JPS581349B2 - 天然ガスを液化する方法及び装置 - Google Patents

天然ガスを液化する方法及び装置

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JPS581349B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、低沸点を有する気体、例えば高率のメタン含
量を有する天然ガス（ＧＮ）あるいは液化さるべき全て
のその他の混合気体であって低沸点を有する少くとも１
種の成分を含むものの液化に係る。
本発明の主たる構成事項である液化の方法は、複数種の
成分を有する冷却流体（ＦＲ）に対して逆流関係におい
て熱交換を行う段階であって、該冷却流体（ＦＲ）が、
少くとも１個の圧縮段を有し該段に続いて前記冷却流体
の主部分を液相にする予冷作用段階を有し、さらにそれ
に続いて、前記冷却流体を液体状態で過冷却するためそ
れ自体に対し逆流関係における交換コラムまたはそれに
類するものの内部での膨脹・蒸発段階を有し、蒸発膨脹
した該流体が次いで再循環せしめられて前記圧縮を施さ
れるようにされた作用サイクルにおいて使用されるもの
を以て成る形式のものである。
例えば天然ガスを液化する方法であって天然ガスが、漸
次的に低くなっている沸点を有するいくつかの種類の冷
却流体に対し順次に熱交換関係に入らしめることによっ
て漸次的に液化されるように仕組まれたものは、いくつ
か知られている。
そのようないわゆる”カスケード”型の方法は、冷却流
体をおのおのの閉回略において流れさせるために、きわ
めて多くの交換器、圧縮機、ポンプその他を使用する必
要がある。
したがって、プラントは複雑化され、装置の多数性は全
システムの信頼性または確実性を感じる。
且つまた、これら冷却流体の冷却曲線は、天然ガスの冷
却曲線の連結トレンドに従わず、この結果として、効率
または収量が低下し、したがって、実質的な動力損失を
招くことになる。
また、複数種の成分を有し少くともその１種が部分的に
凝縮せしめられる冷却流体に対して熱交換関係に入らし
められることによって天然ガスを液化する方法であって
前記冷却流体の被凝縮部分が熱交換によって天然ガスの
液化を達成するようにされたものもいくつか知られてい
る。
前記冷却流体の１種または数種の被凝縮部分もまた数種
成分を有する冷却流体を構成する。
数種の成分または多種の成分を有する冷却流体（ＦＣＭ
）の冷却曲線は、この方法の場合、天然ガスの冷却曲線
に近い。
また、このプラントは簡単化されており、ただ１個の圧
縮機を必要とするに過ぎない。
なぜならば、このプラントに於では、単一（複合）冷却
流体が使用されるのみであるからである。
しかし、本プラントは大型の交換器と交換コラムを用い
ことが要求され、且つ、一般にいくつかの部分的凝縮が
予定されるから、前記冷却流体の液相部分と気相部分と
に対し多くの個数の分離ドラム（セパレータ）を使用し
なくてはならない。
また、数種の成分を以て成る補助冷却流体を使用して、
共通の熱交換器（または共通の交換コラム）において、
冷却さるべき天然ガスと主冷却流体とを同時に予冷する
方法も知られている。
夫々固有の閉回路を流れる補助冷却流体と主冷却流体は
、各個に固有の圧縮機の１組に於で圧縮される。
しかし、不運にも、この公知の方法の使用は、２種の低
圧の本質的に気相の流体即ち両冷却流体が単一の共通の
交換器に存在することを要求し、これによって、これら
２種の冷却流体のためにきわめて大きい分離された通路
横断面を必要ならしめ、従って、実際上、コイル型交換
器、即ち熱交換コイルを含むもの、の使用を不可能にし
ている。
本発明の目的は、例えばメタンを多く含有する天然ガス
の如き低沸点を有する気体を液化する方法にして、複数
種の成分を有する冷却流体に対して逆流関係において熱
交換を行う諸段階であって前記冷却流体が、少くとも１
個の圧縮段を有し、それに続いて前記冷却流体の主部分
を液相にする予冷段階を有し、さらにそれに続いて、前
記冷却流体を液体状態に於て過冷するためそれ自体に対
し逆流関係における交換コラムまたはその他類似のもの
においての膨脹・蒸発段階を有し、前記蒸発膨脹した冷
却流体が次いで再循環せしめられて前記圧縮を施される
ようにされた作用サイクルにおいて使用されるものを有
するものにおいて：前記方法が、前述の如く少くとも２
個の段に構成された冷却流体サイクル、即ち例えば水式
交換器を有する任意の好適外部源によって予冷される補
助サイクルと、前記交換コラムまたはその他類似のもの
の内部で予冷される主サイクルであって前記補助サイク
ルの膨脹−蒸発と過冷却を行うもの、を使用する段階と
；連続的に、前記主サイクルの膨脹・蒸発のために前記
交換コラムまたはその他類似のものを通らせ、さらに、
前記交換コラムまたはその他類似のものから気相で発出
して前記主サイクルの圧縮段へ向かって流れる前記膨脹
した主冷却流体によって流体側において浴浸されまたは
洗回される熱交換器を通らせて前記冷却流体を流れさせ
ることによって前記主サイクルの冷却流体を用いて前記
気体の冷却・液化を行うため前記主サイクルを使用する
段階と；連続的に、前記気体が予冷される前記交換器を
通らせ、さらに、前記気体が連続的に液化され次いで過
冷却される前記交換コラムまたはその他類似のものを通
らせて前記冷却流体に対して逆流関係を以て前記気体を
流れさせる段階とを本発明に従って有することを特徴と
するものを提供することによって先行技術に伴う前述の
諸欠点を除去することである。
上記の如き方法は、下述されるものを含むきわめて多く
の利点を提供する： 一本方法は高度の適応性を発揮し、高い熱力学的効率を
保ちつつ、きわめて多くの異る運転条件にそれ自体を適
応させうる；そのような適応性は、のちに詳しく説明さ
れるように、例えば、主回路の冷却流体においてその最
も揮発性の大きい成分（メタンよりも揮発性が大きい）
の含量を変更することによって、前記混合気体の各種の
