JP2014522477A - 天然ガスの液化プロセス - Google Patents

Abstract

天然ガスを熱交換器及び第１エキスパンダーによって冷却する工程を含むプロセス。上記熱交換器は、原料天然ガスを、エキスパンダーの流出温度より高い温度に冷却する、工程と、エキスパンダーの流出ストリームを、熱交換器の第１低温側流路において、原料天然ガスの熱交換器への温度の僅かに下の温度に再加熱する工程と、熱交換器からの低温流出ストリームを、それが部分的に液化される第２エキスパンダー内に通す工程と、第２エキスパンダーの流出ストリームを液体留分及び蒸気留分に分離する工程と、液体留分をＬＮＧ製品として使用するために捕集する工程と、蒸気留分を、熱交換器の第２低温側流路において、原料天然ガスの熱交換器への温度とほぼ同じ温度に再加熱する工程と、再加熱された蒸気留分を、部分的に第１エキスパンダーへの供給分として、部分的に熱交換器への供給分としてリサイクルする工程と、を含むプロセスである。
【選択図】図１

Description

本発明はメタンリッチガスの液化方法に関し、更に具体的には、但し排他的にではなく、液化天然ガス（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ：ＬＮＧ）の製造方法に関する。

天然ガスの液化は、実際には、
−液体冷媒の蒸発
−膨張機（エキスパンダー）におけるガスの仕事膨張
によって行うことができる。

液体冷媒の蒸発はその動力要求量が最低であるので、広く用いられているカスケードＬＮＧプロセス及び混合冷媒ＬＮＧプロセスの基礎になっている。

エキスパンダーに基づくＬＮＧ設備は、簡素であり、コンパクトであり、軽量であり、かつ、液体冷媒の購入／予備処理／貯蔵を避けることができる。これらの特性は、安全上の観点から炭化水素の在庫量を少なくしたい特にオフショアの小型の施設にとって魅力的である。しかし、エキスパンダープロセスはいくつかの欠点を有する。すなわち、
−近年までエキスパンダーの容量に制限があり、かつ経験が限られていること、
−動力要求量が高いこと、
−内部のガス流量が高いので、ラインの必要直径が大きくなること、
などである。

エキスパンダーに基づく殆どのプロセスについて、作業流体（通常窒素）はエキスパンダー出口において気相のままである。

エキスパンダー内において原料ガスそのものが部分的に液化されて、２相の排出流れになると、その液化によって内部の（リサイクル）ガス流量が減少し、動力要求量が低減される。

液化エキスパンダーによるＬＮＧ製造は新規のアイディアではない（Ｂｏｃｑｕｅｔに付与された米国特許第２，９０３，８５８号明細書）。

本出願の発明者は、動力要求量を低くし得るプロセスを先に開示した（英国特許第２３９３５０４Ｂ号明細書及び米国特許第７，２３４，３２１号明細書）。このプロセスにおいては、液化エキスパンダーが、原料天然ガスから生成される単一の混合冷媒を含む予備冷却回路に接続される

最近の他の文献は、並列／リサイクルガスエキスパンダーによって予備冷却し、これに液化エキスパンダーが後続する方式を開示している。例えば、
−国際公開第０１／４４７３５号パンフレット（Ｍｉｎｔａその他）は、「１６００ｐｓｉａより高い」圧力に圧縮された原料ガスからの−１１２℃の加圧液化天然ガス（ＰＬＮＧ）の製造を記載しており、
−米国特許出願公開第２００６／０２１３２２２号明細書（Ｗｈｉｔｅｓｅｌｌ）は、「約１５００ｐｓｉｇ〜約３５００ｐｓｉｇ」の圧力でプロセスに流入するか、あるいはプロセス内でその圧力に圧縮される原料ガスからのＬＮＧの製造を記載している。

上記の２件の特許文献の内容に対して、本出願の進歩性は、約−１６１℃の大気圧ＬＮＧの実際の製造を可能にする２つのエキスパンダー（予備冷却エキスパンダー及び液化エキスパンダー）に対する運転条件を特定する点にある。更に、上記の特許文献における特徴である非常に高圧の原料ガスはもはや必要でない。

