JP5709793B2 - 天然ガス液化方法及び装置、そのコンピューターシミュレーション処理、液化天然ガス生成物 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガスを液化する方法及び装置に関する。別の態様では、本発明は、半閉ループメタン冷却サイクルを利用する、改良された液化天然ガス（ＬＮＧ）設備に関する。

天然ガスの低温液化は、天然ガスを輸送及び貯蔵により都合の良い形式に変換する手段として通常実施される。このような液化は、天然ガスの体積を約６００倍減少し、結果として大気圧近くで貯蔵及び輸送され得る生成物を生じる。

天然ガスは、しばしば供給源から遠隔の市場へパイプラインにより輸送される。パイプラインは実質的に一定の高負荷率で動作することが望ましい。しかし、しばしばパイプラインの配達能力又は容量は、需要を超え、別の時には需要が供給率又は容量を超えてしまう。需要が供給を超える山、又は供給が需要を超える谷を削り取るため、需要が供給を超えた場合に配達され得るような形式で、剰余ガスを貯蔵することが望ましい。このような形式は、貯蔵からの物質で将来の需要の山を満たす。これを行うある実用的手段は、ガスを貯蔵のため液化した状態に変換し、需要の要求に応じて液体を蒸発させることである。

天然ガスの液化は、候補の市場から長距離離れた供給源からガスを輸送する場合及びパイプラインが利用不可能か非実用的である場合に更に重要性を増す。これは、特に輸送が遠洋航行船により行われなければならない場合に起こる。気相状態での船舶輸送は、ガスの比体積を有意に減少するためかなりの加圧が必要とされるので、一般的に実用的でない。このような加圧は、より高価な貯蔵容器の利用を必要とする。

天然ガスを液体状態で貯蔵及び輸送するため、天然ガスは、天然ガス（ＬＮＧ）が大気圧近くの蒸気圧を有する、−１５１度Ｃ乃至−１６２度Ｃ（−２４０度Ｆ乃至−２６０度Ｆ）まで冷却されることが望ましい。天然ガスを液化する従来技術には、多くのシステムがある。これらシステムでは、ガスは、高圧ガスを複数の冷却段を順次通過させることにより液化され、その後、ガスは、液化温度に達するまで引き続き低温に冷却される。冷却は、一般的に、プロパン、プロピレン、エタン、エチレン、メタン、窒素、二酸化炭素のような１つ以上の冷媒を有する間接熱交換、又はこれらの組み合わせ（例えば、混合冷却システム）により達成される。

過去には、多くの従来のＬＮＧ設備は、メタン冷却サイクル（つまり、主にメタン冷媒を利用する冷却サイクル）を天然ガスを液化する最終冷却サイクルとして用いている。いくつかの従来のＬＮＧ設備は、開ループメタン冷却サイクルを利用する。一方、他のＬＮＧ設備は、閉ループメタン冷却サイクルを用いる。閉ループメタン冷却サイクルでは、主にメタン冷媒は、液化されている天然ガスストリームから引き出され、又は液化されている天然ガスストリームと結合する。開ループメタン冷却サイクルでは、主にメタン冷媒は、冷却中の天然ガスから引き出され、そして主にメタン冷媒の少なくとも一部は、冷却中の天然ガスストリームと再結合する。

従来の開ループ及び閉ループメタン冷却サイクルは、それぞれ、それら固有の利点及び不利点を有する。従来の閉ループシステムのある不利点は、主に冷媒圧縮機を駆動する駆動装置（例えば、ガスタービン）に動力を供給するために用いられる燃料ガスを圧縮するために、燃料ガス圧縮機が必要とされることである。閉ループシステムの別の不利点は、大半の閉ループシステムが、システムから単に燃え上がる燃料ガスの剰余を生産することである。これら閉ループシステムの燃料ガスに関連する問題は、開ループシステムと共通しない。しかしながら、開ループシステムは、それら固有の不利点を有する。例えば、大半の開ループシステムは、開ループ冷媒サイクルに入る天然ガスストリームが完全に凝縮されていることを必要とすることである。更に、主重質量物質除去塔の底から放出された重質量物質ストリームを処理する脱メタン塔を利用する開ループＬＮＧ設備では、脱ブタン器からの塔頂留出ストリーム及び重質量物質除去塔からの塔頂留出ストリームの間の圧力差のため、脱メタン塔からの塔頂留出ストリームは、主にメタン冷媒と結合され、及び／又は圧縮されなければならない。

以上の要求は例であり、本願明細書により全てが達成される必要がないことが理解される。本発明の他の目的及び利点は、記載された説明及び図から明らかである。

米国特許番号第４１７２７１１明細書

従って、閉ループ及び開ループシステムの両方の不利点を回避すると同時に、閉ループ及び開ループシステムの種々の利点を依然として提供する、ハイブリッドメタン冷却サイクルを利用するＬＮＧ設備が必要である。

従って、別個の燃料ガス圧縮機を必要としないメタン冷却サイクルを利用する、天然ガス液化システムを提供することが望ましい。

更に、剰余冷媒を単に燃やすよりむしろ、処理中に剰余メタン冷媒を利用するメタン冷却サイクルを利用する、天然ガス液化システムを提供することが望ましい。

更に、メタン冷却サイクルの上流で天然ガス供給ストリームを完全に凝縮する必要のないメタン冷却サイクルを利用する、天然ガス液化システムを提供することが望ましい。

更に、脱メタン塔からの塔頂留出ストリームを圧縮及び／又はメタン冷媒と結合させずに液化させるメタン冷却サイクルを利用する、天然ガス液化システムを提供することが望ましい。

従って、本発明のある態様は、天然ガスを液化する方法に関する。前記方法は、（ａ）主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し前記天然ガスを少なくとも４０度Ｆで冷却し、それにより液化天然ガスを提供する段階、（ｂ）前記液化天然ガスの少なくとも一部をフラッシュさせ、それにより主に蒸気部分及び主に液体部分を提供する段階、並びに（ｃ）前記主に蒸気部分の少なくとも一部を、段階（ａ）で天然ガスを冷却するために用いられる前記主にメタン冷媒と結合する段階、を有する。

