(57)【要約】      （修正有）【課題】炭化水素ストリームを冷却するための改良された方法およびシステムを提供する。【解決手段】ハイブリッド冷却システムおよび方法を使用することによって、天然ガス液化プロセスの効率を高めるためのシステムおよび方法。より具体的には、遷臨界予冷冷凍プロセスを未臨界プロセスに変換するためのシステムおよび方法。冷媒は、エコノマイザ５２５Ａを使用して未臨界温度まで冷却される。冷媒は、補助熱交換器を使用して、未臨界温度まで冷却される。随意に、周囲温度が十分に低いときには、エコノマイザ５２５Ａまたは補助熱交換器をバイパスして、冷媒を未臨界温度まで冷却することができる。冷媒は、等エントロピー的に膨張される。【選択図】図５
2019095176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の冷媒に対して炭化水素供給ストリームを冷却して、冷却された炭化水素ストリームを生成する方法であって、前記第１の冷媒が臨界温度を有し、前記方法が、
（ａ）１つ以上の圧縮段において、前記第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することと、
（ｂ）１つ以上の周囲熱交換器において、周囲流体に対して前記圧縮された第１の冷媒を冷却して、第１の温度の冷却された第１の冷媒を生成することと、
（ｃ）前記１つ以上の周囲熱交換器から下流に流体流連通して位置付けられた少なくとも１つの冷却回路の各々において、流体ストリームを冷却することであって、前記少なくとも１つの冷却回路の各々が、少なくとも１つの蒸発段を有し、各蒸発段において、
（ｉ）前記第１の冷媒を減圧するステップ、
（ｉｉ）蒸発器において、前記減圧された第１の冷媒に対して前記流体スト
リームを冷却し、前記減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分の蒸発をもたらす
ステップ、および
（ｉｉｉ）前記蒸発されて減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分を前記少なくとも
１つの圧縮段のうちの１つの中へ流すステップの各々が行われる、冷却することで      あって、
前記少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、前記炭化水素供給ストリームを含み、ステップ（ｃ）が、冷却された炭化水素ストリームを生成する、冷却することと、
（ｄ）ステップ（ｂ）の後、かつステップ（ｃ）の前に、前記第１の温度が前記第１の冷媒の前記臨界温度以上である場合に、少なくとも１つの補助熱交換器において、補助冷媒に対して前記冷却された第１の冷媒をさらに冷却して、第２の温度のさらに冷却された第１の冷媒を生成することであって、前記第２の温度が、前記第１の冷媒の前記臨界温度未満である、生成することと、
（ｅ）ステップ（ｂ）の後、かつステップ（ｃ）の前に、前記第１の温度が前記第１の冷媒の前記臨界温度未満である場合に、前記少なくとも１つの補助熱交換器をバイパスすることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの補助熱交換器が、エコノマイザを備え、前記補助冷媒が、前記第１の冷媒を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記補助冷媒が、前記炭化水素供給ストリームの少なくとも一部分である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの補助熱交換器が、閉ループ蒸気圧縮システムの一部である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記補助冷媒が、ハイドロフルオロカーボンまたはプロパンである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
（ｆ）少なくとも１つの液化熱交換器において、第２の冷媒ストリームに対して前記冷却された炭化水素ストリームをさらに冷却し、液化して、液化天然ガスストリームを生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、前記第２の冷媒を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の冷媒が、エタン、二酸化炭素、またはエチレンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）が、
（ａ）複数の圧縮段において前記第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｃ）が、前記エコノマイザから下流に位置付けられた複数の蒸発段において、少なくとも１つの流体ストリームを冷却することをさらに含み、前記ステップ（ｃ）（ｉ）〜（ｃ）（ｉｉｉ）が、前記複数の蒸発段の各々において行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
炭化水素供給ストリームを冷却するための装置であって、
第１の冷媒を圧縮するように動作的に構成された少なくとも１つの圧縮段と、
前記少なくとも１つの圧縮段と下流で流体流連通する少なくとも１つの周囲熱交換器であって、前記少なくとも１つの周囲熱交換器が、周囲流体に対する間接熱交換によって、前記第１の冷媒を第１の温度まで冷却するように動作的に構成される、少なくとも１つの周囲熱交換器と、
前記少なくとも１つの周囲熱交換器と下流で流体流連通する少なくとも１つの補助熱交換器であって、前記第１の冷媒を、前記第１の冷媒の前記臨界温度未満である第２の温度までさらに冷却するように動作的に構成される、少なくとも１つの補助熱交換器と、
前記少なくとも１つの補助熱交換器から下流に流体流連通して位置付けられた少なくとも１つの冷却回路であって、前記少なくとも１つの冷却回路の各々が、少なくとも１つの蒸発段を有し、前記蒸発段の各々が、蒸発器と上流で流体流連通する膨張弁を備え、前記蒸発器が、前記第１の冷媒に対して流体ストリームを冷却し、蒸発された第１の冷媒ストリームおよび冷却された流体ストリームを作り出すように動作的に構成され、前記蒸発段の各々が、前記少なくとも１つの圧縮段のうちの１つと流体流連通する蒸発された第１の冷媒回路をさらに備える、冷却回路と、
コントローラ、少なくとも１つの温度センサ、複数の弁、ならびに前記少なくとも１つの周囲熱交換器および前記少なくとも１つの冷却回路と流体流連通する少なくとも１つのバイパス回路を備えるバイパスシステムであって、（１）前記第１の温度が前記第１の冷媒の前記臨界温度以上であるときに、前記少なくとも１つのバイパス回路を通る前記第１の冷媒の流れを阻止し、かつ前記少なくとも１つの補助熱交換器を通る前記第１の冷媒の流れを可能にするように、および（２）前記第１の温度が前記第１の冷媒の前記臨界温度未満であるときに、前記少なくとも１つのバイパス回路を通る前記第１の冷媒の流れを可能にし、かつ前記少なくとも１つの補助熱交換器を通る前記第１の冷媒の流れを阻止するように、動作的に構成されたバイパスシステムと、を備え、
前記少なくとも１つの冷却回路のうちの少なくとも１つの前記流体ストリームが、前記炭化水素供給ストリームを含む、装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの補助熱交換器が、エコノマイザを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの補助熱交換器が、閉ループ蒸気圧縮システムの一部である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
第１の冷媒に対して炭化水素供給ストリームを冷却して、冷却された炭化水素ストリームを生成する方法であって、前記第１の冷媒が臨界温度を有し、前記方法が、
（ａ）少なくとも１つの圧縮段において、前記第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することと、
（ｂ）少なくとも１つの周囲熱交換器において、周囲流体に対して前記圧縮された第１の冷媒を冷却して、前記第１の冷媒の前記臨界温度以上である第１の温度の、冷却された第１の冷媒を生成することと、
（ｃ）前記周囲熱交換器から下流に流体連通して位置付けられた少なくとも１つの冷却回路の各々において、流体ストリームを冷却することであって、前記少なくとも１つの冷却回路の各々が、少なくとも１つの蒸発段を有し、各蒸発段において、
（ｉ）前記第１の冷媒を減圧するステップ、
（ｉｉ）蒸発器において、前記減圧された第１の冷媒に対して前記流体スト
リームを冷却し、前記減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分の蒸発をもたらす
ステップ、および
（ｉｉｉ）前記蒸発されて減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分を前記
少なくとも１つの圧縮段のうちの１つの中へ流すステップの各々が行われる、冷却
することと、を含み、
前記少なくとも１つの冷却回路の各々の前記少なくとも１つの蒸発段が、前記少なくとも１つの冷却回路の上流端に位置付けられた第１の蒸発段を備え、ステップ（ｃ）（ｉ）が、各第１の蒸発段において、
（ｃ）（ｉ）等エントロピー膨張装置を使用して前記第１の冷媒の第１の部分を減圧して、０．２以上かつ０．６以下の蒸気留分を有する第１の減圧された第１の冷媒を生成するステップを含み、
前記少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、前記炭化水素ストリームおよび第２の冷媒ストリームからなる群から選択される、方法。
【請求項１５】
（ｄ）少なくとも１つの液化熱交換器において、第２の冷媒ストリームに対して前記冷却された炭化水素ストリームをさらに冷却し、液化して、液化天然ガスストリームを生成することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、前記第２の冷媒を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の冷媒が、エタン、二酸化炭素、またはエチレンである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
ステップ（ａ）が、
（ａ）複数の圧縮段において前記第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
単一混合冷媒（ＳＭＲ）サイクル、プロパン予冷混合冷媒（Ｃ３ＭＲ）サイクル、２重混合冷媒（ＤＭＲ）サイクル、Ｃ３ＭＲ−窒素ハイブリッド（ＡＰ−Ｘ（商標）プロセスなど）サイクル、気相膨張プロセス（窒素またはメタン膨張器サイクルなど）、およびカスケードサイクルなどの、天然ガスを冷却、液化、および随意に過冷却するための液化システムは、当該技術分野でよく知られている。典型的には、このようなシステムにおいて、天然ガスは、１つ以上の冷媒との間接熱交換によって冷却され、液化され、随意に過冷却される。混合冷媒、純成分、２相冷媒、気相冷媒などの様々な冷媒が用いられ得る。純成分２相冷媒のいくつかの例は、プロパン、二酸化炭素、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、エタン、エチレンなどである。これらのうちのいくつかは、予冷サービスに特に適している。
【０００２】
窒素、メタン、エタン／エチレン、プロパン、ブタン、およびペンタンの混合物である混合冷媒（ＭＲ）が、多くのベースロード液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントにおいて使用されてきた。ＭＲストリームの組成は、典型的には、供給ガス組成および運転条件に基づいて最適化される。
【０００３】
冷媒は、１つ以上の熱交換器および１つ以上の冷媒圧縮システムを含む冷媒回路内を循環する。冷媒回路は、閉ループまたは開ループとすることができる。天然ガスは、熱交換器内での冷媒に対する間接熱交換によって冷却、液化、および／または過冷却される。
【０００４】
沸騰熱伝達は、一般的に使用される熱伝達モードであり、冷媒が１つ以上の圧力レベルで沸騰して、必要とされる冷却デューティを提供する。臨界点とは、液体の飽和液線と飽和蒸気線とが交差する、圧力−エンタルピー（Ｐ−Ｈ）線図上の点である。臨界温度とは、流体の熱力学的特性であり、また、臨界点での温度である。冷媒運転には、プロセス内のすべてのステップを常時臨界点未満で行う未臨界運転、およびプロセス内の少なくとも１つのステップが臨界点を超えて起こり、一方で、プロセス内の少なくとも１つのステップが臨界点未満で起こる遷臨界運転の２種類がある。
