專利名稱：自冷卻的lng工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣液化的方法，更特別地涉及天然氣液化為LNG(常壓)的方法，該方法不需要使用外部的制冷劑。
背景技術(shù)：
天然氣是遍及世界日益增加使用的燃料源。因此，在世界上不能將天然氣安全輸送到邊遠(yuǎn)的市場或需要大量成本費(fèi)用輸送的遙遠(yuǎn)的地區(qū)，生產(chǎn)天然氣的努力一直在繼續(xù)增長。在沒有天然氣管道輸送或官倒輸送不現(xiàn)實(shí)的情況下，天然氣液化是目前實(shí)際中作為一種節(jié)約成本的選擇，用于將天然氣輸送到世界各地的市場。
如在本發(fā)明整個(gè)說明書中所使用的，天然氣應(yīng)理解為是指粗天然氣或處理的天然氣。粗天然氣基本上包括輕質(zhì)烴例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷和例如苯的雜質(zhì)，但也可包括少量的非烴雜質(zhì)例如氮、硫化氫、二氧化碳和痕量的氦、硫化羰、各種硫醇或水。處理的天然氣基本上包括甲烷、乙烷，但也可包括少量的較重的烴例如丙烷、丁烷和戊烷。
如本發(fā)明整個(gè)說明書中所使用的，液化天然氣(LNG)應(yīng)理解為是指這樣的天然氣，其被減壓到液化的狀態(tài)或接近大氣壓。如本發(fā)明所使用，接近大氣壓一般應(yīng)理解為是指不超過約25psia，通常不大于約20psia，經(jīng)常不大于約15psia。
天然氣液化通常通過將天然氣的溫度減少到約-240°F～約-260°F的液化溫度下進(jìn)行。對(duì)于許多的天然氣物流液化溫度通常是典型的，因?yàn)榧淄樵诖髿鈮旱姆悬c(diǎn)為約-259°F。為生產(chǎn)、儲(chǔ)藏和輸送LNG，現(xiàn)有技術(shù)中熟知的常規(guī)工藝需要大量的致冷劑以減少并保持天然氣所處的液化溫度。這些最通常的致冷工藝是(1)級(jí)聯(lián)工藝；(2)單一混合致冷劑工藝；和(3)丙烷預(yù)冷混合致冷劑工藝。
級(jí)聯(lián)工藝通過使用幾個(gè)閉環(huán)的冷卻環(huán)路而生產(chǎn)LNG，每一個(gè)使用單一的純致冷劑，它們以逐漸降低溫度的順序構(gòu)造在一起。第一冷卻環(huán)路通常使用丙烷或丙烯作為致冷劑，第二環(huán)路可使用乙烷或乙烯，而第三環(huán)路通常利用甲烷作為致冷劑。
單一混合致冷劑工藝通過使用單一的閉環(huán)冷卻環(huán)路生產(chǎn)LNG，該環(huán)路使用由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷組分組成的多組分致冷劑?；旌系闹吕鋭┕に嚱?jīng)歷冷凝、膨脹和再壓縮步驟以通過使用熟知的“冷箱”熱交換器的單元收集而使天然氣溫度降低。
丙烷預(yù)冷的混合致冷劑工藝通過使用除單一閉環(huán)冷卻環(huán)路之外的起始系列的丙烷冷卻的熱交換器生產(chǎn)LNG，該方法使用由氮、甲烷、乙烷和丙烷組分組成的多組分致冷劑。天然氣開始通過一種或多種丙烷冷卻的熱交換器，然后通過由多組分致冷劑冷卻的主熱交換器，因此之后被膨脹以生產(chǎn)LNG。
大多數(shù)的液化裝置使用這些天然氣液化工藝中的其中之一。不幸的是，這種裝置的建造和維護(hù)很昂貴，因?yàn)榻ㄔ?、操作和維護(hù)一種或多種外部、單一或混合致冷劑閉環(huán)冷卻環(huán)路成本很高。
與外部閉環(huán)冷卻環(huán)路相關(guān)的另外的不利之處是這樣的環(huán)路使用和儲(chǔ)藏非常易爆的致冷劑，這樣的致冷劑引起對(duì)安全當(dāng)面的憂慮。致冷劑例如丙烷、乙烯和丙烯是易爆的，而丙烷和丙烯特別是比空氣重，萬一在泄漏或其他設(shè)備故障的情況下會(huì)使這些氣體的擴(kuò)散劣化。在通過遠(yuǎn)洋輪船或其他浮動(dòng)平臺(tái)近海生產(chǎn)和輸送LNG期間，這一點(diǎn)特別令人擔(dān)憂，因?yàn)?1)必須儲(chǔ)藏大量的致冷劑以維持天然氣的液化溫度；和(2)這些致冷劑與船員緊鄰。
因此，需要一種節(jié)約成本的方法，用于安全地生產(chǎn)、儲(chǔ)藏和并將LNG輸送到世界各地的商業(yè)市場。目前的方法在提供安全而又成本節(jié)約的工藝中僅取得了部分的成功。
