液化天然气形成

摘要

本文公开了用于形成液化天然气(LNG)的系统和方法。该系统包括制冷系统，其配置以使用包括稀有气体的制冷剂混合物冷冻天然气。该系统也包括自冷冻系统，其配置以使用天然气作为自身-制冷剂以由天然气形成LNG。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年8月31日提交的标题为液化天然气形成(LNG  FORMATION)的美国临时专利申请号61/695,592和2012年3月30 日提交的标题为在低温烃处理系统、装置和方法中稀有气体的应用 (USE OF NOBLE GASES IN LOW TEMPERATURE HYDROCARBON  PROCESSING SYSTEMS,APPARATUS,AND METHODS)的美国临时 专利申请号61/618,290的权益，以其全部通过引用并入本文。

技术领域

本技术一般地涉及烃回收和处理过程领域，并且更具体地涉及经 由制冷过程形成液化天然气的系统和方法。具体地，提供了使用包括 一种或多种稀有气体的制冷剂由天然气形成LNG的系统和方法。

背景技术

此部分意图引入本领域的各个方面，其可能与本技术的示例性实 施方式相关。相信本讨论帮助提供了促进更好地理解本技术的具体方 面的框架。因此，应当理解此部分应当从这个角度阅读，而不必作为 现有技术的承认。

用于天然气加工和液化的许多低温制冷系统依赖使用包括烃组分 和氮气的制冷剂以提供外部制冷。这种烃组分可以包括甲烷、乙烷、 乙烯、丙烷和类似物。然而，因为可能需要大的传热面积以提供天然 气的适当制冷，使用包括烃组分和氮气的制冷剂可能不是非常有效的。 此外，在制冷剂内的烃组分的可燃性可能增加与制冷过程相关的危险。

用于天然气加工和液化的低温制冷系统经常使用合成的制冷剂— —例如R-404A或R-410A——作为包括烃组分和氮气的制冷剂的替代。 然而，这种合成的制冷剂仅仅适合用于高于大约-100°F的制冷水平。 在一些情况下，较低的制冷水平可能是期望的。

Flynn等人的国际专利申请公开WO/2005/072404描述了一种冷却 系统，其包括第一制冷剂循环和第二制冷剂循环，所述第一制冷剂循 环包括第一制冷剂，所述第二制冷剂循环包括为低温组分混合物的第 二制冷剂。该公开也涉及一种冷却系统，其包括第一制冷剂循环和第 二制冷剂循环，所述第一制冷剂循环包括第一制冷剂，所述第二制冷 剂循环包括为非反应性组分的第二制冷剂。第二制冷剂不含碳氟化合 物、氯氟碳和烃。第二制冷剂的至少一部分在第二制冷剂循环中冷凝。 然而，本公开不涉及包括任何类型的自冷冻循环的冷却系统。

相关信息可见于美国专利号4,533,372、4,923,493、5,265,428、 5,062,270、5,120,338、6,053,007和5,956,971；美国专利申请公开号 2002/0088249、2003/0177785、2007/0193303、2007/0227185、 2008/0034789、2008/0087041、2009/0217701、2009/0266107、 2010/0018248、2010/0107684、2010/0186445、2012/0031144、 2012/0079852和2012/0125043；和国际专利公开号WO/2012/015554。 其他潜在地相关的信息可见于国际专利公开号WO2007/021351； Foglietta,J.H.等人，“Consider Dual Independent Expander Refrigeration  for LNG Production New Methodology May Enable Reducing Cost to  Produce Stranded Gas,”Hydrocarbon Processing,Gulf Publishing Co.,vol. 83,no.1,pp.39-44(2004年1月)；美国专利申请公开号US2003/089125； 美国专利号6,412,302；美国专利号3,162,519；美国专利号3,323,315； 德国专利号DE19517116和J.M.Campbell,“Gas Conditioning and  Processing,Vol.2:The Equipment Modules”,8th edition,John M. Campbell&Company,2001。

发明内容

实施方式提供了用于形成液化天然气(LNG)的系统。该系统包括制 冷系统，其配置以使用包括稀有气体的制冷剂混合物冷冻天然气。该 系统也包括自冷冻系统，其配置以使用天然气作为自身-制冷剂以从天 然气形成LNG。

另一个实施方式提供了用于形成LNG的方法。该方法包括在制冷 系统中冷冻天然气，其中制冷系统使用包括稀有气体的制冷剂混合物。 该方法也包括在自冷冻系统中液化天然气以形成LNG。

另一个实施方式提供了用于形成LNG的级联冷却系统。级联冷却 系统包括第一制冷系统，其配置以使用非烃类制冷剂冷却天然气，其 中第一制冷系统包括多个第一冷却器，其配置以经由天然气和非烃类 制冷剂之间的间接热交换来允许冷却天然气。级联冷却系统也包括第 二制冷系统，其配置以使用包括稀有气体的制冷剂混合物冷冻天然气， 其中第二制冷系统包括多个第二冷却器，其配置以经由天然气和制冷 剂混合物之间的间接热交换允许冷却天然气。级联冷却系统进一步包 括自冷冻系统，其配置以从天然气形成LNG，其中自冷冻系统包括多 个膨胀阀或液压膨胀涡轮或其任意组合和闪蒸鼓。

附图简述

通过参考以下详细描述和附图更好地理解本技术的优势，其中：

图1是单级制冷系统的工艺流程图；

图2是包括节油器的双级制冷系统的工艺流程图；

图3是包括热交换器节油器的单级制冷系统的工艺流程图；

图4是包括第一制冷系统和第二制冷系统的级联冷却系统的工艺 流程图；

图5是用于烃露点控制的膨胀制冷系统的工艺流程图；

图6是用于NGL提取的膨胀制冷系统的工艺流程图；

图7是LNG生产系统的工艺流程图；

图8是级联冷却系统的简化的工艺流程图；

图9A-B是级联冷却系统的更详细的工艺流程图；

图10是自冷冻系统的更详细的工艺流程图；

图11是甲烷压-焓(P-H)图的示意图；和

图12是用于形成LNG的方法的工艺流程图。

附图详述

在以下详细描述部分中，描述了本技术的具体实施方式。然而， 就以下描述是针对本技术的具体实施方式和具体用途的情况来说，其 仅仅意图为示例性目的并且简单地提供了示例性实施方式的描述。因 此，本技术不限于下面描述的具体实施方式，而是包括落入所附权利 要求的精神和范围内的所有的变化、修改和等价形式。

最初，为了易于参考，列出了此申请中使用的某些术语和在上下 文中使用的它们的意思。就本文使用的术语未在下面限定的情况来说， 应当给出其在相关领域中的人已给出那个术语的最宽的限定，如体现 在至少一个印刷出版物或发行的专利中的。而且，本技术不由下面示 出的术语的使用进行限制，因为所有的等价形式、同义词、新进展和 提供相同或相似目的的术语或技术被认为在本权利要求的范围内。

“酸性气体”是在天然气流中经常遇到的污染物。典型地，虽然 任何数量的其他污染物也可以形成酸，但是这些气体包括二氧化碳 (CO₂)和硫化氢(H₂S)。酸性气体通常通过将气流与吸收剂——例如胺， 其可与酸性气体反应——接触而除去。当吸收剂变得“富含”酸性气 体时，可使用解吸步骤以从吸收剂分离酸性气体。然后“贫”吸收剂 典型地被循环用于进一步吸收。如本文使用“液态酸性气流”是冷凝 为液相的酸性气流，例如，包括溶于H₂S的CO₂并且反之亦然。

如本文使用，“自冷冻(自制冷，autorefrigeration)”指的是经由减 小压力冷却流体的过程。在液体的情况下，自冷冻指的是通过蒸发冷 却液体，所述蒸发对应于减小压力。更具体地，随着其穿过节流装置 时经受压力减小，一部分的液体被闪蒸为蒸汽。结果，蒸汽和残余液 体二者都被冷却到该液体在减压下的饱和温度。例如，根据本文描述 的实施方式，天然气的自冷冻可通过保持天然气处于它的沸点以便在 蒸发期间随着热损失天然气被冷却而进行。此方法也可被称为“闪蒸”。

如本文使用，“级联循环”指的是具有两种或多种制冷剂的系统， 其中冷的第二制冷剂被较暖的第一制冷剂冷凝。因此，低温可以被从 一个制冷剂向下“级联”到另一个。级联中的每种制冷剂基于节油器 中的阶段式的蒸发压力可具有多个冷冻水平。因为在级联循环中可获 得比单一制冷剂系统中更低的温度，所以级联循环与单一制冷剂系统 相比被认为是对生产LNG有益的。

“闭环制冷循环”指的是其中在正常操作期间基本上没有制冷剂 进入或离开循环的制冷循环。

“闭环制冷系统”指的是包含压缩、热交换和减压设备的制冷系 统，其中制冷剂再循环而没有连续故意的制冷剂收回。由于从系统的 小的漏泄损耗，典型地需要少量的制冷剂补充。

