(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品フィード流を冷却するための冷却プロセスであって、混合冷媒の第１の冷媒流および混合冷媒の第２の冷媒流を含む熱交換器に前記製品フィード流を通すことを含み、前記第１の冷媒流が、前記第２の冷媒流の温度よりも低い温度で蒸発するように構成されており、
前記熱交換器を出た前記第１の冷媒流を最初の圧縮にかけ、その後に前記熱交換器からの前記第２の冷媒流と混合して単一の冷媒流を形成し、前記単一の冷媒流を第２の圧縮にかけて圧縮された冷媒流を形成し、
（ｉ）前記圧縮された冷媒流をフラッシュユニット内で蒸気相と液相とに分割し、前記別個の前記蒸気相の部分および前記液相の部分を一緒にして、前記第１の冷媒流および前記第２の冷媒流を形成し、
（ｉｉ）前記第１の冷媒流および前記第２の冷媒流を、次いで、前記熱交換器内で冷却にかけ、続いて膨張にかけ、その後に前記熱交換器へ再び導入して前記製品フィード流を冷却する、
冷却プロセス。
【請求項２】
更なる冷媒流を前記熱交換器内へ供給する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記第１の冷媒流の温度および／または圧力が、混合冷媒の前記第２の冷媒流の圧力および／または温度よりも低い、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記第１の冷媒流の圧力が前記第２の冷媒流の圧力よりも低い、請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
前記製品フィード流が、天然ガス、空気、窒素、二酸化炭素および酸素からなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６】
前記製品フィード流を冷却するために１つまたは２つの熱交換器を使用する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
前記製品フィード流が、天然ガスである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項８】
前記冷媒が、以下の組成
メタン  １５〜２５モル％、
エタン  ３０〜４５モル％、
プロパン  ０〜２０モル％、
ｎ−ブタン  ０〜２５モル％、
および窒素  ５〜２０モル％
を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項９】
前記製品フィード流が、−３０℃よりも低い温度まで冷却される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記製品フィード流が、−１５０℃よりも低い温度まで冷却される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１１】
天然ガスを液化するプロセスであって、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプロセスを用いて天然ガスフィード流を冷却し、液体天然ガスを生成するステップを含むプロセス。
【請求項１２】
使用中に製品流を受け取って冷却するように適合された１つまたは複数の熱交換器を備えた、冷媒サイクルを含む冷却アセンブリであって、
前記熱交換器内を通り抜けて流れて冷却を提供する第１の冷媒流および第２の冷媒流であり、前記第１の冷媒流中の冷媒が、前記第２の冷媒流中の冷媒の温度よりも低い温度で蒸発するように構成された第１の冷媒流および第２の冷媒流と、
前記熱交換器を出た前記第１の冷媒流を受け取り、第１の圧縮レベルまで冷媒を圧縮するように適合された第１の圧縮手段と、
前記熱交換器を出た前記第２の冷媒流と前記第１の圧縮手段からの前記第１の冷媒流との混合物を受け取り、前記混合物を圧縮して圧縮された冷媒流を形成するように適合された第２の圧縮手段と、
前記圧縮された冷媒流中の冷媒を、冷却するために前記熱交換器内へ導く手段と、
冷却された前記冷媒を膨張手段に送達し、次いで膨張した冷媒を前記熱交換器内へ送達する手段と、
前記圧縮された冷媒流を、前記熱交換器内へ供給する前記第１の冷媒流および前記第２の冷媒流を形成する蒸気相と液相とに分割し、前記別個の前記蒸気相の部分および前記液相の部分を一緒にして混合し、前記熱交換へ導入される前記第１の冷媒流および前記第２の冷媒流を形成する手段であり、前記圧縮された冷媒流の前記分割が、前記熱交換器内での前記圧縮された冷媒の前記冷却の前に実行される手段と
を備える冷却アセンブリ。
【請求項１３】
１つの熱交換器を含む、請求項１２に記載の冷却アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却プロセスに関し、より具体的には、限定はされないが、天然ガスの液化に適した冷却プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
採収場所から末端消費者までの天然ガスの送達はロジスティックス上の重大な課題である。天然ガスを短い距離で（沖合環境では一般に２０００ｋｍ未満、陸上環境では一般に３８００ｋｍ未満）輸送する目的にはパイプラインを使用することができるが、より長い距離を輸送するときにはパイプラインは経済的な輸送手段ではない。さらに、例えば広大な水域を横切る建設など、ある種の環境ではパイプラインの建設が実際的ではない。
【０００３】
非常に長い距離を輸送するとき、および異なるいくつかの目的地へ送達する必要がある状況では、液化天然ガス（ＬＮＧ）を輸送した方がより経済的である。液化天然ガス送達チェーンの最初の段階は天然ガスの産出を含む。産出された天然ガスは次いでＬＮＧ製造プラントへ運ばれ、そこで液化された後、（一般に船舶によって）輸送される。この液体天然ガスは次いで目的地で気体に戻され、パイプライン送達によって末端消費者へ配給される。
【０００４】
天然ガスの液化は、天然ガスフィード流を１回または数回の冷却サイクルにかけることによって達成される。これらの冷却サイクルは、主として冷媒圧縮機を動かすのに必要な軸動力投入量のために、極めてエネルギー集約的なものになることがある。
【０００５】
当技術分野では、天然ガスを液化するいくつかの冷却プロセスが知られている。十分に確立された１つの方法は、冷却システムを再循環させることによって供給された複数の冷媒流が逆方向に流れる１つまたは複数の熱交換器内で天然ガスフィード流を冷却し、凝縮させることを含む。天然ガスフィード流の冷却は、３つの異なる冷却ループによって冷却が提供される、よく知られているカスケードサイクルなどのさまざまな冷却プロセスサイクルによって達成される。このような１つのカスケードサイクルは、メタンサイクル、エチレンサイクルおよびプロパンサイクルを順番に使用して、３つの異なる温度レベルの冷却を生み出す。よく知られた別の冷却サイクルは、プロパンを予備冷却する混合冷媒サイクルを使用する。この混合冷媒サイクルでは、多成分を含む冷媒混合物が、選択されたある温度範囲の冷却を生み出す。この混合冷媒はメタン、エタン、プロパン、他の軽質炭化水素などの炭化水素を含むことがあり、さらに窒素を含むこともある。この冷却システムに基づくシステムは、世界中の多くの稼働中のＬＮＧプラントで使用されている。
【０００６】
最も単純な冷却システムの１つは、単一混合冷媒サイクルを含む（例えばＢｌａｃｋ  ＆  ＶｅａｔｃｈのＰＲＩＣＯプロセス）。このようなプロセスの１つの問題は、より複雑なプロセス（例えばＡｉｒ  ｐｒｏｄｕｃｔｓによるプロパン冷却式混合冷媒サイクルまたはＳｈｅｌｌによる２重混合冷媒サイクル）に比べて熱力学的効率が低いことである。さらに、単一混合冷媒サイクルの熱力学的性能および効率は、冷媒の組成、凝縮および蒸発温度、圧力レベルなどの少数の動作変量を調整することによってしか変化させることができない。上記のより複雑な多サイクルプロセスは、熱交換器内でのエクセルギー（ｅｘｅｒｇｙ）の損失にかなりの影響を及ぼしうる、例えば複数の冷媒流の組成および温度を含む、より多くの動作変量を提供することによって、改良されたサイクル効率を提供することができる。これらの更なる動作変量を適切に調整することによって、これらのより複雑な冷却プロセスでは、熱力学的効率を、単一混合冷媒サイクルに比べてかなり向上させることができる。しかしながら、多段冷却プロセスまたはカスケード冷却プロセスでは通常、はるかに複雑な機器構成が必要であり、その結果、プラント費用および機器費用がかなり大きくなる。
【０００７】
したがって、設計および構造が単純であり、それによってプラント費用および機器費用の節減になる冷却プロセスの提供と、十分なおよび／または改良された動作効率を可能にするのに十分な数の動作変量を含むプロセスの提供との間でバランスをとる必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、改良された動作効率の提供を可能にする更なる動作変量を含む単一サイクル混合冷却プロセスを提供することにより、前述の欠点のうちの１つまたは複数の欠点に対処する冷却プロセスを提供することを追求する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、製品フィード流を冷却するための冷却プロセスであって、混合冷媒の第１の冷媒流および混合冷媒の第２の冷媒流を含む熱交換器に製品フィード流を通すことを含み、第１の冷媒流が、第２の冷媒流の温度よりも低い温度で蒸発するように構成されており、
熱交換器を出た第１の冷媒流を最初の圧縮に供し、その後に熱交換器からの第２の冷媒フィード流と混合して単一の冷媒流を形成し、単一の冷媒流を第２の圧縮に供して圧縮された冷媒流を形成し、
（ｉ）圧縮された冷媒流中の冷媒を熱交換器内で冷却に供し、続いて膨張に供し、その後に熱交換器へ再び導入してフィード流を冷却し、
（ｉｉ）熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前、途中または後に、圧縮された冷媒流を、熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する２つの流れに分割する、
冷却プロセスが提供される。
【００１０】
本発明のこのプロセスは、熱力学的効率とプロセスの複雑さとのバランスをとる新規の混合冷媒サイクルを提供し、それによって現行の液化プロセスに代わる費用効果に優れたプロセスを提供する。本質的に、本発明の第１の態様のプロセスは、単一混合冷媒サイクルおよび単一熱交換器からなる単純なプロセスを提供するが、プロセスの熱力学的効率を高めることを可能にするより多くの動作変量（または「自由度」）を提供する。
