專利名稱：組合的空氣分離和天然氣液化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
和發(fā)明背景天然氣通常從遠(yuǎn)離消費(fèi)者的地區(qū)獲得。在這種情況下，可以預(yù)見幾種可能性-通過管道輸送，請注意相關(guān)的距離非常大；-用下列裝置將輕質(zhì)烴液化●基本負(fù)荷設(shè)備這些設(shè)備分布在全世界的約15個地點，在任一地點可以有一個或多個系列，目前一個系列的容量最多為5百萬噸/年；●甲烷油槽船它們輸送溫度為約-160℃的低溫液體，目前約有一百艘這樣的油槽船；●LNG終端站來自甲烷油槽船的液化天然氣被卸載，然后進(jìn)行汽化，并輸送到管道中。
峰式設(shè)備是小型的液化設(shè)備，它距離消費(fèi)區(qū)近，該設(shè)備可以在需求低時液化并儲存天然氣，在需求高時將氣體汽化。
-將天然氣轉(zhuǎn)化成液體或固體產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以采用以下方式容易地輸送●以兩步方式將天然氣轉(zhuǎn)化成重質(zhì)合成烴■通過部分氧化或自熱重整生產(chǎn)氫和一氧化碳的混合物(稱為合成氣)，這兩種方法都需要富氧氣體■Fischer-Tropsch型催化反應(yīng)●將天然氣轉(zhuǎn)化成甲醇●使用天然氣生產(chǎn)氨或肥料-將天然氣在熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備中轉(zhuǎn)化成電能，并通過電纜輸送電能當(dāng)距離大時，這種方式象管道方式一樣是不經(jīng)濟(jì)的。
天然氣的液化或轉(zhuǎn)化都需要大量的投資以使該工藝能產(chǎn)生效益。在兩種方法(液化和轉(zhuǎn)化)之間的第一協(xié)合作用可以在上流和下流式基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)現(xiàn)。如果兩個裝置處于同一地點的上游，則它們可以使用相同的天然氣田和相同的管道將天然氣輸送到該地點。在液化或轉(zhuǎn)化成合成氣之前，對于這兩個裝置而言，對天然氣的預(yù)處理也可以是共同的。下游口的基礎(chǔ)設(shè)施也可以是共同的。相同的設(shè)施(水、蒸汽、儀表氣源)對于兩個裝置可以是共同的。
在WO00/71951中已經(jīng)提出使用由液氮、液氧或液氬汽化產(chǎn)生的能量來液化天然氣。US-A-5390499和FR-A-2122307涉及在汽化液氮和液化天然氣之間的熱傳遞。GB-A-2172388描述了一種生產(chǎn)氧氣和液氮的空氣分離裝置。來自空氣分離裝置的液氮然后被輸送到遙遠(yuǎn)的地點并用于液化天然氣。所生產(chǎn)的氣態(tài)氮然后用于改進(jìn)油的回收。
關(guān)于生產(chǎn)LNG的液化循環(huán)，在各種出版物中描述了幾種解決方案(例如，“Developments in natural gas liquefaction”，Hydrocarbon ProcessingApril 1999)。最有效的是級聯(lián)的致冷循環(huán)通過三種不同的致冷劑來提供致冷作用，通常是甲烷、乙烯和丙烷，它們各自在幾個壓力水平下汽化。最常用的是具有丙烷預(yù)冷卻的混合致冷循環(huán)，其中烴類的多組分混合物(通常是丙烷、乙烷、甲烷和/或氮)進(jìn)行天然氣的最終冷卻，同時單獨的丙烷循環(huán)進(jìn)行天然氣和所述混合致冷劑的預(yù)冷卻。該循環(huán)描述在US-A-3763658中。由于能耗較高而從未在基本負(fù)荷設(shè)備中使用過的最后一種循環(huán)是膨脹劑循環(huán)。US-A-5768912顯示了改進(jìn)這種循環(huán)的各種可能方式，但是都不能達(dá)到經(jīng)丙烷預(yù)冷卻的混合致冷循環(huán)的效率。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種在空氣分離裝置和等熵膨脹的組合中液化天然氣且沒有高能耗的方法。