JP4216765B2 - 凝縮天然ガスからの窒素除去方法及び装置 - Google Patents

Description

原天然ガスは、主にメタンを含有し、そしてまた多数の少量成分、例えば水、硫化水素、二酸化炭素、水銀、窒素、及び一般に炭素原子数が２〜６の軽質炭化水素等を含む。これらの成分の一部、例えば水、硫化水素、二酸化炭素、及び水銀等は、天然ガスの処理あるいは液化天然ガス（ＬＮＧ）の生産等の下流の工程にとって有害な汚染物質であり、これらの汚染物質はこれらの処理工程の上流で除去しなくてはならない。これらの汚染物質を除去後に、メタンより重い炭化水素を凝縮させて天然ガス液（ＮＧＬ）として回収し、そして主としてメタン、窒素、及び残留軽質炭化水素を含む残りのガスを冷却し、凝縮させて最終のＬＮＧ製品を得る。

原天然ガスは１〜１０モル％の窒素を含むことがあるので、窒素の除去は多くのＬＮＧ生産計画において必要なことである。窒素除去装置（ＮＲＵ）及び／又は１以上のフラッシュ工程を利用して、最終製品の貯蔵の前にＬＮＧから窒素を除去することができる。窒素の除去は追加の寒冷を必要とし、この寒冷は、窒素除去装置への供給原料の膨張により、回収した窒素に富むガスの膨張により、液化のために供給される寒冷のうちの一部を利用することにより、あるいはそれらの組み合わせにより、供給することができる。窒素除去プロセスに応じて、除去した窒素はなおも有意濃度のメタンを含有していることがあり、そしてもしそうならば、この除去した窒素の流れは放出することができず、工場の燃料系へ送らなくてはならない。

ＬＮＧの製造では、一般に液化を５００〜１０００ｐｓｉａの範囲の高圧で行い、従って液化セクションからのＬＮＧは大気圧に近い圧力での貯蔵前に減圧しあるいはフラッシュさせなくてはならない。このフラッシュ工程では、残留窒素と気化したメタン製品を含有しているフラッシュガスを燃料として使用するために抜き出す。発生フラッシュガスを最小限にするために、液化処理には一般に最終の過冷却工程が含まれ、これは追加の寒冷を必要とする。

一部のＬＮＧの操作では、液化プロセスの最終の工程において燃料ガス流を生じさせるのが望ましくないことがある。除去した窒素は低濃度、例えば約５モル％未満のメタンを含有する場合にのみ、放出するのが可能であることから、これは除去した窒素の処分について利用できる選択肢を少なくする。除去した窒素中のそのような低濃度のメタンは、効率的な窒素除去装置によってのみ得ることができ、これは窒素−メタン分離を行うのに十分な寒冷を必要とする。

ＬＮＧの分野では、メタンの廃棄を最小限にし且つＬＮＧ冷却系と効率的に一体化する改良された窒素除去プロセスが必要とされている。下記において説明され、特許請求の範囲でもって規定される本発明は、最小限のメタンの損失でＬＮＧから窒素を除去するための方法の態様であって、当該方法は窒素の除去と最終製品の冷却のための効率的な冷却操作でＬＮＧの生産と貯蔵とを統合するものを提供することにより、この必要に対処するものである。

本発明の１つの態様は、凝縮した天然ガスから窒素を除去するための方法であって、（ａ）凝縮天然ガスを蒸留塔へその第１の箇所で導入し、この蒸留塔から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出し、そしてこの塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すこと、（ｂ）低温の還流の流れを当該蒸留塔へ第１の箇所より上方の第２の箇所で導入し、当該低温の還流の流れを提供するための寒冷を、窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、及び、（ｃ）（１）上記の精製した液化天然ガス流を冷却し又は上記の凝縮天然ガスの流れを冷却するか、あるいは（２）上記の精製した液化天然ガスの流れと上記の凝縮天然ガスの流れの両方を冷却し、（１）又は（２）のための寒冷を上記の窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、を含む方法を包含する。冷媒流は、蒸留塔からの窒素に富む蒸気流の全部又は一部を含むことができる。窒素を富化した塔頂蒸気流は、５モル％未満のメタンを含むことができ、また２モル％未満のメタンを含むことができる。

当該方法は、凝縮天然ガスを、蒸留塔への導入前に、蒸留塔の底部から抜き出した気化する液との間接熱交換により冷却して気化した塔底液流と冷却した凝縮天然ガス流とにし、そして当該気化した塔底液流を蒸留塔へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供することを更に含むことができる。冷却した凝縮天然ガスの圧力は、膨張弁又はエキスパンダーにより蒸留塔の手前で低下させてもよい。

低温の還流の流れ、この低温の還流の流れを提供するための寒冷、そして（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷は、
（１）蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流を、この窒素を富化した塔頂蒸気流から得られる仕事膨張させた窒素に富む流れと一緒にして、一緒にした低温の窒素に富む流れを得ること、
（２）低温の還流の流れを提供するための寒冷と、（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷とを提供するよう、上記の一緒にした低温の窒素に富む流れを間接熱交換により加温して、加温した窒素に富む流れを生じさせること、
（３）この加温した窒素に富む流れを圧縮した窒素に富む流れとの間接熱交換により更に加温して、冷却した窒素に富む圧縮流と更に加温した窒素に富む流れとを提供すること、
（４）この更に加温した窒素に富む流れのうちの第１の部分を窒素除去流として抜き出し、そして当該更に加温した窒素に富む流れのうちの第２の部分を圧縮して（３）の圧縮した窒素に富む流れを提供すること、
（５）上記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を抜き出し、この冷却した窒素に富む圧縮流の当該部分を仕事膨張させて、（１）の仕事膨張させた窒素に富む流れを提供すること、及び、
（６）上記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を上記低温の窒素に富む流れとの間接熱交換により冷却して低温の窒素に富む圧縮流を提供し、そしてこの低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて上記低温の還流の流れを提供すること、
により提供することができる。

精製した液化天然ガス流を、蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して、過冷却した液化天然ガス製品を供給することができる。

あるいはまた、低温の還流の流れ、この低温の還流の流れを提供するための寒冷、そして（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷は、
（１）低温の還流の流れを生じさせるため、及び（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷のうちの第１の部分を提供するよう、蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流を間接熱交換により加温して、加温した窒素に富む蒸気流を提供すること、
（２）この加温した窒素に富む蒸気流のうちの第１の部分を窒素除去流として抜き出し、そして加温した窒素に富む蒸気流のうちの第２の部分を圧縮して圧縮した窒素に富む流れを提供すること、
（３）この圧縮した窒素に富む流れを仕事膨張させ加温した窒素に富む流れと一緒にして、一緒にした窒素に富む流れを提供し、そしてこの一緒にした窒素に富む流れを圧縮して一緒にした窒素に富む圧縮流を提供すること、
（４）この一緒にした窒素に富む圧縮流を冷却して冷却した窒素に富む圧縮流を生じさせ、この冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を仕事膨張させて低温の窒素に富む冷媒流を生じさせ、そして低温の還流の流れを生じさせるため、及び（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷のうちの第２の部分を提供するよう、上記低温の窒素に富む冷媒流を間接熱交換により加温して、加温した窒素に富む仕事膨張流を提供すること、及び、
（５）冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を、蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して、低温の窒素に富む圧縮流を提供し、そしてこの低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて低温の還流の流れを提供すること、
により供給してもよい。

精製した液化天然ガス流を、蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により過冷却して、過冷却した液化天然ガス製品を提供することができる。

