[发明专利]生产LNG的天然气液化方法

说明书

相关申请的交叉参考

[0001]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

[0002]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

[0003]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。

[0004]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系统。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。

[0005]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。

[0006]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。膨胀机系统操作的原理是：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系统来提供。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。

[0007]然而，前面提出的膨胀机循环都比目前基于冷却剂系统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。

[0008]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系统来提供，如氮或冷的混合冷却剂。

[0009]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

[0010]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。