(57)【要約】【課題】ＬＮＧにより炭酸ガスを効率よく冷却液化することができる熱交換装置及び炭酸ガスの液化方法を提供する。【解決手段】炭酸ガスと中間冷媒とを熱交換させる第１熱交換器１１と、ＬＮＧと前記中間冷媒とを熱交換させる第２熱交換器２１とを備え、ＬＮＧの冷熱により中間冷媒を介して炭酸ガスを冷却液化する際に好適な熱交換装置であって、第１熱交換器及び第２熱交換器は、中間冷媒が封入される容器１２，２２と、該容器内に設けられて炭酸ガス又はＬＮＧが流れる流体通路１３，２３とをそれぞれ有しており、両熱交換器の容器には、第２熱交換器の容器内の液相を第１熱交換器の容器内に導入する液相管路１５と、第１熱交換器の容器内の気相を第２熱交換器の容器内に導入する気相管路２５とを備えるとともに、中間冷媒には、その融点がＬＮＧの温度よりも低い冷媒を用いる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却流体と中間冷媒とを熱交換させる第１熱交換器と、冷却源流体と前記中間冷媒とを熱交換させる第２熱交換器とを備え、前記冷却源流体の冷熱により前記中間冷媒を介して前記被冷却流体を冷却するための熱交換装置であって、前記第１熱交換器及び第２熱交換器は、前記中間冷媒が封入される容器と、該容器内に設けられて前記被冷却流体又は前記冷却源流体が流れる流体通路とをそれぞれ有しており、両熱交換器の容器には、第２熱交換器の容器内の液相を第１熱交換器の容器内に導入する液相管路と、第１熱交換器の容器内の気相を第２熱交換器の容器内に導入する気相管路とを備えるとともに、前記中間冷媒として、その融点が前記冷却源流体の第２熱交換器への導入温度よりも低い冷媒を用いたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記被冷却流体が炭酸ガスであり、前記冷却源流体が液化天然ガスであり、前記中間冷媒が、トリフルオロメタン、エタン、プロパン及びプロピレンの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
請求項１記載の熱交換装置の制御方法であって、前記中間冷媒の圧力に応じて前記第２熱交換器に流入する前記冷却源流体の流入量を調整することにより、中間冷媒の温度を制御することを特徴とする熱交換装置の制御方法。
【請求項４】
請求項１記載の熱交換装置を使用した炭酸ガス液化設備を使用して炭酸ガスを冷却液化する方法であって、原料炭酸ガスを圧縮し、乾燥器に導入して含有水分を除去し、続いて脱臭器に導入して含有臭気成分を除去して炭酸ガスを精製した後、該精製炭酸ガスを前記熱交換装置における第１熱交換器の流体通路に導入して該第１熱交換器の容器内に導入された中間冷媒によって冷却液化して製品液化炭酸ガスを得るとともに、該第１熱交換器の容器内で精製炭酸ガスを冷却することによって気化した中間冷媒を気相管路を介して前記第２熱交換器の容器内に導入し、該第２熱交換器の流体通路に導入した液化天然ガスの冷熱によって中間冷媒を冷却液化し、液化した中間冷媒を液相管路を介して第１熱交換器の容器内に循環導入することを特徴とする液化天然ガスの冷熱を利用した炭酸ガスの液化方法。
【請求項５】