本発明の別の態様は、天然ガスを液化する方法に関する。前記方法は、（ａ）５０モルパーセントより少ないメタンを有する第１の冷媒を利用する第１の冷却サイクルで天然ガスを冷却する段階、（ｂ）前記第１の冷却サイクルの下流で、第１の塔内で、前記天然ガスを第１の軽質量物質ストリーム及び第１の重質量物質ストリームに分離する段階、（ｃ）第２の塔内で、前記第１の軽質量物質ストリームを第２の軽質量物質ストリーム及び第２の重質量物質ストリームに分離する段階、並びに（ｄ）主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し、メタン熱交換器内の前記第２の軽質量物質ストリームを冷却する段階、を有し、段階（ｄ）は、最初に前記第２の軽質量物質ストリームを主にメタン冷媒と結合せずに実行される。

本発明の別の態様は、天然ガスを液化する方法に関する。前記方法は、（ａ）第１の冷却サイクルで、主にプロパン、プロピレン、又は二酸化炭素を有する第１の冷媒を有する間接熱交換を介し、天然ガスストリームを冷却する段階、（ｂ）前記第１の冷却サイクルの下流で、第２の冷却サイクルで、主にエタン、エチレン、又は二酸化炭素を有する第２の冷媒を有する間接熱交換を介し、前記天然ガスストリームを冷却する段階、（ｃ）前記第２の冷却サイクルの下流で、メタン冷却サイクルで、主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し、前記天然ガスストリームを４０度Ｆで冷却する段階、並びに（ｄ）前記第２の冷却サイクルで、前記第２の冷媒を有する間接熱交換を介し、前記主にメタン冷媒の少なくとも一部を冷却する段階、を有する。

本発明の更に別の態様は、天然ガスを液化する装置に関する。前記装置は、（ａ）第１の冷却サイクルは、第１の冷媒を利用し、前記第１の冷媒を有する間接熱交換を介し前記天然ガスを冷却し、（ｂ）メタン冷却サイクルは、前記第１の冷却サイクルの下流に位置付けられ、及び主にメタン冷媒を利用し、前記主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し前記天然ガスを少なくとも４０度Ｆに冷却し、それにより液化天然ガスを生成し、並びに（ｃ）膨張装置は、前記液化天然ガスをフラッシュ可能であり、それにより主に蒸気部分及び主に液体部分を生成する。メタン冷却サイクルは、膨張装置により生成された主に蒸気部分の少なくとも一部を受け、及び主に蒸気部分を主にメタン冷媒と結合する補給冷媒注入口を有する。

本発明の好適な実施例は、以下の図を参照し詳細に説明される。

図１は、半閉ループメタン冷却サイクルを利用するＬＮＧ生成の縦列冷却処理の簡単なフロー図である。 図２は、液化されている天然ガスストリーム内に導入される主にメタン冷媒の量を制御するシステムの更に詳細を提供するフロー図である。

本願明細書で用いられるように、「主に」、「主として」、「主」及び「主成分は」の語は、流体ストリームの特定の成分の存在を記述するために用いられる場合、流体ストリームが少なくとも５０モルパーセントの提示された成分を有することを意味する。例えば、「主に」メタンストリーム、「主」メタンストリーム、メタンを「主」に有するストリーム、又は「主として」メタンを有するストリームは、それぞれ、少なくとも５０モルパーセントのメタンを有するストリームを示す。本願明細書で用いられるように、「上流」及び「下流」の語は、種々の成分又は天然ガス液化工場を通じて天然ガスが主に流れる経路に沿った工場の処理の相対的な位置を記述するために用いられる。

縦列冷却処理は、天然ガスストリームからの熱エネルギーを冷媒へ転送し、及び前記熱エネルギーを周囲へ完全に転送する１つ以上の冷媒を用いる。基本的に、全体の冷却システムは、ストリームが次第に低温へ冷却されるにつれ、天然ガスストリームから熱エネルギーを除去することにより、熱ポンプとして機能する。縦列冷却処理の設計は、熱力学的効率及び資本コストの調和を含む。熱転換処理では、加熱及び冷却流体の間の温度勾配が小さくなるほど、熱力学的不可逆性は、減少する。しかし、このような小さい温度勾配を得ることは、一般に、伝熱面積大きさの有意な増大、種々の処理装置の重大な変更、及びこのような装置を通る流速を適切に選択し、流速及び手法及び排気口の温度が所要の加熱／冷却デューティーとの互換性を保証することを必要とする。 標準的なＬＮＧ設備では、種々の前処理段階は、酸性ガス、メルカプタン、水銀、及び水蒸気のような特定の不要な成分を、設備へ配達される天然ガス供給ストリームから除去する手段を提供する。このガスストリームの成分は、有意に変化し得る。本願明細書で用いられるように、天然ガスストリームは、主として天然ガス供給ストリームから生じる主にメタンから成るストリームである。例えば少なくとも８５モルパーセントのメタンを有するこのような供給ストリームは、エタン、高級炭化水素、窒素、二酸化炭素、及び水銀、硫化水素、及びメルカプタンのような少量の他の成分と均衡を保っている。前処理段階は、冷却サイクルの上流又は初期サイクルの冷却の初期段階の１つの下流に位置する別個の段階であって良い。以下に、当業者に直ちに知られる利用可能な手段のいくつかの非包括的なリストを示す。酸性ガス及び小範囲のメルカプタンは、水溶性アミンベアリング溶液を利用する化学反応過程を介して通常除去される。この処理段階は、一般に、初期サイクルの冷却段の上流で実行される。水の大部分は、初回冷却サイクルの上流で、及びまた初回冷却サイクルの最初の冷却段の下流で、ガス圧縮及び冷却に続き２相ガス液体分離を介し、液体として通常除去される。水銀は、水銀吸着床を介し、通常除去される。水及び酸性ガスの残量は、再生可能なモレキュラーシーブのような適切に選択された吸着床の利用を介し、通常除去される。

