專利名稱：混合制冷劑氣體液化工藝及混合制冷劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體液化工藝。
本發明還涉及所述液化工藝所使用的混合制冷劑。
背景技術：
液化天然氣液化工藝流程主要有級聯式液化工藝流程、混合制冷劑液化流 程、帶膨脹機的液化流程三種形式
級聯式液化工藝流程有三個獨立的制冷循環組成，制冷劑分別為丙烷、乙 烯和甲烷。第一級丙垸制冷循環為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；第二級乙烯 制冷循環為天然氣和甲垸提供冷量；第三級甲烷制冷循環為天然氣提供冷量。 通過換熱器的冷卻，天然氣的溫度逐步降低直至液化。該工藝流程主要特點為(1) 能耗低，工藝技術成熟，各級制冷系統能夠獨立循環，負荷大小調 整方便，制冷劑為單純物質不存在配比問題。
(2) 機組多，附屬設備多，管道及控制系統復雜。 自二十世紀六十年代起開始采用此種工藝，該工藝技術成熟，適用于特大
型的LNG工廠。
混合制冷劑液化流程(MRC)是以C1 C5的碳氫化合物及N2等五種以 上的多組分混合制冷劑為工質，進行逐級的冷凝、蒸發、節流膨脹得到不同溫 度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。MRC即達到類似級 聯式液化工藝的目的，又克服了其系統復雜的缺點。該工藝流程主要特點為
(1) 機組設備少，流程簡單，投資省。
(2) 管理技術要求高，混合制冷劑合理配比較為困難，啟動時間長，當 氣源的氣量、氣壓發生大的變化時，需對混合制冷劑的比例重新計算并進行相 應的調節。
帶膨脹機的液化流程是指用高壓制冷劑通過透平膨脹機，進行絕熱膨脹循環制冷實現天然氣液化的流程。根據制冷劑的不同，分為氮氣膨脹液化流程和 天然氣膨脹液化流程。該工藝流程主要特點為
(1) 流程簡單、易啟動、易操作，當天然氣本身為工質時，省去專門生 產、運輸、儲存制冷劑的費用。
(2) 能耗大，換熱面積大，設備金屬投入量大。 該工藝流程特別適用于液化能力較小的調峰型天然氣液化裝置。
美國專利403,3735提供了一種液化氣的制冷工藝和制冷劑，制冷劑由5 種成分組成以摩爾百分數計0% 12%的^,20% 36%的C.1碳氫化合物, 20% 40%的C.2碳氫化合物，2% ~12%的C3碳氫化合物，6% 24%的C.4 碳氫化合物和2% 20°/。的C.5碳氫化合物。制冷劑流過由壓縮、部分液化、 多路徑熱交換和膨脹區組成的一個單封閉循環的制冷循環，在熱交換區與直接 進入的天然氣進行熱交換，將氣體液化。
上述工藝中，制冷劑至少由五種成分組成，而且包含C4以上的重烴組分， 相應地配比該制冷劑比較復雜，儲存也需要更多的設備空間，含有的重烴成分 對運行參數、壓縮機等設備的要求比較高，也容易發生運行異常和損壞壓縮機 的現象。而且該工藝在一級壓縮冷卻后會產生液體，需要進行分離。
發明內容
本發明的一個目的是提供 一種液化工藝，通過使用混合制冷劑進行單循環 液化流程，為需要液化的氣體提供冷量，使氣體液化。 本發明的另一目的在于提供一種混合制冷劑。
本發明的混合制冷劑液化工藝包括下述步驟
1) 提供一種混合制冷劑，所述混合制冷劑含有以摩爾百分數計氮
氣5%-10%，甲烷30%-40%，乙烯5%畫10%，丙烷45%畫60%;
2) 使所述混合制冷劑進入一制冷劑單循環系統進行閉路循環，以產 生冷卻氣體所需的冷量；
3) 使需液化的氣體經一液化氣體系統與所述制冷劑循環系統交換 熱量，使得氣體冷卻并被液化；
