JP2003336964A - Ｌｎｇ冷熱利用による炭酸ガスの液化装置 - Google Patents
Ｌｎｇ冷熱利用による炭酸ガスの液化装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 中間冷媒を使用しない簡単な構成でＬＮＧ冷
熱の利用効率を向上させたＬＮＧとの間接接触で炭酸ガ
スを液化する炭酸ガス液化装置を提供する。 【解決手段】 厚さを調整したコーティングを表面に施
すことによりＬＮＧを流したときの内部温度に対応して
熱流を制御してコーティング表面温度を炭酸ガスの液化
可能温度範囲に保持するようにした冷却管あるいは冷却
板４５を備えた液化熱交換器４２を設け、液化熱交換器
にＬＮＧを流して器内に供給される炭酸ガス含有原料ガ
スをコーティング表面で液化するようにした装置。
熱の利用効率を向上させたＬＮＧとの間接接触で炭酸ガ
スを液化する炭酸ガス液化装置を提供する。 【解決手段】 厚さを調整したコーティングを表面に施
すことによりＬＮＧを流したときの内部温度に対応して
熱流を制御してコーティング表面温度を炭酸ガスの液化
可能温度範囲に保持するようにした冷却管あるいは冷却
板４５を備えた液化熱交換器４２を設け、液化熱交換器
にＬＮＧを流して器内に供給される炭酸ガス含有原料ガ
スをコーティング表面で液化するようにした装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＮＧ冷熱を利用
して炭酸ガスを液化する技術に関する。
して炭酸ガスを液化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】原料ガス中の炭酸ガス濃度が大きいとき
に用いられる炭酸ガス液化方法として、液化天然ガス
（ＬＮＧ）などの低温液化ガスを気化してガス燃料に戻
すときに発生する冷熱を利用して炭酸ガスを冷却し液化
する方法がある。冷媒と直接接触して液化する方法に
は、ＬＮＧ中に原料ガスを直接吹き込んでドライアイス
フレークを作り、ＬＮＧを全量気化させた後にドライア
イスを加圧し加熱することにより液化する方法、ＬＮＧ
で冷却した中間冷媒に原料ガスを吹き込んで炭酸ガスを
液化した後に中間冷媒を分離する方法などがある。
に用いられる炭酸ガス液化方法として、液化天然ガス
（ＬＮＧ）などの低温液化ガスを気化してガス燃料に戻
すときに発生する冷熱を利用して炭酸ガスを冷却し液化
する方法がある。冷媒と直接接触して液化する方法に
は、ＬＮＧ中に原料ガスを直接吹き込んでドライアイス
フレークを作り、ＬＮＧを全量気化させた後にドライア
イスを加圧し加熱することにより液化する方法、ＬＮＧ
で冷却した中間冷媒に原料ガスを吹き込んで炭酸ガスを
液化した後に中間冷媒を分離する方法などがある。
【０００３】しかし、直接接触法は、高い純度の液化炭
酸ガスを得ることができず、また冷媒との分離プロセス
が複雑になりコストや安全性にも問題があり、よく用い
られるのは熱交換器を介して冷媒と原料ガスを間接接触
させドライアイス化することなく直接に液化する方法で
ある。ところで、ＬＮＧの通常の利用温度は炭酸ガスの
凝固温度よりも遙かに低い１２０〜１３０Ｋであるの
で、ＬＮＧと炭酸ガスを直接熱交換すると炭酸ガスの温
度は２２０〜２５０Ｋの液化温度範囲を遙かに越えて固
体二酸化炭素になってしまう。このようにＬＮＧ温度と
炭酸ガス液化温度に大きな隔たりがあるため、従来のＬ
ＮＧ利用炭酸ガス液化方法では、中間冷媒をＬＮＧで液
化し、液化された中間媒体によって炭酸ガスを液化する
という、２段の冷却過程を経て液化二酸化炭素を得る方
法が一般的である。
酸ガスを得ることができず、また冷媒との分離プロセス
が複雑になりコストや安全性にも問題があり、よく用い
られるのは熱交換器を介して冷媒と原料ガスを間接接触
させドライアイス化することなく直接に液化する方法で
ある。ところで、ＬＮＧの通常の利用温度は炭酸ガスの
凝固温度よりも遙かに低い１２０〜１３０Ｋであるの
で、ＬＮＧと炭酸ガスを直接熱交換すると炭酸ガスの温
度は２２０〜２５０Ｋの液化温度範囲を遙かに越えて固
体二酸化炭素になってしまう。このようにＬＮＧ温度と
炭酸ガス液化温度に大きな隔たりがあるため、従来のＬ
ＮＧ利用炭酸ガス液化方法では、中間冷媒をＬＮＧで液
化し、液化された中間媒体によって炭酸ガスを液化する
という、２段の冷却過程を経て液化二酸化炭素を得る方
法が一般的である。
【０００４】この方法では、図９のフロー図に示すよう
に、ＬＮＧタンクから供給されるＬＮＧは熱交換器で中
間冷媒ガスを冷却してガス化し、常温まで加温されて発
電所や消費者などの需要者に燃料として供給される。中
間冷媒ガスはＬＮＧに冷却されて液化し、炭酸ガス予冷
器と液化器に送られ、炭酸ガスと熱交換してガス化して
戻り再びＬＮＧに冷却されて液化する。中間冷媒には、
炭化水素やフッ素化炭化水素などＬＮＧと炭酸ガスの中
間に沸点があるガスが利用される。原料ガスは前段処理
工程で水分など炭酸ガス以外の成分を除去した上で、炭
酸ガス予冷器に供給され液化温度近くまで冷却されてか
ら炭酸ガス液化器に送り込まれて液化し、液化炭酸ガス
となって液化炭酸ガス貯槽に貯蔵し、あるいはドライア
イス製造装置で固体化して、最終的に需要者に向けて出
荷される。
に、ＬＮＧタンクから供給されるＬＮＧは熱交換器で中
間冷媒ガスを冷却してガス化し、常温まで加温されて発
電所や消費者などの需要者に燃料として供給される。中
間冷媒ガスはＬＮＧに冷却されて液化し、炭酸ガス予冷
器と液化器に送られ、炭酸ガスと熱交換してガス化して
戻り再びＬＮＧに冷却されて液化する。中間冷媒には、
炭化水素やフッ素化炭化水素などＬＮＧと炭酸ガスの中
間に沸点があるガスが利用される。原料ガスは前段処理
工程で水分など炭酸ガス以外の成分を除去した上で、炭
酸ガス予冷器に供給され液化温度近くまで冷却されてか
ら炭酸ガス液化器に送り込まれて液化し、液化炭酸ガス
となって液化炭酸ガス貯槽に貯蔵し、あるいはドライア
イス製造装置で固体化して、最終的に需要者に向けて出
荷される。
【０００５】このような中間冷媒を用いた間接接触によ
る炭酸ガス液化方法は、冷媒との分離工程が不要であ
り、高い純度の炭酸ガスを得ることができるが、２段階
液化方式であるため、冷媒ＬＮＧフロー、中間冷媒フロ
ー、炭酸ガスフローが交錯してシステムが複雑化する。
さらに、ＬＮＧと中間媒体の熱交換過程および中間媒体
と炭酸ガスの熱交換過程ではそれぞれＬＮＧと中間冷媒
の蒸発潜熱を使って冷却するが、ＬＮＧ冷熱の利用は、
主としてＬＮＧ蒸発潜熱を使って中間冷媒ガスを液化す
るところに限られる。したがって、中間冷媒の沸点を超
えるＬＮＧ顕熱分を利用しないで無用の冷熱エネルギー
を環境に放出することになり、１トンの液化炭酸ガスを
得るために１トン以上のＬＮＧを必要とするなど、ＬＮ
Ｇ冷熱の活用は十分でない。
る炭酸ガス液化方法は、冷媒との分離工程が不要であ
り、高い純度の炭酸ガスを得ることができるが、２段階
液化方式であるため、冷媒ＬＮＧフロー、中間冷媒フロ
ー、炭酸ガスフローが交錯してシステムが複雑化する。
さらに、ＬＮＧと中間媒体の熱交換過程および中間媒体
と炭酸ガスの熱交換過程ではそれぞれＬＮＧと中間冷媒
の蒸発潜熱を使って冷却するが、ＬＮＧ冷熱の利用は、
主としてＬＮＧ蒸発潜熱を使って中間冷媒ガスを液化す
るところに限られる。したがって、中間冷媒の沸点を超
えるＬＮＧ顕熱分を利用しないで無用の冷熱エネルギー
を環境に放出することになり、１トンの液化炭酸ガスを
得るために１トン以上のＬＮＧを必要とするなど、ＬＮ
Ｇ冷熱の活用は十分でない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、ＬＮＧと間接接触させることによ
り炭酸ガスを液化する装置であって、中間冷媒を使用し
ない簡単な構成でＬＮＧ冷熱の利用効率を向上させた炭
酸ガスの液化装置を提供することである。
しようとする課題は、ＬＮＧと間接接触させることによ
り炭酸ガスを液化する装置であって、中間冷媒を使用し
ない簡単な構成でＬＮＧ冷熱の利用効率を向上させた炭
酸ガスの液化装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、ＬＮＧ冷熱を利用して炭酸ガスを液化する本発明の
炭酸ガス液化装置は、厚さを調整したコーティングを表
