(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体寒冷剤を製造するためガスを液化する方法であって、
再循環ガス流を含むガス流を圧縮機で圧縮して少なくとも一つの圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガスのうちの少なくとも一部を冷却し、その結果得られた冷却圧縮ガスを少なくとも一つの膨張タービンで仕事膨張させて膨張ガス流を提供し、且つ機械的動力を発生させること、
液化させようとするガスを冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、当該冷却及び凝縮のための寒冷負荷を上記膨張ガス流との熱交換により提供すること、及び
この熱交換した膨張ガス流を、圧縮することなく、上記圧縮機へ再循環させて上記再循環ガス流を提供すること、
を含む方法であって、当該膨張タービンにより発生される機械的動力が当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部分を提供するよう、当該膨張タービンを当該圧縮機に機械式に連結することを特徴とするガス液化方法。
【請求項２】
前記液化させようとするガスが前記圧縮ガスのうちの一部分を含み、当該圧縮ガスが補給及び再循環ガスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記液化させようとするガスが前記圧縮ガスのうちの一部分からなり、当該圧縮ガスが補給及び再循環ガスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記液化させようとするガスが再循環ガスを含まない、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記膨張タービンがギヤ駆動装置を介して前記圧縮機を駆動する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記膨張タービンが専用のピニオンを介して前記圧縮機を駆動する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記膨張タービンが前記膨張タービン及び圧縮機の両方に共通の単一のピニオンを介して前記圧縮機を駆動する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記液化させようとするガスを空気及びその構成成分から選ぶ、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記冷却圧縮ガスを少なくとも二つの膨張タービンでもって異なる温度で膨張させ、各膨張タービンが前記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
第一の膨張タービンが当該第一の膨張タービン及び前記圧縮機に共通の第一のピニオンを含むギヤ駆動装置により前記圧縮機を駆動し、そして第二の膨張タービンが当該第二の膨張タービン及び前記圧縮機に共通であるギヤ駆動装置の第二のピニオンにより前記圧縮機を駆動する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記圧縮ガスの冷却し膨張させようとする部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供し、この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を高温膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を、上記第一の温度より低い第二の温度まで更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供し、この更に冷却した圧縮ガス流を低温膨張タービンで膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、そして当該第一及び第二の膨張ガス流が冷却及び凝縮用の熱交換負荷を一緒に提供する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記圧縮機が第一の圧縮部と少なくとも一つの更なる圧縮部を有し、前記第二の膨張ガス流を当該第一の圧縮部へ再循環させ、そして前記第一の膨張ガス流を更なる圧縮部へ再循環させる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記圧縮ガスの冷却し膨張させようとする部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供し、この中間的に冷却した圧縮ガス流を高温膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度まで冷却して冷却した第一の膨張ガス流を提供し、この冷却した第一の膨張ガス流を低温膨張タービンで仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、そしてこの第二の膨張バス流が冷却及び凝縮用の熱交換負荷を提供する、請求項９記載の方法。
【請求項１４】
前記圧縮ガスの冷却し膨張させようとする部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供し、この中間的に冷却した圧縮ガス流を高温膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この第一の膨張ガス流を低温膨張タービンで仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、そしてこの第二の膨張ガス流が冷却及び凝縮用の熱交換負荷を提供する、請求項９記載の方法。
【請求項１５】
前記圧縮機が少なくとも１つの中間圧縮部と最終圧縮部とを有し、前記圧縮ガスの冷却し膨張させようとする部分が、中間圧縮部の後で当該圧縮機から抜き出される中間圧力部分と当該圧縮機の最終圧縮部から抜き出される最終圧力部分とを含み、当該中間圧力部分を第一の温度まで冷却しそして高温膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、当該最終圧力部分を上記第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却しそして低温タービンで膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、そして当該第一及び第二の膨張ガス流が冷却及び凝縮用の熱負荷を一緒に提供する、請求項９記載の方法。
【請求項１６】
前記第一及び第二の膨張ガス流の両方を前記圧縮機の第一の中間圧縮部へ再循環させる、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記膨張タービンが同じ速度で運転し、且つ、当該膨張タービンに共通の単一のピニオンを含むギヤ駆動装置により前記圧縮機を駆動する、請求項９、１１、１３又は１５記載の方法。
【請求項１８】
前記膨張タービンが異なる圧力比で運転して実質的に同じ速度で最適な性能を示す、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記膨張タービンが異なる速度で運転し、且つ、各タービンのための別個のピニオンを含むギヤ駆動装置により前記圧縮機を駆動する、請求項９、１１、１３又は１５記載の方法。
【請求項２０】
ガスを液化して液体寒冷剤を製造する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を圧縮機で圧縮して少なくとも一つの圧縮ガス流を供給すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を冷却し、その結果得られた冷却した圧縮ガスを少なくとも一つの膨張タービンで仕事膨張させて膨張ガス流を提供し、且つ機械的動力を発生させること、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記膨張ガス流との熱交換により行うこと、及び
この熱交換した膨張ガス流を上記圧縮機へ再循環させて上記再循環ガス流を提供すること、
を含む方法であって、当該膨張タービンを当該圧縮機に機械的に結合させ、そして当該膨張タービンにより発生される機械的動力が当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部分を提供することを特徴とするガス液化方法。
【請求項２１】
空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を、少なくとも第一の圧縮部と最終の圧縮部とを有する圧縮機で圧縮して当該最終の圧縮部から圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を高温膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この高温膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を上記第一の温度よりも低い第二の温度まで更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この更に冷却した圧縮ガス流を低温膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この低温膨張タービンは上記高温膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転し、そしてまた上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記圧縮ガス流のうちの上記残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を製造すること、
当該熱交換した第一の膨張ガス流を上記第一の圧縮部の下流で上記圧縮機へ再循環させること、及び
当該熱交換した第二の膨張ガス流を上記第一の圧縮部へ再循環させること、
を含むガス液化方法。
【請求項２２】