其中所述制冷劑單循環系統與液化氣體系統交換熱量過程在一冷箱中進
5行。
本發明的工藝流程是一種單循環混合制冷劑液化流程，由4種制冷劑組 成。氣態制冷劑經一級壓縮冷卻、二級壓縮冷卻進氣液分離器，從分離器出來 的氣相介質和液相介質由各自管道進入冷箱，氣液兩相流體在冷箱內由上向下 流動、冷卻，出冷箱時變成液體，經節流閥節流降壓降溫，然后全部返回冷箱 內進行閃蒸，向天然氣和高壓制冷劑提供冷量，全部變成常溫氣態時回到壓縮 機入口，完成閉路循環。
本發明工藝特別適合天然氣(或煤層氣)的液化，它不像傳統混合制冷劑 制冷流程那樣將壓縮后的制冷劑根據沸點進行分離根據不同溫度水平循序冷 卻原料氣直至液化，而是氣液相一同進入冷箱避免在冷箱中部出冷箱進行氣液 分離，從而保持了流程簡單、操作方便、調節高效。
本發明的混合制冷劑由4種制冷劑組分組成，分別是氮氣、甲烷、乙烯、 丙烷，其具體組分配比與原料氣的組分、壓力等有關，依據是冷、熱流體溫度 曲線盡可能接近，確保較小的換熱溫差。優選的混合制冷劑含有以摩爾百分數
計下述成分氮氣5%-10%，甲烷30%-40%，乙烯5%-10%，丙烷45%-60%。 更優選的是含有以摩爾百分數計氮氣7%，甲烷30%，乙烯8%，丙垸55%。
本發明的工藝與級聯式液化工藝流程相比，設備少、流程簡單；與傳統混 合制冷劑液化流程相比，制冷劑配比難度小、操作簡單、負荷調整方便；與帶 膨脹機的液化流程相比，能耗低，相對于氮膨脹液化工藝，能耗可降低 20%-30%。本發明工藝具有傳統三種天然氣液化流程不可比擬的優勢，在于 流程簡單高壓氣、液相制冷劑由各自管道進入冷箱，不在冷箱中部出冷箱進 行氣液分離。組分合理氮氣、甲垸、乙烯、丙烷組成混合制冷劑，該混合制 冷劑容易與天然氣液化組分相匹配，使得本發明液化裝置運行安全可靠、開工 簡單、負荷調整靈活，且能耗較低。
圖1為本發明液化工藝流程示意圖。
具體實施方式
本發明的一個較佳實施方式的工藝流程如圖1所示，制冷劑單循環系統包 括由壓縮機和冷卻器組成的壓縮裝置、氣液分離裝置和節流裝置，壓縮裝置有 二級壓縮。液化氣體系統包括重烴分離器和節流裝置，制冷劑單循環系統和液 化氣體系統的熱交換在一個冷箱中進行。混合制冷劑的單循環流程為從冷箱
100出來的混合制冷劑1進入制冷劑一級壓縮機200，壓縮后高溫制冷劑2進 入一級冷卻器300冷卻，降到38t:的制冷劑3進入二級壓縮機400，壓縮后高 溫制冷劑4進入二級冷卻器500冷卻，降到38"C的氣液兩相流體5進入出口 分離器600進行氣液相分離，液態制冷劑7進烴泵700增壓，增壓后的液態制 冷劑8和氣態制冷劑6沿各自管道進冷箱IOO入口，在冷箱中逐步冷卻直至全 部變成液體9，經節流闊800節流降壓，降壓降溫后的制冷劑10從下向上返 回冷箱，釋放冷量冷卻天然氣和混合制冷劑，全部氣化、溫度升至常溫變成氣 態制冷劑l進入一級壓縮機入口，完成制冷劑循環。
凈化后的天然氣11進入冷箱IOO進行預冷，在-7(TC左右12出冷箱進重 烴分離器1000，從重烴分離器頂部出來的氣體13再進冷箱，進一步冷卻全部 變成過冷液體15，經流閥卯O節流降壓，降壓后的16進LNG儲罐。
在上述工藝中使用的混合制冷劑由4種組分組成，分別是氮氣、甲烷、乙 烯、丙烷。其摩爾百分比為氮氣5%-10%，甲烷30%-40%，乙烯5%-10%， 丙烷45%-60%。具體的組分配比與原料氣的組分、壓力等有關，依據冷、熱 流體溫度曲線盡可能接近，確保較小的換熱溫差來確定。
下面結合具體的實施例來詳細說明但不限制本發明
實施例1煤層氣液化
