專利名稱：生產(chǎn)富甲烷液體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于從富甲烷氣體生產(chǎn)富甲烷液體的方法，尤其是關(guān)于從天然氣生產(chǎn)加壓的液體天然氣(PLNG)的方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于天然氣清潔的燃燒性能和使用方便而得到了廣泛的應(yīng)用。很多天然氣源位于離氣體的商用市場(chǎng)距離遙遠(yuǎn)的地區(qū)，有時(shí)可用管線將生產(chǎn)出的天然氣送到商用市場(chǎng)，而當(dāng)管線輸送不現(xiàn)實(shí)時(shí)，生產(chǎn)出的天然氣常加工成液化天然氣(稱作為“LNG”)來送到市場(chǎng)上。
LNG工廠的一個(gè)重要的特征是要求大量的投資，用來液化天然氣的設(shè)備通常也是相當(dāng)昂貴的。液化廠由若干基本系統(tǒng)構(gòu)成，這些系統(tǒng)包括除去雜質(zhì)的氣體處理、液化、制冷動(dòng)力設(shè)施和儲(chǔ)運(yùn)裝載設(shè)施。
LNG的制冷系統(tǒng)是很昂貴的，因?yàn)橐夯烊粴庑枰罅恐评?。通常天然氣蒸氣在壓力約為4830kPa(700psia)～7600kPa(1100psia)、溫度約為20℃(68°F)～40°(104℃)時(shí)送到LNG廠，而在大氣壓力下的天然氣成分將通常在溫度范圍為-165℃(-265°F)和-155℃(-247°F)之間的溫度上液化，這大大降低的溫度要求進(jìn)行大量的制冷工作。
近來，人們已建議在-112℃(-170°F)和足以使液體保持和低于沸點(diǎn)溫度的壓力下來輸送天然氣。對(duì)大多數(shù)天氣成分而言，在-112℃(-170°F)以上的溫度上的天然氣壓力將約在1380kPa(200psia)和4500kPa(650psia)之間，為使它區(qū)別于LNG，這種加壓的液態(tài)天然氣稱作為PLNG，它在接近大氣壓下，在溫度約為-162℃(-260°F)上運(yùn)輸。由于PLNG可比大氣壓力下的傳統(tǒng)的LNG的溫度高50℃，因此生產(chǎn)PLNG比生產(chǎn)LNG大大減小了所需要的制冷量。在美國專利申請(qǐng)09/099262、09/099590、和09/099589、以及美國臨時(shí)申請(qǐng)60/079642中均討論了制造PLNG的方法的例子。從制造和運(yùn)輸PLNG的基本的經(jīng)濟(jì)利益來看，一直有需要來改進(jìn)生產(chǎn)PLNG的方法。
概述公開了一種從加壓的富甲烷氣流來生產(chǎn)加壓的富甲烷液流的改進(jìn)的方法，該加壓的液流溫度在-112℃(-170°F)以上、壓力足以使該液體保持在、或處于其沸點(diǎn)以下。在該方法中，供給一種溫度約在-155℃(-247°F)的富甲烷液流并增大它的壓力。將液化的加壓的富甲烷氣體以某一速度引到加壓的富甲烷液流中，從而生產(chǎn)出溫度在-112℃(-170°F)、壓力是以使液體保持在或低于它的沸點(diǎn)的富甲烷液流。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，加壓的液態(tài)天然氣(PLNG)是通過提供壓力為接近大氣壓的LNG、并將該LNG泵壓到以該方法生產(chǎn)PLNG所要求的壓力來生產(chǎn)的。將天然氣供到該加工方法中并使壓力向上或向下調(diào)節(jié)，如果需要可調(diào)成基本與加壓的LNG的壓力相同。按照天然氣可得到的壓力的不同，它的壓力可由壓縮裝置來增大、或由如Joule-Thomson閥或渦輪式膨脹器那樣的膨脹裝置來降低。然后加壓的天然氣以某一比例與加壓的LNG混合，在該比例上產(chǎn)生的PLNG具有高于-112℃(-170°F)的溫度，它的壓力足以使所產(chǎn)生的液體保持在或低于液體的沸點(diǎn)的溫度。