JP4119432B2 - ガス液化装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一の混合冷媒を使用するガス液化プロセス用のガス液化装置に関する。

液化天然ガス（ＬＮＧ）の製造は、再循環冷却系により提供される多数の冷媒流との熱交換で原料ガス流を冷却し凝縮させることで行われる。天然ガス原料の冷却は、例えば三つの異なる冷媒ループにより寒冷が提供される周知のカスケードサイクルのような、いろいろな冷却プロセスサイクルによりなされている。一つのそのようなカスケードサイクルは、メタンサイクル、エチレンサイクル及びプロパンサイクルを順に使って三つの異なる温度レベルの寒冷を発生させる。もう一つの周知の冷却サイクルは、多成分冷媒混合物が選ばれた温度範囲にわたる寒冷を発生させる、プロパンで予冷する混合冷媒サイクルを使用する。この混合冷媒は、メタン、エタン、プロパン等の炭化水素や、その他の軽質炭化水素を含有することができ、そしてまた窒素を含有することもある。この効率的な冷却系を改変したものが、世界中の多くの稼働ＬＮＧプラントで使用されている。

プロパンでの予冷を用いあるいは用いない、単一式又は複式の混合冷媒サイクルが、天然ガスの液化のために使用されてきた。単一式の混合冷媒サイクルは、混合冷媒を一つの圧力レベルか又は二つの異なる圧力レベルで気化させて、必要とされる温度範囲にわたる寒冷を提供している。

米国特許第４２５１２４７号明細書には、冷媒が二つの圧力で気化する単一式の混合冷媒系が開示されている。圧縮機の中間段での及び／又は最終圧縮機の段階でのほぼ周囲温度まで冷却後の圧縮された単一の混合冷媒流が、液体の部分と蒸気の部分を提供する。蒸気の部分から得られる寒冷は、天然ガスを周囲温度から最低ほぼ−５５℃まで冷却するうちの一部又は全部をまかなうために使用される。液体の部分からの寒冷は、蒸気の部分を冷却してからその冷却された蒸気の部分から寒冷を回収するために使用される。この米国特許明細書の図４では、天然ガスは最初に、液体部分の全てを蒸気部分のうちの一部と一緒にして得られる一緒にした流れから得られる寒冷により周囲温度から中間の温度まで冷却される。この米国特許明細書の図５では、液体部分のうちの一部からの寒冷を使って天然ガスを周囲温度から最低２０℃まで冷却し、水を除去するための吸着装置（脱水装置）で処理している。メタンハイドレートができるのを避けるため、天然ガスは吸着装置より前では２０℃よりずっと低い温度までは冷却されない。天然ガスを３７℃から２０℃まで冷却するため、冷媒の液体部分のうちの一部を天然ガスとの熱交換で部分的に気化させ、そして圧縮機の中間段にある分離器へ戻している。しかし、吸着装置から出てゆく天然ガスは、単一混合冷媒流のうちの蒸気部分から得られる寒冷を使って２０℃から−５４℃まで冷却される。

冷媒が二つの圧力で沸騰する単一式混合冷媒系が米国特許第３７４７３５９号明細書に記載されている。低圧の混合冷媒は高温で圧縮され、すなわち、それは高温の天然ガス原料及び高圧の混合冷媒供給物との熱交換後に圧縮機へ導入される。中間圧力の混合冷媒は、周囲温度への冷却後と言うより周囲温度より低温へ冷却後に得られ、周囲温度で混合冷媒の分離は起こらない。

米国特許第４３２５２３１号明細書には、冷媒が二つの圧力で気化する単一の混合冷媒系が開示されている。周囲温度への冷却後に凝縮した高圧の液は過冷却され、低圧で気化される一方、周囲温度への冷却後に残っている高圧の蒸気は更に冷却されて第２の液体流と第２の蒸気流を生じさせる。第２の蒸気流は液化され、過冷却され、そして低圧で気化される一方、第２の液体流は過冷却され、低圧と中間圧とで気化される。周囲温度の高圧の液体流と高圧の蒸気流は別々の並列の熱交換器で冷却する。気化した混合冷媒流は全て、圧縮前に周囲温度近くまで加温される。

米国特許第５６５７６４３号明細書には、冷媒が一つの圧力で沸騰する単一の混合冷媒系が記載されている。混合冷媒の圧縮は２段階で行い、中間冷却器の後で凝縮液が生じ、これはポンプで昇圧され最終圧縮段の吐出物と混合される。原料及び混合冷媒の冷却は単一の多流熱交換器で行われる。

米国特許第４２５１２４７号明細書 米国特許第３７４７３５９号明細書 米国特許第４３２５２３１号明細書 米国特許第５６５７６４３号明細書

ガス液化プロセスの効率の改善は大変に望ましく、そしてガス液化技術分野で開発されている新しいサイクルの主要な目標になっている。本発明の目的は、下記に記載されそして特許請求の範囲により確定されるように、単一の混合冷媒を使用する液化プロセスを実施するために用いられるガス液化装置を提供することであり、この装置では、気化冷媒を低下した圧縮機入口温度で圧縮し、そして冷却サイクルにおいて有益に使用することができる周囲温度の中間段液体冷媒流を発生させる。

