高圧天然ガスの分離方法およびそれに用いる分離装置
【課題】燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することのできる高圧天然ガスの分離方法およびそれに用いる分離装置を提供する。
【解決手段】ガスパイプライン中の高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料とし、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタンリッチガスを溜める精留塔１０と、原料ガスを冷却する熱交換器２と、熱交換器２を経由した原料ガスを冷却するリボイラー１と、リボイラー１を経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段（原料ガス膨脹弁３）と、精留塔上部のメタンリッチガスを熱交換器２を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路Ｍと、精留塔下部の高沸点成分を熱交換器２を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路Ｅとを備える。
【解決手段】ガスパイプライン中の高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料とし、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタンリッチガスを溜める精留塔１０と、原料ガスを冷却する熱交換器２と、熱交換器２を経由した原料ガスを冷却するリボイラー１と、リボイラー１を経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段（原料ガス膨脹弁３）と、精留塔上部のメタンリッチガスを熱交換器２を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路Ｍと、精留塔下部の高沸点成分を熱交換器２を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路Ｅとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを、メタンとそれ以外の成分とに分離する方法およびそれに用いる分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスや、天然ガスを原料として製造される都市ガス（１３Ａ，１２Ａ等）は、メタンを主成分としており、そのなかにエタン，プロパン，ブタンおよびイソブタンなどの軽質炭化水素が含まれている。例えば、日本国内の油田（新潟，秋田等）から産出される天然ガスの成分は、メタン約８５〜９２％，エタン約４〜７％，プロパン約１〜４％，ブタンおよびイソブタン約１％となっている（非特許文献１を参照）。
【０００３】
上記産出された天然ガスは、天然ガス井の周辺に設けられた天然ガス精製所で、硫黄分や不活性ガス，炭酸ガス，水分等の不純物を取り除いたのち、プロパンガス（ＬＰＧ）等を添加して所定の熱量に調整し、製品（都市ガス）とされる（特許文献１を参照）。そして、この都市ガスは、長距離の輸送（圧送）に充分な高圧（約５〜７ＭＰａＧ：Ｇはゲージ圧力、以下同じ）に昇圧され、供給地（ガス井）と需要地（この場合は都市部）との間に敷設された大口径（約６００〜７５０ｍｍφ）の幹線ガスパイプラインを通じて、都市ガス供給事業者や大口需要者等に供給されている。
【０００４】
一方、日本国内で消費される都市ガスの原料の大部分を占める、国外から輸入された天然ガスは、需要者や消費者の多い都市部において、ガスパイプライン網により供給されている。この輸入された天然ガスは、国外の供給地（産出地）の液化プラントで、不純物等を取り除いたのち圧縮・冷却されて液化天然ガス（ＬＮＧ）とされ、ＬＮＧタンカー等を用いて、ＬＮＧタンク等の保管施設を有するＬＮＧ基地まで海上輸送される。貯留された液化天然ガスは、ＬＮＧ基地（需要地近郊）にある気化プラントあるいは都市ガス製造所で気化され、ＬＰＧ等を添加して所定の熱量に調整されて、都市ガスとされる（特許文献２を参照）。そして、上記製造された都市ガスは、所定の輸送用高圧（約１〜７ＭＰａＧ）に昇圧されて、高圧導管（地域幹線ガスパイプライン），高圧ガバナ（整圧器），ガスホルダ，中圧導管，中圧ガバナ，低圧導管，低圧ガバナ等からなる都市ガスパイプライン網を通じて、工業用や家庭用として消費者等に供給されている（非特許文献２を参照）。
【０００５】
ここで、上記ガスパイプラインは、ガス輸送量に応じて、１）１．０ＭＰａＧ以上の圧力に対応する高圧導管、２）０．１〜１．０ＭＰａＧの圧力に対応する中圧導管、３）０．１ＭＰａＧ未満の圧力に対応する低圧導管、の三種類に大別される。また、用途別に分類すれば、高圧導管は、天然ガスまたは都市ガスを供給地から需要地まで輸送（長距離輸送）する「（地域）幹線ガスパイプライン」であり、中圧導管は、上記幹線ガスパイプラインから地域への「供給導管」または大規模需要者への配給導管（支線）であり、低圧導管は、地域内での小規模な最終需要者（消費者）への「配給導管」であると言い換えることもできる。
【０００６】
なお、上記地域内での長距離輸送に用いられる高圧導管は、例えば首都圏環状幹線や近畿幹線等のような大口径（６００ｍｍφ）で高圧（７ＭｐａＧ）の「地域幹線ガスパイプライン」を含め、既に全国で約４５００ｋｍ以上（２０１０年末）敷設されている。また、これらを繋いで列島を縦断する、超高圧（７ＭＰａＧ以上）の「国土幹線ガスパイプライン」網も計画されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−５７９６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２４４８９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本化学会編、「化学便覧応用化学編（第６版）」、丸善株式会社、２００３年１月、第Ｉ分冊 ｐ．１０４
【非特許文献２】経済産業省 資源エネルギー庁 電気・ガス事業部 ガス市場整備課、「ガスのインフラ整備に向けて」、ガスのインフラ整備に関するワーキンググループ報告書（平成23年3月）、２０１１年３月、インターネット<URL http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/gas#infra/1103#houkoku#01.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記天然ガスまたは都市ガスに含まれるエタン，プロパンおよびブタン等の炭化水素類は、石油化学プラントの原料になるため、上記ガスをそのまま都市ガスまたは火力発電用の燃料として使用するよりも、上記炭化水素類を別途取り出して利用した方が、市場において高い価値をもつ場合がある。
【００１０】
しかしながら、これらメタンと他の石油化学プラント用原料等との分離は、現状、上記特許文献２のように、ＬＮＧ基地等にある天然ガス気化プラントあるいは都市ガス製造所等で行われている。そのため、得られたメタンや上記石油化学プラント用の原料等は、これらの製造所等で液化され、ローリートラックや貨車，船舶等を用いて需要者の工場まで運搬されている。ここに改善の余地がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することのできる高圧天然ガスの分離方法およびそれに用いる分離装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明は、天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして精留塔に導入し、深冷分離により上記ガスをメタンとそれ以外の高沸点成分とに分離する方法であって、ガスパイプラインを流れる高圧の原料ガスを対象原料ガスとして取り出し、これを熱交換器および精留塔内に位置するリボイラーを経由させて冷却した後、この冷却された原料ガスを、原料ガス膨脹手段を通して断熱膨脹させる冷却工程と、上記断熱膨脹した原料ガスを精留塔に導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める精留工程と、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出する工程と、上記精留塔の底部から原料ガス中の高沸点成分を取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこの高沸点成分を気化させ、気化した高沸点成分を第２の製品ガスとして外部に導出する工程と、を備える高圧天然ガスの分離方法を第１の要旨とする。
【００１３】
また、本発明は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める機能をもつ精留塔と、上記原料ガスを、上記精留塔の底部から取り出された液体状の高沸点成分および上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスと熱交換させて冷却する熱交換器と、上記熱交換器を経由した原料ガスを、上記精留塔の下部に溜まる液体状の高沸点成分を用いて冷却するリボイラーと、上記リボイラーを経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段と、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、上記熱交換器を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路と、上記精留塔の底部から取り出された原料ガス中の高沸点成分を、上記熱交換器を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路と、を備える高圧天然ガスの分離装置を第２の要旨とする。