天然氣在它與加壓的PLNG混合以前可用任何合適的冷卻裝置來有選擇地進(jìn)行冷卻。例如天然氣可采用與外部冷卻介質(zhì)的直接的熱交換、由降低天然氣壓的膨脹裝置、或由與加壓的LNG的熱交換來進(jìn)行冷卻。通過加壓的LNG和加壓的天然氣的混合而產(chǎn)生的混合物可有選擇地通過一個(gè)相分離器，從而除去混合后未液化的殘留氣體。然后將從分離器抽回的液體通到一個(gè)合適的儲(chǔ)存裝置，在溫度約為-112℃(-170°F)和足以使液體保持在或低于沸點(diǎn)溫度以下的壓力上儲(chǔ)存。
附圖概述通過參照下面的詳細(xì)描述和表示本發(fā)明實(shí)施例的流程的附圖，將可更好理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)略流程圖，其中加壓的天然氣與加壓的LNG混合以生產(chǎn)PLNG。
圖2是類似于圖1實(shí)施例的本發(fā)明的另一實(shí)施例的簡(jiǎn)略流程圖，不同的是在加壓的LNG和加壓的天然氣在混合的產(chǎn)生PLNG之前通過一熱交換器。
圖3是類似于圖1實(shí)施例的本發(fā)明又一實(shí)施例的簡(jiǎn)略流程圖，不同之處是通過混合加壓的LNG和加壓的天然氣而產(chǎn)生的液體混合物通過一個(gè)相分離器，從而除去未液化的氣體。
這些附圖不能包括本發(fā)明的其它實(shí)施例的范圍，其它實(shí)施例可具有對(duì)這些特殊實(shí)施例的正常和預(yù)期的修改。為了清楚而簡(jiǎn)單地進(jìn)行表示，附圖中刪去了如閥門、流體混合器和控制系統(tǒng)等的各種所需要的分系統(tǒng)。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明的方法生產(chǎn)出一種加壓的富甲烷液態(tài)產(chǎn)品，該產(chǎn)品的溫度高于-112℃(-170°F)、其壓力足以使該液體保持在或低于其沸點(diǎn)上，這種液態(tài)產(chǎn)品在本說明書中常被稱作為PLNG。在本發(fā)明的方法中，PLNG是通過將富甲烷液體、最好是接近大氣壓上的液態(tài)天然氣(LNG)加壓到用本方法生產(chǎn)PLNG產(chǎn)品所要求的壓力，并將加壓的富甲烷氣體、最好是加壓的天然氣引到加壓的富甲烷液體中。加壓的富甲烷液體由加壓的天然氣加熱、并由加壓的富甲烷液體來液化富甲烷氣體，從而生產(chǎn)出溫度在-112℃(-170°F)以上、壓力足以使液體保持在或低于其沸點(diǎn)的PLNG。
在本說明書中所用到的關(guān)于PLNG的術(shù)語“沸點(diǎn)”指的是PLNG開始轉(zhuǎn)變成氣體時(shí)的溫度和壓力。例如，如果在常溫下PLNG保持某個(gè)體積，在溫度升高時(shí)，在PLNG中開始形成氣泡的溫度就是沸點(diǎn)，類似情況是，如果在常溫下PLNG保持某個(gè)體積，但壓力減小，該開始形成氣泡的壓力定義為沸點(diǎn)。在該沸點(diǎn)上，液化的氣體是飽和的溶液。對(duì)大多數(shù)天然氣成分來說，在溫度為-112℃(-170°F)以上的溫度上的天然氣的沸點(diǎn)壓力將約在1380kPa(200psia)和4500kPa(650psia)之間。對(duì)具有特殊溫度的某種天然氣成分而言，本專業(yè)技術(shù)人員能確定其沸點(diǎn)壓力。
