專利名稱：：生產(chǎn)lng的天然氣液化方法生產(chǎn)LNG的天然氣液化方法相關(guān)申請的交叉參考本申請要求了于2005年8月9日提出的美國臨時申請第60/706,798號和2006年4月26日提出的美國臨時申請第60/795,101號的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及天然氣和其它富甲烷氣流的液化方法，更具體地，涉及生產(chǎn)液化天然氣(liquefiednaturalgas，LNG)的方法。
背景技術(shù)：
：天然氣因其清潔的燃燒品質(zhì)和便利性近年來被廣泛使用。許多天然氣來源位于遙遠(yuǎn)的地方，距離該氣體的任何商業(yè)市場很遠(yuǎn)。有時，管道可用于將所產(chǎn)生的天然氣輸送到商業(yè)市場。當(dāng)管道運輸不可行時，所生產(chǎn)的天然氣通常被加工成液化天然氣(其被稱為"LNG")用于輸送到市場。在LNG工廠的設(shè)計中，一個最重要的考慮因素是將天然氣原料流轉(zhuǎn)化為LNG的方法。目前，最常見的液化方法使用某種形式的制冷系統(tǒng)。盡管已經(jīng)使用許多制冷循環(huán)來液化天然氣，然而當(dāng)今在LNG工廠最常使用的三種類型是(l)"階式循環(huán)"，其利用在換熱器中的多個單組分冷卻劑，所述冷卻劑被漸進(jìn)式布置，以將氣體的溫度降低至液化溫度；(2)"多組分制冷循環(huán)"，其利用在專門設(shè)計的換熱器中的多組分冷卻劑；和(3)"膨脹機循環(huán)(expandercycle)",其使氣體從原料氣壓力膨脹為低壓，溫度相應(yīng)降低。大多數(shù)天然氣液化循環(huán)利用這三種基本類型的改變型或組合。在多組分制冷循環(huán)中，所用的冷卻劑可以是組分如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮的混合物。在"階式循環(huán)"中，冷卻劑也可以是純物質(zhì)，如丙烷、乙烯或氮。需要大量的組成被精密控制的這些冷卻劑。此外，這些冷卻劑可能必須被引入和存貯，強加以物流要求?？蛇x地，典型地可以通過與液化方法結(jié)合的蒸餾方法來制備冷卻劑的一些組分。利用氣體膨脹機，為原料氣提供冷卻，從而消除或降低冷卻劑處理的物流問題，這已經(jīng)引起工藝工程師的興趣。膨脹機系統(tǒng)操作的原理是原料氣能夠通過膨脹渦輪膨脹，從而進(jìn)行運作并降低氣體的溫度。低溫氣體然后與原料氣換熱，以提供所需的制冷。通常需要補加制冷，以充分液化原料氣，并且這可以通過冷卻劑系統(tǒng)來提供。由于膨脹所得的功率通常用于供應(yīng)制冷循環(huán)中所使用的部分主要壓縮功率。制備LNG的典型的膨脹機循環(huán)在原料氣壓力下運作，典型地在約6,895kPa(1,000磅/平方英寸)下。然而，前面提出的膨脹機循環(huán)都比目前基于冷卻劑系統(tǒng)的天然氣液化循環(huán)的熱力學(xué)效率低。因此迄今為止，膨脹機循環(huán)沒有提供任何安裝成本上的優(yōu)勢，并且包括冷卻劑的液化循環(huán)仍是天然氣液化的優(yōu)選選擇。因為膨脹機循環(huán)產(chǎn)生高循環(huán)氣流流速和預(yù)冷(溫?zé)?階段的高度無效率，氣體膨脹機典型地被用于進(jìn)一步冷卻原料氣，該原料氣例如己經(jīng)在封閉循環(huán)中利用外部冷卻劑被預(yù)冷至遠(yuǎn)在-2(TC以下的溫度。因此，在大多數(shù)所提出的膨脹機循環(huán)中一個常見的因素是需要第二外部制冷循環(huán)，以便在氣體進(jìn)入膨脹機之前預(yù)冷該氣體。這種組合的外部制冷循環(huán)和膨脹機循環(huán)有時被稱為"混合循環(huán)"。盡管這種基于冷卻劑的預(yù)冷在膨脹機應(yīng)用上消除了無效率的主要來源，然而其顯著降低了膨脹機循環(huán)的優(yōu)勢，該優(yōu)勢就是去除了外部冷卻劑。在膨脹機冷卻之后額外的冷卻也可能是必需的，并且可以通過另一外部冷卻劑系統(tǒng)來提供，如氮或冷的混合冷卻劑。因此，對下述膨脹機循環(huán)仍存在需要至少與目前應(yīng)用的技術(shù)相比，該膨脹機循環(huán)消除了對外部冷卻劑的需求并且具有提高的效率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施方式提供液化天然氣和其它富甲垸氣流的方法，以生產(chǎn)液化天然氣(LNG)和/或其它液化的富甲烷氣體。如在本說明書包括所附權(quán)利要求書中所用的術(shù)語天然氣是指適于制造LNG的氣體原料。所述天然氣可包括得自原油井的氣體(伴生天然氣)或得自氣井的氣體(非伴生天然氣)。天然氣的組成可以顯著變化。如本文所用，天然氣是含有甲烷(C,)作為主要組分的富甲烷氣。在本文生產(chǎn)LNG方法的一個或多個實施方式中，實施第一步驟，其中第一部分原料氣被抽取、壓縮、冷卻并膨脹至較低的壓力以冷卻所抽取的第一部分。原料流的剩余部分通過與膨脹的第一部分在第一換熱過程中進(jìn)行間接換熱而被冷卻。在第二步驟中，其包括再冷卻回路(sub-coolingloop)，包含閃蒸蒸汽(flashvapor)的單獨流被壓縮、冷卻和膨脹至較低的壓力，以提供另一冷卻流。該冷卻流用于在第二間接換熱過程中冷卻剩余的原料氣流，該第二間接換熱過程構(gòu)成再冷卻換熱過程。