用于制备液化天然气的方法和设备与流程

用于制备液化天然气的方法和设备
1.说明书
2.本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的用于制备液化天然气的一种方法和一种设备。


背景技术：

3.为了液化和无压储存，必须将天然气冷却到约-160℃的低温。在这种状态下，液化天然气可以通过货船或卡车经济地运输，因为其只有大气压下气态物质体积的1/600。
4.天然气通常含有甲烷和高级烃的混合物，以及氮气、二氧化碳和其他不需要的成分。在液化之前，必须部分地除去这些组分，以避免液化过程中的凝固或满足客户的要求。为此使用的方法如吸附、吸收和低温精馏是普遍已知的。
5.关于天然气液化中使用的方法的细节，请参考专业文献，例如ullmann's encyclopedia of industrial chemistry中的文章“natural gas”，2006年7月15日在线发布，doi：10.1002/14356007.a17_073.pub2，特别是第3节“liquefaction”。
6.特别地，在天然气液化中使用由不同烃成分和氮气组成的混合制冷剂。例如，已知使用两个混合制冷剂回路(英文：dual mixed refrigerant，dmr)的方法。以这种方式，例如除了甲烷之外还含有高级烃，如乙烷、丙烷、丁烷等，但事先已经以合适的方式除去酸性气体并干燥的天然气可以经受高级烃的分离和随后的液化。高级烃的分离伴随着苯的分离，这在剩余的液化天然气中是不期望的。苯在对应的方法中用作关键组分或标记组分，并且也可用作用于分离的指示组分。
7.由现有技术已知的用于在使用对应的混合制冷剂回路的情况下液化天然气的方法通常在实践中由于以下阐述的原因被证明是需要改进的。
8.因此，本发明的目的在于，改进使用两个混合制冷剂回路的天然气液化。


技术实现要素：

9.在此背景下，本发明提出根据相应的独立权利要求的前序部分所述的一种用于制备液化天然气的方法和一种对应的设备。实施方案分别为从属权利要求和以下说明的主题。
10.在解释本发明的特征和优点之前，先对本发明的一些基本原理进行进一步的解释，并对下面所用的术语进行定义。
11.本技术书使用“压力水平”和“温度水平”这两个术语来表征压力和温度，由此表示不必在对应的设备中使用精确的压力或温度值形式的对应压力和温度。然而，此类压力和温度通常在特定范围内移动，该范围例如为平均值的
±
10％。在此，对应的压力水平和温度水平可在不相交的范围内，或者在相互重叠的范围内。特别地，例如压力水平包括不可避免的或预期的压力损失。对应的内容适用于温度水平。此处单位为bar的压力水平为绝对压力。
12.如果在此提及“膨胀机”，则其通常理解为已知的涡轮膨胀器，这些涡轮膨胀器具
有布置在轴上的径向的叶轮。对应的膨胀机例如可以被机械制动或与诸如压缩机或发电机等装置耦合。在本发明的上下文中的混合制冷剂的膨胀通常不使用膨胀机，而是使用膨胀阀进行。
13.用于在本发明的上下文中使用的“换热器”可以以任何本领域常规的方式构造。换热器用于在至少两个例如彼此逆流引导的流体流，在此特别是比较热的进料天然气流或由其形成的气态馏分与一个或多个冷的混合制冷剂流，之间间接传递热量。对应的换热器可以由单个或多个并联和/或串联的换热器区段形成，例如由一个或多个盘绕式换热器或对应的区段形成。除了已经提到的类型的盘绕式换热器之外，在本发明的上下文中也可以使用其他类型的换热器。