本發(fā)明包括使用可以通過空氣分離裝置經(jīng)由等熵膨脹產(chǎn)生的冷能，優(yōu)選與液體汽化操作一起使用，以便液化天然氣?；纠砟钤谟谑褂脧恼麴s段取出的液體或氣體形式的冷料流，它富含氮氣、氧氣或氬氣，以便通過間接熱交換來冷卻天然氣。由于用于加熱這些冷料流的熱量不再能完全用于冷卻空氣，所以等熵膨脹用于直接冷卻空氣。另一個方案包括對冷料流之一進(jìn)行等熵膨脹以便增加由冷料流提供的冷卻量，所以能冷卻天然氣和空氣?？諝馀蛎泴⑹莾?yōu)選的方案，這是因為可以避免循環(huán)或使其最小化。一般來說，循環(huán)增加了換熱器的任務(wù)，進(jìn)而增加了它的不可逆性。
在本文使用的術(shù)語“循環(huán)”表示至少在換熱器的給定區(qū)段中，在膨脹后將至少一部分流體加熱。在同一給定的區(qū)段中，在膨脹之前有至少一部分流體。術(shù)語“液化”也包括假液化，這種情況在天然氣于超過臨界壓力的壓力下被冷卻時出現(xiàn)。
與在所有目前基本負(fù)荷設(shè)備中已使用的級聯(lián)或混合致冷循環(huán)或兩者組合的情況相比，本發(fā)明的方法將具有以下優(yōu)點-基本消除了在換熱器中分布?xì)庀嗪鸵合嗟膯栴}；所以，可以使用銅焊鋁型換熱器，它比常規(guī)螺旋纏繞式換熱器更有效且更廉價；也允許在換熱器中有更多的料流；-當(dāng)氣體膨脹時，溫度控制更容易；-設(shè)備的開動/關(guān)閉更簡單；-對進(jìn)料組成變化的耐受性更高；-為了在開動之前填充回路或補(bǔ)償在操作期間的損失而在級聯(lián)循環(huán)中儲存致冷流體或混合致冷劑的各種組分的操作是不再需要的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種低溫蒸餾分離空氣和液化天然氣的一體化方法，其中液化天然氣所需要的至少一部分致冷作用是來自至少一個低溫空氣蒸餾裝置，該裝置包括主換熱器和蒸餾塔，其中天然氣通過在換熱器中與冷流體的間接熱交換而被液化，所述冷流體至少部分以液體形式被送到換熱器中并在該換熱器中進(jìn)行至少一部分汽化。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步任選方面-等熵膨脹提供了用于液化天然氣的致冷作用；-空氣分離裝置包括兩個塔，具有以熱方式連接的中壓塔和低壓塔，和其中空氣在被送到中壓塔之前在汽輪機(jī)中膨脹；-在低溫空氣蒸餾裝置的主換熱器內(nèi)將天然氣液化，其中用于低溫空氣蒸餾裝置的進(jìn)料空氣被冷卻到適合蒸餾的溫度，和所述冷流體是至少一種液體料流，相對于空氣而言，它富含氧氣、氮氣和氬氣中的至少一種，并在主換熱器中汽化；-要在低溫空氣蒸餾裝置中分離的所有空氣在主換熱器中冷卻；-在非主換熱器的附加換熱器中，天然氣通過熱交換被先前在至少一個空氣分離裝置的主換熱器中已被汽化液體冷卻的至少一種冷流體液化；-天然氣通過其中流動冷流體的封閉回路被液化，所述冷流體被換熱器用液化汽化天然氣加熱，并在主換熱器中通過熱交換而被冷卻；-冷流體選自氮氣、氬氣、CF4、HCF3、甲烷、乙烷、乙烯和丙烷；-來自低溫空氣蒸餾裝置的氣態(tài)氮被輸送到附加換熱器；-低溫空氣蒸餾裝置產(chǎn)生了加壓的氧氣，用于由天然氣供應(yīng)的GTL裝置、甲醇裝置或DME裝置中的至少一個；-液化天然氣所需要的所有致冷作用都來自單一低溫蒸餾裝置，該裝置的塔、主換熱器和其它換熱器位于單一低溫試驗箱中；-液化天然氣所需要的部分致冷作用來自至少兩個低溫空氣蒸餾裝置，各自包括主換熱器和蒸餾塔，所述主換熱器和蒸餾塔位于低溫試驗箱內(nèi)，液化天然氣所需要的部分致冷作用由至少一種由蒸餾塔之一生產(chǎn)的富含氧氣、氮氣或氬氣的液體料流的汽化來提供，和天然氣在另一個換熱器中通過熱交換被來自各低溫空氣蒸餾裝置的冷流體液化；-在進(jìn)行使用所述冷流體的間接熱交換之前，天然氣至少部分在低于0℃的溫度下通過間接熱交換被至少一種不來自任何低溫空氣蒸餾裝置的流體預(yù)先冷卻；-所述不來自任何低溫空氣蒸餾裝置的流體包括丙烷。