JP2019190819A - 気相冷媒を使用して炭化水素流を冷却するための改善された方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】メタンを含む冷媒を使用する、天然ガス供給流の液化のための方法およびシステムが本明細書に開示される。【解決手段】方法およびシステムは、２つ以上のターボエキスパンダを利用して、２つ以上の気体冷媒流を異なる圧力に下げて膨張させ、天然ガスを予冷および液化するための冷凍作用を提供するために使用される異なる圧力の少なくとも主に気体冷媒の冷流を提供する、冷凍回路およびサイクルを使用する。結果として得られる、液化された天然ガス流は、次いで、フラッシングされて、ＬＮＧ製品およびフラッシュガスを生成し、フラッシュガスは、天然ガス供給流に再循環される。【選択図】 図２

Description

本発明は、天然ガス供給流を液化して液化天然ガス（ＬＮＧ）製品を生成するための方法およびシステムに関する。

天然ガスの液化は重要な産業工程である。ＬＮＧの全世界での生産力は３００ＭＴＰＡを超え、天然ガスを液化するための様々な冷凍サイクルの開発が成功しており、当技術で知られており、広く使用されている。

いくつかのサイクルは気化する冷媒を利用して、天然ガスを液化するための冷却作用を提供する。これらのサイクルでは、最初に気相である温かい冷媒（例えば、純粋な単一成分の冷媒、または混合冷媒であってもよい）が圧縮され、冷却され、液化されて、液体冷媒を提供する。この液体冷媒は、次に膨張させられて、冷媒と天然ガスとの間の間接的な熱交換を介して天然ガスを液化するために使用される冷たい気化する冷媒を生成する。結果として得られる、温められて気化された冷媒は、次に圧縮されて、サイクルを再び開始することができる。当技術において知られており、かつ使用されているこの種類の例示のサイクルは、単一混合冷媒（ＳＭＲ）サイクル、カスケードサイクル、デュアル混合冷媒（ＤＭＲ）サイクル、プロパン予冷混合冷媒（Ｃ３ＭＲ）サイクルを含む。

他のサイクルは気相膨張サイクルを利用して、天然ガスを液化するための冷却作用を提供する。これらのサイクルでは、気相冷媒はサイクル中に相が変化しない。気相の温かい冷媒は、圧縮および冷却されて、圧縮された冷媒を形成する。圧縮された冷媒は、次に膨張させられて、さらに冷媒を冷却し、冷媒と天然ガスとの間の間接的な熱交換を介して天然ガスを液化するために次に使用される膨張した冷たい冷媒をもたらす。結果として得られる、温められて膨張した冷媒は、次に圧縮されて、サイクルを再び開始することができる。当技術で知られており、使用されているこの種類の例示のサイクルは、窒素膨張サイクルおよびメタン膨張サイクルなどの逆ブレイトンサイクルである。

確立された窒素膨張サイクル、カスケード、ＳＭＲおよびＣ３ＭＲプロセス、ならびに天然ガスを液化することにおけるそれらの使用のさらなる記述は、例えば、“Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ”Ｊ．Ｃ．Ｂｒｏｎｆｅｎｂｒｅｎｎｅｒ，Ｍ．ｐｉｌｌａｒｅｌｌａ，ａｎｄ Ｊ．Ｓｏｌｏｍｏｎ，Ｒｅｖｉｅｗ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｏｎｓ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ，ｓｕｍｍｅｒ ０９，ＬＮＧＩＮＤＵＳＴＲＹ．ＣＯＭで見られる。

ＬＮＧ産業の現在の傾向は、遠隔の海底ガス田を開発することであり、これは、浮体式ＬＮＧ（ＦＬＮＧ）の適用としても知られる適用などの浮体式プラットフォーム上に構築される天然ガスを液化するためのシステムを必要とする。しかしながら、浮体式プラットフォーム上のこのようなＬＮＧプラントの設計および操業は、克服される必要のある多数の課題をもたらす。浮体式プラットフォーム上の動きが主な課題の１つである。混合冷媒（ＭＲ）を使用する従来の液化プロセスは、冷凍サイクルの特定の時点で液相および気相の二相の流れおよび分離を含み、これは浮体式プラットフォーム上で使用される場合、液相−気相不均衡配分により、性能の低下につながり得る。また、液化された冷媒を使用する冷凍サイクルのいずれかにおいて、液体スロッシングは追加の機械的ストレスを引き起こし得る。可燃性成分の在庫の貯蔵は、安全性の考慮のため、冷凍サイクルを使用する多くのＬＮＧプラントに関する別の懸念である。

当産業における別の傾向は、ピークシェービング設備、または多数のより低能力の液化トレインが単一の高能力のトレインの代わりに使用されるモジュール化された液化設備の場合などの、より小さな規模の液化設備の開発である。より低能力で高いプロセス効率を有する液化サイクルを開発することが望ましい。

その結果、最小限の二相の流れを含み、最小限の可燃性冷媒在庫を必要とし、高いプロセス効率を有する天然ガスを液化するためのプロセスの開発への必要性が増加している。

窒素再循環膨張プロセスは、上述のように、気体窒素を冷媒として使用する既知のプロセスである。このプロセスは混合冷媒の使用をなくし、そのため、最小限の炭化水素在庫を必要とするＦＬＮＧ設備および地上ベースのＬＮＧ設備の魅力的な代替を提示する。しかしながら、窒素循環膨張プロセスは、比較的低い効率を有し、より大きな熱交換器、圧縮機、エキスパンダ、および管寸法を有する。また、本プロセスは、比較的大量の純窒素の利用可能性に依存する。

米国特許第8,656,733号明細書および米国特許第8,464,551号明細書は、例えば気体窒素を冷媒として使用する閉ループ気体膨張サイクルは、例えば天然ガス供給流などの供給流を液化し、かつサブクーリングする、液化方法およびシステムを教示する。説明された冷凍回路およびサイクルは、複数のターボエキスパンダを利用して、天然ガスを液化するために使用される冷媒流よりも低い圧力および温度まで下げられる天然ガスをサブクーリングする冷媒流を有する複数の膨張した冷たい気体冷媒流を生成する。

米国特許出願公開第2016/054053号明細書および米国特許第7,581,411号明細書は、窒素などの冷媒が膨張されて、複数の冷媒流を比較可能な圧力で生成する、天然ガス流を液化するプロセスおよびシステムを教示する。天然ガスを予冷し、かつ液化するために使用される冷媒流は、ターボエキスパンダにおいて膨張された気体流であり、一方で、天然ガスをサブクーリングするために使用される冷媒流は、Ｊ−Ｔ弁を介して膨張される前に少なくとも部分的に液化される。すべての冷媒流は同じ、またはおよそ同じ圧力まで下げられ、様々な熱交換区分を通過するときに混合され、様々な熱交換区分において温められて、再圧縮のために共有圧縮機内に導入される単一の温流を形成する。

米国特許第9,163,873号明細書は、窒素などの気体冷媒を膨張させて複数の冷たい膨張された気体冷媒流を異なる圧力および温度で生成するために複数のターボエキスパンダが使用される、天然ガス流を液化するためのプロセスおよびシステムを教示する。米国特許第8,656,733号明細書および米国特許第8,464,551号明細書におけるように、最も低い圧力および温度の流れが天然ガスをサブクーリングするために使用される。

米国特許出願公開第2016/0313057号明細書は、ＦＬＮＧの適用に特に適正を有する天然ガス供給流を液化するための方法およびシステムを教示する。説明された方法およびシステムにおいて、気体メタンまたは天然ガス冷媒は複数のターボエキスパンダにおいて膨張されて、天然ガス供給流を予冷し、かつ液化するために使用される冷たい膨張した気体冷媒流を提供する。すべての冷媒流は同じ、またはおよそ同じ圧力まで下げられ、様々な熱交換区分を通過するときに混合され、様々な熱交換区分において温められて、再圧縮のために共有圧縮機内に導入される単一の温流を形成する。液化天然ガス供給流は様々なフラッシュ段の対象とされ、ＬＮＧ製品を得るために天然ガスをさらに冷却する。

それにもかかわらず、ＦＬＮＧの適用、ピークシェービング設備、および二相の冷媒流および二相の冷媒の分離が好ましくなく、可燃性冷媒の大量の在庫の管理が問題であり得、大量の純窒素または他の必要とされる冷媒成分が利用不可能であり得、または得ることが困難であり得、および／またはプラントの利用可能な面積によって、冷凍回路において使用されることができる熱交換器、圧縮機、エキスパンダ、および管の寸法が制限される他の状況における使用に好適な高いプロセス効率を有する冷凍サイクルを活用する天然ガスを液化するための方法およびシステムに対する当技術における必要性が残っている。

天然ガス供給流を液化してＬＮＧ製品を生成するための方法およびシステムが本明細書で開示される。本方法およびシステムは、メタンを含む冷媒を循環させる冷凍回路を使用する。冷凍回路は、第１および第２のターボエキスパンダを含み、これらは、冷媒の気体流を異なる圧力に下げて膨張させて、異なる圧力の膨張した冷たい気体流または少なくとも主に気体の冷媒を提供するために使用され、次いで、天然ガスを予冷および液化するための冷凍作用を提供するために使用され、ガスを液化するために使用される冷媒流は、天然ガスを予冷するために使用される冷媒流よりも低い圧力である。結果として得られる、液化された天然ガス流は、次いで、フラッシングされて、フラッシュガス流およびＬＮＧ製品を形成し、フラッシュガス流は、天然ガス供給流内に再循環されている。かかる方法およびシステムは、現場で利用可能な冷媒（メタン）を使用し、冷媒またはその大半が冷媒サイクルを通して気体形態のままである、より高いプロセス効率を有する冷凍サイクルを活用するＬＮＧ製品の製造を提供する。