前処理された天然ガス供給ストリームは、一般的に、高圧で液化処理へ配達されるか、又は一般的に３．４４ＭＰａ（５００ｐｓｉａ）より大きく、望ましくは約３．４４ＭＰａ乃至約２０．６７ＭＰａ（約５００ｐｓｉａ乃至約３０００ｐｓｉａ）、更に望ましくはの約３．４４ＭＰａ乃至約６．８９ＭＰａ（約５００ｐｓｉａ乃至約１０００ｐｓｉａ）、更により望ましくは約４．１３ＭＰａ乃至約５．５１ＭＰａ（約６００ｐｓｉａ乃至約８００ｐｓｉａ）の高圧に圧縮される。供給ストリームの温度は、標準的に周囲の近傍、乃至周囲の僅かに上である。典型的な温度範囲は、１５．５度Ｃ乃至６５．５度Ｃ（６０度Ｆ乃至１５０度Ｆ）である。

前述のように、天然ガス供給ストリームは、複数の異なる冷媒（望ましくは３個）を有する間接熱交換により複数の複数段サイクル又は段階（望ましくは３個）で冷却される。所与のサイクルの全体の冷却効率は、段の数が増大するので向上する。しかし効率の増大は、対応する純資本コスト及び処理の複雑性の増加により達成される。供給ガスは、望ましくは、比較的高い沸騰冷媒を有する間接熱交換の第１の閉冷却サイクル内で名目上２段、望ましくは２乃至４段、及びより望ましくは３段の有効数の冷却段を通過する。このような比較的高い沸点の冷媒は、望ましくは大部分はプロパン、プロピレン、又はそれらの混合を有し、より望ましくは少なくとも７５モルパーセントのプロパンを有する冷媒、更により望ましくは少なくとも９０モルパーセントのプロパン、及び最も望ましくは基本的にプロパンを有する冷媒である。その後、処理された供給ガスは、低い沸点を有する冷媒を有する間接熱交換の第２の閉冷却サイクル内で名目上２段、望ましくは２乃至４段、及びより望ましくは２又は３段の有効数の段を通過する。このような低い沸点の冷媒は、望ましくは大部分はエタン、エチレン、又はそれらの混合を有し、より望ましくは少なくとも７５モルパーセントのエチレンを有する冷媒、更により望ましくは少なくとも９０モルパーセントのエチレン、及び最も望ましくは基本的にエチレンを有する冷媒である。その後、処理された供給ガスは、主にエタン冷媒を有する間接熱交換の第３の／エタン冷却サイクル内で名目上２段、望ましくは２乃至５段、及びより望ましくは３又は４段の有効数の段を通過する。このような主にメタン冷媒は、望ましくは少なくとも約７５モルパーセントのメタン、更により望ましくは少なくとも約９０モルパーセントのメタン、及び最も望ましくは基本的にメタンを有する主にメタン冷媒を有する。特に好適な実施例では、主にメタン冷媒は、１０モルパーセントより少ない窒素、最も望ましくは５モルパーセントより少ない窒素を有する。

一般的に、天然ガス供給ストリームは、このような量のＣ_２＋成分を有し、結果として１つ以上の冷却段でＣ_２＋の多い液体を形式する。この液体は、ガス液体分離手段、望ましくは１つ以上の従来のガス液体分離器を介し除去される。一般的に、各段の天然ガスの順次冷却は、ガスから出来る限り多くのＣ_２及び高分子量炭化水素を除去し、主にメタンを有するガスストリーム並びにかなりの量のエタン及び重量成分を有する液体ストリームを生成するよう制御される。有効数のガス／液体分離手段は、Ｃ_２＋成分の多い液体ストリームの除去のための冷却区域の下流の、有効な位置に位置付けられる。ガス／液体分離手段、望ましくは従来のガス／液体分離器の正確な位置及び数は、天然ガス供給ストリームのＣ_２＋組成、ＬＮＧ生成物の所望のＢＴＵ含有量、他の用途向けのＣ_２＋成分の値、及びＬＮＧ工場及びガス工場運用の当業者により通常考慮される他の係数のような、動作パラメータの数に依存する。Ｃ_２＋炭化水素ストリーム又はストリームは、単一段のフラッシュ又は分別塔を介し脱メタン化され得る。後者の場合、結果として生じるメタンの多いストリームは、液化処理への圧力で直接戻され得る。前者の場合、このメタンの多いストリームは、再加圧及び再利用され、又は燃料ガスとして用いられ得る。Ｃ_２＋炭化水素ストリーム又はストリーム又は脱メタン化Ｃ_２＋炭化水素ストリームは、燃料として用いられ、又は１つ以上の分別区域への分別等により、更に処理され、特定の化学成分（例えば、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、及びＣ_５＋）の多い個々のストリームを生成する。

本願明細書に記載される液化処理は、複数種類の冷却の１つを用いて良く、（ａ）間接熱交換、（ｂ）蒸発、及び（ｃ）膨張又は減圧を含むが、これらに限定されない。間接熱交換は、本願明細書で用いられるように、冷凍材と冷却されるべき物質の間の物理的接触なしに、冷媒が冷却されるべき物質を冷却する処理を示す。間接熱交換手段の具体的な例は、多管円筒式熱交換器、ケトル型熱交換器、及びアルミニウムをろう付けしたプレートフィン型熱交換内に実施された熱交換器を含む。冷媒及び冷却されるべき物質の物理状態は、システムの要求及び選択された熱交換器の種類に依存する。従って、多管円筒式熱交換器は、標準的に、冷凍材が液体状態であり且つ冷却されるべき物質が液体又は気相状態である場合、又は物質の１つが相変化を経て且つ処理条件がケトル型熱交換器の利用に好ましくない場合に利用される。例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金は、コアの構成に好ましい物質であるが、このような材料は、指定された処理条件における利用に適さない。プレートフィン型熱交換は、標準的に、冷媒が気相状態であり、且つ冷却されるべき物質が液体又は気相状態である場合に利用される。最後に、ケトル型熱交換器は、標準的に、冷却されるべき物質が液体又はガスであり、且つ冷媒が熱交換中に液体状態から気相状態への相変化を経る場合に利用される。