異る過冷温度を得るときに特に実証される。
一本方法は、各種の気体の混合物または配合物、特に、
きわめて異る各種の組成を有する天然ガスの液化に容易
に適応せしめられうる。
一補助冷却サイクルに流れる第２の補助冷却流体によっ
て主冷却流体、即ち主サイクルに流れる流体、を予冷す
るサイクルは、主冷却流体に対して熱交換関係において
前記気体混合物を液化する各種のサイクルと組合せて使
用されうる。
一使用される交換コラム並びにその他熱交換器は比較的
小さい寸法を有する。
全プラントは、簡単な、したがって安価な構造の少数の
交換コラム、交換器等を使用するにすぎないから、比較
的簡単である；これに関連して、任意の種類の公知の交
換器、特に、のちに説明される如き板型の交換器とコイ
ル型の交換器を用いることが可能である。
一軸流または遠心圧縮機が、冷却流体の圧縮を行うのに
何らの懸念も無く使用されうる。
一既に述べた如く、蒸発された主冷却流体の顕熱は、前
記流体による気体の予冷に利用される。
これによって全システムの熱力学的効率が改善されると
ともに、主冷却流体の吸込み即ち引入れが低温度で行わ
れる場合、従来とは異なって、圧縮機の構成に特殊な高
価な材料を使用する必要が無くなる。
圧縮機の吸引温度即ち吸込口温度は、本発明の範囲にお
いては、冷却流体の露点温度とは明確に異なり、これに
よって液粒を圧縮機内部に同伴する全ての可能性を無く
することが可能にされる。
主並びに補助冷却流体の成分は、一般に、液化さるべき
気体混合物、例えば天然ガス、から少くとも部分的に抽
出されうる。
これら主並びに補助冷却流体のおのおのの組成は、液化
さるべく希望される気体の組成に応じて決定されそして
調整される。
冷却気体の組成は、通常、特に重要ではなく、或る限度
内で変更してよい。
各主並びに補助冷却サイクルでの冷却流体の損失を補償
するための補充流体の追加供給は、徹底的に浄化される
ことを要しない。
このことは、もし冷却流体の両方が単一の成分を以て成
っているならば絶対に必要であるからである。
普通、主冷却流体は少くとも２種の炭化水素であって好
ましくはＣ１（メタン）とＣ２（エタン、エチレン）と
を含有するものと、Ｃ１（メタン）をベースにした炭化
水素の沸点よりも実質的に低い沸点を有する一物質とを
以て構成される。
第２の補助冷却流体は、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３またはＣ４を
ベースにした炭化水素から選ばれる少くとも２成分を以
て構成される；前記冷却流体のおのおのの各成分の百分
率は、補助冷却サイクルの交換コラムを離去する時点で
の主冷却流体のための望ましい予冷温度に応じて決定さ
れる。
この組成の決定は、また、第２の補助冷却流体、空気式
交換器、水式交換器その他に対して使用される外部の予
冷システムに影響される。
主冷却流体の予冷温度は、言う迄もなく、一般的に、必
然的に、液化さるべく希望される気体の組成に応じて選
択される。
一推奨実施形式に依れば、前記補助冷却サイクルは、単
一の交換コラムを使用し、該交換コラムにおいて補助流
体はそれ自体に対して逆流関係において膨脹蒸発せしめ
られてそれを過冷却し、且つ、該交換コラムにおいて主
冷却が予冷される。
局部条件にしたがって広汎に夫々異る各様の温度に前記
補助流体を予冷する任意の外部の交換源に対して前記補
助冷却サイクルを共働させることも可能であることが理
解さるべきである。
例えば、補助流体の予冷は、局部的機構にしたがって、
水式交換器、空気式交換器などの内部で行われうる。
いずれの場合においても、前記補助流体の組成は、これ
らの予冷要求にしたがって調整される。
そのような調整は、主冷却流体の予冷に何らの影響も及
ぼさず、その程度は、全ての事項が等しいならば、補助
冷却流体を形成するもつとも揮発性の大きい成分の性質
によって決定される。
換言するならば、本発明に基く方法が使用されるときは
、主冷却サイクルの働らきと補助冷却サイクルの働らき
との独立が達成される。
このことは、本発明の方法の適応性をさらに向上させる
とともに、次記の事項に関連する各種パラメータの簡単
好適な調整を通じて効率を一段と増進させうる：各補助
サイクルと主サイクルにおける温度と圧力との連鎖、主
冷却流体と補助冷却流体の諸成分の性質、その他。
主冷却流体のための予冷サイクルと液化さるべき気体の
ための冷却サイクルとの間に残された唯一の相互連鎖即
ち相互連関は高圧において行われ、主冷却流体の予冷の
前後に該流体に影響を及ぼし、これによって、主冷却流
体のための予冷システムと気体を液化するための予冷シ
ステムを個別に設計することを可能ならしめ、したがっ
て、そのようなプラントのおのおのの圧縮機のセットと
主熱交換器との間の間隔を減じさせると同時に、特に各
圧縮機の吸込側におけるヘッド損失即ち圧力損失を減少
させ、且つ、全プラントの熱力学的効率を向上させ得る
。
さらに、本発明は、本発明に基く方法に依って構設され
るプラントであって本発明の方法の実施を可能にするも
のにも指向される。
本発明の現に推奨される特定の実施形式を説明するに過
ぎない非限定的実施例を図示する添付図面を参照して以
下述べる説明の進行にしたがって、本発明は一そう明瞭
に理解され、そのさらに別のいくつかの目的、特徴とさ
れる諸事項、その細部並びに諸利点が一そう明らかに理
解されるであろう。
最初に、第１図に示される実施例の形式が参照される必
要がある。
この図面においては、本発明に基くプラントの必須的要
素は１００と１９９との間の範囲内の参照番号によって
示されている；その他の諸図面の説明において重複を避
けるために、各種の異形式のプラントに使用される同様
の諸要素は、第１図の参照数字に対してその百桁の数の
みが変更されている参照数字を以て示されている。
且つまた、諸図面においては、ダクトは図面上それらの
交差点において黒丸点が記されているときにのみ互いに
連通しており、図面上、交差点に黒丸点が記されていな
いときは、ダクトは互いに連通することなく単に交差す