【００１１】
具体的には、単一サイクル混合冷媒プロセスにおいて、（本発明のいくつかの実施形態で提供される）異なる温度、圧力および／または組成を有する第１の冷媒流および第２の冷媒流を使用することで、熱力学的効率を最適化するのを可能にする更なる柔軟性を提供する。より具体的には、この柔軟性によって、冷媒の温度−エンタルピープロファイルをフィードガス流の冷却プロファイルにできるだけ緊密に整合させることが可能になる。
【００１２】
さらに、少なくとも２つの圧縮段（すなわち熱交換器を出た第１の冷媒流（最も低圧の流れ）にだけ使用する最初の圧縮、およびそれに続く圧縮された第１の冷媒流と熱交換器を出た第２の冷媒流の冷媒との混合物に使用する第２の圧縮）の使用が、圧縮プロセスを、熱交換器を出た全冷媒が一緒に圧縮される場合よりも効率的にすることを可能にする。
【００１３】
第２の態様では、本発明が、製品フィード流を冷却するための冷却プロセスであって、混合冷媒の第１の冷媒流および混合冷媒の第２の冷媒流を含む熱交換器に製品フィード流を通すことを含み、第１の冷媒流が、第２の冷媒流の温度よりも低い温度で蒸発するように構成されており、
熱交換器を出た第１の冷媒流を最初の圧縮に供し、その後に熱交換器からの第２の冷媒フィード流と混合して単一の冷媒流を形成し、単一の冷媒流を第２の圧縮に供して圧縮された冷媒流を形成し、
（ｉ）圧縮された冷媒流中の冷媒を熱交換器内で冷却に供し、続いて膨張に供し、その後に熱交換器へ再び導入してフィード流を冷却し、
（ｉｉ）熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前または途中に、圧縮された冷媒流を、第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する別個の流れに分割する
冷却プロセスを提供する。
【００１４】
本発明の第２の態様のプロセスは、熱力学的効率とプロセスの複雑さとのバランスをとる他の新規の混合冷媒サイクルを提供し、それによって現行の液化プロセスに代わる費用効果に優れたプロセスを提供する。本質的に、本発明の第２の態様のプロセスも、単一混合冷媒サイクルからなる単純なプロセスを提供するが、プロセスの熱力学的効率を高めることを可能にするより多くの動作変量（または「自由度」）を提供する。
【００１５】
本発明の第２の態様のプロセスは、単一の熱交換器、または直列に配置された１つもしくは複数の熱交換器を含むことができる。好適には、費用を最低限に抑えるため、熱交換器の数を１つから３つの間に制限する。一実施形態では、１つまたは２つの熱交換器が存在する。特定の実施形態では、熱交換器を１つだけ利用する。
【００１６】
一実施形態では、圧縮された冷媒を冷却する前に、圧縮された冷媒流を、第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する別個の流れに分割する。特定の実施形態では、熱交換器内で冷却する前に、フラッシュユニット（ｆｌａｓｈ  ｕｎｉｔ）内で冷媒流を分割する。これによって異なる組成を有する別個の流れを提供する。
【００１７】
本発明の第１の態様のプロセスに関しては、単一サイクル混合冷媒プロセスにおいて、（本発明のいくつかの実施形態で提供される）異なる温度、圧力および／または組成を有する第１の冷媒流および第２の冷媒流を使用することで、熱力学的効率を最適化するのを可能にする更なる柔軟性を提供する。より具体的には、この柔軟性によって、冷媒の温度−エンタルピープロファイルをフィードガス流の冷却プロファイルにできるだけ緊密に整合させることが可能になる。
【００１８】
さらに、この場合も、少なくとも２つの圧縮段（すなわち熱交換器を出た第１の冷媒流（最も低圧の流れ）にだけ使用する最初の圧縮、およびそれに続く圧縮された第１の冷媒流と熱交換器を出た第２の冷媒流の冷媒との混合物に使用する第２の圧縮）の使用が、圧縮プロセスを、熱交換器を出た全冷媒が一緒に圧縮される場合よりも効率的にすることを可能にする。
【００１９】
特定の態様では、本発明が、本明細書に定義された天然ガス液化プロセスを提供する。
【００２０】
他の態様では、本発明が、本明細書に定義されたプロセスを実行するように構成された、本明細書に定義された冷却アセンブリを提供する。
【００２１】
特定の態様では、本発明が、使用中に製品流を受け取って冷却するように適合された単一の熱交換器を備え、冷媒サイクルを含む冷却アセンブリ／装置であって、
熱交換器内を通り抜けて流れて冷却を提供する第１の冷媒流および第２の冷媒流であり、第１の冷媒流中の冷媒が、第２の冷媒流中の冷媒の温度よりも低い温度で蒸発するように構成された第１の冷媒流および第２の冷媒流と、
熱交換器を出た第１の冷媒流を受け取り、第１の圧縮レベルまで冷媒を圧縮するように適合された第１の圧縮手段と、
熱交換器を出た第２の冷媒流と第１の圧縮手段からの圧縮された冷媒流との混合物を受け取り、この混合物を圧縮して圧縮された冷媒流を形成するように適合された第２の圧縮手段と、
圧縮された冷媒流中の冷媒を、冷却するために熱交換器内へ導く手段と、
冷却された冷媒を膨張手段に送達し、次いで膨張した冷媒を熱交換器内へ送達する手段と、
圧縮された冷媒流を、熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する２つの別個の冷媒流に分割する手段であり、圧縮された冷媒流の前記分割が、熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前、途中または後に実行される手段と
を備える冷却アセンブリ／装置を提供する。
【００２２】
他の態様では、本発明が、使用中に製品流を受け取って冷却するように適合された１つまたは複数の熱交換器を備え、冷媒サイクルを含む冷却アセンブリ／装置であって、
熱交換器（１つまたは複数）内を通り抜けて流れて冷却を提供する第１の冷媒流および第２の冷媒流であり、第１の冷媒流中の冷媒が、第２の冷媒流中の冷媒の温度よりも低い温度で蒸発するように構成された第１の冷媒流および第２の冷媒流と、
熱交換器（１つまたは複数）を出た第１の冷媒流を受け取り、第１の圧縮レベルまで冷媒を圧縮するように適合された第１の圧縮手段と、
熱交換器（１つまたは複数）を出た第２の冷媒流と第１の圧縮手段からの圧縮された冷媒流との混合物を受け取り、混合物を圧縮して圧縮された冷媒流を形成するように適合された第２の圧縮手段と、
圧縮された冷媒流中の冷媒を、冷却するために熱交換器（１つまたは複数）内へ導く手段と、
冷却された冷媒を膨張手段に送達し、次いで膨張した冷媒を熱交換器（１つまたは複数）内へ送達する手段と、
圧縮された冷媒流を、熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する２つの別個の冷媒流に分割する手段であり、圧縮された冷媒流の前記分割が、熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前、途中または後に実行される手段と
を備える冷却アセンブリ／装置を提供する。
【００２３】
他の態様では、本発明が、
メタン  １５〜２５モル％、
エタン  ３０〜４５モル％、
プロパン  ０〜２０モル％、
ｎ−ブタン  ０〜２５モル％、
および窒素  ５〜２０モル％
を含む冷媒組成物を提供する。
【００２４】
以下では、添付図面を参照して、本発明の実施形態をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す略図である。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す略図である。
【図５】遺伝的アルゴリズムの最適化フレームワークを示す略図である。
【図６】図６（ａ）は、単一混合冷媒（ＭＲ）プロセスに対して最適化された動作条件を示す略図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のプロセスの複合曲線（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｃｕｒｖｅ）および温度−エンタルピープロファイルを示す図である。
【図７】図７（ａ）は、図１に示した本発明の第１の実施形態に対して最適化された動作条件を示す略図である。図７（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の複合曲線および温度−エンタルピープロファイルを示す図である。
【図８】図８（ａ）は、本発明の第２の実施形態（図２）に対して最適化された動作条件を示す略図である。図８（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の複合曲線および温度−エンタルピープロファイルを示す図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態（図３）に対して最適化された動作条件を示す略図である。図９（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の複合曲線および温度−エンタルピープロファイルを示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本発明の第４の実施形態（図４）に対して最適化された動作条件を示す略図である。図１０（ｂ）は、本発明の第４の実施形態の複合曲線および温度−エンタルピープロファイルを示す図である。
【図１１】（記載なし。）
【発明を実施するための形態】
【００２６】
用語「混合冷媒（ｍｉｘｅｄ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ）」および「ＭＲ」は、本明細書において相互に交換可能に使用され、２種類以上の冷媒成分を含む混合物を意味する。
【００２７】
用語「冷媒成分」は、熱伝達目的に使用される物質であって、低温および低圧では熱を吸収し、高温および高圧では熱を放出する物質を意味する。例えば、圧縮冷却システム内の「冷媒成分」は、低温および低圧では蒸発によって熱を吸収し、高温および高圧では凝縮によって熱を放出する。例示的な冷媒成分には、限定はされないが、炭素原子を１ないし５個有するアルカン、アルケンおよびアルキン、窒素、塩素化炭化水素、フッ素化炭化水素、他のハロゲン化炭化水素およびこれらの混合物または組合せなどがある。
【００２８】
