CN101228405B - 生产lng的天然气液化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及天然气及其它富甲烷气流的液化方法，更具体地，涉及生产液化天然气(liquefied natural gas，LNG)的方法。在该方法的第一步骤中，第一部分原料气被抽出，被压缩至大于或等于1500磅/平方英寸的压力，冷却并膨胀至较低的压力以冷却所抽取的第一部分。原料流的剩余部分通过与第一换热过程中膨胀的第一部分进行间接换热而被冷却。在第二步骤中，包含闪蒸蒸汽的单独流被压缩冷却和膨胀至较低的压力，以提供另一冷流。该冷流用于在第二间接换热过程中冷却剩余的原料气流。从第二换热过程出来的膨胀流用于在第一间接换热步骤中进行补充冷却。剩余的原料气随后被膨胀至较低压力，从而部分液化该原料气流。该流的液化部分作为LNG从工艺中被收回，该LNG的温度对应于泡点压力。

Description

生产LNG的天然气液化方法

相关申请的交叉参考

本申请要求了于2005年8月9日提出的美国临时申请第60/706,798号和2006年4月26日提出的美国临时申请第60/795,101号的权益。

技术领域

本发明的实施方式涉及天然气和其它富甲烷气流的液化方法，更具体地，涉及生产液化天然气(liquefied natural gas，LNG)的方法。

背景技术

天然气因其清洁的燃烧品质和便利性近年来被广泛使用。许多天然气来源位于遥远的地方，距离该气体的任何商业市场很远。有时，管道可用于将所产生的天然气输送到商业市场。当管道运输不可行时，所生产的天然气通常被加工成液化天然气(其被称为“LNG”)用于输送到市场。

在LNG工厂的设计中，一个最重要的考虑因素是将天然气原料流转化为LNG的方法。目前，最常见的液化方法使用某种形式的制冷***。尽管已经使用许多制冷循环来液化天然气，然而当今在LNG工厂最常使用的三种类型是：(1)“阶式循环”，其利用在换热器中的多个单组分冷却剂，所述冷却剂被渐进式布置，以将气体的温度降低至液化温度；(2)“多组分制冷循环”，其利用在专门设计的换热器中的多组分冷却剂；和(3)“膨胀机循环(expander cycle)”，其使气体从原料气压力膨胀为低压，温度相应降低。大多数天然气液化循环利用这三种基本类型的改变型或组合。

在多组分制冷循环中，所用的冷却剂可以是组分如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮的混合物。在“阶式循环”中，冷却剂也可以是纯物质，如丙烷、乙烯或氮。需要大量的组成被精密控制的这些冷却剂。此外，这些冷却剂可能必须被引入和存贮，强加以物流要求。可选地，典型地可以通过与液化方法结合的蒸馏方法来制备冷却剂的一些组分。

利用气体膨胀机，为原料气提供冷却，从而消除或降低冷却剂处理的物流问题，这已经引起工艺工程师的兴趣。膨胀机***操作的原理是：原料气能够通过膨胀涡轮膨胀，从而进行运作并降低气体的温度。低温气体然后与原料气换热，以提供所需的制冷。通常需要补加制冷，以充分液化原料气，并且这可以通过冷却剂***来提供。由于膨胀所得的功率通常用于供应制冷循环中所使用的部分主要压缩功率。制备LNG的典型的膨胀机循环在原料气压力下运作，典型地在约6,895kPa(1,000磅/平方英寸)下。

然而，前面提出的膨胀机循环都比目前基于冷却剂***的天然气液化循环的热力学效率低。因此迄今为止，膨胀机循环没有提供任何安装成本上的优势，并且包括冷却剂的液化循环仍是天然气液化的优选选择。

因为膨胀机循环产生高循环气流流速和预冷(温热)阶段的高度无效率，气体膨胀机典型地被用于进一步冷却原料气，该原料气例如已经在封闭循环中利用外部冷却剂被预冷至远在-20℃以下的温度。因此，在大多数所提出的膨胀机循环中一个常见的因素是需要第二外部制冷循环，以便在气体进入膨胀机之前预冷该气体。这种组合的外部制冷循环和膨胀机循环有时被称为“混合循环”。尽管这种基于冷却剂的预冷在膨胀机应用上消除了无效率的主要来源，然而其显著降低了膨胀机循环的优势，该优势就是去除了外部冷却剂。在膨胀机冷却之后额外的冷却也可能是必需的，并且可以通过另一外部冷却剂***来提供，如氮或冷的混合冷却剂。

因此，对下述膨胀机循环仍存在需要：至少与目前应用的技术相比，该膨胀机循环消除了对外部冷却剂的需求并且具有提高的效率。

发明内容

本发明的实施方式提供液化天然气和其它富甲烷气流的方法，以生产液化天然气(LNG)和/或其它液化的富甲烷气体。如在本说明书包括所附权利要求书中所用的术语天然气是指适于制造LNG的气体原料。所述天然气可包括得自原油井的气体(伴生天然气)或得自气井的气体(非伴生天然气)。天然气的组成可以显著变化。如本文所用，天然气是含有甲烷(C₁)作为主要组分的富甲烷气。