“压缩机”或“制冷剂压缩机”包括能够增加制冷剂流的压力的 任何单元、设备或装置。这包括具有单一压缩过程或步骤的制冷剂压 缩机，或具有多级压缩或步骤的制冷剂压缩机，更具体地在单一罩或 壳内的多级制冷剂压缩机。待被压缩的蒸发的制冷剂流可在不同压力 下被提供到制冷剂压缩机。烃冷却过程的一些阶段或步骤可以包含两 个或多个并联、串联或两者的制冷剂压缩机。本发明不由一个或多个 制冷剂压缩机的类型或安排或布局进行限制，特别是在任何制冷剂回 路中。

“受控冷冻区”(CFZ)方法是已经被提议利用低温蒸馏中的二氧化 碳的冷冻潜能，而不是避免固态二氧化碳的方法。在CFZ方法中，酸 性气体组分通过单塔中的二氧化碳的受控冷冻和融化由低温蒸馏分 离，而不使用冷冻抑制添加剂。CFZ方法使用具有特别内部部分—— 例如CFZ部分——的低温蒸馏塔，以处理二氧化碳的凝固和融化。此 CFZ部分如同传统的蒸馏塔不包含填料(packing)或塔盘(tray)。而是， CFZ部分包含一个或多个喷雾嘴和融化盘。固态二氧化碳在蒸馏塔中 的蒸汽空间中形成并落在融化盘上成为液体。形成的基本上所有的固 体都被限制在CFZ部分。在塔的CFZ部分之上和之下的蒸馏塔部分类 似于传统低温脱甲烷塔。CFZ方法的更详细的描述在美国专利号 4,533,372；4,923,493；5,120,338和5,265,428中公开。

如本文使用，“冷却”泛指降低和/或下降物质的温度和/或内能例 如任何合适的量。冷却可以包括至少大约1摄氏度、至少大约5摄氏 度、至少大约10摄氏度、至少大约15摄氏度、至少大约25摄氏度、 至少大约50摄氏度、至少大约100摄氏度和/或类似温度的温度降低。 冷却可以使用任何合适的散热，例如蒸汽发生、热水加热、冷却水、 空气、制冷剂、其他工艺流(综合)和其组合。可结合和/或级联冷却的 一个或多个来源，以达到期望的出口温度。冷却步骤可以使用具有任 何合适的装置和/或设备的冷却单元。根据一个实施方式，冷却可以包 括间接热交换，例如具有一个或多个热交换器。热交换器可以包括任 何合适的设计，例如壳和管、板和框架、逆流、顺流、延伸的表面和/ 或类似物。在替代中，冷却可以使用蒸发(蒸发的热)冷却和/或直接热 交换，例如直接喷射到工艺流中的液体。

“低温”指的是大约-50℃或以下的温度。

如本文使用，术语“脱乙烷塔”和“脱甲烷塔”指的是用于分离 天然气流中的组分的蒸馏柱或塔。例如，脱甲烷塔用于将甲烷和其他 挥发组分与乙烷和较重组分分离。甲烷馏分典型地回收为包含少量惰 性气体例如氮气、CO₂或类似物的纯化气体。

术语“气体”与“蒸汽”可交换地使用，并且被定义为处于区别 于液态或固态的气态的物质或物质混合物。同样地，术语“液体”意 思是处于区别于气态或固态的液态的物质或物质混合物。

“热交换器”广泛地意思是能够将热从一个介质传递到另一个介 质的任何设备，特别地包括任何结构，例如通常被称为热交换器的设 备。热交换器包括“直接热交换器”和“间接热交换器”。因此，热交 换器可以是板-和-框架、壳-和-管、盘管、发夹结构、芯式、芯-和-釜 (core-and-kettle)、套管或任何其他类型的已知的热交换器。“热交换 器”也可能指的是任何柱、塔、单元或其他布置，所述布置适合允许 一个或多个流从其中通过，并且影响制冷剂的一个或多个管线和一个 或多个原料流之间的直接或间接热交换。

“烃”是主要包括元素氢和碳的有机化合物，但是氮、硫、氧、 金属或多个其他元素可以以小量存在。如本文使用，烃一般指的是在 天然气、油或化学加工设备中发现的组分。

“氢氟碳”或HFC是包括H、F和C原子的分子。氢氟碳具有H-C 和F-C键和根据种类中的碳原子的数目的C-C键。氢氟碳的一些实例 包括氟仿(CHF₃)、五氟乙烷(C₂HF₅)、四氟乙烷(C₂H₂F₄)、七氟丙烷 (C₃HF₇)、六氟丙烷(C₃H₂F₆)、五氟丙烷(C₃H₃F₅)和四氟丙烷(C₃H₄F₄)， 以及其他类似化学结构的化合物。

“液化天然气”或“LNG”是通常已知包括高百分比甲烷的天然 气。然而，LNG也可以包括痕量的其他化合物。其他元素或化合物可 以包括，但不限于，乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气、氦、硫化 氢或其组合，其已经被加工以除去一种或多种组分(例如，氦)或杂质 (例如，水和/或重烃)并且然后通过冷却在几乎大气压力下被冷凝为液 体。

“混合的制冷剂方法”可以包括，但不限于，使用混合的制冷剂 ——即具有多于一种化学组分的制冷剂——的单一制冷系统、烃预冷 却的混合的制冷剂系统和双混合的制冷剂系统。通常，混合的制冷剂 可包括烃和/或非烃组分。在混合的制冷剂中典型地采用的合适的烃组 分的实例可包括，但不限于，甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯以及丁 烷和丁烯异构体。在混合的制冷剂中一般地采用的非烃组分可包括二 氧化碳和氮气。混合的制冷剂方法采用至少一种混合组分的制冷剂， 但是也可额外地采用一种或多种纯组分的制冷剂。

“天然气”指的是从原油井或从地下气层获得的多组分气体。天 然气的组成和压力可显著地变化。典型的天然气流包含甲烷(CH₄)作为 主要组分，即，大于50摩尔％的天然气流是甲烷。天然气流也可包含 乙烷(C₂H₆)、较高分子量烃(例如，C₃-C₂₀烃)、一种或多种酸性气体(例 如，二氧化碳或硫化氢)或其任意组合。天然气也可包含少量的污染物， 例如水、氮气、硫化铁、蜡、原油或其任意组合。天然气流在实施方 式中使用之前可被基本上纯化，以便除去可充当毒物的化合物。

如本文使用，“天然气液体”(NGL)指的是其组分是例如典型地比 乙烷重的烃的混合物。NGL流的烃组分的一些实例包括丙烷、丁烷和 戊烷异构体、苯、甲苯和其他芳香族化合物。

“稀有气体”指的是任何属于周期表的18族的化学元素。更具体 地，稀有气体包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。 稀有气体的特征在于具有非常低的化学反应性。

“开环制冷循环”指的是如此制冷循环，其中在正常操作期间采 用的制冷剂的至少一部分源自制冷循环冷却的流体。

“开环制冷系统”是包含压缩、热交换和减压装置的制冷系统， 其中制冷剂再循环，一部分的制冷剂连续地从再循环回路收回，并且 额外的制冷剂被连续地引入再循环回路。

制冷系统中的“制冷剂组分”将在较低的温度和压力下通过蒸发 吸收热，并且将在较高温度和压力下通过冷凝排放热。图解的制冷剂 组分可以包括，但不限于，具有一到五个碳原子的烷烃、烯烃和炔烃， 氮气，氯化烃，氟化烃，其他卤化烃，稀有气体和其混合物或组合物。

当关于材料或其具体特性的数量或量使用时，“基本上”指的是足 够提供材料或特性意图提供的效果的量。在一些情况下，允许的精确 偏差程度可以根据具体上下文。

概述

本文描述的实施方式提供了烃加工系统和方法。这样的烃加工系 统可以包括或利用制冷系统，例如级联冷却系统。而且，根据本文描 述的实施方式，制冷系统利用包括稀有气体的制冷剂混合物。

烃加工系统包括本领域技术人员已知的传统系统。烃生产和处理 方法包括，但不限于，冷冻天然气用于NGL提取、冷冻天然气用于烃 露点控制、冷冻天然气用于CO₂移除、液化石油气(LPG)生产存储、脱 乙烷塔/脱甲烷塔中的回流的冷凝和天然气液化以生产LNG。

虽然多个制冷循环已经用于加工烃，但是LNG液化装置中使用的 一个循环是级联循环，其逐步使用安装的热交换器中的多个单一组分 制冷剂，以降低气体的温度到液化温度。LNG液化装置中使用的另一 个循环是多组分制冷循环，其使用特别设计的交换器中的多组分制冷 剂。此外，在LNG液化装置中使用的另一个循环是扩张器循环，其随 着相应的温度降低扩张气体从原料气压到低压。天然气液化循环也可 以使用这三种循环的变化或组合。

LNG通过制冷和液化技术由原料气制备。任选的步骤包括冷凝物 移除、CO₂移除、脱水、汞移除、氮气汽提(stripping)、H₂S移除等。 液化后，LNG可以被存储或供应到输气管道用于出售或使用。传统的 液化方法可包括：APCI丙烷预冷却的混合制冷剂；C3MR；DUAL MR； Phillips最优的级联；Prico单一混合的制冷剂；TEAL双压力混合的制 冷剂；Linde/Statoil多流体级联；Axens双混合的制冷剂，DMR；和Shell 方法C3MR和DMR。

