JP3660748B2 - ネオンを用いた水素液化方法及び装置 - Google Patents

ネオンを用いた水素液化方法及び装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ネオンを用いた水素液化方法及び装置に関し、詳しくは、ネオンを発生寒冷原として利用して水素を液化する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
水素を液化して液化水素を得る方法として、特公平３−１９４７１号公報に記載された水素液化方法が知られている。この方法では、発生寒冷源をネオンの循環サイクルに設置した膨張タービンと、水素液化直前に設置した濃縮流体エクスパンダーと称する膨張機にのみ依存して行われていた。
【０００３】
しかし、上述のものでは、ネオンの常圧における沸点が約２７Ｋであるのに対し、水素の沸点が約２０Ｋと低く、ネオン循環サイクルの発生寒冷源を、膨張タービンにのみ依存した場合、原料水素の冷却可能温度がネオンの沸点温度２７Ｋ付近までと制限されてしまい、液化直前での上記膨張機入口温度が高くなり、フラッシュロスの増大を招く結果となっていた。
【０００４】
そこで本発明は、ネオンの潜熱を利用して水素を冷却することにより、より効果的かつ経済的に液化水素を得ることができるネオンを用いた水素液化方法及び装置を提供すること目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のネオンを用いた水素液化方法は、水素を圧縮，冷却して膨張させることにより液化する方法において、前記圧縮，冷却した低温高圧水素を、ネオン循環サイクルで得た液化ネオンの潜熱で更に冷却した後、膨張させて一部を液化するとともに、前記ネオン循環サイクルは、圧縮，冷却した低温高圧ネオンを膨張させ、その一部を液化させて液化ネオン溜めに貯留して、前記低温高圧水素を冷却して循環させることを特徴とし、さらに、前記液化ネオンは、減圧状態にあること、前記低温高圧ネオンを膨張させて液化ネオンを得るに際し、膨張後の温度を、膨張後の圧力における沸点温度よりも高い温度に設定して膨張タービンで断熱膨張させた後に、Ｊ−Ｔ弁にてジュール・トムソン膨張させること、前記膨張タービンは、超臨界膨張タービンであることを特徴としている。
【０００６】
また、本発明のネオンを用いた水素液化装置は、液化する水素を圧縮する水素圧縮機と、圧縮した水素を冷却する熱交換器と、冷却後の低温高圧水素を膨張させて一部を液化する膨張手段と、膨張により生成した液化水素を貯蔵する液化水素貯槽と、液化しなかった水素を前記熱交換器の冷却源とし、冷却源として用いた後の水素を前記水素圧縮機の吸入側に戻して循環させる水素循環経路と、ネオンを圧縮するネオン圧縮機と、圧縮したネオンを冷却する熱交換器と、冷却後の低温ネオンを膨張させて一部を液化する膨張手段と、膨張により生成した液化ネオンを貯蔵する液化ネオン溜めと、前記圧縮したネオンの一部を膨張させて寒冷を発生させる膨張タービンと、前記膨張手段での膨張で液化しなかったネオン及び前記液化ネオン溜め内で蒸発したネオンと前記膨張タービンで膨張したネオンとを前記熱交換器の冷却源とし、冷却源として用いた後のネオンを前記ネオン圧縮機の吸入側に戻して循環させるネオン循環経路と、前記液化ネオン溜め内の液化ネオンにより前記低温高圧水素を更に冷却する熱交換手段とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明の水素液化装置は、前記液化ネオン溜め内で蒸発したネオンを吸引して液化ネオン溜め内を減圧する排気ポンプを備えていること、前記低温高圧ネオンを膨張させて一部を液化する膨張手段の上流に、膨張タービン又は超臨界膨張タービンを直列に備えており、該超臨界膨張タービンは、その吐出圧力（膨張後の圧力）がそのタービン流体の臨界圧力以上である膨張タービンであること、また、前記低温高圧水素を膨張させて一部を液化する膨張手段の上流に、液化ネオンとの熱交換器及び膨張タービンを直列に備えていることを特徴としている。
【０００８】
