專利名稱：用于氣體液化的集成式多回路制冷工藝的制作方法
背景技術(shù)：
多回路制冷系統(tǒng)被廣泛地用于低溫下的氣體液化過(guò)程。例如，在天然氣的液化過(guò)程中可以集成兩個(gè)或三個(gè)閉合回路制冷系統(tǒng)來(lái)提供連續(xù)低溫范圍內(nèi)的制冷作用以冷卻和液化進(jìn)料氣體。典型地，這些閉合回路制冷系統(tǒng)中的至少一個(gè)采用了多組份或混合制冷劑，當(dāng)該液態(tài)混合制冷劑汽化時(shí)就在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)提供制冷作用，并通過(guò)間接熱傳遞冷卻進(jìn)料氣體。采用了兩種混合制冷劑體系的系統(tǒng)是公知的；在一些應(yīng)用中，采用了純質(zhì)成分制冷劑如丙烷的第三制冷劑系統(tǒng)對(duì)進(jìn)料氣體提供初始冷卻。該第三制冷劑體系還可在壓縮之后用于提供部分冷卻作用以冷凝一種或兩種混合制冷劑。通過(guò)與在較高的溫度范圍下工作的混合制冷劑回路集成在一起的氣體膨脹回路，可以提供在最低溫度范圍內(nèi)的制冷過(guò)程。
在典型的用于液化天然氣的多回路混合制冷劑過(guò)程中，低水平或最低溫度的制冷回路通過(guò)在約-30℃至約-165℃的溫度下汽化來(lái)提供制冷作用，從而使冷卻的進(jìn)料氣體最終液化并任選地過(guò)冷卻。制冷劑在最低溫度范圍內(nèi)完全汽化，并可以直接回到制冷劑壓縮器中，例如在代表性的美國(guó)專利6119479和6253574B1中所述?；蛘撸耆闹评鋭┛梢栽趬嚎s之前加溫以便使進(jìn)料氣體預(yù)冷卻，如美國(guó)專利4274849和4755200中所述，或者用于冷卻制冷劑流，如澳大利亞專利AU-A-43943/85中所述。這些典型液化過(guò)程的一個(gè)普遍特征是在提供最低溫度范圍內(nèi)的制冷的同時(shí)，低水平或最低溫度制冷回路中的制冷劑被完全汽化。在壓縮之前由制冷劑提供的任何額外的制冷作用因而都受到從汽化的制冷劑到其它過(guò)程流體的顯熱傳遞的影響。
在采用了三個(gè)集成式閉合回路制冷系統(tǒng)的已知液化過(guò)程中，第三或最低溫度的制冷系統(tǒng)中的處理設(shè)備的尺寸相對(duì)于兩個(gè)較熱的制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以小些。隨著處理液化能力的提高，兩個(gè)較熱系統(tǒng)中的壓縮和熱交換設(shè)備的尺寸會(huì)達(dá)到設(shè)備供應(yīng)商可提供的最大尺寸，而最低溫度制冷系統(tǒng)中的相應(yīng)設(shè)備尺寸會(huì)小于該最大尺寸。由于兩個(gè)較熱制冷系統(tǒng)中壓縮和/或熱交換器的尺寸限制，為進(jìn)一步提高該液化過(guò)程的生產(chǎn)能力，就需要并行的系列裝置。
人們希望在現(xiàn)有的壓縮和熱交換器尺寸的極限上，提高該液化過(guò)程的最大生產(chǎn)能力，從而允許采用較大的單行液化處理過(guò)程。本發(fā)明致力于這種需要，提供了一種具有提高的生產(chǎn)能力并且無(wú)需加倍用于較熱制冷系統(tǒng)的并行設(shè)備的集成式制冷系統(tǒng)。
發(fā)明簡(jiǎn)述一方面，本發(fā)明提供了一種液化氣體的方法，其中包括連續(xù)地通過(guò)在各自的溫度范圍內(nèi)的至少兩個(gè)熱交換區(qū)域以冷卻進(jìn)料氣流從而提供液化產(chǎn)物，其中在所述溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用由各自的汽化制冷劑提供，其特征在于最低溫度范圍內(nèi)的制冷劑在最低溫度的熱交換區(qū)域中僅被部分汽化，并且該部分汽化的制冷劑在溫度高于最低溫度熱交換區(qū)域最高溫度的熱交換區(qū)域中被進(jìn)一步汽化。
在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種液化氣體的方法，其中包括連續(xù)地通過(guò)第一和第二溫度范圍以冷卻進(jìn)料氣流從而提供液化產(chǎn)物，其中在第一溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第一制冷劑提供，在第二溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第二制冷劑提供，并且所述第二制冷劑通過(guò)在高于第一溫度范圍內(nèi)最低溫度的溫度下進(jìn)一步汽化來(lái)提供進(jìn)一步的制冷作用。
在另一種實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種液化氣體的方法，其中包括連續(xù)地通過(guò)第一、第二和第三溫度范圍以冷卻進(jìn)料氣流從而提供液化產(chǎn)物，其中在第一溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第一制冷劑提供，在第二溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第二制冷劑提供，在第三溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第三制冷劑提供，并且所述第三制冷劑通過(guò)在高于第二溫度范圍內(nèi)最低溫度的溫度下進(jìn)一步汽化來(lái)提供進(jìn)一步的制冷作用。所述第一制冷劑可以為單一組分制冷劑。第二和第三制冷劑可以為多組分制冷劑。
所述第一溫度范圍可以為約35℃至約-70℃，第二溫度范圍可以為約0℃至約-140℃，第三溫度范圍可以為約-90℃至約-165℃。所述進(jìn)料氣流可以是天然氣。
對(duì)進(jìn)料氣流的冷卻過(guò)程可以通過(guò)以下步驟實(shí)施(a)通過(guò)與在第一熱交換區(qū)域中汽化的第一制冷劑間接熱交換，在第一溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流，從而提供部分冷卻的第一進(jìn)料流和第一制冷劑蒸汽；(b)通過(guò)與在第二熱交換區(qū)域中汽化的第二制冷劑間接熱交換，在第二溫度范圍內(nèi)進(jìn)一步冷卻該部分冷卻的進(jìn)料流，從而提供部分冷卻的第二進(jìn)料流和第二制冷劑蒸汽；以及(c)通過(guò)與在第三熱交換區(qū)域中汽化的第三制冷劑間接熱交換，在第三溫度范圍內(nèi)進(jìn)一步冷卻該部分冷卻的第二進(jìn)料流，從而提供液化產(chǎn)物(13)和兩相的制冷劑流。
所述第三制冷劑可以為含有兩種或多種組分的多組分混合物，其組分選自氮?dú)夂途哂幸坏轿鍌€(gè)碳原子的烴類。該第三制冷劑可包括(摩爾％)5-15％的氮?dú)猓?0-60％的甲烷，10-30％的乙烷，0-10％的丙烷和5-15％的異戊烷。該第三制冷劑可包括異戊烷和一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，其中異戊烷與該一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比大于一。
該第三制冷劑可包括異戊烷和正戊烷，并且該第三制冷劑中的異戊烷與正戊烷的摩爾比可大于一。異戊烷和正戊烷可以從進(jìn)料氣流中獲得，并且第三制冷劑中的異戊烷與正戊烷的摩爾比可大于進(jìn)料流中異戊烷與正戊烷的摩爾比。該第三制冷劑可包括異戊烷和一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，其中該第三制冷劑中的異戊烷和一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類可以從進(jìn)料氣流中獲得，并且其中該第三制冷劑中的異戊烷與所述一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比可大于進(jìn)料氣流中異戊烷與所述一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比。