面に施すことによりＬＮＧを流したときの原料ガスとＬ
ＮＧの温度に対応して両者間の熱流を制御してコーティ
ング表面温度を炭酸ガスの液化可能温度に保持するよう
にした冷却管あるいは冷却板を備えた液化熱交換器を設
けて、液化熱交換器に冷媒としてＬＮＧを流して器内に
供給される原料ガスを深冷し液化二酸化炭素を生成する
ようにしたことを特徴とする。
め、ＬＮＧ冷熱を利用して炭酸ガスを液化する本発明の
炭酸ガス液化装置は、厚さを調整したコーティングを表
面に施すことによりＬＮＧを流したときの原料ガスとＬ
ＮＧの温度に対応して両者間の熱流を制御してコーティ
ング表面温度を炭酸ガスの液化可能温度に保持するよう
にした冷却管あるいは冷却板を備えた液化熱交換器を設
けて、液化熱交換器に冷媒としてＬＮＧを流して器内に
供給される原料ガスを深冷し液化二酸化炭素を生成する
ようにしたことを特徴とする。
【０００８】コーティング内で炭酸ガスの液化温度とＬ
ＮＧ温度との間を結ぶ大きな温度勾配を生じさせるため
比較的熱伝導率の小さいＦＲＰやフッ素樹脂などを用い
て、ＬＮＧ側の強制対流伝熱特性と温度の変化に対応し
てコーティングの厚みを変えることでコーティング表面
温度を炭酸ガスの液化温度に維持するようにする。炭酸
ガス液化温度範囲は炭酸ガスの分圧によって変化する
が、たとえば原料ガス圧力を１０〜２０ａｔｍ程度にし
たときには２２０〜２５０Ｋなどの温度になる。冷却板
は、たとえばアルミ合金や銅合金などの熱伝導率の高い
材料で形成された分割・張り合わせ可能な２枚の板の間
に冷媒通路を形成したり冷却管を埋め込んだりすること
で形成される。コーティングの厚さは、コーティング表
面での炭酸ガスの凝縮伝熱量と、コーティング表面から
冷却管又は冷却板の厚みを介して冷媒ＬＮＧまで伝達す
る熱貫流量との熱平衡条件から決められる。
ＮＧ温度との間を結ぶ大きな温度勾配を生じさせるため
比較的熱伝導率の小さいＦＲＰやフッ素樹脂などを用い
て、ＬＮＧ側の強制対流伝熱特性と温度の変化に対応し
てコーティングの厚みを変えることでコーティング表面
温度を炭酸ガスの液化温度に維持するようにする。炭酸
ガス液化温度範囲は炭酸ガスの分圧によって変化する
が、たとえば原料ガス圧力を１０〜２０ａｔｍ程度にし
たときには２２０〜２５０Ｋなどの温度になる。冷却板
は、たとえばアルミ合金や銅合金などの熱伝導率の高い
材料で形成された分割・張り合わせ可能な２枚の板の間
に冷媒通路を形成したり冷却管を埋め込んだりすること
で形成される。コーティングの厚さは、コーティング表
面での炭酸ガスの凝縮伝熱量と、コーティング表面から
冷却管又は冷却板の厚みを介して冷媒ＬＮＧまで伝達す
る熱貫流量との熱平衡条件から決められる。
【０００９】なお、冷媒ＬＮＧは、熱交換器内を流通す
る間に、過冷却液体の状態から沸点まで温度上昇しガス
化して気液二相流となり、さらに加温して気化天然ガス
となって炭酸ガスの液化温度付近まで昇温する。このよ
うに、冷却管あるいは冷却坂内の冷媒温度は冷媒の流れ
方向に沿って温度が上昇する。また、冷媒ＬＮＧが流れ
方向に沿って過冷却液体、気液二相流、気体と相変化す
るため、冷却管などの管壁における伝熱特性が著しく変
化する。コーティング厚さの算定は、これらの要素を正
しく反映して行うことが要請される。
る間に、過冷却液体の状態から沸点まで温度上昇しガス
化して気液二相流となり、さらに加温して気化天然ガス
となって炭酸ガスの液化温度付近まで昇温する。このよ
うに、冷却管あるいは冷却坂内の冷媒温度は冷媒の流れ
方向に沿って温度が上昇する。また、冷媒ＬＮＧが流れ
方向に沿って過冷却液体、気液二相流、気体と相変化す
るため、冷却管などの管壁における伝熱特性が著しく変
化する。コーティング厚さの算定は、これらの要素を正
しく反映して行うことが要請される。
【００１０】本発明の炭酸ガス液化装置によれば、中間
冷媒を使用せず、コーティングにより熱伝達を制限しな
がら炭酸ガスを低温ＬＮＧと直接熱交換させることによ
り液化するので、従来装置で使用する中間冷媒用熱交換
器とこれに付随する機器が省略でき、システムが簡略化
される。また、過冷却液体状態のＬＮＧはその蒸発潜熱
に加えて炭酸ガスの凝縮点までの顕熱を利用できるた
め、ＬＮＧの冷熱エネルギーの利用効率が向上し、一定
量の炭酸ガスを液化するために使用するＬＮＧ量は従来
技術の半分程度まで減少する。
冷媒を使用せず、コーティングにより熱伝達を制限しな
がら炭酸ガスを低温ＬＮＧと直接熱交換させることによ
り液化するので、従来装置で使用する中間冷媒用熱交換
器とこれに付随する機器が省略でき、システムが簡略化
される。また、過冷却液体状態のＬＮＧはその蒸発潜熱
に加えて炭酸ガスの凝縮点までの顕熱を利用できるた
め、ＬＮＧの冷熱エネルギーの利用効率が向上し、一定
量の炭酸ガスを液化するために使用するＬＮＧ量は従来
技術の半分程度まで減少する。
【００１１】なお、本発明に使用する液化熱交換器は、
冷却管あるいは冷却板表面に伝熱を妨げるコーティング
を施し、内部温度に応じて計画的に伝熱性能を劣化させ
るところに特徴があり、伝熱面積を多きくして総合的な
伝熱量を補う必要がある。しかし、炭酸ガス液化装置は
ＬＮＧを処理する大型施設の一隅に設けられることか
ら、熱交換器の大型化が重大な欠点となることはない。
冷却管あるいは冷却板表面に伝熱を妨げるコーティング
を施し、内部温度に応じて計画的に伝熱性能を劣化させ
るところに特徴があり、伝熱面積を多きくして総合的な
伝熱量を補う必要がある。しかし、炭酸ガス液化装置は
ＬＮＧを処理する大型施設の一隅に設けられることか
ら、熱交換器の大型化が重大な欠点となることはない。
【００１２】本発明の炭酸ガス液化装置に使用する液化
熱交換器には、冷却管あるいは冷却板に向けて多数の開
口を有するガス流分配室を設けて、ガス流分配室を介し
て原料ガスを供給するようにすることが好ましい。たと
えば、原料ガスを熱交換器の１方の端から冷媒ＬＮＧを
向流接触させるように供給すれば、入り口付近から液化
が進行するに従って炭酸ガスの分圧が減少し炭酸ガス流
の伝熱特性が変化して、コーティング表面温度が炭酸ガ
スの液化温度範囲から逸脱して液化よりむしろドライア
イス化が生じるおそれがある。ガス流分配室を用いて原
料ガスを一旦分配室に収容することにより、ほぼ等温等
圧の状態でガス分配領域全体にわたって冷却管等の近傍
まで搬送し、冷却管等の表面に均一に分散して供給する
ようにして、炭酸ガスのドライアイス化を避けることが
できる。
熱交換器には、冷却管あるいは冷却板に向けて多数の開
口を有するガス流分配室を設けて、ガス流分配室を介し
て原料ガスを供給するようにすることが好ましい。たと
えば、原料ガスを熱交換器の１方の端から冷媒ＬＮＧを
向流接触させるように供給すれば、入り口付近から液化
が進行するに従って炭酸ガスの分圧が減少し炭酸ガス流
の伝熱特性が変化して、コーティング表面温度が炭酸ガ
スの液化温度範囲から逸脱して液化よりむしろドライア
イス化が生じるおそれがある。ガス流分配室を用いて原
料ガスを一旦分配室に収容することにより、ほぼ等温等
圧の状態でガス分配領域全体にわたって冷却管等の近傍
まで搬送し、冷却管等の表面に均一に分散して供給する
ようにして、炭酸ガスのドライアイス化を避けることが
できる。
【００１３】さらに、液化熱交換器から流出するＬＮＧ
を冷媒として使用する予冷熱交換器を液化熱交換器と一
体に構成して、液化熱交換器に供給される原料ガスを除
湿し予備冷却するようにすることが好ましい。原料ガス
が液化熱交換器に供給されるときに液化温度付近まで冷
却しておくと、液化熱交換器内の全領域を利用して炭酸
ガスを効率よく液化することができるため、予冷熱交換
器を設けている。液化熱交換器から流出する冷媒ＬＮＧ
は、炭酸ガス液化温度の近傍まで加温されているが、最
終的には常温で利用するものであるため、この温度差に
当たる顕熱を利用して原料ガスの予備冷却を行うことが
できる。そこで、液化熱交換器と予冷熱交換器を一体に
構成することにより、搬送による無駄な昇温を防ぎ保冷
構造を簡便化することができる。なお、予冷熱交換器
は、原料ガスを液化温度近くまで冷却し、かつＬＮＧを
常温付近まで加温することを目的とするため、向流構造
とすることが好ましい。
を冷媒として使用する予冷熱交換器を液化熱交換器と一
