天然ガスの液化は低温プロセスである。

天然ガスの液化は低温プロセスです。精製された原天然ガスは、熱交換器に入り、低温冷却、凝縮、過冷却が行われ、-160～165℃の温度で絞り減圧された後、LNG貯蔵タンクに送られます。
天然ガスの冷却、凝縮、過冷却における熱と温度の関係は以下のとおりです。
1) 冷凍サイクルの種類
天然ガスを液化するためには、天然ガスの冷却、凝縮、過冷却の過程で発生する熱を除去する必要があり、つまり、それに対応する冷却能力を熱と交換する必要がある。
液化プロセスに搭載される冷凍システムは、熱交換器において冷気と熱流の温度差を最小限に抑えることで、高い冷凍効率を実現することを目的としている。
天然ガス液化のための冷凍システムは非常に成熟しており、一般的に使用されているプロセスには以下のようなものがある。
ステップ式冷凍サイクル
混合冷媒冷凍サイクル
予冷機能付き混合冷媒冷凍サイクル
膨張機構の冷サイクル
2) ステップ式冷凍サイクル
段階式冷凍サイクルは、1939年に液化天然ガス製品に初めて適用された。これは米国クリーブランドに設置され、第1段階の冷媒としてNH3、第2段階の冷媒としてC2H4が使用された。
第1段階では、プロパンまたはフロンが冷媒として使用されます。精製された天然ガスは、プロパンまたはフロン冷却器で-35～-40℃まで冷却されます。ペンタンより重い炭化水素を分離した後、第2段階の冷却工程に入ります。プロパン冷却器で蒸発したプロパンガスは、圧縮機で加圧され、水冷器で冷却された後、再び液化され、プロパン冷却器にリサイクルされます。
第2段階では、冷媒としてエタンまたはエチレンが使用され、天然ガスは第2段階で-90～-100℃まで冷却され、液化されて第3段階の冷却に送られます。加圧および水冷後、エタンまたはエチレン冷却器から蒸発したガスは、プロパン冷却器で冷却および液化され、エタンまたはエチレン冷却器にリサイクルされます。
第3段階では、メタンが冷媒として使用されます。液化天然ガスはメタン冷却器で-150～-160℃まで過冷却され、その後、スロットルバルブを通して減圧されます。温度が-162℃まで下がった後、LNG貯蔵タンクに送られます。メタン冷却器から蒸発したガスは加圧され、水冷され、プロパン冷却器で冷却され、エタンまたはエチレン冷却器で液化され、メタン冷却器にリサイクルされます。
古典的な段階式冷凍サイクルは、比較的独立しながらも相互に接続された複数の冷却段階から構成されます。冷媒は一般的に多段式圧縮機によって圧縮されるため、各冷却段階では、冷媒は複数の圧力下で蒸発し、複数の温度レベルに分けられて天然ガスを冷却します。各圧力下で蒸発した冷媒は、対応する圧縮機段階に入って圧縮されます。各冷却段階で異なるのは冷媒のみであり、運転プロセスは基本的に同様です。
ステップ式冷凍サイクルの利点は以下のとおりです。
① 低エネルギー消費
②冷媒は純度が高く、配合上の問題はありません。
③ 成熟した技術と安定した運用
ステップ式冷凍サイクルの欠点は以下のとおりです。
① ユニットが多く、プロセスが複雑です。
②補助設備は多数あり、様々な冷媒の製造と貯蔵に特化した設備も必要である。
③ 配管および制御システムは複雑で、保守が困難である。