JP4233619B2 - 天然ガス液化のための冷却プロセスおよび装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体の冷却に関するものであり、特に天然ガスの液化に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
本発明はまず第１に下記プロセスに関する。
ａ）揮発性の程度が色々に異なる構成成分から成る冷却混合物を圧縮装置の複数段の内の最後から２番目の圧縮段で圧縮し、
ｂ）このように圧縮した冷却混合物を冷却により部分的に凝縮し、
ｃ）蒸気部分と液体部分を得るために、凝縮した冷却混合物を分離し、
ｄ）前記蒸気部分を部分的に凝縮させながら冷却し、
ｅ）得られた蒸気部分を、高圧蒸気部分を得るために、最終圧縮段に送り、
ｆ）前記高圧蒸気部分および液体部分の少なくとも幾らかを、冷却すべき流体と間接熱交換する際に、少なくとも第１熱交換装置で冷却し、膨張させ、循環させる。
【０００３】
このような様式の処置は公知である。
【０００４】
このように、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００（これを参考のためこの説明に入れておくので参照されたい）は、揮発性の程度が色々に異なる構成成分から成る冷却混合物を、一体の組み込み直列接続形式の装置内の、少なくとも二つの段で圧縮し、少なくともそれぞれの中間圧縮段（すなわち、最終高圧段の前にある段）の後で、冷却混合物を部分的に凝縮し、その凝縮した部分の少なくとも幾らかが、冷却され、圧力から解放され（または膨張し）且つ冷却すべき流体と熱交換する関係に置かれた高圧ガス状部分を再び圧縮し、最終から２番目の圧縮段から得られたガスを更に、一方で最終から２番目の圧縮段の液体凝縮物を、他方で、最終圧縮段に送られる蒸気相を形成するために、そのヘッドが「基準」または「周囲」温度と言われる温度より低い温度の液体で冷却されている蒸留装置で蒸留する。
【０００５】
どちらかといえば、上に記した同じ刊行物は、蒸留装置のヘッド蒸気を（直列に設置した二つの板状交換器を有する熱交換装置で）少なくとも前記圧力解放部分と熱交換することにより、冷却し且つ部分的に凝縮させて蒸気相および液相を得、さらに蒸留装置のヘッドをこのようにして得られた液相、最終圧縮段に送られる前記相を構成する蒸気相で冷却することを考えている。
【０００６】
本書の説明では、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００でのように、考察中の圧力は絶対圧力であることを注意する。
【０００７】
その上、既に記した冷却混合物は、中でも、窒素および、メタン、エチレン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、などのような炭化水素を含む一定数の流体から構成されていると考えるべきである。
【０００８】
さらに、「周囲温度」をプロセスを行う場所で利用でき且つサイクルに採用される冷却流体（特に水または空気）の温度に相当する熱力学的基準温度と定義する。これは、構造により、設備（圧縮機、交換器など）の冷却装置の出口で固定されている温度偏差だけ大きい。実際上は、この偏差は約１℃から２０℃であり、好適には約３℃から１５℃である。
【０００９】
今後、蒸留装置を使用する場合には、そのヘッドを流体（液体）で以下のように冷却するのが有利である。
− ヘッドを冷却することを目的とする前記流体（液体）はそれ自身で前記「基準」または「周囲」温度以下に（または交換器の場所で使用される冷却流体の温度より低く）冷却される、および
− 「周囲」温度と、蒸留手段のヘッドを冷却しようとする流体（液体）の温度との間の温度差は約２０℃と５５℃との間であり、代表的には３０℃から４５℃までである。
【００１０】
通常、現場で利用できる冷却流体（空気、海水、または河川水）の温度はほぼ−２０℃と＋４５℃との間にある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００のプロセスおよび装置は興味深いが、所要冷却に使用される機械的エネルギを全体として節約し、この冷却動作の熱力学的効率を向上させることがなお可能であること、更に詳細に述べれば、天然ガスを液化することが問題である場合に、装置の信頼性および経済性を改善する可能性があることを示している。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
これらの目的に向かって本発明で提案している解決法は、前述のステップｄ）の期間中、凝縮した冷却混合物を分離して得られた蒸気部分を、冷却流体と熱交換（間接）しながら第２熱交換装置内を循環させることにより、冷却することである。
【００１３】
この第２「冷却群」の機能を行わせるのに必要な機械的エネルギは、計算によれば、装置全体に必要な全機械エネルギの10％未満であるべきであり、このエネルギ量はたとえば、冷却混合物を圧縮するための装置のガスタービンの始動モータから次に発電機として使用される電気モータを用いて第２群を駆動することが可能である。
【００１４】
更に、このようなプロセスを天然ガスの液化に適用すれば、液化天然ガスの生産をＷＯ−Ａ−９４ ２４５００の２圧縮段による解決法と比較して１０％を上回る程増大することができる。
【００１５】
第２冷却群を付加することにより、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００の解決法と比較して、ＬＮＧの所定量を生産するための設備の資本費用は恐らく増加するであろう。しかし、管機構が顕著に節約される。
【００１６】
第１冷却群の熱交換技術も簡単になることにも注目すべきである。本発明は事実前記「第１熱交換装置」の一部をその熱仕事から部分的に解放することを可能としており、これによりサイクルの他の要素を最適にすることができる。
