JP2012531576A - 冷却された炭化水素流を製造する方法及び装置 - Google Patents

冷却された炭化水素流を製造する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

冷却された炭化水素流（６０）を製造する方法及び装置。本方法は、少なくとも２つの連続した圧力レベルで、第１の流れ及び第１の混合冷媒流を、第１及び第２の熱交換器（１２５、１４５）；第１及び第２の膨張装置（１３５、１６５）；及び第１の圧縮機（１０５）；内の第１の混合冷媒流からの第１の混合冷媒の一部を用いて冷却して第１の混合冷媒流を与えることを用いる。冷却プロセスは、１組の被制御変数の少なくとも１つを制御しながら、１組のパラメーターの少なくとも１つを最適化するために１組の被操作変数に関する同時制御動作を決定するモデル予測制御に基づく高度プロセス制御装置を用いて制御する。被操作変数の組は、混合された第１の冷媒の組成、第１の膨張装置（１３５）の設定、及び第２の膨張装置（１６５）の設定を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素流を冷却することを含む冷却された炭化水素流の製造方法を提供する。本発明はまた、炭化水素流から冷却された炭化水素流を製造する装置も提供する。
冷却する一般的な炭化水素流は天然ガス流である。かかる天然ガス流はそれが液化する程度まで冷却することができ、この場合には、これは通常は液化天然ガス（ＬＮＧ）と呼ばれる。
複数の理由のために天然ガスを液化することが望ましい。一例として、液体はより小さい体積を占め、高圧で貯蔵する必要がないので、天然ガスは気体形態よりも液体としてより容易に貯蔵し且つ長距離を輸送することができる。かかる液化天然ガスは、−１６０℃以下のような極低温に保持する場合には大気圧で貯蔵することができる。
米国特許６，３７０，９１０においては、メタンに富む流れを液化する方法が開示されている。天然ガス流をスクラブカラムに送り、ここでより重質の炭化水素を除去して気体塔頂流を与える。スクラブカラムからの気体塔頂流を、補助（予備冷却）熱交換器内で部分的に凝縮させる。次に、部分的に凝縮させた塔頂気体流から凝縮物流を除去して、メタンに富む流れを与える。次にメタンに富む流れを、主熱交換器内に配置されている管内において間接熱交換によって液化し、多成分冷媒を主熱交換器のシェル側内において低圧で蒸発させる。
多成分冷媒は、主熱交換器のシェル側から排出して圧縮することができる。圧縮された多成分冷媒は、次に補助（予備冷却）熱交換器内に配置されている管内において間接熱交換によって上昇した冷媒圧力において部分的に凝縮させ、補助（予備加熱）多成分冷媒を補助熱交換器のシェル側内において低圧で蒸発させることができる。部分的に凝縮させた多成分冷媒は、次に主熱交換器に戻すことができる。
米国特許６，３７０，９１０においては、圧縮された多成分冷媒を部分的に凝縮させる工程が、それを第１補助熱交換器内に配置されている管内において間接熱交換によって昇圧下で冷却して、補助多成分冷媒を第１の補助熱交換器のシェル側内において中間圧力において蒸発させることを含む態様が開示されている。多成分冷媒は、次に第２の補助熱交換器内に配置されている管内において間接熱交換によって更に冷却して、補助多成分冷媒を第２の補助熱交換器のシェル側内において低圧で蒸発させる。
米国特許６，３７０，９１０
米国特許６，３７０，９１０の液化プロセスに関連する１つの問題は、特に補助多成分冷媒の異なる圧力において運転する２つの補助熱交換器を与える構成に関して、これをどのようにして最適に制御することができるかということである。補助熱交換器における冷却プロセスを制御するために選択又は操作することができる非常に様々なプロセス変数が存在する。
本発明は、炭化水素流を冷却することを含む冷却された炭化水素流の製造方法を提供する。この方法は、少なくとも
（ａ）第１の流れ及び圧縮された第１の冷媒流を、第１の混合冷媒を含む第１の冷媒回路内において、第１熱交換器内で第１の圧力レベルにおいて第１の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、冷却された第１の流れ、第１の冷却された第１の冷媒流、及び第１の加温された第１の冷媒流を与え；
（ｂ）第１の冷却された第１の冷媒流の第１の部分を第１の膨張装置内で膨張させて、第１の膨張した第１の冷媒流を与え；
（ｃ）１以上の第２の流れ、及び第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分を、第２の熱交換器内で第２の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、１以上の冷却された第２の流れ、更に冷却された第１の冷媒流、及び第２の加温された第１の冷媒流を与え、ここで１以上の第２の流れは、少なくとも、冷却された第１の流れ又はそれから誘導される従属流を含み、それによって、少なくとも冷却された炭化水素流を与えるために、炭化水素流が１以上の第２の流れの中に含まれており；
（ｄ）更に冷却された第１の冷媒流の少なくとも第１の部分を第２の膨張装置内で膨張させて、第１の膨張した第１の冷媒流よりも低い圧力の第２の膨張した第１の冷媒流を与え；そして
（ｅ）第１の加温された第１の冷媒流及び第２の加温された第１の冷媒流の気体フラクションを第１の圧縮機内で圧縮し、次に第１の圧縮機からの圧縮された流れを冷却して、圧縮された第１の冷媒流を与える；
工程を含み；
１組の被制御変数の少なくとも１つを制御しながら、最適化する１組のパラメーターの少なくとも１つを最適化するために１組の被操作変数に関する同時制御動作を決定するモデル予測制御に基づく高度プロセス制御装置を用いて工程（ａ）〜（ｅ）を制御することを更に含み；
被操作変数の組は、
・第１の冷媒回路内の第１の混合冷媒材料の組成；
・第１の膨張装置の設定；及び
・第２の膨張装置の設定；
を含み；
被制御変数の組は、
・１以上の冷却された第２の流れの少なくとも１つの温度；
・第１の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）圧縮された第１の冷媒流及び（ｉｉ）第１の流れの少なくとも１つとの間の温度差；
・第２の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分及び（ｉｉ）冷却された第１の流れ及び／又は冷却された第１の流れから誘導される従属流の形態の１以上の第２の流れの１つの少なくとも１つとの間の温度差；
・（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流と第１の膨張した第１の冷媒流との間の温度差、及び（ｉｉ）更に冷却された第１の冷媒流と第２の膨張した第１の冷媒流との間の温度差の少なくとも１つ；及び
・第１の圧縮機によって消費される電力；
を含み；
最適化するパラメーターの組は、冷却された炭化水素流の製造速度及び／又は第１の冷媒回路の冷却効率を含む。
更なる形態においては、本発明は、炭化水素流から冷却された炭化水素流を製造する装置であって、
・第１の混合冷媒の材料；第１の膨張装置；第２の膨張装置；第１の圧縮機；及び第１の圧縮機からの圧縮された流れを冷却してそれによって圧縮された第１の冷媒流を与える１以上の第１の冷却器；を含む第１の冷媒回路；
・第１の流れ及び圧縮された第１の冷媒流を第１の圧力レベルにおいて第１の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、冷却された第１の流れ、第１の冷却された第１の冷媒流、及び第１の加温された第１の冷媒流を与えるように配置されている第１の熱交換器、ここで、第１の膨張装置は、第１の冷却された第１の冷媒流の第１の部分を受容し、第１の膨張した第１の冷媒流を与えるように配置されており；
