JP2009504838A - Ｌｎｇのための天然ガス液化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガス及び他のメタン豊富ガス流の液化の方法、特に、液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成する方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施形態は、天然ガス及び他のメタン豊富ガス流の液化の方法に関し、より詳細には、液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成する方法に関する。方法の第１の段階では、供給ガスの第１の部分が回収され、１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮され、冷却され、かつ低圧まで膨張させて、回収された第１の部分を冷却する。供給流れの残りの部分は、第１の熱交換処理において、膨張した第１の部分との間接熱交換によって冷却される。第２の段階では、フラッシュ蒸気を含む別の流れが圧縮され、冷却され、かつ低圧まで膨張させて別の低温の流れがもたらされる。この低温の流れは、第２の間接熱交換処理において残りの供給ガス流を冷却するために用いられる。第２の熱交換処理から出る膨張した流れは、第１の間接熱交換段階における補足冷却に用いられる。残りの供給ガスは、続いて低圧まで膨張され、それによってこの供給ガス流を部分的に液化する。この流れの液化部分は、沸点圧力に対応する温度を有するＬＮＧとして処理から回収される。
【選択図】図１

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２００５年８月９日出願の米国特許仮出願第６０／７０６、７９８号、及び２００６年４月２６日出願の米国特許仮出願第６０／７９５、１０１号の利益を求めるものである。

本発明の実施形態は、天然ガス及び他のメタン豊富ガス流の液化の方法に関し、より詳細には、液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成する方法に関する。

天然ガスは、その清浄な燃焼性及び利便性のために近年広く用いられるようになってきた。多くの天然ガス供給源は、ガスのあらゆる商業市場から遠距離の遠隔地域に位置する。場合によっては、生成された天然ガスを商業市場まで輸送するのにパイプラインが利用可能である。パイプライン輸送が実現可能でない時には、生成された天然ガスは、多くの場合に、市場に輸送するために液化天然ガス（「ＬＮＧ」と呼ばれる）に処理される。

ＬＮＧプラントの設計において、最も重要な考察事項の１つは、天然ガス供給流れをＬＮＧに変換するための処理である。現在、最も一般的な液化処理は、何らかの形式の冷凍システムを用いる。天然ガスを液化するために多くの冷凍サイクルが用いられているが、今日最も一般的にＬＮＧプラントにおいて用いられる３つの型は、（１）漸次的に配列された熱交換器において複数の単一成分冷媒を用いてガスの温度を液化温度まで下げる「カスケードサイクル」、（２）特別設計の交換器において多成分冷媒を用いる「多成分冷凍サイクル」、及び（３）対応する温度の低下を伴ってガスを供給ガス圧から低圧まで膨張させる「膨張サイクル」である。殆どの天然ガス液化サイクルは、これら３つの基本型の変形又は組合せを用いる。

用いる冷媒は、多成分冷凍サイクルにおいては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、及び窒素のような成分の混合物とすることができる。冷媒はまた、「カスケードサイクル」においては、プロパン、エチレン、又は窒素のような純物質とすることができる。組成を精密に制御したかなりの容積のこれらの冷媒が必要とされる。更に、このような冷媒は、物流要件を課す輸入かつ貯蔵の必要がある場合がある。代替的に、冷媒の成分の一部は、典型的には、液化処理と統合した蒸留処理によって調製することができる。

供給ガス冷却をもたらし、それによって冷媒取扱いの物流的問題を排除又は低減するためのガス膨張器の使用は、工程技師の関心を引くものになっている。膨張器システムは、膨張タービンを通じて供給ガスを膨張させ、それによって仕事を実行してガスの温度を低下させることができる原理に基づいて作動する。低温ガスは、次に、供給ガスと熱交換され、必要な冷凍を提供する。供給ガスを完全に液化するためには、補足冷凍が一般的に必要であり、これは、冷媒システムによって提供することができる。膨張から得られるパワーは、通常は、冷凍サイクルに用いる主要な圧縮パワーの一部を供給するために用いられる。ＬＮＧを作るための一般的な膨張サイクルは、典型的に約６、８９５ｋＰａ（１、０００ｐｓｉａ）よりも低い供給ガス圧で作動する。

しかし、以前に提案された膨張サイクルは、全て、冷媒システムに基づく現在の天然ガス液化サイクルよりも熱力学的に効率が悪い。従って、膨張サイクルは、今までいかなる設置費用優位性も提供しておらず、冷媒を伴う液化サイクルは、依然として天然ガス液化のための好ましい任意選択肢である。

膨張サイクルは、前冷却（加温）段階に対して高い再利用ガス流流量及び高い非効率性をもたらすので、ガス膨張器は、一般的に、例えば、閉じたサイクルにおいて外部冷媒を用いて、供給ガスが−２０℃を十分に下回る温度まで前冷却された後にそれを更に冷却するために使用されている。従って、殆どの提案された膨張サイクルにおける共通因子は、ガスが膨張器に入る前にガスを前冷却するための第２の外部冷凍サイクルの必要性である。このような組み合わされた外部冷凍サイクル及び膨張サイクルは、「混成サイクル」と呼ばれ場合がある。このような冷媒ベースの前冷却は、膨張器の使用における非効率性の主な原因を排除するが、それは、膨張サイクルの恩典、すなわち、外部冷媒の排除を大幅に低下させる。膨張器冷却の後に付加的な冷却も必要である場合があり、それは、窒素又は低温混合冷媒のような別の外部冷媒システムによって提供することができる。

