專利名稱：一種采用超音速旋流分離器的天然氣全液化工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種天然氣的全液化工藝及其設備，尤其涉及一種采用超音速旋流分離器的天然氣全液化工藝及其設備，屬于天然氣液化技術領域。
背景技術：
天然氣是一種優質潔凈的化石能源，天然氣經液化后，其體積約為原來的1/625， 因而便于儲存與運輸。與管道氣相比，液化天然氣(LNG)在零散氣田、邊際氣田的開發、煤層氣的利用、海上天然氣的開發利用和海外天然氣的引進方面，有著不可替代的作用。我國雖然大型氣田較少，但是小型零散和邊緣的氣田很多，這些小型氣田和邊際氣田無法承擔長輸管道的成本。液化天然氣因為具有投資小、靈活方便的優點而能夠有效的開發零散氣田和邊際氣田的資源。煤層氣，俗名瓦斯，是長期困擾煤礦安全生產的嚴重問題。采用液化的方法實現煤層氣的利用，不僅可解決煤礦生產安全問題，還可以改善能源結構，減少污染，并取得良好的經濟效益。此外，天然氣液化技術在天然氣的調峰、利用浮式液化天然氣生產儲卸平臺(即LNG FPS0，也稱為FLNG)開發海上天然氣資源和海外天然氣的引進中也起到了重要的作用。天然氣液化技術是整個LNG產業鏈的第一環，也是十分重要的一環。常規的天然氣液化工藝可以分為三類級聯式制冷工藝、膨脹機制冷工藝和混合制冷劑循環工藝 (MRC)。級聯式制冷工藝因為機組多，流程復雜，設備投資高、維護操作不便因而在七十年代后已經很少采用。常規的天然氣液化工藝主要有MRC和膨脹機循環兩類。其中MRC工藝雖然能量利用效率很高，但是一般設備較多，在循環中要多次進行氣液分離因而流程復雜，且需要控制混合冷劑的配比。而采用膨脹機制冷，雖然流程簡單且工藝較少，但是膨脹機的帶液膨脹在技術上有較大難度，而且其制冷效率一般比MRC工藝略低。上述兩種工藝分別采用了 J-T閥和膨脹機作為制冷元件，均是常規的制冷方式。超音速旋流分離器是一種新型的制冷元件，但通常很難直接膨脹得到使天然氣液化的溫度，且只能部分液化入口的氣體
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發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種天然氣全液化工藝，采用超音速旋流分離器代替節流閥以及膨脹機等作為制冷部件，實現了天然氣的全部液化。本發明的目的還在于提供一種天然氣全液化設備。為達到上述目的，本發明首先提供了一種天然氣全液化工藝，其包括以下步驟將經過凈化處理的原料天然氣輸入預冷換熱器進行預冷處理；將預冷處理后的天然氣輸入超音速旋流分離器進行膨脹、部分液化并進行分離， 分離后得到的液化天然氣(LNG)輸出，氣態天然氣回流至預冷換熱器回收冷量，然后與經過凈化處理的原料天然氣混合；其中，當原料天然氣壓力為3_6MPa時，回流的氣態天然氣先進行壓縮處理和空冷處理，然后再與經過凈化處理的原料天然氣混合，進入預冷換熱器進行預冷處理；
當原料天然氣壓力為400_1200kPa(優選為400_800kPa)時，回流的氣態天然氣先與經過凈化處理的原料天然氣混合，然后在進行壓縮處理和空冷處理之后，進入預冷換熱器進行預冷處理。 本發明所提供天然氣全液化工藝是一個整體，在工藝過程中，分離了液化天然氣之后會有部分氣體天然氣回流并與新輸入的原料天然氣混合，這是一個循環的過程。本發明中所提到的全液化是針對整個工藝的，由于天然氣回流的存在，在超音速旋流分離器中被液化的天然氣不一定就是全部新輸入的原料天然氣，但是，從量上來說，新輸入的原料天然氣與液化后獲得的液化天然氣是相同的，即液化后獲得的液化天然氣的量與輸入的原料天然氣的量相同，這就相當于輸入的原料天然氣全部被液化了。在本發明提供的天然氣全液化工藝中，優選通過單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置為預冷換熱器中的預冷處理提供冷量，在預冷換熱器中將天然氣(凈化后的原料天然氣，或者凈化后的原料天然氣與回流的氣態天然氣的混合物)預冷至一定溫度，然后再將其輸送到超音速旋流分離器中實現膨脹、部分液化和分離，在超音速旋流分離器的中間部分可以得到壓力約為400-800kPa的液化天然氣，其流量與凈化后的天然氣的流量相同，從而實現了原料天然氣的全部液化。