【００１４】
すなわち、本発明の発明者らは、前記メタンや石油化学プラント用原料等の輸送において現在主流をなすトラック輸送や貨車輸送は、気象条件や交通事情等の影響を受け易く、輸送費も嵩むという点を鑑み、これに代わる代替輸送手段として、上記原料等の消費地（工場地帯）に隣接して敷設されたガスパイプラインに着目した。そして、高圧ガスやガス分離装置に関する豊富な知識や経験を基に、精留塔や熱交換器等を効率的に組み合わせることにより、高圧ガスのもつエネルギーを無駄なく有効に利用できる比較的小規模なガス分離プラントを、原料等を消費する工場内もしくはその近隣で構築・運用可能なことを見出した。
【００１５】
なお、本発明における高圧ガスの「高圧」とは、先に述べたガスパイプライン網における高圧導管中を流れる天然ガスまたは都市ガスに、輸送（圧送）用として付与される１．０ＭＰａＧ以上のガス圧をいい、好ましくは１〜８ＭＰａＧ、より好ましくは「幹線ガスパイプライン」に用いられる４〜８ＭＰａＧのガス圧をいう。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高圧天然ガスの分離方法によれば、ガスパイプラインから取り出した「高圧」の天然ガスまたは都市ガスを、熱交換器およびリボイラーを経由した後、原料ガス膨脹手段で断熱膨脹させる冷却工程と、精留塔内に導入した上記原料ガスを、深冷分離により、メタンと他の高沸点成分とに分離する精留工程とを備えることにより、外部からエネルギー（寒冷等）を投入することなく、上記天然ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、効率的に分離することができる。そして、この精留塔の上部に溜まるメタンリッチガスを、燃料等に用いる第１の製品ガスとして外部に取り出すとともに、上記精留塔の下部に溜まるエタンやプロパン，ブタン等の高沸点成分を、石油化学プラントの原料となる第２の製品ガスとして外部に取り出すことができる。
【００１７】
また、本発明の高圧天然ガスの分離方法のなかでも、上記冷却工程におけるリボイラーと原料ガス膨脹手段との間に、この原料ガスを過冷却する過冷却器が配設され、上記メタンリッチガスを精留塔から外部に導出する工程が、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、過冷却器を経由して膨脹タービンで膨脹させた後、再度上記過冷却器を通過させ、このメタンリッチガスの冷熱を利用して、上記原料ガス膨脹手段に通す前の原料ガスを過冷却するとともに、ついで、この過冷却器通過後のメタンリッチガスを上記熱交換器に通して、上記リボイラーに通す前の原料ガスを冷却してこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出するようになっている場合は、上記精留塔の頂部から取り出したメタンリッチガスの冷熱エネルギーをより効率的に利用できるため、上記原料ガス膨脹手段における原料ガスの膨脹（膨脹度あるいは膨脹率）を抑えた状態、すなわち言い換えれば、原料ガスの圧力の低下を防いで高圧を保った状態で、上記天然ガス成分の分離（精留）を行うことが可能になる。また、これにより、上記第１および第２の製品ガスを、より高圧で取り出すことができる。
【００１８】
つぎに、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める機能をもつ精留塔と、上記原料ガスを、上記精留塔の底部から取り出された液体状の高沸点成分および上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスと熱交換させて冷却する熱交換器と、上記熱交換器を経由した原料ガスを、上記精留塔の下部に溜まる液体状の高沸点成分を用いて冷却するリボイラーと、上記リボイラーを経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段と、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、上記熱交換器を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路と、上記精留塔の底部から取り出された原料ガス中の高沸点成分を、上記熱交換器を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路と、を備える。この構成により、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、外部からエネルギー（寒冷等）を投入することなく、上記高圧天然ガスの断熱膨脹により発生する冷熱のみを利用して、上記天然ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、効率的に分離することができる。そして、上記精留塔の上部に溜まるメタンリッチガスを、燃料等に用いる第１の製品ガスとして外部に取り出すとともに、この精留塔の下部に溜まるエタンやプロパン，ブタン等の高沸点成分を、石油化学プラントの原料となる第２の製品ガスとして外部に取り出すことができる。
【００１９】
また、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、高圧ガスのもつエネルギーを無駄なく有効に利用できることから、付帯設備が少なく比較的小形で、メンテナンス等の手間の少ないガス分離プラントを、メタンや石油化学プラント用原料等が消費される工場内もしくはその近隣で構築・運用することができる。したがって、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することが可能となる。
【００２０】
なお、本発明の高圧天然ガスの分離装置のなかでも、上記リボイラーと上記原料ガス膨脹手段との間に過冷却器が配設され、この過冷却器に対応する膨脹タービンが配置され、上記リボイラーを経由した原料ガスが、上記過冷却器で過冷却された後、上記原料ガス膨脹手段に導入されるようになっているとともに、上記第１製品ガス流路が、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、過冷却器を経由して膨脹タービンに導入した後、再度上記過冷却器を通過させ、ついで上記熱交換器を経由して、第１の製品ガスとして外部に導出するようになっているものは、上記精留塔の頂部から取り出したメタンリッチガスの冷熱エネルギーをより効率的に利用できるため、上記原料ガス膨脹手段による原料ガスの膨脹を抑えた状態、すなわち、原料ガスを高圧に保った状態で、上記天然ガス成分の分離（精留）を行うことが可能になる。これにより、上記第１および第２の製品ガスを、より高圧で取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態における高圧天然ガスの分離装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態における高圧天然ガスの分離装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態における高圧天然ガスの分離装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
つぎに、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて詳しく説明する。ただし、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【００２３】
本発明の第１実施形態の高圧天然ガスの分離方法に用いる分離装置は、図１に示すように、ガスパイプライン（地域幹線ガスパイプライン）から取り出した常温で高圧の原料ガス（都市ガス 約５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％）を、単式の精留塔１０に導入し、各成分の沸点差を利用して、深冷分離により、メタンリッチガス（ガスＡ）とそれ以外の成分（ガスＢ）に分離するものである。
【００２４】
そして、この高圧天然ガス（都市ガス）の分離装置は、上記高圧の都市ガスを原料ガス膨脹手段（原料ガス膨脹弁３）で断熱膨脹させた際に発生する冷熱を、上記原料ガスの冷却および精留塔１０の寒冷として効率的に利用することにより、装置外部の熱源（冷熱源）を用いることなく、上記都市ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、高純度かつ高回収率で分離することができる。これが、本発明の高圧天然ガスの分離装置の特徴である。
【００２５】
上記高圧天然ガスの分離装置の構成について、詳しく説明すると、この高圧天然ガスの分離装置は、図１のように、上記精留塔１０と、上記原料ガスを熱交換により冷却する熱交換器２と、上記精留塔１０内の下部（底部側）に配置されたリボイラー１と、上記リボイラー１を経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹弁３と、を備える。
