天然气液化系统和方法与流程

本发明一般地涉及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，有必要提供一种新的系统和方法，用来解决上述问题中的至少一个。

技术实现要素：

一种天然气液化系统包括热交换器和第一超音速冷凝器。所述热交换器设置用来预冷天然气进料流，以获得预冷的天然气流，该热交换器与制冷剂回路耦合，该制冷剂回路使得制冷剂循环起来并产生流经所述热交换器的制冷剂流，该制冷剂流在流经所述热交换器时从流经所述热交换器的所述天然气进料流中吸收热量。所述第一超音速冷凝器设置用来进一步冷却所述预冷的天然气流，来产生液化天然气。

一种液化天然气的方法包括：使得天然气进料流流经热交换器来预冷所述天然气进料流，以获得预冷的天然气流，并通过制冷剂回路使得制冷剂循环起来并产生流经所述热交换器的制冷剂流，该制冷剂流在流经所述热交换器时从流经所述热交换器的所述天然气进料流中吸收热量；及使得所述预冷的天然气流流经第一超音速冷凝器，来进一步冷却所述预冷的天然气流，以产生液化天然气。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的天然气液化系统的示意图。

图2为根据本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图。

图3为根据本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图。

图4为根据本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图。

图5为根据本发明另一个实施例的天然气液化系统的示意图。

图6为根据本发明一个实施例的天然气液化方法的示意图。

具体实施方式

一个或多个本公开的实施例将在下文中进行描述。除非另作定义，在本说明书和权利要求书中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使用的“第一”或者“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。“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。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“具有”、“包括”或“含有”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。“连接”、“联结”或类似词语包括直接或间接连接，包括但限于物理或机械连接。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“约第一数值到第二数值”的表述中，“约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。

“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”或“冷箱”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。

一方面，本发明实施例涉及一种整合了冷箱和至少一个超音速冷凝器的天然气液化系统。与不使用超音速冷凝器而单独使用冷箱相比，所述天然气液化系统可以用更小尺寸的冷箱来获得相同的产能。所述系统也可以整合已有的冷箱和至少一个超音速冷凝器，来使用已有的冷箱并提高能量效率和整体产能。

在一些实施例中，一种天然气液化系统包括冷箱(热交换器)和超音速冷凝器，其中，冷箱设置用来预冷天然气进料流，以获得预冷的天然气流，超音速冷凝器设置用来进一步冷却所述预冷的天然气流来获得液化天然气。所述热交换器与制冷剂回路耦合，该制冷剂回路使得制冷剂循环起来并产生流经所述热交换器的制冷剂流。在所述热交换器中，所述制冷剂流从所述天然气进料流中吸收热量，从而冷却所述天然气进料流。

图1显示了根据本发明一个实施例的天然气液化系统100的示意图。所述系统100包括预处理系统104，该预处理系统104用来接收原料天然气流并对其进行预处理，以获得预处理后的天然气流。具体地，所述系统100包括净化单元101和脱水单元105，净化单元101用来接收原料天然气流102并除去其中的酸性气体和/或其它杂质，脱水单元105用来除去原料天然气流102中的水蒸气。在图示的例子中，净化单元101设置在脱水单元105之前，用来接收所述原料天然气流102并除去其中的酸性气体和/或其他杂质，来获得净化的天然气流103，脱水单元105设置用来接收所述净化的天然气流103并除去其中的水蒸气，来获得预处理后的天然气流107。在其它一些实施例中，所述脱水单元105可设置在所述净化单元101之前。

所述净化单元101可为冷冻蒸馏单元，例如赖安-福尔摩斯(ryan-holmes)处理系统和受控冷冻区蒸馏系统。也可用非冷冻技术和系统，例如暖气处理系统、胺脱硫处理系统来提纯。在一些实施例中，在去除酸性气体的同时，所述净化单元101还可用来去除重烃。所述脱水单元105可用多种除水技术/工艺，例如可用乙二醇干燥法、干燥剂、变压吸附法或其他工艺去除水蒸汽。

