JPH0816580B2 - 常態はガス状の炭化水素混合物を過冷却する方法 - Google Patents

常態はガス状の炭化水素混合物を過冷却する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液化石油ガス（LPG）、天然ガス液（NG
L）、及び少量の窒素を含む液化天然ガス（LNG）のよう
な、常態ではガス状の炭化水素混合物を過冷却する方法
に関する。本発明は、特に過冷却炭化水素混合物を製品
流とする超低温貯蔵タンクからのボイル・オフ（boil−
off）蒸気の回収に有用である。
慣用技術においては、LPG,LNG,及びLNGは、単一成分
冷媒、カスケード冷媒、混合冷媒のような色々な冷凍媒
体を用いる圧力低下式冷凍法、等エントロピー膨張法、
及びこれらの組み合わせによる方法にて、精製、液化さ
れる。かくして得られる製品流は、貯蔵中の熱侵入に基
ずくボイル・オフ ガス損失を減少させるためにそのバ
ブル ポイント以下に過冷却されるのが通常である。
典型的には、貯槽は、冷凍設備からある程度離れた所
に位置している。適当な保温と製品の過冷却を行つて
も、貯蔵炭化初素混合物の軽質成分の蒸発がある程度起
こるのは不可避である。ボイル・オフ蒸気を損失すると
いうことは、通常望ましくもなく、許容されるものでも
ない。従つて、ボイル・オフ蒸気は、典型的には、単一
成分冷媒使用の独立閉回路系を用いて液体として回収さ
れ、貯槽へ戻される。ボイル・オフ速度は、ローデイン
グ／アンローデイング操作や天候の変化のために、残念
なことに一定ではない。従つて、ボイル・オフ蒸気の回
収に採用される冷凍系は最大要求値に対して寸法が決め
られるのが慣行になつており、その結果、大容量の冷凍
が大部分の時間遊んでいることになる。上記の独立閉回
路冷凍系は更に冷凍温度が固定されているという不利さ
がある。例えば、プロパン系では、得られる最低の冷凍
温度はおそらく−40℃であり、この温度は、プラント設
計時の想定ボイル・オフ成分の回収には適当である。し
かし、原料やプロセス条件が変化すると、軽質成分を予
知しえぬ程沢山含むボイル・オフ蒸気が発生する事もあ
るので、このようなボイル・オフ蒸気は一定温度の冷媒
では回収できないのである。
従つて、本発明の目的は、冷凍方式を用いて、超低温
炭化水素製品流のような常態はガス状の炭化水素混合物
を過冷却するとともに、発生量が変化するボイル・オフ
蒸気混合物にも適応する自己バランス系にてボイル・オ
フ蒸気を回収するのにも用いられる方法を提供すること
である。
本発明によれば、常態はガス状の多成分炭化水素プロ
セス流が断熱気／液分離ゾーンへ導かれ、液生成物が販
売、貯蔵、或いは以後の処理のために取り出され、蒸気
が回収される。蒸気は、少なくとも二つの軽質成分を含
むガス状冷媒として炭化水素プロセス流から回収され
る。ガス状冷媒は、圧縮され、凝縮され、過冷却され、
膨張され、流入する流れと間接熱交換して蒸発され、そ
して最後に、気／液分離ゾーンに戻され、導入されるプ
ロセス流れと混合される。冷媒は、気／液分離ゾーンに
おいて主冷凍プロセスの低圧端に開く開回路系にて用い
られているので、該ガス状冷媒は、導入される流れの最
も軽質の成分を常に含んでいることになる。従つて、ボ
イル・オフ蒸気の液化に利用できる冷凍温度は導入され
るプロセス流れからのボイル・オフ・ガスの組成につれ
て上がつたり下がつたりすることになる。
第１図は、凝縮した冷媒が膨張に先だつて外部冷媒流
によつて過冷却される本発明の態様を示す。
第２図は、凝縮した冷媒が、膨張に先だつて、流入す
る炭化水素プロセス流が過冷却されるのと同じ熱交換ゾ
ーンで圧力降下後の自己に対して過冷却される本発明の
態様を示す。
