JP5638059B2 - 冷媒によってメタンから冷熱を回収する冷凍方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、非常に低温の冷熱回収の分野に属するもので、冷熱源は、例えば、液化天然ガス用タンカーからの移し替えの際に得られる加圧された液体メタンである。

なお、通常メタンは大気圧下でタンカー輸送されるが、その際の熱損失は、大気圧下で沸騰するメタンによって補償される。

タンカーが荷揚げ港に到着すると、液体メタンを通常６メガパスカル（ＭＰａ）に圧縮するポンプによって、メタンが抜き取られる。

この液相の圧縮に要するエネルギーは、天然ガスを一次的供給網内に供給するために気相を圧縮するのに要するエネルギーの約３０分の１ですむため、数百キロメータに及ぶガスの流れに伴う水頭損失を補償することができる。

実際には、液化メタンは、海中に沈めた熱交換器内で約１５℃まで加熱された後、加圧下で供給網へと送られる。

回収可能な冷熱パワーは、数十メガワットに及ぶ。

これまでのところ、このような冷熱はほとんど利用されていない。

好ましいが非限定的な実施形態において、本発明は、排ガス、もしくはもっと一般的にはどのようなガスでも、そこに含まれる二酸化炭素を凍結によって捕集するために、メタンから回収された冷熱を利用することを提案している。

メタンの流量と二酸化炭素を含むガスの流量とが独立していることを考えると、このような利用には特定の制約がかかるということが当業者にはわかるだろう。

そこで、本発明は、液相の圧縮によって得られるメタンの冷熱を回収するためのシステムであって、メタンの流量と二酸化炭素を含むガスの流量との間に全く相関関係がないとみなされる場合に、凍結によって二酸化炭素を捕集するのに用いることのできるシステムを提供することを目的としている。

米国特許出願公開第２００７／０１８６５６３（Ａ１）号明細書および国際公開第０２／０６０５６１（Ａ１）号パンフレットはそれぞれ、メタンから冷熱を回収する方法、並びにエネルギー生成ユニットの排ガスから二酸化炭素を捕集する冷凍方法について記載している。

米国特許出願公開第２００７／０１８６５６３（Ａ１）号明細書 国際公開第０２／０６０５６１（Ａ１）号パンフレット

本発明は、第１の側面において、カスケード状に配置された複数の熱交換器を備えた冷凍システムであって、前記熱交換器はそれぞれ、
・冷熱を生成する液化メタンの流れと、
・自身の熱を放出するとともに、標準沸点の低い複数の冷媒を含む、複数の冷媒からなる二相混合物の高圧の流れと、
・冷熱を生成する前記複数の冷媒からなる二相混合物の低圧の流れと、
を含む冷凍システムを提供する。

本発明の特定の実施形態において、上記沸点は通常−８０℃〜−１６０℃の範囲内にある。

よって本発明により、複数の冷媒からなる混合物を用いた冷凍システムに組み込まれたカスケード状の複数の熱交換器内で、液化メタンから冷熱を回収することが可能になる。

本発明は、メタンの流れ、複数の冷媒からなる混合物の凝縮する流れ、複数の冷媒からなる混合物の蒸発する流れ、という少なくとも３つの異なる流れが通過する複数の熱交換器内で、液化メタンが蒸発するか自身の液体または気体の顕熱を移すことにより、自身の冷熱を放出するという事実により特徴づけられている。

また、本発明による、液化メタンから冷熱を回収するためのシステムは、冷熱を生成する、すなわち熱を吸収する２つの流れと、熱を供給する１つの流れとを処理する複数の熱交換器を備えていることを特徴とする。

メタンは、超臨界圧下または未臨界圧下にあってもよい。メタンは、凝縮またはサブクールされる複数の冷媒からなる二相混合物の流れとは逆向きに、複数の熱交換器内を流れる。