【００２６】
また、上記高圧天然ガスの分離装置には、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを対象原料ガスとして、熱交換器２，リボイラー１，原料ガス膨脹弁３を経由して精留塔１０に導入するための原料ガス流路Ｓと、上記精留塔１０の頂部１０ａから取り出したガス（メタンリッチガス）を、上記熱交換器２を経由して第１の製品ガス（ガスＡ）として外部に導出するための第１製品ガス流路Ｍと、上記精留塔１０の底部１０ｂから取り出した高沸点成分（エタン，プロパン，ブタンの液化混合物）を、上記熱交換器２を経由して第２の製品ガス（ガスＢ）として外部に導出するための第２製品ガス流路Ｅが、形成されている。
【００２７】
上記精留塔１０は、その内部に、精留棚もしくは充填物（規則充填物，不規則充填物等）と呼ばれる精留手段が設けられており、この精留手段より上部に、上記熱交換器２および精留塔１０内のリボイラー１で冷却され、ついで上記精留塔１０外部の原料ガス膨脹弁３で断熱膨脹した原料ガスが、供給されるようになっている。
【００２８】
上記精留塔１０内の下部（上記精留手段より下側）には、上記リボイラー１が配置されており、その周囲は、液体状の上記高沸点成分（エタン，プロパン，ブタン）を溜めておくことのできるスペースになっている。なお、精留塔１０の底部１０ｂには、この部位に溜まる上記液体状の高沸点成分を取り出すための高沸点成分導出口が設けられ、ここに上記第２製品ガス流路Ｅが接続されている。また、上記精留塔１０上部（上記精留手段より上側）の頂部１０ａには、この部位に溜まる高濃度の気体状のメタンリッチガスを取り出すためのメタンリッチガス導出口が設けられ、ここに上記第１製品ガス流路Ｍが接続されている。
【００２９】
つぎに、上記第１実施形態の高圧天然ガスの分離装置を用いた、高圧天然ガスの分離の具体例について述べる。
【００３０】
［実施例１］
例えば、原料ガスとして、常温で高圧の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％〕を用いる場合、供給された上記原料ガスは、熱交換器２で約−５０℃に冷却された後、リボイラー１で約−５５℃まで冷却され、その一部が液化する。ついで、原料ガス膨張弁３で膨脹した原料ガスは、約２．３ＭＰａＧまで圧力が低下し、さらに低温（約−９０℃）となって、精留塔１０に導入される。
【００３１】
精留塔１０内では、深冷分離により、その上部に気体状態のメタン（沸点：−１６１．５℃ 大気圧下、以下同じ）が溜まる。同様に、精留塔１０の下部には、上記都市ガスの高沸点成分であるエタン（沸点：−８８．８℃），プロパン（沸点：−４２．２℃），ブタン（沸点：−０．５℃），イソブタン（沸点：−１１．７℃）が、液体状態で溜まる。
【００３２】
上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）は、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出され、第１製品ガス流路Ｍを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換して加温された後、製品メタンガス（ガスＡ 圧力：２．３ＭＰａＧ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９８％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９４％であった。
【００３３】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）は、底部１０ｂに設けられた高沸点成分導出口から取り出され、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換して加温された後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ 圧力：２．３ＭＰａＧ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約３５％、エタン濃度は約４４％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約７７％であった。
【００３４】
つぎに、上記第１実施形態の高圧天然ガスの分離装置と同じ原料ガスを用いて、メタンをより高純度・高回収率で分離した例について述べる。
【００３５】
［実施例２］
原料ガスとして、上記実施例１と同様に、常温で高圧の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％〕を用いて、供給された原料ガスを、熱交換器２で約−５５℃に冷却した後、リボイラー１で約−６０℃まで冷却（一部が液化）した。ついで、原料ガス膨張弁３で、実施例１とは異なる約０．２ＭＰａＧの低圧まで原料ガスを膨脹させた後、さらに低温（約−１２０℃）となった原料ガスを精留塔１０に導入し、深冷分離させた。
【００３６】
実施例１と同様、上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）を、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出し、第１製品ガス流路Ｍを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換させて加温した後、製品メタンガス（ガスＡ）として装置外に導出した。この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９８％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９９％であった。
【００３７】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）を、底部１０ｂの高沸点成分導出口から取り出し、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換させて加温した後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ）として装置外に導出した。この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約１％，エタン濃度が約６８％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約８０％であった。
【００３８】
なお、上記第１実施形態の高圧天然ガスの分離装置においては、精留塔底部１０ｂの高沸点成分取出口と熱交換器２との間（第２製品ガス流路Ｅ上）に、上記高沸点成分（液体状）を断熱膨脹させる膨張弁等の高沸点成分膨脹手段を配置してもよい。
【００３９】
つぎに、深冷分離により得られる、メタンリッチガス（ガスＡ）とそれ以外の成分（ガスＢ）とを、上記第１実施形態より高圧で回収することのできる第２実施形態について説明する。
【００４０】
図２は、本発明の第２実施形態の高圧天然ガスの分離方法に用いる分離装置の概略構成図である。この高圧天然ガスの分離装置の構造的特徴は、上記第１実施形態におけるリボイラー１と原料ガス膨脹弁３との間（原料ガス流路Ｓ上）に、リボイラー１で冷却された原料ガスをさらに冷却する過冷却器４が配設され、この過冷却器４を経由したガス（精留塔１０から取り出したメタンリッチガス）を断熱膨脹させる膨脹タービン５を備える点である。また、第１の製品ガス（ガスＡ）を外部に導出するための第１製品ガス流路Ｍは、上記精留塔１０の頂部１０ａから取り出した直後の低温のガス（メタンリッチガス）を、上記過冷却器４に通すように形成されているとともに、この過冷却器４を通過したメタンリッチガスを、上記膨脹タービン５を経由して膨脹させた後、再度上記過冷却器４を通過するように構成されている。
【００４１】
［実施例３］
上記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置を用いた高圧天然ガスの分離は、例えば、原料ガスとして、前記実施例１と同様の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％〕を用いた場合、供給された上記原料ガスは、熱交換器２で約−４０℃に冷却された後、リボイラー１で約−５０℃まで冷却され、その一部が液化する。ついで、上記過冷却器４で約−６０℃まで冷却された後、原料ガス膨張弁３によって約３．０ＭＰａＧまで膨脹して圧力が低下し、さらに低温（約−８０℃）となって精留塔１０に導入され、深冷分離される。
【００４２】
上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）は、第１製品ガス流路Ｍを通じて、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出され、一旦、過冷却器４を通過して原料ガスを過冷却した後、上記膨脹タービン５で約２．４ＭＰａＧまで膨脹する。ついで、再び過冷却器４を通って原料ガスを冷却し、さらに熱交換器２で原料ガスと熱交換してこの原料ガスを冷却した後、製品メタンガス（ガスＡ 圧力：２．４ＭＰａＧ）として装置外に導出される。この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９７％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９４％であった。