脫酸脫水后凈化煤層氣組分(摩爾百分數)氮2.0843%甲垸97.901% 乙烷0.0053%丙烷0.0001%其他0.0093%，壓力4.46MPa溫度38°C。
煤層氣液化流程
凈化層氣11進入冷箱100預冷，預冷到-70。C的煤層氣12出冷箱進入重 烴分離器IOOO，重烴14從重烴分離器底部排出，其流量為零，即沒有重烴析 出。重烴分離器頂部出來氣相13進入冷箱100進行深冷，冷卻到-15(TC的過 冷液體15出冷箱，經節流閥800節流降壓到0.4MPa，低壓過冷液體16進入LNG儲存單元。
制冷劑循環流程
3(TC低壓氣態混合制冷劑1出冷箱100進入制冷一級壓縮機200壓縮，溫 度升至100。C的熱態制冷劑2進一級冷卻器300冷卻，冷卻到38。C制冷劑3 進入二級壓縮機400，壓縮到3.0MP、 100。C的熱制冷劑4進二級冷卻器500 冷卻，冷卻后制冷劑5變為氣液兩相流體，進入出口氣液分離器600進行氣液 分離，液態制冷劑7經烴泵700增壓，增壓后的液態制冷劑8和氣態制冷劑6 沿各自管道進入冷箱IOO，冷卻到-15(TC的制冷劑9經節流閥800降壓，溫度 降到-152'C的制冷劑10由下向上返回冷箱，釋放冷箱冷卻高壓天然氣和煤層 氣，變成3(TC的氣態制冷劑1出冷箱，完成閉路循環。
制冷劑的組成(摩爾百分數)氮氣7%，甲烷30%，乙烯8%，丙垸55%。
實施例2北海天然氣液化
脫酸脫水后凈化天然氣組分(摩爾百分數)氮1.5% ，甲烷77% ，乙烷 14.5% ，丙烷3% ，正己烷4%，壓力4.97MPa，溫度38°C。
煤層氣液化流程
凈化層氣11進入冷箱100預冷，預冷到-35'C的煤層氣12出冷箱進入重 烴分離器1000，重烴14從重烴分離器底部排出。重烴分離器頂部出來氣相13 進入冷箱IOO進行深冷，冷卻到-140。C的過冷液體15出冷箱，經節流閥800 節流降壓到0.6MPa，低溫液體16進入LNG儲存單元。 制冷劑循環流程
3rC低壓氣態混合制冷劑1出冷箱100進入制冷一級壓縮機200壓縮，溫 度升至100。C的熱態制冷劑2進一級冷卻器300冷卻，冷卻到38r制冷劑3 進入二級壓縮機400，壓縮到3.0MP、 IO(TC的熱制冷劑4進二級冷卻器500 冷卻，冷卻后制冷劑5變為氣液兩相流體，進入出口氣液分離器600進行氣液 分離，液態制冷劑7經烴泵700增壓，增壓后的液態制冷劑8和氣態制冷劑6 沿各自管道進入冷箱IOO，冷卻到-14(TC的制冷劑9經節流閥800降壓，溫度 降到-142匸的制冷劑10由下向上返回冷箱，釋放冷箱冷卻高壓天然氣和煤層 氣，變成3(TC的氣態制冷劑1出冷箱，完成閉路循環。制冷劑的組成(摩爾百分數)氮氣5%，甲烷30%，乙烯5%，丙烷60%。
實施例3吉林天然氣液化
脫酸脫水后凈化煤層氣組分(摩爾百分數)氮3.42%,甲烷94.55% ， 乙烷1.22%，丙烷0.09%， 丁烷0.37%，正戊烷0.18%，其他0.17%，壓力 3.97MPa，溫度38°C。 天氣液化流程
凈化層氣11進入冷箱100預冷，預冷到-7(TC的煤層氣12出冷箱進入重 烴分離器1000，重烴14從重烴分離器底部排出。重烴分離器頂部出來氣相13 進入冷箱100進行深冷，冷卻到-156'C的過冷液體15出冷箱，經節流閥800 節流降壓到0.12MPa，低溫液體16進入LNG儲存單元。 制冷劑循環流程
