(57)【要約】【課題】  ＬＮＧの寒冷を効率よく利用できるとともに、低温圧縮ガスや液化ガスの作製に必要となるエネルギーの削減を図ることができる低温圧縮ガスまたは液化ガスの製造装置および製造方法。【解決手段】  熱媒体が、断熱圧縮される第１圧縮手段１と、定圧加熱される第１熱交換器２と、断熱膨張される膨張手段３と、定圧冷却される第２熱交換器４と、第２熱交換器４から第１圧縮手段５に導かれる流路と、を備えたランキンサイクルを有し、膨張手段３とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段６を有するとともに、低温液化状態の液化天然ガスが、第２熱交換器４に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達して導出され、給送された原料ガスが、第１熱交換器２に導入され、熱媒体によって冷却された後、第２圧縮手段６に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出されること。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が断熱圧縮される第１圧縮手段と、断熱圧縮された該熱媒体が定圧加熱される第１熱交換器と、加熱された該熱媒体が断熱膨張される膨張手段と、断熱膨張された該熱媒体が定圧冷却される第２熱交換器と、該第２熱交換器から導出された熱媒体が前記第１圧縮手段に導かれる流路と、を備えたランキンサイクルを有し、前記膨張手段とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段を有するとともに、
低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達して導出され、
給送された原料ガスが、前記第１熱交換器に導入され、熱媒体によって冷却された後、前記第２圧縮手段に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出されることを特徴とする低温圧縮ガスの製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の低温圧縮ガスの製造装置を用い、前記第２圧縮手段から導出された前記低温圧縮ガスが前記第１熱交換器または第２熱交換器に導かれる流路と、該第１熱交換器または第２熱交換器から導出された液化成分を含む低温圧縮ガスの圧力調整を行う調整弁と、該調整弁を介して前記低温圧縮ガスが導入され、前記液化成分が気液分離される気液分離部と、を有し、該気液分離部から導出された低温の液化成分を取り出すことを特徴とする液化ガスの製造装置。
【請求項３】
第３熱交換器が、前記第１熱交換器から導出された熱媒体が前記膨張手段に導かれる流路に設けられ、該第３熱交換器において、該熱媒体と、前記第２熱交換器から導出された液化天然ガスと、前記第２圧縮手段から導出された低温圧縮ガスと、が熱交換されることを特徴とする請求項２記載の液化ガスの製造装置。
【請求項４】
前記原料ガスが前記第１熱交換器に導かれる流路に、第１昇圧手段，第１分岐流路，第２昇圧手段および第２分岐流路が設けられ、前記気液分離部から導出された液化成分が導かれる流路に、第４熱交換器および第３分岐流路が設けられるとともに、
前記気液分離部から導出された気体成分が、前記第１熱交換器または第２熱交換器を介して前記第１分岐流路に導かれる流路と、前記第３分岐流路で分岐された前記液化成分が、前記第４熱交換器および前記第１熱交換器または第２熱交換器を介して前記第２分岐流路に導かれる流路と、を有し、
前記気液分離部から導出された前記液化成分が、前記第４熱交換器を介して取り出されことを特徴とする請求項２また３記載の液化ガスの製造装置。
【請求項５】
前記ランキンサイクルが、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いた複数のランキンサイクルで構成されるとともに、
前記第１熱交換器から導出された前記原料ガスが、低い沸点あるいは小さな熱容量の熱媒体を用いた１のランキンサイクルに係る膨張手段とリンクされた第２圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器に導入された後、