本発明による本システムおよび方法のいくつかの好ましい態様の概要が下記に述べられる。

態様１：天然ガス供給流を液化してＬＮＧ製品を生成する方法であって、方法は、
（ａ）第１の天然ガス供給流を予冷および液化するように、複数の熱交換区分のいくつかまたはすべての温側に第１の天然ガス供給流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のいくつかまたはすべての温側において天然ガス供給流を冷却することであって、複数の熱交換区分が、天然ガス流が予冷される第１の熱交換区分と、第１の熱交換区分からの予冷された天然ガス流が液化されて、第１の液化天然ガス流を形成する第２の熱交換区分と、を備える、冷却することと、
（ｂ）第２の熱交換区分から取り出された第１の液化天然ガス流をフラッシングして、フラッシュガスおよびＬＮＧ製品を形成し、フラッシュガス流およびＬＮＧ製品流を形成するためにＬＮＧ製品からフラッシュガスを分離することと、
（ｃ）フラッシュガス流を圧縮し、圧縮されたフラッシュガスを第１の天然ガス供給流内に再循環させることと、
（ｄ）メタンを含む冷媒を、複数の熱交換区分と、複数の圧縮機および／または圧縮段ならびに１つ以上のインタークーラーおよび／または後段クーラーを備える圧縮トレインと、第１のターボエキスパンダおよび第２のターボエキスパンダと、を備える冷凍回路において循環させることと、を含み、冷媒の循環が、複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって第１の天然ガス供給流を予冷および液化するための冷却作用を提供し、冷凍回路において冷媒を循環させることが、
（ｉ）圧縮され冷却された気体冷媒流を分けて第１の冷却された気体冷媒流と、第２の冷却された気体冷媒流とを形成するステップと、
（ｉｉ）第１のターボエキスパンダにおいて第１の冷却された気体冷媒流を第１の圧力に下げて膨張させて、第１のターボエキスパンダを出るときに液体を含まない、または液体を実質的に含まない、気体流または主に気体流である第１の膨張した冷たい冷媒流を、第１の温度および第１の圧力で形成するステップと、
（ｉｉｉ）複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの温側に第２の冷却された気体冷媒流を通過させ、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの温側において第２の冷却された気体冷媒流を冷却して、第２の冷却された気体冷媒流をさらに冷却するステップと、
（ｉｖ）第２のターボエキスパンダにおいてさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を第２の圧力に下げて膨張させて、第２の膨張した冷たい冷媒流を第２の温度および第２の圧力で形成するステップであって、第２の膨張した冷たい冷媒流が、第２のターボエキスパンダを出るときに、液体を含まない、または液体を実質的に含まない、気体流または主に気体流であり、第２の圧力が、第１の圧力より低く、第２の温度が、第１の温度より低い、ステップと、
（ｖ）少なくとも第１の熱交換区分、および／または第２の冷たい気体冷媒流のすべてまたは一部が冷却される熱交換区分を備える、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側に第１の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側において第１の膨張した冷たい冷媒流を温めて、少なくとも第２の熱交換区分を備える複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側に第２の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側において第２の膨張した冷たい冷媒流を温めるステップであって、第１および第２の膨張した冷たい冷媒流が、分離されたままにされ、複数の熱交換区分のうちのいずれの冷側においても混合されず、第１の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、第１の温められた気体冷媒流を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、第２の温められた気体冷媒流を形成する、ステップと、
（ｖｉ）第１の温められた気体冷媒流および第２の温められた気体冷媒流を圧縮トレイン内へ導入し、それによって、第２の温められた気体冷媒流が、圧縮トレインの第１の温められた気体冷媒流とは異なる、より低い圧力位置で圧縮トレイン内に導入され、第１の温められた気体冷媒流と第２の温められた気体冷媒流とを圧縮し、冷却し、合わせて、ステップ（ｉ）で分けられる圧縮され冷却された気体冷媒流を形成するステップと、を含む、方法。

態様２：冷媒は、少なくとも８５モル％のメタンを含む、態様１に記載の方法。

態様３：第１の膨張した冷たい冷媒流は、第１のターボエキスパンダを出るときに０．８以上の蒸気率を有し、第２の膨張した冷たい冷媒流は、第２のターボエキスパンダを出るときに０．８以上の蒸気率を有する、態様１または２に記載の方法。

態様４：第１の圧力と第２の圧力との圧力の割合は、１．５：１〜２．５：１である、態様１〜３のいずれか１つに記載の方法。

態様５：第１の液化された天然ガス流は、−１００〜−１４５℃の温度で第２の熱交換器から取り出される、態様１〜４のいずれか１つに記載の方法。

態様６：第１の液化された天然ガス流は、−１１０〜−１４５℃の温度で第２の熱交換器から取り出される、態様１〜４のいずれか１つに記載の方法。

態様７：冷凍回路は、閉ループ冷凍回路である、態様１〜６のいずれか１つに記載の方法。

態様８：方法は、フラッシュガス流を通過させ、かつフラッシュガス流をフラッシュガス熱交換区分の冷側において温めることによって、フラッシュガス流を圧縮する前にフラッシュガス流から冷気を回収し、圧縮されたフラッシュガスを再循環させることをさらに含む、態様１〜７のいずれか１つに記載の方法。

態様９：フラッシュガス熱交換区分は、冷媒の循環による冷凍作用を提供される冷凍回路の複数の熱交換区分のうちの１つではない、態様８に記載の方法。

態様１０：方法は、
（ｅ）フラッシュガス熱交換区分の温側において第２の天然ガス供給流を通過させ、第２の天然ガス流を冷却および液化して、第２の液化された天然ガス流を形成することと、
（ｆ）フラッシュガス熱交換区分から取り出された第２の液化された天然ガス流をフラッシングして、追加のフラッシュガスおよび追加のＬＮＧ製品を形成し、追加のＬＮＧ製品から追加のフラッシュガスを分離して、フラッシュガス流のための追加のフラッシュガスおよびＬＮＧ製品流のための追加のＬＮＧ製品を提供することと、をさらに含む、態様８または９に記載の方法。

態様１１：ステップ（ｂ）および（ｆ）におけるＬＮＧ製品および追加のＬＮＧ製品からのフラッシュガスおよび追加のフラッシュガスの分離は、フラッシングされた第１の液化された天然ガス流およびフラッシングされた第２の液化された天然ガス流を、流れが蒸気塔頂留出物および液体塔底液に共に分離される気液分離装置内に導入することによって起こり、前記蒸気塔頂留出物が取り出されて、フラッシュガス流を形成し、前記液体塔底液が取り出されて、ＬＮＧ製品流を形成する、態様１０に記載の方法。

態様１２：第２の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束を備えるコイル巻き熱交換区分である、態様１〜１１のいずれか１つに記載の方法。

態様１３：第１の熱交換区分は、熱交換区分を通る複数の分離した通路を画定する冷側を有し、第１の膨張した冷たい冷媒流は、第１の熱交換区分を通る通路のうちの少なくとも１つを通過し、通路のうちの少なくとも１つにおいて温められて、第１の温められた気体冷媒流を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流は、第２の熱交換区分の冷側を通過し、第２の熱交換区分の冷側において温められ、次いで、第１の熱交換区分を通る通路のうちの他の少なくとも１つ以上を通過し、通路のうちの他の少なくとも１つ以上においてさらに温められて、第２の温められた気体冷媒流を形成する、態様１〜１２のいずれか１つに記載の方法。

態様１４：第１の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束を備えるコイル巻き熱交換区分であり、複数の熱交換区分は、天然ガス流が予冷される、および／または第２の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部が冷却される、第３の熱交換区分をさらに備え、第１の膨張した冷たい冷媒流は、第１および第３の熱交換区分のうちの一方の冷側を通過し、第１および第３の熱交換区分のうちの一方の冷側において温められて、第１の温められた気体冷媒流を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流は、第２の熱交換区分の冷側を通過し、第２の熱交換区分の冷側において温められて、次いで、第３および第１の熱交換区分のうちの他方の冷側を通過し、第３および第１の熱交換区分のうちの他方の冷側においてさらに温められて第２の温められた気体冷媒流を形成する、態様１〜１２のいずれか１つに記載の方法。

態様１５：天然ガス供給流を液化してＬＮＧ製品を生成するシステムであって、システムは、
（ａ）複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって第１の天然ガス供給流を予冷および液化するための冷却作用を提供する冷媒の循環のための冷凍回路であって、冷凍回路が、
複数の熱交換区分であって、熱交換区分の各々が、温側と、冷側とを有し、複数の熱交換区分が、第１の熱交換区分と、第２の熱交換区分と、を備え、第１の熱交換器の温側が、天然ガス流を受け、かつ予冷するための第１の熱交換器の温側を通る少なくとも１つの通路を画定し、第２の熱交換区分の温側が、第１の熱交換区分からの予冷された天然ガス流を受け、かつ液化して、第１の液化された天然ガス流を形成するための、第２の熱交換区分の温側を通る少なくとも１つの通路を画定し、複数の熱交換区分の各々の冷側が、循環する冷媒の膨張流を受け、かつ温めるための複数の熱交換区分の各々の冷側を通る少なくとも１つの通路を画定する、複数の熱交換区分と、
循環する冷媒を圧縮し、かつ冷却するための複数の圧縮機および／または圧縮ステージならびに１つ以上のインタークーラーおよび／または後段クーラーを備える圧縮トレインであって、冷凍回路は、圧縮トレインは、複数の熱交換区分から第１の温められた気体冷媒流および第２の温められた気体冷媒流を受けるように構成され、第２の温められた気体冷媒流は、圧縮トレインの、第１の温められた気体冷媒流とは異なる、より低い圧力位置で受けられ、圧力位置に導入され、圧縮トレインは、第１の温められた気体冷媒流および第２の温められた気体冷媒流を圧縮し、冷却し、合わせて、圧縮され、冷却された冷媒の気体流を形成するように構成されている、圧縮トレインと、
第１の冷却された気体冷媒流を受け、かつ第１の圧力に下げて膨張させて、第１の温度および第１の圧力で第１の膨張した冷たい冷媒流を形成するように構成された第１のターボエキスパンダと、
さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を受け、かつ第２の圧力に下げて膨張させて、第２の温度および第２の圧力で第２の膨張した冷たい冷媒流を形成するように構成され、第２の圧力が、第１の圧力よりも低く、第２の温度が、第１の温度よりも低い、第２のターボエキスパンダと、を備え、
冷凍回路が、
圧縮トレインからの、圧縮され冷却された気体冷媒流を分けて第１の冷却された気体冷媒流および第２の冷却された気体冷媒流を形成し、
複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの温側に第２の冷却された気体冷媒流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの温側において第２の冷却された気体冷媒流を冷却して、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を形成し、
少なくとも第１の熱交換区分、および／または第２の冷たい気体冷媒流のすべてまたは一部が冷却される熱交換区分を備える、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側に第１の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側において第１の膨張した冷たい冷媒流を温めて、少なくとも第２の熱交換区分を備える複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側に第２の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側において第２の膨張した冷たい冷媒流を温めるステップであって、第１および第２の膨張した冷たい冷媒流が、分離されたままにされ、複数の熱交換区分のうちのいずれの冷側においても混合されず、第１の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、第１の温められた気体冷媒流を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、第２の温められた気体冷媒流を形成するように構成されている、冷凍回路と、
（ｂ）第１の液化された天然ガス流を複数の熱交換区分のうちの第２の熱交換区分から受け、かつ第１の液化された天然ガス流をフラッシングして、フラッシュガスおよびＬＮＧ製品を形成するように構成された、圧力低下装置と、
（ｃ）フラッシュガスをＬＮＧ製品から分離して、フラッシュガス流およびＬＮＧ製品流を形成するように構成された、気液分離装置と、
（ｄ）フラッシュガス流を受け、かつ圧縮し、圧縮されたフラッシュガスを第１の天然ガス供給流内に再循環させるためのフラッシュガス圧縮機と、を備える、システム。

態様１６：システムは、
（ｅ）フラッシュガス流がフラッシュガス圧縮機によって受けられ、かつ圧縮される前に、冷気をフラッシュガス流から回収するためのフラッシュガス熱交換区分をさらに備え、フラッシュガス熱交換区分が、温側および冷側を有し、冷側が、フラッシュガス流を受けて温めるための冷側を通る１つ以上の通路を画定している、態様１５に記載のシステム。

態様１７：フラッシュガス熱交換区分の温側は、第２の天然ガス供給流を受け、冷却し、かつ液化して、第２の液化された天然ガス流を形成するための温側を通る１つ以上の通路を画定している、態様１６に記載のシステム。

態様１８：システムは、
（ｅ）第２の液化された天然ガス流をフラッシュガス熱交換区分から受け、かつ第２の液化された天然ガス流をフラッシングして、追加のフラッシュガスおよび追加のＬＮＧ製品を形成するように構成された、圧力低下装置をさらに備え、
気液分離装置は、追加のフラッシュガスも追加のＬＮＧ製品から分離して、フラッシュガス流のための追加のフラッシュガス、およびＬＮＧ製品流のための追加のＬＮＧ製品を提供するように構成されている、態様１７に記載のシステム。

