半闭环法.pdf

用于制造液化天然气(LNG)的半闭环系统，其结合了闭环系统的某些优点和开环系统的某些优点以提供更为高效和有效的混合系统。在该半闭环系统中，最终甲烷制冷循环与膨胀型冷却相反，通过间接热传递提供显著的天然气流冷却。小部分来自甲烷制冷循环的LNG产品用作甲烷制冷循环中的补充制冷剂。使用来自甲烷制冷循环的加压制冷剂部分作为燃料气。来自甲烷制冷循环的过量制冷剂可以与加工过的天然气流重新结合，而非燃烧。

1.  将天然气液化的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将天然气冷却至少40，由此提供液化天然气；
(b)将至少一部分液化天然气闪蒸，以提供以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分；和
(c)将至少一部分以蒸气为主的馏分与步骤(a)中用于冷却天然气的以甲烷为主的制冷剂合并。

2.  根据权利要求1的方法，且
(d)在步骤(a)中进行的冷却的上游，将至少一部分以甲烷为主的制冷剂与天然气流合并。

3.  根据权利要求1的方法，
所述以甲烷为主的制冷剂包含少于10摩尔％的氮。

4.  根据权利要求1的方法，
步骤(a)包括通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将天然气冷却至少100。

5.  根据权利要求1的方法，
所述天然气在步骤(a)的冷却过程中经历小于344kPa(50psi)的压力变化。

6.  根据权利要求1的方法，
步骤(a)的所述冷却在一系列至少两个分离的甲烷热交换器中进行。

7.  根据权利要求1的方法，且
(e)在步骤(b)之前和在步骤(c)之后，在分离器中分离以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分；和
(f)将出自分离器的以液体为主的馏分引入液化天然气储槽中。

8.  根据权利要求1的方法，且
(g)在甲烷压缩机中将合并的以甲烷为主的制冷剂和以蒸气为主的馏分压缩，由此提供压缩的制冷剂流。

9.  根据权利要求8的方法，且
(h)使用所述压缩的制冷剂流的第一部分作为以甲烷为主的制冷剂。

10.  根据权利要求9的方法，且
(i)使用所述压缩的制冷剂流的第二部分作为燃料气。

11.  根据权利要求1的方法，且
(j)通过与主要包含丙烷、丙烯或二氧化碳的第一制冷剂间接热交换将至少一部分天然气冷却。

12.  根据权利要求11的方法，且
(k)通过与所述第一制冷剂间接热交换将至少一部分以甲烷为主的制冷剂冷却。

13.  根据权利要求11的方法，且
(l)通过与主要包含乙烷、乙烯或二氧化碳的第二制冷剂间接热交换将至少一部分天然气冷却。

14.  根据权利要求13的方法，且
(m)通过与所述第二制冷剂间接热交换将至少一部分以甲烷为主的冷却剂冷却，由此提供冷却的以甲烷为主的制冷剂。

15.  根据权利要求14的方法，且
(n)将所述冷却的以甲烷为主的制冷剂的第一部分与天然气合并。

16.  根据权利要求15的方法，且
(o)在步骤(a)之前，在重质物去除塔中从天然气中去除重质烃组分，由此提供除去的重质物流和重质物降低的天然气流，
步骤(n)包括将所述冷却的以甲烷为主的制冷剂的第一部分与重质物降低的天然气流合并。

17.  根据权利要求15的方法，且
(p)通过与所述第二制冷剂间接热交换将所述冷却的以甲烷为主的制冷剂的第二部分冷却，由此提供进一步冷却的以甲烷为主的制冷剂。

18.  根据权利要求17的方法，
步骤(a)包括使用至少一部分所述进一步冷却的以甲烷为主的制冷剂作为通过间接热交换将天然气冷却的以甲烷为主的制冷剂。

19.  根据权利要求1的方法，且
(q)在步骤(a)之前，通过与包含小于50摩尔％甲烷的第一制冷剂间接热交换将天然气冷却。

20.  根据权利要求19的方法，
所述第一制冷剂主要包含丙烷、丙烯、乙烷、乙烯或二氧化碳。

21.  根据权利要求20的方法，且
(r)在步骤(a)之前和在步骤(q)之后，在第一塔中将天然气分成第一轻质物流和第一重质物流。

22.  根据权利要求21的方法，且
(s)在第二塔中将所述第一轻质物流分成第二轻质物流和第二重质物流。

23.  根据权利要求22的方法，且
(t)通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将所述第二轻质物流冷却。

24.  根据权利要求23的方法，且
(u)将出自第二塔的第二轻质物流在不压缩该第二轻质物流的情况下引入步骤(t)的冷却中。

25.  根据权利要求1的方法，
步骤(a)-(c)在级联型液化天然气装置中进行，该装置具有至少三个相继的冷却循环，它们各自使用不同的制冷剂。

26.  根据权利要求1的方法，且
(v)将步骤(a)-(c)中制成的液化天然气气化。

27.  计算机模拟法，包括使用计算机模拟权利要求1的方法的步骤。

28.  通过权利要求1的方法制成的液化天然气。

29.  将天然气液化的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)用使用包含少于50摩尔％甲烷的第一制冷剂的第一制冷循环将天然气冷却；
(b)在第一制冷循环下游，在第一塔中将天然气分成第一轻质物流和第一重质物流；
(c)在第二塔中将所述第一轻质物流分成第二轻质物流和第二重质物流；和
(d)在甲烷热交换器中通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将所述第二轻质物流冷却，
步骤(d)在不首先将所述第二轻质物流与以甲烷为主的制冷剂合并的情况下进行。

