JP2012514050A - 炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する方法およびそのための装置 - Google Patents
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Abstract
炭化水素流(10)から窒素を排除して燃料ガス流(510)を提供する方法、および装置(1)。炭化水素流(10)を少なくとも部分的に液化させ、続いて膨張させる。膨張炭化水素流(110)は、精留塔(150)内で精留して窒素リッチ炭化水素流(160)および窒素リーン炭化水素流(170)を提供する。窒素リッチ炭化水素流(160)は、凝縮器(200)内で、専用第1冷媒回路(800)内を循環している冷媒に対して冷却することにより部分凝縮させ、相分離させて窒素排除流(260)および窒素リーン還流流(270)を提供し、該還流流を精留塔(150)に戻す。窒素リーン炭化水素流(170)を部分蒸発させ、相分離させて蒸気流(360)を提供し、該蒸気流を精留塔(150)に戻し、および液化窒素リーン炭化水素流(370)を提供し、該炭化水素流を過冷却に供する。燃料ガス流(510)は、過冷却窒素リーン炭化水素流(410)から生じさせる。
Description
本発明は、炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する方法、およびそのための装置に関する。本発明は、液化炭化水素流、例えば、液化天然ガス(LNG)流を提供することもできる。
一般的な燃料ガス流のための炭化水素流は、天然ガス(NG)を含み、または本質的に天然ガスからなる。
天然ガスは、種々の炭化水素化合物の源であるほか、有用な燃料源である。多数の理由のため、天然ガスを液化天然ガス(LNG)プラント内で、天然ガス流の源またはこの付近で液化させることが望まれることが多い。例として、天然ガスは、液体としてガス形態よりも容易に貯蔵することができ、長距離にわたり輸送することができる。それというのも、液体は占有容積がより小さく、高圧において貯蔵する必要がないからである。
通常、主としてメタンを含む天然ガスは、LNGプラントに加圧して流入させ、前処理して極低温における液化に好適な精製供給物流を生成させる。精製ガスは、熱交換器を使用する複数の冷却段階に通して処理して液化が達せられるまでこの温度を徐々に低減させる。次いで、液体天然ガスをさらに冷却し、貯蔵および輸送に好適な最終大気圧に膨張させる。
しかしながら、液化前の前処理にかかわらず、炭化水素流(精製天然ガス流を含む。)は、顕著な量の窒素を含有し得る。炭化水素流から窒素の少なくとも一部を除去する特別な措置を取らない場合、燃料ガスおよび生成された任意の液化炭化水素流が不所望にも高い窒素レベルを含有し得る。多くのLNG規格には、最終生成物中の窒素が1mol%未満であることが要求される。
EP1 715 267は、液化天然ガスを第1精留に供して第1窒素富化頂部蒸気流および窒素含有底部液体流を提供することを含む、液化天然ガス供給物から窒素を除去する方法を開示している。次いで、窒素含有底部液体流の少なくとも一部を第2精留に供し、前記第1頂部蒸気流よりも純度が低い第2窒素富化頂部蒸気流および精製液化天然ガス流を提供する。
EP1 715 267に説明されているプロパン予冷混合冷媒主冷却プロセス(C3MR)のための方法においては、第1精留における冷却負荷を凝縮窒素還流流により提供する。凝縮窒素還流流は、主熱交換器からの膨張低温液化天然ガス流に対して熱交換することにより提供し、不所望な余剰の燃料ガスを提供する。このことを防止するため、窒素排除用の追加の冷却負荷を、主冷却段階において使用される混合冷媒回路により最終的に提供する。このことにより、混合冷媒主冷却サイクルに設置される負担が増加し、より大きい動力および増加した冷媒冷却などのより大型の冷媒圧縮機が要求され、動力容量の低減が利用可能な圧縮機ドライバサイズにより制限される。
本発明の目的は、炭化水素流から窒素を排除する改善された方法を提供することにより、これらの問題に対応することである。特に、本発明は、主冷却サイクル上の負担を低減させる方法を提供することを求める。
第1態様において、本発明は、少なくとも:
(a)炭化水素流を熱交換器内で少なくとも部分的に液化させて冷却炭化水素流を提供する工程;
(b)冷却炭化水素流の少なくとも一部を第1膨張デバイス内で膨張させて膨張炭化水素流を提供する工程;
(c)膨張炭化水素流を精留塔内で精留して上部窒素リッチ炭化水素流および下部窒素リーン炭化水素流を提供する工程;
(d)上部窒素リッチ炭化水素流を凝縮器内で専用第1冷媒回路内の膨張第1冷媒流に対して冷却することにより凝縮させて部分凝縮窒素リッチ炭化水素流および加熱第1冷媒流を提供する工程;
(e)部分凝縮窒素リッチ炭化水素流を第1分離器内で分離させて上部窒素排除流および下部窒素リーン還流流を提供し、該還流流を精留塔に戻す工程;
(f)精留塔からの下部窒素リーン炭化水素流をリボイラ内で第1冷媒回路内の第1冷媒供給物流に対して加熱して部分蒸発窒素リーン炭化水素流および冷却第1冷媒流を提供する工程;
(g)部分蒸発窒素リーン炭化水素流を第2分離器内で分離させて上部第2分離器蒸気流を提供し、該蒸気流を精留塔に戻し、および下部液化窒素リーン炭化水素流を提供する工程;
(h)下部液化窒素リーン炭化水素流を熱交換器内で過冷却して(sub−cooling)過冷却(sub−cooled)窒素リーン炭化水素流を提供する工程;ならびに
過冷却窒素リーン炭化水素流から燃料ガス流を生じさせることを含む、炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する方法を提供する。
(a)炭化水素流を熱交換器内で少なくとも部分的に液化させて冷却炭化水素流を提供する工程;
(b)冷却炭化水素流の少なくとも一部を第1膨張デバイス内で膨張させて膨張炭化水素流を提供する工程;
(c)膨張炭化水素流を精留塔内で精留して上部窒素リッチ炭化水素流および下部窒素リーン炭化水素流を提供する工程;
