(57)【要約】  高圧液体流および気体流を生成し、高圧液体流および気体流を熱交換器内で冷却し、それらを次に膨張させて１次冷却流を熱交換器内に供給するように、第１および最終の圧縮冷却サイクルを使用して混合冷媒を圧縮および冷却するステップを含む、熱交換器内の気体を冷却および液化するシステムおよび方法。混合冷媒は第１および最終の圧縮冷却サイクル間で冷却および平衡化され、その結果、予備冷却液体流が生成され、熱交換器内で過冷却される。次に、流れは、膨張し、予備冷却の冷却流として熱交換器を通過する。気体流は、１次冷却流および予備冷却の冷却流と向流熱交換しながら、熱交換器を通過し、その結果、気体が冷却される。【選択図】図３
2013530364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）高温側および低温側を含む熱交換器であって、前記高温側は、前記気体の供給を受け取るように構成される供給気体入口を有し、前記低温側は、生成物が前記熱交換器を出る生成物出口を有しており、前記供給気体入口および前記生成物出口と連通する冷却流路、予備冷却液体流路、予備冷却の冷却流路、高圧流路、および１次冷却流路をさらに含む、前記熱交換器と、
ｂ）気体出口を有する吸引分離装置と、
ｃ）前記吸引分離装置の前記気体出口および出口と流体連通する吸引入口を有する第１段圧縮機と、
ｄ）前記第１段圧縮機の前記出口および出口と流体連通する入口を有する第１段後部冷却器と、
ｅ）前記第１段後部冷却器の前記出口と流体連通する入口を有し、前記熱交換器の前記高圧流路と流体連通する気体出口、および前記熱交換器の前記予備冷却液体流路と流体連通する液体出口を有する中間段分離装置と、
ｆ）前記熱交換器の前記予備冷却液体流路と流体連通する入口、および前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と連通する出口を有する第１の膨張装置と、
ｇ）前記熱交換器の前記高圧流路と流体連通する入口、および前記熱交換器の前記１次冷却流路と連通する出口を有する第２の膨張装置と、
ｈ）混合相流を生成するように構成される前記予備冷却の冷却流路、および気体流を生成するように構成される前記１次冷却流路と、
ｉ）前記気体流を受け取るために前記熱交換器の前記１次冷却流路の出口とさらに流体連通する前記吸引分離装置とを含む、混合冷媒により気体を冷却するシステム。
【請求項２】
前記予備冷却の冷却流路は、前記低温側ではなく、前記熱交換器の前記高温側を通過し、前記１次冷却流路は、前記熱交換器の前記高温側および低温側を通過し、前記中間段分離装置は、前記冷媒の重い画分を含む液体流を生成するように構成され、その結果、前記気体の冷却曲線の高温側、および前記冷媒の冷却曲線の高温側は、混合相流を生成する前記予備冷却の冷却流路、および気体流を生成する前記１次冷却流路により互いに近づく、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記吸引分離装置は、前記熱交換器の前記１次冷却流路と連通する気体入口、および前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と連通する混合相入口を含み、その結果、前記１次冷却流路からの前記気体流、および前記予備冷却の冷却流路からの前記混合相流は、前記吸引分離装置内で結合および平衡化され、前記第１段圧縮機の電力消費を低減するために、前記第１段圧縮機の前記吸引入口に冷却気体流を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記冷却気体流は、熱伝達および質量伝達によりもたらされる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記吸引分離装置は、液体出口を含んでおり、前記吸引分離装置の前記液体出口と連通する入口、および前記中間段分離装置と流体連通する出口を有するポンプをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記冷却流路、前記高圧流路、および前記１次冷却流路は、前記熱交換器の前記高温側および低温側を通過する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記予備冷却液体流路および前記予備冷却の冷却流路は、前記熱交換器の前記低温側ではなく、前記熱交換器の前記高温側を通過する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記予備冷却液体流路および前記予備冷却の冷却流路は、前記熱交換器の前記低温側ではなく、前記熱交換器の前記高温側を通過する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記気体は、天然ガスである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記生成物は、液化天然ガスである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記生成物は、液化ガスである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記気体の前記供給を受け取り、それを冷却し、前記冷却気体を前記熱交換器の前記気体供給入口に導くように構成される第１の予備冷却システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の予備冷却システムは、予備冷却システム冷媒として単一成分冷媒を使用する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記単一成分冷媒は、プロパンである、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の予備冷却システムは、予備冷却システム冷媒として第２の混合冷媒を使用する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１段圧縮機の前記出口と前記中間段分離装置の前記入口との間の回路内の第２の予備冷却システムをさらに含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１および第２の予備冷却システムは、単一の予備冷却システム内に含まれる、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１段圧縮機の前記出口