在本文生产LNG方法的一个或多个实施方式中，实施第一步骤，其中第一部分原料气被抽取、压缩、冷却并膨胀至较低的压力以冷却所抽取的第一部分。原料流的剩余部分通过与膨胀的第一部分在第一换热过程中进行间接换热而被冷却。在第二步骤中，其包括再冷却回路(sub-cooling loop)，包含闪蒸蒸汽(flash vapor)的单独流被压缩、冷却和膨胀至较低的压力，以提供另一冷却流。该冷却流用于在第二间接换热过程中冷却剩余的原料气流，该第二间接换热过程构成再冷却换热过程。从第二换热过程出来的膨胀流用于在第一间接换热步骤中进行补充冷却。剩余的原料气随后被膨胀至更低压力，从而部分液化该原料气流。该流的液化部分作为LNG从工艺中被收回，该LNG的温度对应于泡点压力。该流的蒸汽部分被返回，以补充在间接换热步骤中所提供的冷却。来自各种来源的变热的冷却气体被压缩和再循环。

在根据本发明的一个或多个其它实施方式中，提供了富甲烷气流的液化方法，所述方法包括：在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供富甲烷气流；在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供冷却剂；压缩所述冷却剂至大于或等于1500磅/平方英寸的压力，以提供压缩冷却剂；通过与冷却流体进行间接换热冷却所述压缩冷却剂；使所述压缩冷却剂膨胀以进一步冷却所述压缩冷却剂，从而产生膨胀的、冷却的冷却剂；使所述膨胀的、冷却的冷却剂通过换热区；以及使所述气流经过所述换热区，以便通过与所述膨胀的冷却冷却剂间接换热来冷却至少部分所述气流，从而形成冷却的气流。在一个或多个其它具体实施方式中，在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供冷却剂包括抽取气体的一部分，用作冷却剂。在其它实施方式中，被用作冷却剂的该部分气流在该气流经过换热区之前从气流中被抽取。仍在其它实施方式中，根据本发明的方法进一步包括，利用用液化富甲烷气流的过程中所产生的闪蒸蒸汽充填的封闭回路，为换热区提供至少部分制冷功能。根据本发明的另外的实施方式对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。

附图简述

图1是根据本发明方法所述的用于生产LNG的一个实施方式的示意流程图。

图2是用于生产LNG的第二实施方式的示意流程图，其类似于

图1所示的工艺，只是在压缩、冷却及膨胀回路中的气体冷却剂与原料气分离，并因此可以具有与原料气不同的组成。

图3是根据本发明方法所述的用于生产LNG的第三实施方式的示意流程图，其利用了多个工作膨胀步骤，用于提高效率。

图4是根据本发明方法所述的用于生产LNG的第四实施方式的示意流程图，其利用了多个类似于图3的工作膨胀步骤，但是还并入了额外的膨胀步骤以及原料气的压缩，以改进膨胀步骤的性能。

图5是根据本发明方法所述的用于生产LNG的第五实施方式的示意流程图，其类似于图4所示的实施方式，但利用了额外的侧流以及工艺气体的膨胀，以提供再冷却。

图6是类似于图1和图2中所示的实施方式的另一实施方式，其中再冷却回路的冷却剂在膨胀之前在再冷却换热器中被冷却。

图7是另一实施方式，其中所述再冷却回路与原料气连接。

图8是另一实施方式，显示了再冷却回路的可选布置。

图9是类似于图8的实施方式，但是使用了经过再冷却器的分离膨胀流，其中膨胀阀、Joules-Thompson阀门或类似的膨胀设备用于提高再冷却器中的效率。

图10是另一实施方式，其中脱氮阶段被并入其中可能需要脱氮的情况中。

图11是又一实施方式，其中再冷却回路的冷却剂源自来自脱氮单元的闪蒸蒸汽，并因此富含氮气。

发明详述

本发明实施方式提供了天然气液化方法，其主要利用气体膨胀机并且消除了对外部冷却剂的需求。即，在本文所公开的一些实施方式中，原料气本身(例如，天然气)被用作所有制冷循环中的冷却剂。这类制冷循环不需要利用外部冷却剂(即，除原料气本身的冷却剂或者在LNG加工厂中或附近制造的气体之外的冷却剂)的补充冷却，如所提出的通常的气体膨胀机循环中所需要的那样，然而这些制冷循环具有更高的效率。在一个或多个实施方式中，冷却水或冷却空气是唯一的冷却流体外部来源，并且被用于压缩机中间阶段或冷却后。

图1图解了本发明的一个实施方式，其中使用了膨胀机回路5(即膨胀机循环)和再冷却回路6。为清晰起见，膨胀机回路5和再冷却回路6以图1中的加宽线显示。在本说明书和所附的权利要求中，术语“回路”和“循环”被交换使用。在图1中，原料气流10在约1200磅/平方英寸以下、或约1100磅/平方英寸以下、或约1000磅/平方英寸以下、或约900磅/平方英寸以下、或约800磅/平方英寸以下、或约700磅/平方英寸以下、或约600磅/平方英寸以下的压力下进入液化工艺。典型地，原料气流10的压力将是大约800磅/平方英寸。原料气流10一般包括已经利用本领域熟知的方法和设备进行处理以去除污染物的天然气。在其经过换热器之前，一部分原料气流10被抽取形成侧流11，因此提供了处于对应于原料气流10压力的压力下的冷却剂，即上述任何压力包括约1000磅/平方英寸以下的压力，根据下面的讨论，这将是显而易见的。因此，在图1所示的实施方式中，原料气流的一部分被用作膨胀机回路5的冷却剂。尽管示于图1中的实施方式利用了在原料气流10经过换热器之前从该原料气流10中抽取的侧流，然而，被用作膨胀机回路5中的冷却剂的原料气侧流可以在该原料气已经经过换热区之后从原料气中抽取。因此，在一个或多个实施方式中，本方法是本文所述的其它实施方式中的任一种，其中被用作冷却剂的原料气流部分从换热区被抽取、膨胀并且返回换热区，以便为换热区提供至少部分制冷功能。

