专利名称：一种采用超音速旋流分离器的天然气全液化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天然气的全液化工艺及其设备，尤其涉及一种采用超音速旋流分离器的天然气全液化工艺及其设备，属于天然气液化技术领域。
背景技术：
天然气是一种优质洁净的化石能源，天然气经液化后，其体积约为原来的1/625， 因而便于储存与运输。与管道气相比，液化天然气(LNG)在零散气田、边际气田的开发、煤层气的利用、海上天然气的开发利用和海外天然气的引进方面，有着不可替代的作用。我国虽然大型气田较少，但是小型零散和边缘的气田很多，这些小型气田和边际气田无法承担长输管道的成本。液化天然气因为具有投资小、灵活方便的优点而能够有效的开发零散气田和边际气田的资源。煤层气，俗名瓦斯，是长期困扰煤矿安全生产的严重问题。采用液化的方法实现煤层气的利用，不仅可解决煤矿生产安全问题，还可以改善能源结构，减少污染，并取得良好的经济效益。此外，天然气液化技术在天然气的调峰、利用浮式液化天然气生产储卸平台(即LNG FPS0，也称为FLNG)开发海上天然气资源和海外天然气的引进中也起到了重要的作用。天然气液化技术是整个LNG产业链的第一环，也是十分重要的一环。常规的天然气液化工艺可以分为三类级联式制冷工艺、膨胀机制冷工艺和混合制冷剂循环工艺 (MRC)。级联式制冷工艺因为机组多，流程复杂，设备投资高、维护操作不便因而在七十年代后已经很少采用。常规的天然气液化工艺主要有MRC和膨胀机循环两类。其中MRC工艺虽然能量利用效率很高，但是一般设备较多，在循环中要多次进行气液分离因而流程复杂，且需要控制混合冷剂的配比。而采用膨胀机制冷，虽然流程简单且工艺较少，但是膨胀机的带液膨胀在技术上有较大难度，而且其制冷效率一般比MRC工艺略低。上述两种工艺分别采用了 J-T阀和膨胀机作为制冷元件，均是常规的制冷方式。超音速旋流分离器是一种新型的制冷元件，但通常很难直接膨胀得到使天然气液化的温度，且只能部分液化入口的气体
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发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种天然气全液化工艺，采用超音速旋流分离器代替节流阀以及膨胀机等作为制冷部件，实现了天然气的全部液化。本发明的目的还在于提供一种天然气全液化设备。为达到上述目的，本发明首先提供了一种天然气全液化工艺，其包括以下步骤将经过净化处理的原料天然气输入预冷换热器进行预冷处理；将预冷处理后的天然气输入超音速旋流分离器进行膨胀、部分液化并进行分离， 分离后得到的液化天然气(LNG)输出，气态天然气回流至预冷换热器回收冷量，然后与经过净化处理的原料天然气混合；其中，当原料天然气压力为3_6MPa时，回流的气态天然气先进行压缩处理和空冷处理，然后再与经过净化处理的原料天然气混合，进入预冷换热器进行预冷处理；
当原料天然气压力为400_1200kPa(优选为400_800kPa)时，回流的气态天然气先与经过净化处理的原料天然气混合，然后在进行压缩处理和空冷处理之后，进入预冷换热器进行预冷处理。 本发明所提供天然气全液化工艺是一个整体，在工艺过程中，分离了液化天然气之后会有部分气体天然气回流并与新输入的原料天然气混合，这是一个循环的过程。本发明中所提到的全液化是针对整个工艺的，由于天然气回流的存在，在超音速旋流分离器中被液化的天然气不一定就是全部新输入的原料天然气，但是，从量上来说，新输入的原料天然气与液化后获得的液化天然气是相同的，即液化后获得的液化天然气的量与输入的原料天然气的量相同，这就相当于输入的原料天然气全部被液化了。在本发明提供的天然气全液化工艺中，优选通过单循环单级压缩混合制冷剂循环装置为预冷换热器中的预冷处理提供冷量，在预冷换热器中将天然气(净化后的原料天然气，或者净化后的原料天然气与回流的气态天然气的混合物)预冷至一定温度，然后再将其输送到超音速旋流分离器中实现膨胀、部分液化和分离，在超音速旋流分离器的中间部分可以得到压力约为400-800kPa的液化天然气，其流量与净化后的天然气的流量相同，从而实现了原料天然气的全部液化。