JP2008527286A - 炭化水素富化ガス流の液化方法 - Google Patents
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Abstract
炭化水素富化ガス流、特に天然ガス流を液化する方法。炭化水素富化ガス流の液化を二つ又は三つ冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統に流れる冷媒混合物流との熱交換で行う。本発明の方法では、予冷対象の炭化水素富化ガス流(１)と第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流(Ｓ３)との間の熱交換(Ｅ１、Ｅ２)には他のプロセス流は一切関与しない。
Description
本発明は、炭化水素富化ガス流、特別には天然ガス流を液化する方法であって、特に炭化水素富化ガス流の液化を二つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換で行い、この二つの冷媒混合物循環回路のうちの第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を液化対象の炭化水素富化ガス流の予冷に用い、そして第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を該炭化水素富化ガス流の液化と過冷却に用いる形式の液化方法に関する。
本発明はまた、炭化水素富化ガス流、特別には天然ガス流を液化する方法であって、特に炭化水素富化ガス流の液化を三つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換で行い、この三つの冷媒混合物循環回路のうちの第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を液化対象の炭化水素富化ガス流の予冷に用い、第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を該炭化水素富化ガス流の本来の液化に用い、そして第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を液化された炭化水素富化ガス流の過冷却に用いる形式の液化方法にも関する。
本発明に関する説明において、「予冷」という用語の概念は、液化対象の炭化水素富化ガス流を、より重質（即ち高沸点）の炭化水素の凝縮分離が起き始める温度まで冷却することと理解すべきである。それに続いて行われる液化対象の炭化水素富化ガス流の更なる冷却は、同様に本発明に関する説明においては「液化」という用語の観念に属する。
炭化水素富化ガス流の液化を二つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換で行う形式の天然ガス液化法（一般的にデュアルストリームＬＮＧプロセスと呼ばれる）は従来から当業者に良く知られており、代表例として例えば特許文献１を挙げることができる。
また、炭化水素富化ガス流の液化を三つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換で行う形式の天然ガス液化法についても同様に公知であり、代表例として例えば特許文献２を挙げることができる。
ここに引用した上記２件の特許文献の開示内容は本発明の説明中に取り込まれるものとする。
通常のケースでは、例えば特許文献１に述べられているように、予冷、液化、そして過冷却のそれぞれにおける熱交換は複合多重流路式熱交換器内で行われる。この場合、全てのプロセス流は一基の複合形式の熱交換器に導かれる。この熱交換器は、所要の能力に応じて複数の並列配置された同一ユニット規格の熱交換器で構成される。
予冷に平板式熱交換器を用いる天然ガス液化装置では、熱交換器ブロック当たりの伝熱面積が限られているため、原則として約０．２mtpa（百万トン／年）以上のＬＮＧ年間液化能力の熱交換器を複数台、並列配置することが必要である。従って、例えば液化能力を５mtpaとするためには、全てのプロセス流を通流させる限り、２０〜３０台の熱交換器を並列配置する必要がある。
しかしながら、そのような多数台の並列配置に起因して以下の問題点が生じる。
・流量均等配分の乱れ。
・配管コストの増加。
・部分負荷時の運転の安定性の欠落、特に冷媒が気液混合物状態を維持できなくなる。
・装置を予冷のみで、即ち、液化及び過冷却なしで運転する場合、特に液化プロセスのスタートアップ時に深刻なプロセス流の不足による熱的アンバランスが生じる。
・流量均等配分の乱れ。
・配管コストの増加。
・部分負荷時の運転の安定性の欠落、特に冷媒が気液混合物状態を維持できなくなる。
・装置を予冷のみで、即ち、液化及び過冷却なしで運転する場合、特に液化プロセスのスタートアップ時に深刻なプロセス流の不足による熱的アンバランスが生じる。
本発明が解決すべき課題は、炭化水素富化ガス流を液化するためのこの種の方法において、上述の諸問題を回避することのできる方法を提供することである。