本発明のガス液化装置は、次の（Ａ）〜（Ｃ）を含む。
（Ａ）本質的に水を含まない原料ガスを第１の気化する液体混合冷媒との間接熱交換により冷却して、中間冷却原料ガス流と第１の中間圧力レベルの第１の気化した混合冷媒を提供するための第１の冷却帯域。
（Ｂ）当該中間冷却原料ガス流を第２の気化する液体混合冷媒との間接熱交換により更に冷却し、凝縮させて、液化ガス製品と第１の中間圧力レベルより低い第２の低圧力レベルの第２の気化した混合冷媒流を生じさせるための第２の冷却帯域。
（Ｃ）第１及び第２の気化する液体混合冷媒を提供するための再循環冷却系であって、次の（ａ）〜（ｉ）を含む再循環冷却系。
（ａ）上記第２の気化した混合冷媒流を圧縮して中間圧縮冷媒を提供するための圧縮機。
（ｂ）当該中間圧縮冷媒を上記第１の気化した混合冷媒流と一緒にして一緒にした冷媒流を提供するための手段。
（ｃ）当該一緒にした混合冷媒流を圧縮して圧縮した混合冷媒流を生じさせるための圧縮機。
（ｄ）（ｃ）の圧縮した混合冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させるための第１の周囲冷却器と、得られた部分的に凝縮した２相混合冷媒流を分離して第１の気相混合冷媒流と第１の液相混合冷媒流にするための第１の相分離手段。
（ｅ）（ｄ）の第１の気相混合冷媒流を圧縮して圧縮した第１の気相混合冷媒流を作るための圧縮機。
（ｆ）（ｅ）の圧縮した第１の気相混合冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させて、その結果得られる部分凝縮流を作るための第２の周囲冷却器。
（ｇ）上記部分凝縮流を分離して第２の気相混合冷媒流と第２の液相混合冷媒流にするための第２の相分離手段。
（ｈ）当該第２の気相混合冷媒流を上記第１及び第２の冷却帯域で冷却し凝縮させて液体混合冷媒流を生じさせ、そして当該冷却した液体混合冷媒流の圧力を低下させて上記第２の気化する液体混合冷媒を得るための手段。
（ｉ）上記第２の液相混合冷媒流を上記第１の冷却帯域で過冷却して過冷却液体冷媒流を生じさせるための手段と、当該過冷却液体冷媒流の圧力を低下させて上記第１の中間圧力レベルの上記第１の気化する液体混合冷媒を生じさせるための手段。

本発明のガス液化装置は、本質的に水を含まない原料ガスを第１の冷却帯域において１以上の気化する液体混合冷媒流との間接熱交換により冷却し、そしてこの第１の冷却帯域から中間冷却原料ガスと第１の気化した混合冷媒を抜き出すことを含むガス液化方法のために使用することができる。この方法では、中間冷却原料ガスを、第２の冷却帯域において１以上の気化する液体混合冷媒流との間接熱交換により更に冷却し、そしてこの第２の冷却帯域から液化したガスと第２の気化した混合冷媒を抜き出す。第１の気化した混合冷媒と第２の気化した混合冷媒を圧縮し冷却して、１以上の液体混合冷媒流を生じさせ、この冷却は周囲ヒートシンクへの熱移動によりなされる周囲冷却である。第１の冷却帯域で原料ガスを冷却するのに利用される１以上の気化する液体混合冷媒流は、周囲冷却により得られる１以上の液体混合冷媒流からもっぱら得られる。

本質的に水を含まない原料ガスは、好ましくは、天然ガス原料流から水を除去して提供される。

第１及び第２の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流は、
（ａ）第２の気化した混合冷媒を第１の圧力レベルに圧縮して昇圧した第２の混合冷媒を得る工程、
（ｂ）この昇圧した第２の混合冷媒を第１の気化した混合冷媒と一緒にし、その結果得られた一緒にした冷媒流を圧縮して圧縮した混合冷媒流を得る工程、
（ｃ）この圧縮した混合冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させて、混合冷媒蒸気と混合冷媒液とを得る工程、
（ｄ）この混合冷媒液を過冷却し減圧して、第１の圧力レベルの第１の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流を提供する工程、及び
（ｅ）上記の混合冷媒蒸気を冷却し、少なくとも部分的に凝縮させ、減圧して、第２の圧力レベルで第２の冷却帯域において気化させる気化する液体混合冷媒を提供する工程、
を含む再循環冷却プロセスで提供することができる。

（ｂ）における一緒にした冷媒流の圧縮は、多段階の圧縮により行うことができ、そして中間段の蒸気冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させて追加の混合冷媒液を得ることができる。随意に、この追加の混合冷媒液をポンプで昇圧し、得られた昇圧した液を圧縮した混合冷媒流と一緒にすることができる。所望ならば、追加の混合冷媒液を過冷却し減圧して、第１の冷却帯域におけるもう一つの気化する液体混合冷媒流を提供することができる。

上記の（ｅ）における混合冷媒蒸気を冷却し部分的に凝縮させるための寒冷のうちの一部分は、第１の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流により提供することができる。（ｅ）における混合冷媒蒸気を冷却し部分的に凝縮させるための寒冷のうちのもう一つに部分は、少なくとも一部分は、第２の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流により提供することができる。（ｄ）における混合冷媒液の過冷却のための寒冷のうちの少なくとも一部分は、第１の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流により提供することができる。追加の混合冷媒液を過冷却するための寒冷は、少なくとも一部分は、第１の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流により提供することができる。

