專利名稱：流體物流的冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以間接接觸蒸發(fā)制冷劑的方式冷卻流體流。有待被冷卻的流體流例如是待液化天然氣，制冷劑例如是含有氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和較重的烴的多組分制冷劑。
冷卻發(fā)生在包含熱端和冷端的換熱器里，在其中熱端與冷端互相接觸，使熱從換熱器的熱端傳到冷端。待冷卻的流體從換熱器的熱端通過，制冷劑從換熱器的冷端通過。換熱器可以是用于冷卻和液化氣體的任何類型的換熱器，例如管殼式換熱器，展開面式換熱器，散熱片式換熱器，或者螺旋式換熱器。流體可以并流或錯流，制冷劑可以向上流或向下流。
本發(fā)明特別涉及冷卻通過主換熱器的熱端的流體流。這樣一種冷卻流體的方法在美國專利No.4 251 247中已公開。
冷卻通過主換熱器熱端的流體流的已知方法包括如下步驟(a)將制冷劑從主換熱器的冷端排出；(b)在多級壓縮機單元中將制冷劑從低壓通過至少一個中間壓力壓縮到高壓，以獲得高壓下的制冷劑；(c)部分地冷凝在步驟(b)中獲得的制冷劑以得到第一種兩相流體，將第一種兩相流體分離成第一個冷凝餾分和第一個氣體餾分；(d)在輔助換熱器的第一個熱端冷卻第一個冷凝餾分，以獲得已冷卻的第一個冷凝餾分；(e)讓已冷卻的第一個冷凝餾分在中間壓力(P1)下在輔助換熱器的冷端蒸發(fā)，以獲得在中間壓力(P1)下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的中間級的入口；(f)在輔助換熱器的第二個熱端部分地冷凝第一個氣體餾分，得到第二種兩相流體；(g)將第二種兩相流體分離成倒數(shù)第二個冷凝餾分和倒數(shù)第二個氣體餾分；
(h)在主換熱器的第一個熱端冷卻倒數(shù)第二個冷凝餾分，得到已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分；(i)讓已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分在主換熱器的冷端在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的第一級入口；(j)在主換熱器的第二個熱端冷卻倒數(shù)第二個氣體餾分，得到已冷卻的最后冷凝餾分；以及(k)讓已冷卻的最后冷凝的餾分在主換熱器的冷端在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的第一級的入口。
在已知的方法中用的是兩級壓縮機單元，在步驟(e)得到的中間壓力下(P1)的制冷劑供給兩級壓縮機單元的第二級的入口。
本發(fā)明特別涉及在主換熱器的冷端的流體，因此，在介紹本發(fā)明以前，要討論主換熱器冷端的流體的組成和運行情況。
在已知的方法中使用的是管殼式冷凝器，這一類型的換熱器中，構(gòu)成熱端的管安裝在換熱器的殼層內(nèi)部，而殼層構(gòu)成了冷端。主換熱器和輔助換熱器用的都是這一類型的換熱器。
主換熱器由兩部分組成。這兩部分中的冷端連在一起形成一個互連的冷端，以便在步驟(j)中蒸發(fā)最后冷凝的餾分所獲得的低壓制冷劑通過主換熱器的冷端，其中已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分可以在步驟(h)中蒸發(fā)。要冷卻的流體通過主換熱器的熱端，這個熱端包括兩根相連的管，每根管都安排在兩部分主換熱器的冷端。
在主換熱器的相連冷端內(nèi)，在步驟(f)獲得的倒數(shù)第二個和最后的冷凝餾分都得到蒸發(fā)。蒸發(fā)的餾分構(gòu)成了隨后被主換熱器排出的制冷劑。這些餾分組分的蒸發(fā)在優(yōu)勢壓力和溫度下按照它們的汽液平衡比進行，其中汽液平衡比率(也稱K值)是平衡時，汽相中的一個組分的摩爾分數(shù)與液體相中的該組分的摩爾分數(shù)的比。K值取決于壓力和溫度，還取決于其特定的組分。在一定的壓力和溫度下，氮和甲烷有較高的K值，而較重的烴有較低的K值，而且，在一定的溫度下，K值隨著壓力的降低而增加。因此可以選擇主換熱器的冷端的壓力，以便在優(yōu)勢溫度下使倒數(shù)第二個冷凝餾分和最后冷凝餾分的所有組分充分蒸發(fā)。因此，從主換熱器的冷端出口排出的制冷劑呈氣體狀態(tài)，這種氣體制冷劑供給在步驟(b)中的壓縮機單元。