現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的方法。參見圖1，來自任何合適的LNG源的LNG供到管線10并通過一個(gè)合適的泵20，例如可通過來自LNG廠、靜止的儲(chǔ)存容器或裝在卡車、駁船、火車或船上的一個(gè)或多個(gè)容器的載體來供給LNG。這種LNG通常具有低于-155℃(-247°F)、更典型的是具有約-162℃(-260°F)的溫度，它的壓力大約為大氣壓力，泵20將LNG的壓力加到預(yù)定量級(jí)，該預(yù)定量級(jí)是由本發(fā)明的方法生產(chǎn)PLNG所要求的壓力。該P(yáng)LNG產(chǎn)品的壓力足以使液體保持在或低于沸點(diǎn)上。因此PLNG產(chǎn)品的壓力將取決于PLNG產(chǎn)品的溫度和成分。對(duì)于保持或低于其沸點(diǎn)溫度和溫度在-112℃(-170°F)以上的PLNG來說，通過管線11從泵20排出的液體的壓力通常將高于1380kPa(200psia)、更典型的將具有約在2400kPa(350psia)和3800kPa(550psia)之間的壓力。
天然氣從任何合適的氣源供到管線12。適用于本發(fā)明方法的天然氣可包括從原生油井(伴生氣體)或從氣井(非伴生氣體)中得到的天然氣。天然氣的成分可有很大變化，這里所用的天然氣流包含作為主要成分的甲烷(C1)，通常還含有乙烷(C2)，較多的碳?xì)浠衔?、及少量的污染物如水、二氧化碳、硫化氫、氮?dú)狻⒍⊥?、六個(gè)或多個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔?、灰塵、硫化鐵、蠟或伴生油等。這些污染物的溶解度隨著溫度、壓力和成分的不同而變化。在深冷溫度上，CO2、水和其它污染物可形成固體，它們會(huì)在傳輸和儲(chǔ)存PLNG的設(shè)備上產(chǎn)生流體流動(dòng)的問題。
如果預(yù)計(jì)到管線13中的天然氣與加壓的LNG混合時(shí)會(huì)形成固體，通過除去這些污染物就可避免這些潛在的問題。
在對(duì)本發(fā)明的下面的描述中，假定管線12中的天然氣流已用一般的和公知的方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚?，去除硫化物和二氧化碳，并用干燥法除去水，從而生產(chǎn)出一種“純凈的、干燥的”天然氣流。如果供給的天然氣流包含大量的碳?xì)浠衔?，它在與加壓的LNG混合時(shí)會(huì)凍結(jié)、或如果在PLNG中并不想要這些大量的碳?xì)浠衔?，可在該天然氣與加壓的LNG混合以前、在本發(fā)明方法的任何一點(diǎn)上用一般的分離法除去這些碳?xì)浠衔铩?br> 天然氣供給流12通常在室溫下、壓力高于1380kPa(200psia)、更典型地是在壓力高于4800kPa(700psia)上進(jìn)入本加工程序，然而天然氣可在不同的壓力和溫度上供給，如果需要可對(duì)加工方法進(jìn)行一致性的修改。例如，如果管線12中的天然氣的壓力低于管線11中加壓的LNG的壓力，可用合適的加壓裝置(未示出)對(duì)天然氣加壓，這類加壓裝置可包括一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)。在本發(fā)明方法的說明書中，假定供到管線12的天然氣流的壓力至少像管線11中的加壓的LNG的壓力一樣高。
管線12中的加壓的天然氣最好通過一個(gè)流動(dòng)控制裝置21，該控制裝置21宜用于控制管線12和13之間的流動(dòng)和/或降低壓力，由于通常供給的天然氣的壓力高于管線11中的LNG的壓力，該流動(dòng)控制裝置21可為渦輪膨脹器、Joule—Thomson閥或兩種形式的結(jié)合，如Joule-Thomson閥和渦輪膨脹器并聯(lián)形式，它可同時(shí)提供這兩種裝置中的一個(gè)或兩個(gè)的控制能力。通過采用如Joule—Thomson閥或渦輪膨脹器那樣的膨脹裝置來膨脹天然氣、從而降低它的壓力，天然氣也受到冷卻。冷卻天然氣是符合要求的，盡管這并不是本方法所要求的步驟，因?yàn)樵谔烊粴馀c加壓的LNG混合以前降低溫度可增加PLNG的產(chǎn)量。