随意の態様では、混合冷媒蒸気を冷却し、部分的に凝縮させ、そして第２の混合冷媒蒸気と第２の混合冷媒液とに分けることができる。第２の混合冷媒液は、過冷却し減圧して、第２の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流を提供することができる。第２の混合冷媒液を過冷却するための寒冷は、一部分は、第２の冷却帯域で気化させる気化する液体混合冷媒流により提供することができる。第２の混合冷媒蒸気は冷却し、少なくとも部分的に凝縮させ、そして減圧して、第２の冷却帯域におけるもう一つの気化する液体混合冷媒流を提供することができる。

第２の混合冷媒蒸気を冷却するための寒冷は、少なくとも一部分は、第２の冷却帯域における気化する液体混合冷媒流により提供することができる。（ｄ）での過冷却後の混合冷媒液のうちの一部分を第２の混合冷媒液と一緒にし、その結果得られた一緒にした流れを過冷却し、減圧し、そして第２の冷却帯域において第２の圧力レベルで気化させることができる。

中間の冷却原料ガスは、好ましくは、約１０℃未満の温度にある。

より具体的に言えば、本発明の装置を利用できるガスの液化方法は、
（Ｉ）本質的に水を含まない原料ガスを第１の冷却帯域において第１の気化する液体混合冷媒との間接熱交換により冷却して、中間冷却原料ガス流と第１の中間圧力レベルの第１の気化した混合冷媒を提供すること、
（ＩＩ）当該中間冷却原料ガス流を第２の冷却帯域において第２の気化する液体混合冷媒との間接熱交換により更に冷却し、凝縮させて、液化ガス製品と上記第１の中間圧力レベルより低い第２の低圧力レベルの第２の気化した混合冷媒流を得ること、
を含むガスの液化方法であって、当該第１及び第２の気化する液対混合冷媒を下記の工程、すなわち、
（ａ）上記第２の気化した混合冷媒流を圧縮して中間圧縮冷媒を提供する工程、
（ｂ）当該中間圧縮冷媒を上記第１の気化した混合冷媒流と一緒にして一緒にした冷媒流を提供する工程、
（ｃ）当該一緒にした混合冷媒流を圧縮して圧縮した混合冷媒流を得る工程、
（ｄ）工程（ｃ）の圧縮した混合冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させ、そして得られた部分的に凝縮した２相混合冷媒流を分離して第１の気相混合冷媒流と第１の液相混合冷媒流にする工程、
（ｅ）工程（ｄ）の第１の気相混合冷媒流を圧縮して圧縮した第１の気相混合冷媒流を作る工程、
（ｆ）工程（ｅ）の圧縮した第１の気相混合冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させて、その結果得られる部分凝縮流を作る工程、
（ｇ）上記部分凝縮流を分離して第２の気相混合冷媒流と第２の液相混合冷媒流にする工程、
（ｈ）当該第２の気相混合冷媒流を上記第１及び第２の冷却帯域で冷却し凝縮させて液体混合冷媒流を生じさせ、そして当該冷却した液体混合冷媒流の圧力を低下させて上記第２の気化する液体混合冷媒を得る工程、及び、
（ｉ）上記第２の液相混合冷媒流を上記第１の冷却帯域で過冷却して過冷却液体冷媒流を生じさせ、そして当該過冷却液体冷媒流の圧力を低下させて上記第１の中間圧力レベルの上記第１の気化する液体混合冷媒を得る工程、
を含む再循環冷却法でもって供給するガス液化方法である。

好ましくは、このガス液化方法は、前記第１の液相混合冷媒流をポンプで昇圧して工程（ｅ）の前記圧縮した第１の気相混合冷媒流の圧力にしてポンプ昇圧した第１の液相混合冷媒流を作り、そしてこのポンプ昇圧した第１の液相混合冷媒流を、工程（ｆ）における冷却及び部分的凝縮の前に工程（ｅ）の前記圧縮した第１の気相混合冷媒流と一緒にすることを更に含む。

好ましくは、工程（ｈ）において、前記第２の気相混合冷媒流の全部を前記第１及び第２の冷却帯域で冷却し凝縮させて前記第２の気化する液体混合冷媒を最終的に得て、そして当該第２の気化する液体混合冷媒を使用して前記第２の冷却帯域のみに寒冷を供給する。

好ましくは、前記原料ガスを、天然ガスから汚染物質を除去することにより清浄にし、乾燥させる。また、前記第２の気化した冷媒流の温度は周囲以下の温度である。

好ましくは、前記冷却帯域は２つの熱交換器を有し、そしてガス液化方法は、
（１）第１の熱交換器において前記第１の液相混合冷媒流を更に冷却して過冷却した昇圧液体流を生じさせ、そして当該過冷却した昇圧液体流の圧力を低下させて減圧流を提供する工程、
（２）当該減圧流を上記第２の熱交換器からの部分的に気化した冷媒流と一緒にして一緒にした流れを得る工程、
（３）当該一緒にした流れを上記第１の熱交換器の低温端から導入してそこにおける寒冷を供給する工程、
（４）上記熱交換器において液体流を過冷却して過冷却した液体流を生じさせ、当該液体流の圧力を低下させて前記部分的に気化した冷媒流を作る工程、及び、
（５）当該部分的に気化した冷媒流を上記第２の熱交換器の低温端へ導入してそこにおける寒冷を供給し、そして当該第２の熱交換器の高温端から、工程（２）において上記減圧流と一緒になって一緒にした流れをもたらす部分的に加温し部分的に気化した流れを回収する工程、
を更に含む。

