JP4718497B2 - 天然ガスからヘリウム及び液化天然ガスなどの生成物を生成する方法及び装置 - Google Patents

天然ガスからヘリウム及び液化天然ガスなどの生成物を生成する方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、天然ガスから市販用製品をコスト効率良く生成する方法に関する。より詳細には本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）生成物、粗製ヘリウム、及び任意選択的に合成ガスを生成するための複合的方法に関する。
天然ガスとは一般的に、地中に見出される希薄な又は気体状の炭化水素を指している。地中において生ずる二酸化炭素、ヘリウム、及び窒素などの不燃性の天然ガスは一般的に、それらの固有の化学名で呼ばれる。しかし、多くの場合において不燃性ガスは可燃性ガスと組み合わされて見出され、その混合物は一般的に、可燃性ガスと不燃性ガスとを区別することなく“天然ガス”と呼称される。
天然ガスは多くの場合において、天然ガスに対する地域市場が無いために、又は天然ガスを処理して遠方の市場まで輸送するコストが高いために埋蔵物を開発することが不経済である地域において豊富である。
貯蔵及び輸送のための液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するために天然ガスを極低温液化することが通常行われている。天然ガスを液化する基本的な理由は、液化の結果として体積は約１/６００まで減少し、そのことが低圧において又は大気圧においてさえも容器内に液化ガスを貯蔵して輸送することを可能にするからである。供給源と市場との間が相当の距離で隔てられている場合、及びパイプラインによる輸送が実用的ではないか又は経済的に実行できない場合、供給源から市場までのガスの輸送を可能とする上では天然ガスの液化は相当に重要である。
天然ガスを液体状態で貯蔵して輸送するために天然ガスは好適には、天然ガスがほぼ大気蒸気圧において液体として存在し得る−２４０°Ｆ（−１５１℃）乃至−２６０°Ｆ（−１６２℃）まで冷却される。先行技術においては天然ガスなどを液化する種々のシステムが存在しており、それによると天然ガスは、天然ガスに複数の冷却段階を高められた圧力で順次通過させて、液化が達成されるまで天然ガスを極低温に逐次的に冷却することによって液化される。冷却は一般的には、プロパン、プロピレン、エタン、エチレン、窒素、及びメタン、又はそれらの混合物などの一種類以上の冷媒との熱交換により達成される。前記冷媒は一般的には、冷媒の沸点が低下する順序で直列様式で配置される。
さらに、冷却されて加圧された天然ガスは、天然ガスが一つ以上の膨張過程を通過することによって大気圧まで膨張され得る。この大気圧までの膨張の途中でガスは、既に液化された天然ガスの少なくとも一部分をフラッシュ気化することにより、貯蔵もしくは輸送に適切な温度まで更に冷却される。前記膨張過程からのフラッシュ蒸気は一般的に、液化のために収集されて再循環されるか、又はＬＮＧ製造設備に対する動力を生成すべく燃焼される。
ＬＮＧ事業は常に経済的ではなかった、と言うのも、極低温冷蔵システムは高度にエネルギ集約的であると共に相当の資本投下を要するからである。これに加え、ＬＮＧ事業に参入するには、ＬＮＧの需要家が生成物を処理することができるように精巧で高価な発送容器及び再ガス化システムに対する更なる投資が必要である。
天然ガスをＬＮＧへと極低温液化することに対する代替策は、例えば合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）の生成を介した天然ガスからＧＴＬ製品などの様な製品への化学的変換である。本明細書において合成ガスとは、水素及び二酸化炭素を含むガスとして定義される。また本明細書において合成ガス生成器とは、中間もしくは最終生成物として合成ガスを生成する任意の装置として定義される。
従来のＧＴＬ製品は、メタノール、酢酸、オレフィン、ジメチル・エーテル、ジメトキシ・メタン、ポリジメトキシ・メタン、尿素、アンモニア、化学肥料、フィッシャ・トロプシュ反応生成物、及び水素を包含するが、それらに限定されるものではない。フィッシャ・トロプシュ反応は主として、低沸点のアルカンを生成するに有用な種々の炭素鎖長のパラフィン系生成物と、ナフサと、ジェット燃料及びディーゼル燃料及び加熱炉油として有用な留出液と、潤滑油及びワックス系の原料とを生成する。
合成ガスを生成する最も一般的な工業的方法は、水蒸気メタン改質、オートサーマル改質、ガス加熱改質、部分酸化、及びそれらの組み合わせである。先端の技術としては、触媒的部分酸化及びイオン輸送膜（ＩＴＭ）プロセスが挙げられる。
水蒸気メタン改質は一般的に、合成ガスを生成するために還元ニッケル含有触媒上で高温及び中圧力にて水蒸気及び天然ガスを反応させる。
