JP4673406B2 - 液化天然ガスからの二段式の窒素除去 - Google Patents

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本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）流から窒素を除去することに関する。本発明は特に、燃料ガス中の窒素分の一部分だけを使用する一方、残りの窒素分を大気に排出することに適用されるが、用途はこれだけに限られるものではない。窒素を含まなくしたＬＮＧ製品を提供するために、窒素を異なる濃度で２段階で除去する方法、及び対応する天然ガス液化装置が提供される。

ＬＮＧ設備に軸仕事及び電力を提供するために、通常ガスタービンが使用される。これらのガスタービンのための燃料は、多くの場合ＬＮＧプロセスからの排ガスとして発生される。従来のＬＮＧプロセスでは、原料ガス中に存在する窒素は標準的に、この燃料ガス流中へ除去される。しかし、これらのタービンのための低窒素酸化物（ＮＯＸ）バーナーが環境に優しければ優しいほど、燃料ガス中の窒素に対する許容度は、以前から使用されるバーナーよりも低くなる。従って、窒素を多く含有する原料ガスを使用する一部のプラント所在地では、ガスタービン燃料システムによって許容できるよりも多くの窒素が、ＬＮＧプロセスから除去されることになる。

精留塔からの塔頂蒸気を凝縮するか又は塔への還流を提供するために冷却流又はヒートポンプ流を用いる分別によって、ＬＮＧから窒素を比較的高濃度の流れとして除去するための従来の提案は、多数ある。

米国特許第２５００１１８号明細書（１９５０年３月７日発行）には、不純ＬＮＧ原料を分離器で分離してＬＮＧボトムと窒素オーバーヘッドを提供する天然ガスの液化が開示されている。分離器へ還流を提供するために窒素オーバーヘッドの一部分を凝縮させ、そして残りは放出される。分離器のＬＮＧボトムから窒素が更に除去されることはない。

米国特許第３２０５６６９号明細書（１９６５年９月１４日発行）には、天然ガスからヘリウムと窒素を回収することが開示されている。図３の態様において、「第１」分離器からの不純ＬＮＧボトムが「第２」分離器でオーバーヘッド蒸気とボトム液とに分離される。オーバーヘッドの一部分は燃料ガスを提供し、そして残りは、ボトム液と本質的に純粋な窒素オーバーヘッドとを提供するために、窒素塔で分離される。第２分離器及び窒素塔からのボトム液は、「残余ガス」を更なる処理に提供するために一緒にして蒸発させられる。第１分離器からのオーバーヘッドは冷却され、そしてヘリウム分離器に供給されてヘリウム製品オーバーヘッドと再循環流とを提供するする。図４及び５を参照して記載されている変更形では、窒素塔は省かれており、第２分離器からのオーバーヘッドはヘリウム分離器に供給され、そしてヘリウム分離器からのボトム液として窒素が得られる。図６及び１１／１１ａを参照して記載されている別の変更形では、窒素塔はそのままであるが、しかし第２分離器への原料はヘリウム分離器からである。図７、８及び１０を参照して記載されている更なる変更形では、塔は省かれており、そして第２分離器への原料はヘリウム分離器からであり、そのために燃料ガスから窒素は分離されない。例示された全ての態様において、ヘリウム分離器の窒素含有量は第２分離器のそれよりも少なく、第２分離器の窒素含有量も、存在する場合窒素塔のそれよりも少ない。

米国特許第３５５９４１７号明細書（１９７１年２月２日発行）には、図１及び２に関連して、液体ボトムとしての精製ＬＮＧ製品と窒素オーバーヘッドとを提供する精留塔で、ＬＮＧ原料から窒素を分離することが開示されている。液体ボトムの一部分が塔頂部の凝縮負荷を提供するが、しかしその組成は変化しない。

米国特許第３７２１０９９号明細書（１９７３年３月２０日発行）には、図１に関連して、予冷した天然ガス原料を「第１」蒸気留分と「第１」ＬＮＧ留分とに分離する天然ガスの分別凝縮が開示されている。蒸気留分は、更に冷却され分離されて、約２５％の窒素を含有する「第２」蒸気と約５％の窒素を含有する「第２」ＬＮＧ留分とを提供する。第２蒸気は、リボイラー／コンデンサーで凝縮されて、二塔式精留塔の高圧（ＨＰ）塔に再沸の負荷を提供する。凝縮された混合物の一部分がＨＰ塔に供給され、残りは冷却負荷を提供するために「第１」ＬＮＧ留分と一緒に再循環させられる。ＨＰ塔は、約９５％の窒素を含有するオーバーヘッド蒸気と約５％の窒素を含有するボトム液とを提供する。オーバーヘッドの一部分は低圧（ＬＰ）塔に再沸の負荷を提供し、その結果得られる凝縮オーバーヘッドはその塔に還流を提供する。ＨＰ塔ボトム液と第２ＬＮＧ留分はＬＰ塔で分離して、窒素が約９５％のオーバーヘッド蒸気と窒素が約０．５％のＬＮＧボトム液とにし、ＬＮＧボトム液は過冷却して貯蔵のために送られる。ＨＰ塔及びＬＰ塔からのオーバーヘッドは一緒にして、冷却負荷を提供するために使用される。変更形では、ＬＰ塔への還流はなく、またその塔からのオーバーヘッド蒸気は約２０％の窒素を含有して、燃料ガス（図２）を提供し、そして任意に、（ｉ）ＨＰ塔リボイラー／コンデンサーからの凝縮蒸気の全てがＨＰ塔に供給され（図３）、又は（ｉｉ）予冷した天然ガス原料の全てがＨＰ塔リボイラー／コンデンサーを通り抜けてＨＰ塔に供給される（図４）。