如果蒸發(fā)沒有完成，從主換熱器冷端排出的制冷劑就含有液體，因此含有液體的流體供給了壓縮機單元。由于存在于被供給壓縮機單元的流體中的液體，會對壓縮機的運行產(chǎn)生不利影響，主換熱器冷端的壓力不得不選擇得如此之低，以致可得到完全的蒸發(fā)。
主換熱器的冷端的壓力不僅影響從冷端排出的制冷劑的狀態(tài)，而且還影響冷端的蒸汽量，因為隨著壓力的降低，蒸汽量增加。蒸汽量的增加導(dǎo)致體積流速的增加，這種體積流速的增加導(dǎo)致流動阻力的增加。較大的流動阻力表明壓縮機單元使流體通過主換熱器的冷端不得不對其做更多的功。
為了減少流動阻力可以提高冷端的直徑，但是這么做要有個限度。另外，還可以改變制冷劑的組成，使它在較高壓力下蒸發(fā)，有兩個方法可以做到這一點改變總體組成使制冷劑含有大量較輕的組分；或者保持制冷劑的成分不變，而改變供給主換熱器的餾分的組成。
改變制冷劑的總體組成會對輔助換熱器中的制冷劑的冷卻產(chǎn)生不利影響。因此申請人將其注意力放在改變供給主換熱器的餾分的組成上。
盡管上述美國專利說明書4251247號沒有討論限制主換熱器的體積流速問題，說明書并沒有公開一種改變供給主換熱器的餾分組成的方法。通過修改上述方法中的步驟(d)、(e)和(f)可以做到這一點。修改的步驟(d)、(e)和(f)包括(d)在輔助換熱器的較低部分的第一個熱端冷卻第一個冷凝餾分，獲得已冷卻的第一個冷凝餾分；(e)讓已冷卻的第一個冷凝餾分在輔助換熱器的較低部分的冷端，在中間壓力(P1)下蒸發(fā)，得到處于中間壓力(P1)下的制冷劑，它隨后被供給兩級壓縮機單元的第二級的入口；(f1)在輔助換熱器的較低部分的第二個熱端將第一個氣體餾分冷卻到中間溫度，得到中間兩相流體；(f2)將中間兩相流體分離成中間冷凝餾分和中間氣體餾分；(f3)在輔助換熱器上部的第三個熱端冷卻中間冷凝餾分，讓已冷卻的中間冷凝餾分在輔助換熱器冷端上部蒸發(fā)，得到中間壓力(P1)下的制冷劑，它隨后和在步驟(e)得到的已蒸發(fā)的第一個冷凝餾分一起，供給兩級壓縮機單元的第二級入口；以及
(f4)在輔助換熱器上部的第四個熱端冷卻中間氣體餾分，得到第二種兩相流體。
上述修改的已知方法提供了一種減少第二種兩相流體中很重?zé)N的量的方法。但是，第二種兩相流體的確還含有不希望有的大量比甲烷重的烴。而且，在已知方法中還需要額外的分離器進行步驟(f2)中的中間分離過程。
本發(fā)明現(xiàn)在提供一種冷卻流體流的方法，在這一方法中，供給主換熱器的餾分的組成可以改變，也不需要任何中間分離。
為此，根據(jù)本發(fā)明，冷卻通過主換熱器熱端的流體流的方法的特征在于，部分在步驟(g)得到的倒數(shù)第二個冷凝餾分在中間壓力(P1)下，在輔助換熱器的冷端蒸發(fā)。
驚奇地發(fā)現(xiàn)，在輔助換熱器冷端蒸發(fā)液體的特性，不會由于向第一個冷凝餾分添加部分第二個冷凝餾分而受到不利影響。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，主換熱器冷端的低壓能夠比現(xiàn)有方法中的壓力保持在更高的水平。因此把同樣量的制冷劑壓縮到更高的壓力需要更少的能量。另一方面，用同樣量的能量可以將更多的制冷劑壓縮到高壓。壓縮更多的制冷劑時，循環(huán)速度增加，因此在主換熱器中更多的液體被冷卻。
本說明書和權(quán)利要求書中所使用的“餾分”一詞也指“部分”。
本發(fā)明還涉及一種冷卻流體流的設(shè)備，該設(shè)備包括待冷卻的流體流流過的帶有冷端和熱端的主換熱器，帶有一個冷端和兩個熱端的輔助換熱器，多級壓縮機單元，與第一級的入口相連的主換熱器的冷端的出口，以及與中間壓力段進口相連的輔助換熱器冷端的出口，主要的氣液分離器，其入口聯(lián)結(jié)到與多級壓縮機單元的最后一級的出口相連的冷凝器，其液體出口與輔助換熱器的第一個熱端進口相連，以及其蒸汽出口與輔助換熱器的第二個熱端進口相連，最后的氣液分離器，其入口與輔助換熱器的第二個熱端的出口相連，其液體出口與主換熱器的第一個熱端的入口相連，其蒸汽出口與主換熱器的第二個熱端進口相連，其中輔助換熱器的第一個熱端的出口通過帶有減壓裝置的管道與輔助換熱器的冷端相連，并且其中的主換熱器的第一個熱端與第二個熱端出口通過帶有減壓裝置的管道與主換熱器的冷端相連。
這樣一臺設(shè)備在美國專利4251247中已公開。在該已知方法中使用的是兩級壓縮機單元，輔助換熱器的出口與兩級壓縮機單元的第二級的入口相連。
