JPH11311480A - 冷媒混合物を相分離させることなく天然ガスを液化する方法および装置 - Google Patents

冷媒混合物を相分離させることなく天然ガスを液化する方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 少なくとも一部分が炭化水素、例えば天然ガ
ス等からなる流体または気体混合物を液化する方法およ
び装置の提供。 【解決手段】 外部冷却流体の補助によって冷却するこ
とにより少なくとも一部を凝縮し、次いで過冷却し、膨
張させ、蒸発させた第１圧縮冷媒混合物Ｍ1と、外部冷
却流体の補助によって冷却し、次いで第１冷却段階(I)
の間に第１冷媒混合物Ｍ1を用いた熱交換によって冷却
し、その後少なくとも部分的に凝縮した状態にされた第
２圧縮冷媒混合物Ｍ2とを使用して、天然ガス等の気状
混合物を液化する。第２の部分的に凝縮した混合物は、
相分離することなく第２冷却段階(II)に送られ、完全に
凝縮し、膨張し、少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発
する。過冷却された天然ガスは膨張して、発生する液化
天然ガスを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも一部分
が炭化水素の混合物、例えば天然ガス等から形成された
流体または気体混合物を液化する方法および装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】天然ガスは現在、利用現場から遠く離れ
た現場で生産されており、タンカーで長距離にわたって
運送しまたは液体の形で貯蔵することができるように、
通常液化される。
【０００３】従来技術、特に米国特許第3,735,600号お
よび同第3,433,026号で使用され開示された方法には、
主に冷媒混合物を蒸発させることによって天然ガスを予
冷する第１段階と、天然ガスの最終液化操作が実行され
るように、且つ輸送し貯蔵することの可能な形で液化ガ
スが得られるようにする第２段階を含み、同様に冷媒混
合物を蒸発させることによってもたらされるこの第２段
階の間も冷却する液化方法が記載されている。
【０００４】このような方法では、外部冷却サイクルの
冷媒流体として使用される流体混合物が蒸発し、圧縮さ
れ、水や凝縮空気等の周辺媒体との熱の交換によって冷
却され、膨張し、そして再循環する。
【０００５】第２冷却ステップが実行される第２段階で
使用した冷媒混合物は、周囲冷媒、水、または空気との
熱交換によって冷却され、次いで、第１冷却ステップが
実行される第１段階によって冷却される。
【０００６】第１段階後、冷媒混合物は気相と液相を有
する二相流体の形になる。該二相は例えば分離容器内で
分離し、例えば螺旋管式熱交換器に送られる。この螺旋
管式熱交換器では、冷媒混合物の液体留分を蒸発させる
ことによってもたらされる冷却を行いながら、天然ガス
が圧力下で液化する間に蒸気留分が凝縮する。蒸気留分
の凝縮によって得られた液体留分は過冷却され、膨張
し、そして天然ガスを最終液化するため蒸発する。この
天然ガスを過冷却した後、バルブまたはタービンで膨張
させて、所望の液化天然ガス(ＬＮＧ)を生成する。
【０００７】気相が存在するため、第２段階では冷媒混
合物の凝縮操作が必要であり、この操作には比較的複雑
で高価な装置が必要である。
【０００８】本出願人による特許FR-2,734,140号では、
第１冷却段階の出力時に選択された圧力および温度条件
下で操作を行い、完全に凝縮した単相の冷媒混合物を得
る提案もなされている。この提案では、特に第２段階で
使用する冷媒混合物が圧縮されるときに圧力が比較的高
くなるため、プロセスの節約にとって厄介な制約が引き
起こされる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
上記欠点を克服する方法とそれを実施するための装置に
関する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、天然ガスの液
化方法に関する。この方法は、少なくとも以下の各ステ
ップの組合せを含むことを特徴とする。すなわち、ａ)
第１冷媒混合物Ｍ1を用いて作動する第１冷却サイクル
の補助によって、天然ガスを第１冷却ステップ(I)で-３
０℃未満の温度に冷却し、ここでは前記第１冷媒混合物
が圧縮され、外部冷媒流体で冷却することによって少な
くとも部分的に凝縮し、予冷し、次に過冷却され、膨張
し、そして蒸発する。 ｂ) 第２冷媒混合物Ｍ2を用いて作動する第２冷却サイ
クルの補助によって、第２冷却ステップ(II)の間にステ
ップａ)からの天然ガスを凝縮して過冷却し、ここでは
前記第２冷媒混合物Ｍ2が圧縮され、外部冷媒流体によ
って冷却され、次いで第１冷却ステップ(I)の間に第１
冷媒混合物Ｍ1を用いた熱交換によって冷却され、その
後少なくとも部分的に凝縮した状態になり、前記第２の