在超音速旋流分離器中未被液化的天然氣會經過其氣體出口離開，并返回預冷換熱器回收冷量，然后進一步壓縮提高壓力并冷卻，根據原料天然氣壓力的高低而決定是在提高壓力之前還是在冷卻之后與凈化后的原料天然氣混合，從而實現循環。在本發明提供的天然氣全液化工藝中，單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置中所采用的混合制冷劑可以由甲烷、碳二、碳三和碳五等組成，其組分適合于提供常溫至_60°C 的冷量。根據本發明的具體技術方案，優選地，上述混合制冷劑具有以下摩爾百分比組成 甲烷、10-15%，乙烯、18-25%，丙烷、35-45%，異戊烷、22-28% ；所有組成之和為100% ； 更優選地，上述混合制冷劑具有以下摩爾百分比組成甲烷、12. 29%，乙烯、21.5%，丙烷、 40. 95 %，異戊烷、25. 26 %。在上述單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置中，可以采用以下循環方式混合制冷劑首先進入冷劑壓縮機進行單級壓縮以提高壓力，再由空冷器冷卻后進入預冷換熱器預冷至_55°C至_65°C，然后經過一個膨脹閥節流降溫，節流后的低溫低壓制冷劑進入預冷換熱器提供冷量后返回冷劑壓縮機，從而實現混合制冷劑的預冷循環。在本發明提供的天然氣全液化工藝中，單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置中的混合制冷劑的壓縮比可以控制為4. 5-7，優選為5. 2-5. 8。對于混合制冷劑的壓縮只需要采用單級壓縮即可，不需要中間冷卻，混合制冷劑的循環過程中也不需要任何的氣液分離。在本發明提供的天然氣全液化工藝中，優選地，預冷的溫度可以控制為-50°C 至-80°C (優選為_55°C至_80°C，更優選為_55°C至_65°C)。將要進入超音速旋流分離器的天然氣預冷至上述溫度，可以使超音速旋流分離器在高效率區域工作，得到液化率(此處為出口處的液化率，其定義為從超音速旋流分離器出口得到的液體的摩爾流量與分離器進口氣體總摩爾流量的比率)為0.15-0. 25的LNG產品。在超音速旋流分離器中實現了氣液分離之后，氣體天然氣通過擴壓器減速增壓之后進行循環回流，其中，超音速旋流分離器的出口處的氣體壓力可以控制為入口處氣體壓力的1/5-1/2，優選為1/4-1/3。回流的氣態天然氣在回收冷量之后，與凈化后的原料天然氣混合，其中當原料天然氣壓力為3_6MPa時，回流的氣態天然氣先進行壓縮處理和空冷處理，然后再與經過凈化處理的原料天然氣混合，進入預冷換熱器進行預冷處理；當原料天然氣壓力為400-800kPa 時，回流的氣態天然氣先與經過凈化處理的原料天然氣混合，然后在進行壓縮處理和空冷處理之后，進入預冷換熱器進行預冷處理。經過預冷處理之后，氣體進入超音速旋流分離器進行下一次的處理。在上述過程中，混合后的氣體流量約為凈化后的原料天然氣流量的 5-7倍。根據本發明的具體技術方案，在上述處理過程中，壓縮處理的壓縮比可以控制為 2_5(當采用先壓縮冷卻再混合的處理時，該壓縮比指的是回流天然氣的壓縮比；當采用先混合再壓縮冷卻的處理時，該壓縮比指的是回流天然氣與原料天然氣混合之后所進行的壓縮的壓縮比)。該壓縮比比較低，因此，僅需要單級壓縮就可以，不需要中間冷卻，有利于簡化流程。本發明還提供了一種用于上述天然氣全液化工藝的天然氣液化設備，其包括液化系統和預冷系統，其中，液化系統包括一第一壓縮機、一第一空冷器、預冷換熱器、超音速旋流分離器以及天然氣輸送管道，預冷換熱器中設有第一流道、第二流道、第三流道和第四流道，超音速旋流分離器具有一入口、一氣體出口以及一液體出口，并且，第一壓縮機、第一空冷器、預冷換熱器的第四流道、超音速旋流分離器的入口、超音速旋流分離器的氣體出口、預冷換熱器的第三流道通過管道相互連接并形成天然氣回路；天然氣輸送管道與預冷換熱器的第三流道和第一壓縮機之間的管道連通，適用于原料天然氣壓力較低的情況，或者，天然氣輸送管道與第一空冷器和預冷換熱器的第四流道之間的管道連通，適用于原料天然氣壓力較高的情況；預冷系統為一單循環單級壓縮混合制冷劑循環系統，其包括一第二壓縮機、一第二空冷器以及一 J-T閥，并且，第二壓縮機、第二空冷器、預冷換熱器的第一流道、J-T閥以及預冷換熱器的第二流道通過管道相互連接并形成制冷劑回路。本發明所提供的天然氣液化工藝及設備采用超音速旋流分離器代替節流閥以及膨脹機作為制冷部件，通過入口氣體預冷和出口氣體回流再壓縮，在保持與MRC工藝相當的能耗水平的情況下實現了天然氣的全部液化，并具有流程簡單、設備少等優點。在氣體的壓縮過程不需要中間冷卻以及氣液分離，也不需要冷劑儲罐，避免了大量液態冷劑的儲存， 在小型天然氣液化裝置尤其是浮式液化天然氣生產儲卸平臺中尤為適用。


