JP5530180B2 - 炭化水素流を冷却する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に液化天然ガス（ＬＮＧ）などの液化された炭化水素流を得るために天然ガス流などの流体の炭化水素流を冷却する方法に関する。

天然ガス流などの炭化水素流を冷却し液化する方法は複数知られている。いくつかの理由により、天然ガス流は液化するのが望ましい。例として、天然ガスを貯蔵したり長距離輸送する場合、ガスの状態よりも液体とする方が容易に行うことができる。液体の方が、占有する体積が小さく、高圧で貯蔵する必要もないからである。

天然ガスを液化する方法の例が米国特許第６，３７０，９１０号に記載されている。

米国特許第６，３７０，９１０号による方法は既に満足な結果を与えているが、供給される天然ガスの温度が冷媒の温度とかなり異なる場合には、冷却装置において膨張差による熱応力及び内部狭窄が生じ得ることが分かった。この問題は冬季の数ヶ月の間及び／又は比較的低い温度で天然ガスが供給される北極地方などの寒い地域において更に顕著になる。

装置関連の問題以外に、上記のことによって冷却又は液化プロセスの熱効率が更に低下し得る。

本発明の目的は上記の問題のうち１つ以上を最小限に抑えることである。

本発明の別の目的は、炭化水素流を冷却し特に液化する代替方法を提供することである。

本発明は、天然ガスなどの炭化水素流を冷却する方法であって、
天然ガスなどの炭化水素流と第１の冷媒流とを連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器において蒸発する冷媒によって一緒に冷却し、前記一連の共通熱交換器が第１の共通熱交換器を含み、前記第１の共通熱交換器の上流では前記炭化水素流と前記第１の冷媒流とを一緒に冷却せず、前記方法が、
（ａ）第１の冷媒流を圧縮して圧縮された第１の冷媒流を得る工程；
（ｂ）前記圧縮された第１の冷媒流を周囲によって冷却して或る冷媒温度にする工程；
（ｃ）冷却する炭化水素流を前記冷媒温度よりも低い開始温度にて受け入れる工程；
（ｄ）前記炭化水素流を前記冷媒温度よりも低い炭化水素供給温度にて前記第１の共通熱交換器に供給する工程；
（ｅ）前記工程（ｂ）の冷却後に周囲以外の媒体との熱交換によって前記第１の冷媒流の温度を更に低下させる工程；
（ｆ）前記工程（ｅ）の熱交換の後に前記冷媒温度より低い冷媒供給温度にて前記第１の冷媒流を前記第１の共通熱交換器に供給する工程であって、前記炭化水素供給温度と前記冷媒供給温度との温度差が６０℃より小さい前記工程；
を少なくとも含む、前記方法を提供する。

上記の温度差は、前記炭化水素流の前記開始温度と前記冷媒温度との初期の温度差よりも小さいのが好ましい。

別の態様では、本発明は、天然ガスなどの炭化水素流を冷却するための装置であって、
- 第１の冷媒流；
- 前記第１の冷媒流を圧縮して圧縮された第１の冷媒流を得るための圧縮機；
- 前記圧縮された第１の冷媒流を周囲によって冷却して或る冷媒温度にするための周囲冷却装置；
- 前記圧縮され冷却された第１の冷媒流を受け入れ、周囲以外の媒体との熱交換によって前記第１の冷媒流の温度を更に低下させるための予冷熱交換器；
- 冷却すべき炭化水素流を前記冷媒温度より低い開始温度にて供給するための炭化水素供給源；
- 少なくとも前記炭化水素流と前記第１の冷媒流を受け入れて一緒に冷却するための、連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器であって、前記一連の共通熱交換器が第１の共通熱交換器を含み、前記第１の共通熱交換器の上流には前記炭化水素流と前記第１の冷媒流を一緒に冷却できる他の共通熱交換器は存在しない前記一連の共通熱交換器；
- 前記炭化水素流を前記冷媒温度より低い炭化水素供給温度にて受け入れるための、前記第１の共通熱交換器における炭化水素入口；
- 前記冷媒温度より低い冷媒供給温度にて前記第１の冷媒を前記予冷熱交換器から受け入れるための、前記第１の共通熱交換器における第１の冷媒入口であって、前記炭化水素供給温度と前記冷媒供給温度との温度差が６０℃より小さい前記第１の冷媒入口；
を備える、天然ガスなどの炭化水素流を冷却するための装置を提供する。

本発明により驚くべきほど簡単な方法及び装置を用いることで、膨張差による熱応力及び内部狭窄が最小限に顕著に抑えられることが分かった。
以下、限定するものではないが下記の図面により本発明を更に説明する。
ここでの説明のため、１つの管路とその管路で運ばれる流れとに１つの参照番号を割り当てる。同じ参照番号は同種の構成要素を示す。