と前記中間段分離装置の前記入口との間の回路内の予備冷却システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記予備冷却システムは、予備冷却システム冷媒として単一成分冷媒を使用する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記単一成分冷媒は、プロパンである、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記予備冷却システムは、予備冷却システム冷媒として第２の混合冷媒を使用する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記吸引分離装置は、入口を含んでおり、前記熱交換器の前記１次冷却流路と流体連通する気体入口、および前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と連通する混合相入口を有する混合装置であって、その結果、前記１次冷却流路からの前記気体流、および前記予備冷却の冷却流路からの前記混合相流は、前記混合装置内で結合および混合されるが、前記吸引分離装置の前記入口と連通する出口をさらに有し、その結果、前記結合および混合した流れは、前記吸引分離装置に供給される、混合装置をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記混合装置は、静止混合器を含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記混合装置は、パイプ部分を含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記混合装置は、前記熱交換器の管寄せを含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と流体連通する入口、前記吸引分離装置と連通する気体出口、および前記中間段分離装置と連通する液体出口を有し、その結果、前記第１段圧縮機の前記吸引入口は、前記第１段圧縮機の電力需要量を低減するために、低減した気体モル流量を受け取る、帰還分離装置をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記帰還分離装置の前記液体出口と前記中間段分離装置との間の回路内のポンプをさらに含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記帰還分離装置および中間段分離装置は、ドラムである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記帰還ドラムおよび中間段ドラムは、結合されて単一のドラムになる、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記吸引分離装置および中間段分離装置は、ドラムである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第１および第２の膨張装置は、膨張弁である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
ａ）高温側および低温側を含む熱交換器であって、前記高温側は、前記気体の供給を受け取るように構成される供給気体入口を有し、前記低温側は、生成物が前記熱交換器を出る生成物出口を有しており、前記供給気体入口と前記生成物出口との間に延びる冷却流路、予備冷却液体流路、予備冷却の冷却流路、高圧気体流路、高圧液体流路、および１次冷却流路をさらに含む、前記熱交換器と、
ｂ）気体出口を有する吸引分離装置と、
ｃ）前記吸引分離装置の前記気体出口および出口と流体連通する吸引入口を有する第１段圧縮機と、
ｄ）前記第１段圧縮機の前記出口および出口と流体連通する入口を有する第１段後部冷却器と、
ｅ）前記第１段後部冷却器の前記出口と流体連通する入口を有し、気体出口、および前記熱交換器の前記予備冷却液体流路と流体連通する液体出口をさらに有する中間段分離装置と、
ｆ）前記熱交換器の前記予備冷却液体流路と流体連通する入口、および前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と連通する出口を有する第１の膨張装置と、
ｇ）前記中間段分離装置の前記気体出口と流体連通する吸引入口、および出口を有する最終段圧縮機と、
ｈ）前記最終段圧縮機の前記出口と流体連通する入口、および出口を有する最終段後部冷却器と、
ｉ）前記最終段後部冷却器の前記出口と流体連通する入口、前記熱交換器の前記高圧気体流路と流体連通する気体出口、および前記熱交換器の前記高圧液体流路と流体連通する液体出口を有するアキュムレータ分離装置と、
ｊ）前記熱交換器の前記高圧気体流路と流体連通する入口、および前記熱交換器の前記１次冷却流路と流体連通する出口を有する第２の膨張装置と、
ｋ）前記熱交換器の前記高圧液体流路と流体連通する入口、および前記熱交換器の前記１次冷却流路と流体連通する出口を有する第３の膨張装置と、
ｌ）混合相流を生成するように構成される前記予備冷却の冷却流路、および気体流を生成するように構成される前記１次冷却流路と、
ｍ）前記気体流を受け取るために前記熱交換器の前記１次冷却流路とさらに流体連通する前記吸引分離装置とを含む、混合冷媒により気体を冷却するシステム。
【請求項３３】
前記予備冷却の冷却流路は、前記低温側ではなく、前記熱交換器の前記高温側を通過し、前記１次冷却流路は、前記熱交換器の前記高温側および低温側を通過し、前記中間段分離装置は、前記冷媒の重い画分を含む液体流を生成するように構成され、その結果、前記気体の冷却曲線の高温側、および前記冷媒の冷却曲線の高温側は、混合相流を生成する前記予備冷却の冷却流路、および気体流を生成する前記１次冷却流路により互いに近づく、請求項３２に記載のシステム
【請求項３４】