從第二換熱過程出來的膨脹流用于在第一間接換熱步驟中進(jìn)行補充冷卻。剩余的原料氣隨后被膨脹至更低壓力，從而部分液化該原料氣流。該流的液化部分作為LNG從工藝中被收回，該LNG的溫度對應(yīng)于泡點壓力。該流的蒸汽部分被返回，以補充在間接換熱步驟中所提供的冷卻。來自各種來源的變熱的冷卻氣體被壓縮和再循環(huán)。在根據(jù)本發(fā)明的一個或多個其它實施方式中，提供了富甲烷氣流的液化方法，所述方法包括在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供富甲烷氣流；在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供冷卻劑；壓縮所述冷卻劑至大于或等于1500磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮冷卻劑；通過與冷卻流體進(jìn)行間接換熱冷卻所述壓縮冷卻劑；使所述壓縮冷卻劑膨脹以進(jìn)一步冷卻所述壓縮冷卻劑，從而產(chǎn)生膨脹的、冷卻的冷卻劑；使所述膨脹的、冷卻的冷卻劑通過換熱區(qū)；以及使所述氣流經(jīng)過所述換熱區(qū)，以便通過與所述膨脹的冷卻冷卻劑間接換熱來冷卻至少部分所述氣流，從而形成冷卻的氣流。在一個或多個其它具體實施方式中，在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供冷卻劑包括抽取氣體的一部分，用作冷卻劑。在其它實施方式中，被用作冷卻劑的該部分氣流在該氣流經(jīng)過換熱區(qū)之前從氣流中被抽取。仍在其它實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)一步包括，利用用液化富甲烷氣流的過程中所產(chǎn)生的閃蒸蒸汽充填的封閉回路，為換熱區(qū)提供至少部分制冷功能。根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方式對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將是顯而易見的。附圖簡述圖1是根據(jù)本發(fā)明方法所述的用于生產(chǎn)LNG的一個實施方式的示意流程圖。圖2是用于生產(chǎn)LNG的第二實施方式的示意流程圖，其類似于圖1所示的工藝，只是在壓縮、冷卻及膨脹回路中的氣體冷卻劑與原料氣分離，并因此可以具有與原料氣不同的組成。圖3是根據(jù)本發(fā)明方法所述的用于生產(chǎn)LNG的第三實施方式的示意流程圖，其利用了多個工作膨脹步驟，用于提高效率。圖4是根據(jù)本發(fā)明方法所述的用于生產(chǎn)LNG的第四實施方式的示意流程圖，其利用了多個類似于圖3的工作膨脹步驟，但是還并入了額外的膨脹步驟以及原料氣的壓縮，以改進(jìn)膨脹步驟的性能。圖5是根據(jù)本發(fā)明方法所述的用于生產(chǎn)LNG的第五實施方式的示意流程圖，其類似于圖4所示的實施方式，但利用了額外的側(cè)流以及工藝氣體的膨脹，以提供再冷卻。圖6是類似于圖1和圖2中所示的實施方式的另一實施方式，其中再冷卻回路的冷卻劑在膨脹之前在再冷卻換熱器中被冷卻。圖7是另一實施方式，其中所述再冷卻回路與原料氣連接。圖8是另一實施方式，顯示了再冷卻回路的可選布置。圖9是類似于圖8的實施方式，但是使用了經(jīng)過再冷卻器的分離膨脹流，其中膨脹閥、Joules-Thompson閥門或類似的膨脹設(shè)備用于提高再冷卻器中的效率。圖IO是另一實施方式，其中脫氮階段被并入其中可能需要脫氮的情況中。圖11是又一實施方式，其中再冷卻回路的冷卻劑源自來自脫氮單元的閃蒸蒸汽，并因此富含氮氣。發(fā)明詳述本發(fā)明實施方式提供了天然氣液化方法，其主要利用氣體膨脹機并且消除了對外部冷卻劑的需求。即，在本文所公開的一些實施方式中，原料氣本身(例如，天然氣)被用作所有制冷循環(huán)中的冷卻劑。這類制冷循環(huán)不需要利用外部冷卻劑(即，除原料氣本身的冷卻劑或者在LNG加工廠中或附近制造的氣體之外的冷卻劑)的補充冷卻，如所提出的通常的氣體膨脹機循環(huán)中所需要的那樣，然而這些制冷循環(huán)具有更高的效率。在一個或多個實施方式中，冷卻水或冷卻空氣是唯一的冷卻流體外部來源，并且被用于壓縮機中間階段或冷卻后。圖1圖解了本發(fā)明的一個實施方式，其中使用了膨脹機回路5(即膨脹機循環(huán))和再冷卻回路6。為清晰起見，膨脹機回路5和再冷卻回路6以圖1中的加寬線顯示。在本說明書和所附的權(quán)利要求中，術(shù)語"回路"和"循環(huán)"被交換使用。在圖1中，原料氣流10在約1200磅/平方英寸以下、或約1100磅/平方英寸以下、或約1000磅/平方英寸以下、或約900磅/平方英寸以下、或約800磅/平方英寸以下、或約700磅/平方英寸以下、或約600磅/平方英寸以下的壓力下進(jìn)入液化工藝。典型地，原料氣流10的壓力將是大約800磅/平方英寸。原料氣流10一般包括已經(jīng)利用本領(lǐng)域熟知的方法和設(shè)備進(jìn)行處理以去除污染物的天然氣。在其經(jīng)過換熱器之前，一部分原料氣流10被抽取形成側(cè)流11，因此提供了處于對應(yīng)于原料氣流IO壓力的壓力下的冷卻劑，即上述任何壓力包括約1000磅/平方英寸以下的壓力，根據(jù)下面的討論，這將是顯而易見的。因此，在圖1所示的實施方式中，原料氣流的一部分被用作膨脹機回路5的冷卻劑。