未臨界圧下にあるとき、メタンは超臨界領域において加熱されるか、二相領域において蒸発する。

このような冷却と並行して、同じ熱交換器内で、凝縮される複数の冷媒からなる混合物の流れは、その複数の冷媒からなる混合物の流れの一部によって部分的な冷却もなされる。

好ましい実施形態において、本発明の冷凍システムは、前記複数の冷媒からなる混合物の加圧された液相を得るための、少なくとも１つの分離器と、前記液相の圧力を下げるのに適した膨張機と、前記膨張した液相の少なくとも一部を冷熱を生成する複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れへと転送するための手段とを備えている。

この特徴により、カスケード内のある熱交換器内で低圧の流れを調整することができるため、その熱交換器内で高圧の流れの凝縮レベルと温度を調節することが可能になる。

特定の実施形態において、本発明の冷凍システムは、
・前記冷却された高圧の流れを前記カスケードの出口で膨張させるとともに、少なくともその流れの一部を、凍結サイクルで動作中の、二酸化炭素を含むガスが通過する少なくとも１つの冷凍用熱交換器へと導くための手段、
を備えている。

特定の実施形態において、本発明の冷凍システムは、
・前記冷却すべき高圧の流れから液相を得るための手段と、
・前記液相を膨張させるとともに、少なくともその一部を、解凍サイクルで動作中の、前記少なくとも１つの冷凍用熱交換器へと導くための手段と、
を備えている。

解凍サイクルで動作中の前記冷凍用熱交換器の出口で得られる複数の冷媒からなる前記混合物の少なくとも一部が、前記カスケードの１つ以上の熱交換器の入口で、複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れを補充するのに、有益に用いられてもよい。

特定の実施形態において、熱交換器は、凍結サイクルと解凍サイクルとで交互に動作するよう制御される。

よって本発明により、凍結モードと解凍モードとで交互に動作する冷凍用熱交換器における逆昇華により二酸化炭素を捕集することができる。よって本発明は、国際公開第０２／０６０５６１（Ａ１）号パンフレットに記載された統合型カスケードシステムの改良版を構成する。

特定の実施形態において、複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れは、前記冷凍用熱交換器が凍結サイクルで動作しているとき、その冷凍用熱交換器の出口で、複数の冷媒からなる前記混合物の流れから実質的に得られる。

特定の実施形態において、本発明の冷凍システムは、前記冷凍用熱交換器の出口で、複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れの液相の一部を抜き取るための手段を備えている。

この特徴は、（−１５８℃から＋１５℃まで加熱する必要のある）メタンの流量が、本システムの冷凍に必要な量に比べて過剰な場合に必要となる、調整のための追加要素を構成している。

特定の実施形態において、本発明の冷凍システムは、
・前記高圧の液相を圧縮する手段と、
・前記高圧の液相を気化させるのに適した１つ以上の蒸発器と、
・機械的エネルギーを生成するために、前記高圧の気体を膨張させるためのタービンと、
を備えている。

特定の実施形態において、本発明の冷凍システムは、
・前記カスケードの出口で前記低圧の流れを圧縮するのに適した可変周波数圧縮機と、
・前記カスケードへ導入すべき前記高圧の流れを再生成するために、前記圧縮機により圧縮された複数の冷媒からなる混合物を凝縮するのに適した部分凝縮器と、
を備えている。

特定の実施形態において、この部分凝縮器は、タービンでの膨張の前に、高圧の液相を気化させるのに用いられる蒸発器／凝縮器である。

非常に有益な態様では、冷熱回収は、二酸化炭素捕集システムの動作と、メタンの冷熱流の利用可能性とに応じて調整可能である。

本発明の冷凍システムは、特に、
・メタンからの冷熱を定格通り回収しつつ、排ガスもしくはガスの定格流量を処理するため、二酸化炭素捕集システムを全負荷で動作させる、
・メタンからの冷熱の回収を減らして、二酸化炭素捕集システムを全負荷で動作させる、または、
・メタンからの冷熱を定格通り回収しつつ、二酸化炭素捕集システムの負荷を減らして動作させる、
のに適している。