従って、外部冷媒の必要性を排除し、少なくとも現在使用中の技術のものに同等の改善された効率を有する膨張サイクルに対する必要性が依然として存在する。

本発明の実施形態は、天然ガス及び他のメタン豊富ガス流を液化して液化天然ガス（ＬＮＧ）及び／又は他の液化メタン豊富ガスを生成する方法を提供する。特許請求の範囲を含む本明細書で用いる場合の用語天然ガスは、ＬＮＧを製造するのに適切なガス状の原材料を意味する。天然ガスは、原油井戸（付随ガス）又はガス井戸（非付随ガス）から得られるガスを含むことができると考えられる。天然ガスの組成は、大幅に変わる可能性がある。本明細書で用いる場合、天然ガスは、主な成分としてメタン（Ｃ₁）を含有するメタン豊富ガスである。

本明細書のＬＮＧを生成する方法の１つ又はそれよりも多くの実施形態では、供給ガスの第１の部分が回収され、圧縮され、冷却され、かつ低圧まで膨張させて回収された第１の部分を冷却するように第１の段階が実施される。供給流れの残りの部分は、第１の熱交換処理において膨張した第１の部分との間接熱交換によって冷却される。過冷却ループを伴う第２の段階では、フラッシュ蒸気から成る別の流れが圧縮され、冷却され、かつ低圧まで膨張させて別の低温の流れをもたらす。この低温の流れは、過冷却熱交換処理を構成する第２の間接熱交換処理において残りの供給ガス流を冷却するために用いられる。第２の熱交換処理から出る膨張した流れは、第１の間接熱交換段階における補足冷却に用いられる。残りの供給ガスは、続いて低圧まで膨張し、それによってこの供給ガス流を部分的に液化する。この流れの液化部分は、沸点圧力に対応する温度を有するＬＮＧとして処理から回収される。この流れの蒸気部分は、間接熱交換段階にもたらされる冷却を補足するために戻される。様々な供給源からの加温された冷却ガスは、圧縮されて再利用される。

本発明による１つ又はそれよりも多くの他の実施形態では、メタンが豊富なガス流を液化する方法が提供され、本方法は、１、０００ｐｓｉａ未満の圧力でメタンが豊富なガス流を準備する段階と、１、０００ｐｓｉａ未満の圧力で冷媒を準備する段階と、１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで冷媒を圧縮して圧縮冷媒を準備する段階と、冷却流体との間接熱交換によって圧縮冷媒を冷却する段階と、圧縮冷媒を更に冷却するために圧縮冷媒を膨張させ、それによって膨張した冷却された冷媒を生成する段階と、この膨張した冷却された冷媒を熱交換区域に送る段階と、このガス流をこの熱交換区域に通し、この膨張した冷却された冷媒との間接熱交換によってこのガス流の少なくとも一部を冷却し、それによって冷却されたガス流を形成する段階とを含む。１つ又はそれよりも多くの他の特定的な実施形態では、１、０００ｐｓｉａ未満の圧力で冷媒を準備する段階は、冷媒として用いるためにガスの一部分を回収する段階を含む。他の実施形態では、冷媒として用いられるガス流の部分は、ガス流が熱交換区域に送られる前にガス流から回収される。更に他の実施形態では、本発明による方法は、メタンが豊富なガス流を液化するための処理で生成されたフラッシュ蒸気で充填された閉ループを用いて、熱交換区域に対する冷凍負荷の少なくとも一部分を供給する段階を更に含む。本発明による付加的な実施形態は、当業者には明らかであろう。

本発明の実施形態は、主としてガス膨張器を用いて外部冷媒の必要性を排除する天然ガス液化の方法を提供する。すなわち、本明細書に開示する一部の実施形態では、供給ガス自体（例えば、天然ガス）は、全ての冷凍サイクルにおいて冷媒として用いられる。このような冷凍サイクルは、典型的な提案されたガス膨張サイクルが必要とするような外部冷媒（すなわち、供給ガス自体又はＬＮＧ処理プラントにおいて又はその近くで生成されるガス以外の冷媒）を用いる補足冷却を必要とせず、その上このような冷凍サイクルは、より高い効率を有する。１つ又はそれよりも多くの実施形態では、冷却水又は空気が、冷却流体の唯一の外部供給源であり、段階間又は冷却後の圧縮機に用いられる。

図１は、膨張器ループ５（すなわち、膨張サイクル）及び過冷却ループ６を用いる本発明の一実施形態を示している。明確にするために、膨張器ループ５及び過冷却ループ６は、図１に２倍幅の線で示される。本明細書及び特許請求の範囲では、用語「ループ」及び「サイクル」は、同義語的に用いられる。図１では、供給ガス流１０は、約１２００ｐｓｉａ未満、又は約１１００ｐｓｉａ未満、又は約１０００ｐｓｉａ未満、又は約９００ｐｓｉａ未満、又は約８００ｐｓｉａ未満、又は約７００ｐｓｉａ未満、又は約６００ｐｓｉａ未満の圧力で液化処理に入る。一般的に、供給ガス流１０の圧力は、約８００ｐｓｉａであることになる。供給ガス流１０は、一般的に、当業技術で公知の処理及び機器を用いて汚染物質を除去するために処理された天然ガスを含む。それが熱交換器に送られる前に、供給ガス流１０の一部分は、回収されて副流１１を形成し、従って、以下の説明から明らかになるように、供給ガス流１０の圧力に対応する圧力、つまり約１０００ｐｓｉａ未満の圧力を含む上記圧力のいずれかでの冷媒をもたらす。従って、図１に示す実施形態では、供給ガス流の一部分は、膨張器ループ５のための冷媒として用いられる。図１に示す実施形態は、供給ガス流１０が熱交換器に送られる前に、供給ガス流１０から回収される副流を使用するが、膨張器ループ５内で冷媒として用いられることになる供給ガスの副流は、供給ガスが熱交換区域に送られた後に供給ガスから回収することができる。従って、１つ又はそれよりも多くの実施形態では、本方法は、説明する本明細書の他の実施形態のいずれかであり、冷媒として用いられることになる供給ガス流の部分は、膨張し、熱交換区域に送られて戻った熱交換区域から回収され、熱交換区域に対する冷凍負荷の少なくとも一部を準備する。