授予Foglietta的US 5,755,114已進(jìn)行了這樣的努力，其公開了一種用于生產(chǎn)LNG的混合液化循環(huán)。Foglietta工藝使加壓的天然氣原料流進(jìn)入熱交換器與閉環(huán)丙烷或丙烯致冷循環(huán)接觸，之后使天然氣原料流導(dǎo)入渦輪膨脹機(jī)循環(huán)中以提供輔助致冷。與目前使用的生產(chǎn)大氣壓LNG的級(jí)聯(lián)型混合致冷劑系統(tǒng)相比，F(xiàn)oglietta的工藝可通過僅用一個(gè)閉環(huán)致冷循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)。但是，F(xiàn)oglietta工藝仍需要至少一個(gè)包括丙烷或丙烯的閉環(huán)致冷循環(huán)，這兩種致冷劑都是昂貴的，不容易分散，而且必須儲(chǔ)藏在輸送Foglietta工藝產(chǎn)品的輪船上。
授予Knapp等的US 3,360,944通過如下步驟生產(chǎn)LNG，將天然氣原料流分離為主物流和子物流，冷卻主物流和子物流以產(chǎn)生液體組分，之后使用大部分的液體組分作為工藝的致冷劑。液體組分被蒸發(fā)同時(shí)經(jīng)歷熱交換，從工藝中壓縮并排出。Knapp的工藝導(dǎo)致僅少部分的天然氣原料流加工為LNG。
授予Thomas等的US 6,023,942公開了一種生產(chǎn)富甲烷產(chǎn)品的方法，所述產(chǎn)品的溫度在液體產(chǎn)品足以處于或低于其始沸點(diǎn)壓力下大于約-112℃(-170°F)。得到的產(chǎn)品是加壓的液態(tài)天然氣(PLNG)，其壓力基本上高于大氣壓的壓力。盡管Thomas等的方法可以在沒有外部致冷的情況下實(shí)施，但產(chǎn)品的加壓需要使用特別設(shè)計(jì)的龐大厚壁的容器和輸送設(shè)備(如PLNG輪船、卡車或鐵路車)。這種較高的壓力、較重壁厚的設(shè)備給任何商業(yè)項(xiàng)目增加了相當(dāng)大的重量和費(fèi)用。PLNG消費(fèi)者也將需要另外的液化、輸送和儲(chǔ)藏設(shè)備以使用PLNG，這給供應(yīng)和需求價(jià)值鏈增添了額外的成本。
授予Engal的US 3,616,652公開了一種方法，用于在一段中生產(chǎn)LNG，包括壓縮天然氣進(jìn)料物流，冷卻壓縮的天然氣進(jìn)料物流以生產(chǎn)液化的物流，劇烈地將壓縮的天然氣進(jìn)料物流膨脹為中等壓力的液體，然后在單一的分布步驟中閃蒸和分離中等壓力的液體以生產(chǎn)LNG和低壓的閃蒸氣體。
盡管Engal的方法在不使用外部制冷劑的情況下可生產(chǎn)LNG，但該方法在不結(jié)合使用多個(gè)分離步驟以抵消這種苛刻制冷要求的情況下，利用其有限的作用于整個(gè)工藝物流制冷能力的效率很低。而且，Engal的方法效率低下地將其工藝物流壓力膨脹到這樣的水平，其導(dǎo)致工藝閃蒸氣體基本上效率極其低下的再壓縮。結(jié)果，Engal方法與其生產(chǎn)所需工作量相比產(chǎn)生了很少體積的LNG，因此減少了工藝成本的持久(競爭)性。
盡管這樣的方法在現(xiàn)有技術(shù)中具有巨大的進(jìn)步，但沒有任何一種方法可滿足這樣的需要，即對(duì)于生產(chǎn)LNG是安全而且節(jié)約成本的方法。
我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，與通過將進(jìn)料物流分離為主和次天然氣物流，并生產(chǎn)其制冷要求的液體組分的生產(chǎn)LNG方法相比，將單一的天然氣物流加工為LNG，同時(shí)從多個(gè)順序分離步驟中分離的閃蒸氣體中得到工藝制冷劑，導(dǎo)致LNG生產(chǎn)的提高和設(shè)備費(fèi)用的減少。
我們也發(fā)現(xiàn)，與大幅減少越過單一膨脹步驟或冷卻步驟的高壓天然氣進(jìn)料物流壓力的LNG工藝相比，使越過多個(gè)冷卻/膨脹/分離步驟或冷卻段的高壓天然氣進(jìn)料物流膨脹度分級(jí)，可提高LNG的產(chǎn)生同時(shí)減少其生產(chǎn)的功率消耗。
我們也發(fā)現(xiàn)，通過使用包括兩個(gè)或多個(gè)分離步驟，并結(jié)合至少同樣數(shù)量膨脹步驟的多個(gè)冷卻段，將單一的天然氣物流加工為LNG可基本上減少工藝的制冷要求，與不使用這樣連接的多個(gè)膨脹和分離步驟生產(chǎn)LNG的工藝相比，因此提高了LNG的生產(chǎn)，同時(shí)減少了設(shè)備費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)LNG的方法，包括將含有天然氣的進(jìn)料物流導(dǎo)入冷卻段，所述的冷卻段(a)可在至少一個(gè)冷卻步驟中冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流，(b)通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)制冷的蒸氣組分和液體組分，和(c)從所述的液體組分中分離至少一部分冷卻的蒸氣組分，其中至少一部分工藝的冷卻來自于至少一部分冷卻蒸氣組分；重復(fù)步驟(a)～(c)一次或多次，直到第一冷卻段的至少基本上明顯部分的進(jìn)料物流被加工為LNG，其中步驟(a)的進(jìn)料物流包括至少一部分來自先前冷卻段產(chǎn)生的液體組分。