来自所述预处理系统104的预处理后的天然气流107可作为天然气进料流，直接输送到后端的装置中进行进一步地处理或液化，或者与循环回来的未液化的天然气混合后再一起作为混合的天然气进料流输送到后端的装置中。

所述系统100进一步包括热交换器120和第一超音速冷凝器140，二者一起将流经其中的天然气液化。可选地，该系统100还可包括一些其它的相关装置，例如，用来从天然气进料流中分离出重烃的分离罐123，用来将未液化的天然气循环回天然气进料流中的回收线路150。具体地，所述热交换器120被设置用来接收所述天然气进料流110并将其预冷，以获得预冷后的天然气流121，比如，预冷到一个足够低的可将重烃液化成天然气凝液的温度。所述预冷后的天然气流121进入分离罐123，分离罐123将其中的天然气凝液分离出来，以获得天然气凝液流125和去除了天然气凝液的天然气流127。天然气凝液流125进入蒸馏装置129并被蒸馏装置129分离为甲烷流131和去除了甲烷的天然气凝液流133。应理解的是，若重烃已经在净化单元101中去除掉了，或者若原料天然气流102中的重烃含量足够低，也可无需设置所述分离罐123和蒸馏装置129。所述去除了天然气凝液的天然气流127被再次通过所述热交换器120并被进一步冷却，比如，被进一步冷却到所述天然气进料的露点(dewpoint)附近的温度，以获得进一步预冷的天然气流135。应理解的是，所述天然气进料流110或所述去除了天然气凝液的天然气流127可两次或多次地通过热交换器120直至达到所需要的温度。所述进一步预冷的天然气流135进入所述第一超音速冷凝器140，且其中的大部分天然气在第一超音速冷凝器140中被液化，获得液化天然气流141。所述液化天然气流141流经减压装置如减压阀143，产生压降，形成压力降低的液化天然气流145。所述流145中含有液化天然气以及在液化天然气流141流经减压阀143时由于闪蒸而产生的少量气态天然气。该流145进入分离罐147中被分离成液化天然气148和气态的天然气流149。所述液化天然气148可直接用作产品，或者，在需要的情况下，也可被进一步处理。所述气态的天然气流149可被输送回原料天然气源中。

在图示的例子中，所述来自第一超音速冷凝器140的未液化天然气151通过所述热交换器120，并被同样通过该热交换器120的更热的天然气和/或制冷剂流加热。来自所述热交换器120的被加热的未液化天然气153进入压缩机155中，被压缩到与所述预处理后的天然气流107的压力相当的压力。然后，来自压缩机155的所述压缩的未液化天然气157与所述预处理后的天然气流107在混合器109中进行混合，获得如前所述的混合的天然气进料流110。这样，所述未液化的天然气通过回收线路150被循环回到天然气进料流中，其中该回收线路150是由所述压缩机155和通过所述热交换器120的管路所形成。籍由所述回收线路150，所述通过热交换器120的未液化的天然气也被用作冷却介质，用来冷却通过所述热交换器120的更热的天然气。

所述热交换器120与一制冷剂回路160耦合，该制冷剂回路160用来使得制冷剂循环起来并产生通过所述热交换器120的制冷剂流。在所述热交换器中，所述制冷剂流从所述天然气进料流110和去除了天然气凝液的天然气流127中吸收热量，从而冷却该天然气进料流110和去除了天然气凝液的天然气流127。所述热交换器120可以是一个新的冷箱或者是一个在现有天然气液化工厂中使用的已有冷箱。

