(57)【要約】【課題】液化天然ガスの生成のための改良されたシステム及び方法の提供。【解決手段】天然ガス流から液化天然ガスを生成するためのシステムであって天然ガス流から水分を除去して天然ガス流を圧縮すると共に低水分圧縮天然ガス流を生成するための水分除去装置及び圧縮機と前記低水分圧縮天然ガス流を冷却して冷却圧縮排出流を生成するための熱交換器と前記冷却圧縮排出流を膨張させてＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流を生成するための多相ターボ膨張機と前記膨張排気流を分離してＣＨ４から実質的に構成される蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を生成するための分離器と前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を分離して液化天然ガス出力流と氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流とを生成するための少なくとも１つの更なる分離器を備えるシステム。【選択図】図１
2020003203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するためのシステム（１０，６０）であって、
天然ガス流（１６）から水分を除去して天然ガス流（１６）を圧縮するとともに、低水分圧縮天然ガス流（２１）を生成するための水分除去装置（１２）及び圧縮機（２２）と、
前記低水分圧縮天然ガス流（２１）を冷却して冷却圧縮排出流（３２）を生成するための熱交換器（２４）と、
前記冷却圧縮排出流（３２）を膨張させて、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流（３４）を生成するための多相ターボ膨張機（３０）と、
前記膨張排気流（３４）を分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流（４２）を生成するための分離器（３８）と、
前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流（４２）を分離して、液化天然ガス出力流（５２）と氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流（５４）とを生成するための少なくとも１つの更なる分離器（５０）と、
を備えるシステム（１０，６０）。
【請求項２】
前記水分除去装置（１２）が分子篩ベッドを構成する請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記低水分圧縮天然ガス流（２１）は、１８０ｐｐｍ未満の水分含有量を有する天然ガス流を備える請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記多相ターボ膨張機（３０）は、前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーが主に形成されるように前記熱交換器（２４）からの冷却圧縮排出流（３２）を更に冷却するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項５】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）を天然ガス流（２０）へと再循環させるように構成される再循環経路（５０１）を更に備える請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記再循環経路（５０１）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）を圧縮してＣＨ４から実質的に構成される圧縮蒸気流（４８）を生成するための圧縮機（４４）を更に備える請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの更なる分離器（５０）は、フィルタ、サイクロン、又は、重力分離器のうちの１つである請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記多相ターボ膨張機（３０）は、
ハウジング（７２）と、
前記ハウジング（７２）内に配置される少なくとも１つの回転構成要素（７４）と、
前記ハウジング（７２）に配置される少なくとも１つの入口（８４）であって、前記入口（８４）が前記冷却圧縮排出流（３２）を受けるように構成される、少なくとも１つの入口（８４）と、
前記ハウジング（７２）に配置される少なくとも１つの出口（８８）であって、前記出口（８８）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流（３４）を排出するように構成される、少なくとも１つの出口（８８）と、
を備え、
前記多相ターボ膨張機（３０）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気が形成され、液化天然ガスが形成され、及び、冷却排出天然ガス流中のＣＯ２の少なくとも一部が固体ＣＯ２を形成するように、前記熱交換器（２４）からの前記冷却圧縮排出流（３２）を更に冷却するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記多相ターボ膨張機（３０）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとを分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２から実質的に構成されるスラリー流（４２）を排出するように更に構成される請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記低水分圧縮天然ガス流（２１）に対して更なる冷却を行なうために前記熱交換器（２４）と流体連通する外部冷却システム（６２）を更に備える請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するためのシステム（１０，６０）において、
天然ガス流（１６）を圧縮して冷却するとともに、冷却圧縮排出流（３２）を生成するように構成される少なくとも１つの圧縮ステージ（１００）及び少なくとも１つの冷却ステージ（２００）と、
前記冷却圧縮排出流（３２）を膨張させて膨張排気流（３４）を生成するように構成される少なくとも１つの膨張ステージ（３００）であって、前記少なくとも１つの膨張ステージ（３００）は、前記圧縮ステージ（１００）及び前記冷却ステージ（２００）と流体連通する少なくとも１つの多相ターボ膨張機（３０）を備え、前記多相ターボ膨張機（３０）は、
ハウジング（７２）と、
前記ハウジング（７２）内に配置される少なくとも１つの回転構成要素（７４）と、
前記ハウジング（７２）に配置される少なくとも１つの入口（８４）であって、前記入口（８４）が前記冷却圧縮排出流（３２）を受けるように構成される、少なくとも１つの入口（８４）と、
前記ハウジング（７２）に配置される少なくとも１つの出口（８８）であって、前記出口（８８）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流（３４）を排出するように構成される、少なくとも１つの出口（８８）と、
を備える、
少なくとも１つの膨張ステージ（３００）と、
を備えるシステム（１０，６０）。