侧流11被传递至压缩单元20，在此，其被压缩至大于或等于约1500磅/平方英寸的压力，从而提供压缩的冷却剂流12。可选地，侧流11被压缩至大于或等于约1600磅/平方英寸、或大于或等于约1700磅/平方英寸、或大于或等于约1800磅/平方英寸、或大于或等于约1900磅/平方英寸、或大于或等于约2000磅/平方英寸、或大于或等于约2500磅/平方英寸、或大于或等于约3000磅/平方英寸的压力，从而提供压缩的冷却剂流12。如在本说明书中包括所附权利要求中所用，术语“压缩单元”是指在本领域中已知用于压缩物质或物质混合物的任何一种类型的压缩设备或者相似或不同类型压缩设备的组合，并且可以包括辅助设备。“压缩单元”可以采用一个或多个压缩阶段。示例性压缩机可以包括，但不限于容积式类型，如往复式和旋转式压缩机，以及动力型，如离心式和轴流式压缩机。

离开压缩单元20之后，压缩的冷却剂流12被传递至冷却器30，在此其通过与合适的冷却流体进行间接换热而被冷却，提供压缩的冷却致冷剂(冷却剂)。在一个或多个实施方式中，冷却器30属于提供水或空气作为冷却流体的类型，尽管可以使用任何类型的冷却器。当压缩冷却剂流12从冷却器30出来时，其温度取决于环境条件和所使用的冷却介质，并且典型地为约35至约105

。然后，冷却的压缩冷却剂流12传递至膨胀机40，在此其膨胀并因此被冷却而形成膨胀的冷却剂流13。在一个或多个实施方式中，膨胀机40是功膨胀设备(work-expansion device)，例如产生可以被取出并用于压缩的功的膨胀机。

膨胀冷却剂流13传递至换热区50，为换热区50提供至少部分制冷功能。如在本说明书包括所附的权利要求中所用，术语“换热区”是指本领域中已知用于促进热交换的任一类型的设备或者相似或不同类型设备的组合。因此，“换热区”可以被包含在单片设备中，或者其可以包括包含在多个设备片中的区域。相反地，多个换热区可以包含在单片设备中。

离开换热区50之后，膨胀的冷却剂流13被送至压缩单元60进行加压以形成流14，其然后与侧流11汇合。显而易见的是，一旦膨胀机回路5已经充满来自侧流11的原料气，则只需要补充原料气以替换因泄漏引起的损失，进入压缩机单元20的大部分气体通常由流14提供。未作为侧流11抽取的原料气流10的一部分被传递至换热区50，在此，其通过与膨胀冷却剂流13进行间接换热被至少部分冷却。离开换热区50之后，原料气流10传递至换热区55。换热区55的基本功能是再冷却原料气流。因此，在换热区55中，原料气流10通过再冷却回路6被再冷却(如下所述)，以产生再冷却流10a。再冷却流10a然后在膨胀机70中膨胀至更低的压力，从而部分液化再冷却流10a，形成液体部分和剩余的蒸汽部分。膨胀机70可以是任何减压设备，包括但不限于阀、控制阀、Joule Thompson阀、文氏管设备、液体膨胀机、液力涡轮等。部分液化的再冷却流10a传递至缓冲罐80，在此，液化部分15作为LNG从该工艺中被收回，该LNG具有的温度对应于泡点压力。剩余的蒸汽部分(闪蒸蒸汽)流16被用作燃料为压缩机单元提供动力和/或被用作再冷却回路6中的冷却剂，如下所述。在被用作燃料之前，所有或部分闪蒸蒸汽流16可以任选地从缓冲罐80传递至换热区50和55，以补充这些换热区中所提供的冷却。