副流１１は、それが約１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮され、従って圧縮冷媒流１２を提供する圧縮ユニット２０に送られる。代替的に、副流１１は、約１６００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１７００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１８００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１９００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約３０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮され、従って、圧縮冷媒流１２を提供する。特許請求の範囲を含む本明細書で用いる場合、用語「圧縮ユニット」は、圧縮機器のいずれか１つの種類、又は類似か又は異なる種類の組合せを意味し、物質又は物質の混合物を圧縮するための当業技術で公知の付属機器を含むことができる。「圧縮ユニット」は、１つ又はそれよりも多くの圧縮段階を使用することができる。例示的な圧縮機は、以下に限定されるものではないが、例えば、往復及び回転圧縮機のような容積型、並びに例えば遠心及び軸流圧縮機のような動力学的な種類を含むことができる。

圧縮ユニット２０を出た後に、圧縮冷媒流１２は、それが適切な冷却流体との間接熱交換によって冷却され、圧縮され、冷却された冷媒をもたらす冷却器３０に送られる。１つ又はそれよりも多くの実施形態では、冷却器３０は、冷却流体として水又は空気を供給する種類のものであるが、冷却器のあらゆる種類を用いることができる。冷却器から現れる時の圧縮冷媒流１２の温度は、用いる周囲条件及び冷却媒体に依存し、一般的に約３５°Ｆから約１０５°Ｆである。次に、冷却された圧縮冷媒流１２は、それが膨張し、その結果冷却されて膨張冷媒流１３を形成する膨張器４０に送られる。１つ又はそれよりも多くの実施形態では、膨張器４０は、圧縮用に抽出して用いることができる仕事を発生するガス膨張器のような仕事膨張装置である。

膨張冷媒流１３は、熱交換区域５０に送られて、熱交換区域５０に対する冷凍負荷の少なくとも一部を供給する。特許請求の範囲を含む本明細書で用いる場合、用語「熱交換区域」は、熱伝達を促進するための当業技術で公知の機器の同じか又は異なる種類のいずれか１つの種類又は組合せを意味する。従って、「熱交換区域」は、単体の機器内に収容することができ、又はそれは、複数の機器に収容された区域を含むことができる。反対に、複数の熱交換区域を単体の機器に収容することができる。

熱交換区域５０を出ると、膨張冷媒流１３は、加圧のための圧縮ユニット６０に供給され、次に、副流１１と結合する流れ１４を形成する。膨張器ループ５が副流１１からの供給ガスで満たされた状態で、漏れによる損失に取って代わる補給供給ガスのみが必要になり、圧縮ユニット２０に入るガスの大部分は、一般的に流れ１４によって提供されることが明らかであろう。副流１１として回収されない供給ガス流１０の部分は、それが少なくとも部分的に膨張冷媒流１３との間接熱交換によって冷却される熱交換区域５０に送られる。熱交換区域５０を出た後に、供給ガス流１０は、熱交換区域５５に送られる。熱交換区域５５の重要な機能は、供給ガス流を過冷却することである。従って、熱交換区域５５では、供給ガス流１０は、過冷却ループ６（以下に説明）によって過冷却され、過冷却流１０ａを生成する。次に、過冷却流１０ａは、膨張器７０内で低圧まで膨張させ、それによって部分的に過冷却流１０ａを液化して液体部分及び残りの蒸気部分を形成する。膨張器７０は、以下に限定されるものではないが、弁、制御弁、ジュールトンプソン弁、ベンチュリ装置、液体膨張器、及び水力タービンなどを含むあらゆる減圧装置とすることができる。部分的に液化された過冷却流１０ａは、液化部分１５が沸点圧力に対応する温度を有するＬＮＧとして処理から回収されるサージタンク８０に送られる。残りの蒸気部分（フラッシュ蒸気）流１６は、以下に説明するように、圧縮ユニットに動力を供給する燃料として及び／又は過冷却ループ６における冷媒として用いられる。燃料として用いられる前に、フラッシュ蒸気流１６の全て又は一部分は、任意的に、サージタンク８０から熱交換区域５０及び５５に送られ、このような熱交換区域内に提供された冷却を補足することができる。

再度図１を参照すると、フラッシュ蒸気１６の一部分は、ライン１７を通って回収され、過冷却ループ６を満たす。従って、供給ガス流１０からの供給ガスの一部分は、過冷却ループ６における冷媒として用いるために回収される（フラッシュガス流１６からのフラッシュガスの形態で）。過冷却ループ６がフラッシュガスで完全に充填された状態で、漏れによる損失に取って代わる補給ガス（すなわち、ライン１７からの付加的フラッシュ蒸気）のみが必要であることが、ここでもまた明らかであろう。過冷却ループ６では、膨張流１８は、膨張器４１から排出され、熱交換区域５５及び５０を通って取り出される。次に、膨張器フラッシュ蒸気流１８（過冷却冷媒流）は、それがより高い圧力まで再圧縮されて加温される圧縮ユニット９０に戻る。圧縮ユニット９０を出た後に、再圧縮過冷却冷媒流は、冷却器３０と同じ種類とすることができるが、あらゆる種類の冷却器を用いることができる冷却器３１内で冷却される。冷却後に、再圧縮過冷却冷媒流は、それが膨張冷媒流１３、過冷却冷媒流１８、及び任意的にフラッシュ蒸気流１６との間接熱交換によって更に冷却される熱交換区域５０に送られる。熱交換区域５０を出た後に、再圧縮及び冷却過冷却冷媒流は、膨張器４１を通って膨張した冷却された流れをもたらし、これは、次に、熱交換区域５５を通過し、最後に膨張してＬＮＧを生成する供給ガス流の部分を過冷却する。熱交換区域５５から出る膨張過冷却冷媒流は、更に熱交換区域５０を通過し、再圧縮される前に補足冷却を供給する。この方法では、過冷却ループ６におけるサイクルは、連続的に繰り返される。従って、１つ又はそれよりも多くの実施形態では、本方法は、ＬＮＧ生成がもたらすフラッシュ蒸気（例えば、フラッシュ蒸気１６）で充填した閉ループ（例えば、過冷却ループ６）を用いて冷却を供給する段階を更に含む本明細書に開示する他の実施形態のいずれかである。