やはり好ましくは、前記第２の冷却帯域は２つの熱交換器を有し、且つ工程（ｈ）において、前記第２の気相混合冷媒流を前記第１の冷却帯域で冷却し部分的に凝縮させて２相混合冷媒流を生じさせ、そしてガス液化方法は、
（１）前記２相混合冷媒流を分離して蒸気冷媒流と中間液体流を生じさせること、
（２）当該蒸気冷媒流を上記２つの熱交換器で更に冷却し凝縮させて、前記過冷却した液体冷媒流を生じさせること、及び、
（３）上記中間液体流を第１の熱交換器で過冷却して過冷却した液体流を得、そしてこれを減圧し、次いで第２の熱交換器からの部分的に気化した冷媒流と一緒にし、且つ、当該一緒にした流れを第１の熱交換器で気化させて前記第２の気化した混合冷媒流を供給すること、
を更に含む。

好ましくは、前記過冷却した液体流の一部分を前記中間液体流と一緒にして一緒にした中間液体流を生じさせ、そしてそれを前記第１の熱交換器で冷却して、その結果得られた流れを減圧する。

本発明は、原料ガス流の液化のための効率的方法を実施するのに有用なガス液化装置を提供するものであり、特に天然ガスの液化に適用可能なものである。本発明は、最小限の数の熱交換器を必要とする単純な単一の混合冷媒プロセスを用いて高い熱力学的効率を達成する。好ましい様式において、本発明は、二つの圧力レベルの気化する混合冷媒流を用いる間接的な熱移動により原料ガス流を冷却する、単一の混合冷媒を用いる再循環冷却系を利用する。混合冷媒は、メタン、エタン、プロパン、及びその他の軽質炭化水素から選ばれる１種以上の炭化水素を典型的に含有している多成分流体混合物であり、そしてまた窒素を含有してもよい。

本発明は、以下で説明する態様においては、冷却循環路において、蛇管（コイル）式、プレート−フィン式、多管式、及びケトル式熱交換器を含めた、広範囲の様々な熱交換装置のうちのいずれを利用することもできる。具体的な用途に応じ、これらのタイプの熱交換器の組み合わせを使用することができる。本発明は、任意のガス原料流を液化するために使用することができるが、好ましくは、以下のプロセスの説明で例示するように天然ガスを液化するのに使用される。

図１を参照すると、ガス流１００、好ましくは天然ガスを、前処理部１０２において既知の方法により清浄にし乾燥させて、水、ＣＯ₂やＨ₂Ｓなどの酸性ガス類、及び水銀等のその他の汚染物質を除去する。本質的に水を含まなくなった、前処理した原料ガス流１０４を、熱交換器１０６で混合冷媒流１０８を気化させることにより冷却して、約１０℃と−９０℃の間、好ましくは約０℃と−５０℃の間の中間温度にする。「本質的に水を含まない」という用語は、原料ガス流１０４中の残留水分が下流の冷却及び液化プロセスでの水の凍結による運転上の問題を防止するのに十分低い濃度で存在することを意味する。

冷却した天然ガス流１２２を熱交換器１２４で混合冷媒流１３２を気化させることにより更に冷却して、約−１９０℃と−１２０℃の間、好ましくは約−１７０℃と−１５０℃の間の温度にする。その結果得られた更に冷却した流れ１３６が製品液化天然ガス（ＬＮＧ）であり、これは貯蔵タンクへ又は更なる処理工程に送られる。

天然ガス原料流１０４を周囲温度近くから最終製品凝縮液の温度まで冷却するための寒冷は、２種以上の成分を含有する冷媒を利用する混合冷却循環路により提供される。昇圧した混合冷媒流１４８が、多段圧縮機１７４により、約２５ｂａｒａと１００ｂａｒａの間、好ましくは約４０ｂａｒａと８０ｂａｒａの間の圧力で供給される。周囲冷却後、この圧縮し部分的に凝縮させた流れを蒸気流１１６と液体流１５２とに分ける。随意に、液体流１５２のうちの一部分１１８を蒸気流１１６と一緒にしてもよい。

「周囲冷却」という用語は、冷却水あるいは周囲空気といったような周囲温度の流体を用いる間接的な熱移動による周囲のヒートシンクへの熱移動により行われる冷却を意味する。従って、冷却される流れから取り出される熱は、大気あるいは大量の水のような周囲のヒートシンクへ結局は捨てられる。

液体及び蒸気の混合冷媒流１１６及び１５２は、その後周囲温度近くで熱交換器１０６に入る。これらの冷媒流は熱交換器１０６で、約１０℃と−９０℃の間、好ましくは約０℃と−５０℃の間の温度に冷却されて、流れ１５６及び１５８として出てゆく。流れ１５６は絞り弁１６０を通して約４ｂａｒａと３０ｂａｒａの間の圧力、好ましくは約８ｂａｒａと２０ｂａｒａの間の圧力まで、断熱的に減圧され、そして熱交換器１０６の低温端へ流れ１０８として導入されて、先に説明したように寒冷を提供する。気化した冷媒流１１４を、周囲温度で又はその近くで熱交換器１０６から抜き出す。所望ならば、流れ１５６の圧力はターボエキスパンダーでの仕事膨張により低下させることができる。