事実、非常に有益な態様では、本発明の冷凍システムは、メタンの流量にかかわらず、また二酸化炭素捕集システムにより処理される排ガスまたはガスの流量にかかわらず、常にメタンを加熱することができる。

より正確には、仮にメタンの流量をゼロまで減らすと、熱交換器は、蒸発する混合物の流れの一部と、凝縮する混合物の一部との間だけで動作する。

一方、メタンの流量がゼロより大きくなるとすぐに、複数の冷媒からなる混合物の蒸発量が調整されるが、それでもまだ混合物は流れており、仮にメタンからの冷熱が、冷凍システムが必要とする量に比べて過剰な場合でも、メタンはやはり加熱され、余った冷熱は、複数の冷媒からなる混合物により生成される機械的エネルギーに転換される。

なお、メタンを下層土から抽出して輸送するために、パイプラインによる輸送か、タンカーによる輸送のいずれかが用いられる。

第１の解決法では、圧縮ステーションによって、数百キロメータにわたって気相のメタンを圧縮するのに多大なエネルギーを必要とする。

第２の解決法では、多大なエネルギーを消費する冷凍システムによってメタンを−１６１℃まで冷却するために、エネルギーを費やす必要がある。メタンの移し替えの際も、この冷熱は常に利用可能である。本発明によれば、統合型カスケードの熱交換器内でメタンから冷熱を回収することにより、多大なエネルギーを節約することができるため、もはやそのようなエネルギーを圧縮機によって生成する必要はない。

また、本発明は、液化メタンの流れから冷熱を回収する方法であって、自身の熱を放出するとともに、標準沸点の低い複数の冷媒を含む、複数の冷媒からなる二相混合物の高圧の流れと、冷熱を生成する前記複数の冷媒からなる二相混合物の低圧の流れとが通過する複数の熱交換器の中を、前記流れを流す方法も提供する。

液化メタンの流れから冷熱を回収する、この方法の特定の利点および特徴は、本発明の冷凍システムの利点および特徴と同じであるため、ここでは繰り返さない。

本発明の他の特徴および利点は、図１および図２を参照した以下の説明によって明らかになる。

図１は、本発明の特定の実施形態に係る冷凍システムを示している。 図２は、本発明の特定の実施形態に係る、液化メタンの流れから冷熱を回収する方法の主な工程を、フローチャートの形で示している。

図１は、本発明の特定の実施形態に係る冷凍システムを示している。図２は、本発明の特定の実施形態に係る、液化メタンの流れから冷熱を回収する方法を図示している。

ここに記載する実施形態において、冷凍システム１は、カスケード状に配置された３つの熱交換器Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を備えている。

本発明によると、これら熱交換器はそれぞれ、３つの流れ、すなわち、
・入口１から熱交換器Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に入り、出口２から出て行く冷熱供給メタンの流れ１５０と、
・入口３から熱交換器Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に入り、部分的もしくは完全に凝縮され、出口４から出て行く、複数の冷媒からなる混合物の高圧の流れ１２２と、
・入口５から熱交換器Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に入り、蒸発し、出口６から出て行く、上記と同じ複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００と、
を含んでいる。

ここに記載する実施形態において、複数の冷媒からなる混合物の高圧の流れ１２２は、各熱交換器Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の中を、メタンの流れ１５０と、複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００とは逆向きに流れる。カスケード内のこれら３つの流れの循環については、図２のＳ１０に示されている。

メタンは、その臨界圧（４．５６ＭＰａ）より高い圧力下、または未臨界圧下のいずれにあってもよい。

メタンが超臨界圧下にあるときは、サブクールされた液体状態か凝縮された気体状態のいずれかにある。

事実、ポンプシステムにより吸入された、−１６１℃、圧力０．１ＭＰａのメタンは、タンカーの出口で、臨界圧より高い、通常６ＭＰａ〜８ＭＰａの圧力まで圧縮される。この液相の圧縮に伴う温度上昇は非常に限られており、通常３Ｋ（ケルビン）である。

