CN1293341C - 天然气液化装置及其相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种生产液化天然气的装置和方法。液化装置可以与未纯化的天然气源，比如减压站的天然气管道连接。引出一部分天然气，并分流成处理流(154)和冷却流(152)。冷却流(152)通过涡轮膨胀机(156)产生功输出。用该功输出带动压缩机(158)，并压缩处理流。压缩的处理流被冷却，比如被膨胀的冷却流冷却。冷却和压缩的处理流被分流成第一和第二部分，膨胀第一部分使天然气液化。用气-液分离器从液体天然气中分离蒸气。经过冷却和压缩的处理流的第二部分也被膨胀，用来冷却压缩的处理流。液化过程还可以结合其他部件和技术，包括水净化循环和二氧化碳(CO2)净化循环。

Description

天然气液化装置及其相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号是10/086066的美国专利申请的优先权，该在先专利于2002年2月27日提交，名称是“天然气液化装置及其相关方法”。
政府权利
按照美国能源部与Bechtel BWXT Idaho，LLC之间合同号为DE-AC07-99ID13727的合同，美国政府对以下发明享有权利。
发明领域
总的来说，本发明涉及气体的压缩和液化，更具体地涉及通过使用制冷和膨胀联合过程，将天然气等气体小规模地部分液化。
发明背景
天然气是汽油和柴油等燃料的一种已知替代物。人们已经在开发天然气作为替代燃料以克服汽油和柴油包括生产成本和使用后排放等各种缺点方面作出了很多努力。本领域已知天然气是一种比其他燃料更清洁的燃料。另外，天然气也被认为比汽油或柴油更安全，因为天然气会上升到空气中并散逸，而不是沉降。
为了用作替代燃料，天然气(这里也称为“原料气”)通常被转化成压缩天然气(CNG)或液化(或液体)天然气(LNG)，便于在使用前进行储存和运输。对于液化天然气通常有两个已知的基本循环，被称为“阶式循环”和“膨胀循环”。
简单地说，阶式循环由一系列原料气的热交换组成，每次交换都在逐步更低温度下发生，直至完成要求的液化。使用不同的制冷剂或在不同蒸发压力下使用相同制冷剂，获得一定的制冷程度。利用阶式循环生产LNG被认为是非常有效的，因为操作成本较低。但是，操作的有效性经常会被制冷***中昂贵的热交换器和压缩设备造成的较高投资成本所抵消。另外，当实际空间有限时，包括这种***的液化装置可能并不实用，因为阶式***中使用的实际部件体积较大。
在膨胀循环中，气体通常被压缩至选定的压力，被冷却，然后使其通过膨胀涡轮发生膨胀，从而做功，并降低原料气的温度。然后，低温原料气发生热交换，使原料气液化。通常，这种循环在天然气的液化中行不通，因为天然气中存在的一些组分例如水和二氧化碳会在热交换器的温度下发生冻结，而这种循环中没有处理这些组分的设备。
另外，要使传统***的操作在成本上更为有效，通常将这种***的规模做大，以处理大量的天然气。因此，设备很少，向液化装置或设备提供原料气较困难，并使液化产物的分配也成为一个问题。大规模设备的另一个主要问题是与其相关的资本和操作费用。比如，能生产70,000加仑/天的LNG的传统大规模液化装置，可能需要花费2百万到1千5百万美元，或更多的资金。而且，这种液化装置需要几千马力的功率以驱动制冷循环中的压缩机，使该液化装置的操作费用昂贵。
大规模设备的另一个问题是储存大量燃料以供未来使用和/或运输的成本。不仅有建设大储存设施的成本，还有与其相关的效率问题，因为储存的LNG会随时间升温而蒸发，使LNG燃料产品发生损失。而且，在储存大量LNG燃料产品时，安全也成为一个问题。
面对以上问题，已经开发出各种***，试图以小规模方式从原料气生产LNG或CNG，努力消除长期储存的问题，并降低与天然气的液化和/或压缩相关的资金和操作费用。但是，这种***和技术都存在一个或多个缺点。
在1996年4月9日公布的Barclay的美国专利5505232涉及一种生产LNG和/或CNG的***。据该专利所称，该公开的***能以小规模方式操作生产约1000加仑/天的液化或压缩的燃料产品。但是，该***的液化部分本身需要“清洁的”或“纯化的”气流，这意味着必须在实际开始液化过程之前，将气体中的二氧化碳，水，或重质烃等各种组分除去。
类似的，在2000年7月11日公布的Johnston的美国专利6085546和6085547中描述了生产LNG的方法和***。Johnston的专利都涉及小规模生产LNG，但是同样都需要“预纯化”气体，以完成实际液化循环。需要向液化循环提供“清洁的”或“预纯化”气体是基于某些气体组分会在液化过程中由于其高于天然气主要组分甲烷的凝固点而可能发生凝固并堵塞***的实际情况。
因为许多天然气源，比如住宅或工业供应气，被认为是较“脏”的，要求提供“清洁的”或“预纯化的”气体实际上就需要在液化过程之前安排昂贵和通常是复杂的过滤和纯化***。这种要求的确增加建造和操作这种液化装置或设备的费用和复杂性。
考虑到现有技术的缺点，本发明提供一种方法和实施这个方法的装置，其优点是能以小规模有效生产液化天然气。更具体地说，其优点是提供一种从较“脏”或“未纯化的”天然气无须“预纯化”而生产液化天然气的***。这种***或可以包括各种为了提高效率而与液化循环结合在一起的净化循环。
其另一优点是提供了一种建造和操作起来较不昂贵的天然气液化的装置，该装置最好很少或不需要操作者看管。
其再一优点是提供了一种能容易运输而且能在人口稠密社区中或附近的现有天然气源处安放和操作的液化装置，从而使LNG燃料的消费者能很方便地利用。
发明概述
本发明一方面提供了一种从大量天然气中除去二氧化碳的方法。该方法包括冷却该大量天然气中的至少一部分形成至少包含液体天然气和固体二氧化碳的浆料。使浆料流入旋液分离器并形成增稠的泥浆。该增稠的泥浆包含固体二氧化碳和部分液体天然气。通过旋液分离器的底流口排出增稠的泥浆，而液体天然气的其余部分则通过旋液分离器的溢流口流出。
冷却所述大量天然气的所述部分可以通过膨胀所述气体完成，比如通过一个Joule-Thomson阀。冷却所述大量天然气的所述部分还可以包括使该气体流过一个热交换器。
该方法还可以包括在所述液体天然气离开旋液分离器的溢流口之后，使其通过附加的二氧化碳过滤器。
本发明另一方面提供了一种从大量天然气中除去二氧化碳的***。该***包括配置成从该大量天然气中的至少一部分产生压缩的天然气流的压缩机。至少一个热交换器接受并冷却压缩的天然气流。配置膨胀阀或其他气体膨胀机，使冷却和压缩的气流发生膨胀，并由此形成浆料，该浆料包含液体天然气和固体二氧化碳。配置旋液分离器接受浆料并将其分离成第一部分液体天然气和增稠的泥浆，该增稠的泥浆含有固体二氧化碳和第二部分液体天然气。
该***还可包括附加的热交换器和气体膨胀机。另外，可以配置二氧化碳过滤器来接受第一部分液体天然气以除去任何残余的固体二氧化碳。
本发明另一方面提供了一种液化装置。该液化装置入口配置成与天然气源连接，天然气源可以是未纯化的天然气。配置涡轮膨胀机来接受通过液化装置入口引入的第一股天然气流，由此产生膨胀的冷却流。压缩机与涡轮膨胀机机械连接，用来接受通过该入口引入的第二股天然气流，由此产生压缩的处理流。配置第一热交换器接受以逆流方式布置的压缩的处理流，和膨胀的冷却流以方式冷却压缩的处理流。液化装置第一出口配置成与未纯化的天然气源连接，使膨胀的冷却流通过热交换器之后通过液化装置第一出口排出。配置第一膨胀阀接受冷却和压缩的过程流的第一部分并使其发生膨胀，形成附加的冷却流，在膨胀的冷却流进入第一热交换器之前，附加的冷却流与膨胀的冷却流混合。配置第二膨胀阀接受冷却和压缩的处理流的第二部分并使其发生膨胀，由此形成气-固-液混合物。配置第一气-液分离器接受该气-固-液混合物。配置液化装置第二出口与储存容器连接，该第一气-液分离器配置成将其包含的液体送至液化装置第二出口。
本发明另一方面提供了一种生产液体天然气的方法。该方法包括提供未纯化的天然气源。从该气源流出的一部分天然气被分流成处理流和第一冷却流。第一冷却流流过涡轮膨胀机并在该处做功带动压缩机。处理流流过压缩机并随后被该膨胀的冷却流冷却。冷却和压缩的处理流被分流成产物流和第二冷却流。第二冷却流发生膨胀并与该膨胀的第一冷却流混合。使产物流膨胀形成包含液体，蒸气和固体的混合物。从蒸气中分离液体和固体，最后从该液-固混合物中分离出至少一部分液体。
附图简要说明
通过阅读以下详细说明和参考附图，本发明的上述和其他优点是显而易见的，其中：
附图1是本发明一个实例的液化装置的示意图；
附图2是本发明一个实例的液化装置基本循环的工艺流程图；
附图3是本发明一个实例的与液化循环相结合的水净化循环的工艺流程图；
