(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合冷媒により流体を冷却する熱交換器であって、
暖端１および低温端２と、
前記暖端側にあり供給流体を受けるように適合された入口、および前記低温端側にあり生成物がそこを通って出る生成物出口を有する、供給流体冷却路１６２と、
前記低温端側にあり低温冷媒流１２２を受けるように適合された入口、前記暖端側にあり気相または混合相の冷媒戻り流がそこを通って出る冷媒戻り流出口、および中温冷媒流１４８を受けるように適合され前記低温冷媒流入口と前記冷媒戻り流出口との間に配置される入口を有する、一次冷凍路１０４または２０４と、
前記暖端側で高圧蒸気流３４を受け前記高圧蒸気流３４を冷却して混合相低温セパレータ供給流１６４を形成するように適合され、低温蒸気セパレータＶＤ４と連通する出口を含む、高圧蒸気路１６６であり、前記低温蒸気セパレータＶＤ４が、前記低温セパレータ供給流１６４を低温セパレータ蒸気流１６０と低温セパレータ液体流１５６に分離するように適合された、高圧蒸気路１６６と、
前記低温蒸気セパレータＶＤ４と連通する入口を有し、前記低温セパレータ蒸気流１６０を凝縮させフラッシュさせて前記低温冷媒流１２２を形成するように適合され、前記低温端側の前記一次冷凍路入口と連通する出口を有する、低温セパレータ蒸気路と、
前記低温蒸気セパレータＶＤ４と連通する入口を有し、前記低温セパレータ液体流を過冷却するように適合され、中温冷媒路と連通する出口を有する、低温セパレータ液体路と、
前記暖端側で中沸点冷媒液体流３８を受け前記中沸点冷媒液体流を冷却して過冷冷媒液体流１２４を形成するように適合され、前記中温冷媒路と連通する出口を有する、高圧液体路１３６と、
前記過冷冷媒液体流１２４とともに過冷低温セパレータ液体流１２８を受けそれらを混ぜ合わせて中温冷媒流１４８を形成するように適合され、前記中温冷媒流１４８を受けるように適合された前記一次冷凍路入口と連通する出口を有する、前記中温冷媒路と
を備える、熱交換器。
【請求項２】
前記暖端側で高沸点冷媒液体流４８を受け前記高沸点冷媒液体流を冷却し、フラッシュし、またはその圧力をまたは減少させて暖温冷媒流１５８を形成するように適合された予冷路をさらに備える、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記予冷路が、前記暖端側の入口および出口を有する予冷液体路１３８と、前記予冷液体路１３８の前記入口と連通する入口および出口を有する膨張装置１４２と、前記膨張装置１４２の前記出口と連通する入口を有する暖温冷媒路１５８とをさらに備える、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記一次冷凍路２０４が、暖温冷媒流１５８を受けるように適合され中温冷媒入口と前記冷媒戻り流出口との間にある入口をさらに備え、
前記予冷路が、前記暖端側の入口および出口を有する予冷液体路１３８と、前記予冷液体路１３８の前記出口と連通する入口および出口を有する膨張装置１４２と、前記膨張装置１４２の前記出口と連通する入口および前記一次冷凍路２０４の前記入口と連通し前記
中温冷媒入口と前記暖端側の前記冷媒戻り流出口との間にある出口を有する暖温冷媒路１５８とをさらに備える、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記一次冷凍路２０４からの前記冷媒戻り流が、気相戻り流２０２である、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記予冷路が、前記暖端側の入口および出口を有する予冷液体路１３８と、前記予冷液体路１３８の前記出口と連通する入口および出口を有する膨張装置１４２と、前記膨張装置１４２の前記出口と連通する入口および出口を有する暖温冷媒路１５８と、前記暖温冷媒路１５８の前記出口と連通する入口および前記暖端側にあり気相または液相の暖温冷媒戻り流１０８Ａがそこを通って出る出口を有する予冷冷凍路１０８とをさらに備える、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記一次冷凍路１０４からの前記冷媒戻り流が、気相戻り流１０４Ａである、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記暖温冷媒戻り流１０８Ａが、混合相戻り流である、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記暖温冷媒戻り流１０８Ａが、気相戻り流である、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項１０】
冷媒戻り流１０４Ａおよび前記暖温冷媒戻り流１０８Ａと連通する入口を有し、前記冷媒戻り流１０４Ａと前記暖温冷媒戻り流１０８Ａを混ぜ合わせるように適合され、分離装置と連通する出口を有する、戻り路１０２をさらに備える、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項１１】
冷媒戻り流１０４Ａおよび暖温冷媒戻り流１０８Ａと連通し、前記冷媒戻り流１０４Ａと前記暖温戻り流１０８Ａを混ぜ合わせるように適合され、戻り路１０２、分離装置またはその組み合わせと連通する出口を有する、前記熱交換器の外のヘッダーをさらに備える、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１２】
１０４Ａおよび１０８Ａが、前記暖端側で互いに流体連通しない、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１３】
１０４Ａおよび１０８Ａが、前記暖端側で前記熱交換器の外のヘッダー内で互いに流体連通する、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１４】
１０４Ａおよび１０８Ａが、吸引分離装置ＶＤ１で、または前記吸引分離装置ＶＤ１と前記熱交換器の間のあるポイントで、互いに流体連通する、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１５】
１０４Ａおよび１０８Ａが、吸引分離装置ＶＤ１と流体連通する低圧混合冷媒蒸気流１０２を形成するように、互いに流体連通する、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１６】
単一の熱交換器、並列に配置された１つもしくは複数の熱交換器、直列に配置された１つもしくは複数の熱交換器、またはその組み合わせからなる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１７】
前記中温冷媒流１４８、前記低温冷媒流１２２、前記過冷冷媒液体流１２４、前記過冷低温セパレータ液体流１２８またはその組み合わせのうちの１つまたは複数と別々に連通し、別々に、前記流れのうちの１つまたは複数を膨張、分離または膨張分離するように適合された、１つまたは複数の膨張装置、分離装置またはその組み合わせをさらに備える、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１８】
前記暖温冷媒流１５８と流体連通し、前記流れを別々に膨張、分離または膨張分離するように適合された、１つまたは複数の膨張装置、分離装置またはその組み合わせをさらに備える、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項１９】
液体冷媒ポンピングでまたはそれなしで動作するように適合された、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２０】
液体ポンピングなしで動作するように適合された、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２１】