盡管示于圖1中的實施方式利用了在原料氣流10經(jīng)過換熱器之前從該原料氣流10中抽取的側(cè)流，然而，被用作膨脹機回路5中的冷卻劑的原料氣側(cè)流可以在該原料氣己經(jīng)經(jīng)過換熱區(qū)之后從原料氣中抽取。因此，在一個或多個實施方式中，本方法是本文所述的其它實施方式中的任一種，其中被用作冷卻劑的原料氣流部分從換熱區(qū)被抽取、膨脹并且返回?fù)Q熱區(qū)，以便為換熱區(qū)提供至少部分制冷功能。側(cè)流11被傳遞至壓縮單元20，在此，其被壓縮至大于或等于約1500磅/平方英寸的壓力，從而提供壓縮的冷卻劑流12?？蛇x地，側(cè)流11被壓縮至大于或等于約1600磅/平方英寸、或大于或等于約1700磅/平方英寸、或大于或等于約1800磅/平方英寸、或大于或等于約1900磅/平方英寸、或大于或等于約2000磅/平方英寸、或大于或等于約2500磅/平方英寸、或大于或等于約3000磅/平方英寸的壓力，從而提供壓縮的冷卻劑流12。如在本說明書中包括所附權(quán)利要求中所用，術(shù)語"壓縮單元"是指在本領(lǐng)域中已知用于壓縮物質(zhì)或物質(zhì)混合物的任何一種類型的壓縮設(shè)備或者相似或不同類型壓縮設(shè)備的組合，并且可以包括輔助設(shè)備。"壓縮單元"可以采用一個或多個壓縮階段。示例性壓縮機可以包括，但不限于容積式類型，如往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式壓縮機，以及動力型，如離心式和軸流式壓縮機。離開壓縮單元20之后，壓縮的冷卻劑流12被傳遞至冷卻器30，在此其通過與合適的冷卻流體進(jìn)行間接換熱而被冷卻，提供壓縮的冷卻致冷劑(冷卻劑)。在一個或多個實施方式中，冷卻器30屬于提供水或空氣作為冷卻流體的類型，盡管可以使用任何類型的冷卻器。當(dāng)壓縮冷卻劑流12從冷卻器30出來時，其溫度取決于環(huán)境條件和所使用的冷卻介質(zhì)，并且典型地為約35。F至約105下。然后，冷卻的壓縮冷卻劑流12傳遞至膨脹機40，在此其膨脹并因此被冷卻而形成膨脹的冷卻劑流13。在一個或多個實施方式中，膨脹機40是功膨脹設(shè)備(work-expansiondevice)，例如產(chǎn)生可以被取出并用于壓縮的功的膨脹膨脹冷卻劑流13傳遞至換熱區(qū)50，為換熱區(qū)50提供至少部分制冷功能。如在本說明書包括所附的權(quán)利要求中所用，術(shù)語"換熱區(qū)"是指本領(lǐng)域中己知用于促進(jìn)熱交換的任一類型的設(shè)備或者相似或不同類型設(shè)備的組合。因此，"換熱區(qū)"可以被包含在單片設(shè)備中，或者其可以包括包含在多個設(shè)備片中的區(qū)域。相反地，多個換熱區(qū)可以包含在單片設(shè)備中。離開換熱區(qū)50之后，膨脹的冷卻劑流13被送至壓縮單元60進(jìn)行加壓以形成流14，其然后與側(cè)流ll匯合。顯而易見的是，一旦膨脹機回路5已經(jīng)充滿來自側(cè)流11的原料氣，則只需要補充原料氣以替換因泄漏引起的損失，進(jìn)入壓縮機單元20的大部分氣體通常由流14提供。未作為側(cè)流11抽取的原料氣流10的一部分被傳遞至換熱區(qū)50，在此，其通過與膨脹冷卻劑流13進(jìn)行間接換熱被至少部分冷卻。離開換熱區(qū)50之后，原料氣流10傳遞至換熱區(qū)55。換熱區(qū)55的基本功能是再冷卻原料氣流。因此，在換熱區(qū)55中，原料氣流10通過再冷卻回路6被再冷卻(如下所述)，以產(chǎn)生再冷卻流10a。再冷卻流10a然后在膨脹機70中膨脹至更低的壓力，從而部分液化再冷卻流10a，形成液體部分和剩余的蒸汽部分。膨脹機70可以是任何減壓設(shè)備，包括但不限于閥、控制閥、JouleThompson閥、文氏管設(shè)備、液體膨脹機、液力渦輪等。部分液化的再冷卻流10a傳遞至緩沖罐80，在此，液化部分15作為LNG從該工藝中被收回，該LNG具有的溫度對應(yīng)于泡點壓力。剩余的蒸汽部分(閃蒸蒸汽)流16被用作燃料為壓縮機單元提供動力和/或被用作再冷卻回路6中的冷卻劑，如下所述。在被用作燃料之前，所有或部分閃蒸蒸汽流16可以任選地從緩沖罐80傳遞至換熱區(qū)50和55，以補充這些換熱區(qū)中所提供的冷卻。參考圖1，部分閃蒸蒸汽16經(jīng)過管線17被抽取，以填充再冷卻回路6。因此，來自原料氣流10的部分原料氣被抽取(以來自閃蒸氣流16的閃蒸氣的形式)用作再冷卻回路6中的冷卻劑。同樣顯而易見的是，一旦再冷卻回路6完全充滿閃蒸氣，只需補充氣(即來自管線17的另外的閃蒸蒸汽)，以替換因泄漏引起的損失。在再冷卻回路6中，膨脹流18從膨脹機41中排出，并被吸入通過換熱區(qū)55和50。膨脹的閃蒸蒸汽流18(再冷卻的致冷劑流)然后返回至壓縮單元90，在此，其被再壓縮至更高的壓力并升溫。離開壓縮單元90之后，再壓縮的再冷卻冷卻劑流在冷卻器31中被冷卻，該冷卻器可以具有與冷卻器30相同的類型，盡管可以使用任何類型的冷卻器。冷卻后，再壓縮的再冷卻冷卻劑流傳遞至換熱區(qū)50，在此，其通過與膨脹冷卻劑流13、再冷卻冷卻劑流18以及任選地與閃蒸蒸汽流16進(jìn)行間接換熱而被進(jìn)一步冷卻。離開換熱區(qū)50之后，再壓縮及冷卻的再冷卻冷卻劑流經(jīng)過膨脹機41膨脹，以提供冷卻流，其然后經(jīng)過換熱區(qū)55再冷卻原料氣流的部分，以便最終膨脹而產(chǎn)生LNG。