JP5259703B2 - メタンリッチ流の極低温分離方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、メタンリッチ流の極低温分離方法及び装置に関する。

有機原料からのメタンリッチ流を精製して、精製された製品を生じさせるためには、二酸化炭素、酸素及び窒素などの不純物を除去することが必要である。理想的には、製品は、２％未満の二酸化炭素と、合計含有量が２％未満である酸素及び窒素とを含んでいる。

この文書における全ての組成百分率は、モル百分率である。

本発明の或る目的に従うと、メタンに富んでおり、二酸化炭素と、窒素若しくは酸素の何れか又はこれらの双方とを更に含んだ供給材料流（un debit d'alimentation）の極低温分離方法であって、
ｉ)前記流れは、供給材料流と比較して二酸化炭素が希薄な（appauvri）流れを生じさせるための吸着精製ユニットへと送られ、
ｉｉ)前記二酸化炭素が希薄な流れの少なくとも一部は、冷却されて冷却流れを生じ、
iii）前記冷却流の少なくとも一部は、蒸留塔へと送られ、
ｉｖ)供給材料流と比較してメタンに富んだ流れが、蒸留塔から抜き出され、
ｖ)供給材料流と比較して窒素及び／又は酸素に富んだ流れが、蒸留塔から抜き出され、
ｖｉ)精製ユニットは、気化したメタンリッチ液体の少なくとも一部により再生されることを特徴とする方法が提供される。

他の任意の特徴に従うと、
−再生ガスとして働いた気化したメタンは、製品を構成し、好ましくは、１乃至３％の二酸化炭素を含んでいる。
−前記二酸化炭素が希薄な流れは、前記塔の上流において、この塔から抜き出された少なくとも１種の流体により冷却される。
−前記塔から抜き出された先の流体は、窒素に富んだ及び／又は酸素に富んだ流れである。
−前記塔から抜き出された前記流体は、メタンに富んだ流れである。
−メタンに富んだ流れは、液体の形態で抜き出される。
−メタンに富んだ液体は、前記二酸化炭素が希薄な流れとの熱交換により気化する。
−再生に役立った前記気化した液体の二酸化炭素含有量は、特には、精製ユニットの上流で取り出された先の気化したメタンリッチ液体の一部と混合することにより実質的に一定に保たれる。
−外部供給源からの液体窒素流を気化させることにより冷却が少なくとも部分的に維持される。
−前記二酸化炭素が希薄な流れとの熱交換により液体窒素が気化する。
−前記塔の頂部にあるコンデンサにおいて液体窒素が気化する。
−冷凍サイクルにより、冷却が少なくとも部分的に維持される。
−前記メタンに富んだ流れを気体及び／又は液体の形態で生じさせる。
−前記塔の底部にあるリボイラーは、場合により、前記分離されるべき流れの少なくとも一部によって加熱される。
−前記塔から抜き出される前記メタンに富んだ流れは、少なくとも９８％か又は９９％のメタン（au moins 98, voire 99% methane）を含んでいる。
−供給材料流は、７５乃至９５％のメタンを含んでいる。
−供給材料流は、合計で３乃至２５％の窒素及び／又は酸素を含んでいる。

本発明の他の特徴に従うと、メタンに富んでおり、二酸化炭素と、窒素若しくは酸素の何れか又はこれらの双方とを更に含んだ供給材料流を極低温分離する装置であって、
ｉ）吸着精製ユニットと、前記供給材料流と比較して二酸化炭素が希薄な流れを生じさせるために、前記供給材料流をそこに送る手段と
ｉｉ）前記二酸化炭素が希薄な流れの少なくとも一部を冷却して、冷却流を生じさせる手段と、
iii）蒸留塔と、冷却流の少なくとも一部を、前記蒸留塔へと送る手段と、
ｉｖ）供給材料流と比較してメタンに富んだ流れを、蒸留塔から抜き出す手段と、
ｖ）供給材料流と比較して窒素及び／又は酸素に富んだ流れを、蒸留塔から抜き出す手段と
を具備した装置が提供される。

