在深冷天然气加工厂中生产液体天然气 背景
发明领域
本发明涉及一种新的、有用的天然气液化方法。特别是，本发明涉及一种含高纯度甲烷的液体天然气(LNG)的生产方法，该方法很适于同回收天然气液体(NGLs)的深冷气体加工工厂相结合。
由石油矿井回收的天然气通常主要由甲烷组成。根据回收天然气的地层，气体中通常还含有不同量的重于甲烷的烃类如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及某些芳烃。天然气还可能含非烃类如水、氮、二氧化碳、硫化合物、硫化氢等等。
希望将天然气液化的理由很多：以液体形式贮存天然气比气体形式更容易，因为液体所占体积较小而且不需在高压下贮存；LNG可以以液体形式用汽车拖车或铁路槽车运输；而且贮存的LNG可在高峰需用期再蒸发并引入管网。
高度纯化的LNG(即甲烷纯度为大约95至99mol％的)适于用作车辆燃料，这是由于它可完全燃烧，其价格比石油或其它洁净燃料低很多，充填燃料之间的行驶距离几乎和汽油或柴油相同，且所需充填时间相同。高甲烷纯度的LNG还可以经济地转化为另一种清洁、便宜的车辆燃料，压缩天然气(CNG)。对廉价、完全燃烧燃料的需求特别紧迫，这是由于1992年的清洁空气法修正案(CAAA)和能源政策法强迫那些在有臭氧问题的区域拥有大型运营车队的公司，铁路，以及某些固定装置的经营者们转变为更完全燃烧燃料。
发明背景
天然气(主要成分是甲烷，含少量乙烷和重质烃类)液化地已知方法有很多。这些方法一般包括气体的压缩、冷却、冷凝及膨胀步骤。冷却和冷凝可通过与沸点逐渐降低的几种冷冻流体(“阶式系统”)进行热交换的方法来完成，例如，Haak(US.Pat.No.4,566,459)和Maber et al.(U.S.Pat.No.3，195，316)对该法作了阐述。或者还可使用处于几种不同压力的一种冷冻剂以产生几种不同温度。也可使用含几种冷冻成分的一种冷冻液体(“多组元系统”)。一种典型冷冻剂组合是丙烷、乙烯和甲烷。有时也使用氮。Swenson(U.S.Pat.No.4,033,735)，Garier et al.(U.S.Pat.No.4,274,849)，Caetani et al.(U.S.Pat.No.4,339,253)和Paradowski etal.(U.S.Pat.No.4,539,028)描述了多组元冷冻方法的一些变体。膨胀一般是等焓的(通过一种节流设备如一种Joule-Thomson阀)或者是等熵的(在一种做功膨胀汽轮机中进行)。
不管这些方法的可获性如何，在美国可生产大量车用级LNG的装置非常少。原则上，上述任何方法都可以用来液化天然气。但用以生产LNG的冷冻系统的建设和维修基本投资很高。辅助冷冻系统能耗大，需使用大量燃料气或电并生产大量空气排放物(如果使用燃料气)。
现在要考虑各种现有LNG生产方法以及在各类天然气加工工厂生产LNG的可能性。我们将会看到，我们仍然需要一种经济的液化方法，它可与普遍可获型天然气加工厂兼容，而且可以生产大吨位及具有车辆燃料实际应用所需高纯度的LNG(还可参见“LNG供应”，LNG Express，Volume IV，No.1，PP.1-4，January 1994，关于美国对增长的车用级LNG生产需求，生产LNG的可能方法以及改造现有工厂以生产LNG是否值得等问题的进一步讨论。
LNG高峰调节工厂被用来将天然气液化，加以贮存为以后高峰需用期使用，以保证都市气分配管网在严寒天气有足够的燃气供应。这些工厂典型地使用阶式或多组元冷冻系统来液化管道级气体。在美国，大部分LNG由高峰调节工厂生产，但仅有一部分能力可用于运输。而且，大多数高峰调节工厂不生产甲烷含量足够高从而可用作车辆燃料的LNG产品。LNG高峰调节工厂通常所液化的管道级气体典型地含过多的乙烷和重质烃类而不能用作车辆级LNG产品。
Pachaly(U.S.Pat.No.3,724,226)描述了一种将深冷分馏与膨胀机循环冷冻方法结合以生产LNG的工厂。该工厂的目的是将边远地区的天然气液化以便于运输。但是，该工厂并不生产高甲烷纯度的LNG，而且其设计的经营成本将很高。
