(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガスの液化方法であって、少なくとも、
ａ）第１冷媒混合物Ｍ１を用いて作動する第１冷却サイクルの補助によって、天然ガスを第１冷却ステップ（Ｉ）で−３０℃未満の温度に冷却し、ここでは前記第１冷媒混合物Ｍ１が圧縮され、外部冷却流体で冷却することによって少なくとも部分的に凝縮し、次いで過冷却され、膨張し、そして蒸発する段階と、
ｂ）第２冷媒混合物Ｍ２を用いて作動する第２冷却サイクルの補助によって、第２冷却ステップ（ＩＩ）の間に段階ａ）からの天然ガスを凝縮して過冷却し、ここでは前記第２冷媒混合物Ｍ２が圧縮され、外部冷却流体によって冷却され、次いで第１冷却ステップ（Ｉ）の間に第１冷媒混合物Ｍ１を用いた熱交換によって冷却され、その後部分的に凝縮した状態になり、前記部分的に凝縮した第２冷媒混合物が相分離することなく第２冷却ステップ（ＩＩ）に送られ、ここではその第２冷媒混合物が全体的に凝縮し、膨張し、そして少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発する段階と、
ｃ）段階ｂ）からの前記過冷却された天然ガスが膨張して、発生した液化天然ガスを形成する段階、
との組合せを含むことを特徴とする、天然ガスの液化方法。
【請求項２】
前記第１混合物Ｍ１が、少なくともエタン、プロパン、およびブタンを含むことを特徴とする、請求項１記載の液化方法。
【請求項３】
前記混合物Ｍ２が、少なくともメタン、エタン、プロパン、および窒素を含み、その分子量が２２と２７の間であることを特徴とする、請求項１記載の液化方法。
【請求項４】
前記外部冷却流体として有効周辺流体が使用されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１冷却ステップ（Ｉ）および第２冷却ステップ（ＩＩ）が、平行に取り付けられた単独または複数のプレート型交換器を有する単一の交換ラインで達成されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の液化方法。
【請求項６】
前記第１冷却ステップ（Ｉ）の圧縮のための動力と前記第２冷却ステップ（ＩＩ）の圧縮のための動力とを釣り合わせるように温度Ｔｃが選択され、
ここで温度Ｔｃは前記第１冷却ステップ（Ｉ）の出口における天然ガスの温度であり、
前記第１冷却サイクルおよび第２冷却サイクルのそれぞれが、独立したガスタービンによって駆動される圧縮システムを含み、
第１冷却サイクルの独立したガスタービンが、第２冷却サイクルの独立したガスタービンと同じである
ことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記第２混合物Ｍ２が、３ＭＰａと７ＭＰａの間の圧力で圧縮されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記第２混合物Ｍ２が、０．１ＭＰａと０．３ＭＰａの間の第１圧力レベルと、０．３ＭＰａと１ＭＰａの間の第２圧力レベルで蒸発することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記第１冷却ステップ（Ｉ）を離れる第２混合物Ｍ２の凝縮モル分率が、少なくとも９０％に等しいことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の天然ガスの液化方法。
【請求項１０】
前記冷媒混合物Ｍ２の全流量と天然ガスの流量の間のモル比が１未満であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の液化方法。
【請求項１１】
前記温度Ｔｃが、−４０ないし−７０℃の間で選択されることを特徴とする、請求項６記載の液化方法。
【請求項１２】
少なくとも−３０℃に低下した温度条件下で作動するように、且つ第２冷却ゾーン（ＩＩ）で使用された部分的に凝縮した冷媒混合物Ｍ２が出力時に得られるように設計された第１冷却ゾーン（Ｉ）であって、前記天然ガスが少なくとも−３０℃に低下して過冷却され、前記第１ゾーン（Ｉ）が第１冷媒混合物Ｍ１の補助を有する第１予冷回路を含む第１冷却ゾーン（Ｉ）と、
少なくとも−１４０℃未満の温度で作動するように設計された第２冷却ゾーン（ＩＩ）であって、その後第１冷却ゾーン（Ｉ）からの前記天然ガスが、前記第１ゾーン（Ｉ）から第２冷却ゾーン（ＩＩ）に相分離することなく送られる前記冷媒混合物Ｍ２の蒸発によって−１４０℃未満の温度に冷却される第２冷却ゾーン（ＩＩ）と、
第２冷却ゾーンからの前記天然ガスを膨張させる手段と、
