(57)【要約】【課題】  排ガス中のＣＯ2をＬＮＧの冷熱を有効に利用しながら除去する一方で、装置の閉塞トラブルを回避できるようにする。【解決手段】  外胴２２の内部に内伝熱管２８と外伝熱管３０とを二重に配し、内伝熱管２８と外伝熱管３０との間にＮＧ通路３２を形成する。また、外胴２２内を仕切板３４により上下に仕切り、外伝熱管３０の下端部をこの仕切板３４に固定した。そして、ＣＯ2を含む排ガスが外胴２２上部の導入管２４ａから内伝熱管２８内を通って外胴２２下部の導出管２６ａから導出される一方、低温液化ガスであるＬＮＧが外胴２２の中間部分の導入管４０から外伝熱管３０外側の第１室３６に導入され、この第１室３６を上昇した後、ＮＧ通路３２に入り、ここを下降して外胴２２下部の第２室３８に入り導出管４２から外部に導出されるように構成した。【選択図】      図１
2005170722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含むガス中の前記二酸化炭素を液化して分離除去する方法であって、
内外の流路をもつ二重管構造の伝熱管のうち内側流路に二酸化炭素を含む対象ガスを、外側流路に二酸化炭素の液化温度よりも低温のガス状体をそれぞれ同一方向に流通させる一方、この伝熱管の外側を前記対象ガスとは反対方向に低温液化ガスを流通させ、この低温液化ガスと前記対象ガスとを前記ガス状体を介して熱交換させることにより前記対象ガスを二酸化炭素の液化温度以下であって凝固温度以上の温度まで冷却して該対象ガス中の二酸化炭素を液化させる一方、この熱交換により前記伝熱管外側の低温液化ガスを気化させ、この気化した低温液化ガスを前記ガス状体として前記伝熱管の外側流路に導入し流通させることを特徴とする二酸化炭素の液化分離方法。
【請求項２】
外側容器と、この外側容器内に設けられて両端部が外側容器に固定され、内部に二酸化炭素を含む対象ガスが流される内伝熱管と、この内伝熱管の径方向外側に設けられ、かつ内伝熱管よりも短い軸長を有し、該内伝熱管の外面との間にガス通路を形成する外伝熱管と、前記外伝熱管の端部であって前記対象ガスの流れ方向上流側の端部に前記外側容器の外部から低温液化ガスを導入する導入部と、低温液化ガスから生成されるガス状体を前記外側容器の端部であって前記対象ガスの流れ方向下流側の端部において外側容器から導出する導出部と、前記ガス通路を含み前記導入部から導入される低温液化ガスを前記導出部に案内する流路とを備え、この流路は、外側容器内に導入される低温液化ガスが外伝熱管の外面に沿って内伝熱管内の対象ガスとは反対方向に流通し、この流通中に前記ガス通路を隔てて前記内伝熱管内の対象ガスと熱交換することにより気化した後、前記外伝熱管の端部であって前記対象ガスの流れ方向上流側の端部から前記ガス通路に入って前記対象ガスと同方向に流通し、このガス通路から出て前記導出部に案内されるように構成されていることを特徴とする二酸化炭素の液化分離装置。
【請求項３】
請求項２に記載の二酸化炭素の液化分離装置において、
前記内伝熱管および外伝熱管のうち前記導入部に対応する部分の径がそれ以外の部分よりも大きく形成されていることを特徴とする二酸化炭素の液化分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）受入基地での水素精製システム等に適した二酸化炭素の液化分離方法および同装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素の原料として天然ガスが注目を集めており、例えば液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）受入基地に水素精製システムを設け、高純度の水素ガスを精製することが行われている。
【０００３】
図３は、そのような精製システムを系統図で示している。同図において、液化天然ガスタンク１０内には例えば輸送船で運び込まれたＬＮＧが貯溜されている。このＬＮＧが気化器１２に圧送され、海水等との熱交換により気化することにより、天然ガス（以下、ＮＧという）が生成される。ＮＧは基本的に発電所その他の燃料需要先へ送られるが、その一部は水素原料として水素ガス製造装置１４へ導入される。そして、この水素ガス製造装置１４において例えば水蒸気改質のプロセスと水素ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）のプロセスを経ることにより前記ＮＧから富水素ガスが生成され、さらにこの水素ガスが圧縮されることにより高純度の製品水素ガスが精製される。なお、このような水素製造プロセスについては特許文献１に開示されている。
【０００４】