部分的に凝縮した混合物が相分離することなく第２冷却
ステップ(II)に送られ、ここではその混合物Ｍ2が全体
的に凝縮し、膨張し、そして少なくとも２段階の圧力レ
ベルで蒸発する。 ｃ) ステップｂ)からの前記過冷却された天然ガスが膨
張して、発生した液化天然ガスを形成する。
【００１１】第１冷媒混合物Ｍ1は、例えば少なくとも
２段階の圧力レベルで膨張する。第１混合物Ｍ1は、少
なくともエタン、プロパン、およびブタンを含むことが
可能である。
【００１２】第２混合物Ｍ2は、例えば少なくともメタ
ン、エタン、および窒素を含み、その分子量は２２と２
７の間であることが可能である。空気や淡水、海水等の
いずれかの有効周辺流体を、外部冷却流体として使用す
ることが可能である。
【００１３】例えば第１冷却ステップ(I)と第２冷却ス
テップ(II)は、平行に備え付けられた単独または複数の
プレート型交換器を含む、同じ交換ラインで実行され
る。温度Ｔｃは、例えば冷却ステップ(I)および(II)を
提供する２つの冷却サイクルの圧縮力の平衡を保つよう
な方法で選択され、前記サイクルのそれぞれが、同一の
ガスタービンによって駆動する圧縮システムを有する。
【００１４】第２混合物Ｍ2を、例えば３ＭＰａと７Ｍ
Ｐａの間の圧力で圧縮する。第２混合物Ｍ2を、例えば
０.１ＭＰａと０.３ＭＰａの間の第１圧力レベルと、例
えば０.３ＭＰａと１ＭＰａの間の第２圧力レベルで蒸
発させる。
【００１５】第２冷却ステップ(II)の間、第２冷媒混合
物Ｍ2を少なくとも２種類の留分に分離することが可能
であり、前記留分を異なる圧力レベルで膨張させること
が可能であって、さらに、少なくとも天然ガスの流れの
間で熱交換を同時に発生させることが可能で、それによ
って圧力下の第２混合物Ｍ2が同一方向に循環し、異な
る圧力レベルでの前記膨張した混合物留分が反対方向に
循環する。
【００１６】第２冷却ステップ(II)は、例えば少なくと
も第１セクション(Ｅ41)と第２セクション(Ｅ42)でなし
遂げられ、前記セクションは連続的であって、(1)冷媒
混合物Ｍ2の第１留分Ｆ1を分離し、(2)前記第１留分Ｆ1
を、第１膨張圧力レベルでその泡立ち点に近い温度に過
冷却し、前記第１留分を膨張圧力レベルＰ1で膨張さ
せ、副次的に膨張させた前記第１の膨張留分を少なくと
も一部分蒸発させて前記第１セクションの冷却を確実に
し、(3)残留する混合物Ｍ2の第２留分Ｆ2の過冷却を、
第２膨張圧力レベルＰ2でその泡立ち点に近い温度にな
るまで継続し、前記第２留分Ｆ2を少なくとも一部分蒸
発させて第２セクションの冷却を確実にする。
【００１７】第１冷却ステップ(I)を離れるときの第２
混合物Ｍ2の凝縮モル分率は、例えば少なくとも９０%に
等しい。冷媒混合物Ｍ2の全流量と天然ガスの流量の間
のモル比は、例えば，１未満である。温度Ｔｃは、例え
ば-４０〜-７０℃の間で選択される。
【００１８】本発明はまた、天然ガスを液化する装置に
関する。この装置は、(1) 少なくとも-３０℃に低下し
た温度条件下で作動するように、且つ第２冷却ゾーン(I
I)で使用された少なくとも部分的に凝縮した冷媒混合物
Ｍ2が出力時に得られるように設計された第１冷却ゾー
ン(I)であって、前記天然ガスが少なくとも-３０℃に低
下して過冷却され、前記第１ゾーンが第１冷媒混合物Ｍ
1の補助を有する第１予冷回路を含む第１冷却ゾーン(I)
と、(2) 少なくとも-１４０℃未満の温度Ｔｃで作動す
るように設計された第２冷却ゾーン(II)であって、その
後第１冷却ゾーン(I)からの前記天然ガスが、前記第１
ゾーン(I)からの前記冷媒混合物Ｍ2の蒸発によって-１
４０℃未満の温度に冷却され、第２冷却ゾーン(II)に相
分離することなく送られる第２冷却ゾーン(II)と、(3)
第２冷却ゾーン(II)からの前記天然ガスを膨張させる手
段と、(4) 前記第１および第２冷媒混合物を膨張させる
手段および圧縮する手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】第２冷却ゾーン(II)は、例えば過冷却され
た天然ガスと冷媒混合物Ｍ2と膨張後の前記冷媒混合物
Ｍ2の留分が通過することの可能な、４本の独立した流
路(Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3およびＬ4)を含んだ単一交換ラインを含
む。
【００２０】他の実施形態によれば、第２冷却ゾーン(I
I)は、少なくとも２つの連続したセクション(Ｅ41,Ｅ4
2)と４本の交換ライン(Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3およびＬ4)を含む交
換セクション(Ｅ4)を含むことが可能である。
【００２１】第１および第２冷却ゾーンは、例えば単一
交換ラインに統合される。第１および第２冷却ゾーン
は、例えばガスタービンによってそれぞれ駆動する複数
の冷媒システムを有する。
【００２２】本発明のその他の利点および特徴は、天然
ガスを液化するための本願を制限することのない枠組の