為了提供一臺設(shè)備用于冷卻流體流，這臺設(shè)備在正常的操作中可以改變提供給主換熱器的餾分的組成，這臺設(shè)備不需要中間分離過程，本發(fā)明這臺設(shè)備的特征在于，最后的氣液分離器的出口還通過帶有減壓裝置的管道與輔助換熱器的冷端相連。
一種冷卻流體流的更復(fù)雜的方法在法國專利申請說明書2280042號中已公開。在此說明書中公開的這種冷卻通過主換熱器熱端的流體流的方法包括如下步驟(a)從主換熱器的冷端排出制冷劑；(b)在兩級壓縮機單元內(nèi)，將制冷劑從低壓通過中間壓力壓縮到高壓，得到高壓下的氣體制冷劑；(c)部分地冷凝步驟(b)中得到的氣體制冷劑，得到第一種兩相流體，將第一種兩相流體分離成第一個冷凝餾分和第一個氣體餾分；(d)在輔助換熱器的較低部分的熱端內(nèi)，部分地冷凝第一個氣體餾分，得到第二種兩相流體，將第二種兩相流體分離成第二個冷凝餾分和第二個氣體餾分；(e)在主換熱器較低部分的第一個熱端內(nèi)，冷卻第一個冷凝餾分，得到已冷卻的第一個冷凝餾分；(f)讓部分已冷卻的第一個冷凝餾分在主換熱器較低部分的冷端內(nèi)在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給壓縮機單元第一級的入口，讓剩余的已冷卻的第一個冷凝餾分在輔助換熱器較低部分的冷端在中間壓力下蒸發(fā)，得到中間壓力下的制冷劑，它隨后被供給壓縮機單元第二級的入口。
(g)在輔助換熱器上部的第二個熱端內(nèi)冷卻部分第二個冷凝餾分，得到已冷卻的第二個冷凝餾分，并且讓已冷卻的第二個冷凝餾分在輔助換熱器的上部的冷端中在中間壓力下蒸發(fā)，得到中間壓力下的制冷劑，它隨后通過輔助換熱器的較低部分供給壓縮機單元的第二級的入口(h)在主換熱器中間部分的第二個熱端內(nèi)冷卻剩余的第二個冷凝餾分，得到已冷卻的第三個冷凝餾分，讓冷卻的第三個冷凝餾分在主換熱器中間部分的冷端內(nèi)在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后通過主換熱器的較低部分供給壓縮機單元的第一級的入口；(i)在輔助換熱器的上部的第三個熱端內(nèi)冷卻第二個氣體餾分，得到第四個冷凝餾分；(j)在輔助換熱器的上部的冷端內(nèi)，使部分第四個冷凝餾分在中間壓力下蒸發(fā)，得到中間壓力下的制冷劑，它隨后通過輔助換熱器的較低部分供給壓縮機單元的第二級的入口；(k)在主換熱器的上部的第三個熱端內(nèi)冷卻剩余的第四個冷凝餾分，得到已冷卻的第四個冷凝餾分；以及(l)在主換熱器的上部的冷端內(nèi)，使已冷卻的第四個冷凝餾分在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后通過主換熱器的中間部分和較低部分供給壓縮機單元的第一級的入口。
后一說明書不僅描述了復(fù)雜的方法，而且說明的方向與本發(fā)明是相背離的，因為它在步驟(f)中指出，使第一個冷凝餾分在低壓下，在主換熱器較低部分的冷端內(nèi)蒸發(fā)。由于第一個冷凝餾分含有最重的烴，這表明主換熱器冷端的壓力不得不選得很低，以使這一餾分完全蒸發(fā)。正像討論的那樣，如此低的壓力導(dǎo)致大的體積流速，以及由此產(chǎn)生的大的壓降。
可進一步參看法國專利申請說明書NO.2292203。該說明書在圖5中顯示了冷卻通過主換熱器熱端的流體流的方法，這一方法包括如下步驟(a)將制冷劑從主換熱器的冷端排出；(b)在兩級壓縮機單元中將制冷劑從低壓通過中間壓力壓縮到高壓，得到高壓下的制冷劑；(c)部分地冷凝在步驟(b)中獲得的制冷劑，得到第一種兩相流體；(d)在輔助換熱器的熱端進一步冷卻第一種兩相流體，得到已冷卻的第一種兩相流體，將已冷卻的第一種兩相流體分離成第一個冷凝餾分和第一個氣體餾分；(e)讓部分第一個冷凝餾分在輔助換熱器的冷端，在中間壓力下蒸發(fā)，得到中間壓力下的制冷劑，它隨后被供給兩級壓縮機單元的第二級的入口；(f)在主換熱器的第一個熱端內(nèi)冷卻剩余的第一個冷凝餾分，得到已冷卻的第一個冷凝餾分；(g)讓已冷卻的第一個冷凝餾分在主換熱器的冷端內(nèi)在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給兩級壓縮機單元第一級的入口；(h)在主換熱器的第二個熱端內(nèi)冷卻第一個氣體餾分，得到已冷卻的第二個冷凝餾分；以及(i)讓已冷卻的第二個冷凝餾分在主換熱器的冷端內(nèi)在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給兩級壓縮機單元第一級的入口。
