JP2732367B2 - 極低温精留システムのための膨脹タービン - Google Patents

極低温精留システムのための膨脹タービン

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、膨脹タービン（「ター
ボ膨脹機」又は単に「タービン」とも称する）に関し、
特に、冷凍源を創生するための、又は、窒素又はその他
のガスを生成するために供給空気を極低温精留するのに
使用するための膨脹タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】窒素及び酸素等の工業用ガスは、供給空
気を極低温精留することによって商業的に大量に生産さ
れる。極低温精留を実施するための冷凍源は、圧縮され
たプロセス流体（一般に、圧縮された供給空気又は極低
温空気分離プラントのような極低温精留システムのコラ
ムから抽出された高圧流体）をターボ膨脹させる（ター
ボ膨脹機に通して膨脹させる）ことによって得られる。
極低温空気分離プラントのターボ膨脹機は、初期コス
ト、運転コスト及びメンテナンスコストの高い機器であ
り、それらのコストを節減することが望ましい。
【０００３】実際、窒素生成設備即ちプラントに用いら
れる膨脹タービン即ちターボ膨脹機の初期コストは、そ
のプラント自体の設備コストの相当大きな部分を占め
る。例えば、小規模プラントの場合、タービンのコスト
は、プラントの総コストのほぼ１０％である。従って、
この種の用途のためのターボ膨脹機の初期コストを削減
することは、プラント全体の費用効果を改善する上で望
ましい。他方、コストと比較したターボ膨脹機の相対的
な性能又は効率の重要性も、見過ごすことはできない。
従って、それは、性能対コストの典型的な問題となる。
もちろん、低コストで、高性能の機械が得られれば、理
想的であるが、現実的には、コストと性能の兼ね合いと
いうことになろう。本発明は、このジレンマを、かなり
の性能、即ち、最高８０％台半ばの機械効率を有する低
コストの機械を提供することによって解決する。
【０００４】極低温蒸留によって空気を分離することに
より窒素又は酸素を生成するには、極低温ターボ膨脹機
を使用しなければならない。極低温ターボ膨脹機の設計
は、ターボチャージャーのそれと非常に類似している。
例えば、両者共に、軸受ハウジング内に装着された回転
軸又は回転子によって相互に連結された膨脹タービン段
と圧縮機段を必要とする。しかしながら、ターボチャー
ジャーは、軸の一端に固定されたタービンホイールを回
転するための駆動流体として内燃エンジンからの排ガス
を利用するために開発されたものであるから、極低温タ
ーボ膨脹機とは異なり、当然のことながら高温下で作動
されるのが普通である。圧縮機ホイールは、軸の他端に
固定されており、タービンホイールによって回転されて
空気を圧縮する。圧縮された空気は、エンジンに通さ
れ、エンジンに装入空気を供給することによりエンジン
の性能を高める。内燃エンジンに用いられるターボチャ
ージャーの初期コストは、連続生産（同一デザインを用
いて同一製品を多数生産すること）の利益が得られるの
で、比較的易い。これに対して、極低温ターボ膨脹機の
初期コストは、ターボチャージャーに比べて一般に１桁
又は２桁高い。
【０００５】市場からの需要供給の圧力があった場合を
除いては、ターボ膨脹機のコストの問題を技術的に解決
しようとする有意の試みは今日までなされてこなかっ
た。極低温ターボ膨脹機の既存の販売業者が、極低温タ
ーボ膨脹機の供給業者であった。具体的にいえば、販売
業者から中庸コストで得られるのは低性能の機械でしか
なく、高効率の機械を得ようとすれば高いコストを支払
わなければならない。本発明は、中高性能を有する低コ
ストの機械を提供する。
【０００６】先に述べたように、ターボ膨脹機の初期コ
ストは、今日でも依然として禁止的に高いままである。
例えば１日当りの生産量が２５ｔｎ程度の小規模の窒素
生成プラントの場合、ターボ膨脹機の初期コストは、プ
ラント全体の初期コストの１０％以上を占める。この問
題に対する従来技術の解決策は、高コストで高性能を提
供するか、中庸コストで低性能を提供するかのどちらか
であったから、技術的に不完全であった。中程度の性能
の機械を低コストで得ることは、従来はできなかったの
である。
【０００７】本発明者は、極低温空気分離プラントのた
めの能率的で低コストのターボ膨脹機を構成するため
に、大量生産される部品及び機器を使用することに着目
した。このことから、ディーゼルエンジンのターボチャ
ージャーを改変してそれを費用効率のよい極低温ターボ
膨脹機として利用することを導き出した。ディーゼルエ
ンジンの標準的ターボチャージャーは、タービン段と、
回転子と、軸受と、ハウジングと、圧縮機段から成る。
これを極低温空気分離の用途に利用するには、最低限、
ターボチャージャーのタービン段を極低温の使用に適す
るように改変しなければならない。ターボチャージャー
は、一般に、内燃エンジンの高温（５３８°Ｃ以上）排
ガスで作動するように設計されている。それを極低温
（−１２９°Ｃ以下）で作動する極低温ターボ膨脹機と
して利用するのは、機械の構成素材の種類、密封の問題
及びその他のいろいろな制約条件からして容易に想到さ
れることではなく、不可能とさえ考えられる。
【０００８】
【発明の開示】本発明の極低温ターボ膨脹機（単に「タ
ービン」とも称する）の主要な利点は、現在市販されて
いる最新式のターボチャージャーより１桁安い、初期コ
ストの安さにある。この低コストは、ターボチャージャ
ーの連続生産の利益によって可能にされる。ただし、既
存のターボチャージャーは、それを極低温の用途に適す
るように本発明による改変を施さない限り、そのままで
は使用することはできない。本発明の極低温ターボ膨脹
機のもう１つの利点は、構造が簡単であり、それに随伴
して固有の高い信頼性を有することである。しかも、本
発明によるターボチャージャーの改変は、タービンの性
能を阻害することがない。本発明のターボ膨脹機の効率
は現在の最新式ターボ膨脹機のそれを上回るものではな
いが、本発明による低初期コストと比較的良好な性能と
の優れた組み合わせの成果として８０％台半ばの等エン
トロピー効率が得られ、現在の最新式技術に比べて全体
的なコスト削減という利点をもたらす。この利点は、い
ろいろな空気分離サイクルを用いるいろいろなタイプの