混合冷媒流１５８を熱交換器１２４へ導入して、そこで約−１９０℃と−１２０℃の間、好ましくは約−１７０℃と−１５０℃の間の最終温度まで冷却する。次に、過冷却した液体流１７２を絞り弁１３４を通し、約１ｂａｒａと１０ｂａｒａの間、好ましくは約２ｂａｒａと６ｂａｒａの間の圧力レベルまで断熱的に減圧し、そして熱交換器１２４の低温端へ流れ１３２として導入して、そこで寒冷を提供させる。所望ならば、流れ１７２の圧力はターボエキスパンダーでの仕事膨張により低下させることができる。

二つの気化した冷媒流１７６及び１１４を圧縮機１７４へ戻す。なおも相対的に冷たい流れ１７６を第１の圧縮段で低温圧縮して、およそ４ｂａｒａと３０ｂａｒａの間、好ましくは８ｂａｒａと２０ｂａｒａの間の圧力にする。流れ１７６は好ましくは、一般に周囲温度により近くなければならない流れ１１４よりも冷たい。周囲温度より低い温度で戻される気化した冷媒流の圧縮を低温圧縮と定義し、この低温圧縮は、より高いガス密度とより小さい体積流量の結果として熱交換器１０６の大きさと圧縮機の大きさの低下を可能にするので、有益である。

ここで使用する「圧力レベル」という用語は、冷却循環路の配管や熱交換器を通過する流体圧力を定義するものであり、この流体圧力は膨張装置の排出圧力と圧縮装置の吸い込み圧力の間にある。例えば、図１においては、絞り弁１６０の下流且つ圧縮機１７４の第２段の入口の上流の配管と熱交換器の流路で画定されることによる一つの圧力レベルが存在する。機器での圧力損失のために、この領域の任意の点での流動流体の実際の圧力は絞り弁１６０の出口の圧力と圧縮機１７４の第２段の入口の圧力の間でいろいろである。同様に、絞り弁１３４の下流と圧縮機１７４の第１段の入口の上流の配管と熱交換器の流路で画定されることによるもう一つの圧力レベルが存在する。

随意に、圧縮の第１段後の冷媒流を周囲冷却により冷却器１７８で冷却することができる。冷却器１７８は随意であり、資本費を節減するため省いてもよい。第１の圧縮段の吐出流は気化した混合冷媒流１１４と一緒にし、そして一緒にした流れを１以上の追加の圧縮段で、約２５ｂａｒａと１００ｂａｒａの間、好ましくは約４０ｂａｒａと８０ｂａｒａの間の最終の高圧まで更に圧縮する。

この圧縮工程では、中間冷却後に少なくとも一つの液体流１８０を随意に得ることができる。この態様では、任意的な液体流１８０を生じさせ、ポンプ１８２で昇圧して最終の高圧にし、そして最終圧縮段からの圧縮ガス流と一緒にする。一緒にした冷媒流を冷却器１８４で周囲冷却により冷却する。

図１では、熱交換器１０６が第１の冷却帯域であり、それは管路１０４の原料ガスのために第一段の冷却を供給し、そしてまた蒸気冷媒流１１６と液体冷媒流１５２も冷却する。この熱交換器では、寒冷のうちの少なくとも一部、好ましくは全てを、弁１６０を通して減圧後の過冷却液体流１５６のうちの少なくとも一部分を気化させることにより提供する。冷媒流１５６は、圧縮機１７４からの圧縮冷媒の冷却器１８４での周囲冷却から得ることができる。蒸気流１１６は、熱交換器１０６における冷却負荷を少しも提供せず、気化する液体冷媒流１０８から得られる寒冷によりそれ自体が冷却される。冷却及び凝縮後の蒸気流１５８は、好ましくは、熱交換器１２４での第２段の冷却の寒冷を提供するのに用いられる。気化した冷媒流１７６は熱交換器１０６を通しては送られず、従ってこの流れに含まれる寒冷は第１段の冷却で原料ガスを冷却するのには用いられない。

もう一つの態様を図２に示すが、この態様では液体流２８０を先の態様におけるようにポンプで昇圧せず、その代わりに熱交換器２１２で過冷却する。この態様では、図１の単一の熱交換器１０６の代わりに二つの熱交換器２１２と２１４を使用する。液体流２８０を熱交換器２１２で過冷却して過冷却液体流２０４を得る。流れ２０４を絞り弁２０８を通し断熱的に減圧し、冷媒流２１０（後で説明する）と一緒にし、そして熱交換器２１２の低温端へ流れ２０６として導入して、そこでそれを所定の圧力レベルで気化させてそこでの寒冷を提供させる。あるいはまた、流れ２０４の圧力は仕事エキスパンダーを通して低下させることができる。

液体流２５２を熱交換器２１２と２１４で過冷却して過冷却液体流２５６を得、それを絞り弁２６０を通し断熱的に減圧して、熱交換器２１４の低温端へ流れ２１６として導入して、それをもう一つの圧力レベルで気化させてそこでの寒冷を提供させる。あるいはまた、流れ２５６の圧力は仕事エキスパンダーを通して低下させることができる。部分的に加温した冷媒流２１０を先に説明した絞り弁２０８からの減圧した冷媒流と一緒にする。この態様では、絞り弁２０８と２６０の下流及び第２段の圧縮機への入り口の上流の配管と熱交換器の流路に所定の圧力レベルが存在する。

