JP6702919B2 - 混合冷媒冷却プロセスおよびシステム - Google Patents

Description

天然ガスを冷却し、液化し、任意には二次冷却するための多くの液化システム、例えば単一の混合冷媒（ＳＭＲ）サイクル、プロパン予冷混合冷媒（Ｃ３ＭＲ）サイクル、二重混合冷媒（ＤＭＲ）サイクル、Ｃ３ＭＲ−窒素ハイブリッド（例えば、ＡＰ−Ｘ（商標））サイクル、窒素またはメタンエキスパンダサイクル、およびカスケードサイクルが、当技術分野において周知である。典型的には、そのようなシステムでは、天然ガスは、１つ以上の冷媒との間接熱交換によって、冷却され、液化され、任意には二次冷却される。多様な冷媒、例えば混合冷媒、純成分、二相冷媒、気相冷媒等が使用され得る。混合冷媒（ＭＲ）は、窒素、メタン、エタン／エチレン、プロパン、ブタン、およびペンタンの混合であり、多くのベースロード液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントで用いられてきた。ＭＲ流の組成は、典型的には、供給ガスの組成および動作条件に基づいて最適化される。

冷媒は、１つ以上の熱交換器と冷媒圧縮システムとを含む冷媒回路内を循環する。冷媒回路は、閉ループまたは開ループであってもよい。天然ガスは、熱交換器内での、間接熱交換器による１つ以上の冷媒回路と冷媒との間接熱交換によって、冷却され、液化され、および／または二次冷却される。

冷媒圧縮システムは、循環する冷媒を圧縮しかつ冷却するための圧縮シーケンスと、コンプレッサを駆動するために必要な電力を提供する駆動アセンブリとを含む。冷媒圧縮システムは、液化システムの重要な構成要素であるが、これは、天然ガスを冷却し、液化し、任意には二次冷却するために必要な熱デューティを提供する、低温低圧の冷媒流を生成するために、冷媒が、膨張の前に高圧に圧縮されて冷却されるために必要であるためである。

図１を参照すると、先行技術の典型的なＤＭＲプロセスが、液化システム１００に示される。供給流は、好ましくは天然ガスであり、前処理セクション（図示せず）において既知の方法によって洗浄し乾燥させて、水、ＣＯ_２およびＨ_２Ｓ等の酸性ガス、および水銀等の他の汚染物質を取り除き、結果として供給流１０１が前処理される。前処理された供給流１０１は、基本的に無水であり、予冷システム１３４内で予冷されて、予冷された天然ガス流１０２を生成し、主極低温熱交換器（ＭＣＨＥ）１６５内でさらに冷却され、液化され、および／または二次冷却されて、ＬＮＧ流１０４を生成する。ＬＮＧ流１０４は、典型的には、弁またはタービン（図示せず）を通過させることによって減圧され、その後、ＬＮＧ貯蔵タンク（図示せず）に送られる。圧力降下中に生成された任意のフラッシュ蒸気および／またはタンク内のボイルオフは、プラント内で燃料として用いられ、供給および／または送られて燃やされるためにリサイクルされ得る。

前処理された供給流１０１は、摂氏１０度を下回る、好ましくはおよそ摂氏０度を下回る、より好ましくはおよそ摂氏−３０度を下回る温度まで予冷される。予冷された天然ガス流１０２は、およそ摂氏−１５０度〜およそ摂氏−７０度、好ましくはおよそ摂氏−１４５度〜およそ摂氏−１００度の温度まで冷却され、続いておよそ摂氏−１７０度〜およそ摂氏−１２０度、好ましくはおよそ摂氏−１７０度〜およそ摂氏−１４０度まで二次冷却されることによって液化される。図１に示されたＭＣＨＥ１６５は、２つの管束、暖温束１６６および低温束１６７を備えるコイル巻き熱交換器である。しかしながら、任意の数の束および任意の交換器タイプを利用してもよい。

用語「基本的に無水」は、前処理された供給流１０１中のいずれの残留水も、下流の冷却および液化プロセスにおける水分凍結に関連する動作上の問題を防止するために、十分に低濃度で存在することを意味する。本明細書で説明された実施形態では、水分濃度は、好ましくは１．０ｐｐｍ以下であり、より好ましくは０．１ｐｐｍ〜０．５ｐｐｍである。

ＤＭＲプロセスで用いられる予冷用冷媒は、本明細書では暖温混合冷媒（ＷＭＲ）と称される混合冷媒（ＭＲ）であり、窒素、メタン、エタン／エチレン、プロパン、ブタン等の成分、および他の炭化水素成分を含む。図１に図示されるように、暖温低圧のＷＭＲ流１１０は、予冷用熱交換器１６０のシェル側の底部から回収され、ＷＭＲ圧縮システム１１１内で圧縮されかつ冷却されて、圧縮されたＷＭＲ流１３２を生成する。ＷＭＲ圧縮システム１１１が、図２に説明される。圧縮されたＷＭＲ流１３２は、予冷用熱交換器１６０の管回路内で冷却されて、冷流を生成し、これはその後、第１のＷＭＲ膨張装置１３７をわたって減圧されて、膨張したＷＭＲ流１３５を生成する。膨張したＷＭＲ流１３５は、予冷用熱交換器１６０のシェル側に注入されて、前処理された供給流１０１に対して暖められ、暖温低圧のＷＭＲ流１１０を生成する。図１は、予冷用熱交換器１６０用の単一の管束を備えるコイル巻き熱交換器を示すが、しかしながら任意の数の管束および任意のタイプの熱交換器を使用してもよい。

ＤＭＲプロセスでは、液化および二次冷却は、予冷された天然ガスを、本明細書では冷混合冷媒（ＣＭＲ）と称される第２の混合冷媒流に対して熱交換することによって行われる。

暖温低圧のＣＭＲ流１４０は、ＭＣＨＥ１６５のシェル側の底部から回収され、吸引ドラム（図示せず）を通って送られて、あらゆる液体を分離し、気体流がＣＭＲコンプレッサ１４１内で圧縮されて、圧縮されたＣＭＲ流１４２を生成する。暖温低圧のＣＭＲ流１４０は、典型的には、ＷＭＲ予冷温度で、またはその付近の温度で、好ましくはおよそ摂氏−３０度未満で、および１０ｂａｒａ（１４５ｐｓｉａ）未満の圧力で回収される。圧縮されたＣＭＲ流１４２は、ＣＭＲ最終冷却器１４３内で冷却されて、圧縮され冷却されたＣＭＲ流１４４を生成する。付加的な相分離器、コンプレッサ、および最終冷却器が存在してもよい。ＭＣＨＥ１６５の底部から回収された後にＣＭＲを圧縮しかつ冷却するプロセスは、本明細書では概してＣＭＲ圧縮シーケンスと称される。

圧縮され冷却されたＣＭＲ流１４４は、その後予冷システム１３４内で気化ＷＭＲに対して冷却されて、予冷されたＣＭＲ流１４５を生成し、これは、予冷温度およびＣＭＲ流の組成に依存して、十分に凝縮されるかまたは二相であってもよい。図１は、予冷されたＣＭＲ流１４５が、二相であり、ＣＭＲ液体（ＣＭＲＬ）流１４７およびＣＭＲ気体（ＣＭＲＶ）流１４６が得られるＣＭＲ相分離器１６４に送られ、それらがさらに冷却されるためにＭＣＨＥ１６５に送り返される構成を示す。相分離器を離れる液体流および相分離器を離れる気体流は、それらがその後液化された後も当業界においてはＭＲＬと称され、当業界においてはＭＲＶと称される。

ＣＭＲＬ流１４７とＣＭＲＶ流１４６の両方が、ＭＣＨＥ１６５の２つの別個の回路内で冷却される。ＣＭＲＬ流１４７は、冷却され、ＭＣＨＥ１６５の暖温束において部分的に液化され、結果として、冷流がＣＭＲＬ膨張装置１４９をわたって減圧され、膨張したＣＭＲＬ流１４８を生成し、これは、ＭＣＨＥ１６５のシェル側に送り返されて、暖温束１６６において必要とされる冷蔵を提供する。ＣＭＲＶ流１４６は、ＭＣＨＥ１６５の第１のおよび第２の管束において冷却されて、ＣＭＲＶ膨張装置１５１をわたって減圧されて、ＭＣＨＥ１６５に導き入れられる膨張したＣＭＲＶ流１５０を生成し、低温束１６７および暖温束１６６において必要とされる冷蔵を提供する。