第１の比較態様によるプロセス構成を概略的に示す。 本発明の実施態様によるプロセス構成を概略的に示す。 第２の比較態様によるプロセス構成を概略的に示す。 液化された炭化水素流を得るためのプロセス構成を概略的に示す。

連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器において蒸発する冷媒によって、天然ガスなどの炭化水素流を第１の冷媒流と共に一緒に冷却する。連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器は第１の共通熱交換器を含み、第１の共通熱交換器の上流では炭化水素流と第１の冷媒流は一緒に冷却しない。言い換えれば、第１の共通熱交換器は、少なくとも炭化水素流と第１の冷媒流とを一緒に冷却するよう構成された共通熱交換器のうち最も上流のものであると理解される。

冷却すべき炭化水素流は、炭化水素供給温度にて第１の共通熱交換器に供給する一方、第１の冷媒流は冷媒供給温度にて第１の共通熱交換器に供給する。炭化水素供給温度と冷媒供給温度との温度差は６０℃より小さく、好ましくは４０℃より小さく、さらに好ましくは２０℃より小さく、いっそう好ましくは１０℃より小さく、最も好ましくは５℃より小さい。

本発明の重要な利点は、特に一方において冷却すべき炭化水素流と、もう一方において同じ熱交換器に供給される第１及び第２（等々）の冷媒のうち少なくとも１つ（好ましくはすべて）との温度差が大きい場合に、これらの温度がほぼ同じ温度に揃えられるので、例えばスプール巻型熱交換器において生じ得る膨張差による内部狭窄や熱応力が避けられることである。

特定の状況下、例えば、より寒い地理的地域に位置する炭化水素の供給源から例えばパイプラインを介して炭化水素流が到着する場合には、本方法の開始時には炭化水素流の温度は周囲冷却装置から出てくる第１の冷媒の冷媒温度よりも低くなり得る。通常、周囲冷却装置は冷媒から圧縮熱を除去するために冷媒回路中に設けられる。よって、炭化水素流は、例えば圧縮／膨張による冷却機能を能動的に適用することにより取り込まれたものではない冷たさを既に有し得る。好ましくは、この冷たさは維持される。

周囲により冷却された第１の冷媒を周囲以外の媒体によって更に冷却することにより、炭化水素流を暖めるために追加の加熱機能を持ち込む必要なく、冷媒温度を炭化水素温度により近づけることができる。

例えば冬季の数ヶ月又は北極地方などの冷たい地域において低い温度で炭化水素流が供給される場合、この冷たさは冷媒を冷却するのに使用でき、その結果、第１の冷媒と任意の第２の冷媒とを冷却するのに必要な冷却能力が削減される。

１以上の一連の共通熱交換器を通過した後の冷却された炭化水素流を、前記１以上の一連の共通熱交換器から取り出し、随意に、少なくとも第２の熱交換器において更に冷却して液化された炭化水素流を得ることができる。

冷却すべき炭化水素流と第１の冷媒と任意に第２の冷媒とを第１の熱交換器に供給して通過させる工程であって、第１の熱交換器に供給されるとき炭化水素流と第１の冷媒及び任意の第２の冷媒のうち少なくとも１つとの温度差が６０℃より小さく、好ましくは４０℃より小さく、さらに好ましくは２０℃より小さく、いっそう好ましくは１０℃より小さく、最も好ましくは５℃より小さい前記工程；
第１の冷媒を第１の熱交換器から取り出し、膨張させて第１の熱交換器に戻す工程であって、膨張した第１の冷媒を第１の熱交換器中で少なくとも部分的に蒸発させることで炭化水素流から熱を取り出し、冷却された炭化水素流を得る前記工程；
冷却された炭化水素流を第１の熱交換器から取り出す工程；
を含んだ方法につき３つの実施態様を以下で説明する。

このように、炭化水素流と少なくとも第１の冷媒とを第１の熱交換器において一緒に冷却する。第１の熱交換器の上流にて炭化水素流と第１の冷媒を一緒には冷却しないか、又は後に示す本発明のいくつかの実施態様のように第１の共通熱交換器の上流にて炭化水素流と第１の冷媒流とを一緒に冷却できる共通熱交換器が他に存在しない場合には、本明細書では第１の熱交換器を第１の共通熱交換器として理解する。第１の共通熱交換器は、連続的に配置された一連の共通熱交換器において最初のもの（最も上流のもの）とし得る。

第１の熱交換器から取り出された冷却された炭化水素流は、−２０℃より低く、好ましくは−６０℃より低く、より好ましくは−１００℃より高い温度を有し得る。第１の熱交換器から取り出された冷却された炭化水素流は、第２の熱交換器において更に冷却することにより液化された炭化水素流を得ることができる。