該第三制冷劑可以在第三循環(huán)制冷過(guò)程中提供，該過(guò)程包括在溫度高于第二溫度范圍中的最低溫度的第四熱交換區(qū)域中汽化所述兩相制冷劑流，從而提供第三制冷劑蒸汽，壓縮該第三制冷劑蒸汽以得到壓縮的第三制冷劑流，在第四熱交換區(qū)域通過(guò)與所述兩相制冷劑流間接熱交換來(lái)冷卻該壓縮的第三制冷劑流，從而提供冷卻的第三制冷劑流，并進(jìn)一步冷卻該冷卻的第三制冷劑流以提供(c)中的第三制冷劑。
對(duì)冷卻的第三制冷劑流的進(jìn)一步冷卻可以通過(guò)與在第三熱交換區(qū)域中汽化的第三制冷劑的間接熱交換來(lái)進(jìn)行。該壓縮的第三制冷劑流可以通過(guò)如下過(guò)程得到在第一壓縮級(jí)中壓縮該第三制冷劑蒸汽，從而提供第一壓縮蒸汽，冷卻該第一壓縮蒸汽產(chǎn)生兩相流體，將該兩相流體分離成蒸汽流和液流，壓縮該蒸汽流得到進(jìn)一步壓縮的蒸汽，泵壓所述液流以提供加壓的液體，將進(jìn)一步壓縮的蒸汽和加壓的液體合并得到合并的制冷劑流，冷卻該合并的制冷劑流以提供壓縮的第三制冷劑流。
該第三制冷劑可以在第三循環(huán)制冷過(guò)程中提供，該過(guò)程包括在溫度高于第二溫度范圍中的最低溫度的第四熱交換區(qū)域中汽化所述兩相制冷劑流，從而提供第三制冷劑蒸汽，壓縮和冷卻該第三制冷劑蒸汽以得到壓縮的第三制冷劑流，在第一熱交換區(qū)域通過(guò)與所述第一汽化制冷劑的間接熱交換，以及在第四熱交換區(qū)域通過(guò)與所述汽化兩相制冷劑流的間接熱交換來(lái)冷卻該壓縮的第三制冷劑流，從而提供冷卻的第三制冷劑流，并進(jìn)一步冷卻該冷卻的第三制冷劑流以提供(c)中的第三制冷劑。
該第三制冷劑可在第三循環(huán)制冷過(guò)程中提供，該過(guò)程包括將兩相的制冷劑流與一種冷卻的減壓液體制冷劑流合并以提供合并的兩相制冷劑流，在溫度高于第二溫度范圍中的最低溫度的第四熱交換區(qū)域中汽化所述合并的制冷劑流，從而提供第三制冷劑蒸汽，壓縮和冷卻該第三制冷劑蒸汽以產(chǎn)生部分冷凝的第三制冷劑，將該部分冷凝的第三制冷劑分離成制冷劑蒸汽流和制冷劑液流，壓縮和冷卻該制冷劑蒸汽流形成部分冷凝的流體，并將該部分冷凝的流體分離成壓縮的第三制冷劑蒸汽和液體制冷劑，減小該液體制冷劑的壓力以提供減壓的液體制冷劑，將該減壓液體制冷劑與制冷劑液流合并以提供合并的制冷劑液體，在第四熱交換區(qū)域中過(guò)冷卻該合并的制冷劑液流以提供過(guò)冷卻的液體制冷劑，將該過(guò)冷卻的液體制冷劑和兩相制冷劑流合并以提供合并的兩相制冷劑，在第四熱交換區(qū)域中汽化該合并的兩相制冷劑從而在其中提供制冷作用，在第四熱交換區(qū)域中冷卻壓縮的第三制冷劑蒸汽以提供冷卻的第三制冷劑流，以及進(jìn)一步冷卻和降低該冷卻的第三制冷劑流的壓力，從而提供第三制冷劑。
在本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種利用上述方法來(lái)液化氣流的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少兩個(gè)熱交換區(qū)域用于連續(xù)地通過(guò)各自的溫度范圍來(lái)冷卻氣流以提供液化產(chǎn)物，用于在各制冷管線中向熱交換區(qū)域提供各自的制冷劑的各制冷系統(tǒng)，其特征在于最低溫度的熱交換區(qū)域僅僅部分汽化相應(yīng)的(即最低溫的)制冷劑，并且提供最低溫度制冷劑的相應(yīng)制冷劑系統(tǒng)包括另一個(gè)熱交換區(qū)域，以便在高于最低溫度熱交換區(qū)域的最高溫度的溫度下進(jìn)一步汽化所得到的部分汽化的制冷劑。通常會(huì)僅有兩個(gè)或者，優(yōu)選三個(gè)熱交換區(qū)域，氣流連續(xù)地通過(guò)其中從而液化。
本發(fā)明第二方面的實(shí)施方案涉及一種用于液化氣流的系統(tǒng)，其中包括第一、第二和第三熱交換區(qū)域，分別用于冷卻連續(xù)通過(guò)第一、第二和第三溫度范圍的氣流從而提供液化產(chǎn)物，用于在第一制冷劑管線中向第一熱交換區(qū)域提供第一制冷劑的第一制冷系統(tǒng)，用于在第二制冷劑管線中向第二熱交換區(qū)域提供第二制冷劑的第二制冷系統(tǒng)，和用于在第三制冷劑管線中向第三熱交換區(qū)域提供第三制冷劑的第三制冷系統(tǒng)，其中第三制冷系統(tǒng)包括管道裝置(318)以將汽化的第三制冷劑提供給壓縮裝置以壓縮該汽化的第三制冷劑，用于將壓縮的第三制冷劑提供給第四熱交換區(qū)域的管道裝置，用于將冷卻的壓縮的第三制冷劑由第四熱交換區(qū)域提供給第三熱交換區(qū)域的管道裝置，用于在第三熱交換區(qū)域中進(jìn)一步冷卻該冷卻的壓縮的第三制冷劑從而提供冷凝的第三制冷劑的裝置，以及用于減小該冷凝的第三制冷劑的壓力以將該第三制冷劑提供給第三制冷劑管線和第三熱交換區(qū)域的減壓裝置。
用于壓縮汽化的第三制冷劑的壓縮裝置可包括第一級(jí)壓縮器，用以冷卻和部分冷凝第一壓縮制冷劑流從而得到部分冷凝的第一壓縮制冷劑流的中間冷卻器，用以將該部分冷凝的第一壓縮制冷劑流分離成蒸汽制冷劑流和液體制冷劑流的分離器，用以壓縮該蒸汽制冷劑流以提供壓縮的蒸汽制冷劑流的第二級(jí)壓縮器，用以向該液體制冷劑流加壓以提供加壓液體制冷劑流的泵，將所述壓縮的蒸汽制冷劑流與加壓的液體制冷劑流合并并向后冷卻器提供合并的制冷劑流從而冷卻該合并的制冷劑流以提供壓縮的第三制冷劑的管道裝置。
第四熱交換區(qū)域可包括用于過(guò)冷卻制冷劑液體以提供過(guò)冷卻的制冷劑液體的裝置，用于減小該過(guò)冷卻制冷劑液體的壓力以提供減壓制冷劑的減壓裝置，用于將減壓制冷劑與來(lái)自于第三熱交換區(qū)域的進(jìn)一步汽化的第三制冷劑合并以向第四熱區(qū)域提供合并的汽化制冷劑流的管道裝置，其中該合并的汽化制冷劑流在第四熱交換區(qū)域汽化以提供汽化的第三制冷劑。
用于壓縮該汽化的第三制冷劑的壓縮裝置可包括第一級(jí)壓縮器，用以冷卻和部分冷凝第一壓縮制冷劑流從而得到部分冷凝的第一壓縮制冷劑流的中間冷卻器，用以將該部分冷凝的第一壓縮制冷劑流分離成第一蒸汽制冷劑流和第一液體制冷劑流的第一分離器，用以壓縮該蒸汽制冷劑流以提供壓縮的蒸汽制冷劑流的第二級(jí)壓縮器，用以冷卻該壓縮的蒸汽制冷劑流以提供冷卻的兩相制冷劑流的后冷卻器，用以提供第二液體制冷劑流和壓縮的第三制冷劑的第二分離器，用以減小第二液體制冷劑流的壓力以提供減壓的第二液體制冷劑流的減壓裝置，以及用以將該減壓的第二液體制冷劑流與第一液體制冷劑流合并以向第四熱交換區(qū)域提供制冷劑液體的管道裝置。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種用于液化氣流的系統(tǒng)，其中包括第一、第二和第三熱交換區(qū)域，分別用于冷卻連續(xù)通過(guò)第一、第二和第三溫度范圍的氣流以提供液化產(chǎn)物，用于提供在第一熱交換區(qū)域中汽化的第一制冷劑的第一制冷系統(tǒng)，用于提供在第二熱交換區(qū)域中汽化的第二制冷劑的第二制冷系統(tǒng)，以及用于提供在第三熱交換區(qū)域中汽化的第三制冷劑的第三制冷系統(tǒng)，其中第三制冷系統(tǒng)包括用于壓縮汽化的第三制冷劑以提供壓縮的第三制冷劑的壓縮裝置，在第一熱交換區(qū)域中的冷卻裝置，用于通過(guò)與在第一熱交換區(qū)域中汽化的第一制冷劑間接熱交換來(lái)冷卻該壓縮的第三制冷劑從而提供冷卻的壓縮第三制冷劑，第四熱交換區(qū)域，用以通過(guò)與來(lái)自于第三熱交換區(qū)域的汽化的第三制冷劑間接熱交換而進(jìn)一步冷卻該冷卻的壓縮第三制冷劑以提供汽化的第三制冷劑和進(jìn)一步冷卻的壓縮第三制冷劑，在第三熱交換區(qū)域中進(jìn)一步冷卻該冷卻的壓縮第三制冷劑以提供冷凝的第三制冷劑的裝置，以及減小該冷凝的第三制冷劑的壓力用以提供在第三熱交換區(qū)域中汽化的第三制冷劑的減壓裝置。