中で、実施例として下記に示される説明を、添付の図面
を参照しながら読むことによって明らかにされるであろ
う。
【００２３】
【発明の実施の形態】図１は、従来技術で用いられた天
然ガス冷却方法の流れ図を示す。この方法は第１天然ガ
ス冷却段階を含み、その出力時での天然ガスの温度およ
び使用した冷媒混合物の温度がおよそ-３０℃である。
【００２４】第１段階からの出力時では、第２冷却段階
で使用される冷媒混合物が気相と液相を有する二相流体
の形をとり、前記二相が図中の分離容器で表される装置
で分離される。これら二相は螺旋管式熱交換器に送られ
て、第１ステップで予冷された天然ガスを最終冷却す
る。この目的のため、液体留分を冷却流体として使用し
ながら分離容器から到達する気相を凝縮し、次いで過冷
却し蒸発させて、天然ガスを冷却し、液化する。
【００２５】(本発明による方法の原理)天然ガスを、２
つの冷却ステップ(I)および(II)で液化することが可能
であることが発見され、そのステップのそれぞれは、第
１冷媒混合物Ｍ1と第２冷媒混合物Ｍ2をそれぞれ使用す
る冷却サイクルによって作動し、これら冷媒混合物のそ
れぞれは、冷媒混合物の一つが相分離を伴うことなく、
少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発して各冷却ステッ
プにもたらされ、圧縮され、凝縮し、次に膨張し、そし
て第２冷却ステップの間に冷媒混合物Ｍ2の凝縮が完了
する。
【００２６】また２つの冷却ステップ(I)および(II)
を、平行に備え付けられた単独または複数のプレート型
交換器を有する単一交換ラインによって達成することが
可能であることが発見された。
【００２７】従来技術と比較すると、第２冷媒混合物Ｍ
2は第１冷却ステップを離れるときに部分的に凝縮し、
相分離することなく第２冷却ステップに移送され、次い
で第２ステップの間にすべて凝縮される。
【００２８】本発明による方法の作動原理は、一実施形
態を示す図２によって明らかにされる。天然ガスはパイ
プ２０を通って第１冷却段階(I)に入り、パイプ２１を
通ってそこを離れ、その後第２冷却段階(II)に送られ、
パイプ２２を通過した後バルブＶまたはタービンによっ
て膨張し、液化天然ガスが生成される。
【００２９】第１冷却段階(I)は第１冷却混合物Ｍ1の補
助によって作動し、この第１冷却混合物Ｍ1は、圧縮機
Ｋ1で圧縮された後、有効な外部冷却流体の補助によっ
て交換器Ｅ22で凝縮される。したがって凝縮した混合物
は容器Ｄに回収され、その後パイプ２３を通して第１冷
却段階に送られる。
【００３０】次に、第１冷却段階の第１セクションＥ1
で過冷却する。この第１セクションＥ1を離れるとき、
混合物Ｍ1の第１留分Ｆ1がパイプ２４に位置する膨張弁
Ｖ1によって膨張し、その後第１圧力レベルで蒸発し
て、天然ガスと前記第１セクションＥ1で凝縮した冷媒
混合物を冷却する。
【００３１】このように得られた気相はパイプ２５によ
って、このように得られた蒸気混合物の、圧力レベルに
対応する圧縮機Ｋ1の中間段階へと再循環する。混合物
Ｍ1の残留物は、第１冷却段階の第２セクションＥ2で過
冷却される。この第２セクションＥ2を離れるとき、混
合物Ｍ1の第２留分Ｆ2は、パイプ２７に位置する膨張弁
Ｖ2によって第２圧力レベルで膨張し、その後蒸発し
て、天然ガスと前記第２セクションＥ2の冷媒混合物の
冷却を確実にする。
【００３２】このように得られた気相はパイプ２８によ
って、このように得られた蒸気混合物の、圧力レベルに
対応する圧縮機Ｋ1の中間段階へと再循環する。混合物
Ｍ3の最終留分Ｆ3は、第１冷却段階(I)の第３セクショ
ンＥ3で過冷却される。このセクションＥ3を離れると
き、この混合物Ｍ1の残留留分は膨張弁Ｖ3(パイプ２９
ｂ)によって第３圧力レベルに膨張し、その後蒸発し
て、天然ガスと前記第３セクションＥ3の冷媒混合物の
冷却を確実にする。
【００３３】このように得られた気相は、パイプ３０を
通って圧縮機Ｋ1の入力へと再循環する。第１冷却段階
でのセクション数を、例えば１セクションと４セクショ
ンの間で変更することが可能であり、実用上の最適化に
起因させることが可能である。
【００３４】ある一定の場合では、Ｅ22で混合物Ｍ1を
一部分のみ凝縮し、その後第１冷却ステップの間に凝縮
を完了させることも可能である。しかしながら本発明に
よる方法の原理では、混合物Ｍ1が、液相と気相に相分
離してこれらの相のそれぞれが異なる回路を通り抜ける
結果になることなく、実質上一定な組成で循環すること
が好ましい。
【００３５】外部冷却流体は、例えば空気や淡水、海水
等の有効周辺流体であることが可能である。したがって
冷媒混合物Ｍ1は、有効周辺冷却流体の補助により冷却
されることによって全体が凝縮し、その後過冷却され、
膨張し、少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発すること
が好ましい。
【００３６】混合物Ｍ1は、例えばエタンやプロパン、