(d)上部窒素リッチ炭化水素流を凝縮器内で専用第1冷媒回路内の膨張第1冷媒流に対して冷却することにより凝縮させて部分凝縮窒素リッチ炭化水素流および加熱第1冷媒流を提供する工程;
(e)部分凝縮窒素リッチ炭化水素流を第1分離器内で分離させて上部窒素排除流および下部窒素リーン還流流を提供し、該還流流を精留塔に戻す工程;
(f)精留塔からの下部窒素リーン炭化水素流をリボイラ内で第1冷媒回路内の第1冷媒供給物流に対して加熱して部分蒸発窒素リーン炭化水素流および冷却第1冷媒流を提供する工程;
(g)部分蒸発窒素リーン炭化水素流を第2分離器内で分離させて上部第2分離器蒸気流を提供し、該蒸気流を精留塔に戻し、および下部液化窒素リーン炭化水素流を提供する工程;
(h)下部液化窒素リーン炭化水素流を熱交換器内で過冷却して(sub−cooling)過冷却(sub−cooled)窒素リーン炭化水素流を提供する工程;ならびに
過冷却窒素リーン炭化水素流から燃料ガス流を生じさせることを含む、炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する方法を提供する。
さらなる態様において、本発明は、少なくとも:
−炭化水素流用第1入口および冷却炭化水素流用第1出口(熱交換器の第1出口)を有する第1熱交換器;
−第1熱交換器の第1出口に接続されている入口、および膨張炭化水素流用出口を有する第1膨張デバイス;
−第1膨張デバイスの出口に接続されている第1入口、および上部窒素リッチ炭化水素流用第1出口、下部窒素リーン炭化水素流用第2出口、下部窒素リーン還流流用第2入口ならびに上部第2分離器蒸気流用第3入口を有する精留塔;
−精留塔の第1出口に接続されている第1入口、および部分凝縮窒素リッチ炭化水素流用第1出口ならびに膨張第1冷媒流用第2入口および加熱第1冷媒流用第2出口を有する凝縮器;
−凝縮器の第1出口に接続されている第1入口および上部窒素排除流用第1出口ならびに下部窒素リーン還流流用第2出口(前記第2出口は、精留塔の第2入口に接続されている。)を有する第1分離器;
−精留塔の第2出口に接続されている第1入口、部分蒸発窒素リーン炭化水素流用第1出口、第1冷媒供給物流用第2入口および冷却第1冷媒流用第2出口を有するリボイラ;
−リボイラの第1出口に接続されている第1入口、上部第2分離器蒸気流用第1出口および下部液化窒素リーン炭化水素流用第2出口(前記第2出口は、精留塔の第3入口に接続されている。)を有する第2分離器;ならびに
−第1熱交換器または異なる熱交換器であってよい第2熱交換器(前記第2熱交換器は、第2分離器の第2出口に接続されている第1入口および過冷却窒素リーン炭化水素流用第1出口を有する。)
を含む、炭化水素流から窒素を排除する装置を提供する。
−炭化水素流用第1入口および冷却炭化水素流用第1出口(熱交換器の第1出口)を有する第1熱交換器;
−第1熱交換器の第1出口に接続されている入口、および膨張炭化水素流用出口を有する第1膨張デバイス;
−第1膨張デバイスの出口に接続されている第1入口、および上部窒素リッチ炭化水素流用第1出口、下部窒素リーン炭化水素流用第2出口、下部窒素リーン還流流用第2入口ならびに上部第2分離器蒸気流用第3入口を有する精留塔;
−精留塔の第1出口に接続されている第1入口、および部分凝縮窒素リッチ炭化水素流用第1出口ならびに膨張第1冷媒流用第2入口および加熱第1冷媒流用第2出口を有する凝縮器;
−凝縮器の第1出口に接続されている第1入口および上部窒素排除流用第1出口ならびに下部窒素リーン還流流用第2出口(前記第2出口は、精留塔の第2入口に接続されている。)を有する第1分離器;
−精留塔の第2出口に接続されている第1入口、部分蒸発窒素リーン炭化水素流用第1出口、第1冷媒供給物流用第2入口および冷却第1冷媒流用第2出口を有するリボイラ;
−リボイラの第1出口に接続されている第1入口、上部第2分離器蒸気流用第1出口および下部液化窒素リーン炭化水素流用第2出口(前記第2出口は、精留塔の第3入口に接続されている。)を有する第2分離器;ならびに
−第1熱交換器または異なる熱交換器であってよい第2熱交換器(前記第2熱交換器は、第2分離器の第2出口に接続されている第1入口および過冷却窒素リーン炭化水素流用第1出口を有する。)
を含む、炭化水素流から窒素を排除する装置を提供する。
いっそうさらなる態様において、本発明は、少なくとも、上記定義の、炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する方法の工程を含み、および
−冷却第1冷媒流を第4熱交換器内で加熱第1冷媒流に対して熱交換して膨張機冷媒供給物流および圧縮機冷媒供給物流を提供し;ならびに膨張機冷媒供給物流を第4膨張デバイス内で膨張させて膨張第1冷媒流を提供する工程;
−圧縮機冷媒供給物流を第1圧縮機内で圧縮して圧縮冷媒流を提供する工程;
−圧縮冷媒流を冷却デバイス内で冷却して冷却圧縮冷媒流を提供し;および冷却圧縮冷媒流を第5熱交換器内で熱交換して第1冷媒供給物流を提供する工程;
−冷却圧縮冷媒流から第1冷媒供給物流までの第5熱交換器バイパス管路(該第5熱交換器バイパス管路は、第5熱交換器バイパス管路弁を収容する。)を提供する工程
−第5熱交換器をバイパスする工程;ならびに
−第5熱交換器バイパス弁を制御して第5熱交換器内で冷却されている冷却圧縮冷媒流の相対比率に影響を与える工程
をさらに含む、燃料ガス流中に存在する窒素の濃度を制御する方法を提供する。
−冷却第1冷媒流を第4熱交換器内で加熱第1冷媒流に対して熱交換して膨張機冷媒供給物流および圧縮機冷媒供給物流を提供し;ならびに膨張機冷媒供給物流を第4膨張デバイス内で膨張させて膨張第1冷媒流を提供する工程;
−圧縮機冷媒供給物流を第1圧縮機内で圧縮して圧縮冷媒流を提供する工程;
−圧縮冷媒流を冷却デバイス内で冷却して冷却圧縮冷媒流を提供し;および冷却圧縮冷媒流を第5熱交換器内で熱交換して第1冷媒供給物流を提供する工程;
