用于冷却烃流的改进的方法和系统与流程

用于冷却、液化和任选地过冷天然气的液化系统在本领域中是公知的，诸如单一混合制冷剂(smr)循环、丙烷预冷混合制冷剂(c3mr)循环、双混合制冷剂(dmr)循环、c3mr-氮混合物(例如ap-x^tm)循环、气相膨胀过程(例如氮气或甲烷膨胀机循环)和级联循环。典型地，在这样的系统中，天然气被冷却、液化，并且可选地通过与一种或多种制冷剂的间接热交换而被过度冷却。可以使用各种制冷剂，例如混合制冷剂、纯组分、两相制冷剂、气相制冷剂等。纯组分两相制冷剂的一些例子是丙烷、二氧化碳、氢氟烃(hfc)、乙烷、乙烯等。其中一些特别适用于预冷服务。

混合制冷剂(mr)是氮气、甲烷、乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和戊烷的混合物，已被用于许多基础负荷液化天然气(lng)工厂。mr流的组成通常基于进料气体组成和操作条件而优化。

制冷剂在包括一个或多个热交换器和一个或多个制冷剂压缩系统的制冷剂回路中循环。制冷剂回路可以是闭环或开环的。天然气通过与热交换器中的制冷剂进行间接热交换而被冷却、液化和/或过冷。

沸腾传热是一种常用的传热方式，其中制冷剂在一个或多个压力水平下沸腾以提供所需的冷却作用。临界点是流体的饱和液体和饱和蒸气线会合的压力焓(p-h)图上的点。临界温度是流体的热力学性质，是临界点的温度。制冷剂操作有两种类型-亚临界操作，其中所有步骤都始终在临界点以下进行，并且跨临界操作，其中该过程中的至少一个步骤发生在临界点以上，而该过程中的至少一个步骤发生在临界点以下。

图1a示出用于单个压力冷却过程的亚临界操作的p-h图。制冷剂蒸汽(a)处于p1的压力和t1的温度，并被压缩到压力p2和温度t2(b)。然后将压缩的蒸气过热至露点(c)、冷凝至泡点(d)，并过冷至生成的过冷液体(e)。e处的温度是后冷器出口温度，也称为tac，并在图1a中以等温线显示。然后将过冷的液体降压至原始压力p1(f)。点f处的制冷剂的液体组分被蒸发以完成循环并返回至气相(a)。在步骤b-e期间，该过程将热量排放到环境空气或冷却水中，并且在步骤f-a期间，该过程为工艺流例如天然气进料流和/或另一种制冷剂提供冷却责任。

图1b显示了用于单压力冷却过程的跨临界操作的p-h图。循环图如图1a所示。然而，排热步骤b-e发生在临界点以上。临界温度tcrit用等温线表示。该过程从制冷剂蒸汽(a)开始，压力p1和临界温度以下的温度t1。然后压缩到临界温度以上的压力p2和温度t2(b)。在临界点以上，流体不具有明显的气相和液相。因此，从b点冷却到e点时，不冷凝。该流体在b点表现出类似于蒸汽的性质，在e点表现出类似于液体的性质。然而，与在冷凝过程(c-d)期间温度保持恒定的亚临界冷凝过程不同，在跨临界排热步骤期间温度持续降低。跨临界过程的排热步骤可能比亚临界过程的效率低，这是跨临界过程的缺点。

对于亚临界和跨临界操作，在散热之后的e处的温度由环境温度加上热交换器接近温度来设定。由于临界点以上的等温线(恒温线)的垂直特性，e在图的中心部分，用于跨临界操作。因此，当制冷剂从e降压到f时，产生具有大量蒸汽的两相流。因此，f中的制冷剂在跨临界过程中具有比在亚临界过程中更高的蒸汽分数。在f处的制冷剂的液体成分蒸发以提供所需的冷却作用。因此，由于f处的高蒸汽分数，跨临界过程固有地具有比亚临界过程更低的过程效率。

e处的温度(环境冷却器出口温度)由环境温度加上环境温度给出，并且是确定是否发生亚临界或跨临界操作的关键因素。如果环境冷却器出口温度低于临界温度，如图1a所示，亚临界操作发生。如果环境冷却器出口温度大于或等于临界温度，如图1b所示，跨临界操作发生。

丙烷和混合制冷剂等制冷剂的临界温度远高于典型的环境冷却器出口温度，即使在炎热的环境条件下，也因此具有亚临界运行。二氧化碳和乙烷的临界温度约为31摄氏度。乙烯的临界温度约10摄氏度。取决于环境温度、二氧化碳、乙烷和乙烯在典型的热和平均环境条件下将具有跨临界操作，并且因此具有低的工艺效率。这是跨临界操作的重大缺陷。

跨临界运行的另一个问题是环境温度波动的制冷剂库存管理。对于跨临界操作，排热步骤b-e发生在临界点以上并且没有冷凝。随着制冷剂冷却，其温度不断降低，并且其密度增加。e中的制冷剂具有液体密度，但不是液体。因此，库存管理程序优选基于压力，类似于如何管理气相制冷剂库存的方式。当环境温度降低时，环境冷却器出口温度现在低于临界温度，操作切换到次临界温度。制冷剂在e处被完全冷凝和过冷。因此，库存管理程序优选基于使用液位控制的液体制冷剂。换句话说，随着操作从环境温度的变化从跨临界切换到次临界，库存管理方法也可能需要改变。这是与跨临界制冷剂相关的操作挑战。

例如，二氧化碳是不易燃的，并且在浮动lng(flng)应用中有益处。它具有高密度，使制冷剂体积流量低、管道尺寸小。然而，由于这里针对跨临界操作所述的问题，天然气液化应用并不是优选的。

因此，需要一种有效的方法和系统来解决与跨临界操作相关的问题，并使跨临界制冷剂用于lng服务。

发明概述

提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本

技术实现要素：
部分不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

如下面所描述的以及如下面的权利要求所限定的一些实施例包括对用作lng液化工艺的一部分的冷却和液化系统的改进。一些实施例通过使用混合冷却过程来满足本领域的需要，由此使得能够使用跨临界制冷剂来进行lng服务。

另外，下面概述了这些系统和方法的几个具体方面。

方面1:一种用于针对第一制冷剂冷却烃进料流以产生冷却的烃流的方法，所述第一制冷剂具有临界温度，所述方法包括：

(a)在至少一个压缩阶段中压缩所述第一制冷剂以产生压缩的第一制冷剂；

(b)在至少一个热交换器中将所述压缩的第一制冷剂针对环境流体进行冷却，以产生具有大于或等于所述第一制冷剂的临界温度的第一温度的冷却的第一制冷剂；

(c)在至少一个节能热交换器中，针对冷却的第一制冷剂的至少第一部分，将冷却的第一制冷剂进一步冷却以在第二温度下产生进一步冷却的第一制冷剂和温暖的第一制冷剂，所述第二温度小于所述第一制冷剂的临界温度；和

(d)冷却位于与所述节能器流体流动连通的下游中的至少一个冷却回路中的每一个中的流体流，所述至少一个冷却回路中的每一个具有至少一个蒸发阶段，在每个蒸发阶段中执行以下各个步骤：

(i)降低所述第一制冷剂的压力；

(ii)在蒸发器中针对降低压力的第一制冷剂冷却所述流体流，从而导致所述降低压力的第一制冷剂的至少一部分蒸发；和

(iii)使至少一部分蒸发的降低压力的第一制冷剂流入所述至少一个压缩阶段中的一个；

其中在至少一个冷却回路中冷却的至少一种流体流包括烃进料流，并且步骤(d)产生冷却的烃流。

方面2:权利要求1所述的方法，还包括:

(e)在至少一个液化热交换器中针对第二制冷剂流进一步冷却和液化所述冷却的烃流，以产生液化的天然气流。

方面3:方面2所述的方法，其中在所述至少一个冷却回路中冷却的至少一种流体流包括第二制冷剂。

方面4:方面1-3中任一项所述的方法，其中第一制冷剂包括乙烷、二氧化碳或乙烯。

方面5:方面1-4中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括:

(a)在多个压缩阶段中压缩所述第一制冷剂以产生压缩的第一制冷剂。

方面6:方面1-5中任一项所述的方法，其中步骤(d)还包括在位于所述节能器下游的多个蒸发阶段中冷却至少一种流体流，其中步骤(d)(i)至(d)(iii)在多个蒸发阶段中的每一个中执行。

方面7:方面1-6中任一项所述的方法，还包括:

(f)在执行步骤(d)(iii)之前，将所述温暖的第一制冷剂的气相部分与所述至少一个蒸发阶段之一中的蒸发的降低压力的第一制冷剂组合。

方面8:方面7所述的方法，还包括:

(g)将所述温暖的第一制冷剂分离成气相部分和液相部分，并用所述液相部分执行步骤(d)。

方面9:用于冷却烃进料流的设备，所述设备包括：

至少一个压缩阶段，可操作地配置为压缩第一制冷剂；

与所述至少一个压缩阶段下游流体流动连通的至少一个环境热交换器，所述至少一个环境热交换器可操作地配置为针对环境流体通过间接热交换将所述第一制冷剂冷却至第一温度，所述第一温度大于或等于所述第一制冷剂的临界温度；

与所述至少一个环境热交换器下游流体流动连通的至少一个节能器，所述节能器可操作地配置为将所述第一制冷剂进一步冷却至低于所述第一制冷剂的临界温度的第二温度；

与所述至少一个节能器下游流体流动连通的至少一个冷却回路，所述至少一个冷却回路中的每个具有至少一个蒸发阶段，所述蒸发阶段中的每个包括与蒸发器上游流体流动连通的膨胀阀，

所述蒸发器可操作地配置为针对所述第一制冷剂冷却流体流并产生蒸发的第一制冷剂流和冷却的流体流，所述蒸发阶段中的每一个还包括与所述至少一个压缩阶段中的一个流体流动连通的蒸发的第一制冷剂回路；

其中所述至少一个冷却回路的至少一个的流体流包括烃进料流。

方面10:方面9所述的设备，还包括液化热交换器，可操作地配置为在至少一个液化热交换器中针对第二制冷剂流进一步冷却和液化所述烃流，以产生液化的天然气流。

方面11:方面10所述的设备，其中所述至少一个冷却回路的至少一个的流体流包括第二制冷剂。

方面12:方面9-11中任一项所述的设备，其中第一制冷剂包括乙烷、二氧化碳或乙烯。

方面13:方面9-12中任一项所述的设备，其中至少一个压缩阶段包括多个压缩阶段。

方面14:方面13所述的设备，其中至少一个蒸发器阶段包括多个蒸发器阶段。

方面15:一种针对第一制冷剂冷却烃进料流以产生冷却的烃流的方法，所述第一制冷剂具有临界温度，该方法包括：

(a)在至少一个压缩阶段中压缩所述第一制冷剂以产生压缩的第一制冷剂；

(b)在至少一个热交换器中将所述压缩的第一制冷剂针对环境流体进行冷却，以产生具有大于或等于所述第一制冷剂的临界温度的第一温度的冷却的第一制冷剂；

(c)在至少一个辅助热交换器中将冷却的第一制冷剂进一步冷却以在第二温度下产生进一步冷却的第一制冷剂，所述第二温度小于所述第一制冷剂的临界温度；和

(d)冷却位于与所述辅助热交换器流体流动连通的下游中的至少一个冷却回路中的每一个中的流体流，所述至少一个冷却回路中的每一个具有至少一个蒸发阶段，在每个蒸发阶段中执行以下各个步骤：

(i)降低所述第一制冷剂的压力；

(ii)在蒸发器中针对降低压力的第一制冷剂冷却所述流体流，从而导致所述降低压力的第一制冷剂的至少一部分蒸发；和

(iii)使至少一部分蒸发的降低压力的第一制冷剂流入所述至少一个压缩阶段中的一个；

其中在至少一个冷却回路中冷却的至少一种流体流包括烃进料流，并且步骤(d)产生冷却的烃流；和

其中所述至少一个辅助热交换器的致冷负荷由选自如下的至少一种辅助致冷剂提供：(1)所述烃进料流；和(2)通过蒸气膨胀或蒸气压缩循环冷却的第三致冷剂。

方面16:方面15所述的方法，还包括:

(e)在至少一个液化热交换器中针对第二制冷剂流进一步冷却和液化所述冷却的烃流，以产生液化的天然气流。

方面17:方面16所述的方法，其中在所述至少一个冷却回路中冷却的至少一种流体流包括第二制冷剂。

方面18:方面17所述的方法，其中在步骤(d)(ii)中第二制冷剂是气相，而第三致冷剂是第二制冷剂的一部分。

方面19:方面15-18中任一项所述的方法，其中第一制冷剂包括乙烷、二氧化碳或乙烯。

方面20:方面15-19中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括:

(a)在多个压缩阶段中压缩所述第一制冷剂以产生压缩的第一制冷剂。

方面21:方面20所述的方法，其中步骤(d)还包括在位于所述节能器下游的多个蒸发阶段中冷却至少一种流体流，其中步骤(d)(i)至(d)(iii)在多个蒸发阶段中的每一个中执行。

方面22:方面15-21中任一项所述的方法，还包括:

(e)在执行步骤(d)(iii)之前，将所述温暖的第一制冷剂的气相部分与所述至少一个蒸发阶段之一中的蒸发的降低压力的第一制冷剂组合。

方面23:方面22所述的方法，还包括:

(f)将所述温暖的第一制冷剂分离成气相部分和液相部分，并用所述液相部分执行步骤(d)。

附图简述

图1a是根据现有技术的亚临界冷却过程的压力对焓(p-h)图；

图1b是根据现有技术的跨临界冷却过程的压力对焓(p-h)图；

图2是根据现有技术的预冷气相膨胀系统的示意性流程图；

图3是根据现有技术的预冷mr系统的示意流程图；

图4是根据现有技术的冷却系统的示意性流程图；

图5是根据第一实施例的冷却系统的示意性流程图；

图6是根据第二实施例的冷却系统的示意性流程图；

图7是根据第三实施例的冷却系统的示意性流程图；

图8是根据第四实施例的冷却系统的示意性流程图；

图9是根据第三和第四实施例的辅助致冷剂系统的第一实施例的示意流程图；

图10是根据第三和第四实施例的辅助致冷剂系统的第二实施例的示意流程图；

图11是根据第三和第四实施例的辅助致冷剂系统的第三实施例的示意流程图；

图12a是具有等熵膨胀的跨临界冷却过程的压力对焓(p-h)图；

图12b是根据第五实施例的冷却系统的示意性流程图。

发明详述

随后的详细描述仅提供了优选的示例性实施例，并不意图限制范围、适用性或配置。相反，随后对优选示例性实施例的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现优选示例性实施例的使能描述。在不脱离其精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置做出各种改变。

在说明书中结合附图引入的附图标记可以在一个或多个后续附图中重复，而无需在说明书中进行额外的描述，以便为其他特征提供上下文。

在权利要求中，使用字母来标识要求保护的步骤(例如(a)、(b)和(c))。这些字母用于帮助参考方法步骤，并且不旨在指示执行所要求保护的步骤的顺序，除非并且仅仅在这样的顺序在权利要求中具体记载的范围内。

说明书和权利要求中可以使用方向术语来描述所公开实施例的部分(例如，上、下、左、右等)。这些方向性术语仅旨在帮助描述示例性实施例，而不旨在限制权利要求的范围。如本文所使用的，术语“上游”旨在表示在与参考点处的导管中的流体的流动方向相反的方向上。类似地，术语“下游”旨在表示在与参考点处的导管中流体的流动方向相同的方向上。

除非在此另有说明，否则在说明书，附图和权利要求中确定的任何和所有百分比应该被理解为以重量百分比为基础。除非在此另有说明，否则在说明书、附图和权利要求书中确定的任何和所有压力应理解为表示表压。

在说明书和权利要求书中使用的术语“流体流动连通”是指两个或更多个部件之间的连接性质，其使得液体、蒸气和/或两相混合物能够以受控方式(即，没有泄漏)直接或间接地在组分之间传输。将两个或更多个部件连接成彼此流体流动连通可以涉及本领域已知的任何合适的方法，例如使用焊接、凸缘导管、垫圈和螺栓。两个或更多个部件也可以通过系统的其他部件(例如，阀门、闸门或可以选择性地限制或引导流体流动的其他部件)将它们分开。

如在说明书和权利要求中使用的术语“导管”是指流体可以通过其在系统的两个或更多个部件之间运输的一个或多个结构。例如，导管包括但不限于输送液体、蒸气和/或气体的管道、导管、通道及其组合。

在说明书和权利要求中使用的术语“天然气”是指主要由甲烷组成的烃气体混合物。

在说明书和权利要求中使用的术语“烃气体”或“烃流体”是指包含至少一种烃的气体/流体，其中烃包含至少80％，更优选至少90％的气体/流体的总体组成。

在说明书和权利要求中使用的术语“混合制冷剂”(缩写为“mr”)是指包含至少两种烃的流体，其中烃占制冷剂整体组成的至少80％。

术语“束”和“管束”在本申请中可互换使用并意图是同义的。

在说明书和权利要求中使用的术语“环境流体”是指在环境压力和温度或接近环境压力和温度下提供给系统的流体。

术语“压缩回路”在本文中用于指代彼此流体连通并且串联布置的部件和管道(以下称为“串联流体流动连通”)，从第一压缩机或压缩机级的上游开始，并在最后的压缩机或压缩机级的下游结束。术语“压缩序列”旨在指代由构成相关联的压缩电路的组件和导管执行的步骤。