前記中間冷媒が、トリフルオロメタン、エタン、プロパン及びプロピレンの少なくとも一種であることを特徴とする請求項４記載の液化天然ガスの冷熱を利用した炭酸ガスの液化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換装置及び液化天然ガスの冷熱を利用した炭酸ガスの液化方法に関し、詳しくは、液化天然ガスが有する冷熱を効率よく炭酸ガスに伝達することができる熱交換装置の構成、及び、この構成の熱交換装置を使用することにより、液化天然ガスの冷熱を有効に利用して炭酸ガスを効率よく精製液化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液化天然ガス（ＬＮＧ）は、一般に、−１５０〜−１６０℃の温度で液体としてタンクにて貯蔵されており、都市ガスや発電用ガスとして用いる場合には、蒸発器を通して温水や海水で加熱することによりガス化させるようにしている。また、一部の空気液化分離装置やガス液化装置では、ＬＮＧの冷熱をガス冷却用に使用することが行われている。
【０００３】
一方、食品用をはじめとして各種用途に幅広く利用されている液化炭酸ガスは、石油精製設備等から排出される水分や臭気成分といった不純物を含む炭酸ガスを精製して不純物を除去した後、冷却して液化することにより製造されている。炭酸ガスを冷却液化するための冷却源としては、一般的な冷凍機が広く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
炭酸ガスを液化する際の冷却源として、前記ＬＮＧの冷熱を利用することも考えられるが、炭酸ガスの融点（固化点）が−５６．６℃であるため、単に両者を熱交換させると熱交換器内で炭酸ガスが固化して流路を閉塞する可能性がある。このため、炭酸ガスを液化する工程では、電力等のランニングコストが高いにもかかわらず、複数の冷凍機を使用せざるを得なかった。
【０００５】
そこで本発明は、極低温の冷却源流体、例えばＬＮＧにより、固化点が比較的高い被冷却流体、例えば炭酸ガスを冷却する際に、炭酸ガスを固化させることなく効率よく冷却することができる熱交換装置を提供するとともに、該熱交換装置を使用した炭酸ガスの液化方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の熱交換装置は、被冷却流体と中間冷媒とを熱交換させる第１熱交換器と、冷却源流体と前記中間冷媒とを熱交換させる第２熱交換器とを備え、前記冷却源流体の冷熱により前記中間冷媒を介して前記被冷却流体を冷却するための熱交換装置であって、前記第１熱交換器及び第２熱交換器は、前記中間冷媒が封入される容器と、該容器内に設けられて前記被冷却流体又は前記冷却源流体が流れる流体通路とをそれぞれ有しており、両熱交換器の容器には、第２熱交換器の容器内の液相を第１熱交換器の容器内に導入する液相管路と、第１熱交換器の容器内の気相を第２熱交換器の容器内に導入する気相管路とを備えるとともに、前記中間冷媒として、その融点が前記冷却源流体の第２熱交換器への導入温度よりも低い冷媒を用いたことを特徴としている。この熱交換装置は、前記被冷却流体としての炭酸ガスを、前記冷却源流体としての液化天然ガスで冷却液化する際に利用することができ、前記中間冷媒には、第２熱交換器への液化天然ガスの導入温度、すなわち、一般的な液化天然ガスの貯蔵温度より低い融点を有するトリフルオロメタン、エタン、プロパン、プロピレンを使用することができる。
【０００７】
さらに、本発明の熱交換装置の制御方法は、前記中間冷媒の圧力に応じて前記第２熱交換器に流入する前記冷却源流体の流入量を調整することにより、中間冷媒の温度を制御することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の炭酸ガスの液化方法は、前記構成の熱交換装置を使用した炭酸ガス液化設備を使用して炭酸ガスを冷却液化する方法であって、原料炭酸ガスを圧縮し、乾燥器に導入して含有水分を除去し、続いて脱臭器に導入して含有臭気成分を除去して炭酸ガスを精製した後、該精製炭酸ガスを前記熱交換装置における第１熱交換器の流体通路に導入して該