在相關(guān)的實(shí)施方案中，本發(fā)明包括一種制冷劑，其含有異戊烷，一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，以及一種或多種選自氮?dú)狻⒓淄?、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯的組分，其中異戊烷與所述一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比大于一。該制冷劑還可以含有正戊烷，并且異戊烷與正戊烷的摩爾比可大于一。該制冷劑的組成可包括(摩爾％)5-15％的氮?dú)猓?0-60％的甲烷，10-30％的乙烷，0-10％的丙烷和5-15％的異戊烷。


以下僅通過(guò)舉例的方式并參考本發(fā)明當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施方案的附圖進(jìn)行說(shuō)明。
圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的氣體液化和制冷系統(tǒng)的流程示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的氣體液化和制冷系統(tǒng)的流程示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)備選示例性實(shí)施方案的氣體液化和制冷系統(tǒng)的流程示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施方案的氣體液化和制冷系統(tǒng)的流程示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)備選示例性實(shí)施方案的氣體液化和制冷系統(tǒng)的流程示意圖；發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明這里所描述的本發(fā)明實(shí)施方案涉及用于氣體液化的改進(jìn)制冷工藝，其采用了三個(gè)閉合回路制冷系統(tǒng)，通過(guò)溫度連續(xù)降低的三個(gè)溫度范圍來(lái)冷卻進(jìn)料流。這些實(shí)施方案旨在改進(jìn)在這些溫度范圍內(nèi)的最低溫度下進(jìn)行制冷的制冷系統(tǒng)，其中在最低溫度范圍的制冷系統(tǒng)中使用的壓縮器和熱交換設(shè)備的尺寸相對(duì)于在較高溫度范圍制冷系統(tǒng)中使用的壓縮器和熱交換器的尺寸有所增加。這里所使用的術(shù)語(yǔ)制冷的意思是在低于環(huán)境溫度的溫度下從流體流到制冷劑的間接熱傳遞。制冷劑是純質(zhì)或者混合流體，其通過(guò)與另一流體的間接熱交換而從該流體中吸收熱量。
圖1中給出了代表性的現(xiàn)有技術(shù)的液化工藝的流程示意圖。管線1中的進(jìn)料氣體，例如天然氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除了水和其它的易凝結(jié)雜質(zhì)，其通過(guò)與第一熱交換器3中的第一汽化制冷劑間接熱交換而冷卻通過(guò)第一溫度范圍。該制冷劑可以為純質(zhì)組分制冷劑例如丙烷，或者可代替地，其可為含有兩種或多種選自乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和異丁烷的輕質(zhì)烴類的多組分制冷劑。
在管線5中的冷卻進(jìn)料通過(guò)與第二熱交換器7中的第二汽化制冷劑間接熱交換而進(jìn)一步冷卻通過(guò)第二溫度范圍。在管線9中的進(jìn)一步冷卻的進(jìn)料通過(guò)與第三熱交換器11中的第三汽化制冷劑間接熱交換而繼續(xù)進(jìn)一步冷卻并液化通過(guò)第三溫度范圍。該制冷劑典型的為含有兩種或多種選自甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯的制冷劑組分的多組分制冷劑。管線13中的最終的液化產(chǎn)物可通過(guò)膨脹閥15減壓從而在管線17中得到最終的液體產(chǎn)物。
用于該工藝的制冷作用典型的是通過(guò)三個(gè)嵌套或級(jí)聯(lián)式的制冷系統(tǒng)提供的。該第一制冷系統(tǒng)通過(guò)將管線101中的蒸汽制冷劑提供給第一壓縮器級(jí)103而工作，在第一壓縮器級(jí)103中該氣體被壓縮至2至4bar(這里記載的所有壓力都為絕對(duì)壓力)，氣體在后冷卻器105中冷卻，在第二壓縮器107中進(jìn)一步壓縮到6至10bar，并在后冷卻器109中冷卻從而在管線111中提供環(huán)境溫度下的壓縮制冷劑。該壓縮制冷劑進(jìn)一步被冷卻，并在第一熱交換器3的熱交換通道中至少部分地冷凝。在管線113中的該部分或完全冷凝的制冷劑被通過(guò)節(jié)流閥115而減壓以在管線117中提供減壓的制冷劑，該制冷劑在單獨(dú)的熱交換通道中汽化從而在第一熱交換器3中提供制冷作用。管線101中的汽化的制冷劑被壓縮，如上所述。
第二制冷系統(tǒng)通過(guò)將管線201中的蒸汽制冷劑提供給壓縮器203而工作，其中該氣體被壓縮至10至20bar，并在后冷卻器205中冷卻達(dá)到約環(huán)境溫度。在管線207中該壓縮的制冷劑進(jìn)一步冷卻，并在第一熱交換器3和第二熱交換器7的熱交換通道中至少部分地冷凝。在管線209中該部分或完全冷凝的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥211減壓以在管線213中提供減壓的制冷劑，該制冷劑在單獨(dú)的熱交換通道中汽化從而在第二熱交換器7中提供制冷作用。管線201中的汽化的制冷劑被壓縮，如上所述。
第三制冷系統(tǒng)通過(guò)將管線301中的蒸汽制冷劑提供給壓縮器302而工作，其中該氣體被壓縮至35至60bar，并在后冷卻器303中冷卻達(dá)到約環(huán)境溫度。在管線304中該壓縮的制冷劑進(jìn)一步冷卻，并在第一熱交換器3、第二熱交換器7和第三熱交換器11的熱交換通道中至少部分地冷凝。在管線305中該部分或完全冷凝的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥307被減壓以在管線309中提供減壓的制冷劑，該制冷劑在單獨(dú)的熱交換通道中汽化從而在第三熱交換器11中提供制冷作用。管線301中的汽化的制冷劑被壓縮，如上所述。包括熱交換器11和壓縮器302的第三制冷回路的使用提供了液化進(jìn)料氣體所需的全部制冷任務(wù)的一部分，并且減少了第一和第二制冷系統(tǒng)的制冷任務(wù)和尺寸。
可以對(duì)圖1的采用三個(gè)制冷回路的現(xiàn)有技術(shù)工藝進(jìn)行已知的改進(jìn)和替換。例如，第一制冷回路可以采用級(jí)聯(lián)式制冷過(guò)程，其中制冷劑在三個(gè)不同的壓力下汽化，汽化的制冷劑回到多級(jí)壓縮器中的不同級(jí)。第二制冷回路可在兩個(gè)不同的壓力下通過(guò)熱交換器7中的兩套分開的熱交換通道汽化制冷劑，并使每個(gè)汽化的制冷劑流回到兩個(gè)分開的壓縮器級(jí)。
在另一個(gè)改進(jìn)方式中，第三制冷回路可以在兩個(gè)不同的壓力下通過(guò)熱交換器11中的兩套分開的熱交換通道汽化制冷劑，并使每個(gè)汽化的制冷劑流回到兩個(gè)分開的壓縮器級(jí)。在壓縮器302之前，管線301中的汽化的制冷劑可用在單獨(dú)的熱交換器中以便對(duì)部分第二制冷劑流215和管線304中壓縮制冷劑的一部分進(jìn)行冷卻。