【００１７】
蒸留カラムを使用すれば、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００で示されているものと比較して、そのヘッドの冷却の最初の最適化が更に可能になる。
【００１８】
そのため、上述のステップｃ）、ｄ）、およびｅ）の期間中、
− 前記蒸留装置内で（部分的に）凝縮した混合物を分離し、
− 前記第２熱交換装置内で、蒸留装置から得られた蒸気部分を、凝縮蒸気部分をうるために、（今度も部分的に）凝縮させ、
− 蒸気部分および液体部分を得るために、凝縮した蒸気部分を分離器へ送り、
− 分離器から得られた蒸気部分を最終圧縮段に送り、
− 前記分離器から得られた液体部分を、冷却するために、蒸留装置のカラムのヘッドに戻すこと、
を推奨する。
【００１９】
蒸留装置の代わりに他の装置を使用してよいことに注目すべきである。
この場合には、
＊ 蒸気部分および液体部分を得るために、前記凝縮した蒸気部分を第２分離器に送り、
＊ 第２分離器から得られた蒸気部分を最終圧縮段に送り、
＊ 第２分離器から得られた液体部分を前記第１熱交換装置に送る。
【００２０】
好ましくは、いずれの場合でも、更に、
＊ ステップｃ）で得られた液体部分を第２熱交換装置の、実質的に装置の熱端と冷端との間で循環させ、および
＊ このように冷却された液体部分を、前記第１熱交換装置に属している、直列に設置された、一方は熱い、他方は冷たい二つの熱交換器の内の第１の熱い交換器の中間部分に入れ、
ることを推奨する。
【００２１】
上述に加えて、本発明のプロセスは、更に下記特性の一つ以上を備えることができる。
− 第２熱交換装置の外側で、単一圧縮段によるか、または二つの連続する圧縮段により閉回路冷却サイクルで冷却流体を循環させ、最終冷却器の出口（図１の２３）で冷却流体をすべて凝縮させ、
− 冷却すべき流体が天然ガスであれば、天然ガスを前記第１熱交換装置に入れる前に、最初前記「第２熱交換装置」内を循環させ、この第２装置内の循環の前または後に、天然ガスを乾燥装置に送り、
− 前記ステップｆ）の期間中、高圧蒸気部分を最終圧縮段の後に冷却し、更にそれを第１熱交換装置に送る前に冷却流体と熱交換させることにより冷却するために、前記第２熱交換装置内を循環させ、
− 前記圧縮装置の最終圧縮段の出口で、高圧蒸気部分を冷却してこれを、前記第１熱交換装置を構成している、直列に設置された一方は熱い、他方は冷たい二つの交換器の内の第１の熱い交換器中間入口に送り、
− 上述のステップｂ）とｃ）との間で、凝縮混合物を第２熱交換装置内を循環させ、熱交換流体を第２熱交換装置内で分離して循環させ、
− 冷却すべきガスを天然ガスと仮定して、
＊ 天然ガスを第１熱交換装置内を循環させる前に、天然ガスを乾燥させ、
＊ 乾燥後、乾燥した天然ガスを第１熱交換装置内部の、最初は、第１熱交換装置を構成する、直列に設置された一方は熱い、他方は冷たい二つの熱交換器の内の第１の熱い交換器の第１部分に、次に前記第１熱交換装置の外側の分別装置に送る前に、第１熱交換装置の前記第２交換器部分に送る。
【００２２】
更に、前記ステップｂ）を随意に省略して、最終から２番目の圧縮機の出口と分離装置（特に蒸留手段）の入口との間に冷却装置が存在しないように、したがって圧縮冷却混合物がステップｃ）で分離される前に凝縮されないようにすることができることに注目すべきである。したがってプロセスは請求項１に従い、従来技術のＥＰ−Ａ １１７ ７９３を基礎にして、この場合、熱交換手段内の（圧縮混合物の分離から生じた）液体部分の循環は（ＥＰ−Ａ １１７ ７９３の４Ａ、１０を引用）前記液体部分が前記第１交換手段内に循環する前に、前記《第１熱交換手段》（ＥＰ−Ａ １１７ ７９３の１１、１５から引用）とは無関係に、行われた。
【００２３】
本発明は、特に、上述のプロセスを実施するのに使用できる、天然ガスの液化のための冷却装置である。
【００２４】
したがって本発明の装置について、前記第１分離装置の出口で得られた蒸気部分を、最終圧縮段に入れる前に冷却する手段として、この蒸気部分を上述の冷却流体と熱交換させる第２熱交換手段を設けるようにした。
【００２５】
この特性その他は請求項２０から３１までに記載されている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の更に詳細な説明を付図を参照して行うことにする。図１，２，３，４，５，６，７は、本発明装置の可能な限りの実施形態を示している。
【００２７】
天然ガスを液化するための装置を図に、特に図１に示してある。図にはサイクル圧縮装置１と、分離手段４と、第１熱交換装置５と、中間分離ポット８と、液化天然ガス（ＧＮＬ）用貯蔵器１０とを備えている。サイクル圧縮装置１は、各段が管２Ａ、２Ｃにより、使用される通常約＋２５℃から＋３５℃までの温度を有する利用可能な流体を水または空気により冷却される凝縮器または冷却器３Ａ、３Ｃに配給する二つの圧縮段１Ａ、１Ｃを有する。分離手段４は、二つの圧縮段１Ａと１Ｃとの間に設置され、高圧段１Ｃに分離手段から得られた蒸気部分を供給する。第１熱交換装置５は、直列に設置された二つの熱交換器、すなわち、「熱い」交換器６および「冷たい」交換器７から成る。
【００２８】
分離手段４は、その上部ヘッド部１２ａが分離器１３から来る液体により冷却される蒸留装置１２（図１から図５までと図７）により、または二つの分離ポット１４、１５（図６）により構成することができる。蒸留装置１２の、または第１分離器１４の蒸気部分は高圧圧縮段１Ｃの入口に入る前に、関連分離器（それぞれ１３、１５）の内部を循環する。
【００２９】
蒸留カラム１２を使用すると仮定すると、凝縮器３Ａの出口は蒸留カラム１２の容器１２ｂの下部と連通し、分離器１３の下部は重力によりまたはポンプにより、またはサイホン１６および調整弁１７により、カラム１２のヘツド１２ａに接続されている。