3(TC低壓氣態混合制冷劑1出冷箱100進入制冷一級壓縮機200壓縮，溫 度升至100。C的熱態制冷劑2進一級冷卻器300冷卻，冷卻到38。C制冷劑3 進入二級壓縮機400，壓縮到4.5MP、 IOO'C的熱制冷劑4進二級冷卻器500 冷卻，冷卻后制冷劑5變為氣液兩相流體，進入出口氣液分離器600進行氣液 分離，液態制冷劑7經烴泵700增壓，增壓后的液態制冷劑8和氣態制冷劑6 沿各自管道進入冷箱100，冷卻到-156。C的制冷劑9經節流閥800降壓，溫度 降到-158'C的制冷劑10由下向上返回冷箱，釋放冷箱冷卻高壓天然氣和煤層 氣，變成30'C的氣態制冷劑1出冷箱，完成閉路循環。
制冷劑的組成(摩爾百分數)氮氣10%，甲烷40%，乙烯5%，丙烷45%。
本發明不限于以上的實施方式，本領域技術人員可以根據本發明做出各種 改變和變形，只要不脫離本發明的精神，均應屬于所附權利要求的范圍。
權利要求
1、一種混合制冷劑液化氣體工藝，包括下述步驟1)提供一種混合制冷劑，所述混合制冷劑含有以摩爾百分數計氮氣5％-10％，甲烷30％-40％，乙烯5％-10％，丙烷45％-60％；2)使所述混合制冷劑進入一制冷劑單循環系統進行閉路循環，以產生冷卻氣體所需的冷量；3)使需液化的氣體經一液化氣體系統與所述制冷劑循環系統交換熱量，使得氣體冷卻并被液化；其中所述制冷劑單循環系統與液化氣體系統交換熱量過程在一冷箱中進行。
2、 權利要求1所述的混合制冷劑液化氣體工藝，其特征在于步驟2)所 述的制冷劑單循環系統包括 一級壓縮裝置、二級壓縮裝置、氣液分離裝置以 及節流裝置，所述制冷劑閉路循環包括將步驟l)提供的制冷劑經一級壓縮冷 卻、二級壓縮冷卻后，進入氣液分離器，從分離器出來的氣相介質和液相介質 由各自管道進入冷箱，氣液兩相流體在冷箱內由上向下流動、冷卻，出冷箱時 變成液體，經節流閥節流降壓降溫，然后全部返回冷箱內進行閃蒸，向需液化 的氣體和進入冷箱的制冷劑提供冷量，全部變成常溫氣態時回到壓縮循環入 口，完成閉路循環。
3、 權利要求1所述的混合制冷劑液化氣體工藝，其特征在于步驟3)所 述的需液化的氣體先進入冷箱預冷后，進入重烴分離器以除去存在于氣體中的 重烴，分離了重烴的氣體再進入冷箱進行深冷，獲得過冷液體，輸出冷箱。
4、 權利要求1~3所述的混合制冷劑液化氣體工藝，其特征在于進一步包 括下述步驟4) 將輸出冷箱的液化氣體經節流裝置節流降壓后儲存。
5、 權利要求1所述的混合制冷劑液化氣體工藝，其特征在于所述混合制 冷劑包含以摩爾百分數計氮氣7%，甲烷30%，乙烯8%，丙垸55%。
6、 權利要求1所述的混合制冷劑液化氣體工藝，其特征在于所述需液化 的氣體為天然氣或煤層氣。
7、 一種用于液化氣體的混合制冷劑，含有以摩爾百分數計下述成分氮 氣5%-10%，甲烷30%-40%，乙烯5%-10%，丙烷45%-60%。
8、權利要求7所述的混合制冷劑，其特征在于所述制冷劑含有以摩爾百分數計氮氣7%，甲烷30%，乙烯8%，丙垸55%。
全文摘要
本發明涉及一種混合制冷劑液化氣體工藝，包括下述步驟提供一種混合制冷劑，所述混合制冷劑含有以摩爾百分數計氮氣5％-10％，甲烷30％-40％，乙烯5％-10％，丙烷45％-60％；使所述混合制冷劑進入一制冷劑單循環系統進行閉路循環，以產生冷卻氣體所需的冷量；使需液化的氣體經一液化氣體系統與所述制冷劑循環系統交換熱量，使得氣體冷卻并被液化。本發明工藝流程簡單，制冷劑組分合理，使得液化裝置運行安全可靠、開工簡單、負荷調整靈活，且能耗較低。
文檔編號F25B9/00GK101608860SQ20081011513
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月17日 優先權日2008年6月17日
發明者勇 劉, 屠光宗 申請人:北京安瑞科新能能源科技有限公司