本発明による方法は、係る課題を解決するために、炭化水素富化ガス流の液化を二つ又は三つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換によって行うに際して、予冷対象の炭化水素富化ガス流と第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流との間の熱交換を、他のプロセス流の一切の関与なしに行うことを特徴とするものである。
本発明の方法では熱交換器を対象プロセスに「専用化」するものであり、それによって同一の対象プロセスのための熱交換器又は熱交換器ブロックの数を実質的に減じることができ、同時に必要な配管コストも削減される。
熱交換器タイプ当たりのブロックの数は、液化能力が１０mtpa以下の場合には１６台未満、好ましくは２〜８台である。これにより配管を適正なコストで対称性を維持した配置構成とすることが可能になる。
本発明の方法及び従属請求項の主題である幾つかの形態の特徴と利点について図１〜図５に示す実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。
図１に示す本発明の一実施形態による方法では、予冷及び液化されるべき天然ガス流は導管１を通じて第１の熱交換器Ｅ１に供給される。この熱交換器Ｅ１内では、導管１を通じて導入される天然ガス流が第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の部分流Ｐ３との熱交換によって冷却される。熱交換器Ｅ１で冷却された天然ガス流は導管２を通じて第２の熱交換器Ｅ２に供給され、熱交換器Ｅ２内で第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の二つの部分流Ｐ５及びＰ７と順次熱交換して更に冷却されることにより所要の予冷が果たされる。
このようにして予冷された天然ガス流は、次いで導管３を通じて更に別の熱交換器Ｅ５に供給され、この熱交換器Ｅ５内で第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｌ２との熱交換によって液化され、場合によっては更に過冷却される。この液化された天然ガス流（ＬＮＧ）は、熱交換器Ｅ５から導管４を通じて図示しない下流の需要及び／又は貯蔵施設へ送り出される。
図１に示す実施形態においては、予冷後の天然ガス流の液化及び過冷却は、カスケード形冷媒混合物循環系統の第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｌ１〜Ｌ４との熱交換によって行われる。この場合、第２の冷媒混合物循環回路では、単段又は多段式の圧縮機ＬＶによって圧縮された冷媒混合物流が先ずアフタークーラーＬＫに送り込まれ、アフタークーラーから出てきた冷媒混合物流Ｌ４は次いで導管を通じて熱交換器Ｅ３に供給される。この熱交換器Ｅ３内では、第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の適切な温度レベルにある部分流Ｐ９、Ｐ１１及びＰ１３との熱交換によって第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の冷却と液化が行われる。
このようにして第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流が冷却及び液化され、この液化された冷媒混合物流Ｌ１は導管を通じて天然ガス流の液化及び過冷却用の熱交換器Ｅ５に供給され、それ自身との熱交換によって過冷却される。過冷却された冷媒混合物流Ｌ２は導管を通じて一旦熱交換器Ｅ５から取り出され、膨張弁による圧力緩和で冷却されてから、液化及び過冷却されるべき天然ガス流と向流になるように再び熱交換器Ｅ５に導入される。次いで熱交換器Ｅ５から導管を通じて取り出される冷媒混合物流Ｌ３は、既に述べた第２の冷媒混合物循環回路内の単段又は多段形式の圧縮機ＬＶに吸引される。
既に述べたように、第１の冷却循環回路に流れる冷媒混合物流の部分流Ｐ３、Ｐ５及びＰ７は熱交換器Ｅ１及びＥ２内における天然ガス流１と２の予冷と液化に用いられるが、これらの部分流Ｐ３、Ｐ５及びＰ７は、第１の冷媒混合物循環回路内に設けられている多段式の圧縮機ＰＶの各段ユニットを介して再び合流される。
圧縮機ＰＶで圧縮されて合流された冷媒混合物流Ｐ１は導管により冷却器ＰＫへ導入され、該冷却器から出てくる冷媒混合物流Ｐ２は導管により三段直列の熱交換器Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂ及びＥ４Ｃの第１段目の熱交換器に送り込まれる。これら三つの熱交換器の各段の直後からは、適切な温度レベルになっている冷媒混合物流の部分流Ｐ３、Ｐ５及びＰ７がそれぞれの導管を通じて取り出され、それぞれ膨張弁による圧力緩和で冷却されてから、既に述べたように液化対象の天然ガス流１又は２の熱交換器Ｅ１及びＥ２による予冷のための熱交換に供せられる。
三段直列の熱交換器の各段直後から取り出された冷媒混合物流の部分流Ｐ３、Ｐ５及びＰ７を過冷却するため、これらの部分流から更に部分流Ｐ１５、Ｐ１７及びＰ１９が分岐導管によって取り出され、それぞれ膨張弁による圧力緩和で冷却されてから、三段直列の各段熱交換器Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂ又はＥ４Ｃに向流で通される。これら各段の熱交換器内で冷媒混合物流の部分流Ｐ３、Ｐ５及びＰ７の過冷却に供された分岐部分流Ｐ１６、Ｐ１８及びＰ２０は、それぞれ導管によって圧縮機ＰＶの各段ユニットの上流側で元の部分流と再び合流される。