【０００５】
図１Ａは、単一圧力冷却プロセスのための未臨界運転のＰ−Ｈ線図を示す。冷媒蒸気（Ａ）は、Ｐ１の圧力およびＴ１の温度であり、圧力Ｐ２および温度Ｔ２（Ｂ）まで圧縮される。次いで、圧縮された蒸気は、露点（Ｃ）まで過熱戻しされ、泡点（Ｄ）まで凝縮され、そして、過冷却されて、過冷却された液体（Ｅ）を生成する。Ｅでの温度は、後段冷却器の出口温度であり、また、ＴＡＣとも称され、図１Ａに等温線で示される。次いで、過冷却された液体は、最初の圧力Ｐ１（Ｆ）まで減圧される。冷媒の液体成分は、点Ｆにおいて蒸発して、サイクルを完成させ、気相（Ａ）に戻る。ステップＢ〜Ｅの間に、周囲空気または冷却水に対して廃熱し、ステップＦ〜Ａの間に、プロセスは、冷却デューティを、天然ガス供給ストリームおよび／または別の冷媒などのプロセスストリームに提供する。
【０００６】
図１Ｂは、単一圧力冷却プロセスのための遷臨界運転のＰ−Ｈ線図を示す。このサイクル線図は、図１Ａの線図に類似するが、廃熱ステップＢ〜Ｅは、臨界点を超えて起こる。臨界温度（ＴＣＲＩＴ）は、等温線で示される。このプロセスは、圧力Ｐ１および臨界温度未満の温度Ｔ１の冷媒蒸気（Ａ）から始まる。次いで、圧力Ｐ２および臨界温度を超える温度Ｔ２（Ｂ）まで圧縮される。臨界点を超えると、流体は、異なった気相および液相を保有しない。したがって、点Ｂから点Ｅまで冷却されたときに凝縮しない。この流体は、点Ｂでは蒸気様の特性を呈し、点Ｅでは液体様の特性を呈する。しかしながら、凝結プロセス（Ｃ〜Ｄ）中に温度が一定のままである未臨界凝縮プロセスとは異なり、遷臨界廃熱ステップ中に、温度が連続的に低下する。遷臨界プロセスのための廃熱ステップは、未臨界プロセスのための廃熱ステップよりも効率が低い場合があり、これは、遷臨界プロセスの欠点である。
【０００７】
廃熱後のＥにおける温度は、未臨界運転および遷臨界運転の双方について、周囲温度に熱交換器のアプローチ温度を加えることによって設定される。臨界点を超える等温線（一定温度線）の垂直な性質のため、Ｅは、遷臨界運転の場合、グラフの中央部分にある。したがって、冷媒をＥからＦまで減圧したときに、大量の蒸気を伴う２相ストリームが生成される。したがって、Ｆにおける冷媒は、未臨界プロセスよりも遷臨界プロセスにおいて高い蒸気留分を有する。これは、蒸発して、必要とされる冷却デューティを提供する、Ｆにおける冷媒の液体成分である。したがって、Ｆにおける高い蒸気留分のため、遷臨界プロセスは、本質的に、未臨界プロセスよりも低いプロセス効率を有する。
【０００８】
周囲冷却器出口温度であるＥにおける温度は、周囲温度に、周囲に近い任意の温度を加えたものによって与えられ、また、未臨界運転が行われているのか、遷臨界運転が行われているのかを判定する際の重要な因子である。周囲冷却器出口温度が臨界温度よりも低い場合は、図１Ａにあるように、未臨界運転が行われる。周囲冷却器出口温度が臨界温度以上である場合は、図１Ｂにあるように、遷臨界運転が行われる。
【０００９】
プロパンおよび混合冷媒などの冷媒は、高温周囲条件の場合であっても、典型的な周囲冷却器出口温度を十分に超える臨界温度を有し、したがって、未臨界運転を有する。二酸化炭素およびエタンは、摂氏約３１度の臨界温度を有する。エチレンは、摂氏約１０度の臨界温度を有する。周囲温度に応じて、二酸化炭素、エタン、およびエチレンは、典型的な高温周囲条件および平均周囲条件の場合に、遷臨界運転を有することになり、したがって、低い運転効率を有することになる。これは、遷臨界運転の重大な欠点である。
【００１０】
遷臨界運転による別の問題は、周囲温度スイングによる冷媒インベントリ管理である。遷臨界運転の場合、廃熱ステップＢ〜Ｅは、臨界点を超えて行われ、いかなる凝結も存在しない。冷媒が冷却されるにつれて、冷媒の温度が連続的に減少し、冷媒の密度が増加する。Ｅにおける冷媒は、液体様の密度を有するが、液体ではない。故に、インベントリ管理プロシージャは、好ましくは、気相冷媒インベントリが管理される方法に類似する様態で、圧力に基づく。周囲温度が低下するにつれて、周囲冷却器出口温度は、この時点で臨界温度よりも低くなり、運転は、未臨界運転に切り替わる。冷媒は、Ｅにおいて完全に凝縮され、過冷却される。したがって、インベントリ管理プロシージャは、好ましくは、液位制御を使用して、液体冷媒の場合のものに基づく。換言すれば、運転が、周囲温度スイングによって遷臨界から未臨界に切り替わるときに、インベントリ管理方法も同様に変更することが必要になり得る。これは、遷臨界冷媒に関連する運転上の難題である。
【００１１】
例えば、二酸化炭素は、不燃性であり、また、フローティングＬＮＧ（ＦＬＮＧ）用途において利点を有する。ＦＬＮＧは、冷媒の低体積流量を可能にする高い密度だけでなく、小さい配管サイズも有する。しかしながら、ＦＬＮＧは、遷臨界運転に関して本明細書で述べられる問題のため、天然ガス液化用途には好ましくなかった。
【００１２】
したがって、遷臨界運転と関連付けられた問題を解決し、かつＬＮＧサービスに対する遷臨界溶媒の使用を可能にするための効率的な方法およびシステムに対する、満たされていない必要性が存在する。
【発明の概要】
【００１３】
この発明の概要は、発明を実施するための形態において下でさらに説明される概念の選択したものを簡略形態で紹介する。この発明の概要は、特許請求された主題の主な特徴または本質的な特徴を識別することを意図しておらず、特許請求された主題の範囲を限定するために使用することも意図していない。
【００１４】
いくつかの実施形態は、下で説明するように、および以下に続く特許請求の範囲によって定義されるように、ＬＮＧ液化プロセスの一部として使用される冷却および液化システムの改良を含む。いくつかの実施形態は、ハイブリッド冷却システムを使用し、それによって、ＬＮＧサービスに対する他の遷臨界冷媒の使用を可能にすることによって、当技術分野における必要性を満たす。
【００１５】
加えて、システムおよび方法のいくつかの特定の態様を下に概説する。
【００１６】
態様１：第１の冷媒に対して炭化水素供給ストリームを冷却して、冷却された炭化水素ストリームを生成する方法であって、第１の冷媒が臨界温度を有し、該方法が、
（ａ）１つ以上の圧縮段において、第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することと、
（ｂ）１つ以上の周囲熱交換器において、周囲流体に対して圧縮された第１の冷媒を冷却して、第１の温度の冷却された第１の冷媒を生成することと、
（ｃ）１つ以上の周囲熱交換器から下流に流体流連通して位置付けられた少なくとも１つの冷却回路の各々において、流体ストリームを冷却することであって、少なくとも１つの冷却回路の各々が、少なくとも１つの蒸発段を有し、各蒸発段において、
（ｉ）第１の冷媒を減圧するステップ、
（ｉｉ）蒸発器において、減圧された第１の冷媒に対して流体ストリームを
冷却し、減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分の蒸発をもたらすステップ、お
よび
（ｉｉｉ）蒸発されて減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分を少なくと
も１つの圧縮段のうちの１つの中へ流すステップの各々が行われる、冷却すること
であって、
少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、炭化水素供給ストリームを含み、ステップ（ｃ）が、冷却された炭化水素ストリームを生成する、冷却することと、
（ｄ）ステップ（ｂ）の後、かつステップ（ｃ）の前に、第１の温度が第１の冷媒の臨界温度以上である場合に、少なくとも１つの補助熱交換器において、補助冷媒に対して第１の冷媒をさらに冷却して、第２の温度のさらに冷却された第１の冷媒を生成することであって、第２の温度が、第１の冷媒の臨界温度未満である、生成することと、
（ｅ）ステップ（ｂ）の後、かつステップ（ｃ）の前に、第１の温度が第１の冷媒の臨界温度未満である場合に、少なくとも１つの補助をバイパスすることと、を含む、方法。
【００１７】
態様２：少なくとも１つの補助熱交換器が、エコノマイザを備え、補助冷媒が、第１の冷媒を備える、態様１に記載の方法。
【００１８】
態様３：補助冷媒が、炭化水素供給ストリームの少なくとも一部分である、態様１または２のいずれかに記載の方法。
【００１９】
態様４：少なくとも１つの補助熱交換器が、閉ループ蒸気圧縮システムの一部である、態様１〜３のいずれかに記載の方法。
【００２０】
態様５：補助冷媒が、ハイドロフルオロカーボンまたはプロパンである、態様４に記載の方法。
【００２１】
態様６：
（ｆ）少なくとも１つの液化熱交換器において、第２の冷媒ストリームに対して冷却された炭化水素ストリームをさらに冷却し、液化して、液化天然ガスストリームを生成することをさらに含む、態様１〜５のいずれかに記載の方法。
【００２２】
態様７：少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、第２の冷媒を含む、態様６に記載の方法。
【００２３】
態様８：第１の冷媒が、エタン、二酸化炭素、またはエチレンを含む、態様１〜７のいずれかに記載の方法。
【００２４】
態様９：ステップ（ａ）が、
（ａ）複数の圧縮段において第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することをさらに含む、態様１〜８のいずれかに記載の方法。
【００２５】
態様１０：ステップ（ｃ）が、エコノマイザから下流に位置付けられた複数の蒸発段において、少なくとも１つの流体ストリームを冷却することをさらに含み、ステップ（ｃ）（ｉ）〜（ｃ）（ｉｉｉ）が、複数の蒸発段の各々において行われる、態様９に記載の方法。
【００２６】
態様１１：炭化水素供給ストリームを冷却するための装置であって、
第１の冷媒を圧縮するように動作的に構成された少なくとも１つの圧縮段と、
少なくとも１つの圧縮段と下流で流体流連通する少なくとも１つの周囲熱交換器であって、少なくとも１つの周囲熱交換器が、周囲流体に対する間接熱交換によって、第１の冷媒を第１の温度まで冷却するように動作的に構成される、少なくとも１つの周囲熱交換器と、
少なくとも１つの周囲熱交換器と下流で流体流連通する少なくとも１つの補助熱交換器であって、第１の冷媒を、第１の冷媒の臨界温度未満である第２の温度までさらに冷却するように動作的に構成される、少なくとも１つの補助熱交換器と、
少なくとも１つの補助熱交換器から下流に流体流連通して位置付けられた少なくとも１つの冷却回路であって、少なくとも１つの冷却回路の各々が、少なくとも１つの蒸発段を有し、蒸発段の各々が、蒸発器と上流で流体流連通する膨張弁を備え、蒸発器が、第１の冷媒に対して流体ストリームを冷却し、蒸発された第１の冷媒ストリームおよび冷却された流体ストリームを作り出すように動作的に構成され、蒸発段の各々が、少なくとも１つの圧縮段のうちの１つと流体流連通する蒸発された第１の冷媒回路をさらに備える、冷却回路と、
コントローラ、少なくとも１つの温度センサ、複数の弁、ならびに少なくとも１つの周囲熱交換器および少なくとも１つの冷却回路と流体流連通する少なくとも１つのバイパス回路を備えるバイパスシステムであって、（１）第１の温度が第１の冷媒の臨界温度以上であるときに、少なくとも１つのバイパス回路を通る第１の冷媒の流れを阻止し、かつ少なくとも１つの補助熱交換器を通る第１の冷媒の流れを可能にするように、および（２）第１の温度が第１の冷媒の臨界温度未満であるときに、少なくとも１つのバイパス回路を通る第１の冷媒の流れを可能にし、かつ少なくとも１つの補助熱交換器を通る第１の冷媒の流れを阻止するように、動作的に構成される、バイパスシステムと、を備え、
少なくとも１つの冷却回路のうちの少なくとも１つの流体ストリームが、炭化水素供給ストリームを含む、装置。
【００２７】
態様１２：少なくとも１つの補助熱交換器が、エコノマイザを備える、態様１１に記載の装置。
【００２８】
態様１３：少なくとも１つの補助熱交換器が、閉ループ蒸気圧縮システムの一部である、態様１１または１２に記載の装置。
【００２９】
態様１４：補助冷媒が、ハイドロフルオロカーボンまたはプロパンを含む、態様１３に記載の装置。
【００３０】
態様１５：少なくとも１つの液化熱交換器において、第２の冷媒ストリームに対して炭化水素ストリームをさらに冷却し、液化して、液化された天然ガスストリームを生成するように動作的に構成された液化熱交換器をさらに備える、態様１１〜１４のいずれかに記載の装置。
