫度大大降低，從而使乙烷和重質(zhì)烴從以甲烷為主的氣體中冷凝下來，形成兩相液/氣物流206?？捎靡粋€(gè)JT閥代替汽輪膨脹機(jī)完成膨脹，雖然這樣做并不太優(yōu)選(實(shí)施例2中描述了這一替換方案)。所說兩相物流206被送至脫甲烷塔61頂部。在本實(shí)施例中，脫甲烷塔61的頂部擴(kuò)大部分用作膨脹器出口分離器50，而與之相連的下部用作分餾塔60。蒸氣作為殘余(塔頂)氣離開脫甲烷塔塔頂；而液體餾分加到脫甲烷塔的分餾段，如果希望減小脫甲烷塔頂部擴(kuò)大段的尺寸，也可在膨脹器與脫甲烷塔之間安裝一臺單獨(dú)的膨脹器出口分離器。
在本實(shí)施例中，脫甲烷塔塔頂氣(取自脫甲烷塔頂部的殘余氣)最好是大約-160華氏度，并處于大約260psig壓力下。一般，根據(jù)入口物流10的壓力，殘余氣再壓縮的可獲量，和要求的乙烷回收率，要求的溫度和壓力會發(fā)生變化。溫度在大約-200至-100華氏度之間，壓力在100至600psig之間一般是適宜的。
脫甲烷塔頂物被分為主流208和支流209。支流209被送往并經(jīng)過殘余氣冷凝器80，在這里被用作LNG液化過程的冷卻介質(zhì)。支流209在此后再并入主流208，送至氣/氣換熱器21以冷卻氣體物流202。氣體在支流和主流間的分配由溫度控制閥81控制。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，控制所說閥門使LNG在殘余氣冷凝器被冷卻的溫度保持恒定。例如，控制閥81可用軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者可用一硬件控制系統(tǒng)加以控制。本領(lǐng)域的普遍技術(shù)人員對這種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用是熟悉的。
壓縮系統(tǒng)(圖1中的70)由增壓壓縮機(jī)71，它是汽輪膨脹機(jī)41的一部分，和兩級附加壓縮段組成。主流氣208在增壓壓縮機(jī)71中被壓縮。由增壓壓縮機(jī)71出來的氣體在一級壓縮機(jī)72被壓縮并在一級后冷卻器73中冷卻。一級排放氣(一級后冷卻器73的產(chǎn)品)被分為支流210和主流211。支流210用作殘余冷卻器80的原料，而主流211在二級壓縮機(jī)74中被壓縮并在第二級后冷卻器75中冷卻，然后最好直接或必要時(shí)進(jìn)行附加再壓縮后送入天然氣管網(wǎng)。冷凝器原料210還可取自壓縮系統(tǒng)的其它某個(gè)部位，這表示于圖4a和4b。最好在冷卻后由壓縮系統(tǒng)取出冷凝器原料210。在本實(shí)施例中，冷凝器原料210的摩爾組成為98.83％甲烷，0.70％乙烷，0.02％丙烷和0.45％氮，溫度為74°F，壓力為445psig。在壓縮系統(tǒng)配置與這里所說的不同的一座汽輪壓縮機(jī)工廠中，冷凝器壓力可取自能提供適宜壓力和溫度水平的再壓縮系統(tǒng)的任何部位(參見前文冷凝器原料壓力，冷凝溫度)。冷凝器原料210的壓力優(yōu)選在大約100至1200psig之間，而最優(yōu)選是在大約300至900psig之間。溫度優(yōu)選在大約0至400°F之間。而最優(yōu)選是在大約20至200°F之間。
冷凝器原料210被送往殘余氣冷凝器80，在這里在壓力下通過與脫甲烷塔塔頂物和閃蒸蒸氣進(jìn)行熱交換而被液化。冷凝器原料210最好是冷卻至其始沸點(diǎn)。在本發(fā)明其它實(shí)施方案中，最好是將所說冷凝器原料冷卻至更低溫度(叫做過冷)。在本實(shí)施例中，冷凝器原料210在出自汽輪膨脹過程的殘余氣經(jīng)過一級再壓縮達(dá)到445psig和74華氏度后再取出。為了將該原料在445psig下冷凝至其始沸點(diǎn)，需要將該物流冷卻至-138華氏度。一般，冷凝天然氣物流214的優(yōu)選溫度為大約-203至-100華氏度，優(yōu)選壓力為大約100至700psig，而最優(yōu)選為大約-159至-100華氏度溫度和大約300至700psig壓力。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，殘余氣冷凝器80是多流路銅焊鋁鰭板換熱器(本實(shí)施例中有4路)。還可用一系列殼管換熱器來代替鰭板換熱器。脫甲烷塔塔頂物支流209被用作主要冷卻劑，因?yàn)樗谏罾鋸S的所有物流中溫度最低并可使天然氣入口物流210在適度的溫度和壓力進(jìn)行液化。閃蒸蒸氣流212和213提供補(bǔ)充冷凝并有助降低冷凝LNG入口物流210所需脫甲烷塔塔頂蒸氣的量。
