(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主熱交換器（１）の高温側（１ｄ）を通る流体流を冷却する方法で、
（ａ）主熱交換器（１）の低温側（１ａ）から冷媒を取り出す段階と、
（ｂ）冷媒を多段圧縮器（７）で低圧から少なくとも一つの中間圧を介して高圧に圧縮することによって高圧の冷媒を得る段階と、
（ｃ）段階（ｂ）で得られた冷媒を部分的に凝縮する（１２）ことによって第一二相流体を得ると共に、この第一二相流体を第一凝縮留分と第一気体留分に分離する（１３）段階と、
（ｄ）第一凝縮留分を補助熱交換器（２）の第一高温側（２ｂ）で冷却することによって低温の第一凝縮留分を得る段階と、
（ｅ）低温の第一凝縮留分を補助熱交換器（２）の低温側（２ａ）で中間圧（Ｐ１）で蒸発させることによって中間圧（Ｐ１）の冷媒を得た後、それを多段圧縮器（７）の中間段階部分（７ｂ）の入口に供給する段階と、
（ｆ）第一気体留分を補助熱交換器（２）の第二高温側（２ｃ）で部分的に凝縮することによって第二二相流体を得る段階と、
（ｇ）第二二相流体を前駆凝縮留分と前駆気体留分に分離する（２８）段階と、
（ｈ）前駆凝縮留分を主熱交換器（１）の第一高温側（１ｂ）で冷却することによって低温の前駆凝縮留分を得る段階と、
（ｉ）低温の前駆凝縮留分を主熱交換器（１）の低温側（１ａ）で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを多段圧縮器ユニット（７）の第一段階（７ａ）部分の入口に供給する段階と、
（ｊ）前駆気体留分を主熱交換器（１）の第二高温側（１ｃ）で冷却することによって低温の最終凝縮留分を得る段階と、
（ｋ）低温の最終凝縮留分を主熱交換器（１）の低温側（１ａ）で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを多段圧縮器ユニット（７）の第一段階（７ａ）部分の入口に供給する段階とを備えた方法であって、
段階（ｇ）で得られた前駆凝縮留分の一部分を補助熱交換器（２）の低温側（２ａ）で中間圧（Ｐ１）で蒸発させる方法。
【請求項２】
段階（ｇ）で得られた前駆凝縮留分の、補助熱交換器（２）の低温側（２ａ）で中間圧（Ｐ１）で蒸発させる量は、質量で前駆凝縮留分の５ないし５０％である請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
段階（ｇ）は、第二二相流体を第二凝縮留分と第二気体留分とに分離する（８０）段階と、第二凝縮留分を第二補助熱交換器（６５）の第一高温側（６５ｂ）で冷却することによって低温の第二凝縮留分を得る段階と、この低温の第二凝縮留分を第二補助熱交換器（６５）の低温側（６５ａ）で第二の低い中間圧（Ｐ２）で蒸発させることによって第二中間圧（Ｐ２）の冷媒を得た後、それを多段圧縮器ユニット（７’）の中間低圧段階部分の入口に供給する段階と、第二気体留分を第二補助熱交換器（６５）の第二高温側（６５ｃ）で部分的に凝縮することによって第三二相流体を得る段階と、第三二相流体を前駆凝縮留分と前駆気体留分に分離する（２８）段階とを含み、第二凝縮留分の一部を補助熱交換器（６０）の低温側（６０ａ）で中間圧（Ｐ１）で蒸発させると共に、前駆凝縮留分の一部を上流側の補助熱交換器（６５，６０）の低温側（６５ａ，６０ａ）で中間圧で蒸発させるようにした請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
第二凝縮留分の、補助熱交換器（６０）の低温側（６０ａ）で中間圧（Ｐ１）で蒸発させる量は、質量で第二凝縮留分の５ないし５０％である請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項５】
前駆凝縮留分の、上流側の補助熱交換器（６５、６０）の低温側（６５ａ，６０ａ）で中間圧で蒸発させる量は、質量で第二凝縮留分の５ないし５０％である請求の範囲第３項または第４項に記載の方法。
【請求項６】
前駆凝縮留分の一部を第二補助熱交換器（６５）の低温側（６５ａ）で第二の低い中間圧（Ｐ２）で蒸発させるようにした請求の範囲第３項または第４項に記載の方法。
【請求項７】
前駆凝縮留分の一部を補助熱交換器（６０）の低温側（６０ａ）で中間圧（Ｐ１）で蒸発させるようにした請求の範囲第３項または第４項に記載の方法。
【請求項８】
流体流は、補助熱交換器（２）の高温側で予備冷却された後、主熱交換器（１）の高温側（１ｄ）へ送られる請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