ＭＣＨＥ１６５および予冷用熱交換器１６０は、天然ガスの冷却および液化のために好適な任意の交換器、例えばコイル巻き熱交換器、プレート型およびフィン型熱交換器、またはシェル型および管型熱交換器であることができる。コイル巻き熱交換器は、天然ガス液化のための最新式の交換器であり、プロセス流および暖温冷媒流を流れさせるための複数の螺旋巻き管を備える少なくとも１つの管束と、低温冷媒流を流れさせるためのシェル空間とを含む。

図２は、ＷＭＲ圧縮システム２１１の詳細を示す。暖温低圧のＷＭＲ流２１０内に存在する任意の液体は、相分離器（図示せず）を通過させることによって取り除かれ、相分離器からの気体流は、低圧ＷＭＲコンプレッサ２１２内で圧縮されて、中圧ＷＭＲ流２１３を生成し、これは、低圧ＷＭＲ最終冷却器２１４内で冷却されて、冷却された中圧ＷＭＲ流２１５を生成する。低圧ＷＭＲ最終冷却器２１４は、多数の熱交換器、例えば過熱低減器および凝縮器をさらに備えてもよい。冷却された中圧ＷＭＲ流２１５は、二相であってもよく、ＷＭＲ相分離器２１６に送られて、ＷＭＲ気体（ＷＭＲＶ）流２１７およびＷＭＲ液体（ＷＭＲＬ）流２１８を生成する。ＷＭＲＶ流２１７は、高圧ＷＭＲコンプレッサ２２１内で圧縮されて、高圧ＷＭＲ流２２２を生成し、高圧ＷＭＲ過熱低減器２２３内で冷却されて、過熱防止高圧ＷＭＲ流２２４を生成する。ＷＭＲＬ流２１８は、ポンピングされて、過熱防止高圧ＷＭＲ流２２４の圧力と同等の圧力においてポンピングＷＭＲＬ流２２０を生成する。ポンピングＷＭＲＬ流２２０および過熱防止高圧ＷＭＲ流２２４は、混合されて混合高圧ＷＭＲ流２２５を生成し、これは、高圧ＷＭＲ凝縮器２２６内で冷却されて、圧縮されたＷＭＲ流２３２を生成する。混合高圧ＷＭＲ流２２５は、およそ０．５の気体フラクションを備える二相である。

高圧ＷＭＲ凝縮器２２６は、プレート型およびフィン型熱交換器、またはアルミろう付け熱交換器であってもよく、二相入口流に対処するように設計される必要がある。そのようにすることにおける課題の１つは、液相および気相が、高圧ＷＭＲ凝縮器２２６内で不均一に分散することである。結果として、圧縮されたＷＭＲ流２３２は、十分に凝縮されないおそれがあり、これはひいては、予冷および液化プロセスに対するプロセス効率を低減させることを含意する。加えて、２つのエントリ型熱交換器は、動作的な課題を含み得る。

これらの問題に対処するための１つの取り組みは、高圧ＷＭＲ凝縮器２２６の設計における液体および気体の不均衡配分を補償し、不均衡配分がない場合よりもかなり大きくなるように設計し、それによって、圧縮されたＷＭＲ流２３２が十分に凝縮されるようにすることである。しかしながら、この方法に関連して、２つの欠点がある。１つめは、凝縮器における不均衡配分の程度が予測不可能であるため、この方法は、いくぶん恣意的であり、結果として、圧縮されたＷＭＲ流２３２内の気体フラクションが非ゼロとなる場合がある。２つめは、この方法は、結果として資本コストおよびプロット空間を増大させるが、これは望ましくない。

当該問題に対処するための別の解決策は、ＷＭＲＬ流２１８および圧縮されたＷＭＲ流２３２を、予冷用熱交換器２６０の別個の管回路で、ほぼ同じ予冷温度まで冷却することである。各冷却された流れは、別個の膨張装置（第１のＷＭＲ膨張装置２３７に類似する）をわたって減圧され、シェル側冷媒として予冷用熱交換器２６０に送り込まれる。代替的に、両方の冷却された流れは、共通の膨張装置内で組み合わせられて減圧される。この取り組みは、高圧ＷＭＲ凝縮器２２６における二相エントリの問題を取り除くが、液化プロセス全体の効率を低減させ、いくつかのケースでは、図２と比較して最大４％効率が低くなる。さらに、この解決策は、コイル巻き熱交換器内の付加的な管回路、またはプレート型およびフィン型熱交換器内の付加的な通路を含意し、このことは、資本コストの増大を含意する。

別の解決策は、ポンピングＷＭＲＬ流２２０と混合する前に、過熱防止高圧ＷＭＲ流２２４を十分に凝縮することを包含する。この方法は、予冷用熱交換器２６０の管回路内で、混合された流れをさらに冷却することをさらに包含する。しかしながら、この方法は、別個の管回路を備える先の解決策について説明されたものと同じ欠点を有する。

さらなる解決策は、予冷用熱交換器２６０を、暖温セクションおよび低温セクションの２つのセクションに分けることを包含する。コイル巻き熱交換器のケースでは、暖温および低温セクションは、予冷用熱交換器２６０内の別個の管束であってもよい。ＷＭＲＬ流２１８は、予冷用熱交換器２６０の暖温セクション内の別個の管回路で冷却され、膨張装置をわたって減圧されて、シェル側冷媒として戻されて暖温セクションに対する冷蔵を提供する。圧縮されたＷＭＲ流２３２は、予冷用熱交換器２６０の暖温および低温セクション内の別個の管回路で冷却され、膨張装置をわたって減圧されて、シェル側冷媒として戻されて低温および暖温セクションに対する冷蔵を提供する。この構成は、二相エントリの問題を取り除き、また図２と比較すると、液化プロセス全体の効率を改善する。しかしながら、これらは、結果として、予冷用熱交換器を多数のセクションに分割することに起因して、資本コストを著しく増大させ、多くの場合望ましくない。

凝縮器における二相エントリを取り除き、同時に設備の資本コストを著しく増大させない、高信頼かつ効率的な解決策が望まれる。本発明は、高圧ＷＭＲ凝縮器２２６内への二相の入口を取り除くことに加えて、ＷＭＲポンプ２６８を取り除き、それによって、資本コストを低減し、ＤＭＲプロセスの運用性および設計を改善する、新規なＷＭＲ構成を提供する。本発明は、多数の成分冷媒を包含するあらゆる冷却、液化、または二次冷却プロセスに適用され得る。

態様１： 冷却用熱交換器内の第１の冷媒流との間接熱交換によって、炭化水素供給流を冷却する方法であって、
ａ）１つ以上の圧縮段階で、暖温低圧の第１の冷媒流を圧縮して、圧縮された第１の冷媒流を生成することと、
ｂ）圧縮された第１の冷媒流を１つ以上の冷却ユニット内で冷却して、圧縮され冷却された第１の冷媒流を生成することと、
ｃ）圧縮され冷却された第１の冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することと、
ｄ）第１の液体冷媒流を、冷却用熱交換器に導き入れることと、
ｅ）第１の液体冷媒流を冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された液体冷媒流を生成することと、
ｆ）冷却された液体冷媒流を膨張させて、低温冷媒流を生成し、低温冷媒流を、冷却用熱交換器に導き入れて、炭化水素供給流、第１の液体冷媒流、および第２の冷媒流を冷却するために必要とされる冷蔵能力を提供することと、
ｇ）１つ以上の圧縮段階で、第１の気体冷媒流を圧縮して、圧縮気体冷媒流を生成することと、
ｈ）圧縮気体冷媒流を冷却し凝縮し、凝縮された冷媒流を生成することと、
ｉ）凝縮させた冷媒流を膨張させて、膨張した冷媒流を生成することと、
ｊ）膨張した冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れることと、
ｋ）第２の冷媒流を、冷却用熱交換器に導き入れることと、
ｌ）炭化水素供給流を、冷却用熱交換器に導き入れることと、
ｍ）炭化水素供給流を、冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された炭化水素流を生成し、冷却された炭化水素流を、主熱交換器内でさらに冷却し液化し、液化炭化水素流を生成することと、
を含む、方法。

態様２：ステップ（ｉ）が、第１の気液分離装置の上流で、膨張した冷媒流を、圧縮され冷却された第１の冷媒流と混合することによって、膨張した冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れることを含む、態様１に記載の方法。