二氧化碳移除，即将甲烷和较轻气体与CO₂和较重气体分离，可 以使用低温处理实现，例如从埃克森美孚公司可获得的受控冷冻区技 术。

虽然关于由天然气形成LNG讨论了本文描述的方法和系统，但是 该方法和系统也可用于多种其他目的。例如，本文描述的方法和系统 可用于冷却天然气用于烃露点控制，进行天然气液体(NGL)提取，将甲 烷和较轻气体与二氧化碳和较重气体分离、制备烃用于LPG生产或冷 凝脱乙烷塔和/或脱甲烷塔中的回流，等等。

制冷剂

根据本文描述的实施方式利用的制冷剂可以是一种或多种单一组 分制冷剂，或包括多种组分的制冷剂混合物。制冷剂可以包括甲烷、 乙烷、乙烯、丙烷、丁烷和氮气或其组合。在本文描述的实施方式中， 一个或多个制冷阶段中的制冷剂使用包括稀有气体和稀有气体混合物 的不易燃的材料。制冷剂可被现场输入或存储，或者可选地，制冷剂 的一些组分可典型地通过与烃加工系统整合的蒸馏过程现场制备。示 例性混合的制冷剂在美国专利号6,530,240中公开。

包括碳氟化合物(FC)或氢氟碳(HFC)的商业可得的制冷剂用于各 种应用中，包括氨、二氧化硫或卤代烃制冷剂也是如此。示例性制冷 剂是从DuPont Corporation商业可得的，包括制冷剂家族、 制冷剂家族、制冷剂家族和制冷剂家族。

多组分制冷剂是商业可得的。例如，R-401A是R-32、R-152a和 R-124的HCFC混合物。R-404A是52wt.％R-143a、44wt.％R-125和 4wt.％R-134a的HFC混合物。R-406A是55wt.％R-22、4wt.％R-600a 和41wt.％R-142b的混合物。R-407A是20wt.％R-32、40wt.％R-125 和40wt.％R-134a的HFC混合物。R-407C是R-32、R-125和R-134a 的氢氟碳混合物。R-408A是R-22、R-125和R-143a的HCFC混合物。 R-409A是R-22、R-124和R-142b的HCFC混合物。R-410A是R-32 和R-125的混合物。R-500是73.8wt.％R-12和26.2wt.％R-152a的混 合物。R-502是R-22和R-115的混合物。

在本文描述的实施方式中，在一个或多个制冷阶段中的制冷剂也 可以包括稀有气体或稀有气体混合物。六种自然地出现的稀有气体是 氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。稀有气体可单独使 用或与其他稀有气体组合使用，或与其他制冷剂组分组合使用。在一 些实施方式中，用作制冷剂的稀有气体是氙、氪、氩或其组合。

因为稀有气体是不易燃的，所以它们减小了处理制冷剂的危险。 此外，因为稀有气体存在于大气中，并且容易收集，逸出制冷系统的 任何稀有气体制冷剂可回收。而且，如果释放到环境中，稀有气体不 具有任何臭氧耗尽潜能或温室增温潜能。

稀有气体制冷剂可以提供低于大约-50°F、或低于大约-100°F、或 低于大约-120°F、或从大约-50°F到大约-162°F、或从大约-50°F到大约 -244°F、或从大约-50°F到大约-303°F的冷却。在多级制冷系统中，可 在后面的阶段中利用稀有气体制冷剂以实现比烃制冷剂提供的更深的 冷却，例如低于大约-50°F、或低于大约-100°F、或低于大约-120°F、或 从大约-50°F到大约-162°F、或从大约-90°F到大约-162°F、或从大约 -100°F到大约-162°F、或从大约-120°F到大约-162°F、或从大约-50°F 到大约-244°F、或从大约-90°F到大约-244°F、或从大约-100°F到大约 -244°F、或从大约-120°F到大约-244°F、或从大约-50°F到大约-303°F、 或从大约-90°F到大约-303°F、或从大约-100°F到大约-303°F、或从大 约-120°F到大约-303°F。

在多个实施方式中，任何多个不同类型的烃加工系统可与文描述 的任何制冷系统一起使用。此外，本文描述的制冷系统可以利用以上 描述的任何制冷剂。

制冷系统

烃系统和方法通常包括利用机械制冷、阀膨胀、涡轮膨胀等的制 冷系统。机械制冷典型地包括压缩系统和吸收系统，例如氨吸收系统。 压缩系统在气体加工工业中使用，用于多个过程。例如，压缩系统可 用于冷冻天然气用于NGL提取、冷冻天然气用于烃露点控制、LPG生 产存储、脱乙烷塔或脱甲烷塔中的回流的冷凝、天然气液化以生产LNG 或类似应用。而且，利用制冷的其他商业化过程可以利用稀有气体固 有的减小的可燃性以代替其他制冷剂，例如氨。

图1是单级制冷系统100的工艺流程图。在多个实施方式中，单 级制冷系统100利用包括稀有气体的制冷剂混合物。单级制冷系统100 包括膨胀阀102、冷却器104、压缩机106、冷凝器108和储罐110。 饱和液体制冷剂112可以从储罐110流到膨胀阀102，并且可等焓地 (isenthalpically)膨胀穿过膨胀阀102。膨胀时，一些汽化出现，形成 包括蒸汽和液体二者的冷冻的制冷剂混合物114。制冷剂混合物114可 以在比工艺流116——例如天然气——待冷却到的温度更低的温度下 进入冷却器104，其也被称为蒸发器。工艺流116流过冷却器104并与 制冷剂混合物114交换热。随着工艺流116与制冷剂混合物114交换 热，工艺流116被冷却，同时制冷剂混合物114可以至少部分蒸发， 形成饱和蒸汽制冷剂118。

离开冷却器104后，饱和蒸汽制冷剂118以及任何剩下的液体制 冷剂，在压缩机106内被压缩，并且然后流入冷凝器108。在冷凝器 108之内，饱和蒸汽制冷剂118被转变为饱和的或稍微过冷的液体制冷 剂120。液体制冷剂120可然后从冷凝器108流到储罐110。储罐110， 也被称为缓冲罐或接收器，可以充当液体制冷剂120的储集器 (reservoir)。液体制冷剂120可以在膨胀穿过膨胀阀102之前作为饱和 液体制冷剂112存储在储罐110中。

应当理解图1的工艺流程图不意图表明单级制冷系统100包括图1 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，单级制冷系统100 可以包括图1中未示出的任何数量的额外的部件。例如，在一些实施 方式中，制冷系统可包括两个或更多个压缩阶段。此外，如进一步关 于图2讨论的，制冷系统100可以包括节油器。

图2是包括节油器202的双级制冷系统200的工艺流程图。相同 编号的条目如关于图1所描述的。节油器202可以是降低给出的冷却 器工作(duty)的压缩机功率利用的任何设备或工艺改变。传统的节油器 202包括，例如，闪蒸罐和热交换节油器。

如图2中所示，离开储罐110的饱和液体制冷剂112可以膨胀穿 过膨胀阀102到蒸汽和液体可被分离的中间压力。膨胀阀102可用于 控制饱和液体制冷剂112的下游温度和压力。例如，随着饱和液体制 冷剂112闪蒸穿过膨胀阀102，蒸汽制冷剂204和液体制冷剂206在比 饱和液体制冷剂112低的压力和温度下产生。蒸汽制冷剂204和液体 制冷剂206然后可以流入节油器202。在多个实施方式中，节油器202 是实现蒸汽制冷剂204和液体制冷剂206分离的闪蒸罐。蒸汽制冷剂 204可以流至中间压力压缩机段，在此蒸汽制冷剂204可与离开第一压 缩机210的饱和蒸汽制冷剂118组合，形成混合的饱和蒸汽制冷剂208。 混合的饱和蒸汽制冷剂208然后可以流入第二压缩机212。

液体制冷剂206可以从节油器202等焓地膨胀穿过第二膨胀阀 214。膨胀时，一些汽化可出现，形成包括蒸汽和液体二者的制冷剂混 合物216，降低温度和压力。制冷剂混合物216可具有比没有节油器的 系统中的制冷剂混合物更高的液体含量。更高的液体含量可减小制冷 剂循环速率和/或减小第一压缩机210的功率利用。

制冷剂混合物216在比工艺流116待冷却到的温度更低的温度下 进入冷却器104，其也被称为蒸发器。如关于图1以上讨论的，工艺流 116在冷却器104之内被冷却。此外，如关于图1以上讨论的，饱和蒸 汽制冷剂118流过压缩机210和212和冷凝器108，并且所得的液体制 冷剂120存储在储罐110内。

应当理解图2的工艺流程图不意图表明双级制冷系统200包括图2 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，双级制冷系统200 可以包括图2中未示出的任何数量的额外部件。例如，双级制冷系统 200可以包括任何数量的额外的节油器或图2中未示出的其他类型的 设备。此外，节油器202可以是热交换节油器而不是闪蒸罐。热交换 节油器也可以用于减少制冷循环速率和减少压缩机功率利用。