図１に示し実施形態においては、本発明の好適な発展形態として、第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｐ２を熱交換器Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂ及びＥ４Ｃにおいて該冷媒混合物流Ｐ２自体の部分流との向流熱交換によって他のプロセス流の一切の関与なしに過冷却するようにしてある。この場合、熱交換器Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂ及びＥ４Ｃは多管式熱交換器又は平板式熱交換器で構成することが好ましい。
第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｌ４を熱交換器Ｅ３内で冷却又は過冷却するために、第１の冷媒混合物循環回路の三つの冷媒混合物部分流Ｐ３、Ｐ５及びＰ７からそれぞれ分岐導管により部分流Ｐ９、Ｐ１１及びＰ１３が取り出され、それぞれ膨張弁による圧力緩和で冷却されてから、第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｌ４に対してそれぞれ向流となるように熱交換器Ｅ３内に導かれる。熱交換器Ｅ３を通過した後、これらの分岐部分流は加温された部分流Ｐ１０、Ｐ１２又はＰ１４となり、それぞれ導管を通じて圧縮機ＰＶの各段ユニットの上流側で元の部分流Ｐ４、Ｐ６又はＰ８と再び合流される。
図２に示す本発明の更に好適な実施形態は、図１に示した実施形態に対して液化された天然ガス流を過冷却するための別の冷却系統を備えている点のみが異なっている。従って以下の説明では図１と図２に示す二形態の間の相違点について主に詳述する。
図２に示す実施形態におけるプロセスでは、熱交換器Ｅ１及びＥ２で予冷された天然ガス流の液化は熱交換器Ｅ５内で第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流との熱交換によって行われ、次いで液化された天然ガス流が導管４を通じて別の熱交換器Ｅ６に供給され、この熱交換器Ｅ６内で第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｓ３との熱交換によって過冷却され、その後、導管５を通じて過冷却ＬＮＧの需要及び／又は貯蔵施設へ送り出される。
第１及び第２の冷媒混合物循環回路について既に説明したように、第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流も、先ず単段又は多段式の圧縮機ＳＶで圧縮されてからアフタークーラーＳＫに送り込まれ、アフタークーラーから出てきた冷媒混合物流Ｓ１は次いで導管を通じて熱交換器Ｅ３に供給される。熱交換器Ｅ３内では、第２冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流と共通に第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の複数の部分流との熱交換により第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の冷却が行われ、少なくとも部分的に凝縮される。
このようにして熱交換器Ｅ３から出てくる冷媒混合物流Ｓ２は導管を通じて熱交換器Ｅ５に供給され、熱交換器Ｅ５内で更に冷却されて完全に凝縮され、次いで熱交換器Ｅ６へ導入されて過冷却される。熱交換器Ｅ６内で過冷却された冷媒混合物流Ｓ３は導管を通じて一旦熱交換器Ｅ６から取り出され、膨張弁による圧力緩和で冷却されてから、過冷却されるべき天然ガス流と向流になるように再び熱交換器Ｅ６に導入される。熱交換器Ｅ６から導管を通じて取り出される加温された冷媒混合物流Ｓ４は、既に述べた第３の冷媒混合物循環回路内の単段又は多段式の圧縮機ＳＶに吸引される。
図３に示す本発明の更に好適な実施形態では、第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の部分流が第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流と並行して液化対象の天然ガス流の予冷に用いられる。
この目的で、熱交換器Ｅ３から冷却されて出てくる第２の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物流Ｌ１から分岐導管によって取り出された部分流Ｌ５が、膨張弁による圧力緩和で冷却されてから、適切な温度レベルで予冷対象の天然ガス流と向流になるように熱交換器Ｅ２に通される。この冷媒混合物流の部分流Ｌ５は、熱交換器Ｅ２内において天然ガス流との熱交換で加温された部分流Ｌ６となり、次いで導管によって二段圧縮機ＬＶの段間に導かれる。