【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、本発明のネオンを用いた水素液化装置の一例を示すもので、水素液化サイクル１０とネオン循環サイクル５０とから構成されている。
【０００９】
水素液化サイクル１０は、原料水素を供給する原料水素経路１１と、該原料水素経路１１から供給された原料水素と水素循環経路１２からの循環水素とが合流する水素供給経路１３と、水素供給経路１３の水素を所定圧力まで圧縮する水素圧縮機１４と、圧縮した水素を冷却する複数の熱交換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆと、圧縮した水素を液化窒素温度レベルまで冷却する１段目の熱交換器１５ａの下流に設けられた液化窒素溜め１６及び該液化窒素溜め１６内に浸漬されたオルソパラ変換器（熱交換器）１７と、高圧水素の終段熱交換器１５ｆを導出した低温高圧水素を、水素の臨界圧（約１２．７気圧）以上の圧力範囲で膨張させる水素膨張タービン（超臨界膨張タービン）１８と、ネオン循環サイクル５０の液化ネオン溜め５１内に設けられたオルソパラ変換器（熱交換器）１９と、これらのオルソパラ変換器（熱交換器）及び膨張タービンを通過することにより低温となった低温圧縮水素を膨張（フラッシュ）させて一部を液化する膨張手段である水素Ｊ−Ｔ弁２０と、膨張により生成した液化水素を貯蔵する液化水素貯槽２１と、液化しなかった水素（フラッシュロス）や液化水素貯槽２１内で蒸発した水素を、前記熱交換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ及びネオン循環サイクル５０の最終段の熱交換器５２の冷却源として寒冷を回収した後、前記原料水素経路１１に合流させる前記水素循環経路１２とを備えており、前記液化窒素溜め１６内のオルソパラ変換器（熱交換器）１７から下流の低温側の熱交換器１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆの水素通路には、通過する水素を連続的にオルソ・パラ変換するため変換触媒がそれぞれ充填されている。また、製品の液化水素は、液化水素貯槽２１に設けられた製品取出し経路２２から抜出される。上記水素膨張タービン１８は、膨張後の圧力がその臨界圧力である超臨界タービンであり、該水素膨張タービン１８と、オルソパラ変換器１９である熱交換器と、水素Ｊ−Ｔ弁２０とは、直列に配置されている。
【００１０】
一方のネオン循環サイクル５０は、常温のネオンを所定圧力まで圧縮する第１及び第２ネオン圧縮機５３，５４と、前記水素冷却用と共通の複数の熱交換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ及び前記液化窒素溜め１６内に浸漬された熱交換器５５並びに前記最終段の熱交換器５２によりネオンを順次冷却するネオン冷却液化経路５６と、該ネオン冷却液化経路５６の最終段の熱交換器５２の上流に設けられたネオン膨張タービン５７と、熱交換器５２を導出した低温ネオンを膨張（フラッシュ）させて一部を液化する膨張手段であるネオンＪ−Ｔ弁５８と、膨張により生成した液化ネオンを貯蔵する前記液化ネオン溜め５１と、液化しなかったネオン（フラッシュロス）や液化ネオン溜め５１内で蒸発したネオンを液化ネオン溜め５１から吸引して液化ネオン溜め５１内を減圧して負圧状態にする排気ポンプ５９と、排気ポンプ５９で吸引したネオンを、熱交換器の適当な温度位置に戻して各熱交換器のの冷却源として寒冷を回収した後、前記第１ネオン圧縮機５３の吸入側に戻して循環させるネオン循環経路６０と、前記ネオン冷却液化経路５６を流れるネオンの一部を分岐して断熱膨張させることにより寒冷を発生させる第１乃至第３ネオン膨張タービン６１，６２ａ，６２ｂと、第１ネオン膨張タービン６１で中間圧力に膨張して寒冷を発生したネオンを相当温度の熱交換器１５ｂ，１５ａに冷却源として導入した後、第２ネオン圧縮機５４の吸入側のネオンに合流させる第１寒冷経路６３と、第２ネオン膨張タービン６２ａを中間圧力で導出したネオンを熱交換器１５ｃで冷却源として利用した後、前記第３ネオン膨張タービン６２ｂに導入し、低圧まで膨張させて再び寒冷を発生させ、熱交換器１５ｅに導入する第２寒冷経路６４とを備えており、第２寒冷経路６４のネオンは、前記ネオン循環経路６０のネオンと合流して第１ネオン圧縮機５３に循環する。