前記第１熱交換器から導出された前記原料ガスが、高い沸点あるいは大きな熱容量の熱媒体を用いた他のランキンサイクルに係る膨張手段とリンクされた第２圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器に導入されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の液化ガスの製造装置。
【請求項６】
第１圧縮手段によって断熱圧縮された熱媒体が、第１熱交換器において定圧加熱された後、膨張手段によって断熱膨張され、さらに第２熱交換器において定圧冷却される、ランキンサイクルを形成するとともに、
低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達し、
給送された原料ガスが、前記第１熱交換器に導入され、熱媒体によって冷却された後、前記膨張手段とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出されることを特徴とする低温圧縮ガスの製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の低温圧縮ガスの製造方法を用い、前記第２圧縮手段から導出された前記低温圧縮ガスが、前記第１熱交換器または第２熱交換器において冷却され、調整弁によって圧力調整され、気液分離部において液化成分が気液分離されるとともに、該気液分離部から低温の液化成分として取り出されることを特徴とする液化ガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」ということがある）の寒冷を利用した低温圧縮ガスまたは液化ガスの製造装置および製造方法に関し、特に空気分離装置などによって製造される窒素ガスの液化技術として有用である。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス（ＮＧ）は、輸送や貯蔵の利便性などのため、液化天然ガス（ＬＮＧ）として貯蔵され、これを気化した後に、主として火力発電用や都市ガス用として用いられる。このため、ＬＮＧの寒冷を有効利用する技術が開発されている。一般に、ＬＮＧの寒冷を利用して窒素ガス等を液化する設備としては、窒素ガスを圧縮機でＬＮＧとの熱交換で液化可能な圧力まで圧縮し、次いで熱交換器でＬＮＧと熱交換させてＬＮＧを昇温気化させるとともに、窒素ガスを液化するプロセスが用いられている。
【０００３】
また、圧縮機を駆動するための電力は、昼間の料金に比べて夜間が安く設定されているため、上記ＬＮＧの供給量の変動と電力料金の差を勘案して、効率よくガスを液化するためのガス液化プロセスが提案されている。例えば、図７に示すように、１台以上のガス用圧縮機１０１と、１台以上のガス用膨張タービン１０３と、ガスと液化天然ガスとを熱交換させる熱交換器１０２とを備えた液化プロセスにより、前記液化天然ガスの寒冷を利用して前記ガスを液化する方法において、供給される液化天然ガスの増量時には前記膨張タービン１０３を停止又は減量運転し、供給される液化天然ガスの減量時には前記膨張タービン１０３を稼働又は増量運転することを特徴とする液化天然ガスの寒冷を利用したガスの液化方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−４５０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のような低温の液化ガス等の製造装置では、以下のような種々の課題が生じることがあった。
（ｉ）ガス液化プロセスに供給されるＬＮＧ量は、一般に火力発電や都市ガス等の需要変動によって変動することがあり、利用できる寒冷量も変動することがある。従って、供給されるＬＮＧが減少した場合においても、液化ガス等の生産量に対して影響を受けないように、ＬＮＧの寒冷を効率よく利用できる装置や方法が要求されている。
（ii）圧縮ガスの製造プロセスにおいて、常温常圧のガスを加圧するのは、大きなエネルギーを付加すると同時に、圧縮に伴うガス温上昇を抑える寒冷が必要とされる。例えば窒素ガスのように、大量に消費される汎用的な圧縮ガスの製造には、寒冷の効率的な利用と合せて、総合的なエネルギーの低減が大きな課題となっていた。
（iii）常圧ガスの液化開始温度は、ＬＮＧが約−８０℃、窒素が約−１２０℃である。例えばＬＮＧを寒冷として用いた窒素ガスの常圧による液化プロセスにおいては、窒素の液化が開始された状態において、これと熱交換が行われるＬＮＧは、依然として大きな潜熱を有する液体状態であり、当該プロセスだけから見れば、ＬＮＧの寒冷が十分に利用させているとはいえない。また、残存するＬＮＧの寒冷を他の用途に転用することは、必ずしも容易ではなく、ＬＮＧの寒冷を含めたエネルギーの効率的な利用は、こうした液化プロセスにおいて重要な課題となっていた。
