從高壓液態乙烷源的低壓乙烷液化和提純的制作方法

本發明的領域

本發明大體上涉及乙烷處理，且更具體而言但不作為限制，涉及用于液化和提純高壓乙烷流的穩態過程。

背景

乙烷是天然氣液(ngl)，其主要用作用于石化產品和用于乙烯塑料制造的原料。通常在處理裝置從天然氣除去乙烷和其它天然氣液，且在管線中傳輸至購買人。因為在大氣壓下乙烷在大約-127°f處汽化，所以必需對乙烷加壓以用于在實際溫度下通過管線裝運(例如，在70°f，800磅/平方英寸)。

最近，通過船運將乙烷傳輸至海外市場變得可期望。由于在高壓下傳輸液體的復雜性，期望的是在冷卻條件下在接近大氣壓處傳輸乙烷。本發明的優選實施例針對用于產生接近大氣壓處且低于沸點溫度的液化的乙烷流的有效過程的改進方法。

本發明的概要

在優選實施例中，本發明包括用于液化和提純高壓乙烷流的裝置和操作方法。在優選實施例中，該方法包括以下步驟：使乙烷流脫水，冷卻脫水的乙烷流以產生接近大氣壓處的液化的乙烷流，和將液化的乙烷蒸汽輸送至乙烷存儲設備。冷卻脫水的乙烷流的步驟包括以下步驟：使丙烯冷卻劑通過第一冷卻回路，使脫水的乙烷供給流通過第一冷卻回路，使乙烯冷卻劑通過第二冷卻回路，使脫水的乙烷供給流通過第二冷卻回路，使混合冷卻劑通過第三冷卻回路，和使脫水的乙烷供給流通過第三冷卻回路。該過程可選地包括額外的步驟：從乙烷存儲設備收集蒸發氣體和將蒸發氣體輸送至氣體管線。

在另一方面，裝置和操作的方法包括一種用于通過多個級聯冷卻回路冷卻乙烷供給流的方法。該方法包括：使丙烯冷卻劑通過第一冷卻回路，使乙烷供給流通過第一冷卻回路，使乙烯冷卻劑通過第二冷卻回路，使乙烷供給流通過第二冷卻回路，使混合冷卻劑通過第三冷卻回路，和使乙烷供給流通過第三冷卻回路。

在還有另一方面，優選實施例包括一種用于液化和提純高壓乙烷供給流的方法，其包括以下步驟：使乙烷供給流脫水，冷卻脫水的乙烷供給流，和使冷卻的乙烷供給流的一部分脫甲烷。冷卻脫水的乙烷供給流的步驟還包括使脫水的乙烷供給流通過多個級聯冷卻回路。

附圖的簡要描述

圖1提供了乙烷液化和提純過程的優選實施例的過程流程圖。

圖2提供了根據優選實施例構造的脫水單元的過程流程圖。

圖3提供了圖1的過程的優選冷卻方案的過程流程圖。

圖4是用于圖1的液化和提純過程的優選實施例的管道和儀器圖。

優選實施例的詳細描述

本發明的優選實施例包括用于液化和提純高壓乙烷流的改進的裝置和操作方法。裝置和過程非常適合于從高壓供應管線供給的天然氣液(ngl)產生接近大氣壓的冷卻的液態乙烷。

首先參照圖1，其中示出了功能流程圖，繪出了構造成用于液化和提純高壓管線乙烷的供給流102的處理裝置100的優選實施例。在特別優選的實施例中，乙烷供給流102是大約800磅/平方英寸的壓力下和大約70°f的溫度下的大約95％純度的乙烷。裝置100大體上包括脫水單元104、冷卻復合體106、乙烷存儲108和脫甲烷塔模塊110。冷卻之后，來自乙烷存儲108和脫甲烷塔模塊110的液態乙烷流供給至液化的乙烷終端112或下游存儲，且來自脫甲烷塔模塊110的氣態甲烷供給至天然氣管線114。除了乙烷供給流102之外，裝置100優選地還需要冷卻水、冷卻油、電功率和燃料氣體的源。在特別優選的實施例中，裝置100構造成以穩態方式操作，以產生大約-155°f的溫度下和大約0.5磅/平方英寸的壓力下的大致純的液化乙烷。從裝置100回收的甲烷被壓縮且傳輸至天然氣管線114。