オートサーマル改質は一般的に、天然ガスからのメタンの一部のみが燃焼されるところの特殊バーナによって水蒸気、天然ガス、及び酸素を処理する。天然ガスの部分的燃焼が、前記バーナの近傍に配置された触媒床上で生ずる改質反応を行うために必要な熱を提供する。
ガス加熱改質は、２つの反応器もしくは反応領域、すなわち、ガス加熱改質反応器／領域と、オートサーマル改質反応器／領域とから成る。一つの構成において水蒸気及び天然ガスは、天然ガスの一部が触媒上で反応して合成ガスを形成するところのガス加熱改質器に対して供給される。次に、未反応天然ガス及び合成ガスの混合物は酸素と共にオートサーマル改質器に対して供給され、其処で残存天然ガスは合成ガスへと変換される。次に、オートサーマル改質器から退出する高温の合成ガス流は、ガス加熱改質器に対して必要な反応の熱を提供するために、前記ガス改質器へ戻るように経路設定されている。
部分酸化改質は一般的に、合成ガスを生成するために、天然ガス、酸素、及び任意選択的に水蒸気を、メタンの相当の部分が高温で燃焼されるところの特殊バーナに通して処理する。オートサーマル改質と対照的に、部分酸化反応器内に触媒は存在しない。
合成ガスを製造する現在の技術は、高度に資本集約的である。オートサーマル及び部分酸化合成ガス方法は一般的に、酸素を生成するために高価な空気分離プラントを必要とする。酸素の製造を必要としない水蒸気改質は、一酸化炭素に対する高い水素の比率であるが、フィッシャ・トロプシュ生成物の製造に対して化学量論的に最適な比率よりは低い比率を有する合成ガスを生成する。しかも、ジメチル・エーテル及びフィッシャ・トロプシュ生成物のようなＧＴＬ生成物に対する市場は不安定であり、場合によっては、斯かるプラントの構築に内在する相当の資本投下リスクを克服する程には十分に確立されていないことがある。
天然ガスの埋蔵物の保有者は、ＬＮＧもしくはＧＴＬプラントの生産能力を十分に高めることがプラント構築の経済的効果を高め得ることを見出した。斯かるプラントを構築するための固有のコストの多くは固定的であるか最小限であり、生産能力に対して直線的に増加しない。しかし、明らかに多くの場合において別個の又は孤立した地理的領域において単一種類より多くの製品が生産されることから、コストに対する製品価格の余裕幅が少なくなることも見出されている。
ヘリウムは、いくつかの用途、例えば溶接作業中の及び化学工業における遮蔽ガスとして、ＭＲＩ磁石に対する冷却剤として、金属処理における急冷ガスとして、宇宙技術における不活性気体として、ダイビングの間における呼吸気体として、クロマトグラフにおけるキャリヤガスとして、漏出の検出のために、バルーン充填ガスとして、及び他の同様の目的などで需要が高まりつつある。これらの目的に対しては、高純度のヘリウムが必要とされる。低レベルのヘリウムのみを含むガス混合物から高純度ヘリウムを得るためには、幾つかの処理段階が必要とされる。前記ガス混合物は、粗製ヘリウムガス混合物を形成するために処理され、この粗製ヘリウムガス混合物から高純度ヘリウムを形成するために引き続いて精製される。
ヘリウムは主として、ヘリウム含有天然ガスから濃縮されて回収される。これらの天然ガスの主成分は、窒素及びメタン、並びに１０体積％までのヘリウム、さらに低割合の数種の高分子量炭化水素及び二酸化炭素である。
ヘリウムは典型的には、特定の天然ガス発生地において非常な低濃度で存在する。ヘリウムが経済的に回収され得る天然ガス流は、少なくとも約０．１体積％〜０．５体積％のヘリウムを典型的に含む。このヘリウムは、典型的には少なくとも２０体積％のヘリウムを含む粗製ヘリウムを生成するために品位向上される。本明細書において粗製ヘリウムとは、２０体積％より多いヘリウムを含む流体であると定義される。
ヘリウム濃縮の方法は公知である。
ヘリウム含有天然ガスは極低温プラントにおいて約−１５０℃まで冷却され、凝縮により主に炭化水素が分離される。低い割合の他のガスを除いて、その様に生成されたガス混合物は、５０体積％より多いヘリウム及び窒素を含む。斯かる粗製ヘリウムは、非常に高純度のヘリウムを生み出すために、例えば圧力変動吸着法プラントと第２の極低温ユニットとを備える幾つかの工程の組み合わせに該粗製ヘリウムを委ねることによって現場で処理されることが可能である。
別の代替策は、第三者より処理されるべき中間製品として粗製ヘリウムを販売することである。
本発明は、天然ガス埋蔵物からヘリウムを回収する上で有用である。粗製ヘリウム、ＬＮＧ、及び任意選択的に合成ガスの生成を効率的に組み合わせることは望ましいことである。また、ヘリウム濃度が０．１体積％未満の天然ガス埋蔵物からヘリウムを回収することは望ましいことである。これまで、ヘリウム濃度が低い天然ガス埋蔵物からのヘリウム回収は実施可能とは考えられなかった。
本発明は、工業的プロセスに対して高まりつつあるヘリウムの需要、及び特にクリーンな燃料のような化石燃料のエネルギに対して高まりつつある需要を満足する。
