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整體式預(yù)冷卻混合制冷系統(tǒng)和方法

文檔序號(hào):4781626閱讀:177來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):整體式預(yù)冷卻混合制冷系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大體上涉及用于冷卻或液化氣體的工藝和系統(tǒng),更具體而言,涉及用于冷卻或液化氣體的改進(jìn)的混合制冷系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)
天然氣(其主要是甲烷)及其它氣體在壓力下液化以存儲(chǔ)和運(yùn)輸。因液化導(dǎo)致的體積減小使得可以使用更實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)的容器。液化典型地通過(guò)由一個(gè)或多個(gè)制冷循環(huán)進(jìn)行的間接熱交換對(duì)氣體進(jìn)行冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于所需設(shè)備的復(fù)雜性和所需的制冷劑性能的效率,這樣的制冷循環(huán)在設(shè)備成本和操作兩方面的代價(jià)較高。因此,目前需要一種具有改進(jìn)的制冷效率并且操作成本降低、復(fù)雜性降低的用于氣體冷卻和液化的系統(tǒng)。將天然氣液化需要將天然氣物流冷卻至大致_160°C至_170°C,然后使壓力降低 至接近環(huán)境溫度。圖I顯示了甲烷在60巴(bar)壓力下、甲烷在35巴壓力下以及甲烷和乙烷的混合物在35巴壓力下的典型溫度-焓曲線(xiàn)。該S形曲線(xiàn)有三個(gè)區(qū),在約-75°C以上時(shí)氣體是非過(guò)熱的(de-superheating),并且在大約_90°C以下液體過(guò)冷(subcooling)。在這兩個(gè)區(qū)之間的相對(duì)平坦的區(qū)域中,氣體被冷凝成液體。由于60巴曲線(xiàn)在臨界壓力之上,因此只存在一種相態(tài)(phase);但是其比熱大,接近臨界溫度,并且冷卻曲線(xiàn)與壓力較低的曲線(xiàn)近似。包含5%乙烷的曲線(xiàn)顯示了雜質(zhì)的影響,其改變了露點(diǎn)和起泡點(diǎn)。制冷工藝對(duì)于為使天然氣液化提供冷卻來(lái)說(shuō)是必要的,最高效的工藝將具有在其整個(gè)范圍內(nèi)均與圖I所示冷卻曲線(xiàn)接近到幾度之內(nèi)的加熱曲線(xiàn)。然而,由于冷卻曲線(xiàn)的S形形式和大溫度范圍,很難設(shè)計(jì)這樣的制冷工藝。純組分制冷劑工藝因其平坦的蒸發(fā)曲線(xiàn)在兩相的區(qū)域中效果最好,而多組分制冷劑工藝因其傾斜的蒸發(fā)曲線(xiàn)更適于非過(guò)熱區(qū)和過(guò)冷區(qū)。這兩種類(lèi)型的工藝以及二者的混合已被開(kāi)發(fā)用于使天然氣液化。級(jí)聯(lián)式、多級(jí)、純組分循環(huán)最初使用了諸如丙烯、乙烯、甲烷和氮的制冷劑。通過(guò)足夠多的級(jí),這樣的循環(huán)可生成接近圖I所示冷卻曲線(xiàn)的凈熱(net heating)曲線(xiàn)。然而,由于隨著級(jí)數(shù)增加需要額外的壓縮機(jī)組,機(jī)械復(fù)雜性變得非常高。這樣的工藝在熱力學(xué)上是低效的,因?yàn)榧兘M分制冷劑恒溫蒸發(fā)而不是遵循天然氣冷卻曲線(xiàn),并且制冷閥將液體不可逆地閃蒸為蒸汽。由于這些原因,已在尋求改進(jìn)的工藝以降低資金成本,減少能量消耗,并且改善操作性能。Manley的第5,746, 066號(hào)美國(guó)專(zhuān)利描述了一種用于乙烯回收的類(lèi)似制冷需求的級(jí)聯(lián)式、多級(jí)、混合制冷劑工藝,其消除了級(jí)聯(lián)式多級(jí)純組分工藝的熱力學(xué)效率低的問(wèn)題。這是因?yàn)橹评鋭┳裱瓪怏w冷卻曲線(xiàn)在溫度升高時(shí)蒸發(fā),并且液體制冷劑在閃蒸之前被過(guò)冷,因此降低了熱力學(xué)不可逆性。此外,機(jī)械復(fù)雜性稍微低些,因?yàn)閮H需要兩個(gè)不同的制冷劑循環(huán),而不是純制冷劑工藝所需的三個(gè)或者四個(gè)。Newton的第4,525,185號(hào)、Liu等人的第 4, 545, 795 號(hào)、Paradowski 等人的第 4, 689, 063 號(hào)和 Fischer 等人的第 6, 041, 619 號(hào)美國(guó)專(zhuān)利都顯示了對(duì)如Stone等人的第2007/0227185號(hào)和Hulsey等人的第2007/0283718號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)中所做的這種應(yīng)用于天然氣液化的方案的變體。
這種級(jí)聯(lián)式、多級(jí)、混合制冷劑工藝是已知最有效的,然而,對(duì)于大多數(shù)工廠(chǎng)來(lái)說(shuō),期望一種能夠更易操作的、更簡(jiǎn)單的、有效的工藝。Swenson的第4,0633, 735號(hào)美國(guó)專(zhuān)利描述了一種單混合制冷劑工藝,其僅需要一個(gè)壓縮機(jī)用于制冷工藝,并且其進(jìn)一步降低了機(jī)械復(fù)雜性。然而,主要由于兩個(gè)原因,這種處理消耗了比級(jí)聯(lián)式、多級(jí)、混合制冷劑工藝稍多一些的功率。首先,很難(如果并非不可能)找到將生成接近符合圖I所示的典型天然氣冷卻曲線(xiàn)的凈熱曲線(xiàn)的單混合制冷劑組合物。這樣的制冷劑必須由一系列相對(duì)高沸點(diǎn)和相對(duì)低分店的組分組成,并且其沸點(diǎn)溫度在熱力學(xué)上受相平衡的約束。此外,沸點(diǎn)較高的組分是受限的,這是因?yàn)樗鼈儽仨氃谧畹蜏囟葧r(shí)不會(huì)凝固。由于這些原因,在冷卻過(guò)程中的若干時(shí)間點(diǎn)上必然會(huì)發(fā)生相對(duì)大的溫度差異。圖2顯示了在Swenson的’ 735專(zhuān)利的工藝中的典型復(fù)合物加熱和冷卻曲線(xiàn)。第二,對(duì)于單混合制冷劑工藝,制冷劑中的所有組分均被攜帶至最低溫度水平,SP使較高沸點(diǎn)的組分僅在工藝中的制冷部分的較熱端提供制冷。這需要能量來(lái)冷卻和再加熱這些在較低溫度時(shí)為“惰性(inert) ”的組分。這既不是級(jí)聯(lián)式多級(jí)純組分制冷工藝,也不·是級(jí)聯(lián)式多級(jí)混合制冷劑工藝。為減輕這第二點(diǎn)的低效問(wèn)題并且也解決第一點(diǎn),已開(kāi)發(fā)了許多方案,其將較重餾分從單混合制冷劑中分離出來(lái),在較高溫度水平的制冷中使用該較重餾分,然后將其與較輕餾分重新合并,用于后續(xù)壓縮。Podbielniak的第2,041,725號(hào)美國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明了描述了一種實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容的方法,其在低于環(huán)境溫度時(shí)將若干個(gè)相分離級(jí)結(jié)合起來(lái)。Perret的第