前記第１および第２冷媒混合物を膨張させる手段（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｔ）および圧縮する手段（Ｋ１，Ｋ２）と
を含むことを特徴とする、天然ガスの液化装置。
【請求項１３】
前記第２冷却ゾーン（ＩＩ）が、過冷却された天然ガスと冷媒混合物Ｍ２と膨張後の該冷媒混合物Ｍ２の留分とが通過することの可能な、４本の独立した流路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４）を有する単一交換ラインを含むことを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記第２冷却ゾーンが、少なくとも２つの連続したセクション（Ｅ４１，Ｅ４２）と４本の交換ライン（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４）を有する交換セクション（Ｅ４）を有することを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
前記第１および第２冷却ゾーンが単一交換ラインに組み込まれることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１６】
前記前記第１および第２冷却ゾーンが、ガスタービン（Ｔ１，Ｔ２）によって駆動する圧縮システム（Ｋ１，Ｋ２）を有することを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一部分が炭化水素の混合物、例えば天然ガス等から形成された流体または気体混合物を液化する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガスは現在、利用現場から遠く離れた現場で生産されており、タンカーで長距離にわたって運送しまたは液体の形で貯蔵することができるように、通常液化される。
【０００３】
従来技術、特に米国特許第3,735,600号および同第3,433,026号で使用され開示された方法には、主に冷媒混合物を蒸発させることによって天然ガスを予冷する第１段階と、天然ガスの最終液化操作が実行されるように、且つ輸送し貯蔵することの可能な形で液化ガスが得られるようにする第２段階を含み、同様に冷媒混合物を蒸発させることによってもたらされるこの第２段階の間も冷却する液化方法が記載されている。
【０００４】
このような方法では、外部冷却サイクルの冷媒流体として使用される流体混合物が蒸発し、圧縮され、水や凝縮空気等の周辺媒体との熱の交換によって冷却され、膨張し、そして再循環する。
【０００５】
第２冷却ステップが実行される第２段階で使用した冷媒混合物は、周囲冷媒、水、または空気との熱交換によって冷却され、次いで、第１冷却ステップが実行される第１段階によって冷却される。
【０００６】
第１段階後、冷媒混合物は気相と液相を有する二相流体の形になる。該二相は例えば分離容器内で分離し、例えば螺旋管式熱交換器に送られる。この螺旋管式熱交換器では、冷媒混合物の液体留分を蒸発させることによってもたらされる冷却を行いながら、天然ガスが圧力下で液化する間に蒸気留分が凝縮する。
蒸気留分の凝縮によって得られた液体留分は過冷却され、膨張し、そして天然ガスを最終液化するため蒸発する。この天然ガスを過冷却した後、バルブまたはタービンで膨張させて、所望の液化天然ガス(ＬＮＧ)を生成する。
【０００７】
気相が存在するため、第２段階では冷媒混合物の凝縮操作が必要であり、この操作には比較的複雑で高価な装置が必要である。
【０００８】
本出願人による特許FR-2,734,140号では、第１冷却段階の出力時に選択された圧力および温度条件下で操作を行い、完全に凝縮した単相の冷媒混合物を得る提案もなされている。
この提案では、特に第２段階で使用する冷媒混合物が圧縮されるときに圧力が比較的高くなるため、プロセスの節約にとって厄介な制約が引き起こされる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の上記欠点を克服する方法とそれを実施するための装置に関する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、天然ガスの液化方法に関する。
この方法は、少なくとも以下の各ステップの組合せを含むことを特徴とする。
すなわち、ａ）第１冷媒混合物Ｍ１を用いて作動する第１冷却サイクルの補助によって、天然ガスを第１冷却ステップ（Ｉ）で−３０℃未満の温度に冷却し、ここでは前記第１冷媒混合物が圧縮され、外部冷却流体で冷却することによって少なくとも部分的に凝縮し、予冷し、次に過冷却され、膨張し、そして蒸発する。