如在说明书和权利要求中所使用的，术语“高-高”、“高”、“中”、“低”和“低-低”旨在表示与这些术语被使用。例如，高-高压流旨在表示具有比本申请中描述或要求保护的相应高压流或中压流或低压流更高压力的流。类似地，高压物流旨在表示具有比说明书或权利要求书中描述的相应的中压流或低压流更高的压力但低于本申请中所描述或要求保护的相应的高-高压流的压力流。类似地，中压流旨在表示具有比说明书或权利要求书中描述的相应低压流更高的压力但低于本申请中所述或要求保护的相应高压流的流。

如本文所用，术语“致冷剂”或“低温流体”旨在表示温度低于-70摄氏度的液体、气体或混合相流体。冷冻剂的实例包括液氮(ln)、液化天然气(lng)、液氦、液态二氧化碳和加压混合相低温剂(例如，lin和气态氮的混合物)。如本文所用，术语“低温温度”旨在表示低于-70摄氏度的温度。

如本文所使用的，术语“压缩机”旨在表示具有包含在壳体内的至少一个压缩机级并且增加流体流压力的装置。

如本文所使用的，术语流体的“临界点”是流体的p-h图上饱和液体和饱和蒸气线相交处的点。

如本文所使用的，术语“亚临界”旨在指代在制冷剂的临界点以下发生的过程。

如本文所用，术语“跨临界”旨在指包括在制冷剂的临界点以下发生的一个或多个步骤和在制冷剂的临界点以上发生的一个或多个步骤的方法。

如本文所使用的，术语“等温线”旨在表示恒温线。

如本文所使用的，术语“蒸汽压缩循环”旨在指制冷循环，其中制冷循环期间制冷剂经历相变。例如，蒸气制冷剂被压缩、冷却并至少部分冷凝，然后减压，并至少部分蒸发以提供致冷负荷。

如本文所使用的，术语“蒸气膨胀循环”旨在指制冷循环，其中制冷剂处于气相并且在循环期间不经历相变。例如，蒸气制冷剂被压缩、冷却而没有相变，然后减压并升温以提供制冷剂负荷。

如本文所使用的，术语“闭环蒸气压缩循环”旨在表示蒸气压缩循环，其中在稳态期间没有制冷剂被添加或从制冷循环中除去(可能除了泄漏和制冷剂补充)操作。在此公开的所有实施例中，预冷制冷循环是闭环蒸汽压缩循环。

如本文所使用的，在此使用的术语“节能器”旨在表示可操作地配置为在不同的温度下提供流体流和流体流的至少一部分之间的间接热交换的热交换器。

表1定义了在整个说明书和附图中使用的缩略词的列表，以帮助理解所描述的实施例。

所描述的实施例提供了用于烃流体的液化的有效方法，并且特别适用于天然气的液化。

参考图2，示出了现有技术的典型的预冷气相膨胀方法。在这种布置中，预冷负荷通过使用两相制冷剂的沸腾传热来提供，液化和过冷负荷通过使用气相制冷剂的显热传递来提供。气体制冷剂的一些例子包括氮气、甲烷及其组合。

优选天然气的进料流200在预处理部分290中通过已知方法进行清洁和干燥，以去除水、酸性气体如co2和h2s、以及其他污染物如汞，从而得到预处理的进料流201。基本上不含水的预处理过的进料流201在预冷系统218中预先冷却以产生预冷的天然气流205并进一步冷却、液化和/或在主低温热交换器(mche)208(也被称为主热交换器)中被过冷以生产lng流206。lng流206优选通过阀或涡轮机(未示出)通过而被减压，然后被输送到lng储罐209。在罐内的压力下降和/或蒸发期间产生的任何闪蒸蒸气由流207表示，其可以用作工厂中的燃料，再循环到进料或排出。

术语“基本上不含水”是指经预处理的进料流201中的任何残留水以足够低的浓度存在，以防止在下游冷却和液化过程中与水冻结相关的操作问题。在本文所述的实施方案中，水浓度优选不大于1.0ppm，更优选0.1ppm至0.5ppm。

预处理的进料流201被预冷却至优选低于10摄氏度，更优选低于约0摄氏度，最优选约-30摄氏度的温度。预冷的天然气流205被液化到优选在约-150摄氏度和约-70摄氏度之间的温度，更优选在约-145摄氏度和约-100摄氏度之间的温度，随后再次冷却到优选在约-170摄氏度和约-120摄氏度之间的温度，更优选在约-170摄氏度和约-140摄氏度之间。mche208可以是任何类型的热交换器，例如具有一个或多个束的线圈缠绕热交换器、热交换器板和散热片、热交换器中的核心、管壳式热交换器、以及任何适用于天然气过冷液化的其他类型的热交换器。此外，可以使用一个或多个并联串联的热交换器。在某些情况下，也可以使用节能热交换器。

如图2所示，冷却的预冷制冷剂210至少相对于预处理的进料流201被加热，以产生温暖的低压预冷制冷剂214。温暖的低压预冷制冷剂214在一个或多个预冷制冷剂压缩机216中被压缩，其可以包括四个压缩机级216a、216b、216c、216d。处于中间压力水平的三个侧流211、212和213分别在预冷制冷剂压缩机216的最后216d、第三216c和第二216b级的吸入处进入预冷制冷剂压缩机216。压缩的预冷却制冷剂215在一个或多个热交换器例如降温器、冷凝器和/或过冷器热交换器(被描述为预冷制冷剂冷凝器217)中被冷却，以产生提供所需预冷作用的冷却的预冷制冷剂210。

预冷制冷剂冷凝器217优选地对诸如空气或水的环境流体交换热量。虽然图2示出了四个预冷制冷剂压缩阶段，但是可以采用任何数量的压缩机阶段。应该理解的是，当描述或要求保护多个压缩机级时，这样的多个压缩机级可以包括单个多级压缩机、多个压缩机或其组合。压缩机可能在一个单一的套管或多个外壳。压缩预冷制冷剂的过程在本文中通常称为预冷压缩顺序，并在图4中详细描述。预冷制冷剂的一些实例包括丙烷、mr、二氧化碳、hfc、乙烷、乙烯等。

温热液化制冷剂230从mche208中取出并在高压(hp)压缩机257中压缩以产生压缩液化制冷剂238。可以使用一个或多个压缩阶段的制冷剂压缩机，并具有可选的中间冷却。压缩的液化制冷剂238在高压后冷器258中相对环境空气或水冷却，以产生气相的冷却液化制冷剂239。一个或多个热交换器可以被使用。高压后冷器258可以是任何类型的，例如板和翅片或壳管式热交换器。冷却的液化制冷剂239在预冷系统218中抵靠预冷制冷剂预冷以产生预冷的液化制冷剂240。预冷的液化制冷剂240可以在一个或多个气相膨胀机248中膨胀以产生膨胀的气相制冷剂249，该制冷剂被送到mche208提供所需的液化和过冷功能。

图2的液化和过冷系统可以使用氮气、甲烷或其组合。它可以使用来自过程的进料气体或闪蒸气体，在开环或闭环系统中。它也可以包括使用独立气相制冷剂系统串联或并联的一个或多个冷却系统。此外，它可以使用一个或多个气相膨胀机、压缩机-膨胀机组件(压缩扩张器)、节能热交换器和其他变型。

参考图3，示出了现有技术的典型的预冷-mr过程。优选天然气的进料流300在预处理部分390中通过已知方法进行清洁和干燥，以除去水、酸性气体例如co2和h2s，以及其他污染物例如汞，产生预处理的进料流301。基本上不含水的预处理进料物流301在预冷系统318中预先冷却以产生预冷的天然气物流305并在主低温热交换器(mche)308(也被称为主热交换器)中进一步冷却、液化和/或过冷以生产lng流306。lng流306优选通过使其通过阀或涡轮机(未示出)而被减压，然后被输送到lng储罐309。在罐内的压力下降和/或蒸发过程中产生的任何闪蒸蒸气由流307表示，其可以在设备中用作燃料，再循环到进料或排出。

预处理的进料流301被预先冷却至优选低于10摄氏度，更优选低于约0摄氏度，最优选约-30摄氏度的温度。预冷的天然气流305被液化到优选在约-150摄氏度和约-70摄氏度之间的温度，更优选地在约-145摄氏度和约-100摄氏度之间的温度，并且随后再次冷却到优选在约-170摄氏度和约-120摄氏度之间的温度，更优选在约-170摄氏度和约-140摄氏度之间。图3中所示的mche308是具有三束的线圈缠绕热交换器。然而，可以使用任何数量的捆绑和任何类型的交换机。

术语“基本上不含水”是指经预处理的进料流301中的任何残余水以足够低的浓度存在，以防止与在下游冷却和液化过程中水冻结相关的操作问题。在本文中描述的实施方式中，水浓度优选不超过1.0ppm，并且更优选在0.1ppm和0.5ppm之间。