図２では、熱交換器２１２と２１４が原料ガスの約１０℃未満、好ましくは約０℃未満、より好ましくは約−２０℃未満の温度までの冷却のうちの必要とされる第１段を提供する。この冷却の第１段では、原料ガス１０４、液体流２５２、及び蒸気流２５４を冷却するための寒冷のうちの一部分、あるいは好ましくは全てを、周囲冷却により得られる液体冷媒流の気化により提供する。この例では、周囲冷却により二つの液体流２８０と２５２を周囲温度近くで得、これらの流れの両方を使って第１段の冷却での必要な寒冷を提供する。蒸気流２５４は、第１段の冷却で冷却されるが、熱交換器２２０での第２段の冷却でのみ原料ガスに寒冷を提供する。

図３は、図１の態様を改変したものである本発明の好ましい態様を示している。この態様では、蒸気冷媒流１１６を熱交換器１０６で部分的に凝縮させ、得られた２相流１５８を分離機３８８で液体流３６２と蒸気流３６４とに分ける。この態様では、図１の熱交換器１２４の代わりに熱交換器３２４と３３０を使用している。原料ガスを熱交換器３２４と３３０における第２段の冷却で更に冷却する。

液体流３６２を熱交換器３２４で過冷却して、約−１５０℃と約−７０℃の間、好ましくは約−１４５℃と−１００℃の間の温度の過冷却流３６６を生じさせる。この流れを絞り弁３６８を通し、約１ｂａｒａと１０ｂａｒａの間、好ましくは約２ｂａｒａと約６ｂａｒａの間の圧力レベルに減圧して、流れ３７０（あとで説明）と一緒にする。あるいは、流れ３６６の圧力は仕事エキスパンダーを通して低下させることができる。一緒にした流れ３２６を熱交換器３２４で所定の圧力で気化させ、そこでの寒冷を提供させる。気化した冷媒流１７６は、周囲温度未満の温度、ことによっては−９０℃ほどの低温にあり、圧縮機１７４へ導入される。

蒸気冷媒流３６４を熱交換器３２４へ導入し、そこで約−１５０℃と約−７０℃の間、好ましくは約−１４５℃と約−１００℃の間の温度まで冷却する。得られた冷却流３１０を熱交換器３３０へ導入して、そこで約−１９０℃と約−１２０℃の間、好ましくは約−１７０℃と約−１５０℃の間の最終の温度まで冷却する。過冷却した液体流３７２を絞り弁３３４を通し、約１ｂａｒａと約１０ｂａｒａの間、好ましくは約２ｂａｒａと約６ｂａｒａの間の圧力レベルまで断熱的に減圧し、そして熱交換器３３０の低温端へ流れ３３２として導入して、そこで所定の圧力レベルで気化させて寒冷を提供させる。あるいはまた、流れ３７２は仕事エキスパンダーを通して減圧することができる。部分的に加温した冷媒流３７０を絞り弁３６８からの減圧した冷媒流と一緒にする。この態様では、絞り弁３３４の下流及び圧縮機１７４の第１段への入り口の上流の配管と熱交換器の流路に所定の圧力レベルが存在する。図３の態様におけるこのほかの工程は図１で説明したものと同じである。

図４は、図３を改変したものである本発明のもうひとつの態様を示している。図４の態様では、熱交換器３１２からの過冷却した液体流１５６のうちの一部分４０６を分離機３８８からの液体流３６２と一緒にする。一緒にした液体流４０８を熱交換器３２４で過冷却し、先に説明したように絞り弁３６８を通して減圧する。図４の態様におけるこのほかの工程は図３で説明したものと同じである。

上述の図１〜４の態様における本発明は、蛇管（コイル）式、プレート−フィン式、多管式、及びケトル式熱交換器を含めた、冷却循環路における様々な熱交換装置のいずれも利用することができる。特定の態様に応じて、これらのタイプの熱交換器の組み合わせを使用することができる。

上記の態様には、原料ガスから重質の炭化水素を除去するための工程は含まれていない。しかし、場合によっては、原料組成と製品仕様とに応じて、そのような除去工程が必要になることがある。重い成分のこれらの除去工程は、当該技術分野でよく知られているいくつかの方法のいずれか一つを使って最終液化製品温度より高い任意の適当な温度で使用することができる。例えば、そのような重質炭化水素を第１の冷却工程後にスクラブ塔を使って除去してもよい。このスクラブ塔では、天然ガス原料のうちの重質成分、例えばペンタン及びそれより重い成分、を除去する。スクラブ塔は、回収部のみを利用してもよく、あるいは、ベンゼン等の重い汚染物質を非常に低レベルまで除去するためコンデンサー付きの濃縮部を含んでもよい。非常に低レベルの重質成分が最終ＬＮＧ製品で必要とされる場合には、スクラブ塔に対し任意の適当な改変を行うことができる。例えば、ブタンのような重質成分を洗浄液として使用してもよい。

