混合制冷剂系统和方法与流程
本发明总体涉及适合用于冷却流体(例如天然气)的混合制冷剂的系统和方法。
相关申请
本申请要求2013年3月15日递交的第61/802,350号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
天然气和其它气体被液化用于储存和运输。液化减小了气体的体积并且通常通过在一个或多个制冷循环中的间接的热交换来冷却气体而进行。由于设备的复杂性和循环的操作效率，该制冷循环是昂贵的。因此，对于较简单、更高效、较廉价地操作的气体冷却和/或液化系统，存在需求。
液化天然气(主要是甲烷)通常需要将气流冷却到大约-160℃至-170℃，然后将压力降到大约大气压。例如在图1中示出的用于液化气态甲烷的通常的温度-焓曲线(在60bar压力下的甲烷、在35bar压力下的甲烷以及在35bar压力下的甲烷/乙烷的混合物)具有沿着s形曲线的三个区域。随着气体被冷却，在高于大约-75℃的温度处，气体被减温，并且在低于大约-90℃的温度处，液体被过冷。在这些温度之间，可以观察到相对平坦的区域，其中气体被冷凝成液体。在60bar甲烷曲线中，因为气体在临界压力之上，故在临界温度之上仅存在一个相，但是在靠近临界温度处它的比热是大的；在临界温度之下，冷却曲线类似于低压(35bar)曲线。对于95％甲烷/5％乙烷的35bar曲线示出杂质的作用，其舍入露点与泡点。
制冷过程提供了用于液化天然气所需的冷却，并且这些中最有效的制冷过程具有非常接近于图1中的冷却曲线的加热曲线，理想地在整个温度范围内的几度内。然而，由于冷却曲线的s形形式和大的温度范围，该制冷过程难以设计。纯组分制冷剂过程由于它们的平坦的汽化曲线，故在两个相区域中运行的最好。另一方面，多组分制冷剂过程具有倾斜的汽化曲线，并且更加适合于减温区域和过冷区域。两种过程和两者的混合已经被开发用于液化天然气。
级联式、多级的、纯组分制冷循环最初与诸如丙烯、乙烯、甲烷、和氮气的制冷剂一起使用。通过足够的等级，该循环可以生成净加热曲线，该净加热曲线近似于图1中示出的冷却曲线。然而，随着级数的增大，需要额外的压缩机组，该额外的压缩机组不利地增加了机械复杂性。另外，该过程在热力学上是效率低的，这是因为纯组分制冷剂在恒定温度下蒸发而不是遵循天然气冷却曲线，并且制冷阀门不可逆地将液体闪蒸成蒸汽。出于这些原因，混合制冷剂过程已经变得普遍用以减小资本成本和能量消耗并且用以提高可操作性。
曼利(manley)的美国专利no.5,746,066描述了一种用于乙烷回收的级联式、多级的、混合制冷剂过程，该制冷剂过程消除了级联式、多级的纯组分过程的热力学的低效性。这是由于制冷剂遵循气体冷却曲线在升温下蒸发，并且液体制冷剂在闪蒸之前被过冷，因此减少了热力学的不可逆性。机械复杂性多少有所降低，因为相较于纯的制冷剂过程，需要更少的制冷剂循环。例如，参见牛顿的美国专利no.4,525,185和刘等的美国专利no.4,545,795；帕拉多斯基等的美国专利no.4,689,063；以及费舍尔等的美国专利no.6,041,619；以及斯托内等的美国申请公开no.2007/0227185和赫尔希等的美国申请公开no.2007/0227185。
需要在已知制冷剂过程中是最有效的但是更简单的、更有效的级联式、多级的、混合制冷剂过程，其可以更简单地操作。
已经开发了单一的混合制冷剂过程，该混合制冷剂过程仅需要一个用于制冷的压缩机，并且还减小了机械复杂性。例如，参见牛顿的美国专利no.4,033,735。然而，主要出于两个原因，比起前面讨论的级联式、多级的、混合制冷剂过程，该过程某些程度上消耗了更多的功率。
首先，困难的是(如果可能)找到单一的混合制冷剂组合物，该单一的混合制冷剂组合物生成近似地接近于通常的天然气冷却曲线的净加热曲线。该制冷剂需要较高沸点范围和较低沸点范围的组分，该组分的沸点在热力学上受相平衡限制。较高沸点的组分被进一步限制，以便避免它们在低温下冻结。不利的结果是：较大的温差必然发生在冷却过程中的多个位置处，这在功耗的方面是低效的。
第二，在单一的混合制冷剂过程中，尽管较高沸点的组分仅在该过程的更暖端提供了制冷，然而所有的制冷剂组分被加载到最低温度。不利的结果是：必须消耗能量以冷却和再加热处于更低的温度的那些“惰性”组分。级联式、多级的、纯组分制冷过程或级联式、多级的、混合制冷剂过程并非如此。