前記吸引分離装置は、前記熱交換器の前記１次冷却流路と連通する気体入口、および前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と連通する混合相入口を含み、その結果、前記１次冷却流路からの前記気体流、および前記予備冷却の冷却流路からの前記混合相流は、前記吸引分離装置内で結合および平衡化され、前記第１段圧縮機の電力消費を低減するために、前記第１段圧縮機の前記吸引入口に冷却気体流を供給する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記冷却気体流は、熱伝達および質量伝達によりもたらされる、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記吸引分離装置は、液体出口を含んでおり、前記吸引分離装置の前記液体出口と連通する入口、および前記中間段分離装置と流体連通する出口を有するポンプをさらに含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記冷却流路および１次冷却流路は、前記熱交換器の前記高温側および低温側を通過する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３８】
前記予備冷却液体流路および前記予備冷却の冷却流路は、前記熱交換器の前記低温側ではなく、前記熱交換器の前記高温側を通過する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記予備冷却液体流路および前記予備冷却の冷却流路は、前記熱交換器の前記低温側ではなく、前記熱交換器の前記高温側を通過する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項４０】
前記気体は、天然ガスである、請求項３２に記載のシステム。
【請求項４１】
前記生成物は、液化天然ガスである、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記生成物は、液化ガスである、請求項３２に記載のシステム。
【請求項４３】
前記気体の前記供給を受け取り、それを冷却し、前記冷却気体を前記熱交換器の前記気体供給入口に導くように構成される第１の予備冷却システムをさらに含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記第１の予備冷却システムは、予備冷却システム冷媒として単一成分冷媒を使用する、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記単一成分冷媒は、プロパンである、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
前記第１の予備冷却システムは、予備冷却システム冷媒として第２の混合冷媒を使用する、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４７】
前記第１段圧縮機の前記出口と前記中間段分離装置の前記入口との間の回路内の第２の予備冷却システム、および前記最終段後部冷却器の前記出口と前記アキュムレータ分離装置の前記入口との間の回路内の第３の予備冷却システムをさらに含む、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４８】
前記第１、第２および第３の予備冷却システムは、単一の予備冷却システム内に含まれる、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記第１段圧縮機の前記出口と前記中間段分離装置の前記入口との間の回路内の予備冷却システムをさらに含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項５０】
前記最終段後部冷却器の前記出口と前記アキュムレータ分離装置の前記入口との間の回路内の予備冷却システムをさらに含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項５１】
前記吸引分離装置は、入口を含んでおり、前記熱交換器の前記１次冷却流路と流体連通する気体入口、および前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と連通する混合相入口を有する混合装置であって、その結果、前記１次冷却流路からの前記気体流、および前記予備冷却の冷却流路からの前記混合相流は、前記混合装置内で結合および混合されるが、前記吸引分離装置の前記入口と連通する出口をさらに有し、その結果、前記結合および混合した流れは、前記吸引分離装置に供給される、混合装置をさらに含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項５２】
前記混合装置は、静止混合器を含む、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記混合装置は、パイプ部分を含む、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５４】
前記混合装置は、前記熱交換器の管寄せを含む、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５５】
前記熱交換器の前記予備冷却の冷却流路と流体連通する入口、前記吸引分離装置と連通する気体出口、および前記中間段分離装置と連通する液体出口を有し、その結果、前記第１段圧縮機の前記吸引入口は、前記第１段圧縮機の電力需要量を低減するために、低減した気体モル流量を受け取る、帰還分離装置をさらに含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項５６】
前記帰還分離装置の前記液体出口と前記中間段分離装置との間の回路内のポンプをさらに含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５７】
前記帰還分離装置および中間段分離装置は、ドラムである、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５８】
前記帰還ドラムおよび中間段ドラムは、結合されて単一のドラムになる、請求項５７に記載のシステム。
【請求項５９】
前記吸引分離装置、中間段分離装置、およびアキュムレータ分離装置は、ドラムである、請求項３２に記載のシステム。
【請求項６０】
前記第１、第２、および第３の膨張装置は、膨張弁である、請求項３２に記載のシステム。
【請求項６１】
ａ）第１および最終の圧縮冷却サイクルを使用して、混合冷媒を圧縮および冷却するステップと、
ｂ）高圧液体流および気体流が生成されるように、前記第１および最終の圧縮冷却サイクルの後、前記混合冷媒を平衡化および分離するステップと、
ｃ）１次冷却流が前記熱交換器内に供給されるように、前記高圧液体流および気体流を冷却および膨張させるステップと、
ｄ）予備冷却液体流が生成されるように、前記第１および最終の圧縮冷却サイクル間に前記混合冷媒を平衡化および分離するステップと、