蒸気圧縮を使用して動作するように適合された、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２２】
戻り冷媒路１０２内の前記混合冷媒の露点、露点未満または露点を越えた温度で動作するように適合された、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２３】
前記混合冷媒が、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、Ｎ−ブタン、イソブタン、ブチレン、Ｎ−ペンタン、イソペンタンおよびその組み合わせのうちの２つ以上を含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２４】
前記供給流体冷却路と別々に連通し、前記供給流体、生成物流体またはその両方を処理するように適合された、外部処理、前処理、後処理、一貫処理またはその組み合わせのうちの１つまたは複数をさらに備える、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２５】
前記外部処理、前記前処理および前記後処理のそれぞれが、別々に、前記生成物からの、脱硫、脱水、ＣＯ２除去、１つもしくは複数の天然ガス液体（ＮＧＬ）の除去、１つもしくは複数の凍結成分の除去、エタン除去、１つもしくは複数のオレフィンの除去、１つもしくは複数のＣ６炭化水素の除去、１つもしくは複数のＣ６＋炭化水素の除去またはＮ２除去を含むことができる、請求項２４に記載の熱交換器。
【請求項２６】
前記供給流体冷却路と連通し、前記供給流体、生成物流体またはその両方を処理するように適合された、脱硫、脱水、ＣＯ２除去、１つもしくは複数の天然ガス液体（ＮＧＬ）の除去またはその組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、１つまたは複数の前処理をさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２７】
前記供給流体冷却路と連通し前記供給流体、生成物流体またはその両方を処理するように適合された、１つもしくは複数の天然ガス液体（ＮＧＬ）の除去、１つもしくは複数の凍結成分の除去、エタン除去、１つもしくは複数のオレフィンの除去、１つもしくは複数のＣ６炭化水素の除去、または１つもしくは複数のＣ６＋炭化水素の除去のうちの１つまたは複数を含む、１つまたは複数の外部処理をさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２８】
前記供給流体冷却路と連通し前記供給流体、前記生成物流体またはその両方を処理するように適合された、前記生成物からのＮ２除去を含む、１つまたは複数の後処理をさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２９】
チューブ／シェル、螺旋巻もしくはプレート−フィン型の熱交換器、またはその２つ以上の組み合わせである、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３０】
プレート−フィン型熱交換器である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３１】
流体を冷却する方法であって、
冷却された生成物流体を得るために、請求項１に記載の熱交換器内で、供給流体と、２つ以上のＣ１〜Ｃ５炭化水素および適宜Ｎ２を含む循環混合冷媒とを熱的に接触させるステップ
を含む、方法。
【請求項３２】
請求項１または２記載の熱交換器内で混合冷媒を循環させる圧縮システムであって、
前記気相または混合相の冷媒戻り流１０２／２０２を受ける入口および蒸気出口１４を備える吸引分離装置ＶＤ１と、
前記蒸気出口１４と流体連通し圧縮流体流１８を供給する圧縮流体出口を有する圧縮機１６と、
任意選択で、前記圧縮流体出口および流れ１８と流体連通する入口、および冷却流体流２２を供給する出口を有する後部冷却器２０と、
任意選択で、前記後部冷却器の前記出口および流れ２２と流体連通する入口、蒸気流２４を供給する蒸気出口、および前記高沸点冷媒液体流４８を供給する液体出口を有する、中間段分離装置ＶＤ２と、
前記中間段分離装置の前記蒸気出口および流れ２４と流体連通する入口、および圧縮流体流２８を供給する出口を有する、圧縮機２６と、
任意選択で、前記圧縮流体流２８と流体連通する入口、および高圧混合相流３２を供給する出口を有する、後部冷却器３０と、
前記高圧混合相流３２と流体連通する入口、前記高圧蒸気流３４を供給する蒸気出口、および中沸点冷媒液体流３６を供給する液体出口を有する、アキュムレータ分離装置ＶＤ３と、
任意選択で、前記中沸点冷媒液体流３６を受ける入口、前記中沸点冷媒液体流３８を供給する出口、および任意選択で流体流４０を供給する出口を有する、分割流交差部と、
任意選択で、流体流４０と流体連通する入口、および冷却流体流４４を供給する出口を有する、膨張装置４２と、
前記流体流４４を受ける入口を任意選択でさらに備える、前記中間段分離装置ＶＤ２と
を備え、
前記分割流交差部が存在しないとき、前記中沸点冷媒液体流３６が中沸点冷媒液体流３８と直接流体連通する、
圧縮システム。
【請求項３３】
冷媒液体を循環させる液体ポンプを含まない、請求項３２に記載の圧縮システム。
【請求項３４】
前記吸引分離装置ＶＤ１が、液体出口１４ｌをさらに備え、前記圧縮システムが、液体出口１４ｌと流体連通する入口と、前記圧縮流体流１８、前記後部冷却器２０、前記冷却流体流２２、前記中間段分離装置ＶＤ２またはその任意の組み合わせのうちの１つまたは複数と流体連通する出口１８ｌとを有する液体ポンプＰをさらに備える、請求項３２に記載の圧縮システム。
【請求項３５】
前記吸引分離装置ＶＤ１が、第２の入口５０、第２の流体出口５２またはその両方をさらに備える、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３６】
前記吸引分離装置ＶＤ１が、液体冷媒出口を有さない、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３７】
前記低圧混合冷媒戻り流１０２／２０２が、蒸気である、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３８】
前記低圧混合冷媒戻り流１０２／２０２が、前記混合冷媒の露点、露点を越えた温度または露点未満の温度である、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３９】
請求項１に記載の熱交換器と、連通する請求項３２に記載の圧縮システムとを備える、流体冷却システム。
【請求項４０】
流体を冷却する方法であって、
冷却された生成物流体を得るために、請求項３２のシステム内で、供給流体と、２つ以上のＣ１〜Ｃ５炭化水素および適宜Ｎ２を含む循環混合冷媒とを熱的に接触せるステップ
を含む、方法。
【請求項４１】
供給流体を冷却する方法であって、
高圧蒸気流３４および中沸点冷媒液体流３８を形成するように、２つ以上のＣ１〜Ｃ５炭化水素および適宜Ｎ２を含む高圧混合冷媒流を分離するステップと、
混合相低温セパレータ供給流１６４を形成するように、請求項１に記載の熱交換器内で前記高圧蒸気３４を冷却するステップと、
低温セパレータ蒸気流１６０および低温セパレータ液体流１５６を形成するように、低温蒸気セパレータＶＤ４で前記混合相低温セパレータ供給流１６４を分離するステップと、
低温冷媒流１２２を形成するように、前記低温セパレータ蒸気流１６０を凝縮させ、フラッシュさせるステップと、
過冷中沸点冷媒液体流１２４を形成するように、前記熱交換器内で前記中沸点冷媒液体流３８を冷却するステップと、
過冷低温セパレータ液体流１２８を形成するように、前記低温セパレータ液体流１５６を過冷却し、中温冷媒流１４８を形成するように前記過冷中沸点冷媒液体流１２４と混ぜ合わせるステップと、
