JP2010511764A - 気液混合流を移送する方法及び装置並びに炭化水素流の液化方法 - Google Patents

気液混合流を移送する方法及び装置並びに炭化水素流の液化方法 Download PDF

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Abstract

第1の熱交換器(101)と第2の熱交換器(102)の間で気液混合流を移送する方法及び装置において、気液混合流が第1の熱交換器(101)から2以上の出口部(104)を通って流出する。次に、出口部(104)の気液混合流が第2の熱交換器(102)への2以上の中間導管(103)を通った後、気液混合流が中間導管(103)から2以上の入口部(105)を通って第2の熱交換器(102)に流入する。出口部(104)の個数(X)は入口部(105)の個数(Y)に等しいか又はそれより多い。
【選択図】図2

Description

本発明は、気液混合流(限定するものではないが特に天然ガス流などの炭化水素流の液化に伴って生じる気液混合流)を熱交換器間で移送する方法及び装置に関するものである。
別の態様では、本発明は天然ガス流などの炭化水素流を冷却、好ましくは液化する方法に関する。
天然ガス流を液化して液化天然ガス(LNG)を得る方法が複数知られている。いくつかの理由により、天然ガス流を液化するのが望ましい。例として、天然ガスを貯蔵したり長距離輸送する場合、ガスの状態よりも液体とする方が容易に行うことができる。液体の方が、占有する体積が小さく、高圧で貯蔵する必要もないからである。
通常は、主にメタンを含んだ天然ガスを高圧にてLNGプラントに入れて前処理し、低温での液化に適した精製された供給原料を作る。この精製ガスを、熱交換器を用いる複数の冷却段階によって処理し、液化が実現されるまでその温度を漸次下げる。次に、液体の天然ガスを更に冷却し(1以上の膨張段階によってフラッシュ蒸気を削減し)、貯蔵や輸送に適した最終的な大気圧にする。各膨張段階で得られるフラッシュ蒸気は、プラントの燃料ガスの供給源として使用できる。
LNGプラントでは、気液相の混合物からなる流れが、例えば2つの熱交換器の間を通る。一例がUS6,389,844B1の図3に示されている。
US6,389,844B1は天然ガスの液化プラントに関するものである。図3は、第1段階の熱交換器102’と第2段階の熱交換器102を関与させて天然ガスを予冷する態様を示す。これらの第1及び第2段階の熱交換器の間には、2つの導管150及び151が存在し、一方は冷媒用であり、もう一方は天然ガス用である。冷媒や天然ガスは気液混合流であり、このような流れは熱交換器102’と熱交換器102との間で1つの導管によって運ばれる。
しかしながら、2つの熱交換器の間で流れを送るこの方法では、導管150及び151を通過する流れにおける気相と液相の不均一な分布が生じ得る。その結果、第2段階の熱交換器102に入っていく気液相の一様でない分布が生じることで、第2段階の熱交換器102中で不均一な温度分布が生じ、よって効率が悪くなる。
本発明の目的は2つの熱交換器間での気液混合流の移送を改善することである。
本発明の別の目的は、冷却プラント又は冷却方法のエネルギー必要量を削減することである。
本発明は、第1の熱交換器と第2の熱交換器の間で気液混合流を移送する方法であって、
(a)前記気液混合流を前記第1の熱交換器から2以上の(個数X)出口部を通して流出させる工程;
(b)前記出口部の前記気液混合流を前記第2の熱交換器への2以上の中間導管に通す工程;及び
(c)前記気液混合流を前記中間導管から2以上の(個数Y)入口部を通して前記第2の熱交換器に流入させる工程;
を含み、XがY以上(X≧Y)である方法を提供する。
本発明の態様は、別の流れ(複数も可)、例えば炭化水素流(例えば天然ガス)などを冷却するのに用いられる冷媒の気液混合流との使用にまで拡張される。多くの冷媒が知られており、限定するものではないが、天然ガス自体、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ペンタン、及び窒素が単一の成分として挙げられ、これらの2種以上を用いて混合冷媒を形成できる。
