JP3551397B2 - Gas liquefaction method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの液化方法に関し、詳しくは、各種ガス、例えば、酸素,窒素,メタン等を臨界圧力以上に圧縮した後、冷却して液化する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から各種ガスを液化する方法として様々な方法が用いられている。図4はその一例を示すものであり、以下、窒素ガスを液化する手順に従って説明する。
【0003】
配管1から原料窒素ガスが導入され、多段圧縮機2で、例えば28kg/cm2 absまで圧縮される。この多段圧縮機2には、その途中に後述する配管3を通る例えば6kg/cm2 absの窒素ガスが導入され、原料窒素ガスと共に圧縮される。
【0004】
この圧縮された窒素ガスは、アフタークーラー4で冷却された後、配管5を通り、配管6と配管7とに分岐し、それぞれ膨張タービン8,9に直結した昇圧ブロワー10,11に導入され、臨界圧力以上の圧力に昇圧される。
【0005】
一方の配管6を通る圧縮窒素ガスは、昇圧ブロワー10で昇圧され、アフタークーラー12で冷却された後、例えば、42kg/cm2 absの臨界圧力以上の昇圧窒素ガスとなり、配管13を通ってコールドボックス14に導入される。この昇圧窒素ガスは、熱交換器15の液化ライン16に導入されて冷却され、一部が配管17に分岐し、残りの窒素ガスは、配管18を通って臨界温度の−147.1℃以下(例えば−173.0℃、42kg/cm2 abs)に冷却される。この冷却された窒素ガスは、熱交換器15から配管19に導出された後、膨張弁20にて必要な圧力(例えば6kg/cm2 abs)にJT膨張(等エンタルピー膨張)した後、配管21を通って気液分離器(図示せず)に導入され、フラッシュガスと液化窒素とに分離し、フラッシュガスは、例えば、後述の配管26を流れる窒素ガスに合流し、液化窒素は製品として採取される。
【0006】
液化ライン16から分岐した配管17を通る窒素ガスは、例えば42kg/cm2 absの圧力から膨張タービン8で、例えば6kg/cm2 absに等エントロピー膨張して降温する。
【0007】
他方の、昇圧ブロワー11で昇圧された昇圧窒素ガスは、アフタークーラー22で冷却され、例えば38kg/cm2 absの臨界圧力以上の昇圧窒素ガスとなり、配管23を通って前記コールドボックス14に導入される。この昇圧窒素ガスは、前記熱交換器15の冷却ライン24で冷却された後、配管25を通って膨張タービン9で、例えば6kg/cm2 absに等エントロピー膨張して降温する。この膨張降温した窒素ガスは、配管26を通って熱交換器15に冷却源ガスとして導入され、配管27を通って液化ライン16及び冷却ライン24の温流体と熱交換することにより昇温し、さらに前記膨張タービン8で膨張降温した配管28を通る窒素ガスと合流し、昇温して前記配管3に導出され、前記多段圧縮機2の圧力が適当な段に戻され、再圧縮されて循環する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このようなプロセスを含む従来のガスの液化方法は、主に製品液化ガスの単位流量当たりの動力(動力原単位)を削減することを目的として設計されているが、この動力原単位は、回転機(膨張タービン,圧縮機等)の効率や熱交換器の効率等によって変化し、これらの効率は、ガスを液化するためのプロセスに依存する。
【0009】
そこで本発明は、臨界圧力以上のガスを臨界温度より低い温度まで冷却する手段として、膨張タービンと冷凍機とを組合わせたプロセスにおいて、膨張タービンの出口でガスの一部を液化させることなく動力原単位を削減できるガスの液化方法を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガスの液化方法は、臨界圧力以上に圧縮したガスを臨界温度以下に冷却して液化する方法において、原料ガスを圧縮機で圧縮する工程と、圧縮ガスを冷膨張タービンに直結したブロワーに導入して昇圧する工程と、昇圧ガスを分岐し、その一方を熱交換器の冷却ラインに導入して冷却する工程と、冷却ガスを前記冷膨張タービンに導入して該冷膨張タービンの出口で液化させずに膨張降温させた後、前記熱交換器に冷却源ガスとして導入し、熱交換器から導出した昇温後の冷却源ガスを前記圧縮機の相当する圧力段に導入して再圧縮する工程と、前記昇圧ガスの分岐した他方の昇圧ガスを温膨張タービンに直結するに導入して臨界圧力以上に昇圧する工程と、更に昇圧したガスを更に分岐し、その一方を前記熱交換器の液化ラインに導入して冷却する工程と、前記更に昇圧したガスの分岐した他方のガスを冷凍機で冷却した後、前記熱交換器の液化ライン中の相当温度部分に導入して合流させるか、又は前記熱交換器で寒冷回収後に前記圧縮機の相当する圧力段に導入する工程と、液化ラインの途中から一部のガスを抜き出して前記温膨張タービンに導入し、膨張降温させた後、前記熱交換器の冷却源ガスに相当温度部分で合流させる工程と、前記熱交換器の液化ラインで臨界温度以下まで冷却したガスを膨脹弁でJT膨張させて液化ガスとして取り出す工程と、を含むことを特徴としている。
【0011】
さらに、本発明は、前記圧縮ガスを冷膨張タービンに直結する前記ブロワーで臨界圧力以上に昇圧することを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図1は、本発明を適用した窒素ガス液化プロセスの一例を示すものである。なお、前記図4に示した従来例と同一要素のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0013】