空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を、少なくとも第一の圧縮部と最終の圧縮部とを有する圧縮機で圧縮して当該最終の圧縮部から圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を高温膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この高温膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を上記第一の温度よりも低い第二の温度まで更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この更に冷却した圧縮ガス流を低温膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この低温膨張タービンは上記ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第二のピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記圧縮ガス流のうちの上記残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を製造すること、
当該熱交換した第一の膨張ガス流を上記第一の圧縮部の下流で上記圧縮機へ再循環させること、及び
当該熱交換した第二の膨張ガス流を上記第一の圧縮部へ再循環させること、
を含むガス液化方法。
【請求項２３】
空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を、入口及び出口を有する圧縮機で圧縮して当該出口から圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を高温膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この高温膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して、冷却した第一の膨張ガス流を提供すること、
この冷却した第一の膨張ガス流を低温膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この低温膨張タービンは上記高温膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転し、そしてまた上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第二の膨張ガス流を提供すること、及び
この熱交換した第二の膨張ガス流を上記圧縮機の入口へ再循環させること、
を含むガス液化方法。
【請求項２４】
空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を、入口及び出口を有する圧縮機で圧縮して当該出口から圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を高温膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この高温膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して、冷却した第一の膨張ガス流を提供すること、
この冷却した第一の膨張ガス流を低温膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この低温膨張タービンは上記ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第二のピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第二の膨張ガス流を提供すること、及び
この熱交換した第二の膨張ガス流を上記圧縮機の入口へ再循環させること、
を含むガス液化方法。
【請求項２５】
空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を、第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有する圧縮機でもって圧縮して、当該最終の圧縮部の上流で第一の圧縮ガス流を提供し、そして当該最終の圧縮部から第二の圧縮ガス流を提供すること、
上記第一の圧縮ガス流を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を高温膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この高温膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記第二の圧縮ガス流のうちの一部分を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して、第二の冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この第二の冷却した圧縮ガス流を低温膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この低温膨張タービンは上記高温膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転し、そしてまた上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記第二の圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供すること、及び
当該熱交換した第一の膨張ガス流と当該熱交換した第二の膨張ガス流の両方を上記第一の圧縮部へ再循環させること、
を含むガス液化方法。
【請求項２６】
空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
一緒にした原料及び再循環ガス流を、第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有する圧縮機でもって圧縮して、当該最終の圧縮部の上流で第一の圧縮ガス流を提供し、そして当該最終の圧縮部から第二の圧縮ガス流を提供すること、
上記第一の圧縮ガス流を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を高温膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この高温膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記第二の圧縮ガス流のうちの一部分を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して、第二の冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この第二の冷却した圧縮ガス流を低温膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この低温膨張タービンは上記ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される別のピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記第二の圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を製造すること、及び
当該熱交換した第一の膨張ガス流と当該熱交換した第二の膨張ガス流の両方を上記第一の圧縮部へ再循環させること、
を含むガス液化方法。
【請求項２７】
請求項１記載の方法により液体寒冷剤を製造するためガスを液化するための装置であり、
再循環ガス流を含むガス流を圧縮して少なくとも一つの圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの少なくとも一部分を冷却するための熱交換手段、
その結果得られる冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて膨張ガス流を提供し且つ機械的動力を生じさせるための少なくとも一つの膨張タービン、
液化させようとするガスを冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させて、この冷却と凝縮のための寒冷負荷を上記膨張ガス流との熱交換で提供するための凝縮用熱交換手段、及び
この熱交換した膨張ガス流を圧縮せずに上記圧縮機へ再循環させて上記再循環流を提供するための再循環導管手段、
を含む装置であって、当該膨張タービン及び圧縮機が、当該膨張タービンが当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的エネルギーのうちの一部分を提供するように機械的に連結されていることを特徴とするガス液化装置。
【請求項２８】
前記膨張タービン及び圧縮機がギヤ駆動装置により連結されている、請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
前記膨張タービンが前記圧縮機に機械的に連結される専用のピニオンに取り付けられている、請求項２７記載の装置。
【請求項３０】
前記膨張タービンが圧縮機と反対側でピニオンに取り付けられている、請求項２７記載の装置。
【請求項３１】
前記冷却した圧縮ガスの部分を異なる温度で膨張させる少なくとも２台の膨張タービンがあり、両方の膨張タービンがギヤ駆動装置により前記圧縮機に機械的に接続されている、請求項２７記載の装置。
【請求項３２】
第一の膨張タービンが前記圧縮機を、この第一の膨張タービンと当該圧縮機とに共通の第一のピニオンを含むギヤ駆動装置により駆動し、そして第二の膨張タービンが当該圧縮機を、この第二の膨張タービンと当該圧縮機とに共通であるギヤ駆動装置の第二のピニオンにより駆動する、請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
圧縮したガスの部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービン、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を上記第一の温度より低い第二の温度に更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この更に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービン、及び
上記第一及び第二の膨張ガス流を上記凝縮用の熱交換手段へ供給するための導管手段、
を含む、請求項３１記載の装置。
【請求項３４】
前記圧縮機が第一の圧縮部と少なくとも一つの更なる圧縮部とを有し、そして前記再循環導管手段が前記第二の膨張ガス流を当該第一の圧縮部へ再循環させ、且つ前記第一の膨張ガス流を更なる圧縮部へ再循環させる、請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