本発明は、天然ガスから、粗製ヘリウム、液化天然ガス、及び任意選択的に合成ガスなどの生成物を生成する方法及び装置に関する。
本発明の方法に依れば、冷却された天然ガスを生成するためにヘリウムとメタンとを含む天然ガスが冷却される。前記冷却された天然ガスからのヘリウム及びメタンの少なくとも一部分は、ヘリウムを含む蒸気であって粗製ヘリウムが導き出される蒸気、及びメタンを含む液体へと分離される。この液体からのメタンの少なくとも一部分は、メタンを含む蒸気であって合成ガスを生成するために任意選択的に反応させられる蒸気、及び液化天然ガスが導き出される液体へと分離される。付加的な熱交換段階及び分離段階が含まれてよい。
本発明の装置は、天然ガスを少なくとも部分的に液化する第１熱交換器を含む。前記熱交換器は、第１分離装置の取入口に流体接続された吐出口を有する。前記第１分離装置は、第２分離装置の取入口に流体接続された液体吐出口と、第２熱交換器の取入口に流体接続された蒸気吐出口とを有する。前記第２分離装置は、液化天然ガス貯蔵容器の取入口に流体接続された液体吐出口と、蒸気吐出口とを有する。前記第２熱交換器は、第３分離装置の取入口に流体接続された吐出口を有する。前記第３分離装置は、粗製ヘリウムを排出する蒸気吐出口と、液体吐出口とを有する。任意選択的に、前記第３分離装置の前記液体吐出口及び前記第２分離装置の前記蒸気吐出口の少なくとも一方は、合成ガス生成器に流体接続される。任意選択的に、粗製ヘリウムを排出する前記蒸気吐出口は、ヘリウム精製装置の取入口に対して接続される。
本発明は、天然ガスから、液化天然ガス生成物、粗製ヘリウム、及び任意選択的に合成ガスを生成する方法及び装置に関する。本明細書において考察される天然ガスは、ヘリウムと、少なくとも５０モル％のメタンを含み、且つ、少なくとも７５モル％のメタンを含むこともでき、且つ最良の結果を出すには少なくとも９０モル％のメタンを含んでもよい。ヘリウムの濃度は、０．５体積％未満でもよく、又は０．１％未満でもよく、又は０．０５％未満でもよい。天然ガスの残部は、限定するものではないが、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンのような他の可燃性炭化水素、及びより重い炭化水素、及び二酸化炭素、硫化水素、水分、及び窒素のような不燃成分から構成される。
天然ガスは、水分、二酸化炭素、水銀、及び／又は硫化水素の除去のために天然ガスプラントにて前処理される。天然ガス液（ＮＧＬ）もまた、分離生成物として分離かつ除去され得る。ＮＧＬは一般的に、天然ガス中に存在して２個以上の炭素原子を有するアルカンを含む。
本発明は、液化天然ガス生成に対するエネルギ消費率を相当に減少させることができる。高圧における液化の後で液化天然ガスは、該液化天然ガスの一部をフラッシュ気化することにより更に冷却され且つ大気圧まで減圧される。フラッシュ気化される前の液化天然ガスの温度は、生成される蒸気の量に影響する。温度が低いほど、蒸気が少ない結果となる。液化天然ガス生成物のみが必要とされる場合、生成されるフラッシュ蒸気の量は一般的に、液化天然ガス製造設備に対する燃料要件を満足することを目標にされる。過剰なフラッシュ蒸気はプロセス効率の低下に帰着する。液化天然ガス、粗製ヘリウム、及び合成ガスの生成を含む実施例に対しては、より多くのフラッシュ蒸気が必要とされる。フラッシュ気化される前の液化天然ガスの温度は、合成ガスを生成しない場合よりも高温である。これは、複合プロセスに対する供給物を冷却するために必要な冷却程度が小さく、故に電力が少ないことを意味する。電力が少ないと、所定の割合で液化天然ガスを生産するために必要な資本投下を少なくできるか、又は所与の投資に対する液化天然ガス生産量を増大することができる。
天然ガスは通常は、１９．４ＭＰａ（２８００ｐｓｉｇ）の圧力で、より一般的には０．７９ＭＰａ（１００ｐｓｉｇ）〜９．７５ＭＰａ（１４００ｐｓｉｇ）の範囲の圧力で、及び最も一般的には２．８６ＭＰａ（４００ｐｓｉｇ）〜８．３７ＭＰａ（１２００ｐｓｉｇ）の範囲の圧力で利用可能とされるか輸送される。天然ガスの温度は、その由来する供給源に依存する。天然ガスがパイプライン・ガスであれば、その温度は例えば−１７．８℃〜４８．９℃のような周囲条件に近い。もし天然ガスの状態が天然ガス圧縮機などの輸送装置の近辺で測定されるなら、吐出口及び圧縮後の機器が天然ガス供給物の温度及び圧力を左右し又はそれらに影響する。
