生產lng的天然氣液化方法

2023-07-19 13:55:51 2

專利名稱：：生產lng的天然氣液化方法生產LNG的天然氣液化方法相關申請的交叉參考本申請要求了於2005年8月9日提出的美國臨時申請第60/706,798號和2006年4月26日提出的美國臨時申請第60/795,101號的權益。
技術領域：
本發明的實施方式涉及天然氣和其它富甲烷氣流的液化方法，更具體地，涉及生產液化天然氣(liquefiednaturalgas，LNG)的方法。
背景技術：
：天然氣因其清潔的燃燒品質和便利性近年來被廣泛使用。許多天然氣來源位於遙遠的地方，距離該氣體的任何商業市場很遠。有時，管道可用於將所產生的天然氣輸送到商業市場。當管道運輸不可行時，所生產的天然氣通常被加工成液化天然氣(其被稱為"LNG")用於輸送到市場。在LNG工廠的設計中，一個最重要的考慮因素是將天然氣原料流轉化為LNG的方法。目前，最常見的液化方法使用某種形式的製冷系統。儘管已經使用許多製冷循環來液化天然氣，然而當今在LNG工廠最常使用的三種類型是(l)"階式循環"，其利用在換熱器中的多個單組分冷卻劑，所述冷卻劑被漸進式布置，以將氣體的溫度降低至液化溫度；(2)"多組分製冷循環"，其利用在專門設計的換熱器中的多組分冷卻劑；和(3)"膨脹機循環(expandercycle)",其使氣體從原料氣壓力膨脹為低壓，溫度相應降低。大多數天然氣液化循環利用這三種基本類型的改變型或組合。在多組分製冷循環中，所用的冷卻劑可以是組分如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮的混合物。在"階式循環"中，冷卻劑也可以是純物質，如丙烷、乙烯或氮。需要大量的組成被精密控制的這些冷卻劑。此外，這些冷卻劑可能必須被引入和存貯，強加以物流要求。可選地，典型地可以通過與液化方法結合的蒸餾方法來製備冷卻劑的一些組分。利用氣體膨脹機，為原料氣提供冷卻，從而消除或降低冷卻劑處理的物流問題，這已經引起工藝工程師的興趣。膨脹機系統操作的原理是原料氣能夠通過膨脹渦輪膨脹，從而進行運作並降低氣體的溫度。低溫氣體然後與原料氣換熱，以提供所需的製冷。通常需要補加製冷，以充分液化原料氣，並且這可以通過冷卻劑系統來提供。由於膨脹所得的功率通常用於供應製冷循環中所使用的部分主要壓縮功率。製備LNG的典型的膨脹機循環在原料氣壓力下運作，典型地在約6,895kPa(1,000磅/平方英寸)下。然而，前面提出的膨脹機循環都比目前基於冷卻劑系統的天然氣液化循環的熱力學效率低。因此迄今為止，膨脹機循環沒有提供任何安裝成本上的優勢，並且包括冷卻劑的液化循環仍是天然氣液化的優選選擇。因為膨脹機循環產生高循環氣流流速和預冷(溫熱)階段的高度無效率，氣體膨脹機典型地被用於進一步冷卻原料氣，該原料氣例如己經在封閉循環中利用外部冷卻劑被預冷至遠在-2(TC以下的溫度。因此，在大多數所提出的膨脹機循環中一個常見的因素是需要第二外部製冷循環，以便在氣體進入膨脹機之前預冷該氣體。這種組合的外部製冷循環和膨脹機循環有時被稱為"混合循環"。儘管這種基於冷卻劑的預冷在膨脹機應用上消除了無效率的主要來源，然而其顯著降低了膨脹機循環的優勢，該優勢就是去除了外部冷卻劑。在膨脹機冷卻之後額外的冷卻也可能是必需的，並且可以通過另一外部冷卻劑系統來提供，如氮或冷的混合冷卻劑。因此，對下述膨脹機循環仍存在需要至少與目前應用的技術相比，該膨脹機循環消除了對外部冷卻劑的需求並且具有提高的效率。
發明內容本發明的實施方式提供液化天然氣和其它富甲垸氣流的方法，以生產液化天然氣(LNG)和/或其它液化的富甲烷氣體。如在本說明書包括所附權利要求書中所用的術語天然氣是指適於製造LNG的氣體原料。所述天然氣可包括得自原油井的氣體(伴生天然氣)或得自氣井的氣體(非伴生天然氣)。天然氣的組成可以顯著變化。如本文所用，天然氣是含有甲烷(C,)作為主要組分的富甲烷氣。在本文生產LNG方法的一個或多個實施方式中，實施第一步驟，其中第一部分原料氣被抽取、壓縮、冷卻並膨脹至較低的壓力以冷卻所抽取的第一部分。原料流的剩餘部分通過與膨脹的第一部分在第一換熱過程中進行間接換熱而被冷卻。在第二步驟中，其包括再冷卻迴路(sub-coolingloop)，包含閃蒸蒸汽(flashvapor)的單獨流被壓縮、冷卻和膨脹至較低的壓力，以提供另一冷卻流。該冷卻流用於在第二間接換熱過程中冷卻剩餘的原料氣流，該第二間接換熱過程構成再冷卻換熱過程。從第二換熱過程出來的膨脹流用於在第一間接換熱步驟中進行補充冷卻。