【０００６】
本発明の目的は、ＬＮＧの寒冷を効率よく利用できるとともに、低温圧縮ガスや液化ガスの作製に必要となるエネルギーの削減を図ることができる低温圧縮ガスまたは液化ガスの製造装置および製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す低温圧縮ガスまたは液化ガスの製造装置および製造方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
本発明の低温圧縮ガスの製造装置は、熱媒体が断熱圧縮される第１圧縮手段と、断熱圧縮された該熱媒体が定圧加熱される第１熱交換器と、加熱された該熱媒体が断熱膨張される膨張手段と、断熱膨張された該熱媒体が定圧冷却される第２熱交換器と、該第２熱交換器から導出された熱媒体が前記第１圧縮手段に導かれる流路と、を備えたランキンサイクルを有し、前記膨張手段とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段を有するとともに、低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達して導出され、給送された原料ガスが、前記第１熱交換器に導入され、熱媒体によって冷却された後、前記第２圧縮手段に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の低温圧縮ガスの製造方法は、第１圧縮手段によって断熱圧縮された熱媒体が、第１熱交換器において定圧加熱された後、膨張手段によって断熱膨張され、さらに第２熱交換器において定圧冷却される、ランキンサイクルを形成するとともに、低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達し、給送された原料ガスが、前記第１熱交換器に導入され、熱媒体によって冷却された後、前記膨張手段とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出されることを特徴とする。
【００１０】
こうした構成によって、低温圧縮ガスの作製において、ＬＮＧの寒冷を効率よく利用できるとともに、必要となるエネルギーの削減を図ることができる。具体的には、本発明の検証過程において、従前のＬＮＧの寒冷を用いた常圧条件下での低温ガスの作製に要する寒冷に比べて、圧縮ガスとの熱交換によって効率よく熱伝達が行われ、低温ガスを作製した場合に要する寒冷が非常に少ないことを見出した。本発明は、こうした知見を基に、低温ガスの作製において、圧縮ガスとの熱交換を有効に利用することができるランキンサイクル（以下「ＲＣ」ということがある）を適用したもので、高圧のＬＮＧの寒冷を効率よくＲＣの熱媒体を介して伝達し、断熱圧縮された熱媒体から常圧の原料ガスに冷熱が伝達されることによって、非常に効率よくＬＮＧの寒冷を利用できるとともに、寒冷の伝達に必要なエネルギーを大幅に削減することが可能となった。
【００１１】
本発明に係る液化ガスの製造装置は、上記低温圧縮ガスの製造装置を用い、前記第２圧縮手段から導出された前記低温圧縮ガスが前記第１熱交換器または第２熱交換器に導かれる流路と、該第１熱交換器または第２熱交換器から導出された液化成分を含む低温圧縮ガスの圧力調整を行う調整弁と、該調整弁を介して前記低温圧縮ガスが導入され、前記液化成分が気液分離される気液分離部と、を有し、該気液分離部から導出された低温の液化成分を取り出すことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る液化ガスの製造方法は、上記低温圧縮ガスの製造方法を用い、前記第２圧縮手段から導出された前記低温圧縮ガスが、前記第１熱交換器または第２熱交換器において冷却され、調整弁によって圧力調整され、気液分離部において液化成分が気液分離されるとともに、該気液分離部から低温の液化成分として取り出されることを特徴とする。
【００１３】
