WO2016111258A1 - ガス液化装置及びガス液化方法 - Google Patents

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    • F25J2270/06—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop with multiple gas expansion loops

Definitions

  • the present invention relates to a gas liquefaction apparatus and a gas liquefaction method for liquefying natural gas as liquefied natural gas, for example.
  • a process of liquefying natural gas (NG) as liquefied natural gas (LNG) uses a refrigerant having a specific composition (for example, nitrogen (N 2 ) or a mixed refrigerant), and uses this dedicated refrigerant. Since a so-called closed loop type that circulates as a closed system is employed, there are the following problems as a liquefaction process of small and medium-sized natural gas for which a simple apparatus is preferred.
  • Patent Document 1 a technology for an open loop cycle process in which natural gas is directly used as a refrigerant has been proposed.
  • an object of the present invention is to provide a gas liquefaction apparatus and a gas liquefaction method that are simple in heat exchange equipment and reduce equipment cost and power.
  • a first invention of the present invention for solving the above-described problems includes a raw material gas supply line that supplies a raw material gas, and a room temperature heat exchange that is provided in order in series with the raw material gas supply line and cools the raw material gas.
  • the gas component separated by the separation drum is used as a refrigerant gas, and the refrigerant gas is supplied in the order of the liquefaction / supercooling heat exchanger, the precooling heat exchanger, and the room temperature heat exchanger in the supply direction of the raw material gas.
  • a refrigerant gas supply line that supplies the gas in a reverse direction and cools the raw material gas, a compressor that is provided at the tip of the refrigerant gas supply line and compresses the refrigerant gas used for cooling, and is compressed by the compressor
  • a compressed gas extraction line for extracting the compressed gas from the compressor, and a tip of the compressed gas extraction line is connected upstream of the room temperature heat exchanger of the raw material gas supply line, to the raw material gas
  • a gas comprising: an expansion turbine; and a cooling source gas supply line that supplies the cooling source gas cooled by the expansion turbine to the refrig
  • a raw material gas supply line for supplying a raw material gas, a room temperature heat exchanger provided in order in series with the raw material gas supply line, for cooling the raw material gas by heat exchange with a refrigerant gas, and preliminary cooling A heat exchanger, a liquefying / supercooling heat exchanger, a separation drum provided at a tip of the raw material gas supply line, which is cooled and separates the raw material gas containing condensate into a gas component and a liquefied component, and the separation A gas component separated and cooled by a drum is used as a refrigerant gas, and the refrigerant gas is reversely supplied to the source gas in the order of the liquefaction / supercooling heat exchanger, the precooling heat exchanger, and the room temperature heat exchanger.
  • a refrigerant gas supply line for supplying and cooling the raw material gas; a compressor provided at a tip of the refrigerant gas supply line for compressing the refrigerant gas; and a compressed gas for extracting the compressed gas compressed by the compressor
  • An outlet line, a leading end of the compressed gas extraction line is connected to the raw material gas supply line on the upstream side of the room temperature heat exchanger, a mixing unit for mixing the compressed gas with the raw material gas, and the room temperature heat exchange
  • a first extraction line that is branched from a source gas supply line between a preheater and the precooling heat exchanger, and extracts a part of the source gas after heat exchange by the room temperature heat exchanger, and the first extraction
  • a thermal expansion turbine for adiabatically expanding a part of the extracted raw material gas connected to the tip of the line, and a first cooling source gas cooled by the thermal expansion turbine, the preliminary cooling heat exchanger and the liquefaction / supercooling heat Branched from the first cooling source gas supply line that supplies the
  • the liquefaction / supercooling heat exchanger is divided into two units, ie, a liquefaction heat exchanger and a supercooling heat exchanger, and the two liquefaction heat exchangers and A supercooling heat exchanger is provided in series, the first cooling source gas cooled by the thermal expansion turbine is branched into two, and the branched first cooling source gas is divided into a precooling heat exchanger, a liquefied heat exchanger, And a refrigerant gas supply line between the liquefying heat exchanger and the supercooling heat exchanger, respectively.
  • a fourth invention is the gas according to any one of the first to third inventions, wherein a cooler for cooling the source gas is provided upstream of the room temperature heat exchanger in the source gas supply line. Located in the liquefaction device.
  • a heavy component separator that separates a heavy component from a liquid extracted from a part of the raw material gas. Located in the liquefaction device.
  • a sixth invention is characterized in that, in any one of the first to fifth inventions, a boil-off gas supply line for supplying boil-off gas is connected to an upstream side of a compressor connected to the refrigerant gas supply line. In the gas liquefaction device.
  • a seventh invention is a gas liquefaction method of an open loop cycle process in which a raw material gas is cooled to a liquefaction temperature, and a gas liquefied product is produced from the cooled gas component and the liquefied component.
  • the gas liquefaction method comprises: an adiabatic expansion step for extracting and adiabatic expansion; and a refrigerant gas supply step for supplying the cooling source gas cooled in the adiabatic expansion step to the refrigerant gas.
  • the raw material after heat exchange in either one or both of the room temperature heat exchanger and the precooling heat exchanger or between the precooling heat exchanger and the liquefied / supercooled heat exchanger A part of the gas is extracted and a cooling source gas having a lowered temperature is obtained by adiabatic expansion in an expansion turbine.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a first embodiment.
  • FIG. 2-1 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 2-2 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to Test Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a third embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a fourth embodiment.
  • FIG. 5A is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a fifth embodiment.
  • FIG. 5-2 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to Test Example 2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a first embodiment.
  • the gas liquefying apparatus 10A according to the present embodiment is provided in order in series with a source gas supply line L 1 for supplying a source gas 11 such as natural gas and a source gas supply line L 1.
  • a separation drum 15 that separates a gas component and a liquefied component from a raw material gas 11 containing a liquefied condensate that has been cooled to a liquefaction temperature or lower, a gas component separated by the separation drum 15 as a refrigerant gas 21, and the refrigerant gas 21
  • the liquefaction / supercooling heat exchanger 14, the precooling heat exchanger 13 and the room temperature heat exchanger 12 are supplied in the direction opposite to the supply direction of the raw material gas 11, and the raw material gas 11 to be introduced is supplied to each heat exchange unit 12 a, 13a
  • the raw material gas 11 is liquefied using, for example, natural gas (NG) containing methane as a main component to form liquefied natural gas (LNG).
  • NG natural gas
  • LNG liquefied natural gas
  • the natural gas pressure is, for example, about 30 to 70 kg / cm 2 supplied by a pipeline.
  • it can apply also when liquefying air other than natural gas, for example.
  • the source gas supply line L 1 forms a liquefaction line of the supply gas stream for supplying the source gas 11, and the refrigerant gas supply line L 2 for cooling the refrigerant gas stream for supplying the refrigerant gas 21.
  • a room temperature heat exchanger 12, a precooling heat exchanger 13, and a liquefaction / supercooling heat exchanger 14 are provided in this order as heat exchanging places.
  • the raw material gas 11 supplied by the raw material gas supply line L 1 indirectly cooled by refrigerant gas 21 supplied to face the refrigerant gas supply line L 2 heat exchange portion 12a, 13a, at 14a I am doing so.
  • an open loop cycle process is realized in which an unliquefied gas component of the raw material gas 11 is utilized as the refrigerant gas 21 in the end zone of the liquefaction line.
  • the room temperature heat exchanger 12, the precooling heat exchanger 13, and the heat exchange units 12a, 13a, and 14a installed inside the liquefying / supercooling heat exchanger 14 are, for example, plate fin type
  • the present invention is not limited to this as long as it is a means for efficiently exchanging the raw material gas 11 using the refrigerant gas 21.
  • the room temperature heat exchanger 12 exchanges the raw material gas 11 at room temperature (for example, 20 to 40 ° C.) with the refrigerant gas 21 to, for example, about 0 ° C. or 0 ° C. or less.
  • the precooling heat exchanger 13 exchanges the raw material gas 11 cooled to near 0 ° C. with the refrigerant gas 21 to, for example, ⁇ 80 ° C. or less.
  • the liquefying / supercooling heat exchanger 14 exchanges the raw material gas 11 cooled to ⁇ 80 ° C. or lower with the refrigerant gas 21 to, for example, ⁇ 120 ° C. or lower.
  • the cooling temperature in each heat exchanger is a standard, and is appropriately changed according to the composition of the raw material gas 11 and the condition of the refrigerant gas 21.
  • the raw material gas 11 cooled by the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 is expanded by an expansion valve 51 interposed between the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 and the separation drum 15 and then the raw material gas supply line. It is introduced into the separation drum 15 connected to the front end side of L 1 .
  • the separation drum 15 separates the flash gas component into the liquefied natural gas component.
