專利名稱：天然氣中CO₂低溫脫除方法及應(yīng)用該方法的天然氣液化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天然氣的凈化方法和液化裝置，尤其涉及天然氣中CO2的低溫脫除方法和應(yīng)用該方法的天然氣液化裝置。
背景技術(shù)：
由于天然氣的產(chǎn)地往往比較偏僻，特別是海上天然氣，必須解決運(yùn)輸和儲存問題。液化天然氣的溫度一般為112K，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為石油的72%，十分有利于儲存和運(yùn)輸。為了防止在儲存和運(yùn)輸過程中雜質(zhì)腐蝕設(shè)備及低溫下凍結(jié)而堵塞設(shè)備和管道，必須對天然氣進(jìn)行預(yù)處理以脫除雜質(zhì)。針對天然氣脫碳，國內(nèi)國際提出了很多種方法，基本上有物理吸收法、化學(xué)吸收法、聯(lián)合吸收法、直接轉(zhuǎn)化法、膜分離法和干法，這些方法在大型的天然氣生產(chǎn)中都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和致命缺點(diǎn)。物理溶劑對天然氣中的重?zé)N有較大的溶解度，所以物理吸收法只適用于重?zé)N含量低的天然氣脫CO2。化學(xué)吸收法有一乙醇胺法和改良熱鉀堿法。一乙醇胺法致命缺點(diǎn)是需較高的再生熱，溶液易發(fā)泡，與有機(jī)硫作用易變質(zhì)改良熱鉀堿法的缺點(diǎn)是受0)2氣體分壓的影響較大。聯(lián)合吸收法最常用的是砜胺法，砜胺法造價高，而且吸收重?zé)N。直接轉(zhuǎn)化法所需再生設(shè)備大，副反應(yīng)多，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。膜分離法只有當(dāng)CO2含量大于20%時才有優(yōu)勢，且烴損較大。干法常用的方法是用分子篩做脫硫劑的分子篩法，此方法只適用于CO2含量較低的天然氣脫CO2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種天然氣中CO2的低溫脫除方法及應(yīng)用該方法的天然氣液化裝置，以解決化學(xué)吸收法脫除CO2需要使用化學(xué)藥劑，存在常見腐蝕的問題。本發(fā)明天然氣中CO2低溫脫除方法包括下述步驟一、利用天然氣壓縮機(jī)I對天然氣進(jìn)行壓縮；二、利用脫水干燥塔2對天然氣進(jìn)行脫水干燥；三、利用預(yù)冷換熱器3對天然氣進(jìn)行預(yù)冷；四、利用冷凍換熱器4對天然氣進(jìn)行冷凍，使天然氣中的CO2凍結(jié)為固態(tài)并附著固定在冷凍腔中；五、從冷凍腔中排出天然氣，從而獲得脫除了 CO2的天然氣。本發(fā)明應(yīng)用了天然氣中CO2低溫脫除方法的天然氣液化裝置，它包括制冷循環(huán)系統(tǒng)、天然氣壓縮機(jī)I、天然氣脫水干燥塔2、預(yù)冷換熱器3和冷凍換熱器4，制冷循環(huán)系統(tǒng)為預(yù)冷換熱器3和冷凍換熱器4提供致冷的冷量，天然氣壓縮機(jī)I的入口作為天然氣的入口，天 然氣壓縮機(jī)I的出口通過脫水干燥塔2連通預(yù)冷換熱器3中換熱蛇管3-1的一端，換熱蛇管3-1的另一端連通冷凍換熱器4殼程的一端，冷凍換熱器4殼程的另一端作為液化天然氣的排出端。