低温側（１ａ）及び冷却すべき流体流が流れる第三高温側（１ｄ）を備えた主熱交換器（１）と、一つの低温側（２ａ）及び少なくとも二つの高温側（２ｂ、２ｃ）を備えた補助熱交換器（２）と、主熱交換器（１）の低温側（１ａ）の出口を第一段階（７ａ）部分の入口に接続し、補助熱交換器（２）の低温側（２ａ）の出口を中間圧段階（７ｂ）部分の入口に接続した多段圧縮器ユニットと、多段圧縮器ユニット（７）の最終段階（７ｂ）部分の出口に接続されたコンデンサ（１２）に接続された入口、補助熱交換器（２）の第一高温側（２ｂ）の入口に接続された液体用出口、及び補助熱交換器（２）の第二高温側（２ｃ）の入口に接続された蒸気用出口を有する主気液分離器（１３）と、補助熱交換器（２）の第二高温側（２ｃ）の出口に接続された入口、主熱交換器（１）の第一高温側（１ｂ）の入口に接続された液体用出口、及び主熱交換器（１）の第二高温側（１ｃ）の入口に接続された蒸気用出口を有する最終気液分離器（２８）とを備えており、補助熱交換器（２）の第一高温側（２ｂ）の出口は、減圧装置（１９）を備えた導管（１８）によって補助熱交換器（２）の低温側（２ａ）に接続されていると共に、主熱交換器（１）の第一高温側（１ｂ）及び第二高温側（１ｃ）の出口は、減圧装置（２９，４５）を備えた導管（３８，４４）によって主熱交換器（１）の低温側（１ａ）に接続されている流体流冷却装置であって、最終気液分離器（２８）の出口は、減圧装置（５０）を備えた導管（４９）によって補助熱交換器（２）の低温側（２ａ）にも接続されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
補助熱交換器（２）は、各々が一つの低温側及び二つの高温側を有する少なくとも第一及び第二補助熱交換器（６０，６５）を備えており、第一補助熱交換器（６０）の低温側（６０ａ）の出口は最終段階（７’）部分の入口に接続され（７４）、第二補助熱交換器（６５）の低温側（６５ａ）の出口は中間低圧段階（７’）部分の入口に接続される（７６）等の配置になっており、主気液分離器（１３）の液体用出口は第一補助熱交換器（６０）の第一高温側（６０ｂ）の入口に接続されていると共に、気体用出口は第二高温側（６０ｃ）の入口に接続されており、第一補助熱交換器（６０）の第一高温側（６０ｂ）の出口は、減圧装置（７９）を備えた導管（７８）によって低温側（６０ａ）に接続されていると共に、第二高温側（６０ｃ）の出口は第一気液分離器（８０）の入口に接続されており、第一気液分離器（８０）の液体用出口は第二補助熱交換器（６５）の第一高温側（６５ｂ）の入口に接続されていると共に、気体用出口は第二高温側（６５ｃ）の入口に接続されており、第二補助熱交換器（６５）の第一高温側（６５ｂ）の出口は、減圧装置（８３）を備えた導管（８２）によって低温側（６５ａ）に接続されていると共に、第二高温側（６５ｃ）の出口は第二気液分離器（２８）の入口に接続される等の配置になっており、第一及び第二気液分離器（８０，２８）の出口は、減圧装置（９０，５０）を備えた導管（８９，４９）によって第一及び第二補助熱交換器（６０，６５）の低温側（６０ａ，６５ａ）にも接続されている請求の範囲第９項に記載の装置。
【請求項１１】
多段圧縮器ユニットは、並列配置された二段圧縮器を備えている請求の範囲第９項または第１０項に記載の装置。
【請求項１２】
並列の多段圧縮器の数は２ないし４である請求の範囲第１１項に記載の装置。
【請求項１３】
主及び補助熱交換器のいずれも、二つ以上のユニットを並列配置して構成されている請求の範囲第９項から第１２項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
補助熱交換器（２）は、流体流を予備冷却する高温側を備えており、その出口は主熱交換器（１）の第三高温側（１ｄ）の入口に接続されている請求の範囲第９項から第１３項のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、蒸発冷媒と間接接触させて流体流を冷却することに関する。冷却すべき流体流は、例えば液化しようとする天然ガスであり、冷媒は、例えば窒素、メタン、エタン、プロパン、ブタン及び重炭化水素を含む複合成分冷媒である。
冷却は、高温側及び低温側を備えた熱交換器で行われ、それでは、高温側及び低温側を互いに接触させることによって、熱交換器の高温側から低温側へ熱を伝達できるようにしている。冷却すべき流体が熱交換器の高温側を通り、冷媒が熱交換器の低温側を通る。熱交換器は、ガスの冷却及び液化に使用されるいずれの形式でもよく、例えばシェル及び管形熱交換器、拡大面形熱交換器、プレート−フィン形熱交換器、またはらせん巻き形熱交換器にすることができる。流体は、向流式または横流式に流れることができ、冷媒は下方向または上方向に流すことができる。
本発明は特に、主熱交換器の高温側を通る流体流の冷却に関する。そのような流体流冷却方法が、米国特許第４，２５１，２４７号に記載されている。
主熱交換器の高温側を通る流体流を冷却する公知の方法は、
（ａ）主熱交換器の低温側から冷媒を取り出す段階と、
（ｂ）冷媒を多段圧縮器で低圧から少なくとも一つの中間圧を介して高圧に圧縮することによって高圧の冷媒を得る段階と、