轉向圖2，其中示出了脫水單元104的功能性描繪。源管線中的乙烷供給流102可充滿水且包含甲烷和少量其它天然氣液(包括丙烷、乙烯和丙烯)。期望從乙烷供給流102除去水、甲烷及其它天然氣液。

脫水單元104優選地包括液-液分離器116以及一個或多個脫水器分子床118。供給流102首先通過液-液分離器116以除去任何自由水，且然后在進入該一個或多個床118之前通過流量計120。床118從供給流102除去任何剩余的水以產生脫水的液態乙烷流122。

在圖2中繪出的特別優選的實施例中，脫水單元104使用三個分子篩床118a、118b和118c，每個床118中帶有固體干燥劑。供給流102順序地循環通過床118，使得供給流102提供至第一床118a，同時第二床118b正被加熱以更新干燥劑且第三床118c在更新之后正在冷卻來為隨后的聯機循環作準備。在循環的末端，更新和冷卻的床118c聯機地放回，且液體從脫機床118a排放。在用盡的床118a已經排放且降壓之后，它通過利用更新氣體加熱而更新。更新之后，床118a允許冷卻且然后加壓來為隨后的裝載循環作準備。在特別優選的實施例中，更新氣體由壓縮機燃料氣體供應組成，其被加熱、在脫水單元104中使用且然后冷卻。在燃料氣體被傳送用作位于裝置100中的壓縮機中的燃料之前，水從燃料氣體中擊打出來。

轉向圖3，脫水的液態乙烷流122從脫水單元104傳送至冷卻復合體106。大體上，冷卻復合體106包括級聯冷卻系統，其包括多個冷卻回路。轉向圖3，其中示出了冷卻復合體106的功能圖。在圖3中繪出的特別優選的實施例中，冷卻復合體106包括三個級聯冷卻回路，其將脫水的液態乙烷流122的溫度從大約70°f降低至大約-155°f。更特別地，冷卻復合體106包括第一冷卻回路124(其利用丙烯作為主要冷卻劑)、第二冷卻回路126(其利用乙烯作為主要冷卻劑)和第三冷卻回路128(其利用混合冷卻劑)。在特別優選的實施例中，混合冷卻劑包括以體積計大約75％的甲烷和以體積計大約25％的甲烷。

丙烯優選地作為用于第一冷卻回路124的冷卻劑，因為丙烯在105。f和227磅/平方英寸下冷凝，且液態丙烯在-41°f和在5磅/平方英寸下汽化。乙烯優選地作為用于第二冷卻劑回路126的冷卻劑，因為乙烯在14°f和184磅/平方英寸下冷凝，且液態乙烯在-146°f在和5磅/平方英寸下汽化。當以兩級冷卻回路級聯時，丙烯和乙烯有效地將脫水的乙烷供給流122冷卻至大約-143°f。然而，因為脫水的乙烷供給流122可包括甲烷及其它天然氣液，必需將脫水的乙烷供給流122冷卻至大約-155°f，以在接近大氣壓處達到接近全體液化。因此，第三冷卻回路128使用乙烷/甲烷混合冷卻劑，以將脫水的液態乙烷流122的溫度降低至大約-155°f。值得注意的是，第二冷卻回路126中使用的乙烯冷卻劑通過第一冷卻回路124，且第三冷卻回路128中使用的混合冷卻劑通過第一冷卻回路124和第二冷卻回路126兩者。