“平地(Grass Roots)”或专用LNG工厂是专门为生产车辆级LNG而设计和建造的新工厂。这些工厂可以有各种设计，但都打算使用如前文所述的辅助冷冻系统。这类工厂的主要缺点是建造一套新装置比改造现有装置更昂贵。
氮气脱除装置(NRUs)使用深冷分馏将甲烷液化并与气体氮分离。NRUs用在天然气含氮量高的地方，这种天然气或者是自然形成，或者是为了提高矿井压力从而增加油和/或气体的产量而向矿井注入氮气的结果。这些工厂生产的LNG中甲烷纯度常常足以达到作为车辆燃料使用的要求。但是，这种地方不很多，而且经常是在边远地区，所以NRUs不能代表美国LNG的主要来源。况且，它们需要使用大量辅助冷冻。
另一类天然气加工工厂是用来回收NGLs的天然气液体(NGL)工厂。NGL回收包括将天然气的重质烃组分(乙烷、丙烷、丁烷、汽油等)液化并与处于气体形式的粗甲烷馏分(残余气体)分离。这些重质烃作为液体在商业上比作为天然气有更高的价值。NGLs可作为石油化学原料、汽油调和成分和燃料而出售。这些工厂典型地还除去非烃类如水和二氧化碳以满足气体管网对这些成分的限制。全美国有数百座这种NGL工厂。NGL工厂包括贫油吸收工厂，冷冻工厂和深冷工厂。就发明者们所知，目前这些工厂并不用于生产LNG(液体天然气)。但是，如果将成本上有利的液化残余天然气的方法与这些工厂相结合，NGL气体加工厂可以成为美国车辆燃料的重大来源。
现有LNG高峰调节工厂，NRUs和用于回收NGLs的天然气加工工厂可通过添加分馏系统和辅助冷冻系统加以改造，用来生产车辆级LNG燃料。添加的深冷精馏系统可通过由天然气中除去乙烷和重质烃来提高LNG纯度以便生产燃料级LNG。但是，由于安装分馏塔及辅助冷冻系统非常昂贵，所以这并不总是经济上可行的生产适合车辆燃料的高甲烷纯度LNG的方法。
我们发现了一种新奇的方法，可将深冷NGL工厂的基本设计加以改造而成为生产高甲烷纯度LNG的工厂而无需增添分馏和冷冻系统。
发明概述
本发明是一种生产液化天然气(LNG)的方法设计，这种LNG在本发明优选实施方案中是一种可用作车辆燃料的LNG的高甲烷纯度形式。本发明也可用来生产较低纯度的LNG，尽管这不太优选。
本方法可与现有深冷天然气液体工厂相结合。本发明也可用在新深冷工厂。“深冷的”这一术语是指在华氏-50度以下操作的工厂。并非所有深冷工厂都是NGL工厂。但本文所用术语“深冷的”，总是指用于生产NGLs的深冷工厂。本发明方法通过将流出深冷工厂的残余气支流液化来生产LNG。该支流最好先在深冷厂残余气压缩机中进行压缩。用深冷工厂脱甲烷塔塔顶气(或工厂的类似冷气流)作冷凝介质将该支流冷凝成液体。然后让冷凝液体在一系列逐渐降低的压力下利用Joule-Thomson(JT)效应进行等焓膨胀，从而使LNG达到便于贮存和运输的温度和压力。
本发明向气体加工厂提供一种廉价、简便而有效的方法来更新它们现有的装置，以便生产LNG而且只需增加少量设备。基本投资和能量成本却减至最低。更新气体加工厂，特别是深冷工厂来生产LNG的主要优点是，由这些装置可得到的原料气体纯度。本发明特别适合高乙烷回收率的深冷工厂，因为这种工厂生产的残余气容易满足用作车辆燃料的LNG中所要求的高甲烷纯度和低乙烷限制。但是，为低乙烷回收率设计的工厂通过附加的改造也可使用。
天然气中通常含有重质烃和非烃类，特别是水和CO2，在液化前必须除去。重质烃使LNG纯度下降并因产生预燃问题而使其不能用作车辆燃料，而CO2和水会在LNG液化过程中分别造成冻结及形成水合物。深冷工厂典型地在适当地方有去除CO2、水和重质烃(以NGLs形式)的设备。在这些情况下，可省去为液化过程而进行的原料预处理成本。预处理成本是新LNG液化装置主要基本投资。
本发明还使用脱甲烷塔塔顶冷物流的冷却能力来冷凝LNG原料，免除或降低了对辅助冷冻系统的需要。根据深冷工厂的相对能力和LNG的生产速率，还可能需要对现有NGL工厂的冷冻系统进行少量补充。
如果以高峰调节为目的而生产LNG(将其蒸发并引入管道以满足高峰期的需要)，乙烷回收不是关键，本发明可与几乎任何深冷工厂相结合。