本發(fā)明的工作原理是利用CO2加壓冷卻可直接固化，從而與液態(tài)的天然氣分離，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的低溫脫除和在天然氣液化裝置中實(shí)現(xiàn)CO2的脫除。固化后的CO2吸熱能夠直接升華為二氧化碳?xì)怏w。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是I.提高小型液化天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，一次性投資小，運(yùn)行維護(hù)成本低。2.分離過程不涉及化學(xué)藥劑，副反應(yīng)少，不存在常見的腐蝕問題。3.脫除過程不受原料氣中CO2分壓的影響。4.流程簡單高效。 5.設(shè)備簡單，占地面積小。6.可同時生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，液態(tài)天然氣和高純C02。


圖I是本發(fā)明天然氣液化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I具體說明本實(shí)施方式。天然氣中CO2低溫脫除方法包括下述步驟一、利用天然氣壓縮機(jī)I對天然氣進(jìn)行壓縮；二、利用天然氣脫水干燥塔2對天然氣進(jìn)行脫水干燥；三、利用預(yù)冷換熱器3對天然氣進(jìn)行預(yù)冷；四、利用冷凍換熱器4對天然氣進(jìn)行冷凍，使天然氣中的CO2凍結(jié)為固態(tài)并附著固定在冷凍腔中；五、從冷凍腔中排出天然氣，從而獲得脫除了 CO2的天然氣。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖I具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處是它還包括步驟六、升高冷凍換熱器4的冷凍腔中的溫度，使凍結(jié)為固態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為氣體排出。能夠獲得CO2氣體。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖I具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式應(yīng)用了天然氣中CO2低溫脫除方法的天然氣液化裝置，它包括制冷循環(huán)系統(tǒng)，它還包括天然氣壓縮機(jī)I、天然氣脫水干燥塔2、預(yù)冷換熱器3和冷凍換熱器4，制冷循環(huán)系統(tǒng)為預(yù)冷換熱器3和冷凍換熱器4提供致冷的冷量，天然氣壓縮機(jī)I的入口作為天然氣的入口，天然氣壓縮機(jī)I的出口連通脫水干燥塔2的天然氣入口，脫水干燥塔2的天然氣出口連通預(yù)冷換熱器3中換熱蛇管3-1的一端,換熱蛇管3-1的另一端連通冷凍換熱器4殼程的一端,冷凍換熱器4殼程的另一端作為液化天然氣的排出端。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖I具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式三的不同點(diǎn)是它還包括氣液分離罐7和過冷換熱器6，冷凍換熱器4殼程的排出端連通氣液分離罐7的入口，氣液分離罐7的液體出口作為液化天然氣的排出端，氣液分離罐7的氣體出口連通過冷換熱器6中換熱蛇管6-1的一端，換熱蛇管6-1的另一端連通預(yù)冷換熱器3中二號換熱蛇管3-2的一端，二號換熱蛇管3-2的一端連通到預(yù)冷換熱器3的殼體外。如此設(shè)置，能把液化天然氣中的氣體分離出來并通過過冷換熱器6和預(yù)冷換熱器3回收冷量后重新進(jìn)入液化流程。
具體實(shí)施方式