蒸発冷却は、一定圧力に維持されたシステムで物質の一部の蒸発又は気化による物質の冷却を示す。従って、蒸発中、蒸発する物質の一部は、液体状態のままの物質の一部から熱を吸収し、及び従って、液体部分を冷却する。最後に、膨張又は減圧冷却は、ガス、液体又は２相システムの圧力が、減圧手段を通過することにより低減される場合に生じる冷却を示す。ある実施例では、この膨張手段は、ジュール・トムソン膨張バルブである。別の実施例では、膨張手段は、液圧又はガスエキスパンダーである。エキスパンダーは、膨張処理からの仕事エネルギーを回復するので、膨張時により低い処理ストリーム温度が可能である。

図１に示されるフロー図及び装置は、半閉ループメタン冷却サイクルを利用する、本発明のＬＮＧ設備の好適な実施例を示す。図２は、液化されている処理された天然ガスストリーム内に導入し戻されるメタン冷媒の量を制御するシステムの好適な実施例を示す。当業者は、図１及び図２が説明のためであり、従って簡単のため、商用工場の通常運用に必要な設備の多くの要素が省略されていることを理解するだろう。このような要素は、例えば圧縮機制御装置、フロー及びレベル測定装置、及び関連する制御装置、温度及び圧力制御装置、ポンプ、モーター、フィルター、追加熱交換器、及びバルブ等である。これらの要素は、標準的な技術的手法に従い設けられる。

図１及び図２の理解を助けるため、以下の番号を付与された用語が利用される。番号１乃至９９を付与された要素は、処理容器及び液化処理と直接関連する装置である。番号１００乃至１９９を付与された要素は、フローライン又は主にメタンストリームを有する導管に対応する。番号２００乃至２９９を付与された要素は、フローライン又は主にエチレンストリームを有する導管に対応する。番号３００乃至３９９を付与された要素は、フローライン又は主にプロパンストリームを有する導管に対応する。図２の番号４００乃至４９９を付与された要素は、液化されている処理された天然ガスストリーム内に導入し戻されるメタン冷媒の量を制御するシステムの容器、装置、ライン、又は導管である。

図１を参照する。第１の冷却サイクルでは、気体のプロパンは、ガスタービン駆動装置（示されない）により駆動される複数段（望ましくは３段）圧縮機１８内で圧縮される。３段の圧縮は、望ましくは単一装置内に存在する。しかしながら、圧縮の各段は、別個の装置及び単一の駆動装置により駆動されるよう機械的に結合された装置であって良い。圧縮時、圧縮されたプロパンは、導管３００を通過し、冷却器２０へ向かい冷却及び液化される。フラッシュ前の液化プロパン冷媒の典型的な圧力及び温度は、約３７．７度Ｃ（約１００度Ｆ）及び約１．３０ＭＰａ（約１９０ｐｓｉａ）である。冷却器２０からのストリームは、導管３０２を通過し、膨張バルブ１２として示される減圧手段へ向かう。膨張バルブ１２では、液化プロパンの圧力は、低減され、それにより液化プロパンの一部を気化又はフラッシュする。結果として生じる２相生成物は、次に、導管３０４を通り、高段プロパンチラー２へ流れ込む。高段プロパンチラー２では、導管１５２を介し導入された気体のメタン冷媒、導管１００を介し導入された天然ガス供給、及び導管２０２を介し導入された気体のエチレン冷媒は、それぞれ間接熱交換手段４、６、及び８を介し冷却される。これにより、冷却されたガスストリームは、それぞれ導管１５４、１０２、及び２０４を介し放出される。導管１５４内の主にメタン冷媒は、主メタン節減装置７４へ供給される。主メタン節減装置７４は、以下により詳細に議論される。

チラー２からのプロパンガスは、導管３０６を通じて圧縮機１８へ戻される。このガスは、圧縮機１８の高段注入部分へ供給される。残余液体プロパンは、導管３０８を通過し、膨張バルブ１４として示される減圧手段を通過することにより更に減圧される。その後、液化プロパンの追加分がフラッシュされる。結果として生じる２相ストリームは、次に、導管３１０を通じ中間段プロパンチラー２２へ供給され、これによりチラー２２に冷却剤を供給する。チラー２からの冷却された供給ガスストリームは、導管１０２を介し、分離装置１０へ流れる。分離装置１０では、ガス及び液相は分離される。Ｃ_３＋成分を多く有し得る液相は、導管１０３を介し除去される。気相は、導管１０４を介して除去され、そして次に導管１０６及び１０８を介し運ばれる２つの別個のストリームに分離される。導管１０６内のストリームは、チラー２２へ供給される。導管１０８内のストリームは、以下により詳細に議論される重質量物質除去塔６０へのストリッピングガスになる。チラー２からのエチレン冷媒は、導管２０４を介しチラー２２へ導入される。

中間段プロパンチラー２２では、本願明細書では処理され天然ガスストリームとしても示される供給ガスストリーム、及びエチレン冷媒ストリームは、それぞれ、間接熱転送手段２４及び２６を介し冷却され、それにより、冷却された供給ガス及びエチレン冷媒ストリームを導管１１０及び２０６を介し生成する。従って、プロパン冷媒の気化された部分は、分離されそして導管３１１を通過し、圧縮機１８の中間段注入口へ向かう。チラー２２からの液体プロパン冷媒は、導管３１４を介して除去され、膨張バルブ１６として示される減圧手段を渡りフラッシュされ、そして次に導管３１６を介し低段プロパンチラー／凝縮器２８へ供給される。