如图3所示，冷却的预冷制冷剂310至少相对于预处理的进料流301被加热，以产生热低压预冷制冷剂314。热低压预冷制冷剂314在一个或多个预冷制冷剂压缩机316，其可以包括四个压缩机级316a、316b、316c、316d。处于中间压力水平的三个侧流311、312和313分别在预冷制冷剂压缩机316的最终316d、第三316c和第二316b级的吸力下进入预冷制冷剂压缩机316。压缩的预冷制冷剂315在图3所示的一个或多个热交换器中用预冷制冷剂冷凝器317冷却，以产生提供所需的冷却作用的冷却的预冷制冷剂310。

预冷制冷剂液体蒸发以产生热低压预冷制冷剂314。预冷制冷剂冷凝器317优选地与包括但不限于空气或水的环境流体交换热量。尽管该图显示了预冷制冷剂压缩的四个阶段，但是可以采用任何数量的压缩机阶段。应该理解的是，当描述或要求保护多个压缩机级时，这样的多个压缩机级可以包括单个多级压缩机、多个压缩机或其组合。压缩机可能在一个单一的套管或多个外壳。压缩预冷制冷剂的过程在本文中通常称为预冷压缩序列，并且在图4中详细描述。

温热液化制冷剂330从mche308中抽出，并且在缠绕热交换器的线圈的情况下，将从mche308的壳侧的底部抽出。温液化制冷剂330通过低压抽吸滚筒350分离出任何液体，蒸汽流331在低压(lp)压缩机351中被压缩以产生中压mr流332。温液化制冷剂330优选在预冷制冷剂预冷温度或更接近约-30摄氏度的温度和低于10bara(145psia)的压力下取出。中压mr流332在低压后冷器352中冷却以产生冷却的中压mr流333，从中压吸收鼓353中排出任何液体以产生中压蒸气流334，该中压蒸气流334在中压(mp)压缩机354中被进一步压缩。得到的高压mr流335在中压后冷却器355中冷却以产生冷却的高压mr流336。冷却后的高压mr流336被送至高压抽吸滚筒356，在那里排出任何液体。得到的高压蒸气流337在高压(hp)压缩机357中进一步压缩以产生压缩液化制冷剂338，其在高压后冷却器358中冷却以产生冷却的高压(hhp)mr流339。然后冷却的hhpmr流339在预冷却系统318中被冷却以防止蒸发预冷制冷剂，以产生预冷的液化制冷剂340，然后将该预冷的液化制冷剂340输送到气液分离器359，从该气液分离器359获得mrl流341和mrv流343，该mrl流341和mrv流343被送回到mche308以进一步冷却。离开相分离器的液体物流在工业中被称为mrl，而离开相分离器的蒸汽物流在工业中被称为mrv，即使在它们随后被液化之后。在mr从mche308的底部撤回并随后以多个流返回到mche308的管侧的过程中，mr通常被称为mr压缩序列。

mrl流341和mrv流343都在mche308的两个分开的回路中被冷却。mrl流341在mche308的前两个组中被冷却，导致冷流降压以产生冷mrl流342，冷流mrl流342被送回到mche308的壳侧，提供前两批的mche所需的制冷。mrv流343在mche308的第一、第二和第三束中被冷却，通过冷高压减压阀降低压力，并作为冷mrv流344引入到mche308中，以在过冷、液化和冷却步骤中提供制冷。mche308可以是适用于天然气液化的任何交换器，包括但不限于线圈缠绕热交换器、板翅式热交换器或壳管式热交换器。盘管式热交换器是现有技术的天然气液化换热器，包括至少一个管束，该束管包括多个用于流动过程和温暖制冷剂的螺旋缠绕管和用于流动冷制冷剂的壳空间。

图4示出了图2和图3中所示的预冷却系统418和预冷却压缩顺序的示例性布置。下面的安排显示了一个四级压力水平的预冷系统，然而，可以使用任何数量的压力水平。经预处理的进料流401在hp进料蒸发器481中通过间接热交换而冷却以产生第一中间进料流402，然后将其在mp进料蒸发器482中冷却以产生第二中间进料流403，随后由lp进料蒸发器483产生第三中间进料流404，最后是低-低压(llp)进料蒸发器484以产生预冷的天然气流405。

每个压力水平在这里也被称为蒸发阶段。对于预处理的进料流401，使用冷却回路的最高压力蒸发阶段作为示例，每个蒸发阶段包括减压阀473，、蒸发器481、用于汽化预冷却制冷剂421的出口管道以及分离器492(可以与另一个冷却回路中的相应蒸发器485共享)。减压阀473位于蒸发器481的上游，在预冷制冷剂420流经的管道上。每个蒸发阶段为预冷制冷剂提供压力降低、预冷制冷剂和正被冷却的流之间的热传递，以及允许预冷制冷剂的蒸发部分流向压缩机416的管道和(除了最后的蒸发阶段)预冷制冷剂的液体部分流向下一个蒸发阶段。每个冷却回路包括所有的蒸发阶段，这些蒸发阶段为由预冷制冷剂(在本实施例中为经预处理的进料流401和冷却的液化制冷剂流439)冷却的每个流体流提供冷却。例如，与进料蒸发器481-484相关联的四个蒸发阶段形成进料冷却回路。

冷却液化制冷剂流439在hp液化制冷剂蒸发器485中通过间接热交换进一步冷却以产生第一中间液化制冷剂445，然后在mp液化制冷剂蒸发器486中冷却第一中间液化制冷剂445以产生第二中间液化制冷剂446，接着是lp液化制冷剂蒸发器487以产生第三中间液化制冷剂447，最后是llp液化制冷剂蒸发器488，以产生预冷液化制冷剂440。与液化制冷剂蒸发器485-488相关联的四个蒸发阶段形成液化制冷剂回路。

在预冷制冷剂压缩机416中压缩预热冷却制冷剂414以产生压缩的预冷制冷剂415。预冷制冷压缩机416显示为四级压缩机，其具有llp压缩阶段416a、lp压缩阶段416b、mp压缩阶段416c以及hp压缩阶段416d。lp侧流413、mp侧流412和hp侧流411在中间位置被引入预冷制冷剂压缩机416。

压缩的预冷制冷剂415优选通过与一个或多个热交换器中的环境空气或水进行间接热交换而被冷却，如通过预冷制冷剂冷凝器417所描绘的，以产生经冷却的预冷制冷剂410。然后，被冷却的预冷制冷剂410优选地被分成两部分，向预处理过的进料流401提供冷却作用的第一部分419和为冷却的液化制冷剂流439提供冷却作用的第二部分461。

冷却的预冷制冷剂的第一部分419可以在第一减压阀473中被减压以产生第一hp预冷却制冷剂420。第一hp预冷却制冷剂420的液体部分在hp进料蒸发器481中部分地蒸发，以产生第一hp蒸气预冷制冷剂421和第一hp液体预冷制冷剂422。第一hp蒸气预冷制冷剂421被送至hp预冷制冷剂分离器492，随后作为hp侧流411的一部分抽吸hp压缩阶段416d。

第一hp液体预冷制冷剂422在第二减压阀474中减压以产生第一mp预冷制冷剂423。第一mp预冷制冷剂423的液体部分在mp进料蒸发器482中部分地蒸发以产生第一mp蒸汽预冷却制冷剂424和第一mp液体预冷却制冷剂425。第一mp蒸汽预冷却制冷剂424被送至mp预冷制冷剂分离器493，随后作为mp侧流412的一部分吸入mp压缩阶段416c。

第一mp液体预冷却制冷剂425在第三减压阀475中被减压以产生第一lp预冷制冷剂426。第一lp预冷却制冷剂426的液体部分在lp进料蒸发器483中部分地蒸发以产生第一lp蒸气预冷制冷剂427和第一lp液体预冷制冷剂428。第一lp蒸气预冷冻剂427被送到lp预冷制冷剂分离器494，随后作为lp侧流413的一部分吸入lp压缩阶段416b。

第一lp液体预冷制冷剂428在第四降压阀476中被减压以产生第一llp预冷制冷剂429。第一llp预冷制冷剂429的液体部分在llp进料蒸发器484中被完全蒸发以产生第一llp蒸气预冷制冷剂460。在此上下文中，“完全汽化”是指至少95％重量的液体馏分被汽化。第一llp蒸气预冷制冷剂460被送到llp预冷制冷剂分离器495，随后被送到llp压缩阶段416a作为温低压预冷制冷剂414的一部分。

冷却的预冷制冷剂的第二部分461可以在第五减压阀477中减压以产生第二hp预冷制冷剂462。第二hp预冷制冷剂462的液体部分在hp液化制冷剂蒸发中部分地蒸发以产生第二hp蒸气预冷制冷剂463和第二hp液体预冷制冷剂464。第二hp蒸气预冷制冷剂463被送到hp预冷制冷剂分离器492，随后被送到hp压缩阶段416d作为hp侧流411的一部分。

