JP2009544911A - 液体流を気化するための方法及び装置 - Google Patents

液体流を気化するための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

本発明は液体流を気化する方法であって、ａ）閉回路（４）中を循環させる熱媒流体を第１の伝熱ゾーン（２）に送る工程；ｂ）気化させる液体流（２０）を第１の伝熱ゾーン（２）に送る工程；ｃ）第１の伝熱ゾーン（２）における伝熱表面にて前記熱媒流体から前記液体流に熱を与えることで前記液体流を気化させると共に前記熱媒流体を少なくとも部分的に凝縮させる工程；ｄ）気化させた液体流（３０）を取り出す工程；ｅ）前記少なくとも部分的に凝縮させた熱媒流体を取り出して第２の伝熱ゾーン（３）に送る工程；ｆ）第２の伝熱ゾーン（３）における伝熱表面にて周囲空気から前記少なくとも部分的に凝縮させた熱媒流体に熱を与えることで前記熱媒流体を気化させる工程；ｇ）前記気化させた熱媒流体を第１の伝熱ゾーン（２）に循環させる工程；を少なくとも含み、工程ｇ）において、前記閉回路（４）中を循環させる前記熱媒流体に作用する重力を用いて前記熱媒流体を循環させる、前記方法に関する。

Description

本発明は液体流を気化するための方法、特に液化天然ガス（ＬＮＧ）などの液体の炭化水素流を気化するための方法に関する。特に、本発明はＬＮＧ輸入ターミナルでのＬＮＧの気化（しばしば「再ガス化」ともいう）に関する。
通常、ＬＮＧは主として様々な量のエタン、プロパン及びブタンと微量のペンタン及び重質炭化水素成分とを含有した液化メタンである。通常、ＬＮＧには芳香族炭化水素や（Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ及び他の硫黄化合物などの）非炭化水素などは少ない。というのは、通常これらの成分は天然ガス流を液化する前に少なくとも部分的に取り除かれ、それから液体の状態で貯蔵又は輸送されるからである。説明のため、「炭化水素流」、「ＬＮＧ」又は「天然ガス」は特定の組成に限定して解釈されるべきでなく、一般の液体流、特に炭化水素含有流と考えるべきである。
いくつかの理由により天然ガスを液化するのが望ましい。例として、天然ガスはガスの状態よりも液体としての方が占める体積が小さく、高圧で貯蔵する必要もないので、容易に貯蔵し長距離を輸送できる。
通常、ＬＮＧ流を再ガス化するためには、加圧して気化させる。必要なら、ガス規格や顧客の要求に従って所望のガス品質、例えば選ばれた発熱量（すなわちガスが燃焼する場合のエネルギー含有量）を有する天然ガスを得るために、選ばれた量の例えばＮ２が加えられる。別法として又はそれに加えて、所望の量のエタン及び／又は重質炭化水素を天然ガスから取り除くか又は天然ガスに加えることによって、天然ガスの発熱量を調節できる。
いわゆる「中間流体型」ＬＮＧの再ガス化又は気化の方法の例が、ＵＳ２００５／０２７４１２６Ａ１に開示されている。詳しくは、ＵＳ２００５／０２７４１２６には、ＬＮＧなどの低温流体を気化させるための方法及び装置が記載されており、中間の熱媒流体がまず伝熱表面にて周囲空気により加熱され、次に伝熱表面が熱を与えて低温流体を気化させる。
ＬＮＧを再ガス化又は気化する公知の方法の問題は、相対的に高い資本的支出（ＣＡＰＥＸ）を行わなければならないことである。
本発明の目的は上記の問題を最小限に抑えることである。
別の目的は、液体流を気化するための、特にＬＮＧを再ガス化するための中間流体型の代替方法を提供することである。
上記の目的又は他の目的のうち１つ又はそれより多くが、
液体流、特に液化天然ガスなどの液体炭化水素流を気化する方法であって、
ａ）閉回路中を循環させる熱媒流体を第１の伝熱ゾーンに送る工程；
ｂ）気化させる液体流を第１の伝熱ゾーンに送る工程；
