JPH08159652A - ガスの液化方法 - Google Patents

ガスの液化方法

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JPH08159652A
JPH08159652A JP33194394A JP33194394A JPH08159652A JP H08159652 A JPH08159652 A JP H08159652A JP 33194394 A JP33194394 A JP 33194394A JP 33194394 A JP33194394 A JP 33194394A JP H08159652 A JPH08159652 A JP H08159652A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷媒用圧縮機の動力削減が図れるガスの液化
方法に関する。 【構成】 上部側を高温帯域、下部側を低温帯域とした
直立プレートフィン型熱交換器の高温帯域上部より予冷
ガス流、一部凝縮高圧多成分冷媒を気液分離した高圧蒸
気流及び高圧凝縮液流を異なる流路に導入して冷却し、
冷却されたガス流及び高圧蒸気流を低温帯域上部より異
なる流路に導入して冷却し、低温帯域下部から液化ガス
を回収し、低温帯域下部から抜き出した液化高圧蒸気流
を膨張させて得られる蒸気部分と凝縮部分を気液分離し
た後混合して低温帯域の異なる流路の下部より導入し冷
熱源として使用後低温帯域上部から抜き出し、高温帯域
を通過した多成分冷媒の高圧凝縮液流を膨張させて得ら
れる流れと混合して気液分離した後蒸気部分と凝縮部分
を混合して高温帯域の異なる流路の下部より導入し冷熱
源として使用後高温帯域上部から抜き出し圧縮後冷却し
て一部凝縮高圧多成分冷媒として循環する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスの液化方法、例え
ば天然ガスのような少なくとも一つの低沸点成分を含む
ガスを液化する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】天然ガスの液化方法として、例えば特公
昭47−29712号公報には、メタン富化ガスフィー
ド流を単一成分冷却剤と順次低温になる条件で順次熱交
換させて予冷し、一方前記単一成分冷却剤との熱交換に
よって一部が凝縮するまで予冷した多成分冷却剤の凝縮
部分と蒸気部分とを分離し、前記凝縮部分を深冷して膨
張させた後に前記の予冷したフィード流と熱交換して通
過させる第1の段階と、前記蒸気部分を液化させ、膨張
させた後に前記フィード流と熱交換して通過させる第2
の段階により液化する方法が示されている。その主要部
分である主冷却器周りを図2により説明すると、熱交換
器50は下部が第1の段階(高温帯域)51、上部が第
2の段階(低温帯域)52となっている。原料ガスフィ
ード流を単一成分冷却剤で予冷した後、さらに該単一成
分冷却剤で冷却することにより凝縮した高沸点成分を除
去した後の予冷されたガス流28は高温帯域51に設け
られた流路Aの下部から導入され、一方単一成分冷却剤
との熱交換によって一部が凝縮した多成分冷却剤を気液
分離した高圧蒸気流(蒸気部分)8及び高圧凝縮液流
(凝縮部分)9も高温帯域51に設けられた流路B及び
流路Cのそれぞれの下部から導入される。多成分冷却剤
の高圧凝縮液流9は高温帯域51中の流路Cを上昇中に
更に冷却された後、膨張弁53を経てスプレーノズル5
5から高温帯域51中にスプレーされ流路A,B,C中
の流体を冷却する。流路Bを流れる多成分冷却剤の高圧
蒸気流8はここで冷却液化された後低温帯域52中の流
路Fに導入され、さらに冷却された後膨張弁54を経て
スプレーノズル56から低温帯域52中にスプレーさ
れ、流路E,F中の流体を冷却する。高温帯域中の流路
Aを流れ冷却されたガス流28は低温帯域52中の流路
Eに導入され、さらに冷却されて液化ガス10として抜
き出し製品として回収する。スプレーノズル55、56
からそれぞれスプレーされた多成分冷却剤の高圧凝縮液
流9及び液化した多成分冷却剤の高圧蒸気流8は流路
A、B、C及び流路E、Fを流れる流体との熱交換によ
って完全に気化し、気化した多成分冷却剤蒸気流18
は、コンプレッサーで圧縮後、熱交換器で単一成分冷媒
と熱交換して一部が凝縮した多成分冷却剤として循環使
用する(図示せず)。この方法においては、予冷したガ
スフィード流と多成分冷却剤との熱交換器としてハンプ
ソン式熱交換器が採用されている。このハンプソン式熱
交換器はアルミニウム材のワウンドチューブを芯金に幾
重にも巻き付けていく工法のため熱交換器の流路が長く
なり圧力損失が大とならざるを得ず、そのためのコンプ
レッサー馬力を必要とし、また前記構造から熱交換器自
体も大型にならざるを得ない。また低温流体の低温端が
熱交換器の頂部にあるため熱交換器内の流体の流れが止
まった場合、低温端の冷媒液が重力によって高温端へ逆
流し、熱交換器底部に溜まった高温の冷媒蒸気との間で
熱交換が生じて急激な低温液の沸騰が起こるため、安全
性の面で問題を有する。
【0003】特公昭54−40764号公報には、多成
分を含む冷凍剤を単一成分冷媒によって予冷することな
く、冷却水との熱交換によって一部が凝縮するまで予冷
し、予冷した多成分を含む冷凍剤の凝縮部分と蒸気部分
とを分離し、次いで分離した凝縮部分と蒸気部分とを混
合してプレートフィン型熱交換器の入口に導入し、被冷
