[发明专利]混合制冷系统及方法

说明书

使用混合制冷剂来冷却气体的系统和方法，包括压缩机系统和热交换系统，其中压缩机系统可包括不具有液体出口的级间分离装置或鼓，与泵流体连通的液体出口，该泵将液体向前泵送至高压分离装置或液体出口，液体经由该液体出口流至热交换器以被过冷。在最后一种情况下，过冷液体被膨胀并与膨胀的低温流束结合，该膨胀的低温流束是来自冷蒸汽分离装置的蒸汽侧的冷却和膨胀流束，以及来自高压分离装置和冷蒸汽分离装置的液体侧的过冷和膨胀流束，或者在混合和膨胀之后与来自高压分离装置和冷蒸汽分离装置的液体侧的过冷流束所形成的流束合并，以形成主制冷流束。

优先权请求

本申请要求于2015年7月8日提交的美国临时申请No.62/190,069的优先权，该申请的内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明总体涉及用于冷却或液化气体的系统和方法，并且更具体地涉及用于冷却或液化气体的混合制冷系统和方法。

背景技术

天然气和其他气体被液化以便储存和运输。液化减少了气体的体积，并且通常通过在一个或多个制冷循环中通过间接热交换冷却气体来进行。由于设备的复杂性和循环的性能效率，该制冷循环是昂贵的。因此，需要气体冷却和/或液化系统，其降低设备成本并且较不复杂，更高效且运行成本更低。

液化主要是甲烷的天然气通常需要将气流冷却至约-160℃至-170℃，然后将压力降至接近大气压。液化气态甲烷的常规温度-焓曲线沿S形曲线有三个区域。当气体被冷却时，在高于约-75℃的温度下，气体被降温；在低于约-90℃的温度下，液体过冷。在这些温度之间，观察到相对平坦的区域，其中气体冷凝成液体。

制冷过程为液化天然气提供必要的冷却，其中最有效的是具有紧密接近天然气的冷却曲线的加热曲线，理想的是在整个温度范围内在几度内。然而，由于冷却曲线具有S形轮廓和较大的温度范围，所以这种制冷过程很难设计。纯组分制冷剂工艺由于其平坦的汽化曲线，所以在两相区域中效果最佳。另一方面，多组分制冷剂过程具有倾斜的汽化曲线，并且更适合于降温和过冷区域。为了液化天然气，已经开发了两种工艺和两种工艺的混合。

级联的多级纯组分制冷循环最初与诸如丙烯，乙烯，甲烷和氮的制冷剂一起使用。具有足够的层级，这样的循环可以产生近似于图1中所示的冷却曲线的净热曲线。然而，随着层级的数量增加，需要额外的压缩机机组，这不利地增加了机械复杂性。此外，由于纯组分制冷剂在恒温下蒸发而不是遵循天然气冷却曲线，并且制冷阀不可逆地使液体闪蒸成蒸汽，所以这种方法在热力学上是低效的。由于这些原因，混合制冷剂工艺已经变得流行，以降低资金成本和能耗，并提高可操作性。

Manley的美国专利第5,746,066号描述了一种用于乙烯回收的级联、多级、混合制冷剂工艺，其消除了级联多级纯组分工艺的热力学低效率。这是因为制冷剂在气体冷却曲线之后在升高的温度下蒸发，并且液体制冷剂在闪蒸之前过冷，从而降低热力学不可逆性。由于与纯制冷剂工艺相比需要更少的制冷剂循环，所以机械复杂度有所降低。参见，例如，授予Newton的美国专利号4,525,185；授予Liu等人的美国专利号4,545,795；授予Paradowski等人的美国专利号4,689,063；和授予Fischer等人的美国专利号6,041,619；和Stone等人的美国专利申请公开号2007/0227185和Hulsey等人的2007/0283718。

级联的多级混合制冷剂处理是已知的最有效的工艺之一，但是期望可以更容易操作的更简单，更有效的工艺。

已经开发了单一混合制冷剂处理，其仅需要一个用于制冷的压缩机并且进一步降低了机械复杂性。参见，例如，Swenson的第4,033,735号美国专利。然而，主要由于两个原因，与上面讨论的级联多级混合制冷剂工艺相比，该工艺消耗的功率更多。