在超音速旋流分离器中未被液化的天然气会经过其气体出口离开，并返回预冷换热器回收冷量，然后进一步压缩提高压力并冷却，根据原料天然气压力的高低而决定是在提高压力之前还是在冷却之后与净化后的原料天然气混合，从而实现循环。在本发明提供的天然气全液化工艺中，单循环单级压缩混合制冷剂循环装置中所采用的混合制冷剂可以由甲烷、碳二、碳三和碳五等组成，其组分适合于提供常温至_60°C 的冷量。根据本发明的具体技术方案，优选地，上述混合制冷剂具有以下摩尔百分比组成 甲烷、10-15%，乙烯、18-25%，丙烷、35-45%，异戊烷、22-28% ；所有组成之和为100% ； 更优选地，上述混合制冷剂具有以下摩尔百分比组成甲烷、12. 29%，乙烯、21.5%，丙烷、 40. 95 %，异戊烷、25. 26 %。在上述单循环单级压缩混合制冷剂循环装置中，可以采用以下循环方式混合制冷剂首先进入冷剂压缩机进行单级压缩以提高压力，再由空冷器冷却后进入预冷换热器预冷至_55°C至_65°C，然后经过一个膨胀阀节流降温，节流后的低温低压制冷剂进入预冷换热器提供冷量后返回冷剂压缩机，从而实现混合制冷剂的预冷循环。在本发明提供的天然气全液化工艺中，单循环单级压缩混合制冷剂循环装置中的混合制冷剂的压缩比可以控制为4. 5-7，优选为5. 2-5. 8。对于混合制冷剂的压缩只需要采用单级压缩即可，不需要中间冷却，混合制冷剂的循环过程中也不需要任何的气液分离。在本发明提供的天然气全液化工艺中，优选地，预冷的温度可以控制为-50°C 至-80°C (优选为_55°C至_80°C，更优选为_55°C至_65°C)。将要进入超音速旋流分离器的天然气预冷至上述温度，可以使超音速旋流分离器在高效率区域工作，得到液化率(此处为出口处的液化率，其定义为从超音速旋流分离器出口得到的液体的摩尔流量与分离器进口气体总摩尔流量的比率)为0.15-0. 25的LNG产品。在超音速旋流分离器中实现了气液分离之后，气体天然气通过扩压器减速增压之后进行循环回流，其中，超音速旋流分离器的出口处的气体压力可以控制为入口处气体压力的1/5-1/2，优选为1/4-1/3。回流的气态天然气在回收冷量之后，与净化后的原料天然气混合，其中当原料天然气压力为3_6MPa时，回流的气态天然气先进行压缩处理和空冷处理，然后再与经过净化处理的原料天然气混合，进入预冷换热器进行预冷处理；当原料天然气压力为400-800kPa 时，回流的气态天然气先与经过净化处理的原料天然气混合，然后在进行压缩处理和空冷处理之后，进入预冷换热器进行预冷处理。经过预冷处理之后，气体进入超音速旋流分离器进行下一次的处理。在上述过程中，混合后的气体流量约为净化后的原料天然气流量的 5-7倍。根据本发明的具体技术方案，在上述处理过程中，压缩处理的压缩比可以控制为 2_5(当采用先压缩冷却再混合的处理时，该压缩比指的是回流天然气的压缩比；当采用先混合再压缩冷却的处理时，该压缩比指的是回流天然气与原料天然气混合之后所进行的压缩的压缩比)。该压缩比比较低，因此，仅需要单级压缩就可以，不需要中间冷却，有利于简化流程。本发明还提供了一种用于上述天然气全液化工艺的天然气液化设备，其包括液化系统和预冷系统，其中，液化系统包括一第一压缩机、一第一空冷器、预冷换热器、超音速旋流分离器以及天然气输送管道，预冷换热器中设有第一流道、第二流道、第三流道和第四流道，超音速旋流分离器具有一入口、一气体出口以及一液体出口，并且，第一压缩机、第一空冷器、预冷换热器的第四流道、超音速旋流分离器的入口、超音速旋流分离器的气体出口、预冷换热器的第三流道通过管道相互连接并形成天然气回路；天然气输送管道与预冷换热器的第三流道和第一压缩机之间的管道连通，适用于原料天然气压力较低的情况，或者，天然气输送管道与第一空冷器和预冷换热器的第四流道之间的管道连通，适用于原料天然气压力较高的情况；预冷系统为一单循环单级压缩混合制冷剂循环系统，其包括一第二压缩机、一第二空冷器以及一 J-T阀，并且，第二压缩机、第二空冷器、预冷换热器的第一流道、J-T阀以及预冷换热器的第二流道通过管道相互连接并形成制冷剂回路。