JP2021533329A - 高圧エキスパンダプロセスのための補給ガス組成変動の管理 - Google Patents

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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/902—Details about the refrigeration cycle used, e.g. composition of refrigerant, arrangement of compressors or cascade, make up sources, use of reflux exchangers etc.

Abstract

供給ガス流の液化方法。冷媒流が冷却され、膨張させられて、膨張し、冷却された冷媒流を生成する。膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てが分離器内で補給冷媒流と混合され、それによって補給冷媒流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状の膨張し、冷却された冷媒流を形成する。ガス状の膨張し、冷却された冷媒流は、熱交換器ゾーンを通って温冷媒流を形成する。供給ガス流は、熱交換器ゾーンに通されて、膨張し、冷却された冷媒流との間接熱交換によって供給ガス流の少なくとも一部が冷却され、それによって液化ガス流を形成する。温冷媒流は、圧縮されて、圧縮された冷媒流を生成する。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2018年8月22日に出願された米国仮出願第62/721367号、“Managing Make-Up Gas Composition Variation for a High Pressure Expander Process”；2017年9月29日に出願された米国仮出願第62/565,725号、“Natural Gas Liquefaction by a High Pressure Expansion Process”；2017年9月29日に出願された米国仮出願第62/565,733号、“Natural Gas Liquefaction by a High Pressure Expansion Process”；及び2017年10月25日に出願された米国仮出願第62/576,989号、“Natural Gas Liquefaction by a High Pressure Expansion Process Using Multiple Turboexpander Compressors”の優先権の利益を主張する。これらの開示内容は、参照することにより全ての目的でそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、共同所有権を有し、同日付けで出願された米国仮出願第62/721375号、“Primary Loop Start-up Method for a High Pressure Expander Process”；及び米国仮出願第62/721374号、“Heat Exchanger Configuration for a High Pressure Expander Process and a Method of Natural Gas Liquefaction Using the Same”に関連し、これらの開示内容は、参照することにより全ての目的でそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
背景
開示の分野
本開示は、一般的に液化天然ガス(LNG)生産に関する。より詳細には、本開示は、高圧でのLNG生産に関する。
関連技術の説明
このセクションは、本開示に関連し得る技術の種々の態様を紹介することを意図する。この考察は、本開示の特定態様のより良い理解を促進するための枠組を提供することを意図する。従って、このセクションは、この観点から読むべきであり、必ずしも先行技術の承認として読むべきでない。
天然ガスは、そのクリーンな燃焼の質及び便利さのため、ここ数年で広く使用されるようになってきた。多くの天然ガス源は、ガスのいずれの商業市場からも遠く離れた遠隔地にある。生産された天然ガスを商業市場へ輸送するためにピペリンが利用可能なこともある。ピペリン輸送が実現不可能なとき、生産された天然ガスは、市場への輸送のために処理して液化天然ガス(LNG)にされることが多い。
LNGプラントの設計において、最も重要な考慮すべき事柄の1つは、天然ガス供給流をLNGに変換するプロセスである。現在、最も一般的な液化プロセスは、何らかの形の冷却システムを使用する。天然ガスを液化するために多くの冷却サイクルが使用されてきたが、今日LNGプラントでは、下記3つのタイプが最も一般的に使用されている：(1)ガスの温度を液化温度まで漸進的に下げるように配置された熱交換器内で複数の単成分冷媒を使用する「カスケードサイクル」；(2)特別に設計された熱交換器内で多成分冷媒を使用する「多成分冷却サイクル」；及び(3)温度の低下に対応してガスを供給ガス圧から低圧まで膨張させる「エキスパンダサイクル」。ほとんどの天然ガス液化サイクルは、これらの3つの基本タイプのバリエーション又は組み合わせを使用する。
多成分冷却サイクルでは、液化プロセスに用いる冷媒は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、及び窒素等の成分の混合物を含んでよい。「カスケードサイクル」では、冷媒は、プロパン、エチレン、又は窒素等の純物質であってもよい。組成が厳密に制御された相当な量のこれらの冷媒が必要とされる。さらに、このような冷媒を輸入及び貯蔵しなければならないことがあり、これは、特に遠隔地でのLNG生産に対してロジスティクス要件を強いる。これとは別に、一部の冷媒成分は、一般的に液化プロセスと統合された蒸留プロセスによって調製可能である。
供給ガス冷却を可能にし、それによって冷媒取扱いのロジスティック問題を排除又は軽減するガスエキスパンダの使用は、場合によっては冷媒ベースの冷却に勝る利点を有するように見える。エキスパンダシステムは、冷媒ガスを膨張タービンを介して膨張させ、それによって仕事をし、ガスの温度を下げることができるという原則に基づいて作動する。そして低温ガスは供給ガスと熱交換されて必要とされる冷却をもたらす。ガスエキスパンダで冷却膨張から得られる動力を用いて、冷却サイクルで用いられる主圧縮力の一部を供給することができる。LNG製造用の典型的なエキスパンダサイクルは、典型的に約6,895kPa(1,000psia)未満の供給ガス圧で作動する。供給ガスを完全に液化するためには一般的に補助冷却が必要であり、これは二次冷却及び／又は過冷却ループ等の追加冷媒システムによって提供し得る。例えば、米国特許第6,412,302号及び米国特許第5,916,260号は、過冷却ループで冷媒として窒素を用いるエキスパンダサイクルを提示している。
しかしながら、以前に提案されたエキスパンダサイクルは全て、冷媒システムに基づく現在の天然ガス液化サイクルほど熱力学的に効率的でない。従って、エキスパンダサイクルは、今日まで設置コストの如何なる利点をも提供しておらず、冷媒を必要とする液化サイクルが未だに天然ガス液化の好ましい選択肢である。
エキスパンダサイクルは、再循環ガス流の高流速をもたらし、一次冷却(加温)段階にとって非常に非効率なので、ガスエキスパンダは、典型的に、例えば、閉サイクル内で外部冷媒を用いて-20℃をはるかに下回る温度まで供給ガスを予冷した後でそれをさらに冷却するために使用されている。このように、ほとんどの提案されたエキスパンダサイクルの共通要因は、ガスがエキスパンダに入る前にガスを予冷するための第2の外部冷却サイクルが必要なことである。このような外部冷却サイクルとエキスパンダサイクルの併用は、「ハイブリッドサイクル」と呼ばれることがある。このような冷媒ベースの予冷は、エキスパンダ使用の非効率性の主原因を排除するが、外部冷媒を排除できるというエキスパンダサイクルの利益を著しく少なくする。
米国特許出願US2009/0217701は、外部冷媒の必要性を排除し、効率を改善し、少なくとも現在使用中の冷媒ベースサイクルの効率に匹敵するように一次冷却ループ内で高圧を利用するという概念を導入した。米国特許出願US2009/0217701で開示された高圧エキスパンダプロセス(HPXP)は、他のエキスパンダサイクルと異なる方法で高圧エキスパンダを用いるエキスパンダサイクルである。供給ガス流の一部を抽出し、開ループ又は閉ループ冷却サイクルのいずれかで冷媒として用いて、供給ガス流をその臨界温度未満に冷却することができる。代わりに、LNGボイルオフガスの一部を抽出し、閉ループ冷却サイクルで冷媒として用いて、供給ガス流をその臨界温度未満に冷却することができる。この冷却サイクルは、一次冷却ループと呼ばれる。一次冷却ループの後に過冷却ループが続き、これは供給ガスをさらに冷却する役割を果たす。一次冷却ループ内では、冷媒が1,500psia(1.0×107Pa)超の圧力まで、さらに好ましくは約3,000psia(2.1×107Pa)の圧力まで圧縮される。次に冷媒は、周囲冷却媒体(空気又は水)に接触して冷却された後にほぼ等エントロピー的に膨張して、供給ガスを液化するために必要とされる冷たい冷媒をもたらす。
図1は、既知のHPXP液化プロセス100の例を示し、米国特許出願US2009/0217701で開示された1以上のプロセスに類似する。図1では、エキスパンダループ102(すなわち、エキスパンダサイクル)及び過冷却ループ104が使用される。供給ガス流106は約1,200psia(8.3×106Pa)未満、又は約1,100psia(7.6×106Pa)未満、又は約1,000psia(6.9×106Pa)未満、又は約900psia(6.9×106Pa)未満、又は約800psia(5.5×106Pa)未満、約700psia(4.8×106Pa)未満、約600psia(6.2×106Pa)未満の圧力でHPXP液化プロセスに入る。典型的に、供給ガス流106の圧力は約800psia(5.5×106Pa)であろう。供給ガス流106は、一般的に、技術上周知のプロセス及び機器を用いて混入物を除去する処理がなされた天然ガスを含む。
エキスパンダループ102内で、圧縮ユニット108が冷媒流109(処理済みガス流であってよい)を約1,500psia(1.03×107Pa)以上の圧力まで圧縮し、結果として圧縮された冷媒流110をもたらす。代わりに、冷媒流109が約1,600psia(1.10×107Pa)以上、又は約1,700psia(1.17×107Pa)以上、又は約1,800psia(1.24×107Pa)以上、又は約1,900psia(1.31×107Pa)以上、又は約2,000psia(1.38×107Pa)以上、又は約2,500psia(1.72×107Pa)以上、又は約3,000psia(2.07×107Pa)以上の圧力まで圧縮され、結果として圧縮された冷媒流110をもたらすことがある。圧縮ユニット108を出た後、圧縮された冷媒流110は冷却器112に送られ、そこで適切な冷却流体との間接熱交換によって冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流114をもたらす。冷却器112は、いずれのタイプの冷却器も使用可能であるが、冷却流体として水又は空気を供給するタイプのものであってよい。圧縮され、冷却された冷媒流114の温度は、周囲条件及び使用する冷却媒体によって決まり、典型的に約35°F(1.7℃)〜約105°F(40.6℃)である。圧縮され、冷却された冷媒流114は、次にエキスパンダ116に送られ、そこで膨張し、引き続き冷却されて、膨張した冷媒流118を形成する。エキスパンダ116は、圧縮のために抽出及び使用可能なワークを生成するワーク膨張装置、例えばガスエキスパンダであってよい。膨張した冷媒流118は、第1の熱交換器120に送られ、第1の熱交換器120に冷却能力の少なくとも一部を与える。第1の熱交換器120を出るとすぐに、膨張した冷媒流118は、加圧のため圧縮ユニット122に供給されて冷媒流109を形成する。