米国特許第３８７４１８４号明細書（１９７５年４月１日発行）には、天然ガスの部分液化によって得られた２相流を精留塔へフラッシュさせて窒素富化オーバーヘッド蒸気と不純ＬＮＧボトムとを提供する天然ガスの液化が開示されている。オーバーヘッドは燃料ガスとして使用され、ボトムはフラッシングされ分離器に供給されてオーバーヘッド蒸気とボトム液とを提供する。精留塔は、気化させたボトム液で再沸され、そして分離器は、過冷却されたボトム液で還流される。ボトム液は続いて、フラッシュさせられ、２つの連続する分離器で分離されてＬＮＧ製品を提供する。これらの分離器からのオーバーヘッドは、熱交換負荷を提供する。

欧州特許出願公開第００９０４６９号明細書（１９８３年１０月５日公開、１９８３年１１月１５日発行の米国特許第４４１５３４５号明細書に相当）には、分別のための液体還流を発生させるように開ループの窒素ヒートポンプを使用して低圧で冷却し分別を行うことにより、気体の天然ガス原料から窒素を除去する方法が開示されている。単一塔の態様では、部分凝縮された天然ガス原料からの蒸気留分だけが分別にかけられる。開ループ窒素冷媒を凝縮させることにより、分別塔のための再沸がなされ、そして凝縮された窒素冷媒によって、塔のための還流が提供される。例示された二塔式の態様では、高圧塔は、部分凝縮された天然ガス原料で再沸され、そして開ループ窒素ヒートポンプは両方の塔から窒素を受け取り、そして低圧塔に再沸負荷を提供し、また両方の塔に還流を提供する。精製されたＬＮＧは、天然ガス原料で加温されて、蒸気として回収される。この方法においてＬＮＧ最終製品が製造されることはない。

欧州特許出願公開第０１３１１２８号明細書（１９８５年１月１６日公開、１９８５年３月１２日発行の米国特許第４５０４２９５号明細書に相当）には、再沸・還流熱交換の負荷を提供するために閉サイクルヒートポンプループを使用して、部分凝縮された天然ガス留分を分別することにより、天然ガス流を窒素流とメタン流とに分離することが開示されている。このプロセスにおいてＬＮＧ最終製品が製造されることはない。

米国特許第４７０１２００号明細書（１９８７年１０月２０日発行）には、ＨＰ塔オーバーヘッドをヘリウムに富む気体留分と窒素に富む液体留分とに分離する二塔式の窒素除去装置を使用して天然ガスからヘリウムを分離することが開示されている。ヘリウムに富む気体留分は、製品ヘリウムガスを提供するために更に分離され、そして窒素に富む液体留分は、ＨＰ塔及びＬＰ塔に還流を提供する。ＨＰ塔液体ボトムはＬＰ塔で、ＬＮＧボトムと窒素オーバーヘッド蒸気とに分離される。ＨＰ塔への天然ガス原料は気体である。

国際公開第９３／０８４３６号パンフレット（１９９３年４月２９日公開、１９９５年６月６日発行の米国特許第５４２１１６５号明細書に相当）には、ＬＮＧを分別の前に動的及び静的の両方で冷却し膨張させるプロセスによって、ＬＮＧ流から窒素を除去することが開示されている。冷却は、塔の中間位置から抜き出されてその中間位置よりも下方のレベルに戻される再沸流と熱交換することにより、少なくとも部分的に行われる。精留塔からのオーバーヘッド蒸気は圧縮して、燃料ガスとして使用することができる。任意に、圧縮されたオーバーヘッド蒸気の一部分を塔を出たオーバーヘッド蒸気との熱交換で部分凝縮させ、減圧し、そして還流として塔に供給する。高純度窒素オーバーヘッド蒸気とボトム液とを提供するために、凝縮したオーバーヘッド蒸気の一部分を補助塔で分別することができる。ボトム液は、減圧され、そして精留塔への供給前に残りの部分と一緒にされる。補助塔ボトム液は、補助塔の頂部の凝縮負荷を提供するために使用することができる。

欧州特許出願公開第０７２５２５６号明細書（１９９６年８月７日公開）には、窒素を除去するために気体の天然ガス原料を冷却して分別する方法が開示されている。分別塔のための再沸蒸気は、塔のリボイラーで開ループ窒素ガス冷媒を冷却することにより提供される。少量（４〜５％）の液体を提供するために、冷却された窒素冷媒ガスを仕事膨張させることによって、塔の頂部のための還流が提供される。塔からの少なくとも１つの中間蒸気流を、オーバーヘッド窒素蒸気流との熱交換で部分的に凝縮させ、そして中間還流として塔に戻す。この中間還流は塔への還流の大部分である。天然ガスは加温の前に、より高い圧力まで昇圧され、そして蒸気の生成物として回収される。この方法においてＬＮＧ最終製品が製造されることはない。

英国特許出願公開第２２９８０３４号明細書（１９９６年８月２１日公開、１９９７年４月８日発行の米国特許第５６１７７４１号明細書に相当）には、主塔と、主塔から原料供給を受け主塔と実質的に同じ圧力で運転する副次塔とを有する二塔式の低温蒸留システムを使用して、天然ガス原料流から窒素を除去する方法が開示されている。少なくとも部分的に凝縮された窒素富化流を提供するために、主塔からのボトム液の少なくとも一部分を膨張させ、そしてこの塔からの窒素富化蒸気との熱交換で少なくとも部分的に気化させる。少なくとも部分的に凝縮された窒素富化流は、より高温の還流を提供するために主塔に戻される。少なくとも部分的に凝縮された流れを提供するために、副次塔からのボトム液をこれらの塔の一方からのオーバーヘッド蒸気との熱交換で少なくとも部分的に気化させる。少なくとも部分的に凝縮された流れは、より低温の還流を提供するために、主塔又は副次塔に戻される。天然ガス原料との熱交換によって、塔の再沸が行われる。この方法においてＬＮＧ最終製品が製造されることはない。

