专利名称：具有多个膨胀器的混合气体液化循环的制作方法
背景技术：
气体液化是通过由一个或多个循环制冷系统提供的多股制冷剂流对原料气流进行冷却和冷凝而实现。通过不同的冷却工艺循环，比如众所周知的由三个不同的制冷剂回路提供制冷的阶式循环，实现原料气体的冷却。在液化天然气的过程中，例如，可以采用具有顺次的甲烷、乙烯和丙烷循环的阶式制冷系统，在三个不同温度水平上制冷。另一种公知的制冷循环采用的是丙烷预冷却的、混合制冷剂循环，其中多组分制冷剂混合物在选定的温度范围进行制冷。所述混合的制冷剂可以包含烃，比如甲烷、乙烷、丙烷和其它轻质烃，还可以含有氮。在全世界的许多处于运行状态的液化天然气(LNG)工厂中，这种高效制冷系统的版本都得到了应用。
另一种用于天然气液化的制冷工艺采用了气体膨胀循环，其中，制冷剂气体比如氮气被压缩并用空气或水冷却到环境条件，然后通过和冷的低压氮气进行逆流换热而进一步冷却。随后，所述冷却的氮流通过涡轮膨胀器做功膨胀，生成所述冷的低压氮气，所述氮气被用于冷却所述天然气原料以及所述压缩的氮流。氮膨胀产生的功可用来驱动和所述膨胀器的轴相连的氮增压压缩机。在这种工艺中，所述冷的、膨胀的氮可用以在同一换热器中液化天然气并冷却所述压缩的氮气。所述冷却的压缩的氮气在做功膨胀步骤进一步冷却，以提供所述冷的氮制冷剂。
集成制冷系统可用于气体液化，其中由一个或多个蒸气再压缩循环提供气体从室温到中间温度的冷却，而由所述中间温度到最终液化温度的冷却由气体膨胀循环提供。在德国专利DE 2440215、美国专利No.5768912、6062041、6308531B1和6446465B1中，公开了这些组合液化循环的例子。
在DE 2440215、美国专利No.5768912和6446465B1描述的工艺中，来自气体膨胀循环的原料气和压缩的制冷剂气体由冷的、做功膨胀后的制冷剂所提供的制冷作用在公用换热器中一起冷却。在美国专利No.6308531 B1公开的可替换方法中，来自气体膨胀循环的原料气和压缩的制冷剂气体由冷的、做功膨胀后的制冷剂所提供的制冷作用在单独的换热器中冷却。在这种方法中，来自蒸气再压缩循环的辅助制冷作用被用于在气体膨胀循环中辅助冷却所述压缩的制冷剂气体。这可以通过使来自蒸气再压缩循环的冷却剂流流经冷却所述压缩的制冷剂气体的换热器而实现。可替换地，气体膨胀循环的部分压缩冷却剂气体可以通过蒸气再压缩循环换热器中的制冷剂的汽化而冷却，从而提供辅助制冷作用。
天然气的液化是极其耗费能量的工艺。人们迫切希望提高采用了组合式蒸气再压缩和气体膨胀制冷循环的气体液化工艺的效率和操作灵活性，而且这正是气体液化领域中正在开发的新循环的目标之一。本发明的实施方案解决了这个需求，方法是在气体膨胀循环中提供多个膨胀器，以减少或消除在蒸气再压缩和气体膨胀循环之间平衡制冷能力的需要，同时使原料气和压缩的气体膨胀制冷剂在单独的换热器中冷却，还使得蒸气再压缩和气体膨胀循环独立进行。
发明简述在本发明的一个实施方案中，用于气体液化的方法包括在第一换热区通过和第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂流间接换热从而冷却原料气体，以及从所述第一换热区抽取基本液化的流。所述基本液化的流在第二换热区通过和第二制冷系统提供的一股或多股做功膨胀后的制冷剂流间接换热而被进一步冷却，并从所述第二换热区抽取进一步冷却的、基本液化的流。在所述第二制冷系统中做功膨胀两股或多股冷却的压缩的制冷剂流，以在第二换热区提供所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的至少之一。
所述第二制冷系统的操作包括下列步骤压缩一种或多种制冷剂气体，以提供压缩的制冷剂流；在第三换热区冷却全部或部分所述压缩的制冷剂流，以提供冷却的、压缩的制冷剂流；和使所述冷却的、压缩的制冷剂流做功膨胀，以提供所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的之一。在第二换热区里的做功膨胀后的制冷剂流的流速小于在所述第三换热器中的所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的总流速。
通常情况下，在所述第三换热区不发生原料气或所述冷却的原料流的冷却。在所述第三换热区中冷却的压缩的制冷剂流的流速可以小于在所述第三换热区中加热的一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的总流速。通常情况下，所述第一制冷系统和所述第二制冷系统独立操作。
原料气在所述第一换热区中的冷却可以受到包括下列步骤的方法实现压缩和冷却含有一种或多种组分的制冷剂气体以提供冷却的并且至少部分冷凝的制冷剂，降低所述冷却的并且至少部分冷凝的制冷剂的压力以提供汽化的制冷剂，和通过在所述第一换热区和所述汽化的制冷剂间接换热来冷却原料气以提供基本液化的流和制冷剂气体。原料气在进入所述第一换热区之前可以通过和第二汽化的制冷剂间接换热而冷却。所述制冷剂气体在压缩后的至少部分冷却可以由和第二汽化制冷剂间接换热提供。
所述压缩的制冷剂气体的第一部分可以在所述第三换热区中冷却，所述压缩的制冷剂气体的第二部分可以在所述第三换热区中冷却、做功膨胀和加热以在其中提供用于冷却所述压缩的制冷剂气体的第一部分的制冷能力。
在可替换的实施方案中，所述压缩的制冷剂气体可以在所述第三换热区中冷却和做功膨胀以提供第一做功膨胀后的制冷剂，所述第一做功膨胀后的制冷剂可以分成第一和第二冷却的制冷剂，所述第一冷却的制冷剂可以在所述第三换热区中加热以在其中提供用于冷却所述压缩的制冷剂气体的制冷能力，所述第二冷却的制冷剂可以进一步冷却和做功膨胀以提供第二做功膨胀后的制冷剂，和所述第二做功膨胀后的制冷剂可以在所述第二换热区中加热以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的制冷能力。
在另一实施方案中，所述压缩的制冷剂气体的第一部分可以在所述第三换热区中冷却，并做功膨胀以提供第一做功膨胀后的制冷剂，所述压缩的制冷剂气体的第二部分可以通过和第三制冷系统提供的汽化制冷剂间接换热而冷却，并做功膨胀以提供第二做功膨胀后的制冷剂，以及所述第一和第二做功膨胀后的制冷剂可以在所述第二换热器中加热以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的制冷能力。
在另一可替换实施方案中，所述压缩的制冷剂气体在所述第三换热区中冷却以提供冷却的压缩的制冷剂气体，而且其中所述冷却的压缩的制冷剂气体的一部分可以做功膨胀并在所述第二换热区中加热，以在其中提供对来自所述第一换热区的所述基本液化的流的冷却。
所述第二制冷系统可以根据第一可替换的实施方案由包括下列步骤的方法操作(d)压缩第一制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的制冷剂，在所述第二换热区加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂以提供用于在其中冷却所述冷却的原料流的制冷能力，和从中抽取中间制冷剂；(f)通过和汽化制冷剂间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂，和将所述做功膨胀后的第二制冷剂和所述中间制冷剂合并在一起以提供组合的中间制冷剂；和(g)在所述第三换热区中加热所述组合的中间制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的冷却能力，和从中抽取热制冷剂以提供所述第一制冷剂气体。
所述第二制冷系统可以根据第二可替换的实施方案由包括下列步骤的方法操作(d)压缩第一制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体；(e)在所述第三换热区冷却所述压缩的制冷剂气体以提供冷却的压缩的制冷剂，和将所述冷却的压缩的制冷剂分成第一和第二冷却的压缩的制冷剂；(f)在所述第三换热区中进一步冷却所述第一冷却的压缩的制冷剂以提供第一进一步冷却的制冷剂；(g)使所述第一进一步冷却的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第一制冷剂，和使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂；(h)在所述第二换热区中加热所述第一做功膨胀后的制冷剂和第二做功膨胀后的制冷剂，以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的制冷能力，和从所述第二换热区抽取组合的中间制冷剂；和
(i)在所述第三换热区加热所述组合的中间制冷剂以在其中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体。
在第三可替换的实施方案中，所述第二制冷系统可以由包括下列步骤的方法操作(d)在多级制冷剂压缩器中压缩第一制冷剂气体和第二制冷剂气体以提供压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，和使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于第一压力的冷的做功膨胀后的制冷剂，和在所述第二换热区加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的冷却能力，和从所述第二换热区抽取中间制冷剂；(f)通过和汽化制冷剂间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于比所述第一压力大的第二压力的做功膨胀后的第二制冷剂，在所述第三换热区中加热所述做功膨胀后的第二制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第二制冷剂气体；(g)在所述第三换热区加热所述中间制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体；和(h)将所述第一制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的第一阶段，和引入所述第二制冷剂气体到所述多级制冷剂压缩器的中间阶段。