炭化水素および適宜Ｎ２を含む蒸気冷媒戻り流を形成するように、前記中温冷媒流１４８と前記低温冷媒流１２２を混ぜ合わせ、暖めるステップと、
冷却された供給流体を形成するように、前記供給流体と前記熱交換器を熱的に接触させるステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、天然ガスのような流体の冷却に適した混合冷媒システムおよび方法に関する。
関連出願
本出願は、参照によりその全内容が組み込まれる、２０１３年３月１５日出願の米国仮特許出願第６１／８０２，３５０号に対する優先権を請求する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスまたはその他のガスは、貯蔵および輸送のために液化される。液化は、ガスの体積を減少させ、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によってガスを冷却することにより達成される。冷凍サイクルは、機器の複雑性、およびサイクルの性能効率により、コストがかかる。したがって、動作についてそれほど複雑でなく、より効率が良く、それほど高価ではないガス冷却および／または液化システムが必要とされている。
【０００３】
主にメタンである天然ガスの液化は、一般的に、ガス流を約−１６０℃〜−１７０℃まで冷却し、次いで圧力を概ね周囲圧力にまで下げる必要がある。図１に示されるように、（圧力６ＭＰａ（６０ｂａｒ）のメタン、圧力３．５ＭＰａ（３５ｂａｒ）のメタン、および圧力３．５ＭＰａ（３５ｂａｒ）のメタン／エタン混合物である）気体メタンの液化についての典型的な温度−エンタルピー曲線には、Ｓ字形曲線に沿って３つの領域がある。ガスが冷却されるとき、約−７５℃より上の温度でガスは過熱度低減（ｄｅ−ｓｕｐｅｒｈｅａｔｉｎｇ）され、約−９０℃未満の温度で液体は過冷却される。これらの温度の間には、ガスが凝縮して液体になる比較的平坦な領域が見られる。６ＭＰａ（６０ｂａｒ）のメタンについての曲線では、ガスは臨界圧力を越えるので、臨界温度を上回ると１つの相だけが存在し、その比熱は臨界温度近くで大きくなり、臨界温度未満では、冷却曲線はより低い圧力（３．５ＭＰａ（３５ｂａｒ））の曲線と同様になる。９５％メタン／５％エタンについての３．５ＭＰａ（３５ｂａｒ）の曲線は、不純物の影響を示しており、露点および泡立ち点の値を丸める。
【０００４】
冷凍プロセスは、天然ガスの液化に不可欠な冷却を供給し、最も効率的なプロセスは、その温度範囲全体を通して数度以内で図１の冷却曲線に密に近づく加熱曲線を有することが理想である。しかし、冷却曲線のＳ字形状および広い温度範囲により、そうした冷凍プロセスの設計は難しい。純粋成分冷媒プロセスは、その蒸発曲線が平らであるため、２相領域で最も良く機能する。その一方で、多成分冷媒プロセスは、蒸発曲線が傾斜しているため、過熱度低減および過冷却領域により適している。両方のタイプのプロセスおよび両者の組み合わせは、天然ガスを液化するために開発された。
【０００５】
当初、カスケード型の多レベル純粋成分冷凍サイクルは、プロピレン、エチレン、メタンおよび窒素などの冷媒とともに使用された。そうしたサイクルは、十分なレベルがあれば、図１に示される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、レベルの数が増加すると、追加の圧縮機系統が必要になるので、望ましくないことには、機械的な複雑性が大きくなってしまう。さらに、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温度で気化し、冷凍弁が不可逆的に液体をフラッシュさせて蒸気にするので、熱力学的に効率が悪い。これらの理由から、投資コストおよびエネルギー消費を減少させ運転性を向上させるのに混合冷媒プロセスが普及してきている。
【０００６】
Ｍａｎｌｅｙへの米国特許第５，７４６，０６６号には、エチレン回収のためのカスケード型多レベル混合冷媒プロセスが述べられており、それによって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が解消される。これは、冷媒がガス冷却曲線に従って温度上昇中に気化し、液体冷媒がフラッシュ前に過冷却され、したがって熱力学的な不可逆性が低減されるためである。純粋冷媒プロセスに比べてより少ない冷媒サイクルしか必要ないので、機械的な複雑性が若干減少される。例えば、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、Ｆｉｓｃｈｅｒらへの米国特許第６，０４１，６１９号、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号を参照されたい。
【０００７】
カスケード型多レベル混合冷媒プロセスは、最も効率的であるとして知られているが、より容易に動作可能であり、より単純でより効率的なプロセスが望まれている。
冷凍に１つの圧縮機しか必要なく、さらに、機械的な複雑性を減少させる、単一混合冷媒プロセスが開発されている。例えば、Ｓｗｅｎｓｏｎへの米国特許第４，０３３，７３５号を参照されたい。しかし、主に２つの理由から、このプロセスは、上述したカスケード型多レベル混合冷媒プロセスよりも若干多くの電力を消費する。
【０００８】
第１に、不可能ではないが、典型的な天然ガス冷却曲線と密に近似する正味加熱曲線を生成する単一混合冷媒組成を見つけ出すことが難しい。そうした冷媒は、幅広い比較的高い沸点成分および比較的低い沸点成分を必要とし、それらの沸点は、相平衡により熱力学的に拘束される。さらに、より高い沸点の成分は、低い温度での凍結を回避するために、制限される。結果的に、望ましくないことには、比較的大きな温度差が必然的に冷却プロセスの途中のいくつかの点で起こり、したがって電力消費の面では非効率になる。
【０００９】
第２に、単一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暖端側で冷凍を実現するとしても、冷媒のすべての成分が最も低い温度レベルまで導かれる。結果的に、望ましくないことには、より低い温度で「不活性」であるこれらの成分の冷却および再加熱にエネルギーが必要となる。これは、カスケード型多レベル純粋成分冷凍プロセスにもカスケード型多レベル混合冷媒プロセスにも当てはまらない。
【００１０】
この第２の非効率性を軽減し、さらに第１の問題にも対処するために、単一混合冷媒からより重いフラクションを分離し、その重質フラクションをより高い冷凍温度レベルで使用し、次に後続の圧縮のためにそれをより軽いフラクションと再度混ぜ合わせる、多数の解決策が開発された。例えば、Ｐｏｄｂｉｅｌｎｉａｋへの米国特許第２，０４１，７２５号、Ｐｅｒｒｅｔへの米国特許第３，３６４，６８５号、Ｓａｒｓｔｅｎへの米国特許第４，０５７，９７２号、Ｇｅｒｒｉｅｒ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号を参照されたい。非平衡状態での流れの再混ぜ合わせが熱力学的に非効率であるとしても、注意深く設計すれば、これらのプロセスはエネルギー効率を向上させることができる。これは、軽質フラクションおよび重質フラクションが高圧で分離され、次いで、それらを単一圧縮機内で一緒に圧縮できるように低圧で再混ぜ合わせされるためである。一般的に、流れが平衡状態で分離され、別々に処理され、次いで非平衡状態で再混ぜ合わせされる場合、熱力学的損失が生じ、それが、結局は電力消費を増加させる。したがって、そうした分離の数は最小限にするべきである。これらのプロセスのすべては、より重いフラクションをより軽いものから分離するのに、冷凍プロセスにおいて様々な個所で、単純な気／液平衡状態を使用する。
【００１１】
