JP3320934B2

JP3320934B2 - ガスの液化方法

Info

Publication number: JP3320934B2
Application number: JP33194394A
Authority: JP
Inventors: 孝一上野; 顕一郎三橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: JPH08159652A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスの液化方法、例え
ば天然ガスのような少なくとも一つの低沸点成分を含む
ガスを液化する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】天然ガスの液化方法として、例えば特公
昭４７−２９７１２号公報には、メタン富化ガスフィー
ド流を単一成分冷却剤と順次低温になる条件で順次熱交
換させて予冷し、一方前記単一成分冷却剤との熱交換に
よって一部が凝縮するまで予冷した多成分冷却剤の凝縮
部分と蒸気部分とを分離し、前記凝縮部分を深冷して膨
張させた後に前記の予冷したフィード流と熱交換して通
過させる第１の段階と、前記蒸気部分を液化させ、膨張
させた後に前記フィード流と熱交換して通過させる第２
の段階により液化する方法が示されている。その主要部
分である主冷却器周りを図２により説明すると、熱交換
器５０は下部が第１の段階（高温帯域）５１、上部が第
２の段階（低温帯域）５２となっている。原料ガスフィ
ード流を単一成分冷却剤で予冷した後、さらに該単一成
分冷却剤で冷却することにより凝縮した高沸点成分を除
去した後の予冷されたガス流２８は高温帯域５１に設け
られた流路Ａの下部から導入され、一方単一成分冷却剤
との熱交換によって一部が凝縮した多成分冷却剤を気液
分離した高圧蒸気流（蒸気部分）８及び高圧凝縮液流
（凝縮部分）９も高温帯域５１に設けられた流路Ｂ及び
流路Ｃのそれぞれの下部から導入される。多成分冷却剤
の高圧凝縮液流９は高温帯域５１中の流路Ｃを上昇中に
更に冷却された後、膨張弁５３を経てスプレーノズル５
５から高温帯域５１中にスプレーされ流路Ａ，Ｂ，Ｃ中
の流体を冷却する。流路Ｂを流れる多成分冷却剤の高圧
蒸気流８はここで冷却液化された後低温帯域５２中の流
路Ｆに導入され、さらに冷却された後膨張弁５４を経て
スプレーノズル５６から低温帯域５２中にスプレーさ
れ、流路Ｅ，Ｆ中の流体を冷却する。高温帯域中の流路
Ａを流れ冷却されたガス流２８は低温帯域５２中の流路
Ｅに導入され、さらに冷却されて液化ガス１０として抜
き出し製品として回収する。スプレーノズル５５、５６
からそれぞれスプレーされた多成分冷却剤の高圧凝縮液
流９及び液化した多成分冷却剤の高圧蒸気流８は流路
Ａ、Ｂ、Ｃ及び流路Ｅ、Ｆを流れる流体との熱交換によ
って完全に気化し、気化した多成分冷却剤蒸気流１８
は、コンプレッサーで圧縮後、熱交換器で単一成分冷媒
と熱交換して一部が凝縮した多成分冷却剤として循環使
用する（図示せず）。この方法においては、予冷したガ
スフィード流と多成分冷却剤との熱交換器としてハンプ
ソン式熱交換器が採用されている。このハンプソン式熱
交換器はアルミニウム材のワウンドチューブを芯金に幾
重にも巻き付けていく工法のため熱交換器の流路が長く
なり圧力損失が大とならざるを得ず、そのためのコンプ
レッサー馬力を必要とし、また前記構造から熱交換器自
体も大型にならざるを得ない。また低温流体の低温端が
熱交換器の頂部にあるため熱交換器内の流体の流れが止
まった場合、低温端の冷媒液が重力によって高温端へ逆
流し、熱交換器底部に溜まった高温の冷媒蒸気との間で
熱交換が生じて急激な低温液の沸騰が起こるため、安全
性の面で問題を有する。