以下附圖僅旨在于對本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中圖1為實施例1所提供的天然氣液化設備的結構示意圖；圖2為實施例3所提供的天然氣液化設備的結構示意圖。附圖標號說明第一壓縮機1第一空冷器2預冷換熱器3超音速旋流分離器4天然氣輸送管道5第二壓縮機6第二空冷器7 J-T閥8入口 401氣體出口 402液體出口 40具體實施例方式
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為了對本發明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現參照說明書附圖對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施范圍的限定。實施例1本實施例提供了一種天然氣液化設備，如圖1所示，該天然氣液化設備包括一液化系統以及一預冷系統，其中，液化系統包括一第一壓縮機1、一第一空冷器2、預冷換熱器3、超音速旋流分離器 4以及天然氣輸送管道5 ；預冷換熱器3中由上到下并列的四個流道分別為第一流道、第二流道、第三流道和第四流道；超音速旋流分離器4具有一入口 401、一氣體出口 402以及一液體出口 403 ；第一壓縮機1、第一空冷器2、預冷換熱器3的第四流道、超音速旋流分離器4的入口 401、超音速旋流分離器4的氣體出口 402、預冷換熱器3的第三流道通過管道相互連接， 形成天然氣回路；天然氣輸送管道5用于輸送經過凈化的原料天然氣，其與預冷換熱器3的第三流道與第一壓縮機1之間的管道連通；預冷系統為一單循環單級壓縮混合制冷劑循環系統，包括一第二壓縮機6、第二空冷器7以及一 J-T閥8 ；第二壓縮機6、第二空冷器7、預冷換熱器3的第一流道、J-T閥8以及預冷換熱器 3的第二流道通過管道相互連接，形成制冷機回路。實施例2本實施例提供了一種天然氣全液化工藝，其是采用實施例1提供的全液化設備實現的，適用于凈化后的原料天然氣壓力較高的情況，例如原料天然氣壓力為3-6MPa時，具體包括以下步驟通過天然氣輸送管道5輸入經過凈化的原料天然氣；使凈化后的原料天然氣與經過壓縮并冷卻后的回流的天然氣混合(壓力控制為 3-6MPa，溫度控制為30-45°C )，得到混合氣體；使混合氣體首先在預冷換熱器3的第四流道中作為熱流體被預冷，一般預冷到-50至-80°C (優選為-55至-65°C )，然后使預冷后的混合氣體通過入口 401進入超音速旋流分離器4，在超音速旋流分離器4的拉伐爾噴管內膨脹至超音速，壓力降為 600-1000kPa，溫度降低并使一部分氣體凝結為液體，液體在旋流分離段與氣體分離，中間可能會有少量的液體重新氣化，分離得到的液體通過液體出口 403輸出，即為LNG產品，這一部分液化氣體占混合氣體的比例在10-25%之間(摩爾比)，即液化率為0. 1-0. 25，且其流量與凈化后的天然氣流量相等，得到的LNG產品采用帶壓儲存的方式進行儲存，實現天然氣的全部液化；在超音速旋流分離器4中未液化的氣體經過擴壓段，速度降低而壓力升高，并從超音速旋流分離器4的氣體出口 402離開，其溫度仍低于環境溫度，一般在-60至-80°C之間，而壓力約為入口混合氣體的1/2-1/5，這部分氣體首先作為冷流體回到預冷換熱器3的第三流道中回收冷量，從預冷換熱器3出來后利用第一壓縮機1將其壓縮至超音速旋流分離器3的入口處混合氣體的壓力，再利用第一空冷器2將其冷卻到接近環境溫度，然后與凈化后的天然氣混合(此時兩部分氣體壓力相同)，完成開式循環；為了實現混合氣體在預冷換熱器3中的預冷，采用簡單的單級單壓縮MRC循環提供冷量混合冷劑由甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷四種組分組成，其摩爾組分為甲烷12. 