図１に示す実施形態では（及び、本明細書に説明する別の実施形態では）、供給ガス流１０が一方の熱交換区域から他方に送られる時に、供給ガス流１０の温度は、最後に過冷却流が生成されるまで低下することになることは明らかであろう。更に、副流が供給ガス流１０から取り除かれる時に、供給ガス流１０の質量流量は低下することになる。圧縮のような他の修正も供給ガス流１０に対して行うことができる。供給ガス流１０に対する各このような修正は、新しくて異なる流れを生成すると考えることができるが、説明を明確かつ容易にするために、供給ガス流は、熱交換区域の通過、副流の除去、及び他の修正が供給ガス流１０に対して温度、圧力、及び／又は流量変化を引き起こすことになるという理解の下に、別に定めない限り供給ガス流１０と呼ぶことにする。

図２は、膨張器ループ５が膨張器ループ７と取り換えられていることを除いて図１に示す実施形態と類似である本発明の別の実施形態を示している。図２の他の品目は、上述の通りである。膨張器ループ７は、明確にするために図２に２倍幅の線で示されている。膨張器ループ７は、実質的に膨張器ループ５と同じ機器（例えば、全て上述している圧縮機２０、冷却器３０、及び膨張器４０）を使用する。しかし、膨張器ループ７内のガス状冷媒は、供給ガスから切り離され、従って、供給ガスと異なる組成を有する可能性がある。すなわち、膨張器ループ７は、基本的に閉ループであり、供給ガス流１０に連結されていない。従って、膨張器ループ７のための冷媒は、必ずしも供給ガスではないが、供給ガスとすることができる。膨張器ループ７は、この膨張器ループ７が使用されるＬＮＧ処理プラントにおいて又はその近くで生成されるあらゆる適切な冷媒ガスで充填することができる。例えば、膨張器ループ７を充填するために用いる冷媒ガスは、汚染物質を除去するために単に部分的に処理された天然ガスのような供給ガスとすることができるであろう。

膨張器ループ５のように、膨張器ループ７は、高圧ガスのループである。流れ１２ａは、約１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１６００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１７００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１８００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１９００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約３０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力で圧縮ユニット２０を出る。冷却器３０から現れる時の圧縮冷媒流１２ａの温度は、用いる周囲条件及び冷却媒体に依存し、一般的に、約３５°Ｆから約１０５°Ｆである。次に、冷却された圧縮冷媒流１２ａは、それが膨張し、更に冷却されて膨張冷媒流１３ａを形成する膨張器４０に送られる。膨張冷媒流１３ａは、熱交換区域５０に送られて、熱交換区域５０に対する冷凍負荷の少なくとも一部を供給し、ここで供給ガス流１０は、膨張冷媒流１３ａとの間接熱交換によって少なくとも部分的に冷却される。熱交換区域５０を出ると、膨張冷媒流１３ａは、再圧縮のための圧縮ユニット２０に戻る。本明細書に説明する実施形態のいずれにおいても、膨張器ループ５及び７は、同義語的に用いることができる。例えば、膨張器ループ５を使用する実施形態では、膨張器ループ７は、膨張器ループ５で置換することができる。

図３は、本発明の方法によりＬＮＧを生成するための別の実施形態を示している。図３に示す処理は、複数の仕事膨張サイクルを使用して、供給ガス及び他の流れのための補足冷却を供給する。このような仕事膨張サイクルの使用は、液化処理の効率の全体的な改善をもたらすものである。図３を参照すると、供給ガス流１０は、上述の圧力で液化処理に再び入る。図３に示す特定的な実施形態では、副流１１は、上述の方法で膨張器ループ５に供給されるが、閉膨張ループ７を膨張器ループ５の代わりに使用することができ、その場合、副流１１を必要としないと考えられることは明らかであろう。膨張器ループ５は、膨張冷媒流１３が以下に詳細に説明する熱交換区域５６を通過し、熱交換区域５６に対する冷凍負荷の少なくとも一部を供給することを除いては、図１に示す実施形態に対して上述したものと同じ方法で作動する。

副流１１として回収されない供給ガス流１０の部分は、それが少なくとも部分的に以下に説明する膨張冷媒流１３及び他の流れとの間接熱交換によって冷却される熱交換区域５６に送られる。熱交換区域５６を出た後に、供給ガス流１０は、それが以下に説明する付加的流れとの間接熱交換によって更に冷却される熱交換区域５７及び５８を通過する。この実施形態では、第１及び第２の仕事膨張サイクルは、供給ガス流１０が熱交換区域５７に入り、副流１１ｂが供給ガス流１０から取り除かれる前に、以下の通り効率を改善するために使用される。供給ガス流１０が熱交換区域５７を出た後ではあるが、それが熱交換区域５８に入る前に、副流１１ｃは、供給ガス流１０から取り除かれる。従って、副流１１ｂ及び１１ｃは、供給ガス流冷却の様々な段階で供給ガス流１０から取り除かれる。すなわち、各副流は、各連続回収副流が前に回収した副流よりも低い初期温度を有するように、供給ガスの冷却曲線上の異なる点で供給ガス流から回収される。