るにすぎないことが、慣例にしたがって仮定される。
次ぎに、第１図に示される実施例の形式に就て説明する
。
本プラントは、線わく１０１内に示される補助冷却サイ
クルと、線わく１０２内に示される主冷却サイクルであ
って低沸点を有するガス、例えば天然ガス（ＧＮ）、の
液化を行い得るものにしてその回路が図面において太実
線１０３を以て示されているものとを必須的に有する。
補助冷却サイクルは、直列に結合されている圧縮機と、
冷却機１０５と、第２の圧縮機即ち第２圧縮段１０６と
、第２の冷却機１０７とを含む閉ループを流れる第１の
冷却流体を必須的に使用する。
多種成分を使用している前記補助冷却流体（ＦＣＭ）は
液相として、または複合相、即ち液体と気体との混合物
（Ｌ／ＧＭ），として交換コラム１０８の底に於で供給
され、該交換コラム１０８において完全に液相（Ｌ）に
漸次的に転換されるとともに該コラム１０８の上部にお
いて、それが１０９を以て示されるコラム頂部において
それ自体に対して逆流関係を以て、膨脹されて蒸発され
る作用を通じて過冷却（ＳＲ）される。
膨脹されそして蒸発された補助冷却流体は、交換コラム
１０８の底部１１０において圧縮機１０４の人口に引入
れられる。
上述の補助冷却サイクルはそれ自体周知されている形式
のものであり、既に述べたように、複数種の成分を使用
する前記冷却流体（ＦＣＭ）は、プラントの運転並びに
構成上の要求にしたがって変更される。
主冷却サイクル１０２は、多種成分を有する主冷却流体
（ＦＣＭ）であってその組成が、前述の如く、ステーシ
ョンに供給される天然ガスの液化を達成するように選択
されたものを使用し、この目的のため、該流体は、液化
さるべき天然ガス中の最も揮発性の大きい主成分、或る
天然ガスの場合においては例えばメタン、よりも揮発性
の大きい少くとも１種の成分を有するようにされる。
該混合流体中のその他の成分とそれらの含量は主冷却流
体の予冷温度と、天然ガスの組成並びに圧力とに応じて
選ばれる。
図示の実施例においては、主冷却流体は、圧縮機１１１
と、冷却機１１２と、第２の圧縮機即ち第２圧縮段１１
３と、第２の冷却機１１４とを通って連続的に流れる。
補助冷却サイクル１０１の場合と同じように、圧縮機１
１１，１１３，１０４，１０６は任意の公知の形式でよ
く、また、冷却機１１２，１１４，１０５，１０７も例
えば水、空気などを冷却材として用いる任意の公知の形
式にされうる。
冷却機１１４から流れ出るとき、多種成分を有する主冷
却流体（ＦＣＭ）は交換コラム１０８内の膨脹蒸発した
補助冷却流体に対して逆流関係に保たれて該交換コラム
１０８において予冷されそして部分的に液化される。
該交換コラム１０８を去るとき、主冷却混合流体は、従
って、液体と気体の複合相（Ｌ／ＧＭ）を以て構成され
ている。
該交換コラム１０８は、任意の公知の好適形式にされ、
それを通るパイプラインは略示の如く特にコイル巻きさ
れる。
交換コラムを去るとき、主冷却流体は分離器１１５内で
分離されて、交換コラム１１７の底においてコイル１１
６内に供給される演相部分と、もつとも揮発性の低い成
分を含む気相部分であって交換コラム１１７の頂部に開
口するコイル１１８内を通って交換コラム１１７を通流
することを許されるものとにされる。
主冷却流体は前記コイル１１６と１１８の各端において
、１１９，１２０によって略示されるように、それ自体
に対して逆流関係を保って膨脹・蒸発過程を受けしめら
れ、これによって、各コイル１１６と１１８内において
主冷却流体の前記２部分の液化並びに過冷却が行われ得
る。
交換コラム１１７内で膨脹蒸発した主冷却流体は該コラ
ム１１７の底部１２１に回集されるとともに交換器１２
２内へ送られる。
該交換器１２２は好ましくは多板型にされる。
交換器１２２を離去したのち、完全に気相にされている
主冷却流体は圧縮機１１１へ給送される。
１０３を以て示れる進路に沿って循環する天然ガスに就
で述べれば、該天然ガス（ＧＮ）は、多板型の交換器１
２２を連続的に通流し、該交換器１２２において予冷過
程を経る間に、前記膨脹蒸発した主冷却流体の顕熱とそ
の熱を交換したのち、徐々に段階的に完全に液化されて
、過冷却された状態で交換コラム１１７の頂部から送出
される。
交換器１２２と交換コラム１１７の底部１２１との間に
おいて、通常、天然ガス（ＧＮ）は、（Ｄｌ）を以て示
される矩形のブロックによって略示されるように、該天
然ガスから重部分を抽出するために清浄工程を受けしめ
られる。
同様に、交換コラム１１７内を或る距離進行したのち、
部分的に液化された天然ガスは、通常、（ＤＮ２）によ
って示される矩形のブロックによって略示される如く脱
窒される。
交換コラム１１７は概ね交換コラム１０８と同じように
構成され、概略的に図示されるコイル巻き構造はきわめ
て適切である。
図面の理解を容易にするために、交換コラム１０８内に
在る補助冷却流体のコイル状に延在した進路が参照番号
１２３によって示されている；交換コラム１０８内の主
流体のコイル状に延在した進路は参照番号１２４によっ
て示されている；交換コラム１１７内の天然ガスのコイ
ル状に延在した進路は番号１２５と１２６とを以て示さ
れ、一方、多板型の交換器１２２内の天然ガスの進路は
参照番号１２７によって示されている。
さらに、下記の各種の記号が、図面上、各種の位置に、
下述の意味を有するものとして使用されている： Ｌ＝液体 Ｇ＝気体 ＧＮ＝天然ガス ＦＲ＝冷却流体 ＦＣＭ＝多種成分を有する冷却流体 Ｌ／ＧＭ＝液体・気体混合物 ＳＲ＝過冷された液体 前記した本発明のプラントの構成は、複数種の成分を有
する補助冷却流体の組成を使用する可能性を考慮に入れ
てきわめて簡単な構造を有し且つきわめて融通自在に使
用され得る補助予冷サイクル１０１と、同じようにきわ
めて簡単な使用と作動とを可能にする単圧式の主冷却サ
イクルとの組合せを以て成っている。
本構成の熱力学的効率は抜群である。
その理由は、該効率が全ての段階において、即ち、交換
コラム１０８内での主冷却流体の予冷の段階において、