30.  根据权利要求29的方法，且
(e)将出自第二塔的第二轻质物流在不压缩该第二轻质物流的情况下引入第一甲烷热交换器中。

31.  根据权利要求29的方法，且
(f)与步骤(d)同时地，在第一甲烷热交换器中通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将所述第一轻质物流冷却。

32.  根据权利要求29的方法，且
(g)用包含多个独立的热交换器的甲烷制冷循环通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将所述第一和第二轻质物流冷却，
所述甲烷制冷循环包括甲烷热交换器。

33.  根据权利要求32的方法，
步骤(g)包括将所述第一和第二轻质物流的温度降低至少40。

34.  根据权利要求32的方法，
步骤(g)包括将所述第一和第二轻质物流的温度降低至少100。

35.  根据权利要求32的方法，
步骤(g)包括将所述第一和第二轻质物流液化。

36.  根据权利要求32的方法，
在紧邻甲烷制冷循环的上游，至少大约25摩尔％的所述第一和第二轻质物流在蒸气相中。

37.  根据权利要求32的方法，且
(h)在甲烷制冷循环中冷却之后，将第一和第二轻质物流合并。

38.  根据权利要求32的方法，且
(i)在甲烷制冷循环的下游，将所述第一和第二轻质物流闪蒸以形成以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分。

39.  根据权利要求38的方法，且
(j)将至少一部分以蒸气为主的馏分与甲烷制冷循环的以甲烷为主的制冷剂合并。

40.  根据权利要求38的方法，且
(k)将至少一部分以液体为主的馏分引入液化天然气储槽中。

41.  根据权利要求32的方法，且
(l)在甲烷制冷循环中将所述第一轻质物流冷却之前，将一部分以甲烷为主的制冷剂与所述第一轻质物流合并。

42.  根据权利要求29的方法，
所述第一制冷剂主要包含丙烷、丙烯、乙烷、乙烯或二氧化碳。

43.  根据权利要求29的方法，
所述第一制冷剂主要包含丙烷。

44.  根据权利要求29的方法，
步骤(a)-(d)在级联型液化天然气装置中进行，该装置具有至少三个相继的冷却循环，它们各自使用不同的制冷剂。

45.  根据权利要求29的方法，且
(m)将步骤(a)-(d)中制成的液化天然气气化。

46.  计算机模拟法，包括使用计算机模拟权利要求29的方法的步骤。

47.  通过权利要求29的方法制成的液化天然气产品。

48.  将天然气液化的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)用第一制冷循环通过与主要包含丙烷、丙烯或二氧化碳的第一制冷剂间接热交换将天然气流冷却；
(b)在第一制冷循环下游，用第二制冷循环通过与主要包含乙烷、乙烯或二氧化碳的第二制冷剂间接热交换将天然气流冷却；
(c)在第二制冷循环下游，用甲烷制冷循环通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将天然气流冷却至少40；和
(d)在第二制冷循环中，通过与所述第二制冷剂间接热交换将至少一部分以甲烷为主的制冷剂冷却。

49.  根据权利要求48的方法，且
(e)在第一制冷循环中，通过与所述第一制冷剂热交换将以甲烷为主的制冷剂冷却。

50.  根据权利要求48的方法，且
(f)在第三制冷循环的下游将天然气流闪蒸，以提供以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分；和
(g)将所述以蒸气为主的馏分与甲烷制冷循环中的以甲烷为主的冷却剂合并。

51.  根据权利要求48的方法，且
(h)在甲烷压缩机中压缩以甲烷为主的制冷剂，由此提供压缩的以甲烷为主的制冷剂；
(i)使用所述压缩的以甲烷为主的制冷剂的第一部分作为甲烷制冷循环中的制冷剂；和
(j)使用所述压缩的以甲烷为主的制冷剂的第二部分作为燃料气。

52.  根据权利要求48的方法，
步骤(b)的所述冷却通过一系列至少两个甲烷热交换器进行，
各个所述甲烷热交换器有利于在天然气和以甲烷为主的制冷剂之间的间接热交换。

53.  根据权利要求52的方法，
所述甲烷热交换器彼此分离。

54.  根据权利要求52的方法，
所述甲烷热交换器系列包括至少三个分离的热交换器。

55.  根据权利要求48的方法，
步骤(c)包括将天然气流冷却至少60。

56.  根据权利要求48的方法，且
(k)将通过步骤(a)-(d)制成的液化天然气气化。

57.  计算机模拟法，包括使用计算机模拟权利要求48的方法的步骤。

58.  通过权利要求48的方法制成的液化天然气产品。

59.  将天然气液化的装置，所述装置包括：
第一制冷循环，其使用第一制冷剂以通过与其间接热交换而将天然气冷却；
甲烷制冷循环，其位于第一制冷循环下游，并使用以甲烷为主的制冷剂以通过与其间接热交换而将天然气冷却至少40，由此制造液化天然气；和
膨胀设备，其可用于将液化天然气闪蒸并由此制造以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分，
所述甲烷制冷循环包括补充制冷剂入口，用于接收至少一部分由膨胀设备制成的以蒸气为主的馏分，并将所述至少一部分以蒸气为主的馏分与以甲烷为主的制冷剂合并。

60.  根据权利要求59的装置，
所述甲烷制冷循环包括第一、第二和第三甲烷热交换器，用于通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换而将天然气冷却。