此說明書公開了(1)輔助換熱器的第一種兩相流體上游沒有分離；以及(2)第一個氣體餾分在輔助換熱器中沒有被冷凝。
此說明書公開的方法，與上述美國專利No.4251247說明書中公開的方法相似，其中由第一個氣體餾分和第一液體餾分構(gòu)成的第一種兩相流體在步驟(d)中進一步被冷卻，此后部分第一個冷凝餾分被用作在步驟(e)中的蒸發(fā)流體。因此該說明書與本發(fā)明并不相關(guān)。
現(xiàn)參看附圖由實施例更詳細地說明本發(fā)明，其中

圖1顯示本發(fā)明方法的流程示意圖；以及圖2顯示本發(fā)明的另一實施方案。
現(xiàn)在說明圖1。本發(fā)明方法的實施使用兩臺換熱器，一臺主換熱器1和一臺輔助換熱器2，每臺換熱器有一個冷端和幾個熱端。主換熱器1的冷端表示為標號1a，主換熱器的第一、二、三熱端用標號1b、1c、1d表示。熱端的入口和出口用標號1b’和1b”，1c’和1c”，1d’和1d”表示。輔助換熱器2的冷端用標號2a表示，輔助換熱器2的第一個和第二個熱端用標號2b和2c表示。熱端的入口和出口用標號2b’和2b”，2c’和2c”表示。
要冷卻的氣體通過管道3供給主換熱器的第三個熱端1d的入口1d’，它通過第三個熱端1d，它通過出口1d”從第三個熱端1d排出，并且它通過管道4排走做進一步處理(未顯示)。第三個熱端1d被已冷卻的制冷劑冷卻，該制冷劑在主換熱器1的冷端1a內(nèi)在低壓下蒸發(fā)。如果待冷卻的氣體是待液化天然氣，氣體的壓力在2.0到6.0MPa范圍內(nèi)，管道4內(nèi)的液化天然氣的溫度在-140到-160℃范圍內(nèi)。
現(xiàn)在從制冷劑從主換熱器1的冷端1a排走開始說明制冷劑被冷卻的方法。
制冷劑在低壓下從主換熱器1冷端1a的底部出口5排出，通過管道6到達兩級壓縮機7形式的多級壓縮機單元。這兩級壓縮機7包括中間壓力級7a和高壓力級7b。這種情況下使用的是兩級壓縮機，但是每級都可以有幾級，因此該壓縮機成為多級壓縮機，其中多級壓縮機包括將流體從低壓壓縮至中間壓力的中間壓力級7a，以及將流體從中間壓力壓縮至高壓的高壓級7b。第一臺壓縮機7a的出口與第二臺壓縮機7b的入口通過管道7c相連。隨意地，兩級壓縮機還可以包括級間換熱器7d以排走級間的壓縮熱量。制冷劑通過管道6到達中間壓力級的進口，它在兩級壓縮機7中從低壓經(jīng)過中間壓力被壓縮到高壓。高壓下的制冷劑從第二臺壓縮機7b通過管道10排走。低壓是在0.1至0.3MPa的范圍內(nèi)，中間壓力是在1.5至3.0MPa的范圍內(nèi)，高壓是在3.0至5.0MPa的范圍內(nèi)。
管道10配有冷凝器12。冷凝器12可以是空氣冷卻器或水冷卻器。在壓縮機12中如此多的熱量從高壓制冷劑排走，使得它部分地冷凝，得到第一種兩相流體。第一種兩相流體供給主氣液分離器13的入口13’。在主氣液體分離器13中第一種兩相流體被分離成第一個冷凝餾分和第一個氣體餾分。第一個冷凝餾分通過出口13”排走，它通過管道15到達輔助換熱器2的第一個熱端2b的入口2b’，第一個氣體餾分通過出口13”排走，它通過管道16到達輔助換熱器2的第二個熱端2c的入口2c’。
第一個冷凝餾分通過管道15到達輔助換熱器2的第一個熱端2b，這樣，第一個冷凝餾分通過第一個熱端2b得到冷凝的第一個冷凝餾分，這是高壓餾分。已冷卻的第一個冷凝餾分通過管道18從輔助換熱器2的第一個熱端2b的出口2b”排走。管道18配有減壓閥19形式的減壓裝置，這么設(shè)計使閥門19的下游流體處于中間壓力(P1)。已冷卻的第一個冷凝餾分通過帶有噴嘴21的管道20從減壓閥19回到輔助換熱器2的冷端2a。用這種辦法，第一個熱端2b的出口2b”與輔助換熱器2的冷端2a相連。在冷端2a中，已冷卻的第一個冷凝餾分在中間壓力(P1)下蒸發(fā)，得到中間壓力(P1)下的制冷劑。第一個熱端2b中的第一個冷凝餾分被在中間壓力下于冷端2a中蒸發(fā)的制冷劑冷卻。
中間壓力(P1)下的制冷劑通過底出口23從冷端2a排走。它通過管道24到達呈第二臺壓縮機7b形式的多級壓縮機單元的中間級入口，在其中它與從第一臺壓縮機7a來的中間壓力下的制冷劑一起被壓縮至高壓。
到目前為止人們關(guān)注于通過管道15從主氣液分離器13排出的第一個冷凝餾分，現(xiàn)在要看通過管道16從主氣液分離器13排出的第一個氣體餾分。第一個氣體餾分在第二個熱端2c中，被在輔助換熱器2的冷端2a中蒸發(fā)的制冷劑冷卻。如此多的熱被排走，以致第一個氣體餾分部分地被冷凝，得到了第二種兩相流體。
