JP5210302B2 - 炭化水素流の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に液化天然ガスの製造プロセスにおいて、天然ガス流のような炭化水素流を処理する方法に関する。

例えば、望ましくない成分を天然ガスから除去するか、及び／又は顧客の所望規格を満たすために、天然ガス流を処理する数種の方法が知られる。

また、天然ガスを液化し、これにより液化天然ガス（ＬＮＧ）を得る数種の方法が知られている。天然ガス流を液化することは、多くの理由で望ましい。例えば、天然ガスは、ガス形態より、液体として容易に貯蔵され、長距離を輸送される。何故なら、液化すれば、小さな体積となり、高圧で貯蔵する必要がないからである。

通常、液化すべき天然ガス流（主にメタンを含む）は、エタン、これより重質の炭化水素、及び場合により、天然ガスを液化する前に或る程度除去する必要がある他の成分を含む。このためにも、天然ガス流は処理される。処理の１つには、エタン、プロパン、及びこれより重質の炭化水素（ブタン及びプロパンなど）の少なくとも幾つかの除去が含まれてもよい。

天然ガス流を処理する公知の方法は、米国特許第５，２９１，７３６号明細書に開示される。これは、天然ガスを液化し、同時にメタンより重質の炭化水素を分離するための方法に関する。

処理プロセスは、液化過程の一部を構成するか否かに係らず、高度にエネルギーを消費することから、天然ガスを処理し、その際エネルギー消費が低減される代替プロセスを提供することが絶えず必要とされている。

本発明の目的は、上記必要性を満足すると共に、エネルギー消費が低減された方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、天然ガス流を処理するための代替法を提供することである。

上記又は他の目的の１つ以上は、本発明にしたがって、天然ガス流のような炭化水素流の処理方法を提供することにより達成される。本方法は、少なくとも、
（ａ）部分的に凝縮された圧力＞５０バールを有する原料流を、第１の気／液分離器に供給する工程と、
（ｂ）原料流を、第１の気／液分離器において、第１の蒸気流及び第１の液体流に分離する工程と、
（ｃ）工程（ｂ）において得られた第１の蒸気流を膨張させ、これにより少なくとも部分的に凝縮された第１の蒸気流を得る工程と、
（ｄ）工程（ｃ）において得られた少なくとも部分的に凝縮された第１の蒸気流を、第２の気／液分離器に供給する工程と、
（ｅ）工程（ｄ）において供給された流れを、第２の気／液分離器において、第２の蒸気流及び第２の液体流に分離する工程と、
（ｆ）工程（ｅ）において得られた第２の液体流の圧力を、少なくとも５０バールの圧力に増大し、これにより加圧された第２の液体流を得る工程と、
（ｇ）工程（ｆ）において得られた加圧された第２の液体流（５０）を、第１の気／液分離器に戻す工程と
を含む。

別の実施形態においては、本発明は、天然ガス流のような炭化水素流の処理方法に関し、本方法は、少なくとも、
（ａ）部分的に凝縮された好ましくは圧力＞３０バールを有する原料流（１０）を、第１の気／液分離器（２）に供給する工程と、
（ｂ）原料流（１０）を、第１の気／液分離器（２）において、第１の蒸気流（２０）及び第１の液体流（７０）に分離する工程と、
（ｃ）工程（ｂ）において得られた第１の蒸気流（２０）を膨張させ、これにより少なくとも部分的に凝縮された第１の蒸気流（３０）を得る工程と、
（ｄ）工程（ｃ）において得られた少なくとも部分的に凝縮された第１の蒸気流（３０）を、第２の気／液分離器（４）に供給する工程と、
（ｅ）工程（ｄ）において供給された流れ（３０）を、第２の気／液分離器（４）において、第２の蒸気流（６０）及び第２の液体流（４０）に分離する工程と、
（ｆ）工程（ｅ）において得られた第２の液体流（４０）の圧力を、少なくとも３０バールの圧力に増大し、これにより加圧された第２の液体流（５０）を得る工程と、
（ｇ）工程（ｆ）において得られた加圧された第２の液体流（５０）を、第１の気／液分離器（２）に戻す工程と
を含む。