所述第二制冷系统可以根据第四可替换实施方案操作，包括(d)压缩制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，和使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供第一做功膨胀后的制冷剂；
(f)在所述第二换热区中冷却所述第一做功膨胀后的制冷剂以提供冷却的第一做功膨胀后的制冷剂，使所述冷却的第一做功膨胀后的制冷剂做功膨胀以提供冷却的做功膨胀后的制冷剂，在所述第二换热区加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的冷却能力，和从所述第二换热区抽取中间制冷剂；(g)通过和汽化冷却剂间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂，以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂，和将所述做功膨胀后的第二制冷剂和所述中间制冷剂合并在一起以提供组合制冷剂；和(h)在所述第三换热区中加热所述组合制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取所述第一制冷剂气体。
在第五可替换的实施方案中，所述第二制冷系统可以由包括下列步骤的方法操作(d)在多级制冷剂压缩器中压缩第一制冷剂气体和第二制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体；(e)在所述第三换热区中冷却所述压缩的制冷剂气体以提供第一冷却的压缩的制冷剂，使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于第一压力的第一冷的做功膨胀后的制冷剂，和将所述第一冷的做功膨胀后的制冷剂分成第一和第二冷制冷剂；(f)在所述第三换热区中加热所述第一冷制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的冷却能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第二制冷剂气体；(g)在所述第二换热区中冷却所述第二冷制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于比所述第一压力小的第二压力的第二做功膨胀后的制冷剂；(h)在所述第二换热区中加热所述第二做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的基本液化的流的制冷能力，并提供用于在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体；和(i)将所述第一制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的第一阶段，和将所述第二制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的中间阶段。
所述第二制冷系统可以根据第六可替换的实施方案操作，包括(d)压缩制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，和使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的第一制冷剂，在所述第二换热区中加热所述冷的做功膨胀后的第一制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的制冷能力，和在所述第二换热区中形成部分加热的制冷剂；(f)通过和汽化制冷剂的间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂以提供中间冷却的制冷剂，进一步在所述第三换热区中冷却所述中间冷却的制冷剂以提供冷却的第二压缩的制冷剂，和使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂；(g)将所述冷的做功膨胀后的第二制冷剂和所述部分加热的制冷剂合并在一起以提供组合的中间制冷剂，在所述第二换热区中加热所述组合中间制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的辅助制冷能力，和从所述第二换热区中抽取部分加热的制冷剂；和(h)在所述第三换热区中加热所述部分加热的制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂和第二压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体。
在该第六实施方案中，辅助制冷能力可以通过在其中加热在所述第一制冷系统中提供的所述一股或多股制冷剂的一部分而提供给所述第三换热区。辅助制冷能力可以通过在其中加热在所述第二制冷系统中提供的所述中间冷却的制冷剂的一部分而提供给所述第一换热区。
所述第二制冷系统可以根据第七可替换的实施方案操作，包括(d)在多级制冷剂压缩器中压缩第一制冷剂气体和第二制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体；(e)在所述第三换热区中冷却所述压缩的制冷剂气体以提供冷却的压缩的制冷剂，和将所述冷却的压缩的制冷剂分成第一和第二冷却的制冷剂；(f)使所述第一冷却的制冷剂做功膨胀以提供处于第一压力的第一做功膨胀后的制冷剂，在所述第二换热区中加热所述第一做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的制冷能力和提供用于在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第二制冷剂气体；(g)在所述第二换热区中冷却所述第二冷却的制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于比所述第一压力小的第二压力的第二做功膨胀后的制冷剂；(h)加热所述第二做功膨胀后的制冷剂以在所述第二换热区中提供用于冷却所述冷却的原料流的制冷能力，和在所述第三换热区中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体；和(i)将所述第一制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的第一阶段，和将所述第二制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的中间阶段。
在所有实施方案中，原料气可以包括天然气。在所有实施方案中，所述在第一制冷系统中提供的一股或多股制冷剂可以选自氮、含有一个或多个碳原子的烃、和含有一个或多个碳原子的卤代烃。另外，在所有实施方案中，在所述第二制冷系统中的所述制冷剂气体可以包括一种或多种选自氮、氩、甲烷、乙烷和丙烷的组分。
在另一工艺实施方案中，所述用于气体液化的方法包括(a)在第一换热区通过和第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热来冷却原料流，以及从所述第一换热区抽取基本液化的流；和(b)在第二换热区通过和冷的做功膨胀后的制冷剂间接换热进一步冷却所述基本液化的流，并从中抽取进一步冷却的、基本液化的流；和其中所述冷的做功膨胀后的制冷剂在包括至少两个制冷环路的所述第二制冷系统中由包括下列步骤的方法提供(1)在第一制冷环路中压缩制冷剂气体，以提供压缩的制冷剂气体；(2)在第三换热区冷却所述压缩的制冷剂气体以提供冷却的压缩的制冷剂气体，其中部分所述冷却通过汽化由第二制冷环路提供的多组分制冷剂而提供在其中；(3)所述冷却的、压缩的制冷剂气体做功膨胀，以提供冷的做功膨胀后的制冷剂；和(4)在所述第二换热区中加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂，以在所述第二换热区提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的流的制冷能力和在所述第三换热区提供用于冷却所述压缩的制冷剂气体的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述制冷剂气体。
通常情况下，在所述第三换热区不发生原料气或所述冷却的原料流的冷却。
本发明还提供用于气体液化的方法，包括(a)在第一换热区通过和第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热来冷却原料气体，从而提供冷却的原料流；和(b)在第二换热区通过和第二制冷系统提供的做功膨胀后的制冷剂间接换热进一步冷却所述冷却的原料流，并从所述第二换热区抽取进一步冷却的流；所述第二制冷系统的操作包括下列步骤(1)压缩制冷剂气体以提供压缩的制冷剂；(2)冷却所述压缩的制冷剂以提供冷却的压缩的制冷剂；(3)所述冷却的、压缩的制冷剂做功膨胀，以提供做功膨胀后的制冷剂；其中用于冷却所述压缩的制冷剂的制冷能力部分由在第三换热区中和来自所述第二换热区的做功膨胀后的制冷剂间接换热而提供，部分由所述第一制冷系统提供的平衡制冷提供；通过冷却和做功膨胀所述压缩的制冷剂的一部分以提供辅助的做功膨胀后的制冷剂，降低或去除了对所述平衡制冷的需求，而且所述辅助的做功膨胀后的制冷剂用于向所述第三换热区提供辅助的制冷能力。