附图4是本发明一个实例的与液化循环相结合的二氧化碳净化循环的工艺流程图；
附图5A和5B表示本发明一个实例的一种热交换器；
附图6A和6B表示附图5A和5B所示热交换器中所用冷却盘管的平面图和正视图；
附图7A到7C表示本发明各种实例中附图5A和5B所示热交换器的不同方式操作的示意图；
附图8A和8B表示可与附图5A和5B所示热交换器一起使用的堵头的透视图和正视图；
附图9是可与附图4所示液化装置和过程一起使用的CO2过滤器实例的截面图；
附图10是本发明另一个实例的液化循环的工艺流程图；
附图11A是附图10所示液化装置和过程所包含的压差回路的工艺示意图；
附图11B是附图10所示液化装置和过程中所包含的优选压差回路的工艺示意图；
附图12是本发明另一个实例的液化循环的工艺流程图；
附图13是本发明一个实例的液化装置的透视图；
附图14表示附图4所示液化装置往装置地点运输；和
附图15是表示本发明一个实例的整个***流体物质状态点的工艺流程图。
发明详细说明
参见附图1，其为本发明一个实例的天然气(LNG)液化站100的部分示意图。要注意的是，虽然通过天然气的液化对本发明进行说明，但是本发明也可用于液化其他气体，这是本领域普通技术人员能够认识和理解的。
液化站100包括一个与管道104等天然气源相连的“小规模”天然气液化装置102，但预期比如井口等其他气源也是同样适用的。这里用术语“小规模”表示不同于产量高达70,000加仑/天或更多LNG的大规模装置。相比而言，本发明公开的液化装置产量约是10,000加仑/天LNG，但是也可以按照需要改为不同产量，并且不限于小规模操作或装置。另外将在下文中详细说明的是，本发明的液化装置102在尺寸上大大小于大规模装置，能容易地从一处被运输到另一处。
沿着管道104分布有一个或多个调压器106，用于控制其中流过的气体压力。这种结构的代表是一种减压站，其中天然气的压力从上游位置的高传输压被降低至适于分配给下游位置的一个或多个用户的压力。调压器106的上游压力，比如，在管道中的压力约是300到1000磅/平方英寸绝对值(psia)，而调压器的下游压力可以被降低至约65psia或更小。当然，这些压力值只是举例，可以根据特定管道104和下游用户的需要进行变化。还要注意的是，管道104中上游气体的可获得压力(即，位于液化装置入口112)并非关键，因为可以在气体进入上述液化过程之前，通过使用辅助增压泵和热交换器将其压力升高。
在沿着管道104进行减压之前，来自管道104的原料气流108被分流，并通过流量计110，对流过的气体量进行测量和记录。然后使原料气流108通过液化装置入口112流入小规模液化装置102中进行处理，这将在下文详细说明。进入液化装置102的一部分原料气被转变成LNG并在液化装置出口114处离开液化装置102，被储存在合适的储罐或容器116中。容器116优选能在约30到35psia的压力和低至-240的温度下容纳至少10,000加仑的LNG。但是，可以根据液化装置102的具体输出要求，使用其他的容器尺寸和结构。
容器出口118与流量计120相连，共同从容器116分配LNG，比如分配至LNG驱动的车辆，或者按照需要分配入运输车辆。与阀/计量设备124相连的容器入口122包括流量或过程测量器件，能在分配来自容器116的LNG时对车辆油罐进行通风和/或吹扫。管道126与容器116相连，并与液化装置第二入口128相连，能灵活地控制来自液化装置102的LNG流量，还能把该流体从容器116中转移开，或者从容器116中引出蒸气，如果条件需要进行这些操作的话。
液化装置102还与管道104的下游部分130在液化装置第二出132处相连，使在液化装置102中进行处理的未液化天然气部分以及其他能在LNG生产过程中被除去的组分一起排出。任选地，可以在与容器入口122处相邻的位置，将排气管道134与液化装置102的管道相连，表示为接点136A和136B。这种排气管道134同样会将气体带入管道104的下游部分130中。
当各种气体组分离开液化装置102并进入管道104的下游部分130中时，可以使用阀/计量设备138来测量通过的气体流量，该阀/计量设备138包括流量和/或过程测量器件。阀/计量设备124和138以及流量计110和120可以按照要求位于液化装置102的外部和/或内部。因此，通过比较流量计110和126的输出，有助于确定从管道104被除去的原料气净量，因为上游流量计110测量除去气体的总量，而下游流量计130测量放回到管道104中的气体量，其差值就是从管道104除去的原料气净量。同样，任选流量计120和124表示从容器116排出的LNG净量。
参见附图2，其为附图1液化装置102一个实例的工艺流程图。如附图1中所示，温度约是60的高压原料气流(即，300到1000psia)通过液化装置入口112进入液化装置102。处理原料气之前，一小部分原料气140被分流，通过干燥过滤器142作为仪器控制气，操纵和控制液化装置102中的各种部件。虽然只示出一股仪器气流144，但是本领域技术人员能够认识到可以用相同方式形成多股仪器控制气。
或者，可以使用独立的仪器控制气源，比如，用氮气控制液化装置102中的各种设备和部件。本领域普通技术人员能够认识到也可以使用其他仪器控制手段，比如电驱动。
在进入液化装置102时，原料气流过过滤器146以除去可能导致损坏或堵塞气流通过液化装置102各部件的大物体。还能用过滤器146除去某些液体和固体组分。比如，过滤器146可以是一种聚结型过滤器。一种典型过滤器可以从位于Tewksbury，Massachusetts的Parker Filtration获得，其设计成在约60和约500psia的压力下能处理约5000标准立方英尺/分钟(SCFM)的天然气。
过滤器146可以具有任选的排出148，能排入液化装置出132附近的管道中，其表示为连接处136C和136A，该排出物最终再进入管道104的下游部分130(参见附图1)。旁通管150环绕过滤器146，使过滤器146能被隔断，需要时检修而不切断液化装置102中的气体流动。
原料气流过过滤器146(或者通过管道150环绕过滤器)之后，原料气被分流成两股流体，冷却流152和处理流154。冷却流152通过涡轮膨胀机156，被膨胀成具有比如在约100的较低温和大气压和约100psia之间的较低压力的膨胀的冷却流152′。涡轮膨胀机156是一种涡轮机，能使气体膨胀，并由膨胀过程得到动力。旋转压缩机158与涡轮膨胀机156通过机械方式连接，比如通过轴160连接，利用涡轮膨胀机156所产生的动力压缩处理流154。根据压缩机158的功率要求以及横跨涡轮膨胀机156的流量和压力降，确定各冷却和工艺管线152和154中的气体比例。可以用涡轮膨胀机156中的叶轮控制阀，根据上述参数的要求控制冷却和工艺管线152和154之间的气体比例。
一种典型的涡轮膨胀机156和压缩机158***包括一个从位于Gardona，Californi a的GE Rotoflow获得的构架尺寸(10)***。膨胀机156压缩机158***被设计成能在约440psia，5000磅质量/小时，约60下操作。膨胀机/压缩机***还可以被安装在磁性轴承上，以减少膨胀机156和压缩机158上的轨迹并简化对其的保养。
旁通管162使冷却流152环绕涡轮膨胀机156。同样，旁通管164使处理流154环绕压缩机158。可以在启动时使用旁通管162和164，在液化装置102中处理LNG之前，使特定部件处于稳定状态。比如，旁通管162和164使热交换器166，和/或其他部件处于不会引起热冲击的稳定温度。如果没有旁通管162和164，由于涡轮膨胀机156和压缩机154中直接流出气体会产生热冲击。根据液化装置102中所使用特定部件(即，热交换器166)的设计，可能需要几个小时，才能使***在启动液化装置102时达到热稳定状态。
比如，使处理流154环绕压缩机158，处理流154的温度就不会在其被引入热交换器166之前升高。但是，当绕过膨胀机156的冷却流152通过Joule-Thomson(JT)阀163时使冷却流发生膨胀，从而使其温度降低。JT阀163应用了Joule-Thomson原理，即气体的膨胀会导致伴随的气体冷却，这是本领域普通技术人员能够理解的。然后可以使用冷却流152逐渐降低热交换器166的温度。
在一个下文将再详细讨论的实例中，热交换器166是一种铝制高效热交换器。在启动状态下，可能最好能使这种热交换器166的温度以高达1.8°F/分的速度降低至指定温度限值。在启动液化装置时，可以在温度逐渐下降时监控热交换器166的温度。可以相应控制JT阀163和其他阀165或设备，以达到冷却流152′和处理流154′的流速和压力，最终控制热交换器166和/或液化装置其他部件的冷却速率。