29%, 乙烯21. 5%、丙烷40. 95%和異戊烷25. 26%。在循環過程中，混合冷劑首先由第二壓縮機 6壓縮到1200-1800kPa (優選壓縮至1400-1600kPa)，然后利用第二空冷器7冷卻至接近環境溫度的30°C至45°C;冷卻后的混合冷劑首先作為熱流體進入預冷換熱器3的第一流道被預冷至_40°C至60°C (優選為_50°C )，然后通過J-T閥8節流膨脹至200_350kPa (優選為 260-290kPa)，并第二壓縮機6的壓縮比保持為約4. 5-7 (優選為5. 2-5. 8)；節流后的低溫的混合冷劑(一般在-55至-85°C，優選為_70°C )作為冷流體進入預冷換熱器3的第二流道提供冷量，從第二流道出來的氣態冷劑重新進入第二壓縮機6，完成一次混合制冷劑循環并開始新的循環。實施例3本實施例提供了一種天然氣液化設備，如圖2所示，該天然氣液化設備的天然氣輸送管道5與第一空冷器8與預冷換熱器3的第四流道之間的管道連通，其他結構與實施例1提供的天然氣液化設備相同。實施例4本實施例提供了一種天然氣全液化工藝，其是采用實施例2提供的全液化設備實現的，適用于凈化后的原料天然氣壓力較低的情況，例如原料天然氣壓力為400-800kPa 時，具體包括以下步驟通過天然氣輸送管道5輸入經過凈化的原料天然氣；凈化后的原料天然氣首先與從預冷換熱器3第三流道出來的回流天然氣混合，得到混合氣體；然后利用第一壓縮機1將混合氣體壓縮至3_6MPa，再利用第一空冷器2將其冷卻到接近環境溫度(溫度通常為30-45°C )；冷卻后的混合氣體首先進入預冷換熱器3的第四流道中，作為熱流體被預冷到-50 至-80°C (優選為-65°C )；預冷后的混合氣體通過入口 401進入超音速旋流分離器4，在超音速旋流分離器4 的拉伐爾噴管內膨脹至超音速，壓力降為600-1000kPa，溫度降低并使一部分氣體凝結為液體，液化的氣體在旋流分離段與氣體分離，中間可能會有少量的液體重新氣化，分離得到的液體通過液體出口 403輸出即為LNG產品，這一部分液化氣體占混合氣體的比例在10-25% 之間，即液化率為0. 1-0. 25，且其流量與凈化后的天然氣流量相等，得到的LNG產品采用帶壓儲存的方式進行儲存，實現天然氣的全部液化；在超音速旋流分離器4中未液化的氣體經過擴壓段，速度降低而壓力升高，并從超音速旋流分離器4的氣體出口 402離開，其溫度仍低于環境溫度，一般在-60至-80°C之間，而壓力約為入口混合氣體的1/2-1/5，這部分氣體首先作為冷流體回到預冷換熱器3的第三流道中回收冷量，從預冷換熱器3出來后利用第一壓縮機1將其壓縮至超音速旋流分離器4的入口處混合氣體的壓力，再利用第一空冷器2將其冷卻到接近環境溫度，然后與凈化后的天然氣混合(此時兩部分氣體壓力相同)，完成開式循環；為了實現混合氣體在預冷換熱器中的預冷，采用簡單的單級單壓縮MRC循環提供
7冷量混合冷劑由甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷四種組分組成，其摩爾組分為甲烷12.四％、乙烯21. 5%、丙烷40. 95%和異戊烷25.沈％。在循環過程中，混合冷劑首先由第二壓縮機6 壓縮到1200-1800kPa (優選壓縮至1400-1600kPa)，然后利用第二空冷器7冷卻至接近環境溫度的30°C至45°C ；冷卻后的混合冷劑首先作為熱流體進入預冷換熱器3的第一流道被預冷至_40°C至60°C (優選為_50°C )，然后通過J-T閥8節流膨脹至200_350kPa (優選為 260-290kPa)，并第二壓縮機6的壓縮比保持為約4. 5-7 (優選為5. 2-5. 8)；節流后的低溫的混合冷劑(一般在巧5至_85°C，優選為_70°C )作為冷流體進入預冷換熱器3的第二流道提供冷量，從第二流道出來的氣態冷劑重新進入第二壓縮機6，完成一次混合制冷劑循環并開始新的循環。 