ｂ）第２冷媒混合物Ｍ２を用いて作動する第２冷却サイクルの補助によって、第２冷却ステップ（ＩＩ）の間にステップａ）からの天然ガスを凝縮して過冷却し、ここでは前記第２冷媒混合物Ｍ２が圧縮され、外部冷却流体によって冷却され、次いで第１冷却ステップ（Ｉ）の間に第１冷媒混合物Ｍ１を用いた熱交換によって冷却され、その後部分的に凝縮した状態になり、前記部分的に凝縮した第２冷媒混合物が相分離することなく第２冷却ステップ（ＩＩ）に送られ、ここではその第２冷媒混合物Ｍ２が全体的に凝縮し、膨張し、そして少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発する。
ｃ）ステップｂ）からの前記過冷却された天然ガスが膨張して、発生した液化天然ガスを形成する。
【００１１】
第１冷媒混合物Ｍ1は、例えば少なくとも２段階の圧力レベルで膨張する。
第１混合物Ｍ1は、少なくともエタン、プロパン、およびブタンを含むことが可能である。
【００１２】
第２混合物Ｍ2は、例えば少なくともメタン、エタン、および窒素を含み、その分子量は２２と２７の間であることが可能である。
空気や淡水、海水等のいずれかの有効周辺流体を、外部冷却流体として使用することが可能である。
【００１３】
例えば第１冷却ステップ（Ｉ）と第２冷却ステップ（ＩＩ）は、平行に備え付けられた単独または複数のプレート型交換器を含む、同じ交換ラインで実行される。温度Ｔｃは、例えば冷却ステップ（Ｉ）の圧縮のための動力と冷却ステップ（ＩＩ）の圧縮のための動力とを釣り合わせるような方法で選択され、
ここで温度Ｔｃは前記第１冷却ステップ（Ｉ）の出口における天然ガスの温度であり、
前記第１冷却サイクルおよび第２冷却サイクルのそれぞれが、独立したガスタービンによって駆動される圧縮システムを含み、
第１冷却サイクルの独立したガスタービンが、第２冷却サイクルの独立したガスタービンと同じである。
なお本明細書において、「圧縮力」は、圧縮のための動力を意味する。
【００１４】
第２混合物Ｍ2を、例えば３ＭＰａと７ＭＰａの間の圧力で圧縮する。
第２混合物Ｍ2を、例えば０.１ＭＰａと０.３ＭＰａの間の第１圧力レベルと、例えば０.３ＭＰａと１ＭＰａの間の第２圧力レベルで蒸発させる。
【００１５】
第２冷却ステップ(II)の間、第２冷媒混合物Ｍ2を少なくとも２種類の留分に分離することが可能であり、前記留分を異なる圧力レベルで膨張させることが可能であって、さらに、少なくとも天然ガスの流れの間で熱交換を同時に発生させることが可能で、それによって圧力下の第２混合物Ｍ2が同一方向に循環し、異なる圧力レベルでの前記膨張した混合物留分が反対方向に循環する。
【００１６】
第２冷却ステップ(II)は、例えば少なくとも第１セクション(Ｅ41)と第２セクション(Ｅ42)でなし遂げられ、前記セクションは連続的であって、(1)冷媒混合物Ｍ2の第１留分Ｆ1を分離し、(2)前記第１留分Ｆ1を、第１膨張圧力レベルでその泡立ち点に近い温度に過冷却し、前記第１留分を膨張圧力レベルＰ1で膨張させ、副次的に膨張させた前記第１の膨張留分を少なくとも一部分蒸発させて前記第１セクションの冷却を確実にし、(3)残留する混合物Ｍ2の第２留分Ｆ2の過冷却を、第２膨張圧力レベルＰ2でその泡立ち点に近い温度になるまで継続し、前記第２留分Ｆ2を少なくとも一部分蒸発させて第２セクションの冷却を確実にする。
【００１７】
第１冷却ステップ(I)を離れるときの第２混合物Ｍ2の凝縮モル分率は、例えば少なくとも９０%に等しい。
冷媒混合物Ｍ2の全流量と天然ガスの流量の間のモル比は、例えば，１未満である。温度Ｔｃは、例えば-４０〜-７０℃の間で選択される。
【００１８】
本発明はまた、天然ガスを液化する装置に関する。この装置は、
（１）少なくとも−３０℃に低下した温度条件下で作動するように、且つ第２冷却ゾーン（ＩＩ）で使用された部分的に凝縮した冷媒混合物Ｍ２が出力時に得られるように設計された第１冷却ゾーン（Ｉ）であって、前記天然ガスが少なくとも−３０℃に低下して過冷却され、前記第１ゾーンが第１冷媒混合物Ｍ１の補助を有する第１予冷回路を含む第１冷却ゾーン（Ｉ）と、
（２）少なくとも−１４０℃未満の温度で作動するように設計された第２冷却ゾーン（ＩＩ）であって、その後第１冷却ゾーン（Ｉ）からの前記天然ガスが、前記第１ゾーン（Ｉ）から第２冷却ゾーン（ＩＩ）に相分離することなく送られる前記冷媒混合物Ｍ２の蒸発によって−１４０℃未満の温度に冷却される第２冷却ゾーン（ＩＩ）と、
（３）第２冷却ゾーン（ＩＩ）からの前記天然ガスを膨張させる手段と、
（４）前記第１および第２冷媒混合物を膨張させる手段および圧縮する手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