供給ガス流106は、第1の熱交換器120を通って流れ、そこで、少なくとも一部は、膨張した冷媒流118との間接熱交換によって冷却される。第1の熱交換器120を出た後、供給ガス流106は第2の熱交換器124に送られる。第2の熱交換器124の主要機能は、供給ガス流を過冷却することである。従って、第2の熱交換器124では供給ガス流106が過冷却ループ104(後記)で過冷却されて過冷却流126を生成する。過冷却流126は、次にエキスパンダ128内でより低い圧力まで膨張して、液体フラクションと残留蒸気フラクションを形成する。エキスパンダ128は、いずれの減圧装置であってもよく、限定するものではないが、弁、制御弁、ジュール・トムソン弁、ベンチュリ装置、液体エキスパンダ、水力タービン等が挙げられる。今やより低い圧力であり、部分的に液化された過冷却流126はサージタンク130に送られ、そこで液化フラクション132は、沸点圧力に対応する温度を有するLNG流134としてプロセスから引き抜かれる。残留蒸気フラクション(フラッシュ蒸気)流136は、圧縮ユニットに動力を供給する燃料として使用可能である。
過冷却ループ104では、膨張した過冷却冷媒流138(好ましくは窒素を含む)がエキスパンダ140から吐出され、第2及び第1の熱交換器124、120を通って引き出される。膨張した過冷却冷媒流138は、次に圧縮ユニット142に送られ、そこでより高い圧力まで再圧縮され、温められる。圧縮ユニット142を出た後、再圧縮された過冷却冷媒流144は冷却器146内で冷却される。この冷却器は、いずれのタイプの冷却器も使用可能であるが、冷却器112と同タイプのものであり得る。冷却後、再圧縮された過冷却冷媒流は第1の熱交換器120に送られ、そこで、膨張した冷媒流118及び膨張した過冷却冷媒流138との間接熱交換によってさらに冷却される。第1の熱交換器120を出た後、再圧縮及び冷却された過冷却冷媒流は、エキスパンダ140を通って膨張して冷却流をもたらし、これが次に第2の熱交換器124を通過して、供給ガス流の、最終的に膨張してLNGを生成することになる部分を過冷却する。
米国特許出願US2010/0107684は、外部冷却を加えて、圧縮された冷媒を周囲条件未満の温度までさらに冷却すると、特定状況では、外部冷却に付随して追加される機器を正当化する顕著な利点をもたらすという発見を通じたHPXPの性能改善を開示した。上記特許出願に記載のHPXPの実施形態は、単一混合冷媒プロセス等の代替混合外部冷媒LNG生産プロセスに匹敵する性能を果たす。しかしながら、HPXPの効率並びに全体的なトレイン(train)能力をさらに改善する必要性が残っている。特に供給ガス圧力が1,200psia(8.3×106Pa)未満の場合にHPXPの効率を改善する必要性が残っている。
米国特許出願2010/0186445は、4,500psia(3.1×107Pa)までの供給原料圧縮のHPXPへの組み入れを開示した。HPXPの一次冷却ループ内でガスを液化する前に供給ガスを圧縮することは、全体的なプロセス効率を高めるという利点を有する。所与の生産率のために、このことは、一次冷却ループ内で必要とされる冷媒の流速を顕著に下げるという利点をも有し、コンパクトな機器の使用を可能にし、特にフローティングLNG用途にとって魅力的である。さらに、供給原料圧縮は、一次冷却及び過冷却ループに費やされる固定量の動力に対して30%を超えてHPXPトレインのLMG生産量を増やす手段を与える。この生産率のフレキシビリティは、この場合もやはり、冷媒ループドライバーの選択を所望の生産率と調和させる際に陸上用途に比べて多くの制限があるフローティングLNG用途にとって魅力的である。
HPXPプロセスによるLNG生産のため、一次冷却ループ内で用いる冷媒は、始動手順中に構築する必要があり、通常運転中にも補給されなければならない。既知プロセスでは、一次冷却ループ冷媒補給源は、供給ガス又はLNG貯蔵タンクからのボイルオフガス(BOG)であり得る。しかしながら、供給ガス及び／又はBOGガス組成物の組成は、貯蔵所条件及び／又はガスプラント稼働条件で変化する可能性がある。ガス状冷媒組成の変化は液化性能に影響を及ぼし、至適稼働条件からプロセスを逸脱させる恐れがある。始動又は補給プロセスのために供給ガスを使用する場合、一次冷却ループ冷媒は、コンプレッサ及びターボエキスパンダコンプレッサの吸込側に入る前に単相でとどまるために十分低いC2+含量を有するべきである。さらに、主低温熱交換器の一次ループ通路内にプールする液体もガスの不均等分布を引き起こす恐れがあり、主低温熱交換器の効率的運転にとって望ましくない。他方で、始動及び補給プロセスのためにBOGを使用すると、重質成分のブレイクスルーに関連する問題を回避する可能性がある。しかしながら、BOGは、通常は供給ガスよりずっと高いN2含量を有する。一般的に、高過ぎる窒素濃度は一次ループ冷媒の有効性に悪影響を与える。さらに、BOG組成は、供給ガス中の窒素、水素、ヘリウム等のライトエンドの組成の変化に非常に敏感である。表1に示すように、供給原料中の窒素濃度の0.2%増加がBOG窒素濃度の2%増加をもたらすことになる。これらの理由から、通常運転中の供給ガス組成−軽質含量(すなわち、窒素、水素、ヘリウム等)と重質含量(すなわち、C2+)の両方の変動を管理する必要性が残っている。高圧LNG液化プロセスの効率的な始動運転を提供する必要もある。
Figure 2021533329
概要
開示態様に従って、メタンに富む供給ガス流の液化方法を提供する。本方法によれば、供給ガス流は1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給される。1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流が供給される。圧縮された冷媒流は、周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流を生成する。圧縮され、冷却された冷媒流は、少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させられ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成する。膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てが分離器内で補給冷媒流と混合され、それによって補給冷媒流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状の膨張し、冷却された冷媒流を形成する。ガス状の膨張し、冷却された冷媒流は、熱交換器ゾーンに通されて温冷媒流を形成する。供給ガス流は、熱交換器ゾーンに通されて、膨張し、冷却された冷媒流との間接熱交換によって供給ガス流の少なくとも一部が冷却され、それによって液化ガス流を形成する。温冷媒流は、圧縮されて、圧縮された冷媒流を生成する。
本開示の別の態様に従って、第1の熱交換器ゾーン及び第2の熱交換器ゾーンを有するシステムでメタンに富む供給ガス流を液化する方法を提供する。1,500psi(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流が供給される。圧縮された冷媒流は、周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流を生成する。圧縮され、冷却された冷媒流は、第2の熱交換器ゾーンに方向づけられて、圧縮され、冷却された冷媒流を周囲温度未満までさらに冷却して、圧縮され、さらに冷却された冷媒流を生成する。圧縮され、さらに冷却された冷媒流は、少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させられ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成する。膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てが少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送られる。膨張し、冷却された冷媒流は補給冷媒ガス流と混合され、それによって補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整する。ガス状オーバヘッド冷媒流は、残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせられて冷一次冷媒混合物を形成する。冷一次冷媒混合物は、第1の熱交換器ゾーンに通されて温冷媒流を形成する。温冷媒流は、第1の熱交換器ゾーン内の最高流体温度より少なくとも5°F冷たい温度を有し得る。第1の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプは、第2の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプと異なる。供給ガス流は、第1の熱交換器ゾーンに通されて、供給ガス流の少なくとも一部が冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却され、それによって液化ガス流を形成する。温冷媒流は圧縮されて、圧縮された冷媒流を生成する。
本開示のさらに他の態様に従って、メタンに富む供給ガス流の液化方法を開示する。本方法によれば、供給ガス流は1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給される。供給ガス流は、少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮されて、圧縮されたガス流を形成する。圧縮されたガス流は、周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却されて、圧縮され、冷却されたガス流を形成する。圧縮され、冷却されたガス流は、少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で2,000psia(1.4×107Pa)未満かつガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させられ、それによって冷却ガス流を形成する。1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流が供給される。圧縮された冷媒流は、周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流を生成する。圧縮され、冷却された冷媒流は、少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させられ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成する。膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てが少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送られ、その中で前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成する。ガス状オーバヘッド冷媒流は、残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせられて冷一次冷媒混合物を形成する。冷一次冷媒混合物は、熱交換器ゾーンに通されて温冷媒流を形成する。冷却ガス流は、熱交換器ゾーンに通されて、冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却ガス流の少なくとも一部が冷却され、それによって液化ガス流を形成する。温冷媒流は圧縮されて、圧縮された冷媒流を生成する。