本发明目的之一是提供一种比倒退至现有深冷工厂的常规冷冻或精馏需要投资少的天然气液化方法。本发明的另一目的是提供一种比使用常规冷冻系统的系统能耗小、经营成本低的天然气液化方法。本发明的再一目的是提供一种制造具有固定的高甲烷纯度并可用作车辆燃料的液体天然气的方法。
附图简要说明
图1是本发明及本发明与之结合使用的深冷工厂流程图。
图2表示本发明与一汽轮膨胀机工厂联用的一个实施例。
图3表示本发明与一JT工厂联用的一个实施例。
图4表示由汽轮膨胀机工厂和Joule-Thomson厂向LNG过程供给原料气的不同取料点(分别为4a和4b及4c和4d)。
图5说明冷凝器中三种致冷剂的使用：(a)取自第一闪蒸槽的LNG，(b)取自第二闪蒸槽的LNG，或(c)取自储罐的LNG。
发明详述
本发明是用于天然气液化的一种方法和系统。特别是，本方法非常适于生产高甲烷纯度的液体天然气。本发明几乎可以和任何用深冷方法回收天然气液体的工厂一起使用。可以与本发明结合的两类主要深冷工厂是汽轮膨胀机厂(TXP5)和Joule-Thomson(JT)厂。后面将讨论这两类工厂的区别。
本发明最好与一个现有深冷工厂结合而实现。但是本发明也可纳入新的工厂设计中。
发明详述
图1是说明本发明与一典型深冷工厂联用的流程图。入口冷却器20，膨胀入口分离器30，膨胀器40，膨胀出口分离器50，液体分馏塔60，和残余气压缩机组70是深冷工厂1的组成部分。所说组成部分对大多数深冷工厂是共同的。深冷工厂1的边界用虚线表示。天然气原料(即工厂的原料)由入口10引入并在入口冷却器20中冷却，使某些重烃组分冷凝，结果得到的冷却天然气是第一气/液混合物。入口冷却器20可由一台或多台以下类型的换热器组成：鳍板式换热器，壳管式换热器，或冷冻冷凝器；或其它换热器。这些换热器可用液体分馏塔60的塔顶气208，一种补充冷冻剂24，如丙烷，或来自液体分馏塔60的液体作冷冻介质。
所说第一气/液混合物在膨胀入口分离器30被分离为第一液体馏分和第一气体馏分，该分离器是一种常用的两相分离器或类似的分离设备。所说第一气体馏分被送往膨胀器40，在这里进行膨胀以使其冷却和降压，从而形成第二气/液混合物。膨胀器40最好是一台汽轮膨胀机(在汽轮膨胀机工厂)；或者包括一个或多个Joule-Thomson(JT)阀或某些其它膨胀设备。在所说膨胀器生成的所说第二气/液混合物经管线206到达膨胀出口分离器50，它可以是一台两相分离器或脱甲烷塔的顶部扩大段(用作两相分离器)，在这里混合物分离为第二气体馏分和第二液体馏分。来自膨胀出口分离器50的所说第二液体馏分和来自膨胀入口分离器30的所说第一液体馏分进入液体分馏塔60，液体分馏塔60通常被认为是脱甲烷塔，但也可以是带有任选的再沸器和/或塔顶冷凝器的分馏柱。
液体分馏塔60的主要目的是除去在膨胀时可能与液体一起冷凝下来的甲烷。液体分馏塔60将主要含甲烷的塔顶气(还叫做残余气)与重质烃如乙烷、丁烷、丙烷等分离，重质烃作为液体由分馏塔流出。一般，膨胀入口分离器30，膨胀器40，膨胀出口分离器50和液体分馏塔60合在一起用作一种冷冻手段，类似组成单元的一些其它配置也可用以完成同样的分馏作用(例如，将主要是甲烷气与重质烃液体分离)。虽然这里给出的结构是优选的，而且是在深冷工厂最常见到的，但组成单元的任何其它结构都可替代优选结构在本发明实际中应用，只要它能完成分馏作用。
塔顶物流208(塔顶气和/或来自膨胀出口分离器50的所说第二气体馏分)被用作本发明方法中的一种冷却剂。塔顶物流208被用作一种冷却剂是因为它可提供该深冷工厂能得到的最低温度并能在中等压力下将残余气物流液化。本发明最好用在塔顶物流208温度大约是-200至-100°F，压力为100至600psig的深冷工厂。塔顶物流208的一股支流209被用作残余气冷凝器80的冷却剂。塔顶物流208最好也用作入口冷却器20的冷却介质。塔顶物流208在压缩机组70中被压缩。如果膨胀器40是汽轮膨胀机，压缩机组70最好包括所说汽轮膨胀器的增压压缩机加上一或多台附加压缩机(可用各种类型的压缩机，如离心压缩机，活塞压缩机、螺杆压缩机，或其它压缩机)以提供进一步压缩。如果膨胀器50不是汽轮膨胀机，压缩机组70应包括一台或多台前文所列类型的压缩机或类似物，但没有汽轮膨胀机驱动的增压压缩机。