国際公開第００２３１６４号パンフレット（２０００年４月２７日公開、２００１年３月１３日発行の米国特許第６１９９４０３号明細書に相当）には、天然ガス流を液化させ、膨張させ、次いで、窒素除去塔であることができる相分離器で分離する方法が開示されている。冷却システムを使用してオーバーヘッド蒸気の一部分を凝縮させることによって、塔のための還流を提供することができる。冷却システムは、閉ループ冷却システム、開ループ冷却システム、及び／又は製品流との間接熱交換を含むことができる。オーバーヘッド蒸気を凝縮させるための熱交換器負荷のうちの一部分は、塔から抜き出されて塔に戻されるボトム液体流によって提供することができる。分離されたＬＮＧ製品液は、より高い圧力まで昇圧し、そして加温される。

米国特許第６０７０４２９号明細書（２０００年６月６日発行、２０００年１０月５日公開の国際公開第００５８６７４号パンフレットに相当）には、加圧ＬＮＧ含有流から得られる加圧ガス流を、逐次的に圧力の低下する３つのストリッピング塔からなるカスケード装置で分離して、第３ストリッピング塔から窒素に富むガス流とメタンに富む液体流とを生成する方法が開示されており、メタンに富む液体流は、開メタンサイクル液化プロセスへの再循環及び／又は燃料ガスとしての使用に適している。各ストリッピング塔において、ガス流のうちの第１の部分の部分凝縮により得られる液体含有流を、それぞれのガス流のうちの第２の部分と向流で接触させて、オーバーヘッド蒸気とボトム液とを提供する。第１及び第２のストリッピング塔のオーバーヘッド蒸気は、それぞれ第２及び第３のストリッピング塔のための原料流を提供する。第３のストリッパーからのオーバーヘッド蒸気及びボトム液によって、第２及び第３のストリッピング塔への原料流のための凝縮負荷が提供される。例示された態様において、第３のストリッピング塔へは、第２のストリッピング塔からのボトム液が供給され、そして第１のストリッピング塔からのボトム液は、原料の部分凝縮させた部分を第１のストリッピング塔に提供するための熱交換負荷を提供するのに使用することができる。

米国特許第６４４９９８４号明細書（２００２年９月１７日発行、２００３年１月１６日公開の国際公開第０３００４９５１号パンフレットに相当）には、天然ガス流を液化させ、次いで分別して窒素富化オーバーヘッド蒸気とＬＮＧボトム液とを提供する方法が開示されている。オーバーヘッド蒸気の一部分を凝縮することによって、分別塔のための還流が提供される。例示された態様では、凝縮負荷は冷媒流によって提供され、そして最終的なＬＮＧ過冷却用熱交換器と統合される。またこれらの態様では、分別塔の中間位置から液体が抜き出され、塔への液化ガス原料流との熱交換で加熱され、そしてより低い位置で塔に戻される。

国際公開第０２０８８６１２号パンフレット（２００２年１１月７日公開）には、部分凝縮流が二塔式の窒素除去装置に供給される液化の際に、炭化水素に富む流れから、特に天然ガスから、窒素を除去する方法が開示されている。高圧塔は、低圧塔からのオーバーヘッド蒸気との熱交換で凝縮されて低圧塔へ還流として供給される窒素に富むオーバーヘッド蒸気を提供する。高圧塔からのボトム液は冷却されて低圧塔に供給され、低圧塔から液化した製品がボトム液として抜き出される。高圧塔は、高圧塔への部分凝縮原料によって提供された熱負荷で再沸される。

米国特許出願公開第２００３／０１３６１４６号明細書（２００３年７月２４日公開、２００３年７月３１日公開の国際公開第０３０６２７２４号パンフレットに相当）には、一連のフラッシュドラム又は他の分離器でＬＮＧ原料を分離して、それぞれのオーバーヘッド蒸気としだいに増加して精製されるＬＮＧボトムとを提供する、ＬＮＧ及びＧＴＬ（ｇａｓ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄｓ技術）製品を製造するための統合された方法が開示されている。分離器オーバーヘッドは、燃料、ＧＴＬ供給原料、又は再循環流として使用される。連続して行われるそれぞれの分離は、先行の分離よりも少なくとも１５ｐｓｉｇ（１ｂａｒｇ）低いことが好ましい。

米国特許出願公開第２００４／２３１３５９号明細書（２００４年１１月２５日公開、２００４年１２月２日公開の国際公開第２００４１０４１４３号パンフレットに相当）には、天然ガス流を液化させ、次いで蒸留塔で分別して、窒素をオーバーヘッド蒸気生成物として、また精製ＬＮＧをボトム液として取り出す方法が開示されている。凝縮した窒素流によって塔のための還流が提供される。還流を提供するための冷却、及び精製ＬＮＧ流及び／又は液化天然ガス原料の冷却は、蒸留塔からのオーバーヘッド蒸気の全て又は一部を含んでよい、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られる。例示された態様では、分別塔の再沸ための熱交換負荷は塔への液化天然ガス原料によって提供される。