前述の記載は、以下の詳細な説明をより良く理解できるように本開示の特徴の概要を広く述べた。本明細書ではさらなる特徴につても記載する。
本開示のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、下記説明、添付の特許請求の範囲及び以下に簡単に説明する添付図面から明らかになであろう。
既知の原理に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 開示態様に従うLNG生産システムの概略図である。 本開示の態様に従う方法のフローチャートである。 本開示の態様に従う方法のフローチャートである。 本開示の態様に従う方法のフローチャートである。
図面は単なる例であり、図面によって本開示の範囲を制限する意図でないことに留意すべきである。さらに、図面は、一般的に正確な比率ではなく、本開示の種々の態様を説明する際の簡便さ及び明瞭さの目的に合わせて描いてある。
詳細な説明
次に、本開示の原理の理解を促進するため、図面に示す特徴に言及し、個別用語を用いて同一のものを記述する。それでもなお、それによって本開示の範囲を限定する意図でないことを理解すべきである。本明細書に記載される開示の原理のいずれの変形形態及びさらなる変更形態、並びにいずれのさらなる応用も、本開示が関連する技術の当業者に一般的に心に浮かぶように企図される。明瞭さのため、本開示に関係のない特徴は図面に示さないこともある。
最初に、参照し易さのため、本出願で用いる特定用語及び本テキストで使用するそれらの意味を説明する。本明細書で使用する用語について以下に定義しない限りは、関連技術者が少なくとも1つの刊行物又は発行特許で反映された当該用語に与えた最も広い定義を与えるべきである。さらに、同一又は類似目的に役立つ全ての等価物、同義物、新たな開発、及び用語又は技術は、本特許請求の範囲内に入るとみなされるので、本技術は、以下に示す用語の利用によって限定されない。
当業者には明白なように、様々な人が様々な名称で同一の特徴又は要素に言及することがある。本文書は、名称のみが異なる要素又は特徴を区別するつもりはない。図面は、必ずしも正確な比率ではない。本明細書では比率を誇張するか又は概略的形態で特定の特徴及び要素を示すことがあり、明瞭さ及び簡便さのために従来要素の一部の詳細を示さないことがある。本明細書に記載の図面に言及するとき、単純にするため複数の図面で同一の参照番号に言及することがある。下記説明及び特許請求の範囲では、用語「including」及び「comprising」は、無制限様式で使用し、従って、「含むが、これらに限定されない」という意味に解釈すべきである。
品詞「the」、「a」及び「an」は、必ずしも1のみを意味するよう限定されず、むしろ、場合よっては、複数の該要素を含めるように、包括的かつ無制限である。
本明細書で使用する場合、用語「約(approximately)」、「約(about)」、「実質的に」、及び類似用語は、本開示の主題が関連する技術の当業者に一般的かつ許容される用法と調和する広い意味を有するよう意図される。本開示を精査する当業者は、これらの用語が、記載及び請求される明白な特徴の記述をこれらの特徴の範囲を与えられた正確な数値範囲に限定することなく認めるよう意図されることを理解すべきである。従って、これらの用語は、記載される主題のごくわすか又は重要でない修正又は変更は本開示の範囲内に入るものとみなされることを示すものと解釈すべきである。「近い」という用語は、数又は量の2%以内、又は5%以内、又は10%以内を意味するよう意図される。
本明細書で使用する場合、用語「周囲」は、装置が配置される大気環境又は水域環境を指す。本明細書で使用する用語「周囲温度」又は「周囲温度に近い温度」は、特別の定めのない限り、任意の物理的又は化学的事象が起こる環境の温度プラス又はマイナス10度、或いは、5度、或いは、3度、或いは2度、或いは1度の温度を指す。周囲温度の典型的範囲は、約0℃(32°F)と約40℃(104°F)の間であるが、この範囲より高いか又は低い温度が周囲温度に含まれることがある。それは、温度及び／又は湿度が制御されているビル又は他の構造体内のような特定の特性を有する環境を準備する一部の特殊用途で考えられるが、このような環境は、それがヒートシンク材料の体積よりかなり大きく、装置の作動によって実質的に影響を受けない場合にのみ「周囲」であるとみなされる。「周囲」環境のこの定義は、静的環境を必要としないことに留意すべきである。実際に、環境条件は、熱力学的エンジンの作動以外の多くの要因の結果として変化することがあり、温度、湿度及び他の条件は、規則的概日周期の結果として、地域の気候パターンの変化の結果として等で変化し得る。
本明細書で使用する場合、用語「圧縮ユニット」は、いずれか1つのタイプの圧縮機器又は同一若しくは異なるタイプの圧縮機器の組み合わせを意味し、物質又は物質混合物の圧縮技術で知られる補助機器が含まれることがある。「圧縮ユニット」が1つ以上の圧縮段階を利用することもある。例示コンプレッサとしては、限定するものではないが、容積式タイプ、例えば往復コンプレッサ及び回転コンプレッサ等、並びに動的タイプ、例えば、遠心コンプレッサ及び軸流コンプレッサ等が挙げられる。
「典型的」は、本明細書では「例、実例、又は例示として役立つ」ことを意味するためだけに用いられる。「典型的」として明細書に記載されるいずれの実施形態又は態様も、他の実施形態より好ましい又は有利と解釈すべきでない。
用語「ガス」は、「蒸気」と互換的に用いられ、液体状態又は固体状態と区別される気体状態の物質又は物質混合物と定義される。同様に、用語「液体」は、気体状態又は固体状態と区別される液体状態の物質又は物質混合物を意味する。
本明細書で使用する場合、「熱交換エリア」は、熱伝達促進技術で知られるいずれか1つのタイプの機器又は類似若しくは異なるタイプの機器の組み合わせを意味する。従って、「熱交換エリア」は1台の機器内に含まれることがあり、或いは複数台の機器に含まれるアリアを含むことがある。逆に、複数の熱交換エリアが1台の機器に含まれることもある。
「炭化水素」は、主に水素及び炭素元素を含むが、窒素、硫黄、酸素、金属元素、又は任意数の他の元素が少量存在することもある有機化合物である。本明細書で使用する場合、炭化水素は、一般的に天然ガス、油、又は化学処理施設内で見られる成分を指す。
本明細書で使用する場合、用語「ループ」と「サイクル」を互換的に用いる。
本明細書で使用する場合、「天然ガス」は、LNGの製造に適したガス状供給原料を意味し、この供給原料はメタンリッチガスである。「メタンリッチガス」は、主成分としてメタン(C1)を含有する、すなわち、質量で少なくとも50%のメタンの組成を有するガスである。天然ガスには、油田井から得られるガス(随伴ガス)又はガス井から得られるガス(非随伴ガス)が含まれることがある。
開示態様は、供給ガス流、特にメタンに富む供給ガス流の液化方法を提供する。本方法は下記：(a)ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給すること；(b)1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒を供給すること；(c)圧縮された冷媒を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒を生成すること；(d)圧縮され、冷却された冷媒を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒を生成すること；(e)膨張し、冷却された冷媒の一部又は全てを少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送り、前記膨張し、冷却された冷媒を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から過剰な重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整すること；(f)ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；(g)冷一次冷媒混合物を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること；(h)ガス流を熱交換器ゾーンに通して、ガス流の少なくとも一部を冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び(i)温冷媒を圧縮して、圧縮された冷媒を生成することを含む。
別の態様では、下記：(a)供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給すること；(b)供給ガス流を少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮して、圧縮されたガス流を形成すること；(c)圧縮されたガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却されたガス流を形成すること；(d)圧縮され、冷却されたガス流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で2,000psia(1.4×107Pa)未満かつガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させ、それによって冷却ガス流を形成すること；(e)1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；(f)圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；(g)圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；(h)膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送り、前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から過剰な重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整すること；(i)ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；(j)冷一次冷媒混合物を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること；(k)冷却ガス流を熱交換器ゾーンに通して冷却ガス流の少なくとも一部を冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び(l)温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成することを含む、供給ガス流の液化方法を提供する。