図１に示されるように、供給ガスストリームは、中間段プロパンチラー２２から、導管１１０を介し低段プロパンチラー２８へ流れる。チラー２８では、ストリームは、間接熱交換手段３０を介し冷却される。同様に、エチレン冷媒ストリームは、中間段プロパンチラー２２から、導管２０６を介し低段プロパンチラー２８へ流れる。後者では、エチレン冷媒は、完全な凝縮は要求されないが、間接熱交換手段３２を介し、全体的に凝縮又はほぼ全て凝縮される。蒸発したプロパン冷媒は、低段プロパンチラー２８から除去され、そして導管３２０を介し圧縮機１８の低段注入口へ戻される。

図１に示されるように、低段プロパンチラー２８内に存在する供給ガスストリームは、導管１１２を介し高段エチレンチラー４２へ導入される。エチレン冷媒は、低段プロパンチラー２８内に存在し、導管２０８を介し、そして望ましくは分離容器３７へ供給される。分離容器３７では、軽質量物質成分は、導管２０９を介し除去され、そして凝縮されたエチレンは導管２１０を介して除去される。エチレン冷媒は、処理のこの位置で、一般的に約−３１．１度Ｃ（約−２４度Ｆ）の温度及び約２８５ｐｓｉａの圧力である。エチレン冷媒は、次にエチレン節減装置３４へ流れ、エチレン節減装置３４内で間接熱交換手段３８を介し冷却され、導管２１１を介し除去され、そして膨張バルブ４０として示される減圧手段へ渡される。その後、冷媒は、事前に選択された温度及び圧力にフラッシュされ、そして導管２１２を介し高段エチレンチラー４２へ供給される。蒸気は、導管２１４を介しチラー４２から除去され、そしてエチレン節減装置３４へ送られる。エチレン節減装置３４では、蒸気は、間接熱交換手段４６を介し冷却剤として機能する。エチレン蒸気は、次に導管２１６を介しエチレン節減装置３４から除去され、そしてエチレン圧縮機４８の高段注入口へ供給される。高段エチレンチラー４２内で気化されないエチレン冷媒は、導管２１８を介し除去され、そして更なる冷却のため間接熱交換手段５０を介しエチレン節減装置３４へ戻され、導管２２０を介しエチレン節減装置から除去され、そして膨張バルブ５２として示される減圧手段内でフラッシュされる。その後、結果として生じる２相生成物は、導管２２２を介し低段エチレンチラー５４へ導入される。

間接熱交換手段４５内で冷却された後、メタンの多いストリームは、導管１１６を介し高段エチレンチラー４２から除去される。このストリームは、次に低段エチレンチラー５４内の間接熱交換手段５６により提供される冷却を介し一部凝縮される。それにより生成される２相ストリームは、導管１１５を介し重質量物質除去塔６０へ流れる。前述のように、ライン１０４内の供給ガスストリームは、導管１０６及び１０８を介し流れるように分離される。導管１０８の内容物は、本願明細書ではストリッピングガスストリームとして示され、重質量物質除去塔６０の低段注入口へ流れる。重質量物質除去塔６０では、導管１１５を介して導入された２相ストリームは、導管１０８を介して導入された冷却されたストリッピングガスストリームと対向流で接触し、それにより、導管１１８を介し重質量物質を除去した塔頂留出蒸気ストリームを、及び導管１１７を介し重質量物質の多い液体ストリームを生成する。重質量物質の多い液体ストリームは、ベンゼン、シクロヘキサン、他の芳香族化合物、及び／又は重炭化水素成分のような、かなりの濃度のＣ_４＋炭化水素を有する。導管１１８内の重質量物質除去塔の塔頂留出（軽質量物質）ストリームは、以下に詳細に議論されるように、導管１０７からのメタン冷媒の一部と結合される。結合されたストリームは、間接熱転送手段７７内での冷却のため、導管１１９を介し主メタン節減装置７４へ転送される。重質量物質除去塔６０の底から導管１１７を介し放出された重質量物質の多いストリームは、続いて液体及び蒸気部分に分離され、又は望ましくはフラッシュされるか、又は脱メタン塔６１内で分割される。何れの場合でも、重質量物質の多い液体（塔底液）ストリームは、導管１２１を介し生成され、そしてメタンの多い蒸気（塔頂留出）ストリームは、導管１２０を介し生成される。

前述のように、導管１５４内の主にメタン冷媒は、主メタン節減装置７４へ供給される。主メタン節減装置７４では、ストリームは、間接熱交換手段９７を介し冷却される。結果として生じる熱交換手段９７からの、冷却され圧縮されたメタン冷媒ストリームの第１の部分は、導管１５６を介し主メタン節減装置７４から引き出される。同時に、熱交換手段９７を出たメタン冷媒ストリームの第２の部分は、更なる冷却のため、間接熱交換手段９８内へ導入される。導管１５６内のメタン冷媒は、高段エチレンチラー４２へ導入される。高段エチレンチラー４２では、メタン冷媒は、間接熱交換手段４４内のエチレン冷媒で冷却される。結果として生じるメタン冷媒は、導管１５７を介し高段エチレンチラー４２を出る。