所述制冷器回路160包括存储装置(位于热交换器内部，未图示)、膨胀装置163和压缩装置165。所述存储装置设置用来存储和提供加压液态制冷剂167。所述膨胀装置163设置用来降低所述加压液态制冷剂167的压力，以获得低压液态制冷剂流169。该低压液态制冷剂流169通过所述热交换器120时，吸收来自天然气进料流110中的热量，转变成低压气态制冷剂流171。所述压缩装置165设置用来压缩所述低压气态制冷剂流171，使其返回到加压液态制冷剂的形式，该加压液态制冷剂可与所述加压液态制冷剂167具有相同的压力。取决于具体的需要，所述压缩装置165可包括一个或多个压缩机。在图示的实例中，所述压缩装置165包括四个压缩机173、175、177和179，用来使所述低压气态制冷剂流171的压力逐渐增加。所述制冷剂可以是任何适合于流体循环的冷却介质。在一些实施例中，所述制冷剂即包括氮、甲烷、乙烷、丙烷或它们的组合。

所述第一超音速冷凝器140可以是使用已有超音速分离技术将目标成分(如天然气)从气体混合物中冷凝出来的任何合适的超音速旋流分离器。如图1所示，在图示的例子中，所述第一超音速冷凝器140包括用来接收来自热交换器120的所述进一步预冷的天然气流135的入口、用来输出所述液化天然气流141的第一出口、和用来输出所述未液化天然气151的第二出口。

在所述天然气液化工艺中从天然气中分离出来的酸性气体、甲烷131、天然气凝液133或其它物质可用于其它的系统/工艺中。比如，co2气流可用于提高原油采收率，h2s气流可于克劳斯(二段脱硫)工艺中用来生产硫。

图2显示了根据本发明另一个实施例的天然气液化系统200的示意图。与图1所示的系统100类似地，系统200包括预处理系统204、热交换器220、分离罐223、超音速冷凝器240、以及回收线路250，其中所述预处理系统204包括净化单元201和脱水单元205，所述热交换器220与制冷剂回路260耦合，用来预冷却来自所述预处理系统的天然气进料流，所述分离罐223用来从所述天然气进料流中除去重烃，所述超音速冷凝器240用来从所述被热交换器220预冷的天然气流中获得液化天然气，所述回收线路250用来使未液化的天然气循环回到天然气进料流。与系统100不同地，在系统200中，来自分离罐223的去除了天然气凝液的天然气流227直接进到超音速冷凝器240中进行深冷和液化，且压缩装置265中的压缩机数量为三个，即只包括压缩机273、275和279。系统200的其余部分可与系统100的中相同或相似。

图3显示了与图2所示系统200类似的一种天然气液化系统300的示意图。与系统200中将混合的天然气进料流210直接通过热交换器220不同，在系统300中，通过压缩机311将混合的天然气进料流310压缩到100巴(bar)以上，或进一步地，150巴以上，以获得压缩的天然气进料混合流313，再让该流313通过热交换器320。因此，系统300中的液化工艺可在比系统200更高的压力下进行操作，这有利于减小冷箱的尺寸并提升超音速冷凝器中的液化率。此外，系统200中的蒸溜单元229被省略了，系统300中没有这样一个蒸馏单元，其通过分离罐323从预热的天然气流321中分离出天然气凝液333。系统300中的其余部分可与系统200中的相同或相似。

图4显示了与图2所示系统200类似的一种天然气液化系统400的示意图。与系统200相比，系统400中的预处理系统404增加了压缩机481和超音速冷凝器(第二超音速冷凝器)485。所述第二超音速冷凝器485用来在将天然气流通过热交换器420和超音速冷凝器440(第一超音速冷凝器)之前从该天然气流中去除天然气凝液433。在图示的例子中，所述压缩机481在第二超音速冷凝器485的前端，用来压缩天然气流407以提供一定压力增加，来至少部分地补偿在该天然气流通过第二超音速冷凝器485时可能产生的压降。具体地，所述压缩机481位于所述脱水单元405的后端，设置来压缩来自脱水单元405的天然气流407，以提供达到预期压力的压缩流483。所述第二超音速冷凝器485位于压缩机481后端，设置来从流483中去除天然气凝液，来获得去除了天然气凝液的天然气流487，该天然气流487与未液化的天然气混合形成混合的天然气进料流410。在所述第二超音速冷凝器485中，天然气流中的重烃被液化形成天然气凝液433，并被从天然气流中分离出来。应理解的是，在其他实施例中，所述压缩机481也可设于第二超音速冷凝器485的后端。此外，由于在第二超音速冷凝器485中除去了天然气凝液，不再需要一个类似系统200中的分离罐223的分离罐。因此，在图示的例子中，系统400中来自热交换器420的预冷的天然气流421被直接输入到第一超音速冷凝器440进行深冷和液化。系统400的其余部分可与系统200的相同或相似。