第３図は、高圧冷媒液が膨張に先だつて二つの熱交換
段階で過冷却され、最初に過冷却された液の一部が、そ
れ自身の冷凍熱量を与えるために中間圧力に膨張される
本発明の望ましい態様を示す。
第４図は、過冷却される導入プロセス流が少量のエタ
ン及びブタンも含むプロパン製品流であることを特徴と
する、高圧冷媒液の二段階過冷却を用いる本発明の他の
望ましい態様を示す。
断熱気／液分離ゾーンは、処理される特定的炭化水素
混合物及び設備の物理的配置次第でフラツシユ ドラム
型分離器或いは冷凍貯槽、若しくは第４図に示されるよ
うにこれらの組み合わせでよい。貯槽が主冷凍プロセス
に近く位置しているならば、貯槽は気／液分離器の役目
を果たし得よう。しかし、炭化水素混合物の変化に対し
より速いシステム応答を付与するためには、貯槽の上流
に別のフラツシユ ドラムを用いることが望ましい。気
／液分離ゾーンは、リボイラー付の蒸留塔や精留塔と対
照的に断熱的である。もつとも、冷凍貯槽には、ある程
度外部から熱が侵入するという事実があるが、断熱気／
液分離ゾーンは、0.8×105〜2.0×105Pa（0.8〜2.0バー
ル）で操作され得るが、常圧より僅か高い圧力（0.987
×105Pa（0.987バール）より高い）で操作されるのが望
ましいだろう。
導入される炭化水素プロセス流を冷凍貯蔵温度まで過
冷却するのに望ましい超低冷媒温度を達成するために
は、凝縮した冷媒流も同様に過冷却することが必須であ
る。冷媒は、外部流で、例えば、第１図に示されるよう
に主冷凍プロセス装置からの冷媒流で過冷却することが
可能であるが、古典的ないわゆる「ブーツ トラツプ
（bootstrap）」冷却法にて膨張後の自己との熱交換に
よつて第２図に示されるように過冷却されるのが望まし
い。この冷却法では、流れの膨張から得られる冷凍が、
膨張される流れの元の高圧流体を冷却するのに使用され
る。勿論、ここで得られた冷凍は、導入されるプロセス
流を過冷却するにも用いられる。導入される流れが主に
メタンで、LNG設備において一般的であるように少量の
窒素をも含んでいる時には、ガス状の冷媒は1.4×106〜
3.5×106P（14〜35バール）に圧縮され、凝縮され、つ
いで冷凍回収のための膨張に先だつて−140〜−170℃の
温度に過冷却される。導入される流れが主にエタンで、
少量のメタンをも含んでいる時には、ガス状の冷媒は７
×105〜3.1×106Pa（７〜31バール）に圧縮され、凝縮
され、−70〜−110℃の温度に過冷却される。導入され
る流れが主にプロパン又はブタン又は、典型的には、幾
つかの軽質ガスを含む大部分はプロパン／ブタン混合物
である時には、ガス状の冷媒は３×105〜2.5×106Pa
（３〜25バール）に圧縮され、凝縮され、そして10〜−
60℃の温度に冷却される。
過冷却された冷媒は、望ましくは、ジユール・トンプ
ソン弁を通して断熱気／液分離ゾーンの低圧へ膨張さ
れ、気／液の分離を邪魔することなく、この膨張流から
冷凍が回収される。典型的には、膨張された流れは、二
相の混合物となるのであるが、流れが非常に低い温度に
過冷却された場合には、完全に液相となり得る。導入さ
れる炭化水素プロセス流及び、望ましくは、元の高圧流
との間接熱交換によつて冷凍を回収すると、勿論、この
冷媒を大部分気相に再気化するので、これを断熱気／液
分離ゾーンへと戻す。この戻り流れは、場合に応じて専
用の分離器又は貯槽に導かれるが、導入される、液相に
過冷却された多成分系の炭化水素流（これも一般に同じ
槽に膨張されるが）とは別のラインで導くのが望まし
い。この再蒸発した戻り流の導入点は、上記過冷却液体
流の導入点の上であるべきである。これは、二つの流れ
の気／液分離及び気／液分離ゾーンに採用される槽（複
