(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
臨界圧力以上に圧縮したガスを臨界温度以下に冷却して液化する方法において、原料ガスを圧縮機（２）で圧縮する工程と、圧縮ガスを冷膨張タービン（９）に直結したブロワー（１１）に導入して昇圧する工程と、昇圧ガスを分岐し、その一方を熱交換器（１５）の冷却ライン（２４）に導入して冷却する工程と、冷却ガスを前記冷膨張タービン（９）に導入して該冷膨張タービン（９）の出口で液化させずに膨張降温させた後、前記熱交換器（１５）に冷却源ガスとして導入し、熱交換器（１５）から導出した昇温後の冷却源ガスを前記圧縮機（２）の相当する圧力段に導入して再圧縮する工程と、前記昇圧ガスの分岐した他方の昇圧ガスを温膨張タービン（８）に直結するブロワー（１０）に導入して臨界圧力以上に昇圧する工程と、更に昇圧したガスを更に分岐し、その一方を前記熱交換器（１５）の液化ライン（１６）に導入して冷却する工程と、前記更に昇圧したガスの分岐した他方のガスを冷凍機（５９）で冷却した後、前記熱交換器（１５）の液化ライン（１６）中の相当温度部分に導入して合流させるか、又は前記熱交換器（１５）で寒冷回収後に前記圧縮機（２）の相当する圧力段に導入する工程と、液化ライン（１６）の途中から一部のガスを抜き出して前記温膨張タービン（８）に導入し、膨張降温させた後、前記熱交換器（１５）の冷却源ガスに相当温度部分で合流させる工程と、前記熱交換器（１５）の液化ライン（１６）で臨界温度以下まで冷却したガスを膨脹弁（２０）でＪＴ膨張させて液化ガスとして取り出す工程と、を含むことを特徴とするガスの液化方法。
【請求項２】
前記圧縮ガスを前記ブロワー（１１）で臨界圧力以上に昇圧することを特徴とする請求項１記載のガスの液化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの液化方法に関し、詳しくは、各種ガス、例えば、酸素，窒素，メタン等を臨界圧力以上に圧縮した後、冷却して液化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種ガスを液化する方法として様々な方法が用いられている。図４はその一例を示すものであり、以下、窒素ガスを液化する手順に従って説明する。
【０００３】
配管１から原料窒素ガスが導入され、多段圧縮機２で、例えば２８ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓまで圧縮される。この多段圧縮機２には、その途中に後述する配管３を通る例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓの窒素ガスが導入され、原料窒素ガスと共に圧縮される。
【０００４】
この圧縮された窒素ガスは、アフタークーラー４で冷却された後、配管５を通り、配管６と配管７とに分岐し、それぞれ膨張タービン８，９に直結した昇圧ブロワー１０，１１に導入され、臨界圧力以上の圧力に昇圧される。
【０００５】
一方の配管６を通る圧縮窒素ガスは、昇圧ブロワー１０で昇圧され、アフタークーラー１２で冷却された後、例えば、４２ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓの臨界圧力以上の昇圧窒素ガスとなり、配管１３を通ってコールドボックス１４に導入される。この昇圧窒素ガスは、熱交換器１５の液化ライン１６に導入されて冷却され、一部が配管１７に分岐し、残りの窒素ガスは、配管１８を通って臨界温度の−１４７．１℃以下（例えば−１７３．０℃、４２ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓ）に冷却される。この冷却された窒素ガスは、熱交換器１５から配管１９に導出された後、膨張弁２０にて必要な圧力（例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓ）にＪＴ膨張（等エンタルピー膨張）した後、配管２１を通って気液分離器（図示せず）に導入され、フラッシュガスと液化窒素とに分離し、フラッシュガスは、例えば、後述の配管２６を流れる窒素ガスに合流し、液化窒素は製品として採取される。
【０００６】