在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)LNG的方法，包括將含有天然氣的進(jìn)料物流導(dǎo)入冷卻段，所述的冷卻段(a)可在至少一個(gè)冷卻步驟中冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流，(b)通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)制冷的蒸氣組分和液體組分，和(c)從所述的液體組分中分離至少一部分冷卻的蒸氣組分，其中至少一部分工藝的冷卻來自于至少一部分冷卻蒸氣組分；重復(fù)步驟(a)～(c)一次或多次，其中步驟(a)的進(jìn)料物流包括至少一部分來自先前冷卻段產(chǎn)生的液體組分，其中步驟(b)如果所述步驟(a)進(jìn)料物流的入口壓力為至少150psia時(shí)，以psia測量的步驟(b)進(jìn)料物流的入口壓力為以psia測量的緊靠前述冷卻段步驟(a)進(jìn)料物流入口壓力的至少1/2。
本發(fā)明提供一種節(jié)約成本的生產(chǎn)LNG的方法，該方法不需要用于封閉制冷環(huán)路昂貴的資本投入。
本發(fā)明也涉及一種節(jié)約成本的生產(chǎn)LNG的方法，該方法不需要用于處理高度加壓LNG產(chǎn)品的高壓容器和輸送設(shè)備，也不需要消費(fèi)者建立用以使用高壓LNG需要的特別處理設(shè)施和設(shè)備。
本發(fā)明也提供一種生產(chǎn)LNG的方法，該方法不需要在生產(chǎn)、儲(chǔ)藏或輸送LNG過程中易爆炸的外部制冷劑。
本發(fā)明也涉及一種簡單緊湊用于生產(chǎn)LNG的設(shè)計(jì)選擇方案，在土地空間非常昂貴或不能得到的地點(diǎn)可加速實(shí)施本發(fā)明的方法。
本發(fā)明也涉及一種用于生產(chǎn)內(nèi)部工藝消耗燃料氣體的方法，同時(shí)保持高速LNG生產(chǎn)，而且保持高效的工藝功率消耗。
本發(fā)明也涉及生產(chǎn)具有低濃度惰性組分例如氮的高質(zhì)量LNG產(chǎn)品的方法，而且能夠除去原料中NGL組分例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷和較重的組分和苯。
附圖
簡述附圖是包括三個(gè)冷卻段的本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方式。
優(yōu)選實(shí)施方式的描述更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及從含有天然氣進(jìn)料物料生產(chǎn)LNG的方法。如本發(fā)明上述所限定，天然氣應(yīng)理解為是指粗天然氣和處理的天然氣，其二者都是適當(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)料物流。
天然氣基本上包括輕質(zhì)烴例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，但也可包括少量的非烴雜質(zhì)例如氮、硫化氫、二氧化碳和痕量的氦、硫化羰、各種硫醇或水。粗天然氣精確的百分含量組成取決于其儲(chǔ)藏源和氣體裝置中進(jìn)行的預(yù)處理步驟。例如，天然氣可含有少到55摩爾％的甲烷。但是，優(yōu)選的是適合該方法的天然氣含有至少約75摩爾％的甲烷，更優(yōu)選至少約85摩爾％的甲烷，最優(yōu)選為至少約90摩爾％的甲烷得到最好的結(jié)果。同樣，非烴雜質(zhì)精確的組成也取決于天然氣儲(chǔ)藏源。結(jié)果，通常有必要預(yù)處理天然氣以除去高濃度的非烴雜質(zhì)例如酸性氣體、汞和水，這些雜質(zhì)能損害、冷凍并堵塞工藝中使用的管線和加熱器或其他的設(shè)備。適當(dāng)?shù)某ミ@些非烴雜質(zhì)的預(yù)處理方法包括胺提取或通過使用分子篩進(jìn)行干燥。