（ｃ）段階（ｂ）で得られた冷媒を部分的に凝縮することによって第一二相流体を得ると共に、この第一二相流体を第一凝縮留分と第一気体留分に分離する段階と、
（ｄ）第一凝縮留分を補助熱交換器の第一高温側で冷却することによって低温の第一凝縮留分を得る段階と、
（ｅ）低温の第一凝縮留分を補助熱交換器の低温側で中間圧（Ｐ１）で蒸発させることによって中間圧（Ｐ１）の冷媒を得た後、それを多段圧縮器の中間段階部分の入口に供給する段階と、
（ｆ）第一気体留分を補助熱交換器の第二高温側で部分的に凝縮することによって第二二相流体を得る段階と、
（ｇ）第二二相流体を前駆凝縮留分と前駆気体留分に分離する段階と、
（ｈ）前駆凝縮留分を主熱交換器の第一高温側で冷却することによって低温の前駆凝縮留分を得る段階と、
（ｉ）低温の前駆凝縮留分を主熱交換器の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを多段圧縮器の第一段階部分の入口に供給する段階と、
（ｊ）前駆気体留分を主熱交換器の第二高温側で冷却することによって低温の最終凝縮留分を得る段階と、
（ｋ）低温の最終凝縮留分を主熱交換器の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを多段圧縮器の第一段階部分の入口に供給する段階とを備えている。
公知の方法では、二段圧縮器が使用されており、段階（ｅ）で得られた中間圧（Ｐ１）の冷媒は、二段圧縮器の第二段階部分の入口に供給される。
本発明は特に、主熱交換器の低温側の流体に関するものであり、従って、本発明を説明する前に、主熱交換器の低温側の流体の組成及び挙動について説明する。
公知の方法では、管及びシェル形の熱交換器が使用されている。この形式の熱交換器では、高温側を形成している管が、熱交換器の低温側を形成しているシェル内に配置されている。この形式が、主熱交換器及び補助熱交換器の両方に使用されている。
主熱交換器は、二部材で構成されている。二部材の低温側を連結して、一つの連結低温側を形成することによって、段階（ｊ）で最終凝縮留分を蒸発させることによって得られた低圧の冷媒が主熱交換器の低温側のその部分を流れ、そこで低温の前駆凝縮留分が段階（ｈ）で蒸発することができる。冷却すべき流体が通る主熱交換器の高温側は、二部材形主熱交換器の低温側内にそれぞれ配置された二本の連結管を備えている。
主熱交換器の連結低温側で、段階（ｆ）で得られた前駆及び最終凝縮留分を蒸発させることができる。蒸発留分が冷媒を形成した後、これが主熱交換器から取り出される。留分の成分の蒸発は、卓越圧力及び温度におけるそれらの気液平衡比に従って行われ、気液平衡比（Ｋ値とも呼ぶ）とは、平衡状態のある成分の液相のモル分率に対するその成分の気相のモル分率の比である。Ｋ値は、圧力及び温度、また個々の成分に応じて決まる。所定の圧力及び温度では、窒素及びメタンはＫ値が相対的に高いが、重炭化水素のＫ値は相対的に低く、さらに、所定の温度では、圧力の低下に伴ってＫ値が増加する。従って、卓越温度において前駆及び最終凝縮留分の成分すべてが完全に蒸発するように、主熱交換器の低温側の圧力を選択することが可能である。その結果、主熱交換器の低温側の出口から取り出された冷媒は気相であり、この気相の冷媒が段階（ｂ）において圧縮器に供給される。
蒸発が不完全である場合、主熱交換器の低温側から取り出された冷媒が液体を含有するため、液体含有流体が圧縮器に供給される。圧縮器に供給される流体に液体が存在することは、圧縮器の性能に悪影響を与えるので、完全な蒸発が得られるように、主熱交換器の低温側の圧力を低く選択しなければならない。
主熱交換器の低温側の圧力は低温側から取り出される冷媒の状態に影響を与えるだけでなく、圧力の低下に伴って蒸気の量が増加するため、その圧力は低温側の蒸気の量にも影響を与える。蒸気の量が増加すると、体積流量が増加し、このように体積流量が増加すると、流れに対する抵抗が増大する。流れに対する抵抗が大きくなることは、主熱交換器の低温側を通して流体を流すために圧縮器が流体に対してすべき仕事が増加することを意味する。
流れに対する抵抗を低減させるため、低温側の直径を増加させることができるが、これが可能な範囲は限定されている。代わりに、もっと高圧で蒸発するように冷媒の組成を変化させることができ、これは二つの方法で実施できる。すなわち、冷媒が含有する軽い成分の量が増加するように組成全体を調節するか、冷媒の組成全体はそのままにして、主熱交換器に供給される留分の成分を調整する。
冷媒の組成全体を調節することは、補助熱交換器での冷媒の冷却に悪影響を生ずる可能性がある。従って、出願人は、主熱交換器に供給される留分の成分の調整に注目した。
上記米国特許第４，２５１，２４７号は、主熱交換器の体積流量を制限する問題については論じていないが、この特許は主熱交換器に供給される留分の成分を調節する一つの方法を開示している。これは、上記方法の段階（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）を変更することによって行われる。変更段階（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、