離開換熱區(qū)55的膨脹再冷卻冷卻劑流再次經(jīng)過換熱區(qū)50，以便在進(jìn)行再壓縮之前提供補加冷卻。以這種方式，再冷卻回路6中的循環(huán)被不斷地重復(fù)。因此，在一個或多個實施方式中，本方法是在此所公開的其它實施方式中的任一種，所述其它實施方式進(jìn)一步包括利用充填有由LNG生產(chǎn)所產(chǎn)生的閃蒸蒸汽(例如，閃蒸蒸汽16)的封閉回路(例如再冷卻回路6)提供冷卻。顯而易見的是，在圖1圖解的實施方式中(以及在本文所述的其它實施方式中)，當(dāng)原料氣流10從一個換熱區(qū)傳遞至另一換熱區(qū)時，原料氣流10的溫度將被降低，直到最終產(chǎn)生再冷卻流。另外，當(dāng)側(cè)流從原料氣流10中抽取時，原料氣流10的質(zhì)量流量將被降低。也可以對原料氣流10進(jìn)行其它修改，例如壓縮。盡管對原料氣流10的每種此類修改可以被認(rèn)為產(chǎn)生新的且不同的流，但為清晰和易于闡述起見，除非另外說明，原料氣流將被稱為原料氣流10,對其理解是經(jīng)過換熱區(qū)、帶走側(cè)流以及其它的變動將使原料氣流IO產(chǎn)生溫度、壓力和/或流速的改變。圖2圖解了本發(fā)明的另一種實施方式，其類似于圖1中所示的實施方式，只是膨脹機回路5已經(jīng)被替換為膨脹機回路7。圖2中的其它術(shù)語已經(jīng)在上面描述。為清晰起見，膨脹機回路7在圖2中以加寬線顯示。膨脹機回路7利用與膨脹機回路5基本相同的設(shè)備(例如，壓縮機20、冷卻器30和膨脹機40，所有這些在上面已經(jīng)予以描述)。然而，膨脹機回路7中的氣體冷卻劑與原料氣分離，并因此可以具有與原料氣不同的組成。即，膨脹機回路7基本是封閉回路，并且不與原料氣流10連接。膨脹機回路7的冷卻劑因此不必是原料氣，盡管其可以是。膨脹機回路7可以被充入任何合適的冷卻劑氣體，該冷卻劑氣體在利用膨脹機回路7的LNG加工廠中或附近生產(chǎn)。例如，用于充入膨脹機回路7的冷卻劑氣體可以是原料氣，如天然氣，其僅被部分處理以去除污染物。如同膨脹機回路5，膨脹機回路7是高壓氣體回路。流12a以大于或等于約1500磅/平方英寸、或大于或等于約1600磅/平方英寸、或大于或等于約1700磅/平方英寸、或大于或等于約1800磅/平方英寸、或大于或等于約1900磅/平方英寸、或大于或等于約2000磅/平方英寸、或大于或等于約2500磅/平方英寸、或大于或等于約3000磅/平方英寸的壓力下離開壓縮單元20。當(dāng)壓縮冷卻劑流12a從冷卻器30出現(xiàn)時，其溫度取決于環(huán)境條件和所用的冷卻介質(zhì)，并且典型地為約35。F至約105T。冷卻的壓縮冷卻劑流12a然后傳遞至膨脹機40，在此，其膨脹和進(jìn)一步冷卻，形成膨脹冷卻劑流13a。膨脹冷卻劑流13a傳遞至換熱區(qū)50，以便為換熱區(qū)50提供至少部分制冷功能，在該換熱區(qū)中，原料氣流10通過與膨脹冷卻劑流13a進(jìn)行間接換熱而被至少部分冷卻。離開換熱區(qū)50后，膨脹冷卻劑流13a返回至壓縮單元20，進(jìn)行再壓縮。在本文所述的任何實施方式中，膨脹機回路5和7可以互換使用。例如，在利用膨脹機回路5的實施方式中，膨脹機回路7可以取代膨脹機回路5。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)LNG的另一實施方式。圖3中圖解的工藝?yán)昧硕鄠€功膨脹循環(huán)(workexpansioncycle),為原料氣和其他流提供補加冷卻。這些功膨脹循環(huán)的應(yīng)用導(dǎo)致液化過程的總效率得以改進(jìn)。參考圖3，原料氣流IO在上述壓力下再次進(jìn)入液化過程。在圖3所示的具體實施方式中，側(cè)流ll以前面所述的方式被送至膨脹機回路5，但是顯而易見的是，封閉膨脹機回路7可以用來代替膨脹機回路5，在此種情況下，側(cè)流11將不是必需的。膨脹機回路5以與如上對圖1中所示的實施方式所述相同的方式運作，只是膨脹冷卻劑流13經(jīng)過換熱區(qū)56，為換熱區(qū)56提供至少部分制冷功能，下面將進(jìn)行詳細(xì)描述。未被抽取作為側(cè)流11的部分原料氣流10傳遞至換熱區(qū)56，在此，其至少部分地通過與膨脹冷卻劑流13和下面所述的其他流進(jìn)行間接換熱而被冷卻。離開換熱區(qū)56后，原料氣流10經(jīng)過換熱區(qū)57和58，在此其通過與下面所述的另外的流進(jìn)行間接換熱而被進(jìn)一步冷卻。在本實施方式中，如下利用第一和第二功膨脹循環(huán)以提高效率在原料氣流10進(jìn)入換熱區(qū)57之前，將側(cè)流llb從原料氣流10中導(dǎo)出。在原料氣流10離開換熱區(qū)57之后而在其進(jìn)入換熱區(qū)58之前，將側(cè)流llc從原料氣流10導(dǎo)出。因此，側(cè)流llb和llc在原料氣流冷卻的不同階段從原料氣流10中引出。即，每個側(cè)流在原料氣冷卻曲線上的不同點處從原料氣流中撤出，使得各個相繼撤出的側(cè)流的起始溫度比先前撤出的側(cè)流低。側(cè)流llb為第一功膨脹循環(huán)的一部分，其被傳遞至膨脹機42，在此其膨脹并因此冷卻而形成膨脹流13b。膨脹流13b經(jīng)過換熱區(qū)56和57，為換熱區(qū)56和57提供至少部分制冷功能。