被压缩塔顶物流(残余气)的一股支流210被用作供应残余气冷凝器80的原料气，它在这里被冷凝而形成冷凝物流214，它含有冷却至其始沸点或更低温度的液体天然气。典型地，支流210的温度在大约0和大约400°F之间，压力在大约100和大约1200psig之间。最好是支流210的温度在大约20和大约200°F之间，压力在大约300和大约900psig之间。支流210也叫做冷凝器原料210。
残余气冷凝器80被支流209或任选地被取自深冷或LNG工厂其它级的冷气流，或被一辅助冷冻剂物流230冷却。冷凝器原料210在残余气冷凝器80被冷凝至其始沸点温度或更低。冷凝物流214典型地处于大约100至700psig压力，相应的始沸点温度为-203至-100°F，最好是处于大约300至700psig的压力，相应的始沸点温度为-159至-100°F。冷凝物流214在膨胀器90中膨胀，进一步降低LNG的温度和压力。在膨胀过程中小部分液体被蒸发。膨胀器90最好含有一个或多个闪蒸槽，利用Joule-Thomson(TJ)效应让天然气物流向其中发生等焓膨胀(“闪蒸”)。所说膨胀器或者还可包含一台膨胀器。在膨胀器90中进行的膨胀步骤使所说液体天然气的压力降至可方便贮存和运输的水平。LNG产品典型地持有大约0.0至100psig的压力和大约-259至-200°F的温度。最好持有大约0.5至10psig的压力和大约-258至-247°F的温度。LNG可由出口11取出加以贮存或运输或用作其它所希望的用途。
为了使本发明与现有深冷工厂相结合，该厂必须达到一定规格(例如具有某些组成单元和一定的操作条件)。此外，重要的是本发明与现有工厂结合的方式应使现有工厂在其原来能力(例如液体天然气的生产等)下的操作不至于退化。假定深冷厂的设计适于与本发明相结合，本发明优选方案的详情取决于与之结合的深冷厂的设计。因此，本发明最佳模式的确定应考虑以下指导原则。
许多变量影响用本发明生产的LNG的数量和质量以及能耗。下面将讨论冷凝器原料质量、冷凝器原料压力、冷凝温度和膨胀级数如何影响本发明。还将讨论本发明的典型操作参数。整个给定工厂的温度和压力可用过程模拟模型做出估算。完成这种模拟的软件很容易获得(例如HYSIMTM，CHEMSHARETM，和PROSIMTM)，而且本领域普通技术人员对它们很熟悉。冷凝器原料质量
冷凝器原料(即来自深冷工厂的压缩残余气支流)应该含低于50ppm的二氧化碳，而且实际上不含水以防止在LNG液化过程中CO2发生冻结和水合物形成。水典型地在深冷工厂上游由天然气中除去，方法是用乙二醇脱水(吸收)然后用分子筛床。或只用分子筛床，或用其它常用方法脱除水分。分子筛脱水装置通常安装在深冷工厂的上游以便在气体进入冷却器之前除去水分。
如果天然气在深冷工厂入口未经脱CO2处理，则必须安装一个CO2脱除系统79以便由用作本发明方法原料的残余气中除去CO2，在这种情况下，所说CO2脱除系统79应放在压缩机组70的出口和残余气冷凝器80的入口之间。可供安装以脱除CO2的某些可能的处理系统是一种胺系统或分子筛。如果使用胺系统，由系统出来的气体还必须进行脱水。本领域普通技术人员都熟悉这些方法。
如果原料气中非烃组分如硫化氢(H2S)，硫、汞等含量对深冷工厂的操作有不利影响，可在将其通入汽轮膨胀机或JT工厂之前对其进行处理以除去非烃成分。许多可用来除去这些成分的方法对本领域普通技术人员是熟悉的，这里不再讨论。
冷凝气原料中甲烷、惰性气体(如氮)、乙烷，及重于乙烷的烃含量将决定所生产的LNG的质量。该过程中产生的闪蒸气主要是含较高百分比氮气的甲烷，而乙烷和重质烃在整个LNG液化过程中保持液体状态。结果，乙烷和重质烃会在LNG中浓集，所以，贮罐内LNG中的乙烷和重质烃的摩尔分数高于冷凝气原料中的这一分数。最好是与本发明结合的深冷过程能够由深冷厂入口物流中除去大部分乙烷和实际上所有的丙烷和重质烃，以满足LNG车辆燃料所要求的高甲烷纯度。对工厂的原料组成和乙烷回收率的要求将取决于所要求的LNG纯度及LNG过程的条件。可能需要改变深冷工厂的操作以增加乙烷的回收。增加乙烷回收的可能性包括安装附加的分馏塔(通常叫做冷分馏塔)，用深度乙烷回收过程改造流程和/或安装能使脱甲烷塔操作压力降低的附加残余气再压缩机。原料物流的压力