本发明的实施方案可以在用于气体液化的系统中实施，所述系统包括(a)第一制冷系统和用于通过和所述第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热而冷却原料气以提供基本液化的流的第一换热装置；(b)第二制冷系统和用于通过和所述第二制冷系统提供的一股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂间接换热而进一步冷却所述基本液化的流以提供进一步冷却的、基本液化的流的第二换热装置；(c)用于压缩一股或多股制冷剂气流的气体压缩装置，和用于冷却所述第二制冷系统的一股或多股压缩的制冷剂气流的第三换热装置；(d)用于使所述第二制冷系统的冷却的压缩的制冷剂气流做功膨胀以提供两股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂流的两个或多个膨胀器；和(e)用于将所述两股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂流从所述两个或多个膨胀器传输到所述第二换热装置以及传输到所述第二或第三换热装置的管道装置。
在该系统中，所述第三换热装置通常不用于冷却原料气或所述冷却的原料流。该系统还可以包括用于冷却所述第二制冷系统的所述一股或多股压缩的制冷剂气流的至少之一的第三制冷系统。所述第三制冷系统可以用于在所述原料气进入所述第一换热装置之前对其进行冷却。
用于气体液化的可替换的系统，包括(a)第一制冷系统和用于通过和所述第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热而冷却原料气以提供基本液化的流的第一换热装置；(b)第二制冷系统和用于通过和所述第二制冷系统提供的一股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂间接换热而进一步冷却所述基本液化的流以提供进一步冷却的、基本液化的流的第二换热装置；(c)用于压缩制冷剂气流的气体压缩装置，和用于冷却一股或多股压缩的制冷剂流的第三换热装置；(d)用以向所述第三换热装置提供辅助制冷能力的第三制冷系统；(e)用于使所述第二制冷系统中的冷却的压缩的制冷剂流做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的制冷剂流的膨胀器；和
(f)用于将所述冷的做功膨胀后的制冷剂流从所述膨胀器传输到所述第二换热装置的管道装置。
通常，所述第三换热装置不用于冷却所述原料气或所述冷却的原料流。
附图简述下面的描述仅仅是举例说明，并参考了本发明目前优选的实施方案的附图。在附图中
图1是根据本发明实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且排出流具有相似压力；图2是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且排出流具有相似压力；图3是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且排出流具有不同压力；图4是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了三个气体膨胀器，并且排出流具有相似压力；图5是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且排出流具有不同压力；图6是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且具有相似压力的排出流和平衡制冷流；图7是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且具有相似压力的排出流和平衡制冷流；图8是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了两个气体膨胀器，并且排出流具有不同压力；和图9是根据本发明另一实施方案的气体液化工艺的示意流程图，采用了单个气体膨胀器和两个蒸气再压缩制冷循环。
发明详述本发明的实施方案在气体膨胀制冷系统中采用多个膨胀器用于低温冷却已经基本上液化的原料气，而且可以用来有利地低温冷却液化的天然气流。通过和换热装置中的两种或多种制冷剂组分或者包含两种或多种组分的多组分制冷剂进行换热，原料气可以基本液化，其中所述换热装置和用于对已经基本液化后的所述原料气进行低温冷却的换热装置是独立的。针对每种职能采用独立的换热装置，使得气体膨胀制冷系统和蒸气再压缩制冷系统可以进行最优化设计，其中所述气体膨胀制冷系统主要利用蒸气(vapor)制冷剂流，而蒸气再压缩制冷系统采用一种或多种汽化(vaporizing)制冷剂流。对于将所述气体膨胀制冷系统装配到现有的气体液化装备的情况而言，独立的装置项也可能是有利的。
制冷系统被定义为一个或多个闭路制冷环路或循环；在每一环路或循环中，制冷剂被压缩、减压和加热，通过间接传热到一股或多股被冷却的过程流而提供制冷。制冷剂可以是纯组分或者两种或多种组分的混合物。在蒸气再压缩制冷环路或循环中，制冷剂蒸气被压缩、冷却、完全或近乎完全冷凝、减压和蒸气化，以提供制冷，以及所述蒸气被再压缩，从而完成该环路或循环。在气体膨胀制冷环路或循环中，制冷剂气体被压缩、冷却、做功膨胀、加热，以提供制冷，并被压缩从而完成该环路或循环。所述做功膨胀后的制冷剂可以是单相气体，或者可以主要是气体以及少量液体；所述做功膨胀后的制冷剂可以含有0-20摩尔％液体。
当所述流体的加热曲线和冷却曲线在整个长度上互相接近时，制冷循环获得了高的热力学效率。当气体膨胀器制冷系统采用和汽化制冷剂系统换热装置独立的换热装置时，冷却的高压气体向膨胀器的流动和从所述膨胀器返回的热低压气体的流动相同。由于所述气体在所述两个压力水平的热容量有差异，加热曲线和冷却曲线在其整个长度上不能保持平行。为了调整这个差异，通常在液化换热器和在同一温度水平操作的气体膨胀换热器的一部分之间，采用制冷平衡流。这样通过使加热曲线和制冷曲线更接近平行，提高了工艺的效率，但是缺点在于气体膨胀和蒸气再压缩制冷系统不再互相独立。
前面引用的美国专利No.6308531描述了一种液化循环，其中原料气，优选天然气，的冷却、液化和低温冷却采用两个制冷系统来完成。较热的制冷系统采用二阶式蒸气再压缩循环，比如丙烷和混合的制冷剂循环或者两个混合的制冷剂循环。最冷的制冷通过气体膨胀制冷系统提供，优选采用氮作为工作流体。美国专利No.6308531的图1示出了单一膨胀器制冷系统，其中在较热的气体膨胀换热器中采用了混合制冷剂平衡流。该专利的图2显示出部分高压氮气正在混合制冷剂换热器中冷却，以此作为替换手段在所述气体膨胀换热器中实现制冷平衡。本发明使得气体膨胀制冷系统从所述混合制冷剂蒸气再压缩制冷环路中完全独立出来，同时不牺牲热力学效率。这优选通过在所述气体膨胀制冷系统中采用两个或多个膨胀器而实现，采用两个或多个膨胀器减少或消除了在混合制冷剂换热器和气体膨胀换热器之间保持制冷平衡的需要。
在本公开中，制冷系统定义为这种系统，它包括和一个或多个合适的换热器一起使用的一个或多个制冷环路，以通过和所述一个或多个制冷环路提供的一种或多种制冷剂发生间接换热，冷却一股或多股过程流。制冷环路是这样的制冷剂回路，其中制冷剂气体被压缩、冷却、减压、和在一个或多个换热器中加热，从而通过间接换热冷却一股或多股过程流。正加热的制冷剂可以是单相或两相流体。加热后的制冷剂气体经过压缩，以完成所述环路。单一制冷环路可以包括专用压缩机，或者可替换地多个制冷环路可以包括公用压缩机，其中所述压缩的制冷剂气体被分开并循环通过处于不同压力的多个制冷环路。换热器定义为在一股或多股热流和一股或多股冷流之间实现间接换热的设备，其中所述热流和冷流互相物理分离。换热区可以包括一个或多个换热器，或者可替换地可以包括换热器的一部分。
已经发现，可以在所述气体膨胀制冷系统中设置第二膨胀器，以使对平衡流的需求最小化以及在优选实施方案中消除该需求，同时对所述工艺的热力学效率没有负面影响。设置第二小型膨胀器，使其吸入较热的气体并将其膨胀到中间温度水平。该膨胀的中间温度流在所述冷膨胀气体已经完成了大部分LNG低温冷却职能后，加入到或补充到从所述冷膨胀器返回的低压气体中。所述中间温度的膨胀气体代替了热气体膨胀换热器中的混合制冷平衡流。在所述气体膨胀制冷系统中还可以采用第二膨胀器，以进一步提高工艺效率。通常，采用多个膨胀器通过提供比单一膨胀器制冷剂加热曲线更接近制冷剂冷却曲线的制冷剂加热曲线，提高了所述气体膨胀制冷系统的效率。
在另一实施方案中，压缩的制冷剂气体采用独立的混合制冷剂蒸气再压缩系统进行预冷却，取消了热膨胀器。所述混合的制冷剂系统和所述第一制冷系统分离，其还使得气体膨胀制冷系统可以完全独立于所述第一制冷系统，其中所述第一制冷系统用于提供冷却以及基本液化原料气流所需的制冷能力。
在本发明的一个实施方案中，在提供制冷的气体膨胀制冷系统中集成了多个膨胀器，以对已经被第一制冷系统基本液化的原料气进行低温冷却。这样使得所述气体膨胀制冷系统和提供较热制冷的制冷系统分离。所得的装置构造增加了制冷循环的热力学效率，并使得每个制冷系统的换热装置可以进行最优化设计。当气体膨胀制冷系统作为工厂的去瓶颈或扩展工程的部分加入时，制冷系统的分离也使得设计更加有效。
第一制冷系统提供了基本液化原料气所需的制冷能力的至少一部分，可以在一个或多个制冷环路或蒸气再压缩循环中采用两种或多种制冷剂组分。第二制冷系统提供了使所述至少部分液化的原料气低温冷却所需的制冷能力的至少部分，它利用了压缩的制冷剂气体或气体混合物在至少两个膨胀器中的做功膨胀。所述多个膨胀器在不止一个温度水平上进行制冷，所述压缩的制冷剂气体先冷却，然后在一个或多个换热器中或不冷却原料气流的换热器部分中膨胀。
在本发明的可替换实施方案中，所述气体膨胀制冷系统中的压缩的制冷剂气体采用独立的第三制冷系统进行预冷却，而且仅仅要求一个膨胀器。所述独立的第三制冷系统和所述第一制冷系统分离，还使得气体膨胀制冷系统可以完全独立于所述第一制冷系统，其中所述第一制冷系统提供了冷却以及至少部分液化原料气流所需的制冷能力。