在本發(fā)明的本實(shí)施方案中，冷凝的天然氣物流214經(jīng)過幾個(gè)Joule-Thomson(JT)閥進(jìn)行等焓膨脹或“閃蒸”，以降低冷凝液體的溫度和壓力，從而便于貯存或運(yùn)輸。由殘余氣冷凝器80出來的冷凝天然氣物流214經(jīng)過Joule-Thomson(JT)閥92(也叫做膨脹閥)進(jìn)入高壓(HP)閃蒸槽91。HP閃蒸槽91是一臺兩相分離器，它將在膨脹或“閃蒸”過程中產(chǎn)生的氣液混合物分離為液體物流215和閃蒸蒸氣物流212。物流212中的HP閃蒸蒸氣被送回殘余氣冷凝器80以用作補(bǔ)充冷卻介質(zhì)，然后送往工廠的HP燃料管線220。HP閃蒸槽中氣體和液體溫度是-173°F，HP閃蒸槽中的壓力設(shè)在210psig，因?yàn)檫@一壓力與深冷廠HP燃料管線的壓力相等，所以在將閃蒸氣送入HP燃料管道前不需要再壓縮。HP閃蒸液體215經(jīng)過Joule-Thomson(JT)閥94被送往低壓(LP)閃蒸槽93。LP閃蒸槽也是一臺兩相分離器，它將在經(jīng)過JT閥94閃蒸過程中產(chǎn)生的氣液混合物分離為液體物流216和閃蒸蒸氣物流213。LP閃蒸蒸氣物流213被送回殘余氣冷凝器80以用作補(bǔ)充冷卻，然后送往深冷工廠的LP燃料管線221。LP閃蒸槽中的壓力設(shè)置在78psig，這就是本實(shí)施例所用工廠LP燃料管線221的壓力，溫度是-209°F。閃蒸槽91和93最好是ASME編碼的不銹鋼壓力容器，用作兩相分離器以將閃蒸蒸氣與LNG液體分離。HP和LP閃蒸蒸氣中的甲烷和氮?dú)獗粷饧P閃蒸槽蒸氣是98.81mol％甲烷，0.95mol％乙烷，0.03mol％丙烷和0.21mol％氮，而LP閃蒸槽蒸氣是98.72mol％甲烷，1.17mol％乙烷，0.03mol％丙烷和0.08mol％氮。
來自LP閃蒸槽93的LNG經(jīng)過最終Joule-Thomson閥96被送往LNG貯罐95。LNG通過所說閥門膨脹至0.0至100psig之間的壓力和-260和-245°F之間的溫度，這樣就可容易地貯存。LNG產(chǎn)品最優(yōu)選地處于0.5-10psig壓力和華氏-258至-247度之間的溫度。通過JT閥96最終閃蒸過程中形成的蒸氣217在蒸發(fā)物換熱器101中被加熱，在蒸發(fā)物壓縮機(jī)102中被壓縮并在再冷器103中被冷卻，用作氣體加工廠的燃料氣或送往外銷氣管線。在HP閃蒸槽，LP閃蒸槽和貯罐中產(chǎn)生的總閃蒸蒸氣是0.846 mmscfd。最終LNG產(chǎn)品是98.5mol％甲烷，1.45mol％乙烷，0.04mol％丙烷和0.01mol％氮。雖然最好是將閃蒸室產(chǎn)生的蒸氣復(fù)原至可以使用的最低壓力(即工廠燃料管線中的壓力)，但對本發(fā)明實(shí)現(xiàn)來說，這并非實(shí)質(zhì)性的并且也可用其它方法除去閃蒸蒸氣，例如用燃燒或放空至大氣的方法?；蛘邔㈤W蒸蒸氣物流212，213和217進(jìn)行循環(huán)，與物流210合并用作LNG液化過程的原料。貯罐95可選各種形式容量小于70,000加侖的貯罐典型地是ASME編碼，專業(yè)工廠制造的容器。這些罐通常有一個(gè)碳鋼、不銹鋼、鎳或鋁質(zhì)的外殼；一個(gè)不銹鋼、鎳或鋁質(zhì)內(nèi)殼，兩殼層之間是真空絕熱夾套。大于70,000加侖的罐通常在現(xiàn)場建造。也使用水泥容器。實(shí)施例2在實(shí)施例1中(在圖2中說明)，本發(fā)明與一汽輪膨脹機(jī)工廠(TXP)結(jié)合。在本實(shí)施例中，本發(fā)明與一種叫做Joule-Thomson或JT工廠的深冷工廠相結(jié)合，如圖3所示。圖3中所示JT工廠與圖2中所示TXP類似，差別在于JT工廠使用一個(gè)膨脹或Joule-Thomson(JT)閥42代替TXP中使用的膨脹機(jī)作為膨脹設(shè)備40來降低氣體物流的溫度。所以，汽輪膨脹機(jī)的增壓壓縮部分不復(fù)存在，壓縮系統(tǒng)只包括壓縮機(jī)72和74及它們的相關(guān)再冷器73和75。在JT工廠僅有一臺再壓縮機(jī)情況下，冷凝器原料210取自再壓縮機(jī)72和再冷器73之后。如果JT工廠有兩級再壓縮(如圖所示)，冷凝器原料也可取自第一再壓縮和再冷卻步驟之后(見圖4c)，或者在兩步再壓縮和冷卻完成之后，如圖4d中所示。而且如果使用其它壓縮結(jié)構(gòu)，冷凝器原料可取自再壓縮系統(tǒng)提供適宜壓力和溫度水平的任何部位(見前文冷凝器原料壓力，冷凝溫度)。如本實(shí)施例所示，通過一JT閥的膨脹是一種等焓膨脹，而不是象通過—汽輪膨脹機(jī)時(shí)發(fā)生的等熵膨脹，等熵膨脹以對外作功的方式由氣體中除去能量，而等焓膨脹不從氣體中除去任何能量。因此，利用等焓膨脹降低入口氣的溫度不如用等熵膨脹有效。給定相同的初始溫度、壓力和出口壓力條件下，等焓(JT)膨脹后的氣體溫度要高于等熵膨脹中達(dá)到的溫度。因此，實(shí)施例1中所用汽輪膨脹機(jī)可產(chǎn)生比本實(shí)施例中所用JT膨脹器更低的溫度，使更多的液體(主要是乙烷)冷凝，從而提高了深冷工廠NGL產(chǎn)品的回收率。