図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明に従う装置を概略的に示している。 図２は、本発明に従う装置の交換器において行われる熱交換を示したグラフである。 図３は、本発明に従う方法に必要な冷たさ（froid）を生じさせるのに使用され得るフリゴリー（frigories）を生じさせるためのサイクルを図示している。 図４は、本発明に従う方法に必要な冷たさを生じさせるのに使用され得るフリゴリーを生じさせるためのサイクルを図示している。 図５は、本発明に従う装置の１つの特徴部を概略的に示している。 図６は、本発明に従う装置を概略的に示している。

図１において、平均温度及び平均圧力（５乃至１５ｂａｒ）にあり、浸透及び／又は吸着ユニットにおいて精製された供給材料ガス１は、＞７５％のメタン、＜２％の二酸化炭素並びに合計で＜２５％の酸素及び窒素を含んでいる。これら２５％のうち、約２０％が窒素から構成されており、残りは酸素である。この酸素及び窒素の含有量は、製品に要求される含有量を大きく超過している。

ガス１は、ＣＯ₂が希薄な流れ５を生じさせるために、吸着器の２つのボトル３、２９から構成された吸着ユニットに送られる。この流れ５は、熱交換器９、１３及び塔１７を収容したコールドボックス７に送られる。７５乃至９５％のメタンと合計で３乃至２５％の窒素及び酸素とを含んだ流れ５は、熱交換器９において、図２に見られ得るグラフに従って冷却され且つ部分的に液化する。

交換器９は、ろう付けされたアルミニウム又はステンレス鋼のプレートを有した交換器である。

二相である冷却流５は、塔１７の底部リボイラー１１による再沸騰を確実にし、生じた熱２３は、その後、先の塔の底部に伝わる。次に、流れ５は、熱交換器１３において液化し、バルブ１５においてその半分の圧力へと膨張し、塔１７の中間点へと送られる。

規則充填物を含んだこの塔１７において、液化した流れ５の蒸留が行われて、底部において、合計で２％未満の酸素及び窒素を含んだメタンリッチ液体流２７を生じさせ、この塔の頂部において、窒素及び／又は酸素に富み且つ５％未満のメタンを含んだ気体流１９を生じさせる。

塔１７の頂部コンデンサ６７（図３及び図４）は、この塔から熱２１を除去するために、様々な方法で冷却される。

例えば、コンデンサ６７は、外部供給源からの液体窒素を流し入れること（biberonnage d'azote liquid）によって冷却され得る。

また、冷たさは、例えば、スターリングモーター、ギフォードマクマーンマシーン、パルスチューブなどの冷却を生じさせる機械によって提供されてもよい。

或いは、コンデンサ６７のためのフリゴリーは、図３に図示したような窒素サイクルによって提供されてもよい。窒素６６は、コンデンサ６７へと送られ、そこで気化して、ガス６７を形成する。ガス６７は、相分離器６５の頂部からのガス６６と混ぜられ、その後、流れ７１と混ぜられる。このようにして形成された流れ４５は、ミキサーへと送られ、交換器６１、５３において冷却され、その後、電力４３が供給されるコンプレッサ４４において圧縮される。圧縮された流れ４７は、交換器４９において冷却されて、流れ５１を形成し、これは、交換器５３において加熱されて、ガス５５を形成し、タービン５５において膨張する。この流れ５５は２つに分けられ、一方の部分５９は、タービン６９へと送られて、流れ７１を形成し、残り５７は交換器６１へと送られる。流れ５７は、バルブ６３において膨張し、相分離器６５へと送られる。分離器６５からの液体流は、コンデンサ６７へと送られる。