第２冷却ゾーン(II)は、例えば過冷却された天然ガスと冷媒混合物Ｍ2と膨張後の前記冷媒混合物Ｍ2の留分が通過することの可能な、４本の独立した流路(Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3およびＬ4)を含んだ単一交換ラインを含む。
【００２０】
他の実施形態によれば、第２冷却ゾーン(II)は、少なくとも２つの連続したセクション(Ｅ41,Ｅ42)と４本の交換ライン(Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3およびＬ4)を含む交換セクション(Ｅ4)を含むことが可能である。
【００２１】
第１および第２冷却ゾーンは、例えば単一交換ラインに統合される。
第１および第２冷却ゾーンは、例えばガスタービンによってそれぞれ駆動する複数の冷媒システムを有する。
【００２２】
本発明のその他の利点および特徴は、天然ガスを液化するための本願を制限することのない枠組の中で、実施例として下記に示される説明を、添付の図面を参照しながら読むことによって明らかにされるであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、従来技術で用いられた天然ガス冷却方法の流れ図を示す。
この方法は第１天然ガス冷却段階を含み、その出力時での天然ガスの温度および使用した冷媒混合物の温度がおよそ-３０℃である。
【００２４】
第１段階からの出力時では、第２冷却段階で使用される冷媒混合物が気相と液相を有する二相流体の形をとり、前記二相が図中の分離容器で表される装置で分離される。これら二相は螺旋管式熱交換器に送られて、第１ステップで予冷された天然ガスを最終冷却する。この目的のため、液体留分を冷却流体として使用しながら分離容器から到達する気相を凝縮し、次いで過冷却し蒸発させて、天然ガスを冷却し、液化する。
【００２５】
(本発明による方法の原理)
天然ガスを、２つの冷却ステップ(I)および(II)で液化することが可能であることが発見され、そのステップのそれぞれは、第１冷媒混合物Ｍ1と第２冷媒混合物Ｍ2をそれぞれ使用する冷却サイクルによって作動し、これら冷媒混合物のそれぞれは、冷媒混合物の一つが相分離を伴うことなく、少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発して各冷却ステップにもたらされ、圧縮され、凝縮し、次に膨張し、そして第２冷却ステップの間に冷媒混合物Ｍ2の凝縮が完了する。
【００２６】
また２つの冷却ステップ(I)および(II)を、平行に備え付けられた単独または複数のプレート型交換器を有する単一交換ラインによって達成することが可能であることが発見された。
【００２７】
従来技術と比較すると、第２冷媒混合物Ｍ2は第１冷却ステップを離れるときに部分的に凝縮し、相分離することなく第２冷却ステップに移送され、次いで第２ステップの間にすべて凝縮される。
【００２８】
本発明による方法の作動原理は、一実施形態を示す図２によって明らかにされる。
天然ガスはパイプ２０を通って第１冷却段階(I)に入り、パイプ２１を通ってそこを離れ、その後第２冷却段階(II)に送られ、パイプ２２を通過した後バルブＶまたはタービンによって膨張し、液化天然ガスが生成される。
【００２９】
第１冷却段階(I)は第１冷却混合物Ｍ1の補助によって作動し、この第１冷却混合物Ｍ1は、圧縮機Ｋ1で圧縮された後、有効な外部冷却流体の補助によって交換器Ｅ22で凝縮される。
したがって凝縮した混合物は容器Ｄに回収され、その後パイプ２３を通して第１冷却段階に送られる。
【００３０】
次に、第１冷却段階の第１セクションＥ1で過冷却する。
この第１セクションＥ1を離れるとき、混合物Ｍ1の第１留分Ｆ1がパイプ２４に位置する膨張弁Ｖ1によって膨張し、その後第１圧力レベルで蒸発して、天然ガスと前記第１セクションＥ1で凝縮した冷媒混合物を冷却する。
【００３１】
このように得られた気相はパイプ２５によって、このように得られた蒸気混合物の、圧力レベルに対応する圧縮機Ｋ1の中間段階へと再循環する。
混合物Ｍ1の残留物は、第１冷却段階の第２セクションＥ2で過冷却される。
この第２セクションＥ2を離れるとき、混合物Ｍ1の第２留分Ｆ2は、パイプ２７に位置する膨張弁Ｖ2によって第２圧力レベルで膨張し、その後蒸発して、天然ガスと前記第２セクションＥ2の冷媒混合物の冷却を確実にする。
【００３２】
このように得られた気相はパイプ２８によって、このように得られた蒸気混合物の、圧力レベルに対応する圧縮機Ｋ1の中間段階へと再循環する。