由于JT工廠的乙烷回收率低，JT工廠可能需要對其冷卻系統(tǒng)的冷凍系統(tǒng)進(jìn)行改造或附加入口階式冷凍系統(tǒng)以提高乙烷回收率而生產(chǎn)車輛級LNG。如果本發(fā)明打算用來生產(chǎn)較低甲烷純度的LNG產(chǎn)品(例如用于高峰調(diào)節(jié))，冷凍系統(tǒng)的這些改造多半不必要。雖然由于效率的原因，JT膨脹一般不被優(yōu)選，但它的使用并不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的變通實(shí)施方案用LNG作冷卻介質(zhì)LNG液化過程產(chǎn)生的某些液體物流(即冷卻的LNG物流)也可用作冷卻介質(zhì)來幫助冷凝殘余氣冷凝器80中的LNG原料物流。例如，可由以下任何物流中取出一股支流，如圖5所示a)由HP閃蒸槽液化物流215取出的支流223。
在實(shí)施例1所示的工廠中，其溫度是-173°F；b)由LP閃蒸槽液體物流216中取出的支流224。
在實(shí)施例1所示的工廠中，其溫度是-209°F；或
c)由貯罐產(chǎn)品物流218取出的支流225。
在實(shí)施例1所示的工廠中，其溫度是-260°F。支流223、224或225中的一股或多股可被送回殘余氣冷凝器80以幫助冷凝LNG原料物流。這就需要在殘余氣冷凝器中增加至少一條流動通路。由殘余氣冷凝器80出來的支流氣可送至工廠的燃料系統(tǒng)之一，經(jīng)再壓縮后送至外銷氣管線或在適當(dāng)部位再循環(huán)至LNG過程。被選作補(bǔ)充冷卻介質(zhì)的支流多半要比脫甲烷塔塔頂物流更冷，所以LNG原料可冷卻至比只用脫甲烷塔塔頂物流時(shí)更低的溫度。如果LNG入口物流冷卻至低得多的溫度，本發(fā)明可與只有低壓LNG原料而且脫甲烷塔塔頂物冷度不足以使入口物料液化的深冷廠相結(jié)合。
本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案由實(shí)施例1說明。如前所說，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案部分地取決于本發(fā)明與之結(jié)合的深冷工廠的設(shè)計(jì)。因此，除了所舉本發(fā)明與具體深冷工廠設(shè)計(jì)相結(jié)合的實(shí)施例以外，還提供了為補(bǔ)充本發(fā)明而對指導(dǎo)原則的大量一般性描述。雖然本發(fā)明結(jié)合很多具體實(shí)施例進(jìn)行敘述和解釋，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識到，可以進(jìn)行變通和改造而不偏離本文所敘述、解釋和聲明的本發(fā)明的原理。從任何方面說，所敘述的實(shí)施方案應(yīng)看作是解釋性的，而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由后附權(quán)利要求來規(guī)定，而不是由前面的描述。在與權(quán)利要求等同的意義和范圍內(nèi)發(fā)生的變化都應(yīng)包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種液化天然氣物流的方法，包括步驟a.將天然氣物流在換熱器中冷卻以產(chǎn)生冷凝天然氣物流；其中所說天然氣物流包括來自深冷工廠的壓縮殘余氣；其中所說深冷工廠用分離設(shè)備將甲烷氣與液化重質(zhì)烴分離；其中在所說換熱器中的冷卻是靠由所說分離設(shè)備作為塔頂物取出的所說分離甲烷氣的支流來提供；和其中所說冷卻和膨脹步驟足以將至少一部分所說天然氣物流液化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括步驟b.將所說冷凝天然氣物流膨脹以生產(chǎn)液體天然氣產(chǎn)品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(b)包括讓所說冷凝天然氣物流至少一次通過一個(gè)Joule-Thomson閥進(jìn)行等焓“閃蒸”膨脹。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所說來自所說深冷工廠的壓縮殘余氣持有大約100至1200psig的壓力和大約0至400°F的溫度；其中所說冷凝天然氣物流持有大約100至700psig的壓力和大約-203至-100°F的溫度；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有大約0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所說來自所說深冷工廠的壓縮殘余氣持有大約300至900psig的壓力和大約20至200°F的溫度；其中所說冷凝天然氣物流持有大約300至700psig的壓力和大約-159至-100°F的溫度；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有大約0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟b)包括分步驟i.