液化天然气的制备

液化天然气的制备
【专利说明】液化天然气的制备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求受益于2013年01月24日提交的题目为"液化天然气制备"的U.S.临 时专利申请61/756, 322,其全部内容通过参考文献并入本发明。 发明领域
[0003] 本发明技术一般涉及烃回收和处理方法的领域，并且更特别涉及通过使用混合氟 碳化合物制冷剂的制冷方法进行液化天然气（LNG)制备的方法和系统。
[0004] 发明背景
[0005] 本小节意在介绍现有技术的多个方面，其可以与本发明技术的示例性实施方案相 关。这一讨论相信有助于提供方便更好的理解本发明技术特殊方面的框架。因此，应当理 解的是本小节应基于这一点进行阅读，并且没有必要作为现有技术的陈述。
[0006] 许多用于天然气加工和液化的低温制冷系统依赖于包括烃组分的单组分制冷剂 或混合制冷剂（MR)的使用以提供外部制冷。例如，液化天然气（LNG)可以使用包括由进料 气体萃取的烃组分的混合制冷剂进行制备。这些烃组分可以包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和 类似物质。
[0007] Foglietta等人的U.S.专利No. 6, 412, 302描述了用于制备液化天然气物流的方 法。该方法包括通过与第一和第二膨胀制冷剂接触换热而冷却至少一部分加压的天然气物 料流。第一膨胀制冷剂选自甲烷、乙烷和处理并且加压的天然气，而第二膨胀制冷剂是氮 气。因此，这种技术依赖于包括可然性烃的制冷剂的使用。
[0008] Roberts等人的U.S.专利申请公开No. 2010/0281915描述了用于液化天然气物流 的系统和方法。脱水天然气物流在使用由HFC制冷剂组成的预冷剂的预冷设备中预冷。该 预冷的脱水天然气物流之后在主换热器中通过与混合了制冷冷却剂的蒸气化烃逆流间接 换热进行冷却以制备LNG。混合制冷冷却剂包括乙烷、甲烷、氮气和小于或等于3mol%的丙 烷。因此，这种技术还依赖于包括烃的制冷剂的使用。
[0009] Barclay等人的U.S.专利申请公开No. 2012/0047943描述了一种海上液化天然气 物料的方法。该方法包括使天然气物料与两相制冷剂在第一温度下接触，使天然气物料与 第一气态制冷剂在第二温度下接触并且使天然气物料与第二气态制冷剂在第三温度下接 触。制冷的天然气物料之后使用膨胀装置膨胀以形成闪蒸气体物流和液化天然气物流。两 相制冷剂可以是商购制冷剂，例如R507或R134a，或者是它们的混合物。第一气态制冷剂可 以是氮气。第二气态制冷剂可以是由天然气物料回收的闪蒸气体物流。两相制冷剂用于冷 却和部分冷凝原料气体急冷器中的天然气物料，而第一和第二气态制冷剂用于冷却和主低 温换热器中的天然气物料。因此，这种技术依赖于包括由天然气物料中萃取的烃组分的制 冷剂的使用。
[0010] Weng的U.S.专利No. 6, 631，625描述了用于超低温制冷系统的制冷剂混合物的非 氯化氢氟碳化合物（非-HCFC)设计。该非-HCFC制冷剂混合物主要由氢氟碳化合物（HFC) 制冷剂和烃组成。因此，这种技术同样也依赖于包括烃的制冷剂的使用。此外，将这种制冷 剂混合物用于天然气加工和液化并未公开。
[0011] 发明概述
[0012] -个实施方案提供了用于液化天然气（LNG)制备的烃加工系统。该烃加工系统包 括配置为使用混合氟碳化合物制冷剂冷却天然气以制备LNG的氟碳化合物制冷系统和配 置为从LNG中除去氮气的氮气排出单元（NRU)。
[0013] 另一个实施方案提供了用于液化天然气（LNG)制备的方法。该方法包括在氟碳化 合物制冷系统中使用混合氟碳化合物制冷剂冷却天然气以制备LNG并且在氮气排出单元 (NRU)中从LNG中除去氮气。
[0014] 另一个实施方案提供了用于形成液化天然气（LNG)的烃加工系统。该烃加工系统 包括配置为使用混合氟碳化合物制冷剂冷却天然气的混合制冷剂循环，其中该混合制冷剂 循环包括配置为允许通过天然气和混合氟碳化合物制冷剂之间的间接换热冷却天然气的 换热器。该烃加工系统还包括配置为从天然气中除去氮气的氮气排出单元（NRU)和配置为 冷却天然气以制备LNG的甲烷自制冷系统。
