知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ エア プロダクツ アンド ケミカルズ インコーポレイテッドの特許一覧
特許6835902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
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6835902
(24)【登録日】2021年2月8日
(45)【発行日】2021年2月24日
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
F25J 1/00 20060101AFI20210215BHJP
F25J 1/02 20060101ALI20210215BHJP
F25J 5/00 20060101ALI20210215BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20210215BHJP
F25B 31/00 20060101ALI20210215BHJP
F25B 1/10 20060101ALI20210215BHJP
【ＦＩ】
F25J1/00 B
F25J1/02
F25J5/00
F25B1/00 321Q
F25B1/00 331E
F25B1/00 361J
F25B31/00 A
F25B1/10 H
F25B1/10 S
F25B1/00 321A
【請求項の数】18
【外国語出願】
【全頁数】42
(21)【出願番号】特願2019-80684(P2019-80684)
(22)【出願日】2019年4月22日
(65)【公開番号】特開2019-190818(P2019-190818A)
(43)【公開日】2019年10月31日
【審査請求日】2019年5月13日
(31)【優先権主張番号】15/964,302
(32)【優先日】2018年4月27日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】591035368
【氏名又は名称】エア プロダクツ アンド ケミカルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＩＲ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＡＮＤ ＣＨＥＭＩＣＡＬＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100195213
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 健治
(74)【代理人】
【識別番号】100173107
【弁理士】
【氏名又は名称】胡田 尚則
(72)【発明者】
【氏名】ゴウリ クリシュナムルティ
(72)【発明者】
【氏名】マーク ジュリアン ロバーツ
【審査官】
関根 崇
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０３１６２５１９（ＵＳ，Ａ）
【文献】
中国特許出願公開第１０５８２３３０４（ＣＮ，Ａ）
【文献】
米国特許第０３３１８１０３（ＵＳ，Ａ）
【文献】
特開２０１８−０１３３２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
独国特許出願公開第１０２００６０３９８８９（ＤＥ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１６／００５４０５３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ２５Ｊ
Ｆ２５Ｂ １／００
Ｆ２５Ｂ ３１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリングするように、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天然ガス供給流を通過させ、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前記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は、天然ガス流が液化される第１の熱交換区分と、前記第１の熱交換区分からの前記液化天然ガス流がサブクーリングされる第２の熱交換区分と、天然ガス流が前記第1の熱交換区分において液化される前に予冷される第３の熱交換区分と、を備え、前記液化されてサブクーリングされた天然ガス流は前記第２の熱交換区分から取り出されて、ＬＮＧ製品を提供する、冷却することと、
メタンまたはメタンおよび窒素の混合物を含む冷媒を、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と、第２のターボエキスパンダと、第１のＪ−Ｔ弁と、を備える冷凍回路において循環させることと、を含み、前記冷媒の循環は、前記複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって前記天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリング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は、
（ｉ）前記冷媒の圧縮され、かつ冷却された気体流を分けて第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の圧力まで膨張させて、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、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、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成し、少なくとも前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも別の１つの前記温側に、前記第４の冷却された気体冷媒流を通過させ、前記温側において前記第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化するステップであって、液体または二相の冷媒流を形成する、ステップと、
（ｉｖ）前記液体または二相の冷媒流を、前記第１のＪ−Ｔ弁を介して前記流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させて、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は前記Ｊ−Ｔ弁を出るときに二相の流であり、前記第２の圧力は前記第１の圧力より低く、前記第２の温度は前記第１の温度より低い、ステップと、
（ｖ）前記第２のターボエキスパンダにおいて前記第３の冷却された気体冷媒流を第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および前記第３の圧力で形成し、前記第３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、液体を含まない、または実質的に含まない気体流であり、または主に気体流であり、前記第３の温度は前記第１の温度より低いが、前記第２の温度より高い、ステップと、
（ｖｉ）少なくとも前記第３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含む、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、少なくとも前記第１の熱交換区分および／または前記第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される熱交換区分を含む、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３の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側で前記第３の膨張した冷たい冷媒流を温め、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の熱交換区分を含む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、
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は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成する、ステップと、
（ｖｉｉ）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、次にステップ（ｉ）で分けられる前記圧縮されて冷却された気体冷媒流を形成するステップ、
（ａ）前記第３の圧力は、前記第２の圧力に実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、次に少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第３の膨張した冷たい冷媒流と混合し、
前記第３の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束、ならびに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４の熱交換区分をさらに含む前記複数の熱交換区分を備えるコイル巻き熱交換区分であり、
前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第３および第４の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第３および第４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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記第３および第４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４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、あるいは、
（ｂ）前記第３の圧力は、前記第１の圧力と同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流および前記第１の膨張下冷たい冷媒流が、前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記冷側で混合され、そして温められ、前記第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、そして暖められて、前記第１の暖められた気体冷媒流を形成し、前記複数の熱交換区分は、天然ガスは予冷され、および／または前記第２の冷却された気体冷媒流の全てもしくは一部が冷却される第４の熱交換区分、ならびに／あるいは天然ガス流が液化され、および／または前記第４もしくは第５の冷却された気体冷媒流の全てまたは一部が更に冷却される第５の熱交換区分を更に含み、そこで、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合には、前記更に冷却された第２の冷却された気体冷媒流の他の部分から形成され、そして前記第２の膨張された冷たい冷媒流は、前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められた後に、少なくとも前記第５の熱交換区分、そして次いで前記第４の熱交換区分、の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められる、
かの、いずれかである、
を含む、方法。
天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリングするように、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天然ガス供給流を通過させ、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前記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は、天然ガス流が液化される第１の熱交換区分と、前記第１の熱交換区分からの前記液化天然ガス流がサブクーリングされる第２の熱交換区分と、天然ガス流が前記第1の熱交換区分において液化される前に予冷される第３の熱交換区分と、を備え、前記液化されてサブクーリングされた天然ガス流は前記第２の熱交換区分から取り出されて、ＬＮＧ製品を提供する、冷却することと、
メタンまたはメタンおよび窒素の混合物を含む冷媒を、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と、第２のターボエキスパンダと、第１のＪ−Ｔ弁と、を備える冷凍回路において循環させることと、を含み、前記冷媒の循環は、前記複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって前記天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリング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は、
（ｉ）前記冷媒の圧縮され、かつ冷却された気体流を分けて第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の圧力まで膨張させて、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、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、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成し、少なくとも前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも別の１つの前記温側に、前記第４の冷却された気体冷媒流を通過させ、前記温側において前記第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化するステップであって、液体または二相の冷媒流を形成する、ステップと、
（ｉｖ）前記液体または二相の冷媒流を、前記第１のＪ−Ｔ弁を介して前記流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させて、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は前記Ｊ−Ｔ弁を出るときに二相の流であり、前記第２の圧力は前記第１の圧力より低く、前記第２の温度は前記第１の温度より低い、ステップと、
（ｖ）前記第２のターボエキスパンダにおいて前記第３の冷却された気体冷媒流を第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および前記第３の圧力で形成し、前記第３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、液体を含まない、または実質的に含まない気体流であり、または主に気体流であり、前記第３の温度は前記第１の温度より低いが、前記第２の温度より高い、ステップと、
（ｖｉ）少なくとも前記第３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含む、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、少なくとも前記第１の熱交換区分および／または前記第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される熱交換区分を含む、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３の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側で前記第３の膨張した冷たい冷媒流を温め、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の熱交換区分を含む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、
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は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成する、ステップと、
（ｖｉｉ）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、次にステップ（ｉ）で分けられる前記圧縮されて冷却された気体冷媒流を形成するステップ、
（ａ）前記第３の圧力は、前記第２の圧力に実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、次に少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第３の膨張した冷たい冷媒流と混合し、
前記第３の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束、ならびに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４の熱交換区分をさらに含む前記複数の熱交換区分を備えるコイル巻き熱交換区分であり、
前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第３および第４の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第３および第４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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記第３および第４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４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、あるいは、
（ｂ）前記第３の圧力は、前記第１の圧力と同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流および前記第１の膨張下冷たい冷媒流が、前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記冷側で混合され、そして温められ、前記第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、そして暖められて、前記第１の暖められた気体冷媒流を形成し、前記複数の熱交換区分は、天然ガスは予冷され、および／または前記第２の冷却された気体冷媒流の全てもしくは一部が冷却される第４の熱交換区分、ならびに／あるいは天然ガス流が液化され、および／または前記第４もしくは第５の冷却された気体冷媒流の全てまたは一部が更に冷却される第５の熱交換区分を更に含み、そこで、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合には、前記更に冷却された第２の冷却された気体冷媒流の他の部分から形成され、そして前記第２の膨張された冷たい冷媒流は、前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められた後に、少なくとも前記第５の熱交換区分、そして次いで前記第４の熱交換区分、の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められる、
