(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも８０モル％のメタン及び２０モル％までの窒素を含む比較的暖かい高圧液体流から窒素を除去するための、天然ガス液化プラントで有用な窒素除去方法において、
（ａ）  拡大表面熱交換器で比較的低圧の液化天然ガス流に対し比較的暖かい高圧液体流を冷却し、比較的冷たい高圧液体流を形成して低圧液化天然ガス流を部分的に蒸発し、
（ｂ）  工程（ａ）からの比較的冷たい高圧液体流を膨張させて更に冷却した液体と蒸気との混合物を形成し、
（ｃ）  工程（ｂ）からの混合物を分離器へ供給して液体流と蒸気流を形成し、
（ｄ）  工程（ｃ）からの液体流を、工程（ａ）の熱交換器へ、部分的に蒸発した比較的低圧の流れとして供給し、窒素含有量が増大した流体と窒素が少なくなった液体生成物流を形成し、
（ｅ）  熱交換器中の低圧液化天然ガス流を、熱交換器で蒸発した流体と向流的に接触させてそこから窒素を追い出し、
（ｆ）  熱交換器で蒸発した流体を工程（ｃ）の分離器へ供給し、そして
（ｇ）  前記分離器から窒素含有量の増大した蒸気流を回収する、
諸工程からなる窒素除去方法。
【請求項２】
工程（ａ）、（ｄ）、及び（ｅ）中の熱交換器がプレートフィン形熱交換器である、請求項１に記載の窒素除去方法。
【請求項３】
比較的暖かい高圧液体流が、−１６５℃〜−１３０℃の温度及び１ＭＰａ〜５ＭＰａの圧力を有し、分離器からの液体生成物流及び蒸気流が、０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａの圧力を有する、請求項１に記載の窒素除去方法。
【請求項４】
膨張工程（ｂ）が、ジュール・トムソン弁を用いて行われる、請求項１に記載の窒素除去方法。
【請求項５】
膨張工程（ｂ）が、液体膨張器を用いて行われる、請求項１に記載の窒素除去方法。
【請求項６】
液体生成物流を保存タンク中に収集することを更に含む、請求項１に記載の窒素除去方法。
【請求項７】
低圧液化天然ガス流が、熱交換器を通って重力によって下方へ流れ、然もそれを通る蒸発流体を上方へ流れ易くする大きさの通路中を流れる、請求項１に記載の窒素除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、還流型又はプレートフィン形(plate-fin）熱交換器を用いて液化天然ガス（ＬＮＧ）から窒素を除去するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガス液化中の窒素を処理する種々の方法及び技術が知られている。幾つかの例には、ラバティー(Laverty）その他による米国特許第２，５００，１２９号、イーキン(Eakin）その他による米国特許第２，８２３，５２３号、ホフマン（Hoffman)による米国特許第３，５５９，４１８号、ハーペル(Harper)その他による米国特許第３，８７４，１８４号、ベイリー(Bailey)その他による米国特許第４，２２５，３２９号、及びネルソン(Nelson)その他による米国特許第５，０３６，６７１号明細書が含まれる。これらの多くは、部分的に凝縮した天然ガス流から窒素に富む蒸気流を精留及び（又は）分離することを含んでいる。
【０００３】
プレートフィン形熱交換器の製造における最近の進歩により、現在では、空気分離；水素、エチレン、天然ガス液体、及び液化石油ガスの回収；及び二酸化炭素の精製を含めた或る低温法で、従来の蒸留塔の代わりにそのような装置を使用することができるようになっている。還流熱交換器として、熱移動及び物質移動の両方の操作を大きな効率で同時に行うことができることも知られている。還流熱交換器は、大きな表面積対体積比を有し、好ましくは僅か２〜３℃の最小温度駆動力で作動する軽くて小型に設計されといるのが典型的である。
【０００４】
