JPS58153075A - メタン−リツチガス流の冷却及び液化方法 - Google Patents

メタン−リツチガス流の冷却及び液化方法

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JPS58153075A
JPS58153075A JP58026111A JP2611183A JPS58153075A JP S58153075 A JPS58153075 A JP S58153075A JP 58026111 A JP58026111 A JP 58026111A JP 2611183 A JP2611183 A JP 2611183A JP S58153075 A JPS58153075 A JP S58153075A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明け、天然ガス流や合成ガス流の如きメタン−リッ
チ供給流の冷却及び液化に関する。更に詳しくは、本発
明は、供給流を冷却及び液化するのに2つの別個の冷却
剤サイクルを利用する多段階(Ca5cade )冷却
方式に関する。本発明はまた他の冷却サイクルによる中
段冷却に向けられている。
天然ガス及び他のメタン−リッチガス流を液化するだめ
の冷却方式及び液化方式は、従来よく知られた技術であ
る。各種の多成分冷却剤を用いる多段冷却方式の記載も
ある。
従来技術は、ti多段階冷却方式と多成分冷却剤との糾
合せを救えている。例えば、米国特許第3.763.6
58号には、単一成分冷却剤と多成分冷却剤が天然ガス
やメタン−リッチガス流を冷却及び液化するために多設
方式に利用される冷却及び液化系が記載されている。単
一成分冷却剤で多成分冷却剤を冷却することが記載され
ている。ある冷却剤を他の冷却剤によって冷却するのに
加えて、誦常、系は冷却剤サイクルのあたた捷っだ最終
部での冷却剤の圧縮の間に、冷却剤をあと冷却するため
に液化プラントでの包囲水が利用される。
かかる冷却水の包囲温厚の変化は各棟の冷却サイクルに
おけるコンプレッサードライバーについての要求に影響
を与え、これらの包囲条件によって異なるドライバー構
成要素の選択を必要とする。
この後者の立場は装置部品を釣り合わせるだめの問題′
tl−提出し、またはじめの系及び置換部品と全体とし
ての系の維持における複雑さと出費を招く。
本発明は、大気圧以上の圧力でメタン−リッチガス流を
冷却し液化する方法及び糸を提供するも(第 5 頁) ので、メタン−リッチガス流を冷却する単−成分冷却剤
冷却を含むはじめの冷却剤冷却サイクル及び多成分冷却
剤を含む第2の冷却サイクルを含む段階的2つの冷却サ
イクル系が用いられる多成分冷却ml?t、単一成分冷
却サイクルからくるはじめに冷却されたメタン−リッチ
ガス流を冷やし液化する。両冷却サイクルは、再圧縮工
程及び冷水又は非炭化水素冷却液との熱交換によってあ
と冷却が達成されるあと冷却工程を経過する。この流体
は通常、包囲している条件の流体であり、包囲している
条件が冷たい場合には、多成分冷却剤のあと冷却と異な
って圧縮された単一成分冷却剤のあと冷却においては、
2つのサイクルでのコンプレッサーのドライバーにより
知らされる冷却負荷の一層効果的な不均衡が生ずる。本
発明は、圧縮のステージ間の第2の冷却サイクルにおけ
る多成分冷却剤を冷やすために、第1の冷却サイクルと
の熱交換による第2の冷却サイクルの中間冷却を提供す
る。これは冷却負荷を等しくし、相当するコンプレッサ
ードライバーg IW k両冷却サイクルの(第 6 
頁) 圧縮段階に利用することができる。これは冷却サイクル
の効果的操業を考慮し、他のバランスのとれた方法の複
雑さや同じでない圧縮装置及び取換え部品を準備する抜
雑さを回避するものである。
添付図面の第1図は、本発明の方法の好ましい具体例を
表わす冷却方式の概要のフローダイアダラムである。
本発明の方式及び方法は第1図によって一層詳細に記載