【００３０】
本発明の重要な特性によれば、天然ガス液化用装置は他に、図１から図７までの別の実施形態で、第１グループ５とは無関係の第２冷却グループを構成する第２熱交換装置１８を備えている。
【００３１】
この第２冷却グループは、次に示す各機能の内、複数の機能、あるいは、いずれかの機能を備えている。
− 第１分離手段１２または１４から得られた蒸気部分を、第２分離手段１３、１５に送る前に冷却すること、
− 前記第１分離手段１２または１４から得られた液体部分を、第１熱交換装置５の二つの交換器の、第１の交換器６に送る前に冷却すること、
− ペンタンまたは天然ガスを、脱カーボンおよび乾燥の前（すなわち、比較的湿潤である）に、循環させる補助回路１９（図１、図２、および図４から図７まで）の冷却を行うこと、または
− 分別装置７５でＣ２＋炭化水素の中間除去で天然ガスを液化するために、図３の回路２０を用いて、既に乾燥しているがまだ分別されていない天然ガスを第１熱交換装置５に送る前に冷却すること。
【００３２】
補助回路１９に関しては、これは、その中を循環する熱交換流体を約＋４０℃から＋２０℃まで冷却するのに使用される交換器１８の最も熱い部分を通っている。熱交換流体（それが天然ガスでない場合）は、装置の他の部分、たとえば、装置で処理する前に乾燥しようとする未処理天然ガスを冷却するのに役立つことができる。
【００３３】
熱交換器１８では、前記冷却回路のそれぞれの中を循環する流体は、回収サイクル２１または２１’の閉回路を成して循環する「純粋」流体、または２元または３元混合物のような、冷却流体との間接熱交換により冷却される。
【００３４】
図１、図３、図４、図５、および図７で回収回路２１は、（約２．５から３．５バールの）低圧力段１Ｄ、および（約６から８バールで動作する）高圧圧縮段１Ｅから成る二つの圧縮段による冷却サイクルの形を成し、随意選択的に、冷却器２２および循環混合物を凝縮させる凝縮器２３を備えることができる。
【００３５】
この混合物には約６０％のブタンおよび約４０％のプロパンが入っていることがある。しかし「純粋」流体を代わりに使用することができる。
【００３６】
高圧段１Ｅを出る混合物は凝縮器２３で全部凝縮されるので、交換器１８の熱い上端（約４０℃）に入るのは液体混合物である。
【００３７】
交換器の軸方向長さ（軸１８ａ）の実質的中間に、約２０℃に冷却された混合物の一部が２５から出る一方、残りの部分は、交換器の下部の冷たい端まで循環し続け、２６で約８℃で出るとともに２７でサイクルの低い圧力まで圧力解放されてから軸方向に交換器の下部の冷たいドーム２８ａを通って通路２９に導入される。その低圧液体混合物は、蒸発して交換器の軸方向長さの実質上中間の３１で横方向に出て低圧力段１Ｄに入る。
【００３８】
圧力段１Ｄを出るとき、冷却混合物は、ガス状態にあるが、冷却器２２で冷却され、２５で回収された２元混合物の一部との混合の形で高圧段１Ｅの入口に入る。２元混合物は３２で（約……の）中間サイクル圧力に解放され、交換器１８に再導入され、交換器の約半分の長さにわたり軸方向に循環し、軸方向通路３３の中で蒸発し、蒸発した混合物は、「熱い」上部ドーム２８ｂを通って軸方向に出てから３５で１Ｄ段から得られたガス状態の混合物の一部と混合する。
【００３９】
交換器６、７、および１８は、好ましくは板交換器であり、板は好ましくはフィン（または波）を備えている。これら交換器は、金属製であるが、たとえば、アルミニウムから作られた板およびフィンを備えることができる。
【００４０】
二つの交換器６および７に特に関連するが、これらを直列に、端と端とを蝋付けまたは溶接して、熱交換する関係に置かれた流体を逆流循環させることができ、且つ同じ長さのものとすることができる。
【００４１】
前記交換器は他に、板の間に今後説明する機能に必要な通路を備えている。
【００４２】
その前に、しかし、「冷たい」交換器７と「熱い」交換器６との間の「ドーム上」の端と端との接合４０の場所に、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００で既に考えられていたように、交換器７用戻り通路４１および交換器６用戻り通路４２が中間領域４０で互いに直接連通している（この場合冷却混合物は逆流を成してこれら交換器の他の通路内の循環に流入する）ことに注目する。
【００４３】
二つの交換器の区域の少なくとも本質的部分である、交換器７の上部ドーム７ａと交換器６の下部ドーム６ｂとの間４０にあるこのような直接通路は、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００にもあるように、４０での２相の再分配を避けることによってのみ製作することができることに注目すべきである。
【００４４】
上述のような装置を用いて、Ｃ１からＣ６までの炭化水素および窒素から成る冷却混合物は交換器６の頂部６ａ（「熱い」端という）からガス状態で出、再循環用管４６により第１圧縮段１Ａの取り入れ口に送られる。
【００４５】
このガス状混合物を次に第１中間圧力Ｐ１、通常は約１２から２０バール、まで圧縮し、次に３Ａで約＋３０℃から＋４０℃に冷却して部分的に凝縮させ、蒸留装置１２で蒸気部分と液体部分とに分離する。
【００４６】
カラム１２の容器の液体（１２ｂで回収された）は、交換器１８での冷却後、熱い交換器６の冷却の本質的部分となる第１冷却液体を構成する。
【００４７】
容器液体は（約３０℃から４０℃で）交換器１８の「熱い」端２８ｂの方に入り、そこで、その「冷たい」端２８ａまで循環して、４７の位置で約８℃で出るが、この冷却液体部分は次に実質上同じ温度で、熱い交換器６の長さの実質上中間にある横方向中間入口４８の位置に導入され、再び横方向にその「冷たい」端６ｂの方に、約−２０℃から−４０℃で出、減圧弁５０でサイクルの低圧（２．５から３．５バール）まで解放され（または膨張を受け）てから、交換器低圧通路４２で蒸発するために、やはり同じ交換器の冷たい端６ｂから、横方向入口５２および適切な配給装置により、２相の形で再導入される。