所說冷凝天然氣物流通過第一Joule-Thomson閥完成第一等焓“閃蒸”膨脹而生成第一液體餾分和第一蒸氣餾分。ii.所說第一液體餾分通過第二Joule-Thomson閥完成第二等焓“閃蒸”膨脹以生產(chǎn)第二液體餾分和第二蒸氣餾分；和iii.所說第二液體餾分通過第三Joule-Thomson閥完成第三等焓“閃蒸”膨脹以生產(chǎn)液體天然氣產(chǎn)品和第三蒸氣餾分。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所說來自所說分離設(shè)備的塔頂物的氣體持有大約-200至-100°F的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的液化天然氣物流的方法，其中所說第一蒸氣餾分，所說第二蒸氣餾分，和所說第三蒸氣餾分中的至少一種的至少一部分被送往所說換熱器以用作向所說天然氣物流提供冷卻的一種輔助冷卻介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所說來自所說深冷工廠的壓縮殘余氣持有100至1200psig的壓力和大約0至400°F的溫度；其中所說冷凝天然氣物流持有大約100至700psig的壓力和大約-203至-100°F的溫度；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有大約0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。
10根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所說來自所說深冷工廠的壓縮殘余氣持有大約300至900psig的壓力和大約20至200°F的溫度；其中所說冷凝天然氣物流持有大約300至700psig的壓力和大約-159至-100°F的溫度；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有大約0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所說來自所說分離設(shè)備塔頂物的氣體持有大約-200至-100°F的溫度。
12.一種用于生產(chǎn)液體天然氣的方法，包括步驟a.用冷卻設(shè)備將天然氣原料冷卻而獲得冷卻液/氣混合物；b.在分離設(shè)備中分離所說冷卻液/氣混合物而得到一個(gè)主要含甲烷的氣體餾分和一個(gè)主要含乙烷及重質(zhì)烴的液體餾分；c.壓縮所說氣體餾分而得到壓縮氣體餾分；和d.將至少一部分所說壓縮天然氣餾分通過與至少一部分取自所說分離設(shè)備的氣體餾分的熱交換進(jìn)行冷卻，而獲得液化天然氣餾分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的一種方法，還包括步驟e.將所說液化天然氣餾分進(jìn)行膨脹以降低所說液化天然氣餾分的溫度。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所說分離設(shè)備包括一座脫甲烷塔，而且其中所說取自所說分離設(shè)備的氣體餾分包括來自所說脫甲烷塔的塔頂氣。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所說分離設(shè)備包括一臺膨脹機(jī)出口分離器和一座脫甲烷塔，其中所說取自所說分離設(shè)備的氣體餾分包括來自所說脫甲烷塔和所說膨脹器出口分離器頂部的氣體。
16.權(quán)利要求13的方法，其中所說分離設(shè)備包括一臺膨脹器出口分離器和一座脫甲烷塔，其中所說取自所說分離設(shè)備的氣體餾分包括來自所說脫甲烷塔的塔頂氣。