本发明所提供的天然气液化工艺及设备采用超音速旋流分离器代替节流阀以及膨胀机作为制冷部件，通过入口气体预冷和出口气体回流再压缩，在保持与MRC工艺相当的能耗水平的情况下实现了天然气的全部液化，并具有流程简单、设备少等优点。在气体的压缩过程不需要中间冷却以及气液分离，也不需要冷剂储罐，避免了大量液态冷剂的储存， 在小型天然气液化装置尤其是浮式液化天然气生产储卸平台中尤为适用。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中图1为实施例1所提供的天然气液化设备的结构示意图；图2为实施例3所提供的天然气液化设备的结构示意图。附图标号说明第一压缩机1第一空冷器2预冷换热器3超音速旋流分离器4天然气输送管道5第二压缩机6第二空冷器7 J-T阀8入口 401气体出口 402液体出口 40具体实施例方式
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为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现参照说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。实施例1本实施例提供了一种天然气液化设备，如图1所示，该天然气液化设备包括一液化系统以及一预冷系统，其中，液化系统包括一第一压缩机1、一第一空冷器2、预冷换热器3、超音速旋流分离器 4以及天然气输送管道5 ；预冷换热器3中由上到下并列的四个流道分别为第一流道、第二流道、第三流道和第四流道；超音速旋流分离器4具有一入口 401、一气体出口 402以及一液体出口 403 ；第一压缩机1、第一空冷器2、预冷换热器3的第四流道、超音速旋流分离器4的入口 401、超音速旋流分离器4的气体出口 402、预冷换热器3的第三流道通过管道相互连接， 形成天然气回路；天然气输送管道5用于输送经过净化的原料天然气，其与预冷换热器3的第三流道与第一压缩机1之间的管道连通；预冷系统为一单循环单级压缩混合制冷剂循环系统，包括一第二压缩机6、第二空冷器7以及一 J-T阀8 ；第二压缩机6、第二空冷器7、预冷换热器3的第一流道、J-T阀8以及预冷换热器 3的第二流道通过管道相互连接，形成制冷机回路。实施例2本实施例提供了一种天然气全液化工艺，其是采用实施例1提供的全液化设备实现的，适用于净化后的原料天然气压力较高的情况，例如原料天然气压力为3-6MPa时，具体包括以下步骤通过天然气输送管道5输入经过净化的原料天然气；使净化后的原料天然气与经过压缩并冷却后的回流的天然气混合(压力控制为 3-6MPa，温度控制为30-45°C )，得到混合气体；使混合气体首先在预冷换热器3的第四流道中作为热流体被预冷，一般预冷到-50至-80°C (优选为-55至-65°C )，然后使预冷后的混合气体通过入口 401进入超音速旋流分离器4，在超音速旋流分离器4的拉伐尔喷管内膨胀至超音速，压力降为 600-1000kPa，温度降低并使一部分气体凝结为液体，液体在旋流分离段与气体分离，中间可能会有少量的液体重新气化，分离得到的液体通过液体出口 403输出，即为LNG产品，这一部分液化气体占混合气体的比例在10-25%之间(摩尔比)，即液化率为0. 1-0. 25，且其流量与净化后的天然气流量相等，得到的LNG产品采用带压储存的方式进行储存，实现天然气的全部液化；在超音速旋流分离器4中未液化的气体经过扩压段，速度降低而压力升高，并从超音速旋流分离器4的气体出口 402离开，其温度仍低于环境温度，一般在-60至-80°C之间，而压力约为入口混合气体的1/2-1/5，这部分气体首先作为冷流体回到预冷换热器3的第三流道中回收冷量，从预冷换热器3出来后利用第一压缩机1将其压缩至超音速旋流分离器3的入口处混合气体的压力，再利用第一空冷器2将其冷却到接近环境温度，然后与净化后的天然气混合(此时两部分气体压力相同)，完成开式循环；为了实现混合气体在预冷换热器3中的预冷，采用简单的单级单压缩MRC循环提供冷量混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷四种组分组成，其摩尔组分为甲烷12. 