【請求項１２】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物をＣＨ４から実質的に構成される蒸気流と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーから実質的に構成される出力流とに分離するように構成される分離ステージ（４００）を更に備える請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）を天然ガス流（２０）へと再循環させるように構成される再循環ステージ（５００）を更に備える請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記再循環ステージ（５００）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）を圧縮してＣＨ４から実質的に構成される圧縮蒸気流（４８）を生成するための圧縮機（４４）を備える請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記多相ターボ膨張機（３０）は、液化天然ガスが形成され、及び、冷却排出天然ガス流中のＣＯ２の少なくとも一部が固体ＣＯ２を形成するように、前記冷却圧縮排出流（３２）を更に冷却するように構成される請求項１１記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの冷却ステージ（２００）は、前記低水分圧縮天然ガス流（２１）に対して更なる冷却を行なうように構成される外部冷却システム（６２）を更に備える請求項１１記載のシステム。
【請求項１７】
天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するための方法（６００）において、
入力天然ガス流を供給するステップ（６０２）と、
水分を除去して、天然ガス流を圧縮して冷却するとともに、冷却圧縮排出流（３２）を生成するステップ（６０４）と、
多相ターボ膨張機（３０）内で前記冷却圧縮排出流（３２）を膨張させて、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流（３４）を生成するステップ（６０６）と、
少なくとも１つの分離器（３８）内で前記膨張排気流（３４）を分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流（４２）とを生成するステップ（６０８）と、
前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流（４２）を少なくとも１つの更なる分離器（５０）内で分離して、氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流（５４）と液化天然ガス（ＬＮＧ）出力流（５２）とを生成するステップ（６１２）と、
を備える方法（６００）。
【請求項１８】
再循環経路（５０１）内でＣＨ４から実質的に構成される蒸気流（４０）を入力天然ガス流（２０）へと再循環させるステップ（６１０）を更に備える請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記多相ターボ膨張機（３０）内で氷／固体ＣＯ２の少なくとも一部を冷却圧縮天然ガス流から分離するステップを更に備える請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記多相ターボ膨張機（３０）は、
ハウジング（７２）と、
前記ハウジング（７２）内に配置される少なくとも１つの回転構成要素（７４）と、
前記ハウジング（７２）に配置される少なくとも１つの入口（８４）であって、前記入口（８４）が前記冷却圧縮排出流（３２）を受けるように構成される、少なくとも１つの入口（８４）と、
前記ハウジング（７２）に配置される少なくとも１つの出口（８８）であって、前記出口（８８）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流（３４）を排出するように構成される、少なくとも１つの出口（８８）と、
を備え、
前記多相ターボ膨張機（３０）は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気が形成され、液化天然ガスが形成され、及び、冷却排出天然ガス流中のＣＯ２の少なくとも一部が固体ＣＯ２を形成するように、前記冷却圧縮排出流（３２）を更に冷却するように構成される請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
前記冷却圧縮排出流（３２）と流体連通する外部冷却システム（６２）内で天然ガス流を更に冷却するステップを更に備える請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
前記多相ターボ膨張機（３０）内でＣＨ４から実質的に構成される蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２から実質的に構成されるスラリー流（４２）の少なくとも一部を分離するステップを更に備える請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液化天然ガス（ＬＮＧ）生成のためのシステム及びプロセスに関する。より詳細には、本開示は、単一のプロセスで天然ガス浄化ステップ及び冷却ステップを組み入れる液化天然ガス生成のためのシステム及びプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
パイプライン品質の天然ガスからの従来の液化天然ガス生成は、一般に、２ステッププロセスを利用し、この２ステッププロセスでは、最初に、第１の処理ステップ又は浄化ステップで水分及びＣＯ２が除去され、その後の第２の処理ステップにおいて、液化を行なうために冷却が利用される。これらの複数のプロセスステップを組み入れようとする試みにおいて、以前の試みは、液化天然ガスの生成において天然ガス浄化プロセス及び冷却プロセスを組み入れてきた。一般に、これらの試みは、最初に、ノズル内の膨張中に液化天然ガス、氷、及び、固体ＣＯ２から構成されるスラリーが生成され、外部冷却システムが液化のために必要とされるエネルギーを供給するというプロセスに基づいていた。一般に、最小の機器組み込みがなされ、したがって、かなりの機器設置面積が必要とされる。これは、液化天然ガスの生成のために高価なシステム及びプロセスをもたらす。
【０００３】
また、例えば前述の２ステッププロセスなどのこれらの公知のＬＮＧ生成プロセスは、エネルギー集約的及び資本集約的となる場合がある。
【０００４】
したがって、液化天然ガスの生成のための改良されたシステム及び方法を提供することが望ましい。
【０００５】
従来技術のこれらの欠点及び他の欠点は、液化天然ガスの生成のための改良されたシステム及び方法を提供する本開示によって扱われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００１７２５０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の１つの態様は、水分除去装置、圧縮機、熱交換器、多相ターボ膨張機、分離器、及び、少なくとも１つの更なる分離器を備える、天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するためのシステムに存在する。水分除去装置及び圧縮機は、天然ガス流から水分を除去して天然ガス流を圧縮するとともに、低水分圧縮天然ガス流を生成する。熱交換器は、低水分圧縮天然ガス流を冷却して冷却圧縮排出流を生成する。多相ターボ膨張機は、冷却圧縮排出流を膨張させて、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流を生成する。分離器は、膨張排気流を分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を生成する。少なくとも１つの更なる分離器は、液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を分離して、液化天然ガス出力流と氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流とを生成する。
【０００８】