数も含む）からの常態はガス状の液相炭化水素製品流の
回収を容易にするためである。
望ましくは、凝縮した冷媒は、第３図に示されるよう
に、二つの間接熱交換段階で過冷却されるが、これは、
かくして利用可能となる二つの温度レベルの冷媒流と冷
凍熱量を厳密に合わせるためである。この態様において
は、従つて、全冷媒液流が、最初に過冷却され、過冷却
された流れの一部分が中間圧２×105〜1.5×106Pa（２
〜15バール）へと膨張され、最初の過冷却に必要な冷凍
を与える。この再蒸発した冷媒は、次いでガス状冷媒圧
縮段階、例えば、二段圧縮機の中間段の中間圧力点に戻
される。最初に過冷却された冷媒液の残りの部分は、次
で上に記載の熱交換の第二段階に送られ、既述のように
膨張に先立つ最後の過冷却が引き続いて行われる。
添付図面及びその説明に関して、以下の符号を付与
し、プロセス流とプロセス工程の機能を明らかにするも
のとする。
1.常態はガス状である多成分系の炭化水素プロセス流 1a.液相に過冷却された、常態はガス状の多成分系炭化
水素プロセス流 2.熱交換器 3.熱交換器 4.低圧、断熱気／液分離ゾーン 5.液相で常態はガス状の、炭化水素製品流 6.LPG貯槽 7.LPG製品 8.ガス状冷媒流 9.圧縮機 10.熱交換器（凝縮器） 11.蓄液槽 12.高圧冷媒液 12a.最初に過冷却された高圧冷媒液 13.熱交換器 14.熱交換器 15.第１冷却冷媒液 16.第２冷却冷媒液 17.膨張弁 18.第１中間圧力冷媒 19.第１中間圧力再蒸発冷媒 20.膨張弁 21.ブタン流 22.第２中間圧力再蒸発冷媒 23.合わされた中間圧力再蒸発冷媒 24.ノツクアウト ドラム 25.膨張弁 26.膨張弁 27.第１低圧冷媒 28.第２低圧冷媒 29.第１低圧再蒸発冷媒 30.第２低圧再蒸発冷媒 31.合わされた低圧再蒸発冷媒 32.膨張弁 本発明のプロセスに用いるのに好適な熱交換器は多管
式型、又は多流体間熱交換を可能とするプレート フイ
ン型であるといえる。別々の熱交換ゾーンが説明の目的
で添付図面に示されてはいるが、特定的なプロセス設計
のパラメーターに従つてこれらのゾーンを一つあるいは
それ以上の多流体熱交換器に纏めることもできる。
第１図を参照する。導入される、多成分の、常態はガ
ス状の炭化水素プロセス流は、高圧の冷凍プロセス圧力
下では通常液相であるが、熱交換器３で過冷却され、得
られた過冷却流1aが、フラツシユ分離器４と示されてい
る低圧断熱気／液分離ゾーンへと膨張させられる。常態
はガス状の、液相炭化水素製品流は、ライン５を経て分
離器の底部から抜き出され、ガス状冷媒流となる蒸気流
は、ライン８から抜き出される。フラツシユ分離器４
は、圧縮機９の入口側での望ましくない真空常態を回避
するために、常圧又は常圧近くで操作されるのが望まし
い。ガス状冷媒を高圧に圧縮後、冷媒は熱交換器10に
て、典型的には、水を用いて凝縮され、槽11に溜められ
る。高圧冷媒液は、需要に応じてライン12を経て蓄液槽
から抜き出され、例えば主冷凍プロセスから利用可能の
外部冷媒流によつて熱交換器14にて過冷却される。この
過冷却によつて、第１冷却冷媒流15が得られ、これは次
に弁25から膨張させられ、熱交換器３にて導入されるプ
ロセス流との熱交換により再蒸発される。ライン29に得
られる第１低圧再蒸発冷媒は次いでフラツシユ分離器４
へと戻される。
第２図は、高圧冷媒液流12が第１低圧冷媒流27によつ
て熱交換器３においても過冷却されるので、外部冷媒が
必要とされないという事を除いて、第１図の方法と実質
的に等しい本発明の方法を示す。
第３図においては、高圧冷媒液体流12の二段階過冷却
が示される。ここでは、最初の過冷却が熱交換器13で行
われ、第２冷却冷媒液体流16が、最初に過冷却された冷