而且，在启动时，储罐116(附图1)中最好已经有一定量的LNG。储罐中的LNG产生的一些冷蒸气，或从其他来源产生的冷蒸气或气体，在***中循环，使各种部件冷却，这是最好的或认为是必需的。而且，可以在启动时同样可控制其他冷却设备，包括位于各种“回路”或流体中的另外JT阀，以冷却热交换器166或液化装置102的其他部件，在阅读了以下说明书的其他部分之后，这一点是显而易见的。
达到稳定状态后，处理流154流过压缩机158，使处理流154的压力升高。旋转式压缩机出口与入口处的典型压力比约是1.5到2.0，平均比是1.7左右。压缩过程并非理想的，因此，在其被压缩时会对处理流154进行加热。为了除去压缩的处理流154’的热量，使其流过热交换器166，将其冷却至一个非常低的温度，比如约是-200。如附图2所示热交换器166的实例是一种应用逆流的设备，这是本领域普通技术人员已知的。
离开热交换器166后，冷却和压缩的处理流154″被分流成两股新的流体，冷却流170和产物流172。冷却流170和产物流172各自通过JT阀174和176发生膨胀。冷却流和处理流170和172通过JT阀174和176所发生的膨胀导致压力降低，比如在大气压和约100psia之间，并导致温度降低，比如约为-240。压力和温度的降低会使冷却流和产物流170和172形成液体和蒸气天然气的混合物。
冷却流170与离开涡轮膨胀机156的膨胀的冷却流152’混合形成混合冷却流178。然后用混合冷却流178通过热交换器166冷却压缩的处理流154’。在热交换器166中冷却压缩的处理流154’之后，可以使混合冷却流178排放回下游部分130处的天然气管道104中(附图1)。
通过JT阀176发生膨胀之后，产物流172进入液体/蒸气分离器180。收集来自分离器180的蒸气组分并通过管道182将其排出，加入热交换器166上游处的混合冷却流178中。分离器中的液体组分是LNG燃料产物，通过液化装置出口114储存在容器116中(附图1)。
通过控制分别流过冷却流和产物流170和172的气体比例，过程热力学能生产出具有高液体组成的产物流。如果液体组成高，即大于90％，则液体中的甲烷含量高，而重质烃(乙烷，丙烷，等)的含量低，从而接近输入气流112的相同组成。如果液体组成低，则液体中的甲烷含量低，而液体中的重质烃含量高。重质烃会增加燃料的内能，使燃料在燃烧过程中烧得更热。
附图2所示的液化过程提供了低成本，高效，和有效的生产LNG的方法，而送入液化循环的气源是不含水和/或二氧化碳的。
参见附图3，其为液化装置102’另一个实例所使用的液化过程的工艺流程图。其中所示液化装置102’和过程具有与附图2所示液化装置102和过程相同的标号，为了清楚起见，对相同的部件以相同的标号进行表示。
附图3中所示液化装置102’基本上改进了附图2所示的基本循环，能在生产LNG时从天然气流中除去水，防止在整个***中形成冰。如附图3所示，水净化循环包括甲醇源200，或其他吸水产品，通过泵202在气体被分流成冷却流152和处理流154之前的位置处被射入气流中。泵202最好包括不同流量配件，优选通过至少一个雾化或气化喷嘴将甲醇射入气流中。或者，可以使用阀203适应多种喷嘴，使得可以根据原料气的流量特性使用合适的喷嘴。当气源中的水含量波动不明显时，优选使用单个喷嘴而不用阀203。
喷射甲醇的合适泵202可以包括各种流量控制器，在设计压力约是1000psia，水含量约是2到7磅质量/百万标准立方英尺(lbm/mmscf)时，其流量在0.4到2.5加仑/分(GPM)范围内。可以通过使用不同频率传动与泵202的马达相连来完成对不同流量的控制。这种典型的泵可以从位于Holliston，Massachusetts的America LEWA获得。
甲醇与气流混合，降低其中所含水的冰点。甲醇与气流混合并与水键合，防止在涡轮膨胀机156中发生膨胀时在冷却流152中形成冰。另外，如上所述，甲醇存在于处理流154中并与其一起通过压缩机158。约在热交换过程的中途(即，约-60和-90之间)，甲醇和水形成液体。使压缩的处理流154’临时从热交换器166转移，并通过分离罐204，使甲醇/水液体与压缩的处理流154’分离，液体通过阀206排出，气体流向聚结式过滤器208以除去附加量的甲醇/水混合物。可以通过阀210将甲醇/水混合物从聚结式过滤器208中排出，而干燥的气体再进入热交换器166中接受进一步的冷却和处理。用接点136D和136A表示，阀206和210都将除去的甲烷/水混合物排入液化装置排出132附近的管道中以再排入管道104下游部分130中(参见附图1)。
一种典型的用于除去甲烷/水混合物的聚结式过滤器208被设计成能在约-70，流速约是2500SCFM，压力约是800psia的条件下处理天然气。这种过滤器除去甲烷/水混合物的能力达到小于75ppm/w。适用的过滤器可以从位于Tewksbury，Massachusetts的Parker Filtration获得。
因此附图3中所示的液化过程能高效地生产天然气，在过程中结合了除去水，不需要在液化循环前，特别是在通过涡轮膨胀机156使气体发生膨胀之前，使用昂贵的设备和预处理。
参见附图4，其为液化装置102″另一个实例所使用的液化过程的工艺流程图。对液化装置102″和其中进行的过程采用与附图2和3中分别表示的液化装置102和102’以及过程相同的标号，为了清楚起见用相同的标号表示相同的部件。另外，为了清楚起见，附图4中省略了液化装置入口112和膨胀机156/压缩机158之间的循环部分，但是可以认为该部分是附图4中所示液化装置102″和过程中的一个整体部分。
附图4中所示液化装置102″改进了附图2中所示的基本循环，增加了用于在LNG生产中从天然气流中除去二氧化碳(CO2)的另一循环。虽然附图4所示的液化装置102″和过程中包括附图3所示液化装置102’和过程中的水净化循环，但是CO2净化循环并不依赖于水净化循环的存在，可以被独立结合于本发明的液化过程中。
可以用三个不同的热交换器166，220和224分割热交换过程。第一热交换器220位于压缩的处理流154’的流动途径中，使用环境条件，比如，空气，水或地面温度或其组合，对压缩的处理流154’进行冷却。热交换器220用来对压缩的处理流154’进行降温的环境条件能保证压缩机158产生的热量不会以热的方式损害环境热交换器220之后的高效热交换器166。
一种典型的环境热交换器220被设计成能在约6700到6800磅质量/小时(lbm/hr)，在约800psia的设计压力下处理压缩的处理流154’。热交换器220还可以配置成使气体的入口温度是约240，而气体的出口温度是约170，这时的环境温度(即，空气温度，等)约是100。如果热交换器中配备有风扇，则可以用合适的电动机进行驱动。
沿着流动途径位于环境热交换器220之后的高效热交换器166可以是一种逆流，板式和翅片型热交换器。另外，这种板和翅片可以用高导热材料制成，比如是铝制的。高效热交换器166的位置和配置能有效地将尽可能多的热量从压缩的处理流154’传递至混合冷却流178’。高效热交换器166的配置能使气体的入口温度约为170，而气体的出口温度约是-105。液化装置102’的配置最好使高效热交换器166内的温度决不低到足以形成固体CO2，而固体CO2可能在压缩的处理流154’的流动途径中造成堵塞。
沿着处理流的流动途径依次设置的第三热交换器224部分与在循环的较后位置处处理流中除去的固体CO2的处理有关。更具体地说，通过将以待排放回管道104中的除去的固体CO2升华，热交换器224将CO2再引入气体管道104的下游部分。固体CO2在热交换器224中升华有助于防止损坏或堵塞热交换器166。要注意的是，如果需要的话，可以将热交换器166和224组合。固体CO2的升华也能进一步冷却以待液化的处理气体。
一种典型的用于处理固体CO2的热交换器224可以包括一种管壳式热交换器。参见附图5A，其为典型的本发明管壳式热交换器224，其被截去罐230的一部分，以显示多个垂直堆放在其中的冷却盘管232A-232C，所示为三个。在下盘管232a部分附近的罐230中可以放置过滤材料234，以保证没有固体CO2离开热交换器224。过滤材料234可以包括，例如不锈钢网。根据盘管232A-232C尺寸和构造的需要，罐中可以放置一个或多个结构支撑物236，用以支撑盘管232A-232C。
参见附图6A和6b，其为典型的冷却盘管或盘管束232，其可以包括入口/出口管道238和240，其间连接有多根独立的盘管242。盘管242与每个入口/出口管道238和240处于流体连通状态，而且与其密封连接。因此，在操作中，流体可以流入第一入口/出口管道240，在多根盘管242中分配，并通过盘管242进入第二入口/出口管道238，并随后从中被排出。当然，如果需要的话，通过冷却盘管232的流体可以是相反方向的，以下将对此进行说明。