この結果、プロセスが簡素化され、熱効率が改善され、更に、原料ガスが４０ｂａｒ（４ＭＰａ）程度の低い圧力であっても適用可能な広範囲の適用可能性が実現される。

本発明は、そのフローの構成が簡単であること、動力消費が低いこと、及び、液体冷媒の貯蔵と使用とに依拠していないことのために、比較的小さいガス田、特にオフショアのガス田からのＬＮＧの製造を容易にする。液化プロセスそのものは、全体的に、例えば冷媒の予備処理用としてのプロセス処理塔を必要としない。プロセス処理塔は、このような運転条件の下では、運転を容易ならざるものにする可能性が高いのである。

本発明によれば、天然ガスまたは他のメタンリッチガスの液化プロセスが提供される。一般的に４０ｂａｒ（４ＭＰａ）〜１００ｂａｒ（１０ＭＰａ）の圧力の原料ガスが、前記のエキスパンダーに基づくプラントの構成によって液化され、約１ｂａｒ（０．１ＭＰａ）／−１６１℃のＬＮＧ製品が生成される。このプロセスは次の工程、すなわち、
−最初のステップにおいて、第１熱交換器によって、かつ第１仕事エキスパンダー内において、原料ガス及びリサイクルガス（以下に述べる）を冷却する工程であって、その熱交換器は、−５０℃〜−８０℃、好ましくは−６０℃〜−７０℃の流出温度を有し、そのエキスパンダーは、前記熱交換器の流出温度より低い流出温度を有し、かつ、そのエキスパンダーの流出ストリームは、前記熱交換器の低温側流路において再加熱され、続いて、上記のリサイクルガスの一部を形成するために再圧縮される、工程と、
−前記第１熱交換器からの前記冷却された流出ストリームを、部分的に、その流出ストリームが本質的に凝縮される第２熱交換器の高温側流路内に通し、かつ部分的に、第２仕事エキスパンダー内に通す工程であって、その第２エキスパンダーは第２熱交換器の低温流出流体より低い流出温度を有し、その第２エキスパンダーの流出ストリームはかなりの量の液体（通常１０〜１５重量％）を含み、そのエキスパンダーの流出流体は蒸気留分と液体留分とに分離され、蒸気留分は前記第２及び第１熱交換器の低温側流路において再加熱され、続いて、再圧縮され、上記のリサイクルガスの一部としてプロセスの流入側に戻される、工程と、
−上記の分離された液体及び第２熱交換器の高温側流路から凝縮された液体（両者共通常約−１２０℃）の圧力をほぼ大気圧に低下させ、放出されたフラッシュガスを上記の熱交換器における別の低温側流路内において再加熱し、かつ、液体をＬＮＧ製品として使用するために取り出す工程と、
を含む。

リサイクルガスの圧縮動力に対する最低の要求量が、機械的仕事の抜き取りを、第２エキスパンダーのほぼ出口において１０ｂａｒ（１ＭＰａ）を超える圧力範囲に集中させることから得られることが見出された。この利点は、２つのエキスパンダーからの流出圧力を約１０ｂａｒ（１ＭＰａ）に均等化できる点にあり、第１熱交換器を３流路構成に縮減できる。

殆どの既存のＬＮＧ製造は、熱交換器内においてＬＮＧ製品を形成するように天然ガスを冷却しかつ凝縮させるために、液体の冷媒の蒸発に依拠しているが、本発明は、適度な動力要求量を備えた液化プロセスであって、必要な冷却の大部分が、原料ガスそのものの仕事膨張によって供給されるプロセスを含んでいる。従って、極低温用の液体冷媒、あるいは窒素のような他の二次作業流体は必要でない。この方法で、低い温度レベルにおいてエネルギーが抜き取られ、これによって、結果的に熱力学的な効率が改善される。その結果、前記仕事エキスパンダーからの低温ガスの再加熱によって冷却される熱交換器内の凝縮によって形成されるＬＮＧに加えて、ＬＮＧのかなりの部分が、直接、仕事抜き取りエキスパンダーにおいて形成される。