在一些实施方式中，双级制冷系统200包括多于一个的节油器 202，以及多于两个的压缩机210和212。例如，双级制冷系统200可 以包括两个节油器和三个压缩机。通常，如果制冷系统200包括X数 量的节油器，制冷系统200将包括X+1数量的压缩机。具有多个节油 器的这样的制冷系统200可以形成级联制冷系统的一部分。

图3是包括热交换器节油器302的单级制冷系统300的工艺流程 图。相同编号的条目如关于图1所描述的。如图3所示，离开储罐110 的饱和液体制冷剂112可以膨胀穿过膨胀阀102到蒸汽和液体可以被 分开的中间压力，产生制冷剂混合物114。制冷剂混合物114可以在比 工艺流116待冷却到的温度更低的温度下流入冷却器104。如关于图1 以上讨论的，工艺流116可以在冷却器104内被冷却。

饱和蒸汽制冷剂118可以从冷却器104流过热交换器节油器302。 冷的低压饱和蒸汽制冷剂118可用于在热交换器节油器302内使饱和 液体制冷剂112过冷。如关于图1以上讨论的，离开热交换器节油器 302的过热蒸汽制冷剂304然后可以流过压缩机106和冷凝器108，并 且所得的液体制冷剂120可存储在储罐110内。

应当理解图3的工艺流程图不意图表明单级制冷系统300包括图3 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，单级制冷系统300 可以包括图3中未示出的任何数量的额外部件。

图4是包括第一制冷系统402和第二制冷系统404的级联冷却系 统400的工艺流程图。在多个实施方式中，第一制冷系统402利用包 括稀有气体例如氙或氪的制冷剂，而第二制冷系统404可以利用不同 的稀有气体制冷剂、碳氟化合物制冷剂或烃制冷剂。制冷系统402或 404的任一中的制冷剂可以包括混合物。级联冷却系统400可用于期望 比制冷系统100、200或300提供的更高程度的冷却的情况。级联冷却 系统400可以在非常低的温度例如低于-40℃下提供冷却。

在第一制冷系统402内，液体制冷剂流406可以从储罐408流过 第一膨胀阀410和第一热交换器412，其冷却产品流413。所得的蒸汽 /液体流在第一闪蒸鼓414中分离。一部分的液体制冷剂流406可以经 由旁通阀416直接流入第一闪蒸鼓414，这可用于控制第一闪蒸鼓414 中的液体的温度，以及在第一热交换器412内的冷却的量。

液体制冷剂流418可以从第一闪蒸鼓414流过第二膨胀阀420，并 且闪蒸入第二热交换器422，其可用于进一步冷却产品流413。气体储 罐424供应所得的蒸汽制冷剂流426到第一阶段压缩机428。所得的中 间压力蒸汽制冷剂流430与来自第一闪蒸鼓414的蒸汽制冷剂流432 组合，并且组合的流被供应到第二阶段压缩机434。来自第二阶段压缩 机434的高压蒸汽流436穿过冷凝器438，其可以使用来自第二制冷系 统404的冷却。特别地，冷凝器438可以使用来自第二制冷系统404 的低温制冷剂流440冷却高压蒸汽流436以产生液体制冷剂流406。来 自冷凝器438的液体制冷剂流406然后存储在储罐408中。控制阀442 可用于控制低温制冷剂流440流动通过冷凝器438。所得的蒸汽制冷剂 流444从冷凝器438回到第二制冷系统404。

在第二制冷系统404内，液体制冷剂流448可以从储罐450流过 热交换器452，所述热交换器452配置以经由冷冻系统454冷却液体制 冷剂流448。所得的低温制冷剂流456可以流过第一膨胀阀458和第一 热交换器460，其冷却产品流413。所得的蒸汽/液体制冷剂流在第一闪 蒸鼓462中分离。一部分的低温制冷剂流456可以经由旁通阀464直 接流入第一闪蒸鼓462，这可用于控制第一闪蒸鼓462中的液体的温 度，以及第一热交换器460中的冷却的量。

液体制冷剂流466可以从第一闪蒸鼓462流过第二膨胀阀468，并 且闪蒸入第二热交换器470，其可用于进一步冷却产品流413。所得的 蒸汽/液体制冷剂流在第二闪蒸鼓472中分离。一部分的液体制冷剂流 466可以经由旁通阀474直接流入第二闪蒸鼓472，这可用于控制第二 闪蒸鼓472中的液体的温度，以及第二热交换器470中的冷却的量。

液体制冷剂流476可以从第二闪蒸鼓472流过第三膨胀阀478，并 且闪蒸入第三热交换器480，其可用于进一步冷却产品流413。气体储 罐482供应所得的蒸汽制冷剂流484到第一阶段压缩机486。所得的中 间压力蒸汽制冷剂流488与来自第二闪蒸鼓472的蒸汽制冷剂流490 组合，并且组合的流被供应到第二阶段压缩机492。所得的高压蒸汽制 冷剂流494与来自第一闪蒸鼓462的蒸汽制冷剂混合物496组合，并 且组合的流被供应到第三阶段压缩机497。所得的高压蒸汽制冷剂流 498流过热交换器499，在其中所述高压蒸汽制冷剂流498通过与冷却 水间接热交换可被进一步冷却。所得的液体制冷剂流448然后可以流 入储罐450。

应当理解图4的工艺流程图不意图表明级联冷却系统400包括图4 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，级联冷却系统400 可以包括图4中未示出的任何数量的额外的部件。

图5是用于烃露点控制的膨胀制冷系统500的工艺流程图。管道 内天然气中的重烃例如C₃-C₆的冷凝可导致管道内压力增加，以及处理 设备的功率利用增加。因此，为了防止这种冷凝，可使用膨胀制冷系 统500降低烃露点。

如图5中所示，脱水的天然气原料流502可以流入气体/气体热交 换器504。在气体/气体热交换器504内，脱水的天然气原料流502可 通过与低温天然气流506间接热交换而被冷却。所得的天然气流508 可以流入第一分离器510，其可以从天然气流508移出一些量的重烃 512。在多个实施方式中，从天然气流508移出重烃512降低了天然气 流508的露点。移出的重烃512可以通过第一出口阀514流出膨胀制 冷系统500。例如，重烃512可以从膨胀制冷系统500流到稳定器(未 示出)。

天然气流508然后可以流入扩张器516。在多个实施方式中，扩张 器516是涡轮扩张器，其为离心式涡轮机或轴流式透平。天然气流508 在扩张器516内的膨胀可以提供用于驱动压缩机518的能量，所述压 缩机518经由轴(shaft)520连接到扩张器516。

所得的低温天然气流506可以从扩张器516流入第二分离器522， 其可以从低温天然气流506移出任何剩下的重烃512。在多个实施方式 中，从低温天然气流506移出重烃512进一步降低了低温天然气流506 的露点。移出的重烃512然后可通过第二出口阀524流出膨胀制冷系 统500。

低温天然气流506可以从第二分离器522流到气体/气体热交换器 504，其可以增加低温天然气流506的温度，产生高温天然气流526。 高温天然气流526然后可以流过压缩机518，其可以将天然气流526 的压力返回到可接受的销售气体压力。最后，降低的露点天然气流528 然后可以流出膨胀制冷系统500。

在实施方式中，例如，使用稀有气体制冷剂的冷却系统可用于向 过程增加进一步的冷却。此冷却可通过在低温天然气流506中、第二 分离器522的上游放置热交换器530实施。制冷剂液体532可通过冷 却器530闪蒸通过膨胀阀534。所得的制冷剂蒸汽536然后可返回到制 冷剂系统。冷却可以允许移出高得多的量的可冷凝烃，例如C₃s和更 高。而且，在一些实施方式中，热交换器530被放置在扩张器516的 上游，分离器位于热交换器530和扩张器516之间，以防止液体流入 扩张器516。

应当理解图5的工艺流程图不意图表明膨胀制冷系统500包括图5 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，膨胀制冷系统500 可以包括图5中未示出的任何数量的额外部件。

图6是用于NGL提取的膨胀制冷系统600的工艺流程图。在多个 实施方式中，可实施NGL提取以回收NGL，其包括来自天然气流的任 何数量的不同的重烃。由于NGL经常是较大的值的事实，为了不同于 气态加热燃料的目的，NGL提取可以是期望的。

干燥天然气原料流602可以从脱水系统流入气体/气体热交换器 604。在气体/气体热交换器604内，可通过与低温天然气流606间接热 交换来冷却干燥天然气原料流602。所得的天然气流608可以流入分离 器610，其可以从天然气流608移出一部分NGL612。移出的NGL612 可以从分离器610流入脱乙烷塔或脱甲烷塔614。

天然气流608然后可以流入扩张器616。在多个实施方式中，扩 张器616是涡轮扩张器。天然气流608在扩张器616内的膨胀可以提 供用于驱动压缩机618的能量，所述压缩机618经由轴620连接到扩 张器616。此外，可经由绝热膨胀穿过焦耳—汤姆逊阀622减小天然气 流608的温度。