工藝的天然氣進(jìn)料物流的入口壓力包括寬范圍內(nèi)的壓力。在天然氣是管道氣體的情況下，天然氣進(jìn)料物流的入口壓力通常取決于輸送天然氣管線的壓力。管線輸送壓力為約500psia～約1,800psia，但可高到2800psia。優(yōu)選的是，天然氣進(jìn)料物流的內(nèi)部壓力至少為約600psia，更優(yōu)選為至少約800psia，再更優(yōu)選至少為約1000psia，最優(yōu)選至少為約1200psia得到最好的結(jié)果。用于工藝的天然氣進(jìn)料物流的入口溫度包括寬范圍的溫度，但通常取決于輸送天然氣管線的輸送溫度，其通常為約0°F～120°F。
附圖描述了優(yōu)選的實(shí)施方式，其使用三個(gè)冷卻段。單一冷卻段的工藝包括在至少一個(gè)冷卻步驟中冷卻含有天然氣的進(jìn)料物流，生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流；通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻的進(jìn)料物流，生產(chǎn)冷卻的蒸氣組分和液體組分；在至少一個(gè)分離步驟中從液體組分中分離至少一部分冷卻的蒸氣組分。優(yōu)選的是，用于至少一個(gè)冷卻段的至少一部分冷卻來自于在工藝中使用的至少一個(gè)冷卻段中產(chǎn)生的至少一部分冷卻的蒸氣組分。單一冷卻段可進(jìn)一步包括壓縮冷卻蒸氣組分的步驟以生產(chǎn)壓縮的蒸氣組分并將壓縮的蒸氣組分循環(huán)回一個(gè)或多個(gè)冷卻段中的進(jìn)料物流。
參考附圖，含有天然氣的進(jìn)料物流引入到工藝?yán)鋮s段的管線11中。一旦將進(jìn)料物流引入到管線11中，其被導(dǎo)入但熱交換器12，其中進(jìn)料物流通過熱交換器與來自管線18引入到熱交換器12的冷卻蒸氣組分接觸進(jìn)行冷卻產(chǎn)生冷卻的進(jìn)料物流。這種初始的熱交換優(yōu)選將進(jìn)料物流冷卻到約0°F或更低，優(yōu)選到約-12.5°F或更低，更優(yōu)選到約-31°F或更低，最優(yōu)選到約-50°F或更低的中間溫度。該進(jìn)料物流可被初始冷卻到任何適合工藝需要的溫度。但是，為得到最好的結(jié)果，優(yōu)選進(jìn)料物流在初始熱交換中不能被冷卻到低于約-116°F，因?yàn)檫@樣的冷卻將需要效率低下地利用在工藝至少下游冷卻段內(nèi)部產(chǎn)生的制冷劑(即，使更冷的制冷劑效率低下地用于初始冷卻負(fù)荷)。
本發(fā)明方法適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器包括但不限制于，管殼式熱交換器、釜中芯熱交換器和銅焊鋁散熱片熱交換器。對(duì)于工藝中使用的一種或多種熱交換器，優(yōu)選的熱交換器是銅焊鋁散熱片熱交換器。
在初始的冷卻步驟后，冷卻的進(jìn)料物流通入管線13，其中管線注入膨脹設(shè)備14中，其中冷卻的進(jìn)料物流以等熵或等焓方式膨脹到較低的壓力產(chǎn)生冷卻的蒸氣組分和和液體組分。盡管沒有在圖中說明，但冷卻的進(jìn)料物流可以多個(gè)膨脹步驟進(jìn)行膨脹而不干擾分離步驟。但是，優(yōu)選的是這樣設(shè)計(jì)使用多個(gè)膨脹步驟的冷卻段要使每一個(gè)膨脹步驟單獨(dú)地連接到分離步驟。
適當(dāng)?shù)牡褥逝蛎浽O(shè)備可以是本領(lǐng)域中熟知的任何常規(guī)的各種設(shè)備，包括但不限制于閥、控制閥、Joules-Thompson閥、文丘里閥等。但是，優(yōu)選的等焓膨脹設(shè)備是自動(dòng)啟動(dòng)的膨脹閥或Joule-Thompson閥。用于本發(fā)明適當(dāng)?shù)牡褥嘏蛎浽O(shè)備包括但不限制于膨脹機(jī)或渦輪膨脹機(jī)，從這樣的膨脹中進(jìn)行獲得、回收或提取工作。
等焓或等熵膨脹可在全液相、全蒸氣相、混合中相進(jìn)行，或這樣進(jìn)行以有利于從液相到蒸氣相的相變化。如本發(fā)明預(yù)期可控制等焓或等熵膨脹以在從膨脹設(shè)備或冷卻步驟的一端到另一端保持恒定的壓降或溫度下降，以保持LNG產(chǎn)品相和體積，或提供適當(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)料物流壓力以將其液流導(dǎo)入到特定的下游用途中。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別是在整個(gè)膨脹設(shè)備或冷卻段的膨脹度進(jìn)行分段導(dǎo)致生產(chǎn)LNG的總能量需求和設(shè)備成本明顯下降。這樣新穎的工藝構(gòu)造協(xié)同地將眾多的膨脹/分離步驟或冷卻步驟和壓縮要求和比例結(jié)合在一起用以內(nèi)部生產(chǎn)蒸氣組分，所述的蒸氣組分引入到工藝的各個(gè)上游點(diǎn)作為循環(huán)氣體或被壓縮作為燃料氣體內(nèi)部使用。