却物質、例えば天然ガスの流れと並流に、しかもこの凝
縮部分と蒸気部分との混合からなる高熱冷凍剤を冷却し
膨張させた後の低熱冷凍剤との流れとは向流になるよう
に流して天然ガスを液化する方法が開示されている。こ
の方法は、多成分を含む冷凍剤の凝縮部分と蒸気部分と
を熱交換器入口で混合し、熱交換器内を混相として通過
させて、蒸気部分だけでなく凝縮部分までも低温帯域の
温度まで過冷却する方式をとるため、特公昭47−29
712号公報に開示された凝縮部分を低温帯域の温度ま
で過冷却する必要のない方法に比べて、熱交換量が増大
し大きな熱交換器を必要とする。また凝縮部分は高沸点
成分を多く含むため、高沸点成分の蒸発潜熱が利用され
る高温帯域では、被冷却流体の凝縮カーブと冷媒の蒸発
カーブの温度差は開きが生じ熱交換器の設計に有効に働
くが、凝縮部分を過冷却した低温帯域では、冷媒中の高
沸点成分は主として顕熱しか利用されないため、被冷却
流体の凝縮カーブと冷媒の蒸発カーブの温度差は開きが
生じにくく、有効な冷媒熱の利用とは言いがたい。この
ため、前記従来法にくらべてより大きなコンプレッサー
馬力を必要とし、エネルギー消費が増大する欠点を有す
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、単一成分冷
媒と順次低温になる条件で熱交換させて予冷されたガス
を、前記単一成分冷媒との熱交換によって一部が凝縮す
るまで予冷された高圧多成分冷媒と熱交換させてガスを
液化する際に、プレートフィン型熱交換器を用いること
により、前記従来法の欠点を回避し、コンプレッサーの
馬力の削減による省エネルギー化が図れるガスの液化方
法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に関わるガスの液
化方法は、単一成分冷媒と順次低温になる条件で熱交換
させて予冷したガスを、前記単一成分冷媒との熱交換に
よって一部が凝縮するまで予冷した高圧多成分冷媒と熱
交換させてガスを液化するに際して、(1)単一成分冷
媒との熱交換によって一部が凝縮した高圧多成分冷媒を
高圧蒸気流と高圧凝縮液流とに分離し、(2)プレート
面が直立するように設置され上部側に少なくとも4種の
流路を有する高温帯域、下部側に少なくとも3種の流路
を有する低温帯域を設けたプレートフィン型熱交換器の
高温帯域の流路の内の3種の流路の上部よりガス流、多
成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮液流を
それぞれ導入し、後述の第1の低圧多成分冷媒流を高温
帯域の内の1種の流路の下部より導入して、ガス流、多
成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮液流を
第1の低圧多成分冷媒流と熱交換させて冷却し、(3)
高温帯域で冷却されたガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気
流をプレートフィン型熱交換器の低温帯域の流路の内の
2種の流路の上部よりそれぞれ導入し、後述の第2の低
圧多成分冷媒流を低温帯域の内の1種の流路の下部より
導入して、ガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気流を第2の
低圧多成分冷媒流と熱交換させてさらに冷却し、(4)
低温帯域の下部から液化したガス流を抜き出して回収
し、(5)低温帯域の下部から抜き出された液化した多
成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させて得られる蒸気部分と
凝縮部分とを気液分離し、分離された蒸気部分と凝縮部
分とを混合して第2の低圧多成分冷媒流として低温帯域
の内の1種の流路の下部より導入し、低温帯域内を上部
より下部へ通過するガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気流
と熱交換させた後、低温帯域の上部から抜き出し、
(6)低温帯域の上部から抜き出された第2の低圧多成
分冷媒流と高温帯域を通過した後の多成分冷媒の高圧凝
縮液流を膨張させて得られる流れとを混合して気液分離
し、分離された蒸気部分と凝縮部分とを混合して第1の
低圧多成分冷媒流として高温帯域の内の1種の流路の下
部より導入し、高温帯域内を上部より下部へ通過するガ
ス流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝
縮液流と熱交換させた後、高温帯域の上部から蒸気とし
て抜き出し、(7)高温帯域の上部から蒸気として抜き
出された第1の低圧多成分冷媒流を圧縮後、単一成分冷
媒と熱交換して得られる一部が凝縮した高圧多成分冷媒
を前記(1)の工程に循環して再度ガスの液化に使用す
ることからなる。
【0006】これを図1により具体的に説明する。本発
明においては、単一成分冷媒と順次低温になる条件で熱
交換させて予冷したガスを、前記単一成分冷媒との熱交
換によって一部が凝縮するまで予冷した高圧多成分冷媒
と熱交換させるに際し、熱交換器としてプレートフィン
型熱交換器を使用する。プレートフィン型熱交換器は熱
交換器内の流路が直線的で短いため、ワウンドチューブ
を幾重にも巻き付けた流路の長い従来のハンプソン式熱
交換器に比べて圧力損失を著しく小さくすることができ
る。熱交換器を流れる被冷却流体側の圧力損失を小さく
することは被冷却流体の凝縮カーブが高温側に移動する