別の態様では、本発明は、第1の熱交換器と第2の熱交換器の間で気液混合流を移送するための装置であって、
前記気液混合流を前記第1の熱交換器から流出させるための、前記第1の熱交換器の2以上の(個数:X)出口部;
前記出口部の気液混合流を前記第2の熱交換器に送るための2以上の中間導管;及び
前記気液混合流を前記中間導管から前記第2の熱交換器に送り込むための2以上の(個数:Y)入口部;
を少なくとも含み、XがY以上(X≧Y)である装置を提供する。
別の態様では、本発明は、天然ガスなどの炭化水素流を冷却する方法であって、
前記炭化水素流を2以上の熱交換器を用いる冷却段階に通す工程であって、本明細書に記載のように前記熱交換器間で気液混合流を移送する工程を少なくとも含む方法を提供する。
以下、限定するものではないが単なる例として添付図面に関して本発明の態様を説明する
1方法により連結された2つの熱交換器の略図である。 本発明の第1の態様についての簡素化した側面図である。 本発明の第2の態様についての簡素化した側面図である。
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。
添付図面における管路、導管及び流れの構成は、それに限定されるものではなく、本発明をより良く説明するために一般的に例示したものである。
ここに示された態様では、気液混合流が第1の熱交換器から2以上の出口部を通って流出し、次に第2の熱交換器への2以上の中間導管を通り、次に中間導管から2以上の入口部を通って第2の熱交換器に流入する。前記出口部の個数(以下、Xで表す)は前記入口部の個数(以下、Yで表す)に等しいか又はそれより大きい(以下、記号≧で表す)。
気液混合流を第1の熱交換器から直接導管を通して第2の熱交換器に送ることにより、これまでは2つの熱交換器間において1つの導管により移送していた気液混合流の不均衡分布が抑制される。
また、気液混合流を更に一様に送ることにより、第2の熱交換器における気液相の温度分布が更に均一になる。このようにして、本発明は、炭化水素流を冷却、特に液化する方法又はプラント又は装置の全エネルギー必要量を削減でき、且つ/又は該方法、プラント又は装置を更に効率的にし、よって更に経済的にすることができる。
本発明は、限定するものではないが、冷却及び/又は液化される炭化水素の形態の気液混合流、又は冷媒流、特に混合冷媒流の形態の気液混合流を含めて、任意の気液混合流に対して使用できる。
熱交換器を要する2以上の冷却段階に炭化水素流を通すことによって冷却、特に液化することができる。任意の数の冷却段階を用いることができ、各冷却段階は随意の1以上のステップ、レベル又はセクションのみならず、1以上の熱交換器を用い得る。各冷却段階は2以上の熱交換器を直列又は並列又はそれらを組み合わせて用い得る。天然ガスなどの炭化水素流を液化できる適当な熱交換器の構成は、当該技術において知られている。
冷却及び/又は液化の方法又はプラントのための炭化水素流は、冷却及び/又は液化される任意の適当な炭化水素含有流でよいが、通常は天然ガス又は石油の貯蔵所から得られる天然ガス流である。代案として、天然ガス流を、フィッシャー・トロプシュ法などの合成源をも含めて別の供給源から得ることもできる。
通常は天然ガスは実質的にメタンから成る。好ましくは炭化水素流は少なくとも60モル%のメタン、より好ましくは少なくとも80モル%のメタンを含む。
供給源に依存して、天然ガスは、芳香族炭化水素だけでなくエタン、プロパン、ブタン及びペンタンなどのメタンより重い炭化水素についても種々の量にて含有し得る。天然ガス流はまた、HO、N、CO、HSなどの非炭化水素や他の硫黄化合物などを含有し得る。
第1の熱交換器と第2の熱交換器は、一般に2以上の流れがその中を流れ、その少なくとも1つの流れで少なくとも1つの他の流れを冷却するよう構成されている任意の適当な装置又は容器とし得る。様々な種類、デザイン及び形状の熱交換器が当該技術において知られており、例として、シェル・アンド・チューブ型熱交換器、特にスプール巻型の熱交換器などが挙げられる。