61.  根据权利要求60的装置，
所述甲烷热交换器是釜中含芯型热交换器。

62.  根据权利要求61的装置，
所述釜中含芯型热交换器各自包括铜焊铝芯。

63.  根据权利要求59的装置，
所述第一制冷剂主要包含丙烷、丙烯、乙烷、乙烯或二氧化碳。

64.  根据权利要求63的装置，
所述第一制冷循环包含第一冷却器，其包括第一热交换器通道以通过与第一制冷剂间接热交换而将以甲烷为主的制冷剂冷却。

65.  根据权利要求64的装置，
所述第一冷却器包括第二热交换器通道，用于通过与第一制冷剂间接热交换而将天然气冷却。

66.  根据权利要求64的装置，还包括：
第二制冷循环，其位于第一制冷循环下游、甲烷制冷循环上游，并使用第二制冷剂以通过与其间接热交换而将天然气冷却，
所述第一制冷剂主要包含丙烷、丙烯或二氧化碳，
所述第二制冷剂主要包含乙烷、乙烯或二氧化碳。

67.  根据权利要求66的装置，
所述第二制冷循环包含第二冷却器，其包括第三热交换器通道，用于通过与第二制冷剂间接热交换而将以甲烷为主的制冷剂冷却。

68.  根据权利要求67的装置，
所述第二冷却器包括第四热交换器通道，用于通过与第二制冷剂间接热交换而将天然气冷却。

半闭环法
本发明涉及将天然气液化的方法和装置。另一方面，本发明涉及改进的使用半闭环甲烷制冷循环的液化天然气(LNG)装置。
天然气的低温液化通常用于将天然气转化成更便于运输和储存的形式。这种液化将天然气的体积降低为大约600分之一，并产生可以在大气压附近储存和运输的产品。
天然气通常通过管道从供给源输送到远地市场。需要使管道在基本恒定的高负荷系数下运行，但管道的供应能力或容量常常超过需求，而有时需求可能超过管道的供应能力。为了平衡(shave off)需求超过供应时的高峰或供应超过需求时的低谷，需要以在需求超过供应时能够输送的方式储存过量气体。这种实践可以用储存的材料满足进一步的需求高峰。实现这一点的一种实践方式是将气体转化成用于储存的液化态，然后根据需要将液体气化。
当从远离目标市场的供给源运输气体且管道不可用或不切实际时，天然气的液化重要得多。当必须用远洋船进行运输时，尤为如此。以气态进行船运通常不实际，因为需要显著加压以明显降低气体的比容。这种加压要求使用更昂贵的储存容器。
为了以液态储存和运输天然气，优选将天然气冷却至-151℃至-162℃(-240至-260)，此时液化天然气(LNG)具有近大气压的蒸气压。在用于天然气液化的现有技术中存在许多系统，其中如下将气体液化：使气体于升高的压力下先后通过多个冷却阶段，由此将气体冷却以相继降低温度直至达到液化温度。通常通过与一种或多种制冷剂(例如丙烷、丙烯、乙烷、乙烯、甲烷、氮、二氧化碳、或前述制冷剂的组合，例如混合制冷剂系统)的间接热交换实现冷却。
过去，许多传统的LNG装置使用甲烷制冷循环(即，使用以甲烷为主的制冷剂的制冷循环)作为将天然气液化的最终制冷循环。有些传统LNG装置使用开环甲烷制冷循环，而有些使用闭环甲烷制冷循环。在闭环甲烷制冷循环中，以甲烷为主的制冷剂不源自被液化的天然气流或不与被液化的天然气流合并。在开环甲烷制冷循环中，以甲烷为主的制冷剂源自进行液化的天然气，且至少一部分以甲烷为主的制冷剂与进行液化的天然气流重新结合。
传统的开环和闭环甲烷制冷循环各有自己独特的优点和缺点。传统闭环系统的一个缺点在于需要燃料气压缩机将用于为驱动器(例如燃气轮机，其驱动主制冷剂压缩机)提供动力的燃料气压缩。闭环系统的另一缺点在于多数闭环系统产生过量燃料，其被简单地从该系统中燃除。闭环系统的这些与燃料气有关的问题不是开环系统所共有的。然而，开环系统具有它们自己独有的缺点。例如，多数开环系统要求将进入开环制冷循环的天然气流充分冷凝。此外，在使用用于加工从主重质物(heavies)去除塔的底部排出的重质物流的脱甲烷塔的开环LNG装置中，来自脱甲烷塔的塔顶物流必须与以甲烷为主的制冷剂合并，和/或由于脱丁烷塔的塔顶物流与重质物去除塔的塔顶物流之间的压差而被压缩。
因此，需要一种使用混合甲烷制冷循环的LNG装置，其消除闭环和开环系统的缺点，同时仍然提供闭环和开环系统的各种益处。
因此，需要提供无需单独的燃料气压缩机的使用甲烷制冷循环的天然气液化系统。
还需要提供下述使用甲烷制冷循环的天然气液化系统——在该方法中利用过量甲烷制冷剂而非简单地燃烧过量制冷剂。
还需要提供下述使用甲烷制冷循环的天然气液化系统——其不要求天然气进料流在甲烷制冷循环上游充分冷凝。
还需要提供下述使用甲烷制冷循环的天然气液化系统——其能够使脱甲烷塔的塔顶物流在不压缩和/或与甲烷制冷剂合并的情况下液化。
应该理解的是，上述需求是示例性的，且不需要全部由本文公开的本发明实现。根据本说明书和附图，本发明的其它目的和优点变得显而易见。
因此，本发明一方面涉及包括下列步骤的将天然气液化的方法：(a)通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将天然气冷却至少40，由此提供液化天然气；(b)将至少一部分液化天然气闪蒸，以提供以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分；和(c)将至少一部分以蒸气为主的馏分与步骤(a)中用于冷却天然气的以甲烷为主的制冷剂合并。
