天然气液化系统和方法与流程

本发明涉及一种天然气液化系统和方法。

背景技术：

天然气是一种矿物燃料，可以被当做一种能源用于供暖、烹饪和发电。它也可以被用做汽车燃料和作为塑料制造和其他重要的有机化学物的制备的化工原料。天然气的体积在被液化后会大幅缩减。液化天然气的体积是气态天然气体积的1/625，所以液化天然气容易被储存和运输。一种传统的天然气液化系统使用冷箱来液化天然气。冷箱利用氮气、甲烷、或者包括但不限于氮气、甲烷、乙烷和/丙烷的混合制冷剂在其中循环来冷却流过冷箱的天然气。冷箱的成本较高且体积较大。

因此，有必要提供一种天然气液化系统和方法用于解决至少部分上述问题。

技术实现要素：

本发明的一个方面在于提供一种天然气液化系统。该天然气液化系统包括：热交换器，用来冷却供给的天然气来获得冷却的天然气；第一超声速冷凝器，用来冷凝所述冷却的天然气来产生液化天然气，并输出至少一部分冷冻气态天然气至所述热交换器被加热来获得加热的天然气；及压缩单元，用来压缩所述加热的天然气，并提供压缩的天然气至所述热交换器来与所述供给的天然气共同和所述至少一部分冷冻气态天然气进行热交换而被冷却。

本发明的另一个方面在于提供一种天然气液化方法。该天然气液化方法包括：冷却供给的天然气来获得冷却的天然气；通过第一超声速冷凝器冷凝所述冷却的天然气来产生液化天然气，并从第一超声速冷凝器中输出所述液化天然气和冷冻气态天然气；加热至少一部分冷冻气态天然气来获得加热的天然气；压缩所述加热的天然气来获得压缩的天然气；及所述压缩的天然气与所述供给的天然气共同和所述至少一部分冷冻气态天然气进行热交换而被冷却。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为本发明一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图2所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图3所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图4所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图5所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图6所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图7所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图8所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图9所示为本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图；

图10所示为本发明一个实施例的天然气液化方法的流程图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分和元件。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

“气”可以和“蒸汽”互换使用，且表示区别于液态或固态的气态物质或者混合物。同样地，“液体”表示区别于气态或固态的液态物质或混合物。

“天然气”指从天然油井或者地下含气形成物中获得的多元素气体。天然气的组份和压力可明显改变。一种典型的天然气包含甲烷为主要成分。原天然气还可以包含乙烷、重烃、一种或多种酸性气体(例如二氧化碳、硫化氢、硫化羰、二硫化碳、硫醇)和少量的杂质(例如水、氦、氮、硫化铁、蜡、原油)。原天然气的组份可以改变。

“酸性气体”为掺杂在天然气中的杂质。典型地，酸性气体包括二氧化碳和硫化氢，然而任意数量的其他杂质也可能形成酸性气体。酸性气体一般通过接触含有能与酸性气体反应的吸收剂，例如胺，的气体来去除。当吸收剂富含酸性气体时，吸附步骤可被用来从吸收剂分离酸性气体。然后，吸收剂可循环利用，再用来吸收酸性气体。

“液化天然气”(liquefiednaturalgas)是天然气的冷凝液态，一般包含高百分比的甲烷，但也可包含微量的其他元素和/或组合物，其包含但不限于乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气、氦气、硫化氢、或杂质。天然气可被处理来去除一种或多种组份(例如酸性气体)或杂质(例如水或重烃)，之后通过冷却在接近大气压下冷却为液体。

“重烃”为碳的数目大于等于三的烃类，也可称为“高碳数的烃”或简称为“c3+”。重烃可包含丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷或更高分子量的烃。

“天然气凝液(naturalgasliquid)”为冷凝液体，一般包含高百分比的重烃，但也可包含微量的其他元素和/或组合物，其包含但不限于甲烷、乙烷、二氧化碳、氮气、氦气、硫化氢、和/或污染物。

“压缩机”指压缩气体的装置，包括泵、压缩机涡轮、往复式压缩机、活塞式压缩机、回转式压缩机、螺杆式压缩机、或能够压缩气体的装置或组件。

“热交换器”指允许两个或更多个流体通过且使两个或更多个流体进行热交换的罐、塔、单元或其他装置。例如壳管式热交换器、冷冻绕线式热交换器、或焊接铝板鳍状型。

“超音速冷凝器”(或称作“超音速旋流分离器”)指主要使用缩扩拉伐尔喷嘴的装置，在其中气体的能量(压力和温度)转化为气体的动能(速度)。气体的速度达到超音速。由于气体的加速，温度和压力明显降低，因此气体中的目标成份被液化。液化的的目标成份通过高速旋流从气体中被分离。然后气体的速度被降低并且气体的压力恢复到差不多原始压力。缩扩拉伐尔喷嘴可以根据特定的目标成份来设计以液化目标成份。