参考图1，部分闪蒸蒸汽16经过管线17被抽取，以填充再冷却回路6。因此，来自原料气流10的部分原料气被抽取(以来自闪蒸气流16的闪蒸气的形式)用作再冷却回路6中的冷却剂。同样显而易见的是，一旦再冷却回路6完全充满闪蒸气，只需补充气(即来自管线17的另外的闪蒸蒸汽)，以替换因泄漏引起的损失。在再冷却回路6中，膨胀流18从膨胀机41中排出，并被吸入通过换热区55和50。膨胀的闪蒸蒸汽流18(再冷却的致冷剂流)然后返回至压缩单元90，在此，其被再压缩至更高的压力并升温。离开压缩单元90之后，再压缩的再冷却冷却剂流在冷却器31中被冷却，该冷却器可以具有与冷却器30相同的类型，尽管可以使用任何类型的冷却器。冷却后，再压缩的再冷却冷却剂流传递至换热区50，在此，其通过与膨胀冷却剂流13、再冷却冷却剂流18以及任选地与闪蒸蒸汽流16进行间接换热而被进一步冷却。离开换热区50之后，再压缩及冷却的再冷却冷却剂流经过膨胀机41膨胀，以提供冷却流，其然后经过换热区55再冷却原料气流的部分，以便最终膨胀而产生LNG。离开换热区55的膨胀再冷却冷却剂流再次经过换热区50，以便在进行再压缩之前提供补加冷却。以这种方式，再冷却回路6中的循环被不断地重复。因此，在一个或多个实施方式中，本方法是在此所公开的其它实施方式中的任一种，所述其它实施方式进一步包括利用充填有由LNG生产所产生的闪蒸蒸汽(例如，闪蒸蒸汽16)的封闭回路(例如再冷却回路6)提供冷却。

显而易见的是，在图1图解的实施方式中(以及在本文所述的其它实施方式中)，当原料气流10从一个换热区传递至另一换热区时，原料气流10的温度将被降低，直到最终产生再冷却流。另外，当侧流从原料气流10中抽取时，原料气流10的质量流量将被降低。也可以对原料气流10进行其它修改，例如压缩。尽管对原料气流10的每种此类修改可以被认为产生新的且不同的流，但为清晰和易于阐述起见，除非另外说明，原料气流将被称为原料气流10，对其理解是经过换热区、带走侧流以及其它的变动将使原料气流10产生温度、压力和/或流速的改变。

图2图解了本发明的另一种实施方式，其类似于图1中所示的实施方式，只是膨胀机回路5已经被替换为膨胀机回路7。图2中的其它术语已经在上面描述。为清晰起见，膨胀机回路7在图2中以加宽线显示。膨胀机回路7利用与膨胀机回路5基本相同的设备(例如，压缩机20、冷却器30和膨胀机40，所有这些在上面已经予以描述)。然而，膨胀机回路7中的气体冷却剂与原料气分离，并因此可以具有与原料气不同的组成。即，膨胀机回路7基本是封闭回路，并且不与原料气流10连接。膨胀机回路7的冷却剂因此不必是原料气，尽管其可以是。膨胀机回路7可以被充入任何合适的冷却剂气体，该冷却剂气体在利用膨胀机回路7的LNG加工厂中或附近生产。例如，用于充入膨胀机回路7的冷却剂气体可以是原料气，如天然气，其仅被部分处理以去除污染物。

如同膨胀机回路5，膨胀机回路7是高压气体回路。流12a以大于或等于约1500磅/平方英寸、或大于或等于约1600磅/平方英寸、或大于或等于约1700磅/平方英寸、或大于或等于约1800磅/平方英寸、或大于或等于约1900磅/平方英寸、或大于或等于约2000磅/平方英寸、或大于或等于约2500磅/平方英寸、或大于或等于约3000磅/平方英寸的压力下离开压缩单元20。当压缩冷却剂流12a从冷却器30出现时，其温度取决于环境条件和所用的冷却介质，并且典型地为约35

至约105

。冷却的压缩冷却剂流12a然后传递至膨胀机40，在此，其膨胀和进一步冷却，形成膨胀冷却剂流13a。膨胀冷却剂流13a传递至换热区50，以便为换热区50提供至少部分制冷功能，在该换热区中，原料气流10通过与膨胀冷却剂流13a进行间接换热而被至少部分冷却。离开换热区50后，膨胀冷却剂流13a返回至压缩单元20，进行再压缩。在本文所述的任何实施方式中，膨胀机回路5和7可以互换使用。例如，在利用膨胀机回路5的实施方式中，膨胀机回路7可以取代膨胀机回路5。

图3显示了根据本发明方法生产LNG的另一实施方式。图3中图解的工艺利用了多个功膨胀循环(work expansion cycle)，为原料气和其他流提供补加冷却。这些功膨胀循环的应用导致液化过程的总效率得以改进。参考图3，原料气流10在上述压力下再次进入液化过程。在图3所示的具体实施方式中，侧流11以前面所述的方式被送至膨胀机回路5，但是显而易见的是，封闭膨胀机回路7可以用来代替膨胀机回路5，在此种情况下，侧流11将不是必需的。膨胀机回路5以与如上对图1中所示的实施方式所述相同的方式运作，只是膨胀冷却剂流13经过换热区56，为换热区56提供至少部分制冷功能，下面将进行详细描述。

未被抽取作为侧流11的部分原料气流10传递至换热区56，在此，其至少部分地通过与膨胀冷却剂流13和下面所述的其他流进行间接换热而被冷却。离开换热区56后，原料气流10经过换热区57和58，在此其通过与下面所述的另外的流进行间接换热而被进一步冷却。在本实施方式中，如下利用第一和第二功膨胀循环以提高效率：在原料气流10进入换热区57之前，将侧流11b从原料气流10中导出。在原料气流10离开换热区57之后而在其进入换热区58之前，将侧流11c从原料气流10导出。因此，侧流11b和11c在原料气流冷却的不同阶段从原料气流10中引出。即，每个侧流在原料气冷却曲线上的不同点处从原料气流中撤出，使得各个相继撤出的侧流的起始温度比先前撤出的侧流低。