[0014]“上部”、“下部”、“上方”、“下方”、“在
…
之上”、“在
…
之下”、“在
…
旁边”、“并排”、“垂直”、“水平”等相对的空间概念在此指的是在正常运行中组件的相互间布置。两个组件“上下重叠”的布置在此应理解为，两个组件中下方的那个组件的上端与两个组件中上方的那个组件的下端相比处于较低或相同的测地学高度，并且两个组件的垂直投影重合。特别地，两个组件精确地上下重叠布置，也就是说，两个组件的中轴线在同一垂直线上延伸。然而，两个组件的轴线不必精确地垂直于彼此叠置，而是也可以相对于彼此错开。
[0015]
在本发明的上下文中，使用逆流吸收器。关于对应设备的设计和实施方案，参考相关的教科书(例如参见k.sattler：“thermische trennverfahren.grundlagen,auslegung,apparate.”weinheim：wiley-vch，2001年第3版)。从逆流吸收器中，液体馏分(“塔底液”)和气态馏分(“塔顶气”)通常可以从下部区域(“塔底”)和上部区域(“塔顶”)取出。逆流吸收器是分离技术领域中普遍已知的。其用于相逆流吸收，因此也称为逆流塔。在逆流吸收的情况下，排放的气相向上流动通过吸收塔。吸收的溶液相从上方加入并从下方排出，朝向气相流动。用溶液相“洗涤”气相。在对应的吸收塔中，通常设置有确保阶段性(塔盘、喷雾区、旋转盘等)或持续性(填料、充填物等的无规则倾倒)相接触的内构件。将液体流——也称为“吸收液体”——馈送到逆流吸收器的上部区域中，由此从被馈送得更深的气态流中洗出组分。
[0016]
如果在下文中提及“进料天然气”，则如已经提到的那样，其应理解为特别是经受过酸性气体去除和可选的进一步处理的天然气。特别地，也可以已经从对应的进料天然气中分离出重烃，例如丁烷和/或戊烷以及具有六个或更多个碳原子的烃。进料天然气特别是无水的并且具有例如大于85％的甲烷含量并且在残留的剩余部分中特别是包含乙烷和丙烷。还可能含有氮、氦和其他轻组分。
[0017]
如果在下文中提及“液化天然气”，则应理解为存在于甲烷的大气沸点或更低，特别是在-160至-164℃下的低温液体，其具有超过85％，特别是超过90％的甲烷，并且其甲烷含量在任何情况下都高于所使用的进料天然气的甲烷含量。特别地，液化天然气比进料天然气的苯含量低得多，并且仅具有如下所示的最大含量的苯。
[0018]
本发明的特征和优点
[0019]
例如在us 6,119,479 a中公开了一种使用两种混合制冷剂制备液化天然气的方法。在该方法中，进料天然气中包含的高级烃可根据需要在逆流吸收器中从进料天然气中分离出来。
[0020]
为此，进料天然气可以在第一冷却步骤中根据组成成分冷却至-20℃至-70℃范围内的温度，然后馈送到逆流吸收器中。逆流吸收器可以具有塔底加热器。在逆流吸收器中分
离的塔底液包含来自进料天然气的至少一部分高级烃。塔底液的一部分可以作为吸收液体再循环到逆流吸收器上，并且如果需要，也可以在从逆流吸收器取出塔顶气之后将其部分地供给到逆流吸收器的塔顶气中。以这种方式，逆流吸收器的塔顶气消耗至少一部分高级烃，然后经受导致液化的第二冷却步骤。这里也使用苯作为关键组分，其允许包含在逆流吸收器的塔顶气中，并且因此在待液化的天然气中，特别是以小于1ppm的摩尔量。其他高级烃的含量由此得出；然而，这些通常不那么关键。因此，特别是苯在天然气液化中被认为是关键的，因为其可以在所使用的低温下凝固。