態様３：冷却用熱交換器内で冷却される第１の冷媒流のみが、第１の液体冷媒流である、態様１または２に記載の方法。

態様４：ステップ（ｅ）が、第１の冷媒流を、冷却用熱交換器の第１の管回路を通過させることによって、第１の液体冷媒流を冷却用熱交換器内で冷却することをさらに含み、冷却用熱交換器が、コイル巻き熱交換器であり、
ステップ（ｍ）が、炭化水素供給流を、冷却用熱交換器の第２の管回路を通過させることによって、炭化水素供給流を冷却用熱交換器内で冷却することをさらに含み、
ステップ（ｆ）が、低温冷媒流を、冷却用熱交換器のシェル側に導き入れることをさらに含む、態様１〜３のいずれかに記載の方法。

態様５：ｎ）第２の冷媒流を冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された第２の冷媒流を生成することと、
ｏ）冷却された第２の冷媒流を主熱交換器内でさらに冷却して、さらに冷却された第２の冷媒流を生成することと、
ｐ）さらに冷却された第２の冷媒流を膨張させて、膨張した第２の冷媒流を生成することと、
ｑ）膨張した第２の冷媒流を、主熱交換器に戻すことと、
ｒ）冷却された炭化水素流を、主熱交換器内での膨張した第２の冷媒流との間接熱交換によってさらに冷却し凝縮し、液化炭化水素流を生成することと、
をさらに含む、態様１〜４のいずれかに記載の方法。

態様６：ステップ（ｄ）を行う前に、第１の熱交換器内で、膨張した冷媒流のうち少なくとも一部との間接熱交換によって、第１の液体冷媒流のうち少なくとも一部を冷却することをさらに含む、態様１〜５のいずれかに記載の方法。

態様７：ステップ（ｌ）を行う前に、第１の熱交換器内で、炭化水素供給流のうち少なくとも一部を冷却することをさらに含む、態様６に記載の方法。

態様８：ステップ（ｋ）を行う前に、第１の熱交換器内で、第２の冷媒流のうち少なくとも一部を冷却することをさらに含む、態様６または７に記載の方法。

態様９：
ｋ）膨張した冷媒流を、第２の気液分離装置に導き入れて、第２の気体冷媒流および第２の液体冷媒流を生成することと、
ｌ）第２の気体冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れることと、
ｍ）ステップ（ｄ）において、冷却用熱交換器内で第１の液体冷媒流を冷却する前に、第１の熱交換器内での第２の液体冷媒流との間接熱交換によって、第１の液体冷媒流を冷却することと、
ｎ）ステップ（ｍ）を行った後、第２の液体冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れることと、
をさらに含む、態様１〜８のいずれかに記載の方法。

態様１０：第２の気体冷媒流および第２の液体冷媒流を第１の気液分離装置に導き入れる前に、第２の気体冷媒流および第２の液体冷媒流が、第１の気液分離装置の上流の、ステップ（ｂ）の圧縮され冷却された第１の冷媒流と混合される、態様９に記載の方法。

態様１１：ステップ（ｃ）が、圧縮され冷却された第１の冷媒流を、混合塔を備える第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することを含む、態様１〜１０のいずれかに記載の方法。

態様１２：圧縮され冷却された第１の冷媒流が、混合塔の上段、またはその上方で、混合塔に導き入れられ、膨張した第１の冷媒流が、混合塔の下段、またはその下方で、混合塔に導き入れられる、態様１１に記載の方法。

態様１３：炭化水素供給流が、天然ガスである、態様１〜１２のいずれかに記載の方法。

態様１４：記凝縮させた冷媒流が、十分に凝縮される、態様１〜１２のいずれかに記載の方法。

態様１５：ステップａ）およびｃ）が、
ａ）１つ以上の圧縮段階で、暖温低圧の第１の冷媒流を圧縮して、圧縮された第１の冷媒流を生成することであって、暖温低圧の第１の冷媒流が、第１の成分を有する、生成することと、
ｃ）圧縮され冷却された第１の冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することであって、第１の気体冷媒流が、第２の成分を有し、第２の成分が、エタンよりも軽い成分を、第１の成分よりも高いパーセンテージ（モルベース）で有する、生成することと、
をさらに含む、態様１〜１４のいずれかに記載の方法。

態様１６：ステップａ）が、
ａ）１つ以上の圧縮段階で、暖温低圧の第１の冷媒流を圧縮して、圧縮された第１の冷媒流を生成することであって、暖温低圧の第１の冷媒流が、エタンより軽い成分１０％未満で構成される第１の成分をさらに含む、生成すること
をさらに含む、態様１〜１５のいずれかに記載の方法。

態様１７：ステップｃ）が、
ｃ）圧縮され冷却された第１の冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することであって、第１の気体冷媒流が、エタンより軽い成分２０％で構成される第２の成分を有する、生成すること
をさらに含む、態様１〜１６のいずれかに記載の方法。

態様１８： 炭化水素供給流を冷却する器機であって、
第１の炭化水素供給回路、第１の冷媒回路、第２の冷媒回路、第１の冷媒回路の上流端に位置する第１の冷媒回路入口、第１の冷媒回路の下流端に位置する第１の減圧装置、および減圧装置の下流にあり、減圧装置と流体流連通している膨張した第１の冷媒導管を含む冷却用熱交換器であって、冷却用熱交換器が低温冷媒流に対する間接熱交換によって、炭化水素供給流であって、第１の炭化水素供給回路を通って流れることによって、予冷された炭化水素供給流を生成する、炭化水素供給流、第１の冷媒回路を通って流れる第１の冷媒、および第２の冷媒回路を通って流れる第２の冷媒を冷却するように動作的に構成されている、冷却用熱交換器と、
圧縮システムであって、
冷却用熱交換器の下側端および第１のコンプレッサと流体流連通している、暖温低圧の第１の冷媒導管、
第１のコンプレッサと流体流連通し、その下流の第１の最終冷却器、
第１の最終冷却器と流体流連通し、その下流の第１の入口、第１の気液分離装置の上側半分に位置する第１の気体出口、および第１の気液分離装置の下側半分に位置する第１の液体出口を有し、第１の液体出口が、第１の冷媒回路入口の上流にあり、それと流体流連通している、第１の気液分離装置と、第１の気体出口の下流であり、それと流体流連通している第２のコンプレッサ、
第２のコンプレッサの下流であり、それと流体流連通している凝縮器、および
凝縮器の下流で、それと流体流連通している第２の減圧装置であって、第１の気液分離装置の上流で、それと流体流連通し、それによって、第２の減圧装置を通って流れるすべての流体が、冷却用熱交換器に向かって流れる前に、第１の気液分離装置を通って流れるようにされる、第２の減圧装置、を備える、圧縮システムと、を備える、器機。

態様１９：冷却用熱交換器の第１の炭化水素回路の下流で、それと流体流連通している第２の炭化水素回路を有し、第２の冷媒に対して間接熱交換によって、予冷された炭化水素供給流を少なくとも部分的に液化するように動作的に構成された、主熱交換器をさらに含む、態様１８に記載の器機。

態様２０：第２の熱交換回路に対して間接熱交換を提供するように動作的に構成された第１の熱交換回路を有し、第２の減圧装置の下流で、それと流体流連通し、第２の熱交換回路が、第１の気液分離装置の第１の液体出口の下流で、それと流体流連通している、第１の熱交換器をさらに含む、態様１８または１９に記載の器機。

態様２１：第２の減圧装置と流体流連通している、その下流の第３の入口と、第２の気液分離装置の上側半分に位置する第２の気体出口と、第２の気液分離装置の下側半分に位置する第２の液体出口とを有し、第１の液体出口が、第１の熱交換器の第１の熱交換回路の上流にあり、それと流体流連通している、第２の気液分離装置をさらに備える、態様１８〜２０のいずれかに記載の器機。

態様２２：第１の熱交換器が、第３の熱交換回路と第４の熱交換回路とをさらに含み、第３の熱交換回路が、第１の冷媒回路の上流にあり、それと流体流連通し、第４の熱交換回路が、第１の炭化水素供給回路の上流であり、それと流体流連通し、第１の熱交換器が、第１の熱交換回路に対して、第２の熱交換回路と、第３の熱交換回路と、第４の熱交換回路とを通って流れる流体を冷却するように動作的に構成される、態様１８〜２１のいずれかに記載の器機。