配管1から、例えば10℃、1.1kg/cm2 abs、10000Nm3 /hの原料窒素ガスが導入され、多段圧縮機2で例えば26kg/cm2 absまで圧縮される。この多段圧縮機2は、1台以上の圧縮機を用い、その途中に後述する配管3を通る例えば6kg/cm2 absの循環窒素ガスが導入され、原料窒素ガスと共に圧縮される。
【0014】
この圧縮された窒素ガスは、アフタークーラー4,配管5を通り、低温側の膨張タービン、即ち冷膨張タービン9に直結した昇圧ブロワー11で、例えば31kg/cm2 absに昇圧され、アフタークーラー22で冷却された後、配管51から配管52と配管53とに分岐する。
【0015】
一方の配管52に分岐した昇圧窒素ガス、例えば約60%の昇圧窒素ガスは、高温側の膨張タービン、即ち温膨張タービン8に直結した昇圧ブロワー10に導入され、臨界圧力以上の圧力に更に昇圧される。この更に昇圧された窒素ガスは、アフタークーラー12で冷却された後、配管54から配管55と配管56とに分岐される。配管55に分岐した一方の窒素ガス、通常は50%以上の窒素ガスは、弁57で減圧された後、配管58を通ってコールドボックス14に導入され、熱交換器15の液化ライン16に流入する。一方、前記配管56に分岐した窒素ガスは、冷凍機59で冷却された後、配管60を通ってコールドボックス14に導入され、熱交換器15の液化ライン16を流れる前記窒素ガスと温度が一致する位置で合流する。
【0016】
この液化ライン16を流れる臨界圧力以上の窒素ガスは、その一部が熱交換器15の途中で配管17に分岐し、残りの窒素ガスが配管18を通り、臨界温度の−147.1℃以下(例えば−173.0℃、42kg/cm2 abs)に冷却される。この冷却された窒素ガスは、配管19を通って膨張弁20にて必要な圧力(例えば6kg/cm2 abs)に等エンタルピー膨張(JT膨張)した後、配管21を通って気液分離器(図示せず)に導入され、フラッシュガスと液化窒素とに分離し、フラッシュガスは、例えば、配管26を流れる窒素ガスに合流させて再循環させ、液化窒素は、10000Nm3 /hが製品として採取される。また、配管17に分岐した窒素ガスは、例えば42kg/cm2 absの圧力から温膨張タービン8で、例えば6kg/cm2 absに等エントロピー膨張して降温する。
【0017】
一方、前記配管53に分岐した昇圧窒素ガスは、前記熱交換器15の冷却ライン24に導入されて冷却された後、熱交換器15の途中までの配管25に導出され、冷膨張タービン9で、例えば6kg/cm2 absに等エントロピー膨張して降温する。この膨張降温した窒素ガスは、配管26を通って熱交換器15の配管27に冷却源ガスとして導入される。さらに、前記液化ライン16から配管17に分岐した窒素ガスは、前記温膨張タービン8で例えば6kg/cm2 absに等エントロピー膨張して降温した後、配管28を通って前記配管27を流れる窒素ガスと温度が一致する位置で合流し、熱交換器15で前記液化ライン16及び冷却ライン24の窒素ガスと熱交換することにより昇温し、前記配管3に導出された後、多段圧縮機2の圧力が適当な段に戻され、再圧縮されて循環する。また、上記配管28を流れる膨張降温後の窒素ガスは、上記のように配管27に合流させずに、破線で示す配管29を通して寒冷を回収した後、前記多段圧縮機2の相当する圧力段に導入するようにしてもよい。
【0018】
このように、臨界圧力以上に圧縮したガスを臨界温度以下に冷却して液化する方法において、原料ガスを多段圧縮機2で圧縮する工程と、圧縮ガスを冷膨張タービン9に直結した昇圧ブロワー11に導入して臨界圧力以下に昇圧する工程と、昇圧ガスを配管52と配管53とに分岐し、配管53に分岐した一方の昇圧ガスを熱交換器15の冷却ライン24に導入して冷却する工程と、冷却ライン24から導出した冷却ガスを前記冷膨張タービン9に導入して膨張降温させた後、前記熱交換器15の配管27に冷却源ガスとして導入し、熱交換器15から配管3に導出した昇温後の冷却源ガスを前記多段圧縮機2の相当する圧力段に導入して再圧縮する工程と、前記昇圧ガスの配管52に分岐した他方の昇圧ガスを温膨張タービン8に直結する他の昇圧ブロワー10に導入して臨界圧力以上の圧力に更に昇圧する工程と、臨界圧力以上に昇圧したガスを配管55と配管56とに更に分岐し、配管55に分岐した一方のガスを前記熱交換器15の液化ライン16に導入して冷却する工程と、前記配管56に分岐した他方の臨界圧力以上のガスを冷凍機59で冷却した後、前記熱交換器15の液化ライン16中の相当温度部分に導入して合流させる工程と、液化ライン16の途中から配管17に一部のガスを抜き出して前記温膨張タービン8に導入し、膨張降温させた後、配管28を介して前記熱交換器15の配管27を流れる冷却源ガスに相当温度部分で合流させるか、又は合流させずに前記熱交換器15の配管29で寒冷回収後に前記多段圧縮機2の相当する圧力段に導入する工程と、前記熱交換器15の液化ライン16で臨界温度以下まで冷却したガスを膨張弁20でJT膨張させて液化ガスとして取り出す工程とを行うことにより、図2に示すように、熱交換器15における温流体と冷流体との温度差を、図3に示す従来のものに比べて全体的に接近させることができる。
【0019】