天然ガス中の水や二酸化炭素等の不純物は、先に説明したように液化の前に除去しなくてはならない。一般にこれらの不純物は、前処理部１０２内の吸着装置を使って除去される。必要ならば、天然ガス流１００を吸着装置の前で予冷することができる。そのような予冷は、メタンハイドレートの生成を避けるため２０℃の近辺である。この予冷は、圧縮した混合冷媒流の周囲冷却後に集められる液体冷媒流のうちの少なくとも一部分により行うことができる。例えば図１では、液体流１５２のうちの一部分を減圧し、部分的に気化させて流れ１００かあるいは１０４を冷却させ（図示せず）、そして得られた加温した流れを分離器１８１へ戻す。予冷後、天然ガスを前処理部１０２へ送って水やその他の汚染物質を除去する。この本質的に水のない原料ガス１０４を熱交換器１０６での第１段の冷却に送り、そこで冷却して約１０℃より低い、好ましくは約０℃より低い、より好ましくは約−２０℃より低い温度にする。

図３を参照すれば、水、例えばＣＯ₂やＨ₂Ｓなどの酸性ガス、及び例えば水銀などのその他の汚染物質を除去するため、天然ガス原料１００を前処理部１０２で清浄にし乾燥させる。前処理した原料ガス１０４の流量は２６，７００ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ、圧力は６６．５ｂａｒａ、温度は３２℃であり、モル組成は次のとおりである。

前処理したガス１０４は第１の熱交換器１０６に入り、−２１℃の温度まで冷却される。この冷却は、混合冷媒流１０８の加温によりなされ、この冷媒流の流量は３０，５９６ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ、圧力は約１３ｂａｒａで、組成は次のとおりである。

次いで、冷却した流れ１２２を熱交換器３２４で、この熱交換器３２４に約３ｂａｒａの圧力レベルで入る混合冷媒流３２６を加温することにより−１３３℃の温度に更に冷却する。次に、得られた冷却流３２８を熱交換器３３０で−１６６℃の温度まで更に冷却する。熱交換器３３０での冷却のための寒冷は、約３ｂａｒａの圧力レベルで気化する混合冷媒流３３２により提供される。得られたＬＮＧ製品流１３６は、貯蔵のためあるいは更に処理するために送られる。

天然ガス流１０４を周囲温度近くから最終製品温度まで冷却するための寒冷は、再循環する混合冷却循環路により提供される。流れ１４８は高圧の混合冷媒であり、この冷媒は多段圧縮機１７４から６０ｂａｒａの圧力、６７，９００ｋｇ−ｍｏｌ／ｈの流量、及び下記の組成で出てくる。

流れ１４８は分離されて蒸気流１１６と液体流１５２にされる。液体流１５２のうちの１６％である部分１１８を、蒸気流１１６と再度一緒にする。次に、液体及び蒸気の混合冷媒流は３２℃の温度で熱交換器１０６に入る。これらの冷媒流はここで−２１℃の温度に冷却され、冷却された冷媒流１５６及び１５８として出てゆく。流れ１５６は絞り弁１６０を通しておよそ１３ｂａｒａの圧力レベルに断熱的に減圧され、そして熱交換器１０６の低温端へ流れ１０８として導入されてそこでの寒冷を提供する。

流れ１５８は液体流３６２と蒸気流３６４に分けられ、これらの流れは熱交換器３２４へ導入されてそこで−１３３℃の温度まで冷却される。過冷却した液体流３６６は絞り弁３６８を通し約３ｂａｒａの圧力に断熱的に減圧され、熱交換器３２４の低温端へ流れ３２６として導入されて所定の圧力レベルで気化することでそこでの寒冷を提供する。

流れ３１０は熱交換器３３０へ導入され、この熱交換器３３０で−１６６℃の最終温度まで冷却される。次いで、過冷却した液体流３７２を絞り弁３３４を通し断熱的に減圧しておよそ３ｂａｒａの圧力レベルにし、流れ３３２として熱交換器３３０の低温端へ導入してそこでの寒冷を提供させる。

気化した二つの冷媒流１７６と１１４を圧縮機１７４へ供給する。流れ１７６は第１の圧縮段でおよそ１３ｂａｒａの圧力まで圧縮し、冷却器１７８で周囲ヒートシンクとの熱交換で３２℃に冷却する。第１の圧縮段の吐出流を気化した冷媒流１１４と一緒にして、二つの圧縮段で６０ｂａｒａの最終の高圧まで圧縮する。この圧縮工程では、中間冷却後に液体流１８０を生じさせる。流量が５，６００ｋｇ−ｍｏｌ／ｈで圧力が２７ｂａｒａの液体流１８０をポンプ１８２で最終の高圧まで昇圧し、周囲冷却器１８４の前で最終圧縮段を出てくる流れと一緒にする。

このように、本発明のガス液化装置は、原料ガスを冷却及び液化させるための寒冷を、組成を異にし一方は低圧レベルにあり他方はそれより高い中圧レベルにある二つの混合冷媒流の気化により寒冷を提供する単一の再循環冷媒サイクルにより提供するものである。様々な組成と流量の液体及び蒸気の冷媒流を、蒸気冷媒流に適用される１以上の分別凝縮工程により提供する。中圧の気化する冷媒が、ガス原料流のための第１段の冷却を提供し、そして低圧の気化する冷媒が、このガスを第２段の冷却で更に冷却し凝縮させて最終の液体製品を提供する。