【００４８】
ヘッド１２ａから出るときに回収された、蒸留カラム１２のヘッド蒸気は、図１から図５および図７に示したように、それぞれ５３と５５とに入口および出口のある交換器１８の熱い端２８ｂと冷たい端２８ａとの間にあり、交換器の通路５７でたとえば＋５℃から＋１０℃の前記「周囲」温度より低い中間温度に冷却され、部分的に凝縮され、次に分離ポット１３に導入される。実際には、到達する温度はその場所で利用できる「冷却流体」の温度より低いことさえある（随意選択的に）。
【００４９】
分離器１３の底に回収された液相は、サイホン１６および調整弁１７により、カラム１２のヘッドに戻ってそれを冷却する。一方、分離器の蒸気相は、１Ｃでサイクルの高圧（約４０から４５バール）まで圧縮され、次に冷却器３Ｃで約＋３０℃から＋４０℃にされる。この場合には、カラム１２のヘッドの温度はしたがってこの温度が、特に冷却器３Ａを省略し、ＥＰ−Ａ−１１７７９３のように動作させることにより、すなわち、圧縮段１Ａから蒸留手段１２の入口まで直接通路を設けて、前記「周囲」温度または現場で利用できる「冷却流体」の温度より低くなる。
【００５０】
冷却装置３Ｃで冷却されたこの高圧蒸気部分は、「周囲」と言われる温度（前の定義で固定された温度偏差の場合を除く）は入口６１および出口６３のある交換器６の圧力通路５９で再び熱い端６ａから冷たい端６ｂの方に（したがって約３０℃から−３０℃ヘ）冷却され、８の位置で液体部分と蒸気部分とに分離される。
【００５１】
カラム１２のヘッドを冷却するための液体の温度および圧力（＋５℃から１０℃、１２から２０バール）を制御すれば３Ｃおよび４０の双方から出るとき、すなわちまさに交換器７から出るとき、単相ガスを得ることが可能となる。
【００５２】
この冷たい交換器７は、高圧流体を用いて、下記のようにして冷却される。
【００５３】
分離器８の基底に集められた液体は交換器７の熱い部分で過冷却され、通路６５で交換器中間部分（６７）にある交換器から約−１２０℃で出され、たとえば減圧弁６９でサイクルの低圧に解放され、やはり交換器中間部分にある７０で横方向に交換器の低圧戻り通路４１に再導入される。
【００５４】
分離器８から得られた蒸気部分は、交換器７の熱い端から冷たい端へ、冷却され、凝縮され、過冷却（約−１６０℃に）される。このようにして得られた液体は減圧弁７１でサイクルの低圧まで解放され、低圧通路４１の冷たい部分で蒸発させるために、軸５ａに平行に、「冷たい」下部ドームを通って交換器７に再導入され、中間入口７０を通って入れられた流体（本質的に液体）と混合され、管４６の方に戻る。
【００５５】
乾燥後、管７３により、たとえば、約２０℃の温度に達した処理済み天然ガスは、部分的に、装置７５に直接入り、Ｃ２＋炭化水素を排除し、残りの部分は、通路７９で冷たい端６ｂの方に冷却されるように、交換器６の長さの実質的に中間にある７７で横方向に入り、８１で横方向にその端の方に出、この冷却された部分（約−２０℃から−４０℃）は装置７５に入る。
【００５６】
装置７５で、それに入った天然ガスから、
− 液化中に結晶される生成物（すなわち、実質上Ｃ６＋ｓ）、
− サイクルガスの組成を維持するのに必要なＣ２からＣ５までの生成物、
− 随意的に、液化天然ガスがユーザにより要求される仕様に合うように抽出されるべき生成物の量、
が抽出され、また
− 装置の機械エネルギの生成に必要な「燃料ガス」の主要部分が所要圧力で直接生産される。
【００５７】
８３から出る残りの混合物は、次に「冷たい」交換器７の「熱い」ドーム７ｂに近い８５で入り、通路８７の中を冷たい端７ｂの近辺まで循環するが、その間約−１６０℃で８９から出るように、液化され、過冷却される。圧力から解放されてから、１０で液体（ＧＮＬ）の形で保存される。
【００５８】
好ましくは、管７３から入った脱炭酸され且つ乾燥した天然ガス（ＧＮ）流の本質的部分（約９０％）は、通路７９内を循環する。多くとも約１０％だけが直接分離装置７５に入ることに注目すべきである。
【００５９】
このような装置を用いて、特に、交換器６を、ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００に記述されているものと比較して得られた負荷から解放する手段により、約１０％の全エネルギの節約が得られる他、交換器６からその熱仕事の約半分の負荷が除かれ、４０％から５０％多い天然ガスをこのような規定サイズの交換器で処理することができる。
【００６０】
図１、図２、および図４に示したように、減圧弁６９および／または７１と並列に設けられた液体タービンまたは「エキスパンダ」９１にある冷液体の一部を解放することが望ましい。。
【００６１】
実際には、ｎ個の交換器６および７を並列に取り付け、他にｎ’個の交換器１８をも並列に取り付けることに注目すべきである。
【００６２】
更に、液体の循環路に設けられたエキスパンダをポンプ（図示せず）を駆動するのに使用できる。ほとんどの力を供給するものはポンプである。これは、対応する（ターボ）エキスパンダが故障した場合に、好適に精密調節のためまたは考察中の液体の圧力（膨張）から解放するためだけに役立つ弁である弁６９に並列に設置されているものであることに注目すべきである。
【００６３】
図２において、図１と共通の要素を同じように（他の図に対すると同様に）識別してある。
【００６４】
図１と図２との主な違いは第２熱交換装置１８内を循環する冷却液体の閉回路２１’の配列にある。
【００６５】
事実、図２では、一つの圧縮段１Ｅ’に関するサイクルが問題であり、したがって、（約６．５から７．５バールの）単独高圧圧縮機を備えている。