そして、水素ガス製造装置１４からの排ガス、すなわち前記水素ＰＳＡのプロセスで副生される水素と二酸化炭素等との混合ガスが圧縮機１６を経てＣＯ2液化分離装置１８に圧送され、ここでＬＮＧとの熱交換に供されることによりＣＯ2が液化分離され、残った水素ガスが再度水素ガス製造装置１４に導入される一方で、ＬＮＧが気化されて燃料需要先へ送られるように構成されている。
【特許文献１】特開２０００−３２７３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような水素精製システムは、水素ガス製造装置１４で副生される排ガスをＣＯ２液化分離装置１８においてＬＮＧと熱交換させ、これにより排ガス中のＣＯ2を液化させて分離する一方で、ＬＮＧを気化させてＮＧを生成する構成であるため、ＬＮＧの冷熱（気化潜熱）を有効利用した合理的なシステムといえる。
【０００６】
ところが、このシステムにおいては、上記ＣＯ2液化分離装置１８が二重管構造の熱交換器から構成され、さらにＣＯ2を確実に分離するために排ガスをＣＯ2の固化温度ぎりぎりまで冷却するのが一般的であるため、過冷却が生じて排ガスに含まれるＣＯ2の一部が固化（ドライアイス化）して伝熱管に堆積し、その結果、ＣＯ2液化分離装置１８が閉塞することがある。そのため、これを防止するために高い頻繁で保守点検作業を行い、あるいは複数のＣＯ2液化分離装置１８を設けて定期的に使い分けることが行われており、運転管理が煩雑であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、排ガス中のＣＯ2をＬＮＧの冷熱を有効に利用しながら液化分離する一方で、ＣＯ2の固化に伴う閉塞トラブルを回避できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る二酸化炭素の液化分離方法は、二酸化炭素を含むガス中の前記二酸化炭素を液化して分離除去する方法であって、内外の流路をもつ二重管構造の伝熱管のうち内側流路に二酸化炭素を含む対象ガスを、外側流路に二酸化炭素の液化温度よりも低温のガス状体をそれぞれ同一方向に流通させる一方、この伝熱管の外側を前記対象ガスとは反対方向に低温液化ガスを流通させ、この低温液化ガスと前記対象ガスとを前記ガス状体を介して熱交換させることにより前記対象ガスを二酸化炭素の液化温度以下であって凝固温度以上の温度まで冷却して該対象ガス中の二酸化炭素を液化させる一方、この熱交換により前記伝熱管外側の低温液化ガスを気化させ、この気化した低温液化ガスを前記ガス状体として前記伝熱管の外側流路に導入し流通させることを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
また、本発明に係る二酸化炭素の液化分離装置は、外側容器と、この外側容器内に設けられて両端部が外側容器に固定され、内部に二酸化炭素を含む対象ガスが流される内伝熱管と、この内伝熱管の径方向外側に設けられ、かつ内伝熱管よりも短い軸長を有し、該内伝熱管の外面との間にガス通路を形成する外伝熱管と、前記外伝熱管の端部であって前記対象ガスの流れ方向上流側の端部に前記外側容器の外部から低温液化ガスを導入する導入部と、低温液化ガスから生成されるガス状体を前記外側容器の端部であって前記対象ガスの流れ方向下流側の端部において外側容器から導出する導出部と、前記ガス通路を含み前記導入部から導入される低温液化ガスを前記導出部に案内する流路とを備え、この流路は、外側容器内に導入される低温液化ガスが外伝熱管の外面に沿って内伝熱管内の対象ガスとは反対方向に流通し、この流通中に前記ガス通路を隔てて前記内伝熱管内の対象ガスと熱交換することにより気化した後、前記外伝熱管の端部であって前記対象ガスの流れ方向上流側の端部から前記ガス通路に入って前記対象ガスと同方向に流通し、このガス通路から出て前記導出部に案内されるように構成されているものである（請求項２）。
【００１０】
この装置においては、前記内伝熱管および外伝熱管のうち前記導入部に対応する部分の径がそれ以外の部分よりも大きく形成されているのが好ましい（請求項３）。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る方法によると、低温液化ガスと対象ガスとの間にガス状体（低温液化ガスが気化したもの）を介在させ、これによって低温液化ガスよりも温度の高いガス状体を介して対象ガスを冷却するため、対象ガスを低温液化ガスそのものと直接熱交換させる場合に比べて対象ガスが過冷却され難くなる。従って、プラント（熱交換器）内で対象ガス中の二酸化炭素が固化することによる閉塞トラブルを未然に回避できるようになる。
【００１２】