態様２３：第１の気液分離装置が、混合塔である、態様１８〜２２のいずれかに記載の器機。

態様２４：第１の気液分離装置の第１の入口が、混合塔の上段に位置し、第１の気液分離装置の第２の入口が、混合塔の下段に位置する、態様２３に記載の器機。

態様２５：冷却用熱交換器が、コイル巻き熱交換器である、態様１８〜２４のいずれかに記載の器機。

態様２６：第２のコンプレッサの下流であり、それと流体流連通しており、凝縮器の上流であり、それと流体流連通している過熱低減器をさらに備える、態様１８〜２５のいずれかに記載の器機。

態様２７：第１の冷媒が、第１の混合冷媒からなる、態様１８〜２６のいずれかに記載の器機。

態様２８：第２の冷媒が、第１の混合冷媒とは異なる成分を有する第２の冷媒からなる、態様１８〜２７のいずれかに記載の器機。

図１は、先行技術によるＤＭＲシステムの概略的なフロー図である。

図２は、先行技術によるＤＭＲシステムの予冷システムの概略的なフロー図である。

図３は、本発明の第１の例示的な実施形態によるＤＭＲシステムの予冷システムの概略的なフロー図である。

図４は、本発明の第２の例示的な実施形態によるＤＭＲシステムの予冷システムの概略的なフロー図である。

図５は、本発明の第３の例示的な実施形態によるＤＭＲシステムの予冷システムの概略的なフロー図である。

図６は、本発明の第４の例示的な実施形態によるＤＭＲシステムの予冷システムの概略的なフロー図である。

図７は、本発明の第５の例示的な実施形態によるＤＭＲシステムの予冷システムの概略的なフロー図である。

以下に続く詳細な説明は、好ましい例示的な実施形態のみを提供し、特許請求される発明の範囲、適用性、または構成を限定することは意図されていない。むしろ、以下に続く好ましい例示的な実施形態の詳細な説明は、当業者に、請求項に係る発明の好ましい例示的な実施形態を実施することを可能にする説明を提供する。請求項に係る発明の本質および範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置に、さまざまな変更がなされてもよい。

図面に関連して明細書に導入された参照番号は、他の特徴のためのコンテキストを提供するために、明細書でのさらなる説明なしに、１つ以上の後に続く図面で繰り返されてもよい。

用語「流体流連通」は、本明細書および請求項で用いられる場合、液体、気体、および／または二相混合物を、制御された様式で（すなわち、漏れることなく）構成要素間で直接的あるいは間接的に移送されることを可能にする、２つ以上の構成要素間の接続性を指す。２つ以上の構成要素を互いに流体流連通するように結合することは、例えば溶接、フランジ付き導管、ガスケット、およびボルトの使用を伴う、当技術分野において周知の任意の好適な方法を包含することができる。２つ以上の構成要素それらを分離し得るシステム他の構成要素、例えば、弁、ゲート、または流体流を選択的に制限するかまたは方向付け得る他の装置を介して結合されてもよい。

用語「導管」は、本明細書および請求項で用いられる場合、それを通してシステムの２つ以上の構成要素間で流体を移送させることができる１つ以上の構造を指す。例えば、導管は、液体、気体、および／またはガスを移送するパイプ、ダクト、通路、およびそれらの組み合わせを含むことができる。

用語「天然ガス」は、本明細書および請求項で用いられる場合、主にメタンからなる炭化水素ガス混合物を意味する。

用語「炭化水素ガス」または「炭化水素流体」は、本明細書および請求項で用いられる場合、少なくとも１つの炭化水素を含み、炭化水素がガス／流体の全体組成の少なくとも８０％、およびより好ましくは少なくとも９０％を構成するガス／流体を意味する。

用語「混合冷媒」（「ＭＲ」と略される）は、本明細書および請求項で用いられる場合、少なくとも２つの炭化水素を含み、炭化水素が冷媒の全体組成の少なくとも８０％を構成する流体を意味する。

用語「重混合冷媒」は、本明細書および請求項で用いられる場合、少なくともエタン程度の重量の炭化水素が、ＭＲの全体組成の少なくとも８０％を構成するＭＲを意味する。好ましくは、少なくともブタン程度の重量の炭化水素は、混合冷媒の全体組成の少なくとも１０％を構成する。

用語「束」および「管束」は、本出願の中で区別なく用いられ、同義であることが意図される。

用語「周囲流体」は、本明細書および請求項で用いられる場合、周囲圧力および温度で、またはその付近でシステムに供給される流体を意味する。

請求項において、請求項に係るステップを区別するために、文字が用いられる（例えば、（ａ）、（ｂ）、および（ｃ））。これらの文字は、方法ステップの参照を支援するために用いられ、そのような順序が請求項において特に列挙されない限り、その程度までについてのみ、請求項に係るステップが行われる順序を示すことは意図されない。

方向を示す用語は、本明細書および請求項では、本発明の部分（例えば、上側、下側、左、右等）を説明するために用いられ得る。これらの方向を示す用語は、例示的な実施形態の説明を支援することのみが意図され、請求項に係る発明の範囲を限定することは意図されていない。本明細書で用いられる場合、用語「上流」は、システムの通常の動作が説明されている間の、基準点からの導管内での流体の流れの方向とは反対の方向を意味することが意図される。同様に、用語「下流」は、システムの通常の動作が説明されている間の、基準点からの導管内での流体の流れの方向と同じ方向を意味することが意図される。

本明細書および請求項で用いられる場合、用語「高高」、「高」、「中間」、および「低」は、これらの用語が用いられる要素の性質についての相対的な値を表現することが意図される。例えば、高高圧流は、本出願において説明されるかまたは請求項に係る、対応する高圧流または中圧流もしくは低圧流よりも高い圧力を有する流れを示すことが意図される。同様に、高圧流は、明細書または請求項で説明された、対応する中圧流または低圧流よりも高いが、本出願において説明されるかまたは請求項に係る、対応する高高圧流よりも低い圧力を有する流れを示すことが意図される。同様に、中圧流は、明細書または請求項で説明された、対応する低圧流よりも高いが、本出願において説明されるかまたは請求項に係る、対応する高圧流よりも低い圧力を有する流れを示すことが意図される。

本明細書において特に明記しない限り、明細書、図面および請求項で特定されたいずれかおよびすべてのパーセンテージは、重量パーセントに基づくと理解されるべきである。本明細書において特に明記しない限り、明細書、図面および請求項で特定されたいずれかおよびすべての圧力は、ゲージ圧力を意味すると理解されるべきである。

本明細書で用いられる場合、用語「寒剤」または「極低温流体」は、摂氏−７０度未満の温度を有する液体、ガス、または混相流体を意味することが意図される。寒剤の例は、液体窒素（ＬＩＮ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体ヘリウム、液体二酸化炭素、および加圧された混相寒剤（例えば、ＬＩＮおよびガス化窒素の混合）を含む。本明細書で用いられる場合、用語「極低温温度」は、摂氏−７０度を下回る温度を意味することが意図される。

本明細書において特に明記しない限り、一地点で流れを導き入れることは、実質的に前述の流れのすべてをその地点で導き入れることを意味することが意図される。明細書で説明され、図に示されたすべての流れ（典型的には、通常の動作中の流体流の全体的な方向を示す矢印とともに、線で表される）は、対応する導管内部に収容されていると理解されるべきである。各導管は、少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とを有すると解釈されるべきである。さらに、各機器は、少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とを有すると理解されるべきである。

図３は、本発明の第１の実施形態を示す。暖温低圧のＷＭＲ流３１０に存在するあらゆる液体は、相分離器（図示せず）を通過させることによって取り除かれ、相分離器からの気体流は、低圧ＷＭＲコンプレッサ３１２内で圧縮されて、中圧ＷＭＲ流３１３を生成し、これは、低圧ＷＭＲ最終冷却器３１４内で冷却されて、冷却された中圧ＷＭＲ流３１５を生成する。低圧ＷＭＲ最終冷却器３１４は、多数の熱交換器、例えば過熱低減器および凝縮器をさらに備えてもよい。冷却された中圧ＷＭＲ流３１５は、二相であってもよく、ＷＭＲ相分離器３１６に送られて、ＷＭＲＶ流３１７およびＷＭＲＬ流３１８を生成し得る。ＷＭＲＬ流３１８は、予冷用熱交換器３６０の管回路でさらに冷却されて、さらに冷却されたＷＭＲＬ流３１９を生成し、これは、第１のＷＭＲ膨張装置３３７をわたって減圧されて、その後シェル側の冷媒として予冷交換器３６０に戻される膨張したＷＭＲ流３３５を生成する。前処理された供給流３０１は、予冷用熱交換器３６０内で予冷されて、予冷された天然ガス流３０２を生成する。