采用一种或多种制冷剂组分的任何类型的第一制冷系统可用于提供冷却以及基本液化所述原料气流所需的高水平和中等水平的制冷。所述一种或多种制冷剂组分可用于一个或多个制冷环路或蒸气再压缩循环中。例如，所述第一制冷系统可以仅仅采用包含两种或多种制冷剂组分的汽化混合制冷剂的环路。任选地，所述第一制冷系统还可以包括第二制冷环路，该环路采用了汽化单一组分制冷剂或者含有两种或多种制冷剂组分的汽化混合制冷剂。可替换地，所述第一制冷系统的第一和第二制冷环路可以采用汽化单一组分制冷剂或者包含两种或多种组分的汽化混合制冷剂或者单一和混合制冷剂的任意组合。这两个制冷环路之一或全部可以采用在不止一个压力水平下汽化的制冷剂，而且可以包括例如阶式制冷环路。该工艺和用于提供冷却和基本液化原料气流所需的制冷能力的第一制冷系统的构造无关。
第一制冷系统中的制冷剂可以包括一种或多种选自氮、含一个或多个碳原子的烃、和含有一个或多个碳原子的卤代烃的组分。典型的烃制冷剂包括甲烷、乙烷、异丙烷、丙烷、异丁烷、丁烷、戊烷和异戊烷。代表性的卤代烃制冷剂包括R22、R23、R32、R134a和R410a。第二制冷剂系统，即气体膨胀系统中的制冷剂可以是选自氮、氩、甲烷、乙烷和丙烷的纯组分或组分混合物。
该工艺可用于液化任何原料气流，图1示出了它液化天然气的情况。管线1里的天然气原料已经在预处理区(未示出)进行了清洁和干燥，去除了酸性气体比如CO2和H2S，并去除了其它杂质比如汞，进入任选的预冷却换热器区3，利用汽化制冷剂比如丙烷或混合制冷剂，冷却到约-10℃--30℃的中间温度。所述汽化制冷剂通过本领域公知的任何类型的循环制冷环路(未示出)提供。
预冷的天然气原料流5进入洗涤塔7，在此去除原料中的较重组分，比如戊烷和较重的烃，以防后续在液化工艺中出现冻结。洗涤塔具有顶置冷凝器9，该冷凝器也可以利用制冷剂，比如丙烷或混合制冷剂，向该洗涤塔提供回流。管线11中的来自所述洗涤塔的塔底产物被送到分馏区13，在此重组分被分离并经由管线15回收，而管线17中的轻组分和所述洗涤塔的顶置蒸气产物组合起来形成管线19中的纯化天然气。管线17中的轻组分可以是蒸气流或者液体流，优选被预冷到大约和来自洗涤塔7的顶置蒸汽流相同的温度。
管线19中的纯化天然气进一步冷却到低于-50℃的温度，优选为约-100℃--120℃，并且优选通过和经由管线23提供的正在加热和汽化的中间温度混合制冷剂发生间接换热，而在第一换热区或混合制冷剂换热器21中基本液化。本文所用术语“基本液化”是指当通过节流阀绝热膨胀到大气压时具有0.25-1.0，优选0.5-1.0的液体分数的基本液化的流。液体分数为1.0用以定义完全液化或冷凝的流，其中所述液体可以是饱和的或者低温冷却的，而液体分数为0用以定义完全为蒸气并且不含液体的流。本文定义的基本液化的流可以处于任何压力，包括所述流的临界压力以上的压力。
管线25中的基本液化的天然气在第一换热区或换热器27中，通过和管线29中由膨胀器31提供的冷的做功膨胀后的制冷剂相互间接换热，进一步冷却到约-120℃--160℃的温度。所述冷的制冷剂，通常是氮，在约15-30巴(1.5-3MPa)的压力和约-122℃--162℃的温度下主要是通常具有小于约20％液体(摩尔比)的蒸气。
在管线33中的所得的进一步冷却的并且基本液化的天然气可以处于其临界压力以上、之中或以下，而且如果低于临界压力则可以是低温冷却的液体。所述管线33中的进一步冷却的而且基本液化的天然气可以通过节流阀35绝热闪蒸(flash)到约1.05-1.2巴(0.105-0.12MPa)的压力。可替换地，管线33中的低温冷却的LNG的压力可以通过高粘度流体膨胀器，或者膨胀器和阀的组合降低。管线37中的低压LNG流到分离器或存储罐39，其中所述LNG产物从管线41中排出。在有些情况下，基于天然气组成和从换热器27排出的LNG温度，在通过阀35闪蒸后管线43中具有明显量的轻质气体。在这些情况下，管线43中的闪蒸气体可以被加热并压缩到足以在LNG设备或其它用途中用作燃料气体的压力。
用以冷却和基本液化天然气原料流1的制冷能力是通过换热器21中的中间温度混合制冷剂环路提供的，而且在本实施例中，是通过在第二制冷环路中的第二制冷剂比如丙烷或者第二混合制冷剂提供，所述第二制冷环路在预冷换热区域3中提供了在较高温度的制冷。管线23中的制冷剂在换热器21中被加热和汽化，以在其中提供制冷能力并以制冷剂蒸气形式从管线45中排出。所述制冷剂蒸气在多级内冷压缩器47中被压缩到合适的高压，在环境二次冷却器49中冷却，并且在换热区域51中通过和辅助汽化制冷剂，比如丙烷或混合制冷剂，发生间接换热而进一步冷却以及部分或者全部冷凝。所述汽化的制冷剂通过本领域已知的任何类型的再循环制冷环路(未示出)提供，而且可以是为前述换热区域3提供制冷能力的同一再循环制冷环路。
管线53中的所述预冷高压混合制冷剂以约-20℃--40℃的温度和约50-70巴(5-7MPa)的压力进入混合制冷剂换热器21。所述高压混合制冷剂在换热器21中冷却到约-100℃--120℃的温度，优选完全冷凝，并从管线55中排出。管线55中的所述冷凝的高压混合制冷剂流通过阀57(或者可替换地通过粘稠相膨胀器)闪蒸至约3-6巴(0.3-0.6MPa)的压力，并在管线23中流到换热器21的冷端。所述低压混合制冷剂流在换热器21中加热和汽化，并以加热的混合制冷剂形式从管线45中排出。
因此，如上所述，由第一制冷系统提供管线1中的天然气原料的冷却，以提供管线25中的所述冷却的基本液化的天然气，所述第一制冷系统包括为换热器21提供制冷能力的中间温度混合制冷剂环路、为原料预冷换热区域3提供第一制冷剂比如丙烷或另一混合制冷剂的制冷环路、为换热区域51提供第三制冷剂比如丙烷或另一混合制冷剂的制冷环路。如上所述，同一制冷环路可以提供第二和第三制冷剂。
管线25中的所述基本液化的天然气由多个膨胀器气体膨胀系统实现进一步冷却，所述气体膨胀系统采用了包括选自氮、氩、甲烷、乙烷和丙烷的一种或多种气体的制冷剂。在该示例中，氮用作制冷剂。管线59中的处于环境温度和约50-80巴(5-8MPa)下的高压氮被分成两部分。管线61中的较大部分进入到第三换热区或者热气体膨胀换热器63，并冷却到约-100℃--120℃的温度。管线65中的所述冷却的高压氮在冷膨胀器31中做功膨胀，以约15-30巴(1.5-3MPa)的压力和约-152℃--162℃的温度排出。通常，所述膨胀器排放压力处于或接近温度冷得足以在管线33中提供LNG所需水平低温冷却的氮的露点压力。所述做功膨胀后的制冷剂可以含有最高达约20％液体(摩尔比)。管线29中的所述冷的做功膨胀后的氮流在冷气体膨胀换热器27中被加热，以提供低温冷却管线33中的所述LNG流所需的冷却制冷能力，而且中间温度的氮从管线67离开所述换热器。
管线69中的较小部分高压氮流可以在换热区域71中采用制冷剂，比如丙烷或第二混合制冷剂，预冷到约-20℃--40℃的中间温度。管线73中的所述预冷的高压氮流在热膨胀器75中做功膨胀，并以约15-30巴(1.5-3MPa)的压力和约-90℃--110℃的温度被排出。管线77中的做功膨胀后的制冷剂流和管线67中来自冷换热器27的加热的氮流合并在一起，而且所述组合的流经由管线79流到热换热器63中。所述组合的氮流在热换热器63中被加热到环境温度，经由管线81中被抽取，并在多级内冷压缩器83中压缩到合适的高压以提供高压氮流59，以供循环。加入所述较小部分的膨胀氮流77以便在换热器63中加热，使得热气体膨胀换热器63的冷却曲线可以维持在接近理想状态，也即，所述流体的加热曲线和冷却曲线在全部长度上互相紧密接近。
管线59中的全部或部分所述高压氮可以用丙烷或者其它高级制冷剂预冷却，作为以下的替换方案在热换热器63中对进入冷膨胀器31的部分进行预冷却以及在换热区域71中用丙烷或其它制冷剂对进入热膨胀器75中的部分进行预冷却。可替换地，所述气体膨胀制冷系统可以在所述压缩的氮进入换热器63和膨胀器75之前没有任何预冷却的情况下操作。这些针对气体膨胀系统制冷剂预冷却的选项对本发明的任何实施方案都适用。
热气体膨胀换热器63和冷气体膨胀换热器27可以组合成单一单元，而且可以是任何合适的类型，比如板-肋片、卷绕-线圈、或者壳管构造、或者其组合。同样，所述混合制冷剂换热器21和任选的预冷换热区域3、51和71可以由单一或多个换热器构成，而且可以是任何合适构造。这些换热器选项同样对本发明的任何实施方案都适用。本发明不依赖于在本发明方法中采用的换热器的数目和布置。
如果管线53中的所述高压混合制冷剂是两相混合物，那么蒸气部分和液体部分可以独立地在所述混合制冷剂换热器21中冷却，并且在换热器21中或者在相同或不同压力水平上独立汽化或者作为组合流汽化。所述混合制冷剂还可以分成两股或多股可以在不同压力水平下汽化的流。所述混合制冷剂可以通过一次或多次平衡(蒸气/液体)分离或者一次或多次单相分开或者其任何组合进行划分。这些混合制冷剂选项可用于所述第一制冷系统的任何制冷环路中，也适用于本发明的任何实施方案。本发明不依赖于用于提供冷却和基本液化所述原料气流所需制冷能力的第一制冷系统的构造。
通常，至少40％的用以将管线1中的天然气原料转换成管线41中的LNG制品的总制冷任务由所示第一制冷系统完成。在图1的实施方案中，该制冷能力在换热区域3、换热区域51和换热器21中提供。
图1所示的实施方案的特征在于所述第一制冷系统，即包括压缩器47、换热器21和膨胀阀57的系统，可以独立于第二制冷系统操作，所述第二制冷系统即包括压缩器83、换热器27和63、和膨胀器31和75的系统。独立操作意味着在第一制冷系统的混合制冷剂和第二制冷系统的氮制冷剂之间没有热交换，而且在所述两个制冷系统之间无需平衡制冷。
另一特征是在第二换热区27中经由管线29的做功膨胀后的氮的流速通常小于第三换热区域63中的做功膨胀后的氮流79的流速。在第三换热区域63中不发生原料气或冷却的原料流的冷却。另外，管线61中的、在第三换热区63中冷却的压缩氮的流速通常小于管线79中的、在第三换热器63中加热的组合的做功膨胀后的氮的流速。