【００６６】
回路２１’では、好適に、たとえばエタン、ブタン、およびプロパンから成る３元混合物を循環させている。
【００６７】
圧縮機１Ｅ’から出るとき、その蒸気の形の混合物は、凝縮器２３’で（全体的に）凝縮されて２４で交換器１８の熱い端２８ｂに向かって入り、そこで長手方向に（軸１８ａに平行）冷端２８ａまで循環するが、冷端２８ａの近くの２６’で約８℃から１０℃で横方向に出、弁２７により約２．５から３．５バールまで解放される。
【００６８】
このようにして冷却され、圧力解放された冷却混合物は次に、冷ドーム２８ａから軸１８ａに平行に、他の循環通路に対して逆流して、蒸発通路３３’に再注入され、「熱い」ドーム２８ｂを通って同軸的に軸方向に出、なおも約３０℃から４０℃のその蒸気の形で、圧縮機１Ｅ’の入口に導入される。
【００６９】
３元混合物を使用すれば、図１、図４、図５、および図７の回路２１に使用した２元混合物より大きい温度勾配を得ることが可能になることに注目すべきである。
【００７０】
回路２１’は、図６にも示されているが、回路２１より簡単であるが回路２１に比較してエネルギ条件が約１５から２０％不利であり、または装置の完全サイクルにわたり約１．５％から２％不利である。
【００７１】
図３において、装置の冷却サイクル混合物は、蒸留装置１２の容器液体から得られたその液体部分に関して、対応する通路９３の中で、実質上交換器１８の熱端２８ｂと冷端２８ａとの間で冷却され、「熱い」交換器６の冷たい部分によりこの交換器の通路９５の中で過冷却されて後、弁９７で膨張してから、分離器９に送られる。
【００７２】
ガス状部分（９９ａにより）および液体部分（９９ｂにより）は次に別々に、低圧蒸発を伴って、サイクルの戻り通路内に放出される。
【００７３】
更に詳しく述べれば、蒸気部分は締切り４０の場所で横方向に放出されるが、液体部分は更にわずか下流の、交換器６の冷端６ｂの近くで、４２で外に開いている横方向放出経路１０１により放出される。
【００７４】
サイクル分離器８から得られ、通路６５の中を循環してから、過冷却させるために、膨張弁６９で圧力解放された液体部分の同等の処理は、第３サイクル分離器１０３で行われる。
【００７５】
このようにして、この分離器から得られた、それぞれガス状および液体の各部分は、別々に別々の放出点、それぞれ１０５および１０７から交換器７の冷蒸発通路４１の実質上同じ中間レベルで、すなわち、したがって、９９ａおよび９９ｂから到達する蒸気部分および液体部分の放出到達点より低い圧力で蒸発した冷却混合物の戻り通路の更に上流で放出される。
【００７６】
なおも図３において、天然ガス（ＧＮ）は、脱炭酸および乾燥後、大きな部分（約９０％）について、交換器１８で熱交換しながら管２０の中を循環してから、回路２１”の中を循環している冷却液体と間接熱交換することにより冷却するために、交換器６の中間部分にある７７’から入ることが注目される。これについては後に説明する。
【００７７】
通路７９’の中を交換器６の冷端６ｂまで循環してから、このように過冷却した天然ガスは、８１’で交換器６から出、注入点１０９により、交換器７に送られ、中間出口１１１を通って出る前に、通路１１３の中で約−４０℃から−６０℃の温度まで過冷却されてから、この過冷却されたガスは分離装置７５に送られ、８３で出る。その一部は１１５で横方向に交換器７の中間部分に再放出されて冷たい通路１１７の中を約−１６０℃まで循環して液化されてから、実質上前の図の出口８９の場所にある８９’から出て、膨張弁１１９（これをエキスパンダとすることもできる）に送られ、最後に圧力解放されてから貯蔵装置１０に貯蔵される。
【００７８】
出口８１’で、ガスの一部を管８２により、交換器７を通過させずに、分離装置７５に分配できることに注目すべきである。
【００７９】
交換器１８に使用される冷却流体の回路２１”を考察すれば、図１の回路２１（その特性を回路２１”も備えている）に加えて回路２１”は追加回路１２１を備えている。この回路は入り口が出口２５と膨張弁３２との間で、出口が凝縮器２２（または低圧凝縮器１Ｄの出口）と混合物接続３５との間である。
【００８０】
このように接続された回路１２１は追加交換器１２３を備えている。２５から出て膨張弁の１２５で解放された液化２元冷却混合物は、冷端１２３ａと熱端１２３ｂとの間で、交換器１２３の冷端と熱端間の通路１２７で蒸発する前に、１２９から入り、通路１３１の内側を流れる比較的湿潤の（乾燥前）天然ガスの流れに対して逆流して、１２７で流体蒸発するまで反対方向に循環する。天然ガスの流れは、乾燥装置（図示せず）に導入され、次に随意的に入口「ＧＮ」で導入されて管２０により出るか、または直接分離装置７５の方に向かう。
【００８１】
図４の装置は図１のものとは下記のように違っている。
− ３Ｃから出る高圧蒸気部分を、交換器６の横注入入口６１に達する前に循環させる。
− 凝縮器３Ａから出る圧縮冷却混合物を蒸留手段１２に入れる前に、３Ａから出て交換器１８の中を循環させることにより、冷却させ、「周囲」温度より下の温度（随意選択的に、現場で利用できる冷却流体の温度より下の温度）にする。
【００８２】
図４において、高圧蒸気部分は、冷却器３Ｃを出て１３３から交換器１８の「熱い端」２８ａへ入り、交換器軸方向長さの中間の領域まで冷却されてから、そこを出て注入入口６１により交換器６に入る。
【００８３】
交換器１８の中の前記高圧蒸気部分のために保留されている１３５に続く通路は、ここでは蒸留カラム１２のヘッド１２ａからの蒸気部分を凝縮させるのに使用され（１３５’で示した蒸発通路）、この凝縮した蒸気部分は次に１３で分離される。
【００８４】