窒素ガスなどの液化ガスの作製において、ＬＮＧの寒冷を利用するとき、ＬＮＧの温度は−１５５℃前後であり、一方窒素の大気圧沸点は−１９６℃であるので、この間の温度レベルの差を埋める必要がある。本発明は、こうした機能を、ランキンサイクルを用いて実現するもので、ランキンサイクルに用いられた熱媒体を、ＬＮＧの寒冷を利用して約−１５０〜−１５５℃まで冷却することによって、窒素ガス等に伝達する寒冷を確保し、通常臨界圧力以上（例えば５〜６ＭＰａ）に昇圧してから、常圧または低圧に加圧された窒素ガス等に対して第１熱交換器を通じて該寒冷を伝達し、さらに高圧に圧縮された窒素ガス等に対して第２熱交換器を通じて該寒冷を伝達することによって、液化された窒素ガスを効率よく作製することができる。液化ガスの作製において、非常に効率よくＬＮＧの寒冷を利用できるとともに、寒冷の伝達に必要なエネルギーを大幅に削減することが可能となった。
【００１４】
本発明は、上記液化ガスの製造装置において、第３熱交換器が、前記第１熱交換器から導出された熱媒体が前記膨張手段に導かれる流路に設けられ、該第３熱交換器において、該熱媒体と、前記第２熱交換器から導出された液化天然ガスと、前記第２圧縮手段から導出された低温圧縮ガスと、が熱交換されることを特徴とする。
こうした構成によって、さらに効率よくＬＮＧの寒冷を利用することができ、エネルギー効率が高い液化ガスの作製が可能となる。特に、第３熱交換器に冷却水を導入し、熱容量の大きな冷熱による熱交換ができる構成を用いた場合には、起動時や停止時の過渡的な変動等に対しても、熱媒体，液化天然ガスおよび低温圧縮ガスに対する予備的あるいは補助的な温熱の移動を図ることができ、ＬＮＧの寒冷の安定的な利用および安定したエネルギー効率を確保することが可能となる。
【００１５】
本発明は、上記液化ガスの製造装置であって、前記原料ガスが前記第１熱交換器に導かれる流路に、第１昇圧手段，第１分岐流路，第２昇圧手段および第２分岐流路が設けられ、前記気液分離部から導出された液化成分が導かれる流路に、第４熱交換器および第３分岐流路が設けられるとともに、前記気液分離部から導出された気体成分が、前記第１熱交換器または第２熱交換器を介して前記第１分岐流路に導かれる流路と、前記第３分岐流路で分岐された前記液化成分が、前記第４熱交換器および前記第１熱交換器または第２熱交換器を介して前記第２分岐流路に導かれる流路と、を有し、前記気液分離部から導出された前記液化成分が、前記第４熱交換器を介して取り出されことを特徴とする。
原料ガスを多段階に圧縮することによって原料ガスを効率的に供給でき、こうした原料ガスが導入された熱交換器での熱交換効率が向上することが知られている。本発明は、原料ガス給送手段として、複数段の圧縮機を設けるとともに、取り出し直前の安定した条件の液化ガスを戻し、その原料ガスと混合することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。
【００１６】
本発明は、上記液化ガスの製造装置であって、前記ランキンサイクルが、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いた複数のランキンサイクルで構成されるとともに、前記第１熱交換器から導出された前記原料ガスが、低い沸点あるいは小さな熱容量の熱媒体を用いた１のランキンサイクルに係る膨張手段とリンクされた第２圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器に導入された後、前記第１熱交換器から導出された前記原料ガスが、高い沸点あるいは大きな熱容量の熱媒体を用いた他のランキンサイクルに係る膨張手段とリンクされた第２圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器に導入されることを特徴とする。
液化ガスの製造装置は、半導体製造設備等においては、インラインに用いられることが多く、連続的なガスの供給が要求される場合とともに、その供給量や供給圧力等が大きく変動することがある。また、既述のように、ＬＮＧの安定供給が必ずしも確保できない場合がある。本発明は、ＬＮＧの寒冷の伝達を担う熱媒体について沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いて複数のランキンサイクルで構成し、こうした場合の変動要素を、各ランキンサイクルにおける熱媒体の流量や圧力といった制御が容易な制御要素を調整することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る低温圧縮ガスの製造装置の基本構成例を示す概略図
【図２】本発明に係る液化ガスの製造装置の第１構成例の１の態様を例示する概略図
【図３】本発明に係る液化ガスの製造装置の第１構成例の他の態様を例示する概略図