本開示の別の態様は、少なくとも１つの圧縮ステージ、少なくとも１つの冷却ステージ、及び、少なくとも１つの膨張ステージを備える、天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するためのシステムに存在する。少なくとも１つの圧縮ステージ及び少なくとも１つの冷却ステージは、天然ガス流を圧縮して冷却するとともに、冷却圧縮排出流を生成するように構成される。少なくとも１つの膨張ステージは、冷却圧縮排出流を膨張させて膨張排気流を生成するように構成される。少なくとも１つの膨張ステージは、冷却ステージ及び圧縮ステージと流体連通する少なくとも１つの多相ターボ膨張機を備える。多相ターボ膨張機は、ハウジングと、ハウジング内に配置される少なくとも１つの回転構成要素と、ハウジングに配置される少なくとも１つの入口であって、入口が冷却圧縮排出流を受けるように構成される、少なくとも１つの入口と、ハウジングに配置される少なくとも１つの出口であって、出口は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流を排出するように構成される、少なくとも１つの出口とを備える。
【０００９】
本開示の更なる別の態様は、天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するための方法であって、入力天然ガス流を供給するステップと、水分を除去して、天然ガス流を圧縮して冷却するとともに、冷却圧縮排出流を生成するステップと、多相ターボ膨張機内で冷却圧縮排出流を膨張させて、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流を生成するステップと、少なくとも１つの分離器内で膨張排気流を分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流とを生成するステップと、液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を少なくとも１つの更なる分離器内で分離して、氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流と液化天然ガス（ＬＮＧ）出力流とを生成するステップとを備える方法に存在する。
【００１０】
本開示の様々な態様に関して前述した特徴の様々な改良が存在する。また、これらの様々な態様には更なる特徴が同様に組み入れられてもよい。これらの改良及び更なる特徴は、個別に或いは任意の組み合わせで存在してもよい。例えば、例示された実施形態のうちの１つ以上に関して以下で論じられる様々な特徴は、本開示の前述した態様のいずれかに単独で或いは任意の組み合わせで組み入れられてもよい。更にまた、先で与えられた概要は、特許請求の範囲に記載される主題に対する限定を伴うことなく、単に本開示の特定の態様及び文脈について読者に説明しようとしているにすぎない。
【００１１】
本開示のこれらの及び他の特徴、態様、及び、利点は、図面の全体にわたって同様の文字が同様の部分を表わす添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれると、より良く理解されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る液化天然ガス生成のためのシステムのブロック図である。
【図２】本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る液化天然ガス生成のためのシステムのブロック図である。
【図３】本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る固体、液体、及び、気体分離のための多相ターボ膨張機の概略図である。
【図４】本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る固体、液体、及び、気体分離のための多相ターボ膨張機の概略断面図である。
【図５】本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る液化天然ガスの生成のための典型的なプロセスに含まれるステップを表わすフローチャートである。
【図６】本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る、圧縮に応じた液化天然ガス収率の比較プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示は、特定の実施形態に関連して単なる例示目的で説明されるが、本開示に係る図面の以下の説明によって本開示の他の目的及び利点が明らかにされることが理解されるべきである。好ましい実施形態が開示されるが、それらの実施形態は限定しようとするものではない。むしろ、本明細書中に記載される一般的な原理は、本開示の範囲の単なる例示と見なされ、また、本開示の範囲から逸脱することなく多くの変更がなされてもよいことが更に理解されるべきである。
【００１４】
以下に詳しく記載されるように、本開示の実施形態は、液化天然ガスの生成に適したシステム及びプロセスを提供する。以下で詳しく論じられるように、本開示の実施形態は、多相流（気体、液体、及び、固体）と共に動作できる１つ以上の一体型多相ターボ膨張機及び冷却手段を含むシステムを備える。システムは、ガス流を冷却して、液化天然ガスと、ＣＯ２ガス、固体ＣＯ２及び／又は液体ＣＯ２を含む天然ガス不純物とを形成することを含む。本開示の実施形態は、一体型多相ターボ膨張機及び冷却手段を使用する液化天然ガス生成に適した方法を更に含む。
【００１５】
本明細書中の用語「第１」、「第２」などは、任意の順序、量、又は、重要性を示さず、むしろ、１つの要素を別の要素から区別するために使用され、特定の構成部分に関して読者を方向付ける目的で意図される。明細書及び特許請求の範囲の全体にわたってここで使用される近似的用語は、それが関連付けられる基本的な機能の変化をもたらすことなく許容範囲で変わることができる任意の定量的な表現を修飾するために適用されてもよい。量に関連して使用される修飾語句「約」は、述べられた値を含むとともに、文脈により決定付けられる意味を有する（例えば、特定の量の測定値と関連付けられる誤りの度合いを含む）。したがって、「約」などの１つ又は複数の用語により修飾される値は、特定された正にその値に限定されない。ある場合には、近似的用語は、値を測定するための機器の精度に対応してもよい。
【００１６】
以下の明細書及び特許請求の範囲において、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別段明確に述べなければ、複数の指示対象を含む。本明細書中で使用される用語「又は」は、排他的であるように意図されておらず、言及された構成要素のうちの少なくとも１つが存在することを示し、文脈が別段明確に述べなければ、言及された構成要素の組み合わせが存在してもよい事例を含む。また、この明細書において、添え字「（ｓ）」は、通常、それが修飾する用語の単数形及び複数形の両方を含むように意図され、それにより、その用語のうちの１つ以上を含む（例えば、「ｔｈｅ  ｊｅｔｓ」は、別段に明記されなければ、１つ以上のジェットを含む）。明細書の全体にわたる「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「一実施形態」などへの言及は、その実施形態に関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は、特性）が本明細書中に記載される少なくとも１つの実施形態に含まれるとともに他の実施形態に存在してもよく或いは存在しなくてもよいことを意味する。同様に、「特定の形態」への言及は、その形態に関連して記載される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は、特性）が本明細書中に記載される少なくとも１つの形態に含まれるとともに他の形態において存在してもよく或いは存在しなくてもよいことを意味する。また、記載される発明の特徴が様々な実施形態及び形態において任意の適した態様で組み合わされてもよいことが理解されるべきである。
【００１７】