本发明的另一方面涉及包括下列步骤的将天然气液化的方法：(a)用使用包含少于50摩尔％甲烷的第一制冷剂的第一制冷循环将天然气冷却；(b)在第一制冷循环下游，将天然气在第一塔中分成第一轻质物流和第一重质物流；(c)在第二塔中将所述第一轻质物流分成第二轻质物流和第二重质物流；和(d)在甲烷热交换器中通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将所述第二轻质物流冷却，步骤(d)在不首先将所述第二轻质物流与以甲烷为主的制冷剂合并的情况下进行。
本发明的进一步方面涉及包括下列步骤的将天然气液化的方法：(a)用第一制冷循环通过与主要包含丙烷、丙烯或二氧化碳的第一制冷剂间接热交换将天然气流冷却；(b)在第一制冷循环下游，用第二制冷循环通过与主要包含乙烷、乙烯或二氧化碳的第二制冷剂间接热交换将天然气流冷却；(c)在第二制冷循环下游，用甲烷制冷循环通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将天然气流冷却至少40；和(d)在第二制冷循环中，通过与所述第二制冷剂间接热交换将至少一部分以甲烷为主的制冷剂冷却。
本发明的再一方面涉及将天然气液化的装置，包括：(a)第一制冷循环，其使用第一制冷剂以通过与其间接热交换而将天然气冷却；(b)甲烷制冷循环，其位于第一制冷循环下游，并使用以甲烷为主的制冷剂以通过与其间接热交换来将天然气冷却至少40，由此制造液化天然气；(c)膨胀设备，其可用于将液化天然气闪蒸并由此制造以蒸气为主的馏分和以液体为主的馏分。甲烷制冷循环包括补充制冷剂入口，用于接收至少一部分由膨胀设备制成的以蒸气为主的馏分，并将该以蒸气为主的馏分与以甲烷为主的制冷剂合并。
下面参照附图详细描述本发明的优选实施方案，其中：
图1是使用半闭环甲烷制冷循环的用于制造LNG的级联制冷法的简化流程图；
图2的流程图提供了关于控制在被液化的天然气流中加入的以甲烷为主的制冷剂的量所用的系统的更多细节。
当用于描述流体流中特定组分的存在时，本文所用的术语“以...为主”、“主要”、“大体”、和“主要部分”是指流体流包含至少50摩尔％的所述组分。例如“以甲烷为主”的物流，“主要为甲烷”的物流，“大体”由甲烷构成的流，或“主要部分”由甲烷构成的物流，分别是指包含至少50摩尔％甲烷的物流。本文所用的术语“上游”和“下游”用于描述天然气液化装置的各个组分或工艺沿着天然气流过该装置的主要流径的相对位置。
级联制冷法使用一种或多种制冷剂，将来自天然气流的热能转移到制冷剂中，并最终将所述热能转移到环境中。大体上，整个制冷系统发挥热泵的作用，通过在将该流体逐渐冷却至越来越低的温度时从天然气流中去除热能。级联制冷法的设计涉及热力学效率和资金成本的平衡。在热传递法中，随着加热和冷却流之间的温度梯度变小，热力学不可逆性降低，但获得这种小的温度梯度通常要求显著提高热传递面积的量、对各种工艺设备的显著变动、和适当选择通过这种设备的流速，以确保流速和入口和出口温度均与所需加热/冷却负荷相符。
在典型的LNG装置中，多种预处理步骤提供了从输送到装置中的天然气进料流中去除某些不合意组分(例如酸性气、硫醇、汞和湿气)的方式。这种气流的组成可以明显不同。本文所用的天然气流是大体由主要源自天然气进料流的甲烷构成的任何流体，这种进料流例如包含至少85摩尔％甲烷，剩余部分是乙烷、高级烃、氮、二氧化碳和次要量的其它污染物，例如汞、硫化氢和硫醇。预处理步骤可以是位于冷却循环上游或位于初次循环中冷却的初期阶段之一下游的单独步骤。下面是本领域技术人员容易获知的一些可用方法的非穷尽性名单。通常通过使用含胺的水溶液的化学反应法去除酸性气和量较少的硫醇。这种处理步骤通常在初次循环的冷却阶段上游进行。通常在初次冷却循环的上游以及初次冷却循环的第一冷却阶段的下游通过气体压缩和冷却之后的两相气-液分离来以液体形式去除大部分水。通常通过汞吸附剂床去除汞。通常使用适当选择的吸附剂床(例如可再生分子筛)去除残余量的水和酸性气。
经预处理的天然气进料流通常在升高的压力下、或压缩至通常高于3.44MPa(500psia)、优选大约3.44MPa至大约20.67MPa(大约500psia至大约3000psia)、更优选大约3.44MPa至大约6.89MPa(大约500psia至大约1000psia)、再优选大约4.13MPa至大约5.51MPa(大约600psia至大约800psia)的高压输送到液化过程中。进料流温度通常接近环境温度至略高于环境温度。典型的温度范围为15.5℃至65.5℃(60至150)。