冷却すべき炭化水素流は任意の適当な炭化水素含有流でよいが、通常は天然ガス又は石油の貯蔵所から得られる天然ガス流である。代案として、天然ガス流を、フィッシャー・トロプシュ法などの合成源をも含めて別の炭化水素供給源から得ることもできる。

通常、炭化水素流は実質的にメタンから成る。供給源に依存して、炭化水素流は、芳香族炭化水素だけでなくエタン、プロパン、ブタン及びペンタンなどのメタンより重い炭化水素についても種々の量にて含有し得る。炭化水素流はまた、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓなどの非炭化水素や他の硫黄化合物などを含有し得る。

必要なら、炭化水素流は、第１の熱交換器又は予冷熱交換器に供給する前に前処理してもよい。この前処理は、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２及びＨ_２Ｓなどの不要な成分の除去、又は予冷、予備加圧などの他の工程を含み得る。これらの工程は当業者には周知であるので、ここでは更なる説明はしない。好ましくは、本明細書では前処理後の炭化水素流の温度を炭化水素流の開始温度と考える。

第１の冷媒と任意の第２の冷媒（及び使用される更に別の冷媒）は任意の適当な冷媒でよい。第１の冷媒と任意の第２の冷媒はプロパンなどの単一成分にしてもよいが、第１の冷媒と任意の第２の冷媒は両方とも多成分冷媒とするのが好ましい。このような多成分冷媒は特定の組成に限定されるものではないが、通常は、窒素並びにメタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタンなどのストレートな又は枝分かれした低級アルカン及びアルケンからなる群から選択される１以上の成分を含む。

当業者ならば、膨張は任意の膨張装置を用いて（例えば絞り弁、フラッシュバルブ又は従来の膨張器を用いて）種々の方法で実行できることを理解するであろう。

好ましくは、第１の冷媒と任意の第２の冷媒を第１の熱交換器に供給する前に、予冷熱交換器において予冷する。

特に好ましい実施態様によると、第１の熱交換器から取り出された冷却された炭化水素流は、−２０℃より低く、好ましくは−６０℃より低く、好ましくは−１００℃より高い温度を有する。次に、第１の熱交換器から取り出された冷却された炭化水素流を第２の熱交換器（及び随意に別の熱交換器）において好ましくは更に冷却することで、ＬＮＧなどの液化された炭化水素流を得ることができる。必要なら、例えば過冷されたＬＮＧ流を得るために更なる冷却を行ってもよい。

ここに記載の方法を実行するのに適した装置は、
- 炭化水素流の入口及び冷却された炭化水素流の出口、第１の冷媒の入口及び出口、任意の第２の冷媒のための任意の入口及び任意の出口、並びに膨張した第１の冷媒の入口及び少なくとも部分的に蒸発した第１の冷媒の出口を有する第１の熱交換器；及び
- 第１の冷媒のための第１の熱交換器の出口と膨張した第１の冷媒のための入口との間にて第１の熱交換器において熱交換された第１の冷媒を膨張させるための膨張器；
を備え得る。

さらに、第１の冷媒及び任意の第２の冷媒を第１の熱交換器に供給する前に予冷することができる予冷熱交換器を設けてもよい。

随意に、本装置は、液化された炭化水素流を得るために第１の熱交換器から取り出された冷却された炭化水素流を更に冷却する第２の熱交換器を更に備えてもよい。

図１は、天然ガスなどの炭化水素流１０を冷却するための第１の比較態様に基づいたプロセス構成（及び参照番号１により全体的に示されたプロセスを実行するための装置）を概略的に示す。図１のプロセス構成は第１の熱交換器２と第１の予冷熱交換器３と第２の予冷熱交換器４とを含む。さらに、このプロセス構成は絞り弁７、８及び９と流れスプリッター１１と前記２つの空冷又は水冷装置１３、１４とを含む。当業者ならば、必要なら別の要素が存在してもよいことが容易に分かるであろう。

周囲冷却装置１３（空冷装置又は水冷装置とし得る）から出てきた後の第１の冷媒流１３０の温度である冷媒温度と比較して、相対的に低い開始温度（例えば１０℃より低く、好ましくは０℃より低い）にて炭化水素流が供給される。

第１の比較態様によると、管路１７０ａと入口３４を介して第１の予冷熱交換器３に流入することができる（周囲以外の）媒体によって、周囲により冷却された第１の冷媒を第２の冷媒と共に第１の予冷熱交換器３において更に予冷する。炭化水素流は第２の予冷熱交換器４において予冷する。炭化水素流は第１の予冷熱交換器３のおいては予冷しない。よって、この比較態様では、第１の予冷熱交換器と第２の予冷熱交換器とが並列に配置される。