かの、いずれかである、
を含む、方法。
【請求項2】
前記冷媒は２５〜６５モル％の窒素と、３０〜８０モル％のメタンと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項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０．９５より大きな蒸気率を有し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、前記Ｊ−Ｔ弁を出るときに０．０２〜０．１の蒸気率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
蒸発冷凍作用を提供する冷媒の割合は０．０２〜０．２であり、前記蒸発冷凍作用を提供する冷媒の割合は、Ｊ−Ｔ弁を介して膨張されて、前記複数の熱交換区分のうちの１つ以上において温められ、気化される膨張した冷たい二相の冷媒流を形成する、前記冷凍回路におけるすべての液体または二相の冷媒流のモル流量の合計を、前記冷凍回路において循環するすべての前記冷媒のモル流量の合計で割ったものとして定義される、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
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。
【請求項6】
前記液化されてサブクーリングされた天然ガス流は、−１３０〜−１５５℃の温度で前記第２の熱交換区分から取り出される、請求項１に記載の方法。
【請求項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。
【請求項8】
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る、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
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。
【請求項10】
前記第３の圧力が、前記第２の圧力と実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、次に少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第３の膨張した冷たい冷媒流と混合し、前記第３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４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３および第４の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第３および第４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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記第３および第４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４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。
請求項１に記載の方法。
【請求項11】
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１０に記載の方法。
【請求項12】
前記第１および第２の熱交換区分の前記管束は同じ外殻ケーシング内に収容される、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記第３の圧力は前記第１の圧力と実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流および前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、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混合され、温められ、前記第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、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４の熱交換区分と、天然ガス流が液化される、および／または前記第４または第５の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される第５の熱交換区分とをさらに備え、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合、前記さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の別の部分から形成され、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た後、少なくとも前記第５の熱交換区分、次に前記第４の熱交換区分の前記冷側を通過させられ、少なくとも前記第５の熱交換区分、次に前記第４の熱交換区分の前記冷側においてさらに温められる、
請求項１に記載の方法。
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４の熱交換区分と、天然ガス流が液化される、および／または前記第４または第５の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される第５の熱交換区分とをさらに備え、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合、前記さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の別の部分から形成され、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た後、少なくとも前記第５の熱交換区分、次に前記第４の熱交換区分の前記冷側を通過させられ、少なくとも前記第５の熱交換区分、次に前記第４の熱交換区分の前記冷側においてさらに温められる、
請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側を通過し、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側において温められ、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側において温められ、次に、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側を通過し、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第１の膨張した冷たい冷媒流と混合される、前記請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
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、前記第３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１４に記載の方法。
【請求項16】
前記第１および第３の熱交換区分の前記管束は同じ外殻ケーシング内に収容される、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記第３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０．９５より大きな蒸気率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項18】
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、冷媒を循環させるための冷凍回路を備え、前記冷凍回路は、
複数の熱交換区分であって、前記熱交換区分の各々は、温側と、冷側とを有し、前記複数の熱交換区分は、第１の熱交換区分と、第２の熱交換区分と、第３の熱交換区分と、を備え、前記第１の熱交換区分の前記温側は、天然ガス流を受け、冷却し、かつ液化するための前記第１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、前記第２の熱交換区分の前記温側は、前記第１の熱交換区分からの液化天然ガス流を受け、およびサブクーリングして、ＬＮＧ製品を提供するための、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は、冷凍作用を前記熱交換区分に提供する循環する冷媒の膨張流を受け、および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つの通路を画定し、
前記第３の熱交換区分の前記温側は、前記第１の熱交換区分において天然ガス流が受けられ、ならびにさらに冷却され、液化される前に前記天然ガス流を受け、および予冷するための前記第３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、および第１の圧力まで膨張させて、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、
液体または二相の冷媒流を受け、前記流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させ、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の圧力で形成するように構成された第１のＪ−Ｔ弁であって、前記第２の圧力は前記第１の圧力より低く、前記第２の温度は前記第１の温度より低い、第１のＪ−Ｔ弁と、を備え、
第３の冷却された気体冷媒流を受け、および第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および前記第３の圧力で形成するように構成された第２のターボエキスパンダ、前記第３の温度は前記第１の温度より低いが、前記第２の温度より高く、
前記冷凍回路は、
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、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、前記第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成し、前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの前記温側に前記第４の冷却された気体冷媒流を通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの前記温側において前記第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化して、前記液体または二相の冷媒流を形成し
少なくとも第３の熱交換区分、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熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも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、少なくとも前記第１の熱交換区分および／または前記第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される熱交換区分を含む、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３の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側で前記第３の膨張した冷たい冷媒流を温め、
前記複数の熱交換区分の少なくとも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、少なくとも前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも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、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、前記第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の冷たい冷媒流は温められ、気化されて、前記第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成するようにさらに構成されており、
（ａ）前記第３の圧力は、前記第２の圧力に実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、次に少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第３の膨張した冷たい冷媒流と混合し、
前記第３の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束、ならびに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４の熱交換区分をさらに含む前記複数の熱交換区分を備えるコイル巻き熱交換区分であり、
前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第３および第４の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第３および第４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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記第３および第４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４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、あるいは、
（ｂ）前記第３の圧力は、前記第１の圧力と同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流および前記第１の膨張下冷たい冷媒流が、前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記冷側で混合され、そして温められ、前記第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、そして暖められて、前記第１の暖められた気体冷媒流を形成し、前記複数の熱交換区分は、天然ガスは予冷され、および／または前記第２の冷却された気体冷媒流の全てもしくは一部が冷却される第４の熱交換区分、ならびに／あるいは天然ガス流が液化され、および／または前記第４もしくは第５の冷却された気体冷媒流の全てまたは一部が更に冷却される第５の熱交換区分を更に含み、そこで、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合には、前記更に冷却された第２の冷却された気体冷媒流の他の部分から形成され、そして前記第２の膨張された冷たい冷媒流は、前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められた後に、少なくとも前記第５の熱交換区分、そして次いで前記第４の熱交換区分、の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められる、
の、いずれかである、
システム。
複数の熱交換区分であって、前記熱交換区分の各々は、温側と、冷側とを有し、前記複数の熱交換区分は、第１の熱交換区分と、第２の熱交換区分と、第３の熱交換区分と、を備え、前記第１の熱交換区分の前記温側は、天然ガス流を受け、冷却し、かつ液化するための前記第１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、前記第２の熱交換区分の前記温側は、前記第１の熱交換区分からの液化天然ガス流を受け、およびサブクーリングして、ＬＮＧ製品を提供するための、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は、冷凍作用を前記熱交換区分に提供する循環する冷媒の膨張流を受け、および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つの通路を画定し、
前記第３の熱交換区分の前記温側は、前記第１の熱交換区分において天然ガス流が受けられ、ならびにさらに冷却され、液化される前に前記天然ガス流を受け、および予冷するための前記第３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、および第１の圧力まで膨張させて、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、
液体または二相の冷媒流を受け、前記流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させ、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の圧力で形成するように構成された第１のＪ−Ｔ弁であって、前記第２の圧力は前記第１の圧力より低く、前記第２の温度は前記第１の温度より低い、第１のＪ−Ｔ弁と、を備え、
第３の冷却された気体冷媒流を受け、および第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および前記第３の圧力で形成するように構成された第２のターボエキスパンダ、前記第３の温度は前記第１の温度より低いが、前記第２の温度より高く、
前記冷凍回路は、
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、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、前記第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成し、前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの前記温側に前記第４の冷却された気体冷媒流を通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの前記温側において前記第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化して、前記液体または二相の冷媒流を形成し