請求項２に係る装置によると、二酸化炭素を含む対象ガスが内伝熱管内を流れる一方、ＬＮＧ等の低温液化ガスが外伝熱管の外側を対象ガスとは反対方向に流れる。これにより低温液化ガスと対象ガスとがガス通路を介して熱交換され、内伝熱管内を流れる対象ガス中の二酸化炭素が液化されて取出されることとなる。他方、低温液化ガスは、この熱交換によりガス化した状態でガス通路に入り、ここで一旦冷却された後、ガス通路から導出部に案内されてここから取出されることとなる。この装置によると、低温液化ガスと対象ガスとの熱交換をガス通路を挟んだ状態で、すなわち低温液化ガスよりも温度の高いガス状体（低温液化ガスが気化したもの）を間に介在させた状態で行うため、対象ガスを低温液化ガスそのものと直接熱交換させる場合に比べて対象ガスが過冷却され難くなる。従って、対象ガス中の二酸化炭素がドライアイス化し難くなり、装置の閉塞トラブルを効果的に防止することができるようになる。
【００１３】
なお、導入部に対応する部分では上記のようにガス通路内のガス状体の温度が一旦下がるため二酸化炭素がドライアイス化して多少堆積することが考えられるが、請求項３に係る装置のように内伝熱管および外伝熱管のうち低温液化ガスの導入部に対応する部分の径をその他の部分よりも大きく形成しておけば、後述するように安価な構成で装置の閉塞トラブルを確実に防止できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の最良の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る二酸化炭素（ＣＯ2）の液化分離装置（本発明に係る液化分離方法を実施する装置）を示す断面模式図である。この図に示すようにＣＯ2液化分離装置２０は、上下方向に延びる外胴２２を有している。外胴２２内の上下両端部分にはそれぞれ水平な管板２３が設けらており、これら外胴２２および管板２３により本発明の外側容器が構成されており、両管板２３には上下に延びる複数本の内伝熱管２８の上下両端部が固定されている。なお、同図では便宜上、内伝熱管２８を１本だけ示している。
【００１６】
前記外胴２２において上側の管板２３よりも上方の空間２４に望む位置には排ガス（ＣＯ2を含む対象ガス）の導入管２４ａが接続されており、従来技術で説明した水素ＰＳＡのプロセスで副生される水素と二酸化炭素（ＣＯ2）との混合ガスがこの導入管２４ａを通じて導入されるようになっている。一方、外胴２２において下側の管板２３よりも下方の空間２６に望む位置には導出管２６ａが接続されており、処理後の排ガス、すなわち後述するようにガス状の水素（Ｈ2）と液化したＣＯ2との混合気体がこの導出管２６ａを通じて外部に導出されるようになっている。
【００１７】
前記外胴２２内は、その上下中間部分に設けられる仕切板３４によって上側の第１室３６と下側の第２室３８とに仕切られている。
【００１８】
前記第１室において前記内伝熱管２８には、上下方向に延び、かつ内伝熱管２８の軸長よりも短い外伝熱管３０が被せられており、この外伝熱管３０が、同図に示すように上側の管板２３との間に隙間が保たれ、かつその内部が前記第２室３８と連通する状態で前記仕切板３４に固定されている。これにより内伝熱管２８の外面と外伝熱管３０との間に、上側が外伝熱管３０の上端部を境に第１室３６と連通し、かつ下側が第２室３８に連通する本発明のガス通路であるＮＧ通路３２が形成されている。
【００１９】
外胴２２において、さらに仕切板３４の近傍には第１室３６に連通する導入管４０が設けられており、低温液化ガスであるＬＮＧがこの導入管４０を通じて外胴２２内に導入されるようになっている。また、外胴２２において下側の管板２３の近くには第２室３８に連通する導出管４２が設けられており、後述するように前記排ガスとの熱交換によりガス状化したＬＮＧ（すなわちＮＧ）がこの導出管４２を通じて導出されるようになっている。
【００２０】
なお、前記内伝熱管２８において前記導入管４０に対応する部分には、同図に示すようにその径がその他の部分よりも若干大きく形成された大径部２８ａが設けられており、また外伝熱管３０にも、この大径部２８ａに対応してその他の部分よりも径が大きく形成された大径部３０ａが設けられている。
【００２１】
このＣＯ2液化分離装置２０において、外胴２２の上部からは前記導入管２４ａを通じて排ガスが導入され、この排ガスが空間２４から内伝熱管２８に導入されて内伝熱管２８内を下降する。一方、外胴２２の中間部分からは前記導入管４０を通じてＬＮＧが第１室３６に導入され、このＬＮＧが第１室３６内を上昇しながら内伝熱管２８内の排ガスとＮＧ通路３２を介して熱交換して気化され、ＮＧ（ガス状体）となる。この熱交換により内伝熱管２８内を下降する排ガスは冷却され、排ガス中のＣＯ2が液化し、ＣＯ2（液体）/Ｈ2（気体）混合気流となって前記導出管２６ａを通じて導出されることとある。
【００２２】