圧縮したガスの部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービン、
この第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して冷却した第一の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、
この冷却した第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービン、及び
この第二の膨張ガス流を前記凝縮用の熱交換手段へ供給するための導管手段、を含む、請求項３１記載の装置。
【請求項３６】
圧縮したガスの部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービン、
この第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービン、及び
この第二の膨張ガス流を前記凝縮用の熱交換手段へ供給するための導管手段、を含む、請求項３１記載の装置。
【請求項３７】
前記圧縮機は少なくとも一つの中間圧縮部と最終の圧縮部とを有し、中間圧縮部の後で当該圧縮機から抜き出される中間圧力の圧縮ガス流と当該圧縮機の当該最終圧縮部から抜き出される最終圧力の圧縮ガス流とを提供し、前記熱交換手段は、上記中間圧力の圧縮ガス流を第一の温度に冷却し、そして上記最終圧力の圧縮ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却し、第一の高温膨張タービンが、冷却された上記中間圧力の圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、第二の低温膨張タービンが、上記最終圧力の圧縮ガスの部分を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、そして導管手段が、当該第一及び第二の膨張ガス流を前記凝縮用の熱交換手段に供給する、請求項３１記載の装置。
【請求項３８】
前記再循環導管手段が前記熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を前記圧縮機の前記第一の圧縮部へ再循環させる、請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
前記膨張タービンが共通のピニオンを有する、請求項３１、３３、３５又は３７記載の装置。
【請求項４０】
前記膨張タービンが異なる速度で運転し、そして各タービンのために別個のピニオンを含むギヤ駆動装置により前記圧縮機を駆動する、請求項３１、３３、３５又は３７記載の装置。
【請求項４１】
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有し、一緒にされた原料及び再循環ガス流を圧縮して当該最終の圧縮部から圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する高温膨張タービン、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を上記第一の温度より低い第二の温度に更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この更に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービンであって、上記高温膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転するためのものであり、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供するための低温膨張タービン、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
上記熱交換した第一の膨張ガス流を上記第一の圧縮部の下流で上記圧縮機へ再循環させそして上記熱交換した第二の膨張ガス流を当該第一の圧縮部へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置。
【請求項４２】
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有し、一緒にされた原料及び再循環ガス流を圧縮して当該最終の圧縮部から圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する高温膨張タービン、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を上記第一の温度より低い第二の温度に更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この更に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービンであって、上記ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第二のピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する低温膨張タービン、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
上記熱交換した第一の膨張ガス流を上記第一の圧縮部の下流で上記圧縮機へ再循環させそして上記熱交換した第二の膨張ガス流を当該第一の圧縮部へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置。
【請求項４３】
入口と出口とを有し、一緒にされた原料及び再循環ガス流を圧縮して当該出口から圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する高温膨張タービン、
上記第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して冷却した第一の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、
この冷却した第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービンであって、上記高温膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転するためのものであり、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する低温膨張タービン、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
この熱交換した第二の膨張ガス流を上記圧縮機の入口へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置。
【請求項４４】
入口と出口とを有し、一緒にされた原料及び再循環ガス流を圧縮して当該出口から圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する高温膨張タービン、
上記第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して冷却した第一の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、
この冷却した第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービンであって、上記ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第二のピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する低温膨張タービン、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
この熱交換した第二の膨張ガス流を上記圧縮機の入口へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置。
【請求項４５】
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有し、一緒にされた原料及び再循環ガス流を圧縮して当該最終の圧縮部の上流で第一の圧縮ガス流を提供し、そして当該最終の圧縮部から第二の圧縮ガス流を提供する圧縮機、
上記第一の圧縮ガス流を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する高温膨張タービン、
上記第二の圧縮ガス流のうちの一部分を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して第二の冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この第二の冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービンであって、上記高温膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転するためのものであり、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する低温膨張タービン、
上記第二の圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
上記熱交換した第一の膨張ガス流と上記熱交換した第二の膨張ガス流の両方を上記第一の圧縮部へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置。
【請求項４６】
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有し、一緒にされた原料及び再循環ガス流を圧縮して当該最終の圧縮部の上流で第一の圧縮ガス流を提供し、そして当該最終の圧縮部から第二の圧縮ガス流を提供する圧縮機、
上記第一の圧縮ガス流を第一の温度に冷却して中間的に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する高温膨張タービン、
上記第二の圧縮ガス流のうちの一部分を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して第二の冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この第二の冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための低温膨張タービンであって、上記ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第二のピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する低温膨張タービン、