熱交換手段９８からの冷却されたメタン冷媒ストリームは、主メタン節減装置７４から導管１５８を介し引き出され、そして次にＴ管継ぎ手４９内で、導管１５７内の冷却されたメタン冷媒と結合される。結合されたメタン冷媒ストリームは、Ｔ管継ぎ手４９からＴ管継ぎ手５１へ導管１０４を介し転送される。Ｔ管継ぎ手５１は、制御システム（以下に図２を参照して詳細に説明される）の一部である。制御システムは、メタン冷媒ストリームの一部を、導管１０７を介しメタン冷却サイクルの外へ向かわせ、そしてメタン冷媒ストリームのこの一部を、導管１１８内の重質量物質除去塔の塔頂留出ストリームと結合する。メタン冷媒の残余（つまり、結合されない部分）は、導管１０５を介し、低段エチレンチラー６８へ流れる。低段エチレンチラー６８では、主にメタン冷媒ストリームは、導管２２６を介し低段エチレンチラー６８へ送られる中間段エチレンチラー５４からの液体排出物で、間接熱交換手段７０を介し冷却される。低段エチレンチラー６８からの冷却されたメタン冷媒生成物は、導管１２２を介し主メタン節減装置７４へ転送される。（導管２２４を介して引き出された）低段エチレンチラー５４からの及び（導管２２８を介して引き出された）低段エチレンチラー６８からのエチレン蒸気は、結合され、そして導管２３０を介し、エチレン節減装置３４へ送られる。エチレン節減装置３４では、蒸気は、間接熱交換手段５８を介し、冷却剤として機能する。ストリームは、次にエチレン節減装置３４から導管２３２を介し、エチレン圧縮機４８の低段注入口へ送られる。

図１に示されるように、エチレン圧縮機４８の低段側を介して導入された蒸気からの圧縮機の廃液は、導管２３４を介し除去され、中間段冷却器７１を介し冷却され、そして導管２１６内に存在する高段ストリームと共に注入されるために、導管２３６を介し圧縮機４８へ戻される。望ましくは、２つの段は、単一モジュールであるが、それらはそれぞれ別個のモジュール及び共通の駆動装置に機械的に結合されたモジュールであって良い。圧縮機４８からの圧縮されたエチレン生成物は、導管２００を介し下流の冷却器７２へ送られる。冷却器７２からの生成物は、導管２０２を介し流れ、そして前述のように高段プロパンチラー２へ導入される。

図２は、導管１１８内の重質量物質除去塔の塔頂留出（軽質量物質）ストリームと結合されるメタン冷媒の量を制御するシステムを示す。このシステムは、導管１２２内に配置されたメタン冷媒蓄積容器４００を有する。レベル表示器４０２は、蓄積容器４００と接続される。レベル表示器４０２は、蓄積容器４００内の液体メタン冷媒のレベルを検知し、そして当該レベルを示す信号４０４を生成する。流量制御装置４０６は、レベル表示信号４０４を受信し、そして流量制御信号４０８及び４１０を生成する。流量制御バルブ４１２及び４１６は、それぞれ流量制御信号４０８及び４１０を受信する。流量制御バルブ４１２及び４１６は、それぞれ流量制御信号４０８及び４１０に応じ、導管１０７及び１０５を通じて流れる量を制御する。動作中、蓄積容器４００内の液体メタン冷媒のレベルが、望ましくなく高くなった場合、バルブ４１２及び４１６は、自動的に調整され、導管１０７を通る流量をより多くし、導管１０５を通る流量をより少なくする。反対に、蓄積容器４００内の液体メタン冷媒のレベルが、望ましくなく低くなった場合、バルブ４１２及び４１６は、自動的に調整され、導管１０５を通る流量をより多くし、導管１０７を通る流量をより少なくする。このシステムは、メタン冷却サイクル内の冷媒の量を、剰余メタン冷媒を燃やす必要がなく、適切なレベルに維持する。

再び図１を参照する。低段エチレンチラー６８を出たメタン冷媒ストリームは、間接熱交換手段７６を介した更なる冷却のために、主メタン節減装置７４へ案内される。更に冷却されたメタン冷媒は、次に導管１２３を介し主メタン節減装置７４を出て、そして以下に詳細に説明されるように、生成塔６０及び６１からの塔頂留出（軽質量物質）ストリームを順次冷却するための冷媒として、メタン熱交換器６３、７１及び７３内で用いられる。導管１２０及び１２４内のメタンの多い処理された天然ガスストリームは、両方とも、メタン熱交換器６３、７１及び７３内で並列に順次冷却される。望ましくは、メタン熱交換器６３、７１及び７３は、互いに分離され、各メタン熱交換器６３、７１及び７３は、導管１２０及び１２４から生じるストリームを結合することなくこれらストリームを冷却するための、２つの間接熱交換通路を有する。最も望ましくは、メタン熱交換器６３、７１及び７３は、アルミニウムのコアをろう付けしたケトル型熱交換器である。

メタン熱交換器６３、７１及び７３は、導管１２０及び１２４から生じるメタンの多い処理された天然ガスストリームを、導管１２３から生じる主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し冷却する。望ましくは、メタン熱交換器６３、７１及び７３は、導管１２０及び１２４からのメタンの多い処理された天然ガスストリームを、少なくとも約４０度Ｆで、より望ましくは少なくとも約６０度Ｆで、及び最も望ましくは少なくとも約１００度Ｆで協調して冷却し、導管１３５及び１３７を介し最終のメタン熱交換器７３を出る液化天然ガスストリームが、５モルパーセントより少ない蒸気を構成するレベルまで冷却されるようにする。更に、望ましくは、導管１２０及び１２４内のストリーム、並びに導管１３５及び１３７内のストリームの間の圧力降下は、それぞれ、３４４ｋＰａ（５０ｐｓｉ）より少ない、より望ましくは１７２ｋＰａ（２５ｐｓｉ）より少ない、及び最も望ましくは６８．９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）より少ない。図１に示されるメタン冷却サイクルの１つの可能な利点は、旧来の開ループメタンサイクルに反し、導管１２０及び１２４内のストリームが、メタン熱交換器６３、７１及び７３内で提供される冷却の前に、完全に液化される必要がないことである。実際、導管１２０及び１２４内のストリームは、２５モルパーセント又はそれ以上の蒸気を有し得る。