因此，優(yōu)選的是以psia測量的進(jìn)料物流壓力在整個(gè)單一膨脹步驟或冷卻步驟之間不能減少到低于其入口壓力(如1200psia到400psia)的約1/3，更優(yōu)選在整個(gè)單一膨脹步驟或冷卻步驟之間不低于其入口壓力(如1200psia到600psia)的約1/2。但是相信當(dāng)進(jìn)料物流處于高壓時(shí)，進(jìn)料物流的這種以增加方式的壓力降低是最有利的。因此，當(dāng)進(jìn)料物流處于低的入口壓力時(shí)，優(yōu)選150psia或更低，更優(yōu)選為100psia或更低，及為得到最好的結(jié)果最優(yōu)選75psia或更低，在整個(gè)膨脹步驟或冷卻段進(jìn)料物流的壓降可低到大氣壓或接近大氣壓。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，在工藝中使用的多個(gè)冷卻段或膨脹步驟與在每一個(gè)冷卻段或膨脹步驟之間進(jìn)料物流特定程度的壓力降低整體相關(guān)。例如，初始進(jìn)料物流入口壓力為約1200psia優(yōu)選的工藝構(gòu)造將優(yōu)選使用至少四個(gè)冷卻段以處理LNG，條件是以psia測量的在每一個(gè)單獨(dú)的冷卻段之間進(jìn)料物流入口壓力增量式壓降不超過1/2。
在一個(gè)或多個(gè)膨脹步驟后，分離器16分離冷卻的蒸氣組分和液體組分。至少一部分冷卻的蒸氣組分通過管線18送入熱交換器12直接冷卻進(jìn)料物流。剩余的冷卻蒸氣組分可送入到一個(gè)或多個(gè)另外的順序冷卻段用以進(jìn)一步加工為LNG。一經(jīng)離開熱交換器12，冷卻蒸氣組分優(yōu)選在壓縮機(jī)19中被壓縮并通過管線20引入到進(jìn)料物流中。在引入到進(jìn)料物流之前，冷卻的蒸氣組分優(yōu)選被壓縮到至少約與被輸送進(jìn)入的進(jìn)料物流相同的壓力。另外，冷卻的蒸氣組分可用作設(shè)備的燃料氣體，例如用于LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)藏和輸送的壓縮機(jī)，被送去放空火炬，或被送到一個(gè)或多個(gè)另外下游的冷卻段以進(jìn)一步加工為LNG。冷卻的蒸氣組分可直接提供到燃料中，或被壓縮然后用作燃料氣體。來自分離器16的液體組分可送到NGL回收中或通過管線17送到一個(gè)或多個(gè)另外順序冷卻段中用以進(jìn)一步加工。
盡管在圖中沒有顯示，但優(yōu)選使用至少兩個(gè)分離步驟，每一個(gè)步驟與至少相同數(shù)量的膨脹步驟結(jié)合以增強(qiáng)LNG的生產(chǎn)，與不使用這樣構(gòu)造的其他工藝相比同時(shí)可減少工藝的總能耗。相信使用這樣的工藝構(gòu)造可促進(jìn)不同溫度和壓力冷卻的蒸氣組分的生產(chǎn)。較低壓力和溫度的冷卻的蒸氣組分可有效地首先被導(dǎo)入較低溫度冷卻負(fù)荷中，同時(shí)較高壓力和溫度的冷卻蒸氣壓力被有效地首先導(dǎo)入到中等和高溫冷卻負(fù)荷中。另外，這樣設(shè)計(jì)選擇冷卻組分(和該組分的壓力)以使減少輸送冷卻的蒸氣組分需要的能量，因此減少了工藝的總能耗。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用至少兩個(gè)順序冷卻段生產(chǎn)LNG。參考附圖，進(jìn)入第二冷卻段的進(jìn)料物流進(jìn)入熱交換器22以產(chǎn)生第二冷卻進(jìn)料物流23。第一冷卻段之后每一個(gè)冷卻段的進(jìn)料物流優(yōu)選包括在先前冷卻段產(chǎn)生的液體組分或在先前冷卻段產(chǎn)生的冷卻的蒸氣組分，或兩者。
第二冷卻進(jìn)料物流23被送到膨脹機(jī)24中，其中第二冷卻進(jìn)料物流膨脹到較低的壓力同時(shí)對(duì)應(yīng)溫度下降，產(chǎn)生液體組分和冷卻的蒸氣組分。在一個(gè)或多個(gè)膨脹步驟之后，分離器26分離冷卻的蒸氣組分和液體組分。至少一部分冷卻的蒸氣組分通過管線28被送到熱交換器22，通過管線29送到熱交換器12以冷卻先前冷卻段的一種或多種進(jìn)料物流。一經(jīng)離開熱交換器12(或熱交換器22)，冷卻的蒸氣組分通過中間壓縮機(jī)30(通過壓縮機(jī)19補(bǔ)充或不進(jìn)行補(bǔ)充)進(jìn)行壓縮產(chǎn)生壓縮的蒸氣組分20。壓縮的蒸氣組分20然后可通過管線11或17循環(huán)回一個(gè)或多個(gè)先前冷卻段的進(jìn)料物流中。冷卻的蒸氣組分壓縮到與循環(huán)進(jìn)入的進(jìn)料物流至少大約相同的壓力。另外，冷卻的蒸氣組分或壓縮的蒸氣組分可用作燃料氣體。液體組分可送去儲(chǔ)藏或優(yōu)選通過管線27送入一個(gè)或多個(gè)另外的冷卻段進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