−冷却圧縮冷媒流から第1冷媒供給物流までの第5熱交換器バイパス管路(該第5熱交換器バイパス管路は、第5熱交換器バイパス管路弁を収容する。)を提供する工程
−第5熱交換器をバイパスする工程;ならびに
−第5熱交換器バイパス弁を制御して第5熱交換器内で冷却されている冷却圧縮冷媒流の相対比率に影響を与える工程
をさらに含む、燃料ガス流中に存在する窒素の濃度を制御する方法を提供する。
以下、本発明の実施形態を、単なる例として、非限定的な添付の図面に関して説明する。
本明細書の目的のため、管路およびこの管路内に運搬される流に単一の参照番号を割り当てる。
本発明は、窒素排除用の冷却負荷を専用第1冷媒回路により提供する、炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を生成する方法を提供する。
第1冷媒回路は、第1冷媒回路内で循環している冷媒も、この回路からの冷却負荷も、工程(a)における、および工程(h)の過冷却の間の炭化水素流の冷却および少なくとも部分的な液化に使用されないという意味で、専用回路である。換言すると、第1冷媒回路は、炭化水素流の冷却、液化および過冷却において使用される他の冷媒回路から分離されている。
専用第1冷媒回路を利用することにより、工程(a)において熱交換器上に設置され、少なくとも部分的に液化した炭化水素流を生成し、主冷却工程であってよい冷却負荷が低減される。結果的に、熱交換器を供給する主冷却冷媒回路の容量を、一定のLNG容量についてEP1 715 267のこれと比較して低減させることができる。別の点では、EP1 715 267と比較して、本発明の方法は、同等の主冷却冷媒回路について液化炭化水素の生成の増加を提供する。
本発明は、本発明によって主冷却冷媒回路に対する要求が変わらないので、既存の液化プラントを改良するのに特に好適である。
本発明は、多くの方法、例えば、天然ガスから冷却炭化水素流、例えば、LNGを製造する方法に適用可能である。本方法は、例えば、AP−X液化プロセス、例えば、米国特許第6,308,531号に記載のプロセス、C3MRプロセス、例えば、米国特許第4,404,008号に記載のプロセスおよび二重混合冷媒(Dual Mixed Refrigerant)(DMR)プロセス、例えば、米国特許第6,370,910号に記載のプロセスに適用することができる。
図面を参照すると、図1は、第1実施形態による、炭化水素流10について窒素を排除する方法および装置1を示す。
炭化水素流10は、任意の好適な炭化水素流、例えば、限定されるものではないが、冷却することができる炭化水素含有ガス流であってよい。一例は、天然ガスまたは油層から得られた天然ガス流である。代替例として、天然ガス流は、合成源、例えば、フィッシャー・トロプシュ法も含む他の源から得ることもできる。
通常、このような炭化水素流10は、実質的にメタンからなる。好ましくは、このような炭化水素流10は、少なくとも50mol%のメタン、より好ましくは、少なくとも80mol%のメタンを含む。本明細書に開示の方法は種々の炭化水素流に適用可能であるが、本方法は、液化させるべき天然ガス流に特に好適である。
源に応じて、炭化水素流は、1種以上の非炭化水素、例えば、H2O、N2、CO2、Hg、H2Sおよび他の硫黄化合物を含有してよい。
本明細書に開示の方法および装置は、顕著な量、例えば、4mol%超の窒素を含む炭化水素流を用いて使用することができる。
例として、炭化水素流10が4から5mol%の窒素を含み得る場合、窒素を排除する工程を取らない慣用の方法は、窒素含有率が40mol%超の燃料ガス流を生成し得る。このことは、燃料ガスをガスタービンに動力供給するために使用する場合に重大な問題をもたらし得る。多くの航空転用型ガスタービンは、この燃料ガス中の窒素含有率が15mol%超であることを許容することができない。さらに、より窒素許容性のガスタービン、例えば、慣用の重負荷用工業ガスタービンでさえ、窒素含有率が40から45mol%超の燃料ガスによっては操作することができない。従って、炭化水素流10から過剰の窒素を除去して燃料ガス、および任意の液化炭化水素中の窒素含有率を低減させることが必要とされる。
所望により、炭化水素流は、炭化水素冷却プロセスの一部として、または別個に前処理してから使用することができる。この前処理は、非炭化水素酸ガス、例えば、CO2およびH2Sの低減および/もしくは除去または他の工程、例えば、早期の冷却および予備加圧を含むことができる。
炭化水素流10は、予備圧縮および/または予冷しておくことができる。任意の予冷段階は、一般に、好ましくは、予冷冷媒回路を使用して、流を0℃未満、好ましくは、−20から−50℃の温度に冷却する。これらの工程は当業者に周知であるので、本明細書にこれらの機序をさらに説明することはしない。
本明細書に開示の方法および装置のさらなる利点は、追加の圧縮動力が要求されることなく、炭化水素流から窒素が排除されることである。例えば、燃料ガスをこれが生成された後に窒素排除のために送ることができる。しかしながら、本明細書に開示の方法および装置は、炭化水素流を既に圧縮する場合、液化プロセスの間に窒素を排除するように炭化水素流を処理する。例えば、炭化水素流10を、約60barの圧力において第1熱交換器50に提供することができる。当業者は、本出願における圧力値が、ゲージ圧値ではなく、絶対圧値で挙げられるものと理解する。
従って、本明細書において使用される用語「炭化水素流」は、任意の処理、清浄、脱水および/またはスクラビングを含むこのような処理前の組成物、ならびに、限定されるものではないが、硫黄、硫黄化合物、二酸化炭素および水を含む1種以上の化合物または物質の低減および/または除去のために部分的に、実質的に、または完全に処理された任意の組成物も含む。
好ましくは、本明細書において使用すべき炭化水素流10を、続いて炭化水素流の液化を可能とするのに要求される少なくとも最小の前処理に供する。天然ガスを液化させるためのこのような要求は、当分野において公知である。