【００１１】
前記最終段の熱交換器５２の上流に、ネオンＪ−Ｔ弁５８に対して直列に設けられたネオン膨張タービン５７は、少なくとも吐出温度がその圧力における沸点温度よりも高い温度になるように、すなわち、タービン出口で液化しないように設定されており、さらに、超臨界膨張タービンを用いることもできる。この超臨界膨張タービンは、その吐出圧力（膨張後の圧力）が臨界圧力以上である膨張タービンである。
【００１２】
また、前記液化窒素溜め１６には、液化窒素経路１６ａから液化窒素が供給され、液化窒素溜め１６内で蒸発した窒素は、液化窒素を生成する過程で生じた低温窒素経路１６ｂからの低温窒素と合流し、熱交換器１５ａで寒冷回収された後、排気経路１６ｃから導出される。
【００１３】
水素液化サイクル１０において、水素圧縮機１４で所定の圧力（２０〜６０気圧）まで圧縮された水素は、熱交換器１５ａ及び液化窒素溜め１６で、液化窒素温度レベルまで冷却され、同時に液化窒素溜め１６に浸漬された熱交換器のオルソパラ変換器１７で、パラ水素濃度約１７％まで変換される。
【００１４】
その後、水素は、オルソパラ変換触媒を充填したパスを有する熱交換器１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅを順次流れることにより、ネオンの常圧の沸点温度に近い約２８Ｋまで冷却されるとともに、パラ水素濃度約９５％まで変換される。これらの熱交換器１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅの寒冷は、主としてネオン循環サイクル５０の第１乃至第３ネオン膨張タービン６１，６２ａ，６２ｂで発生したものである。
【００１５】
一方、ネオン冷却経路５６の所定圧力のネオンは、熱交換器１５ｅで約２８Ｋまで冷却された後、ネオン膨張タービン５７で膨張後の圧力におけるネオンの沸点温度よりも高い吐出温度まで断熱膨張して寒冷を発生し、さらに熱交換器５２で冷却された後、ネオンＪ−Ｔ弁５８でジュール・トムソン膨張し、液化ネオン溜め５１に導入されて気液分離される。このとき、液化ネオン溜め５１内の圧力は、排気ポンプ５９で吸引することにより約０．５気圧の負圧状態であり、温度は２５Ｋとなる。
【００１６】
液化ネオン溜め５１からの戻りガスは、排気ポンプ５９で常圧まで戻された後、低温側の第３ネオン膨張タービン６２ｂを導出した第２寒冷経路６４の略常圧のネオンと合流し、ネオン循環経路６０を流れて熱交換器で寒冷回収された後、ネオン圧縮機５３，５４に吸入され、所定圧力まで圧縮されて循環する。
【００１７】
また、熱交換器１５ｆで冷却されるとともに、オルソ・パラ変換触媒によりオルソ・パラ変換した低温高圧水素は、水素膨張タービン１８で少なくとも吐出圧力が水素の臨界圧（約１２．７気圧）より高い圧力にまで膨張して寒冷を発生した後、液化ネオン溜め５１内のオルソパラ変換器（熱交換器）１９に導入され、パラ水素濃度約９９％まで変換されると同時に２５Ｋ近くまで冷却される。
【００１８】
冷却された水素は、水素Ｊ−Ｔ弁２０でフラッシュして液化水素貯槽２１に導入され、気液分離して液化水素が製品取出し経路２２から抜き取られ、ガスは、水素循環経路１２を通って寒冷回収後、原料水素経路１１と合流する。
【００１９】
なお、排気ポンプ５９は、液化ネオン溜め５１の近くでなくてもよく、ネオン循環経路６０の適当な位置に設置することができる。すなわち、常温や他の温度レベルの位置に設置してもよいが、経路が別に必要となるなどが不利となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液化ネオンの潜熱を利用するので、水素を効果的に冷却することができ、さらに、液化ネオンを減圧することにより、より低い温度まで水素を冷却することができる。