膨脹蒸発した主冷却流体の顕熱と熱交換関係に在る多板
型の交換器１２２内における天然ガスの予冷の段階にお
いて、且つ、交換コラム１１７内での天然ガスの過冷却
並びに液化の段階において、夫々、きわめてすぐれてい
るからである。
本サイクルは、高い窒素含量を有する天然ガスの蒸留を
通じての脱窒工程にきわめて良好にそれを適応させるの
みならず、重成分例えばＣ３及びＣ４を含有するものを
天然ガスから徹底的に抽出する工程にもきわめて良好に
それを適応させ得る。
かつまた、液化された天然ガス（ＧＮＬ）のきわめて実
質的な過冷却、例えは、−１７０℃以下の低温度への冷
却、を達成することも可能である。
次ぎに掲げる第１表には、交換コラム１０８内における
主冷却流体の予冷温度に基く該主冷却流体の組成が示さ
れている。
前記第１表の下部には、主冷却流体に含まれる炭化水素
（ＨＣ）の分子量（Ｍ．Ｗ．）と、（圧縮機１１３の吐
出側即ち出力側における）圧縮機からの送出し圧力（Ｄ
．Ｐ．）とが示されている。
該圧力は有効バール、即ち、大気圧を超過したゲージ圧
または相対圧力、を以て与えられている。
後掲の第２表には、同じように、主冷却流体の予冷温度
に基いた補助冷却流体の組成が記載されている。
且つまた、第２表の下部には、補助冷却流体の分子量（
Ｍ．Ｗ．）と、有効バールを以て測定された（圧縮機１
０６の吐出側即ち出力側における）圧縮機の出口におけ
る送出し圧力（Ｄ．Ｐ．）と、圧縮機の取入口における
（即ち、圧縮機１０４の吸込狽響ち入力側における）吸
込圧力（Ｓ．Ｐ．）と、（圧縮機１０４の入口における
）圧縮機の吸込側における吸込温度（Ｓ．Ｔ．）とが列
記されている。
さらに、第２表の下には、交換コラム１０８の入口にお
ける冷却流体の液化百分率が記載されている。
さらにまた、図面には、特に前記プラントへの天然ガス
の送入条件に相当する若干の必要データ：即ち、圧力２
５〜６０バール、温度０℃〜４０℃；及び交換器１２２
の出口に天然ガスの条件であるデータ：即ち、圧力２４
〜５９バール、温度−３０℃〜−８０℃が示されている
。
これらの条件は、次ぎの如き近似組成：０％〜１５％の
Ｎ２，６０％〜１００％のＣ１，０％〜２０％のＣ２，
０％〜１０％のＣ３＋を有する天然ガスに妥当する。
次ぎに、第２図に示される第２の代替実施例が参照さる
べきである。
本概略図にも、第１図に示された多くの諸構成要素が示
されており、それらは、慣例にしたがって、夫々１００
増加された同じ参照数字によって示されている。
第２図に示されるプラントは、天然ガスを液化するため
の交換コラム２１７が、それを通って延びるとともに冷
却流体の気相からの液相の事前分離を第１図に示される
１１５の如き分離器において行うことなしに混合液・気
相を以て構成される主冷却流体を運搬する単一のコイル
２２８を装置されていることにおいて第１図のそれと本
質的に異っている。
冷却流体は、２２９を以て示されるごとき膨脹・蒸発と
、それ自体に対して逆流関係において生じるその膨脹相
の流れとによって交換コラム２１７のヘッド即ち頂部に
おいて過冷却される。
図示実施例においては、さらに、次ぎのことが仮定され
る：即ち、天然ガスは第１図においては行われた脱窒処
理を施されていないことと、したがって、単一のコイル
２３０内において液気混合物は液体（Ｌ）に漸次転換せ
しめられ、次いで交換コラム２１７からの出口において
過冷却された液体（ＳＲ）に転換せしめられることとが
仮定される。
この第２図に示された構成は、窒素含量が少ない天然ガ
スであって充分には過冷却を施されておらず、−１６２
℃の吐出口温度が普通予定されているものの場合に、実
質的に良好に使用されつる。
さらにまた、本構成は、最終フラッシュ蒸発処理による
液化天然ガスの脱窒工程にも使用されうる。
第３図に示される代替実施例に例えば、交換コラム３０
８の出口に於て予冷された主冷却流体は、その液相と気
相との分離を全く為されることなしに、２個の交換コラ
ム３３４，３３５に供給される。
交換コラム３３５のヘッド即ち頂部において、冷却流体
は３３３を以て略示される如き膨脹・蒸発を行わしめら
れ、これによって、該流体は交換コラム３３５内部で充
分に液化されるとともに交換コラム３３４内で少くとも
部分的に液化される。
この液化は、コイル３３１と３３２を通って流れる冷却
流体に対して逆流関係を保って、３３３において膨脹さ
れたのち交換器３２２と圧縮機３１１の吸込口とに向か
って交換コラム３３５と３３４とを通って連続的に流れ
る冷却流体の循環によって達成される。
交換コラム３３４と３３５は、より大型にされた実質的
に同等の単一の交換コラムとして改造配置されうろこと
が理解さるべきである。
天然ガスは、多板型の交換器３２２において予冷された
のち、（Ｄｌ）において図示される如くその重成分を除
去され、次いで、交換コラム３３４において冷却と部分
的液化とを為されたのち、（ＤＮ２）を以て示される如
き脱窒処理を施され、最後に、交換コラム３３５におい
て液化されて過冷される。
第３図に示される構成は、蒸留によって脱窒されること
を要する高率の窒素含量を有する天然ガスであって重物
質、特にＣ３及びＣ４＋、をそれから徹底的に除去する
ことが必要とされ且つそれに対して実質的な過冷温度が
希望されないものに特にきわめて良好に応用されうる。
次ぎに、第４図に示される第４の代替実施例が参照さる
べきである。
該第４図においても、その主要部として、前述の諸図面
にて既に説明された諸要素が配列され、これらに加えて
、さらに、その他の要素であって主冷却サイクルに本質
的に付設されたものが図示されている。
これら付設要素は、主冷却サイクルにおいて、本サイク
ルのために使用される単圧下に在て働らく多成分主冷却
流体の、分離器ドラムを通じての連続流れに組合された
温度カスケードの効果を、より大きい程度に利用するべ
く追加されたものである。
かつまた、第２圧縮段の吸込側へ主冷却流体のより重い
部分を直接に再循環させる目的を以て、主冷却サイクル