次に、予冷された第１の冷媒（１４０）及び第２の冷媒（２４０）と予冷された炭化水素流３０とを第１の熱交換器２（この比較態様では第１の共通熱交換器と理解される）において一緒に冷却する。

予冷された炭化水素流は、冷媒温度より低い炭化水素供給温度にて第１の熱交換器２に供給する。予冷された第１の冷媒は、（前記第１の予冷熱交換器３における予冷により）冷媒温度より低い冷媒供給温度にて第１の熱交換器２に供給する。また、炭化水素供給温度と冷媒供給温度との温度差は６０℃より小さい。

図１によるプロセス構成の使用中、天然ガスを含有した炭化水素流１０を、特定の入口圧力及び入口温度にて第２の予冷熱交換器４の入口４１に供給する。この場合、入口温度が炭化水素開始温度である。一般に、第２の予冷熱交換器４の入口圧力は、１０〜１００バールとなり、好ましくは３０バールより大きく、さらに好ましくは７０バールより大きい。通常、炭化水素流１０の温度は３０℃より低く、好ましくは１０℃より低く、より好ましくは５℃より低く、いっそう好ましくは０℃より低い。

必要なら炭化水素流１０を第２の予冷熱交換器４に供給する前に更に前処理しておいてもよい。一例として、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、及びプロパンの分子量又はそれより大きい分子量を有する炭化水素成分を、炭化水素流１０から少なくとも部分的に除去しておいてもよい。

第２の予冷熱交換器４において、（入口４１に供給された）炭化水素流１０を、第２の予冷熱交換器４中で蒸発する第１の冷媒流１８０ａとの熱交換により予冷し、炭化水素流１０から熱を除去する。続いて、炭化水素流を第２の予冷熱交換器４から（出口４５にて）流れ３０として取り出し、更なる冷却のために（第１の予冷熱交換器３は迂回しつつ）第１の熱交換器２に送る。このために、流れ３０を第１の熱交換器２の入口２１に送り、第１の熱交換器２中で蒸発する第１の冷媒（の流れ１５５）との熱交換により再度冷却して炭化水素流３０から熱を除去し（同様に入口２２に供給される第１の冷媒１４０と入口２３に供給される第２の冷媒２４０とからも熱を除去し）、冷却された炭化水素流４０として取り出す。好ましくは、第１の熱交換器２から（出口２５にて）取り出された冷却された炭化水素流４０は、−２０℃より低く、好ましくは−６０℃より低く、好ましくは−１００℃より高い温度を有する。

図４に概略示されているように、冷却された炭化水素流４０を更に冷却してＬＮＧなどのような液化された炭化水素流（図４中の流れ５０）を得ることもできる。

第１の冷媒と第２の冷媒とは、別々の閉じた冷媒循環（図１において全部は図示せず）にて循環させるのが好ましく、多成分冷媒流であるのが好ましい。

圧縮機（図示せず）から第１の冷媒流１１０を得て、（任意の冷却後に）空冷又は水冷装置１３にて冷却し、流れ１３０として（入口３２にて）第１の予冷熱交換器３に供給する。第１の予冷熱交換器３を通過後、第１の冷媒１３５をスプリッター１１及び１２にて３つの分流１４０、１７０及び１８０に分割する。

スプリッター１１及び１２は通常は従来のスプリッターなので、同じ組成を有する少なくとも２つの流れが得られる。また、スプリッター１１及び１２を単一のスプリッターに代えて、少なくとも３つの分流１４０、１７０及び１８０を得ることもできる。

第１の分流１４０は第１の熱交換器２に送り（入口２２にて供給）、第２の分流１７０と第３の分流１８０は（膨張器８及び９において）膨張させて第１の予冷熱交換器３と第２の予冷熱交換器４にそれぞれ送る。

第１の冷媒の第１の分流１４０は、第１の熱交換器２に通し、膨張器７において膨張させ、流れ１５５として第１の熱交換器２の入口２４に送り、少なくとも部分的に蒸発させることで流れ３０、１４０及び２４０から熱を除去し、出口２８にて第１の熱交換器２から流れ１６０として取り出す。

膨張した第２の分流１７０ａは、入口３４にて第１の予冷熱交換器３に供給し、少なくとも部分的に蒸発させることで流れ１３０及び２３０から熱を除去し、出口３８にて第１の予冷熱交換器３から流れ１７０ｂとして取り出す。

膨張した第３の分流１８０ａは、入口４４にて第２の予冷熱交換器４に供給し、少なくとも部分的に蒸発させることで流れ１０から熱を除去し、出口４８にて第２の予冷熱交換器４から流れ１８０ｂとして取り出す。