29%, 乙烯21. 5%、丙烷40. 95%和异戊烷25. 26%。在循环过程中，混合冷剂首先由第二压缩机 6压缩到1200-1800kPa (优选压缩至1400-1600kPa)，然后利用第二空冷器7冷却至接近环境温度的30°C至45°C;冷却后的混合冷剂首先作为热流体进入预冷换热器3的第一流道被预冷至_40°C至60°C (优选为_50°C )，然后通过J-T阀8节流膨胀至200_350kPa (优选为 260-290kPa)，并第二压缩机6的压缩比保持为约4. 5-7 (优选为5. 2-5. 8)；节流后的低温的混合冷剂(一般在-55至-85°C，优选为_70°C )作为冷流体进入预冷换热器3的第二流道提供冷量，从第二流道出来的气态冷剂重新进入第二压缩机6，完成一次混合制冷剂循环并开始新的循环。实施例3本实施例提供了一种天然气液化设备，如图2所示，该天然气液化设备的天然气输送管道5与第一空冷器8与预冷换热器3的第四流道之间的管道连通，其他结构与实施例1提供的天然气液化设备相同。实施例4本实施例提供了一种天然气全液化工艺，其是采用实施例2提供的全液化设备实现的，适用于净化后的原料天然气压力较低的情况，例如原料天然气压力为400-800kPa 时，具体包括以下步骤通过天然气输送管道5输入经过净化的原料天然气；净化后的原料天然气首先与从预冷换热器3第三流道出来的回流天然气混合，得到混合气体；然后利用第一压缩机1将混合气体压缩至3_6MPa，再利用第一空冷器2将其冷却到接近环境温度(温度通常为30-45°C )；冷却后的混合气体首先进入预冷换热器3的第四流道中，作为热流体被预冷到-50 至-80°C (优选为-65°C )；预冷后的混合气体通过入口 401进入超音速旋流分离器4，在超音速旋流分离器4 的拉伐尔喷管内膨胀至超音速，压力降为600-1000kPa，温度降低并使一部分气体凝结为液体，液化的气体在旋流分离段与气体分离，中间可能会有少量的液体重新气化，分离得到的液体通过液体出口 403输出即为LNG产品，这一部分液化气体占混合气体的比例在10-25% 之间，即液化率为0. 1-0. 25，且其流量与净化后的天然气流量相等，得到的LNG产品采用带压储存的方式进行储存，实现天然气的全部液化；在超音速旋流分离器4中未液化的气体经过扩压段，速度降低而压力升高，并从超音速旋流分离器4的气体出口 402离开，其温度仍低于环境温度，一般在-60至-80°C之间，而压力约为入口混合气体的1/2-1/5，这部分气体首先作为冷流体回到预冷换热器3的第三流道中回收冷量，从预冷换热器3出来后利用第一压缩机1将其压缩至超音速旋流分离器4的入口处混合气体的压力，再利用第一空冷器2将其冷却到接近环境温度，然后与净化后的天然气混合(此时两部分气体压力相同)，完成开式循环；为了实现混合气体在预冷换热器中的预冷，采用简单的单级单压缩MRC循环提供
7冷量混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷四种组分组成，其摩尔组分为甲烷12.四％、乙烯21. 5%、丙烷40. 95%和异戊烷25.沈％。在循环过程中，混合冷剂首先由第二压缩机6 压缩到1200-1800kPa (优选压缩至1400-1600kPa)，然后利用第二空冷器7冷却至接近环境温度的30°C至45°C ；冷却后的混合冷剂首先作为热流体进入预冷换热器3的第一流道被预冷至_40°C至60°C (优选为_50°C )，然后通过J-T阀8节流膨胀至200_350kPa (优选为 260-290kPa)，并第二压缩机6的压缩比保持为约4. 5-7 (优选为5. 2-5. 8)；节流后的低温的混合冷剂(一般在巧5至_85°C，优选为_70°C )作为冷流体进入预冷换热器3的第二流道提供冷量，从第二流道出来的气态冷剂重新进入第二压缩机6，完成一次混合制冷剂循环并开始新的循环。 