ｅ）前記予備冷却液体流が冷却されるように、前記１次冷却流と向流熱交換させながら、前記予備冷却液体流を前記熱交換器に通すステップと、
ｆ）予備冷却の冷却流が生成されるように、前記冷却された予備冷却液体流を膨張させるステップと、
ｇ）前記予備冷却の冷却流を前記熱交換器に通すステップと、
ｈ）前記気体が冷却され、混合相流が前記予備冷却の冷却流から生成され、気体流が前記１次冷却流から生成されるように、前記１次冷却流および前記予備冷却の冷却流と向流熱交換させながら、前記気体流を前記熱交換器に通すステップとを含む、高温側および低温側を有する熱交換器内の気体を冷却する方法。
【請求項６２】
ステップｈ）は、２相流をもたらす、気体流および前記予備冷却の冷却流を供給する、前記１次冷却流をもたらし、
ｉ）前記圧縮機の温度を低下させるために、第１の圧縮冷却サイクル圧縮機に低減した温度の気体流を供給するように、前記第１の圧縮冷却サイクルの前に前記気体流および前記２相流を混合するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
ｊ）前記低減した温度の気体流および冷却された液体流が生成されるように、前記気体流および前記２相流を平衡化および分離するステップと、
ｋ）前記最終の圧縮冷却サイクルの前に、前記冷却された液体流が前記混合冷媒と再結合するように、前記冷却された液体流を吸引するステップとをさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
ｉ）帰還気体流および帰還液体流が生成されるように、前記混合相流を平衡化および分離するステップと、
ｊ）結合流を生成し、前記第１の圧縮冷却サイクルに導くように、前記帰還気体流、および前記１次冷却流からの前記気体流を平衡化および分離するステップとをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６５】
前記最終の圧縮冷却サイクルの前に、前記帰還液体流が前記混合冷媒と再結合するように、前記帰還液体流を吸引するステップをさらに含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
ステップｃ）は、前記高圧気体流および高圧液体流が冷却されるように、前記１次冷却流および前記予備冷却の冷却流と向流熱交換させながら、前記高圧気体流および高圧液体流を前記熱交換器に通すステップを含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６７】
前記気体は、天然ガスである、請求項６１に記載の方法。
【請求項６８】
前記圧縮冷却、ならびに前記第１および最終の圧縮冷却サイクルの一部は、圧縮機および熱交換器により達成される、請求項６１に記載の方法。
【請求項６９】
前記気体流および前記１次冷却流は、前記熱交換器の前記高温側および低温側のどちらも通過する、請求項６１に記載の方法。
【請求項７０】
前記予備冷却の冷却流は、前記熱交換器の前記高温側を通過するが、前記熱交換器の前記低温側を通過しない、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
ステップｃ）およびｆ）の前記膨張は、膨張装置により達成される、請求項６１に記載の方法。
【請求項７２】
前記膨張装置は、膨張弁である、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記気体は、ステップｈ）でさらに液化される、請求項６１に記載の方法。
【請求項７４】
前記予備冷却気体流を前記熱交換器に通す前に、前記気体を予備冷却するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項７５】
前記第１の圧縮冷却サイクルの後、前記混合冷媒を予備冷却するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項７６】
前記最終の圧縮冷却サイクルの後、前記混合冷媒を予備冷却するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項７７】
下流混合冷媒システム内でステップｈ）からの前記冷却気体をさらに冷却するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項７８】
下流混合冷媒システム内でステップｈ）からの前記冷却気体を液化するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項７９】
前記気体は、混合冷媒である、請求項６１に記載の方法。
【請求項８０】
前記気体は、単一成分冷媒である、請求項６１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概略的には、気体を冷却または液化するプロセスおよびシステムに関し、より具体的には、気体を冷却または液化する改良型混合冷媒システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]主としてメタンである天然ガスおよび他の気体は、貯蔵および輸送用の圧力のもとで液化される。液化に起因する体積の減少により、より実用的で経済的な構造の容器を使用することができる。液化は通常、１つまたは複数の冷凍サイクルによる間接的な熱交換を通して気体を冷却することにより達成される。そうした冷凍サイクルは、必要な装置の複雑性、および冷媒の必要な性能効率により、装置コストおよび運転のどちらにおいても高額になる。したがって、冷却効率が改善され、運転コストが低減され、複雑性が低減された、気体冷却および液化システムが必要である。
【０００３】
[0003]天然ガスの液化は、天然ガス流を約−１６０℃〜−１７０℃まで冷却し、次に圧力をほぼ周囲圧力まで低減する必要がある。図１は、圧力６メガパスカル（６０ｂａｒ）のメタン、圧力３．５メガパスカル（３５ｂａｒ）のメタン、および圧力３．５メガパスカル（３５ｂａｒ）のメタンとエタンとの混合物に関する、典型的な温度−エンタルピ曲線を示す。Ｓ字曲線に３つの領域がある。約−７５℃より上で気体は過熱度が低減し、約−９０℃未満で液体は過冷却される。その間の比較的平坦な領域は、気体が凝縮して液体になる場所である。６メガパスカル（６０ｂａｒ）曲線は、臨界圧力を超えるので、１相のみが存在するが、その比熱は臨界温度近くで大きくなり、冷却曲線は、より低圧の曲線と同様になる。５％エタンを含む曲線は、露点および泡立点の値を丸める、不純物の影響を示す。
【０００４】