  • the flash gas Since the flash gas is cooled, it is introduced into the refrigerant gas supply line L 2 as the refrigerant gas 21, and is introduced in the order of the liquefaction / supercooling heat exchanger 14, the precooling heat exchanger 13, and the room temperature heat exchanger 12. And it circulates and utilizes as refrigerant gas which cools raw material gas 11 in each heat exchange part 14a, 13a, and 12a.
  • the refrigerant gas 21 used to cool the feed gas 11 is introduced into the compressor 31 provided in the distal end portion of the refrigerant gas supply line L 2.
  • the compressor 31 is two-stage compression in this embodiment, but is not limited to this, and two or more stages may be installed. Then, the compressor 31 is compressed to a predetermined pressure (same as the raw material gas), mixed again with the raw material gas 11 in the mixing unit 32, and recirculated.
  • the liquefied natural gas (LNG) of the liquefied component separated by the separation drum 15 is collected as a separate product.
  • a cooling source gas 34 having a temperature lowered to, for example, ⁇ 150 ° C. or less is obtained by adiabatic expansion.
  • the obtained cooling source gas 34 passes between the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 upstream of the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 and the separation drum 15 via the cooling source gas supply line L 5.
  • the refrigerant gas supply line L 2 is combined with the refrigerant gas 21 in the refrigerant junction part 41.
  • This cooling source gas 34 is merged into the refrigerant gas 21 at the refrigerant merge section 41, so that the heat exchange capacity required for cooling in the liquefaction / supercooling heat exchanger 14, the precooling heat exchanger 13 and the room temperature heat exchanger 12 is obtained.
  • the refrigerant is supplied.
  • the source gas 11 having a predetermined pressure (40 k) is supplied from the source gas supply line L 1 to form a supply gas stream.
  • the raw material gas supply line L 1 is provided with a room temperature heat exchanger 12, a precooling heat exchanger 13 and a liquefying / supercooling heat exchanger 14 having heat exchange sections 12a, 13a, 14a in the order of flow of the raw material gas 11. ing.
  • the gas After expansion by an expansion valve 51 installed in front of the separation drum 15 provided, the gas is separated into a gas component and a liquefied component.
  • the liquefied component is sent as liquefied natural gas (LNG) to, for example, a storage tank or a pipeline.
  • LNG liquefied natural gas
  • the gas component separated by the separation drum 15 Since the gas component separated by the separation drum 15 is cooled, it is sent as refrigerant gas 21 from the top of the separation drum 15 to the refrigerant gas supply line L 2 to form a refrigerant gas stream.
  • the refrigerant gas 21 flows in the direction opposite to the supply direction of the raw material gas 11 with the liquefying / supercooling heat exchanger 14, the precooling heat exchanger 13, and the room temperature heat exchanger 12, and each heat exchange section 14a, 13a. , 12a indirectly cools the source gas 11.
  • the liquefied component of the raw material gas 11 is separated as liquefied natural gas (LNG), and the unliquefied gas component that is not liquefied is used as the refrigerant gas 21 for cooling.
  • the refrigerant gas 21 is sent to the compressor 31 provided in the end zone at the tip of the refrigerant gas supply line L 2 , where it is compressed to the same level as the gas pressure of the raw material gas 11.
  • the compressed compressed gas 22 is mixed with the raw material gas 11 in the mixing section 32 and supplied again as the raw material gas 11.
  • the obtained cooling source gas 34 passes between the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 upstream of the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 and the separation drum 15 via the cooling source gas supply line L 5.
  • the refrigerant gas supply line L 2 is combined with the refrigerant gas 21 in the refrigerant junction part 41. By this merging, the refrigerant source gas 34 is supplied to the refrigerant gas 21, and the heat exchange amount required for cooling in the liquefying / supercooling heat exchanger 14, the precooling heat exchanger 13, and the room temperature heat exchanger 12 is supplied. I am doing so.
  • the power of the compressor 31 is recovered by the power of the expansion turbine 33 connected coaxially so as to reduce the compression power.
  • the compressor 31 is provided with coolers 31a and 31b to cool the compressed gas.
  • the heat of the room temperature heat exchanger 12, the precooling heat exchanger 13, and the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 is arranged so that the raw gas stream line and the refrigerant gas stream line face each other. Since the heat exchanging equipment for exchanging heat in turn at the exchanging portions 12a, 13a, and 14a has a simple configuration, a complicated heat exchanging loop is not required, and equipment costs and power can be reduced.
  • the gas liquefaction method of the present invention is an open loop cycle process in which a raw material gas (for example, natural gas) 11 is cooled to a liquefaction temperature and a liquefied natural gas (LNG) of a gas liquefied product is produced from the cooled gas component and the liquefied component.
  • a raw material gas for example, natural gas
  • LNG liquefied natural gas
  • this gas liquefaction manufacturing method at least two heat exchange parts (three heat exchange parts 14a and 13a in this embodiment) are supplied while the cooled gas component is supplied as the refrigerant gas 21 so as to face the raw material gas 11.
  • the raw material branched from the raw material gas supply line L 1 between the precooling heat exchanger 13 and the liquefaction / supercooling heat exchanger 14, and the raw material after heat exchange in the precooling heat exchanger 13 is used.
  • an extraction line L 4 for extracting a part 11a of the gas 11 is provided, the present invention is not limited to this.
  • a line L 4 is provided, sent to the expansion turbine 33, adiabatic expansion is performed by the expansion turbine 33, and the cooled cooling source gas 34 is obtained.
  • the obtained refrigerant source gas 34 is supplied to the refrigerant gas 21 at the refrigerant junction 41.
  • a refrigerant body having a sufficient cooling capacity may be supplied.
  • FIG. 2-1 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a second embodiment.
  • symbol is attached
  • the gas liquefaction apparatus 10B of the present embodiment is the same as the gas liquefaction apparatus 10A of FIG. 1 except that the raw material gas supply line L 1 between the room temperature heat exchanger 12 and the precooling heat exchanger 13 is used.
  • the first extraction line L 4A for extracting a part 11a of the raw material gas 11 after the heat exchange with the room temperature heat exchanger 12 is connected to the tip of the first extraction line L 4A , and the extracted raw material gas is extracted.
  • 11 is a refrigerant between the precooling heat exchanger 13 and the liquefaction / supercooling heat exchanger 14, and the first cooling source gas 34 A cooled by the thermal expansion turbine 33 A.
  • the turbine 33B and the second cooling source gas 34B cooled by the cold expansion turbine 33B are supplied to the second refrigerant junction 41B of the refrigerant gas supply line L 2 between the liquefying / supercooling heat exchanger 14 and the separation drum 15.
  • a second cooling source gas supply line L 5B .
  • the first cooling source gas 34A obtained by the thermal expansion turbine 33A is supplied via the first cooling source gas supply line L 5A to the preliminary cooling heat exchanger 13, the liquefaction / supercooling heat exchanger 14, and The refrigerant gas 21 is merged in the first refrigerant merging portion 41A provided in the refrigerant gas supply line L2 between the two .
  • the second cooling source gas 34B obtained by the cold expansion turbine 33B is supplied to the refrigerant gas between the liquefying / supercooling heat exchanger 14 and the separation drum 15 via the second cooling source gas supply line L 5B. in the second refrigerant merging portion 41B provided in the line L 2, which is mixed with the refrigerant gas 21.
  • the first and second cooling source gases 34A and 34B are sequentially joined to the refrigerant gas 21 by the first and second refrigerant joining portions 41A and 41B, thereby liquefying / supercooling heat exchanger 14 and precooling heat.
  • a refrigerant having a heat exchange capacity required for cooling in the exchanger 13 and the room temperature heat exchanger 12 is supplied.
  • FIG. 2-2 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to Test Example 1.
  • FIG. 2-2 an example of temperature and pressure is shown in main lines.
  • the pressure and temperature are illustrated and demonstrated in the figure in Test Example 1, this invention is not limited to this.
  • the pressure (kg / cm 2 A) is circled, and the temperature (° C.) is circled (the same applies to FIG. 5-2).
  • the test was performed using a natural gas of 40 ° C. and 40 kg / cm 2 A as the source gas 11.
  • the raw material gas 11 is cooled by the ⁇ 34.4 ° C. refrigerant gas 21 flowing through the refrigerant gas supply line L 2 , thereby cooling the raw material gas 11 to 0 ° C.
  • a part 11a of the raw material gas 11 at 0 ° C. is sent to the thermal expansion turbine 33A, where it becomes the first refrigerant source gas 34A at ⁇ 131.1 ° C., and merges with the refrigerant gas 21 at the first refrigerant confluence portion 41A.
  • the refrigerant gas 21 is mixed with the refrigerant gas 21 at -153.1 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 to become the refrigerant gas 21 at -145.8 ° C., and is introduced into the precooling heat exchanger 13.