17.一種用于生產(chǎn)液體天然氣的方法，包括步驟a.用冷卻設(shè)備冷卻天然氣原料而得到冷卻液/氣混合物；b.在分離設(shè)備中分離所說冷卻液/氣混合物而得到主要含□□的一個(gè)氣體餾分和主要含乙烷和重質(zhì)烴及少量甲烷的一個(gè)液體餾分；c.用分餾設(shè)備從所說液體餾分中回收甲烷；d.將所說氣體餾分及所說由所說液體餾分中回收的甲烷合并形成殘余氣；e.壓縮所說殘余氣得到壓縮氣體餾分；f.通過與至少一部分所說殘余氣的熱交換將至少一部分所說壓縮氣體餾分進(jìn)行冷卻，得到液化天然氣餾分；g.將所說液化天然氣餾分膨脹，以降低所說液化天然氣餾分的溫度和壓力，以生產(chǎn)液體天然氣產(chǎn)品。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說分餾設(shè)備包括一個(gè)脫甲烷塔。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所說分離設(shè)備是一個(gè)液/氣分離器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說壓縮氣體餾分持有大約100至1200psig的壓力和大約0至400°F的溫度；其中所說殘余氣持有大約100至600psig的壓力和大約-200至-100°F的溫度；其中所說液化天然氣餾分持有大約100至700psig的壓力和大約-203至-100°F的溫度；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有大約0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說壓縮氣體餾分持有大約300至900psig的壓力和大約20至200°F的溫度；其中所說殘余氣持有大約100至600psig的壓力和大約-200至-100°F的溫度；其中所說液化天然氣餾分持有大約300至700psig的壓力和大約-159至-100°F的溫度；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有大約0至100psig的壓力和大約-259至-200°F的溫度。
22.一種用于生產(chǎn)液體天然氣的方法，包括步驟a.用冷卻設(shè)備將天然氣原料冷卻而得到冷卻的液/氣物流；b.在一臺膨脹器入口分離器中將所說冷卻的液/氣物流分離為一個(gè)氣體餾分和一個(gè)液體餾分；c.讓所說氣體餾分進(jìn)行第一次膨脹，以得到一個(gè)膨脹的氣體餾分；d.將所說膨脹的氣體餾分引入一座脫甲烷塔；e.將所說液體餾分引入所說脫甲烷塔；f.將由所說脫甲烷塔出來的塔頂氣分成一股支流和一股主流；g.讓所說支流流過一臺殘余氣冷凝器用作一種冷卻介質(zhì)；h.將所說支流和所說主流再合并而形成殘余氣物流；i.將所說殘余氣物流壓縮而得到壓縮殘余氣物流；j.將所說壓縮殘余氣物流冷卻而得到冷卻壓縮氣物流；k.在所說殘余氣冷凝器中將至少一部分所說冷卻壓縮氣物流進(jìn)一步冷卻而得到冷凝殘余氣物流；l.讓所說冷凝殘余氣物流進(jìn)行第二次膨脹而得到液體天然氣產(chǎn)品和閃蒸蒸氣餾分。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中至少一部分所說閃蒸蒸氣餾分被送至所說殘余氣冷凝器用作一種冷凝劑。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中出自所說脫甲烷塔的塔頂氣在所說支流和所說主流之間的分配用一閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)；其中所說閥的開度應(yīng)能使所說殘余氣冷凝器中的支流足以將所說冷凝殘余氣物流保持在一恒定溫度。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中出自所說脫甲烷塔的塔頂氣在所說支流和所說主流之間的分配用一閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)；其中所說閥門的開度應(yīng)能使所說殘余氣冷凝器中的支流足以將所說冷凝殘余氣物流保持在所說殘余氣物流的始沸點(diǎn)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中出自所說脫甲烷塔的塔頂氣在所說支流和所說主流之間的分配用一閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)；其中所說閥門的開度應(yīng)能使所說殘余氣冷凝器中的支流足以將所說冷凝殘余氣物流保持在所說殘余物流的始沸點(diǎn)以下。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的一種方法，其中所說第一次膨脹包括在一臺汽輪膨脹機(jī)中的等熵膨脹，所說第二次膨脹包括經(jīng)過至少一個(gè)Joule-Thomson閥的等焓膨脹。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說第一次膨脹包括經(jīng)過至少一個(gè)Joule-Thomson閥的等焓膨脹，所說第二次膨脹包括經(jīng)過至少一個(gè)Joule-Thomson閥的等焓膨脹。
29.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說第一次膨脹包括經(jīng)過至少一個(gè)Joule-Thomson閥的等焓膨脹，所說第二次膨脹包括在一臺汽輪膨脹機(jī)中的等熵膨脹。