ブタンを含む。また本発明による方法の枠組から離れる
ことなく、例えばメタンやペンタン等のその他の成分を
含むことも可能である。
【００３７】冷媒混合物Ｍ1中の、エタン(Ｃ2)、プロパ
ン(Ｃ3)、およびブタン(Ｃ4)のモル分率で表される割合
は、以下の範囲であることが好ましい。すなわち、Ｃ2=
３０〜７０%,Ｃ3=３０〜７０%,Ｃ4=０〜２０%である。
【００３８】第２冷却段階(II)は第２冷媒混合物Ｍ2に
よって作動し、この第２冷媒混合物Ｍ2は圧縮機Ｋ2で圧
縮された後、有効外部冷却流体の補助によって交換器Ｅ
24で冷却される。混合物Ｍ2は、パイプ３１を通って第
１段階の冷却セクション、Ｅ1,Ｅ2、およびＥ3に送ら
れ、そこで冷却されて少なくとも一部分が凝縮する。
【００３９】次にパイプ３２を通って第２冷却段階(II)
に送られる。その後、完全に凝縮させて第２段階の冷却
セクションＥ4で過冷却する。冷媒混合物Ｍ2は、相分離
することなく第１段階(I)から第２段階(II)へと通過す
る。
【００４０】この方法によって、特に２つの冷却段階
(I)および(II)を、同じ交換ライン内で達成することが
できる。冷却セクションＥ4の出力時には、混合物Ｍ2が
パイプ３３によって抽出され、例えば２種類の留分Ｆ'1
とＦ'2に分離される。
【００４１】混合物Ｍ2の第１留分Ｆ'1は、パイプに取
り付けられた膨張弁Ｖ4内で第１圧力レベルに膨張す
る。次にセクションＥ4で、天然ガスと冷媒混合物Ｍ2が
部分的に冷却される。
【００４２】このように得られた気相はパイプ３５を通
り、このように得られた蒸気混合物の圧力レベルに対応
する圧縮機Ｋ2の中間段階へと再循環する。
【００４３】残留混合物Ｍ2の第２留分Ｆ'2は、パイプ
３６に配置された膨張弁Ｖ5により、第１圧力レベルよ
りも低い第２圧力レベルで膨張し、その後蒸発して、セ
クションＥ4内で天然ガスと冷媒混合物を冷却する。こ
のように得られた気相は、パイプ３７を通って圧縮機Ｋ
2の入力へと再循環する。図３は、第２冷却段階で混合
物Ｍ2を膨張させる、他の変形例を概略的に示す。液体
膨張タービンＴによってＥ4の出力時に得た、全体が凝
縮して過冷却された混合物Ｍ2を、前述の圧力レベルに
膨張させ、その後２種類の留分Ｆ'1とＦ'2に分離するこ
とも可能である。次に留分Ｆ'1は、バルブＶ4(図２)の
取付けを必要とすることなく、交換セクションＥ4に直
接送られる。留分Ｆ'2は、膨張弁Ｖ5を通って前述の圧
力レベルにもう一度膨張し、その後交換セクションＥ4
に送られる。
【００４４】冷媒混合物Ｍ2は、例えばメタンやエタン
を含む。また、本発明による方法の枠組から離れること
なく、例えば窒素やプロパン等のその他の成分を含むこ
とも可能である。その分子量は、２２と２７の間にある
ことが好ましい。
【００４５】冷媒混合物Ｍ2中の、窒素(Ｎ2)、メタン
(Ｃ1)、エタン(Ｃ2)、およびプロパン(Ｃ3)のモル分率
で表される割合は、以下の範囲であることが好ましい。
すなわち、Ｎ2=０〜１０%、Ｃ1=３０〜５０%、Ｃ2=３０
〜５０%、Ｃ3=１０%である。
【００４６】冷却段階(I)および(II)を提供する２つの
冷却サイクルに圧縮力が最適に分配されるように、第１
冷却段階の出力温度Ｔｃ(天然ガスの)を選択することが
可能である。
【００４７】本発明による方法の好ましい形態では、前
記サイクルのそれぞれが、同一のガスタービンによって
駆動する圧縮システムを有する。したがって第１冷却段
階の出力時での予冷温度Ｔｃは、-４０℃と-７０℃の範
囲であることが好ましい。
【００４８】この方法の好ましい形態では、２つの冷却
サイクルに必要とされる圧縮力が類似しており、冷却段
階(II)に必要とされる圧縮力は、冷却段階(I)に必要と
される圧縮力の４５%と５５%の間であることが好まし
い。
【００４９】この方法の好ましい形態では、第１ステッ
プを離れる冷媒混合物Ｍ2の凝縮モル分率が、少なくと
も９０%に等しい。
【００５０】この方法の好ましい形態では、冷媒混合物
Ｍ2の流量と天然ガスの流量のモル比が１未満である。
第２冷却段階(II)での膨張圧力レベルの数は、例えば２
種類と４種類の間で変更することが可能であり、実用上
の最適化に至る選択に起因する。
【００５１】冷媒混合物Ｍ2は、例えば３ＭＰａと７Ｍ
Ｐａの間の圧力に圧縮される。これは少なくとも２段階
の圧力レベルで蒸発する。この場合、第１圧力レベルは
例えば０.１ＭＰａと０.３ＭＰａの間であり、第２圧力
レベルは例えば０.３ＭＰａと１ＭＰａの間である。
【００５２】熱交換セクションの数は変更可能である。
したがって図２に示す実施形態では、２段階の膨張圧力
レベルと一つの交換セクションＥ4で作動し、少なくと
も４本の異なる流路で平行に循環する少なくとも４本の
流れの間で同時に熱交換が行われる、交換セクションの
全体を通して作動する。
【００５３】これら４本の流れを、同じ方向に循環する
２本の流れ、すなわち第１冷却ステップ(I)から到達す
る過冷却された天然ガスと圧力下で部分的に凝縮した混