本発明と共に使用されるに適した前処理段階は、液化天然ガス及び／又は合成ガスの生成に一般的に結び付けられる段階により開始され、前記段階は、限定するものではないが、高圧への圧縮、並びに天然ガスからの、酸性ガス、メルカプタン、水銀、及び湿気の除去を含む。酸性ガス及びメルカプタンは一般的には、水性アミン含有溶液又は他の種類の物理的もしくは化学的溶媒を採用する収着プロセスにより除去される。この段階は一般的に、殆どの天然ガス冷却段階の上流にて実施される。低レベル冷却の前に又は後に、二相気液分離により水分の大部分が液体として通常は除去され、次に微量の水分を除去すべく分子篩処理が後に続く。前記水分除去段階は、本明細書において企図される等エンタルピーもしくは等エントロピー膨張の上流で通常は行われる。水銀は、水銀吸収床の使用により除去される。水分及び酸性ガスの残留量は最も一般的には、再生可能な分子篩などの特別に選択された吸収床を使用することで除去される。その様に特別に選択された吸収床もまた通常は、殆どの天然ガス冷却段階の上流に位置される。
任意選択的な前処理段階に引き続いて本発明の方法は、粗製ヘリウム、液化天然ガス、及び任意選択的に合成ガス生成物の生成を組み合わせる。図１乃至図５を参照すると、約３．４５〜６．２０ＭＰａ（５００〜９００ｐｓｉａ）の圧力を有する天然ガス供給物１は天然ガスを冷却する一個以上の熱交換器２に導かれることにより、冷却された天然ガス流体７を生成する。本明細書中で用いられる“流体”という用語は、蒸気、液体、及び蒸気／液体混合物を包含する。供給物１における天然ガスは、前処理されるか又は未処理であり、ＮＧＬが除去されていてもよい。冷却された天然ガス流体７は、過冷却液体、飽和液体、又は二相混合物である。冷却された天然ガス流体７は、約−１４０℃（−２２０°Ｆ）より高い温度又は約−１３５℃（−２１１°Ｆ）より高い温度を有する。液化天然ガスを生成するが合成ガスは生成しないプロセスと比較して、液化天然ガス及び合成ガスの両方を生成する本発明の実施例に対して必要な過冷却は少ないことから、電力が節約されることが見出された。熱交換器２は、当業界においてエアプロダクツ・アンド・ケミカルズ社（Air Products and Chemicals, Inc.）により販売されている熱交換器のような液化天然ガス用熱交換器である。冷却は、より低い天然ガス温度を逐次的に達成することを目標とする一つ以上の冷却段階を含む。冷却流体３としては、任意の適切な冷媒、又は複数の冷媒の組み合わせが採用され得る。例えば、利用可能性及びコストから、冷媒は、アンモニア、プロパン、プロピレン、エタン、エチレン、メタン、窒素、並びに圧縮、冷却、及び液化された他の通常は気体状の物質もしくはその混合物を包含する。前記冷媒はまた、冷媒とプロセス流との間に密接な接触が在る開放サイクル形態にも組み込まれてよい。一個以上の熱交換器２において一種類以上の冷媒流体が使用される限りにおいて、一個以上の熱交換器２の後段部分において利用される冷媒は一般的に、一個以上の熱交換器２の前段において利用される冷媒より低い沸点を有する。一実施例においては、第１の冷媒としてプロパンが利用され、引き続く冷媒として、メタン、エタン、プロパン、及び窒素を含む混合冷媒が利用される。
図１乃至図５に示された各実施例に依れば、冷却された天然ガス流体７の少なくとも一部分は蒸気４２及び液体１９へと分離される。
冷却された天然ガス流体７は、該天然ガス流体７の圧力を低下させて該天然ガスを低温へと自己冷却させることにより蒸気対液体の非ゼロ分子比を有する多相流体１０を形成するように、減圧手段９を通って膨張される。蒸気対液体の分子比は、０．０００１〜０．０４又は０．００１〜０．０３であってよい。本技術分野で知られているように、蒸気対液体の特定の分子比を実現するために減圧は制御される。減圧手段９はバルブとして示されるが、減圧手段９は本技術分野で知られた一つ以上の減圧装置でもよい。
減圧は、少なくとも部分的には等エンタルピー手段によってなされてよい。本発明に係る天然ガスの等エンタルピー膨張に対して適切な装置は本技術分野で公知であって、限定するものではないが、バルブ、制御弁、ジュール・トムソン・バルブ、ベンチュリ・装置等のような手動もしくは自動で作動される絞り装置を包含する。
減圧は、少なくとも部分的には等エントロピー手段によってなされてよい。本発明に係る天然ガスの等エントロピー膨張に適切な装置は、本技術分野で公知であって、そのような膨張から仕事を抽出もしくは導き出すエキスパンダ又はターボエキスパンダのような機器を通常は包含する。図１乃至図５の目的に対してはバルブの形態の等エンタルピー膨張により減圧段階が示されるが、この図示内容は、並列もしくは直列に配置された等エントロピー及び／又は等エンタルピー膨張を含む前記で企図された一個以上の減圧装置を具備すると解釈されるべきである。
図１乃至図５に示された各実施例に依れば、減圧段階からの多相流体１０の少なくとも一部分は、液体から蒸気を分離する分離装置１１に導かれる。ヘリウムが濃縮された蒸気は蒸気４２として取り出され、メタンを含む液体は液体１９として取り出される。粗製ヘリウム１２の少なくとも一部分は、蒸気４２の少なくとも一部分から導き出される。粗製ヘリウム１２は、本技術分野で知られた在来のヘリウム精製プロセスを用いる任意選択的なヘリウム精製器７０において任意選択的に更に精製されてもよい。