他の手段（図４）は、循環流体としてヘリウムを使用するブレイトンサイクルを使用することである。コンデンサ６７において加熱されたガス８１は、交換器８３へと送られ、電力８７が供給されるコンプレッサ８５において圧縮され、流れ８９を形成する。この流れは、交換器９１へと送られ、その後、交換器８３へと送られる。次に、それは、コンデンサ６７へと送られる前に、タービン９３において膨張する。

メタンが気体の形態でのみ製造される場合には、＜２％の窒素＋酸素と＞９８％のメタンとを含んだ液体メタン２７は、交換器９における熱交換により気化する。

窒素及び／又は酸素に富んだ残り１９は、交換器１３において、分離されるべき混合物を再加熱し、交換器９において再加熱され、大気へと送られる。それは、５％未満のメタンを含んでいる。

図５に詳細に示しているように、交換器９において気化したメタンは、吸着器の他のボトル２９に送られて、それを再生し、このようにして生じた再生用ガス３２は、プロセスプロダクトとして役立ち、これは、流れ２７と比較して二酸化炭素に富んでおり、例えば１乃至３モル％の二酸化炭素を含んでいる。

製品３２の二酸化炭素含有量は、ＡＩＣ分析器１０５により分析され、この含有量は、バルブ１０３により実質的に一定に保たれ、このバルブ１０３は、ＡＩＣにより制御され、要求に応じてバイパスダクト１０１を開き、よりメタンに富むガス１０１を流れ３２と混合させることを可能にする。吸着器は周期的に稼動されるので、製品３２の純度についての周期的な変動を防ぐために、この配置が必要である。

任意に、製品３２は、図１に図示したように、１つ以上のコンプレッサ３１において、高圧（２０乃至３０ｂａｒ）及び更には極めて高圧（２００乃至３５０ｂａｒ）へと圧縮される。

この製品は、＞９６％よりも僅かに多いメタンと、＜２％の窒素＋酸素と、＜２％のＣＯ₂とを含んでいる。

メタンを液体の形態で製造することを可能にする本発明に従う方法を、図６に図示している。浸透ユニットにおいて精製された供給材料ガス１は、７６．５％のメタンと、１．６％の二酸化炭素と、合計で２２％の酸素及び窒素とを含んでいる。この酸素及び窒素の含有量は、製品に望まれる含有量を大きく超過している。

ガス１は、吸着器の２つのボトル３、２９から構成された吸着ユニットへと送られて、ＣＯ₂が希薄な流れ５を生じる。この流れ５は、熱交換器９、１３及び塔１７を収容したコールドボックス７へと送られる。７５乃至９５％のメタンと合計で３乃至２５％の窒素及び酸素とを含んだ流れ５は、熱交換器９において、図２に見られ得るグラフに従って冷却され且つ部分的に液化する。

二相である冷却流５は、塔１７の底部リボイラー１１による再沸騰を確実にし、生じた熱２３は、その後、先の塔の底部に伝わる。次に、流れ５は、熱交換器１３において液化し、バルブ１５において膨張し、塔１７の中間点へと送られる。

液化した流れ５は、規則充填物を含んだこの塔１７において蒸留されて、底部において、合計で２％未満の酸素＋窒素を含んだメタンリッチ液体流２７を生じ、この塔の頂部において、窒素及び／又は酸素に富み、５％未満のメタンを含んだ気体流１９を生じる。

塔１７の頂部コンデンサ２０３（図３及び図４）は、外部供給源からの液体窒素２０１を流し入れることによって冷却される。

窒素及び／又は酸素に富んだ残り１９は、バルブ２５において膨張し、流し入れられた液体窒素が気化して得られた窒素２０４と混ぜられる。混ぜられた流れ２０７は、ミキサーにおいて混合され、分離されるべき混合物を交換器１３において冷却し、交換器９において再加熱され、大気へと送られる。それは、５％未満のメタンを含んでいる。