剩餘的原料氣隨後被膨脹至更低壓力，從而部分液化該原料氣流。該流的液化部分作為LNG從工藝中被收回，該LNG的溫度對應於泡點壓力。該流的蒸汽部分被返回，以補充在間接換熱步驟中所提供的冷卻。來自各種來源的變熱的冷卻氣體被壓縮和再循環。在根據本發明的一個或多個其它實施方式中，提供了富甲烷氣流的液化方法，所述方法包括在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供富甲烷氣流；在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供冷卻劑；壓縮所述冷卻劑至大於或等於1500磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮冷卻劑；通過與冷卻流體進行間接換熱冷卻所述壓縮冷卻劑；使所述壓縮冷卻劑膨脹以進一步冷卻所述壓縮冷卻劑，從而產生膨脹的、冷卻的冷卻劑；使所述膨脹的、冷卻的冷卻劑通過換熱區；以及使所述氣流經過所述換熱區，以便通過與所述膨脹的冷卻冷卻劑間接換熱來冷卻至少部分所述氣流，從而形成冷卻的氣流。在一個或多個其它具體實施方式中，在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供冷卻劑包括抽取氣體的一部分，用作冷卻劑。在其它實施方式中，被用作冷卻劑的該部分氣流在該氣流經過換熱區之前從氣流中被抽取。仍在其它實施方式中，根據本發明的方法進一步包括，利用用液化富甲烷氣流的過程中所產生的閃蒸蒸汽充填的封閉迴路，為換熱區提供至少部分製冷功能。根據本發明的另外的實施方式對於本領域普通技術人員而言將是顯而易見的。附圖簡述圖1是根據本發明方法所述的用於生產LNG的一個實施方式的示意流程圖。圖2是用於生產LNG的第二實施方式的示意流程圖，其類似於圖1所示的工藝，只是在壓縮、冷卻及膨脹迴路中的氣體冷卻劑與原料氣分離，並因此可以具有與原料氣不同的組成。圖3是根據本發明方法所述的用於生產LNG的第三實施方式的示意流程圖，其利用了多個工作膨脹步驟，用於提高效率。圖4是根據本發明方法所述的用於生產LNG的第四實施方式的示意流程圖，其利用了多個類似於圖3的工作膨脹步驟，但是還併入了額外的膨脹步驟以及原料氣的壓縮，以改進膨脹步驟的性能。圖5是根據本發明方法所述的用於生產LNG的第五實施方式的示意流程圖，其類似於圖4所示的實施方式，但利用了額外的側流以及工藝氣體的膨脹，以提供再冷卻。圖6是類似於圖1和圖2中所示的實施方式的另一實施方式，其中再冷卻迴路的冷卻劑在膨脹之前在再冷卻換熱器中被冷卻。圖7是另一實施方式，其中所述再冷卻迴路與原料氣連接。圖8是另一實施方式，顯示了再冷卻迴路的可選布置。圖9是類似於圖8的實施方式，但是使用了經過再冷卻器的分離膨脹流，其中膨脹閥、Joules-Thompson閥門或類似的膨脹設備用於提高再冷卻器中的效率。圖IO是另一實施方式，其中脫氮階段被併入其中可能需要脫氮的情況中。圖11是又一實施方式，其中再冷卻迴路的冷卻劑源自來自脫氮單元的閃蒸蒸汽，並因此富含氮氣。發明詳述本發明實施方式提供了天然氣液化方法，其主要利用氣體膨脹機並且消除了對外部冷卻劑的需求。即，在本文所公開的一些實施方式中，原料氣本身(例如，天然氣)被用作所有製冷循環中的冷卻劑。這類製冷循環不需要利用外部冷卻劑(即，除原料氣本身的冷卻劑或者在LNG加工廠中或附近製造的氣體之外的冷卻劑)的補充冷卻，如所提出的通常的氣體膨脹機循環中所需要的那樣，然而這些製冷循環具有更高的效率。在一個或多個實施方式中，冷卻水或冷卻空氣是唯一的冷卻流體外部來源，並且被用於壓縮機中間階段或冷卻後。圖1圖解了本發明的一個實施方式，其中使用了膨脹機迴路5(即膨脹機循環)和再冷卻迴路6。為清晰起見，膨脹機迴路5和再冷卻迴路6以圖1中的加寬線顯示。在本說明書和所附的權利要求中，術語"迴路"和"循環"被交換使用。在圖1中，原料氣流10在約1200磅/平方英寸以下、或約1100磅/平方英寸以下、或約1000磅/平方英寸以下、或約900磅/平方英寸以下、或約800磅/平方英寸以下、或約700磅/平方英寸以下、或約600磅/平方英寸以下的壓力下進入液化工藝。典型地，原料氣流10的壓力將是大約800磅/平方英寸。原料氣流10一般包括已經利用本領域熟知的方法和設備進行處理以去除汙染物的天然氣。在其經過換熱器之前，一部分原料氣流10被抽取形成側流11，因此提供了處於對應於原料氣流IO壓力的壓力下的冷卻劑，即上述任何壓力包括約1000磅/平方英寸以下的壓力，根據下面的討論，這將是顯而易見的。