侧流11b为第一功膨胀循环的一部分，其被传递至膨胀机42，在此其膨胀并因此冷却而形成膨胀流13b。膨胀流13b经过换热区56和57，为换热区56和57提供至少部分制冷功能。同样地，侧流11c为第二功膨胀循环的一部分，其被传递至膨胀机43，在此其膨胀并因此冷却而形成膨胀流13c。膨胀流13c然后经过换热区56、57和58，为换热区56、57和58提供至少部分制冷功能。因此，原料气流10在换热区56和57中通过与膨胀流13b和13c进行间接换热也被冷却。在换热区58中，原料气流10通过与膨胀流13c进行另外的间接换热也被冷却。

离开换热区56之后，膨胀流13b和13c分别传递至压缩单元61和62，在此它们被再压缩并结合形成流14a。流14a在与原料气流10重组合之前通过冷却器32冷却。冷却器32可以是与冷却器30和31相同类型的冷却器或冷却器类型。膨胀机42和43是本领域技术人员熟知的功膨胀设备类型。合适的功膨胀设备的示例性、非限定性实例包括液体膨胀机和液力涡轮。因此，在图3所示的实施方式中，原料气流通过多个功膨胀设备被进一步冷却。对本领域技术人员显而易见的是，可以将额外的功膨胀循环加入图3所图解的实施方式中，或者可以采用单个功膨胀循环。因此，一般而言，可以以上述方式采用一个或多个功膨胀设备。各功膨胀设备膨胀部分原料气流，并从而冷却此部分，其中在功膨胀设备中膨胀的所述原料气流部分的每一部分在原料气流冷却的不同阶段(即，在不同的原料气流温度下)从原料气流中撤出。

在根据本发明的一个或多个其它实施方式中，通过如下步骤利用功膨胀设备：从原料气流中抽出一个或多个侧流；使所述一个或多个侧流传递至一个或多个功膨胀设备；膨胀所述一个或多个侧流，以膨胀和冷却该一个或多个侧流，从而形成一个或多个膨胀的、冷却的侧流；将所述一个或多个膨胀的、冷却侧流传递至至少一个换热区；使所述气流经过所述至少一个换热区；以及通过与所述一个或多个膨胀的、冷却侧流进行间接换热，至少部分冷却所述气流。

再次参考图3，原料气流10在换热区56、57和58中被冷却之后，然后传递至换热区59，在此其被进一步冷却，产生再冷却流10a。换热区59的主要功能是再冷却原料气流10。再冷却流10a然后在膨胀机85中膨胀至更低的压力，从而部分液化再冷却流10a，形成液化部分和剩余的蒸汽部分。膨胀机85可以是任何减压设备，包括但不限于阀、控制阀、Joule Thompson阀、文氏管设备、液体膨胀机、液力涡轮等。部分液化的再冷却流10a传递至缓冲罐80，在此，液化部分15作为LNG从该工艺中被收回，该LNG具有的温度对应于泡点压力。剩余的蒸汽部分(闪蒸蒸汽)流16被用作燃料，为压缩机单元提供动力，和/或以与前面对再冷却同路6所述基本相同的方式作为再冷却回路8中的冷却剂。如从表3中可见，再冷却回路8类似于再冷却回路6，只是再冷却回路8向四个换热区(换热区56、57、58和59)供应冷却。

图4图解了本发明又一个实施方式。图4中所示的实施方式与图3中所示的实施方式基本相同，只是加入了压缩单元25和膨胀机35。膨胀机35可以是任何类型的液体膨胀机或液力涡轮。膨胀机35放置在换热区58和59之间，使得原料气流10从换热区58流入膨胀机35中，在此其膨胀并从而冷却，产生膨胀的原料气流10b。流10b然后传递至换热区59，在此其被再冷却而产生再冷却流10c。通过在膨胀机35中膨胀并因此冷却原料气流10，以产生流10b，再冷却回路8上的总冷却荷载被有利地降低。因此，在一个或多个实施方式中，本方法是在此所述的其他实施方式的任一种，所述其他实施方式进一步包括膨胀至少部分所述冷却原料气流，以产生冷却的、膨胀的原料气流(例如，流10b)；和通过与封闭回路(例如，再冷却回路6或8)进行间接换热进一步冷却所述冷却的、膨胀的原料气流，所述封闭回路填充以从LNG生产得到的闪蒸蒸汽(例如，闪蒸蒸汽16)。

继续参考图4，压缩单元25被用于增加原料气流10在进入液化过程之前的压力。因此，原料气流10被传递至压缩单元25，在此其被压缩至高于原料气供应压力以上的压力，或者，在一个或多个其他实施方式中，被压缩至约1200磅/平方英寸以上的压力。可选地，原料气流10被压缩至大于或等于约1300磅/平方英寸、或大于或等于约1400磅/平方英寸、或大于或等于约1500磅/平方英寸、或大于或等于约1600磅/平方英寸、或大于或等于约1700磅/平方英寸、或大于或等于约1800磅/平方英寸、或大于或等于约1900磅/平方英寸、或大于或等于约2000磅/平方英寸、或大于或等于约2500磅/平方英寸、或大于或等于约3000磅/平方英寸的压力。压缩后，原料气流10传递至冷却器33，在此其在传递至换热区56之前被冷却。应当理解，在压缩单元25用来将原料气流10(以及因此侧流11)压缩至比压缩冷却剂流12期望的压力更低的压力的情况下，压缩单元20可以用来增加该压力。