“减压装置”指用来降低流体的压力的装置，一般通过膨胀流体的方式来降低流体的压力和温度。“焦耳-汤姆逊(joule-thomson)阀”是一种减压装置，其利用气体膨胀导致气体冷却的焦耳-汤姆逊原理。在一些实施例中，焦耳-汤姆逊阀可以由其他膨胀装置，例如涡轮膨胀机，代替。

“分离罐”指在其中将输入的气态和液态流体分离为单独的气态部分和液态部分的罐体。典型地，分离罐具有明显地分界面，如此气体和液体由于重力分离。

图1所示为一个实施例的天然气液化系统100的示意图。天然气液化系统100包括热交换器26、第一超音速冷凝器30和压缩单元21。热交换器26用来冷却供给的天然气获得冷却的天然气28。第一超声速冷凝器30用来冷凝冷却的天然气28来产生液化天然气，并输出至少一部分冷冻气态天然气至热交换器26被加热来获得加热的天然气60。压缩单元21用来压缩加热的天然气60，并提供压缩的天然气至热交换器26来与供给的天然气共同和冷冻气态天然气进行热交换而被冷却。

在本实施例中，天然气液化系统100包括提纯单元13用来接收原天然气11，其可利用任何数目的处理过程来去除酸性气体和其他杂质15。提纯单元13可以是冷冻蒸馏单元，例如赖安-福尔摩斯(ryan-holmes)处理系统。其他冷冻蒸馏技术和系统也可使用，例如控制冷冻区技术。非冷冻技术和系统也可用来提纯，例如暖气处理系统、胺脱硫处理系统。来自提纯单元13的酸性气体15可以被用在其他系统或处理中。例如，二氧化碳可以用于油回收，硫化氢可以利用克劳斯(claus)工艺制备硫。在一个实施例中，在去除酸性气体15时，提纯单元13也可以去除重烃，其也可用于其他的系统或处理中。

来自提纯单元13的提纯的天然气17提供给干燥单元19，干燥单元19利用乙二醇干燥法、干燥剂、变压吸附法或其他工艺去除水蒸汽。在一实施例中干燥单元19可位于提纯单元13之前。

来自干燥单元19的干燥天然气20提供给压缩单元21。压缩单元21用来压缩干燥的天然气20。压缩单元21包括一个或多个压缩机来压缩天然气至预期的压力。在图示实施例中压缩单元21包括第一压缩机22和第二压缩机23，且干燥天然气20流过第一压缩机22被压缩。在一个实施例中，第一压缩机22将干燥天然气20的压力从大约54巴升高至大约200-250巴。干燥天然气20的压力可以根据实际应用变化。在一个实施例中，第二压缩机23用来压缩热的天然气60来获得天然气61，且天然气61和干燥的天然气20混合被第一压缩机22压缩。图示实施例仅是非限制的例子，在其他一些实施例中不同的压缩单元和压缩机可被使用。例如加热的天然气60和干燥天然气20可以分别被不同的压缩机压缩，之后在热交换器26中混合。

来自压缩单元21的压缩的天然气62提供给热交换器26，热交换器26冷却压缩的天然气62。热交换器26包括第一通道25和第二通道27。在一个实施例中，热交换器26促进通过第一通道25的流体和通过第二通道27的流体的热交换。第一通道25接收并冷却来自压缩单元21的压缩的天然气24。在一个实施例中，热交换器26将压缩的天然气62从大约45℃冷却至6℃，但不限于此。温度可以在其他实施例中改变。

在其他的一些实施例中，原天然气11可以在提供给热交换器26之前被提纯单元13、干燥单元19和压缩单元21中的一个或多个处理，或者被其他未显示在图1中的其他装置处理。供给的天然气可以是原天然气11、提纯的天然气17、干燥的天然气20或压缩的天然气62。