【０００３】特公昭５４−４０７６４号公報には、多成
分を含む冷凍剤を単一成分冷媒によって予冷することな
く、冷却水との熱交換によって一部が凝縮するまで予冷
し、予冷した多成分を含む冷凍剤の凝縮部分と蒸気部分
とを分離し、次いで分離した凝縮部分と蒸気部分とを混
合してプレートフィン型熱交換器の入口に導入し、被冷
却物質、例えば天然ガスの流れと並流に、しかもこの凝
縮部分と蒸気部分との混合からなる高熱冷凍剤を冷却し
膨張させた後の低熱冷凍剤との流れとは向流になるよう
に流して天然ガスを液化する方法が開示されている。こ
の方法は、多成分を含む冷凍剤の凝縮部分と蒸気部分と
を熱交換器入口で混合し、熱交換器内を混相として通過
させて、蒸気部分だけでなく凝縮部分までも低温帯域の
温度まで過冷却する方式をとるため、特公昭４７−２９
７１２号公報に開示された凝縮部分を低温帯域の温度ま
で過冷却する必要のない方法に比べて、熱交換量が増大
し大きな熱交換器を必要とする。また凝縮部分は高沸点
成分を多く含むため、高沸点成分の蒸発潜熱が利用され
る高温帯域では、被冷却流体の凝縮カーブと冷媒の蒸発
カーブの温度差は開きが生じ熱交換器の設計に有効に働
くが、凝縮部分を過冷却した低温帯域では、冷媒中の高
沸点成分は主として顕熱しか利用されないため、被冷却
流体の凝縮カーブと冷媒の蒸発カーブの温度差は開きが
生じにくく、有効な冷媒熱の利用とは言いがたい。この
ため、前記従来法にくらべてより大きなコンプレッサー
馬力を必要とし、エネルギー消費が増大する欠点を有す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、単一成分冷
媒と順次低温になる条件で熱交換させて予冷されたガス
を、前記単一成分冷媒との熱交換によって一部が凝縮す
るまで予冷された高圧多成分冷媒と熱交換させてガスを
液化する際に、プレートフィン型熱交換器を用いること
により、前記従来法の欠点を回避し、コンプレッサーの
馬力の削減による省エネルギー化が図れるガスの液化方
法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に関わるガスの液
化方法は、単一成分冷媒と順次低温になる条件で熱交換
させて予冷したガスを、前記単一成分冷媒との熱交換に
よって一部が凝縮するまで予冷した高圧多成分冷媒と熱
交換させてガスを液化するに際して、（１）単一成分冷
媒との熱交換によって一部が凝縮した高圧多成分冷媒を
高圧蒸気流と高圧凝縮液流とに分離し、（２）プレート
面が直立するように設置され上部側に少なくとも４種の
流路を有する高温帯域、下部側に少なくとも３種の流路
を有する低温帯域を設けたプレートフィン型熱交換器の
高温帯域の流路の内の３種の流路の上部よりガス流、多
成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮液流を
それぞれ導入し、後述の第１の低圧多成分冷媒流を高温
帯域の内の１種の流路の下部より導入して、ガス流、多
成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮液流を
第１の低圧多成分冷媒流と熱交換させて冷却し、（３）
高温帯域で冷却されたガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気
流をプレートフィン型熱交換器の低温帯域の流路の内の
２種の流路の上部よりそれぞれ導入し、後述の第２の低
圧多成分冷媒流を低温帯域の内の１種の流路の下部より
導入して、ガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気流を第２の
低圧多成分冷媒流と熱交換させてさらに冷却し、（４）
低温帯域の下部から液化したガス流を抜き出して回収
し、（５）低温帯域の下部から抜き出された液化した多
成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させて得られる蒸気部分と
凝縮部分とを気液分離し、分離された蒸気部分と凝縮部
分とを混合して第２の低圧多成分冷媒流として低温帯域
の内の１種の流路の下部より導入し、低温帯域内を上部
より下部へ通過するガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気流
と熱交換させた後、低温帯域の上部から抜き出し、
（６）低温帯域の上部から抜き出された第２の低圧多成
分冷媒流と高温帯域を通過した後の多成分冷媒の高圧凝
縮液流を膨張させて得られる流れとを混合して気液分離
し、分離された蒸気部分と凝縮部分とを混合して第１の
低圧多成分冷媒流として高温帯域の内の１種の流路の下
部より導入し、高温帯域内を上部より下部へ通過するガ
ス流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝
縮液流と熱交換させた後、高温帯域の上部から蒸気とし
て抜き出し、（７）高温帯域の上部から蒸気として抜き
出された第１の低圧多成分冷媒流を圧縮後、単一成分冷
媒と熱交換して得られる一部が凝縮した高圧多成分冷媒
を前記（１）の工程に循環して再度ガスの液化に使用す
ることからなる。

【０００６】これを図１により具体的に説明する。本発
明においては、単一成分冷媒と順次低温になる条件で熱
交換させて予冷したガスを、前記単一成分冷媒との熱交
換によって一部が凝縮するまで予冷した高圧多成分冷媒
と熱交換させるに際し、熱交換器としてプレートフィン
型熱交換器を使用する。プレートフィン型熱交換器は熱
交換器内の流路が直線的で短いため、ワウンドチューブ
を幾重にも巻き付けた流路の長い従来のハンプソン式熱
交換器に比べて圧力損失を著しく小さくすることができ
る。熱交換器を流れる被冷却流体側の圧力損失を小さく
することは被冷却流体の凝縮カーブが高温側に移動する
傾向にある（後述の図８の説明参照）。このため熱交換
器の伝熱面積を縮小したり、或は、ハンプソン式熱交換
器と同等の温度差で熱交換器を設計するならば、コンプ
レッサーの負荷を低減することができる。本発明で使用
するプレートフィン型熱交換器２０は、プレート面が直
立するように設置され上部側に少なくとも４種の流路
Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤを有する高温帯域２１、下部側に少な
くとも３種の流路Ｅ，Ｆ及びＧを有する低温帯域２２を
設けたものである（構成要件２の一部の説明）。なお本
発明において多成分冷媒とは、順次に低い沸点を有する
多数の冷媒成分を含み少なくとも一成分は被冷却流体が
冷却されるべき温度、即ちガスの液化温度よりも低い沸
点を有する組成物を言う。多成分冷媒は原料ガスの組
成、温度、圧力に応じて適宜選定すれば良い。例えば、
窒素、炭素数１〜５を有する炭化水素のうちから選ばれ
る成分の混合物が使用でき、窒素、メタン、エタン及び
プロパンからなる混合物が好ましい。更に窒素２〜１４
モル％、メタン３０〜４５モル％、エタン３２〜４５モ
ル％、プロパン９〜２１％の組成範囲のものが好まし
い。また混合物の中のエタンに代えてエチレンやプロパ
ンに代えてプロピレンを用いてもよい。単一成分冷媒と
しては低沸点の炭化水素が使用でき、プロパンが好まし
い。なおプレートフィン型熱交換器の上部側における４
種の流路及び下部側における３種の流路は本発明の実施
のために欠くことができない構成要件であるが、それ以
外に高温帯域及び／又は低温帯域に流路を設けて、他の
流体（気体、液体又は気液混相流体）の冷却目的に使用
することを妨げるものではない。

【０００７】本発明における原料ガスとしては、メタ
ン、エタン等のような低沸点成分を少なくとも一つ含む
ガスが使用できる。例えば天然ガスが挙げられる。少な
くとも一つの低沸点成分を含む原料ガス流１、例えば４
９．９ｂａｒＡ（絶対圧）、２１℃の天然ガスは、例え
ばプロパンのような単一成分冷媒により順次低温になる
条件で設定されている熱交換器群２，３で予冷される。
予冷温度は原料ガスの種類により異なるが、全システム
のエネルギー消費を考慮して決定される。予冷したガス
流４は、必要に応じてリボイラー５を備えた高沸点物分
離器７で高沸点物を分離し低沸点成分の純度を高めた上
で、プレートフィン型熱交換器２０の高温帯域２１の流
路Ａの上部より導入する（構成要件２の一部の説明）。
図１では、高温帯域２１の上部に４８．４ｂａｒＡ、−
３３℃で導入し、−４５℃に冷却したガス流２７を一旦
抜き出して還流ドラム６に導入し、還流ドラム６で分離
された高沸点物凝縮物を高沸点物分離器７の上部に還流
させ、還流ドラム６で凝縮物を除去され低沸点成分の純
度が高まったガス流２８を高温帯域２１の流路Ａに導入
している。高温帯域２１の流路Ａに導入されたガス流は
高温帯域２１内を下方に向かって流れる。高沸点物分離
器７の頂部より抜き出したガス流２７を冷却してその凝
縮物を分離するために、プレートフィン型熱交換器２０
の高温帯域２１に代えて単一成分冷媒による冷却器を設
けることもできる。その場合は、凝縮物を分離除去した
ガス流を熱交換器２０の高温帯域２１の上部に導入し、
途中から一旦抜き出すことなく、そのまま高温帯域内を
通過させることができる。