【００４３】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）は、前記実施例１と同様、底部１０ｂの高沸点成分導出口から取り出され、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換して加温された後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ 圧力：３．０ＭＰａＧ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約３６％、エタン濃度は４２％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約７０％であった。
【００４４】
なお、上記実施例３（および後記の実施例４）における膨脹タービン５は、原料ガスの膨脹に制限をかける（抑制する）ために設けられているもので、この例においても、上記都市ガス中のメタンとその他の高沸点成分との分離は、装置外部から電力や冷熱等のエネルギーを投入することなく行われている。
【００４５】
つぎに、上記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置と同様の装置を用いて、メタンをより高純度・高回収率で分離した例について述べる。
【００４６】
図３は、本発明の第３実施形態の高圧天然ガスの分離方法に用いる分離装置の概略構成図である。この高圧天然ガスの分離装置が、構成上、上記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置と異なる点は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガス（対象原料ガス）を、先に精留塔１０内のリボイラー１に導入して冷却した後、他の実施形態における熱交換器２と同じ機能を有する熱交換器２’に通して冷却している点である。そのため、原料ガス流路Ｓは、上記原料ガスを、リボイラー１，熱交換器２’原料ガス膨脹弁３の順に経由して精留塔１０に導入するように構成されている。なお、上記熱交換器２’の配置以外、この第３実施形態の高圧天然ガスの分離装置の構成は、前記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置と同様である。
【００４７】
［実施例４］
分離装置として上記第３実施形態の高圧天然ガスの分離装置を用いて、上記実施例３と同様の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ〕の分離を行う場合、まず、供給された原料ガスをリボイラー１で約＋１０℃まで冷却した後、熱交換器２’で約−２０℃に冷却する。ついで、過冷却器４で約−６０℃まで冷却された後、原料ガス膨張弁３によって約１．０ＭＰａＧまで膨脹して圧力が低下し、さらに低温（約−１００℃）となって精留塔１０に導入され、深冷分離される。
【００４８】
上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）は、第１製品ガス流路Ｍを通じて、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出され、一旦、過冷却器４を通過して原料ガスを過冷却した後、上記膨脹タービン５で約０．３ＭＰａＧまで膨脹する。ついで、再び過冷却器４を通って原料ガスを冷却し、さらに熱交換器２’で原料ガスと熱交換してこの原料ガスを冷却した後、製品メタンガス（ガスＡ）として装置外に導出される。この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９８％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９９％であった。
【００４９】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）は、前記実施例３と同様、底部１０ｂの高沸点成分導出口から取り出され、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２’で原料ガスと熱交換して加温された後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約１％，エタン濃度は約６７％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約７８％であった。
【００５０】
上記各実施形態によれば、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、上記高圧の都市ガスを原料ガス膨脹手段（原料ガス膨脹弁３）で断熱膨脹させた際に発生する冷熱を、上記原料ガスの冷却および精留塔１０の寒冷として効率的に利用することにより、装置外部の熱源（冷熱源）を用いることなく、上記都市ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、高純度かつ高回収率で分離することができる。
【００５１】
また、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、上記都市ガスのもつエネルギーを無駄なく有効に利用できることから、付帯設備が少なく比較的小形で、メンテナンス等の手間の少ないガス分離プラントを、上記メタンや石油化学プラント用原料等が消費される工場内もしくはその近隣で、オンサイトに構築・運用することができる。したがって、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、トラック輸送や貨車輸送等のように気象条件や交通事情等に左右されることなく、これらが消費される場所に、安定的に供給することが可能となる。また、耐震性等の耐久性に優れる高圧導管内のガスを原料としているため、地震等の災害からの復旧が早いというメリットもある。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の高圧天然ガスの分離方法およびそれに用いる分離装置は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを利用して、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ リボイラー
２ 熱交換器
３ 原料ガス膨張弁
１０ 精留塔
Ｍ 第１製品ガス流路
Ｅ 第２製品ガス流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを、メタンとそれ以外の成分とに分離する方法およびそれに用いる分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスや、天然ガスを原料として製造される都市ガス（１３Ａ，１２Ａ等）は、メタンを主成分としており、そのなかにエタン，プロパン，ブタンおよびイソブタンなどの軽質炭化水素が含まれている。例えば、日本国内の油田（新潟，秋田等）から産出される天然ガスの成分は、メタン約８５〜９２％，エタン約４〜７％，プロパン約１〜４％，ブタンおよびイソブタン約１％となっている（非特許文献１を参照）。
【０００３】
上記産出された天然ガスは、天然ガス井の周辺に設けられた天然ガス精製所で、硫黄分や不活性ガス，炭酸ガス，水分等の不純物を取り除いたのち、プロパンガス（ＬＰＧ）等を添加して所定の熱量に調整し、製品（都市ガス）とされる（特許文献１を参照）。そして、この都市ガスは、長距離の輸送（圧送）に充分な高圧（約５〜７ＭＰａＧ：Ｇはゲージ圧力、以下同じ）に昇圧され、供給地（ガス井）と需要地（この場合は都市部）との間に敷設された大口径（約６００〜７５０ｍｍφ）の幹線ガスパイプラインを通じて、都市ガス供給事業者や大口需要者等に供給されている。
【０００４】
一方、日本国内で消費される都市ガスの原料の大部分を占める、国外から輸入された天然ガスは、需要者や消費者の多い都市部において、ガスパイプライン網により供給されている。この輸入された天然ガスは、国外の供給地（産出地）の液化プラントで、不純物等を取り除いたのち圧縮・冷却されて液化天然ガス（ＬＮＧ）とされ、ＬＮＧタンカー等を用いて、ＬＮＧタンク等の保管施設を有するＬＮＧ基地まで海上輸送される。貯留された液化天然ガスは、ＬＮＧ基地（需要地近郊）にある気化プラントあるいは都市ガス製造所で気化され、ＬＰＧ等を添加して所定の熱量に調整されて、都市ガスとされる（特許文献２を参照）。そして、上記製造された都市ガスは、所定の輸送用高圧（約１〜７ＭＰａＧ）に昇圧されて、高圧導管（地域幹線ガスパイプライン），高圧ガバナ（整圧器），ガスホルダ，中圧導管，中圧ガバナ，低圧導管，低圧ガバナ等からなる都市ガスパイプライン網を通じて、工業用や家庭用として消費者等に供給されている（非特許文献２を参照）。
【０００５】
ここで、上記ガスパイプラインは、ガス輸送量に応じて、１）１．０ＭＰａＧ以上の圧力に対応する高圧導管、２）０．１〜１．０ＭＰａＧの圧力に対応する中圧導管、３）０．１ＭＰａＧ未満の圧力に対応する低圧導管、の三種類に大別される。また、用途別に分類すれば、高圧導管は、天然ガスまたは都市ガスを供給地から需要地まで輸送（長距離輸送）する「（地域）幹線ガスパイプライン」であり、中圧導管は、上記幹線ガスパイプラインから地域への「供給導管」または大規模需要者への配給導管（支線）であり、低圧導管は、地域内での小規模な最終需要者（消費者）への「配給導管」であると言い換えることもできる。