意外にも、本発明の方法を用いて、エネルギー消費の実質的な低減が、得られることが見出された。本発明の方法は、原料流が、比較的高圧（典型的には＞５０バール（超）、好ましくは５５バール超、更に好ましくは６０バール超で利用可能である場合に、特に有利である。

本明細書及び特許請求の範囲においては、圧力をバールで引用する場合は常に、これは、バール圧（絶対圧）である。

本発明によれば、第１の蒸気流を冷却するのに、高価な冷却計画は、全く用いる必要がない。

炭化水素流は、処理されるべきいかなる適切な流であってもよいが、通常、天然ガス又は石油の層から得られる天然ガス流である。選択肢として、天然ガス流はまた、他の供給源から得てもよい。これにはまた、フィッシャー−トロプシュプロセスのような合成供給源が含まれる。

通常、天然ガス流は、実質的には、メタンからなる。好ましくは、原料流は、少なくとも６０モル％、更に好ましくは少なくとも７５モル％のメタン（例えば、少なくとも８０モル％のメタン）を含む。

天然ガスは、メタンより重質の炭化水素（エタン、プロパン、ブタン、及びペンタンなど）並びに幾つかの芳香族炭化水素を、供給源に応じて様々な量で含んでもよい。天然ガス流はまた、Ｈ_２Ｏ、水銀、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、及び他の硫黄化合物などの非炭化水素を含んでもよい。

必要に応じて、天然ガスを含む原料流は、第１の気／液分離器に供給する前に、前処理してもよい。この前処理は、望ましくない成分（Ｈ_２Ｏ、水銀、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、及び他の硫黄化合物など）の除去、又は予備冷却又は予備加圧などの他の工程を含んでもよい。これらの工程は、当業者に周知であることから、本明細書では、更に説明しない。

通常、原料流は、周囲温度〜９０℃、好ましくは２０℃〜８０℃の範囲の温度を有する。好ましくは、原料流の圧力は、５０バール超〜１００バール、更に好ましくは５５バール超〜９０バール、なお更に好ましくは６０バール超〜８０バールの範囲である。

第１及び第２の気／液分離器は、槽、スクラバー、蒸留塔などの、蒸気流及び液体流を得るための任意の適切な手段であってもよい。通常、第１の気／液分離器は、トレー１〜３０個、好ましくはトレー１〜１５個を有する塔を含む。図１に記載される本発明の実施形態においては、第２の気／液分離器は、通常、単に１個のトレーを有する簡単な槽を含む。図２に記載される本発明の実施形態においては、第２の気／液分離器は、好ましくは、トレー１〜３０個、更に好ましくはトレー１〜１５個を有する塔を含む。

或いは、第１及び第２の気／液分離器は、それぞれ、（ランダムか、又は構造化された）充填材を備えていてもよい。気／液分離器が、トレーを備えている場合には、蒸留段は、１個のトレーに相当し、気／液分離器が、（ランダムか、又は構造化された）パッキングを備えている場合には、蒸留段は、理論段に相当する。

本明細書及び特許請求の範囲において、流れを気／液分離器に導入するレベルが、他の流れを導入することに関して定義する場合には、少なくとも１つの蒸留段が、２つのレベルの間に存在する。同じことは、流れを気／液分離器から除去するレベルを定義する場合に当てはまる。気／液分離器の頂部は、最上部の蒸留段の上に配置される気／液分離器の部分であり、気／液分離器の底部は、最下部の蒸留段の下に配置される気／液分離器の部分である。