同樣地，側(cè)流llc為第二功膨脹循環(huán)的一部分，其被傳遞至膨脹機43，在此其膨脹并因此冷卻而形成膨脹流13c。膨脹流13c然后經(jīng)過換熱區(qū)56、57和58，為換熱區(qū)56、57和58提供至少部分制冷功能。因此，原料氣流10在換熱區(qū)56和57中通過與膨脹流13b和13c進(jìn)行間接換熱也被冷卻。在換熱區(qū)58中，原料氣流10通過與膨脹流13c進(jìn)行另外的間接換熱也被冷卻。離開換熱區(qū)56之后，膨脹流13b和13c分別傳遞至壓縮單元61和62，在此它們被再壓縮并結(jié)合形成流14a。流14a在與原料氣流10重組合之前通過冷卻器32冷卻。冷卻器32可以是與冷卻器30和31相同類型的冷卻器或冷卻器類型。膨脹機42和43是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的功膨脹設(shè)備類型。合適的功膨脹設(shè)備的示例性、非限定性實例包括液體膨脹機和液力渦輪。因此，在圖3所示的實施方式中，原料氣流通過多個功膨脹設(shè)備被進(jìn)一步冷卻。對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以將額外的功膨脹循環(huán)加入圖3所圖解的實施方式中，或者可以采用單個功膨脹循環(huán)。因此，一般而言，可以以上述方式采用一個或多個功膨脹設(shè)備。各功膨脹設(shè)備膨脹部分原料氣流，并從而冷卻此部分，其中在功膨脹設(shè)備中膨脹的所述原料氣流部分的每一部分在原料氣流冷卻的不同階段(即，在不同的原料氣流溫度下)從原料氣流中撤出。在根據(jù)本發(fā)明的一個或多個其它實施方式中，通過如下步驟利用功膨脹設(shè)備從原料氣流中抽出一個或多個側(cè)流；使所述一個或多個側(cè)流傳遞至一個或多個功膨脹設(shè)備；膨脹所述一個或多個側(cè)流，以膨脹和冷卻該一個或多個側(cè)流，從而形成一個或多個膨脹的、冷卻的側(cè)流；將所述一個或多個膨脹的、冷卻側(cè)流傳遞至至少一個換熱區(qū)；使所述氣流經(jīng)過所述至少一個換熱區(qū)；以及通過與所述一個或多個膨脹的、冷卻側(cè)流進(jìn)行間接換熱，至少部分冷卻所述氣流。再次參考圖3，原料氣流10在換熱區(qū)56、57和58中被冷卻之后，然后傳遞至換熱區(qū)59，在此其被進(jìn)一步冷卻，產(chǎn)生再冷卻流10a。換熱區(qū)59的主要功能是再冷卻原料氣流10。再冷卻流10a然后在膨脹機85中膨脹至更低的壓力，從而部分液化再冷卻流10a，形成液化部分和剩余的蒸汽部分。膨脹機85可以是任何減壓設(shè)備，包括但不限于閥、控制閥、JouleThompson閥、文氏管設(shè)備、液體膨脹機、液力渦輪等。部分液化的再冷卻流10a傳遞至緩沖罐80，在此，液化部分15作為LNG從該工藝中被收回，該LNG具有的溫度對應(yīng)于泡點壓力。剩余的蒸汽部分(閃蒸蒸汽)流16被用作燃料，為壓縮機單元提供動力，和/或以與前面對再冷卻回路6所述基本相同的方式作為再冷卻回路8中的冷卻劑。如從表3中可見，再冷卻回路8類似于再冷卻回路6，只是再冷卻回路8向四個換熱區(qū)(換熱區(qū)56、57、58和59)供應(yīng)冷卻。圖4圖解了本發(fā)明又一個實施方式。圖4中所示的實施方式與圖3中所示的實施方式基本相同，只是加入了壓縮單元25和膨脹機35。膨脹機35可以是任何類型的液體膨脹機或液力渦輪。膨脹機35放置在換熱區(qū)58和59之間，使得原料氣流10從換熱區(qū)58流入膨脹機35中，在此其膨脹并從而冷卻，產(chǎn)生膨脹的原料氣流10b。流10b然后傳遞至換熱區(qū)59，在此其被再冷卻而產(chǎn)生再冷卻流10c。通過在膨脹機35中膨脹并因此冷卻原料氣流10，以產(chǎn)生流10b,再冷卻回路8上的總冷卻荷載被有利地降低。因此，在一個或多個實施方式中，本方法是在此所述的其他實施方式的任一種，所述其他實施方式進(jìn)一步包括膨脹至少部分所述冷卻原料氣流，以產(chǎn)生冷卻的、膨脹的原料氣流(例如，流10b);和通過與封閉回路(例如，再冷卻回路6或8)進(jìn)行間接換熱進(jìn)一步冷卻所述冷卻的、膨脹的原料氣流，所述封閉回路填充以從LNG生產(chǎn)得到的閃蒸蒸汽(例如，閃蒸蒸汽16)。繼續(xù)參考圖4，壓縮單元25被用于增加原料氣流10在進(jìn)入液化過程之前的壓力。因此，原料氣流10被傳遞至壓縮單元25，在此其被壓縮至高于原料氣供應(yīng)壓力以上的壓力，或者，在一個或多個其他實施方式中，被壓縮至約1200磅/平方英寸以上的壓力?？蛇x地，原料氣流10被壓縮至大于或等于約1300磅/平方英寸、或大于或等于約1400磅/平方英寸、或大于或等于約1500磅/平方英寸、或大于或等于約1600磅/平方英寸、或大于或等于約1700磅/平方英寸、或大于或等于約1800磅/平方英寸、或大于或等于約1900磅/平方英寸、或大于或等于約2000磅/平方英寸、或大于或等于約2500磅/平方英寸、或大于或等于約3000磅/平方英寸的壓力。壓縮后，原料氣流10傳遞至冷卻器33，在此其在傳遞至換熱區(qū)56之前被冷卻。應(yīng)當(dāng)理解，在壓縮單元25用來將原料氣流10(以及因此側(cè)流11)壓縮至比壓縮冷卻劑流12期望的壓力更低的壓力的情況下，壓縮單元20可以用來增加該壓力。如上所述的原料氣流10的壓縮提供了三種益處。