进入残余气冷凝器的冷凝器原料压力对过程设计至关重要，因为它决定了LNG原料物流的冷凝温度。提高冷凝器原料压力也将提高LNG原料物料液化所需要的温度。冷凝压力必须高于脱甲烷塔的操作压力，但最好低于甲烷的临界压力(690psia)。冷凝器原料必须有足够高的压力，使其能被得自脱甲烷塔塔顶物流，加上进入残余气冷凝器的任何闪蒸蒸气，以及任何补充冷冻(如有必要)的冷量所冷凝。如下所述(见冷凝温度)，希望将原料冷凝至它的始沸点(100％饱和的液体)，或更低温度。
原料压力也影响闪蒸阶段产生的闪蒸蒸气的数量。如果冷凝器原料冷凝至其始沸点，压力越高，闪蒸阶段产生的闪蒸蒸气也越多。增加闪蒸蒸气的量也就降低了最终LNG产品的质量，因为乙烷和重质成分在LNG产品中得到浓集。冷凝温度
冷凝温度是另一个重要的操作参数。如上所述，冷凝器原料最好在LNG原料物流压力下冷凝至其始沸点温度或更低。对给定压力的始沸点定义为当液体在固定压力下加热时，第一个蒸气泡形成的温度。在始沸点下，混合物是饱和的液体。如果脱甲烷塔塔顶物可提供足够的冷量，原料最好不要正好冷凝到始沸点，而是进一步冷却使液体过冷。使液体过冷可减少膨胀步骤中产生的蒸气量。因而，在液化过程中可生产更多的液体。如果原料受到过冷而不是仅仅冷凝到它的始沸点，那么，为生产给定量的LNG液体产品需要较低的冷凝器原料流速。闪蒸级数
闪蒸级数的选择影响到LNG产品的质量和数量。大多数情况下，闪蒸级数和闪蒸压力的设定，应能使闪蒸蒸气可用于工厂的其它过程，如工厂的燃料系统，而无需进行再压缩。如果产生的蒸气超过工厂对燃料气的需要，也可将闪蒸蒸气再压缩，送至外销管网或循环至LNG生产过程。所用闪蒸室数目越大(于是闪蒸室之间压力的增量也就越小)，产生的闪蒸蒸气就越少，可回收的液体天然气的量就越大。闪蒸蒸气的产量影响到LNG的质量以及产量(或者生产给定量LNG所需原料气的量)。但是，当闪蒸级数增加时，每一附加级因闪蒸气产量降低得到的好处迅速减小。当使用更多的闪蒸室时，购置和维修设备的相关费用也增加。在LNG的最优质量和产量及最小的设备费用之间必须进行权衡。在本发明优选实施方案实施例1中(示于图2)，闪蒸三次(即进入两个闪蒸槽和一个贮罐)被认为是最佳。但是，在不同工厂，更多或更少的闪蒸室数目可能是优选的，加以采用并不脱离本发明的实质。冷冻能力
工厂的容量必须足够大，以便使脱甲烷塔塔顶物能够向残余气冷凝器和入口冷却器提供足够的冷量。脱甲烷塔塔顶物的温度及可用作致冷介质的脱甲烷塔塔顶物的量(在深冷厂入口冷却器中有等量的冷量损失)可限制残余气冷凝器中的致冷量。使用脱甲烷塔塔顶物来冷凝残余气，则在深冷厂入口冷却器中要损失等量的冷量，而且NGL的回收量可能降低。对深冷厂在新条件下的性能要进行估计。为弥补这一损失并保持工厂天然气液体(NGLs)的高回收量，可能需要向深冷厂入口冷却器补充冷冻量。如果能得到足够的脱甲烷塔和闪蒸蒸气，而将LNG原料冷却至其始沸点，但又要补充冷冻而使液体过冷，则安装这一冷冻系统所需投资的经济效果多半是不佳的。实施例1
给出以下实施例以便更清楚地说明本发明优选实施方案的操作。本发明的这一实施方案绘于图2。在该实施例中，本发明是与一座汽轮膨胀机深冷工厂相结合，该厂主要设计功能是加工天然气以生产天然气液体(例如液体形式的乙烷、丙烷、和重质烃)和管道级天然气。如前所述，本发明可与其它构型的工厂一起使用并且实施例打算用来说明本发明的使用，而不应认为本发明只限于与这种特殊类型的工厂一起使用。
这一汽轮膨胀机冷冻厂加工350 mmscfd(每天百万标准立方英尺)天然气。当与本发明结合使用时，该厂每天可生产10,000加仑LNG。
工厂原料，经过预先脱水及脱二氧化碳气处理的天然气，在深冷厂入口10引入。也可在过程的稍后阶段将二氧化碳从气体中除去，但必须是在残余气冷凝器80中进行的冷凝(液化)步骤之前，因为所用低温会引起CO2在LNG过程中冻结。工厂原料的摩尔组成为92.76％甲烷，4.39％乙烷，1.52％丙烷，0.91％丁烷和重质烃，和0.42％氮。