極低温プラントに適応することができる長所となる。
【０００９】従って、本発明の主要な目的は、極低温生
成サイクルに有効に使用することができる低コストのタ
ーボ膨脹機を提供することである。本発明の他の目的
は、そのような低コストターボ膨脹機を有効に使用する
ことができる極低温生成サイクルを提供することであ
る。
【００１０】上述したように、本発明の極低温ターボ膨
脹機は、低初期コストで、かつ、低メンテナンスコスト
である頑丈な機械である。改変されたタービンホイール
による本発明の極低温ターボ膨脹機の作動効率は、廃流
体（廃物として廃棄される流体）の膨脹又は供給空気の
膨脹操作を伴う窒素生成プラントにとっては妥当であ
り、許容し得るものである。酸素生成用空気分離プラン
トや、それより更に小型の窒素生成用空気分離プラント
のような用途には、元のターボチャージャーのタービン
ホイールをその径を短縮して使用する代わりに、最新技
術のタービンホイールを回転子に取り付けて使用するこ
とが必要とされる場合がある。なぜなら、ターボチャー
ジャーの径を短縮されたタービンホイールの使用は、タ
ーボ膨脹機の作動効率を許容し得ないほどに低下させる
ことになり、正当化されないからである。しかしなが
ら、最新技術のタービンホイールを使用する場合でも、
本発明による低初期コスト及び低メンテナンスコストの
利点を享受することができる。
【００１１】本発明の低コストターボ膨脹機は、極低温
蒸留により空気を分離することによって酸素及び、又は
窒素を生成するプラント及びサイクルに利用することが
できる。本発明の機械は、極低温蒸留により空気を分離
することによって窒素を生成するための、排気膨脹サイ
クル又は空気膨脹サイクルを伴うプラントに特に適する
が、初期コストが安く、しかも、かなりの性能を有する
膨脹機を必要とする、水素又は天然ガスの処理、又はそ
れに類する化学処理等のその他の極低温プロセッサにも
用いることができる。
【００１２】
【実施例】図１を参照すると、本発明の極低温ターボ膨
脹機（単に「機械」とも称する）の断面図が示されてい
る。この機械の回転子又は軸１は、軸受ハウジング
（「中央ハウジング」とも称する）４内に回転自在に支
承されている。軸受ハウジング４は、タービン側軸シー
ル３、圧縮機側軸シール１０、ノズル内案内羽根２及び
熱シールド（熱遮蔽体）７をも保持している。タービン
ホイール５は、軸１の長手軸線に近接する位置からから
半径方向外方に延長した複数の互いに円周方向に離隔さ
れたタービンブレードから成り、タービンハウジング９
内で軸１と共に回転するように軸１の一端に取り付けら
れている。タービンホイール５は、軸１の一体部分とし
てもよく、あるいは、軸１の他端に取り付けられた圧縮
機ホイール６と同様に、別個の部品として形成して軸１
に取り付けてもよい。圧縮機ホイール６は、圧縮機ハウ
ジング１１内に収容されている。
【００１３】図１にみられるように、タービンハウジン
グ９（詳しくは、後述する固定シュラウド８）と軸受ハ
ウジング４（詳しくは、熱シール度７に付設されたリン
グ）との間に、プロセス流体を矢印で示されるようにタ
ービンホイール５のタービンブレードに向けて導入する
ための入口手段が画定されている。この入口手段とター
ビンホイールの間にプロセス流体を入口手段からタービ
ンブレードの方に差向け、タービンブレードを通して通
流させるようにタービンホイール５を囲繞する環状ノズ
ルが形成されている。環状ノズルも、やはり、タービン
ハウジング９（詳しくは、後述する固定シュラウド８）
と軸受ハウジング４（詳しくは、熱シール度７に付設さ
れたリング）とによってそれらの間に画定されている。
ノズル内案内羽根２は、この環状ノズル内に配置され、
環状ノズルを円周方向に並置する複数の個別ノズルに分
割する。ノズル内案内羽根２は、タービンホイール５に
近接して円周方向に配置され、熱シールド７に付設され
たリングの一体部分として構成することができる。
【００１４】熱シールド７は、低温のタービンホイール
領域（及びプロセスガス）を軸受ハウジング４の温暖領
域から隔離するために設けられている。これは、２つの
理由から必要とされる。１つは、軸受内の潤滑剤を凍結
から防護することであり、他の１つは、熱がプロセス流
体内に漏入するのを防止することである。潤滑剤が凍結
すると、機械の機能を阻害し、プロセス流体内に熱が漏
入すると、ターボ膨脹機の効率及び性能を不必要に低下
させるからである。初期コストを低く抑えるために、こ
のタービンホイール５は、元のタービンホイールからそ
の外径を詰めてその先端流線をトリミングすることによ
って得ることができ、それを固定シュラウド（囲い体）
８に合致させる。シュラウド８は、ノズル内案内羽根２
のためのリングと熱シールド７を介して軸受ハウジング
４に取り付けられる。
【００１５】ターボ膨脹機ハウジング（「タービンハウ
ジング」とも称する）９は、ターボ膨脹機へのプロセス
流体の導入及び排出のための手段を構成する。ターボ膨
脹機は、熱排除ループ内で作動する圧縮機ホイール６を
含む圧縮機段（単に「圧縮機」とも称する）によって負
荷をかけられる。圧縮の仕事熱は、通常、熱交換器を介
してプラントの冷却系統へ放出される。場合によって
は、ターボ膨脹機の仕事をそのプロセスと統合すること
によって、例えば、生成物窒素（生成物即ち製品として
回収される窒素）又はプロセスサイクルの他の流体流を
圧縮することによってターボ膨脹機の仕事を利用するこ
とが有利な場合もある。図１の実施例では、ターボ膨脹
機に負荷をかけるものとして、ターボ膨脹機の軸１の他
端に取り付けられた圧縮機ホイール６が示されている
が、そのような負荷装置は、例えばブレーキであっても
よい。
【００１６】図２は、図１のノズル内案内羽根２の詳細
を示す。ノズル内案内羽根２は、ターボ膨脹機のタービ
ンホイール（単に「ホイール」とも称する）の外周に近
接して配置されるリングに機械加工によって形成された
ものであり、その機能は、駆動ガス（ホイールを回転駆
動するためのガス）をタービンホイール即ちインペラ自
体に対してほぼ接線方向に導入することによって駆動ガ
スをタービンホイール内へ案内することである。駆動ガ
スは、各隣接する案内羽根２と２によって画定される個
別ノズル内で接線方向成分Ｕと半径方向成分Ｗを有する
絶対速度Ｃにまで加速される。各ノズル内案内羽根２
は、その先行縁から後行縁まで実質的に真直ぐであり
（湾曲等の特殊な輪郭に形成されておらず）、先行縁の