第二超音速冷凝器485可设置成与第一超音速冷凝器440不同。在一些实施例中，第二超音速冷凝器485的马赫数为1.1-1.6，而第一超音速冷凝器440的马赫数为2-3。

图5显示了与图4所示系统400类似的一种天然气液化系统500的示意图。与系统400中将混合的天然气进料流410直接通过热交换器420不同，在系统500中，通过压缩机511将混合的天然气进料流510压缩到100巴以上，或进一步地，150巴以上，以获得压缩的天然气进料混合流513，再让该流513通过热交换器520。因此，系统500中的液化工艺可在比系统400更高的压力下进行操作。系统500中的其余部分可与系统400中的相同或相似。

另一个方面，本发明实施例还涉及一种上述任何一种系统来生产液化天然气的方法。图6显示了根据一个实施例的一种生产液化天然气的方法600的流程图。在方法600的步骤601中，使天然气进料流通过热交换器，并籍由制冷剂回路使得制冷剂循环起来并产生通过所述热交换器的制冷剂流，使得所述制冷剂流从所述天然气进料流中吸收热量，从而预冷所述天然气进料流，获得预冷的天然气流。在方法600的步骤603中，使得所述预冷的天然气流通过第一超音速冷凝器，来冷却所述预冷的天然气流，以产生液化天然气。

在一些实施例中，所述天然气进料流是通过对原料天然气流进行预处理而得到的，所述预处理可包括从原料天然气流中去除酸性气体、水蒸气和重烃中的至少一种。在一些具体的实施例中，通过第二超音速冷凝器将所述重烃从所述原料天然气流中分离去除，并对所述原料天然气进行压缩以提供一定的压力增加，来补偿在所述原料天然气通过所述第二超音速冷凝器时可能产生的压降。在一些具体的实施例中，在所述预冷的天然气流被所述第二超音速冷凝器进一步冷却之前，通过一个设置于所述热交换器后端的分离罐来将所述重烃从所述预冷的天然气流分离。

在一些实施例中，所述天然气进料流在通过所述热交换器之前被压缩至高于100巴，或者是高于150巴的压力，这样，随后的冷却和液化过程可在一个相对较高的压力下操作，从而可以进一步降低冷箱的尺寸和提升超音速冷凝器中的液化率。

在一些实施例中，所述天然气进料流被所述热交换器预冷至其露点。在一些实施例中，所述天然气进料流在进入所述第一超音速冷凝器之前两次或更多次地通过所述热交换器，直至达到所需的温度(如，达到所述天然气进料流的露点温度)。在一些实施例中，天然气进料流第一次进入所述热交换器时的温度和从所述第一超音速冷凝器出来的液化天然气流的温度之间的温差(温度下降)的至少50％是在所述热交换器中的预冷所造成的。

在一些实施例中，通过回收线路将来自所述第一超音速冷凝器的未液化天然气循环回天然气进料流中，作为天然气进料流的一部分。所述回收线路包括管路和压缩机，其中，所述管路通过所述热交换器并使得其内的未液化天然气被所述热交换器加热，所述压缩机用来压缩来自所述管路的未液化天然气。