如上所述，在多个多级循环或步骤(优选三个)中通过与多种不同的制冷剂(优选三种)间接热交换来将天然气进料流冷却。给定循环的总冷却效率随着阶段数的提高而提高，但这种效率提高伴随着净资本成本和工艺复杂性的相应提高。在与相对较高沸点的制冷剂间接热交换的第一封闭制冷循环中，进料气体优选经过有效数量的制冷阶段，标称2个，优选2至4个，更优选3个阶段。这种相对较高沸点制冷剂优选主要包含丙烷、丙烯、或其混合物，更优选地，该制冷剂包含至少大约75摩尔％丙烷，更优选至少90摩尔％丙烷，最优选地，该制冷剂基本由丙烷构成。此后，在与具有较低沸点的制冷剂间接热交换的第二封闭制冷循环中，加工过的进料气体流经有效数量的阶段，标称2个，优选2至4个，更优选2个或3个阶段。这种较低沸点制冷剂优选主要由乙烷、乙烯或其混合物构成，更优选地，该制冷剂包含至少大约75摩尔％乙烯，更优选至少90摩尔％乙烯，最优选地，该制冷剂基本由乙烯构成。此后，在与以甲烷为主的制冷剂间接热交换的第三/甲烷制冷循环中，加工过的进料气体流经有效数量的阶段，标称2个，优选2至5个，更优选3个或4个阶段。这种以甲烷为主的制冷剂优选包含至少大约75摩尔％甲烷，更优选至少大约90摩尔％甲烷，最优选地，以甲烷为主的制冷剂基本由甲烷构成。在特别优选的实施方案中，以甲烷为主的制冷剂包含少于10摩尔％氮，最优选少于5摩尔％氮。
通常，天然气进料流包含一定量的C₂+组分，以在一个或多个冷却阶段中形成富含C₂+的液体。这种液体通过气-液分离装置(优选一个或多个传统的气-液分离器)去除。通常，控制每个阶段中的天然气相继冷却，以从气体中去除尽可能多的C₂和更高分子量的烃，产生以甲烷为主的气流和包含大量乙烷和更重组分的液流。在冷却区下游的关键位置设置有效数量的气-液分离装置。气/液分离装置(优选传统气/液分离器)的精确位置和数量取决于许多操作参数，例如天然气进料流的C₂+组成、LNG产品的所需BTU含量、用于其它用途的C₂+组分值、和LNG装置和气体装置操作领域技术人员通常考虑的其它因素。C₂+烃流可以通过单级闪蒸或分馏塔脱甲烷。在后一种情况下，可以将所得富含甲烷的流体在压力下直接送回液化过程。在前一种情况下，这种富含甲烷的流体可以重新加压并再循环，或可以用作燃料气。C₂+烃流或脱甲烷C₂+烃流可以用作燃料或可以进一步加工，例如在一个或多个分馏区中分馏以产生单独的富含特定化学成分(例如C₂、C₃、C₄和C₅+)的流体。
本文所述的液化过程可以使用数种冷却之一，它们包括但不限于(a)间接热交换，(b)气化，和(c)膨胀或减压。本文所用的间接热交换是指下述过程——其中制冷剂在制冷剂与待冷却的物质之间没有实际物理接触的情况下使待冷却的物质冷却。间接热交换装置的具体例子包括在管壳式热交换器、釜中含芯型热交换器和铜焊铝板翅式热交换器中进行的热交换。制冷剂与待冷却物质的物理状态取决于系统需求和所选热交换器的类型。例如，当制冷剂为液态且待冷却的物质为液态或气态时，或当这些物质之一进行相变且工艺条件不利于使用釜中含芯型热交换器时，通常使用管壳式热交换器。作为例子，铝和铝合金是用于芯的优选构造材料，但这些材料可能不适合在指定工艺条件下使用。当制冷剂为气态且待冷却的物质为液态或气态时，通常使用板翅式热交换器。最后，当待冷却的物质为液态或气态且制冷剂在热交换过程中发生从液态到气态的相变时，通常使用釜中含芯型热交换器。
气化冷却是指通过用保持恒定压力的系统将一部分物质蒸发或气化来将物质冷却。例如，在气化过程中，蒸发的这部分物质从保持液态的物质部分中吸收热量，并因此将所述液体部分冷却。最后，膨胀或减压冷却是指在通过减压装置使气态、液态或两相系统减压时产生的冷却。在一个实施方案中，这种膨胀装置是Joule-Thomson膨胀阀。在另一实施方案中，膨胀装置是水力或气体膨胀机。由于膨胀机从膨胀过程中回收工作能，因此，在膨胀中较低的工艺流温度是可行的。
图1所示的流程示意图和装置代表使用半闭环甲烷制冷循环的本发明的LNG装置的优选实施方案。图2代表控制送回被液化的加工过的天然气流中的甲烷制冷剂的量所用的系统的优选实施方案。本领域技术人员会认识到，图1和2仅是示意性的，因此为清楚起见，省略了商业装置中对于成功操作所需的许多设备项目。这些项目可能包括，例如，压缩机控制、流量和水平面测量和相应控制器、温度和压力控制、泵、发动机、滤器、附加的热交换器、和阀，等等。根据标准工程实践提供这些项目。
为了利于理解图1和2，使用下列编号命名法。项目号1至99是与液化法直接相关的工艺容器和设备。编号为100至199的项目对应于主要包含甲烷流的流送管或导管。编号为200至299的项目对应于主要包含乙烯流的流送管或导管。编号为300至399的项目对应于主要包含丙烷流的流送管或导管。图2中编号为400至499的项目是控制送回被液化的加工过的天然气流中的甲烷制冷剂的量所用的系统的容器、设备、管路或导管。
参照图1，在第一制冷循环中，在由燃气轮机驱动器(未显示)驱动的多级(优选三级)压缩机18中压缩气态丙烷。三级压缩优选存在于单个装置中，但每级压缩可以是分离的装置，且这些装置机械相连以由单个驱动器驱动。在压缩后，使压缩丙烷通过导管300送入冷却器20，在此其被冷却和液化。液化丙烷制冷剂在闪蒸之前的典型压力和温度为大约37.7℃(大约100)至大约1.30MPa(大约190psia)。使来自冷却器20的流体通过导管302送入如膨胀阀12所示的减压装置，在此降低液化丙烷的压力，由此蒸发或闪蒸其一部分。然后使所得两相产品通过导管304流入高阶段丙烷冷却器2，在此将通过导管152加入的气态甲烷制冷剂、通过导管100加入的天然气进料、和通过导管202加入的气态乙烯制冷剂分别通过间接热交换装置4、6和8冷却，由此产生分别通过导管154、102和204排出的冷却气流。将导管154中的以甲烷为主的制冷剂加入主甲烷节约器74中，这在后面的段落中将更详细地论述。