图2示出了本发明的可替换实施方案。在该替换实施方案中，管线59中的来自压缩器83的全部高压氮制冷剂在热气体膨胀换热器63中预冷却，而且该高压氮都不在图1的换热区域71中用制冷剂比如丙烷冷却。换热器63中的部分冷却的氮制冷剂的较小部分在中间点经由管线201抽取出来，并在膨胀器203中做功膨胀，以提供管线205中的做功膨胀后的氮。管线205中的膨胀的氮在换热器27的中间点和所述部分加热的膨胀的氮流混合，所述混合时的温度稍稍低于从管线25中进来的基本液化的天然气。
可替换地，管线59中的高压氮可以分成在换热器63中独立冷却的两部分(未示出)。需要时，换热器27和63之一或全部可以分成两个换热器。管线201中的高压氮的冷却还可以通过将在热换热器63中的冷却和采用另一高级制冷剂比如丙烷的冷却结合起来而实现。
在本实施例中，管线43中来自分离器39的LNG闪蒸气体在气体换热器27和63中加热，经由管线207排出，并在闪蒸气体压缩器209中压缩到足以在LNG设备或其它用途用作燃料气体的压力。但是，所述闪蒸气体在换热器27和63中的加热是任选的，在本发明的任何实施方案中并不要求。
图2示出的本实施方案的特征在于所述第一制冷系统，即包括压缩器47、换热器21和膨胀阀57的系统，独立于第二制冷系统操作，所述第二制冷系统即包括压缩器83、换热器27和63、和膨胀器31和203的系统。独立操作意味着在第一制冷系统的混合制冷剂和第二制冷系统的氮制冷剂之间没有热交换。在本实施方案中在所述两个制冷系统之间无需平衡制冷。
另一特征是在第二换热区27中经由管线29的做功膨胀后的氮的流速通常可以小于第三换热区域63中的组合的做功膨胀后的氮流79的流速。在第三换热区域63中不发生原料气或冷却的原料流的冷却。另外，在第三换热区63中冷却的压缩氮的流速在经由管线201抽取了氮以后，可以小于管线79中的、在第三换热器63中加热的组合的做功膨胀后的氮的流速。
图3示出了本发明的另一实施方案，它是对图1和图2的实施方案的修改。管线73中的预冷的高压氮在热膨胀器75中膨胀到中间压力，例如25-45巴(2.5-4.5MPa)。在管线301中的所述中间压力的膨胀氮在热气体膨胀换热器303中独立加热，并流动到多级压缩器305的中间阶段以减少对电力的要求。本实施方案的可替换方案是从压缩器305的中间阶段在中间压力下抽取流307，在换热区域71中使其冷却，在膨胀器75中将管线73中的所述冷却的流膨胀到较低压力水平，并将管线301中的低压膨胀流和管线67中的中间热制冷剂合并在一起，以在热气体膨胀换热器303中加热，如图1所示。在任一可替换方案中，管线307中的所述高压或中压氮流可以或者在换热区域71中采用高级制冷剂比如丙烷冷却，如图所示，或者可以在热换热器303中冷却，或者两者组合。
图3所示的实施方案的特征在于在第二换热区27中经由管线29的做功膨胀后的氮的流速通常小于第三换热区303中的做功膨胀后的氮流67和301的总流速。通常，在第三换热区303中不发生原料气或所述冷却的原料流的冷却。另外，管线306中的在第三换热器303中冷却的压缩氮的流速通常小于在第三换热区303中加热的管线67和301中的做功膨胀后的氮的总流速。
图4示出了图1的可替换实施方案，其中管线65中的所述冷却的高压氮流在两个阶段做功膨胀。所述流在中间膨胀器31中首先膨胀到中间压力，例如25-45巴(2.5-4.5MPa)，和低于管线25中的进来的基本液化的天然气流的温度的温度。管线29中的中间压力的膨胀流优选在冷气体膨胀换热器401中加热，以在其中提供制冷，然后进一步在冷膨胀器403中膨胀到较低的压力，例如15-30巴(1.5-3MPa)。随后，管线405中的低压膨胀氮流提供了冷换热器401中的最冷水平的制冷，以对管线25中进来的基本液化的天然气流进行低温冷却。
管线405中的中间压力膨胀氮流的部分，优选在冷换热器401中加热后，可以在热换热器63中独立加热(未示出)，并送到所述多级压缩器83的中间阶段。如同图3的实施方案，管线69中的高压氮流可以或者在换热区域71中采用高级制冷剂比如丙烷预冷，如图所示，或者在热换热器63中预冷，或者两者组合。
在该实施方案中加入中间膨胀器在冷气体膨胀换热器401中以较高热力学效率提供了制冷。在所述换热器中的所述流体的加热曲线和冷却曲线在其全部长度上互相之间更加接近，这是有利的，但是这要求在系统中具有另一件装置，即膨胀器403。
图4所示的实施方案的特征在于在第二换热区401中的经由管线405的做功膨胀后的氮的流速通常小于第三换热区63中的做功膨胀后的氮流407的流速。在第三换热器63中不发生原料气体或冷却的原料流的冷却。另外，在第三换热区63中冷却的、管线61中的压缩氮的流速通常小于在第三换热区63中加热的、管线407中的做功膨胀后的氮流速。
图5示出了本发明的另一实施方案，其中所述气体膨胀制冷系统采用两级膨胀。管线501中的预冷的高压氮流从热换热器503中的中间点抽取，并在热膨胀器31中膨胀到中间压力，例如25-45巴(2.5-4.5MPa)，和低于在管线25中的进来的天然气流温度的温度。管线29中的中间压力的膨胀氮流的部分经由管线505抽取，在热气体膨胀换热器503中独立加热，并送到所述多级压缩器507的中间阶段，以减少电力要求。
管线509中的剩余的中间压力氮，优选在冷气体膨胀换热器511中重新加热后，在冷膨胀器513中进一步膨胀到较低压力，例如15-30巴(1.5-3MPa)。随后，管线515中的低压膨胀氮流提供了在冷气体膨胀换热器511中的最冷水平的制冷，所述制冷是低温冷却在管线25中的进来的基本液化的天然气流所需的。管线517中的热高压氮流任选可以在热换热器503中预冷，如图所示，或者采用高级制冷剂比如丙烷预冷，或者两者组合。
图5所示的实施方案的特征在于在第二换热区511中的经由管线515的做功膨胀后的氮的流速通常小于第三换热区503中在管线505和519中的做功膨胀后的氮流的流速。优选，在第三换热器503中不发生原料气体或冷却的原料流的冷却。
本发明的其它实施方案可以在气体膨胀制冷换热器和混合制冷剂换热器之间采用集成平衡流，以便实现所述两个制冷系统的热力学更有效集成。这些实施方案也采用了多级膨胀器，可以提供针对现有气体液化设备进行去瓶颈或扩展的更有效设计。
图6示出了多级膨胀器气体膨胀制冷系统，它在热气体膨胀换热器601中采用了混合制冷剂平衡流。管线603中的高压混合制冷剂的小部分经由管线605抽取，并穿过阀607闪蒸到中间压力。管线609中的所得的中间压力混合制冷剂流，通常为-90℃--110℃和5-10巴(0.5-1MPa)，在热气体膨胀换热器601中加热，以在该换热器中提供更加靠近平行的加热曲线和冷却曲线，并因而提高所述方法的效率。处于环境温度附件的所述加热的混合制冷剂流611被返回到多级混合制冷剂压缩器613的中间阶段，以供再循环。可替换地，管线605中的所述冷凝的高压混合制冷剂平衡流可以被闪蒸到所述混合制冷剂环路的最低压力水平，例如3-6巴(0.3-0.6MPa)，在热换热器601中加热到中间温度，例如-20℃--40℃，并返回所述混合制冷剂压缩器613的第一阶段。
在本发明的气体膨胀制冷系统中，管线615中的所述预冷的小部分高压氮流优选在热膨胀器617中做功膨胀之前在热换热器601中进一步冷却到低于丙烷或其它高级制冷剂的温度的温度。管线619中的所述膨胀的中间温度氮流优选在冷气体膨胀换热器27的中间点和管线29中的部分加热的冷氮流混合，混合温度低于所述进来的基本液化的天然气流25的温度。需要时，气体膨胀换热器27和601之一或全部可以分为两个或多个换热器。
图7示出了可替换的多级膨胀器气体膨胀制冷系统，其中高压氮气的部分在混合制冷换热器705中冷却，作为一种可替换方案在所述热气体膨胀换热器701中实现更有效的制冷平衡。在管线73中处于约-20--40℃的预冷的高压氮流的部分经由管线703抽取出来，并且在混合制冷剂换热器705中进一步冷却到约-100--120℃。管线707中的所述冷却的高压氮流和在热换热器701中冷却后的高压氮流部分61混合，而且管线709中的所述组合流流到冷膨胀器711的入口。
在本实施方案的气体膨胀制冷系统中，管线713中的剩余部分的预冷的高压氮流优选在热膨胀器717中做功膨胀之前，在热换热器701中进一步冷却到比丙烷或其它高级制冷剂温度更低的温度。管线719中的中间温度氮流优选在冷气体膨胀换热器27中的中间点处和所述部分加热的冷氮流混合，所述混合温度低于管线25中的进来的基本液化的天然气流的温度。需要时，气体膨胀换热器27和701之一或全部还可以分成两个或多个换热器。
本实施方案的特征在于在第二换热区27中的经由管线712的做功膨胀后的氮在和管线719中的膨胀后的氮组合之前，其流速低于第三换热区701中的组合的做功膨胀后的氮流710的流速。在第三换热区63中不发生原料气或冷却的原料流的冷却。另外，在换热器701中冷却的压缩氮流61和713之一的流速低于管线710中的在换热器701中加热的做功膨胀后的流速。
图8示出了和多级膨胀器气体膨胀制冷系统组合的单一混合制冷剂制冷系统，其操作时无需辅助的外部制冷，例如，丙烷，如图1-7的实施方案所示。在单一混合制冷系统中的制冷剂在进入混合制冷剂换热器21之前，并不例如由丙烷或另一种高级混合制冷剂预冷到环境温度以下。在该例子中，所述混合制冷剂在压缩器801的中间阶段部分液化，管线803中的液体部分被泵到最终的高压水平并和二次冷却器805上游的最终的压缩蒸气部分结合在一起。本特征是任选的，可以用于本发明的任一实施方案。
在本实施方案的气体膨胀制冷系统中，全部高压氮流807在热气体膨胀换热器809中冷却到和管线25中的进来的基本液化的天然气流的温度接近或更冷的温度。管线811中的所述冷却的高压氮流的一部分在热膨胀器813中做功膨胀到中间压力。管线815中的所述中间压力的膨胀氮流在气体膨胀换热器817和809中独立加热，并送到多级压缩器的中间阶段，以便降低电力要求。管线819中的剩余高压氮流当在冷换热器817中进一步冷却后，在冷膨胀器821中膨胀到较低压力。管线823中的所述低压膨胀氮流在冷换热器817中加热，以提供低温冷却进来的基本液化的天然气流25所需的最冷水平的制冷。