为了缓解该第二低效并且还解决第一问题，已经开发了多种解决方案：从单一的混合制冷剂分离出较重的级分(fraction)，在制冷的更高温度水平处使用该较重的级分，然后将该较重的级分与较轻的级分再合并用于随后的压缩。例如，参见波德别尔涅克的美国专利no.2,041,725；佩尔雷的美国专利no.3,364,685；飒森的美国专利no.4,057,972；加里等的美国专利no.4,274,849；樊等的美国专利no.4,901,533；上野等的美国专利no.5,644,931；上野等的美国专利no.5,813,250；阿尔曼等的美国专利no.6,065,305；以及罗伯特等的美国专利6,347,531；以及施密特的美国专利申请公开no.2009/0205366。通过精心的设计，尽管未处于平衡的流的再合并在热力学上是低效的，然而这些过程可以提高能量效率。这是因为轻级分和重级分在高压处分离，然后在低压处再合并，使得它们可以在单一的压缩机中被压缩在一起。通常，当流在平衡下被分离，单独地处理，然后在非平衡状态下再合并时，则发生了热力学损耗，这最终增加了功耗。因此，该分离的次数应当最小化。所有的这些过程使用制冷过程中的各个地点的简单的蒸汽/液体平衡以将较重的级分与较轻的级分分离。
然而，简单的一阶段蒸汽/液体平衡分离不会浓缩与使用回流的多平衡阶段一样多的级分。更大的浓缩允许在分离组合物上更大的精度，这提供了在特定温度范围内的制冷。这改进了处理能力以遵循典型的气体冷却曲线。戈捷的美国专利no.4,586,942和施托克曼等的美国专利no.4,586,942(该后者由林德作为
如由斯托内等的美国专利申请公开no.2007/0227185所示出的，已知从该过程的制冷部分去除部分蒸发的制冷流。斯托内等这样做是出于机械(并非热力学)原因并且在需要两个分离的混合制冷剂的级联式、多级的、混合制冷剂过程的背景下。部分蒸发的制冷流在压缩之前立即与它们的以前分离的蒸汽级分再合并时完全地蒸发。
已知多流的、混合制冷剂系统，其中发现如果那个重级分在它离开初级热交换器时没有全部蒸发，那么重级分的简单的平衡分离显著地提高了混合制冷剂过程的效率。例如，参见gushanas等的美国专利申请公开no.2011/0226008。如果液体制冷剂存在于压缩机吸入处，则液体制冷剂必须首先被分离，有时泵送至更高的压力。当液体制冷剂与制冷剂的蒸发的较轻的级分混合时，压缩机吸入气体被冷却，这进一步减小了所需要的功率。制冷剂的重成分被保持在热交换器的冷端之外，这减小了制冷剂冻结的可能性。同样，在中间阶段过程中重级分的平衡分离减小了二级或更高级压缩机的载荷，这提高了过程效率。在独立的预冷制冷环中，重级分的使用可以导致加热/冷却曲线在热交换器的暖端的接近封闭，这导致了更有效率的制冷。
已经使用了“冷蒸汽”分离来将高压蒸汽分级到液体流和蒸汽流中。例如，参见前面讨论的斯托克曼等的美国专利no.6,334,334；“stateoftheartlngtechnologyinchina”,lange,m.,第五届亚洲lng峰会,2010年10月14日；“cryogenicmixedrefrigerantrefrigerantprocesses”,国际低温学专著系列(internationalcryogenicsmonographseries),venkatarathnam,g.,springer,第199页至第205页；以及“efficiencyofmidscalelngprocessesunderdifferentoperatingconditions”,bauer,h.,lindeengineering。在另一过程中,由airproducts售卖为ap-smrtmlng过程,“暖的”、混合制冷剂蒸汽被分离成冷的混合制冷剂液体和蒸汽流。例如，参见“innovationsinnaturalgasliquefactiontechnologyforfuturelngplantsandfloatinglngfacilities”,2011年的国际燃气联盟研究会议,布考斯基j.等。在这些过程中，该由此分离的冷液体本身被用作中间温度制冷剂并且在合并到通常的回流之前保持与由此分离的冷蒸汽分离。冷液体和蒸汽流与返回的制冷剂的剩余一起借助级联再合并并且一起从热交换器的底部离开。