・１以上の第２の流れ、及び第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分を第２の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、１以上の冷却された第２の流れ、更に冷却された第１の冷媒流、及び第２の加温された第１の冷媒流を与えるように配置されている第２の熱交換器；ここで、第２の膨張装置は、更に冷却された第１の冷媒流の少なくとも第１の部分を受容して第２の膨張した第１の冷媒流を与えるように配置されており、第２の膨張した第１の冷媒流は第１の膨張した第１の冷媒流よりも低い圧力であり、１以上の第２の流れは少なくとも冷却された第１の流れ又はそれから誘導される従属流を含み、それによって少なくとも冷却された炭化水素流を与えるように炭化水素流が１以上の第２の流れの中に含まれ；
・第１の加温された第１の冷媒流及び第２の加温された第１の冷媒流の気体フラクションを圧縮するように配置されている第１の圧縮機；
・１組の被制御変数の少なくとも１つを制御しながら、最適化する１組のパラメーターの少なくとも１つを最適化するために１組の被操作変数に関する同時制御動作を決定するモデル予測制御に基づいてプログラムされたコンピューター実行ファイルを含む高度プロセス制御装置；
を含み；
被操作変数の組が、
・第１の冷媒回路内の第１の混合冷媒材料の組成；
・第１の膨張装置の設定；及び
・第２の膨張装置の設定；
を含み；
被制御変数の組が、
・１以上の冷却された第２の流れの少なくとも１つの温度；
・第１の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）圧縮された第１の冷媒流及び（ｉｉ）第１の流れの少なくとも１つとの間の温度差；
・第２の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分及び（ｉｉ）冷却された第１の流れ及び／又は冷却された第１の流れから誘導される従属流の形態の１以上の第２の流れの１つの少なくとも１つとの間の温度差；
・（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流と第１の膨張した第１の冷媒流との間の温度差、及び（ｉｉ）更に冷却された第１の冷媒流と第２の膨張した第１の冷媒流との間の温度差の少なくとも１つ；及び
・第１の圧縮機によって消費される電力；
を含み；
最適化するパラメーターの組が、冷却された炭化水素流の製造速度及び／又は第１の冷媒回路の冷却効率を含む上記装置を提供する。
冷却効率は、時間と共に製造される冷却された炭化水素流の質量に対する第１の圧縮機において消費される電力を反映することができる。
ここで、例示のみの目的で、添付の非限定的な図面を参照して本発明の幾つかの態様を記載する。
図１は、第１の態様による炭化水素流を冷却する方法及び装置の概要図である。 図２は、第２の態様による炭化水素流を冷却及び液化する方法及び装置の概要図である。
この記載の目的のために、ライン及びそのライン内を運ばれる流れに対して単一の参照番号を割り当てる。異なる図において用いる同じ参照番号は同じライン及び流れを表す。
「低圧」、「中間圧」、及び「高圧」と記載する場合には常に、この順番で第１の冷媒回路内における他の圧力レベルに対する相対的な圧力レベルを指すように意図される。
ここで用いる「設定」という用語は、バルブのような装置の開放の度合いを表すように意図される。「被制御変数の制御」という用語は、被制御変数を所定の値（設定点）又は所定の範囲（設定範囲）内に保持することを意味する。ここで用いる「パラメーターの最適化」という用語は、パラメーターを最大又は最小にすること、及びパラメーターを所定の値に保持することを指すように意図される。
ここで開示する方法及び装置は、炭化水素流を、好ましくは炭化水素に関する液化プロセスの一部として冷却する。冷却プロセスを、モデル予測制御に基づく高度プロセス制御装置を用いて制御して、冷却された炭化水素流の製造速度及び／又は冷却プロセスの効率を最適化する。膨張装置の設定は被操作変数である。
第１及び第２の熱交換器へ第１の混合冷媒を送る膨張装置の設定を操作することによって、冷却方法を最適化することができる。膨張装置の設定を変化させることによって、膨張装置を横切る第１の混合冷媒の圧力変化を操作することができる。これにより膨張装置を横切る第１の冷媒の温度変化が調節され、これによって膨張した第１の冷媒流によって第１及び第２の流れが冷却される温度を操作することができる。
モデル予測制御又はモデルに基づく予測制御それ自体は、例えばPerry's Chemical Engineers' Handbook, 7版, p.8-25〜8-27に開示されているように公知の技術である。米国特許６，２７２，８８２においては、これを、気体状のメタンに富む供給流を液化して液化生成物を得るプロセスにおいて適用しており、冷媒フラクション及び冷却する流れの質量流量を被操作変数として用いている。主熱交換器の温端と中間点における温度差が、液化生成物の製造を最適化するための被制御変数である。
米国特許６，２７２，８８２は、１つ又は複数の予備冷却熱交換器ではなく、主として主熱交換器の運転に関する。単一の圧力レベルの軽質及び重質の混合冷媒フラクションの異なる組成及び流速を用いる米国特許６，２７２，８８２に開示されている高度プロセス制御の原理を適用することは、本発明の場合のように異なる圧力レベルの混合冷媒の制御に関しては不適当である。
特に、米国特許６，２７２，８８２においては、被操作変数として混合冷媒の軽質及び重質フラクションの質量流量を用いている。これを本発明の場合における第１及び第２の流れの冷却に適用すると、第１の混合冷媒の質量流量の操作が導かれる。第１の混合冷媒の質量流量を操作しても、冷却された炭化水素流の製造の許容しうる最適化は可能でないことが分かった。本発明方法は、冷媒流の質量流量の制御ではなく、第１及び第２の膨張装置の少なくとも１つを横切る温度差の制御を用いる。
本発明の有利性は、第１の混合冷媒の冷却曲線を第１及び第２の流れの冷却曲線に合致させることができる容易性である。米国特許６，２７２，８８２においては、２つの混合冷媒組成物、即ち軽質の気体及び重質の液体のフラクションを用い、これを分離容器内において部分的に凝縮された冷媒流の分離によって制御することが教示されている。軽質及び重質の冷媒フラクションの個々の組成を変化させるためにこのような混合冷媒の全体的な組成を変化させることは困難であり時間がかかる。
これに対して、本発明によれば、第１の混合冷媒の温度差を制御することによって第１の混合冷媒の冷却曲線を変化させることができる。単一の混合冷媒組成物の冷却曲線を最適化して、第１及び第２の流れのものに厳密に合致させることができる。
図１は、炭化水素流５０を冷却して冷却された炭化水素流６０の形態の冷却された第２の流れを与える方法を実施するための第１の態様の装置１を示す。この装置は、第１の混合冷媒の材料を含む第１の冷媒回路１００を含む。第１の冷媒回路１００は、第１の圧縮機１０５、及び第１の圧縮機１０５からの圧縮された流出流１１０を冷却するための１以上の第１の冷却器１１５ａ〜１１５ｃを含む。第１の冷却器の最後のもの（ここでは１１５ｃ）からの流出流は、圧縮された第１の冷媒流１２０である。
図１の装置は更に第１の熱交換器１２５を含む。第１の熱交換器１２５は、それぞれ管側２２１、１２１内の第１の流れ（例えば第２の冷媒流２２０の形態）及び圧縮された第１の冷媒流１２０を冷却するように配されている。冷却媒体は、第１の熱交換器１２５のシェル側内の第１の膨張した第１の冷媒流１４０によって形成される。第１の熱交換器１２５の冷端に出口が設けられていて、例えば冷却された第２の冷媒流２３０及び第１の冷却された第１の冷媒流１３０の形態の少なくとも１つの冷却された第１の流れを与える。温端又はその付近には、第１の加温された第１の冷媒流１５０のための出口が設けられている。第１の膨張装置１３５が、第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第１の部分１３０ａを受容し、第１の膨張した第１の冷媒流１４０を、第１の熱交換器１２５のシェル側へ供給するように配置されている。