[0004]冷却プロセスは、天然ガスを液化するために冷却する必要があり、最も効率的なプロセスは、その範囲全体を通して、数度内で図１の冷却曲線に近づく加熱曲線を有する。しかし、冷却曲線のＳ字形状および広い温度範囲のために、そうした冷却プロセスは、設計するのが難しい。純粋成分冷媒プロセスは、その平坦な気化曲線のために、２相領域で最も良く機能するが、多成分冷媒プロセスは、その傾斜した気化曲線のために、過熱度低減および過冷却領域により適している。両タイプのプロセスおよび両者の組合せは、天然ガスを液化するために開発された。
【０００５】
[0005]カスケード型の多レベル純粋成分サイクルは、当初は、プロピレン、エチレン、メタン、および窒素などの冷媒と共に使用された。そうしたサイクルは、十分なレベルがあれば、図１に示す冷却曲線と近似する正味加熱曲線を生成することができる。しかし、レベル数が増加するとき、追加の圧縮機系統が必要になるので、機械的な複雑性は極めて大きくなる。そうしたプロセスは、純粋成分冷媒が天然ガス冷却曲線に従わず一定の温度で気化し、冷却弁が不可逆的に液体をフラッシュさせて気体にするので、熱力学的に非効率でもある。これらの理由から、改良プロセスは、資本コストを低減し、エネルギー消費を低減し、運転性を改善するように求められた。
【０００６】
[0006]Ｍａｎｌｅｙへの米国特許第５，７４６，０６６号は、カスケード型多レベル純粋成分プロセスの熱力学的な非効率性を解消する、エチレン回収のために同様の冷却要求に対して適用される、カスケード型の多レベル混合冷媒プロセスを説明する。これは、冷媒が気体冷却曲線に従って温度上昇中に気化し、液化冷媒がフラッシュする前に過冷却され、したがって熱力学的な不可逆性を低減するためである。それに加えて、純粋冷媒プロセスに必要な３つまたは４つの異なる冷媒サイクルの代わりに、２つの異なる冷媒サイクルのみが必要なので、機械的な複雑性が多少小さい。Ｎｅｗｔｏｎへの米国特許第４，５２５，１８５号、Ｌｉｕらへの米国特許第４，５４５，７９５号、Ｐａｒａｄｏｗｓｋｉらへの米国特許第４，６８９，０６３号、およびＦｉｓｃｈｅｒらへの米国特許第６，０４１，６１９号はすべて、Ｓｔｏｎｅらへの米国特許出願公開第２００７／０２２７１８５号およびＨｕｌｓｅｙらへの米国特許出願公開第２００７／０２８３７１８号と同様に、天然ガス液化に適用される本テーマの変形形態を示す。
【０００７】
[0007]カスケード型の多レベル混合冷媒プロセスは、知られているように最も効率的であるが、より容易に運転することができる、より簡単な効率的プロセスが、大部分のプラントには望ましい。
【０００８】
[0008]Ｓｗｅｎｓｏｎへの米国特許第４，０３３，７３５号は、冷却プロセス用に１つの圧縮機のみを必要とし、さらに機械的な複雑性を低減する、単一の混合冷媒プロセスを説明する。しかし、主として２つの理由から、このプロセスは、上述したカスケード型の多レベル混合冷媒プロセスよりも多少多くの電力を消費する。
【０００９】
[0009]第１に、図１に示す典型的な天然ガス冷却曲線にほぼ従う正味加熱曲線を生成する単一の混合冷媒組成を見つけることが、不可能ではないにしても、難しい。そうした冷媒は、比較的高い沸点成分および比較的低い沸点成分の範囲から構成しなければならず、それらの沸点は、相平衡により熱力学的に拘束される。それに加えて、より高い沸点成分は、最も低い温度で凍結してはならないので、制限される。これらの理由から、比較的大きい温度差が、冷却プロセスのいくつかの点で必然的に起こる。図２は、Ｓｗｅｎｓｏｎへの‘７３５特許のプロセスに関する、典型的な混合物加熱曲線および冷却曲線を示す。
【００１０】
[0010]第２に、単一の混合冷媒プロセスでは、より高い沸点成分のみがプロセスの冷却部分のより高温側で冷却を実現するとしても、冷媒のすべての成分は、最も低い温度レベルまで導かれる。これは、より低い温度で「不活性」であるこれらの成分を冷却し、再加熱するためのエネルギーを必要とする。これは、カスケード型の多レベル純粋成分冷却プロセスまたはカスケード型の多レベル混合冷媒プロセスには当てはまらない。
【００１１】
[0011]この第２の非効率性を軽減し、第１の問題にも対処するために、単一の混合冷媒からより重い画分を分離し、より高い冷却温度レベルでより重い画分を使用し、次に後続の圧縮中にそれをより軽い画分と再結合させる、多くの解決策が開発された。Ｐｏｄｂｉｅｌｎｉａｋへの米国特許第２，０４１，７２５号は、これを行う１つの方法を説明し、周囲温度未満のいくつかの相分離段を組み込む。Ｐｅｒｒｅｔへの米国特許第３，３６４，６８５号、Ｓａｒｓｔｅｎへの米国特許第４，０５７，９７２号、Ｇａｒｒｉｅｒらへの米国特許第４，２７４，８４９号、Ｆａｎらへの米国特許第４，９０１，５３３号、Ｕｅｎｏらへの米国特許第５，６４４，９３１号、Ｕｅｎｏらへの米国特許第５，８１３，２５０号、Ａｒｍａｎらへの米国特許第６，０６５，３０５号、Ｒｏｂｅｒｔｓらへの米国特許第６，３４７，５３１号、およびＳｃｈｍｉｄｔへの米国特許出願公開第２００９／０２０５３６６号も、このテーマの変形形態を示す。それらは、丁寧に設計されれば、非平衡状態での流れの再結合が熱力学的に非効率であっても、エネルギー効率を改善することができる。これは、軽い画分および重い画分が高圧で分離され、次に低圧で再結合し、その結果、それらを単一の圧縮機内で共に圧縮することができるためである。流れが平衡状態で分離され、別々に処理され、次に非平衡状態で再結合するときは常に、最終的に電力消費を増加させる熱力学的損失が生じる。したがって、そうした分離数を最小化すべきである。これらのプロセスのすべては、より重い画分をより軽い画分から分離するために、冷却プロセスの様々な場所で、簡単な気体／液体平衡状態を使用する。
【００１２】
[0012]しかし、簡単な１段気体／液体平衡分離法は、還流を含む複数の平衡段を使用して達成することができるものほどは画分を濃縮しない。より大きい濃度は、特定の温度範囲にわたって冷却を実現する組成物を単離する際の精度をより高くする。このことは、図１のＳ字冷却曲線に従う処理能力を向上させる。Ｇａｕｔｈｉｅｒへの米国特許第４，５８６，９４２号およびＳｔｏｃｋｍａｎｎらへの米国特許第６，３３４，３３４号は、上述の周囲の圧縮機系統内で分画を使用し、さらに異なる温度範囲で冷却に使用する単離された画分を濃縮し、したがって、プロセスの熱力学的効率全体を改善する方法を説明する。画分を濃縮し、それらの気化温度範囲を低減する第２の理由は、画分がプロセスの冷却部分を出るとき、画分が完全に気化されるのを確実にするためである。これは、冷媒の潜熱を十分に利用し、液体の下流圧縮機への飛散を妨げる。これと同じ理由から、重い画分の液体は、通常、プロセスの一部として冷媒のより軽い画分中に再注入される。重い画分の分画は、再注入時のフラッシュを低減し、２相流体の機械的分配を改善する。