ＷＭＲＶ流３１７は、高圧ＷＭＲコンプレッサ３２１内で圧縮されて、高圧ＷＭＲＶ流３２２を生成し、これは、高圧ＷＭＲ過熱低減器３２３内で冷却されて、冷却された高圧ＭＲＶ流３２４を生成し、これはさらに、高圧ＷＭＲ凝縮器３２６内で冷却され凝縮されて、凝縮させた高圧ＷＭＲ流３２７を生成し、これは、少なくとも部分的に、および好ましくは全体的に凝縮させる。暖温低圧のＷＭＲ流３１０は、天然ガス流を予冷するために用いられるため、窒素およびメタン等の軽い成分の濃度が低く、および主としてエタンおよびより重い成分を含有する。暖温低圧のＷＭＲ流３１０は、エタンより軽い成分を１０％未満、好ましくは、エタンより軽い成分を５％未満、より好ましくは、エタンより軽い成分を２％未満含み得る。ＷＭＲＶ流３１７の中には、より軽い成分が堆積し、これは、エタンよりも軽い成分を２０％未満、好ましくは、エタンより軽い成分を１５％未満、より好ましくは、エタンより軽い成分を１０％未満含み得る。したがって、非常に高圧に圧縮する必要なく、ＷＭＲＶ流３１７を十分に凝縮させて、全体的に凝縮させた高圧ＷＭＲ流３２７を生成することが可能である。高圧ＷＭＲＶ流３２２は、４５０ｐｓｉａ（３１ｂａｒａ）〜７００ｐｓｉａ（４８ｂａｒａ）、好ましくは５００ｐｓｉａ（３４ｂａｒａ）〜６５０ｐｓｉａ（４５ｂａｒａ）の圧力であってもよい。予冷用熱交換器３６０が、天然ガスを十分に液化するために用いられる液化熱交換器であった場合、暖温低圧のＷＭＲ流３１０は、より高い窒素およびメタン濃度を有し、したがって、高圧ＷＭＲＶ流３２２の圧力は、凝縮させた高圧ＷＭＲ流３２７を十分に凝縮させるためにより高くなっていた。このことは達成することが可能ではないかもしれないため、凝縮させた高圧ＷＭＲ流３２７は、十分に凝縮されず、別個に液化される必要があるかもしれないかなりの気体濃度を含有するであろう。

凝縮させた高圧ＷＭＲ流３２７は、第２のＷＭＲ膨張装置３２８内で減圧されて、２００ｐｓｉａ（１４ｂａｒａ）〜４００ｐｓｉａ（２８ｂａｒａ）、好ましくは３００ｐｓｉａ（２１ｂａｒａ）〜３５０ｐｓｉａ（２４ｂａｒａ）の圧力であり得る冷却された中圧ＷＭＲ流３１５とほぼ同じ圧力で、膨張した高圧ＷＭＲ流３２９を生成する。膨張した高圧ＷＭＲ流３２９は、摂氏−１０度〜摂氏２０度、好ましくは摂氏−５度〜摂氏５度の温度であってもよい。膨張した高圧ＷＭＲ流３２９は、０．１〜０．６、好ましくは０．２〜０．４の気体フラクションを有していてもよい。前述の流れの条件は、周囲温度および動作条件に基づいて変化する。膨張した高圧ＷＭＲ流３２９は、ＷＭＲ相分離器３１６に戻される。

代替的に、膨張した高圧ＷＭＲ流３２９は、ＷＭＲ相分離器３１６（図３において破線３２９ａで示される）の上流の地点に、例えば冷却された中圧ＷＭＲ流３１５と混合することによって戻されてもよい。第１のＷＭＲ膨張装置３３７および第２のＷＭＲ膨張装置３２８は、油圧タービン、ジュールトムソン（Ｊ−Ｔ）弁、または当技術分野において既知の任意の他の好適な膨張装置であってもよい。

図３に示された実施形態の、先行技術を越える利点は、高圧ＷＭＲ凝縮器３２６が、気相入口についてのみ設計されることを必要とすることである。このことは、あらゆる設計上の問題を取り除き、凝縮器内で起こり得る気液分配の問題を軽減することを助ける。加えて、図３に示された構成は、図２に示された先行技術のＷＭＲポンプ２６８を取り除いており、そのため、ＬＮＧ設備の資本コスト、機器個数、および設置面積を低減させる。

図３の代替案は、イジェクタ／エダクタの使用を包含し、冷却された中圧ＷＭＲ流３１５および凝縮させた高圧ＷＭＲ流３２７が、エダクタに送られて、二相流を生成し、これがＷＭＲ相分離器３１６に送られる。

図４は、本発明の好ましい実施形態を示す。図４を参照すると、暖温低圧のＷＭＲ流４１０に存在する任意の液体は、相分離器（図示せず）を通過させることによって取り除かれ、相分離器からの気体流は、低圧ＷＭＲコンプレッサ４１２内で圧縮されて、中圧ＷＭＲ流４１３を生成し、これは、低圧ＷＭＲ最終冷却器４１４内で冷却されて、冷却された中圧ＷＭＲ流４１５を生成する。低圧ＷＭＲ最終冷却器４１４は、多数の熱交換器、例えば過熱低減器および凝縮器をさらに備えてもよい。冷却された中圧ＷＭＲ流４１５は、二相であってもよく、ＷＭＲ相分離器４１６に送られて、ＷＭＲＶ流４１７およびＷＭＲＬ流４１８を生成してもよい。

ＷＭＲＶ流４１７は、高圧ＷＭＲコンプレッサ４２１内で圧縮されて、高圧ＷＭＲＶ流４２２を生成し、これは、高圧ＷＭＲ過熱低減器４２３内で冷却されて、冷却された高圧ＭＲＶ流４２４を生成し、これはさらに、高圧ＷＭＲ凝縮器４２６内で冷却され凝縮されて、凝縮させた高圧ＷＭＲ流４２７を生成する。凝縮させた高圧ＷＭＲ流４２７は、第２のＷＭＲ膨張装置４２８内で減圧されて、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９を生成する。膨張した高圧ＷＭＲ流４２９は、ＷＭＲ熱交換器４３０内で暖められて、暖温な膨張した高圧ＷＭＲ流４３１を生成し、これは、ＷＭＲ相分離器４１６に戻される。第２のＷＭＲ膨張装置４２８は、暖温な膨張した高圧ＷＭＲ流４３１の圧力が、冷却された中圧ＷＭＲ流４１５の圧力とほぼ同じであるように調整される。

ＷＭＲＬ流４１８は、ＷＭＲ熱交換器４３０内で膨張した高圧ＷＭＲ流４２９に対して冷却されて、冷却されたＷＭＲＬ流４３３を生成する。暖温な膨張した高圧ＷＭＲ流４３１は、摂氏−２０度〜摂氏１５度、好ましくは摂氏−１０度〜摂氏０度の温度であってもよい。前述の流れの温度は、周囲温度および動作条件に基づいて変化する。

冷却されたＷＭＲＬ流４３３は、予冷用熱交換器４６０の管回路内でさらに冷却されて、さらに冷却されたＷＭＲＬ流３１９を生成し、これは、第１のＷＭＲ膨張装置４３７をわたって減圧されて、膨張したＷＭＲ流４３５を生成し、そしてこれは、シェル側の冷媒として予冷用交換器４６０に戻される。

ＷＭＲ熱交換器４３０は、プレート型およびフィン型、アルミろう付け、コイル巻き、または当技術分野において既知の任意の他の好適なタイプの熱交換器であってもよい。ＷＭＲ熱交換器４３０は、直列または並列の多数の熱交換器をさらに備えてもよい。

図４に示された実施形態は、先行技術を越える図３のすべての利点を保持する。加えて、本実施形態は、図３に示されたプロセスのプロセス効率を、およそ２％改善させ、それによって、同じ量のＬＮＧを生成するために必要とされる電力を低減させる。観察された効率の向上は、予冷用熱交換器に送り込まれている液体流の温度がより低いことに主に起因する。