第1の熱交換器は、例えば2〜20個の出口部、好ましくは3、4、5、6、7、8、9又は10個の出口部を含めて、任意の個数の出口部を有してよい。
第1の熱交換器からの出口部の個数は、第2の熱交換器の入口部の個数と同じでも違ってもよく、また、中間導管の個数と同じでも違ってもよい。同様に、中間導管の個数は、第2の熱交換器の入口部の個数と同じでも違ってもよい。
出口部の個数が中間導管の個数及び/又は入口部の個数と異なり、かつ中間導管の個数が入口部の個数と異なる場合には、出口部、中間導管及び入口部の間の流れを均等分配にて分割、分配及び/又は結合するのが好ましい。すなわち、分割、分配及び/又は結合は、分割、分配又は結合に影響し得る他のパラメータ又は状況、例えば流れの障害や運転パラメータなどを考慮して、与えられた個数の流れと次に与えられる個数の流れとの間でできる限り均等にされ、又は均等になるように努められる。
本発明の1例では、出口部の個数が中間導管の個数に等しく、中間導管の個数が第2の熱交換器の入口部の個数に等しい。よって、気液混合流は第1の熱交換器からいくつかの出口部、中間導管及び入口部を通って第2の熱交換器に効率的に直接送られる。
別の例では、第1の熱交換器からの出口部の個数が中間導管の個数より多く、中間導管の個数が第2の熱交換器への入口部の個数に等しい。よって、出口部を通る気液混合流が結合されて中間導管の個数に等しくされ、この結合では出来るだけ均等分配となるようにするのが好ましい。
必要なら、炭化水素流は、本発明において使用する前に前処理してもよい。この前処理は、COやHSなど存在する不要な成分の除去、又は予冷、予備加圧などの他の工程を含み得る。これらの工程は当業者には周知であるので、ここでは更なる説明はしない。
本発明の方法は種々の炭化水素供給流に適用できるが、液化される天然ガス流に特に適している。当業者ならば炭化水素流の液化の方法を容易に理解するであろうから、ここでは更に詳細に説明しない。
図1は第1の熱交換器1を示し、この第1の熱交換器1は、例えば天然ガスなどの炭化水素流を液化する方法及びプラントの第1の冷却段階又は予冷段階において使用する高圧熱交換器とし得る。このような熱交換器は当該技術において周知であり、通常は「多管型」又は「シェル・アンド・チューブ型」熱交換器である。これらの熱交換器は、数百又は数千(又はそれより多い)垂直又は螺旋状で小径で開口型の反応器管を含み得る。
通常、これらの管はいくつかの「束」に集められ、これらの束は、その束のすべての管から気液混合流を収集して第1の熱交換器1の上部から出口部を介して送り出すよう構成された1つのボンネット、チャンバー、ヘッダー又はマニホールドを備える。図1は、6つの束を有する第1の熱交換器1の上部からの6個の出口部4を示し、これらの出口部4により夫々の流れが1つの収集リング6に送り込まれ、収集リング6がすべての気液混合流を集め、それらを結合流として次の熱交換器2への通路である1つの導管3に送り込む。次の熱交換器2へのすべての気液混合流の通路となる導管3を1つ設けることが、一方の熱交換器の流出と別の熱交換器の流入との間の距離ゆえに、これまでは最も簡単で経済的な構成であると見なされてきた。
しかしながら、反応器や熱交換器は、その各管からの流れにおける混合した液相と気相の分布又は比を同じにするほど通常は一様でない。変動が起こると、第1の熱交換器1から相互連結用の導管3を通って次の熱交換器2に送られる液相と気相の分布に変化が生じる。一般に、導管3を通って送られる気液混合流の分布及び組成のこの非一様性により、第2の熱交換器2への混合流の分布が非一様になる。
第1の熱交換器1について上述したように、第2の熱交換器2も通常は数百又は数千の小径の管を備え、これらの管がまた通常はいくつかの「束」に集められる。束数は同じ6である。熱交換器2の底部にて又はその近くにて、各束が、1つの物質流を共通の供給源から各管に供給するよう構成された1つのボンネット、チャンバー、ヘッダー又はマニホールドを備える。通常、各管束への供給源は1つの入口部であり、図1には6個の入口部5が図示されている。これらの入口部は、1つの導管3により供給される分配リング7から物質流を得る。