図１は、従来技術による天然ガス液化方法およびシステムを示す概略的なフロー図である。

図２は、第１の実施形態による天然ガス液化方法およびシステムを示す概略的なフロー図である。

図３は、第２の実施形態による天然ガス液化方法およびシステムを示す概略的なフロー図である。

図４は、第３の実施形態による天然ガス液化方法およびシステムを示す概略的なフロー図である。

図５は、第４の実施形態による天然ガス液化方法およびシステムを示す概略的なフロー図である。

浮体式ＬＮＧ（ＦＬＮＧ）の適用、ピークシェービングの適用、モジュラー液化設備、小規模設備、および／または高いプロセス効率が望ましく、二相の冷媒流および二相の冷媒の分離が好ましくなく、可燃性冷媒の大量の在庫の管理が問題であり得、大量の純窒素または他の必要とされる冷媒成分が利用不可能であり得、または得ることが困難であり得、および／またはプラントの利用可能な面積によって、冷凍システムにおいて使用されることができる熱交換器、圧縮機、エキスパンダ、および管の寸法が制限される、任意の他の適用に特に好適であり、かつ魅力的な天然ガスを液化するための方法およびシステムが本明細書において開示される。

本明細書で使用される場合、別途示されない限り、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明細書および請求項において説明される本発明の実施形態における任意の特徴に適用されるとき、１つ以上を意味する。「ａ」および「ａｎ」の使用は、そのような制限が特に述べられない限り、単一の特徴に意味を限定しない。単数または複数の名詞または名詞句に先行する「ｔｈｅ」という記述は、１つの特に指定された特徴または複数の特に指定された特徴を示し、それが使用される文脈に依存して単数または複数の含意を有してもよい。

文字が本明細書で、方法（例えば、（ａ）、（ｂ）および（ｃ））の列挙されたステップを特定するように使用される場合、これらの文字は方法ステップを参照することを補助するためだけに使用され、特許請求されたステップが実行される特定の順序を、そのような順序が特に列挙されない限り、およびそのような順序が特に列挙される範囲までのみ、示すように意図される。

方法またはシステムの列挙された特徴を特定するように本明細書で使用される場合、「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は、当該の特徴を参照すること、および区別することを補助するためにのみ使用され、そのような順序が特に列挙されない限り、およびそのような順序が特に列挙される範囲までのみ、特徴の任意の特定の順序を示すように意図されない。

本明細書で使用されるような、用語「天然ガス」および「天然ガス流」は、合成および／または代替天然ガスを含む気体および流れも包含する。天然ガスの主な成分はメタン（典型的に供給流の少なくとも８５モル％、より多くは少なくとも９０モル％、および平均的に約９５モル％含む）である。天然ガスはまた、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン等の、より少量の他の、より重い炭化水素を含有し得る。原天然ガスの他の典型的な成分は、窒素、ヘリウム、水素、二酸化炭素および／または他の酸性ガス、および水銀などの１つ以上の成分を含む。しかしながら、本発明に従って処理された天然ガス供給流は、水分、酸性ガス、水銀および／または、より重い炭化水素などの氷点の（比較的）高い任意の成分の度合いを、天然ガスが液化される１つの、または複数の熱交換区分における凍結または他の動作上の問題を避けるために必要である度合いまで減少させる場合、もしくは減少させる必要に応じて、前処理される。

本明細書で使用されるような、「冷凍サイクル」という用語は、別の液体に冷凍作用を提供するために循環する冷媒が通る一連のステップを指し、「冷凍回路」という用語は、冷凍サイクルの上述のステップを実行する冷媒が循環する一連の接続された装置を指す。本明細書で説明される方法およびシステムでは、冷凍回路は、循環する冷媒が温められて冷凍作用を提供する複数の熱交換区分と、循環する冷媒が圧縮され、かつ冷却される複数の圧縮機および／または圧縮段、および１つ以上のインタークーラーおよび／または後段クーラーを含む圧縮トレインと、ならびに循環する冷媒が膨張されて、熱交換区分に供給されるための冷たい冷媒を提供する少なくとも２つのターボエキスパンダを含む。

本明細書で使用されるような、「熱交換区分」という用語は、熱交換器の冷側を通って流れる液体の１つ以上の流れと、熱交換器の温側を通って流れる液体の１つ以上の流れとの間で間接的な熱交換が行われるユニットまたは部分を指し、冷側を通って流れる液体の流れはそれによって温められ、温側を通って流れる液体の流れはそれによって冷却される。

本明細書で使用されるような、「間接的な熱交換」という用語は、２つの液体間の熱交換を指し、２つの液体は何らかの形状の物理的な障壁によって互いから分離されている。

本明細書で使用されるような、熱交換区分の部分を指すように使用される「温側」という用語は、冷側を通って流れる液体での間接的な熱交換によって冷却される液体の１つまたは複数の流れが通す熱交換器の側を指す。温側は、液体の単一の流れを受ける熱交換区分を通る単一の通路、または熱交換区分を通過するときに互いから分離されている同じまたは異なる液体の多数の流れを受ける熱交換区分を通る１つ以上の通路を画定してもよい。

本明細書で使用されるような、熱交換区分の部分を指すように使用される「冷側」という用語は、温側を通って流れる液体での間接的な熱交換によって温められる液体の１つまたは複数の流れが通過する熱交換器の側を指す。冷側は、液体の単一の流れを受ける熱交換区分を通る単一の通路、または熱交換区分を通過するときに互いから分離されている液体の多数の流れを受ける熱交換区分を通る１つ以上の通路を画定し得る。

本明細書で使用されるような、「コイル巻き熱交換器」という用語は、外殻ケーシングに入れられた１つ以上の管束を含む当技術において知られた種類の熱交換器を指し、各管束はそれ自体の外殻ケーシングを有してもよく、または２つ以上の管束が共通の外殻ケーシングを共有してもよい。各管束は「コイル巻き熱交換区分」となってもよく、束の管側はその区分の温側となり、その区分を通る１つ以上の通路を画定し、束の外殻側は、その区分を通る単一の通路を画定するその区分の冷側となる。コイル巻き熱交換器は、堅牢さ、安全性、および熱伝導効率で知られた小型設計の熱交換器であり、したがって、面積の割に効率性の度合いの高い熱交換を提供する利点を有する。しかしながら、外殻側は熱交換区分を通る単一の通路のみ確定するため、冷媒流がその熱交換区分の冷側において混合することなく、各コイル巻き熱交換区分の冷側（外殻側）において１つ以上の冷媒流を使用することはできない。

本明細書で使用されるような、「ターボエキスパンダ」という用語は、その中およびそれを通って気体が作用膨張し（膨張されて作用を生成し）、それによって気体の圧力および温度を下げる、遠心性、放射状、または軸流のタービンを指す。このような装置は、当技術において膨張タービンとも呼ばれる。ターボエキスパンダによって生成される作用は、任意の所望される目的に使用されてもよい。例えば、圧縮機（１つ以上の圧縮機または冷媒圧縮トレインの圧縮段など）を駆動するため、および／または発電機を駆動するために使用されてもよい。

本明細書で使用される場合、「フラッシング」（当該技術分野で「フラッシュ蒸発」とも呼ばれる）という用語は、液体または二相（即ち、気体−液体）流の圧力を低下させて、流れを部分的に気化し、それによって圧力および温度が低下した二相流である「フラッシングされた」流れを生成するプロセスを指す。フラッシングされた流れに存在する蒸気（即ち、気体）は、本明細書では「フラッシュガス」とも呼ばれる。液体または二相流は、その流れを、例えば、Ｊ−Ｔ弁または水力タービン（または他のワーク膨張装置）等の、その流れの圧力を低下させ、それによってその流れを部分的に気化するために適切な任意の圧力低下装置に通過させることによってフラッシングされ得る。

本明細書で使用される場合、「Ｊ−Ｔ」弁または「ジュールトムソン弁」は、その中で、およびそれを通って液体がスロットル調整され、それによってジュールトムソン膨張を介して液体の圧力および温度を下げる弁を指す。

本明細書に使用される場合、「気液分離装置」という用語は、限定されるものではないが、フラッシュドラムまたはノックアウトドラム等の容器を指し、二相流が、その流れをその構成気相および液相に分離するために導入され、それによって気相が、容器の頂部に集まり、そこから取り出されることができ、液相が、容器の底部に集まり、そこから取り出されることができる。容器の頂部に集まる蒸気はまた、本明細書では「塔頂留出物」または「蒸気塔頂留出物」と呼ばれ、容器の底部に集まる液体はまた、「塔底液」または「塔底液体」とも呼ばれる。Ｊ−Ｔ弁が液体または二相流をフラッシングするために使用され、かつ気液分離装置（例えば、フラッシュドラム）が、結果として得られるフラッシュガスおよび液体を分離するために使用されている場合、弁および分離装置は、例えば、液体または二相流が導入される分離装置への入口にバルブが配置される等の、単一装置に組み合わせられてもよい。

本明細書で使用されるような、「閉ループサイクル」、「閉ループ回路」などの用語は、通常動作中、冷媒が回路から除去されない、かつ回路に追加されない（漏れなどを通してなど小さな意図されない損失を補償するため以外で）冷凍サイクルまたは回路を指す。したがって、閉ループ冷凍回路では、任意の熱交換区分の温側において冷却されている液体が冷媒流と、冷却される、および／または液化される天然ガス流との両方を含む場合、その冷媒流および天然ガス流は、その流れが分離され、かつ混合しないようにその熱交換区分の温側において別々の通路を通過する。

本明細書で使用されるような、「開ループサイクル」、「開ループ回路」などは、液化される供給流、即ち、天然ガスも循環冷媒を提供し、それによって通常動作中に継続的に回路に冷媒が追加される、および回路から冷媒が除去される、冷媒サイクルまたは回路を指す。したがって、例えば、開ループサイクルでは、天然ガス流は開ループ回路内に天然ガス供給と補償冷媒との組み合わせとして導入されてもよく、天然ガス流は次に熱交換区分の温められた気体冷媒流と組み合わせられて、次に圧縮トレインにおいて圧縮され冷却され得る、組み合わせられた流れを形成して、圧縮され冷却された気体冷媒流を形成し、その一部分は、その後、分けられて、液化される天然ガス供給流を形成する。

単に例示のために、ある先行技術の配置および本発明の例示の実施形態が、図１〜５を参照して説明される。明確性および簡潔性のために、１つ以上の図で、各図における同じ参照符号が割り当てられた特徴は共通である。

図１を参照して、先行技術による天然ガス液化方法およびシステムが示される。原天然ガス供給流１００は、前処理システム１０１において選択的に前処理されて、水銀、水、酸性ガス、および重炭化水素などの不純物を除去し、前処理された天然ガス供給流１０２を生成し、前処理された天然ガス供給流１０２は予冷システム１０３において選択的に予冷されて、天然ガス供給流１０４を生成してもよい。

天然ガス供給流１０４は、分けられて、第１の天然ガス供給流１９４および第２の天然ガス供給流１９２を形成する。圧縮されたフラッシュガス流１９１は、結果として得られる第１の天然ガス流１９５（再循環されたフラッシュガスも含有する）が、以下にさらに説明されるように、メインクライオジェニック熱交換器（ＭＣＨＥ）１９８内で予冷および液化される前に、第１の天然ガス供給流１９４と混合されることによって再循環される。代替的に、圧縮されフラッシングされたガス流１９１が、その流れが分けられて第１および第２の天然ガス供給流を形成する前に、天然ガス供給流１０４と混合されることによって再循環されてもよい。