因此，在圖1所示的實施方式中，原料氣流的一部分被用作膨脹機迴路5的冷卻劑。儘管示於圖1中的實施方式利用了在原料氣流10經過換熱器之前從該原料氣流10中抽取的側流，然而，被用作膨脹機迴路5中的冷卻劑的原料氣側流可以在該原料氣己經經過換熱區之後從原料氣中抽取。因此，在一個或多個實施方式中，本方法是本文所述的其它實施方式中的任一種，其中被用作冷卻劑的原料氣流部分從換熱區被抽取、膨脹並且返回換熱區，以便為換熱區提供至少部分製冷功能。側流11被傳遞至壓縮單元20，在此，其被壓縮至大於或等於約1500磅/平方英寸的壓力，從而提供壓縮的冷卻劑流12。可選地，側流11被壓縮至大於或等於約1600磅/平方英寸、或大於或等於約1700磅/平方英寸、或大於或等於約1800磅/平方英寸、或大於或等於約1900磅/平方英寸、或大於或等於約2000磅/平方英寸、或大於或等於約2500磅/平方英寸、或大於或等於約3000磅/平方英寸的壓力，從而提供壓縮的冷卻劑流12。如在本說明書中包括所附權利要求中所用，術語"壓縮單元"是指在本領域中已知用於壓縮物質或物質混合物的任何一種類型的壓縮設備或者相似或不同類型壓縮設備的組合，並且可以包括輔助設備。"壓縮單元"可以採用一個或多個壓縮階段。示例性壓縮機可以包括，但不限於容積式類型，如往復式和旋轉式壓縮機，以及動力型，如離心式和軸流式壓縮機。離開壓縮單元20之後，壓縮的冷卻劑流12被傳遞至冷卻器30，在此其通過與合適的冷卻流體進行間接換熱而被冷卻，提供壓縮的冷卻致冷劑(冷卻劑)。在一個或多個實施方式中，冷卻器30屬於提供水或空氣作為冷卻流體的類型，儘管可以使用任何類型的冷卻器。當壓縮冷卻劑流12從冷卻器30出來時，其溫度取決於環境條件和所使用的冷卻介質，並且典型地為約35。F至約105下。然後，冷卻的壓縮冷卻劑流12傳遞至膨脹機40，在此其膨脹並因此被冷卻而形成膨脹的冷卻劑流13。在一個或多個實施方式中，膨脹機40是功膨脹設備(work-expansiondevice)，例如產生可以被取出並用於壓縮的功的膨脹膨脹冷卻劑流13傳遞至換熱區50，為換熱區50提供至少部分製冷功能。如在本說明書包括所附的權利要求中所用，術語"換熱區"是指本領域中己知用於促進熱交換的任一類型的設備或者相似或不同類型設備的組合。因此，"換熱區"可以被包含在單片設備中，或者其可以包括包含在多個設備片中的區域。相反地，多個換熱區可以包含在單片設備中。離開換熱區50之後，膨脹的冷卻劑流13被送至壓縮單元60進行加壓以形成流14，其然後與側流ll匯合。顯而易見的是，一旦膨脹機迴路5已經充滿來自側流11的原料氣，則只需要補充原料氣以替換因洩漏引起的損失，進入壓縮機單元20的大部分氣體通常由流14提供。未作為側流11抽取的原料氣流10的一部分被傳遞至換熱區50，在此，其通過與膨脹冷卻劑流13進行間接換熱被至少部分冷卻。離開換熱區50之後，原料氣流10傳遞至換熱區55。換熱區55的基本功能是再冷卻原料氣流。因此，在換熱區55中，原料氣流10通過再冷卻迴路6被再冷卻(如下所述)，以產生再冷卻流10a。再冷卻流10a然後在膨脹機70中膨脹至更低的壓力，從而部分液化再冷卻流10a，形成液體部分和剩餘的蒸汽部分。膨脹機70可以是任何減壓設備，包括但不限於閥、控制閥、JouleThompson閥、文氏管設備、液體膨脹機、液力渦輪等。部分液化的再冷卻流10a傳遞至緩衝罐80，在此，液化部分15作為LNG從該工藝中被收回，該LNG具有的溫度對應於泡點壓力。剩餘的蒸汽部分(閃蒸蒸汽)流16被用作燃料為壓縮機單元提供動力和/或被用作再冷卻迴路6中的冷卻劑，如下所述。在被用作燃料之前，所有或部分閃蒸蒸汽流16可以任選地從緩衝罐80傳遞至換熱區50和55，以補充這些換熱區中所提供的冷卻。參考圖1，部分閃蒸蒸汽16經過管線17被抽取，以填充再冷卻迴路6。因此，來自原料氣流10的部分原料氣被抽取(以來自閃蒸氣流16的閃蒸氣的形式)用作再冷卻迴路6中的冷卻劑。同樣顯而易見的是，一旦再冷卻迴路6完全充滿閃蒸氣，只需補充氣(即來自管線17的另外的閃蒸蒸汽)，以替換因洩漏引起的損失。在再冷卻迴路6中，膨脹流18從膨脹機41中排出，並被吸入通過換熱區55和50。膨脹的閃蒸蒸汽流18(再冷卻的致冷劑流)然後返回至壓縮單元90，在此，其被再壓縮至更高的壓力並升溫。離開壓縮單元90之後，再壓縮的再冷卻冷卻劑流在冷卻器31中被冷卻，該冷卻器可以具有與冷卻器30相同的類型，儘管可以使用任何類型的冷卻器。