混合物Ｍ3の最終留分Ｆ3は、第１冷却段階(I)の第３セクションＥ3で過冷却される。このセクションＥ3を離れるとき、この混合物Ｍ1の残留留分は膨張弁Ｖ3(パイプ２９ｂ)によって第３圧力レベルに膨張し、その後蒸発して、天然ガスと前記第３セクションＥ3の冷媒混合物の冷却を確実にする。
【００３３】
このように得られた気相は、パイプ３０を通って圧縮機Ｋ1の入力へと再循環する。
第１冷却段階でのセクション数を、例えば１セクションと４セクションの間で変更することが可能であり、実用上の最適化に起因させることが可能である。
【００３４】
ある一定の場合では、Ｅ22で混合物Ｍ1を一部分のみ凝縮し、その後第１冷却ステップの間に凝縮を完了させることも可能である。しかしながら本発明による方法の原理では、混合物Ｍ1が、液相と気相に相分離してこれらの相のそれぞれが異なる回路を通り抜ける結果になることなく、実質上一定な組成で循環することが好ましい。
【００３５】
外部冷却流体は、例えば空気や淡水、海水等の有効周辺流体であることが可能である。
したがって冷媒混合物Ｍ1は、有効周辺冷却流体の補助により冷却されることによって全体が凝縮し、その後過冷却され、膨張し、少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発することが好ましい。
【００３６】
混合物Ｍ1は、例えばエタンやプロパン、ブタンを含む。また本発明による方法の枠組から離れることなく、例えばメタンやペンタン等のその他の成分を含むことも可能である。
【００３７】
冷媒混合物Ｍ1中の、エタン(Ｃ2)、プロパン(Ｃ3)、およびブタン(Ｃ4)のモル分率で表される割合は、以下の範囲であることが好ましい。
すなわち、Ｃ2=３０〜７０%,Ｃ3=３０〜７０%,Ｃ4=０〜２０%である。
【００３８】
第２冷却段階（ＩＩ）は第２冷媒混合物Ｍ２によって作動し、この第２冷媒混合物Ｍ２は圧縮機Ｋ２で圧縮された後、有効外部冷却流体の補助によって交換器Ｅ２４で冷却される。
混合物Ｍ２は、パイプ３１を通って第１段階の冷却セクション、Ｅ１，Ｅ２、およびＥ３に送られ、そこで冷却されて一部分が凝縮する。
【００３９】
次にパイプ３２を通って第２冷却段階(II)に送られる。
その後、完全に凝縮させて第２段階の冷却セクションＥ4で過冷却する。
冷媒混合物Ｍ2は、相分離することなく第１段階(I)から第２段階(II)へと通過する。
【００４０】
この方法によって、特に２つの冷却段階(I)および(II)を、同じ交換ライン内で達成することができる。
冷却セクションＥ4の出力時には、混合物Ｍ2がパイプ３３によって抽出され、例えば２種類の留分Ｆ'1とＦ'2に分離される。
【００４１】
混合物Ｍ2の第１留分Ｆ'1は、パイプに取り付けられた膨張弁Ｖ4内で第１圧力レベルに膨張する。
次にセクションＥ4で、天然ガスと冷媒混合物Ｍ2が部分的に冷却される。
【００４２】
このように得られた気相はパイプ３５を通り、このように得られた蒸気混合物の圧力レベルに対応する圧縮機Ｋ2の中間段階へと再循環する。
【００４３】
残留混合物Ｍ2の第２留分Ｆ'2は、パイプ３６に配置された膨張弁Ｖ5により、第１圧力レベルよりも低い第２圧力レベルで膨張し、その後蒸発して、セクションＥ4内で天然ガスと冷媒混合物を冷却する。このように得られた気相は、パイプ３７を通って圧縮機Ｋ2の入力へと再循環する。
図３は、第２冷却段階で混合物Ｍ2を膨張させる、他の変形例を概略的に示す。液体膨張タービンＴによってＥ4の出力時に得た、全体が凝縮して過冷却された混合物Ｍ2を、前述の圧力レベルに膨張させ、その後２種類の留分Ｆ'1とＦ'2に分離することも可能である。次に留分Ｆ'1は、バルブＶ4(図２)の取付けを必要とすることなく、交換セクションＥ4に直接送られる。留分Ｆ'2は、膨張弁Ｖ5を通って前述の圧力レベルにもう一度膨張し、その後交換セクションＥ4に送られる。
【００４４】
冷媒混合物Ｍ2は、例えばメタンやエタンを含む。また、本発明による方法の枠組から離れることなく、例えば窒素やプロパン等のその他の成分を含むことも可能である。
その分子量は、２２と２７の間にあることが好ましい。
【００４５】
冷媒混合物Ｍ2中の、窒素(Ｎ2)、メタン(Ｃ1)、エタン(Ｃ2)、およびプロパン(Ｃ3)のモル分率で表される割合は、以下の範囲であることが好ましい。
すなわち、Ｎ2=０〜１０%、Ｃ1=３０〜５０%、Ｃ2=３０〜５０%、Ｃ3=１０%である。
【００４６】
冷却段階(I)および(II)を提供する２つの冷却サイクルに圧縮力が最適に分配されるように、第１冷却段階の出力温度Ｔｃ(天然ガスの)を選択することが可能である。
【００４７】
本発明による方法の好ましい形態では、前記サイクルのそれぞれが、同一のガスタービンによって駆動する圧縮システムを有する。
したがって第１冷却段階の出力時での予冷温度Ｔｃは、-４０℃と-７０℃の範囲であることが好ましい。