入口物流10被分成两个物流，物流202流经气/气换热器21和入口气冷却器22，物流203流经脱甲烷塔再沸器23。在本实施例中，气/气换热器21，入口气冷却器22，和脱甲烷塔再沸器23一起组成冷却系统20。气/气换热器21使用来自汽轮膨胀机工厂的残余气来冷却入口气流。该换热器可以是壳管式换热器或铝质鳍板换热器，或某些类似的换热器。入口气冷却器22使用一种冷却剂或冷冻剂24将入口气流进一步冷却。丙烷是汽轮膨胀机工厂的冷却器中常用的冷冻剂，但是，其它冷冻剂也能使用。气/气换热器21和入口冷却器22也可合并为一台多程换热器。一台以上的气/气换热器和/或入口冷却器也可用于本发明实际中，可作为分立组元或合并成一台换热器。
物流203在脱甲烷塔再沸器23中被由脱甲烷塔61取出的冷液体物流62和63冷却。所说冷液体物流被进口气暖物流同时加热，为脱甲烷塔6 1的正常操作提供所需热量。脱甲烷塔61是一个分馏塔，用来除去与作为深冷厂产品的烃类液体(如乙烷、丙烷、丁烷)一起冷凝的任何甲烷。某些重质烃在入口冷却系统20中由入口物流10中冷凝下来。因此，由来自入口冷却器22和脱甲烷塔再沸器23的合并物流组成的物流204是液体和气体组成的两相物流。
物流204进入膨胀机入口分离器30，在入口冷却系统20中冷凝的液体在这里与气相分离。所说液体馏分被送往脱甲烷塔61的中部。
所说气相馏分被送往汽轮膨胀机41的膨胀器40，气体在此进行等熵膨胀直到达到与脱甲烷塔61同样的压力。在汽轮膨胀机中，膨胀器40的轴与压缩机71相连以便使用膨胀过程产生的功来驱动所说压缩机71。等熵膨胀使气体温度大大降低，从而使乙烷和重质烃从以甲烷为主的气体中冷凝下来，形成两相液/气物流206。可用一个JT阀代替汽轮膨胀机完成膨胀，虽然这样做并不太优选(实施例2中描述了这一替换方案)。所说两相物流206被送至脱甲烷塔61顶部。在本实施例中，脱甲烷塔61的顶部扩大部分用作膨胀器出口分离器50，而与之相连的下部用作分馏塔60。蒸气作为残余(塔顶)气离开脱甲烷塔塔顶；而液体馏分加到脱甲烷塔的分馏段，如果希望减小脱甲烷塔顶部扩大段的尺寸，也可在膨胀器与脱甲烷塔之间安装一台单独的膨胀器出口分离器。
在本实施例中，脱甲烷塔塔顶气(取自脱甲烷塔顶部的残余气)最好是大约-160华氏度，并处于大约260psig压力下。一般，根据入口物流10的压力，残余气再压缩的可获量，和要求的乙烷回收率，要求的温度和压力会发生变化。温度在大约-200至-100华氏度之间，压力在100至600psig之间一般是适宜的。
脱甲烷塔顶物被分为主流208和支流209。支流209被送往并经过残余气冷凝器80，在这里被用作LNG液化过程的冷却介质。支流209在此后再并入主流208，送至气/气换热器21以冷却气体物流202。气体在支流和主流间的分配由温度控制阀81控制。在本发明的优选实施方案中，控制所说阀门使LNG在残余气冷凝器被冷却的温度保持恒定。例如，控制阀81可用软件进行调节，或者可用一硬件控制系统加以控制。本领域的普遍技术人员对这种控制系统的设计和使用是熟悉的。
压缩系统(图1中的70)由增压压缩机71，它是汽轮膨胀机41的一部分，和两级附加压缩段组成。主流气208在增压压缩机71中被压缩。由增压压缩机71出来的气体在一级压缩机72被压缩并在一级后冷却器73中冷却。一级排放气(一级后冷却器73的产品)被分为支流210和主流211。支流210用作残余冷却器80的原料，而主流211在二级压缩机74中被压缩并在第二级后冷却器75中冷却，然后最好直接或必要时进行附加再压缩后送入天然气管网。冷凝器原料210还可取自压缩系统的其它某个部位，这表示于图4a和4b。最好在冷却后由压缩系统取出冷凝器原料210。在本实施例中，冷凝器原料210的摩尔组成为98.83％甲烷，0.70％乙烷，0.02％丙烷和0.45％氮，温度为74°F，压力为445psig。在压缩系统配置与这里所说的不同的一座汽轮压缩机工厂中，冷凝器压力可取自能提供适宜压力和温度水平的再压缩系统的任何部位(参见前文冷凝器原料压力，冷凝温度)。冷凝器原料210的压力优选在大约100至1200psig之间，而最优选是在大约300至900psig之间。温度优选在大约0至400°F之间。而最优选是在大约20至200°F之间。