半閉ループメタン冷却サイクルは、以下に詳細に説明される。導管１２０及び１２４内の処理されたメタンの多い天然ガスストリームは、それぞれ第１のメタン熱交換器６３内の間接熱交換手段９０及び７８で、主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し冷却される。第１のメタン熱交換器６３に入る前に、導管１２３内の主にメタン冷媒は、望ましくは膨張バルブである減圧手段７８を介しフラッシュされる。蒸発した主にメタン冷媒は、導管１２６を介し第１のメタン熱交換器６３を出る。 導管１２６内のこの気体の主にメタン冷媒は、次に主メタン節減装置７４へ導入される。主メタン節減装置７４では、気体のストリームは、間接熱交換手段８２内で温められる。間接熱交換手段８２からの温められた気体の主にメタン冷媒ストリームは、主メタン節減装置を出て、そして導管１２８を介しエタン圧縮機８３の高段へ案内される。液相の主にメタン冷媒は、導管１３０を介し第１のメタン熱交換器６３を出る。導管１３０内の液体の主にメタン冷媒は、続いて、望ましくは膨張バルブである減圧器９１内でフラッシュされ、そして次に第２のメタン熱交換器７１へ導入される。

第１のメタン熱交換器６３内で間接熱交換手段９０及び７８を介し冷却された処理された天然ガスストリームは、それぞれ導管１２５及び１２７を介し、第１のメタン熱交換器６３から引き出される。導管１２７内の処理された天然ガスストリームは、第２のメタン節減装置６５へ案内される。第２のメタン節減装置６５では、天然ガスストリームは、導管１３６を介し第２のメタン熱交換器７１を出た気体の主にメタン冷媒を有する間接熱交換を介し、間接熱交換手段８８内で冷却される。第２のメタン節減装置６５の間接熱交換手段８８からの冷却されたストリームは、次に導管１３２を通じて第２のメタン熱交換器７１へ渡される。第１のメタン熱交換器６３内で間接熱交換手段９０を介し冷却された処理された天然ガスストリームは、導管１２５を介し、第２のメタン熱交換器７１へ渡される。

第２のメタン熱交換器７１では、導管１２５及び１３２を介して導入された処理された天然ガスストリームは、それぞれ、間接熱交換手段３３及び７９内で冷却される。間接熱交換手段３３及び７９内のストリームを冷却するために用いられる主にメタン冷媒は、気相及び液相を有する。気相は、第２のメタン熱交換器７１から導管１３６を介し放出される。また液相は、第２のメタン熱交換器７１から導管１２９を介し放出される。上述のように、導管１３６内の気相の主にメタン冷媒は、第２のメタン節減装置６５へ供給される。第２のメタン節減装置６５では、ストリームは、間接熱交換手段８９内で利用され、間接熱交換手段８８内のストリームを冷却する。間接熱交換手段８９内の温められた気相の主にメタン冷媒は、導管１３８を介し第２のメタン節減装置６５を出る。導管１３８は、気相の主にメタン冷媒を、主メタン節減装置７４へ運ぶ。主メタン節減装置７４では、ストリームは、間接熱交換手段９５を介し更に温められる。間接熱交換手段９５からの温められた気体の主にメタン冷媒は、主メタン節減装置７４を出て、そして導管１４０を介しメタン圧縮機８３の中間段注入口へ案内される。第２のメタン熱交換器７１から導管１２９を介し放出された液体の主にメタン冷媒は、望ましくは膨張バルブである減圧手段９２内でフラッシュされ、そして続いて第３のメタン熱交換器７３へ導入される。

第２のメタン熱交換器７１から導管１３３及び１３１を介し放出された処理された天然ガスストリームは、導入された処理された天然ガスストリームは、第３のメタン熱交換器７３内へ導入され、それぞれ間接熱交換手段３５及び３９内で更に冷却される。間接熱交換手段３５及び３９では、処理された天然ガスストリームは、間接熱交換を介し、主にメタン冷媒で冷却される。主にメタン冷媒は、導管１４３を介し第３のメタン熱交換器７３を出る。間接熱交換手段３５内で冷却された処理された天然ガスストリームは、第３のメタン熱交換器７３から導管１３７を介し放出される。間接熱交換手段３９内で冷却された処理された天然ガスストリームは、第３のメタン熱交換器７３から導管１３５を介し放出される。導管１３５及び１３７内の冷却された天然ガスストリームは、それぞれ減圧手段９３及び９４内でフラッシュされる。結果として生じるフラッシュストリームは、続いてＴ管継ぎ手４３内で結合される。Ｔ管継ぎ手４３からの結合されたストリームは、導管１３９を介し分離容器７５へ案内される。分離容器７５は、導管１３９を介し導入された主に液体及び主に気相のストリームを分離する。液化天然ガス（ＬＮＧ）は、導管１４２を介し分離器７５を出る。分離容器７５からのＬＮＧ生成物は、ほぼ大気圧であり、導管１４２を通過しＬＮＧ貯蔵タンクへ向かう。従来の方法によると、貯蔵タンク内の液化天然ガスは、（標準的に海上ＬＮＧタンカーを介し）所望の場所へ輸送され得る。ＬＮＧは、次に陸上ＬＮＧターミナルで蒸発され、従来の天然ガスパイプラインを介し気相状態で輸送される。

主にメタン蒸気は、導管１４１を介し分離容器７５を出て、そして続いてＴ管継ぎ手４１内で導管１４３からの主にメタン冷媒と結合される。従って、Ｔ管継ぎ手４１は、半閉ループメタン冷却サイクル内の位置だけを表す。Ｔ管継ぎ手４１では、処理された天然ガスストリームの一部は、主にメタン冷媒ストリームに導入される。Ｔ管継ぎ手４１からの結合されたストリームは、導管１４４を介し第２のメタン節減装置６５へ案内される。第２のメタン節減装置６５では、結合されたストリームは、間接熱交換手段９０内で温められる。間接熱交換手段９０からの温められたストリームは、導管１４６を介し第２のメタン節減装置６５を出る。導管１４６内の主にメタン冷媒は、主メタン節減装置７４の間接熱交換手段９６へ導入される。間接熱交換手段９６では、ストリームは、更に温められる。結果として生じる温められた主にメタン冷媒ストリームは、主メタン節減装置７４を出て、そして導管１４８を介しメタン圧縮機８３の低段注入口へ転送される。