【００４８】
この方法の好ましい形態では、２つの冷却サイクルに必要とされる圧縮力が類似している。
【００４９】
この方法の好ましい形態では、第１ステップを離れる冷媒混合物Ｍ2の凝縮モル分率が、少なくとも９０%に等しい。
【００５０】
この方法の好ましい形態では、冷媒混合物Ｍ2の流量と天然ガスの流量のモル比が１未満である。
第２冷却段階(II)での膨張圧力レベルの数は、例えば２種類と４種類の間で変更することが可能であり、実用上の最適化に至る選択に起因する。
【００５１】
冷媒混合物Ｍ2は、例えば３ＭＰａと７ＭＰａの間の圧力に圧縮される。
これは少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発する。この場合、第１圧力レベルは例えば０.１ＭＰａと０.３ＭＰａの間であり、第２圧力レベルは例えば０.３ＭＰａと１ＭＰａの間である。
【００５２】
熱交換セクションの数は変更可能である。
したがって図２に示す実施形態では、２段階の膨張圧力レベルと一つの交換セクションＥ4で作動し、少なくとも４本の異なる流路で平行に循環する少なくとも４本の流れの間で同時に熱交換が行われる、交換セクションの全体を通して作動する。
【００５３】
これら４本の流れを、同じ方向に循環する２本の流れ、すなわち第１冷却ステップ(I)から到達する過冷却された天然ガスと圧力下で部分的に凝縮した混合物Ｍ2、ならびに反対方向に循環して異なる圧力レベルに膨張した混合物Ｍ2の２種類の留分とすることが可能である。
【００５４】
また、図４で明らかにされる実施形態によって操作することも可能である。
この実施例では、第２冷却ステップ(II)の交換セクションが、２つの連続したセクションＥ41およびＥ42を有する。
パイプ２１を通って導入される天然ガスの流れは、交換セクションＥ4を通過してラインＬ1内を循環する。
パイプ３２を通って導入される第２冷媒混合物Ｍ2は、ラインＬ2内を循環する。
この混合物Ｍ2の第１留分Ｆ"1は、膨張後その泡立ち点に近い温度に過冷却され、この第１留分Ｆ"1を得てラインＬ3により膨張弁Ｖ42に送り、そこで第１圧力レベルＰ1に膨張させる。この第１留分Ｆ"1は、交換セクションＥ42内で圧力Ｐ1で蒸発し、このセクションの冷却の少なくとも一部がもたらされる。
【００５５】
残留物または第２留分Ｆ"2はラインＬ2内を循環し続け、第２膨張圧力レベルＰ2で、引き続きその泡立ち点に近い温度に過冷却される。次いで膨張弁Ｖ41を通して圧力Ｐ2で膨張し、その後セクションＥ41内で蒸発して冷却する。このセクションＥ41を離れるとき、この留分は少なくとも一部分が蒸発し、セクションＥ42内で蒸発が完了する。Ｆ"2は、ラインＬ4内を循環する。
【００５６】
この手順によって、圧力下で一方向に循環する天然ガスおよび混合物Ｍ2と、異なる圧力レベルで反対方向に循環する、膨張した混合物Ｍ2の留分との間で同時交換が発生する。
【００５７】
図示しないが他の実施形態によれば、完全に凝縮して過冷却された天然ガスを膨張弁Ｖiによって、交換セクションＥ4の中間レベル(例えばサブセクションＥ41とＥ42の間)で圧力Ｐiに膨張させることが可能である。圧力Ｐiは、この圧力に膨張した後、天然ガスが完全に凝縮した状態になるように選択される。
【００５８】
冷媒混合物の様々な膨張弁(Ｖ1,Ｖ2,Ｖ43,Ｖ4,Ｖ5,Ｖ41,Ｖ42,Ｖi)の一部または全体を、本発明による方法の主な特徴を変更することのない、液体膨張タービンで置き換えることが可能である。
【００５９】
要するにこの方法は、特に、
(１) 圧力下の天然ガスを、冷媒混合物Ｍ1の補助によって作動する第１冷却サイクルの補助によって、第１冷却ステップ(I)中に少なくとも-３０℃未満の温度Ｔｃに冷却して且つどうにか部分的に凝縮し、ここでは冷媒混合物Ｍ1が圧縮され、有効周辺冷却流体の補助による冷却によって少なくとも部分的に凝縮し、次に過冷却され、膨張し、そして少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発し、
(２) 圧力下の天然ガスを、第２冷媒混合物Ｍ2の補助により作動する第２冷却サイクルの補助によって、第２冷却ステップ(II)の間にすべて凝縮させ、その後過冷却し、ここでは第２冷媒混合物Ｍ2が圧縮され、冷却され、第１冷却ステップの間中第１冷媒混合物Ｍ1を用いた熱交換によって少なくとも部分的に凝縮し、すべて凝縮し、その後第２冷却ステップの間に過冷却され、次いで膨張して少なくとも２段階の圧力レベルで蒸発し、混合物Ｍ2が液相と気相に相分離することなく、連続する２つの冷却段階(I)および(II)の間にすべて凝縮し、その後過冷却され、
(３) 過冷却された天然ガスが膨張して、発生するＬＮＧを形成する、