代替の実施形態は、図４の変形であり、熱交換器４３０が、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９と、（ＷＭＲＬ流４１８に代えて）ＷＭＲＶ流４１７との間の間接熱交換を提供する。本実施形態は、結果として高圧ＷＭＲコンプレッサ４２１の吸引時に、より低温な状態となる。

さらなる実施形態は、図４の変形であり、熱交換器４３０が、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９と冷却された中圧ＷＭＲ流４１５との間の間接熱交換を提供する。本実施形態は、結果として高圧ＷＭＲコンプレッサ４２１の入口と、冷却されたＷＭＲＬ流４３３との両方を冷却する。

膨張した高圧ＷＭＲ流４２９は、二相であってもよい。しかしながら、ＷＭＲ熱交換器４３０の性能は、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９内に典型的に存在する低量の気体に起因する影響を有意に受けないことが予想される。膨張した高圧ＷＭＲ流４２９内により大量の気体が存在するシナリオでは、図５が代替の実施形態を提供する。

図５を参照すると、膨張した高圧ＷＭＲ流５２９は、第２のＷＭＲ相分離器５３８に送られて、第２のＷＭＲＶ流５３９および第２のＷＭＲＬ流５３６を生成する。第２のＷＭＲＶ流５３９は、ＷＭＲ相分離器５１６に戻される。第２のＷＭＲ膨張装置５２８は、第２のＭＲＶ流５３９が冷却された中圧ＷＭＲ流５１５とほぼ同じ圧力であるように調整される。

第２のＷＭＲＬ流５３６は、ＷＭＲ熱交換器５３０内で暖められて、暖温な膨張した高圧ＷＭＲ流５３１を生成し、これは、ＷＭＲ相分離器５１６に戻される。代替的に、暖温な膨張した高圧ＷＭＲ流５３１は、ＷＭＲ相分離器５１６の上流（図５において、破線５３１ａで示される）で、冷却された中圧ＷＭＲ流５１５と混合されることができる。ＷＭＲ相分離器５１６からのＷＭＲＬ流５１８は、ＷＭＲ熱交換器５３０内で、第２のＷＭＲＬ流５３６に対して冷却されて、冷却されたＷＭＲＬ流５３３を生成する。冷却されたＷＭＲＬ流５３３は、予冷用熱交換器５６０の管回路内でさらに冷却されて、さらに冷却されたＷＭＲＬ流３１９を生成し、これは、第１のＷＭＲ膨張装置５３７をわたって減圧されて、膨張したＷＭＲ流５３５を生成し、そしてこれは、シェル側の冷媒として予冷用交換器５６０に戻される。

図５に開示された実施形態は、図４のすべての利点を保有する。これは、付加的な機器を含み、第２のＷＭＲ膨張装置５２８からの高い気流を備えるシナリオにおいて有益である。

代替の実施形態では、第２のＷＭＲＶ流５３９は、ＷＭＲ相分離器５１６に戻される前に、ＷＭＲ熱交換器５３０の別個の通路を通過させることによって暖められる。

図６は、本発明のさらなる実施形態を示し、図３の変形である。暖温低圧のＷＭＲ流６１０は、低圧ＷＭＲコンプレッサ６１２内で圧縮されて、中圧ＷＭＲ流６１３を生成し、これは、低圧ＷＭＲ最終冷却器６１４内で冷却されて、冷却された中圧ＷＭＲ流６１５を生成する。低圧ＷＭＲ最終冷却器６１４は、多数の熱交換器、例えば過熱低減器および凝縮器をさらに備えてもよい。冷却された中圧ＷＭＲ流６１５は、混合塔６５５の上段に送られて、混合塔６５５の上段からのＷＭＲＶ流６１７と、混合塔６５５の下段からのＷＭＲＬ流６１８とを生成する。ＷＭＲＬ流６１８は、予冷用熱交換器６６０の管回路内でさらに冷却されて、さらに冷却されたＷＭＲＬ流３１９を生成し、これは、第１のＷＭＲ膨張装置６３７をわたって減圧されて、膨張したＷＭＲ流６３５を生成し、そしてこれは、シェル側の冷媒として予冷用交換器６６０に戻される。

ＷＭＲＶ流６１７は、高圧ＷＭＲコンプレッサ６２１内で圧縮されて、高圧ＷＭＲＶ流６２２を生成し、これは、高圧ＷＭＲ過熱低減器６２３内で冷却されて、冷却された高圧ＭＲＶ流６２４を生成し、これは、高圧ＷＭＲ凝縮器６２６内でさらに冷却され凝縮されて、凝縮させた高圧ＷＭＲ流６２７を生成する。凝縮させた高圧ＷＭＲ流６２７は、第２のＷＭＲ膨張装置６２８内で減圧されて、膨張した高圧ＷＭＲ流６２９を生成する。膨張した高圧ＷＭＲ流６２９は、混合塔６５５の下段に戻される。本実施形態は、図３のすべての利益を保有し、図３と比較すると、予冷用熱交換器に送られている液体流を冷却することに起因して、結果的にプロセス効率がより高くなる。

混合塔、例えば混合塔６５５は、蒸留塔（先行技術においては、分離塔または分留塔とも称される）と同じ熱力学的原理で動作する。しかしながら、混合塔６５５は、蒸留塔とは反対のタスクを行う。これは逆に、流体の成分を分離することに代えて、複数の平衡段階において流体を混合する。蒸留塔とは異なり、混合塔の上部は、底部よりも暖かい。混合塔６５５は、充填物および／または任意の数のトレイを含み得る。上段は、混合塔６５５の上部トレイまたは上部セクションを指す。下段は、混合塔６５５の底部トレイまたは底部セクションを指す。

代替の実施形態は、混合塔を蒸留塔に置き換えることを包含する。本実施形態では、膨張した高圧ＷＭＲ流６２９は、蒸留塔の上段に挿入されて還流をもたらし、一方で冷却された中圧ＷＭＲ流６１５は、塔の下段にされる。付加的なリボイラの使用または凝縮の使用が設けられてもよい。

図７に示された実施形態は、図４に示されたものの変形である。本実施形態では、前処理された供給流７０１および圧縮され冷却されたＣＭＲ流７４５は、ＷＭＲ熱交換器７３０内での膨張した高圧ＷＭＲ流７２９との間接熱交換によって冷却され、冷却され前処理された供給流７５２および圧縮され２度冷却されたＣＭＲ流７５３をそれぞれ生成する。冷却され前処理された供給流７５２および圧縮され２度冷却されたＣＭＲ流７５３は、予冷用熱交換器７６０の別個の管回路内でさらに冷却される。

本実施形態は、予冷用熱交換器７６０内の供給流の温度を低くすることに加えて、予冷用熱交換器７６０への供給流が同様の温度であることを確実にすることによって、プロセスの効率をさらに改善する。代替の実施形態では、前処理された供給流７０１および圧縮され冷却されたＣＭＲ流７４５のうち一方のみが、ＷＭＲ熱交換器７３０内で冷却される。

本明細書で説明されたすべての実施形態について、ＷＭＲ流の組成は、供給組成物、周囲温度、および他の条件の変化とともに調整されてもよい。典型的には、ＷＭＲ流は、ブタンより軽い成分を、４０モルパーセントを超えて、好ましくは５０モルパーセントを超えて含有する。

本明細書で説明された本発明の実施形態は、任意の数のコンプレッサ、コンプレッサケーシング、圧縮段階、中間冷却または後冷却の存在等を含む、あらゆるコンプレッサ設計に適用可能である。さらに、本明細書で説明された実施形態は、あらゆる熱交換器タイプ、例えばプレート型およびフィン型熱交換器、コイル巻き熱交換器、シェル型および管型熱交換器、アルミろう付け熱交換器、ケトル型、ケトルインコア型、ならびに他の好適な熱交換器設計に適用可能である。本明細書で説明された実施形態は、炭化水素および窒素を含む混合冷媒に言及しているが、過フッ化炭化水素等の任意の他の冷媒混合物にも適用可能である。本発明に関連する方法およびシステムは、新規プラント設計の一部として、または既存のＬＮＧプラントのための追加設置として実施されることができる。