第１の天然ガス供給流１９５は、ＭＣＨＥ１９８において予冷および液化され、ＭＣＨＥ１９８は、図１に示されるように、２つの熱交換区分、即ち、第１の天然ガス供給流が冷却されて、予冷された第１の天然ガス供給流１０５を生成する、温区分１９８Ａと、予冷された第１の天然ガス供給流１０５がさらに冷却および液化されて、第１の液化された天然ガス流１０６を生成する冷区分１９８Ｂとを備える。第１の液化された天然ガス流１０６は、次いで、第１のＪ−Ｔ弁１０８のスロットル調整を介してフラッシングされる。

ＭＣＨＥ１９８は、コイル巻き熱交換器（図１に示される）、プレートフィン熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、または当技術において知られた任意の他の適切なタイプの熱交換器等の、任意の種類の熱交換器とすることができる。ＭＣＨＥ１９８はまた、１つの区分のみ、または３つ以上の区分（示された２つの区分以外）からなってもよい。これらの熱交換区分は、１つの共通ケーシング（図示せず）内、または別々の熱交換器ケーシング内に配置され得る。

第２の天然ガス供給流１９２は、フラッシュガス熱交換区分１２６内で冷却および液化されて、第２の液化された天然ガス流１９３を生成し、第２の液化された天然ガス流１９３は、第２のＪ−Ｔ弁２００のスロットル調整を介してフラッシングされて、フラッシングされた第２の液化された天然ガス流を生成し、フラッシングされた第２の液化された天然ガス流は、フラッシングされた第１の液化された天然ガス流１１０と混合されて、混合流１２２を生成する。混合流１２２は、気液分離装置（この場合においてエンドフラッシュドラム）１２０に送られる。エンドフラッシュドラム１２０から塔頂留出物として除去されたフラッシュガスは、フラッシュガス流１２５を形成し、フラッシュガス流１２５は、フラッシュガス熱交換区分１２６内で温められ、それによってフラッシュガス熱交換区分１２６に冷凍作用および冷却作用を提供する。フラッシュガス熱交換区分１２６を出る、温められたフラッシュガス流１２７は、フラッシュガス圧縮器１２８内で圧縮されて、圧縮されたフラッシュガス流１２９を生成し、フラッシュガス後段クーラー１９０内で大気または冷却水に対して冷却されて、圧縮されたフラッシュガス流１９１を生成し、圧縮されたフラッシュガス流１９１は、第１の天然ガス供給流１９４内に再循環される。

エンドフラッシュドラム１２０からの塔底液体は、ＬＮＧ製品流１２１として除去され、この場合において、ＬＮＧ降圧弁１２３内で降圧されて、圧力が下げられたＬＮＧ製品流１２４を生成し、ＬＮＧ製品流１２４は、ＬＮＧ貯蔵タンク１１５に送られる。ＬＮＧ貯蔵タンク内で生成された任意のボイルオフガス（またはさらなるフラッシュガス）は、ボイルオフガス（ＢＯＧ）流１１２としてタンクから除去され、ボイルオフガス（ＢＯＧ）流１１２は、プラント内で燃料として使用され得るか、もしくは燃やされ得るか、またはフラッシュガス流１２５と混合されて、その後、供給へ再利用され得る。

ＭＣＨＥ１９８への冷凍作用は、ＭＣＨＥ１９８の熱交換区分１９８Ａ、１９８Ｂを備える冷凍回路、圧縮システム１３６および後段クーラー１５６を備える圧縮トレイン、第１のターボエキスパンダ１６４および第２のターボエキスパンダ１７２を循環する冷媒によって提供される。温かい気体冷媒流１３０は、ＭＣＨＥ１９８から取り出され、一時的な非設計動作中に存在する任意の液体は、ノックアウトドラム１３２内で除去され得る。塔頂の温かい気体冷媒流１３４は、次いで、圧縮システム１３６内で圧縮されて、圧縮された冷媒流１５５を生成する。冷媒圧縮システム１３６において、塔頂の温かい気体冷媒流１３４は第１の圧縮機１３７において圧縮されて、第１の圧縮された冷媒流１３８を生成し、第１のインタークーラー１３９において大気または冷却水に対して冷却されて、第１の冷却され圧縮された冷媒流１４０を生成し、第１の冷却され圧縮された冷媒流１４０は第２の圧縮機１４１においてさらに圧縮されて、第２の圧縮された冷媒流１４２を生成する。第２の圧縮された冷媒流１４２は第２のインタークーラー１４３において大気または冷却水に対して冷却されて、第２の冷却され圧縮された冷媒流１４４を生成し、第２の冷却され圧縮された冷媒流１４４は２つの部分、第１の部分１４５および第２の部分１４６に分かれる。第２の冷却され圧縮された冷媒流１４５の第１の部分は、第３の圧縮機１４７において圧縮されて、第３の圧縮された流れ１４８を生成し、一方で第２の冷却され圧縮された冷媒流１４６の第２の部分は第４の圧縮機１４９において圧縮されて、第４の圧縮された流れ１５０を生成する。第３の圧縮された流れ１４８および第４の圧縮された流れ１５０は混合されて、圧縮された冷媒流１５５を生成する。

圧縮された冷媒流１５５は冷媒後段クーラー１５６において大気または冷却水に対して冷却されて、圧縮され冷却された気体冷媒流１５８を生成する。冷却され圧縮された気体冷媒流１５８は、次に２つの流れ、即ち第１の冷却された気体冷媒流１６２および第２の冷却された気体冷媒流１６０に分けられる。第２の流れ１６０は、第１の天然ガス供給流１０４が通過する通路へのＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの温側における別の通路を介してＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの温側を通過し、かつＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの温側において冷却され、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８を生成し、一方で、第１の流れ１６２は第１のターボエキスパンダ１６４（本明細書で温エキスパンダとも呼ばれる）において膨張されて、ＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの冷側を通過した第１の膨張された冷たい冷媒流１６６を生成し、第１の天然ガス供給流１０４を予冷し、かつ第２の冷却された気体冷媒流１６０を冷却するために冷凍および冷却作用を提供するために温められる。

さらに冷却された第２の冷却された冷媒流１６８は、第２のターボエキスパンダ１７２（本明細書では冷エキスパンダと呼ばれる）において膨張されて、ＭＣＨＥ１９８の冷区分１９８Ｂの冷側を通過させられた第３の膨張した冷たい冷媒流１７４を生成し、予冷された第１の冷却された天然ガス供給流１０５を液化するための冷凍および冷却作用を提供するために温められ、次にＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの冷側を通過させられ、ＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの冷側においてさらに温められ、そこで第１の膨張した冷たい冷媒流１６６と混合する。第１および第２の膨張した冷たい冷媒流１６６および１７４は、第１および第２のターボエキスパンダ１６４および１７２のそれぞれを出るときに０．８よりも大きい、好ましくは０．８５より大きい蒸気率を有する、少なくとも主に気体である。

第３の圧縮機１４７は、温エキスパンダ１６４によって生成された力によって少なくとも部分的に駆動されてもよく、一方で、第４の圧縮機１４９は、冷エキスパンダ１７２によって生成された力によって少なくとも部分的に駆動されてもよく、またはその逆でもよい。同等に、温および／または冷エキスパンダは、圧縮トレインにおける他の圧縮機のいずれかを駆動することができる。図１において別々の圧縮機として示されるが、圧縮システムにおける２つ以上の圧縮機は単一の圧縮ユニットの圧縮段の代わりであることができる。同等に、１つ以上の圧縮機は１つ以上のエキスパンダによって駆動され、関連付けられた圧縮機およびエキスパンダは、１つの本体内に配置され、かつ圧縮機エキスパンダ本体またはコンパンダと共に呼ばれ得る。

図１に示される先行技術の配置の欠点は、冷媒が、温かい、かつ中間の区分に冷却作用をおよそ同じ圧力で提供することである。これは、冷たい流れが温かい区分の上部で混合し、その結果、温および冷エキスパンダから同様の出力圧力をもたらすためである。先行技術の構成におけるこれらの出力圧力における任意の微細な違いは、冷および温区分にわたる熱交換器の冷側の圧力降下のためであり、各区分に対して典型的には約４５ｐｓｉａ（３ｂａｒａ）、好ましくは２５ｐｓｉａ（１．７ｂａｒａ）未満、およびより好ましくは１０ｐｓｉａ（０．７ｂａｒａ）未満である。この圧力低下は熱交換器の種類に基づいて変化する。それゆえに、先行技術の構成は、所望される冷媒温度に基づく冷流の圧力を調整する選択肢を提供しない。

図２は、図１に対する改善を提案する、第１の実施形態を示す。

原天然ガス供給流１００は、前処理システム１０１において選択的に前処理されて、水銀、水、酸性ガス、および重炭化水素などの不純物を除去し、前処理された天然ガス供給流１０２を生成し、前処理された天然ガス供給流１０２は予冷システム１０３において選択的に予冷されて、天然ガス供給流１０４を生成してもよい。

天然ガス供給流１０４は、分けられて、第１の天然ガス供給流１９４および第２の天然ガス供給流１９２を形成する。圧縮されたフラッシュガス流１９１は、結果として得られる第１の天然ガス流１９５（再循環されたフラッシュガスも含有する）が、以下にさらに説明されるように、予冷および液化される前に、第１の天然ガス供給流１９４と混合されることによって再循環される。代替的に、圧縮されたフラッシュガス流１９１が、その流れが分けられて第１および第２の天然ガス供給流を形成する前に、天然ガス供給流１０４と混合されることによって再循環されてもよい。第２の天然ガス供給流１９２は、天然ガス供給流１０４（再循環されたフラッシュガス流を無視する）の好ましくは約５モル％〜３０モル％、より好ましくは約１０モル％〜２０モル％である。その結果、第２の天然ガス供給流１９２の第１の天然ガス供給流１９４に対するモル流量の比率（再循環されたフラッシュガス流を無視する）は、好ましくは約０．０５〜０．４５、より好ましくは約０．１〜０．２５である。

第１の天然ガス供給流１９５は、第１の熱交換区分１９８Ａ内で冷却されて、予冷された第１の天然ガス流１０５を生成し、第１の熱交換区分１９８Ａからの予冷された第１の天然ガス流１０５は、次いで、第２の熱交換区分１９８Ｂ内でさらに冷却および液化されて、第１の液化された天然ガス流１０６を生成する。第２の熱交換区分１９８Ｂから取り出された第１の液化された天然ガス流１０６は、次いで、例えば、第１のＪ−Ｔ弁１０８のスロットル調整を介して、フラッシングされて、フラッシングされた第１の液化された天然ガス流１１０を生成する。

第１および第２の熱交換区分１９８Ａ、１９８Ｂは、コイル巻き区分、プレートフィン区分、シェルアンドチューブ区分、または当技術において知られた任意の他の適切なタイプの熱交換区分等の、任意のタイプの熱交換区分であり得る。しかしながら、好ましい実施形態において第１および第２の熱交換区分１９８Ａ、１９８Ｂは、各々コイル巻き熱交換区分である（第１の熱交換区分が第１の管束を備え、第２の熱交換区分が第２の管束を備える、図２に示される等の）。追加の熱交換区分が、存在してもよい。熱交換区分は、第１および第２の熱交換区分１９８Ａ、１９８Ｂがコイル巻きＭＣＨＥ１９８の単一外殻ケーシング内に収容される、図２に示される等のすべてが１つのケーシング内に配置されてもよく、第１の熱交換区分１９８Ａは、ＭＣＨＥ１９８の温区分（温管束）を表し、第２の熱交換区分１９８Ｂは、ＭＣＨＥ１９８の冷区分（冷管束）を表す。代替的に、第１および第２の熱交換区分１９８Ａ、１９８Ｂが別々のケーシング内に収容されてもよい。