任选地，所述进来的基本液化的天然气流25可以处于比-100℃更高的温度，而且可以仅仅部分液化。在这种情况下，管线815和823中的两股膨胀氮流提供了制冷能力，以完全液化和低温冷却管线25中的所述进来的基本液化的天然气流。如果需要，所述冷气体膨胀换热器817可以被分成两个或多个换热器，或者换热器809和817可以组成成单一换热器。
本实施方案的特征在于在第二换热区中的经由管线823的做功膨胀后的氮的流速通常小于第三换热区809中的做功膨胀后的氮流825和827的总流速。通常，在第三换热区809中不发生原料气或冷却的原料流的冷却。
图9示出了本发明的可替换实施方案。在该实施方案中，管线901中的高压制冷剂气流在热气体膨胀换热器903中通过由采用混合制冷剂的独立制冷系统提供的部分制冷能力预冷。该独立制冷的采用使得可以去除所述热氮膨胀器。高压混合制冷剂流905在热换热器903中冷却和至少部分冷凝。管线中的所述冷却的高压混合制冷剂流穿过阀907或者通过粘稠相膨胀器闪蒸，并且所述减压的制冷剂经由管线909流到热换热器903的冷端。管线909中的所述低压混合制冷剂流在热换热器903中加热和汽化，并以管线911中的热混合制冷剂流的形式排出。管线911中的所述热低压混合制冷剂流在混合制冷剂压缩器913中压缩到合适高压，并冷却到环境温度，以供再循环。
使管线901中的气体膨胀系统制冷剂预冷的混合制冷剂制冷系统与所述第一或热制冷系统相分离，其中所述第一或热制冷系统在换热器21中提供了液化所述原料气流1所需的制冷能力的至少一部分。本发明的这个实施方案提供了用以将气体膨胀制冷系统完全独立于所述第一制冷系统同时不牺牲热力学效率的可替换方法。可以采用任何类型的采用两种或多种制冷剂组分的第一制冷系统。可替换的实施方案可以在换热器21和903中采用独立的混合制冷剂环路，所述环路具有组合的集成压缩功能。换热器21和903中的混合制冷剂可以具有相同组成，或者可以具有通过平衡分离获得的不同组成。部分在换热器903中采用的混合制冷剂可以在所述集成压缩器的各阶段之间抽取和/或返回。
实施例图1的实施方案通过下面的非限制性实施例进行了说明。在管线1中以27℃、6.03巴(6.03MPa)和59668kgmol/h的流速提供了天然原料气，其组成为3.90mol％氮、87.03％甲烷、5.50％乙烷、2.02％丙烷和1.55％的C4和较重的烃(C4+)。所述原料已经在上游预处理区(未示出)进行了清洁和干燥，以去除酸性气体，比如CO2和H2S，以及其它杂质，比如汞。管线1里的天然气原料进入第一换热区3，通过多种水平的丙烷制冷预冷却到-18℃。管线5中的预冷天然气原料流进入洗涤塔7，在此去除原料中的较重组分，比如戊烷和较重烃，以防在液化工艺中出现凝固。该洗涤塔具有顶置冷凝器9，它同样采用丙烷制冷以向该洗涤塔提供回流。来自该洗涤塔的塔底产物经由管线11送到分馏区13，在此戊烷和较重的组分被分离出来并经由管线15回收。在-33℃的流17中的较轻液体组分和该洗涤塔的顶置蒸气产物合并在一起，得到管线19中的纯化天然气流。
管线19中的纯化天然气流的流速为57274kgmol/h、温度-32.9℃、压力为58.0巴(MPa)、组成为3.95mol％氮、87.74％甲烷、5.31％乙烷、2.04％丙烷、0.96％的C4和较重烃。所述流通过加热和汽化管线23提供的低压混合制冷剂，在混合制冷剂换热器21中进一步冷却到-119.7℃的温度并冷凝。管线25中的所述基本液化的天然气流在本实施例中是完全液化的，其在冷气体膨胀换热器27中低温冷却到-150.2℃。用于在换热器27中冷却的制冷能力由通过管线29来自膨胀器31的冷做功膨胀后的氮制冷剂流提供。然后，管线33中的低温冷却的LNG流穿过阀35绝热闪蒸到1.17巴(0.117MPa)。在管线37中的-162.3℃的低压LNG流被送到分离器39，并且经由管线41抽出所述LNG产物流以供储存。管线43中的轻质闪蒸气流可以升温并压缩到足以在LNG设备或其它用途中用作燃料气的压力。
本实施例中用以冷却和液化所述天然气原料流1的制冷能力是由丙烷制冷剂环路和混合制冷剂制冷环路提供的。管线50中的高压混合制冷剂的流速为51200kgmol/h、温度为36.5℃、压力为61.6巴(6.16MPa)，组成为36.92mol％甲烷、54.63％乙烷和8.45％丙烷，其通过在换热器区域51中的多级丙烷制冷剂进行预冷却和完全冷凝。管线53中的预冷却的混合制冷剂流以-33℃和58.9巴(5.89Mpa)进入到混合制冷剂换热器21中。
所述混合制冷剂在换热器21中低温冷却到-120℃，从管线55中排出。所述低温冷却的混合制冷剂穿过阀57绝热闪蒸到-122.5℃和4.2巴(0.42MPa)，并经由管线23流到换热器21的冷端。管线23中的所述低压混合制冷剂流在换热器21中被加热和汽化，以加热的混合制冷剂流的形式在-34.5℃和3.6巴(0.36MPa)下从管线45中排出。管线45中的所述加热的低压混合制冷剂流在多级内冷混合制冷剂压缩器47中被压缩到61.6巴(6.16MPa)，并冷却到环境温度以供循环。
管线25中的液化天然气通过多个膨胀器气体膨胀制冷系统进行低温冷却，所述气体膨胀制冷系统采用氮作为工作流体。管线59中的高压氮的流速为82109kgmol/h、温度为36.5℃、压力为75.9巴(7.59MPa)，其被分成两个部分。管线61中的较大部分的高压氮部分以69347kgmol/h进入热氮换热器63，并被冷却到-107.7℃。管线65中的所述冷却的高压氮流在冷膨胀器31中做功膨胀到-152.4℃和23.7巴(2.37MPa)。管线29中的所述冷做功膨胀后的氮流(在本实施例中全部是蒸气)在冷氮换热器27中加热，并以-121.9℃被抽出以提供低温冷却管线25中的LNG所需的冷却制冷能力。管线69中的较小部分的高压氮流流速为12762kgmol/h，在换热区域71中采用多级丙烷制冷剂预冷却到-33.1℃。随后，管线73中的所述预冷的高压氮流在热膨胀器75中做功膨胀到-96℃和23.4巴(2.34MPa)。管线77中的所述做功膨胀后的氮流和管线67中的来自冷换热器27的加热的氮流合并在一起，通过管线79以-118.1℃流到热换热器63。管线79中的所述组合氮流在热换热器63中加热到27.8℃，而且管线81中的抽取的制冷剂在多级内冷氮压缩器83中被压缩到75.9巴(7.59MPa)，并冷却到环境温度，以供循环。
在管线77中加入较小部分的膨胀氮流以在热氮换热器63中进行加热，使得换热器63中的冷却曲线可以维持在接近理想状态，即所述流体的加热曲线和冷却曲线在整个长度上互相紧密接近，从而提高了工艺效率。无需为了获得更接近的平行冷却曲线而在混合制冷剂换热器21中提供汽化的混合制冷剂平衡流，以加热气体膨胀换热器63或者可替换地冷却管线73中的所述高压制冷剂气体的一部分。本发明的本实施例，和前面参考图1-5，7和8描述的实施方案，举例说明了第一制冷系统和气体膨胀制冷系统的独立操作。
权利要求
1.气体液化的方法，包括(a)在第一换热区通过和第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂流间接换热来冷却原料气体，以及从所述第一换热区抽取基本液化的原料流(即，当通过节流阀绝热膨胀到大气压时，所述流具有0.25-1.0的液体分数)；(b)在第二换热区通过和第二制冷系统提供的一股或多股做功膨胀后的制冷剂流间接换热来进一步冷却所述基本液化的原料流，并从所述第二换热区抽取进一步冷却的、基本液化的原料流；和(c)在第二制冷系统中做功膨胀两股或多股冷却的压缩的制冷剂流，以在第二换热区提供所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的至少之一，其中所述第二制冷系统的所述操作包括下列步骤(1)压缩一种或多种制冷剂气体，以提供压缩的制冷剂流；(2)在第三换热区通过和一股或多股做功膨胀后的制冷剂流间接换热使所述压缩的制冷剂流的全部或部分冷却，以提供冷却的、压缩的制冷剂流；和(3)所述冷却的、压缩的制冷剂流做功膨胀，以在所述第二换热区中提供所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的之一；和在第二换热区里的做功膨胀后的制冷剂流的流速小于在所述第三换热区中的所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的总流速。
2.权利要求1的方法，其中在所述第三换热区中提供制冷职能的所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流之一包括当在所述第二换热区中提供制冷职能后在所述第二换热区中的所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流之一，而且所述两股或多股膨胀的冷却的压缩的制冷剂流的第二股在至少所述第三换热区提供了冷却职能。
3.权利要求2的方法，其中所述两股或多股膨胀的冷却的压缩的制冷剂流的所述第二股还在所述第二换热区提供了冷却职能。
4.权利要求3的方法，其中所述两股或多股膨胀的冷却的压缩的制冷剂流的所述第二股在所述第二换热区的中间温度位置和所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流之一相结合。
5.权利要求2的方法，其中所述两股或多股膨胀的冷却的压缩的制冷剂流的所述第二种在所述第三换热区而不在所述第二换热区中提供冷却职能。
6.权利要求5的方法，其中所述两股或多股膨胀的冷却的压缩的制冷剂流的所述第二股在所述第二和第三换热区之间的位置和所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流之一相结合。
7.权利要求1的方法，其中所述压缩的制冷剂气体的第一部分在所述第三换热区中冷却，所述压缩的制冷剂气体的第二部分在所述第三换热区中冷却、做功膨胀和加热，以在其中提供用于冷却所述压缩的制冷剂气体的所述第一部分的制冷能力。