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種低溫蒸餾分離空氣和液化天然氣的一體化裝置，其中液化天然氣所需要的至少一部分致冷作用是來自至少一個低溫空氣蒸餾裝置，該裝置包括主換熱器和蒸餾塔，包括用于將天然氣和冷流體至少部分以液體形式輸送到換熱器中的裝置，用于從換熱器取出已液化的天然氣的裝置，和用于從換熱器取出至少部分被汽化的冷流體的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步任選方面-等熵膨脹提供了用于液化天然氣的致冷作用；-空氣分離裝置包括兩個塔，具有以熱方式連接的中壓塔和低壓塔，以及進(jìn)行空氣膨脹的汽輪機(jī)，和用于將已膨脹的空氣輸送到中壓塔的裝置；-該裝置包括用于將待液化的天然氣輸送到低溫空氣蒸餾裝置的主換熱器中的裝置，其中所述冷流體是至少一種液體料流，相對于空氣而言，它富含氧氣、氮氣和氬氣中的至少一種，并在主換熱器中汽化；-該裝置包括將要分離的所有空氣輸送到主換熱器中的裝置；-該裝置包括非主換熱器的附加換熱器，和用于將待液化的天然氣和至少一種已在至少一個空氣分離裝置的主換熱器中被汽化液體冷卻的冷流體輸送到附加換熱器中的裝置；-該裝置包括其中流動至少一種冷流體的封閉回路，該回路經(jīng)過主換熱器和附加換熱器；-該裝置包括用于將氣態(tài)氮從至少一個低溫空氣蒸餾裝置輸送到附加換熱器中的裝置；-該裝置包括用于將加壓的氧氣從低溫空氣蒸餾裝置輸送到由天然氣供應(yīng)的GTL裝置、甲醇裝置或DME裝置的至少一個中的裝置；-液化天然氣所需要的所有致冷作用都來自單一低溫蒸餾裝置，該裝置的塔、主換熱器和其它換熱器位于單一低溫試驗箱中；-液化天然氣所需要的部分致冷作用來自至少兩個低溫空氣蒸餾裝置，各自包括主換熱器和蒸餾塔，所述主換熱器和蒸餾塔位于低溫試驗箱內(nèi)，液化天然氣所需要的部分致冷作用由至少一種由蒸餾塔之一生產(chǎn)的富含氧氣、氮氣或氬氣的液體料流的汽化來提供，和天然氣在另一個換熱器中通過熱交換被來自各低溫空氣蒸餾裝置的冷流體液化；-該裝置包括在使用所述冷流體進(jìn)行間接熱交換之前將天然氣預(yù)先冷卻的裝置；-所述用于預(yù)先冷卻的裝置包括換熱器和用于將丙烷輸送到該換熱器的裝置。
附圖簡述

圖1-5是根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意圖。圖6是現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式以下幾種選擇是可能的1)使用圖1的裝置進(jìn)行最小規(guī)模的LNG生產(chǎn)在這種情況下，GTL設(shè)備通常在現(xiàn)有/未來的LNG基本負(fù)荷設(shè)備的附近建設(shè)，以便從其基礎(chǔ)設(shè)施中受益。
空氣1在主空氣壓縮器3中被壓縮到21.5巴的壓力，并使用機(jī)械致冷裝置或吸收致冷裝置冷卻到12℃的溫度。然后，空氣1用通常含有氧化鋁和分子篩的吸收器5提純，并除去雜質(zhì)例如水和二氧化碳。提純裝置的低溫是優(yōu)選的，這是出于以下幾個原因空氣將在較低的溫度下進(jìn)入主換熱器，使得LNG產(chǎn)量增加；空氣將含有較少的水，吸收更有效，所以將需要較少的氧化鋁和分子篩。然后，空氣1(基本量＝1000Nm3/h)被引入通常散熱片式銅焊鋁型主換熱器7中(或者可以使用螺旋纏繞式換熱器)，并冷卻到-145℃的溫度，分成兩股料流9、11第一股料流9(848Nm3/h)在膨脹汽輪機(jī)13中膨脹到5.6巴的壓力、-173.5℃的溫度，液體分?jǐn)?shù)大于10％。假設(shè)從該膨脹獲得的能量在發(fā)電機(jī)中回收。盡管如此，可以有幾種其它的選擇，例如-在提純裝置之前或之后用增壓器制動汽輪機(jī)，從而降低主空氣壓縮器的排料壓力；-將膨脹汽輪機(jī)的能量直接或經(jīng)由齒輪轉(zhuǎn)移到主空氣壓縮器的的軸或其驅(qū)動器；第二股料流11(152Nm3/h)進(jìn)一步冷卻、冷凝，過冷到-174.8℃的溫度。將這兩股料流都引入到低溫空氣分離裝置的中壓塔15中。從中壓塔15取出富含氧氣和富含氮氣的料流并輸送到低壓塔17。