第１の液体流及び第２の蒸気流は、生成物流として用いてもよいか、又は、必要に応じて、更に処理してもよい。

本発明の方法の工程（ｆ）においては、工程（ｅ）において得られた第２の液体流の圧力は、少なくとも５０バールの圧力に増大され、それにより、加圧された第２の液体流が得られる。好ましくは、第２の液体流の圧力は、５０バール超〜１００バール、更に好ましくは５５バール超〜９０バール、なお更に好ましくは６０バール超〜８０バールの範囲の圧力に増大される。

一般には、第２の液体流の圧力は、第１の気／液分離器における圧力より０〜５バール、好ましくは０〜２バール、なお更に好ましくは０〜１バール高い。特には、実質的に同じ圧力である。

本発明にしたがって、工程（ａ）においては、原料流は、少なくとも２つの異なる流れとして第１の気／液分離器に供給され、その際原料流は、上部原料流及び低部原料流を含むことが好ましい。この実施形態においては、上部原料流は、第１の気／液分離器について、低部原料流（第１の気／液分離器において、低い（即ち、冷たい）点で供給される）よりも温かい（即ち、高い）点に供給される。

更に、上部原料流は、好ましくは、工程（ｅ）において得られる第２の蒸気流で冷却されることが好ましい。このためには、熱交換器を用いてもよい。

また、工程（ｂ）において得られた第１の液体流は、第３の気／液分離器に供給され、これにより第３の蒸気流及び第３の液体流を得ることが好ましい。好ましくは、第３の蒸気流は、第２の蒸気流と組み合わされる。

更なる態様においては、本発明は、天然ガス流のような炭化水素流を処理するための装置に関し、本装置は、少なくとも、
−部分的に凝縮された原料流を、第１の蒸気流及び第１の液体流に分離するための第１の気／液分離器と、
−第１の蒸気流を膨張させるための膨張器と、
−膨張された第１の蒸気流を、第２の蒸気流及び第２の液体流に分離するための第２の気／液分離器と、
−第２の液体流の圧力を、第１の気／液分離器に戻す前に、少なくとも５０バールに増大するための加圧ユニットと
を含む。

好ましくは、第１の気／液分離器は、上部原料流のための入口、及び低部原料流のための入口を含む、原料流のための少なくとも２つの入口を含む。

本装置は、上部原料流を、第２の蒸気流で冷却するための熱交換器を更に含むことが、特に好ましい。

更に、本装置は、第１の液体流を、第３の蒸気流及び第３の液体流に分離するための第３の気／液分離器を、更に含むことが好ましい。好ましくは、第３の蒸気流は、第２の蒸気流と組み合わせることができる。

以下に、本発明を、次の限定しない図面によって、更に説明する。

本発明の実施形態の概略工程図である。 本発明の他の実施形態の概略工程図である。

本明細書の趣旨では、１つの参照番号は、ライン、並びに該ラインで運ばれる流れに対して付けるものとする。同じ参照番号は、類似の要素を指す。

図１は、ＬＰＧを回収／排除するのに柔軟性のあるガスプラントにおいて、重質炭化水素（Ｃ_５ ^＋）の選択的低温分離を可能にする処理計画を概略的に示す。

処理計画（又は装置）は、一般に、参照番号１で示す。

部分的に凝縮された炭化水素原料流１０（天然ガスなど）は、第１の気／液分離器２に、一定の入口圧力及び入口温度で供給される。図１の実施形態においては、原料流１０は、２つの異なる流れ、即ち上部原料流１０ａ及び低部原料流１０ｂとして供給される。必要に応じて、原料流１０は、３つ以上の副流に分割されてもよい。上部原料流１０ａは、熱交換器６で予冷され、分離器２に第１の入口１１から供給され、低部原料流１０ｂは、分離器２に第２の入口１２から供給される。図示の実施形態においては、流れ１０ａは、プロセスの他の流れ（即ち、流れ６０）で冷却される。しかし、必要に応じて、いかなる他の冷却を用いてもよい。