一方、第１室３６の上端に達したＮＧは、外伝熱管３０の上端部で折り返して内伝熱管２８と外伝熱管３０との間のＮＧ通路３２に導入される。そして、このＮＧ通路３２を下降し、この下降中に第１室３６内のＬＮＧ/ＮＧ混合気流と熱交換して一旦冷却されるが第２室３８に入ってここで再び昇温し、最終的にＮＧとして導出管４２を通じて導出されることとなる。
【００２３】
図２は上記ＣＯ2液化分離装置２０内のＬＮＧ（ＮＧ）および排ガスの温度分布を示したものである。この図に示すように、ＬＮＧは、例えば−１５０°Ｃで前記導入管４０を通じて第１室３６に導入され、同室３６内を上昇する間に排ガスとの熱交換により−７５°ＣのＮＧとなる。そして内側のＮＧ通路３２内に入り、ここを下降する間にＬＮＧの導入位置（導入管４０に対応する部分）近傍で−９０°Ｃまで冷却された後、第２室３８に入ることにより再び−６２°Ｃまで昇温して導出管４２から導出されることとなる。一方、排ガスは、４０°Ｃで内伝熱管２８に導入されてＬＮＧ（ＮＧ）との熱交換により冷却されて、最終的に−５２°ＣのＣＯ2（液体）/Ｈ2（気体）の混合気として導出されることとなる。
【００２４】
以上のようなＣＯ2液化分離装置２０によると、上述のようにＣＯ2を含む排ガスはＮＧ通路３２を通るガス状体、つまりＬＮＧよりも温度の高いＮＧを介してＬＮＧと熱交換して冷却されることとなる。そのため、ＬＮＧと排ガスとを直接冷却する場合のように排ガスが過冷却されることがなく、排ガスは二酸化炭素の液化温度以下であって凝固温度以上の温度まで適切に冷却され、その結果、排ガス中のＣＯ2がドライアイス化して内伝熱管２８内に堆積するといった現象が効果的に抑制される。従って、ＬＮＧの冷熱を有効に利用して排ガス中のＣＯ2を液化分離する一方で、ＣＯ2のドライアイス化に伴う閉塞トラブルの発生を効果的に防止することができる。
【００２５】
特に、上記のＣＯ2液化分離装置２０では、内伝熱管２８のうちＬＮＧの導入位置（導入管４０）に対応する部分に大径部２８ａを設けていることにより、より確実に閉塞トラブルを回避できるという効果もある。すなわち、ＮＧ通路３２を下降するＮＧは、第１室３６に導入された直後のＬＮＧと熱交換することにより上記のように導入管４０の近傍で一旦温度が大幅に下がる。そのため、内伝熱管２８もその影響を受けてその部分では壁面温度が局所的に低くなり僅かではあるが排ガス中のＣＯ2がドライアイス化して堆積する。しかしながら、上記のように内伝熱管２８のうちＬＮＧの導入位置（導入管４０）に対応する部分に大径部２８ａが設けられている結果、ドライアイスが多少堆積しても内伝熱管２８内の流路が確実に確保され、これにより閉塞トラブルの発生が防止されることとなる。
【００２６】
なお、ＬＮＧの導入管４０近傍での内伝熱管２８の閉塞トラブルを防止する構成としては、上記のように内伝熱管２８を部分的に大径にする代わりに、内伝熱管２８全体の径を一律に大きく設定することも考えられる。すなわち、伝熱面積を拡大してドライアイスの堆積を抑制するとともに仮に堆積しても流路が充分に確保されるように構成することが考えられる。しかし、内伝熱管２８全体の径を一律に大きくすると、その分だけ排ガスの流速が低下して液化熱伝達率が低下し、伝熱面積を拡大したことによる効果が相殺されることとなる。つまり、内伝熱管２８を全体に大きくした分だけコスト高になる一方で性能的には実施形態のものと殆ど相違ないものとなる。従って、上記実施形態の構成のように内伝熱管２８を部分的に大径にする構成によると、安価な構成で閉塞トラブルを良好に防止することができるという利点がある。
【００２７】
なお、上述したＣＯ2液化分離装置２０は、本発明に係る二酸化炭素の液化分離装置の一つの実施形態であってその具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、この実施形態では、排ガス（ＣＯ2を含む対象ガス）を冷却する冷媒としての低温液化ガスとしてＬＮＧを使用しているが、低温液化ガスはＬＮＧに限られるものではなく、可能な場合には液体窒素や液体酸素を提供するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る二酸化炭素液化分離装置の構成を示す断面模式図である。
【図２】図１に示す二酸化炭素液化分離装置内のＬＮＧ（液化天然ガス）、ＮＧ（天然ガス）および排ガスの温度分布を説明する図である。
【図３】水素ガス精製システムを示す系統図である。
【符号の説明】
【００２９】
２０  二酸化炭素液化分離装置
２８  内伝熱管
２８ａ  大径部
３０  外伝熱管
３０ａ  外伝熱管
３２  ＮＧ通路（ガス通路）
３４  仕切板
３６  第１室
３８  第２室
４０  導入管
４２  導出管
【図１】
2005170722.tif 000003
【図２】
2005170722.tif 000004
【図３】
2005170722.tif 000005