【０００８】例えば窒素、メタン、エタン及びプロパン
からなる高圧多成分冷媒を、原料ガスの予冷に使用した
のと同じ単一成分冷媒により順次低温になる条件で設定
されている熱交換器群３１，３２，３３で順次熱交換さ
せて一部が凝縮するまで予冷し、予冷された高圧多成分
冷媒は気液分離器２３で高圧蒸気流８と高圧凝縮液流９
とに分離し、高圧蒸気流８はプレートフィン型熱交換器
２０の高温帯域２１の流路Ｂの上部より、高圧凝縮液流
９は流路Ｄの上部より、それぞれ導入する。後述の第１
の低圧多成分冷媒流（気液混相流）を高温帯域の流路Ｃ
の下部より導入して流路Ａのガス流、流路Ｂの高圧蒸気
流及び流路Ｄの高圧凝縮液流と向流させ熱交換を行う。
流路Ｃの第１の低圧多成分冷媒流（気液混相流）は低
温、例えば４．０ｂａｒＡ、−１２８℃（高温帯域の入
口）になっているので、流路Ａのガス流、流路Ｂの高圧
蒸気流及び流路Ｄの高圧凝縮液流はこれと熱交換して冷
却される（要件１及び要件２の一部の説明）。

【０００９】高温帯域２１の流路Ａで冷却されたガス流
２８および流路Ｂで冷却された多成分冷媒の高圧蒸気流
８は、低温帯域２２の流路Ｅ，Ｆのそれぞれの上部より
導入し、後述の第２の低圧多成分冷媒流（気液混相流）
を低温帯域の流路Ｇの下部より導入して、流路Ｅのガス
流２８及び流路Ｆの高圧蒸気流８と向流させ熱交換を行
う。流路Ｇの第２の低圧多成分冷媒流（気液混相流）は
さらに低温、例えば４．１ｂａｒＡ、−１６８℃（低温
帯域の入口）になっているので、流路Ｅのガス流２８及
び流路Ｆの高圧蒸気流８はさらに冷却される。（構成要
件３の説明）。高温帯域２１の流路Ａを通過したガス流
２８を低温帯域２２の流路Ｅに導入するに際して図１に
示すように膨張させて、低温帯域の下部から液化したガ
ス流１０を抜き出し、さらに膨張させ（図示せず）低圧
にして、１ａｔｍ、−１６２℃程度の製品として回収す
る（構成要件４の説明）。

【００１０】低温帯域の下部から抜き出された液化し
た、例えば４７．０ｂａｒＡ、−１６２℃の多成分冷媒
の高圧蒸気流１１を膨張弁４２で膨張させて得られる蒸
気部分と凝縮部分とを気液分離器２５で気液分離し、分
離された蒸気部分１２と凝縮部分１３とを混合して４．
１ｂａｒＡ、−１６８℃程度の第２の低圧多成分冷媒流
として低温帯域の下部より流路Ｇに導入し、低温帯域内
を上部より下部へ通過する流路Ｅのガス流及び流路Ｆの
多成分冷媒の高圧蒸気流と向流させて熱交換した後、低
温帯域の上部から抜き出す（構成要件５の説明）。

【００１１】流路Ｇを通過して低温帯域の上部から抜き
出された第２の低圧多成分冷媒流１４と、高温帯域の流
路Ｄを通過した後の例えば４７．０ｂａｒＡ、−１２４
℃の多成分冷媒の高圧凝縮液流１５を膨張弁４１で膨張
させて得られる４．０ｂａｒＡ、−１２８℃の流れとを
混合して気液分離器２４で気液分離する。分離された蒸
気部分１６と凝縮部分１７とを混合して第１の低圧多成
分冷媒流として高温帯域の流路Ｃの下部より導入し、高
温帯域内を通過する流路Ａのガス流、流路Ｂの多成分冷
媒の高圧蒸気流及び流路Ｄの多成分冷媒の高圧凝縮液流
と向流させて熱交換した後、高温帯域の上部から３．６
ｂａｒＡ、−３６℃程度の蒸気として抜き出す（構成要
件６の説明）。なお低圧多成分冷媒流の流路（流路Ｇ＋
流路Ｃ）における圧力損失を０．５ｂａｒ以下にするこ
とが好ましい。