用語「天然ガス」は当技術分野においてよく知られている。天然ガスは一般に、軽質炭化水素ガスまたは２種類以上の軽質炭化水素ガスの混合物である。例示的な軽質炭化水素ガスには、限定はされないが、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、これらの異性体、これらの不飽和化合物、およびこれらの混合物などがある。用語「天然ガス」はさらに、窒素、硫化水素、二酸化炭素、硫化カルボニル、メルカプタン、水などのある濃度の不純物を含むことができる。天然ガスの正確な百分組成は、供給ガス層や、抽出プロセスの一部として使用された前処理ステップ、例えばモレキュラーシーブによるアミン抽出または乾燥によって変動する。
【００２９】
用語「ガス」および「蒸気」は相互に交換可能に使用され、液体または固体の状態とは区別される気体の状態にある物質または物質の混合物を意味する。
【００３０】
用語「熱交換器」は、熱伝達を容易にする当技術分野で知られている１つのタイプの機器、またはそのような同様のタイプの機器の組合せもしくはそのような異なるタイプの機器の組合せを意味する。例えば、「熱交換器」は、１つまたは複数のスパイラルワウンド（ｓｐｉｒａｌ  ｗｏｕｎｄ）型熱交換器、プレートフィン（ｐｌａｔｅ−ｆｉｎ）型熱交換器、シェルアンドチューブ（ｓｈｅｌｌ  ａｎｄ  ｔｕｂｅ）型熱交換器、または後により詳細に説明するプロセス条件に耐えることができる当技術分野で知られている他の任意のタイプの熱交換器の中に含まれることがあり、または少なくとも部分的に含まれることがある。当技術分野では熱交換器を一般に「コールドボックス（ｃｏｌｄ  ｂｏｘ）」とも呼ぶ。
【００３１】
本明細書では、用語「圧縮機」または「圧縮手段」が、特定の１つのタイプの圧縮装置または同様のタイプの組合せもしくは異なるタイプの圧縮装置の組合せを指すために使用され、用語「圧縮機」または「圧縮手段」は、物質または物質の混合物を圧縮する当技術分野で知られている補助装置を含むことができる。「圧縮機」または「圧縮手段」は１つまたは複数の圧縮段を利用することができる。例示的な圧縮機には、限定はされないが、例えば往復圧縮機、回転圧縮機などの容積型圧縮機、および例えば遠心圧縮機、軸流圧縮機などのダイナミック型圧縮機などがある。例示的な補助装置には、限定はされないが、サクションノックアウトベセル（ｓｕｃｔｉｏｎ  ｋｎｏｃｋ−ｏｕｔ  ｖｅｓｓｅｌ）、ディスチャージクーラー（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｃｏｏｌｅｒ）またはチラー（ｃｈｉｌｌｅｒ）、インターステージクーラー（ｉｎｔｅｒ−ｓｔａｇｅ  ｃｏｏｌｅｒ）、リサイクルクーラー（ｒｅｃｙｃｌｅ  ｃｏｏｌｅｒ）またはチラー、およびこれらの組合せなどがある。
【００３２】
本明細書では、用語「膨張」が、結果的に圧力の低下を引き起こす冷媒流の膨張を指すために使用される。冷媒流の膨張は、当技術分野で知られている好適な膨張手段を使用することによって促進される。「膨張手段」は例えば膨張弁、エキスパンダ（ｅｘｐａｎｄｅｒ）または膨張チェンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）である。
【００３３】
現在使用されている大部分の液体天然ガスプラントは、冷媒ガスを圧縮して高圧にし、冷却源を用いて冷媒ガスを液化し、冷媒液体を膨張させて低圧にし、天然ガスフィード流から熱を引き出して液体冷媒を蒸発させることによって冷却を提供する。次いで、蒸発させた冷媒を再び圧縮し、そのプロセスで再利用する。したがって、この連続サイクルの正味の効果は天然ガスフィード流の冷却および液化である。本発明の方法は、この連続冷媒サイクルにいくつかの変更を加えたものを利用して、プロセスに過度の複雑さを追加することなくプロセスの熱力学的効率を向上させる。
【００３４】
前述のとおり、本発明は、第１の態様において、製品フィード流を冷却する冷却プロセスであって、混合冷媒の第１の冷媒流および混合冷媒の第２の冷媒流を含む熱交換器に製品フィード流を通すことを含み、第１の冷媒流が、第２の冷媒流の温度よりも低い温度で蒸発するように構成されており、
熱交換器を出た第１の冷媒流を最初の圧縮にかけ、その後に熱交換器からの第２の冷媒フィード流と混合して単一の冷媒流を形成し、単一の冷媒流を第２の圧縮にかけて圧縮された冷媒流を形成し、
（ｉ）圧縮された冷媒流中の冷媒を熱交換器内で冷却にかけ、続いて膨張にかけ、その後に熱交換器へ再び導入し、
（ｉｉ）熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前、途中または後に、圧縮された冷媒流を、熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する２つの流れに分割する、
冷却プロセスを提供する。
【００３５】
したがって、本発明のプロセスは、ガスフィード流を液化する単一サイクル混合冷媒プロセスを提供する。具体的には、本発明のプロセスは、ガスフィード流に差動冷却効果を提供する第１の冷媒流および第２の冷媒流を提供するように構成される。本発明のいくつかの実施形態では、このプロセスが、追加の（例えば３つ、４つまたは５つの）冷媒流をさらに含む。
【００３６】
第２の冷媒流の温度よりも低い温度の冷却を提供するように第１の冷媒流を構成することができ、ある種の実施形態では、これが、第１の冷媒の温度、圧力および／または組成を第２の冷媒流とは異なるものにすることによって達成される。好適には、第１の冷媒流の温度および／または圧力を、混合冷媒の第２の流れの圧力および／または温度よりも低くする。あるいはまたはこれに加えて、第１の冷媒流が、第２の冷媒流の温度よりも低い温度で蒸発し、第２の冷媒流温度よりも低い温度の冷却効果を提供するような態様で、混合冷媒の第１の流れの組成を、第２の冷媒流の組成とは異なるものにすることができる。
【００３７】
本発明の一実施形態では、第１の冷媒流の圧力および／または温度が、第２の冷却流の圧力および／または温度よりも低い。
【００３８】
本発明の他の実施形態では、第１の冷媒流が、第２の冷却流の組成とは異なる組成を有し、任意選択的に、第１の冷媒流の温度および／または圧力が、第２の冷却流の温度および／または圧力よりも低い。
【００３９】
本発明の一実施形態では、第１の冷媒流の圧力が第２の冷却流の圧力よりも低い。
【００４０】
好適には、第１の冷媒流の圧力が低圧であり、第２の冷媒流の圧力が中間の圧力である。
【００４１】
第１の冷却流および第２の冷却流の温度、圧力および／または組成物を変化させることができるプロセスについては後に説明する。
【００４２】
第１冷媒流および第２の冷媒流が蒸発する温度範囲は、関係する特定の用途に合わせて選択される。
【００４３】
熱交換器を出ると、第１の冷媒流は圧縮機へ送られ、そこで最初の圧縮を受け、その後に熱交換器から流入した第２の冷媒流と混合される。好適には、この最初の圧縮が、第１の冷媒流を、第２の冷媒フィード流の圧力と同じ程度の圧力まで加圧する。次いでこれらの２つの蒸気を混合し、更なる圧縮にかけて、単一の（混合された）圧縮された冷媒流を形成する。
【００４４】
本発明の単一サイクル混合冷媒プロセスの動作可変性（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ）は、熱交換器内へ供給する第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流を再び形成する圧縮された冷媒流の後続の処理において生じる。熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を再び形成するためには、圧縮された冷媒を冷却し（この冷却は、冷媒を熱交換器に通し、熱交換器内で冷媒を、第１の冷媒流および／または第２の冷媒流によって冷却することによって達成する）、次いで膨張させて圧力を下げる必要がある。さらに、この単一の流れを、熱交換器用の第１の冷却フィード流および第２の冷却フィード流を形成する別個の流れに分割する必要がある。この分割はさまざまな位置で実行することができる。具体的には、別個の流れへの分割は、熱交換器内での冷媒流の冷却の前、途中または後に実行することができる。
【００４５】
一実施形態では、熱交換器内での圧縮された冷媒の冷却の前に、単一の圧縮された冷媒流を、（最終的に第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流を形成する）別個のフィード流に分割する。このような配置では、次いで熱交換器内で個々の流れの中の冷媒を異なる程度に冷却することができることによって、更なる動作可変性が提供される。次いで、それぞれの冷媒流を膨張させて、最適な温度および圧力を有する熱交換器用の所望の第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流を形成することができる。
【００４６】
他の実施形態では、熱交換器内で冷媒を冷却した後に、単一の圧縮された冷媒流を、（最終的に第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流を形成する）別個のフィード流に分割する。このような配置では、次いで個々の流れの中の冷媒を異なる程度に膨張させて、第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流の所望の圧力を形成することができることによって、動作可変性が提供される。
【００４７】
好適には、圧縮された冷媒流を、
（ｉ）単一の流れとして、熱交換器内で、第１の冷媒流および／もしくは第２の冷媒流によって冷却し、その後に第１の流れおよび第２の流れに分割し、次いで別々に膨張にかけて、それぞれ第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成し、第１の冷媒流および第２の冷媒流は熱交換器へ流入して冷却効果を提供し、または
（ｉｉ）単一の流れとして、熱交換器内で、第１の冷媒流および／もしくは第２の冷媒流によって冷却し、その後に最初の膨張にかけ、次いで第１の流れおよび第２の流れに分割し、第１の流れを更なる膨張にかけて第１の冷却流を形成し、第２の流れが第２の冷媒流を形成し、または
（ｉｉｉ）２つの別個の冷媒流に分割し、次いでこれらの２つの別個の冷媒流を、熱交換器内で、第１の冷媒流および／もしくは第２の冷媒流によって冷却し、別々に膨張にかけて第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成し、第１の冷媒流および第２の冷媒流は熱交換器へ流入して冷却効果を提供する。
【００４８】