当該方法は、低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて低温の窒素に富む二相流にし、この低温の窒素に富む二相流を分離して低温の窒素に富む液体流と低温の窒素に富む蒸気流とを生じさせ、当該低温の窒素に富む液体流の圧力を低下させて低温の還流の流れを提供し、そして低温の窒素に富む蒸気流を（４）の低温の窒素に富む冷媒流と一緒にすることを更に含むことができる。この方法はまた、低温の窒素に富む蒸気流の圧力を低下させて減圧した蒸気流を提供し、そしてこの減圧した蒸気流を（４）の低温の窒素に富む冷媒流かあるいは（１）の蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流と一緒にすることを更に含むこともできる。

必要なら、低温の窒素に富む液体流のうちの一部分を蒸留塔の第１及び第２の箇所の間の中間コンデンサーで気化させて気化した窒素に富む流れを作ってもよく、この気化した窒素に富む流れは低温の窒素に富む蒸気流と一緒にされる。

当該方法は、凝縮天然ガス流の圧力を低下させて二相流を作り、この二相流を分離してメタンを富化した液体流と窒素を富化した蒸気流とにし、メタンを富化した液体流を蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して過冷却した凝縮天然ガス原料流を提供し、この過冷却した凝縮天然ガス原料流を蒸留塔の塔底部から抜き出した気化する液との間接熱交換により更に冷却して気化した塔底液流を提供し、この気化した塔底液流を蒸留塔へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供し、窒素を富化した蒸気流を蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して冷却した天然ガス原料流を提供し、そしてこの冷却した天然ガス原料流を第１及び第２の箇所の中間の箇所で蒸留塔へ導入することを更に含むことができる。

随意に、精製した液化天然ガス流を蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流との、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により過冷却してもよい。

蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換による、冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分の冷却後、且つ、低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて低温の還流の流れを提供する前に、低温の窒素に富む圧縮流を蒸留塔の底部から抜き出した気化する液との間接熱交換により更に冷却して、気化した塔底液の流れを提供し、そしてこの気化した塔底液の流れを蒸留塔へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供してもよい。

あるいはまた、低温の還流の流れ、この低温の還流の流れを提供するための寒冷、そして（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷は、
（１）低温の還流の流れを提供するための寒冷のうちの第１の部分と、（ｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷を提供するよう、低温の窒素に富む蒸気流を加温して、加温した窒素に富む蒸気流を提供すること、
（２）この加温した窒素に富む蒸気流を圧縮して圧縮した窒素に富む流れを提供すること、
（３）この圧縮した窒素に富む流れを仕事膨張させ加温した窒素に富む流れと一緒にして一緒にした窒素に富む流れにし、そしてこの一緒にした窒素に富む流れを圧縮して一緒にした窒素に富む圧縮流を提供すること、
（４）この一緒にした窒素に富む圧縮流を冷却して冷却した窒素に富む圧縮流を生じさせ、この冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を仕事膨張させて低温の窒素に富む冷媒流を生じさせ、そしてこの低温の窒素に富む冷媒流を加温して、（ｉｉ）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷のうちの第２の部分を提供し、それにより（３）の仕事膨張させ加温した窒素に富む流れを提供すること、
（ｆ）冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を、低温の窒素を富化した塔頂蒸気流及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して低温の窒素に富む圧縮流を提供し、そしてこの低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて低温の窒素に富む冷媒流を提供すること、及び、
（ｇ）蒸留塔からの塔頂蒸気を、塔頂コンデンサーでもって、低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により部分的に凝縮させて塔頂二相流と（１）の窒素に富む蒸気流とを作り、この塔頂二相流を蒸気分と液体分とに分離し、液体分を低温の還流の流れとして蒸留塔へ戻し、蒸気分を窒素除去流として抜き出すこと、
により供給してもよい。

本発明のもう一つの態様は、凝縮天然ガスから窒素を除去するための方法であって、
（ａ）凝縮天然ガス原料を蒸留塔へ第１の箇所で導入し、蒸留塔から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出し、そして当該塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すこと、及び、
（ｂ）第１の箇所より上方の第２の箇所で蒸留塔へ低温の還流の流れを導入し、この低温の還流の流れと、当該低温の還流の流れを提供するための寒冷を、窒素を富化した塔頂蒸気流の全部または一部分を圧縮して窒素を富化した圧縮流にし、この窒素を富化した圧縮流のうちの一部分を仕事膨張させて当該低温の還流の流れを提供するための寒冷を生じさせ、そして窒素を富化した圧縮流のもう一つの部分を冷却しその圧力を低下させて低温の還流の流れにすることを含む工程により得ること、
を含む方法を包含する。

蒸留塔への凝縮天然ガス原料は、凝縮天然ガスを蒸留塔の塔底部から抜き出した気化する液との間接熱交換により冷却して気化した塔底液流にし、そしてこの気化した塔底液流を蒸留塔へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供することにより供給することができる。

あるいはまた、低温の還流の流れと、この低温の還流の流れを提供するための寒冷は、
（ａ）蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流を加温して低温の還流の流れを提供するための寒冷のうちの第１の部分を提供し、それにより加温した窒素に富む蒸気流を提供すること、
（ｂ）この加温した窒素に富む蒸気流のうちの第１の部分を窒素除去流として抜き出し、当該加温した窒素に富む蒸気流のうちの第２の部分を圧縮して圧縮した窒素に富む流れにすること、
（ｃ）この圧縮した窒素に富む流れを仕事膨張させ加温した窒素に富む流れと一緒にして一緒にした窒素に富む流れにし、この一緒にした窒素に富む流れを圧縮して一緒にした窒素に富む圧縮流にすること、
（ｄ）この一緒にした窒素に富む圧縮流を冷却して冷却した窒素に富む圧縮流を生じさせ、この冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を仕事膨張させて低温の窒素に富む冷媒流を生じさせ、そしてこの低温の窒素に富む冷媒流を加温して低温の還流の流れを提供するための寒冷のうちの第２の部分を提供して、それにより仕事膨張させ加温した窒素に富む流れを提供すること、及び、
（ｅ）冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流、及び低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して低温の窒素に富む圧縮流にし、この低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて減圧した低温の窒素に富む流れにし、そしてこの減圧した低温の窒素に富む流れを低温の還流の流れとして蒸留塔へ導入すること、
により供給してもよい。

蒸留塔の手前の凝縮天然ガスの圧力は、冷却した液化天然ガス原料を高密度流体エキスパンダーを通過させることにより低下させてもよい。

本発明のもう一つの態様は、凝縮天然ガスから窒素を除去するための装置に関し、この装置は、
（ａ）凝縮天然ガスを導入するための第１の箇所と、第１の箇所より上方にある、低温の還流の流れを導入するための第２の箇所を有する蒸留塔であり、当該塔の上部から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出すための塔頂管路、そして当該塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すための管路を有する蒸留塔、
（ｂ）窒素を含む冷媒を圧縮して圧縮した窒素含有冷媒を提供するための圧縮手段、
（ｃ）この圧縮した窒素含有冷媒のうちの第１の部分を仕事膨張させて低温の仕事膨張した冷媒を提供するためのエキスパンダー、
（ｄ）この低温の仕事膨張した冷媒を加温するため、且つ、圧縮した窒素含有冷媒のうちの第２の部分、及び（１）精製した液化天然ガス流もしくは凝縮天然ガス流か、あるいは（２）精製した液化天然ガス流と凝縮天然ガス流の両者のいずれかを、低温の仕事膨張した冷媒との間接熱交換により冷却するための熱交換手段、及び、
（ｅ）この熱交換手段から抜き出した圧縮した窒素含有冷媒のうちの冷却した第２の部分の圧力を低下させて蒸留塔に寒冷を提供するための手段、
を含む。

この装置はまた、窒素を富化した塔頂蒸気流と低温の窒素に富む仕事膨張したガスとを一緒にして低温の一緒にした窒素に富む流れを作るための配管手段を含むこともでき、その場合熱交換手段は、低温の一緒にした窒素に富む流れを加温して一緒にした窒素に富む加温した流れを提供するための１以上の流動路を含む。圧縮手段は、この一緒にした窒素に富む加温した流れの圧縮のために単一段の圧縮機を含むことができる。

