(57)【要約】【課題】単一成分冷媒による冷却プロセスにおいて、循環させる冷媒の運転圧力によって冷却能力を制限させることなく、冷却プロセス全体の冷却性能を高めることができる冷媒循環システムを提供する。【解決手段】冷媒循環システム１であって、コンプレッサー１１と、圧縮したプロパンを冷却する第１の冷却手段１２と、配管１５−１、・・・１５−４と、低圧段側の１つの配管１５−４の途中に設けられて第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を加圧する加圧手段と、を備え、加圧手段は、第１の冷却手段１２で冷却した圧縮プロパン蒸気Ｐｐの一部を導入し、圧縮プロパン蒸気Ｐｐの噴射圧によって第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を吸引するとともに、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４と圧縮プロパン蒸気Ｐｐとを混合して加圧するエジェクター１７であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一成分からなる冷媒を循環させて対象ガスを冷却する冷媒循環システムであって、
前記冷媒を複数段で圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段で圧縮した冷媒を冷却する冷却手段と、
前記対象ガスを冷却した後の戻り冷媒蒸気を複数段に分けて前記圧縮手段に送る複数の配管と、
前記複数の配管のうち、少なくとも低圧段側の１つの配管の途中に設けられて前記戻り冷媒蒸気を加圧する加圧手段と、
を備え、
前記加圧手段は、前記冷却手段で冷却した圧縮冷媒蒸気の一部を導入し、該圧縮冷媒蒸気の噴射圧によって前記戻り冷媒蒸気を吸引するとともに、該戻り冷媒蒸気と前記圧縮冷媒蒸気とを混合して加圧するエジェクターであることを特徴とする冷媒循環システム。
【請求項２】
前記戻り冷媒蒸気の圧力に応じて、前記圧縮冷媒蒸気の前記加圧手段への導入量を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷媒循環システム。
【請求項３】
前記加圧手段が、前記複数の配管のうち、前記１つの配管よりも所定段数だけ高圧段側の配管を流れる高圧段側戻り冷媒蒸気の圧力と同等な圧力まで、前記１つの配管を流れる前記戻り冷媒蒸気を加圧するものであり、
前記加圧手段による加圧後の前記戻り冷媒蒸気と、前記高圧段側戻り冷媒蒸気とは、前記圧縮手段における互いに同じ段に送られることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷媒循環システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスを冷却して液化し、液化ガスを製造するガス液化プロセスに利用される冷媒循環システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガス液化プロセスとしては、単一成分冷媒（プロパン：Ｃ３）によって原料ガスを予冷（−３０℃程度まで冷却）する予冷工程と、混合冷媒（窒素、メタン、エタン、プロパン等の混合物：ＭＲ）によって原料ガスを最終冷却（−１６０℃程度まで冷却）する最終冷却工程と、を備えたＣ３−ＭＲプロセスが知られている。（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
予冷工程及び最終冷却工程の各冷却プロセスでは、冷媒を圧縮機（コンプレッサー）で圧縮し、圧縮した冷媒を冷却して凝縮させた後に、この冷媒を膨張、蒸発させつつ原料ガスと熱交換することで、原料ガスを冷却する。原料ガスを冷却して昇温した冷媒は、循環されて再び圧縮機に送られ、この循環を繰り返すことで、冷却プロセスが連続的に行われる。
【０００４】
原料ガスを冷却する際、常温（２０℃程度）から予冷温度（−３０℃程度）まで１段階の冷媒温度で冷却すると冷却効率が悪いため、原料ガスとの熱交換は複数段（例えば、４段）で行われる。このように複数段の冷却においては、原料ガス上流から下流に向かって順に低温となるように予冷冷媒の温度が設定されている。
【０００５】
一方、複数段で原料ガスを冷却した後の冷媒を再圧縮する際においては、温度が低い冷媒（低圧）から温度が高い冷媒（高圧）の順にそれぞれの圧力値に合った圧縮機中間段に導入して圧縮することによって圧縮機の圧縮効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２９９１７４号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、単一成分冷媒（プロパン等）を用いる場合、その圧力（飽和蒸気圧）と温度（沸点）との関係は単一成分固有のものであり、一義的に決まることから、冷媒蒸気を圧縮機で加圧する際の第１段吸入圧力が最終冷却段温度によって決定され、圧縮機の要求性能が決定されてしまう。
【０００８】