所得的低温天然气流606可以从扩张器616流入脱乙烷塔或脱甲 烷塔614。在脱乙烷塔或脱甲烷塔614内，NGL可以与天然气流606 分离，并且可以作为NGL产品流624流出脱乙烷塔或脱甲烷塔614。 NGL产品流624然后可经由泵626从膨胀制冷系统600中泵出。

脱乙烷塔或脱甲烷塔614可以连接到热交换器628。在一些实施方 式中，热交换器628是再沸器628，其可用于经由高温流体632内的间 接热交换加热来自脱乙烷塔或脱甲烷塔614的一部分的塔底物流 (bottoms stream)630。加热的塔底物流630然后可再注入脱乙烷塔或脱 甲烷塔614。

在脱乙烷塔或脱甲烷塔614中NGL产品流624与天然气流606的 分离可能导致产生低温天然气流，其可以作为塔顶物流(overhead  stream)634流出脱乙烷塔或脱甲烷塔614。塔顶物流634可以流入热交 换器636，其可以通过与包括稀有气体的制冷剂混合物638间接热交换 降低塔顶物流634的温度。温度的降低可导致一些蒸汽冷凝。塔顶物 流634然后可以在分离容器640内分离，以产生低温天然气流606和 液体塔底物流642。塔底物流642可经由泵644被泵回到脱乙烷塔或脱 甲烷塔614，形成再循环流。

低温天然气流606然后可以流过气体/气体热交换器604。低温天 然气流506的温度可在气体/气体热交换器604内升高，产生高温天然 气流646。高温天然气流646然后可以流过压缩机618，其可以增加天 然气流646的压力。在一些实施方式中，高温天然气流646也流过第 二压缩机648，其可以增加天然气流646的压力到可接受的销售气体压 力。天然气产品流650然后可流出膨胀制冷系统600。

应当理解图6的工艺流程图不意图表明膨胀制冷系统600包括图6 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，膨胀制冷系统600 可以包括图6中未示出的任何数量的额外部件。

图7是LNG生产系统700的工艺流程图。如图7中所示，使用多 个不同的制冷系统，LNG702可以从天然气流704中产生。如图7中所 示，一部分天然气流704可在进入LNG生产系统700之前从天然气流 704中分离，并且可以用作燃料气流706。剩下的天然气流704可以流 入初始天然气加工系统708。在天然气加工系统708内，天然气流704 可被纯化和冷却。例如，可使用稀有气体制冷剂，例如包括一种或多 种稀有气体的制冷剂混合物冷却天然气流704。例如，重烃710可以 从天然气流706中移出，并且可用于在重烃加工系统714内生产汽油 712。此外，在生产汽油712期间与重烃710分离的任何残余天然气716 可以返回到天然气流704。

天然气流704可在低温热交换器718内转化为LNG702。在一些实 施方式中，来自混合的制冷系统722的混合的制冷剂流720用于在低 温热交换器718内冷却天然气流704。根据本文描述的实施方式，混合 的制冷剂流720是包括一种或多种稀有气体的制冷剂混合物。在其他 实施方式中，来自烃制冷系统724的烃制冷剂流(未示出)用于在低温热 交换器718内冷却天然气流704，以生产LNG702。

应当理解图7的工艺流程图不意图表明LNG生产系统700包括图 7中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，LNG生产系统700 可以包括图7中未示出的任何数量的额外部件。例如，任何数量的可 选的制冷系统也可用于从天然气流704生产LNG702。此外，任何数量 的不同的制冷系统可以组合使用以生产LNG702。

用于生产液化天然气的级联冷却系统

图8是级联冷却系统800的简化的工艺流程图。级联冷却系统800 可用于从原天然气804生产LNG802。原天然气804可以流入级联冷却 系统800内的入口洗涤器806。入口洗涤器806可以从原天然气804 中移除不需要的颗粒。随着天然气进入级联冷却系统800，入口计量表 808可以监控天然气的量和特性。天然气可以通过胺处理器810，其可 从天然气中移除硫化氢、二氧化碳和其他不需要的气体，并且可以在 热交换器812内经由与丙烷或任何其他合适的冷却剂间接热交换而被 冷冻。

天然气可以流过第一脱水机814，其可以从天然气中经由重力分离 过程移除水816。移除的水816可以从级联冷却系统800输出。天然气 然后可以流至第二脱水机818，其可以从天然气中移除任何剩下的水。 第二脱水机818可以是例如，分子筛床或沸石床。

可以包括分子筛床的汞移除系统820可以从天然气中移除汞。此 外，干气过滤器822，例如褶纸过滤器可以从天然气中移除任何残余颗 粒。

纯化的天然气823可以从干气过滤器822被传送到制冷系统826 内的第一冷箱824。在此实例中，第一冷箱824可以起热交换器和闪蒸 鼓二者的作用。然而，在其他实施中，可使用单独的闪蒸鼓，例如关 于图2讨论的节油器202。因此，第一冷箱824可以经由与第一制冷剂 混合物828的间接热交换来冷却天然气。第一制冷剂混合物828可以 是传统的制冷剂，例如HFC或丙烷。此外，第一冷箱824可以充当蒸 汽-液体分离器，分离第一制冷剂混合物为蒸汽制冷剂混合物830和液 体制冷剂混合物。蒸汽制冷剂混合物830可以经由穿过膨胀阀832的 第一制冷剂混合物828的闪蒸而产生。膨胀阀832可以节流第一制冷 剂混合物828以减小第一制冷剂混合物828的压力和温度，导致第一 制冷剂混合物828的闪蒸。在一些实施方式中，第一制冷剂混合物830 可以被完全汽化，并且因此，没有液体制冷剂混合物可以存在于第一 冷箱824内。

第一制冷剂混合物828可以在制冷系统826内连续地再循环和再 利用。例如，第一制冷剂混合物828穿过第一冷箱824后，所得的蒸 汽制冷剂混合物830在可由第一燃气轮机836供能的高压压缩机834 内被压缩。高压压缩机834可以由单一燃气轮机供能，例如，通过被 放置在共同的或连接的轴上，或可以由电动机供能。蒸汽制冷剂混合 物830然后在第一冷凝器838内被冷凝为液体制冷剂混合物828。液体 制冷剂混合物828然后可以存储在缓冲罐840内，液体制冷剂混合物 可以从缓冲罐840流回到第一冷箱824以结束冷却循环。

第二制冷剂混合物842也可用于在第二冷箱844内进一步冷却纯 化的天然气823。在此实例中，第二冷箱834经由与包括至少一种稀有 气体的第二制冷剂混合物842间接热交换来进一步冷却纯化的天然气 823。此外，第二冷箱844可以充当蒸汽-液体分离器，分离第二制冷剂 混合物842为蒸汽制冷剂混合物846和液体制冷剂混合物。蒸汽制冷 剂混合物846可经由穿过膨胀阀848的第二制冷剂混合物842的闪蒸 产生。膨胀阀848可以节流第二制冷剂混合物842以减小第二制冷剂 混合物842的压力和温度，导致第二制冷剂混合物842的闪蒸。在一 些实施方式中，第二制冷剂混合物842可以被完全汽化，并且因此， 没有液体制冷剂混合物可以存在于第二冷箱844内。

离开第二冷箱844的所得的蒸汽制冷剂混合物846可以在由第二 燃气轮机852供能的低压压缩机850内被压缩，产生压缩的制冷剂混 合物85。低压压缩机850可以由单一燃气轮机供能，例如，通过被放 置在共同的或连接的轴上，或可以由电动机供能。压缩的制冷剂混合 物854然后可以在低温冷凝器856——例如氨冷却器——内被冷凝以 产生第二制冷剂混合物842。第二制冷剂混合物842可以存储在缓冲罐 858中，第二制冷剂混合物842可以从缓冲罐858流回到第二冷箱844 以结束冷却循环。

天然气823在冷箱824和844内已冷却后，天然气823可以在自 冷冻系统860内被进一步冷却和液化，产生LNG802。在一些实施方式 中，自冷冻系统860包括一系列膨胀阀(未示出)和闪蒸鼓(未示出)，其 逐渐地降低天然气的温度和压力，直到天然气在大气压下或接近大气 压达到液态。此外，在流入自冷冻系统860之前，天然气823可以流 过高压脱氮装置(NRU)(未示出)。NRU可以从天然气823中移除一些 部分的氮气，并且因此，可以允许使用含有高百分比氮气的气体。

自冷冻系统860也可以产生天然气蒸汽，其可用作燃料862。燃料 862可在流出级联冷却系统800之前在由第三燃气轮机866供能的压缩 机864内被压缩。根据对燃料862的需求，大部分的天然气蒸汽可以 与初始纯化的天然气823重新组合，并且返回到系统中用于进一步加 工。

产生的LNG802在被发送出级联冷却系统800之前可以存储在 LNG罐868内。气体可从LNG罐868被排放出并且经由第一泵870 泵送回到自冷冻系统860。此外，在装载设备上装载LNG802期间与 LNG802分离的气体872，例如，可以经由第二泵874被泵送回到自冷 冻系统860。