別の態様では、第1の熱交換器ゾーン及び第2の熱交換器ゾーンを有するシステムで供給ガス流を液化する方法であって、下記：(a)供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給すること；(b)供給ガス流を少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮して、圧縮されたガス流を形成すること；(c)圧縮されたガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却されたガス流を形成すること；(d)圧縮され、冷却されたガス流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で2,000psia(1.4×107Pa)未満かつガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させ、それによって冷却ガス流を形成すること；(e)1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；(f)圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；(g)圧縮され、冷却された冷媒流を第2の熱交換器ゾーンに方向づけて、圧縮され、冷却された冷媒流を周囲温度未満にさらに冷却して、圧縮され、さらに冷却された冷媒流を生成すること；(h)圧縮され、さらに冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；(i)膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送り、前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から過剰な重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整すること；(j)ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；(k)冷一次冷媒混合物を第1の熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること（そのために温冷媒流は、熱交換器ゾーン内の最高流体温度より少なくとも5°F冷い温度を有し、かつ第1の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプは第2の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプと異なる）；(l)冷却ガス流を第1の熱交換器ゾーンに通して、冷却ガス流の少なくとも一部を冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び(m)温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成することを含む方法を提供する。
本開示のさらに別の態様では、下記：(a)供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給すること；(b)供給ガス流と同一又はほぼ同一の圧力で冷媒流を供給すること；(c)供給ガス流を冷媒流と混合して第2の供給ガス流を形成すること；(d)第2の供給ガス流を少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮して、圧縮された第2の供給ガス流を形成すること；(e)圧縮された第2の供給ガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された第2の供給ガス流を形成すること；(f)圧縮され、冷却された第2の供給ガス流を第2の熱交換器ゾーンに方向づけて、圧縮され、冷却された第2の供給ガス流を周囲温度未満にさらに冷却して、圧縮され、さらに冷却された第2の供給ガス流を生成すること；(g)圧縮され、さらに冷却された第2の供給ガス流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で2,000psia(1.4×107Pa)未満かつ第2の供給ガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させ、それによって膨張し、冷却された第2の供給ガス流を形成すること；(h)膨張し、冷却された第2の供給ガス流を第1の膨張した冷媒流と冷却ガス流に分けること；(i)第1の膨張した冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって第2の膨張した冷媒流を生成すること；(j)第2の膨張した冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送り、第2の膨張した冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から過剰な重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整すること；(k)ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの第2の膨張した冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；(l)冷一次冷媒混合物を第1の熱交換器ゾーンに通して第1の温冷媒流を形成すること（そのために第1の温冷媒流は、第1の熱交換器ゾーン内の最高流体温度より少なくとも5°F冷たい温度を有し、かつ第1の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプは第2の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプと異なる）；(m)冷却ガス流を第1の熱交換器ゾーンに通して、冷却ガス流の少なくとも一部を第2の膨張した冷媒との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；(n)第1の温冷媒を第2の熱交換器ゾーンに方向づけて、圧縮され、冷却された第2のガスを間接熱交換によって冷却し、それによって第2の温冷媒を形成すること；及び(o)第2の温冷媒を圧縮して冷媒流を生成することを含む、供給ガス流の液化方法を提供する。
本開示の態様は、ガス流を第1の熱交換器ゾーンに方向づける前に、1,600psia(1.1×107Pa)以下の圧力までガス流を圧縮してから、この圧縮されたガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却することがある。本開示の態様は、ガス流を第1の熱交換器ゾーンに方向づける前に、ガス流を外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却することがある。本開示の態様は、圧縮され、冷却された冷媒を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ又は第2の熱交換器ゾーンに方向づける前に、圧縮され、冷却された冷媒を外部冷却ユニットで間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却することがある。これらの追加工程は、単独で又は互いに組み合わせて使用してよい。
図2は、本開示のある態様に従う液化システム200を示す概略図である。液化システム200は、エキスパンダループと呼ばれることもある一次冷却ループ202を含む。液化システムは、過冷却冷媒として窒素を充填するのが好ましい閉冷媒ループである過冷却ループ204をも含む。一次冷却ループ202内では、冷媒流205が熱交換器ゾーン201に方向づけられ、そこで冷媒流205が供給ガス流206と熱交換して第1の温冷媒流208を形成する。第1の温冷媒流208は、1つ以上の圧縮ユニット218、220内で1,500psia(1.0×107Pa)超の圧力、さらに好ましくは、約3,000psia(2.1×107Pa)の圧力まで圧縮されて、圧縮された冷媒流222を形成する。圧縮された冷媒流222は、次に冷却器224内の周囲冷却媒体(空気又は水)と接触して冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流226を生成する。冷却器224は、前述の冷却器112と同様であってよい。圧縮され、冷却された冷媒流226は、エキスパンダ228内でほぼ等エントロピー的に膨張して、膨張し、冷却された冷媒流230を生成する。エキスパンダ228は、圧縮のために抽出及び使用可能なワークを生成するワーク膨張装置、例えばガスエキスパンダであってよい。
膨張し、冷却された冷媒流230の全て又は一部が分離容器232に方向づけられる。補給ガス流234も分離容器232に方向づけられ、その中で膨張し、冷却された冷媒流230と混ざる。補給ガス流234が分離容器232に添加される速度は、機器シールからの漏出等の要因による冷媒損失速度によって決まる。混合は、補給ガス流234に含まれる重質炭化水素成分(例えば、C2+化合物)を凝結させることによって補給ガス流234を調整する。凝結成分は分離器の底部に蓄積し、周期的に分離器底部流236として排出されて、分離容器232内の所望の液体レベルを維持する。凝結重質炭化水素成分を引いた、調整された補給ガス流が、ガス状オーバヘッド冷媒流238として分離容器を出る。ガス状オーバヘッド冷媒流238は場合により、膨張し、冷却された冷媒流230のバイパス流230aと混ざって冷媒流205を形成する。
熱交換器ゾーン201は、複数の熱交換装置を含むことがあり、図2に示す態様では、熱交換器ゾーンは、主熱交換器240及び過冷却熱交換器242を含む。主熱交換器240は、冷媒流205と熱交換する。これらの熱交換器は、アルミろう付熱交換器タイプ、プレートフィン熱交換器タイプ、渦巻形熱交換器タイプ、又はその組み合わせであってよい。過冷却ループ204内で、膨張した過冷却冷媒流244(好ましくは窒素を含む)がエキスパンダ246から吐出され、過冷却熱交換器242及び主熱交換器240を経て引き出される。膨張した過冷却冷媒流244は、次に圧縮ユニット248に送られ、そこでより高い圧力に再圧縮され、温められる。圧縮ユニット248を出た後、再圧縮された過冷却冷媒流250は冷却器252内で冷却される。これはいずれのタイプの冷却器を使用してもよいが、冷却器224と同タイプのものであり得る。冷却後、再圧縮された過冷却冷媒流は、主熱交換器240に通され、そこで冷媒流205及び膨張した過冷却冷媒流244との間接熱交換によってさらに冷却される。熱交換エリア201を出た後、再圧縮及び冷却された過冷却冷媒流はエキスパンダ246を通って膨張して、膨張した過冷却冷媒流244をもたらし、これは本明細書に記載どおりに熱交換器ゾーンを通って再循環される。このように、供給ガス流206は、熱交換器ゾーン201内で冷却、液化及び過冷却されて、過冷却ガス流254を生成する。過冷却ガス流254は、次にエキスパンダ256内でより低い圧力まで膨張して液体フラクション及び残留蒸気フラクションを形成する。エキスパンダ256は、いずれの減圧装置であってもよく、限定するものではないが、弁、制御弁、ジュール・トムソン弁、ベンチュリ装置、液体エキスパンダ、水力タービン等が挙げられる。今やより低い圧力であり、部分的に液化された過冷却流254はサージタンク258に送られ、そこで液化フラクション260がLNG流262としてプロセスから引き抜かれる。サージタンクからフラッシュ蒸気流264として引き抜かれる残留蒸気フラクションは、コンプレッサユニットに動力を与える燃料として使用し得る。
図3は、本開示の別の態様に従う液化システム300を示す概略図である。液化システム300は液化システム200と類似しており、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム300は、一次冷却ループ302及び過冷却ループ304を含む。過冷却ループ304は、過冷却冷媒として窒素を充填するのが好ましい閉冷媒ループである。液化システム300は熱交換器ゾーン301をも含む。一次冷却ループ302内で、冷媒流305が熱交換器ゾーン301に方向づけられ、そこで冷媒流305は供給ガス流306と熱交換して第1の温冷媒流308を形成する。第1の温冷媒流308は、1つ以上の圧縮ユニット318、320内で1,500psia(1.0×107Pa)超の圧力、さらに好ましくは、約3,000psia(2.1×107Pa)の圧力まで圧縮されて、圧縮された冷媒流322を形成する。圧縮された冷媒流322は、次に冷却器324内の周囲冷却媒体(空気又は水)と接触して冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流326を生成する。冷却器324は、前述した冷却器112と同様であってよい。圧縮され、冷却された冷媒流326は、エキスパンダ328内でほぼ等エントロピー的に膨張して、膨張し、冷却された冷媒流330を生成する。エキスパンダ328は、圧縮のために抽出及び使用可能なワークを生成するワーク膨張装置、例えばガスエキスパンダであってよい。
