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。混合制冷劑在第一和最后壓縮和冷卻循環(huán)之間進(jìn)行冷卻和平衡，使得在該熱交換器中形成預(yù)冷卻液體蒸汽并過冷。然后物流膨脹并作為預(yù)冷卻制冷物流穿過熱交換器。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熱交換器，使得氣體被冷卻。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)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。
技術(shù)介紹
天然氣(其主要是甲烷)及其它氣體在壓力下液化以存儲和運(yùn)輸。因液化導(dǎo)致的體積減小使得可以使用更實用和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計的容器。液化典型地通過由一個或多個制冷循環(huán)進(jìn)行的間接熱交換對氣體進(jìn)行冷卻來實現(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。該S形曲線有三個區(qū)，在約-75°C以上時氣體是非過熱的(de-superheating),并且在大約_90°C以下液體過冷(subcooling)。在這兩個區(qū)之間的相對平坦的區(qū)域中，氣體被冷凝成液體。由于60巴曲線在臨界壓力之上，因此只存在一種相態(tài)(phase);但是其比熱大，接近臨界溫度，并且冷卻曲線與壓力較低的曲線近似。包含5%乙烷的曲線顯示了雜質(zhì)的影響，其改變了露點(diǎn)和起泡點(diǎn)。制冷工藝對于為使天然氣液化提供冷卻來說是必要的，最高效的工藝將具有在其整個范圍內(nèi)均與圖I所示冷卻曲線接近到幾度之內(nèi)的加熱曲線。然而，由于冷卻曲線的S形形式和大溫度范圍，很難設(shè)計這樣的制冷工藝。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)曲線更適于非過熱區(qū)和過冷區(qū)。這兩種類型的工藝以及二者的混合已被開發(fā)用于使天然氣液化。級聯(lián)式、多級、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。通過足夠多的級，這樣的循環(huán)可生成接近圖I所示冷卻曲線的凈熱(net heating)曲線。然而，由于隨著級數(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，因為純組分制冷劑恒溫蒸發(fā)而不是遵循天然氣冷卻曲線，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號美國專利描述了一種用于乙烯回收的類似制冷需求的級聯(lián)式、多級、混合制冷劑工藝，其消除了級聯(lián)式多級純組分工藝的熱力學(xué)效率低的問題。這是因為制冷劑遵循氣體冷卻曲線在溫度升高時蒸發(fā)，并且液體制冷劑在閃蒸之前被過冷，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，因為僅需要兩個不同的制冷劑循環(huán)，而不是純制冷劑工藝所需的三個或者四個。Newton的第4，525，185號、Liu等人的第 4, 545, 795 號、Paradowski 等人的第 4, 689, 063 號和 Fischer 等人的第 6, 041, 619 號美國專利都顯示了對如Stone等人的第2007/0227185號和Hulsey等人的第2007/0283718號美國專利申請公開中所做的這種應(yīng)用于天然氣液化的方案的變體。這種級聯(lián)式、多級、混合制冷劑工藝是已知最有效的，然而，對于大多數(shù)工廠來說，期望一種能夠更易操作的、更簡單的、有效的工藝。Swenson的第4，0633, 735號美國專利描述了一種單混合制冷劑工藝，其僅需要一個壓縮機(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，主要由于兩個原因，這種處理消耗了比級聯(lián)式、多級、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的凈熱曲線的單混合制冷劑組合物。這樣的制冷劑必須由一系列相對高沸點(diǎn)和相對低分店的組分組成，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，這是因為它們必須在最低溫度時不會凝固。由于這些原因，在冷卻過程中的若干時間點(diǎn)上必然會發(fā)生相對大的溫度差異。圖2顯示了在Swenson的’ 735專利的工藝中的典型復(fù)合物加熱和冷卻曲線。第二，對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。這需要能量來冷卻和再加熱這些在較低溫度時為“惰性(inert) ”的組分。這既不是級聯(lián)式多級純組分制冷工藝，也不·是級聯(lián)式多級混合制冷劑工藝。為減輕這第二點(diǎn)的低效問題并且也解決第一點(diǎn)，已開發(fā)了許多方案，其將較重餾分從單混合制冷劑中分離出來，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號美國專利說明了描述了一種實現(xiàn)上述內(nèi)容的方法，其在低于環(huán)境溫度時將若干個相分離級結(jié)合起來。Perret的第3,364, 685 號、Sarsten 的第 4, 274, 849 號、Garrier 等人的第 4, 274, 849 號、Fan 等人的第4，901，533 號、Ueno 等人的第 5，813，250 號、Arman 等人的第 6，065，305 號、Robers 等人的第6，347，531號美國專利和Scmidt的第2009/0205366號美國專利申請公開內(nèi)容也顯示了該方案的變體。當(dāng)認(rèn)真地設(shè)計時，即使物流不在平衡時重新合并是熱力學(xué)低效的，其也可改進(jìn)能量效率。這是因為較輕和較重的餾分在高壓下被分離，然后在低壓下重新合并，因此它們可在單個壓縮機(jī)中一起被壓縮。無論何時物流在平衡狀態(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，簡單的一級蒸汽/液體平衡分離并不能像使用具有回流的多平衡級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。Gauthier的第4，586，942號和Stochmann等人的第6，334，334號美國專利說明了在上述環(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)溫度范圍的第二個原因是要確保在它們離開工藝的制冷部分時其被完全蒸發(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號美國專利申請公開內(nèi)容所說明的，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)制冷劑的級聯(lián)式、多級、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，立即被完全蒸汽化。附圖說明圖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的圖示；圖3是說本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：T古斯哈納斯，小道格D杜科特，J波多爾斯基，
申請(專利權(quán))人：查特股份有限公司，
類型：
國別省市：
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