圧縮機に導入される第１段の運転温度が低ければ低いほど、圧縮後の冷媒による冷却能力が高くなるものの、常圧沸点を下回るほど温度が低くなると冷媒蒸気体積が圧力に反比例して大きくなってしまうため、圧縮機の第１段吸入側サイズを非常に大きくしなければならない。
【０００９】
常圧沸点よりも低温かつ低圧な冷媒を導入して圧縮可能な圧縮機は、高段数かつ大型なものとなり、物理的な機器製作限界を超えてしまうか、機器製作コストが非常に増大してしまう。
【００１０】
また、寒冷地においては、外気温の低さによって原料ガスの冷却効率は相対的に上がるものの、圧縮機に導入可能な冷媒の初期温度の下限値が常圧沸点以上でなければならないとすると、予冷システムの冷却能力に制限を受けることになり、予冷冷媒圧縮機と混合冷媒圧縮機の能力バランスを最適にすることができず、冷却性能の向上に制約を受けることとなる。
【００１１】
本発明の目的は、単一成分冷媒による冷却プロセスにおいて、循環させる冷媒の運転圧力によって冷却能力を制限させることなく、冷却プロセス全体の冷却性能を高めることができる冷媒循環システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の冷媒循環システムは、単一成分からなる冷媒を循環させて対象ガスを冷却する冷媒循環システムであって、前記冷媒を複数段で圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段で圧縮した冷媒を冷却する冷却手段と、前記対象ガスを冷却した後の戻り冷媒蒸気を複数段に分けて前記圧縮手段に送る複数の配管と、前記複数の配管のうち、少なくとも低圧段側の１つの配管の途中に設けられて前記戻り冷媒蒸気を加圧する加圧手段と、を備え、前記加圧手段は、前記冷却手段で冷却した圧縮冷媒蒸気の一部を導入し、該圧縮冷媒蒸気の噴射圧によって前記戻り冷媒蒸気を吸引するとともに、該戻り冷媒蒸気と前記圧縮冷媒蒸気とを混合して加圧するエジェクターであることを特徴とする。
【００１３】
以上のような本発明によれば、加圧手段によって戻り冷媒蒸気を加圧することで、戻り冷媒蒸気が常圧沸点を下回るような低温かつ低圧の蒸気となっている場合であっても、この戻り冷媒蒸気を所定の圧力に調整してから圧縮手段に送ることができる。従って、圧縮手段の物理的限界の範囲内で循環プロセスを運転することができる。また、冷却手段で冷却した圧縮冷媒蒸気の一部をエジェクターに導入し、この圧縮冷媒蒸気の噴射圧によって戻り冷媒蒸気を吸引するとともに、戻り冷媒蒸気と圧縮冷媒蒸気とを混合して加圧することで、圧縮手段を追加することなく戻り冷媒蒸気の圧力を調整することができる。さらに、循環プロセス内の圧縮冷媒蒸気を駆動媒体として利用することによって、分離装置等を追加することなく、冷却プロセス全体の冷却性能を高めることができる。
【００１４】
この際、本発明の冷媒循環システムでは、前記戻り冷媒蒸気の圧力に応じて、前記圧縮冷媒蒸気の前記加圧手段への導入量を調整する調整手段を備えることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、調整手段での調整により、戻り冷媒蒸気の圧力によらず圧縮手段への入力圧力として最適な圧力へと、その戻り冷媒蒸気の圧力を加圧することができる。
【００１６】
また、本発明の冷媒循環システムでは、前記加圧手段が、前記複数の配管のうち、前記１つの配管よりも所定段数だけ高圧段側の配管を流れる高圧段側戻り冷媒蒸気の圧力と同等な圧力まで、前記１つの配管を流れる前記戻り冷媒蒸気を加圧するものであり、前記加圧手段による加圧後の前記戻り冷媒蒸気と、前記高圧段側戻り冷媒蒸気とは、前記圧縮手段における互いに同じ段に送られることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、冷却の段数を増やして効率的な冷却を行いつつも、圧縮手段の段数の増加を抑えることで、設備コストの低減等を図ることがきる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明の冷媒循環システムによれば、単一成分冷媒による冷却プロセスにおいて、循環させる冷媒の運転圧力によって冷却能力を制限させることなく、冷却プロセス全体の冷却性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る冷媒循環システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示されているエジェクターを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の冷媒循環システム１は、液化天然ガス（ＬＮＧ）の製造設備に設置される。本実施形態では、この製造設備におけるガス液化プロセスとして、単一成分冷媒（プロパン：Ｃ３）によって原料ガスを予冷（−３０℃程度まで冷却）する予冷工程と、混合冷媒（窒素、メタン、エタン、プロパン等の混合物：ＭＲ）によって原料ガスを最終冷却（−１６０℃程度まで冷却）する最終冷却工程と、を備えたＣ３−ＭＲプロセスが採用されている。本実施形態の冷媒循環システム１は、このＣ３−ＭＲプロセスにおける予冷工程を担当する。