【図４】本発明に係る液化ガスの製造装置の第２構成例を示す概略図
【図５】本発明に係る液化ガスの製造装置の第３構成例を示す概略図
【図６】本発明に係る液化ガスの製造装置の第４構成例を示す概略図
【図７】従来技術に係るガス液化プロセスの構成例を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜低温圧縮ガスの製造装置の構成＞
本発明に係る低温圧縮ガスの製造装置（以下「本装置」という）は、熱媒体が断熱圧縮される第１圧縮手段と、断熱圧縮された熱媒体が定圧加熱される第１熱交換器と、加熱された熱媒体が断熱膨張される膨張手段と、断熱膨張された熱媒体が定圧冷却される第２熱交換器と、第２熱交換器から導出された熱媒体が第１圧縮手段に導かれる流路と、を備えたランキンサイクル（ＲＣ）を有し、膨張手段とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段を有するとともに、低温液化状態の液化天然ガス（ＬＮＧ）が、第２熱交換器に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達して導出され、給送された原料ガスが、第１熱交換器に導入され、熱媒体によって冷却された後、第２圧縮手段に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出されることを特徴とする。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、液化するガスとして窒素ガスの場合を例示することがあるが、本発明は、他のガス、例えば空気やアルゴン等の液化にも同様にして適用することができる。また、各部の温度、圧力、流量などの条件は、ガスの種類や流量等、その他の条件に応じて適宜変更することができる。
【００１９】
〔本装置の基本構成〕
本装置の基本構成の概要を、図１に例示する。本装置は、熱媒体が循環するランキンサイクル（ＲＣ）を有する。熱媒体は、順に、第１圧縮手段である圧縮ポンプ１によって断熱圧縮され、第１熱交換器２において原料ガスによって定圧冷却され、膨張手段であるタービン３によって断熱膨張され、第２熱交換器４においてＬＮＧの寒冷によって定圧冷却され、再度圧縮ポンプ１に吸引される循環系を形成する。こうした構成によって、ＬＮＧの寒冷を安定的にかつ効率的に原料ガスに伝達することができる。ここで、「熱媒体」としては、炭化水素や液化アンモニア，液化塩素あるいは水等種々の物質を挙げることができる。また、常温常圧下において液体のみならず気体を含み、特に熱容量の大きい気体、例えば二酸化炭素等を適用することができる。炭化水素としてメタン，エタン，プロパンあるいはブタン等単体で使用する場合以外に、複数の化合物の混合物を使用することによって、最適な沸点あるいは熱容量の設計を行うことができる。特に、後述するような複数のＲＣを用いた場合には、例えば１のＲＣに「メタン＋エタン＋プロパン」の混合物を用い、他のＲＣに「エタン＋プロパン＋ブタン」の混合物を用いることによって、ＬＮＧの冷熱を複数の温度帯で熱伝達させることができる。
【００２０】
所定流量のＬＮＧが第２熱交換器４に供給され、所定量の寒冷が確保されるとともに、ＬＮＧの供給流量を制御することによって、原料ガスに伝達される寒冷を容易に調整することができる。所望流量の原料ガスが給送ポンプ５によって第１熱交換器２に供給され、所定量の寒冷が伝達され所望の温度に冷却されるとともに、さらに第２圧縮手段であるコンプレッサー６に導入され、所望圧力に圧縮され、所望の低温圧縮ガスとして取り出される。こうした構成によって、安定的に所望の低温圧縮ガスを製造することができる。また、エネルギー効率について、ＬＮＧの寒冷と原料ガスを直接熱交換する従前の装置に比較して、大幅に向上させることができる。
【００２１】
以上のように、低温圧縮ガスは、ランキンサイクル（ＲＣ）が形成された本装置において、低温液化状態の液化天然ガスが、第２熱交換器４に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達し、給送ポンプ５によって給送された原料ガスが、第１熱交換器２に導入され、熱媒体によって冷却された後、膨張手段（タービン）３とリンクされた少なくとも１つの第２圧縮手段（コンプレッサー）６に導入され、低温の圧縮されたガスとして取り出される。
【００２２】