【００１２】高温帯域の流路Ｃの上部から抜き出された
第１の低圧多成分冷媒流１８をコンプレッサー２６で圧
縮し、多成分冷媒冷却器３４で非炭化水素冷媒、例えば
空気或は水と熱交換して冷却した後、熱交換器群３１，
３２，３３で単一成分冷媒との熱交換によって一部が凝
縮した４８．０ｂａｒＡ、−３３℃程度の混相の高圧多
成分冷媒１９を前記（１）の工程に循環して再度ガスの
液化に使用する（構成要件７の説明）。なお単一成分冷
媒による原料ガスの予冷及び高圧多成分冷媒の予冷には
同じ単一成分冷媒を用いる。この単一成分冷媒の冷却シ
ステムは、通常単一成分冷媒を圧縮し、冷却して完全に
凝縮させた後、被冷却流体と順次低圧、低温にて熱交換
させ、熱交換により気化した単一成分冷媒の蒸気を圧縮
することからなるサイクル中を循環させる方法が採用さ
れる。また前記原料ガスの予冷及び高圧多成分冷媒の予
冷を一つの単一成分冷媒の閉サイクル内に構成すること
ができる。例えば図１においては、単一成分冷媒を圧縮
し冷却して得られる単一成分中圧冷媒（液）を予冷器２
に導入して原料ガス流を冷却し、予冷器２から抜き出さ
れた単一成分中圧冷媒（液）を膨張させて得られる単一
成分低圧冷媒（気液混相）を予冷器３に導入し、予冷器
２で冷却された後の原料ガス流を低圧、低温にてさらに
冷却する。原料ガス流との熱交換により気化した単一成
分冷媒の蒸気は各予冷器から圧縮機に送られて昇圧し、
次いで空気や水によって凝縮され、再び原料ガス流の冷
却に用いる。また、単一成分冷媒にて高圧多成分冷媒を
その一部が凝縮するまで予冷する場合も、前記と同様に
順次低圧、低温にて熱交換させることにより行うことが
できる。例えば、単一成分高圧冷媒（液）を多成分冷媒
予冷器３１に導入して高圧多成分冷媒を冷却し、多成分
冷媒予冷器３１から抜き出された単一成分高圧冷媒
（液）を膨張させて得られる単一成分中圧冷媒（気液混
相）を多成分冷媒予冷器３２に導入し、予冷器３１で冷
却された後の高圧多成分冷媒を低い圧力、低い温度にて
冷却し、多成分冷媒予冷器３２から抜き出された単一成
分中圧冷媒（液）を膨張させて得られる単一成分低圧冷
媒（気液混相）を多成分冷媒予冷器３３に導入し、予冷
器３２で冷却された後の高圧多成分冷媒をさらに低い圧
力、低い温度にて冷却するようにして高圧多成分冷媒の
一部を凝縮させる。多成分冷媒との熱交換により気化し
た単一成分冷媒の蒸気は各予冷器から圧縮機に送られて
昇圧し、次いで空気や水によって凝縮され、単一成分高
圧冷媒（液）として再び多成分冷媒の冷却に用いること
ができる。前記原料ガスの予冷用の単一成分冷媒の冷却
サイクルと、この多成分冷媒の予冷のための単一成分冷
媒の冷却サイクルは、単一成分冷媒用の圧縮機を共有す
ることにより一つの閉サイクルを構成している。

【００１３】本発明においては被冷却流体である予冷さ
れたガス流２８、多成分冷媒の高圧蒸気流８及び多成分
冷媒の高圧凝縮液流９は熱交換器の上部より下部に流れ
るように導入される。一方冷却用流体である第１の低圧
多成分冷媒流（１６＋１７）及び第２の低圧多成分冷媒
流（１２＋１３）は、各流体が通過する熱交換器内の帯
域において、下部より上部に向かって流れるように導入
される。このようにすることにより、熱交換器の上部に
導入された被冷却流体は、冷却されながらその流体が通
過する帯域の下部まで到達する間に凝縮するので、流路
内では大きな液の静圧がかかり、圧力損失を打ち消すこ
とになる。このため、実際の圧力損失は著しく小さくな
り、被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の蒸発カーブ
との温度差が開く方向に向かうので、熱交換器の伝熱面
積を縮小できるため、熱交換器の設計に有利となる。あ
るいは被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の蒸発カー
ブとの温度差を前と同程度に保つならば、多成分冷媒の
流量を減らしたり冷媒組成の調整を行うことによってコ
ンプレッサーの負荷を小さくすることもできる。

【００１４】また熱交換器内の流体の流れが止まった場
合、前記特公昭４７−２９７１２号公報記載の熱交換器
のように低温流体の低温端が熱交換器の頂部にある場合
は、低温端の冷媒液体が熱交換されないまま、重力によ
って高温端の底部に溜まるため、熱交換器底部に溜った
高温の冷媒蒸気との間で熱交換が生じて急激な低温液の
沸騰が起こり、熱交換器内の圧力上昇をもたらす。更に
アルミチューブに設計値以上の温度差がついて、アルミ
材料の熱応力疲労をもたらす恐れがあるが、本発明にお
いては、熱交換器内の流体の流れが止まっても、重力に
よる低温液の逆流が起こらないので、安全性を保つこと
ができる。

【００１５】熱交換器の性能を十分に発揮するには、各
流体がそれぞれの流路に均等に分布されなければならな
い。このため本発明においては、前記のように膨張後に
得られる気液混相の流体は、分離器を設置して蒸気部分
と凝縮部分とに分離した後、分離された蒸気部分と凝縮
部分とを十分に混合した状態で熱交換器の入口に導入す
る。即ち、液化した多成分冷媒の蒸気流１１について
は、膨張後に得られる蒸気部分と凝縮部分とを気液分離
器２５により分離した後、分離された蒸気部分１２と凝
縮部分１３とを十分に混合した状態で、第２の低圧多成
分冷媒流として低温帯域の下部より流路Ｇに導入し、低
温帯域内を通過する流路Ｅのガス流及び流路Ｆの多成分
冷媒の高圧蒸気流と熱交換させる。分離された蒸気部分
１２と凝縮部分１３との混合は、低温帯域に導入される
直前で行うことが好ましい。混合方法としては熱交換器
の入口部までは蒸気部分と凝縮部分とをそれぞれ単相で
供給し、入口部で一挙に混相流とする方法が挙げられ
る。例えば蒸気部分（気体）と凝縮部分（液体）をそれ
ぞれ単相で熱交換器へ供給するための分散用のコア（多
積層流体路集合装置）を熱交換器の流体取入口に取り付
け、該分散用コア内に気体用分散フィン（多積層流体
路）と液体用分散フィンとを隣接して設け、相隣接する
各分散フィンを流れた気体と液体とを共に二相（混相）
流用分配フィンに流入し合流させて気液混相流とするよ
うにした気液分散装置（特公昭６３−５２３１３号公
報）、熱交換器ヘッダ内に気液合流層と流通路層からな
る気液分散コアを設けて、気液を別々に流入し合流層で
合流させるようにした気液分散装置（特公昭６３−５２
３１２号公報）、熱交換器の有効フィンの入口又は中間
に設けたセンターバー（側面に貫通溝をうがった中央分
配管）まで気液を別々に供給し、センターバーで合流さ
せるようにした気液分散装置（特開昭５８−８６３９６
号公報）等の方式が挙げられる。また、隣接する流体通
路を仕切るプレートに穴を開けて、コア内部で気液を混
合するようにした熱交換器（米国特許３５５９７２２明
細書）の方式も使用できるが、前記気液分散装置の方式
が好ましい。