第２の天然ガス供給流１９２は、フラッシュガス熱交換区分１２６内で冷却および液化されて、第２の液化された天然ガス流１９３を生成し、第２の液化された天然ガス流１９３は、例えば、第２のＪ−Ｔ弁２００のスロットル調整を介してフラッシングされて、フラッシングされた第２の液化された天然ガス流を生成し、フラッシングされた第２の液化された天然ガス流は、フラッシングされた第１の液化された天然ガス流１１０と混合されて、混合流１２２を生成する。混合流１２２は、気液分離装置（この場合においてエンドフラッシュドラム）１２０に送られる。エンドフラッシュドラム１２０から塔頂留出物として除去されたフラッシュガスは、フラッシュガス流１２５を形成し、フラッシュガス流１２５は、フラッシュガス熱交換区分１２６内で温められ、それによってフラッシュガス熱交換区分１２６に冷凍作用および冷却作用を提供する。フラッシュガス熱交換区分１２６を出る、温められたフラッシュガス流１２７は、フラッシュガス圧縮器１２８内で圧縮されて、圧縮されたフラッシュガス流１２９を生成し、フラッシュガス後段クーラー１９０内で大気または冷却水に対して冷却されて、圧縮されたフラッシュガス流を生成し、圧縮されたフラッシュガス流は、第１の天然ガス供給流１９４内に再循環される。フラッシュガス熱交換区分１２６は、コイル巻き区分、プレートフィン区分（図２に示されるような）またはシェルアンドチューブ区分等の、任意の適切な熱交換器タイプの熱交換区分であってもよい。１つよりも多いフラッシュガス熱交換区分がまた使用されてもよく、区分は、単一または別々のケーシング内に収容されてもよい。第２のＬＮＧ流１９３は、典型的には、約−１４０〜−１５０℃の温度で生成される（即ち、フラッシュガス熱交換区分１２６を出る）。

エンドフラッシュドラム１２０からの塔底液流は、ＬＮＧ製品流１２１として除去され、第１のＬＮＧ降圧弁１２３内で降圧されて（示されるように）、圧力が下げられたＬＮＧ製品流１２４を生成し、ＬＮＧ製品流１２４は、ＬＮＧ貯蔵タンク１１５に送られる。ＬＮＧ貯蔵タンク内で生成されたか、またはその中に存在する任意のボイルオフガス（またはさらなるフラッシュガス）は、ボイルオフガス（ＢＯＧ）流１１２としてタンクから除去され、ボイルオフガス（ＢＯＧ）流１１２は、プラント内で燃料として使用され得るか、もしくは燃やされ得るか、またはフラッシュガス流１２５と混合されて、その後、供給へ再利用され得る。

代替的な実施形態において、フラッシュガス熱交換区分１２６内で第２の天然ガス供給流を冷却する代わりに、例えば、第２の冷却された気体冷媒流等１６０の、別のタイプの流れが、フラッシュガス熱交換区分１２６の温側を通過させられ、その中で冷却されてもよい。さらに別に実施形態において、フラッシュガス熱交換区分１２６の温側は、熱交換器区分を通る複数の別々の通路を画定し得、例えば、第２の天然ガス供給流および冷媒流等の２つ以上の異なる流れが、フラッシュガス熱交換区分１２６の温側を別々に通過して、その中で冷却されることを可能にする。

上記のように、図２に示される実施形態においてＭＣＨＥ１９８は、単一外殻ケーシング内に収容される第１の熱交換区分（温区分／管束）１９８Ａおよび第２の熱交換区分（冷区分／管束）１９８Ｂを備えるコイル巻き熱交換ユニットである。図２のＭＣＨＥ１９８は、温区分１９８Ａの冷側を冷区分１９８Ｂの冷区分から分離するヘッド１１８をさらに備え、それによって冷区分１９８Ｂの冷側を通って流れる冷媒が温区分１９８Ａの冷側に流れ込むことを防止する。したがって、ヘッド１１８は、外殻側の圧力を含み、かつ温区分の冷側が冷区分の冷側とは異なる外殻側圧力であることを可能にする。しかしながら、上記のように、図２に示された実施形態の変形において、２つの別々の熱交換ユニットが使用されてもよく、第１の熱交換区分１９８Ａは、それ自体の外殻ケーシング内に収容され、第２の熱交換ユニット１９８Ｂは、別の別々の外殻ケーシング内に入れられ、それによってヘッド１１８の必要性を排除する。

冷凍作用は、閉ループ冷凍回路内を循環する冷媒によって第１および第２の熱交換区分１９８Ａおよび１９８Ｂに提供され、閉ループ回路は、熱交換区分１９８Ａ、１９８Ｂと、圧縮システム１３６（圧縮機／圧縮段１３７、１４１、１４７、１４９およびインタークーラー１３９、１４３）および後段クーラー１５６を備える圧縮トレインと、第１のターボエキスパンダ１６４と、第２のターボエキスパンダ１７２と、を含む。

第１の温められた気体冷媒流１３１は、第１の熱交換区分１９８Ａの冷側の温端から引き出される。第１の温められた気体冷媒流１３１は、ノックアウトドラム（図示せず）に送信されて、一時的な非設計動作中に流れの中に存在し得る任意の液体を除去し得る。第２の温められた気体冷媒流１７１は、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側の温端から取り出され、第２の温められた気体冷媒流１７１は、第１の温められた気体冷媒流１３１よりも低圧である。この実施形態において第２の温められた気体冷媒流１７１はまた、第１の温められた気体冷媒流よりも低低温であり、第２の温められた気体冷媒流の温度は、典型的には、約−４０℃〜−７０℃である。第２の温められた気体冷媒流１７１は同様に、別のノックアウトドラム１３２に送られて、一時的な非設計動作中に存在し得る任意の液体を除去し得、第２の温められた気体冷媒流は、塔頂流１３４としてノックアウトドラム１３２を出る。第１の温められた気体冷媒流１３１および第２の温められた気体冷媒流１３４は、次に圧縮システム１３６の異なる位置に導入され、第２の温められた気体冷媒流は、第１の温められた気体冷媒流よりも圧力の低い位置で圧縮システム内に導入される。

冷媒圧縮システム１３６では、第２の温められた気体冷媒流１３４は第１の圧縮機／圧縮段１３７において圧縮されて、第１の圧縮された冷媒流１３８を生成し、第１の圧縮された冷媒流１３８は第１のインタークーラー１３９において大気または冷却水に対して冷却されて、第１の冷却され圧縮された冷媒流１４０を生成する。第１の温められた気体冷媒流１３１は第１の冷却され圧縮された冷媒流１４０と混合されて、混合された中間圧力冷媒流１５１を生成し、混合された中間圧力冷媒流１５１は第２の圧縮機１４１においてさらに圧縮されて、第２の圧縮された冷媒流１４２を生成する。第２の圧縮された冷媒流１４２は第２のインタークーラー１４３において大気または冷却水に対して冷却されて、第２の冷却され圧縮された冷媒流１４４を生成し、第２の冷却され圧縮された冷媒流１４４は２つの部分、第１の部分１４５および第２の部分１４６に分けられる。第２の冷却され圧縮された冷媒流１４５の第１の部分は第３の圧縮機１４７において圧縮されて、第３の圧縮された流れ１４８を生成し、一方で、第２の冷却され圧縮された冷媒流１４６の第２の部分は第４の圧縮機１４９において圧縮されて、第４の圧縮された流れ１５０を生成する。第３の圧縮された流れ１４８および第４の圧縮された流れ１５０は混合されて、圧縮された冷媒流１５５を生成する。

圧縮された冷媒流１５５は、冷媒後段クーラー１５６において大気または冷却水に対して冷却されて、圧縮され冷却された気体冷媒流１５８を生成する。冷却され圧縮された気体冷媒流１５８は、次に２つの流れ、即ち第１の冷却された気体冷媒流１６２および第２の冷却された気体冷媒流１６０に分かれる。第２の冷却された気体冷媒流１６０は、第１の熱交換区分１９８Ａの温側における別々の通路を介して天然ガス供給流１９５が通過させられる通路へ、第１の熱交換区分１９８Ａの温側を通過し、第１の熱交換区分１９８Ａの温側において冷却されて、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８を生成する。第１の冷却された気体冷媒流１６２は第１のターボエキスパンダ１６４（本明細書では温エキスパンダと呼ばれる）において膨張され第１の圧力へ圧力を下げられて、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６を第１の温度および第１の圧力で生成し、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、第１のターボエキスパンダを出るときに０．８より大きい、好ましくは０．８５より大きい蒸気率を有する、少なくとも主に気体である。第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、第１の熱交換区分１９８Ａを通過し、そこで温められて、第１の天然ガス供給流１９５を予冷し、かつ第２の冷却された気体冷媒流１６０を冷却するための冷凍および冷却作用を提供して、予冷された第１の天然ガス流１０５およびさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８をそれぞれ生成し、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、温められて、第１の温められた気体冷媒流１３１を形成する。予冷された第１の天然ガス流１０５およびさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８は、約−２５℃〜−７０℃、好ましくは約−３５℃〜−５５℃の温度の温度で生成される。

第２の冷却された気体冷媒流１６８は、第２のターボエキスパンダ（本明細書では冷エキスパンダとも呼ばれる）１７２において膨張され第２の圧力まで下げられて、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４を第２の温度および第２の圧力で生成し、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４は、第２のターボエキスパンダを出るときに、０．８より大きい、好ましくは０．８５より大きい蒸気率を有する、少なくとも主に気体である。第２の温度および第２の圧力は、それぞれ、第１の温度および第１の圧力よりも各々低い。第２の膨張した冷たい冷媒流１７４は、第２の熱交換区分１９８Ｂを通過し、そこで温められて、予冷された第１の天然ガス供給流１０５を液化するための冷凍および冷却作用を提供して、第１の液化された天然ガス冷媒流１０６を生成し、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４は、温められて、第２の温められた気体冷媒流１７１を形成する。第１の液化された天然ガス流１０６は、典型的には、約−１００℃〜約−１４５℃の温度、より好ましくは約−１１０℃〜約−１４５℃の温度で生成される。

第２の冷却された気体冷媒流１６０は、冷却され圧縮された気体冷媒流１５８の約３５モル％〜８０モル％、および冷却され圧縮された気体冷媒流１５８の好ましくは約５０モル％〜７０モル％である。

上記のように、第２の圧力（第２の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力）は、第１の圧力（第１の膨張した冷たい冷媒流１６６の圧力）よりも低い。好ましい実施形態では、第１の圧力の第２の圧力に対する圧力比は、１．５：１〜２．５：１である。好ましい実施形態では、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６の圧力は、約１０ｂａｒａ〜４０ｂａｒａであり、一方で第２の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力は、約５ｂａｒａ〜２５ｂａｒａである。対応して、第２の温められた気体冷媒流１７３は、約５ｂａｒａ〜２５ｂａｒａの圧力を有し、一方で第１の温められた気体冷媒流１３１は、約１０ｂａｒａ〜４０ｂａｒａの圧力を有する。

第３の圧縮機１４７は、温エキスパンダ１６４によって生成された力によって少なくとも部分的に駆動されてもよく、一方で、第４の圧縮機１４９は、冷エキスパンダ１７２によって生成された力によって少なくとも部分的に駆動されてもよく、またはその逆でもよい。代替的に、圧縮システムにおける他の圧縮機のうちのいずれかは温エキスパンダおよび／または冷エキスパンダによって少なくとも部分的に駆動されることができる。圧縮機およびエキスパンダユニットは、１つのケーシングに配置されてもよく、圧縮機−エキスパンダアセンブリまたはコンパンダと呼ばれる。必要な任意の追加の力が、電気モータまたはガスタービン等の外部ドライバを使用して提供されてもよい。コンパンダを使用することは回転機器のプロット空間を下げ、全体的な効率を改善する。