首先，通過增加原料氣流的壓力，側(cè)流llb和llc的壓力也得以增加，結(jié)果是，功膨脹設(shè)備42和43的冷卻性能得到增強。第二，換熱區(qū)中的傳熱系數(shù)得到改善。因此，在一個或多個實施方式中，本文所述的LNG生產(chǎn)方法是根據(jù)本文所述的任意其他實施方式實施的，其中原料氣在進(jìn)入換熱區(qū)之前被壓縮至上述的壓力。仍在其他實施方式中，本方法包括從多個功膨脹設(shè)備為原料氣流提供補加冷卻，每個功膨脹設(shè)備膨脹部分原料氣流并因此冷卻該部分，形成一個或多個膨脹冷卻的側(cè)流，其中在功膨脹設(shè)備中膨脹的每一個所述部分原料氣流在原料氣流冷卻的不同階段(即，在不同的原料氣流溫度下)從原料氣流中被抽出；以及通過與所述一個或多個膨脹冷卻的側(cè)流進(jìn)行間接換熱來冷卻所述原料氣流。仍在其他實施方式中，每一種上述部分原料氣在膨脹前具有在約1200磅/平方英寸以上、或大于或等于約1300磅/平方英寸、或大于或等于約1400磅/平方英寸、或大于或等于約1500磅/平方英寸、或大于或等于約1600磅/平方英寸、或大于或等于約1700磅/平方英寸、或大于或等于約1800磅/平方英寸、或大于或等于約1900磅/平方英寸、或大于或等于約2000磅/平方英寸、或大于或等于約2500磅/平方英寸、或大于或等于約3000磅/平方英寸的壓力。仍在其他實施方式中，本方法是在此所述的任意其他實施方式，所述其他實施方式進(jìn)一步包括將原料氣流壓縮至.h述任意壓力，以產(chǎn)生加壓的原料氣流；將所述加壓原料氣流送至功膨脹設(shè)備，或者送至多個功膨脹設(shè)備；通過所述功膨脹設(shè)備或者通過多個功膨脹設(shè)備使所述壓縮的原料氣流膨脹，為原料氣流提供補加冷卻。通過如上所述壓縮原料氣流得到的第三個益處是，膨脹機35的冷卻能力得以改進(jìn)，結(jié)果是，膨脹機35能夠甚至進(jìn)一步降低再冷卻回路8上的冷卻荷載。應(yīng)當(dāng)意識到，壓縮單元25和/或膨脹機35也可以有利地被添加至在此所述的其他實施方式，以便在這些實施方式所利用的再冷卻回路上提供類似的冷卻荷載降低，或者冷卻方面的其他改進(jìn)，以及壓縮單元25和膨脹機35可以彼此獨立地用在此處的任何實施方式中。此外，還應(yīng)當(dāng)意識到，甚至不需壓縮原料流，膨脹機35(或功膨脹設(shè)備42和43)的冷卻能力將被改進(jìn)為使原料流在高于LNG泡點壓力的壓力下供應(yīng)的程度。例如，如果原料氣在由原料氣壓縮所產(chǎn)生的任何上述壓力下被供應(yīng)，此種壓力的益處將是明顯可得的，無需額外的壓縮。因此，在解釋說明書包括所附權(quán)利要求時，利用功膨脹設(shè)備和/或膨脹機35膨脹壓力約1200磅/平方英寸以上的流不應(yīng)當(dāng)被解釋為需要使用壓縮單元25或任何其他壓縮機或壓縮步驟，或者需要壓縮單元25或任何其他壓縮機或壓縮步驟存在。圖5是根據(jù)本發(fā)明方法用于生產(chǎn)LNG的第五實施方式的示意流程圖，其類似于圖4中所示的實施方式，但是利用了又一膨脹步驟來提供再冷卻。參考圖5，可以看到，再冷卻回路8沒有存在于圖5所示的實施方式中。相反，側(cè)流lld從流10b引出并傳遞至膨脹設(shè)備105，在此其膨脹并因此冷卻而形成膨脹流13d。膨脹設(shè)備105是產(chǎn)生功的(work-producing)膨脹機，其很多類型易于得到。此類設(shè)備的示例性、非限定性實例包括液體膨脹機和液力渦輪。膨脹流13d經(jīng)過換熱區(qū)59、58、57和56，為這些換熱區(qū)提供至少部分制冷功能。如從圖5中可見，流10b通過與膨脹流13d以及閃蒸蒸汽流16進(jìn)行間接換熱也可被冷卻。因此，在一個或多個實施方式中，木發(fā)明方法進(jìn)一步包括在最后的熱交換步驟之前(例如，在換熱區(qū)59之前)，在膨脹機35中膨脹至少部分冷卻氣流(原料氣流10)，以產(chǎn)生膨脹的冷卻氣流(例如，流10b);將所述膨脹的冷卻氣流的一部分傳遞至產(chǎn)生功的膨脹機；在所述生產(chǎn)功的膨脹機中進(jìn)一步膨脹所述膨脹的冷卻氣流；以及將從所述產(chǎn)生功的膨脹機中產(chǎn)生的流(例如，流13d)傳遞至換熱區(qū)，以通過在所述換熱區(qū)中進(jìn)行的間接換熱進(jìn)一步冷卻所述膨脹的冷卻氣流。離開換熱區(qū)56后，膨脹流13d傳遞至壓縮單元95，在此其被再壓縮并與產(chǎn)生自壓縮單元61和62的流結(jié)合，形成流14a的一部分，其如前所述被冷卻然后再循環(huán)至原料流10。圖6中所示的進(jìn)一步的實施方式類似于圖1和上述的實施方式，只是再冷卻回路6已經(jīng)被修改，使得在再壓縮和冷卻的冷卻劑流離開換熱區(qū)50之后，其在經(jīng)過膨脹機41膨脹之前在換熱區(qū)55中被進(jìn)一步冷卻。該實施方式是有利的，其中使用了冷卻流體，其在膨脹機41之后沒有存在很多的冷凝過程。圖7描繪了另一實施方式，其中再冷卻回路6a利用了一部分原料氣10。來自201的原料氣10的該部分在壓縮機25中被再加壓并在冷卻器33被冷卻，按照與圖4中相同的方式。圖8是類似于圖7的另一實施方式，顯示了再冷卻回路6的可選布置。取決于原料氣10的組成，可以使用另外的壓縮機(未示出)來防止在再冷卻回路中冷凝或者確保合適的管線壓力。圖9描繪了與某種原料氣10組成和/或壓力結(jié)合使用的實施方式。