圧縮後には、温度−１５８℃、圧力６ＭＰａまたは８ＭＰａのメタンが利用可能となる。

ここに記載する実施形態において、超臨界メタンの流れ１５０は、カスケード状に配置された熱交換器Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１をこの順番で通過する。

超臨界メタンの流れ１５０と、複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００とは加熱され、複数の冷媒からなる混合物の高圧の流れ１２２は、他の２つの流れ１５０および１００から冷熱を吸収して、冷却される。

メタン１５０と、複数の冷媒からなる混合物の高圧の流れ１２２との間の熱交換は、
・超臨界メタンと、凝縮する複数の冷媒からなる二相混合物との間または、
・超臨界メタンと、サブクールされる複数の液状冷媒からなる混合物との間、
のいずれかでおこなわれる。

ここに記載する実施形態において、メタンの流れ１５０は、約−１５８℃（熱交換器Ｅ３の入口温度）から、約＋１５℃（熱交換器Ｅ１の出口温度）まで加熱される。

−１５８℃から１５℃まで変化する間に、メタンは約８００ｋＪ／ｋｇ（１キログラム当たり８００キロジュール）の熱を放出する。

従って、メタンを燃料としてタービンに投入する場合、未臨界圧、例えば、３．２ＭＰａで、メタンの冷熱を回収することができる（ステップＳ６０）。本実施形態において、メタンが放出する熱は、
・−１５３℃から−９４℃までに２５０ｋＪ／ｋｇ（サブクールされた液体メタンが飽和液点まで加熱される）、
・−９４℃での蒸発により２５０ｋＪ／ｋｇ、
・−９４℃から＋１５℃までに１９０ｋＪ／ｋｇ、
である。

いずれにせよ、ほとんどの用途において、メタンの流れ１５０は規制されないということを忘れてはならない。

複数の冷媒からなる混合物の高圧の流れ１２２は、メタン、エタン、エチレンといった標準沸点の低い冷媒からなっている。

ここに記載する実施例において、混合物１２２は、メタン１５％、エタン３０％、プロパン１５％、ブタン４０％からなる。

ここに記載する実施例において、本発明の冷凍システム１は、熱交換器Ｅ１の上流に部分凝縮器２００を備えている。この凝縮器は、例えば温度２０℃で、本冷凍システム１の高圧である２ＭＰａ〜２．５ＭＰａ程度の、複数の冷媒からなる二相状態の混合物１２０を生成するのに適している。

ここに記載する実施例において、凝縮器２００は、水の流れ２０１を使って、複数の冷媒からなる混合物１２０を部分的に冷却、凝縮する。

ここに記載する実施例において、本発明の冷凍システム１は、部分凝縮器２００の出口に分離器２１を備えている。この分離器は、二相混合物１２０を気相１２２と液相１２１に分離する（ステップＳ１２）のに適している。

気相の流れ１２２だけが、入口３から熱交換器Ｅ１に入る。

本発明によれば、気相の流れ１２２は、熱交換器Ｅ１において、メタンの流れ１５０および複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００とすれ違う。

気相の高圧の流れ１２２は、熱交換器Ｅ１において部分的に凝縮され、二相状態で出口４から出て行く。

ここに記載する実施例において、気相の流れ１２２は、約２０℃の温度で熱交換器Ｅ１に入り、通常は−４５℃で出て行く。

ここに記載する実施例において、冷凍システム１は、熱交換器Ｅ１の出口４で、二相混合物の気相１２２と液相１２３とを分離する(ステップＳ１２)のに適したもう一つの分離器３１を備えている。

分離器３１の出口から出てきた気体の流れ１２２は、入口３から熱交換器Ｅ２に入る。

高圧の気体の流れ１２２は、メタンの流れ１５０および複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００と出会うことにより、熱交換器Ｅ２において凝縮される。