液化ライン１６から分岐した配管１７を通る窒素ガスは、例えば４２ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓの圧力から膨張タービン８で、例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓに等エントロピー膨張して降温する。
【０００７】
他方の、昇圧ブロワー１１で昇圧された昇圧窒素ガスは、アフタークーラー２２で冷却され、例えば３８ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓの臨界圧力以上の昇圧窒素ガスとなり、配管２３を通って前記コールドボックス１４に導入される。この昇圧窒素ガスは、前記熱交換器１５の冷却ライン２４で冷却された後、配管２５を通って膨張タービン９で、例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓに等エントロピー膨張して降温する。この膨張降温した窒素ガスは、配管２６を通って熱交換器１５に冷却源ガスとして導入され、配管２７を通って液化ライン１６及び冷却ライン２４の温流体と熱交換することにより昇温し、さらに前記膨張タービン８で膨張降温した配管２８を通る窒素ガスと合流し、昇温して前記配管３に導出され、前記多段圧縮機２の圧力が適当な段に戻され、再圧縮されて循環する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようなプロセスを含む従来のガスの液化方法は、主に製品液化ガスの単位流量当たりの動力（動力原単位）を削減することを目的として設計されているが、この動力原単位は、回転機（膨張タービン，圧縮機等）の効率や熱交換器の効率等によって変化し、これらの効率は、ガスを液化するためのプロセスに依存する。
【０００９】
そこで本発明は、臨界圧力以上のガスを臨界温度より低い温度まで冷却する手段として、膨張タービンと冷凍機とを組合わせたプロセスにおいて、膨張タービンの出口でガスの一部を液化させることなく動力原単位を削減できるガスの液化方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガスの液化方法は、臨界圧力以上に圧縮したガスを臨界温度以下に冷却して液化する方法において、原料ガスを圧縮機で圧縮する工程と、圧縮ガスを冷膨張タービンに直結したブロワーに導入して昇圧する工程と、昇圧ガスを分岐し、その一方を熱交換器の冷却ラインに導入して冷却する工程と、冷却ガスを前記冷膨張タービンに導入して該冷膨張タービンの出口で液化させずに膨張降温させた後、前記熱交換器に冷却源ガスとして導入し、熱交換器から導出した昇温後の冷却源ガスを前記圧縮機の相当する圧力段に導入して再圧縮する工程と、前記昇圧ガスの分岐した他方の昇圧ガスを温膨張タービンに直結するに導入して臨界圧力以上に昇圧する工程と、更に昇圧したガスを更に分岐し、その一方を前記熱交換器の液化ラインに導入して冷却する工程と、前記更に昇圧したガスの分岐した他方のガスを冷凍機で冷却した後、前記熱交換器の液化ライン中の相当温度部分に導入して合流させるか、又は前記熱交換器で寒冷回収後に前記圧縮機の相当する圧力段に導入する工程と、液化ラインの途中から一部のガスを抜き出して前記温膨張タービンに導入し、膨張降温させた後、前記熱交換器の冷却源ガスに相当温度部分で合流させる工程と、前記熱交換器の液化ラインで臨界温度以下まで冷却したガスを膨脹弁でＪＴ膨張させて液化ガスとして取り出す工程と、を含むことを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明は、前記圧縮ガスを冷膨張タービンに直結する前記ブロワーで臨界圧力以上に昇圧することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図１は、本発明を適用した窒素ガス液化プロセスの一例を示すものである。なお、前記図４に示した従来例と同一要素のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００１３】