交換器１８の最も冷たくない部分（通路１３７）の通路の長さも、凝縮器３Ａから出る圧縮された２相混合物を冷却するのに使用されている。冷却後その混合物物は（「周囲」温度より約１０℃から１５℃下で）蒸留装置１２の下方入口１２ｃに入る。交換器１８の最も冷たい部分に存在する（１３７’で示した）通路１３７の部分は、交換器６の横注入入口４８に入る前の、１２ｂで回収された容器液体を冷却するのに使用されている。
【００８５】
部分的に凝縮され圧縮された２相混合物が通路１３７の中を循環することにより、分離手段４の第１部分１２の入口で、したがって「周囲温度」または現場で利用できる冷却流体の温度とは異なる（より低い）温度を得るのが可能になることに注目すべきである。
【００８６】
蒸留手段１２の容器温度を冷却することにより、他の場合での温度より低い遮断温度（４０で）を得ることが可能になる。
【００８７】
通路１３５を高圧蒸気部分が循環することにより、この蒸気部分の６１での交換器６への入口で、特に、図１の装置の入口６１における温度、通常約４０℃、すなわち、「周囲」温度（または「冷却流体の温度」）という温度に近い温度より低くなり得る約２５℃から３０℃の温度を得ることが可能となることにも注目すべきである。
【００８８】
例示されてはいないが、部分的に凝縮され、圧縮された２相混合物の、凝縮器３Ａと分離手段４の第１装置（１２または１４）との間での通路１３７における中間冷却は、図６の関連分離器１４、１５を用いる装置にも適用することができる。
【００８９】
図６の例に戻る前に、図５においては、２Ｃに送られ、３Ｃで随意に部分的に凝縮された高圧サイクルガスは、交換器１８の「熱い」ドーム２８ｂと同じ側に設けられている通路１３９で約１０度だけ（すなわち、通常約４０℃から約３０℃に）冷却され、１４１で横方向に出て、前のように６１で交換器６に注入される。
【００９０】
交換器１８の機能に適応させることにより制御できるこのような冷却の関心事は、入口６１と再生管４６との間で、約２０℃より少ない温度偏差を得ること、したがって使用している冷却混合物の露点にかなり近い約２０℃の冷却サイクルからの出口を得ることである。通路１３９におけるわずか約１０℃のこの冷却が６１で注入される前に高圧蒸気相が液化するのを防止する。
【００９１】
エネルギの観点から、図５のこの実施形態は最も興味深い可能性のあるもののように思われる。
【００９２】
他の特性に関しては、図５の装置は図１のものに対応している（減圧弁６９を並列に備えたエキスパンダ９１を設けることは随意である）。
【００９３】
図６において、蒸留カラム１２は分離器１４で置き換えられている。
【００９４】
第２分離器１５の下部で約８℃に再生された液体部分は、交換器１８を通過せずに、直接に中間入口４８の方に伝えられる。
【００９５】
分離器１５から得られたこの液体部分は、実質上交換器１８の「熱」端２８ｂと「冷」端２８ａとの間で、間接冷却通路１４７の中を循環してから、分離器１４から回収された液体部分に使用される管１４５に１４３で合流する。
【００９６】
調整弁１４９、１５１は、それぞれ分離器１４および１５から得られた液体部分の流量を調整する。
【００９７】
液体部分が分離器１４から通路１４７の中を循環することにより、その温度を約４０℃から約８℃にすることが可能になり、この温度て分離器１５の液体部分は、交換器１８の通路１５３の中を、通路１４７の中を循環する液体部分と実質的に同じ間接熱交換条件で循環することにより、再生される。
【００９８】
これを考慮に入れると、既に示したように、冷却回路２１’の通路１３３’に対して逆流して（特に１４７の場合のように）通路１５３内を循環している蒸気部分は、凝縮されてこの形で分離器１５に導入され、１５ａで再生された蒸気部分はそれ自身高圧圧縮機１Ｃの入口に入る。
【００９９】
上述の事項を考慮すると、４８における交換器６の「液体」流入が図６の装置により約８℃で行われることが理解されよう。
【０１００】
図７の装置は、（エキスパンダ９１が減圧弁６９と並列に設けられていることを除けば）二つではなく三つの圧縮段がサイクル圧縮装置１’に設けられている点が図１の装置と違う。
【０１０１】
このように図７では、蒸留装置１２の入口１２ｃと凝縮器３Ａの出口との間に、分離器１５５、ポンプ１５７、および２Ｂで凝縮器３Ｂに供給する中間圧縮段１Ｂが設置されており、凝縮器３Ｂの出口は蒸留装置１２の入口１２ｃと連通している。
【０１０２】
ＷＯ−Ａ−９４ ２４５００に既に述べられているように、この中間圧縮段およびその付属品は、１５５で蒸気部分と液体部分とに分離すること、冷却混合物を、＋３０℃から＋４０℃までの温度に冷却して、１Ａで圧縮すること、および３Ａで部分的に凝縮することが可能である。
【０１０３】
分離器１５５から得られた蒸気相は、１Ｂで通常約１２から２０バールの第２中間圧力Ｐ１に圧縮されるが、同じ分離器１５５から再生された液体相はポンプ１５７により同じ圧力Ｐ１にされ、管２Ｂに（または随意選択的に部分凝縮器３Ｂの出口に）注入される。
【０１０４】
この管の中の二つの相の混合物は次に３Ｂで冷却され、部分的に凝縮されて１２で蒸留される。
【０１０５】
三つの圧縮段を有するこのような圧縮装置１’は本発明の装置の他の機種に適用できることに注目すべきである。
【０１０６】
その上、および更に一般的に、一つの図の特定の特徴を、本発明の場合、他のどれにも平等に適用できる。
【０１０７】
分離器９および１０３の使用に関しては、これを他のすべての図の場合に適用できる。
【０１０８】
同様に、通路７９’、および１１３の中の天然ガスの循環を、装置７５への送給時の温度が４０の締切りの温度と異なるかぎり、図３以外の他の図に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の説明図。
【図２】 本発明の他の実施形態の説明図。
【図３】 本発明のさらに他の実施形態の説明図。
【図４】 本発明のさらに他の実施形態の説明図。
【図５】 本発明のさらに他の実施形態の説明図。
【図６】 本発明のさらに他の実施形態の説明図。