一般には、原料流１０は、周囲温度〜９０℃、好ましくは２０℃〜８０℃の範囲の温度を有する。好ましくは、原料流の圧力は、５０バール超〜１００バール、更に好ましくは５５バール超〜９０バール、なお更に好ましくは６０バール超〜８０バールの範囲である。流れ１０ａ及び１０ｂの温度及び圧力は、分離器２において、気／液分離工程を最適化するように選択される。必要に応じて、流れ１０ａ及び１０ｂの圧力は、それぞれ、バルブ１３及び１４において調節されていてもよい。

上記されるように、流れ１０は、気／液分離器２に、流れ１０ａ及び１０ｂとして供給される。ここで、原料流１０は、第１の蒸気（即ち、頭上）流２０及び第１の液体（即ち、底部）流７０に分離される。頭上流２０は、分離器２を、第１の出口１５から出る。これは、原料流１０に比較して、メタンに（及び通常エタンにも）富む。

底部流７０は、分離器２を、第２の出口１６から出る。これは、一般に液体である。流７０は、炭化水素を含んでもよく、これは、別個に処理されて、液化石油ガス（ＬＰＧ）生成物を形成することができる。通常、底部流７０は、１つ以上の分留工程を行って、種々の天然ガス液体生成物が収集される。

頭上流２０は、膨張器３へ導かれ、これにより流２０は少なくとも部分的に凝縮され、こうして流れ３０が得られる。引続いて、流れ３０は、第２の気／液分離器４に、入口２１から供給される。第２の分離器４においては、部分的に凝縮された流れ３０は、第２の蒸気（即ち、頭上）流６０及び第２の液体（即ち、底部）流４０に分離される。頭上流６０は、分離器４を、出口２２から出る。これは、一般に蒸気である。底部流４０は、分離器４を、出口２３から出る。これは、一般に液体である。

次いで、流れ４０は、加圧ユニット５において、少なくとも５０バールの圧力に加圧される。加圧ユニット５は、圧力を増大するための、ポンプなどの任意の適切な手段であってもよい。加圧ユニット５を出る加圧された流れ５０は、引続いて、第１の気／液分離器２に、好ましくはその温かい（即ち高い）部分で、第１の分離器２の第３の入口１７に戻される。

第１の液体流７０及び第２の蒸気流６０は、生成物流として用いてもよいか、又は必要に応じて、更に処理してもよい。

図１に示される実施形態においては、第２の蒸気流６０は、熱交換器６において、上部原料流１０ａを冷却するのに用いられる。

更に、第１の液体流７０は、（任意に、バルブ３３で減圧された後）、（流７０ａとして）第３の気／液分離器７に（入口３４から）供給され、これにより（出口３１から）第３の蒸気流８０、及び（出口３２から）第３の液体流９０が得られる。

第３の蒸気流８０は、第２の蒸気流６５（即ち、熱交換器６で熱交換された後の流れ６０）と、接続点１８で組み合わされ、引続いて圧縮器８で圧縮され、それにより生成物ガス１００が得られる。これは、通常、１つ以上の熱交換器（図示せず）で液化工程へ付され、それにより液化天然ガス（ＬＮＧ）が得られるであろう。流れ１００を液化すべき場合には、幾つかの更なる処理工程が行われて、液化プロセス中に凝固することのある汚染物を除去することができる。例として、（任意に更なる）ＣＯ_２除去工程を行ってもよい。

流れ８０は、第２の蒸気流６５と接続点１８で組み合わされる前に、第２の蒸気流６５とほぼ同じ圧力に圧縮してもよい。

図２には、本発明の別の実施形態が概略的に示されて、統合されたガス露点化及び凝縮物安定化方法が提供される。その際、第３の塔７は、脱ブタン器／安定器の形態であり、こうして第３の液体流９０に比較して、ブタン、及びこれより低級の炭化水素（メタン、エタン、及び／又はプロパンなど）に富む第３の蒸気流８０が得られる。