3,364, 685 號(hào)、Sarsten 的第 4, 274, 849 號(hào)、Garrier 等人的第 4, 274, 849 號(hào)、Fan 等人的第4,901,533 號(hào)、Ueno 等人的第 5,813,250 號(hào)、Arman 等人的第 6,065,305 號(hào)、Robers 等人的第6,347,531號(hào)美國(guó)專(zhuān)利和Scmidt的第2009/0205366號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)內(nèi)容也顯示了該方案的變體。當(dāng)認(rèn)真地設(shè)計(jì)時(shí),即使物流不在平衡時(shí)重新合并是熱力學(xué)低效的,其也可改進(jìn)能量效率。這是因?yàn)檩^輕和較重的餾分在高壓下被分離,然后在低壓下重新合并,因此它們可在單個(gè)壓縮機(jī)中一起被壓縮。無(wú)論何時(shí)物流在平衡狀態(tài)下被分離,被分別處理,然后在非平衡條件下被重新合并,都會(huì)出現(xiàn)熱力學(xué)損失,其在根本上提高了功率消耗。因此,這種分離的次數(shù)應(yīng)該被最小化。所有這些工藝均在制冷工藝的不同地方使用了簡(jiǎn)單的蒸汽/液體平衡,以從較輕的一方中分離出較重餾分。然而,簡(jiǎn)單的一級(jí)蒸汽/液體平衡分離并不能像使用具有回流的多平衡級(jí)完成的那樣濃縮這些餾分。較大的濃度允許在分離在特定溫度范圍上提供制冷的組合物時(shí)具有較大的精度。這提高了加工能力以符合圖I中的S型冷卻曲線(xiàn)。Gauthier的第4,586,942號(hào)和Stochmann等人的第6,334,334號(hào)美國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明了在上述環(huán)境壓縮機(jī)組中如何采用分餾以在不同溫度區(qū)域中進(jìn)一步濃縮用于制冷的分離餾分,并由此改進(jìn)總的工藝熱力學(xué)效率。濃縮餾分和降低其蒸發(fā)溫度范圍的第二個(gè)原因是要確保在它們離開(kāi)工藝的制冷部分時(shí)其被完全蒸發(fā)。這完全利用了制冷的潛熱,并排除了液體到下游壓縮機(jī)的夾帶。出于相同的原因,重餾分液體通常作為工藝的一部分被重新注入制冷劑的較輕餾分中。將重餾分分餾降低了重新注入時(shí)的閃蒸,并且改進(jìn)了兩相流體的機(jī)械分布。正如Stone等人的第2007/0227185號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)內(nèi)容所說(shuō)明的,已知從該工藝的制冷部分中移除部分蒸汽化的制冷物流。Stone等人這樣做是由于機(jī)械的(而非熱力學(xué)的)原因,并且是在需要兩種單獨(dú)制冷劑的級(jí)聯(lián)式、多級(jí)、混合制冷工藝的背景下。此夕卜,在壓縮之前,部分蒸汽化的制冷物流在與它們先前所分離出的蒸汽餾分重新合并之時(shí),立即被完全蒸汽化。


圖I是甲烷在35巴和60巴壓力下和甲烷與乙烷的混合物在35巴壓力下的溫度一焓曲線(xiàn)的圖示;圖2是現(xiàn)有技術(shù)工藝和系統(tǒng)的復(fù)合物加熱和冷卻曲線(xiàn)的圖示;圖3是說(shuō)明本發(fā)明的工藝和系統(tǒng)的實(shí)施方式的工藝流程圖和示意性說(shuō)明;圖4是圖3中工藝和系統(tǒng)的復(fù)合物加熱和冷卻曲線(xiàn)的圖示;圖5是說(shuō)明本發(fā)明的工藝和系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的工藝流程圖和示意性說(shuō)明;
圖6是說(shuō)明本發(fā)明的工藝和系統(tǒng)的第三實(shí)施方式的工藝流程圖和示意性說(shuō)明;圖7是說(shuō)明本發(fā)明的工藝和系統(tǒng)的第四實(shí)施方式的工藝流程圖和示意性說(shuō)明;圖8是提供了圖2和圖4中的復(fù)合物加熱和冷卻曲線(xiàn)的熱端餾分的放大圖的圖
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具體實(shí)施例方式依據(jù)本發(fā)明,并且如下文中所詳述的,如果在重餾分離開(kāi)工藝的主熱交換器時(shí)重餾分沒(méi)有完全蒸發(fā),則重餾分的簡(jiǎn)單平衡分離足以改善混合制冷劑工藝效率。這表示在壓縮機(jī)的抽吸處將存在一些液體制冷劑,并且這些液體制冷劑必須預(yù)先被分離并且被泵壓至更高壓力。當(dāng)液體制冷劑與制冷劑中蒸發(fā)的較輕餾分混合時(shí),壓縮機(jī)抽吸氣體被大大冷卻并且所需要的壓縮機(jī)功率進(jìn)一步減少。中間級(jí)過(guò)程中重餾分的平衡分離還減少了第二級(jí)或更高級(jí)的壓縮機(jī)上的負(fù)載,得到改進(jìn)的工藝效率。制冷劑的重組分也被阻擋在工藝的冷端以外,降低了制冷劑結(jié)冰的可能性。而且,在獨(dú)立的預(yù)冷卻制冷環(huán)路中使用重餾分導(dǎo)致加熱/冷卻曲線(xiàn)在熱交換器的熱端接近終止,帶來(lái)了對(duì)制冷的更高效的使用。這在圖8中進(jìn)行了最佳的解釋?zhuān)谶@里在被限定至+40°C到_40°C的相同軸上描繪了來(lái)自圖2(開(kāi)放曲線(xiàn))和圖4(閉合曲線(xiàn))的曲線(xiàn)。在圖3中提供了說(shuō)明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的實(shí)施方式的工藝流程圖和示意性說(shuō)明?,F(xiàn)在將參考圖3描述該實(shí)施方式的操作。正如在圖3中所說(shuō)明的,該系統(tǒng)包括多物流熱交換器(multi-streamheatexchanger),大體上以6表示,其具有熱端7和冷端8。該熱交換器接收較高壓力的天然氣進(jìn)料物流9,其在冷卻通路5中通過(guò)與交換器中的制冷劑物流熱交換來(lái)移除熱量而被液化。