【図７】 本発明のさらに他の実施形態の説明図。
【符号の説明】
１、１’ …圧縮装置
１Ａ、１Ｂ …最後から２番目の圧縮段
１Ｃ …最終圧縮段
１Ｅ …圧縮段
３Ａ …凝縮器
５…熱交換手段
６…熱い熱交換器
７…冷たい熱交換器
１２…蒸留装置
１２ａ…カラムヘッド部
１３、１４、１５…分離器

Claims (31)

1. 天然ガス液化のための流体を冷却するプロセスであって、
   ａ）冷却混合物を圧縮装置（１、１’）の複数段の内の最後から２番目の段（１Ａ、１Ｂ）で圧縮し、
   ｂ）得られた混合物を蒸気部分と液体部分とに分離し、
   ｃ）前記蒸気部分を冷却して部分的に凝縮させ、
   ｄ）得られた蒸気部分を高圧蒸気部分を得るために最終圧縮段（１Ｃ）に送り、
   ｅ）前記高圧蒸気部分および液体部分を少なくとも第１熱交換手段（５）で、冷却すべき液体と共に冷却し、膨張させ、循環させることから成り、
   ステップｃ）の期間中、前記得られた混合物を分離して得られた前記蒸気部分を冷却液体と共に、第２熱交換手段（１８）内を循環させることにより冷却することを特徴とするプロセス。
2. ステップａ）とｂ）との間で前記最後から２番目の圧縮段から出る前記冷却混合物を部分的に凝縮させることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
3. ステップｅ）の期間中、ステップｂ）の液体部分を第１熱交換手段内を循環させる前に、冷却液体と熱交換時に、前記液体部分を第２熱交換手段内を循環させることを特徴とする請求項１または２記載のプロセス。
4. ステップｂ）、ｃ）、およびｄ）の期間中、
   混合物を第１分離器（１４）で分離し、
   前記第１分離器から得られた蒸気部分を、凝縮蒸気部分を得るために第２熱交換手段内で凝縮させ、
   前記凝縮蒸気部分を、蒸気部分および液体部分を得るために、第２分離器（１５）に送り、
   第２分離器から得られた蒸気部分を前記最終圧縮段（１Ｃ）に送り、
   第２分離器から得られた液体部分を第１熱交換手段（５）に送る、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載のプロセス。
5. 第１分離器（１４）から得られた液体部分を第２熱交換手段（１８）に送り、
   第２分離器（１５）から得られた液体部分を第１熱交換手段（５）に入れる前に、この液体部分を前記第２熱交換手段（１８）を通過した液体部分と混合させる、ことを特徴とする請求項４記載のプロセス。
6. ステップｂ）、ｃ）、およびｄ）の期間中、
   混合物を蒸留装置（１２）で分離し、
   この蒸留装置から得られた蒸気部分を、凝縮蒸気部分を得るために、前記第２熱交換手段（１８）で凝縮させ、
   凝縮した蒸気部分を、蒸気部分および液体部分を得るために、分離器（１３）に送り、
   分離器（１３）から得られた蒸気部分を最終圧縮段（１Ｃ）に送り、
   前記分離器から得られた液体部分を蒸留装置のカラムヘッド（１２ａ）に戻し、これを冷却する、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載のプロセス。
7. ステップｅ）の期間中、蒸留装置（１２）からまたは前記第１分離器（１４）から得られた液体部分を、第１熱交換手段（５）に入れる前に、第２熱交換手段（１８）内を循環させることをことを特徴とする請求項４から６までのいずれか１項記載のプロセス。
8. 蒸留装置（１２）からまたは前記第１分離器（１４）から得られた液体部分を、第２熱交換手段（１８）内を、実質上この熱交換手段の熱端（２８ｂ）と冷端（２８ａ）との間で循環させ、
   このように冷却した液体部分を、前記第１熱交換手段（５）に属する、直列に設置した、一方は熱い他方は冷たい（７）二つの熱交換器の内の第１の、熱い、交換器（６）の中間部分に入れる、ことを特徴とする請求項７記載のプロセス。
9. 冷却流体を、二つの連続する圧縮段で、冷却サイクルを成す閉回路内を循環させ、二つ（１Ｅ）の最高圧縮段から出るとき、冷却流体を全体に凝縮させることを特徴とする上記請求項１から８までのいずれか１項に記載のプロセス。
10. 冷却流体を単独圧縮段で閉回路冷却サイクル（２１’）で循環させ、この圧縮段（１Ｅ’）を出るとき、冷却流体全体を凝縮させることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項記載のプロセス。
11. ステップｅ）の期間中、
    高圧蒸気部分を前記圧縮装置（１ 、１’）の最終圧縮段（１Ｃ）の後冷却し、
    この冷却した蒸気部分を、第１熱交換手段（５）に送る前に、熱交換手段により冷却流体で更に冷却するために、第２熱交換手段（１８）内を循環させる、ことを特徴とする上記請求項１から１０までのいずれか１項記載のプロセス。
12. 冷却された高圧蒸気部分を更に冷却するため、前記第２熱交換手段（１８）の熱端（２８ｂ）と第２熱交換手段の中間部分との間で循環させ、
    蒸留装置（１２）から得られた前記蒸気部分を、前記分離器（１５）に送り込む前に、この中間部分と前記第２熱交換手段（１８）の冷端（２８ａ）との間で実質上循環させる、ことを特徴とする請求項６から１１までのいずれか１項記載のプロセス。
13. 蒸留装置（１２）から得られた蒸気部分および液体部分を、それぞれ前記分離器（１５）におよび第１熱交換手段（５）に入れる前に、前記第２熱交換手段（１８）の熱端と冷端との間を本質的に循環させることを特徴とする請求項６から１１までのいずれか１項記載のプロセス。
14. 請求項１のステップａ）とステップｂ）との間で、混合物を第２熱交換手段（１８）内を循環させることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
15. 冷却すべき流体は天然ガスであり、