轉向圖4，其中示出了裝置100的特別優選的實施例的管道和儀器圖。干燥之后，脫水的液態乙烷流122通過第一冷卻回路124冷卻至大約-45°f。第一冷卻回路124優選地包括一對大致等同的冷卻機組，其各自構造成冷卻大約一半脫水的乙烷蒸汽122。第一冷卻回路124內的各機組優選地包括丙烯壓縮機130、三個丙烯換熱器132a、132b和132c、三個丙烯熱虹吸容器134a、134b和134c，以及三個丙烯膨脹閥136a、136b和136c。

各壓縮機130壓縮用于各對應機組的丙烯冷卻劑138。在非常優選的實施例中，各丙烯壓縮機130是三級壓縮器，其由燃氣渦輪供以動力。適合的燃氣渦輪包括由通用電氣(generalelectric)制造的lm6000型燃氣渦輪。在壓縮的末級，丙烯將被壓縮至大約132磅/平方英寸，且通過一排水冷卻殼管式換熱器140冷卻至大約105°f。冷卻塔(未示出)將用于冷卻至裝置100的水供應。在105°f下，丙烯將冷凝，且此液體將供給第一丙烯膨脹閥136a以產生在大約32°f和69磅/平方英寸下的丙烯。帶有大約0.285的蒸汽部分的此混合相的流供給第一熱虹吸容器134a，且通過第一丙烯換熱器132a提供必要的冷卻。第一丙烯換熱器132a將脫水的乙烷供給122冷卻至大約35°f。第一丙烯換熱器132a還為來自第三冷卻回路128的混合冷卻劑142提供第一冷卻。第一丙烯換熱器132a優選為釬焊鋁換熱器。將了解的是，丙烯換熱器132可為單獨的單元或帶有單獨區段的單一單元。

來自第一丙烯熱虹吸容器134a的蒸汽與來自丙烯壓縮機130的第二級排放結合。來自第一丙烯熱虹吸容器134a的69磅/平方英寸和32°f下的液體供給第二丙烯膨脹閥136b以產生大約-8°f和26磅/平方英寸下的丙烯。帶有大約0.125的蒸汽部分的此混合相的丙烯流供給第二丙烯熱虹吸容器134b，且通過第二丙烯換熱器132b提供必要的冷卻。第二丙烯換熱器132b優選為釬焊鋁換熱器。

第二丙烯換熱器132b將脫水的乙烷流122、混合冷卻劑流142和乙烯冷卻劑流144冷卻至大約5°f。來自第二冷卻回路126的乙烯冷卻劑流144在大約14°f和184磅/平方英寸下進入第二丙烯換熱器132b。

來自第二丙烯熱虹吸容器134b的蒸汽與來自丙烯壓縮機130的第一級的排放結合。來自第二丙烯熱虹吸容器134b的26磅/平方英寸和8°f下的液態丙烯138供給第三丙烯膨脹閥136c以產生大約2磅/平方英寸和-48°f下的丙烯。帶有0.108的蒸汽部分的此混合相的丙烯流供給第三丙烯熱虹吸容器134c和第三丙烯換熱器132c。第三丙烯換熱器132c優選地構造成兩個雙芯和釜式換熱器。來自第三丙烯熱虹吸容器134c的液體提供浴槽，這兩個雙芯、釬焊鋁換熱器132c浸入其中。來自第三冷卻回路128的混合冷卻劑流142通過一組雙芯交換器132c，且冷卻至45°f。脫水的乙烷流122通過第二雙芯中的一個芯和釜式交換器132c冷卻至-45°f，且來自第二冷卻回路126的液態乙烯流144通過另一個芯冷卻至-45°f。從釜式換熱器132c和芯內的浴槽汽化的蒸汽形成丙烯壓縮機130的第一級吸入。

在第一冷卻回路124中冷卻至-45°f之后，脫水的液態乙烷流122和混合冷卻劑流142利用第二冷卻回路126、乙烯冷卻系統進一步冷卻至-101°f。第二冷卻回路126優選地包括兩個冷卻機組，其并聯操作以冷卻脫水的乙烷流122的一半。第二冷卻回路126內的每個機組優選地包括乙烯壓縮機146、一對乙烯熱虹吸容器148a、148b、一對乙烯換熱器150a、150b以及一對乙烯膨脹閥152a、152b。將了解的是，乙烯換熱器150可為單獨的單元或帶有單獨區段的單一單元。