合物Ｍ2、ならびに反対方向に循環して異なる圧力レベ
ルに膨張した混合物Ｍ2の２種類の留分とすることが可
能である。
【００５４】また、図４で明らかにされる実施形態によ
って操作することも可能である。この実施例では、第２
冷却ステップ(II)の交換セクションが、２つの連続した
セクションＥ41およびＥ42を有する。パイプ２１を通っ
て導入される天然ガスの流れは、交換セクションＥ4を
通過してラインＬ1内を循環する。パイプ３２を通って
導入される第２冷媒混合物Ｍ2は、ラインＬ2内を循環す
る。この混合物Ｍ2の第１留分Ｆ"1は、膨張後その泡立
ち点に近い温度に過冷却され、この第１留分Ｆ"1を得て
ラインＬ3により膨張弁Ｖ42に送り、そこで第１圧力レ
ベルＰ1に膨張させる。この第１留分Ｆ"1は、交換セク
ションＥ42内で圧力Ｐ1で蒸発し、このセクションの冷
却の少なくとも一部がもたらされる。
【００５５】残留物または第２留分Ｆ"2はラインＬ2内
を循環し続け、第２膨張圧力レベルＰ2で、引き続きそ
の泡立ち点に近い温度に過冷却される。次いで膨張弁Ｖ
41を通して圧力Ｐ2で膨張し、その後セクションＥ41内
で蒸発して冷却する。このセクションＥ41を離れると
き、この留分は少なくとも一部分が蒸発し、セクション
Ｅ42内で蒸発が完了する。Ｆ"2は、ラインＬ4内を循環
する。
【００５６】この手順によって、圧力下で一方向に循環
する天然ガスおよび混合物Ｍ2と、異なる圧力レベルで
反対方向に循環する、膨張した混合物Ｍ2の留分との間
で同時交換が発生する。
【００５７】図示しないが他の実施形態によれば、完全
に凝縮して過冷却された天然ガスを膨張弁Ｖiによっ
て、交換セクションＥ4の中間レベル(例えばサブセクシ
ョンＥ41とＥ42の間)で圧力Ｐiに膨張させることが可能
である。圧力Ｐiは、この圧力に膨張した後、天然ガス
が完全に凝縮した状態になるように選択される。
【００５８】冷媒混合物の様々な膨張弁(Ｖ1,Ｖ2,Ｖ43,
Ｖ4,Ｖ5,Ｖ41,Ｖ42,Ｖi)の一部または全体を、本発明に
よる方法の主な特徴を変更することのない、液体膨張タ
ービンで置き換えることが可能である。
【００５９】要するにこの方法は、特に、(１) 圧力下
の天然ガスを、冷媒混合物Ｍ1の補助によって作動する
第１冷却サイクルの補助によって、第１冷却ステップ
(I)中に少なくとも-３０℃未満の温度Ｔｃに冷却して且
つどうにか部分的に凝縮し、ここでは冷媒混合物Ｍ1が
圧縮され、有効周辺冷却流体の補助による冷却によって
少なくとも部分的に凝縮し、次に過冷却され、膨張し、
そして少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発し、(２)
圧力下の天然ガスを、第２冷媒混合物Ｍ2の補助により
作動する第２冷却サイクルの補助によって、第２冷却ス
テップ(II)の間にすべて凝縮させ、その後過冷却し、こ
こでは第２冷媒混合物Ｍ2が圧縮され、冷却され、第１
冷却ステップの間中第１冷媒混合物Ｍ1を用いた熱交換
によって少なくとも部分的に凝縮し、すべて凝縮し、そ
の後第２冷却ステップの間に過冷却され、次いで膨張し
て少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発し、混合物Ｍ2
が液相と気相に相分離することなく、連続する２つの冷
却段階(I)および(II)の間にすべて凝縮し、その後過冷
却され、(３) 過冷却された天然ガスが膨張して、発生
するＬＮＧを形成する、ことを特徴とする。
【００６０】
【実施例】本発明による方法は、図２および３に関して
説明される、数値で表した以下の実施例によって明らか
にされる。
【００６１】天然ガスは、圧力６ＭＰａ、温度３０℃で
ライン２０を通り、交換器Ｅ1に導入される。このガス
の組成は以下のようであり、そのモル分率(%)は以下の
通りである。すなわち、メタン:８７.２４%、エタン:
６.４０%、プロパン:２.２６%、イソブタン:０.４８%、
ｎ-ブタン:０.４６%、ペンタン:０.０９%、窒素:３.０
７%である。
【００６２】この天然ガスを、冷却段階(I)を構成する
交換セクションＥ1,Ｅ2,およびＥ3内で、-６０℃の温度
に冷却して部分的に凝縮させる。この冷却段階(I)は、
組成が以下のようなモル分率(%)である冷媒混合物Ｍ1を
使用する。すなわち、エタン:５０.００%、プロパン:５
０.００%である。
【００６３】混合物Ｍ1は、多段圧縮機Ｋ1の気相内で、
２.４ＭＰａの圧力に圧縮される。これを交換器Ｅ3内で
３０℃の温度に冷却して凝縮する。ここでは完全に凝縮
され、その後ライン２３を通して交換セクションＥ1に
移送される。
【００６４】次に、この凝縮した混合物を、交換セクシ
ョンＥ1内で０℃の温度に過冷却する。この第１交換セ
クションを離れるとき、混合物Ｍ1の第１留分Ｆ1がライ
ン２４を通って除去され、膨張弁Ｖ1によって１.２７Ｍ
Ｐａの圧力に膨張される。
【００６５】この留分Ｆ1は、次にセクションＥ1で蒸発