【００２１】
図１に示されているように、冷媒循環システム１は、プロパンを循環させて原料ガスを冷却するシステムであって、プロパン蒸気を複数段で圧縮するコンプレッサー１１（圧縮手段）を備えている。コンプレッサー１１での圧縮により、一例として温度が７５℃、絶対圧が１８５０ｋＰａＡ程度の圧縮プロパン蒸気となる。
【００２２】
コンプレッサー１１の後段には、第１冷却手段１２と第２冷却手段１３とが設けられている。上記の圧縮プロパン蒸気は、第１冷却手段１２により、一例として温度が５５℃、絶対圧が１８００ｋＰａＡ程度の圧縮プロパン蒸気となる。さらに、その圧縮プロパン蒸気が、凝縮器としての第２冷却手段１３での冷却により、一例として温度が５０℃、絶対圧が１７５０ｋＰａＡ程度のプロパン液となる。
【００２３】
第１冷却手段１２での冷却を経た圧縮プロパン蒸気は、第２冷却手段１３において液化して液体プロパンＰｒとなる。第２冷却手段１３の下流には、冷媒バッファーとしての貯槽１４が設けられている。その液体プロパンＰｒは、貯槽１４から、原料ガスの予冷のために設けられた不図示の複数段の熱交換器へと送られる。各段の熱交換器において、液体プロパンＰｒは、各段に応じた圧力と温度で膨張、蒸発しつつ原料ガスと熱交換することで、原料ガスを各段に応じた温度に冷却する。本実施形態では、このような冷却が、４段に亘って行われる。
【００２４】
冷却を終えたプロパンは、再びプロパン蒸気となって冷媒循環システム１に戻ってくる。戻りプロパン蒸気は、温度が高く圧力が高いものから、第１の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１から第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４まで４段に分かれて戻ってくる。本実施形態では、第１の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１が、一例として温度が−１０℃、絶対圧が３００ｋＰａＡ程度のプロパン蒸気であり、第２の戻りプロパン蒸気Ｐｂ２が、一例として温度が−２４℃、絶対圧が２５０ｋＰａＡ程度のプロパン蒸気であり、第３の戻りプロパン蒸気Ｐｂ３が、一例として温度が−３７．５℃、絶対圧が１３０ｋＰａＡ程度のプロパン蒸気であり、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４が、一例として温度が−５０℃、絶対圧が６０ｋＰａＡ程度のプロパン蒸気となっている。
【００２５】
第１〜第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３，Ｐｂ４は、各段の配管１５−１，１５−２，１５−３，１５−４によってコンプレッサー１１に送られる。各段の配管１５−１，１５−２，１５−３，１５−４におけるコンプレッサー１１の前段には、第１〜第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３，Ｐｂ４から液状成分を除去する分離器１６−１，１６−２，１６−３，１６−４が設けられている。各分離器１６−１，１６−２，１６−３，１６−４では、第１〜第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３，Ｐｂ４をワイヤーメッシュフィルタからなるミストエリミネーター１６１に通すことで、液状成分が除去される。除去後のドライな第１〜第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３，Ｐｂ４がコンプレッサー１１に送られる。
【００２６】
ここで、本実施形態では、４つの配管１５−１，１５−２，１５−３，１５−４のうち、最も低圧段側（即ち、最も低温で低圧側）の１つの配管１５−４における分離器１６−４の前段となる途中の位置に、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を加圧する加圧手段として、次のようなエジェクター１７が設けられている。エジェクター１７は、第１冷却手段１２で冷却した温度が５５℃、絶対圧が１８００ｋＰａＡ程度の圧縮プロパン蒸気Ｐｐの一部を導入し、その圧縮プロパン蒸気Ｐｐの噴射圧によって第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を吸引するとともに、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４と圧縮プロパン蒸気Ｐｐとを混合して加圧する。
【００２７】