第二hp液体预冷制冷剂464在第六减压阀478中被减压以产生第二mp预冷制冷剂465。第二mp预冷制冷剂465的液体部分在mp液化制冷剂蒸发器486中被部分地蒸发以产生第二mp蒸汽预冷却制冷剂466和第二mp液体预冷却制冷剂467。第二mp蒸气预冷制冷剂466被送到mp预冷制冷剂分离器493，随后作为mp侧流412的一部分吸入mp压缩阶段416c。

第二mp液体预冷制冷剂467在第七减压阀479中被减压以产生第二lp预冷制冷剂468。第二lp预冷制冷剂468的液体部分在lp液化制冷剂蒸发器487中被部分地蒸发以产生第二lp蒸气预冷制冷剂469和第二lp液体预冷制冷剂470。第二lp蒸气预冷制冷剂469被输送到lp预冷制冷剂分离器494，随后作为lp侧流413的一部分吸入lp压缩阶段416b。

第二lp液体预冷制冷剂470在第八减压阀480中被减压以产生第二llp预冷制冷剂471。第二llp预冷制冷剂471的液体部分在llp液化制冷剂蒸发器488中被完全蒸发以产生第二llp蒸气预冷制冷剂472。第二llp蒸气预冷制冷剂472被送到llp预冷制冷剂分离器495，随后作为温低压预冷制冷剂414的一部分吸入llp压缩阶段416a。

在优选的布置中，使用二氧化碳的预冷制冷剂，暖低压预冷制冷剂414的压力在约5bara和30bara之间，压缩的预冷制冷剂415的压力在约50bara和120bara之间。

在另一种布置中，进料和液化制冷剂可以在相同的热交换器中相对于预冷制冷剂进行冷却。在这样的布置中，冷却的预冷制冷剂410不被分成第一部分和第二部分，并且不需要用于第二冷却回路的单独的预冷蒸发器。预冷制冷剂的一些例子包括丙烷、丙烯、乙烷、乙烯、氨、二氧化碳、mr、氢氟烃如r-410a、r22或任何其它合适的制冷剂。

冷却的预冷制冷剂410的温度随着环境温度和预冷制冷剂冷凝器417的接近温度而变化。对于典型的热环境温度，冷却的预冷制冷剂410的温度在大约30摄氏度和大约60摄氏度之间。取决于预冷制冷剂的临界温度，预冷过程将是次临界或跨临界的。如果冷却的预冷制冷剂410的温度低于临界温度，则该过程将是次临界的。但是，如果冷却的预冷制冷剂410的温度大于或等于临界温度，则该工艺是跨临界的，并且将具有比亚临界操作更低的工艺效率。

图5示出了第一示例性实施例。参照图5，压缩的预冷制冷剂515在一个或多个热交换器例如降温器、冷凝器和/或过冷器热交换器(被描绘为预冷制冷剂冷凝器517)中被冷却，以产生提供所需预冷作用的冷却的预冷制冷剂510。冷却的预冷制冷剂510在节能热交换器525a中被进一步冷却，以产生进一步冷却的预冷制冷剂597。冷却的预冷制冷剂510的温度处于环境温度加上预冷制冷剂冷凝器517的接近温度，在此也称为过冷器热交换器接近温度。过冷器热交换器接近温度优选在约5至40摄氏度之间，更优选在约10至30摄氏度之间。冷却的预冷制冷剂510优选比临界温度高0摄氏度以上，更优选比临界温度高10摄氏度以上，最优选比临界温度高20多摄氏度。没有节能热交换器的预冷制冷工艺本质上是跨临界的。进一步冷却的预冷制冷剂597的温度低于临界温度。作为非限制性实例，进一步冷却的预冷却制冷剂597优选可以比临界温度更冷0℃以上，或者更优选比临界温度更冷2℃以上。

然后将进一步冷却的预冷却制冷剂597分成冷却的预冷制冷剂519的第一部分和冷却的预冷制冷剂561的第二部分，其用于分别为预处理的进料流501和冷却的液化制冷剂539提供冷却责任。在一个优选的实施方案中，进一步冷却的预冷却制冷剂597处于优选从约-20摄氏度至约25摄氏度，更优选从约0摄氏度至约15摄氏度的范围内的温度。

冷却的预冷制冷剂的第三部分519a从进一步冷却的预冷制冷剂597中排出，并在第九减压阀573a中减压，以产生第三高压预冷制冷剂520a，其被用于在节能热交换器525a中提供冷却任务。第三高压预冷却制冷剂520a可以是两相的并且在节能热交换器525a中至少部分蒸发并且优选地完全蒸发以产生第三高压蒸汽预冷却制冷剂521a。第三高压蒸气预冷制冷剂521a被送到hp预冷制冷剂分离器592，随后作为hp侧流511的一部分被吸入第四预冷压缩阶段516d。在另一个实施例中，当冷却的预冷制冷剂510低于临界温度并且该过程已经是次临界时，节能热交换器525a可以在平均和冷的环境条件下绕过。

第三高压预冷制冷剂520a的压力可以可选地高于第一hp预冷制冷剂520的压力。在这种情况下，在引入hp预冷制冷剂分离器592之前，第三高压蒸气预冷制冷剂521a可以在背压阀或节流阀(未示出)中减压。在另一方面，第三高压蒸汽预冷却制冷剂521a可以在比第四预冷压缩阶段516d的抽吸压力更高的压力位置处被引入到预冷制冷剂压缩机516中，例如在第五预冷压缩阶段516e(未示出)的抽吸处。

用于通过冷却的预冷制冷剂的第三部分519a为节能热交换器525a提供冷却功能的流量将取决于预冷制冷剂的组成。在图5所示的实施例中，3-20％的流量优选地被引导到第三部分519a(更优选地5-15％)，优选15-45％被引导到第一部分519，并且优选45-85％被引导到第二部分561。可以使用任何合适的流量调节装置，比如比例阀(未示出)来调节期望的流量。

图5所示实施例的好处在于它将跨临界过程转换成次临界过程。通过进一步冷却节能热交换器525a中的冷却的预冷制冷剂510，进一步冷却的预冷制冷剂597变成“有效”的过冷却器出口温度。因此，为了确定操作是次临界还是跨临界的，需要将进一步冷却的预冷制冷剂597的温度与制冷剂的临界温度进行比较。由于进一步冷却的预冷却制冷剂597比被冷却的预冷却制冷剂510冷，因此增加了亚临界循环的可能性。作为非限制性实例，对于典型的平均和热环境条件，co2和乙烷具有约30摄氏度的临界温度，远低于冷却的预冷制冷剂510的温度。对于现有技术的方法来说，这将导致跨临界操作，由于较高的蒸汽分数，工艺效率显着降低。对于跨临界操作，第一hp预冷却制冷剂420的蒸气分数优选在大约0.1和0.7之间。另外，对于现有技术的跨临界操作，将存在：散热(到环境)步骤中没有相变；环境温度波动的复杂库存管理；缺乏对基本负荷lng设施的参考以及其他运营方面的挑战。然而，使用图5中描述的实施例，即使对于炎热的环境条件，30摄氏度的临界温度优选大于进一步冷却的预冷制冷剂597。作为非限制性示例，使用图5的实施例，对于热的环境温度，进一步冷却的预冷却制冷剂597可以处于大约20摄氏度的温度。结果，图5的过程本质上是次临界的，因此具有比图4的现有技术实施例更高的过程效率，优选比跨临界现有技术过程高5％至30％的效率。第一hp预冷却制冷剂520的蒸气分数优选在约0和0.5之间，更优选在约0和0.3之间。如前所述，图5的实施例也不具有随着环境温度波动而改变库存管理的挑战。

该实施例的另一个益处是由于较冷的有效的过冷却器出口，压缩的预冷却制冷剂515的压力可以较低，这减小了系统上的压缩负载。在一个优选实施例中，压缩的预冷制冷剂515的压力在大约20bara和80bara之间。此外，较低的压力降低了预冷制冷剂的比热比。比热比是恒压比热容与恒容比热容的比值。当比热比减小时，压缩后的制冷剂温度降低，这意味着损失的工作量更低，因此工艺效率更高。

图6示出了图5的第二示例性实施例和变型。进一步冷却的预冷制冷剂697被分成冷却的预冷制冷剂619的第一部分和被冷却的预冷制冷剂661的第二部分。冷却的预冷制冷剂619的第一部分在第九减压阀673a中减压以产生第三高压预冷制冷剂620a，其用于向节能热交换器625a提供冷却作用。第三高压预冷制冷剂620a在节能热交换器625a中部分地蒸发并相分离，以产生第三高压蒸气预冷制冷剂621a和第三高压液体预冷制冷剂622a。相分离步骤可发生在节能热交换器625a内或分离的相分离器(未示出)中。第三高压蒸气预冷制冷剂621a被送到hp预冷制冷剂分离器692，随后作为hp侧流611的一部分抽吸第四预冷压缩阶段616d。第三高压液体预冷却制冷剂622a在第一减压装置673中被减压以压力产生第一高压预冷制冷剂620，该第一高压预冷制冷剂620用于向预处理过的进料流601提供冷却作用，而冷却的预冷制冷剂661的第二部分用于向冷却的液化制冷剂639提供冷却作用。