液体メタン２７が、最終製品として製造される。

交換器９を冷たく保つために、他の窒素の灌液流（un autre debit d'azote de biberonnage）２１１が交換器９へと送られ、そこで、それは気化して、流れ２１３を形成する。次に、この窒素流２１３は、流れ２１７として大気へと放出される前に、吸着器のボトル２１５を再生するのに役立つ。

或いは、図１のように、窒素２１１は、製品２７の一部と置き換えられ得る。

図１に示したあらゆる冷熱源（source de froid）が図６の方法のために使用されてもよいことが理解されるであろう。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］メタンに富んでおり、二酸化炭素と、窒素若しくは酸素の何れか又はこれらの双方とを更に含んだ供給材料流の極低温分離方法であって、ｉ)前記流れは、前記供給材料流と比較して二酸化炭素が希薄な流れを生じさせるための吸着精製ユニット（３、２９）へと送られ、ｉｉ)前記二酸化炭素が希薄な流れの少なくとも一部は、冷却されて冷却流を生じ、iii）前記冷却流の少なくとも一部は、蒸留塔（１７）へと送られ、ｉｖ)前記供給材料流と比較してメタンに富んだ流れ（２７）が、前記蒸留塔から抜き出され、ｖ)前記供給材料流と比較して窒素及び／又は酸素に富んだ流れ（１９）が、前記蒸留塔から抜き出され、ｖｉ)前記精製ユニット（３、２９）は、気化したメタンリッチ液体の少なくとも一部により再生されることを特徴とする方法。
［２］［１］記載の方法であって、前記二酸化炭素が希薄な流れは、前記塔（１７）の上流において、前記塔から抜き出された少なくとも１種の流体により冷却されることを特徴とする方法。
［３］［２］記載の方法であって、前記塔（１７）から抜き出された前記流体は、前記窒素及び／又は酸素に富んだ流れ（１９）であることを特徴とする方法。
［４］［２］又は［３］記載の方法であって、前記塔（１７）から抜き出された前記流体は、前記メタンに富んだ流れ（２７）であることを特徴とする方法。
［５］［４］記載の方法であって、前記メタンに富んだ流れ（２７）は液体の形態で抜き出されることを特徴とする方法。
［６］［５］記載の方法であって、前記メタンに富んだ液体（２７）は、前記二酸化炭素が希薄な流れ（５）との熱交換により気化することを特徴とする方法。
［７］［１］乃至［６］の何れか１記載の方法であって、再生に役立った気化した液体の二酸化炭素含有量は、特には、前記精製ユニットの上流で取り出された前記気化したメタンリッチ液体の一部（１０１）と混合することにより実質的に一定に保たれることを特徴とする方法。
［８］［１］乃至［７］の何れか１記載の方法であって、外部供給源からの液体窒素流（２０１、２１１）を気化させることにより冷却が少なくとも部分的に維持されることを特徴とする方法。
［９］［９］記載の方法であって、前記二酸化炭素が希薄な流れとの熱交換により液体窒素が気化することを特徴とする方法。
［１０］［８］又は［９］記載の方法であって、前記塔（１７）の頂部にあるコンデンサ（６７）において液体窒素が気化することを特徴とする方法。
［１１］［１］乃至［１０］の何れか１記載の方法であって、冷凍サイクルにより冷却が少なくとも部分的に維持されることを特徴とする方法。
［１２］［１］乃至［１１］の何れか１記載の方法であって、前記メタンに富んだ流れ（２７）を気体及び／又は液体の形態で生じさせることを特徴とする方法。
［１３］［１］乃至［１２］の何れか１記載の方法であって、前記塔（１７）の底部にあるリボイラー（１１）は、場合により、分離されるべき前記流れの少なくとも一部によって加熱されることを特徴とする方法。
［１４］［１］乃至［１３］の何れか１記載の方法であって、前記塔から抜き出された前記メタンに富んだ流れ（２７）は、少なくとも９８か又は９９％のメタンを含んでいることを特徴とする方法。
［１５］［１］乃至［１４］の何れか１記載の方法であって、前記供給材料流（１）は、７５乃至９５％のメタンを含んでいることを特徴とする方法。
［１６］［１７］記載の方法であって、前記供給材料流（１）は、合計で３乃至２５％の窒素及び／又は酸素を含んでいることを特徴とする方法。