この装置は更に、それぞれ管側２３１、５１、１３１内の、冷却された第２の冷媒流２３０であってよい冷却された第１の流れ、炭化水素流５０、及び第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第２の部分１３０ｂを冷却するように配されている第２の熱交換器１４５を含む。冷却媒体は、第２の熱交換器１４５のシェル側内の第２の膨張した第１の冷媒流１７０によって形成される。第２の熱交換器１４５の冷端に出口が設けられていて、少なくとも冷却された炭化水素流６０、更に冷却された第１の流れ（例えば更に冷却された第２の主冷媒流２４０の形態）、及び更に冷却された第１の冷媒流１６０を与える。温端又はその付近には、第２の加温された第１の冷媒流１８０のための出口が設けられている。第２の膨張装置１６５が、更に冷却された第１の冷媒流１６０の少なくとも第１の部分を受容し、第２の膨張した第１の冷媒流１７０を、第２の熱交換器１４５のシェル側へ供給するように配置されている。
圧縮機１０５は、第１の加温された第１の冷媒流１５０及び第２の加温された第１の冷媒流１８０の気体フラクションを圧縮するように配置されている。これは、第２の加温された第１の冷媒流１８０の気体フラクション１８０’を受容するように配置されている低圧吸引入口、及び第１の加温された第１の冷媒流１５０の気体フラクション１５０’を受容するように配置されている中間圧吸引入口を有する。或いは、複数の圧縮機を用いることができる。
炭化水素流５０は、１以上の第２の熱交換器１４５に送られる（第１の）１以上の第２の流れである。炭化水素流５０は、第２の熱交換器１４５内の第２熱交換器炭化水素流管５１に供給され、ここで第２の熱交換器１４５のシェル側内において低圧で蒸発する第１の混合冷媒との間接熱交換によって冷却される。炭化水素流５０を第２の熱交換器１４５内で部分的に凝縮させることが好ましい。
冷却され、好ましくは部分的に凝縮した炭化水素は、冷却された第２の流れである冷却された炭化水素流６０として第２の熱交換器１４５から排出される。予備冷却冷媒回路内の予備冷却冷媒であってよい第１の混合冷媒の操作を、以下により詳細に議論する。
図１の構成は更に、例えば冷却された第２の冷媒流２３０の形態の更なる第２の流れ、及び１以上の第１の流れ（例えば第２の冷媒流２２０を含む）の冷却を開示している。ここで開示する方法は特に第２の混合冷媒の冷却のために有利であり、これは第２の冷却段階（図示せず）における冷却された炭化水素流６０の更なる冷却及び好ましくは液化において用いることができる。かかる第２の冷却段階を、図２の態様に関してより詳細に記載する。
第２の混合冷媒は、好ましくは２段階で冷却、及びより好ましくは部分的に凝縮させる。第２の混合冷媒は、第１の冷却段階における第１及び第２の熱交換器１２５、１４５の一方又は両方を通して送ることができる。
第１の混合冷媒は、第２の冷媒流２２０の形態の（第１の）第１の流れとして第２の熱交換器１２５に送ることができる。第１の熱交換器１２５の第２の冷媒管２２１内において、第２の第２混合冷媒を、第１の熱交換器１２５のシェル側内において中間圧で蒸発する第１の混合冷媒との間接熱交換によって昇圧下で冷却する。冷却された第２の混合冷媒は、冷却された第２の冷媒流２３０の形態の冷却された第１の流れとして第１の熱交換器１２５から排出される。
冷却された第２の冷媒流２３０は、（第２の）第２の流れ２３０として第２の熱交換器１４５に送ることができる。第２の熱交換器１４５の第２の第２冷媒管２３１内において、冷却された第２の混合冷媒流を、第２の熱交換器１４５のシェル側内において低圧で蒸発する第１の冷媒との間接熱交換によって昇圧下で更に冷却、及び好ましくは部分的に凝縮させる。更に冷却された第２の冷媒が、更に冷却された第２の主冷媒流２４０の形態であってよい（第２の）冷却された第２の流れとして第２の熱交換器１４５から排出される。更に冷却された第２の冷媒流２４０は、次に主熱交換器（図示せず）に送って冷却を与えることができる。
第１の冷媒回路に戻り、第１の熱交換器１２５のシェル側内において中間圧で蒸発した第１の混合冷媒は、ほぼ中間の圧力レベルの第１の加温された第１の冷媒流１５０としてそれから取り出す。第１の加温された第１の冷媒流１５０は、第１のノックアウトドラム１５５に送って液相を除去して、その後に第１の加温された第１の冷媒流１５０の気体成分を、気体状の第１の加温された第１の冷媒流１５０’として第１の圧縮機１０５に送ることができる。
第１の圧縮機１０５は２段圧縮機であってよい。第１の圧縮機は、一緒に第１の圧縮機として機能する１以上の第１の圧縮機の形態（例えば、１以上の第１の圧縮機の１つによって１段以上の圧縮を行い、１以上の第１の圧縮機の次の１つによって１以上の次の段の圧縮を行う直列構成；或いは、並行に配置されている圧縮機のそれぞれによって全体的な気体状の第１の加温された第１の冷媒流１５０’の一部を圧縮する並行配置）で与えることができる。第１の圧縮機１０５は、ガスタービン、蒸気タービン、電動機、又はこれらの組合せのような第１の駆動装置Ｄ１によって駆動することができる。第１の圧縮機１０５の第２段においては、混合された気体状の第１の加温された第１の冷媒流１５０’を上昇した圧力に圧縮して圧縮された流れ１１０を与える。
圧縮熱は、第１及び第２の流れ（これに関しては、１２０、５０、１３０ｂ、２３０のいずれかを用いることができる）及び圧縮された第１の冷媒流１２０から吸収された熱の少なくとも一部と一緒に、外気冷却器１１５ａ、１１５ｂのような１以上の第１の冷却装置１１５を用いて除去して、（第１）及び（第２）の冷却され圧縮された第１の冷媒流（それぞれ１１４ａ、１１４ｂ）を与える。圧縮された流れ１１０中に存在する熱の大部分は、第１の流れとしての第２の冷媒流２２０から、及び第２の流れとしての冷却された第２の冷媒流２３０から吸収されるものである。
（第２の）冷却され圧縮された第１の冷媒流１１４ｂは、第１の冷媒アキュムレーター１１７に送るように示されている。第１の冷媒アキュムレーター１１７にはまた、１以上の第１の冷媒成分補給流１１６も供給することができる。図１には、第１の冷媒回路１００内の第１の冷媒材料から除去されたか又は漏洩した成分を補給することができる第１及び第２の第１冷媒成分補給流１１６ａ、１１６ｂが示されている。第１及び第２の成分を選択的に添加することによって、第１の混合冷媒の組成を変化させることができる。第１の冷媒回路内の第１の混合冷媒の安定な質量バランスを保持するために、第１の冷媒排出流を与えることができる。例として、図１に示す態様においては、第１の冷媒を、第１の冷媒排出流１１９を介して（第１の）冷却され圧縮された第１の冷媒流１１４ａから取り出すことができる。これは、軽質及び重質成分の両方を第１の冷媒回路１００内の第１の混合冷媒の材料から取り出すことが望ましい場合に好ましい。
別の態様（図１に示さない）においては、１以上の第１の冷媒排出流を第１の冷媒アキュムレーター１１７から取り出すことができる。第１の冷媒排出流がアキュムレーター１１７からの塔頂流である場合には、第１の混合冷媒の気体成分を選択的に取り出すことができる。第１の冷媒排出流がアキュムレーター１１７の底部又はその付近である場合には、第１の混合冷媒の重質の液体成分を選択的に取り出すことができる。このようにして、第１の混合冷媒の組成を調節することができる。
第１の混合冷媒を第１の冷媒アキュムレーター１１７から第１の冷媒供給流１１８として引き抜くことができ、これを外気冷却器のような冷却装置１１５ｃ内で冷却して、圧縮された第１の冷媒流１２０を与えることができる。