（ｄ）第一凝縮留分を補助熱交換器の下部の第一高温側で冷却することによって低温の第一凝縮留分を得る段階と、
（ｅ）低温の第一凝縮留分を補助熱交換器の下部の低温側で中間圧（Ｐ１）で蒸発されることによって中間圧（Ｐ１）の冷媒を得た後、それを二段圧縮器の第二段階部分の入口に供給する段階と、
（ｆ１）第一気体留分を補助熱交換器の下部の第二高温側で中間温度に冷却することによって中間二相流体を得る段階と、
（ｆ２）中間二相流体を中間凝縮留分と中間気体留分に分離する段階と、
（ｆ３）中間凝縮留分を補助熱交換器の上部の第三高温側で冷却して、低温の中間凝縮留分を補助熱交換器の低温側の上部で蒸発させることによって中間圧（Ｐ１）の冷媒を得た後、それを段階（ｅ）で得られた蒸発第一凝縮留分と共に二段圧縮器の第二段階部分の入口に供給する段階と、
（ｆ４）中間気体留分を補助熱交換器の上部の第４高温側で冷却することによって第二二相流体を得る段階とを含む。
上記の変更形の従来方法は、第二二相流体内の超重炭化水素の量を減少させる方法を提供している。しかし、第二二相流体は、依然としてメタンより重い炭化水素を望ましくないほど大量に含有している。さらに、公知の方法では、段階（ｆ２）の中間分離用に別の分離器を追加する必要がある。
ここで、本発明は、主熱交換器に供給される留分の組成を調節できると共に、中間分離を必要としない流体流冷却方法を提供している。
このため、本発明による主熱交換器の高温側を通る流体流を冷却する方法は、段階（ｇ）で得られた前駆凝縮留分の一部を補助熱交換器の低温側で中間圧（Ｐ１）で蒸発させることを特徴としている。
驚くことに、第二凝縮留分の一部を第一凝縮留分に添付しても、補助熱交換器の低温側の蒸発流体の特性に悪影響がないことがわかった。
本発明の利点は、主熱交換器の低温側の低圧を従来の方法の場合よりも高い値に維持できることである。従って、同じ量の冷媒を高圧に圧縮するために必要なエネルギーの量が少なくなる。反対に、同じ量のエネルギーで高圧に圧縮できる冷媒の量が増加する。圧縮できる冷媒の量が増加すると、循環速度が増加するため、主熱交換器内で冷却される流体が増加する。
明細書及び請求の範囲で使用する「留分」という表現は、「部分」とも呼ばれる。
本発明はさらに、低温側及び冷却すべき流体流が流れる高温側を備えた主熱交換器と、低温側及び二つの高温側を備えた補助熱交換器と、主熱交換器の低温側の出口を第一段階部分の入口に接続し、補助熱交換器の低温側の出口を中間圧段階部分の入口に接続した多段圧縮器と、多段圧縮器の最終段階部分の出口に接続されたコンデンサに接続された入口、補助熱交換器の第一高温側の入口に接続された液体用出口、及び補助熱交換器の第二高温側の入口に接続された蒸気用出口を有する主気液分離器と、補助熱交換器の第二高温側の出口に接続された入口、主熱交換器の第一高温側の入口に接触された液体用出口、及び主熱交換器の第二高温側の入口に接続された蒸気用出口を有する最終気液分離器とを備えており、補助熱交換器の第一高温側の出口は、減圧装置を備えた導管によって補助熱交換器の低温側に接続されていると共に、主熱交換器の第一高温側及び第二高温側の出口は、減圧装置を備えた導管によって主熱交換器の低温側に接続されている流体流冷却装置に関する。
そのような装置は、米国特許第４，２５１，２４７号に開示されている。従来の方法では、二段圧縮器が使用されており、補助熱交換器の出口は二段圧縮器の第二段階部分の入口に接続されている。
通常の作動中に主熱交換器に供給される留分の組成を調節できると共に、中間分離を必要としない流体流冷却装置を提供するため、本発明による装置は、最終気液分離器の出口が、減圧装置を備えた導管によって補助熱交換器の低温側にも接続されていることを特徴としている。
さらに複雑な流体流冷却方法が、フランス特許出願公開第２，２８０，０４２号に開示されている。この公報に開示されている、主熱交換器の高温側を通る流体流を冷却する方法は、
（ａ）主熱交換器の低温側から冷媒を取り出す段階と、
（ｂ）冷媒を二段圧縮器で低圧から一つの中間圧を介して高圧に圧縮することによって高圧の気体冷媒を得る段階と、
（ｃ）段階（ｂ）で得られた気体冷媒を部分的に凝縮することによって第一二相流体を得ると共に、この第一二相流体を第一凝縮留分と第一気体留分に分離する段階と、
（ｄ）第一気体留分を補助熱交換器の下部の高温側で部分的に凝縮することによって第二二相流体を得ると共に、この第二二相流体を第二凝縮留分と第二気体留分に分離する段階と、
（ｅ）第一凝縮留分を主熱交換器の下部の第一高温側で冷却することによって低温の第一凝縮留分を得る段階と、