蒸発した第１の冷媒流１６０、１７０ｂ及び１８０ｂは、再圧縮して流れ１１０を再び得るために圧縮機（図示せず）に循環させる。

第２の冷媒流２１０も圧縮機（図示せず）から得て、（任意の冷却後に）空冷又は水冷装置１４にて冷却し、流れ２３０として（入口３３にて）第１の予冷熱交換器３に供給する。第１の予冷熱交換器３を通過後、第２の冷媒を流れ２４０として第１の熱交換器２に送る（入口２３にて供給）。次に、第２の冷媒を第１の熱交換器２に通して出口２７にて流れ２５０として取り出す。図４に示されるように、第２の冷媒流２５０は、炭化水素流４０を更に冷却するための第２の熱交換器５に送る。

好ましくは、炭化水素流３０と、第１の冷媒流１４０及び第２の冷媒流２４０のうちの少なくとも一方との温度差は、入口２１、２２、２３にて第１の熱交換器２に供給する直前では、１０℃より小さく、好ましくは５℃より小さい。好ましくは流れ３０、１４０、２４０の温度は実質的に同じである。

表Ｉは、図１のプロセス例における種々の部分での流れについて概算した圧力及び温度の概要を示す。図１の管路１０における炭化水素流はほぼ次の組成：９２．１モル％のメタン、４．１モル％のエタン、１．２モル％のプロパン、０．７モル％のブタン及びペンタン、並びに１．９モル％のＮ_２から成る。Ｈ_２Ｓ及びＨ_２Ｏなどの他の成分は事前にほぼ除去した。流れ１１０、２１０中の第１の冷媒と第２の冷媒は両方とも多成分冷媒であった。流れ１１０は実質的にメタンと（大部分は）エタンとから成り、流れ２１０は実質的にエタンとプロパンとＮ_２と（大部分は）メタンとから構成されていた。

図１の実施態様の重要な利点は、第１の熱交換器２への供給時に炭化水素流３０と第１の冷媒及び第２の冷媒１４０、２４０との温度差が１０℃より小さく、好ましくは５℃より小さいことにより、第１の熱交換器２における熱応力量が小さくなることである。好ましくは（表Ｉに示されているように）これらの温度は実質的に同じ（すなわち−２５℃）である。このことは、並列の熱交換器において、一方において流れ１０を（第２の予冷熱交換器４において）冷却し、他方において流れ１１０及び２１０を（第１の予冷熱交換器３において）冷却することにより実現した。よって、炭化水素流１０又は３０は第１の予冷熱交換器３においては予冷されず、それを迂回する。

図２は本願発明の実施態様を示し、これも第１の熱交換器２における熱応力量を小さくするが、同時に炭化水素流１０中の冷たさのいくらかを用いて第１の冷媒１２０及び第２の冷媒流２２０を冷却し、その結果、第１の冷媒と第２の冷媒を冷却するのに必要な冷却能力が削減される。

この実施態様によると、第１の冷媒と第２の冷媒の両方を第１の予冷熱交換器３と第２の予冷熱交換器４において予冷する。炭化水素流１０は、第２の予冷熱交換器４において熱交換を行い、第１の予冷熱交換器３において冷却する。第１の予冷熱交換器３は第２の予冷熱交換器４と第１の熱交換器２との間に置かれる。

（冷却装置１３において周囲によって冷却した後の）管路１２０中の冷媒温度より低い開始温度で炭化水素流１０を受け入れた場合には、第２の予冷熱交換器４における炭化水素流１０の熱交換によって炭化水素流が加熱される。そこで炭化水素流１０は周囲以外の冷却媒体として作用し、この冷却媒体によって、（冷却装置１３、１４において周囲によって冷却した後に）第１の冷媒流と第２の冷媒流とを更に冷却する。

炭化水素流を第２の予冷熱交換器において加熱する場合には、第１の予冷熱交換器３が第１の共通熱交換器であると理解される。というのは、第１の予冷熱交換器３の上流では炭化水素流と第１の冷媒流とが一緒に冷却されないからである。

図２の実施態様では、第２の予冷熱交換器４はシェルアンドチューブ型熱交換器の形をなし、炭化水素流１０の入口４１はシェル側にあるが、入口４２（第１の冷媒流１２０用）と入口４３（第２の冷媒流２２０用）はシェル側にはない。図１の実施態様とは逆に、図２では第２の予冷熱交換器４において第１の冷媒流１２０及び第２の冷媒流２２０と炭化水素流１０とを熱交換させる。

さらに、第２の予冷熱交換器４において第１の冷媒（図１に図示された流れ１８０ａ）の一部を蒸発させる代わりに、炭化水素流１０の冷たさを用いて第１の冷媒流１２０と第２の冷媒流２２０を冷却する。流れ１２０と流れ２２０（図２に図示）に対して向流にて炭化水素流１０を第２の予冷熱交換器４に通すのが好ましいけれども、並流にて行うこともできる。