在另一個(gè)具有三個(gè)制冷回路的已知工藝中，在第一制冷回路中汽化制冷劑被用于預(yù)冷卻進(jìn)料氣體；該第一制冷回路壓縮器的流出物通過(guò)來(lái)自第二制冷回路的汽化制冷劑的一部分進(jìn)行冷卻和冷凝。壓縮之前來(lái)自第三熱交換器的第三制冷回路中的汽化制冷劑用于進(jìn)一步預(yù)冷卻進(jìn)料氣體。該進(jìn)一步預(yù)冷卻的進(jìn)料氣體之后在第三熱交換器中冷卻和冷凝。第二制冷回路冷卻和冷凝該壓縮的第三制冷劑。
這些已知的液化工藝的共同特征在于第三制冷回路，即低水平或最低溫的制冷回路，中的制冷劑被完全氣化，而同時(shí)提供了在最低溫度范圍內(nèi)的制冷作用。在壓縮之前由制冷劑提供的任何額外的制冷作用僅僅通過(guò)從汽化的制冷劑向另一過(guò)程流的顯熱傳遞而起作用。
在本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案中，第三或最低溫的制冷回路的冷凝的制冷劑在第三或最低溫度范圍內(nèi)的第三熱交換器中僅僅部分地汽化。來(lái)自于第三熱交換器的部分汽化的制冷劑在高于第二溫度范圍內(nèi)最低溫度的溫度被進(jìn)一步汽化。這通過(guò)圖2所示的本發(fā)明第一示例性實(shí)施方案來(lái)表示。管線1中的進(jìn)料氣體，例如天然氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除了水和其它的易凝結(jié)雜質(zhì)，其通過(guò)與第一熱交換器310中的第一汽化制冷劑間接熱交換而冷卻通過(guò)第一溫度范圍。該制冷劑可以是包括，例如兩種或多種選自乙烷、乙烯、丙烷、丁烷、正戊烷和異戊烷(即2-甲基丁烷)的輕質(zhì)烴類的多組分制冷劑?；蛘撸撝评鋭┛梢允菃我唤M分例如丙烷。第一溫度范圍的較高溫度可以是環(huán)境溫度，而該第一溫度范圍內(nèi)的較低溫度可以為約-35℃至約-55℃?？蛇x擇特定的制冷劑組成以達(dá)到該第一溫度范圍內(nèi)預(yù)期的較低溫度。
在管線5中該冷卻進(jìn)料通過(guò)與第二熱交換器311中的第二汽化制冷劑間接熱交換而進(jìn)一步冷卻通過(guò)第二溫度范圍，達(dá)到約-40℃到約-100℃的溫度。該制冷劑典型的為多組分制冷劑并可包括，例如兩種或多種選自甲烷、乙烷、乙烯和丙烷的組分?？蛇x擇特定的制冷劑組成以達(dá)到該第二溫度圍內(nèi)預(yù)期的較低溫度。
管線9中的所述進(jìn)一步冷卻的進(jìn)料繼續(xù)進(jìn)一步冷卻和液化通過(guò)第三溫度范圍，達(dá)到約-85℃至約-160℃的較低溫度，其通過(guò)與第三熱交換器312中的第三汽化制冷劑間接熱交換而進(jìn)行。該制冷劑為多組分制冷劑，可以包括，例如兩種或多種選自甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯，一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，正戊烷、異戊烷(即2-甲基丁烷)和氮?dú)獾慕M分。在該制冷劑中，異戊烷為優(yōu)選(但非必需)的組分?？蛇x擇特定的制冷劑組成以達(dá)到第三溫度范圍內(nèi)的預(yù)期的較低溫度。管線13中的最終液化產(chǎn)物可以通過(guò)膨脹閥15減壓以在管線17中得到最終的液體產(chǎn)物。
第一溫度范圍可通過(guò)第一溫度和第二溫度來(lái)限定，并且該第一溫度可為環(huán)境溫度。第二溫度范圍可通過(guò)第二溫度和第三溫度來(lái)限定，而第三溫度范圍可通過(guò)第三溫度和第四溫度來(lái)限定。第一溫度范圍是最高或最熱的溫度范圍，而第三溫度范圍是最低或最冷的溫度范圍。第一溫度是最高溫度，而第四溫度是最低溫度。
用于該工藝的制冷作用可以由三個(gè)嵌套或者級(jí)聯(lián)式制冷系統(tǒng)來(lái)提供。第一制冷系統(tǒng)可類似于以上參見圖1進(jìn)行描述的第一制冷系統(tǒng)，并且可通過(guò)將管線101中的蒸汽制冷劑提供給第一壓縮器級(jí)103而進(jìn)行工作，其中該氣體被壓縮至2至4bar，在后冷卻器105中冷卻，在第二壓縮器107中進(jìn)一步壓縮到6至10bar，并在后冷卻器109中冷卻從而在管線111中提供環(huán)境溫度下的壓縮制冷劑。該壓縮制冷劑進(jìn)一步被冷卻，并在第一熱交換器310的熱交換通道中至少部分地冷凝。在管線113中該部分或完全冷凝的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥115減壓以在管線117中提供減壓的制冷劑，該制冷劑在單獨(dú)的熱交換通道中汽化從而在第一熱交換器3中提供制冷作用。管線101中汽化的制冷劑被壓縮，如上所述。
第二制冷系統(tǒng)可類似于以上參見圖1進(jìn)行描述的第一制冷系統(tǒng)，并且可通過(guò)將管線201中的蒸汽制冷劑提供給壓縮器203而工作，其中該氣體被壓縮至10至20bar，并在后冷卻器205中冷卻達(dá)到約環(huán)境溫度。在管線207中該壓縮的制冷劑進(jìn)一步冷卻，并在第一熱交換器310和第二熱交換器311的熱交換通道中至少部分地冷凝。在管線209中該部分或完全冷凝的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥211減壓以在管線213中提供減壓的制冷劑，該制冷劑在單獨(dú)的熱交換通道中汽化從而在第二熱交換器311中提供制冷作用。管線201中汽化的制冷劑被壓縮，如上所述。
本實(shí)施方案的第三制冷系統(tǒng)與先前所述的現(xiàn)有技術(shù)的第三制冷系統(tǒng)有所不同，其獨(dú)立于第一和第二制冷系統(tǒng)而進(jìn)行工作。在該第三制冷系統(tǒng)中，在管線313中的冷凝的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥314減壓，并且來(lái)自管線315的減壓的冷凝制冷劑在第三熱交換器312中被部分地汽化從而在其中提供了制冷作用。部分汽化的制冷劑流過(guò)管線316并在第四熱交換器317中完全氣化，從而在其中提供了制冷作用。管線318中的汽化的制冷劑典型地在環(huán)境溫度附近并且壓力為2到10bar，其在第一壓縮器319中被壓縮，在中間冷卻器320中冷卻并部分冷凝，并在分離器321中分離，從而提供管線322中的蒸汽流和管線323中的液流。
管線322中的蒸汽流在壓縮器324中被進(jìn)一步壓縮到30至70bar的壓力，管線232中的液流通過(guò)泵325加壓到相同的壓力，結(jié)合這兩股加壓的流體從而提供兩相的制冷劑流326，其在后冷卻器327中進(jìn)一步冷卻。管線328中部分或完全冷凝的制冷劑在第四熱交換器317中進(jìn)一步冷卻，從而在管線329中提供冷卻的制冷劑。管線329中該冷卻的制冷劑在第三熱交換器312的流通通道356中被進(jìn)一步冷卻從而得到上述制冷劑313。
在第三制冷劑系統(tǒng)中使用的混合制冷劑包含選定的成分和組成，這可以使制冷劑在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)氣化。選擇這些成分和制冷劑汽化溫度范圍的標(biāo)準(zhǔn)不同于典型地用在現(xiàn)有技術(shù)中的已知三回路液化系統(tǒng)中的第三或低水平制冷回路中的混合制冷劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的第三回路中的混合制冷劑應(yīng)當(dāng)能夠在第三溫度范圍內(nèi)(即第三熱交換器312內(nèi))以及在高于第二溫度范圍的最低溫度的溫度下(即高于第二熱交換器311中的最低溫度時(shí))汽化。根據(jù)制冷劑的組成和壓力，可以并且希望在溫度高于第二溫度范圍內(nèi)的最高溫度時(shí)發(fā)生汽化。