（ｆ）低温の第一凝縮留分の一部を主熱交換器の下部の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを圧縮器の第一段階部分の入口に供給すると共に、低温の第一凝縮留分の残りを補助熱交換器の下部の低温側で中間圧で蒸発させることによって中間圧の冷媒を得た後、それを圧縮器の第二段階部分の入口に供給する段階と、
（ｇ）第二凝縮留分の一部を補助熱交換器の上部の第二高温側で冷却することによって低温の第二凝縮留分を得ると共に、低温の第二凝縮留分を補助熱交換器の上部の低温側で中間圧で蒸発させることによって中間圧の冷媒を得た後、それを圧縮器の第二段階部分の入口に補助熱交換器の下部を介して供給する段階と、
（ｈ）第二凝縮留分の残りを主熱交換器の中間部の第二高温側で冷却することによって低温の第三凝縮留分を得ると共に、低温の第三凝縮留分を主熱交換器の中間部の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを圧縮器の第一段階部分の入口に主熱交換器の下部を介して供給する段階と、
（ｉ）第二気体留分を補助熱交換器の上部の第三高温側で冷却することによって第四凝縮留分を得る段階と、
（ｊ）第四凝縮留分の一部を補助熱交換器の上部の低温側で中間圧で蒸発させることによって中間圧の冷媒を得た後、それを圧縮器の第二段階部分の入口に補助熱交換器の下部を介して供給する段階と、
（ｋ）第四凝縮留分の残りを主熱交換器の上部の第三高温側で冷却することによって低温の第四凝縮留分を得る段階と、
（ｌ）低温の第四凝縮留分を主熱交換器の上部の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを圧縮器の第一段階部分の入口に主熱交換器の中間部及び下部を介して供給する段階とを備えている。
この後者の公報は、複雑な方法を開示しているだけでなく、その公報は、段階（ｆ）で第一凝縮留分を主熱交換器の下部の低温側で低圧で蒸発させることを開示しているため、本発明から外れている。第一凝縮留分は最も重い炭化水素を含有しており、このことは、この留分を完全に蒸発させるためには主熱交換器の低温側の圧力を非常に低く選択しなければならないことを意味している。また前述したように、そのような低圧であると、体積流量が増大し、従って圧力降下が大きくなる。
それ以上については、フランス特許出願公開第２，２９２，２０３号を参照されたい。この公報は、第５図に、主熱交換器の高温側を通る流体流を冷却する方法を示しており、その方法は、
（ａ）主熱交換器の低温側から冷媒を取り出す段階と、
（ｂ）冷媒を二段圧縮器で低圧から中間圧を介して高圧に圧縮することによって高圧の冷媒を得る段階と、
（ｃ）段階（ｂ）で得られた冷媒を部分的に凝縮することによって第一二相流体を得る段階と、
（ｄ）第一二相流体を補助熱交換器の高温側でさらに冷却することによって低温の第一二相流体を得ると共に、その低温の第一二相流体を第一凝縮留分と第一気体留分に分離する段階と、
（ｅ）第一凝縮留分の一部を補助熱交換器の低温側で中間圧で蒸発させることによって中間圧の冷媒を得た後、それを二段圧縮器の第二段階部分の入口に供給する段階と、
（ｆ）第一凝縮留分の残りを主熱交換器の第一高温側で冷却することによって低温の第一凝縮留分を得る段階と、
（ｇ）低温の第一凝縮留分を主熱交換器の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを二段圧縮器の第一段階部分の入口に供給する段階と、
（ｈ）第一気体留分を主熱交換器の第二高温側で冷却することによって低温の第二凝縮留分を得る段階と、
（ｉ）その低温の第二凝縮留分を主熱交換器の低温側で低圧で蒸発させることによって低圧の冷媒を得た後、それを二段圧縮器の第一段階部分の入口に供給する段階とを備えている。
この公報は、（１）補助熱交換器の上流で第一二相流体の分離を行わないことと、（２）第一気体留分が補助熱交換器で凝縮されないことを開示している。
この公報は、第一気体留分及び第一液体留分からなる第一二相流体を段階（ｄ）でさらに冷却した後、第一凝縮留分の一部を段階（ｅ）で蒸発流体として使用することから、上記米国特許第４，２５１，２４７号明細書に開示されている方法と同様な方法を開示している。従って、この公報と本発明に関連性がない。
次に、添付の図面を参照しながら本発明を例によってさらに詳細に説明する。
第１図は、本発明の方法の概略的流れ図を示している。
第２図は、本発明の変更実施例を示している。
ここで第１図を参照する。本発明の方法は、二つの熱交換器、すなわち主熱交換器１と補助熱交換器２とを用いて実施される。各熱交換器は、一つの低温側と幾つかの高温側とを備えている。主熱交換器１の低温側を参照番号１ａで示し、主熱交換器の第一、第二及び第三高温側を参照番号１ｂ、１ｃ及び１ｄで示す。高温側の入口及び出口を参照番号１ｂ’及び１ｂ”、１ｃ’及び１ｃ”、１ｄ’及び１ｄ”で示す。補助熱交換器２の低温側を参照番号２ａで示し、補助熱交換器２の第一及び第二高温側を参照番号２ｂ及び２ｃで示す。高温側の入口及び出口を参照番号２ｂ’及び２ｂ”、２ｃ’及び２ｃ”で示す。