冷凝器原料210被送往残余气冷凝器80，在这里在压力下通过与脱甲烷塔塔顶物和闪蒸蒸气进行热交换而被液化。冷凝器原料210最好是冷却至其始沸点。在本发明其它实施方案中，最好是将所说冷凝器原料冷却至更低温度(叫做过冷)。在本实施例中，冷凝器原料210在出自汽轮膨胀过程的残余气经过一级再压缩达到445psig和74华氏度后再取出。为了将该原料在445psig下冷凝至其始沸点，需要将该物流冷却至-138华氏度。一般，冷凝天然气物流214的优选温度为大约-203至-100华氏度，优选压力为大约100至700psig，而最优选为大约-159至-100华氏度温度和大约300至700psig压力。
在本发明优选的实施方案中，残余气冷凝器80是多流路铜焊铝鳍板换热器(本实施例中有4路)。还可用一系列壳管换热器来代替鳍板换热器。脱甲烷塔塔顶物支流209被用作主要冷却剂，因为它在深冷厂的所有物流中温度最低并可使天然气入口物流210在适度的温度和压力进行液化。闪蒸蒸气流212和213提供补充冷凝并有助降低冷凝LNG入口物流210所需脱甲烷塔塔顶蒸气的量。
在本发明的本实施方案中，冷凝的天然气物流214经过几个Joule-Thomson(JT)阀进行等焓膨胀或“闪蒸”，以降低冷凝液体的温度和压力，从而便于贮存或运输。由残余气冷凝器80出来的冷凝天然气物流214经过Joule-Thomson(JT)阀92(也叫做膨胀阀)进入高压(HP)闪蒸槽91。HP闪蒸槽91是一台两相分离器，它将在膨胀或“闪蒸”过程中产生的气液混合物分离为液体物流215和闪蒸蒸气物流212。物流212中的HP闪蒸蒸气被送回残余气冷凝器80以用作补充冷却介质，然后送往工厂的HP燃料管线220。HP闪蒸槽中气体和液体温度是-173°F，HP闪蒸槽中的压力设在210psig，因为这一压力与深冷厂HP燃料管线的压力相等，所以在将闪蒸气送入HP燃料管道前不需要再压缩。HP闪蒸液体215经过Joule-Thomson(JT)阀94被送往低压(LP)闪蒸槽93。LP闪蒸槽也是一台两相分离器，它将在经过JT阀94闪蒸过程中产生的气液混合物分离为液体物流216和闪蒸蒸气物流213。LP闪蒸蒸气物流213被送回残余气冷凝器80以用作补充冷却，然后送往深冷工厂的LP燃料管线221。LP闪蒸槽中的压力设置在78psig，这就是本实施例所用工厂LP燃料管线221的压力，温度是-209°F。闪蒸槽91和93最好是ASME编码的不锈钢压力容器，用作两相分离器以将闪蒸蒸气与LNG液体分离。HP和LP闪蒸蒸气中的甲烷和氮气被浓集。HP闪蒸槽蒸气是98.81mol％甲烷，0.95mol％乙烷，0.03mol％丙烷和0.21mol％氮，而LP闪蒸槽蒸气是98.72mol％甲烷，1.17mol％乙烷，0.03mol％丙烷和0.08mol％氮。
来自LP闪蒸槽93的LNG经过最终Joule-Thomson阀96被送往LNG贮罐95。LNG通过所说阀门膨胀至0.0至100psig之间的压力和-260和-245°F之间的温度，这样就可容易地贮存。LNG产品最优选地处于0.5-10psig压力和华氏-258至-247度之间的温度。通过JT阀96最终闪蒸过程中形成的蒸气217在蒸发物换热器101中被加热，在蒸发物压缩机102中被压缩并在再冷器103中被冷却，用作气体加工厂的燃料气或送往外销气管线。在HP闪蒸槽，LP闪蒸槽和贮罐中产生的总闪蒸蒸气是0.846 mmscfd。最终LNG产品是98.5mol％甲烷，1.45mol％乙烷，0.04mol％丙烷和0.01mol％氮。虽然最好是将闪蒸室产生的蒸气复原至可以使用的最低压力(即工厂燃料管线中的压力)，但对本发明实现来说，这并非实质性的并且也可用其它方法除去闪蒸蒸气，例如用燃烧或放空至大气的方法。或者将闪蒸蒸气物流212，213和217进行循环，与物流210合并用作LNG液化过程的原料。贮罐95可选各种形式：容量小于70,000加仑的贮罐典型地是ASME编码，专业工厂制造的容器。这些罐通常有一个碳钢、不锈钢、镍或铝质的外壳；一个不锈钢、镍或铝质内壳，两壳层之间是真空绝热夹套。大于70,000加仑的罐通常在现场建造。也使用水泥容器。实施例2