国際公開第２００５／０６１９７８号パンフレット（２００５年７月７日公開）には、窒素富化オーバーヘッド（「第１蒸気流」）と窒素低減ボトム液（「第１液体流」）とを提供する第１の分別によって、ＬＮＧ原料流から窒素を除去し、そしてボトム液に第２の分別を施して、第１蒸気流よりも低い純度の窒素富化オーバーヘッド（「第２蒸気流」）と、精製ＬＮＧ（「第２液体流」）とを提供することが開示されている。これらの分別は塔又はフラッシュドラムで行うことができる。第２の分別は、第１の分別よりも低い圧力で行われ、そして第１液体流は、好ましくは大気圧まで又は大気圧近くまで、膨張させることにより冷却することができる。第１蒸気流は、例えばガスタービン燃料として消費され、そして、関連したプラント内で消費できる量を超えない量で生成される。第２蒸気流について指定される唯一の用途は家庭用ガスである。好ましくは、第１蒸気流の窒素含有量は１０〜３０ｍｏｌ％であり、第２蒸気流の窒素含有量は５．５ｍｏｌ％未満である。

本発明の目的は、最小限の付加的な設備、及びプラント性能に対する最小限の影響で、ＬＮＧプロセスから窒素の一部を除去することである。これは、ＬＮＧの製造のための伝熱設備の構成にいかなる変化も加えず、そして限られた付加的な設備で、本発明によって達成することができる。特に、本発明は、付加的なヒートポンプ圧縮器の必要性を回避し、そして最終製品ＬＮＧを窒素分離塔コンデンサーを運転するために使用するのを可能にする。

第１の、そして最も広い側面において、本発明は、液化天然ガス原料から窒素を除去する方法であって、液化天然ガスに第１の分別を受けさせて第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と窒素含有ボトム液体流とを提供し、そして前記ボトム液体流の少なくとも一部分に第２の分別を受けさせて、前記第１のオーバーヘッド蒸気流よりも純度が低い第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と、精製液化天然ガス流とを提供することを含む方法を提供する。

第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流の窒素濃度は、８０ｍｏｌ％を超え、好ましくは９０ｍｏｌ％を超え、より好ましくは９５ｍｏｌ％を超えることができる。

通常、第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流の少なくとも一部分は大気に放出され、そして第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流は、特に天然ガス原料の液化との関連で用いるための仕事を提供するガスタービンのための、燃料ガスとして使用され、又はそれに加えられる。

好ましくは、第１の分別は、第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気の凝縮した部分で還流される蒸留塔で行われる。好適には、凝縮のための熱交換の負荷は、窒素含有ボトム液体流の少なくとも一部を含むか又はこれに由来する過冷却された液化天然ガス流によって提供される。過冷却された液化天然ガス流は、過冷却及び減圧後の窒素含有ボトム液体流の全て又は一部であることができる。蒸留塔は、液化天然ガス原料によって提供される熱交換負荷によって再沸させることができる。

第２の分別をフラッシュドラムで行うことも好ましい。第１の分別を蒸留塔で行う場合は、その塔は通常、フラッシュドラムに位置するコンデンサーで凝縮される第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気の全て又は一部で還流されることになる。窒素含有ボトム液体流の一部分だけが凝縮負荷のために必要となる場合、残りは、前記第１のオーバーヘッド蒸気流よりも低い純度の第３の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と、第２の精製液化天然ガス流とに分離するための第２のフラッシュドラムに供給することができる。通常、前記第３の窒素富化オーバーヘッド蒸気流は、第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と一緒にされ、そして前記第２の精製液化天然ガス流は、第２の分別からの精製液化天然ガス流と一緒にされる。

液化天然ガス原料流がヘリウムを含有する場合、例えば部分凝縮及び分離によって、第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を含むか又はこれに由来する流れからヘリウムに富む流れを分離して、ヘリウム富化蒸気と窒素富化液とを提供することができる。前記部分凝縮のための熱交換負荷は、分離されたヘリウム富化蒸気及び／又は窒素富化液によって提供することができる。

第２の側面において、本発明は、窒素を含まなくした液化天然ガス流の製造方法であって、窒素含有天然ガスを液化して窒素含有液化天然ガス流を提供し、そして当該液化ガス流に上記第１の側面に従って窒素の除去を施すことを含む方法を提供する。

この側面の好ましい態様において、窒素を含まなくした液化天然ガス流の製造方法は、
燃料ガスにより動力が与えられるガスタービンによって仕事が供給される循環冷媒システムによって熱交換器冷却負荷が提供される、液化部と過冷却部とを有するスパイラル式（ｓｐｉｒａｌ−ｗｏｕｎｄ）熱交換器に、窒素含有天然ガス流を供給すること、
前記液化部の後で液化ガス流を抜き出すこと、
前記液化ガス流に蒸留塔での第１の分別を受けさせて第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と窒素含有ボトム液体流とを提供すること、
前記ボトム液体流の少なくとも一部分を前記過冷却部で過冷却し、そして当該部分を減圧すること、
当該減圧した部分にフラッシュドラムで第２の分別を受けさせて、前記第１のオーバーヘッド蒸気流よりも低い純度の第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と、精製液化天然ガス流とを提供すること、
第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流の一部分を前記フラッシュドラムで凝縮させてそこでの熱負荷を提供し、そして凝縮された窒素富化オーバーヘッド流を生じさせること、
当該凝縮された窒素富化オーバーヘッド流の少なくとも一部分を蒸留塔に還流として戻すこと、及び、
前記第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を燃料ガスの少なくとも成分として使用すること、
を含む。