しかし、単純な１段気／液平衡分離は、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フラクションを凝縮できない。より凝縮させることによって、特定の温度範囲にわたる冷凍を実現する組成物の単離における精度がより高くなり得る。それによって、典型的なガス冷却曲線に従う処理能力が向上する。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（後者はＬｉｎｄｅによってＬＩＭＵＭ（登録商標）３プロセスとして販売されている）には、上述の周囲の圧縮機系統内でいかにして分留法を使用し、さらに、異なる温度範囲で冷凍に使用される分離されたフラクションを凝縮し、それによってプロセス全体の熱力学的効率を向上させることができるかが述べられている。フラクションを凝縮し、それらの気化温度範囲を低減させる第２の理由は、フラクションがプロセスの冷凍部分を出るときに完全に気化されること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、下流の圧縮機への液体の同伴を妨げる。これと同じ理由から、重質フラクション液体は、通常、プロセスの一部として、冷媒のより軽いフラクションに再注入される。重質フラクションの分留は、再注入のときのフラッシュを減少させ、２相流体の機械的な分配を向上させる。
【００１２】
Ｓｔｏｎｅらへの米国特許出願公開第２００７／０２２７１８５号に示されるように、プロセスの冷凍部分から部分的に気化した冷凍流を除去することが知られている。Ｓｔｏｎｅらは、（熱力学的ではなく）機械的理由から、２つの別個の混合冷媒を必要とするカスケード型多レベル混合冷媒プロセスに関して、これを行う。部分的に気化した冷凍流は、圧縮直前に予め分離されたその蒸気フラクションとの再混ぜ合わせのときに完全に気化される。
【００１３】
複数流混合冷媒システムが知られており、このシステムでは、重質フラクションを単純に平衡分離することにより、重質フラクションが一次熱交換器を出るときに完全には気化されない場合に混合冷媒プロセス効率を著しく向上させることが見出された。例えば、Ｇｕｓｈａｎａｓらへの米国特許出願公開第２０１１／０２２６００８号を参照されたい。圧縮機吸引において液体冷媒が存在する場合、液体冷媒は予め分離され、時にはより高い圧力までポンピングされなければならない。液体冷媒が冷媒の気化されたより軽いフラクションと混合されるとき、圧縮機吸引ガスは冷却され、それによって必要な電力がさらに減少される。冷媒の重質成分は、熱交換器の低温端から追い出され、それによって冷媒凍結の可能性が減少される。さらに、中間段中の重質フラクションの平衡分離は、第２段またはより高い段の圧縮機における負荷を減少させ、それによってプロセス効率が向上する。別々の予冷冷凍ループにおける重質フラクションの使用によって、結果的に、熱交換器の暖端における加熱／冷却曲線がほぼ閉じて、その結果、より効率の良い冷凍になる。
【００１４】
「低温冷媒」分離は、高圧蒸気を液体流と蒸気流に分留するのに使用されている。例えば、上述のＳｔｏｃｋｍａｎｎらへの米国特許第６，３３４，３３４号、「Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｒｔ  ＬＮＧ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｉｎ  Ｃｈｉｎａ」、Ｌａｎｇｅ、Ｍ．、５ｔｈ  Ａｓｉａ  ＬＮＧ  Ｓｕｍｍｉｔ、２０１０年１０月１４日、「Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｍｉｘｅｄ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ  Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ  Ｓｅｒｉｅｓ、Ｖｅｎｋａｔａｒａｔｈｎａｍ，Ｇ．、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、１９９−２０５ページ、および「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  Ｍｉｄ  Ｓｃａｌｅ  ＬＮＧ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  Ｕｎｄｅｒ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ」、Ｂａｕｅｒ，Ｈ．、Ｌｉｎｄｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇを参照されたい。ＡＰ−ＳＭＲ（商標）ＬＮＧプロセスとしてＡｉｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓから販売されている他のプロセスでは、「暖」混合冷媒蒸気は、低温混合冷媒液体流と蒸気流に分離される。例えば、「Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ  Ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｆｕｔｕｒｅ  ＬＮＧ  Ｐｌａｎｔｓ  ａｎｄ  Ｆｌｏａｔｉｎｇ  ＬＮＧ  Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｇａｓ  Ｕｎｉｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２０１１年、Ｂｕｋｏｗｓｋｉ，Ｊ．ら、を参照されたい。これらのプロセスでは、こうして分離された低温液体は、中温冷媒として単独で使用され、共通の戻り流と合流するまで、こうして分離された低温蒸気から分離された状態にある。低温液体流および蒸気流は、戻り冷媒の残りとともに、カスケードを介して再混合され、熱交換器の底部から一緒に流れ出る。
【００１５】
上述した蒸気分離システムでは、低温蒸気セパレータでの液体の部分的な凝縮に使用される暖温冷凍は、高圧アキュムレータからの液体によって生成される。本発明の発明者らは、これがより高い圧力と理想温度よりも低い温度を必要とし、望ましくないことには、その両方が動作中により多くの電力を消費することを見出した。
【００１６】
多段混合冷媒システムではあるが、低温蒸気分離を使用する他のプロセスは、Ｃｏｓｔａｉｎ  Ｏｉｌへの英国特許第２，３２６，４６４号に記載されている。このシステムでは、分離還流熱交換器からの蒸気は、部分的に凝縮され分離されて液体流と蒸気流になる。こうして分離された液体流および蒸気流は、低圧戻り流と再合流する前に冷やされて別々にフラッシュされる。次いで、低圧戻り流は、主熱交換器を出る前に、前述の還流熱交換器からの過冷却されフラッシュされた液体と混ぜ合わされ、さらに、圧縮機段の間に配置された分離ドラムセットによって供給される過冷却されフラッシュされた液体と混ぜ合わされる。このシステムでは、「低温蒸気」分離液体と上述の還流熱交換器からの液体は、低圧戻り流と合流する前は混ぜ合わされない。つまり、それらは、別々の状態であり、後で低圧戻り流と別々に合流する。以下でより完全に説明されるように、本発明の発明者らは、特に戻り流と合流する前に高圧アキュムレータから得られる液体を低温蒸気分離液体と混合することによって電力消費が著しく減少されることを見出した。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本明細書に記載の実施形態によれば、低温蒸気分離は、高圧分離から得られた凝縮蒸気を低温液体フラクションと低温蒸気フラクションに分留するのに使用される。低温蒸気フラクションは低温冷媒として使用できるが、低温液体フラクションが高圧アキュムレータ分離から得られた液体と混ぜ合わされその結果生じる混ざったものが中温冷媒として使用される場合に有効性が得られ得る。
【００１８】