熱交換手段は、窒素を富化した塔頂蒸気流を加温して窒素を富化した加温した塔頂蒸気流を作るための第１の群の流動路と、低温の仕事膨張させた冷媒を加温して仕事膨張させ加温した冷媒を作るための第２の群の流動路を含むことができる。圧縮手段は、第１段と第２段とを有する圧縮機を含むことができ、その場合装置は、窒素を富化した加温した塔頂蒸気流を熱交換手段から圧縮機の第１段の入口へ移送するための配管手段と、仕事膨張させ加温した冷媒を熱交換手段から圧縮機の第２段の入口へ移送するための配管手段を含む。

本発明のもう一つの態様は、凝縮天然ガスから窒素を除去するための装置であって、
（ａ）蒸留塔であって、凝縮天然ガスを当該蒸留塔へ導入するための第１の箇所と、第１の箇所より上方にある、低温の還流の流れを当該蒸留塔へ導入するための第２の箇所と、当該蒸留塔から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出すための塔頂管路と、当該塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すための管路とを有する蒸留塔、
（ｂ）窒素を富化した塔頂蒸気流の全部又は一部分を圧縮して窒素に富む圧縮蒸気流にするための圧縮手段、
（ｃ）第１の冷却した窒素に富む圧縮蒸気流を仕事膨張させて低温の窒素に富む仕事膨張させた流れにするためのエキスパンダー、
（ｄ）次の（ｄ１）〜（ｄ３）を含む熱交換手段、
（ｄ１）低温の窒素に富む仕事膨張させた流れを加温して高温の窒素に富む仕事膨張させた流れにするための第１の群の流動路、
（ｄ２）蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流を加温して高温の窒素を富化した塔頂蒸気流にするための第２の群の流動路、
（ｄ３）窒素に富む圧縮蒸気流を低温の窒素に富む仕事膨張させた流れ、及び蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流との間接熱交換により冷却して、上記の第１の冷却した窒素に富む圧縮蒸気流、及び第２の冷却した窒素に富む圧縮蒸気流を提供するための第３の群の流動路、
及び、
（ｅ）第２の冷却した窒素に富む圧縮蒸気流の圧力を低下させて低温の還流の流れにするための手段と、この低温の還流の流れを蒸留塔へ第２の箇所で導入するための手段、
を含む装置を包含する。

この装置は、凝縮天然ガスを蒸留塔への導入前に、蒸留塔の底部から抜き出した気化する流れとの間接熱交換により冷却して、気化した流れを作るためのリボイラー手段、及びこの気化した流れを蒸留塔の底部へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供するための手段を更に含むことができる。圧縮手段は第１段と第２段とを有する圧縮機を含むことができ、そして装置は、高温の窒素を富化した塔頂蒸気流を熱交換手段から圧縮機の第１段の入口へ移送するための配管手段と、高温の窒素に富む仕事膨張させた流れを熱交換手段から圧縮機の第２段の入口へ移送するための配管手段を含むことができる。

本発明の態様は、凝縮天然ガスから、窒素除去のために統合した寒冷プロセスを使用して、最小限のメタンの損失で窒素を除去して精製した液化天然ガス（ＬＮＧ）を製造するための方法を包含する。（１）精製ＬＮＧもしくは凝縮天然ガスか、あるいは（２）精製ＬＮＧと凝縮天然ガスの両者のいずれかを冷却するための寒冷は、凝縮天然ガスから除去した窒素の圧縮と仕事膨張を利用する再循環冷却系により供給される。窒素除去蒸留塔のための低温の還流の流れも、再循環冷却系から得られる。

ここで使用する用語には以下の定義が適用される。凝縮天然ガスは、冷却されて密度の高い又は凝縮したメタンに富む相を形成している天然ガスとして定義される。凝縮天然ガスは、臨界圧力未満の圧力において、部分的に凝縮した二相の気−液状態で、完全に凝縮した飽和液の状態で、あるいは完全に凝縮した過冷却状態で、存在することができる。あるいはまた、凝縮天然ガスは、臨界圧力より高い圧力において、液体様の特性を持つ高密度流体として存在することができる。

凝縮天然ガスは、液化に必要とされる低温では凍結する、あるいは液化装置にとって有害である不純物を除去するために処理された原天然ガスから得られる。これらの不純物には、水、水銀、そして例えば二酸化炭素、硫化水素等の酸性ガス類、及び場合によりその他の硫黄含有不純物が含まれる。精製した原天然ガスは、含有しているメタンより重い炭化水素のうちの一部を除去するために更に処理してもよい。これらの前処理工程後に、凝縮天然ガスは１モル％と１０モル％の間の範囲の濃度の窒素を含有することができる。

精製ＬＮＧは、もともと存在する窒素のうちの一部分を除去した凝縮天然ガスである。精製ＬＮＧは、例えば、９５モル％より多くの炭化水素類、場合により９９モル％より多くの炭化水素類、主としてメタン、を含有することができる。間接熱交換は、１以上の熱交換器における物理的に分かれた流動流間の熱の交換である。窒素除去流あるいは除去窒素流は、凝縮天然ガスから除去された窒素を含有している流れである。窒素に富む流れは、５０モル％より多くの窒素を含有する流れであり、９０モル％より多くの窒素を含有してもよく、場合によっては９９モル％より多くの窒素を含有してもよい。

閉ループ冷却系は、冷媒が連続の意図的な冷媒の抜き出しなしに再循環する、圧縮、熱交換及び減圧手段を含む冷却系である。系からの少量の漏洩損失のために、少量の冷媒の補給が一般に必要とされる。開放ループ冷却系は、冷媒を再循環し、冷媒の一部分を再循環ループから連続的に抜き出し、そして再循環ループに追加の冷媒を連続的に導入する、圧縮、熱交換及び減圧手段を含む冷却系である。下記で説明するように、再循環ループに連続的に導入される冷媒は、冷却系により冷却するプロセス流から得てもよい。

本発明の第１の限定しない例を、図１に示した態様でもって説明する。任意の冷却法により液化させた凝縮天然ガス原料が、管路１を通ってプロセスに入る。液化のための冷却法には、例えば、メタン／エタン（又はエチレン）／プロパンのカスケード、単一の混合冷媒、プロパン予冷／混合冷媒、二元混合冷媒、あるいは任意の形態のエキスパンダーサイクル冷却、あるいはそれらの組み合わせ、を含めることができる。蒸気及び／又は液体エキスパンダーも、経済的に可能な場合には全冷却系の一部として取り入れることができる。管路１の凝縮天然ガスは一般に、−１５０〜−２２０°Ｆ及び５００〜１０００ｐｓｉａである。

凝縮天然ガスは、随意に、リボイラー熱交換器３で、窒素除去蒸留塔７から管路５を通して供給される液を気化させることにより冷却してもよい。この気化した流れは管路９を通して戻されて、蒸留塔７における沸騰蒸気を提供する。必要なら、凝縮天然ガスを冷却する又は蒸留塔７へ沸騰蒸気を提供するそのほかの方法を使用してもよい。管路１１の冷却した凝縮天然ガスは、膨張弁１３をまたいで随意に減圧させてもよく、蒸留塔７へその中間の箇所で導入される。あるいはまた、冷却した凝縮天然ガスの圧力を低下させるのに、膨張弁１３に代えて、流体膨張タービン又はエキスパンダーを使用してもよい。ほかの別法では、管路１１の冷却した凝縮天然ガスを減圧する代わりに又はそれに加えて、管路１の凝縮天然ガスを膨張弁（図示せず）又は流体膨張タービン（図示せず）により減圧してもよい。