本発明はまた、前記第２の側面の方法によって窒素を含まなくした液化天然ガス流を製造するための装置であって、
窒素含有天然ガス原料を液化するための冷却システム、
第１の分別装置、
第２の分別装置、
冷却システムから第１の分別装置へ窒素含有液化天然ガスを供給するための導管、
第１の分別装置から第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を取り出すための導管、
第１の分別装置から窒素含有ボトム液体流を第２の分別装置に送るための導管、
第２の分別装置から第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を取り出すための導管、及び、
第２の分別装置から精製液化天然ガス流を取り出すための導管、
を含む装置も提供する。

本発明の好ましい態様によれば、所定の圧力で液化されてはいるが、その貯蔵条件まではまだ十分に冷却されていない天然ガスを、中間圧力まで減圧し、そして第１の窒素分離塔へ供給する。この塔内へＬＮＧ流がフラッシュして入る結果、窒素含有量が減少したボトム液が生じる。この減少の量は、最終燃料ガスの窒素含有量を低減する目的によって求められるとおりである。この塔の底部から抜き出されたＬＮＧは、最終的な所望窒素含有量のＬＮＧと所要発熱量の燃料ガスとを製造するために最終フラッシュシステムによって必要とされる温度まで、更に冷却される。この最終的に冷却されたＬＮＧは、最終フラッシュドラムに送られる。最終フラッシュドラムは、窒素分離塔オーバーヘッド蒸気流を凝縮させてこの塔に還流を提供するために使用される熱交換器を含む。この塔のオーバーヘッド蒸気は、大気に直接放出することができる窒素流である。

塔のためのオーバーヘッド蒸気コンデンサーは、プロセスの最終フラッシュドラムに統合させてもよく、この場合、全ての製品ＬＮＧはこのドラムを通過する。任意的に、ＬＮＧ製品の一部分だけがこのドラムを通過してもよい。

窒素分離塔は、減圧される前の、任意的に流体膨張器を通しての、塔へのＬＮＧ原料によって再沸させられるリボイラーを有することができる。

塔頂部からの窒素生成物は膨張させることができ、そしてそれからＬＮＧプロセスにおいて冷却又は液化される流れへ寒冷を回収することができる。

本発明は、ＬＮＧ液化用にスパイラル式伝熱設備を使用するＬＮＧプラントにとって特に有用である。それは、液化部の後で窒素含有ＬＮＧを抜き出して、それをより低圧で、且つ窒素を減少させて過冷却部に戻し、そして冷却のために最終製品ＬＮＧを利用できることだけを必要とする。Ｃ３ＭＲプロセスの場合、これは単に、ＬＮＧを抜き出して最後から２番目の冷却段と最終冷却段との間に戻し、そしてランダウンＬＮＧを使用することにより達成することができる。同様にＡＰ−Ｘ（登録商標）の場合には、ＬＮＧを抜き出して主低温熱交換器と過冷却器との間にこれを戻し、そしてランダウンＬＮＧを使用することができる。

原料ガス中に含有される窒素のほとんどの部分は、本発明によって純粋窒素流として除去することができる。

以下は、本発明の現時点で好ましい態様を一例として、そして添付の図面を参照して、説明するものである。

本発明の例示された態様は、液化部に続いて過冷却部が設けられている任意のＬＮＧ液化プロセスに適用することができる。例えば、それは、窒素膨張器サイクルＬＮＧ過冷却（ＡＰ−Ｘ（登録商標））プロセス並びに図示のＣ３ＭＲプロセスを用いる、複冷媒又は二成分混合冷媒（ＤＭＲ）及び混成Ｃ３ＭＲでの予冷及び液化に適用することができる。ＬＮＧは、液化部と過冷却部との間で抜き出され、窒素分離塔に供給され、そこで窒素が「純粋」な状態で除去される。ＬＮＧは過冷却部に戻され、この後で製品ＬＮＧの寒冷の一部分が窒素分離塔コンデンサーを運転するために使用される。

図１を参照すると、除去しなければプラントの低温部で凍結する不純物、例えば水や二酸化炭素などを除去するために、原料天然ガス流１を前処理ユニット２で前処理する。その結果として生じた、不純物を含まなくした原料ガス３を、１つ又は２つ以上の熱交換器４で予冷して、その後それを分離塔７へ送る。熱交換器は、例えばプロパン冷媒をしだいに低下する圧力で気化させて流れ３を冷却する、一連の熱交換器（４、５（図２及び３参照））であるか、又は混合冷媒を気化させる単一の熱交換器（４（図１及び４参照））であることができる。塔７は、気化した流れ６を軽質のオーバーヘッド蒸気留分１０と、ＬＮＧ製品において所望されない重質成分を含有する、重質のボトム液体留分９とに分離する。オーバーヘッド蒸気１０は、コンデンサー１１で冷媒との熱交換により部分凝縮させられる。部分凝縮流１３は分離器４０で分離されて、ポンプ１２により分離塔７に還流として戻される凝縮液１４と、スプール巻き（ｓｐｏｏｌ ｗｏｕｎｄ）熱交換器１６に供給されるオーバーヘッド蒸気１５とを提供する。オーバーヘッド蒸気は、冷却された流れ１７が膨張弁又は膨張タービン１８によって中間圧まで減圧されたときに実質的に液体のままである温度まで、熱交換器１６の第１の区画で更に冷却される。熱交換器１６での冷却は、熱交換器１６から流れ２７として出る混合冷媒流との熱交換で行われる。