ことを特徴とする。
【００６０】
【実施例】
本発明による方法は、図２および３に関して説明される、数値で表した以下の実施例によって明らかにされる。
【００６１】
天然ガスは、圧力６ＭＰａ、温度３０℃でライン２０を通り、交換器Ｅ1に導入される。このガスの組成は以下のようであり、そのモル分率(%)は以下の通りである。すなわち、メタン:８７.２４%、エタン:６.４０%、プロパン:２.２６%、イソブタン:０.４８%、ｎ-ブタン:０.４６%、ペンタン:０.０９%、窒素:３.０７%である。
【００６２】
この天然ガスを、冷却段階(I)を構成する交換セクションＥ1,Ｅ2,およびＥ3内で、-６０℃の温度に冷却して部分的に凝縮させる。この冷却段階(I)は、組成が以下のようなモル分率(%)である冷媒混合物Ｍ1を使用する。すなわち、エタン:５０.００%、プロパン:５０.００%である。
【００６３】
混合物Ｍ1は、多段圧縮機Ｋ1の気相内で、２.４ＭＰａの圧力に圧縮される。これを交換器Ｅ3内で３０℃の温度に冷却して凝縮する。ここでは完全に凝縮され、その後ライン２３を通して交換セクションＥ1に移送される。
【００６４】
次に、この凝縮した混合物を、交換セクションＥ1内で０℃の温度に過冷却する。この第１交換セクションを離れるとき、混合物Ｍ1の第１留分Ｆ1がライン２４を通って除去され、膨張弁Ｖ1によって１.２７ＭＰａの圧力に膨張される。
【００６５】
この留分Ｆ1は、次にセクションＥ1で蒸発し、その後ライン２５を通って圧縮機Ｋ1の最終段階の吸入口へと送られる。留分Ｆ1のモル流は、圧縮機Ｋ1を離れる混合物Ｍ1の、全モル流の３６.４%を示す。
【００６６】
混合物Ｍ1の残留物は、ライン２６を通って交換セクションＥ2に送られ、-３０℃の温度に冷却される。この第２交換セクションを離れるとき、混合物Ｍ1の第２留分Ｆ2は、ライン２７を通って除去され、膨張弁Ｖ2によって０.５５ＭＰａの圧力に膨張される。
【００６７】
この留分Ｆ2は、次にセクションＥ2で蒸発し、その後ライン２８を通って圧縮機Ｋ1の中間段階の吸入口へと送られる。留分Ｆ2のモル流は、圧縮機Ｋ1を離れる混合物Ｍ1の全モル流の３６.１%を示す。
【００６８】
留分Ｆ3で表される混合物Ｍ1の残留物は、ライン２９を通って交換セクションＥ3に送られ、-６０℃の温度に冷却される。この第３交換セクションを離れるとき、この留分Ｆ3は、膨張弁Ｖ3によって０.１９ＭＰａの圧力に膨張される。
この留分Ｆ3は、次にセクションＥ3で蒸発し、その後ライン３０を通って圧縮機Ｋ1の第１段階の吸入口へと送られる。
【００６９】
-６０℃でＥ3を離れ、冷却され、特に凝縮した天然ガスは、次にライン２１に沿って、冷却段階(II)を構成する交換セクションＥ4に送られる。この冷却段階 (II)は、組成が以下のようなモル分率(%)である冷媒混合物Ｍ2を使用する。
すなわち、メタン:４７.４０%、エタン:４５.００%、プロパン:２.００%、窒素:５.６０%である。
【００７０】
混合物Ｍ2は、多段圧縮機Ｋ2の気相内で５.５５ＭＰａの圧力に圧縮される。これを交換器Ｅ24内で３０℃の温度に冷却し、ここから離れるとき十分に気状になって、ライン３１を通って交換セクションＥ1に移送される。
【００７１】
次に、交換セクションＥ1,Ｅ2およびＥ3で、-６０℃の温度に冷却して完全に凝縮させる。次に、ライン３２を通過させて交換セクションＥ4に送り、-１５０℃の温度に過冷却する。
【００７２】
この過冷却した混合物Ｍ2を、次にライン３３を通して液体膨張タービンＴに送り、０.５８ＭＰａの圧力に膨張させる。
この第１膨張の後、混合物の留分Ｆ'1は除去され、ライン３４を通して交換セクションＥ4に送られ、この留分Ｆ'1が蒸発する。
【００７３】
したがって蒸発した留分Ｆ'1を、次にライン３５を通して圧縮機Ｋ2の第２段階の吸入口へと送る。
この留分Ｆ'1のモル量の流れは、圧縮機Ｋ2を離れる混合物Ｍ2の、全モル流の５０%を示す。
【００７４】
タービンＴ内での膨張後に得られた混合物Ｍ2のその他の留分Ｆ'2は、ライン３６を通って膨張弁Ｖ5に送られ、０.２７ＭＰａの圧力に膨張する。
この留分Ｆ'2は、次に、膨張後交換セクションＥ4に送られ、蒸発した後、ライン３７を通って圧縮機Ｋ2の第１段階の吸入口へと送られる。
【００７５】
したがって液化し過冷却された天然ガスは、その後圧力５.９２ＭＰａ、温度-１５０℃で、ライン２２を通って交換セクションＥ4の出力時に得られる。
次いで、膨張弁またはタービンによって膨張し、液化天然ガスが生産される。
このように得られた実施例では、冷媒混合物Ｍ2の流量と処理された天然ガスの流量のモル比は、０.８８３に等しい。
【００７６】