し、その後ライン２５を通って圧縮機Ｋ1の最終段階の
吸入口へと送られる。留分Ｆ1のモル流は、圧縮機Ｋ1を
離れる混合物Ｍ1の、全モル流の３６.４%を示す。
【００６６】混合物Ｍ1の残留物は、ライン２６を通っ
て交換セクションＥ2に送られ、-３０℃の温度に冷却さ
れる。この第２交換セクションを離れるとき、混合物Ｍ
1の第２留分Ｆ2は、ライン２７を通って除去され、膨張
弁Ｖ2によって０.５５ＭＰａの圧力に膨張される。
【００６７】この留分Ｆ2は、次にセクションＥ2で蒸発
し、その後ライン２８を通って圧縮機Ｋ1の中間段階の
吸入口へと送られる。留分Ｆ2のモル流は、圧縮機Ｋ1を
離れる混合物Ｍ1の全モル流の３６.１%を示す。
【００６８】留分Ｆ3で表される混合物Ｍ1の残留物は、
ライン２９を通って交換セクションＥ3に送られ、-６０
℃の温度に冷却される。この第３交換セクションを離れ
るとき、この留分Ｆ3は、膨張弁Ｖ3によって０.１９Ｍ
Ｐａの圧力に膨張される。この留分Ｆ3は、次にセクシ
ョンＥ3で蒸発し、その後ライン３０を通って圧縮機Ｋ1
の第１段階の吸入口へと送られる。
【００６９】-６０℃でＥ3を離れ、冷却され、特に凝縮
した天然ガスは、次にライン２１に沿って、冷却段階(I
I)を構成する交換セクションＥ4に送られる。この冷却
段階(II)は、組成が以下のようなモル分率(%)である冷
媒混合物Ｍ2を使用する。すなわち、メタン:４７.４０
%、エタン:４５.００%、プロパン:２.００%、窒素:５.
６０%である。
【００７０】混合物Ｍ2は、多段圧縮機Ｋ2の気相内で
５.５５ＭＰａの圧力に圧縮される。これを交換器Ｅ24
内で３０℃の温度に冷却し、ここから離れるとき十分に
気状になって、ライン３１を通って交換セクションＥ1
に移送される。
【００７１】次に、交換セクションＥ1,Ｅ2およびＥ3
で、-６０℃の温度に冷却して完全に凝縮させる。次
に、ライン３２を通過させて交換セクションＥ4に送
り、-１５０℃の温度に過冷却する。
【００７２】この過冷却した混合物Ｍ2を、次にライン
３３を通して液体膨張タービンＴに送り、０.５８ＭＰ
ａの圧力に膨張させる。この第１膨張の後、混合物の留
分Ｆ'1は除去され、ライン３４を通して交換セクション
Ｅ4に送られ、この留分Ｆ'1が蒸発する。
【００７３】したがって蒸発した留分Ｆ'1を、次にライ
ン３５を通して圧縮機Ｋ2の第２段階の吸入口へと送
る。この留分Ｆ'1のモル量の流れは、圧縮機Ｋ2を離れ
る混合物Ｍ2の、全モル流の５０%を示す。
【００７４】タービンＴ内での膨張後に得られた混合物
Ｍ2のその他の留分Ｆ'2は、ライン３６を通って膨張弁
Ｖ5に送られ、０.２７ＭＰａの圧力に膨張する。この留
分Ｆ'2は、次に、膨張後交換セクションＥ4に送られ、
蒸発した後、ライン３７を通って圧縮機Ｋ2の第１段階
の吸入口へと送られる。
【００７５】したがって液化し過冷却された天然ガス
は、その後圧力５.９２ＭＰａ、温度-１５０℃で、ライ
ン２２を通って交換セクションＥ4の出力時に得られ
る。次いで、膨張弁またはタービンによって膨張し、液
化天然ガスが生産される。このように得られた実施例で
は、冷媒混合物Ｍ2の流量と処理された天然ガスの流量
のモル比は、０.８８３に等しい。
【００７６】液化天然ガスを毎時４５０５１６ｋｇで生
産する場合、圧縮機Ｋ1およびＫ2の機械的な力は、それ
ぞれ４６４７４ｋＷおよび４５３７１ｋＷであり、すな
わち全体の機械的な力ｄは、-１５０℃で生産される液
化天然ガス１ｋｇ当たり７３４ｋＪを示す。
【００７７】
【発明の効果】本発明による方法で提示される利点の一
つは、平行に取り付けられた単独または複数のプレート
型交換器を含む単一交換ラインで、すべての冷却ステッ
プ(I)および(II)を達成することができることである。
【００７８】したがって、例えば図２で明らかにされる
実施形態のセクションＥ1,Ｅ2,Ｅ3およびＥ4にもたらさ
れるすべての交換を、単独のプレート型交換器または連
続して突合せ溶接された２つのプレート型交換器、例え
ば、ろう付けアルミニウムで作製された平板およびフィ
ンチューブ型の交換器等で作動させることが可能であ
る。
【００７９】この交換器は、冷媒混合物の中間オフテイ
クおよび注入用に設計されるが、中間段階で相分離が行
われないことから、全体的な交換は図５に概略的に示す
ような小型装置の単片で達成される。この場合、様々な
冷媒混合物を導入し且つ除去するパイプの数は、図２の
場合と一致する。
【００８０】ろう付け平板でできたアセンブリのユニッ
ト表面領域が制限されることから、液化設備のモジュラ
ー設計を可能にした状態で、この型の数個の交換器を平
行に取り付けることが可能である。このモジュラー設計
は本発明による方法の他の利点であり、ライン全体を停
止させることなく、したがって液化天然ガスの生産を停
止する必要なくわずかにその生産を減少させるのみで、
交換ラインのモジュールの一つを停止させることが可能
になる(例えばメンテナンスや検査、補修作業のため)。
【００８１】冷却段階(I)および(II)をもたらす２つの
