[发明专利]用于冷却烃进料流的改进的方法和设备

说明书

一种通过使用混合冷却系统和方法来提高天然气液化过程的效率的系统和方法。更具体地说，一种用于将跨临界预冷制冷过程转换成亚临界过程的系统和方法。在一个实施方案中，使用节能器将制冷剂冷却到亚临界温度。在另一实施方案中，使用辅助热交换器将制冷剂冷却到亚临界温度。任选地，节能器或辅助热交换器当环境温度足够低以将制冷剂冷却到亚临界温度时可以被旁路。在另一实施方案中，制冷剂是等熵膨胀的。

技术领域

本发明涉及用于冷却烃进料流的改进的方法和设备。

背景技术

用于冷却、液化和任选地过冷天然气的液化系统在本领域中是公知的，诸如单一混合制冷剂(SMR)循环、丙烷预冷混合制冷剂(C3MR)循环、双混合制冷剂(DMR)循环、C3MR-氮混合物(例如AP-X^TM)循环、气相膨胀过程(例如氮气或甲烷膨胀机循环)和级联循环。典型地，在这样的系统中，天然气被冷却、液化，并且可选地通过与一种或多种制冷剂的间接热交换而被过度冷却。可以使用各种制冷剂，例如混合制冷剂、纯组分、两相制冷剂、气相制冷剂等。纯组分两相制冷剂的一些例子是丙烷、二氧化碳、氢氟烃(HFC)、乙烷、乙烯等。其中一些特别适用于预冷服务。混合制冷剂(MR)是氮气、甲烷、乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和戊烷的混合物，已被用于许多基础负荷液化天然气(LNG)工厂。MR流的组成通常基于进料气体组成和操作条件而优化。

制冷剂在包括一个或多个热交换器和一个或多个制冷剂压缩系统的制冷剂回路中循环。制冷剂回路可以是闭环或开环的。天然气通过与热交换器中的制冷剂进行间接热交换而被冷却、液化和/或过冷。

沸腾传热是一种常用的传热方式，其中制冷剂在一个或多个压力水平下沸腾以提供所需的冷却作用。临界点是流体的饱和液体和饱和蒸气线会合的压力焓(P-H)图上的点。临界温度是流体的热力学性质，是临界点的温度。制冷剂操作有两种类型-亚临界操作，其中所有步骤都始终在临界点以下进行，并且跨临界操作，其中该过程中的至少一个步骤发生在临界点以上，而该过程中的至少一个步骤发生在临界点以下。

图1A示出用于单个压力冷却过程的亚临界操作的P-H图。制冷剂蒸汽(A)处于P1的压力和T1的温度，并被压缩到压力P2和温度T2(B)。然后将压缩的蒸气过热至露点(C)、冷凝至泡点(D)，并过冷至生成的过冷液体(E)。E处的温度是后冷器出口温度，也称为T_AC，并在图1A中以等温线显示。然后将过冷的液体降压至原始压力P1(F)。点F处的制冷剂的液体组分被蒸发以完成循环并返回至气相(A)。在步骤B-E期间，该过程将热量排放到环境空气或冷却水中，并且在步骤F-A期间，该过程为工艺流例如天然气进料流和/或另一种制冷剂提供冷却责任。

图1B显示了用于单压力冷却过程的跨临界操作的P-H图。循环图如图1A所示。然而，排热步骤B-E发生在临界点以上。临界温度T_CRIT用等温线表示。该过程从制冷剂蒸汽(A)开始，压力P1和临界温度以下的温度T1。然后压缩到临界温度以上的压力P2和温度T2(B)。在临界点以上，流体不具有明显的气相和液相。因此，从B点冷却到E点时，不冷凝。该流体在B点表现出类似于蒸汽的性质，在E点表现出类似于液体的性质。然而，与在冷凝过程(C-D)期间温度保持恒定的亚临界冷凝过程不同，在跨临界排热步骤期间温度持续降低。跨临界过程的排热步骤可能比亚临界过程的效率低，这是跨临界过程的缺点。

对于亚临界和跨临界操作，在散热之后的E处的温度由环境温度加上热交换器接近温度来设定。由于临界点以上的等温线(恒温线)的垂直特性，E在图的中心部分，用于跨临界操作。因此，当制冷剂从E降压到F时，产生具有大量蒸汽的两相流。因此，F中的制冷剂在跨临界过程中具有比在亚临界过程中更高的蒸汽分数。在F处的制冷剂的液体成分蒸发以提供所需的冷却作用。因此，由于F处的高蒸汽分数，跨临界过程固有地具有比亚临界过程更低的过程效率。