用在第三回路中的制冷劑的典型組成(摩爾％)可包括5-15％的氮?dú)猓?0-60％的甲烷，10-30％的乙烷，0-10％的丙烷和5-15％的異戊烷。該制冷劑中可存在一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，但優(yōu)選該一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的總濃度低于異戊烷的濃度。該制冷劑中異戊烷與該一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比典型地大于一，并且可以大于1.5。該制冷劑中還可以存在正戊烷(n-戊烷)，優(yōu)選其濃度低于異戊烷。
用在第三制冷回路中的制冷組分可以由比甲烷重的烴液體提供，其通過(guò)對(duì)天然氣進(jìn)料的初始冷卻而冷凝。這些冷凝的天然氣液體(NGLs)可以由已知的方法回收和分餾以獲得用于優(yōu)選混合制冷劑中的單個(gè)成分。例如，當(dāng)天然氣進(jìn)料同時(shí)含有正戊烷和異戊烷時(shí)，并且當(dāng)這些組分通過(guò)蒸餾從NGLs中回收以用于第三制冷劑回路的制冷劑中時(shí)，該制冷劑中異戊烷與正戊烷的摩爾比可大于進(jìn)料氣體中異戊烷與正戊烷的摩爾比。優(yōu)選地，該制冷劑中異戊烷與正戊烷的摩爾比大于進(jìn)料氣體中異戊烷與正戊烷的摩爾比的兩倍。異戊烷比正戊烷更優(yōu)選被用于該制冷劑中是因?yàn)楫愇焱楸日焱榫哂懈偷哪厅c(diǎn)，這可以使制冷劑在更低的溫度下使用。
當(dāng)天然氣進(jìn)料同時(shí)含有異戊烷和一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類時(shí)，并且當(dāng)這些組分通過(guò)蒸餾從NGLs中回收以用于第三制冷劑回路的制冷劑中時(shí)，該制冷劑中異戊烷與所述一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比可大于進(jìn)料氣體中異戊烷與所述一種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比。
該實(shí)施方案中第三制冷回路為自制冷式的，并且獨(dú)立于第一和第二制冷回路。與圖1的工藝相反，圖2的第三制冷回路中的壓縮制冷劑并不在第一和第二熱交換區(qū)域中通過(guò)第一和第二制冷回路進(jìn)行冷卻。這就解除了第一和第二制冷回路的負(fù)擔(dān)，因而與圖1的工藝相比，其減小了第一和第二熱交換區(qū)域及第一和第二制冷回路中的壓縮設(shè)備的尺寸。當(dāng)圖2的工藝用在為非常大量的生產(chǎn)通量設(shè)計(jì)的液化系統(tǒng)中時(shí)，這尤其有利。當(dāng)?shù)谝缓偷诙评浠芈分械膲嚎s和熱交換設(shè)備的尺寸達(dá)到可從設(shè)備提供商處購(gòu)得的最大尺寸時(shí)，圖2的工藝比圖1的工藝可獲得更高的生產(chǎn)率。
圖2工藝的實(shí)施方案可以有所變形。例如，按照需求可以采用一級(jí)或兩級(jí)以上的壓縮過(guò)程，其將形成多個(gè)液流用以與蒸汽壓縮級(jí)聯(lián)合泵壓。在另一種變形中，壓縮系統(tǒng)中的制冷劑組成和壓力可以使得不發(fā)生級(jí)間冷凝過(guò)程并且不需要蒸汽/液體分離過(guò)程。
在圖2的工藝的可替換實(shí)施方案中，不需要第二制冷系統(tǒng)，并且不用熱交換器311、閥211、壓縮器203、冷卻器205以及相連的管道。在該替換方式中，熱交換器310不包括用于冷卻經(jīng)由管線207提供的制冷劑的通道。因而該實(shí)施方案中的工藝包括連續(xù)通過(guò)第一和第二溫度范圍來(lái)冷卻管線1中的進(jìn)料氣體從而在管線13中提供液化產(chǎn)物，其中用于冷卻氣流的制冷作用是通過(guò)管線117中的第一制冷劑在第一溫度范圍內(nèi)汽化以及管線315中的第二制冷劑在第二溫度范圍內(nèi)汽化，并在高于第一溫度范圍內(nèi)最低溫度的溫度下進(jìn)一步汽化而提供的。因此，第一和第二制冷劑汽化的溫度范圍有重疊。在該可替換實(shí)施方案中，第一制冷劑可以為丙烷，第二制冷劑可以為多組分制冷劑。在該實(shí)施方案的另一種變形中，兩個(gè)制冷劑都可以選為多組分制冷劑。
圖3表示了圖2的示例性工藝的可替換實(shí)施方案。在該可替換方式中，圖2的第一制冷劑回路(壓縮器103和107，冷卻器105和109，和節(jié)流閥115)由單組件級(jí)聯(lián)式制冷系統(tǒng)取代?？梢杂帽樽鳛榈谝恢评浠芈分械膯我恢评鋭Ｔ谠搶?shí)施方案中，第二和第三制冷回路保持與圖2的實(shí)施方案相同。
運(yùn)行多級(jí)壓縮器119和后冷卻器121以在管線123中提供壓縮制冷劑，其接近于環(huán)境溫度并且壓力在10至15bar范圍內(nèi)。管線123中的壓縮制冷劑通過(guò)節(jié)流閥125減壓，在管線127中該減壓的制冷劑在熱交換器129中部分地汽化，從而在其中提供制冷作用并在管線131中得到兩相的制冷劑。該兩相制冷劑在分離器133中分離，從而提供了管線135中的蒸汽(該蒸汽回到壓縮器119的較低壓力級(jí)抽吸處)以及管線137中的液體。該液體通過(guò)節(jié)流閥139減壓，并在熱交換器129中部分地汽化，從而在其中提供了制冷作用。管線141中的兩相制冷劑在分離器143中分離產(chǎn)生管線145中的蒸汽(該蒸汽回到壓縮器119的中間級(jí)抽吸處)以及管線147中的液體。該液體通過(guò)節(jié)流閥149減壓，并且該減壓的制冷劑在熱交換器129中汽化，從而在其中提供了額外制冷作用。管線151中的蒸汽回到壓縮器119的入口。
圖4表示了圖2的示例性實(shí)施方案的另一個(gè)可替換方式。在該實(shí)施方案中使用了改進(jìn)的第三制冷回路，其中壓縮步驟中形成的液體與來(lái)自于第三熱交換器的部分汽化的液體合并，并且該合并流提供了制冷作用以冷卻該壓縮的制冷劑蒸汽。管線330中的汽化的制冷劑在壓縮器331中壓縮至2到10bar，在后冷卻器332中冷卻并部分地冷凝，然后在分離器333中分離從而提供管線334中的蒸汽和管線335中的液體。管線334中的蒸汽在壓縮器336中進(jìn)一步壓縮至6到20bar，在后冷卻器337中冷卻并部分地冷凝，然后在分離器338中分離從而提供管線339中的蒸汽和管線340中的液體。
管線340中的液體通過(guò)節(jié)流閥341減壓，管線342中的該減壓的液體與來(lái)自管線335的液體合并，并且管線343中該合并的液體在第四熱交換器344中過(guò)冷卻從而在管線345中得到過(guò)冷卻的液體制冷劑。該過(guò)冷卻的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥346減壓并與管線316中來(lái)自于第三熱交換器312的部分汽化的制冷劑合并。管線347中該合并的制冷劑在熱交換器344中汽化，從而在其中提供制冷作用并在管線330中得到制冷劑蒸汽。管線329中的冷卻制冷劑在第三熱交換器312中進(jìn)一步冷卻并且至少部分地液化，通過(guò)節(jié)流閥314減壓從而在管線315中提供減壓的制冷劑，其中該減壓制冷劑在熱交換器312中部分地汽化，從而在其中提供制冷作用，如上所述。管線316中部分汽化的制冷劑回到熱交換器344中，如上所述。