第１の仕事膨張サイクルの一部である副流１１ｂは、それが膨張し、その結果冷却されて膨張流１３ｂを形成する膨張器４２に送られる。膨張流１３ｂは、熱交換区域５６及び５７を通過し、熱交換区域５６及び５７に対する冷凍負荷の少なくとも一部を供給する。同様に、第２の仕事膨張サイクルの一部である副流１１ｃは、それが膨張し、その結果冷却されて膨張流１３ｃを形成する膨張器４３に送られる。次に、膨張流１３ｃは、熱交換区域５６、５７、及び５８を通過し、熱交換区域５６、５７、及び５８に対する冷凍負荷の少なくとも一部を供給する。その結果、供給ガス流１０も、膨張流１３ｂ及び１３ｃとの間接熱交換によって熱交換区域５６及び５７内で冷却される。熱交換区域５８では、供給ガス流１０はまた、膨張流１３ｃとの付加的な間接熱交換によって冷却される。

熱交換区域５６を出ると、膨張流１３ｂ及び１３ｃは、それぞれ圧縮ユニット６１及び６２に送られ、ここで、これらは再圧縮され、組み合わされて流れ１４ａを形成する。流れ１４ａは、供給ガス流１０と再結合される前に冷却器３２によって冷却される。冷却器３２は、冷却器３０及び３１と同じ種類の冷却器又は冷却タイプとすることができる。膨張器４２及び４３は、当業者に公知の種類の仕事膨張装置である。適切な仕事膨張装置の例示的かつ非限定的な例は、液体膨張器及び水力タービンを含む。従って、図３に示す実施形態では、供給ガス流は、複数の仕事膨張装置を用いて更に冷却される。付加的な仕事膨張サイクルを図３に示す実施形態に加えることができること、又は単一仕事膨張サイクルを採用することができることは、当業者には明らかであろう。従って、一般的に、１つ又はそれよりも多くの仕事膨張装置を上述の方法で採用することができる。仕事膨張装置の各々は、供給ガス流の一部分を膨張させ、それによってこのような部分を冷却し、仕事膨張装置内で膨張した供給ガス流の部分の各々は、供給ガス流冷却の異なる段階で（すなわち、異なる供給ガス流温度で）供給ガス流から回収される。

本発明による１つ又はそれよりも多くの他の実施形態では、仕事膨張装置は、供給ガス流から１つ又はそれよりも多くの副流を回収し、１つ又はそれよりも多くの仕事膨張装置に１つ又はそれよりも多くの副流を送り、１つ又はそれよりも多くの副流を膨張させてこの１つ又はそれよりも多くの副流を膨張させて冷却し、それによって１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流を形成し、１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流を少なくとも１つの熱交換区域に送り、ガス流を少なくとも１つの熱交換区域に通し、１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流との間接熱交換によって少なくとも部分的にガス流を冷却することによって利用される。

再度図３を参照すると、供給ガス流１０は、熱交換区域５６、５７、及び５８内で冷却された後、次に、それが更に冷却されて過冷却流１０ａを生成する熱交換区域５９に送られる。熱交換区域５９の重要な機能は、供給ガス流１０を過冷却することである。次に、過冷却流１０ａは、膨張器８５内で低圧まで膨張し、それによって過冷却流１０ａを部分的に液化して液化部分及び残りの蒸気部分を形成する。膨張器８５は、以下に限定されるものではないが、弁、制御弁、ジュールトンプソン弁、ベンチュリ装置、液体膨張器、及び水力タービンなどを含むあらゆる減圧装置とすることができる。部分的に液化した過冷却流１０ａは、液化部分１５が沸点圧力に対応する温度を有するＬＮＧとして処理から回収されるサージタンク８０に送られる。残りの蒸気部分（フラッシュ蒸気）流１６は、過冷却ループ６に対して実質的に上述と同じ方法で圧縮ユニットに動力を供給する燃料として及び／又は過冷却ループ８における冷媒として用いられる。図３から分るように、過冷却ループ８は、過冷却ループ８が４つの熱交換区域（熱交換区域５６、５７、５８、及び５９）に冷却を供給することを除いては、過冷却ループ６に類似している。

図４は、本発明の更に別の実施形態を示している。図４に示す実施形態は、圧縮ユニット２５及び膨張器３５が加えられていることを除いては、図３に示す実施形態と実質的に同じである。膨張器３５は、あらゆる種類の液体膨張器又は水力タービンとすることができる。膨張器３５は、供給ガス流１０が、それが膨張し、その結果冷却されて膨張供給ガス流１０ｂを生成する熱交換区域５８から膨張器３５に流れるように、熱交換区域５８と５９の間に設けられる。次に、流れ１０ｂは、それが過冷却されて過冷却流１０ｃを生成する熱交換区域５９に送られる。流れ１０ｂを生成するために、膨張器３５内で供給ガス流１０を膨張させ、その結果冷却することによって、過冷却ループ８にかかる全体の冷却負荷が有利に低減される。従って、１つ又はそれよりも多くの実施形態では、本方法は、本明細書に開示される他の実施形態のいずれかであり、冷却供給ガス流の少なくとも一部分を膨張させ、冷却されて膨張した供給ガス流（例えば、流れ１０ｂ）を生成する段階と、ＬＮＧ生成がもたらすフラッシュ蒸気（例えば、フラッシュ蒸気１６）で充填した閉ループ（例えば、過冷却ループ６又は８）との間接熱交換によって冷却されて膨張した供給ガス流を更に冷却する段階とを更に含む。

引き続いて図４を参照すると、液化処理に入る前に供給ガス流１０の圧力を上昇させるために、圧縮ユニット２５が使用される。従って、供給ガス流１０は、それが供給ガス供給圧力を超える圧力まで又は１つ又はそれよりも多くの他の実施形態では約１２００ｐｓｉａよりも大きい圧力まで圧縮される圧縮ユニット２５に送られる。代替的に、供給ガス流１０は、約１３００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１４００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１６００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１７００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１８００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１９００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約３０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮される。圧縮後に、供給ガス流１０は、それが熱交換区域５６に送られる前に冷却される冷却器３３に送られる。圧縮ユニット２５が、圧縮冷媒流１２に対して望ましい圧力よりも低い圧力まで供給ガス流１０（従って、副流１１）を圧縮するために用いられる限り、圧縮ユニット２０は、圧力を押し上げるために用いることができることが分るであろう。