在前面讨论的蒸汽分离系统中，用于部分地使冷蒸汽分离器中的液体冷凝的暖温度制冷由来自高压蓄能器的液体产生。本发明人已经发现：这需要较高的压力和低于理想温度的温度，这两者在操作中不利地消耗了更多的功率。
虽然在多阶段、混合制冷剂系统中，使用冷蒸汽分离的另一过程描述在英国专利no.2,326,464关于柯斯坦石油中。在该系统中，来自单独的回流交换器的蒸汽部分地冷凝并且分离成液体和蒸汽流。由此分开的液体和蒸汽流被冷却并且在再合并到低压回流中之前分别闪蒸。然后，在离开主热交换器之前，低压回流与来自前面所提到的回流热交换器的过冷并且闪蒸液体合并，并且然后进一步与在压缩机阶段之间的由分离鼓设定(drumset)所提供的过冷并闪蒸液体合并。在该系统中，“冷蒸汽”分离的液体和来自前面所提到的回流热交换器的液体在合并低压回流之前不合并。即，它们在与低压回流单独地合并起来之前保持分离。如将在下文中更全面地阐述，本发明人已经发现：尤其可以通过将从高压蓄能器获得的液体与冷蒸汽分离的液体在它们合并回流之前混合而显著地减少功率消耗。
附图说明
图1为用于甲烷和甲烷-乙烷混合物的温度-焓曲线的示意图。
图2为示出了本发明的过程和系统的实施方式的过程流程图和示意图。
图3为示出了本发明的过程和系统的第二实施方式的过程流程图和示意图。
图4为示出了本发明的过程和系统的第三实施方式的过程流程图和示意图。
图5为示出了本发明的过程和系统的第四实施方式的过程流程图和示意图。
图6为示出了本发明的过程和系统的第五实施方式的过程流程图和示意图。
图7为示出了本发明的过程和系统的第六实施方式的过程流程图和示意图。
图8为示出了本发明的过程和系统的第七实施方式的过程流程图和示意图。
图9为示出了本发明的过程和系统的第八实施方式的过程流程图和示意图。
图10为示出了本发明的过程和系统的第九实施方式的过程流程图和示意图。
图11为示出了本发明的过程和系统的第十实施方式的过程流程图和示意图。
图12为示出了本发明的过程和系统的第十一实施方式的过程流程图和示意图。
图13-图17和图18-图23分别为表1和表2，分别示出了用于本发明的数个实施方式的流数据和与图6和图7关联。
技术实现要素：
根据本文描述的实施方式，冷蒸汽分离用于将从高压分离获得的冷凝蒸汽分级成冷液体级分和冷蒸汽级分。冷蒸汽级分可以用作冷温度制冷剂，但是当冷液体级分与从高压蓄能器分离获得的液体合并时可以获得效率，并且引起的合并被用作中间温度制冷剂。
在本文中的实施方式中，由冷分离器液体和高压蓄能器液体形成的中间温度制冷剂提供了合适的温度和数量以在合适的位置处大体上将进料气体(在天然气的情况下)冷凝成液化天然气(liquidnaturalgas，lng)，在所述合适的位置处，中间温度制冷剂被引入到初级制冷通道中。另一方面，由冷分离器蒸汽制成的冷温度制冷剂然后可以被用于将由此冷凝的lng过冷到所需的最终温度。发明人已经惊讶地发现，该过程可以将功率消耗减小多达10％，并且具有最小化的额外的资本成本。
在本文中的实施方式中，热交换系统和用于冷却气体(例如，lng)的过程可以在返回的制冷剂的露点处大体上操作。通过该系统和过程，由于避免或最小化在压缩侧上所需的泵送以循环液体制冷剂，故实现了相当大的节约。尽管可能需要在返回的制冷剂的露点处操作热交换系统，但是迄今实际上已经难以有效地这样做。
在本文的实施方式中，暖温度制冷的用于将冷蒸汽分离器中的液体部分地冷凝的显著的部分由中间阶段分离形成，而非由最终分离或高压分离形成。本发明人已经发现级间分离液体而非高压积聚液体的使用以提供暖温度制冷减小了功率消耗，这是因为级间分离液体在更低的压力处形成，并且该级间分离液体在用于将从高压分离获得的蒸汽部分地冷凝的理想温度处操作。
在本文中的实施方式中，额外的优点是，在级间分离过程中的重级分的平衡分离还减小了二级或更高级压缩机上的载荷，这进一步提高了过程效率。
一个实施方式针对通过混合制冷剂用于冷却液体的热交换器，其包括：
暖端1和冷端2；
进料流体冷却通道162，其具有在暖端处并适于接纳进料流体的入口，并且具有在冷端处的产品出口，通过产品出口，产品离开进料流体冷却通道；
初级制冷通道104或初级制冷通道204，其具有在冷端处并且适于接纳冷温度制冷剂流122的入口、在暖端处的制冷剂回流出口(通过该制冷剂回流出口，蒸汽相制冷剂回流离开初级制冷通道)、和适于接纳中间温度制冷剂流148并且位于冷温度制冷剂入口和制冷剂回流出口之间的入口。