炭化水素流は、一般に、メタンよりも重質の変動量の炭化水素、例えば、エタン、プロパン、ブタンおよびペンタン、ならびに一部の芳香族炭化水素も含有する。組成は、炭化水素流、例えば、天然ガスの種類および場所に応じて変動する。ブタンよりも重質の炭化水素は、一般に、LNG温度においてこれらの炭化水素が凍結し、メタン液化プラントの一部の閉塞を惹起し得るので、液化させるべき天然ガスから除去することが必要である。さらに、LNGの所望の規格には、ある成分の除去またはある成分の比率の低減が要求され得る。C2−4炭化水素を抽出し、天然ガス液(NGL)および/または冷媒として使用することができる。この目的のため、回収すべき天然ガス液を、例えば、高圧スクラブ塔内でメタンから分離させ、続いて多数の専用蒸留塔内で精留して有益な炭化水素成分を生じさせることができる。これらの成分は、生成物流これ自体として、または液化プラントおよびプロセスにおける使用に、例えば、冷媒の成分として有益であり得る。
図1に戻ると、炭化水素流10を、第1熱交換器であってよく、好ましくは、液化プラントの主冷却段階である熱交換器50の入口52に通す。炭化水素流10を熱交換器50内で少なくとも部分的に、好ましくは完全に液化させて出口54において冷却炭化水素流60を提供する。
熱交換器50は、図1において単一ユニットとして記号的に示すが、この熱交換器は、1個以上の第1熱交換器を直列、並列またはこの両方で含むことができる。1個以上の熱交換器50の冷却負荷は、当分野において公知の手法において1個以上の主冷媒回路により達成することができる。冷却炭化水素流60は、−100℃未満、より好ましくは、−120℃未満の温度を有してよい。
次いで、冷却炭化水素流60を、第1膨張デバイス100、例えば、弁および/または膨張機、より好ましくは、ターボ膨張機またはジュール・トムソン弁の入口102に通し、このデバイスにおいて、この流を膨張させて出口104において膨張炭化水素流110を提供する。好ましくは、膨張における減圧は、慣用の管および導管を通る流量から生じるわずかな減圧よりも大きい。減圧は、流の温度をさらに低下させるために少なくとも10barだけ、好ましくは、少なくとも35barだけであってよい。冷却炭化水素流60を、例えば、25bar以下、好ましくは、約15から約25barの範囲内、より好ましくは、約20barの圧力に膨張させることにより、流をさらに冷却することができる。また、25bar以下、特に約15から約25barの範囲内の圧力が、流110からの窒素の分離に有益であると考えられる。
次いで、膨張炭化水素流110を精留塔150の第1入口152に第1供給レベルにおいて通し、好ましくは精留塔150の頂部または頂部付近にある第1出口154において上部窒素リッチ炭化水素流160を、および好ましくは精留塔150の底部または底部付近にある第2出口156において下部窒素リーン炭化水素流170を提供する。上部窒素リッチ炭化水素流160は、炭化水素流から窒素の少なくとも一部を除去する。上部窒素リッチ炭化水素流160は、下記の通り精留塔150に還流流も提供する。
上部窒素リッチ炭化水素流160は、凝縮器200の第1入口202に通し、この凝縮器において、この流を部分凝縮させ、凝縮器200の第1出口204において部分凝縮窒素リッチ炭化水素流210を提供する。凝縮は、第1専用冷媒回路内に存在する膨張第1冷媒流860に対して実施する。第1専用冷媒回路は、1個以上の熱交換器50の冷却負荷を提供する1個以上の主冷媒回路から分離されている。
膨張第1冷媒流860は、凝縮器200の第2入口206に通し、この凝縮器において、この流は上部窒素リッチ炭化水素流160を冷却し、加熱第1冷媒流870として凝縮器200から第2出口208において流出する。
膨張第1冷媒流860および加熱第1冷媒流870は、専用第1冷媒回路800内に提供する。「専用」とは、第1冷媒回路が任意の他の冷媒回路と圧縮機および/または圧縮機ドライバを共有しないように、この回路が主冷媒回路ならびに任意の予冷冷媒回路および過冷却冷媒回路(存在する場合)から分離されていることを意味する。第1冷媒回路については、図2に関してより詳細に説明する。
次いで、部分凝縮窒素リッチ炭化水素流210を、気液分離器であってよい第1分離器250の入口に通し、この分離器は、第1出口254において上部窒素排除流260を、および第2出口256において下部窒素還流流270を提供する。上部窒素排除流260の組成は変動し得る。上部窒素排除流260が高純度の窒素を含む場合、この流を大気に排出することができる。
凝縮器200の温度を低下させると、上部窒素排除流260中の窒素の比率が増加する。例えば、部分凝縮窒素リッチ炭化水素流210において、約25barにおける温度を約−150℃とすると、>99mol%の窒素を含む上部窒素排除流260および<1mol%の窒素を有する液化炭化水素流520を提供することができる。精留塔150内の圧力は、第1分離器250に要求される温度に影響を及ぼし得る。例えば、精留塔150内の圧力を増加させることにより、上部窒素排除流260の同一の窒素含有率を流の臨界点以下のより高い温度において得ることができる。
または、凝縮器200の温度を十分に上昇させる場合、より高い窒素含有率の炭化水素流を許容することができる設備、例えば、ガスボイラ用の燃料ガスとして上部窒素排除流260を使用することができるように、上部窒素排除流260の炭化水素含有率を、例えば、最大80から90mol%の窒素に上昇させることができる。
図1に示されていないさらなる実施形態において、上部窒素排除流260中に存在する低温物の一部を回収することができる。例えば、上部窒素排除流260の低温物は、炭化水素流10の任意選択の直接的予冷を提供するほか、炭化水素流10、または冷媒流、例えば、第1冷媒回路800内の冷媒流または任意の予冷もしくは主冷却段階冷媒の1種以上を冷却するために使用することができる。さらに、上部窒素排除流260からの低温物は、図2についての説明において見出される通り、過冷却窒素リーン炭化水素流410をさらに冷却するために使用することができる。
第1分離器250から第2出口256において流出する下部窒素リーン還流流270は、精留塔150に第1供給レベルを超える第2供給レベルにおいて、好ましくは塔頂付近で戻す。