更に、図２には、第３の蒸気流８０は、接合点１８で流６５と組み合わされる前に、予め、（流れ８０ａとして）熱交換器５５において（空気冷却器又は冷水装置、もしくは図示のように）外部冷媒に対して冷却されていることが示される。これは、（流れ８０ｂとして）第四の気／液分離器１９に入口４１から供給され、出口４２で、第４の気／液分離器１９から（流８０として）除去される。第４の気／液分離器１９は、頭上凝縮器ドラムとして機能する。出口４３で第４の気／液分離器１９から除去された液体底部流１１０は、ポンプ５１で加圧され、流れ１２０として、脱ブタン器７の頂部に（入口３３から）戻される。

脱ブタン器／安定器７の底部流９０（又は「凝縮物」）の一部は、分裂器５６で分割され、熱交換器５２（再沸器として機能する）において外部流に対して、流れ１３０として熱交換され、流れ１４０として、脱ブタン器／安定器７の底部に（入口３５から）戻される。凝縮物流９０の大部分は、（分裂器５６の後）、熱交換器５３において第１の液体流７０に対して、続いて熱交換器５４において流れ１０ｂに対して熱交換され、生成物流として用いられる。

流れ７０（又は７０ａ）を、（熱交換器５３において）流れ９０に対して熱交換する他に、又はその代りに、流れ７０（又は７０ａ）は、流れ８０ａに対して、例えば熱交換器５５において熱交換されてもよい。

必要に応じて、１つ以上の更なるガス及び／又は液体流（図示せず）が、脱ブタン器／安定器７に導入されてもよい。

図２で用いられる配列により、意外なほど高含有量のＬＰＧ（即ち、プロパン及び／又はブタン）を有する生成物ガス流８０、及び意外なほど高含有量のＣ_５ ^＋（即ち、ペンタン及びこれより高級の成分）を有する凝縮物流９０を製造することが可能である。上記のように、流れ８０は、別個の生成物流として用いてもよいが、通常、流６５と組み合わされて、この流れは富化される。

表Ｉに、図２に例示の方法の種々の部分における流れについて、推定された圧力及び温度の概要を示す。また、メタンのモル分率も示す。図２のライン１０の原料流は、およそ、次の組成物を含有していた。即ち、７５．２モル％のメタン、９．２モル％のエタン、４．３モル％のプロパン、２．１モル％のブタン、５．２モル％のＣ_５ ^＋、１．２モル％のＮ_２、及び２．７モル％のＣＯ_２である。Ｈ_２Ｓ及びＨ_２Ｏは、予め除去した。

当業者には、多くの変更が、添付される特許請求の範囲から逸脱することなくなされてもよいことが、容易に理解されるであろう。

一例として、膨張器３及び圧縮器８は、機能的に結合させてもよい。

米国特許第５，２９１，７３６号明細書

１ 処理装置
２ 第１の気／液分離器
４ 第２の気／液分離器
５ 加圧ユニット
１０ 原料流又は炭化水素流
２０ 第１の蒸気流
３０ 部分凝縮した第１の蒸気流
４０ 第２の液体流
５０ 加圧第２液体流
６０ 第２の蒸気流
７０ 第１の液体流

Claims (14)