還流熱交換器は、供給物及び熱移動流体を導入するための隣接した通路を有する。液体供給物流は、好ましくは供給物通路を通って重力により下方へ流れるように導入され、加熱用流体は隣接した熱移動通路を通って上方へ流れ、それらの流れが互いに向流状になるようにしてある。下方へ流れる流れへ移動した熱は、その少なくとも一部分の蒸発を行う。このようにして形成された蒸気は、供給物流と同じ通路を通って上昇し、液相から最も軽い成分を追い出す。次に供給物蒸気相を、供給物通路の頂部から取り出す。
【０００５】
この構成では、還流熱交換器は蒸留塔のストリッピング領域に似ている。しかし、明らかに重要な相違点が存在する。装置の全長に沿って分離と同時に行われる熱交換により、熱移動と物質移動の両方に対する駆動力を小さく維持しながら、大きな熱力学的効果を与えることができる。駆動力が小さいため、気相と液相との間の温度及び組成の差が可逆的熱力学的過程に一層近い状態を与えている。従って、還流熱交換器は、各段階でリボイラーを有する多段階ストリッパーに類似している。
【０００６】
多段階ストリッパーとしての還流熱交換器は、同様に通常の蒸留塔よりも幾つかの他の利点を与えている。通常の部分的蒸発（ストリッピング）法では、軽い成分の殆どが蒸発して回収できるように充分高い温度に供給物を加熱している。これは、比較的多量の不必要な一層重い成分を気相へ蒸発する結果になることがある。これに対し、一層低い平均リボイル温度を有する還流熱交換器は、蒸発される重質成分の量を一層少なくしている。従って、リボイルするために必要な熱量が減少しているため、加熱負荷が減少している。別法として、同じリボイル負荷で、一層よい回収を達成することができる。
【０００７】
蒸気供給物流について、同じ熱交換器を多段階精留器として同様に用いることができることは分かるであろう。各段階での同じ冷却源によって供給物を凝縮し、蒸気を還流する。
【０００８】
プレートフィン形熱交換器の全体的図面及び天然ガス処理へのその使用が、フィン(Finn)Ａ．によるChemical Engineering, Vol. 101, No. 5, May (1994) pp. 142-147 に記載されている。
【０００９】
コステイン・オイル・ガス・アンド・プロセス社(Costain Oil, Gas & Process, Ltd.)による１９８９年プレートフィン形熱交換器会報(Plate Fin Exchanger Bulletin of 1989)の５〜９頁には、プレートフィン形熱交換器を設計するのに用いられる寸法計算法が記載されている。
【００１０】
フレンチ(French)による米国特許第３，２０３，１９１号明細書には、必要なエネルギーを低下するために膨張器を用いたガス液化法が記載されている。
【００１１】
パラドウスキー(Paradowski)による米国特許第４，３３４，９０２号明細書には、蒸気が同時に液化冷却剤を補助冷却(subcool）する液体条件で、膨張後に補助冷却された液体冷却剤からのその蒸気でガスを冷却することによる天然ガス液化方法が記載されている。補助冷却された高圧液体冷却剤は、水車(hydraulic turbine）中で膨張させる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の窒素分離塔の代わりに還流プレートフィン形熱交換器を用いてエネルギーの節約及び資本コストの減少を達成することにより、液化天然ガス（ＬＮＧ）から窒素の除去を効果的に行う。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
一つの態様として、本発明は、少なくとも８０モル％のメタン及び２０モル％までの窒素を含む比較的暖かい高圧液体流から窒素を除去するための、天然ガス液化プラントで有用な窒素除去方法を与える。工程（ａ）として、拡大表面熱交換器(enhanced surface heat exchanger）で比較的低圧の液化天然ガス流に対し比較的暖かい高圧液体流を冷却し、比較的冷たい高圧液体流を形成して低圧液化天然ガス流を部分的に蒸発する。工程（ｂ）として、工程（ａ）からの比較的冷たい高圧液体流を膨張させて更に冷却した液体と蒸気との混合物を形成する。工程（ｃ）として、工程（ｂ）からの混合物を分離器へ供給して液体流と蒸気流を形成する。工程（ｄ）として、工程（ｃ）からの液体流を、工程（ａ）の熱交換器へ、部分的に蒸発した比較的低圧の流れとして供給し、窒素含有量が増大した流体と窒素が少なくなった液体生成物流を形成する。工程（ｅ）として、熱交換器中の低圧液化天然ガス流を、熱交換器で蒸発した流体と向流的に接触させてそこから窒素を追い出す。工程（ｆ）として、熱交換器で蒸発した流体を工程（ｃ）の分離器へ供給する。工程（ｇ）として、前記分離器から窒素含有量の増大した蒸気流を回収する。