体に構成して、液化熱交換器に供給される原料ガスを除
湿し予備冷却するようにすることが好ましい。原料ガス
が液化熱交換器に供給されるときに液化温度付近まで冷
却しておくと、液化熱交換器内の全領域を利用して炭酸
ガスを効率よく液化することができるため、予冷熱交換
器を設けている。液化熱交換器から流出する冷媒ＬＮＧ
は、炭酸ガス液化温度の近傍まで加温されているが、最
終的には常温で利用するものであるため、この温度差に
当たる顕熱を利用して原料ガスの予備冷却を行うことが
できる。そこで、液化熱交換器と予冷熱交換器を一体に
構成することにより、搬送による無駄な昇温を防ぎ保冷
構造を簡便化することができる。なお、予冷熱交換器
は、原料ガスを液化温度近くまで冷却し、かつＬＮＧを
常温付近まで加温することを目的とするため、向流構造
とすることが好ましい。
【００１４】液化熱交換器の冷却管は、水平方向に蛇行
する多重折り返し管として構成してもよい。多重折り返
し管は１本に限らず、多数重ねて配設することができ
る。このような冷却管に液化熱交換器の一方の端に設け
られた分配ヘッダから冷媒ＬＮＧを供給すると、長い管
路を上流側から下流に向けてＬＮＧが流れるに従って内
部温度が徐々に上昇するので、管の表面温度を管理する
ために行うコーティング厚さの調整を容易に行うことが
できる。
する多重折り返し管として構成してもよい。多重折り返
し管は１本に限らず、多数重ねて配設することができ
る。このような冷却管に液化熱交換器の一方の端に設け
られた分配ヘッダから冷媒ＬＮＧを供給すると、長い管
路を上流側から下流に向けてＬＮＧが流れるに従って内
部温度が徐々に上昇するので、管の表面温度を管理する
ために行うコーティング厚さの調整を容易に行うことが
できる。
【００１５】また、冷却板を採用するときは、金属板内
に冷媒通路を形成した複数の冷却板ユニットとして構成
されたものを採用することができる。冷却板ユニットは
間隔を空けて平行に配設し、冷媒通路を直列に接続する
ので、ＬＮＧを通したときに各冷却板ユニットにおける
内部温度が冷却板ユニットごとにほぼ一定温度になると
して取り扱うことができる。このような構造を用いれ
ば、各冷却板ユニットごとに同じ厚さのコーティングを
施すことにより、炭酸ガス温度を所定の液化温度範囲に
維持するようにすることができる。なお、冷媒通路は冷
却板ユニットごとに多数設けて、直列接続された冷媒通
路を多数並列に形成することが好ましい。
に冷媒通路を形成した複数の冷却板ユニットとして構成
されたものを採用することができる。冷却板ユニットは
間隔を空けて平行に配設し、冷媒通路を直列に接続する
ので、ＬＮＧを通したときに各冷却板ユニットにおける
内部温度が冷却板ユニットごとにほぼ一定温度になると
して取り扱うことができる。このような構造を用いれ
ば、各冷却板ユニットごとに同じ厚さのコーティングを
施すことにより、炭酸ガス温度を所定の液化温度範囲に
維持するようにすることができる。なお、冷媒通路は冷
却板ユニットごとに多数設けて、直列接続された冷媒通
路を多数並列に形成することが好ましい。
【００１６】冷却板ユニットの間には、ガス流分配室に
接続され表面に多数のガス通過孔を設けたガス流分散デ
スクを介装することが好ましい。冷却板ユニットを並列
配置した外側からだけ原料ガスを供給するようにする
と、冷却板ユニットに挟まれた空間の外縁に近い部分で
液化が進み、深奥部分における炭酸ガス分圧が低下して
ドライアイス化する可能性がある。ガス流分散デスクを
介装することにより、冷却板ユニットに挟まれた中心部
分にも等圧等温の原料ガスを直接吹き付けることができ
るので、液化に偏りが生じず、均等に効率よく液化炭酸
ガスを得ることができる。
接続され表面に多数のガス通過孔を設けたガス流分散デ
スクを介装することが好ましい。冷却板ユニットを並列
配置した外側からだけ原料ガスを供給するようにする
と、冷却板ユニットに挟まれた空間の外縁に近い部分で
液化が進み、深奥部分における炭酸ガス分圧が低下して
ドライアイス化する可能性がある。ガス流分散デスクを
介装することにより、冷却板ユニットに挟まれた中心部
分にも等圧等温の原料ガスを直接吹き付けることができ
るので、液化に偏りが生じず、均等に効率よく液化炭酸
ガスを得ることができる。
【００１７】なお、本発明の炭酸ガス液化装置には、冷
却管あるいは冷却板のコーティングの表面温度を測定す
るセンサと、原料ガスとＬＮＧの流路にそれぞれ流量制
御弁と、コーティング表面温度を所定の温度範囲内に保
持するように流量調節弁を調整する制御器を備えること
が好ましい。コーティングの厚みは、所定の特性を有す
る原料ガスやＬＮＧを前提として所定のＬＮＧ流量と原
料ガス流量に対して設定されたものであり、これらに大
きな変動があると、コーティング表面温度を設定された
炭酸ガス液化温度範囲内に維持することが難しくなる。
そこで、自動制御系を組み込んでコーティング表面温度
に対して最も敏感に反応するＬＮＧ流量や原料ガス流量
を調整することにより、運転時にこれら条件に変動があ
っても、コーティング表面を炭酸ガス液化温度範囲に対
応する温度に維持するように制御して、炭酸ガス液化効
率を向上させることができる。
却管あるいは冷却板のコーティングの表面温度を測定す
るセンサと、原料ガスとＬＮＧの流路にそれぞれ流量制
御弁と、コーティング表面温度を所定の温度範囲内に保
持するように流量調節弁を調整する制御器を備えること
が好ましい。コーティングの厚みは、所定の特性を有す
る原料ガスやＬＮＧを前提として所定のＬＮＧ流量と原
料ガス流量に対して設定されたものであり、これらに大
きな変動があると、コーティング表面温度を設定された
炭酸ガス液化温度範囲内に維持することが難しくなる。
そこで、自動制御系を組み込んでコーティング表面温度
に対して最も敏感に反応するＬＮＧ流量や原料ガス流量
を調整することにより、運転時にこれら条件に変動があ
っても、コーティング表面を炭酸ガス液化温度範囲に対
応する温度に維持するように制御して、炭酸ガス液化効
率を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下実施例を用いて本発明を詳細
に説明する。図１は、本発明の炭酸ガス液化装置の１実
施例を示すプロセスフロー図、図２は予冷熱交換器と一
体化した液化器を示す概念構造図、図３は炭酸ガスの相
状態図、図４は炭酸ガス液化熱交換器の冷却管コーティ
ングの構成を説明する線図、図５は液化熱交換器内の炭
酸ガス液化率の分布を示すグラフ、図６は液化熱交換器
の１例を示す構成概念図、図７は液化熱交換器の別の例
を示す構成概念図、図８は液化器内の温度変化を示す線
図である。
に説明する。図１は、本発明の炭酸ガス液化装置の１実
施例を示すプロセスフロー図、図２は予冷熱交換器と一
体化した液化器を示す概念構造図、図３は炭酸ガスの相
状態図、図４は炭酸ガス液化熱交換器の冷却管コーティ
ングの構成を説明する線図、図５は液化熱交換器内の炭
酸ガス液化率の分布を示すグラフ、図６は液化熱交換器
の１例を示す構成概念図、図７は液化熱交換器の別の例
を示す構成概念図、図８は液化器内の温度変化を示す線
図である。
【００１９】本実施例の炭酸ガス液化装置は、中間媒体
を使用する代わりに、ＬＮＧ冷熱で直接的に炭酸ガスの
液化を行う液化熱交換器を用いることにより、プロセス
を簡単化し冷熱の利用率を向上させたものである。な
お、液化熱交換器に予冷および除湿を行う予冷熱交換器
を一体化したものは、構造簡易化および冷熱利用効率の
面からより好ましい。ＬＮＧは、過冷却液体状態で供給
され炭酸ガスを予冷・液化して、ほぼ常温化された天然
ガスとなり、加温工程を経ることなくユーザに供給する
ことができる。
を使用する代わりに、ＬＮＧ冷熱で直接的に炭酸ガスの
液化を行う液化熱交換器を用いることにより、プロセス
を簡単化し冷熱の利用率を向上させたものである。な
お、液化熱交換器に予冷および除湿を行う予冷熱交換器
を一体化したものは、構造簡易化および冷熱利用効率の
面からより好ましい。ＬＮＧは、過冷却液体状態で供給
され炭酸ガスを予冷・液化して、ほぼ常温化された天然
ガスとなり、加温工程を経ることなくユーザに供給する
ことができる。
【００２０】図１に示すように、炭酸ガスを含む原料ガ
スは、前段処理工程１で常温化・精製されて高濃度化炭