典型的盘管232可以包括例如入口/出口管道238和240，其直径是3英寸，80号304L不锈钢管。盘管242可以由304L不锈钢管制成，其壁厚是0.049英寸。冷却盘管232的设计和尺寸进一步使其能接纳流体，包括但并不限于压力约为815psia和温度约在-240和-200之间的流体。这种盘管232可以从位于Batavia，New York的Graham Corporation获得。
参见附图5A，每个独立冷却盘管的入口/出口管道238和240的末端，比如盘管232B，与每个相邻盘管的对应入口/出口管道238和240，即232A和232C，在结构上相连并密封。这种连接可以通过例如焊接或其他机械方式形成。
参见附图5B，罐230中包括外壳244和端部美帽246，并连接有多个入口和出口。外壳244和端部盖帽246可以由例如304或304L不锈钢制成，使罐230在约-240的操作温度下具有约为95psia的设计压力。罐230最好被设计成具有最少20年使用期限的足够腐蚀留量。
可以通过一对盘管入口248A和250A将流体引入盘管232A-232C，这一对入口分别连接冷却盘管232A的入口/出口管道238和240。盘管入口248A和250A被设计成例如能接纳在约-102的温度下压力约是750psia的至少约为5000lbm/hr的高密度气体。
一组盘管出口248B和250B分别与盘管232C的入口/出口管道238和240密封连接。每个管道出口248B和250B都被设计成例如能接纳在约-205的温度下压力约是740psia的至少约为5000lbm/hr的高密度流体。
多个罐入口252A-252I与罐230相连，使冷却流253和255(附图4)，(包括除去的固体CO2)进入罐230，并在一个或多个盘管232A-232C上流过。比如，罐入口252A-252C能使一股或多股冷却流253和255进入罐230，并在盘管232A上流过，同时罐入口252D-252F能使一股或多股冷却流253和255进入罐230，并首先在盘管232B上流过，然后在盘管232A上流过。罐入口252A-252I可以围绕外壳244的圆周分布，使冷却流253和255对于盘管232A-232C按照要求进行分配。
每个罐入口252A-252I都被设计成能接纳具有不同性质的流体。比如，罐入口252G可以被设计成能接纳具有约10％的固体CO2，质量流速约是531lbm/hr，压力约是70psia，温度约是-238的液体甲烷浆料。罐入口252H可以被设计成能接纳流速约是1012lbm/hr，压力约是70psia，温度约是-218的气体，液体和固体CO2的混合流体。罐入口252I可以被设计成能接纳流速约是4100lbm/hr，压力约是70psia，温度约是-218的气体，液体和固体CO2的混合流体。
还要注意的是，如附图6A所示，冷却盘管232A-232C周围可形成一个最外的内壳或水套(splash)292，使得在内壳和罐外壳244之间能形成一个环状空间。内壳的配置或控制通过各个罐入口252A-252I进入冷却流的流动，使冷却流能在冷却盘管232A-232c上流过，但是不接触热交换器224的罐外壳244。另外，可以在冷却盘管232A-232C内形成一个最内的内壳或水套294，使得在盘管内部和入口/出口管道240之间可形成一个环状空间。不锈钢，比如304L或其他耐腐蚀材料适用于制造水套292和/或294。
冷却流在一个或多个盘管232A-232c上通过之后，罐出口254能将冷却流253和255排出。罐出口254的设计例如使其能接纳质量流速约是5637lbm/hr，压力约是69psia，温度约是-158的气流。
参见附图7A到7c，其为热交换器224可能有的各种流动状态的示意图。热交换器224的配置使通过管道入口248A进入的处理流154能通过少于其总数的冷却盘管232A-232C。因此，如果需要的话，处理流154可以流过全部三个冷却盘管232A-232C，仅流过两个冷却盘管232A和232B，或仅流过一个冷却盘管232A或250B。对于通过第一盘管232A的流体，合适的管道使处理流154能通过相连的管道出口250A离开。类似地，如果要求处理流154流过盘管232A和232B的话，其可通过相连的管道出口248B离开。
比如，参见附图7A，处理流154可进入盘管入口248A，首先流过入口/出口管道240。在第一盘管232A与入口/出口管道240相连的上方位置处，有一个流体转向器251A阻挡处理流154，强迫其流过第一冷却盘管232A。虽然可能有一些会短暂流入其他盘管232B和232C中，但是处理流154的稳定状态流体将通过入口/出口管道238，离开盘管出口250B和/或盘管出口250A。
参见附图7B，可看到使用了两个流体转向器251A和251B，使处理流154旋转通过第一盘管232A，如附图7A中所示，然后流过入口/出口管道238，直至其遇到第二转向器251B。第二转向器会使处理流154流过第二盘管232B，然后通过入口/出口管道240，流过盘管出口248B。
参见附图7C，其显示使用了三个流体转向器251A-251C，使处理流154转旋通过前两个盘管，如附图7B中所示，然后流过入口/出口管道240，直至其遇到第三转向器251C。第三转向器使处理流154流过第三盘管232C，然后通过入口/出口管道238离开盘管出口250B。因此，根据转向器251A-251C的位置，容易使热交换器的能力适合于各种处理条件和输出要求。
若合适的话，流体转向器251A-251C可包括堵头，阀或盲法兰。虽然阀或盲法兰位于热交换器224外部时(比如，位于盘管出口248B)能很容易适合于所述过程，但是最好在内部位置使用堵头(比如，分别用于与第一和第二盘管相邻的转向器251A和251B)。一种典型的堵头251如附图8A和8B中所示。堵头251可包括一个有螺纹的外部290，用于啮合位于入口/出口管道238和240中的一个配合的螺纹结构。一个楔形头292能与一种工具共同配合，在安装堵头或从入口/出口管道238和240上将其拆除时使堵头251发生转动。另外，可以在楔形头上形成一组内螺纹294，从而锁定安装/拆除工具，使堵头能***进入口/出口管道238和240中一段显著长度。而且，所讨论和说明的流体转向器和冷却盘管的结构，数量和位置是示范性的。因此，能够理解可以在本发明中使用各种不同的流体转向器和冷却盘管排列。
在控制通过冷却盘管232A-232C的处理流154的同时，可以采用类似方法通过合适的阀和管道控制通过罐入口252A-252I进入的冷却流。
再回到附图4，当处理流154通过管道256离开热交换器224时，其被分流成冷却流170’和产物流172’。冷却流170’通过JT阀174’，使冷却流170’发生膨胀，产生各种相的CO2，包括固体CO2，形成天然气和CO2的浆料。这种富含CO2的浆料通过一个或多个罐入口252A-252I进入热交换器224，并在一个或多个盘管232A-232c上通过(参见附图5A和5B)。
产物流172’通过JT阀176’，被膨胀至低压，比如约为35psia。通过JT阀176’的膨胀还起到降低温度的作用，比如降至约-240。这时在该过程中，产物流172’中形成固体CO2。这时，膨胀的产物流172″包含固体CO2，进入液体/蒸气分离器180，收集蒸气并通过管道182’从分离器180中排出，加入混合冷却流257中，作为热交换器224中的致冷剂。液体/蒸气分离器180中的液体成为包含LNG燃料产物和固体CO2的浆料。
浆料从分离器180排出后，通过一种尺寸和结构合适的泵260被送至旋液分离器258。泵260主要用来处理通过旋液分离器258的压力降所形成的蒸气。即，泵260通过带走冷浆料并将其增压至亚冷却状态来处理蒸气。当亚冷却浆料通过旋液分离器258时，浆料回复至平衡状态，从而防止由于浆料在通过旋液分离器时产生压力降，而形成燃料产物蒸气和/或蒸发的CO2。泵260如附图4中所示，位于液体/蒸气分离器180的外部，如果有要求的话，泵实际上可位于液体/蒸气分离器260内。采用这种结构，可以将泵浸没在分离器180的下部中。配置适用泵使之具有约2到6.2加仑/分(gpm)LNG的可调节流速，在-240操作时具有80psi的差压。可以通过采用变频传动来控制可调流速。这种典型的泵可以从位于Arvada，Colorado的Barber-Nichols获得。