液化システム200とは対照的に、膨張し、冷却された冷媒流330の全てが、分離容器332に方向づけられる。補給ガス流334も分離容器332に方向づけられ、その中で、膨張し、冷却された冷媒流330と混ざる。補給ガス流334が分離容器332に添加される速度は、機器シールからの漏出等の要因による冷媒損失の速度によって決まる。混合は、補給ガス流334に含まれる重質炭化水素成分(例えば、C2+化合物)を凝結させることによって補給ガス流334を調整する。凝結成分は分離器の底部に蓄積し、周期的に分離器底部流336として排出されて、分離容器332内の所望の液体レベルを維持する。凝結重質炭化水素成分を引いた、調整された補給ガス流はガス状オーバヘッド冷媒流338として分離容器を出る。ガス状オーバヘッド冷媒流338は冷媒流305を形成する。
熱交換器ゾーン301は、複数の熱交換装置を含むことがあり、図3に示す態様では、熱交換器ゾーンは、主熱交換器340及び過冷却熱交換器342を含む。主熱交換器340は冷媒流305と熱交換する。これらの熱交換器は、アルミろう付熱交換器タイプ、プレートフィン熱交換器タイプ、渦巻形熱交換器タイプ、又はその組み合わせであってよい。過冷却ループ304内で、膨張した過冷却冷媒流344(好ましくは窒素を含む)がエキスパンダ346から吐出され、過冷却熱交換器342及び主熱交換器340を経て引き出される。膨張した過冷却冷媒流344は、次に圧縮ユニット348に送られ、そこでより高い圧力に再圧縮され、温められる。圧縮ユニット348を出た後、再圧縮された過冷却冷媒流350は冷却器352内で冷却される。これは、いずれのタイプの冷却器を使用してもよいが、冷却器324と同タイプのものであり得る。冷却後、再圧縮された過冷却冷媒流は、主熱交換器340に通され、そこで冷媒流305及び膨張した過冷却冷媒流344との間接熱交換によってさらに冷却される。熱交換エリア301を出た後、再圧縮及び冷却された過冷却冷媒流は、エキスパンダ246を通って膨張して、膨張した過冷却冷媒流344をもたらし、これは本明細書に記載どおりに熱交換器ゾーンを通って再循環される。このように、供給ガス流306は、熱交換器ゾーン301内で冷却、液化及び過冷却されて、過冷却ガス流354を生成する。過冷却ガス流354は、次にエキスパンダ356内でより低い圧力まで膨張して液体フラクション及び残留蒸気フラクションを形成する。エキスパンダ356は、いずれの減圧装置であってもよく、限定するものではないが、弁、制御弁、ジュール・トムソン弁、ベンチュリ装置、液体エキスパンダ、水力タービン等が挙げられる。今やより低い圧力であり、部分的に液化された過冷却流354はサージタンク358に送られ、そこで液化フラクション360がLNG流362としてプロセスから引き抜かれる。サージタンクからフラッシュ蒸気流364として引き抜かれる残留蒸気フラクションは、コンプレッサユニットに動力を与える燃料として使用し得る。
図4は、本開示の別の態様に従う液化システム400を示す概略図である。液化システム400は液化システム200と類似しており、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム400は一次冷却ループ402及び過冷却ループ404を含む。液化システム400は、第1及び第2の熱交換器ゾーン401、410を含む。第1の熱交換器ゾーン401内で、第1の温冷媒流405を用いて供給ガス流406を液化する。第2の熱交換器ゾーン410内の1つ以上の熱交換器410aは、第1の温冷媒流408の全て又は一部を用いて、圧縮され、冷却された冷媒流426を冷却し、それによって第2の温冷媒流409を形成する。第1の熱交換器ゾーン401は、第2の熱交換器ゾーン410から物理的に離れていてよい。さらに、第1の熱交換器ゾーンの熱交換器は、第2の熱交換器ゾーンの熱交換器と異なるタイプのものであってもよい。両熱交換器ゾーンは、複数の熱交換器を含んでよい。
第1の温冷媒流405は、第1の熱交換器ゾーン401内の最高流体温度より少なくとも5°F冷たい、さらに好ましくは少なくとも10°F冷たい、さらに好ましくは少なくとも15°F冷たい温度を有する。第2の温冷媒流409は、1つ以上のコンプレッサ418、420内で1,500psia(1.0×107Pa)超の圧力、さらに好ましくは約3,000psia(2.1×107Pa)の圧力まで圧縮され、それによって圧縮された冷媒流422を形成し得る。圧縮された冷媒流422は、次に冷却器424内の周囲冷却媒体(空気又は水)と接触して冷却されて、圧縮され、冷却された冷媒流426を生成し、これは第2の熱交換器ゾーン410に方向づけられて、圧縮され、さらに冷却された冷媒流429を形成する。圧縮され、さらに冷却された冷媒流429は、エキスパンダ428内でほぼ等エントロピー的に膨張して、膨張し、冷却された冷媒流430を生成する。膨張し、冷却された冷媒流430の全て又は一部が分離容器432に方向づけられ、そこで、図2に関して前述したように補給ガス流434と混合される。補給ガス流434が分離容器432に添加される速度は、機器シールからの漏出等の要因による冷媒損失の速度によって決まる。凝結重質炭化水素成分を引いた、調整された補給ガス流が分離容器をガス状オーバヘッド冷媒流438として出る。ガス状オーバヘッド冷媒流438は、場合により、膨張し、冷却された冷媒流430のバイパス流430aと混ざって、温冷媒流405を形成する。
図5は、本開示の別の態様に従う液化システム500を示す概略図である。液化システム500は、液化システム200及び300と類似しており、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム500は、一次冷却ループ502及び過冷却ループ504を含む。液化システム500は、熱交換器ゾーン501をも含む。液化システム500の流れは、コンプレッサ566内で供給ガス流506を圧縮してから、この圧縮された供給ガス567を冷却器568を用いて、周囲空気又は水で冷却して、冷却され、圧縮された供給ガス流570を生成する追加工程を含む。供給ガスの圧縮を利用して、液化プロセスの全体的効率を改善し、LNG生産量を増やすことができる。
図6は、本開示のさらに別の態様に従う液化システム600を示す概略図である。液化システム600は液化システム200及び300と類似しており、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム600は一次冷却ループ602及び過冷却ループ604を含む。液化システム600は熱交換器ゾーン601をも含む。液化システム600は、外部冷却ユニット665内で、供給ガス流606を周囲温度未満の温度まで冷却して、冷却されたガス流667を生成する追加工程を含む。冷却されたガス流667は、次に前述したように第1の熱交換器ゾーン601に方向づけられる。図6に示す供給ガスの冷却を利用して、液化プロセスの全体的効率を改善し、LNG生産量を増やすことができる。
図7は、本開示の別の態様に従う液化システム700を示す概略図である。液化システム700は、液化システム200と類似しており、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム700は一次冷却ループ702及び過冷却ループ704を含む。液化システム700は第1及び第2の熱交換器ゾーン701、710をも含む。液化システム700は、圧縮され、冷却された冷媒726を一次冷却ループ702内で周囲温度未満の温度まで冷却し、それによって圧縮され、冷却された冷媒776を生成する外部冷却ユニット774を含む。圧縮され、冷却された冷媒776は、次に前述したように第2の熱交換器ゾーン710に方向づけられる。外部冷却ユニットを利用して、圧縮された冷たい冷媒をさらに冷却して、液化プロセスの全体的効率を改善し、LNG生産量を増やすことができる。
図8は、本開示の別の態様に従う液化システム800を示す概略図である。液化システム800は、液化システム400と類似しており、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム800は、一次冷却ルー802及び過冷却ループ804を含む。液化システム800は、第1及び第2の熱交換器ゾーン801、810をも含む。液化システム800では、コンプレッサ880内で供給ガス流806が少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮され、それによって圧縮されたガス流881を形成する。外部冷却ユニット882を用いて、圧縮されたガス流881は周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却されて、圧縮され、冷却されたガス流883を形成する。圧縮され、冷却されたガス流883は、少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ884内で、2,000psia(1.4×107Pa)未満であるが、ガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張し、それによって冷却ガス流886を形成する。冷却ガス流886は、次に第1の熱交換器ゾーン801に方向づけられ、そこで、前述したように一次冷却冷媒及び過冷却冷媒を用いて冷却ガス流が液化される。
図9は、本開示のさらに別の態様に従う液化システム900を示す概略図である。液化システム900は、先に開示した液化システムと類似の構造及び要素を含み、簡単にするため、同様に描いたか又は番号付けした要素についてはさらに記載しないことがある。液化システム900は一次冷却ループ902及び過冷却ループ904を含む。液化システム900は第1及び第2の熱交換器ゾーン901、910をも含む。液化システム900では、供給ガス流906が冷媒流907と混合されて第2の供給ガス流906aを生成する。コンプレッサ960を用いて、第2の供給ガス流906aは1,500psia(1.0×107Pa)超の圧力、さらに好ましくは約3,000psia(2.1×107Pa)の圧力まで圧縮されて、圧縮された第2のガス流961を形成する。外部冷却ユニット962を用いて、圧縮された第2のガス流961は次に周囲冷却媒体(空気又は水)と接触して冷却されて、圧縮され、冷却された第2のガス流963を生成する。圧縮され、冷却された第2のガス流963は、第2の熱交換器ゾーン910に方向づけられ、そこで、第2のガス流963は、第1の温冷媒流908と熱交換して、圧縮され、さらに冷却された第2のガス流913及び第2の温冷媒流909を生成する。
圧縮され、さらに冷却された第2のガス流913は、少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ926内で、2,000psia(1.4×107Pa)未満であるが、第2のガス流906aが圧縮された圧力以下の圧力まで膨張し、それによって膨張し、冷却された第2のガス流980を形成する。膨張し、冷却された第2のガス流980は、第1の膨張した冷媒流905と冷却供給ガス流906bに分けられる。第1の膨張した冷媒流905は、エキスパンダ982を用いてほぼ等エントロピー的に膨張させられて、第2の膨張した冷媒流905aを形成することができ、これは分離容器932に方向づけられる。補給ガス流934も分離容器932に方向づけられて、その中で、膨張し、冷却された冷媒流930と混ざる。補給ガス流934が分離容器932に添加される速度は、機器シールからの漏出等の要因による冷媒損失の速度によって決まる。混合は、補給ガス流934に含まれる重質炭化水素成分(例えば、C2+化合物)を凝結させることによって補給ガス流934を調整する。凝結成分は分離器の底部に蓄積し、周期的に分離器底部流936として排出されて、分離容器932内の所望の液体レベルを維持する。凝結重質炭化水素成分を引いた、調整された補給ガス流が、ガス状オーバヘッド冷媒流938として分離容器を出る。ガス状オーバヘッド冷媒流938は第1の熱交換器ゾーン901に方向づけられる。冷却供給ガス流906bは、第1の熱交換器ゾーン901に方向づけられ、そこで一次冷却冷媒(すなわち、ガス状オーバヘッド冷媒流938)及び過冷却冷媒(過冷却ループ904から)を用いて冷却供給ガス流906bを液化及び過冷却して過冷却ガス流948が生成され、これが先に記載したように処理されてLNGを形成する。過冷却ループ904は、過冷却冷媒として窒素を充填するのが好ましい閉冷媒ループであってよい。冷却供給ガス流906bと熱交換した後、ガス状オーバヘッド冷媒流938は第1の温冷媒流908を形成する。第1の温冷媒流908は、第1の熱交換器ゾーン901内の最高流体温度より少なくとも5°F冷たい、さらに好ましくは少なくとも10°F冷たい、さらに好ましくは少なくとも15°F冷たい温度を有し得る。第2の温冷媒流909は、1つ以上のコンプレッサ918内で圧縮されてから、外部冷却装置924内の周囲冷却媒体で冷却されて冷媒流907を生成する。