一般に、熱交換器の効率は、温流体と冷流体との温度差が近い方が高くなるため、本発明方法を適用することにより、温流体と冷流体との熱交換を効率よく行うことができる。また、冷膨張タービン9に従来より低い圧力のガスを導入することにより、タービン出口でガスの一部を液化させることなく、タービン効率を向上させることができる。
【0020】
したがって、熱交換効率及びタービン効率の向上により、ガスの液化効率を大幅に向上させることができ、例えば、上述の10000Nm3 /hの液化窒素を製造するプロセスにおいては、従来に比べて動力原単位を約4.2%削減することが可能となる。
【0021】
なお、上記例では、冷膨張タービン9に導入するガスの圧力、すなわち、該冷膨張タービン9に直結した昇圧ブロワー11で昇圧されたガスの圧力を臨界圧力以下に設定したが、該昇圧ブロワー11により臨界圧力以上に昇圧するようにしてもよく、冷膨張タービン9における入口温度や膨張比を適当に設定してタービン出口でガスが液化しないようにすればよい。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガスの液化方法は、所定圧力に圧縮昇圧した原料ガスを冷膨張タービンに直結したブロワーで臨界圧力以下あるいは以上に昇圧し、さらにこの昇圧ガスを温膨張タービンに直結したブロワーで臨界圧力以上に昇圧するとともに、温膨張タービンに直結した該ブロワーで臨界圧力以上に昇圧した高圧側のガスを熱交換器の液化用の冷却経路に導入し、その一部を液化ガスとして取り出すようにするとともに、その残部を中間温度で温膨張タービンに導入して膨張降温させ、冷却源ガスの一部とし、かつ、冷膨張タービンに直結した前記ブロワーで昇圧した低圧側のガスを熱交換器で所定温度まで冷却後、冷膨張タービン出口で液化しないように膨張降温させて液化するガスを臨界温度以下に冷却する冷却源として用いることにより、従来より高い効率でガスを熱交換させることができ、ガスの液化に要する動力原単位を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したガス液化装置の一例を示す系統図である。
【図2】本発明を適用したガス液化装置における熱交換器のQーT線図である。
【図3】従来のガス液化装置における熱交換器のQーT線図である。
【図4】従来のガス液化装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
2…多段圧縮機、8…温膨張タービン、9…冷膨張タービン、10,11…昇圧ブロワー、14…コールドボックス、15…熱交換器、16…液化ライン、20…膨張弁、24…冷却ライン、59…冷凍機[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas liquefaction method, and more particularly, to a method of compressing various gases, for example, oxygen, nitrogen, methane, etc., to a critical pressure or higher and then cooling and liquefying the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various methods have been used as a method for liquefying various gases. FIG. 4 shows an example of this, which will be described below in accordance with a procedure for liquefying nitrogen gas.
[0003]
Raw material nitrogen gas is introduced from a
[0004]
After the compressed nitrogen gas is cooled by the
[0005]
The pressurized nitrogen gas passing through one
[0006]
The nitrogen gas passing through the
[0007]
On the other hand, the pressurized nitrogen gas pressurized by the pressurized blower 11 is cooled by the after
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional gas liquefaction method including such a process is mainly designed to reduce the power per unit flow rate of the product liquefied gas (power consumption unit). The efficiency varies depending on the efficiency of the gas turbine (expansion turbine, compressor, etc.), the efficiency of the heat exchanger, etc., and these efficiencies depend on the process for liquefying gas.
[0009]