【００１４】
好ましい態様として、工程（ａ）、（ｄ）、及び（ｅ）中の熱交換器はプレートフィン形熱交換器からなる。比較的暖かい高圧液体流は、約−１６５℃〜約−１３０℃の温度及び約１ＭＰａ〜約５ＭＰａの圧力を有し、分離器からの液体生成物流及び蒸気流が、約０．１ＭＰａ〜約０．５ＭＰａの圧力を有する。液体生成物流を保存タンク中に収集する。低圧液化天然ガス流は、熱交換器を重力によって下方へ流れ、然も蒸発流体を上方へ流れ易くする大きさの通路中を流れる。
【００１５】
一つの構成として、膨張工程（ｂ）は、ジュール・トムソン弁を用いて行うのが好ましい。別の構成として、膨張工程（ｂ）は、液体膨張器を用いて行うのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
プレートフィン／還流形熱交換器は、余りにも多くの段階及び余りにも大きなリボイル速度を要求しなくても済むように、窒素とメタンとの相対的揮発度の充分大きな差により、液体天然ガスから窒素を除去するための方法において、従来の蒸留塔の代わりに有利に用いることができる。
【００１７】
図面に関し、窒素分離装置１０は、好ましくは多段階ストリッパーとして用いられる垂直に配置したプレートフィン形熱交換器からなる拡大表面熱交換器１２を有する。そのプレートフィン形熱交換器は、比較的暖かい高圧液体流を導入するための導管１６を有する第一通路１４を有する。暖かい高圧流１６は、好ましくは少なくとも８０モル％のメタン及び２０モル％までの窒素からなる組成を有し、約−１６５℃〜−１３０℃の温度、及び約１ＭＰａ〜約５ＭＰａの圧力を有するＬＮＧからなる。
【００１８】
プレートフィン形熱交換器１２の第一通路１４を通って上方へ流れる比較的暖かい高圧ＬＮＧ流１６は、プレートフィン形熱交換器１２の隣接した第二通路２０を通って重力により全体的に下方へ流れる、導管１８から導入された比較的冷たい低圧ＬＮＧ流に対する熱交換により次第に冷却される。
【００１９】
本発明を実施する際、比較的暖かい高圧の上方へ流れる液体流１６から比較的冷たい低圧の下方へ流れる液体流１８へ連続的に交換された熱により、低圧液体流１８が部分的に蒸発する。窒素のような軽い成分に富む流れ１８の蒸気相は、流れ１８の下方へ流れる液相と緊密に接触しながら上方へ行き、窒素のような更に残留する軽い成分をその液相から追い出す。窒素のような軽い成分が少なくなった液体生成物流は、導管２２を通って熱交換器１２から除去される。
【００２０】
第二通路２０中の低圧液体流１８に熱が移動し、第一通路１４中の暖かい高圧液体流１６を連続的に冷却し、比較的冷たい高圧液体流を導管２４を通って取り出す。次に冷たい高圧液体流２４を、ジュール・トムソン弁２６により全体的に膨張させて圧力を低下させ、更に流れ２４を冷却し、最も軽い成分を部分的に蒸発する。
【００２１】
導管２８中の低圧多相流を、分離器ドラム３０へ供給し、液相と気相を分離する。分離された液相を導管１８を通り、冷たい低圧液体流として上述の熱交換器１２へ送る。冷たい低圧液体を熱交換器１２へ導入すると同時に、第二通路２０を通って上方へ流れる蒸気流を、同じく導管１８を通って分離ドラム３０へ送り、多相流２８から分離した蒸気相と一緒にする。窒素のような最も軽い成分に富む一緒にした蒸気流を導管３２を通して取り出す。
【００２２】