【００１３】
[0013]Ｓｔｏｎｅらへの米国特許出願公開第２００７／０２２７１８５号に示されるように、プロセスの冷却部分から部分的に気化した冷却流を除去することが知られている。Ｓｔｏｎｅらは、機械的理由（熱力学的なものではない）より、また２つの別個の混合冷媒を必要とするカスケード型の多レベル混合冷媒プロセスに関しては、これを行う。それに加えて、部分的に気化した冷却流は、圧縮直前に先に分離したその気体画分との再結合時に完全に気化される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】[0014]圧力３．５メガパスカル（３５ｂａｒ）および６メガパスカル（６０ｂａｒ）のメタン、ならびに圧力３．５メガパスカル（３５ｂａｒ）のメタンとエタンとの混合物に関する、温度−エンタルピ曲線のグラフである。
【図２】[0015]先行技術のプロセスおよびシステムに関する混合物加熱曲線および冷却曲線のグラフである。
【図３】[0016]本発明のプロセスおよびシステムの一実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図４】[0017]図３のプロセスおよびシステムに関する混合物加熱曲線および冷却曲線のグラフである。
【図５】[0018]本発明のプロセスおよびシステムの第２の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図６】[0019]本発明のプロセスおよびシステムの第３の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図７】[0020]本発明のプロセスおよびシステムの第４の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図８】[0021]図２および４の混合物加熱曲線および冷却曲線の高温側部分の拡大図を提供するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0022]本発明によれば、以下により詳細に説明するように、重い画分の簡単な平衡分離は、重い画分がプロセスの１次熱交換器を出るときに完全には気化されない場合、混合冷媒プロセス効率を大幅に改善するには十分である。これは、圧縮機吸引時に多少の液化冷媒が存在し、それを事前に分離し、より高い圧力まで吸引しなければならないことを意味する。液化冷媒が冷媒の気化した、より軽い画分と混合されるとき、圧縮機吸引気体は、大幅に冷却され、必要な圧縮機電力が、さらに低減される。中間段の重い画分の平衡分離も、第２またはより高い段の（１つまたは複数の）圧縮機の負荷を低減し、その結果、プロセス効率が改善する。冷媒の重い成分は、さらにプロセスの低温側から追い出され、冷媒凍結の可能性を低減する。
【００１６】
[0023]さらに、独立した予備冷却の冷却ループで重い画分を使用すると、その結果、熱交換器の高温側で加熱／冷却曲線がほぼ閉じて、より効率的な冷却の使用をもたらす。これは、図２からの曲線（開いた曲線）および図４からの曲線（閉じた曲線）が＋４０℃〜−４０℃に限定された温度範囲で同じ軸にプロットされる、図８に最も良く示されている。
【００１７】
[0024]本発明のシステムおよび方法の一実施形態を示す、プロセスフロー概略図を図３に提供する。ここで図３を参照して、一実施形態の運転を説明する。
[0025]図３に示すように、本システムは、高温側７および低温側８を含む、６で全体を示す複数流熱交換器を含む。熱交換器は、熱交換器内の冷却流との熱交換による熱の除去を介して冷却流路５内で液化される高圧天然ガス供給流９を受け取る。その結果、液化天然ガス生成物の流れ１０が形成される。熱交換器の複数流構造により、単一の交換器へのいくつかの流れの便利でエネルギー効率の良い統合が可能になる。適当な熱交換器は、Ｃｈａｒｔ  Ｅｎｅｒｇｙ  ＆  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｗｏｏｄｌａｎｄｓ、Ｔｅｘａｓから購入することができる。Ｃｈａｒｔ  Ｅｎｅｒｇｙ  ＆  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能であるプレート・フィン複数流熱交換器は、物理的に小型である利点をさらに提供する。
【００１８】
[0026]熱交換器６を含む、図３のシステムは、先行技術において知られている、１３に破線で示すように、他の気体プロセス追加機能を行うように構成することができる。これらのプロセス追加機能は、気体流に１つまたは複数の回数、熱交換器を出て、再び熱交換器に入るように要求し、例えば、天然ガス液体回収または窒素除去を含むことができる。さらに、本発明のシステムおよび方法を天然ガスの液化に関して以下に説明するが、それらは、限定されないが、空気または窒素を含む、天然ガス以外の気体の冷却、液化、および／またはプロセスに使用することができる。
【００１９】
[0027]単一の混合冷媒、および図３に示すシステムの残りの部分を使用して、熱交換器内で熱除去が達成される。以下に説明するように、システムの冷却部分の流れの冷媒組成、状態、および流量を表１に示す。
【００２０】
[0028]図３の右上部を参照すれば、第１段圧縮機１１は、低圧気化冷媒流１２を受け取り、それを中間圧力まで圧縮する。次に、流れ１４は、第１段後部冷却器１６に進み、冷却される。後部冷却器１６は、例えば熱交換器とすることができる。得られた中間圧力混合相冷媒流１８は、中間段ドラム２２に進む。中間段ドラム２２を図示する一方で、限定されないが、別のタイプの容器、サイクロン分離機、蒸留ユニット、コアレス分離機、またはメッシュもしくはベーンタイプのミスト除去器を含む、別の分離装置を使用することができる。中間段ドラム２２も、以下により詳細に説明するように、ポンプ２６により供給される中間圧力液化冷媒流２４を受け取る。別の実施形態では、代わりに、流れ２４は、後部冷却器１６の上流で流れ１４と結合し、後部冷却器１６の下流で流れ１８と結合することができる。
【００２１】