第二種兩相流體通過管道26從第二個熱端2c出口2c”排走，管道26與最后氣液分離器28的入口28’相連。在最后氣液分離器28中，第二種兩相流體分離成倒數(shù)第二個冷凝餾分和倒數(shù)第二個氣體餾分。倒數(shù)第二個冷凝餾分通過出口28”排走，它通過管道30，第二個氣體餾分通過出口28”排走，它通過管道32到達輔助換熱器1的第二個熱端1c入口1c’。
只有部分倒數(shù)第二個冷凝餾分供給主換熱器1，這么做是為了減少最終必須在主換熱器1中蒸發(fā)的較重?zé)N的量。這以后首先要注意供給主換熱器1的流，此后再討論如何處理剩余的第二個冷凝餾分。
部分倒數(shù)第二個冷凝餾分通過管道33到達主換熱器1的第一個熱端1b的入口1b’。在主換熱器1的第一個熱端1b中，這一倒數(shù)第二個冷凝餾分被冷卻，得到冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分，這是高壓餾分。已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分通過管道38從主換熱器1的第一個熱端1b出口1b”排走。管道38配有呈減壓閥39形式的減壓裝置，這么設(shè)計使閥門39的下游流體處于低壓。從減壓閥39來的已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分通過帶有噴嘴41的管道40回到主換熱器1的冷端1a。用這種辦法，第一個熱端1b的出口1b”與主換熱器1的冷端1a相連。在冷端1a中，已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑。第一個熱端1b中的第二個倒數(shù)第個二餾分被在低壓下于冷端1a中蒸發(fā)的制冷劑冷卻。制冷劑隨后被供給兩級壓縮機7的第一臺壓縮機7a的入口。
現(xiàn)在來看通過管道32從最后氣液分離器28排走的倒數(shù)第二個氣體餾分。倒數(shù)第二個氣體餾分在主換熱器1的第二個熱端1c中被冷卻，得到已冷卻的最后冷凝餾分。已冷卻的最后冷凝餾分通過管道44從主換熱器1的第二個熱端1c的出口1c”排走。管道44配有呈減壓閥45形式的減壓裝置，這么設(shè)計使閥門45的下游流體處于低壓。從減壓閥45來的已冷卻的最后冷凝餾分通過帶有噴嘴47的管道46回到主換熱器1的冷端1a。用這種辦法，第二個熱端1c出口1c”與主換熱器1的冷端1a相連。在冷端1a中，已冷卻的最終冷凝餾分在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑。制冷劑隨后被供給兩級壓縮機7的第一臺壓縮機7a的入口。
主換熱器的冷端1a充滿了從已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分和最終的冷凝餾分得到的蒸發(fā)的制冷劑，這一蒸發(fā)的制冷劑冷卻了主換熱器1的熱端1b、1c和1d中的流體。低壓下的制冷劑通過底部出口5從冷端排走。它通過管道6到達第一臺壓縮機7a的入口，在那里它被壓縮至中間壓力。通過管道7c它到達第二臺壓縮機7b，在那里它和從輔助換熱器2來的制冷劑一起壓縮到高壓。
在本發(fā)明方法中，只有部分倒數(shù)第二個冷凝餾分通過管道33到達主換熱器1。剩余的部分倒數(shù)第二個冷凝餾分通過管道49從最后的氣液分離器28到達輔助換熱器2。管道49配有減壓閥50，這么設(shè)計使閥門50的下游流體處于中間壓力。減壓閥50的出口與輔助換熱器2的冷端2a相通。用這種辦法最后的氣液分離器28的出口28”也與輔助換熱器2的冷端2a相連。在冷端2a中，剩余的部分倒數(shù)第二個冷凝餾分在中間壓力下被蒸發(fā)。為清楚起見，未示出通過管道49輸送需要量液體所要求的泵和閥門。