[0015] 附图简述
[0016] 本发明技术的优点通过参考以下详细说明和附图可以更好的理解，其中：
[0017] 图1是单步制冷系统的工艺流程图；
[0018] 图2是包括节约装置的两步制冷系统的工艺流程图；
[0019] 图3是包括换热节约装置的单步制冷系统的工艺流程图；
[0020] 图4是液化天然气（LNG)制备系统的工艺流程图；
[0021] 图5是包括单独的混合制冷剂（SMR)循环的烃加工系统的工艺流程图；
[0022] 图6是具有添加了氮气制冷系统的图5的烃加工系统的工艺流程图；
[0023] 图7是具有添加了甲烷自制冷系统的图5的烃加工系统的工艺流程图；
[0024] 图8是包括预冷SMR循环的烃加工系统的工艺流程图；
[0025] 图9是包括双重混合制冷剂（DMR)循环的烃加工系统的工艺流程图；
[0026] 图10A和10B是包括SMR循环、NRU和甲烷自制冷系统的烃加工系统的工艺流程 图；
[0027] 图11A和11B是包括节约的DMR循环、NRU和甲烷自制冷系统的烃加工系统的工 艺流程图；以及
[0028] 图12是用于使用混合氟碳化合物制冷剂由天然气物流形成LNG的方法的工艺流 程图。
[0029] 详细说明
[0030] 在以下详细描述部分中描述了本发明技术的具体实施方案。然而，从以下描述对 于本发明技术的特殊实施方案和特殊用途的方面来说，其仅意在示例性的目的并且一般提 供示例性实施方案的描述。因此，该技术并不限于本发明描述的特殊实施方案，而是包括落 入附属权利要求书的精神和范围内的所有替代方式、改进形式和等价形式。
[0031] 首先，对于参考的事项，某些用于本申请的术语和它们的含义与用于本发明上下 文一样设定。对于用于本发明的术语没有在本发明中定义的情况，应当根据至少一本印刷 的出版物或出版的专利给出反映出的相关现有技术中本领域技术人员赋予该术语的最广 义的定义。此外，本发明技术并不受该术语在本发明中所示用法的限制，其所有的等价形 式，同义词、新的发展和用于相同或相似目的的术语或技术都认为其在本发明权利要求书 的范围内。
[0032] 正如本发明中使用的，"自制冷"指的是一部分产品物流用于制冷目的的方法。这 通过在最终的冷却之前基于提供制冷容量的目的提取一部分产品物流而实现。这种提取的 物流在阀门或膨胀器中膨胀，并且作为膨胀的结果，物流的温度下降。这种物流用于在换热 器中冷却产品物流。换热之后，这种物流再次压缩并且与原料气体物流共混。这种方法还 已知为开放式循环制冷。
[0033] 选择性的，"自制冷"指的是液体通过降低压力由此冷却的方法。在液体的情况中， 自制冷指的是通过蒸发冷却液体，其对应于压力的降低。更特别的，由于一部分液体在穿过 节流装置时经历了压力的降低而闪蒸为蒸气。作为结果，蒸气和残留的液体冷却到该液体 在降低的压力下的饱和温度。例如，根据本发明描述的实施方案，天然气的自制冷可以通过 使天然气保持在沸点而进行以便天然气在汽化期间随着热量的损失而冷却。这种方法还指 的是"闪蒸"。
[0034] 物质的"沸点"或"BP"是液体的蒸气压等于周围液体的压力的温度，并且因此，液 体变为蒸气。物质的"标准沸点"或"NBP"是在1个大气压，S卩101. 3千帕（kPa)下的沸点。
[0035] "压缩机"包括能够增加物流压力的任何单元、装置或设备。这包括具有单独压缩 过程或步骤的压缩机，或者是具有多步压缩过程或步骤的压缩机，更特别为在单独的包装 或外壳中的多步压缩机。待压缩的蒸发的物流可以采用不同的压力提供给压缩机。例如， 烃冷却过程的一些阶段或步骤可以包括并联、串联或两者的两个或更多个压缩机。本发明 技术并不受压缩机或特别是任何制冷循环中的压缩机的类型或排列或设计的限制。
[0036] 正如本发明中使用的，"冷却"广义上指的是物质温度和/或内能的降低和/或下 降，例如达到合适的量。冷却可以包括至少大约l°c、至少大约5°C、至少大约10°C、至少大 约15°C、至少大约25°C、至少大约50°C、至少大约100°C或类似的温度下降。冷却可以使用 任何合适的散热器，例如蒸汽产生、热水加热、冷却水、空气、制冷剂、其他过程物流（整合） 以及它们的联合。一种或多种冷却源可以联合和/或串联以达到期望的输出温度。冷却步 骤可以使用具有任何合适装置和/或身被的冷却单元。根据一个实施方案，冷却可以包括 间接换热器，例如具有一个或多个换热器。换热器可以包括任何合适的设计，例如管壳式， 铜焊铝式，螺旋卷绕式和/或类似设计。在选择性的方案中，冷却可以使用蒸发（汽化热） 冷却，热焓冷却，和/或直接换热，例如将液体直接喷雾到过程物流中。