高压蒸汽通道166，其适于在暖端处接纳高压蒸汽流34并且冷却高压蒸汽流34以形成混合相冷分离器进料流164，并且包括与冷蒸汽分离器vd4连通的出口，冷蒸汽分离器vd4适于将冷分离器进料流164分离成冷分离器蒸汽流160和冷分离器液体流156；
冷分离器蒸汽通道，其具有与冷蒸汽分离器vd4连通并且适于冷凝和闪蒸冷分离器蒸汽流160以形成冷温度制冷剂流122的入口，并且具有在冷端处与初级制冷通道入口连通的出口；
冷分离器液体通道，其具有与冷蒸汽分离器vd4连通并且适于将冷分离器液体流过冷的入口，并且具有与中间温度制冷剂通道连通的出口；
高压液体通道136，其适于在暖端处接纳中沸点制冷剂液体流38并且将中沸点制冷剂液体流冷却以形成过冷制冷剂液体流124，并且具有与中间温度制冷剂通道连通的出口；以及
中间温度制冷剂通道，其适于接纳并且将过冷冷分离器液体流128与过冷制冷剂液体流合并以形成中间温度制冷剂流148，并且具有与适于接纳中间温度制冷剂流148的初级制冷通道入口连通的出口。
一个实施方式针对冷却液体的方法，其包括：
在权利要求1的热交换器中，热接触进料流体和循环混合制冷剂，以获得冷却的产品流体，循环混合制冷剂包括两种或多种c1-c5碳氢化合物，可选地n2。
一个实施方式针对用于在热交换器中循环混合制冷剂的压缩系统，并且包括：
吸入分离设备vd1，其包括用于接纳低压混合制冷剂回流102/202的入口和蒸汽出口14；
压缩机16，其与蒸汽出口14流体连通，并且具有用于提供压缩的流体流18的压缩的液体出口；
可选地，二次冷却器20，具有与压缩的流体出口和流18流体连通的入口，并且具有用于提供冷却的流体流22的出口；
可选地，级间分离设备vd2，其具有与二次冷却器出口和流22流体连通的入口，用于提供蒸汽流24的蒸汽出口，以及用于提供高沸点制冷剂液体流48的液体出口；
压缩机26，具有与级间分离设备蒸汽出口和流24流体连通的入口，以及用于提供压缩的流体流28的出口；
可选地，二次冷却器30，其具有与压缩的流体流28流体连通的入口，以及用于提供高压混合相流32的出口；
蓄能器分离设备vd3，其具有与高压混合相流32流体连通的入口，用于提供高压蒸汽流34的蒸汽出口，以及用于提供中沸点制冷剂液体流36的液体出口；
可选地，分叉(splittingintersection)，其具有用于接纳中沸点制冷剂液体流36的入口，用于提供中沸点制冷剂液体流38的出口，以及可选地用于提供流体流40的出口；
可选地，膨胀设备42，其具有与流体流40流体连通的入口，以及用于提供冷却的流体流44的出口；以及
级间分离设备vd2，可选地其还包括用于接纳流体流44的入口；
其中如果不存在分叉，则中沸点制冷剂液体流36与中沸点制冷剂液体流38直接流体连通。
一个实施方案针对用于冷却流体的系统，所述系统包括本文中描述的任何热交换器和连通的任何压缩系统。
一个实施方式针对一种冷却流体的方法，包括：
在本文中描述的一个或多个系统中热接触进料流体和循环混合制冷剂，以获得冷却的产品流体，循环混合制冷剂包括两种或多种c1-c5碳氢化合物，可选地n2。
一个实施方式针对一种冷却进料流体的方法，包括：
分离高压混合制冷剂流，所述流包括两种或多种c1-c5碳氢化合物，可选地n2，以形成高压蒸汽流和中沸点制冷剂液体流；
在热交换器中冷却高压蒸汽，以形成混合相流；
将混合相流与冷蒸汽分离器vd4分离，以形成冷分离器蒸汽流和冷分离器液体流；
将冷分离器蒸汽流冷凝并且闪蒸，以形成冷温度制冷剂流；
在热交换器中将中沸点制冷剂液体冷却，以形成过冷中沸点制冷剂液体流；
将冷分离器液体流过冷以形成过冷冷分离器液体流，并且与过冷中沸点制冷剂液体流合并，以形成中间温度制冷剂流；
将中间温度制冷剂和低压混合相流合并并且加温，以形成包括碳氢化合物和可选地包括n2的蒸汽制冷剂回流；以及
热接触进料流体和热交换器，以形成冷却的进料流体。
具体实施方式
图2中提供了示出多流热交换器的实施方式的过程流程图和示意图。