上述のような供給ガス流１０の圧縮は、３つの利点を提供する。第１に、供給ガス流の圧力を増大することにより、仕事膨張装置４２及び４３の冷却性能が高まる結果と共に、副流１１ｂ及び１１ｃの圧力も増大する。第２に、熱交換区域内の熱伝達係数が改善される。従って、１つ又はそれよりも多くの実施形態では、本明細書に説明するＬＮＧを生成するための処理は、本明細書に説明する他の実施形態のいずれかによって実施され、供給ガスは、熱交換区域に入る前に上述の圧力まで圧縮される。更に他の実施形態では、本方法は、複数の仕事膨張装置から供給ガス流に補足冷却を供給する段階を含み、仕事膨張装置の各々は、供給ガス流の一部分を膨張させ、それによって１つ又はそれよりも多い膨張した冷却された副流を形成するためにその部分を冷却し、仕事膨張装置内で膨張した供給ガス流の部分の各々は、供給ガス流冷却の異なる段階で（すなわち、異なる供給ガス流温度で）供給ガス流から回収され、１つ又はそれよりも多い膨張した冷却された副流との間接熱交換によって供給ガス流を冷却する。

更に他の実施形態では、上述の供給ガスの部分の各々は、膨張前に、約１２００ｐｓｉａよりも大きく、又は約１３００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１４００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１６００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１７００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約１８００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい、約１９００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約２５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しく、又は約３０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力を有する。更に他の実施形態では、本方法は、本明細書に説明する他の実施形態のいずれかであり、加圧供給ガス流を生成するために上述の圧力のいずれかに対して供給ガス流を圧縮する段階と、仕事膨張装置又は複数の仕事膨張装置に加圧供給ガス流を供給する段階と、供給ガス流に補足冷却を供給するために仕事膨張装置又は複数の仕事膨張装置を通して圧縮供給ガス流を膨張させる段階とを更に含む。

上述のような供給ガス流の圧縮によって得られる第３の利点は、膨張器３５が、過冷却ループ８にかかる冷却負荷を更に低減することができる結果と共に、膨張器３５の冷却機能が改良されることである。圧縮ユニット２５及び／又は膨張器３５はまた、本明細書に説明する他の実施形態に有利に加えてこれらの実施形態で使用する過冷却ループにかかる冷却負荷の類似の減少又は冷却における他の改良点を提供することができること、及び圧縮ユニット２５及び膨張器３５は、本明細書のあらゆる実施形態において互いに単独で用いることができることが分るであろう。更に、膨張器３５（又は、仕事膨張装置４２及び４３）の冷却機能は、供給流れがＬＮＧの沸点圧力を超える圧力で供給される限り、供給流れの圧縮なしでさえも改良されることになることが同様に分るであろう。例えば、供給ガスが、供給ガスの圧縮がもたらす上述の圧力のいずれかで供給される場合、このような圧力の利点は、明らかに付加的な圧縮なしに得ることができることになる。従って、特許請求の範囲を含む本明細書を解釈する上で、約１２００ｐｓｉａを超える圧力を有する流れを膨張させるための仕事膨張装置及び／又は膨張器３５の使用は、圧縮ユニット２５又はあらゆる他の圧縮機又は圧縮段階の使用又は存在が必要であると解釈すべきではない。

図５は、図４に示す実施形態に類似した本発明の方法によりＬＮＧを生成するための第５の実施形態の概略流れ図であるが、過冷却を供給するために更に別の膨張段階を使用するものである。図５を参照すると、過冷却ループ８は、図５に示す実施形態には存在しないことが分るであろう。代わりに、副流１１ｄは、流れ１０ｂから取り除かれ、それが膨張してその結果冷却されて膨張流１３ｄを形成する膨張装置１０５に送られる。膨張装置１０５は、仕事発生膨張器であり、その多くの種類は容易に入手可能である。このような装置の例示的かつ非限定的な例は、液体膨張器及び水力タービンを含む。膨張流１３ｄは、熱交換区域５９、５８、５７、及び５６を通過して、これらの熱交換区域に対する冷凍負荷の少なくとも一部を供給する。図５から分るように、流れ１０ｂはまた、膨張流１３ｄとの間接熱交換によって及びフラッシュ蒸気流１６によって冷却される。従って、１つ又はそれよりも多くの実施形態では、本発明の方法は、最終熱交換段階前（例えば、熱交換区域５９前）に膨張器３５内の冷却ガス流（供給ガス流１０）の少なくとも一部分を膨張させて、膨張した冷却されたガス流（例えば、流れ１０ｂ）を生成する段階と、仕事発生膨張器に膨張した冷却されたガス流の一部分を送る段階と、仕事発生膨張器内で膨張した冷却されたガス流を更に膨張させる段階と、仕事発生膨張器から現れる流れ（例えば、流れ１３ｄ）を熱交換区域に送って、膨張した冷却されたガス流を熱交換区域内で間接熱交換によって更に冷却する段階とを更に含む。
熱交換区域５６を出ると、膨張流１３ｄは、それが再圧縮され、圧縮ユニット６１及び６２から現れる流れと組み合わされ、冷却され、次に、元の通りの供給流れに再利用される流れ１４ａの一部を形成する圧縮ユニット９５に送られる。

図６に示す別の実施形態は、過冷却ループ６が、熱交換区域５０を出た後に再圧縮され、冷却された過冷却冷媒流が膨張器４１を通って膨張する前に熱交換区域５５で更に冷却されるように修正されていることを除いては、図１に示して上述した実施形態と類似である。この実施形態は、膨張器４１後にあまり凝縮を示さない冷却流体が用いられる場合に好ましい。