以下實施例說明本發(fā)明在冷卻和液化天然氣方面的效果。天然氣的組成是氮3％(體積)，甲烷86％(體積)，乙烷6％(體積)，其余是較重的烴。液化每秒100kg天然氣流，管道3中物流的溫度是-32℃，其壓力是5.0MPa，通過管道4離開主換熱器的物流溫度是-152℃。天然氣被制冷劑冷卻與液化，該制冷劑含有約2％(體積)的氮，至多25％(體積)的C4+烴，其余的是C1-C3烴。管道10中制冷劑流速是4.4MPa壓力下700千克/秒。輔助換熱器的中間壓力是2.0Mpa。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，其中所有的第二個冷凝餾分通過管道33穿過主換熱器，主換熱器冷端1a中的壓力必須保持在約0.1MPa。根據(jù)發(fā)明，如果部分的第二個冷凝餾分供給主換熱器1，而剩余的供給輔助換熱器2，則主換熱器1冷端1a中的壓力能夠保持在較高的水平如果20％(質(zhì)量)倒數(shù)第二個冷凝餾分通過管道49到達輔助換熱器2的冷端2a，主換熱器的冷端的壓力約是0.2MPa。在本發(fā)明方法中，低壓高于已知方法中的低壓，因此本發(fā)明方法需要較少的能量來壓縮制冷劑。
用同樣量的能量，制冷劑的循環(huán)速度會增加，因此可以液化更多的天然氣。在上述實施例的條件下，采用本發(fā)明方法可以提高產(chǎn)量約5％(體積)。
與經(jīng)過改進的現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明方法可以增加產(chǎn)量約3％(體積)。
如圖1所看到的，兩級壓縮機單元7的每一級均由一臺單獨的壓縮機組成。在另一個實例中使用了多級壓縮機，其中這些級都在一個單獨的外罩內(nèi)。后一種壓縮機在圖2中用標號7’表示。
圖2顯示了本發(fā)明的另一實施方案。圖中的部件與圖1示出的部件相同，用相同的標號標出，不再具體說明。
在圖2示出的實施方案中，輔助換熱器2包括一臺第一輔助換熱器60，一臺第二輔助換熱器65。第一輔助換熱器60配有冷端60a，以及兩個熱端60b、60c，第二輔助換熱器配有冷端65a，以及兩個熱端65b、65c。第一輔助換熱器60的冷端60a的出口70，通過管道74與多級壓縮機7’的最后一級的入口相連。第二輔助換熱器65的冷端65a的出口75，通過管道76與多級壓縮機7’的中間、低壓級的入口相連。
主氣液分離器13的液體出口13”，通過管道15與第一輔助換熱器60的第一個熱端60b的入口60b’相連，氣體出口13”’通過管道16與第二個熱端60c的入口60c’相連。
第一輔助換熱器60的第一個熱端60b出口60b”，通過配有減壓裝置79的管道78與冷端60a相連。第二個熱端60c的出口60c”通過管道81與第一個氣液分離器80的入口80’相連。
第一個氣液分離器80的液體出口80”，通過管道85與第二輔助換熱器65的第一個熱端65b的入口65b’相連，氣體出口80”’通過管道86與第二個熱端65的入口65c’相連。
第二輔助換熱器65的第一個熱端65b出口65b”，通過配有減壓裝置83的管道82與冷端65a相連。第二個熱端65c的出口65c”與第二個氣液分離器的入口相連。在這種情況下，第二個氣液分離器是最終的氣液分離器28。
第一個和最終氣液分離器80和28的出口80”和28”，都通過分別配有減壓裝置90和50的管道89和49，與第一和第二輔助換熱器60和65的冷端60a和65a相連。
在正常操作中，從主氣液分離器13來的第一個冷凝餾分在第一輔助換熱器60的第一個熱端60b中被冷卻，得到已冷卻的第一個冷凝餾分，它在第一輔助換熱器60的冷端60a中在中間壓力(P1)下蒸發(fā)，得到中間壓力(P1)下的制冷劑，它隨后通過管道74供給多級壓縮機單元7’的中間級入口。從主氣液分離器13來的第一個氣體餾分在輔助換熱器60的第二個熱端60c中部分地被冷凝，得到第二種兩相流體。
第二種兩相流體在第二個氣液分離器80中分離成第二個冷凝餾分和第二個氣體餾分。部分第二個冷凝餾分在第二輔助換熱器65的第一熱端65b中被冷卻，得到已冷卻的第二個冷凝餾分，它在第二種、較低的中間壓力(P2)下在第二輔助換熱器65的冷端65a中蒸發(fā)，得到第二個中間壓力(P2)下的制冷劑，它隨后供給多級壓縮機單元7’的中間、低壓級的入口。
第二個氣體餾分在第二輔助換熱器65的第二個熱端65c中部分被冷凝，得到第三種兩相流體。在最后的氣液分離器28中，第三種兩相流體分離成倒數(shù)第二個冷凝餾分和倒數(shù)第二個氣體餾分。倒數(shù)第二餾分如圖1所描述的方法送到主換熱器1中。
剩余的第二個冷凝餾分在第一輔助換熱器60的冷端60a中在中間壓力(P1)下蒸發(fā)，剩余的倒數(shù)第二個冷凝餾分在上游的輔助換熱器的冷端中較低的中間壓力(P2)下蒸發(fā)，這一上游的輔助換熱器安裝在最后的氣液分離器28的上游。在這種情況下，上游輔助換熱器是第二輔助換熱器65。