冷却した凝縮天然ガスを、一般に５０〜２５０ｐｓｉａで運転する蒸留塔７で分離して、管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流と管路１７の精製ＬＮＧ製品にする。管路１７の精製ＬＮＧは、熱交換器１９で低温の冷媒（後述）との間接熱交換により−２３０〜−２６０°Ｆの範囲の温度に過冷却することができ、管路２０によりＬＮＧ製品貯蔵器へと流れる。過冷却したＬＮＧ製品の圧力は、一般に、貯蔵前に大気圧近くまで低下させ（図示せず）、これは必要なら追加の窒素除去をもたらすことができる。

管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流は、管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れ（後述）と一緒にされて、管路２３の一緒にした低温の窒素に富む流れをもたらす。この流れは熱交換器１９で加温されて、上述の管路１７の精製ＬＮＧを過冷却するための寒冷を提供する。窒素に富む流れは熱交換器１９から管路２５を通って進み、熱交換器２７と２９で更に加温されてそこでの寒冷を提供する。更に加温された窒素に富む流れを、熱交換器２９から管路３１により抜き出す。管路３１の流れのうちの第１の部分を管路３３により抜き出し、窒素除去流として取り出す。この除去流は一般に１〜５モル％のメタンを含有しており、工場の燃料系へ送る代わりに随意に大気へ放出してもよい。管路３１の流れのうちの第２の部分は、管路３５を一般に１００ｐｓｉａと４００ｐｓｉａの間の圧力で流れて圧縮機３７に至り、そこで約６００〜１４００ｐｓｉａに圧縮されて管路３９の窒素に富む圧縮流をもたらす。この流れは、熱交換器２９で冷却され、そして管路４１の主要な冷却した窒素に富む圧縮流と管路４２の少量の冷却した窒素に富む圧縮流とに分割される。

圧縮機３７は一般に、直列に運転する１以上のインペラを含む遠心圧縮機であり、当該技術分野で知られているように中間冷却器及び／又は後段冷却器を含んでもよい。単一の圧縮機３７には１つの吸込み流と１つの吐出流があり、インペラの間の追加の吸込み流はない。

あるいは、管路３３の加温された除去窒素を抜き出す代わりに、管路３３の除去流と同等の部分を管路１５、管路２３、管路２５、又は管路２８から抜き出し、仕事膨張させてより低い圧力にし、別個の流れ（図示せず）として加温してプロセスに追加の寒冷を提供してもよい。

管路４１の冷却した窒素に富む圧縮流をエキスパンダー４３により仕事膨張させて、上述の管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れを提供する。管路４２の冷却した窒素に富む圧縮流は、熱交換器２７と１９で更に冷却されて過冷却液（臨界条件未満にある場合）又は低温の高密度流体（超臨界条件にある場合）にされ、得られた管路４５の低温の窒素に富む圧縮流は膨張弁４７をまたいで減圧され、窒素除去蒸留塔７の上部へ導入されてそこにおける低温の還流を提供する。あるいはまた、管路４５の流れの減圧は仕事膨張により行ってもよい。熱交換器１９、２７、２９は別々の熱交換器として示されてはいるが、必要ならこれらを組み合わせて１又は２の熱交換器にしてもよい。窒素に富む圧縮流は、本発明のいずれの態様においても、熱交換器２９で冷却する前に例えばプロパンなどの冷媒を用いて予冷してもよい。

図１の例は、精製ＬＮＧ製品流を過冷却するための、そしてまた凝縮天然ガス原料流から窒素を除去する蒸留塔を運転するための寒冷を提供するのに、窒素エキスパンダー式の再循環冷却系を利用する統合プロセスである。圧縮再循環窒素の一部分は膨張させず、その代わりに液化させて、窒素除去塔のための還流として使用する。この例は開放ループ式のプロセスであり、すなわち、塔から少量のメタン、一般には１〜５モル％のメタンとともに除去された窒素が冷媒窒素と混合される。従って、再循環窒素流は、塔からの管路１５の除去窒素流中のメタンのレベルに等しい平衡レベルのメタンを含有する。管路１の凝縮天然ガス原料流中の窒素が、再循環冷却系への補給窒素を供給して、管路３３により除去される窒素の正味の量を補償する。管路３３の除去窒素流は、一般に十分な純度であり、すなわちメタン濃度が十分に低く、そのためそれは大気へ放出することができ、燃料として使用するに及ばない。

本発明のもう一つの限定しない例を図２に示した態様でもって説明する。この態様では、２段階の圧縮を利用して窒素に富む冷媒流を圧縮する。これは、蒸留塔７をエキスパンダー２１９の吐出圧力より低い圧力で運転するのを可能にする。図２の例の態様では、管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流を、図１の態様におけるように管路２１の低温の窒素に富む仕事膨張させた流れと一緒にはしない。その代わりに、これらの２つの流れを熱交換器２０１、２０３、及び２０５で別々に加温して、それぞれ管路２０７と２０９の圧力の異なる更に加温した窒素に富む流れにする。管路２０７の低圧の加温した窒素に富む流れのうちの一部分は管路２１１により窒素除去流として排出される。この除去流は一般に、１〜５モル％のメタンを含有し、そして随意に、工場の燃料系へ送る代わりに大気へ放出することができる。管路２０７の流れのうちの残りの部分は第１段の圧縮機２１３で、一般に１００〜４００ｐｓｉａの範囲の圧力に圧縮され、管路２０９の仕事膨張させ加温された中間圧力の流れと一緒にされる。一緒にした流れは第２段の圧縮機２１５で、一般に６００〜１４００ｐｓｉａの範囲の圧力に更に圧縮されて、管路２１７の窒素に富む圧縮流を提供する。

圧縮機２１３と２１５は、２つの吸込み流と１つの吐出流で直列に運転する。各圧縮機は一般に、直列に運転する１以上のインペラを含む遠心圧縮機であり、当該技術分野で知られているように中間冷却器及び／又は後段冷却器を含んでもよい。組み合わせた圧縮機２１３と２１５は、一番低圧の吸気が流れ２０７から除去流２１１を抜き出した後に残っている流れにより供給され、そして中間圧力の吸気が流れ２０９により供給される、共通の駆動装置を持つ単一の多段インペラー機として運転することができる。

管路２１７の窒素に富む圧縮流は熱交換器２０５で冷却され、そして管路２２９の冷却流が２つの部分に分けられる。第１のそして主要な部分はエキスパンダー２１９で仕事膨張されて管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れにされ、そして管路２２１の第２の少量部分は熱交換器２０３と２０１で更に冷却されて、管路４５の過冷却液（臨界条件未満にある場合）又は低温の高密度流体（超臨界条件にある場合）にされる。管路４５の低温の窒素に富む圧縮流は、図１の態様について上述のように、膨張弁４７をまたいで減圧され、そして窒素除去蒸留塔７の上部へ導入されてそこにおける低温の還流を提供する。あるいはまた、管路４５の流れの減圧は仕事膨張により行ってもよい。熱交換器２０１、２０３、２０５は別個の交換器として示されてはいるが、必要ならこれらを組み合わせて１つ又は２つの熱交換器にしてもよい。管路１７の精製ＬＮＧは、熱交換器２０１で、管路１５と２１を通って入ってくる低温の冷媒流との間接熱交換により、一般に−２３０〜−２６０°Ｆに過冷却される。最終の過冷却ＬＮＧ製品は管路２０を通りＬＮＧ製品貯蔵器へと流れる。この過冷却ＬＮＧ製品の圧力は一般に、貯蔵前に大気圧近くまで低下される（図示せず）。

あるいはまた、加温した除去窒素を管路２１１を通して抜き出す代わりに、管路２１１の除去流と同等の部分を管路１５、管路２２３、又は管路２２７から抜き出してもよく、抜き出したガスを仕事膨張させて大気圧近くにし、そして別の流れ（図示せず）として加温してプロセスへの追加の寒冷を提供してもよい。