具体的には、例えばＲＣの熱媒体としてエタンとプロパンが等モル配合された主成分からなる混合物を用い、約６ＭＰａのＬＮＧが第２熱交換器４に導入され、原料ガスとして窒素ガスが給送された場合を例に挙げると、約０．０５ＭＰａで第２熱交換器４に導入された熱媒体が約−１１５℃に冷却されて導出され、さらに圧縮ポンプ１によって約１．８ＭＰａに断熱圧縮され、第１熱交換器２に導入され、原料ガスと熱交換され加熱されて導出され、タービン３によって断熱膨張され、約−４５℃，約０．０５ＭＰａで第２熱交換器４に導入される。約２．１ＭＰａで第１熱交換器２に導入された窒素ガスは、約−９０℃に冷却されて導出され、タービン３とリンクしたコンプレッサー６によって、約５ＭＰａに圧縮され、約−９０℃，約５ＭＰａの低温圧縮窒素ガスとして取り出される。
【００２３】
〔実証結果について〕
本装置を用いて低温圧縮窒素ガスを作製した場合を、従前の方法を用いて作製した場合と比較して、そのエネルギー効率を実証した。以下の通り、本装置を用いることによって、約５０％以上の向上を図ることができた。
（ｉ）従前の方法を用いて低温圧縮窒素ガスを作製した場合
ＬＮＧが１ｔｏｎ／ｈで供給され、コンプレッサーが１５．７ｋＷｈの電力で作動した場合を想定すると、例えば６７７Ｎｍ３／ｈの窒素ガスが、２０ｂａｒから３７ｂａｒまで加圧することができる。この際、コンプレッサーの入り口温度は４０℃、出口温度は１１１℃となる。
（ii）本方法を用いて低温圧縮窒素ガスを作製した場合
同様の低温圧縮窒素ガスを得るため、つまり６７７Ｎｍ３／ｈの窒素ガスを２０ｂａｒから３７ｂａｒまで加圧するのに必要なＬＮＧは、０．４８５ｔｏｎ／ｈで十分であった。
（iii）両者を対比すると、下式１から
（１−０．４８５）×０．５１５＝８．０９［ｋＷｈ］
８．０９／１５．７＝０．５２  ・・式１
電力として約８ｋＷｈ、つまり約５２％を低減することができた。
【００２４】
＜本装置を用いた液化ガスの製造装置＞
本装置を用いた液化ガスの製造装置（以下「本液化装置」という）の基本構成例（第１構成例）の概要を、図２に示す。以下、本装置と共通する要素は、説明を省略することがあるとともに、共通の名称および符号で示す。本液化装置は、本装置と同様のランキンサイクル（ＲＣ）を有するとともに、第２圧縮手段６から導出された低温圧縮ガスが第１熱交換器２または第２熱交換器４に導かれる流路（第１構成例では第２熱交換器４に導入）と、第１熱交換器２または第２熱交換器４から導出（第１構成例では第２熱交換器４から導出）された液化成分を含む低温圧縮ガスの圧力調整を行う調整弁７と、調整弁７を介して低温圧縮ガスが導入され、液化成分が気液分離される気液分離部８と、を有し、気液分離部８から導出された低温の液化成分を取り出すことを特徴とする。上記本装置における機能に加え、供給させるＬＮＧの温度と原料ガスの沸点との差異による熱伝達の困難性を、ＲＣを活用することによって解消することができる。つまり、ＬＮＧの寒冷を、さらに圧縮された低温ガスに伝達することによって、効率よく該低温ガスを液化される寒冷として利用することができる。こうした構成によって、液化ガスを安定的にかつ効率的に作製することができる。
【００２５】
つまり、第２圧縮手段６から導出された低温圧縮ガスが、第２熱交換器４において冷却され、調整弁７によって圧力調整され、気液分離部８において液化成分が気液分離され、気液分離部８から低温の液化成分として取り出される。このとき、原料ガスが、窒素や酸素よりも比較的沸点が高い、例えばエタンやプロパン等の場合には、図３に例示するように、低温圧縮ガスを第１熱交換器２に導入することによって液化することができる。ＬＮＧの寒冷との温度差が小さく、第１熱交換器２から導出され、圧縮された状態で再度に第１熱交換器２に導入することによって、液化に十分なＬＮＧの寒冷を、熱媒体を介して伝達することができるためである。また、ＬＮＧの圧力＞原料ガスの圧力（例えば約５０ｂａｒ）の場合、ＬＮＧが原料ガスサイドにリークする可能性があり、こうした構成によって、そのリスクを回避することができる。
【００２６】
上記本装置における具体例と同様、例えばＲＣの熱媒体としてエタンとプロパンが等モル配合された主成分からなる混合物を用い、約６ＭＰａのＬＮＧが第２熱交換器４に導入され、原料ガスとして窒素ガスが給送された場合を具体例に挙げると、約２．１ＭＰａで第１熱交換器２に導入された原料ガスは、コンプレッサー６を介して約−９０℃，約５ＭＰａの低温圧縮窒素ガスとなる。この低温圧縮窒素ガスは、さらに第２熱交換器４に導入されて約−１５３℃に冷却され、調整弁７を介して膨張して約−１７９℃に冷却され、液化成分を主とする液化窒素ガスが気液分離部８に導入される。気液分離部８において気液分離された液体成分は、約−１７９℃，約０．０５ＭＰａの液化窒素ガスとして取り出される。