傾向にある(後述の図8の説明参照)。このため熱交換
器の伝熱面積を縮小したり、或は、ハンプソン式熱交換
器と同等の温度差で熱交換器を設計するならば、コンプ
レッサーの負荷を低減することができる。本発明で使用
するプレートフィン型熱交換器20は、プレート面が直
立するように設置され上部側に少なくとも4種の流路
A,B,C及びDを有する高温帯域21、下部側に少な
くとも3種の流路E,F及びGを有する低温帯域22を
設けたものである(構成要件2の一部の説明)。なお本
発明において多成分冷媒とは、順次に低い沸点を有する
多数の冷媒成分を含み少なくとも一成分は被冷却流体が
冷却されるべき温度、即ちガスの液化温度よりも低い沸
点を有する組成物を言う。多成分冷媒は原料ガスの組
成、温度、圧力に応じて適宜選定すれば良い。例えば、
窒素、炭素数1〜5を有する炭化水素のうちから選ばれ
る成分の混合物が使用でき、窒素、メタン、エタン及び
プロパンからなる混合物が好ましい。更に窒素2〜14
モル%、メタン30〜45モル%、エタン32〜45モ
ル%、プロパン9〜21%の組成範囲のものが好まし
い。また混合物の中のエタンに代えてエチレンやプロパ
ンに代えてプロピレンを用いてもよい。単一成分冷媒と
しては低沸点の炭化水素が使用でき、プロパンが好まし
い。なおプレートフィン型熱交換器の上部側における4
種の流路及び下部側における3種の流路は本発明の実施
のために欠くことができない構成要件であるが、それ以
外に高温帯域及び/又は低温帯域に流路を設けて、他の
流体(気体、液体又は気液混相流体)の冷却目的に使用
することを妨げるものではない。
【0007】本発明における原料ガスとしては、メタ
ン、エタン等のような低沸点成分を少なくとも一つ含む
ガスが使用できる。例えば天然ガスが挙げられる。少な
くとも一つの低沸点成分を含む原料ガス流1、例えば4
9.9barA(絶対圧)、21℃の天然ガスは、例え
ばプロパンのような単一成分冷媒により順次低温になる
条件で設定されている熱交換器群2,3で予冷される。
予冷温度は原料ガスの種類により異なるが、全システム
のエネルギー消費を考慮して決定される。予冷したガス
流4は、必要に応じてリボイラー5を備えた高沸点物分
離器7で高沸点物を分離し低沸点成分の純度を高めた上
で、プレートフィン型熱交換器20の高温帯域21の流
路Aの上部より導入する(構成要件2の一部の説明)。
図1では、高温帯域21の上部に48.4barA、−
33℃で導入し、−45℃に冷却したガス流27を一旦
抜き出して還流ドラム6に導入し、還流ドラム6で分離
された高沸点物凝縮物を高沸点物分離器7の上部に還流
させ、還流ドラム6で凝縮物を除去され低沸点成分の純
度が高まったガス流28を高温帯域21の流路Aに導入
している。高温帯域21の流路Aに導入されたガス流は
高温帯域21内を下方に向かって流れる。高沸点物分離
器7の頂部より抜き出したガス流27を冷却してその凝
縮物を分離するために、プレートフィン型熱交換器20
の高温帯域21に代えて単一成分冷媒による冷却器を設
けることもできる。その場合は、凝縮物を分離除去した
ガス流を熱交換器20の高温帯域21の上部に導入し、
途中から一旦抜き出すことなく、そのまま高温帯域内を
通過させることができる。
【0008】例えば窒素、メタン、エタン及びプロパン
からなる高圧多成分冷媒を、原料ガスの予冷に使用した
のと同じ単一成分冷媒により順次低温になる条件で設定
されている熱交換器群31,32,33で順次熱交換さ
せて一部が凝縮するまで予冷し、予冷された高圧多成分
冷媒は気液分離器23で高圧蒸気流8と高圧凝縮液流9
とに分離し、高圧蒸気流8はプレートフィン型熱交換器
20の高温帯域21の流路Bの上部より、高圧凝縮液流
9は流路Dの上部より、それぞれ導入する。後述の第1
の低圧多成分冷媒流(気液混相流)を高温帯域の流路C
の下部より導入して流路Aのガス流、流路Bの高圧蒸気
流及び流路Dの高圧凝縮液流と向流させ熱交換を行う。
流路Cの第1の低圧多成分冷媒流(気液混相流)は低
温、例えば4.0barA、−128℃(高温帯域の入
口)になっているので、流路Aのガス流、流路Bの高圧
蒸気流及び流路Dの高圧凝縮液流はこれと熱交換して冷
却される(要件1及び要件2の一部の説明)。
【0009】高温帯域21の流路Aで冷却されたガス流
28および流路Bで冷却された多成分冷媒の高圧蒸気流
8は、低温帯域22の流路E,Fのそれぞれの上部より
導入し、後述の第2の低圧多成分冷媒流(気液混相流)
を低温帯域の流路Gの下部より導入して、流路Eのガス
流28及び流路Fの高圧蒸気流8と向流させ熱交換を行
う。流路Gの第2の低圧多成分冷媒流(気液混相流)は
さらに低温、例えば4.1barA、−168℃(低温
帯域の入口)になっているので、流路Eのガス流28及
び流路Fの高圧蒸気流8はさらに冷却される。(構成要
件3の説明)。高温帯域21の流路Aを通過したガス流
28を低温帯域22の流路Eに導入するに際して図1に
示すように膨張させて、低温帯域の下部から液化したガ
ス流10を抜き出し、さらに膨張させ(図示せず)低圧
にして、1atm、−162℃程度の製品として回収す
る(構成要件4の説明)。
【0010】低温帯域の下部から抜き出された液化し
た、例えば47.0barA、−162℃の多成分冷媒
の高圧蒸気流11を膨張弁42で膨張させて得られる蒸
気部分と凝縮部分とを気液分離器25で気液分離し、分
離された蒸気部分12と凝縮部分13とを混合して4.