從該蒸餾塔17取出富含液氧的料流21(200Nm3/h)，并用泵23泵壓到53.5巴的壓力，兩股富含氣態(tài)氮的料流19、27也被取出，其中來自低壓塔17的料流19處于1.25巴(絕對)的低壓和-176℃的溫度(該料流已經(jīng)用于將蒸餾段內(nèi)部料流過冷；流量為720Nm3/h)，另一股來自中壓塔15的料流27處于5.5巴(絕對)的中等壓力和-177.8℃的溫度(流量為80Nm3/h)。這三股料流19、21、27在換熱器7內(nèi)加熱。壓力為60巴(絕對)和溫度接近環(huán)境溫度且經(jīng)過預(yù)處理的天然氣料流GN25(其中已除去Hg、H2S、H2O和CO2)被引入換熱器7內(nèi)的加熱端，流量為38Nm3/h。如果料流25含有重質(zhì)烴，則可以在換熱器7的中等溫度下取出，以便如美國專利5390499中所示除去那些重質(zhì)烴，然后再次加入換熱器7中進(jìn)一步冷卻到約-165℃的溫度，并在GNL流動時通過閥門或液體汽輪機(jī)膨脹之后送至儲庫。從換熱器7中位于空氣料流9出口位置上游的位置取出已液化的天然氣。
2)使用圖2的裝置進(jìn)行中等規(guī)模液體的生產(chǎn)。
空氣1在壓縮器3中被壓縮到優(yōu)選5-25巴(絕對)的中等壓力，通常約15巴(絕對)，并使用機(jī)械致冷裝置或吸收致冷裝置冷卻到12℃的溫度。然后，空氣1用通常含有氧化鋁和分子篩的吸收器5提純，并除去雜質(zhì)例如水和二氧化碳。然后，空氣1(基本量＝1000Nm3/h)進(jìn)一步在增壓器6中壓縮到50巴(絕對)的壓力，冷卻，然后引入通常散熱片式銅焊鋁型換熱器7中(或者可以使用螺旋纏繞式換熱器)，并冷卻到-77℃的溫度，分成兩股料流第一股料流9(708Nm3/h)在膨脹汽輪機(jī)13中膨脹到5.6巴的壓力、-163.7℃的溫度。第二股料流11(292Nm3/h)進(jìn)一步冷卻、冷凝，過冷到-174.4℃的溫度。將這兩股料流都引入到低溫空氣分離裝置的中壓塔15中。從中壓塔15取出富含氧氣和富含氮氣的料流并輸送到低壓塔17。從該蒸餾塔17取出富含液氧的料流21(200Nm3/h)，并泵壓到53.5巴的壓力，兩股富含氣態(tài)氮的料流19、27也被取出，其中料流19處于1.25巴的低壓和-175.4℃的溫度(該料流已經(jīng)用于將蒸餾段內(nèi)部的料流過冷；流量為720Nm3/h)，另一股料流27處于5.5巴的中等壓力和-177.8℃的溫度(流量為80Nm3/h)。這三股料流都在換熱器內(nèi)加熱，氧氣21被汽化。壓力為60巴(絕對)且經(jīng)過預(yù)處理的天然氣料流25GN(其中已除去Hg、H2S、H2O、CO2和任何其它可能會固化的雜質(zhì))被預(yù)先冷卻到-38℃的溫度(通常使用與美國專利3 763 658類似的丙烷循環(huán))，引入換熱器7內(nèi)。天然氣的流量為134Nm3/h。在該預(yù)冷卻階段已經(jīng)除去了重質(zhì)烴。然后，再次加入換熱器7中進(jìn)一步冷卻到約-165℃的溫度，并通過閥門或液體汽輪機(jī)膨脹后送至儲庫，在汽輪機(jī)13的上游。
3)使用圖3的裝置進(jìn)行大規(guī)模液體生產(chǎn)。
空氣1在壓縮器3中被壓縮到中等壓力(5.4巴)，并使用機(jī)械致冷裝置或吸收致冷裝置冷卻到12℃的溫度。然后，空氣用通常含有氧化鋁和分子篩的吸收器5提純，并除去雜質(zhì)例如水和二氧化碳。然后，空氣(基本量＝1000Nm3/h)與循環(huán)空氣31(流量364Nm3/h)混合，進(jìn)一步在增壓器6中壓縮到70巴(絕對)的壓力，冷卻，然后引入通常散熱片式銅焊鋁型換熱器7中(或者可以使用螺旋纏繞式換熱器)，并冷卻到-36℃的溫度，分成兩股料流9、11第一股料流9(1014Nm3/h)在膨脹汽輪機(jī)13中膨脹到5.6巴(絕對)的壓力、-149.8℃的溫度，并分成兩股料流31、33，其中料流33被引入中壓塔15，料流31循環(huán)到換熱器7。第二股料流11(350Nm3/h)進(jìn)一步冷卻、冷凝，過冷到-174.2℃的溫度。將它引入到中壓塔15中。從中壓塔15取出富含氧氣和富含氮氣的料流并輸送到低壓塔17。