次に、本発明を添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるプロセスを示すフローシートである。 図２は、本発明の別の実施形態によるプロセスを示すフローシートである。

図１は本発明の基本的な運転上の特徴を示す。正確なフローシートは原料ガスの仕様に応じて変化するであろうが、一般的にこのフローシートの基本要素を含むであろう。圧力に言及する場合は、本明細書においては単位として「ｂａｒ」を用いるが、この「ｂａｒ」は絶対圧力である。

原料天然ガス（ストリーム１）は予備処理段階Ａを通して供給される。予備処理段階Ａにおいては、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、水蒸気及び水銀蒸気のような、固結するか、あるいは他の態様で下流側の液化プロセスと干渉する成分が、予備処理ガス（ストリーム２）における適切なかつ従来の最大の濃度になるのに必要な程度まで除去される。

ストリーム２はリサイクルガス（ストリーム３）の一部（ストリーム４）と混合され、ストリーム６を形成する。ストリーム６は、熱交換器Ｂの流路を通過し、通常−２０℃〜−６０℃の範囲、好ましくは−３０℃〜−５０℃の範囲の温度でストリーム７として流出する。この温度は、通常、最終のＬＮＧ製品用の仕様に適合するために、必要かつ十分なＮＧＬを凝縮するのに十分な程度に低い。セパレータＣにおいて凝縮されるあらゆる炭化水素がストリーム８として取り出される。Ｃからの流出蒸気（ストリーム９）は熱交換器Ｄ内の流路において更に冷却され、−５０℃〜−８０℃、好ましくは−６０℃〜−７０℃の範囲の温度においてストリーム１０として流出する。リサイクルガスの残余の部分（ストリーム５）はガスエキスパンダーＥにおいて冷却され、ストリーム１０の温度より低い温度の流出ストリーム１１として流出する。

場合によっては、予備処理された原料ガスの一部またはすべてを、予備処理段階Ａからストリーム２ａを経由して流出させ、リサイクルガスのストリーム３がストリーム４及び５に分割される点の上流側でリサイクルガスのストリーム３に合流させることができる。この方式は、天然ガスの原料ストリーム１が僅少量の重質炭化水素しか含まない場合に有用であり得る。このような場合は、予備処理された原料ガスを全リサイクルガスと混合することができ、その結果得られた混合物を、続いて、ストリーム６としての熱交換器Ｂへの供給用と、ストリーム５としてのガスエキスパンダーＥへの供給用とに分割することができる。

ストリーム１１の圧力は、通常、約１５ｂａｒ（１．５ＭＰａ）となるであろう。ストリーム１１は熱交換器Ｄにおける第１低温側流路に流入し、ストリーム１２として流出する。ストリーム１２は、続いて熱交換器Ｂにおける第１低温側流路を通過し、ストリーム６の温度のすぐ下の温度で流出する（ストリーム１３）。ストリーム４の流量とストリーム５の流量との比率は、熱交換器Ｂ及びＤの合成した高温側及び低温側の間の温度の接近がそれらの全長にわたって一様になるように制御される。

ストリーム１０の大部分は、引き続いて、第２ガスエキスパンダーＦを通過し（ストリーム１４）、そのエキスパンダーＦから、３ｂａｒ（０．３ＭＰａ）〜２０ｂａｒ（２ＭＰａ）、好ましくは５ｂａｒ（０．５ＭＰａ）〜１５ｂａｒ（１．５ＭＰａ）の圧力で、かつ、部分的に液化された状態でストリーム１５として流出する。ストリーム１５は、続いて気液セパレータＧに流入する。セパレータＧからの液相部分（ストリーム１６）は、続いて、通常弁またはタービンのような減圧装置Ｈにおいて減圧される。Ｈからの流出分（ストリーム１７）は、通常大気圧かまたはそれに近い圧力であり、ＬＮＧタンクＩに送られる。製品ＬＮＧの窒素含有量を低減したい場合には、従来型の窒素ストリッピング塔（図示なし）を用いることができるが、この場合、通常、再沸用としてはストリーム１６の顕熱を利用する。