上記第二の圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
上記熱交換した第一の膨張ガス流と上記熱交換した第二の膨張ガス流の両方を上記第一の圧縮部へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寒冷剤を作るためのガスの液化に関する。詳しく言えば、本発明は、液化によりガスから液体寒冷剤を製造するための改良方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
液体寒冷剤、例えば液体窒素などのようなものを製造するための重要な方法は、原料ガスと再循環ガスとを含むガスの流れを中間冷却される多段式の再循環圧縮機を使って圧縮し、圧縮したガスを冷却し、冷却したガスの一部を液化させ、そしてガスのその他の部分を１以上の膨張タービンでもって仕事膨張させて、プロセスのために熱交換により冷却及び凝縮用の寒冷負荷を供給することを必要とする。
【０００３】
異なる温度範囲にわたって操業し、おのおのがその性能を最大限にする速度で運転する２台の膨張タービンを使用するのは、主要部をなす液化装置の熱交換器で得られる温度アプローチがより接近するために、単一の膨張タービンを使うのよりもかなり効率的であるということは、当該技術分野においてよく知られている。液化装置の全体効率を最大限にするためには、寒冷を生じさせる際に膨張タービンにより作り出される実質的な機械動力を効率的に回収すべきである。全体の経費が小さくなるためには、タービン動力の回収に関連する資本費が安くならなければならない。
【０００４】
大まかにいえば、膨張タービンにより発生される機械的動力を回収する方法は２つある。第一には、膨張タービンに発電機の負荷を負わせて、それにより発生動力を電気の形でもって回収することがよく知られている。ところが、この方法は効率的ではあるが、そのような発電機は高価であり、従って液化プロセスの全体的な資本費を増加させる。その上、発電機の負荷を負う膨張タービンは通常、減速用のギヤーボックスを必要とし、そして膨張タービンと発電機との間のギヤー接続において機械的エネルギーが失われる。
【０００５】
第二の方法は、動力を機械的に回収するものである。空気の分離プロセスについて言えば、液化装置の膨張タービンによって発生された機械的動力を使って空気分離装置のプロセス流を圧縮する圧縮機を駆動することが知られている。そのような圧縮機／膨張機の組み合わせは、原価効率的であることができ、そして単一の膨張機により発生される動力を回収する効率的手段となることができる。ところが、これらの組み合わせには、膨張機と圧縮機の両方が同じ速度で運転することが必要であるという不利な点があり、どちらかの構成機器については最適な速度になりそうもない。更に、この組み合わせは液化装置の膨張機に空気分離装置の原料圧縮機を連係させるのを必要とし、これは液化装置を空気分離装置とは独立に運転したい場合に不利となる。
【０００６】
液化装置の技術分野では、一般的には再循環圧縮機により圧縮されたガスのうちの少なくとも一部を更に圧縮するため、膨張タービンを使用して一つの圧縮段を駆動することも知られている。そのような膨張タービン／圧縮機の組み合わせは、時として「コンパンダー」と呼ばれ、全圧縮動力のうちの約１０〜２０％を提供する。液化装置について言えば、膨張タービンを使って再循環圧縮機からのガスのうちの少なくとも一部分を更に圧縮するのには特別な利点がある。ところが、コンパンダーは効率的ではありながら、それらは比較的高価であり、後段冷却器を必要とし、且つ速度超過を防ぐために計装機器又は制御装置を必要とする。この余分な機器類は、液化装置の全体の費用を上昇させる。
【０００７】
本発明の発明者が知る限りで、液化装置の再循環圧縮機にタービンを装置することによりタービン動力を回収すること、あるいはそれから得ることができる利点は、これまで公に開示されていない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ここにおいて、膨張タービンにより発生された動力を効率的且つ原価効率的な様式でもって回収する、効率的で安価な液化方法及び装置が開発された。この改善の結果として、特に、効率を犠牲にすることなく液化装置の資本費が減少し且つその建設が容易になる。
【０００９】
本発明の第一の側面によれば、液体寒冷剤を製造するためガスを液化する方法であり、
再循環ガス流を含むガス流を圧縮機で圧縮して少なくとも１つの圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガスのうちの少なくとも一部を冷却し、その結果得られた冷却圧縮ガスを少なくとも１つの膨張タービンで仕事膨張させて膨張ガス流を提供し、且つ機械的動力を発生させること、
液化させようとするガスを冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、当該冷却及び凝縮のための寒冷負荷を上記膨張ガス流との熱交換により提供すること、及び
この熱交換した膨張ガス流を、圧縮することなく、上記圧縮機へ再循環させて上記再循環ガス流を提供すること、
を含む方法であって、当該膨張タービンにより発生される機械的動力が当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部分を提供するよう、当該膨張タービンを当該圧縮機に機械式に連結することを特徴とするガス液化方法が提供される。
【００１０】
原料ガス流はプロセスサイクルへ導入することができ、そして導入は多数の異なる箇所で行うことができる。例えば、原料流は、圧縮機での圧縮の前に、再循環流と一緒にしてもよい。原料流の圧力が十分高い場合には、それは新たに圧縮されたガス流と圧縮機の下流で合流することができる。原料流の圧力が適切な中間圧力である場合には、原料流は圧縮機への中間段原料流としてサイクルに合流することができ、あるいは圧縮機からの中間段出口流と一緒にすることができる。原料流は低温のガスとして得られてもよく、そして低温閉鎖環境の内部の適切な箇所で循環流体と合流してもよい。原料流の一部分は低温のガスとして、そして一部分は高温のガスとして得られてもよく、おのおのの部分は適切な箇所でサイクルに合流する。
【００１１】
本発明の一定の態様においては、原料流は、再循環流が異なる組成を有するため、それと合流しなくてもよい。これらの態様では、原料流は、再循環する流体の戻りの膨張ガス流との熱交換で冷却され凝縮されて製品の液体を生じさせる。再循環流体は少しも凝縮されない。一例は、再循環流体が空気であり、原料流と製品流が窒素である場合、又は再循環流体が標準の窒素であり、原料流と製品流が超純粋窒素である場合である。
【００１２】
原料ガスは、液体寒冷剤を製造することができる任意の適切なガスでよい。適切なガスの特別な例には、窒素、酸素及びアルゴンといった普通の大気ガス類のうちのいずれか、メタンやエタンといった多くの炭化水素ガス類、そして空気や天然ガスといったこれらのガスの混合物、が含まれる。
【００１３】
この改良された方法は、１以上の膨張タービンと結合される、原料及び再循環の圧縮の負荷のための少なくとも１台の中間冷却される多段式の一体式ギヤ接続（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｇｅａｒｅｄ）の遠心圧縮機を使用する液化プロセスに特に適している。本発明の特に好ましい態様では、膨張タービンはギヤ駆動装置を介して圧縮機を駆動する。
【００１４】
好ましくは、液化させるべきガスは圧縮したガスのうちの一部分を含み、そして圧縮したガスは補給及び再循環ガスを含む。あるいはまた、液化させるべきガスは圧縮したガスのうちの一部からなり、そして当該圧縮したガスは補給ガスと再循環ガスを含む。ほかの態様においては、液化させるべきガスは再循環ガスを含まない。
【００１５】
本発明の第一の側面の好ましい態様においては、圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部を供給するために単一の膨張タービンがある。この態様では、膨張タービンは単一のピニオンに圧縮機とは反対側で取り付けてもよい。膨張タービンは、専用ピニオンにより圧縮機を駆動してもよい。別の構成では、膨張タービンはそれ自身のピニオンに取り付けられてギヤ駆動装置を介して圧縮機を駆動してもよい。
【００１６】
特に好ましい態様では、冷却した圧縮ガスを少なくとも２台の膨張タービンでもって異なる温度で膨張させ、各膨張タービンは圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部を供給する。
【００１７】
これらの特に好ましい態様においては膨張タービンの異なる構成がいくつか存在する。一つの構成では、膨張タービンは、これらの膨張タービンに共通の単一のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置により同じ速度で運転し、そして圧縮機を駆動することができる。この場合、膨張タービンは異なる圧力比で運転して、実質的に同じ速度において最適の性能をもたらすことができる。もう一つの構成では、第一の膨張タービンはこの第一の膨張タービンと圧縮機に共通の第一のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置により圧縮機を駆動することができ、そして第二の膨張タービンもこの第二の膨張タービンと圧縮機に共通であるギヤ接続駆動装置の第二のピニオンにより圧縮機を駆動することができる。更に別の構成では、膨張タービンは異なる速度で運転して、各タービン用に別々のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置により圧縮機を駆動することができる。
【００１８】
膨張タービンの圧力比は、好ましくは、２つの膨張タービンの最適速度の差を最小にするように選ばれる。最適な膨張タービンの空気力学的効率について言えば、膨張タービンのホイールは、当該技術において周知であるように、最適なホイール先端速度と最適な比速度のために設計すべきである。
【００１９】
