整體式預冷卻混合制冷系統和方法
【專利說明】
[00011 本申請是申請日為2011年3月4日、申請號為201180023625.4、發明名稱為"整體式 預冷卻混合制冷系統和方法"的專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明大體上涉及用于冷卻或液化氣體的工藝和系統，更具體而言，涉及用于冷 卻或液化氣體的改進的混合制冷系統和方法。
【背景技術】
[0003] 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輸。因液化導致的體 積減小使得可以使用更實用和經濟的設計的容器。液化典型地通過由一個或多個制冷循環 進行的間接熱交換對氣體進行冷卻來實現。由于所需設備的復雜性和所需的制冷劑性能的 效率，這樣的制冷循環在設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 的制冷效率并且操作成本降低、復雜性降低的用于氣體冷卻和液化的系統。
[0004] 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 接近環境溫度。圖1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，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)。在這兩個區之 間的相對平坦的區域中，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(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的影響，其改變了露點和起泡點。
[0005] 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 整個范圍內均與圖1所示冷卻曲線接近到幾度之內的加熱曲線。然而，由于冷卻曲線的S形 形式和大溫度范圍，很難設計這樣的制冷工藝。純組分制冷劑工藝因其平坦的蒸發曲線在 兩相的區域中效果最好，而多組分制冷劑工藝因其傾斜的蒸發曲線更適于非過熱區和過冷 區。這兩種類型的工藝以及二者的混合已被開發用于使天然氣液化。
[0006] 級聯式、多級、純組分循環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，這樣的循環可生成接近圖1所示冷卻曲線的凈熱(net heating)曲線。然而，由于 隨著級數增加需要額外的壓縮機組，機械復雜性變得非常高。這樣的工藝在熱力學上是低 效的，因為純組分制冷劑恒溫蒸發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，已在尋求改進的工藝以降低資金成本，減少能量消耗，并且 改善操作性能。
[0007] Manley的第5,746,066號美國專利描述了一種用于乙稀回收的類似制冷需求的級 聯式、多級、混合制冷劑工藝，其消除了級聯式多級純組分工藝的熱力學效率低的問題。這 是因為制冷劑遵循氣體冷卻曲線在溫度升高時蒸發，并且液體制冷劑在閃蒸之前被過冷， 因此降低了熱力學不可逆性。此外，機械復雜性稍微低些，因為僅需要兩個不同的制冷劑循 環，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用于天然氣液化的方案的變體。
[0008] 這種級聯式、多級、混合制冷劑工藝是已知最有效的，然而，對于大多數工廠來說， 期望一種能夠更易操作的、更簡單的、有效的工藝。
[0009] 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 個壓縮機用于制冷工藝，并且其進一步降低了機械復雜性。然而，主要由于兩個原因，這種 處理消耗了比級聯式、多級、混合制冷劑工藝稍多一些的功率。
[0010] 首先，很難(如果并非不可能)找到將生成接近符合圖1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和相對低分 店的組分組成，并且其沸點溫度在熱力學上受相平衡的約束。此外，沸點較高的組分是受限 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 上必然會發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合物 加熱和冷卻曲線。
[0011] 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，即 使較高沸點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。這既不是級聯式多級純組分制冷工藝，也不是 級聯式多級混合制冷劑工藝。
[0012] 為減輕這第二點的低效問題并且也解決第一點，已開發了許多方案，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，用于后續壓縮。Podbielniak的第2,041，725號美國專利說明了描述了一 種實現上述內容的方法，其在低于環境溫度時將若干個相分離級結合起來。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容也顯示了該方案的變 體。當認真地設計時，即使物流不在平衡時重新合并是熱力學低效的，其也可改進能量效 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 個壓縮機中一起被壓縮。無論何時物流在平衡狀態下被分離，被分別處理，然后在非平衡條 件下被重新合并，都會出現熱力學損失，其在根本上提高了功率消耗。因此，這種分離的次 數應該被最小化。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。
[0013] 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1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境壓縮機組中如何采用分餾以 在不同溫度區域中進一步濃縮用于制冷的分離餾分，并由此改進總的工藝熱力學效率。濃 縮餾分和降低其蒸發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。這完全利用了制冷的潛熱，并排除了液體到下游壓縮機的夾帶。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，并且改進了兩相流體的機械分布。
[0014] 正如Stone等人的第2007/0227185號美國專利申請公開內容所說明的，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械的（而非熱力 學的）原因，并且是在需要兩種單獨制冷劑的級聯式、多級、混合制冷工藝的背景下。此外， 在壓