【００３１】
態様１６：第１の冷媒に対して炭化水素供給ストリームを冷却して、冷却された炭化水素ストリームを生成する方法であって、第１の冷媒が臨界温度を有し、該方法が、
（ａ）少なくとも１つの圧縮段において、第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することと、
（ｂ）少なくとも１つの周囲熱交換器において、周囲流体に対して圧縮された第１の冷媒を冷却して、第１の冷媒の臨界温度以上である第１の温度の、冷却された第１の冷媒を生成することと、
（ｃ）周囲熱交換器から下流に流体連通して位置付けられた少なくとも１つの冷却回路の各々において、流体ストリームを冷却することであって、少なくとも１つの冷却回路の各々が、少なくとも１つの蒸発段を有し、各蒸発段において、
（ｉ）第１の冷媒を減圧するステップ、
（ｉｉ）蒸発器において、減圧された第１の冷媒に対して流体ストリームを
冷却し、減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分の蒸発をもたらすステップ、お
よび
（ｉｉｉ）蒸発されて減圧された第１の冷媒の少なくとも一部分を少なくと
も１つの圧縮段のうちの１つの中へ流すステップの各々が行われる、冷却すること
と、を含み、
少なくとも１つの冷却回路の各々の少なくとも１つの蒸発段が、少なくとも１つの冷却回路の上流端に位置付けられた第１の蒸発段を備え、ステップ（ｃ）（ｉ）が、各第１の蒸発段において、
（ｃ）（ｉ）等エントロピー膨張装置を使用して第１の冷媒の第１の部分を減圧して、０．２以上かつ０．６以下の蒸気留分を有する第１の減圧された第１の冷媒を生成するステップを含み、
少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、炭化水素ストリームおよび第２の冷媒ストリームからなる群から選択される、方法。
【００３２】
態様１７：
（ｄ）少なくとも１つの液化熱交換器において、第２の冷媒ストリームに対して冷却された炭化水素ストリームをさらに冷却し、液化して、液化天然ガスストリームを生成することをさらに含む、態様１６に記載の方法。
【００３３】
態様１８：少なくとも１つの冷却回路において冷却される少なくとも１つの流体ストリームが、第２の冷媒を含む、態様１７に記載の方法。
【００３４】
態様１９：第１の冷媒がエタン、二酸化炭素、またはエチレンである、態様１６〜１８のいずれかに記載の方法。
【００３５】
態様２０：ステップ（ａ）が、
複数の圧縮段において第１の冷媒を圧縮して、圧縮された第１の冷媒を生成することをさらに含む、態様１６〜１９のいずれかに記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】図１Ａは、先行技術に従う未臨界冷却プロセスの圧力対エンタルピー（Ｐ−Ｈ）線図である。
【００３７】
【図１Ｂ】図１Ｂは、先行技術に従う遷臨界冷却プロセスの圧力対エンタルピー（Ｐ−Ｈ）線図である。
【００３８】
【図２】図２は、先行技術に従う予備冷却気相膨張システムの概略的な流れ線図である。
【００３９】
【図３】図３は、先行技術に従う予備冷却ＭＲシステムの概略的な流れ線図である。
【００４０】
【図４】図４は、先行技術に従う冷却システムの概略的な流れ線図である。
【００４１】
【図５】図５は、第１の実施形態に従う冷却システムの概略的な流れ線図である。
【００４２】
【図６】図６は、第２の実施形態に従う冷却システムの概略的な流れ線図である。
【００４３】
【図７】図７は、第３の実施形態に従う冷却システムの概略的な流れ線図である。
【００４４】
【図８】図８は、第４の実施態様に従う冷却システムの概略的な流れ線図である。
【００４５】
【図９】図９は、第３および第４の実施形態に従う補助冷媒システムの第１の実施形態の概略的な流れ線図である。
【００４６】
【図１０】図１０は、第３および第４の実施形態に従う補助冷媒システムの第２の実施形態の概略的な流れ線図である。
【００４７】
【図１１】図１１は、第３および第４の実施形態に従う補助冷媒システムの第３実施例の概略的な流れ線図である。
【００４８】
【図１２Ａ】図１２Ａは、等エントロピー膨張を有する遷臨界冷却プロセスの圧力対エンタルピー（Ｐ−Ｈ）線図である。
【００４９】
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第５の実施形態に従う冷却システムの概略的な流れ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下の詳細な説明は、好ましい例示的な実施形態のみを提供するものであり、範囲、適用性、または構成を限定することを意図しない。むしろ、好ましい例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、当業者に、好ましい例示的な実施形態を実現するための実際的な説明を提供する。それらの趣旨および範囲から逸脱することなく、要素の機能および配設において様々な変更を行うことができる。
【００５１】
図面に関連して本明細書に導入された参照番号は、他の特徴のための文脈を提供するために、明細書内に追加的な説明を伴うことなく、１つ以上のその後の図面において繰り返され得る。
【００５２】
特許請求の範囲において、特許請求されたステップを識別するために文字（例えば、（ａ）、（ｂ）、および（ｃ））が使用される。これらの文字は、そのような順序が特許請求の範囲に具体的に列挙されている場合を除き、かつ列挙されている範囲でのみ、方法のステップを参照する際に支援するために使用され、特許請求されたステップが行われる順序を示すことを意図しない。
【００５３】
方向用語は、本明細書および特許請求の範囲において、開示される実施形態の部分（例えば、上、下、左、右など）を説明するために使用され得る。これらの方向用語は、単に例示的な実施形態を説明する際に支援することを意図したものであり、特許請求の範囲に記載の範囲を限定することを意図しない。本明細書において使用するとき、「上流」という用語は、導管内の流体が基準点から流れる方向と反対である方向を意味することを意図する。同様に、「下流」という用語は、導管内の流体が基準点から流れる方向と同じである方向を意味することを意図する。
【００５４】
本明細書で別途指示がない限り、本明細書、図面、および特許請求の範囲において識別される任意のおよびすべてのパーセンテージは、重量パーセント基準であると理解されるべきである。本明細書で別途指示がない限り、本明細書、図面、および特許請求の範囲において識別される任意のおよびすべての圧力は、ゲージ圧力を意味すると理解されるべきである。
【００５５】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「流体流連通」という用語は、液体、蒸気、および／または２相混合物が、制御された様式で（すなわち、漏出を伴わずに）、構成要素間で直接的または間接的のいずれかで輸送されることを可能にする、２つ以上の構成要素間の接続性の性質を指す。２つ以上の構成要素が相互に流体流連通するように２つ以上の構成要素を連結することは、溶接、フランジ付き導管、ガスケット、およびボルトの使用などの、当該技術分野において既知の任意の適切な方法を含むことができる。２つ以上の構成要素はまた、構成要素を分離することができる他のシステム構成要素、例えば、流体流を選択的に制限する、または方向付けることができる弁、ゲート、または他のデバイスを介してともに連結され得る。
【００５６】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「導管」という用語は、システムの２つ以上の構成要素間で流体を輸送することができる１つ以上の構造を指す。例えば、導管としては、液体、蒸気、および／またはガスを輸送するパイプ、ダクト、通路、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。
【００５７】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「天然ガス」という用語は、主にメタンからなる炭化水素ガス混合物を意味する。
【００５８】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「炭化水素ガス」または「炭化水素流体」という用語は、少なくとも１つの炭化水素を含むガス／流体を意味し、炭化水素は、ガス／流体の組成全体の少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％を構成する。
【００５９】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「混合冷媒」（「ＭＲ」と略記する）という用語は、少なくとも２つの炭化水素を含む流体を意味し、炭化水素は、冷媒の組成全体の少なくとも８０％を構成する。
【００６０】
「バンドル」および「チューブバンドル」という用語は、本明細書内で交換可能に使用され、同義語であることが意図される。
【００６１】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「周囲流体」という用語は、周囲圧力および温度またはその近くでシステムに提供される流体を意味する。
【００６２】
「圧縮回路」という用語は、本明細書では、互いに流体連通し、直列に配設された（以下、「直列流体流連通」と称する）構成要素および導管を指し、第１の圧縮機または圧縮段から上流で開始し、最後の圧縮機または圧縮段から下流で終了する。「圧縮シーケンス」という用語は、関連付けられた圧縮回路を備える構成要素および導管によって行われるステップを指すことを意図する。
【００６３】
本明細書および特許請求の範囲で使用するとき、「高−高」、「高」、「中」、「低」、および「低−低」は、これらの用語が使用される要素の特性の相対値を表すことを意図する。例えば、高−高圧ストリームは、本明細書において説明または特許請求される、対応する高圧ストリームまたは中圧ストリームまたは低圧ストリームよりも高い圧力を有するストリームを示すことを意図する。同様に、高圧ストリームは、本明細書において説明または特許請求される、対応する中圧ストリームまたは低圧ストリームよりも高いが、本明細書において説明または特許請求される、対応する高−高圧ストリームよりも低いストリームを示すことを意図する。同様に、中圧ストリームは、本明細書において説明または特許請求される、対応する低圧ストリームよりも高いが、本明細書において説明または特許請求される、対応する高圧ストリームよりも低い圧力を有するストリームを示すことを意図する。
【００６４】
本明細書において使用するとき、「寒剤」または「極低温流体」という用語は、摂氏−７０度未満の温度を有する液体、ガス、または混合相流体を意味することを意図する。寒剤の例としては、液体窒素（ＬＩＮ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体ヘリウム、液体二酸化炭素、加圧した混合相寒剤（例えば、ＬＩＮと気体窒素との混合物）が挙げられる。本明細書において使用するとき、「極低温」という用語は、摂氏−７０度未満の温度を意味することを意図する。
【００６５】
本明細書において使用するとき、「圧縮機」という用語は、ケーシング内に含まれた少なくとも１つの圧縮段を有し、流体ストリームの圧力を増加させるデバイスを意味することを意図する。
【００６６】
本明細書において使用するとき、流体の「臨界点」という用語は、飽和液線と飽和蒸気線とが交差する、流体のＰ−Ｈ線図上の点である。
【００６７】
本明細書において使用するとき、「未臨界」という用語は、冷媒の臨界点未満で起こるプロセスを指すことを意図する。
【００６８】
本明細書において使用するとき、「遷臨界」という用語は、冷媒の臨界点未満で起こる１つ以上のステップ、および冷媒の臨界点を超えて起こる１つ以上のステップを含むプロセスを指すことを意図する。
【００６９】
本明細書において使用するとき、「等温線」という用語は、一定温度線を指すことを意図する。
【００７０】
本明細書において使用するとき、「蒸気圧縮サイクル」という用語は、冷凍サイクル中に冷媒が相変化を受ける冷凍サイクルを指すことを意図する。例えば、蒸気冷媒は、圧縮され、冷却され、そして少なくとも部分的に凝縮され、次いで、減圧され、そして少なくとも部分的に蒸発されて、冷凍デューティを提供する。
【００７１】