第三高压预冷制冷剂620a的压力高于第一hp预冷制冷剂620的压力。因此，第三高压蒸气预冷制冷剂621a需要在背压阀或节流阀621b中减压以在引入hp预冷制冷剂分离器692之前产生减压的第三高压蒸汽预冷制冷剂621c。或者，第三高压蒸汽预冷却制冷剂621a可以在比第四预冷压缩阶段616d的抽吸压力更高的压力位置被引入预冷制冷剂压缩机616，例如在第五预冷压缩阶段616e(未示出)的抽吸处。

在一个替代实施例中，当冷却的预冷制冷剂610低于临界温度并且过程已经是次临界时，节能热交换器625a可以在平均和冷的环境条件下绕过。图6具有图5所示实施例的所有优点。

图7示出了第三示例性实施例。参照图7，在第一时间段期间，冷却的预冷制冷剂710在辅助致冷剂系统796中被进一步冷却，以产生进一步冷却的预冷制冷剂797。冷却的预冷制冷剂710的温度处于环境温度加上过冷器热交换器温度接近环境温度。过冷器热交换器接近温度优选在约5至40摄氏度之间，更优选在约10至30摄氏度之间。第一段时间被定义为一段时间，其中，在此被称为“过冷却器出口温度”的冷却的预冷制冷剂710大于或等于预冷制冷剂的临界温度。换句话说，在第一时间段内，被冷却的预冷制冷剂710的温度大于或等于临界温度。作为一个非限制性示例，冷却的预冷却剂710可以比临界温度高0摄氏度以上，或比临界温度高10摄氏度以上或比临界温度高20多摄氏度。因此，在第一段时间内，没有辅助致冷剂系统的预冷制冷过程本质上是跨临界的。作为非限制性示例，第一时间段可以在炎热和平均环境条件下发生，包括但不限于夏季和/或暖日。进一步冷却的预冷制冷剂797的温度低于临界温度。作为非限制性示例，进一步冷却的预冷却剂797优选可以比临界温度低0摄氏度以上，更优选比临界温度低2度以上，最优选比临界温度低5度以上。

然后将进一步冷却的预冷制冷剂797分成冷却的预冷制冷剂719的第一部分和用于向预处理的进料流701提供冷却作用的冷却的预冷制冷剂761的第二部分以及冷却的液化制冷剂739。在一个优选实施例中，进一步冷却的预冷制冷剂797的温度优选为约-20摄氏度至约25摄氏度，更优选约0摄氏度至约15摄氏度。在第一段时间，辅助致冷剂系统的预冷制冷工艺本质上是次临界的。

在第二时间段期间，冷却的预冷制冷剂710可选地经由任选的旁路预冷制冷剂710a绕过辅助致冷剂系统796，然后将其分成冷却的预冷制冷剂719的第一部分和冷却的预冷制冷剂761的第二部分。第二时间段定义为其中过冷器出口温度低于预冷制冷剂的临界温度的时间段。换句话说，在第二时间段期间，被冷却的预冷制冷剂710的温度低于临界温度。因此，在第二个阶段，没有辅助致冷剂系统的预冷制冷过程本质上是次临界的。作为非限制性示例，第二时间段可以在诸如冬季月份和/或寒冷夜晚的寒冷环境条件下发生。作为非限制性示例，冷却的预冷却剂710优选可以比临界温度低10摄氏度以上，更优选比临界温度低15度以上。

辅助致冷剂系统可利用任何传热方法，例如制冷剂蒸发以提供冷却作用的沸腾传热，或制冷剂加热而不改变相位以提供冷却作用的显热传递或两者的组合。传热方法也可以是吸收热传递，其中制冷剂蒸发以提供冷却作用，但压缩步骤由附加设备代替。而且，辅助致冷剂系统可以使用任何数量的热交换器。作为一个非限制性的例子，辅助致冷剂可以是丙烷或使用原料气的混合致冷剂或气相致冷过程。辅助致冷剂也可以是任何合适的吸收性制冷剂。

可以使用任何合适的系统来监测冷却的预冷制冷剂710的温度并且控制流过旁路710a和辅助致冷剂系统796的流量。例如，控制器700可以用于基于由传感器710d感测的温度来控制阀710b和710c。当传感器710d感测到冷却的预冷制冷剂710大于或等于临界温度时，控制器700关闭阀710b并打开阀710c。相反，当传感器710d感测到冷却的预冷制冷剂710低于临界温度时，控制器700打开阀710b并关闭阀710c。

图7所示实施例的好处在于它通过进一步冷却辅助致冷剂系统796中的冷却的预冷制冷剂710将跨临界工艺转变成次临界工艺。进一步冷却的预冷制冷剂797变成“有效”的过冷器出口温度。因此，为了确定操作是次临界还是跨临界的，需要将进一步冷却的预冷制冷剂797的温度与制冷剂的临界温度进行比较。由于进一步冷却的预冷制冷剂797比被冷却的预冷制冷剂710冷得多，所以增加了次临界循环的可能性。作为非限制性实例，对于典型的平均和热环境条件，co2和乙烷具有约30摄氏度的临界温度，远低于冷却的预冷制冷剂710的温度。对于现有技术的方法来说，由于较高的蒸气分数，这将导致跨临界操作，工艺效率显着降低。对于跨临界操作，第一hp预冷却制冷剂420的蒸气分数优选在大约0.1和0.7之间。另外，对于现有技术的跨临界操作，在散热(到环境)步骤中将不存在相变，具有环境温度摆动的复杂的库存管理，对于基本负荷lng设施缺乏参考，以及其他操作挑战。然而，使用图7中描述的实施例，即使对于炎热的环境条件，30摄氏度的临界温度也优选大于进一步冷却的预冷制冷剂797。作为非限制性示例，使用图7的实施例，对于热的环境温度，进一步冷却的预冷却制冷剂797可以处于大约10摄氏度的温度。结果，图7的过程本质上是次临界的，因此比图4的现有技术实施例具有高得多的过程效率。优选地，获得比跨临界现有技术方法高10％至30％的效率。此外，当应用于跨临界过程时，实施例将具有比当应用于已经是次临界过程时显着更高的益处，其中益处为约5至15％。第一hp预冷却制冷剂720的蒸气分数优选在约0和0.5之间，更优选在约0和0.3之间。如前所述，图7的实施例也不存在环境温度波动对库存管理变化的挑战。

该实施例的另一个益处是，由于较冷的有效的过冷却器出口，压缩的预冷制冷剂715的压力可以较低，这减小了系统上的压缩负载。在一个优选实施例中，压缩的预冷制冷剂715的压力在大约20bara和80bara之间。此外，较低的压力降低了预冷制冷剂的比热比。比热比是恒压比热容与恒容比热容的比值。当比热比减小时，压缩后的制冷剂温度降低，这意味着损失的工作量更低，因此工艺效率更高。

图7的实施例的较高的工艺效率使得通过降低预冷温度和降低液化系统上的负载来将更多的负载转移到预冷却系统中是最佳的。作为非限制性示例，预冷天然气流705的温度可以在约-30摄氏度至约-60摄氏度之间，而预冷的天然气流405的温度可以在约-10摄氏度至约-40摄氏度之间。

在图7所示的实施例中，辅助致冷剂系统冷却预冷制冷剂，然而它也可以用于冷却液化制冷剂。这也适用于没有专用的预冷制冷剂并且辅助致冷剂系统冷却液化制冷剂的实施例。

在优选实施例中，液化制冷剂是mr，预冷制冷剂是乙烷或co2。在另一个优选实施例中，液化制冷剂是气相n2，而预冷制冷剂是乙烷或co2。在又一个优选实施例中，液化制冷剂是甲烷，预冷制冷剂是乙烷或co2。使用二氧化碳作为预冷制冷剂的好处是它不易燃，容易获得，并具有高密度。其高密度导致相同质量的制冷剂所需的预冷制冷剂的体积流量更低。较高的密度也降低了预冷系统的管道和设备尺寸。在使用co2作为预冷制冷剂的另一个优选实施例中，co2在酸性气体去除单元(agru)中的lng设施中产生。

在一个替代实施例中，在第一时间段期间，辅助热交换器中的辅助致冷剂对环境空气或水进行冷却以产生冷却的环境流。在第二段时间，辅助致冷剂系统可以选择旁路。在这样的布置中，预冷制冷剂相对于冷却的环境流而不是辅助致冷剂进行冷却。