將參照圖1說明的實施方案與這一實施方案相比，很明顯的是，在第二種兩相餾分在它被分離得到倒數(shù)第二餾分以前，可通過在第二輔助換熱器65中進一步冷卻部分第二個冷凝餾分，達到將其第二種兩相餾分分離成倒數(shù)第二個冷凝餾分和倒數(shù)第二個氣體餾分。圖2實施方案的一項優(yōu)點是倒數(shù)第二個餾分更輕。
不是兩臺而是三臺或更多的輔助換熱器，都可以同樣的方法使用。
在輔助換熱器的冷端在中間壓力(P1)下蒸發(fā)的第二個冷凝餾分的量，以第二個冷凝餾分的質(zhì)量計為5-50％。在上游輔助換熱器冷端中在中間壓力下蒸發(fā)倒數(shù)第二個冷凝餾分的量，以第二個冷凝餾分的質(zhì)量計為5-50％。
適當?shù)兀糠值箶?shù)第二個冷凝餾分在第二個、較低的中間壓力(P2)下在第二輔助換熱器的冷端被蒸發(fā)。
在另一實施方案中，通過管道3提供的天然氣流能夠在輔助換熱器2的熱端(未示出)中被預(yù)冷。
在如圖1描述的裝置中，減壓裝置是減壓閥。一個或一個以上的減壓閥可用膨脹發(fā)動機，如渦輪機代替。
在另一實施方案中，兩級壓縮機單元可以由平行的兩級壓縮機組成，例如由2-4臺壓縮機組成。在這樣的平行組裝方式(未示出)中，每一級壓縮機的入口在共同的點上相連，出口也是如此。這樣安裝的好處是壓縮機單元提供的動力與所需動力更匹配。另外一個好處是一臺壓縮機不運行不會使整個LNG工廠都停工。
權(quán)利要求
1.冷卻通過主換熱器的熱端的流體流的方法，其中包括步驟(a)將制冷劑從主換熱器的冷端排出；(b)在多級壓縮機單元中將制冷劑從低壓通過至少一個中間壓力壓縮到高壓，以獲得高壓下的制冷劑；(c)部分地冷凝在步驟(b)中獲得的制冷劑以得到第一種兩相流體，將第一種兩相流體分離成第一個冷凝餾分和第一個氣體餾分；(d)在輔助換熱器的第一個熱端冷卻第一個冷凝餾分，以獲得已冷卻的第一個冷凝餾分；(e)讓已冷卻的第一個冷凝餾分在中間壓力(P1)下在輔助換熱器的冷端蒸發(fā)，以獲得中間壓力(P1)下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的中間級的入口；(f)在輔助換熱器的第二個熱端部分地冷凝第一個氣體餾分，得到第二種兩相流體；(g)將第二種兩相流體分離成倒數(shù)第二個冷凝餾分和倒數(shù)第二個氣體餾分；(h)在主換熱器的第一個熱端冷卻倒數(shù)第二個冷凝餾分，得到已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分；(i)讓已冷卻的倒數(shù)第二個冷凝餾分在主換熱器的冷端在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的第一級入口；(j)在主換熱器的第二個熱端冷卻倒數(shù)第二個氣體餾分，得到已冷卻的最后冷凝餾分；以及(k)讓已冷卻的最后冷凝的餾分在主換熱器的冷端在低壓下蒸發(fā)，得到低壓下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的第一級的入口，其特征在于在步驟(g)中得到的部分倒數(shù)第二個冷凝餾分在中間壓力(P1)下在輔助換熱器的冷端中蒸發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟(g)中得到的倒數(shù)第二個冷凝餾分，其在中間壓力(P1)下在輔助換熱器的冷端中蒸發(fā)的量以倒數(shù)第二個冷凝餾分質(zhì)量計為5-50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(g)包括將第二種兩相流體分離成第二個冷凝餾分和第二個氣體餾分；在第二輔助換熱器的第一個熱端冷卻第二個冷凝餾分，得到已冷卻的第二個冷凝餾分；讓已冷卻的第二個冷凝餾分在第二個、較低的中間壓力(P2)下在第二輔助換熱器的冷端蒸發(fā)，得到第二個中間壓力(P2)下的制冷劑，它隨后被供給多級壓縮機單元的中間、低壓級的入口；在第二輔助換熱器的第二個熱端部分地冷凝第二個氣體餾分，得到第三種兩相流體；將第三種兩相流體分離成倒數(shù)第二個冷凝餾分和倒數(shù)第二個氣體餾分；其中部分第二個冷凝餾分在中間壓力(P1)下在輔助換熱器的冷端中蒸發(fā)，部分倒數(shù)第二個冷凝餾分在中間壓力下在上游輔助換熱器的冷端中蒸發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在輔助換熱器的冷端在中間壓力(P1)下蒸發(fā)的第二個冷凝餾分的量，以第二個冷凝餾分質(zhì)量計為5-50％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中在上游輔助換熱器的冷端在中間壓力下蒸發(fā)的倒數(shù)第二個冷凝餾分的量，以第二個冷凝餾分質(zhì)量計為5-50％。