少なくとも第３の熱交換区分、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熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも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、少なくとも前記第１の熱交換区分および／または前記第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される熱交換区分を含む、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３の膨張した冷たい冷媒流を通過させ、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側で前記第３の膨張した冷たい冷媒流を温め、
前記複数の熱交換区分の少なくとも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、少なくとも前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも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、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、前記第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の冷たい冷媒流は温められ、気化されて、前記第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成するようにさらに構成されており、
（ａ）前記第３の圧力は、前記第２の圧力に実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、次に少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第３の膨張した冷たい冷媒流と混合し、
前記第３の熱交換区分は、管側と外殻側とを有する管束、ならびに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４の熱交換区分をさらに含む前記複数の熱交換区分を備えるコイル巻き熱交換区分であり、
前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、前記第３および第４の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第３および第４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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記第３および第４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４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、あるいは、
（ｂ）前記第３の圧力は、前記第１の圧力と同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流および前記第１の膨張下冷たい冷媒流が、前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記冷側で混合され、そして温められ、前記第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、そして暖められて、前記第１の暖められた気体冷媒流を形成し、前記複数の熱交換区分は、天然ガスは予冷され、および／または前記第２の冷却された気体冷媒流の全てもしくは一部が冷却される第４の熱交換区分、ならびに／あるいは天然ガス流が液化され、および／または前記第４もしくは第５の冷却された気体冷媒流の全てまたは一部が更に冷却される第５の熱交換区分を更に含み、そこで、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合には、前記更に冷却された第２の冷却された気体冷媒流の他の部分から形成され、そして前記第２の膨張された冷たい冷媒流は、前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められた後に、少なくとも前記第５の熱交換区分、そして次いで前記第４の熱交換区分、の前記冷側を通過し、そして前記冷側で暖められる、
の、いずれかである、
システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
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。
【0002】
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。
【0003】
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、かつ気化された冷媒は、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。
【0004】
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され、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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0015】
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、メタンまたはメタンおよび窒素の混合物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１つ以上の冷媒の気体流を膨張させて、天然ガスを液化する、および／または予冷するための冷凍作用を提供するために使用される１つ以上の冷たい気体（またはすくなくとも主に気体）冷媒流を提供するために使用される１つ以上のターボエキスパンダと、液体または二相の冷媒流を膨張させて、天然ガスをサブクーリングするための冷凍作用を提供する冷たい気化している冷媒流を提供するために使用されるＪ−Ｔ弁と、を含み、冷たい気化している冷媒流は、冷たい気体（または少なくとも主に気体）冷媒流のうちの１つ以上よりも低い圧力である。このような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、冷媒の大半が冷媒サイクルを通して気体形状のままである、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。
【0016】
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。
【0017】
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、天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリングするように、複数の熱交換区分のいくつかまたはすべての温側を天然ガス供給流に通過させ、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、複数の熱交換区分は、天然ガス流が液化される第１の熱交換区分と、第１の熱交換区分からの液化天然ガス流がサブクーリングされる第２の熱交換区分と、を備え、液化されてサブクーリングされた天然ガス流は第２の熱交換区分から取り出されて、ＬＮＧ製品を提供する、冷却することと、
メタンまたはメタンおよび窒素の混合物を含む冷媒を、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と、第１のＪ−Ｔ弁と、を備える冷凍回路において循環させることと、を含み、冷媒の循環は、複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリング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は、
（ｉ）冷媒の圧縮され、かつ冷却された気体流を分けて第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の圧力まで膨張させて、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の温度および該第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つの温側を第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、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するステップであって、第２の冷却された気体冷媒流の少なくとも一部は冷却され、少なくとも部分的に液化されて、液体または二相の冷媒流を形成する、ステップと、
（ｉｖ）液体または二相の冷媒流を、第１のＪ−Ｔ弁を介して流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させて、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はＪ−Ｔ弁を出るときに二相の流であり、第２の圧力は第１の圧力より低く、第２の温度は第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／または天然ガス流が予冷される熱交換区分、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含む、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側を第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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の熱交換区分を含む複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側を第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成する、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、次にステップ（ｉ）で分けられる圧縮されて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。
【0018】
態様２：冷媒は２５〜６５モル％の窒素と、３０〜８０モル％のメタンと、を含む態様１に記載の方法。
【0019】
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０．９５より大きな蒸気率を有し、第２の膨張した冷たい冷媒流は、Ｊ−Ｔ弁を出るときに０．０２〜０．１の蒸気率を有する、態様１または２に記載の方法。
【0020】
態様４：蒸発冷凍作用を提供する冷媒の割合は０．０２〜０．２であり、蒸発冷凍作用を提供する冷媒の割合は、Ｊ−Ｔ弁を介して膨張されて、複数の熱交換区分のうちの１つ以上において温められ、気化される膨張した冷たい二相の冷媒流を形成する、冷凍回路におけるすべての液体または二相の冷媒流のモル流量の合計を、冷凍回路において循環するすべての冷媒のモル流量の合計で割ったものとして定義される、態様１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【0021】
態様５：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１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【0022】
態様６：液化されてサブクーリングされた天然ガス流は、−１３０〜−１５５℃の温度で第２の熱交換区分から取り出される、態様１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【0023】
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。
【0024】
態様８：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る、態様１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【0025】
態様９：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１〜８のいずれか１つに記載の方法。
【0026】
態様１０：複数の熱交換区分は、天然ガス流が第１の熱交換区分で液化される前に予冷される第３の熱交換区分をさらに含む、態様１〜９のいずれか１つに記載の方法。
【0027】
態様１１：冷凍回路は第２のターボエキスパンダをさらに備え、冷凍回路において冷媒を循環させるステップ（ｉｉｉ）は、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの温側を第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、温側において第２の冷却された気体冷媒流を冷却することと、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成することと、複数の熱交換区分のうちの少なくとも別の１つの温側を第４の冷却された気体冷媒流に通過させ、温側において第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化して、液体または二相の冷媒流を形成することと、を含み、
冷凍回路において冷媒を循環させることは、第２のターボエキスパンダにおいて第３の冷却された気体冷媒流を第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および第３の圧力で形成するステップをさらに含み、第３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、液体を含まない、または実質的に含まない気体流であり、または主に気体流であり、第３の温度は第１の温度より低いが、第２の温度より高く、
冷凍回路において冷媒を循環させるステップ（ｖ）は、少なくとも第３の熱交換区分および／または第２の冷却された気体冷媒流のうちのすべてまたは一部が冷却される熱交換区分を含む、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側を第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、冷側において第１の膨張した冷たい冷媒流を温めることと、少なくとも第１の熱交換区分および／または第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される熱交換区分を含む、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側を第３の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、冷側において第３の膨張した冷たい冷媒流を温めることと、少なくとも第２の熱交換区分を含む、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側を第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、冷側において第２の膨張した冷たい冷媒流を温めることと、を含み、第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成する、態様１０に記載の方法。
【0028】
態様１２：第３の圧力は第２の圧力と実質的に同じであり、第２の膨張した冷たい冷媒流および第３の膨張した冷たい冷媒流は、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側で混合され、温められ、第２および第３の膨張した冷たい冷媒流は混合され、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１１に記載の方法。
【0029】
態様１３：第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも第１の熱交換区分の冷側を通過し、冷側において温められ、第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも第２の熱交換区分の冷側を通過し、冷側において温められ、次に少なくとも第１の熱交換区分の冷側を通過し、冷側においてさらに温められ、そこで第３の膨張した冷たい冷媒流と混合する、態様１２に記載の方法。
【0030】
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、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１３に記載の方法。
【0031】
態様１５：第１および第２の熱交換区分の管束は同じ外殻ケーシング内に収容される、態様１４に記載の方法。
【0032】
態様１６：第３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、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１の熱交換区分からの第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、通路のうちの少なくとも１つ以上の他方を通過し、通路のうちの少なくとも１つ以上の他方において温められて、第２の温められた気体冷媒流を形成する、態様１３〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【0033】
態様１７：第３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４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３および第４の熱交換区分のうちの一方の冷側を通過し、第３および第４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１の熱交換区分からの第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、第３および第４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４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１３〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【0034】
態様１８：第３の圧力は第１の圧力と実質的に同じであり、第３の膨張した冷たい冷媒流および第１の膨張した冷たい冷媒流は、複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの冷側において混合され、温められ、第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、温められて、第１の温められた気体冷媒流を形成する、態様１１に記載の方法。
【0035】