1barA、−168℃程度の第2の低圧多成分冷媒流
として低温帯域の下部より流路Gに導入し、低温帯域内
を上部より下部へ通過する流路Eのガス流及び流路Fの
多成分冷媒の高圧蒸気流と向流させて熱交換した後、低
温帯域の上部から抜き出す(構成要件5の説明)。
【0011】流路Gを通過して低温帯域の上部から抜き
出された第2の低圧多成分冷媒流14と、高温帯域の流
路Dを通過した後の例えば47.0barA、−124
℃の多成分冷媒の高圧凝縮液流15を膨張弁41で膨張
させて得られる4.0barA、−128℃の流れとを
混合して気液分離器24で気液分離する。分離された蒸
気部分16と凝縮部分17とを混合して第1の低圧多成
分冷媒流として高温帯域の流路Cの下部より導入し、高
温帯域内を通過する流路Aのガス流、流路Bの多成分冷
媒の高圧蒸気流及び流路Dの多成分冷媒の高圧凝縮液流
と向流させて熱交換した後、高温帯域の上部から3.6
barA、−36℃程度の蒸気として抜き出す(構成要
件6の説明)。なお低圧多成分冷媒流の流路(流路G+
流路C)における圧力損失を0.5bar以下にするこ
とが好ましい。
【0012】高温帯域の流路Cの上部から抜き出された
第1の低圧多成分冷媒流18をコンプレッサー26で圧
縮し、多成分冷媒冷却器34で非炭化水素冷媒、例えば
空気或は水と熱交換して冷却した後、熱交換器群31,
32,33で単一成分冷媒との熱交換によって一部が凝
縮した48.0barA、−33℃程度の混相の高圧多
成分冷媒19を前記(1)の工程に循環して再度ガスの
液化に使用する(構成要件7の説明)。なお単一成分冷
媒による原料ガスの予冷及び高圧多成分冷媒の予冷には
同じ単一成分冷媒を用いる。この単一成分冷媒の冷却シ
ステムは、通常単一成分冷媒を圧縮し、冷却して完全に
凝縮させた後、被冷却流体と順次低圧、低温にて熱交換
させ、熱交換により気化した単一成分冷媒の蒸気を圧縮
することからなるサイクル中を循環させる方法が採用さ
れる。また前記原料ガスの予冷及び高圧多成分冷媒の予
冷を一つの単一成分冷媒の閉サイクル内に構成すること
ができる。例えば図1においては、単一成分冷媒を圧縮
し冷却して得られる単一成分中圧冷媒(液)を予冷器2
に導入して原料ガス流を冷却し、予冷器2から抜き出さ
れた単一成分中圧冷媒(液)を膨張させて得られる単一
成分低圧冷媒(気液混相)を予冷器3に導入し、予冷器
2で冷却された後の原料ガス流を低圧、低温にてさらに
冷却する。原料ガス流との熱交換により気化した単一成
分冷媒の蒸気は各予冷器から圧縮機に送られて昇圧し、
次いで空気や水によって凝縮され、再び原料ガス流の冷
却に用いる。また、単一成分冷媒にて高圧多成分冷媒を
その一部が凝縮するまで予冷する場合も、前記と同様に
順次低圧、低温にて熱交換させることにより行うことが
できる。例えば、単一成分高圧冷媒(液)を多成分冷媒
予冷器31に導入して高圧多成分冷媒を冷却し、多成分
冷媒予冷器31から抜き出された単一成分高圧冷媒
(液)を膨張させて得られる単一成分中圧冷媒(気液混
相)を多成分冷媒予冷器32に導入し、予冷器31で冷
却された後の高圧多成分冷媒を低い圧力、低い温度にて
冷却し、多成分冷媒予冷器32から抜き出された単一成
分中圧冷媒(液)を膨張させて得られる単一成分低圧冷
媒(気液混相)を多成分冷媒予冷器33に導入し、予冷
器32で冷却された後の高圧多成分冷媒をさらに低い圧
力、低い温度にて冷却するようにして高圧多成分冷媒の
一部を凝縮させる。多成分冷媒との熱交換により気化し
た単一成分冷媒の蒸気は各予冷器から圧縮機に送られて
昇圧し、次いで空気や水によって凝縮され、単一成分高
圧冷媒(液)として再び多成分冷媒の冷却に用いること
ができる。前記原料ガスの予冷用の単一成分冷媒の冷却
サイクルと、この多成分冷媒の予冷のための単一成分冷
媒の冷却サイクルは、単一成分冷媒用の圧縮機を共有す
ることにより一つの閉サイクルを構成している。
【0013】本発明においては被冷却流体である予冷さ
れたガス流28、多成分冷媒の高圧蒸気流8及び多成分
冷媒の高圧凝縮液流9は熱交換器の上部より下部に流れ
るように導入される。一方冷却用流体である第1の低圧
多成分冷媒流(16+17)及び第2の低圧多成分冷媒
流(12+13)は、各流体が通過する熱交換器内の帯
域において、下部より上部に向かって流れるように導入
される。このようにすることにより、熱交換器の上部に
導入された被冷却流体は、冷却されながらその流体が通
過する帯域の下部まで到達する間に凝縮するので、流路
内では大きな液の静圧がかかり、圧力損失を打ち消すこ
とになる。このため、実際の圧力損失は著しく小さくな
り、被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の蒸発カーブ
との温度差が開く方向に向かうので、熱交換器の伝熱面
積を縮小できるため、熱交換器の設計に有利となる。あ
るいは被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の蒸発カー
ブとの温度差を前と同程度に保つならば、多成分冷媒の
流量を減らしたり冷媒組成の調整を行うことによってコ
ンプレッサーの負荷を小さくすることもできる。
【0014】また熱交換器内の流体の流れが止まった場
合、前記特公昭47−29712号公報記載の熱交換器
のように低温流体の低温端が熱交換器の頂部にある場合
は、低温端の冷媒液体が熱交換されないまま、重力によ
って高温端の底部に溜まるため、熱交換器底部に溜った
高温の冷媒蒸気との間で熱交換が生じて急激な低温液の
沸騰が起こり、熱交換器内の圧力上昇をもたらす。更に
アルミチューブに設計値以上の温度差がついて、アルミ
材料の熱応力疲労をもたらす恐れがあるが、本発明にお
いては、熱交換器内の流体の流れが止まっても、重力に
よる低温液の逆流が起こらないので、安全性を保つこと
ができる。
【0015】熱交換器の性能を十分に発揮するには、各
流体がそれぞれの流路に均等に分布されなければならな
い。このため本発明においては、前記のように膨張後に
得られる気液混相の流体は、分離器を設置して蒸気部分
と凝縮部分とに分離した後、分離された蒸気部分と凝縮
部分とを十分に混合した状態で熱交換器の入口に導入す