本明細書において使用するとき、「蒸気膨張サイクル」という用語は、サイクル中に冷媒が気相にあり、かつ相変化を受けない冷凍サイクルを指すことを意図する。例えば、蒸気冷媒は、圧縮され、相変化を伴わずに冷却され、次いで、減圧され、そして加温されて、冷媒デューティを提供する。
【００７２】
本明細書において使用するとき、「閉ループ蒸気圧縮サイクル」という用語は、定常運転中にいかなる冷媒もサイクルに加えられない、またはサイクルから除去されない（漏出および冷媒の補給の可能性を除く）蒸気圧縮サイクルを指すことを意図する。本明細書で開示されるすべての実施形態において、予冷冷凍サイクルは、閉ループ蒸気圧縮サイクルである。
【００７３】
本明細書において使用するとき、「エコノマイザ」という用語は、明細書において使用するとき、流体ストリームと、異なる温度の同じ流体ストリームの少なくとも一部分との間接熱交換を提供するように動作的に構成される熱交換器を意味することを意図する。
【００７４】
表１は、説明される実施形態を理解するための支援として、明細書および図面を通して用いられる頭字語のリストを定義する。
【表１】
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【００７５】
説明される実施形態は、炭化水素流体の液化のための効率的プロセスを提供し、特に、天然ガスの液化に適用することができる。
【００７６】
図２を参照すると、先行技術の典型的な予冷気相膨張プロセスが示される。この配設において、予冷デューティは、２相冷媒および液化を使用した沸騰熱伝達によって提供され、過冷却デューティは、気相冷媒を使用した顕熱伝達によって提供される。ガス冷媒のいくつかの例としては、窒素、メタン、およびそれらの組み合わせが挙げられる。
【００７７】
好ましくは天然ガスである供給ストリーム２００は、前処理区間２９０において、既知の方法によって清浄にし、乾燥して、水分、ＣＯ２およびＨ２Ｓなどの酸性ガス、水銀などの他の汚染物質を除去し、前処理された供給ストリーム２０１をもたらす。本質的に水を含まない前処理された供給ストリーム２０１は、予冷システム２１８において予冷されて、予冷された天然ガスストリーム２０５を生成し、そして、主低温熱交換器（ＭＣＨＥ）２０８（主熱交換器とも称される）において、さらに冷却され、液化され、および／または過冷されて、ＬＮＧストリーム２０６を生成する。ＬＮＧストリーム２０６は、好ましくは、該ＬＮＧストリームを弁またはタービン（図示せず）に通すことによって減圧され、次いで、ＬＮＧ貯蔵タンク２０９に送られる。タンクの減圧中および／またはボイルオフ中に生成される任意のフラッシュ蒸気は、ストリーム２０７によって表され、該フラッシュ蒸気は、プラント燃料として使用するか、リサイクルして供給するか、または通気することができる。
【００７８】
「本質的に水を含まない」という用語は、前処理された供給ストリーム２０１内の任意の残留水が、冷却および液化プロセスの下流における水の凍結と関連付けられた動作上の問題を防止するのに十分に低い濃度で存在することを意味する。本明細書で説明される実施形態において、水濃度は、好ましくは１．０ｐｐｍ以下、より好ましくは０．１ｐｐｍ〜０．５ｐｐｍである。
【００７９】
前処理された供給ストリーム２０１は、好ましくは摂氏１０度未満に、より好ましくは摂氏約０度未満に、および最も好ましくは摂氏約−３０度の温度に予冷される。予冷された天然ガスストリーム２０５は、好ましくは摂氏約−１５０度〜摂氏約−７０度、より好ましくは摂氏約−１４５度〜摂氏約−１００度の温度に液化され、その後に、好ましくは摂氏約−１７０度〜摂氏約−１２０度、より好ましくは摂氏約−１７０度〜摂氏約−１４０度まで過冷される。ＭＥＣＨ２０８は、１つ以上のバンドルを有するコイル式熱交換器、プレートフィン式熱交換器、コアインケトル式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などの任意の種類の熱交換器、および天然ガスの過冷の液化に適した任意の他の種類の熱交換器とすることができる。さらに、並列の直列の１つ以上の熱交換器を使用することができる。いくつかの事例では、エコノマイザ熱交換器も使用することができる。
【００８０】
図２に例示されるように、冷却された予冷冷媒２１０は、少なくとも前処理された供給ストリーム２０１に対して加温されて、加温低圧予冷冷媒２１４を生成する。加温低圧予冷冷媒２１４は、４つの圧縮機段２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃ、２１６Ｄを備えることができる１つ以上の予冷冷媒圧縮機（複数可）２１６において圧縮される。中圧レベルの３つの副ストリーム２１１、２１２、および２１３は、それぞれ、予冷冷媒圧縮機２１６の最終２１６Ｄ段、第３の２１６Ｃ段、および第２の２１６Ｂ段において予冷冷媒圧縮機２１６に進入する。圧縮された予冷冷媒２１５は、予冷冷媒凝縮器２１７として描写される、過熱戻し器、凝縮器、および／または過冷却器熱交換器などの、１つ以上の熱交換器において冷却されて、必要とされる予冷デューティを提供する冷却された予冷冷媒２１０を生成する。
【００８１】
予冷冷媒凝縮器２１７は、好ましくは空気または水などの周囲流体に対して熱を交換する。図２は、予冷冷媒圧縮の４つの段を示すが、任意の数の圧縮機段を用いることができる。多数の圧縮機段が説明または特許請求されるときに、そのような多数の圧縮機段は、単一の多段圧縮機、多数の圧縮機、またはこれらの組み合わせを備えることができることを理解されたい。圧縮機は、単一のケーシング内、または多数のケーシング内とすることができる。予冷冷媒を圧縮するプロセスは、本明細書において、概して、予冷圧縮シーケンスと称され、図４において詳細に説明される。予冷冷媒のいくつかの例としては、プロパン、ＭＲ、二酸化炭素、ＨＦＣ、エタン、エチレンなどが挙げられる。
【００８２】
加温液化冷媒２３０は、ＭＣＨＥ２０８から取り出され、高圧（ＨＰ）圧縮機２５７において圧縮されて、圧縮された液化冷媒２３８を生成する。１つ以上の冷媒圧縮機、圧縮段を随意の中間冷却とともに使用することができる。圧縮された液化冷媒２３８は、高圧後段冷却器２５８において、周囲空気または水に対して冷却されて、気相の冷却された液化冷媒２３９を生成する。１つ以上の熱交換器を使用することができる。高圧後段冷却器２５８は、プレートフィン式熱交換器またはシェルアンドチューブ式熱交換器などの任意の種類のものとすることができる。冷却された液化冷媒２３９は、予冷システム２１８において、予冷冷媒に対して予冷されて、予冷された液化冷媒２４０を生成する。予冷された液化冷媒２４０は、１つ以上の気相膨張器２４８において膨張させて、膨張させた気相冷媒２４９を生成することができ、該気相冷媒は、ＭＣＨＥ２０８に送られて、必要とされる液化および過冷デューティを提供する。
【００８３】
図２の液化および過冷システムは、窒素、メタン、またはこれらの組み合わせを使用することができる。プロセスからの供給ガスまたはフラッシュガスを開ループまたは閉ループシステムにおいて使用することができる。また、独立した気相冷媒システムを使用して、直列または並列に１つ以上の冷却システムも備えることができる。さらに、１つ以上の気相膨張器、圧縮機−膨張器アセンブリ（コンパンダー）、エコノマイザ熱交換器、および他の変形物を用いることができる。
【００８４】
図３を参照すると、先行技術の典型的な予冷ＭＲプロセスが示される。好ましくは天然ガスである供給ストリーム３００は、前処理区間３９０において、既知の方法によって清浄にし、乾燥して、水分、ＣＯ２およびＨ２Ｓなどの酸性ガス、水銀などの他の汚染物質を除去し、前処理された供給ストリーム３０１をもたらす。本質的に水を含まない前処理された供給ストリーム３０１は、予冷システム３１８において予冷されて、予冷された天然ガスストリーム３０５を生成し、そして、主低温熱交換器（ＭＣＨＥ）３０８（主熱交換器とも称される）において、さらに冷却され、液化され、および／または過冷されて、ＬＮＧストリーム３０６を生成する。ＬＮＧストリーム３０６は、好ましくは該ＬＮＧストリームを弁またはタービン（図示せず）に通すことによって減圧され、次いで、ＬＮＧ貯蔵タンク３０９に送られる。タンクの減圧中および／またはボイルオフ中に生成される任意のフラッシュ蒸気は、ストリーム３０７によって表され、該フラッシュ蒸気は、プラント燃料として使用するか、リサイクルして供給するか、または通気することができる。
【００８５】
前処理された供給ストリーム３０１は、好ましくは摂氏１０度未満に、より好ましくは摂氏約０度未満に、および最も好ましくは摂氏約−３０度の温度に予冷される。予冷された天然ガスストリーム３０５は、好ましくは摂氏約−１５０度〜摂氏約−７０度、より好ましくは摂氏約−１４５度〜摂氏約−１００度の温度に液化され、その後に、好ましくは摂氏約−１７０度〜摂氏約−１２０度、より好ましくは摂氏約−１７０度〜摂氏約−１４０度まで過冷される。図３に示されるＭＣＨＥ３０８は、３つのバンドルを有するコイル式熱交換器である。しかしながら、任意の数のバンドルおよび任意の交換器の種類（複数可）を利用することができる。
【００８６】
「本質的に水を含まない」という用語は、前処理された供給ストリーム３０１内の任意の残留水が、冷却および液化プロセスの下流における水の凍結と関連付けられた動作上の問題を防止するのに十分に低い濃度で存在することを意味する。本明細書で説明される実施形態において、水濃度は、好ましくは１．０ｐｐｍ以下、より好ましくは０．１ｐｐｍ〜０．５ｐｐｍである。
【００８７】
図３に例示されるように、冷却された予冷冷媒３１０は、少なくとも前処理された供給ストリーム３０１に対して加温されて、加温低圧予冷冷媒３１４を生成する。加温低圧予冷冷媒３１４は、４つの圧縮機段３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄを備えることができる１つ以上の予冷冷媒圧縮機（複数可）３１６において圧縮される。中圧レベルの３つの副ストリーム３１１、３１２、および３１３は、それぞれ、予冷冷媒圧縮機３１６の最終３１６Ｄ段、第３の３１６Ｃ段、および第２の３１６Ｂ段において予冷冷媒圧縮機３１６に進入する。圧縮された予冷冷媒３１５は、予冷冷媒凝縮器３１７を伴って図３に示される１つ以上の熱交換器において冷却されて、必要とされる冷却デューティを提供する冷却された予冷冷媒３１０を生成する。
【００８８】
予冷冷媒液体は、蒸発して、加温低圧予冷冷媒３１４を生成する。予冷冷媒凝縮器３１７は、好ましくは、空気または水が挙げられるが、これらに限定されない周囲流体に対して熱を交換する。図は、予冷冷媒圧縮の４つの段を示すが、任意の数の圧縮機段を用いることができる。多数の圧縮機段が説明または特許請求されるときに、そのような多数の圧縮機段は、単一の多段圧縮機、多数の圧縮機、またはこれらの組み合わせを備えることができることを理解されたい。圧縮機は、単一のケーシング内、または多数のケーシング内とすることができる。予冷冷媒を圧縮するプロセスは、本明細書において、概して、予冷圧縮シーケンスと称され、図４において詳細に説明される。
【００８９】
加温液化冷媒３３０は、ＭＣＨＥ３０８から取り出され、コイル式熱交換器の場合には、該加温液化冷媒は、ＭＣＨＥ３０８のシェル側の底部から取り出される。加温液化冷媒３３０は、低圧吸引ドラム３５０を通して任意の液体を分離し、蒸気ストリーム３３１は、低圧（ＬＰ）圧縮機３５１において圧縮されて、中圧ＭＲストリーム３３２を生成する。加温液化冷媒３３０は、好ましくは、予冷冷媒予冷温度またはその近くで、好ましくは摂氏約−３０度および１０ｂａｒ（１４５ｐｓｉａ）未満の圧力で取り出される。中圧ＭＲストリーム３３２は、低圧後段冷却器３５２において冷却されて、冷却された中圧ＭＲストリーム３３３を生成し、該中圧ＭＲストリームから、中圧吸引ドラム３５３において任意の液体が排出されて、中圧（ＭＰ）圧縮機３５４においてさらに圧縮される中圧蒸気ストリーム３３４を生成する。結果として生じる高圧ＭＲストリーム３３５は、中圧後段冷却器３５５において冷却されて、冷却された高圧ＭＲストリーム３３６を生成する。冷却された高圧ＭＲストリーム３３６は、高圧吸引ドラム３５６に送られ、該高圧吸引ドラムにおいて任意の液体が排出される。結果として生じる高圧蒸気ストリーム３３７は、高圧（ＨＰ）圧縮機３５７においてさらに圧縮されて、圧縮された液化冷媒３３８を生成し、該液化冷媒は、高圧後段冷却器３５８において冷却されて、冷却された高−高圧（ＨＨＰ）ＭＲストリーム３３９を生成する。次いで、冷却されたＨＨＰ  ＭＲストリーム３３９は、予冷システム３１８において、蒸発予冷冷媒に対して冷却されて、予冷された液化冷媒３４０を生成し、次いで、該液化冷媒は、気液分離器３５９に送られて、ＭＲＬストリーム３４１およびＭＲＶストリーム３４３が得られ、これらのストリームは、ＭＣＨＥ３０８に送り戻されて、さらに冷却される。引き続いて液化された後であっても、相分離器を出る液体ストリームは、この業界においてＭＲＬと称され、相分離器を出る蒸気ストリームは、この業界においてＭＲＶと称される。ＭＲを圧縮し、冷却するプロセスは、概して、本明細書においてＭＲ圧縮シーケンスと称され、ＭＲは、ＭＣＨＥ３０８の底部から取り出された後に、多数のストリームとしてＭＣＨＥ３０８のチューブ側に戻される。