ここに記載する実施例において、この凝縮は部分的なものである。

ここに記載する実施例において、気体の流れ１２２は、約−４５℃の温度で熱交換器Ｅ２に入り、メタンの流れ１５０および蒸発する複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００から冷熱を取り込んだ後、通常−８０℃の温度の二相状態で熱交換器を出て行く。

ここに記載する実施例において、熱交換器Ｅ２の出口４は、熱交換器Ｅ３の入口３と直接つながっている。流れ１００、１５０から利用可能な冷熱は、流れ１２２の凝縮を完了するのに十分なため、事実、熱交換器Ｅ２とＥ３との間で分離器を使う必要はない。

ここに記載する実施例において、二相の流れ１２２は、約−８０℃の温度で熱交換器Ｅ３に入り、メタンの流れ１５０および複数の冷媒からなる混合物の低圧の流れ１００と接触して冷却された後、通常−１００℃の温度で完全に凝縮し、液体の状態で熱交換器Ｅ３を出て行く（ステップＳ１６）。

上述したように、ここに記載する実施例において、低圧の流れ１００は、複数の冷媒からなる混合物の高圧の流れ１２２とは逆向きに、カスケードの中を通過する。

よって、この流れは、熱交換器Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１の中をこの順番に連続的に通過する。

ここに記載する実施形態において、低圧の流れ１００は、後述する凍結サイクル（ステップＳ２４）で動作中の熱交換器６１、６２から交互に出てくる。

ここに記載する実施例において、低圧の流れ１００をカスケード内に導入（ステップＳ３２）するために、４つのバルブＶ１からなるバルブセットは、熱交換器６１、６２のうちいずれか一方の出口を、熱交換器Ｅ３の入口５に接続させることができる。

ここに記載する実施例において、複数の冷媒からなる低圧の混合物の流れ１００は、気相の状態で、もしくはわずかに液体を含んだ状態で熱交換器Ｅ３に入る。

本発明によると、低圧の混合物の流れ１００は、熱交換器Ｅ３において、複数の冷媒からなる高圧の流れ１２２と接触して、加熱される。

ここに記載する実施形態において、本発明の冷凍システム１は、熱交換器Ｅ２およびＥ３の入口５において低圧の流れ１００を調整する手段を備えている。

より正確には、ここに記載する実施例において、本発明の冷凍システム１は、分離器３１によって得られた液相１２３の少なくとも一部を、５から熱交換器Ｅ２に入る低圧の流れ１００へと転送する（ステップＳ１５）手段を備えている。

本発明によると、分離器３１により得られる液相１２３は高圧（２ＭＰａ〜２．５ＭＰａの範囲）状態にあるが、この圧力は、水頭損失を除いた、凝縮器からの送り出し圧力と同じである。

ここに記載する実施例において、本発明の冷凍システム１は、結果として、熱交換器Ｅ２に導入される前に、前記液相１２３の圧力を下げる（ステップＳ１４）ための膨張調整器４９を備えている。

つまり、調整器４９により、熱交換器Ｅ２において低圧の流れ１００を調整することができ、それにより、高圧の流れ１２２の部分凝縮のレベルが調節され、この熱交換器の出口４における１２２の温度を、望ましい温度である−８０℃に保つことができる。

同様に、本発明の冷凍システム１は、本実施形態において、分離器２１によって得られた高圧の液相１２１の一部を膨張させる（ステップＳ１４）のに適した膨張調整器３９と、このようにして得られた低圧の液相を、熱交換器Ｅ１に導入される低圧の流れ１００へと導く（ステップＳ１５）パイプも備えている。

この膨張調整器３９により、高圧の流れ１２２の凝縮レベルを調節してこの熱交換器の出口４における温度を望ましい温度である−４５℃に保つために、熱交換器Ｅ１において低圧の流れ１００を調整することができる。