る。即ち、液化した多成分冷媒の蒸気流11について
は、膨張後に得られる蒸気部分と凝縮部分とを気液分離
器25により分離した後、分離された蒸気部分12と凝
縮部分13とを十分に混合した状態で、第2の低圧多成
分冷媒流として低温帯域の下部より流路Gに導入し、低
温帯域内を通過する流路Eのガス流及び流路Fの多成分
冷媒の高圧蒸気流と熱交換させる。分離された蒸気部分
12と凝縮部分13との混合は、低温帯域に導入される
直前で行うことが好ましい。混合方法としては熱交換器
の入口部までは蒸気部分と凝縮部分とをそれぞれ単相で
供給し、入口部で一挙に混相流とする方法が挙げられ
る。例えば蒸気部分(気体)と凝縮部分(液体)をそれ
ぞれ単相で熱交換器へ供給するための分散用のコア(多
積層流体路集合装置)を熱交換器の流体取入口に取り付
け、該分散用コア内に気体用分散フィン(多積層流体
路)と液体用分散フィンとを隣接して設け、相隣接する
各分散フィンを流れた気体と液体とを共に二相(混相)
流用分配フィンに流入し合流させて気液混相流とするよ
うにした気液分散装置(特公昭63−52313号公
報)、熱交換器ヘッダ内に気液合流層と流通路層からな
る気液分散コアを設けて、気液を別々に流入し合流層で
合流させるようにした気液分散装置(特公昭63−52
312号公報)、熱交換器の有効フィンの入口又は中間
に設けたセンターバー(側面に貫通溝をうがった中央分
配管)まで気液を別々に供給し、センターバーで合流さ
せるようにした気液分散装置(特開昭58−86396
号公報)等の方式が挙げられる。また、隣接する流体通
路を仕切るプレートに穴を開けて、コア内部で気液を混
合するようにした熱交換器(米国特許3559722明
細書)の方式も使用できるが、前記気液分散装置の方式
が好ましい。
【0016】低温帯域22の流路Gを通過し上部から抜
き出された第2の低圧多成分冷媒流14は、高温帯域の
流路Dを通過した後の多成分冷媒の高圧凝縮液流15を
膨張して得られる流れと混合して気液分離する。この多
成分冷媒の高圧凝縮液流15を膨張して得られる流れと
低温帯域を通過して抜き出された第2の低圧多成分冷媒
流14とは、温度、組成、気液比が異なるため混合させ
ると温度が上昇することがある。この混合による温度上
昇を最小限に押えるように、多成分冷媒の高圧凝縮液流
の高温帯域での出口温度と第2の低圧多成分冷媒流の低
温帯域での出口温度とを最適に調整することが望まし
い。そのためには、高温帯域出口での多成分冷媒の高圧
凝縮液流の温度を−110〜−130℃の範囲とするこ
とが好ましい。また低温帯域出口での第2の低圧多成分
冷媒流の温度は、高温帯域出口での多成分冷媒の高圧凝
縮液流の温度より5〜10℃低めが好ましい。多成分冷
媒の高圧凝縮液流15を膨張して得られる流れと低温帯
域を通過して抜き出された第2の低圧多成分冷媒流14
との混合の仕方は、図1のように両方の流れを気液分離
器24に導入することにより混合と気液分離を同時に行
っても良いし、気液分離器に導入する前に両者を混合
し、その後、気液分離器24に導入するようにしても良
い。流路内での気液の混合比を均一にするために、分離
された蒸気部分16と凝縮部分17とを十分に混合した
状態で、第1の低圧多成分冷媒流として高温帯域の下部
より流路Cに導入し、高温帯域内の流路Aを通過するガ
ス流、流路Bを通過する多成分冷媒の高圧蒸気流及び流
路Dを通過する多成分冷媒の高圧凝縮液流と熱交換させ
る。分離された蒸気部分16と凝縮部分17との混合
は、高温帯域に導入される直前で行うことが好ましい。
この混合方法としては、低温帯域に導入される蒸気部分
12と凝縮部分13との混合の場合と同様な方法で行え
る。具体的には、前記特公昭63−52313号公報、
特公昭63−52312号公報、特開昭58−8639
6号公報等の方式を用いることができる。
【0017】このように低圧多成分冷媒を高温帯域、低
温帯域のいずれの帯域に導入する場合も、気液混相の低
圧多成分冷媒を気液分離した後、熱交換器の各帯域の入
口で完全に混合された混相流体として導入することによ
り、気液分離した後に気相と液相を別々に熱交換器の高
温帯域あるいは低温帯域に導入する方法に比べて、低圧
多成分冷媒の蒸発カーブにおいて長い温度領域に渡って
低い蒸発温度を持つので、被冷却流体との対数平均温度
差を大きく取れ、熱交換器の伝熱面積を少なくすること
ができる。例えば、(1)低温帯域では低圧多成分冷媒
を混相流体として導入し、高温帯域では気相と液相を別
々に導入する方法(図4)に比べて、低温帯域、高温帯
域のいずれにも混相流体として導入する本発明では、高
温帯域での低圧多成分冷媒の蒸気カーブ(図6)におい
て、長い温度領域に渡って約7℃低めの蒸発温度を持
つ。(2)低温帯域では低圧多成分冷媒の気相と液相と
を別々に導入し、高温帯域では混相流体として導入する
方法(図5)に比べて、低温帯域、高温帯域のいずれに
も混相流体として導入する本発明は、低温帯域での低圧
多成分冷媒の蒸発カーブ(図7)において、長い温度領
域に渡って約2℃低めの蒸発温度を持つ。また、
(1)、(2)のことから、低温帯域、高温帯域のいず
れにも低圧多成分冷媒を混相流体として導入する本発明
は、いずれの帯域においても低圧多成分冷媒の気相と液
相とを別々に導入する場合(図3)に比べて、低温帯域
及び高温帯域での低圧多成分冷媒の蒸発カーブにおい
て、長い温度領域に渡って低い蒸発温度を持つことにな
るので、さらに熱交換器の設計等の面で有利である。
【0018】図3に示す方法(比較例1)の場合、プレ
ート面が直立するように設置され上部に7種の流路A,
B,D,K,L,M,Nより構成される高温帯域21、
下部に4種の流路E,F,H,Jより構成される低温帯
域22を有するプレートフィン型熱交換器20の高温帯
域21の流路の内の流路Aの上部より予冷した原料ガス
流28、流路Bの上部より多成分冷媒の高圧蒸気流8、
流路Dの上部より多成分冷媒の高圧凝縮液流9を導入す
ることは図1に示した本発明の場合と同様である。しか
し高温帯域の流路Dを通過した後の多成分冷媒の高圧凝
縮液流15を膨張弁41で膨張させて得られる流れを気
液分離器24で気液分離し、分離された蒸気部分16は
流路Mの下部、凝縮部分17は流路Nの下部より導入し