如图2所示，一个实施方式包括多流热交换器170，多流热交换器170具有暖端1和冷端2。热交换器接纳进料流体流(例如高压天然气进料流)，该进料流体流通过与热交换器中的制冷流热交换，通过去除热而在冷却通道162中被冷却和/或液化。因此，生成了例如液态天然气的产品流体的流。热交换器的多流设计允许多个流便利的且节能地集成到单一的交换器中。合适的热交换器可以从田纳西的伍德兰的chartenergy&chemicals公司购买。从chartenergy&chemicals公司获得的板形或鳍片形多流热交换器提供了物理上紧凑的进一步优点。
在一个实施方式中，参考图2，进料流体冷却通道162包括在暖端1处的入口和在冷端2处的产品出口，通过产品出口，产品离开进料流体冷却通道162。初级制冷通道104(或204，见图3)具有在冷端处的用于接纳冷温度制冷剂流122的入口，在暖端处的制冷剂回流出口，通过该制冷剂回流出口，蒸汽相制冷剂回流104a离开初级制冷通道104，以及适于接纳中间温度制冷剂流148的入口。在热交换器中，在后一入口处，初级制冷通道104/204与中间温度制冷剂通道148合并，其中冷温度制冷剂流122和中间温度制冷剂流148合并。在一个实施方式中，中间温度制冷剂流和冷温度制冷剂流的合并通常从某位置处形成了在热交换器中的中间温度区域，在该位置处，它们合并并且在制冷剂流的方向上从此处的下游朝向初级制冷剂出口。
在本文中应当注意的是，通道和流有时都通过附图中列出的相同的元件编号指出。同样，如在本文中所使用的，并且如在本领域中所已知的，热交换器是设备或设备中的区域，其中间接的热交换发生在不同温度下的两个或多个流之间，或发生在流和环境之间。如在本文中所使用的，除非特别说明，术语“连通”等通常指的是流体连通。尽管连通的两种液流体可以在混合时交换热，但是该交换不能被视为与热交换器中的热交换相同，尽管该交换可以发生在热交换器中。热交换器系统可以包括尽管未具体描述但在本领域中通常已知为热交换器的一部分的部件，例如，膨胀设备、闪蒸阀(flashvalve)等。如本文中所使用的，术语“减少......的压力”不包括相变，而术语“闪蒸”包括相变，甚至包括部分相变。如本文中所使用的，术语“高”、“中间”、“暖”等是如在本领域中所惯用的相对于可比较的流。流表1和流表2提出了作为指导的示例性值，除非特别说明，该示例性值不旨是限制性的。
在一个实施方式中，热交换器包括高压蒸汽通道166，高压蒸汽通道166适于在暖端处接纳高压蒸汽流34然后冷却高压蒸汽流34以形成混合相冷分离器进料流164，并且包括与冷蒸汽分离器vd4连通的出口，冷蒸汽分离器vd4适于将冷分离器进料流164分离成冷分离器蒸汽流160和冷分离器液体流156。在一个实施方式中，高压蒸汽34从压缩侧的高压蓄能器分离设备被接纳。
在一个实施方式中，热交换器包括冷分离器蒸汽通道，该冷分离器蒸汽通道具有与冷蒸汽分离器vd4连通的入口。冷分离器蒸汽在冷却通道168中被冷凝成液体流112，然后通过114闪蒸以形成冷温度制冷剂流122。冷温度制冷剂122然后在其冷端处进入初级制冷通道。在一个实施方式中，冷温度制冷剂为混合相。
在一个实施方式中，冷分离器液体156在通道157中被冷却以形成过冷的冷蒸汽分离器液体128。该流可以合并过冷中沸点制冷剂液体124(在下文中讨论)，由此合并的流然后在144处闪蒸，以形成中间温度制冷剂148，例如示出在图2中。在一个实施方式中，中间温度制冷剂为混合相。
在一个实施方式中，热交换器包括高压液体通道136。在一个实施方式中，高压液体通道接纳来自在压缩侧上的高压蓄能器分离设备的高压液体38。在一个实施方式中，高压液体38为中沸点制冷剂液体流。高压液体流进入暖端并且被冷却以形成过冷制冷剂液体流124。如前面所注意的，过冷冷分离器液体流128与过冷制冷剂液体流124合并以形成中间温度制冷剂流148。在一个实施方式中，一个或两个制冷剂液体124和制冷剂液体128在合并成中间温度制冷剂148之前可以单独地在126和130处闪蒸，例如，如图4所示。
在一个实施方式中，由此合并的冷温度制冷剂122和中间温度制冷剂148提供了初级制冷通道104中的制冷，其中它们作为蒸汽相或混合相制冷剂回流104a/102而离开。在一个实施方式中，它们作为蒸汽相制冷剂回流104a/102而离开。在一个实施方式中，蒸汽为过热的蒸汽制冷剂回流。