第１熱交換器の容器内に導入された中間冷媒によって冷却液化して製品液化炭酸ガスを得るとともに、該第１熱交換器の容器内で精製炭酸ガスを冷却することによって気化した中間冷媒を気相管路を介して前記第２熱交換器の容器内に導入し、該第２熱交換器の流体通路に導入した液化天然ガスの冷熱によって中間冷媒を冷却液化し、液化した中間冷媒を液相管路を介して第１熱交換器の容器内に循環導入することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の熱交換装置を示す断面図、図２は本発明の熱交換装置を予備冷却用熱交換装置と液化用熱交換装置とに使用した炭酸ガス液化設備の一形態例を示す系統図である。
【００１０】
まず、図１に示すように、本発明の熱交換装置１０は、被冷却流体と中間冷媒とを熱交換させる第１熱交換器１１と、冷却源流体と前記中間冷媒とを熱交換させる第２熱交換器２１とを有している。各熱交換器１１，２１は、前記中間冷媒が封入される容器１２，２２と、該容器１２，２２内に設けられて前記被冷却流体が流れる流体通路１３又は前記冷却源流体が流れる流体通路２３と、各流体通路１３又は流体通路２３に被冷却流体又は冷却源流体を導入、導出するためのヘッダー１４，２４と、第２熱交換器２１の容器２２内の液相Ｌを第１熱交換器１１の容器１２内に導入する液相管路１５と、第１熱交換器１１の容器１２内の気相Ｇを第２熱交換器２１の容器２２内に導入する気相管路２５とを備えている。
【００１１】
被冷却流体は、例えばガス状で第１熱交換器１１に導入されて冷却液化されるものであって、このとき、ガス状の被冷却流体ＰＧは、導入管１６からヘッダー１４の上部室１４ａを経て流体通路１３に流入し、容器１２内の中間冷媒によって冷却されて液化し、液状の被冷却流体ＰＬとなり、ヘッダー１４の下部室１４ｂを通って導出管１７に流出する。
【００１２】
また、冷却源流体は、例えば液状で第２熱交換器２１に導入されて加熱気化されるものであって、このとき、液状の冷却源流体ＣＬは、導入管２６からヘッダー２４の下部室２４ａを経て流体通路２３に流入し、容器２２内の中間冷媒によって加熱されて気化し、ガス状の冷却源流体ＣＧとなり、ヘッダー２４の上部室２４ｂを通って導出管２７に流出する。
【００１３】
一方、前記中間冷媒は、前記第２熱交換器２１で前記冷却源流体と熱交換することにより冷却されて液化し、前記液相管路１５を通って前記第１熱交換器１１に導入され、該第１熱交換器１１で被冷却流体と熱交換することにより加熱されて気化し、前記気相管路２５を通って前記第２熱交換器２１に循環する。すなわち、第２熱交換器２１での冷却液化と、第１熱交換器１１での加熱気化とを繰り返すことによって冷却源流体と被冷却流体とを間接的に熱交換させ、これによって冷却源流体を加熱気化し、被冷却流体を冷却液化することになる。
【００１４】
このとき、第１熱交換器１１の容器１２と、第２熱交換器２１の容器２２とは、液相管路１５及び気相管路２５とで接続されているので、両容器１２，２２の圧力は等しくなる。このため、中間冷媒の融点、沸点は等しくなる。また、容器２２の液化中間冷媒（液相）は、液相管路１５により容器１２に供給循環しているため、容器１２及び容器２２における液化中間冷媒の温度も基本的に等しくなる。
【００１５】
ここで、中間冷媒としては、その融点（固化点）が前記冷却源流体の第２熱交換器２１への導入温度よりも低い冷媒を用いる必要がある。すなわち、中間冷媒の融点が前記冷却源流体の導入温度以上の場合は、第２熱交換器２１での熱交換の際に、中間冷媒が伝熱面に固化してしまう可能性が高くなり、これによって伝熱効率が低下するだけでなく、熱交換器の構造によっては、中間冷媒の流通を阻害して熱交換操作を行えなくなるおそれがある。
