一種利用混合製冷劑液化天然氣的方法
2023-05-22 22:52:21
專利名稱：一種利用混合製冷劑液化天然氣的方法
技術領域：
本發明涉及天然氣、煤層氣或其它富甲烷氣體的液化技術領域，特別涉及一種利 用混合製冷劑液化天然氣的方法。
背景技術：
天然氣的主要成分是甲烷，根據地下儲層的具體情況，天然氣還包括少量的乙烷、 丙烷、丁烷、戊烷等以及水、氫氣、氮氣、二氧化碳和其它氣體。大多數天然氣是以氣體形式存在的。將天然氣從井口輸送到氣體處理裝置，並由 該處送往天然氣用戶的最常見方法是用高壓氣體輸送管線。但是當天然氣源遠離目標市 場和氣源相對不足時，管線輸送的成本很高，在此情況下必須或希望將天然氣液化為液化 天然氣(LNG，Liquefied Natural Gas)後進行輸送和使用。天然氣液化後，其體積僅為原 來氣態的1/625，其密度為標準狀態下甲烷的600多倍、水的45%，體積能量密度為汽油的 72%，因為其使用的安全、環保、經濟和方便性，目前已成為優質的工業和民用燃料。目前常見的天然氣液化製冷流程有級聯式製冷循環、混合製冷劑製冷循環和膨脹 製冷循環。級聯式循環利用多種漸進式排列的單組分製冷劑和熱交換器來將天然氣降低至 液化溫度，相比而言級聯式製冷循環流程複雜，不利於操作控制，設備多，投資較大，適用於 大型LNG系統；膨脹製冷循環將原料氣或冷卻工質從高壓膨脹至低壓來相應降低溫度，膨 脹製冷循環流程簡單，調節靈活，易於開停車和操作，投資較低，但單位能耗較高。混合製冷 劑循環是利用多元混合製冷壓縮節流進行製冷，其流程複雜程度、設備數量、控制難易度、 投資額、單位能耗介於級聯式和膨脹式之間，並且裝置規模適應程度較寬。對於混合製冷循環中適用於中小規模的天然氣液化系統，美國BVPI開發的 PRICO 技術最具代表性，它只有一個混合製冷劑循環，在一定程度上簡化了流程，減少了 設備數量和投資。但其混合製冷劑增壓過程較為複雜，需要兩次進行氣液分離，除壓縮機 外，還需要兩臺製冷劑泵來提升液相混合製冷劑壓力，設備較多，同時流程控制點和故障點 增加，自動控制程度較低，導致開車調試、操作過程也較為複雜，投資也有所提高。此外，該 流程中分離後的氣液兩相混合冷劑需要在冷箱換熱器中再次混合，節流後的氣液兩相混合 製冷劑直接返回冷箱換熱器，存在兩相均勻分布的問題，同時也增加了冷箱換熱的製造難 度。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種利用混合製冷劑液化天然氣的方法，以減少 或避免前面所提到的問題。為解決上述技術問題，本發明提出了一種利用混合製冷劑液化天然氣的方法，該 方法用於將原料天然氣和所述混合製冷劑在冷箱換熱器中換熱，將所述原料天然氣液化為 液化天然氣，該方法包括如下步驟將所述混合製冷劑直接壓縮後冷卻為高壓氣液兩相混合製冷劑；
將所述高壓氣液兩相混合製冷劑氣液分離為高壓氣相混合製冷劑和高壓液相混 合製冷劑；將所述高壓氣相混合製冷劑和所述高壓液相混合製冷劑分別從所述冷箱換熱器 的不同換熱器流道自上而下流過，並從所述冷箱換熱器不同位置流出後成為兩股低壓兩相 混合製冷劑；所述兩股低壓兩相混合製冷劑分別經氣液分離後，再在所述冷箱換熱器的同一換 熱器流道內混合後，從下而上流出所述冷箱換熱器。優選地，上述方法進一步包括如下步驟，使所述高壓氣相混合製冷劑自上而下流 過冷箱換熱器，從冷箱底部流出經過節流降壓降溫後再自下而上返回冷箱提供冷量；同時， 使所述高壓液相混合製冷劑自上而下流過所述冷箱換熱器並從中部位置抽出經過節流降 壓降溫再次返回冷箱；所述高壓液相混合製冷劑經過節流後返回冷箱換熱器與高壓氣相混 合製冷劑節流後返回的低壓製冷劑混合後再向上流動為上部冷箱換熱器提供冷量；最後流 出所述冷箱換熱器後再返回壓縮機進行循環壓縮。優選地，所述混合製冷劑採用直接壓縮，無需進行壓縮過程中的中間冷卻和氣液 分離。優選地，其中壓縮機的入口壓力為0.16MPaG，壓縮機的出口壓力為1. 5 2. OMPaG。