本明細書中で使用される用語「よい（ｍａｙ）」及び「場合がある（ｍａｙ  ｂｅ）」は、一連の状況の中での発生の可能性、例えば、特定の特性、特徴、又は、機能の所有の可能性を示し、及び／又は、修飾された動詞と関連付けられる能力、機能、又は、可能性のうちの１つ以上を表わすことによって別の動詞を修飾する。したがって、「よい（ｍａｙ）」及び「場合がある（ｍａｙ  ｂｅ）」の使用は、ある状況では修飾された用語が時として適していない、能力がない、又は、適切でない場合があることを考慮に入れつつ、修飾された用語が示唆された能力、機能、又は、使用にとって明らかに適している、能力がある、又は、適切であることを示唆する。例えば、ある状況では、１つの事象又は能力が予期され得るが、他の状況では、その事象又は能力が起こり得ない−この区別が用語「よい（ｍａｙ）」及び「場合がある（ｍａｙ  ｂｅ）」によってとらえられる。
【００１８】
ここで、図面を参照すると、図１は、本明細書中で示され或いは説明される１つ以上の実施形態に係る典型的な液化天然ガス（ＬＮＧ）生成システム１０を示す。ＬＮＧ生成システム１０は、天然ガス流１６を受けるように構成される少なくとも１つの冷却ステージ２００を含む。システム１０は、１つ以上の冷却ステージ２００と流体連通する少なくとも１つの圧縮ステージ１００を更に含む。少なくとも１つの圧縮ステージ１００と少なくとも１つの冷却ステージ２００との組み合わせは、膨張ステージ３００での低水分圧縮天然ガス流２１の膨張及び更なる冷却の前に天然ガス流１６を圧縮して部分的に冷却するように構成される。膨張ステージ３００における多相ターボ膨張機（現在説明される）と流体連通する分離ステージ４００は、低温ＣＨ４蒸気とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーとの分離を行なうとともに、スラリーをＬＮＧ成分及び固体ＣＯ２成分へと更に分離する。
【００１９】
特定の実施形態において、ＬＮＧ生成システム１０は、天然ガス入口１４と流体連通するバルク水分除去装置１２を含み、このバルク水分除去装置１２を介して天然ガス（ＮＧ）流１６が供給される。水分除去装置１２は、ＮＧ流１６からの予備的な水分除去を行なって、水分除去装置１２の出力で低水分ＮＧ流２０を生成する。一実施形態では、水分除去装置１２が分子篩ベッドとして構成されてもよい。当該技術分野において知られる他の吸着剤及び溶媒ベースのシステムが利用されてもよい。
【００２０】
少なくとも１つの冷却ステージ２００は、水分除去装置１２の下流側に配置されて水分除去装置１２と流体連通する１つ以上の熱交換器（現在説明される）を含む。ＬＮＧ生成システム１０の動作中、下流側の熱交換器の凍結を避けるために、ＮＧ流１６中の水分が水分除去装置１２内で減少されなければならない。本明細書中に開示されるＬＮＧ生成システム１０と対照的に、従来のＬＮＧ液化プラントでは、−１００℃未満の温度で一般に動作する熱交換器が利用され、そのため、入力ＮＧ流中の水分を＜０．５ｐｐｍまで減少させる必要がある。本開示では、熱交換器内のＮＧ流１６の温度が一般に−４０℃又はそれよりも僅かに高く、そのため、入力ＮＧ流１６中の水分を＜１８０ｐｐｍまで減少させる必要がある。
【００２１】
ＬＮＧ生成システム１０の圧縮ステージ１００は、水分除去手段１２と１つ以上の熱交換器２４との間に配置される第１の圧縮機２２を含む。より具体的には、第１の圧縮機２２は、水分除去装置１２の下流側であって１つ以上の熱交換器２４の上流側に配置される。第１の圧縮機２２は、圧縮ＮＧ流２８を排出するために低水分ＮＧ流２０の圧縮を行なってもよい。特に、一実施形態において、第１の圧縮機２２は、最終冷却ステージで温度の低下をもたらすのに十分な圧力で低水分圧縮ＮＧ流２１を排出する。
【００２２】
代わりの実施形態において、また、図２に最も良く示されるように、ＬＮＧ生成システムは、第１の圧縮機２２における圧縮後に、ＮＧ流１６からの水分除去を行なう。特に、一実施形態において、ＬＮＧ生成システムの圧縮ステージ１００は、水分除去手段１２及び１つ以上の熱交換器２４の上流側に配置される第１の圧縮機２２を含む。より具体的には、図１の実施形態とは対照的に、水分除去装置１２は、第１の圧縮機２２の下流側であって１つ以上の熱交換器２４の上流側に配置される。この特定の実施形態において、第１の圧縮機２２は、圧縮ＮＧ流２８を排出するためにＮＧ流１６の圧縮を行なう。その後の圧縮ＮＧ流２８からの水分の除去は、低水分ＮＧ流２０、特に低水分圧縮ガス流２１を排出する。
【００２３】
ガスの温度は、一般に、圧縮仕事の結果として増大する。一実施形態において、第１の圧縮機２２は、ステージ間冷却を伴う多段圧縮機２６を備えるとともに、低水分ＮＧ流２０の圧縮を行なう。代わりの実施形態では、第１の圧縮機２２が複数の圧縮機（図示せず）を備えてもよく、これらの複数の圧縮機間には１つ以上の空気冷却器が配置される。第１の圧縮機２２は、第１の圧縮機２２の出口で圧縮ＮＧ空気流２８を生成する。多段圧縮機２６の最後の圧縮ステージ後のＮＧ冷却は、空気冷却器２９によって達成される。
【００２４】
再び図１を参照すると、図示のように、冷却ステージ２００は、低水分圧縮ＮＧ流２１から熱を除去するように構成される１つ以上の熱交換器２４（そのうちの１つだけが図示される）を含む。熱交換器２４は、圧縮ステージ１００、特に第１の圧縮機２２の下流側に配置される。一実施形態において、低水分圧縮ＮＧ流２１は、１つ以上の熱交換器２４において、低温メタン蒸気により約−４０℃まで事前に冷却されて、冷却圧縮排出流３２を排出するように設定される。示されるように、幾つかの実施形態において、この冷却ステージ２００は複数の熱交換器を含んでもよい。図１及び図２では、単一の熱交換器２４が単なる典型的な実施形態として示されるが、熱交換器の実際の数及びそれらの個々の形態が所望の最終結果に応じて変化してもよいことに留意すべきである。幾つかの実施形態では、冷却媒体を使用して１つ以上の熱交換器２４が冷却されてもよい。幾つかの実施形態では、冷却空気、冷却水、又は、これらの両方を使用して１つ以上の熱交換器２４が冷却されてもよい。幾つかの実施形態では、圧力に大きな影響を及ぼすことなく低水分圧縮ＮＧ流２１を冷却するために冷却ステージ２００が１つ以上の中間冷却器（図示せず）を更に含んでもよい。
【００２５】
ＬＮＧ生成システム１０、特に膨張ステージ３００は、冷却圧縮排出流３２を熱交換器２４から受けて膨張排気流３４を生成するように構成される多相ターボ膨張機３０を更に含む。先に言及されたように、少なくとも１つの冷却ステージ２００は、本明細書中に記載されるような多相ターボ膨張機３０を含む少なくとも１つの膨張ステージ３００と流体連通する。点線により示されるように、第１の圧縮機２２及び多相ターボ膨張機３０は、一般に、例えば共通のシャフト３６を介して機械的に結合される。或いは、多相ターボ膨張機３０が圧縮機４６と機械的に結合されてもよい。天然ガス流、特に冷却圧縮排出流３２の温度は、主に、高速流中の静温度の局所的低下と絞り中のジュールトムソン効果とによって更なる温度低下が起こる多相ターボ膨張機３０内での仕事抽出の結果として、膨張プロセス中に低下される。動作中、多相ターボ膨張機３０内で回収されるエネルギーは、圧縮ステージ１００のためのエネルギー必要量を部分的にオフセットするために使用される。天然ガス流が冷えるにつれて、天然ガス流が部分的にＬＮＧへ変換されるとともに、水分やＣＯ２などの天然ガス不純物が固相を形成する。特に、膨張プロセスは、天然ガスの冷却圧縮排出流３２を更に冷却して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流３４を発生させる。
【００２６】
一実施形態において、ＮＧ流１６中、特に低水分圧縮ＮＧ流２１中の水分含有量は、プロセスの初めにバルク水分除去システム、特に水分除去装置１２を使用してＬＮＧ出力及びＣＯ２粒子サイズを最適化するべく多相ターボ膨張機３０内での膨張前に調整され得る。一実施形態では、流れの渦巻き動作を強制的に行なうことにより、固体ＣＯ２及び氷の少なくとも一部がＮＧ流１６から分離されて多相ターボ膨張機３０から除去される。
【００２７】
ＬＮＧ生成システム１０は、分離器３８を含む少なくとも１つの分離ステージ４００を更に含み、分離器３８は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流３４を受けて、その成分をＣＨ４から実質的に構成される出力蒸気流４０及びＬＮＧ／氷／ＣＯ２スラリー流４２へと分離する。特に、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流４０は、分離器３８内でＬＮＧ／氷／ＣＯ２スラリーから分離されるとともに、第１の圧縮機２２及び多相ターボ膨張機３０のそれぞれにおける圧縮及び膨張の前に低水分ＮＧ流２０を事前に冷却するべく、矢印により示されるようにＬＮＧ生成システム１０内で再循環される。