  • the raw material gas 11 is cooled by a refrigerant gas 21 of ⁇ 145.8 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 , and thereby the raw material gas is cooled from 0 ° C. to ⁇ 88.2 ° C. .
  • a part 11b of the source gas 11 at ⁇ 88.2 ° C. is sent to the cold expansion turbine 33B, where it becomes the second refrigerant source gas 34B at ⁇ 155.2 ° C., and at the second refrigerant junction 41B, the refrigerant gas
  • the refrigerant gas 21 is mixed with the refrigerant gas 21 at -154.1 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 to become the refrigerant gas 21 at ⁇ 155.2 ° C., and is introduced into the liquefaction / supercooling heat exchanger 14.
  • the raw material gas 11 is cooled by the refrigerant gas 21 of ⁇ 155.2 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 , and thereby the raw material gas 11 is changed from ⁇ 88.2 ° C. to ⁇ 127. Cool to 0 ° C.
  • the raw material gas 11 cooled to ⁇ 127.0 ° C. is expanded by an expansion valve 51 installed in front of the separation drum 15, and then is converted into a gas component and a liquefied component at ⁇ 154.1 ° C. in the separation drum 15. It is separated by flash action.
  • the liquefied component is sent as liquefied natural gas (LNG) to a storage tank or a pipeline.
  • the gas component is sent as a refrigerant gas 21 to the refrigerant gas supply line L 2 for circulation.
  • the refrigerant gas 21 After contributing to cooling, the refrigerant gas 21 becomes a gas of 19.1 ° C. and 1.2 kg / cm 2 A, and is sent to the compressor 31 provided in the end zone at the tip of the refrigerant gas supply line L 2. Then, it is compressed to 40 ° C. and 40.0 kg / cm 2 A, which are the same as the gas pressure of the raw material gas 11, merged with the raw material gas 11 in the mixing unit 32, and liquefied again.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a third embodiment.
  • the gas liquefying apparatus 10C of the present embodiment is the same as the gas liquefying apparatus 10B of FIG. 2-1, in the source gas supply line L 1 for supplying the source gas 11, upstream of the room temperature heat exchanger 12. Is provided with a precooler 52 to precool the raw material gas 11 to reduce the power of the compressor 31.
  • boil-off gas partially gasified by natural heat input.
  • the Boyle through the off-gas supply line L 11 supplies BOG, by mixed with the refrigerant gas 21 after contributing to the cooling, it is possible to effectively re-liquefy the BOG. This eliminates the need for re-liquefaction equipment for BOG alone.
  • a heavy component separation unit 53 a is provided in the first extraction line L 4A for extracting a part 11 a of the raw material gas 11 cooled by the room temperature heat exchanger 12, and is cooled by the room temperature heat exchanger 12. The heavy liquid generated during the process is separated. Further, in this embodiment, the heavy component separation portion 53b is provided in the second extraction line L 4B for extracting a part 11b of the raw material gas 11 cooled by the preliminary cooling heat exchanger 13, and the preliminary cooling heat exchanger 13 is provided. The heavy liquid generated during the cooling is separated. If no liquid is generated under the cooling conditions in the preliminary cooling heat exchanger 13, the heavy component separation unit 53b may not be installed. Thereby, by removing heavy components, solidification in the heat exchanger on the downstream side is prevented.
  • the separated heavy component 54 is used as, for example, a fuel for driving a turbine.
  • a liquid expander 55 including a liquefied expansion turbine 55a and a pressure regulating valve 55b is provided in place of the expansion valve 51 for expansion in front of the separation drum 15, thereby reducing the energy consumed in the liquefaction process. It can be recovered as energy.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a fourth embodiment.
  • the gas liquefaction apparatus 10D of the present embodiment is similar to the gas liquefaction apparatus 10B of FIG. 2-1, except that a compressor 31, a thermal expansion turbine 33A, and a cold expansion turbine 33B are connected to a geared compander (speed increaser).
  • a built-in centrifugal compressor) 61 is provided so as to give a rotational speed at which the efficiency at each stage is optimum.
  • the geared compander 61 is used to improve the efficiency of the compressor as compared with the second embodiment.
  • FIG. 5A is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to a fifth embodiment.
  • symbol is attached
  • the liquefaction / supercooling heat exchanger 14 shown in Example 1 is divided into two, and the liquefaction heat exchanger 14A and the supercooling heat exchanger 14B are divided. The two liquefied heat exchangers and the supercooling heat exchanger are provided in series.
  • the first cooling source gas 34A cooled by the temperature expansion turbine 33A is branched into two, and the branched first cooling source gas 34A is divided into the first refrigerant between the precooling heat exchanger 13 and the liquefied heat exchanger 14A.
  • the first cooling source gas supply line L 5A-1 is sent to the junction 41A-1 and the first refrigerant junction 41A-2 between the liquefied heat exchanger 14A and the supercooling heat exchanger 14B is fed to the first It is made to send with the cooling source gas supply line L5A-2 .
  • two separation drums 15 are provided, and a first separation drum 15A and a second separation drum 15B having different operating pressures are installed.
  • Refrigerant gas 21 separated in the first separation drum 15A flows through the refrigerant gas supply line L 2 under a pressure higher than the atmospheric pressure, the supercooling heat exchanger 14B, liquefaction heat exchanger 14A, pre-cooling heat exchanger 13 and cold heat
  • the heat exchange units 14b, 14a, 13a, and 12a of the exchanger 12 exchange heat and then introduce them to the compressor 31 side.
  • the power in the compressor 31 is reduced as much as the pressure is not released to about atmospheric pressure as in the first embodiment.
  • the connection destination of the second cooling source gas supply line L 5B is the first separation drum 15A. Yes. Then, the second refrigerant source gas 34B is directly introduced into the first separation drum 15A and is flushed inside to separate the gas component and the liquefied component.
  • the liquefied component separated by the first separation drum 15A is expanded by an expansion valve 51B installed in front of the second separation drum 15B, and then flushed in the second separation drum 15B, where the gas component and the liquefied component are collected. And separated.
  • the liquefied component is sent as liquefied natural gas (LNG) to a storage tank or a pipeline.
  • LNG liquefied natural gas
  • the gas component is separately used as fuel gas.
  • FIG. 5-2 is a schematic diagram of a gas liquefying apparatus according to Test Example 2.
  • Test Example 2 the pressure and temperature are illustrated and described in the figure, but the present invention is not limited to this.
  • the raw material gas 11 is cooled by the ⁇ 26.3 ° C. refrigerant gas 21 flowing through the refrigerant gas supply line L 2 , whereby the raw material gas 11 is cooled to ⁇ 5.0 ° C.
  • a part 11a of the source gas 11 at ⁇ 5.0 ° C. is sent to the thermal expansion turbine 33A, where it becomes the first refrigerant source gases 34A-1 and 34A-2 at ⁇ 112.7 ° C., and the first refrigerant merged
  • the refrigerant gas is supplied to the refrigerant gas 21 at -91.4 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 after being cooled by the liquefied heat exchanger 14A, and becomes the refrigerant gas 21 at -95.0 ° C. It is introduced into the heat exchanger 13.
  • the refrigerant gas supply line L 2 after cooling by the supercooling heat exchanger 14B.
  • the refrigerant gas 21 is merged into 4 ° C. refrigerant gas 21 to be ⁇ 104.8 ° C. refrigerant gas 21 and introduced into the liquefied heat exchanger 14A.
  • the raw material gas 11 is cooled by a refrigerant gas 21 of ⁇ 95.0 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 , whereby the raw material gas 11 is cooled from ⁇ 5.0 ° C. to ⁇ 88.4 ° C. Until cooled.
  • a part 11b of the source gas 11 at -88.4 ° C. is sent to the cold expansion turbine 33B, where it becomes the second refrigerant source gas 34B at -144.3 ° C., and is introduced into the first separation drum 15A.
  • the refrigerant gas is flushed to become the refrigerant gas 21 at ⁇ 144.3 ° C., introduced into the refrigerant gas supply line L 2, and introduced into the supercooling heat exchanger 14B.
  • the raw material gas 11 is cooled by the refrigerant gas 21 of -144.3 ° C. flowing through the refrigerant gas supply line L 2 , and thereby the raw material gas 11 is changed from ⁇ 88.4 ° C. to ⁇ 141.0. Cool down to ° C.
  • the raw material gas 11 cooled to ⁇ 141.0 ° C. is expanded by an expansion valve 51A installed in front of the first separation drum 15A, and then gas of ⁇ 144.3 ° C., 3.5 kg / cm 2 A.
  • the component and the liquefied component are separated by the first separation drum 15A.