采用圖中未示的附加的冷卻裝置來進(jìn)一步冷卻天然氣是符合要求的，當(dāng)然在本發(fā)明的實(shí)踐中并沒有要求這樣做。附加的冷卻裝置可包括一個(gè)或多個(gè)熱交換系統(tǒng)，這些系統(tǒng)由普通的制冷系統(tǒng)或如Joule—Thomson閥或渦輪膨脹器類的膨脹裝置來冷卻。最佳的冷卻系統(tǒng)將取決于制冷冷卻的利用率、空間限制、還可能有環(huán)境和安全方面的考慮、將生產(chǎn)的PLNG的量等等。在本發(fā)明的教導(dǎo)下，一個(gè)氣體加工專業(yè)的技術(shù)人員可在考慮到液化方法的操作情況的前提下選擇合適的冷卻系統(tǒng)。
在管線11中的富甲烷液體和管線13中天然氣結(jié)合或混合、生產(chǎn)出管線14中的混合的液體流。管線14中的液體導(dǎo)入如靜止的儲(chǔ)存容器、或如船、駁船、海底容器、鐵路罐車或卡車那樣的合適的載體上。按照本發(fā)明的實(shí)踐，在儲(chǔ)存裝置23中的PLNG將具有約-112℃(-170°F)以上的溫度，它的壓力足以使液體保持或低于其沸點(diǎn)。
圖2表示本發(fā)明的另一實(shí)施例，在本實(shí)施例和圖1及圖3所示的實(shí)施例中，相同的數(shù)字部分表示同樣的加工功能。然而，本專業(yè)技術(shù)人員將可看到，從一個(gè)實(shí)施例到另一個(gè)的加工設(shè)備可在尺寸和處理不同流體流速、溫度和成分的能力上發(fā)生變化。圖2所示的實(shí)施例類似于圖1所示的實(shí)施例，不同之處在于在圖2中管線11中的加壓的LNG和管線13中的加壓氣體兩者均通到一個(gè)普通的熱交換器22，從而在加壓的LNG和天然氣混合(在管線14中)之前加熱管線11中的加壓的LNG并進(jìn)一步冷卻管線13中的天然氣。通過在熱交換器22中使加壓的LNG冷卻天然氣，在天然氣與加壓的LNG混合以前將LNG加熱到接近加壓的LNG的溫度，這將減小供給的天然氣成分在較冷的(-162℃)LNG溫度上形成固體的可能性。
穿過管線11和/或13的富甲烷流體的流速應(yīng)進(jìn)行控制，以生產(chǎn)出所要求溫度的PLNG。PLNG的溫度是最低為-112℃、并低于其作為最高溫度的臨界溫度。主要是甲烷的天然氣在室溫下不能通過簡(jiǎn)單地增加壓力而液化，這是因?yàn)樗哂写罅康挠米髂芰康奶細(xì)浠衔?。甲烷的臨界溫度是-82.5℃(-116.5°F)，這意味著甲烷在低于該溫度而不是加壓時(shí)能液化。由于天然氣是液體和氣體的混合物，它會(huì)在一個(gè)溫度范圍上液化，天然氣的臨界溫度通常約在-85℃(-121°F)和-62℃(-80°F)之間，該臨界溫度將是PLNG儲(chǔ)存容器中的PLNG的理論上的最高溫度，但是優(yōu)選的儲(chǔ)存溫度將比臨界溫度低幾度，并且它的壓力比臨界壓力要低。
如果通過管線13的天然氣的量與通過管線11的加壓液體的量相比數(shù)量太大，在管線14中得到的混合物將處于其沸點(diǎn)以上，并至少部分混合物將處于氣體狀態(tài)。另一方面，如果通過管線13的天然氣量與通過管線11的加壓液體相比數(shù)量太小，混合流(管線14)的溫度將低于-112℃(-170°F)。為了避免在處理和儲(chǔ)存PLNG中所用的材料暴露到低于這些材料的設(shè)計(jì)溫度的溫度上，要求避免溫度低于-112℃(-170°F)。通過采用使設(shè)計(jì)溫度不會(huì)大大低于-112℃(-170°F)的材料來制造管子、容器和設(shè)備，將可大大節(jié)省成本。在美國專利申請(qǐng)09/099649、09/099153和09/099152中均公開了制造、運(yùn)輸和儲(chǔ)存PLNG的合適材料的例子。
由于在管線10和11中的LNG的溫度約為-162℃，用于管線10、11和泵20的材料必須是適于深冷的材料。本專業(yè)技術(shù)人員會(huì)熟悉適于本發(fā)明方法中所用的結(jié)構(gòu)管道、容器和其它設(shè)備的材料。