関連の態様において、蒸留塔７からの管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流を別の熱交換器（図示せず）で加温し、圧縮し、その別の熱交換器で冷却し、そして熱交換器２０１、２０３、２０５で再度加温するため管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れと一緒にしてもよい。これは図２に示したプロセスよりいくらか効率的でないが、既存工場の冷却系の改造又は拡張において有効であろう。

上で検討しなかった図２の態様のそのほかの特徴は、図１の態様の対応する特徴と同様である。

本発明の別の限定しない例を、図３に示した態様でもって説明する。図２の態様の改造版であるこの態様では、管路４５の低温の窒素に富む圧縮流を膨張弁３０１により減圧し、分離容器３０３へ導入し、そして管路３０５の蒸気流と管路３０７の液体流に分離する。管路３０５の蒸気は、熱交換器２０１、２０３、及び２０５で再度加温するために、管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れと一緒にされる。管路３０７の液は、膨張弁４７により更に減圧され、窒素除去蒸留塔７の上部へ導入されて、図２の態様について上述のようにそこにおける低温の還流を提供する。

あるいはまた、分離容器３０３をエキスパンダー２１９の吐出よりも低い圧力で運転してもよく、そして管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れと管路３０５の蒸気を熱交換器２０１、２０３、２０５の追加の流路で別々に加温してもよい。この別法では、管路３０５の蒸気を仕事膨張させ、そして例えば、熱交換器２０１、２０３、２０５で加温する前に管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流と一緒にしてもよい。

もう一つの別法では、分離容器３０３をエキスパンダー２１９の吐出及び管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れより高い圧力で運転することができる。管路３０５の蒸気は、仕事膨張させ、そして熱交換器２０１、２０３、２０５で加温する前に管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れと又は管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流と一緒にすることができる。

上で検討しなかった図３の態様のそのほかの特徴は、図２の態様の対応する特徴と同様である。

本発明のもう一つの限定しない例を、図４に示した態様でもって説明する。図３の態様の改造版であるこの態様では、分離容器３０３からの液のうちの一部分を管路４０５により抜き出し、窒素除去蒸留塔４０３の中間コンデンサー４０１で気化させ、そして得られた蒸気を管路４０７により分離容器３０３へ戻す。分離容器３０３からの液の残りの部分は管路４０９を流れ、膨張弁４１１をまたいで減圧され、そしてこの減圧した流れが蒸留塔４０３へ還流として導入される。中間コンデンサー４０１を使用すると塔の上部への還流の必要量が低下し、こうして分別プロセスの可逆性と効率が上昇する。中間コンデンサーからの管路４０７の気化した液は、随意に、仕事膨張させて例えば塔の圧力のような低い圧力にし、熱交換器２０１、２０３、２０５で加温し、そして再循環のために圧縮してもよい。ここで検討しなかった図４の態様のそのほかの特徴は、図３の態様の対応する特徴と同様である。

本発明の別の限定しない例を、図５に示した態様でもって説明する。図２の態様の改造版であるこの態様では、凝縮天然ガス原料を膨張弁５０１により減圧し、得られた二相流を分離容器５０３で分離して管路５０５の窒素を富化した蒸気と管路５０７のメタンを富化した液にする。管路５０５の蒸気は熱交換器２０１で冷却し、部分的に又は完全に凝縮させて、そして管路５０９の流れを随意に膨張弁５１１で減圧して、蒸留塔５１３の中間の箇所から純粋でない還流として導入する。

管路５０７の液は、熱交換器５０８及び／又はリボイラー熱交換器３で過冷却し、そして管路１１の液を、随意に膨張弁１３により減圧して、蒸留塔５１３の下方の中間の箇所で導入する。管路５０７の液を熱交換器５０８及び／又はリボイラー熱交換器３で過冷却する場合には、蒸留塔５１３をＬＮＧ製品貯蔵圧力に近い圧力で運転することができ、そしてこの場合には管路５１７により蒸留塔５１３から抜き出す精製ＬＮＧ製品の過冷却を必要としなくてよい。

随意に、蒸留塔５１３をより高い圧力で運転してもよく、そして塔の底部からの精製ＬＮＧ製品を熱交換器２０１で過冷却してもよい。この場合、再循環冷却系が、上述のように塔への凝縮天然ガス原料を過冷却するための、また塔からの精製ＬＮＧ製品を過冷却するための、寒冷を提供する。

上で検討しなかった図５に示した態様のそのほかの特徴は、図２の態様の対応する特徴と同様である。

本発明のもう一つの限定しない例を、図２の態様の改造版である図６に示した態様でもって説明する。図６では、窒素除去蒸留塔７への還流と寒冷を、管路２２１の窒素に富む圧縮流の第２の部分を熱交換器２０３と改造したリボイラー熱交換器６０１とで冷却して、管路６０３の部分的にまたは完全に凝縮した再循環流にすることにより提供する。この流れは膨張弁６０５をまたいで減圧され、そして蒸留塔７へ還流として導入される。

エキスパンダー２１９からの管路２１９の吐出流は、中間の圧力レベルにあり、管路１５の低圧の窒素に富む塔頂蒸気流の加温とは別に、熱交換器６０５、２０３、及び２０５で加温される。管路１の凝縮天然ガス原料はリボイラー熱交換器６０１で過冷却され、そして随意に、膨張弁１３により又は吐出が二相になってもよい高密度相エキスパンダー（図示せず）で減圧される。

管路１の凝縮天然ガス原料と管路６０３の蒸留塔の還流の流れを、一方はサイドリボイラーであり他方は塔底リボイラー（図示せず）である別々のリボイラーで冷却してもよい。これは、蒸留段により切り離された箇所で蒸留塔７から出てくる２つの異なる液体流を加熱することにより２つの異なる温度レベルの沸騰蒸気を提供する。あるいはまた、管路１の凝縮天然ガス原料かあるいは管路６０３の還流の流れのいずれかを両方のリボイラーで使用してもよい。蒸留塔のための還流の流れは、中間圧力レベルから、例えば管路２１のエキスパンダーの吐出から、随意に得ることができる。この中間圧力の還流の流れは塔のリボイラーで凝縮させてもよい。

上で検討しなかった図６に示した態様のそのほかの特徴は、図２の態様の対応する特徴と同様である。

本発明の限定しない更なる例を、図２の態様のもう一つの改造版である図７に示した態様でもって説明する。図７の態様では、蒸留塔７０１は、管路４５と膨張弁４７を通して供給される低温の圧縮した窒素に富む流体を気化させることにより冷却される間接塔頂コンデンサー７０３を利用する。蒸留塔７０１からの窒素に富む蒸気は管路７０５を流れ、塔頂コンデンサー７０３で部分的に凝縮される。部分的に凝縮した流れは分離器７０６で、管路７０７の液体流と管路７０９の蒸気流に分離される。液体流は管路７０７により還流として塔へ戻され、蒸気流は管路７０９を通して除去した窒素として抜き出される。この流れは、メタン含有量が約５モル％未満である場合随意に放出してもよく、必要なら、この窒素除去流は放出前に熱交換器２０１、２０３、２０５で加温してもよい。

任意の冷却法で液化されている凝縮天然ガスは、管路１によりプロセスに入る。液化のための冷却法には、例えば、メタン／エタン（又はエチレン）／プロパンのカスケード、単一の混合冷媒、プロパン予冷／混合冷媒、二元混合冷媒、あるいは任意の形態のエキスパンダーサイクル冷却、あるいはそれらの組み合わせ、を含めることができる。蒸気及び／又は液体エキスパンダーも、経済的に可能な場合には全冷却系の一部として取り入れることができる。管路１の凝縮天然ガスは一般に、−１５０〜−２２０°Ｆ及び５００〜１０００ｐｓｉａである。