ｃ）第１の伝熱ゾーンにおける伝熱表面にて前記熱媒流体から前記液体流に熱を与えることで前記液体流を気化させると共に前記熱媒流体を少なくとも部分的に凝縮させる工程；
ｄ）工程ｃ）で得られた気化させた液体流を取り出す工程；
ｅ）工程ｃ）で得られた前記少なくとも部分的に凝縮させた熱媒流体を取り出して第２の伝熱ゾーンに送る工程；
ｆ）第２の伝熱ゾーンにおける伝熱表面にて周囲空気から前記少なくとも部分的に凝縮させた熱媒流体に熱を与えることで前記熱媒流体を気化させる工程；
ｇ）前記気化させた熱媒流体を第１の伝熱ゾーンに循環させる工程；
を少なくとも含み、
工程ｇ）において、前記閉回路中を循環させる前記熱媒流体に作用する重力を用いて、前記熱媒流体を循環させる、前記方法
を提供する本発明により達成される。
驚くべきことに、本発明による方法を用いれば、ＣＡＰＥＸを著しく下げ得ることが分かった。本発明により閉回路において熱媒流体を循環させるために熱媒流体に働く重力を使用するので、ポンプなどの費用を最小限に抑えることができる。特定の場合には閉回路に熱媒流体を循環させるためにポンプがまったく不要となる。
本発明の別の利点は、本発明による方法を用いることにより、液体流を気化するのに必要な敷地スペースを小さくできることである。
好ましくは工程ｅ）において熱媒流体が下向きに第１の伝熱ゾーンから第２の伝熱ゾーンに流れる。さらに、工程ｇ）において熱媒流体が上向きに第２の伝熱ゾーンから第１の伝熱ゾーンに流れるのが好ましい。
このようにして重力により熱媒流体が循環できる。この効果と、下向きに流れる熱媒流体の部分と上向きに流れる熱媒流体の部分の密度差とが組み合わされることで、閉回路内での熱媒流体の循環用の機械ポンプを最小化できる。
熱媒流体は動作条件下で任意の適当な流体とすることができ、プロパンやブタンなどの炭化水素、フレオンなどのハロゲン化炭化水素、アンモニア、グリコール−水混合物、蟻酸塩−水混合物、メタノール、プロパノールなどが挙げられる。
好ましくは、熱媒流体の沸点は、閉回路中の支配的な圧力にて５℃未満、好ましくは−１０〜０℃である。好ましくは、熱媒流体は、ＣＯ２、エタン、エテン、プロパン、プロペン、ブタン、及びそれらの混合物からなる群から選ばれた化合物を含む。
特に好ましい実施態様によると、熱媒流体は９０モル％より多いＣＯ２、より好ましくは約１００モル％のＣＯ２を含む。ＬＮＧの気化に使用される場合にＣＯ２の重要な利点は、閉回路において熱媒流体の漏れが生じた場合、ＣＯ２が漏洩地点にて凝固するので、漏洩地点を小さくしあるいは塞ぎさえすることである。また、ＣＯ２は閉回路から漏れても可燃性の混合物を生じない。ＣＯ２の沸点は３０〜３５バールの圧力にて−５．８〜−０．１℃である。
当業者ならば、第１及び第２の伝熱ゾーンが様々な構成をとり得ること、及び本発明はそれぞれの流れ間で適当な伝熱接触が可能であるならば特定の構成に限定されないことを理解するであろう。好ましくは、第１の伝熱ゾーンと第２の伝熱ゾーンとの伝熱接触は間接的であり、すなわちそれぞれの流れ間で物理的な接触は生じない。ＬＮＧの再ガス化の場合における第２の伝熱ゾーンの好ましい例では、いわゆる「ヒートパイプ」の原理（又は「二相閉熱サイホン」の原理）が利用される。「ヒートパイプ」の原理自体は公知であるので（例えばＵＳ３２２９７５９及びＵＳ５４８５６７０参照）、ここでは更なる説明は行わない。
さらに、当業者ならば、第１及び第２の伝熱ゾーンが複数の伝熱表面を備えてよいことを容易に理解するであろう。また、熱媒流体用の１以上の閉回路を、各伝熱表面又は任意の伝熱表面に対して使用してもよい。
別の態様では、本発明は、液体流、特に液化天然ガスなどの液体炭化水素流を気化するための装置であって、
- 気化される液体流が熱媒流体に対して熱交換できる伝熱表面を有する第１の伝熱ゾーンと； - 前記熱媒流体が周囲空気に対して熱交換できる伝熱表面を有する第２の伝熱ゾーンと； - 前記熱媒流体のための閉回路と；