圖5表示了圖2的示例性實(shí)施方案的另一個(gè)可替換方式。在該示例性實(shí)施方案中使用了改進(jìn)的第三制冷回路，其中制冷劑在低于環(huán)境溫度的溫度下壓縮，并且通過(guò)第一制冷回路提供對(duì)該壓縮制冷劑的一部分進(jìn)行冷卻。參見圖5，在約0℃至約-90℃范圍的溫度下的管線348中的制冷劑蒸汽在壓縮器349中被壓縮至10到20bar，并在后冷卻器350中冷卻到環(huán)境溫度。管線351中冷卻的壓縮制冷劑在第一熱交換器352的流動(dòng)通道352中進(jìn)一步冷卻，其中通過(guò)第一制冷回路提供制冷作用，如先前所述。
管線354中冷卻的制冷劑在第四熱交換器355中進(jìn)一步冷卻，從而在管線329提供了進(jìn)一步冷卻的制冷劑。管線329中冷卻的制冷劑在第三熱交換器312中進(jìn)一步冷卻并至少部分地液化，通過(guò)節(jié)流閥314減壓以在管線315中提供減壓的制冷劑，其中該減壓的制冷劑在熱交換器312中被部分汽化，從而在其中提供制冷作用，如上所述。管線316中部分汽化的制冷劑回到熱交換器354中，如上所述。
在該可替換實(shí)施方案中，管線348中的混合制冷劑在壓縮器349的入口處的溫度在約0℃到約-90℃范圍。冷壓縮在壓縮器349中使用與圖2、3和4的實(shí)施方案相反，其中制冷劑蒸汽以約環(huán)境溫度進(jìn)入壓縮器入口。在圖5的實(shí)施方案中的混合制冷劑比圖2的實(shí)施方案中的制冷劑更輕；優(yōu)選地，圖5的混合制冷劑不含比丙烷重的成分。
當(dāng)上述實(shí)施方案用于天然氣的液化時(shí)，比甲烷重的烴類可以在最后的甲烷液化之前通過(guò)已知的方法冷凝和去除，所述方法包括滌氣柱或其它的部分冷凝和/或蒸餾過(guò)程。如上所述，可以將這些冷凝的天然氣液體(NGLs)分餾以提供用于該制冷系統(tǒng)的制冷劑的預(yù)定成分。
實(shí)施例通過(guò)以下非限制性的實(shí)施例來(lái)舉例說(shuō)明圖3的過(guò)程，其中管線1中的100kg-摩爾/小時(shí)的天然氣進(jìn)料氣流被液化從而在管線17中提供液化天然氣(LNG)產(chǎn)物。管線1中的進(jìn)料氣體經(jīng)過(guò)了預(yù)先純化(未示出)以去除水和酸性氣體雜質(zhì)，其溫度為27℃并且壓力為60bar。在第一熱交換器129中通過(guò)三級(jí)丙烷冷卻過(guò)程將管線1中的進(jìn)料氣體和管線207中的混合制冷劑蒸汽冷卻到-33℃的溫度。為實(shí)現(xiàn)該冷卻過(guò)程，將丙烷在三個(gè)壓力水平下蒸發(fā)形成三股吸入流(135、145和151)送至丙烷壓縮器119。該三股吸入流的壓力分別是1.3bar、2.8bar和4.8bar。壓縮器119的排出壓力為16.3bar。丙烷被冷卻到43℃的溫度并在后冷卻器121中利用環(huán)境溫度冷卻介質(zhì)如冷卻水或空氣冷凝。管線123中的總丙烷流速為114kg-摩爾/小時(shí)。
將管線5中的冷卻的進(jìn)料與管線208中的第二混合制冷劑在第二熱交換器311中冷卻到-119℃的溫度以得到管線9中的進(jìn)一步冷卻的進(jìn)料以及管線209中的進(jìn)一步冷卻的第二混合制冷劑。管線209中的該混合制冷劑節(jié)流通過(guò)閥211達(dá)到4.2bar的壓力以在管線213中得到減壓的混合制冷劑。管線213中的該混合制冷劑在熱交換器311中汽化從而在其中提供制冷作用。用于該第二冷卻回路的混合制冷劑流速為87kg摩爾/小時(shí)，其組成為27摩爾％的甲烷、63摩爾％的乙烷和10摩爾％的丙烷。管線201中該氣化的第二混合制冷劑流在三級(jí)中冷壓縮器203中被壓縮至57bar的壓力。該壓縮的混合制冷劑在后冷卻器205中利用冷卻水冷卻到36.5℃從而在管線207中提供冷卻的壓縮混合制冷劑。
將管線9中的進(jìn)料和管線329中的第三混合制冷劑在第三熱交換器312中冷卻至-156℃的最終溫度，從而分別得到管線17中的LNG產(chǎn)物和管線313中的冷凝的第三混合制冷劑。管線313中的該混合制冷劑節(jié)流通過(guò)閥314達(dá)到3.7bar的壓力以在管線315中提供減壓的第三混合制冷劑。該減壓的第三混合制冷劑在第三熱交換器312中部分汽化從而在其中提供制冷作用，管線316中的該部分汽化的制冷劑具有55％的蒸汽分?jǐn)?shù)，溫度為-123℃。用于該第三冷卻回路的混合制冷劑的流速為59kg摩爾/小時(shí)，組成(摩爾％)為12％的氮?dú)猓?2％的甲烷，18％的乙烷，6％的丙烷以及12％的異戊烷。
管線316中的混合制冷劑在第四熱交換器317中完全汽化并升溫到26℃，從而在其中提供制冷作用。將管線318中汽化的制冷劑在第一級(jí)壓縮器319中壓縮到17.7bar，在水冷式中間冷卻器320中冷卻到36.5℃并部分液化。將該兩相的制冷劑在分離器321中分離以得到管線322中的制冷劑蒸汽和管線323中的制冷體液體。在泵325中將該制冷劑液體加壓到47bar。在壓縮器324中將管線322中的制冷劑蒸汽壓縮到47bar的壓力，與來(lái)自于泵325的加壓制冷劑合并，并將管線326中的該合并的流體在水冷式后冷卻器327中冷卻至36.5℃，從而在管線328中得到冷卻的混合制冷劑。將該混合制冷劑在第四熱交換器317中冷卻，以在管線329中提供冷卻的混合制冷劑，其在第三熱交換器312中進(jìn)一步冷卻，如先前所述。
在上面對(duì)圖1-5的說(shuō)明中，管線(即過(guò)程流體流過(guò)的管道)的附圖標(biāo)記也指代在那些管線中流動(dòng)的過(guò)程流。在以下的方法權(quán)利要求中，附圖標(biāo)記表示在那些管線中流動(dòng)的過(guò)程流。在以下的系統(tǒng)權(quán)利要求中，附圖標(biāo)記表示管線而非這些管線中流動(dòng)的過(guò)程流。以下權(quán)利要求中包括了圖2-5的附圖標(biāo)記，其是出于清楚的考慮但并不意味著以任何方式對(duì)權(quán)利要求的范圍進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種液化氣體(1)的方法，其中包括連續(xù)地通過(guò)在各自的溫度范圍內(nèi)的至少兩個(gè)熱交換區(qū)域(310、311&312)以冷卻進(jìn)料氣流從而提供液化產(chǎn)物(13)，其中在所述溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用由各自的汽化制冷劑(117、213&315)提供，其特征在于最低溫度范圍內(nèi)的制冷劑(315)在最低溫度的熱交換區(qū)域(312)中僅被部分汽化，并且該部分汽化的制冷劑(316)在溫度高于所述最低溫度熱交換區(qū)域(312)最高溫度的熱交換區(qū)域(317)中被進(jìn)一步汽化。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進(jìn)料氣流(1)為天然氣。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中連續(xù)地通過(guò)第一和第二溫度范圍以冷卻進(jìn)料氣流(1)從而提供液化產(chǎn)物(13)，其中在第一溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第一制冷劑(117)提供，在第二溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第二制冷劑(315)提供，并且所述第二制冷劑(315)通過(guò)在高于第一溫度范圍內(nèi)最低溫度的溫度下進(jìn)一步汽化來(lái)提供進(jìn)一步的制冷作用。