应当理解图8的工艺流程图不意图表明级联冷却系统800包括图8 中示出的所有部件。而且，根据具体实施的细节，级联冷却系统800 可以包括图8中未示出的任何数量的额外部件。

图9A-C是级联冷却系统900的更详细的工艺流程图。级联冷却系 统900可以是用于生产LNG的级联的、开环液化系统。级联冷却系统 900可以在低温——例如，低于大约0°F、或低于大约-20°F、或低于大 约-40°F——下操作。此外，级联冷却系统900可以采用多于一种的制 冷剂并且在多个温度下提供制冷。

如图9A所示，级联冷却系统900可以包括第一制冷系统902，其 可以利用非烃类制冷剂例如氢氟碳，例如，R-404A或R-410a。如图 9B所示，级联冷却系统900也可以包括第二制冷系统904，其可以利 用包括至少一种稀有气体——例如氙、氪、氩或其组合——的制冷剂 混合物。

图10是自冷冻系统1000的更详细的工艺流程图。如下面进一步 讨论的，自冷冻系统1000可以位于级联冷却系统900的下游。

天然气流908可以流入级联冷却系统900内的管道接头910。管道 接头910可以配置以分开天然气流908为两个分离的天然气流。一个 天然气流914可以流入另一个管道接头912，而另一个天然气流916 可以流入自冷冻系统1000。

在管道接头912内，天然气流914可以与来自自冷冻系统1000的 天然气蒸汽流1066组合。所得的天然气流918然后可以流入第一制冷 系统902，准备用于冷却天然气流918。天然气流918可以通过穿过第 一制冷系统902内的一系列热交换器920、922、924和926而被冷却。 热交换器920、922、924和926也可以被称为蒸发器、冷却器或冷箱。 天然气流918可以在热交换器920、922、924和926的每一个内通过 与循环的非烃类制冷剂间接热交换而被冷却。非烃类制冷剂可以是氢 氟碳，例如R-404A或R-410A，或任何其他适合类型的非烃类制冷剂。

非烃类制冷剂可以连续地循环通过第一制冷系统902，其可以连续 地制备用于进入热交换器920、922、924和926的每一个的非烃类制 冷剂。非烃类制冷剂可以作为蒸汽非烃类制冷剂经由管线928离开第 一热交换器920。蒸汽非烃类制冷剂可以与管道接头930内的额外的蒸 汽非烃类制冷剂组合。蒸汽非烃类制冷剂然后流过压缩机932以增加 蒸汽非烃类制冷剂的压力，产生过热的蒸汽非烃类制冷剂。过热蒸汽 非烃类制冷剂流过冷凝器934，其可以冷却和冷凝过热蒸汽非烃类制冷 剂，产生液体非烃类制冷剂。

液体非烃类制冷剂可以流过膨胀阀935，其降低液体非烃类制冷剂 的温度和压力。这可导致液体非烃类制冷剂的闪蒸，产生液体非烃类 制冷剂和蒸汽非烃类制冷剂的混合物。液体非烃类制冷剂和蒸汽非烃 类制冷剂可以经由管线938流入第一闪蒸鼓936。在第一闪蒸鼓936 内，液体非烃类制冷剂可以与蒸汽非烃类制冷剂分离。

蒸汽非烃类制冷剂可以经由管线940从第一闪蒸鼓936流到管道 接头930。液体非烃类制冷剂可以流入管道接头942，其可以分开液体 非烃类制冷剂为两个分离的液体非烃类制冷剂流。一个液体非烃类制 冷剂流可以流过第一热交换器920，部分或完全闪蒸为蒸汽，并且经由 管线928返回到管道接头930。另一个液体非烃类制冷剂流可以经由管 线946流到第二闪蒸鼓944。管线946也可以包括膨胀阀948，其节流 液体非烃类制冷剂流以控制液体非烃类制冷剂流流动进入第二闪蒸鼓 944。液体非烃类制冷剂流在膨胀阀948内的节流可导致液体非烃类制 冷剂流的闪蒸，产生蒸汽和液体非烃类制冷剂二者的混合物。

第二闪蒸鼓944可以将蒸汽非烃类制冷剂与液体非烃类制冷剂分 离。蒸汽非烃类制冷剂可以经由管线952流入管道接头950。管道接头 950可以组合蒸汽非烃类制冷剂和从第二和第三热交换器922和924 中回收的蒸汽非烃类制冷剂。组合的蒸汽非烃类制冷剂可在压缩机954 内被压缩，并经由管线956流入管道接头930，与来自闪蒸鼓936和热 交换器920的蒸汽组合。

液体非烃类制冷剂可以从第二闪蒸鼓944流到管道接头958，其可 以分开液体非烃类制冷剂为两个分离的液体非烃类制冷剂流。一个液 体非烃类制冷剂流流过第二热交换器922并经由管线960返回到管道 接头950。另一个液体非烃类制冷剂流经由管线964流到第三闪蒸鼓 962。管线964也包括膨胀阀966，其控制液体非烃类制冷剂流流入第 三闪蒸鼓962。膨胀阀966可能导致液体非烃类制冷剂流的闪蒸，产生 蒸汽和液体非烃类制冷剂二者的混合物。穿过阀的闪蒸将降低液体非 烃类制冷剂流的温度和压力。

蒸汽和液体非烃类制冷剂的混合物可以闪蒸进入第三闪蒸鼓962， 进一步降低温度和压力。第三闪蒸鼓962可以将蒸汽非烃类制冷剂与 液体非烃类制冷剂分离。蒸汽非烃类制冷剂可以经由管线970流入管 道接头968。管道接头968可以组合蒸汽非烃类制冷剂和从第三和第四 热交换器924和926回收的蒸汽非烃类制冷剂。组合的蒸汽非烃类制 冷剂可以在压缩机972内被压缩并且经由管线974流入管道接头950。

液体非烃类制冷剂可以从第三闪蒸鼓962流入管道接头976，其可 以分开液体非烃类制冷剂为两个分离的液体非烃类制冷剂流。一个液 体非烃类制冷剂流可以流过第三热交换器924并经由管线978返回到 管道接头968。另一个液体非烃类制冷剂流可以经由管线980流过第四 热交换器926。管线980也可以包括膨胀阀982，其允许液体非烃类制 冷剂闪蒸，并且因此，随着它流入第四热交换器926降低了液体非烃 类制冷剂流的压力和温度。从第四热交换器926，液体非烃类制冷剂流 可以在压缩机984内被压缩并且经由管线986被发送到管道接头968。

在一个实施方式中，包括稀有气体的制冷剂混合物通过流过热交 换器920、922、924和926的每一个被预冷却。如下面进一步讨论的， 制冷剂混合物可以经由管线988从第二制冷系统904流到第一制冷系 统902内的热交换器920、922、924和926。

天然气流在热交换器920、922、924和926的每一个内已经被逐 步冷冻后，其经由管线990流入第二制冷系统904，如图9B所示。第 二制冷系统904可以包括第五热交换器992和第六热交换器994，其可 用于进一步冷却天然气流。第五热交换器992和第六热交换器994可 以利用包括一种或多种稀有气体——例如氙或氪——的制冷剂混合物 来冷却天然气流。

制冷剂混合物可以连续地循环通过第二制冷系统904，其制备用于 进入热交换器992和994的每一个的制冷剂混合物。制冷剂混合物可 以作为蒸汽制冷剂混合物经由管线996离开第五热交换器992。蒸汽制 冷剂混合物可以与管道接头998内的额外蒸汽制冷剂混合物组合。蒸 汽制冷剂混合物然后可以流过压缩机1000，其可以增加蒸汽制冷剂混 合物的压力，产生过热的蒸汽制冷剂混合物。过热蒸汽制冷剂混合物 可以流过气体冷却器1002，其可以冷却过热蒸汽制冷剂混合物，产生 液体制冷剂混合物。在一些情况下，如果蒸汽制冷剂混合物低于室温， 则蒸汽制冷剂混合物可能不流过气体冷却器1002。如以上讨论，液体 制冷剂混合物然后可以经由管线988流过第一制冷系统902中的热交 换器920、922、924和926。

一旦制冷剂混合物已经穿过热交换器920、922、924和926，制冷 剂混合物可以经由管线1006进入第二制冷系统904内的第四闪蒸鼓 1004。管线1006可以包括膨胀阀1008，其控制制冷剂混合物流动进入 第四闪蒸鼓1004。膨胀阀1008可以降低制冷剂混合物的温度和压力， 导致制冷剂混合物闪蒸成蒸汽制冷剂混合物和液体制冷剂混合物二 者。

蒸汽制冷剂混合物和液体制冷剂混合物可以闪蒸进入第四闪蒸鼓 1004，其可以将蒸汽制冷剂混合物与液体制冷剂混合物分离。蒸汽制 冷剂混合物可以经由管线1010流入管道接头998。液体制冷剂混合物 可以从第四闪蒸鼓1004流至管道接头1012，其可以分开液体制冷剂混 合物为两个分离的液体制冷剂混合物流。一个液体制冷剂混合物流可 以流过第五热交换器992并经由管线996返回到管道接头998。另一个 液体制冷剂混合物流可以经由管线1014流过第六热交换器994。管线 1014也可以包括膨胀阀1016，其控制液体制冷剂混合物流流动进入第 六热交换器994，例如，通过使制冷剂混合物闪蒸，降低温度，并形成 蒸汽制冷剂混合物和液体制冷剂混合物。从第六热交换器994，所得的 蒸汽制冷剂混合物可以在压缩机1018内被压缩，并且然后流入管道接 头998进行再循环。