图8示出了第四实施例，它是图7所示实施例的变型。在第一时间段内，冷却的预冷制冷剂810在辅助致冷剂系统896中被进一步冷却，以产生进一步冷却的预冷制冷剂897。此外，经预处理的进料流801在辅助致冷剂系统896中被冷却，以产生进一步冷却的进料流898，然后将其送到hp进料蒸发器881进行预冷。冷却的液化制冷剂839在辅助致冷剂系统896中被冷却，以产生进一步冷却的mr流899，然后将其送到hp液化制冷剂蒸发器885进行预冷。

在第二时间段期间，辅助致冷剂系统可选地经由可选的旁路预冷制冷剂810a，可选的旁路供给流801a和可选的旁路液化制冷剂839a被旁路。

在一个优选的实施方案中，进一步冷却的预冷却剂897，进一步冷却的进料流898和进一步冷却的mr流899的温度优选为约-20摄氏度至约25摄氏度，更优选约0摄氏度至约15摄氏度。

此实施例具有图7的所有优点。另外，由于进料和mr流也在辅助致冷剂系统896中在第一时间段内被冷却，所以图8的处理效率高于图7的处理效率，使资本成本最小化。

在一个替代实施例中，来自预冷制冷系统或液化制冷系统的中间压缩流在被进一步压缩之前被抽出并在辅助致冷剂系统896上被冷却。

图9示出应用于图8的辅助致冷剂系统996的示例性实施例。冷却的预冷却剂910在辅助热交换器989中进一步冷却以产生进一步冷却的预冷却剂997。物流901在辅助热交换器989中被冷却以产生进一步冷却的进料物流998。冷却的液化制冷剂939在辅助热交换器989中被冷却以产生进一步冷却的mr流999。

辅助致冷剂系统基于沸腾传热。蒸气辅助致冷剂954a从辅助热交换器989的热端抽出，并在辅助致冷剂压缩机945a中压缩，以产生高压蒸气辅助致冷剂957a。高压蒸气辅助致冷剂957a在一个或多个以辅助致冷剂冷凝器952a为代表的热交换器中冷却，以产生冷却的辅助致冷剂959a。冷却后的辅助致冷剂959a在辅助致冷剂减压阀953a中减压以产生低压辅助致冷剂944a。低压辅助致冷剂944a的液体组分在辅助热交换器989中蒸发，提供所需的辅助冷却作用，并产生蒸气辅助致冷剂954a。

在图9的替代示例性实施例中，如应用于图7，仅在辅助热交换器989中冷却的预冷制冷剂910被进一步冷却，以产生进一步冷却的预冷制冷剂997。

在一个优选的实施方案中，所述辅助致冷剂是hfc制冷剂，包括但不限于r-410a或r-22。在另一个优选实施例中，辅助致冷剂是丙烷或氨或任何其他两相制冷剂。

图10示出应用于图8的辅助致冷剂系统1096的另一个示例性实施例。冷却的预冷却剂1010在辅助热交换器1089中被进一步冷却以产生进一步冷却的预冷却剂1097。经预处理的进料流1001在辅助热交换器1089中被冷却以产生进一步冷却的进料流1098。在辅助热交换器1089中冷却冷却的液化制冷剂1039以产生进一步冷却的mr流1099。

辅助致冷剂是液化制冷剂的一部分。在一个实施例中液化制冷剂使用沸腾传热，如图3所示，mrl流341的一部分作为冷却的辅助致冷剂1059a被除去。冷却后的辅助致冷剂1059a在辅助致冷剂减压阀1053a中减压以产生低压辅助致冷剂1044a。低压辅助致冷剂1044a的液体组分在辅助热交换器1089中蒸发，以提供所需的辅助冷却作用，并生成辅助致冷剂1054a。蒸气辅助致冷剂1054a可以通过引入到中压吸鼓353或任何其他合适的位置而返回到液化制冷剂压缩系统。

在一个替代实施例中，冷却的辅助致冷剂1059a可以从液化过程的任何其他位置获得，使得其不会被冷凝，并且蒸气辅助致冷剂1054a可以被返回到液化过程的任何位置。

在另一实施方案中，其中液化制冷剂使用显热传递，如图2所示，一部分预冷的液化制冷剂240作为冷却的辅助致冷剂1059a被除去。冷却后的辅助致冷剂1059a在辅助致冷剂减压阀1053a(其可以是膨胀器)中减压，以产生低压辅助致冷剂1044a。在辅助热交换器1089中加热低压辅助致冷剂1044a，提供所需的辅助冷却作用，并生成辅助致冷剂1054a。蒸气辅助致冷剂1054a可通过引入hp压缩机257或任何其他合适的位置返回到液化制冷剂压缩系统。蒸气辅助致冷剂1054a也可以在返回到液化制冷剂系统之前被压缩。

在图10的替代示例性实施例中，如应用于图7，仅在辅助热交换器1089中冷却的预冷制冷剂1010被进一步冷却，以产生进一步冷却的预冷制冷剂1097。

在优选实施例中，辅助致冷剂是混合制冷剂(mr)或氮气。

在另一替代实施例中，辅助致冷剂由经预处理的进料流1001的一部分代替图2的液化制冷剂组成。可将辅助致冷剂1054a返回到设施中的上游位置，例如作为进料压缩机的上游，或者可以用作设施中的燃料。

图11示出了应用于图8的使用基于吸收的过程的辅助致冷剂系统1196的另一示例性实施例。冷却的预冷制冷剂1110在辅助热交换器1189中被进一步冷却以产生进一步冷却的预冷制冷剂1197。经预处理的进料流1101在辅助热交换器1189中被冷却以产生进一步冷却的进料流1198。冷却的液化制冷剂1139在辅助热交换器1189中被冷却以产生进一步冷却的mr流1199。

从辅助热交换器1189的暖端取出蒸气辅助致冷剂1154a，并送至辅助致冷剂吸收器1191，在该辅助致冷剂吸收器1191中，辅助致冷剂1154a被吸收到辅助致冷剂溶剂1158a以生产低压液体辅助致冷剂1155a。将低压液体辅助致冷剂1155a泵入辅助致冷剂泵1151a，以产生高压液体辅助致冷剂1156a，将其送至辅助致冷剂发生器1150a，在此提供热量以将辅助致冷剂溶剂1158a从高压辅助致冷剂1157a中分离出来，送至辅助致冷剂吸收器1191。高压蒸气辅助致冷剂1157a在辅助致冷剂冷凝器1152a所描绘的一个或多个热交换器中冷却，以产生冷却的辅助致冷剂1159a。冷却的辅助致冷剂1159a在辅助致冷剂减压阀1153a中减压以产生低压蒸气辅助致冷剂1144a。低压蒸气辅助致冷剂1144a在辅助热交换器1189中蒸发，以提供所需的辅助冷却作用。

在一个实施方案中，提供给辅助致冷剂发生器1150a的热量由天然气液化设备中产生的废热获得。在另一实施方案中，在辅助致冷剂发生器1150a中利用液化和预冷燃气涡轮机产生的废热驱动液化和预冷压缩机。

在图11的替代示例性实施例中，如应用于图7，仅在辅助热交换器1189中冷却的预冷制冷剂1110被进一步冷却以产生进一步冷却的预冷制冷剂1197。在一个实施方案中，辅助致冷剂是一种libr水溶液。

尽管这里描述的实施例提出了在预冷系统中使用辅助致冷剂，但是其也可以用于液化、过冷或者该过程的任何步骤。

典型的减压阀，如joule-thomson(jt)阀，本质上是等焓的。图1b中p-h图所示的跨临界过程中的等焓压力下降步骤的表示。e-f线代表等焓减压步骤，由于管线的垂直性质，在f点产生高的蒸汽分数。这导致了低的工艺效率。图5-11讨论了将跨临界过程转换成次临界过程的实施例，并因此提高了过程效率。改善处理效率的替代方式是通过以等熵方式执行步骤e-f将点f向左移动，如图12a所示。由于p-h图中的等熵(恒熵)线的形状，没有移动点e，所以点f有可能具有较低的蒸汽分数。图12b示出了使用等熵展开的第五实施例。

参考图12b，压缩的预冷制冷剂1215通过与一个或多个热交换器中的环境空气或水进行间接热交换而被冷却，如通过预冷制冷剂冷凝器1217所示，以产生经冷却的预冷制冷剂1210。然后分成两部分，第一部分1219为预处理的进料流1201提供冷却作用，第二部分1261为冷却的液化制冷剂1239提供冷却作用。

冷却的预冷制冷剂1219的第一部分在第一双相膨胀机1248a中减压以产生第一hp预冷制冷剂1220。第一hp预冷却制冷剂1220的液体部分在hp进料蒸发器1281中部分蒸发以产生第一hp蒸气预冷制冷剂1221和第一hp液体预冷制冷剂1222。第一hp蒸气预冷制冷剂1221被送至hp预冷制冷剂分离器1292，随后作为hp侧流1211的一部分抽吸第四预冷压缩阶段1216d。