一般に、第2の熱交換器2の全ての側面から最も効率的に液体と蒸気の流れを各入口部5に供給しようとするために、分配リング7は水平である。しかしながら、混合された液体と蒸気の流れの水平な通路により、液相の重量がより重いので沈み、蒸気の速度は一般により速いので気相は沈んだ液相の上でより速く流れるので、これらの相の層化が生じる。よって、一般に気液混合流の水平流により、分配リング7の周りを通って各入口部5に到達する際に液相と気相の非一様性が増す。これらの流れが分配リングの周りを含めて水平に移動すればするほど、この層化効果が大きくなる。
その結果、第2の熱交換器2の長さにわたって液相と気相における不均一な温度分布が生じる。これにより、例えば図1に示された第1及び第2の熱交換器1、2を用いる液化プラントの第1の冷却段階又は予冷段階とメインの液化段階との間でパワーの不均衡が生じ得る。このことにより、メインの液化段階のパワー必要量が増大し、よって液化方法又は液化プラントに必要な総パワーが増大し得る。
出願人は図1に示された構成が当該技術において公知であるとは知らないが、本発明はそれに対する1以上の改良を提供する。
図2は、例えばLNGプラントにおける図1に示されたものと同様の第1の熱交換器101と第2の熱交換器102の間の本発明の第1の態様を示す。
第1の熱交換器101と第2の熱交換器102は天然ガスなどの炭化水素流の冷却に必要とされ得る。この1例がLNGプラントにおける第1の冷却段階であり、これは天然ガスの温度を前処理の後の初期の供給温度から0℃未満(例えば−20℃〜−50℃)に下げるよう設計される。このために、天然ガスを2以上の熱交換器に通し、後に説明するようにプロパンなどの1以上の冷媒又は混合冷媒で冷却することができる。
天然ガス流と冷媒流のどちらか又は両方が第1の冷却段階の熱交換器間を移動してもよく、これらの流れは気液混合流とし得る。第1の熱交換器101が高圧熱交換器であるという例では、混合冷媒はその中で「高い」圧力にて蒸発することができ、その後、低圧熱交換器に送られ更に蒸発する。
第1の熱交換器101はシェル・アンド・チューブ型の熱交換器とすることができ、この熱交換器内で混合冷媒が蒸発し、その上部近くに集められる。収集の1態様として、後で説明するようにチューブシート又は管板より上の共通マニホールドにおいて行うことができる。この共通マニホールドから第1の熱交換器101により作られた物質の気液混合流を受け入れることができる任意の個数の出口部を設けることができる。図2に示された態様では、6個の出口部104が存在する。
一般に、これら6個の出口部104は同じ又は同じような流量の気液混合流を通過させる。
第1の熱交換器101からのすべての気液混合流を第2の熱交換器102に送ることが要求される。このために、第1の熱交換器101の上部からの6個の出口部104が6個の中間導管103に直接連結され、これら6個の中間導管103が第2の熱交換器102の6個の入口部105に直接連結される。好ましくは、入口部105は第2の熱交換器102の底部又は下部に又はその近くに配置される。各気液混合流をそれぞれの各出口部104及び入口部105を介して第2の熱交換器102に直接導入することにより、すべての流れをただ1つの導管(例えば図1の導管3)に結合することが避けられるので、1つの気液混合流を第2の熱交換器102のすべての管に再分配する上記の問題が軽減又は最小化される。
このようにして、気液混合流が熱交換器102に更に均一に導入され、第1の熱交換器101から流出する混合流における気液相の不均衡分布が抑制又は最小化され、第2の熱交換器102における気液混合流の温度分布が更に均一になり、よって第2の熱交換器102を通る流れを更に効率的に使用又は処理できる。