冷卻後，再壓縮的再冷卻冷卻劑流傳遞至換熱區50，在此，其通過與膨脹冷卻劑流13、再冷卻冷卻劑流18以及任選地與閃蒸蒸汽流16進行間接換熱而被進一步冷卻。離開換熱區50之後，再壓縮及冷卻的再冷卻冷卻劑流經過膨脹機41膨脹，以提供冷卻流，其然後經過換熱區55再冷卻原料氣流的部分，以便最終膨脹而產生LNG。離開換熱區55的膨脹再冷卻冷卻劑流再次經過換熱區50，以便在進行再壓縮之前提供補加冷卻。以這種方式，再冷卻迴路6中的循環被不斷地重複。因此，在一個或多個實施方式中，本方法是在此所公開的其它實施方式中的任一種，所述其它實施方式進一步包括利用充填有由LNG生產所產生的閃蒸蒸汽(例如，閃蒸蒸汽16)的封閉迴路(例如再冷卻迴路6)提供冷卻。顯而易見的是，在圖1圖解的實施方式中(以及在本文所述的其它實施方式中)，當原料氣流10從一個換熱區傳遞至另一換熱區時，原料氣流10的溫度將被降低，直到最終產生再冷卻流。另外，當側流從原料氣流10中抽取時，原料氣流10的質量流量將被降低。也可以對原料氣流10進行其它修改，例如壓縮。儘管對原料氣流10的每種此類修改可以被認為產生新的且不同的流，但為清晰和易於闡述起見，除非另外說明，原料氣流將被稱為原料氣流10,對其理解是經過換熱區、帶走側流以及其它的變動將使原料氣流IO產生溫度、壓力和/或流速的改變。圖2圖解了本發明的另一種實施方式，其類似於圖1中所示的實施方式，只是膨脹機迴路5已經被替換為膨脹機迴路7。圖2中的其它術語已經在上面描述。為清晰起見，膨脹機迴路7在圖2中以加寬線顯示。膨脹機迴路7利用與膨脹機迴路5基本相同的設備(例如，壓縮機20、冷卻器30和膨脹機40，所有這些在上面已經予以描述)。然而，膨脹機迴路7中的氣體冷卻劑與原料氣分離，並因此可以具有與原料氣不同的組成。即，膨脹機迴路7基本是封閉迴路，並且不與原料氣流10連接。膨脹機迴路7的冷卻劑因此不必是原料氣，儘管其可以是。膨脹機迴路7可以被充入任何合適的冷卻劑氣體，該冷卻劑氣體在利用膨脹機迴路7的LNG加工廠中或附近生產。例如，用於充入膨脹機迴路7的冷卻劑氣體可以是原料氣，如天然氣，其僅被部分處理以去除汙染物。如同膨脹機迴路5，膨脹機迴路7是高壓氣體迴路。流12a以大於或等於約1500磅/平方英寸、或大於或等於約1600磅/平方英寸、或大於或等於約1700磅/平方英寸、或大於或等於約1800磅/平方英寸、或大於或等於約1900磅/平方英寸、或大於或等於約2000磅/平方英寸、或大於或等於約2500磅/平方英寸、或大於或等於約3000磅/平方英寸的壓力下離開壓縮單元20。當壓縮冷卻劑流12a從冷卻器30出現時，其溫度取決於環境條件和所用的冷卻介質，並且典型地為約35。F至約105T。冷卻的壓縮冷卻劑流12a然後傳遞至膨脹機40，在此，其膨脹和進一步冷卻，形成膨脹冷卻劑流13a。膨脹冷卻劑流13a傳遞至換熱區50，以便為換熱區50提供至少部分製冷功能，在該換熱區中，原料氣流10通過與膨脹冷卻劑流13a進行間接換熱而被至少部分冷卻。離開換熱區50後，膨脹冷卻劑流13a返回至壓縮單元20，進行再壓縮。在本文所述的任何實施方式中，膨脹機迴路5和7可以互換使用。例如，在利用膨脹機迴路5的實施方式中，膨脹機迴路7可以取代膨脹機迴路5。圖3顯示了根據本發明方法生產LNG的另一實施方式。圖3中圖解的工藝利用了多個功膨脹循環(workexpansioncycle),為原料氣和其他流提供補加冷卻。這些功膨脹循環的應用導致液化過程的總效率得以改進。參考圖3，原料氣流IO在上述壓力下再次進入液化過程。在圖3所示的具體實施方式中，側流ll以前面所述的方式被送至膨脹機迴路5，但是顯而易見的是，封閉膨脹機迴路7可以用來代替膨脹機迴路5，在此種情況下，側流11將不是必需的。膨脹機迴路5以與如上對圖1中所示的實施方式所述相同的方式運作，只是膨脹冷卻劑流13經過換熱區56，為換熱區56提供至少部分製冷功能，下面將進行詳細描述。未被抽取作為側流11的部分原料氣流10傳遞至換熱區56，在此，其至少部分地通過與膨脹冷卻劑流13和下面所述的其他流進行間接換熱而被冷卻。離開換熱區56後，原料氣流10經過換熱區57和58，在此其通過與下面所述的另外的流進行間接換熱而被進一步冷卻。在本實施方式中，如下利用第一和第二功膨脹循環以提高效率在原料氣流10進入換熱區57之前，將側流llb從原料氣流10中導出。在原料氣流10離開換熱區57之後而在其進入換熱區58之前，將側流llc從原料氣流10導出。因此，側流llb和llc在原料氣流冷卻的不同階段從原料氣流10中引出。即，每個側流在原料氣冷卻曲線上的不同點處從原料氣流中撤出，使得各個相繼撤出的側流的起始溫度比先前撤出的側流低。