從該蒸餾塔17取出富含液氧的料流21(200Nm3/h)，并泵壓到53.5巴的壓力，兩股富含氣態(tài)氮的料流19、27也被取出，其中料流19處于1.25巴的低壓和-175.2℃的溫度(該料流已經(jīng)用于將蒸餾段內(nèi)部的料流過冷；流量為720Nm3/h)，另一股料流27處于5.5巴的中等壓力和-177.8℃的溫度(流量為80Nm3/h)。這三股料流都在換熱器內(nèi)加熱，氧氣被汽化。壓力為60巴(絕對)且經(jīng)過預(yù)處理的天然氣料流24GN(其中已除去Hg、H2S、H2O和CO2)被預(yù)先冷卻到-38℃的溫度(通常使用與美國專利3 763 658類似的丙烷循環(huán))，引入換熱器7內(nèi)，流量為280Nm3/h。在該預(yù)冷卻階段已經(jīng)除去了重質(zhì)烴。然后，再次加入換熱器中進(jìn)一步冷卻到約-165℃的溫度，并在通過閥門或液體汽輪機(jī)膨脹之后送至儲庫。
下表顯示了LNG的產(chǎn)量和使用20000噸/天氧氣的GTL設(shè)備的能耗。
在比較最小規(guī)模LNG產(chǎn)量與僅有ASU的情況時，可見空氣分離裝置更簡單，與空氣壓縮器和增壓空氣壓縮器相比的單一空氣壓縮器、在較高壓力下操作的預(yù)冷卻系統(tǒng)和提純裝置使得這些設(shè)備的尺寸顯著減少，這是因為體積流量更小，吸收的效率更好。所以，最小規(guī)模液體生產(chǎn)對于負(fù)性投資是可行的。
或者，可以使用圖4所顯示的方法。該方案的優(yōu)點是天然氣僅僅與惰性氣體進(jìn)行間接熱交換。在這種情況下，空氣1在主空氣壓縮器3中壓縮到21.5巴的壓力，并使用機(jī)械致冷裝置或吸收致冷裝置冷卻到12℃的溫度。然后，空氣1用通常含有氧化鋁和分子篩的吸收器5提純，并除去雜質(zhì)例如水和二氧化碳。然后，空氣1(基本量＝1000Nm3/h)被引入到通常散熱片式銅焊鋁型主換熱器7中(或者可以使用螺旋纏繞式換熱器)，并冷卻到-145℃的溫度，分成兩股料流9、11第一股料流9(848Nm3/h)在膨脹汽輪機(jī)13中膨脹到5.6巴的壓力、-173.5℃的溫度，液體分?jǐn)?shù)大于10摩爾％。第二股料流11(152Nm3/h)進(jìn)一步冷卻、冷凝，過冷到-174.8℃的溫度。將這兩股料流都引入到低溫空氣分離裝置的中壓塔15中，但水平不同。從中壓塔15取出富含氧氣和富含氮氣的料流并輸送到低壓塔17。從該蒸餾塔17也取出富含氣態(tài)氮的料流27(流量為80Nm3/h)。從該蒸餾塔17取出富含液氧的料流21(200Nm3/h)，并用泵23泵壓到53.5巴的壓力，從該蒸餾塔17也取出富含氣態(tài)氮的料流19，其中料流19處于1.25巴的低壓和-176℃的溫度(該料流已經(jīng)用于將蒸餾段內(nèi)部的料流過冷；流量為720Nm3/h)。這兩股料流19、21都在換熱器7內(nèi)加熱。
壓力為60巴(絕對)且溫度接近環(huán)境溫度的經(jīng)過預(yù)處理的天然氣料流GN25(其中已除去Hg、H2S、H2O和CO2)被引入附加換熱器32內(nèi)，流量為38Nm3/h。如果料流25含有重質(zhì)烴，則可以在附加換熱器32的中等溫度下取出，以便如美國專利5390499中所示除去那些重質(zhì)烴，然后再次加入附加換熱器32中進(jìn)一步冷卻到約-165℃的溫度，并在GNL流動時通過閥門或液體汽輪機(jī)膨脹之后送至儲庫。在附加換熱器32中，天然氣與與富含氮的氣態(tài)料流27和在封閉回路26內(nèi)流動的流體進(jìn)行熱交換。在該回路內(nèi)的流體通常是惰性氣體，例如氬氣、氮氣、CF4、HCF3或任何其它致冷劑。將其在其中發(fā)生至少部分汽化(或如果在超臨界壓力之上，假汽化)的換熱器32內(nèi)加熱，并在其中發(fā)生至少部分冷凝(或如果在超臨界壓力之上，假冷凝)的換熱器7內(nèi)冷卻。從換熱器32取出已液化的天然氣。