本発明の特定の実施形態では、圧縮された冷媒流を、最初に、単一の冷媒流として、熱交換器内で、第１の冷媒流および／もしくは第２の冷媒流によって冷却し、その後に第１の流れおよび第２の流れに分割し、次いで別々に膨張にかけて、それぞれ第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成し、第１の冷媒流および第２の冷媒流は熱交換器へ流入して冷却効果を提供する。
【００４９】
本発明の他の実施形態では、圧縮された冷媒流を、最初に、単一の流れとして、熱交換器内で、第１の冷媒流および／もしくは第２の冷媒流によって冷却し、その後に最初の膨張にかけ、次いで第１の流れおよび第２の流れに分割し、第１の流れを更なる膨張にかけて第１の冷却流を形成し、第２の流れが第２の冷媒流を形成する。
【００５０】
本発明の他の実施形態では、圧縮された冷媒流を、２つの別個の冷媒流に分割し、次いでこれらの２つの別個の冷媒流を、熱交換器内で、第１の冷媒流および／もしくは第２の冷媒流によって冷却し、膨張にかけて第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成し、この第１の冷媒流および第２の冷媒流は熱交換器へ流入して冷却効果を提供する。
【００５１】
本発明のプロセスはさらに、フラッシュユニット内で単一の圧縮された冷媒流を分割するステップを含むことができる。「フラッシュユニット」は、圧縮された単一の混合冷媒を液相と気相／蒸気相とに分離することができるユニットである。好適には、フラッシュユニット内で単一の圧縮された混合冷媒流が分離され、その後に冷媒流の後続の冷却が実行され、次いで冷媒流の膨張が実行されるように、フラッシュユニットが熱交換器の上流に配置される。フラッシュユニットの使用は、別個のフィード流の組成を変化させることを可能にすることによって、更なる動作可変性を提供する。例えば、フラッシュユニットから気相／蒸気および液相を引き出すことが可能である。一実施形態では、フラッシュユニットから引き出した蒸気相冷媒流および液相冷媒流を冷却し、次いで膨張させて、第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流を形成することができる。蒸気流は、蒸気流を液体に変化させるのに十分な程度まで冷却する必要があることが理解される。代替の実施形態では、次いで、フラッシュユニットから引き出した別個の蒸気冷媒流と液体冷媒流とをある割合で混合して、異なる組成を有する別個のフィード流を形成する。したがって、フラッシュユニットの使用は、圧縮された冷媒流の成分を、フラッシュユニット内でのそれらの成分の物理状態に基づいて少なくとも部分的に分離することを可能にすることによって、別個の冷媒流の組成を変化させることを可能にする。第１の冷媒フィード流中の冷媒の組成および第２の冷媒フィード流中の冷媒の組成をこのように変化させることができることによって、更なる動作可変性が提供され、第１の冷媒流の組成および第２の冷媒流の組成を所望の冷却用途に対して最適化する更なる手段が提供される。
【００５２】
これらの２つの冷媒フィード流の組成、温度および圧力の全てを本明細書に記載されたさまざまな技法によって変化させて、関係する特定のガスフィード流のサイクルの熱力学的効率を最適化することができる。
【００５３】
第１の冷媒流および第２の冷媒流は、熱交換器内でのガスフィード流の冷却と、冷媒再循環の一部としての圧縮された冷媒の予備冷却とを提供する。
【００５４】
第１のフィード流および第２のフィード流の正確な組成、温度および圧力を、関係する特定の用途に対して最適化することができることが理解される。天然ガスの液化に関しては、膨張させる前の冷媒流の圧力が一般に４０から５０バールである。膨張後、第１の冷媒流中の冷媒の圧力は一般に１．１から３バールの範囲にあり、第２の冷媒流の圧力は一般に５から１５バールの範囲にある。
【００５５】
好適な任意の組成の混合冷媒を使用することができる。混合冷媒の組成は、含まれる製品流および使用する特定の冷却方式に応じて調整することができることが理解される。特定の実施形態では、冷媒の組成が以下のとおりである。
メタン  １５〜２５モル％、
エタン  ３０〜４５モル％、
プロパン  ０〜２０モル％、
ｎ−ブタン  ０〜２５モル％、
および窒素  ５〜２０モル％
【００５６】
本発明の第１の態様のプロセスは、単一の熱交換器を使用する単一冷媒サイクルを利用する。あるいは、このプロセスは、単一の熱交換器内での複数の冷媒サイクルを含むことができる。
【００５７】
前述したように、本発明はさらに、使用中に製品流を受け取って冷却するように適合された単一の熱交換器を備えた、冷媒サイクルを含む冷却アセンブリ／装置であって、
熱交換器内を通り抜けて流れて冷却を提供する第１の冷媒流および第２の冷媒流であり、第１の冷媒流中の冷媒が、第２の冷媒流中の冷媒の温度よりも低い温度で蒸発するように構成された第１の冷媒流および第２の冷媒流と、
熱交換器を出た第１の冷媒流を受け取り、第１の圧縮レベルまで冷媒を圧縮するように適合された第１の圧縮手段と、
熱交換器を出た第２の冷媒流と第１の圧縮手段からの圧縮された冷媒流との混合物を受け取り、この混合物を圧縮して圧縮された冷媒流を形成するように適合された第２の圧縮手段と、
圧縮された冷媒流中の冷媒を、冷却するために熱交換器内へ導く手段と、
冷却された冷媒を膨張手段に送達し、次いで膨張した冷媒を熱交換器内へ送達する手段と、
圧縮された冷媒流を、熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する２つの別個の冷媒流に分割する手段であり、圧縮された冷媒流の前記分割が、熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前、途中または後に実行される手段と
を備える冷却アセンブリを提供する。
【００５８】
本発明の冷却アセンブリの特定の構成は、本明細書に記載された本発明の特定の実施形態の説明から明らかになるであろう。
【００５９】
前述のとおり、第２の態様では、本発明が、製品フィード流を冷却する冷却プロセスであって、混合冷媒の第１の冷媒流および混合冷媒の第２の冷媒流を含む熱交換器に製品フィード流を通すことを含み、第１の冷媒流が、第２の冷媒流の温度よりも低い温度で蒸発するように構成されており、
熱交換器を出た第１の冷媒流を最初の圧縮にかけ、その後に熱交換器からの第２の冷媒フィード流と混合して単一の冷媒流を形成し、単一の冷媒流を第２の圧縮にかけて圧縮された冷媒流を形成し、
（ｉ）圧縮された冷媒流中の冷媒を熱交換器内で冷却にかけ、続いて膨張にかけ、その後に熱交換器へ再び導入してフィード流を冷却し、
（ｉｉ）熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前または途中に、圧縮された冷媒流を、第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する別個の流れに分割する、
冷却プロセスを提供する。
【００６０】
本発明の第２の態様のプロセスは、熱交換器内での冷却の前または途中に冷媒流を分割する必要があることを除き、上で定義した第１の態様のプロセスと同じである。さらに、本発明の第２の態様のプロセスでは、熱交換器の使用を１つに限定する必要は必ずしもない。しかしながら、本発明の第２の態様のプロセスの他の全て特徴（製品フィード流、混合冷媒の第１の冷媒流および第２の冷媒流、第１の冷媒流を最初の圧縮にかけ、その後に熱交換器からの第２の冷媒フィード流と混合して単一の冷媒流を形成すること、混合した冷媒流を第２の圧縮にかけて圧縮された冷媒流を形成すること、圧縮された冷媒流中の冷媒を熱交換器内で冷却にかけ、続いて膨張させ、その後に熱交換器へ再び導入してフィード流を冷却することなど）は全て、本発明の第１の態様のプロセスに関して上で定義したとおりである。
【００６１】
本発明の第２の態様のプロセスは、単一の熱交換器、または、例えば直列に配置された１つもしくは複数の熱交換器を含むことができる。好適には、費用を最低限に抑えるため、１つから３つの熱交換器を配置することができる。一実施形態では、１つまたは２つの熱交換器が存在する。好ましい一実施形態では、熱交換器が１つだけ存在する。
【００６２】
一実施形態では、圧縮されたガスを冷却する前に、圧縮された冷媒流を、第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する別個の流れに分割する。特定の実施形態では、熱交換器内で冷却する前に、フラッシュユニット内で冷媒流を分割する。これによって異なる組成を有する別個の流れを提供する。
【００６３】
本発明はさらに、使用中に製品流を受け取って冷却するように適合された１つまたは複数の熱交換器を備えた、冷媒サイクルを含む冷却アセンブリであって、この熱交換器（１つまたは複数）が、
熱交換器（１つまたは複数）内を通り抜けて流れて冷却を提供する第１の冷媒流および第２の冷媒流であり、第１の冷媒流中の冷媒が、第２の冷媒流中の冷媒の温度よりも低い温度で蒸発するように構成された第１の冷媒流および第２の冷媒流と、
熱交換器（１つまたは複数）を出た第１の冷媒流を受け取り、第１の圧縮レベルまで冷媒を圧縮するように適合された第１の圧縮手段と、
熱交換器（１つまたは複数）を出た第２の冷媒流と第１の圧縮手段からの圧縮された冷媒流との混合物を受け取り、混合物を圧縮して圧縮された冷媒流を形成するように適合された第２の圧縮手段と、
圧縮された冷媒流中の冷媒を、冷却するために熱交換器（１つまたは複数）内へ導く手段と、
冷却された冷媒を膨張手段に送達し、次いで膨張した冷媒を熱交換器（１つまたは複数）内へ送達する手段と、
圧縮された冷媒流を、熱交換器内へ供給する第１の冷媒流および第２の冷媒流を形成する２つの別個の冷媒流に分割する手段であり、圧縮された冷媒流の前記分割が、熱交換器内での圧縮された冷媒の前記冷却の前または途中に実行される手段と
を備える冷却アセンブリを提供する。
【００６４】
本発明の冷却アセンブリの特定の構成は、本明細書に記載された本発明の特定の実施形態の説明から明らかになるであろう。
【００６５】
本発明のプロセスおよび冷却アセンブリは、−３０℃よりも低い冷却が必要な任意の産業用途で使用することができる。このプロセスは一般に、例えば−５０℃よりも低い温度または−８０℃よりも低い温度への冷却が必要な用途に対して使用される。天然ガスの液化に関しては、約−１５０℃よりも低い冷却および約−１６０℃よりも低い冷却が必要である。
【００６６】
本発明の冷却プロセスおよびアセンブリは任意の産業用途に対して使用することができるが、本発明の冷却プロセスおよびアセンブリは、空気、酸素、ＣＯ２、窒素、天然ガスなどの気体を液化するのに特に適している。