媒から分岐される。この態様においては、第２冷却冷媒
液体流は第１冷却冷媒液体流15の温度より高い温度を有
し、弁17で膨張されて、第１中間圧力冷媒となり、これ
は熱交換器13にて熱が回収され、第１中間圧力再蒸発流
19となる。蒸気流19は、次いで二段圧縮機９の中間点に
戻される。この二段圧縮機内で蒸気流19とガス状冷媒流
８とが圧縮中に一緒にされる。流れ19に入つているかも
しれない液体を取り除くために、ノツクアウト ドラム
24が採用され、圧縮機を保護する。
図面のライン５のところに回収されるような液相炭化
水素製品を製造する場合、導入されるプロセス流１中の
軽質成分の濃度が増加すると、貯蔵温度を低下させない
限り、ボイル オフ ガスが望ましくない速度で発生す
る傾向があるのは理解されることであろう。前述の説明
から明らかなように、本発明の方法によれば、その自己
バランス性、開回路特性のお蔭で低温度の製品流５を製
造できる。導入される流れがフラツシユされるとき、ガ
ス状冷媒流８が必然的に高濃度の軽質成分を含むからで
ある。かくして得られる軽質ガス状冷媒は、対応して低
いバブル ポイントを有しているので、熱交換器３にお
いて、より低い冷凍温度を達成することが可能であり、
従つて系中で常圧より低い圧力を用いずして導入される
プロセス流１の過冷却のためにより低温度を提供するこ
とが可能となる。
さて、第４図を参照する。本図は、既に述べたよう
に、次の組成を有するLPG流を過冷却するのに好適な本
発明の概略系統図を示すものである。
C2＝ 2.1重量％ C3＝ 95.4重量％ C4＝ 2.5重量％ 100.0重量％ LPGプロセス流１は、圧力1.78×106Pa（17.8バール）
にて熱交換器２へ導入され、最初−23℃に過冷却され
る。流れは更に−46℃まで熱交換器３で過冷却され、１
×105Pa（１バール）より僅かに高く操作されているフ
ラツシユ分離器へ低圧になるまで膨張させられる。流れ
１と実質的に同一な組成を有する、常態はガス状の液相
炭化水素製品流５が分離器４の底部から回収され、超低
温タンク６に貯蔵される。LPG製品はこのタンクからラ
イン７を経て抜き出され、販売や次の処理に供される。
製品流からのエタンから大部分成る、LPG貯蔵タンク
６からのボイル・オフ・ガスは分離器４中で他のガスと
一緒にされ、次の組成を有するガス状冷媒流８を形成す
る。
C2＝ 13.9重量％ C3＝ 86.1重量％ C4＝痕跡 100.0重量％ ガス状冷媒は、二段圧縮機９で中間圧力2.7×105Pa
（2.7バール）に圧縮され、次いで高圧1.95×106Pa（1
9.5バール）まで圧縮される。高圧ガス状冷媒は次いで
熱交換器10にて水によつて凝縮させられ、槽11に蓄えら
れる。高圧冷媒液はライン12を経て蓄液槽から抜き出さ
れ、熱交換器13にて最初−24℃に過冷却される。最初に
過冷却された冷媒液の一部は、更に熱交換器14にて−46
℃まで過冷却され、第１冷却冷媒液としてライン15から
抜き出される。最初に過冷却された冷媒液の他の部分
は、依然として−24℃であるが、ライン16から分岐さ
れ、一部が弁17から膨張させられ、３×105Pa（３バー
ル）にて第１中間圧冷媒18となる。この冷媒18は、熱交
換器13中にて高圧冷媒液を最初に過冷却することによつ
てそれ自体は蒸発し、ライン19の第１中間圧再蒸発冷媒
となる。
ライン16からの平行な流れは同様に弁20を通つて膨張
させられ、熱交換器２にてLPGプロセス流１並びに別の
ブタン流21を最初に過冷却することによつてそれ自体は
蒸発し、ライン22の第２中間圧再蒸発冷媒となる。上記
第１及び第２中間圧再蒸発冷媒はライン23で一緒にさ
れ、ノツクアウト ドラム24を経て圧力2.7×105Pa（2.