4.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中連續(xù)地通過(guò)第一、第二和第三溫度范圍以冷卻進(jìn)料氣流(1)從而提供液化產(chǎn)物(13)，其中在第一溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第一制冷劑(117)提供，在第二溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第二制冷劑(213)提供，在第三溫度范圍內(nèi)冷卻進(jìn)料氣流的制冷作用通過(guò)汽化第三制冷劑(315)提供，并且所述第三制冷劑(315)通過(guò)在高于第二溫度范圍內(nèi)最低溫度的溫度下進(jìn)一步汽化來(lái)提供進(jìn)一步的制冷作用。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一制冷劑(117)為單一組分制冷劑。
6.權(quán)利要求4或5所述的方法，其中第二(213)和第三(315)制冷劑為多組分制冷劑。
7.權(quán)利要求4或5所述的方法，其中所述第一溫度范圍為約35℃至約-70℃，所述第二溫度范圍為約0℃至約-140℃，而所述第三溫度范圍為約-90℃至約-165℃。
8.前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中在最低溫度熱交換區(qū)域(312)之前的熱交換區(qū)域(310、311)中汽化的各制冷劑(117、213)被完全汽化從而提供各自的制冷劑蒸汽(101、201)。
9.前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述最低溫度制冷劑(即在最低溫度范圍內(nèi)的制冷劑)(315)為含有兩種或多種組分的多組分混合物，其組分選自氮?dú)夂途哂幸坏轿鍌€(gè)碳原子的烴類。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其所述最低溫度制冷劑(315)包括(摩爾％)5-15％的氮?dú)猓?0-60％的甲烷，10-30％的乙烷，0-10％的丙烷和5-15％的異戊烷。
11.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述最低溫度制冷劑(315)包括異戊烷和一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，其中異戊烷與所述一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比大于一。
12.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述最低溫度制冷劑(315)包括異戊烷和正戊烷，并且所述最低溫度制冷劑中的異戊烷與正戊烷的摩爾比大于一。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述異戊烷和正戊烷從進(jìn)料氣流(1)中獲得，并且所述最低溫度制冷劑(315)中的異戊烷與正戊烷的摩爾比大于所述進(jìn)料氣流(1)中的異戊烷與正戊烷的摩爾比。
14.權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述最低溫度制冷劑(315)包括異戊烷和一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，所述異戊烷和一種或多種烴類從進(jìn)料氣流(1)中獲得，并且所述最低溫度制冷劑(315)中的所述異戊烷與所述一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比大于所述進(jìn)料氣流(1)中的所述異戊烷與一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比。
15.前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述最低溫度制冷劑(315)在循環(huán)的制冷過(guò)程中提供，該過(guò)程包括壓縮(319、324)進(jìn)一步汽化的制冷劑(318)以得到壓縮的制冷劑流(328)，通過(guò)與所述進(jìn)一步汽化的制冷劑(316)間接熱交換(317)來(lái)冷卻所述壓縮的制冷劑流(328)，從而提供冷卻的制冷劑流(329)，并進(jìn)一步冷卻該冷卻的制冷劑(329)流以提供所述最低溫度制冷劑(315)。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中對(duì)所述冷卻的制冷劑流(329)的進(jìn)一步冷卻通過(guò)與在最低溫度熱交換區(qū)域(312)中汽化的最低溫度制冷劑(315)的間接熱交換來(lái)進(jìn)行。
17.權(quán)利要求15或16所述的方法，其中所述壓縮的制冷劑流(328)按如下過(guò)程得到在第一壓縮級(jí)(319)中壓縮所述進(jìn)一步汽化的制冷劑蒸汽(318)，從而提供第一壓縮蒸汽，冷卻(320)所述第一壓縮蒸汽產(chǎn)生兩相流體，將該兩相流體分離(321)成蒸汽流(322)和液流(323)，壓縮(324)該蒸汽流(322)得到進(jìn)一步壓縮的蒸汽，泵壓(325)所述液流(323)以提供加壓的液體，將所述進(jìn)一步壓縮的蒸汽和所述加壓的液體合并得到合并的制冷劑流(326)，冷卻(327)該合并的制冷劑流(326)以提供所述壓縮的制冷劑流(328)。
18.權(quán)利要求15或16所述的方法，其中在汽化以冷卻所述壓縮的制冷劑流(328；339)之前，將所述部分汽化的制冷劑(316)與冷卻的減壓液體制冷劑(345)合并以提供合并的兩相制冷劑(347)，其汽化以冷卻所述壓縮的制冷劑流(328；339)，所述壓縮的制冷劑蒸汽(330)被冷卻(332)以提供部分冷凝的制冷劑，將該部分冷凝的制冷劑分離(333)成制冷劑蒸汽流(334)和制冷劑液流(335)，壓縮(336)和冷卻(337)所述制冷劑蒸汽流(334)形成部分冷凝的流體，并將所述部分冷凝的流體分離(338)成壓縮的制冷劑蒸汽(328；339)和液體制冷劑(340)，減小(341)所述液體制冷劑的壓力以提供減壓的液體制冷劑(342)，將所述減壓的液體制冷劑(342)與制冷劑液流(335)合并以提供合并的制冷劑液體(343)，通過(guò)與所述合并的兩相制冷劑(347)間接熱交換(344)來(lái)過(guò)冷卻該合并的制冷劑液流(343)以提供冷卻的減壓液體制冷劑(345)用以與所述部分汽化的制冷劑(316)合并在一起。
19.權(quán)利要求15至18中任一項(xiàng)的方法，其中在最低溫度熱交換區(qū)域(312)之前，通過(guò)與分別汽化制冷劑(117)的間接熱交換(352)，而在熱交換區(qū)域(353)中冷卻所述壓縮的制冷劑流(328；351)，這在與進(jìn)一步汽化制冷劑(316)的間接熱交換之前進(jìn)行。
20.一種利用權(quán)利要求1的方法來(lái)液化氣流(1)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少兩個(gè)熱交換區(qū)域(310、311&312)用于連續(xù)地通過(guò)各溫度范圍來(lái)冷卻氣流(1)以提供液化產(chǎn)物(13)，和用于將各制冷管線(117、213&315)中的相應(yīng)制冷劑提供給熱交換區(qū)域(310、311&312)的各制冷系統(tǒng)，其特征在于最低溫度的熱交換區(qū)域(312)僅僅部分汽化相應(yīng)的(即最低溫的)制冷劑，并且提供最低溫度制冷劑的制冷劑系統(tǒng)包括另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)，以便在高于最低溫度熱交換區(qū)域(312)的最高溫度的溫度下進(jìn)一步汽化所得到的部分汽化的制冷劑。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其通過(guò)權(quán)利要求3的方法來(lái)液化氣流(1)，其中只有兩個(gè)熱交換區(qū)域(310&312)，氣流連續(xù)地通過(guò)其中從而液化。