冷却サイクルのそれぞれは、独立したガスタービンＴ1
およびＴ2によって駆動する圧縮システムを有すること
が好ましい。
【００８２】また本発明の方法によって、２種の冷却段
階の間で機械的な力を平衡に保つことができるようにな
り、そのため全く同一の駆動による２つのガスタービン
を使用して作動させることができ、コスト的な利点(出
費およびメンテナンス)がもたらされる。
【００８３】本発明による方法では冷媒混合物の相分離
を必要としないため、制御および規制の点でプロセスの
操作を容易にしながら、一定の組成の冷媒混合物をプロ
セス中のどの点でも使用することが可能になる。
【００８４】本発明による方法では、冷媒混合物、特に
そのモル流が、液化される天然ガスのそれよりも常に少
ない、超低温冷媒混合物Ｍ2の制限された流れのみを必
要とする。またこれは、公知の液化プロセスと比較する
と、この超低温冷媒混合物を実施するために必要な装置
のサイズを縮小することが可能になることから、一利点
(特に、圧縮機、ライン、および圧縮機の吸気タンク)で
もある。
【００８５】本発明による方法では、一般に液化天然ガ
ス１ｋｇ当たり８００ｋＪ未満の機械的な力を使用して
天然ガスを液化することから、特にエネルギー節約にな
る。またこの力は、最も好適な競合プロセスによって得
られるものよりも、１０%を超えて下回るものである。
このエネルギー消費が低いことによって、同じ駆動によ
るガスタービンを用い、現在まで知られるプロセスより
もより相当量の液化天然ガスを生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術で説明され且つ使用された液化サイク
ルの一例を示す模式概要図。
【図２】本発明による方法の代替実施形態例を示す模式
概要図。
【図３】第２冷却ステップの他の実施形態例を示す模式
概要図。
【図４】第２冷却ステップで可能な熱交換器を示す模式
概要図。
【図５】２つの冷却ステップが単一交換ラインで実行さ
れる変形例を示す模式概要図。
【符号の説明】
I 第１冷却段階 II 第２冷却段階 ２０〜３７ パイプ、ライン Ｄ 容器 Ｅ1 第１セクション、交換器 Ｅ2 第２セクション Ｅ22, Ｅ24 交換器 Ｅ3 第３セクション、交換器 Ｅ4 冷却セクション Ｅ41,Ｅ42 セクション Ｋ1,Ｋ2 圧縮縮機 Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3,Ｌ4 ライン Ｔ 液体膨張タービン Ｔ1,Ｔ2 ガスタービン Ｖ バルブ Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4,Ｖ5,Ｖ41,Ｖ42 膨張弁

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 天然ガスの液化方法であって、少なくと
    も、 ａ) 第１冷媒混合物Ｍ1を用いて作動する第１冷却サイ
    クルの補助によって、天然ガスを第１冷却ステップ(I)
    で-３０℃未満の温度に冷却し、ここでは前記第１冷媒
    混合物Ｍ1が圧縮され、外部冷媒流体で冷却することに
    よって少なくとも部分的に凝縮し、次いで過冷却され、
    膨張し、そして蒸発する段階と、 ｂ) 第２冷媒混合物Ｍ2を用いて作動する第２冷却サイ
    クルの補助によって、第２冷却ステップ(II)の間に段階
    ａ)からの天然ガスを凝縮して過冷却し、ここでは前記
    第２冷媒混合物Ｍ2が圧縮され、外部冷媒流体によって
    冷却され、次いで第１冷却ステップ(I)の間に第１冷媒
    混合物Ｍ1を用いた熱交換によって冷却され、その後少
    なくとも部分的に凝縮した状態になり、前記第２の部分
    的に凝縮した混合物が相分離することなく第２冷却ステ
    ップ(II)に送られ、ここではその混合物が全体的に凝縮
    し、膨張し、そして少なくとも２段階の圧力レベルで蒸
    発する段階と、 ｃ) 段階ｂ)からの前記過冷却された天然ガスが膨張し
    て、発生した液化天然ガスを形成する段階、との組合せ
    を含むことを特徴とする、天然ガスの液化方法。
  2. 【請求項２】 前記第１混合物Ｍ1が、少なくともエタ
    ン、プロパン、およびブタンを含むことを特徴とする、
    請求項１記載の液化方法。
  3. 【請求項３】 前記混合物Ｍ2が、少なくともメタン、
    エタン、プロパン、および窒素を含み、その分子量が２
    ２と２７の間であることを特徴とする、請求項１記載の
    液化方法。
  4. 【請求項４】 前記外部冷却流体として有効周辺流体が
    使用されることを特徴とする、請求項１ないし３のいず
    れかに記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記第１冷却ステップ(I)および第２冷
    却ステップ(II)が、平行に取り付けられた単独または複