図9に示す開示の態様は、一次冷媒流が、好ましい態様では、主に又はほぼ全てメタンであり得る供給ガス流の部分を含んでよいことを実証する。実際に、全ての開示態様(すなわち、図2〜9)の一次冷却ループ内の冷媒は、少なくとも85%のメタン、又は少なくとも90%のメタン、又は少なくとも95%のメタン、又は95%超のメタンを含むのが有利であり得る。これは、メタンは、開示プロセスの種々の部分で容易に利用可能であり、かつメタンの使用は、冷媒を遠隔のLNG処理場所まで輸送する必要性を排除できるためである。非限定例として、供給ガスが上記組成を満たすのにメタンが十分高い場合、図2の一次冷却ループ202内の冷媒を供給ガス流206のライン206a経由で受け取ってよい。通常運転中に補給ガスを過冷却ガス流254から受け取ってもよい。或いは、LNG貯蔵タンク257からのボイルオフガス流259の一部又は全てを用いて、一次冷却ループ202用冷媒を供給してよい。さらに、供給ガス流の窒素が十分少なければ、エンドフラッシュガス流264(結果として窒素が少ないことになる)の一部又は全てを用いて一次冷却ループ202用の冷媒を供給してよい。最後に、ライン206a、ボイルオフガス流259、及びエンドフラッシュガス流264の任意の組み合わせを用いて一次冷却ループ202に冷媒を供給するか又はたとえ時々でも補充してよい。
図10は、メタンに富む供給ガス流を液化する方法1000のフローチャートであり、この方法は下記工程を含む：1002、供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給する工程；1004、1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給する工程；1006、圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成する工程；1008、圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成する工程；1010、膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを分離器内で補給冷媒流と混合し、それによって補給冷媒流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状の膨張し、冷却された冷媒流を形成する工程；1012、ガス状の膨張し、冷却された冷媒流を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成する工程；1014、供給ガス流を熱交換器ゾーンに通して、供給ガス流の少なくとも一部を膨張し、冷却された冷媒流との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成する工程；及び1016、温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成する工程。
図11は、第1の熱交換器ゾーン及び第2の熱交換器ゾーンを有するシステムでメタンに富む供給ガス流を液化する方法1100のフローチャートであり、この方法は下記工程を含む：1102、1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給する工程；1104、圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成する工程；1106、圧縮され、冷却された冷媒流を第2の熱交換器ゾーンに方向づけて、圧縮され、冷却された冷媒流を周囲温度未満にさらに冷却して、圧縮され、さらに冷却された冷媒流を生成する工程；1108、圧縮され、さらに冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成する工程；1110、膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送り、前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整する工程；1112、ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成する工程；1114、冷一次冷媒混合物を第1の熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成する工程（そのために温冷媒流は、熱交換器ゾーン内の最高流体温度より少なくとも5°F冷たい温度を有し、かつ第1の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプは、第2の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプと異なる）；1116、供給ガス流を第1の熱交換器ゾーンに通して、供給ガス流の少なくとも一部を冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成する工程；及び1118、温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成する工程。
図12は、メタンに富む供給ガス流を液化する方法1200のフローチャートであり、この方法は下記工程を含む：1202、供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給する工程；1204、供給ガス流を少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮して、圧縮されたガス流を形成する工程；1206、圧縮されたガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却されたガス流を形成する工程；1208、圧縮され、冷却されたガス流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で2,000psia(1.4×107Pa)未満かつガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させ、それによって冷却ガス流を形成する工程；1210、1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給する工程；1212、圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成する工程；1214、圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成する工程；1216、膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器に送り、その中で前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって補給冷媒ガス流を調整する工程；1218、ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成する工程；1220、冷一次冷媒混合物を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成する工程；1222、冷却ガス流を熱交換器ゾーンに通して冷却ガス流の少なくとも一部を冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成する工程；及び1224、温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成する工程。
図10〜12に示す工程は、単に例示目的で提供するものであり、特定工程は、開示方法論を実施するために必要とされないこともある。さらに、図10〜12は、実施し得る全ての工程を示さないこともある。特許請求の範囲が、かつ特許請求の範囲だけが、開示システム及び方法論を規定する。
本開示の態様は、供給ガスが常に、一次冷媒ループ内で補給ガスとして使用するのに十分なほど希薄でなければならない既知の液化プロセスに勝るいくつかの利点を有する。窒素等のより軽い成分に富むBOGは、信頼できる補給ガス源である。しかし、BOGを補給ガスとして使用すると、より高い動力消費を要求することによって又はより大きな主低温熱交換器を必要とすることによって、一次ループ冷媒の有効性に悪影響を及ぼす。さらに、BOG組成は、供給ガス中のライトエンド(例えば、窒素、水素、ヘリウム)の組成の変動に非常に敏感であり、そのためプロセスの安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。開示態様は、一次冷媒補給ガスが希薄からリッチまでの広範な組成を有する供給ガスを含むことを可能にする。液化システム300を例にとると、BOGを一次冷媒補給ガスとして用いる類似システムに比べて、主低温熱交換器のサイズを10〜16%縮小させることができ、かつ熱効率を約1%まで改善することができる。一般的にLNG液化システムにおいて最も大きく最も重い要素又は容器の1つである主低温熱交換器のこのようなサイズ縮小は、LNG液化プラントのサイズ及びコストを大いに削減することができる。さらに、開示態様は、ガス井からの流入供給と動力学的に調和する可能性がある一次冷媒ループ用の軽質(例えば、N2)及び重質(例えば、C2+)含量を調整する際のフレキシビリティを提供し、それによってエネルギー使用又は生産率を最適化する。例えば、補給ガス流は、供給ガス、N2、及びLNG生成物流由来であり得る。それらの相対的比率は、上記最適化目的に合わせて調整することができる。
前述の開示に対して、開示範囲から逸脱することなく、多数の変更、修正、及び選択肢を加えられることを理解すべきである。従って、前述の説明は、開示範囲を限定することを意図していない。むしろ、開示範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価範囲によってのみ決定すべきである。本例の構造及び特徴は、互いに変更、再配置、置換、削除、重複、組み合わせ、又は追加可能であることをも企図する。
前述の開示に対して、開示範囲から逸脱することなく、多数の変更、修正、及び選択肢を加えられることを理解すべきである。従って、前述の説明は、開示範囲を限定することを意図していない。むしろ、開示範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価範囲によってのみ決定すべきである。本例の構造及び特徴は、互いに変更、再配置、置換、削除、重複、組み合わせ、又は追加可能であることをも企図する。
本発明は、以下の態様を含んでいる。
（付記１）
メタンに富む供給ガス流の液化方法であって、下記：
（ａ） 前記供給ガス流を１，２００ｐｓｉａ（８．３×１０ 6 Ｐａ）未満の圧力で供給すること；
（ｂ） １，５００ｐｓｉａ（１．０×１０ 7 Ｐａ）以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；