在实施例1中(在图2中说明)，本发明与一汽轮膨胀机工厂(TXP)结合。在本实施例中，本发明与一种叫做Joule-Thomson或JT工厂的深冷工厂相结合，如图3所示。图3中所示JT工厂与图2中所示TXP类似，差别在于JT工厂使用一个膨胀或Joule-Thomson(JT)阀42代替TXP中使用的膨胀机作为膨胀设备40来降低气体物流的温度。所以，汽轮膨胀机的增压压缩部分不复存在，压缩系统只包括压缩机72和74及它们的相关再冷器73和75。在JT工厂仅有一台再压缩机情况下，冷凝器原料210取自再压缩机72和再冷器73之后。如果JT工厂有两级再压缩(如图所示)，冷凝器原料也可取自第一再压缩和再冷却步骤之后(见图4c)，或者在两步再压缩和冷却完成之后，如图4d中所示。而且如果使用其它压缩结构，冷凝器原料可取自再压缩系统提供适宜压力和温度水平的任何部位(见前文冷凝器原料压力，冷凝温度)。如本实施例所示，通过一JT阀的膨胀是一种等焓膨胀，而不是象通过—汽轮膨胀机时发生的等熵膨胀，等熵膨胀以对外作功的方式由气体中除去能量，而等焓膨胀不从气体中除去任何能量。因此，利用等焓膨胀降低入口气的温度不如用等熵膨胀有效。给定相同的初始温度、压力和出口压力条件下，等焓(JT)膨胀后的气体温度要高于等熵膨胀中达到的温度。因此，实施例1中所用汽轮膨胀机可产生比本实施例中所用JT膨胀器更低的温度，使更多的液体(主要是乙烷)冷凝，从而提高了深冷工厂NGL产品的回收率。由于JT工厂的乙烷回收率低，JT工厂可能需要对其冷却系统的冷冻系统进行改造或附加入口阶式冷冻系统以提高乙烷回收率而生产车辆级LNG。如果本发明打算用来生产较低甲烷纯度的LNG产品(例如用于高峰调节)，冷冻系统的这些改造多半不必要。虽然由于效率的原因，JT膨胀一般不被优选，但它的使用并不偏离本发明的实质。本发明的变通实施方案用LNG作冷却介质
LNG液化过程产生的某些液体物流(即冷却的LNG物流)也可用作冷却介质来帮助冷凝残余气冷凝器80中的LNG原料物流。例如，可由以下任何物流中取出一股支流，如图5所示：
a)由HP闪蒸槽液化物流215取出的支流223。
在实施例1所示的工厂中，其温度是-173°F；
b)由LP闪蒸槽液体物流216中取出的支流224。
在实施例1所示的工厂中，其温度是-209°F；或
c)由贮罐产品物流218取出的支流225。
在实施例1所示的工厂中，其温度是-260°F。支流223、224或225中的一股或多股可被送回残余气冷凝器80以帮助冷凝LNG原料物流。这就需要在残余气冷凝器中增加至少一条流动通路。由残余气冷凝器80出来的支流气可送至工厂的燃料系统之一，经再压缩后送至外销气管线或在适当部位再循环至LNG过程。被选作补充冷却介质的支流多半要比脱甲烷塔塔顶物流更冷，所以LNG原料可冷却至比只用脱甲烷塔塔顶物流时更低的温度。如果LNG入口物流冷却至低得多的温度，本发明可与只有低压LNG原料而且脱甲烷塔塔顶物冷度不足以使入口物料液化的深冷厂相结合。
本发明优选的实施方案由实施例1说明。如前所说，本发明优选的实施方案部分地取决于本发明与之结合的深冷工厂的设计。因此，除了所举本发明与具体深冷工厂设计相结合的实施例以外，还提供了为补充本发明而对指导原则的大量一般性描述。虽然本发明结合很多具体实施例进行叙述和解释，但本领域技术人员应意识到，可以进行变通和改造而不偏离本文所叙述、解释和声明的本发明的原理。从任何方面说，所叙述的实施方案应看作是解释性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由后附权利要求来规定，而不是由前面的描述。在与权利要求等同的意义和范围内发生的变化都应包括在权利要求的范围内。