  • This liquefied component is then expanded by an expansion valve 51B installed in front of the second separation drum 15B, and then secondly separated into a gas component and a liquefied component of ⁇ 161.3 ° C. and 1.05 kg / cm 2 A.
  • the drum 15B is separated.
  • the liquefied component is sent as liquefied natural gas (LNG) to, for example, a storage tank or a pipeline.
  • LNG liquefied natural gas
  • the gas component is used as fuel gas.
  • the refrigerant gas 21 After contributing to cooling, the refrigerant gas 21 becomes a gas of 36.3 ° C. and 3.0 kg / cm 2 A and is sent to the compressor 31 provided in the end zone at the tip of the refrigerant gas supply line L 2. Is compressed to 40 ° C. and 40 kg / cm 2 A, which is the same as the gas pressure of the raw material gas 11, mixed with the raw material gas 11 in the mixing section 32, and liquefied again. At the time of this reliquefaction, the refrigerant gas is set to a pressure higher than that of Test Example 1, so that the compression load of the compressor 31 is reduced and power can be reduced.

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Abstract

　原料ガス１１を冷却する常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４と、液化温度以下まで冷却された原料ガスからガス成分と液化成分とに分離する分離ドラム１５と、ガス成分を冷媒ガス２１とし冷媒ガスを液化・過冷却熱交換器、予備冷却熱交換器及び常温熱交換器の順に、原料ガス供給方向と逆行する方向に供給する冷媒ガス供給ラインＬ2と、冷却に用いた冷媒ガスを圧縮する圧縮機３１と、圧縮された圧縮ガス２２を混合する混合部３２と、予備冷却熱交換器１３と液化・過冷却熱交換器との間で、原料ガス供給ラインＬ1から分岐され、熱交換後の原料ガス１１の一部１１ａを抜出す抜出ラインＬ4と、抜出した原料ガス１１の一部を断熱膨張させる膨張タービン３３と、降温した冷却源ガス３４を液化・過冷却熱交換器の上流側に供給する冷却源ガス供給ラインＬ5とを備える。

Description

ガス液化装置及びガス液化方法
　本発明は、例えば天然ガスを液化天然ガスとして液化するガス液化装置及びガス液化方法に関するものである。
　　例えば、天然ガス（ＮＧ：natural gas）を液化天然ガス（ＬＮＧ：liquefied natural gas）として液化するプロセスは、特定組成の冷媒(例えば窒素（Ｎ2）や混合冷媒)を用いて、この専用の冷媒を閉鎖系として循環させるいわゆるクローズドループタイプを採用している為、簡素な装置が好まれる中小規模の天然ガスの液化プロセスとしては以下の課題がある。
　１）　冷媒の製造設備や貯蔵設備が必要となる、或いは冷媒を製造しない場合には購入することが必要となる。
　２）　クローズドループタイプで冷媒に混合冷媒を使用する場合、フィード組成が変化した際に冷媒組成を調整する必要があり、煩雑となる。また、冷媒混合を正確に行う必要があるため、スタートアップとプラントの安定に時間を要する、という問題がある。よって、運転停止・再起動が頻繁に繰り返される場合には不向きとなる。
　３）　クローズドループタイプで、冷媒として窒素（Ｎ2）を使用する場合、一般に窒素冷媒圧力を８０ｋｇ／ｃｍ2以上の高圧に昇圧する必要があるため、圧縮機等の機器設備や配管やバルブ等の供給設備が高価となる。
　そこで、近年天然ガスを直接冷媒として活用するオープンループサイクルプロセスとする技術が提案されている（特許文献１）。
特表２０１０－５３７１５１号公報
　しかしながら、特許文献１の提案では、熱交換領域に複数の冷却ループを必要とし、熱交換設備が複雑となるので、さらなる設備コスト低減や動力低減を図る技術の出現が切望されている。
　本発明は、前記問題に鑑み、熱交換設備が簡易であると共に設備コスト低減や動力低減を図るガス液化装置及びガス液化方法を提供することを課題とする。
　上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記原料ガス供給ラインに直列して順に設けられ、前記原料ガスを冷却する常温熱交換器、予備冷却熱交換器及び液化・過冷却熱交換器と、熱交換により前記原料ガスの液化温度以下まで冷却された凝縮物を含む原料ガスからガス成分と液化成分とに分離する分離ドラムと、前記分離ドラムで分離されたガス成分を冷媒ガスとし、該冷媒ガスを前記液化・過冷却熱交換器、前記予備冷却熱交換器及び前記常温熱交換器の順に、前記原料ガスの供給方向と逆行する方向に供給し、前記原料ガスを冷却する冷媒ガス供給ラインと、前記冷媒ガス供給ラインの先端部に設けられ、冷却に用いた前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを、該圧縮機より抜出す圧縮ガス抜出ラインと、前記圧縮ガス抜出ラインの先端が前記原料ガス供給ラインの前記常温熱交換器の上流側で接続され、前記原料ガスに前記圧縮ガスを混合する混合部と、前記常温熱交換器と前記予備冷却熱交換器との間、又は前記予備冷却熱交換器と前記液化・過冷却熱交換器との間のいずれか一方又は両方において、前記原料ガス供給ラインから分岐され、熱交換後の原料ガスの一部を抜出す抜出ラインと、前記抜出ラインの先端が接続され、抜出した原料ガスの一部を断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンで降温した冷却源ガスを、前記液化・過冷却熱交換器の上流側の前記冷媒ガス供給ラインに供給する冷却源ガス供給ラインと、を備えることを特徴とするガス液化装置にある。
　第２の発明は、原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記原料ガス供給ラインに直列して順に設けられ、前記原料ガスを冷媒ガスにより熱交換して冷却する常温熱交換器、予備冷却熱交換器及び液化・過冷却熱交換器と、前記原料ガス供給ラインの先端部に設けられ、冷却されて凝縮物を含む原料ガスからガス成分と液化成分とに分離する分離ドラムと、前記分離ドラムで分離され冷却されたガス成分を冷媒ガスとし、該冷媒ガスを前記液化・過冷却熱交換器、前記予備冷却熱交換器及び前記常温熱交換器の順に、前記原料ガスと逆行する方向に供給し、前記原料ガスを冷却する冷媒ガス供給ラインと、前記冷媒ガス供給ラインの先端部に設けられ、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを抜出す圧縮ガス抜出ラインと、前記圧縮ガス抜出ラインの先端が前記原料ガス供給ラインと、前記常温熱交換器の上流側で接続し、前記原料ガスに前記圧縮ガスを混合する混合部と、前記常温熱交換器と前記予備冷却熱交換器との間の原料ガス供給ラインから分岐され、前記常温熱交換器で熱交換後の原料ガスの一部を抜出す第１抜出ラインと、前記第１抜出ラインの先端が接続され、抜出した原料ガスの一部を断熱膨張させる温膨張タービンと、前記温膨張タービンで降温した第１冷却源ガスを、前記予備冷却熱交換器と前記液化・過冷却熱交換器との間の冷媒ガス供給ラインに供給する第１冷却源ガス供給ラインと、前記予備冷却熱交換器と前記液化・過冷却熱交換器との間の原料ガス供給ラインから分岐され、前記予備冷却熱交換器で熱交換後の原料ガスの一部を抜出す第２抜出ラインと、前記第２抜出ラインの先端が接続され、抜出した原料ガスの一部を断熱膨張させる冷膨張タービンと、前記冷膨張タービンで降温した第２冷却源ガスを、前記液化・過冷却熱交換器と前記分離ドラムの間の冷媒ガス供給ラインに供給する第２冷却源ガス供給ラインと、を備えることを特徴とするガス液化装置にある。