实例1

在实例1中，使用了一种类似系统100的系统来从原料天然气生产液化天然气。对原料天然气进行预处理，获得温度在约25到45摄氏度的范围，压力在约50到100巴的范围的天然气进料流，然后将其通过热交换器，预冷至约-45到-70摄氏度之间的范围，从其中分离出天然气凝液，然后将其再次通过所述热交换器，进一步冷却至约-70到-100摄氏度的范围，再输送到超音速冷凝器中。设置于所述超音速冷凝器后端的减压阀获得温度在约-140到-160摄氏度，压力在约1到3巴的液化天然气，从所述超音速冷凝器中还得到温度在约-70到10摄氏度(或-30到10摄氏度)的范围，压力在约5到15巴的未液化天然气流。所述未液化天然气被所述热交换器加热并被压缩机压缩至接近所述天然气进料流的温度和压力，然后与所述天然气进料流混合。

实例2

在实例2中，使用了一种类似系统200的系统来从原料天然气生产液化天然气。对原料天然气进行预处理，获得温度在约25到45摄氏度的范围，压力在约50到100巴的范围的天然气进料流，然后将其通过热交换器，预冷至约-45到-70摄氏度之间的范围，从其中分离出天然气凝液，再输送到超音速冷凝器中。设置于所述超音速冷凝器后端的减压阀获得温度在约-140到-160摄氏度，压力在约1到3巴的液化天然气，从所述超音速冷凝器中还得到温度在约-70到10摄氏度(或-30到10摄氏度)的范围，压力在约5到15巴的未液化天然气流。所述未液化天然气被所述热交换器加热并被压缩机压缩至接近所述天然气进料流的温度和压力，然后与所述天然气进料流混合。

实例3

在实例3中，使用了一种类似系统300的系统来从原料天然气生产液化天然气。对原料天然气进行预处理，获得温度在约25到45摄氏度的范围，压力在约50到100巴的范围的天然气进料流，然后将所述天然气进料流压缩到高于100巴，或进一步地，高于150巴的压力，以获得压缩的天然气进料流，然后使其通过热交换器，预冷至约-45到-70摄氏度之间的范围，从其中分离出天然气凝液，再输送到超音速冷凝器中。设置于所述超音速冷凝器后端的减压阀获得温度在约-140到-160摄氏度，压力在约1到3巴的液化天然气，从所述超音速冷凝器中还得到温度在约-70到10摄氏度(或-30到10摄氏度)的范围，压力在约15到30巴的未液化天然气流。所述未液化天然气被所述热交换器加热并被压缩机压缩至接近所述天然气进料流的温度和压力，然后与所述天然气进料流混合。

实例4

在实例4中，使用了一种类似系统400的系统来从原料天然气生产液化天然气。用户净化单元和脱水单元对原料天然气进行预处理，去除其中的酸性气体和水，获得温度在约25到45摄氏度的范围，压力在约50到100巴的范围的天然气进料流，然后将其输送至第二超音速冷凝器，在约-45到-75摄氏度的温度下分离出除天然气凝液，再使天然气流使其通过热交换器，预冷至约-70到-100摄氏度之间的范围，再输送到第一超音速冷凝器中。设置于所述第一超音速冷凝器后端的减压阀获得温度在约-140到-160摄氏度，压力在约1到3巴的液化天然气，从所述超音速冷凝器中还得到温度在约-70到10摄氏度(或-30到10摄氏度)的范围，压力在约15到30巴的未液化天然气流。所述未液化天然气被所述热交换器加热并被压缩机压缩至接近所述天然气进料流的温度和压力，然后与所述天然气进料流混合。

在上述各实例中，在至少一个超音速冷凝器的帮助下，可减少所述热交换器(可为已有的冷箱)的任务，从而减小其尺寸。模拟结果显示，上述不同实例中热交换器至少实现了40％的尺寸减小。

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，对本发明可以做出许多修改和变型。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。