30.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說第一次膨脹包括在一臺汽輪膨脹機(jī)中的等熵膨脹，所說第二次膨脹包括在一臺汽輪膨脹機(jī)中的等熵膨脹。
31.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說冷卻壓縮殘余氣處于大約100至680psig的壓力和大約0至400華氏度的的溫度；其中所說冷凝殘余氣物流處于大約-203至-100華氏度的溫度和大約100至700psig的壓力。
32.根據(jù)權(quán)利要求22的一種方法，其中所說冷卻壓縮殘余氣處于大約300至900psig的壓力和大約20至200華氏度的溫度；其中所說冷凝殘余氣物流處于大約-159至-100華氏度的溫度和大約300至700psig的壓力。
33.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說支流持有大約-200至-100華氏度的溫度。
34.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說第一次膨脹包括在一臺汽輪膨脹機(jī)中的等熵膨脹，其中所說第二次膨脹包括以下步驟i.所說冷凝殘余氣物流經(jīng)過第一Joule-Thomson閥進(jìn)入第一閃蒸室的第一次等焓膨脹，由此形成第一液體餾分和第一氣體餾分；ii.所說第一液體餾分經(jīng)過第二Joule-Thomson閥進(jìn)入第二閃蒸室的第二次等焓膨脹，由此形成第二液體餾分和第二氣體餾分。iii.所說第二液體餾分經(jīng)過第三Joule-Thomson閥進(jìn)入液體天然氣貯罐的第三次等焓膨脹，由此形成液體天然氣產(chǎn)品和第三氣體餾分。
35.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所說支流持有大約-200至-100°F的溫度。
36.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所說支流持有大約-200至-100°F的溫度。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中所說方法至少一部分是在深冷工廠進(jìn)行，其中所說第一液體餾分持有與所說深冷工廠高壓燃料管線相同的壓力，其中所說第二液體餾分持有與所說深冷工廠低壓燃料管線相同的壓力。
38.一種用于生產(chǎn)液體天然氣的方法，它包括步驟a.用冷卻設(shè)備將天然氣原料冷卻而得到冷卻液/氣物流；b.在一臺膨脹器入口分離器中將所說冷卻液/氣物流分離為氣體餾分和液體餾分；c.讓所說氣體餾分進(jìn)行第一次膨脹而得到膨脹的氣體餾分；d.將所說膨脹氣體餾分引入一座脫甲烷塔；e.將所說液體餾分引入所說脫甲烷塔；f.在所說脫甲烷塔中分餾所說膨脹氣體餾分和所說液體餾分，而得到主要含氣體形態(tài)甲烷的塔頂物流和含液體乙烷和重質(zhì)烴的塔底物流；g.將所說塔頂物流分為一股支流和一股主流；h.將所說支流送至并流過殘余氣冷凝器以用作一種冷卻介質(zhì)；i.將所說支流和所說主流再合并而形成殘余氣物流；j.將所說殘余氣物流壓縮而得到壓縮殘余氣物流；k.將所說壓縮殘余氣物流冷卻而得到冷卻壓縮氣物流；l.將至少一部分所說冷卻壓縮殘余氣物流在所說殘余氣冷凝器中冷卻，而得到冷凝殘余氣物流；m.讓所說冷凝殘余氣物流進(jìn)行第二次膨脹，而得到液體天然氣產(chǎn)品和閃蒸蒸氣餾分。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所說塔頂物流持有大約-200至-100°F的溫度和大約100至600psig的壓力，其中所說壓縮殘余氣持有0至400°F的溫度和100至1200psig的壓力；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有-259至-200°F的溫度和0至100psig的壓力。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所說塔頂物流持有-200至-100°F的溫度和100至600psig的壓力；其中所說壓縮殘余氣持有20至200°F的溫度和300至900psig的壓力；其中所說液體天然氣產(chǎn)品持有-259至-200°F的溫度和大約0至大約100psig的壓力。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中將所說冷卻壓縮氣物流進(jìn)行過冷而產(chǎn)生被冷卻至始沸點(diǎn)以下的冷凝殘余物流。