天然气流已经在热交换器992和994内通过与包括一种或多种稀 有气体的制冷剂混合物间接热交换而被冷却后，天然气流可以经由管 线1020流入自冷冻系统1000，如图10所示。自冷冻系统1000可以包 括用于液化天然气的各种部件，产生LNG。

天然气流可以流入管道接头1022，其可以组合来自管线1020的天 然气流和一部分天然气流916。在天然气经由管线1026流入管道接头 1022之前，天然气的初始冷却可在热交换器1024内进行。

天然气可以从管道接头1022流入再沸器1028，其可以降低天然气 的温度。冷却的天然气可以在液压膨胀涡轮1030内膨胀，并且然后经 由管线1034流入NRU系统1032以从天然气中移除过量的氮气。在多 个实施方式中，天然气流入NRU系统1032内的低温分馏塔1036，例 如NRU塔。此外，热可以从再沸器1028经由管线1037被转移到低温 分馏塔1036。

低温分馏塔1036可以经由低温蒸馏方法将氮气与天然气分离。塔 顶物流可以经由管线1038流出低温分馏塔1036。塔顶物流可以主要包 括甲烷和低沸点或不可凝气体，例如氮气和氦，其已经与天然气分离。 塔顶物流可以流入塔顶冷凝器1040，其可以分离塔顶物流内的任何液 体，并将它作为回流返回到低温分馏塔1036。这可能导致产生一个蒸 汽流、主要包括甲烷的燃料流和主要包括低沸点气体的另一个蒸汽流。 燃料流可以经由管线1042流过热交换器1024。在热交换器1024内， 蒸汽燃料流的温度可经由与天然气流916的间接热交换而增加，产生 蒸汽燃料流。蒸汽燃料流然后可以在压缩机1044内被压缩，并且作为 燃料1046经由管线1048流出级联冷却系统900。来自塔顶冷凝器1040 的液体流可作为回流流返回到低温分馏塔1036。

在低温分馏塔1036内产生的塔底物流主要包括具有痕量氮气的天 然气。塔底物流以及来自塔顶冷凝器1040的蒸汽流可以分别经由管线 1050和1052流入第五闪蒸鼓1049。管线1050也可以包括膨胀阀1054， 其控制塔底物流流动进入第五闪蒸鼓1049，允许来自塔底物流的一部 分的液体闪蒸，形成流入第五闪蒸鼓1049的混合相流。

此外，一些部分的塔底物流可以经由管线1055流过塔顶冷凝器 1040。管线1055也可以包括膨胀阀1056，其控制塔底物流流动进入塔 顶冷凝器1040。塔底物流可以用作塔顶冷凝器1040的制冷剂。所得的 离开塔顶冷凝器1040的蒸汽可经由管线1052返回到第五闪蒸鼓1049。

第五闪蒸鼓1049可以分离混相流为主要包括天然气的蒸汽流和 LNG流。蒸汽流可以经由管线1060流入管道接头1058。管道接头1058 可以组合蒸汽流和从第六闪蒸鼓1062回收的另一个蒸汽流。组合的蒸 汽流可以在压缩机1064内被压缩，并且经由管线1066.流入第一制冷 系统902内的管道接头912。

LNG流可以经由管线1068流入第六闪蒸鼓1062。管线1068可以 包括膨胀阀1070，其控制LNG流流入第六闪蒸鼓1062，允许来自LNG 流的一部分的液体闪蒸，形成流入第六闪蒸鼓1062的混合相系统。

第六闪蒸鼓1062可以分离混合相流为LNG和包括天然气的蒸汽 流。蒸汽流可以经由管线1074流入管道接头1072。管道接头1072可 以组合蒸汽流和从第七闪蒸鼓1076回收的另一个蒸汽流。组合的蒸汽 流可以在压缩机1078内被压缩并且流入管道接头1058。

LNG流然后可以经由管线1080流入第七闪蒸鼓1076。管线1080 可以包括膨胀阀1082，其控制LNG流流动进入第七闪蒸鼓1076，允 许来自LNG的一部分的液体闪蒸。第七闪蒸鼓1076可以进一步减小 LNG流的温度和压力，使得LNG流接近平衡温度和压力，如下面关于 图11讨论的。产生的蒸汽流可以流入管道接头1084，其可以组合蒸汽 流和从LNG罐1086回收的蒸发气体。组合的蒸汽流可在压缩机1088 内被压缩并且流入管道接头1072。

LNG罐1086可以存储LNG流持续任何时间段。在LNG罐1086 内产生的蒸发气体可以经由管线1090流入管道接头1084。在任何时间 点，LNG流可以使用泵1094被运输到LNG油罐车(tanker)1092，用于 运输到市场。将LNG流装载入LNG油罐车1092时产生的额外的蒸发 气体1098可通过将其加入管道接头1084在级联冷却系统900中回收。

应当理解图9A、9B和10的工艺流程图不意图表明级联冷却系统 900和自冷冻系统1000包括图9A、9B和10中示出的所有部件。而且， 根据具体实施的细节，级联冷却系统900和/或自冷冻系统1000可以包 括图9A、9B和10中未示出的任何数量的额外部件。例如，在一些实 施方式中，级联冷却系统900包括利用包括至少一种稀有气体的单一 混合的制冷剂的一种或多种制冷系统。然而，级联冷却系统900和/或 自冷冻系统1000也可以包括任何其他类型的制冷系统或制冷系统的组 合。

图11是甲烷压力-焓(P-H)图1100的示意图。P-H图1100示出了在 各个温度下的相应的压力1102和焓1104。相同编号的条目如关于图9 描述的。P-H图1100包括平衡曲线1106。平衡曲线1106的左侧1108 代表纯液体，而平衡曲线1106的右侧代表纯气体1110。此外，如果甲 烷的压力1102和焓1104在平衡曲线1106内，则甲烷作为液体和气体 的平衡混合物存在。如果甲烷的压力1102和焓1104在平衡曲线1106 以上，则甲烷处于临界状态。

根据本文描述的自冷冻方法，期望降低甲烷的温度和压力1102使 得甲烷作为接近大气压力的液体存在。膨胀阀1056、1070和1080和 闪蒸鼓1049、1062和1076内的每一个闪蒸过程等焓地降低了甲烷的 温度和压力。例如，在穿过液压膨胀涡轮1030的膨胀之前，甲烷可以 处于临界状态1112。在许多情况下，使用典型的烃制冷剂例如甲烷难 以达到这样的临界状态。因此，在一些情况下，氙代替甲烷可用于自 冷冻方法。

液压膨胀涡轮1030可以等焓地降低甲烷的温度和压力1102到第 一平衡态1114。NRU可以在第一平衡态1114或在稍微更高的压力下 操作。第一平衡态1114可以包括大的液体部分1116和小的气体部分 1118。气体可排出第五闪蒸鼓1049，使得甲烷处于第一纯液态1120。 然而，第一纯液态1120可以处于显著高于大气压力的压力1102下。 因此，甲烷可以流过膨胀阀1070并且进入第六闪蒸鼓1062。

膨胀阀1070可以等焓地降低甲烷的温度和压力1102到第二平衡 态1122。类似于第一平衡态1118，第二平衡态1122可以包括大的液体 部分和小的气体部分。气体可排出第六闪蒸鼓1062，使得甲烷处于第 二纯液态1124。然而，第二纯液态1124可以仍然处于显著高于大气压 力的压力1102下。因此，甲烷可以流过膨胀阀1080并且进入第七闪 蒸鼓1076。

膨胀阀1082可以等焓地降低甲烷的温度和压力1102到第三平衡 态1126。第三平衡态1126可以包括大的液体部分和小的气体部分。气 体可排出第七闪蒸鼓1076，使得甲烷处于第三纯液态1128。在多个实 施方式中，第三纯液态1128的压力1102可以接近大气压力。因此， 甲烷可以是最终产品的形式，并且可以作为LNG输出。

LNG形成方法

图12是用于形成LNG的方法1200的工艺流程图。在多个实施方 式中，方法1200可以在任何以上关于图8、9或10分别描述的系统800、 900或1000中实施。

方法1200在方块1202开始，在此天然气在制冷系统中被冷冻。 制冷系统可以是机械制冷系统、阀膨胀系统、涡轮膨胀系统或类似物。 制冷系统使用包括稀有气体的制冷剂混合物。稀有气体可以包括氙、 氪、氩或其任意组合。此外，制冷剂混合物可以包括氮气或烃，例如 甲烷、乙烷、丙烷或丁烷。根据本文描述的实施方式，包括稀有气体 的制冷剂混合物用于任何数量的冷却阶段以实现比烃制冷剂提供的更 深的冷却。