結(jié)果,產(chǎn)生液體天然氣產(chǎn)品的物流10。熱交換器的多物流的設(shè)計(jì)能夠?qū)⑷舾晌锪鞣奖闱夷芰扛咝У睾喜⒌絾蝹€(gè)交換器中。適合的熱交換器可購(gòu)自Chart Energy &Chemicals, Inc. ofWoodlands Texas??傻米訡hart Energy & Chemicals, Inc.的平面式和魚(yú)鰭式交換器提供了在物理上緊湊的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。包括熱交換器6在內(nèi)的圖3的系統(tǒng)可被配置成執(zhí)行在虛線(xiàn)框13表示的現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它氣體處理選項(xiàng)。這些處理選項(xiàng)可能要求氣體物流離開(kāi)并一次性或多次重新進(jìn)入熱交換器,并且可以包括,例如,天然氣液體回收或氮排斥。此外,雖然本發(fā)明的系統(tǒng)和方法在下文中是按照對(duì)天然氣的液化來(lái)描述的,但是它們可被用于冷卻、液化和/或處理除天然氣以外的氣體,包括但不限于空氣或氮。對(duì)熱量的去除是在圖3中所說(shuō)明的使用單混合制冷劑的熱交換器中以及該系統(tǒng)的剩余部分中完成的。在表I中說(shuō)明了這種制冷劑組合物、使用條件和該系統(tǒng)的制冷劑部分物流的流動(dòng),正如在下面所描述的。參考圖3的右上部分,第一級(jí)壓縮機(jī)11接收低壓蒸汽制冷劑物流12,并將其壓縮至中間壓力。物流14然后前行至第一級(jí)后冷卻器16,并在此處被冷卻。后冷卻器16可以是例如熱交換器,得到中間壓力混合相制冷劑物流18前行至級(jí)間鼓(interstage drum) 22,雖然所說(shuō)明的是級(jí)間鼓22,但可使用替代方案的分離裝置,包括但不限于另一種容器、旋風(fēng)分離器、蒸懼單元、聚結(jié)分離器(coalescing separator)或者網(wǎng)式或葉片式除霧器。級(jí)間鼓22同時(shí)接收由泵26提供的中間壓力液體制冷劑物流24,正如將要在下面更詳細(xì)地解釋的。在替代方案的實(shí)施方式中,物流24可改為在后冷卻器16的上游與物流14合并,或者在后冷卻器16的下游與物流18合并。 物流18和24在級(jí)間鼓22中合并并平衡,這使得所分離的中間壓力蒸汽物流28離開(kāi)鼓22的蒸汽出口,并且中間壓力液體物流32離開(kāi)鼓的液體出口。中間壓力液體物流32 (其是熱的重餾分)離開(kāi)鼓22的液體側(cè),并進(jìn)入熱交換器6的預(yù)冷卻液體通路33,并且通過(guò)與下面所述的也經(jīng)過(guò)熱交換器的不同冷卻物流進(jìn)行熱交換來(lái)過(guò)冷。所得物流34離開(kāi)熱交換器,并且通過(guò)膨脹閥36被閃蒸。作為膨脹閥36的替代方案,也可使用另一類(lèi)膨脹裝置,包括但不限于渦輪或者漏孔。所得物流38重新進(jìn)入熱交換器6以經(jīng)由預(yù)冷卻制冷通路39提供額外的制冷劑。物流42作為具有大量液體餾分的兩相混合物離開(kāi)熱交換器的熱端7。中間壓力蒸汽物流28從鼓22的蒸汽出口前行至第二級(jí)或末級(jí)壓縮機(jī)44,在這里其被壓縮至高壓。物流46離開(kāi)壓縮機(jī)44并前行穿過(guò)第二級(jí)或末級(jí)后冷卻器48,在這里被冷卻。所得物流52包含蒸汽和液體相,其在累積鼓(accumulator drum) 54中被分離。雖然說(shuō)明了累積鼓54,但是也可以使用替代方案的分離裝置,包括但不限于另一種容器、旋風(fēng)分離器、蒸餾單元、聚結(jié)分離器或者網(wǎng)式或葉片式除霧器。高壓蒸汽制冷劑物流56離開(kāi)鼓54的蒸汽出口,并前行至熱交換器6的熱側(cè)。高壓液體制冷劑蒸汽58離開(kāi)鼓54的液體出口,并同時(shí)前行到熱交換器6的熱端。應(yīng)該注意的是,第一級(jí)壓縮機(jī)11和第一級(jí)后冷卻器16實(shí)現(xiàn)了第一壓縮和冷卻循環(huán),同時(shí)末級(jí)壓縮機(jī)44以及末級(jí)后冷卻器48實(shí)現(xiàn)了最后壓縮和冷卻循環(huán)。然而,同時(shí)還應(yīng)該注意,每一個(gè)冷卻循環(huán)級(jí)是以多個(gè)壓縮機(jī)和/或后冷卻器為特征的。當(dāng)其穿過(guò)熱交換器6的高壓蒸汽通路59時(shí),熱的高壓蒸汽制冷劑物流56被冷卻、濃縮和過(guò)冷。結(jié)果,物流62離開(kāi)熱交換器6的冷端。物流62通過(guò)膨脹閥64被閃蒸,并且作為物流66重新進(jìn)入熱交換器,以在物流67前行通過(guò)主制冷通路65時(shí)提供制冷。作為對(duì)膨脹閥64的替代方案,也可以使用另一種膨脹閥,包括但不限于渦輪或漏孔。熱的高壓液體制冷劑物流58進(jìn)入熱交換器6并且在高壓液體通路69中被過(guò)冷。所得物流68離開(kāi)熱交換器并且通過(guò)膨脹閥72被閃蒸。作為膨脹閥72的替代方案,也可以使用另一種膨脹閥,包括但不限于渦輪或漏孔。所得物流74重新進(jìn)入熱交換器6,在此處其加入并在主制冷劑通道65中與物流67合并,以提供作為物流76的附加制冷劑,并作為過(guò)熱蒸汽物流78離開(kāi)熱交換器6的冷端。過(guò)熱蒸汽物流78和如上所述的作為具有大量液體餾分的兩相混合物的物流42通過(guò)蒸汽和混合相態(tài)入口分別進(jìn)入低壓抽吸鼓82,并且在低壓抽吸鼓中合并和平衡。雖然所說(shuō)明的是抽吸鼓82,但是也可以使用其它分離裝置,包括但不限于另一種容器、旋風(fēng)分離器、蒸餾單元、聚結(jié)分離器或者網(wǎng)式或葉片式除霧器。結(jié)果,低壓蒸汽制冷劑物流12離開(kāi)鼓82的蒸汽出口。如上所述,物流12前行到第一級(jí)壓縮機(jī)11的入口?;旌舷辔锪?2與包含組成非常不同的蒸汽的物流78在抽吸鼓82中在第一級(jí)壓縮機(jī)11的抽吸入口處摻和產(chǎn)生了部分閃蒸冷卻的效果,這降低了移動(dòng)到壓縮機(jī)中的蒸汽物流的溫度,并且由此降低了壓縮機(jī)自身的溫度,從而減少了操作其所需的能量。低壓液體制冷劑物流84的溫度也通過(guò)混合的閃蒸冷卻效果而被降低,其離開(kāi)鼓82的液體出口并通過(guò)泵26被泵至中間壓力。正如以上所描述的,來(lái)自泵的出口物流24前行至級(jí)間鼓22.結(jié)果,依據(jù)本發(fā)明,包括物流32、34、38和42的預(yù)冷卻制冷回路進(jìn)入熱交換器6的·熱端并與大量液體餾分一起離開(kāi)。部分液體物流42與來(lái)自物流78的已用制冷劑蒸汽合并,以用于抽吸鼓82中的平衡和分離,壓縮機(jī)11中所得蒸汽的壓縮和用泵對(duì)所得液體的抽取。