42.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所說第二次膨脹包括以下步驟i.第一等焓膨脹，包括讓所說冷凝殘余氣物流經(jīng)過第一Joule-Thomson閥進(jìn)行膨脹進(jìn)入第一閃蒸室的膨脹，由此形成第一液體餾分和第一氣體餾分；ii.所說第一液體餾分經(jīng)過第二Joule-Thomson閥進(jìn)入第二閃蒸室的第二等焓膨脹，由此形成第二液體餾分和第二氣體餾分；和iii.所說第二液體餾分經(jīng)過第三Joule-Thomson閥進(jìn)入液體天然氣貯罐的第三等焓膨脹，由此生成液體天然氣產(chǎn)品和第三氣體餾分。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中所說第一氣體餾分，所說第二氣體餾分，和所說第三氣體餾分中的至少一種的至少一部分被送回所說殘余氣冷凝器以用作一種輔助冷卻介質(zhì)。
44.根據(jù)權(quán)利要求42的一種方法，其中所說第一液體餾分，所說第二液體餾分，和所說液體天然氣產(chǎn)品中的至少一種的至少一部分被送回所說殘余氣冷凝器以用作一種輔助冷卻介質(zhì)。
45.一套用于將天然氣物流液化的裝置，包括a.換熱器；其中天然氣物流包括來自一深冷工廠的壓縮殘余氣；其中所說深冷工廠使用分離設(shè)備；其中冷卻是在所說換熱器中由取自所說分離系統(tǒng)塔頂?shù)闹Я鳉鈦硖峁黄渲杏伤f換熱器提供的冷卻足以將所說天然氣物流冷凝而生產(chǎn)液體天然氣物流。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的一套裝置，還包括b.膨脹設(shè)備；其中所說液體天然氣物流的壓力和溫度通過讓所說冷凝天然氣物流在所說膨脹設(shè)備中膨脹而降低到適合貯存和運(yùn)輸?shù)乃健?br> 47.如權(quán)利要求46中的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括至少一個(gè)Joule-Thomson閥。
48.根據(jù)權(quán)利要求46的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括一臺汽輪膨脹機(jī)。
49.根據(jù)權(quán)利要求46的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括i.一個(gè)第一Joule-Thomson閥；ii.一個(gè)第一閃蒸室；iii.一個(gè)第二Joule-Thomson閥；iv.一個(gè)第二閃蒸室；v.一個(gè)第三Joule-Thomson閥；和vi.一個(gè)液體天然氣貯罐；其中所說壓縮天然氣物流經(jīng)過所說第一Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說第一閃蒸室而產(chǎn)生第一液體餾分和第一氣體餾分；其中所說第一液體餾分經(jīng)過所說第二Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說第二閃蒸室而產(chǎn)生第二液體餾分和第二氣體餾分；其中所說第二液體餾分經(jīng)過所說第三Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說液體天然氣貯罐而產(chǎn)生液體天然氣產(chǎn)品和第三氣體餾分。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的一套裝置，其中所說換熱器含有多個(gè)流動通道以容納所說天然氣物流，取自所說分離設(shè)備頂部的所說氣體支流和至少一種補(bǔ)充冷卻介質(zhì)物流。
51.一套用于生產(chǎn)液體天然氣的裝置，它包括a.冷卻設(shè)備；b.分離設(shè)備；c.壓縮設(shè)備；d.換熱器；和e.膨脹設(shè)備；其中天然氣原料在所說冷卻設(shè)備中冷卻而產(chǎn)生冷卻液/氣混合物；其中所說冷卻液/氣混合物在所說分離設(shè)備中被分離為一個(gè)主要含甲烷的氣體餾分和一個(gè)主要含乙烷和重質(zhì)烴的液體餾分；其中至少一部分所說氣體餾分被送至并經(jīng)過所說換熱器而用作一種冷卻介質(zhì)，然后經(jīng)過所說壓縮設(shè)備，在這里被壓縮而形成一壓縮氣體餾分；其中所說壓縮氣體餾分在所說換熱器中冷卻以使冷凝為液體；其中所說液體在所說膨脹設(shè)備中膨脹，從而降低所說液體的溫度和壓力，而形成液化天然氣產(chǎn)品。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括至少一個(gè)Joule-Thomson閥。
53.根據(jù)權(quán)利要求51的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括一臺汽輪膨脹機(jī)。