を少なくとも備え、前記第２の伝熱ゾーンが前記第１の伝熱ゾーンよりも重力的に低いところに配置されている、前記装置に関する。
好ましくは、第１の伝熱ゾーンは気化する液体のために複数の実質的に平行な管を備える。さらに、これらの管の壁の少なくとも一部を第１の伝熱ゾーンにおける伝熱表面として使用できるのが好ましい。
好ましい実施態様によると、第１の伝熱ゾーンは支持フレームにより支持される。好ましくは、熱媒流体の閉回路が支持フレームの一部を形成する。さらに、１以上の閉回路が存在し、この１以上の閉回路が１以上の支持フレームにおける１以上の支持脚を形成するのが好ましい。特に洗練された実施態様では、支持フレームが備える第１の支持脚と第２の支持脚とが、それらの間に一定の角度αを形成し、好ましくは３０〜９０°、好ましくは約６０°の角度αを形成する。その結果、閉回路において熱媒流体の循環のためにポンプが存在しない場合もあり得る。
さらに別の態様では、本発明は熱媒流体として又はその一成分としてＣＯ２を使用する。特に、熱媒流体が流体の気化に用いられる場合、気化される流体の温度は、５℃未満、好ましくは−１７０〜０℃である。
以下、限定するものではないが下記図面により本発明をさらに説明する。
本発明の装置を組み込んだ典型的なプロセス構成を概略的に示す。 本発明の第１の実施態様による装置の斜視図である。 本発明の第２の実施態様による装置の斜視図である。 図３の装置の断面図である。 本発明の第３の実施態様による装置の断面図である。 本発明の第４の実施態様による装置の断面図である。 本発明の第５の実施態様による装置の断面図である。 本発明の第６の実施態様による装置の断面図である。 本発明の第７の実施態様による装置の断面図である。 本発明の第８の実施態様による装置の断面図である。
説明のため、１つの管路とその管路で運ばれる流れとに１つの参照番号を割り当てる。同じ参照番号は同種の構成要素を示す。
図１は本発明の装置（参照番号１で全体的に示す）が組み込まれたプロセス構成１００を概略的に示す。詳しくは、図１はＬＮＧ輸入ターミナルでの再ガス化の構成を示す。
液化天然ガス１０用のＬＮＧ貯蔵タンク５から、（通常は過冷されている）ＬＮＧ流２０がポンプ７を用いることにより取り出される。ポンプ７がＬＮＧ２０を気化器（又は「再ガス化装置」）１の入口１１に送り、この気化器１において熱媒流体（後で図２を参照して説明する）を用いることによりＬＮＧが気化されることで、ガス状の天然ガス流３０が得られる。このガス状の天然ガス流３０は（出口１２から取り出された後に）グリッド又はガス管網６に送ことができる。ＬＮＧ流２０を貯蔵タンク５ではなく別の供給源から、例えばＬＮＧ輸送船の取り出し管路から直接的に得ることもできることは当然である。さらに、必要なら、熱媒流体、ＬＮＧ流２０又は（部分的にのみ）気化された流れ３０に余分な熱を与えることで、ガス管網６に送られる前に流れ３０中のすべてのＬＮＧが確実に気化されるように、加熱炉などの予備のヒーター（図示せず）を設けてもよい。
図２は本発明の第１の実施態様による気化器（又は再ガス化装置）１の斜視図を概略的に示す。
気化器１は伝熱表面を有する第１の伝熱ゾーン２を備え、この伝熱表面において気化されるＬＮＧが閉回路４中を循環している熱媒流体に対して熱交換することができる。好ましくは熱媒流体はＣＯ２である。熱媒流体の圧力は、伝熱を最大にし且つ装置１の外側での氷の形成を最小にするための周囲条件に依存して変わり得る。
第１の伝熱ゾーン２は閉鎖箱１５を含み、気化されるＬＮＧ流（図１において２０で示す）のための複数の実質的に平行な管８（破線で示す）が閉鎖箱１５内に収容される。このために、ＬＮＧ流２０が管８の入口２１に送り込まれる（これらの入口２１はＬＮＧ入口１１などの気化器１の合同入口に連結され得る）。図２の実施態様では、管８の壁は第１の伝熱ゾーン２の伝熱表面として使用され、第１の伝熱ゾーン２では、閉回路４中を循環する熱媒流体が、管８の壁と箱１５の内壁とにより形成される空間内において管８の周りを自由に流れることができる。このために、熱媒流体が入口１６にて箱１５に送り込まれ、出口１７にて箱１５から取り出される。