抽吸鼓82中的平衡通過(guò)熱傳遞和物質(zhì)傳遞降低了進(jìn)入壓縮機(jī)11的物流的溫度,因此降低了壓縮機(jī)的功率用量。在圖4中顯示了圖3中的工藝的復(fù)合物加熱和冷卻曲線(xiàn)。與圖2中類(lèi)似于Swenson的第4,033,735號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中所述的優(yōu)化的單混合制冷劑工藝的曲線(xiàn)進(jìn)行比較,顯示了該復(fù)合物加熱和冷卻曲線(xiàn)已經(jīng)變得更加靠近,因此使壓縮機(jī)的功率降低約5%。這有助于減少設(shè)備的資本費(fèi)用,并降低與環(huán)境排放有關(guān)的能量消耗。這些益處能夠?yàn)樾〉街行鸵后w天然氣設(shè)備一年節(jié)省幾百萬(wàn)美元。圖4還說(shuō)明了圖3中的設(shè)備和方法導(dǎo)致了冷卻曲線(xiàn)的熱交換器熱端近乎終止(也見(jiàn)圖8)。這是由于中等壓力重餾分液體在比剩余制冷劑更高的溫度下沸騰所產(chǎn)生的,并由此良好地適用于熱端熱交換制冷。在熱交換器中使中等壓力重餾分液體與較輕餾分的制冷劑獨(dú)立沸騰允許甚至更高的沸騰溫度,這導(dǎo)致了曲線(xiàn)的熱端甚至更“接近”(并且因此更高效)。而且,保持將重餾分阻擋在熱交換器的冷端以外有助于防止發(fā)生凍結(jié)。應(yīng)注意的是,以上描述的實(shí)施方式是用于在超臨界壓力下具有代表性的天然氣進(jìn)料的。在不同壓力下對(duì)純度較低的其它天然氣液化時(shí),優(yōu)選的制冷劑組合物和操作條件將改變。但是由于其熱力學(xué)的高效性,仍保持了這種工藝的優(yōu)點(diǎn)。在圖5中提供了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的第二實(shí)施方式的工藝流程圖和示意性說(shuō)明。在圖5的實(shí)施方式中,過(guò)熱蒸汽物流78和兩相混合物流42在102所示的混合裝置中合并,而不是圖3中的抽吸鼓82?;旌涎b置102可以是例如靜態(tài)混合器、物流78和42所流入的單管段(pipesegment)、熱交換器6的外殼(packing)或頭部。在離開(kāi)混合裝置102之后,經(jīng)合并和混合的物流78和42作為物流106前行至低壓抽吸鼓104的單個(gè)入口。雖然所說(shuō)明的是抽吸鼓104,但是也可使用替代方案的分離裝置,包括但不限于另一種容器、旋風(fēng)分離器、蒸餾單元、聚結(jié)分離器或者網(wǎng)式或葉片式除霧器。在物流106進(jìn)入抽吸鼓104時(shí),蒸汽和液體相分離,使得低壓液體制冷劑物流84離開(kāi)鼓104的液體出口,同時(shí)低壓蒸汽物流12離開(kāi)鼓104的蒸汽出口,正如以上圖3的實(shí)施方式所描述的。圖5的實(shí)施方式中的剩余部分以相同組分為特征,并且如圖3中的實(shí)施方式所描述的進(jìn)行操作,但是表I中的數(shù)據(jù)可能不同。在圖6中提供了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的工藝流程圖和示意性說(shuō)明。兩相混合蒸汽42從熱交換器6前行回到鼓120。所得蒸汽相隨返回蒸汽物流122前行到低壓抽吸鼓124的第一蒸汽入口。過(guò)熱蒸汽物流78從熱交換器6前行到低壓抽吸鼓124的第二蒸汽入口。合并的物流126離開(kāi)用作返回分離器鼓和抽吸鼓的單個(gè)鼓或容器。而且,可以用其它類(lèi)型的分離裝置來(lái)替換鼓120和124,包括但不限于另一種容器、旋風(fēng)分離器、蒸餾單元、聚結(jié)分離器或者網(wǎng)式或葉片式除霧器。第一級(jí)壓縮機(jī)131接收低壓蒸汽制冷劑物流126并且將其壓縮至中等壓力。壓縮的物流132然后前行至第一級(jí)后冷卻器134,在此處其被冷卻。器件,液體作為返回液體物流136從返回分離器鼓120的液體出口前行至泵138,然后所得物流142從第一級(jí)后冷卻器134逆流而上加入物流132。 離開(kāi)第一級(jí)后冷卻器134的中等壓力混合相制冷劑物流144前行至級(jí)間鼓146。雖然所說(shuō)明的是級(jí)間鼓146,但是也可以使用替代方案的分離裝置,包括但不限于另一種容器、旋風(fēng)分離器、蒸餾單元、聚結(jié)分離器或者網(wǎng)式或葉片式除霧器。分離的中間壓力蒸汽物流28離開(kāi)級(jí)間鼓146的蒸汽出口,并且中等壓力的液體物流32離開(kāi)鼓的液體出口。中間壓力蒸汽物流28前行至第二級(jí)壓縮機(jī)44,同時(shí)中間壓力液體物流32(其是熱的重餾分),前行至熱交換器6,正如以上參考圖2中的實(shí)施方式所描述的。圖6中實(shí)施方式的剩余部分以與圖3中的實(shí)施方式所描述的相同的組分和操作為特征,但是表I的數(shù)據(jù)可能是不同的。圖6中的實(shí)施方式在鼓124處未提供任何冷卻,并由此對(duì)第一級(jí)壓縮機(jī)抽水機(jī)物流126未進(jìn)行冷卻。然而,在改善效率的方面,對(duì)冷卻壓縮機(jī)抽吸物流進(jìn)行交換以降低到達(dá)壓縮抽吸的蒸汽摩爾流動(dòng)率。降低的到達(dá)壓縮機(jī)抽吸的蒸汽流提供了降低的壓縮機(jī)功率需求,其大致相當(dāng)于在圖3的實(shí)施方式中經(jīng)冷卻的壓縮抽吸物流所提供的減少量。雖然對(duì)泵138的功率需求上具有相應(yīng)的增長(zhǎng),但是與在圖3的實(shí)施方式中的泵26相比,泵功率與在壓縮機(jī)功率上的節(jié)省相比增長(zhǎng)非常小(接近1/100)。在圖7中所說(shuō)明的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的第四實(shí)施方式中,圖3的系統(tǒng)任選地配備了一個(gè)或多個(gè)預(yù)冷卻系統(tǒng),其被表示成位于202、204和/或206處。當(dāng)然,圖5或圖6中的實(shí)施方式或者本發(fā)明的系統(tǒng)的任意其它實(shí)施方式也可配備圖7中的預(yù)冷卻系統(tǒng)。預(yù)冷卻系統(tǒng)202用于在熱交換器6之前預(yù)冷卻天然氣物流9。預(yù)冷卻系統(tǒng)204用于在混合相物流18從第一級(jí)后冷卻器16前行至級(jí)間鼓22時(shí)對(duì)其進(jìn)行級(jí)間預(yù)冷卻。預(yù)冷卻系統(tǒng)206用于在混合相物流52從第二級(jí)后冷卻器48前行至累積鼓54時(shí)釋放對(duì)其的預(yù)冷卻。圖7中實(shí)施方式的剩余部分以與圖3中的實(shí)施方式所描述的相同的組分和操作為特征,但是表I中的數(shù)據(jù)可能是不同的。