本発明の効率は、機械の形状大きさ、レイノルズ数及びマッハ数、並びに運転条件及び膨張タービン速度に関係して変化する。膨張タービンの実際のホイール先端速度も比速度も、１分当たりの回転数（ｒｐｍ）で表した膨張タービン回転数、膨張タービンのエンタルピー損失、インペラーの形状大きさ、及び膨張タービンの排気体積流量に関係して変化する。最適なホイール先端速度は、膨張タービンをまたいでの等エントロピーのエンタルピー損失に関係して変化し、そしてこれ自体は膨張タービン圧力と入口温度に関係して変化する。当該技術分野においてはよく知られているように、エンタルピー損失は温度を低下させるとともに減少するが、圧力比を上昇させるとともに増大する。従って、最適な速度の調和をみるためには、入口温度が低い方の膨張タービン（「低温」膨張タービン）は入口温度が高い方の膨張タービン（「高温」膨張タービン）よりも圧力比が大きくなるべきである。
【００２０】
同一のピニオンに取り付けられた２つの膨張タービンを有する態様では、これらの膨張タービンは同じｒｐｍで運転しなくてはならず、そして理想的には、それらの性能と効率はできるだけ最適なものに近くなるべきである。低温膨張タービンの圧力比が高温膨張タービンのそれより大きいものとすれば、両方の膨張タービンをそれらの性能と効率の最適値の近くで運転するようにするために設計者にとって利用可能な十分な変数がある。これらの変数には、膨張タービンの入口及び排気圧力と入口温度、膨張タービン間で分けられる質量流量、インペラーの形状寸法、そして２つの膨張タービンが運転しなくてはならない選ばれたピニオン速度が含まれる。
【００２１】
異なる温度で運転する２台の膨張タービンを有する特に好ましい態様のうち第一の構成では、圧縮ガスのうちの冷却し膨張させるべき部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流にする。この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を「高温」膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供する。中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を、上記の第一の温度より低い第二の温度まで更に冷却して、更に冷却した圧縮ガス流を提供し、これを「低温」膨張タービンで膨張させて第二の膨張ガス流にする。これら第一及び第二の膨張ガス流は両方とも、冷却及び凝縮用の熱交換負荷を提供する。
【００２２】
この構成では、圧縮機は第一の圧縮段と少なくとも一つの更なる圧縮段を有することができ、第二の膨張ガス流が第一の圧縮段へ再循環され、第一の膨張ガス流が更なる圧縮段へ再循環される。
【００２３】
「高温」膨張タービンは、圧縮機のうちの１つの段を、「高温」膨張タービン及び当該圧縮段に共通の第一のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置によって駆動することができ、そして「低温」膨張タービンは、圧縮機のうちの更なる段を、「低温」膨張タービン及び当該更なる圧縮段に共通であるギヤ接続駆動装置の第二のピニオンによって駆動することができる。
【００２４】
圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を供給する２つの膨張タービンを有する特に好ましい態様のうちの第二の構成においては、圧縮ガスのうちの冷却し膨張させるべき部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流にする。この中間的に冷却した圧縮ガス流を「高温」膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流にし、これを上記の第一の温度より低い第二の温度まで冷却して、冷却した第一の膨張ガス流にする。この冷却した第一の膨張ガス流を「低温」膨張タービンで仕事膨張させて第二の膨張ガス流にし、これを冷却及び凝縮用の熱交換負荷を提供するのに使用する。
【００２５】
第一の膨張ガス流は、必ずしも上記の第一の温度より低い第二の温度まで冷却する必要はない。構成によっては、第一の膨張ガス流を第二の温度まで再加熱して再加熱した第一の膨張ガス流を作ってもよく、これはその後「低温」膨張機で仕事膨張させて第二の膨張ガス流にする。ほかの構成では、第一の膨張ガス流を、冷却又は再加熱することなく「低温」膨張タービンへ直接供給することができる。
【００２６】
この第二の構成においては、「高温」膨張タービンは、「高温」膨張タービン及び圧縮機に共通の第一のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置によって圧縮機を駆動することができ、そして「低温」膨張タービンは、「低温」膨張タービン及び圧縮機に共通であるギヤ接続駆動装置の第二のピニオンによって圧縮機を駆動することができる。
【００２７】
２台の膨張タービンを有する本発明の第一の側面の特に好ましい態様のうちの第三の構成では、圧縮機は少なくとも１つの中間圧縮部と最終圧縮部とを有する。圧縮ガスのうちの冷却し膨張させようとする部分は、中間圧縮部の後で圧縮機から抜き出される中間圧力部分と、そして最終圧縮部から抜き出される最終圧力部分とを含む。中間圧力部分は第一の温度まで冷却され、そして「高温」膨張タービンで仕事膨張して第一の膨張ガス流を提供する。最終圧力部分は、第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却され、そして「低温」タービンで膨張して第二の膨張ガス流を提供する。第一の膨張ガス流も第二の膨張ガス流も、冷却及び凝縮用の熱負荷を提供する。
【００２８】
この構成では、第一の膨張ガス流も第二の膨張ガス流も、圧縮機の第一の中間圧縮部へ再循環させることができる。
【００２９】
「高温」膨張タービンは、圧縮機のうちの１つの段を、「高温」膨張タービン及び当該圧縮段に共通の第一のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置によって駆動することができ、そして「低温」膨張タービンは、圧縮機のうちの別の段を、「低温」膨張タービン及び当該別の圧縮段に共通であるギヤ接続駆動装置の第二のピニオンによって駆動することができる。
【００３０】
圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する２つの膨張タービンを有する特に好ましい態様のうちのこれらの構成のおのおのでは、これらの膨張タービンは、これらの膨張タービンに共通の単一のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置により同じ速度で運転し、そして圧縮機を駆動することができる。この構成では、膨張タービンは異なる圧力比で運転して、実質的に同じ速度で最適な性能を提供することができる。あるいはまた、膨張タービンは、各タービン用に別々のピニオンを含むギヤ接続の駆動装置により異なる速度で運転し、そして圧縮機を駆動することができる。
【００３１】
特に好ましい態様において、ガスを液化して液体寒冷剤を製造する方法であり、
一緒にした原料及び再循環ガス流を圧縮機で圧縮して少なくとも一つの圧縮ガス流を供給すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を冷却し、その結果得られた冷却した圧縮ガス流を少なくとも一つの膨張タービンで仕事膨張させて膨張ガス流を提供し、そして機械的動力を発生させること、
上記圧縮ガスのうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記膨張ガス流との熱交換により行うこと、及び
この熱交換した膨張ガス流を上記圧縮機へ再循環させて上記再循環ガス流を提供すること、
を含むガス液化方法であって、当該膨張タービンを当該圧縮機に機械的に結合させ、そして当該膨張タービンにより発生される機械的動力が当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供することを特徴とするものが提供される。
【００３２】
本発明の一つの具体的な態様によれば、ガスを液化して液体寒冷剤を製造する方法であって、
少なくとも第一の圧縮部と最終の圧縮部とを有する圧縮機で再循環ガス流を圧縮して、当該最終の圧縮部から圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を「高温」膨張タービンで仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この「高温」膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流の残りの部分を上記第一の温度より低い第二の温度に更に冷却して、更に冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この更に冷却した圧縮ガス流を「低温」膨張タービンで仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この「低温」膨張タービンは、上記「高温」膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転し、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の更に別の部分を提供すること、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供すること、
熱交換した第一の膨張ガス流を上記第一の圧縮部の下流で上記圧縮機へ再循環させること、及び
熱交換した第二の膨張ガス流を第一の圧縮部へ再循環させること、
を含む方法が提供される。
【００３３】
本発明のもう一つの具体的な態様によれば、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
入口及び出口を有する圧縮機でもって再循環ガス流を圧縮して当該出口から圧縮ガス流を提供すること、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を「高温」膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この「高温」膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して、冷却した第一の膨張ガス流を提供すること、
この冷却した第一の膨張ガス流を「低温」膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この「低温」膨張タービンは「高温」膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転し、そしてまた上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第二の膨張ガス流を提供すること、及び
この熱交換した第二の膨張ガス流を上記圧縮機の入口へ再循環させること、
を含む方法が提供される。