　第３の発明は、第２の発明において、前記液化・過冷却熱交換器を２つに分けて液化熱交換器及び過冷却熱交換器の２台とし、この２台の液化熱交換器及び過冷却熱交換器を直列して設けると共に、前記温膨張タービンで降温した第１冷却源ガスを２つに分岐し、分岐した第１冷却源ガスを予備冷却熱交換器と液化熱交換器との間と、前記液化熱交換器と前記過冷却熱交換器との間の冷媒ガス供給ラインに各々供給することを特徴とするガス液化装置にある。
　第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記原料ガスを冷却する冷却器を、前記原料ガス供給ラインの前記常温熱交換器の上流側に設けることを特徴とするガス液化装置にある。
　第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記原料ガスの一部を抜出した抜出液から重質分を分離する重質分分離器を設けることを特徴とするガス液化装置にある。
　第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記冷媒ガス供給ラインに接続する圧縮機の上流側に、ボイルオフガスを供給するボイルオフガス供給ラインを接続することを特徴とするガス液化装置にある。
　第７の発明は、原料ガスを液化温度まで冷却し、冷却されたガス成分と液化成分とからガス液化物を製造するオープンループサイクルプロセスのガス液化方法であって、前記冷却されたガス成分を冷媒ガスとして、原料ガスと対向して供給しつつ少なくとも２以上の熱交換部で熱交換する熱交換工程と、前記熱交換部と熱交換部との間において、冷却後の原料ガスの一部を抜出し、断熱膨張させる断熱膨張工程と、前記断熱膨張工程で降温した冷却源ガスを、前記冷媒ガスに供給する冷媒ガス供給工程とを有することを特徴とするガス液化方法にある。
　本発明によれば、常温熱交換器と予備冷却熱交換器との間、又は予備冷却熱交換器と液化・過冷却熱交換器との間のいずれか一方又は両方において、熱交換後の原料ガスの一部を抜出し、膨張タービンにおいて断熱膨張させることにより降温した冷却源ガスを得るようにしている。この得られた冷却源ガスを冷媒ガスと合流させることで、各熱交換器で原料ガスを順次冷却するのに十分な冷却量とすることができ、熱交換設備が簡易な構成となり、設備コスト低減や動力低減を図ることができる。
図１は、実施例１に係るガス液化装置の概略図である。 図２－１は、実施例２に係るガス液化装置の概略図である。 図２－２は、試験例１に係るガス液化装置の概略図である。 図３は、実施例３に係るガス液化装置の概略図である。 図４は、実施例４に係るガス液化装置の概略図である。 図５－１は、実施例５に係るガス液化装置の概略図である。 図５－２は、試験例２に係るガス液化装置の概略図である。
　以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
　図１は、実施例１に係るガス液化装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係るガス液化装置１０Ａは、例えば天然ガス等の原料ガス１１を供給する原料ガス供給ラインＬ1と、原料ガス供給ラインＬ1に直列して順に設けられ、原料ガス１１を冷却する常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４と、原料ガス供給ラインＬ1の先端部に設けられ、熱交換により原料ガス１１の液化温度以下まで冷却された液化凝縮物を含む原料ガス１１からガス成分と液化成分とに分離する分離ドラム１５と、分離ドラム１５で分離されたガス成分を冷媒ガス２１とし、該冷媒ガス２１を液化・過冷却熱交換器１４、予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２の順に、原料ガス１１の供給方向と逆行する方向に供給し、導入する原料ガス１１を各熱交換部１２ａ、１３ａ、１４ａで冷却する冷媒ガス供給ラインＬ2と、冷媒ガス供給ラインＬ2の先端部に設けられ、冷却に用いた冷媒ガス２１を圧縮する圧縮機３１と、圧縮機３１で圧縮された圧縮ガス２２を、該圧縮機３１より抜出す圧縮ガス抜出ラインＬ3と、圧縮ガス抜出ラインＬ3の先端が原料ガス供給ラインＬ1の常温熱交換器１２の上流側で接続され、原料ガス１１に圧縮ガス２２を混合する混合部３２と、予備冷却熱交換器１３と液化・過冷却熱交換器１４との間において、原料ガス供給ラインＬ1から分岐され、熱交換後の原料ガス１１の一部１１ａを抜出す抜出ラインＬ4と、抜出ラインＬ4の先端が接続され、抜出した原料ガス１１の一部１１ａを断熱膨張させる膨張タービン３３と、膨張タービン３３で降温した冷却源ガス３４を、液化・過冷却熱交換器１４の上流側の冷媒ガス供給ラインＬ2に供給する冷却源ガス供給ラインＬ5と、を備えるものである。
　本実施例では、原料ガス１１として、例えばメタンを主成分として含む天然ガス（ＮＧ）を用いて液化して液化天然ガス（ＬＮＧ）としている。この天然ガスの圧力としては、パイプラインにより供給される例えば３０～７０ｋｇ／ｃｍ2程度のものである。なお、天然ガス以外として、例えば空気を液化する場合にも適用することができる。
　本実施例では、原料ガス供給ラインＬ1が、原料ガス１１を供給する供給ガスストリームの液化ラインを形成すると共に、冷媒ガス供給ラインＬ2が、冷媒ガス２１を供給する冷媒ガスストリームの冷却ラインを形成し、これらが熱交換する箇所に、熱交換手段として、常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４を順に設けている。そして、原料ガス供給ラインＬ1により供給される原料ガス１１に対して、冷媒ガス供給ラインＬ2を対向して供給される冷媒ガス２１により熱交換部１２ａ、１３ａ、１４ａで間接的に冷却するようにしている。この際、液化ラインのエンドゾーンにて、原料ガス１１の未液化のガス成分を冷媒ガス２１として活用するオープンループサイクルプロセスを実現している。
　ここで、本実施例では、常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４内部に各々設置される熱交換部１２ａ、１３ａ、１４ａとしては、例えばプレートフィン型の熱交換器を用いているが、冷媒ガス２１を用いて原料ガス１１を効率的に熱交換する手段であれば、これに限定されるものではない。
　先ず、常温熱交換器１２は、常温（例えば２０～４０℃）の原料ガス１１を冷媒ガス２１により、例えば０℃程度又は０℃以下まで熱交換するものである。
　予備冷却熱交換器１３は、この０℃近傍まで冷却された原料ガス１１を冷媒ガス２１により例えば－８０℃以下まで熱交換するものである。
　液化・過冷却熱交換器１４は、この－８０℃以下まで冷却された原料ガス１１を冷媒ガス２１により例えば－１２０℃以下まで熱交換するものである。なお、各熱交換器での冷却温度は目安であり、原料ガス１１の組成、冷媒ガス２１の条件により適宜変更される。
　液化・過冷却熱交換器１４で冷却された原料ガス１１は、液化・過冷却熱交換器１４と分離ドラム１５との間に介装された膨張弁５１にて膨張した後、原料ガス供給ラインＬ1の先端側に接続された分離ドラム１５に導入される。この分離ドラム１５において、フラッシュガスのガス成分と液化天然ガスの液化成分とに分離される。
　フラッシュガスは、冷却されているので冷媒ガス２１として冷媒ガス供給ラインＬ2に導入され、液化・過冷却熱交換器１４、予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２の順に導入される。そして、各熱交換部１４ａ、１３ａ、１２ａにて原料ガス１１を冷却する冷媒ガスとして循環利用される。
　この原料ガス１１の冷却に用いた冷媒ガス２１は、冷媒ガス供給ラインＬ2の先端部に設けられた圧縮機３１に導入される。この圧縮機３１は本実施例では２段圧縮であるが、これに限定されるものではなく、２台以上の複数段設置されていてもよい。そして、この圧縮機３１で所定圧（原料ガスと同程度）まで圧縮させて、再度原料ガス１１と混合部３２にて混合させて再循環する。
　また、分離ドラム１５で分離された液化成分の液化天然ガス（ＬＮＧ）は、別途製品として採取される。
　本実施例では、原料ガス供給ラインＬ1に設けられた予備冷却熱交換器１３で熱交換された原料ガス１１の一部１１ａを抜出ラインＬ4により抜出し、この抜出ラインＬ4の先端に接続された膨張タービン３３において、断熱膨張させることで、例えば－１５０℃以下に降温した冷却源ガス３４を得るようにしている。
　そして、この得られた冷却源ガス３４は、冷却源ガス供給ラインＬ5を介して、液化・過冷却熱交換器１４の上流側の液化・過冷却熱交換器１４と分離ドラム１５との間の冷媒ガス供給ラインＬ2に設けた冷媒合流部４１において、冷媒ガス２１と合流させている。この冷却源ガス３４を冷媒合流部４１で冷媒ガス２１へ合流させることにより、液化・過冷却熱交換器１４及び予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２での冷却に要する熱交換容量分の冷媒を供給するようにしている。