    数のプレート型交換器を有する単一の交換ラインで達成
    されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか
    に記載の液化方法。
  6. 【請求項６】 前記冷却ステップ(I)および(II)を実行
    する２つの冷却サイクルでの圧縮力を平衡に保つように
    温度Ｔｃが選択され、前記サイクルのそれぞれが、同一
    のガスタービンによって駆動する圧縮システムを含むこ
    とを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 前記第２混合物Ｍ2が、３ＭＰａと７Ｍ
    Ｐａの間の圧力で圧縮されることを特徴とする、請求項
    １ないし６のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記第２混合物Ｍ2が、０.１ＭＰａと
    ０.３ＭＰａの間の第１圧力レベルと、０.３ＭＰａと１
    ＭＰａの間の第２圧力レベルで蒸発することを特徴とす
    る、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記第１冷却ステップ(I)を離れる第２
    混合物Ｍ2の凝縮モル分率が、少なくとも９０%に等しい
    ことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載
    の天然ガスの液化方法。
  10. 【請求項１０】 前記冷媒混合物Ｍ2の全流量と天然ガ
    スの流量の間のモル比が１未満であることを特徴とす
    る、請求項１ないし８のいずれかに記載の液化方法。
  11. 【請求項１１】 前記温度Ｔｃが、-４０ないし-７０℃
    の間で選択されることを特徴とする、請求項１ないし１
    ０のいずれかに記載の液化方法。
  12. 【請求項１２】 少なくとも-３０℃に低下した温度条
    件下で作動するように、且つ第２冷却ゾーン(II)で使用
    された少なくとも部分的に凝縮した冷媒混合物Ｍ2が出
    力時に得られるように設計された第１冷却ゾーン(I)で
    あって、前記天然ガスが少なくとも-３０℃に低下して
    過冷却され、前記第１ゾーン(I)が第１冷媒混合物Ｍ1の
    補助を有する第１予冷回路を含む第１冷却ゾーン(I)
    と、少なくとも-１４０℃未満の温度で作動するように
    設計された第２冷却ゾーン(II)であって、その後第１冷
    却ゾーン(I)からの前記天然ガスが、前記第１ゾーン(I)
    からの前記冷媒混合物Ｍ2の蒸発によって-１４０℃未満
    の温度に冷却され、第２冷却ゾーン(II)に相分離するこ
    となく送られる第２冷却ゾーン(II)と、第２冷却ゾーン
    からの前記天然ガスを膨張させる手段と、前記第１およ
    び第２冷媒混合物を膨張させる手段(Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4,
    Ｖ5,Ｔ)および圧縮する手段(Ｋ1,Ｋ2)とを含むことを特
    徴とする、天然ガスの液化装置。
  13. 【請求項１３】 前記第２冷却ゾーン(II)が、過冷却さ
    れた天然ガスと冷媒混合物Ｍ2と膨張後の該冷媒混合物
    Ｍ2の留分とが通過することの可能な、４本の独立した
    流路(Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3およびＬ4)を有する単一交換ラインを
    含むことを特徴とする、請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記第２冷却ゾーンが、少なくとも２
    つの連続したセクション(Ｅ41,Ｅ42)と４本の交換ライ
    ン(Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3およびＬ4)を有する交換セクション(Ｅ
    4)を有することを特徴とする、請求項１２記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記第１および第２冷却ゾーンが単一
    交換ラインに組み込まれることを特徴とする、請求項１
    ２記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記前記第１および第２冷却ゾーン
    が、ガスタービン(Ｔ1,Ｔ2)によって駆動する圧縮シス
    テム(Ｋ1,Ｋ2)を有することを特徴とする、請求項１２
    記載の装置。
JP32333798A 1998-04-29 1998-11-13 冷媒混合物を相分離させることなく天然ガスを液化する方法および装置 Expired - Lifetime JP4494542B2 (ja)

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