為了更好地使被冷卻用于LNG收集的原料氣10的冷卻曲線，與用于在再冷卻換熱區(qū)55中進(jìn)行冷卻的部分原料氣10的冷卻曲線匹配，可能必需的是進(jìn)一步膨脹進(jìn)入再冷卻回路6的冷卻劑氣體的分離部分。這是應(yīng)用膨脹閥82或其他膨脹機(例如，Joules-Thompson閥)實現(xiàn)的，以便在再冷卻回路6中提供補加冷卻。圖IO代表另一實施方式，其顯示了對于需要脫氮的情況，基于原料氣10的組成，利用蒸餾柱81或其他等同設(shè)備并入了脫氮階段。這可能是必需的，以滿足用于輸送和最終用途的產(chǎn)品LNG中的氮規(guī)格。圖ll代表另一實施方式，顯示了脫氮單元的并入，其中來自脫氮單元的閃蒸蒸汽被用作再冷卻回路的冷卻劑。所得的冷卻劑因此富含氮。實施例進(jìn)行假設(shè)的質(zhì)量和能量平衡，以闡明圖4中所示的實施方式，結(jié)果示于下面的表中。數(shù)據(jù)是利用商業(yè)可得的名為HYSYSTM(得自加拿大卡爾加里的HyprotechLtd.)的過程模擬程序獲得的；然而，可以使用其他商業(yè)可得的過程模擬程序來開發(fā)數(shù)據(jù)，包括例如HYSIMtm、PROIItm和ASPENPLUS,本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉這些程序。該實施例假定原料氣流IO具有如下以摩爾百分?jǐn)?shù)計的組成C1:90.25%;C2:5.70%;C3:0.01%;N2:4.0%;He:0.04%。給出了呈現(xiàn)在表中的數(shù)據(jù)，以便對圖4中所示的實施方式提供更好的理解，但是本發(fā)明不被解釋為不必要地限于此。鑒于本文的教導(dǎo)，溫度、壓力和流速可以具有很多變動。針對狀態(tài)點201到214(圖4中所示的位置處)計算的具體溫度、壓力和流速列舉在表中。在本發(fā)明方法的一個實施方式中，通過控制從最后的換熱區(qū)出來的流的溫度，閃蒸蒸汽流16的體積被控制，以匹配壓縮單元和其他設(shè)備的燃料要求。例如，參考圖4，狀態(tài)點207處的溫度可以被控制，以便根據(jù)燃料要求產(chǎn)生或多或少的閃蒸蒸汽(流16)。狀態(tài)點207處的較高溫度將導(dǎo)致更多的閃蒸蒸汽(以及因此更多可用的燃料)產(chǎn)生，反之亦然?？蛇x地，可以調(diào)整溫度，使得閃蒸蒸汽流速高于燃料要求，在這種情況下，超過燃料流要求的過剩流在壓縮和冷卻之后可以被再循環(huán)。表<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>本領(lǐng)域技術(shù)人員，特別是得到本文教導(dǎo)益處的技術(shù)人員將認(rèn)識到對上述具體實施方式的很多修改和變更。例如，顯示在一個實施方式中的特征可以被添加至其他實施方式中而形成另外的實施方式。因此，具體公開的實施方式和實施例不應(yīng)當(dāng)被用于限制或限定本發(fā)明的范圍，該范圍由所附權(quán)利要求書確定。權(quán)利要求1.富甲烷氣流的液化方法，所述方法包括在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供所述氣流；在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供冷卻劑；壓縮所述冷卻劑至大于或等于1500磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮冷卻劑；通過與冷卻流體間接換熱，冷卻所述壓縮的冷卻劑；使所述壓縮的冷卻劑膨脹，以進(jìn)一步冷卻所述壓縮的冷卻劑，從而產(chǎn)生膨脹冷卻的冷卻劑；和將所述膨脹冷卻的冷卻劑傳遞至換熱區(qū)；和使所述氣流經(jīng)過所述換熱區(qū)，通過與所述膨脹冷卻的冷卻劑間接換熱來冷卻至少部分所述氣流，從而形成冷卻氣流。2.權(quán)利要求l所述的方法，其中在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供所述冷卻劑包括抽出部分所述氣流用作所述冷卻劑。3.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氣流的所述部分在所述氣流傳遞至所述換熱區(qū)之前被抽出。4.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氣流的所述部分從所述換熱區(qū)中被抽出。5.權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用封閉回路為所述換熱區(qū)提供至少部分制冷功能，所述封閉回路充填有在所述富甲烷氣流液化方法中產(chǎn)生的閃蒸蒸汽。6.權(quán)利要求5所述的方法，還包括使至少部分所述冷卻氣流膨脹，以產(chǎn)生膨脹冷卻的氣流；和通過與所述充填有閃蒸蒸汽的封閉回路進(jìn)行間接換熱，進(jìn)一步冷卻所述膨脹冷卻的氣流。7.權(quán)利要求1所述的方法，還包括-使至少部分所述冷卻氣流膨脹，以產(chǎn)生膨脹冷卻的氣流；和通過在一個或多個另外的換熱區(qū)中間接換熱，進(jìn)一步冷卻所述膨脹冷卻的氣流。8.