第１の伝熱ゾーン２は支持フレーム９により支持される。 さらに、気化器１は第２の伝熱ゾーン３を備え、この第２の伝熱ゾーン３では、閉回路４中を循環する熱媒流体が周囲空気に対して熱交換を行うことができる。
図２の実施態様では、第２の伝熱ゾーン３だけでなく熱媒流体の閉回路４も支持フレーム９の一部を形成する。その結果、第２の伝熱ゾーン３は第１の伝熱ゾーン２よりも重力的に低いところに配置される。
第２の伝熱ゾーン３における周囲空気と熱媒流体との改善された間接伝熱を実現するために、例えば貫通孔１３が支持フレーム９に設けられる。間接伝熱が生じるので、閉回路４において空気と熱媒流体との直接的な接触はない。貫通孔１３がスリット状の形状を含めて任意の適当な形状をとり得ることは当然である。
必要なら、周囲空気の循環を強めて第２の伝熱ゾーン３における熱媒流体と周囲空気との伝熱を改善するために、送風機（１４；例えば図４に示す）を設けてもよい。また、伝熱を改善するために例えばフィン（１９；例えば図５参照）や溝などを用いて第２の伝熱ゾーン３の表面を改造してもよい。
図２の実施態様の使用中、閉回路４中の熱媒流体と気化されるＬＮＧとが第１の伝熱ゾーン２に（順次又は同時に）送られる。それから、第１の伝熱ゾーン２内での管８の壁における熱媒流体とＬＮＧとの間接熱交換接触により、ＬＮＧが加熱されて気化状態にて（図１の出口１２にて流れ３０として）第１の伝熱ゾーン２から出て行く。
熱媒流体は第１の加熱ゾーン２において冷却されることで少なくとも部分的に凝縮する。続いて、この少なくとも部分的に凝縮した熱媒流体が第２の伝熱ゾーン３に送られ、第２の伝熱ゾーン３における伝熱表面にて周囲空気により加熱される。その結果、熱媒流体は気化されて第１の伝熱ゾーン２に循環される。必要なら、熱媒流体を加熱するために追加の熱を（周囲空気に加えて）用いてもよい。この追加の熱は例えば太陽電池などから得ることもできる。
閉回路４中の熱媒流体は重力を用いて循環させる。この重力は、閉回路４において下向きに流れる（より冷たくより重い）熱媒流体の部分４０Ａと上向きに流れる（より暖かくより軽い）熱媒流体の部分４０Ｂとの密度差と相まって、閉回路４内の熱媒流体の循環用の機械ポンプを最小化することを可能にする。好ましい実施態様では、閉回路４において熱媒流体を循環させるためにポンプがまったく使用されない。
図２では、下向きに流れる部分４０Ａと上向きに流れる部分４０Ｂとは、好ましくは孤立した分離壁１８によって分離される。必要なら、第２の伝熱ゾーン３での気流を改善するために、第２の伝熱ゾーン３は、下向きに流れる部分４０Ａと上向きに流れる部分４０Ｂのための別々の管又は管束を備えてもよい。その場合には、分離壁１８を（少なくとも部分的に）省略できる（図５も参照）。
図３は本発明の第２の実施態様による装置の斜視図を概略的に示す。図３では、２以上の閉回路（４ａ及び４ｂで示す）が、熱媒流体を循環させるために用いられる。第１の伝熱ゾーン２と第２の伝熱ゾーン３との間で熱媒流体を循環させるために、任意の適当な数の（通常平行な）閉回路を使用できることは当然である。また図２に関しても説明したように、第２の伝熱ゾーン３の閉回路４ａ及び４ｂは、下向きに流れる部分４０Ａと上向きに流れる部分４０Ｂのために別々の管又は管束を備えてもよい。
図３の実施態様では、閉回路４ａ、４ｂは第１の伝熱ゾーン２のための支持フレーム９の一部を形成し、閉回路４ａ、４ｂはそれぞれ支持フレーム９における第１の支持脚及び第２の支持脚として用いられる。閉回路４ａ、４ｂとは別に、第１の加熱ゾーン２を支持するために更なる構造要素を設けてもよいことは当然である。