（ｃ） この圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；
（ｄ） この圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；
（ｅ） この膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを分離器内で補給冷媒流と混合し、それによって前記補給冷媒流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状の膨張し、冷却された冷媒流を形成すること；
（ｆ） このガス状の膨張し、冷却された冷媒流を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること；
（ｇ） 前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに通して、前記膨張し、冷却された冷媒流との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び
（ｉ） 前記温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成すること
を含む、前記方法。
（付記２）
さらに下記：
前記補給ガス流の前記分離器への流速を制御して、コンプレッサの吸込側の少なくとも１つの圧力を目標値に維持すること
を含む、付記１に記載の方法。
（付記３）
さらに下記：
前記分離器内の凝結重質炭化水素成分を収集すること；及び
前記凝結重質炭化水素成分を排出して、前記分離器内の所望の液体レベルを維持すること
を含む、付記１又は２に記載の方法。
（付記４）
さらに下記：
前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流を１，６００ｐｓｉａ（１．１×１０ 7 Ｐａ）以下の圧力まで圧縮してから、前記供給ガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却すること
を含む、付記１〜３のいずれか１項に記載の方法。
（付記５）
前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、
付記１〜４のいずれか１項に記載の方法。
（付記６）
前記圧縮され、冷却された冷媒流を前記少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させる前に、前記圧縮され、冷却された冷媒流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、付記１〜５のいずれか１項に記載の方法。
（付記７）
前記補給ガス流が、前記供給ガス流の一部、前記液化ガス流から得られるボイルオフガス、又はその組み合わせを含む、付記１〜６のいずれか１項に記載の方法。
（付記８）
前記補給ガス流が、メタンと、メタンより重いか又は軽い分子量を有する少なくとも１種の成分との混合物を含む、付記１〜７のいずれか１項に記載の方法。
（付記９）
前記補給ガス流が、メタンと、窒素及び液化石油ガスの１種以上とを含む、付記８に記載の方法。
（付記１０）
第１の熱交換器ゾーン及び第２の熱交換器ゾーンを有するシステムでメタンに富む供給ガス流を液化する方法であって、下記：
（ａ） １，５００ｐｓｉａ（１．０×１０ 7 Ｐａ）以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；
（ｂ） この圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；
（ｃ） この圧縮され、冷却された冷媒流を前記第２の熱交換器ゾーンに方向づけて、前記圧縮され、冷却された冷媒流を周囲温度未満にさらに冷却して、圧縮され、さらに冷却された冷媒流を生成すること；
（ｄ） この圧縮され、さらに冷却された冷媒流を少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；
（ｅ） この膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも１つの分離器、例えば分離容器に送り、前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって前記補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって前記補給冷媒ガス流を調整すること；
（ｆ） 前記ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；
（ｇ） この冷一次冷媒混合物を前記第１の熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること（そのために前記温冷媒流は、前記熱交換器ゾーン内の最高流体温度より少なくとも５°Ｆ冷たい温度を有し、かつ前記第１の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプは、前記第２の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプと異なる）；
（ｈ） 前記供給ガス流を前記第１の熱交換器ゾーンに通して、前記供給ガス流の少なくとも一部を前記冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び
（ｉ） 前記温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成すること
を含む、前記方法。
（付記１１）
さらに下記：
前記補給ガス流の前記分離器への流速を制御して、コンプレッサの吸込側の少なくとも１つの圧力を目標値に維持すること
を含む、付記１０に記載の方法。
（付記１２）
さらに下記：
前記分離器内の凝結重質炭化水素成分を収集すること；及び
前記凝結重質炭化水素成分を排出して、前記分離器内の所望の液体レベルを維持すること
を含む、付記１０又は１１に記載の方法。
（付記１３）
さらに下記：
前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流を１，６００ｐｓｉａ（１．１×１０ 7 Ｐａ）以下の圧力まで圧縮し、前記供給ガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却してから、前記供給ガス流をワーク生成エキスパンダ内で膨張させること
を含む、付記１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
（付記１４）
前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、付記１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
（付記１５）
前記圧縮され、冷却された冷媒流を前記少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させる前に、前記圧縮され、冷却された冷媒流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、付記１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
（付記１６）
前記補給ガス流が、前記供給ガス流の一部、前記液化ガス流から得られるボイルオフガス、又はその組み合わせを含む、付記１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
（付記１７）
前記補給ガス流が、メタンと、メタンより重いか又は軽い分子量を有する少なくとも１種の成分との混合物を含む、付記１０〜１６のいずれか１項に記載の方法。
（付記１８）
前記補給ガス流が、メタンと、窒素及び液化石油ガスの１種以上とを含む、付記１７に記載の方法。
（付記１９）
メタンに富む供給ガス流の液化方法であって、下記：
（ａ） 前記供給ガス流を１，２００ｐｓｉａ（８．３×１０ 6 Ｐａ）未満の圧力で供給すること；
（ｂ） 前記供給ガス流を少なくとも１，５００ｐｓｉａ（１．０×１０ 7 Ｐａ）の圧力まで圧縮して、圧縮されたガス流を形成すること；
（ｃ） この圧縮されたガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却されたガス流を形成すること；
（ｄ） この圧縮され、冷却されたガス流を少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で２，０００ｐｓｉａ（１．４×１０ 7 Ｐａ）未満かつ前記ガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させ、それによって冷却ガス流を形成すること；
（ｅ） １，５００ｐｓｉａ（１．０×１０ 7 Ｐａ）以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；
（ｆ） この圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；
（ｇ） この圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；
（ｈ） この膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも１つの分離器に送り、その中で前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって前記補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって前記補給冷媒ガス流を調整すること；
（ｉ） 前記ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；
（ｊ） この冷一次冷媒混合物を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること；
（ｋ） 前記冷却ガス流を前記熱交換器ゾーンに通して、前記冷却ガス流の少なくとも一部を前記冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び
（ｌ） 前記温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成すること
を含む、前記方法。
（付記２０）
さらに下記：
前記補給ガス流の前記分離器への流速を制御して、コンプレッサの吸込側の少なくとも１つの圧力を目標値に維持すること
を含む、付記１９に記載の方法。
（付記２１）
さらに下記：
前記分離器内の凝結重質炭化水素成分を収集すること；及び
前記凝結重質炭化水素成分を排出して、前記分離器内の所望の液体レベルを維持すること
を含む、付記１９又は２０に記載の方法。
（付記２２）
前記圧縮され、冷却された冷媒流を前記少なくとも１つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させる前に、前記圧縮され、冷却された冷媒流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、付記１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
（付記２３）
前記補給ガス流が、前記供給ガス流の一部、前記液化ガス流から得られるボイルオフガス、又はその組み合わせを含む、付記１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
（付記２４）
前記補給ガス流が、メタンと、メタンより重いか又は軽い分子量を有する少なくとも１種の成分との混合物を含む、付記１９〜２３のいずれか１項に記載の方法。
（付記２５）
前記補給ガス流が、メタンと、窒素及び液化石油ガスの１種以上とを含む、付記２４に記載の方法。

Claims (25)