【００３４】
本発明の更なる具体的態様では、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化する方法であって、
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有する圧縮機でもって再循環ガス流を圧縮して、当該最終の圧縮部の上流で第一の圧縮ガス流を提供し、そして当該最終の圧縮部から第二の圧縮ガス流を提供すること、
上記第一の圧縮ガス流を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を「高温」膨張タービンでもって仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、この「高温」膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて、当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力の一部を提供すること、
上記第二の圧縮ガス流のうちの一部分を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して、第二の冷却した圧縮ガス流を提供すること、
この第二の冷却した圧縮ガス流を「低温」膨張タービンでもって仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、この「低温」膨張タービンは「高温」膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転し、そしてまた上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供すること、
上記第二の圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供すること、及び
当該熱交換した第一の膨張ガス流と当該熱交換した第二の膨張ガス流の両方を上記第一の圧縮部へ再循環させること、
を含む方法が提供される。
【００３５】
本発明の上述の種々の具体的態様を改変したものにおいては、「高温」膨張タービンをギヤ駆動装置により圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付け、そして「低温」膨張タービンをギヤ駆動装置により圧縮機に機械的に連結される第二のピニオンに取り付ける。「高温」及び「低温」膨張タービンは両方とも、圧縮機を駆動するための機械的動力のうちの一部分を提供する。
【００３６】
本発明の第二の側面では、ガスを液化して液体寒冷剤を製造するための装置も提供され、この装置は、
再循環ガス流を含むガス流を圧縮して少なくとも一つの圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガスのうちの少なくとも一部分を冷却するための熱交換手段、
その結果得られる冷却した圧縮ガスを仕事膨張させて膨張ガス流を提供し且つ機械的動力を生じさせるための少なくとも一つの膨張タービン、
液化させようとするガスを冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させて、この冷却と凝縮のための寒冷負荷を上記膨張ガス流との熱交換で提供するための凝縮用熱交換手段、及び
この熱交換した膨張ガス流を圧縮せずに上記圧縮機へ再循環させて上記再循環流を提供するための再循環導管手段、
を含む装置であって、当該膨張タービン及び圧縮機が、当該膨張タービンが当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的エネルギーのうちの一部分を提供するように機械的に連結されていることを特徴とする装置である。
【００３７】
圧縮機は、好ましくは、共通のギヤ駆動装置、例えばブルギヤ、により駆動されるピニオン軸により集成された複数の遠心圧縮機段と膨張タービン段とを備えた、中間冷却され一体式にギヤ接続されたターボマシンアセンブリである。ピニオン軸を有する本発明の態様においては、ピニオン軸は、ピニオンがギヤ駆動装置を駆動するのを可能にするピニオンギヤを有することができる。
【００３８】
膨張タービンと圧縮機は、ギヤ駆動装置により接続してもよい。好ましくは、膨張タービンは圧縮機に機械的に連結される専用ピニオンに取り付けられる。とは言え、好ましい態様では、膨張タービンは圧縮機の反対側でピニオンに取り付けられる。
【００３９】
本発明の装置の側面の好ましい態様においては、冷却した圧縮ガスの部分を異なる温度で膨張させる少なくとも二つの膨張タービンがあり、両方の膨張タービンはギヤ駆動装置により圧縮機へ機械的に連結される。
【００４０】
これらの好ましい態様の別の配置構成のものがいくつかある。一つの配置構成では、第一の膨張タービンが圧縮機を、この第一の膨張タービンと圧縮機とに共通の第一のピニオンを含むギヤ駆動装置により駆動し、そして第二の膨張タービンが圧縮機を、この第二の膨張タービンと圧縮機とに共通であるギヤ駆動装置の第二のピニオンにより駆動する。
【００４１】
第二の配置構成では、膨張タービンは共通のピニオンを有する。あるいは、膨張タービンは異なる速度で運転し、そして各タービンのために別個のピニオンを含むギヤ駆動装置により圧縮機を駆動する。
【００４２】
本発明のこの側面の特に好ましい態様では、本発明の装置は、
圧縮したガスの部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための「高温」膨張タービン、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を第一の温度より低い第二の温度に更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この更に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための「低温」膨張タービン、及び
第一及び第二の膨張ガス流を上述の凝縮用熱交換手段へ供給するための導管手段、
を含む。
【００４３】
この態様では、圧縮機は好ましくは、第一の圧縮部と少なくとも一つの更なる圧縮部とを有する。再循環導管手段は、好ましくは、第二の膨張ガス流を第一の圧縮部へ再循環させ、第一の膨張ガス流を更なる圧縮部へ再循環させる。
【００４４】
第一の膨張タービンは、圧縮機の一段を、第一の膨張タービンと当該圧縮段とに共通の第一のピニオンを含むギヤ駆動装置により駆動してもよく、そして第二の膨張タービンは、圧縮機のもう一つの段を、第二の膨張タービンと当該もう一つの圧縮段とに共通であるギヤ駆動装置の第二のピニオンにより駆動してもよい。
【００４５】
随意に、二つの膨張タービンを同じピニオンの互いに反対側に取り付けてもよい。あるいは、膨張タービンが異なる速度で運転する場合には、それらは各タービンごとに別個のピニオンを含むギヤ駆動装置により圧縮機を駆動してもよい。
【００４６】
本発明のこの側面の第二の特に好ましい態様においては、本発明の装置は、
圧縮したガスの部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための「高温」膨張タービン、
この第一の膨張ガス流を第一の温度より低い第二の温度に冷却して冷却した第一の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、
この冷却した第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための「低温」膨張タービン、及び
この第二の膨張ガス流を上述の凝縮用熱交換手段へ供給するための導管手段、を含む。
【００４７】
第一の膨張タービンは、圧縮機を、第一の膨張タービンと当該圧縮機とに共通の第一のピニオンを含むギヤ駆動装置により駆動してもよく、そして第二の膨張タービンは圧縮機を、第二の膨張タービンと当該圧縮機とに共通であるギヤ駆動装置の第二のピニオンにより駆動してもよい。
【００４８】
随意に、二つの膨張タービンは、同じピニオンの互いに反対側に取り付けてもよく、あるいは、膨張タービンが異なる速度で運転する場合、それらは各タービンごとに別個のピニオンを含むギヤ駆動装置により圧縮機を駆動してもよい。
【００４９】
好ましくは、上記の装置は、
圧縮したガスの部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための高温膨張タービン、
この第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための「低温」膨張タービン、及び
この第二の膨張ガス流を上述の凝縮用熱交換手段へ供給するための導管手段、を含む。
【００５０】
本発明のこの側面の第三の特に好ましい態様では、圧縮機は少なくとも一つの中間圧縮部と最終の圧縮部とを有し、中間圧縮部の後で圧縮機から抜き出される中間圧力の圧縮ガス流と圧縮機の最終圧縮部から抜き出される最終圧力の圧縮ガス流を提供する。上記の熱交換手段は、上記中間圧力の圧縮ガス流を第一の温度に冷却し、そして上記最終圧力の圧縮ガス流を第一の温度より低い第二の温度に冷却する。第一の「高温」膨張タービンは、冷却された中間圧力の圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供し、第二の「低温」膨張タービンは最終圧力の圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供し、そして導管手段が、当該第一及び第二の膨張ガス流を上記の凝縮用熱交換手段に供給する。
【００５１】
この好ましい態様においては、再循環導管手段は好ましくは、熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を圧縮機の第一の圧縮部へ再循環させる。
【００５２】
装置の側面の第一の特に好ましい態様の場合のように、この第三の特に好ましい態様では、第一の膨張タービンは、圧縮機の一段を、第一の膨張タービンと当該圧縮段とに共通の第一のピニオンを含むギヤ駆動装置により駆動してもよく、そして第二の膨張タービンは、圧縮機の更なる段を、第二の膨張タービンと当該更なる圧縮段とに共通であるギヤ駆動装置の第二のピニオンにより駆動してもよい。
【００５３】
随意に、二つの膨張タービンを同じピニオンの互いに反対側に取り付けてもよく、あるいは、膨張タービンが異なる速度で運転する場合、それらは各タービンごとに別個のピニオンを含むギヤ駆動装置により圧縮機を駆動してもよい。
【００５４】
本発明の装置の具体的な態様によれば、