来自热交换器26的冷却的天然气28提供给第一超音速冷凝器30。第一超音速冷凝器30用来冷凝冷却的天然气28产生液化天然气，且输出液化天然气和冷冻气态天然气。大部分的冷却的天然气28被液化成液化天然气，一小部分冷却的天然气28未被液化且从第一超音速冷凝器30中以气态输出。来自第一超音速冷凝器30的冷冻气态天然气的至少一部分在天然气液化系统100中再循环利用来产生液化天然气。热交换器26的第二通道27接收并加热冷冻气态天然气的再循环部分。

第一超音速冷凝器30包括用来输出冷冻气态天然气的第一部分38的第一出口34和用来输出包括液化天然气和冷冻气态天然气的另一部分的混合流体32的第二出口36。冷冻气态天然气的大部分从第一出口34输出，且冷冻气态天然气的剩余部分混合在液化天然气中从第二出口36输出。天然气液化系统100采用第一超音速冷凝器30代替传统的冷箱来制备液化天然气，第一超音速冷凝器30的尺寸远小于冷箱的尺寸，因此天然气液化系统100更紧凑。

在一个实施例中，天然气液化系统100包括至少一个和第二出口36连通的分离罐，用来从混合流体32中分离出至少一部分冷冻气态天然气。在图示实施例中，第一分离罐40用来从混合流体32中分离出冷冻气态天然气的第二部分42。来自第一分离罐40的分离的天然气44为液化天然气。

在一个实施例中，分离的天然气44提供给和第一分离罐40连通的第一减压装置46，来降低来自第一分离罐40的液化天然气44的压力并输出液化天然气和低压气态天然气的气液混合物48。在一个实施例中，第一减压装置46将分离的液化天然气44的压力从大约60-80巴降到大约1-3巴，但不限于此。天然气44在高压力下，例如大约60-80巴，为液态，然而降压之后部分天然气变为气态，因此从减压装置46输出的流体48为天然气的气液混合流体。减压装置46将液化天然气44的压力降到一般液化天然气存储和运输的压力，例如大约1-3巴。典型地，第一减压装置46为焦耳-汤姆逊阀。

来自第一减压装置46的气液混合物48提供给第二分离罐50。第二分离罐50从来自第一减压装置46的气液混合物48中分离出低压气态天然气54。第二分离罐50输出的流体52全部或基本上为液化天然气且其压力为液化天然气便于存储和运输的压力。从第二分离罐50输出的液化天然气流体52可以为天然气液化系统100的产物，其可存储或提供给下游的系统(未图示)。低压气态天然气54的压力低于冷冻气态天然气的第一部分38和第二部分42。在一个实施例中，冷冻气态天然气的第一部分38和第二部分42的压力为大约60-80巴，且低压气态天然气54的压力为大约1-3巴。

天然气液化系统100包括汇集装置56，用来接收冷冻气态天然气的第一部分38、第二部分42和低压气态天然气54，并且输出相同压力(大约40巴至大约60巴)的冷冻气态天然气的第一部分38、第二部分42和低压气态天然气54的汇合流体58(或称作再循环流体)至热交换器26。在一个实施例中，汇集装置56为射流器，其可利用缩扩喷嘴的文丘里效应。

热交换器26通过与流过第一通道25的气体进行热交换来加热流过第二通道27的再循环流体58。热交换器26通过与流过第二通道27的再循环流体58进行热交换来冷却压缩的天然气62。压缩的天然气62完全通过与第二通道27中的循环流体58进行热交换来冷却至预期的温度，无需其他冷却源或冷却剂。压缩的天然气62获得的冷能基本上等于再循环流体58提供的冷能。在一个实施例中，压缩的天然气62被从大约45℃冷却至大约6℃，且在循环流体58被从大约-15℃加热至大约36℃，但不限于此。

图2所示为另一个实施例的天然气液化系统200的示意图。图2所示的天然气液化系统200类似于图1所示的天然气液化系统100。图2所示的天然气液化系统200区别于图1所示的天然气液化系统100的主要区别将在下面的段落描述。天然气液化系统200的干燥单元219输出的干燥天然气220未压缩提供给热交换器226，其压力可以为，例如，大约54巴。在一个实施例中，图1的第一压缩机22可以省略。热交换器226冷却干燥天然气220至低温，例如大约-35℃，该温度低于图1中对应的温度，例如6℃。

天然气液化系统200包括与热交换器226连通的第三分离罐264，用来接收来自热交换器226的第一通道225的冷却的天然气228并从冷却的天然气228中分离天然气凝液266。来自第三分离罐264的分离后的天然气268提供给第一超音速冷凝器230来产生液化天然气。当原天然气211不包含重烃或包含微量重烃时，第三分离罐264可省略。