側流llb為第一功膨脹循環的一部分，其被傳遞至膨脹機42，在此其膨脹並因此冷卻而形成膨脹流13b。膨脹流13b經過換熱區56和57，為換熱區56和57提供至少部分製冷功能。同樣地，側流llc為第二功膨脹循環的一部分，其被傳遞至膨脹機43，在此其膨脹並因此冷卻而形成膨脹流13c。膨脹流13c然後經過換熱區56、57和58，為換熱區56、57和58提供至少部分製冷功能。因此，原料氣流10在換熱區56和57中通過與膨脹流13b和13c進行間接換熱也被冷卻。在換熱區58中，原料氣流10通過與膨脹流13c進行另外的間接換熱也被冷卻。離開換熱區56之後，膨脹流13b和13c分別傳遞至壓縮單元61和62，在此它們被再壓縮並結合形成流14a。流14a在與原料氣流10重組合之前通過冷卻器32冷卻。冷卻器32可以是與冷卻器30和31相同類型的冷卻器或冷卻器類型。膨脹機42和43是本領域技術人員熟知的功膨脹設備類型。合適的功膨脹設備的示例性、非限定性實例包括液體膨脹機和液力渦輪。因此，在圖3所示的實施方式中，原料氣流通過多個功膨脹設備被進一步冷卻。對本領域技術人員顯而易見的是，可以將額外的功膨脹循環加入圖3所圖解的實施方式中，或者可以採用單個功膨脹循環。因此，一般而言，可以以上述方式採用一個或多個功膨脹設備。各功膨脹設備膨脹部分原料氣流，並從而冷卻此部分，其中在功膨脹設備中膨脹的所述原料氣流部分的每一部分在原料氣流冷卻的不同階段(即，在不同的原料氣流溫度下)從原料氣流中撤出。在根據本發明的一個或多個其它實施方式中，通過如下步驟利用功膨脹設備從原料氣流中抽出一個或多個側流；使所述一個或多個側流傳遞至一個或多個功膨脹設備；膨脹所述一個或多個側流，以膨脹和冷卻該一個或多個側流，從而形成一個或多個膨脹的、冷卻的側流；將所述一個或多個膨脹的、冷卻側流傳遞至至少一個換熱區；使所述氣流經過所述至少一個換熱區；以及通過與所述一個或多個膨脹的、冷卻側流進行間接換熱，至少部分冷卻所述氣流。再次參考圖3，原料氣流10在換熱區56、57和58中被冷卻之後，然後傳遞至換熱區59，在此其被進一步冷卻，產生再冷卻流10a。換熱區59的主要功能是再冷卻原料氣流10。再冷卻流10a然後在膨脹機85中膨脹至更低的壓力，從而部分液化再冷卻流10a，形成液化部分和剩餘的蒸汽部分。膨脹機85可以是任何減壓設備，包括但不限於閥、控制閥、JouleThompson閥、文氏管設備、液體膨脹機、液力渦輪等。部分液化的再冷卻流10a傳遞至緩衝罐80，在此，液化部分15作為LNG從該工藝中被收回，該LNG具有的溫度對應於泡點壓力。剩餘的蒸汽部分(閃蒸蒸汽)流16被用作燃料，為壓縮機單元提供動力，和/或以與前面對再冷卻迴路6所述基本相同的方式作為再冷卻迴路8中的冷卻劑。如從表3中可見，再冷卻迴路8類似於再冷卻迴路6，只是再冷卻迴路8向四個換熱區(換熱區56、57、58和59)供應冷卻。圖4圖解了本發明又一個實施方式。圖4中所示的實施方式與圖3中所示的實施方式基本相同，只是加入了壓縮單元25和膨脹機35。膨脹機35可以是任何類型的液體膨脹機或液力渦輪。膨脹機35放置在換熱區58和59之間，使得原料氣流10從換熱區58流入膨脹機35中，在此其膨脹並從而冷卻，產生膨脹的原料氣流10b。流10b然後傳遞至換熱區59，在此其被再冷卻而產生再冷卻流10c。通過在膨脹機35中膨脹並因此冷卻原料氣流10，以產生流10b,再冷卻迴路8上的總冷卻荷載被有利地降低。因此，在一個或多個實施方式中，本方法是在此所述的其他實施方式的任一種，所述其他實施方式進一步包括膨脹至少部分所述冷卻原料氣流，以產生冷卻的、膨脹的原料氣流(例如，流10b);和通過與封閉迴路(例如，再冷卻迴路6或8)進行間接換熱進一步冷卻所述冷卻的、膨脹的原料氣流，所述封閉迴路填充以從LNG生產得到的閃蒸蒸汽(例如，閃蒸蒸汽16)。繼續參考圖4，壓縮單元25被用於增加原料氣流10在進入液化過程之前的壓力。因此，原料氣流10被傳遞至壓縮單元25，在此其被壓縮至高於原料氣供應壓力以上的壓力，或者，在一個或多個其他實施方式中，被壓縮至約1200磅/平方英寸以上的壓力。可選地，原料氣流10被壓縮至大於或等於約1300磅/平方英寸、或大於或等於約1400磅/平方英寸、或大於或等於約1500磅/平方英寸、或大於或等於約1600磅/平方英寸、或大於或等於約1700磅/平方英寸、或大於或等於約1800磅/平方英寸、或大於或等於約1900磅/平方英寸、或大於或等於約2000磅/平方英寸、或大於或等於約2500磅/平方英寸、或大於或等於約3000磅/平方英寸的壓力。