図１に示されるように、メタン圧縮機８３の高、中間、及び低段は、望ましくは単一の装置として結合される。しかしながら、各段は、単一の駆動装置により共に駆動されるよう機械的に結合された別個の装置として存在して良い。低段区間からの圧縮されたガスは、中間段冷却器８５を通過し、第２段階の圧縮の前に導管１４０内の中間圧力のガスと結合される。圧縮機８３の中間段からの圧縮されたガスは、中間段冷却器８４を通過し、第３段階の圧縮の前に導管１２１及び１２８を介し供給された高圧ガスと結合される。圧縮されたガス（つまり、圧縮された開メタンサイクルのガスストリーム）は、高段メタン圧縮機から導管１５０を介し放出され、冷却器８６内で冷却され、そして前述のように導管１５２を介し高圧プロパンチラー２へ送られる。ストリームは、間接熱交換手段４を介しチラー２内で冷却され、そして導管１５４を介し主メタン節減装置７４へ流れる。チラー２からの圧縮された開メタンサイクルのガスストリームは、主メタン節減装置７４へ入り、間接熱交換手段９８を通じた流れを介し全体に冷却される。この冷却されたストリームは、次に導管１５８を介し除去され、そしてエチレン冷却の第１段階の上流で、処理された天然ガス供給ストリームと結合される。

本発明のある実施例では、図１及び２に示されたＬＮＧ生成システムは、従来の処理シミュレーションソフトウェアを用いコンピューターでシミュレートされる。適切なシミュレーションソフトウェアの例には、ハイプロテック（Ｈｙｐｒｏｔｅｃｈ）社のＨＹＳＹＳ（登録商標）、アスペンテクノロジー社（Ａｓｐｅｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．）のＡｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ（登録商標）、及びシミュレーションサイエンス社（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｉｎｃ．）のＰＲＯ／ＩＩ（登録商標）がある。

上述の本発明の好適な形式は、説明のためのみであり、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。以上に説明された例である実施例への明らかな変更は、本発明の精神から逸脱することなく当業者により直ちに行われ得る。

発明者らは、特許請求の範囲に定められたように、本発明から実質的に逸脱しないが文字通り範囲外である如何なる装置に関連する本発明の合理的に公正な範囲を決定及び評価するため、発明者らの考えを均等論により本願明細書に説明した。

Claims (11)

1. 液化天然ガス製品を製造するために天然ガスを液化する方法であって、当該方法は：
   （ａ）前記天然ガスを、第１の冷却サイクルで第１のメタン冷媒と間接熱交換を介して冷却する段階であり、前記第１の冷媒が５０モルパーセント未満のメタンを含む、段階；
   （ｂ）前記第１の冷却サイクルの下流の第１のカラムで、前記天然ガスを第１の軽質量ストリーム及び第１の重質量ストリームに分離する段階；
   （ｃ）前記第１の重質量ストリームを、第２のカラムで、第２の軽質量ストリームと第２の重質量ストリームに分離する段階；
   （ｄ）前記第２の軽質量ストリームを、メタン熱交換装置で、少なくとも５０モルパーセントメタンを含む第２のメタン冷媒で間接熱交換により冷却する段階であり、当該段階（ｄ）が前記第２の軽質量ストリームと前記第１の軽質量ストリームとを混合することなく実施される、段階；
   （ｅ）前記第１及び第２の軽質量ストリームを、複数の熱交換装置を含むメタン冷却サイクルで、前記第２のメタン冷媒で間接熱交換することで冷却する段階；及び
   （ｆ）前記第１及び第２の軽質量ストリームを最終分離容器内で混合する段階であり、前記最終分離容器が前記液化天然ガス製品と蒸気冷却媒体ストリームを生成し、前記蒸気冷却媒体ストリームが前記第２のメタン冷媒と前記メタン冷却サイクルで混合される、段階；
   を含み、
   前記段階（ｄ）及び（ｅ）が、少なくとも段階（ｆ）まで前記第２の軽質量ストリームを前記第１の軽質量ストリームに混合することなく実施される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であり、さらに、前記第１及び第２の軽質量ストリームの温度を少なくとも４．４℃下げる段階を含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法であり、さらに、前記第１及び第２の軽質量ストリームの温度を少なくとも３７．８℃下げる段階を含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法であり、さらに、前記第１及び第２の軽質量ストリームを液化する段階を含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法であり、前記第１及び第２の軽質量ストリームの少なくとも２５モルパーセントが、前記メタン冷却サイクルのすぐ上流において蒸気相で存在する、方法。
6. 請求項１に記載の方法であり、さらに、前記第１の軽質量ストリームを前記メタン冷却サイクルで冷却する前に、前記第２のメタン冷媒の一部を前記第１の軽質量ストリームと混合する段階を含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法であり、前記第１の冷媒が少なくとも５０モルパーセントのプロパン、プロピレン、エタン、エチレン又は二酸化炭素を含む、方法。
8. 請求項１に記載の方法であり、前記第１の冷媒が少なくとも５０モルパーセントのプロパンを含む、方法。
9. 請求項１に記載の方法であり、段階（ａ）〜（ｅ）が、少なくとも３つの直列冷却サイクルを持つカスケードタイプの天然ガス液化装置で実施され、それぞれのサイクルで異なる冷媒を適用する、方法。
10. 請求項１に記載の方法であり、さらに、前記第２のカラムからの前記第２の軽質量ストリームを、前記第２の軽質量ストリームを圧縮することなく前記第１のメタン熱交換装置へ向ける段階を含む、方法。
11. 請求項６に記載の方法であり、さらに、前記蒸気冷却媒体ストリームの少なくとも一部を前記メタン冷却サイクルの前記第２のメタン冷媒と混合する段階を含む、方法。

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