目前，基本上由于塔尺寸的限制，在單一系列中不能建立20000噸/天氧氣的空氣分離裝置。通常需要3-5個系列。相反，可以建立5百萬噸/年的單一液化系列。所以，圖1-4的方案在建立整個裝置方面的最優(yōu)化可以包括將一種(或幾種)冷流體(通常是富含氮氣的流體，是液體或蒸氣形式)從各空氣分離系列送到單一天然氣液化系列(參見圖5，其中使用三個系列。ASU系列1、ASU系列2和ASU系列3)，而不是將天然氣料流輸送到每個空氣分離系列中。與圖4的方法相似，氮氣27從所有三個系列中取出(對于至少一個系列)，混合形成單一料流，并輸送到第一換熱器，然后輸送到第二換熱器。回路流體26在每個系列的換熱器7中冷卻，混合形成單一料流，并輸送到換熱器32，在那里在被分離之間進(jìn)行加熱，并返回到該系列中。天然氣25在換熱器34中用丙烷和氮氣27預(yù)冷卻。丙烷通常在不同的壓力水平下汽化。或者，混合的致冷劑循環(huán)可以用于進(jìn)行該預(yù)冷卻過程。然后，在換熱器32中，天然氣用在回路中的氮氣27和惰性氣體26冷卻。
另一種最優(yōu)化方式是基于這樣的事實，即其中氧氣在30-60巴下被汽化的空氣分離裝置能提供低溫的冷能(-130℃至-110℃)。所以，可以在10-20巴(絕對)的低壓下冷凝天然氣(取決于其組成)。有兩種選擇-如果天然氣可以在40-60巴(絕對)壓力下原位獲得，則可以將該天然氣在環(huán)境溫度下或在丙烷預(yù)冷卻之后(優(yōu)選的方案)進(jìn)行等熵膨脹；當(dāng)對圖1和2采用這種優(yōu)化方案時，LNG的產(chǎn)量分別為1.0Mt/y和3.1Mt/y，能耗分別是361MW和441MW；-減少原位輸送天然氣所用的壓縮器的數(shù)目和/或能耗。
在圖1-3中，料流27可以省略。在圖4中，部分料流19可以代替料流27。
在所有這些圖中，可以按照常規(guī)方式使用料流18生產(chǎn)氬氣。還可以將部分料流11輸送到低壓塔。此外，從中壓塔提取的液體可以用料流19間接熱交換來冷卻，然后將它們在閥門中膨脹并引入低壓塔。還可以用液體汽輪機(jī)代替料流11和LNG上的膨脹閥。如果任一壓縮器可以用氣體汽輪機(jī)驅(qū)動，則還可以從該氣體汽輪機(jī)中提取空氣，供應(yīng)到至少部分空氣分離裝置中。
圖6顯示現(xiàn)有技術(shù)已知的空氣分離裝置，其中沒有任何天然氣液化裝置。
空氣1在壓縮器3中被壓縮至中等壓力(5.8巴)，并使用機(jī)械致冷裝置或吸收致冷裝置冷卻到12℃的溫度。然后，空氣用通常含有氧化鋁和分子篩的吸收器5提純，并除去雜質(zhì)例如水和二氧化碳。然后，空氣(基本量＝1000Nm3/h)分成兩股料流。第一股空氣料流(流量455Nm3/h)進(jìn)一步在增壓器6中被壓縮到66巴(絕對)的壓力，冷卻，然后引入通常散熱片式銅焊鋁型換熱器7中(或者可以使用螺旋纏繞式換熱器)，并冷卻到-98℃的溫度，分成兩股料流9、11第一股料流9(65Nm3/h)在膨脹汽輪機(jī)13中膨脹到5.6巴(絕對)的壓力、-173.4℃的溫度，并引入中壓塔15。第二股料流11(390Nm3/h)進(jìn)一步冷卻、冷凝，過冷到-168.2℃的溫度。將它引入到中壓塔15中。第二空氣料流(流量545Nm3/h)在換熱器7中冷卻，也引入到中壓塔中。從中壓塔15取出富含氧氣和富含氮氣的料流并輸送到低壓塔17。從該蒸餾塔17取出富含液氧的料流21(200Nm3/h)，并泵壓到53.5巴的壓力，兩股富含氣態(tài)氮的料流19、27也被取出，其中料流19處于1.25巴的低壓和-175.2℃的溫度(該料流已經(jīng)用于將蒸餾段內(nèi)部的料流過冷；流量為720Nm3/h)，另一股料流27處于5.5巴的中等壓力和-177.8℃的溫度(流量為80Nm3/h)。這三股料流都在換熱器內(nèi)加熱，氧氣被汽化。
盡管已經(jīng)參考特定的優(yōu)選實施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)還有其它本發(fā)明的實施方案。特別是，可以使用已經(jīng)描述的任何關(guān)于天然氣液化的預(yù)冷卻循環(huán)，和可以使用具有等熵膨脹的任何空氣分離裝置循環(huán)來提供致冷作用，從而液化天然氣。
權(quán)利要求