【００１６】
同様に、第１熱交換器１１においても、被冷却流体の融点と中間冷媒の温度とを考慮する必要があり、第１熱交換器１１で被冷却流体が固化しないように、中間冷媒の温度は、被冷却流体の融点以上とする。この中間冷媒の温度制御は、第１熱交換器１１の容器１２や第２熱交換器２１の容器２２、あるいは、液相管路１５や気相管路２５に圧力計２８を設置するとともに、冷却源流体ＣＬが第２熱交換器２１に流入する導入管２６に流量調節弁２９を設置し、前記圧力計２８で測定した中間冷媒の圧力に応じて前記流量調節弁２９を作動させ、第２熱交換器２１に流入する冷却源流体の流入量を調整することにより行うことができる。
【００１７】
例えば、被冷却流体の流量が増大したり、温度が上昇したりすると、第１熱交換器１１における中間冷媒の温度が上昇して気化量が増大し、中間冷媒の圧力が高くなるので、この圧力上昇に応じて第２熱交換器２１への冷却源流体の流入量を増加させ、第２熱交換器２１における中間冷媒の液化量を増大させることにより、中間冷媒を適切な温度に調整することができる。すなわち、被冷却流体の状態が変動する場合であっても、中間冷媒の圧力を一定に保つように冷却源流体の流入量を調整することにより、中間冷媒の温度を一定に制御して安定した運転を行うことができる。
【００１８】
なお、被冷却流体、冷却源流体及び中間冷媒の状態は、前記熱交換過程で全て液状又はガス状であってもよく、被冷却流体、冷却源流体及び中間冷媒が熱交換によって相変化を伴わない場合の各流体の導入、導出経路は任意であり、ポンプ等の移送手段を用いることもできる。中間冷媒においては、潜熱を有効に利用して熱交換効率を高めることができるように、第２熱交換器２１での熱交換温度で液化し、第１熱交換器１１での熱交換温度で気化するように熱交換条件を設定することことが好ましい。
【００１９】
例えば、前記冷却源流体が、−１５０℃程度で貯蔵されている液化天然ガスの場合は、融点が−１５５．０℃で沸点が−８２．０５℃のトリフルオロメタン、融点が−１８３．２℃で沸点が−８８．５５℃のエタン、融点が−１８７．７℃で沸点が−４２．０５℃のプロパン、融点が−１８５．３℃で沸点が−４７．６５℃のプロピレン等が適当である。そして、被冷却流体が、固化点が−５６．６℃の炭酸ガスの場合は、第１熱交換器１１における中間冷媒の温度を、この温度（−５６．６℃）以上に設定すればよい。なお、温度設定は、沸点が負圧にならないように、各流体の圧力も考慮して行われる。
【００２０】
第１熱交換器１１と第２熱交換器２１との間の液相管路１５及び気相管路２５を介しての中間冷媒の移動は、ポンプ等を使用してもよいが、中間冷媒が液化する第２熱交換器２１を第１熱交換器１１より高い位置に設置することにより、液相の移動を自然流下によって円滑に行うことができるとともに、第１熱交換器１１における中間冷媒の貯液量を多くすることができる。
【００２１】
次に、図２に基づいて、石油精製設備から排出される水分や臭気成分を含む炭酸ガスを精製して液化する本発明の炭酸ガスの液化方法の一例を、具体的に説明する。なお、前記熱交換装置１０を使用した予備冷却用熱交換装置及び液化用熱交換装置において、予備冷却用熱交換装置には図１に記載した符号に１００を加えた符号を、液化用熱交換装置には図１に記載した符号に２００を加えた符号をそれぞれ付し、各熱交換装置における詳細な説明は省略する。
【００２２】