また、ネオンをＪ−Ｔ膨張させて液化する前に、吐出温度を少なくともその圧力における沸点温度よりも高い温度に設定した膨張タービンで断熱膨張させて寒冷を発生させることにより、ネオン循環サイクルの高い供給圧を有効に活用することができる。したがって、プロセスの効率が向上し、より効果的、経済的に水素を液化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の水素液化装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１０…水素液化サイクル、１１…原料水素経路、１２…水素循環経路、１３…水素供給経路、１４…水素圧縮機、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ…熱交換器、１６…液化窒素溜め、１７…オルソパラ変換器（熱交換器）、１８…水素膨張タービン、１９…オルソパラ変換器（熱交換器）、２０…水素Ｊ−Ｔ弁、２１…液化水素貯槽、２２…製品取出し経路、５０…ネオン循環サイクル、５１…液化ネオン溜め、５２…熱交換器、５３，５４…第１及び第２ネオン圧縮機、５５…熱交換器、５６…ネオン冷却液化経路、５７…ネオン膨張タービン、５８…ネオンＪ−Ｔ弁、５９…排気ポンプ、６０…ネオン循環経路、６１，６２ａ，６２ｂ…第１〜第３ネオン膨張タービン、６３，６４…第１及び第２寒冷経路

Claims (8)

  1. 水素を圧縮，冷却して膨張させることにより液化する方法において、前記圧縮，冷却した低温高圧水素を、ネオン循環サイクルで得た液化ネオンの潜熱で更に冷却した後、膨張させて一部を液化するとともに、前記ネオン循環サイクルは、圧縮，冷却した低温高圧ネオンを膨張させ、その一部を液化させて液化ネオン溜めに貯留して、前記低温高圧水素を冷却して循環させることを特徴とするネオンを用いた水素液化方法。
  2. 前記液化ネオンは、減圧状態にあることを特徴とする請求項１記載のネオンを用いた水素液化方法。
  3. 前記低温高圧ネオンを膨張させて液化ネオンを得るに際し、膨張後の温度を、膨張後の圧力における沸点温度よりも高い温度に設定して膨張タービンで断熱膨張させた後に、Ｊ−Ｔ弁にてジュール・トムソン膨張させることを特徴とする請求項１記載のネオンを用いた水素液化方法。
  4. 前記膨張タービンは、超臨界膨張タービンであることを特徴とする請求項３記載のネオンを用いた水素液化方法。
  5. 液化する水素を圧縮する水素圧縮機と、圧縮した水素を冷却する熱交換器と、冷却後の低温高圧水素を膨張させて一部を液化する膨張手段と、膨張により生成した液化水素を貯蔵する液化水素貯槽と、液化しなかった水素を前記熱交換器の冷却源とし、冷却源として用いた後の水素を前記水素圧縮機の吸入側に戻して循環させる水素循環経路と、ネオンを圧縮するネオン圧縮機と、圧縮したネオンを冷却する熱交換器と、冷却後の低温ネオンを膨張させて一部を液化する膨張手段と、膨張により生成した液化ネオンを貯蔵する液化ネオン溜めと、前記圧縮したネオンの一部を膨張させて寒冷を発生させる膨張タービンと、前記膨張手段での膨張で液化しなかったネオン及び前記液化ネオン溜め内で蒸発したネオンと前記膨張タービンで膨張したネオンとを前記熱交換器の冷却源とし、冷却源として用いた後のネオンを前記ネオン圧縮機の吸入側に戻して循環させるネオン循環経路と、前記液化ネオン溜め内の液化ネオンにより前記低温高圧水素を更に冷却する熱交換手段とを備えていることを特徴とするネオンを用いた水素液化装置。
  6. 前記液化ネオン溜め内で蒸発したネオンを吸引して液化ネオン溜め内を減圧する排気ポンプを備えていることを特徴とする請求項５記載のネオンを用いた水素液化装置。
  7. 前記低温高圧ネオンを膨張させて一部を液化する膨張手段の上流に、膨張タービンを直列に備えていることを特徴とする請求項５記載のネオンを用いた水素液化装置。
  8. 前記低温高圧水素を膨張させて一部を液化する膨張手段の上流に、液化ネオンとの熱交換器及び膨張タービンを直列に備えていることを特徴とする請求項５記載のネオンを用いた水素液化装置。
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