混合冷媒は、１つ又は２つ以上の圧縮器２８、３０で圧縮される。圧縮された混合冷媒は、まず冷却器３１において冷却媒体との熱交換で冷却され、次いで冷却器３２〜３５において第１レベルの予冷用冷媒との熱交換で更に冷却され、そして部分凝縮される。部分凝縮された冷媒は分離器３７で分離され、そして蒸気分及び液体分の両方が液化熱交換器１６に供給される。

減圧後、流れ４１は窒素除去塔２３で分離されて、ボトム液１９とオーバーヘッド蒸気４６とを提供する。ボトム液１９は、塔２３への供給原料４１と比較して窒素含有量が減少して熱交換器１６の第２の区画において、ＬＮＧ製品に対して所望される圧力まで減圧されたときに実質的に液体のままである温度まで、混合冷媒との熱交換で更に冷却される。低温のＬＮＧ流２０は、膨張弁２１を通して減圧され、そして低圧流４２はフラッシュドラム２５に流入し、そこで部分的に気化されて液体製品ＬＮＧ留分５０と蒸気燃料留分３６とを提供する。フラッシュドラム２５における熱交換負荷は、窒素除去塔２３からのオーバーヘッド蒸気流４６の一部分４３を凝縮させる熱交換器２４によって提供される。比較的高純度の窒素であるオーバーヘッド蒸気流４６の残り２６は、大気に放出される。熱交換器２４からの凝縮窒素４４は、窒素除去塔２３に還流４５として戻される。任意的に、コンデンサー２４から出てゆく凝縮流４４から、液体窒素流２２を引き出すことができる。

図２の態様は、窒素除去塔２３にリボイラー４７が加えられており、塔２３への供給原料を膨張させるために膨張器４９が加えられており、そして塔２３からのオーバーヘッド蒸気部分２６及び／又はフラッシュドラム２５からのオーバーヘッド蒸気部分から寒冷を回収するために熱交換器５７が加えられている点で、図１の態様とは異なっている。しかしながら、これらの構成要件のそれぞれは別個に使用することができ、あるいは窒素除去塔２３とともに任意の組み合わせにおいて使用することができる。

リボイラー４７は、塔によって除去される窒素の量を増加させるために塔２３の底部に位置している。熱交換器１６の第１の区画からの冷却された高圧原料ガス１７は、リボイラー４７の熱負荷を提供するために使用され、そしてその結果として生じたリボイラー４７から出てゆく流れ４８は、塔２３へ進む前に膨張タービン４９で膨張させられる。

塔２３及びフラッシュドラム２５からのオーバーヘッド蒸気２６及び３６の一方又は両方から、寒冷を回収することができる。これは、関連する流れを熱交換器５７に送り、そして必要ならば、窒素除去塔からの加温されたオーバーヘッド蒸気５８をターボ膨張器５９で膨張させることにより、行うことができる。熱交換器５７で回収された寒冷によって冷却される流れ６１は、原料ガスの側流又は循環冷媒であることが可能である。

図３の態様は、低温ＬＮＧ流２０の全てがフラッシュドラム２５を通過するわけではない点で、図１のそれと異なっている。その代わりに、それは、第２のフラッシュドラム５２に送られる第１の流れ５３と、フラッシュドラム２５に送られる第２の流れ５４とに分けられる。フラッシュドラム２５及び５２を出た蒸気は集められ一緒にされて流れ５６になり、そしてそれは燃料ガスシステムに送られる。フラッシュドラム２５及び５２を出たＬＮＧ液体流５０及び５１は、一緒にされ、ＬＮＧの貯蔵のために流れ６５として送られる。

図４の態様は、熱交換器１６の第２の部分の代わりに別個の熱交換器６０が設けられている点で、図１のそれと異なっている。熱交換器１６及び６０のそれぞれは、異なる冷却流体を使用する。窒素除去塔２３からのボトム液１９は熱交換器６０に進み、そしてそこで、混合冷媒又は純粋流体、例えば窒素など、であることができる好適な第３レベルの冷媒６２、６３との熱交換で冷却される。熱交換器６０からの低温ＬＮＧ流２０は、フラッシュドラム２５への供給原料を提供する。

本発明の更なる態様は、窒素除去塔２３のオーバーヘッド蒸気４６から富化粗ヘリウム流を回収することに関する。例えば図１の態様におけるオーバーヘッド蒸気４６のうちの放出される部分２６は、典型的には、２２０ｐｓｉａ（１．５ＭＰａ）の範囲の圧力、及び−２５８°Ｆ（−１６１℃）の温度である。原料ガスがヘリウムを含有する場合、原料ガス中のそのヘリウムの有意な部分が、この流れ２６に含有されており、そして図５の処理設備構成を用いて流れ２６から容易に抽出することができる。流れ２６は、熱交換器７０において戻りの窒素流７６及びヘリウム流７３との熱交換で冷却される。流れ７１は部分凝縮された状態で熱交換器７０を出て、分離ポット７２において液体部分７５と蒸気部分７３とに分離される。実質的にヘリウムである流れ７３は、熱交換器７０で再加温され、そしてその結果生じる粗ヘリウム流７８は、更なる精製のために送出される。実質的に窒素である流れ７５は、弁７４を通して減圧され、その結果生じる冷却された流れ７６は熱交換器７０で再加温され、そしてその結果生じる流れ７７を、大気への放出前に更なる寒冷を回収するために再加温することができる。

