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

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 Download PDF

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カールト，サンデル
ヤーゲル，マルコ・デイツク
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シエル・インターナシヨナル・リサーチ・マートスハツペイ・ベー・ヴエー
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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。
欧州特許出願公開第１ ７１５ ２６７号明細書
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。
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。
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。
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。
一実施形態による炭化水素流について窒素を排除する方法および装置の概略図である。 第２実施形態による炭化水素流について窒素を排除する方法および装置の概略図である。
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. −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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