7バール）にて圧縮機９の第二段入口に戻される。
前に戻つて熱交換器14を参照する。ライン15の第１冷
却冷媒液は分岐されぞれぞれ弁25と26を通つて1.3×105
Pa（1.3バール）まで膨張させられ、それぞれライン27
の第１低圧冷媒及びライン28の第２低圧冷媒となる。こ
れらの流れは、熱交換器３にてLPGプロセス流を、熱交
換器14にて高圧冷媒液をそれぞれ最終的に過冷却し、自
体は蒸発し、ライン29にて第１低圧再蒸発冷媒及びライ
ン30にて第２低圧再蒸発冷媒となる。再蒸発低圧液流は
ライン31にて一緒にされ、温度−32℃にてフラツシユ分
離器４へ戻される。流れ15にて利用可能な冷媒が熱交換
器３と４における過冷却要求値より過剰であるならば、
過剰な分は弁32で膨張させ、直接熱交換によりLPG製品
流を更に過冷却してもよい。相当な過剰の冷媒が利用可
能な場合には、熱交換器３及び14に平行して一基又はそ
れ以上の基数の熱交換器（図示せず）にこの過剰冷媒を
用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、凝縮した冷媒が膨張に先だつて外部冷媒流に
よつて過冷却される本発明の実施態様を示す。 第２図は、凝縮した冷媒が、膨張に先だつて、流入する
炭化水素プロセス流が過冷却されるのと同じ熱交換ゾー
ンで圧力降下後の自己に対して過冷却される本発明の実
施態様を示す。 第３図は、高圧冷媒液が膨張に先だつて二つの熱交換段
階で過冷却され、最初に過冷却された液の一部が、それ
自身の冷凍熱量を与えるために中間圧力に膨張される本
発明の望ましい実施態様を示す。 第４図は、過冷却される導入プロセス流が少量のエタン
及びブタンも含むプロパン製品流であることを特徴とす
る、高圧冷媒液の二段階過冷却を用いる本発明の他の望
ましい実施態様を示す。 なお、図中の符号は次の通りである。 １……常態はガス状であり多成分系の炭化水素プロセス
流、1a……液相に過冷却された、常態はガス状の多成分
系炭化水素プロセス流、２、３……熱交換器、４……低
圧、断熱気／液分離ゾーン、５……液相で常態はガス状
の炭化水素製品流、６……LPG貯槽、７……LPG製品、８
……ガス状冷媒流、９……圧縮機、10……熱交換器（凝
縮器）、11……蓄液槽、12……高圧冷媒液、12a……最
初に過冷却された高圧冷媒液、13、14……熱交換器、15
……第１冷却冷媒液、16……第２冷却冷媒液、17……膨
張弁、18……第１中間圧力冷媒、19……第１中間圧力再
蒸発冷媒、20……膨張弁、21……ブタン流、22……第２
中間圧力再蒸発冷媒、23……合わされた中間圧力再蒸発
冷媒、24……ノツクアウトドラム、25、26……膨張弁、
27……第１低圧冷媒、28……第２低圧冷媒、29……第１
低圧再蒸発冷媒、30……第２低圧再蒸発冷媒、31……合
わされた低圧再蒸発冷媒、32……膨張弁。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】常態はガス状の炭化水素製品流（１）を過
    冷却する方法において、 ａ） 液相に過冷却された多成分系の炭化水素流であっ
    て、かつ常態はガス状の該炭化水素流（1a）を、低圧で
    断熱の気／液分離ゾーン（4,6）に導入して該炭化水素
    流を膨張させること、 ｂ） 低圧で断熱の気／液分離ゾーン（4,6）から、多
    成分系であり常態はガス状の炭化水素流の少なくとも二
    つの最軽質成分部分より成るガス状冷媒流（８）を回収
    すること、 ｃ） ガス状冷媒流（８）を高圧に圧縮し（９）、次い
    でこの流れを凝縮させ（10）、高圧冷媒液（12）を形成
    させること、 ｄ） 高圧冷媒液の少なくとも一部分を過冷却し（1
    4）、第１冷却冷媒液（15）を形成させること、 ｅ） 第１冷却冷媒液（15）の少なくとも一部分を膨張