Accordingly, the present invention provides a method of cooling a gas having a critical pressure or higher to a temperature lower than a critical temperature, in a process in which an expansion turbine and a refrigerator are combined, without power liquefaction of a part of the gas at an outlet of the expansion turbine. It is an object of the present invention to provide a gas liquefaction method capable of reducing the basic unit.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a gas liquefaction method of the present invention is a method of liquefying a gas compressed to a critical pressure or higher by cooling the gas to a critical temperature or lower. A step of introducing pressure into a blower directly connected to a cold expansion turbine , increasing the pressure, branching the pressurized gas, and introducing one of the gases into a cooling line of a heat exchanger to cool, and introducing a cooling gas into the cold expansion turbine. after expansion cooling without liquefied at the outlet of the cold expansion turbine Te, introduced as a cooling source gas into the heat exchanger, corresponding to the cooling source gas after heating derived from the heat exchanger the compressor A step of introducing the gas into the pressure stage to recompress it, a step of introducing the other pressurized gas branched from the pressurized gas to be directly connected to the thermal expansion turbine and increasing the pressure above the critical pressure , and further branching the gas further pressurized. Before one of them A step of introducing and cooling into a liquefaction line of the heat exchanger, and cooling the other branched gas of the further pressurized gas with a refrigerator, and then introducing the gas into an equivalent temperature portion in the liquefaction line of the heat exchanger. Merging, or introducing into the corresponding pressure stage of the compressor after the cold recovery in the heat exchanger, withdrawing a part of the gas from the middle of the liquefaction line and introducing it to the thermal expansion turbine , expand and lower the temperature After that, a step of merging with a cooling source gas of the heat exchanger at a substantial temperature portion, and a step of extracting the gas cooled to a critical temperature or lower in a liquefaction line of the heat exchanger by JT expansion with an expansion valve and extracting it as a liquefied gas. , Are included.