の両圧縮段が効果的に使用される。
第４図を参照すると、この場合も、コイル４２４内にお
いて主冷却流体の予冷を行うための補助冷却サイクルの
交換コラムが４０８を以て示されている。
この交換コラム４０８の出口において、主冷却流体（Ｆ
ＣＭ）は、コイル４２４におけるヘッド損失即ち圧力損
失を考慮に入れることなく約２５〜４５バールの範囲の
有効圧下で約一１５℃〜−８０℃の温度に過冷却される
。
既に述べたように、主冷却流体は、このとき、液気混合
相を有している。
次いで、該流体は分離器４１５において分離される。
液相部分は交換コラム４３９へ運送され、そこにおいて
コイル４４０を流れ通ったのち４４１を以て示されるよ
うに膨脹蒸発され、そして交換コラム４３９の底部４４
２に回収されたのち、第２圧縮段４１３の吸込側に配置
された好ましくは多板型の交換器４３７を通つて流れた
のち再循環される。
交換コラム４３９を流れ通るとともに、液相部分は分離
器４１５のドラムに回集され、交換コラム４３９におい
て蒸発されそして膨脹され、該交換コラム４３９は、そ
れ自体に対して逆流関係に在る前記液相部分の過冷を行
う。
分離器４１５において分離された気相部分は交換コラム
４３９のコイル４４３へ運送され、そこにおいて、分離
器４１５に回収され、４４１にて過冷され、次いで膨脹
される液相部分の膨脹・蒸発によって部分的に液化され
る。
液気混合相は、第２の分離器４４４に於てコイル４４３
からの出口に回収される。
揮発性の低い成分 含有する液相部分は交換コラム４３
４へ運送され、そこに於でそれ自体に対して逆流関係を
以て過冷され４１９で蒸発される。
分離器４４４から送出される気相部分であって主冷却流
体中のもつとも揮発性の高い成分を含有するものは、は
じめに、交換コラム４３４のコイル４３１内で冷却され
、そこにおいて、部分的に液化されたのち、交換コラム
４３５内へ給送され、そこにおいて、４４３でそれ自体
に対して逆流関係を以て過冷されて膨脹蒸発される。
交換コラム４３５と４３４内の主冷却流体の膨脹蒸発部
分は、多板型の交換器４２２を流れ通ったのち、圧縮機
４１１の取入口へ戻送される。
一方、天然ガス（ＧＮ）は、交換コラム４３９に於て膨
脹蒸発した主冷却流体中の最重留分の顕熱に対して熱交
換関係を以て多板型の交換器４３７内において予冷され
たのち、交換コラム４３５と４３４に連続的に面収され
る膨脹蒸発した主冷却流体の残部分の顕熱に対して交換
関係を以て多板型の交換器４２２において第２の予冷過
程を受けしめられる。
熱交換器４２２から吐出され、次いで（Ｄｌ）において
示されるごとく最重留分の清浄過程を経たのち、天然ガ
スは交換コラム４３４において部分的に液化される。
交換コラム４３４を流れ通ったのち、要すれば、（ＤＮ
２）において示される如く脱窒処理を施された天然ガス
は交換コラム４３５において液化され、次いで、過冷さ
れる。
前記２個の交換コラム４３４，４３５は、交換コラム１
１７に関して第１図に示された如く、２個の冷却並びに
膨脹・蒸発段階を有する単一の交換コラムに改造配置さ
れ得ること、前記交換コラム１１７に配されるコイル１
１８は第４図に図示された実施形式における直列に結合
された２個のコイル４３１，４３２に実質的に相当し、
膨脹・蒸発システム１２０は第４図に示されるシステム
４３３に実質的に相当することが理解さるべきである。
第４図に図示された構成においては、天然ガスは多板型
の交換器４３７，４２２において２個の連続予冷過程を
受けしめられ、これによって、最良の熱力学的条件下で
、２段階組成セクションに対応する２段階圧力下で膨脹
された主冷却流体の顕熱を使用することが可能にされる
。
別の一修正形式（図示されていない）においては、天然
ガス（ＧＮ）は、もはや第４図に図される如くには直列
に結合されることなく並列関係に結合される交換器４３
７と４２７を、その交換コラム４３４への進入に先立っ
て、流れ通らしめるとともに、各交換器４３７，４２２
を通る該天然ガス（ＧＮ）の流量を各交換器４３７，４
２２の冷却能力にしたがって調整することによって、予
冷され得る。
第４図に示される冷却サイクルに依るときは、特に、主
冷却流体の２個の圧縮段４１１と４１３との間における
重部分の部分的再循環によって低圧下で体積流量率を減
じさせることが可能になる。
このことは、使用される圧縮機の寸法を比例的に小さく
することを可能にする。
かつまた、第４図に示される冷却サイクルは、特に、交
換コラム４３９，４３４，４３５における被冷流体と冷
却流体との間の温度差に関連する不可逆性を減じること
によって熱力学力サイクルの効率を増大させ得る。
また、本冷却サイクルは、何ら重大な欠点を生じさせる
ことなしに、冷却機４０５，４０７における比較的高い
予冷温度を以て働らくことをも可能にする。
したがって、本冷却サイクルは、冷却材としての水が入
手され得ず、空気を冷却材として用いなくてはならない
場合に、特に好適に使用されうる。
また、本構成は軸流圧縮機の使用にきわめて好適に使用
されうる。
次ぎに、第５図に示される代替実施例が参照されること
を要する。
第４図に示したプラントと対照されるとき、本プラント
においては分離器４１５が省除され、多板型の交換器５
３７における天然ガス（ＧＮ）の予冷は、交換コラム５
３９において５４１を以て示される膨脹蒸発した主冷却
流体の一部分の顕熱との交換関係において達成されるこ
とが本質的に注目されなくてはならない。
該一部分は分離器５４４において分離された液相の一部
を以て成り、主冷却流体が分離器５４４にて分離されて
交換コラム５３４と５３５とにおいて使用されるに先だ
って該流体を第１の温度レベルに迄予冷する働らきもす
る。
第４図に就ての説明に関連して既に言及した使用分野に
加えて、この第５図の構成による簡単化された冷却サイ
クルは遠心圧縮機の使用に特に適し、天然ガス（ＧＮ）
からの重成分、特にＣ２、の徹底的除去を可能にする。
第６図に略示されるプラントは、液化さるべき天然ガス
（ＧＮ）が、並列関係に配された多板型の交換器６２２