態様１９：第１の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも第３の熱交換区分の冷側を通過し、少なくとも第３の熱交換区分の冷側において温められ、第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも第１の熱交換区分の冷側を通過し、少なくとも第１の熱交換区分の冷側において温められ、次に、少なくとも第３の熱交換区分の冷側を通過し、少なくとも第３の熱交換区分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と混合する、態様１８に記載の方法。
【0036】
態様２０：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、第３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１９に記載の方法。
【0037】
態様２１：第１および第３の熱交換区分の管束は同じ外殻ケーシング内に収容される、態様２０に記載の方法。
【0038】
態様２２：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４の熱交換区分と、天然ガス流が液化される、および／または第４または第５の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される第５の熱交換区分とをさらに備え、第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の別の部分から形成され、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た後、少なくとも第５の熱交換区分、次に第４の熱交換区分の冷側を通過させられ、少なくとも第５の熱交換区分、次に第４の熱交換区分の冷側においてさらに温められる、態様１８〜２１のいずれか１つに記載の方法。
【0039】
態様２３：第３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０．９５より大きな蒸気率を有する、態様１１〜２２のいずれか１つに記載の方法。
【0040】
態様２４：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、冷媒を循環させるための冷凍回路を備え、冷凍回路は、複数の熱交換区分であって、熱交換区分の各々は、温側と、冷側とを有し、複数の熱交換区分は、第１の熱交換区分と、第２の熱交換区分と、を備え、第１の熱交換区分の温側は、天然ガス流を受け、冷却し、かつ液化するための第１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、第２の熱交換区分の温側は、第１の熱交換区分からの液化天然ガス流を受け、およびサブクーリングして、ＬＮＧ製品を提供するための、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は、冷凍作用を熱交換区分に提供する循環する冷媒の膨張流を受け、および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る、圧縮トレインと、
第１の冷却された気体冷媒流を受け、および第１の圧力まで膨張させて、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、
液体または二相の冷媒流を受け、流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させ、第２の膨張した冷たい冷媒流を第２の温度および第２の圧力で形成するように構成された第１のＪ−Ｔ弁であって、第２の圧力は第１の圧力より低く、第２の温度は第１の温度より低い、第１のＪ−Ｔ弁と、を備え、
冷凍回路は、
圧縮トレインからの、冷媒の圧縮され、冷却された気体流を分けて第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少なくとも１つの温側を第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、複数の熱交換区分の少なくとも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、第２の冷却された気体冷媒流の少なくとも一部は、冷却され、少なくとも部分的に液化されて、液体または二相の冷媒流を形成し、
少なくとも第１の熱交換区分、および／または天然ガス流が予冷される熱交換区分、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熱交換区分を含む複数の熱交換区分の少なくとも１つの冷側を第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、複数の熱交換区分の少なくとも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、少なくとも第２の熱交換区分を含む複数の熱交換区分の少なくとも１つの冷側を第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、複数の熱交換区分の少なくとも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、第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、第２の冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成するようにさらに構成される、システム。
【0041】
態様２５：複数の熱交換区分は第３の熱交換区分をさらに備え、第３の熱交換区分の温側は、第１の熱交換区分において天然ガス流が受けられ、ならびにさらに冷却され、液化される前に天然ガス流を受け、および予冷するための第３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、冷凍回路は、第３の冷却された気体冷媒流を受け、および第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および第３の圧力で形成するように構成された第２のターボエキスパンダをさらに備え、第３の温度は第１の温度より低いが、第２の温度より高く、
冷凍回路は、複数の熱交換区分の少なくとも１つの温側を第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、複数の熱交換区分の少なくとも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、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成し、複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの温側を第４の冷却された気体冷媒流に通過させ、複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの温側において第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化して、液体または二相の冷媒流を形成し、
少なくとも第３の熱交換区分および／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つの冷側を第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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、少なくとも第１の熱交換区分および／または第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに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つの冷側を第３の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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３の膨張した冷たい冷媒流を温め、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つの冷側を第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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、第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成するようにさらに構成される、
態様２４に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【発明を実施するための形態】
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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（典型的に少なくとも供給流の８５モル％、より多くは少なくとも９０モル％、および平均的に９５モル％含む）である。天然ガスは、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンなどの、より少ない量の他の、より重い炭化水素を含む。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、かつサブクーリングされる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。
【0055】
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１つのターボエキスパンダおよび少なくとも１つのＪ−Ｔ弁とを含む。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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つ以上の通路を含んでもよい。
【0060】
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、束の管側は当該区分の温側となり、当該区分を通る１つ以上の通路を画定し、束の外殻側は、当該区分を通る単一の通路を画定する当該区分の冷側となる。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、冷媒流が当該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。
【0061】
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。
【0062】
本明細書で使用されるような、「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。
【0063】
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予冷され、液化され、および／またはサブクーリングされる天然ガス流との両方を含む場合、当該冷媒流および天然ガス流は、当該流が分離され、かつ混合しないように当該熱交換区分の温側において別々の通路を通過する。
【0064】
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、かつ冷却される組み合わせられた流れを形成し、圧縮され、かつ冷却された気体冷媒流を形成し、その一部はその後離れて、液化される天然ガス供給流を形成する。
【0065】
単に例示のために、ある技術の配置および本発明の例示の実施形態が、図１〜８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。
【0066】
図１を参照して、当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、次にメインクライオジェニック熱交換器（ＭＣＨＥ）１９８において液化され、かつサブクーリングされて、第１の液化天然ガス（ＬＮＧ）流１０６を生成する。図１に示されるように、ＭＣＨＥ１９８はコイル巻き熱交換器であってもよく、またはプレートフィンまたはシェルアンドチューブ熱交換器などの別の種類の熱交換器であってもよい。１つ以上の多数の区分からなってもよい。これらの区分は同じ、または異なる種類であり、別々のケーシングまたは単一のケーシングに含まれてもよい。図１に示されるように、ＭＣＨＥ１９８は、天然ガス供給流が予冷されるＭＣＨＥ１９８の温端（本明細書で温区分とも呼ばれる）に配置された第３の熱交換区分１９８Ａと、第３の区分１９８Ａからの予冷された天然ガス流１０５がさらに冷却され、かつ液化されるＭＣＨＥ１９８の中間（本明細書で中間区分とも呼ばれる）に配置された第１の熱交換区分１９８Ｂと、第１の区分１９８Ｂからの液化天然ガス流がサブクーリングされるＭＣＨＥ１９８の冷端（本明細書で冷区分とも呼ばれる）における第２の熱交換区分１９８Ｃとからなる。ＭＣＨＥ１９８は、コイル巻き熱交換器である場合、区分は熱交換器の管束として示される。
【0067】
冷区分１９８Ｃを出るサブクーリングされたＬＮＧ流１０６は、次に第１のＬＮＧ降下弁１０８において圧力が下げられて、圧力が下げられたＬＮＧ製品流１１０を生成し、圧力が下げられたＬＮＧ製品流１１０はＬＮＧ貯蔵タンク１１５に送られる。ＬＮＧ貯蔵タンクにおいて生成された任意のボイルオフガス（ＢＯＧ）はＢＯＧ流１１２としてタンクから除去され、ボイルオフガス（ＢＯＧ）はプラントにおいて燃料として使用され、燃やされ、および／または供給へ再利用される。
【0068】
ＭＣＨＥ１９８への冷凍作用は、ＭＣＨＥ１９８の区分１９８Ａ〜Ｃを含む冷凍回路を循環する冷媒、圧縮機１３６および後段クーラー１５６として図１に示される圧縮トレインと、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、第１のＪ−Ｔ弁１７８と、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、かつ一時的な非設計動作中にその中に存在するあらゆる液体は、ノックアウトドラム１３２において除去されてもよい。塔頂の温かい気体冷媒流１３４は次に圧縮機１３６で圧縮されて、圧縮された冷媒流１５５を生成し、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、かつ冷却された気体冷媒流１５８を生成する。冷却されて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の流れ１６０は、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、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。
【0069】
さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８は２つの流れ、即ち、第３の冷却された気体冷媒流１７０および第４の冷却された気体冷媒流１６９に分けられる。第４の流れ１６９は、天然ガス供給流１０４／１０５が通過させられる通路への当該中間ならびに冷区分１９８Ｂおよび１９８Ｃの当該温側における別々の通路を介して、中間区分１９８Ｂの温側、次にＭＣＨＥ１９８の冷区分１９８Ｂを通過させられ、かつ中間区分１９８Ｂの温側、次にＭＣＨＥ１９８の冷区分１９８Ｂにおいて冷却され、第４の流れは当該中間および／または冷区分１９８Ｂおよび１９８Ｃにおいて少なくとも部分的に液化されて、液体または二相の冷媒流１７６を生成する。第３の冷却された気体冷媒流１７０は第２のターボエキスパンダ１７２（本明細書で冷エキスパンダとも呼ばれる）において膨張されて、ＭＣＨＥ１９８の中間区分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、予冷された天然ガス供給流１０５を液化するため、および第４の冷却された気体冷媒流１６９を冷却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０．９５より大きな蒸気率を有する、少なくとも主に気体である。
【0070】
ＭＣＨＥ１９８の冷区分１９８Ｃの温側を出る液体または二相の冷媒１７６は、第１のＪ−Ｔ弁１７８においてスロットル調整を介して圧力が下げられて、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０を生成し、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０はＪ−Ｔ弁１７８を出るときに元々二相である。第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０が、液化天然ガス供給流をサブクーリングし、かつ第４の冷却された気体冷媒流を冷却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るＭＣＨＥ１９８の冷区分１９８Ｃの冷側を通過させられ、次にＭＣＨＥ１９８の中間区分１９８Ｂおよび温区分１９８Ａの冷側を通過させられ、かつＭＣＨＥ１９８の中間区分１９８Ｂおよび温区分１９８Ａの冷側において温められ、そこで第３の膨張した冷たい冷媒流１７４および第１の膨張した冷たい冷媒流１６６と混合する。
【0071】
図２は、圧縮機１３６が一連の圧縮機またはインタークーラーを有する圧縮段を含む圧縮システム１３６の代わりである図１の圧縮トレインの好ましい構成を示す。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、かつ圧縮された冷媒流１４０を生成し、第１の冷却され、かつ圧縮された冷媒流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の冷却された圧縮冷媒流１４４を生成し、第２の冷却された圧縮冷媒流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、かつ圧縮された冷媒流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、かつ圧縮された冷媒流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、次に冷媒後段クーラー１５６において冷却される圧縮された冷媒流１５５を生成し、冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８を生成する。
【0072】
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２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」と呼ばれる単一のケーシングに配置されてもよい。
【0073】
図１〜２に示される従来技術の配置の欠点は、冷媒が、温かい、中間の、および冷たい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中間および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ならびにＪ−Ｔ弁から同様の出力圧力をもたらすためである。当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、中間、および音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。したがって、従来技術の配置は、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を提供しない。