ここに記載する実施形態において、上記部分凝縮器２００より上流で、複数の冷媒からなる高圧の混合物１２０を再生成するために、カスケードＥ３、Ｅ２、Ｅ１の出口で得られた（ステップＳ５０）低圧の流れ１００は、圧縮器１０によって圧縮され（ステップＳ５２）、部分的に凝縮される（ステップＳ５４）。

ここに記載する実施形態において、本発明の冷凍システム１は、本冷凍システム１の圧縮器１０を駆動する電気モータの回転数を調整する周波数変換器１２を備えている。

この周波数変換器１２は、カスケードＥ１、Ｅ２、Ｅ３において、複数の冷媒からなる混合物の流れ１２０を調整することができる。

なお、ここに記載する実施形態において、カスケードＥ３、Ｅ２、Ｅ１の入口における低圧の流れ１００は、後述する凍結サイクル（ステップＳ２４）で動作中の熱交換器６１および６２により得られる。

ここに記載する実施形態において、二酸化炭素を捕集するために、メタンの冷熱を間接的に利用する。

ここに記載する実施形態において、国際公開第０２／０６０５６１（Ａ１）号パンフレットに示された原理に従い、凍結モードと解凍モードとで交互に動作する冷凍用熱交換器６１、６２における逆昇華により二酸化炭素を捕集する。

ここに記載する実施形態において、二酸化炭素を凍結させるために、カスケードの出口において、通常−１００℃の温度の複数の冷媒からなる混合物の流れ１２２を、あらかじめカスケードの出口におかれた膨張器６０によって減圧した（ステップＳ２２）後、熱交換器６１（または６２）内を流す。

また、冷凍用熱交換器６１（または６２）に析出した二酸化炭素を解凍するために、分離器２１から取り出した（ステップＳ１５）液相１２１の一部１２５を、上記の膨張調整器３９により膨張させた（ステップＳ１４）後、前記熱交換器内を流す。

上述したように、分離器２１の出口での液相１２１の温度は、約２０℃である。

ここに記載する実施例において、標準沸点の低い冷媒（エタン、メタン）の濃度が高いことと、気体の含有量が３０％超と比較的高いことを考えると、膨張器３９の出口における解凍する流れ１２５の温度は約−４０℃である。

ここに記載する実施例において、複数のバルブＶ２は、
・蒸発によって冷熱を生成する高圧の流れ１２２（二酸化炭素凍結サイクル）と、
・熱生成器からもたらされる高圧の流れ１２５（二酸化炭素解凍サイクル）と、
を交互に（具体的には１０分おきに）各熱交換器６１、６２内を循環させることができる。

上述したように、ここに記載する実施形態において、凍結サイクルにおいて、熱交換器６１、６２の出口で得られる高圧の流れ１２２は、熱交換器Ｅ１の入口５に導入される低圧の流れ１００を構成する。

ここに記載する実施形態において、解凍サイクルにおいて、熱交換器６１、６２の出口で得られる液相の低圧の流れは、ノード８３を通過して、再び熱交換器Ｅ１の入口５に合流する。その温度は変動可能で、通常−８０℃から−５０℃の範囲内にある。

ここに記載する実施形態において、本発明の冷凍システム１は、（−１５８℃から＋１５℃まで加熱しなくてはならない）メタンの流れが、本システム１が必要とする冷凍に対して過剰な場合に必要となる、調整のための追加要素を備えている。

ここに記載する実施形態において、冷凍システム１は、このような過剰を検知するために、熱交換器Ｅ１の出口６において低圧の流れ１００の温度を計測する温度プローブを備えている。事実、凍結サイクルの冷凍用熱交換器６１、６２に入る高圧の流れ１２２の冷凍パワーが、凍結に必要なパワーを十分に上回っていれば、この熱交換器６１、６２を通過した後、熱交換器Ｅ１に再度導入される二相の低圧の流れ１００においては、液体の含有率が高くなるであろう。流れ１００は、熱交換器Ｅ３で蒸発し、上記温度計で計測したその出口温度は、通常よりはるかに低くなるだろう。