されている。あらかじめ処理されたメタン−リッチガス
、例えば水分及び二酸化炭素を含まない天然ガスの流れ
は管10で本発明の系に導入される。ガス供給流は、好
オしくは815pE]iaの圧力及び60Fの温度であ
る。供給流は熱交換器12ではじめに冷却され、そこで
の冷却作用は単一成分冷却剤によって供給される。単一
成分冷却剤は、好ましくはプロパンであるが、エタン、
ゾロピレン、ブタンあるいはノ・ログン化02〜.炭化
水素類の如き他の低分子普炭化水素を用いることができ
る。
管10内の供給ガス流は交換器12で冷却される。次い
で供給ガス流は第2ステージの熱交換器14に入(第7
 貞) す、そこで第1ステーノの熱交換器12に用いられたの
と同様の冷却サイクルで単一成分冷却剤によって更に冷
却される。次いでガス供給流は第3ステージの熱交換器
16に導かれ、そこで流れの温度を−34Fに低められ
る。この熱交→ψ器はまた熱交換器12及び14と同様
な冷却サイクルで単一成分冷却剤によって冷却される。
この時点で、3つのステージで冷却された管18内のガ
ス供給流は800psiaの圧力である。流れはメタン
90 %以トから成っている。
次いで青18内の供給流は2ステージの主械交換器加に
導かれる。この主熱交換器加においては、管18内のガ
スMrは、上記の第1の冷却サイクルにおける単一成分
冷却剤とは別の第2の冷却サイクルの多成分冷却剤で冷
却され液化される。供給流は第1ステージの交換器ユニ
ット22に入り、そこで約−19871’に冷却される
。次いで供給流は第2ステージの交換器ユニッ)24で
冷却され、そこで完全に液化され一248Fの温度に冷
却される。管が中の液化δれたメタン−リッチ流は、次
に分離槽加でガス相と液相に分離される前にパルプ四で
膨張される。−257Fの温度及び18paiaの圧力
の液相は、次いで管32を通って導かれ、液化メタン−
リッチ物質Zは天然ガスとして貯蔵される。ペーパー相
のガスは次に管34を経て熱交換器36へ導入され、そ
こでペーパー流の冷却力が多成分冷却剤に回収される。
再加温されたガス流は、次いでコンプレッサー38で適
当な燃料ガス圧に加圧され、f30Fの温度及び450
ps1.aの圧力で管40により系から排出される。
熱交換器12 、14及び16全包括する第1の冷却サ
イクルに利用される単一成分冷却剤は、ドライバー42
によって運転される3ステージのコンプレッサーにおい
て圧縮される。このドライバーは、電動機、スチーム作
動タービン又はガスタービンのような動力装置を包含す
る。3ステージのコンプレッサーの各ステージは3ステ
ージの熱交換器12゜14並びに16の排出ペーカー及
びバルブ50.68並びに閏からのフラッシュペーパー
を圧縮する。例えば、熱交換器16から産出される単一
成分冷却剤ぺ(第 9 頁) −ノ+ −及ヒバルブ朗からのフラッシュペーパーは、
16 psia の圧力に圧縮するためにコンプレッサ
ー44に向けられる。この圧縮流は熱交換器14から産
出されるペーパー及びバルブ68からのフラッシュペー
パーと合体され、コンプレッサー46で39paiaの
圧力に圧縮される。同様に熱交換器12から出るペー/
#−トバルブ56からのフラッシュペーパーはコンプレ
ッサー46からの圧縮流と合体され、さらにコンプレッ
サー48で圧縮される。これらのすべてのコンプレッサ
ーは駆動ユニット42によって運転される。合体された
管関内の圧縮流は、熱交換器52において冷水又は非炭
化水素冷却液で冷却される。この点での単一成分冷却剤
は60Fの温度及び108p81aの圧力である。冷却
剤は次いで管54を経て循環され、圧力低減されて、膨
張バルブ聞で温度2AF及び圧力間pθ1aにf58中
ヘフラツシュされる。単一成分冷却剤は交換器12です
でに熱交換を終えた単一成分冷却剤のサイド流と合体に
される。管間と関からの合体流は分離器間に導入され、
その中で冷却剤のガス相と液相に分けられる。単(第1
O頁) 一成分冷却剤の液相部は分離器間の底部から管64によ