方が後行縁より相当に厚肉にされている。ここで、案内
羽根の「先行縁」とは、タービンホイール内へ流入して
くるガスの流れからみて上流に（半径方向外方に）位置
する側の縁のことをいい、「後行縁」とは、タービンホ
イール内へ流入してくるガスの流れからみて「先行縁」
よりは下流に（半径方向内方に）位置する側の縁のこと
をいう。従って、半径方向でみて、先行縁は、タービン
ホイールより遠く、プロセス流体をノズルへ導入する入
口に近くに位置し、後行縁は、先行縁よりはタービンホ
イールに近く、入口より遠くに位置する。「先行縁」及
び「後行縁」という用語は、ノズルに関してもいう。図
２にでは、環状ノズルの「先行縁」（ノズルの外円）及
び「後行縁」（ノズルの内円）と、羽根２の「先行縁」
及び「後行縁」とは同じ位置にある。
【００１７】可変ノズルを使用することもできるが、必
ずしもそうする必要はない。実際、コストを低く抑える
ために、インペラ自体を囲繞するリングに一体に機械加
工した非常に簡単な案内羽根を用いることが好ましい。
現行の設計慣行によれば、各ノズルの後行縁の半径とホ
イールの半径との差によって画定される、即ち、案内羽
根の後行縁とホイールの外周縁との間の羽根なし間隙ｇ
は、ターボ膨脹機のホイールの半径の５％〜７％程度に
すべきであることは、当業者には容易に分かるであろ
う。そのような間隙は、流体の流れがインペラへの導入
点でより均一なパターンに展開するのに十分なガス流路
長を与えるためのものである。ただし、ガスの絶対速度
は羽根なし空間（即ち、案内羽根２と２の間に画定され
る空間）において最大であり、表面摩擦損失はガス速度
の自乗に比例して増大するので間隙ｇは表面摩擦損失の
最も大きい領域であるから、間隙は過度に大きくすべき
ではない。
【００１８】実際、当業者には明らかなように（例え
ば、英国のロングマン・サイエンティフィック・アンド
・テクニカル出版社から出版されているＡ．ホイットフ
ィールド、Ｎ．Ｃ．バインズ共著の「半径流ターボマシ
ーン」の第１７８頁Ｅｑ．４．５２参照）、ノズルの後
行縁半径をホイールの直径より５．４％大きくした場合
に最良の効率が得られる。しかしながら、本発明は、こ
の現行の設計慣行に反して、ノズルの後行縁半径をホイ
ールの直径より約１％〜４％、好ましくは約２％〜３％
大きい値とする。ノズル後行縁半径をこのように特別設
計とすること、ノズルの弦長（ノズルの先行縁と後行縁
の間の距離）をやはり現行の設計慣行が教示している寸
法より短くすることとが相俟って、望ましい性能を発揮
するコンパクトな設計を可能にする。図２に示された本
発明の簡潔なノズル設計は、従来の高価な可変ノズル設
計に比べて、より容易に、より低コストで、より多数の
案内羽根を設けることを可能にする。
【００１９】本発明は、上述した用途に要求される寸法
上の制約に対処するために、市販されている在来のター
ボチャージャーに用いられている部品及びそれらのサイ
ズを改変した。そのような改変の結果として、得られた
ターボ膨脹機の性能に予想外の改善をもたらすことが認
められた。これらの性能改善の内容は、図８及び９とそ
れに関連する後述の説明によって明らかにされるが、こ
の時点ではターボ膨脹機のホイールの直径とノズルの弦
長との間の従来周知のいろいろな関係を説明しておく。
下記の表１は、それらの従来周知の関係の幾つかと、本
発明によるターボ膨脹機の寸法づけを示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】本発明の目的のためには、ノズルの弦長を
ホイール５の直径の約５％〜１５％、好ましくは８％〜
１４％の範囲とし、案内羽根２の後行縁とホイール５の
外周縁との間の間隙ｇをホイールの半径の約１％〜４
％、好ましくは２％〜３％の範囲とすることが望ましい
ことが認められた。間隙ｇは、ターボ膨脹機のホイール
の半径の長さに応じて、例えば１．２７ｍｍ（０．０５
ｉｎ) から１２．７ｍｍ（０．５ｉｎ) の範囲で変える
ことができる。
【００２２】ノズルの案内羽根と案内羽根の間の喉部ｔ
のサイズは、機械（ターボ膨脹機）の流体流れ、従って
容量を制御するための主要な変数である。ノズルの案内
羽根図２に示されるように非常に簡単な設計であるが、
十分に安いコストで製造することができるならば、在来
の、より複雑なノズル設計を用いてもよい。
【００２３】図３は、極低温精留プラント又は空気分離
サイクルに有効に使用することができる本発明の極低温
ターボ膨脹機の軸シール系統の概略断面図である。図３
を参照して説明すると、このターボ膨脹機は、軸１の一
端と一体の、又は一端に取り付けられたタービンホイー
ル即ちインペラ５と、軸１の他端に取り付けられた圧縮
機ホイール６から成る。タービンホイール５と圧縮機ホ
イール６とを連結している軸１は、各ホイールに近接し
て配置され、軸シール３によって各ホイールから離隔さ
れた軸受５０に回転自在に支承されている。
【００２４】軸受５０には導管５１を通して油等の潤滑
剤が供給される。低温プロセス流体への軸受潤滑剤の移
行は、図３に示されるような軸シール系統によって防止
される。軸シール系統は、軸１を包むシールガスを供給
するものであることが好ましい。典型的な例では、この
軸シール系統は、軸受５０からタービンホイール５への
潤滑剤の流れと、タービンホイール５から軸受５０への
低温プロセス流体の流れに対抗する、一連の局部的圧力
増大部を創生するラビリンスシール３によって構成され
る。それによって、軸受をプロセス流体から有効に隔離
し、軸受の潤滑油の凍結を起すことなくターボ膨脹機の
信頼性の高い作動を補償することができる。
【００２５】このシール系統へは、好ましくはプロセス
ガスと同じシールガス（例えば、廃窒素又は供給空気）
を供給することができる。図３に示された構成では、通
常４．４〜６５．６°Ｃ（４０〜１５０°Ｆ）の暖かい
温度のシールガスを弁５４を介し導管５３を通して送
る。圧力調整器５５が、シールガスの導入点においてタ
ービンホイールの近傍で圧力を検出し、シールガスの流
れを調整する。シールガスは、軸受ハウジングと軸受５
０との間で軸受ハウジングに近い部位で（即ち、熱遮蔽
体７（図１参照）と軸受ハウジングとの間で軸受に対し
てよりも軸受ハウジングに近い部位で）シール系統へ供
給され、戻り潤滑油と一緒に抽出される。
【００２６】シールガスは、暖かい温度を有しているの
で、軸１の表面上に保持されている潤滑油が極低温のプ