五下面結(jié)合圖I具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式四的不同點(diǎn)是冷凍換熱器4中提供致冷的冷量的換熱蛇管4-1的外表面上設(shè)置有翅片4-2，一方面提聞?chuàng)Q熱表面，另一方面提聞CO2固體的附著面積。
具體實(shí)施方式
六下面結(jié)合圖I具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式五的不同點(diǎn)是它還包括二號冷凍換熱器5，所述制冷循環(huán)系統(tǒng)包括制冷劑壓縮機(jī)8、一號制冷劑氣液分離罐9和二號制冷劑氣液分離罐10 ；附圖I所示的狀態(tài)為冷凍換熱器4處于凍結(jié)狀態(tài)，二號換熱器5處于解凍狀態(tài)。天然氣經(jīng)天然氣壓縮機(jī)I和天然氣脫水干燥塔2后進(jìn)入預(yù)冷換熱器3預(yù)冷，預(yù)冷后的天然氣經(jīng)閥門23進(jìn)入換熱蛇管4-1使CO2固化，脫除CO2后的天然氣經(jīng)閥門21進(jìn)入氣液分離罐7，液體作為液化石油氣輸出，氣體依次進(jìn)入過冷換熱器6和預(yù)冷換熱器3回收冷量后重新進(jìn)入液化流程。混合制冷劑經(jīng)制冷劑壓縮機(jī)8壓縮后進(jìn)入一號氣液分離灌9，分離出的氣體和液體分別進(jìn)入預(yù)冷換熱器3預(yù)冷氣體從預(yù)冷換熱器3中引出進(jìn)入二號氣液分離罐10，分離 出的氣體和液體分別重新進(jìn)入預(yù)冷換熱器3，液態(tài)制冷劑經(jīng)預(yù)冷換熱器3過冷后與來自一 號氣液分離罐9的過冷液體節(jié)流降溫為預(yù)冷換熱器3提供冷量，然后返回制冷劑壓縮機(jī)8入口 來自二號氣液分離罐10的氣態(tài)制冷劑經(jīng)閥門15進(jìn)入處于解凍狀態(tài)的二號冷凍換熱器5中的換熱蛇管5-1解凍CO2,再經(jīng)閥門20進(jìn)入過冷換熱器6降溫液化后，混合制冷劑分成兩路，一路混合制冷劑經(jīng)過閥門17進(jìn)入換熱蛇管4-1凍結(jié)天然氣中的CO2，后經(jīng)閥門12返回預(yù)冷換熱器3，最終返回制冷劑壓縮機(jī)8入口，另一部分混合制冷劑返回過冷換熱器6作為冷源提供冷量，然后回到預(yù)冷換熱器3，最終返回制冷劑壓縮機(jī)8 ；在二號冷凍換熱器5中解凍后的CO2氣體經(jīng)過閥門14進(jìn)入預(yù)冷換熱器3回收冷量;一號冷凍換熱器4和二號冷凍換熱器5根據(jù)各自換熱器內(nèi)殼程的阻力降值定期切換，切換的時候關(guān)閉閥門23，打開閥門24 :關(guān)閉閥門21，打開閥門22，天然氣經(jīng)二號冷凍換熱器5凍結(jié)CO2 :關(guān)閉閥門15、20、17、12，打開閥門11、19、18、16，來自預(yù)冷換熱器3的混合制冷劑解凍一號冷凍換熱器4中的CO2，來自過冷換熱器6的部分混合制冷劑在二號冷凍換熱器5中凍結(jié)CO2 ;關(guān)閉閥門14，打開閥門13，一號冷凍換熱器4中解凍后的CO2氣體經(jīng)過預(yù)冷換熱器3后排出；一號冷凍換熱器4和二號冷凍換熱器5的切換工作完成。上述流程所示的凍結(jié)CO2過程在繞管翅片式換熱器中完成，繞管翅片式換熱器并聯(lián)布置2臺，一臺處于凍結(jié)CO2狀態(tài)，一臺處于解凍CO2狀態(tài)，根據(jù)具體的凍結(jié)狀態(tài)的換熱器殼程阻力降大小進(jìn)行工作狀態(tài)切換。上述流程所示的天然氣原料氣預(yù)冷、凍結(jié)CO2、液化過程所需的冷量由混合制冷劑壓縮冷卻節(jié)流降溫提供。