本明細書の実施形態では、低温セパレータ液体と高圧アキュムレータ液体から形成される中温冷媒は、天然ガスについて言えば、中温冷媒が一次冷凍路に導入されるほぼそのポイントにおいて供給ガスを実質的に凝縮させて液化天然ガス（ＬＮＧ）にするのに適切な温度および量を提供する。他方において、低温セパレータ蒸気から生成される低温冷媒は、こうして凝縮されたＬＮＧを所望の最終温度に過冷却するのに使用され得る。本発明の発明者らは、驚くことに、そうしたプロセスが、最小限の追加の資本コストで電力消費を１０％も減少させることができることを見出した。
【００１９】
本明細書の実施形態では、ＬＮＧなどのガスを冷却する熱交換システムおよびプロセスは、実質的に、戻り冷媒の露点で動作され得る。このシステムおよびプロセスによって、そうでなければ液体冷媒を循環させるのに圧縮側に必要なポンピングが回避または最低限に抑えられるため、著しい節約が達成される。戻り冷媒の露点での熱交換システムの動作が望ましいとされるが、今まで、それは、実際にはそのように効率的に行うことが難しかった。
【００２０】
本明細書の実施形態では、低温蒸気セパレータにおける液体の部分的な凝縮に使用される暖温冷凍のかなりの部分は、最終段すなわち高圧の分離によってではなく中間段の分離によって生成される。発明者らは、高圧アキュムレーション液体ではなく中間段分離液体を使用して暖温冷凍を実現すれば、中間段分離液体がより低い圧力で生成され、さらに高圧分離から得られる蒸気を部分的に凝縮するのに理想的な温度で動作するので、電力消費を減少させることを見出した。
【００２１】
さらなる利点は、本明細書の実施形態におけるように、中間段分離の間における重質フラクションの平衡分離は、やはりまた、第２またはそれより高い段の圧縮機における負荷を減少させ、それによって、さらに、プロセスの効率が向上されることである。
【００２２】
一実施形態は、混合冷媒により流体を冷却する熱交換器であって、
暖端１および低温端２と、
暖端側にあり供給流体を受けるように適合された入口、および低温端側にあり生成物がそこを通って出る生成物出口を有する、供給流体冷却路１６２と、
低温端側にあり低温冷媒流１２２を受けるように適合された入口、暖端側にあり気相冷媒戻り流がそこを通って出る冷媒戻り流出口、および中温冷媒流１４８を受けるように適合され低温冷媒流入口と冷媒戻り流出口との間に配置される入口を有する、一次冷凍路１０４または２０４と、
暖端側で高圧蒸気流３４を受け高圧蒸気流３４を冷却して混合相低温セパレータ供給流１６４を形成するように適合され、低温蒸気セパレータＶＤ４と流体連通する出口を含む、高圧蒸気路１６６であり、低温蒸気セパレータＶＤ４が、低温セパレータ供給流１６４を低温セパレータ蒸気流１６０と低温セパレータ液体流１５６に分離するように適合された、高圧蒸気路１６６と、
低温蒸気セパレータＶＤ４と流体連通する入口を有し、低温セパレータ蒸気流１６０を凝縮させフラッシュさせて低温冷媒流１２２を形成するように適合され、低温端側の一次冷凍路入口と連通する出口を有する、低温セパレータ蒸気路と、
低温蒸気セパレータＶＤ４と連通する入口を有し、低温セパレータ液体流を過冷却するように適合され、中温冷媒路と連通する出口を有する、低温セパレータ液体路と、
暖端側で中沸点冷媒液体流３８を受け、中沸点冷媒液体流を冷却して過冷冷媒液体流１２４を形成するように適合され、中温冷媒路と連通する出口を有する、高圧液体路１３６と、
過冷冷媒液体流１２４とともに過冷低温セパレータ液体流１２８を受け、それらを混ぜ合わせて中温冷媒流１４８を形成するように適合され、中温冷媒流１４８を受けるように適合された一次冷凍路入口と連通する出口を有する、中温冷媒路と
を備える、熱交換器を対象とする。
【００２３】
一実施形態は、流体を冷却する方法であって、
冷却された生成物流体を得るために、請求項１に記載の熱交換器内で、供給流体と、２つ以上のＣ１〜Ｃ５炭化水素および適宜Ｎ２を含む循環混合冷媒とを熱的に接触させるステップ
を含む、方法を対象とする。
【００２４】
一実施形態は、熱交換器内で混合冷媒を循環させる圧縮システムであって、
低圧混合冷媒戻り流１０２／２０２を受ける入口および蒸気出口１４を備える吸引分離装置ＶＤ１と、
蒸気出口１４と流体連通し圧縮流体流１８を供給する圧縮流体出口を有する圧縮機１６と、
任意選択で、圧縮流体出口および流れ１８と流体連通する入口、および冷却流体流２２を供給する出口を有する後部冷却器２０と、
任意選択で、後部冷却器の出口および流れ２２と流体連通する入口、蒸気流２４を供給する蒸気出口、および高沸点冷媒液体流４８を供給する液体出口を有する、中間段分離装置ＶＤ２と、
中間段分離装置の蒸気出口および流れ２４と流体連通する入口、および圧縮流体流２８を供給する出口を有する、圧縮機２６と、
任意選択で、圧縮流体流２８と流体連通する入口、および高圧混合相流３２を供給する出口を有する、後部冷却器３０と、
高圧混合相流３２と流体連通する入口、高圧蒸気流３４を供給する蒸気出口、および中沸点冷媒液体流３６を供給する液体出口を有する、アキュムレータ分離装置ＶＤ３と、
任意選択で、中沸点冷媒液体流３６を受ける入口、中沸点冷媒液体流３８を供給する出口、および任意選択で流体流４０を供給する出口を有する、分割流交差部と、
任意選択で、流体流４０と流体連通する入口、および冷却流体流４４を供給する出口を有する、膨張装置４２と、
流体流４４を受ける入口を任意選択でさらに備える、中間段分離装置ＶＤ２と
を備え、
分割流交差部が存在しないとき、中沸点冷媒液体流３６が中沸点冷媒液体流３８と直接流体連通する、
圧縮システムを対象とする。
【００２５】
一実施形態は、本明細書に記載の任意の熱交換器と、連通する任意の圧縮システムとを備える、流体冷却システムを対象とする。
一実施形態は、流体を冷却する方法であって、
冷却された生成物流体を得るために、本明細書に記載の１つまたは複数のシステム内で、供給流体と、２つ以上のＣ１〜Ｃ５炭化水素および適宜Ｎ２を含む循環混合冷媒とを熱的に接触させるステップ
を含む方法を対象とする。
【００２６】
一実施形態は、供給流体を冷却する方法であって、
高圧蒸気流および中沸点冷媒液体流を形成するように、２つ以上のＣ１〜Ｃ５炭化水素および適宜Ｎ２を含む高圧混合冷媒流を分離するステップと、
混合相流を形成するように、熱交換器内で高圧蒸気を冷却するステップと、
低温セパレータ蒸気流および低温セパレータ液体流を形成するように、低温蒸気セパレータＶＤ４で混合相流を分離するステップと、
低温冷媒流を形成するように、低温セパレータ蒸気流を凝縮させ、フラッシュさせるステップと、
過冷中沸点冷媒液体流を形成するように、熱交換器内で中沸点冷媒液体を冷却するステップと、
過冷低温セパレータ液体流を形成するように、低温セパレータ液体流を過冷却し、中温冷媒流を形成するように過冷中沸点冷媒液体流と混ぜ合わせるステップと、
炭化水素および適宜Ｎ２を含む蒸気冷媒戻り流を形成するように、中温冷媒流と低圧混合相流を混ぜ合わせ、暖めるステップと、
冷却された供給流体を形成するように、供給流体と熱交換器を熱的に接触させるステップと
を含む、方法を対象とする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】メタンおよびメタン−エタン混合物についての温度−エンタルピー曲線のグラフである。