図４は図３の装置１の断面図を概略的に示す。図示されているように、角度αは支持フレーム９の支持脚によって規定される。閉回路４ａ及び４ｂが支持フレーム９の一部を形成する。好ましくは、角度αは３０〜９０°であり、好ましくは約６０°である。
さらに、図４では、周囲空気を閉回路４ａ及び４ｂの外側に沿って送ることで周囲空気と閉回路４中の熱媒流体との間での伝熱を改善するために、送風機１４を使用することが示されている。必要なら、周囲空気をどのように方向付けるか（下向き、上向き、一定の角度で等々）に依存して、図示された位置以外に送風機１４を配置することもできる。 必要なら、複数の装置１を互いに隣り合うように配置してもよい（図５も参照）。
図５〜１０は本発明による装置１の別の実施態様についての断面図を概略的に示す。
図５には、複数の装置１が並列に示されている。図５に示される装置１では、熱媒流体の下向きに流れる部分４０Ａと上向きに流れる部分４０Ｂの間には分離壁１８は存在せず、それらの部分のために別々の管（又は管束）が設けられている。
図５に示されるように、周囲空気を閉回路４ａ及び４ｂの外側に沿って強制的に送るために、隣接した２つの装置１が同じ１つの送風機１４を共用することができる。図５では、装置１の上側部分の近くに送風機１４が示されており、周囲空気を下方向に強制している。当業者ならば、送風機１４を他の位置に配置できることが理解されよう。
また、図５には閉回路の外側にフィン１９などの伝熱改善装置を設けてもよいことが示されている。フィン１９の代わりに、例えば溝なども使用できる。図５に示されているように、必要に応じてより少ないフィン又はより多いフィンを閉回路の外側に設けることもできる。
図６では、箱１５が長方形の構成をしている。さらに、送風機１４が地面又は地面の近くに配置され、周囲空気を上方向に強制している。
図７には、熱媒流体の上向きに流れる部分４０Ｂが箱１５の出口１７よりも重力的に高い地点（入口１６）にて箱１５に再び導入されることが示されている。
図８には、支持フレーム９が１つの支持脚を備えることが示されている。また、（図７と同様に）熱媒流体の上向きに流れる部分４０Ｂが箱１５の出口１７よりも重力的に高い入口１６にて箱１５に再導入されることが示されている。
図９は「チューブ・イン・チューブ」型の構成を示し、熱媒流体の下向きに流れる部分４０Ａが熱媒流体の上向きに流れる部分４０Ｂにより包囲されている（ただし上向きに流れる部分４０Ｂからは壁１８によって熱的に絶縁されている）。
図１０は分離壁（１８：図４参照）が存在しない実施態様を示す。図１０の実施態様では、閉回路４ａ、４ｂの内側の少なくとも一部（すなわち熱媒流体が流れる管又はパイプ）には、これらの閉回路の表面に沿ったより良い液体分布を得るために、接着増強材料からなるライニング２２が設けられる。このライニング２２を形成する接着増強材料は、例えば導電性の多孔性又はスポンジ材料の形態としてもよいし、押形付き表面又はでこぼこの表面としてもよい。
図１０の実施態様によると、第１の伝熱ゾーン２から来る液体熱媒流体は第２の伝熱ゾーン３上のライニング２２を介して配送される。第２の伝熱ゾーン３における液体熱媒流体の気化の後、気化した熱媒流体が上昇して第１の伝熱ゾーン２に循環される。
図１０では、閉回路４ａ、４ｂの内側の一部のみに、接着増強材料のライニング２２が設けられている。必要なら、閉回路４ａ及び４ｂのすべての壁又は実質的にすべての壁にこのようなライニング２２を設けてもよい。
当業者ならば、本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更を行い得ることを容易に理解するであろう。
ＵＳ２００５／０２７４１２６Ａ１ ＵＳ３２２９７５９ ＵＳ５４８５６７０
１ 気化器
２ 第１の伝熱ゾーン
３ 第２の伝熱ゾーン
４ 閉回路
５ ＬＮＧ貯蔵タンク