【００２７】
〔実証結果について〕
上記本装置における実証試験と同様、本液化装置を用いて液化窒素ガスを作製した場合を、従前の方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合と比較して、そのエネルギー効率を実証した。以下の通り、本装置を用いることによって、約２５％以上の向上を図ることができた。
（ｉ）従前の方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合
ＬＮＧが１ｔｏｎ／ｈで供給され、約０．０５ＭＰａの液化窒素ガスを作製するのに、０．２８ｋＷｈ／Ｎｍ３のエネルギーを必要とした。
（ii）本方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合
上記本液化装置における具体例の条件によって、約０．０５ＭＰａの液化窒素ガスを作製するのに、０．２１ｋＷｈ／Ｎｍ３のエネルギーで十分であった。
（iii）両者を対比すると、下式１から
（０．２８−０．２１）／０．２８＝０．２５  ・・式１
電力として約２５％を低減することができた。
【００２８】
〔本液化装置の他の構成例（第２構成例）〕
本液化装置の他の１の構成例（第２構成例）の概要を、図４に示す。第２構成例に係る本液化装置は、第１構成例と同様、ランキンサイクル（ＲＣ）と、調整弁７と、気液分離部８と、を有するとともに、第３熱交換器９が、第１熱交換器２から導出された熱媒体が膨張手段（タービン）３に導かれる流路に設けられ、第３熱交換器９において、該熱媒体と、第２熱交換器４から導出された液化天然ガスと、第２圧縮手段（コンプレッサー）６から導出された低温圧縮ガスと、が熱交換されることを特徴とする。第１構成例における機能に加え、さらに効率よくＬＮＧの寒冷を利用することができ、エネルギー効率が高い液化ガスの作製が可能となる。なお、第１構成例同様、低温圧縮ガスを第１熱交換器２に導入することによって液化することができる構成を適用することができる。
【００２９】
つまり、第３熱交換器９において、ＬＮＧの残存する寒冷を、第１熱交換器２において加熱された熱媒体と、圧縮され熱量が増加した低温圧縮ガスの冷却に利用することによって、さらに効率よくＬＮＧの寒冷を利用することができる。また、ここでは、第３熱交換器９として、これに冷却水を導入した構成を例示する。熱容量の大きな冷熱による熱交換ができ、熱媒体，液化天然ガスおよび低温圧縮ガスに対して迅速な温熱の移動を図ることができる。起動時や停止時の過渡的な変動等に対しても、熱媒体，液化天然ガスおよび低温圧縮ガスに対する予備的あるいは補助的な温熱の移動を図ることができ、ＬＮＧの寒冷の安定的な利用および安定したエネルギー効率を確保することができる。
【００３０】
〔本液化装置の第３構成例〕
本液化装置の第３構成例の概要を、図５に示す。第３構成例に係る本液化装置は、第２構成例に加え、原料ガスが第１熱交換器２に導かれる流路５に、第１昇圧手段（給送ポンプ）５，第１分岐流路Ｓ１，第２昇圧手段１０および第２分岐流路Ｓ２が設けられ、気液分離部８から導出された液化成分が導かれる流路８に、第４熱交換器１１および第３分岐流路Ｓ３が設けられるとともに、気液分離部８から導出された気体成分が、第２熱交換器４を介して第１分岐流路Ｓ１に導かれる流路１１と、第３分岐流路Ｓ３で分岐された液化成分が、第４熱交換器１１および第２熱交換器４を介して第２分岐流路Ｓ２に導かれる流路１２と、を有し、気液分離部８から導出された液化成分が、第４熱交換器１１を介して取り出されることを特徴とする。原料ガス給送手段として、複数段の圧縮機を設けるとともに、取り出し直前の安定した条件の液化ガスを戻し、その原料ガスと混合することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。
【００３１】
第３構成例においては、さらに、第３分岐流路Ｓ３に第２調整弁１２が設けられ、第４熱交換器１１から導出された液化ガスの一部が第２調整弁１２を介して第４熱交換器１１に再度導入される構成を例示する。低圧ではあるが、第２調整弁１２によって低温の液化ガスを断熱膨張させることによって、より低温の液化ガスが作製され、第４熱交換器１１における寒冷として機能させることができる。