【図２】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３】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４】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５】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６】本発明のプロセスおよびシステムの第５の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図７】本発明のプロセスおよびシステムの第６の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図８】本発明のプロセスおよびシステムの第７の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図９】本発明のプロセスおよびシステムの第８の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図１０】本発明のプロセスおよびシステムの第９の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図１１】本発明のプロセスおよびシステムの第１０の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【図１２】本発明のプロセスおよびシステムの第１１の実施形態を示す、プロセスフロー概略図である。
【００２８】
［表１］図６と相関関係にある、本発明のいくつかの実施形態についての流れデータ
の表である。
［表２］図７と相関関係にある、本発明のいくつかの実施形態についての流れデータ
の表である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図２には、複数流熱交換器の一実施形態のプロセスフロー概略図が提供される。
図２に示されるように、一実施形態は、暖端１と低温端２とを有する、複数流熱交換器１７０を含む。熱交換器は、高圧天然ガス供給流のような供給流体流を受け、それが冷却路１６２内で、熱交換器内の冷凍流との熱交換による熱の除去により冷却および／または液化される。その結果、液化天然ガスなどの生成物流体の流れが生成される。熱交換器の複数流設計により、単一の交換器へのいくつかの流れの好都合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．、Ｗｏｏｄｌａｎｄｓ、  Ｔｅｘａｓから購入可能である。Ｃｈａｒｔ  Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なプレート・フィン複数流熱交換器は、物理的にコンパクトであるというさらなる利点を提供する。
【００３０】
図２を参照すると、一実施形態では、供給流体冷却路１６２は、暖端１側の入口と、生成物がそこを通って供給流体冷却路１６２から出る、低温端２側の生成物出口を含む。一次冷凍路１０４（または２０４、図３参照）は、低温端側にある低温冷媒流１２２を受ける入口と、気相冷媒戻り流１０４Ａがそこを通って一次冷凍路１０４から出る、暖端側の冷媒戻り流出口と、中温冷媒流１４８を受けるように適合された入口とを有する。熱交換器内の後者の入口において、一次冷凍路１０４／２０４は、中温冷媒路１４８と合流し、そこで低温冷媒流１２２と中温冷媒流１４８が混ざる。一実施形態では、中温冷媒流と低温冷媒流の混ぜ合わせは、熱交換器内において、概ねそれらが混ざるポイントから下流に冷媒流の方向に一次冷媒出口の方に向かって、中温ゾーンを形成する。
【００３１】
本明細書において、流路および流れは、時には、図面において示される同じ要素番号によって両方ともが言及されることに留意されたい。さらに、本明細書で使用され当業界で既知の熱交換器は、間接的な熱交換が異なる温度の２つ以上の流れの間または流れと周囲との間で起こる、装置または装置内の領域のことである。本明細書で使用されるような用語「連通」および「連通している」等は、一般的に、特に明確に示されない限り、流体連通を示す。連通している２つの流体が混ざるときに熱を交換することができるが、そうした交換は、熱交換器内で行われ得るが、熱交換器内での熱交換と同じとみなすべきではない。熱交換システムは、膨張装置およびフラッシュ弁等、詳細には説明されないが熱交換器の部材として当業界で周知のアイテムを含むことができる。本明細書で使用されるような用語「減圧する」は、相の変化を伴わず、その一方で用語「フラッシュさせる」は、部分的な相の変化も含む、相の変化を伴う。本明細書で使用されるような用語「高」、「中」および「暖」等は、当業界の慣例により、比較可能な流れに対するものである。流れについての表１および表２は、ガイダンスとして例示的な値を示しており、特に明確に示されない限り、限定を意図するものではない。
【００３２】
一実施形態では、熱交換器は、高圧蒸気路１６６を含む。高圧蒸気路１６６は、暖端側で高圧蒸気流３４を受け、それを冷却して混合相低温セパレータ供給流１６４を形成するように適合され、低温蒸気セパレータＶＤ４と連通する出口を含む。低温蒸気セパレータＶＤ４は、低温セパレータ供給流１６４を、低温セパレータ蒸気流１６０と低温セパレータ液体流１５６に分離するように適合される。一実施形態では、高圧蒸気３４は、圧縮側において高圧アキュムレータ分離装置から受ける。
【００３３】
一実施形態では、熱交換器は、低温蒸気セパレータＶＤ４と連通する入口を有する低温セパレータ蒸気路を含む。低温セパレータ蒸気は、流路１６８で冷やされて凝縮され、液体流１１２になり、次いで１１４でフラッシュされて低温冷媒流１２２が形成される。次いで、低温冷媒１２２は、低温端の一次冷凍路に入る。一実施形態では、低温冷媒は、混合相である。
【００３４】
一実施形態では、低温セパレータ液体１５６は、流路１５７内で冷やされて過冷低温蒸気セパレータ液体１２８が形成される。この流れは、以下に述べる過冷中沸点冷媒液体１２４と合流して混ざり合い、次いで１４４でフラッシュされ、図２に示されるように、中温冷媒１４８が形成され得る。一実施形態では、中温冷媒は混合相である。
【００３５】
一実施形態では、熱交換器は、高圧液体路１３６を含む。一実施形態では、高圧液体路は、圧縮側において、高圧アキュムレータ分離装置から高圧液体３８を受ける。一実施形態では、高圧液体３８は、中沸点冷媒液体流である。高圧液体流は、暖端に入り、冷やされて過冷冷媒液体流１２４が形成される。上述のように、過冷低温セパレータ液体流１２８は、過冷冷媒液体流１２４と混ざり、中温冷媒流１４８が形成される。一実施形態では、冷媒液体１２４および１２８の一方または両方は、例えば図４に示されるように、混ざって中温冷媒１４８になる前に、別々に、１２６および１３０でフラッシュされ得る。
【００３６】
一実施形態では、こうして混ぜられた低温冷媒１２２と中温冷媒１４８は、一次冷凍路１０４内で冷凍をもたらし、そこから気相または混合相の冷媒戻り流１０４Ａ／１０２として出る。一実施形態では、それらは、気相冷媒戻り流１０４Ａ／１０２として出る。一実施形態では、蒸気は、過熱蒸気冷媒戻り流である。
【００３７】
図２に示されるように、熱交換器は、さらに、暖端側で高沸点冷媒液体流４８を受けるように適合された予冷路を含むことができる。一実施形態では、高沸点冷媒液体流４８は、圧縮側の圧縮機の間にある中間段分離装置によって供給される。高沸点液体冷媒流４８は、予冷液体路１３８内で冷やされて、過冷高沸点液体冷媒１４０が形成される。過冷高沸点液体冷媒１４０は、次いで、フラッシュされる、または膨張装置１４２で減圧され、気液混合相または液相であり得る、暖温冷媒流１５８が形成される。
【００３８】
一実施形態では、暖温冷媒流１５８は、予冷冷媒路１０８に入り冷却をもたらす。一実施形態では、予冷冷媒路１０８は、高圧蒸気路１６６に実質的な冷却をもたらし、それによって、例えば高圧蒸気３４が冷却されて凝縮し、混合相低温セパレータ供給流１６４になる。
【００３９】
一実施形態では、暖温冷媒流は、気相または混合相の暖温冷媒戻り流１０８Ａとして予冷冷媒路１０８から出る。一実施形態では、暖温冷媒戻り流１０８Ａは、図８に示されるように、戻り流１０２を形成するように、単独か冷媒戻り流１０４Ａと一緒かのどちらかで圧縮側に戻る。冷媒戻り流１０４Ａと一緒の場合、戻り流１０８Ａおよび１０４Ａは、混合装置によって混ぜ合わされ得る。非限定的な混合装置の例としては、これらに限定されるわけではないが、静的混合器、パイプセグメント、熱交換器のヘッダーまたはその組み合わせが挙げられる。