在特別優選的實施例中，各乙烯壓縮機146由電動馬達驅動。適合的電動馬達產生大約4400馬力且可從通用電氣獲得。乙烯壓縮機146包括兩個級且提供兩種水平的冷卻。在壓縮的末級，乙烯冷卻劑流144將被壓縮至184磅/平方英寸和14°f。乙烯流144在利用丙烯冷卻系統的第一冷卻回路124中冷卻至大約-45°f。

在-45°f下，乙烯冷卻劑流144將冷凝，且此液體將供給第一乙烯膨脹閥152a以產生大約-80°f和86磅/平方英寸下的乙烯。帶有0.134的蒸汽部分的此混合相流供給第一乙烯熱虹吸容器148a，且通過釬焊鋁換熱器150a的第一區段提供必要的冷卻以將脫水的乙烷供給122從-45°f冷卻至大約-77°f。第一乙烯換熱器150a還將離開第一冷卻回路124的混合冷卻劑流142從大約-45°f冷卻至大約-77°f。

來自第一乙烯熱虹吸容器148a的蒸汽與來自乙烯壓縮機146的第一級排放結合。來自第一乙烯熱虹吸容器148a的86磅/平方英寸和-80°f下的液態乙烯供給第二乙烯膨脹閥152b，以產生大約-104°f和45磅/平方英寸下的乙烯流144。帶有0.079的蒸汽部分的此混合相流供給第二乙烯熱虹吸容器148b，且通過釬焊鋁換熱器150b的第二區段提供必要的冷卻，以將脫水的乙烷供給122和混合冷卻劑流142冷卻至大約-101°f。

在第二冷卻回路126中利用乙烯冷卻到-101°f之后，來自單獨的冷卻機組的兩股液態脫水的乙烷流122和兩股混合冷卻劑流142分別結合，使得第三冷卻回路126中的最終冷卻將利用單一混合冷卻劑換熱器154完成。除了混合冷卻劑換熱器154之外，第三冷卻回路126包括混合冷卻劑膨脹閥156、混合冷卻劑熱虹吸容器158和一對混合冷卻劑壓縮機160。

混合冷卻劑換熱器152優選為雙芯和釜式的設計。在-101°f下的過冷的混合冷卻劑142供給混合冷卻劑膨脹閥156以產生大約6磅/平方英寸和-162°f下的混合冷卻劑。帶有0.269的蒸汽部分的此混合相流供給雙芯和釜式混合冷卻劑換熱器154。來自此混合冷卻劑流142的液體包括浴槽，這些雙芯釬焊鋁換熱器154浸入其中。通過這些換熱器154，脫水的液態乙烷流122冷卻至-152°f。

結合的液態乙烷122輸出供給乙烷膨脹閥162，以產生0.5磅/平方英寸和-155°f下的乙烷。帶有0.031的蒸汽部分的此混合相流傳輸至分離器管164。來自分離器管164的液體傳送至乙烷存儲108(圖4中未繪出)，且氣體傳送至脫甲烷塔模塊110。來自乙烷存儲108的液化的乙烷可然后傳輸至液化的乙烷終端112，在那里它將裝載到船上以用于輸送。因為存儲溫度未設計成低于-155°f且甲烷濃度太高以至于不能允許完全液化，所以利用脫甲烷塔模塊110從乙烷存儲108中的乙烷除去甲烷及其它氣體。