第２の予冷熱交換器４を通過後、加熱された炭化水素流２０と冷却された第１の冷媒流１３０と冷却された第２の冷媒流２３０とを（それぞれ出口４５、４６及び４７にて）第２の予冷熱交換器４から取り出し、（実質的に同じ温度を有しつつ）第１の予冷熱交換器３に送る。よって、図２の実施態様では、炭化水素流は第１の予冷熱交換器３を迂回しないが、流れ２０として炭化水素供給温度にて入口３１に供給し、第１の予冷熱交換器３の出口３５から取り出した後、流れ３０として第１の熱交換器２に送る。

注目すべきは、図２の実施態様によると、流れ３０、１４０、２４０の温度だけでなく、第１の予冷熱交換器３に供給する直前の流れ２０、１３０、２３０の供給温度も実質的に同じになり、その結果、第１の予冷熱交換器３だけでなく第１の熱交換器２においても熱応力が最小限に抑えられることである。

表ＩＩは、図２のプロセス例における種々の部分での流れについて概算した圧力及び温度の概要を示す。管路１０中の炭化水素流と流れ１１０中の第１の冷媒は図１における場合と同じ組成を有する。流れ２１０は図１における場合と同じ成分から構成されていたが、各種成分の比は異なっていた。

図３は第２の比較態様を示す。この第２の比較態様によると、それぞれの冷却装置１３、１４において周囲によって冷却した後、第１の冷媒１２０と任意の第２の冷媒２２０の両方を第１の予冷熱交換器（３）と第２の予冷熱交換器（４）において予冷する。第１の予冷熱交換器３は第２の予冷熱交換器４と第１の熱交換器２との間に置かれる。

さらに、第１の冷媒を第２の予冷熱交換器４に通した後、スプリッター１７により少なくとも２つの分流（１３０、１９０）に分割する。この少なくとも２つの分流のうち第１の分流１３０を第１の予冷熱交換器に送り、少なくとも２つの分流のうち第２の分流１９０を膨張器１６により膨張させて第２の予冷熱交換器４に戻し、その際に膨張した第２の分流１９０ａを第２の予冷熱交換器４において少なくとも部分的に蒸発させる。

このように、第１の冷媒は、（第１の冷媒１２０と第２の冷媒２２０を更に冷却する）周囲以外の媒体を形成する。

この点に関し、第１の冷媒からなる膨張した第２の分流１９０ａが第２の予冷熱交換器４において蒸発するときの圧力は、膨張した第１の冷媒１７０ａが第１の予冷熱交換器３において蒸発するときの圧力よりも高い方が好ましい。

図３に示された比較態様によると、炭化水素流１０は第２の予冷熱交換器４を迂回して第１の予冷熱交換器３に送られ、第１の冷媒流１７０ａによって冷却される。第１の予冷熱交換器３において第１の冷媒流１７０ａが少なくとも部分的に蒸発することで、第１の冷媒流１３０と第２の冷媒流２３０からだけでなく炭化水素流１０からも熱を除去する。よって、この比較態様では、第１の予冷熱交換器３が第１の共通熱交換器であると理解される。

第１の冷媒と第２の冷媒の両方を、第１の予冷熱交換器（３）と第２の予冷熱交換器（４）において予冷する。第１の予冷熱交換器３は第２の予冷熱交換器４と第１の熱交換器２との間に置かれる。第２の予冷熱交換器４を通過後に第１の冷媒をスプリッター１７にて少なくとも２つの分流１３０、１９０に分割し、そのうちの第１の分流１３０を第１の予冷熱交換器３に送り、第２の分流１９０を膨張させて第２の予冷熱交換器４に戻し、その際に、膨張した第２の分流１９０ａを第２の予冷熱交換器４において少なくとも部分的に蒸発させる。

好ましくは、第１の冷媒１３０の膨張した第２の分流１９０ａが第２の予冷熱交換器４において蒸発するときの圧力は、膨張した第１の冷媒１７０ａが第１の予冷熱交換器３において蒸発するときの圧力よりも高い。

流れ１３０及び２３０が実質的に同じ温度を確実に有するようにするため、第１の冷媒流１３０と第２の冷媒流２３０を第２の予冷熱交換器４において（冷却装置１３及び１４でそれぞれ冷却した後の流れ１２０及び２２０として）事前に冷却しておく。

このために、第１の冷媒流１３０をスプリッター１７にて分割して少なくとも１つの追加の分流１９０を得て、この追加の分流１９０を膨張器（ここでは絞り弁１６）を用いることによって膨張させる。膨張した第１の冷媒流１９０ａは、第１の冷媒流１２０と第２の冷媒流２２０から熱を除去するために第２の予冷熱交換器４の入口４９に接続され、それにより（入口４９にて第２の予冷熱交換器４に供給された後）少なくとも部分的に蒸発させ、蒸発した流れ１９０ｂを得る。完全を期すため、第１の分流１３０は第１の予冷熱交換器３の入口３２に接続されることを述べておく。