8.权利要求1的方法，其中所述压缩的制冷剂气体在所述第三换热区中冷却，和做功膨胀以提供第一做功膨胀后的制冷剂，所述第一做功膨胀后的制冷剂分成第一和第二冷却的制冷剂，所述第一冷却的制冷剂在所述第三换热区中加热以在其中提供用于冷却所述压缩的制冷剂气体的制冷能力，所述第二冷却的制冷剂进一步冷却并做功膨胀以提供第二做功膨胀后的制冷剂，和所述第二做功膨胀后的制冷剂在所述第二换热区中加热以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的制冷能力。
9.权利要求1的方法，其中所述压缩的制冷剂气体的第一部分在所述第三换热区中冷却，和做功膨胀以提供第一做功膨胀后的制冷剂，所述压缩的制冷剂气体的第二部分通过和第三制冷系统提供的汽化制冷剂间接换热而冷却，并做功膨胀以提供第二做功膨胀后的制冷剂，以及所述第一和第二做功膨胀后的制冷剂在所述第二换热区中加热以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的制冷能力。
10.权利要求1的方法，其中所述压缩的制冷剂气体在所述第三换热区中冷却以提供冷却的压缩的制冷剂气体，而且其中所述冷却的压缩的制冷剂气体的一部分做功膨胀并在所述第二换热区中加热，以在其中提供对来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的冷却。
11.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)压缩第一制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的制冷剂，在所述第二换热区加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂以提供用于在其中冷却所述冷却的原料流的制冷能力，和从中抽取中间制冷剂；(f)通过和汽化制冷剂间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂，和将所述做功膨胀后的第二制冷剂和所述中间制冷剂合并在一起以提供组合的中间制冷剂；和(g)在所述第三换热区中加热所述组合的中间制冷剂以在其中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的冷却能力，和从中抽取热制冷剂以提供所述第一制冷剂气体。
12.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)压缩第一制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体；(e)在所述第三换热区冷却所述压缩的制冷剂气体以提供冷却的压缩的制冷剂，和将所述冷却的压缩的制冷剂分成第一和第二冷却的压缩的制冷剂；(f)在所述第三换热区中进一步冷却所述第一冷却的压缩的制冷剂以提供第一进一步冷却的制冷剂；(g)使所述第一进一步冷却的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第一制冷剂，和使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂；(h)在所述第二换热区中加热所述做功膨胀后的第一制冷剂和所述做功膨胀后的第二制冷剂，以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的制冷能力，和从所述第二换热区抽取组合的中间制冷剂；和(i)在所述第三换热区加热所述组合的中间制冷剂以在其中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体。
13.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)在多级制冷剂压缩器中压缩第一制冷剂气体和第二制冷剂气体以提供压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，和使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于第一压力的冷的做功膨胀后的制冷剂，和在所述第二换热区加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的冷却能力，和从所述第二换热区抽取中间制冷剂；(f)通过和汽化制冷剂间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于比所述第一压力大的第二压力的做功膨胀后的第二制冷剂，在所述第三换热区中加热所述做功膨胀后的第二制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第二制冷剂气体；(g)在所述第三换热区加热所述中间制冷剂以提供用于在其中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体；和(h)将所述第一制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的第一阶段，和引入所述第二制冷剂气体到所述多级制冷剂压缩器的中间阶段。
14.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)压缩制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，和使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供第一做功膨胀后的制冷剂；(f)在所述第二换热区中冷却所述第一做功膨胀后的制冷剂以提供冷却的第一做功膨胀后的制冷剂，使所述冷却的第一做功膨胀后的制冷剂做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的制冷剂，在所述第二换热区加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的冷却能力，和从所述第二换热区抽取中间制冷剂；(g)通过和汽化冷却剂间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂，以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂，和将所述做功膨胀后的第二制冷剂和所述中间制冷剂合并在一起以提供组合制冷剂；和(h)在所述第三换热区中加热所述组合制冷剂以在其中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取所述第一制冷剂气体。
15.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)在多级制冷剂压缩器中压缩第一制冷剂气体和第二制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体；(e)在所述第三换热区中冷却所述压缩的制冷剂气体以提供第一冷却的压缩的制冷剂，使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于第一压力的第一冷的做功膨胀后的制冷剂，和将所述第一冷的做功膨胀后的制冷剂分成第一和第二冷制冷剂；(f)在所述第三换热区中加热所述第一冷制冷剂以在其中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的冷却能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第二制冷剂气体；(g)在所述第二换热区中冷却所述第二冷制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于比所述第一压力小的第二压力的第二做功膨胀后的制冷剂；(h)在所述第二换热区中加热所述第二做功膨胀后的制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的基本液化的原料流的制冷能力，和提供用于在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体；和(i)将所述第一制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的第一阶段，和将所述第二制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的中间阶段。
16.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)压缩制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体，和将所述压缩的制冷剂气体分成第一和第二压缩的制冷剂；(e)在所述第三换热区冷却所述第一压缩的制冷剂以提供第一冷却的压缩的制冷剂，和使所述第一冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的第一制冷剂，在所述第二换热区中加热所述冷的做功膨胀后的第一制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的制冷能力，和在所述第二换热区中形成部分加热的制冷剂；(f)通过和汽化制冷剂的间接换热来冷却所述第二压缩的制冷剂以提供中间冷却的制冷剂，进一步在所述第三换热区中冷却所述中间冷却的制冷剂以提供冷却的第二压缩的制冷剂，和使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供做功膨胀后的第二制冷剂；(g)将所述冷的做功膨胀后的第二制冷剂和所述部分加热的制冷剂合并在一起以提供组合的中间制冷剂，在所述第二换热区中加热所述组合的中间制冷剂以在其中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的辅助制冷能力，和从所述第二换热区中抽取部分加热的制冷剂；和(h)在所述第三换热区中加热所述部分加热的制冷剂以在其中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂和第二压缩的制冷剂的制冷能力，和从中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体。