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-4中任一項的方法，其中部分倒數(shù)第二個冷凝餾分在第二個、較低的中間壓力(P2)下在第二輔助換熱器的冷端蒸發(fā)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-4中任一項的方法，其中部分倒數(shù)第二個冷凝餾分在中間壓力(P1)下在輔助換熱器的冷端蒸發(fā)。
8.用于冷卻流體流的設(shè)備，它包括一個主換熱器，它配置待冷卻流體流能夠通過的冷端和熱端，一個輔助換熱器，它配置一個冷端和兩個熱端，一個多級壓縮機單元，與第一級的入口相連的主換熱器的冷端出口，以及與中間壓力級的入口相連的輔助換熱器的冷端出口，一個主氣液分離器，其入口連接到與多級壓縮機單元的最后一級的出口相連的冷凝器，其液體出口與輔助換熱器的第一個熱端的入口相連，其蒸汽出口與輔助換熱器的第二個熱端的入口相連，一個最后的氣液分離器，其入口與輔助換熱器的第二個熱端的出口相連，其液體出口與主換熱器的第一個熱端的入口相連，其蒸汽出口與主換熱器的第二個熱端的入口相連，其中輔助換熱器的第一個熱端的出口通過帶有減壓裝置的管道與輔助換熱器的冷端相連，其中的主換熱器的第一個熱端和第二個熱端的出口通過帶有減壓裝置的管道與主換熱器的冷端相連，其特征在于最后的氣液分離器的出口通過帶有減壓裝置的管道也與輔助換熱器的冷端相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中輔助換熱器包括至少一個第一輔助換熱器和一個第二輔助換熱器，每一個都配有一個冷端和兩個熱端，其中第一輔助換熱器的冷端出口與最后一級的入口相連，第二輔助換熱器的冷端出口與中間、較低壓級的入口相連等，其中主氣液分離器的液體出口與第一輔助換熱器的第一個熱端入口相連，氣體出口與第二個熱端入口相連，其中第一輔助換熱器的第一個熱端的出口通過帶有減壓裝置的管道與冷端相連，其中第二個熱端的出口與第一個氣液分離器的入口相連，其中第一個氣液分離器的液體出口與第二輔助換熱器的第一個熱端入口相連，氣體出口與第二個熱端入口相連，其中第二輔助換熱器的第一個熱端出口通過帶有減壓裝置的管道與冷端相連，其中第二個熱端的出口與第二個氣液分離器的入口相連等等，其中第一個和第二個氣液分離器的出口通過帶有減壓裝置的管道與第一輔助換熱器和第二輔助換熱器的冷端相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其中多級壓縮機單元包括平行安裝的兩級壓縮機。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中平行的多級壓縮機的數(shù)目是2-4。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中任何一種主換熱器和輔助換熱器都是由兩臺或更多平行單元組成。
全文摘要
冷卻通過主換熱器(1)的熱端(1d,1b,1c)的流體流的方法包括從主換熱器(1)排走制冷劑;在兩級壓縮機單元(7)中壓縮制冷劑,得到第一種兩相流體,將第一種兩相流體分成(13)第一個冷凝餾分(15)和第一個氣體餾分(16);在輔助換熱器(2)中冷卻第一個冷凝餾分(15),得到第二種兩相流體(26),其中在冷端(2a)中在中間壓力下蒸發(fā)液體達到冷卻;將第二種兩相流體分成(28)第二個冷凝餾分(33)和二個氣體餾分(32);讓部分第二個冷凝餾分(49)在輔助換熱器(2)的冷端(2a)蒸發(fā);在主換熱器(1)中冷卻剩余的第二個冷凝餾分(33),得到冷卻的第二個冷凝餾分;在主換熱器(1)中冷卻第二個氣體餾分,其中由在主換熱器(1)的冷端(1a)中在低壓下蒸發(fā)液體達到冷卻。
文檔編號C10L10/14GK1184528SQ96193904
公開日1998年6月10日 申請日期1996年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月18日
發(fā)明者R·克蘭納蓋爾沃特, K·J·溫克, H·A·莫瑟 申請人:國際殼牌研究有限公司