圧縮された第１の冷媒流１２０は、第１の熱交換器１２５に（第２の）第１の流れとして送る。圧縮された第１の冷媒流１２０は、第１の熱交換器１２５内の（第２の）第１流管１２１を通して送り、この中で冷却して第１の冷却された第１の冷媒流１３０を与える。
第１の冷却された第１の冷媒流１３０は、例えばＴ−型部材のようなスプリッターを用いて第１の部分１３０ａ及び第２の部分１３０ｂに分割する（ここで、第１及び第２の部分の組成は、第１の冷却された第１の冷媒流１３０の組成と同じに保持される）。第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第１の部分１３０ａは、例えばジュール−トムソンバルブの形態の第１の膨張装置１３５を通して第１の熱交換器１２５のシェル側の冷端に送って、この中で中間圧力レベルにおいて蒸発させる。第１の冷媒を蒸発させることによって、管１２１及び２２１を通して流れる２つの第１の流れ（圧縮された第１の冷媒流１２０及び第２の冷媒流２２０）から熱が除去される。
第１の冷却された第１の冷媒流１３０の残り、即ち第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第２の部分１３０ｂは、第２の熱交換器１４５に送る。第２の部分１３０ｂは、第２の熱交換器１４５内に配置されている第２の第１冷媒管１３１に送り、その中で冷却して更に冷却された第１の冷媒流１６０を与える。
更に冷却された第１の冷媒流１６０は、ジュール−トムソンバルブのような第２の膨張装置１６５に送って、第２の膨張した第１の冷媒流１７０を与える。第２の膨張した第１の冷媒流１７０は、第１の膨張した第１の冷媒流１４０よりも低い圧力である。第２の膨張した第１の冷媒流１７０は、第２の熱交換器１４５のシェル側の冷端に送って、この中で低圧において蒸発させる。第１の冷媒を蒸発させることによって、管５１及び２３１を通って流れる第２の流れ（例えば、炭化水素流５０及び／又は冷却された第２の冷媒流２３０）から、及び管１３１内の第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第２の部分１３０ｂから熱が除去される。
低い冷媒圧力の蒸発した第１の混合冷媒を、第２の熱交換器１４５のシェル側から第２の加温された第１の冷媒流１８０として取り出す。第２の加温された第１の冷媒流１８０は、第２のノックアウトドラム１８５に送って液相を除去し、その後、第２の加温された第１の冷媒流１８０の気体成分を気体状の第２の加温された第１の冷媒流１８０‘の形態で第１の圧縮機１０５に送ることができる。２段圧縮機１０５においては、第１の混合冷媒を上昇した圧力に圧縮して圧縮した流れ１１０を与える。
１以上の第１の冷却器１１５は、空気冷却器ではなく水冷却器であってよく、必要な場合にはその中で更なる冷却液を用いる熱交換器を追加することができることが明らかである。第１及び／又は第２の膨張装置１３５、１６５は、膨張タービンに置き換えるか又はこれを追加することができる。第１及び第２の熱交換器（それぞれ１２５、１４５）は、独立してスプール巻回又はプレートフィン熱交換器から選択することができるが、上記の記載はスプール巻回タイプの熱交換器を具体的に参照して行った。
別の態様においては、炭化水素流を第１及び第２の熱交換器の両方の中で冷却することができる。例えば、図２はいずれも中間圧で運転する２つ、即ち第１及び第２の第１熱交換器１２５ａ、１２５ｂ、並びに低圧で運転する１つの第２熱交換器１４５を含む構成を開示する。
炭化水素供給流２０を与え、第２の第１熱交換器１２５ｂに送り、ここで冷却する。炭化水素供給流２０は、好ましくは、以下において更に議論するように予備処理して酸ガスのような望ましくない成分を除去したものである。好ましい態様においては、第２の第１熱交換器１２５ｂを用いて、炭化水素供給流２０中に存在する全ての（残留）Ｈ２Ｏを分離することができる。
炭化水素供給流２０を第１の熱交換器の炭化水素流管２１内に存在させて、第２の第１熱交換器１２５ｂのシェル側内において中間圧力レベルで第１の混合冷媒に対して冷却することができる。第２の第１熱交換器１２５ｂは、所望に応じてケトル熱交換器、スプール巻回又はフィンプレートタイプの熱交換器であってよい。炭化水素供給流２０を冷却しながら第１の混合冷媒を蒸発させて、第２の第１の加温された第１の冷媒流１５０ｂ、及び冷却された第１の流れとして冷却された炭化水素流３０を与える。
第２の第１の加温された第１の冷媒流１５０ｂは、第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第３の部分１３０ｃをジュール−トムソンバルブ又はタービン膨張器のような（第２の）第１の膨張装置１３５ｂを通して送ることによって、第２の第１の膨張した第１の冷媒流１４０ｂによって与えられる。
第１の冷却された第１の冷媒流１３０は、異なる熱交換器、この場合にはコイル巻回熱交換器又はフィンプレートタイプの熱交換器であってよい第１の第１熱交換器１２５ａからの第１の冷却された流れとして与えられる。
第１の第１熱交換器１２５ａは、図１の態様と同じようにして、１つの第１の流れ（第２の冷媒流２２０の形態）、及び圧縮された第１の冷媒流１２０を冷却する。
而して、図２に示す構成においては、２つの第１の流れ、即ち炭化水素供給流２０及び第２の冷媒流２２０を与え、別々の第１の熱交換器１２５ａ、１２５ｂ内で冷却する。
この場合には、冷却の後、第１の第１の加温された第１の冷媒流１５０ａが、第１の第１熱交換器１２５ａのシェル側から与えられる。これを第２の第１熱交換器からの（第２の）第１の加温された第１の冷媒流１５０ｂと混合して、第１の圧縮機１０５の中間圧段吸引入口に送ることができる。
第１の圧縮機１０５は圧縮された流れ１１０を与え、これは大気又は水冷却器のような１以上の第１の冷却器に送って、圧縮熱を、第１及び第２の流れ（例えば１２０、５０、１３０ｂ、２３０によって示される流れ）及び第１の混合冷媒の自己冷却から吸収される熱の少なくとも一部と一緒に除去することができる。第１の冷却器１１５は冷却された第１の圧縮された冷媒流１１４を与え、これは第１のアキュムレーター１１７に送ることができる。第１の混合冷媒材料の組成は、図１の態様と同じようにして第１のアキュムレーター１１７内で調節することができる。第１のアキュムレーター１１７は、圧縮された第１の冷媒流１２０を第１の第１熱交換器１２５ａへ供給する。
第２の第１冷媒熱交換器１２５ｂによって与えられる冷却された炭化水素供給流３０に戻り、これは、例えば脱メタン化器の形態の分別カラム又はスクラブカラムのような天然ガス液（ＮＧＬ）回収カラム４５に送って、カラムの底部又はその付近から天然ガス液流４０のような液体塔底流、及び炭化水素流５０である塔頂気体流を与える。
炭化水素流５０は、第２熱交換器１４５内で、第２の流れとして、更なる第２の流れとしての冷却された第２の冷媒流２３０、及び第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第２の部分１３０ｂと一緒に、図１の態様と同じようにして冷却する。
第２熱交換器１４５によって与えられる冷却された第２の流れである冷却された炭化水素流６０は、第１の分離器６５に送ることができる。第１の分離器６５は、メタンに富む塔頂流７０の形態の冷却された炭化水素流６０のフラクション、及びメタンが減少した塔底流８０を与える。メタンが減少した塔底流８０は、ＮＧＬ回収カラム４５に還流として送ることができる。メタンが減少した塔底流８０は、まず還流ノックアウト容器（図示せず）に送って気体フラクションを除去することができる。次に、メタンが減少した塔底流の液体部分を還流ポンプ７５によって加圧して、（加圧された）メタンが減少した塔底流８０ａを与え、これをＮＧＬ回収カラム４５に、カラムの運転圧力か又はそれよりも僅かに高い圧力で供給することできる。