在又一個(gè)實(shí)施方式中，使用至少三個(gè)順序冷卻段以生產(chǎn)LNG。參考附圖，第三冷卻段的進(jìn)料物流進(jìn)入熱交換器32以生產(chǎn)第三冷卻的進(jìn)料物流。第三冷卻的進(jìn)料物流通過管線33被送到膨脹機(jī)34中，其中第三冷卻的進(jìn)料物流膨脹到較低的壓力同時(shí)對(duì)應(yīng)溫度降低，生產(chǎn)液體組分和冷卻的蒸氣組分。
在一個(gè)或多個(gè)膨脹步驟后，分離器36分離冷卻的蒸氣組分和液體組分。至少一部分冷卻的蒸氣組分通過管線38送入熱交換器32、通過管線39送入熱交換器22、通過管線40送入熱交換器12或所有上述的熱交換器以冷卻先前冷卻段的一種或多種進(jìn)料物流。一經(jīng)離開熱交換器12、熱交換器22或熱交換器32，冷卻蒸氣組分優(yōu)選通過一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)被壓縮產(chǎn)生壓縮的蒸氣組分20。壓縮的蒸氣組分20然后可循環(huán)回一個(gè)或多個(gè)先前冷卻段的進(jìn)料物流中。冷卻的蒸氣組分被壓縮丁到與循環(huán)進(jìn)入的進(jìn)料物流至少大約相同的壓力。盡管沒有在附圖中描述，但通常優(yōu)選在一個(gè)或多個(gè)冷卻步驟中冷卻壓縮的蒸氣組分，然后其用作循環(huán)物流。另外，冷卻的蒸氣組分可用作燃料氣體。液體組分作為LNG可送去儲(chǔ)藏，或優(yōu)選通過管線37送入一個(gè)或多個(gè)另外的冷卻段進(jìn)行進(jìn)一步的處理。本發(fā)明預(yù)期由工藝的一個(gè)或多個(gè)冷卻段產(chǎn)生的任何工藝物流可利用壓縮機(jī)19、30和/或42進(jìn)行壓縮，循環(huán)回工藝中進(jìn)行進(jìn)一步的加工或用作燃料氣體。
總的來說，與不使用多個(gè)冷卻段或多個(gè)分離階段及至少相同數(shù)量膨脹步驟的閉環(huán)冷卻LNG工藝和開路冷卻LNG工藝相比，本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。與開路冷卻工藝相比本發(fā)明的LNG工藝可實(shí)現(xiàn)可比或優(yōu)異的能量效率，而比典型的開路冷卻LNG工藝可保持更高的LNG產(chǎn)量。另外，本發(fā)明可生產(chǎn)燃料氣體即刻用于設(shè)備中，例如用于LNG的生產(chǎn)、輸送及儲(chǔ)藏所需的壓縮機(jī)，而同時(shí)保持與典型開路冷卻LNG工藝可比的生產(chǎn)率。
本發(fā)明也提供顯著的資本費(fèi)用節(jié)省，例如消除了昂貴的閉環(huán)冷卻環(huán)路、處理LNG產(chǎn)品的高壓容器和輸送設(shè)備和生產(chǎn)高壓LNG工藝所需的處理設(shè)施和設(shè)備。
由于不使用爆炸性的外部制冷劑生產(chǎn)、儲(chǔ)藏或輸送LNG，本發(fā)明也涉及可提供操作人員和財(cái)產(chǎn)顯著安全的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明也提供一種簡單和緊湊生產(chǎn)LNG的設(shè)計(jì)選擇(方案)，在裝置空間成本昂貴或不能得到的地點(diǎn)有利于工藝的實(shí)施。
本發(fā)明也提供一種高質(zhì)量的由生產(chǎn)LNG得到的LNG產(chǎn)品，所述產(chǎn)品具有低濃度的惰性組分例如氮。
盡管本發(fā)明進(jìn)行了特別詳細(xì)的描述，如下的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，而且應(yīng)理解不限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例基本上根據(jù)本發(fā)明及附圖，使用四個(gè)冷卻段和分離步驟的生產(chǎn)LNG模擬工藝A與開路系統(tǒng)中使用單一冷卻段和單一分離步驟的生產(chǎn)LNG的模擬工藝B進(jìn)行比較。使用詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行比較，比較的結(jié)果列于表1中。
表1