将来自冷却器2的丙烷气体通过导管306送回压缩机18。将该气体加入压缩机18的高阶段入口。将剩余液体丙烷通过导管308输送，通过如膨胀阀14所示的减压装置进一步降低压力，此后将再一部分的液化丙烷闪蒸。然后将所得两相流体通过导管310加入中间阶段丙烷冷却器22，由此为冷却器22提供冷却剂。来自冷却器2的冷却进料气流通过导管102流到分离设备10中，在此分离气相和液相。液相可富含C₃+组分，通过导管103将其去除。通过导管104去除气相，然后分成两个分离的流体，将它们通过导管106和108输送。将导管106中的流体加入丙烷冷却器22中。导管108中的流体变成解吸气加入如下更详细论述的重质物去除塔60中。将来自冷却器2的乙烯制冷剂通过导管204加入冷却器22。
在中间阶段丙烷冷却器22中，将进料气流(在本文中也称作加工过的天然气流)和乙烯制冷剂流分别通过间接传热装置24和26冷却，由此通过导管110和206产生冷却的进料气体和乙烯制冷剂流。分离由此蒸发的丙烷制冷剂部分，并通过导管311送入压缩机18的中间阶段入口。将来自冷却器22的液体丙烷制冷剂通过导管314去除，穿过如膨胀阀16所示的减压装置而闪蒸，然后通过导管316加入低阶段丙烷冷却器/冷凝器28。
如图1所示，进料气流通过导管110从中间阶段丙烷冷却器22流入低阶段丙烷冷却器28中。在冷却器28中，通过间接热交换装置30冷却该流体。类似地，乙烯制冷剂流通过导管206从中间阶段丙烷冷却器22流入低阶段丙烷冷却器28中。在后者中，可以通过间接热交换装置32将乙烯制冷剂完全冷凝或几乎完全冷凝，但不需要完全冷凝。从低阶段丙烷冷却器28中去除气化的丙烷制冷剂，并通过导管320送回到压缩机18的低阶段入口中。
如图1所示，将离开低阶段丙烷冷却器28的进料气流通过导管112加入高阶段乙烯冷却器42中。乙烯制冷剂通过导管208离开低阶段丙烷冷却器28，并优选加入分离容器37中，在此将轻质组分通过导管209去除，并将冷凝的乙烯通过导管210去除。在该过程此位置的乙烯制冷剂通常为大约-31.1℃(大约-24)的温度和大约285psia的压力。乙烯制冷剂然后流到乙烯节约器34中，在此将其通过间接热交换装置38冷却，通过导管211去除，并通入如膨胀阀40所示的减压装置中，此后将制冷剂闪蒸至预选温度和压力，并通过导管212加入高阶段乙烯冷却器42中。蒸气通过导管214从冷却器42中去除并输送到乙烯节约器34中，在此蒸气通过间接热交换装置46充当冷却剂。然后通过导管216从乙烯节约器34中去除乙烯蒸气，并加入乙烯压缩机48的高阶段入口。将高阶段乙烯冷却器42中未气化的乙烯制冷剂通过导管218去除，并送回乙烯节约器34以通过间接热交换装置50进一步冷却，通过导管220从乙烯节约器中去除，并在如膨胀阀52所示的减压装置中闪蒸，此后将所得两相产品通过导管222加入低阶段乙烯冷却器54中。
在间接热交换装置45中冷却之后，将富含甲烷的流体通过导管116从高阶段乙烯冷却器42中去除。然后使该流体通过低阶段乙烯冷却器54中的间接热交换装置47提供的冷却部分冷凝，由此产生两相流，其经由导管115流到重质物去除塔60中。如上所述，将管道104中的进料气流分离以通过导管106和108流送。导管108的内容物(在本文中被称作解吸气流)流到重质物去除塔60的下端入口。在重质物去除塔60中，使通过导管115加入的两相流与通过导管108逆流加入的冷却解吸气流接触，由此通过导管118产生重质物贫化的塔顶蒸气流和通过导管117产生富含重质物的液流。富含重质物的液流含有显著浓度的C₄+烃，例如苯、环己烷、其它芳族化合物和/或更重质烃组分。如下所述，将导管118中的重质物去除塔塔顶物流(轻质物)与来自导管107的一部分甲烷制冷剂合并，并通过导管119将合并的物流传送到主甲烷节约器74中以在间接传热装置77中冷却。然后将通过导管117从重质物去除塔60的底部排出的富含重质物的流体分成液体和蒸气部分，或优选在脱甲烷塔61中闪蒸或分馏。在任一情况下，通过导管121产生富含重质物的液流(塔底物)并通过导管120产生第二富含甲烷的蒸气(塔顶馏出物)。
如上所述，将导管154中以甲烷为主的制冷剂加入主甲烷节约器74中，在此该流体通过间接热交换装置97冷却。通过导管156从主甲烷节约器74中提取第一部分来自热交换装置97的所得冷却的压缩甲烷制冷剂流体，同时将第二部分离开热交换装置97的甲烷制冷剂流体加入间接热交换装置98以进一步冷却。将导管156中的甲烷制冷剂加入高阶段乙烯冷却器42中，在此用间接热交换装置44中的乙烯制冷剂将甲烷制冷剂冷却。所得冷却的甲烷制冷剂通过导管157离开高阶段乙烯冷却器42。