預(yù)冷卻系統(tǒng)202、204或206中的每一個(gè)可被結(jié)合到或依賴(lài)于熱交換器6用于操作,或者可包括致冷器(其可以是例如第二個(gè)多物流熱交換器)。此外,預(yù)冷卻系統(tǒng)202、204和/或206中的兩個(gè)或所有三個(gè)可被結(jié)合到單個(gè)多物流熱交換器中。雖然在本領(lǐng)域中已知的任意預(yù)冷卻系統(tǒng)都可被使用,但是圖7的預(yù)冷卻系統(tǒng)各自?xún)?yōu)選包括如下致冷器其使用單組份制冷劑(如丙烷)或者第二種混合制冷劑作為預(yù)冷卻系統(tǒng)制冷劑。更具體地,公知的丙烷C3-MR預(yù)冷卻工藝或二元混合制冷劑工藝可與在單壓力或多壓力下蒸發(fā)的預(yù)冷卻制冷劑一起使用。其它可適用的單組份制冷劑的例子包括但不限于正丁烷、異丁烷、丙烯、乙烷、乙烯、氨、氟利昂或水。除了配備預(yù)冷卻系統(tǒng)202之外,圖7中的系統(tǒng)(或任何其它系統(tǒng)的實(shí)施方式)可用作下游工藝的預(yù)冷卻系統(tǒng),諸如液化作用系統(tǒng)或第二混合制冷劑系統(tǒng)。在熱交換器的冷卻通路中被冷卻的氣體也可以是第二混合制冷劑或單組分混合制冷劑。雖然已經(jīng)顯示了并說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的是,在其中可造成改變和修改而不背離本發(fā)明的精神。其范圍是通過(guò)隨附的權(quán)利要求書(shū)限定的。表I :物流表
權(quán)利要求
1.一種使用混合制冷劑冷卻氣體的系統(tǒng),包括 a)熱交換器,其包括熱端和冷端,所述熱端具有適于接收氣體進(jìn)料的進(jìn)料氣體入口,并且所述冷端具有產(chǎn)品通過(guò)其離開(kāi)所述熱交換器的產(chǎn)品出口,所述熱交換器還包括冷卻通路、預(yù)冷卻液體通路、預(yù)冷卻制冷通路、高壓通路和主制冷通路,其中所述冷卻通路與所述進(jìn)料氣體入口和所述產(chǎn)品出口連通; b)抽吸分離裝置,其具有蒸汽出口; c)第一級(jí)壓縮機(jī),其具有抽吸入口和出口,所述抽吸入口與所述抽吸分離裝置的蒸汽出口流體連通的抽吸入口; d)第一級(jí)后冷卻器,其具有入口和出口,所述入口與所述第一級(jí)壓縮機(jī)的出口流體連通; e)級(jí)間分離裝置,其具有入口并具有蒸汽出口和液體出口,其中所述入口與所述第一級(jí)后冷卻器的出口流體連通,所述蒸汽出口與所述熱交換器的高壓通路流體連通的蒸汽出口,且所述液體出口與所述熱交換器的預(yù)冷卻液體通路流體連通; f)第一膨脹裝置,其具有入口和出口,所述入口與所述熱交換器的預(yù)冷卻液體通路流體連通,且所述出口與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路連通; g)第二膨脹裝置,其具有入口和出口,所述入口與所述熱交換器的高壓通路流體連通,且所述出口與所述熱交換器的主制冷通路連通; h)所述預(yù)冷卻制冷通路適于產(chǎn)生混合相物流,并且所述主制冷通路適于產(chǎn)生蒸汽物流;以及 i)所述抽吸分離裝置還與所述熱交換器的主制冷通路的出口流體連通,由此接收所述蒸汽物流。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)冷端,所述主制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端和冷端,并且所述級(jí)間分離裝置適于產(chǎn)生包含所述制冷劑的重餾分的液體物流,使得所述氣體的冷卻曲線(xiàn)的熱端和所述制冷劑的冷卻曲線(xiàn)的熱端通過(guò)產(chǎn)生混合相物流的所述預(yù)冷卻制冷通路和產(chǎn)生蒸汽物流的所述主制冷通路而變得更靠近。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述抽吸分離裝置的特征在于與所述熱交換器的主制冷通路連通的蒸汽入口和與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路連通的混合相入口,由此使得來(lái)自所述主制冷通路的蒸汽物流和來(lái)自所述預(yù)冷卻制冷通路的混合相物流在所述抽吸分離裝置中合并并平衡,以將經(jīng)冷卻的蒸汽物流提供給所述第一級(jí)壓縮機(jī)的抽吸入口,由此降低所述第一級(jí)壓縮機(jī)的功率消耗。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其中所述經(jīng)冷卻的蒸汽物流通過(guò)熱傳遞和物質(zhì)傳遞提供。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其中所述抽吸分離裝置特征在于液體出口,并進(jìn)一步包括具有入口和出口的泵,所述入口與所述抽吸分離裝置的液體出口連通,且所述出口與所述級(jí)間分離裝置流體連通。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述冷卻通路、所述高壓通路和所述主制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端和冷端。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻液體通路和所述預(yù)冷卻制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)所述熱交換器的冷端。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)的,其中所述預(yù)冷卻液體通路和所述預(yù)冷卻制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)所述熱交換器的冷端。
9.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述氣體為天然氣。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng),其中所述產(chǎn)品為液化天然氣。
11.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述產(chǎn)品為液化氣體。