　このため、膨張タービン３３で得られた冷媒源ガス３４により、原料ガス１１を所定温度まで冷却するだけの熱容量となるように、予備冷却熱交換器１３で熱交換された原料ガス１１の一部１１ａを抜出す抜出量を図示しない調整手段により又は予め調整するようにしている。
　本実施例のガス液化装置１０Ａの動作について、図１を参照しつつ説明する。先ず原料ガス供給ラインＬ1により所定圧力（４０ｋ）の原料ガス１１が供給され、供給ガスストリームが形成される。原料ガス供給ラインＬ1には、熱交換部１２ａ、１３ａ、１４ａを有する常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４が原料ガス１１の流れ方向順に設けられている。
　常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４で冷媒ガス２１により順次冷却されて液化された原料ガス１１は、原料ガス供給ラインＬ1の先端のエンドゾーンに設けられた分離ドラム１５の手前に設置された膨張弁５１にて膨張した後、ガス成分と液化成分とに分離される。液化成分は液化天然ガス（ＬＮＧ）として、例えば貯蔵タンク又はパイプライン等に送られる。
　この分離ドラム１５で分離したガス成分は冷却されているので、冷媒ガス２１として分離ドラム１５の頂部から冷媒ガス供給ラインＬ2に送られ、冷媒ガスストリームを形成する。そして、冷媒ガス２１は、液化・過冷却熱交換器１４、予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２と、原料ガス１１の供給方向と逆行する方向に流れ、各熱交換部１４ａ、１３ａ、１２ａにおいて間接的に原料ガス１１を冷却する。この冷媒ガス２１による熱交換冷却によって、原料ガス１１は液化された液化成分が液化天然ガス（ＬＮＧ）として分離され、液化されない未液化のガス成分は冷媒ガス２１として冷却に用いられる。冷媒ガス２１は、冷却に寄与した後、冷媒ガス供給ラインＬ2の先端のエンドゾーンに設けられた圧縮機３１に送られ、ここで原料ガス１１のガス圧と同程度に圧縮される。圧縮された圧縮ガス２２は、混合部３２で原料ガス１１と混合され、再度原料ガス１１として供給される。これにより原料ガス１１の未液化のガスを冷媒ガス２１として利用すると共に、再度原料ガス１１と混合して液化に供して循環再利用するオープンループサイクルプロセスを構築している。
　本実施例では、原料ガス供給ラインＬ1に設けられた予備冷却熱交換器１３で冷却された原料ガス１１の一部１１ａを、抜出ラインＬ4により抜出し、この抜出ラインＬ4の先端に接続された膨張タービン３３において、断熱膨張させることで、例えば－１５０℃以下に降温した冷却源ガス３４を得るようにしている。
　そして、この得られた冷却源ガス３４は、冷却源ガス供給ラインＬ5を介して、液化・過冷却熱交換器１４の上流側の液化・過冷却熱交換器１４と分離ドラム１５との間の冷媒ガス供給ラインＬ2に設けた冷媒合流部４１において、冷媒ガス２１と合流させる。この合流により、冷媒ガス２１に冷媒源ガス３４を供給することとなり、液化・過冷却熱交換器１４及び予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２での冷却に要する熱交換量を供給するようにしている。
　このように、分離ドラム１５で分離した冷媒ガス２１のみでは、原料ガス１１を十分に冷却することができないので、予備冷却熱交換器１３で熱交換後の原料ガス１１の一部１１ａを抜出し、膨張タービン３３に導入して断熱膨張させて、冷媒源ガス３４を得るようにし、これを冷媒ガス供給ラインＬ2の冷媒合流部４１で冷媒ガス２１と合流させることで、各熱交換部１４ａ、１３ａ、１２ａで原料ガス１１を順次冷却するのに十分な冷却量の冷媒ガス２１としている。
　また、圧縮機３１の動力は、同軸でつながれたこの膨張タービン３３の動力で回収するようにして、圧縮動力の低減を図るようにしている。なお、圧縮機３１には冷却器３１ａ、３１ｂが設けられ、圧縮されたガスを冷却している。
　本実施例によれば、原料ガスのストリームラインと、冷媒ガスのストリームラインとを対向するようにして、常温熱交換器１２、予備冷却熱交換器１３及び液化・過冷却熱交換器１４の熱交換部１２ａ、１３ａ、１４ａで順に熱交換する熱交換設備が簡易な構成であるので、複雑な熱交換ループを必要とせず、設備コスト低減や動力低減を図ることができる。
　本発明のガス液化方法は、原料ガス（例えば天然ガス）１１を液化温度まで冷却し、冷却されたガス成分と液化成分とからガス液化物の液化天然ガス（ＬＮＧ）を製造するオープンループサイクルプロセスのガス液化製造方法であって、冷却されたガス成分を冷媒ガス２１として、原料ガス１１と対向して供給しつつ少なくとも２以上の熱交換部（本実施例では３つの熱交換部１４ａ、１３ａ、１２ａ）で熱交換する熱交換工程と、例えば予備冷却熱交換器１３の熱交換部１３ａと、液化・過冷却熱交換器１４の熱交換部１４ａとの間において、予備冷却熱交換器１３の熱交換部１３ａで冷却後の原料ガスの１１の一部１１ａを抜出し、膨張タービン３３で断熱膨張させる断熱膨張工程と、断熱膨張工程で降温した冷却源ガス３４を冷媒ガス２１に供給する冷媒ガス供給工程とを有するものである。
　なお、本実施例では、予備冷却熱交換器１３と液化・過冷却熱交換器１４との間において、原料ガス供給ラインＬ1から分岐され、予備冷却熱交換器１３での熱交換後の原料ガス１１の一部１１ａを抜出す抜出ラインＬ4を設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば原料ガス供給ラインＬ1に設けた常温熱交換器１２と予備冷却熱交換器１３との間から、常温熱交換器１２での熱交換後の原料ガス１１の一部１１ａを抜出す抜出ラインＬ4を設けて、膨張タービン３３に送り、この膨張タービン３３で断熱膨張させ、降温した冷却源ガス３４を得るようにし、この得られた冷媒源ガス３４を冷媒合流部４１で冷媒ガス２１と合流させて、十分な冷却容量の冷媒体を供給するようにしてもよい。
　本発明による実施例に係るガス液化装置について、図面を参照して説明する。図２－１は、実施例２に係るガス液化装置の概略図である。なお、図１に示す実施例１に係るガス液化装置と同一の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。図２－１に示すように、本実施例のガス液化装置１０Ｂは、図１のガス液化装置１０Ａにおいて、常温熱交換器１２と予備冷却熱交換器１３との間の原料ガス供給ラインＬ1から分岐され、常温熱交換器１２で熱交換後の原料ガス１１の一部１１ａを抜出す第１抜出ラインＬ4Aと、第１抜出ラインＬ4Aの先端が接続され、抜出した原料ガス１１の一部１１ａを断熱膨張させる温膨張タービン３３Ａと、温膨張タービン３３Ａで降温した第１冷却源ガス３４Ａを、予備冷却熱交換器１３と液化・過冷却熱交換器１４との間の冷媒ガス供給ラインＬ2の第１冷媒合流部４１Ａに供給する第１冷却源ガス供給ラインＬ5Aと、予備冷却熱交換器１３と液化・過冷却熱交換器１４との間の原料ガス供給ラインＬ1から分岐され、予備冷却熱交換器１３で熱交換後の原料ガス１１の一部１１ｂを抜出す第２抜出ラインＬ4Bと、第２抜出ラインＬ4Bの先端が接続され、抜出した原料ガス１１の一部１１ｂを断熱膨張させる冷膨張タービン３３Ｂと、冷膨張タービン３３Ｂで降温した第２冷却源ガス３４Ｂを、液化・過冷却熱交換器１４と分離ドラム１５の間の冷媒ガス供給ラインＬ2の第２冷媒合流部４１Ｂに供給する第２冷却源ガス供給ラインＬ5Bと、を備えるものである。
　本実施例では、温膨張タービン３３Ａで得られた第１冷却源ガス３４Ａは、第１冷却源ガス供給ラインＬ5Aを介して、予備冷却熱交換器１３と液化・過冷却熱交換器１４との間の冷媒ガス供給ラインＬ2に設けた第１冷媒合流部４１Ａにおいて、冷媒ガス２１と合流させている。
　また、冷膨張タービン３３Ｂで得られた第２冷却源ガス３４Ｂは、第２冷却源ガス供給ラインＬ5Bを介して、液化・過冷却熱交換器１４と分離ドラム１５との間の冷媒ガス供給ラインＬ2に設けた第２冷媒合流部４１Ｂにおいて、冷媒ガス２１と合流させている。
　これらの第１及び第２冷却源ガス３４Ａ、３４Ｂを、第１及び第２冷媒合流部４１Ａ、４１Ｂで、順次冷媒ガス２１へ合流させることにより、液化・過冷却熱交換器１４及び予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２での冷却に要する熱交換容量の冷媒を供給するようにしている。
［試験例１］
　本発明の実施例２の効果を確認する試験を行った。図２－２は、試験例１に係るガス液化装置の概略図である。図２－２においては、主要なラインに温度及び圧力の一例を記載している。なお、試験例１において、図中に圧力及び温度を例示して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、図中、圧力（ｋｇ／ｃｍ2Ａ）は丸で囲み、温度（℃）は四角で囲むようにしている（図５－２も同様）。