[0037] "制冷温度"指的是大约-50°C或更低的温度。
[0038] 正如本发明中使用的，术语"脱乙烷塔"和"脱甲烷塔"指的是可以用于在天然气 物流中分离组分的蒸馏柱或蒸馏塔。例如，脱甲烷塔用于将甲烷和其他挥发性组分与乙烷 和重质组分分离。甲烷馏分典型的作为含有少量惰性气体、例如氮气、co2、或类似气体的纯 化气体回收。
[0039] "氟碳化合物"还指的是"全氟碳化合物"或"PFC"，其为包括F和C原子的分子。 氟碳化合物具有F-C键，并且取决于物质中碳原子的数目，C-C键。氟碳化合物的实例包括 六氟乙烷（C2F6)。"氢氟碳化合物"或"HFC"是具体类型的包括H、F和C原子的氟碳化合 物。氢氟碳化合物具有H-C和F-C键，并且取决于物质中碳原子的数目，C-C键。氢氟碳化 合物的一些实例包括氟仿（CHF3)、五氟乙烷（C2HF5)、四氟乙烷（C2H2F4)、七氟丙烷（C3HF7)、 六氟丙烷（C3H2F6)、五氟丙烷（C3H3F5)和四氟丙烷（C3H4F4)，除此之外还有类似化学结构的化 合物。具有不饱和键的氢氟碳化合物指的是"氢氟烯烃"或"HFO"。由于不饱和键的存在， HFO典型的比HFC更具有反应性和可燃性。然而，HFO还典型的在环境中比HFC降解更快。
[0040] 术语"气体"与"蒸气"互换使用，并且其定义为与液体或固体状态相区别的气体 状态的物质或物质的混合物。同样的，术语"液体"表示与气体或固体状态相区别的液体状 态的物质或物质的混合物。
[0041] 术语"温室气体"广义上指的是大气中可以吸收和/或发出在热红外范围内的射 线的气体或蒸气。其实例包括一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、甲烷、乙烷、丙烷、臭氧、硫化氢、 氧化硫、氧化氮、卤代烃、氯氟烃或类似物质。发电厂、炼油厂和其他能量转换设施倾向于是 向大气排放温室气体的巨大来源。不受理论的限制，相信温室气体接收和/或保留了捕获 到大气中的太阳辐射和太阳能。这可能导致增加平均全球大气温度和其他环境变化。
[0042] 气体的"全球变暖潜力"或"GWP"是陷入大气中的热量有多少的相对度量。GWP 将通过讨论中的某些质量的气体而捕获的热量比作通过相似质量的二氧化碳捕获的热量。 GWP在特殊的时间间隔上计算，例如20、100或500年。GWP表示为二氧化碳的因子，其中二 氧化碳具有1的标准GWP。例如，20年GWP，即甲烷的GWP2(I是72。这意味着，如果将相同质 量的甲烷和二氧化碳引入大气，在下一个20年中，甲烷将捕获比二氧化碳多72倍的热量。
[0043] "换热器"广义的表示任何能够将热从一种介质传递到另一种介质的装置，其包括 任何特殊的结构，例如通常指的是换热器的装置。换热器包括"直接换热器"和"间接换热 器"。因此，换热器可以是管壳式、螺旋式、U字形、核心式、核心-釜式、双管式、铜焊铝式、 旋风式或任何其他类型已知的换热器。"换热器"还指的是任何柱、塔、单元或其他适合允许 一种或多种物流从那里穿过，并且影响一种或多种制冷管线和一种或多种原料物流之间直 接或间接换热的其他布置。
[0044] "烃"是主要包括元素氢和碳的有机化合物，虽然氮、硫、氧、金属或任何数目的其 他元素也可以少量存在。正如本发明中使用的，烃通常指的是在天然气、油或化学加工厂中 发现的组分。
[0045] "液化天然气"或"LNG"是通常已知包括高百分比甲烷的天然气。然而，LNG还可 以包括痕量的其他化合物。其他的元素或化合物可以包括但不限于乙烷、丙烷、丁烷、二氧 化碳、氮气、氦气、硫化氢或它们的联合，对它们进行加工以便除去一种或多种组分（例如 氦气）或杂质（例如水和/或重质烃），并且之后在接近大气压力下通过冷却而冷凝为液 体。
[0046] "液化石油气"或"