ロセス流体によって凍結されるのを防止する働きもす
る。若干の暖かいシールガスがターボ膨脹機のハウジン
グ９（図１参照）内へ流入することがあり、低温のプロ
セスガスと混合するので効率の損失を招くことがある
が、この効率損失は、本発明によって得られる大きな利
得からみて許容し得る程度のものである。
【００２７】当業者には明らかなように、このシールガ
ス系統は、この極低温ターボ膨脹機の軸１のタービン側
の端部にだけ必要とされる。軸１の圧縮機側の端部には
シールガスは必要ない。圧縮機を含むループ流路を通る
プロセスガス（例えば、空気又は窒素）は、ラビリンス
シール３と同様のラビリンスシール１０を通して逃がさ
れる。
【００２８】図４は、廃流体膨脹式極低温窒素生成シス
テムの特定の一実施例を例として示す。（便宜上、流体
の流れと、その流れを通す導管とを同じ参照番号で表す
こととする。例えば、圧縮され冷却された供給空気の流
れ１０５は、導管１０５とも称される。）本発明は、任
意の適当な極低温精留プラントに適用することができる
が、精留コラム１０６からの廃流体を膨脹させて冷凍源
を創生し、その膨脹された廃流体を入来供給空気に対し
て間接的熱交換関係に通して供給空気を冷却し、精留操
作を駆動するために精留コラムシステムへ冷凍源を供給
するようにした廃流体膨脹式極低温窒素生成システムに
用いるのに特に有用である。
【００２９】図４を参照して説明すると、供給空気１０
１は、ベース負荷供給空気圧縮機（単に「負荷装置」と
も称する）１０２で圧縮され、主熱交換器１０３に通さ
れる。圧縮された供給空気１０１は、主熱交換器１０３
内で、後述するように膨脹された廃流体との間接的熱交
換によって冷却される。圧縮され、冷却された供給空気
は、水蒸気や二酸化炭素等の高沸点の不純物をも除去さ
れており、流れ１０５として極低温精留コラムシステム
へ送られる。
【００３０】図４に示された極低温精留コラムシステム
即ち極低温精留プラントは、単一の精留コラム１０６と
頂部凝縮器１０８から成っている。本発明の実施におい
ては極低温精留プラントは、単一のコラムから成るもの
が好ましいが、複数のコラムをから成る極低温精留プラ
ントを用いることもできる。コラム１０６は、２．８１
〜９．８４Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（４０〜１４０ｐｓ
ｉａ）の範囲の圧力で作動することが好ましい。
【００３１】コラム１０６内において供給空気は、極低
温精留によって生成物窒素蒸気（生成物と即ち製品とし
て回収される窒素蒸気）（「窒素蒸気生成物」とも称す
る）と窒素含有液体に分離される。生成物窒素蒸気は、
通常９８％から９９．９９９９％の範囲又はそれ以上の
純度を有し、コラム１０６の上部から抽出される。生成
物窒素蒸気の一部は、導管１０９から流れ１２６として
頂部凝縮器１０８へ通され、そこで、窒素含有液体との
熱交換によって凝縮され、還流として導管１１７を通し
てコラム１０６へ戻される。所望ならば、流れ１１７の
一部を導管１１８を通して生成物液体窒素として回収す
ることができる。通常６０〜７０％の範囲の窒素濃度を
有する窒素含有液体がコラム１０６の下部から流れ１０
７として抽出され、弁１３４を通して減圧されて、頂部
凝縮器１０８へ通され、そこで、上述したように生成物
窒素蒸気の流れ１２６を凝縮させ、自らは沸騰する。
【００３２】導管１０９を通して抽出された生成物窒素
蒸気は、熱交換器１０３に通され、供給空気との間接的
熱交換によって温められ、相手の供給空気を冷却する。
温められた生成物窒素蒸気は、導管１２３を通して回収
される。所望ならば、この温められた生成物窒素蒸気を
圧縮機に通すことによって圧縮し、得られた高圧生成物
窒素蒸気を回収するようにしてもよい。
【００３３】極低温精留コラムシステムの頂部凝縮器１
０８から導管１１２を通して窒素含有廃流体を抽出し、
熱交換器１０３の一部分に通した後、本発明のターボ膨
脹機１１３に通して１．４Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（２
０ｐｓｉａ）から大気圧までの範囲の圧力に膨脹させ
る。ターボ膨脹機１１３は、生成物窒素圧縮機が用いら
れる場合はその圧縮機に連結される。そのように直接連
結されたタービン（膨脹機）−圧縮機組み合わせたいに
おいては、両方の機械（膨脹機と圧縮機）が、歯車機構
を介して、又は介さずに機械的に連結されており、膨脹
するガス流から抽出されたエネルギーがタービンによっ
て直接圧縮機を経て生成物窒素に伝えられる。この構成
は、タービン（膨脹機）から例えば発電機等の中間段階
を経て圧縮機へエネルギーを伝達する間接的エネルギー
伝達に随伴する外来損失も、資本支出（初期コスト）も
最少限にする。廃流体１１２は、ターボ膨脹機１１３を
通ることによってそのタービンを駆動し、タービンが圧
縮機を駆動する。それと同時に、廃流体１１２は、ター
ボ膨脹機１１３を通って膨脹することにより冷却され
る。
【００３４】かくして膨脹され冷却された廃流体１１４
は、主熱交換器１０３に通され、供給空気との間接熱交
換によって温められ、相手の供給空気を冷却して得られ
た冷凍源を供給空気と共に極低温精留コラムシステムへ
供給し、極低温精留を達成する。一方、温められた廃流
体は、主熱交換器１０３から流れ１１６として除去され
る。
【００３５】図５は、本発明のターボ膨脹機を空気膨脹
サイクルに適用した例を示す。図５の参照番号は、ほぼ
図４のそれに対応しているが、１００番台ではなく２０
０番台の数字で示される。両サイクルに共通の機素につ
いては繰り返して説明はしない。
【００３６】図５を参照して説明すると、廃流体流れ２
１２は、頂部凝縮器２０８から抽出され、弁２３２を通
して減圧され、得られた流れ２４０は、主熱交換器２０
３に通され、圧縮済み供給空気との間接熱交換によって
温められて流れ２４１として除去される。一方、圧縮さ
れ、冷却された供給空気２０５は、少くとも一部分が本
発明のターボ膨脹機２０３に通される。図５の実施例で
は、圧縮され、冷却された供給空気２０５の一部分２２
８が、直接精留コラム２０６へ供給され、他の一部分２
３０は主熱交換器２０３の一部分に通され後、本発明の
ターボ膨脹機２１３に通されて膨脹せしめられる。圧縮
され、冷却された供給空気２０５のうちターボ膨脹機２
１３に通されて膨脹せしめられる部分２３０は、供給空