凝縮天然ガス原料は、リボイラー熱交換器３で、窒素除去蒸留塔７０１からの管路５を通して供給される液を気化させることにより冷却することができる。気化した流れは管路９により戻されて、蒸留塔７０１における沸騰蒸気を提供する。必要なら、凝縮天然ガスを冷却するあるいは蒸留塔７０１に沸騰蒸気を供給するほかの方法を使用してもよい。管路１１の冷却された凝縮天然ガスは、膨張弁１３により随意に減圧してもよく、蒸留塔７０１へその中間の箇所で導入される。あるいはまた、膨張弁１３の代わりに流体膨張タービン又は高密度相エキスパンダーを使用して、冷却した凝縮天然ガスの圧力を低下させてもよい。ほかの別法では、管路１１の冷却した凝縮天然ガスを減圧する代わりにあるいはそれに加えて、管路１の凝縮天然ガスを膨張弁（図示せず）又は流体膨張タービン（図示せず）で減圧してもよい。

蒸留塔７０１のための寒冷は、図２の開放ループ冷却系の改造版である閉ループ冷却系により供給される。図７の態様では、管路１５の気化した低圧の窒素に富む冷媒流を熱交換器２０１、２０３、そして２０５で加温し、管路２０７の最終の加温流を第１段の圧縮機２１３で一般に１００〜４００ｐｓｉａに圧縮し、管路２０９の膨張させ加温した中間圧力の窒素に富む流れと一緒にし、そして第２段の圧縮機２１５で約６００〜１４００ｐｓｉａに圧縮する。図２の態様と対照的に、管路２０７の窒素に富む冷媒流からは除去窒素流を抜き出さない。管路２１７の圧縮流を熱交換器２０５で冷却し、管路２２９の冷却流のうちの第１の部分をエキスパンダー２１９で仕事膨張させて管路２１の低温の仕事膨張させた窒素に富む流れにする。残りの管路２２１の流れの部分は熱交換器２０３で冷却して、管路４５の低温の窒素に富む圧縮流体にする。

上述の閉ループ冷却系で使用する窒素に富む冷媒は、管路７０９の除去した窒素流から得ることができ、その場合冷媒は約９０〜９９モル％の窒素を含有し、残りはメタンである。あるいは、純度が９９モル％より高い窒素を冷媒として使用してもよく、この場合それは外部の供給源から得ることができる。

あるいはまた、塔頂コンデンサー７０３の出口からの管路７０９の除去窒素流を管路１５の気化した窒素に富む冷媒流と一緒にし、熱交換器２０１、２０３、２０５で加温してもよい。管路２０７の一緒にした加温低圧流から正味の除去窒素を抜き出し、残りは再循環のため第１段の圧縮機２１３に送る。この別法では、冷却系は図２の態様におけるのと同様の開放ループ式の系になるが、冷却系から直接還流を加える代わりに間接の塔頂還流コンデンサーを使用する。

随意に、中間圧力の窒素に富む液体流を閉ループ冷却系で使用して、間接塔頂コンデンサー７０３のための寒冷を提供してもよい。例えば、管路１５の気化した窒素に富む冷媒流を、熱交換器２０１、２０３、２０５で加温するための管路２１の中間圧力の仕事膨張させた窒素に富む流れと一緒にして、第１段の圧縮機２１３をなくすことができよう。これは、図１の開放ループ冷却系の改造版である閉ループ冷却系をもたらす。塔頂コンデンサー７０３の出口からの管路７０９の除去窒素流も熱交換器２０１、２０３、２０５で別個に加温して、放出前に寒冷を回収することができよう。

本発明の限定しない最後の例を、図８に示した別の態様でもって説明する。任意の適当な冷却法で液化された凝縮天然ガス原料が、管路１を通ってプロセスに入る。この凝縮天然ガスは、リボイラー熱交換器３で、窒素除去蒸留塔７から管路５により供給される液を気化させることにより冷却され、気化した流れは管路９により戻されて蒸留塔７における沸騰蒸気を提供する。管路１１の冷却した凝縮天然ガスは、流体膨張タービン又はエキスパンダー８０１で減圧されてもよく、蒸留塔７へその中間の箇所で導入される。あるいはまた、冷却した凝縮天然ガスの圧力を低下させるのに流体膨張タービン８０１の代わりに膨張弁を使用してもよい。ほかの別法では、管路１１の冷却した凝縮天然ガスの圧力を低下させる代わりにあるいはそれに加えて、管路１の凝縮天然ガスを膨張弁（図示せず）あるいは流体膨張タービン（図示せず）により減圧してもよい。

冷却した凝縮天然ガスを、ＬＮＧ製品貯蔵圧力、すなわち１５〜２５ｐｓｉａ、に近い圧力で運転する蒸留塔７で分離して、管路１５の窒素に富む塔頂蒸気流と管路８０３の精製ＬＮＧ製品にする。管路８０３の精製ＬＮＧは一般に過冷却を必要とせず、ＬＮＧ製品貯蔵器へ直接送ることができる。

管路１５の低圧の窒素に富む塔頂蒸気流は、熱交換器８０５と８０７で加温されて管路８０９の更に加温した窒素に富む流れにされる。管路８０９の加温した窒素に富む流れのうちの一部分は、管路８１１により窒素除去流として排出される。この除去流は一般に、１〜５モル％のメタンを含有し、そして随意に、工場の燃料系へ送る代わりに大気へ放出することができる。管路８０９の流れうちの残りの部分は、第１段の圧縮機８１３で一般に１００〜４００ｐｓｉａに圧縮され、そしてその後管路８１５の仕事膨張し加温した中間圧力の流れと一緒にされる。一緒にした流れを第２段の圧縮機８１７で約６００〜１４００ｐｓｉａの圧力に更に圧縮して、管路８１９の窒素に富む圧縮流を提供する。

管路８１９の窒素に富む圧縮流を熱交換器８０７で冷却し、そして２つの部分に分割する。第１のそして主要な部分は、エキスパンダー８２１で仕事膨張させて管路８２３の低温の仕事膨張した窒素に富む流れにし、管路８２５の第２の少量の方の部分は熱交換器８０５で更に冷却して、管路８２７の過冷却液（臨界条件未満にある場合）又は低温の高密度流体（超臨界条件にある場合）にされる。管路８２７の低温の窒素に富む圧縮流は、膨張弁８４９をまたいで減圧され、蒸留塔７の塔頂部に導入されてそこにおける低温の還流を提供する。あるいはまた、管路８２７の流れの減圧は仕事膨張により行ってもよい。熱交換器８０５と８０７は別々の交換器として示されてはいるが、必要ならこれらを組み合わせて単一の交換器にしてもよい。

上記の態様のいずれでも、プロセス流の減圧は絞り弁かあるいはエキスパンダーのいずれかにより行うことができ、エキスパンダーは回転翼エキスパンダー（すなわちタービン）又は往復式膨張の機関でよい。エキスパンダーにより発生される膨張の仕事は、圧縮機などのその他の回転機機を駆動するのに利用することができる。液又は高密度流体の減圧は、流体タービン（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ）又は高密度流体エキスパンダー（ｄｅｎｓｅ ｆｌｕｉｄ ｅｘｐａｎｄｅｒ）として一般に知られるエキスパンダーにより行うことができる。