【００２８】
特に、システム１０は、図１に最も良く示されるように、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流４０の少なくとも一部を低水分ＮＧ流２０へ向けて、特に圧縮ステージ１００及び圧縮機２２の上流側の低水分ＮＧ流２０へ向けて再循環経路５０１内で循環させるように構成される再循環ステージ５００を更に含む。代わりの実施形態において、再循環ステージ５００は、図２に最も良く示されるように、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流４０の少なくとも一部を圧縮ＮＧ流２８へ向けて、特に圧縮ステージ１００及び圧縮機２２の下流側の圧縮ＮＧ流２８へ向けて再循環経路５０１内で循環させるように構成される。幾つかの実施形態では、低温ＣＨ４蒸気流４０の回収がガス流１６の更なる冷却をもたらす。
【００２９】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流４０の再循環のプロセス中に、蒸気流４０が第２の圧縮機４４内で圧縮される。一実施形態において、第２の圧縮機４４は、ＣＨ４蒸気流４０の圧縮をもたらして圧縮蒸気流４８を生成するために駆動源４６により機械的又は電気的に駆動される圧縮機である。
【００３０】
ＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリー流４２は、液化天然ガス（ＬＮＧ）出力流５２と氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流５４とを形成するために液体／固体分離器５０内で分離される。一実施形態において、液体／固体分離器５０は、固体汚染物質をＬＮＧから分離するように構成される重力分離器、サイクロン、焼結金属フィルタ、又は、任意のタイプのフィルタのうちの１つである。
【００３１】
ここで、図２を参照すると、本開示のＬＮＧ生成システムの代わりの実施形態が示される。特に、一体型外部冷却システムを含むＬＮＧ生成システム６０が示される。実施形態の全体にわたって同様の要素が同様の数字を有することが理解されるべきである。
【００３２】
ＬＮＧ生成システム６０は、天然ガス入口１４と流体連通する第１の圧縮機２２を含み、この圧縮機２２を介して天然ガス（ＮＧ）流１６が供給される。先の実施形態に関して説明されたように、第１の圧縮機２２は、ステージ間冷却を伴う多段圧縮機２６を備えるとともに、ＮＧ流１６の圧縮を行なってもよい。代わりの実施形態では、第１の圧縮機２２が複数の圧縮機（図示せず）を備えてもよく、これらの複数の圧縮機間には１つ以上の空気冷却器が配置される。第１の圧縮機２２は、第１の圧縮機２２の出口で圧縮ＮＧ空気流２８を生成する。ＬＮＧ生成システム６０は、第１の圧縮機２２と熱交換器２４との間に配置される水分除去装置１２を更に含む。熱交換器２４は、水分除去装置１２の下流側に水分除去装置１２と流体連通した状態で配置される。より具体的には、水分除去装置１２は、第１の圧縮機２２の下流側であって熱交換器２４の上流側に配置される。熱交換器２４は、低水分圧縮ＮＧ流２１から熱を除去するために利用される。熱交換器２４は、冷却圧縮排出流３２を排出するように構成される。ＬＮＧ生成システム６０は、冷却圧縮排出流３２を熱交換器２４から受けて膨張排気流３４を生成するように構成される多相ターボ膨張機３０を更に含む。第１の圧縮機２２及び多相ターボ膨張機３０は、一般に、例えば共通のシャフト３６を介して機械的に結合される。膨張プロセスは、天然ガスの冷却圧縮排出流３２を更に冷却して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流３４を発生させる。
【００３３】
ＬＮＧ生成システム６０は分離器３８を更に含み、分離器３８は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流３４を受けて、その成分をＣＨ４から実質的に構成される蒸気流４０及びＬＮＧ／氷／ＣＯ２スラリー流４２へと分離する。既に説明されたように、低温蒸気ＣＨ４は、分離器３８内でＬＮＧ／氷／ＣＯ２スラリーから分離されるとともに、水分除去装置１２、熱交換器２４、及び、多相ターボ膨張機３０のそれぞれにおける水分除去、冷却、及び、膨張の前に圧縮ＮＧ流２８を事前に冷却するべく、矢印により示されるようにＬＮＧ生成システム６０内で再循環される。
【００３４】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流４０の再循環のプロセス中に、蒸気流４０は、ＣＨ４から実質的に構成される圧縮蒸気流４８を生成するために第２の圧縮機４４内で圧縮される。ＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリー流４２は、液化天然ガス（ＬＮＧ）出力流５２と氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流５４とを形成するために液体／固体分離器５０内で分離される。
【００３５】
図１の実施形態とは対照的に、図２に示される実施形態は、低温蒸気流６４を生成するように構成される外部冷却システム６２を更に含む。外部冷却システム６２は、熱交換器２４と流体連通状態で構成される。動作中、外部冷却システム６２は、多相ターボ膨張機３０内での膨張前に熱交換器２４内で約−４０℃まで事前冷却を行なう。低温蒸気流６４は、−６０℃に至るまでの排出流３２の更なる冷却を行なう。既に示唆されたように、外部冷却システム６２は必要とされないが、そのような更なる冷却手段の使用は、更なるエネルギーを熱交換器２４へ与えるとともに、低水分圧縮ＮＧ流２１の更なる冷却を行なう。一実施形態では、外部冷却システム６２がプロパン冷却システムとして構成される。
【００３６】
図１及び図２に示されるような開示された実施形態では、多相ターボ膨張機、特に熱交換器２４により生成される冷却圧縮排出流３２を膨張させるための多相ターボ膨張機３０が与えられる。冷却圧縮排出流３２の膨張は、低温ＣＨ４蒸気とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流３４を発生させる。本明細書中で使用される用語「多相ターボ膨張機」とは、仕事及び更なる出力成分を生み出すためにガス又はガス混合物を膨張させる径方向流、軸方向流、又は、混合流のターボマシンのことである。
【００３７】
ここで、図３を参照すると、本開示の実施形態に係る図１及び図２の多相ターボ膨張機３０とほぼ同様の多相ターボ膨張機７０が簡略化されたブロック図で示される。図４は、本開示の一実施形態に係る多相ターボ膨張機７０の一実施形態を断面図で示す。図４に示されるように、多相ターボ膨張機７０はハウジング７２を含む。図３に示されるように、多相ターボ膨張機７０は、流れストリームから仕事を抽出するように構成される少なくとも１つの回転構成要素又はロータ７４を更に含む。幾つかの実施形態では、多相ターボ膨張機７０が少なくとも１つの固定構成要素７６を更に含む。固定構成要素７６はステータ又はノズルを含んでもよい。幾つかの実施形態において、ノズルは、渦流動作を引き起こすベーンを備える。図４に示されるように、幾つかの実施形態では、多相ターボ膨張機７０が１つ以上のシール７８を更に含む。図４に示されるように、多相ターボ膨張機７０は１つ以上のブレード８０／８２を更に含む。幾つかの実施形態において、多相ターボ膨張機７０は、図４に示されるように、１つ以上の固定ブレード８０と、１つ以上のロータブレード８２とを更に含む。
【００３８】