通过导管158从主甲烷节约器74中提取来自热交换装置98的冷却甲烷制冷剂流体，然后与导管157中的冷却甲烷制冷剂在三通管49中合并。将合并的甲烷制冷剂流通过导管104从三通管49输送到三通管51中。三通管51是控制系统(如下参照图2详细描述)的一部分，其通过导管107将一部分甲烷制冷剂流导出甲烷制冷循环，并将该部分甲烷制冷剂流与导管118中的重质物去除塔塔顶物流合并。甲烷冷却剂的剩余部分(即未合并部分)通过导管105流到低阶段乙烯冷却器68中。在低阶段乙烯冷却器68中，将以甲烷为主的制冷剂流通过间接热交换装置70用来自中间阶段乙烯冷却器54的液体流出物(其通过导管226输送到低阶段乙烯冷却器68中)冷却。将来自低阶段乙烯冷却器68的冷却的甲烷制冷剂产品通过导管122输送到主甲烷节约器74中。将来自低阶段乙烯冷却器54(通过导管224提取)和来自低阶段乙烯冷却器68(通过导管228提取)的乙烯蒸气合并，并通过导管230输送到乙烯节约器34中，在此这些蒸气通过间接热交换装置58充当冷却剂。然后将该流体通过导管232从乙烯节约器34输送到乙烯压缩机48的低阶段入口。
如图1中所示，将通过乙烯压缩机48的低阶段侧加入的蒸气的压缩机流出物通过导管234去除，通过级间冷却器71冷却，并通过导管236送回压缩机48中以与导管216中存在的高阶段流一起注入。优选地，该两个阶段是单个组件，但它们可以各自是分离的组件且这些组件机械连接到共用驱动器上。来自压缩机48的压缩乙烯产品通过导管200输送到下游冷却器72中。来自冷却器72的产品通过导管202流送并如上所述加入高阶段丙烷冷却器2中。
图2显示了控制与导管118中的重质物去除塔塔顶物流(轻质物)合并的甲烷制冷剂的量所用的系统。该系统包括位于导管122中的甲烷制冷剂蓄积容器400。液面指示器402可操作地与蓄积容器400连接。液面指示器402感应蓄积容器400中液体甲烷制冷剂的液面，并产生指示该液面的信号404。流量控制装置406接收液面指示器信号404，并产生流量控制信号408和410。流量控制阀412和416分别接收流量控制信号408和410。流量控制阀408和410分别响应流量控制信号408和410控制流过导管107和105的流量。操作中，当蓄积容器400中液体甲烷制冷剂的液面变得不合意地高时，自动调节阀412和416，使流经导管107的流量更大，流经导管105的流量更小。相反，当蓄积容器400中液体甲烷制冷剂的液面变得不合意地低时，自动调节阀412和416，以使流经导管105的流量更大，流经导管107的流量更小。这种系统能够在无需燃烧过量甲烷制冷剂的情况下使甲烷制冷循环中制冷剂的量保持在适当液面。
再参照图1，将离开低阶段乙烯冷却器68的甲烷制冷剂流引入主甲烷节约器74中，以通过间接热交换装置76进一步冷却。进一步冷却的甲烷制冷剂随后通过导管123离开主甲烷节约器74，并如下详述，用作制冷剂以先后在热交换器63、71和73中冷却来自初始塔(originating column)60和61的塔顶物流(轻质物)。导管120和124中富含甲烷的经加工的天然气流均并行地在甲烷热交换器63、71和73中先后冷却。甲烷热交换器63、71和73优选彼此分离，其中各个甲烷热交换器63、71和73具有两个间接热交换通道，以冷却来自导管120和124的流体而不将这些流体合并。最优选地，甲烷热交换器63、71和73是带有铜焊铝芯的釜中含芯型热交换器。
甲烷热交换器63、71和73通过与来自导管123的以甲烷为主的制冷剂间接热交换，将来自导管120和124的富含甲烷的加工过的天然气流冷却。甲烷热交换器63、71和73优选将来自导管120和124的富含甲烷的加工过的天然气流协同冷却至少大约40，更优选至少大约60，最优选至少100，以使通过导管135和137离开最终甲烷热交换器73的液化天然气流冷却至它们包含少于5摩尔％蒸气的程度。此外，导管120和124中的流体和导管137和135中的流体之间的压降分别优选小于344kPa(50psi)，更优选小于172kPa(25psi)，最优选小于68.9kPa(10psi)。
图1所示的甲烷制冷循环的一种可能优点在于，与传统的开环甲烷循环相反，导管120和124中的流体不需要在热交换器63、71和73提供的冷却之前完全液化。实际上，导管120和124中的流体可以包含25摩尔％或更多蒸气。
现在将详细描述半闭环甲烷制冷循环。导管120和124中的加工过的富含甲烷的天然气流分别在第一甲烷热交换器63中在间接热交换装置90和78中通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换而冷却。在进入第一热交换器63之前，导管123中以甲烷为主的制冷剂通过减压装置78(其优选为膨胀阀)闪蒸。气化的以甲烷为主的制冷剂通过导管126离开第一甲烷热交换器63。然后将导管126中这种以甲烷为主的气态制冷剂流加入主甲烷节约器74中，在此在间接热交换装置82中使该气流升温。来自间接热交换装置82的经升温的以甲烷为主的气态制冷剂流离开主甲烷节约器，并通过导管128引入甲烷压缩机83的高阶段中。以甲烷为主的液相制冷剂通过导管130离开第一甲烷热交换器63。导管130中以甲烷为主的液体制冷剂随后在减压器91(其优选为膨胀阀)中闪蒸，然后加入第二甲烷热交换器71中。