【００４０】
一実施形態では、暖温冷媒流１５８は、予冷冷媒路１０８に入らず、その代わりに、図３に示されるように、一次冷媒路２０４に導入される。一次冷媒路２０４は、中温冷媒１４８が一次冷媒路に入るポイントより下流であるが戻り冷媒流２０２のための出口よりは上流に、入口を含む。中温冷媒流１４８と予め混ぜられた低温冷媒流１２２、および暖温冷媒流１５８は、混ざり合って、例えば冷媒戻り流出口と一次冷凍路２０４内の暖温冷媒１５８の導入ポイントとの間である、対応する領域に、暖温冷凍をもたらす。この例は、図３の熱交換器２７０に示される。混ぜ合わされた冷媒１２２、１４８および１５８は、混合相または気相であり得る、混ぜ合わされた戻り冷媒流２０２として出る。一実施形態では、一次冷凍路２０４からの冷媒戻り流は、気相の戻り流２０２である。
【００４１】
上述の図４のように、図５は、過冷低温セパレータ液体流１２８と過冷冷媒液体流１２４を混ぜ合わせて中温冷媒流１４８を形成するための代替装置を示している。一実施形態では、冷媒液体１２４および１２８の一方または両方は、混ぜ合わされて中温冷媒１４８になる前に、１２６および１３０で別々にフラッシュされ得る。
【００４２】
図６および図７を参照すると、図面には、全体的に１７２として示される圧縮システムの実施形態が、１７０で例示される熱交換器と併せて示されている。一実施形態では、圧縮システムは、熱交換器内で混合冷媒を循環させるのに適している。図面には、低圧戻り冷媒流１０２（または、図示されないが２０２）を受ける入口と、蒸気出口と、蒸気出口１４とを有する吸引分離装置ＶＤ１が示されている。圧縮機１６は、蒸気出口１４と流体連通し、圧縮流体流１８を供給する圧縮流体出口を含む。図面には、圧縮流体流１８を冷却するための、任意選択の後部冷却器２０が示されている。後部冷却器２０がある場合、それは、冷却された流体流２２を中間段分離装置ＶＤ２に供給する。中間段分離装置ＶＤ２は、蒸気流２４を第２段圧縮機２６に供給する蒸気出口を有し、さらに、液体流４８を熱交換器に供給する液体出口を有する。一実施形態では、液体流４８は、高沸点冷媒液体流である。
【００４３】
蒸気流２４は、中間段分離装置ＶＤ２と連通する入口から圧縮機２６に供給され、そこで蒸気２４は圧縮され、圧縮された流体流２８がもたらされる。任意選択の後部冷却器３０がある場合、後部冷却器３０は、圧縮された流体流２８を冷却し、それによって高圧混合相流３２がアキュムレータ分離装置ＶＤ３に供給される。アキュムレータ分離装置ＶＤ３は、高圧混合相流３２を、高圧蒸気流３４と、中沸点冷媒液体流になり得る高圧液体流３６に分離する。一実施形態では、高圧蒸気流３４は、熱交換器の高圧蒸気路に送られる。
【００４４】
任意選択の分割流交差部（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ）が図示されており、アキュムレータ分離装置ＶＤ３から中−高圧液体流３６を受ける入口と、中沸点冷媒液体流３８を熱交換器に供給する出口と、任意選択で、流体流４０を中間段分離装置ＶＤ２に戻す出口とを有する。流れ４０のための任意選択の膨張装置４２が図示されており、膨張装置４２がある場合、それは、膨張された冷却流体流４４を中間段分離装置に供給する。中間段分離装置ＶＤ２は、任意選択で、流体流４４を受ける入口をさらに含む。分割流交差部がない場合、中沸点冷媒液体流３６は、中沸点冷媒液体流３８と直接流体連通する。
【００４５】
図７は、さらに、低圧液体冷媒流１４ｌをポンピングする任意選択のポンプＰを含む。低圧液体冷媒流１４ｌの温度は、一実施形態では、中間圧力までポンピングするために、吸引分離装置ＶＤ１の前において、混ざり合った１０８Ａと１０４Ａのフラッシュ冷却効果によって下がっている。上述したように、ポンプからの出口流１８ｌは、中間段ドラムＶＤ２へと進む。
【００４６】
図８は、吸引分離装置ＶＤ１に戻る異なる冷媒戻り流の一例を示す。図９は、天然ガス液体回収または窒素除去などの外部供給処理のための供給流体出口１６２Ａと入口１６２Ｂとを含むいくつかの実施形態を示す。
【００４７】
さらに、本発明のシステムおよび方法は、天然ガスの液化に関して以下に述べるが、システムは、これらに限定されるわけではないが空気または窒素など天然ガス以外のガスの冷却、液化および／または処理に使用されてもよい。
【００４８】
熱の除去は、本明細書に記載のシステムにおいて単一混合冷媒を使用して熱交換器内で達成される。以下で述べるように、表１および表２には、これらに限定する意図はないが、例示的な冷媒組成、状態およびシステムの冷凍部分の流れのフローが示されている。
【００４９】
一実施形態では、暖温高圧蒸気冷媒流３４が、熱交換器１７０の高圧蒸気路１６６／１６８を通過する間に冷やされ、凝縮され過冷却される。その結果、流れ１１２は、熱交換器１７０の低温端から出る。流れ１１２は、膨張弁１１４によってフラッシュされ、流れ１２２として熱交換器に再び入り、一次冷凍路１０４を通る流れ１０４として冷凍をもたらす。膨張弁１１４の代替として、これらに限定されるわけではないが、タービンまたはオリフィスを含む他のタイプの膨張装置が使用されてもよい。
【００５０】
暖温高圧液体冷媒流３８は、熱交換器１７０に入り、高圧液体路１３６内で過冷却される。結果として生じた流れ１２４は、熱交換器から出て、膨張弁１２６によってフラッシュされる。膨張弁１２６の代替として、これらに限定されるわけではないが、タービンまたはオリフィスを含む他のタイプの膨張装置が使用されてもよい。重要なことには、結果として生じた流れ１３２は、熱交換器１７０に直接再び入って一次冷凍路１０４と合流するのではなく、最初に、過冷低温セパレータ蒸気液体１２８と合流し、それによって中温冷媒流１４８が形成される。中温冷媒流１４８は、次いで、熱交換器に再び入り、そこにおいて一次冷凍路１０４内で低圧混合相流１２２と合流する。こうして混ぜ合わされ温められた冷媒は、任意選択で過熱され得る蒸気冷媒戻り流１０４Ａとして熱交換器１７０の暖端から出る。
【００５１】
一実施形態では、混合相または気相であり得る蒸気冷媒戻り流１０４Ａおよび１０８Ａは、熱交換器の暖端から、例えば別個の出口をそれぞれ通って別々に出ることができる、または熱交換器内で混ぜ合わされてから一緒に出ることができる、または熱交換器から出て、吸引分離装置ＶＤ１に戻る前に熱交換器に取り付けられた共通のヘッダーに入ることができる。あるいは、流れ１０４Ａおよび１０８Ａは、別々に出て、吸引分離装置ＶＤ１内で混ぜ合わされるまでそのままの状態であってよく、または、蒸気および混合相の入口をそれぞれ通って混合され低圧吸引ドラム内で平衡状態にされてもよい。吸引ドラムＶＤ１が図示されているが、これらに限定されるわけではないが、他のタイプの容器、サイクロンセパレータ、蒸留ユニット、コアレスセパレータ、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代替の分離装置が使用されてもよい。その結果、低圧蒸気冷媒流１４は、ドラムＶＤ１の蒸気出口から出る。上述したように、流れ１４は、第１段圧縮機１６の入口の方に進む。圧縮機１６の吸引入口において、混合相の流れ１０８Ａと、組成が大幅に異なる蒸気を含む流れ１０４を吸引ドラムＶＤ１内で混ぜることによって、部分的なフラッシュ冷却効果が作り出され、それが圧縮機に進む蒸気流、したがって圧縮機自体の温度を下げ、それによって圧縮機の動作に必要な電力が減少される。
【００５２】
一実施形態では、予冷冷媒ループは、熱交換器１７０の暖側に入り、かなりの液体フラクションとともに出る。部分的に液体の流れ１０８Ａは、吸引ドラムＶＤ１内での平衡化および分離、結果的に生じる蒸気の圧縮機１６内での圧縮、および結果的に生じる液体のポンプＰによるポンピングのため、流れ１０４Ａからの消費された冷媒蒸気と混ぜ合わされる。本発明の場合、平衡状態は、混合が起こるとすぐ、すなわちヘッダーまたは静的混合器などにおいて達成される。一実施形態では、ドラムは、単に、圧縮機を保護しているに過ぎない。吸引ドラムＶＤ１内の平衡状態は、熱と質量の両方の移動によって、圧縮機１６に入る流れの温度を減少させ、したがって圧縮機による電力使用量が減少される。