分離装置１１は、単一ステージフラッシュ・ドラムであってよく、又は図１乃至図５において蒸気４２及び液体１９中の構成成分間の更に良好な成分分離を提供する複数の理論的分離ステージを含んでもよい。複数の理論的分離ステージを提供するのに適した気液分離装置は蒸留塔を含んでいるが、これは、再沸器、凝縮器又は還流凝縮器を含んでも含まなくてもよい。
図１、図２、図４、及び図５に示された実施例に依れば、液体１９の少なくとも一部分は蒸気２７及び液体２９へと分離される。
図１、図２、図４、及び図５に示された実施例において液体１９は、液体１９の圧力を低下させると共に流体を低温へと自己冷却させることにより多相流体２２を生成するように減圧手段２１を通って膨張される。減圧手段２１はバルブとして示されるが、減圧手段２１は、減圧手段９に対して上述されたような本技術分野で知られた一つ以上の減圧装置であってもよい。
図１、図２、図４、及び図５に示された実施例に依れば、多相流体２２の少なくとも一部分は液体から蒸気を分離する分離装置２３へ導かれる。メタンを含む蒸気は蒸気２７として取り出されると共に、メタンを含む液体は液体２９として取り出される。分離装置２３は、単一ステージフラッシュ・ドラムであってよく、又は蒸気２７及び液体２９中の構成成分間の更に良好な成分分離を提供する複数の理論的分離ステージを含んでもよい。複数の理論的分離ステージを提供するのに適した気液分離装置は蒸留塔を含んでいるが、これは、再沸器、凝縮器、又は還流凝縮器を含んでも含まなくてもよい。本発明の実施例において、任意選択的な合成ガス生成器８０に対して供給される任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分は、蒸気２７の少なくとも一部分から導き出される。合成ガス生成器用供給原料２６は、蒸気２７からのメタンの少なくとも一部分を含む。合成ガス生成器用供給原料２６におけるメタンは、中間的もしくは最終的な合成ガス８１を形成するために合成ガス生成器８０において反応させられる。
任意選択的に、図１に示されたように蒸気２７からは燃料５２が取り出される。燃料５２は、液化天然ガス・プラント又は任意選択的な合成ガス・プラントにおけるガスタービン用燃料、水蒸気メタン改質器用燃料、複合サイクル・タービン燃料、又はフィッシャ・トロプシュＧＴＬ製品を処理するための水素化分解設備に付随する加熱器などに対する加熱炉用燃料のような燃料用途として使用される。燃料５２はまた、地方の市町村に対して燃料を供給する公益事業ガス、すなわち都市ガスとして使用されてもよい。
図１に示された本発明の実施例に依れば、液体１９の少なくとも一部分は減圧手段２１を通って膨張されて０．１０ＭＰａ（１４．５ｐｓｉａ）〜０．１５２ＭＰａ（２２ｐｓｉａ）まで減圧され、そのことにより蒸気２７及び液体２９を生成する。液体２９の少なくとも一部分からは、液化天然ガス生成物２４の少なくとも一部分が導き出される。故に液化天然ガス生成物２４は、液体２９からのメタンの少なくとも一部分を含む。
図２、図４、及び図５に示された本発明の実施例に依れば、液体２９の少なくとも一部分は蒸気３７及び液体３９へと分離される。液体２９の少なくとも一部分は、該液体２９の圧力を低下させると共に該流体を低温へと自己冷却させることにより多相流体３２を生成するように、減圧手段３１を通って膨張される。減圧手段３１はバルブとして図示されるが、該減圧手段３１は、減圧手段９に対して上述されたような本技術分野で知られた一つ以上の減圧装置であってよい。多相流体３２の少なくとも一部分は、液体から蒸気を分離する分離装置３３へ導かれる。メタンを含む蒸気は蒸気３７として取り出され、メタンを含む液体は液体３９として取り出される。分離装置３３は、単一ステージフラッシュ・ドラムであってよく、又は蒸気３７及び液体３９中の構成成分間の更に良好な成分分離を提供する複数の理論的分離ステージを含んでもよい。複数の理論的分離ステージを提供するのに適した気液分離装置は蒸留塔を含んでいるが、これは、再沸器、凝縮器、又は還流凝縮器を含んでも含まなくてもよい。本発明の実施例に依れば、任意選択的な合成ガス生成器８０に対して供給される任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分は、蒸気３７の少なくとも一部分及び／又は蒸気２７の少なくとも一部分から導き出される。合成ガス生成器用供給原料２６は、蒸気２７及び蒸気３７からのメタンの少なくとも一部分を含む。液化天然ガス生成物２４の少なくとも一部分は、液体３９の少なくとも一部分から導き出される。故に液化天然ガス生成物２４は、液体３９からのメタンの少なくとも一部分を含む。
図２、図４、及び図５に示された本発明の実施例に依れば、減圧手段２１は圧力を０．１５２ＭＰａ（２２ｐｓｉａ）より高い圧力まで低下させ、また減圧手段３１は圧力を０．１５２ＭＰａ（２２ｐｓｉａ）より低い圧力まで低下させる。