冷却的预冷制冷剂1261的第二部分可以在第二双相膨胀机1249a中减压以产生第二hp预冷制冷剂1262。第二hp预冷却制冷剂1262的液体部分在hp液化制冷剂蒸发器1285中部分地蒸发以产生第二hp蒸气预冷制冷剂1263和第二hp液体预冷制冷剂1264。第二hp蒸气预冷制冷剂1264被送到hp预冷制冷剂分离器1292，随后作为hp侧流1211的一部分抽吸第四预冷压缩阶段1216d。第一hp预冷却制冷剂1220和第二hp预冷却制冷剂1262的蒸气分数优选在约0.2和0.6之间，并且更优选在约0.2和0.4之间。相反，现有技术的第一hp预冷却制冷剂420的蒸气分数优选在约0.1和0.7之间。

图12b的实施例的益处在于可以在低资本成本，绘图空间和复杂度的情况下提高处理效率。使用扩展器的另一个好处是可以从中提取有用的工作，从而降低功耗。由于本实施例不将跨临界过程转换为次临界过程，库存管理问题依然存在。为了解决这个问题，图12b的实施例可以与之前描述的任何实施例(例如图5-11所示的实施例)组合。在一个实施方案中，冷却的预冷制冷剂1210可在图5的节能热交换器525a中进一步冷却，以在执行等熵压降步骤之前产生进一步冷却的预冷制冷剂597。在另一实施方案中，冷却的预冷制冷剂1210可在辅助致冷剂系统796中进一步冷却，以在执行等熵减压步骤之前产生进一步冷却的预冷制冷剂797。将图12b的特征与之前的实施例相结合允许提高过程的效率，同时将跨临界过程转换为次临界过程，这进一步提高了过程效率并且解决了制冷剂库存管理问题。

例子1

以下是示例性实施例的示例。示例过程和数据是基于对名义上每年500万公吨液化天然气(lng)产量的工厂进行预冷和液化过程的模拟。本例中的预冷制冷剂是乙烷或二氧化碳，液化制冷剂可以是mr或n2。本例具体参照图5所示的实施例，但也可以应用于图6和其他相关的实施例。环境温度是77华氏度(25摄氏度)。乙烷和二氧化碳的临界温度约为30摄氏度。

参照图5，经冷却的预冷制冷剂510在节能热交换器525a中被进一步冷却，以产生进一步冷却的预冷制冷剂597。被冷却的预冷制冷剂510处于psia(85bara)、90华氏度(32摄氏度)超临界。进一步冷却的预冷制冷剂597处于81华氏度(27摄氏度)和液相。冷却的预冷制冷剂519a的第三部分是进一步冷却的预冷制冷剂597的15摩尔％。该实施例的处理效率比现有技术高约4％。

例子2

以下是示例性实施例的示例。示例过程和数据是基于在名义上产生5mtpalng的工厂的预冷和液化过程的模拟。本例中的预冷制冷剂是乙烷或二氧化碳，液化制冷剂可以是mr或n2。这个例子具体指的是图7所示的实施例，但是也适用于其他实施例。第一段时间发生在平均环境温度为77华氏度(25摄氏度)，第二段时间发生在52华氏度(11摄氏度)的低温环境。为了简化该示例的描述，将使用关于图7所示的实施例描述的元件和附图标记。参照图4(现有技术)中所示的实施例描述的附图标记也将用于比较。

在第一段时间内，在70华氏度(21摄氏度)的温度、834psia(57.5bara)和82,000lbmol/hr(37,196kgmol/hr)的压力下经过预处理的进料流701通过间接在hp进料蒸发器781中进行热交换以产生温度为35华氏度(2摄氏度)的第一中间进料流702，然后在mp进料蒸发器782中将其冷却以在8华氏度(-14摄氏度)的温度下产生第二中间进料流703，然后是lp进料蒸发器783在-21华氏度(-29摄氏度)的温度下产生第三中间进料流704，最后是llp进料蒸发器784在-45华氏度(-43摄氏度)的温度下产生预冷的天然气流705。在hp液化制冷剂蒸发器785、mp液化制冷剂蒸发器786、lp液化制冷剂蒸发器787和llp液化制冷剂蒸发器788中，冷却的液化制冷剂739被冷却至类似的温度。

温度为-50华氏度(-46摄氏度)、压力为108psia(7bara)、流量为21,450lbmol/hr(9,730kgmol/hr)的暖低压预冷制冷剂714在四级预冷制冷剂压缩机716中被压缩，以在122华氏度(50摄氏度)的温度和722psia(50bara)的压力下产生压缩的预冷制冷剂715。

温度为-27华氏度(-33摄氏度)、压力为188psia(13bara)的lp侧流713、温度为1华氏度(-17摄氏度)、压力为313psia(22bara)的mp侧流712、温度为29华氏度(-2摄氏度)、压力为780psia(32bara)的hp侧流711在中间位置被引入预冷制冷剂压缩机716。

压缩的预冷制冷剂715通过在三个热交换器中通过与环境空气的间接热交换而被冷却，如通过预冷制冷剂冷凝器717所描绘的，以产生温度为90华氏度(32摄氏度)的冷却的预冷制冷剂710。冷却的预冷制冷剂710在辅助致冷剂系统796中进一步冷却，以产生温度为50华氏度(10摄氏度)的进一步冷却的预冷制冷剂797。然后将进一步冷却的预冷制冷剂797分别分成冷却的预冷制冷剂719的第一部分和用于向预处理的进料流701提供冷却作用的冷却的预冷制冷剂761的第二部分以及冷却的液化制冷剂739。冷却的预冷制冷剂719的第一部分为冷却的预冷制冷剂710的约20摩尔百分比。

冷却的预冷制冷剂719的第一部分在第一减压阀773中被减压以产生温度为29华氏度(-1摄氏度)、压力为486psia(33bara)、蒸汽分数为0.12的第一hp预冷却制冷剂720，。冷却的预冷制冷剂761的第二部分减压至相似的条件。

在第二时间段期间，辅助致冷剂系统796可选地经由在64华氏度(18摄氏度)处的旁路预冷制冷剂710a旁路。

相反，现在参考图4，第一hp预冷却制冷剂420的温度为62华氏度(17摄氏度)，压力为766psia(53bara)，蒸汽分数为0.28。而且，压缩的预冷制冷剂415的温度为160华氏度(71摄氏度)，压力为1228psia(85bara)。此外，冷却的预冷却制冷剂410处于90华氏度(32摄氏度)的温度。

由于乙烷和二氧化碳的临界温度约为30摄氏度，所以现有技术的方法在平均环境温度下将具有跨临界操作，这是第一hp预冷却制冷剂420的较高蒸汽分数的原因。然而，实施例将具有亚临界操作，假定进一步冷却的预冷制冷剂797的温度低于临界温度。这是第一hp预冷却制冷剂720的较低蒸气分数的原因。通过减少第一hp预冷却制冷剂720的蒸气分数，实施例显着提高了处理效率。

此外，通过降低压缩的预冷制冷剂715的压力，实施例降低了预冷制冷剂的压缩功率要求和比热比。较低的比热比也提高了工艺效率。总的来说，在第一段时间，与图4相比，在图7中观察到高达约20％的处理效率的改善。另外，实施例也消除了与环境温度波动相关的制冷剂库存管理问题。总的来说，这些实施例解决了跨临界制冷剂所带来的挑战。

例子3

以下是示例性实施例的示例。示例过程和数据是基于在名义上产生5mtpalng的工厂的预冷和液化过程的模拟。本例中的预冷制冷剂是乙烷或二氧化碳，液化制冷剂可以是mr或n2。这个例子具体指的是图12b所示的实施例。

冷却的预冷却制冷剂1210处于89.6华氏度(32摄氏度)、120psia(84bara)和1的蒸气分数。然后，冷却的预冷制冷剂1210被分成两部分，第一部分1219为预处理的进料流1201提供冷却责任，第二部分1261为冷却的液化制冷剂1239提供冷却责任。冷却的预冷制冷剂1219的第一部分在第一双相膨胀机1248a中被减压以在59华氏度(15摄氏度)、735psia/平方英寸(51bara)、0.25的蒸汽分数下产生第一hp预冷的制冷剂1220。在使用jt阀(等焓)代替双相膨胀阀(等熵)的情况下，第一hp预冷却制冷剂1220的蒸气分数将为0.3。图12b的实施例使现有技术的处理效率提高了大约3％。

已经根据优选实施例及其替代实施例公开了本发明。当然，本领域技术人员可以从本发明的教导中想到各种改变、修改和变化而不脱离其预期的精神和范围。意图是本发明仅由所附权利要求的条款限制。