【００５３】
図９に示される他の実施形態は、暖、中および低温冷却ループにおいて様々な分離装置を含む。一実施形態では、暖温冷媒路１５８は、分離装置と流体連通する。
一実施形態では、暖温冷媒路１５８は、アキュムレータ分離装置ＶＤ５と流体連通する。アキュムレータ分離装置ＶＤ５は、暖温冷媒蒸気路１５８ｖと流体連通する蒸気出口と、暖温冷媒液体路１５８ｌと流体連通する液体出口とを有する。
【００５４】
一実施形態では、暖温冷媒蒸気路１５８ｖおよび暖温冷媒液体路１５８ｌは、低圧高沸点流路１０８と流体連通する。
一実施形態では、暖温冷媒蒸気路１５８ｖおよび暖温冷媒液体路１５８ｌは、熱交換器内または熱交換器の外のヘッダー内のどちらかで互いに流体連通する。
【００５５】
一実施形態では、フラッシュされた低温セパレータ液体流路１３４は、アキュムレータ分離装置ＶＤ６と流体連通する。アキュムレータ分離装置ＶＤ６は、中温冷媒蒸気路１４８ｖと流体連通する蒸気出口と、中温冷媒液体路１４８ｌと流体連通する液体出口とを有する。
【００５６】
一実施形態では、中温冷媒蒸気路１４８ｖおよび中温冷媒液体路１４８ｌは、低圧混合冷媒路１０４と流体連通する。
一実施形態では、中温冷媒蒸気路１４８ｖおよび中温冷媒液体路１４８ｌは、熱交換器内か熱交換器の外のヘッダー内のどちらかで互いに流体連通する。
【００５７】
一実施形態では、フラッシュされた中沸点冷媒液体流路１３２は、アキュムレータ分離装置ＶＤ６と流体連通する。アキュムレータ分離装置ＶＤ６は、中温冷媒蒸気路１４８ｖと流体連通する蒸気出口と、中温冷媒液体路１４８ｌと流体連通する液体出口とを有する。
【００５８】
一実施形態では、中温冷媒蒸気路１４８ｖおよび中温冷媒液体路１４８ｌは、低圧混合冷媒路１０４と流体連通する。
一実施形態では、中温冷媒蒸気路１４８ｖおよび中温冷媒液体路１４８ｌは、熱交換器内か熱交換器の外のヘッダー内のどちらかで互いに流体連通する。
【００５９】
一実施形態では、フラッシュされた中沸点冷媒液体流１３２およびフラッシュされた低温セパレータ液体流１３４は、アキュムレータ分離装置ＶＤ６と流体連通する。アキュムレータ分離装置ＶＤ６は、中温冷媒蒸気路１４８ｖと流体連通する蒸気出口と、中温冷媒液体路１４８ｌと流体連通する液体出口とを有する。
【００６０】
一実施形態では、中温冷媒蒸気路１４８ｖおよび中温冷媒液体路１４８ｌは、低圧混合冷媒路１０４と流体連通する。
一実施形態では、中温冷媒蒸気路１４８ｖおよび中温冷媒液体路１４８ｌは、熱交換器内か熱交換器の外のヘッダー内のどちらかで互いに流体連通する。
【００６１】
一実施形態では、フラッシュされた中沸点冷媒液体流１３２およびフラッシュされた低温セパレータ液体流１３４は、アキュムレータ分離装置ＶＤ６と流体連通する前に互いに流体連通する。
【００６２】
一実施形態では、低圧混合相流路１２２は、アキュムレータ分離装置ＶＤ７と流体連通する。アキュムレータ分離装置ＶＤ７は、低温冷媒蒸気路１２２ｖと流体連通する蒸気出口と、低温液体路１２２ｌとを有する。
【００６３】
一実施形態では、低温冷媒蒸気路１２２ｖおよび低温液体路１２２ｌは、低圧混合冷媒路１０４と流体連通する。
一実施形態では、低温冷媒蒸気路１２２ｖおよび低温液体路１２２ｌは、熱交換器内か熱交換器の外のヘッダー内のどちらかで互いに流体連通する。
【００６４】
一実施形態では、暖温冷媒路１５８、フラッシュされた低温セパレータ液体流路１３４、低圧中沸点冷媒路１３２および低圧混合相流路１２２のそれぞれは、分離装置と流体連通する。
【００６５】
一実施形態では、１つまたは複数の予冷却器は、要素１６とＶＤ２との間に直列に存在することができる。
一実施形態では、１つまたは複数の予冷却器は、要素３０とＶＤ３との間に直列に存在することができる。
【００６６】
一実施形態では、ポンプは、ＶＤ１の液体出口とＶＤ２の入口との間に存在することができる。いくつかの実施形態では、ポンプは、ＶＤ１の液体出口の間に存在し、要素１８または２２と流体連通する出口を有することができる。
【００６７】
一実施形態では、予冷却器は、プロパン、アンモニア、プロピレンまたはエタンの予冷却器である。
一実施形態では、予冷却器は、１、２、３または４の複数段を特徴とする。
【００６８】
一実施形態では、混合冷媒は、２、３、４または５のＣ１〜Ｃ５炭化水素、および適宜Ｎ２を含む。
一実施形態では、吸引分離装置は、液体出口を含み、入口と出口とを有するポンプをさらに備える。この場合、吸引分離装置の出口は、ポンプの入口と流体連通し、ポンプの出口は、後部冷却器の出口と流体連通する。
【００６９】
一実施形態では、混合冷媒システムは、中間冷却器の出口と中間段分離装置の入口との間に直列する予冷却器をさらに備え、ここで、ポンプの出口は、予冷却器とも流体連通する。
【００７０】
一実施形態では、吸引分離装置は、重質成分冷媒アキュムレータであり、それによって圧縮機の入口に進む気化された冷媒は概ね露点で維持される。
一実施形態では、高圧アキュムレータは、ドラムである。
【００７１】
一実施形態では、中間段ドラムは、吸引分離装置とアキュムレータ分離装置との間に存在しない。
一実施形態では、主プロセス熱交換器と閉ループ連通（ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）にある膨張装置は、第１および第２の膨張装置だけである。
【００７２】
一実施形態では、後部冷却器は、吸引分離装置とアキュムレータ分離装置との間に存在する唯一の後部冷却器である。
一実施形態では、熱交換器は、予冷却冷凍路のための別個の出口を有さない。
【００７３】
参照による組み込み
２０１０年３月１７日出願の米国特許出願第１２／７２６，１４２号、および２００１年１２月２５日発行の米国特許第６，３３３，４４５号は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００７４】
本発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、本発明の趣旨から逸脱することなく変更および修正を加えることができ、その範囲は特許請求の範囲および本明細書の他のところによって定められることが当業者には明らかであろう。
【００７５】
【表１−１】
0006635911.tif 000002
【００７６】
【表１−２】
0006635911.tif 000003
【００７７】
【表１−３】
0006635911.tif 000004
【００７８】
【表１−４】
0006635911.tif 000005
【００７９】
【表１−５】
0006635911.tif 000006
【００８０】
【表２−１】
0006635911.tif 000007
【００８１】
【表２−２】
0006635911.tif 000008
【００８２】
【表２−３】
0006635911.tif 000009
【００８３】
【表２−４】
0006635911.tif 000010
【００８４】
【表２−５】
0006635911.tif 000011
【００８５】
【表２−６】
0006635911.tif 000012
【図１】
0006635911.tif 000013
【図２】
0006635911.tif 000014
【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】
0006635911.tif 000022
【図１１】
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【図１２】
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