【００３２】
〔検証結果について〕
第３構成例に係る液化装置を用いて液化窒素ガスを作製した場合の、各流路におけるガスあるいは液の温度および圧力を検証した。検証結果を表１に例示する。
【００３３】
【表１】
2014142161.tif 000003
【００３４】
〔本液化装置の第４構成例〕
本液化装置の第４構成例の概要を、図６に示す。第４構成例に係る本液化装置は、第３構成例に加え、ランキンサイクルが、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いた複数のランキンサイクルで構成されるとともに、第１熱交換器２から導出された原料ガスが、低い沸点あるいは小さな熱容量の熱媒体を用いた１のランキンサイクルＲＣａに係る膨張手段３ａとリンクされた第２圧縮手段６ａによって圧縮されて第１熱交換器２に導入された後、第１熱交換器２から導出された原料ガスが、高い沸点あるいはおきな熱容量の熱媒体を用いた他のランキンサイクルＲＣｂに係る膨張手段３ｂとリンクされた第２圧縮手段６ｂによって圧縮されて第１熱交換器２に導入されることを特徴とする。ＬＮＧの寒冷の伝達を担う熱媒体について沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いて複数のランキンサイクルで構成し、液化ガスの供給量や供給圧力等の変動要素を、各ランキンサイクルにおける熱媒体の流量や圧力といった制御が容易な制御要素を調整することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。
【００３５】
ここでいう、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体とは、物質そのものが異なる場合、混合物や化合物を構成する物質が異なる場合のみならず、複数の物質の混合物の組成が異なる場合を含む。例えば、１つの熱媒体をメタン２０％とエタン４０％とプロパン４０％からなる混合物とし、他の熱媒体をメタン２％とエタン４９％とプロパン４９％からなる混合物とすることによって、異なる特性を有する２つのＲＣを構成することができ、その組合せによって、種々の変動要素にあった寒冷や冷熱の移動を図るとともに、膨張手段とリンクした圧縮手段に対する効率的なエネルギーの伝達を行うことができる。
【００３６】
また、成分の異なる熱媒体を用いた場合には、さらに広い範囲の熱伝達機能を形成することができる。つまり、上記のように、ＬＮＧの寒冷の温度と原料ガスの沸点あるいは圧縮ガスの温度との関係から、ＬＮＧの寒冷を利用できる温度帯に制限があり、第４構成例のように、１のランキンシステムＲＣａと他のランキンシステムＲＣｂを直列に配列することによって、複数の温度帯においてＬＮＧの寒冷を利用することが可能となる。例えば１のランキンシステムＲＣａに「メタン＋エタン＋プロパン」の混合物を用い、他のランキンシステムＲＣｂに「エタン＋プロパン＋ブタン」の混合物を用いることによって、ＬＮＧの冷熱を複数の温度帯で熱伝達させることができる。第４構成例のように、１のランキンシステムＲＣａと他のランキンシステムＲＣｂを直列に配列し、１のランキンシステムＲＣａによって例えば−１５０〜−１００℃の範囲のＬＮＧの冷熱を利用し、他のランキンシステムＲＣｂにおいて例えば−１５０〜−１００℃の範囲のＬＮＧの冷熱を利用することによって、効率的にＬＮＧの冷熱を利用することができる。また、これを窒素ガスの圧縮エネルギーとして利用した場合には、液体窒素製造量当たりの必要エネルギー（消費電力）を大幅に低減することができる。
【００３７】
以上、各構成例について、各説明図を基に説明したが、本装置あるいは本液化装置は、これらに限定されず、その構成要素の組合せあるいは関連する公知の構成要素との組合せを含む広い概念で構成されるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１    第１圧縮手段（圧縮ポンプ）
２    第１熱交換器
３    膨張手段（タービン）
４    第２熱交換器
５    給送ポンプ
６    第２圧縮手段（コンプレッサー）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014142161.tif 000008
【図６】
2014142161.tif 000009
【図７】
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