【０００６】
なお、上記地域内での長距離輸送に用いられる高圧導管は、例えば首都圏環状幹線や近畿幹線等のような大口径（６００ｍｍφ）で高圧（７ＭｐａＧ）の「地域幹線ガスパイプライン」を含め、既に全国で約４５００ｋｍ以上（２０１０年末）敷設されている。また、これらを繋いで列島を縦断する、超高圧（７ＭＰａＧ以上）の「国土幹線ガスパイプライン」網も計画されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−５７９６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２４４８９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本化学会編、「化学便覧応用化学編（第６版）」、丸善株式会社、２００３年１月、第Ｉ分冊 ｐ．１０４
【非特許文献２】経済産業省 資源エネルギー庁 電気・ガス事業部 ガス市場整備課、「ガスのインフラ整備に向けて」、ガスのインフラ整備に関するワーキンググループ報告書（平成23年3月）、２０１１年３月、インターネット<URL http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/gas#infra/1103#houkoku#01.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記天然ガスまたは都市ガスに含まれるエタン，プロパンおよびブタン等の炭化水素類は、石油化学プラントの原料になるため、上記ガスをそのまま都市ガスまたは火力発電用の燃料として使用するよりも、上記炭化水素類を別途取り出して利用した方が、市場において高い価値をもつ場合がある。
【００１０】
しかしながら、これらメタンと他の石油化学プラント用原料等との分離は、現状、上記特許文献２のように、ＬＮＧ基地等にある天然ガス気化プラントあるいは都市ガス製造所等で行われている。そのため、得られたメタンや上記石油化学プラント用の原料等は、これらの製造所等で液化され、ローリートラックや貨車，船舶等を用いて需要者の工場まで運搬されている。ここに改善の余地がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することのできる高圧天然ガスの分離方法およびそれに用いる分離装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明は、天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして精留塔に導入し、深冷分離により上記ガスをメタンとそれ以外の高沸点成分とに分離する方法であって、ガスパイプラインを流れる高圧の原料ガスを対象原料ガスとして取り出し、これを熱交換器および精留塔内に位置するリボイラーを経由させて冷却した後、この冷却された原料ガスを、原料ガス膨脹手段を通して断熱膨脹させる冷却工程と、上記断熱膨脹した原料ガスを精留塔に導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める精留工程と、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出する工程と、上記精留塔の底部から原料ガス中の高沸点成分を取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこの高沸点成分を気化させ、気化した高沸点成分を第２の製品ガスとして外部に導出する工程と、を備える高圧天然ガスの分離方法を第１の要旨とする。
【００１３】
また、本発明は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める機能をもつ精留塔と、上記原料ガスを、上記精留塔の底部から取り出された液体状の高沸点成分および上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスと熱交換させて冷却する熱交換器と、上記熱交換器を経由した原料ガスを、上記精留塔の下部に溜まる液体状の高沸点成分を用いて冷却するリボイラーと、上記リボイラーを経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段と、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、上記熱交換器を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路と、上記精留塔の底部から取り出された原料ガス中の高沸点成分を、上記熱交換器を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路と、を備える高圧天然ガスの分離装置を第２の要旨とする。
【００１４】
すなわち、本発明の発明者らは、前記メタンや石油化学プラント用原料等の輸送において現在主流をなすトラック輸送や貨車輸送は、気象条件や交通事情等の影響を受け易く、輸送費も嵩むという点を鑑み、これに代わる代替輸送手段として、上記原料等の消費地（工場地帯）に隣接して敷設されたガスパイプラインに着目した。そして、高圧ガスやガス分離装置に関する豊富な知識や経験を基に、精留塔や熱交換器等を効率的に組み合わせることにより、高圧ガスのもつエネルギーを無駄なく有効に利用できる比較的小規模なガス分離プラントを、原料等を消費する工場内もしくはその近隣で構築・運用可能なことを見出した。
【００１５】
なお、本発明における高圧ガスの「高圧」とは、先に述べたガスパイプライン網における高圧導管中を流れる天然ガスまたは都市ガスに、輸送（圧送）用として付与される１．０ＭＰａＧ以上のガス圧をいい、好ましくは１〜８ＭＰａＧ、より好ましくは「幹線ガスパイプライン」に用いられる４〜８ＭＰａＧのガス圧をいう。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高圧天然ガスの分離方法によれば、ガスパイプラインから取り出した「高圧」の天然ガスまたは都市ガスを、熱交換器およびリボイラーを経由した後、原料ガス膨脹手段で断熱膨脹させる冷却工程と、精留塔内に導入した上記原料ガスを、深冷分離により、メタンと他の高沸点成分とに分離する精留工程とを備えることにより、外部からエネルギー（寒冷等）を投入することなく、上記天然ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、効率的に分離することができる。そして、この精留塔の上部に溜まるメタンリッチガスを、燃料等に用いる第１の製品ガスとして外部に取り出すとともに、上記精留塔の下部に溜まるエタンやプロパン，ブタン等の高沸点成分を、石油化学プラントの原料となる第２の製品ガスとして外部に取り出すことができる。
【００１７】
また、本発明の高圧天然ガスの分離方法のなかでも、上記冷却工程におけるリボイラーと原料ガス膨脹手段との間に、この原料ガスを過冷却する過冷却器が配設され、上記メタンリッチガスを精留塔から外部に導出する工程が、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、過冷却器を経由して膨脹タービンで膨脹させた後、再度上記過冷却器を通過させ、このメタンリッチガスの冷熱を利用して、上記原料ガス膨脹手段に通す前の原料ガスを過冷却するとともに、ついで、この過冷却器通過後のメタンリッチガスを上記熱交換器に通して、上記リボイラーに通す前の原料ガスを冷却してこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出するようになっている場合は、上記精留塔の頂部から取り出したメタンリッチガスの冷熱エネルギーをより効率的に利用できるため、上記原料ガス膨脹手段における原料ガスの膨脹（膨脹度あるいは膨脹率）を抑えた状態、すなわち言い換えれば、原料ガスの圧力の低下を防いで高圧を保った状態で、上記天然ガス成分の分離（精留）を行うことが可能になる。また、これにより、上記第１および第２の製品ガスを、より高圧で取り出すことができる。
【００１８】
つぎに、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める機能をもつ精留塔と、上記原料ガスを、上記精留塔の底部から取り出された液体状の高沸点成分および上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスと熱交換させて冷却する熱交換器と、上記熱交換器を経由した原料ガスを、上記精留塔の下部に溜まる液体状の高沸点成分を用いて冷却するリボイラーと、上記リボイラーを経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段と、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、上記熱交換器を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路と、上記精留塔の底部から取り出された原料ガス中の高沸点成分を、上記熱交換器を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路と、を備える。この構成により、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、外部からエネルギー（寒冷等）を投入することなく、上記高圧天然ガスの断熱膨脹により発生する冷熱のみを利用して、上記天然ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、効率的に分離することができる。そして、上記精留塔の上部に溜まるメタンリッチガスを、燃料等に用いる第１の製品ガスとして外部に取り出すとともに、この精留塔の下部に溜まるエタンやプロパン，ブタン等の高沸点成分を、石油化学プラントの原料となる第２の製品ガスとして外部に取り出すことができる。