【００９０】
ＭＲＬストリーム３４１およびＭＲＶストリーム３４３は、ＭＣＨＥ３０８の２つの別々の回路において冷却される。ＭＲＬストリーム３４１は、ＭＣＨＥ３０８の第１の２つのバンドルにおいて冷却され、低温ストリームをもたらし、該低温ストリームは、減圧されて低温ＭＲＬストリーム３４２を生成し、該低温ＭＲＬストリームは、ＭＣＨＥ３０８のシェル側に戻されて、ＭＣＨＥの第１の２つのバンドルにおいて必要とされる冷凍を提供する。ＭＲＶストリーム３４３は、ＭＣＨＥ３０８の第１、第２、および第３のバンドルにおいて冷却され、低温高圧減圧弁を通じて減圧され、そして、低温ＭＲＶストリーム３４４としてＭＣＨＥ３０８に導入されて、過冷ステップ、液化ステップ、冷却ステップにおいて冷凍を提供する。ＭＣＨＥ３０８は、コイル式熱交換器、プレートフィン式熱交換器、またはシェルアンドチューブ式熱交換器が挙げられるが、これらに限定されない、天然ガスの液化に適した任意の交換器とすることができる。コイル式熱交換器は、天然ガス液化のための最先端の交換器であり、流れプロセスのための複数の螺旋巻きチューブと、低温冷媒を流すためのシェル空間とを備える少なくとも１つのチューブバンドルを含む。
【００９１】
図４は、予冷システム４１８の例示的な配設、ならびに図２および３に描写される予冷圧縮シーケンスを示す。以下の配設は、４つの圧力レベルの予冷システムを示すが、任意の数の圧力レベルを利用することができる。前処理された供給ストリーム４０１は、ＨＰ供給蒸発器４８１において間接熱交換によって冷却されて、第１の中間供給ストリーム４０２を生成し、次いで、該第１の中間供給ストリームは、ＭＰ供給蒸発器４８２において冷却されて、第２の中間供給ストリーム４０３を生成し、続いて、ＬＰ供給蒸発器４８３において冷却されて、第３の中間供給ストリーム４０４を生成し、最後に、低−低圧（ＬＬＰ）供給蒸発器４８４において冷却されて、予冷された天然ガスストリーム４０５を生成する。
【００９２】
各圧力レベルは、本明細書において、蒸発段とも称される。一例として、前処理された供給ストリーム４０１の冷却回路の最高圧力の蒸発段を使用すると、各蒸発段は、減圧弁４７３と、蒸発器４８１と、蒸発された予冷冷媒の出口導管４２１と、分離器４９２（別の冷却回路内の対応する蒸発器４８５と共有することができる）とを含む。減圧弁４７３は、蒸発器４８１から上流の、予冷冷媒４２０が流れる導管上に位置付けられる。各蒸発段は、予冷冷媒のための減圧と、予冷冷媒と冷却されるストリームとの間の熱伝達と、予冷冷媒の蒸発された部分が圧縮機４１６に流れること、および（最後の蒸発段を除くすべてにおいて）予冷冷媒の液体部分が次の蒸発段に流れることを可能にするための導管とを提供する。各冷却回路は、蒸発段のすべてを備え、該蒸発段は、予冷冷媒−この実施形態では、前処理された供給ストリーム４０１および冷却された液化冷媒ストリーム４３９−によって冷却される各流体ストリームのための冷却を提供する。例えば、供給蒸発器４８１〜４８４と関連付けられた４つの蒸発段は、供給冷却回路を形成する。
【００９３】
冷却された液化冷媒ストリーム４３９は、ＨＰ液化冷媒蒸発器４８５において間接熱交換によってさらに冷却されて、第１の中間液化冷媒４４５を生成し、次いで、該第１の中間液化冷媒は、ＭＰ液化冷媒蒸発器４８６において冷却されて、第２の中間液化冷媒４４６を生成し、続いて、ＬＰ液化冷媒蒸発器４８７において冷却されて、第３の中間液化冷媒４４７を生成し、最後に、ＬＬＰ液化冷媒蒸発器４８８において冷却されて、予冷された液化冷媒４４０を生成する。液化冷媒蒸発器４８５〜４８８と関連付けられた４つの蒸発段は、液化冷媒回路を形成する。
【００９４】
加温低圧予冷冷媒４１４は、予冷冷媒圧縮機４１６において圧縮されて、圧縮された予冷冷媒４１５を生成する。予冷冷媒圧縮機４１６は、ＬＬＰ圧縮段４１６Ａ、ＬＰ圧縮段４１６Ｂ、ＭＰ圧縮段４１６Ｃ、およびＨＰ圧縮段４１６Ｄを有する、４段圧縮機として示される。ＬＰ副ストリーム４１３、ＭＰ副ストリーム４１２、およびＨＰ副ストリーム４１１は、中間の場所において、予冷冷媒圧縮機４１６に導入される。
【００９５】
圧縮された予冷冷媒４１５は、好ましくは、予冷冷媒凝縮器４１７によって描写される１つ以上の熱交換器において、周囲空気または水に対して間接熱交換によって冷却されて、冷却された予冷冷媒４１０を生成する。次いで、冷却された予冷冷媒４１０は、好ましくは、２つの部分に分けられて、第１の部分４１９は、冷却デューティを前処理された供給ストリーム４０１に提供し、第２の部分４６１は、冷却デューティを冷却された液化冷媒ストリーム４３９に提供する。
【００９６】
冷却された予冷冷媒４１９の第１の部分は、第１の減圧弁４７３において減圧されて、第１のＨＰ予冷冷媒４２０を生成することができる。第１のＨＰ予冷冷媒４２０の液体留分は、ＨＰ供給蒸発器４８１において部分的に蒸発されて、第１のＨＰ蒸気予冷冷媒４２１および第１のＨＰ液体予冷冷媒４２２を生成する。第１のＨＰ蒸気予冷冷媒４２１は、ＨＰ予冷冷媒分離器４９２に送られ、その後に、副ストリーム４１１の一部としてＨＰ圧縮段４１６Ｄの吸引に送られる。
【００９７】
第１のＨＰ液体予冷冷媒４２２は、第２の減圧弁４７４において減圧されて、第１のＭＰ予冷冷媒４２３を生成する。第１のＭＰ予冷冷媒４２３の液体留分は、ＭＰ供給蒸発器４８２において部分的に蒸発されて、第１のＭＰ蒸気予冷冷媒４２４および第１のＭＰ液体予冷冷媒４２５を生成する。第１のＭＰ蒸気予冷冷媒４２４は、ＭＰ予冷冷媒分離器４９３に送られ、その後に、ＭＰ副ストリーム４１２の一部としてＭＰ圧縮段４１６Ｃの吸引に送られる。
【００９８】
第１のＭＰ液体予冷冷媒４２５は、第３の減圧弁４７５において減圧されて、第１のＬＰ予冷冷媒４２６を生成する。第１のＬＰ予冷冷媒４２６の液体留分は、ＬＰ供給蒸発器４８３において部分的に蒸発されて、第１のＬＰ蒸気予冷冷媒４２７および第１のＬＰ液体予冷冷媒４２８を生成する。第１のＬＰ蒸気予冷冷媒４２７は、ＬＰ予冷冷媒分離器４９４に送られ、その後に、ＬＰ副ストリーム４１３の一部としてＬＰ圧縮段４１６Ｂの吸引に送られる。
【００９９】
第１のＬＰ液体予冷冷媒４２８は、第４の減圧弁４７６において減圧されて、第１の予冷冷媒ＬＬＰ４２９を生成する。第１の予冷冷媒ＬＬＰ４２９の液体留分は、供給蒸発器ＬＬＰ４８４において完全に蒸発されて、第１の蒸気予冷冷媒ＬＬＰ４６０を生成する。この文脈において、「完全に蒸発される」とは、少なくとも９５重量％の液体留分が蒸発されることを意味する。第１の蒸気予冷冷媒ＬＬＰ４６０は、予冷冷媒分離器ＬＬＰ４９５に送られ、その後に、加温低圧予冷冷媒４１４の一部としての圧縮段ＬＬＰ４１６Ａの吸引に送られる。
【０１００】
冷却された予冷冷媒の第２の部分４６１は、第５の減圧弁４７７において減圧されて、第２のＨＰ予冷冷媒４６２を生成することができる。第２のＨＰ予冷冷媒４６２の液体留分は、ＨＰ液化冷媒蒸発器４８５において部分的に蒸発されて、第２のＨＰ蒸気予冷冷媒４６３および第２のＨＰ液体予冷冷媒４６４を生成する。第２のＨＰ蒸気予冷冷媒４６３は、ＨＰ予冷冷媒分離器４９２に送られ、その後に、ＨＰ副ストリーム４１１の一部としてＨＰ圧縮段４１６Ｄの吸引に送られる。
【０１０１】
第２のＨＰ液体予冷冷媒４６４は、第６の減圧弁４７８において減圧されて、第２のＭＰ予冷冷媒４６５を生成する。第２のＭＰ予冷冷媒４６５の液体留分は、ＭＰ液化冷媒蒸発器４８６において部分的に蒸発されて、第２のＭＰ蒸気予冷冷媒４６６および第２のＭＰ液体予冷冷媒４６７を生成する。第２のＭＰ蒸気予冷冷媒４６６は、ＭＰ予冷冷媒分離器４９３に送られ、その後に、ＭＰ副ストリーム４１２の一部としてＭＰ圧縮段４１６Ｃの吸引に送られる。
【０１０２】
第２のＭＰ液体予冷冷媒４６７は、第７の減圧弁４７９の圧力において減圧されて、第２のＬＰ予冷冷媒４６８を生成する。第２のＬＰ予冷冷媒４６８の液体留分は、ＬＰ液化冷媒蒸発器４８７において部分的に蒸発されて、第２のＬＰ蒸気予冷冷媒４６９および第２のＬＰ液体予冷冷媒４７０を生成する。第２のＬＰ蒸気予冷冷媒４６９は、ＬＰ予冷冷媒分離器４９４に送られ、その後に、ＬＰ副ストリーム４１３の一部としてＬＰ圧縮段４１６Ｂの吸引に送られる。
【０１０３】
第２のＬＰ液体予冷冷媒４７０は、第８の減圧弁４８０の圧力において減圧されて、第２の予冷冷媒ＬＬＰ４７１を生成する。第２の予冷冷媒ＬＬＰ４７１の液体留分は、液化冷媒蒸発器ＬＬＰ４８８において完全に蒸発されて、第２の蒸気予冷冷媒ＬＬＰ４７２を生成する。第２の蒸気予冷冷媒ＬＬＰ４７２は、予冷冷媒分離器ＬＬＰ４９５に送られ、その後に、加温低圧予冷冷媒４１４の一部として圧縮段ＬＬＰ４１６Ａの吸引に送られる。
【０１０４】
好ましい配設において、二酸化炭素の予冷冷媒を使用して、加温低圧予冷冷媒４１４の圧力は、約５ｂａｒａ〜３０ｂａｒａであり、圧縮された予冷冷媒４１５の圧力は、約５０ｂａｒａ〜１２０ｂａｒａである。
【０１０５】
代替の配設において、供給冷媒および液化冷媒は、同じ熱交換器において、予冷冷媒に対して冷却することができる。そのような配設において、冷却された予冷冷媒４１０は、第１の部分と第２の部分とに分けられず、第２の冷却回路のための別個の予冷蒸発器は不要である。予冷冷媒のいくつかの例としては、プロパン、プロピレン、エタン、エチレン、アンモニア、二酸化炭素、ＭＲ、Ｒ−４１０Ａ、Ｒ２２などのハイドロフルオロカーボン、または任意の他の適切な冷媒が挙げられる。
【０１０６】
冷却された予冷冷媒４１０の温度は、周囲温度および予冷冷媒凝縮器４１７のアプローチ温度によって変動する。典型的な高温周囲温度の場合、冷却された予冷冷媒４１０の温度は、摂氏約３０度〜摂氏約６０度である。予冷冷媒の臨界温度に応じて、予冷プロセスは、未臨界または遷臨界のいずれかになる。冷却された予冷冷媒４１０の温度が臨界温度より低い場合、プロセスは未臨界である。しかしながら、冷却された予冷冷媒４１０の温度が臨界温度以上である場合、プロセスは、遷臨界になり、また、未臨界運転よりも低いプロセス効率を有することになる。
【０１０７】
図５は、第１の例示的な実施形態を示す。図５を参照すると、圧縮された予冷冷媒５１５は、予冷冷媒凝縮器５１７として描写される、過熱戻し器、凝縮器、および／または過冷却器熱交換器などの、１つ以上の熱交換器において冷却されて、必要とされる予冷デューティを提供する冷却された予冷冷媒５１０を生成する。冷却された予冷冷媒５１０は、エコノマイザ熱交換器５２５Ａにおいてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒５９７を生成する。冷却された予冷冷媒５１０の温度は、周囲温度に、本明細書において過冷却器熱交換器のアプローチ温度とも称される、予冷冷媒凝縮器５１７のアプローチ温度を加えたものである。過冷却器熱交換器アプローチ温度は、好ましくは摂氏約５〜４０度、より好ましくは摂氏約１０〜３０度である。冷却された予冷冷媒５１０は、好ましくは臨界温度よりも０度以上高く、より好ましく臨界温度よりも１０度以上高く、最も好ましくは臨界温度よりも２０度以上高い。エコノマイザ熱交換器を伴わない予冷冷凍プロセスは、事実上遷臨界である。さらに冷却された予冷冷媒５９７の温度は、臨界温度未満である。非限定的な例として、さらに冷却された予冷冷媒５９７は、好ましくは臨界温度よりも０度以上低く、より好ましくは臨界温度よりも２度以上低くすることができる。
【０１０８】
さらに冷却された予冷冷媒５９７は、次いで、冷却された予冷冷媒５１９の第１の部分および冷却された予冷冷媒５６１の第２の部分に分けられ、これらの部分は、それぞれ、冷却デューティを前処理された供給ストリーム５０１および冷却された液化冷媒５３９に提供するために使用される。好ましい実施形態において、さらに冷却された予冷冷媒５９７は、好ましくは摂氏約−２０度〜摂氏約２５度の範囲、より好ましくは摂氏約０度〜摂氏約１５度の範囲である。
【０１０９】