配管１から、例えば１０℃、１．１ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓ、１００００Ｎｍ３  ／ｈの原料窒素ガスが導入され、多段圧縮機２で例えば２６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓまで圧縮される。この多段圧縮機２は、１台以上の圧縮機を用い、その途中に後述する配管３を通る例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓの循環窒素ガスが導入され、原料窒素ガスと共に圧縮される。
【００１４】
この圧縮された窒素ガスは、アフタークーラー４，配管５を通り、低温側の膨張タービン、即ち冷膨張タービン９に直結した昇圧ブロワー１１で、例えば３１ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓに昇圧され、アフタークーラー２２で冷却された後、配管５１から配管５２と配管５３とに分岐する。
【００１５】
一方の配管５２に分岐した昇圧窒素ガス、例えば約６０％の昇圧窒素ガスは、高温側の膨張タービン、即ち温膨張タービン８に直結した昇圧ブロワー１０に導入され、臨界圧力以上の圧力に更に昇圧される。この更に昇圧された窒素ガスは、アフタークーラー１２で冷却された後、配管５４から配管５５と配管５６とに分岐される。配管５５に分岐した一方の窒素ガス、通常は５０％以上の窒素ガスは、弁５７で減圧された後、配管５８を通ってコールドボックス１４に導入され、熱交換器１５の液化ライン１６に流入する。一方、前記配管５６に分岐した窒素ガスは、冷凍機５９で冷却された後、配管６０を通ってコールドボックス１４に導入され、熱交換器１５の液化ライン１６を流れる前記窒素ガスと温度が一致する位置で合流する。
【００１６】
この液化ライン１６を流れる臨界圧力以上の窒素ガスは、その一部が熱交換器１５の途中で配管１７に分岐し、残りの窒素ガスが配管１８を通り、臨界温度の−１４７．１℃以下（例えば−１７３．０℃、４２ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓ）に冷却される。この冷却された窒素ガスは、配管１９を通って膨張弁２０にて必要な圧力（例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓ）に等エンタルピー膨張（ＪＴ膨張）した後、配管２１を通って気液分離器（図示せず）に導入され、フラッシュガスと液化窒素とに分離し、フラッシュガスは、例えば、配管２６を流れる窒素ガスに合流させて再循環させ、液化窒素は、１００００Ｎｍ３  ／ｈが製品として採取される。また、配管１７に分岐した窒素ガスは、例えば４２ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓの圧力から温膨張タービン８で、例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓに等エントロピー膨張して降温する。
【００１７】
一方、前記配管５３に分岐した昇圧窒素ガスは、前記熱交換器１５の冷却ライン２４に導入されて冷却された後、熱交換器１５の途中までの配管２５に導出され、冷膨張タービン９で、例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓに等エントロピー膨張して降温する。この膨張降温した窒素ガスは、配管２６を通って熱交換器１５の配管２７に冷却源ガスとして導入される。さらに、前記液化ライン１６から配管１７に分岐した窒素ガスは、前記温膨張タービン８で例えば６ｋｇ／ｃｍ２  ａｂｓに等エントロピー膨張して降温した後、配管２８を通って前記配管２７を流れる窒素ガスと温度が一致する位置で合流し、熱交換器１５で前記液化ライン１６及び冷却ライン２４の窒素ガスと熱交換することにより昇温し、前記配管３に導出された後、多段圧縮機２の圧力が適当な段に戻され、再圧縮されて循環する。また、上記配管２８を流れる膨張降温後の窒素ガスは、上記のように配管２７に合流させずに、破線で示す配管２９を通して寒冷を回収した後、前記多段圧縮機２の相当する圧力段に導入するようにしてもよい。
【００１８】