[0011]
Furthermore, the present invention is characterized and Turkey be boosted above the critical pressure before Symbol compressed gas in the blower to be directly connected to the cold expansion turbine.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a nitrogen gas liquefaction process to which the present invention is applied. The same elements as those in the conventional example shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0013]
A raw material nitrogen gas of, for example, 10 ° C., 1.1 kg / cm 2 abs, and 10,000 Nm 3 / h is introduced from the
[0014]
The compressed nitrogen gas passes through the
[0015]
The pressurized nitrogen gas branched to one
[0016]
A portion of the nitrogen gas having a pressure equal to or higher than the critical pressure flowing through the
[0017]
On the other hand, the pressurized nitrogen gas branched to the
[0018]
Thus, in the method of cooling and liquefying a gas compressed above the critical pressure to below the critical temperature, a step of compressing the raw material gas by the
[0019]
In general, the efficiency of the heat exchanger is higher when the temperature difference between the hot fluid and the cold fluid is closer.Therefore, by applying the method of the present invention, heat exchange between the hot fluid and the cold fluid can be performed efficiently. it can. Further, by introducing a gas having a pressure lower than that of the conventional gas into the cold expansion turbine 9, the turbine efficiency can be improved without liquefying a part of the gas at the turbine outlet.
[0020]
Therefore, the gas liquefaction efficiency can be greatly improved by improving the heat exchange efficiency and the turbine efficiency. For example, in the above-described process of producing 10000 Nm 3 / h of liquefied nitrogen, the unit power consumption is lower than in the past. Can be reduced by about 4.2%.
[0021]
In the above example, the pressure of the gas introduced into the cold expansion turbine 9, that is, the pressure of the gas pressurized by the pressure booster 11 directly connected to the cold expansion turbine 9 is set to be equal to or lower than the critical pressure. The pressure may be raised to a pressure higher than the critical pressure, and the inlet temperature and expansion ratio of the cold expansion turbine 9 may be set appropriately so that the gas does not liquefy at the turbine outlet.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, in the gas liquefaction method of the present invention, the raw material gas compressed and pressurized to a predetermined pressure is raised to a critical pressure or lower by a blower directly connected to a cold expansion turbine, and the pressurized gas is further supplied to a thermal expansion turbine. While the pressure is raised above the critical pressure by a directly connected blower, the gas on the high pressure side, which is raised above the critical pressure by the blower directly connected to the thermal expansion turbine, is introduced into the liquefaction cooling path of the heat exchanger, and part of it is liquefied. While taking out as a gas, the remainder is introduced into a warm expansion turbine at an intermediate temperature to expand and lower the temperature, as a part of a cooling source gas, and a low-pressure side gas which is pressurized by the blower directly connected to the cold expansion turbine. the cooled in the heat exchanger to a predetermined temperature, the gas to be liquefied by expansion cooling to not liquefied in the cold expansion turbine outlet as a cooling source for cooling below the critical temperature By there, the gas at higher than conventional efficiency can be heat exchange, it is possible to reduce the power consumption rate required for the liquefaction of the gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing an example of a gas liquefaction apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a QT diagram of a heat exchanger in a gas liquefaction apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a QT diagram of a heat exchanger in a conventional gas liquefaction apparatus.
FIG. 4 is a system diagram showing an example of a conventional gas liquefaction apparatus.
[Explanation of symbols]
2: Multistage compressor, 8: Hot expansion turbine, 9: Cold expansion turbine, 10, 11: Booster blower, 14: Cold box, 15: Heat exchanger, 16: Liquefaction line, 20: Expansion valve, 24: Cooling line , 59… Refrigerator
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