下部窒素リーン炭化水素流170は、精留塔150から、好ましくは塔底付近にある第2出口156を介して流出する。下部窒素リーン炭化水素流170をリボイラ300の第1入口302に通し、このリボイラにおいて、この流を、リボイラ300に第2入口306において流入する、第1冷媒回路800内にさらに存在する第1冷媒供給物流810に対して加熱する。リボイラ300は、第1出口304において部分蒸発窒素リーン炭化水素流310を、および第2出口308において冷却第1冷媒流820を提供する。
本明細書に開示のリボイラ300の機能は、上記の先行技術文献EP1 715 267の図2に開示のリボイラ47の機能と対比することができる。この先行技術文献に開示のリボイラ47内の負荷を変化させるため、この文献の段落[0035]に記載の通り熱交換器16から抜出された冷却高圧供給ガス17の温度を変化させることが必要である。この先行技術の配置は、負荷物を熱交換器の第2区画、例えば、過冷却段階に通す。
引用欧州特許出願は、段落[0014]において、この目的が、任意のLNGプロセスから、最小の追加設備およびプラント性能に対する最小の影響で窒素の一部を排除することであると記述している。この目的は、窒素排除塔用の冷却負荷がLNGの蒸発により提供され、プラント生産性の低下をもたらすので、先行技術のシステムによっては達成することができない。この蒸発により、廃棄し、または再液化させなければならない追加の燃料ガスが生成される。蒸発したLNGを置き換えるため、増加した負担を熱交換器上に設置しなければならず、プラント性能に対して顕著な影響を及ぼす。
本明細書に開示の方法および装置においては、リボイラ300の負荷を、熱交換器50、400上に設置される負荷とは完全に独立して制御する。本明細書に開示の装置を、ユニット性能に影響を与える熱交換器上に設置される冷却負荷を変えることなく、現存の液化ユニットに対して改良することができるので、この制御は特に有利である。
部分蒸発窒素リーン炭化水素流310は、第2分離器350、例えば、気液分離器の入口352に通し、この分離器において、この流を、第1出口354における上部第2分離器蒸気流360と、第2出口356における下部液化窒素リーン炭化水素流370とに分離させる。
上部第2分離器蒸気流360は、精留塔150の好ましくは塔底付近にある第3入口158に、第1供給レベル未満の第3供給レベルにおいて通す。
下部液化窒素リーン炭化水素流370は、第2熱交換器であってよい熱交換器400の第1入口に通す。熱交換器400は、好ましくは、図1に単一ユニットとして記号的に示される過冷却段階であるが、この熱交換器は、1個以上の第2熱交換器を直列、並列またはこの両方で含むことができる。
熱交換器400は、熱交換器50と同一であっても異なってもよい。例えば、熱交換器50および400は、同一の熱交換器、同一のコールドボックスもしくはシェル内に存在する異なる熱交換器であってよく、または互いに離れて位置された異なる熱交換器であってよい。熱交換器50、400は、プレートアンドフィン型またはシェルアンドチューブ型の熱交換器であってよく、より好ましくは、コイル巻き型熱交換器である。
冷却負荷は、当分野において公知の手法において1個以上の過冷却冷媒回路により1個以上の熱交換器400に提供することができる。このような1個以上の過冷却冷媒回路は、冷却負荷を1個以上の熱交換器50に提供する1個以上の主冷媒回路と共有させることができ、またはこの主冷媒回路から分離している。しかし、1個以上の過冷却冷媒回路は、専用第1冷媒回路から分離している。
熱交換器400は、下部液化窒素リーン炭化水素流370を過冷却し、第1出口404において過冷却窒素リーン炭化水素流410を提供することができる。好ましくは、下部液化窒素リーン炭化水素流370を−140℃未満の温度に冷却する。
過冷却窒素リーン炭化水素流410は、当分野において公知の方法により燃料ガス流510を生じさせるために使用する。例えば、図1に示される通り、過冷却窒素リーン炭化水素流410を、第2膨張デバイス450、例えば、弁および/または膨張機、好ましくは、ターボ膨張機またはジュール・トムソン弁の入口462に通すことができる。第2膨張デバイス450は、出口454において膨張窒素リーン炭化水素流460を提供する。
次いで、膨張窒素リーン炭化水素流460を第3分離器500、例えば、気液分離器の入口に通し、好ましくは分離器の頂部または頂部付近にある第1出口464において燃料ガス流520を、および好ましくは分離器の底部または底部付近にある第2出口466において液化炭化水素流520、例えば、LNG流を提供する。
例えば、約30から50barのガス圧をエクスポートするために加圧が要求される場合、燃料ガス流510を1個以上の端部圧縮機(図示せず)に通すことができる。
図2は、窒素を排除する方法および装置が主極低温熱交換器700に統合された第2実施形態を示す。このような熱交換器は、当分野において公知である、天然ガス流を液化させるAP−X、C3MRおよびDMR法において使用する。第1冷媒回路800についても、本実施形態においてより詳細に説明する。
炭化水素流10を、主極低温熱交換器(MCHE)700に第1入口52を介して通す。図1の実施形態と同様の手法において、炭化水素流を、例えば、予冷段階において公知の手法において予冷しておいてよい。
MCHE700は、図1の熱交換器50に対応する主冷却段階50a、および図1の熱交換器400に対応する過冷却段階400aを含む。MCHE700は、例えば、軽重混合冷媒フラクションを利用する場合、図2に示されていない1個以上の付随冷媒回路、例えば、主冷却冷媒回路および過冷却冷媒回路、または単一結合回路を含むことができる。
好ましくは、MCHE700を、窒素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタンおよびペンタンを含む群の2種以上の成分を含む混合冷媒により冷却する。冷媒回路は、任意数の冷媒圧縮機、冷却器および分離器を含み、当分野において公知の手法において1種以上の冷媒流をMCHE700に提供することができる。