〔例１〕
この例は、図１の態様に基づくものである。このＬＮＧプロセスには、４．８ｍｏｌ％の窒素を含有し、残りは主にメタンである周囲温度及び９００ｐｓｉａ（６．２ＭＰａ）の圧力の８８，０００ポンドモル／ｈ（４０，０００ｋｇｍｏｌ／ｈ）の原料天然ガスが供給される。原料ガスを乾燥させ、予冷し、そして分離塔７において、−３８°Ｆ（−３９℃）の温度及び約８５０ｐｓｉａ（５．８ＭＰａ）の圧力で熱交換器１６に入るように前処理する。流れ１７は、−１７８°Ｆ（−１１６．５℃）の温度で熱交換器１６を出て、２２０ｐｓｉａ（１．５ＭＰａ）に減圧してから、２２０ｐｓｉａ（１．５ＭＰａ）で運転する窒素除去塔２３へ供給される。塔２３の底部から流れ１９を抜き出し、熱交換器１６で−２４７°Ｆ（−１５５℃）まで更に冷却する。次に、熱交換器１６を出た流れ２０を低圧にしてフラッシュドラム２５に送る。フラッシュドラム２５から、−２６１°Ｆ（−１６３℃）の温度で窒素含有量１．５ｍｏｌ％未満の製品ＬＮＧ流５０を抜き出す。燃料流３６をフラッシュドラム２５から、流量７，９００ポンドモル／ｈ（３，６００ｋｇｍｏｌ／ｈ）、窒素含有量３０ｍｏｌ％で抜き出す。窒素放出流２６を塔２３の頂部から、流量６００ポンドモル／ｈ（２７２ｋｇｍｏｌ／ｈ）、窒素含有量９８．０ｍｏｌ％、そして温度−２５７°Ｆ（−１６０．５℃）で抜き出す。

〔例２〕
この例は、図５の粗ヘリウム抽出の増強を伴う図１の態様に基づくものである。このＬＮＧプロセスには、４．８ｍｏｌ％の窒素及び６００ｐｐｍｖのヘリウムを含有し、残りは主にメタンである、周囲温度及び９００ｐｓｉａ（６．２ＭＰａ）の圧力の８８，０００ポンドモル／ｈ（４０，０００ｋｇｍｏｌ／ｈ）の原料天然ガスが供給される。原料ガスを乾燥させ、予冷し、そして分離塔７において、−３８°Ｆ（−３９℃）の温度及び約８５０ｐｓｉａ（５．９ＭＰａ）の圧力で熱交換器１６に入るように前処理する。流れ１７は、−１７８°Ｆ（−１１６．５℃）の温度で熱交換器１６を出て、２２０ｐｓｉａ（１．５ＭＰａ）に減圧してから、２２０ｐｓｉａ（１．５ＭＰａ）で運転する窒素塔２３へ供給される。塔２３の底部から流れ１９を抜き出し、熱交換器１６で−２４７°Ｆ（−１５５℃）まで更に冷却する。次に、熱交換器１６を出た流れ２０を低圧にしてフラッシュドラム２５に送る。フラッシュドラム２５から、−２６１°Ｆ（−１６３℃）の温度で窒素含有量１．５ｍｏｌ％未満の製品ＬＮＧ流５０を抜き出す。流量７，９００ポンドモル／ｈ（３，６００ｋｇｍｏｌ／ｈ）、窒素含有量３０ｍｏｌ％で、フラッシュドラム２５から燃料流３６を抜き出す。流量７１０ポンドモル／ｈ（３２２ｋｇｍｏｌ／ｈ）、窒素含有量９８．０ｍｏｌ％、温度−２５９°Ｆ（−１６１．５℃）、そして圧力２２０ｐｓｉａ（１．５ＭＰａ）で、塔２３の頂部から窒素放出流２６を抜き出す。図５を参照すると、流れ２６を熱交換器７０において、戻り流７３及び７６との熱交換で−２９８°Ｆ（−１８３．５℃）の温度まで冷却し、そして分離器７２で液体流と蒸気流とに分離する。液体流を、流れ７６が−３１０°Ｆ（−１９０℃）の温度に達するジュール−トムソン冷却をもたらす低圧にする。液体流７６及び蒸気流７３の両方を交換器７０で再加温する。流れ７７は、流量が６５６ポンドモル／ｈ（２９７．５ｋｇｍｏｌ／ｈ）、窒素含有量が９７．５％の窒素放出流である。流れ７８は、流量が５４ポンドモル／ｈ（２４．５ｋｇｍｏｌ／ｈ）、ヘリウム濃度が７４ｍｏｌ％の粗ヘリウム製品流である。

本発明が、例示した態様に関して上に開示した詳細に限定されないこと、そして特許請求の範囲において明示された本発明の範囲を逸脱することなしに数多くの改変や変更を加えることができることが理解されよう。

液化及び過冷却のために単一のスプール巻き熱交換器を使用する、プロパン予冷混合冷媒（Ｃ３ＭＲ）ＬＮＧプラントに適用される基本原理を示す図である。 窒素除去塔のためのリボイラーと、この塔への原料のための膨張器と、オーバーヘッド蒸気から寒冷を回収するための熱交換器とを取り入れた、図１の態様の変更形を示す図である。 凝縮負荷を提供するためにＬＮＧ流の一部分だけが使用される、図１の態様の変更形を示す図である。 スプール巻き熱交換器の第２の部分の代わりに別個の熱交換器６０が設けられている、図１の態様の変更形を示す図である。 ＬＮＧからヘリウムを回収するための、図１の態様の変更形を示す図である。

Claims (10)

