本發(fā)明大體上致力于能量技術(shù)，且更具體地致力于一種改進(jìn)的用于制造液化氣體的克勞德法。

背景技術(shù)：

對(duì)氣體進(jìn)行液化通常會(huì)產(chǎn)生一些要求。氣態(tài)物質(zhì)，例如天然氣，作為液化天然氣(“LNG”)可以較為容易地或更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)輸。液化的空氣、氮?dú)?、氧氣、氫氣、氦氣和其他液化氣體被廣泛用于工業(yè)中。

制造液化氣體至少需要以下步驟：去除顯熱和去除潛熱。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種技術(shù)來(lái)制造液化氣體。典型的方法采用級(jí)聯(lián)的單一成分制冷器，所述單一成分制冷器通常使用丙烷、乙烯和甲烷作為工作流體。近來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了混合制冷劑系統(tǒng)，該混合制冷劑系統(tǒng)使用氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷和丁烷的混合物。最老的用于制造液化氣體的方法之一基于克勞德法，其采用壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的結(jié)合來(lái)使氣體變冷。在最終的步驟中，高壓的變冷的氣體穿過(guò)焦耳-湯姆遜節(jié)流閥，氣體的一部分在該節(jié)流閥中液化。圖1中示出了一種采用克勞德法的示例系統(tǒng)。預(yù)先處理的天然氣穿過(guò)熱交換器以降低其溫度，然后冷卻的天然氣穿過(guò)焦耳-湯姆遜閥以將一些冷卻的天然氣轉(zhuǎn)變成液化天然氣。圖1的系統(tǒng)的其他元件運(yùn)行以將工作流體冷卻到低于預(yù)先處理的天然氣的溫度的溫度，并使冷卻的工作流體穿過(guò)熱交換器，從而使熱量從天然氣傳遞到工作流體以冷卻天然氣。雖然圖1的系統(tǒng)被示出為使天然氣液化，但應(yīng)當(dāng)理解的是，該系統(tǒng)可以用于液化其他氣體。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，被壓縮和膨脹的工作流體可以與預(yù)先處理的原料氣相同，或者可以不同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，用于液化氣體的系統(tǒng)包括第一結(jié)合器，第一結(jié)合器由輸入氣體和第一回收流的第一部分的結(jié)合形成第一混合流。該系統(tǒng)還包括熱交換器，熱交換器將熱量從所述第一混合流傳遞到第二混合流，產(chǎn)生冷卻的第一混合流和加熱的第二混合流。該系統(tǒng)還包括：第一膨脹機(jī)，第一膨脹機(jī)由冷卻的第一混合流產(chǎn)生氣體和液化氣體的混合物；以及出口，用于產(chǎn)生液化氣體。該系統(tǒng)還進(jìn)一步包括第一壓縮機(jī)，第一壓縮機(jī)由來(lái)自氣體和液化氣體的所述混合物的氣體產(chǎn)生第二回收流。該系統(tǒng)還包括第二結(jié)合器，第二結(jié)合器由所述第二回收流和第三回收流形成所述第二混合流并將所述第二混合流提供至所述熱交換器。該系統(tǒng)還包括第二壓縮機(jī)，第二壓縮機(jī)接納來(lái)自所述熱交換器的加熱的第二混合流并產(chǎn)生所述第一回收流，以及將所述第一回收流的第一部分提供至所述第一結(jié)合器。該系統(tǒng)還進(jìn)一步包括第二膨脹機(jī)，第二膨脹機(jī)接納所述第一回收流的第二部分、制造所述第三回收流并將所述第三回收流提供至所述第二結(jié)合器。

根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，一種液化氣體的方法，該方法包括：使輸入氣體和第一回收流的第一部分結(jié)合，以形成第一混合流。該方法還包括：通過(guò)使第一混合流和第二混合流穿過(guò)熱交換器來(lái)產(chǎn)生冷卻的第一混合流和加熱的第二混合流，所述熱交換器適于將熱量從所述第一混合流傳遞到所述第二混合流。所述方法還包括：使用第一膨脹機(jī)產(chǎn)生來(lái)自所述冷卻的第一混合流的氣體和液化氣體的混合物；以及在出口處產(chǎn)生液化氣體。該方法還進(jìn)一步包括：使用第一壓縮機(jī)由來(lái)自氣體和液化氣體的所述混合物的氣體產(chǎn)生第二回收流；以及使所述第二回收流和第三回收流結(jié)合，以形成所述第二混合流。該方法還包括：使用第二壓縮機(jī)由加熱的第二混合流產(chǎn)生所述第一回收流的第一部分和第二部分；以及使用第二膨脹機(jī)由所述第一回收流的第二部分產(chǎn)生所述第三回收流。