本発明は、第2の熱交換器102の周りの分配リング(例えば図1に示された分配リング7)の必要性をなくすことにより更なる利点を得る。したがって、気液混合流を出口部104から第2の熱交換器102の入口部105に直接送ることにより、資本コストが削減されると共に分配リングにより生じる層化も避けられる。
また、気液相を第2の熱交換器102に入れる前に出来るだけそれらの層化を最小にするために、出口部104を通して与えられる気液混合流のどんな水平通過又は移動も低減、より好ましくは最小化するように中間導管103を位置決め又は配置するのが好ましい。
図2に示された構成はどんな2つの熱交換器の間でも使用できる。炭化水素液化プラントの特定の冷却段階では、3、4、5又は6個の熱交換器(例えば直列の熱交換器)を使用でき、それらの間に気液混合流が存在し得る。例えば、これらの熱交換器は異なる圧力レベルにある。図2に示された構成は、これらの熱交換器の間の複数の場所で使用できる。
図2に示された構成はまた、すべての流れが別の1つの熱交換器に送られている場合以外でも、2以上の異なる熱交換器に送られている気液混合流の不均衡分布を抑制又は最小化することができる。例として、第1の熱交換器101の出口部104のうち1以上が、それらの流れ(1又は複数)を1つの熱交換器に送り、1以上の他の出口部が流れ(1又は複数)を別の熱交換器に送ってもよい。
液化天然ガスプラントなどの工業プラント又は施設において、第1の熱交換器と第2の熱交換器が大きさ、容量又は構成において同じでないことがあり得る。例えば、第1の熱交換器が第2の熱交換器より大きいか、又は少なくともより大きい熱交換領域をその中に有することが考えられる。よって、第1の熱交換器中の反応器管の数がより多いこと(又は他の熱交換装置)が原因で、第1の熱交換器の出口部の個数が(第2の熱交換器の入口部の個数に比べて)より多いかもしれない。
また、大型の工業プラント又は施設に必要とされる配管を最小にするのが一般に好ましい。
第1の熱交換器の出口部の個数が第2の熱交換器の入口部の個数より多い場合、図3に示された構成が使用でき、この構成では第1の熱交換器の出口部のうち2以上がより少ない個数の中間導管に結合されている。
図3は、例えばLNGプラントにおける図1及び2に示されたものと同様の第1の熱交換器201と第2の熱交換器202の間の本発明の第2の態様を示す
単なる例として、図3の第1の熱交換器201も第2の熱交換器202に送られる気液混合流に対して6個の出口部204を有する。
第1の熱交換器201と第2の熱交換器202の間の中間導管の個数を減らすために、3つの中間導管203への出口部204の均等分配がなされる。この均等分配は、図3に示された6個の出口部204がそれぞれの流れを3つの中間導管に与えるように、出口部204のうち2つを通って流れる気液混合流を1つの中間導管203に結合することからなる。
出口部の個数と中間導管の個数とのその他の比も可能であり、中間導管の個数と(第2の熱交換器への)入口部の個数とのその他の比も可能であり、出口部の個数と入口部の個数とのその他の比も可能である。このようなその他の任意の比での構成も、好ましくはそれらの間の流れの分割、分配又は結合を出来るだけ均等分配にて当業者により実現できる。
図3において出口部204からの流れを中間導管203に結合するのは、他の構成と共に、好ましくは第1の熱交換器201から第2の熱交換器202への気液混合流の通路の垂直なパート、部分又は区間において行われ又は配置される。上述したように、好ましくは、水平な流れに起因した気液混合流の層化を最小限に抑えるために、それに続く中間導管203における気液混合流のどんな水平通過又は移動も低減、より好ましくは最小化する。
これら3つの中間導管203がそれぞれの混合流を第2の熱交換器202の対応する3つの入口部205に直接送り込む。
このように、図3では、中間導管203中の気液混合流が対応する入口部205を介して第2の熱交換器202に直接与えられる。