好ましくは、膨張した第１の冷媒流１９０ａ、１７０ａ、１５５が蒸発するときの圧力は、第２の予冷熱交換器４から第１の予冷熱交換器３、予冷熱交換器２へと減少する。このことは、特に炭化水素流１０が非常に冷たい場合に有利である。というのは、冷却能力の一部が、相対的に高い圧力にて動作している第２の予冷熱交換器４に移されるからである。このことにより、蒸発した第１の冷媒流１６０、１７０ｂ、（利用できるなら１８０ｂ；図２参照）及び１９０ｂが再圧縮のために循環される圧縮装置（図示せず）において、圧縮パワーが軽減される。

表ＩＩＩは、図３のプロセス例における種々の部分での流れについて概算した圧力及び温度の概要を示す。管路１０中の炭化水素流と流れ１１０中の第１の冷媒は図１における場合と同じ組成を有する。流れ２１０は図１における場合と同じ成分から構成されていたが、各種成分の比は異なっていた。

本発明の実施態様で好ましいのは、第１の予冷熱交換器３における冷却の直前での炭化水素流（図２の２０）と第１の冷媒（１３０）及び第２の冷媒（２３０）との温度差が好ましくは１０℃より小さく、好ましくは５℃より小さいことである。

さらに、図１、２及び３の態様において共通しているのは、第１の予冷熱交換器３の通過後に第１の冷媒１３５を少なくとも２つの分流（例えば１４０、１７０、１８０）に分割することである。

本装置は第１の冷媒１３５を前記の少なくとも２つの分流に分割するためのスプリッター１１を備え得る。この少なくとも２つの分流のうち第１の分流１４０は、第１の熱交換器２に送るために第１の熱交換器の入口２２に接続し得る。２つの分流のうち第２の分流１７０は、膨張させて第１の予冷熱交換器３に戻すために膨張器８を介して第１の予冷熱交換器３の入口３４に接続し得る。一方、膨張した第２の分流１７０ａは第１の予冷熱交換器３において少なくとも部分的に蒸発させる。好ましくは、第１の冷媒１４０の膨張した第２の分流１７０ａが第１の予冷熱交換器３において蒸発するときの圧力は、膨張した第１の冷媒１５５が第１の熱交換器２において蒸発するときの圧力よりも高い。

第３の分流１８０は、膨張させた後に第２の予冷熱交換器４に送るために膨張器９によって第２の予冷熱交換器４の入口４４に接続し得る。一方、膨張した第３の分流１８０ａは第２の予冷熱交換器４において蒸発させる。これは図１に概略的に示されている。

図４に概略示されているように（図４では理解を容易にするため第１の冷媒は省略してある）、冷却された炭化水素流４０を少なくとも第２の熱交換器５において更に冷却し又は液化してＬＮＧなどの液化された炭化水素流５０を得ることもできる。図４の実施態様では、図１において得られた第２の冷媒流２５０をこの目的のために膨張器１５において膨張させ、冷却された炭化水素流４０から熱を除去すべく蒸発させる。流れ２１０を再び得るために、蒸発した第２の冷媒流２６０を再圧縮し冷却してもよい（図示せず）。

当業者ならば、本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更を行い得ることを容易に理解するであろう。一例として、第１の熱交換器及び第２の熱交換器だけでなく第１の予冷熱交換器及び第２の予冷熱交換器も、スプール巻型熱交換器又はプレートフィン型熱交換器を含めて任意の種類の熱交換器とすることができる。さらに、各熱交換器が一連の熱交換器を含んでもよい。

米国特許第６，３７０，９１０号

１ 炭化水素流の冷却装置
２ 第１の熱交換器
３ 第１の予冷熱交換器
４ 第２の予冷熱交換器
７、８、９ 膨張器（絞り弁）
１０ 炭化水素流
１１、１２ スプリッター
１４、１３ 空冷又は水冷装置
１１０ 第１の冷媒流
２１０ 第２の冷媒流

Claims (10)