６ グリッド又はガス管網
７ ポンプ
８ 管
９ 支持フレーム
１０ 液化天然ガス
１１ 入口
１２ 出口
１３ 貫通孔
１４ 送風機
１５ 閉鎖箱
１８ 分離壁
１９ フィン
２０ ＬＮＧ流
３０ ガス状の天然ガス流

Claims (12)

  1. 液体流、特に液化天然ガス（２０）などの液体炭化水素流を気化する方法であって、
    ａ）閉回路（４）中を循環させる熱媒流体を第１の伝熱ゾーン（２）に送る工程；
    ｂ）気化させる液体流（２０）を第１の伝熱ゾーン（２）に送る工程；
    ｃ）第１の伝熱ゾーン（２）における伝熱表面にて前記熱媒流体から前記液体流に熱を与えることで前記液体流を気化させると共に前記熱媒流体を少なくとも部分的に凝縮させる工程；
    ｄ）工程ｃ）で得られた気化させた液体流（３０）を取り出す工程；
    ｅ）工程ｃ）で得られた前記少なくとも部分的に凝縮させた熱媒流体を取り出して第２の伝熱ゾーン（３）に送る工程；
    ｆ）第２の伝熱ゾーン（３）における伝熱表面にて周囲空気から前記少なくとも部分的に凝縮させた熱媒流体に熱を与えることで前記熱媒流体を気化させる工程；
    ｇ）前記気化させた熱媒流体を第１の伝熱ゾーン（２）に循環させる工程；
    を少なくとも含み、
    工程ｇ）において、前記閉回路（４）中を循環させる前記熱媒流体に作用する重力を用いて前記熱媒流体を循環させる、前記方法。
  2. 前記閉回路（４）における前記熱媒流体の循環のためにポンプが使用されない、請求項１に記載の方法。
  3. 前記熱媒流体が９０モル％より多いＣＯ２を含み、好ましくは約１００モル％のＣＯ２を含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記熱媒流体の沸点が前記閉回路（４）中の支配的な圧力にて５℃未満、好ましくは−１０〜０℃である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記熱媒流体がＣＯ２、エタン、エテン、プロパン、プロペン、ブタン及びそれらの混合物からなる群から選ばれた化合物を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 液体流、特に液化天然ガス（２０）などの液体炭化水素流を気化するための装置（１）であって、
    - 気化される液体流が熱媒流体に対して熱交換できる伝熱表面を有する第１の伝熱ゾーン（２）と； - 前記熱媒流体が周囲空気に対して熱交換できる伝熱表面を有する第２の伝熱ゾーン（３）と； - 前記熱媒流体のための閉回路（４）と；
    を少なくとも備え、前記第２の伝熱ゾーン（３）が前記第１の伝熱ゾーン（２）よりも重力的に低いところに配置されている、前記装置（１）。
  7. 前記第１の伝熱ゾーン（２）が支持フレーム（９）により支持される、請求項６に記載の装置（１）。
  8. １以上の閉回路（４ａ、４ｂ）が設けられ、前記１以上の閉回路（４ａ、４ｂ）が前記支持フレーム（９）において１以上の支持脚を形成する、請求項７に記載の装置（１）。
  9. 前記支持フレーム（９）が第１の支持脚と第２の支持脚とを備えてそれらの間に一定の角度α、好ましくは３０〜９０°、好ましくは約６０°の角度αを形成する、請求項８に記載の装置（１）。
  10. 前記閉回路（４）中の前記熱媒流体の循環のためにポンプが存在しない、請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置（１）。
  11. 熱媒流体又はその一成分としてのＣＯ２の使用法。
  12. 前記熱媒流体が流体の気化に用いられ、気化される前記流体の温度が５℃未満、好ましくは−１７０〜０℃である、請求項１１に記載の使用法。
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