熱交換器Ｅ３から冷却されて出てくる第２の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物流Ｌ１からは分岐導管によって別の部分流Ｌ７も取り出され、この冷媒混合物流の部分流Ｌ７は膨張弁による圧力緩和で冷却されてから調整冷却の目的で熱交換器Ｅ３に供給される。この冷媒混合物流の部分流Ｌ７も熱交換器Ｅ３を通過した後に加温された部分流Ｌ８となり、導管によって部分流Ｌ５と共に二段圧縮機ＬＶの段間に導かれる。
図４及び図５は本発明の更に別の二つの変形実施形態を示しており、これらの変形実施形態では、第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｌ４の冷却は、二段直列式熱交換器Ｅ３Ａ及びＥ３Ｂ内における第１の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物部分流Ｐａ、Ｐｂとの熱交換により行われ、また第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流Ｓ１の冷却は、二段直列式熱交換器Ｅ３Ｃ及びＥ３Ｄ内における第１の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物部分流Ｐｃ、Ｐｄとの熱交換によって行われるようになっている。この場合、二段直列式熱交換器Ｅ３ＡとＥ３Ｂ又はＥ３ＣとＥ３Ｄを構成する個々の熱交換器は、それぞれ向流デュアルストリーム形式の平板式熱交換器で構成することが好ましい。
これらの変形実施形態においては、図３までの各実施形態における熱交換器Ｅ２とＥ３について熱交換器の構成を向流デュアルストリーム形式のものに改変する必要があるが、その他の熱交換器については原則的に改変しないままで良い。
本発明の方法におけるこれらの変形実施形態では、第１の冷媒混合物循環回路に属する冷媒混合物流の全ての部分流Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄが、それぞれ熱交換流路が所要の熱交換プロセスに最適化されて他の熱交換器から隔離された個別の向流デュアルストリーム形熱交換器Ｅ３Ａ、Ｅ３Ｂ、Ｅ３Ｃ及びＥ３Ｄに分配されて通される。従って特に液化プロセスのスタートアップ時及び低負荷運転時におけるシステムの挙動が著しく改善されるという利点が得られる。この利点は、使用する熱交換器の台数が若干増加することによるエンジニアリングコストの多少の増加に充分引き合うものである。
図５に示す変形実施形態が図４に示す変形実施形態と異なっている点は、図５の場合は第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流が異なる二つの温度レベルで膨張気化されることだけである。このため、図４に示す実施形態における単一の熱交換器Ｅ５が図５に示す実施形態では二基の熱交換器Ｅ５ＡとＥ５Ｂに分割されている。
以上に述べたように、本発明による炭化水素富化ガス流、特に天然ガス流の液化方法によれば、従来法によるシステムでは各熱交換器に対する配管が非対称の集合配管であるので圧力損失が一様でない場合には冷媒混合物流の均一分配に不具合を生じていたのに対して、各熱交換器に対する配管の対称性を充分に保ちながら圧力損失の不均一を回避して各熱交換器に対して冷媒混合物流の充分に均一な分配を実現可能なシステムを構成することができる。
即ち、いわゆる単一ブロック方式の場合、熱交換器の各熱交換区分毎に冷却対象の複数の流れに熱的に関与する冷媒混合物流は一つだけである。そのため、プロセス又は装置のスタートアップ時及び負荷変動時には、個々の冷媒混合物流の熱出力は安定な気液混合状態を得るために好ましい範囲よりも増大するのが普通である。気液混合状態は、経済的には１：３の負荷範囲内でしか可能ではない。冷媒混合物循環回路内の気液混合状態に欠陥が生じると気相部分と液相部分の分離を招き、運転の安定性、更には熱交換器の機械的な堅牢性を損なう虞が生じるのである。
尚、本発明の方法によれば、主な熱交換器の大半を向流デュアルストリーム形式の熱交換器で構成できるので、必要な熱交換器に関しては構造の複雑化を軽減することが可能である。それにより、個々の冷媒混合物循環回路の運転開始に際して熱的な非平衡状態を確実に回避することも可能である。
Claims (10)
- 炭化水素富化ガス流、特別には天然ガス流を液化するに際し、炭化水素富化ガス流の液化を二つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換によって行い、この二つの冷媒混合物循環回路のうちの第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を液化対象の炭化水素富化ガス流の予冷に用い、そして第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を該炭化水素富化ガス流の液化と過冷却に用いる炭化水素富化ガス流の液化方法において、予冷対象の炭化水素富化ガス流（１、２）と第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｐ３）との間の熱交換（Ｅ１、Ｅ２）を、他のプロセス流の一切の関与なしに行うことを特徴とする炭化水素富化ガス流の液化方法。