【００１６】低温帯域２２の流路Ｇを通過し上部から抜
き出された第２の低圧多成分冷媒流１４は、高温帯域の
流路Ｄを通過した後の多成分冷媒の高圧凝縮液流１５を
膨張して得られる流れと混合して気液分離する。この多
成分冷媒の高圧凝縮液流１５を膨張して得られる流れと
低温帯域を通過して抜き出された第２の低圧多成分冷媒
流１４とは、温度、組成、気液比が異なるため混合させ
ると温度が上昇することがある。この混合による温度上
昇を最小限に押えるように、多成分冷媒の高圧凝縮液流
の高温帯域での出口温度と第２の低圧多成分冷媒流の低
温帯域での出口温度とを最適に調整することが望まし
い。そのためには、高温帯域出口での多成分冷媒の高圧
凝縮液流の温度を−１１０〜−１３０℃の範囲とするこ
とが好ましい。また低温帯域出口での第２の低圧多成分
冷媒流の温度は、高温帯域出口での多成分冷媒の高圧凝
縮液流の温度より５〜１０℃低めが好ましい。多成分冷
媒の高圧凝縮液流１５を膨張して得られる流れと低温帯
域を通過して抜き出された第２の低圧多成分冷媒流１４
との混合の仕方は、図１のように両方の流れを気液分離
器２４に導入することにより混合と気液分離を同時に行
っても良いし、気液分離器に導入する前に両者を混合
し、その後、気液分離器２４に導入するようにしても良
い。流路内での気液の混合比を均一にするために、分離
された蒸気部分１６と凝縮部分１７とを十分に混合した
状態で、第１の低圧多成分冷媒流として高温帯域の下部
より流路Ｃに導入し、高温帯域内の流路Ａを通過するガ
ス流、流路Ｂを通過する多成分冷媒の高圧蒸気流及び流
路Ｄを通過する多成分冷媒の高圧凝縮液流と熱交換させ
る。分離された蒸気部分１６と凝縮部分１７との混合
は、高温帯域に導入される直前で行うことが好ましい。
この混合方法としては、低温帯域に導入される蒸気部分
１２と凝縮部分１３との混合の場合と同様な方法で行え
る。具体的には、前記特公昭６３−５２３１３号公報、
特公昭６３−５２３１２号公報、特開昭５８−８６３９
６号公報等の方式を用いることができる。

【００１７】このように低圧多成分冷媒を高温帯域、低
温帯域のいずれの帯域に導入する場合も、気液混相の低
圧多成分冷媒を気液分離した後、熱交換器の各帯域の入
口で完全に混合された混相流体として導入することによ
り、気液分離した後に気相と液相を別々に熱交換器の高
温帯域あるいは低温帯域に導入する方法に比べて、低圧
多成分冷媒の蒸発カーブにおいて長い温度領域に渡って
低い蒸発温度を持つので、被冷却流体との対数平均温度
差を大きく取れ、熱交換器の伝熱面積を少なくすること
ができる。例えば、（１）低温帯域では低圧多成分冷媒
を混相流体として導入し、高温帯域では気相と液相を別
々に導入する方法（図４）に比べて、低温帯域、高温帯
域のいずれにも混相流体として導入する本発明では、高
温帯域での低圧多成分冷媒の蒸気カーブ（図６）におい
て、長い温度領域に渡って約７℃低めの蒸発温度を持
つ。（２）低温帯域では低圧多成分冷媒の気相と液相と
を別々に導入し、高温帯域では混相流体として導入する
方法（図５）に比べて、低温帯域、高温帯域のいずれに
も混相流体として導入する本発明は、低温帯域での低圧
多成分冷媒の蒸発カーブ（図７）において、長い温度領
域に渡って約２℃低めの蒸発温度を持つ。また、
（１）、（２）のことから、低温帯域、高温帯域のいず
れにも低圧多成分冷媒を混相流体として導入する本発明
は、いずれの帯域においても低圧多成分冷媒の気相と液
相とを別々に導入する場合（図３）に比べて、低温帯域
及び高温帯域での低圧多成分冷媒の蒸発カーブにおい
て、長い温度領域に渡って低い蒸発温度を持つことにな
るので、さらに熱交換器の設計等の面で有利である。

【００１８】図３に示す方法（比較例１）の場合、プレ
ート面が直立するように設置され上部に７種の流路Ａ，
Ｂ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎより構成される高温帯域２１、
下部に４種の流路Ｅ，Ｆ，Ｈ，Ｊより構成される低温帯
域２２を有するプレートフィン型熱交換器２０の高温帯
域２１の流路の内の流路Ａの上部より予冷した原料ガス
流２８、流路Ｂの上部より多成分冷媒の高圧蒸気流８、
流路Ｄの上部より多成分冷媒の高圧凝縮液流９を導入す
ることは図１に示した本発明の場合と同様である。しか
し高温帯域の流路Ｄを通過した後の多成分冷媒の高圧凝
縮液流１５を膨張弁４１で膨張させて得られる流れを気
液分離器２４で気液分離し、分離された蒸気部分１６は
流路Ｍの下部、凝縮部分１７は流路Ｎの下部より導入し
て、高温帯域内を通過する流路Ａのガス流、流路Ｂの多
成分冷媒の高圧蒸気流及び流路Ｄの多成分冷媒の高圧凝
縮液流と向流させて熱交換した後、高温帯域の上部から
蒸気１８として抜き出す点、即ち蒸気部分１６と凝縮部
分１７とを混合することなく別々にプレートフィン型熱
交換器の異なる流路にそれぞれ導入する点において本発
明と異なる。また低温帯域２２の流路Ｅには高温帯域中
の流路Ａを流れ冷却された原料ガス流２８、流路Ｆには
高温帯域中の流路Ｂを流れ冷却された多成分冷媒の高圧
蒸気流８をそれぞれ導入することは図１に示した本発明
の場合と同様であるが、しかし、低温帯域の流路Ｆを通
過して液化した後の多成分冷媒の高圧蒸気流１１を膨張
弁４２で膨張させて得られる流れを気液分離器２５で気
液分離し、分離された蒸気部分１２は流路Ｈの下部より
導入し、引き続き高温帯域の流路Ｋの下部に導入し、凝
縮部分１３は流路Ｊの下部より導入し、引き続き高温帯
域の流路Ｌの下部に導入し、それぞれ被冷却流体と向流
させて熱交換した後、高温帯域の上部から蒸気１８とし
て抜き出す点、即ち蒸気部分１２と凝縮部分１３とを混
合することなく別々にプレートフィン型熱交換器の異な
る流路にそれぞれ導入する点、及び多成分冷媒の高圧凝
縮液流１５を膨張弁４１で膨張させて得られる流れを気
液分離した蒸気部分１６及び凝縮部分１７とは無関係に
低温帯域の流路を通過させる点において本発明と異な
る。