図２は、図１に示されているエジェクターを示す模式図である。エジェクター１７は、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の吸引口１７１と、第１冷却手段１２で冷却した圧縮プロパン蒸気Ｐｐの一部を導入する導入口１７２と、圧縮プロパン蒸気Ｐｐとの混合によって加圧された第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４’の排出口１７３と、混合室１７４とを有している。導入口１７２と排出口１７３とは、混合室１７４内部において所定間隔を空けて対向している。導入口１７２から導入される圧縮プロパン蒸気Ｐｐの噴射圧によって混合室１７４内に負圧が生じ、この負圧によって吸引口１７１に第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４が吸引される。吸引された第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４は、圧縮プロパン蒸気Ｐｐとともに排出口１７３へと向かって混合され、その排出口１７３から排出される。上記の混合により、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４は加熱されるとともに加圧されて排出される。
【００２８】
ここで、本実施形態では、図１に示されているように、エジェクター１７における圧縮プロパン蒸気Ｐｐの導入口１７２の前段に、調整弁１８が設けられている。また、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の配管１５−４には、この第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力を検知するとともに、その検知結果に応じて調整弁１８の開度を制御する制御部１９が設けられている。これにより、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力に応じて、圧縮プロパン蒸気Ｐｐのエジェクター１７への導入量が調整される。
【００２９】
本実施形態では、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の配管１５−４よりも１段だけ高圧段側の配管１５−３を流れる第３の戻りプロパン蒸気Ｐｂ３の圧力と同等な圧力（即ち、絶対圧で１３０ｋＰａＡ）まで、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力が加圧されるように、上記の調整弁１８の開度が制御される。
【００３０】
このように加圧された第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４’の配管１５−４と、第３の戻りプロパン蒸気Ｐｂ３の配管１５−３とは、各分離器１６−３，１６−４の後段側で合流する。合流後の戻りプロパン蒸気は、一例として温度が−３５℃、絶対圧が１３０ｋＰａＡ程度のプロパン蒸気であり、このプロパン蒸気が、コンプレッサー１１における最上流段（最低圧段）に送られる。第１の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１と第２の戻りプロパン蒸気Ｐｂ２は、そのまま、各戻りプロパン蒸気の圧力に応じたコンプレッサー１１の各段に送られる。第２の戻りプロパン蒸気Ｐｂ２は、コンプレッサー１１において、上記の合流後の戻りプロパン蒸気よりも下流側（高圧段側）に送られる。そして、第１の戻りプロパン蒸気Ｐｂ１が、コンプレッサー１１において、第２の戻りプロパン蒸気Ｐｂ２よりも下流側（高圧段側）に送られる。これらの戻りプロパン蒸気がコンプレッサー１１によって圧縮されて再度、原料ガスの予冷に供される。
【００３１】
以上に説明した本実施形態の冷媒循環システム１によれば、エジェクター１７によって第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を加圧することで、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４が常圧沸点を下回るような低温かつ低圧の蒸気となっている場合であっても、この第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を所定の圧力に調整してからコンプレッサー１１に送ることができる。従って、コンプレッサー１１の物理的限界の範囲内で循環プロセスを運転することができる。また、第１冷却手段１２で冷却した圧縮プロパン蒸気Ｐｐの一部をエジェクター１７に導入し、この圧縮プロパン蒸気Ｐｐの噴射圧によって第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を吸引するとともに、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４と圧縮プロパン蒸気Ｐｐとを混合して加圧することで、新たなコンプレッサー等を追加することなく機器構成を単純化して第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力を調整することができる。さらに、循環プロセス内の圧縮プロパン蒸気Ｐｐを駆動媒体として利用することによって、分離装置等を追加することなく、冷却プロセス全体の冷却性能を高めることができる。