1. 炭化水素流を処理する方法であって、少なくとも、
   （ａ）部分的に凝縮された圧力＞５０バールを有する原料流（１０）を、第１の気／液分離器（２）に供給する工程と、
   （ｂ）前記原料流（１０）を、前記第１の気／液分離器（２）において、第１の蒸気流（２０）及び第１の液体流（７０）に分離する工程と、
   （ｃ）工程（ｂ）において得られた前記第１の蒸気流（２０）を膨張させ、これにより少なくとも部分的に凝縮された第１の蒸気流（３０）を得る工程と、
   （ｄ）工程（ｃ）において得られた少なくとも部分的に凝縮された前記第１の蒸気流（３０）を、第２の気／液分離器（４）に供給する工程と、
   （ｅ）工程（ｄ）において供給された前記流（３０）を、前記第２の気／液分離器（４）において、第２の蒸気流（６０）及び第２の液体流（４０）に分離する工程と、
   （ｆ）工程（ｅ）において得られた前記第２の液体流（４０）の圧力を、少なくとも５０バールの圧力に増大し、これにより加圧された第２の液体流（５０）を得る工程と、
   （ｇ）工程（ｆ）において得られた加圧された前記第２の液体流（５０）を、前記第１の気／液分離器（２）に戻す工程と
   を含み、
   工程（ｂ）で得られた前記第１の液体流（７０）を脱ブタン器の形式の第３の気／液分離器（７）に供給し、これによって第３の蒸気流（８０）と第３の液体流（９０）を得て、前記第３の蒸気流（８０）が前記第３の液体流に対してブタンと低級炭化水素に富む、
   前記炭化水素流の処理方法。
2. 工程（ａ）において、前記原料流（１０）は、少なくとも２つの異なる流れ（１０ａ、１０ｂ）として、前記第１の気／液分離器（２）に供給され、ここで前記原料流（１０）は、上部原料流（１０ａ）及び低部原料流（１０ｂ）を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記上部原料流（１０ａ）は、前記第１の気／液分離器（２）に供給される前に、冷却される請求項２に記載の方法。
4. 前記上部原料流（１０ａ）は、工程（ｅ）において得られた第２の蒸気流（６０）で冷却される請求項３に記載の方法。
5. 前記第３の蒸気流（８０）は、前記第２の蒸気流（６０、６５）と組み合わされる請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第３の液体流（９０）は、前記第１の液体流（７０）に対して熱交換され、その後前記第１の液体流（７０）は第３の気／液分離器（７）に供給される請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第３の液体流（９０）は、前記低部原料流（１０ｂ）に対して熱交換される請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２の蒸気流（６０、６５）は、液化され、これにより液化炭化水素流が得られる請求項１〜７のいずれか一項に記載
   の方法。
9. 前記第２の蒸気流（６０，６５）が前記第３の蒸気流（８０）と組み合わされた後に液化される、請求項８に記載の方法。
10. 前記炭化水素流が天然ガス流である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 炭化水素流（１０）を処理するための装置（１）であって、少なく
    とも、
    −部分的に凝縮された原料流（１０）を、第１の蒸気流（２０）及び第１の液体流（７０）に分離するための第１の気／液分離器（２）と、
    −前記第１の蒸気流（２０）を膨張させるための膨張器（３）と、
    −前記膨張された第１の蒸気流（３０）を第２の蒸気流（６０）及び第２の液体流（４０）に分離するための第２の気／液分離器（４）と、
    −前記第２の液体流（４０）の圧力を、前記第１の気／液分離器（２）に戻す前に、少なくとも５０バールの圧力に増大するための加圧ユニット（５）と
    −前記第１の液体流を第３の蒸気流（８０）と第３の液体流（９０）に分離するための脱ブタン器の形式の第３の気／液分離器（７）と、ここで第３の蒸気流（８０）は第３の液体流に対してブタンとこれより低級の炭化水素に富む、
    を含む、炭化水素流（１０）の処理装置（１）。
12. 前記第１の気／液分離器（２）は、上部原料流（１０ａ）のための第１の入口（１１）及び低部原料流（１０ｂ）のための第２の入口（１２）を含む、前記原料流のための少なくとも２つの入口（１１、１２）を含む請求項１１に記載の装置（１）。
13. 前記装置（１）は、前記上部原料流（１０ａ）を前記第２の蒸気流（６０）で冷却するための熱交換器（６）を更に含む請求項１２に記載の装置（１）。
14. 前記第３の蒸気流（８０）は、前記第２の蒸気流（６０、６５）と組み合わせることができる請求項１１，１２、または１３に記載の装置（１）。

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