【0074】
図３は第１の例示の実施形態を示す。本実施形態におけるＭＣＨＥ１９８はいかなる種類であってもよいが、繰り返すが好ましくはコイル巻き熱交換器である。この場合では、ＭＣＨＥ１９８は２つの熱交換区分（即ち、ＭＣＨＥがコイル巻き熱交換器である場合では２つの管束）、即ち、予冷された天然ガス供給流１０５が液化される第１の熱交換区分１９８Ｂ（図１および２におけるＭＣＨＥ１９８の中間区分と同等）、および第１の熱交換区分１９８Ｂからの液化天然ガス供給流がサブクーリングされる第２の熱交換区分１９８Ｃ（図１におけるＭＣＨＥ１９８の冷区分と同等）を有する。図１および２のＭＣＨＥ１９８の温区分１９８Ａの代わりに、本実施形態では、天然ガス供給流１０４が予冷される第３の熱交換区分１９７が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当該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および第２の熱交換区分１９８Ｂおよび１９８Ｃは同じ外殻ケーシングに収容されているように示されるが、これらの区分の各々の代替の配置では、それ自体の外殻ケーシングに収容されることができる。第３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。
【0075】
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。予冷システム１０３は、閉または開ループサイクルを含んでもよく、供給ガス、プロパン、ハイドロフルオロカーボン、混合冷媒などの任意の予冷冷媒を活用してもよい。予冷システム１０３は、いくつかの場合では存在しない。
【0076】
天然ガス供給流１０４は、第３の熱交換区分１９７の温側において予冷されて（またはさらに予冷されて）予冷された天然ガス流１０５を生成し、予冷された天然ガス流１０５は、次に、第１の熱交換区分１９８Ｂの温側において液化され、かつ第２の熱交換区分１９８Ｃの温側においてサブクーリングされて、第２の熱交換区分１９８ＣおよびＭＣＨＥ１９８を約−１３０℃〜約−１５５℃、およびより好ましくは約−１４０℃〜−１５５℃の温度で出るサブクーリングされたＬＮＧ流１０６を生成する。ＭＣＨＥ１９８を出るＬＮＧ流１０６は、第１のＬＮＧ降圧装置１０８において圧力が下げられて、圧力が下げられたＬＮＧ製品流１１０を生成し、ＬＮＧ製品流１１０はＬＮＧ貯蔵タンク１１５に送られる。第１のＬＮＧ降圧装置１０８は、Ｊ−Ｔ弁（図３に示されるような）であってもよく、または水力タービン（ターボエキスパンダ）または任意の他の好適な装置であってもよい。ＬＮＧ貯蔵タンクにおいて生成された任意のＢＯＧはＢＯＧ流１１２としてタンクから除去され、ＢＯＧ流１１２はプラントの燃料として使用されてもよく、燃やされてもよく、および／または供給に再利用されてもよい。
【0077】
第３、第１および第２の熱交換区分１９７、１９８Ｂおよび１９８Ｃへの冷凍作用は、当該熱交換区分１９７、１９８Ｂ、１９８Ｃ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）と、後段クーラー１５６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、第１のＪ−Ｔ弁１７８と、を含む圧縮トレインと、含む閉ループ冷凍回路を循環する冷媒によって提供される。
【0078】
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１７３は、当該熱交換区分の冷側における別々の通路から、第３の熱交換区分１９７の温端から取り出され、第２の温められた気体冷媒流１７３は第１の温められた気体冷媒流１３１よりも圧力が低い。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）に送られて、一時的な非設計動作中に気体冷媒流１３１の中に存在するあらゆる液体を除去してもよく、第１の温められた気体冷媒流１３１は、塔頂流（図示せず）としてノックアウトドラムを出る。第２の温められた気体冷媒流１７３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気体冷媒流１３１の中に存在するあらゆる液体をたたき出してもよく、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。
【0079】
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、かつ圧縮された冷媒流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、かつ圧縮された冷媒流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、かつ圧縮された冷媒流１４４を生成し、第２の冷却され、かつ圧縮された冷媒流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、かつ圧縮された冷媒流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、かつ圧縮された冷媒流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。
【0080】
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、かつ冷却された気体冷媒流１５８を生成する。冷却され、かつ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の冷却された気体冷媒流１６０は、当該温側における別の通路を介して天然ガス供給流１０４が通過させられる通路へ、第３の熱交換区分１９７の温側を通過し、第３の熱交換区分１９７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（本明細書で温エキスパンダとも呼ばれる）において膨張されて第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の温度および当該第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０．９５より大きな蒸気率を有する、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３の熱交換区分１９７を通過し、そこで温められて、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。
【0081】
さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８は、２つのさらなる流れ、即ち、第３の冷却された気体冷媒流１７０および第４の冷却された気体冷媒流１６９に分かれる。第３の冷却された気体冷媒流１７０は、第２のターボエキスパンダ１７２（本明細書で冷エキスパンダとも呼ばれる）において膨張されて第３の圧力まで圧力を下げられて、第３の膨張した冷たい冷媒流１７４を第３の温度および当該第３の圧力で生成し、第３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０．９５を超える蒸気率を有する、少なくとも主に気体である。第３の温度および第３の圧力は、それぞれ第１の温度および第１の圧力よりも低い。第４の流れ１６９は、当該第１および第２の熱交換区分１９８Ｂ、１９８Ｃの当該温側における別々の通路を介して天然ガス供給流１０４／１０５が通過する第１の熱交換区分１９８Ｂの温側、および次に第２の熱交換区分１９８Ｃの温側を通過させられ、かつ第１の熱交換区分１９８Ｂの温側、および次に第２の熱交換区分１９８Ｃの温側において冷却され、第４の流れは当該第１および／または区分熱交換区分１９８Ｂ、１９８Ｃにおいて少なくとも部分的に液化されて、液体または二相の冷媒流１７６を生成する。第３の熱交換区分１９８Ｃの温側を出る液体または二相の冷媒流１７６は、第１のＪ−Ｔ弁１７８におけるスロットル調整を介して第２の圧力まで圧力が下げられて、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０を第２の温度および当該第２の圧力で生成し、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第１のＪ−Ｔ弁１７８を出るときに元々二相である。好ましい実施形態では、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第１のＪ−Ｔ弁１７８を出るときに約０．０２〜約０．１の蒸気率を有する。第２の温度は第３の温度よりも低い（および、したがって第１の温度よりも低い）。第２の圧力は本実施形態では第３の圧力と実質的に同じである。
【0082】
第３の膨張した冷たい冷媒流１７４は第１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、予冷された天然ガス供給流１０５を液化し、第４の冷却された気体冷媒流１６９を冷却するための冷凍および冷却作用を提供する。第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第２の熱交換区分１９８Ｃの冷側を通過させられ、そこで温められて（第２の膨張した冷たい冷媒流１８０を少なくとも部分的に気化させて、および／または温めて）、液化した天然ガス供給流をサブクーリングし、かつ第４の冷却された気体冷媒流を冷却するために冷凍および冷却作用を提供し、次に第１の熱交換区分１９８Ｂの冷側を通過させられて、第１の熱交換区分１９８Ｂの冷側においてさらに温められ、そこで第３の膨張した冷たい冷媒流１７４と混合し、予冷された天然ガス供給流１０５を液化し、かつ第４の冷却された気体冷媒流１６９を冷却するための、さらなる冷凍および冷却作用を提供する。結果として得られる、第１の熱交換区分１９８Ｂの冷側の温端を出る混合流１７１（混合され、かつ温められた第２および第３の膨張した冷たい冷媒流からなる）は、第３の熱交換区分１９７の冷側を通過させられ、そこでさらに温められて、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、さらなる冷凍および冷却作用を提供し、混合流１７１はさらに温められて、第２の温められた気体冷媒流１７３を形成し、混合流１７１は、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６が通過する冷側における通路から第３の熱交換区分１９７の冷側における別の通路を通過させられる。
【0083】
したがって、第３の熱交換区分１９７に対する冷却作用は、混合せず、かつ異なる圧力の少なくとも２つの別々の冷媒流、即ち、混合流１７１（第１の熱交換区分１９８Ｂの冷側の温端を出る、混合され、かつ温められた第２および第３の膨張した冷たい冷媒流からなる）および第１の膨張した冷たい冷媒流１６６によって提供される。それらは冷却作用を提供して、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を冷却して、予冷された天然ガス供給流１０５を生成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、−２５℃〜−７０℃、および好ましくは−３５℃〜−５５℃の温度で生成する。
【0084】
第２の冷却された気体冷媒流１６０は、冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８の約４０モル％〜８５モル％、および冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８の好ましくは約５５モル％〜７５モル％である。第４の冷却された気体冷媒流１６９は、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８の約３モル％〜２０モル％、および好ましくは、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８の約５モル％〜１５モル％である。液体または二相の冷媒流１７６のモル流量の冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８のモル流量に対する割合は、典型的に０．０２〜０．２、および好ましくは約０．０２〜０．１である。この割合は、Ｊ−Ｔ弁（第１のＪ−Ｔ弁１７８）を通して膨張されて、冷凍回路（１９８Ｃ、１９８Ｂ、１９７）の１つ以上の熱交換区分において温められ、かつ気化される、膨張され、かつ冷却された二相の冷媒流（第２の膨張した冷たい冷媒流１８０）を形成する、冷凍回路におけるすべての液体または二相の冷媒流（液体または二相の冷媒流１７６）のモル流量の合計を、冷凍回路において循環するすべての冷媒のモル流量の合計（これは冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８の流量と同じ）で割ったものを表すため、図３に示される実施形態に関する「蒸発冷凍を提供する冷媒の割合」である。
【0085】
上述のように、第２の圧力（Ｊ−Ｔ弁１７８を出るときの第２の膨張した冷たい冷媒流１８０の圧力）および第３の圧力（第２のターボエキスパンダ１７２を出るときの第３の膨張した冷たい冷媒流１７４）は実質的に同じであり、第１の圧力（第１のターボエキスパンダ１６４を出るときの第１の膨張した冷たい冷媒流１６６の圧力）よりも各々が低い。第２および第３の圧力間に存在するような圧力のこのような違いは、第２の熱交換区分１９８Ｃにわたる圧力降下の結果である。例えば、第２の膨張した冷たい冷媒流が第２の熱交換区分の冷側を通過すると、第２の膨張した冷たい冷媒流の圧力は典型的に非常に僅かに、典型的には１ｂａｒａ（例えば１〜１０ｐｓｉ（０．０７〜０．７ｂａｒａ））未満だけ降下し、その結果、第２および第３の膨張した冷たい冷媒流が、第１の熱交換区分の冷側に入り、かつ混合されるときに同じ圧力であることを可能にし、第２の圧力は第３の圧力より非常に僅かに（典型的１ｂａｒａ未満）高い必要があり得る。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〜３５ｂａｒａであり、一方で第３の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力および第２の膨張した冷たい冷媒流１８０の圧力は、約４ｂａｒａ〜２０ｂａｒａである。対応して、第２の温められた気体冷媒流１７３は約４ｂａｒａ〜２０ｂａｒａ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〜３５ｂａｒａの圧力を有する。
【0086】
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、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。必要とされる任意の追加の力が電気モータまたはガスタービンなど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。
【0087】
図３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３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。
【0088】
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。
【0089】
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１７３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。
【0090】
冷凍回路を循環する冷媒は、メタンまたはメタンおよび窒素の混合物を含む冷媒である。冷凍回路を循環する冷媒はさらに、二酸化炭素、エタン、エチレン、アルゴンなどの（限定されないが）他の冷媒成分を、第１および第２のターボエキスパンダそれぞれを出るときに少なくとも主な気体である第１および第３の膨張した冷たい冷媒流に影響しない、または第１のＪ−Ｔ弁を出るときに二相である第２の膨張した冷たい冷媒流に影響しない程度に含んでもよい。好ましい実施形態では、冷媒はメタンおよび窒素の混合物を含む。冷却され、かつ圧縮された冷媒流１５８の好ましい窒素含有量は、約２０モル％〜７０モル％、好ましくは約２５モル％〜６５モル％、およびより好ましくは約３０モル％〜６０モル％の窒素である。冷却され、かつ圧縮された冷媒流１５８の好ましいメタン含有量は、約３０モル％〜８０モル％、好ましくは約３５モル％〜７５モル％、およびより好ましくは約４０モル％〜７０モル％のメタンである。
【0091】
図３に示される実施形態の変形では、本システムは第２のターボエキスパンダ１７２を含まず、したがって、予冷および液化作用の両方を提供する第１のターボエキスパンダ１６４と、サブクーリング作用を提供する第１のＪ−Ｔ弁１７２と、だけを使用する。このような状況では、熱交換区分１９８Ｂは省略される。第２の熱交換区分に対する冷凍作用は、Ｊ−Ｔ弁１７８（図３におけるような）によって提供される。熱交換区分１９７は、第１の熱交換区分として働き、かつ予冷および液化作用の両方を提供し、熱交換区分１９７に対する冷凍作用は異なる圧力の２つの冷たい流れ、即ち、第２の膨張した冷たい冷媒流（第２の熱交換区分１９８Ｃにおいて最初に温められた後）および第１の膨張した冷たい冷媒流１６６によって提供される。本実施形態では、第２のターボエキスパンダ（冷エキスパンダ）１７２は存在しない。
【0092】
従来技術を超える、図３に示される本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の圧力が第２および第３の膨張した冷たい冷媒流１８０、１７４の圧力とは著しくことなることである。これは第１および第２の熱交換区分１９８Ｂ、１９８Ｃ（液化およびサブクーリング区分）に対して、第３の熱交換区分１９７（予冷区分）とは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、および特にサブクーリング区分に好ましく、より高い冷媒圧力は予冷区分に好ましい。温エキスパンダ圧力が冷エキスパンダおよびＪ−Ｔ弁圧力とは著しく異なることを可能にすることで、本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、Ｊ−Ｔ弁１７８はサブクーリング作用を提供する。さらに、液化およびサブクーリング区分１９８Ｂ、１９８Ｃ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、これらの区分に対して交換器の本種類を使用する利点（即ち、小型および高効率）が保たれることができ、一方で予冷区分１９７に対して熱交換区分を通る複数の別々の通路を画定する冷側を有する種類の熱交換区分を使用することによって、当該流れ１７１が、異なる圧力であり、さらに予冷区分１９７の冷側を通過する第１の膨張した冷たい冷媒流１６６と混合せずに、膨張した冷たい冷媒流の第２および第３の流れの混合流１７１から予冷区分１９７において回収されることができる。前述のように、結果として得られる第２の温められた気体冷媒流１７３、および予冷区分１９７の冷側に存在する第１の温められた気体冷媒流１３１は、次に冷凍圧縮システム１３６に２つの異なる圧力で送られることができ、より低い圧力の第２の温められた気体冷媒流１７３は圧縮システムの圧力のより低い位置、例えば冷凍圧縮システム１３６の最も低い圧力入口などへ送られ、より高い圧力の第１の温められた気体冷媒流１３１は圧縮システムの圧力のより高い位置、例えば冷凍圧縮システム１３６内へ側流として送られる。このような配置の重要な利点は、従来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。