根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，一種氣體液化系統(tǒng)，包括熱交換器和內(nèi)齒輪油泵式膨脹機(jī)。所述熱交換器接納輸入氣體并產(chǎn)生冷卻的氣體。所述內(nèi)齒輪油泵式膨脹機(jī)接納所述冷卻的氣體并產(chǎn)生氣體和液化氣體的混合物。

在下文開(kāi)始進(jìn)行詳細(xì)描述之前，為在本專(zhuān)利文件通篇中使用的特定詞匯和短語(yǔ)設(shè)置定義可能是有利的：術(shù)語(yǔ)“包括(include)”和“包括(comprise)”以及其派生詞表示不受限制的包含；術(shù)語(yǔ)“或”是包含性的，表示和/或；短語(yǔ)“與…相關(guān)聯(lián)”和“與其相關(guān)聯(lián)”以及其派生詞可以表示包括、包括在內(nèi)部、互相連接、包含、包含在內(nèi)部、連接到或與…相連接、聯(lián)接到或與…相聯(lián)接、與…連通、與…配合、交錯(cuò)、并列、靠近、粘結(jié)到或與…粘結(jié)、具有、具有…的性質(zhì)、或者類(lèi)似含義。

附圖說(shuō)明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參照結(jié)合所附附圖給出的下文描述，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件：

圖1示出采用克勞德法來(lái)液化天然氣的示例系統(tǒng)；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于液化氣體的第一系統(tǒng)；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于液化氣體的第二系統(tǒng)；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的恰當(dāng)?shù)淖鳛橛糜谝夯淄榈南到y(tǒng)中的氣體溫度的函數(shù)的氣體壓力；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的用于液化甲烷的系統(tǒng)的能量消耗；

圖6示出假設(shè)氣體為純甲烷時(shí)制造LNG的理論最小能量消耗的計(jì)算過(guò)程；

圖7示出制造LNG的不同方法的通常能量消耗。

具體實(shí)施方式

在開(kāi)始即應(yīng)該理解，雖然下文例示出了示例實(shí)施例，但本發(fā)明可以使用任意數(shù)量的技術(shù)來(lái)實(shí)施，無(wú)論是當(dāng)前已知的還是未知的。本發(fā)明絕不應(yīng)該受到下面所例示出的示例性實(shí)施、附圖和技術(shù)的限制。另外，附圖不必須按比例繪制。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于液化天然氣的系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200類(lèi)似于克勞德法，但是膨脹機(jī)202代替了焦耳-湯姆遜閥。在圖1和圖2中，液化過(guò)程是不完整的，因此LNG排出口包含必須被回收的氣體。膨脹機(jī)202允許更大部分的氣體液化并由此提高系統(tǒng)200相對(duì)于圖1所示的系統(tǒng)的效率。然而，膨脹機(jī)202必須能夠承受液體的存在。

動(dòng)力膨脹機(jī)(例如，離心式、軸向式)必須以高的端速運(yùn)行，這使得設(shè)備易受到液體侵蝕的影響。相反，容積式膨脹機(jī)(例如，往復(fù)式、螺旋式、滑片式和內(nèi)齒輪油泵式)在較低速度下運(yùn)行并能夠更容易地承受液體。然而，往復(fù)式膨脹機(jī)具有能夠與液體排出口干涉的閥，這使得在往復(fù)活塞試圖壓縮保留的液體時(shí)冒著損害機(jī)器的風(fēng)險(xiǎn)。螺旋式和滑片式膨脹機(jī)都需要用于潤(rùn)滑和密封目的的潤(rùn)滑流體，潤(rùn)滑流體與膨脹機(jī)產(chǎn)生的液化氣體混合并且必須在隨后的附加步驟中被移除。因?yàn)榕蛎洐C(jī)非常冷，因此難以找到在低溫溫度下保持液態(tài)的合適的潤(rùn)滑劑。相反，內(nèi)齒輪油泵不具有這些運(yùn)行缺點(diǎn)。總體上，其他的膨脹機(jī)根據(jù)尺度而具有大約50％至80％的效率。相反，內(nèi)齒輪油泵式膨脹機(jī)具有80％至90％的效率，這需要使得根據(jù)本發(fā)明的氣體液化系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上具有吸引力。