【００１９】図４に示す方法（比較例２）の場合、プレ
ート面が直立するように設置された上部に５種の流路
Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｏ，Ｐより構成される高温帯域２１、下部
に３種の流路Ｅ，Ｆ，Ｇより構成される低温帯域２２を
有するプレートフィン型熱交換器２０において、高温帯
域２１の流路の内の流路Ａの上部より予冷した原料ガス
流２８、流路Ｂの上部より多成分冷媒の高圧蒸気流８、
流路Ｄの上部より多成分冷媒の高圧凝縮液流９を導入
し、高温帯域の流路Ｂを通過し、さらに低温帯域の流路
Ｆを通過した後の多成分冷媒の高圧蒸気流８を膨張弁４
２で膨張させて得られる流れを気液分離器２５で気液分
離し、分離された蒸気部分１２と凝縮部分１３を混合し
て混相として低温帯域の下部より流路Ｇに導入して、低
温帯域内を通過する流路Ｅのガス流、流路Ｆの高圧蒸気
流と向流させて熱交換した後、低温帯域の上部から第２
の低圧多成分冷媒１４として抜き出し、高温帯域の流路
Ｄを通過した後の多成分冷媒の高圧凝縮液流９を膨張弁
４１で膨張させて得られる流れと混合することは図１に
示した本発明と同様である。しかし、高温帯域の流路Ｄ
を通過した後の多成分冷媒の高圧凝縮液流９を膨張弁４
１で膨張させて得られる流れと第２の低圧多成分冷媒１
４と混合して気液分離器２４で気液分離し、分離された
蒸気部分１６は流路Ｐの下部、凝縮部分１７は流路Ｏの
下部に導入して高温帯域内を通過させること、すなわち
分離された蒸気部分１６と凝縮部分１７を混合し気液混
相として高温帯域の流路を通過させるものではない点で
本発明とは異なる。

【００２０】図６は図１の本発明の方法と図４の方法と
の、高温帯域における冷却用流体の蒸発カーブ特性の相
違を説明するための図である。図６において横軸は熱交
換量Ｑ、縦軸は温度Ｔ（℃）を表し、線Ａは図１に示し
た構成の本発明における第１の低圧多成分冷媒流の蒸発
カーブ、線Ｂは図４に示した構成の比較例２における高
温帯域での低圧多成分冷媒の蒸発カーブを合成したもの
（流路Ｏの蒸発カーブ＋流路Ｐの蒸発カーブ）であり、
長い温度領域に渡って線Ａは線Ｂに比べて約７℃低い蒸
発温度を示すので、被冷却流体との対数平均温度差を大
きく取れ、熱交換器の伝熱面積を少なくすることができ
る。

【００２１】図５に示す方法（比較例３）の場合、プレ
ート面が直立するように設置された上部に４種の流路
Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｒより構成される高温帯域２１、下部に４
種の流路Ｅ，Ｆ，Ｈ，Ｊより構成される低温帯域２２を
有するプレートフィン型熱交換器２０において、高温帯
域２１の流路の内の流路Ａの上部より予冷した原料ガス
流２８、流路Ｂの上部より多成分冷媒の高圧蒸気流８、
流路Ｄの上部より多成分冷媒の高圧凝縮液流９を導入
し、高温帯域の流路Ｂを通過し、更に低温帯域の流路Ｆ
を通過した後の多成分冷媒の高圧蒸気流８を膨張弁４２
で膨張させて得られる流れを気液分離器２５で気液分離
する点は図１に示した本発明と同様である。しかし、気
液分離器２５で気液分離された蒸気部分１２と凝縮部分
１３は混合せずに、別々に低温帯域の下部より流路Ｈ及
び流路Ｊにそれぞれ導入して、低温帯域内を通過する流
路Ｅのガス流、流路Ｆの高圧蒸気流と向流させて熱交換
する点において図１に示した本発明と異なる。流路Ｈ及
びＪを通過して低温帯域の上部から抜き出された低圧多
成分冷媒流１４を高温帯域の流路Ｄを通過した後の高圧
凝縮液流１５を膨張弁４１で膨張させて得られる流れと
を混合して気液分離器２４で気液分離し、分離された蒸
気部分１６と凝縮部分１７とを混合して第１の低圧多成
分冷媒流として高温帯域の流路Ｒの下部より導入し、高
温帯域内を通過する流路Ａのガス流、流路Ｂの多成分冷
媒の高圧蒸気流及び流路Ｄの多成分冷媒の高圧凝縮液流
と向流させて熱交換する点は本発明と同様である。