【００３２】
また、本実施形態の冷媒循環システム１によれば、寒冷地に設置する場合に、次のような効果を得ることができる。寒冷地においては、外気温の低さによって原料ガスの冷却効率は相対的に上がるものの、コンプレッサー１１に導入可能なプロパンの初期温度の下限値が常圧沸点以上でなければならないとすると、冷却能力に制限を受けることとなる。これに対し、本実施形態の冷媒循環システム１によれば、コンプレッサー１１には、低圧段側の第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４が加圧及び加熱されてから送られる。このため、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４については常圧沸点以下であってもコンプレッサー１１に導入可能となっている。これにより、Ｃ３−ＭＲの冷却プロセスにおける予冷冷媒圧縮機（本実施形態のコンプレッサー１１）と不図示の混合冷媒圧縮機の能力バランスを最適にすることができ、冷却プロセス全体の冷却性能を向上させることができる。
【００３３】
また、本実施形態の冷媒循環システム１では、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力に応じて、圧縮プロパン蒸気Ｐｐの導入量を調整する調整弁１８が設けられている。これにより、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力によらずコンプレッサー１１への入力圧力として最適な圧力へと、その第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の圧力を加圧することができる。
【００３４】
また、本実施形態の冷媒循環システム１では、エジェクター１７が、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４の配管１５−４よりも１段だけ高圧段側の配管１５−３を流れる第３の戻りプロパン蒸気Ｐｂ３（高圧段側戻り冷媒蒸気）の圧力と同等な圧力まで、第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４を加圧する。そして、加圧後の第４の戻りプロパン蒸気Ｐｂ４と、第３の戻りプロパン蒸気Ｐｂ３とは、コンプレッサー１１における互いに同じ段に送られる。これにより、冷却の段数を増やして効率的な冷却を行いつつも、コンプレッサー１１の段数の増加を抑えることで、設備コストの低減等が図られている。
【００３５】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、液化天然ガス（ＬＮＧ）の製造設備に設置される冷媒循環システム１について説明したが、本発明は、液化天然ガスに限らず、液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化窒素、液化酸素など任意の液化ガスの製造設備における冷媒循環システムとして利用可能である。
【００３６】
また、前記実施形態では、ガス液化プロセスの一例としてＣ３−ＭＲを採用した冷媒循環システム１について説明したが、本発明は、Ｃ３−ＭＲに限らず、カスケードプロセスやエキスパンダープロセスを採用した冷媒循環システムとしても利用可能である。
【００３７】
また、前記実施形態では、冷却対象ガスとして原料ガスを冷却する冷媒循環システム１について説明したが、本発明は、原料ガスに限らず、例えばＣ３−ＭＲにおける最終冷却系やシングルＭＲプロセス（ＳＭＲ）における混合冷媒を冷却対象ガスとして冷却する冷媒循環システムとしても利用可能である。
【００３８】
また、前記実施形態では、単一成分からなる冷媒としてプロパンＣ３を用いる冷媒循環システム１について説明したが、本発明は、プロパンＣ３に限らず、他の軽炭化水素ガス（メタンＣ１、エタンＣ２、エチレンＣ２＝、ブタンＣ４）を単一成分からなる冷媒として用いる冷媒循環システムとしても利用可能である。
【００３９】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１        冷媒循環システム
１１      コンプレッサー（圧縮手段の一例）
１２      第１冷却手段（冷却手段の一例）
１３      第２冷却手段（冷却手段の一例）
１４      貯槽
１５−１，１５−２，１５−３，１５−４    配管
１７      エジェクター
１８      調整弁（調整手段の一例）
１９      制御部
Ｐｂ１    第１の戻りプロパン蒸気
Ｐｂ２    第２の戻りプロパン蒸気
Ｐｂ３    第３の戻りプロパン蒸気
Ｐｂ４    第４の戻りプロパン蒸気
Ｐｂ４’  加圧された第４の戻りプロパン蒸気
Ｐｐ      圧縮プロパン蒸気
Ｐｒ      液体プロパン
【図１】
2016176647.tif 000003
【図２】
2016176647.tif 000004