旋液分离器258作为一种分离器，能从浆料中除去固体CO2，使LNG产物燃料能被收集和储存。一种典型的旋液分离器258被设计成例如能在约125psia的压力和约-238的温度下操作。旋液分离器258应用压力降产生离心力，从液体中分离固体。由部分液体天然气和固体CO2所形成的增稠泥浆通过底流口262离开旋液分离器258。其余的液体天然气通过溢流口264再进行过滤。在旋液分离器的下流口262和溢流口264之间存在很小的压差，比如约是0.5psi。因此，例如增稠泥浆可以以约40.5psia的压力离开底流口262，而液体天然气以约40ps ia的压力离开溢流口264。但是根据所用的特定旋液分离器258，其他压差可能更合适。控制阀265可位于旋液分离器258的溢流口264处，帮助控制旋液分离器258中的压差。
一种适用的旋液分离器258可以从Tucson，Arizona的Krebs Engineering获得。一种典型的旋液分离器可配置成使其能在高达约125psi的设计压力，约100到-300的温度范围内操作。另外，一种典型的旋液分离器内部最好被精细研磨至8-12微英寸或更好的光洁度。
液体天然气通过平行放置的多个CO2筛滤器中的一个，在本例中有两个筛滤器，是266A和266B。筛滤器266A和266B捕集没有在旋液分离器258中分离掉的所有残余固体CO2。参见附图9，其为典型的筛滤器266，由6英寸的40号不锈钢管268制成，包括粗不锈钢网的第一滤网270，不锈钢网的第二锥形滤网272，其不锈钢网眼没有第一滤筛270粗大，和由细不锈钢网制成的第三滤网274。比如，在一个实例中，第一滤网270由50到75目的不锈钢网形成，第二滤网272由75到100目的不锈钢网形成，第三滤网274由100到150目的不锈钢网形成。在另一个实施例中，其中的两个滤网270和274由相同目数的筛网形成，比如是40目的不锈钢网或更细的筛网，以较不紧密或更紧密方式填充以获得所需效果。即，滤网270可由网层或筛网形成，较松地卷在一起，形成较不密，或表面积较小的填充物，筛网274可由相同的网层或筛网材料形成，但是更紧地卷成更密，或表面积更大的填充物。
CO2筛滤器266A和266b常常会被捕集的固体CO2阻塞或堵塞。因此，如果使用一个过滤器，比如266A来从液体天然气流中捕集CO2的话，则可以在另一个过滤器266B中以逆流方式通过一股温度较高的天然气流，将CO2吹走。比如，可以从水净化循环之后通过第四热交换器275引入气体，表示为接点276C和276B，使其流过并清洁CO2筛滤器266B。可以在通过热交换器275并进入CO2筛滤器266B之前，使气体先流过一个或多个调压阀277，对过程中的压力和流动状态进行控制。
在清洁过滤器266B时，清洁气体可以被排放回到盘管型热交换器224中，其连接处表示为301B和301C。通过适当的阀和管道能换接过滤器266A和266B并在需要时将其彼此隔断。除去积聚在过滤器上CO2固体的其他方法是本领域普通技术人员已知的。
经过过滤的液体天然气离开液化装置102″，如上所述进行储存。可以在从液化装置入口和出口的管道之间放置一个故障开启型阀279，当液化装置102″中或外部天然气源，比如储罐116(附图1)出现失常情况时，作为故障安全器。
在旋液分离器258中形成的增稠泥浆离开底流口262并通过管道278流向热交换器224，帮助冷却流过的处理流154’。从液体/蒸气分离器180通过管道182’的蒸气，经过背压控制阀280A，与一部分通过管道259离开热交换器224的气体混合，形成混合冷却流257。流过管道259的混合冷却流257进一步起到“补充”的作用，当通过背压控制阀280A的流速太低时，保持排放器282正常工作。优选将背压控制阀280B设置成比压力控制阀280A高几个psi，使混合冷却流257保持正确方向的流动。然后混合冷却流257通过排放器282。在高效热交换器166和盘管型热交换器224之间从处理流中被引出的动力(motive)流284，也流过排放器，并起到将混合冷却流257引入一个或多个罐入口252A-252I的作用(附图5B)。一种典型的排放器282配置成使其能在动力流约为764psia的压力，温度约为-105，抽吸流压力约是35psia以及温度约为-240，排放压力约是69psia的条件下操作。这种排放器可以从Dover，New Jersey的Fox Valve Development Corp.获得。
通过冷却流170’，混合冷却流257或者底流278被引入热交换器224中的COX浆料，在一个或多个冷却盘管232A-232c上，向下流过热交换器224，使固体CO2升华。这产生温度高到足以除去其中的固体CO2的冷却流286。离开热交换器224的冷却流286与从涡轮膨胀机156中流出的膨胀的冷却流152’混合，形成混合冷却流178’，用于冷却高效热交换器166中的压缩的处理流154’。离开热交换器166时，混合冷却流178’进一步与流过所述连接处136A的各种其他气体组分混合，以排入管道104的下游部分130中(附图1)。
参见附图10，其为本发明另一个实例的液化装置102。液化装置102基本上以与附图4的液化装置102’相同的方式操作，但有一些微小的改进。
第四热交换器222按顺序位于高效热交换器166’和热交换器224之间的处理流的流动途径上。热交换器222与除去CO2有关，主要起到对在循环的较后位置从处理流中除去的固体CO2加热的作用，这将在下文详细说明。第四热交换器222还能帮助冷却气体，为液化和除去CO2作准备。
在旋液分离器258中形成的增稠泥浆离开底流口262并通过管道278’流至热交换器222处，其中增稠泥浆的密度减小。当CO2浆料离开热交换器222时，其与任何通过液化装置入口128(来自附图1所示的储罐116)进入的蒸气以及从液体/蒸气分离器180通过管道182’的蒸气混合，形成混合冷却流257’。混合冷却流257’通过背压控制阀280A，然后通过排放器282。在热交换器222和热交换器224之间从处理流中引出的动力流284’也流过排放器，起到将混合冷却流158引入一个或多个罐入252A-252I(附图5B)的作用。
在附图4所示的实例中，通过冷却流170’或混合冷却流257被引入热交换器224的CO2浆料，在一个或多个冷却盘管232A-232c上，向下流过热交换器224，使固体CO2升华。这产生温度高到足以除去其中的固体CO2的冷却流286。离开热交换器224的冷却流与从涡轮膨胀机156流出的膨胀的冷却流152’混合，形成混合冷却流178’，用来冷却高效热交换器166中的压缩的处理流154’。离开热交换器166时，混合冷却流178’进一步与流过所述连接136A的各种其他气体组分混合，以排入管道104的下游部分130中(附图1)。
在上述讨论的实例中，CO2筛滤器266A和266B可能需要常常进行清洁或吹扫。但是，在附图10所示的实例中，可以在水净化循环之后在接点276C引出气体，进入接点276A或276B，流过并清洁CO2筛滤器266A或266B。在清洁过滤266B时，清洁气体可以被排放回到管道104(附图1)中，表示为接点136E或136F和136A。通过合适的阀和管道，能换接过滤266A和266B，并按要求将其彼此隔断。除去积聚在过滤器上的CO2固体的其他方法是本领域普通技术人员已知的。经过过滤的液体天然气离开液化装置102″，如上所述进行储存。
现在参见附图11A和12，其为液化装置102的差压回路300。差压回路300被设计成能根据压缩的处理流154’和产物流172’之间的平衡进入正好，在液体/蒸气分离器180之前的JT阀176’的流体。JT阀174’位于冷却流170’中，起到主控制阀的作用，使从热交换器224离开的大部分流体能通过，在产物流172’中保持正确的温度。在常规操作条件下，假设气体总是会流过JT阀174’。打开JT阀174’，增加返回进入热交换器224的流体，从而降低产物流172’中的温度。相反，限制流体通过JT阀174’会导致增加产物流172’中的温度。
JT阀176’位于产物流172’中，在控制产物流172’温度时出现变化或者在压缩机158操作时发生波动的情况下，起到平衡产物流172’中任何过量流体的作用。
压差控制(PDC)阀302位于压缩的处理流154’和产物流172’之间并与之相连(在附图4中也表示连接处301A和301B)。控制管道304被连接于PDC阀302的低压侧306和JT阀176’的控制器308之间。PDC阀302和JT阀176’的控制器308在压力抵销方面都是偏置的(即，用弹簧)，以补偿处理流154’流过包括热交换器166，222(如果使用的话)和224的回路时产生的压力损失。
以下是压差回路300在某些典型条件下工作的例子。