図７は、過冷却ループ６ａが供給ガス１０の一部分を用いる別の実施形態を示している。供給ガス１０のこの部分は、図４と同じ方法で圧縮機２５内で再加圧され、２０１から冷却器３３内で冷却される。

図８は、過冷却ループ６の代替配置を示す、図７と類似の別の実施形態である。供給ガス１０の組成に応じて、過冷却ループ内で凝縮を防止し、十分なライン圧力を保証するために、付加的な圧縮機（図示せず）を用いることができる。
図９は、ある一定の供給ガス１０組成及び／又は圧力で用いるための実施形態を示している。ＬＮＧ収集のために冷却されている供給ガス１０の冷却曲線を、過冷却熱交換区域５５における冷却に用いられている供給ガス１０のその部分の冷却曲線に対してより良く適合させるために、過冷却ループ６に進む冷媒ガスのこの部分の分担部分を更に膨張することが必要であろう。これは、過冷却ループ６に補足冷却を供給するために、膨張弁８２又は他の膨張器（例えば、ジュール−トンプソン弁）を用いて実施される。

図１０は、供給ガス１０組成に基づいて窒素排除が必要である場合に、蒸留塔８１又は同等装置を用いる窒素排除段階の統合を示す別の実施形態を表している。これは、伝送及び最終用途に対して製品ＬＮＧの窒素仕様を合わせるのに必要であろう。

図１１は、窒素排除ユニットからのフラッシュ蒸気が過冷却ループのための冷媒として用いられる窒素排除ユニットの統合を示す別の実施形態を表している。従って、得られる冷媒は、窒素に富むものである。

図４に示す実施形態を例示するために、仮想質量及びエネルギ均衡が実施され、結果を以下の表に示している。データは、「ＨＹＳＹＳ（登録商標）」（カナダ、カルガリー所在の「Ｈｙｐｒｏｔｅｃｈ Ｌｔｄ．」から入手可能）と呼ばれる市販の処理シミュレーションプログラムを用いて得られたが、データを作成するために、当業者がよく知っている例えば「ＨＹＳＩＭ（登録商標）」、「ＰＲＯＩＩ（登録商標）」、及び「ＡＳＰＥＮ ＰＬＵＳ（登録商標）」を含む他の市販の処理シミュレーションプログラムを用いることができる。この実施例では、供給ガス流１０が、モルパーセントで、Ｃ₁：９０．２５％、Ｃ₂：５．７０％、Ｃ₃：０．０１％、Ｎ₂：４．０％、Ｈｅ：０．０４％の組成を有すると仮定した。表に呈したデータは、図４に示す実施形態をより良く理解するために提供するものであるが、本発明は、不必要にそれに限定されるように解釈されないものとする。温度、圧力、及び流量は、本明細書の教示を考慮して多くの変動を有する可能性がある。状態点２０１から２１４（図４に示す位置で）で計算した特定の温度、圧力、及び流量を表に列挙している。

本方法の一実施形態では、最終熱交換区域から現れる流れの温度を制御することにより、フラッシュ蒸気流１６の容積は、圧縮ユニット及び他の機器の燃料要件に適合するように制御される。例えば、図４を参照すると、状態点２０７における温度は、燃料要件によってより多いか又は少ないフラッシュ蒸気（流れ１６）を生成するように制御することができる。状態点２０７でのより高い温度は、結果としてより多くのフラッシュ蒸気（従って、より多くの入手可能燃料）の生成をもたらすことになり、逆もまた同じである。代替的に、温度は、フラッシュ蒸気流量が燃料要件よりも高くなり、燃料流量要件を超える過剰流量が圧縮及び冷却後に再利用することができるように調節することができる。

（表）

当業者、特に本明細書の教示の恩典を受ける者は、上記開示された特定的な実施形態に対する多くの修正及び変形を認識するであろう。例えば、一実施形態に示す特徴を他の実施形態に加えて付加的な実施形態を形成することができる。すなわち、具体的に開示した実施形態及び実施例は、特許請求の範囲によって判断される本発明の範囲を限定又は制限するように用いるべきではない。

本発明の方法によりＬＮＧを生成するための一実施形態の概略流れ図である。 圧縮、冷却、かつ膨張させられるループにおけるガス状冷媒が供給ガスから切り離され、従って供給ガスと異なる組成を有する場合があることを除いて図１に示す処理に類似しているＬＮＧを生成するための第２の実施形態の概略流れ図である。 効率改善のための複数の仕事膨張段階を用いる本発明の方法によりＬＮＧを生成するための第３の実施形態の概略流れ図である。 図３に類似の複数の仕事膨張段階を用いるが、付加的な膨張段階並びに供給ガスの圧縮も組み込んで膨張段階の性能を改善する本発明の方法によりＬＮＧを生成するための第４の実施形態の概略流れ図である。 図４に示す実施形態に類似しているが、処理ガスの付加的な副流及び膨張を使用して過冷却をもたらす本発明の方法によりＬＮＧを生成するための第５の実施形態の概略流れ図である。 過冷却ループのための冷媒が膨張前に過冷却熱交換器内で冷却される図１及び図２に示す実施形態に類似の別の実施形態を示す図である。 過冷却ループが供給ガスに結合した別の実施形態を示す図である。 過冷却ループの代替配置を示す別の実施形態を示す図である。 図８のものと類似の実施形態であるが、膨張弁、ジュール−トンプソン弁、又は類似の膨張装置が過冷却器の効率改善に用いられる過冷却器を通る分割膨張流が用いられている図である。 窒素排除が必要と考えられる状況に対して窒素排除段階が組み込まれた別の実施形態を示す図である。 過冷却ループのための冷媒が窒素排除ユニットからのフラッシュ蒸気に由来し、従って窒素含有量に富む更に別の実施形態を示す図である。