如上所述的原料气流10的压缩提供了三种益处。首先，通过增加原料气流的压力，侧流11b和11c的压力也得以增加，结果是，功膨胀设备42和43的冷却性能得到增强。第二，换热区中的传热系数得到改善。因此，在一个或多个实施方式中，本文所述的LNG生产方法是根据本文所述的任意其他实施方式实施的，其中原料气在进入换热区之前被压缩至上述的压力。仍在其他实施方式中，本方法包括从多个功膨胀设备为原料气流提供补加冷却，每个功膨胀设备膨胀部分原料气流并因此冷却该部分，形成一个或多个膨胀冷却的侧流，其中在功膨胀设备中膨胀的每一个所述部分原料气流在原料气流冷却的不同阶段(即，在不同的原料气流温度下)从原料气流中被抽出；以及通过与所述一个或多个膨胀冷却的侧流进行间接换热来冷却所述原料气流。

仍在其他实施方式中，每一种上述部分原料气在膨胀前具有在约1200磅/平方英寸以上、或大于或等于约1300磅/平方英寸、或大于或等于约1400磅/平方英寸、或大于或等于约1500磅/平方英寸、或大于或等于约1600磅/平方英寸、或大于或等于约1700磅/平方英寸、或大于或等于约1800磅/平方英寸、或大于或等于约1900磅/平方英寸、或大于或等于约2000磅/平方英寸、或大于或等于约2500磅/平方英寸、或大于或等于约3000磅/平方英寸的压力。仍在其他实施方式中，本方法是在此所述的任意其他实施方式，所述其他实施方式进一步包括将原料气流压缩至上述任意压力，以产生加压的原料气流；将所述加压原料气流送至功膨胀设备，或者送至多个功膨胀设备；通过所述功膨胀设备或者通过多个功膨胀设备使所述压缩的原料气流膨胀，为原料气流提供补加冷却。

通过如上所述压缩原料气流得到的第三个益处是，膨胀机35的冷却能力得以改进，结果是，膨胀机35能够甚至进一步降低再冷却回路8上的冷却荷载。应当意识到，压缩单元25和/或膨胀机35也可以有利地被添加至在此所述的其他实施方式，以便在这些实施方式所利用的再冷却回路上提供类似的冷却荷载降低，或者冷却方面的其他改进，以及压缩单元25和膨胀机35可以彼此独立地用在此处的任何实施方式中。此外，还应当意识到，甚至不需压缩原料流，膨胀机35(或功膨胀设备42和43)的冷却能力将被改进为使原料流在高于LNG泡点压力的压力下供应的程度。例如，如果原料气在由原料气压缩所产生的任何上述压力下被供应，此种压力的益处将是明显可得的，无需额外的压缩。因此，在解释说明书包括所附权利要求时，利用功膨胀设备和/或膨胀机35膨胀压力约1200磅/平方英寸以上的流不应当被解释为需要使用压缩单元25或任何其他压缩机或压缩步骤，或者需要压缩单元25或任何其他压缩机或压缩步骤存在。

图5是根据本发明方法用于生产LNG的第五实施方式的示意流程图，其类似于图4中所示的实施方式，但是利用了又一膨胀步骤来提供再冷却。参考图5，可以看到，再冷却回路8没有存在于图5所示的实施方式中。相反，侧流11d从流10b引出并传递至膨胀设备105，在此其膨胀并因此冷却而形成膨胀流13d。膨胀设备105是产生功的(work-producing)膨胀机，其很多类型易于得到。此类设备的示例性、非限定性实例包括液体膨胀机和液力涡轮。膨胀流13d经过换热区59、58、57和56，为这些换热区提供至少部分制冷功能。如从图5中可见，流10b通过与膨胀流13d以及闪蒸蒸汽流16进行间接换热也可被冷却。因此，在一个或多个实施方式中，本发明方法进一步包括在最后的热交换步骤之前(例如，在换热区59之前)，在膨胀机35中膨胀至少部分冷却气流(原料气流10)，以产生膨胀的冷却气流(例如，流10b)；将所述膨胀的冷却气流的一部分传递至产生功的膨胀机；在所述生产功的膨胀机中进一步膨胀所述膨胀的冷却气流；以及将从所述产生功的膨胀机中产生的流(例如，流13d)传递至换热区，以通过在所述换热区中进行的间接换热进一步冷却所述膨胀的冷却气流。

离开换热区56后，膨胀流13d传递至压缩单元95，在此其被再压缩并与产生自压缩单元61和62的流结合，形成流14a的一部分，其如前所述被冷却然后再循环至原料流10。

图6中所示的进一步的实施方式类似于图1和上述的实施方式，只是再冷却回路6已经被修改，使得在再压缩和冷却的冷却剂流离开换热区50之后，其在经过膨胀机41膨胀之前在换热区55中被进一步冷却。该实施方式是有利的，其中使用了冷却流体，其在膨胀机41之后没有存在很多的冷凝过程。