冷却された予冷冷媒の第３の部分５１９Ａは、さらに冷却された予冷冷媒５９７から取り出され、また、第９の減圧弁５７３Ａにおいて減圧されて、第３の高圧予冷冷媒５２０Ａを生成し、該第３の高圧予冷冷媒は、エコノマイザ熱交換器５２５Ａにおける冷却デューティを提供するために使用される。第３の高圧予冷冷媒５２０Ａは、２相とすることができ、また、エコノマイザ熱交換器５２５Ａにおいて、少なくとも部分的に蒸発されて、好ましくは完全に蒸発されて、第３の高圧蒸気予冷冷媒５２１Ａを生成する。第３の高圧蒸気予冷冷媒５２１Ａは、ＨＰ予冷冷媒分離器５９２に送られ、その後に、ＨＰ副ストリーム５１１の一部として第４の予冷圧縮段５１６Ｄの吸引に送られる。代替の実施形態において、エコノマイザ熱交換器５２５Ａは、冷却された予冷冷媒５１０が臨界温度未満にあり、かつプロセスがすでに未臨界であるときに、平均周囲条件および低温周囲条件の間、バイパスすることができる。
【０１１０】
第３の高圧予冷冷媒５２０Ａの圧力は、随意に、第１のＨＰ予冷冷媒５２０の圧力よりも高くすることができる。この事例において、第３の高圧蒸気予冷冷媒５２１Ａは、ＨＰ予冷冷媒分離器５９２の中への導入の前に、背圧弁または絞り弁（図示せず）において減圧することができる。代替的に、第３の高圧蒸気予冷冷媒５２１Ａは、第５の予冷圧縮段５１６Ｅ（図示せず）での吸引などの、第４の予冷圧縮段５１６Ｄの吸引よりも高い圧力で、予冷冷媒圧縮機（複数可）５１６の中へ導入することができる。
【０１１１】
冷却された予冷冷媒の第３の部分５１９Ａを介して冷却デューティをエコノマイザ熱交換器５２５Ａに提供するために使用される流れの量は、予冷冷媒の組成に依存する。図５に示される実施形態では、流れの３〜２０％が、好ましくは第３の部分５１９Ａ（より好ましくは、５〜１５％）に方向付けられ、１５〜４５％が、好ましくは第１の部分５１９に方向付けられ、４５〜８５％が、好ましくは第２の部分５６１に方向付けられる。比例弁（図示せず）などの任意の適切な流量調節デバイスを使用して、所望の流量吐出を調節することができる。
【０１１２】
図５に示される実施形態の利点は、遷臨界プロセスを未臨界プロセスに変換することである。冷却された予冷冷媒５１０をエコノマイザ熱交換器５２５Ａにおいてさらに冷却することによって、さらに冷却された予冷冷媒５９７は、「有効な」過冷却器出口温度になる。したがって、運転が未臨界であるのか、遷臨界であるのかを判定するために、さらに冷却された予冷冷媒５９７の温度を、冷媒の臨界温度と比較することが必要になる。さらに冷却された予冷冷媒５９７は、冷却された予冷冷媒５１０よりも低温であるので、未臨界サイクルの可能性を高める。非限定的な例として、ＣＯ２およびエタンは、典型的な平均周囲条件および高温周囲条件の場合に、冷却された予冷冷媒５１０の温度よりもはるかに低い、摂氏約３０度の臨界温度を有する。先行技術のプロセスの場合、これは、より高い蒸気留分のため、著しく低いプロセス効率を有する遷臨界運転に至る。遷臨界運転の場合、第１のＨＰ予冷冷媒４２０の蒸気留分は、好ましくは約０．１〜０．７である。加えて、先行技術の遷臨界運転の場合、（環境への）廃熱ステップにおいていかなる相変化もないこと、周囲温度スイングによる複雑なインベントリ管理、ベースロードＬＮＧ施設に関する参考文献の不足、ならびに他の動作上の問題が起こる。しかしながら、図５において説明される実施形態を使用することで、高温周囲条件の場合であっても、摂氏３０度の臨界温度は、好ましくは、さらに冷却された予冷冷媒５９７よりも高い。非限定的な例として、図５の実施形態を使用することで、さらに冷却された予冷冷媒５９７は、高温周囲条件の場合に、摂氏約２０度の温度とすることができる。その結果、図５のプロセスは、事実上未臨界になり、したがって、図４の先行技術の実施形態よりも高い、好ましくは先行技術プロセスよりも５％〜３０％高いプロセス効率を有する。第１のＨＰ予冷冷媒５２０の蒸気留分は、好ましくは約０〜０．５、より好ましくは約０〜０．３である。図５の実施形態はまた、上で説明したように、周囲温度スイングによるインベントリ管理の変化に伴う問題も有しない。
【０１１３】
この実施形態のさらなる利点は、より低温の有効な過冷却器出口のため、圧縮された予冷冷媒５１５の圧力をより低くすることができ、このことは、システムに対する圧縮負荷を低減させる。好ましい実施形態において、圧縮された予冷冷媒５１５の圧力は、約２０ｂａｒａ〜８０ｂａｒａである。さらに、より低い圧力は、予冷冷媒の比熱比を低減させる。比熱比は、定圧比熱容量と定積比熱熱容量との比率である。比熱比が減少するにつれて、圧縮後の冷媒の温度が低下し、このことは、低損失の仕事、したがって、より高いプロセス効率を示唆する。
【０１１４】
図６は、第２の例示的な実施形態および図５の変形例を示す。さらに冷却された予冷冷媒６９７は、冷却された予冷冷媒６１９の第１の部分および冷却された予冷冷媒６６１の第２の部分に分けられる。冷却された予冷冷媒６１９の第１の部分は、第９の減圧弁６７３Ａにおいて減圧されて、第３の高圧予冷冷媒６２０Ａを生成し、該第３の高圧予冷冷媒は、冷却デューティをエコノマイザ熱交換器６２５Ａに提供するために使用される。第３の高圧予冷冷媒６２０Ａは、エコノマイザ熱交換器６２５Ａにおいて部分的に蒸発され、相分離されて、第３の高圧蒸気予冷冷媒６２１Ａおよび第３の高圧液体予冷冷媒６２２Ａを生成する。相分離ステップは、エコノマイザ熱交換器６２５Ａ内で、または別個の相分離器（図示せず）において生じさせることができる。第３の高圧蒸気予冷冷媒６２１Ａは、ＨＰ予冷冷媒分離器６９２に送られ、その後に、ＨＰ副ストリーム６１１の一部として第４の予冷圧縮段６１６Ｄの吸引に送られる。第３の高圧液体予冷冷媒６２２Ａは、第１の減圧デバイス６７３において減圧されて、第１の高圧予冷冷媒６２０を生成し、該第１の高圧予冷冷媒は、冷却デューティを前処理された供給ストリーム６０１に提供するために使用され、一方で、冷却された予冷冷媒６６１の第２の部分は、冷却デューティを冷却された液化冷媒６３９に提供するために使用される。
【０１１５】
第３の高圧予冷冷媒６２０Ａの圧力は、第１のＨＰ予冷冷媒６２０の圧力よりも高い。したがって、第３の高圧蒸気予冷冷媒６２１Ａは、減圧された第３の高圧蒸気予冷冷媒６２１Ｃを生成するために、ＨＰ予冷冷媒分離器６９２への導入の前に、背圧弁または絞り弁６２１Ｂにおいて減圧することが必要である。代替的に、第３の高圧蒸気予冷冷媒６２１Ａは、第５の予冷圧縮段６１６Ｅ（図示せず）での吸引などの、第４の予冷圧縮段６１６Ｄの吸引よりも高い圧力で、予冷冷媒圧縮機（複数可）６１６の中へ導入することができる。
【０１１６】
代替の実施形態において、エコノマイザ熱交換器６２５Ａは、冷却された予冷冷媒６１０が臨界温度未満にあり、かつプロセスがすでに未臨界であるときに、平均周囲条件および低温周囲条件の間、バイパスすることができる。図６は、図５に示される実施形態のすべての利点を有する。
【０１１７】
図７は、第３の例示的な実施形態を示す。図７を参照すると、第１の期間中に、冷却された予冷冷媒７１０は、補助冷媒システム７９６においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒７９７を生成する。冷却された予冷冷媒７１０の温度は、周囲温度に、周囲温度にアプローチする過冷却器熱交換器温度を加えたものである。過冷却器熱交換器アプローチ温度は、好ましくは摂氏約５〜４０度、より好ましくは摂氏約１０〜３０度である。第１の期間は、本明細書において「過冷却器出口温度」と称される、冷却された予冷冷媒７１０が、予冷冷媒の臨界温度以上である期間として定義される。換言すれば、第１の期間中に、冷却された予冷冷媒７１０の温度は、臨界温度以上である。非限定的な例として、冷却された予冷冷媒７１０は、臨界温度よりも０度以上高く、または臨界温度よりも１０度以上高く、または臨界温度より２０度以上高くすることができる。したがって、第１の期間中に、補助冷媒システムを伴わない予冷冷凍プロセスは、事実上遷臨界である。非限定的な例として、第１の期間は、夏の数ヶ月間および／または暖かい日中が挙げられるが、これらに限定されない、高温周囲条件および平均周囲条件中に起こり得る。さらに冷却された予冷冷媒７９７の温度は、臨界温度未満である。非限定的な例として、さらに冷却された予冷冷媒７９７は、好ましくは臨界温度よりも０度以上低く、より好ましくは臨界温度よりも２度以上低く、最も好ましくは臨界温度よりも５度以上低くすることができる。
【０１１８】
さらに冷却された予冷冷媒７９７は、次いで、冷却された予冷冷媒７１９の第１の部分および冷却された予冷冷媒７６１の第２の部分に分けられ、これらの部分は、それぞれ、冷却デューティを前処理された供給ストリーム７０１および冷却された液化冷媒７３９に提供するために使用される。好ましい実施形態において、さらに冷却された予冷冷媒７９７は、好ましくは摂氏約−２０度〜摂氏約２５度の範囲、より好ましくは摂氏約０度〜摂氏約１５度の範囲である。第１の期間中に、補助冷媒システムを伴う予冷冷凍プロセスは、事実上未臨界である。
【０１１９】
第２の期間中に、冷却された予冷冷媒７１０は、随意のバイパス予冷冷媒７１０Ａを介して補助冷媒システム７９６を随意にバイパスし、次いで、冷却された予冷冷媒７１９の第１の部分および冷却された予冷冷媒７６１の第２の部分に分けられる。第２の期間は、過冷却器出口温度が予冷冷媒の臨界温度よりも低い期間として定義される。換言すれば、第２の期間中に、冷却された予冷冷媒７１０の温度は、臨界温度よりも低い。したがって、第２の期間中に、補助冷媒システムを伴わない予冷冷凍プロセスは、事実上未臨界である。非限定的な例として、第２の期間は、冬の数ヶ月間および／または寒い夜間などの低温周囲条件中に起こり得る。非限定的な例として、冷却された予冷冷媒７１０は、好ましくは臨界温度よりも１０度以上低く、より好ましくは臨界温度よりも１５度以上低くすることができる。
【０１２０】
補助冷媒システムは、冷媒が蒸発して冷却デューティを提供する沸騰熱伝達、または相を変化させることなく冷媒を加温して冷却デューティを提供する顕熱伝達、または双方の組み合わせなどの、任意の熱伝達方法を利用することができる。熱伝達方法はまた、冷媒が蒸発して冷却デューティを提供する吸収熱伝達とすることもできるが、圧縮ステップは、追加的な機器によって置き換えられる。さらに、補助冷媒システムは、任意の数の熱交換器を使用することができる。非限定的な例として、補助冷媒は、プロパンまたは混合冷媒、または供給ガスを使用した気相冷凍プロセスとすることができる。補助冷媒はまた、任意の適切な吸収冷媒とすることもできる。
【０１２１】
任意の適切なシステムを使用して、冷却された予冷冷媒７１０の温度を監視し、バイパス７１０Ａおよび補助冷媒系７９６を通る流れを制御することができる。例えば、コントローラ７００を使用して、センサ７１０Ｄによって感知された温度に基づいて、弁７１０Ｂおよび７１０Ｃを制御することができる。センサ７１０Ｄが、冷却された予冷冷媒７１０が臨界温度以上であると感知したときに、コントローラ７００は、弁７１０Ｂを閉じ、弁７１０Ｃを開く。反対に、センサ７１０Ｄが、冷却された予冷冷媒７１０が臨界温度未満であると感知したときに、コントローラ７００は、弁７１０Ｂを開き、弁７１０Ｃを閉じる。
【０１２２】
図７に示される実施形態の利点は、補助冷媒システム７９６において、冷却された予冷冷媒７１０をさらに冷却することによって、遷臨界プロセスを未臨界プロセスに変換するということである。さらに冷却された予冷冷媒７９７は、「有効な」過冷却器出口温度になる。したがって、運転が未臨界であるのか、遷臨界であるのかを判定するために、さらに冷却された予冷冷媒７９７の温度を、冷媒の臨界温度と比較することが必要になる。さらに冷却された予冷冷媒７９７は、冷却された予冷冷媒７１０よりもはるかに低温であるので、未臨界サイクルの可能性を高める。非限定的な一例として、ＣＯ２およびエタンは、典型的な平均周囲条件および高温周囲条件について、冷却された予冷冷媒７１０の温度よりはるかに低い、摂氏約３０度の臨界温度を有する。先行技術のプロセスの場合、これは、より高い蒸気留分のため、著しく低いプロセス効率を有する遷臨界運転に至る。遷臨界運転の場合、第１のＨＰ予冷冷媒４２０の蒸気留分は、好ましくは約０．１〜０．７である。加えて、先行技術の遷臨界運転の場合、（環境への）廃熱ステップにおいていかなる相変化もないこと、周囲温度スイングによる複雑なインベントリ管理、ベースロードＬＮＧ施設に関する参考文献の不足、ならびに他の動作上の問題が起こる。しかしながら、図７において説明される実施形態を使用することで、高温周囲条件の場合であっても、摂氏３０度の臨界温度は、好ましくは、さらに冷却された予冷冷媒７９７よりも高い。非限定的な例として、図７の実施形態を使用することで、さらに冷却された予冷冷媒７９７は、高温周囲条件の場合に、摂氏約１０度の温度とすることができる。その結果、図７のプロセスは、事実上未臨界になり、したがって、図４の先行技術の実施形態よりもはるかに高いプロセス効率を有する。好ましくは、先行技術の遷臨界プロセスよりも１０％〜３０％高い効率が得られる。さらに、遷臨界プロセスに適用されるときに、実施形態は、すでに未臨界のプロセスに適用されたときよりも大幅に高い利点を有することになり、該利点は、約５〜１５％である。第１のＨＰ予冷冷媒７２０の蒸気留分は、好ましくは約０〜０．５、より好ましくは約０〜０．３である。図７の実施形態はまた、上で説明したように、周囲温度スイングによるインベントリ管理の変化の問題も有しない。