冷却すべきガスが、導管３を介して主熱交換器の第三高温側１ｄの入口１ｄ’に供給され、第三高温側１ｄを流れてから、出口１ｄ”を通って第三高温側１ｄから流出し、導管４を通って取り出されてさらなる処理部（図示せず）へ送られる。第三高温側１ｄは、主熱交換器１の低温側１ａで低圧で蒸発した低温冷媒によって冷却される。冷却すべきガスが液化しなければならない天然ガスである場合、ガスの圧力は２．０ないし６．０ＭＰａの範囲内にあり、導管４内の液化天然ガスの温度は−１４０ないし−１６０℃の範囲内にある。
次に、主熱交換器１の低温側１ａから取り出された冷媒から始めて、冷媒を冷却する方法を説明する。
主熱交換器１の低温側１ａの下出口５から冷媒が低圧で取り出され、導管６を通って二段圧縮器７の形態の多数圧縮器ユニットへ送られる。二段圧縮器７は、中間圧段階部分７ａと高圧段階部分７ｂとを備えている。この場合、二段圧縮器を用いているが、その各段階部分に幾つかの段階部分を設けることによって、圧縮器を、流体を低圧から中間圧へ圧縮する中間圧段階部分７ａと、流体を中間圧から高圧へ圧縮する高圧段階部分７ｂとを含む多段圧縮器にすることができる。第１圧縮器７ａの出口は導管７ｃで第２圧縮器７ｂの入口に接続されている。任意であるが、二段圧縮器に段間熱交換器７ｄを設けて、段階の間の圧縮熱を取り除くことができる。冷媒は導管６を通って中間圧段階部分の入口へ進み、二段圧縮器７で低圧から中間圧を介して高圧に圧縮される。高圧の冷媒は、第２圧縮器７ｂから導管１０で取り出される。低圧は０．１ないし０．３ＭＰａの範囲であり、中間圧は１．５ないし３．０ＭＰａの範囲であり、高圧は３．０ないし５．０ＭＰａの範囲である。
導管１０にはコンデンサ１２が設けられている。コンデンサ１２は、空気冷却器または水冷却器にすることができる。コンデンサ１２内では、高圧冷媒から多くの熱が除去されるため、それは部分的に凝縮して第一二相流体が得られる。この第一二相流体は、主気液分離器１３の入口１３’へ送られる。主気液分離器１３では、第一二相流体が第一凝縮留分と第一気体留分に分離される。第一凝縮留分は出口１３”から取り出されて、導管１５を通って補助熱交換器２の第一高温側２ｂの入口２ｂ’へ進み、第一気体留分は出口１３”’から取り出されて、導管１６を通って補助熱交換器２の第二高温側２ｃの入口２ｃ’へ進む。
第一凝縮留分は導管１５を通って補助熱交換器２の第一高温側２ｂへ進み、その後すぐにその第一凝縮留分は第一高温側２ｂを通過して、低温の第一凝縮留分が高圧で得られる。低温の第一凝縮留分は、補助熱交換器２の第一高温側２ｂの出口２ｂ”から導管１８を通って取り出される。導管１８に減圧弁１９の形態の減圧装置が設けられており、これは、弁１９の下流側の流体が中間圧（Ｐ１）になるように設計されている。低温の第一凝縮留分は、減圧弁１９からノズル２１を備えた導管２０を通って補助熱交換器２の低温側２ａに戻る。このようにして、第一高温側２ｂの出口２ｂ”が補助熱交換器２の低温側２ａに接続されている。低温側２ａでは、低温の第一凝縮留分が中間圧（Ｐ１）で蒸発して、中間圧（Ｐ１）の冷媒が得られる。第一高温側２ｂの第一凝縮留分は、中間圧で低温側２ａで蒸発する冷媒によって冷却される。
中間圧（Ｐ１）の冷媒は、低温側２ａから下出口２３を通って取り出される。それは導管２４を通って第２圧縮器７ｂの形態の多段圧縮器ユニットの中間段階部分の入口へ進み、そこで第１圧縮器７ａから送られた中間圧の冷媒と共に高圧に圧縮される。
主気液分離器１３から導管１５を通って取り出される第一凝縮留分については説明しているので、ここでは主気液分離器１３から導管１６を通って取り出される第一気体留分について説明する。第一気体留分は、第二高温側２ｃにおいて補助熱交換器２の低温側２ａで蒸発する冷媒によって冷却される。非常に多くの熱が除去されるので、第一気体留分が部分的に凝縮して、第二二相流体が得られる。
第二二相流体は、第二高温側２ｃの出口２ｃ”から導管２６を通って取り出され、この導管は最終気液分離器２８の入口２８’に接続している。最終気液分離器２８では、第二二相流体が前駆凝縮留分と前駆気体留分とに分離される。前駆凝縮留分は出口２８”から取り出されて導管３０を通る一方、前駆気体留分は出口２８”’から取り出されて導管３２を通り、補助熱交換器１の第二高温側１ｃの入口１ｃ’へ進む。
前駆凝縮留分の一部分だけが主熱交換器１へ送られるが、これは、主熱交換器１内で最終的に蒸発させなければならない重炭化水素の量を低減させるためである。以下には、ます主熱交換器１へ送られる流れについて説明した後、第二凝縮留分の残りの処理について説明する。