[0021]
在刚刚阐述的方法的第一冷却步骤和第二冷却步骤中，在对应的制冷剂回路中使用混合制冷剂。特别地，在此第一混合制冷剂(英文：warm mixed refrigerant，wmr)可以按照以下给出的顺序气态地经受压缩、通过冷却冷凝、过冷、膨胀、在第一换热器中加热，在此特别地完全蒸发，并且随后再次经受压缩。第一混合制冷剂的过冷特别是可以在第一换热器中进行，之前的冷却可以在另一换热器中进行。此外，第二混合制冷剂(英文：cold mixed refrigerant，cmr)可以气态地经受压缩、通过冷却冷凝、过冷、膨胀、在第二换热器中加热，在此特别地完全蒸发，并且随后再次经受压缩。第二混合制冷剂的过冷特别是可以在第二换热器中进行，之前的冷却可以在第一和第二换热器中进行。
[0022]
第一换热器和第二换热器特别是实施为本身已知类型的盘绕式换热器(英文：coil wound heat exchanger，cwhe)，其中混合制冷剂的加热在其膨胀之后特别是在壳侧，即在包围换热器管的壳空间中进行，混合制冷剂在该壳空间中膨胀。待冷却的介质在管侧，即通过对应提供的换热器管得以引导。换热器管在对应的换热器中成束地提供，从而针对对应的电流引导在此使用术语“管侧”或“束侧”。
[0023]
类似类型的方法和设备例如也在us 6,370,910 a和au 2005224308 b2中公开。
[0024]
天然气液化方法必须能够灵活地适应不同的设备容量和运行条件。当大的环境温度波动导致明显不同的制冷剂冷凝条件时，优选采用使用两个混合制冷剂回路的所阐述的方法。如果使用制冷剂组分的混合物而不是丙烷等单一纯组分，则可以更有效地考虑这些问题。
[0025]
此外，对应的方法不含有分子量大于空气的大量液态烃，这将构成重大的安全风险。对应的烃可能会聚集在较深的区域，并可能导致爆炸。从这个意义上说，丙烷由于其高挥发性和高分子量的组合而被认为是最危险的制冷剂。因此，使用两个混合制冷剂回路和其中对应地减少的丙烷含量的方法对于具有受限的结构空间的、基面受限的设备布局，例如模块化设备和/或浮动设备，是优选的解决方案。
[0026]
紧凑的设备布局(例如，海上设施必须如此)可以通过最大程度减少设备组件的数量和缩减设备之间的空间来实现，这可能是由安全考虑决定的。已知的危险设备组件包括液态烃泵(有泄漏和液体流出的危险)和所有类型的含有大量液态丙烷的设备。
[0027]
本发明通过省去烃泵和在很大程度上省去丙烷作为对应的混合制冷剂中的制冷剂组分来解决所阐述的问题。这些优点通过下面提出的根据本发明的措施和对应的有利的实施方案来实现。
[0028]
在根据本发明提出的用于制备液化天然气的方法中，在第一冷却步骤中使用第一(“热”)混合制冷剂将上述类型的包含甲烷和包括苯在内的高级烃的进料天然气整体冷却至第一温度水平，特别是-20℃至-70℃，然后在使用吸收液体的情况下使其经受逆流吸收
以形成贫苯的气体馏分。贫苯的气体馏分在此特别是具有小于1ppm的苯摩尔含量，其中进料天然气中的苯含量明显高于此，例如为5至500ppm。所形成的气体馏分特别是相对于进料天然气富集甲烷并且贫化高级烃。
[0029]
对于逆流吸收，原则上可以使用已知的手段。在此，气体馏分也可以(基本上)不含具有五个和在适当时更多个碳原子的烃，从而可以(基本上)实现贫化至零。然而，还可能包含高级烃，并且在逆流吸收中形成的塔底液也可能具有一定比例的甲烷。在逆流吸收中实现的分离或富集和贫化的程度取决于随后使用对应的馏分和所述组分的各自可容忍含量。