図２に示される冷媒圧縮システム１３６は例示の配置であり、圧縮システムおよび圧縮機のいくつかの変形が可能である。例えば、図２では別々の圧縮機として示されるが、圧縮システムにおける２つ以上の圧縮機が単一の圧縮ユニットの圧縮段の代わりになることができる。同等に、示される各圧縮機は１つ以上のケーシングにおける多数の圧縮段を含んでもよい。多数のインタークーラーおよび後段クーラーが存在してもよい。各圧縮段は１つ以上のインペラおよび関連するディフューザを含んでもよい。追加の圧縮機／圧縮段が示される圧縮機のうちのいずれかと直列に、または並列に含まれることができ、および／または１つ以上の示される圧縮機は省略されることができる。第１の圧縮機１３７、第２の圧縮機１４１、および他の圧縮機のうちのいずれかは、電気モータ、工業ガスタービン、航空転用ガスタービン、蒸気タービンなどの任意の種類のドライバによって駆動されてもよい。圧縮機は、遠心性、軸流、容積式などの任意の種類であってもよい。

好ましい実施形態では、第１の圧縮機１３７および第２の圧縮機１４１が単一の多段の圧縮機であるように、第１の温められた気体冷媒流１３１は多段圧縮機における側流として導入されてもよい。

別の実施形態（図示せず）では、第１の温められた気体冷媒流１３１および第２の温められた気体冷媒流１７１は、別々の圧縮機において並列で圧縮されてもよく、圧縮された流れは組み合わせられて第２の圧縮された冷媒流１４２を生成してもよい。

冷凍回路を循環する冷媒は、メタンを含む冷媒である。冷媒はまた、窒素、または第１および第２のターボエキスパンダのそれぞれの出口で少なくとも主に気体である第１および第２の膨張した冷たい冷媒流に影響を与えない程度の、当技術で知られており、使用されている任意の他の適切な冷媒成分を備えてもよい。冷却され圧縮された冷媒流１５８の好ましい成分は、外部冷媒が必要とされないように、天然供給ガスまたはフラッシュガスから得られ得る、少なくとも約８５％モル％、より好ましくは約９０モル％、より好ましくは約９５モル％、最も好ましくは約１００モル％のメタンである流れである。冷却され圧縮された冷媒流１５８の別の好ましい成分は、約２５モル％〜６５モル％、より好ましくは約３０モル％〜６０モル％の窒素を含む、および約３０モル％〜８０モル％、より好ましくは約４０モル％〜７０モル％のメタンを含む、窒素メタン混合物である。

先行技術を超える、図２に示される実施形態の重要な利点は、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６および第２の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力が著しく異なることである。これは、プロセスの液化および予冷部分に対して、異なる圧力で冷却することの提供を可能にする。より低い冷媒圧力は、液化部分に好ましく、より高い冷媒圧力は、予冷部分に好ましい。温および冷エキスパンダ圧力が著しく異なることを可能にすることによって、プロセスは、より高い全体的な効率をもたらす。その結果、温エキスパンダ１６４は、主に予冷作用を提供するために使用され、一方で冷エキスパンダ１７２は、主に液化作用を提供するために使用される。さらに互いに隔離されている冷側を有する第１の熱交換区分（予冷区分）１９８Ａおよび第２の熱交換区分（液化区分）１９８Ｂに対してコイル巻き熱交換区分を使用することによって、コイル巻き熱交換区分は、異なる圧力を使用することにかかわらず、天然ガスを予冷および液化するために依然として使用されて、予冷および液化のための冷却作用を提供し得る。これはまた、次いで、コイル巻き熱交換区分を使用して得られるさらなる利点（即ち、小型および高効率）を可能にする。第２の温められた気体冷媒流（液化区分の冷側を出る、温められた冷媒）１７１が第１の温められた気体冷媒流（予冷区分の冷側を出る、温められた冷媒）１３１よりも低い圧力であるとき、第２の温められた気体冷媒流１７１は、圧縮トレインのより低い圧力位置、例えば、冷媒圧縮システム１３６の最も低い圧力の入口等に送られ、一方で第１の温められた気体冷媒流１３１は、圧縮トレインのより高い圧力位置に、例えば、冷媒圧縮システム１３６内への側流として、送られる。このような配置の重要な利点は、先行技術のプロセスよりも高いプロセス効率を有する小型システムをもたらすことである。さらに予冷および液化プロセスをより効率的に行うことによって、結果として、より小さいフラッシュガス熱交換区分１２６を使用することも可能であり得（液化熱交換区分１９８Ｂからの液化された天然ガス流がフラッシングされてより低温のＬＮＧ製品を生成するときに生成されるより少ないフラッシュガスに起因して）、それによって全体的な資本コストを低下させることも可能であり得る。

この実施形態において、第２の温められた気体冷媒流１７１は、「冷圧縮」されるか、またはより低い温度で圧縮される。これにもかかわらず、配置は依然として、同一設備数の先行技術と比較してより高いプロセス効率を結果としてもたらす（上記のように）。

図３は、図２の変形かつ第２の実施形態を示す。この実施形態においてＭＣＨＥ１９８は、予冷された第１の天然ガス供給流が液化される、第２の熱交換区分１９８Ｂ（図１および２のＭＣＨＥの冷区分と等価）のみを備える。第２の温区分１９８Ａも含有するＭＣＨＥ１９８の代わりに、本実施形態では、第１の天然ガス供給流が予冷される第１の熱交換区分１９７は、別のユニットに配置され、かつ、熱交換区分を通る複数の別々の通路を画定し、１つ以上の冷媒流が混合せずにその区分の冷側を別々に通過することを可能にする冷側を有する、プレートフィン熱交換区分（図示されるような）または、当技術において知られた任意の他の好適な種類の熱交換区分である。第１の熱交換区分１９７の入口および出口は、温端、冷端、および／または区分の任意の中間位置に配置されてもよい。

前述の実施形態におけるように、第１の天然ガス流１９５（再循環されたフラッシュガスも含有する）は、第１の熱交換区分１９７の温側を通過し、そこで冷却されて、予冷された第１の天然ガス流１０５を生成し、予冷された第１の天然ガス流１０５は、次いで、第２の熱交換区分１９８Ｂの温側を通過し、そこでさらに冷却および液化されて、第１の液化された天然ガス流１０６を生成する。

また前述の実施形態におけるように、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４は、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側を通過させられ、そこで温められて、予冷された第１の冷却された天然ガス供給流１０５を液化するための冷凍および冷却作用を提供して、第１の液化された天然ガス流１０６を生成する。しかしながら、本実施形態において結果として得られる、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側を出る、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流１７１は、圧縮システム１３６に送られて、そこで圧縮される第２の温められた気体冷媒流を即座に形成しない。

むしろ、本実施形態において結果として得られる、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側の温端から取り出される温められた第２の膨張した冷たい冷媒１７１は、次に、第１の熱交換区分１９７の冷側を通過し、そこでさらに温められて、第１の天然ガス供給流１０４を予冷し、かつ第２の冷却された気体冷媒流１６０を冷却するための冷凍および冷却作用を提供する。結果として得られる、さらに温められた第２の膨張した冷たい冷媒流は、第１の熱交換区分１９７の冷側で取り出され、次いで、第２の温められた気体冷媒流１７３を形成する。前述のように、第２の温められた気体冷媒流１７３は、次いで、ノックアウトドラム１３２に送られて、第２の温められた気体冷媒流（塔頂流１３４としてノックアウトドラムを出る）が冷媒圧縮システム１３６に送られ、そこで圧縮される前に、存在し得るあらゆる液体をたたき出し得る。

第１の膨張した冷たい冷媒流１６６はまた、第１の熱交換区分１９７の冷側を通過し、そこでも温められて、第１の天然ガス供給流１０４を予冷し、かつ第２の冷却された気体冷媒流１６０を冷却するための冷凍および冷却作用を提供する。しかしながら、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、第２の膨張した冷たい冷媒流１７１が通過する冷側内の通路から、第１の熱交換区分１９７の冷側内の別々の通路を通過し、それにより、２つの流れが熱交換区分の冷側で混合されない。結果として得られる、第１の熱交換区分１９７の冷側を出る、温められた第１の膨張した冷たい冷媒は、前述のように、第１の温められた気体冷媒流１３１を形成し、第１の温められた気体冷媒流１３１は、次いで、前述のように冷媒圧縮システム１３６に送られ、そこで圧縮される。

先行技術を超える、図３に示される実施形態の重要な利点は、繰り返すが、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６および第２の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力が著しく異なることであり、これは、プロセスの液化および予冷部分に対して、異なる圧力で冷却することの提供を可能にし、それによってより高い全体的な効率をもたらす。図２に示される実施形態におけるように、コイル巻き熱交換区分は依然として、第２の熱交換区分（液化区分）１９８Ｂに使用されることができ、それによって小型および効率の点でさらなる利点を提供する。しかしながら、図２に示される実施形態と比較して、本実施形態において第１の熱交換区分（予冷区分）１９７は、区間を通る複数の別々の通路を画定する冷側を有して使用され、それによって第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側を出る第２の膨張した冷たい冷媒流１７１が、第１の熱交換区分１９７の冷側内でさらに温められることを可能にする。これは、図２に示される実施形態と比較して、本実施形態においてさらなる冷凍作用が第２の膨張した冷たい冷媒流１７１から回収され得ることを意味し、結果として得られる、第２の温められた気体冷媒流１７３は、冷圧縮される必要がなく、これは、さらに良く改善されるプロセスの効率をもたらす。

図４は、第３の実施形態かつ図２の別の変形を示す。図２に示される配置と比較して、本実施形態において結果として得られる、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側を出る、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流１７１は、圧縮システム１３６に送られて、その中で圧縮される第２の温められた気体冷媒流を即座に形成せず、したがって冷圧縮されない。その代わりに、本実施形態において冷凍回路は、第３の熱交換区分１９６をさらに備え、さらなる冷凍作用が、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流１７１から、その流れを第３の熱交換区分１９６の冷側に通過させ、そこでその流れをさらに温めることによって抽出されて、第２の温められた気体冷媒流１７３を生成し、第２の温められた気体冷媒流１７３は、次いで、前述のように圧縮システム１３６に送られる（任意にノックアウトドラムを介して）。第３の熱交換区分１９６は、例えば、コイル巻き区分、プレートフィン区分（図２に示されるような）またはシェルアンドチューブ区分等の、任意の適切な熱交換器タイプの熱交換区分であり得る。

図４に示される配置において、第３の熱交換区分１９６内の温められた第２の膨張した冷たい冷媒流１７１から抽出されたさらなる冷凍作用は、第２の冷却された気体冷媒流１６０の一部分１０７を予冷するための冷却作用を提供するために使用される。より具体的には、第２の冷却された気体冷媒流１６０は、２つの部分、即ち第１の部分１６１および第２の部分１０７に分けられる。第１の部分は、第１の熱交換区分１９８Ａの温側を通過し、そこで冷却されて、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８の第１の部分を生成し、第１の熱交換区分１９８Ａにおける冷凍および冷却作用は、第１の熱交換区分１９８Ａの温側内で温められる第１の膨張した冷たい冷媒流１６６によって提供されて、前述のように、第１の温められた気体冷媒流１３１を生成する。