図３及び図４に示されるように、多相ターボ膨張機７０は、ハウジング７２内に配置される少なくとも１つの入口８４を更に含む。幾つかの実施形態では、入口８４がガス流８６を受けるように構成される。ガス流８６は、図１及び図２の第１の圧縮機２２などの圧縮機内での圧縮及び熱交換器２４内での冷却の後に熱交換器２４から出る図１及び図２の冷却圧縮排出流３２とほぼ同様である。多相ターボ圧縮機７０は、ハウジング７２内に配置される少なくとも１つの出口８８を更に含む。幾つかの実施形態において、出口８８は、膨張排気流９０を排出するように構成される。膨張排気流９０は、図１及び図２の多相ターボ膨張機３０などの多相ターボ膨張機７０内での膨張後に多相ターボ膨張機７０から出る図１及び図２の膨張排気流３４とほぼ同様である。一実施形態において、多相ターボ膨張機７０は、更なる出口及び／又は分離手段（現在説明される）を含んでもよい。
【００３９】
先に言及されたように、ガス流８６は、二酸化炭素を含むとともに、特定の水分含有量を有する。幾つかの実施形態において、ガス流８６は、窒素、重質炭化水素、又は、水蒸気のうちの１つ以上を更に含む。幾つかの実施形態では、ガス流８６が不純物を含み、不純物の例としては、硫化水素が挙げられるが、これに限定されない。幾つかの実施形態では、ガス流８６に不純物がほぼ無い。幾つかの実施形態では、ガス流８６が窒素及び二酸化炭素を含む。
【００４０】
幾つかの実施形態では、ガス流８６中の不純物の量が約５０モルパーセント未満である。幾つかの実施形態では、ガス流８６中の不純物の量が約２０モルパーセント未満である。幾つかの実施形態では、ガス流８６中の不純物の量が約１０モルパーセントから約２０モルパーセントまでの範囲内である。幾つかの実施形態では、ガス流８６中の不純物の量が約５モルパーセント未満である。
【００４１】
先に言及されたように、ガス流８６は多相ターボ膨張機７０内で膨張し、また、膨張するガス流から仕事が抽出されるにつれて、多相ターボ膨張機７０内でガス流８６が冷却される。多相ターボ膨張機７０内でのガス流８６の冷却は、多相ターボ膨張機７０内でＣＨ４蒸気、ＬＮＧ、及び、固体ＣＯ２及び液体ＣＯ２のうちの一方又は両方の形成をもたらす。より具体的には、多相ターボ膨張機７０は、ガス流８６が図１及び図２の流れ４０，４２とほぼ同様のＣＨ４から実質的に構成される蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を主に形成するようにガス流８６を冷却するべく構成される。一実施形態において、本明細書中で使用される用語“主に形成する”は、多相ターボ膨張機内で形成される固体ＣＯ２の量が約５質量パーセント未満であることを意味する。一実施形態において、本明細書中で使用される用語“主に形成する”は、多相ターボ膨張機内で形成されるＬＮＧの量が約４５質量パーセント未満であることを意味する。一実施形態において、本明細書中で使用される用語“主に形成する”は、多相ターボ膨張機内で形成されるＣＨ４蒸気の量が約５０質量パーセント未満であることを意味する。
【００４２】
幾つかの実施形態において、多相ターボ膨張機７０内の流れ場は、ＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリー及びＣＨ４蒸気の分離を助けるために利用されてもよい。これは、１つ以上の分離チャネル（図示せず）を多相ターボ膨張機のハウジング７２及び更なる出口に組み込むことによって達成されてもよい。幾つかの実施形態において、分離チャネルは、液体粒子又は固体粒子が遠心力に起因して入り込むように且つ多相ターボ膨張機の流路内へ再び入り込むことを偏向器によって妨げられ得るように形成されてもよい。複数の出口、分離チャネルなどの多相ターボ膨張機７０の特定の態様を包含する形態の例は、参照することによりその全体が本願に組み入れられる同一出願人によるＤ．Ｈｏｆｅｒの米国特許出願公開第２０１３／０１２５５８０号「膨張機及びＣＯ２分離方法」に記載される。
【００４３】
幾つかの実施形態において、多相ターボ膨張機７０の少なくとも１つの構成要素は、多相ターボ膨張機の構成要素の表面に対する固体ＣＯ２の付着を妨げるように構成されるコーティングを更に含む。幾つかの実施形態において、ハウジング７２、回転構成要素７４、又は、固定構成要素７６のうちの１つ以上は、多相ターボ膨張機の構成要素の表面に対する固体ＣＯ２の付着を妨げるように構成されるコーティングを含んでもよい。特定の実施形態では、多相ターボ膨張機７０内の回転構成要素７４がコーティング９２を含む。幾つかの実施形態において、コーティング９２は、回転構成要素７４の表面９４に対する固体ＣＯ２の付着を妨げるように構成される。幾つかの実施形態において、コーティング９２は、回転構成要素７４の表面９４に対する固体ＣＯ２の付着を妨げることができる固着防止材料を含む。
【００４４】
幾つかの実施形態では、多相ターボ膨張機７０が少なくとも１つの加熱構成要素を更に含む。幾つかの実施形態において、加熱構成要素は、多相ターボ膨張機の構成要素の表面に対する固体ＣＯ２の付着を妨げるように構成される。幾つかの実施形態において、ハウジング７２、回転構成要素７４、又は、固定構成要素７６のうちの１つ以上は、多相ターボ膨張機の構成要素の表面に対する固体ＣＯ２の付着を妨げるための加熱構成要素を含んでもよい。特定の実施形態において、多相ターボ膨張機７０内の固体構成要素７６は、固定構成要素７６の表面９６に対する固体ＣＯ２の付着を妨げるように加熱される。
【００４５】
幾つかの実施形態では、固定ブレード８０のうちの１つ以上が電気加熱要素を使用することによって加熱される。そのような実施形態において、ブレード８０は、ブレード８０に形成される１つ以上の穴内に配置される加熱要素（図示せず）を含んでもよい。幾つかの実施形態において、多相ターボ膨張機７０の１つ以上の構成要素は、空気又はガスを循環させることによって加熱されてもよい。ブレード８０は、幾つかの実施形態では、例えばＺ形状チャネルなどのガス流チャネル（図示せず）を更に含んでもよい。幾つかの実施形態において、ガス流チャネルは、例えばＵ形状やＥ形状などの任意の適した形状を有してもよい。既に示唆したように、電気加熱要素、ブレードを加熱するための循環空気又はガス、ガス流チャネルなどの使用を含む多相ターボ膨張機７０の特定の態様を包含する形態の例は、参照することによりその全体が本願に組み入れられる同一出願人によるＤ．Ｈｏｆｅｒの米国特許出願公開第２０１３／０１２５５８０号「膨張機及びＣＯ２分離方法」に記載される。
【００４６】
本開示の幾つかの実施形態に係る多相ターボ膨張機の形態は、好適には、多相ターボ膨張機自体内のガス流からのＣＨ４蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流の分離を可能にする場合があり、それにより、図１及び図２の分離器３８などの更なる分離器の必要性が排除される。
【００４７】
図３及び図４に示されるように、多相ターボ膨張機７０は、ＣＨ４蒸気及びＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーから構成される膨張排気流９０を排出するように構成される少なくとも１つの出口８８を更に含む。図３及び図４に示されるように、幾つかの実施形態では、少なくとも１つの出口８８が回転構成要素７４の下流側に配置される。幾つかの実施形態では、膨張排気流９０が１つ以上の凝縮不可能な成分を含んでもよい。幾つかの実施形態では、膨張排気流９０が１つ以上の液体成分を含んでもよい。幾つかの実施形態では、膨張排気流９０が１つ以上の固体成分を含んでもよい。膨張排気流９０は、図１及び図２に開示される分離器３８，５０などの液体−気体分離器及び固体−気体分離器のうちの一方又は両方と流体連通するように更に構成されてもよい。
【００４８】
幾つかの実施形態において、ガス流８６からＬＮＧを生成するための多相ターボ膨張機７０は、図３及び図４に示されるような単段多相ターボ膨張機を含んでもよい。幾つかの他の実施形態において、ガス流８６からＬＮＧを生成するための多相ターボ膨張機７０は、参照することによりその全体が本願に組み入れられる同一出願人によるＤ．Ｈｏｆｅｒの米国特許出願公開第２０１３／０１２５５８０号「膨張機及びＣＯ２分離方法」に記載されるような多段多相ターボ膨張機７０を含んでもよい。
【００４９】