[0030]
在本发明的上下文中，在第二冷却步骤中，使用第二(“冷”)混合制冷剂将来自逆流吸收的对应地贫(或者基本上不含)苯(和其他高级烃)的一部分气体馏分冷却至特别是-145℃至-165℃的第二温度水平，并液化成液化天然气。以这种方式形成的液化天然气可以经受任何进一步的处理或调节(膨胀、过冷等)。
[0031]
在本发明的上下文中，第一和第二混合制冷剂是贫丙烷(具有小于5摩尔百分比丙烷的含量)或(基本上)不含丙烷，并且用于逆流吸收的吸收液体由来自逆流吸收的气体馏分的另一部分形成，其(从测地学来看)在逆流吸收之上冷凝并且在无泵的情况下再循环到逆流吸收中。关于术语“在
…
之上”，请参见上述定义。
[0032]
本发明通过所提出的措施减少或消除了含有丙烷的介质的显著量的使用。如前所述，丙烷由于高挥发性和高分子量的组合而被认为是危险的制冷剂。对应的制冷剂不可避免地必须借助于机器输送，在所述机器中存在增加的丙烷逸出的可能性。这在本发明的上下文中不再是这种情况，使得其也有利地特别适用于具有受限的结构空间的设备布局，例如模块化设备和/或浮动设备，在所述设备布局中基面受限并且需要额外的结构空间的安全技术设备难以安装。
[0033]
由于用于逆流吸收的吸收液体由来自逆流吸收的气体馏分的另一部分形成，在逆流吸收之上冷凝并且在无泵的情况下再循环到逆流吸收中，因此对于该(可能含丙烷的)介质也不需要不利地使用会带来所述问题的泵。
[0034]
因此，本发明提供了一种解决方案，在该解决方案中基本上省去了使用显著量的含丙烷的介质，其方式是，要么在贫丙烷或没有丙烷的情况下使用先前含丙烷的混合制冷剂，要么在没有泵的情况下从逆流吸收中输送含丙烷的塔顶气。出人意料地，在此发现，与已知方法相比，在本发明的上下文中提出的方法具有相同或更高的热力学效率。在本发明的上下文中，在此可以在不增加运行成本的情况下降低投资成本。
[0035]
在根据本发明提出的方法中，有利地在逆流吸收中使用逆流吸收器，该逆流吸收器与布置在逆流吸收器的吸收区域之上的塔顶冷凝器一起运行，其中塔顶冷凝器用于冷凝气体馏分的另一部分。在此，“吸收区域”应理解为具有如上所述的内构件的区域。
[0036]
在此，塔顶冷凝器可以集成到逆流吸收器中或至少部分地布置在逆流吸收器内。集成的塔顶冷凝器包括在共同的柱壳中的换热结构，在该柱壳中还布置有前述类型的传质结构，其中该换热结构，例如冷却盘管等，与包含传质结构的区域特别是通过液体阻挡塔盘或液体密封塔盘而分离。后者允许冷凝物受控地回流到具有传质结构的区域。相反，布置在外部的塔顶冷凝器不布置在具有传质结构的共同柱壳中。
[0037]
在根据本发明提出的方法中，第一混合制冷剂有利地具有总计大于90摩尔百分比的乙烷、异丁烷和正丁烷以及总计小于10摩尔百分比，优选小于5摩尔百分比的氮、甲烷、丙
烷和具有五个或更多个碳原子的烃。与已知的方法相比，少量的丙烷被证明是没有问题的。相反，第二混合制冷剂有利地具有总计大于98摩尔百分比的氮、甲烷和乙烷以及总计小于2摩尔百分比的丙烷和高级烃。
[0038]
有利地，在本发明的上下文中，在第一冷却步骤中使用第一换热器，其中第一混合制冷剂在第一混合制冷剂回路中气态地经受特别是单级压缩、通过冷却冷凝、过冷、膨胀、在第一换热器中加热，在此特别地完全蒸发，并且随后再次经受压缩。第一混合制冷剂的过冷特别是可以在第一换热器中进行，之前的冷却可以在另一换热器中进行。与非根据本发明的方法相反，第一混合制冷剂的压缩因此特别是单级地并且在没有中间冷却的情况下进行，这会引起部分冷凝的风险并且需要将冷凝物输送到压缩机的高压侧。这个缺点在这里得到了解决。