メタンが減少した塔底流８０は、分別カラム４５の上部に戻すことができる。冷却された炭化水素流５０を、第１の分離器６５内で分離する前に第２の熱交換器１４５内で冷却することによって、還流を、この予備冷却を行わない構成と比べてより低い温度で与えることができる。この還流の温度によって、ＮＧＬ回収カラム４５に供給される冷却された炭化水素流６０の温度の上限が定まる。ＮＧＬ回収カラム４５の頂部から排出されるメタンに富む流れ７０を非常により低い温度において冷却及び好ましくは部分的に凝縮させることができるので、これによってより効率的なプロセスを与えることができる。その結果、第２熱交換器１４５の冷端における温度を非常により低くすることができる。而して、第１の混合冷媒が冷却される温度が非常により低くなり、これによって冷媒のより低い循環速度が得られる。
次に、メタンに富む流れ７０を１以上の主熱交換器８５に送って、この中で主熱交換器のメタンに富む流れの管７１内において、主熱交換器８５のシェル側内の第２の冷媒に対して冷却し、及び少なくとも部分的、好ましくは完全に液化することができる。第２の冷媒回路内の第２の混合冷媒であってよい第２の冷媒の操作は、当業者に公知である。第２の冷媒の操作の例は、米国特許６，３７０，９１０において見ることができる。
主熱交換器８５は主極低温熱交換器であってよい。主熱交換器８５は、部分的、好ましくは完全に液化した炭化水素流９０の形態の少なくとも部分的、好ましくは完全に液化した流れを与える。
少なくとも部分的、好ましくは完全に液化した炭化水素流９０の圧力を、ジュール−トムソンバルブ及び／又は膨張器のような最終フラッシュ膨張装置８７内で低下させて、膨張した炭化水素流９１を与えることができる。
膨張した炭化水素流９１は、最終フラッシュ分離容器９５に送って、最終フラッシュ流９７及び液化炭化水素生成物流９９を与えることができる。
好ましい態様において、炭化水素供給流２０が天然ガス流である場合には、液化した炭化水素生成物流９９はＬＮＧ流である。
ここに記載する冷却方法及び装置は、高度プロセス制御装置を用いて制御する。制御装置において用いるモデルは、少なくとも１つ又は１組の被制御変数を制御しながら最適化する１組のパラメーターの少なくとも１つを最適化するために１組の被操作変数に関する同時制御動作を決定する予測制御に基づく。
被操作変数の組は、
・第１の冷媒回路１００内の第１の混合冷媒材料の組成；
・第１の膨張装置１３５の設定；及び
・第２の膨張装置１６５の設定；
を含む。
第１及び第２の膨張装置１３５、１６５の中で、高度プロセス制御装置は、有利には、それを横切る最も低い圧力変化を有する装置に対してより多い重みを与えて、第１の混合冷媒の最も低い温度低下を与えるようにすることができる。
第１及び第２の膨張装置１３５、１６５の設定は、高度プロセス制御装置からの制御信号によって運転される作動装置によって変化させることができる。かかる制御装置はまた、第１の排出流の１以上及び１以上の第１の冷媒成分補給流に関する作動装置に対して、制御信号を介して、第１の冷媒回路１００内の第１の混合冷媒材料の組成を調節するように指示を与えることもできる。
上記で議論したように、第１の混合冷媒材料の組成の操作は、第１の冷媒アキュムレーター１１７を介して行うことができる。しかしながら、第１の冷媒回路１００内の第１の混合冷媒材料の組成を変化させることができるが、圧縮された第１の冷媒流１２０中の第１の混合冷媒、並びに第１の加温された第１の冷媒流１５０及び第２の加温された第１の冷媒流１８０の一方又は好ましくは両方の組成は同一であることを留意することが重要である。好ましくは、第１の膨張装置１３５を通る第１の冷媒流の組成は、第２の膨張装置１６５を通る第１の冷媒流の組成と同一である。
被制御変数の組は、以下の群：
・１以上の冷却された第２の流れ（例えば、冷却された炭化水素流６０及び／又は更に冷却された第２の主冷媒流２４０の形態）の少なくとも１つの温度、好ましくは冷却された炭化水素流６０の温度；
・第１の加温された第１の冷媒流１５０と、（ｉ）圧縮された第１の冷媒流１２０及び（ｉｉ）第１の流れ（例えば、炭化水素供給流２０及び／又は第２の冷媒流２２０の形態）の少なくとも１つとの間の温度差；
・第２の加温された第１の冷媒流１８０と、（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第２の部分１３０ｂ及び（ｉｉ）冷却された第１の流れ（冷却された炭化水素供給流３０及び／又は冷却された第２の冷媒流２３０）及び／又は冷却された第１の流れ３０から誘導される流れ（「従属流」と呼ぶ）の形態の１以上の第２の流れ（例えば、３０、５０、２３０のいずれかの形態）の１つの少なくとも１つとの間の温度差；
・（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流１３０と第１の膨張した第１の冷媒流１４０との間の温度差、及び（ｉｉ）更に冷却された第１の冷媒流１６０と第２の膨張した第１の冷媒流１７０との間の温度差の少なくとも１つ；及び
・１以上の第１の圧縮機１０５によって消費される電力；
の１以上を含む。
上記に示す２番目及び３番目の被制御変数は、第１又は第２の熱交換器から排出される加温された第１の冷媒と、この交換器の温端に導入される流れの少なくとも１つとの間の温度の変化を画定するものである。
上記に示す２番目の被制御変数に関しては、第１の加温された第１の冷媒流１５０と第１の熱交換器１２５の温端における流れの少なくとも１つの温度との間の温度差が定められる。第１の熱交換器１２５の温端におけるかかる流れは、第１の流れ及び圧縮された第１の冷媒流１２０からなる群から選択することができる。第１の流れは、好ましくは、炭化水素供給流２０（図２に関連して議論した）及び第２の冷媒回路（図示せず）内の第２の冷媒流２２０からなる群から選択することができる。最も低い温度差を生じさせる流れの組合せに対して、被制御変数として比較的より大きな重みを与えることが好ましい。
上記に示す３番目の被制御変数に関しては、第２の加温された第１の冷媒流１８０と、第２の熱交換器１４５の温端における流れの少なくとも１つの温度との間の温度差が定められる。第２の熱交換器１４５の温端におけるかかる流れは、第１の冷却された第１の冷媒流１３０の第２の部分１３０ｂ、及び冷却された第１の流れ３０、２３０及び／又は冷却された第１の流れから誘導される従属流の形態の１以上の第２の流れ（これのために流れ３０、５０、２３０の以上を用いることができる）の１つからなる群から選択することができる。最も低い温度差を生じさせる流れの組合せの温度差に対して、被制御変数として比較的より大きな重みを与えることが好ましい。
上記に示す初めの４つの被制御変数を定めるのに必要な温度及び温度差は、関連する流れにおける温度を観測する温度センサーによって測定することができる。温度センサーによって、ここに記載する制御方法を操作する高度プロセス制御装置に温度センサー信号を送信することができる。温度信号に応答して、被操作変数の１以上を変化させるために、制御信号を、例えば膨張装置及び／又は第１の冷媒排出及び成分補給流に関する作動装置に送信することができる。同様に、１つ又は複数の第１の圧縮機の所用電力を１つ又は複数の圧縮機又は対応する１つ又は複数の第１の圧縮機駆動装置内のセンサーによって測定して、高度プロセス制御装置に送信することができる。
最適化するパラメーターの組は、冷却された炭化水素流の製造速度、及び／又は第１の冷媒回路の冷却効率を含む。
冷却された炭化水素流の製造速度は、例えば流量センサーを用いて質量流量又は関連する特性を測定することによって求めることができる。第１の冷媒回路の冷却効率は、公知の技術によって、時間と共に製造される冷却された炭化水素流６０の質量に対する第１の圧縮機の所用電力に基づいて計算することができる。