例えば、軽重混合冷媒流710および720を、それぞれ、混合冷媒回路により提供し、さらなる冷却のためにMCHE700に導通させることができる。次いで、軽重混合冷媒流710、720を、MCHE700から抜出し、1個以上の弁および/または膨張機(図示せず)により膨張させてからMCHE700に再流入させ、この熱交換器内での冷却を提供することができる。
MCHE700はスプール巻き型熱交換器であってよく、炭化水素流10を冷却し、少なくとも部分的に、好ましくは完全に液化させ、主冷却段階50aの液化バンドル部と過冷却段階400aの過冷却バンドル部の間で冷却炭化水素流60を提供することができる。冷却炭化水素流60は、図1に記載の通り、膨張させ、精留塔150に通す。
冷却炭化水素流60の少なくとも一部を、合流部372を介して下部液化窒素リーン炭化水素流370に移すため、バイパス第1減圧デバイス64を有するバイパス管路62を提供することができる。バイパス管路62により、窒素排除のために通される冷却炭化水素流60の比率を変動させることができる。
図2に示される第1冷媒回路800は、窒素排除用の冷却負荷を提供する。第1冷媒回路800内の冷媒は、好ましくは窒素、より好ましくは>90mol%の窒素を含み、残部は軽質炭化水素、例えば、メタン、エタンおよびプロパンの1種以上により提供される。
第1冷媒回路800内で、圧縮機冷媒供給物流880を第1圧縮機890の入口892に通すことができる。第1圧縮機890は、圧縮機冷媒供給物流880を圧縮し、出口892において圧縮冷媒流900を提供する。圧縮冷媒流900を冷却デバイス910、例えば、空気または水冷却器の入口912に通して出口914において冷却圧縮冷媒流920を提供することができる。
次いで、冷却圧縮冷媒流920を第5熱交換器930の第1入口932に通すことができる。第5熱交換器930は、冷却圧縮冷媒流920をさらに冷却して出口934において第1冷媒供給物流810を提供する。第1冷媒供給物流810は、リボイラ300の第2入口306に通す。
第5熱交換器930内では、冷却圧縮冷媒流920を第2冷媒回路内の第2冷媒、例えば、主冷却回路内の混合冷媒または予冷冷媒に対して熱交換することができる。または、冷却圧縮冷媒流920を、上部窒素排除流260の少なくとも一部に対して熱交換することができる。
図2に示されていない代替的実施形態において、冷却圧縮冷媒流920を上部窒素排除流260の少なくとも一部と合わせて第1冷媒流810を提供することができる、部分開放第1冷媒回路800を提供することができる。
第5熱交換器930には、冷却圧縮冷媒流920から第1冷媒供給物流810までの第5熱交換器バイパス管路940を提供することができる。第5熱交換器バイパス管路940には、第5熱交換器バイパス管路減圧デバイス950、例えば、弁を提供する。精留塔150のリボイラ負荷を第5熱交換器バイパス管路940により制御し、これにより、上部窒素排除流260中に放出される窒素、および下部液化窒素リーン炭化水素流370中に残留している窒素の量を介して燃料ガス流510の窒素含有率を設定する。
例えば、リボイラ300がより高い加熱負荷を提供する場合、より多くの窒素が第2分離器350内で上部第2分離器蒸気流360に排除される。それというのも、これに比例して、より軽質の成分、例えば、窒素のより多くが蒸発するからである。従って、より多くの窒素蒸気が精留塔150を通り上昇し、上部窒素リッチ炭化水素流160の窒素含有率が増加する。上部窒素リッチ炭化水素流160中に存在する任意のメタンは、凝縮器200内で再凝縮させ、第1分離器250からの下部窒素リーン還流流270に入れた後、精留塔150に戻すことができる。これに対応して、リボイラ300がより低い加熱負荷を提供する場合、このより低い加熱負荷は、上部窒素リッチ炭化水素流160中へのより小さい窒素排除、ひいては上部窒素排除流260中のより低い窒素含有率をもたらす。
第5熱交換器バイパス管路減圧デバイス950は、燃料ガス流510上に設置され、この流の窒素含有率を追跡する制御器Qにより操作することができる。制御器Qは、第5熱交換器バイパス管路減圧デバイス950に、第5熱交換器バイパス管路940内の流量を変化させる信号を送ることができ、こうしてリボイラ300の負荷および窒素リーン炭化水素流370の量を変化させる。
リボイラ300は、第2出口308において冷却第1冷媒流820を提供する。冷却第1冷媒流820は、第4熱交換器830の第1入口832に通すことができる。第4熱交換器830は、冷却第1冷媒流820を、第4熱交換器830の第2入口に通される加熱第1冷媒流870に対してさらに冷却し、第1出口834において膨張機冷媒供給物流840を、および第2出口838において圧縮機冷媒供給物流880を提供する。
膨張機冷媒供給物流840は、第4膨張デバイス850、例えば、弁および/または膨張機、好ましくは、ターボ膨張機またはジュール・トムソン弁の入口に通し、このデバイスにおいて、この流を膨張させて出口854において膨張第1冷媒流860を提供する。
膨張第1冷媒流860を凝縮器200の第2出口206に通し、この冷媒流が精留塔150からの上部窒素リッチ炭化水素流160を冷却するので、この凝縮器においてこの冷媒流を部分蒸発させて液体蒸気混合流を提供することができる。加熱第1冷媒流860は、凝縮器200から第2出口208において加熱第1冷媒流870として流出し、この流を第4熱交換器830の第2入口836に通し、熱交換した後に圧縮機冷媒供給物流880を提供し、こうして第1冷媒回路800を完了させる。
窒素排除方法および装置の残部に関しては、図2の参照数字は、図1に説明した同一番号の数字と同一の名称および目的を有する。
図2に戻ると、第2分離器350により提供される下部液化窒素リーン炭化水素流370をMCHE700の第2入口402に通し、この熱交換器において、この流を図1の熱交換器400に対応する過冷却段階400aにおいて過冷却する。過冷却段階400aは、MCHE700の第2出口404において過冷却窒素リーン炭化水素流410を提供する。