54.根據(jù)權(quán)利要求51的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括i.一個(gè)第一Joule-Thomson閥；ii.一個(gè)第一閃蒸室；iii.一個(gè)第二Joule-Thomson閥；iv.一個(gè)第二閃蒸室；v.一個(gè)第三Joule-Thomson閥；vi.一個(gè)液體天然氣貯罐；其中所說壓縮天然氣物流經(jīng)過所說第一Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說第一閃蒸室而生成一種第一液體餾分和一種第一氣體餾分；其中所說第一液體餾分經(jīng)過所說第二Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說第二閃蒸室而生成一種第二液體餾分和一種第二氣體餾分；其中所說第二液體餾分經(jīng)過所說第三Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說液體天然氣貯罐而生成液體天然氣貯罐而生成液體天然氣產(chǎn)品和第三氣體餾分。
55.一套用于生產(chǎn)液體天然氣的裝置a.冷卻設(shè)備；b.液/氣分離器；c.第一膨脹設(shè)備；d.脫甲烷塔；e.壓縮設(shè)備；g.殘余氣冷凝器；和h.第二膨脹設(shè)備；其中所說天然氣原料在所說冷卻設(shè)備中冷卻而生成冷卻液/氣混合物；其中所說冷卻液/氣混合物在所說液/氣分離器中被分成第一氣體餾分和第一液體餾分；其中所說氣體餾分在所說第一膨脹設(shè)備中膨脹而形成第二液/氣混合物；其中所說第一液體餾分和所說液/氣混合物被引入所說脫甲烷塔，它們在這里被分餾而得到一種主要含甲烷的塔頂氣和一種主要含液體乙烷和重質(zhì)烴的塔底物流；其中至少一部分所說塔頂氣被送至并經(jīng)過所說換熱器以用作一種冷卻介質(zhì)，然后將其通過所說壓縮設(shè)備進(jìn)行壓縮以生成壓縮氣體餾分；其中所說壓縮氣體餾分在所說換熱器中冷卻以便冷凝為液體；其中所說液體在所說膨脹設(shè)備中膨脹，從而降低所說液體的溫度和壓力，以形成液體天然氣產(chǎn)品。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括至少一個(gè)Joule-Thomson閥。
57.根據(jù)權(quán)利要求55的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括一臺汽輪膨脹機(jī)。
58.根據(jù)權(quán)利要求55的一套裝置，其中所說膨脹設(shè)備包括i.一個(gè)第一Joule-Thomson閥；ii.一個(gè)第一閃蒸室；iii.一個(gè)第二Joule-Thomson閥；iv.一個(gè)第二閃蒸室；v.一個(gè)第三Joule-Thomson閥；和vi.一個(gè)液體天然氣貯罐；其中所說壓縮天然氣物流經(jīng)過所說第一Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說第一閃蒸室而生成第一液體餾分和第一氣體餾分；其中所說第一液體餾分經(jīng)過所說第二Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說第二閃蒸室而生成第二液體餾分和第二氣體餾分；其中所說第二液體餾分經(jīng)過所說第三Joule-Thomson閥膨脹進(jìn)入所說液體天然氣貯罐而生成液體天然氣產(chǎn)品和第三氣體餾分。
59.根據(jù)權(quán)利要求55的一套裝置，其中所說換熱器含有多條流動通道以容納所說天然氣物流，所說取自所說分離設(shè)備頂部的氣流支流和至少一種補(bǔ)充冷卻介質(zhì)物流。
全文摘要
敘述了一種用深冷加工來液化天然氣的方法和系統(tǒng)。本方法很適于可用作車輛燃料的高甲烷純度天然氣。本發(fā)明使用來自深冷工廠(1)的殘余氣(210)作為一種天然氣原料。天然氣原料通過與來自深冷工廠(1)的脫甲烷塔(60)的塔頂氣(208)進(jìn)行熱交換而被冷凝。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，冷凝天然氣的壓力靠經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)Joule-Thomson閥(92，94，96)進(jìn)行膨脹而降低至易于貯存和運(yùn)輸?shù)乃健?br> 文檔編號F25J1/02GK1164890SQ95196085
公開日1997年11月12日 申請日期1995年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月8日
發(fā)明者M·豪斯曼德, K·A·克魯格, G·W·阿爾韋斯, R·奧斯塔斯祖斯基, N·貝拉特謝 申請人:威廉斯菲爾德服務(wù)公司