【００６７】
特定の実施形態では、本発明のプロセスが天然ガスを液化するプロセスである。
【００６８】
本発明のプロセスの単純な設計は、より単純でよりコンパクトな機器構成を使用して本発明のプロセスを実施することができることを意味する。このことは、本発明のプロセスおよびアセンブリが、例えば船舶などの移動するユニット上に収容するのに適していることを意味する。したがって、例えば液体天然ガスを船舶上へパイプで直接に送り、そこで液体天然ガスを液化することができる。当技術分野ではこれが、浮体式生産貯蔵積出（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ）（ＦＰＳＯ）として知られており、大規模な地上液化プラントの必要性を排除する。ＦＰＳＯが魅力的であるのは、ＦＰＳＯが、液体天然ガスを効率的に送達するためのロジスティックス上の更なる柔軟性を提供するためである。
【００６９】
本発明は、大規模液化天然ガス製造施設の運転能力を超えるピーク需要時にその大規模な液化天然ガス製造を補うために使用される、小規模な液体天然ガス施設（当技術分野ではピークシェービング液体天然ガス施設として知られている）で使用することもできる。
【００７０】
本発明は、低い冷却温度が必要な他の産業用途、例えばエチレン製造、極低温空気分離および二酸化炭素の極低温除去に対して使用することもできる。これらのサブアンビエント（ｓｕｂ−ａｍｂｉｅｎｔ）プロセスに対しては、所望の炭化水素および／または化学物質の分離および／または回収を可能にするためにかなりの量の冷却デューティ（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｄｕｔｙ）が必要であり、本発明のプロセスを使用して冷却サイクルの熱力学的効率を向上させることができる。
【００７１】
本発明の一実施形態では、製品フィード流が、天然ガス、空気、酸素、窒素、二酸化炭素またはこれらの混合物から選択される。
【００７２】
本発明の特定の実施形態では、冷却する製品フィード流が天然ガスである。
【００７３】
本発明の他の実施形態では、冷却する製品フィード流が空気である。
【００７４】
本発明の他の実施形態では、冷却する製品フィード流が二酸化炭素である。
【００７５】
本発明の他の実施形態では、冷却する製品フィード流が酸素である。
【００７６】
本発明の特定の実施形態では、冷却する製品フィード流が窒素である。
【００７７】
［本発明の実施形態］
以下の項では、添付図面を参照して、本発明の特定のいくつかの実施形態を説明する。適当な場合には、異なる図の同様の部分または対応する部分を示すのに同様の参照符号を使用する。
【００７８】
本発明に基づくプロセスは全て、複数の圧力レベルおよび／または複数の温度レベルの供給を利用して冷媒を蒸発させる単一サイクル冷媒システムである。さらに、いくつかの実施形態では、フラッシュユニットを利用して冷却用冷媒流の組成を変化させる。これらのプロセスは、フィードガス流の温度エンタルピー冷却曲線をできるだけ緊密に整合させることを可能にし、この緊密な整合が、冷却サイクルの熱力学的効率の向上を可能にする。
【００７９】
知られている単一混合冷媒サイクルと比べると、本明細書に定義された本発明の新規の混合冷媒サイクルは、いくつかの重大なプロセス変動を含む。しかしながら、このプロセスは依然として比較的に単純であり、このプロセスを実施するのに必要な機器構成も、より複雑な多段プロセスまたはカスケードプロセスを実施するために必要な機器構成よりもはるかに単純である。単純な機器構成を提供することは、プラントの能力およびサイクル効率よりも機器のコンパクトさおよび重量の方が優先される浮体式生産貯蔵積出船用途に対して特に重要である。
【００８０】
（ｉ）実施形態１（図１）  多段膨張
複数の圧力レベルを使用して第１の冷媒流および第２の冷媒流中の冷媒を蒸発させるため、本発明は、複数の膨張レベルを使用する単純な冷却プロセスを提供する。図１に示すように、単一の圧縮された混合冷媒流１は熱交換器２内で予備冷却されて、冷却された混合冷媒流３を形成する。この冷却された混合冷媒流は次いで、エキスパンダ（または膨張弁）４内で最初の膨張を受けて、中間の圧力の混合冷媒流５を形成する。この中間圧力レベルの流れ５は次いで２つの流れ（６および７）に分割される。流れ６は、この中間圧力レベルで蒸発する第２の冷媒フィード流を形成する。流れ７は、エキスパンダ８内でさらなる膨張をうけてより低い圧力レベルに達し、熱交換器２内へ供給される第１の冷媒流を形成する。
【００８１】
第１の冷媒流および第２の冷媒流（６および７）は熱交換器２内へ供給され、熱交換器２内で、単一の圧縮された冷媒流１およびプロセスフィード流９を冷却する。プロセスフィード流９は、冷却されたプロセス流として熱交換器から出てくる。
【００８２】
天然ガスの液化では、プロセスフィード流９が天然ガスのフィード流であり、この天然ガスフィード流は、熱交換器２内で最初の冷却を受け、次いでフラッシュユニット３０内へ供給される。フラッシュユニット３０は、液化した成分９ａを気体成分９ｂから分離する。気体成分９ｂは取り出され、熱交換器２内で更なる冷却にかけられ、液化した成分９ａは取り出して貯蔵することができる。
【００８３】
熱交換器２を出た第１の冷媒流７は第１の圧縮機１０へ導かれ、そこで最初の圧縮を受け、第２の冷媒流６の圧力と同じ圧力または第２の冷媒流６の圧力に近い圧力まで圧縮される。圧縮された第１の流れ７は次いで、第２の圧縮機１１内で、熱交換器から来た第２の冷媒流６と混合される。この第２の圧縮機は、混合された冷媒流６および７を圧縮して単一の圧縮された冷媒流１を再び形成する。このサイクル全体が連続的に繰り返される。
【００８４】
第１の冷媒流と第２の冷媒流（６と７）は異なる圧力レベルで蒸発するため、第１の冷媒流と第２の冷媒流（６と７）は異なる温度−エンタルピープロファイルを有する。冷媒を蒸発させる２つの圧力レベルを変更することによって、第１の冷媒流と第２の冷媒流（６と７）の温度−エンタルピープロファイルを結合したものである低温（ｃｏｌｄ）複合曲線の形状を操作することができる（単一の冷媒流を使用する伝統的な単一混合冷媒サイクルでは１つの圧力レベルだけが変更される）。その結果、温度−エンタルピープロファイルをこのように操作することができることにより、動作上の更なる柔軟性が提供される。さらに、この更なる動作可変性が提供されることは、２つの冷媒流が提供されることによって更なる可変性が提供されること、および流れを分割する比率を変えることが可能であることと相まって、プロセスの効率を最適化する更なる選択肢を提供する。したがって、このことは、伝統的な単一ＭＲサイクルに比べて効率を向上させる潜在性を提供する。
【００８５】
（ｉｉ）実施形態２（図２）  複数流れ予備冷却
膨張中の冷却効果は限られており、そのため図１のプロセスの流れ６と流れ７の温度は互いに非常に近い（最初の膨張段の前の流れ６と流れ７の温度レベルが同じであるためである）。その結果、この特定のプロセス構成のこの特徴は、流れの温度−エンタルピープロファイルの操作にある制約を課する。この構造上の限界を克服し、２つの冷媒流が異なる温度を有することを可能にするため、図２に示すような、このプロセスの変更された別の実施形態を開発した。
【００８６】
図２に示した実施形態は多くの点で図１に示した実施形態と同じであり、主な違いは、熱交換器２内で予備冷却される前に、単一の圧縮された冷媒流１が分割されて２つの別個の流れ１８および１９を形成することである。
【００８７】
熱交換器内での流れ１８の冷却の程度および流れ１９の冷却の程度をそれぞれ変更することにより、予備冷却後の冷媒流１８および１９の温度を異なる温度にすることができる（このことは、これらの２つの冷媒流を異なる温度範囲で蒸発させることができることを含意している）。次いで、冷却されたプロセス流１８および１９をそれぞれエキスパンダまたは膨張弁４ａおよび４ｂ内で別々に膨張させて、第１の冷媒流および第２の冷媒流６および７を形成する。次いで、流れ６および流れ７の冷媒を、図１に関して説明したとおりに再循環させる。
【００８８】
したがって、この実施形態は、（ｉ）温度（熱交換器２内での予備冷却に差をつけることによって）、（ｉｉ）圧力（エキスパンダまたは膨張弁４ａおよび４ｂ内での膨張に差をつけることによって）、および（ｉｉｉ）冷媒を分割する流れ１８と流れ１９の間の分割比の全てを希望に応じて変更することができることにより、動作上の更なる柔軟性を提供する。
【００８９】
さらに、このプロセスは、より複雑な多段膨張プロセスを使用することにより課せられる構造上の制約を含まない。
【００９０】
極端でない温度範囲にわたってプロセスフィード流を冷却する必要があるとき、冷媒を蒸発させる圧力レベルおよび温度レベルは、流れの温度−エンタルピープロファイルの形状に大きく影響する。したがって、第１の冷媒流および第２の冷媒流の温度および圧力を変更することができるこの実施形態の能力は、熱力学的効率を向上させることを可能にする更なる柔軟性を提供する。
【００９１】
（ｉｉｉ）実施形態３、４および５（図３、４および１１）  フラッシュユニット実施形態
図１および２に関して上で説明した実施形態で使用されている単純な流れ分割は、２つの冷媒流が全く同じ組成を有するという限界を依然として有する。
【００９２】
幅広い温度範囲にわたる冷却が必要な場合には、熱力学的性能に対する圧力レベルおよび温度レベルの効果だけでは限界があることがある。そのような場合、別の重要な因子である冷媒の組成は、冷媒の温度−エンタルピープロファイルの最適化を可能にする際により重大な役割を演じる。したがって、単一混合冷媒サイクル中に、異なる組成を有する別個の冷媒流を提供することができれば、温度−エンタルピープロファイルのより効果的な操作および動作効率の向上が可能になる。
【００９３】
本発明のある種の実施形態は、フラッシュユニットを組み込むことによって等圧フラッシュを利用する。等圧フラッシュは、異なる組成を有する２つの生成物流、すなわち一方が蒸気相、もう一方が液相である２つの生成物流を生み出す確立された技法である。混合冷媒に関しては、生成物流の流量および組成が気−液平衡によって決まり、生成物流の流量および組成はフラッシュ計算によって得ることができる。圧力レベルおよび温度レベルならびにフィード流の組成を含むフラッシュ条件を調整すると、それに応じて生成物流の流量および組成が変化する。単一混合冷媒サイクルがフラッシュ操作のこれらの特徴を取り込むことができる場合、異なる組成を有する２つの冷媒流を提供することにより、サイクルの最適化をより柔軟にすることができる。図３および４に示す以下の２つの実施形態は、フラッシュ操作を利用して熱力学的効率を向上させるために開発したものである。