て、高温帯域内を通過する流路Aのガス流、流路Bの多
成分冷媒の高圧蒸気流及び流路Dの多成分冷媒の高圧凝
縮液流と向流させて熱交換した後、高温帯域の上部から
蒸気18として抜き出す点、即ち蒸気部分16と凝縮部
分17とを混合することなく別々にプレートフィン型熱
交換器の異なる流路にそれぞれ導入する点において本発
明と異なる。また低温帯域22の流路Eには高温帯域中
の流路Aを流れ冷却された原料ガス流28、流路Fには
高温帯域中の流路Bを流れ冷却された多成分冷媒の高圧
蒸気流8をそれぞれ導入することは図1に示した本発明
の場合と同様であるが、しかし、低温帯域の流路Fを通
過して液化した後の多成分冷媒の高圧蒸気流11を膨張
弁42で膨張させて得られる流れを気液分離器25で気
液分離し、分離された蒸気部分12は流路Hの下部より
導入し、引き続き高温帯域の流路Kの下部に導入し、凝
縮部分13は流路Jの下部より導入し、引き続き高温帯
域の流路Lの下部に導入し、それぞれ被冷却流体と向流
させて熱交換した後、高温帯域の上部から蒸気18とし
て抜き出す点、即ち蒸気部分12と凝縮部分13とを混
合することなく別々にプレートフィン型熱交換器の異な
る流路にそれぞれ導入する点、及び多成分冷媒の高圧凝
縮液流15を膨張弁41で膨張させて得られる流れを気
液分離した蒸気部分16及び凝縮部分17とは無関係に
低温帯域の流路を通過させる点において本発明と異な
る。
【0019】図4に示す方法(比較例2)の場合、プレ
ート面が直立するように設置された上部に5種の流路
A,B,D,O,Pより構成される高温帯域21、下部
に3種の流路E,F,Gより構成される低温帯域22を
有するプレートフィン型熱交換器20において、高温帯
域21の流路の内の流路Aの上部より予冷した原料ガス
流28、流路Bの上部より多成分冷媒の高圧蒸気流8、
流路Dの上部より多成分冷媒の高圧凝縮液流9を導入
し、高温帯域の流路Bを通過し、さらに低温帯域の流路
Fを通過した後の多成分冷媒の高圧蒸気流8を膨張弁4
2で膨張させて得られる流れを気液分離器25で気液分
離し、分離された蒸気部分12と凝縮部分13を混合し
て混相として低温帯域の下部より流路Gに導入して、低
温帯域内を通過する流路Eのガス流、流路Fの高圧蒸気
流と向流させて熱交換した後、低温帯域の上部から第2
の低圧多成分冷媒14として抜き出し、高温帯域の流路
Dを通過した後の多成分冷媒の高圧凝縮液流9を膨張弁
41で膨張させて得られる流れと混合することは図1に
示した本発明と同様である。しかし、高温帯域の流路D
を通過した後の多成分冷媒の高圧凝縮液流9を膨張弁4
1で膨張させて得られる流れと第2の低圧多成分冷媒1
4と混合して気液分離器24で気液分離し、分離された
蒸気部分16は流路Pの下部、凝縮部分17は流路Oの
下部に導入して高温帯域内を通過させること、すなわち
分離された蒸気部分16と凝縮部分17を混合し気液混
相として高温帯域の流路を通過させるものではない点で
本発明とは異なる。
【0020】図6は図1の本発明の方法と図4の方法と
の、高温帯域における冷却用流体の蒸発カーブ特性の相
違を説明するための図である。図6において横軸は熱交
換量Q、縦軸は温度T(℃)を表し、線Aは図1に示し
た構成の本発明における第1の低圧多成分冷媒流の蒸発
カーブ、線Bは図4に示した構成の比較例2における高
温帯域での低圧多成分冷媒の蒸発カーブを合成したもの
(流路Oの蒸発カーブ+流路Pの蒸発カーブ)であり、
長い温度領域に渡って線Aは線Bに比べて約7℃低い蒸
発温度を示すので、被冷却流体との対数平均温度差を大
きく取れ、熱交換器の伝熱面積を少なくすることができ
る。
【0021】図5に示す方法(比較例3)の場合、プレ
ート面が直立するように設置された上部に4種の流路
A,B,D,Rより構成される高温帯域21、下部に4
種の流路E,F,H,Jより構成される低温帯域22を
有するプレートフィン型熱交換器20において、高温帯
域21の流路の内の流路Aの上部より予冷した原料ガス
流28、流路Bの上部より多成分冷媒の高圧蒸気流8、
流路Dの上部より多成分冷媒の高圧凝縮液流9を導入
し、高温帯域の流路Bを通過し、更に低温帯域の流路F
を通過した後の多成分冷媒の高圧蒸気流8を膨張弁42
で膨張させて得られる流れを気液分離器25で気液分離
する点は図1に示した本発明と同様である。しかし、気
液分離器25で気液分離された蒸気部分12と凝縮部分
13は混合せずに、別々に低温帯域の下部より流路H及
び流路Jにそれぞれ導入して、低温帯域内を通過する流
路Eのガス流、流路Fの高圧蒸気流と向流させて熱交換
する点において図1に示した本発明と異なる。流路H及
びJを通過して低温帯域の上部から抜き出された低圧多
成分冷媒流14を高温帯域の流路Dを通過した後の高圧
凝縮液流15を膨張弁41で膨張させて得られる流れと
を混合して気液分離器24で気液分離し、分離された蒸
気部分16と凝縮部分17とを混合して第1の低圧多成
分冷媒流として高温帯域の流路Rの下部より導入し、高
温帯域内を通過する流路Aのガス流、流路Bの多成分冷
媒の高圧蒸気流及び流路Dの多成分冷媒の高圧凝縮液流
と向流させて熱交換する点は本発明と同様である。
【0022】図7は図1の本発明の方法と図5の方法と
の、低温帯域における冷却用流体の蒸発カーブ特性の相
違を説明するための図である。図7において横軸は熱交
換量Q、縦軸は温度T(℃)を表し、線Cは図1に示し
た構成の本発明における第2の低圧多成分冷媒流の蒸発
カーブ、線Dは図5に示した構成の比較例3における低
温帯域での低圧多成分冷媒の蒸発カーブを合成したもの
(流路Hの蒸発カーブ+流路Jの蒸発カーブ)であり、
長い温度領域に渡って線Cは線Dに比べて約2℃低い低
圧多成分冷媒の蒸発温度を示すので、被冷却流体との対
数平均温度差を大きく取れ、熱交換器の伝熱面積を少な
くすることができる。
【0023】図1に示したプレートフィン型熱交換器を
使用するプロセス(本発明)と、図1に示したプロセス
において熱交換器20のみを図2に示したハンプソン式
熱交換器に代えたプロセス(比較例4)について、表1
に示した原料ガスから表1に示したLNGを製造する場
合の熱交換量Qと温度Tとの関係を図8に示す。また本