実施例１

以下は、本発明の例示的な実施形態の動作の一例である。本実施例のプロセスおよびデータは、年間およそ５５，０００トンのＬＮＧを生成し、特に図４に示された実施形態を参照するＬＮＧプラントにおけるＤＭＲプロセスのシミュレーションに基づく。本実施例の記載を簡略化するために、図４に示された実施形態に関して記載された要素および参照番号が用いられる。

華氏５１度（摂氏１１度）、５５ｐｓｉａ（３．８ｂａｒａ）および４２，８０３ポンドモル／時（１９，４１５キロモル／時）の暖温低圧のＷＭＲ流４１０は、低圧ＷＭＲコンプレッサ４１２内で圧縮されて、華氏２０７度（摂氏９７．５度）および３３１ｐｓｉａ（２２．８ｂａｒａ）で、中圧ＷＭＲ流４１３を生成し、これは、低圧ＷＭＲ最終冷却器４１４内で冷却されて、華氏７７度（摂氏２５度）および３１６ｐｓｉａ（２１．８ｂａｒａ）で、冷却された中圧ＷＭＲ流４１５を生成する。冷却された中圧ＷＭＲ流４１５は、ＷＭＲ相分離器４１６に送られて、ＷＭＲＶ流４１７およびＷＭＲＬ流４１８を生成する。

１５，８１１ポンドモル／時（７，１７２キロモル／時）のＷＭＲＶ流４１７は、高圧ＷＭＲコンプレッサ４２１内で圧縮されて、華氏１４６度（摂氏６３度）および５９８ｐｓｉａ（４１ｂａｒａ）で、高圧ＷＭＲＶ流４２２を生成し、これは、高圧ＷＭＲ過熱低減器４２３内で冷却されて、冷却された高圧ＭＲＶ流４２４を生成し、これはさらに、高圧ＷＭＲ凝縮器４２６内で冷却され凝縮されて、華氏７７度（摂氏２５度）、５８３ｐｓｉａ（４０．２ｂａｒａ）、および気体フラクション０で、凝縮させた高圧ＷＭＲ流４２７を生成する。凝縮させた高圧ＷＭＲ流４２７は、第２のＷＭＲ膨張装置４２８内で減圧されて、華氏３４度（摂氏１．４度）および３２４ｐｓｉａ（２２．２ｂａｒａ）で、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９を生成する。膨張した高圧ＷＭＲ流４２９は、ＷＭＲ熱交換器４３０内で暖められて、華氏５３度（華氏１１．８度）および３１６ｐｓｉａ（２１．８ｂａｒａ）で、暖温な膨張した高圧ＷＭＲ流４３１を生成し、これは、ＷＭＲ相分離器３１６に戻される。本実施例では、暖温低圧のＷＭＲ流４１０は、エタンより軽い成分を１％含有し、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９の気体フラクションは、０．３である。

４２，８００ポンドモル／時（１９，４１５キロモル／時）のＷＭＲＬ流４１８は、ＷＭＲ熱交換器４３０内で、膨張した高圧ＷＭＲ流４２９に対して冷却されて、華氏３８度（摂氏３．１１度）および３０８ｐｓｉａ（２１．２ｂａｒａ）で、冷却されたＷＭＲＬ流４３３を生成する。

前処理された供給流４０１は、華氏６８度（摂氏２０度）、１１００ｐｓｉａ（７６ｂａｒａ）で予冷用熱交換器４６０にエントリし、華氏−４１度（摂氏−４０．５度）および気体フラクション０．７４で、予冷された天然ガス流４０２を生成する。圧縮され冷却されたＣＭＲ流４４４は、華氏７７度（摂氏２５度）、８９０ｐｓｉａ（６１ｂａｒａ）で、予冷用熱交換器４６０にエントリし、華氏−４０度（摂氏−４０度）および気体フラクション０．３で、予冷されたＣＭＲ流４４５を生成する。

本実施例では、プロセスの効率は、図３に対応するものよりも２〜３％高いことがわかった。したがって、本実施例は、本発明が、ＷＭＲ凝縮器熱交換器における二相のエントリを取り除き、かつＷＭＲ液体ポンプも取り除く効率的で低コスト方法およびシステムを提供することを実証する。

Claims (16)