[0039]
此外，在根据本发明的方法中，有利地在第二冷却步骤中使用第二换热器，其中第二混合制冷剂在第二混合制冷剂回路中气态地经受特别是多级压缩、通过冷却冷凝、过冷、膨胀、在第二换热器中加热，在此特别地完全蒸发，并且随后再次经受压缩。第二混合制冷剂的过冷特别是可以在第二换热器中进行，之前的冷却可以在第一和第二换热器中进行。
[0040]
第一换热器和第二换热器可以如前所述实施为盘绕式换热器，并且特别是在共同的壳中各自具有一个或两个(串联的)束。
[0041]
在本发明的上下文中，用于第二混合制冷剂的在其冷凝之后接收该第二混合制冷剂的收集器可以特别地设计用于比在压缩第二混合制冷剂时使用的压缩机或多个压缩机中的第一压缩机的吸入压力高2至10bar的压力。
[0042]
特别地，为了压缩第一和第二混合制冷剂，可以使用一系列三个压缩机，其中第一个压缩机压缩第一混合制冷剂并且另外两个压缩机压缩第二混合制冷剂。这些压缩机可以设计为(几乎)相同的轴功率，即总功率消耗的33 1/3
±
3％。
[0043]
第二混合制冷剂有利地在第二换热器中加热和蒸发之后并且在压缩之前在冷凝来自逆流吸收的气体馏分的另一部分时被使用并且在此被进一步加热。以这种方式得到该第二混合制冷剂的特别有利的利用。
[0044]
为了冷却第一混合制冷剂，在本发明的上下文中有利地使用第一(而不是第二)换热器和/或为了冷却第二混合制冷剂，使用第二(并且附加地使用第一)换热器。在压缩之后或在压缩步骤之后的进一步冷却可以以已知的方式进行，例如在使用空气冷却器或水冷却器的情况下进行。
[0045]
在本发明的上下文中，在逆流吸收中，在一种替代方案中，至少部分地通过馈送未经受第一冷却步骤的另外的进料天然气来形成上升的气相。以这种方式，节省了再沸器，但在逆流吸收中需要更高的分离效率。然而，上升气相也可以至少部分地通过蒸发在逆流吸收中形成的塔底液的一部分来提供。
[0046]
在本发明的上下文中，可以在任何位置使用做功的液体膨胀器来代替膨胀阀。由此降低了能耗。
[0047]
本发明适用于典型的天然气，从而进料天然气特别是可以包含至少80％的甲烷，并且在剩余的不含甲烷的部分中包含至少50％的乙烷和丙烷。液化天然气有利地包含至少90％的甲烷，其中液化天然气中的甲烷含量高于进料天然气中的甲烷含量。
[0048]
本发明还涉及一种用于制备液化天然气的设备，其具体特征参见对应的独立权利
要求。关于这种设备的其他特征和实施方案以及优选的实施方式，明确参见关于根据本发明的方法及其相应的有利的实施方案的上述阐述。有利地，这种设备被适配成执行如之前在不同的实施方案中所阐述的方法。
[0049]
下面参照附图更详细地阐述本发明，这些附图示出了根据本发明的一种实施方案的天然气液化设备。
附图说明
[0050]
图1以简化的工艺流程图的形式示出了根据本发明的一种实施方案的设备。
[0051]
图2以简化的工艺流程图的形式示出了根据本发明的另一实施方案的设备。
具体实施方式
[0052]
在图1中以高度简化的示意性工艺流程图的形式示出了根据本发明的一种特别优选的实施方式的设备，并且整体用100表示。
[0053]