ここに記載する実施形態において、余剰の液体１０１は、熱交換器Ｅ３の出口で分離器５１によって分離され（ステップＳ４０）、ポンプ８１によって圧縮され（ステップＳ４２）、高圧の状態で蒸発システム２１０、２２０に送られ、そこで蒸発する（ステップＳ４４）。そして、機械的、電気的エネルギーを生み出すタービン８２で膨張すると（ステップＳ４６）、ノード８３を経て、熱交換器Ｅ１の入口５で、熱交換器Ｅ２の出口６からの低圧の流れ１００と合流する。

ここに記載する実施形態において、高圧の流れ１０１の蒸発は２段階でおこなわれる。

より正確には、圧縮器１０の出口と部分凝縮器２００の入口との間の流れを遮断するように置かれた部分蒸発器／凝縮器２１０において、第１段階の蒸発が有益に実行されることにより、この高圧の流れ１０１の第１の蒸発によって、圧縮器１０により圧縮された（ステップＳ５２）複数の冷媒からなる混合物１２０を部分的に凝縮することができる（ステップＳ５４）。

ここに記載する実施形態において、高圧の流れ１０１は、蒸発器２２０で蒸発を終えるが、ここでの加熱流体２２１は、水蒸気またはプロセス流体である。

ここに記載する実施形態において、流れ１０１は、本冷凍システム１の高圧以上の高圧状態にある。

このような調整により、本発明の冷凍システム１は、本システムに対する外部からの流れ、すなわち、排ガスや処理のためのプロセスガスの流れや、加熱の必要があるメタンの流れが変動するような動作範囲において動作が可能になる。

Claims (18)