田納西州學(xué)院站(College Station)的StarRotor公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種可以用于根據(jù)本發(fā)明的氣體液化系統(tǒng)中的內(nèi)齒輪油泵式膨脹機(jī)。本發(fā)明的特定實(shí)施例可以利用在例如美國(guó)專(zhuān)利第7186101號(hào)、美國(guó)專(zhuān)利第7695260號(hào)以及美國(guó)專(zhuān)利公布第2011/0200476號(hào)中公開(kāi)的其他StarRotor的技術(shù)，這三個(gè)專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

通過(guò)優(yōu)化方法配制，改進(jìn)的克勞德法是特別高效的并且接近了制造LNG的理論最小能量需求。通過(guò)推斷，該方法對(duì)于其他氣體應(yīng)該具有類(lèi)似的效率。該方法的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)便性以及其不需要被液化的氣體以外的額外的工作流體。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于液化氣體的系統(tǒng)300。該系統(tǒng)300例示出液化天然氣的方法，但是該系統(tǒng)300可以被設(shè)計(jì)成液化任何氣體。在圖3中，在管線壓力(約5.3MPa或780psia)和約35℃(或95°F)的溫度下供應(yīng)輸入的天然氣流302。如果在高壓下不能獲得氣體，則需要額外的壓縮步驟以在高壓下供給氣體。

管線氣體302在結(jié)合器304處與來(lái)自壓縮機(jī)部段308的第一回收流306混合。第一混合流309流過(guò)顯熱交換器310，第一混合流在顯熱交換器中被預(yù)先冷卻至溫度T₂。然后，第一混合流309流過(guò)膨脹機(jī)E1，在膨脹機(jī)E1中，壓力被降低到大約0.1MPa(1大氣壓)。工作在膨脹機(jī)E1中被引出，這使得軸312旋轉(zhuǎn)。

膨脹機(jī)E1冷卻第一混合流309并使得第一混合流的一部分液化。產(chǎn)生的LNG 315從容器316中的膨脹機(jī)排出口淘汰掉并且在出口314處制造。保持為蒸汽318的天然氣被回收并供給到壓縮機(jī)C1，其在壓縮機(jī)C1被壓縮至壓力P和溫度T₁，以形成第二回收流322。如下文中將更詳細(xì)描述的，壓縮機(jī)C1由軸312供能。

第二回收流322在結(jié)合器324處與來(lái)自壓縮機(jī)部段308的第三回收流326混合，以形成第二混合流328，第二混合流穿過(guò)顯熱交換器310。第二混合流328的溫度比第一混合流309冷，因此第二混合流328從第一混合流309提取熱量并變暖。第二混合流328以大約25℃從顯熱交換器310顯露出來(lái)并被運(yùn)送到壓縮機(jī)部段308。

圖1和圖2的熱交換器包括來(lái)自增壓壓縮機(jī)的壓縮的工作流體，增壓壓縮機(jī)沿著熱交換器的一部分而不是全部長(zhǎng)度。結(jié)果，熱交換器的不同部段內(nèi)的熱負(fù)荷不同，這使得不可能沿著長(zhǎng)度維持基本均勻的溫度差。在熱交換器的一些部分中，溫度差會(huì)比較大，這導(dǎo)致降低能量效率的熱力學(xué)不可逆性。

相反，系統(tǒng)300的熱交換器310僅包括第一混合流309和第二混合流328，第一混合流和第二混合流沿著全部長(zhǎng)度流動(dòng)。進(jìn)一步地，所述的兩個(gè)流的質(zhì)量流量大體上相同。這允許熱交換器310沿著其長(zhǎng)度在第一混合流309與第二混合流328之間維持基本恒定的溫度差。這種均勻的且小的溫度差降低了熱力學(xué)不可逆性，從而提高了能量效率。