图7描绘了另一实施方式，其中再冷却回路6a利用了一部分原料气10。来自201的原料气10的该部分在压缩机25中被再加压并在冷却器33被冷却，按照与图4中相同的方式。

图8是类似于图7的另一实施方式，显示了再冷却回路6的可选布置。取决于原料气10的组成，可以使用另外的压缩机(未示出)来防止在再冷却回路中冷凝或者确保合适的管线压力。

图9描绘了与某种原料气10组成和/或压力结合使用的实施方式。为了更好地使被冷却用于LNG收集的原料气10的冷却曲线，与用于在再冷却换热区55中进行冷却的部分原料气10的冷却曲线匹配，可能必需的是进一步膨胀进入再冷却回路6的冷却剂气体的分离部分。这是应用膨胀阀82或其他膨胀机(例如，Joules-Thompson阀)实现的，以便在再冷却回路6中提供补加冷却。

图10代表另一实施方式，其显示了对于需要脱氮的情况，基于原料气10的组成，利用蒸馏柱81或其他等同设备并入了脱氮阶段。这可能是必需的，以满足用于输送和最终用途的产品LNG中的氮规格。

图11代表另一实施方式，显示了脱氮单元的并入，其中来自脱氮单元的闪蒸蒸汽被用作再冷却回路的冷却剂。所得的冷却剂因此富含氮。

实施例

进行假设的质量和能量平衡，以阐明图4中所示的实施方式，结果示于下面的表中。数据是利用商业可得的名为HYSYS^TM(得自加拿大卡尔加里的Hyprotech Ltd.)的过程模拟程序获得的；然而，可以使用其他商业可得的过程模拟程序来开发数据，包括例如HYSIM^TM、PROII^TM和ASPEN PLUS^TM，本领域技术人员熟悉这些程序。该实施例假定原料气流10具有如下以摩尔百分数计的组成：C₁：90.25％；C₂：5.70％：C₃：0.01％；N₂：4.0％；He：0.04％。给出了呈现在表中的数据，以便对图4中所示的实施方式提供更好的理解，但是本发明不被解释为不必要地限于此。鉴于本文的教导，温度、压力和流速可以具有很多变动。针对状态点201到214(图4中所示的位置处)计算的具体温度、压力和流速列举在表中。

在本发明方法的一个实施方式中，通过控制从最后的换热区出来的流的温度，闪蒸蒸汽流16的体积被控制，以匹配压缩单元和其他设备的燃料要求。例如，参考图4，状态点207处的温度可以被控制，以便根据燃料要求产生或多或少的闪蒸蒸汽(流16)。状态点207处的较高温度将导致更多的闪蒸蒸汽(以及因此更多可用的燃料)产生，反之亦然。可选地，可以调整温度，使得闪蒸蒸汽流速高于燃料要求，在这种情况下，超过燃料流要求的过剩流在压缩和冷却之后可以被再循环。

表

状态点	温度( )	压力(磅/英寸2)	流速(lb-mol/hr)
				201	262	985	3.35×105
202	100	1500	1.08×106
				203	-36	1480	4.85×105
204	-130	1470	3.35×105
				205	-213	1460	3.35×105
206	-229	48	3.35×105
				207	-236	42	3.35×105
208	-254	18	3.35×105
				209	-217	71	3.12×105
210	-140	420	2.29×104
				211	100	126	2.57×104
212	-240	44	2.57×104
				213	100	3000	8.57×105
214	-40	895	8.57×105

本领域技术人员，特别是得到本文教导益处的技术人员将认识到对上述具体实施方式的很多修改和变更。例如，显示在一个实施方式中的特征可以被添加至其他实施方式中而形成另外的实施方式。因此，具体公开的实施方式和实施例不应当被用于限制或限定本发明的范围，该范围由所附权利要求书确定。

Claims (19)

1.富甲烷原料气流的液化方法，所述方法包括：

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供所述原料气流；

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供冷却剂；

压缩所述冷却剂至大于或等于1500磅/平方英寸的压力，以提供压缩冷却剂；

通过与冷却流体间接换热，冷却所述压缩的冷却剂；

使所述压缩的冷却剂膨胀，以进一步冷却所述压缩的冷却剂，从而产生膨胀冷却的冷却剂；

将所述膨胀冷却的冷却剂传递至换热区；

使所述原料气流经过所述换热区，通过与所述膨胀冷却的冷却剂间接换热来冷却至少部分所述原料气流，从而形成冷却气流；

使至少部分所述冷却气流膨胀，以产生膨胀冷却的气流；和

通过在一个或多个另外的换热区中间接换热，进一步冷却所述膨胀冷却的气流。

2.权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用封闭回路为所述换热区提供至少部分制冷功能，所述封闭回路充填有在所述富甲烷原料气流液化方法中产生的闪蒸蒸汽，并且其中所述进一步冷却所述膨胀冷却的气流

通过与所述充填有所述闪蒸蒸汽的所述封闭回路进行间接换热进行。

3.权利要求1所述的方法，其中在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供冷却剂包括抽出所述原料气流的部分用作所述冷却剂。