ＬＮＧから窒素を分離するための方法の場合、窒素が少なくなったＬＮＧ生成物流を導管２２を通して取り出し、窒素に富むガス流を導管３２を通って取り出す。ＬＮＧ生成物流２２は、高圧排出管３８を有するポンプ３６が取付けられた貯蔵ドラム３４中に保存することができる。窒素に富むガス流３２は、燃料ガスとして用いることができる。
【００２３】
別の態様として、膨張弁２６は、液体流２４の膨張から仕事を取り出してこの方法の他の何処かで消費される圧縮エネルギーを節約するために、液体膨張器（図示されていない）で置き換えることができる。
【００２４】
プレートフィン形熱交換器の設計及び製造は、当分野でよく知られている。そのような熱交換器は、典型的には、真鍮化(brazed)アルミニウムから作られるのが典型的であるが、ステンレス鋼のような他の材料から作ることもできる。プレートフィン形熱交換器は、比較的暖かい液体流及び冷たい液体流１６、１８の、第一及び第二流通路１４、２０を通る向流により、向流状に操作されるのが典型的である
【００２５】
本発明の方法を、更に次の実施例を参照して例示する。
【００２６】
【実施例】
図面から分かるように、ＬＮＧ窒素除去工程のモデルを、アスペンプラス（ASPENPLUS)ソフトフェアーを用いてコンピューターで作成した。最初のシュミレーション設定は、各段階で内部リボイラーを有する五つの段階、１００、１０２、１０４、１０６及び１０８を有するラドフラック(RADFRAC）ブロックからなる。第一通路１４の一段階当たりの圧力低下は、１１ＫＰａに設定した。他の入力因子を表１に与える。
【００２７】
【表１】
0003837182.tif 000002
【００２８】
天然ガス液化のための主熱交換器からの比較的暖かい高圧ＬＮＧを、ストリッピング還流熱交換器１２の第一通路１４へ導管１６を通って導入し、そこで比較的暖かいＬＮＧ流が冷却される。暖かい高圧ＬＮＧ流は、約４．２１２モル％のＮ2 及び８７．７８８モル％のＣ1 の組成を有する。冷却した高圧ＬＮＧ流は、−１６１℃の温度で導管２４を通って熱交換器１２から取り出す。ＬＮＧ流は、０．１２５ＭＰａ（ａ）（絶対圧）まで膨張させ、それに対応して−１６５．８℃の温度を有する。気相の分離に続き、冷却した低圧液体ＬＮＧ流を、導管１８を通って熱交換器１２の第二通路２０へ導入する。熱交換器１２では、冷却した低圧ＬＮＧ流１８が再び加熱され、部分的に蒸発する。再加熱後、そこで生じた蒸気により窒素が追い出された液体低圧ＬＮＧ流は、生成物ＬＮＧ流として導管２２を通り−１５８．５℃で熱交換器を出る。ＬＮＧ生成物流２２は、約０．３９１モル％のＮ2 、９０．８１４モル％のＣ1 、及び８．７９５モル％のＣ2 〜Ｃ5 からなる。低下で生じた蒸気２８及び熱交換器１２中で生じた蒸気１８′を含む窒素に富む蒸気流３２は、約３９．７５０モル％のＮ2 及び５９．６２８モル％のＣ1 からなる。
【００２９】
結果の要約を表２に与える。更に、それらの結果は、その工程と冷却剤側との間にピンチポイント(pinch point）は生じないことを示している。両側の領域の合計を含む熱交換器の断面積は、約１．４ｍ2 であると計算された。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
本発明の窒素除去法を、上の記述及び実施例により例示した。上の記載は本発明を限定するものではなく、単に例示するためのものである。なぜなら、その記載を見て多くの変更が当業者には明らかになるからである。特許請求の範囲に入り、その本質的内に入るそのような変更は、全てそれに含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】還流熱交換器を用いた本発明のＬＮＧ窒素除去法の概略的系統図である。
【符号の説明】
１０  窒素分離装置
１２  熱交換器
１４  第一通路
１６  高圧液体流
２０  第二通路
２２  ＬＮＧ生成物流
２６  ジュール・トムソン弁
３０  分離ドラム
３２  ガス流
３４  貯蔵ドラム
【図１】
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