其中，制冷劑壓縮后進(jìn)入第一級氣液分離器分離為氣態(tài)和液態(tài)分別進(jìn)入預(yù)冷換熱器氣態(tài)制冷劑預(yù)冷到273K左右時從預(yù)冷換熱器中部抽出進(jìn)入第二級氣液分離器，分離出的液體再次經(jīng)預(yù)冷換熱器過冷后與來自第一級氣液分離器的過冷液體混合節(jié)流降溫，為預(yù)冷換熱器提供制冷量；第二級氣液分離器分離的氣體經(jīng)預(yù)冷換熱器冷卻到242K左右后進(jìn)入解凍換熱器，為凍結(jié)在換熱器繞管表面翅片上的固態(tài)CO2升華提供熱量，然后進(jìn)入過冷換熱器冷卻液化，部分混合制冷劑液體作為過冷換熱器的冷源捉供冷量，剩余混合制冷劑液體作為凍結(jié)換熱器的冷源，最后制冷劑混合后經(jīng)預(yù)冷換熱器復(fù)溫后進(jìn)入壓縮機(jī)入口，從而實(shí)現(xiàn)混合制冷劑循環(huán)使用。天然氣經(jīng)預(yù)冷換熱器冷卻后進(jìn)入繞管式凍結(jié)換熱器殼程，把CO2固化在繞管換熱器翅片上，天然氣液化節(jié)流進(jìn)入第三級氣液分離器中，液體作為液化 天然氣產(chǎn)品。上述流程所示的第三級氣液分離器分離出的氣態(tài)天然氣經(jīng)過冷換熱器、預(yù)冷換熱器復(fù)溫，從而實(shí)現(xiàn)低溫氣體冷量的回收利用。上述流程所示的凍結(jié)CO2過程的冷量由來自過冷換熱器的部分混合制冷劑節(jié)流降溫提供。上述流程所示的解凍過程中產(chǎn)生的CO2經(jīng)預(yù)冷換熱器復(fù)溫得到高純度氣體CO2產(chǎn)品O
權(quán)利要求
1.天然氣中CO2低溫脫除方法，其特征在于它包括下述步驟一、利用天然氣壓縮機(jī)(I)對天然氣進(jìn)行壓縮；ニ、利用脫水干燥塔(2)對天然氣進(jìn)行脫水干燥；三、利用預(yù)冷換熱器(3)對天然氣進(jìn)行預(yù)冷；四、利用冷凍換熱器(4)對天然氣進(jìn)行冷凍，使天然氣中的CO2凍結(jié)為固態(tài)并附著固定在冷凍腔中；五、從冷凍腔中排出天然氣，從而獲得脫除了 CO2的天然氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的天然氣中CO2低溫脫除方法，其特征在于它還包括步驟六、升高冷凍換熱器(4)的冷凍腔中的溫度，使凍結(jié)為固態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為氣體排出。
3.應(yīng)用了天然氣中CO2低溫脫除方法的天然氣液化裝置，其特征在于它包括制冷循環(huán)系統(tǒng)、天然氣壓縮機(jī)(I)、天然氣脫水干燥塔(2)、預(yù)冷換熱器(3)和冷凍換熱器(4)，制冷循環(huán)系統(tǒng)為預(yù)冷換熱器(3)和冷凍換熱器(4)提供致冷的冷量，天然氣壓縮機(jī)(I)的入口作為天然氣的入口，天然氣壓縮機(jī)(I)的出口通過脫水干燥塔(2 )連通預(yù)冷換熱器(3 )中換熱蛇管(3-1)的一端，換熱蛇管(3-1)的另一端連通冷凍換熱器(4)殼程的一端，冷凍換熱器(4)殼程的另一端作為液化天然氣的排出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣液化裝置，其特征在于它還包括氣液分離罐(7)和過冷換熱器(6)，冷凍換熱器(4)殼程的排出端連通氣液分離罐(7)的入口，氣液分離罐(7)的液體出口作為液化天然氣的排出端，氣液分離罐(7)的氣體出口連通過冷換熱器(6)中換熱蛇管(6-1)的一端，換熱蛇管(6-1)的另一端連通預(yù)冷換熱器(3)中二號換熱蛇管(3-2)的一端，二號換熱蛇管(3-2)的一端連通到預(yù)冷換熱器(3)的殼體外。