17.权利要求1的方法，其中所述第二制冷系统由包括下列步骤的方法操作(d)在多级制冷剂压缩器中压缩第一制冷剂气体和第二制冷剂气体以提供所述压缩的制冷剂气体；(e)在所述第三换热区中冷却所述压缩的制冷剂气体以提供冷却的压缩的制冷剂，和将所述冷却的压缩的制冷剂分成第一和第二冷却的制冷剂；(f)使所述第一冷却的制冷剂做功膨胀以提供处于第一压力的第一做功膨胀后的制冷剂，在所述第二和第三换热区中加热所述第一做功膨胀后的制冷剂以在所述第二换热区中提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的制冷能力和在所述第三换热区中提供用于在所述第三换热区中冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从所述第三换热区抽取加热的制冷剂以提供所述第二制冷剂气体；(g)在所述第二换热区中冷却所述第二冷却的制冷剂以提供第二冷却的压缩的制冷剂，使所述第二冷却的压缩的制冷剂做功膨胀以提供处于比所述第一压力小的第二压力的第二做功膨胀后的制冷剂；(h)在所述第二和第三换热区中加热所述第二做功膨胀后的制冷剂以在所述第二换热区中提供用于冷却所述冷却的原料流的制冷能力，和在所述第三换热区中提供用于冷却所述第一压缩的制冷剂的制冷能力，和从所述第三换热区中抽取加热的制冷剂以提供所述第一制冷剂气体；和(i)将所述第一制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的第一阶段，和将所述第二制冷剂气体引入所述多级制冷剂压缩器的中间阶段。
18.用于气体液化的方法，包括(a)在第一换热区通过和第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热来冷却原料流，以及从所述第一换热区抽取基本液化的原料流；和(b)在第二换热区通过和冷的做功膨胀后的制冷剂间接换热进一步冷却所述基本液化的原料流，并从中抽取进一步冷却的、基本液化的原料流；和其中所述冷的做功膨胀后的制冷剂在包括至少两个制冷环路的所述第二制冷系统中由包括下列步骤的方法提供(1)在第一制冷环路中压缩制冷剂气体，以提供压缩的制冷剂气体；(2)在第三换热区冷却所述压缩的制冷剂气体以提供冷却的压缩的制冷剂气体，其中所述冷却的一部分通过汽化由第二制冷环路提供的多组分制冷剂而提供在其中；(3)所述冷却的压缩的制冷剂气体做功膨胀，以提供冷的做功膨胀后的制冷剂；和(4)在所述第二和第三换热区中加热所述冷的做功膨胀后的制冷剂，以在所述第二换热区提供用于冷却来自所述第一换热区的所述基本液化的原料流的制冷能力和在所述第三换热区提供用于冷却所述压缩的制冷剂气体的制冷能力，和从所述第三换热区抽取加热的制冷剂以提供所述制冷剂气体。
19.用于气体液化的方法，包括(a)在第一换热区通过和第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热来冷却原料气体，从而提供冷却的原料流；和(b)在第二换热区通过和第二制冷系统提供的做功膨胀后的制冷剂间接换热进一步冷却所述冷却的原料流，并从所述第二换热区抽取进一步冷却的流；所述第二制冷系统的操作包括下列步骤(1)压缩制冷剂气体以提供压缩的制冷剂；(2)冷却所述压缩的制冷剂以提供冷却的压缩的制冷剂；(3)所述冷却的压缩的制冷剂做功膨胀，以提供做功膨胀后的制冷剂；其中用于冷却所述压缩的制冷剂的制冷能力部分由在第三换热区中和来自所述第二换热区的做功膨胀后的制冷剂间接换热而提供，部分由所述第一制冷系统提供的平衡制冷而提供；特征在于通过冷却和做功膨胀所述压缩的制冷剂的一部分以提供辅助的做功膨胀后的制冷剂降低或去除了对所述平衡制冷的需求，而且所述辅助的做功膨胀后的制冷剂用于向所述第三换热区提供辅助的制冷能力。
20.前述任一权利要求的方法，其中在所述第三换热区不发生所述原料气或所述冷却的原料流的冷却。
21.前述任一权利要求的方法，其中在所述第三换热区中冷却的压缩的制冷剂流的流速小于在所述第三换热区中加热的一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的总流速。
22.前述任一权利要求的方法，其中所述第一制冷系统和所述第二制冷系统独立操作。
23.前述任一权利要求的方法，其中在所述第一换热区中的所述原料气的冷却由包括下列步骤的方法实现(d)压缩和冷却包含一种或多种组分的制冷剂气体以提供冷却的至少部分冷凝的制冷剂；(e)降低所述冷却的至少部分冷凝的制冷剂的压力以提供汽化制冷剂，和通过与所述第一换热区中的所述汽化制冷剂间接换热来冷却所述原料气以提供所述基本液化的原料流和(d)的所述制冷剂气体。
24.前述任一权利要求的方法，其中所述原料气在所述第一换热区之前通过和汽化制冷剂的间接换热进行冷却。
25.权利要求23的方法，其中(d)中的所述制冷剂气体的冷却的至少一部分由和汽化制冷剂的间接换热提供。
26.前述任一权利要求的方法，还包括通过在其中加热在所述第一制冷系统中提供的所述一股或多股制冷剂的一部分而向所述第三换热区提供辅助的制冷能力。
27.前述任一权利要求的方法，进一步包括通过在其中加热在所述第二制冷系统中提供的中间冷却的制冷剂的一部分而向所述第一换热区提供辅助的制冷能力。
28.前述任一权利要求的方法，其中所述原料气包括天然气。
29.前述任一权利要求的方法，其中在所述第一制冷系统中提供的所述一股或多股制冷剂选自氮、含有一个或多个碳原子的烃、和含有一个或多个碳原子的卤代烃。
30.前述任一权利要求的方法，其中在所述第二制冷系统中的所述制冷剂气体包括一种或多种选自氮、氩、甲烷、乙烷和丙烷的组分。
31.用于气体液化的系统，包括(a)第一制冷系统和用于通过和所述第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热而冷却原料气以提供基本液化的原料流的第一换热装置；(b)第二制冷系统和用于通过和所述第二制冷系统提供的一股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂间接换热而进一步冷却所述基本液化的原料流以提供进一步冷却的、基本液化的原料流的第二换热装置；(c)用于压缩一股或多股制冷剂气流的气体压缩装置，和用于冷却所述第二制冷系统的一股或多股压缩的制冷剂气流的第三换热装置；(d)用于使所述第二制冷系统的冷却的压缩的制冷剂气流做功膨胀以提供两股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂流的两个或多个膨胀器；和(e)用于将所述两股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂流之一传输到所述第二换热装置以及将所述两股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂流的另一股传输到所述第二或第三换热装置的管道装置。
32.用于气体液化的系统，包括(a)第一制冷系统和用于通过和所述第一制冷系统提供的一股或多股制冷剂间接换热而冷却原料气以提供基本液化的原料流的第一换热装置；(b)第二制冷系统和用于通过和所述第二制冷系统提供的一股或多股冷的做功膨胀后的制冷剂间接换热而进一步冷却所述基本液化的原料流以提供进一步冷却的、基本液化的原料流的第二换热装置；(c)用于压缩制冷剂气流的气体压缩装置，和用于冷却一股或多股压缩的制冷剂流的第三换热装置；(d)用以向所述第三换热装置提供辅助制冷能力的第三制冷系统；(e)用于使所述第二制冷系统中的冷却的压缩的制冷剂流做功膨胀以提供冷的做功膨胀后的制冷剂流的膨胀器；和(f)用于将所述冷的做功膨胀后的制冷剂流从所述膨胀器传输到所述第二换热装置的管道装置。
33.权利要求31或32的系统，其具有实施权利要求2-27任一项所述的方法的部件。
全文摘要
本发明涉及一种液化气体的方法，所述方法包括在第一换热区(21)中通过第一制冷系统(45、47、49、51、53、21、55、57、23、21)冷却原料气并从中抽取基本液化的原料流(25)，在第二换热区(27)中通过和第二制冷系统(81、83、59、(i)61、63、65、31、29、27、67&(ii)69、71、73、75、77、&79、63)提供的一股或多股做功膨胀后的制冷剂流(29)间接换热来冷却所述基本液化的原料流，以及从中抽取进一步冷却的、基本液化的原料流(33)。所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的至少之一(29)通过压缩(83)一股或多股制冷剂气体(81)提供，以提供压缩的制冷剂流(59)，在第三换热区(63)中冷却所述压缩的制冷剂流(59)的全部或部分(61)，以提供冷却的压缩的制冷剂流(65)，和使所述冷却的压缩的制冷剂流(65)做功膨胀(31)以提供所述一股或多股做功膨胀后的制冷剂流(29)之一。在所述第二换热区(27)中的做功膨胀后的制冷剂流(29)的流速小于在所述第三换热区(63)中的一股或多股做功膨胀后的制冷剂流的总流速(67+77＝79)，或者通过第三制冷系统(图9911、913、905、903、907、909、903)将辅助制冷职能提供给所述第三换热区。
文档编号F25J1/02GK1853078SQ200480026505
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月14日 优先权日2003年9月17日
发明者M·J·罗伯特斯, C·G·斯皮斯伯里, A·A·布罗斯托 申请人:气体产品与化学公司