り取り出され、熱交換器12に循環されて、管1〔)の
供給流に対して冷却効果を与える。これは3ステージの
熱交換器12 、14及び16で行われる3ステージ冷
却の第1ステージである。管64の冷却剤もまた、あと
で論じられる管114及び98中の多成分冷却剤を冷や
すように機能する。あたたまった冷却剤は、次に管66
でそのサイクルに戻される。
単一成分冷却剤のペーパー相は分111#器印の頂部か
ら管62で取り出され、それは多段コンプレッサーの他
のステージから提供される冷却とともにコンプレッサー
48で圧縮される。
液体冷却剤のサイド流は分離器間から分離されてバルブ
68で膨張される。管70中のこの冷却剤サイド流は還
流管78を通って循環されるあたたまった冷却剤と合体
される。合体流は第2の分離器72に導入され、そこで
ガス相と液相が分離器間で行われたように分離される。
単一成分冷却剤の液相の部分は、供給流lOが第2ステ
ージの冷却を受ける熱交換器14で冷却効果を与えるよ
うに分離器か(第11頁) ら管76により取り出される。賃76内の冷却剤C」、
また、あとで論じられる管114と518の多成分冷却
剤を冷却する作用をはだす。分離器72中の単一成分冷
却剤のペーパー相は、職2ステージのコンプレッサー4
6にべ−・に−状冷却剤を導入するペーパー還流管74
により頂部排出として取り出される。コンプレッサー4
6で圧縮さ−#]た冷却剤は、管74ノヘーパー状冷却
剤と同様な第1ステージのコンプレッサー44からのす
でに圧縮された冷却剤と合体されていイ)。
液状単一成分冷却剤のザイド棺は分離器72から取り出
づ株、バルブ80で膨張される。骨82の膨張された冷
却剤は第3ステージの熱交換器16から戻されたR流管
(イ)のあたたまった冷却剤と合体される。合体流は分
離器84に導入される。その冷却剤は、この分1111
器84でペーパー相と液相に分離する。
液相は第3ステージの熱交換器10で冷却作用を提供す
るために管88に取り出される。あだだ1つた単一成分
冷却剤は、次いで還流管90に戻坏れる。
分離器84の単一成分冷却剤のペー・七−相は、第1ス
テージのコンプレッサー44への還流管86に増す出さ
れる。圧縮された冷却剤は第2ステージのコンプレッサ
ー46に送られ、そこで分離器72からの頂部ペーパー
と合体され、かかる圧縮合体流は第3ステージのコンプ
レッサー48に送られて、分離器60からのペーパー相
は圧縮冷却剤と一緒にされ、排出管5fl−7’その最
高圧に圧縮される。
コンプレッサー44 、46及び48における3段の圧
縮はすべて好着しくけ単一の動力源又はモーター42に
よって共通の軸又は駆動シャフトで動力が与えられる。
このモーターは技術的に知られた電動機又はスチーム駆
動タービンあるいは他の動力源より成り、コンプレッサ
ーの駆動シャフトに入力を提供するのに利用される。か
かる動力源42はコンプレッサー44 、46及び48
の全3ステージの圧縮の要求に釣合う容量となるように
設計されている。
利用される特定の動力源の最詞の効率は、方式が意図さ
れている最高圧縮負荷を動力源が遂行するのに用いられ
るときにのみ達成される。もし圧縮負荷が低いならば、
系は圧縮に適用される動力の(第1:S頁) 能率が低いものとなり、あるいは規模を小さくしたり、
より弱い舵力の動力源42が系に組み込まれる。熱交換
器が55″P゛以下のような冷水又は特に冷たい周囲条
件の非炭化水素冷液で提供きれる状況では、もし別の動
力源が用いられなかったり、熱交換器52における付加
的冷却効果が埋合せされるような別の冷却装置が提供さ
れないならば、系は州られる圧縮負荷を充分有効に行使
できないかも知れない。
以下に述べる本発明の第2の冷却サイクルの具体的目的
は、上記結果を達成すること、すなわち熱交換器52の
ような異状に冷たい冷却剤の利用をおし進める非能率さ
を償うために1つの冷却サイクルから他の冷却サイクル
へ冷却負荷を変換することである。特に、その最終目的
は、冷却負荷を多成分冷却サイクルから単一成分冷却サ