優選地，壓縮機入口溫度約為30°C，壓縮機的出口溫度為130 150°C。優選地，所述混合製冷劑經過壓縮後進入冷卻器，冷卻至環境溫度，並經過氣液分 離器成為高壓氣相混合製冷劑和高壓液相混合製冷劑。優選地，所述冷卻器和氣液分離器的位置高於冷箱換熱器頂部。優選地，所述混合製冷劑由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷和異己烷組成，其摩爾 百分比的組分構成為7% N2,20% CH4,32% C2H4,26% C3H8U0% i_C5H12、5%異己烷。優選地，所述高壓氣相混合製冷和高壓液相混合製冷劑自上而下流過冷箱換熱器 並分別從冷箱換熱器底部和中部流出，經過兩個節流閥降溫降壓後成為低壓兩相混合製冷 劑，再返回冷箱換熱器為不同換熱溫區提供冷量。優選地，所述低壓兩相混合製冷劑分別經過氣液分離後再分別返回冷箱換熱器， 在冷箱換熱器流道內再進行混合。優選地，所述原料天然氣經過所述冷箱換熱器冷卻至-40 -50°C時抽出進入一 重烴分離器，經重烴分離後的氣相再返回所述冷箱換熱器繼續降溫，直到成為合格的液化 天然氣產品。優選地，所述重烴分離後的天然氣經過所述冷箱換熱器再次降溫之後流出的溫度 為-140 _155°C，然後經過至少一個節流閥節流降壓後的溫度為-155 -165°C。本發明所提供的利用混合製冷劑液化天然氣的方法中，通過降低壓縮機出口壓力 的方式避免了壓縮過程中的中間冷卻和氣液分離，可減少氣液分離器、冷劑循環泵等設備 投入和故障點，並降低了工藝流程控制和現場操作維護難度，同時避免了傳統工藝流程裝 置停車後再啟時因壓縮機入口壓力超高導致冷劑排放問題；提出了一種帶有添加劑的混合 冷劑配方，進一步提高了裝置運行效率；同時將高壓氣相混合製冷劑和高壓液相混合製冷 劑分別流經不同的換熱流道，並通過各自的節流降壓降溫，節流後的低壓混合製冷劑經過氣液分離後再分別返回冷箱換熱器為不同換熱溫區提供冷量，增強了換熱效果，提高了裝 置的運行效率，同時解決了換熱器流道兩相均勻分布的問題，降低了冷箱換熱器的製造和 操作難度。
以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中，圖1顯示的是根據本發明的一個具體實施例的利用混合製冷劑液化天然氣的工 藝流程原理示意圖。
具體實施例方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照
本發 明的具體實施方式
。其中，相同的部件採用相同的標號。圖1顯示的是根據本發明的一個具體實施例的利用混合製冷劑液化天然氣的工 藝流程原理示意圖，如圖所示，經過預處理合格的原料天然氣101進入冷箱換熱器31，在冷 箱換熱器31中，原料天然氣101與混合製冷劑進行熱交換，將原料天然氣101液化為液化 天然氣(LNG，Liquefied Natural Gas)。在一個具體實施例中，該冷箱換熱器31可以為鋁製板翅式換熱器，也可為繞管式 換熱器。原料天然氣101進入冷箱換熱器31後，被冷卻至-40°C -50°C時從冷箱換熱器 31中引出成為天然氣流102。在該溫度下，天然氣流102中若含有過多的重組分，則會以液 體形式析出，為了防止天然氣流102在更低溫度區域對冷箱換熱器31造成凍堵，設置有一 個重烴分離器11，對液相重烴進行分離，分離出的重烴104排出液化裝置後進行綜合回收 利用，脫除重烴後的天然氣流103重新返回冷箱換熱器31進行降溫。天然氣103經過冷箱換熱器31再次降溫之後，從冷箱換熱器31底部流出的天然 氣105已經全部液化，溫度達到-140 -155°C。之後，天然氣105經過至少一個節流閥12節流降壓後成為所需的液化天然氣106， 此時的液化天然氣106的溫度達到-155 -165°C，達到儲存要求，然後進入LNG (液化天然 氣)儲罐進行儲存。