如图2所示，热交换器还可以包括适于在暖端处接纳高沸点制冷剂液体流48的预冷却通道。在一个实施方式中，高沸点制冷剂液体流48通过级间分离设备设置在压缩侧上的压缩机之间。高沸点液体制冷剂流48在预冷却液体通道138中被冷却以形成过冷高沸点液体制冷剂140。过冷高沸点液体制冷剂140然后被闪蒸或者使得其压力在膨胀设备142处下降，以形成暖温度制冷剂流158，其可以为混合蒸汽液相或液相。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂流158进入预冷却制冷剂通道108以提供冷却。在一个实施方式中，预冷却制冷剂通道108对高压蒸汽通道166提供显著的冷却，例如用以将高压蒸汽34冷却并冷凝成混合相冷分离器进料流164。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂流作为蒸汽相或混合相暖温度制冷剂回流108a离开预冷却制冷通道108。在一个实施方式中，暖温度制冷剂回流108a或者单独地(例如，如图8所示)或与制冷剂回流104a合并而返回到压缩侧，以形成回流102。如果合并，则回流108a和回流104a可以与混合设备合并。非限制性的混合设备的示例包括但不限于静态混合器、管段、热交换器的集管或其组合。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂流158并非进入到预冷却制冷剂通道108中，而是被引入到初级制冷剂通道204中，例如，如图3所示。初级制冷剂通道204包括从中间温度制冷剂148进入初级制冷剂通道的位置下游的入口，但是出口的上游用于返回制冷剂流202。之前与中间温度制冷剂流148合并的冷温制冷剂流122与暖温度制冷剂流158合并以在相应的区域(例如在制冷剂回流出口和初级制冷通道204中暖温度制冷剂158的引入位置之间的区域)中提供暖温度制冷。该方案的示例示出在图3的热交换器270中。合并的制冷剂122、制冷剂148和制冷剂158作为合并的返回制冷剂流202离开，返回制冷剂流202可以为混合相或蒸汽相。在一个实施方式中，来自初级制冷通道204的制冷剂回流为蒸汽相回流202。
类似于上面讨论的图4，图5示出了用于将过冷冷分离器液体流128和过冷制冷剂液体流124合并以形成中间温度制冷剂流148的可替选的布置。在一个实施方式中，制冷剂液体124和制冷剂液体128中的一者或两者在合并成中间温度制冷剂148之前可以单独地在126和130处被闪蒸。
参考图6和图7，其中结合热交换器(由170举例示出)示出压缩系统的实施方式(总体标记为172)。在一个实施方式中，压缩系统适合用于在热交换器中循环混合制冷剂。所示出的是具有用于接纳少量返回制冷剂流102(或202，尽管未示出)的入口和蒸汽出口和蒸汽出口14的吸入分离设备vd1。压缩机16与蒸汽出口14流体连通并且包括用于提供压缩流体流18的压缩的流体出口。示出的可选的二次冷却器20用于冷却压缩的流体流18。如果存在，二次冷却器20提供了到级间分离设备vd2的冷却的流体流22。级间分离设备vd2具有用于将蒸汽流24提供到二级压缩机26的蒸汽出口和用于将液体流48提供到热交换器的液体出口。在一个实施方式中，液体流48为高沸点制冷剂液体流。
蒸汽流24借助与级间分离设备vd2连通的入口被提供至压缩机26，压缩机26将蒸汽24压缩以提供压缩的流体流28。可选的二次冷却器30(如果存在)将压缩的流体流28冷却以将高压混合相流32提供到蓄能器分离设备vd3。蓄能器分离设备vd3将高压混合相流32分离成高压蒸汽流34和高压液体流36(可以为中沸点制冷剂液体流)。在一个实施方式中，高压蒸汽流34被送到热交换器的高压蒸汽通道中。
示出了可选的分叉(splittingintersection)，该分叉具有用于接纳来自蓄能器分离设备vd3的中高压液体流36的入口、用于将中沸点制冷剂液体流38提供到热交换器的出口、以及可选的用于将流体流40提供返回到级间分离设备vd2的出口。示出了用于流40的可选的膨胀设备42(如果存在)，膨胀设备42将膨胀的冷却流体流44提供到级间分离设备，级间分离设备vd2可选地还包括用于接纳流体流44的入口。如果分叉不存在，则中沸点制冷剂液体流36与中沸点制冷剂液体流38直接流体连通。
图7还包括可选的泵p，泵p用于泵送低压液体制冷剂流14l，在一个实施方式中，在吸入分离设备vd1前，低压液体制冷剂流14l的温度已经通过混合108a和104a的闪蒸冷却作用而降低，泵p用于向前泵送到中间压力。如上面描述的，来自泵的出口流18l行进到级间鼓vd2。