まず、石油精製設備から排出された１００００Ｎｍ３／ｈ、１０ｋＰａＧ、４０℃の炭酸ガス（原料炭酸ガス）ＭＣは、圧縮機３１で２５００ｋＰａＧまで圧縮された後、アフタークーラー３２で４０℃に冷却される。圧縮された原料炭酸ガスは、予備冷却用熱交換装置１１０に導入される。また、冷却源流体である液化天然ガス（ＬＮＧ）は、ＬＮＧ貯槽３３からＬＮＧ経路３４に抜き出されて第１ＬＮＧ経路３５と第２ＬＮＧ経路３６とに分岐し、一方は第１ＬＮＧ経路３５から弁３７を経て予備冷却用熱交換装置１１０の第２熱交換器１２１に導入され、他方は第２ＬＮＧ経路３６から弁３８を経て液化用熱交換装置２１０の第２熱交換器２２１に導入される。また、両熱交換装置１１０，２１０における中間冷媒には、トリフルオロメタンを使用した。
【００２３】
前記予備冷却用熱交換装置１１０では、第２熱交換器１２１において、液導入管１２６からヘッダー１２４を経て流体通路１２３に導入された１．２ｔｏｎ／ｈ、１１００ｋＰａＧ、−１５２℃のＬＮＧと、容器１２２内の５．２ｔｏｎ／ｈ、２４００ｋＰａＧ、０℃のガス状のトリフルオロメタンとが熱交換を行い、ＬＮＧが−６０℃に加熱されてガス化するとともに、トリフルオロメタンが冷却されて液化する。
【００２４】
液状のトリフルオロメタンは、液相管路１１５から第１熱交換器１１１の容器１１２内に流入し、前記アフタークーラー３２から導入管１１６、ヘッダー１１４を経て流体通路１１３に導入された前記原料炭酸ガスと熱交換を行い、原料炭酸ガスを７℃まで冷却するとともに、液状の中間冷媒は加熱されて気化し、気相管路１２５を通って第２熱交換器１２１の容器１２２に循環する。一方、冷却された原料炭酸ガスは、ガス状のまま導出管１１７に流出してドレン分離器３９に導入される。なお、前記第１熱交換器１１１の運転条件は、熱交換の際に流体通路１１３の壁面（伝熱面）で水分が固化しないように設定される。
【００２５】
ドレン分離器３９で凝縮した水分を分離した原料炭酸ガスは、乾燥器４１に導入される。この乾燥器４１は、水分除去用の吸着剤を充填した２基の乾燥筒４２ａ，４２ｂを切換使用するものであって、入口弁４３ａ，４３ｂ、出口弁４４ａ，４４ｂ、再生入口弁４５ａ，４５ｂ、再生出口弁４６ａ，４６ｂをあらかじめ設定した順序で切換開閉することにより、一方の乾燥筒で原料炭酸ガス中の水分を吸着除去する吸着工程と、他方の乾燥筒で吸着剤に吸着した水分を、再生ガス加熱器４７で加熱した再生ガスＲＧで脱着する再生工程とを順次繰り返しながら連続的に原料炭酸ガス中の水分を完全に除去するようにしている。
【００２６】
乾燥器４１で水分を除去された原料炭酸ガスは、続いて脱臭器５１に導入される。この脱臭器５１は、活性炭が充填された脱臭筒５２ａ，５２ｂを備えており、脱臭操作を行っている一方の脱臭筒が飽和したら、入口弁５３ａ，５３ｂ、出口弁５４ａ，５４ｂを切換開閉して他方の脱臭筒で脱臭操作を開始し、一方の脱臭筒の臭気成分が飽和した活性炭を新しい活性炭に交換する。
【００２７】
水分及び臭気成分が除去された精製炭酸ガスは、導入管２１６を通って液化用熱交換装置２１０の第１熱交換器２１１に導入される。この液化用熱交換装置２１０においても、第２熱交換器２２１で冷却源流体であるＬＮＧの冷熱により中間冷媒であるトリフルオロメタンが冷却液化され、このトリフルオロメタンが第１熱交換器２１１で精製炭酸ガスを−２０℃に冷却する。これにより、流体通路２１３内を流れる精製炭酸ガスが液化し、製品液化炭酸ガスＰＣとなる。
【００２８】
例えば、第２熱交換器２２１において、９．２ｔｏｎ／ｈ、１１００ｋＰａＧ、−１５２℃のＬＮＧと、３０ｔｏｎ／ｈ、９１０ｋＰａＧ、−３０℃のガス状のトリフルオロメタンとを熱交換させてＬＮＧを−６０℃まで加熱して気化するとともに、トリフルオロメタンを冷却して液化させる。液化されたトリフルオロメタンを第１熱交換器２１１に導入して精製炭酸ガスと熱交換させることにより、精製炭酸ガスを−２０℃に冷却して液化させるとともに、トリフルオロメタンを気化させて第２熱交換器２２１に循環させる。