[0029]流れ１８および２４は、ドラム２２の気体出口を出る、分離された中間圧力気体流２８およびドラムの液体出口を出る中間圧力液体流３２をもたらす、中間段ドラム２２内で結合および平衡化される。高温で重い画分である中間圧力液体流３２は、ドラム２２の液体側を出て、熱交換器６の予備冷却液体流路３３に入り、さらに熱交換器を通過しながら、以下に説明する様々な冷却流との熱交換により過冷却される。得られた流れ３４は、熱交換器を出て、膨張弁３６によりフラッシュされる。膨張弁３６の代わりに、限定されないが、タービンまたはオリフィスを含む、別のタイプの膨張装置を使用することができる。得られた流れ３８は、熱交換器６に再び入り、予備冷却の冷却流路３９を介して、さらに冷却する。流れ４２は、著しい液体画分との２相混合物として熱交換器の高温側７を出る。
【００２２】
[0030]中間圧力気体流２８は、ドラム２２の気体出口から第２または最終段の圧縮機４４に進み、高圧まで圧縮される。流れ４６は、圧縮機４４を出て、第２または最終段の後部冷却器４８を通過し、冷却される。得られた流れ５２は、気相および液相のどちらも含み、これらの相は、アキュムレータドラム５４内で分離される。アキュムレータドラム５４を図示する一方で、限定されないが、別のタイプの容器、サイクロン分離機、蒸留ユニット、コアレス分離機、またはメッシュもしくはベーンタイプのミスト除去器を含む、別の分離装置を使用することができる。高圧気化冷媒流５６は、ドラム５４の気体出口を出て、熱交換器６の高温側に進む。高圧液化冷媒流５８は、ドラム５４の液体出口を出て、さらに熱交換器６の高温側に進む。第１段圧縮機１１および第１段後部冷却器１６は、第１の圧縮冷却サイクルを構成するが、最終段圧縮機４４および最終段後部冷却器４８は、最終の圧縮冷却サイクルを構成することに留意されたい。しかし、代わりに、各冷却サイクル段は、複数の圧縮機および／または後部冷却器を含むことができることにも留意されたい。
【００２３】
[0031]高温高圧気化冷媒流５６は、熱交換器６の高圧気体流路５９を通過するとき、冷却され、凝縮され、過冷却される。その結果、流れ６２は、熱交換器６の低温側を出る。流れ６２は、膨張弁６４によりフラッシュされ、流れ６６として熱交換器に再び入り、１次冷却流路６５を通過しながら、流れ６７として冷却する。膨張弁６４の代わりに、限定されないが、タービンまたはオリフィスを含む、別のタイプの膨張装置を使用することができる。
【００２４】
[0032]高温高圧液化冷媒流５８は、熱交換器６に入り、高圧液体流路６９内で過冷却される。得られた流れ６８は、熱交換器を出て、膨張弁７２によりフラッシュされる。膨張弁７２の代わりに、限定されないが、タービンまたはオリフィスを含む、別のタイプの膨張装置を使用することができる。得られた流れ７４は、熱交換器６に再び入り、１次冷却流路６５内で流れ６７と合流および結合し、流れ７６としてさらに冷却し、過熱気体流７８として熱交換器６の高温側を出る。
【００２５】
[0033]過熱気体流７８、および上述のように著しい液体画分との２相混合物である流れ４２は、それぞれ、気体入口および混合相入口を通して低圧吸引ドラム８２に入り、低圧吸引ドラム内で結合および平衡化される。吸引ドラム８２を図示する一方で、限定されないが、別のタイプの容器、サイクロン分離機、蒸留ユニット、コアレス分離機、またはメッシュもしくはベーンタイプのミスト除去器を含む、別の分離装置を使用することができる。その結果、低圧気化冷媒流１２は、ドラム８２の気体出口を出る。上述のように、流れ１２は、第１段圧縮機１１の入口に進む。吸引ドラム８２内で混合相流４２を、大幅に異なる組成の気体を含む流れ７８と混合することにより、圧縮機１１の吸引入口で、部分的なフラッシュ冷却効果をもたらすが、フラッシュ冷却効果は、圧縮機に進む気体流の温度、したがって圧縮機自体の温度を低下させ、その結果、圧縮機を運転するのに必要な電力を低減する。
【００２６】
[0034]混合フラッシュ冷却効果により温度がさらに低下した低圧液化冷媒流８４は、ドラム８２の液体出口を出て、ポンプ２６により中間圧力まで吸引される。上述のように、ポンプからの出口流２４は、中間段ドラム２２に進む。
【００２７】
[0035]その結果、本発明によれば、流れ３２、３４、３８、および４２を含む予備冷却の冷媒ループは、熱交換器６の高温側に入り、著しい液体画分と共に出る。部分的に液体の流れ４２は、吸引ドラム８２内での平衡化および分離、得られた気体の圧縮機１１内での圧縮、ならびに得られた液体のポンプ２６による吸引のために、流れ７８からの使用済冷媒気体と結合される。吸引ドラム８２内の平衡状態は、熱および質量の両方の輸送により、圧縮機１１に入る流れの温度を低減し、したがって、圧縮機による電力使用量を低減する。
【００２８】
[0036]図３のプロセスに関する混合物加熱曲線および冷却曲線を図４に示す。最適化された単一の混合冷媒プロセスに関する、図２の曲線との比較により、Ｓｗｅｎｓｏｎへの米国特許第４，０３３，７３５号に説明されたものと同様に、混合物加熱曲線および冷却曲線は互いに近づき、したがって、圧縮機電力を約５％だけ低減することが示される。これは、プラントの資本コストを低減するのを助け、エネルギー消費を関連の環境排出量と共に低減する。これらの利点は、小型から中型サイズの液化天然ガスプラントに１年につき数百万ドルの節約をもたらすことができる。
【００２９】
[0037]図４は、図３のシステムおよび方法により、冷却曲線の熱交換器高温側でほぼ閉じることも示す（図８も参照）。これは、中間圧力の重い画分液体が冷媒の残りよりも高い温度で沸騰し、したがって、高温側熱交換器冷却に極めて適しているためである。熱交換器内のより軽い画分冷媒とは別に中間圧力の重い画分液体を沸騰させることにより、さらに高い沸点を実現し、その結果、さらに「閉じた」（したがって、より効率的な）高温側の曲線になる。さらに、熱交換器の低温側から重い画分を追い出すことは、凍結の発生を防ぐのを助ける。
【００３０】
[0038]上述の実施形態は、超臨界圧力における、代表となる天然ガス供給に関するものであることに留意されたい。最適な冷媒組成および運転条件は、様々な圧力で、より純粋でない他の天然ガスを液化するとき、変化する。しかし、プロセスの利点は、その熱力学的効率のために残る。
【００３１】