4.权利要求3所述的方法，其中所述原料气流的所述抽出部分在所述原料气流传递至所述换热区之前被抽出。

5.权利要求3所述的方法，其中所述原料气流的所述抽出部分从所述换热区中被抽出。

6.权利要求1所述的方法，还包括：

利用多个功膨胀设备冷却所述原料气流，所述功膨胀设备中的每一个膨胀原料气流的一部分，并从而冷却所述部分，形成一个或多个膨胀冷却的侧流，其中在所述功膨胀设备中膨胀的各个所述部分原料气流在原料气流冷却的不同阶段从所述原料气流中抽出；和

通过与所述一个或多个膨胀冷却的侧流间接换热，冷却所述原料气流。

7.权利要求1所述的方法，还包括：

抽出一部分或多部分所述原料气流：

使所述原料气流的所述一部分或多部分中的每一部分传递至一个或多个功膨胀设备，以及膨胀所述原料气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胀和冷却，从而形成一个或多个膨胀冷却的侧流；

使所述一个或多个膨胀冷却的测流传递至至少一个换热区；

使所述原料气流经过所述至少一个换热区；和

通过与所述一个或多个膨胀冷却的侧流间接换热，至少部分冷却所述原料气流。

8.权利要求1所述的方法，其中所述原料气流被首先压缩至高于气体供应压力的压力。

9.权利要求1所述的方法，其中所述冷却剂被压缩至大于或等于3,000磅/平方英寸的压力，以提供压缩冷却剂。

10.权利要求1所述的方法，其中所述换热区包括多个热交换室。

11.权利要求2所述的方法，还包括回收LNG时脱氮气。

12.富甲烷原料气流的液化方法，所述方法包括：

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供所述原料气流；

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供冷却剂；

压缩所述冷却剂至大于或等于1500磅/平方英寸的压力，以提供压缩冷却剂；

通过与冷却流体间接换热，冷却所述压缩的冷却剂；

使所述压缩的冷却剂膨胀，以进一步冷却所述压缩的冷却剂，从而产生膨胀冷却的冷却剂；

将所述膨胀冷却的冷却剂传递至换热区；

使所述原料气流经过所述换热区，通过与所述膨胀冷却的冷却剂间接换热来冷却至少部分所述原料气流，从而形成冷却气流；

在最后的换热步骤之前，膨胀至少部分所述冷却气流，以产生膨胀冷却的气流；

使所述膨胀冷却的气流的部分传递至产生功的膨胀机，并在所述产生功的膨胀机中进一步膨胀所述膨胀冷却的气流的所述部分；和

使从所述产生功的膨胀机中出现的流传递至换热区，通过在所述换热区中间接换热进一步冷却剩余的所述膨胀冷却的气流。

13.富甲烷原料气流的液化方法，所述方法包括：

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供所述原料气流；

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供冷却剂；

压缩所述冷却剂至大于或等于1500磅/平方英寸的压力，以提供压缩冷却剂；

通过与冷却流体间接换热，冷却所述压缩的冷却剂；

使所述压缩的冷却剂膨胀，以进一步冷却所述压缩的冷却剂，从而产生膨胀冷却的冷却剂；

将所述膨胀冷却的冷却剂传递至换热区；

使所述原料气流经过所述换热区，通过与所述膨胀冷却的冷却剂间接换热来冷却至少部分所述原料气流，从而形成冷却气流；

将所述冷却气流传递通过由第二冷却剂的膨胀进行冷却的再冷却换热区，以提供再冷却气流；

膨胀所述再冷却气流以产生LNG；和

回收所述LNG。

14.权利要求13所述的方法，其中所述第二冷却剂是所述富甲烷原料气流的一部分。

15.权利要求13所述的方法，其中在所述第二冷却剂膨胀之前，所述第二冷却剂在所述再冷却换热区中被再冷却。

16.权利要求14所述的方法，其中所述富甲烷原料气流在经过所述换热区之前被再加压，所述冷却气流被膨胀，以及所述膨胀的冷却气流的一部分在所述再冷却换热区中被进一步膨胀并且被用作所述第二冷却剂。

17.权利要求13所述的方法，其中所述再冷却气流的一部分被膨胀并且所述膨胀的再冷却气流的部分是所述第二冷却剂。

18.权利要求17所述的方法，其中所述再冷却气流的所述部分被分成两个部分流，所述部分流之一被进一步膨胀，以及所述两个部分流都包含所述第二冷却剂。

19.富甲烷原料气流液化方法，所述方法包括：

在1,000磅/平方英寸以下的压力下提供所述原料气流；

在封闭回路中提供冷却剂；

将所述冷却剂压缩至大于或等于1500磅/平方英寸的压力，以提供压缩的冷却剂；

通过与冷却流体间接换热，冷却所述压缩的冷却剂；

使所述压缩的冷却剂膨胀，以进一步冷却所述压缩的冷却剂，从而产生膨胀冷却的冷却剂；

将所述膨胀冷却的冷却剂传递至换热区；

使所述原料气流经过所述换热区，通过与所述膨胀冷却的冷却剂间接换热来冷却至少部分所述原料气流，从而形成冷却气流；

使至少部分所述冷却气流膨胀，以产生膨胀冷却的气流；和

通过在一个或多个另外的换热区中间接换热，进一步冷却所述膨胀冷却的气流。

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