イクルへ移すことである。
本発明の全流れを通じて、供給流10の冷却及び液化は
単一成分冷却剤によって行われる初期冷却の操作と同様
に行われる。その実際の液化におけ(第14頁) る供給ガス流への第2の冷却効果は、多成分冷却剤より
成る第2の閉じたサイクル冷却剤によってなされる。多
成分冷却剤は本発明の系の熱交換器において供給流を効
果的に冷却する組合せ成分類より構成されるであろう。
しかし、好ましい具体例においては、本発明の系は、最
適には、4〜6の成分、すなわち窒素、メタン、エタン
及びプロパンより成る多成分混合冷却剤で操作される。
ノーマル及びイソ型の混合で構成されるブタンもまた波
メタンと同様に冷却剤に含有されるであろう。
さらに、これらの成分類の好捷しい組成範囲は、2〜1
2モル係の窒素、35〜45モル係のメタン、32〜4
2モル係のエタン及び9〜19モル係のプロノJ?ンか
ら成っている。特定の供給流に最適の特別の多成分冷却
剤は、約lOモル係の窒素、40モル係のメタン、35
モルチのエタン及ヒ15モルチのプロパンから成ってい
る。岐通の冷却剤組成は、液化される特定の供給流組成
によって変わるであろう。しかし、多成分冷却剤組成の
いくつかの変更態様は、上に示した組成範囲内にあるで
あろう。エチレン(第1;)頁) は多成分冷却hII中のエタンに1行きかえることがで
き、プロピレンはプロパンに置きかえることができる。
供給流10を液化させるために冷たい冷却剤として利用
したことに伴って起こる再びあだだめられだ状鴫の’1
4 Tie分冷4S1剤は、コンプレッサー911で行
われる第1の圧縮ステージに戻される。このコンプレッ
サーはモーター又は動力源9“シによって−に市りされ
る。動力源17tコンデレツザー(→4で使われる圧縮
負荷と釣合っている。動力源42について−Fで論じた
ように、叩1力源92は、その動力容重がコンプレッサ
ー・−1/1の最大圧縮負荷と釣合うときが最大の効率
である。圧縮された多成分冷却剤は、次いで熱交換器9
6で冷水又は非炭化水素冷液であと冷却される。従来技
術では、圧縮さね2、あと冷却された冷却剤は、通常次
の圧縮ステージに送られ、冷水又は非炭化水素冷ム1j
液であと冷却される。しかし、本発明及び好捷しい具体
例においては、はじめに圧縮され、あと冷却された多成
分冷却剤は、60Fの温度及び154pθ1aの圧力で
′a98に向けられ、単一成分冷却剤で冷却するために
熱交換器12 、14及び16の各ステージに通される
。学−成分冷却剤に対する管98の多成分冷却剤の中段
圧縮のこの循環は、冷却負荷を多成分冷却サイクルから
嚇−成分冷却サイクルへ林行又は変換させる。熱交換器
12 、14及び16で史に冷却されたのち、管100
の多成分冷却剤は、次いT″分離器102に導入される
冷却剤はベーノヤー相と液相に分離される。ペーパー相
は、モーター又は動力源110によって、駆動するコン
プレッサーにより圧縮される。
廿だ、動力源とコンプレッサーは、動力源の出力がコン
プレッサー108の圧縮負荷に釣合うように適合される
。設計と維持効果のために、動力源92と110は要求
動力と構成配置に関し適合される。
持続性に関して最大の設計効率と低い生産費のために、
雇)力源42はまた、これらの他の動力源(」2及び1
10と釣合わされる。
圧縮された多成分冷却剤は熱交換器112で冷水又は非
炭化水素冷却剤によりあと冷却される。冷却され圧縮さ
れた冷却剤は、次いで骨114を経て(第17頁) 熱交換器12 、1=1及び1hの第1ステージ12に
導入される。
同時に、分離器102中の冷却された多成分冷却剤の液
相は液体ポンプ】04f通って、管106中のその液化
された多成分冷却剤を熱交換器12 、14及び16の
第1ステージ12と第2ステージ14の中間点に送り込
捷れる。冷却され圧縮されたペーパー相冷却剤は熱交換
器12で更に冷却されたのち、管114内の流れは管1
06内の液相冷却剤と合流される。
合流した冷却剤流は更に熱交換器14及び16でプロパ