将进料天然气ng供应给图1中所示的设备100，其首先被分成两个子流。第一子流在第一换热器e1中在第一冷却步骤中冷却至例如-20℃至-70℃的第一温度水平，并且随后大致居中地馈送到逆流吸收器t1中，该第一换热器特别是可以构造为盘绕式换热器。
[0054]
此外，通过阀v6膨胀的进料天然气ng的第二子流被馈送至逆流吸收器t1的下部区域中，该第二子流在那里基本上以气态上升。从逆流吸收器t1的上部区域排出气体，该气体在例如可构造为板式换热器的塔顶冷凝器e2中冷却并且被馈送到逆流吸收器t1的塔顶空间中。在此分离的液体作为回流再循环到逆流吸收器t1，并且从进料天然气中洗出较重的组分，这些组分转变成逆流吸收器t1的塔底液。
[0055]
逆流吸收器t1的塔底液可以通过阀v5膨胀并且作为重馏分hhc(英文：heavy hydrocarbons)从设备100中排出。相反，逆流吸收器t1的塔顶气(即富含甲烷的气体馏分)在第二换热器e3中冷却至液化温度，并且在膨胀之后通过阀v4作为液化天然气lng从设备100排出，该第二换热器同样可以构造为盘绕式换热器。
[0056]
设备100包括两个混合制冷剂回路。在第一混合制冷剂回路中，第一(“热”)混合制冷剂wmr气态地在压缩机c1中经受单级压缩并且在空气冷却器和/或水冷却器e4中再冷却并且由此冷凝。冷凝物可以在分离容器d1中提取。该冷凝物在第一换热器e1中首先在束侧被进一步冷却，然后通过阀v1膨胀并且被馈送到第一换热器e1的壳空间中，在那里它被加热，完全蒸发并且随后再次经受压缩。
[0057]
与非根据本发明的方法相反，第一混合制冷剂的压缩在此特别是在单级压缩机c1中在没有中间冷却的情况下进行，这会引起部分冷凝的风险并且需要将冷凝物输送到压缩机的高压侧。这个缺点在这里得到了解决。
[0058]
此外，在设备100中，第二混合制冷剂cmr气态地在压缩机lp c2和hp c2中经受分级压缩，并且各自例如在空气冷却器和/或水冷却器e5和e6中再冷却。进一步的冷却在束侧在第一换热器e1中进行，然后在第二换热器e3中进行。在随后在阀v2中膨胀之后馈送到缓冲容器d2中。从其中抽出的冷凝物通过阀v3膨胀并且在壳侧被馈送到第二换热器e2中并且在那里被加热并且完全蒸发。气态的第二混合制冷剂cmr在其再次经受压缩之前在前述塔顶冷凝器e2中用作制冷剂。
[0059]
通过将塔顶冷凝器e2安装在逆流吸收器t1之上，可以省去回流泵，该塔顶冷凝器使用第二混合制冷剂的显热运行，该第二混合制冷剂以蒸汽形式离开第二换热器e3。相反，由来自逆流吸收器t1的气体形成的回流纯粹通过重力作用再循环到逆流吸收器t1上。
[0060]
在图2中以高度简化的示意性工艺流程图的形式示出了根据本发明的另一实施方式的设备，并且整体用200表示。
[0061]
与根据图1的设备100的实施方案的第一区别在于，逆流吸收器t1不被供给进料天然气的子流，而是提供再沸器e7，该再沸器蒸发逆流吸收器t1的塔底液的一部分，并且由此在逆流吸收器t1中形成上升气相的一部分。
[0062]
与根据图1的设备100的实施方案的另一区别还在于，塔顶冷凝器e3以对应的换热器结构的形式移动到逆流吸收器t1的塔顶空间中，由此必要时节省对应的结构空间。
[0063]
最后，如在此所示的那样，通过膨胀机x1提供离开第二换热器e3的液化天然气lng的膨胀，并且在膨胀机x2中提供冷却的第二混合制冷剂cmr的对应膨胀。类似地，阀v1也可以由膨胀机x3(未示出)代替。