ここで、図５を参照すると、一実施形態では、ガス流からＬＮＧを生成するための方法６００が与えられる。方法は、冷却ステージ、圧縮ステージ、膨張ステージ、及び、分離ステージで入力ガス流を処理することを含む。より具体的には、方法は、ステップ６０２において、ガス流、特に天然ガス流の入力を含む。方法は、ステップ６０４において、入力ガス流を圧縮ステージ内で圧縮することを更に含む。圧縮されたガス流は、次に、ステップ６０６において、膨張ステージにおける多相ターボ膨張機内で膨張される。膨張ステージは、エネルギー、及び、低温ＣＨ４蒸気及びＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーの混合物から構成される膨張排気流を生成する。次に、ステップ６０８において、膨張排気流は、分離器内で、成分へと分離され、より具体的には、出力低温ＣＨ４蒸気流とＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリー流とに分離される。ＣＨ４蒸気流は、ステップ６１０において、圧縮及び膨張の前にガス流を事前に冷却するために入力ガス流へ向けて再循環される。また、ＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリー流は、ステップ６１２において、排出のために分離器内で液化天然ガス流と固体ＣＯ２流とに更に分離される。
【００５０】
ここで、図６を参照すると、典型的な実施形態に係る、前述の圧縮ステージ中に得られる圧縮比とプロセスエネルギー必要量との比較が全体的に７００の符号が付されて典型的なグラフ表示で示される。より具体的には、グラフ７００は、本明細書中に記載される一実施形態に係る新規な液化天然ガス（ＬＮＧ）生成システムのＬＮＧ出力流の１ガロン当たりのエネルギー必要量（軸７０４にプロットされる）に伴う圧縮比（軸７０２にプロットされる）を示す。ＬＮＧ出力流の１ガロン当たりのエネルギー必要量（プロットされた点／線７０６によって示される）が示すように、圧縮比が増大するにつれて、エネルギー必要量は、それが約３０ｐｓｉを上回る圧縮比で７０６付近の定常レベルに達するまで減少する。より具体的には、図６には、生成されるＬＮＧの量により正規化されると、圧縮比が増大するにつれてプロセスエネルギー必要量が減少し、その後、〜３０の圧縮比においてプロセスエネルギー必要量が約０．８ｋＷｈ／ガロンで横ばい状態になることが示される。
【００５１】
図６に示される圧縮比を計算するために１０ａｔｍの初期ＮＧ圧力（図１及び図２における流れ１６に対応する）が使用された。初期圧力が変化するにつれて、図６における圧縮曲線の形状も変化する。
【００５２】
結果的に、多相ターボ膨張機を利用することにより１つのプロセスステップでＬＮＧを生成するために天然ガス（ＮＧ）浄化ステップ及び冷却ステップを組み入れる液化天然ガスの生成のための新規な方法及びシステムが開示される。方法及びシステムは、多相流（気体、液体、及び、固体）を用いて動作できる多相ターボ膨張機であって、低温ＣＨ４蒸気及びＬＮＧ／氷／固体ＣＯ２スラリーの混合物が排出される、多相ターボ膨張機を含む。結果として得られるシステム及び方法は、より低い機器コスト、より小さい設置面積、ＬＮＧ生成量の増大、及び、従来のＬＮＧ生成プロセスよりも低い全体コストをもたらす。
【００５３】
この書かれた説明は、実施例を使用して、最良の態様を含む開示内容を開示するとともに、任意の装置又はシステムを形成して使用すること、及び、任意の組み入れられた方法を実行することを含めて、任意の当業者が本開示を実施できるようにする。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、また、当業者が想起する他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造的要素を有する場合には、或いは、それらが特許請求項の文字通りの言葉と実質的に異ならない等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に入るべく意図される。
【符号の説明】
【００５４】
１０  液化天然ガス（ＬＮＧ）生成システム
１２  バルク水分除去装置
１４  天然ガス入口
１６  天然ガス流（ＮＧ流）
２０  低水分ＮＧ流
２１  低水分圧縮天然ガス流
２２  第１の圧縮機
２４  熱交換器
２６  多段圧縮機
２８  圧縮ＮＧ流
２９  空気冷却器
３０  多相ターボ膨張機
３２  圧縮排出流
３４  膨張排気流
３６  共通のシャフト
３８  分離器
４０  出力蒸気流（低温ＣＨ４蒸気流）
４２  ＬＮＧ／氷／ＣＯ２スラリー流
４４  第２の圧縮機
４６  駆動源
４８  圧縮蒸気流
５０  液体／固体分離器
５４  出力流
６０  ＬＮＧ生成システム
６２  外部冷却システム
７０  多相ターボ膨張機
７２  ハウジング
７４  ロータ（回転構成要素）
７６  ステータ（固定構成要素）
８０  ブレード
８２  ブレード
８４  入口
８６  ガス流
８８  出口
９０  膨張排気流
９２  コーティング
９４  表面
９６  表面
１００  圧縮ステージ
２００  冷却ステージ
３００  膨張ステージ
４００  分離ステージ
５００  再循環ステージ
５０１  再循環経路
【図１】
2020003203.tif 000003
【図２】
2020003203.tif 000004
【図３】
2020003203.tif 000005
【図４】
2020003203.tif 000006
【図５】
2020003203.tif 000007
【図６】
2020003203.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月3日(2019.7.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するための方法において、
入力天然ガス流を供給するステップと、
前記天然ガス流の水分含有量が１８０ｐｐｍ未満となるように水分を除去して、天然ガス流を圧縮して約−４０℃まで冷却するとともに、冷却圧縮排出流を生成するステップと、
多相ターボ膨張機内で前記冷却圧縮排出流を膨張させて、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流を生成するステップと、
少なくとも１つの分離器内で前記膨張排気流を分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流とを生成するステップと、
前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を少なくとも１つの更なる分離器内で分離して、氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流と液化天然ガス（ＬＮＧ）出力流とを生成するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
再循環経路内でＣＨ４から実質的に構成される蒸気流を入力天然ガス流へと再循環させるステップを更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記多相ターボ膨張機内で氷／固体ＣＯ２の少なくとも一部を冷却圧縮天然ガス流から分離するステップを更に備える請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記多相ターボ膨張機は、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置される少なくとも１つの回転構成要素と、
前記ハウジングに配置される少なくとも１つの入口であって、前記入口が前記冷却圧縮排出流を受けるように構成される、少なくとも１つの入口と、
前記ハウジングに配置される少なくとも１つの出口であって、前記出口は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流を排出するように構成される、少なくとも１つの出口と、
を備え、