【００２９】
製品液化炭酸ガスＰＣは、導出管２１７から気液分離器６１に導入され、液化用熱交換装置２１０で液化できなかった低沸点成分（窒素等）を分離した後、弁６２を経て製品貯槽６３に送液される。なお、炭酸ガス以外の不純物成分を気液分離器６１だけでは分離できない場合は、精留塔等を使用して精製することも可能であり、精留の際の凝縮器用冷熱として、ＬＮＧの冷熱により液化した中間冷媒をガス化させることにより得られる冷熱を利用することも可能である。
【００３０】
一方、前記予備冷却用熱交換装置１１０の第２熱交換器１２１及び液化用熱交換装置２１０の第２熱交換器２２１において気化した天然ガス（ＮＧ）は、蒸発器７１で温水や海水で常温まで加熱された後、弁７２を通して都市ガス等として利用される。このとき、蒸発器７１に導入される天然ガスが−６０℃まで加熱されているので、蒸発器７１に大きな熱交換能力が不要となり、蒸発器の小型化等のコストダウンを図ることができる。
【００３１】
なお、本例では、熱交換装置１０を予備冷却用熱交換装置１１０と液化用熱交換装置２１０とに分けて設置したが、第１熱交換器１１１，２１１における容器１１２，２１２や、第２熱交換器１２１，２２１における容器１２２，２２２を、一つの容器にまとめることもできる。例えば、第２熱交換器を１基だけ設置するとともに、この第２熱交換器の容器に接続した液相管路及び気相管路を分岐させて各第１熱交換器１１１，２１１の容器１２２，２２２にそれぞれ接続するようにしてもよい。これによって最小構成の熱交換装置で原料炭酸ガスの予備冷却と精製炭酸ガスの冷却液化とを行うことができ、炭酸ガス液化設備における熱交換装置部分の小型化を図れる。
【００３２】
また、本例では中間冷媒としてトリフルオロメタンを用いたが、ＬＮＧの温度が−１５５℃以下の場合は、トリフルオロメタンが固化する可能性があるため、前述のエタン、プロパン、プロピレンを用いることが好ましい。なお、これらの中間冷媒は適当に混合して用いることも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、適当な中間冷媒を使用することにより、熱交換器内で被冷却流体が固化することを防止して効率よく被冷却流体を冷却することができる。特に、ＬＮＧをガス化する際の冷熱を有効に利用して炭酸ガスを冷却、液化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換装置を示す断面図である。
【図２】本発明の熱交換装置を予備冷却用熱交換装置と液化用熱交換装置とに使用した炭酸ガス液化設備の一形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１０…熱交換装置、１１…第１熱交換器、１２…容器、１３…流体通路、１４…ヘッダー、１５…液相管路、１６…導入管、１７…導出管、２１…第２熱交換器、２２…容器、２３…流体通路、２４…ヘッダー、２５…気相管路、２６…導入管、２７…導出管、２８…圧力計、２９…流量調節弁、３１…圧縮機、３２…アフタークーラー、３３…ＬＮＧ貯槽、３９…ドレン分離器、４１…乾燥器、４２ａ，４２ｂ…乾燥筒、４７…再生ガス加熱器、５１…脱臭器、５２ａ，５２ｂ…脱臭筒、６１…気液分離器、６４…製品貯槽、７１…蒸発器、１１０…予備冷却用熱交換装置、１１１…第１熱交換器、１２１…第２熱交換器、２１０…液化用熱交換装置、２１１…第１熱交換器、２２１…第２熱交換器
【図１】
2004069215.tif 000003
【図２】
2004069215.tif 000004