【００１９】
また、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、高圧ガスのもつエネルギーを無駄なく有効に利用できることから、付帯設備が少なく比較的小形で、メンテナンス等の手間の少ないガス分離プラントを、メタンや石油化学プラント用原料等が消費される工場内もしくはその近隣で構築・運用することができる。したがって、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することが可能となる。
【００２０】
なお、本発明の高圧天然ガスの分離装置のなかでも、上記リボイラーと上記原料ガス膨脹手段との間に過冷却器が配設され、この過冷却器に対応する膨脹タービンが配置され、上記リボイラーを経由した原料ガスが、上記過冷却器で過冷却された後、上記原料ガス膨脹手段に導入されるようになっているとともに、上記第１製品ガス流路が、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、過冷却器を経由して膨脹タービンに導入した後、再度上記過冷却器を通過させ、ついで上記熱交換器を経由して、第１の製品ガスとして外部に導出するようになっているものは、上記精留塔の頂部から取り出したメタンリッチガスの冷熱エネルギーをより効率的に利用できるため、上記原料ガス膨脹手段による原料ガスの膨脹を抑えた状態、すなわち、原料ガスを高圧に保った状態で、上記天然ガス成分の分離（精留）を行うことが可能になる。これにより、上記第１および第２の製品ガスを、より高圧で取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態における高圧天然ガスの分離装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態における高圧天然ガスの分離装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態における高圧天然ガスの分離装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
つぎに、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて詳しく説明する。ただし、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【００２３】
本発明の第１実施形態の高圧天然ガスの分離方法に用いる分離装置は、図１に示すように、ガスパイプライン（地域幹線ガスパイプライン）から取り出した常温で高圧の原料ガス（都市ガス 約５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％）を、単式の精留塔１０に導入し、各成分の沸点差を利用して、深冷分離により、メタンリッチガス（ガスＡ）とそれ以外の成分（ガスＢ）に分離するものである。
【００２４】
そして、この高圧天然ガス（都市ガス）の分離装置は、上記高圧の都市ガスを原料ガス膨脹手段（原料ガス膨脹弁３）で断熱膨脹させた際に発生する冷熱を、上記原料ガスの冷却および精留塔１０の寒冷として効率的に利用することにより、装置外部の熱源（冷熱源）を用いることなく、上記都市ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、高純度かつ高回収率で分離することができる。これが、本発明の高圧天然ガスの分離装置の特徴である。
【００２５】
上記高圧天然ガスの分離装置の構成について、詳しく説明すると、この高圧天然ガスの分離装置は、図１のように、上記精留塔１０と、上記原料ガスを熱交換により冷却する熱交換器２と、上記精留塔１０内の下部（底部側）に配置されたリボイラー１と、上記リボイラー１を経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹弁３と、を備える。
【００２６】
また、上記高圧天然ガスの分離装置には、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを対象原料ガスとして、熱交換器２，リボイラー１，原料ガス膨脹弁３を経由して精留塔１０に導入するための原料ガス流路Ｓと、上記精留塔１０の頂部１０ａから取り出したガス（メタンリッチガス）を、上記熱交換器２を経由して第１の製品ガス（ガスＡ）として外部に導出するための第１製品ガス流路Ｍと、上記精留塔１０の底部１０ｂから取り出した高沸点成分（エタン，プロパン，ブタンの液化混合物）を、上記熱交換器２を経由して第２の製品ガス（ガスＢ）として外部に導出するための第２製品ガス流路Ｅが、形成されている。
【００２７】
上記精留塔１０は、その内部に、精留棚もしくは充填物（規則充填物，不規則充填物等）と呼ばれる精留手段が設けられており、この精留手段より上部に、上記熱交換器２および精留塔１０内のリボイラー１で冷却され、ついで上記精留塔１０外部の原料ガス膨脹弁３で断熱膨脹した原料ガスが、供給されるようになっている。
【００２８】
上記精留塔１０内の下部（上記精留手段より下側）には、上記リボイラー１が配置されており、その周囲は、液体状の上記高沸点成分（エタン，プロパン，ブタン）を溜めておくことのできるスペースになっている。なお、精留塔１０の底部１０ｂには、この部位に溜まる上記液体状の高沸点成分を取り出すための高沸点成分導出口が設けられ、ここに上記第２製品ガス流路Ｅが接続されている。また、上記精留塔１０上部（上記精留手段より上側）の頂部１０ａには、この部位に溜まる高濃度の気体状のメタンリッチガスを取り出すためのメタンリッチガス導出口が設けられ、ここに上記第１製品ガス流路Ｍが接続されている。
【００２９】
つぎに、上記第１実施形態の高圧天然ガスの分離装置を用いた、高圧天然ガスの分離の具体例について述べる。
【００３０】
［実施例１］
例えば、原料ガスとして、常温で高圧の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％〕を用いる場合、供給された上記原料ガスは、熱交換器２で約−５０℃に冷却された後、リボイラー１で約−５５℃まで冷却され、その一部が液化する。ついで、原料ガス膨張弁３で膨脹した原料ガスは、約２．３ＭＰａＧまで圧力が低下し、さらに低温（約−９０℃）となって、精留塔１０に導入される。
【００３１】
精留塔１０内では、深冷分離により、その上部に気体状態のメタン（沸点：−１６１．５℃ 大気圧下、以下同じ）が溜まる。同様に、精留塔１０の下部には、上記都市ガスの高沸点成分であるエタン（沸点：−８８．８℃），プロパン（沸点：−４２．２℃），ブタン（沸点：−０．５℃），イソブタン（沸点：−１１．７℃）が、液体状態で溜まる。
【００３２】
上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）は、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出され、第１製品ガス流路Ｍを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換して加温された後、製品メタンガス（ガスＡ 圧力：２．３ＭＰａＧ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９８％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９４％であった。
【００３３】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）は、底部１０ｂに設けられた高沸点成分導出口から取り出され、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換して加温された後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ 圧力：２．３ＭＰａＧ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約３５％、エタン濃度は約４４％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約７７％であった。
【００３４】
つぎに、上記第１実施形態の高圧天然ガスの分離装置と同じ原料ガスを用いて、メタンをより高純度・高回収率で分離した例について述べる。
【００３５】
［実施例２］
原料ガスとして、上記実施例１と同様に、常温で高圧の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％〕を用いて、供給された原料ガスを、熱交換器２で約−５５℃に冷却した後、リボイラー１で約−６０℃まで冷却（一部が液化）した。ついで、原料ガス膨張弁３で、実施例１とは異なる約０．２ＭＰａＧの低圧まで原料ガスを膨脹させた後、さらに低温（約−１２０℃）となった原料ガスを精留塔１０に導入し、深冷分離させた。