參考表1，本發(fā)明的模擬工藝A令人驚奇地僅消耗58.4MW的功率以1.22×105kg/hr的速率生產(chǎn)LNG，而模擬工藝B，單一階段的開路系統(tǒng)，消耗64.1MW的功率以1.22×105kg/hr生產(chǎn)LNG，表明模擬工藝A比模擬工藝B具有操作成本上的優(yōu)勢。另外，模擬工藝A在壓力為504.7psia的情況下以2.05×104可獲得的速度生產(chǎn)燃料，而模擬工藝B不能生產(chǎn)燃料，而且必須引入外部燃料源并在水壓作用下輸送到操作設(shè)備中，例如壓縮機(jī)以生產(chǎn)LNG。另外，模擬工藝A具有比1.22×105kg/hr燃料生產(chǎn)率更高的生產(chǎn)率。
除了上述顯著的成本和功率優(yōu)勢之外，模擬工藝A還生產(chǎn)比模擬工藝B生產(chǎn)的LNG產(chǎn)品更加優(yōu)異的LNG產(chǎn)品。如表1所示，模擬工藝A生產(chǎn)的LNG僅含有0.7％的氮，而模擬工藝B生產(chǎn)的LNG含有5.3％的氮。消費(fèi)公眾對(duì)于LNG中這樣高的氮和惰性組分的組成是不希望的，因?yàn)榈荒鼙挥米魅剂显?。進(jìn)一步說，氮大幅增加了LNG的蒸氣壓需要另外的費(fèi)用將其儲(chǔ)藏并輸送到遠(yuǎn)處的市場。
模擬工藝A猶優(yōu)于模擬工藝B的性能歸因于本發(fā)明新穎的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括但不限制于使多個(gè)冷卻段之間的工藝進(jìn)料物流壓降程度進(jìn)行分段，并利用多個(gè)分離步驟并結(jié)合多個(gè)膨脹步驟在整個(gè)工藝中從多個(gè)點(diǎn)處產(chǎn)生的冷卻蒸氣組分中得到需要的工藝制冷。本發(fā)明高效的設(shè)計(jì)構(gòu)造也可生產(chǎn)即可用于設(shè)備使用的燃料氣體，例如壓縮機(jī)，其需要用于生產(chǎn)、輸送和儲(chǔ)藏LNG，而同時(shí)保持高的適合于銷售給消費(fèi)公眾的LNG生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)LNG的方法，包括(a)將含有天然氣的進(jìn)料物流導(dǎo)入冷卻段，所述的冷卻段包括如下步驟(i)在至少一個(gè)冷卻步驟中冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流，(ii)通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的蒸氣組分和液體組分，和(iii)從液體組分中分離至少一部分冷卻的蒸氣組分，和(b)重復(fù)步驟(a)一次或多次，直到第一冷卻段的至少顯著部分的進(jìn)料物流被加工為LNG，其中步驟(a)的進(jìn)料物流包括至少一部分來自先前冷卻段步驟(iii)的液體組分；其中至少一個(gè)冷卻段的步驟(i)的至少一部分冷卻來自于在至少一個(gè)冷卻段產(chǎn)生的至少一部分冷卻的蒸氣組分。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)中用于每一個(gè)連續(xù)冷卻段的進(jìn)料物流還包括來自先前冷卻段步驟(iii)的至少一部分冷卻的蒸氣組分。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)重復(fù)至少另外兩次。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)重復(fù)至少另外三次。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中至少一個(gè)冷卻段還包括壓縮冷卻蒸氣組分的步驟以生產(chǎn)壓縮的蒸氣組分。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中至少一個(gè)冷卻段還包括從至少一個(gè)冷卻段中將壓縮的蒸氣組分循環(huán)進(jìn)入進(jìn)料物流中的步驟。
7.一種生產(chǎn)LNG的方法，包括(a)將進(jìn)料物流導(dǎo)入冷卻段，所述的冷卻段包括如下步驟(i)在至少一個(gè)冷卻步驟中冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流，(ii)通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的蒸氣組分和液體組分，和(iii)從液體組分中分離至少一部分冷卻的蒸氣組分；和(b)重復(fù)步驟(a)一次或多次，其中進(jìn)料物流包括來自至少一個(gè)冷卻段步驟(iii)的液體組分；其中至少一個(gè)冷卻段步驟(i)的至少一部分冷卻來自于在至少一個(gè)冷卻段產(chǎn)生的至少一部分冷卻的蒸氣組分，和其中步驟(b)以psia測量的進(jìn)料物流的入口壓力為以psia測量的緊鄰先前冷卻段步驟(a)進(jìn)料物流入口壓力的至少1/3，條件是所述步驟(a)進(jìn)料物流的入口壓力為至少150psia。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中步驟(b)以psia測量的進(jìn)料物流的入口壓力為以psia測量的緊鄰先前冷卻段步驟(a)進(jìn)料物流入口壓力的至少1/3，條件是所述步驟(a)進(jìn)料物流的入口壓力為至少75psia。