【0093】
図４は第２の実施形態および図３の変形を示す。本実施形態では、ＭＣＨＥ１９８は、繰り返すが、好ましくはコイル巻き熱交換器であり、この場合では第３の熱交換区分（温区分／管束）１９８Ａと、第１の熱交換区分（中間区分／管束）１９８Ｂと、第２の熱交換区分（冷区分／管束）１９８Ｃと、を含む。しかしながらこの場合では、ＭＣＨＥ１９８は温区分１９８Ａの冷側（外殻側）をコイル巻き熱交換器の中間区分１９８Ｂの冷側（外殻側）から分離させ、冷および中間区分１９８Ｃ、１９８Ｂの冷側における冷媒が温区分１９８Ａの冷側内に流れることを防ぐヘッド１１８も含む。したがって、ヘッド１１８は外殻側の圧力を含み、かつ温区分１９８Ａの冷側が中間および冷区分１９８Ｂ、１９８Ｃの冷側とは異なる外殻側圧力であることを可能にする。中間区分１９８Ｂの冷側の温端から取り出された第２および第３の膨張した冷たい冷媒流１７１の混合流１７１は、液体除去のためのノックアウトドラム１３２に直接送られ、したがって本配置では、混合流１７１は、冷媒圧縮システム１３６において圧縮される第２の温められた気体冷媒流を形成し、さらなる冷凍作用は圧縮の前に中間区分１９８Ｂの冷側の温端を出る混合流１７１から回収されない。混合流１７１の温度は約−４０℃〜−７０℃である。
【0094】
図４に示される実施形態の変形では、２つの別々のコイル巻き熱交換ユニットが使用されてもよく、その場合、第３の熱交換区分（温区分）１９８Ａはそれ自体の外殻ケーシングに入れられ、第１の熱交換区分（中間区分）１９８Ｂおよび第２の熱交換区分（冷側）１９８Ｃは別の外殻ケーシングを共有し、かつ別の外殻ケーシングに共に入れられる。このような配置では、ヘッド１１８は、温区分１９８Ａの冷側（外殻側）を中間区分１９８Ｂおよび温区分１９８Ｃの冷側（外殻側）から分離するために必要とされない。
【0095】
図４に示される実施形態は、図４では圧縮システム１３６において圧縮される第２の温められた気体冷媒流が「冷圧縮された」またはより冷たい温度で圧縮された混合流１７１であるため、図３と比べて僅かに低いプロセス効率を有し、図３では混合流１７１は第３の熱交換区分１９７において最初にさらに温められて、第２の温められた気体冷媒流を形成し、それによって圧縮の前に当該流れからさらなる冷凍作用を抽出する。しかしながら、図４に示される配置は、従来技術に比べてプロセス効率がさらに高いという利益を有さず、図３より少ない機器数および面積をもたらす。第３の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過する１つの冷媒流（第１の膨張した冷たい冷媒流１６６）しかないため、コイル巻き熱交換区分は、繰り返すがプラントのプロセスおよび面積の熱伝達効率についての利益を提供するこの区分に対して使用されることができる。
【0096】
図５は第３の実施形態および図４のさらなる変形を示す。ＭＣＨＥ１９８は、繰り返すが、好ましくはコイル巻き熱交換器であり、この場合、第３の熱交換区分（温区分／管束）１９８Ａと、第１の熱交換区分（中間区分／管束）１９８Ｂと、第２の熱交換区分（冷区分／管束）１９８Ｃとを含み、ＭＣＨＥ１９８は、繰り返すが、温区分１９８Ａの冷側（外殻側）を中間区分１９８Ｂの冷側（外殻側）から分離し、冷および中間区分１９８Ｃ、１９８Ｂの冷側における冷媒が温区分１９８Ａの冷側内に流れることを防ぐヘッド１１８を含む。しかしながら、この場合、中間区分１９８Ｂの冷側の温端から取り出された温められた第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流１７１は冷圧縮されない。代わりに、図５に示される実施形態では、冷凍回路は第４の熱交換区分１９６をさらに含み、冷凍作用は当該第４の熱交換区分１９６において温められた第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流１７１から抽出され、混合流１７１は第４の熱交換区分１９６の冷側を通過させられ、かつ第４の熱交換区分１９６の冷側において温められて、第２の温められた気体冷媒流１７３を生成する。第４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５に示されるような）またはシェルアンドチューブ区分など、任意の好適な種類の熱交換器の熱交換区分であってもよい。
【0097】
図５に示される実施形態では、第２の冷却された気体冷媒流１６０はさらに、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。前述のように、第１の部分は第３の熱交換区分１９８Ａの温側を通過し、かつ第３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の第１の部分を生成し、第３の熱交換区分１９８Ａへの冷凍作用は第３の熱交換区分１９８Ａにおいて温められる第１の膨張した冷たい冷媒流１６６によって供給されて、第１の温められた気体冷媒流１３１を生成する。
【0098】
前述のように、第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７は、第４の熱交換区分１９６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１１１の第２の部分を生成し、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の部分は次に第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に分けられて第３の冷却された気体冷媒流１７０および第４の冷却された気体冷媒流１６９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。
【0099】
前述のように、図５に示される実施形態では、冷および中間区分１９８Ｃ、１９８Ｂの冷側における冷媒が温区分１９８Ａの冷側に流れることを防いて、それによってこれらの区分の外殻側が異なる圧力を有することを可能にするように、ヘッド１１８は温区分１９８Ａの冷側（外殻側）をＭＣＨＥ１９８の中間区分１９８Ｂの冷側（外殻側）から分離するために使用される。しかしながら、代替の実施形態では、別々の外殻ケーシングを有する２つの別々のコイル巻き熱交換器ユニットは、１つの外殻ケーシングに封入された温区分１９８Ａと共に、別の外殻ケーシングに封入された中間区分１９８Ｂおよび冷区分１９８Ｃと共に使用されて、ヘッド１１８の必要性をなくすことができる。
【0100】
代替の実施形態では、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４の熱交換区分１９６は、天然ガス流を冷却するために使用されてもよい。例えば、天然ガス供給流１０４は、２つの流れに分割されてもよく、第１の流れは前述のように第３の熱交換区分１９８Ａの温側を通過させられ、かつ第３の熱交換区分１９８Ａの温側において冷却され、第２の流れは第４の熱交換区分１９６の温側を通過させられ、第４の熱交換区分１９６の温側において冷却され、第３および第４の熱交換区分を出る冷却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、予冷された天然ガス流１０５を形成し、予冷された天然ガス流１０５は次に、前述のように第１の熱交換区分１９８Ｂにおいてさらに冷却され、かつ液化される。さらに別の変形では、第４の熱交換区分は、区分を通る１つ以上の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。
【0101】
図５に示される実施形態は、従来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利益を有する。また、１つのみの冷媒流（第１の膨張した冷たい冷媒流１６６）が第３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てもよい。しかしながら、この配置は第４の熱交換区分１９６の形式での追加の機器の使用を必要としない。
【0102】
図６は第４の実施形態および図５の変形を示す。本実施形態では、ＭＣＨＥ１９８は、繰り返すが、好ましくは第３の熱交換区分（温区分／管束）１９８Ａと、第１の熱交換区分（中間区分／管束）１９８Ｂと、第２の熱交換区分（冷側／管束）１９８Ｃと、を含むコイル巻き熱交換器である。しかしながら、ＭＣＨＥ１９８は、温区分１９８Ａの冷側（外殻側）を中間区分１９８Ｂの冷側（外殻側）から分離するヘッド１１８を、もはや含まず、かつ温区分１９８Ａに対する冷凍は第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１の熱交換区分（中間区分）１９８Ｂの冷側（外殻側）の温端からの温められた第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、第３の熱交換区分１９８Ａの冷側（外殻側）内に流れ、第３の熱交換区分１９８Ａの冷側（外殻側）を通過し、かつ第３の熱交換区分１９８Ａの冷側（外殻側）においてさらに温められて、第３の熱交換区分１９８Ａにおいて冷却作用を提供し、第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は当該第３の熱交換区分１９８Ａ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１７３を形成する。
【0103】
同様に、図６に示される実施形態では、第４の熱交換区分１９６に対する冷凍作用は、温められた第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流によって、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４の熱交換区分１９６の冷側を通過し、かつ第４の熱交換区分１９６の冷側において温められて、第４の熱交換区分１９６において冷却作用を提供し、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は当該区分において温められて、第１の温められた気体冷媒流１３１を生成する。
【0104】
図５に関連して上述したように、図６にしめされる実施形態では、第２の冷却された気体冷媒流の第１の部分１６１は、第３の熱交換区分１９８Ａを通過し、かつ第３の熱交換区分１９８Ａ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の第１の部分を生成し、第２の冷却された気体冷媒流の１０７の第２の部分は、第４の熱交換区分１９６の温側を通過させられ、かつ第４の熱交換区分１９６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１１１を生成し、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１１１は次に第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に分けられて第３の冷却された気体冷媒流１７０および第４の冷却された気体冷媒流１６９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２０モル％〜６０モル％である。
【0105】
代替的に、および図５に関して上記でも説明されるように、図６に示される実施形態の変形では、第４の熱交換区分１９６は、第２の冷却された気体冷媒流の一部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５に関連して上述したように）、第４の熱交換区分１９６は、熱交換区分１９６を通る１つ以上の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。
【0106】
図６に示される実施形態は、従来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利益を有する。また、１つのみの冷媒流（第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流）が第３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てもよい。しかしながら、この配置は第４の熱交換区分１９６の形式での追加の機器の使用を必要としない。ヘッド１１８が必要とされず、かつ中間区分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く、より単純な熱交換器設計をもたらすため、図５に示される実施形態と比べて、図６の実施形態は図５の実施形態よりも単純である。
【0107】
図７は第５の実施形態および図３の別の変形を示す。本実施形態におけるＭＣＨＥ１９８はいかなる種類であってもよいが、繰り返すが好ましくはコイル巻き熱交換器である。この場合では、ＭＣＨＥ１９８は２つの熱交換区分（即ち、ＭＣＨＥがコイル巻き熱交換器である場合では２つの管束）、即ち、予冷された天然ガス供給流１０５が液化される第１の熱交換区分１９８Ｂ（図１および２におけるＭＣＨＥ１９８の中間区分と同等）、および第１の熱交換区分１９８Ｂからの液化天然ガス供給流１０４が予冷されて、第１の熱交換区分において液化される天然ガス供給流１０５を提供する第３の熱交換区分１９８Ａ（図１および２におけるＭＣＨＥの温区分と同等）を有する。図１および２のＭＣＨＥ１９８の冷区分１９８Ｃの代わりに、本実施形態では、第２の熱交換区分１９８Ｃ（第１の熱交換区分１９８Ｂからの液化天然ガス供給流がサブクーリングされる）が別のユニットに配置され、かつ、プレートフィン熱交換区分（示されるように）、シェルアンドチューブ熱交換熱交換区分、コイル巻き熱交換区分、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。代替的に、ＭＣＨＥ１９８は、第２の熱交換区分１９８ＣがＭＣＨＥ１９８における冷区分１９８Ｃを構成するが、冷媒が第２の熱交換区分１９８Ｃの冷側から第１および第３の熱交換区分１９８Ｂ、１９８Ａの冷側に流れることができないように、ＭＣＨＥ１９８は第１の熱交換区分（中間区分）１９８Ｂの冷側（外殻側）を第２の熱交換区分（冷側）１９８Ｃの冷側（外殻側）から分離するヘッドも含む、３つの熱交換区分を有するコイル巻き熱交換器であることができる。第３および第１の熱交換区分１９８Ａおよび１９８Ｂは同じ外殻ケーシングに収容されているように示されるが、これらの区分の各々の代替の配置では、それ自体の外殻ケーシングに収容されることができる。
【0108】
本実施形態では、閉ループ冷凍回路は、第４の熱交換区分１８２Ａおよび第５の熱交換区分１８２Ｂもさらに含み、第４の熱交換区分１８２Ａおよび第５の熱交換区分１８２Ｂはそれぞれ、プレートフィン熱交換器ユニット１８２の温１８２Ａおよび冷１８２Ｂ区分として図７に示される。しかしながら、代替の実施形態では、第４および第５の熱交換区分１８２Ａおよび１８２Ｂは、別々のユニットであることができ、および／または、シェルアンドチューブ熱交換器区分、コイル巻き熱交換器区分、または当技術において知られた任意の他の種類の好適な熱交換器などの異なる種類の熱交換区分／ユニットであることができる。代替の実施形態では、第２の熱交換区分１９８Ｃは、第４の熱交換区分１８２Ａ、第５の熱交換区分１８２Ｂ、および第２の熱交換区分１９８Ｃがそれぞれユニットの温、中間および冷区分である、第４および第５の熱交換区分１８２Ａおよび１８２Ｂのような同じ熱交換区分ユニットの一部であることもできる。
【0109】
図３に示される実施形態のように、冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８は、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（本明細書で温エキスパンダとも呼ばれる）において膨張されて第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の温度および当該第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０．９５より大きな蒸気率を有する、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３の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過し、そこで温められて、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の一部１６１を冷却するための冷凍および冷却作用を提供する。
【0110】
第２の冷却された気体冷媒流１６０は、２つの流れ、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１６１は、当該温側における別の通路を介して天然ガス供給流１０４が通過させられる通路へ、第３の熱交換区分１９８Ａの温側を通過し、第３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の第１の部分１６８を生成する。第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７は、第４の熱交換区分１８２Ａの温側を通過し、第４の熱交換区分１８２Ａ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の第２の部分１１１を生成する。
【0111】
さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の第１の部分１６８は分けられて、第３の冷却された気体冷媒流１７０および第４の冷却された気体冷媒流１６９を形成する。
【0112】
第４の冷却された気体冷媒流１６９は、当該温側における別の通路を介して予冷された天然ガス供給流１０５が通過させられる通路へ、第１の熱交換区分１９８Ｂの温側を通過し、第１の熱交換区分１９８Ｂの温側においてさらに冷却されて、および選択的に第１の熱交換区分１９８Ｂの温側において少なくとも部分的に液化されて、さらに冷却された第４の冷却された気体冷媒流１１４を形成する。
【0113】
第３の冷却された気体冷媒流１７０は、第２のターボエキスパンダ１７２（本明細書で冷エキスパンダとも呼ばれる）において膨張されて第３の圧力まで圧力を下げられて、第３の膨張した冷たい冷媒流１７４を第３の温度および当該第３の圧力で生成し、第３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０．９５を超える蒸気率を有する、少なくとも主に気体である。第３の温度は第１の温度よりも低く、および第３の圧力は第１の圧力と実質的に同じである。第３の膨張した冷たい冷媒流１７４は第１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、予冷された天然ガス供給流１０５を液化し、第４の冷却された気体冷媒流１６９を冷却するための冷凍および冷却作用を提供し、次に、第３の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過させられ、そこで第１の膨張した冷たい冷媒流１６６と混合し、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の第１の部分１６１を冷却するための、さらなる冷凍および冷却作用を提供し、第１および第３の膨張した冷たい冷媒流はそれによって混合され、かつ温められて、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は次に圧縮システム１３６において圧縮される。