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有し、再循環ガス流を圧縮して当該最終の圧縮部から圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの一部分を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための「高温」膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する「高温」膨張タービン、
上記中間的に冷却した圧縮ガス流のうちの残りの部分を上記第一の温度より低い第二の温度に更に冷却して更に冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この更に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための「低温」膨張タービンであって、上記「高温」膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転するためのものであり、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供するための「低温」膨張タービン、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
上記熱交換した第一の膨張ガス流を第一の圧縮部の下流で上記圧縮機へ再循環させそして上記熱交換した第二の膨張ガス流を当該第一の圧縮部へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置が提供される。
【００５５】
本発明の装置のもう一つの具体的な態様によれば、
入口と出口とを有し、再循環ガス流を圧縮して当該出口から圧縮ガス流を提供するための圧縮機、
この圧縮ガス流のうちの一部分を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための「高温」膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する「高温」膨張タービン、
上記第一の膨張ガス流を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して冷却した第一の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、
この冷却した第一の膨張ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための「低温」膨張タービンであって、上記「高温」膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転するためのものであり、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて、上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する「低温」膨張タービン、
上記圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、当該冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を提供する上記第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
この熱交換した第二の膨張ガス流を上記圧縮機の入口へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置が提供される。
【００５６】
本発明の装置の別の具体的な態様によれば、
第一の圧縮部と最終の圧縮部とを少なくとも有し、再循環ガス流を圧縮して当該最終の圧縮部の上流で第一の圧縮ガス流を提供し、そして当該最終の圧縮部から第二の圧縮ガス流を提供する圧縮機、
上記第一の圧縮ガス流を第一の温度に冷却して「中間的に」冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この中間的に冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第一の膨張ガス流を提供するための「高温」膨張タービンであって、ギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結されるピニオンに取り付けられて当該圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの一部分を提供する「高温」膨張タービン、
上記第二の圧縮ガス流のうちの一部分を上記第一の温度より低い第二の温度に冷却して第二の冷却した圧縮ガス流を提供するための熱交換手段、
この第二の冷却した圧縮ガス流を仕事膨張させて第二の膨張ガス流を提供するための「低温」膨張タービンであって、上記「高温」膨張タービンと同じ速度であるがそれよりも高い圧力比で運転するためのものであり、そしてやはり上記ピニオンに取り付けられて上記圧縮機を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの更なる部分を提供する「低温」膨張タービン、
上記第二の圧縮ガス流のうちの残りの部分を冷却しそして少なくとも部分的に凝縮させ、この冷却及び凝縮をそれらのための寒冷負荷を一緒に提供する上記第一及び第二の膨張ガス流との熱交換により行って、それにより熱交換した第一及び第二の膨張ガス流を提供するための熱交換手段、及び
上記熱交換した第一の膨張ガス流と熱交換した第二の膨張ガス流の両方を上記第一の圧縮部へ再循環させるための再循環導管手段、
を含む、空気及びその構成成分から選ばれるガスを液化するための装置が提供される。
【００５７】
本発明の装置の上述の具体的な態様に代わる別の態様においては、「高温」膨張タービンはギヤ駆動装置により上記圧縮機に機械的に連結される第一のピニオンに取り付けられ、そして低温膨張タービンは当該ギヤ駆動装置により当該圧縮機に機械的に接続される第二のピニオンに取り付けられる。この「高温」膨張タービンも「低温」膨張タービンも、圧縮機を駆動するための機械的動力のうちの一部分を提供する。
【００５８】
上記の液化方法の好ましい態様において使用される膨張タービンを再循環圧縮用途用の一体式ギヤ駆動の遠心圧縮機へ組み込むことによって、経費を有意に低減することができる。単一の機械モジュールのみが、低温閉鎖環境（ｃｏｌｄ  ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）及び配管とともに必要とされるに過ぎない（何らかの原料圧縮機が必要とされる場合のそれとは別に）。この利点の結果として、液化装置のための敷地が小さくなり、建設の時間が短くなり、また液化装置の移設が容易になる。
【００５９】
液化装置が二つの膨張タービンを使用する場合には、これら二つの膨張タービンを再循環圧縮機の単一のピニオンに取り付けることによって、経費を更に低減することができる。詳しく言えば、液化装置には単一の主要な機械モジュールしかない（何らかの原料圧縮機が必要とされる場合のそれ以外には）。また、後段冷却器も必要とされず、それにより液化装置の経費と敷地が更に減少する。更に、一体式ギヤ駆動の遠心圧縮機の負荷を担う膨張タービンは一定の速度で運転するので、膨張タービンを過剰速度で運転する可能性が著しく低下する。
【００６０】
本発明の更に別の利点は、膨張タービンが再循環圧縮機に取り付けられるので液化装置の機器モジュールの数が減少することである。これは液化装置の建設時間を減らし、またそれを移設する費用を低下させる。
【００６１】
【発明の実施の形態】
図１において、圧縮機の第一段Ｃ１をこの圧縮機の第二段Ｃ２の反対側で第一の圧縮機ピニオン軸１０に取り付ける。この圧縮機の第三段Ｃ３をこの圧縮機の第四段Ｃ４の反対側で第二の圧縮機ピニオン軸１１に取り付ける。第一及び第二の圧縮機ピニオン軸は、一体式ギヤ接続のターボ機械ギヤ（又はブルギヤ）１２によって機械的に接続される。これらの圧縮段を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの大部分は、駆動軸１３によりブルギヤに供給される。
【００６２】
膨張タービン１４は、ブルギヤに機械的に接続される膨張タービンピニオン軸１５に取り付けられる。膨張タービンは、圧縮機の上記の四つの段を駆動するのに必要とされる機械的動力の残りの部分を提供する。
【００６３】
図２においてピニオン軸１０、１１を軸とする圧縮機の四つの段Ｃ１〜Ｃ４、ブルギヤ１２及び駆動軸１３を含む一体式ギヤ接続のターボ機械集成装置は、図１に示したものと同様である。図２では、膨張タービンピニオン軸１５に取り付けられた膨張タービン１４は「高温」膨張タービンである。この第一の膨張タービンよりも低い温度で運転するので「低温」膨張タービンと呼ばれる第二の膨張タービン１６は、ブルギヤに機械的に接続される第二の膨張タービンピニオン軸１７に取り付けられる。この配置構成では、「高温」及び「低温」膨張タービンは一緒になって、圧縮機の四つの段を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの残りの部分を提供する。
【００６４】
図３においてピニオン軸１０、１１を軸とする圧縮機の四つの段Ｃ１〜Ｃ４、ブルギヤ１２及び駆動軸１３を含む一体式ギヤ接続のターボ機械集成装置は、図１及び図２に示したものと同様である。図３では、「高温」膨張タービン１４は、ブルギヤに機械的に接続される膨張タービンピニオン軸１５に「低温」膨張タービン１６の反対側で取り付けられる。この配置構成では、「高温」及び「低温」膨張タービンは一緒になって、圧縮機の四つの段を駆動するのに必要とされる機械的動力のうちの残りの部分を提供する。
【００６５】
図４において圧縮機ピニオン軸１０に取り付けられる圧縮機の第一及び第二の段Ｃ１、Ｃ２、ブルギヤ１２及び駆動軸１３を含む一体式ギヤ接続のターボ機械集成装置は、図１、２及び３に示したものと同様である。とは言え、「高温」膨張タービン１４は圧縮機の第三段Ｃ３の反対側で圧縮機ピニオン軸１１に取り付けられる。その上、圧縮機の第四段Ｃ４は、「低温」膨張タービン１６の反対側で膨張タービンピニオン軸１５に取り付けられる。圧縮機ピニオン軸と膨張タービンピニオン軸は、ブルギヤに機械的に接続される。圧縮機の各段は、タービンにより供給される機械的動力と組み合わされる駆動軸により供給される機械的動力により駆動される。
【００６６】
図５において、低温膨張タービンＥ２は圧縮機Ｃの第一段の吸い込み圧力と最終の吐出圧力との間で運転し、高温膨張タービンＥ１は圧縮機Ｃの中間圧縮部の側流圧力と最終の吐出圧力との間で運転する。
【００６７】