任意選択的なかつ好ましい方式として、ストリーム１０の一部が、ストリーム２３として熱交換器Ｊの高温側流路を通過し、その熱交換器Ｊにおいて、セパレータＧからの蒸気（ストリーム１８）との間接熱交換によって液化され、ストリーム２４として流出する。ストリーム２４は、続いて、通常弁またはタービンのような減圧装置Ｋによって減圧される。Ｋからの流出分は、ストリーム２５ａとして破線で示されるように気液セパレータＧに導かれるか、あるいは、好ましくは、ストリーム２５ｂとしてＬＮＧタンクＩに導かれる。この第２の選択方式は、リサイクルガス中の窒素の蓄積を低減するのに役立つ。ストリーム１８は、熱交換器Ｊの第１低温側流路において加熱されてストリーム１９として流出する。ストリーム１９は、続いて、熱交換器Ｄの第２低温側流路において更に加熱され、ストリーム２０として流出する。ストリーム２０は、続いて、熱交換器Ｂの第２低温側流路において更に加熱され、ストリーム６の温度より僅かに低い温度で、ストリーム２１として流出する。

ストリーム１３及び２１はリサイクル圧縮機Ｎにおいて圧縮され、その圧縮機Ｎからの流出ストリーム３４は、通常、冷却器Ｏにおいて冷却水によって冷却される。圧縮機Ｎはインタクーラを備えた多段構成とすることができる。ストリーム１３及び２１は、同じ圧力ではないので、異なる圧縮機段に流入させることになるであろう。Ｏからの流出ストリームが、上記のリサイクルガスのストリーム３を形成する。

Ｈを通してのストリーム１６のフラッシング及びＫを通してのストリーム２４のフラッシングによって、原料ガスの窒素含有量の殆どと共に主としてメタンを含む蒸気が発生するであろう。通常、この蒸気（ストリーム２６）は、任意選択的に、タンクＩ内への熱の漏入によって生じる蒸発蒸気と組み合わされて、熱交換器Ｊの第２低温側流路内で加熱され、ストリーム２７を形成する。ストリーム２７は、続いて、熱交換器Ｄの第３低温側流路内で加熱されてストリーム２８になり、最後に、熱交換器Ｂの第３低温側流路内で加熱されて、ストリーム６の温度より僅かに低い温度でストリーム２９として流出する。ストリーム２９の圧力が確実に大気圧以下に低下しないようにするため、ストリーム２６に、従来型のブースタブロワ（これも図示なし）を設けることができる。ストリーム２９は、通常燃料ガスとして用いることができる。

ストリーム２９の一部またはすべて（ストリーム３０）は、任意選択的に、リサイクルガスに戻すために低圧圧縮機Ｌにおいて圧縮することができる。これはストリーム３１として流出する。このストリーム３１は冷却器Ｍにおいて冷却され、その冷却器Ｍからの流出分（ストリーム３２）がストリーム２１に合流してストリーム２２を形成する。ストリーム２２は、続いて、この任意選択が用いられない場合の単独のストリーム２１の代わりに、リサイクル圧縮機Ｎの吸い込み側に流入する。別の任意選択として、リサイクルガス（ストリーム３３）を、通常ガスタービンの燃料用として、好適な点において圧縮機Ｎから引き抜く方式がある。ストリーム２９またはストリーム３３は、最終的に燃料として燃焼するのに先立って、予備処理段階Ａにおける吸着剤の再生用としてのストリッピングガスとして利用することが好都合である場合がある。