符号の説明

５ 膨張器ループ
６ 過冷却ループ
１０ 供給ガス流
１１ 副流

Claims (22)

1. メタンが豊富なガス流を液化する方法であって、
   １、０００ｐｓｉａ未満の圧力でガス流を準備する段階、
   １、０００ｐｓｉａ未満の圧力で冷媒を準備する段階、
   前記冷媒を１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮して圧縮冷媒を準備する段階、
   前記圧縮冷媒を冷却流体との間接熱交換によって冷却する段階、
   前記圧縮冷媒を膨張させて該圧縮冷媒を更に冷却し、それによって膨張して冷却された冷媒を生成する段階、
   前記膨張して冷却された冷媒を熱交換区域に送る段階、及び
   前記ガス流を前記熱交換区域に通して該ガス流の少なくとも一部を前記膨張して冷却された冷媒との間接熱交換によって冷却し、それによって冷却ガス流を形成する段階、
   を含むことを特徴とする方法。
2. １、０００ｐｓｉａ未満の圧力で冷媒を準備する段階が、該冷媒として用いるために前記ガス流の一部分を回収する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガス流の前記部分は、該ガス流が前記熱交換区域に送られる前に回収されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ガス流の前記部分は、前記熱交換区域から回収されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. メタンが豊富なガス流を液化する方法で生成されたフラッシュ蒸気で充填した閉ループを用いて、前記熱交換区域に対する冷凍負荷の少なくとも一部分を供給する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記冷却ガス流の少なくとも一部分を膨張させて膨張した冷却されたガス流を生成する段階と、
   前記フラッシュ蒸気で充填した前記閉ループとの間接熱交換により、前記膨張した冷却されたガス流を更に冷却する段階と、
   を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記冷却ガス流の少なくとも一部分を膨張させて膨張した冷却されたガス流を生成する段階と、
   １つ又はそれよりも多くの付加的な熱交換区域における間接熱交換により、前記膨張した冷却されたガス流を更に冷却する段階と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 装置の各々が、前記供給ガス流の一部分を膨張させ、それによって該部分を冷却して１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流を形成し、かつ装置内で膨張した該供給ガス流の該部分の各々が、供給ガス流冷却の異なる段階で該供給ガス流から回収される複数の仕事膨張装置を用いて前記ガス流を冷却する段階と、
   前記供給ガス流を前記１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流との間接熱交換によって冷却する段階と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記ガス流の１つ又はそれよりも多くの部分を回収する段階と、
   前記ガス流の前記１つ又はそれよりも多くの部分の各々を１つ又はそれよりも多くの仕事膨張装置に送り、該ガス流の該１つ又はそれよりも多くの部分の各々を膨張させて該１つ又はそれよりも多くの部分を膨張させて冷却し、それによって１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流を形成する段階と、
   前記１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流を少なくとも１つの熱交換区域に送る段階と、
   前記ガス流を前記少なくとも１つの熱交換区域に通す段階と、
   前記１つ又はそれよりも多くの膨張して冷却された副流との間接熱交換により、前記ガス流を少なくとも部分的に冷却する段階と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記ガス流は、最初にガス供給圧力を超える圧力まで圧縮されることを特徴とする請求項６、請求項７、請求項８、又は請求項９に記載の方法。
11. 最終熱交換段階前かつＬＮＧを生成する膨張の前の前記冷却されたガス流の膨張段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 最終熱交換段階前に前記冷却されたガス流の少なくとも一部分を膨張させて、膨張した冷却されたガス流を生成する段階と、
    前記膨張した冷却されたガス流の一部分を仕事発生膨張器に送り、該膨張した冷却されたガス流の該部分を該仕事発生膨張器内で更に膨張させる段階と、
    前記仕事発生膨張器から現れる流れを熱交換区域に送り、前記膨張した冷却されたガス流の残りを該熱交換区域における間接熱交換によって更に冷却する段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記冷媒は、３、０００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮されて圧縮冷媒をもたらすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記熱交換区域は、複数の熱交換チャンバを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記ガス流を受け取って、過冷却ガス流を準備するために第２の冷媒の膨張によって冷却される過冷却熱交換区域、
    を更に含み、
    前記過冷却ガス流の最終膨張及びＬＮＧの回収がそれに続いている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記第２の冷媒は、メタンが豊富な前記ガス流の一部分であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２の冷媒は、該第２の冷媒の膨張前に前記過冷却熱交換区域において過冷却されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記メタンが豊富なガス流は、前記熱交換区域を通過する前に再加圧され、前記冷却されたガス流は、膨張させられ、該膨張した冷却されたガス流の一部分は、更に膨張させて、前記過冷却熱交換区域における前記第２の冷媒として用いられることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記過冷却ガス流の一部分が、膨張させられ、その一部分が、前記第２の冷媒であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
20. 前記過冷却ガス流の前記部分は、２つの部分流れに分割され、該部分流れの一方は、更に膨張させられ、かつ該部分流の両方は、前記第２の冷媒を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. ＬＮＧ回収と共に窒素を除去する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
22. メタンが豊富なガス流を液化する方法であって、
    １、０００ｐｓｉａ未満の圧力でガス流を準備する段階と、
    閉ループに冷媒を供給する段階と、
    前記冷媒を１５００ｐｓｉａよりも大きいか又は等しい圧力まで圧縮して圧縮冷媒を準備する段階と、
    前記圧縮冷媒を冷却流体との間接熱交換によって冷却する段階と、
    前記圧縮冷媒を膨張させて該圧縮冷媒を更に冷却し、それによって膨張して冷却された冷媒を生成する段階と、
    前記膨張して冷却された冷媒を熱交換区域に送る段階と、
    前記ガス流を前記熱交換区域に通し、該ガス流の少なくとも一部を前記膨張して冷却された冷媒との間接熱交換によって冷却する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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