気２０５の９０〜１００％の範囲とすることができる。
供給空気２０５の１００％がターボ膨脹機２１３に通さ
れる場合は、図５に示される流れ２２８は存在しない。
【００３７】供給空気は、ターボ膨脹機２１３を通るこ
とによってそのタービンを駆動し、タービンが圧縮機を
駆動して生成物窒素を圧縮する。それと同時に、供給空
気は、ターボ膨脹機２１３を通って膨脹することにより
冷却される。かくして冷却され膨脹された供給空気は、
ターボ膨脹機２１３から極低温精留プラントのコラム２
０６へ送られ、極低温精留を達成する。
【００３８】図６は、ガス状酸素生成サイクルの１つの
実施例を示す。この場合本発明のターボ膨脹機は、任意
の適当な極低温精留プラントと共に使用することができ
るが、上方精留コラムの空気を膨脹させる方式、又は図
６に示されるように棚窒素（コラムの頂部の窒素）を膨
脹させる方式の酸素生成プラントに用いるのに特に適し
ている。棚窒素を膨脹させる方式の場合、精留コラムの
頂部からの廃窒素（棚窒素）の流れを膨脹させて冷凍源
を創生する。即ち、膨脹した廃流体は、入来供給空気に
対して間接熱交換関係をなして通され、その供給空気を
冷却し、冷却された供給空気を極低温精留コラムシステ
ムへ送り、精留操作を駆動する。
【００３９】図６を参照して説明すると、供給空気３０
１は、ベース負荷供給空気圧縮機（「負荷装置」）３０
２で圧縮され、予備浄化器３０３で不純物を除去された
後、主熱交換器３０４に通される。圧縮された供給空気
３０１は、主熱交換器３０４内で、後述するように生成
物及び他の低温の戻り流体との間接的熱交換によって冷
却される。圧縮され、冷却された供給空気は、流れ３０
５として極低温精留コラムシステムの下方精留コラム３
０６へ送られる。
【００４０】図６に示された極低温精留コラムシステム
即ち極低温精留プラントは、下方精留コラム３０６と、
上方精留コラム３１５と、主凝縮器３１１から成ってい
る。下方コラム３０６は、２．８１〜９．８４Ｋｇ／ｃ
ｍ2 （絶対圧）（４０〜１４０ｐｓｉａ）の範囲の圧力
で作動することが好ましい。下方コラム１０６内におい
て供給空気は、極低温精留によって廃窒素蒸気と酸素富
化液体に分離される。窒素蒸気の一部分３１０は、主凝
縮器３１１の頂部へ通され、そこで、上方コラム内の酸
素液体との熱交換によって凝縮されて相手の酸素液体を
沸騰させ、還流３１２として下方コラム３０６へ戻され
る。
【００４１】通常６０％から７０％の範囲の窒素濃度を
有する窒素含有液体が下方コラム３０６の下部から流れ
３１６として抽出され、熱交換器３１７に通され、生成
物又は廃窒素流３２０との間接熱交換によって温めら
れ、減圧されたと、流れ３１８として上方コラム３１５
へ送られる。上方コラム３１５は、１．０５〜１．７６
Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（１５〜２５ｐｓｉａ）の範囲
の圧力で作動することが好ましい。上方コラム３１５の
下部（主凝縮器３１１の周り）から生成物酸素液体が導
管３２１を通して回収され、主熱交換器３０４において
供給空気との熱交換によって温められ、ガス状の生成物
酸素３２２として抽出される。
【００４２】主凝縮器３１１の循環する高圧蒸気から廃
窒素流体が、流れ３０７として抽出され、主熱交換器３
０４の通路の１つにおいて供給空気によって温められた
後、本発明のターボ膨脹機３０８に通して膨脹せしめら
れ、精留工程を自己継続させするのに必要とされる冷凍
源を創生する。かくして膨脹され冷却された廃流体は、
主熱交換器３０４に通され、供給空気との間接熱交換に
よって温められ、相手の供給空気を冷却して得られた冷
凍源を供給空気と共に極低温精留コラムシステムへ供給
し、極低温精留を達成する。一方、温められた廃窒素流
体は、主熱交換器３０４から流れ３０９として除去され
る。
【００４３】主凝縮器３１１からの戻り窒素凝縮液３１
２から窒素流れ３１３が分流され、熱交換器３１４に通
して半ば温められた後、上方コラムの頂部へ還流として
導入される。この還流は、高純度の窒素と酸素生成物を
生成するために上方コラム（即ち、低圧精留コラム）を
駆動するのに必要とされる。
【００４４】本発明の改良されたターボ膨脹機を用いる
ことによって、中庸の効率を得るために高いコストの代
償を払うことなく、比較的安い機械コスト並びに運転コ
ストで極低温精留法により窒素又は酸素を生成すること
ができる。
【００４５】図７は、極低温精留による窒素生成プラン
トにおいてプラントの作動を継続させるための冷凍源を
創生するためにターボ膨脹機によって廃流体を膨脹させ
る方式に適用した場合の本発明の低コストターボ膨脹機
の利点を示すグラフである。図４に示されるようなサイ
クルの場合は、ターボ膨脹機の効率が比較的低いことに
随伴する資本コスト（即ち、初期コストと運転コストの
和）の増大や損失は生じない。実際、４０％程度の低い
効率のターボ膨脹機であっても、このタイプの窒素生成
プラントのサイクル作動を継続するのに十分な冷凍源を
提供することができる。
【００４６】従って、資本コスト（ターボ膨脹機の初期
コストと運転コストの和）の安いターボ膨脹機は、それ
と同等の、又はそれより優れた効率の、より高価なター
ボ膨脹機に比べてコスト面の利点を提供することができ
る。このことは、日産５ｔｎの窒素生成プラントに関す
る費用効果を表す図７のグラフに示されている。図７の
グラフにおいて、線ＬＣＥは、低コストのターボ膨脹機
を表し、線ＬＣＥ上のデータ点は菱形の点で示されてお
り、曲線ＨＣＥは、高コストのターボ膨脹機を表し、曲
線ＨＣＥ上のデータ点は四角形の点で示されている。こ
のグラフから分かるように、ターボ膨脹機の効率が５０
％である場合、低コストターボ膨脹機ＬＣＥは、高コス
トターボ膨脹機ＨＣＥに比べて約７３％の資本コストを
節約することができる。ターボ膨脹機の効率が８５％で
ある場合は、資本コストの節約率は、８３％に増大す
る。
【００４７】更に、図７、８及び９及び下記の表２に示
されるように、本発明のターボ膨脹機を現在の最新式タ
ーボ膨脹機より有利に運転することができる低効率の範
囲が存在することが判明した。
【００４８】
【表２】
【００４９】プラントの作動を自己時継続させるのに必
要な冷凍源を創生するのに空気膨脹サイクルを用いる窒
素ガス生成プラントに適用した場合の本発明の低コスト
ターボ膨脹機の経済的利点は、日産５ｔｎの窒素生成プ