前記多相ターボ膨張機は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気が形成され、液化天然ガスが形成され、及び、冷却排出天然ガス流中のＣＯ２の少なくとも一部が固体ＣＯ２を形成するように、前記冷却圧縮排出流を更に冷却するように構成される請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記冷却圧縮排出流と流体連通する外部冷却システム内で天然ガス流を更に冷却するステップを更に備える請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記多相ターボ膨張機内でＣＨ４から実質的に構成される蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２から実質的に構成されるスラリー流の少なくとも一部を分離するステップを更に備える請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するためのシステムであって、
前記天然ガス流の水分含有量が１８０ｐｐｍ未満となるように天然ガス流から水分を除去して天然ガス流を圧縮するとともに、低水分圧縮天然ガス流を生成するための水分除去装置及び圧縮機と、
前記低水分圧縮天然ガス流を約−４０℃まで冷却して冷却圧縮排出流を生成するための熱交換器と、
前記冷却圧縮排出流を膨張させて、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流を生成するための多相ターボ膨張機と、
前記膨張排気流を分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流及び液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を生成するための分離器と、
前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリー流を分離して、液化天然ガス出力流と氷／固体ＣＯ２から実質的に構成される出力流とを生成するための少なくとも１つの更なる分離器と、
を備えるシステム。
【請求項８】
前記水分除去装置が分子篩ベッドを構成する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記低水分圧縮天然ガス流は、１８０ｐｐｍ未満の水分含有量を有する天然ガス流を備える請求項７又は８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記多相ターボ膨張機は、前記液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーが主に形成されるように前記熱交換器からの冷却圧縮排出流を更に冷却するように構成される請求項７〜９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流を天然ガス流へと再循環させるように構成される再循環経路を更に備える請求項７〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記再循環経路は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流を圧縮してＣＨ４から実質的に構成される圧縮蒸気流を生成するための圧縮機を更に備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの更なる分離器は、フィルタ、サイクロン、又は、重力分離器のうちの１つである請求項７〜１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記多相ターボ膨張機は、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置される少なくとも１つの回転構成要素と、
前記ハウジングに配置される少なくとも１つの入口であって、前記入口が前記冷却圧縮排出流を受けるように構成される、少なくとも１つの入口と、
前記ハウジングに配置される少なくとも１つの出口であって、前記出口は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物から構成される膨張排気流を排出するように構成される、少なくとも１つの出口と、
を備え、
前記多相ターボ膨張機は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気が形成され、液化天然ガスが形成され、及び、冷却排出天然ガス流中のＣＯ２の少なくとも一部が固体ＣＯ２を形成するように、前記熱交換器からの前記冷却圧縮排出流を更に冷却するように構成される請求項７〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記多相ターボ膨張機は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとを分離して、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２から実質的に構成されるスラリー流を排出するように更に構成される請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記低水分圧縮天然ガス流に対して更なる冷却を行なうために前記熱交換器と流体連通する外部冷却システムを更に備える請求項７〜１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
天然ガス流から液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するためのシステムにおいて、
天然ガス流を圧縮して約−４０℃まで冷却するとともに、冷却圧縮排出流を生成するように構成される少なくとも１つの圧縮ステージ及び少なくとも１つの冷却ステージと、
前記冷却圧縮排出流を膨張させて膨張排気流を生成するように構成される少なくとも１つの膨張ステージであって、前記少なくとも１つの膨張ステージは、前記圧縮ステージ及び前記冷却ステージと流体連通する少なくとも１つの多相ターボ膨張機を備え、前記多相ターボ膨張機は、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置される少なくとも１つの回転構成要素と、
前記ハウジングに配置される少なくとも１つの入口であって、前記入口が前記冷却圧縮排出流を受けるように構成される、少なくとも１つの入口と、
前記ハウジングに配置される少なくとも１つの出口であって、前記出口は、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物を備える膨張排気流を排出するように構成される、少なくとも１つの出口と、
を備える、
少なくとも１つの膨張ステージと、
を備えるシステム。
【請求項１８】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーとの混合物をＣＨ４から実質的に構成される蒸気流と液化天然ガス／氷／固体ＣＯ２スラリーから実質的に構成される出力流とに分離するように構成される分離ステージを更に備える請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流を天然ガス流へと再循環させるように構成される再循環ステージを更に備える請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記再循環ステージは、ＣＨ４から実質的に構成される蒸気流を圧縮してＣＨ４から実質的に構成される圧縮蒸気流を生成するための圧縮機を備える請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記多相ターボ膨張機は、液化天然ガスが形成され、及び、冷却排出天然ガス流中のＣＯ２の少なくとも一部が固体ＣＯ２を形成するように、前記冷却圧縮排出流を更に冷却するように構成される請求項１７〜２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの冷却ステージは、前記低水分圧縮天然ガス流に対して更なる冷却を行なうように構成される外部冷却システムを更に備える請求項１７〜２１のいずれかに記載のシステム。