【００２２】図７は図１の本発明の方法と図５の方法と
の、低温帯域における冷却用流体の蒸発カーブ特性の相
違を説明するための図である。図７において横軸は熱交
換量Ｑ、縦軸は温度Ｔ（℃）を表し、線Ｃは図１に示し
た構成の本発明における第２の低圧多成分冷媒流の蒸発
カーブ、線Ｄは図５に示した構成の比較例３における低
温帯域での低圧多成分冷媒の蒸発カーブを合成したもの
（流路Ｈの蒸発カーブ＋流路Ｊの蒸発カーブ）であり、
長い温度領域に渡って線Ｃは線Ｄに比べて約２℃低い低
圧多成分冷媒の蒸発温度を示すので、被冷却流体との対
数平均温度差を大きく取れ、熱交換器の伝熱面積を少な
くすることができる。

【００２３】図１に示したプレートフィン型熱交換器を
使用するプロセス（本発明）と、図１に示したプロセス
において熱交換器２０のみを図２に示したハンプソン式
熱交換器に代えたプロセス（比較例４）について、表１
に示した原料ガスから表１に示したＬＮＧを製造する場
合の熱交換量Ｑと温度Ｔとの関係を図８に示す。また本
発明のコンプレッサーの消費動力を計算した結果を表２
に示す。なお比較例４においても、本発明と同様に、高
温帯域を通過したガス流を膨張させた後、低温帯域に導
入するようにした。ＬＮＧ製品は、熱交換器の低温帯域
から液化したガス１０を抜き出し、さらに膨張させて
（図示せず）得られるものである。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】図８において横軸は熱交換量Ｑ、縦軸は温
度Ｔ（℃）を表し、線Ｅ（実線）は比較例４における被
冷却流体の凝縮カーブ、線Ｆ（点線）は本発明における
被冷却流体の凝縮カーブである。線Ｆ（点線）は部分的
に線Ｅ（実線）を上回り、即ち、被冷却流体の凝縮カー
ブが高温側に移動するので、熱交換器の伝熱面積を縮小
したり、或は、ハンプソン式熱交換器と同等の温度差で
熱交換器を設計するならば、コンプレッサーの負荷を低
減することができる。この負荷の低減の程度は表２のコ
ンプレッサー動力の場合で数ＭＷ程度である。

【００２７】

【発明の効果】

（１）本発明においては、予冷されたガスと高圧多成分
冷媒とを熱交換させるに際して、プレートフィン型熱交
換器を用いることにより、従来のハンプソン式熱交換器
を用いる方法に比べて圧力損失を著しく小さくすること
ができるので、被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の
蒸発カーブとの温度差が開く方向に向かう。そのため熱
交換器の伝熱面積を縮小することができ、或はハンプソ
ン式熱交換器と同等の温度差で熱交換器を設計するなら
ば、コンプレッサーの負荷を小さくすることができる。（２）また、本発明においては、被冷却流体である予冷
されたガス流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び高圧凝縮液
流を熱交換器の上部より下部に向かって流し、一方冷却
用流体である第１の低圧多成分冷媒及び第２の低圧多成
分冷媒は各流体の通過する熱交換器内の帯域において、
下部より上部に向かって流すようにするため、流路内の
被冷却流体が下部まで到達する間に凝縮して液の大きな
静圧を生じるので、圧力損失を打ち消すことになる。こ
のため被冷却流体の凝縮カーブと冷却用流体の蒸発カー
ブとの温度差が開く方向に向かうので、熱交換器の伝熱
面積の縮小化、或はコンプッレサーの負荷の低減化を更
に図ることができる。（３）さらに、本発明では、低温流体の低温端が熱交換
器の底部にあるため、熱交換器内の流体の流れが止まっ
ても、重力による低温液の逆流が起こらないので安全に
操業をすることができる。（４）本発明では、気液混相の低圧多成分冷媒を、気液
分離した後、熱交換器の入口で混合して導入することに
より、気液分離後の気相と液相を別々に熱交換器に導入
する場合に比べて、低圧多成分冷媒の蒸発カーブにおい
て長い温度領域に渡って低い蒸発温度を持つので、被冷
却流体との対数平均温度差を大きくでき、熱交換器の伝
熱面積を小さくすることができる。（５）また、本発明においては、ハンプソン式熱交換器
を用いる従来法の場合に比べて、多成分冷媒の循環量を
減少させたり、予冷用の単一成分冷媒、例えばプロパン
の使用量を減らしたり、多成分冷媒の組成を重くするこ
と等により、さらにコンプッレサーの馬力を削減でき省
エネルギー化が図れるガスの液化方法が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガスの液化方法の構成を説明する
ための図である。

【図２】従来のハンプソン式熱交換器を使用するガスの
液化方法の構成を説明するための図である。

【図３】高温帯域及び低温帯域の両方における多成分冷
媒膨張後の蒸気流と凝縮液流をそれぞれ別々に熱交換器
に導入する方法（比較例１）の説明図である。

【図４】高温帯域における多成分冷媒膨張後の蒸気流と
凝縮液流を別々に熱交換器に導入する方法（比較例２）
の説明図である。

【図５】低温帯域における多成分冷媒膨張後の蒸気流と
凝縮液流を別々に熱交換器に導入する方法（比較例３）
の説明図である。

【図６】図１の本発明の方法と図４の方法の、高温帯域
における熱交換量Ｑと温度Ｔとの関係を示す図である。

【図７】図１の本発明の方法と図５の方法の、低温帯域
における熱交換量Ｑと温度Ｔとの関係を示す図である。

【図８】図１に示したプロセスにおいて、熱交換器とし
てプレートフィン型熱交換器を使用した場合とハンプソ
ン式熱交換器を使用した場合の熱交換量Ｑと温度Ｔとの
関係を示す図である。