本発明の好ましい特徴では、１以上の液体冷媒流を過冷却し中間の圧力レベルで気化させて、第１段の冷却で原料ガスを冷却するための寒冷を提供し、そしてこれらの液体冷媒流を圧縮した冷媒蒸気の周囲冷却のみから得る。

周囲温度以下の温度の低圧混合冷媒を圧縮工程へ戻すのでなく、この冷媒を圧縮前に周囲温度に加温することが、熱交換及び圧縮機器の大きさを小さくし、あるいは固定した熱交換器寸法での生産量の増加を可能にする。圧縮の際の中間段液体冷媒流の発生は、処理効率を上昇させる。低温圧縮と中間段冷媒液の発生との組み合わせは、処理効率を向上させ、生産量を増大させ、及び／又は資本投資を低減させる。

本発明の本質的な特徴は、前述の開示に完全に記載されている。当業者は本発明を理解することができ、そして本発明の基本精神からそれることなく、また特許請求の範囲に記載された範囲及びそれと同等もしくは均等のものから逸脱することなく、様々な改変を行うことができる。

本発明のガス液化装置を使用して、再循環する気化した冷媒を低温圧縮し、圧縮中に中間段の冷媒液を生じさせるための概略フローダイヤグラムである。 本発明のガス液化装置を使用して、中間段の冷媒液を圧縮中に生じさせ、過冷却し、減圧し、気化させて寒冷を提供するための概略フローダイヤグラムである。 本発明のガス液化装置を使用して、冷媒蒸気流を周囲温度以下で部分的に凝縮させて冷却した蒸気冷媒流と液体冷媒流を生じさせるための概略フローダイヤグラムである。 本発明のガス液化装置を使用して、過冷却した混合冷媒液のうちの一部分を冷媒蒸気を部分的に凝縮させることで得られる混合冷媒液と一緒にするのを説明する概略フローダイヤグラムである。

符号の説明

１０２ 前処理部
１０６、１２４ 熱交換器
１３４、１６０ 絞り弁
１７４ 多段圧縮機
１８２ ポンプ
１８４ 冷却器
２０８、２６０ 絞り弁
２１２、２１４、２２０ 熱交換器
３２４、３３０ 熱交換器
３３４、３６８ 絞り弁
３８８ 分離器

Claims (1)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｃ）を含むガス液化装置。
   （Ａ）本質的に水を含まない原料ガス（１０４）を第１の気化する液体混合冷媒（１０８）との間接熱交換により冷却して、中間冷却原料ガス流（１２２）と第１の中間圧力レベルの第１の気化した混合冷媒（１１４）を提供するための第１の冷却帯域（１０６）
   （Ｂ）当該中間冷却原料ガス流（１２２）を第２の気化する液体混合冷媒（１３２）との間接熱交換により更に冷却し、凝縮させて、液化ガス製品（１３６）と第１の中間圧力レベルより低い第２の低圧力レベルの第２の気化した混合冷媒流を生じさせるための第２の冷却帯域（１２４）
   （Ｃ）第１（１０８）及び第２（１３２）の気化する液体混合冷媒を提供するための再循環冷却系であって、次の（ａ）〜（ｉ）を含む再循環冷却系
   （ａ）上記第２の気化した混合冷媒流（１７６）を圧縮して中間圧縮冷媒を提供するための圧縮機
   （ｂ）当該中間圧縮冷媒を上記第１の気化した混合冷媒流（１１４）と一緒にして一緒にした冷媒流を提供するための手段
   （ｃ）当該一緒にした混合冷媒流を圧縮して圧縮した混合冷媒流を生じさせるための圧縮機
   （ｄ）（ｃ）の圧縮した混合冷媒流を周囲冷却により冷却し部分的に凝縮させるための第１の周囲冷却器と、得られた部分的に凝縮した２相混合冷媒流を分離（１８１）して第１の気相混合冷媒流と第１の液相混合冷媒流（１８０、２８０）にするための第１の相分離手段
   （ｅ）（ｄ）の第１の気相混合冷媒流を圧縮して圧縮した第１の気相混合冷媒流を作るための圧縮機
   （ｆ）（ｅ）の圧縮した第１の気相混合冷媒流を周囲冷却（１８４）により冷却し部分的に凝縮させて、その結果得られる部分凝縮流（１４８）を作るための第２の周囲冷却器
   （ｇ）上記部分凝縮流（１４８）を分離して第２の気相混合冷媒流（１１６）と第２の液相混合冷媒流（１５２）にするための第２の相分離手段
   （ｈ）当該第２の気相混合冷媒流（１１６、２５４）を上記第１及び第２の冷却帯域（１０６、１２４）で冷却し凝縮させて液体混合冷媒流（１７２）を生じさせ、そして当該冷却した液体混合冷媒流（１７２）の圧力を低下させて（１３４）上記第２の気化する液体混合冷媒（１３２）を得るための手段
   （ｉ）上記第２の液相混合冷媒流（１５２、２５２）を上記第１の冷却帯域（１０６）で過冷却して過冷却液体冷媒流（１５６）を生じさせるための手段と、当該過冷却液体冷媒流（１５６）の圧力を低下させて（１６０）上記第１の中間圧力レベルの上記第１の気化する液体混合冷媒（１０８）を生じさせるための手段

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