壓縮後，原料氣流10傳遞至冷卻器33，在此其在傳遞至換熱區56之前被冷卻。應當理解，在壓縮單元25用來將原料氣流10(以及因此側流11)壓縮至比壓縮冷卻劑流12期望的壓力更低的壓力的情況下，壓縮單元20可以用來增加該壓力。如上所述的原料氣流10的壓縮提供了三種益處。首先，通過增加原料氣流的壓力，側流llb和llc的壓力也得以增加，結果是，功膨脹設備42和43的冷卻性能得到增強。第二，換熱區中的傳熱係數得到改善。因此，在一個或多個實施方式中，本文所述的LNG生產方法是根據本文所述的任意其他實施方式實施的，其中原料氣在進入換熱區之前被壓縮至上述的壓力。仍在其他實施方式中，本方法包括從多個功膨脹設備為原料氣流提供補加冷卻，每個功膨脹設備膨脹部分原料氣流並因此冷卻該部分，形成一個或多個膨脹冷卻的側流，其中在功膨脹設備中膨脹的每一個所述部分原料氣流在原料氣流冷卻的不同階段(即，在不同的原料氣流溫度下)從原料氣流中被抽出；以及通過與所述一個或多個膨脹冷卻的側流進行間接換熱來冷卻所述原料氣流。仍在其他實施方式中，每一種上述部分原料氣在膨脹前具有在約1200磅/平方英寸以上、或大於或等於約1300磅/平方英寸、或大於或等於約1400磅/平方英寸、或大於或等於約1500磅/平方英寸、或大於或等於約1600磅/平方英寸、或大於或等於約1700磅/平方英寸、或大於或等於約1800磅/平方英寸、或大於或等於約1900磅/平方英寸、或大於或等於約2000磅/平方英寸、或大於或等於約2500磅/平方英寸、或大於或等於約3000磅/平方英寸的壓力。仍在其他實施方式中，本方法是在此所述的任意其他實施方式，所述其他實施方式進一步包括將原料氣流壓縮至.h述任意壓力，以產生加壓的原料氣流；將所述加壓原料氣流送至功膨脹設備，或者送至多個功膨脹設備；通過所述功膨脹設備或者通過多個功膨脹設備使所述壓縮的原料氣流膨脹，為原料氣流提供補加冷卻。通過如上所述壓縮原料氣流得到的第三個益處是，膨脹機35的冷卻能力得以改進，結果是，膨脹機35能夠甚至進一步降低再冷卻迴路8上的冷卻荷載。應當意識到，壓縮單元25和/或膨脹機35也可以有利地被添加至在此所述的其他實施方式，以便在這些實施方式所利用的再冷卻迴路上提供類似的冷卻荷載降低，或者冷卻方面的其他改進，以及壓縮單元25和膨脹機35可以彼此獨立地用在此處的任何實施方式中。此外，還應當意識到，甚至不需壓縮原料流，膨脹機35(或功膨脹設備42和43)的冷卻能力將被改進為使原料流在高於LNG泡點壓力的壓力下供應的程度。例如，如果原料氣在由原料氣壓縮所產生的任何上述壓力下被供應，此種壓力的益處將是明顯可得的，無需額外的壓縮。因此，在解釋說明書包括所附權利要求時，利用功膨脹設備和/或膨脹機35膨脹壓力約1200磅/平方英寸以上的流不應當被解釋為需要使用壓縮單元25或任何其他壓縮機或壓縮步驟，或者需要壓縮單元25或任何其他壓縮機或壓縮步驟存在。圖5是根據本發明方法用於生產LNG的第五實施方式的示意流程圖，其類似於圖4中所示的實施方式，但是利用了又一膨脹步驟來提供再冷卻。參考圖5，可以看到，再冷卻迴路8沒有存在於圖5所示的實施方式中。相反，側流lld從流10b引出並傳遞至膨脹設備105，在此其膨脹並因此冷卻而形成膨脹流13d。膨脹設備105是產生功的(work-producing)膨脹機，其很多類型易於得到。此類設備的示例性、非限定性實例包括液體膨脹機和液力渦輪。膨脹流13d經過換熱區59、58、57和56，為這些換熱區提供至少部分製冷功能。如從圖5中可見，流10b通過與膨脹流13d以及閃蒸蒸汽流16進行間接換熱也可被冷卻。因此，在一個或多個實施方式中，木發明方法進一步包括在最後的熱交換步驟之前(例如，在換熱區59之前)，在膨脹機35中膨脹至少部分冷卻氣流(原料氣流10)，以產生膨脹的冷卻氣流(例如，流10b);將所述膨脹的冷卻氣流的一部分傳遞至產生功的膨脹機；在所述生產功的膨脹機中進一步膨脹所述膨脹的冷卻氣流；以及將從所述產生功的膨脹機中產生的流(例如，流13d)傳遞至換熱區，以通過在所述換熱區中進行的間接換熱進一步冷卻所述膨脹的冷卻氣流。離開換熱區56後，膨脹流13d傳遞至壓縮單元95，在此其被再壓縮並與產生自壓縮單元61和62的流結合，形成流14a的一部分，其如前所述被冷卻然後再循環至原料流10。圖6中所示的進一步的實施方式類似於圖1和上述的實施方式，只是再冷卻迴路6已經被修改，使得在再壓縮和冷卻的冷卻劑流離開換熱區50之後，其在經過膨脹機41膨脹之前在換熱區55中被進一步冷卻。