以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种天然气全液化工艺，其包括以下步骤将经过净化处理的原料天然气输入预冷换热器进行预冷处理；将预冷处理后的天然气输入超音速旋流分离器进行膨胀、部分液化并进行分离，分离后得到的液化天然气输出，气态天然气回流至预冷换热器回收冷量，然后与经过净化处理的原料天然气混合；其中，当原料天然气压力为3-6MPa时，回流的气态天然气先进行压缩处理和空冷处理，然后再与经过净化处理的原料天然气混合，进入预冷换热器进行预冷处理；当原料天然气压力为400-1200kPa时，回流的气态天然气先与经过净化处理的原料天然气混合，然后在进行压缩处理和空冷处理之后，进入预冷换热器进行预冷处理。
2.如权利要求1所述的天然气全液化工艺，其中，通过单循环单级压缩混合制冷剂循环装置为所述预冷换热器中的预冷处理提供冷量。
3.如权利要求2所述的天然气全液化工艺，其中，所述单循环单级压缩混合制冷剂循环装置中所采用的混合制冷剂由甲烷、碳二、碳三和碳五组成。
4.如权利要求3所述的天然气全液化工艺，其中，所述混合制冷剂具有以下摩尔百分比组成 甲烷、10-15%，乙烯、18-25%，丙烷、35-45 %，异戊烷、22-28 %，所有组成之和为 100%。
5.如权利要求4所述的天然气全液化工艺，其中，所述混合制冷剂具有以下摩尔百分比组成甲烷、12. 29%，乙烯、21. 5%，丙烷、40. 95%，异戊烷、25. 26%。
6.如权利要求2所述的天然气全液化工艺，其中，控制所述单循环单级压缩混合制冷剂循环装置中的混合制冷剂的压缩比为4. 5-7。
7.如权利要求1或2所述的天然气全液化工艺，其中，控制所述预冷的温度为-50°C 至-80°C。
8.如权利要求1所述的天然气全液化工艺，其中，控制所述压缩处理的压缩比为2-5。
9.如权利要求1所述的天然气全液化工艺，其中，所述超音速旋流分离器的气体出口压力控制为入口压力的1/5-1/2。
10.一种用于权利要求1-9任一项所述的天然气全液化工艺的天然气液化设备，其包括液化系统和预冷系统，其中，所述液化系统包括一第一压缩机、一第一空冷器、预冷换热器、超音速旋流分离器以及天然气输送管道，所述预冷换热器中设有第一流道、第二流道、第三流道和第四流道，所述超音速旋流分离器具有一入口、一气体出口以及一液体出口，并且，所述第一压缩机、第一空冷器、预冷换热器的第四流道、超音速旋流分离器的入口、超音速旋流分离器的气体出口、预冷换热器的第三流道通过管道相互连接并形成天然气回路；所述天然气输送管道与所述预冷换热器的第三流道和所述第一压缩机之间的管道连通， 或者，所述天然气输送管道与所述第一空冷器和所述预冷换热器的第四流道之间的管道连通；所述预冷系统为一单循环单级压缩混合制冷剂循环系统，其包括一第二压缩机、一第二空冷器以及一 J-T阀，并且，所述第二压缩机、第二空冷器、预冷换热器的第一流道、J-T 阀以及预冷换热器的第二流道通过管道相互连接并形成制冷剂回路。
全文摘要
本发明涉及一种采用超音速旋流分离器的天然气全液化工艺。该工艺包括以下步骤将经过净化的原料天然气输入预冷换热器进行预冷；将预冷后的天然气输入超音速旋流分离器进行膨胀、部分液化并进行分离，分离后得到的液化天然气输出，气态天然气回流至预冷换热器回收冷量，然后与经过净化处理的原料天然气混合；其中，当原料天然气压力为3-6MPa时，回流的气态天然气先进行压缩和空冷，然后再与经过净化的原料天然气混合，进入预冷换热器进行预冷；当原料天然气压力为400-1200kPa时，回流的气态天然气先与经过净化的原料天然气混合，然后在进行压缩和空冷之后，进入预冷换热器进行预冷。本发明提供的工艺能够实现天然气的全部液化，并具有流程简单、设备少等优点。
文档编号C10L3/10GK102268309SQ201110201138
公开日2011年12月7日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者孙恒, 舒丹 申请人:中国石油大学(北京)