図１を参照して説明した本発明の態様を、以下の限定しない例により例示する。モル％で４．０％の窒素、８８．０％のメタン、５．０％のエタン、そして３．０％のプロパン及びそれより重い炭化水素を含有している、−１６５°Ｆ及び７４１ｐｓｉａで１００ポンドモル／ｈの流量の凝縮天然ガス原料流を管路１により供給し、リボイラー熱交換器３で−１９０°Ｆに冷却する。リボイラーからの管路１１の冷却したＬＮＧ原料流を膨張弁１３をまたいで１４４ｐｓｉａにフラッシュさせ、蒸留塔７へ中間の箇所で導入する。モル％で１．００％の窒素、９０．７５％のメタン、５．１６％のエタン、そして３．０９％のプロパン及びそれより重い炭化水素を含有している精製ＬＮＧ製品流を、−１９０°Ｆ及び１４７ｐｓｉａで９６．９４ポンドモル／ｈの流量にて管路１７により抜き出す。このＬＮＧ製品流を熱交換器１９で−２３５°Ｆに過冷却し、管路２０により貯蔵器へ送る。

蒸留塔７から管路１５により窒素に富む塔頂蒸気流を３４．４８ポンドモル／ｈの流量で抜き出し、これは−２７２°Ｆ及び１４１ｐｓｉａで９９．００モル％の窒素と１．００モル％のメタンを含有する。この流れをターボエキスパンダー４３からの管路２１の低温の仕事膨張した窒素に富む流れと一緒にして、管路２３の一緒にした低温の窒素に富む流れにする。この一緒にした流れを熱交換器１９、２７、及び２９で加温して、管路１７の精製ＬＮＧを過冷却するため及び管路４２の窒素に富む圧縮流を冷却するための寒冷を提供させ、それにより管路３１の加温した低圧の窒素流を得る。

９７°Ｆ及び１３１ｐｓｉａで９９．００モル％の窒素と１．００モル％のメタンを含有している管路３１の低圧の窒素に富む流れを分割して、流量３．０６ポンドモル／ｈの管路３３の除去流と流量１３５．４９ポンドモル／ｈの管路３５の主プロセス流にする。この主プロセス流を圧縮機３７で１０９５ｐｓｉａに圧縮し、得られた管路３９の１００°Ｆの高圧の窒素に富む流れを熱交換器２９で−１２３°Ｆに冷却する。熱交換器２９からの冷却流のうちの主要部分を、管路４１により１０４．０７ポンドモル／ｈの流量で抜き出し、ターボエキスパンダー４３で仕事膨張させる。流量３１．４２ポンドモル／ｈの熱交換器２９からの冷却流の残りは、管路４２を通り、熱交換器２７と１９を流れ、そこで冷却されて−２３５°Ｆの高密度の低温超臨界流体を生じる。この低温流体は管路４５を流れ、膨張弁４７をまたいで１４１ｐｓｉａにフラッシュされ、そして蒸留塔７の上部へ還流として導入される。

管路１５により蒸留塔７から抜き出した窒素に富む塔頂蒸気流は、−２７０°Ｆ及び１４１ｐｓｉａの管路２１のターボエキスパンダー４３からの低温の仕事膨張した窒素に富む流れと一緒にされて、１３８．５５ポンドモル／ｈの管路２３の一緒にした低温の窒素に富む流れにされる。次に、この一緒にした流れを熱交換器１９と２７で−１６２°Ｆに加温して、上述のように管路１７の精製ＬＮＧ製品流を過冷却するため及び管路４２の流れを凝縮させ過冷却するための寒冷を提供させる。一緒にした低圧の窒素流を熱交換器２９で更に９７°Ｆに加温して、管路３９の高圧の窒素に富む圧縮流を冷却させる。

この例のプロセスは、蒸留塔７への凝縮天然ガス原料中の窒素のうちの約７６％を除去して、窒素を１．００モル％含有する管路２０の精製ＬＮＧ製品流をもたらし、これは大抵の場合において製品ＬＮＧの仕様を満たすのに十分である。精製ＬＮＧ製品でもっと低い窒素濃度が必要とされる場合には、蒸留塔７に追加の再沸と還流を供給してより高いレベルの窒素除去に適応することができる。管路２０の過冷却ＬＮＧ製品流は一般に、貯蔵の前に低圧、例えば１５〜１７ｐｓｉａに、減圧される。ＬＮＧ製品でもっと高い窒素含有量が許容される場合には、蒸留塔７への再沸と還流の流量を低下させて窒素除去のレベルをより低くすることができる。

この例はまた、メタンを１．００モル％しか含有しない窒素に富む除去流も管路３３により提供する。除去流中のメタンのレベルをより高くしあるいはより低くするのは、蒸留塔７における再沸と還流の流量を適切に調節することにより行うことができる。窒素に富む除去流は十分に低いメタン濃度を有し、そのためそれは大気へ放出することができ、燃料として使用するには及ばない。

本発明の態様の概要フローダイヤグラムである。 本発明の別の態様の概要フローダイヤグラムである。 図２の概要フローダイヤグラムで説明した態様の第１の改造版である。 図２の概要フローダイヤグラムで説明した態様の第２の改造版である。 図２の概要フローダイヤグラムで説明した態様の第３の改造版である。 図２の概要フローダイヤグラムで説明した態様の第４の改造版である。 図２の概要フローダイヤグラムで説明した態様の第５の改造版である。 本発明のもう一つの別態様の概要フローダイヤグラムである。

符号の説明

３、６０１ リボイラー熱交換器
７ 窒素除去蒸留塔
１９、２７、２９、２０１、２０３、２０５、５０８、６０５ 熱交換器
３７、２１３、２１５、８１３、８１７ 圧縮機
４３、２１９、８０１、８２１ エキスパンダー
３０３、５０３ 分離容器
４０１ 中間コンデンサー
５１３、７０１ 蒸留塔
８０５、８０７ 熱交換器

Claims (11)