【００９４】
前フラッシュ実施形態（実施形態３、図３）
熱交換器２内で予備冷却される前に、単一の圧縮された冷媒流１がフラッシュユニット３０で２つの別個の流れ１８および１９に分割される点を除き、図３に示す実施形態は図２に示した実施形態と同じである。圧縮された混合冷媒フィード流１は蒸気と液体の混合物であり、この混合物は、フラッシュユニット３０内で分離されて２つの生成物流１８および１９を形成する。流れ１８は、フラッシュユニット３０の頂部から抽出された蒸気を含み、流れ１９は、フラッシュユニットの底部から抽出された液体を含む。
【００９５】
蒸気を含む流れ１８は、熱交換器２内でより大きな予備冷却にかけられて、その中の蒸気を液体に変える。これによって、異なる組成を有する２つの液体冷媒流１８および１９が形成され、液体冷媒流１８および１９は次いで、対応するそれぞれのエキスパンダまたは膨張弁４ｂおよび４ａ内で膨張して、それぞれ第１の冷媒フィード流および第２の冷媒フィード流６および７を形成する。次いで、その冷媒を、図１に関して説明したとおりに再循環させる。
【００９６】
この実施形態では、フラッシュ条件を調整することによって、熱交換器内の２つの冷媒流の組成を変化させることができる。このことは、冷媒の温度−エンタルピープロファイルをさらに操作することを可能にすることによって、更なる動作可変性を提供する。この更なる動作可変性は、プロセス流の複合冷却曲線に対する冷媒のプロファイルのより緊密な整合を可能にする。したがって、このプロセスは、単一混合冷媒サイクルよりもはるかに大きな動作可変性を有する。
【００９７】
この前フラッシュ実施形態では、冷媒流１８および１９の条件がフラッシュ計算によって完全に決定されることを理解すべきである。これらの流れの条件を調整する唯一の方法はフィード流の条件を変更することである。したがって、このプロセスにおけるフラッシュ生成物流の条件の選択は１つの制限因子である。
【００９８】
流れ配分を伴う前フラッシュ（実施形態４、図４）
本発明の他の代替実施形態を図４に示す。この実施形態は、フラッシュ生成物の配分の限界を排除する更なる柔軟性を備える。
【００９９】
図４に示した実施形態は、フラッシュユニット３０を使用して異なる組成を有する流れ１８および１９を生み出す点では図３に示した実施形態と同じである。しかしながら、前フラッシュ実施形態（図３）とは違い、フラッシュユニット３０から抽出された蒸気流および液体流は直接には冷媒流として機能しない。その代わりに、実際の冷媒組成物は、フラッシュユニット３０から抽出された蒸気流の一部分を、フラッシュユニット３０から抽出された液体流の一部分と混合することによって形成される。したがって、流れ１８は、フラッシュユニット３０から抽出された蒸気流の部分１８ａと液体流の部分１８ｂから形成される。同様に、蒸気流の残りの部分１９ａと液体流の残りの部分１９ｂとが混合されて冷媒流１９を形成する。
【０１００】
それぞれの冷媒流中の蒸気相および液相の量を変えることによって、所望のプロセス流９を冷却する目的に対して冷媒流の組成をさらに最適化することができる。固定されたフィード流条件であっても、流量比を変更することにより、両方の冷媒流の流量および組成を依然として変更することができる。したがって、この実施形態は、熱力学的効率の最適化を可能にする更なる動作可変性を提供する。
【０１０１】
図４に示した実施形態では、冷媒を分割し、混合する結果、エクセルギーの更なる損失が生じるが、更なる動作可変性ならびに冷媒の予備冷却条件および蒸発条件の選択が、プロセス流の全体的な高温（ｈｏｔ）複合曲線および低温複合曲線をより緊密に整合させ、熱交換中のエクセルギーの損失を低減させるのに役立つ。したがって、より効率的な熱交換の利益が、冷媒の分割および混合に起因する負の効果よりも大きい場合に、この流れ配分を伴う前フラッシュ方式は、サイクル効率を大幅に向上させる潜在性を有する。
【０１０２】
２つの熱交換器を伴う前フラッシュ（実施形態５、図１１）
図１１は、図３を参照して上で説明した前フラッシュ実施形態（実施形態３）に構造が類似した他の実施形態を示す。この実施形態では、単一の圧縮された冷媒流１が第１のフラッシュユニット３０ａ内へ導入され、そこで、実施形態３（図３）に関して上で説明した方式と同じ方式で、２つの冷媒流１８および１９に分離される。
【０１０３】
第１の冷媒流１９は第１の熱交換器２ａ内で予備冷却され、次いで膨張チェンバまたは膨張弁４ａに通されて、膨張した冷媒流６を形成し、膨張した冷媒流６は熱交換器２ａ内で第１の冷媒流を形成する。第１の冷媒流６は次いで再循環して、実施形態１および３（図１および３）に関して以前に説明した方式と同じ方式で圧縮された冷媒流１を形成する。
【０１０４】
第２の冷媒流１８も熱交換器２ａ内で予備冷却され、次いで第２のフラッシュユニット３０ｂ内へ供給され、そこで２つの冷媒流１８ａおよび１８ｂに分離される。冷媒流１８ａおよび１８ｂは次いで、熱交換器２ａと直列に配置された第２の熱交換器２ｂ内で予備冷却にかけられる。予備冷却された２つの冷媒流１８ａおよび１８ｂは次いで、膨張チェンバ／膨張弁４ｂ、４ｃによる膨張にかけられて、２つの別個の冷媒流７ａおよび７ｂを生み出す。２つの別個の冷媒流７ａおよび７ｂは第２の熱交換器２ｂに入り、次いで第１の熱交換器２ａ内へ供給されて、プロセス流９に冷却剤を提供する。
【０１０５】
冷媒流７ａの圧力は一般に冷媒流７ｂの圧力よりも高い。したがって、冷媒流７ｂの圧力を、冷媒流７ａの圧力と同じ圧力または冷媒流７ａの圧力に近い圧力まで増大させるため、冷媒流７ｂを、第１の圧縮機１０内での最初の圧縮にかける必要がある。次いで、冷媒流７ａ、７ｂ、６は全て圧縮機１１内で混合され、圧縮されて、単一の圧縮された冷媒流１を形成し、単一の圧縮された冷媒流１は再循環してフラッシュユニット３０ａに入る。
【０１０６】
好適には、冷媒流６が高圧であり、冷媒流７ａがより低い／中間の圧力であり、冷媒流７ｂが最も低い圧力である。
【０１０７】
２つの熱交換器（２ａ、２ｂ）および冷媒流（６、７ａ、７ｂ）の提供は、プロセス流９を冷却する目的に対して冷媒流の特性を最適化することを可能にする。この最適化は、関係するプロセス流に冷却プロファイルを提供するために、冷媒の組成および圧力を最適化することを可能にする更なる変量の提供によって強化される。しかしながら、この実施形態は、比較的に複雑で高価な構造をも要求する。
【０１０８】
次に、本発明を実施に移すことができる方法の具体的な例を、以下の実施例を参照して説明する。
【０１０９】
［実施例−処理のモデル化および最適化］
図１から図４を参照して上で説明したそれぞれの実施形態について、最初にプロセスの独立変量を識別し、次いで物理特性の計算、物質勘定およびエネルギー勘定を実施して、他の中間の動作条件を計算し、冷却プロセスの全体性能を評価する。物理特性の計算は、流れの条件（組成、温度、圧力）と物理特性（エンタルピー、エントロピー）との間の熱力学的情報を提供する状態方程式（例えばペン−ロビンソン（Ｐｅｎｇ−Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）の方法）に基づく。原則として、組成が与えられた後に、以下のパラメータのうちの任意の２つのパラメータによって流れの物理状態を決定する。温度、圧力、比エンタルピーおよび比エントロピー。この特徴は、熱交換器内での流れのエンタルピーの変化を計算し、膨張後および圧縮後の流れの条件を決定するために利用される。流れの混合または分割が存在する場合には、物質勘定を使用して、生成物流の組成および流量を計算する。
【０１１０】
新規の冷却サイクルのプロセスモデル化はさらに、熱交換器内での熱伝達の実行可能性（ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ）の評価を含む。ここで検討するシステムのように３つ以上の流れを含む熱交換システムにおいて、実行可能な熱伝達を完全に満たすことができるのは、高温複合曲線と低温複合曲線の間の温度差が指定された最小値以上である場合だけである。したがって、熱交換器の全体を通じて熱交換をうまく実行することができることを保証するためには、その熱交換システムに対する高温複合曲線および低温複合曲線を構築し、その高温複合曲線と低温複合曲線を比較する必要がある。高温複合曲線および低温複合曲線を構築したら、両方の曲線に沿って実行可能性チェックを実施する。
【０１１１】
全てのプロセス流の物理状態を物理特性の計算によって得た後、物質勘定およびエネルギー勘定に従って、冷媒圧縮機の軸動力消費量および環境冷却負荷（ａｍｂｉｅｎｔ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｄｕｔｙ）を計算することができる。多段圧縮は中間冷却（ｉｎｔｅｒ−ｃｏｏｌｉｎｇ）とともに使用される。
【０１１２】
このモデル化の項では、最小化する主な対象として軸動力消費量を選択した。しかしながら、機器のサイズおよび費用を相関させるためのデータが使用可能である場合には、プロセス設計時に、目的関数の代わりに年換算した総費用を使用して資本投資を考慮することもできる。
【０１１３】
図１から図４を参照して説明した全ての冷却サイクルの性能を評価するために、シミュレーションを利用する。しかしながら、ともにフラッシュユニット３０を備える図３および４に示した実施形態については、膨張プロセスのシミュレーションを実施する前にまず、冷媒の実際の組成をフラッシュ計算によって決定する必要がある。膨張デバイス、熱交換器、多段圧縮機などの主要な機器のシミュレーションの後、そのシミュレーションから、性能指標である軸動力消費量、および実行可能性の指標である熱交換器内の温度推進力（最低温度アプローチ、ΔＴｍｉｎとして広く知られている）の違背（ｖｉｏｌａｔｉｏｎ）の程度を得る。これらの２つのパラメータを用いて、最終的な目的関数を決定し、その目的関数を、ＧＡ（遺伝的アルゴリズム（ｇｅｎｅｔｉｃ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ））最適化の間の候補適応度の評価に対して使用する。
【０１１４】