图8示出了返回到吸入分离设备vd1的不同制冷剂回流的示例。图9示出了包括用于外部进料处理(例如天然气液体回收或脱氮等)的进料流体出口162a和进料流体入口162b的多个实施方式。
此外，尽管在下文中在天然气的液化方面描述了本发明的系统和方法，但是它们可以被用于气体(除了天然气)的冷却、液化和/或处理，气体包括但不限于空气或氮气。
利用本文中描述的系统中的单一的混合制冷剂，在热交换器中完成了热的去除。如在下文中描述的且不旨在为限制性的示例性的系统的制冷部分的流的制冷剂组分、条件和流动呈现在表1和表2中。
在一个实施方式中，暖高压蒸汽制冷剂流34由于它行进通过热交换器170的高压蒸汽通道166/168而被冷却、冷凝和过冷。因此，流122离开热交换器170的冷端。流122通过膨胀阀114闪蒸并且作为流122再进入到热交换器以提供由于行进通过初级制冷通道104的流104产生的制冷。作为膨胀阀114的替选，可以使用另一类型的膨胀设备，包括但不限于涡轮或孔口。
暖高压液体制冷剂流38进入热交换器170然后在高压液体通道36中过冷。得到的流124离开热交换器并且通过膨胀阀126闪蒸。作为膨胀阀126的替选，可以使用另一类型的膨胀设备，包括但不限于涡轮或孔口。明显地，得到的流132不再直接进入热交换器而是合并初级制冷通道104，首先合并过冷冷分离器蒸汽液体128以形成中间温度制冷剂流148。中间温度制冷剂流148然后再进入热交换器，其中它合并初级制冷通道104中的低压混合相流122。由此合并，然后变暖，制冷剂作为蒸汽制冷剂回流104a离开热交换器170的暖端，该蒸汽制冷剂回流104a可以可选地被过热。
在一个实施方式中，可以为混合相或蒸汽相的蒸汽制冷剂回流104a和流108a可以单独地离开热交换器的暖端，例如，每一者通过不同的出口，或它们可以在热交换器内合并然后一起离开，或它们在返回到吸入分离设备vd1之前可以离开热交换器进入附接至热交换器的通用集管。可替选地，流104a和流108a可以单独地离开并且保持这样，直到在吸入分离设备vd1中合并，或它们可以分别地通过蒸汽相入口和混合相入口，并且在低压吸入鼓中合并并且平衡。尽管示出了吸入鼓vd1，但是可以使用可替选的分离设备，包括但不限于其它类型的容器、气旋的分离器、蒸馏装置、聚结分离器或网眼类型或叶片类型的除雾器。因此，低压蒸汽制冷剂流14离开鼓vd1的蒸汽出口。如前面所陈述的，流14行进到一级压缩机16的入口。在压缩机16的吸入入口的吸入鼓vd1中的混合相流108a与流104a(包括具有非常不同的组分的蒸汽)的混合创建了部分闪蒸冷却效果，这将行进到压缩机的蒸汽流的温度降低，因此将压缩机本身的温度降低，因此减小了操作压缩机所需的功率。
在一个实施方式中，预冷却制冷剂环进入热交换器的暖侧并且带有大量的液体级分离开。部分液体流108a与来自流104a的废制冷剂蒸汽合并用于在吸入鼓vd1中的平衡和分离、在压缩机16中所产生的蒸汽的压缩、并且由泵p对所产生的液体的泵送。在本情况下，一发生混合，即，在集管、静态混合器等中一发生混合混合，就实现了平衡。在一个实施方式中，鼓仅保护压缩机。通过传热与传质，吸入鼓vd1中的平衡降低了进入压缩机16的流的温度，因此降低了压缩机的功耗使用。
图9中示出了其他实施方式，包括暖制冷环、中间制冷环、冷制冷环中的各种分离设备。在一个实施方式中，暖温度制冷剂通道与分离设备流体连通。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂通道与蓄能器分离设备vd5流体连通，蓄能器分离设备vd5具有与暖温度制冷剂蒸汽通道158v流体连通的蒸汽出口和与暖温度制冷剂液体通道158l流体连通的液体出口。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂蒸汽通道158v和暖温度制冷剂液体通道158l与低压高沸点流通道108流体连通。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂蒸汽通道158v和暖温度制冷剂液体通道158l在热交换器内或在热交换器外部的集管中彼此流体连通。
在一个实施方式中，闪蒸冷分离器液体流通道134与蓄能器分离设备vd6流体连通，蓄能器分离设备vd6具有与中间温度制冷剂蒸汽通道148v流体连通的蒸汽出口和与中间温度制冷剂液体通道148l流体连通的液体出口。