第２の冷却された気体冷媒流の区分部分１０７は、第３の熱交換区分１９６の温側を通過し、そこで冷却されて、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１１１の第２の部分１１１を生成し、第２の部分１１１は、次いで、第１の部分１６８と組み合わせられて、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を提供し、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流は、次いで、第２のターボエキスパンダ１７２内で膨張されて、前述のように、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４を提供する。好ましい実施形態では、第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７は、第２の冷却された気体冷媒流１６０の約５０モル％〜９５モル％である。

代替的な実施形態では、第２の冷却された気体冷媒流の部分１０７を冷却するために使用される代わりに、第３の熱交換区分１９６が、天然ガス流を冷却するために代わりに使用されてもよい。例えば、第１の天然ガス供給流１９５は、２つの流れに分割され得、第１の流れは、前述のように第１の熱交換区分１９８Ａの温側を通過させられ、そこで冷却され、第２の流れは、第３の熱交換区分１９６の温側を通過させられ、そこで冷却され、第１および第３の熱交換区分を出る、予冷された天然ガス流は、再度組み合わせられ、かつ混合されて、予冷された第１の天然ガス流１０５を形成し、予冷された第１の天然ガス流１０５は、次いで、前述のように第２の熱交換区分１９８Ｂ内でさらに冷却され液化される。さらに別の変形では、第３の熱交換区分は、区分を通る１つよりも多い別々の通路を画定する温側を有することができ、かつ第２の冷却された気体冷媒流の一部分１０７および天然ガス流の両方を冷却するために使用されることができる。

図４に示される実施形態は、先行技術より高いプロセス効率を含む、図３に示される実施形態のすべての利益を有する。加えて、１つのみの冷媒流（第１の膨張した冷たい冷媒流１６６）が第１の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過するため、コイル巻き熱交換区分は、この区分に対して使用され得る。しかしながら、この配置は、第３の熱交換区分１９６の形態での追加の機器の使用を必要とする。

図５は、第４の実施形態かつ図４の変形を示す。この実施形態において第１の熱交換区分１９８Ａおよび第２の熱交換区分１９８Ｂは、繰り返すが、好ましくは、本実施形態においてＭＣＨＥ１９８の同一共有外殻ケーシング内に収容されているコイル巻き熱交換区分であり、第１の熱交換区分１９８Ａは、例えば、ＭＣＨＥの温区分（管束）を表し、第２の熱交換区分１９８Ｂは、例えば、ＭＣＨＥの冷区分（管束）を表す。しかしながら、本実施形態においてＭＣＨＥ１９８は、第１の熱交換区分１９８Ａの冷側（外殻側）を第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側（外殻側）から分離するヘッド１１８を、もはや含まず、かつ第１の熱交換区分１９８Ａに対する冷凍作用は、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６によって、もはや提供されない。代わりに、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側（外殻側）の温端を出る、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流は、第１の熱交換区分１９８Ａの冷側（外殻側）に流れ込み、そこを通過し、かつそこでさらに温められて、第１の熱交換区分１９８Ａ内の冷却作用を提供し、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流は、その区分１９８Ａ内でさらに温められて、第２の温められた気体冷媒流１７３を生成し、第２の温められた気体冷媒流１７３は、次いで、前述のように、圧縮システム１３６に送られる（任意にノックアウトドラムを介して）。

同様に、図５に示される実施形態において、第３の熱交換区分１９６のための冷凍作用は、第２の熱交換区分１９８Ｂの冷側（外殻側）の温端を出る、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流によって、もはや提供されない。代わりに、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、第３の熱交換区分１９６の冷側を通過し、そこで温められて、第３の熱交換区分１９６内の冷却作用を提供し、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、その区分１９６内で温められて、第１の温められた気体冷媒流１３１を生成し、第１の温められた気体冷媒流１３１は、次いで、前述のように、冷媒圧縮システム１３６に送られ、そこで圧縮される。

図５による好ましい実施形態において、第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７は、第２の冷却された気体冷媒流１６０の約２０モル％〜６０モル％である。

代替的に、かつ図４に関して上記でも説明されるように、図５に示される実施形態の変形では、第３の熱交換区分１９６は、第２の冷却された気体冷媒流の一部分１０７を冷却するために使用される代わりに、天然ガス供給流を冷却するために使用されてもよい。さらに別の変形では（繰り返すが、図４に関連して上述したように）、第３の熱交換区分１９６は、その区分を通る１つよりも多い別々の通路を画定する温側を有することができ、かつ第２の冷却された気体冷媒流の一部分１０７および天然ガス流の両方を冷却するために使用されることができる。

図５に示される実施形態は、先行技術より高いプロセス効率を含む、図３に示される実施形態のすべての利益を有する。加えて、１つのみの冷媒流（温められた第２の膨張した冷たい冷媒流）が第１の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過するため、コイル巻き熱交換区分は、この区分に対して使用され得る。しかしながら、この配置は、第３の熱交換区分１９６の形態での追加の機器の使用を必要とする。図４に示される実施形態と比較して、図５の実施形態は、ヘッド１１８が必要とされず、かつ第２の熱交換区分１９８Ｂの温端におけるＭＣＨＥ１９８の外殻側からいかなる冷媒流も抽出される必要がないため、より単純であり、より単純な熱交換器設計を結果としてもたらす。

図２〜５は、循環冷媒の２段階の膨張（第１および第２のターボエキスパンダを介して）、および第１の液化された天然ガス流１０６をフラッシングするための１つのフラッシュ段（Ｊ−Ｔ弁１０８およびエンドフラッシュドラム１２０）を示すが、さらなる段階の膨張が、追加のターボエキスパンダを付加することによって利用されてもよく、および／または追加のフラッシュ段が、ＬＮＧ流１２４をさらに降圧させ、かつさらに低下した圧力段階で１つ以上の追加のフラッシュガス流を生成することによって利用されてもよい（結果として得られる追加のフラッシュガス流は、既存のフラッシュガス熱交換区分および／または１つ以上の追加のフラッシュガス熱交換区分内で温められる）。追加のフラッシュ段階は、増加した資本コストおよび複雑性においてプロセス効率を向上する。

図２〜５は、閉ループ冷凍システムの使用を示したが、開ループシステムもまた使用されてもよく、冷凍作用は、供給天然ガスまたはフラッシュガスから得られる。

本明細書で提示される上記で説明された実施形態では、天然ガスを液化する、かつ予冷するための冷却作用のすべてが、天然ガス供給流の形態で現場において入手可能である、メタンを含む冷媒によって提供されるため、外部の冷媒に対する必要性は最小限にされることができる。効率をさらに向上するために冷媒内に存在するいくつかの窒素も有することが所望される環境において、かかる窒素は、天然ガス供給流内に既に存在し得、したがって天然ガス供給流から現場で入手可能であり得る、および／または空気から現場で生成され得る。

効率をさらに高めるために、上記で説明された冷凍サイクルは、異なる圧力で冷媒の複数の冷流も利用し、第１のターボエキスパンダによって生成される第１の冷たい気体（または主に気体）冷媒流は、天然ガスを予冷するための冷却作用を提供するために使用され、第２のターボエキスパンダによって生成される第２の冷たい気体（または主に気体）冷媒流は、天然ガスを液化するための冷凍作用を提供するために使用される。結果として得られる、液化された天然ガスは、次いで、要求温度のＬＮＧ製品、および天然ガス供給内に再循環されるフラッシュガスを生成するために、少なくとも１つの圧力低下装置および少なくとも１つの気液分離装置（好ましくは、ＬＮＧ製品を現場に一時的に貯蔵するために使用される任意の最終ＬＮＧ貯蔵タンクに加えて）を備えるエンドフラッシュシステム内でフラッシングされる。この配置はまた、冷媒の二相流を最小化または排除し、かつ二相冷媒の分離の必要性を回避する。

本明細書で提示されるすべての実施形態では、熱交換区分からの入口および出口の流れは、冷却または過熱プロセスを途中まで通って取り出された側流であってもよい。例えば、図３において、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流１７１および／または第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、第１の熱交換区分１９７内の側流であってもよい。さらに、本明細書で提示されるすべての実施形態において、任意の数の気相膨張段が利用されてもよい。

本明細書で説明された液化システムのいずれかおよびすべての成分は、従来技術によって、または追加の製造を介して製造されてもよい。

例１

この例では、図３において説明され、示される天然ガス供給流を液化する方法が想定された。結果は表１に示され、図３の参照符号が使用される。

本例において、圧縮および冷却された気体冷媒流１５８は、メタンである。第１の膨張した冷たい冷媒流１６６の圧力は、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力よりも高い。比較して、図１に示される先行技術の配置に対して、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６、第２の膨張した冷たい冷媒流１７４は、約１９ｂａｒａ（２７９ｐｓｉａ）の同様の圧力である。図３の実施形態におけるこの圧力の違いは、図１（従来技術）の効率と比べて、約５％だけ図３の実施形態のプロセス効率を上げ、両方の場合で冷媒として純粋なメタンを使用している。

本例は、図４および図５の実施形態に適用可能である。図４の実施形態を参照すると、第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７は、第２の冷却された気体冷媒流１６０の約８５％である。図５の実施形態を参照すると、第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７は、第２の冷却された気体冷媒流１６０の約５０％である。

本発明は好ましい実施形態を参照して上記で説明された詳細に限定されないが、数々の変更および変形が、下記の特許請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲から逸脱せずに行われ得ることが理解されるであろう。

Claims (18)

1. 天然ガス供給流を液化してＬＮＧ製品を生成する方法であって、前記方法は、
   （ａ）第１の天然ガス供給流を予冷および液化するように、複数の熱交換区分のいくつかまたはすべての温側に前記第１の天然ガス供給流を通過させ、かつ複数の熱交換区分のいくつかまたはすべての前記温側において前記第１の天然ガス供給流を冷却することであって、前記複数の熱交換区分が、天然ガス流が予冷される第１の熱交換区分と、前記第１の熱交換区分からの前記予冷された天然ガス流が液化されて、第１の液化天然ガス流を形成する第２の熱交換区分と、を備える、冷却することと、
   （ｂ）前記第２の熱交換区分から取り出された前記第１の液化天然ガス流をフラッシングして、フラッシュガスおよびＬＮＧ製品を形成し、フラッシュガス流およびＬＮＧ製品流を形成するために前記ＬＮＧ製品から前記フラッシュガスを分離することと、
   （ｃ）前記フラッシュガス流を圧縮し、前記圧縮されたフラッシュガスを前記第１の天然ガス供給流内に再循環させることと、
   （ｄ）メタンを含む冷媒を、前記複数の熱交換区分と、複数の圧縮機および／または圧縮段ならびに１つ以上のインタークーラーおよび／または後段クーラーを備える圧縮トレインと、第１のターボエキスパンダおよび第２のターボエキスパンダと、を備える冷凍回路において循環させることと、を含み、前記冷媒の循環が、前記複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって前記第１の天然ガス供給流を予冷および液化するための冷却作用を提供し、前記冷凍回路において前記冷媒を循環させることが、
   （ｉ）前記圧縮され冷却された気体冷媒流を分けて第１の冷却された気体冷媒流と、第２の冷却された気体冷媒流とを形成するステップと、
   （ｉｉ）前記第１のターボエキスパンダにおいて前記第１の冷却された気体冷媒流を第１の圧力に下げて膨張させて、前記第１のターボエキスパンダを出るときに液体を含まない、または液体を実質的に含まない、気体流または主に気体流である第１の膨張した冷たい冷媒流を、第１の温度および前記第１の圧力で形成するステップと、
   （ｉｉｉ）前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記温側に前記第２の冷却された気体冷媒流を通過させ、かつ前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記温側において前記第２の冷却された気体冷媒流を冷却して、前記第２の冷却された気体冷媒流をさらに冷却するステップと、
   （ｉｖ）前記第２のターボエキスパンダにおいて前記さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を第２の圧力に下げて膨張させて、第２の膨張した冷たい冷媒流を第２の温度および前記第２の圧力で形成するステップであって、前記第２の膨張した冷たい冷媒流が、前記第２のターボエキスパンダを出るときに、液体を含まない、または液体を実質的に含まない、気体流または主に気体流であり、前記第２の圧力が、前記第１の圧力より低く、前記第２の温度が、前記第１の温度より低い、ステップと、
   （ｖ）少なくとも前記第１の熱交換区分、および／または前記第２の冷たい気体冷媒流のすべてまたは一部が冷却される熱交換区分を備える、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側に前記第１の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側において前記第１の膨張した冷たい冷媒流を温めて、少なくとも前記第２の熱交換区分を備える、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側に前記第２の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側において前記第２の膨張した冷たい冷媒流を温めるステップであって、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流が、分離されたままにされ、前記複数の熱交換区分のうちのいずれの前記冷側においても混合されず、前記第１の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、第１の温められた気体冷媒流を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、第２の温められた気体冷媒流を形成する、ステップと、
   （ｖｉ）前記第１の温められた気体冷媒流および前記第２の温められた気体冷媒流を前記圧縮トレイン内へ導入し、それによって、前記第２の温められた気体冷媒流が、前記圧縮トレインの前記第１の温められた気体冷媒流とは異なる、より低い圧力位置で圧縮トレイン内に導入され、前記第１の温められた気体冷媒流と前記第２の温められた気体冷媒流とを圧縮し、冷却し、合わせて、ステップ（ｉ）で分けられる前記圧縮され冷却された気体冷媒流を形成するステップと、を含む、方法。
   