前駆凝縮留分の一部は、導管３３を通って主熱交換器１の第一高温側１ｂの入口１ｂ’へ進む。主熱交換器１の第一高温側１ｂでこの前駆凝縮留分が冷却されて、低温の前駆凝縮留分が高圧で得られる。低温の前駆凝縮留分は、主熱交換器１の第一高温側１ｂの出口１ｂ”から導管３８を通って取り出される。導管３８に減圧弁３９の形態の減圧装置が設けられており、これは、弁３９の下流側の流体が低圧になるように設計されている。低温の前駆凝縮留分は、減圧弁３９からノズル４１を備えた導管４０を通って主熱交換器１の低温側１ａに戻る。このようにして、第一高温側１ｂの出口１ｂ”が主熱交換器１の低温側１ａに接続されている。低温側１ａで低温の前駆凝縮留分が低圧で蒸発して、低圧の冷媒が得られる。第一高温側１ｂの第二前駆留分は、低温側１ａで低圧で蒸発する冷媒によって冷却される。冷媒は、その後に二段圧縮器７の第１圧縮器７ａの入口へ進む。
次に、最終気液分離器２８から導管３２を通って取り出される前駆気体留分について説明する。前駆気体留分は、主熱交換器１の第二高温側１ｃで冷却されて、低温の最終凝縮留分が得られる。低温の最終凝縮留分は、主熱交換器１の第二高温側１ｃの出口１ｃ”から導管４４を通って取り出される。導管４４には、減圧弁４５の形態の減圧装置が設けられており、これは、弁４５の下流側の流体が低圧になるように設計されている。低温の最終凝縮留分は、減圧弁４５からノズル４７を備えた導管４６を通って主熱交換器１の低温側１ａに戻る。このようにして、第二高温側１ｃの出口１ｃ”が主熱交換器１の低温側１ａに接続されている。低温側１ａで低温の最終凝縮留分が低圧で蒸発して、低圧の冷媒が得られる。冷媒は、その後に二段圧縮器７の第１圧縮器７ａの入口へ進む。
主熱交換器の低温側１ａは、低温の前駆及び最終凝縮留分から得られた蒸発冷媒で満たされており、この蒸発冷媒が主熱交換器１の高温側１ｂ、１ｃ及び１ｄの流体を冷却する。低圧の冷媒が低温側１ａから下出口５を通って取り出される。それは、導管６を通って第１圧縮器７ａの入口へ進み、そこで中間圧に圧縮される。それは導管７ｃを通って第２圧縮器７ｂへ進み、そこで補助熱交換器２から送られた冷媒と共に高圧に圧縮される。
本発明の方法では、前駆凝縮留分の一部だけが導管３３を通って主熱交換器１へ進む。前駆凝縮留分の残りは、最終気液分離器２８から導管４９を通って補助熱交換器２へ進み。導管４９に減圧弁５０が設けられており、これは弁５０の下流側の流体が中間圧になるように設計されている。減圧弁５０の出口は、補助熱交換器２の低温側２ａと連通している。このようにして、最終気液分離器２８の出口２８”は補助熱交換器２の低温側２ａにも接続されている。低温側２ａで前駆凝縮留分の残りが中間圧力で蒸発することができる。わかりやすくするため、必要量の液体を導管４９で送り出すために必要なポンプ及び弁は図示されていない。
以下の例は、天然ガスの冷却及び液化における本発明の効果を示している。天然ガスの成分は、体積で３％の窒素と、８６％のメタンと、６％のエタンで、残りは重炭化水素である。毎秒１００ｋｇの天然ガス流が液化され、導管３内の流れの温度は−３２℃、その圧力は５．０ＭＰａ、導管４を通って主熱交換器から出る流れの温度は−１５２℃である。天然ガスは、体積で約２％の窒素と、２５％までのＣ4+と、残りを占めるＣ1−Ｃ3を含有する冷媒によって冷却及び液化される。導管１０内の冷媒の流量は、４．４ＭＰａの圧力で７００ｋｇ／ｓである。補助熱交換器の中間圧は２．０ＭＰａである。
第二凝縮留分がすべて導管３３を通って主熱交換器へ送られる従来の技術による方法では、主熱交換器の低温側１ａの圧力を約０．１ＭＰａに維持しなければならない。本発明に従って、第二凝縮留分の一部が主熱交換器１へ送られ、残りが補助熱交換器２へ送られる場合、主熱交換器１の低温側１ａの圧力をもっと高圧に維持することができる。前駆凝縮留分の質量の２０％が導管４９を通って補助熱交換器２の低温側２ａへ進む場合、主熱交換器の低温側の圧力は約０．２ＭＰａである。本発明の方法では、低圧が従来の方法における低圧ほど低くなく、このため、本発明の方法では、冷媒を圧縮するために必要なエネルギーが少なくなる。
同じ量のエネルギーの場合、冷媒の循環速度が増大するため、多くの天然ガスを液化することができる。上記例の状態では、本発明の方法を適用することによって、生産量が体積で約５％増加する。
変更形の従来の方法と比較しても、本発明の方法は、生産量を体積で約３％増加させる。
第１図を参照しながら説明した二段圧縮器７は、各段階用に単一の圧縮器を備えている。変更実施例では、単一のハウジング内にそれらの段階部分を包含した多段圧縮器を使用することができる。後者の形式の圧縮器が、第２図に参照番号７’で示されている。
第２図は、本発明の変更実施例を示している。第１図に示されている部品と同じ部品には同一の参照番号を付けて、それらについては詳細に説明しない。
第２図に示されている実施例では、補助熱交換器２が、第一補助熱交換器６０及び第二補助熱交換器６５を備えている。第一補助熱交換器６０には、一つの低温側６０ａと二つの高温側６０ｂ及び６０ｃが設けられており、第二補助熱交換器６５には、一つの低温側６５ａと二つの高温側６５ｂ及び６５ｃが設けられている。第一補助熱交換器６０の低温側６０ａの出口７０は、導管７４で多段圧縮器７’の最終段階部分の入口に接続されている。第二補助熱交換器６５の低温側６５ａの出口７５は、導管７６で多段圧縮器７’の中間低圧段階部分の入口に接続されている。