1.一種低溫蒸餾分離空氣和液化天然氣(NG)的一體化方法，其中液化天然氣所需要的至少一部分致冷作用是來自至少一個低溫空氣蒸餾裝置，該裝置包括主換熱器(7)和蒸餾塔(15，17)，其中天然氣通過在換熱器(7，32)中與冷流體的間接熱交換而被液化，所述冷流體(21，26)至少部分以液體形式被送到換熱器中并在該換熱器中進(jìn)行至少一部分汽化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中等熵膨脹提供了用于液化天然氣的致冷作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中空氣分離裝置包括兩個塔(15，17)，具有以熱方式連接的中壓塔和低壓塔，和其中空氣在被送到中壓塔之前在汽輪機(jī)(13)中膨脹。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中在低溫空氣蒸餾裝置的主換熱器(7)內(nèi)將天然氣液化，其中用于低溫空氣蒸餾裝置的進(jìn)料空氣(1)被冷卻到適合蒸餾的溫度，和所述冷流體是至少一種液體料流(21)，相對于空氣而言，它富含氧氣、氮氣和氬氣中的至少一種，并在主換熱器中汽化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中要在低溫空氣蒸餾裝置中分離的所有空氣(1)在主換熱器中冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中在非主換熱器(7)的附加換熱器(32)中，天然氣(NG)通過熱交換被先前在至少一個空氣分離裝置的主換熱器中已被汽化液體(23)冷卻的至少一種冷流體(26)液化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中天然氣通過其中流動冷流體(26)的封閉回路被液化，所述冷流體被換熱器用液化汽化天然氣加熱，并在主換熱器(7)中通過熱交換而被冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中冷流體選自氮氣、氬氣、CF4、HCF3、甲烷、乙烷、乙烯和丙烷。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8的方法，其中來自低溫空氣蒸餾裝置的氣態(tài)氮(27)被輸送到附加換熱器(32)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中低溫空氣蒸餾裝置產(chǎn)生了加壓的氧氣(21)，用于由天然氣供應(yīng)的GTL裝置、甲醇裝置或DME裝置中的至少一個。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中液化天然氣(NG，25)所需要的所有致冷作用都來自單一低溫空氣蒸餾裝置，該裝置的塔、主換熱器和其它換熱器位于單一低溫試驗箱中。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中液化天然氣所需要的部分致冷作用來自至少兩個低溫空氣蒸餾裝置(ASU)，各自包括主換熱器(7)和蒸餾塔(15，17)，所述主換熱器和蒸餾塔位于低溫試驗箱內(nèi)，液化天然氣(25)所需要的部分致冷作用由至少一種由蒸餾塔之一生產(chǎn)的富含氧氣、氮氣或氬氣的液體料流的汽化來提供，和天然氣在另一個換熱器中通過熱交換被來自各低溫空氣蒸餾裝置的冷流體(26)液化。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中在進(jìn)行使用所述冷流體(26)的間接熱交換之前，天然氣至少部分在低于0℃的溫度下通過間接熱交換被至少一種不來自任何低溫空氣蒸餾裝置的流體(40)預(yù)先冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述不來自任何低溫空氣蒸餾裝置的流體(40)包括丙烷。