在一种情况下，由于压缩机158中的波动，使压缩的处理流154’的压力和流量增加。当压缩的处理流154’的压力增加时，PDC阀302的高压侧310使PCD阀302打开，从而增加JT阀176’的控制管道304和控制器308中的压力。流过各个热交换器之后，会在产物流172’中产生新的压力。在通过JT阀174’使流量保持情况下，在产物流172’中产生过多的处理流体，导致经过热交换器产生更小的压力损失，使产物流172’中的压力接近于压缩的处理流154’的压力。可以用PDC阀302感应产物流172’中增加的压力，使该阀关闭，从而克服控制管道304中的压力和控制器308的偏置因素。结果是，JT阀176’打开，增加通过的流量。当通过JT阀176’的流量增加时，能够降低产物流172’中的压力。
在第二种情况下，压缩的处理流154’中的压力和流量都处于稳定状态。这时压缩机产生比JT阀174’所移除的更大的流量，导致产物流172’中的压力增加。随着产物流中压力的建立，PDC392阀和JT阀176’会发生如第一种情况中所述的动作，以降低产物流172’中的压力。
在第三种情况下，JT阀174’突然打开，增加经过热交换器224和166的压力损失，从而降低产物流172’中的压力。用PDC阀302感应产物流172’中的压力损失，从而驱动控制器308关闭JT阀176’，直至流体回到平衡状态。
在第四种情况下，JT阀174’突然关闭，使产物流172’中出现压力峰。这时，用PDC阀302感应压力的增加，从而驱动控制器308打开JT阀176’，释放过多的压力/流量，直至压力和流量回复平衡状态。
在第五种情况下，由于压缩机中的波动，导致压缩的处理流154’中的压力降低。使回路300发生响应，暂时关闭JT阀176’，直至产物流172’中的压力和流量达到平衡。
JT阀174’是差压回路300的一个重要部件，因为其起到在压缩的处理流154’通过热交换器224之后，保持冷却流170’和产物流172’之间互相分隔的作用。JT阀174’通过保持离开热交换器224的管道256中的流体温度来起到这个作用。当管道256中(以及由此在冷却流170’和处理流172’中)的温度降至低于要求温度时，可以调节通过JT阀174’的流量，减小对热交换器224的冷却作用。相反，当管道256中的温度升高至超过要求温度时，可以调节通过JT阀174’的流量，对热交换器224提供额外的冷却。
现在参见附图11b，其为优选的回路300’。回路300’的操作一般与上述回路300的相同，但是300中使用了机械控制，而回路300’是电-气动控制的。回路300和300’之间的主要区别包括用压力传感器374和376以及导电线370’和372’代替压力感应管道370和372。而且，用电控制器302’和电-气动感应管线304’代替差压调节器302和控制管道304，并用电流-气动(I/P)导频控制器308’代替控制器308。要注意的是，使用回路300或300’时，应使其与能从154’到172’提供压力降的任意数量的热交换器共同工作。
参见附图12，其为本发明另一个实例的液化装置102″″和过程。液化装置102″″基本上以与附图10的液化装置相同的方式操作，进行了一些微小的改进。没有使来自旋液分离器258的增稠C02泥浆通过热交换器222(附图10)，而是用泵320调节增稠的CO2泥浆回到热交换器224中的流量。液化装置102″″的结构消除了使用附加热交换器(即，附图10的222)的需要。但是，增稠CO2泥浆的流量会受到附图10所示结构中泵流量和增稠泥浆密度的限制。
参见附图13，其为根据附图4所述液化装置102″的一个实例的典型实际结构。为了观察的需要，所示液化装置102″没有侧壁或顶面。基本上整个液化装置102″都被固定在如导轨330的支撑结构上，使液化装置102″能按需要进行移动和运输。以下指出液化装置102″的一些主要部件，涡轮膨胀机156/压缩机158位于导轨330的右方。操作者332位于涡轮膨胀机156/压缩机158旁边，以此作为液化装置102″整个构架尺寸的参考。总的来说，整个液化装置的配置成约30英尺长，17英尺高和8又1/2英尺宽。但是，可以按照要求缩小或放大整个液化装置的尺寸。
用于升华固体CO2的高效热交换器166和热交换器224位于导轨330的左方。可看到并联的CO2过滤器266A和226B与热交换器224相邻。导线334从导轨330延伸至远距离位置，比如独立板335或控制室，用以控制各部件，比如涡轮膨胀机156/压缩机158，这是本领域技术人员知晓和理解的。另外，气动和/或液压管道可以从导轨330延伸出来用以进行控制，或者在需要时使用外部动率输入。要注意的是，通过将控制器，或至少是一些控制器置于远距离，能降低成本，因为这些置于远距离的控制器和设备不需要具备例如防爆外壳或其他***件，而如果它们位于导轨330上时，这些是防爆外壳和***件是要求的。
还注意到有构架340被固定在导轨330上，基本上能包围液化装置102″。第一部分342具有第一高度，基本包围涡轮膨胀机156和压缩机158周围的空间。第二节344基本上占据热交换器166，224，过滤器266A和266B以及在低温下操作的其他部件周围的空间。第二部分344包括两个亚部分344A和344B，其中亚部分344A基本上与第一部分342等高。亚部分344B在第一部分342的高度上方延伸，如下文所述为了运输可以将其拆除。为了使不希望有的热传递减至最少，与液化装置102″相连的管道可以是隔热的。或者，在连接隔热管道与选定部件时，用隔热壁346将第一部分342与第二部分344分开，并与液化装置102″的外部环境隔绝。另外，将隔热壁放在液化装置102″***的构架340上，至少使液化装置102″的一部分与环境温度条件隔绝，否则会降低液化装置102″的效率。而且，除了互连管道之外，各个部件也可以是各自隔绝的，包括但并不限于分离罐180，过滤模件266A，B，和热交换器166和224。
参见附图14，液化装置102″，或是其绝大部分，例如可装载在拖车350上，能被卡车352运输至装置地点。或者，支撑结构起到拖车作用，导轨330配有轮子，悬架和挂钩，能一端固定在卡车352上，另一组轮子354位于另一端。其他运输方式对本领域普通技术人员而言是显而易见的。
注意到上亚部分344B已经被移开，虽然附图中没有清楚表示，但是一些较大的部件，比如高效热交换器166和固体CO2处理热交换器224已经被移开。这样可能允许运输液化装置而不需要特别的许可(即，载货宽度，负载过大，等)，同时能保持液化装置基本完整。
还要注意的是，液化装置可以包括只需要最少操作输入的控制器。事实上，可能最好希望液化装置102-102″″工作时都不需要现场操作者。因此，通过正确的编程和控制设计，液化装置能通过远程遥测对液化装置的操作进行监控和/或调节。类似地，这些控制器中也装有各种警报器，能在液化装置处于失常状态下警告远程操作者或将其关闭。一种适用的控制器例如是从Cumming，Georgia的Automation Direct购得的DL405系列可编程逻辑控制器(PLC)。
虽然主要根据天然气的液化对本发明进行说明，但是要注意的是，本发明可以仅用于除去任何较“脏”气流中的气体组分，比如CO2。另外，还可以处理其他气体并除去其他气体组分，比如氮气等。因此本发明并不限于天然气的液化和从中除去CO2。
实施例
参见附图4和15，说明在液化装置102″中进行的过程实例。注意到附图14是与附图4(与附图3的另加部件结合——比如压缩机154和膨胀机156等)相同的工艺流程图，但是为了清楚起见省略了部件的标号。上文参考附图4已说明了总过程，以下将根据计算的液化装置102″的操作设计，列出整个液化装置中各位置处气体/液体/浆料的典型条件，这里将其称为状态点。
在状态点400处，气体离开分配管道进入液化装置，气体状态是，约60，压力约是440psia，流量约是10000lbm/hr。
在状态点402和404处发生分流，约有5056lbm/hr的流体通过状态点402，约有4945lbm/hr的流体通过状态点404，每个状态点的温度和压力都与状态点400相似。
在状态点406处，流体离开涡轮膨胀机156，气体状态是，约-104，压力约是65psi a。在状态点408处，气体离开压缩机158，气体状态是，约187，压力约是770psia。
状态点410位于第一热交换器220之后和高效热交换器166之前，气体状态是，约175，压力约是770psia。状态点412位于水净化之后和通过高效热交换器166的中途，气体状态是，约-70，压力约是766psia，流速约是4939lbm/hr。
在状态点414处，气体离开高效热交换器166，约是-105，压力约是763psia。
在状态点418处，流过产物流172’的状态是，约-205，压力约是761psia，流速约是3735lbm/hr。状态点420位于通过Joule-Thomson阀之后，和进入分离器180之前，该产物流转变为气体，液体天然气，和固体CO2的混合物，约是-240，压力约是35psia。固体CO2和液体天然气的浆料离开分离器180时具有类似的温度和压力，但是其流速约是1324lbm/hr。