9.如權(quán)利要求7的方法，其中步驟(b)以psia測量的進(jìn)料物流的入口壓力為以psia測量的緊鄰先前冷卻段步驟(a)進(jìn)料物流入口壓力的至少1/2，條件是所述步驟(a)進(jìn)料物流的入口壓力為至少150psia。
10.如權(quán)利要求7的方法，其中步驟(b)以psia測量的進(jìn)料物流的入口壓力為以psia測量的緊鄰先前冷卻段步驟(a)進(jìn)料物流入口壓力的至少1/2，條件是所述步驟(a)進(jìn)料物流的入口壓力為至少75psia。
11.如權(quán)利要求7的方法，其中第一冷卻段的進(jìn)料物流的壓力至少為約1000psia，步驟(a)重復(fù)至少另外兩次。
12.如權(quán)利要求8的方法，其中第一冷卻段的進(jìn)料物流的壓力至少為約1000psia，步驟(a)重復(fù)至少另外三次。
13.如權(quán)利要求9的方法，其中第一冷卻段的進(jìn)料物流的壓力至少為約1000psia，步驟(a)重復(fù)至少另外三次。
14.如權(quán)利要求7的方法，其中至少一個(gè)冷卻段還包括從至少一個(gè)先前的冷卻段中將壓縮蒸氣組分循環(huán)進(jìn)入進(jìn)料物流中的步驟。
15.一種生產(chǎn)LNG的方法，包括(a)將含有天然氣的進(jìn)料物流送入冷卻段，所述的冷卻段包括如下步驟(i)在至少一個(gè)冷卻步驟中冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流，(ii)通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的蒸氣組分和液體組分，和(iii)在至少一個(gè)分離步驟中從液體組分中分離至少一部分冷卻的蒸氣組分；(b)重復(fù)步驟(a)一次或多次，其中步驟(a)進(jìn)料物流包括來自先前冷卻段步驟(iii)的至少一部分液體組分；其中至少一個(gè)冷卻段的步驟(i)的至少一部分冷卻來自于在至少一個(gè)冷卻段產(chǎn)生的至少一部分冷卻的蒸氣組分，和其中至少一個(gè)冷卻段使用多個(gè)膨脹步驟，所述的膨脹步驟與至少相同數(shù)量的分離步驟一體化操作。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中步驟(a)重復(fù)至少兩次。
17.如權(quán)利要求15的方法，其中步驟(a)重復(fù)至少三次。
18.如權(quán)利要求15的方法，其中至少一個(gè)冷卻段還包括壓縮冷卻蒸氣組分的步驟以生產(chǎn)壓縮的蒸氣組分。
19.如權(quán)利要求15的方法，其中至少一個(gè)冷卻段還包括從至少一個(gè)冷卻段中將壓縮蒸氣組分循環(huán)進(jìn)入進(jìn)料物流中的步驟。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中壓縮的蒸氣組分被循環(huán)回第一冷卻段的進(jìn)料物流中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)LNG的方法，包括將含有天然氣的進(jìn)料物流(11)導(dǎo)入冷卻段，所述的冷卻段(a)在至少一個(gè)冷卻步驟(12)中冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的進(jìn)料物流(13)，(b)通過減少冷卻進(jìn)料物流的壓力在至少一個(gè)膨脹步驟中膨脹冷卻進(jìn)料物流生產(chǎn)冷卻的蒸氣組分和液體組分，和(c)從液體組分(17)中分離(16)至少一部分冷卻的蒸氣組分(18、21)，其中至少一部分工藝的冷卻來自于至少一部分冷卻的蒸氣組分(18)，重復(fù)步驟(a)～(c)一次或多次，直到第一冷卻段的至少顯著部分的進(jìn)料物流被加工為LNG(37)，其中步驟(a)的進(jìn)料物流包括至少一部分來自先前冷卻段產(chǎn)生的液體組分。
文檔編號(hào)F25J1/00GK1615421SQ02827201
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者埃內(nèi)斯托·費(fèi)希爾·卡爾代羅內(nèi) 申請(qǐng)人:Bp北美公司