12.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括第一預(yù)冷卻系統(tǒng),所述第一預(yù)冷卻系統(tǒng)適于接收和冷卻所述氣體進(jìn)料并將所述經(jīng)冷卻的氣體導(dǎo)引到所述熱交換器的氣體進(jìn)料入口。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中所述第一預(yù)冷卻系統(tǒng)使用單組分制冷劑作為預(yù)冷卻系統(tǒng)制冷劑。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其中所述單組分制冷劑為丙烷。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中所述第一預(yù)冷卻系統(tǒng)使用第二混合制冷劑作為預(yù)冷卻系統(tǒng)制冷劑。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述第一級(jí)壓縮機(jī)的出口和所述級(jí)間分離裝置的入口之間的回路中的第二預(yù)冷卻系統(tǒng)。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng),其中所述第一和第二預(yù)冷卻系統(tǒng)被包含在單個(gè)預(yù)冷卻系統(tǒng)中。
18.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述第一級(jí)壓縮機(jī)的出口和所述級(jí)間分離裝置的入口之間的回路中的預(yù)冷卻系統(tǒng)。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻系統(tǒng)使用單組份制冷劑作為預(yù)冷卻系統(tǒng)制冷劑。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng),其中所述單組份制冷劑為丙烷。
21.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻系統(tǒng)使用第二混合制冷劑作為預(yù)冷卻系統(tǒng)制冷劑。
22.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述抽吸分離裝置特征在于入口,并且進(jìn)一步包括混合裝置,所述混合裝置具有與所述熱交換器的主制冷通路流體連通的蒸汽入口和與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路連通的混合相入口,使得來(lái)自所述主制冷通路的蒸汽物流和來(lái)自所述預(yù)冷卻制冷通路的混合相物流在所述混合裝置中合并并混合,所述混合裝置還具有與所述抽吸分離裝置的入口連通的出口,以便將所述合并和混合的物流提供給所述抽吸分離裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng),其中所述混合裝置包括靜態(tài)混合器。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng),其中所述混合裝置包括管段。
25.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng),其中所述混合裝置包括所述熱交換器的頭部。
26.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括返回分離裝置,所述返回分離裝置具有與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路流體連通的入口,與所述抽吸分離裝置連通的蒸汽出口和與所述級(jí)間分離裝置連通的液體出口,使得所述第一級(jí)壓縮機(jī)的抽吸入口接收降低的蒸汽摩爾流速,由此降低所述第一級(jí)壓縮機(jī)的功率需求。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述返回分離裝置的液體出口和所述級(jí)間分離裝置之間的回路中的泵。
28.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng),其中所述返回和級(jí)間分離裝置為鼓。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng),其中所述返回和級(jí)間鼓被合并到單個(gè)鼓中。
30.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述抽吸和級(jí)間分離裝置為鼓。
31.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其中所述第一和第二膨脹裝置為膨脹閥。
32.一種使用混合制冷劑冷卻氣體的系統(tǒng),包括 a)熱交換器,其包括熱端和冷端,所述熱端具有適于接收氣體進(jìn)料的進(jìn)料氣體入口,并且所述冷端具有產(chǎn)品通過(guò)其離開(kāi)所述熱交換器的產(chǎn)品出口,所述熱交換器還包括冷卻通路、預(yù)冷卻液體通路、預(yù)冷卻制冷通路、高壓蒸汽通路、高壓液體通路和主制冷通路,所述冷卻通路在所述進(jìn)料氣體入口和所述產(chǎn)品出口之間延伸; b)抽吸分離裝置,其具有蒸汽出口; c)第一級(jí)壓縮機(jī),其具有抽吸入口和出口,所述抽吸入口與所述抽吸分離裝置的所述蒸汽出口流體連通; d)第一級(jí)后冷卻器,其具有的入口和出口,所述入口與所述第一級(jí)壓縮機(jī)的出口流體連通; e)級(jí)間分離裝置,其具有與所述第一級(jí)后冷卻器的出口流體連通的入口,所述級(jí)間分離裝置還具有蒸汽出口和液體出口,所述液體出口與所述熱交換器的預(yù)冷卻液體通路流體連通; f)第一膨脹裝置,其具有與所述熱交換器的預(yù)冷卻液體通路流體連通的入口和與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路連通的出口; g)末級(jí)壓縮機(jī),其具有抽吸入口和出口,所述抽吸入口與所述級(jí)間分離裝置的蒸汽出口流體連通; h)末級(jí)后冷卻器,其具有入口和出口,所述入口與所述末級(jí)壓縮機(jī)的出口流體連通; i)累積分離裝置,其具有入口以及蒸汽出口和液體出口,所述入口與所述末級(jí)后冷卻器的出口流體連通,所述蒸汽出口與所述熱交換器的高壓蒸汽通路流體連通,并且所述液體出口與所述熱交換器的高壓液體通路流體連通; j)第二膨脹裝置,其具有與所述熱交換器的高壓蒸汽通路流體連通的入口和與所述熱交換器的主制冷通路的流體連通的出口 ; k)第三膨脹裝置,其具有與所述熱交換器的高壓液體通路流體連通的入口和與所述熱交換器的主制冷通路流體連通的出口; I)所述預(yù)冷卻制冷通路適于產(chǎn)生混合相物流,并且所述主制冷通路適于產(chǎn)生蒸汽物流;以及 m)所述抽吸分離裝置還與所述熱交換器的主制冷通路流體連通,由此接收所述蒸汽物流。