　図２－２に示すように、原料ガス１１として４０℃、４０ｋｇ／ｃｍ2Ａの天然ガスを用いて試験を行った。
　常温熱交換器１２では、原料ガス１１は冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－３４．４℃の冷媒ガス２１により冷却され、これにより原料ガス１１は０℃まで冷却される。この０℃の原料ガス１１の一部１１ａは、温膨張タービン３３Ａに送られ、ここで－１３１．１℃の第１冷媒源ガス３４Ａとなり、第１冷媒合流部４１Ａで、冷媒ガス２１へ合流させ、冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－１５３．１℃の冷媒ガス２１と混合して－１４５．８℃の冷媒ガス２１となり、予備冷却熱交換器１３に導入される。
　予備冷却熱交換器１３では、原料ガス１１は冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－１４５．８℃の冷媒ガス２１により冷却され、これにより原料ガスは０℃から－８８．２℃まで冷却される。この－８８．２℃の原料ガス１１の一部１１ｂは、冷膨張タービン３３Ｂに送られ、ここで－１５５．２℃の第２冷媒源ガス３４Ｂとなり、第２冷媒合流部４１Ｂで、冷媒ガス２１へ合流させ、冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－１５４．１℃の冷媒ガス２１と混合して－１５５．２℃の冷媒ガス２１となり、液化・過冷却熱交換器１４に導入される。
　液化・過冷却熱交換器１４では、冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－１５５．２℃の冷媒ガス２１により原料ガス１１が冷却され、これにより原料ガス１１は－８８．２℃から－１２７．０℃まで冷却される。
　この－１２７．０℃に冷却された原料ガス１１は、分離ドラム１５の手前に設置された膨張弁５１にて膨張した後、－１５４．１℃のガス成分と液化成分とに分離ドラム１５内でフラッシュ作用により分離される。液化成分は液化天然ガス（ＬＮＧ）として、貯蔵タンク又はパイプライン等に送られる。ガス成分は冷媒ガス２１として、冷媒ガス供給ラインＬ2に送られ、循環利用される。
　冷媒ガス２１は、冷却に寄与した後、１９．１℃、１．２ｋｇ／ｃｍ2Ａのガスとなり、冷媒ガス供給ラインＬ2の先端のエンドゾーンに設けられた圧縮機３１に送られ、ここで原料ガス１１のガス圧と同程度の４０℃、４０．０ｋｇ／ｃｍ2Ａに圧縮され、混合部３２で原料ガス１１と合流され、再度液化される。
　本発明による実施例に係るガス液化装置について、図面を参照して説明する。図３は、実施例３に係るガス液化装置の概略図である。なお、実施例１及び２に係るガス液化装置と同一の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。図３に示すように、本実施例のガス液化装置１０Ｃは、図２－１のガス液化装置１０Ｂにおいて、原料ガス１１を供給する原料ガス供給ラインＬ1において、常温熱交換器１２の上流側に予備冷却器５２を設け、原料ガス１１を予備冷却し、圧縮機３１の動力低減を図るようにしている。
　また、冷媒ガス供給ラインＬ2の常温熱交換器１２と圧縮機３１との間の圧縮機３１の手前側において、例えばＬＮＧ設備等において、自然入熱により一部ガス化したボイルオフガス（ＢＯＧ）を外部より供給するボイルオフガス供給ラインＬ11を接続している。このボイルオフガス供給ラインＬ11を介してＢＯＧを供給し、冷却に寄与した後の冷媒ガス２１と合流させることにより、ＢＯＧを有効に再液化させることができる。これにより、ＢＯＧ単独の再液化の設備が不要となる。
　また、本実施例では、常温熱交換器１２で冷却された原料ガス１１の一部１１ａを抜出す第１抜出ラインＬ4Aに重質分分離部５３ａを設け、常温熱交換器１２で冷却される際に発生した重質分の液を分離するようにしている。また、本実施例では、予備冷却熱交換器１３で冷却された原料ガス１１の一部１１ｂを抜出す第２抜出ラインＬ4Bに重質分分離部５３ｂを設け、予備冷却熱交換器１３で冷却される際に発生した重質分の液を分離するようにしている。なお、予備冷却熱交換器１３での冷却条件において液が発生しない場合には、重質分分離部５３ｂの設置は不要としてもよい。これにより、重質分を除去することにより、後流側の熱交換器での固化を防止するようにしている。なお、分離された重質分５４は、例えばタービン駆動用の燃料として用いるようにしている。
　また、本実施例では、分離ドラム１５の手前の膨張用の膨張弁５１の代わりに、液化膨張タービン５５ａと調圧弁５５ｂからなるリキッドエキスパンダ５５を設けることにより、液化工程での消費エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。
　本発明による実施例に係るガス液化装置について、図面を参照して説明する。図４は、実施例４に係るガス液化装置の概略図である。なお、実施例１及び２に係るガス液化装置と同一の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。図４に示すように、本実施例のガス液化装置１０Ｄは、図２－１のガス液化装置１０Ｂにおいて、圧縮機３１と温膨張タービン３３Ａ、冷膨張タービン３３Ｂを、ギアドコンパンダ（増速機内蔵型遠心圧縮機）６１とし、各段階での効率が最適となる回転数を与えるようにしている。
　本実施例では、ギアドコンパンダ６１を用いることにより、実施例２に較べて圧縮機の効率の向上を図るようにしている。
　本発明による実施例に係るガス液化装置について、図面を参照して説明する。図５－１は、実施例５に係るガス液化装置の概略図である。なお、実施例１及び２に係るガス液化装置と同一の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。図５－１に示すように、本実施例のガス液化装置１０Ｅは、実施例１に示す液化・過冷却熱交換器１４を２つに分けて液化熱交換器１４Ａ及び過冷却熱交換器１４Ｂの２台とし、この２台の液化熱交換器及び過冷却熱交換器を直列して設けている。そして、温膨張タービン３３Ａで降温した第１冷却源ガス３４Ａを２つに分岐し、分岐した第１冷却源ガス３４Ａを予備冷却熱交換器１３と液化熱交換器１４Ａとの間の第１冷媒合流部４１Ａ－１に、第１冷却源ガス供給ラインＬ5A-1で送ると共に、液化熱交換器１４Ａと過冷却熱交換器１４Ｂとの間の第２冷媒合流部４１Ａ－２に、第１冷却源ガス供給ラインＬ5A-2で送るようにしている。
　また、分離ドラム１５を２台設け、動作圧力が異なる第１分離ドラム１５Ａと第２分離ドラム１５Ｂとを設置している。
　第１分離ドラム１５Ａで分離した冷媒ガス２１は、大気圧より高い圧力で冷媒ガス供給ラインＬ2を流れ、過冷却熱交換器１４Ｂ、液化熱交換器１４Ａ、予備冷却熱交換器１３及び常温熱交換器１２の各熱交換部１４ｂ、１４a、１３ａ、１２ａで各々熱交換した後、圧縮機３１側に導入するようにしている。これにより、実施例１のような大気圧程度まで圧力を解放しない分、圧縮機３１での動力低減を図るようにしている。
　また、冷膨張タービン３３Ｂで降温した第２冷却源ガス３４Ｂはガス成分と液化成分との混相となっているので、第２冷却源ガス供給ラインＬ5Bの接続先は、第１分離ドラム１５Ａとしている。そして、この第１分離ドラム１５Ａに直接第２冷媒源ガス３４Ｂを導入し、この内部でフラッシュさせてガス成分と液化成分とを分離するようにしている。
　第１分離ドラム１５Ａで分離された液化成分は、第２分離ドラム１５Ｂの手前に設置された膨張弁５１Ｂにて膨張した後、第２分離ドラム１５Ｂ内でフラッシュされ、ここでガス成分と液化成分とに分離される。液化成分は液化天然ガス（ＬＮＧ）として、貯蔵タンク又はパイプライン等に送られる。ガス成分は燃料ガスとして別途利用される。
［試験例２］
　本発明の実施例５の効果を確認する試験を行った。図５－２は、試験例２に係るガス液化装置の概略図である。なお、試験例２において、図中に圧力及び温度を例示して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
　図５－２に示すように、原料ガス１１として４０℃、４０ｋｇ／ｃｍ2Ａの天然ガスを用いて試験を行った。
　常温熱交換器１２では、原料ガス１１は冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－２６．３℃の冷媒ガス２１により冷却され、これにより原料ガス１１は－５．０℃まで冷却される。この－５．０℃の原料ガス１１の一部１１ａは、温膨張タービン３３Ａに送られ、ここで－１１２．７℃の第１冷媒源ガス３４Ａ－１、３４Ａ－２となり、第１冷媒合流部４１Ａ－１で、液化熱交換器１４Ａで冷却した後の冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－９１．４℃の冷媒ガス２１へ合流させ、－９５．０℃の冷媒ガス２１となり、予備冷却熱交換器１３に導入される。