【0114】
さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１１１は、冷却された気体冷媒流１８７の第５の流れを形成する。好ましくは、図７に示されるように、第２の部分１１１は分けられて、第５の冷却された気体冷媒流１８７および冷却された気体冷媒流の平衡流１８６を形成する。
【0115】
平衡流１８６は、第１の部分が分けられて第３および第４の冷却された気体冷媒流１７０、１６９を形成する前に、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の第１の部分１６８と混合され、および／または、当該流れが第２のターボエキスパンダ１７２において膨張される、または第の熱交換区分１９８Ｂにおいてさらに冷却される前に、第３および／または第４の冷却された気体冷媒流１７０、１６９と混合される。
【0116】
第５の冷却された気体冷媒流１８７は、第５の熱交換区分１８２Ｂの温側を通過し、さらに冷却され、かつ選択的に第５の熱交換区分１８２Ｂの温側において少なくとも部分的に液化されて、さらに冷却された第５の冷媒流１８８を生成し、さらに冷却された第５の冷媒流１８８は、第１の熱交換区分１９８Ｂの温側の冷端を出る、さらに冷却された第４の冷媒流１１４と次に混合されて、さらに冷却された第４および第５の冷媒流の混合流１８９を形成する。
【0117】
さらに冷却された第４および第５の冷媒流の混合流１８９は、次に、当該温側における別の通路を介して天然ガス供給流が通過させられる通路へ、第２の熱交換区分１９８Ｃの温側を通過し、第２の熱交換区分１９８Ｃの温側において冷却されて、および第２の熱交換区分１９８Ｃの温側において少なくとも部分的に液化されて（まだ完全に液化されていない場合）、第２の熱交換区分１９８Ｃの温側の冷端から取り出される液体または二相の冷媒流１７６を生成する。第３の熱交換区分１９８Ｃの温側を出る液体または二相の冷媒流１７６は、第１のＪ−Ｔ弁１７８におけるスロットル調整を介して第２の圧力まで圧力が下げられて、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０を第２の温度および当該第２の圧力で生成し、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第１のＪ−Ｔ弁１７８を出るときに元々二相である。好ましい実施形態では、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第１のＪ−Ｔ弁１７８を出るときに約０．０２〜約０．１の蒸気率を有する。第２の温度は第３の温度よりも低く（および、したがって第１の温度よりも低い）、第２の圧力は本実施形態では第３の圧力および第１の圧力よりも低い。
【0118】
第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、第２の熱交換区分１９８Ｃの冷側を通過させられ、そこで温められて（少なくとも部分的に気化させて、および／または温めて）、液化した天然ガス供給流をサブクーリングし、かつさらに冷却された第４および第５の冷媒流の混合流１８９を冷却するために冷凍および冷却作用を提供する。結果として得られる、温められた第２の膨張した冷たい冷媒流１８１は、第５の熱交換区分１８２Ｂの冷側を通過させられ、さらに温められて、第５の冷却された気体冷媒流１８３を冷却するための冷凍および冷却作用を提供し、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１８３は、次に第４の熱交換区分１８２Ａの冷側を通過させられ、第４の熱交換区分１８２Ａの冷側においてさらに温められて、第２の冷却された気体冷媒流の第２の部分１０７を冷却するための冷凍および冷却作用を提供し、第２の膨張した冷たい冷媒流はそれによって温められて、第２の温められた気体冷媒流１７３を形成し、第２の温められた気体冷媒流１７３は次に圧縮システム１３６において圧縮される。
【0119】
上述のように、第１の圧力（第１のターボエキスパンダ１６４を出るときの第１の膨張した冷たい冷媒流１６６の圧力）および第３の圧力（第２のターボエキスパンダ１７２を出るときの第３の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力）は実質的に同じであり、第２の圧力（Ｊ−Ｔ弁１７８を出るときの第２の膨張した冷たい冷媒流１８０の圧力）は第１の圧力および第３の圧力よりも低い。第１および第３の圧力間に存在するような圧力のこのような違いは、第１の熱交換区分１９８Ｂにわたる圧力降下の結果である。例えば、第３の膨張した冷たい冷媒流が第１の熱交換区分の冷側を通過すると、第３の膨張した冷たい冷媒流の圧力は典型的に非常に僅かに、典型的には１バール（例えば１〜１０ｐｓｉ（０．０７〜０．７バール））未満だけ降下し、その結果、第３および第１の膨張した冷たい冷媒流が、第３の熱交換区分の冷側に入り、かつ混合されるときに同じ圧力であることを可能にし、第３の圧力は第１の圧力より非常に僅かに（典型的１バール未満）高い必要があり得る。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の圧力および第３の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力は約１０ｂａｒａ〜３５ｂａｒａであり、一方で第２の膨張した冷たい冷媒流１８０の圧力は、約４ｂａｒａ〜２０ｂａｒａである。対応して、第２の温められた気体冷媒流１７３は約４ｂａｒａ〜２０ｂａｒａ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〜３５ｂａｒａの圧力を有する。
【0120】
図７に示される実施形態の変形では、本システムは第２のターボエキスパンダ１７２を含まず、したがって、予冷および液化作用の両方を提供する第１のターボエキスパンダ１６４と、サブクーリング作用を提供する第１のＪ−Ｔ弁１７８と、だけを使用する。このような状況では、熱交換区分１９８Ｂは省略され、熱交換区分１９８Ａが第１の熱交換区分として働き、かつ予冷および液化作用の両方を提供する。
【0121】
図７における平衡流１８６の目的は、第４および第５の熱交換区分を含む熱交換ユニット１８２、および第３および第１の熱交換区分を含むＭＣＨＥ１９８において冷媒を熱負荷率に調整することである。第４および第５の熱交換区分の冷側における冷媒の流量に基づいて、第４および第５の熱交換区分の温側において冷却された流れの流量を調整することが必要であり得る。これは、熱交換ユニット１８２の温側を通るいくつかの流れを除去すること、および熱交換ユニット１８２の温側を通るいくつかの流れをＭＣＨＥ１９８の温側に送ることによって達成されることができる。平衡流１８６は、熱交換ユニット１８２およびＭＣＨＥ１９８における、より狭い冷却カーブ（熱作用カーブに対する温度）を可能にする。
【0122】
代替の実施形態では、第２の冷却された気体冷媒流の一部１０７を冷却するために使用される代わりに、第４の熱交換区分１８２Ａおよび第の熱交換区分５１８２Ｂは、天然ガス流を冷却するために使用されてもよい。例えば、天然ガス供給流１０４は、２つの流れに分割されてもよく、第１の流れは第３の熱交換区分１９８Ａの温側を通過し、かつ第３の熱交換区分１９８Ａの温側において予冷され、前述のように第１の熱交換区分１９８Ｂの温側においてさらに冷却され、かつ液化され、ならびに第２の流れは第４の熱交換区分１８２Ａの温側を通過し、かつ第４の熱交換区分１８２Ａの温側において予冷され、第５の熱交換区分１８２Ｂの温側においてさらに冷却され、かつ液化され、第５および第１の熱交換区分を出る液化天然ガス流は、再度組み合わせられ、かつ混合されて、液化天然ガス供給流を形成し、次に液化天然ガス供給流は前述のように第２の熱交換区分１９８Ｃにおいてサブクーリングされる。予冷された天然ガスの一部を第４の熱交換区分を出る予冷された天然ガス流から第１の熱交換区分に入る予冷された天然ガス流へ運ぶために、バイパス流が同様に利用されることができる。さらに別の変形では、第４および第５の熱交換区分は、区分を通る１つ以上の別々の通路を画定する温側をそれぞれ有することができ、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。
【0125】
図８は、第４または第５の熱交換区分がなく、ＭＣＨＥ１９８は３つの区分、即ち、第３の熱交換区分（温区分）１９８Ａ、第１の熱交換区分（中間区分）１９８Ｂ、および第２の熱交換区分（冷区分）１９８Ｃを有し、少なくとも第３および第１の熱交換区分は、冷媒の１つ以上の流れが混合されずに当該区分の冷側を別々に通過することを可能にする、熱交換区分を通る複数の別々の通路を画定する冷側を有する種類の熱交換区分であり、第６の実施形態および図７の変形を示す。図８に示されるように、３つの区分は、単一のプレートフィン熱交換ユニットの温、中間、および冷区分を構成してもよい。しかしながら、代替的に、区分のうちの１つまたは各々は、それ自体のユニットに収容されてもよく、当技術において知られた任意の好適な種類の熱交換区分が各区分に対して使用されてもよい（第３および第１の熱交換区分は、その区分を通る複数の別々の通路を画定する冷側を有する種類の熱交換区分であるという要件に従う）。
【0126】
本実施形態では、第２の冷却された気体冷媒流１６０は、第１および第２の部分に分けられない。そうではなく、第２の冷却された気体冷媒流１６０のすべてが、当該温側における別々の通路を介して天然ガス供給流１０４が通過させられる通路へ、第３の熱交換区分１９８Ａの温側を通過させられ、かつ第３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を生成し、さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流１６８は次に分けられて、第４の冷却された気体冷媒流１６９および第３の冷却された気体冷媒流１７０を提供する。第４の冷却された気体冷媒流１６９は、次に、当該第１および第２の熱交換区分１９８Ｂおよび１９８Ｃの温側における別々の通路を介して予冷された天然ガス供給流１０５が通過する通路へ、第１の熱交換区分１９８Ｂの温側および第２の熱交換区分１９８Ｃの温側を通過させられ、かつ第１の熱交換区分１９８Ｂの温側および第２の熱交換区分１９８Ｃの温側においてさらに冷却され、第４の流れは、液体または二相の冷媒流１７６を形成するように、当該第１および／または第２の熱交換区分１９８Ｂおよび１９８Ｃにおいて少なくとも部分的に液化される。
【0127】
第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、順番に、第２の熱交換区分１９８Ｃ、第１の熱交換区分１９８Ｂおよび第３の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過し、かつ第２の熱交換区分１９８Ｃ、第１の熱交換区分１９８Ｂおよび第３の熱交換区分１９８Ａの冷側において温められ、それによって天然ガス流をサブクーリングし、予冷された天然ガス供給流１０５を液化し、第４の冷却された気体冷媒流１６９を冷却し、天然ガス流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し、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、それによって温められ、かつ気化されて、第２の温められた気体冷媒流１７３を形成し、即ち、次に冷媒圧縮システム１３６において圧縮される。第３の膨張した冷たい冷媒流１７４は、当該区分の冷側を別々の通路を介して第２の膨張した冷たい冷媒流が通過させられる通路へ、第１の熱交換区分１９８Ｂを通過し、かつ第１の熱交換区分１９８Ｂにおいて温められ、それによって予冷された天然ガス供給流１０５を液化する、かつ第４の冷却された気体冷媒流１６９を冷却するためのさらなる冷凍および冷却作用を提供する。結果として得られる、第１の熱交換区分１９８Ｂの冷側の温端を出る第３の膨張した冷たい冷媒流の温められた流れ１８４は、次に第１の膨張した冷たい冷媒流１６６と混合されて、膨張した冷たい冷媒の混合流１８５を生成する。膨張した冷たい冷媒の混合流１８５は次に、当該区分の冷側における別々の通路を介して第２の膨張した冷たい冷媒流が通過させられる通路へ、第３の熱交換区分１９８Ａの冷側を通過させられ、かつ第３の熱交換区分１９８Ａの冷側において温められ、それによって天然ガス流１０４を予冷し、かつ第２の冷却された気体冷媒流１６０を冷却するためのさらなる冷凍および冷却作用を提供し、膨張した冷たい冷媒の混合流１８５はそれによって温められて、第１の温められた気体冷媒流１３１を形成し、即ち、次に冷媒圧縮システム１３６において圧縮される。
【0128】
代替の実施形態および図８の変形では、第３の冷却された気体冷媒流１７０は、第２のターボエキスパンダ１７２において膨張されて、第１の圧力および第２の圧力とは異なる第３の圧力まで下げられて、第３の圧力は第１の圧力より低いが、第２の圧力より高く、第１の熱交換区分１９８Ｂの冷側の温端を出る第３の膨張した冷たい冷媒流の温められた流れ１８４は、第３の熱交換区分１９８Ａの冷側における第１の膨張した冷たい冷媒流１６６と混合しない。この配置では、第３の熱交換区分１９８Ａは、第３の熱交換区分１９８Ａを通る少なくとも３つの別々の通路を画定する冷側を有し、第２、第１および第３の膨張した冷たい冷媒流は、温められた気体冷媒の３つの別々の流れを３つの別々の圧力で形成するように第３の熱交換区分１９８Ａを別々に通過させられ、第２、第１および第３の膨張した冷たい冷媒流は次に３つの異なる圧力位置で圧縮トレインの冷媒圧縮システム１３６内に導入される。
【0129】
この実施形態は、図７の実施形態に関連する利益を有し、より低い熱交換器数を有し、かつピークシェービング設備に対する実行可能な選択肢である。しかしながら、コイル巻き熱交換区分を使用することの利益を弱め、特に、より大きな面積を有するプラントをもたらす。
【0130】
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、かつサブクーリングするための冷却作用のすべてがメタンまたはメタンおよび窒素の混合物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。メタン（および典型的にいくつかの窒素）は、天然ガス供給から現場で利用可能であり、一方で、効率をさらに高めるために冷媒に追加されてもよい、このような窒素は空気から現場で生成されてもよい。
【0131】
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多数の冷流も利用し、１つ以上のターボエキスパンダによって生成される１つ以上の冷たい気体または主に気体の冷媒流は、天然ガスを液化し、かつ選択的に予冷するための冷媒を提供するために使用され、Ｊ−Ｔ弁によって生成される二相の冷たい冷媒流は、天然ガスをサブクーリングするための冷凍作用を提供する。
【0132】
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、混合流１７１および／または第１の膨張した冷たい冷媒流１６６は、第３の熱交換区分１９７において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。
【実施例】
【0133】
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
【0134】
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。
【0135】
【表1】
【0136】
この例では、循環する冷媒（冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８によって表されるような）は、５４モル％の窒素および４６モル％のメタンである。蒸発冷凍を提供する冷媒の割合は０．０５である。第１の膨張した冷たい冷媒流１６６の圧力は、第３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２に示される従来技術の配置に対して、第１の膨張した冷たい冷媒流１６６、第３の膨張した冷たい冷媒流１７４、および第２の膨張した冷たい冷媒流１８０は、約１５．５ｂａｒａ（２２５．５ｐｓｉａ）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２（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る。
【0137】
この例は、図５および図６の実施形態にも適用され、例１において示されるような同様の利益をもたらす。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９０％である。図６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４０％である。例２
【0138】
この例では、図８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２に示され、図８の参照符号が使用される。
【0139】
【表2】
【0140】
この例では、循環する冷媒（冷却され、かつ圧縮された気体冷媒流１５８によって表されるような）は、３６モル％の窒素および６４モル％のメタンである。蒸発冷凍を提供する冷媒の割合は０．０７である。第３の膨張した冷たい冷媒流１７４の圧力は、第２の膨張した冷たい冷媒流１８０の圧力よりも高い。図８の実施形態におけるこの圧力の違いは、図２（従来技術）の効率と比べて、約５％だけ図８の実施形態のプロセス効率を上げる。
【0141】
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。本発明は、以下の態様を含んでいる。
（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、
天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリングするように、複数の熱交換区分のいくつかまたはすべての温側を前記天然ガス供給流に通過させ、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前記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は、天然ガス流が液化される第１の熱交換区分と、前記第１の熱交換区分からの前記液化天然ガス流がサブクーリングされる第２の熱交換区分と、を備え、前記液化されてサブクーリングされた天然ガス流は前記第２の熱交換区分から取り出されて、ＬＮＧ製品を提供する、冷却することと、
メタンまたはメタンおよび窒素の混合物を含む冷媒を、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と、第１のＪ−Ｔ弁と、を備える冷凍回路において循環させることと、を含み、前記冷媒の循環は、前記複数の熱交換区分の各々に冷凍作用を提供し、それによって前記天然ガス供給流を液化し、かつサブクーリング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は、