Claims (17)

1. メタンに富んでおり、二酸化炭素と、窒素若しくは酸素の何れか又はこれらの双方とを更に含んだ供給材料流の極低温分離方法であって、
   ｉ)前記供給材料流は、前記供給材料流と比較して二酸化炭素が希薄な流れを生じさせるための吸着精製ユニット（３、２９）へと送られ、
   ｉｉ)二酸化炭素が希薄な前記流れの少なくとも一部は、冷却されて冷却流を生じ、
   iii）前記冷却流の少なくとも一部は、蒸留塔（１７）へと送られ、
   ｉｖ)前記供給材料流と比較してメタンに富んだ流れ（２７）が、前記蒸留塔から抜き出され、交換器（９）に送られ、ここで気化して気体のメタンが生じ、
   ｖ)前記供給材料流と比較して窒素及び／又は酸素に富んだ流れ（１９）が、前記蒸留塔から抜き出され、
   ｖｉ)前記交換器（９）において生じた気体のメタンの少なくとも一部が、前記精製ユニット（３、２９）を再生することを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、二酸化炭素が希薄な前記流れは、前記塔（１７）の上流において、前記塔から抜き出された少なくとも１種の流体により冷却されることを特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法であって、前記塔（１７）から抜き出された前記流体は、窒素及び／又は酸素に富んだ前記流れ（１９）であることを特徴とする方法。
4. 請求項２又は３記載の方法であって、前記塔（１７）から抜き出された前記流体は、メタンに富んだ前記流れ（２７）であることを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の方法であって、メタンに富んだ前記流れ（２７）は液体の形態で抜き出されることを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法であって、メタンに富んだ前記液体（２７）は、二酸化炭素が希薄な前記流れ（５）との熱交換により気化することを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項記載の方法であって、前記精製ユニット（３、２９）の再生に役立った気体のメタンの二酸化炭素含有量は、一定に保たれることを特徴とする方法。
8. 請求項７記載の方法であって、前記精製ユニット（３、２９）の再生に役立った気体のメタンの二酸化炭素含有量は、メタンに富んだ前記流れ（２７）を気化させることにより生じた気体のメタンのうち前記精製ユニットの上流で取り出された一部（１０１）と混合することにより一定に保たれることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項記載の方法であって、外部供給源からの液体窒素流（２０１、２１１）を気化させることにより冷却が少なくとも部分的に維持されることを特徴とする方法。
10. 請求項９記載の方法であって、二酸化炭素が希薄な前記流れとの熱交換により液体窒素が気化することを特徴とする方法。
11. 請求項９又は１０記載の方法であって、前記塔（１７）の頂部にあるコンデンサ（６７）において液体窒素が気化することを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項記載の方法であって、冷凍サイクルにより冷却が少なくとも部分的に維持されることを特徴とする方法。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項記載の方法であって、メタンに富んだ前記流れ（２７）を気体及び／又は液体の形態で生じさせることを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項記載の方法であって、前記塔（１７）の底部にあるリボイラー（１１）は、分離されるべき前記流れの少なくとも一部によって加熱されることを特徴とする方法。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項記載の方法であって、前記塔から抜き出されたメタンに富んだ前記流れ（２７）は、少なくとも９８か又は９９％のメタンを含んでいることを特徴とする方法。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項記載の方法であって、前記供給材料流（１）は、７５乃至９５％のメタンを含んでいることを特徴とする方法。
17. 請求項１乃至１６の何れか１項記載の方法であって、前記供給材料流（１）は、合計で３乃至２５％の窒素及び／又は酸素を含んでいることを特徴とする方法。

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