酸ガスとなり、コンプレッサ２により所定の圧力まで加
圧され、リザーバタンク３に送り込まれて、パルス的な
流量変動や圧力変動を緩和させてから炭酸ガス液化器４
に供給される。炭酸ガス液化器４は、図２に概念構造を
示すように、原料ガスの予冷と除湿を行う予冷熱交換器
４１と液化を行う液化熱交換器４２が直列に合体したも
ので、液化器全体は断熱材４３で覆われて保冷されてい
る。
スは、前段処理工程１で常温化・精製されて高濃度化炭
酸ガスとなり、コンプレッサ２により所定の圧力まで加
圧され、リザーバタンク３に送り込まれて、パルス的な
流量変動や圧力変動を緩和させてから炭酸ガス液化器４
に供給される。炭酸ガス液化器４は、図２に概念構造を
示すように、原料ガスの予冷と除湿を行う予冷熱交換器
４１と液化を行う液化熱交換器４２が直列に合体したも
ので、液化器全体は断熱材４３で覆われて保冷されてい
る。
【００２１】リザーバタンク３から供給される原料ガス
は、予冷熱交換器４１でＬＮＧと向流間接接触して、液
化処理しやすい温度まで冷却され、かつ冷却により前段
処理工程１で除去しきれなかった水分をほぼ完全に落と
して、液化熱交換器４２に供給される。液化熱交換器４
２は、軸方向にガス流分配室４４を備える。ガス流分配
室４４は、全長に亘ってガスを吹き出す多数のノズル孔
を備え、予冷熱交換器４１から供給される原料ガスを、
軸に沿って長々と配置される冷却管あるいは冷却板４５
のそれぞれの近傍に向けてガスを吹き出す多数のノズル
孔を備えて、原料ガスを冷却管等４５の部分部分に均一
に供給できるようになっている。
は、予冷熱交換器４１でＬＮＧと向流間接接触して、液
化処理しやすい温度まで冷却され、かつ冷却により前段
処理工程１で除去しきれなかった水分をほぼ完全に落と
して、液化熱交換器４２に供給される。液化熱交換器４
２は、軸方向にガス流分配室４４を備える。ガス流分配
室４４は、全長に亘ってガスを吹き出す多数のノズル孔
を備え、予冷熱交換器４１から供給される原料ガスを、
軸に沿って長々と配置される冷却管あるいは冷却板４５
のそれぞれの近傍に向けてガスを吹き出す多数のノズル
孔を備えて、原料ガスを冷却管等４５の部分部分に均一
に供給できるようになっている。
【００２２】冷却管等４５でＬＮＧと間接接触して液化
した炭酸ガスは、液化熱交換器４２の底に溜まり、液化
炭酸ガス貯槽５に排出されて貯留され、最終的に需要者
に向けて出荷される。なお、ドライアイス製造工程６で
ドライアイス化してドライアイスの形で出荷してもよ
い。なお、液化しきれない原料ガスは、液化熱交換器４
２内に残留し、時間の経過と共に非凝縮成分が蓄積して
炭酸ガス分圧を低下させることになる可能性があるの
で、間歇的または連続的に器外に放出して処分すること
が好ましい。
した炭酸ガスは、液化熱交換器４２の底に溜まり、液化
炭酸ガス貯槽５に排出されて貯留され、最終的に需要者
に向けて出荷される。なお、ドライアイス製造工程６で
ドライアイス化してドライアイスの形で出荷してもよ
い。なお、液化しきれない原料ガスは、液化熱交換器４
２内に残留し、時間の経過と共に非凝縮成分が蓄積して
炭酸ガス分圧を低下させることになる可能性があるの
で、間歇的または連続的に器外に放出して処分すること
が好ましい。
【００２３】一方、ＬＮＧタンク７から供給される過冷
却状態のＬＮＧは、液化熱交換器４２の端部に設けられ
た入口分配ヘッダ４６に供給され、液化熱交換器４２に
多数設けられた冷却管もしくは冷却板４５に分配されて
原料ガスを冷却することで昇温しながら流下する。液化
熱交換器４２を流下する間に一部が気化して気液二相流
となりさらに全量がガス化して、炭酸ガス液化温度付近
まで昇温し予冷熱交換器４１の冷却管等４７に流入す
る。ここで常温で供給される原料ガスと熱交換してほぼ
常温の天然ガスとなり、出口合流ヘッダ４８に集められ
ガスタンク等に送り込まれて需要者に供給される。
却状態のＬＮＧは、液化熱交換器４２の端部に設けられ
た入口分配ヘッダ４６に供給され、液化熱交換器４２に
多数設けられた冷却管もしくは冷却板４５に分配されて
原料ガスを冷却することで昇温しながら流下する。液化
熱交換器４２を流下する間に一部が気化して気液二相流
となりさらに全量がガス化して、炭酸ガス液化温度付近
まで昇温し予冷熱交換器４１の冷却管等４７に流入す
る。ここで常温で供給される原料ガスと熱交換してほぼ
常温の天然ガスとなり、出口合流ヘッダ４８に集められ
ガスタンク等に送り込まれて需要者に供給される。
【００２４】炭酸ガスの液化温度範囲は、図３に示す相
状態図からも分かるように、炭酸ガス分圧により異な
り、炭酸ガスの圧力が高くなるほど広くなるので、運転
管理を容易にするためには圧力が高い方が好ましい。し
かし、極低温下で運転するものであるため高圧では装置
上の困難が大きくなるので、実際には原料ガスの圧力が
１０〜２０bar程度になるように選択する。なお、圧力
が３重点（５．１８５bar）以下では炭酸ガスは液化せ
ず直接固相化しドライアイス状になるので、少なくとも
炭酸ガスの分圧が３重点圧力以上あることが要求され
る。本実施例では、炭酸ガス液化温度範囲がほぼ２２０
〜２５０Ｋになるようにしている。
状態図からも分かるように、炭酸ガス分圧により異な
り、炭酸ガスの圧力が高くなるほど広くなるので、運転
管理を容易にするためには圧力が高い方が好ましい。し
かし、極低温下で運転するものであるため高圧では装置
上の困難が大きくなるので、実際には原料ガスの圧力が
１０〜２０bar程度になるように選択する。なお、圧力
が３重点（５．１８５bar）以下では炭酸ガスは液化せ
ず直接固相化しドライアイス状になるので、少なくとも
炭酸ガスの分圧が３重点圧力以上あることが要求され
る。本実施例では、炭酸ガス液化温度範囲がほぼ２２０
〜２５０Ｋになるようにしている。
【００２５】炭酸ガス液化器４における熱交換器は、所
定の原料ガス流量とＬＮＧ流量に対して最適化されてお
り、計画された効率を維持するためにはこの条件を再現
することが要求されるので、制御器１１を備えて原料ガ
ス流量制御弁１２とＬＮＧ流量制御弁１３を自動調節す
ることが好ましい。なお、液化熱交換器４２のコーティ
ング表面温度を検出してフィードバックする自動温度制
御系を組むことにより、炭酸ガス液化処理を良好な状態
で継続することができる。
定の原料ガス流量とＬＮＧ流量に対して最適化されてお
り、計画された効率を維持するためにはこの条件を再現
することが要求されるので、制御器１１を備えて原料ガ
ス流量制御弁１２とＬＮＧ流量制御弁１３を自動調節す
ることが好ましい。なお、液化熱交換器４２のコーティ
ング表面温度を検出してフィードバックする自動温度制
御系を組むことにより、炭酸ガス液化処理を良好な状態
で継続することができる。
【００２６】ところで、通常の熱交換器は大きな熱伝達
性能を実現するためできるだけ熱伝達係数が大きくなる
ように構成される。しかし、本実施例に用いる熱交換器
はこれと異なり、冷却管あるいは冷却板の表面に伝熱緩
衝層を設けて壁を貫通する熱流を制御し、冷却管等の中
を流れる冷媒ＬＮＧの温度変化に対応して伝熱緩衝層表
面における温度を管理して、表面に接触する炭酸ガス温
度を液化温度範囲内に維持するようにするところに特徴
がある。
性能を実現するためできるだけ熱伝達係数が大きくなる
ように構成される。しかし、本実施例に用いる熱交換器
はこれと異なり、冷却管あるいは冷却板の表面に伝熱緩
衝層を設けて壁を貫通する熱流を制御し、冷却管等の中
を流れる冷媒ＬＮＧの温度変化に対応して伝熱緩衝層表
面における温度を管理して、表面に接触する炭酸ガス温
度を液化温度範囲内に維持するようにするところに特徴
がある。
【００２７】ＬＮＧの温度は液化熱交換器の冷却管ある
いは冷却板の内部で１２０〜１３０Ｋから２２０〜２５
０Ｋまでとかなり大きく変化する上、液相から気液二
相、さらに気相と変化するため伝熱係数も場所により大
きく異なるので、冷却管等の表面層の全域に亘ってある
温度範囲に維持するようなコーティングにするために
は、調整代を大きく取ることができる低熱伝導体を用い
ることが好ましい。そこで、本実施例の伝熱緩衝層は、
ＦＲＰやフッ素樹脂などの比較的熱伝導率の小さい材料
を所定の厚みにコーティングして形成する。コーティン
グ厚さは、コーティング表面における炭酸ガスの凝縮伝