權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用多個功膨脹設(shè)備冷卻所述氣流，所述功膨脹設(shè)備中的每一個膨脹所述原料氣流的一部分，并從而冷卻所述部分，形成一個或多個膨脹冷卻的側(cè)流，其中在所述功膨脹設(shè)備中膨脹的各個所述部分原料氣流在原料氣流冷卻的不同階段從所述原料氣流中抽出；和通過與所述一個或多個膨脹冷卻的側(cè)流間接換熱，冷卻所述原料氣流。9.權(quán)利要求1所述的方法，還包括抽出一部分或多部分所述氣流使所述氣流的所述一部分或多部分中的每一部分傳遞至一個或多個功膨脹設(shè)備，以及膨脹所述氣流的所述一部分或多部分中的每一部分，以使所述一部分或多部分膨脹和冷卻，從而形成一個或多個膨脹冷卻的側(cè)流；使所述一個或多個膨脹冷卻的測流傳遞至至少一個換熱區(qū)；使所述氣流經(jīng)過所述至少一個換熱區(qū)；和通過與所述一個或多個膨脹冷卻的側(cè)流間接換熱，至少部分冷卻所述氣流。10.權(quán)利要求6、7、8或9所述的方法，其中所述氣流被首先壓縮至高于氣體供應(yīng)壓力的壓力。11.權(quán)利要求1所述的方法，還包括所述冷卻氣流在最后的換熱步驟之前以及膨脹以生產(chǎn)LNG之前的膨脹階段。12.權(quán)利要求1所述的方法，還包括在最后的換熱步驟之前，膨脹至少部分所述冷卻氣流，以產(chǎn)生膨脹冷卻的氣流；使所述膨脹冷卻的氣流的部分傳遞至產(chǎn)生功的膨脹機，并在所述產(chǎn)生功的膨脹機中進(jìn)一步膨脹所述膨脹冷卻的氣流的所述部分；和使從所述產(chǎn)生功的膨脹機中出現(xiàn)的流傳遞至換熱區(qū)，通過在所述換熱區(qū)中間接換熱進(jìn)一步冷卻剩余的所述膨脹冷卻的氣流。13.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述冷卻劑被壓縮至大于或等于3,000磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮冷卻劑。14.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述換熱區(qū)包括多個熱交換室。15.權(quán)利要求1所述的方法，還包括再冷卻換熱區(qū)，其接收所述氣流，并且通過第二冷卻劑的膨脹進(jìn)行冷卻，以提供再冷卻氣流；之后最后膨脹所述再冷卻氣流并回收LNG。16.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第二冷卻劑是所述富甲烷氣流的一部分。17.權(quán)利要求15所述的方法，其中在所述第二冷卻劑膨脹之前，所述第二冷卻劑在所述再冷卻換熱區(qū)中被再冷卻。18.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述富甲垸氣流在經(jīng)過所述換熱區(qū)之前被再加壓，所述冷卻氣流被膨脹，以及所述膨脹的冷卻氣流的一部分在所述再冷卻換熱區(qū)中被進(jìn)一步膨脹并且被用作所述第二冷卻劑。19.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述再冷卻氣流的一部分被膨脹并且其部分是所述第二冷卻劑。20.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述再冷卻氣流的所述部分被分成兩個部分流，所述部分流之一被進(jìn)一步膨脹，以及所述兩個部分流都包含所述第二冷卻劑。21.權(quán)利要求l所述的方法，還包括回收LNG時脫氮氣。22.富甲烷氣流液化方法，所述方法包括在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供所述氣流；在封閉回路中提供冷卻劑；將所述冷卻劑壓縮至大于或等于1500磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮的冷卻劑；通過與冷卻流體間接換熱，冷卻所述壓縮的冷卻劑；使所述壓縮的冷卻劑膨脹，以進(jìn)一步冷卻所述壓縮的冷卻劑，從而產(chǎn)生膨脹冷卻的冷卻劑；將所述膨脹冷卻的冷卻劑傳遞至換熱區(qū)；和使所述氣流經(jīng)過所述換熱區(qū)，通過與所述膨脹冷卻的冷卻劑間接換熱來冷卻至少部分所述氣流。全文摘要本發(fā)明的實施方式涉及天然氣及其它富甲烷氣流的液化方法，更具體地，涉及生產(chǎn)液化天然氣(liquefiednaturalgas，LNG)的方法。在該方法的第一步驟中，第一部分原料氣被抽出，被壓縮至大于或等于1500磅/平方英寸的壓力，冷卻并膨脹至較低的壓力以冷卻所抽取的第一部分。原料流的剩余部分通過與第一換熱過程中膨脹的第一部分進(jìn)行間接換熱而被冷卻。在第二步驟中，包含閃蒸蒸汽的單獨流被壓縮冷卻和膨脹至較低的壓力，以提供另一冷流。該冷流用于在第二間接換熱過程中冷卻剩余的原料氣流。從第二換熱過程出來的膨脹流用于在第一間接換熱步驟中進(jìn)行補充冷卻。剩余的原料氣隨后被膨脹至較低壓力，從而部分液化該原料氣流。該流的液化部分作為LNG從工藝中被收回，該LNG的溫度對應(yīng)于泡點壓力。文檔編號F25J1/00GK101228405SQ200680026848公開日2008年7月23日申請日期2006年5月24日優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日發(fā)明者J·B·斯通,K·N·斯坦利,L·J·科特,M·明特,R·R·伯文申請人:埃克森美孚上游研究公司