図３乃至図５に示された本発明の幾つかの実施例に依れば、蒸気４２の少なくとも一部分は熱交換器４７において冷却されることによりメタンの少なくとも一部分を凝縮させることで、蒸気成分及び液体成分を有する多相流体４４を生成する。多相流体４４の少なくとも一部分は、液体から蒸気を分離する分離装置４３へ導かれる。前記液体よりも高濃度のヘリウムを含む蒸気は蒸気４８として取り出され、またメタンを含む液体は液体４６として取り出される。分離装置４３は、単一ステージフラッシュ・ドラムであってよく、又は蒸気４６及び液体４８中の構成成分間の更に良好な成分分離を提供する複数の理論的分離ステージを含んでもよい。複数の理論的分離ステージを提供するのに適した気液分離装置は蒸留塔を含んでいるが、これは、再沸器、凝縮器又は還流凝縮器を含んでも含まなくてもよい。粗製ヘリウム１２の少なくとも一部分は蒸気４８の少なくとも一部分から導き出される。粗製ヘリウム１２は、蒸気４８からのヘリウムの少なくとも一部分を含む。粗製ヘリウム１２は、本技術分野で知られた任意のプロセスにより更に精製され得る。これらの実施例においては、任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分が液体４６の少なくとも一部分から導き出される選択肢が示される。合成ガス８１は、気化の後で液体４６からのメタンの少なくとも一部分を反応させることにより形成される。故に、任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６は、液体４６からのメタンの少なくとも一部分を含む。
図３乃至図５に示されるように蒸気４８の少なくとも一部分は、気化されることにより蒸気４２に付加的な冷却を行うために熱交換器４７に戻される。熱伝達は、蒸気４２の流れに対して熱伝達関係で流れる蒸気４８によって並流もしくは逆流様式で実施される。熱伝達作用を実施するのに適した装置は、本技術分野で知られているように質量ではなく熱を伝達するプレート又はチューブ熱伝達要素を含む。
図３乃至図５に示された本発明の幾つかの実施例に依れば、液体４６の少なくとも一部分は、減圧手段４５を通って膨張されて低圧流体４９を形成した後、熱交換器４７に戻されて蒸気４２に対する冷却を行う。減圧手段４５はバルブとして図示されるが、減圧手段４５は、減圧手段９に対して上述されたような本技術分野で知られた一つ以上の減圧装置であってよい。熱伝達は、蒸気４２の流れに対して熱伝達関係における並流もしくは逆流様式で実施される。結果として生じた加熱流体５０の少なくとも一部分は、合成ガス生成器用供給原料２６を供給する。合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分は、加熱された流体５０の少なくとも一部分から導き出される。故に合成ガス生成器用供給原料２６は、加熱された流体５０からのメタンの少なくとも一部分を含む。合成ガス生成器用供給原料２６内のメタンは、中間的もしくは最終的な合成ガス８１を形成するために合成ガス生成器８０において反応させられる。
図４に示された本発明の実施例に依れば、蒸気２７、蒸気４８、及び流体５０は一つ以上の熱交換器５７において冷媒６３を冷却すべく使用される。冷却流体３は冷媒６３を含んで成る。代替的に供給物１の少なくとも一部分が、冷媒６３の代わりに熱交換器５７において冷却されてもよい。熱交換器５７を通過した後で結果として生じた蒸気２８及び蒸気５１が圧縮機５８で圧縮されることにより圧縮気体５９を形成する。この実施例に依れば、任意選択的な合成ガス生成器８０に対して供給される任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分は、圧縮気体５９の少なくとも一部分から導き出される。合成ガス生成器用供給原料２６は、圧縮気体５９からのメタンの少なくとも一部分を含む。任意選択的に、図４に示されたように圧縮気体５９から燃料５２が取り出される。
図５における実施例において示されるように、液体４６は複数の減圧手段４５及び６５を通って膨張された後、蒸気４２に対する冷却を行うために熱交換器４７に戻される。減圧手段４５及び６５はバルブとして図示されるが、減圧手段４５及び６５は減圧手段９に対して上述された本技術分野で知られた一つ以上の減圧装置であってよい。熱伝達は、蒸気４２の流れに対して熱伝達関係における並流もしくは逆流様式で実施される。結果として生じた加熱流体５０及び６６の少なくとも一部分は、任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６を供給する。任意選択的な合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分は流体５０の少なくとも一部分及び／又は流体６６の少なくとも一部分から導き出される。故に合成ガスは、流体５０及び流体６６の少なくとも一方からのメタンの少なくとも一部分を反応させることにより形成される。