1. 窒素を含まなくした液化天然ガス流（５０）を製造する方法であって、
   ガスタービンにより提供される仕事を利用して、窒素を含有する天然ガス（１５）を液化（１６）して窒素含有液化天然ガス流（４１）を提供すること、
   この液化天然ガス流に蒸留塔（２３）での第１の分別を受けさせて第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６）と窒素含有ボトム液体流（１９）とを提供すること、
   前記ボトム液体流（１９）の少なくとも一部分（２０）を、前記液化天然ガス流に由来しない冷媒流体（３９）により供給される寒冷を利用して過冷却（１６）し、減圧（２１）すること、
   前記過冷却し減圧した部分（４２）に、前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６）の一部分を凝縮させることにより提供される熱交換負荷を利用して、フラッシュドラム（２５）における第２の分別（２５）を受けさせて、前記第１のオーバーヘッド蒸気流（４６）よりも低い純度の第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（３６）と、精製液化天然ガス流とを提供すること、
   前記蒸留塔（２３）に凝縮された第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気（４５）を還流させ、そして
   前記窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６、３６）のうちの、第１のもの（４６）でなく、第２のもの（３６）を、前記ガスタービンで使用される燃料ガスとして使用し、あるいはそれに加えること、
   を含む、窒素を含まなくした液化天然ガス流の製造方法。
2. 前記窒素含有ボトム液体流（１９）の全体を前記フラッシュドラム（２５）に供給する、請求項１に記載の方法。
3. 前記過冷却された窒素含有ボトム液体流（２０）の一部分（５４）だけを前記フラッシュドラム（２５）に供給し、そして残り（５３）は、前記第１のオーバーヘッド蒸気流（４６）よりも低い純度の第３の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（５５）と第２の精製液化天然ガス流（５１）とに分離するための第２のフラッシュドラム（５２）に供給する、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６）の窒素濃度が８０ｍｏｌ％を超える、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６）の窒素濃度が９０ｍｏｌ％を超える、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６）の窒素濃度が９５ｍｏｌ％を超える、請求項５に記載の方法。
7. 前記窒素含有天然ガス（１５）を液化部と過冷却部とを有するスパイラル式熱交換器（１６）で液化させ、前記窒素含有液化天然ガス流を該液化部の後で抜き出し、そして前記蒸留塔（２３）からの前記ボトム液体流を該過冷却部で過冷却する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 燃料ガスにより動力が与えられる前記ガスタービンによって仕事が供給される循環冷媒システム（２７〜８９）によって熱交換器冷却負荷が提供される、液化部と過冷却部とを有するスパイラル式熱交換器（１６）に、前記窒素含有天然ガス流（１５）を供給すること、
   前記液化部の後で液化ガス流（１７）を抜き出すこと、
   前記液化ガス流に前記蒸留塔（２３）での第１の分別を受けさせて前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（４６）と前記窒素含有ボトム液体流（１９）とを提供すること、
   前記ボトム液体流の少なくとも一部分（１９）を前記熱交換器（１６）の前記過冷却部で過冷却し、そして当該一部分を減圧（２１）すること、
   当該減圧した一部分に前記フラッシュドラム（２５）での第２の分別を受けさせて、前記第１のオーバーヘッド蒸気流（４６）よりも低い純度の前記第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流と、前記精製液化天然ガス流（５０）とを提供すること、
   前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流の一部分を前記フラッシュドラムで凝縮させてそこでの熱負荷を提供し、そして前記凝縮された窒素富化オーバーヘッド流（４４）を生じさせること、
   当該凝縮された窒素富化オーバーヘッド流の少なくとも一部分（４５）を前記蒸留塔（２３）に還流として戻すこと、及び、
   前記第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流（３６）を燃料ガスの少なくとも成分として使用すること、
   を含む、請求項７に記載の方法。
9. 請求項１に記載の方法によって、窒素を含まなくした液化天然ガス流を製造するための装置であって、
   窒素含有天然ガス原料（１５）を液化するための冷却システム（１６）、
   前記冷却システム（１６）に関連して用いるための仕事を提供するガスタービン、
   蒸留塔（２３）、
   フラッシュドラム（２５）、
   前記フラッシュドラム内のコンデンサー（２４）、
   冷媒流体（３９）から冷却負荷を受け取るための熱交換器（１６）、
   前記冷却システム（１６）から前記蒸留塔（２３）へ窒素含有液化天然ガスを供給するための導管手段（１７、４１）、
   前記蒸留塔（２３）から第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を取り出すための導管手段（４６）、
   前記第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流の一部分を前記コンデンサー（２５）に送るための導管手段（４３）、
   凝縮された第１の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を前記コンデンサー（２５）から前記蒸留塔（２３）に還流として戻すための導管手段（４４、４５）、
   前記窒素含有ボトム液体流を前記蒸留塔（２３）から前記熱交換器（２４）に送るための導管手段（１９）、
   過冷却された窒素含有ボトム液体流を前記熱交換器から低下した圧力の前記フラッシュドラム（２５）に送るための導管手段（２０）、
   前記第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を前記フラッシュドラム（２５）から取り出すための導管手段（３６）、
   前記精製液化天然ガス流を前記フラッシュドラムから取り出すための導管手段（５０）、及び、
   前記ガスタービンに前記第２の窒素富化オーバーヘッド蒸気流を燃料ガス供給物として供給するための導管手段（３６）、
   を含む、窒素を含まなくした液化天然ガス流の製造装置。
10. 前記冷却システムが、液化部と過冷却部とを有するスパイラル式熱交換器（１６）を含み、前記蒸留塔（２３）に窒素含有液化天然ガスを供給するための前記導管手段（１７、４１）が、前記液化部の後で前記熱交換器から前記流れを抜き出し、そして前記過冷却部が、前記蒸留塔（２３）からの窒素含有ボトム液体流を過冷却する熱交換器（１６）を構成する、請求項９に記載の装置。

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