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)所述冷端,所述主制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端和冷端,并且所述級(jí)間分離裝置適于產(chǎn)生包含所述冷卻劑的重餾分的液體物流,使得所述區(qū)體的冷卻曲線(xiàn)的熱端和所述制冷劑的冷卻曲線(xiàn)的熱端通過(guò)產(chǎn)生混合相物流的所述預(yù)冷卻制冷通路和產(chǎn)生蒸汽物流的所述主制冷通路而變得更靠近。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述抽吸分離裝置特征在于與所述熱交換器的主制冷通路連通的蒸汽入口和與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路連通的混合相入口,使得來(lái)自所述主制冷通路的蒸汽物流和來(lái)自所述預(yù)冷卻制冷通路的混合相物流在所述抽吸分離裝置中合并并平衡,以將經(jīng)冷卻的蒸汽物流提供給所述第一級(jí)壓縮機(jī)的抽吸入口,由此降低所述第一級(jí)壓縮機(jī)的功率損耗。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng),其中所述經(jīng)冷卻的蒸汽物流是通過(guò)熱傳遞和物質(zhì)傳遞提供的。
36.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng),其中所述抽吸分離裝置特征在于液體出口,并且進(jìn)一步包括具有入口和出口的泵,所述入口與所述抽吸分離裝置的液體出口連通,且所述出口與所述級(jí)間分離裝置流體連通。
37.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述冷卻通路和主制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端和冷端。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻液體通路和所述預(yù)冷卻制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)所述熱交換器的冷端。
39.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述預(yù)冷卻液體通路和所述預(yù)冷卻制冷通路經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)所述熱交換器的冷端。
40.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述氣體為天然氣。
41.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng),其中所述產(chǎn)品為液化天然氣。
42.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述產(chǎn)品為液化氣體。
43.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括的第一預(yù)冷卻系統(tǒng),所述的第一預(yù)冷卻系統(tǒng)適于接收和冷卻所述氣體的進(jìn)料,并將所述經(jīng)冷卻氣體導(dǎo)引至所述熱交換器的氣體進(jìn)料入。
44.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng),其中所述第一預(yù)冷卻系統(tǒng)使用單組分制冷劑作為預(yù)冷卻系統(tǒng)制冷劑。
45.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng),其中所述單組分制冷劑為丙烷。
46.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng),其中所述第一預(yù)冷卻系統(tǒng)使用第二混合制冷劑作為預(yù)冷卻制冷劑。
47.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述第一級(jí)壓縮機(jī)的出口和所述級(jí)間分離裝置的入口之間的回路中的第二預(yù)冷卻系統(tǒng)和在所述末級(jí)后冷卻器和所述累積分離裝置的入口之間的回路中的第三預(yù)冷卻系統(tǒng)。
48.如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng),其中所述第一、第二和第三預(yù)冷卻系統(tǒng)被包含在單個(gè)預(yù)冷卻系統(tǒng)中。
49.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述第一級(jí)壓縮機(jī)的出口和所述級(jí)間分離裝置的入口之間的回路中的預(yù)冷卻系統(tǒng)。
50.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述末級(jí)后冷卻器的出口和所述累積分離裝置的入口之間的回路中的預(yù)冷卻系統(tǒng)。
51.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述抽吸分離裝置特征在于入口,并進(jìn)一步包括混合裝置,所述混合裝置具有與所述熱交換器的主制冷通路流體連通的蒸汽入口和與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路連通的混合相入口,使得來(lái)自所述主制冷通路的蒸汽物流和來(lái)自所述預(yù)冷卻制冷通路的混合相物流在所述混合裝置中合并并混合,所述混合裝置還具有與所述抽吸分離裝置的入口連通的出口,使得所述合并和混合的物流被提供給所述抽吸分離裝置。
52.如權(quán)利要求51所述的系統(tǒng),其中所述混合裝置包括靜態(tài)混合器。
53.如權(quán)利要求51所述的系統(tǒng),其中所述混合裝置包括管段。
54.如權(quán)利要求51所述的系統(tǒng),其中所述混合裝置包括所述熱交換器的頭部。
55.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括返回分離裝置,所述返回分離裝置具有與所述熱交換器的預(yù)冷卻制冷通路流體連通的入口、與所述抽吸分離裝置連通的蒸汽出口和與所述級(jí)間分離裝置連通的液體出口,使得所述第一級(jí)壓縮機(jī)的抽吸入口接收降低的蒸汽摩爾流速,由此降低對(duì)所述第一級(jí)壓縮機(jī)的功率要求。
56.如權(quán)利要求55所述的系統(tǒng),在所述返回分離器分離裝置的液體出口和所述級(jí)間分離裝置之間的回路中進(jìn)一步包括泵。
57.如權(quán)利要求55所述的系統(tǒng),其中所述返回和級(jí)間分離裝置為鼓。