天然气液化系统200包括冷却装置270，用来冷却来自第一超音速冷凝器230的至少一部分冷冻气态天然气提供给热交换器226。被冷却装置270冷却的冷凝天然气的一部分包括具有大致相同或接近压力的冷冻气态天然气的第一部分238和第二部分242。在一个实施例中，低压气态天然气254可以被释放，该部分的压力不同于第一部分238和第二部分242的压力。在另一个实施例中，第一部分238、第二部分242和低压气态天然气254可以通过图1中的汇集装置56汇集后被冷却装置270冷却。在图示实施例中，冷却装置270为第二减压装置，典型地为焦耳-汤姆逊阀。第二减压装置可以冷却气体并同时膨胀气体。在一个实施例中，再循环流体258的压力为大约4巴。

来自冷却装置270的再循环流体258提供给热交换器226的第二通道227，被加热至接近干燥天然气220的温度的温度。来自热交换器226的加热的再循环流体260被压缩单元221压缩，并且压缩的再循环流体262循环至干燥天然气220。压缩单元221压缩加热的再循环流体260至接近干燥天然气220的压力的压力。在一个实施例中，第二压缩机223将加热的再循环流体260从大约4巴压缩到大约54巴，该第二压缩机223的设计不同于图1的第二压缩机23。

热交换器226对流过第一通道225的干燥天然气220和压缩的再循环流体262与流过第二通道227的再循环流体258进行热交换来冷却干燥天然气220和压缩的再循环流体262。因此，冷却装置270将冷冻气态天然气的第一部分238和第二部分242冷却至一温度，例如，大约-62℃，该温度低于热交换器226输出的冷却的天然气228的温度，从而保证干燥天然气220和压缩的再循环流体262可以通过与冷冻气态天然气的第一部分238和第二部分242进行热交换而被冷却至预期的温度。

图3所示为另一个实施例的天然气液化系统300的示意图。图3所示的天然气液化系统300类似于图2所示的天然气液化系统200。图3所示的天然气液化系统300区别于图2所示的天然气液化系统200的主要区别是天然气液化系统300的冷却装置372包括膨胀器，用来膨胀和冷却冷冻气态天然气的第一部分338和第二部分334。膨胀器具有与图2的第二减压装置270类似的功能。

图2和图3仅示出了冷却装置的两个例子，但冷却装置可以是其他能够冷却气体的装置。

图4所示为另一个实施例的天然气液化系统400的示意图。图4所示的天然气液化系统400类似于图1所示的天然气液化系统100。图4所示的天然气液化系统400区别于图1所示的天然气液化系统100的主要区别是图4的天然气液化系统400包括第二超音速冷凝器474、第四分离罐475和第三压缩机476。第二超音速冷凝器474用来从供给的天然气中去除天然气凝液478。在图示实施例中，干燥单元419位于第二超音速冷凝器474的上游。包含重烃的干燥天然气420提供给第二超音速冷凝器474。重烃被液化形成天然气凝液478，且天然气凝液478在第二超音速冷凝器474中与干燥天然气420分离。在一个实施例中，一些天然气混合在天然气凝液478中，第四分离罐475从天然气凝液中分离出至少一部分天然气。分离出的天然气479混合至第二超音速冷凝器474输出的天然气流体480中且流入第三压缩机476。

第二超音速冷凝器474的设计可不同于第一超音速冷凝器430。第二超音速冷凝器474的马赫数为1.1-1.6，而第一超音速冷凝器430的马赫数为2-3。天然气流体480和分离出的天然气479的温度为大约2-35℃，压力为大约30-40巴，而第一超音速冷凝器430输出的冷冻气态天然气438的温度为大约-5至0℃，压力大约为60-80巴。

来自第二超音速冷凝器474的天然气流体480的压力低于干燥天然气420的压力。第三压缩机476用来压缩天然气流体480来提供预期压力下(例如大约100巴)的第三压缩流体482至压缩单元421。在一个实施例中，第三压缩机476可以省略，天然气流体480可以被压缩单元421压缩至预期压力，例如大约210巴，给第一超音速冷凝器430。如此本实施例中的单元421可设计得与图1中的压缩单元21不同。