発明のコンプレッサーの消費動力を計算した結果を表2
に示す。なお比較例4においても、本発明と同様に、高
温帯域を通過したガス流を膨張させた後、低温帯域に導
入するようにした。LNG製品は、熱交換器の低温帯域
から液化したガス10を抜き出し、さらに膨張させて
(図示せず)得られるものである。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】図8において横軸は熱交換量Q、縦軸は温
度T(℃)を表し、線E(実線)は比較例4における被
冷却流体の凝縮カーブ、線F(点線)は本発明における
被冷却流体の凝縮カーブである。線F(点線)は部分的
に線E(実線)を上回り、即ち、被冷却流体の凝縮カー
ブが高温側に移動するので、熱交換器の伝熱面積を縮小
したり、或は、ハンプソン式熱交換器と同等の温度差で
熱交換器を設計するならば、コンプレッサーの負荷を低
減することができる。この負荷の低減の程度は表2のコ
ンプレッサー動力の場合で数MW程度である。
【0027】
【発明の効果】
(1)本発明においては、予冷されたガスと高圧多成分
冷媒とを熱交換させるに際して、プレートフィン型熱交
換器を用いることにより、従来のハンプソン式熱交換器
を用いる方法に比べて圧力損失を著しく小さくすること
ができるので、被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の
蒸発カーブとの温度差が開く方向に向かう。そのため熱
交換器の伝熱面積を縮小することができ、或はハンプソ
ン式熱交換器と同等の温度差で熱交換器を設計するなら
ば、コンプレッサーの負荷を小さくすることができる。 (2)また、本発明においては、被冷却流体である予冷
されたガス流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び高圧凝縮液
流を熱交換器の上部より下部に向かって流し、一方冷却
用流体である第1の低圧多成分冷媒及び第2の低圧多成
分冷媒は各流体の通過する熱交換器内の帯域において、
下部より上部に向かって流すようにするため、流路内の
被冷却流体が下部まで到達する間に凝縮して液の大きな
静圧を生じるので、圧力損失を打ち消すことになる。こ
のため被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の蒸発カー
ブとの温度差が開く方向に向かうので、熱交換器の伝熱
面積の縮小化、或はコンプッレサーの負荷の低減化を更
に図ることができる。 (3)さらに、本発明では、低温流体の低温端が熱交換
器の底部にあるため、熱交換器内の流体の流れが止まっ
ても、重力による低温液の逆流が起こらないので安全に
操業をすることができる。 (4)本発明では、気液混相の低圧多成分冷媒を、気液
分離した後、熱交換器の入口で混合して導入することに
より、気液分離後の気相と液相を別々に熱交換器に導入
する場合に比べて、低圧多成分冷媒の蒸発カーブにおい
て長い温度領域に渡って低い蒸発温度を持つので、被冷
却流体との対数平均温度差を大きくでき、熱交換器の伝
熱面積を小さくすることができる。 (5)また、本発明においては、ハンプソン式熱交換器
を用いる従来法の場合に比べて、多成分冷媒の循環量を
減少させたり、予冷用の単一成分冷媒、例えばプロパン
の使用量を減らしたり、多成分冷媒の組成を重くするこ
と等により、さらにコンプッレサーの馬力を削減でき省
エネルギー化が図れるガスの液化方法が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるガスの液化方法の構成を説明する
ための図である。
【図2】従来のハンプソン式熱交換器を使用するガスの
液化方法の構成を説明するための図である。
【図3】高温帯域及び低温帯域の両方における多成分冷
媒膨張後の蒸気流と凝縮液流をそれぞれ別々に熱交換器
に導入する方法(比較例1)の説明図である。
【図4】高温帯域における多成分冷媒膨張後の蒸気流と
凝縮液流を別々に熱交換器に導入する方法(比較例2)
の説明図である。
【図5】低温帯域における多成分冷媒膨張後の蒸気流と
凝縮液流を別々に熱交換器に導入する方法(比較例3)
の説明図である。
【図6】図1の本発明の方法と図4の方法の、高温帯域
における熱交換量Qと温度Tとの関係を示す図である。
【図7】図1の本発明の方法と図5の方法の、低温帯域
における熱交換量Qと温度Tとの関係を示す図である。
【図8】図1に示したプロセスにおいて、熱交換器とし
てプレートフィン型熱交換器を使用した場合とハンプソ
ン式熱交換器を使用した場合の熱交換量Qと温度Tとの
関係を示す図である。
【符号の説明】
1 原料ガス流 2 予冷器(単一成分中圧冷媒使用) 3 予冷器(単一成分低圧冷媒使用) 4 予冷された原料ガス流 5 高沸点物分離器のリボイラー 6 高沸点物分離器の還流ドラム 7 原料ガス中の高沸点物分離器 8 多成分冷媒高圧蒸気流 9 多成分冷媒高圧凝縮液流 10 液化したガス流 11 液化した多成分冷媒の高圧蒸気流 12 液化した多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させ気液
分離した低圧蒸気部分 13 液化した多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させ気液
分離した低圧凝縮流部分 14 第2の低圧多成分冷媒流 15 冷却された多成分冷媒の高圧凝縮液流 16 気液分離器24で気液分離された蒸気部分 17 気液分離器24で気液分離された凝縮部分 18 第1の低圧多成分冷媒流 19 一部分が凝縮した高圧多成分冷媒 20 プレートフィン型熱交換器 21 プレートフィン型熱交換器の高温帯域 22 プレートフィン型熱交換器の低温帯域 23 気液分離器(高圧多成分冷媒用) 24 気液分離器(低圧多成分冷媒用) 25 気液分離器(低圧多成分冷媒用) 26 コンプレッサー 27 高沸点物分離器の搭頂ガス流 28 低沸点成分の純度を高めたガス流 31 多成分冷媒予冷器(単一成分高圧冷媒使用) 32 多成分冷媒予冷器(単一成分中圧冷媒使用) 33 多成分冷媒予冷器(単一成分低圧冷媒使用) 34 多成分冷媒冷却器(水冷) 41 膨張弁 42 膨張弁