モデル予測制御の重要な特徴は、被制御変数のモデル及び入手可能な測定値を用いて未来の挙動を予測することである。Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7版, p.8-25〜8-27（参照として本明細書中に包含する）において更に説明されているように、制御装置の出力は、予測される誤差及び計算された未来の制御の変動の線形又は二次関数であってよい評価関数を最適化するように計算される。それぞれのサンプリングの時点において、制御計算を繰り返して、現在の測定値に基づいて予測を更新する。好適なモデルは、被制御変数に対する被操作変数のステップ応答の効果を示す１組の経験的ステップ応答モデルを含むものである。
最適化するパラメーターの最適値は別々の最適化工程から得ることができ、或いは最適化する変数を性能関数中に含ませることができる。
モデル予測制御を適用することができる前に、まず、最適化する変数及び被制御変数に対する被操作変数のステップ変化の効果を求める。この操作によって、１組のステップ応答係数が与えられる。ステップ応答係数の組は、冷却プロセスのモデル予測制御の基礎を形成する。
通常運転中においては、被制御変数の予測値を、通常は複数の未来の制御の変動に関して計算する。次に、これらの未来の制御の変動に関して評価関数を計算することができる。評価関数には、２つの項（第１の項はそれぞれの制御の変動に関する予測される誤差の未来の制御の変動の合計を表し、第２の項はそれぞれの制御の変動に関する被操作変数の変化の未来の制御の変動の合計を表す）を含ませることができる。
それぞれの被制御変数に関し、予測される誤差は、被制御変数の予測値と被制御変数の参照値との間の差である。予測される誤差に重み付け係数をかけ、制御の変動に関する被操作変数の変化に変動抑制因子をかける。かかる場合においては評価関数は線状である。或いは、これらの項は二乗項の合計であってよく、この場合には評価関数は二次である。
被操作変数、被操作変数の変動、及び被制御変数に対して制約を設定することができる。これによって、評価関数の最小化と同時に解法される別の組の等式が与えられる。
最適化を別々に行う場合には、最適化するパラメーターをそれぞれの制御の変動に関する予測される誤差内に被制御変数として含ませ、最適化によって被制御変数に関する参照値を与える。
或いは、最適化を評価関数の計算の中で行い、これによって適当な重み付け係数を有する評価関数における第３項を与える。この場合には、被制御変数の参照値は一定に保持される予め定められた定常状態値である。
制約を考慮して評価関数を最小化して、未来の制御の変動に関する被操作変数の値を与える。しかしながら、次の制御の変動のみを実行する。次に、未来の変動に関する評価関数の計算を再び開始する。
ステップ応答係数を有するモデル及びモデル予測制御のための等式は、冷却プロセスを制御するために実行するコンピュータープログラムの一部であってよい。モデル予測制御を取り扱うことができるかかるプログラムをロードしたコンピューターは高度プロセス制御装置と呼ばれる。ここで開示する特定のモデル予測制御を有しない基本的なプログラムパッケージは商業的に入手でき、当業者に公知である。ここに記載する方法及び装置は、被操作変数及び被制御変数の組が有利に選択されるという利益を享受する。
例えば、一態様において、第１の混合冷媒が少なくともメタン、エタン、及びプロパンを含む場合には、第１の冷媒回路１００内の第１の混合冷媒の材料の組成を含む被操作変数には、第１の冷媒材料中のメタン、エタン、及びプロパン含量の１以上を操作することを含ませることができる。
ここに記載する方法及び装置は任意の炭化水素流を液化するために用いることができるが、天然ガスを液化して液化天然ガス（ＬＮＧ）を与えるのに特に有用であると期待される。
而して、炭化水素流は冷却し場合によっては液化する任意の好適な気体流であってよいが、好適には天然ガス又は石油貯留層から得られる天然ガス流である。別の形態として、天然ガス流は、フィッシャー・トロプシュプロセスのような合成源も含む他の源から得ることもできる。
通常は、天然ガス流は実質的にメタンを含む炭化水素組成物である。好ましくは、炭化水素供給流は、少なくとも５０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。
天然ガスのような炭化水素組成物はまた、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈｇ、Ｈ２Ｓ、及び他のイオウ化合物などのような非炭化水素も含む可能性がある。所望の場合には、天然ガスを冷却及び液化する前に予備処理することができる。この予備処理には、ＣＯ２及びＨ２Ｓのような望ましくない成分の減少及び／又は除去、或いは早期冷却、予備加圧などのような他の工程を含ませることができる。これらの工程は当業者に周知であるので、これらのメカニズムはここでは更には議論しない。
而して、「炭化水素流」という用語には、清浄化、脱水、及び／又はスクラビングなどの処理の前の組成物、並びにイオウ、イオウ化合物、二酸化炭素、水、Ｈｇ、及び１種類以上のＣ２＋炭化水素など（しかしながらこれらに限定されない）の１種類以上の化合物又は物質を減少及び／又は除去するために部分的、実質的、又は完全に処理した組成物も含ませることができる。
源によって、天然ガスは、特にエタン、プロパン、及びブタン類、並びに場合によってはより少量のペンタン類及び芳香族炭化水素のようなメタンよりも重質の種々の量の炭化水素も含む可能性がある。組成は、ガスのタイプ及び場所によって変動する。
通常は、ブタンよりも重質の炭化水素は、異なる冷凍又は液化温度を有するためにメタン液化プラントの部品を閉塞させる可能性があるなどの幾つかの理由のために有意の冷却の前に炭化水素流から効率的に可能な限り除去する。Ｃ２＋炭化水素は、脱メタン化器によって炭化水素供給流から分離するか又はその中のそれらの含量を減少させることができ、これによってメタンに富む塔頂炭化水素流、及びＣ２＋炭化水素の殆どを含むメタンが減少した塔底流が与えられる。メタンが減少した塔底流は、次に更なる分離器に送って液化石油ガス（ＬＰＧ）及び凝縮物流を与えることができる。
分離の後、かくして製造される炭化水素流を冷却することができる。これは、上記の図２において例えばライン５０によって示される。冷却は、上記及び例えば米国特許５，８２６，４４４；米国特許６，０４１，６１９；米国特許６，１０５，３８９；米国特許７，０９６，６８８；米国特許６，３７０，９１０；ＷＯ−２００８／００９７２１；ＷＯ−２００８／０１９９９９；ＷＯ−２００８／０４３８０６；ＷＯ−２００９／００７４３５；において説明されているプロセスなど（しかしながらこれらに限定されない）の所謂二重混合冷媒（ＤＭＲ）プロセスなど、及び例えば米国特許６，０４１，６１９；米国特許６，６５８，８９１；米国特許５，８３２，７４５；において説明されているプロセスなど（しかしながらこれらに限定されない）の所謂単一混合冷媒（ＳＭＲ）プロセスなどの当該技術において公知の複数の方法によって与えることができる。炭化水素流は、１以上の冷媒回路内の１以上の冷媒流に対して通過させる。かかる冷媒回路には、少なくとも部分的に蒸発した冷媒流を圧縮して圧縮された冷媒流を与える１以上の圧縮機を含ませることができる。圧縮された冷媒流は、次に空気冷却器又は水冷却器のような冷却器内で冷却して冷媒流を与えることができる。圧縮機は１以上のタービンによって駆動することができる。
炭化水素流の冷却は１以上の段階で行うことができる。予備冷却又は補助冷却とも呼ばれる初期冷却は、２以上の予備冷却熱交換器内において、予備冷却冷媒回路の予備冷却混合冷媒を用いて行って冷却された炭化水素流を与えることができる。冷却された炭化水素流は、好ましくは、例えば０℃より低い温度において部分的に液化する。