【符号の説明】

１原料ガス流２予冷器（単一成分中圧冷媒使用）３予冷器（単一成分低圧冷媒使用）４予冷された原料ガス流５高沸点物分離器のリボイラー６高沸点物分離器の還流ドラム７原料ガス中の高沸点物分離器８多成分冷媒高圧蒸気流９多成分冷媒高圧凝縮液流１０液化したガス流１１液化した多成分冷媒の高圧蒸気流１２液化した多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させ気液
分離した低圧蒸気部分１３液化した多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させ気液
分離した低圧凝縮流部分１４第２の低圧多成分冷媒流１５冷却された多成分冷媒の高圧凝縮液流１６気液分離器２４で気液分離された蒸気部分１７気液分離器２４で気液分離された凝縮部分１８第１の低圧多成分冷媒流１９一部分が凝縮した高圧多成分冷媒２０プレートフィン型熱交換器２１プレートフィン型熱交換器の高温帯域２２プレートフィン型熱交換器の低温帯域２３気液分離器（高圧多成分冷媒用）２４気液分離器（低圧多成分冷媒用）２５気液分離器（低圧多成分冷媒用）２６コンプレッサー２７高沸点物分離器の搭頂ガス流２８低沸点成分の純度を高めたガス流３１多成分冷媒予冷器（単一成分高圧冷媒使用）３２多成分冷媒予冷器（単一成分中圧冷媒使用）３３多成分冷媒予冷器（単一成分低圧冷媒使用）３４多成分冷媒冷却器（水冷）４１膨張弁４２膨張弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−159928（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−50370（ＪＰ，Ａ) 特開平６−299174（ＪＰ，Ａ) 特公昭47−29712（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単一成分冷媒と順次低温になる条件で熱
交換させて予冷したガスを、前記単一成分冷媒との熱交
換によって一部が凝縮するまで予冷した高圧多成分冷媒
と熱交換させてガスを液化するに際して、（１）単一成
分冷媒との熱交換によって一部が凝縮した高圧多成分冷
媒を高圧蒸気流と高圧凝縮液流とに分離し、（２）プレ
ート面が直立するように設置された上部側に少なくとも
４種の流路を有する高温帯域、下部側に少なくとも３種
の流路を有する低温帯域を設けたプレートフィン型熱交
換器の高温帯域の流路の内の３種の流路の上部よりガス
流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮
液流をそれぞれ導入し、後述の第１の低圧多成分冷媒流
を高温帯域の内の１種の流路の下部より導入して、ガス
流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝縮
液流を第１の低圧多成分冷媒流と熱交換させて冷却し、
（３）高温帯域で冷却されたガス流及び多成分冷媒の高
圧蒸気流をプレートフィン型熱交換器の低温帯域の流路
の内の２種の流路の上部よりそれぞれ導入し、後述の第
２の低圧多成分冷媒流を低温帯域の内の１種の流路の下
部より導入して、ガス流及び多成分冷媒の高圧蒸気流を
第２の低圧多成分冷媒流と熱交換させてさらに冷却し、
（４）低温帯域の下部から液化したガス流を抜き出して
回収し、（５）低温帯域の下部から抜き出された液化し
た多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させて得られる蒸気部
分と凝縮部分とを気液分離し、分離された蒸気部分と凝
縮部分とを混合して第２の低圧多成分冷媒流として低温
帯域の内の１種の流路の下部より導入し、低温帯域内を
上部より下部へ通過するガス流及び多成分冷媒の高圧蒸
気流と熱交換させた後、低温帯域の上部から抜き出し、
（６）低温帯域の上部から抜き出された第２の低圧多成
分冷媒流と高温帯域を通過した後の多成分冷媒の高圧凝
縮液流を膨張させて得られる流れとを混合して気液分離
し、分離された蒸気部分と凝縮部分とを混合して第１の
低圧多成分冷媒流として高温帯域の内の１種の流路の下
部より導入し、高温帯域内を上部より下部へ通過するガ
ス流、多成分冷媒の高圧蒸気流及び多成分冷媒の高圧凝
縮液流と熱交換させた後、高温帯域の上部から蒸気とし
て抜き出し、（７）高温帯域の上部から蒸気として抜き
出された第１の低圧多成分冷媒流を圧縮後、単一成分冷
媒と熱交換して得られる一部が凝縮した高圧多成分冷媒
を前記（１）の工程に循環して再度ガスの液化に使用す
ることからなるガスの液化方法。
【請求項２】プレートフィン型熱交換器の高温帯域の
流路の一つの上部よりガス流を導入して冷却し、その一
部分が凝縮されたガス流を抜き出して凝縮された高沸点
成分を分離除去した後、高沸点成分を除去されたガス流
を抜き出した場所より高温帯域の他の流路の上部より導
入する請求項１に記載のガスの液化方法。
【請求項３】低温帯域の下部から抜き出された液化し
た多成分冷媒の高圧蒸気流を膨張させて得られる蒸気部
分と凝縮部分とを気液分離し、分離された蒸気部分と凝
縮部分とを混合して低温帯域の内の１種の流路の下部よ
り導入するに当り、蒸気部分と凝縮部分との混合を低温
帯域に導入する直前に行う請求項１又は請求項２に記載
のガスの液化方法。
【請求項４】低温帯域の上部から抜き出された第２の
低圧多成分冷媒流と高温帯域を通過した後の多成分冷媒
の高圧凝縮液流を膨張させて得られる流れとを混合して
気液分離し、分離された蒸気部分と凝縮部分とを混合し
て高温帯域の内の１種の流路の下部より導入するに当
り、蒸気部分と凝縮部分との混合を高温帯域に導入する
直前に行う請求項１、請求項２又は請求項３に記載のガ
スの液化方法。
【請求項５】プレートフィン型熱交換器の高温帯域の
流路を通過したガス流を膨張させた後低温帯域の流路の
上部から導入する請求項１、請求項２、請求項３又は請
求項４に記載のガスの液化方法。
【請求項６】高温帯域の上部から蒸気として抜き出さ
れた第１の低圧多成分冷媒流を圧縮後非炭化水素冷媒で
冷却し、次いで単一成分冷媒と熱交換して一部が凝縮し
た高圧多成分冷媒とする請求項１、請求項２、請求項
３、請求項４又は請求項５に記載のガスの液化方法。
【請求項７】多成分冷媒が窒素及び炭素数１〜５を有
する炭化水素のうちから選ばれる成分の混合物である請
求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請
求項６に記載のガスの液化方法。
【請求項８】多成分冷媒が窒素、メタン、エタン及び
プロパンからなる混合物である請求項７に記載のガスの
液化方法。
【請求項９】単一成分冷媒がプロパンである請求項
１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項７又は請求
項８に記載のガスの液化方法。