1. 天然ガスなどの炭化水素流を冷却する方法であって、
   前記炭化水素流と第１の冷媒流とを連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器において蒸発する冷媒によって一緒に冷却し、前記一連の共通熱交換器が第１の共通熱交換器を含み、前記第１の共通熱交換器の上流では前記炭化水素流と前記第１の冷媒流とは一緒に冷却されず、前記方法が、
   （ａ）第１の冷媒流を圧縮して圧縮された第１の冷媒流を得る工程；
   （ｂ）前記圧縮された第１の冷媒流を周囲の空気または周囲の水によって冷却して或る冷媒温度にする工程；
   （ｃ）第２の予冷熱交換器において冷却すべき炭化水素流を前記冷媒温度よりも低い開始温度にて受け、および前記炭化水素流を前記第２の予冷熱交換器に通す工程；
   （ｄ）その後、前記炭化水素流を前記冷媒温度よりも低い炭化水素供給温度にて、前記第１の共通熱交換器である第１の予冷熱交換器に供給する工程；
   （ｅ）前記工程（ｂ）の冷却後に、前記第２の予冷熱交換器において前記炭化水素流による熱交換によって前記第１の冷媒流の温度を更に低下させ、これにより前記炭化水素流を加熱する工程；
   （ｆ）前記工程（ｅ）の熱交換の後に前記冷媒温度より低い冷媒供給温度にて前記第１の冷媒流を前記第１の共通熱交換器に供給する工程であって、前記炭化水素供給温度と前記冷媒供給温度との温度差が６０℃より小さい前記工程；
   （ｇ）前記連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器において蒸発する冷媒によって前記炭化水素流と前記第１の冷媒流とを一緒に冷却する工程；ここで前記第１の共通熱交換器への前記炭化水素流の前記供給工程の上流にて冷却すべき前記炭化水素流が周囲の空気または周囲の水以外の媒体である、
   を少なくとも含む、前記方法。
2. 前記温度差が５℃より小さい請求項１に記載の方法。
3. 前記温度差が前記開始温度と前記冷媒温度との初期の温度差よりも小さい請求項１又は２のいずれか一項に記載の方法。
4. （ｈ）前記連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器から前記炭化水素流を冷却された炭化水素流として取り出す工程、
   を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 第２の冷媒を前記第１の共通熱交換器に供給することを更に含む請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の冷媒流及び炭化水素流に加えて、工程（ｇ）において前記第２の冷媒も一緒に冷却する、請求項５に記載の方法。
7. 前記第２の冷媒を前記第１の共通熱交換器に供給する前に、前記第２の冷媒流を圧縮して圧縮された第２の冷媒流を得、周囲の空気または周囲の水によって冷却し、周囲の空気または周囲の水以外の媒体との熱交換により更に冷却する、請求項５又は６に記載の方法。
8. （ｉ）工程（ｈ）において取り出された前記冷却された炭化水素流を少なくとも第２の熱交換器において更に冷却して液化された炭化水素流を得る工程、
   を含む請求項４〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 蒸発する冷媒によって前記炭化水素流と前記第１の冷媒流とを一緒に冷却する前記工程が、
   前記第１の冷媒を前記第１の共通熱交換器から取り出し；
   それを膨張させ；
   それを前記第１の共通熱交換器に戻し、膨張した第１の冷媒を前記第１の共通熱交換器において少なくとも部分的に蒸発させることで前記炭化水素流及び少なくとも前記第１の冷媒流から熱を除去する、
   ことを含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. - 第１の冷媒流；
    - 前記第１の冷媒流を圧縮して圧縮された第１の冷媒流を得るための圧縮機；
    - 前記圧縮された第１の冷媒流を周囲の空気または周囲の水によって冷却して或る冷媒温度にするための周囲冷却装置；
    - 冷却すべき炭化水素流を前記冷媒温度より低い開始温度にて供給するための炭化水素供給源；
    - 前記圧縮され冷却された第１の冷媒流を受け入れ、前記冷却すべき炭化水素流との熱交換によって前記第１の冷媒流の温度を更に低下させるための第２の予冷熱交換器；
    - 少なくとも前記炭化水素流と前記第１の冷媒流を受け入れて一緒に冷却するための、連続的に配置された１以上の一連の共通熱交換器であって、前記一連の共通熱交換器が第１の共通熱交換器を含み、前記第１の共通熱交換器の上流には前記炭化水素流と前記第１の冷媒流を一緒に冷却できる他の共通熱交換器は存在しない前記一連の共通熱交換器、ここで前記第１の共通熱交換器は第１の予冷熱交換器であり；
    - 前記第２の予冷熱交換器から前記炭化水素流を前記冷媒温度より低い炭化水素供給温度にて受け入れるための、前記第１の共通熱交換器における炭化水素入口；
    - 前記冷媒温度より低い冷媒供給温度にて前記第１の冷媒を前記第２の予冷熱交換器から受け入れるための、前記第１の共通熱交換器における第１の冷媒入口であって、前記炭化水素供給温度と前記冷媒供給温度との温度差が６０℃より小さい前記第１の冷媒入口；ここで、前記第１の共通熱交換器の上流にて冷却すべき前記炭化水素流が周囲の空気または周囲の水以外の媒体である、
    を備える、天然ガスなどの炭化水素流を冷却するための装置。