圖3表示本發(fā)明的又一實(shí)施例，它類似于圖1所示的實(shí)施例，不同之處是在管線14中混合的加壓的LNG和加壓的天然氣通過一個(gè)普通的相分離器24，從而除去天然氣(管線13)與加壓的LNG(管線11)混合后殘留的未液化的氣體。按照通過管線12供到本方法中的天然氣的成分不同，一些氣體在與加壓的LNG混合后可仍為氣態(tài)。例如，如果天然氣含有大量的沸點(diǎn)比甲烷低的成分、如氮?dú)?，這些氣體在需要的溫度和壓力下可能不會(huì)完全液化。如果供到管線12的天然氣含有氮?dú)?，通過管線16從分離器24除去的氣體將富含氮?dú)?，通過管線15排出的液體將含氮量較小，由該方法生產(chǎn)的從分離器24排出的氣流(管線16)用作燃料或進(jìn)一步加工。從分離器24排出的PLNG送到儲(chǔ)存裝置23。
在本發(fā)明一種應(yīng)用中，本方法可用最少量的附加設(shè)備來生產(chǎn)出比LNG廠的設(shè)計(jì)能力要多的液態(tài)天然氣。在本發(fā)明的實(shí)踐中，由普通LNG廠生產(chǎn)的LNG可提供液化天然氣所需要的制冷，因此大大增加了可作為一種產(chǎn)品生產(chǎn)的天然氣的量。在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，在需要僅有部分LNG供應(yīng)到普通用途的情況下，其余的LNG可用來供到本發(fā)明的方法中。在又一種應(yīng)用中，由船送到一個(gè)重要的終點(diǎn)的部分或所有的LNG可供到本發(fā)明的方法中，來生產(chǎn)下一用途的PLNG。
例子為說明圖1中的實(shí)施例，采用了模擬質(zhì)量和能量平衡，其結(jié)果如下表所示。
采用稱作為HYSYSTM(可從加拿大Calgary的Hyprotech有限公司得到)的市場(chǎng)上可買到的操作模擬程序獲得了表中的數(shù)據(jù)，然而也可采用別的市場(chǎng)可買到的操作模擬程序來得到這些數(shù)據(jù)，這些程序包括HYSIMTM、PROIITM和ASPEN PLUSTM，這些程序?qū)Ρ緦I(yè)技術(shù)人員來說都是很熟悉的。表中所列的數(shù)據(jù)可更好地理解圖中所示的實(shí)施例，然而它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不必要的限制，溫度和流速不能被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制，它們?cè)诖私虒?dǎo)下可作各種變化。在這個(gè)例子中，流動(dòng)控制裝置21是Joule-Thomson閥。
一個(gè)本專業(yè)技術(shù)人員，特別是得益于本專利的教導(dǎo)的人員將可看到，可對(duì)上面公開的特殊方法進(jìn)行各種修改和變化。例如，按照本發(fā)明、按照系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)和所供氣體的成分可采用多種溫度和壓力。正如上面討論的，專門公開的實(shí)施例和例子不應(yīng)用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明將由下面的權(quán)利要求和它們的等效物來確定。
表
權(quán)利要求