（ｉ）前記冷媒の圧縮され、かつ冷却された気体流を分けて第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の圧力まで膨張させて、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つの前記温側を前記第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、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するステップであって、前記第２の冷却された気体冷媒流の少なくとも一部は冷却され、少なくとも部分的に液化されて、液体または二相の冷媒流を形成する、ステップと、
（ｉｖ）前記液体または二相の冷媒流を、前記第１のＪ−Ｔ弁を介して前記流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させて、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は前記Ｊ−Ｔ弁を出るときに二相の流であり、前記第２の圧力は前記第１の圧力より低く、前記第２の温度は前記第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／または天然ガス流が予冷される熱交換区分、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含む、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側を前記第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側を前記第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成する、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、次にステップ（ｉ）で分けられる前記圧縮されて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２５〜６５モル％の窒素と、３０〜８０モル％のメタンと、を含む、（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０．９５より大きな蒸気率を有し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、前記Ｊ−Ｔ弁を出るときに０．０２〜０．１の蒸気率を有する、（１）に記載の方法。
（４）蒸発冷凍作用を提供する冷媒の割合は０．０２〜０．２であり、前記蒸発冷凍作用を提供する冷媒の割合は、Ｊ−Ｔ弁を介して膨張されて、前記複数の熱交換区分のうちの１つ以上において温められ、気化される膨張した冷たい二相の冷媒流を形成する、前記冷凍回路におけるすべての液体または二相の冷媒流のモル流量の合計を、前記冷凍回路において循環するすべての前記冷媒のモル流量の合計で割ったものとして定義される、（１）に記載の方法。
（５）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、（１）に記載の方法。
（６）前記液化されてサブクーリングされた天然ガス流は、−１３０〜−１５５℃の温度で前記第２の熱交換区分から取り出される、（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、（に記載１の方法。
（８）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る、（１）に記載の方法。
（９）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、（１）に記載の方法。
（１０）前記複数の熱交換区分は、天然ガス流が前記第１の熱交換区分で液化される前に予冷される第３の熱交換区分をさらに含む、（１）に記載の方法。
（１１）前記冷凍回路は第２のターボエキスパンダをさらに備え、
前記冷凍回路において前記冷媒を循環させるステップ（ｉｉｉ）は、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記温側を前記第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、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することと、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、第３の冷却された気体冷媒流および第４の冷却された気体冷媒流を形成することと、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも別の１つの前記温側を前記第４の冷却された気体冷媒流に通過させ、前記温側において前記第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化して、前記液体または二相の冷媒流を形成することと、を含み、
前記冷凍回路において前記冷媒を循環させることは、前記第２のターボエキスパンダにおいて前記第３の冷却された気体冷媒流を第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および前記第３の圧力で形成するステップをさらに含み、前記第３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、液体を含まない、または実質的に含まない気体流であり、または主に気体流であり、前記第３の温度は前記第１の温度より低いが、前記第２の温度より高く、
前記冷凍回路において前記冷媒を循環させるステップ（ｖ）は、少なくとも前記第３の熱交換区分および／または前記第２の冷却された気体冷媒流のうちのすべてまたは一部が冷却される熱交換区分を含む、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側を前記第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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ることと、少なくとも前記第１の熱交換区分および／または前記第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される熱交換区分を含む、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側を前記第３の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、前記冷側において前記第３の膨張した冷たい冷媒流を温めることと、少なくとも前記第２の熱交換区分を含む、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側を前記第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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ことと、を含み、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成する、（１０）に記載の方法。
（１２）前記第３の圧力は前記第２の圧力と実質的に同じであり、前記第２の膨張した冷たい冷媒流および前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、前記複数の熱交換区分のうちの少なくとも１つの前記冷側で混合され、温められ、前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流は混合され、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、（１１）に記載の方法。
（１３）前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第２の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側において温められ、次に少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第３の膨張した冷たい冷媒流と混合する、（１２）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、（１３）に記載の方法。
（１５）前記第１および第２の熱交換区分の前記管束は同じ外殻ケーシング内に収容される、（１４）に記載の方法。
（１６）前記第３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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記通路のうちの少なくとも１つ以上の他方を通過し、前記通路のうちの少なくとも１つ以上の他方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、（１３）に記載の方法。
（１７）前記第３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４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３および第４の熱交換区分のうちの一方の前記冷側を通過し、前記第３および第４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１の熱交換区分からの前記第２および第３の膨張した冷たい冷媒流の混合流は、前記第３および第４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４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、（１３）に記載の方法。
（１８）前記第３の圧力は前記第１の圧力と実質的に同じであり、前記第３の膨張した冷たい冷媒流および前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、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混合され、温められ、前記第３および第１の膨張した冷たい冷媒流は混合され、温められて、前記第１の温められた気体冷媒流を形成する、（１１）に記載の方法。
（１９）前記第１の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側を通過し、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側において温められ、前記第３の膨張した冷たい冷媒流は、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側を通過し、少なくとも前記第１の熱交換区分の前記冷側において温められ、次に、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側を通過し、少なくとも前記第３の熱交換区分の前記冷側においてさらに温められ、そこで前記第１の膨張した冷たい冷媒流と混合される、前記（１８）に記載の方法。
（２０）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、前記第３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、（１９）に記載の方法。
（２１）前記第１および第３の熱交換区分の前記管束は同じ外殻ケーシング内に収容される、（２０）に記載の方法。
（２２）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４の熱交換区分と、天然ガス流が液化される、および／または前記第４または第５の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに冷却される第５の熱交換区分とをさらに備え、前記第５の冷却された気体冷媒流は、存在する場合、前記さらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流の別の部分から形成され、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た後、少なくとも前記第５の熱交換区分、次に前記第４の熱交換区分の前記冷側を通過させられ、少なくとも前記第５の熱交換区分、次に前記第４の熱交換区分の前記冷側においてさらに温められる、（１８）に記載の方法。
（２３）前記第３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０．９５より大きな蒸気率を有する、（１１）に記載の方法。
（２４）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、冷媒を循環させるための冷凍回路を備え、前記冷凍回路は、
複数の熱交換区分であって、前記熱交換区分の各々は、温側と、冷側とを有し、前記複数の熱交換区分は、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の熱交換区分の前記温側は、天然ガス流を受け、冷却し、かつ液化するための前記第１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、前記第２の熱交換区分の前記温側は、前記第１の熱交換区分からの液化天然ガス流を受け、およびサブクーリングして、ＬＮＧ製品を提供するための、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は、冷凍作用を前記熱交換区分に提供する循環する冷媒の膨張流を受け、および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、および第１の圧力まで膨張させて、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、
液体または二相の冷媒流を受け、前記流をスロットル調整することによって第２の圧力まで膨張させ、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の圧力で形成するように構成された第１のＪ−Ｔ弁であって、前記第２の圧力は前記第１の圧力より低く、前記第２の温度は前記第１の温度より低い、第１のＪ−Ｔ弁と、を備え、
前記冷凍回路は、
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少なくとも１つの前記温側を前記第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、前記第２の冷却された気体冷媒流の少なくとも一部は、冷却され、少なくとも部分的に液化されて、前記液体または二相の冷媒流を形成し、
少なくとも前記第１の熱交換区分、および／または天然ガス流が予冷される熱交換区分、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熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記冷側を前記第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、少なくとも前記第２の熱交換区分を含む前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記冷側を前記第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、前記第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の冷たい冷媒流は温められ、気化されて、前記第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成するようにさらに構成されている、システム。
（２５）前記複数の熱交換区分は第３の熱交換区分をさらに備え、前記第３の熱交換区分の前記温側は、前記第１の熱交換区分において天然ガス流が受けられ、ならびにさらに冷却され、液化される前に前記天然ガス流を受け、および予冷するための前記第３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、
前記冷凍回路は、第３の冷却された気体冷媒流を受け、および第３の圧力まで膨張させて、第３の膨張した冷たい冷媒流を第３の温度および前記第３の圧力で形成するように構成された第２のターボエキスパンダをさらに備え、前記第３の温度は前記第１の温度より低いが、前記第２の温度より高く、
前記冷凍回路は、
前記複数の熱交換区分の少なくとも１つの前記温側を前記第２の冷却された気体冷媒流に通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも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、結果として得られるさらに冷却された第２の冷却された気体冷媒流を分けて、前記第３の冷却された気体冷媒流および第４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少なくとも別の１つの前記温側を前記第４の冷却された気体冷媒流に通過させ、前記複数の熱交換区分の少なくとも別の１つの前記温側において前記第４の冷却された気体冷媒流をさらに冷却し、かつ少なくとも部分的に液化して、前記液体または二相の冷媒流を形成し、
少なくとも前記第３の熱交換区分および／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つの前記冷側を前記第１の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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、少なくとも前記第１の熱交換区分および／または前記第４の冷却された気体冷媒流のすべてまたは一部がさらに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つの前記冷側を前記第３の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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３の膨張した冷たい冷媒流を温め、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つの前記冷側を前記第２の膨張した冷たい冷媒流に通過させ、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、前記第１および第２の膨張した冷たい冷媒流は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は温められて、前記第１の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成し、前記第２の膨張した冷たい冷媒流は温められ、気化されて、前記第２の温められた気体冷媒流のすべてまたは一部を形成するようにさらに構成されている、（２４）に記載のシステム。