，６３７を流れ通ったのちに脱メタン装置（Ｄｌ）に於
て処理され、しかるのちに、交換コラム６３４，６３５
に進入せしめられることにおいて第５図に示したプラン
トと異っている。
第７図１と示される代替形式の実施例に依れば、本構成
は第４図に示したそれにきわめて類似した冷却サイクル
を用いているが、交換器７２２から吐出されるとともに
予冷された天然ガス（ＧＮ）は脱メタン装置（Ｄｌ）に
おいて処理され、次いで、その最重留分（Ｒｌ）を除去
された天然ガスは交換コラム７３９へ運搬され、そこで
より強力な予冷を施された天然ガスは、次いで、分離器
においてフラッシュ処理を施される。
該分離器を出るとともに、天然ガスの事実上主要部分は
交換コラム７３４，７３５に給送されて液化と過冷を達
成せしめられるが、一方、最重留分は脱メタン装置（Ｄ
ｌ）へ再循環せしめられる。
交換コラム７３４，７３５を流れ通る以前における天然
ガスのそのような処理は、言う迄もなく、第５図と第６
図の冷却サイクルにも使用されうるものであり、おそら
く原天然ガスに初め含有されていると思われる重炭化水
素（Ｃ２＋，Ｃ３＋、など）中の少くとも一つの実質的
部分を回集することが望まれるたびごとに使用されるこ
とが有利である。
本発明は、以上単にその説明のためにかかげられたに開
示実施形式並びに実施例に何ら限定されるものでないこ
とは当然理解されるであろう。
特に本発明にもとづく方法とプラントは、低沸点を有す
る全ての混合ガスの液化に使用され、本発明にもとづく
諸冷却サイクルは各種の異る態様に互いに間置されて運
転されうる。
また、本発明の方法はきわめて融通性に富むから、きわ
めて多くの技術の使用が可能であり、就中、各種の形式
の圧縮機と交換器が使用されうる。
したがって、本発明は、前掲の特許請求の範囲において
使用されるかぎり、開示された手段の全ての技術的同等
手段並びにそれらの組合わせを包含する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の気体液化プラントの第１の実施形式、
第２図は第２の修正代替実施形式、第３図は第３の修正
代替実施形式、第４図は第４の修正代替実施形式、第５
図は第５の修正代替実施形式、第６図は第６の代替修正
実施形式、第７図は第７の修正代替実施形式を夫々略示
した構成図である。 図面上、１０１は『補助冷却サイクル』；１０２は『主
冷却サイクル』；１０４，１０６，１１１，１１３は『
圧縮機』；１０５，１０７，１１２，１１４は『冷却機
』；１０８，１１７は『交換コラム』；１１５は『分離
器』；１１６，１１８は『コイル』；１２２は『交換器
』を夫々示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも２種の炭化水素と実質的にメタンの沸点
    よりも低い沸点を有す一物質とを含有する低温の主冷却
    流体であって１個乃至４個の炭素原子を有する少なくと
    も２種の炭化水素を含有する補助冷却流体によって予冷
    されるものを用いてメタンを多く含む、低沸点を有する
    天然ガス（ＮＧ）を液化する方法にして、前記冷却流体
    のおのおのが液相並びに気相を以て存在し得るものにお
    いて、該方法が下記諸段階即ち： 〔１〕前記天然ガス（ＮＧ）の進路から物理的に且つ熱
    的に分離されて独立している第１の閉進路１０１に沿っ
    て前記補助冷却流体の流れを圧力下で運搬する段階であ
    って、前記第１の閉進路が、少なくとも４個の連続する
    セクションを有し、その最初の３個をたがいから熱的に
    分離されており、それらの内部の前記補助冷却流体を、
    順次的に： （ａ）前記４個の連続するセクションの第１のセクショ
    ン１０４〜１０６において、前記補助冷却流体を低圧の
    気相から高圧へ圧縮することと； （ｂ）前記４個の連続するセクションの第２のセクショ
    ン１０７において、外部冷却材を用いて、前記圧縮され
    た補助冷却流体の少なくとも一部を液化するため前記圧
    縮された補助冷却流体を予冷することと； （ｃ）前記４個の連続するセクションの第４のセクショ
    ン１０８の内側に延在する第３のセクション１２３にお
    いて、前記天然ガスに対して熱的に独立した最初の閉じ
    込められた流れとして前記段階〔１〕（ｂ）から得られ
    る前記少なくとも部分的に液化された補助冷却流体を順
    次に少なくとも完全に液化（Ｌにおいて）しそして過冷
    却（ＳＲにおいて）することと；（ｄ）前記段階〔１〕
    （ｃ）からの前記過冷却された液化補助冷却流体を膨脹
    （１５２において）させ、次いで前記膨脹された補助冷
    却流体を前記第４のセクション１０９，１０８に通して
    前記第３のセクション１２３の周囲に送り、それによっ
    て、前記補助冷却流体の膨脹前にその前記少なくとも完
    全な液化及び冷却を達成するため前記第３のセクション
    １２３内を流れる前記補助冷却流体に対する逆流の流れ
    と包囲関係とにおいて且つ間接熱交換を通じて前記膨脹
    された補助冷却流体を充分に蒸発させることと； （ｅ）前記段階〔１〕（ｄ）における前記熱交換の後に
    得られる前記膨脹され蒸発された補助冷却流体を前記段
    階〔１〕（ａ）に依る圧縮のために前記第１のセクショ
    ン１０４〜１０６へ再循環させること とによって処理するものと； 〔２〕少なくとも６個の連続する部分を含む第２の閉進
    路１０２に沿って前記主冷却流体の流れを圧力下で運搬
    する段階であって、前記第２の閉進路の最初の４個と最
    後の１個がたがいから熱的に分離されており、それらの
    内部の前記主冷却流体を、順次的に： （ａ）前記６個の連続する部分の第１の部分１１１〜１
    １３において、前記主冷却流体を低圧の気相から高圧へ
    圧縮することと； （ｂ）前記６個の連続する部分の第２の部分１１４にお