22.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其通過(guò)權(quán)利要求4的方法來(lái)液化氣流(1)，其中只有三個(gè)熱交換區(qū)域(310、311&312)，氣流連續(xù)地通過(guò)其中從而液化。
23.權(quán)利要求20至22的任意一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述最低溫度制冷系統(tǒng)包括用于壓縮所述汽化的制冷劑的壓縮裝置(319)，用于將汽化的制冷劑從所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)提供給所述壓縮裝置(319)的管道裝置(318)，用于將所述壓縮的制冷劑提供給所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)的管道裝置(328)，用于將冷卻的壓縮制冷劑由所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)提供給最低溫度熱交換區(qū)域(312)的管道裝置(329)，用于在最低溫?zé)峤粨Q區(qū)域(312)中進(jìn)一步冷卻(356)所述冷卻的壓縮制冷劑從而提供冷凝制冷劑的裝置，以及用于減小所述冷凝制冷劑的壓力以將所述制冷劑提供給最低溫度熱交換區(qū)域(312)的制冷劑管線(315)的減壓裝置(314)。
24.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中用于壓縮來(lái)自所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)的汽化的制冷劑的壓縮裝置包括第一級(jí)壓縮器(319)，用以冷卻和部分冷凝所得到的第一壓縮制冷劑流從而得到部分冷凝的第一壓縮制冷劑流的中間冷卻器(320)，用以將所述部分冷凝的第一壓縮制冷劑流分離成蒸汽制冷劑流和液體制冷劑流的分離器(321)，用以壓縮所述蒸汽制冷劑流以提供壓縮的蒸汽制冷劑流的第二級(jí)壓縮器(324)，用以向所述液體制冷劑流加壓以提供加壓的液體制冷劑流的泵(325)，將所述壓縮的蒸汽制冷劑流與加壓的液體制冷劑流合并并向后冷卻器(327)提供合并的制冷劑流以冷卻該合并制冷劑流的管道裝置(326)，從而將所述壓縮的制冷劑提供給管道裝置(328)以輸送入所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)。
25.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317；344)包括用于過(guò)冷卻制冷劑液體以提供過(guò)冷卻的制冷劑液體的裝置，并且所述最低溫度制冷系統(tǒng)包括用于減小所述過(guò)冷卻制冷劑液體的壓力以提供減壓制冷劑的減壓裝置(346)，用于將所述減壓制冷劑與來(lái)自于最低溫度熱交換區(qū)域(312)的部分汽化的制冷劑合并以向所述另一個(gè)熱區(qū)域(317；344)提供合并的汽化制冷劑流的管道裝置(347)，其中所述合并的汽化制冷劑流汽化以將所述汽化的制冷劑進(jìn)料提供給所述壓縮裝置(319)。
26.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中用于過(guò)冷卻所述制冷劑液體的裝置是所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(344)，并且用于壓縮來(lái)自于所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(344)的所述汽化制冷劑的壓縮裝置包括第一級(jí)壓縮器(331)，用以冷卻和部分冷凝所得到的第一壓縮制冷劑流從而得到部分冷凝的第一壓縮制冷劑流的中間冷卻器(332)，用以將所述部分冷凝的第一壓縮制冷劑流分離成第一蒸汽制冷劑流和第一液體制冷劑流的第一分離器(333)，用以壓縮所述蒸汽制冷劑流以提供壓縮的蒸汽制冷劑流的第二級(jí)壓縮器(336)，用以冷卻所述壓縮的蒸汽制冷劑流以提供冷卻的兩相制冷劑流的后冷卻器(337)，用以向所述管道裝置(328)提供第二液體制冷劑流和壓縮的制冷劑以用于輸送入所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317)的第二分離器(338)，用以減小第二液體制冷劑流的壓力以提供減壓的第二液體制冷劑流的減壓裝置(341)，以及用以將所述減壓的第二液體制冷劑流與所述第一液體制冷劑流合并以向所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(344)提供制冷劑液體的管道裝置(335、342、343)。
27.權(quán)利要求20至22的任意一項(xiàng)的系統(tǒng)，其通過(guò)權(quán)利要求19的方法來(lái)液化氣流(1)，其中所述最低溫度制冷系統(tǒng)包括用于將來(lái)自于所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317；355)的汽化的制冷劑提供給壓縮汽化的制冷劑從而提供壓縮的制冷劑的所述壓縮裝置(349)的管道裝置(348)，在最低溫度熱交換區(qū)域(312)之前在熱交換區(qū)域(353)中用于冷卻所述壓縮制冷劑的冷卻裝置(352)，其通過(guò)與在所述熱交換區(qū)域(353)中汽化的各制冷劑間接熱交換來(lái)進(jìn)行以提供冷卻的壓縮制冷劑，用于將所述冷卻的壓縮制冷劑提供給所述另一個(gè)熱交換區(qū)域(317；355)的管道裝置，以通過(guò)與來(lái)自于最低溫度熱交換區(qū)域(312)的汽化制冷劑間接熱交換而進(jìn)一步冷卻所述冷卻的壓縮制冷劑，從而提供所述汽化的第三制冷劑和進(jìn)一步冷卻的壓縮制冷劑，用于在最低溫?zé)峤粨Q區(qū)域(312)中進(jìn)一步冷卻(356)所述冷卻的壓縮制冷劑從而提供冷凝制冷劑的裝置，以及用于減小所述冷凝制冷劑的壓力以將所述制冷劑提供給最低溫度熱交換區(qū)域(312)的制冷劑管線(315)的減壓裝置(314)。
28.一種制冷劑，含有異戊烷，一種或多種具有四個(gè)碳原子的烴類，以及一種或多種選自氮?dú)?、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯的組分，其中異戊烷與所述具有四個(gè)碳原子的烴類的摩爾比大于一。
29.權(quán)利要求28的制冷劑，其中所述制冷劑還含有正戊烷，并且異戊烷與正戊烷的摩爾比大于一。
30.權(quán)利要求28或29的制冷劑，其中所述制冷劑的組成包括(摩爾％)5-15％的氮?dú)猓?0-60％的甲烷，10-30％的乙烷，0-10％的丙烷和5-15％的異戊烷。
全文摘要
連續(xù)通過(guò)至少兩個(gè)溫度范圍使各制冷劑(117、213&315)汽化從而通過(guò)冷卻來(lái)液化氣體(1)，提供最低溫度范圍的汽化制冷劑在該范圍的最高溫度以上的溫度下進(jìn)一步汽化(317)。提供最低溫度范圍的該部分汽化的制冷劑(316)優(yōu)選依靠循環(huán)制冷系統(tǒng)中的壓縮的返回蒸汽(328)而進(jìn)一步汽化(317)。
文檔編號(hào)F25B1/10GK1784578SQ200480011937
公開日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月18日
發(fā)明者M·J·羅伯特斯 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司