在壓縮機(jī)部段308中，第二混合流328在進(jìn)行級(jí)間冷卻的一系列壓縮機(jī)中被壓縮。如下文更詳細(xì)地描述的，壓縮機(jī)部段308的壓縮機(jī)由軸312供能。在圖3中，示出了五個(gè)壓縮級(jí)；然而，可以使用更多或更少的級(jí)。更多的級(jí)將會(huì)提高效率，這是因?yàn)閴嚎s接近等溫條件。更少的級(jí)將降低資本成本。

離開(kāi)壓縮機(jī)部段308的壓縮氣體330被分成兩部分。第一部分，即第一回收流306，與進(jìn)入的管線氣體302混合，如上所述。在一些構(gòu)造中，管線氣體302具有基本上與壓縮氣體330(以及第一回收流306)相同的溫度和壓力。然而，在其他構(gòu)造中，溫度和/或壓力可能不同。壓縮氣體330的第二部分，即流332，被聯(lián)接到膨脹機(jī)E2。工作在膨脹機(jī)E2中被引出，這使軸312旋轉(zhuǎn)。膨脹機(jī)E2的排出物，即第三回收流326，在結(jié)合器324處與來(lái)自壓縮機(jī)C1的第二回收流322混合。

如上所述，單個(gè)驅(qū)動(dòng)軸312可以共用于系統(tǒng)300的所有膨脹機(jī)和壓縮機(jī)。從膨脹機(jī)E1和E2引出的工作有助于使軸312旋轉(zhuǎn)。繼而，軸312運(yùn)行以使壓縮機(jī)C1至C6旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)334也連接到軸312，以補(bǔ)償系統(tǒng)300的部件中的低效，并提供在液化管線氣體302的過(guò)程中由系統(tǒng)300完成的工作。

下列方程進(jìn)一步描述了系統(tǒng)300的設(shè)計(jì)，

Q＝(1+m)(H_h,o-H_h,i)＝-n(H_l,o-H_l,i)

$n=(1+m)\frac{(H_{h,o}-H_{h,i})}{(H_{l,i}-H_{l,o})}$

其中，Q＝是熱交換器310的熱負(fù)荷，m＝回收流306中的壓縮氣體的質(zhì)量，n＝第二混合流328中的氣體的質(zhì)量，H_h,i＝進(jìn)入熱交換器310的第一混合流309的焓，H_h,o＝離開(kāi)熱交換器310的第一混合流309的焓，H_l,i＝進(jìn)入熱交換器310的第二混合流328的焓，以及H_l,o＝離開(kāi)熱交換器310的第二混合流328的焓。進(jìn)一步地，

為了提高效率，離開(kāi)壓縮機(jī)部段308的壓縮氣體330的壓力被選擇為使得其熵與平衡于LNG 315的蒸汽318的熵基本上相同。通過(guò)遵循這些規(guī)則并假設(shè)進(jìn)行等熵壓縮/膨脹，從壓縮機(jī)C1和膨脹機(jī)E2排出的氣體溫度將相同，這消除了結(jié)合器324中與混合不同溫度的兩種氣體相關(guān)的低效。圖4示出了作為從壓縮機(jī)部段308排出的氣體溫度的函數(shù)的從壓縮機(jī)部段308排出的恰當(dāng)?shù)睦碚摎怏w壓力。

應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，上文例示中使用的壓力和溫度僅僅是示例。LNG 315可以?xún)?chǔ)存在0.1MPa以外的壓力下，管線氣體302可以在5.3MPa以外的壓力和35℃以外的溫度下供應(yīng)。為了獲得最優(yōu)性能，可能必須使管線氣體302預(yù)先壓縮或預(yù)先膨脹，以匹配系統(tǒng)300中離開(kāi)壓縮機(jī)部段308的壓力。

圖5示出了作為熱交換器入口溫度T₁以及系統(tǒng)中所有壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的效率的函數(shù)的系統(tǒng)300的能量消耗，為了簡(jiǎn)便，假設(shè)所有的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是相同的。能量消耗在“甜蜜點(diǎn)(sweet spot)”(T1＝-90到-95℃；P＝0.7MPa)處最小。在甜蜜點(diǎn)處，相應(yīng)地在壓縮機(jī)/膨脹機(jī)效率為95％-80％時(shí)，能量消耗為0.18-0.30kWh/kg。應(yīng)當(dāng)注意到，圖5中報(bào)告的能量消耗是理想化的并且不包括壓縮機(jī)和膨脹機(jī)低效對(duì)質(zhì)量流量的沖擊。