該實施方式是有利的，其中使用了冷卻流體，其在膨脹機41之後沒有存在很多的冷凝過程。圖7描繪了另一實施方式，其中再冷卻迴路6a利用了一部分原料氣10。來自201的原料氣10的該部分在壓縮機25中被再加壓並在冷卻器33被冷卻，按照與圖4中相同的方式。圖8是類似於圖7的另一實施方式，顯示了再冷卻迴路6的可選布置。取決於原料氣10的組成，可以使用另外的壓縮機(未示出)來防止在再冷卻迴路中冷凝或者確保合適的管線壓力。圖9描繪了與某種原料氣10組成和/或壓力結合使用的實施方式。為了更好地使被冷卻用於LNG收集的原料氣10的冷卻曲線，與用於在再冷卻換熱區55中進行冷卻的部分原料氣10的冷卻曲線匹配，可能必需的是進一步膨脹進入再冷卻迴路6的冷卻劑氣體的分離部分。這是應用膨脹閥82或其他膨脹機(例如，Joules-Thompson閥)實現的，以便在再冷卻迴路6中提供補加冷卻。圖IO代表另一實施方式，其顯示了對於需要脫氮的情況，基於原料氣10的組成，利用蒸餾柱81或其他等同設備併入了脫氮階段。這可能是必需的，以滿足用於輸送和最終用途的產品LNG中的氮規格。圖ll代表另一實施方式，顯示了脫氮單元的併入，其中來自脫氮單元的閃蒸蒸汽被用作再冷卻迴路的冷卻劑。所得的冷卻劑因此富含氮。實施例進行假設的質量和能量平衡，以闡明圖4中所示的實施方式，結果示於下面的表中。數據是利用商業可得的名為HYSYSTM(得自加拿大卡爾加裡的HyprotechLtd.)的過程模擬程序獲得的；然而，可以使用其他商業可得的過程模擬程序來開發數據，包括例如HYSIMtm、PROIItm和ASPENPLUS,本領域技術人員熟悉這些程序。該實施例假定原料氣流IO具有如下以摩爾百分數計的組成C1:90.25%;C2:5.70%;C3:0.01%;N2:4.0%;He:0.04%。給出了呈現在表中的數據，以便對圖4中所示的實施方式提供更好的理解，但是本發明不被解釋為不必要地限於此。鑑於本文的教導，溫度、壓力和流速可以具有很多變動。針對狀態點201到214(圖4中所示的位置處)計算的具體溫度、壓力和流速列舉在表中。在本發明方法的一個實施方式中，通過控制從最後的換熱區出來的流的溫度，閃蒸蒸汽流16的體積被控制，以匹配壓縮單元和其他設備的燃料要求。例如，參考圖4，狀態點207處的溫度可以被控制，以便根據燃料要求產生或多或少的閃蒸蒸汽(流16)。狀態點207處的較高溫度將導致更多的閃蒸蒸汽(以及因此更多可用的燃料)產生，反之亦然。可選地，可以調整溫度，使得閃蒸蒸汽流速高於燃料要求，在這種情況下，超過燃料流要求的過剩流在壓縮和冷卻之後可以被再循環。表tableseeoriginaldocumentpage20本領域技術人員，特別是得到本文教導益處的技術人員將認識到對上述具體實施方式的很多修改和變更。例如，顯示在一個實施方式中的特徵可以被添加至其他實施方式中而形成另外的實施方式。因此，具體公開的實施方式和實施例不應當被用於限制或限定本發明的範圍，該範圍由所附權利要求書確定。權利要求1.富甲烷氣流的液化方法，所述方法包括在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供所述氣流；在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供冷卻劑；壓縮所述冷卻劑至大於或等於1500磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮冷卻劑；通過與冷卻流體間接換熱，冷卻所述壓縮的冷卻劑；使所述壓縮的冷卻劑膨脹，以進一步冷卻所述壓縮的冷卻劑，從而產生膨脹冷卻的冷卻劑；和將所述膨脹冷卻的冷卻劑傳遞至換熱區；和使所述氣流經過所述換熱區，通過與所述膨脹冷卻的冷卻劑間接換熱來冷卻至少部分所述氣流，從而形成冷卻氣流。2.權利要求l所述的方法，其中在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供所述冷卻劑包括抽出部分所述氣流用作所述冷卻劑。3.權利要求2所述的方法，其中所述氣流的所述部分在所述氣流傳遞至所述換熱區之前被抽出。4.權利要求2所述的方法，其中所述氣流的所述部分從所述換熱區中被抽出。5.權利要求1所述的方法，還包括利用封閉迴路為所述換熱區提供至少部分製冷功能，所述封閉迴路充填有在所述富甲烷氣流液化方法中產生的閃蒸蒸汽。6.權利要求5所述的方法，還包括使至少部分所述冷卻氣流膨脹，以產生膨脹冷卻的氣流；和通過與所述充填有閃蒸蒸汽的封閉迴路進行間接換熱，進一步冷卻所述膨脹冷卻的氣流。