1.一種從加壓的富甲烷氣體生產(chǎn)溫度在-112℃(-170℃F)以上的加壓的富甲烷液體產(chǎn)品的方法，包括下列步驟(a)供給溫度低于-155℃(-247°F)的富甲烷液體并加壓該富甲烷液體；和(b)供給加壓的富甲烷氣體并將它在某一速度上引入加壓的富甲烷液體，從而生產(chǎn)出一種溫度在-112℃(-170°F)以上，壓力足以使它保持或低于其沸點(diǎn)的加壓的富甲烷液體產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)的加壓的富甲烷液體的壓力基本與加壓的富甲烷氣體的壓力相等。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中供到本方法中的加壓的富甲烷氣體的壓力超過步驟(a)的加壓的富甲烷液體的壓力，該方法進(jìn)一步包括，在將加壓的富甲烷氣體引入到步驟(a)中的加壓的富甲烷液體中之前，將加壓的富甲烷氣體的壓力降低到大約與步驟(a)的加壓的富甲烷液體的壓力相同。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)的富甲烷液體是處于或接近大氣溫度的LNG。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中加壓的富甲烷氣體是天然氣。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中加壓的富甲烷氣體和加壓的富甲烷液體通過一個(gè)熱交換器，從而加熱加壓的富甲烷液體并冷卻富甲烷氣體。
7.如權(quán)利要求1的方法，還包括在加壓的富甲烷氣體引入加壓的富甲烷液體之前冷卻富甲烷氣體的附加步驟。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中加壓的富甲烷氣體是通過膨脹該加壓的富甲烷氣體、使它的壓力降到大約等于加壓的富甲烷液體的壓力來冷卻的。
9.如權(quán)利要求7的方法，其中加壓的富甲烷氣體由冷卻裝置中的直接的熱交換來冷卻的。
10.如權(quán)利要求1的方法，還包括在預(yù)處理步驟中的除去加壓的富甲烷氣體中的氣體成分的步驟，這些成分在溫度為-112℃(-170°F)和壓力足以使該液體保持在或低于沸點(diǎn)溫度的加壓的富甲烷液體產(chǎn)品的溫度上會(huì)形成固體。
11.如權(quán)利要求1的方法，還包括將加壓的富甲烷產(chǎn)品流通過一個(gè)相分離器、從而產(chǎn)生一個(gè)氣體流和液體流的附加步驟，通過由分離器產(chǎn)生的液體流送到儲(chǔ)存裝置。
12.如權(quán)利要求11的方法，還包括將液體儲(chǔ)存在溫度在-112℃(-170°F)以上和壓力基本為沸點(diǎn)壓力上的儲(chǔ)存裝置中的附加步驟。
13.一種液化加壓的天然氣流以產(chǎn)生溫度在-112℃(-170°F)，壓力基本在其沸點(diǎn)上的加壓的液態(tài)天然氣流的方法，包括下列步驟(a)供給溫度低于約-155℃(-247°F)的富甲烷液體流；(b)將該富甲烷液體流加壓到預(yù)定的壓力；(c)膨脹該富甲烷氣體流以使其壓力降到大致與該預(yù)定壓力相同；和(d)將足夠量的膨脹后的富甲烷氣流與加壓的富甲烷的液體流混合以液化膨脹的氣體流，并生產(chǎn)出溫度在-112℃(-170°F)以上、壓力足以使該液體保持在其沸點(diǎn)上或低于沸點(diǎn)的富甲烷產(chǎn)品流。
全文摘要
公開了一種從加壓的富甲烷氣體流生產(chǎn)溫度在－112℃(－170°F)上、壓力足以使該液體保持在或低于其沸點(diǎn)的加壓的富甲烷液體流的方法。在該方法中,供給溫度低于－155℃(－247°F)的富甲烷液體流并增加它的壓力,供給一種待液化的加壓的富甲烷氣體(12),并以一定的速度引入加壓的富甲烷液體流(10),從而生產(chǎn)出溫度在－112℃(－170°F)、壓力足以使該液體保持在或低于其沸點(diǎn)上的富甲烷液體流。
文檔編號(hào)F25J1/00GK1333866SQ99815613
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期1999年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月15日
發(fā)明者約翰·B·斯通 申請(qǐng)人:?？松梨谏嫌窝芯抗?br>