このように、臨界圧力以上に圧縮したガスを臨界温度以下に冷却して液化する方法において、原料ガスを多段圧縮機２で圧縮する工程と、圧縮ガスを冷膨張タービン９に直結した昇圧ブロワー１１に導入して臨界圧力以下に昇圧する工程と、昇圧ガスを配管５２と配管５３とに分岐し、配管５３に分岐した一方の昇圧ガスを熱交換器１５の冷却ライン２４に導入して冷却する工程と、冷却ライン２４から導出した冷却ガスを前記冷膨張タービン９に導入して膨張降温させた後、前記熱交換器１５の配管２７に冷却源ガスとして導入し、熱交換器１５から配管３に導出した昇温後の冷却源ガスを前記多段圧縮機２の相当する圧力段に導入して再圧縮する工程と、前記昇圧ガスの配管５２に分岐した他方の昇圧ガスを温膨張タービン８に直結する他の昇圧ブロワー１０に導入して臨界圧力以上の圧力に更に昇圧する工程と、臨界圧力以上に昇圧したガスを配管５５と配管５６とに更に分岐し、配管５５に分岐した一方のガスを前記熱交換器１５の液化ライン１６に導入して冷却する工程と、前記配管５６に分岐した他方の臨界圧力以上のガスを冷凍機５９で冷却した後、前記熱交換器１５の液化ライン１６中の相当温度部分に導入して合流させる工程と、液化ライン１６の途中から配管１７に一部のガスを抜き出して前記温膨張タービン８に導入し、膨張降温させた後、配管２８を介して前記熱交換器１５の配管２７を流れる冷却源ガスに相当温度部分で合流させるか、又は合流させずに前記熱交換器１５の配管２９で寒冷回収後に前記多段圧縮機２の相当する圧力段に導入する工程と、前記熱交換器１５の液化ライン１６で臨界温度以下まで冷却したガスを膨張弁２０でＪＴ膨張させて液化ガスとして取り出す工程とを行うことにより、図２に示すように、熱交換器１５における温流体と冷流体との温度差を、図３に示す従来のものに比べて全体的に接近させることができる。
【００１９】
一般に、熱交換器の効率は、温流体と冷流体との温度差が近い方が高くなるため、本発明方法を適用することにより、温流体と冷流体との熱交換を効率よく行うことができる。また、冷膨張タービン９に従来より低い圧力のガスを導入することにより、タービン出口でガスの一部を液化させることなく、タービン効率を向上させることができる。
【００２０】
したがって、熱交換効率及びタービン効率の向上により、ガスの液化効率を大幅に向上させることができ、例えば、上述の１００００Ｎｍ３  ／ｈの液化窒素を製造するプロセスにおいては、従来に比べて動力原単位を約４．２％削減することが可能となる。
【００２１】
なお、上記例では、冷膨張タービン９に導入するガスの圧力、すなわち、該冷膨張タービン９に直結した昇圧ブロワー１１で昇圧されたガスの圧力を臨界圧力以下に設定したが、該昇圧ブロワー１１により臨界圧力以上に昇圧するようにしてもよく、冷膨張タービン９における入口温度や膨張比を適当に設定してタービン出口でガスが液化しないようにすればよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガスの液化方法は、所定圧力に圧縮昇圧した原料ガスを冷膨張タービンに直結したブロワーで臨界圧力以下あるいは以上に昇圧し、さらにこの昇圧ガスを温膨張タービンに直結したブロワーで臨界圧力以上に昇圧するとともに、温膨張タービンに直結した該ブロワーで臨界圧力以上に昇圧した高圧側のガスを熱交換器の液化用の冷却経路に導入し、その一部を液化ガスとして取り出すようにするとともに、その残部を中間温度で温膨張タービンに導入して膨張降温させ、冷却源ガスの一部とし、かつ、冷膨張タービンに直結した前記ブロワーで昇圧した低圧側のガスを熱交換器で所定温度まで冷却後、冷膨張タービン出口で液化しないように膨張降温させて液化するガスを臨界温度以下に冷却する冷却源として用いることにより、従来より高い効率でガスを熱交換させることができ、ガスの液化に要する動力原単位を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したガス液化装置の一例を示す系統図である。
【図２】本発明を適用したガス液化装置における熱交換器のＱーＴ線図である。
【図３】従来のガス液化装置における熱交換器のＱーＴ線図である。
【図４】従来のガス液化装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
２…多段圧縮機、８…温膨張タービン、９…冷膨張タービン、１０，１１…昇圧ブロワー、１４…コールドボックス、１５…熱交換器、１６…液化ライン、２０…膨張弁、２４…冷却ライン、５９…冷凍機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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