脫甲烷塔模塊110大體上包括脫甲烷塔柱166、脫甲烷塔換熱器168和多個脫甲烷塔壓縮機170。來自分離器容器164的結合的閃蒸和來自乙烷存儲108的大約0.5磅/平方英寸和-155°f下的蒸發氣體通過一次通過脫甲烷塔換熱器168而加熱至大約29°f。脫甲烷塔換熱器168優選為三通(three-pass)、釬焊鋁蒸發換熱器。蒸發氣體其次利用脫甲烷塔壓縮機170壓縮至大約475磅/平方英寸，以滿足用于裝置100中的渦輪的燃料氣體的最低壓力要求。脫甲烷塔壓縮機170優選地分成三個機組以配合可獲得的最大的螺桿式壓縮機組件。各機組將由增壓器和高級壓縮機組成。增壓壓縮機將蒸發氣體壓縮至大約95磅/平方英寸，且借助于油噴射冷卻器172將排放溫度維持在大約200°f。蒸發氣體將利用水冷卻殼管式換熱器174進一步冷卻至105°f。油冷卻還將借助于水冷卻殼管式換熱器。高級壓縮機將同樣利用475磅/平方英寸和105°f的最終結合的排放冷卻。

從此排放路線，在供應用于裝置100中的渦輪的燃料氣體之前，需要的燃料氣體將首先用于乙烷脫水單元104的更新。蒸發氣體的余量將流動通過脫甲烷塔換熱器166的第二通道且冷卻至大約-68°f以供給脫甲烷塔柱168。

用于脫甲烷塔柱168的冷凝器負載由從混合冷卻劑換熱器154的芯和釜式浴槽返回的混合冷卻劑142蒸汽提供。此流的溫度大約是-127°f，且它將被加熱至-125°f以供給混合冷卻劑壓縮機160。用于在脫甲烷塔柱168上的再沸器的熱量將由混合冷卻劑壓縮機160的排放提供。來自脫甲烷塔柱168的底部的液體將是大約99％的純乙烷，其將與至乙烷存儲108的乙烷混合。從脫甲烷塔柱的塔頂流出的蒸汽將包含大約465磅/平方英寸和-103°f下的小于6％的乙烷。塔頂流出的流將流動通過脫甲烷塔換熱器166的第三通道。塔頂流出的流(現在在102°f下)將利用管線壓縮機176壓縮至800磅/平方英寸以用于加進氣體管線114。水冷卻殼管式換熱器178安裝在管線壓縮機176的排放上以將排放溫度降低至105°f。

來自脫甲烷塔柱168的冷凝器的0.76磅/平方英寸和-125°f下的混合冷卻劑分成兩股流，且利用混合冷卻劑壓縮機160壓縮至209磅/平方英寸。混合冷卻劑排放流142首先通過水冷卻殼管式換熱器180從160°f冷卻至105°f。此流其次利用第二換熱器182冷卻至大約73°f，由于它用作用于脫甲烷塔柱168中的再沸器的熱源。混合冷卻劑流然后在如上文描述的第一冷卻回路124中使用。

因此，裝置100構造成將高壓乙烷供給122轉變成液化、冷卻且提純的乙烷，其很適合于通過船輸送。裝置100使用三回路、級聯冷卻系統，其有效地降低乙烷供給的溫度。值得注意的是，級聯冷卻回路在第一回路124中使用丙烯作為冷卻劑，在第二回路126中使用乙烯作為冷卻劑，且在第三回路128中使用包括乙烷和甲烷的混合冷卻劑。乙烯冷卻劑通過第一冷卻回路124，且混合的乙烷-甲烷冷卻劑通過第一冷卻回路124和第二冷卻回路126。一旦在接近大氣壓處冷卻和儲存，甲烷從蒸發氣體除去且用作用于裝置100內的渦輪的燃料氣體或輸送至天然氣管線。裝置100是高度可升級的，且可構造成處理多種乙烷原料，且在一定范圍的條件下產生提純、液化的乙烷。

將理解的是，盡管本發明的各種實施例的許多特點和優點已經在前述描述中與本發明的各種實施例的結構和功能的細節一起進行了闡述，但此公開僅為說明性的，且在細節上可進行改變，特別是在本發明的原理之內與結構和部分的布置有關的內容，以最大程度由所附權利要求表達的用語的寬泛的大體意義指出。本領域技術人員將了解的是，在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，本發明的教導可應用至其它系統。