ラントを例にとって図８のグラフに示されている。この
窒素ガス生成プラントのプラントサイクルは、図５に示
されている。空気膨脹サイクルにおいては、ターボ膨脹
機の効率が１００％から４０％に低下すると、資本コス
トが急激に増大することは、以下に説明するように図８
のグラフから明らかである。
【００５０】図７、８及び９に示されたターボ膨脹機効
率１００％の点での資本コストは、プラントの作動を継
続するのに必要な冷凍源を創生するためにプラントに液
体として加えるのに必要な窒素のドル価額（液体当量と
して窒素ガス１００ｆｔ3 当り２５セントを基準とする
価額）を含むものである。図８の空気膨脹サイクルの場
合も、本発明の低コストターボ膨脹機は、菱形のデータ
点を付された線ＬＣＥで示され、最新式の高コストター
ボ膨脹機は、四角形のデータ点を付された曲線ＨＣＥで
示されている。×印のデータ点を付された曲線ＣＰＣ
は、ターボ膨脹機効率１００％の基準点においてプラン
トを作動させるのに必要なパワーに加えて、空気膨脹サ
イクルを作動させるのに（即ち、冷凍源として液体窒素
を加えることによってプラントを作動させるのに）必要
とされる追加のパワーコストを表す。
【００５１】引き続き図８を参照して説明すると、三角
形のデータ点を付された曲線Ｓ１は、高コストターボ膨
脹機（四角形のデータ点を付された曲線ＨＣＥ）のコス
トと、追加のパワーコスト（×印のデータ点を付された
曲線ＣＰＣ）との和を表す。即ち、曲線Ｓ１は、図５に
示されるような空気膨脹サイクル方式の窒素生成プラン
トに最新式の高コストターボ膨脹機を使用した場合に必
要とされる総コストを表す。図８のグラフから分かるよ
うに、空気膨脹サイクル方式の窒素生成プラントに高コ
ストターボ膨脹機を使用した場合の最適な、最も安い運
転コストは、ターボ膨脹機の効率を７０％から８０％の
範囲とした場合である。
【００５２】これに対して、丸形のデータ点を付された
曲線Ｓ２は、本発明の低コストターボ膨脹機（菱形のデ
ータ点を付された曲線ＬＣＥ）のコストと、追加のパワ
ーコスト（×印のデータ点を付された曲線ＣＰＣ）との
和を表す。即ち、曲線Ｓ２は、図５に示されるような空
気膨脹サイクル方式の窒素生成プラントに本発明の低コ
ストターボ膨脹機を使用した場合に必要とされる総コス
トを表す。図８のグラフから明らかなように、本発明の
低コストターボ膨脹機の使用は、曲線Ｓ２で表されるよ
うに、最新式の高コストターボ膨脹機を使用した場合に
比べて顕著なコストの節減をもたらす。このコスト面の
有利性は、ターボ膨脹機の効率範囲の４０％から８５％
までの範囲に亙っている。コストの節約高はターボ膨脹
機の効率を低くなるにつれて漸減するが、効率８０％と
いう最適点（高コストターボ膨脹機を使用した場合の資
本コストが最も安い点に対応する）では、本発明の低コ
ストターボ膨脹機は、高コストターボ膨脹機に比べて約
７０％のコスト節減を提供する。
【００５３】図９は、ガス状酸素を生成するための更に
別のタイプの極低温空気分離プラントに適用した場合の
本発明の低コストターボ膨脹機の経済的利点を示すグラ
フである。このグラフは、日産２０ｔｎの酸素ガス生成
プラントに関するデータである。この酸素ガス生成プラ
ントのプラントサイクルは、図６に示されている。図９
のグラフから明らかなように、このような酸素ガス生成
プラントにおいては、ターボ膨脹機の効率が１００％か
ら４０％に低下すると、その不効率に基因する資本コス
トの増大は、図８に示された窒素ガス生成プラントの場
合より更に急激である。
【００５４】図９に示されたターボ膨脹機効率１００％
の点での資本コストは、図８の場合と同様に、この酸素
生成サイクルを有するプラントの作動を継続するのに必
要な冷凍源を創生するためにプラントに液体として加え
るのに必要な窒素のドル価額（液体当量として窒素ガス
１００ｆｔ3 当り２５セントを基準とする価額）を含む
ものである。図９のグラフにおいても、本発明の低コス
トターボ膨脹機は、菱形のデータ点を付された線ＬＣＥ
で示され、最新式の高コストターボ膨脹機は、四角形の
データ点を付された曲線ＨＣＥで示されている。×印の
データ点を付された曲線ＣＰＣは、ターボ膨脹機効率１
００％の基準点においてプラントを作動させるのに必要
なパワーに加えて、空気膨脹サイクルを作動させるのに
（即ち、冷凍源として液体窒素を加えることによってプ
ラントを作動させるのに）必要とされる追加のパワーコ
ストを表す。
【００５５】引き続き図９を参照して説明すると、三角
形のデータ点を付された曲線Ｓ１は、高コストターボ膨
脹機（四角形のデータ点を付された曲線ＨＣＥ）のコス
トと、追加のパワーコスト（×印のデータ点を付された
曲線ＣＰＣ）との和を表す。即ち、曲線Ｓ１は、図６に
示されるような熱力学サイクルを有する酸素ガス生成プ
ラントに最新式の高コストターボ膨脹機を使用した場合
に必要とされる総コストを表す。図９のグラフから分か
るように、酸素ガス生成プラントに高コストターボ膨脹
機を使用した場合の最適な、最も安い運転コストは、タ
ーボ膨脹機の効率を８０％から９０％の範囲とした場合
である。
【００５６】これに対して、丸形のデータ点を付された
曲線Ｓ２は、本発明の低コストターボ膨脹機（菱形のデ
ータ点を付された曲線ＬＣＥ）のコストと、追加のパワ
ーコスト（×印のデータ点を付された曲線ＣＰＣ）との
和を表す。即ち、曲線Ｓ２は、図６に示されるような酸
素ガス生成プラントに本発明の低コストターボ膨脹機を
使用した場合に必要とされる総コストを表す。図９のグ
ラフから明らかなように、本発明の低コストターボ膨脹
機の使用は、曲線Ｓ２で表されるように、最新式の高コ
ストターボ膨脹機を使用した場合に比べて顕著なコスト
の節減をもたらす。効率８５％という最適点（高コスト
ターボ膨脹機を使用した場合の資本コストが最も安い点
に対応する）では、本発明による全体的なコスト節減高
は、高コストターボ膨脹機を使用した場合に比べて約７
０％である。ただし、コストの節約高は、ターボ膨脹機
の効率が低くなるにつれて漸減する。本発明の低コスト
ターボ膨脹機は、中庸程度の効率ではあるが、その効率
が６５％を越える場合は、有利な選択である。効率が６
５％の点では、本発明の低コストターボ膨脹機の使用
は、８５％の優れた効率を有する高コストのターボ膨脹
機を使用することに対して利点がなくなる。高コストの
ターボ膨脹機は、８５％の効率で適用されるのが最適で