過冷却窒素リーン炭化水素流410は、第3熱交換器550の第1入口552に通し、この熱交換器において、この流を、エンドフラッシュユニット650から抜出された中間留分の窒素リーン炭化水素流660に対して冷却し、第3熱交換器550の第1出口554において予冷窒素リーン炭化水素流560を提供する。
図2に示されていないさらなる実施形態において、第3熱交換器550には、上部窒素排除流260の少なくとも一部を代替的に供給することができ、この流を過冷却窒素リーン炭化水素流410をさらに冷却するために使用することができる。
次いで、予冷窒素リーン炭化水素流560を第3膨張デバイス600、例えば、弁および/または膨張機、より好ましくは、ターボ膨張機またはジュール・トムソン弁の入口602に通し、このデバイスにおいて、この流を膨張させて出口604において膨張窒素リーン炭化水素流610を提供する。次いで、膨張窒素リーン炭化水素流610を、さらなる第2減圧デバイス620に場合により導通させてからエンドフラッシュユニット650の第1入口652に第4供給レベルにおいて通すことができる。
燃料ガス流510は、エンドフラッシュユニット650から、好ましくはユニットの頂部または頂部付近にある第1出口654から流出し、液化炭化水素流520、例えば、LNG流は、エンドフラッシュユニット650から、好ましくはユニットの底部または底部付近にある第2出口656において流出する。燃料ガス流510は、燃料ガス使用設備、例えば、ガスタービンおよびガスボイラへの分配のための燃料ガスネットワーク(図示せず)に通すことができる。代替的に、および/または追加的に、燃料ガス流510を1個以上の燃料ガス圧縮機内で場合により圧縮し、エクスポートのために送ることができる。液化炭化水素流520は、貯蔵または輸送のために送ることができる。
中間留分の窒素リーン炭化水素流660は、エンドフラッシュユニット650から第3出口657において抜出し、第3熱交換器550の第2入口556に通すことができ、この熱交換器において、この留分を、過冷却窒素リーン炭化水素流410を冷却するために使用することができる。中間留分の窒素リーン炭化水素流660は、第3熱交換器550を第2出口558において加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670として出て、次いでこの流をエンドフラッシュ650の好ましくはユニットの底部付近にある第2入口658に第4供給レベル未満の第5供給レベルにおいて戻す。
加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670には、弁であってよく、加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670中に存在する第3減圧デバイス680に付属している流量制御器FICを備えることができる。流量制御器FICは、液化炭化水素流520の窒素含有率を追跡する窒素センサQ1と通信している。流量制御器は、エンドフラッシュユニット650に供給される加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670と、膨張窒素リーン炭化水素流610から、この流を第2減圧デバイス620に導通させ、エンドフラッシュユニット650に供給した後に生じるエンドフラッシュユニット内の還流流との比を調節することができる。
加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670の流量を第3減圧デバイス680により低減させる場合、第3熱交換器550内の中間留分の窒素リーン炭化水素流660の滞留時間が増加する。従って、第3熱交換器550は、中間留分の窒素リーン炭化水素流660をより高い温度に加熱し、より高温の加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670を提供する。より高温の加熱中間留分窒素リーン炭化水素流670をエンドフラッシュユニット650に通す場合、このユニットは、より多くのストリッピング蒸気を提供し、より多くの窒素をボイルオフし、こうしてエンドフラッシュユニットを通り降下する液体からより多くの窒素をストリッピングする。従って、還流とストリッピング蒸気との比を変化させることにより、液化炭化水素流、例えば、LNGの質を変動させることができる。
当業者は、本発明を添付の特許請求の範囲の範疇から逸脱することなく多くの種々の手段において実施することができることを理解する。例えば、図1の実施形態の第2膨張デバイス450および第3分離器500を、図2の実施形態の過冷却窒素リーン炭化水素流410を処理するために用いることができ、または図2の第3熱交換550、第3膨張デバイス600およびエンドフラッシュユニット650を、図1の実施形態の過冷却窒素リーン炭化水素流410を処理するために用いることができる。
Claims (17)
- 炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する方法であって、
少なくとも:
(a)炭化水素流を熱交換器内で少なくとも部分的に液化させて冷却炭化水素流を提供する工程;
(b)冷却炭化水素流の少なくとも一部を第1膨張デバイス内で膨張させて膨張炭化水素流を提供する工程;
(c)膨張炭化水素流を精留塔内で精留して上部窒素リッチ炭化水素流および下部窒素リーン炭化水素流を提供する工程;
(d)上部窒素リッチ炭化水素流を凝縮器内で専用第1冷媒回路内の膨張第1冷媒流に対して冷却することにより凝縮させて部分凝縮窒素リッチ炭化水素流および加熱第1冷媒流を提供する工程;
(e)部分凝縮窒素リッチ炭化水素流を第1分離器内で分離させて上部窒素排除流および下部窒素リーン還流流を提供し、該還流流を精留塔に戻す工程;
(f)精留塔からの下部窒素リーン炭化水素流をリボイラ内で第1冷媒回路内の第1冷媒供給物流に対して加熱して部分蒸発窒素リーン炭化水素流および冷却第1冷媒流を提供する工程;