    いて、外部冷却材を用いて、前記圧縮された主冷却流体
    を予冷することと；（ｃ）前記６個の連続する部分の第
    ３の部分１２４において、前記天然ガス（ＮＧ）から独
    立して、前記段階〔２〕（ｂ）から得られる前記圧縮さ
    れて予冷された主冷却流体をさらに予冷して部分的に液
    化し；前記圧縮されて予冷された主冷却流体が最初の閉
    じ込められた流れとしてさらに予冷されて部分的に液化
    され；前記第３の部分は前記第１の閉進路の前記第４の
    セクションの内側に延在し、前記予冷及び部分的液化が
    、前記第３の部分１２４に対して包囲関係を以て前記第
    ４のセクション １０８を流れる前記膨脹され蒸発された補助冷却流体に
    対し逆流する流れを以て且つ間接熱交換を通じて達成さ
    れ、それによって、前記主冷却流体の液相と気相の混合
    物（Ｌ／ＧＭ）を形成することと； （ｄ）前記６個の連続する部分の第５の部分１１７の内
    側に延在する第４の部分１１６，１１８において、該第
    ４の部分の少なもとも１本の第２の閉じ込められた流れ
    として、前記段階〔２〕（ｃ）からの前記さらに予冷さ
    れて部分的に液化された主冷却流体を連続的に完全に液
    化しそして過冷却することと； （ｅ）各第２の閉じ込められた流れ１１８，１１６から
    の前記過冷却された主冷却流体をより低い圧力に１２０
    ，１１９において膨脹させ、次いで前記膨脹させた主冷
    却流体を前記６個の連続する部分の第５の部分１１７に
    通して前記第４の部分１１８，１１６の周囲に送り、そ
    れによって、前記段階〔２〕（ｄ）に依って得られる前
    記冷却流体の膨脹前にその前記完全な液化及び過冷却を
    達成するため前記第４の部分１１８，１１６内を流れる
    前記主冷却流体に対して逆流する流れと包囲関係とにお
    いて且つ間接熱交換を通じて前記膨脹された主冷却流体
    を充分に蒸発させることと；（ｆ）前記６個の連続する
    部分の第６の部分１２２において、前記補助冷却流体に
    対し、及び前記段階〔２〕（ｄ）並びに〔２〕（ｅ）に
    対し熱的に独立した関係において前記段階〔２〕（ｅ）
    ののちに得られる前記膨脹され蒸発された主冷却流体を
    加熱することと； （ｇ）前記段階〔２〕（ｆ）からの前記加熱された蒸発
    された主冷却流体を、前記段階〔２〕（ｅ）に依る圧縮
    のために前記第１の部分１１１〜１１３へ再循環させる
    こと とによって処理するものと； 〔３〕少なくとも２個の連続する部分から成る開進路１
    ０３に沿って圧力下の前記天然ガス（ＮＧ）の連続した
    流れを運搬する段階であって、該天然ガスの流れを、順
    次的に； （ａ）前記主冷却流体の流れの前記第６の部分１０２の
    内側に延在する第１の部分１２７内の閉じ込められた流
    れとして前記天然ガス（ＮＧ）の少なくとも一部分を、
    前記過程〔２〕（ｄ）及び〔２〕（ｅ）に対し熱的に独
    立した関係において、前記第１の部分１２７に対し包囲
    関係を以て前記第６の部分内を流れる前記膨脹され蒸発
    された主冷却流体に対し間接熱交換を通じて予冷するこ
    とと； （ｂ）前記主冷却流体の流れの前記第５の部分１１７の
    内側に延在する、前記２個の連続する部分の第２の部分
    １２５，１２６内の閉じ込められた流れとして前記段階
    〔３〕（ａ）からの前記予冷された天然ガス（ＮＧ）を
    、前記補助冷却流体に対し熱的に独立した関係において
    且つ前記予冷された天然ガス（ＮＧ）に対し逆流関係に
    おいて、前記第５の部分１１７を通って前記第２の部分
    １２５、１２６の周囲を流れる少なくとも前記膨脹され
    て完全に蒸発された主冷却流体に対する間接熱交換を通
    じて順次に部分的にそして完全に液化し次いで過冷却す
    ることと； （ｃ）かように液化され過冷却された前記天然ガス（Ｎ
    Ｇ）を前記第２の部分１２６から回収すること によって処理するものとを包含する天然ガスを液化する
    方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において：前記主
    冷却流体が本質的に、一方において、液化される前記天
    然ガス（ＮＧ）の最も軽い成分の少なくとも若干、例え
    ば１〜２個の炭素原子を有する少なくとも２種の炭化水
    素、を含み、従って特に少なくとも３０〜５５モル％の
    メタン、３０〜６５モル％のＣ２一炭化水素及び最高１
    ５％の分子比率の少なくとも１種のＣ３一炭化水素を含
    有しており；前記主冷却流体に含まれる炭化水素の平均
    分子量が約２０と約３０の間であり；他方において、前
    記主冷却流体が生産される前記液化天然ガスのより軽い
    主成分の沸点に比し実質的に低い沸点を有する少なくと
    も１種の成分を含み、前記主冷却流体がメタンの沸点よ
    りも低い沸点を有する非炭化水素成分を約１％〜約２０
    ％の範囲内の分子比率を以て含有しており；前記補助冷
    却流体は本質的に、一方において、前記主冷却流体の主
    要成分の少なくとも若干を含み、そして他方において、
    前記主冷却流体の最も揮発性の小さい主要成分の沸点よ
    りも実質的に高い沸点を有する少なくとも１種の成分を
    含み；前記補助冷却流体の分子組成が、０％〜４０％の
    Ｃ１、０％〜６０％のＣ２、１０％〜６０％のＣ３、１
    ０％〜４０％のＣ４及び或る量のＣ５十炭化水素を以て
    成り；前記補助冷却流体の炭化水素の平均分子量が約３
    ０と約５０の間であり；前記補助冷却流体が約１５バー
    ル乃至約５０バールの有効送出し圧力まで圧縮され、該
    送出し圧力が前記主冷却流体の所望予冷温度の減少にと