あり、８５％の効率が運転コストが最も安くなる点であ
る。
【００５７】以上、本発明を幾つかの好ましい実施例に
関連して詳細に説明したが、本発明は、ここに例示した
実施例の構造及び形態に限定されるものではなく、本発
明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実
施形態が可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例による極低温ターボ
膨脹機の断面組立図である。
【図２】図２は、図１の線２−２に沿ってみた詳細断面
図であり、ノズル内案内羽根組立体とタービンホイール
の細部を示す。
【図３】図３は、極低温ターボ膨脹機の、本発明の一実
施例による軸シール系統の細部を示す概略断面図であ
る。
【図４】図４は、図１及び３の極低温ターボ膨脹機を利
用した本発明の別の実施例である廃物膨脹式極低温窒素
生成システムを示す概略ブロック図である。
【図５】図５は、図４と同様の図であるが、本発明の別
の実施例である空気膨脹サイクルを用いた空気膨脹式極
低温窒素生成システムを示す概略ブロック図である。
【図６】図６は、図４及び５と同様の図であるが、図１
及び３の極低温ターボ膨脹機を利用したガス状酸素及び
窒素生成システムを示す概略ブロック図である。
【図７】図７は、ターボ膨脹機によって廃流体を膨脹さ
せる方式に適用した場合の本発明の低コストターボ膨脹
機の利点を示すグラフである。
【図８】図８は、空気膨脹サイクルを用いる窒素ガス生
成プラントに適用した場合の本発明の低コストターボ膨
脹機の経済的利点を示すグラフである。
【図９】図９は、ガス状酸素を生成するための極低温空
気分離プラントに適用した場合の本発明の低コストター
ボ膨脹機の経済的利点を示すグラフである。
【符号の説明】
１：回転子又は軸 ２：ノズル内案内羽根 ３：タービン側軸シール ４：軸受ハウジング（中央ハウジング） ５：タービンホイール ６：圧縮機ホイール ７：熱シールド ８：固定シュラウド ９：ターボ膨脹機ハウジング（タービンハウジング） １０：圧縮機側軸シール １０２：ベース負荷供給空気圧縮機（負荷装置） １０３：主熱交換器 １０６：精留コラム １０８：頂部凝縮器 １１３：ターボ膨脹機 ２０２：ベース負荷供給空気圧縮機（負荷装置） ２０３：主熱交換器 ２０６：精留コラム ２０８：頂部凝縮器 ２１３：ターボ膨脹機 ３０２：ベース負荷供給空気圧縮機（負荷装置） ３０４：主熱交換器 ３０６：下方精留コラム ３０８：ターボ膨脹機 ３１１：主凝縮器 ３１５：上方精留コラム

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷凍源を創生することができるターボ膨
    脹機であって、 一端と他端の間に延長した中央ハウジングと、 該中央ハウジングの一端に取り付けられたタービンハウ
    ジングと、 前記中央ハウジングに長手軸線の周りに回転自在に装着
    されており、前記タービンハウジング内に突入した一端
    と、負荷を支持する他端を有する軸と、 前記長手軸線に近接する位置からから半径方向外方に延
    長した複数の互いに円周方向に離隔されたタービンブレ
    ードを有し、前記タービンハウジング内で前記軸と共に
    回転するように該軸の一端に取り付けられたタービンホ
    イールと、 前記長手軸線から離れた領域でプロセス流体を受取り、
    該プロセス流体を前記タービンブレードに向けて導入す
    るために前記タービンハウジングによって画定された入
    口手段と、 該入口手段と前記タービンホイールの間に位置し、前記
    プロセス流体を該入口手段から前記タービンブレードの
    方に差向け、該タービンブレードを通して通流させるよ
    うに該タービンホイールを囲繞する環状ノズル手段と、
    から成り、該環状ノズル手段は、複数の案内羽根を有
    し、各案内羽根は、前記タービンホイールから遠くに位
    置する先行縁と、該先行縁よりは該タービンホイールに
    近くに位置する後行縁を有し、該各案内羽根の後行縁と
    該タービンホイールの外周縁との間の距離を該タービン
    ホイールの半径の約１％〜４％の範囲としたことを特徴
    とするターボ膨脹機。
  2. 【請求項２】 前記各案内羽根の先行縁と後行縁との間
    の距離は、弦長であり、該弦長は、前記タービンホイー
    ルの直径の約５％〜１５％の範囲であることを特徴とす
    る請求項１に記載のターボ膨脹機。
  3. 【請求項３】 前記各案内羽根は、その先行縁から後行
    縁まで実質的に真直ぐであり、先行縁の方が後行縁より
    相当に厚肉にされていることを特徴とする請求項２に記
    載のターボ膨脹機。
  4. 【請求項４】 前記各案内羽根の先行縁の肉厚は、約
    ０．１２７〜０．３８９ｃｍ（０．０５〜０．１５ｉ
    ｎ）の範囲であり、各案内羽根の後行縁の肉厚は、約
    ０．０２５４〜０．２５４ｃｍ（０．０１〜０．１０ｉ
    ｎ）の範囲であることを特徴とする請求項３に記載のタ
    ーボ膨脹機。
  5. 【請求項５】 前記軸を回転自在に支持するための軸受
    手段が前記中央ハウジングに設けられており、潤滑剤を
    該軸受手段へ送給し、該軸受手段から排出するための手
    段と、前記タービンハウジング及びその中のプロセス流
    体を前記中央ハウジング及びその中の潤滑剤から熱的に
    隔離するための熱シールドを備えていることを特徴とす
    る請求項１に記載のターボ膨脹機。
  6. 【請求項６】 前記潤滑剤が前記軸に沿って前記タービ
    ンハウジング内へ移行するのを防止し、前記プロセス流
    体が該タービンハウジングから該軸に沿って前記中央ハ
    ウジング内へ移行するのを防止するためのラビリンスシ
    ール手段が、前記軸受と該タービンハウジングの間に該
    軸の長手に沿って設けられていることを特徴とする請求
    項５に記載のターボ膨脹機。
  7. 【請求項７】 前記潤滑剤が前記軸に沿って前記タービ
    ンハウジング内へ移行するのを防止し、前記プロセス流
    体が該タービンハウジングから該軸に沿って前記中央ハ
    ウジング内へ移行するのを防止するための追加の手段と
    して、密封ガスを前記ラビリンスシール手段へ供給し、