熱量とコーティング表面から管厚あるいは板厚を貫通し
て冷媒まで伝達する熱量の熱平衡条件に基づいて、コー
ティング表面温度が炭酸ガスの液化温度範囲内に保持さ
れるように決められる。
いは冷却板の内部で１２０〜１３０Ｋから２２０〜２５
０Ｋまでとかなり大きく変化する上、液相から気液二
相、さらに気相と変化するため伝熱係数も場所により大
きく異なるので、冷却管等の表面層の全域に亘ってある
温度範囲に維持するようなコーティングにするために
は、調整代を大きく取ることができる低熱伝導体を用い
ることが好ましい。そこで、本実施例の伝熱緩衝層は、
ＦＲＰやフッ素樹脂などの比較的熱伝導率の小さい材料
を所定の厚みにコーティングして形成する。コーティン
グ厚さは、コーティング表面における炭酸ガスの凝縮伝
熱量とコーティング表面から管厚あるいは板厚を貫通し
て冷媒まで伝達する熱量の熱平衡条件に基づいて、コー
ティング表面温度が炭酸ガスの液化温度範囲内に保持さ
れるように決められる。
【００２８】冷却管の表面に形成するコーティングの厚
さδＣＴは、装置の諸元と温度や熱伝導率などを用い
て、下の熱平衡式（１）により求めることができる。 αＣＯ２(ＤＰ２＋２δＣＴ)(ＴＣＯ２−ＴＣＴ） ＝(ＴＣＴ−ＴＬ)/｛１/(αＬＤＰ１)＋(１/２λＰ)ln(ＤＰ２/ＤＰ１) ＋(１/２λＣＴ)ln［(ＤＰ２＋２δＣＴ)/ＤＰ２］｝ （１） また、冷却管を内装した冷却板の表面に形成するコーテ
ィングの厚さδＣＴは、下の熱平衡式（２）により求め
ることができる。 αＣＯ２・２ＳＣＴ(ＴＣＯ２−ＴＣＴ） ＝(ＴＣＴ−ＴＬ)/｛１/(αＬπＤＰ１ＬＰ) ＋［１/(２λＰπＬＰ)］ln(ＤＰ２/ＤＰ１) ＋δＭ/(λＭ・２ＳM)＋δＣｔ/(λＣＴ・２ＳＣＴ)｝ （２）
さδＣＴは、装置の諸元と温度や熱伝導率などを用い
て、下の熱平衡式（１）により求めることができる。 αＣＯ２(ＤＰ２＋２δＣＴ)(ＴＣＯ２−ＴＣＴ） ＝(ＴＣＴ−ＴＬ)/｛１/(αＬＤＰ１)＋(１/２λＰ)ln(ＤＰ２/ＤＰ１) ＋(１/２λＣＴ)ln［(ＤＰ２＋２δＣＴ)/ＤＰ２］｝ （１） また、冷却管を内装した冷却板の表面に形成するコーテ
ィングの厚さδＣＴは、下の熱平衡式（２）により求め
ることができる。 αＣＯ２・２ＳＣＴ(ＴＣＯ２−ＴＣＴ） ＝(ＴＣＴ−ＴＬ)/｛１/(αＬπＤＰ１ＬＰ) ＋［１/(２λＰπＬＰ)］ln(ＤＰ２/ＤＰ１) ＋δＭ/(λＭ・２ＳM)＋δＣｔ/(λＣＴ・２ＳＣＴ)｝ （２）
【００２９】ただし、αＣＯ２：
コーティング表面での炭酸ガス流の凝縮伝熱係数(Ｗ／
ｍ２Ｋ) αＬ： 冷却管内のＬＮＧ流の強制対流伝熱係数(Ｗ／
ｍ２Ｋ) λＰ，λＭ，λＣＴ： それぞれ、冷却管壁、冷却板材、コーティング材の熱伝
導率(Ｗ／ｍＫ) ＬＰ: 冷却板ユニット内の冷却管の長さ(ｍ) ＳＣＴ，ＳM：コーティング材、冷却板材の片側表面積
(ｍ２) λＭ： 冷却板材の片側平均厚さ(ｍ) ＤＰ１，ＤＰ２：それぞれ、冷却管の内径と外径(ｍ) ＴＣＯ２，ＴＬ：それぞれ、炭酸ガス流と冷媒ＬＮＧ流
の温度(Ｋ) ＴＣＴ： コーティング表面温度(Ｋ) ＳＣＴ，ＳM：それぞれ、コーティング外側面と内側面
の面積(ｍ２) δＭ： 冷却板壁の厚さ(ｍ) である。なお、実際には、ＬＮＧ温度が管壁を貫通する
熱流によって徐々に上昇するので、流路に沿ったコーテ
ィング厚さのパターンは収束計算により求めることにな
る。
ｍ２Ｋ) αＬ： 冷却管内のＬＮＧ流の強制対流伝熱係数(Ｗ／
ｍ２Ｋ) λＰ，λＭ，λＣＴ： それぞれ、冷却管壁、冷却板材、コーティング材の熱伝
導率(Ｗ／ｍＫ) ＬＰ: 冷却板ユニット内の冷却管の長さ(ｍ) ＳＣＴ，ＳM：コーティング材、冷却板材の片側表面積
(ｍ２) λＭ： 冷却板材の片側平均厚さ(ｍ) ＤＰ１，ＤＰ２：それぞれ、冷却管の内径と外径(ｍ) ＴＣＯ２，ＴＬ：それぞれ、炭酸ガス流と冷媒ＬＮＧ流
の温度(Ｋ) ＴＣＴ： コーティング表面温度(Ｋ) ＳＣＴ，ＳM：それぞれ、コーティング外側面と内側面
の面積(ｍ２) δＭ： 冷却板壁の厚さ(ｍ) である。なお、実際には、ＬＮＧ温度が管壁を貫通する
熱流によって徐々に上昇するので、流路に沿ったコーテ
ィング厚さのパターンは収束計算により求めることにな
る。
【００３０】図４は、液化熱交換器の冷却管あるいは冷
却板におけるコーティングの厚み分布と伝熱係数などと
の関係を説明する図面である。図面はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの
４個の図面からなり、Ｃに表した液化熱交換器の冷却管
あるいは冷却板中のＬＮＧ移動方向に沿って、Ａに熱交
換器内の伝熱係数、Ｂに各部の温度、Ｄにコーティング
厚さの変化を同じスケールで表したものである。図４
Ａ，Ｂに表示するように、液化熱交換器内の炭酸ガスは
ガス流分配室により均温均圧状態になってから熱交換器
内にほぼ均一に分散されるため、流入する炭酸ガスの温
度はほぼ一定の値になる。また、冷却管や冷却板のコー
ティングを適切に調整することにより、コーティング表
面温度が炭酸ガス液化温度範囲に収まるようになってい
るので、炭酸ガス凝縮伝熱係数も器内でほぼ一定にな
る。
却板におけるコーティングの厚み分布と伝熱係数などと
の関係を説明する図面である。図面はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの
４個の図面からなり、Ｃに表した液化熱交換器の冷却管
あるいは冷却板中のＬＮＧ移動方向に沿って、Ａに熱交
換器内の伝熱係数、Ｂに各部の温度、Ｄにコーティング
厚さの変化を同じスケールで表したものである。図４
Ａ，Ｂに表示するように、液化熱交換器内の炭酸ガスは
ガス流分配室により均温均圧状態になってから熱交換器
内にほぼ均一に分散されるため、流入する炭酸ガスの温
度はほぼ一定の値になる。また、冷却管や冷却板のコー
ティングを適切に調整することにより、コーティング表
面温度が炭酸ガス液化温度範囲に収まるようになってい
るので、炭酸ガス凝縮伝熱係数も器内でほぼ一定にな
る。
【００３１】これに対して、冷却管等の内部を通るＬＮ
Ｇは、液相で流入して器内の原料ガスと熱交換して加熱
され気相まで変化する。すなわち、凝縮点に達するまで
は液相を維持し、温度は徐々に上昇し伝熱係数も徐々に
大きくなる。凝縮点に達した後では潜熱により温度がほ
ぼ一定に保持されるが、一部がガス化するため気液二相
流となるので伝熱係数は大きく上昇する。さらに、全量
が気相に変化した後は、温度は上昇し伝熱係数は低下す
る。
Ｇは、液相で流入して器内の原料ガスと熱交換して加熱
され気相まで変化する。すなわち、凝縮点に達するまで
は液相を維持し、温度は徐々に上昇し伝熱係数も徐々に
大きくなる。凝縮点に達した後では潜熱により温度がほ
ぼ一定に保持されるが、一部がガス化するため気液二相
流となるので伝熱係数は大きく上昇する。さらに、全量
が気相に変化した後は、温度は上昇し伝熱係数は低下す
る。
【００３２】図４Ｄは、本実施例の液化熱交換器におけ
るコーティングプロフィールを表したもので、コーティ
ングの厚さは入口で最も厚くし、その後徐々に薄くして
いって、気液二相流の領域では伝熱係数が上昇する分だ
け若干厚くし、気相部分では出口に近づくほどコーティ
ングを薄くして冷熱流が大きくなるようにしてある。こ
のようにすると、コーティング表面温度を炭酸ガス液化
温度範囲内に維持しながら、ＬＮＧ温度は液化熱伝達器
の出口付近で炭酸ガスの液化温度に近い値にすることが
できる。
るコーティングプロフィールを表したもので、コーティ
ングの厚さは入口で最も厚くし、その後徐々に薄くして
いって、気液二相流の領域では伝熱係数が上昇する分だ
け若干厚くし、気相部分では出口に近づくほどコーティ
ングを薄くして冷熱流が大きくなるようにしてある。こ
のようにすると、コーティング表面温度を炭酸ガス液化
温度範囲内に維持しながら、ＬＮＧ温度は液化熱伝達器
の出口付近で炭酸ガスの液化温度に近い値にすることが
できる。
【００３３】本実施例の熱交換器では、たとえば１２０
Ｋで供給される過冷却ＬＮＧが２８８Ｋ付近の常温の天
然ガスとして排出されるまでの顕熱と潜熱を利用するの
で、たとえば、炭酸ガス濃度が９５％の原料ガスを１４
bar２８８Ｋで８９００ｋｇ／ｈ処理するとしたとき
に、原料ガスを常温から炭酸ガス液化温度近傍まで冷却