在状态点422处，浆料压力经泵260升高，至约114psia的压力和约-236的温度。在状态点424处，经旋液分离器258分离后，液体天然气的状态是，约-240，压力约是35psia，流速约是1059lbm/hr。在其离开液化装置102″进入储存容器时，液体天然气的状态将基本保持相同。
在状态点426处，增稠的泥浆(包括固体CO2)离开旋液分离器258，约是-235，压力约是-68.5psia，流速约是265lbm/hr。
在状态点430处，气体离开分离器180，约是240，压力约是35psia，流速约是263lbm/hr。
在状态点434处，进入排放器的动力流中的气体，约是-105和约764psia。状态点434处的流速约是1205lbm/hr。在状态点436处，在排放器之后，混合流约是-217和约70psia，混合流速约是698lbm/hr。
在状态点438处，在JT阀174’之前，气体约是-205，压力约是761psia，流速约是2147lbm/hr。在状态点440处，在通过JT阀174’从而形成固体CO2之后，浆料约是-221，压力约是68.5psia。
在状态点442处，离开热交换器224时，气体温度约是-195，压力约是65psia。状态点442处的流速约是3897lbm/hr。在状态点444处，在两股流体混合后，气体温度约是-151，压力约是65psia。
在状态点446处，离开高效热交换器166时，并且在被排放进入管道104中之前，气体温度约是99，压力约是65psia。状态点446处的流速约是8962lbm/hr。
通过以上说明，能够理解本文所述液化过程提供了—种生产LNG的低成本，高效和有效的方法，无须在将气体导入液化循环之前对气体进行“预纯化”。这样就能使用住宅和工业供应管线中的较“脏”的气体，并且不需要昂贵的预处理设备，能显著降低处理这种较“脏”气体的操作成本。
虽然可以对本发明进行各种改进和替换，但是已经通过附图中的例子显示并详细说明了具体实例，因此应理解本发明并不限于公开的具体形式。相反，本发明包括在以下所附权利要求书所述的本发明精神和范围内的所有改进，等同形式和替换形式。

Claims (69)

1.一种从包含至少一种其他组分的大量天然气中除去二氧化碳的方法，该方法包括：
使该大量天然气中的至少一部分冷却，形成至少包含液体天然气和固体二氧化碳的浆料；
使该浆料流入旋液分离器中；
形成包含固体二氧化碳和部分液体天然气的增稠泥浆；
使这种增稠泥浆流过旋液分离器的底流口；和
使液体天然气的其余部分流过旋液分离器的溢流口。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在冷却和随后形成浆料之前压缩该大量天然气。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对该大量天然气中的至少一部分冷却包括使该至少一部分流过至少一个热交换器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括使该大量天然气的至少另一部分发生膨胀，形成一股冷却流并使该冷却流流过该至少一个热交换器，冷却该大量天然气中的至少一部分。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对该大量天然气中的至少一部分冷却包括使该天然气中的至少一部分发生膨胀。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括使液体天然气的其余部分流过至少一个筛滤器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使液体天然气的其余部分流过至少一个筛滤器包括使液体天然气的其余部分流过多个筛滤器。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对该大量天然气中的至少一部分冷却包括使用该增稠泥浆作为致冷剂。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括从未纯化的天然气源引出该大量天然气。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括形成增稠泥浆的蒸气并将该蒸气排放回到未纯化的天然气源中。
11.一种从包含至少一种其他组分的大量天然气中除去二氧化碳的***，该***包括：
压缩机，其配置成从该大量天然气中的至少一部分中产生压缩的天然气流；
至少一个热交换器，其位置和配置使其能接受并冷却该压缩的流体；
若干装置，其位置和配置使其能接受该冷却和压缩的流体并使之膨胀，形成包含液体天然气和固体二氧化碳的浆料；
旋液分离器，其位置和配置使其接受浆料，并将浆料分成第一部分液体天然气和的增稠泥浆，该增稠泥浆含有固体二氧化碳和第二部分液体天然气。
12.如权利要求11所述的***，其特征在于，该***还包括涡轮膨胀机，其位置和配置使其接受该大量天然气的至少另一部分，并由此产生膨胀的天然气冷却流，该涡轮膨胀机与压缩机机械连接以带动该压缩机。
13.如权利要求12所述的***，其特征在于，该至少一个热交换器的位置使其以相对于压缩的流体是逆流的方式接受膨胀的冷却流流过。
14.如权利要求13所述的***，其特征在于，该***还包括过滤器，其位置和配置使其在该压缩的流体流过该至少一个热交换器时从该流体中除去水。
15.如权利要求14所述的***，其特征在于，该***还包括至少一个筛滤器，其位置和配置使其接受第一部分液体天然气通过。
16.如权利要求15所述的***，其特征在于，该至少一个筛滤器包括多个由不锈钢网制成的筛滤器，该筛滤器按顺序放置在第一部分液体天然气的流动途径中，每个沿流动途径依次放置的过滤器具有比沿流动途径上游的相邻筛滤器更小的网眼尺寸。
17.如权利要求11所述的***，其特征在于，该至少一个热交换器包括含有至少一个高效热交换器的多个热交换器。
18.如权利要求17所述的***，其特征在于，该至少一个高效热交换器包括多块铝板。
19.如权利要求18所述的***，其特征在于，该多个热交换器包括管壳式热交换器。
20.如权利要求19所述的***，其特征在于，该管壳式热交换器包括多个垂直堆放于不锈钢罐中的不锈钢盘管。
21.如权利要求11所述的***，其特征在于，该***还包括液-气分离器，其位置和配置使其在浆料进入旋液分离器之前接受浆料并从天然气蒸气中分离浆料。
22.一种液化装置，包括：
液化装置入口，其配置使其与未纯化的天然气源密封连接并且流体相通；
涡轮膨胀机，其位置和配置使其接受第一股流过液化装置入口的天然气并产生一股膨胀的冷却流；
与涡轮膨胀机机械连接的压缩机，其位置和配置使其接受第二股流过液化装置入口的天然气流并产生一股压缩的处理流；
第一热交换器，其位置和配置使其接受以逆流方式布置的压缩的处理流和膨胀的冷却流，以对压缩的处理流进行冷却；
第一膨胀阀，其位置和配置使其接受并膨胀冷却和压缩的处理流的第一部分，形成一股附加冷却流，该液化装置还包括导管结构，该结构在膨胀的冷却流进入第一热交换器之前使附加冷却流与膨胀的冷却流混合；
第二膨胀阀，其位置和配置使其接受并膨胀冷却和压缩的处理流的第二部分，由此形成气-固-液的混合物；
气-液分离器，其位置和配置使其接受该气-固-液混合物；和
液化装置第一出口，其位置和配置使其与储存容器密封连接并且液体相通，该气-液分离器的位置和配置使其将其包含的液体送入该液化装置第一出口；和
液化装置第二出口，其位置和配置使其与未纯化的气源密封连接并且流体相通，并在所述膨胀的冷却流通过热交换器之后使该膨胀的冷却流排入未纯化的气源。
23.如权利要求22所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括旋液分离器，该旋液分离器可操作地连接于气-液分离器和液化装置第一出口之间。
24.如权利要求23所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括泵，该泵可操作地被连接于该旋液分离器和该气-液分离器之间，用于控制要引入该旋液分离器中的液体的状态。
25.如权利要求23所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括至少一个筛滤器，该筛滤器位于该旋液分离器和该液化装置第一出口之间。