ン冷却剤により冷却される。冷却され液化された多成分
冷却剤は、管116を通って相分離器118に送られる
。分離器118中の多成分冷却剤のべ一/4’−相は、
貴120より頂部排出流として取り出される。その流れ
は管122の大きな流れと管126の小さいスリップ流
とに分けられる。管122中のべ一ノや一相冷却剤主流
は液化及び補助冷却を行う主熱交侠器加に導入される。
その主流は、はじめに主熱交侠器加の肌1ステージ22
において、流れ136との熱交換によって宜18の供給
流とともに冷却さく第180) れる。管18の供給流と骨122の大きい方の流れr↓
、熱交換器加の第2ステージ24で管130の冷却流に
よって更に冷却される。管126中の少い方の多成分冷
却剤スリップ流は熱交換器36において、すぐに燃料に
使用するために再加温されるメタンーリンチ燃料流によ
って液化される。この冷却剤は、次いでバルブ124で
膨張される主流と合体する前に、バルブ128で膨張さ
れる。第2のステージツウのこの合体された流れは、こ
のステージで行われる冷却に供給される。管130のあ
たたかい冷却剤は、次に分離器118の液相からの膨張
流と合体される。管132中の分離器118から叡り出
されたこの液相は熱交換器2)の第1ステージnで冷却
される。冷却された液相は、次いでバルブ134で膨張
されたのち、’#130の冷却剤と合体される。合体さ
れた流れは、主熱交換器(イ)の第1ステージ22を通
って管18の供給流を液化するステージ内の各種流れを
冷却するために供給される。再加温され・た多成分冷却
剤は還流管136で主熱交換器aJを出る。還流管13
6Vi再加温された多成分冷却剤を吸(第19頁) 引ドラム138に送り込む。このドラムは液相がコンプ
レッサー94に流入しないように安全装置として機能す
る。通常の操作では、液相は管136又はドラム138
内には存在しない。しかし、プラントのまずい運転又は
誤った運転の間に、このドラムはそのような状態に発展
するか本知れない液体を安全に集液する。
本発明の単一成分冷却剤サイクルと多成分冷却剤サイク
ルは冷水又は非炭化水素冷却液によって供給される熱交
換器をあと冷却するのに利用されるが、これらの熱交換
器52.96及び112に入る退庁に冷たい液の系への
影響は、単一成分冷却サイクルの方が一層顕著であるよ
うに観察される。これらの熱交換器における冷却剤の低
い包囲温度条件の影響によるこの不均貧は、熱交換器5
2によってプロパンサイクルにおけるすべてのあと冷却
がなされることにある。しかし、多成分冷却剤サイクル
においては、あと冷却作用が冷たい冷却液の熱交換器9
6及び112でなされるばかりでなく、特に’! 11
4〜116の流れに関して3ステージの熱交換器12 
、14及び16によってもなされる。それ故、あと冷却
熱交換器52 + 9h及び112に利用される包囲し
ている冷たい冷却液の温度低下が大きくなるほど、より
大きな冷却及び凝縮効果は、多成分冷却剤サイクルより
も単一成分冷却剤サイクルで認められる。
これらの熱交換器52 、96及び112に供給される
冷水又は非炭化水素冷却液の包囲温度の低下の顕著な効
果は、コンプレッサー44 、.16及び4Mでの圧縮
負荷と動力源42からの利用しつる最高動力との均衡を
とることである。等しい大きさのものは相当する動力源
92及び110と多成分冷却剤サイクルのコンプレッサ
ー94及び108では用いられない。
従って、低い包囲温度の冷水又は冷却液で糸を運転して
いる間、単一成分冷却剤サイクルは動力源42の運転効
率を低くして行うか、あるいは動力源は最大動力容量の
より小さなもので置き換えねばならない。しかし、かか
る液化系を異なる容量の多数の動力源で運転することは
望ましくない。運転者Fi構成成分の切り換え可能性の
多い系の方を(第21頁) 好む。もちろん最高効率で運転しない動力源を利用する
ような系の運転はまた横であり高価につく。
それ故、冷却負荷をより激しくなく行われるサイクルか
