[发明专利]在管侧流的液化过程中使主热交换器再平衡的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过使主热交换器的热分布再平衡而使管侧流液化以获得液化产物的方法。本发明特别是涉及但不限于用于使气态的富含甲烷的进料液化以获得称作“液化天然气”或“LNG”的液化产物的方法。

背景技术

第6,272,882号美国专利描述了一种典型的液化过程，其中将气态的富含甲烷的进料在升高的压力下供应至主热交换器的第一管侧的热端。将气态的富含甲烷的进料与蒸发的制冷剂相对地进行冷却、液化和过冷，以获得液化流。将液化流从主热交换器的冷端排出，并输送以作为液化产物储存。将蒸发的制冷剂从主热交换器的外壳侧的热端排出。将蒸发的制冷剂在至少一个制冷剂压缩机中进行压缩，以获得高压制冷剂。对高压制冷剂进行部分冷凝，并将部分冷凝的制冷剂分离成液态的重的制冷剂馏份和气态的轻的制冷剂馏份。将重的制冷剂馏份在主热交换器的第二管侧内进行过冷，以获得过冷的重的制冷剂流。将重的制冷剂流在降低的压力下引入主热交换器的外壳侧的中间点，其中使重的制冷剂流在主热交换器的外壳侧中进行蒸发。将至少部分的轻的制冷剂馏份在主热交换器的第三管侧内进行冷却、液化和过冷，以获得过冷的轻的制冷剂流。将该轻的制冷剂流在降低的压力下引入主热交换器的外壳侧的冷端，并使轻的制冷剂流在外壳侧内进行蒸发。

从上述专利说明书可以看出，要求主热交换器的管侧处理三股流，即：i）气态的富含甲烷的进料，其在升高的压力下作为气体进入第一管侧的热端，在其通过第一管侧时冷凝，并作为过冷的液化流离开第一管侧的冷端；ii）重的制冷剂馏份，其作为液体进入第二管侧的热端，在其通过第二管侧时过冷，并作为过冷的重的制冷剂流离开第二管侧的冷端；及，iii）至少一部分的轻的制冷剂馏份，其作为蒸汽进入第三管侧的热端，在其通过第三管侧时进行冷却、液化和过冷，并作为过冷的轻的制冷剂流离开第三管侧的冷端。

同时，要求主热交换器的外壳侧处理：a）重的制冷剂流，其进入外壳侧的中间位置（位于在现有技术中称作“热的管束的顶部”的位置），并在外壳侧内进行蒸发，然后作为气体从外壳侧的热端排出；及，b）轻的制冷剂流，其在降低的压力下进入外壳侧的冷端（位于在现有技术中称作“冷的管束的顶部”的位置），并在外壳侧内进行蒸发，然后作为气体从外壳侧的热端排出。

因此，为了以第6,272,882号美国专利中所述的液化过程的形式运行，主热交换器必须能够处理单相流和两相流，这两种流在不同的温度下冷凝，其中多股管侧流和外壳侧流容纳在一个交换器中。主热交换器必须还能够处理具有宽的温度范围和压力范围的流。因此，在世界上的液化设备中使用的主热交换器是“蛇形缠绕”或“螺旋缠绕”的热交换器。

在该蛇形缠绕的热交换器中，用于各个单股流的管均匀地在多层中分布，其围绕中心管或心轴缠绕以形成“管束”。各个多层的管均可以包括几百个尺寸均匀的管，其中各个第一、第二和第三管侧流体均在各层中与它们的流量比成比例的方式均匀分布。主热交换器的效率取决于在各个这些多层中外壳侧与管侧之间的传热，其在横跨管束的径向上和在沿着管束的长度的轴向上均尽可能地平衡。

因为螺旋缠绕的热交换器变得更大以执行增加的负载，所以变得越来越难以均匀地分布外壳侧流体。这部分地是由于，在外壳侧，因为制冷剂的轻的组分首先汽化，所以重的和轻的制冷剂流的组成沿着主热交换器的长度连续地变化。因此，在外壳侧与各个第一、第二和第三管侧之间的传热会在横跨管束中的层的方向上变得不均匀。外壳侧流体中的温度的该不均匀分布导致来自管束中的各层的管的每股管侧流体在管束冷端的部分中的温度不均匀，而对于外壳侧流体而言是在热端排出。

若该系统是平衡的，则管侧与外壳侧之间的温差沿着主热交换器的大部分长度保持比较恒定，但是窄小。若该系统是不平衡的，则管侧与外壳侧之间接近的温差可以在温差非常小或者根本不存在温差的位置上变得“收缩”。该收缩现象导致主热交换器的效率下降。所导致的效率下降还在相关的混合制冷剂压缩循环中出现，该循环接收离开主热交换器的外壳侧的热端的流体。若主热交换器正确地工作，则离开外壳侧的热端的流体是气体。若主热交换器是不平衡的，则离开外壳侧的热端的流体可以包括气体和液体的两相混合物。存在任何液体表明显著的效率损失，还必须加以去除以避免对下游制冷剂压缩循环的潜在损坏。

本发明通过克服至少一个上述问题提供提高主热交换器的效率的方法和装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种使管侧流在具有热端和冷端的主热交换器中液化的方法，主热交换器包括确定外壳侧的外壁，在其中设置有蛇形缠绕的管束，所述方法包括以下方法步骤：