1. 凝縮した天然ガスから窒素を除去するための方法であって、
   （ａ）凝縮天然ガスを蒸留塔へその第１の箇所で導入し、この蒸留塔から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出し、そしてこの塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すこと、
   （ｂ）上記の窒素を富化した塔頂蒸気流から得られる還流の流れを当該蒸留塔へ第１の箇所より上方の第２の箇所で導入し、当該還流の流れを提供するための寒冷を、窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、及び、
   （ｃ）（１）上記の精製した液化天然ガス流を冷却し又は上記の凝縮天然ガスの流れを冷却するか、あるいは、（２）上記の精製した液化天然ガス流と上記の凝縮天然ガスの流れの両方を冷却し、（１）又は（２）のための寒冷を上記の窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、
   を含み、前記還流の流れ、この還流の流れを提供するための寒冷、そして（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷を、
   （１）前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流を、この窒素を富化した塔頂蒸気流から得られる仕事膨張させた窒素に富む流れと一緒にして、一緒にした低温の窒素に富む流れを得ること、
   （２）前記還流の流れを提供するための寒冷と、（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷とを提供するよう、上記の一緒にした低温の窒素に富む流れを間接熱交換により加温して、加温した窒素に富む流れを生じさせること、
   （３）この加温した窒素に富む流れを圧縮した窒素に富む流れとの間接熱交換により更に加温して、冷却した窒素に富む圧縮流と更に加温した窒素に富む流れとを提供すること、
   （４）この更に加温した窒素に富む流れのうちの第１の部分を窒素除去流として抜き出し、そして当該更に加温した窒素に富む流れのうちの第２の部分を圧縮して（３）の圧縮した窒素に富む流れを提供すること、
   （５）上記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を抜き出し、この冷却した窒素に富む圧縮流の当該部分を仕事膨張させて、（１）の仕事膨張させた窒素に富む流れを提供すること、及び、
   （６）上記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を上記低温の窒素に富む流れとの間接熱交換により冷却して低温の窒素に富む圧縮流を提供し、そしてこの低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて上記還流の流れを提供すること、
   により提供する、凝縮天然ガスからの窒素除去方法。
2. 前記精製した液化天然ガス流を、前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して、過冷却した液化天然ガス製品を供給する、請求項１記載の方法。
3. 凝縮した天然ガスから窒素を除去するための方法であって、
   （ａ）凝縮天然ガスを蒸留塔へその第１の箇所で導入し、この蒸留塔から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出し、そしてこの塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すこと、
   （ｂ）上記の窒素を富化した塔頂蒸気流から得られる還流の流れを当該蒸留塔へ第１の箇所より上方の第２の箇所で導入し、当該還流の流れを提供するための寒冷を、窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、及び、
   （ｃ）（１）上記の精製した液化天然ガス流を冷却し又は上記の凝縮天然ガスの流れを冷却するか、あるいは、（２）上記の精製した液化天然ガス流と上記の凝縮天然ガスの流れの両方を冷却し、（１）又は（２）のための寒冷を上記の窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、
   を含み、前記還流の流れ、この還流の流れを提供するための寒冷、そして（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷を、
   （１）前記還流の流れを生じさせるため、及び（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷のうちの第１の部分を提供するよう、前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流を間接熱交換により加温して、加温した窒素に富む蒸気流を提供すること、
   （２）この加温した窒素に富む蒸気流のうちの第１の部分を窒素除去流として抜き出し、そして当該加温した窒素に富む蒸気流のうちの第２の部分を圧縮して圧縮した窒素に富む流れを提供すること、
   （３）この圧縮した窒素に富む流れを仕事膨張させ加温した窒素に富む流れと一緒にして、一緒にした窒素に富む流れを提供し、そしてこの一緒にした窒素に富む流れを圧縮して一緒にした窒素に富む圧縮流を提供すること、
   （４）この一緒にした窒素に富む圧縮流を冷却して冷却した窒素に富む圧縮流を生じさせ、この冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を仕事膨張させて低温の窒素に富む冷媒流を生じさせ、そして上記還流の流れを生じさせるため、及び（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷のうちの第２の部分を提供するよう、上記低温の窒素に富む冷媒流を間接熱交換により加温して、上記仕事膨張させ加温した窒素に富む流れを提供すること、及び、
   （５）上記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を、前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して、低温の窒素に富む圧縮流を提供し、そしてこの低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて前記還流の流れを提供すること、
   により供給する、凝縮天然ガスからの窒素除去方法。
4. 前記精製した液化天然ガス流を、前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により過冷却して、過冷却した液化天然ガス製品を提供する、請求項３記載の方法。
5. 前記低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて低温の窒素に富む二相流にし、この低温の窒素に富む二相流を分離して低温の窒素に富む液体流と低温の窒素に富む蒸気流とを生じさせ、当該低温の窒素に富む液体流の圧力を低下させて前記還流の流れを提供し、そして当該低温の窒素に富む蒸気流を（４）の低温の窒素に富む冷媒流と一緒にすることを更に含む、請求項３記載の方法。
6. 前記低温の窒素に富む蒸気流の圧力を低下させて減圧した蒸気流を提供し、そしてこの減圧した蒸気流を（４）の低温の窒素に富む冷媒流かあるいは（１）の蒸留塔からの窒素を富化した塔頂蒸気流と一緒にすることを更に含む、請求項５記載の方法。
7. 前記低温の窒素に富む液体流のうちの一部分を前記蒸留塔の第１及び第２の箇所の間の中間コンデンサーで気化させて気化した窒素に富む流れを作り、この気化した窒素に富む流れを前記低温の窒素に富む蒸気流と一緒にする、請求項５記載の方法。
8. 前記凝縮天然ガス流の圧力を低下させて二相流を作り、この二相流を分離してメタンを富化した液体流と窒素を富化した蒸気流とにし、このメタンを富化した液体流を前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して過冷却した凝縮天然ガス原料流を提供し、この過冷却した凝縮天然ガス原料流を前記蒸留塔の塔底部から抜き出した気化する液との間接熱交換により更に冷却して気化した塔底液流を提供し、この気化した塔底液流を前記蒸留塔へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供し、上記窒素を富化した蒸気流を前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して冷却した天然ガス原料流を提供し、そしてこの冷却した天然ガス原料流を第１及び第２の箇所の中間の箇所で前記蒸留塔へ導入することを更に含む、請求項３記載の方法。
9. 前記精製した液化天然ガス流を前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流との、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により過冷却することを更に含む、請求項８記載の方法。
10. 前記蒸留塔からの前記窒素を富化した塔頂蒸気流、及び前記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換による、前記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分の冷却後、且つ、前記低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて前記還流の流れを提供する前に、前記低温の窒素に富む圧縮流を前記蒸留塔の底部から抜き出した気化する液との間接熱交換により更に冷却して、気化した塔底液の流れを提供し、そしてこの気化した塔底液の流れを前記蒸留塔へ導入してそこにおける沸騰蒸気を提供する、請求項３記載の方法。
11. 凝縮した天然ガスから窒素を除去するための方法であって、
    （ａ）凝縮天然ガスを蒸留塔へその第１の箇所で導入し、この蒸留塔から窒素を富化した塔頂蒸気流を抜き出し、そしてこの塔の底部から精製した液化天然ガス流を抜き出すこと、
    （ｂ）上記の窒素を富化した塔頂蒸気流から得られる還流の流れを当該蒸留塔へ第１の箇所より上方の第２の箇所で導入し、当該還流の流れを提供するための寒冷を、窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、及び、
    （ｃ）（１）上記の精製した液化天然ガス流を冷却し又は上記の凝縮天然ガスの流れを冷却するか、あるいは、（２）上記の精製した液化天然ガス流と上記の凝縮天然ガスの流れの両方を冷却し、（１）又は（２）のための寒冷を上記の窒素を含む冷媒流を圧縮し仕事膨張させることにより得ること、
    を含み、前記還流の流れ、この還流の流れを提供するための寒冷、そして（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷を、
    （１）前記還流の流れを提供するための寒冷のうちの第１の部分と、（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流か、あるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷を提供するよう、低温の窒素に富む蒸気流を加温して、加温した窒素に富む蒸気流を提供すること、
    （２）この加温した窒素に富む蒸気流を圧縮して圧縮した窒素に富む流れを提供すること、
    （３）この圧縮した窒素に富む流れを仕事膨張させ加温した窒素に富む流れと一緒にして一緒にした窒素に富む流れにし、そしてこの一緒にした窒素に富む流れを圧縮して一緒にした窒素に富む圧縮流を提供すること、
    （４）この一緒にした窒素に富む圧縮流を冷却して冷却した窒素に富む圧縮流を生じさせ、この冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第１の部分を仕事膨張させて低温の窒素に富む冷媒流を生じさせ、そしてこの低温の窒素に富む冷媒流を加温して、（ｉ）前記精製した液化天然ガス流もしくは前記凝縮天然ガス流かあるいは（ｉｉ）前記精製した液化天然ガス流と前記凝縮天然ガス流の両者のいずれかを冷却するための寒冷のうちの第２の部分を提供し、それにより（３）の仕事膨張させ加温した窒素に富む流れを提供すること、
    （５）上記冷却した窒素に富む圧縮流のうちの第２の部分を、前記低温の窒素を富化した塔頂蒸気流及び上記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により冷却して低温の窒素に富む圧縮流を提供し、そしてこの低温の窒素に富む圧縮流の圧力を低下させて低温の窒素に富む冷媒流を提供すること、及び、
    （６）前記蒸留塔からの塔頂蒸気を、塔頂コンデンサーでもって、上記低温の窒素に富む冷媒流との間接熱交換により部分的に凝縮させて塔頂二相流と（１）の窒素に富む蒸気流とを作り、この塔頂二相流を蒸気分と液体分とに分離し、液体分を前記還流の流れとして前記蒸留塔へ戻し、蒸気分を窒素除去流として抜き出すこと、
    により供給する、凝縮天然ガスからの窒素除去方法。

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