【０１２３】
この実施形態のさらなる利点は、より低温の有効な過冷却器出口のため、圧縮された予冷冷媒７１５の圧力をより低くすることができ、このことは、システムに対する圧縮負荷を低減させる。好ましい実施形態において、圧縮された予冷冷媒７１５の圧力は、約２０ｂａｒａ〜８０ｂａｒａである。さらに、より低い圧力は、予冷冷媒の比熱比を低減させる。比熱比は、定圧比熱容量と定積比熱熱容量との比率である。比熱比が減少するにつれて、圧縮後の冷媒の温度が低下し、このことは、低損失の仕事、したがって、より高いプロセス効率を示唆する。
【０１２４】
図７の実施形態のより高いプロセス効率は、予冷温度を低減させることによってより多くの負荷を予冷システムに移すことを最適にし、液化システムに対する負荷を低くする。非限定的な例として、予冷された天然ガスストリーム７０５の温度は、摂氏約−３０度〜摂氏約−６０度とすることができ、一方で、予冷された天然ガスストリーム４０５の温度は、摂氏約−１０度〜摂氏約−４０度とすることができる。
【０１２５】
図７に示される実施形態において、補助冷媒システムは、予冷冷媒を冷却するが、該補助冷媒システムはまた、液化冷媒を冷却するために使用することもできる。これはまた、いかなる専用の予冷冷媒もなく、補助冷媒システムが液化冷媒を冷却する一実施形態にも適用することができる。
【０１２６】
好ましい実施形態において、液化冷媒は、ＭＲであり、予冷冷媒は、エタンまたはＣＯ２である。別の好ましい実施形態において、液化冷媒は、気相Ｎ２であり、予冷冷媒は、エタンまたはＣＯ２である。さらに別の好ましい実施態様において、液化冷媒は、メタンであり、予冷冷媒は、エタンまたはＣＯ２である。予冷冷媒としてＣＯ２を使用する利点は、それが不燃性であり、容易に利用することができ、また、高密度を有することである。その高密度は、同じ質量の冷媒に必要とされる予冷冷媒の体積流量をより少なくする。より高い密度はまた、予冷システムの配管および機器のサイズも低減させる。予冷冷媒としてＣＯ２を使用するさらなる好ましい実施形態において、ＣＯ２は、酸性ガス除去ユニット（ＡＧＲＵ）内のＬＮＧ施設において生成される。
【０１２７】
代替の一実施形態では、第１の期間中に、周囲空気または水が補助熱交換器の補助冷媒に対して冷却されて、冷却された周囲ストリームを生成する。第２の期間中に、補助冷媒システムは、随意にバイパスされる。そのような配設において、予冷冷媒は、補助冷媒の代わりに、冷却された周囲ストリームに対して冷却される。
【０１２８】
図８は、図７に示される実施形態の変形例である第４の実施態様を示す。第１の期間中に、冷却された予冷冷媒８１０は、補助冷媒システム８９６においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒８９７を生成する。さらに、前処理された供給ストリーム８０１は、補助冷媒システム８９６において冷却されて、さらに冷却された供給ストリーム８９８を生成し、次いで、該さらに冷却された供給ストリームは、ＨＰ供給蒸発器８８１に送られて予冷される。冷却された液化冷媒８３９は、補助冷媒システム８９６において冷却されて、さらに冷却されたＭＲストリーム８９９を生成し、次いで、該さらに冷却されたＭＲストリームは、ＨＰ液化冷媒蒸発器８８５に送られて予冷される。
【０１２９】
第２の期間中に、補助冷媒システムは、随意のバイパス予冷冷媒８１０Ａ、随意のバイパス供給ストリーム８０１Ａ、および随意のバイパス液化冷媒８３９Ａを介して、随意にバイパスされる。
【０１３０】
好ましい実施形態において、さらに冷却された予冷冷媒８９７、さらに冷却された供給ストリーム８９８、およびさらに冷却されたＭＲストリーム８９９は、好ましくは摂氏約−２０度〜摂氏約２５度、より好ましくは摂氏約０度〜摂氏約１５度の範囲の温度である。
【０１３１】
この実施形態は、図７のすべての利益を有する。加えて、第１の期間中には、供給ストリームおよびＭＲストリームも補助冷媒システム８９６において冷却されるので、図８のプロセス効率は、資本コストの最小限の増加で、図７のプロセス効率よりも高い。
【０１３２】
代替の実施形態では、予冷冷媒システムまたは液化冷媒システムからの中間の圧縮されたストリームが、さらに圧縮される前に取り出され、補助冷媒システム８９６に対して冷却される。
【０１３３】
図９は、図８に適用したような補助冷媒システム９９６の例示的な一実施形態を示す。冷却された予冷冷媒９１０は、補助熱交換器９８９においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒９９７を生成する。前処理された供給ストリーム９０１は、補助熱交換器９８９において冷却されて、さらに冷却された供給ストリーム９９８を生成する。冷却された液化冷媒９３９は、補助熱交換器９８９において冷却されて、さらに冷却されたＭＲストリーム９９９を生成する。
【０１３４】
補助冷媒システムは、沸騰熱伝達に基づく。蒸気補助冷媒９５４Ａは、補助熱交換器９８９の温端から取り出され、補助冷媒圧縮機９４５Ａにおいて圧縮されて、高圧蒸気補助冷媒９５７Ａを生成する。高圧蒸気補助冷媒９５７Ａは、補助冷媒凝縮器９５２Ａによって表される１つ以上の熱交換器において冷却されて、冷却された補助冷媒９５９Ａを生成する。冷却された補助冷媒９５９Ａは、補助冷媒減圧弁９５３Ａにおいて減圧されて、低圧補助冷媒９４４Ａを生成する。低圧補助冷媒９４４Ａの液体成分は、補助熱交換器９８９において蒸発されて、必要とされる補助冷却デューティを提供し、また、蒸気補助冷媒９５４Ａを生成する。
【０１３５】
図９の代替の例示的な実施形態では、図７に適用したように、冷却された予冷冷媒９１０のみが補助熱交換器９８９においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒９９７を生成する。
【０１３６】
好ましい実施形態において、補助冷媒は、Ｒ−４１０ＡまたはＲ−２２が挙げられるが、これらに限定されない、ＨＦＣ冷媒である。別の好ましい実施形態において、補助冷媒は、プロパンまたはアンモニアまたは任意の他の２相冷媒である。
【０１３７】
図１０は、図８に適用されたような補助冷媒システム１０９６の別の例示的な実施形態を示す。冷却された予冷冷媒１０１０は、補助熱交換器１０８９においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒１０９７を生成する。前処理された供給ストリーム１００１は、補助熱交換器１０８９において冷却されて、さらに冷却された供給ストリーム１０９８を生成する。冷却された液化冷媒１０３９は、補助熱交換器１０８９において冷却されて、さらに冷却されたＭＲストリーム１０９９を生成する。
【０１３８】
補助冷媒は、液化冷媒の一部分である。液化冷媒が沸騰熱伝達を使用する１つの実施形態では、図３に示されるように、ＭＲＬストリーム３４１の一部分が、冷却された補助冷媒１０５９Ａとして除去される。冷却された補助冷媒１０５９Ａは、補助冷媒減圧弁１０５３Ａにおいて減圧されて、低圧補助冷媒１０４４Ａを生成する。低圧補助冷媒１０４４Ａの液体成分は、補助熱交換器１０８９において蒸発されて、必要とされる補助冷却デューティを提供し、また、蒸気補助冷媒１０５４Ａを生成する。蒸気補助冷媒１０５４Ａは、中圧吸引ドラム３５３または任意の他の適切な場所の中へ導入することによって、液化冷媒圧縮システムに戻すことができる。
【０１３９】
代替の実施形態において、冷却された補助冷媒１０５９Ａは、液化プロセスの任意の他の場所から得ることができ、よって、凝縮され得ず、蒸気補助冷媒１０５４Ａを液化プロセスの任意の場所に戻すことができる。
【０１４０】
液化冷媒が顕熱熱伝達を使用する別の実施形態では、図２に示されるように、予冷された液化冷媒２４０の一部分が、冷却された補助冷媒１０５９Ａとして除去される。冷却された補助冷媒１０５９Ａは、膨張器とすることができる補助冷媒減圧弁１０５３Ａにおいて減圧されて、低圧補助冷媒１０４４Ａを生成する。低圧補助冷媒１０４４Ａは、補助熱交換器１０８９において加温されて、必要とされる補助冷却デューティを提供し、また、蒸気補助冷媒１０５４Ａを生成する。蒸気補助冷媒１０５４Ａは、ＨＰ圧縮機２５７または任意の他の適切な場所の中へ導入することによって、液化冷媒圧縮システムに戻すことができる。蒸気補助冷媒１０５４Ａはまた、液化冷媒システムに戻る前に圧縮することもできる。
【０１４１】
図１０の代替の例示的な実施形態では、図７に適用したように、冷却された予冷冷媒１０１０のみが、補助熱交換器１０８９においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒１０９７を生成する。
【０１４２】
好ましい実施形態において、補助冷媒は、混合冷媒（ＭＲ）または窒素である。
【０１４３】
さらなる代替の実施形態において、補助冷媒は、図２の液化冷媒の代わりに、前処理された供給ストリーム１００１の一部分を含む。蒸気補助冷媒１０５４Ａは、供給圧縮機の上流などの施設内の上流の場所に戻すことができ、または施設内の燃料として使用することができる。
【０１４４】
図１１は、図８に適用したように、吸収に基づくプロセスを使用する、補助冷媒システム１１９６の別の例示的な実施形態を示す。冷却された予冷冷媒１１１０は、補助熱交換器１１８９においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒１１９７を生成する。前処理された供給ストリーム１１０１は、補助熱交換器１１８９において冷却されて、さらに冷却された供給ストリーム１１９８を生成する。冷却された液化冷媒１１３９は、補助熱交換器１１８９において冷却されて、さらに冷却されたＭＲストリーム１１９９を生成する。
【０１４５】
蒸気補助冷媒１１５４Ａは、補助熱交換器１１８９の温端から取り出され、補助冷媒吸収装置１１９１に送られ、該補助冷媒吸収装置では、蒸気補助冷媒１１５４Ａが補助冷媒溶媒１１５８Ａに吸収されて、低圧液体補助冷媒１１５５Ａを生成する。低圧液体補助冷媒１１５５Ａは、補助冷媒ポンプ１１５１Ａにおいて吸い上げられて、高圧液体補助冷媒１１５６Ａを生成し、該高圧液体補助冷媒は、補助冷媒発生器１１５０Ａに送られ、該補助冷媒発生器では、熱が提供されて、補助冷媒溶媒１１５８Ａから高圧蒸気補助冷媒１１５７Ａを分離し、該高圧蒸気補助冷媒は、補助冷媒吸収装置１１９１に送られる。高圧蒸気補助冷媒１１５７Ａは、補助冷媒凝縮器１１５２Ａによって描写される１つ以上の熱交換器において冷却されて、冷却された補助冷媒１１５９Ａを生成する。冷却された補助冷媒１１５９Ａは、補助冷媒減圧弁１１５３Ａにおいて減圧されて、低圧蒸気補助冷媒１１４４Ａを生成する。低圧蒸気補助冷媒１１４４Ａは、補助熱交換器１１８９において蒸発されて、必要とされる補助冷却デューティを提供する。
【０１４６】
１つの実施形態において、補助冷媒発生器１１５０Ａに提供される熱は、天然ガス液化施設において発生する廃熱から得られる。別の実施形態において、液化および予冷圧縮機を駆動する液化および予冷ガスタービンから発生する廃熱は、補助冷媒発生器１１５０Ａにおいて利用される。
【０１４７】
図１１の代替の例示的な実施形態では、図７に適用したように、冷却された予冷冷媒１１１０のみが、補助熱交換器１１８９においてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒１１９７を生成する。１つの実施形態において、補助冷媒は、水性ＬｉＢｒ溶液である。
【０１４８】
本明細書で説明される実施形態は、予冷システムにおける補助冷媒の使用を提案しているが、液化、過冷、またはプロセスの任意のステップに使用することもできる。
【０１４９】