図２は、本発明の別の好ましい実施形態を示すが、この実施形態においては、エキスパンダーＥ及びＦが、基本的に、３ｂａｒ（０．３ＭＰａ）〜２０ｂａｒ（２ＭＰａ）、好ましくは５ｂａｒ（０．５ＭＰａ）〜１５ｂａｒ（１．５ＭＰａ）の同じ流出圧力を有する。エキスパンダーＥからの流出ストリーム（ストリーム１１）は、続いて、ストリーム１９と結合され、ストリーム１９ａを形成する。ストリーム１９ａは図１のストリーム１９の位置で熱交換器Ｄに流入する。この場合、熱交換器Ｂ及びＤはただ３つの流路のみを有し、これによって、熱交換器の構造と、プラントの運転とが簡素化される。

殆どの用途において、ストリーム２及び３は大気温度に近い温度を有するであろうことが予期されるが、この温度レベル以下に冷却することが有利である場合がある。これらのストリーム、及び、任意選択的に圧縮機のインタクーラ及びアフタクーラからの流出ストリームを、機械的な冷凍サイクルによって、あるいは、通常、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を用いる吸収式冷凍システムによって冷却することが可能である。臭化リチウムは、ガスタービン、ガスエンジンまたはコンバインドサイクル、あるいは他の何らかの適切な設備の排気ガスからの熱供給を受け取ることができる。

Claims (8)

1. 天然ガスまたは他のメタンリッチガスの液化プロセスにおいて、
   −原料天然ガスを、熱交換器及び第１ガスエキスパンダーによって、−５０℃〜−８０℃の温度に冷却する工程であって、前記熱交換器は、前記原料天然ガスを受け入れると共に、前記エキスパンダーの流出温度より高い流出温度を有する、工程と、
   −前記エキスパンダーの流出ストリームを、前記熱交換器の第１低温側流路において、前記原料天然ガスの前記熱交換器への流入温度のすぐ下の温度に再加熱し、圧縮し、かつリサイクルする工程と、
   −前記熱交換器からの低温流出ストリームの一部またはすべてを、それが部分的に液化される第２エキスパンダー内に通す工程と、
   −前記第２エキスパンダーの流出ストリームを蒸気留分及び液体留分に分離する工程と、
   −前記液体留分をＬＮＧ製品として使用するために捕集する工程と、
   −前記蒸気留分を、前記熱交換器の第２低温側流路において、前記原料天然ガスの前記熱交換器への流入温度のすぐ下の温度に再加熱する工程と、
   −前記再加熱された蒸気留分を、圧縮後、一部は前記第１エキスパンダーに、一部は前記熱交換器にリサイクルする工程と、
   を含むことを特徴とするプロセス。
2. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記熱交換器が前記原料天然ガスのすべてを受け入れる、ことを特徴とするプロセス。
3. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記熱交換器が、前記原料天然ガスのかなりの部分、少なくとも３０％を受け入れる、ことを特徴とするプロセス。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のプロセスにおいて、前記原料天然ガスが−６０℃〜−７０℃の温度に冷却される、ことを特徴とするプロセス。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のプロセスにおいて、前記第１及び第２ガスエキスパンダーが、３ｂａｒ（０．３ＭＰａ）〜２０ｂａｒ（２ＭＰａ）、好ましくは５ｂａｒ（０．５ＭＰａ）〜１５ｂａｒ（１．５ＭＰａ）の基本的に同じ流出圧力を有し、その両エキスパンダーからの流出ストリームが、最終的な再加熱、圧縮及びリサイクルに先立って結合される、ことを特徴とするプロセス。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のプロセスにおいて、前記原料ストリーム及び／または圧縮機排出ストリーム及び／またはリサイクルストリームの任意の一部分またはすべてが、通常、例えば臭化リチウム（ＬｉＢｒ）のような吸収式冷凍サイクルを用いて冷却される、ことを特徴とするプロセス。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のプロセスにおいて、吸収式冷凍システムに必要な熱が、プロセスの圧縮機への動力供給用として用いることができるガスエンジンまたはタービンの排熱によって供給される、ことを特徴とするプロセス。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のプロセスにおいて、原料ストリーム及び／またはリサイクルストリームの何れかの前記のような冷却が、原料ガスからの二酸化炭素及び／または他の不純物の除去と組み合わされる、ことを特徴とするプロセス。

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