    該ラビリンスシール手段から密封ガスを抽出するための
    手段が設けられていることを特徴とする請求項６に記載
    のターボ膨脹機。
  8. 【請求項８】 前記中央ハウジングの前記他端に圧縮機
    ハウジングが取り付けられており、該軸の他端は、該圧
    縮機ハウジングにに突入しており、圧縮機ホイールが該
    圧縮機ハウジング内に該軸と共に回転するように該軸の
    他端に取り付けられていることを特徴とする請求項１に
    記載のターボ膨脹機。
  9. 【請求項９】 前記中央ハウジングの前記他端に負荷装
    置ハウジングが取り付けられており、該軸の他端は、該
    負荷装置ハウジングにに突入していることを特徴とする
    請求項１に記載のターボ膨脹機。
  10. 【請求項１０】 冷凍源を創生することができるターボ
    膨脹機であって、 一端と他端の間に延長した中央ハウジングと、 該中央ハウジングの一端に取り付けられたタービンハウ
    ジングと、 前記中央ハウジングに長手軸線の周りに回転自在に装着
    されており、前記タービンハウジング内に突入した一端
    と、負荷を支持する他端を有する軸と、 前記長手軸線に近接する位置からから半径方向外方に延
    長した複数の互いに円周方向に離隔されたタービンブレ
    ードを有し、前記タービンハウジング内で前記軸と共に
    回転するように該軸の一端に取り付けられたタービンホ
    イールと、 前記長手軸線から離れた領域でプロセス流体を受取り、
    該プロセス流体を前記タービンブレードに向けて導入す
    るために前記タービンハウジングによって画定された入
    口手段と、 該入口手段と前記タービンホイールの間に位置し、前記
    プロセス流体を該入口手段から前記タービンブレードの
    方に差向け、該タービンブレードを通して通流させるよ
    うに該タービンホイールを囲繞する環状ノズル手段と、
    から成り、該環状ノズル手段は、複数の案内羽根を有
    し、各案内羽根は、前記タービンホイールから遠くに位
    置する先行縁と、該先行縁よりは該タービンホイールに
    近くに位置する後行縁を有し、該各案内羽根の先行縁と
    後行縁との間の距離は、弦長であり、該弦長を前記ター
    ビンホイールの直径の約５％〜１５％の範囲としたこと
    を特徴とするターボ膨脹機。
  11. 【請求項１１】 （ａ）主熱交換器と、 （ｂ）該主熱交換器に接続されたターボ膨脹機とから成
    るシステムであって、 該ターボ膨脹機は、 一端と他端の間に延長した中央ハウジングと、 該中央ハウジングの一端に取り付けられたタービンハウ
    ジングと、 前記中央ハウジングに長手軸線の周りに回転自在に装着
    されており、前記タービンハウジング内に突入した一端
    と、負荷を支持する他端を有する軸と、 前記長手軸線に近接する位置からから半径方向外方に延
    長した複数の互いに円周方向に離隔されたタービンブレ
    ードを有し、前記タービンハウジング内で前記軸と共に
    回転するように該軸の一端に取り付けられたタービンホ
    イールと、 前記長手軸線から離れた領域でプロセス流体を受取り、
    該プロセス流体を前記タービンブレードに向けて導入す
    るために前記タービンハウジングによって画定された入
    口手段と、 該入口手段と前記タービンホイールの間に位置し、前記
    プロセス流体を該入口手段から前記タービンブレードの
    方に差向け、該タービンブレードを通して通流させるよ
    うに該タービンホイールを囲繞する環状ノズル手段と、
    から成り、該環状ノズル手段は、複数の案内羽根を有
    し、各案内羽根は、前記タービンホイールから遠くに位
    置する先行縁と、該先行縁よりは該タービンホイールに
    近くに位置する後行縁を有し、該各案内羽根の後行縁と
    該タービンホイールの外周縁との間の距離を該タービン
    ホイールの半径の約１％〜４％の範囲としたことを特徴
    とするシステム。
  12. 【請求項１２】 前記各案内羽根の先行縁と後行縁との
    間の距離は、弦長であり、該弦長は、前記タービンホイ
    ールの直径の約５％〜１５％の範囲であることを特徴と
    する請求項１１に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 精留コラムシステムと、前記ターボ膨
    脹機から該精留コラムシステムへプロセス流体を移送す
    るための手段と、該精留コラムシステムから生成物を回
    収するための手段を含むことを特徴とする請求項１１に
    記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 前記精留コラムシステムから前記主熱
    交換器へ廃流体を移送するための手段と、該主熱交換器
    から廃流体を回収するための手段を含むことを特徴とす
    る請求項１３に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 精留コラムシステムと、前記主熱交換
    器から該精留コラムシステムへプロセス流体を移送する
    ための手段と、該精留コラムシステムから生成物を回収
    するための手段と、該精留コラムシステムから該主熱交
    換器又は前記ターボ膨脹機へ廃流体を移送するための手
    段と、該ターボ膨脹機から該主熱交換器へプロセス流体
    又は廃流体を移送するための手段を含むことを特徴とす
    る請求項１１に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 前記主熱交換器から供給流体を受取
    り、前記ターボ膨脹機へ廃流体を移送するように該主熱
    交換器とターボ膨脹機の間に配置された精留コラムシス
    テムと、該精留コラムシステムから生成物を回収するた
    めの手段と、該ターボ膨脹機から該主熱交換器又は精留
    コラムシステムへ廃流体を移送するための手段を含むこ
    とを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
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