図５に示された本発明の実施例に依れば、蒸気２７及び流体６６は組み合わされた後、一個以上の熱交換器５７において冷媒６３を冷却すべく使用される。流体５０及び蒸気３７は組み合わされた後、一個以上の熱交換器５７において冷媒６３を冷却すべく使用される。図５に示された実施例において、ヘリウムを含む蒸気４８は一個以上の熱交換器５７において冷媒６３を冷却すべく使用される。代替的に、供給物１の少なくとも一部分が熱交換器５７において冷媒６３の代わりに冷却されてもよい。熱交換器５７を通過した後、結果として生じた蒸気２８及び蒸気５１は圧縮機５８において圧縮されることで圧縮気体５９を形成する。この実施例に依れば、合成ガス生成器８０に対して供給される合成ガス生成器用供給原料２６の少なくとも一部分は、圧縮気体５９の少なくとも一部分から導き出される。合成ガス生成器用供給原料２６は、圧縮気体５９からのメタンの少なくとも一部分を含む。任意選択的に、図５に示されたように圧縮気体５９から燃料５２が取り出される。この燃料は、液化天然ガス・プラント又は合成ガス・プラントにおけるガスタービン用燃料、水蒸気メタン改質器用燃料、複合サイクル・タービン燃料、又はフィッシャ・トロプシュＧＴＬ生成物を処理する水素化分解設備に付随する加熱器のための燃料のような加熱炉用燃料などの燃料用途として使用される。燃料５２はまた、地方の市町村に対して燃料を供給する公益事業ガスとしても使用される。
本発明は以下の例に関して更に記述されるが、これらの例は限定するものではなく例示を目的とするものであることは理解されるであろう。
本発明の実施例は、演算手段によりシミュレートされた。実質的に図４に示された本発明の実施例に従い、粗製ヘリウム、合成ガス生成器用供給原料、及び液化天然ガス生成物を生成するための複合プロセスに対して天然ガス供給物が供給される。このシミュレーションは、供給物１として供給された１００００ｋｇ/時間の原料天然ガスに基づいている。この実施例の重要流体に対するプロセス条件及び質量平衡は、以下の表１Ａ及びＢに示される。表１Ａ及びＢにおいて各濃度は、もし当該濃度が０．００１％未満であれば０モル％として列挙されている。
Figure 0004718497
Figure 0004718497
冷却された天然ガス流体７の温度は約−１３１．７℃であり、この温度は、合成ガス生成器用供給原料を生成せず液化天然ガスのみを生成する方法のための約−１５１．１℃の典型的温度より相当に高温である。
このシミュレーションにおいて、液化天然ガス生成物２４を与える液体３９は供給物１の約７９％である。粗製ヘリウム１２を与える蒸気４８は、供給物１の約０．０４％である。残部は、合成ガス生成器用供給原料２６及び燃料５２を提供する圧縮気体５９を与える。
このシミュレーションに依れば、粗製ヘリウム１２を与える蒸気４８は約６３．３５モル％ヘリウムであり、冷却された天然ガス流体７におけるヘリウムの約８６．４％が蒸気４８内に回収される。
合成ガス生成器用供給原料２６を与える圧縮気体５９中の窒素濃縮物は約９モル％の濃度を有する一方、液化天然ガス生成物２４を与える液体３９中の窒素濃度は約０．３モル％である。
比較のために、図６に示された形態に係るプロセスがシミュレートされた。このシミュレーションは、供給物１０１として供給された１００００ｋｇ/時間の原料天然ガスに基づいている。供給物１０１は、液化天然ガス・プロセスに対する天然ガス供給物１０４と、別々の合成ガス生成器用供給原料１２６とを提供するために分割される。ヘリウムは、前記液化天然ガス用供給物からのみ回収される。この実施例の重要流体に対するプロセス条件及び質量平衡は、以下の表２Ａ及びＢに示される。表２Ａ及びＢにおいて各濃度は、もし当該濃度が０．００１％未満であれば０モル％として列挙されている。
Figure 0004718497
Figure 0004718497
図６に示されたように天然ガス供給物１０４は、熱交換器１０２に供給されて冷却流体１０３により冷却されることにより冷却された天然ガス流体１０７を生成する。冷却された天然ガス流体１０７は、天然ガス流体１０７の圧力を低下させて天然ガスを自己冷却させることにより低温の天然ガス流体１１０とするように、減圧手段１０９を通って膨張される。
天然ガス流体１１０は、液体から蒸気を分離するための分離装置１１１へ導かれる。ヘリウムが濃縮された前記蒸気は蒸気１４２として取り出され、メタンを含む液体は液体１１９として取り出される。
液体１１９は、該液体１１９の圧力を低下させて該流体を自己冷却させて低温流体１３２とすることにより蒸気及び液体を生成するように、減圧手段１３１を通って膨張される。前記減圧段階からの低温流体１３２は、液体から蒸気を分離するための分離装置１３３に導かれる。メタンを含む前記蒸気は蒸気１３７として取り出され、メタンを含む前記液体は液体１３９として取り出される。液体１３９は、液化天然ガス生成物１２４を与える。