2. 前記冷媒は、少なくとも８５モル％のメタンを含む、請求項１に記載の方法。
   
3. 前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第１のターボエキスパンダを出るときに０．８以上の蒸気率を有し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、前記第２のターボエキスパンダを出るときに０．８以上の蒸気率を有する、請求項１に記載の方法。
   
4. 前記第１の圧力と前記第２の圧力との圧力の割合は、１．５：１〜２．５：１である、請求項１に記載の方法。
   
5. 前記第１の液化された天然ガス流は、−１００〜−１４５℃の温度で前記第２の熱交換器から取り出される、請求項１に記載の方法。
   
6. 前記第１の液化された天然ガス流は、−１１０〜−１４５℃の温度で前記第２の熱交換器から取り出される、請求項１に記載の方法。
   
7. 前記冷凍回路は、閉ループ冷凍回路である、請求項１に記載の方法。
   
8. 前記方法は、前記フラッシュガス流を通過させ、かつ前記フラッシュガス流をフラッシュガス熱交換区分の前記冷側において温めることによって、前記フラッシュガス流を圧縮する前に前記フラッシュガス流から冷気を回収し、前記圧縮されたフラッシュガスを再循環させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
   
9. 前記フラッシュガス熱交換区分は、前記冷媒の循環による冷凍作用を提供される前記冷凍回路の前記複数の熱交換区分のうちの１つではない、請求項８に記載の方法。
   
10. 前記方法は、
    （ｅ）前記フラッシュガス熱交換区分の前記温側において第２の天然ガス供給流を通過させ、前記第２の天然ガス流を冷却および液化して、第２の液化された天然ガス流を形成することと、
    （ｆ）前記フラッシュガス熱交換区分から取り出された前記第２の液化された天然ガス流をフラッシングして、追加のフラッシュガスおよび追加のＬＮＧ製品を形成し、前記追加のＬＮＧ製品から前記追加のフラッシュガスを分離して、前記フラッシュガス流のための追加のフラッシュガスおよび前記ＬＮＧ製品流のための追加のＬＮＧ製品を提供することと、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
    
11. ステップ（ｂ）および（ｆ）における前記ＬＮＧ製品および追加のＬＮＧ製品からの前記フラッシュガスおよび追加のフラッシュガスの前記分離は、前記フラッシングされた第１の液化された天然ガス流およびフラッシングされた第２の液化された天然ガス流を、前記流れが蒸気塔頂留出物および液体塔底液に共に分離される気液分離装置内に導入することによって起こり、前記蒸気塔頂留出物が取り出されて、前記フラッシュガス流を形成し、前記液体塔底液が取り出されて、前記ＬＮＧ製品流を形成する、請求項１０に記載の方法。
    
12. 前記第２の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束を備えるコイル巻き熱交換区分である、請求項１に記載の方法。
    
13. 前記第１の熱交換区分は、前記熱交換区分を通る複数の分離した通路を画定する冷側を有し、前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第１の熱交換区分を通る前記通路のうちの少なくとも１つを通過し、前記通路のうちの少なくとも１つにおいて温められて、前記第１の温められた気体冷媒流を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記第２の熱交換区分の前記冷側において温められ、次いで、前記第１の熱交換区分を通る前記通路のうちの他の少なくとも１つ以上を通過し、前記通路のうちの他の少なくとも１つ以上においてさらに温められて、前記第２の温められた気体冷媒流を形成する、請求項１に記載の方法。
    
14. 前記第１の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束を備えるコイル巻き熱交換区分であり、前記複数の熱交換区分は、天然ガス流が予冷される、および／または前記第２の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部が冷却される、第３の熱交換区分をさらに備え、前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第１および第３の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第１および第３の熱交換区分のうちの一方の前記冷側において温められて、前記第１の温められた気体冷媒流を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記第２の熱交換区分の前記冷側において温められて、次いで、前記第３および第１の熱交換区分のうちの他方の前記冷側を通過し、前記第３および第１の熱交換区分のうちの他方の前記冷側においてさらに温められて前記第２の温められた気体冷媒流を形成する、請求項１に記載の方法。
    
15. 天然ガス供給流を液化してＬＮＧ製品を生成するシステムであって、前記システムは、
    （ａ）複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって第１の天然ガス供給流を予冷および液化するための冷却作用を提供する冷媒の循環のための冷凍回路であって、前記冷凍回路が、
    前記複数の熱交換区分であって、前記熱交換区分の各々が、温側と、冷側とを有し、前記複数の熱交換区分が、第１の熱交換区分と、第２の熱交換区分と、を備え、前記第１の熱交換器の前記温側が、天然ガス流を受け、かつ予冷するための前記第１の熱交換器の前記温側を通る少なくとも１つの通路を画定し、前記第２の熱交換区分の前記温側が、前記第１の熱交換区分からの予冷された天然ガス流を受け、かつ液化して、第１の液化された天然ガス流を形成するための、前記第２の熱交換区分の前記温側を通る少なくとも１つの通路を画定し、前記複数の熱交換区分の各々の前記冷側が、前記循環する冷媒の膨張流を受け、かつ温めるための前記複数の熱交換区分の各々の前記冷側を通る少なくとも１つの通路を画定する、複数の熱交換区分と、
    前記循環する冷媒を圧縮し、かつ冷却するための複数の圧縮機および／または圧縮ステージならびに１つ以上のインタークーラーおよび／または後段クーラーを備える圧縮トレインであって、前記冷凍回路は、前記圧縮トレインは、前記複数の熱交換区分から第１の温められた気体冷媒流および第２の温められた気体冷媒流を受けるように構成され、前記第２の温められた気体冷媒流は、前記圧縮トレインの、前記第１の温められた気体冷媒流とは異なる、より低い圧力位置で受けられ、前記圧力位置に導入され、前記圧縮トレインは、前記第１の温められた気体冷媒流および前記第２の温められた気体冷媒流を圧縮し、冷却し、合わせて、圧縮され冷却された前記冷媒の気体流を形成するように構成されている、圧縮トレインと、
    第１の冷却された気体冷媒流を受け、かつ第１の圧力に下げて膨張させて、第１の温度および前記第１の圧力で第１の膨張した冷たい冷媒流を形成するように構成された第１のターボエキスパンダと、
    さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を受け、かつ第２の圧力に下げて膨張させて、第２の温度および前記第２の圧力で第２の膨張した冷たい冷媒流を形成するように構成され、前記第２の圧力が、前記第１の圧力よりも低く、前記第２の温度が、前記第１の温度よりも低い、第２のターボエキスパンダと、を備え、
    前記冷凍回路が、
    前記圧縮トレインからの、前記冷媒の前記圧縮され、冷却された気体流を分けて前記第１の冷却された気体冷媒流および第２の冷却された気体冷媒流を形成し、
    前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記温側に前記第２の冷却された気体冷媒流を通過させ、かつ前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記温側において前記第２の冷却された気体冷媒流を冷却して、さらに冷却された前記第２の冷却された気体冷媒流を形成し、
    少なくとも前記第１の熱交換区分、および／または前記第２の冷たい気体冷媒流のすべてまたは一部が冷却される熱交換区分を備える、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側に前記第１の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側において前記第１の膨張した冷たい冷媒流を温めて、少なくとも前記第２の熱交換区分を備える前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側に前記第２の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、かつ前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側において前記第２の膨張した冷たい冷媒流を温めるステップであって、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流が、分離されたままにされ、前記複数の熱交換区分のうちのいずれの前記冷側においても混合されず、前記第１の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、前記第１の温められた気体冷媒流を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流が、温められて、前記第２の温められた気体冷媒流を形成するように構成されている、冷凍回路と、
    （ｂ）前記第１の液化された天然ガス流を前記複数の熱交換区分のうちの前記第２の熱交換区分から受け、かつ前記第１の液化された天然ガス流をフラッシングして、フラッシュガスおよびＬＮＧ製品を形成するように構成された、圧力低下装置と、
    （ｃ）前記フラッシュガスを前記ＬＮＧ製品から分離して、フラッシュガス流およびＬＮＧ製品流を形成するように構成された、気液分離装置と、
    （ｄ）前記フラッシュガス流を受け、かつ圧縮し、前記圧縮されたフラッシュガスを前記第１の天然ガス供給流内に再循環させるためのフラッシュガス圧縮機と、を備える、システム。
    
16. 前記システムは、
    （ｅ）前記フラッシュガス流が前記フラッシュガス圧縮機によって受けられ、かつ圧縮される前に、冷気を前記フラッシュガス流から回収するためのフラッシュガス熱交換区分をさらに備え、前記フラッシュガス熱交換区分が、温側および冷側を有し、前記冷側が、前記フラッシュガス流を受けて温めるための前記冷側を通る１つ以上の通路を画定している、請求項１５に記載のシステム。
    
17. 前記フラッシュガス熱交換区分の前記温側は、第２の天然ガス供給流を受け、冷却し、かつ液化して、第２の液化された天然ガス流を形成するための前記温側を通る１つ以上の通路を画定している、請求項１６に記載のシステム。
    
18. 前記システムは、
    （ｅ）前記第２の液化された天然ガス流を前記フラッシュガス熱交換区分から受け、かつ前記第２の液化された天然ガス流をフラッシングして、追加のフラッシュガスおよび追加のＬＮＧ製品を形成するように構成された、圧力低下装置をさらに備え、
    前記気液分離装置は、前記追加のフラッシュガスも前記追加のＬＮＧ製品から分離して、前記フラッシュガス流のための追加のフラッシュガス、および前記ＬＮＧ製品流のための追加のＬＮＧ製品を提供するように構成されている、請求項１７に記載のシステム。

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