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天然氣液化裝置，其特征在于冷凍換熱器(4)中提供致冷的冷量的換熱蛇管(4-1)的外表面上設(shè)置有翅片(4-2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣液化裝置，其特征在于它還包括二號冷凍換熱器(5)，所述制冷循環(huán)系統(tǒng)包括制冷劑壓縮機(jī)(8)、一號制冷劑氣液分離罐(9)和二號制冷劑氣液分離罐(10);如冷凍換熱器(4)處于凍結(jié)狀態(tài)，二號換熱器(5)處于解凍狀態(tài)，天然氣經(jīng)天然氣壓縮機(jī)(I)和天然氣脫水干燥塔(2)后進(jìn)入預(yù)冷換熱器(3)預(yù)冷，預(yù)冷后的天然氣經(jīng)閥門(23)進(jìn)入換熱蛇管(4-1)使CO2固化，脫除CO2后的天然氣經(jīng)閥門(21)進(jìn)入氣液分離罐(7);混合制冷劑經(jīng)制冷劑壓縮機(jī)(8)壓縮后進(jìn)入一號氣液分離灌(9)，分離出的氣體和液體分別進(jìn)入預(yù)冷換熱器(3)預(yù)冷氣體從預(yù)冷換熱器(3)中引出進(jìn)入二號氣液分離罐(10)，分離出的氣體和液體分別重新進(jìn)入預(yù)冷換熱器(3)，液態(tài)制冷劑經(jīng)預(yù)冷換熱器(3)過冷后與來自一號氣液分離罐(9)的過冷液體節(jié)流降溫為預(yù)冷換熱器(3)提供冷量，然后返回制冷劑壓縮機(jī)(8)入口 來自二號氣液分離罐(10)的氣態(tài)制冷劑經(jīng)閥門(15)進(jìn)入處于解凍狀態(tài)的二號冷凍換熱器(5)中的換熱蛇管(5-1)解凍CO2，再經(jīng)閥門(20)進(jìn)入過冷換熱器(6)降溫液化后，混合制冷劑分成兩路，一路混合制冷劑經(jīng)過閥門(17)進(jìn)入換熱蛇管(4-1)凍結(jié)天然氣中的CO2，后經(jīng)閥門(12)返回預(yù)冷換熱器(3)，最終返回制冷劑壓縮機(jī)(8)入口，另一部分混合制冷劑返回過冷換熱器(6)作為冷源提供冷量，然后回到預(yù)冷換熱器(3)，最終返回制冷劑壓縮機(jī)(8);在二號冷凍換熱器(5)中解凍后的CO2氣體經(jīng)過閥門(14)進(jìn)入預(yù)冷換熱器(3)回收冷量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然氣液化裝置，其特征在于一號冷凍換熱器(4)和二號冷凍換熱器(5)根據(jù)各自換熱器內(nèi)殼程的阻力降值進(jìn)行工作狀態(tài)切換。
全文摘要
天然氣中CO2低溫脫除方法及應(yīng)用該方法的天然氣液化裝置，本發(fā)明涉及天然氣的凈化方法和液化裝置，用于在天然氣中脫除CO2。它解決了化學(xué)吸收法脫除CO2需要使用化學(xué)藥劑，存在常見腐蝕的問題。方法包括下述步驟對天然氣進(jìn)行壓縮；對天然氣進(jìn)行脫水干燥、預(yù)冷；對天然氣進(jìn)行冷凍，CO2凍結(jié)為固態(tài)并附著固定；從而獲得脫除了CO2的天然氣。裝置包括制冷循環(huán)系統(tǒng)、天然氣壓縮機(jī)、天然氣脫水干燥塔、預(yù)冷換熱器和冷凍換熱器，天然氣壓縮機(jī)的入口作為天然氣的入口，天然氣壓縮機(jī)的出口通過脫水干燥塔連通預(yù)冷換熱器中換熱蛇管的一端，換熱蛇管的另一端連通冷凍換熱器殼程的一端，冷凍換熱器殼程的另一端作為液化天然氣的排出端。
文檔編號C10L3/10GK102636002SQ201210093189
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者賈林祥 申請人:賈林祥