15.一種低溫蒸餾分離空氣和液化天然氣的一體化裝置，其中液化天然氣所需要的至少一部分致冷作用是來自至少一個低溫空氣蒸餾裝置，該裝置包括主換熱器(7)和蒸餾塔(15，17)，包括用于將天然氣(25，NG)和冷流體(21，26)至少部分以液體形式輸送到換熱器(7，32)中的裝置，用于從換熱器取出已液化的天然氣(LNG)的裝置，和用于從換熱器取出至少部分被汽化的冷流體的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中等熵膨脹提供了用于液化天然氣的致冷作用。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的裝置，其中空氣分離裝置包括兩個塔(15，17)，具有以熱方式連接的中壓塔和低壓塔，以及進(jìn)行空氣膨脹的汽輪機(jī)(13)，和用于將已膨脹的空氣輸送到中壓塔(15)的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一項的裝置，它包括用于將待液化的天然氣輸送到低溫空氣蒸餾裝置的主換熱器(7)中的裝置，其中所述冷流體是至少一種液體料流(21)，相對于空氣而言，它富含氧氣、氮氣和氬氣中的至少一種，并在主換熱器中汽化。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項的裝置，它包括將要分離的所有空氣(1)輸送到主換熱器(7)中的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求15或16的裝置，它包括非主換熱器(7)的附加換熱器(32)，和用于將待液化的天然氣和至少一種已在至少一個空氣分離裝置的主換熱器(7)中被汽化液體(21)冷卻的冷流體(26)輸送到附加換熱器中的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，它包括其中流動至少一種冷流體(26)的封閉回路，該回路經(jīng)過主換熱器和附加換熱器(7，32)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的裝置，它包括用于將氣態(tài)氮(27)從至少一個低溫空氣蒸餾裝置輸送到附加換熱器(32)中的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求15-22中任一項的裝置，它包括用于將加壓的氧氣(21)從低溫空氣蒸餾裝置輸送到由天然氣供應(yīng)的GTL裝置、甲醇裝置或DME裝置的至少一個中的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求15-23中任一項的裝置，其中液化天然氣所需要的所有致冷作用都來自單一低溫蒸餾裝置，該裝置的塔、主換熱器和其它換熱器位于單一低溫試驗箱中。
25.根據(jù)權(quán)利要求15-23中任一項的裝置，其中液化天然氣所需要的部分致冷作用來自至少兩個低溫空氣蒸餾裝置，各自包括主換熱器和蒸餾塔，所述主換熱器和蒸餾塔位于低溫試驗箱內(nèi)，液化天然氣所需要的部分致冷作用由至少一種由蒸餾塔之一生產(chǎn)的富含氧氣、氮氣或氬氣的液體料流的汽化來提供，和天然氣在另一個換熱器(32)中通過熱交換被來自各低溫空氣蒸餾裝置的冷流體(26)液化。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，它包括在與所述冷流體進(jìn)行間接熱交換之前將天然氣預(yù)先冷卻的裝置(34)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中所述用于預(yù)先冷卻的裝置包括換熱器(34)和用于將丙烷(40)輸送到該換熱器的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低溫蒸餾分離空氣和液化天然氣(NG)的一體化方法，其中液化天然氣所需要的至少一部分致冷作用是來自至少一個低溫空氣蒸餾裝置，該裝置包括主換熱器(7)和蒸餾塔(15，17)，其中天然氣(25)通過在換熱器(7，32，34)中與冷流體(21，26)的間接熱交換而被液化，所述冷流體至少部分以液體形式被送到換熱器中并在該換熱器中進(jìn)行至少一部分汽化。
文檔編號C10L10/14GK1501044SQ20031010313
公開日2004年6月2日 申請日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
發(fā)明者J-P·特拉尼耶, J-P 特拉尼耶 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具, 液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司