  1. メタンに富む供給ガス流の液化方法であって、下記：
    (a) 前記供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給すること；
    (b) 1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；
    (c) この圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；
    (d) この圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；
    (e) この膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを分離器内で補給冷媒流と混合し、それによって前記補給冷媒流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状の膨張し、冷却された冷媒流を形成すること；
    (f) このガス状の膨張し、冷却された冷媒流を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること；
    (g) 前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに通して、前記供給ガス流の少なくとも一部を、前記膨張し、冷却された冷媒流との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び
    (i) 前記温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成すること
    を含む、前記方法。
  2. さらに下記：
    前記補給ガス流の前記分離器への流速を制御して、コンプレッサの吸込側の少なくとも1つの圧力を目標値に維持すること
    を含む、請求項1に記載の方法。
  3. さらに下記：
    前記分離器内の凝結重質炭化水素成分を収集すること；及び
    前記凝結重質炭化水素成分を排出して、前記分離器内の所望の液体レベルを維持すること
    を含む、請求項1又は2に記載の方法。
  4. さらに下記：
    前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流を1,600psia(1.1×107Pa)以下の圧力まで圧縮してから、前記供給ガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却すること
    を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記圧縮され、冷却された冷媒流を前記少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させる前に、前記圧縮され、冷却された冷媒流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記補給ガス流が、前記供給ガス流の一部、前記液化ガス流から得られるボイルオフガス、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記補給ガス流が、メタンと、メタンより重いか又は軽い分子量を有する少なくとも1種の成分との混合物を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記補給ガス流が、メタンと、窒素及び液化石油ガスの1種以上とを含む、請求項8に記載の方法。
  10. 第1の熱交換器ゾーン及び第2の熱交換器ゾーンを有するシステムでメタンに富む供給ガス流を液化する方法であって、下記：
    (a) 1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；
    (b) この圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；
    (c) この圧縮され、冷却された冷媒流を前記第2の熱交換器ゾーンに方向づけて、前記圧縮され、冷却された冷媒流を周囲温度未満にさらに冷却して、圧縮され、さらに冷却された冷媒流を生成すること；
    (d) この圧縮され、さらに冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；
    (e) この膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器、例えば分離容器に送り、前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって前記補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって前記補給冷媒ガス流を調整すること；
    (f) 前記ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；
    (g) この冷一次冷媒混合物を前記第1の熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成することであって、前記温冷媒流は、前記熱交換器ゾーン内の最高流体温度より少なくとも5°F冷たい温度を有し、かつ前記第1の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプは、前記第2の熱交換器ゾーンの熱交換器タイプと異なること；
    (h) 前記供給ガス流を前記第1の熱交換器ゾーンに通して、前記供給ガス流の少なくとも一部を前記冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び
    (i) 前記温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成すること
    を含む、前記方法。
  11. さらに下記：
    前記補給ガス流の前記分離器への流速を制御して、コンプレッサの吸込側の少なくとも1つの圧力を目標値に維持すること
    を含む、請求項10に記載の方法。
  12. さらに下記：
    前記分離器内の凝結重質炭化水素成分を収集すること；及び
    前記凝結重質炭化水素成分を排出して、前記分離器内の所望の液体レベルを維持すること
    を含む、請求項10又は11に記載の方法。
  13. さらに下記：
    前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流を1,600psia(1.1×107Pa)以下の圧力まで圧縮し、前記供給ガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却してから、前記供給ガス流をワーク生成エキスパンダ内で膨張させること
    を含む、請求項10〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記供給ガス流を前記熱交換器ゾーンに方向づける前に、前記供給ガス流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、請求項10〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記圧縮され、冷却された冷媒流を前記少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させる前に、前記圧縮され、冷却された冷媒流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、請求項10〜14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記補給ガス流が、前記供給ガス流の一部、前記液化ガス流から得られるボイルオフガス、又はその組み合わせを含む、請求項10〜15のいずれか1項に記載の方法。
  17. 前記補給ガス流が、メタンと、メタンより重いか又は軽い分子量を有する少なくとも1種の成分との混合物を含む、請求項10〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 前記補給ガス流が、メタンと、窒素及び液化石油ガスの1種以上とを含む、請求項17に記載の方法。
  19. メタンに富む供給ガス流の液化方法であって、下記：
    (a) 前記供給ガス流を1,200psia(8.3×106Pa)未満の圧力で供給すること；
    (b) 前記供給ガス流を少なくとも1,500psia(1.0×107Pa)の圧力まで圧縮して、圧縮されたガス流を形成すること；
    (c) この圧縮されたガス流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却されたガス流を形成すること；
    (d) この圧縮され、冷却されたガス流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で2,000psia(1.4×107Pa)未満かつ前記ガス流が圧縮された圧力以下の圧力まで膨張させ、それによって冷却ガス流を形成すること；
    (e) 1,500psia(1.0×107Pa)以上の圧力で圧縮された冷媒流を供給すること；
    (f) この圧縮された冷媒流を周囲温度空気又は水との間接熱交換によって冷却して、圧縮され、冷却された冷媒流を生成すること；
    (g) この圧縮され、冷却された冷媒流を少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させ、それによって膨張し、冷却された冷媒流を生成すること；
    (h) この膨張し、冷却された冷媒流の一部又は全てを少なくとも1つの分離器に送り、その中で前記膨張し、冷却された冷媒流を補給冷媒ガス流と混合し、それによって前記補給冷媒ガス流から重質炭化水素成分を凝結させ、ガス状オーバヘッド冷媒流を生成することによって前記補給冷媒ガス流を調整すること；
    (i) 前記ガス状オーバヘッド冷媒流を残りの膨張し、冷却された冷媒流と混ぜ合わせて冷一次冷媒混合物を形成すること；
    (j) この冷一次冷媒混合物を熱交換器ゾーンに通して温冷媒流を形成すること；
    (k) 前記冷却ガス流を前記熱交換器ゾーンに通して、前記冷却ガス流の少なくとも一部を前記冷一次冷媒混合物との間接熱交換によって冷却し、それによって液化ガス流を形成すること；及び
    (l) 前記温冷媒流を圧縮して、圧縮された冷媒流を生成すること
    を含む、前記方法。
  20. さらに下記：
    前記補給ガス流の前記分離器への流速を制御して、コンプレッサの吸込側の少なくとも1つの圧力を目標値に維持すること
    を含む、請求項19に記載の方法。
  21. さらに下記：
    前記分離器内の凝結重質炭化水素成分を収集すること；及び
    前記凝結重質炭化水素成分を排出して、前記分離器内の所望の液体レベルを維持すること
    を含む、請求項19又は20に記載の方法。
  22. 前記圧縮され、冷却された冷媒流を前記少なくとも1つのワーク生成エキスパンダ内で膨張させる前に、前記圧縮され、冷却された冷媒流が、外部冷却ユニット内で間接熱交換によって周囲温度未満の温度に冷却される、請求項19〜21のいずれか1項に記載の方法。
  23. 前記補給ガス流が、前記供給ガス流の一部、前記液化ガス流から得られるボイルオフガス、又はその組み合わせを含む、請求項19〜22のいずれか1項に記載の方法。
  24. 前記補給ガス流が、メタンと、メタンより重いか又は軽い分子量を有する少なくとも1種の成分との混合物を含む、請求項19〜23のいずれか1項に記載の方法。
  25. 前記補給ガス流が、メタンと、窒素及び液化石油ガスの1種以上とを含む、請求項24に記載の方法。
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