58.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng),其中所述返回和級(jí)間鼓被合并到單個(gè)鼓中。
59.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述抽吸、級(jí)間和累積分離裝置為鼓。
60.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng),其中所述第一、第二和第三膨脹裝置為膨脹閥。
61.一種在具有熱端和冷端的熱交換器中冷卻氣體的方法,包括以下步驟 a)使用第一和最后壓縮和冷卻循環(huán)來(lái)壓縮和冷卻混合制冷劑; b)在所述第一和最后壓縮和冷卻循環(huán)之后平衡和分離所述混合制冷劑,使得形成高壓液體和蒸汽物流;c)使所述高壓液體和蒸汽物流冷卻和膨脹,使得在所述熱交換器中提供主制冷物流; d)在所述第一和最后壓縮和冷卻循環(huán)之間平衡和分離所述混合制冷劑,使得形成預(yù)冷卻液體物流; e)使所述預(yù)冷卻液體物流以與所述主制冷物流進(jìn)行逆流熱交換的形式經(jīng)過(guò)所述熱交換器,使得所述預(yù)冷卻液體物流被冷卻。
f)使所述冷卻的預(yù)冷卻液體物流膨脹,使得形成預(yù)冷卻制冷物流; g)使所述預(yù)冷卻制冷物流經(jīng)過(guò)所述熱交換器; h)使所述氣體物流以與所述主制冷物流和所述預(yù)冷卻制冷物流進(jìn)行逆流熱交換的形式經(jīng)過(guò)所述熱交換器,使得所述氣體被冷卻,并且由所述預(yù)冷卻制冷物流產(chǎn)生混合相物流,并且由所述主制冷物流產(chǎn)生蒸汽物流。
62.如權(quán)利要求61所述的方法,其中步驟h)使得所述主制冷物流提供蒸汽物流,并且使所述預(yù)冷卻制冷物流提供兩相物流,并且所述方法進(jìn)一步包括以下步驟 i)在所述第一壓縮和冷卻循環(huán)之前將所述蒸汽物流和所述兩相物流混合,使得降低溫度的蒸汽物流被提供給第一壓縮和冷卻循環(huán)壓縮機(jī),由此使所述壓縮機(jī)的溫度更低。
63.如權(quán)利要求62所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟 j)平衡和分離所述蒸汽物流和所述兩相物流,使得產(chǎn)生所述降低溫度的蒸汽物流和冷卻的液體物流;以及 k)抽取所述冷卻的液體物流,使得其在所述最后壓縮和冷卻循環(huán)之前重新加入所述混合的制冷劑。
64.如權(quán)利要求61所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟i)平衡和分離所述混合相物流,使得產(chǎn)生返回蒸汽物流和返回液體蒸汽;以及 j)平衡和分離所述返回蒸汽物流和來(lái)自所述主制冷物流的蒸汽物流,使得產(chǎn)生合并的物流并將其引導(dǎo)到所述第一壓縮和冷卻循環(huán)。
65.如權(quán)利要求64所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟抽取所述返回液體物流,使得其在所述最后壓縮和冷卻循環(huán)之前重新加入所述混合的制冷劑。
66.如權(quán)利要求61所述的方法,其中步驟e)包括使所述高壓蒸汽和高壓液體物流以與所述主制冷物流和所述預(yù)冷卻制冷物流進(jìn)行逆流熱交換的形式經(jīng)過(guò)所述熱交換器,使得所述高壓蒸汽和高壓液體物流被冷卻。
67.如權(quán)利要求61所述的方法,其中所述氣體為天然氣。
68.如權(quán)利要求61所述的方法,其中所述壓縮和冷卻以及所述第一和最后壓縮和冷卻循環(huán)的部分是通過(guò)壓縮機(jī)和熱交換器完成的。
69.如權(quán)利要求61所述的方法,其中所述氣體物流和所述主制冷物流經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端和冷端。
70.如權(quán)利要求69所述的方法,其中所述預(yù)冷卻制冷物流經(jīng)過(guò)所述熱交換器的熱端,但不經(jīng)過(guò)所述熱交換器的冷端。
71.如權(quán)利要求61所述的方法,其中步驟c)和步驟f)的膨脹是通過(guò)膨脹裝置完成的。
72.如權(quán)利要求71所述的方法,其中所述膨脹裝置為膨脹閥。
73.如權(quán)利要求61所述的方法,其中所述氣體也在步驟h)中被液化。
74.如權(quán)利要求61所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟在使所述預(yù)冷卻氣體物流經(jīng)過(guò)所述熱交換器之前預(yù)冷卻所述氣體。
75.如權(quán)利要求61所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟在所述第一壓縮和冷卻循環(huán)之后預(yù)冷卻所述混合制冷劑。
76.如權(quán)利要求61所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟在所述最后壓縮和冷卻循環(huán)之后預(yù)冷卻所述混合制冷劑。
77.如權(quán)利要求61所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟在下游的混合制冷劑系統(tǒng)中將來(lái)自步驟h)的氣體進(jìn)一步冷卻。
78.如權(quán)利要求61所述的方法,進(jìn)一步包括以下步驟在下游的混合制冷劑系統(tǒng)中將來(lái)自步驟h)的氣體液化。
79.如權(quán)利要求61所述的方法,其中所述氣體為混合制冷劑。
80.如權(quán)利要求61所述的方法,其中所述氣體為單組分制冷劑。
全文摘要
一種在熱交換器中用于冷卻和液化氣體的系統(tǒng)和方法,包括使用第一和最后壓縮和冷卻循環(huán)來(lái)壓縮和冷卻混合制冷劑,使得形成高壓液體和蒸汽物流。高壓液體和蒸汽物流在熱交換器中被冷卻,然后膨脹,使得在熱交換器中提供主制冷物流?;旌现评鋭┰诘谝缓妥詈髩嚎s和冷卻循環(huán)之間進(jìn)行冷卻和平衡,使得在該熱交換器中形成預(yù)冷卻液體蒸汽并過(guò)冷。然后物流膨脹并作為預(yù)冷卻制冷物流穿過(guò)熱交換器。使氣體物流以與主制冷物流和預(yù)冷卻制冷物流進(jìn)行逆流熱交換的方式穿過(guò)熱交換器,使得氣體被冷卻。
文檔編號(hào)F25J1/02GK102893109SQ201180023625
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者T.古斯哈納斯, 小道格.D.杜科特, J.波多爾斯基 申請(qǐng)人:查特股份有限公司
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