(g)部分蒸発窒素リーン炭化水素流を第2分離器内で分離させて上部第2分離器蒸気流を提供し、該蒸気流を精留塔に戻し、および下部液化窒素リーン炭化水素流を提供する工程;
(h)下部液化窒素リーン炭化水素流を熱交換器内で過冷却して過冷却窒素リーン炭化水素流を提供する工程;ならびに
(i)過冷却窒素リーン炭化水素流から燃料ガス流を生じさせる工程
を含む、方法。 - 工程(a)が、炭化水素流を第1熱交換器内で完全に液化させて冷却炭化水素流を提供することを含む、請求項1の方法。
- 工程(i)が、
(1)過冷却窒素リーン炭化水素流を第2膨張デバイス内で膨張させて膨張窒素リーン炭化水素流を提供すること;ならびに
(2)膨張窒素リーン炭化水素流を第3分離器内で分離させて燃料ガス流および液化炭化水素流を提供すること
を含む、請求項1または2の方法。 - 工程(i)が、
(1)過冷却窒素リーン炭化水素流を第3熱交換器内で冷却して予冷窒素リーン炭化水素流を提供すること;
(2)予冷窒素リーン炭化水素流を第3膨張デバイス内で膨張させて膨張窒素リーン炭化水素流を提供すること;ならびに
(3)膨張窒素リーン炭化水素流をエンドフラッシュユニット内で分離させて燃料ガス流および液化炭化水素流、好ましくは、LNG流を提供すること
を含む、請求項1または2の方法。 - 工程(i)が、
(4)エンドフラッシュユニットから中間留分の窒素リーン炭化水素流を抜出し、およびこれを第3熱交換器に通すこと;
(5)中間留分の窒素リーン炭化水素流を過冷却窒素リーン炭化水素流に対して加熱して予冷窒素リーン炭化水素流および加熱中間留分窒素リーン炭化水素流を提供すること;ならびに
(6)加熱中間留分窒素リーン炭化水素流をエンドフラッシュユニットに通すこと
をさらに含む、請求項4の方法。 - 第1分離器からの窒素排除流を、第1または第2熱交換器からの過冷却窒素リーン炭化水素流、炭化水素流および冷媒流からなる群の1種以上に対して熱交換するさらなる工程を含む、請求項1から5のいずれかの方法。
- 第1冷媒回路内の第1冷媒流が窒素を含む、請求項1から6のいずれかの方法。
- 第1冷媒回路が、上部窒素排除流から抜かれた第1冷媒を含む部分開放回路である、請求項1から7のいずれかの方法。
- 冷却第1冷媒流を第4熱交換器内で加熱第1冷媒流に対して熱交換して膨張機冷媒供給物流および圧縮機冷媒供給物流を提供する工程;ならびに膨張機冷媒供給物流を第4膨張デバイス内で膨張させて膨張第1冷媒流を提供する工程をさらに含む、請求項1から8のいずれかの方法。
- 圧縮機冷媒供給物流を第1圧縮機内で圧縮して圧縮冷媒流を提供する工程をさらに含む、請求項9の方法。
- 圧縮冷媒流を冷却デバイス内で冷却して第1冷媒供給物流を提供することをさらに含む、請求項10の方法。
- 圧縮冷媒流を冷却デバイス内で冷却して冷却圧縮冷媒流を提供すること;および冷却圧縮冷媒流を第5熱交換器内で熱交換して第1冷媒供給物流を提供することをさらに含む、請求項10の方法。
- 冷却圧縮冷媒流を第2冷媒回路内の第2冷媒に対して熱交換する、請求項12の方法。
- 冷却圧縮冷媒流から第1冷媒供給物流までの第5熱交換器バイパス管路(該第5熱交換器バイパス管路は、第5熱交換器バイパス管路弁を収容する。)を提供することをさらに含む、請求項12または13の方法。
- 少なくとも:
−請求項14の方法において第5熱交換器をバイパスする工程;および
−第5熱交換器バイパス弁を制御して第5熱交換器内で冷却されている冷却圧縮冷媒流の相対比率に影響を与える工程
を含む、燃料ガス流中に存在する窒素の濃度を制御する方法。 - 炭化水素流から窒素を排除して燃料ガス流を提供する装置であって、
少なくとも:
−炭化水素流用第1入口および冷却炭化水素流用第1出口(熱交換器の第1出口)を有する第1熱交換器;
−第1熱交換器の第1出口に接続されている入口、および膨張炭化水素流用出口を有する第1膨張デバイス;
−第1膨張デバイスの出口に接続されている第1入口、および上部窒素リッチ炭化水素流用第1出口、下部窒素リーン炭化水素流用第2出口、下部窒素リーン還流流用第2入口ならびに上部第2分離器蒸気流用第3入口を有する精留塔;
−精留塔の第1出口に接続されている第1入口、および部分凝縮窒素リッチ炭化水素流用第1出口ならびに膨張第1冷媒流用第2入口および加熱第1冷媒流用第2出口を有する凝縮器;
−凝縮器の第1出口に接続されている第1入口および上部窒素排除流用第1出口ならびに下部窒素リーン還流流用第2出口(前記第2出口は、精留塔の第2入口に接続されている。)を有する第1分離器;
−精留塔の第2出口に接続されている第1入口、部分蒸発窒素リーン炭化水素流用第1出口、第1冷媒供給物流用第2入口および冷却第1冷媒流用第2出口を有するリボイラ;
−リボイラの第1出口に接続されている第1入口、上部第2分離器蒸気流用第1出口および下部液化窒素リーン炭化水素流用第2出口(前記第2出口は、精留塔の第3入口に接続されている。)を有する第2分離器;ならびに
−第1熱交換器または異なる熱交換器であってよい第2熱交換器(前記第2熱交換器は、第2分離器の第2出口に接続されている第1入口および過冷却窒素リーン炭化水素流用第1出口を有する。)
を含む、装置。 - −リボイラの第2出口に接続されている第1入口、膨張機冷媒供給物流用第1出口、凝縮器の第2出口に接続されている第2入口、および圧縮機冷媒供給物流用第2出口を有する第4熱交換器;
−第4熱交換器の第2出口に接続されている入口および圧縮冷媒流用出口を有する第1圧縮機;
−第1圧縮機の出口に接続されている入口および冷却圧縮冷媒流用出口を有する冷却デバイス;
−冷却デバイスの出口に接続されている入口およびリボイラの第2入口に接続されている出口を有する第5熱交換器;ならびに
−第4熱交換器の第1出口に接続されている入口および凝縮器の第2入口に接続されている出口を有する第4膨張デバイス
をさらに含む、請求項16の装置。
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