    もなって増加し、前記蒸発された補助冷却流体が、約１
    バールから約６バールまでの範囲内に在り且つ前記主冷
    却流体の所望予冷温度の減少にともなって減少する有効
    圧力を以て前記圧縮段階へ再循環される、天然ガス（Ｎ
    Ｇ）を液化する方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において；前記主
    冷却流体が、約−１５℃と−８０℃の間の温度の前記補
    助冷却流体との熱交換によって、さらに予冷されて部分
    的に液化される、天然ガス（ＮＧ）を液化する方法。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の方法において：前記予
    冷された天然ガス（ＮＧ）が、その進路１０３の前記第
    ２の部分１２５において少なくとも部分的に液化される
    以前に、それから重い成分を除去するため（Ｄｌ）にお
    いて脱メタンされ、一方、前記天然ガス（ＮＧ）が前記
    第２の部分の第１の長さ１２５内で部分的に液化された
    のち、前記第１の部分の第２の長さ１２６内で完全に液
    化される以前に（ＤＮ２）において脱窒される、天然ガ
    ス（ＮＧ）を液化する方法。 ５ メタンを多く含む低沸点を有する天然ガスを液化す
    る装置において； 〔１〕それを通って補助冷却流体が流れる第１の閉冷却
    回路にして順次に： （ａ）吸込口装置と吐出口装置とを有する第１の圧縮機
    装置１０４〜１０６と； （ｂ）第１の予冷機装置１０７であって：（ｉ）前記第
    １の圧縮機装置１０６の前記吐出口装置と接続された第
    １の入口装置と、第１の出口装置とを具えた、前記補助
    冷却流体のための第１の通略装置と； （ｉｉ）第１の外部冷却材のための第２の通路装置とを
    有するものと； （ｃ）第１の熱交換コラム装置であって：（ｉ）第１の
    ケーシング装置１０８と； （ｉｉ）前記第１のケーシング装置１０８内を通って底
    から頂へ延在する第１のダクト装置１２３にして、その
    下端を前記第１の予冷装置１０７の前記第１の出口装置
    に接続され、その上端を、順次に、 （ｉｉｉ）第１の膨脹弁装置と、 （ｉｖ）前記ケーシング装置１０８内へ下向きに開口し
    ている第１の蒸発促進装置１０９とに直列に接続された
    ものとを有し； （Ｖ）前記第１のケーシング装置１０８の下端１１０が
    前記第１の圧縮機装置１０４の前記吸込口装置に接続さ
    れているもの とを包含するものと； 〔２〕それを通って主冷却流体が流れる第２の閉冷却回
    路にして順次に： （ａ）吸込口装置と吐出口装置とを有する第２の圧縮機
    装置１１１〜１１３と； （ｂ）第２の予冷機装置１１４であって：（ｉ）前記第
    ２の圧縮機装置１１３の前記吐出口装置に接続された第
    ２の入口装置と、第２の出口装置とを具えた前記主冷却
    流体のための第３の通路装置と； （ｉｉ）第２の外部冷却材のための第４の進路装置 とを有するものと； （ｃ）前記第１のダクト装置１２３と同平面延在関係に
    在る、前記熱交換コラム装置の前記第１のケーシング装
    置１０８を通ってその内部において底から頂へ延在する
    第２のダクト装置１２４であって、その下端を前記第２
    の予冷機装置１１４の前記第２の出口装置に接続された
    ものと； （ｄ）前記第１の閉冷却回略１０１から物理的に且つ熱
    的に分離され且つそれから独立している第２の熱交換コ
    ラム装置であって： （ｉ）第２のケーシング装置１１７と； （ｉｉ）少なくともその一部分が前記第２のケーシング
    １１７の端から端まで延在する第３のダクト装置にして
    、その下流上端を順次に、 （ｉｉｉ）第２の膨脹弁装置と、 （ｉｖ）前記第２のケーシング装置１１７内へ下向きに
    開口している第２の蒸発促進装置１１９，１２０ とに接続されているものと； （ｅ）前記第１の閉冷却回路１０１から物理的に且つ熱
    的に分離され且つそれから独立している第１の熱交換器
    装置であって、前記第２のケーシング装置１１７の下端
    １２１に接続された第１の取入口装置を有する第１のシ
    ェル装置１２２と、前記第２の圧縮機装置１１１の前記
    吸込口装置に接続された第１の抽出装置とを含むもの とを包含するものと； 〔３〕前記第１の閉冷却回路から物理的に且つ熱的に分
    離され且つそれから独立していて、それを通って前記天
    然ガス（ＮＧ）が流れる、上流入口端１０３と下流出口
    端とを設けられた開回路にして順次に： （ａ）少なくとも部分的に前記第１の熱交換器装置の前
    記第１のシェル装置１２２を通ってその内部に延在し、
    その上流端を前記上流入口端１０３に接続された第４の
    ダクト装置 １２７と； （ｂ）前記第３のダクト装置１１６，１１８に対し同平
    面延在関係において、前記第２の熱交換コラム装置の前
    記第２のケーシング装置１１７を通ってその内部に底か
    ら頂へ延在し、その下端を前記第４のダクト装置１２７
    の下流端に接続され、その上端を前記開回路の前記下流
    出口に接続された第５のダクト装置１２５，１２６ とを包含するものとから構成される天然ガスを液化する
    装置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の装置において：前記第
    ４と第５のダクト装置間に結合された脱メタン装置（Ｄ
    ｌ）と、前記第２の熱交換コラム装置の外部において前
    記第５のダクト装置の下セクションと上セクションとの
    間に接続された脱窒装置（ＤＮ２）とをさらに包含する
    天然ガスを液化する装置。
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