在一个实施方式中，中间温度制冷剂蒸汽通道148v和中间温度制冷剂液体通道148l与低压混合制冷剂通道104流体连通。
在一个实施方式中，中间温度制冷剂蒸汽通道148v和中间温度制冷剂液体通道148l在热交换器内部或在热交换器外部的集管中彼此流体连通。
在一个实施方式中，闪蒸中沸点制冷剂液体流通道132与蓄能器分离设备vd6流体连通，蓄能器分离设备vd6具有与中间温度制冷剂蒸汽通道148v流体连通的蒸汽出口和与中间温度制冷剂液体通道148l流体连通的液体出口。
在一个实施方式中，中间温度制冷剂蒸汽通道148v和中间温度制冷剂液体通道148l与低压混合制冷剂通道104流体连通。
在一个实施方式中，中间温度制冷剂蒸汽通道148v和中间温度制冷剂液体通道148l在热交换器内部或在热交换器外部的集管中彼此流体连通。
在一个实施方式中，闪蒸中沸点制冷剂液体流132和闪蒸冷分离器液体流134与蓄能器分离设备vd6流体连通，蓄能器分离设备vd6具有与中间温度制冷剂蒸汽通道148v流体连通的蒸汽出口和与中间温度制冷剂液体通道148l流体连通的液体出口。
在一个实施方式中，中间温度制冷剂蒸汽通道148v和中间温度制冷剂液体通道148l与低压混合制冷剂通道104流体连通。
在一个实施方式中，中间温度制冷剂蒸汽通道148v和中间温度制冷剂液体通道148l在热交换器内部或在热交换器外部的集管中彼此流体连通。
在一个实施方式中，闪蒸中沸点制冷剂液体流132和闪蒸冷分离器液体流134在与蓄能器分离设备vd6流体连通之前彼此流体连通。
在一个实施方式中，低压混合相流通道122与蓄能器分离设备vd7流体连通，蓄能器分离设备vd7具有与冷温度制冷剂蒸汽通道122v和冷温度液体通道122l流体连通的蒸汽出口。
在一个实施方式中，冷温度制冷剂蒸汽通道122v和冷温度液体通道122l与低压混合制冷剂通道104流体连通。
在一个实施方式中，冷温度制冷剂蒸汽通道122v和冷温度液体通道122l在热交换器内部或在热交换器外部的集管中彼此流体连通。
在一个实施方式中，暖温度制冷剂通道、闪蒸冷分离器液体流通道134、低压中沸点制冷剂通道132、低压混合相流通道122中的每一者与分离设备流体连通。
在一个实施方式中，一个或多个预冷器可以以串联存在于元件16和vd2之间。
在一个实施方式中，一个或多个预冷器可以以串联存在于元件30和vd3之间。
在一个实施方式中，泵可以存在于vd1的液体出口和vd2的入口之间。在一些实施方式中，泵可以存在于vd1的液体出口，并且具有与元件18或元件22流体连通的出口。
在一个实施方式中，预冷器为丙烷预冷器、氨预冷器、丙烯预冷器、乙烷预冷器。
在一个实施方式中，预冷器特征为1、2、3、或4多级。
在一个实施方式中，混合制冷剂包括2、3、4、或5种c1-c5碳氢化合物和可选地n2。
在一个实施方式中，吸入分离设备包括液体出口，并且还包括具有入口和出口的泵，其中吸入分离设备的出口与泵的入口流体连通，泵的出口与二次冷却器的出口流体连通。
在一个实施方式中，混合制冷剂系统还包括在中间冷却器的出口和级间分离设备的入口之间的串联的预冷器，其中泵的出口与预冷器也流体连通。
在一个实施方式中，吸入分离设备为重组分制冷剂蓄能器，由此行进到压缩机的入口的蒸发的制冷剂通常被保持在露点。
在一个实施方式中，高压蓄能器为鼓。
在一个实施方式中，级间鼓不存在于吸入分离设备和蓄能器分离设备之间。
在一个实施方式中，第一膨胀设备和第二膨胀设备为与主过程热交换器闭环连通的唯一膨胀设备。
在一个实施方式中，二次冷却器为存在于吸入分离设备和蓄能器分离设备之间的唯一二次冷却器。
在一个实施方式中，热交换器不具有用于预冷却制冷通道的单独的出口。援引并入
2010年3月17日递交的第12/726142序列号美国专利申请和2001年12月25日发布的第6333445号美国专利的内容由此通过引用并入本文。
尽管已经示出并描述本发明的优选的实施方式，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，其中可以进行改变和修改而不背离本发明的精神，本发明的范围由权利要求书来限定。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！