冷却システムの性能は選択された動作条件に強く依存する。これらの動作条件を調整することによって、システム性能を向上させることが可能である。冷却システム設計のこの問題は非常に非線形的であり、探索空間内には局所的な最適解が豊富に存在する。この特徴のため、この問題を解くために伝統的な決定論的な方法を使用する場合には、最適化が、局所的な最適解のうちの１つの最適解に容易に捕らわれうる。したがって、確率論的な最適化技法は、伝統的な決定論的な方法よりも最終的な最適解（１つまたは複数）の信頼度が高いという利点を提供する。プロセス設計の問題および工学問題では、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）、シミュレーテッドアニーリング（Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）（ＳＡ）などの確率論的な最適化技法が幅広く使用されている。この問題の最適化にはＧＡを選択した。
【０１１５】
ＧＡの最適化は全体的に、初期化ないし初期母集団の生成と進化の２つの段階からなる。ＧＡベースの最適化は、候補の初期母集団の生成から始まる。それぞれの候補は一組の動作条件を表す。スクリーニングプロセスを導入して、質に劣る候補を除外し、より良好な適応度を有する候補を初期母集団内に維持する。質の高い候補を生み出すことは初期化段階においてより多くの時間を消費するが、進化部分で消費される時間を短くすることができる。これは、進化部分がより質の良い初期母集団から始まるためである。候補の質は主に、シミュレーションによって得られるその候補の実行可能性によって判断される。ある候補が実行可能である場合、またはある候補だけが、熱交換器内での許容可能な温度違背を有する場合、その候補は初期母集団内に維持される。初期化段階で初期母集団を形成した後、生み出された候補を、ＧＡオペレータ：淘汰、交叉および突然変異によって操作して次の世代を複製する。候補の適応度は、次の世代にその特徴を渡す可能性に対して強い影響を有する。新たな世代の候補は、より良好な適応度を有する候補から特性を受け継ぐ可能性が高い。最後の世代に到達したとき、最良の候補が最終的な最適解として返される。
【０１１６】
ＧＡの最適化フレームワークを図５に示す。それぞれの候補は独立した一組の動作条件である。それぞれの候補の適応度は、プロセスシミュレーションによって評価された性能指標の反映である。この調査では、最小化する主な対象として軸動力消費量を選択するが、熱交換器内における合理的な程度の実行不可能性を考慮するため、ペナルティ項も目的関数に寄与する。
【０１１７】
［ケーススタディ］
この項では、２つの異なるケースを利用して、本明細書に提案された新規の方式の性能を例示する。最初のケース（ケーススタディ１）は元々、Ｖａｉｄｙａｒａｍａｎ他（２００２）によって発表されたものであり、このケースでは、天然ガス流を、周囲温度から、かなり穏やかな温度レベルである約−６０℃まで冷却する必要がある。Ｌｅｅ（２００２）から引用したもう一方のケース（ケーススタディ２）は、ＬＮＧ製造プロセスの性能を最適化するためのものである。このケースでは、フィードガス流を、周囲温度から、非常に低い温度レベルである−１６０℃まで冷却する必要がある。
【０１１８】
両方のケースについて、新規の全てのＭＲサイクル方式に対して最適化を実施して、それらの最良のエネルギー性能を得た。最適化が同じ設計を基に実施されることを保証するため、更なる操作を実施した。それぞれの個々のプロセスが提供することができる最良の性能を反映させるため、最適化中は多段圧縮モデルを使用する。さらに、全ての最適解が同様の圧縮段数を維持することができるように、プロセスごとに最大圧力比の特定の仕様を作成する。圧縮段の数は、プロセスの軸動力消費量に重大な影響を有する。それぞれのプロセスに対する最終的な解を得た後、異なる方式の利点を識別する。さらに、これらの有用なガイドラインを使用して、所与の冷却作業に対して適切な方式を選択することができる。
【０１１９】
［ケーススタディ１］
前処理された天然ガス流を、炭化水素Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８およびｎ−Ｃ４Ｈ１０の混合物を冷媒成分として使用して、１９．８５℃から−５８．１５℃まで冷却する。目的は、圧縮動力消費量を最小にすることである。高温の冷媒を４０℃に冷却するため外部低温ユーティリティが使用可能である。実行可能な熱伝達に対する最低温度差は２．５℃である。圧縮機の等エントロピー効率は８０％とする。Ｖａｉｄｙａｒａｍａｎ他（２００２）による以前の研究との一貫性を維持するため、物理特性の計算は、ＳＲＫ（Ｓｏａｖｅ−Ｒｅｄｌｉｃｈ−Ｋｗｏｎｇ）状態方程式を使用して実施した。天然ガス流の温度−エンタルピープロファイルを表１に示す。
【０１２０】
【表１】
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【０１２１】
従来の単一混合サイクル、および図１から４を参照して説明した全ての新規の冷却プロセスはいずれも、このケースにおいて指定された冷却要求を満たすように設計した。比較のため、冷却プロセスごとにある範囲の性能指標を選択した。
【０１２２】
重要な性能指標として、軸動力消費量は、それぞれのプロセスのエネルギー効率を反映し、軸動力消費量が大きいほどサイクル効率が低いことを表す。さらに、比較のため、圧縮機段の数も選択した。このパラメータは、サイクル効率にかなりの影響を及ぼすだけでなく、冷却プロセスの構造的な複雑さをも決定するためである。いずれかの冷却プロセスが、他の冷却プロセスよりも良好なサイクル効率を達成するが、他の冷却プロセスよりもより多くの圧縮段を必要とする場合、その効率の向上は、プロセス構成の変動に由来するものではなく、実際には、圧縮段間の中間冷却がより多いことに起因する可能性がある。したがって、さまざまなプロセス間の比較を公正にするため、最適化の間に、それぞれのプロセスについて、圧縮段に対する最大圧力比を慎重に選択した。さらに、その結果得られる圧縮機段の数は４つまたは４つに近い数でなければならない。さらに、実行可能な熱交換の指標、すなわち最低温度差も比較の表に含めた。熱交換器を横切る実行可能な熱伝達の完全な達成は、冷却プロセス設計に対して必須であるためである。全ての冷却プロセスの上記の性能指標はＧＡ最適化の後に、表２に示すように得られる。
【０１２３】
【表２】
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【０１２４】
［単一ＭＲサイクル］
単一ＭＲサイクルの最良の設計を図６（ａ）に示す。高温複合曲線および低温複合曲線ならびに流れの温度−エンタルピー（Ｔ−Ｈ）プロファイルを図６（ｂ）に示す。図６から分かるとおり、下端には緊密な整合が見られるが、高温部には複合曲線間に大きな隔たりが存在する。このような大きな隔たりは、かなりの熱力学的不可逆性および結果として生じる熱交換中のエクセルギーの損失のために、サイクル効率が非常に低いことを暗示している。複合曲線間の温度交差は見られず、熱交換器内での熱伝達の実行可能性は完全に達成されている。
【０１２５】
［多段膨張］
多段膨張方式に対する最良の設計を図７（ａ）に示す。複合曲線および熱交換器内での流れのＴ−Ｈプロファイルを図７（ｂ）に示す。図７から分かるとおり、高温の冷媒が単一の流れとして予備冷却されるが、流れ分割後の２つの低温の冷媒は異なる圧力レベルで蒸発し、異なる温度範囲にわたるＴ−Ｈプロファイルを生み出す。その結果として、結合された低温複合曲線は高温複合曲線と非常に緊密に整合し、軸動力消費量の低減に寄与する。
【０１２６】
しかしながら、単一流れ予備冷却の結果として、低温の両方の冷媒の下端における温度は非常に近い（これは、流れ膨張の冷却効果が非常に限られているためである）。このことは、冷媒を蒸発させる条件の選択を大幅に制限する。このような構造上の限界を除去する単純な方法は、複数流れ予備冷却を導入することである。
【０１２７】
［複数流れ予備冷却］
複数流れ予備冷却方式に対する最良の設計を図８（ａ）に示す。複合曲線および熱交換器内での流れのＴ−Ｈプロファイルを図８（ｂ）に示す。以前のＭＲサイクル方式とは対照的に、高温の２つの冷媒流が異なる温度レベルに予備冷却され、低温の冷媒を蒸発させる条件の選択がより柔軟になる。図８から分かるとおり、低温の２つの冷媒は、異なる温度範囲にわたるプロセス冷却を提供し、複合曲線は緊密に整合している。さらに、この設計を、多段膨張方式に対する最良の設計と比較すると、循環させる必要がある冷媒の量がより少ないことが分かる。さらに、この冷媒は、他の２つの成分よりも圧縮するのが困難なＣ２Ｈ６をより低い割合で含む。これらの特徴は全て、軸動力消費量のさらなる低減に寄与する。
【０１２８】
［前フラッシュ方式］
前フラッシュ実施形態に対する最良の設計を図９（ａ）に示す。複合曲線および熱交換器内での流れのＴ−Ｈプロファイルを図９（ｂ）に示す。
【０１２９】
この設計では、フラッシュ分離後の生成物の流量がゼロであることに留意すべきである。このことは、この特定のケースでは、低レベルの方の冷媒が存在しないため、前フラッシュ方式が、伝統的な単一ＭＲサイクルに退歩してしまっていることを暗示している。単一ＭＲサイクル設計の軸動力所要量に似た軸動力所要量もこの退歩を説明している。
【０１３０】
［流れ配分を伴う前フラッシュ方式］
流れ配分を伴う前フラッシュ方式に対する最良の設計を図１０（ａ）に示す。複合曲線および熱交換器内での流れのＴ−Ｈプロファイルを図１０（ｂ）に示す。この方式では、フラッシュユニットからの蒸気生成物と液体生成物とを部分的に混合することによって、実際の冷媒流を得る。このことは、熱交換器内の実際の冷媒流の組成および流量を調整する更なる柔軟性を提供する。したがって、この方式は、フラッシュ生成物が直接に冷媒流の役目を果たす前フラッシュ方式よりも緊密に複合曲線を整合させることができ、したがって軸動力消費量を節減することができる。
【０１３１】
表２に示した結果の概要から、新たな自由度が導入され、より多くの熱統合の機会が生み出されることにより、本発明の４つの実施形態のうちの３つの実施形態で、サイクル性能を約１０％向上させることができることが分かる。この特定のケースでは、前フラッシュ方式が、より良好なサイクル効率を提供することができず、最良の設計の単一ＭＲサイクルに退歩してしまっている。このことは、この特定のケースでは、構造上の制限、すなわちフラッシュ分離後に流れの配分がないことが、サイクル効率の向上に対してかなりの負の影響を有することを暗示している。しかしながら、この限界は、流れ配分を伴う前フラッシュ実施形態で使用されているように、フラッシュユニットからの生成物流を配分し、混合することによって取り除くことができる。
【０１３２】