本発明は、例えばEP1088192A1に示された3段階デュアル混合冷媒プロセスの第1の冷却段階又は予冷段階、US6,389,844B1に示されたプロセスの第1の冷却段階又は予冷段階、及び/又は他の液化プロセスの液化段階又はシステム、特に多相混合冷媒を用いかつ2つの低温熱交換器を関与させるものにおいて、第1熱交換器と第2熱交換器との間で気液混合流を送る方法を含む。
当業者ならば、特許請求の範囲から逸脱することなく種々の多くの方法によって本発明を実行できることを理解するであろう。
US6,389,844B1 EP1088192B1 GB1,119,699
1 第1の熱交換器
2 第2の熱交換器
3 導管
4 出口部
5 入口部
6 収集リング
7 分配リング
101 第1の熱交換器
102 第2の熱交換器
103 中間導管
104 出口部
105 入口部
201 第1の熱交換器
202 第2の熱交換器
203 中間導管
204 出口部
205 入口部

Claims (14)

  1. 第1の熱交換器と第2の熱交換器の間で気液混合流を移送する方法であって、
    (a)前記気液混合流を前記第1の熱交換器から2以上の(個数:X)出口部を通して流出させる工程;
    (b)前記出口部の前記気液混合流を前記第2の熱交換器への2以上の中間導管に通す工程;及び
    (c)前記気液混合流を前記中間導管から2以上の(個数:Y)入口部を通して前記第2の熱交換器に流入させる工程;
    を含み、XがY以上である方法。
  2. XがYより大きく、工程(b)の前又は工程(b)の間に2以上の出口部からの気液混合流を結合して前記入口部へのY個の流れを得る、請求項1に記載の方法。
  3. 前記出口部からの気液混合流を均等分配して前記入口部へのY個の流れを得る、請求項2に記載の方法。
  4. XがYに等しい請求項1に記載の方法。
  5. 前記出口部の個数が前記中間導管の個数に等しい請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記入口部の個数が前記中間導管の個数に等しい請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記気液混合流が冷媒流である請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記気液混合流が炭化水素流である請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第1の熱交換器と前記第2の熱交換器が炭化水素流を冷却する請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記第1の熱交換器と前記第2の熱交換器がシェル・アンド・チューブ型熱交換器である請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1の熱交換器が2〜20個の出口部、好ましくは3、4、5、6、7、8、9又は10個の出口部を有する請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 第1の熱交換器と第2の熱交換器の間で気液混合流を移送するための装置であって、
    前記気液混合流を前記第1の熱交換器から流出させるための、前記第1の熱交換器の2以上の(個数:X)出口部;
    前記出口部の気液混合流を前記第2の熱交換器に送るための2以上の中間導管;及び
    前記気液混合流を前記中間導管から前記第2の熱交換器に送り込むための2以上の(個数:Y)入口部;
    を少なくとも含み、XがY以上である装置。
  13. 天然ガスなどの炭化水素流を冷却する方法であって、
    前記炭化水素流を2以上の熱交換器を用いる冷却段階に通す工程であって、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法により前記熱交換器間で気液混合流を移送する工程を少なくとも含む方法。
  14. 炭化水素流を液化して液化炭化水素流、好ましくは液化天然ガスを得る請求項13に記載の方法。
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