1. 冷却用熱交換器内の第１の冷媒流との間接熱交換によって、炭化水素供給流を冷却する方法であって、
   ａ）１つ以上の圧縮段階で、暖温低圧の第１の冷媒流を圧縮して、圧縮された第１の冷媒流を生成することと、
   ｂ）前記圧縮された第１の冷媒流を１つ以上の冷却ユニット内で冷却して、圧縮され冷却された第１の冷媒流を生成することと、
   ｃ）前記圧縮され冷却された第１の冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することと、
   ｄ）前記第１の液体冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｅ）前記第１の液体冷媒流を前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された液体冷媒流を生成することと、
   ｆ）前記冷却された液体冷媒流を膨張させて、低温冷媒流を生成し、前記低温冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れて、前記炭化水素供給流、前記第１の液体冷媒流、および第２の冷媒流を冷却するために必要とされる冷蔵能力を提供することと、
   ｇ）１つ以上の圧縮段階で、前記第１の気体冷媒流を圧縮して、圧縮気体冷媒流を生成することと、
   ｈ）前記圧縮気体冷媒流を冷却し凝縮し、凝縮された冷媒流を生成することと、
   ｉ）前記凝縮された冷媒流を膨張させて、膨張した冷媒流を生成することと、
   ｊ）前記膨張した冷媒流を、前記第１の気液分離装置に導き入れることと、
   ｋ）前記第２の冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｌ）前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｍ）前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された炭化水素流を生成し、前記冷却された炭化水素流を、主熱交換器内でさらに冷却し液化し、液化炭化水素流を生成することと、
   を含み、ステップ（ｄ）を行う前に、第１の熱交換器内で、前記膨張した冷媒流のうち少なくとも一部との間接熱交換によって、前記第１の液体冷媒流のうち少なくとも一部を冷却することをさらに含む、方法。
2. 冷却用熱交換器内の第１の冷媒流との間接熱交換によって、炭化水素供給流を冷却する方法であって、
   ａ）１つ以上の圧縮段階で、暖温低圧の第１の冷媒流を圧縮して、圧縮された第１の冷媒流を生成することと、
   ｂ）前記圧縮された第１の冷媒流を１つ以上の冷却ユニット内で冷却して、圧縮され冷却された第１の冷媒流を生成することと、
   ｃ）前記圧縮され冷却された第１の冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することと、
   ｄ）前記第１の液体冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｅ）前記第１の液体冷媒流を前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された液体冷媒流を生成することと、
   ｆ）前記冷却された液体冷媒流を膨張させて、低温冷媒流を生成し、前記低温冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れて、前記炭化水素供給流、前記第１の液体冷媒流、および第２の冷媒流を冷却するために必要とされる冷蔵能力を提供することと、
   ｇ）１つ以上の圧縮段階で、前記第１の気体冷媒流を圧縮して、圧縮気体冷媒流を生成することと、
   ｈ）前記圧縮気体冷媒流を冷却し凝縮し、凝縮された冷媒流を生成することと、
   ｉ）前記凝縮された冷媒流を膨張させて、膨張した冷媒流を生成することと、
   ｊ）前記膨張した冷媒流を、前記第１の気液分離装置に導き入れることと、
   ｋ）前記第２の冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｌ）前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｍ）前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された炭化水素流を生成し、前記冷却された炭化水素流を、主熱交換器内でさらに冷却し液化し、液化炭化水素流を生成することと、
   を含み、ステップ（ｉ）が、前記第１の気液分離装置の上流で、前記膨張した冷媒流を、前記圧縮され冷却された第１の冷媒流と混合することによって、前記膨張した冷媒流を、前記第１の気液分離装置に導き入れることを含む、方法。
3. ステップ（ｃ）を行った後、前記第１の気液分離装置により分離された前記第１の気体冷媒流および前記第１の液体冷媒流のうちの前記第１の液体冷媒流のみを、前記冷却用熱交換器内に導き入れる、請求項１に記載の方法。
4. ステップ（ｅ）が、前記第１の液体冷媒流を、前記冷却用熱交換器の第１の管回路を通過させることによって、前記第１の液体冷媒流を前記冷却用熱交換器内で冷却することをさらに含み、前記冷却用熱交換器が、コイル巻き熱交換器であり、
   ステップ（ｍ）が、前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器の第２の管回路を通過させることによって、前記炭化水素供給流を前記冷却用熱交換器内で冷却することをさらに含み、
   ステップ（ｆ）が、前記低温冷媒流を、前記冷却用熱交換器のシェル側に導き入れることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. ｎ）前記第２の冷媒流を前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された第２の冷媒流を生成することと、
   ｏ）前記冷却された第２の冷媒流を前記主熱交換器内でさらに冷却して、さらに冷却された第２の冷媒流を生成することと、
   ｐ）前記さらに冷却された第２の冷媒流を膨張させて、膨張した第２の冷媒流を生成することと、
   ｑ）前記膨張した第２の冷媒流を、前記主熱交換器に戻すことと、
   ｒ）前記冷却された炭化水素流を、前記主熱交換器内での前記膨張した第２の冷媒流との間接熱交換によってさらに冷却し凝縮し、前記液化炭化水素流を生成することと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. ステップ（ｌ）を行う前に、前記第１の熱交換器内で、前記炭化水素供給流のうち少なくとも一部を冷却することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. ステップ（ｋ）を行う前に、前記第１の熱交換器内で、前記第２の冷媒流のうち少なくとも一部を冷却することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 冷却用熱交換器内の第１の冷媒流との間接熱交換によって、炭化水素供給流を冷却する方法であって、
   ａ）１つ以上の圧縮段階で、暖温低圧の第１の冷媒流を圧縮して、圧縮された第１の冷媒流を生成することと、
   ｂ）前記圧縮された第１の冷媒流を１つ以上の冷却ユニット内で冷却して、圧縮され冷却された第１の冷媒流を生成することと、
   ｃ）前記圧縮され冷却された第１の冷媒流を、第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することと、
   ｄ）前記第１の液体冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｅ）前記第１の液体冷媒流を前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された液体冷媒流を生成することと、
   ｆ）前記冷却された液体冷媒流を膨張させて、低温冷媒流を生成し、前記低温冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れて、前記炭化水素供給流、前記第１の液体冷媒流、および第２の冷媒流を冷却するために必要とされる冷蔵能力を提供することと、
   ｇ）１つ以上の圧縮段階で、前記第１の気体冷媒流を圧縮して、圧縮気体冷媒流を生成することと、
   ｈ）前記圧縮気体冷媒流を冷却し凝縮し、凝縮された冷媒流を生成することと、
   ｉ）前記凝縮された冷媒流を膨張させて、膨張した冷媒流を生成することと、
   ｊ）前記膨張した冷媒流を、前記第１の気液分離装置に導き入れることと、
   ｋ）前記第２の冷媒流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｌ）前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器に導き入れることと、
   ｍ）前記炭化水素供給流を、前記冷却用熱交換器内で冷却して、冷却された炭化水素流を生成し、前記冷却された炭化水素流を、主熱交換器内でさらに冷却し液化し、液化炭化水素流を生成することと、
   を含み、
   ｓ）前記膨張した冷媒流を、第２の気液分離装置に導き入れて、第２の気体冷媒流および第２の液体冷媒流を生成することと、
   ｔ）前記第２の気体冷媒流を、前記第１の気液分離装置に導き入れることと、
   ｕ）ステップ（ｄ）において、前記冷却用熱交換器内で前記第１の液体冷媒流を冷却する前に、第１の熱交換器内での前記第２の液体冷媒流との間接熱交換によって、前記第１の液体冷媒流を冷却することと、
   ｎ）ステップ（ｍ）を行った後、前記第２の液体冷媒流を、前記第１の気液分離装置に導き入れることと、をさらに含む、方法。
9. 前記第２の気体冷媒流および前記第２の液体冷媒流を前記第１の気液分離装置に導き入れる前に、前記第２の気体冷媒流および前記第２の液体冷媒流が、前記第１の気液分離装置の上流で、ステップ（ｂ）の前記圧縮され冷却された第１の冷媒流と混合される、請求項８に記載の方法。
10. ステップ（ｃ）が、前記圧縮され冷却された第１の冷媒流を、混合塔を備える第１の気液分離装置に導き入れて、第１の気体冷媒流および第１の液体冷媒流を生成することを含み、前記圧縮され冷却された第１の冷媒流が、前記混合塔の上段、またはその上方で、前記混合塔に導き入れられ、膨張した冷媒流が、前記混合塔の下段、またはその下方で、前記混合塔に導き入れられる、請求項１に記載の方法。
11. 前記炭化水素供給流が、天然ガスである、請求項１に記載の方法。
12. 炭化水素供給流を冷却する器機であって、
    第１の炭化水素供給回路、第１の冷媒回路、第２の冷媒回路、前記第１の冷媒回路の上流端に位置する第１の冷媒回路入口、前記第１の冷媒回路の下流端に位置する第１の減圧装置、および前記減圧装置の下流にあり、前記減圧装置と流体流連通している膨張した第１の冷媒導管を含む冷却用熱交換器であって、前記冷却用熱交換器が低温冷媒流に対する間接熱交換によって、前記炭化水素供給流であって、前記第１の炭化水素供給回路を通って流れることによって、予冷された炭化水素供給流を生成する、炭化水素供給流、前記第１の冷媒回路を通って流れる第１の冷媒、および前記第２の冷媒回路を通って流れる第２の冷媒を冷却するように動作的に構成されている、冷却用熱交換器と、
    圧縮システムであって、
    前記冷却用熱交換器の下側端および第１のコンプレッサと流体流連通している、暖温低圧の第１の冷媒導管、
    前記第１のコンプレッサと流体流連通し、その下流の第１の最終冷却器、
    第１の気液分離装置であって、前記第１の最終冷却器と流体流連通し、その下流の第１の入口、前記第１の気液分離装置の上側半分に位置する第１の気体出口、および前記第１の気液分離装置の下側半分に位置する第１の液体出口を有し、前記第１の液体出口が、前記第１の冷媒回路入口の上流にあり、それと流体流連通している、第１の気液分離装置、
    前記第１の気体出口の下流であり、それと流体流連通している第２のコンプレッサ、
    前記第２のコンプレッサの下流であり、それと流体流連通している凝縮器、および
    前記凝縮器の下流で、それと流体流連通している第２の減圧装置であって、前記第１の気液分離装置の上流で、それと流体流連通し、それによって、前記第２の減圧装置を通って流れるすべての流体が、前記冷却用熱交換器に向かって流れる前に、前記第１の気液分離装置を通って流れるようにされる、前記第２の減圧装置を備える、圧縮システムと、を備え、第２の熱交換回路に対して間接熱交換を提供するように動作的に構成された第１の熱交換回路を有し、前記第１の熱交換回路が、前記第２の減圧装置の下流で、それと流体流連通し、前記第２の熱交換回路が、前記第１の気液分離装置の前記第１の液体出口の下流で、それと流体流連通している、第１の熱交換器をさらに含む、器機。
13. 前記冷却用熱交換器の前記第１の炭化水素回路の下流で、それと流体流連通している第２の炭化水素回路を有し、前記第２の冷媒に対する間接熱交換によって、前記予冷された炭化水素供給流を少なくとも部分的に液化するように動作的に構成された、主熱交換器をさらに含む、請求項１２に記載の器機。
14. 第２の気液分離装置であって、前記第２の減圧装置と流体流連通している、その下流の第３の入口と、前記第２の気液分離装置の上側半分に位置する第２の気体出口と、前記第２の気液分離装置の下側半分に位置する第２の液体出口とを有し、前記第２の液体出口が、前記第１の熱交換器の前記第１の熱交換回路の上流にあり、それと流体流連通している、第２の気液分離装置をさらに備える、請求項１２に記載の器機。
15. 前記第１の熱交換器が、第３の熱交換回路と第４の熱交換回路とをさらに含み、前記第３の熱交換回路が、前記第２の冷媒回路の上流にあり、それと流体流連通し、前記第４の熱交換回路が、前記第１の炭化水素供給回路の上流にあり、それと流体流連通し、前記第１の熱交換器が、前記第１の熱交換回路に対して、前記第２の熱交換回路と、第３の熱交換回路と、第４の熱交換回路とを通って流れる流体を冷却するように動作的に構成される、請求項１２に記載の器機。
16. 前記第１の気液分離装置が、混合塔であり、前記第１の気液分離装置の前記第１の入口が、前記混合塔の上段に位置し、前記第１の気液分離装置の第２の入口が、前記混合塔の下段に位置する、請求項１２に記載の器機。

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