しさらに全量液化するためには、２０bar１２０Ｋの過
冷却冷媒ＬＮＧを３９００ｋｇ／ｈで供給すれば足り
る。すなわち、約０．４４トンのＬＮＧにより１トンの
炭酸ガスを処理することができることになり、従来法で
ＬＮＧ約１トンを必要とすることと比較すると２倍以上
の効率向上になっている。
Ｋで供給される過冷却ＬＮＧが２８８Ｋ付近の常温の天
然ガスとして排出されるまでの顕熱と潜熱を利用するの
で、たとえば、炭酸ガス濃度が９５％の原料ガスを１４
bar２８８Ｋで８９００ｋｇ／ｈ処理するとしたとき
に、原料ガスを常温から炭酸ガス液化温度近傍まで冷却
しさらに全量液化するためには、２０bar１２０Ｋの過
冷却冷媒ＬＮＧを３９００ｋｇ／ｈで供給すれば足り
る。すなわち、約０．４４トンのＬＮＧにより１トンの
炭酸ガスを処理することができることになり、従来法で
ＬＮＧ約１トンを必要とすることと比較すると２倍以上
の効率向上になっている。
【００３４】図５は、液化熱交換器について、上記条件
下で冷却管を６本の５０Ａステンレス管で形成しＦＲＰ
（繊維強化プラスチック）でコーティングするものとし
て、適切なコーティング厚み（ｍ）の冷却管軸に沿った
プロフィールと、冷却管各位置における単位長さ当たり
の炭酸ガス液化率（ｋｇ／ｍ・ｓ）を算出した結果を示
すものである。なお、ＦＲＰの他にフッ素樹脂も、ＬＮ
Ｇ温度における低温脆性によるクラック発生が無く、熱
伝導率がステンレス管の熱伝導率（約１１Ｗ／ｍＫ）に
対してほぼ１／１５程度しかないので、極低温で使用す
る冷却管に対して微妙に厚さを調整して施工する本実施
例のコーティングに適している。
下で冷却管を６本の５０Ａステンレス管で形成しＦＲＰ
（繊維強化プラスチック）でコーティングするものとし
て、適切なコーティング厚み（ｍ）の冷却管軸に沿った
プロフィールと、冷却管各位置における単位長さ当たり
の炭酸ガス液化率（ｋｇ／ｍ・ｓ）を算出した結果を示
すものである。なお、ＦＲＰの他にフッ素樹脂も、ＬＮ
Ｇ温度における低温脆性によるクラック発生が無く、熱
伝導率がステンレス管の熱伝導率（約１１Ｗ／ｍＫ）に
対してほぼ１／１５程度しかないので、極低温で使用す
る冷却管に対して微妙に厚さを調整して施工する本実施
例のコーティングに適している。
【００３５】ＦＲＰコーティング厚さは、上記した熱平
衡式（１）により算出されたもので、コーティング表面
と冷媒ＬＮＧとの温度差が最大になる冷却管入口で最も
厚く、その後徐々に減少するがＬＮＧが気液二相流にな
る領域では熱伝達特性が良化するので厚みを相対的に増
加させ、気化が終了した後は単純減少してＬＮＧが炭酸
ガス液化温度に達する出口ではゼロになる。液化率は熱
流量により決まり、冷媒とコーティング表面の温度差が
大きい入り口付近では小さく、気液二相流の領域では極
めて大きいが、その後は気相での熱交換となるため減少
する。炭酸ガス液化率は、冷却管長に亘って積分すると
炭酸ガス供給量にほぼ等しくなる。
衡式（１）により算出されたもので、コーティング表面
と冷媒ＬＮＧとの温度差が最大になる冷却管入口で最も
厚く、その後徐々に減少するがＬＮＧが気液二相流にな
る領域では熱伝達特性が良化するので厚みを相対的に増
加させ、気化が終了した後は単純減少してＬＮＧが炭酸
ガス液化温度に達する出口ではゼロになる。液化率は熱
流量により決まり、冷媒とコーティング表面の温度差が
大きい入り口付近では小さく、気液二相流の領域では極
めて大きいが、その後は気相での熱交換となるため減少
する。炭酸ガス液化率は、冷却管長に亘って積分すると
炭酸ガス供給量にほぼ等しくなる。
【００３６】このようにして算出されたコーティングプ
ロフィールを冷却管表面に正確に施工することは困難で
あり、いたずらにコスト高を招くことになる。しかし、
図３の炭酸ガス相状態図に示したように、炭酸ガス液化
温度には幅があるので、ステップ状変化により最適プロ
フィールに近似させる簡略化を行ってもよい。また、直
列接続された冷却板を使用する場合は、冷却板ユニット
ごとに同じ厚さのコーティングを施すようにしてもかま
わない。
ロフィールを冷却管表面に正確に施工することは困難で
あり、いたずらにコスト高を招くことになる。しかし、
図３の炭酸ガス相状態図に示したように、炭酸ガス液化
温度には幅があるので、ステップ状変化により最適プロ
フィールに近似させる簡略化を行ってもよい。また、直
列接続された冷却板を使用する場合は、冷却板ユニット
ごとに同じ厚さのコーティングを施すようにしてもかま
わない。
【００３７】図６は、直列に接続した冷却板ユニットを
備える液化熱交換器４２の例を示す構成概念図である。
冷却板ユニット５１は、内側の面に溝を形成して２枚１
組で張り合わせた金属板の溝部に冷媒流路となる冷却管
を埋め込んで形成され、冷却板ユニットの間にガス分流
ディスク５２が挿入された形で液化熱交換器４２の長さ
方向に並べて配置されている。ガス分流ディスク５２
は、内部が空洞になっていて表面に多数の吹き出し孔が
設けられ、原料ガスを均圧均温状態に保持するガス流分
配室４４に接続されて冷却板ユニット５１の全面に均一
に同温同圧の原料ガスを供給する。
備える液化熱交換器４２の例を示す構成概念図である。
冷却板ユニット５１は、内側の面に溝を形成して２枚１
組で張り合わせた金属板の溝部に冷媒流路となる冷却管
を埋め込んで形成され、冷却板ユニットの間にガス分流
ディスク５２が挿入された形で液化熱交換器４２の長さ
方向に並べて配置されている。ガス分流ディスク５２
は、内部が空洞になっていて表面に多数の吹き出し孔が
設けられ、原料ガスを均圧均温状態に保持するガス流分
配室４４に接続されて冷却板ユニット５１の全面に均一
に同温同圧の原料ガスを供給する。
【００３８】各冷却板ユニット５１に埋め込まれた冷却
管はたとえば６系列など適当な数の系列に分かれ、系列
ごとに直列接続されていて、冷媒ＬＮＧが冷却板ユニッ
トを順々に流れ下って昇温していく。１個の冷却板ユニ
ット５１を通過するＬＮＧは、各系列ごとに流れてきた
距離が等しく受熱履歴が同じになるので、同じ温度、同
じ相状態になっている。各冷却板ユニット５１の表面に
は、図５に示したプロフィールにしたがってＬＮＧの流
れる方向に厚みがだんだん減少するようにＦＲＰコーテ
ィング５３が施されていて、所定流量の原料ガスとＬＮ
Ｇを流すことによりコーティング表面が炭酸ガス液化温
度範囲内の温度になって、接触する炭酸ガスを液化す
る。液化した炭酸ガスは、液化熱交換器４２の底に滴下
して貯留し、排出される。
管はたとえば６系列など適当な数の系列に分かれ、系列
ごとに直列接続されていて、冷媒ＬＮＧが冷却板ユニッ
トを順々に流れ下って昇温していく。１個の冷却板ユニ
ット５１を通過するＬＮＧは、各系列ごとに流れてきた
距離が等しく受熱履歴が同じになるので、同じ温度、同
じ相状態になっている。各冷却板ユニット５１の表面に
は、図５に示したプロフィールにしたがってＬＮＧの流
れる方向に厚みがだんだん減少するようにＦＲＰコーテ
ィング５３が施されていて、所定流量の原料ガスとＬＮ
Ｇを流すことによりコーティング表面が炭酸ガス液化温
度範囲内の温度になって、接触する炭酸ガスを液化す
る。液化した炭酸ガスは、液化熱交換器４２の底に滴下
して貯留し、排出される。
【００３９】図７は、冷却管を用いた炭酸ガス液化器４
の例を示す構成概念図である。液化熱交換器４２内に、
水平方向に多重蛇行するような折り返し冷却管５４を千
鳥に複数段配置している。ガス流分配室４４は冷却管５
４を囲むように液化熱交換器４２の天井部と側壁部に設
けられ、多数の吹き出し孔から冷却管５４に向けて同温
同圧の原料ガスを供給する。
の例を示す構成概念図である。液化熱交換器４２内に、
水平方向に多重蛇行するような折り返し冷却管５４を千
鳥に複数段配置している。ガス流分配室４４は冷却管５
４を囲むように液化熱交換器４２の天井部と側壁部に設
けられ、多数の吹き出し孔から冷却管５４に向けて同温
同圧の原料ガスを供給する。
【００４０】冷却管５４の表面には、ＦＲＰコーティン
グ５５が管路の上流から下流に向かって図５に示したプ
ロフィールにしたがって施されており、所定の原料ガス
流とＬＮＧ流の下でコーティング表面が炭酸ガス液化温
度範囲内の温度になるようになっている。このような構
造では、原料ガス流の温度と凝縮伝熱係数が液化熱交換