在多个实施方式中，制冷剂混合物被压缩以提供压缩的制冷剂混 合物，并且压缩的制冷剂混合物通过与冷却流体间接热交换而被冷却。 压缩的制冷剂混合物可被膨胀以冷却压缩的制冷剂混合物，从而产生 膨胀的、冷却的制冷剂混合物。膨胀的、冷却的制冷剂混合物可以转 到热交换区域，其可以包括，例如冷却器或蒸发器。此外，天然气可 以通过与外部冷却流体间接热交换而被压缩和冷却。天然气然后可以 在热交换区域内使用膨胀的冷却的制冷剂混合物进行冷冻。

天然气可以经由一个或多个预冷却步骤使用第一制冷剂混合物进 行冷冻。第一制冷剂混合物可以包括稀有气体、氮气或烃，或其任意 组合。天然气也可以经由一个或多个深度冷却步骤使用第二制冷剂混 合物进行冷冻。第二制冷剂混合物可以包括稀有气体、氮气或烃，或 其任意组合。

在方块1204处，天然气在自冷冻系统中被液化以形成LNG。在多 个实施方式中，自冷冻系统包括用于冷却和液化天然气的多个膨胀阀 和闪蒸鼓。天然气可穿过膨胀阀闪蒸，降低了天然气的压力和温度， 并且产生蒸汽馏分和液体馏分。蒸汽馏分和液体馏分可以被闪蒸进入 闪蒸鼓，其可以将蒸汽馏分与液体馏分分离。此过程可以在任何数量 的膨胀阀和闪蒸鼓内重复，直到合适量的天然气已经被转化为LNG。

应当理解图12的工艺流程图不意图表明方法1200的步骤以任何 特定的顺序执行，或所有的步骤都包括在每一种情况中。而且，根据 具体实施的细节，任何数量的额外的步骤可以包括在方法1200中。例 如，在制冷系统中冷却天然气之前，天然气可以在第一制冷系统中被 冷却。在多个实施方式中，第一制冷系统使用非烃类制冷剂。

实施方式

本发明的实施方式可以包括在下面编号的段落中示出的方法和系 统的任意组合。这不被认为是所有可能实施方式的完整列举，因为任 何数量的变化可从以上描述中预期。

1.用于形成液化天然气(LNG)的系统，包括：

制冷系统，其配置以使用包括稀有气体的制冷剂混合物冷冻天然 气；和

自冷冻系统，其配置以使用天然气作为自身-制冷剂以由天然气形 成LNG。

2.根据段落1所述的系统，包括第一制冷系统，其配置以在天然 气流入制冷系统之前使用非烃类制冷剂冷却天然气。

3.根据段落1或2的任一项所述的系统，包括自冷冻系统上游的 脱氮装置。

4.根据段落1-3的任一项所述的系统，其中所述系统配置以冷冻 天然气，用于烃露点控制。

5.根据段落1-4的任一项所述的系统，其中所述系统配置以冷冻 天然气，用于天然气液体(NGL)提取。

6.根据段落1-5的任一项所述的系统，其中所述系统配置以将甲 烷和较轻气体与二氧化碳和较重气体分离。

7.根据段落1-6的任一项所述的系统，其中所述系统配置以制备 用于液化石油气(LPG)生产存储的烃。

8.根据段落1-7的任一项所述的系统，其中所述系统配置以冷凝 回流流。

9.根据段落1-8的任一项所述的系统，其中制冷剂混合物包括氙 或氪，或其任意组合。

10.根据段落1-9的任一项所述的系统，其中制冷剂混合物包括氙、 氪、氩或氮气，或其任意组合。

11.根据段落1-10的任一项所述的系统，其中制冷系统包括机械 制冷系统、阀膨胀系统或涡轮膨胀系统，或其任意组合。

12.根据段落1-11的任一项所述的系统，其中制冷剂混合物包括 烃，并且其中烃包括甲烷、乙烷、丙烷或丁烷，或其任意组合。

13.根据段落1-12的任一项所述的系统，其中制冷系统包括多个 冷却循环。

14.根据段落1-13的任一项所述的系统，其中制冷系统包括多个 冷却循环，其包括：

一个或多个预冷却阶段，其中制冷剂混合物包括稀有气体、氮气 或烃，或其任意组合，和

一个或多个深度冷却循环，其中制冷剂混合物包括稀有气体、氮 气或烃，或其任意组合。

15.根据段落1-14的任一项所述的系统，其中在一个或多个冷却 阶段中利用包括稀有气体的制冷剂混合物以实现比烃制冷剂提供的更 深度的冷却。

16.根据段落1-15的任一项所述的系统，包括脱氮装置，其中使 用来自脱氮装置的底部的液体原料以提供冷却至在脱氮装置的顶部的 回流冷凝器。

17.根据段落1-16的任一项所述的系统，其中制冷剂混合物包括 纯组分制冷剂。

18.用于形成液化天然气(LNG)的方法，包括：

在制冷系统中冷冻天然气，其中制冷系统使用包括稀有气体的制 冷剂混合物；和

在自冷冻系统中液化天然气以形成LNG。

19.根据段落18所述的方法，包括在制冷系统中冷冻天然气之前 在第一制冷系统中冷却天然气，其中第一制冷系统使用非烃类制冷剂。

20.根据段落18或19的任一项所述的方法，其中在制冷系统中冷 冻天然气包括：

压缩制冷剂混合物以提供压缩的制冷剂混合物；

任选地，通过与冷却流体间接热交换冷却压缩的制冷剂混合物；

膨胀压缩的制冷剂混合物以冷却压缩的制冷剂混合物，从而产生 膨胀的、冷却的制冷剂混合物；

使所述膨胀的、冷却的制冷剂混合物至第一热交换区域；

任选地，压缩天然气；

任选地，通过与外部冷却流体间接热交换冷却所述天然气；和

使天然气与膨胀的、冷却的制冷剂混合物热交换。

21.根据段落18-21的任一项所述的方法，其中稀有气体包括氙或 氪。

22.根据段落18-21的任一项所述的方法，其中制冷剂混合物包括 氮气或烃，或其任意组合。

23.根据段落18-22的任一项所述的方法，包括经由多个膨胀阀或 液压膨胀涡轮和闪蒸鼓液化天然气以形成LNG。

24.根据段落18-23的任一项所述的方法，包括:

经由一个或多个预冷却步骤使用第一制冷剂混合物冷冻天然气， 其中第一制冷剂混合物包括稀有气体、氮气或烃，或其任意组合，和

经由一个或多个深度冷却步骤使用第二制冷剂混合物冷冻天然 气，其中第二制冷剂混合物包括稀有气体、氮气或烃，或其任意组合。

25.根据段落18-24的任一项所述的方法，包括在一个或多个冷却 阶段中使用包括稀有气体的制冷剂混合物以实现比烃制冷剂提供的更 深度的冷却。

26.用于形成液化天然气(LNG)的级联冷却系统，包括：

第一制冷系统，其配置以使用非烃类制冷剂冷却天然气，其中第 一制冷系统包括多个第一冷却器，其配置以允许经由天然气和非烃类 制冷剂之间的间接热交换冷却天然气；

第二制冷系统，其配置以使用包括稀有气体的制冷剂混合物冷冻 天然气，其中第二制冷系统包括多个第二冷却器，其配置以允许经由 天然气和制冷剂混合物之间的间接热交换冷却天然气；和

自冷冻系统，其配置以从天然气形成LNG，其中自冷冻系统包括 多个膨胀阀或液压膨胀涡轮，或其任意组合，和闪蒸鼓。

27.根据段落26所述的级联冷却系统，其中第一制冷系统包括压 缩机和冷凝器，所述压缩机配置以压缩非烃类制冷剂，所述冷凝器配 置以冷却非烃类制冷剂。

28.根据段落26或27的任一项所述的级联冷却系统，其中第二制 冷系统包括压缩机和冷凝器，所述压缩机配置以压缩制冷剂混合物， 所述冷凝器配置以冷却制冷剂混合物。

29.根据段落26-28的任一项所述的级联冷却系统，其中多个第一 冷却器包括蒸发器，其配置以通过经由将热从天然气中转移到非烃类 制冷剂至少部分汽化非烃类制冷剂而冷却天然气。

30.根据段落26-29的任一项所述的级联冷却系统，其中多个第二 冷却器包括蒸发器，其配置以通过经由将热从天然气中转移到制冷剂 混合物汽化制冷剂混合物而冷冻天然气。

31.根据段落26-30的任一项所述的级联冷却系统，其中LNG包 括液体馏分和残余蒸汽馏分，并且其中级联冷却系统包括液体分离容 器，其配置以将残余蒸汽馏分与液体馏分分离。

32.根据段落26-31的任一项所述的级联冷却系统，包括自冷冻系 统上游的脱氮装置。

33.根据段落26-32的任一项所述的级联冷却系统，其中制冷剂混 合物包括纯组分制冷剂。

虽然本技术可能受多种改变和可选形式的影响，但是以上讨论的 实施方式已经仅仅以实例的方式示出。然而，再次应当理解本技术不 意图限于本文公开的具体实施方式。的确，本技术包括落入所附权利 要求的真实精神和范围内的所有替换、改变和等价形式。