主気液分離器１３の液体用の出口１３”は、導管１５によって第一補助熱交換器６０の第一高温側６０ｂの入口６０ｂ’に接続されており、気体用の出口１３”’は、導管１６によって第二高温側６０ｃの入口６０ｃ’に接続されている。
第一補助熱交換器６０の第一高温側６０ｂの出口６０ｂ”は、減圧装置７９を設けた導管７８によって低温側６０ａに接続されている。第二高温側６０ｃの出口６０ｃ”は、導管８１によって第一気液分離器８０の入口８０’に接続されている。
第一気液分離器８０の液体用の出口８０”は、導管８５によって第二補助熱交換器６５の第一高温側６５ｂの入口６５ｂ’に接続されており、気体用の出口８０”’は、導管８６によって第二高温側６５ｃの入口６５ｃ’に接続されている。
第二補助熱交換器６５の第一高温側６５ｂの出口６５ｂ”は、減圧装置８３を設けた導管８２によって低温側６５ａに接続されている。第二高温側６５ｃの出口６５ｃ”は、第二気液分離器の入口に接続されている。この場合、第二気液分離器は最終気液分離器２８である。
第一及び第二気液分離器８０及び２８の出口８０”及び２８”は、それぞれ減圧装置９０及び５０を備えた導管８９及び４９で第一及び第二補助熱交換器６０及び６５の低温側６０ａ及び６５ａにも接続されている。
通常作動では、主気液分離器１３から出た第一凝縮留分を第一補助熱交換器６０の第一高温側６０ｂで冷却することによって低温の第一凝縮留分が得られ、これを第一補助熱交換器６０の低温側６０ａで中間圧（Ｐ１）で蒸発させることによって中間圧（Ｐ１）の冷媒を得た後、それを導管７４によって多段圧縮器７’の中間圧段階部分の入口に供給する。主気液分離器１３の第一気体留分を補助熱交換器６０の第二高温側６０ｃで部分的に凝縮することによって、第二二相流体が得られる。
この第二二相流体を第二気液分離器８０で第二凝縮留分と第二気体留分とに分離する。第二凝縮留分の一部分を第二補助熱交換器６５の第一高温側６５ｂで冷却することによって、低温の第二凝縮留分が得られ、これを第二補助熱交換器６５の低温側６５ａで第二の低い中間圧（Ｐ２）で蒸発されることによって第二中間圧（Ｐ２）の冷媒を得た後、これを多段圧縮器７’の中間低圧段階部分の入口に供給する。
第二気体留分を第二補助熱交換器６５の第二高温側６５ｃで部分的に凝縮することによって、第三二相流体が得られる。最終気液分離器２８において、第三二相流体を前駆凝縮留分と前駆気体留分に分離する。前駆留分は、第１図を参照しながら説明したようにして、主熱交換器１へ送られる。
第二凝縮留分の残りを第一補助熱交換器６０の低温側６０ａで中間圧（Ｐ１）で蒸発させると共に、前駆凝縮留分の残りを上流側の補助熱交換器の低温側で低い中間圧（Ｐ２）で蒸発させるが、この上流側の補助熱交換器は最終気液分離器２８の上流側に配置されている。この場合の上流側の補助熱交換器は、第二補助熱交換器６５である。
第１図を参照しながら説明した実施例と本実施例を比較すると、第二二相留分の前駆凝縮留分及び前駆気体留分への分離が、ここではそれを分離して前駆留分を得る前に、第二凝縮留分の一部を第二補助熱交換器６５でさらに冷却することによって行われていることがわかる。第２図の実施例の利点は、前駆留分が軽くなることにある。
二つの補助熱交換器の代わりに、三つ以上を同様に使用することもできる。
補助熱交換器の低温側で中間圧（Ｐ１）で蒸発させる第二凝縮留分の量は、質量で第二凝縮留分の５ないし５０％である。上流側の補助熱交換器の低温側で中間圧で蒸発させる前駆凝縮留分の量は、質量で第二凝縮留分の５ないし５０％である。
適当な割合の前駆凝縮留分を第二補助熱交換器の低温側で第二の低い中間圧（Ｐ２）で蒸発させることができる。
変更実施例では、導管３を通って供給される天然ガスを、補助熱交換器２内に配置された高温側（図示せず）で予備冷却することができる。
第１図を参照しながら説明した装置では、減圧装置が減圧弁である。これらの減圧弁の一つまたは複数をタービン等の膨張機関に代えることもできる。
変更実施例として、二段圧縮器ユニットを、例えば二ないし四個を並列に配置した二段圧縮器で構成することもできる。この並列構造（図示せず）では、各段階の圧縮器の入口が共通点で結合し、出口も同様である。この構造の利点は、圧縮器ユニットが送り出すことができるパワーが、必要なパワーにより近づくことができることにある。さらなる利点として、圧縮器の一つが故障しても、ＬＮＧ工場全体の作動が停止しない。
【図１】
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【図２】
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