らより激しく行われるサイクルに変換するために、申−
成分冷却剤サイクルに対し多成分冷却剤サイクルの中段
冷却を利用することにより、容易にJ@!換えることが
でき、色々な榛準化された取換え部品を必要とするのに
充分な動力を必要とする構成物としてすべての動力源4
2 、92及び110を保持する目的を本発明は達成す
る。多成分冷却剤と単一成分冷却剤との間の管(18内
の中段の冷却サイクルの供給は、醗なるプラントで行わ
れるより広い範囲の可能な包囲条件を超えた最高効率で
この系を利用することができる。プラントは、はるかに
北の地方又は極めて高い場所にあるような適端に冷たい
包囲条件において効果的に利用することができる。中段
の冷却ループ98による冷却負荷を多成分冷却サイクル
から単一成分冷却サイクルへの切り換えで、本発明の液
化工程と装置における同様な圧縮負荷と動力源構成成分
を保留する(第22頁) 新規な系を提供する。
上記のフロ一体系図は好ましい具体例であることが理解
されよう。また、両冷却サイクルにおける多くの別の圧
縮ステージの如き同様な構成成分を用いることは本発明
の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法を実施するフローダイアダラムであ
る。 12 、14 、16・・・熱交換器、加・・・主熱交
換器、44 、4(i 、 48・・・コンプレッサー
、6r1.72.84・・・分離器特許出願人  エア
ー、プロダクツ、アンド、ケミカルス。 インコーポレーテッド

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1a)メタン−リッチガス流全一連の熱交換器で牟−I
    +に分冷却剤で1ず冷却すること、b)圧縮された多成
    分冷却剤を一連の熱交換器においてJ:記単−hy分冷
    却削で冷却及び部分液化すること、 C)冷却さねた4成分冷却剤をガス相と液相に分離する
    こと、 d、 ) −1: 記メタンーリッチガス流を一連のM
    交う≠器において+4己多成分冷却削全ガス相ど液相で
    液化及び補助冷却すること、 e)上制単−冷肩1剤を一連のコンブレソザーで再圧縮
    すること、 f)上記圧縮された単一成分冷却剤を非炭化水素冷却液
    であと冷却すること、 g)上虻多成分冷却剤を1ず再圧縮し、上記冷却剤を非
    炭化水素冷却液であと冷却すること、(第 2 頁) h) F記多成分冷却削を一連の熱交閘器において拳−
    成分冷却剤で中段冷却し、2つの相流を形iJv、させ
    ること、 1)多成分冷却剤のガス相を汁怖し、単一成分冷却剤で
    史に冷却する前に、圧縮された冷却剤を非炭化水素冷却
    液であと冷却すること、j)多成分冷却剤の液相をT稈
    1)のガス相に等しい圧力に加圧すること、 k)l−桿1)とT秤j)の多成分冷却剤流を合体して
    上配下程b)で々されたようにP)冷却jすること からなる大気圧具−七の圧力でメタン−リッチガスIA
    f、 k冷却及び液化する方法。 ? 非炭化水素冷却液が包囲?M twの水である特*
    l’ 8+(求の範囲第1瑣記載の方法。 3 単一成分冷却剤がプロ・(ン及びプロピレンよりな
    る群から選択される特許請求の範囲第1項記載の方法。 、  4 多成分冷却剤が窒素、メタン、エタン及びプ
    ロ・七ンの混合物である特許請求の範囲第1ノロ又(第
     15頁) は第3項記載の方法。 5 多成分冷却411のエタン又はデロノ!ンノlν1
    分がそれぞれエチレン又はプロピレンで置き換えられる
    特許請求の範囲第4項記載の方法。 6 多成分冷ノ、D削がブタンには波メタンも含むこと
    ができる特許請求の範囲第4項記載の方法。 7 非炭化水素冷却液が包囲温度の空気である特許請求
    の範囲第1項記載の方法。
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