ジュール−トムソン（ＪＴ）弁などの典型的な減圧弁（例えば）は、事実上等エンタルピーである。等エンタルピー減圧ステップの代表例は、図１ＢのＰ−Ｈ線図に示される。線Ｅ−Ｆは、等エンタルピー減圧ステップを表し、線の垂直な性質のため、点Ｆにおいて高い蒸気留分をもたらす。図５〜１１は、遷臨界プロセスを未臨界プロセスに変換し、したがって、プロセス効率を改善するための実施形態について議論する。プロセス効率を改善するための代替の方法は、図１２Ａに示されるように、等エントロピー様態においてステップＥ〜Ｆを行うことによって、点Ｆを左へ移動させることである。Ｐ−Ｈ線図における等エントロピー（一定のエントロピー）線の形状のため、点Ｅを移動させることなく、点Ｆがより低い蒸気留分を有することが可能である。図１２Ｂは、等エントロピー膨張を使用した第５の実施形態を示す。
【０１５０】
図１２Ｂを参照すると、圧縮された予冷冷媒１２１５は、予冷冷媒凝縮器１２１７によって描写される１つ以上の熱交換器において、周囲空気または水に対して間接熱交換によって冷却されて、冷却された予冷冷媒１２１０を生成する。次いで、冷却された予冷冷媒１２１０は、２つの部分に分けられて、第１の部分１２１９は、冷却デューティを前処理された供給ストリーム１２０１に提供し、第２の部分１２６１は、冷却デューティを冷却された液化冷媒１２３９に提供する。
【０１５１】
冷却された予冷冷媒１２１９の第１の部分は、第１の２相膨張器１２４８Ａにおいて減圧されて、第１のＨＰ予冷冷媒１２２０を生成する。第１のＨＰ予冷冷媒１２２０の液体留分は、ＨＰ供給蒸発器１２８１において部分的に蒸発されて、第１のＨＰ蒸気予冷冷媒１２２１および第１のＨＰ液体予冷冷媒１２２２を生成する。第１のＨＰ蒸気予冷冷媒１２２１は、ＨＰ予冷冷媒分離器１２９２に送られ、その後に、ＨＰ副ストリーム１２１１の一部としての第４の予冷圧縮段１２１６Ｄの吸引に送られる。
【０１５２】
冷却された予冷冷媒１２６１の第２の部分は、第２の２相膨張器１２４９Ａにおいて減圧されて、第２のＨＰ予冷冷媒１２６２を生成する。第２のＨＰ予冷冷媒１２６２の液体留分は、ＨＰ液化冷媒蒸発器１２８５において部分的に蒸発されて、第２のＨＰ蒸気予冷冷媒１２６３および第２のＨＰ液体予冷冷媒１２６４を生成する。第２のＨＰ蒸気予冷冷媒１２６４は、ＨＰ予冷冷媒分離器１２９２に送られ、その後に、ＨＰ副ストリーム１２１１の一部としての第４の予冷圧縮段１２１６Ｄの吸引に送られる。第１のＨＰ予冷冷媒１２２０および第２のＨＰ予冷冷媒１２６２の蒸気留分は、好ましくは約０．２〜０．６、より好ましくは約０．２〜０．４である。対照的に、先行技術の第１のＨＰ予冷冷媒４２０の蒸気留分は、好ましくは約０．１〜０．７である。
【０１５３】
図１２Ｂの実施形態の利点は、低い資本コスト、プロット空間、および複雑さで、プロセス効率を改善できることである。膨張器を使用する別の利点は、膨張器から有用な仕事を取り出すことができ、より低い電力要件につながることである。この実施形態は、遷臨界プロセスを未臨界プロセスに変換しないので、インベントリ管理の問題が残る。この問題を解決するために、図１２Ｂの実施形態は、図５〜１１に示される実施形態などの、その前に説明した実施形態のいずれかと組み合わせることができる。１つの実施形態において、冷却された予冷冷媒１２１０は、等エントロピー減圧ステップを行う前に、図５のエコノマイザ熱交換器５２５Ａにおいてさらに冷却して、さらに冷却された予冷冷媒５９７を生成することができる。別の実施形態において、冷却された予冷冷媒１２１０は、等エントロピー減圧ステップを行う前に、補助冷媒システム７９６においてさらに冷却して、さらに冷却された予冷冷媒７９７を生成することができる。図１２Ｂの特徴をその前の実施形態と組み合わせることで、プロセスの効率を改善することを可能にし、また同時に、遷臨界プロセスを未臨海プロセスに変換することを可能にし、これらは、プロセス効率をさらに改善し、冷媒インベントリ管理の問題を解決する。
【０１５４】
実施例１
以下は、例示的な一実施形態の一実施例である。例示的なプロセスおよびデータは、名目上年間５００万メートルトン（ＭＴＰＡ）のＬＮＧを生成するプラントにおける予冷および液化プロセスのシミュレーションに基づく。この実施例の予冷冷媒は、エタンまたは二酸化炭素であり、液化冷媒は、ＭＲまたはＮ２のいずれかとすることができる。この実施例は、特に図５に示される実施形態を参照するが、図６および他の関連する実施形態にも適用することができる。周囲温度は、華氏７７度（摂氏２５度）である。エタンおよび二酸化炭素の臨界温度は、摂氏約３０度である。
【０１５５】
図５を参照すると、冷却された予冷冷媒５１０は、エコノマイザ熱交換器５２５Ａにおいてさらに冷却されて、さらに冷却された予冷冷媒５９７を生成する。冷却された予冷冷媒５１０は、ｐｓｉａ（８５ｂａｒａ）、華氏９０度（摂氏３２度）、および超臨界である。さらに冷却された予冷冷媒５９７は、華氏８１度（摂氏２７度）および液相である。冷却された予冷冷媒５１９Ａの第３の部分は、さらに冷却された予冷冷媒５９７の１５モル％である。この実施形態のプロセス効率は、先行技術よりも約４％高い。
【０１５６】
実施例２
以下は、例示的な一実施形態の一実施例である。例示的なプロセスおよびデータは、名目上年間５ＭＴＰＡのＬＮＧを生成するプラントにおける予冷および液化プロセスのシミュレーションに基づく。この実施例の予冷冷媒は、エタンまたは二酸化炭素であり、液化冷媒は、ＭＲまたはＮ２のいずれかとすることができる。この実施例は、特に図７に示される実施形態を参照するが、他の実施形態にも適用することができる。第１の期間は、華氏７７度（摂氏２５度）の平均周囲温度中に起こり、第２の期間は、華氏５２度（摂氏１１度）の低温周囲温度中に起こる。この実施例の説明を簡単にするために、図７に示される実施形態に関して説明される要素および参照番号が使用される。図４（先行技術）に示される実施形態に関して説明される参照番号は、比較のためにも使用される。
【０１５７】
第１の期間中に、華氏７０度（摂氏２１度）の温度、８３４ｐｓｉａ（５７．５のｂａｒａ）の圧力、および８２，０００ｌｂｍｏｌ／時（３７，１９６ｋｇｍｏｌ／時）の前処理された供給ストリーム７０１は、ＨＰ供給蒸発器７８１において間接熱交換によって冷却されて、華氏３５度（摂氏２度）の温度の第１の中間供給ストリーム７０２を生成し、次いで、該中間供給ストリームは、ＭＰ供給蒸発器７８２において冷却されて、華氏８度（摂氏−１４度）の温度の第２の中間供給ストリーム７０３を生成し、続いて、ＬＰ供給蒸発器７８３において冷却されて、華氏−２１度（摂氏−２９度）の温度の第３の中間供給ストリーム７０４を生成し、最後に、ＬＬＰ供給蒸発器７８４において冷却されて、華氏−４５度（摂氏−４３度）の温度の予冷された天然ガスストリーム７０５を生成する。冷却された液化冷媒７３９は、ＨＰ液化冷媒蒸発器７８５、ＭＰ液化冷媒蒸発器７８６、ＬＰ液化冷媒蒸発器７８７、および液化冷媒蒸発器ＬＬＰ７８８において、同程度の温度まで冷却される。
【０１５８】
華氏−５０度（摂氏−４６度）の温度、１０８ｐｓｉａ（７ｂａｒａ）の圧力、および２１，４５０ｌｂｍｏｌ／時（９，７３０ｋｇｍｏｌ／時）の流量の加温低圧予冷冷媒７１４は、４段予冷冷媒圧縮機７１６において圧縮されて、華氏１２２度（摂氏５０度）の温度および７２２ｐｓｉａ（５０ｂａｒａ）の圧力の圧縮された予冷冷媒７１５を生成する。
【０１５９】
華氏−２７度（摂氏−３３度）の温度および１８８ｐｓｉａ（１３ｂａｒａ）の圧力のＬＰ副ストリーム７１３、華氏１度（摂氏−１７度）の温度および３１３ｐｓｉａ（２２ｂａｒａ）の圧力のＭＰ副ストリーム７１２、ならびに華氏２９度（摂氏−２度）の温度および７８０ｐｓｉａ（３２ｂａｒａ）の圧力のＨＰ副ストリーム７１１を、中間の場所で予冷冷媒圧縮機７１６に導入する。
【０１６０】
圧縮された予冷冷媒７１５は、予冷冷媒凝縮器７１７によって描写される３つの熱交換器において、周囲空気に対して間接熱交換によって冷却されて、華氏９０度（摂氏３２度）の温度の冷却された予冷冷媒７１０を生成する。冷却された予冷冷媒７１０は、補助冷媒システム７９６においてさらに冷却されて、華氏５０度（摂氏１０度）の温度のさらに冷却された予冷冷媒７９７を生成する。さらに冷却された予冷冷媒７９７は、次いで、冷却された予冷冷媒７１９の第１の部分および冷却された予冷冷媒７６１の第２の部分に分けられ、これらの部分は、それぞれ、冷却デューティを前処理された供給ストリーム７０１および冷却された液化冷媒７３９に提供するために使用される。冷却された予冷冷媒７１９の第１の部分は、冷却された予冷冷媒７１０の約２０モルパーセントである。
【０１６１】
冷却された予冷冷媒７１９の第１の部分は、第１の減圧弁７７３において減圧されて、華氏２９度（摂氏−１度）の温度、４８６ｐｓｉａ（３３ｂａｒａ）の圧力、および０．１２の蒸気留分の第１のＨＰ予冷冷媒７２０を生成する。冷却された予冷冷媒７６１の第２の部分は、類似する条件で減圧される。
【０１６２】
第２の期間中に、補助冷媒システム７９６は、華氏６４度（摂氏１８度）であるバイパス予冷冷媒７１０Ａを介して随意にバイパスされる。
【０１６３】
これに対して、以下、先行技術の図４を参照すると、第１のＨＰ予冷冷媒４２０は、華氏６２度（摂氏１７度）の温度、７６６ｐｓｉａ（５３ｂａｒａ）の圧力、および０．２８の蒸気留分である。また、圧縮された予冷冷媒４１５は、華氏１６０度（摂氏７１度）の温度および１２２８ｐｓｉａ（８５ｂａｒ）の圧力である。さらに、冷却された予冷冷媒４１０は、華氏９０度（摂氏３２度）の温度である。
【０１６４】
エタンおよび二酸化炭素の臨界温度が摂氏約３０度であるので、先行技術のプロセスは、平均周囲温度での遷臨界運転を有するが、このことが、第１のＨＰ予冷冷媒４２０の蒸気留分がより高い理由である。しかしながら、本実施形態は、さらに冷却された予冷冷媒７９７の温度が臨界温度より低いのであれば、未臨界運転を有する。これは、第１のＨＰ予冷冷媒７２０の蒸気留分がより低い理由である。第１のＨＰ予冷冷媒７２０の蒸気留分を低減させることによって、本実施形態は、プロセス効率を大幅に改善する。
【０１６５】
さらに、圧縮された予冷冷媒７１５の圧力を下げることによって、本実施形態は、圧縮電力要件および予冷冷媒の比熱比を低減させる。また、より低い比熱比も、プロセス効率を高める。全体として、図７について、第１の期間中に、図４と比較して最高で約２０％のプロセス効率の改善が観察された。加えて、実施形態によって、周囲温度スイングと関連付けられた冷媒インベントリ管理の問題も排除される。全体として、本実施形態は、遷臨界冷媒によって示される問題を解決する。
【０１６６】
実施例３
以下は、例示的な一実施形態の一実施例である。例示的なプロセスおよびデータは、名目上年間５ＭＴＰＡのＬＮＧを生成するプラントにおける予冷および液化プロセスのシミュレーションに基づく。この実施例の予冷冷媒は、エタンまたは二酸化炭素であり、液化冷媒は、ＭＲまたはＮ２のいずれかとすることができる。この実施例は、図１２Ｂに示される実施形態を特に参照する。
【０１６７】
冷却された予冷冷媒１２１０は、華氏８９．６度（摂氏３２度）、１２０ｐｓｉａ（８４ｂａｒａ）、および１の蒸気留分である。次いで、冷却された予冷冷媒１２１０は、２つの部分に分けられて、第１の部分１２１９は、冷却デューティを前処理された供給ストリーム１２０１に提供し、第２の部分１２６１は、冷却デューティを冷却された液化冷媒１２３９に提供する。冷却された予冷冷媒１２１９の第１の部分は、第１の２相膨張器１２４８Ａにおいて減圧されて、華氏５９度（摂氏１５度）、７３５ｐｓｉａ（５１ｂａｒａ）、および０．２５の蒸気留分の第１のＨＰ予冷冷媒１２２０を生成する。２相膨張器弁（等エントロピー）の代わりにＪＴ弁（等エンタルピー）が使用されていた場合、第１のＨＰ予冷冷媒１２２０の蒸気留分は、０．３になったであろう。図１２Ｂの実施形態は、先行技術のプロセス効率を約３％改善する。
【０１６８】
本発明を、好ましい実施形態およびその代替の実施形態に関して開示してきた。当然ながら、当業者は、本発明の意図される趣旨および範囲を逸脱することなく、本発明の教示からの様々な変更物、修正物、および代替物を想到することができる。本発明は、添付の特許請求の範囲の用語によってのみ限定されることを意図する。
【図１Ａ】
2019095176.tif 000004
【図１Ｂ】
2019095176.tif 000005
【図２】
2019095176.tif 000006
【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】
2019095176.tif 000014
【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【外国語明細書】
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