7.權利要求1所述的方法，還包括-使至少部分所述冷卻氣流膨脹，以產生膨脹冷卻的氣流；和通過在一個或多個另外的換熱區中間接換熱，進一步冷卻所述膨脹冷卻的氣流。8.權利要求1所述的方法，還包括利用多個功膨脹設備冷卻所述氣流，所述功膨脹設備中的每一個膨脹所述原料氣流的一部分，並從而冷卻所述部分，形成一個或多個膨脹冷卻的側流，其中在所述功膨脹設備中膨脹的各個所述部分原料氣流在原料氣流冷卻的不同階段從所述原料氣流中抽出；和通過與所述一個或多個膨脹冷卻的側流間接換熱，冷卻所述原料氣流。9.權利要求1所述的方法，還包括抽出一部分或多部分所述氣流使所述氣流的所述一部分或多部分中的每一部分傳遞至一個或多個功膨脹設備，以及膨脹所述氣流的所述一部分或多部分中的每一部分，以使所述一部分或多部分膨脹和冷卻，從而形成一個或多個膨脹冷卻的側流；使所述一個或多個膨脹冷卻的測流傳遞至至少一個換熱區；使所述氣流經過所述至少一個換熱區；和通過與所述一個或多個膨脹冷卻的側流間接換熱，至少部分冷卻所述氣流。10.權利要求6、7、8或9所述的方法，其中所述氣流被首先壓縮至高於氣體供應壓力的壓力。11.權利要求1所述的方法，還包括所述冷卻氣流在最後的換熱步驟之前以及膨脹以生產LNG之前的膨脹階段。12.權利要求1所述的方法，還包括在最後的換熱步驟之前，膨脹至少部分所述冷卻氣流，以產生膨脹冷卻的氣流；使所述膨脹冷卻的氣流的部分傳遞至產生功的膨脹機，並在所述產生功的膨脹機中進一步膨脹所述膨脹冷卻的氣流的所述部分；和使從所述產生功的膨脹機中出現的流傳遞至換熱區，通過在所述換熱區中間接換熱進一步冷卻剩餘的所述膨脹冷卻的氣流。13.權利要求1所述的方法，其中所述冷卻劑被壓縮至大於或等於3,000磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮冷卻劑。14.權利要求1所述的方法，其中所述換熱區包括多個熱交換室。15.權利要求1所述的方法，還包括再冷卻換熱區，其接收所述氣流，並且通過第二冷卻劑的膨脹進行冷卻，以提供再冷卻氣流；之後最後膨脹所述再冷卻氣流並回收LNG。16.權利要求15所述的方法，其中所述第二冷卻劑是所述富甲烷氣流的一部分。17.權利要求15所述的方法，其中在所述第二冷卻劑膨脹之前，所述第二冷卻劑在所述再冷卻換熱區中被再冷卻。18.權利要求16所述的方法，其中所述富甲垸氣流在經過所述換熱區之前被再加壓，所述冷卻氣流被膨脹，以及所述膨脹的冷卻氣流的一部分在所述再冷卻換熱區中被進一步膨脹並且被用作所述第二冷卻劑。19.權利要求15所述的方法，其中所述再冷卻氣流的一部分被膨脹並且其部分是所述第二冷卻劑。20.權利要求19所述的方法，其中所述再冷卻氣流的所述部分被分成兩個部分流，所述部分流之一被進一步膨脹，以及所述兩個部分流都包含所述第二冷卻劑。21.權利要求l所述的方法，還包括回收LNG時脫氮氣。22.富甲烷氣流液化方法，所述方法包括在1,000磅/平方英寸以下的壓力下提供所述氣流；在封閉迴路中提供冷卻劑；將所述冷卻劑壓縮至大於或等於1500磅/平方英寸的壓力，以提供壓縮的冷卻劑；通過與冷卻流體間接換熱，冷卻所述壓縮的冷卻劑；使所述壓縮的冷卻劑膨脹，以進一步冷卻所述壓縮的冷卻劑，從而產生膨脹冷卻的冷卻劑；將所述膨脹冷卻的冷卻劑傳遞至換熱區；和使所述氣流經過所述換熱區，通過與所述膨脹冷卻的冷卻劑間接換熱來冷卻至少部分所述氣流。全文摘要本發明的實施方式涉及天然氣及其它富甲烷氣流的液化方法，更具體地，涉及生產液化天然氣(liquefiednaturalgas，LNG)的方法。在該方法的第一步驟中，第一部分原料氣被抽出，被壓縮至大於或等於1500磅/平方英寸的壓力，冷卻並膨脹至較低的壓力以冷卻所抽取的第一部分。原料流的剩餘部分通過與第一換熱過程中膨脹的第一部分進行間接換熱而被冷卻。在第二步驟中，包含閃蒸蒸汽的單獨流被壓縮冷卻和膨脹至較低的壓力，以提供另一冷流。該冷流用於在第二間接換熱過程中冷卻剩餘的原料氣流。從第二換熱過程出來的膨脹流用於在第一間接換熱步驟中進行補充冷卻。剩餘的原料氣隨後被膨脹至較低壓力，從而部分液化該原料氣流。該流的液化部分作為LNG從工藝中被收回，該LNG的溫度對應於泡點壓力。文檔編號F25J1/00GK101228405SQ200680026848公開日2008年7月23日申請日期2006年5月24日優先權日2005年8月9日發明者J·B·斯通,K·N·斯坦利,L·J·科特,M·明特,R·R·伯文申請人:埃克森美孚上遊研究公司