[0039]本発明のシステムおよび方法の第２の実施形態を示す、プロセスフロー概略図を図５に提供する。図５の実施形態では、過熱気体流７８および２相混合流４２は、図３の吸引ドラム８２の代わりに、１０２で示す混合装置内で結合される。混合装置１０２は、例えば、静止混合器、流れ７８および４２が流れる単一のパイプ部分、熱交換器６の充填物または管寄せとすることができる。結合および混合した流れ７８および４２は、混合装置１０２を出た後、流れ１０６として低圧吸引ドラム１０４の単一の入口に進む。吸引ドラム１０４を図示する一方で、限定されないが、別のタイプの容器、サイクロン分離機、蒸留ユニット、コアレス分離機、またはメッシュもしくはベーンタイプのミスト除去器を含む、別の分離装置を使用することができる。流れ１０６が吸引ドラム１０４に入るとき、気相および液相は分離され、その結果、図３の実施形態で上述したように、低圧液化冷媒流８４は、ドラム１０４の液体出口を出るが、低圧気体流１２は、ドラム１０４の気体出口を出る。図５の実施形態の残りの部分は、図３の実施形態で上述した同じ要素および運転を含むが、表１のデータは異なる可能性がある。
【００３２】
[0040]本発明のシステムおよび方法の第３の実施形態を示す、プロセスフロー概略図を図６に提供する。図６の実施形態では、熱交換器６からの２相混合流４２が、ドラム１２０に帰還するように進む。得られた気相は、帰還気体流１２２として低圧吸引ドラム１２４の第１の気体入口に進む。熱交換器６からの過熱気体流７８は、低圧吸引ドラム１２４の第２の気体入口に進む。結合した流れ１２６は、吸引ドラム１２４の気体出口を出る。ドラム１２０および１２４は、代わりに、組み合わせて、帰還分離機ドラムおよび吸引ドラムの機能を行う単一のドラムまたは容器にすることができる。さらに、ドラム１２０および１２４は、限定されないが、別のタイプの容器、サイクロン分離機、蒸留ユニット、コアレス分離機、またはメッシュもしくはベーンタイプのミスト除去器を含む、別のタイプの分離装置に置き換えることができる。
【００３３】
[0041]第１段圧縮機１３１は、低圧気化冷媒流１２６を受け取り、それを中間圧力まで圧縮する。次に、圧縮流１３２は、第１段後部冷却器１３４に進み、冷却される。その間、帰還分離機ドラム１２０の液体出口からの液体が、帰還液体流１３６としてポンプ１３８に進み、得られた流れ１４２は、次に、第１段後部冷却器１３４の上流で流れ１３２と合流する。
【００３４】
[0042]第１段後部冷却器１３４を出る中間圧力混合相冷媒流１４４は、中間段ドラム１４６に進む。中間段ドラム１４６を図示する一方で、限定されないが、別のタイプの容器、サイクロン分離機、蒸留ユニット、コアレス分離機、またはメッシュもしくはベーンタイプのミスト除去器を含む、別の分離装置を使用することができる。分離された中間圧力気体流２８は、中間段ドラム１４６の気体出口を出るが、中間圧力液体流３２は、ドラムの液体出口を出る。図３の実施形態で上述したように、中間圧力気体流２８は、第２段圧縮機４４に進むが、高温で重い画分である中間圧力液体流３２は、熱交換器６に進む。図６の実施形態の残りの部分は、図３の実施形態で上述した同じ要素および運転を含むが、表１のデータは異なる可能性がある。図６の実施形態は、ドラム１２４で全く冷却せず、したがって、第１段圧縮機吸引流１２６を冷却しない。しかし、効率を改善することに関して、冷却された圧縮機吸引流は、圧縮機吸引部への低減した気体モル流量に置き換えられる。圧縮機吸引部への低減した気体流は、図３の実施形態の冷却された圧縮機吸引流によりもたらされる低減量とほぼ等価の圧縮機電力需要量の低減をもたらす。図３の実施形態のポンプ２６と比べて、ポンプ１３８の電力需要量に関連する増加が生じるが、ポンプ電力増加量は、圧縮機電力の節約量と比べて極めて小さい（ほぼ１／１００）。
【００３５】
[0043]図７に示す、本発明のシステムおよび方法の第４の実施形態では、図３のシステムは、適宜、２０２、２０４、および／または２０６で示す、１つまたは複数の予備冷却システムを設けられる。当然、図５もしくは６の実施形態、または本発明のシステムの他の任意の実施形態は、図７の予備冷却システムを設けることができる。予備冷却システム２０２は、熱交換器６の前に天然ガス流９を予備冷却するためにある。予備冷却システム２０４は、混合相流１８が第１段後部冷却器１６から中間段ドラム２２に進むとき、混合相流１８を中間段で予備冷却するためにある。予備冷却システム２０６は、混合相流５２が第２段後部冷却器４８からアキュムレータドラム５４に進むとき、混合相流５２を予備冷却放出するためにある。図７の実施形態の残りの部分は、図３の実施形態で上述した同じ要素および運転を含むが、表１のデータは異なる可能性がある。
【００３６】
[0044]予備冷却システム２０２、２０４、または２０６のそれぞれは、運転のために熱交換器６に組み込み、もしくは熱交換器６に依存することができ、または、例えば第２の複数流熱交換器とすることができる冷却装置を含むことができる。それに加えて、予備冷却システム２０２、２０４、および／または２０６の２つまたは３つすべては、単一の複数流熱交換器に組み込むことができる。当技術分野で知られている、どんな予備冷却システムも使用することができるが、図７の予備冷却システムはそれぞれ、プロパンなどの単一成分冷媒、または予備冷却システム冷媒としての第２の混合冷媒を使用する冷却装置を含むのが好ましい。より具体的には、単一の圧力または複数の圧力で気化する予備冷却の冷媒を有する、よく知られているプロパンＣ３−ＭＲ予備冷却プロセスまたは２相混合冷媒プロセスを使用することができる。他の適当な単一成分冷媒の例は、限定されないが、Ｎ−ブタン、イソブタン、プロピレン、エタン、エチレン、アンモニア、フロン、または水を含む。
【００３７】
[0045]図７のシステム（または他の任意のシステムの実施形態）は、予備冷却システム２０２を設けられるのに加えて、液化システムまたは第２の混合冷媒システムなどの下流プロセス用予備冷却システムとして機能することができる。熱交換器の冷却流路内で冷却される気体は、第２の混合冷媒または単一成分混合冷媒とすることもできる。
【００３８】
[0046]本発明の好ましい実施形態を示し、それを説明してきたが、本発明の技術的思想から逸脱することなく、その中で変更および修正を行うことができ、その範囲は、添付の特許請求の範囲により規定されることが当業者には明らかであろう。
【００３９】
【表１】
2013530364.tif 000003
【図１】
2013530364.tif 000004
【図２】
2013530364.tif 000005
【図３】
2013530364.tif 000006
【図４】
2013530364.tif 000007
【図５】
2013530364.tif 000008
【図６】
2013530364.tif 000009
【図７】
2013530364.tif 000010
【図８】
2013530364.tif 000011
【国際調査報告】
2013530364.tif 000012