    天然ガスを第１熱交換手段（５）で循環させる前に、それを乾燥させ、
    乾燥後、乾燥天然ガスを、第１熱交換手段（５）の内部で、最初に、前記第１熱交換手段に属する、直列に設置した、一方は熱い他方は冷たい、二つの交換器の内の第１の、熱い、交換器の第１部分に送り、次に前記第１熱交換手段の外にある分別装置（７５）に送る前に、第１熱交換手段の前記第２交換器の一部に送る、ことを特徴とする上記請求項１から１４項までのいずれか１項記載のプロセス。
16. 冷却すべき流体は天然ガスであり、
    天然ガスを前記第１熱交換装置（５）に入れる前に、連続して冷却流体と熱交換することによりそれを冷却するために、第３熱交換手段（１２３）に入り、次に中間乾燥装置に送ることを特徴とする上記請求項１から１５までのいずれか１項記載のプロセス。
17. 中間乾燥装置から出る天然ガスを、第１熱交換手段（５）に入れる前に、第２熱交換手段（１８）内を循環させることを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
18. 冷却すべき流体は天然ガスであり、
    天然ガスを前記第１熱交換装置（５）に入れる前に、最初に第２熱交換手段（１８）内を循環させ、第２熱交換手段内のこの循環の前または後に、天然ガスを乾燥させることを特徴とする請求項１から１５までのいずれか１項記載のプロセス。
19. 冷却すべき流体は天然ガスであり、
    天然ガスを、冷却するために、前記第１熱交換装置（５）に属する、直列に設置された、一方は熱い他方は冷たい（７）二つの交換器の内の第１の、熱い、交換器（６）に入れる前に、乾燥させ、
    少なくともその一部を第２の、冷たい、交換器（７）の第１部分で冷却し、
    次に天然ガスを、生ずる化合物を得るために分別装置（７５）に送り、
    前記生ずる化合物を、液化し且つ過冷却するために、第２の、冷たい、交換器（７）の第２部分内を循環させることを特徴とする請求項１から１５までのいずれか１項記載のプロセス。
20. 流体を冷却するための冷却装置であって、
    最終圧縮段（１Ｃ）および最後から２番目の圧縮段（１Ａ、１Ｂ）を含む、直列に設置された複数の圧縮段から構成され、冷却混合物の少なくとも一部を圧縮するための圧縮装置（１ 、１’）、
    最後から２番目の圧縮段から得られた冷却混合物を蒸気部分と液体部分とに分離するために、最後から２番目の圧縮段と最終圧縮段との間に設置され、最終圧縮段の入口と連通する前記蒸気部分のための出口、および前記液体部分のための出口を備えている分離手段（１２、１３、１４、１５）、
    前記蒸気部分を、それが最終圧縮段（１Ｃ）に入る前に、冷却し且つ部分的に凝縮させる冷却凝縮手段、
    圧縮装置の入口と連通する出口、およびそれぞれ冷却すべき流体の取り入れ口と、前記分離手段の液体部分の出口と、および最終圧縮段の出口と連通する入口を有する第１熱交換手段（５）、
    を備えている冷却装置において、前記冷却凝縮手段は、第２熱交換手段（１８）を備え、前記蒸気部分を、それが最終圧縮縮段（１Ｃ）に入る前に、前記第２熱交換手段（１８）内を循環する冷却流体と熱交換させることを特徴とする冷却装置。
21. 前記分離手段は第１分離手段（１２、１４）であり、
    更に別に、第２熱交換手段（１８）と最終圧縮段（１Ｃ）の入口との間に設置され、前記第１分離手段（１２、１４）からの蒸気部分の出口と最終圧縮段（１Ｃ）との間に連通している第２分離手段（１５）を備えていることを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 第１分離手段は分離器（１４）を備えていることを特徴とする請求項２１記載の装置。
23. 第１分離手段は蒸留装置（１２）を備えていることを特徴とる請求項２１記載の装置。
24. 第２分離手段は分離器（１３、１５）を備えていることを特徴する請求項２１から２３までのいずれか１項記載の装置。
25. 第２分離手段（１３、１５）は第１熱交換手段（５）前記液体部分の入口（４８）と連通している液体部分のための出口を備えていることを特徴とする請求項２０から２４までのいずれか１項記載の装置。
26. 第１分離手段は凝縮器（３Ａ）の出口と連通する入口を備えており、
    凝縮器出口と第１分離手段（１２、１４）の入口との間のこの連通は第２熱交換装置（１８）内に入り込んでいることを特徴とする請求項２０から２５までのいずれか１項記載の装置。
27. 前記冷却流体は冷却サイクル（２１”）で循環しており、
    第２熱交換手段（１８）、および
    第３熱交換手段（１２３）、
    を備え、冷却流体および冷却すべき前記流体は熱交換器に送られることを特徴とする請求項２０から２６までのいずれか１項記載の装置。
28. 最終圧縮段（１Ｃ）の入口と第１熱交換手段（５）の蒸気部分入口の間の連通は第２熱交換手段（１８）に通じていることを特徴とする請求項２０から２７までのいずれか１項記載の装置。
29. 第２熱交換手段（１８）に通ずる冷却流体の回路（１９）を備えていることを特徴とする請求項２０から２８までのいずれか１項記載の装置。
30. 分離手段の前記流体部分の出口と第１熱交換手段（５）への対応する入口との間の連通は第２熱交換手段（１８）を通過していることを特徴とする請求項２０から２９までのいずれか１項記載の装置。
31. 別に、最後から２番目の圧縮段から出る冷却混合物を、それが分離手段に導入される前に、冷却するように、前記最後から２番目の圧縮段の出口と分離手段（１２、１３、１４、１５）の入口との間に設置された、冷却液体と熱交換するための手段（３Ａ、３Ｂ）を備えていることを特徴とする請求項２０から３０までのいずれか１項記載の装置。

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