【００３６】
実施例１と同様、上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）を、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出し、第１製品ガス流路Ｍを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換させて加温した後、製品メタンガス（ガスＡ）として装置外に導出した。この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９８％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９９％であった。
【００３７】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）を、底部１０ｂの高沸点成分導出口から取り出し、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換させて加温した後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ）として装置外に導出した。この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約１％，エタン濃度が約６８％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約８０％であった。
【００３８】
なお、上記第１実施形態の高圧天然ガスの分離装置においては、精留塔底部１０ｂの高沸点成分取出口と熱交換器２との間（第２製品ガス流路Ｅ上）に、上記高沸点成分（液体状）を断熱膨脹させる膨張弁等の高沸点成分膨脹手段を配置してもよい。
【００３９】
つぎに、深冷分離により得られる、メタンリッチガス（ガスＡ）とそれ以外の成分（ガスＢ）とを、上記第１実施形態より高圧で回収することのできる第２実施形態について説明する。
【００４０】
図２は、本発明の第２実施形態の高圧天然ガスの分離方法に用いる分離装置の概略構成図である。この高圧天然ガスの分離装置の構造的特徴は、上記第１実施形態におけるリボイラー１と原料ガス膨脹弁３との間（原料ガス流路Ｓ上）に、リボイラー１で冷却された原料ガスをさらに冷却する過冷却器４が配設され、この過冷却器４を経由したガス（精留塔１０から取り出したメタンリッチガス）を断熱膨脹させる膨脹タービン５を備える点である。また、第１の製品ガス（ガスＡ）を外部に導出するための第１製品ガス流路Ｍは、上記精留塔１０の頂部１０ａから取り出した直後の低温のガス（メタンリッチガス）を、上記過冷却器４に通すように形成されているとともに、この過冷却器４を通過したメタンリッチガスを、上記膨脹タービン５を経由して膨脹させた後、再度上記過冷却器４を通過するように構成されている。
【００４１】
［実施例３］
上記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置を用いた高圧天然ガスの分離は、例えば、原料ガスとして、前記実施例１と同様の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ 成分：メタン８８％，エタン９％，プロパン２％，ブタン１％〕を用いた場合、供給された上記原料ガスは、熱交換器２で約−４０℃に冷却された後、リボイラー１で約−５０℃まで冷却され、その一部が液化する。ついで、上記過冷却器４で約−６０℃まで冷却された後、原料ガス膨張弁３によって約３．０ＭＰａＧまで膨脹して圧力が低下し、さらに低温（約−８０℃）となって精留塔１０に導入され、深冷分離される。
【００４２】
上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）は、第１製品ガス流路Ｍを通じて、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出され、一旦、過冷却器４を通過して原料ガスを過冷却した後、上記膨脹タービン５で約２．４ＭＰａＧまで膨脹する。ついで、再び過冷却器４を通って原料ガスを冷却し、さらに熱交換器２で原料ガスと熱交換してこの原料ガスを冷却した後、製品メタンガス（ガスＡ 圧力：２．４ＭＰａＧ）として装置外に導出される。この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９７％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９４％であった。
【００４３】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）は、前記実施例１と同様、底部１０ｂの高沸点成分導出口から取り出され、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２で原料ガスと熱交換して加温された後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ 圧力：３．０ＭＰａＧ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約３６％、エタン濃度は４２％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約７０％であった。
【００４４】
なお、上記実施例３（および後記の実施例４）における膨脹タービン５は、原料ガスの膨脹に制限をかける（抑制する）ために設けられているもので、この例においても、上記都市ガス中のメタンとその他の高沸点成分との分離は、装置外部から電力や冷熱等のエネルギーを投入することなく行われている。
【００４５】
つぎに、上記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置と同様の装置を用いて、メタンをより高純度・高回収率で分離した例について述べる。
【００４６】
図３は、本発明の第３実施形態の高圧天然ガスの分離方法に用いる分離装置の概略構成図である。この高圧天然ガスの分離装置が、構成上、上記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置と異なる点は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガス（対象原料ガス）を、先に精留塔１０内のリボイラー１に導入して冷却した後、他の実施形態における熱交換器２と同じ機能を有する熱交換器２’に通して冷却している点である。そのため、原料ガス流路Ｓは、上記原料ガスを、リボイラー１，熱交換器２’原料ガス膨脹弁３の順に経由して精留塔１０に導入するように構成されている。なお、上記熱交換器２’の配置以外、この第３実施形態の高圧天然ガスの分離装置の構成は、前記第２実施形態の高圧天然ガスの分離装置と同様である。
【００４７】
［実施例４］
分離装置として上記第３実施形態の高圧天然ガスの分離装置を用いて、上記実施例３と同様の都市ガス〔圧力：５．５ＭＰａＧ〕の分離を行う場合、まず、供給された原料ガスをリボイラー１で約＋１０℃まで冷却した後、熱交換器２’で約−２０℃に冷却する。ついで、過冷却器４で約−６０℃まで冷却された後、原料ガス膨張弁３によって約１．０ＭＰａＧまで膨脹して圧力が低下し、さらに低温（約−１００℃）となって精留塔１０に導入され、深冷分離される。
【００４８】
上記精留塔１０の上部に溜まったメタン（低温のメタンリッチガス）は、第１製品ガス流路Ｍを通じて、頂部１０ａのメタンリッチガス導出口から取り出され、一旦、過冷却器４を通過して原料ガスを過冷却した後、上記膨脹タービン５で約０．３ＭＰａＧまで膨脹する。ついで、再び過冷却器４を通って原料ガスを冷却し、さらに熱交換器２’で原料ガスと熱交換してこの原料ガスを冷却した後、製品メタンガス（ガスＡ）として装置外に導出される。この例においては、導出されるガスＡ中のメタン濃度は約９８％であり、都市ガス中の全メタンに対する回収率は約９９％であった。
【００４９】
また、上記精留塔１０の下部に溜まった高沸点成分（液体状）は、前記実施例３と同様、底部１０ｂの高沸点成分導出口から取り出され、第２製品ガス流路Ｅを通じて、熱交換器２’で原料ガスと熱交換して加温された後、石油化学プラント用の原料（ガスＢ）として装置外に導出される。なお、この例においては、導出されるガスＢ中のメタン濃度は約１％，エタン濃度は約６７％であり、都市ガス中の全エタンに対する回収率は約７８％であった。
【００５０】
上記各実施形態によれば、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、上記高圧の都市ガスを原料ガス膨脹手段（原料ガス膨脹弁３）で断熱膨脹させた際に発生する冷熱を、上記原料ガスの冷却および精留塔１０の寒冷として効率的に利用することにより、装置外部の熱源（冷熱源）を用いることなく、上記都市ガス中のメタンとその他の高沸点成分とを、高純度かつ高回収率で分離することができる。
【００５１】