    させ、第１低圧冷媒（27）を形成させること、 ｆ） 第１低圧冷媒（27）を蒸発させ、第１低圧再蒸発
    冷媒（29）を形成させること、 ｇ） 第１低圧再蒸発冷媒（29）を低圧、断熱の気／液
    分離ゾーン（4,6）へ導入すること、 ｈ） 多成分系であり常態はガス状の炭化水素プロセス
    流（１）を第１低圧冷媒（27）との間接熱交換にて過冷
    却し（３）、液相に過冷却された多成分系の炭化水素流
    であって、かつ常態はガス状の該炭化水素流（1a）を形
    成させ、次いでこれを低圧で断熱の気／液分離ゾーン
    （4,6）に導入して該炭化水素流を膨張させること、及
    び ｉ） 常態はガス状であり液相の炭化水素流製品（５）
    を低圧で断熱の気／液分離ゾーン（4,6）から回収する
    こと、 から成ることを特徴とする常態はガス状の炭化水素流を
    過冷却する方法。
  2. 【請求項２】第１低圧冷媒（27）が二相混合物である請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】高圧冷媒液（12）が第１低圧冷媒（27）と
    の間接熱交換（３）によって過冷却される請求項１記載
    の方法。
  4. 【請求項４】更に付け加えて、次の工程、即ち、 ａ） 高圧冷媒液（12）を最初に過冷却し（13）、これ
    から第１冷却冷媒液（15）の温度以上の温度を有する第
    ２冷却冷媒液（16）を分岐すること、 ｂ） 第２冷却冷媒液（16）の少なくとも一部を膨張さ
    せ（17）、第１中間圧冷媒（18）を形成すること、 ｃ） 第１中間圧冷媒（18）を高圧冷媒液（12）との間
    接熱交換（13）にて膨張させ（13）、第１中間圧冷媒
    （18）から第１中間圧再蒸発冷媒（19）を形成するこ
    と、及び、 ｄ） 第１中間圧再蒸発冷媒（19）を圧縮されているガ
    ス状冷媒流（８）と一緒にすること、 から成る請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】ガス状冷媒流（８）が３×105〜3.5×106P
    a（３〜35バール）の高圧に圧縮され、低圧で断熱の気
    ／液分離ゾーン（4,6）が0.8×105〜2.0×105Pa（0.8〜
    2.0バール）の圧力で操作される請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】低圧で断熱の気／液分離ゾーン（4,6）が
    貯槽（６）から成る請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】低圧で断熱の気／液分離ゾーン（4,6）が
    フラッシュ分離器（４）から成る請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】第１中間圧再蒸発冷媒（19）が2.0×105〜
    1.5×106Pa（２〜15バール）の圧力にある請求項４記載
    の方法。
  9. 【請求項９】更に付け加えて、次の工程、即ち ａ） 第１冷却冷媒液（15）のより少ない部分を膨張さ
    せて（26）、第２低圧冷媒（28）を形成させること、 ｂ） 第２低圧冷媒（28）を最初に過冷却された高圧冷
    媒液（12a）の一部分と間接熱交換（14）して蒸発させ
    （14）、第２低圧冷媒（28）から第２低圧再蒸発冷媒
    （30）を形成すること、及び ｃ） 第２低圧再蒸発冷媒（30）を低圧で断熱の気／液
    分離ゾーン（4,6）へ導入することから成る請求項４記
    載の方法。
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