26.如权利要求25所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括除去水的过滤器，该过滤器位于该压缩的处理流的滚动途径之内，其位置在第一热交换器之内的该滚动途径上。
27.如权利要求26所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括个分离罐，位于与过滤器相邻的该压缩的处理流的流动途径之内。
28.如权利要求27所述的液化装置，其特征在于，该第一热交换器包括多块耐腐蚀板。
29.如权利要求28所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括第二热交换器，其位置和配置使其接受冷却和压缩的处理流通过。
30.如权利要求29所述的液化装置，其特征在于，该第二热交换器包括多个垂直堆放在耐腐蚀罐中的耐腐蚀盘管。
31.如权利要求30所述的液化装置，其特征在于，该多个垂直堆放的耐腐蚀盘管中的至少一个包含不锈钢。
32.如权利要求31所述的液化装置，其特征在于，该耐腐蚀罐包含不锈钢。
33.如权利要求30所述的液化装置，其特征在于，该第二热交换器包括至少一个最内的水套，该水套位于至少一个垂直堆放的耐腐蚀盘管之内。
34.如权利要求33所述的液化装置，其特征在于，该至少一个最内的水套由不锈钢组成。
35.如权利要求30所述的液化装置，其特征在于，该第二热交换器包括至少一个最靠外的水套，该水套位于至少一个垂直堆放的耐腐蚀盘管和耐腐蚀罐之间。
36.如权利要求35所述的液化装置，其特征在于，该至少一个最外的水套由不锈钢组成。
37.如权利要求30所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括支撑结构，其中涡轮膨胀机，压缩机，第一热交换器，第二热交换器，旋液分离器，至少一个筛滤器，液体过滤器，气-液分离器和分离罐分别装在该支撑结构上。
38.如权利要求30所述的液化装置，其特征在于，该支撑结构是约8英尺宽，约30英尺长。
39.如权利要求38所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括固定在支撑结构上的构架，该构架基本上限定了该液化装置的外部空间轮廓。
40.如权利要求39所述的液化装置，其特征在于，该构架具有约17英尺的标称高度。
41.如权利要求40所述的液化装置，其特征在于，该构架至少包括第一部分和能被拆除的第二部分，该能被拆除的第二部分可以被拆除，从而降低该构架的最大高度。
42.如权利要求39所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括至少一个被固定在构架上的隔热壁，其位置使涡轮膨胀机和压缩机位于该至少一个隔热壁的第一侧上，而第一热交换器和第二热交换器位于该至少一个隔热壁的相对的第二侧上。
43.如权利要求42所述的液化装置，其特征在于，该液化装置配置成使其能作为基本完整的整体进行运输。
44.如权利要求39所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括控制单元，该单元配置成便于对该液化装置进行远程遥测监视和控制。
45.如权利要求37所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括各自隔绝的部件连接管道。
46.如权利要求45所述的液化装置，其特征在于，该液化装置还包括各自隔绝的涡轮膨胀机，压缩机，第一热交换器，第二热交换器中的至少一个。
47.一种制造液体天然气的方法，该方法包括：
提供未纯化的天然气源；
使一部分天然气从气源中流出；
将这部分天然气分流成处理流和第一冷却流；
使该第一冷却流流过涡轮膨胀机并由此产生功输出；
用该涡轮膨胀机功输出带动压缩机做功；
使该处理流流过压缩机；
至少用该膨胀的冷却流冷却压缩的处理流；
将冷却和压缩的处理流分流成产物流和第二冷却流；
使该第二冷却流膨胀并使该膨胀的第二冷却流与该膨胀的第一冷却流混合；
使该产物流膨胀形成包含液体，蒸气和固体的混合物；
从该蒸气中分离该液体和固体；和
从该固体中分离至少一部分液体。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，将从固体中分离至少一部分液体包括使该固体和液体受到离心力。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，该方法还包括将该固体和至少另一部分液体与膨胀的第一冷却流和膨胀的第二冷却流混合。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，该方法还包括将该混合冷却流排放回到未纯化的天然气源中。
51.一种热交换器，包括：
罐；
至少两个彼此连接且位于罐中的盘管；
一个盘管入口，其与至少两个盘管中的第一盘管相连接；
至少两个盘管出口，其与所述至少两个盘管相连通；
至少一个流体转向器，选择性地位于所述至少两个盘管内，以选择性地使进入至少两个流动途径之间的盘管入口的流体转向，所述两个流动途径包括：
第一流动途径，其中所述流体流动通过所述盘管入口、第一盘管并通过所述至少两个盘管出口的第一盘管出口，和
第二流动途径，其中流体流动通过盘管入口、所述至少两个盘管的第一盘管和第二盘管并通过所述至少两个盘管出口的第二盘管出口，
至少两个罐入口，包括至少一个位置靠近第一盘管的第一罐入口和至少一个位置靠近第二盘管的第二罐入口；和
罐出口。
52.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该罐配置为压力容器。
53.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该罐包含不锈钢。
54.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该至少两个盘管包含不锈钢。
55.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该热交换器包括多个流体转向器。
56.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该至少一个流体转向器包含至少一个堵头。
57.如权利要求56所述的热交换器，其特征在于，该至少一个堵头包含具有第一组外螺纹的本体和一个能与安装工具共同配合的楔形头。
58.如权利要求56所述的热交换器，其特征在于，该至少一个堵头还包括一组形成于该楔形头中的内螺纹。
59.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该至少一个流体转向器包括阀。
60.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该至少一个流体转向器包括一个盲法兰。
61.如权利要求51所述的热交换器，其特征在于，该至少两个盘管包括三个盘管。
62.一种热交换器，包括：
罐，其具有多个罐入口和至少一个罐出口；
至少两个位于罐中的冷却盘管，串联连接在一起，其配置使第一股流体选择性地流过该至少两个个盘管中的一个或多个，其中该多个罐入口中的至少一个罐入口与该至少两个冷却盘管中的每一个相连，并配置成使第二股流体选择性地流过一个或多个与第一股流体选择性流过相对应的罐入口。
63.一种从大量天然气中除去二氧化碳的方法，包括：
冷却至少一部分天然气形成包括液体天然气和固体二氧化碳的浆料；
使该浆料流过旋液分离器；
通过该旋液分离器的底流口除去固体二氧化碳和部分液体天然气。
64.如权利要求63所述的方法，其特征在于，冷却至少一部分天然气形成浆料包括使该至少一部分天然气发生膨胀。
65.如权利要求63所述方法，其特征在于，冷却至少一部分天然气形成浆料包括使该至少一部分天然气流过至少一个热交换器。
66.如权利要求63所述的方法，其特征在于，冷却至少一部分天然气形成浆料包括使该至少一部分天然气流过至少一个Joule-Thomson阀。
67.如权利要求63所述的方法，其特征在于，该方法还包括使一部分液体天然气流过该旋液分离器的溢流口并通过过滤器。
68.如权利要求63所述的方法，其特征在于，该方法还包括在使该至少一部分天然气流过该旋液分离器之前，从该至少一部分天然气中除去水。
69.如权利要求63所述的方法，其特征在于，该方法还包括使至少另一部分天然气流过膨胀机并由此做功，用膨胀机所做的功压缩该至少一部分天然气，并用该膨胀的至少另一部分天然气对该压缩的至少一部分天然气进行部分冷却。
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