表２に示した最良の設計を検証するため、これらの全てのプロセス構成のシミュレーションを、市販のプロセスシミュレーションパッケージＡＳＰＥＮ  ＨＹＳＹＳ（登録商標）で実施した。表３は、本研究で得られた主要な性能パラメータとＡＳＰＥＮ  ＨＹＳＹＳ（登録商標）で得られたシミュレーション結果との間の結果の比較を示す。この表から分かるとおり、両方のパラメータのシミュレーション結果、すなわち軸動力消費量と最低温度差のシミュレーション結果は非常に近い。このように、本研究で使用したプロセスモデル化技法は満足のゆく正確さを達成した。
【０１３３】
【表３】
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【０１３４】
［ケーススタディ２］
このケーススタディでは、既存のプロセスおよび本発明の４つの実施形態を、ＬＮＧ製造に対して最適化した。前処理された天然ガス流を、周囲温度２５℃から−１６３℃まで冷却する。炭化水素ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ｎ−Ｃ４Ｈ１０およびＮ２の混合物を混合冷媒として使用する。目的は、多段圧縮に基づく圧縮動力消費量を最小にすることである。高温の冷媒を３０℃に冷却するため外部低温ユーティリティが使用可能である。熱伝達に対する最低温度差は５℃である。圧縮機の等エントロピー効率は８０％とする。物理特性の計算は、ペン−ロビンソン（Ｐｅｎｇ−Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）の状態方程式に基づいて実行する。天然ガス流の温度−エンタルピープロファイルを表４に示す。
【０１３５】
【表４】
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【０１３６】
ＬＮＧ製造に対する軸動力消費量のベンチマークを得るため、現在の産業的実施において広く使用されているＬＮＧ製造プロセスであるＡＰＣＩプロパン予備冷却混合冷媒プロセスもモデル化し、本明細書に記載した方法を使用して最適化した。このプロパン予備冷却サイクルは、４つの異なる圧力レベルでのプロセス冷却を提供するものとし、主極低温サイクルの混合冷媒は、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ｎ−Ｃ４Ｈ１０およびＮ２からなる。ＧＡの最適化フレームワークの下で、プロパンおよび混合冷媒に対する動作条件ならびに混合冷媒の組成を全て最適化した。ＧＡ最適化の終わりに、最小の軸動力消費量を有する最良の設計を、表５で比較するベンチマークとして得る。
【０１３７】
【表５】
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【０１３８】
表５に示すとおり、単一ＭＲサイクルは最も低いサイクル効率を有し、冷媒圧縮機を駆動するために２８．２７ＭＷの軸動力を消費する。効率が最も高い冷却プロセスは、単一ＭＲサイクルに比べて軸動力消費量を１２．２％低減させることができるＡＰＣＩ  Ｃ３／ＭＲプロセスである。最良の多段膨張設計の軸動力消費量は単一ＭＲサイクル設計の軸動力消費量に非常に近く、この最良の設計は、中間の圧力レベルで０．０２９９ｋｍｏｌ／ｓの非常に低い冷媒流量を有する。このことは、この設計が単一ＭＲサイクルに退歩したことを暗示している。複数流れ予備冷却実施形態に関しては、この実施形態が、流れ分割が単純であることおよび両方の冷媒流の組成が同一であることに起因する構造上の限界を回避することができないため、サイクル効率はわずかに約３％向上するだけである。前フラッシュ実施形態および流れ配分を伴う前フラッシュ実施形態ではそれぞれ、軸動力所要量が約６％および約８％低減する。これらの実施形態はともに、異なる組成を有する冷媒流を形成することによって利益を得、フラッシュ操作のない他の単一ＭＲサイクル方式よりも高いサイクル効率を示す。さらに、流れ配分の導入は、実際の冷媒流の流量および組成の選択がより柔軟になることによってサイクル性能をさらに高めることが分かる。
【０１３９】
ＡＰＣＩ  Ｃ３／ＭＲプロセスは、エネルギー効率に関して他の冷却プロセスよりも有利であることを示しているが、このプロセスは、評価した残りのどのプロセスよりもはるかに複雑なプロセス構成を有する。第１に、このプロセスは、プロパン圧縮用の４つの段と混合冷媒圧縮用の３つの段の合計７つの冷媒圧縮機段を必要とする。より多くの機器が含まれるため、より多くの圧縮段は、プロセスの複雑さをかなり増大させ、さらに、プロセスの全体的な信頼性に対して負の効果を有する。第２に、プロパン予備冷却サイクルは、複雑なプロパン分離および分配網を必要とし、このこともプロセスの複雑さをかなり増大させる。ＡＰＣＩ  Ｃ３／ＭＲプロセスは、効率的なプロセス冷却を提供するため、プロセスの複雑さに対する制約がない冷却用途に対しては良好な選択肢になりうる。しかしながら、構造的な複雑さまたは重量に特定の制約がある用途の場合には、構造が単純でコンパクトであるため、本発明の冷却プロセスの方が有利である。さらに、含まれる機器が少ないため、本発明のプロセスは、ＡＰＣＩ  Ｃ３／ＭＲプロセスなどのより複雑なプロセスよりも高い信頼性からも利益を得るはずである。
【０１４０】
異なる２つのケースの上記の最適化の結果から、それぞれの方式が、異なる冷却作業に対するサイクル性能の向上に対して異なる効果を示すことができることが分かる。最初のケースでは、天然ガス流の温度低下が穏やかであり、そのため、多段膨張方式および複数流れ予備冷却方式は、冷媒を蒸発させるのに複数の圧力レベルおよび複数の温度レベルを使用することから利益を得、サイクル性能を高める十分な可能性を有する。しかしながら、天然ガス液化において幅広い温度範囲がカバーされる第２のケースでは、多段膨張方式および複数流れ予備冷却方式がともにサイクル効率をあまり向上させることができず、単一ＭＲサイクルへの退歩の可能性に直面しなければならないことさえある。大きな温度変化を伴う場合にサイクル性能を向上させるためには、フラッシュ操作を含む方式、特に流れ配分を含む方式が推奨される。これらの方式は、異なる組成を有する冷媒を形成することを利用して、Ｔ−Ｈプロファイルの形状をより効果的に調整し、したがって軸動力消費量を低減させることができる。
【０１４１】
さらに、流れ配分を伴う前フラッシュ方式は、フラッシュ操作および流れ配分によって柔軟性が導入されるため、両方のケースで高いサイクル効率を一貫して示すことに留意すべきである。さらに、このような方式は、比較的に単純な機械構成を依然として維持する。
【０１４２】
［結論］
単一混合冷媒サイクルに基づく本発明のプロセスの４つの実施形態は、比較的に単純な機器構成を提供し、それにもかかわらず、冷却サイクルの熱力学的効率を向上させることを可能にする更なる動作変量を提供することができる。
【０１４３】
効率の向上は、ある種の状況では、冷媒を蒸発させるのに複数の圧力レベルおよび複数の温度レベルを利用することによって達成され、いくつかの実施形態では、フラッシュユニットの利用によって達成される。
【０１４４】
穏やかな温度変化を有する冷却作業に関しては、多段膨張方式および複数流れ予備冷却方式が、かなり単純なサイクル構造によってサイクル効率を向上させることができる。それぞれの方式の冷媒流は、複数の圧力レベルで蒸発し、全体的な複合曲線を緊密に整合させるより多くの機会を提供する。冷却が幅広い温度範囲をカバーするとき、性能の向上に対する複数の圧力レベルおよび複数の温度レベルの効果は非常に限定される。そのような場合には、フラッシュユニットを利用して異なる組成を有する冷媒を導入すると、Ｔ−Ｈプロファイルをより効果的に操作するのに役立つ。流れ配分を可能にするとサイクル効率がさらに高まる。ケーススタディの結果はさらに、流れ配分を伴う前フラッシュ方式が、サイクル性能の向上が特定の冷却作業の特徴に依存することがある他の方式とは違い、両方のケースで高いサイクル効率を一貫して提供することができることを示している。
【０１４５】
［参照文献］
Ｌｅｅ、Ｇ．Ｃ．、Ｏｐｔｉｍａｌ  ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ、ＰｈＤ論文、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ−ＵＭＩＳＴ、イギリス、２００１年
Ｖａｉｄｙａｒａｍａｎ、Ｓ．およびＭａｒａｎａｓ、Ｃ．Ｄ．、Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｍｉｘｅｄ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ  ｃａｓｃａｄｅ  ｃｙｃｌｅｓ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、第１８９巻、８号、１０５７〜１０７８ページ、２００２年
【０１４６】
本明細書の説明および特許請求の範囲の全体を通じて、語「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」ならびにこれらの語の変形は、「それを含むが、それだけに限定されない」ことを意味し、これらの語が、他の部分、追加物、構成要素、完全体またはステップを排除することは意図されておらず、これらの語は、他の部分、追加物、構成要素、完全体またはステップを排除しない。本明細書の説明および特許請求の範囲の全体を通じて、文脈がそうでないことを要求していないかぎり、単数形は複数形を包含する。特に、不定冠詞が使用されている場合、文脈がそうでないことを要求していないかぎり、本明細書は、複数および単数を企図していると理解すべきである。
【０１４７】
本発明の特定の態様、実施形態または例に関連して記載された特徴、完全体および特性は、両立しえない場合を除き、本明細書に記載された他の一切の態様、実施形態または例に適用することができることを理解されたい。本明細書（添付された特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示された全ての特徴、および／または本明細書（添付された特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示された方法もしくはプロセスの全てのステップは、そのような特徴および／またはステップのうちの少なくとも一部が相互排除である組合せを除く任意の組合せに組み合わせることができる。本発明は、上記の実施形態の詳細に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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