器４２の全域に亘ってほぼ均一になるので、コーティン
グ５５の表面を炭酸ガス液化温度範囲内に管理すること
が比較的容易である。
グ５５が管路の上流から下流に向かって図５に示したプ
ロフィールにしたがって施されており、所定の原料ガス
流とＬＮＧ流の下でコーティング表面が炭酸ガス液化温
度範囲内の温度になるようになっている。このような構
造では、原料ガス流の温度と凝縮伝熱係数が液化熱交換
器４２の全域に亘ってほぼ均一になるので、コーティン
グ５５の表面を炭酸ガス液化温度範囲内に管理すること
が比較的容易である。
【００４１】なお、液化熱交換器４２に直接隣接する予
冷熱交換器４１の領域においても同様に、液化熱交換器
４２の折り返し冷却管５４に繋がる多重蛇行折り返し冷
却管５６を千鳥に複数段配置するようにしてもよい。予
冷熱交換器４１における冷却管５６は原料ガスを液化温
度付近まで冷却し気化した天然ガスを常温付近まで加熱
するものであるので、熱流緩衝コーティングを施す必要
はなく、また熱交換は向流式であることが好ましい。
冷熱交換器４１の領域においても同様に、液化熱交換器
４２の折り返し冷却管５４に繋がる多重蛇行折り返し冷
却管５６を千鳥に複数段配置するようにしてもよい。予
冷熱交換器４１における冷却管５６は原料ガスを液化温
度付近まで冷却し気化した天然ガスを常温付近まで加熱
するものであるので、熱流緩衝コーティングを施す必要
はなく、また熱交換は向流式であることが好ましい。
【００４２】このようなコーティングを施した冷却板ユ
ニットあるいは冷却管を用いて、原料ガスと冷媒ＬＮＧ
の流量を適正に調整することにより、コーティング表面
温度を炭酸ガス液化温度範囲に保持して、液化熱交換器
のほぼ全域に亘って接触する炭酸ガスを液化することが
できる。図８は、予冷熱交換器４１と液化熱交換器４２
からなる炭酸ガス液化器４における、原料ガス、ＬＮ
Ｇ、および管表面あるいはコーティング表面の温度変化
を表したグラフである。グラフは、横軸にＬＮＧ入口か
ら計った冷却管位置をとり、縦軸にこれらの温度をとっ
たものである。
ニットあるいは冷却管を用いて、原料ガスと冷媒ＬＮＧ
の流量を適正に調整することにより、コーティング表面
温度を炭酸ガス液化温度範囲に保持して、液化熱交換器
のほぼ全域に亘って接触する炭酸ガスを液化することが
できる。図８は、予冷熱交換器４１と液化熱交換器４２
からなる炭酸ガス液化器４における、原料ガス、ＬＮ
Ｇ、および管表面あるいはコーティング表面の温度変化
を表したグラフである。グラフは、横軸にＬＮＧ入口か
ら計った冷却管位置をとり、縦軸にこれらの温度をとっ
たものである。
【００４３】先に掲げた原料ガスおよびＬＮＧの条件で
は、予冷域と液化域を合わせた冷却管の長さは４１０ｍ
程度となり、このうち液化領域の冷却管の長さは約８０
ｍとなった。なお、この冷却管の長さは蛇行折り返し管
に沿って測った長さを意味する。冷媒ＬＮＧは１２０Ｋ
の温度で液化熱交換器４２に供給され、原料ガスを冷却
液化して昇温し、この間に気化して原料ガスの液化温度
より若干低い温度まで昇温して、予冷熱交換器４１に入
る。予冷熱交換器４１では常温の原料ガスにより２８８
Ｋのほぼ常温まで加温され、燃料天然ガスとして排出さ
れる。したがって、ユーザに天然ガスを供給する場合に
も、従来方式のような加熱工程は不要である。
は、予冷域と液化域を合わせた冷却管の長さは４１０ｍ
程度となり、このうち液化領域の冷却管の長さは約８０
ｍとなった。なお、この冷却管の長さは蛇行折り返し管
に沿って測った長さを意味する。冷媒ＬＮＧは１２０Ｋ
の温度で液化熱交換器４２に供給され、原料ガスを冷却
液化して昇温し、この間に気化して原料ガスの液化温度
より若干低い温度まで昇温して、予冷熱交換器４１に入
る。予冷熱交換器４１では常温の原料ガスにより２８８
Ｋのほぼ常温まで加温され、燃料天然ガスとして排出さ
れる。したがって、ユーザに天然ガスを供給する場合に
も、従来方式のような加熱工程は不要である。
【００４４】一方、原料ガスは、２８８Ｋの温度で予冷
熱交換器４１に供給されてＬＮＧガスで冷却され残って
いた水分が除去されて、２４０Ｋで液化熱交換器４２に
供給される。液化熱交換器４２の中でほぼ２２５Ｋ〜２
３０Ｋの液化温度範囲内に管理されたコーティング表面
に接触して液化し、液化熱交換器４２の底から回収され
る。なお、予冷域の冷却管の長さが液化域の冷却管より
著しく長いのは、原料ガスの伝熱特性が液化域における
炭酸ガスの凝縮伝熱特性と比較して非常に小さく、また
天然ガスの伝熱特性も液相あるいは気液二相流と比較し
て劣るため、より大きな伝熱長を必要とするためであ
る。
熱交換器４１に供給されてＬＮＧガスで冷却され残って
いた水分が除去されて、２４０Ｋで液化熱交換器４２に
供給される。液化熱交換器４２の中でほぼ２２５Ｋ〜２
３０Ｋの液化温度範囲内に管理されたコーティング表面
に接触して液化し、液化熱交換器４２の底から回収され
る。なお、予冷域の冷却管の長さが液化域の冷却管より
著しく長いのは、原料ガスの伝熱特性が液化域における
炭酸ガスの凝縮伝熱特性と比較して非常に小さく、また
天然ガスの伝熱特性も液相あるいは気液二相流と比較し
て劣るため、より大きな伝熱長を必要とするためであ
る。
【００４５】また、本実施例では、液化器内の冷却管も
しくは冷却板のコーティング表面温度を検出し、これに
従って原料ガス流量と冷媒ＬＮＧ流量を自動調整して、
コーティング表面温度が常時炭酸ガス液化温度範囲に入
っているように自動制御している。
しくは冷却板のコーティング表面温度を検出し、これに
従って原料ガス流量と冷媒ＬＮＧ流量を自動調整して、
コーティング表面温度が常時炭酸ガス液化温度範囲に入
っているように自動制御している。
【００４６】以上説明したとおり、本実施例によれば、
中間冷媒の助けを借りずにＬＮＧで直接に炭酸ガス液化
を行うことができるため、炭酸ガス液化装置の構成が単
純化し、しかもＬＮＧの顕熱まで十分に活用するため利
用効率が従来設備と比較して２倍以上も向上する効果が
ある。効率の向上は、さらにＬＮＧ供給設備のコンパク
ト化と省力化をもたらし、産業上の利用性が向上する。
なお、本実施例に使用する熱交換器は、熱交換器の常識
に反して熱流を計画的に抑制するためのコーティングを
施したので、熱交換器としては長大なものとなるが、本
装置が設置されるのは広大な敷地を有するＬＮＧ基地内
である場合が多く、大きさは障碍にならない場合が多い
と考えられる。
中間冷媒の助けを借りずにＬＮＧで直接に炭酸ガス液化
を行うことができるため、炭酸ガス液化装置の構成が単
純化し、しかもＬＮＧの顕熱まで十分に活用するため利
用効率が従来設備と比較して２倍以上も向上する効果が
ある。効率の向上は、さらにＬＮＧ供給設備のコンパク
ト化と省力化をもたらし、産業上の利用性が向上する。
なお、本実施例に使用する熱交換器は、熱交換器の常識
に反して熱流を計画的に抑制するためのコーティングを
施したので、熱交換器としては長大なものとなるが、本
装置が設置されるのは広大な敷地を有するＬＮＧ基地内
である場合が多く、大きさは障碍にならない場合が多い
と考えられる。
【００４７】上記説明した実施例では、ＬＮＧと炭酸ガ
スの熱交換を行うために千鳥配置の冷却管や直列に接続
した冷却板ユニットを用いたが、この他にも任意の間接
熱交換器を使用することができる。また、原料ガスを液
化熱交換器に導入する手段としてガス流分配室やガス流
分散ディスクを使用しているが、液化熱交換器内に均質
に供給するものであれば、他の手段であってもよいこと
はいうまでもない。また、冷却管等に施すコーティング
の具体的プロフィールは、ある条件の下に算定されたも
のに過ぎないので、処理量や配管形状など諸元が上記説
明と異なる場合には異なるものになるが、液化熱交換に
におけるコーティング表面温度を管理して炭酸ガス液化
を継続的に行うという技術的思想を用いる点において異
なるものではない。
スの熱交換を行うために千鳥配置の冷却管や直列に接続
した冷却板ユニットを用いたが、この他にも任意の間接
熱交換器を使用することができる。また、原料ガスを液
化熱交換器に導入する手段としてガス流分配室やガス流
分散ディスクを使用しているが、液化熱交換器内に均質
に供給するものであれば、他の手段であってもよいこと
はいうまでもない。また、冷却管等に施すコーティング