原料ガス流２００は、熱交換器Ｘ１の低温閉鎖環境から取り出される再循環ガス流２２６と一緒にされ、そして再循環圧縮機Ｃで圧縮されて圧縮ガス流２０４を提供する。流れ２０４は熱交換器Ｘ１で第一の中間温度に冷却される。この冷却した圧縮ガス流のうちの一部分は、流れ２４２として熱交換器Ｘ１から抜き出され、そして高温膨張タービンＥ１の入口へと流れる。膨張タービンＥ１から膨張ガスの流れ２４４が排出され、熱交換器Ｘ１へ供給されて、そこで冷却及び凝縮の負荷を提供することで加温される。加温された流れは熱交換器Ｘ１から取り出されて、次いで中間圧縮部原料流２４６として再循環圧縮機Ｃへ再循環させられる。
【００６８】
第一の中間温度まで冷却された圧縮ガス流のうちの残りの部分は、熱交換器Ｘ１で、第一の中間温度よりも冷たい第二の中間温度に更に冷却される。この更に冷却した流れは少なくとも二つの部分に分割される。第一の部分は、熱交換器Ｘ１から取り出され、そして低温膨張タービンＥ２の入口へ流れ２２０として流れて膨張させられる。膨張したガスの流れは、膨張ガス流２２２として低温膨張タービンＥ２の出口から排出され、下記で説明する分離器Ｓ１から取り出される蒸気分２０８と合流する。合流した流れ２２４は次いで、熱交換器Ｘ１へ供給され、そこで凝縮の負荷を提供することにより加温される。加温したガスは、その後流れ２２６として原料ガス流２００へ供給されることで再循環される。
【００６９】
第二の中間温度に冷却された圧縮ガス流のうちの残りの部分は、熱交換器Ｘ１で更に冷却され、そして熱交換器Ｘ１から流れ２０６として流出する。流れ２０６はジュール−トムソン弁Ｖ１を通して供給され、そこで膨張して、そしてこの膨張流は分離器Ｓ１へと流れて、そこで蒸気分と液体分とに分離される。蒸気分は分離器Ｓ１から流れ２０８として取り出され、そして膨張ガス流２２２と一緒にされる。液体分は分離器Ｓ１から液体製品流２１０として流出する。
【００７０】
この液体製品流２１０は、当該技術においてよく知られているように液体製品のうちの気化する部分との熱交換で過冷却してもよい。
【００７１】
膨張タービンＥ１とＥ２は、圧縮機Ｃに機械的に接続された同一のピニオンに取り付けてもよくあるいは別個のピニオンに取り付けてもよい。高温膨張タービンＥ１の出口から出てきて圧縮機Ｃへ中間圧縮部供給原料として供給される流れ２４４の圧力は、二つの膨張タービンの最適速度の差を最小にするように選ばれる。
【００７２】
図６において、低温膨張タービンＥ２と高温膨張タービンＥ１は直列に組み合わされ、そしてこの組み合わせは圧縮機Ｃの第一段の吸い込み圧力と最終吐出圧力との間で運転する。
【００７３】
原料ガス流３００は、熱交換器Ｘ１の低温閉鎖環境からの再循環ガス流３２６と一緒にされ、そして圧縮されて圧縮ガス流３０４を提供する。圧縮ガス流３０４は熱交換器Ｘ１で第一の中間温度まで冷却される。冷却した圧縮ガス流のうちの一部分は熱交換器Ｘ１から抜き出され、冷却ガス流３４２として高温膨張ターービンＥ１の入口へ送られる。この膨張タービンＥ１からは膨張したガスの流れ３４４が排気され、そして熱交換器Ｘ１へ戻されて、そこで第一の中間温度よりも冷たい第二の中間温度に冷却されて、加温用の負荷を提供する。熱交換器Ｘ１からは冷却したガス流が取り出されて、流れ３２０として低温膨張タービンＥ２の入口へ供給される。この膨張タービンＥ２の出口からは膨張したガスの流れが膨張ガス流３２２として取り出され、下記で検討される分離器Ｓ１からの蒸気流３０８と一緒にされ、そして一緒にされた流れ３２４は熱交換器Ｘ１へ供給されて、こうして流れ３２４は凝縮負荷を提供することにより加温される。加温されたガスは流れ３２６として原料ガス流３００へ再循環される。
【００７４】
第一の中間温度まで冷却された圧縮ガス流のうちの残りの部分は、熱交換器Ｘ１で第三の中間温度（これは第二の中間温度よりも冷たい）まで更に冷却され、そして熱交換器Ｘ１から流れ３０６として取り出される。流れ３０６はジュール−トムソン弁Ｖ１を通して減圧され、分離器Ｓ１へ流入して、液体分と蒸気分とに分離される。蒸気分は分離器Ｓ１から流れ３０８として取り出されて、低温膨張タービンＥ２の出口からの膨張ガス流３２２と一緒にされる。一緒にされた流れ３２４は次に、上述のとおり再循環される。液体分は分離器Ｓ１から液体製品流３１０として取り出される。
【００７５】
液体製品流３１０は、当該技術において周知のように、液体製品のうちの気化する部分との熱交換で過冷却してもよい。
【００７６】
膨張タービンＥ１及びＥ２は、両方のタービンに共通の単一のピニオンに取り付けてもよく、あるいは別々のピニオンに取り付けてもよい。どちらの場合も、ピニオンは圧縮機Ｃに機械的に接続される。２台の膨張タービン間の中間圧力が、２台の膨張タービンの圧力比を決定し、そしてこの中間圧力は２台の膨張タービンの最適速度の差を最小にするように選ばれる。この特定の例においては、低温膨張タービンＥ２をまたいでの圧力比は高温膨張タービンＥ２をまたいでのそれよりも大きい。
【００７７】
図７において、低温膨張タービンＥ２は再循環圧縮機Ｃの第一段吸い込み圧力と最終吐出圧力との間で運転し、高温膨張タービンＥ２は圧縮機Ｃの中間圧縮部の圧力と第一段吸い込み圧力との間で運転する。
【００７８】
原料ガス流１００は、熱交換器Ｘ１の低温閉鎖環境からの再循環ガス流１２６と一緒にされ、そして圧縮機Ｃの第一の圧縮部により中間圧力まで圧縮される。圧縮機Ｃの中間部から中間圧力の圧縮ガスの流れ１４０が排出され、熱交換器Ｘ１で第一の中間温度に冷却され、次いで冷却流１４２として高温膨張タービンＥ１の入口へ送られる。この膨張タービンＥ１の出口からは膨張したガスの流れ１４４が排出され、熱交換器Ｘ１へ戻されて、そこで膨張タービンＥ２の排出口からくる冷却用のガスの流れ１２４と一緒にされて、この一緒にされた流れが冷却及び凝縮の負荷を提供する。加温されたガス流は流れ１２６として供給されて原料ガス流１００へ再循環される。
【００７９】
中間圧力の圧縮ガスのうちの残りの部分は、再循環圧縮機Ｃの高圧圧縮部で更に圧縮されて、流れ１０４として再循環圧縮機Ｃから吐出される。圧縮ガス流１０４は熱交換器Ｘ１で第二の中間温度まで冷却され、この第二の中間温度は第一の中間温度よりも冷たい。第二の中間温度の圧縮ガス流のうちの一部分は、熱交換器Ｘ１から流れ１２０として取り出されて、低温膨張タービンＥ２の入口へ供給される。膨張タービンＥ２からは、膨張したガスの流れが膨張ガス流１２２として排出され、下記で説明する分離器Ｓ１から取り出された蒸気分１０８と一緒にされる。一緒にされた流れ１２４は次に熱交換器Ｘ１へ供給されて、そこで凝縮負荷を提供することにより加温される。次いで、加温されたガス流１２６が上記のように再循環される。
【００８０】
第二の中間温度の圧縮ガス流のうちの残りの部分は熱交換器Ｘ１で更に冷却され、この熱交換器から流れ１０６として抜き出される。流れ１０６は、ジュール−トムソン弁Ｖ１を通して減圧され、次いで分離器Ｓ１へ供給されて、そこで蒸気分と液体分とに分離される。蒸気分は分離器Ｓ１から流れ１０８として取り出され、そして膨張ガス流１２２と一緒にされる。液体分は分離器Ｓ１から液体製品１１０として抜き出される。
【００８１】
液体製品流１１０は、当該技術において周知のように、液体製品のうちの気化する部分との熱交換により過冷却してもよい。
【００８２】
膨張タービンＥ１とＥ２は、同一ピニオンに互いに相対する側で取り付けてもよく、あるいは別々のピニオンに取り付けてもよい。どちらの場合も、ピニオンは圧縮機Ｃに機械的に接続される。圧縮機Ｃの中間部から抜き出される流れ１４０の圧力は、これらの膨張タービンの最適速度の差を最小にするように選ぶことができる。
【００８３】
【実施例】
〔例１〕
図５のプロセスにおいて図３に示したギヤ駆動装置の構成を使用する窒素液化装置についての本発明の例は次のとおりである。
【００８４】
再循環圧縮機には二つのピニオンに各二つずつの四つの段があり、中間の圧縮部の供給原料は二番目の圧縮部の中間冷却器から出てくるガスと一緒になる。二つの膨張タービンは、第三の再循環圧縮機のピニオンに互いに相対する側で取り付けられる。
【００８５】
【表１】
0003694263.tif 000002
【００８６】
・高温膨張タービン：  速度＝５００００ｒｐｍ、等エントロピー効率＝８４．３％、インペラー直径＝８３ｍｍ
・低温膨張タービン：  速度＝５００００ｒｐｍ、等エントロピー効率＝８２．８％、インペラー直径＝８５ｍｍ
【００８７】
液体窒素製品流２１０は、当該技術において周知のやり方でもって液体窒素のうちの気化する部分との熱交換で過冷却してもよい。
【００８８】
２台の膨張タービンが再循環圧縮機の第三のピニオンにより同じ速度で運転するという制約があっても、この小さな液化装置については比較的高い膨張タービン効率を達成することができる。これは、低温膨張タービン圧力比が高温膨張タービンのそれよりも最適に高いことから達成可能になる。
【００８９】
本発明は好ましい態様を参照して上で説明した細目に限定されるものでなく、特許請求の範囲により明確にされる本発明の範囲から逸脱せずに多くの変更及び改変を行うことができることが認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】四段の遠心圧縮機と単一の膨張タービンとを有する一体式ギヤ駆動のターボ機械を模式的に示す図である。
【図２】四段の遠心圧縮機と二つの膨張タービンとの間のギヤ駆動装置の第一の配置構成を模式的に示す図である。
【図３】四段の遠心圧縮機と二つの膨張タービンとの間のギヤ駆動装置の第二の配置構成を模式的に示す図である。
【図４】四段の遠心圧縮機と二つの膨張タービンとの間のギヤ駆動装置の第三の配置構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明の特に好ましい態様の第一の配置構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の特に好ましい態様の第二の配置構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の特に好ましい態様の第三の配置構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
Ｃ…圧縮機
Ｃ１…圧縮機の第一段
Ｃ２…圧縮機の第二段
Ｃ３…圧縮機の第三段
Ｃ４…圧縮機の第四段
Ｅ１…高温膨張タービン
Ｅ２…低温膨張タービン
Ｓ１…分離器
１０、１１…ピニオン軸
１２…ブルギヤ
１３…駆動軸
１４…高温膨張タービン
１５、１７…膨張タービンピニオン軸
１６…低温膨張タービン
【図１】
0003694263.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003694263.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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