また、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、上記都市ガスのもつエネルギーを無駄なく有効に利用できることから、付帯設備が少なく比較的小形で、メンテナンス等の手間の少ないガス分離プラントを、上記メタンや石油化学プラント用原料等が消費される工場内もしくはその近隣で、オンサイトに構築・運用することができる。したがって、本発明の高圧天然ガスの分離装置は、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、トラック輸送や貨車輸送等のように気象条件や交通事情等に左右されることなく、これらが消費される場所に、安定的に供給することが可能となる。また、耐震性等の耐久性に優れる高圧導管内のガスを原料としているため、地震等の災害からの復旧が早いというメリットもある。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の高圧天然ガスの分離方法およびそれに用いる分離装置は、ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを利用して、燃料等に用いられるメタンと、石油化学プラント用原料等に用いられる天然ガス中の他の成分とを、これらが消費される場所にオンサイトで安定的に供給することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ リボイラー
２ 熱交換器
３ 原料ガス膨張弁
１０ 精留塔
Ｍ 第１製品ガス流路
Ｅ 第２製品ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして精留塔に導入し、深冷分離により上記ガスをメタンとそれ以外の高沸点成分とに分離する方法であって、ガスパイプラインを流れる高圧の原料ガスを対象原料ガスとして取り出し、これを熱交換器および精留塔内に位置するリボイラーを経由させて冷却した後、この冷却された原料ガスを、原料ガス膨脹手段を通して断熱膨脹させる冷却工程と、上記断熱膨脹した原料ガスを精留塔に導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める精留工程と、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出する工程と、上記精留塔の底部から原料ガス中の高沸点成分を取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこの高沸点成分を気化させ、気化した高沸点成分を第２の製品ガスとして外部に導出する工程と、を備えることを特徴とする高圧天然ガスの分離方法。
【請求項２】
上記冷却工程におけるリボイラーと原料ガス膨脹手段との間に、この原料ガスを過冷却する過冷却器が配設され、上記メタンリッチガスを精留塔から外部に導出する工程が、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、過冷却器を経由して膨脹タービンで膨脹させた後、再度上記過冷却器を通過させ、このメタンリッチガスの冷熱を利用して、上記原料ガス膨脹手段に通す前の原料ガスを過冷却するとともに、ついで、この過冷却器通過後のメタンリッチガスを上記熱交換器に通して、上記リボイラーに通す前の原料ガスを冷却してこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出するようになっている請求項１記載の高圧天然ガスの分離方法。
【請求項３】
ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める機能をもつ精留塔と、上記原料ガスを、上記精留塔の底部から取り出された液体状の高沸点成分および上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスと熱交換させて冷却する熱交換器と、上記熱交換器を経由した原料ガスを、上記精留塔の下部に溜まる液体状の高沸点成分を用いて冷却するリボイラーと、上記リボイラーを経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段と、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、上記熱交換器を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路と、上記精留塔の底部から取り出された原料ガス中の高沸点成分を、上記熱交換器を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路と、を備えることを特徴とする高圧天然ガスの分離装置。
【請求項４】
上記リボイラーと上記原料ガス膨脹手段との間に過冷却器が配設され、この過冷却器に対応する膨脹タービンが配置され、上記リボイラーを経由した原料ガスが、上記過冷却器で過冷却された後、上記原料ガス膨脹手段に導入されるようになっているとともに、上記第１製品ガス流路が、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、過冷却器を経由して膨脹タービンに導入した後、再度上記過冷却器を通過させ、ついで上記熱交換器を経由して、第１の製品ガスとして外部に導出するようになっている請求項３記載の高圧天然ガスの分離装置。
【請求項１】
天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして精留塔に導入し、深冷分離により上記ガスをメタンとそれ以外の高沸点成分とに分離する方法であって、ガスパイプラインを流れる高圧の原料ガスを対象原料ガスとして取り出し、これを熱交換器および精留塔内に位置するリボイラーを経由させて冷却した後、この冷却された原料ガスを、原料ガス膨脹手段を通して断熱膨脹させる冷却工程と、上記断熱膨脹した原料ガスを精留塔に導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める精留工程と、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出する工程と、上記精留塔の底部から原料ガス中の高沸点成分を取り出し、上記熱交換器を通して、上記精留塔に導入前の原料ガスを冷却するとともにこの高沸点成分を気化させ、気化した高沸点成分を第２の製品ガスとして外部に導出する工程と、を備えることを特徴とする高圧天然ガスの分離方法。
【請求項２】
上記冷却工程におけるリボイラーと原料ガス膨脹手段との間に、この原料ガスを過冷却する過冷却器が配設され、上記メタンリッチガスを精留塔から外部に導出する工程が、上記精留塔の頂部からメタンリッチガスを取り出し、過冷却器を経由して膨脹タービンで膨脹させた後、再度上記過冷却器を通過させ、このメタンリッチガスの冷熱を利用して、上記原料ガス膨脹手段に通す前の原料ガスを過冷却するとともに、ついで、この過冷却器通過後のメタンリッチガスを上記熱交換器に通して、上記リボイラーに通す前の原料ガスを冷却してこのメタンリッチガスを昇温させ、昇温したメタンリッチガスを第１の製品ガスとして外部に導出するようになっている請求項１記載の高圧天然ガスの分離方法。
【請求項３】
ガスパイプラインから取り出した高圧の天然ガスまたは都市ガスを原料ガスとして導入し、深冷分離により、その下部側に原料ガス中の高沸点成分を液体状態で溜め、その上部側にメタン濃度の高いメタンリッチガスを溜める機能をもつ精留塔と、上記原料ガスを、上記精留塔の底部から取り出された液体状の高沸点成分および上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスと熱交換させて冷却する熱交換器と、上記熱交換器を経由した原料ガスを、上記精留塔の下部に溜まる液体状の高沸点成分を用いて冷却するリボイラーと、上記リボイラーを経由した原料ガスを断熱膨脹させる原料ガス膨脹手段と、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、上記熱交換器を経由して第１の製品ガスとして外部に導出する第１製品ガス流路と、上記精留塔の底部から取り出された原料ガス中の高沸点成分を、上記熱交換器を経由して第２の製品ガスとして外部に導出する第２製品ガス流路と、を備えることを特徴とする高圧天然ガスの分離装置。
【請求項４】
上記リボイラーと上記原料ガス膨脹手段との間に過冷却器が配設され、この過冷却器に対応する膨脹タービンが配置され、上記リボイラーを経由した原料ガスが、上記過冷却器で過冷却された後、上記原料ガス膨脹手段に導入されるようになっているとともに、上記第１製品ガス流路が、上記精留塔の頂部から取り出されたメタンリッチガスを、過冷却器を経由して膨脹タービンに導入した後、再度上記過冷却器を通過させ、ついで上記熱交換器を経由して、第１の製品ガスとして外部に導出するようになっている請求項３記載の高圧天然ガスの分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−６４０７７（Ｐ２０１３−６４０７７Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４１２３（Ｐ２０１１−２０４１２３）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００１２６１１５）エア・ウォーター株式会社 (254)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００１２６１１５）エア・ウォーター株式会社 (254)
【Ｆターム（参考）】
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