蒸気１４２は熱交換器１４７において冷却されることで、メタンの少なくとも一部分を凝縮すると共に、蒸気成分及び液体成分を有する多相流体１４４を生成する。多相流体１４４は、液体から蒸気を分離するための分離装置１４３に導かれる。前記液体より高濃度のヘリウムを含む前記蒸気は蒸気１４８として取り出され、メタンを含む前記液体は液体１４６として取り出される。蒸気１４８からは粗製ヘリウム１１２が導き出される。
図６に示されたように、蒸気１４８は、気化されるべく熱交換器１４７に戻され、そのことにより蒸気１４２に対する付加的な冷却が行われる。液体１４６は、減圧手段１４５を通って膨張されて低圧流体１４９を形成した後熱交換器１４７に戻されて同様に蒸気１４２に対する冷却を行う。
両方のシミュレーションは、進入する供給気体の質量の７９％が液化天然ガス生成物を生成する様に構築された。
冷却された天然ガス流体１０７の温度は約−１５１．１℃であり、これは、合成ガス生成器用供給原料を生成せずに液化天然ガスを生成する方法に対して典型的である。図４と比較した図６の構成の付加的な過冷却の故に、図４の構成のための液化電力は約１４％少ないと計算される。
前記シミュレーションに依れば、粗製ヘリウム１１２が導き出される蒸気１４８は約４６．３８モル％のヘリウムであり、また供給物１０１におけるヘリウムの約７５．０質量％が蒸気１４８内に回収される。これは、図４におけるプロセスについての６３．３５モル％のヘリウム及び８６．４質量％のヘリウムの回収と対照的である。前記合成ガス生成器用供給原料に対して更に高割合の天然ガスが供給されたときには、更に大きな利点が生ずる。
前記液化天然ガス生成物に含有される窒素は、図６の構成と比較したとき図４の構成の方が少ない。液化天然ガス生成物に含有される窒素は、図４及び図６の構成に対して夫々、約０．２７モル％及び０．８３モル％と計算される。
本発明の他の実施例及び利点は、本明細書を考察し又は本明細書に開示された発明を実施することから本技術分野に知識を有する者には明らかになるであろう。本明細書は例示的に過ぎないと判断されるべきであり、発明の範囲及び精神は特許請求の範囲により示される。
天然ガスから生成物を生成する本発明の実施例の概略図である。 天然ガスから生成物を生成する本発明の別実施例の概略図である。 天然ガスから生成物を生成する本発明の別実施例の概略図である。 天然ガスから生成物を生成する本発明の別実施例の概略図である。 天然ガスから生成物を生成する本発明の別実施例の概略図である。 天然ガスから生成物を生成する方法及び装置の概略図である。
符号の説明
１ 天然ガス供給物
２ 熱交換器
３ 冷却流体
７ 天然ガス流体
９ 減圧手段
１０ 多相流体
１１ 分離装置
１２ 粗製ヘリウム
１９ 液体
２１ 減圧手段
２２ 多相流体
２３ 分離装置
２４ 液化天然ガス生成物
２７ 蒸気
２９ 液体
２６ 合成ガス生成器用供給原料
４２ 蒸気
８１ 合成ガス

Claims (1)

  1. 天然ガスから生成物を生成する方法であって、
    第１流体を生成するためにヘリウムとメタンとを含む天然ガスを冷却する段階と、
    前記第１流体の少なくとも一部分を、ヘリウムとメタンとを含む第１蒸気、及びメタンを含む第１液体へと分離する段階と、
    前記第１蒸気の少なくとも一部分から粗製ヘリウムの少なくとも一部分を導き出す段階と、
    前記第１液体の少なくとも一部分を、メタンを含む第２蒸気、及びメタンを含む第２液体へと分離する段階と、
    合成ガスの少なくとも一部分を生成するために前記第２蒸気からのメタンの少なくとも一部分を反応させる段階と、
    前記第２液体の少なくとも一部分から液化天然ガス生成物の少なくとも一部分を導き出す段階と、
    を含むとともに、
    前記第１蒸気の少なくとも一部分を凝縮させて、ヘリウムとメタンとを含む第１多相流体を形成する段階と、
    前記第１多相流体の少なくとも一部分を、少なくとも４０体積％のヘリウムを含む第３蒸気、及びメタンを含む第３液体へと分離する段階と、
    前記第３蒸気の少なくとも一部分から前記粗製ヘリウムの少なくとも一部分を導き出す段階と、
    前記第３液体の少なくとも一部分を膨張させて低圧流体を形成する段階と、
    を更に含み、前記凝縮段階は、前記第３蒸気の少なくとも一部分を、前記第１蒸気の少なくとも一部分との熱交換関係で流通させる段階を含み、かつ、前記凝縮段階は、前記低圧流体の少なくとも一部分を、前記第１蒸気の少なくとも一部分との熱交換関係で流通させる段階を含む、天然ガスから生成物を生成する方法。
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