液化天然ガスを毎時４５０５１６ｋｇで生産する場合、圧縮機Ｋ1およびＫ2の機械的な力は、それぞれ４６４７４ｋＷおよび４５３７１ｋＷであり、すなわち全体の機械的な力ｄは、-１５０℃で生産される液化天然ガス１ｋｇ当たり７３４ｋＪを示す。
【００７７】
【発明の効果】
本発明による方法で提示される利点の一つは、平行に取り付けられた単独または複数のプレート型交換器を含む単一交換ラインで、すべての冷却ステップ(I)および(II)を達成することができることである。
【００７８】
したがって、例えば図２で明らかにされる実施形態のセクションＥ1,Ｅ2,Ｅ3およびＥ4にもたらされるすべての交換を、単独のプレート型交換器または連続して突合せ溶接された２つのプレート型交換器、例えば、ろう付けアルミニウムで作製された平板およびフィンチューブ型の交換器等で作動させることが可能である。
【００７９】
この交換器は、冷媒混合物の中間オフテイクおよび注入用に設計されるが、中間段階で相分離が行われないことから、全体的な交換は図５に概略的に示すような小型装置の単片で達成される。
この場合、様々な冷媒混合物を導入し且つ除去するパイプの数は、図２の場合と一致する。
【００８０】
ろう付け平板でできたアセンブリのユニット表面領域が制限されることから、液化設備のモジュラー設計を可能にした状態で、この型の数個の交換器を平行に取り付けることが可能である。このモジュラー設計は本発明による方法の他の利点であり、ライン全体を停止させることなく、したがって液化天然ガスの生産を停止する必要なくわずかにその生産を減少させるのみで、交換ラインのモジュールの一つを停止させることが可能になる(例えばメンテナンスや検査、補修作業のため)。
【００８１】
冷却段階(I)および(II)をもたらす２つの冷却サイクルのそれぞれは、独立したガスタービンＴ1およびＴ2によって駆動する圧縮システムを有することが好ましい。
【００８２】
また本発明の方法によって、２種の冷却段階の間で機械的な力を平衡に保つことができるようになり、そのため全く同一の駆動による２つのガスタービンを使用して作動させることができ、コスト的な利点(出費およびメンテナンス)がもたらされる。
【００８３】
本発明による方法では冷媒混合物の相分離を必要としないため、制御および規制の点でプロセスの操作を容易にしながら、一定の組成の冷媒混合物をプロセス中のどの点でも使用することが可能になる。
【００８４】
本発明による方法では、冷媒混合物、特にそのモル流が、液化される天然ガスのそれよりも常に少ない、超低温冷媒混合物Ｍ2の制限された流れのみを必要とする。またこれは、公知の液化プロセスと比較すると、この超低温冷媒混合物を実施するために必要な装置のサイズを縮小することが可能になることから、一利点(特に、圧縮機、ライン、および圧縮機の吸気タンク)でもある。
【００８５】
本発明による方法では、一般に液化天然ガス１ｋｇ当たり８００ｋＪ未満の機械的な力を使用して天然ガスを液化することから、特にエネルギー節約になる。またこの力は、最も好適な競合プロセスによって得られるものよりも、１０%を超えて下回るものである。このエネルギー消費が低いことによって、同じ駆動によるガスタービンを用い、現在まで知られるプロセスよりもより相当量の液化天然ガスを生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術で説明され且つ使用された液化サイクルの一例を示す模式概要図。
【図２】本発明による方法の代替実施形態例を示す模式概要図。
【図３】第２冷却ステップの他の実施形態例を示す模式概要図。
【図４】第２冷却ステップで可能な熱交換器を示す模式概要図。
【図５】２つの冷却ステップが単一交換ラインで実行される変形例を示す模式概要図。
【符号の説明】
I    第１冷却段階
II    第２冷却段階
２０〜３７    パイプ、ライン
Ｄ    容器
Ｅ1    第１セクション、交換器
Ｅ2    第２セクション
Ｅ22, Ｅ24    交換器
Ｅ3    第３セクション、交換器
Ｅ4    冷却セクション
Ｅ41,Ｅ42    セクション
Ｋ1,Ｋ2    圧縮縮機
Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3,Ｌ4    ライン
Ｔ    液体膨張タービン
Ｔ1,Ｔ2    ガスタービン
Ｖ    バルブ
Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4,Ｖ5,Ｖ41,Ｖ42    膨張弁
【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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