将在第一甲烷热交换器63中通过间接热交换装置90和78冷却的加工过的天然气流分别通过导管125和127从第一甲烷热交换器63中移出。将导管127中的加工过的天然气流引入第二甲烷节约器65中，在此在间接热交换装置88中通过与经由导管136离开第二甲烷热交换器71的以甲烷为主的气态制冷剂的间接热交换将其冷却。然后将来自第二甲烷节约器65的间接热交换装置88的冷却流通过导管132送入第二甲烷热交换器71。将通过第一甲烷热交换器63中的间接热交换装置90冷却的加工过的天然气流通过导管125送入第二甲烷热交换器71中。
在第二甲烷热交换器71中，将通过导管125和132加入的加工过的天然气流分别在间接热交换装置33和79中冷却。在间接热交换装置33和79中用于冷却流体的以甲烷为主的制冷剂包括气相(其通过导管136从第二甲烷热交换器71中排出)和液相(其通过导管129从第二甲烷热交换器71中排出)。如上所述，将导管136中以甲烷为主的气态制冷剂加入第二甲烷节约器65中，在此其用在间接热交换装置89中以冷却间接热交换装置88中的流体。间接热交换装置89中升温的以甲烷为主的气态制冷剂通过导管138离开第二甲烷节约器65。导管138将以甲烷为主的气态制冷剂送入主甲烷节约器74，在此该流体在间接热交换装置95中进一步升温。来自间接热交换装置95的升温的气态以甲烷为主的制冷剂离开主甲烷节约器74，并通过导管140引入甲烷压缩机83的中间阶段入口中。将通过导管129从第二甲烷热交换器71排出的以甲烷为主的液体制冷剂在减压装置92(其优选为膨胀阀)中闪蒸，随后加入第三甲烷热交换器73中。
将通过导管33和31从第二甲烷热交换器71中排出的加工过的天然气流加入第三甲烷热交换器73中，以分别在间接热交换装置35和39中进一步冷却。在间接热交换装置35和39中，通过与以甲烷为主的制冷剂间接热交换将加工过的天然气流冷却。以甲烷为主的制冷剂通过导管143离开第三甲烷热交换器73。在间接热交换装置35中冷却的加工过的天然气流通过导管137从第三甲烷热交换器73中排出。在间接热交换装置39中冷却的加工过的天然气流通过导管135从第三甲烷热交换器73中排出。将导管135和137中的冷却天然气流分别在减压装置93和94中闪蒸，其中所得闪蒸流随后在三通管43中合并。将来自三通管43的合并流通过导管139引入分离器75中。分离器75可用于分离通过导管139加入的流体的以液体为主的相和以气体为主的相。液化天然气(LNG)通过导管142离开分离器75。来自分离器75的接近大气压的LNG产品通过导管142送入LNG储槽中。根据传统实践，储槽中的液化天然气可以运输到目标地点(通常通过远洋LNG油轮)。然后可以在陆上LNG终点站将LNG气化以通过传统天然气管道以气态输送。
以甲烷为主的蒸气通过导管141离开分离器75，并然后与来自三通管41中的导管143的以甲烷为主的制冷剂合并。由此，三通管41代表半闭环甲烷制冷循环中将一部分加工过的天然气流加入以甲烷为主的制冷剂流中的唯一位置。将来自三通管41的合并流通过导管144引入第二甲烷节约器65中，在此将合并流在间接热交换装置90中升温。来自间接热交换装置90的经升温的物流通过导管146离开第二甲烷节约器65。将导管146中以甲烷为主的制冷剂流加入主甲烷节约器74的间接热交换装置96，在此使该流体进一步升温。所得升温的以甲烷为主的制冷剂流离开主甲烷节约器74，并通过导管148输送到甲烷压缩机83的低阶段入口中。
如图1中所示，甲烷压缩机83的高、中间和低阶段优选合并为单个装置。然而，各个阶段可以作为分离的装置存在，其中将这些装置机械连接在一起以通过单个驱动器驱动。来自低阶区段的压缩气体经过级间冷却器85，并在第二压缩阶段之前与导管140中的中压气体合并。来自压缩机83的中间阶段的压缩气体通过级间冷却器84，并在第三压缩阶段之前与通过导管121和128提供的高压气体合并。将压缩气体(即压缩的开放甲烷循环气流)通过导管150从高阶段甲烷压缩机中排出，在冷却器86中冷却，并通过如前所述的导管152输送到高压丙烷冷却器2中。将该流体在冷却器2中通过间接热交换装置4冷却，并通过导管154流送到主甲烷节约器74中。进入主甲烷节约器74的来自冷却器2的压缩的开放甲烷循环气流全部通过流经间接热交换装置98而进行冷却。随后通过导管158去除该冷却流，并在乙烯冷却的第一阶段上游与加工过的天然气进料流合并。
在本发明的一个实施方案中，使用传统的过程模拟软件在计算机上模拟图1和2中所示的LNG制造系统。合适的模拟软件包括来自Hyprotech的HYSYS^TM、来自Aspen Technology，Inc.的Aspen Plus和来自Simulation Sciences Inc.的PRO/II。
上述本发明的优选形式仅用于举例说明，且不应该限制本发明的范围。本领域技术人员可以在不背离本发明实质的情况下容易地对上述示例性实施方案进行明显改动。
本发明人由此声明他们旨在依靠等同原则确定和评估本发明的合理范围，其与在下列权利要求所述的本发明的字面范围外但本质上不背离该范围的任何装置相称。