好ましくは、かかる予備冷却熱交換器には予備冷却段階を含ませることができ、その後の冷却は１以上の主熱交換器内で行って、炭化水素流のフラクションを１以上の主冷却及び／又は補助冷却冷却段階で液化することができる。
上記の態様において議論した第１及び第２の熱交換器は予備冷却段階のかかる予備冷却熱交換器であってよく、第１の混合冷媒は予備冷却混合冷媒であってよい。
このように、ここで開示する方法には、それぞれの段階が１以上の工程、部分等を有する２以上の冷却段階を含ませることができる。例えば、それぞれの冷却段階に１〜５台の熱交換器を含ませることができる。炭化水素流及び／又は混合冷媒のフラクションは、冷却段階の全ての及び／又は全く同じ熱交換器を通してはならない。
一態様においては、炭化水素冷却プロセスに単一の冷却段階を含ませることができる。更なる態様においては、炭化水素は２つ又は３つの冷却段階を含む方法で冷却及び液化することができる。予備冷却段階は、好ましくは炭化水素供給流の温度を０℃より低く、通常は−２０℃〜−７０℃の範囲に低下させることを目的とする。
主冷却段階は、好ましくは予備冷却段階から分離する。即ち、主冷却段階は１以上の別の主熱交換器を含む。主冷却段階は、上記で議論した第２の冷媒流を用いて冷却することができる。
主冷却段階は、好ましくは炭化水素供給流、通常は、予備冷却段階によって冷却された炭化水素流の少なくとも一部の温度を−１００℃より低く低下させることを目的とする。
２以上の予備冷却又は任意の主熱交換器として用いるための熱交換器は当該技術において周知である。予備冷却熱交換器は、好ましくはシェルアンドチューブ熱交換器である。
任意の主熱交換器の少なくとも１つは、好ましくは当該技術において公知のスプール巻回極低温熱交換器である。場合によっては、熱交換器には、そのシェル内に１以上の冷却セクションを含ませることができ、それぞれの冷却セクションは、１つの冷却段階、又は他の冷却箇所に対して別の「熱交換器」とみなすことができる。
ここで記載する他の態様においては、混合予備冷却冷媒流及び任意の混合主冷媒流の一方又は両方を、１以上の熱交換器、好ましくは上記で記載した予備冷却及び主熱交換器の２以上に通して、冷却された混合冷媒流を与えることができる。
第１の（例えば予備冷却）冷媒回路又は任意の主冷媒回路のような混合冷媒回路内の混合冷媒は、窒素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン類、ペンタン類等を含む群から選択される２以上の成分の混合物から形成することができる。本発明には、別々か又は重なる冷媒回路又は他の冷却回路において１以上の他の冷媒を用いることを含ませることができる。
ここで示す混合冷媒又は混合冷媒流は、少なくとも５モル％の２つの異なる成分を含む。より好ましくは、混合冷媒は、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン類、及びペンタン類を含む群からの２以上を含む。混合冷媒に関する通常の組成は、
メタン（Ｃ１）：０〜２０モル％；
エタン（Ｃ２）：５〜８０モル％；
プロパン（Ｃ３）：５〜８０モル％；
ブタン類（Ｃ４）：０〜１５モル％；
であってよい。
全組成物は１００モル％を構成する。
他の態様においては、冷却された天然ガス流のような冷却された炭化水素流は、更に冷却してＬＮＧ流のような液化炭化水素流を与えることができる。
好ましくは、ここに記載する方法及び装置によって与えられる冷却された炭化水素流を用いて液化炭化水素流を与えて、それを１以上の貯蔵タンク内に貯蔵することができる。
液化の後、液化炭化水素流は所望の場合には更に処理することができる。一例として、得られる液化炭化水素を、ジュール−トムソンバルブ又は極低温ターボ膨張器を用いて減圧することができる。
ここで開示する他の態様においては、液化炭化水素流を、最終フラッシュ容器のような最終気／液分離器に通して、最終フラッシュガス塔頂流及び液体塔底流（後者は、場合によっては、ＬＮＧのような液化生成物として貯蔵タンク内に貯蔵するためのものである）を与える。最終フラッシュガスは、最終フラッシュガス圧縮機内で圧縮して圧縮された最終フラッシュガス流を与え、冷却して冷却された最終フラッシュガス流を与えて、これを１以上の燃料ガスヘッダー又は燃料ガスとして運び出すために送り出すことができる。
当業者であれば、特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明を多くの種々の方法で実施することができることを理解するであろう。

Claims (15)

  1. 炭化水素流を冷却することを含む冷却された炭化水素流の製造方法であって、少なくとも
    （ａ）第１の流れ及び圧縮された第１の冷媒流を、第１の圧縮機及び第１の混合冷媒を含む第１の冷媒回路内において、第１の熱交換器内で第１の圧力レベルにおいて第１の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、冷却された第１の流れ、第１の冷却された第１の冷媒流、及び第１の加温された第１の冷媒流を与え；
    （ｂ）第１の冷却された第１の冷媒流の第１の部分を第１の膨張装置内で膨張させて、第１の膨張した第１の冷媒流を与え；
    （ｃ）１以上の第２の流れ、及び第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分を、第２の熱交換器内で第２の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、１以上の冷却された第２の流れ、更に冷却された第１の冷媒流、及び第２の加温された第１の冷媒流を与え、ここで１以上の第２の流れは、少なくとも、冷却された第１の流れ又はそれから誘導される従属流を含み、それによって、少なくとも冷却された炭化水素流を与えるために、炭化水素流が１以上の第２の流れの中に含まれており；
    （ｄ）更に冷却された第１の冷媒流の少なくとも第１の部分を第２の膨張装置内で膨張させて、第１の膨張した第１の冷媒流よりも低い圧力の第２の膨張した第１の冷媒流を与え；そして
    （ｅ）第１の加温された第１の冷媒流及び第２の加温された第１の冷媒流の気体フラクションを第１の圧縮機内で圧縮し、次に第１の圧縮機からの圧縮された流れを冷却して、圧縮された第１の冷媒流を与える；
    工程を含み；
    １組の被制御変数の少なくとも１つを制御しながら、最適化する１組のパラメーターの少なくとも１つを最適化するために１組の被操作変数に関する同時制御動作を決定するモデル予測制御に基づく高度プロセス制御装置を用いて工程（ａ）〜（ｅ）を制御することを更に含み；
    被操作変数の組が、
    ・第１の冷媒回路内の第１の混合冷媒材料の組成；
    ・第１の膨張装置の設定；及び
    ・第２の膨張装置の設定；
    を含み；
    被制御変数の組が、
    ・１以上の冷却された第２の流れの少なくとも１つの温度；
    ・第１の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）圧縮された第１の冷媒流及び（ｉｉ）第１の流れの少なくとも１つとの間の温度差；
    ・第２の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分及び（ｉｉ）冷却された第１の流れ及び／又は冷却された第１の流れから誘導される従属流の形態の１以上の第２の流れの１つの少なくとも１つとの間の温度差；
    ・（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流と第１の膨張した第１の冷媒流との間の温度差、及び（ｉｉ）更に冷却された第１の冷媒流と第２の膨張した第１の冷媒流との間の温度差の少なくとも１つ；及び
    ・第１の圧縮機によって消費される電力；
    を含み；