下面參照圖1詳細說明混合製冷劑的製冷過程，如圖所示，首先，低壓氣相常溫混 合製冷劑201進入一壓縮機入口緩衝罐21，從緩衝罐21頂部流出的混合製冷劑202進入混 合製冷劑壓縮機22。經壓縮之後的混合製冷劑203壓力達到1. 5 2. OMPa，溫度為130 150°C，然後 進入冷卻器23。經過冷卻器23冷卻之後的混合製冷劑204的溫度為30 40°C，為氣液兩相狀態。之後，將混合製冷劑204經過一個氣液分離器24對其進行氣液分離。冷卻器23 和氣液分離器24的位置均高於冷箱換熱器31頂部。從氣液分離器24頂部流出的高壓氣相製冷劑205從冷箱換熱器31頂部流入， 進入冷箱換熱器31之後均勻分布在各換熱流道並自上而下流經換熱器31的流道，高壓 氣相製冷劑205在流動過程中與天然氣一起被返流的製冷劑213進行冷卻。冷卻後的製冷劑211流出冷箱換熱器31的時候會吸收冷量全部液化，溫度為-140 -155°C，然後經 過節流閥26進行節流降壓降溫，節流後的低壓混合製冷劑212壓力為3 4bara，溫度 為-158 -160°C，低壓混合製冷劑212再經過氣液分離器28進行氣液分離，分離後的低壓 氣相混合製冷劑213和低壓液相混合製冷劑214分別返回冷箱換熱器31，在冷箱換熱器31 內混合後再向上流動提供冷量。從氣液分離器24底部流出的高壓液相製冷劑206從冷箱換熱器31頂部流入，高 壓液相混合製冷劑206進入冷箱換熱器31後均勻分布在換熱器31的各流道並自上而下流 出換熱器31，流出的混合製冷劑207從冷箱換熱器31中部位置抽出，然後經過節流閥25進 行節流降壓降溫，節流後的低壓混合製冷劑208壓力為3 4bara，低壓混合製冷劑208再 經過氣液分離器27進行氣液分離，分離後的低壓氣相混合製冷劑209和低壓液相混合製冷 劑210分別返回冷箱換熱器31，在冷箱換熱器31內進行混合後與向上流動的製冷劑213匯 合後再繼續向上流動，為冷箱換熱器31的上部空間提供冷量。從冷箱換熱器31頂部流出的低壓返流製冷劑201被溫度較高的天然氣和製冷劑 加熱至常溫，然後再次進行循環壓縮，即完成一個循環過程，混合製冷劑周而復始循環提供 連續冷量，對原料天然氣進行液化。在本發明的一個具體實施例中，所採用的混合製冷劑由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異 戊烷和異己烷組成，其摩爾百分比的分別為7%、20%、32%、26%、10%、5%。本發明所提供的利用混合製冷劑液化天然氣的方法中，經過氣液分離的高壓氣相 混合製冷劑和高壓液相混合製冷劑分別流經不同的換熱器流道，並且從冷箱換熱器的不同 位置抽出進行節流降壓降溫，節流後的混合製冷劑再經過氣液分離後分別返回冷箱換熱器 為不同的換熱溫區提供冷量。提高了設備的換熱效率和裝置的液化效率，同時解決了兩相 均勻分布的問題，也降低了冷箱換熱器的製造難度和操作難度。另一方面，在本發明中，混合製冷劑採用直接壓縮，避免了壓縮機過程中的中間冷 卻和氣液分離，大大簡化了冷劑的增壓過程，同時避免了傳統工藝流程裝置停車後再啟時 因壓縮機入口壓力超高導致冷劑排放問題。傳統的製冷劑壓縮方式是將製冷劑經過一段壓縮之後進行冷卻，一直冷卻到常 溫，這樣就會有液體析出，在進入二段壓縮之前需要進行氣液分離，分離出的氣體通過二段 壓縮提升到更高壓力。液相需要泵提升壓力，提升壓力後兩者混合再冷卻到常溫，再經過氣 液分離後分別進入冷箱換熱器。在本發明的上述實施例中，共節省了一臺氣液分離器、一臺 中間冷卻器和兩臺冷劑泵，使得冷劑循環中除了壓縮機以外再無動設備，減少了投資和故 障點，關鍵是對混合製冷劑壓縮過程的操作控制大大簡化。以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式
，並非用以限定本發明的範圍。任何 本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合， 均應屬於本發明保護的範圍。
權利要求