1. カスケード状に配置された複数の熱交換器（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）を備える冷凍システム（１）であって、前記複数の熱交換器はそれぞれ、
   ・冷熱を生成する液化メタンの流れ（１５０）と、
   ・自身の熱を放出するとともに、標準沸点の低い複数の冷媒を含む、複数の冷媒からなる二相混合物の高圧の流れ（１２２）と、
   ・冷熱を生成する前記複数の冷媒からなる二相混合物の低圧の流れ（１００）と、
   を含む、冷凍システム。
2. 前記複数の冷媒からなる混合物（１２２）の加圧された液相（１２１、１２３）を得るための、少なくとも１つの分離器（２１、３１）と、前記液相の圧力を下げるのに適した膨張機（３９、４９）と、前記膨張した液相の少なくとも一部を冷熱を生成する複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れ（１００）へと転送するための手段（３９、４９）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記冷却された高圧の流れ（１２２）を前記カスケード（Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１）の出口で膨張させるとともに、少なくともその流れ（１２２）の一部を、凍結サイクルで動作中の、二酸化炭素を含むガス（１６１、１６２）が通過する少なくとも１つの冷凍用熱交換器（６１、６２）へと導くための手段（６０）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の冷凍システム。
4. ・前記冷却すべき高圧の流れ（１２２）から液相を得るための手段（２１）と、
   ・前記液相（１２２）を膨張させるとともに、少なくともその一部（１２５）を、解凍サイクルで動作中の、前記少なくとも１つの冷凍用熱交換器（６１、６２）へと導くための手段(３９)と、
   を備えることを特徴とする、請求項３に記載の冷凍システム。
5. 解凍サイクルで動作中の前記冷凍用熱交換器（６１、６２）の出口で得られる複数の冷媒からなる前記混合物の少なくとも一部（１２５）が、前記カスケードの少なくとも１つの熱交換器（Ｅ１）の入口で、複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れ（１００）を補充するのに用いられることを特徴とする、請求項４に記載の冷凍システム。
6. 前記カスケード（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）へと導入される前記低圧の流れ（１００）は、前記冷凍用熱交換器（６１、６２）が凍結サイクルで動作しているとき、その冷凍用熱交換器の出口で、複数の冷媒からなる混合物の前記流れ（１２２）から得られることを特徴とする、請求項３に記載の冷凍システム。
7. 前記冷凍用熱交換器の出口で、複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れ（１００）の液相の一部（１０１）を回収するための手段（５１）を備えることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. ・前記高圧の液相（１０１）を圧縮するための手段（８１）と、
   ・このようにして得られた前記高圧の液相を気化させるのに適した少なくとも１つの蒸発器（２１０、２２０）と、
   ・機械的エネルギーを生成するために、このようにして得られた前記高圧の気体を膨張させるのに適したタービン（８２）と、
   を備えることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. ・前記カスケード（Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１）の出口で前記低圧の流れ（１００）を圧縮するのに適した可変周波数圧縮機（１０）と、
   ・前記カスケード（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）へ導入すべき前記高圧の流れ（１２２）を再生成するために、前記圧縮機（１０）により圧縮された複数の冷媒からなる混合物を凝縮するのに適した部分凝縮器（２１０）と、
   を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍システム。
10. 液化メタンの流れ（１５０）から冷熱を回収する方法であって、自身の熱を放出するとともに、標準沸点の低い複数の冷媒を含む、複数の冷媒からなる二相混合物の高圧の流れ（１２２）と、冷熱を生成する前記複数の冷媒からなる二相混合物の低圧の流れ（１００）とが通過する複数の熱交換器（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）の中を、前記流れ（１５０）を流す（Ｓ１０）、方法。
11. ・前記複数の冷媒からなる混合物の加圧された液相（１２１、１２３）を得るために、前記複数の冷媒からなる混合物を分離するステップ（Ｓ１２）と、
    ・このようにして得られた前記液相を膨張させるステップ（Ｓ１４）と、
    ・前記液相を膨張させて、冷熱を生成する複数の冷媒からなる混合物の前記低圧の流れ（１００）へと転送した後、少なくともその一部を取り出すステップ（Ｓ１５）と、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. ・前記カスケード（Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１）の出口で得た（Ｓ１６）前記冷却された高圧の流れ（１２２）を膨張させるステップ（Ｓ２２）と、
    ・凍結によって二酸化炭素を捕集するために、前記流れの少なくとも一部を用いるステップ（Ｓ２４）と、
    を含む、請求項１０または１１に記載の方法。
13. ・自身の熱を放出する前記高圧の流れ（１２２）から液相を得るステップ（Ｓ１２）と、
    ・二酸化炭素の解凍（Ｓ１７）に用いるため、前記液相の少なくとも一部を膨張させるステップ（Ｓ１４）と、
    を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも１つの熱交換器に導入される前記低圧の流れ（１００）を補充するために、前記解凍（Ｓ１７）に用いられる複数の冷媒からなる前記混合物の少なくとも一部（１２５）を取り出すステップ（Ｓ３０）を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記カスケード内に導入（Ｓ１０）される低圧の流れ（１００）は、前記凍結（Ｓ２４）に用いられた複数の冷媒からなる混合物の前記流れ（１２２）から得られる、請求項１２に記載の方法。
16. 前記カスケード内に導入された前記高圧の流れ（１００）の液相の一部（１０１）を取り出すステップ（Ｓ４０）を含む、請求項１５に記載の方法。
17. ・高圧状態の前記液相（１０１）を圧縮するステップ（Ｓ４２）と、
    ・このようにして得られた前記高圧の液相を気化させるステップ（Ｓ４４）と、
    ・機械的エネルギーを生成するために、タービン（８２）内で前記液相を膨張させるステップ（４６）と、
    を含む、請求項１６に記載の方法。
18. ・前記カスケード（Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１）の出口で得た（Ｓ５０）前記低圧の流れ（１００）を、可変周波数で圧縮するステップ（Ｓ５２）と、
    ・前記カスケード（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）に導入（Ｓ１０）される前記高圧の流れ（１２２）を再生成するために、このようにして圧縮された複数の冷媒からなる前記混合物を部分的に凝縮するステップ（Ｓ５４）と、
    を含む、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の方法。

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