    最適化するパラメーターの組が、冷却された炭化水素流の製造速度及び／又は第１の冷媒回路の冷却効率を含み、冷却効率が、時間と共に製造される冷却された炭化水素流の質量に対する第１の圧縮機において消費される電力を反映する上記方法。
  2. 第１の混合冷媒が少なくともメタン、エタン、及びプロパンを含み、第１の混合冷媒の組成の操作が、第１の冷媒回路内の第１の混合冷媒のメタン、エタン、及びプロパン材料の１以上を操作することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 第１の流れが炭化水素供給流を含み、それによって冷却された第１の流れが冷却された炭化水素供給流を含み、１以上の第２の流れが、冷却された炭化水素供給流又は冷却された第１の流れから誘導される従属流を含む、請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
  4. 工程（ｃ）の前に、冷却された炭化水素供給流を天然ガス液回収カラム内で分別して炭化水素流及び液体塔底流を与えることによって、冷却された第１の流れから炭化水素を誘導することを更に含む、請求項３に記載の方法。
  5. 第１の流れが第２の冷媒回路内の第２の混合冷媒の第２の冷媒流を含み、それによって冷却された第１の流れが冷却された第２の冷媒流を含み、１以上の第２の流れが冷却された第２の冷媒流及び炭化水素流を含み、１以上の冷却された第２の流れが更に冷却された第２の冷媒流及び冷却された炭化水素流を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 第１の流れの冷却が、２以上の第１の流れを同じ第１の熱交換器内か又はそれぞれ別々の高圧の第１の熱交換器内で冷却することを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. １以上の第２の流れの冷却が、２以上の第２の流れを同じ第２の熱交換器内か又はそれぞれ別々の第２の熱交換器内で冷却することを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
  8. （ｈ）少なくとも冷却された炭化水素流のフラクションを、主熱交換器内で少なくとも部分的、好ましくは完全に液化する；
    工程を更に含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
  9. （ｆ）冷却された炭化水素流を第１の分離器内で分離して、メタンに富む塔頂流及びメタンが減少した塔底流の形態のフラクションを与え；そして場合によっては
    （ｇ）メタンが減少した塔底流を加圧して（加圧された）メタンが減少した塔底流を与え、かかる（加圧された）メタンが減少した塔底流を天然ガス液回収カラムに還流として送る；
    工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
  10. 冷却された炭化水素流のフラクションの少なくとも部分的、好ましくは完全な液化が、メタンに富む流れを第２の冷媒に対して熱交換して、少なくとも部分的、好ましくは完全に液化した炭化水素流を与えることを含む、請求項８又は９に記載の方法。
  11. 冷却された炭化水素流のフラクションの少なくとも部分的、好ましくは完全な液化が、フラクションを更に冷却された第１の冷媒流の第２の部分に対して熱交換して、少なくとも部分的、好ましくは完全に液化した炭化水素流を与えることを含む、請求項８又は９に記載の方法。
  12. （ｉ）少なくとも部分的、好ましくは完全に液化した流れの圧力を低下させて、液化炭化水素生成物流及び最終フラッシュガス流を与える；
    工程を更に含む、請求項８〜１１のいずれかに記載の方法。
  13. 炭化水素流が天然ガス流である、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
  14. 工程（ｂ）において膨張させる第１の部分の組成が、少なくとも工程（ｄ）において膨張させる更に冷却された第１の冷媒流の部分の組成と実質的に同一である、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
  15. 炭化水素流から冷却された炭化水素流を製造する装置であって、
    ・第１の混合冷媒の材料；第１の膨張装置；第２の膨張装置；第１の圧縮機；及び第１の圧縮機からの圧縮された流れを冷却してそれによって圧縮された第１の冷媒流を与える１以上の第１の冷却器；を含む第１の冷媒回路；
    ・第１の流れ及び圧縮された第１の冷媒流を第１の圧力レベルにおいて第１の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、冷却された第１の流れ、第１の冷却された第１の冷媒流、及び第１の加温された第１の冷媒流を与えるように配置されている第１の熱交換器、ここで、第１の膨張装置は、第１の冷却された第１の冷媒流の第１の部分を受容し、第１の膨張した第１の冷媒流を与えるように配置されており；
    ・１以上の第２の流れ、及び第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分を第２の膨張した第１の冷媒流に対して冷却して、１以上の冷却された第２の流れ、更に冷却された第１の冷媒流、及び第２の加温された第１の冷媒流を与えるように配置されている第２の熱交換器；ここで、第２の膨張装置は、更に冷却された第１の冷媒流の少なくとも第１の部分を受容して第２の膨張した第１の冷媒流を与えるように配置されており、第２の膨張した第１の冷媒流は第１の膨張した第１の冷媒流よりも低い圧力であり、１以上の第２の流れは少なくとも冷却された第１の流れ又はそれから誘導される従属流を含み、それによって少なくとも冷却された炭化水素流を与えるように炭化水素流が１以上の第２の流れの中に含まれ；
    ・第１の加温された第１の冷媒流及び第２の加温された第１の冷媒流の気体フラクションを圧縮するように配置されている第１の圧縮機；
    ・１組の被制御変数の少なくとも１つを制御しながら、最適化する１組のパラメーターの少なくとも１つを最適化するために１組の被操作変数に関する同時制御動作を決定するモデル予測制御に基いてプログラムされたコンピューター実行ファイルを含む高度プロセス制御装置；
    を含み；
    被操作変数の組が、
    ・第１の冷媒回路内の第１の混合冷媒材料の組成；
    ・第１の膨張装置の設定；及び
    ・第２の膨張装置の設定；
    を含み；
    被制御変数の組が、
    ・１以上の冷却された第２の流れの少なくとも１つの温度；
    ・第１の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）圧縮された第１の冷媒流及び（ｉｉ）第１の流れの少なくとも１つとの間の温度差；
    ・第２の加温された第１の冷媒流と、（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流の第２の部分及び（ｉｉ）冷却された第１の流れ及び／又は冷却された第１の流れから誘導される従属流の形態の１以上の第２の流れの１つの少なくとも１つとの間の温度差；
    ・（ｉ）第１の冷却された第１の冷媒流と第１の膨張した第１の冷媒流との間の温度差、及び（ｉｉ）更に冷却された第１の冷媒流と第２の膨張した第１の冷媒流との間の温度差の少なくとも１つ；及び
    ・第１の圧縮機によって消費される電力；
    を含み；
    最適化するパラメーターの組が、冷却された炭化水素流の製造速度及び／又は第１の冷媒回路の冷却効率を含み、冷却効率が、時間と共に製造される冷却された炭化水素流の質量に対する第１の圧縮機において消費される電力を反映する上記装置。
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