の具体的プロフィールは、ある条件の下に算定されたも
のに過ぎないので、処理量や配管形状など諸元が上記説
明と異なる場合には異なるものになるが、液化熱交換に
におけるコーティング表面温度を管理して炭酸ガス液化
を継続的に行うという技術的思想を用いる点において異
なるものではない。
【００４８】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の炭酸ガス液
化装置は、従来と比較して著しく簡単な構成により、Ｌ
ＮＧ冷熱を活用して原料ガスに含まれる炭酸ガスを高い
効率で液化することができ、設備の低廉化を果たし、液
化炭酸ガスをより安価に供給することを可能とし、しか
も資源をより高度に活用することを可能とする。
化装置は、従来と比較して著しく簡単な構成により、Ｌ
ＮＧ冷熱を活用して原料ガスに含まれる炭酸ガスを高い
効率で液化することができ、設備の低廉化を果たし、液
化炭酸ガスをより安価に供給することを可能とし、しか
も資源をより高度に活用することを可能とする。
【図１】本発明の炭酸ガス液化装置の１実施例を示すプ
ロセスフロー図である。
ロセスフロー図である。
【図２】本実施例に用いる炭酸ガス液化器を示す概念構
造図である。
造図である。
【図３】炭酸ガスの相状態図である。
【図４】本実施例における炭酸ガス液化熱交換器の冷却
管コーティングの構成を説明する線図である。
管コーティングの構成を説明する線図である。
【図５】本実施例における液化熱交換器内の炭酸ガス液
化率の分布を示すグラフである。
化率の分布を示すグラフである。
【図６】本実施例に用いる液化熱交換器の１例を示す構
成概念図である。
成概念図である。
【図７】本実施例に用いる液化熱交換器の別例を示す構
成概念図である。
成概念図である。
【図８】本実施例における液化器内の温度変化を示す線
図である。
図である。
【図９】従来の炭酸ガス液化装置の例を示すプロセスフ
ロー図である。
ロー図である。
１ 前段処理工程
２ コンプレッサ
３ リザーバタンク
４ 炭酸ガス液化器
４１ 予冷熱交換器
４２ 液化熱交換器
４３ 断熱材
４４ ガス流分配室
４５ 冷却管あるいは冷却板
５ 液化炭酸ガス貯槽
６ ドライアイス製造工程
７ ＬＮＧタンク
４６ 入口分配ヘッダ
４７ 冷却管等
４８ 出口合流ヘッダ
１１ 制御器
１２ 原料ガス流量制御弁
１３ ＬＮＧ流量制御弁
５１ 冷却板ユニット
５２ ガス分流ディスク
５３ ＦＲＰコーティング
５４ 折り返し冷却管
５５ ＦＲＰコーティング
５６ 折り返し冷却管
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 合澤 清志
千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業
株式会社野田工場内
(72)発明者 高谷 芳明
兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業
株式会社明石工場内
(72)発明者 川越 英司
千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業
株式会社野田工場内
(72)発明者 関 辰与志
大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号
関西電力株式会社内
(72)発明者 淺田 智之
大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号
関西電力株式会社内
(72)発明者 本田 宏
大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号
関西電力株式会社内
Ｆターム(参考） 3E073 BB00 DB04 DC15
3J071 AA23 BB12 CC15 DD28 DD29
FF03
4D047 AA05 BA02 BB10 CA07 CA13
CA15 DA01 DB05
Claims (7)
- 【請求項１】 冷却管あるいは冷却板中に冷媒としてＬ
ＮＧを流して器内に供給される原料ガスを深冷し液化二
酸化炭素を生成する液化熱交換器であって、該冷却管あ
るいは冷却板にＬＮＧを流したときの原料ガスとＬＮＧ
の温度に対応して両者間の熱流を制御するように厚さを
調整したコーティングを該冷却管あるいは冷却板の表面
に施して、該コーティングの表面温度を炭酸ガスの液化
可能温度に保持するようにした液化熱交換器を備えるこ
とを特徴とする炭酸ガス液化装置。 - 【請求項２】 前記液化熱交換器に前記冷却管あるいは
冷却板に向けて多数の開口を有するガス流分配室を備え
て、該ガス流分配室を介して前記冷却管あるいは冷却板
に対して原料ガスを均一に分散して供給することを特徴
とする請求項１記載の炭酸ガス液化装置。 - 【請求項３】 前記液化熱交換器から流出するＬＮＧを
冷媒として該液化熱交換器に供給される原料ガスを除湿
し予備冷却する予冷熱交換器を前記液化熱交換器と一体
に構成することを特徴とする請求項１または２記載の炭
酸ガス液化装置。 - 【請求項４】 前記液化熱交換器の冷却管が、１本以上
の水平方向に蛇行する多重折り返し管として構成される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の炭
酸ガス液化装置。 - 【請求項５】 前記液化熱交換器の冷却板が、金属板内
に冷媒通路を形成した複数の冷却板ユニットとして構成
され、該冷却板ユニットが間隔を空けて平行に配設さ
れ、該冷媒通路が直列に接続されて、ＬＮＧを通したと
きに各冷却板ユニットの表面温度が冷却板ユニットごと
にほぼ近似的に一定の温度となるようにしたことを特徴
とする請求項１から３のいずれかに記載の炭酸ガス液化
装置。 - 【請求項６】 前記冷却板ユニットの間に、前記ガス流
分配室に接続され表面に多数のガス通過孔を設けたガス
流分散デスクを介装したことを特徴とする請求項５記載
の炭酸ガス液化装置。 - 【請求項７】 前記コーティングの表面温度を測定する
センサと、前記原料ガスとＬＮＧの流路にそれぞれ流量
制御弁と、前記コーティング表面温度を所定の温度範囲
内に保持するように前記流量調節弁を調整する制御器を
備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記
載の炭酸ガス液化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002145954A JP3628309B2 (ja) | 2002-05-21 | 2002-05-21 | Ｌｎｇ冷熱利用による炭酸ガスの液化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002145954A JP3628309B2 (ja) | 2002-05-21 | 2002-05-21 | Ｌｎｇ冷熱利用による炭酸ガスの液化装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003336964A true JP2003336964A (ja) | 2003-11-28 |
| JP3628309B2 JP3628309B2 (ja) | 2005-03-09 |
Family
ID=29705077
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002145954A Expired - Fee Related JP3628309B2 (ja) | 2002-05-21 | 2002-05-21 | Ｌｎｇ冷熱利用による炭酸ガスの液化装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3628309B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006092847A1 (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-08 | Toshihiro Abe | 二酸化炭素の液化方法及び二酸化炭素回収装置 |
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