一種利用混合製冷劑液化天然氣的方法，該方法用於將原料天然氣和所述混合製冷劑在冷箱換熱器中換熱，將所述原料天然氣液化為液化天然氣，其特徵在於，該方法包括如下步驟將所述混合製冷劑直接壓縮後冷卻為高壓氣液兩相混合製冷劑；將所述高壓氣液兩相混合製冷劑氣液分離為高壓氣相混合製冷劑和高壓液相混合製冷劑；將所述高壓氣相混合製冷劑和所述高壓液相混合製冷劑分別從所述冷箱換熱器的不同換熱器流道自上而下流過，並從所述冷箱換熱器不同位置流出後成為兩股低壓兩相混合製冷劑；所述兩股低壓兩相混合製冷劑分別經氣液分離後，再在所述冷箱換熱器的同一換熱器流道內混合後，從下而上流出所述冷箱換熱器。
2.根據權利要求1所述的方法，其中進一步包括如下步驟，使所述高壓氣相混合製冷 劑自上而下流過冷箱換熱器，從冷箱底部流出經過節流降壓降溫後再自下而上返回冷箱提 供冷量；同時，使所述高壓液相混合製冷劑自上而下流過所述冷箱換熱器並從中部位置抽 出經過節流降壓降溫再次返回冷箱；所述高壓液相混合製冷劑經過節流後返回冷箱換熱器 與高壓氣相混合製冷劑節流後返回的低壓製冷劑混合後再向上流動為上部冷箱換熱器提 供冷量；最後流出所述冷箱換熱器後再返回壓縮機進行循環壓縮。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述節流後的低壓混合製冷劑分別經過氣液分離 後再分別返回冷箱換熱器，在冷箱換熱器流道內再進行混合。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述混合製冷劑採用直接壓縮，無需進行壓 縮過程中的中間冷卻和氣液分離。
5.根據權利要求4所述的方法，其中壓縮機的入口壓力為0.16MPaG，壓縮機的出口壓 力為1.5 2. OMPaG，壓縮機入口溫度約為30°C，壓縮機的出口溫度為130 150°C。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述高溫高壓的混合製冷劑經過冷卻器後被冷 卻至環境溫度，變成氣液兩相狀態，再經過氣液分離器後成為高壓氣相混合製冷劑和高壓 液相混合製冷劑。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述冷卻器和氣液分離器的位置高於冷箱頂部。
8.根據權利要求1-6之一所述的方法，其中，所述混合製冷劑由如下摩爾百分比的組 分構成7% N2,20% CH4,32% C2H4,26% C3H8U0% i_C5H12、5%異己燒。
9.根據權利要求1-7之一所述的方法，其中，所述原料天然氣經過所述冷箱換熱器冷 卻至-40 -5(TC時抽出進入一重烴分離器，經重烴分離後的氣相再返回所述冷箱換熱器 繼續降溫，直到成為合格的液化天然氣產品。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述重烴分離後的天然氣經過所述冷箱換熱器 再次降溫之後流出的溫度為-140 -155°C，然後經過至少一個節流閥節流降壓後的溫度 為-155 -165°C。
全文摘要
一種利用混合製冷劑液化天然氣的方法，包括將混合製冷劑直接壓縮後進行氣液分離，分離後的高壓氣相混合製冷劑和高壓液相混合製冷劑分別從所述冷箱換熱器的不同換熱器流道流過，並從所述冷箱換熱器不同位置流出後分別經氣液分離後，再在所述冷箱換熱器的同一換熱器流道內混合後，從下而上流出所述冷箱換熱器。本發明中將高壓氣相冷劑和高壓液相冷劑分別通過不同的換熱器流道，並分別採用兩個節流閥進行降溫為冷箱換熱器不同溫區提供冷量，提高了裝置運行效率；同時，通過抬高混合製冷劑壓縮機後冷卻器和氣液分離器的位置，省去了泵等設備投入，減少了故障點，並降低了工藝流程控制和現場操作維護難度。
文檔編號F25J1/02GK101893367SQ20101025281
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者唐建峰 申請人:唐建峰