以上實施例僅用于說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而未脫離本發明技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種天然氣全液化工藝，其包括以下步驟將經過凈化處理的原料天然氣輸入預冷換熱器進行預冷處理；將預冷處理后的天然氣輸入超音速旋流分離器進行膨脹、部分液化并進行分離，分離后得到的液化天然氣輸出，氣態天然氣回流至預冷換熱器回收冷量，然后與經過凈化處理的原料天然氣混合；其中，當原料天然氣壓力為3-6MPa時，回流的氣態天然氣先進行壓縮處理和空冷處理，然后再與經過凈化處理的原料天然氣混合，進入預冷換熱器進行預冷處理；當原料天然氣壓力為400-1200kPa時，回流的氣態天然氣先與經過凈化處理的原料天然氣混合，然后在進行壓縮處理和空冷處理之后，進入預冷換熱器進行預冷處理。
2.如權利要求1所述的天然氣全液化工藝，其中，通過單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置為所述預冷換熱器中的預冷處理提供冷量。
3.如權利要求2所述的天然氣全液化工藝，其中，所述單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置中所采用的混合制冷劑由甲烷、碳二、碳三和碳五組成。
4.如權利要求3所述的天然氣全液化工藝，其中，所述混合制冷劑具有以下摩爾百分比組成 甲烷、10-15%，乙烯、18-25%，丙烷、35-45 %，異戊烷、22-28 %，所有組成之和為 100%。
5.如權利要求4所述的天然氣全液化工藝，其中，所述混合制冷劑具有以下摩爾百分比組成甲烷、12. 29%，乙烯、21. 5%，丙烷、40. 95%，異戊烷、25. 26%。
6.如權利要求2所述的天然氣全液化工藝，其中，控制所述單循環單級壓縮混合制冷劑循環裝置中的混合制冷劑的壓縮比為4. 5-7。
7.如權利要求1或2所述的天然氣全液化工藝，其中，控制所述預冷的溫度為-50°C 至-80°C。
8.如權利要求1所述的天然氣全液化工藝，其中，控制所述壓縮處理的壓縮比為2-5。
9.如權利要求1所述的天然氣全液化工藝，其中，所述超音速旋流分離器的氣體出口壓力控制為入口壓力的1/5-1/2。
10.一種用于權利要求1-9任一項所述的天然氣全液化工藝的天然氣液化設備，其包括液化系統和預冷系統，其中，所述液化系統包括一第一壓縮機、一第一空冷器、預冷換熱器、超音速旋流分離器以及天然氣輸送管道，所述預冷換熱器中設有第一流道、第二流道、第三流道和第四流道，所述超音速旋流分離器具有一入口、一氣體出口以及一液體出口，并且，所述第一壓縮機、第一空冷器、預冷換熱器的第四流道、超音速旋流分離器的入口、超音速旋流分離器的氣體出口、預冷換熱器的第三流道通過管道相互連接并形成天然氣回路；所述天然氣輸送管道與所述預冷換熱器的第三流道和所述第一壓縮機之間的管道連通， 或者，所述天然氣輸送管道與所述第一空冷器和所述預冷換熱器的第四流道之間的管道連通；所述預冷系統為一單循環單級壓縮混合制冷劑循環系統，其包括一第二壓縮機、一第二空冷器以及一 J-T閥，并且，所述第二壓縮機、第二空冷器、預冷換熱器的第一流道、J-T 閥以及預冷換熱器的第二流道通過管道相互連接并形成制冷劑回路。
全文摘要
本發明涉及一種采用超音速旋流分離器的天然氣全液化工藝。該工藝包括以下步驟將經過凈化的原料天然氣輸入預冷換熱器進行預冷；將預冷后的天然氣輸入超音速旋流分離器進行膨脹、部分液化并進行分離，分離后得到的液化天然氣輸出，氣態天然氣回流至預冷換熱器回收冷量，然后與經過凈化處理的原料天然氣混合；其中，當原料天然氣壓力為3-6MPa時，回流的氣態天然氣先進行壓縮和空冷，然后再與經過凈化的原料天然氣混合，進入預冷換熱器進行預冷；當原料天然氣壓力為400-1200kPa時，回流的氣態天然氣先與經過凈化的原料天然氣混合，然后在進行壓縮和空冷之后，進入預冷換熱器進行預冷。本發明提供的工藝能夠實現天然氣的全部液化，并具有流程簡單、設備少等優點。
文檔編號C10L3/10GK102268309SQ201110201138
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者孫恒, 舒丹 申請人:中國石油大學(北京)