图5所示为另一个实施例的天然气液化系统500的示意图。图5所示的天然气液化系统500类似于图2所示的天然气液化系统200。图5所示的天然气液化系统500区别于图2所示的天然气液化系统200的主要区别是天然气液化气系统500包括第二超音速冷凝器574、第四分离罐575和第三压缩机576，该些装置类似于图4中对应的装置。图5的第二超音速冷凝器574也可用来移除干燥天然气520中的天然气凝液。第四分离罐575可用来从天然气凝液中分离出气态天然气。第三压缩机576用来压缩天然气流体580和分离出的天然气579。

图6所示为另一个实施例的天然气液化系统600的示意图。图6所示的天然气液化系统600类似于图3所示的天然气液化系统300。图6所示的天然气液化系统600区别于图3所示的天然气液化系统300的主要区别是天然气液化气系统600包括第二超音速冷凝器674、第四分离罐675和第三压缩机676，该些装置类似于图4和图5中对应的装置。

在图4至图6的实施例中，第三压缩机476、576、676位于第二超音速冷凝器474、574、674的下游。在另一个实施例中，第三压缩机476、576、676位于第二超音速冷凝器474、574、674的上游来压缩干燥天然气420、520、620，以保证从第二超音速冷凝器474、574、674输出的天然气流体480、580、680的压力可以达到预期压力。

图7所示为另一个实施例的天然气液化系统700的示意图。图7所示的天然气液化系统700类似于图4所示的天然气液化系统400。图7所示的天然气液化系统700区别于图4所示的天然气液化系统400的主要区别是图7的天然气液化系统700的干燥单元719位于第二超音速冷凝器774的下游。第二超音速冷凝器774用来从提纯的天然气717中去除天然气凝液和至少一部分水蒸气778，且输出包含天然气和部分水蒸气的流体786。干燥单元719用来从来自第二超音速冷凝器774的流体786中去除水蒸气，来输出干燥天然气720。本实施例中由于水蒸气部分被第二超音速冷凝器774去除，所以干燥单元719的尺寸可以设计得较小来去除剩余的水蒸气。流体778可包含混合在天然气凝液和去除的水蒸气中的一些天然气，第四分离罐775从流体778中分离出至少一部分天然气。

图7的第二超音速冷凝器774可以设计得和图4的第二超音速冷凝器474不同或大致相同，但不同于第一超音速冷凝器730，以能够去除天然气液和一些水蒸气。在一个实施例中，第二超音速冷凝器774的马赫数为1.1-1.6。在一实施例中，从第二超音速冷凝器774输出的流体786的温度为大约25-35℃，压力为大约35-45巴。在一个实施例中，压缩机可被提供在第二超音速冷凝器774的上游或下游来提高天然气的压力，因为第二超音速冷凝器774会降低流过其中的天然气的压力。

图8所示为另一个实施例的天然气液化系统800的示意图。图8所示的天然气液化系统800类似于图5所示的天然气液化系统500。图8所示的天然气液化系统800区别于图5所示的天然气液化系统500的主要区别是图8的天然气液化系统800的干燥单元819位于第二超音速冷凝器874的下游。图8的第二超音速冷凝器874、第四分离罐875和干燥单元819类似于图7中的对应的装置。

图9所示为另一个实施例的天然气液化系统900的示意图。图9所示的天然气液化系统900类似于图6所示的天然气液化系统600。图9所示的天然气液化系统900区别于图6所示的天然气液化系统600的主要区别是图9的天然气液化系统900的干燥单元919位于第二超音速冷凝器974的下游。图9的第二超音速冷凝器974、第四分离罐975和干燥单元919类似于图7和图8中的对应的装置。

图10所示为一个实施例的天然气液化方法110的流程图。天然气液化方法110包括步骤111-115。步骤111中，冷却供给的天然气来获得冷却的天然气。步骤112中，通过第一超声速冷凝器冷凝冷却的天然气来产生液化天然气，并从第一超声速冷凝器中输出液化天然气和冷冻气态天然气。步骤113中，加热至少一部分冷冻气态天然气来获得加热的天然气。步骤114中，压缩加热的天然气来获得压缩的天然气。步骤115中，压缩的天然气与供给的天然气共同和至少一部分冷冻气态天然气进行热交换而被冷却。压缩的天然气冷却后可再用来产生液化天然气。

图10中的步骤的先后顺序和步骤中的动作的划分并不限于图示的实施例。例如，步骤可以按照不同的顺序执行，一个步骤中的动作可与另一个或多个其他步骤中的动作结合，或拆分成几个子步骤。另外在一些实施例中，方法110之前、过程中和/或之后还可以有一个或多个其他动作。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。