- 炭化水素富化ガス流、特別には天然ガス流を液化するに際し、炭化水素富化ガス流の液化を三つの冷媒混合物循環回路で構成されたカスケード形冷媒混合物循環系統内の冷媒混合物流との熱交換によって行い、この三つの冷媒混合物循環回路のうちの第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を液化対象の炭化水素富化ガス流の予冷に用い、第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を該炭化水素富化ガス流の本来の液化に用い、そして第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流を液化された炭化水素富化ガス流の過冷却に用いる炭化水素富化ガス流の液化方法において、予冷対象の炭化水素富化ガス流（１、２）と第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｐ３）との間の熱交換（Ｅ１、Ｅ２）を、他のプロセス流の一切の関与なしに行うことを特徴とする炭化水素富化ガス流の液化方法。
- 第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の少なくとも一つの部分流を炭化水素富化ガス流の予冷に用い、予冷対象の炭化水素富化ガス流（１、２）と第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｐ３）との間の熱交換（Ｅ１、Ｅ２）を、第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流の部分流（Ｌ５）の関与のもとに行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
- 予冷対象の炭化水素富化ガス流（１、２）と第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｐ３）との間の熱交換（Ｅ１、Ｅ２）を、少なくとも一基の多管式熱交換器又は平板式熱交換器又は渦巻式熱交換器によって行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｐ２）を第１の冷媒混合物循環回路自体に流れる冷媒混合物流との熱交換（Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂ、Ｅ４Ｃ）によって他のプロセス流の一切の関与なしに冷却することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 第１の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｐ２）に対する第１の冷媒混合物循環回路自体に流れる冷媒混合物流との熱交換（Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂ、Ｅ４Ｃ）による冷却を、少なくとも一基の多管式熱交換器又は平板式熱交換器又は渦巻式熱交換器によって行うことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｌ４）に対する第１の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物流の部分流（Ｐ９、Ｐ１１、Ｐ１３）との熱交換による冷却を一基の独立した熱交換器（Ｅ３）によって行い、この独立した熱交換器として多管式熱交換器又は平板式熱交換器又は渦巻式熱交換器を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
- 第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｓ１）に対する第１の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物流の部分流（Ｐ９、Ｐ１１、Ｐ１３）との熱交換による冷却を一基の独立した熱交換器（Ｅ３）によって行い、この独立した熱交換器として多管式熱交換器又は平板式熱交換器又は渦巻式熱交換器を用いることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の方法。
- 第２の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｌ４）に対する第１の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物流の部分流（Ｐａ、Ｐａ’、Ｐｂ、Ｐｂ’）との熱交換による冷却と、第３の冷媒混合物循環回路に流れる冷媒混合物流（Ｓ１）に対する第１の冷媒混合物循環回路の冷媒混合物流の部分流（Ｐｃ、Ｐｃ’、Ｐｄ、Ｐｄ’）との熱交換による冷却とを、それぞれ二段直列式熱交換器（Ｅ３Ａ、Ｅ３Ｂ；Ｅ３Ｃ、Ｅ３Ｄ）によって行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
- 二段直列式熱交換器（Ｅ３Ａ、Ｅ３Ｂ；Ｅ３Ｃ、Ｅ３Ｄ）として平板式熱交換器を用いることを特徴とする請求項９に記載の方法。
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