圖6中計(jì)算了任何制造LNG的系統(tǒng)的理論最小能量消耗(0.147kWh/kg)。該值類(lèi)似于文獻(xiàn)值(0.133kWh/kg)，該文獻(xiàn)值使用了稍微不同的參考條件。參見(jiàn)C.W.Remeljej和A.F.A.Hoadley的“小尺度液化天然氣(LNG)液化方法的放射本能分析(An exergy analysis of small-scale liquefied natural gas(LNG)liquefaction processes)”，《能量》第2005-2019(2006)期第31頁(yè)(“Remeljej”)。

假設(shè)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)具有約90％的效率，則能量消耗為0.22kWh/kg LNG。假設(shè)電售價(jià)為0.036美元/kWh，這相當(dāng)于0.0203美元/加侖的柴油等同物-大致兩美分每加侖的柴油等同物。在全球范圍，LNG工廠每年生產(chǎn)大約5百萬(wàn)噸。參見(jiàn)Remeljej的“在0.036美元/kWh價(jià)格下，將能量消耗從0.35kWh/kg降低至0.22kWh/kg每年節(jié)省2340萬(wàn)美元(Reducing energy consumption from0.35to0.22kWh/kg saves$23.4million per year at$0.036/kWh)”。

上述討論強(qiáng)調(diào)了大尺度下的能量效率(90％的壓縮機(jī)效率)。即使在小尺度下，內(nèi)齒輪油泵式壓縮機(jī)也是非常高效的(大約85％的效率)；因此，系統(tǒng)300將使能夠服務(wù)貨物運(yùn)輸路線的多個(gè)區(qū)域LNG工廠按比例減小，而不用在高速公路上運(yùn)輸大量的LNG。上述討論對(duì)于一個(gè)區(qū)域工廠也適用。

區(qū)域LNG工廠將包括效率為大約85％的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。在該效率水平下，能量消耗為0.26kWh/kg LNG。該能量消耗可被描述為天然氣的內(nèi)能的百分比，

如果引擎為40％的效率，則4.2％的天然氣必須燃燒以液化剩余的95.8％。

基于傳統(tǒng)單元中以體積描述時(shí)，能量消耗為0.417kWh/gal的LNG。

零售電價(jià)為大約0.12美元/kWh[5]；因此，液化一加侖天然氣花費(fèi)0.05美元--大約每加侖LNG花費(fèi)5美分。描述每加侖柴油等同物，液化LNG的能量成本為：

再一次地，假設(shè)電售價(jià)為0.12美元/kWh，這相當(dāng)于0.08美元/gal的柴油等同物--大約每加侖柴油等同物是十美分。

如圖7中所示，小的簡(jiǎn)單的LNG系統(tǒng)需要系統(tǒng)300的2至3倍的能量?；诓裼偷韧飼r(shí)，這些系統(tǒng)的能量成本大約是每加侖柴油等同物是0.16至0.24美元。

可以對(duì)本文中描述的系統(tǒng)、設(shè)備和方法進(jìn)行修改、增加或刪除，而不脫離本發(fā)明的范圍。系統(tǒng)和設(shè)備的部件可以是集成的或分開(kāi)的。此外，系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行可以通過(guò)更多、更少或其他的部件來(lái)執(zhí)行。方法可包括更多、更少或其他的步驟。另外，可以以任何適當(dāng)?shù)捻樞驁?zhí)行這些步驟。如在本申請(qǐng)中使用的，“每個(gè)”表示一組中的每個(gè)構(gòu)件或者一組的子組中的每個(gè)構(gòu)件。

為了幫助審查員以及基于本申請(qǐng)授權(quán)的任何專(zhuān)利的任何讀者理解所附的權(quán)利要求，申請(qǐng)人希望在此提醒，任何所附的權(quán)利要求或權(quán)利要求特征因?yàn)樵诒旧暾?qǐng)的申請(qǐng)日即已存在而不涉及美國(guó)專(zhuān)利法35U.S.C第112節(jié)第6段的內(nèi)容，除了在特定權(quán)利要求中明確使用用語(yǔ)“用于…的裝置”或“用于…的步驟”。