　また、－１１２．７℃の第１冷媒源ガス３４Ａ－２を第２冷媒合流部４１Ａ－２にて、過冷却熱交換器１４Ｂで冷却した後の冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－９１．４℃の冷媒ガス２１へ合流させ、－１０４．８℃の冷媒ガス２１とし、液化熱交換器１４Ａに導入させている。
　予備冷却熱交換器１３では、原料ガス１１は冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－９５．０℃の冷媒ガス２１により冷却され、これにより原料ガス１１は－５．０℃から－８８．４℃まで冷却される。この－８８．４℃の原料ガス１１の一部１１ｂは、冷膨張タービン３３Ｂに送られ、ここで－１４４．３℃の第２冷媒源ガス３４Ｂとなり、第１分離ドラム１５Ａに導入され、ここで、フラッシュして－１４４．３℃の冷媒ガス２１となり、冷媒ガス供給ラインＬ2に導入され、過冷却熱交換器１４Ｂに導入される。
　過冷却熱交換器１４Ｂでは、原料ガス１１は、冷媒ガス供給ラインＬ2を流れる－１４４．３℃の冷媒ガス２１により冷却され、これにより原料ガス１１は－８８．４℃から－１４１．０℃まで冷却される。
　この－１４１．０℃に冷却された原料ガス１１は、第１分離ドラム１５Ａの手前に設置された膨張弁５１Ａにて膨張した後、－１４４．３℃、３．５ｋｇ／ｃｍ2Ａのガス成分と液化成分とに第１分離ドラム１５Ａで分離される。この液化成分は、次いで第２分離ドラム１５Ｂの手前に設置された膨張弁５１Ｂにて膨張した後、－１６１．３℃、１．０５ｋｇ／ｃｍ2Ａのガス成分と液化成分とに第２分離ドラム１５Ｂで分離される。
　液化成分は、液化天然ガス（ＬＮＧ）として、例えば貯蔵タンク又はパイプライン等に送られる。ガス成分は燃料ガスとして、利用される。
　冷媒ガス２１は、冷却に寄与した後、３６．３℃、３．０ｋｇ／ｃｍ2Ａのガスとなり、冷媒ガス供給ラインＬ2の先端のエンドゾーンに設けられた圧縮機３１に送られ、ここで原料ガス１１のガス圧と同程度の４０℃、４０ｋｇ／ｃｍ2Ａに圧縮され、混合部３２で原料ガス１１と混合され、再度液化される。この再液化の際、冷媒ガスを試験例１よりも高い圧力としているので、圧縮機３１の圧縮負荷が軽減され、動力低減を図ることができる。
　この結果、本試験例２では、試験例１に較べて製造原単位の大幅な向上を図ることができる。
　１０Ａ～１０Ｅ　ガス液化装置
　１１　原料ガス
　１２　常温熱交換器
　１３　予備冷却熱交換器
　１４　液化・過冷却熱交換器
　１４Ａ　液化熱交換器
　１４Ｂ　過冷却熱交換器
　１５　分離ドラム
　２１　冷媒ガス
　２２　圧縮ガス
　３１　圧縮機
　３２　混合部
　Ｌ1　原料ガス供給ライン
　Ｌ2　冷媒ガス供給ライン
　Ｌ3　圧縮ガス抜出ライン
　Ｌ4　抜出ライン
　Ｌ5　冷却源ガス供給ライン

Claims (7)

  1. 　原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、
    　前記原料ガス供給ラインに直列して順に設けられ、前記原料ガスを冷却する常温熱交換器、予備冷却熱交換器及び液化・過冷却熱交換器と、
    　熱交換により前記原料ガスの液化温度以下まで冷却された凝縮物を含む原料ガスからガス成分と液化成分とに分離する分離ドラムと、
    　前記分離ドラムで分離されたガス成分を冷媒ガスとし、該冷媒ガスを前記液化・過冷却熱交換器、前記予備冷却熱交換器及び前記常温熱交換器の順に、前記原料ガスの供給方向と逆行する方向に供給し、前記原料ガスを冷却する冷媒ガス供給ラインと、
    　前記冷媒ガス供給ラインの先端部に設けられ、冷却に用いた前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを、該圧縮機より抜出す圧縮ガス抜出ラインと、
    　前記圧縮ガス抜出ラインの先端が前記原料ガス供給ラインの前記常温熱交換器の上流側で接続され、前記原料ガスに前記圧縮ガスを混合する混合部と、
    　前記常温熱交換器と前記予備冷却熱交換器との間、又は前記予備冷却熱交換器と前記液化・過冷却熱交換器との間のいずれか一方又は両方において、前記原料ガス供給ラインから分岐され、熱交換後の原料ガスの一部を抜出す抜出ラインと、
    　前記抜出ラインの先端が接続され、抜出した原料ガスの一部を断熱膨張させる膨張タービンと、
    　前記膨張タービンで降温した冷却源ガスを、前記液化・過冷却熱交換器の上流側の前記冷媒ガス供給ラインに供給する冷却源ガス供給ラインと、を備えることを特徴とするガス液化装置。
  2. 　原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、
    　前記原料ガス供給ラインに直列して順に設けられ、前記原料ガスを冷媒ガスにより熱交換して冷却する常温熱交換器、予備冷却熱交換器及び液化・過冷却熱交換器と、
    　前記原料ガス供給ラインの先端部に設けられ、冷却されて凝縮物を含む原料ガスからガス成分と液化成分とに分離する分離ドラムと、
    　前記分離ドラムで分離され冷却されたガス成分を冷媒ガスとし、該冷媒ガスを前記液化・過冷却熱交換器、前記予備冷却熱交換器及び前記常温熱交換器の順に、前記原料ガスと逆行する方向に供給し、前記原料ガスを冷却する冷媒ガス供給ラインと、
    　前記冷媒ガス供給ラインの先端部に設けられ、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを抜出す圧縮ガス抜出ラインと、
    　前記圧縮ガス抜出ラインの先端が前記原料ガス供給ラインと、前記常温熱交換器の上流側で接続し、前記原料ガスに前記圧縮ガスを混合する混合部と、
    　前記常温熱交換器と前記予備冷却熱交換器との間の原料ガス供給ラインから分岐され、前記常温熱交換器で熱交換後の原料ガスの一部を抜出す第１抜出ラインと、
    　前記第１抜出ラインの先端が接続され、抜出した原料ガスの一部を断熱膨張させる温膨張タービンと、
    　前記温膨張タービンで降温した第１冷却源ガスを、前記予備冷却熱交換器と前記液化・過冷却熱交換器との間の冷媒ガス供給ラインに供給する第１冷却源ガス供給ラインと、
    　前記予備冷却熱交換器と前記液化・過冷却熱交換器との間の原料ガス供給ラインから分岐され、前記予備冷却熱交換器で熱交換後の原料ガスの一部を抜出す第２抜出ラインと、
    　前記第２抜出ラインの先端が接続され、抜出した原料ガスの一部を断熱膨張させる冷膨張タービンと、
    　前記冷膨張タービンで降温した第２冷却源ガスを、前記液化・過冷却熱交換器と前記分離ドラムの間の冷媒ガス供給ラインに供給する第２冷却源ガス供給ラインと、を備えることを特徴とするガス液化装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記液化・過冷却熱交換器を２つに分けて液化熱交換器及び過冷却熱交換器の２台とし、この２台の液化熱交換器及び過冷却熱交換器を直列して設けると共に、
    　前記温膨張タービンで降温した第１冷却源ガスを２つに分岐し、分岐した第１冷却源ガスを予備冷却熱交換器と前記液化熱交換器との間と、前記液化熱交換器と前記過冷却熱交換器との間の冷媒ガス供給ラインに各々供給することを特徴とするガス液化装置。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
    　前記原料ガスを冷却する冷却器を、前記原料ガス供給ラインの前記常温熱交換器の上流側に設けることを特徴とするガス液化装置。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
    　前記原料ガスの一部を抜出した抜出液から重質分を分離する重質分分離器を設けることを特徴とするガス液化装置。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
    　前記冷媒ガス供給ラインに接続する圧縮機の上流側に、ボイルオフガスを供給するボイルオフガス供給ラインを接続することを特徴とするガス液化装置。
  7. 　原料ガスを液化温度まで冷却し、冷却されたガス成分と液化成分とからガス液化物を製造するオープンループサイクルプロセスのガス液化方法であって、
    　前記冷却されたガス成分を冷媒ガスとして、原料ガスと対向して供給しつつ少なくとも２以上の熱交換部で熱交換する熱交換工程と、
    　前記熱交換部と熱交換部との間において、冷却後の原料ガスの一部を抜出し、断熱膨張させる断熱膨張工程と、
    　前記断熱膨張工程で降温した冷却源ガスを、前記冷媒ガスに供給する冷媒ガス供給工程とを有することを特徴とするガス液化方法。　
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