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単一成分冷媒と順次低温になる条件で熱
    交換させて予冷したガスを、前記単一成分冷媒との熱交
    換によって一部が凝縮するまで予冷した高圧多成分冷媒
    と熱交換させてガスを液化するに際して、(1)単一成
    分冷媒との熱交換によって一部が凝縮した高圧多成分冷
    媒を高圧蒸気流と高圧凝縮液流とに分離し、(2)プレ
    ート面が直立するように設置された上部側に少なくとも
    4種の流路を有する高温帯域、下部側に少なくとも3種
    の流路を有する低温帯域を設けたプレートフィン型熱交
    換器の高温帯域の流路の内の3種の流路の上部よりガス
    流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮
    液流をそれぞれ導入し、後述の第1の低圧多成分冷媒流
    を高温帯域の内の1種の流路の下部より導入して、ガス
    流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮
    液流を第1の低圧多成分冷媒流と熱交換させて冷却し、
    (3)高温帯域で冷却されたガス流及び多成分冷媒の高
    圧蒸気流をプレートフィン型熱交換器の低温帯域の流路
    の内の2種の流路の上部よりそれぞれ導入し、後述の第
    2の低圧多成分冷媒流を低温帯域の内の1種の流路の下
    部より導入して、ガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気流を
    第2の低圧多成分冷媒流と熱交換させてさらに冷却し、
    (4)低温帯域の下部から液化したガス流を抜き出して
    回収し、(5)低温帯域の下部から抜き出された液化し
    た多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させて得られる蒸気部
    分と凝縮部分とを気液分離し、分離された蒸気部分と凝
    縮部分とを混合して第2の低圧多成分冷媒流として低温
    帯域の内の1種の流路の下部より導入し、低温帯域内を
    上部より下部へ通過するガス流及び多成分冷媒の高圧蒸
    気流と熱交換させた後、低温帯域の上部から抜き出し、
    (6)低温帯域の上部から抜き出された第2の低圧多成
    分冷媒流と高温帯域を通過した後の多成分冷媒の高圧凝
    縮液流を膨張させて得られる流れとを混合して気液分離
    し、分離された蒸気部分と凝縮部分とを混合して第1の
    低圧多成分冷媒流として高温帯域の内の1種の流路の下
    部より導入し、高温帯域内を上部より下部へ通過するガ
    ス流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝
    縮液流と熱交換させた後、高温帯域の上部から蒸気とし
    て抜き出し、(7)高温帯域の上部から蒸気として抜き
    出された第1の低圧多成分冷媒流を圧縮後、単一成分冷
    媒と熱交換して得られる一部が凝縮した高圧多成分冷媒
    を前記(1)の工程に循環して再度ガスの液化に使用す
    ることからなるガスの液化方法。
  2. 【請求項2】 プレートフィン型熱交換器の高温帯域の
    流路の一つの上部よりガス流を導入して冷却し、その一
    部分が凝縮されたガス流を抜き出して凝縮された高沸点
    成分を分離除去した後、高沸点成分を除去されたガス流
    を抜き出した場所より高温帯域の他の流路の上部より導
    入する請求項1に記載のガスの液化方法。
  3. 【請求項3】 低温帯域の下部から抜き出された液化し
    た多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させて得られる蒸気部
    分と凝縮部分とを気液分離し、分離された蒸気部分と凝
    縮部分とを混合して低温帯域の内の1種の流路の下部よ
    り導入するに当り、蒸気部分と凝縮部分との混合を低温
    帯域に導入する直前に行う請求項1又は請求項2に記載
    のガスの液化方法。
  4. 【請求項4】 低温帯域の上部から抜き出された第2の
    低圧多成分冷媒流と高温帯域を通過した後の多成分冷媒
    の高圧凝縮液流を膨張させて得られる流れとを混合して
    気液分離し、分離された蒸気部分と凝縮部分とを混合し
    て高温帯域の内の1種の流路の下部より導入するに当
    り、蒸気部分と凝縮部分との混合を高温帯域に導入する
    直前に行う請求項1、請求項2又は請求項3に記載のガ
    スの液化方法。
  5. 【請求項5】 プレートフィン型熱交換器の高温帯域の
    流路を通過したガス流を膨張させた後低温帯域の流路の
    上部から導入する請求項1、請求項2、請求項3又は請
    求項4に記載のガスの液化方法。
  6. 【請求項6】 高温帯域の上部から蒸気として抜き出さ
    れた第1の低圧多成分冷媒流を圧縮後非炭化水素冷媒で
    冷却し、次いで単一成分冷媒と熱交換して一部が凝縮し
    た高圧多成分冷媒とする請求項1、請求項2、請求項
    3、請求項4又は請求項5に記載のガスの液化方法。
  7. 【請求項7】 多成分冷媒が窒素及び炭素数1〜5を有
    する炭化水素のうちから選ばれる成分の混合物である請
    求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、請
    求項6に記載のガスの液化方法。
  8. 【請求項8】 多成分冷媒が窒素、メタン、エタン及び
    プロパンからなる混合物である請求項7に記載のガスの
    液化方法。
  9. 【請求項9】 単一成分冷媒がプロパンである請求項
    1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項7又は請求
    項8に記載のガスの液化方法。
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