JP6290703B2 - 液化ガスの製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」ということがある）の寒冷を利用した液化ガスの製造装置および製造方法に関し、特に空気分離装置などによって製造される窒素ガスの液化技術として有用である。

天然ガス（ＮＧ）は、輸送や貯蔵の利便性などのため、液化天然ガス（ＬＮＧ）として貯蔵され、これを気化した後に、主として火力発電用や都市ガス用として用いられる。このため、ＬＮＧの寒冷を有効利用する技術が開発されている。一般に、ＬＮＧの寒冷を利用して窒素ガス等を液化する設備としては、窒素ガスを圧縮機でＬＮＧとの熱交換で液化可能な圧力まで圧縮し、次いで熱交換器でＬＮＧと熱交換させてＬＮＧを昇温気化させるとともに、窒素ガスを液化するプロセスが用いられている。

また、圧縮機を駆動するための電力は、昼間の料金に比べて夜間が安く設定されているため、上記ＬＮＧの供給量の変動と電力料金の差を勘案して、効率よくガスを液化するためのガス液化プロセスが提案されている。例えば、図７に示すように、１台以上のガス用圧縮機１０１と、１台以上のガス用膨張タービン１０３と、ガスと液化天然ガスとを熱交換させる熱交換器１０２とを備えた液化プロセスにより、前記液化天然ガスの寒冷を利用して前記ガスを液化する方法において、供給される液化天然ガスの増量時には前記膨張タービン１０３を停止又は減量運転し、供給される液化天然ガスの減量時には前記膨張タービン１０３を稼働又は増量運転することを特徴とする液化天然ガスの寒冷を利用したガスの液化方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、一般的に、こうした液化プロセスにおいては、膨張タービンのシャフトにブースターを連結させたコンパンダーが広く用いられる。ブースターにより低圧流体を高圧流体へと圧縮し、高圧流体を膨張タービンに導入し膨張させることにより低温流体とすることができる。このとき、膨張により発生した仕事は、膨張タービンのシャフトに連結させたブースターコンプレッサーにより回収される（例えば、特許文献２参照）。また、液化プロセスに膨張タービンのシャフトにブースターを連結させたコンパンダーを用いる場合において、ブロアーによる昇圧、膨張タービンによる膨張降温を２段階行う方法が知られている（例えば、特許文献３，４参照）

特開平０５−０４５０５０号公報 特表平１０−５０１０５３号公報 特開平０９−０４９６８５号公報 特開平０６−０５０６５７号公報

しかし、上記のような低温の液化ガス等の製造装置では、以下のような種々の課題が生じることがあった。
（ｉ）ガス液化プロセスに供給されるＬＮＧ量は、一般に火力発電や都市ガス等の需要変動によって変動することがあり、利用できる寒冷量も変動することがある。従って、供給されるＬＮＧが減少した場合においても、液化ガス等の生産量に対して影響を受けないように、ＬＮＧの寒冷を効率よく利用できる装置や方法が要求されている。
（ii）圧縮ガスの製造プロセスにおいて、常温常圧のガスを加圧するのは、大きなエネルギーを付加すると同時に、圧縮に伴うガス温上昇を抑える寒冷が必要とされる。例えば窒素ガスのように、大量に消費される汎用的な圧縮ガスの製造には、寒冷の効率的な利用と合せて、総合的なエネルギーの低減が大きな課題となっていた。
（iii）常圧ガスの液化開始温度は、ＬＮＧが約−８０℃、窒素が約−１２０℃である。例えばＬＮＧを寒冷として用いた窒素ガスの常圧による液化プロセスにおいては、窒素の液化が開始された状態において、これと熱交換が行われるＬＮＧは、依然として大きな潜熱を有する液体状態であり、当該プロセスだけから見れば、ＬＮＧの寒冷が十分に利用させているとはいえない。また、残存するＬＮＧの寒冷を他の用途に転用することは、必ずしも容易ではなく、ＬＮＧの寒冷を含めたエネルギーの効率的な利用は、こうした液化プロセスにおいて重要な課題となっていた。
（iｖ）また、膨張タービンと連結されたブースターは、機械的な制約により圧縮比を約２．５倍以上にすることは非常に困難であるという問題点があった。さらに、上記のように、ブロアーによる昇圧、膨張タービンによる膨張降温を２段階行う方法においても、圧縮比が２．５倍に満たせることはできなかった。
（ｖ）一般に、高い圧縮比によって所定の圧力を得るためには、多段階のコンプレッサーユニットを設け、流体を予め所定の圧力まで昇圧した後、コンパンダーのブースターにて所望の圧力まで昇圧される方法が採られる。しかしながら、多段階のコンプレッサーユニットの運転で消費されるエネルギーは、例えば液化窒素製造プロセスにおいては、その膨張サイクルにおいて必要とされるほとんどの全てのエネルギーであり、消費エネルギーの低減あるいはエネルギー効率の向上等を図る観点からは、大きな障害となっていた。

本発明の目的は、ＬＮＧの寒冷を効率よく利用し、液化ガスの作製に必要となるエネルギーの削減を図るとともに、コンプレッサーユニットのように消費エネルギーの大きな部材を用いずに、膨張タービンを有効に利用して、大きな圧縮比あるいは自由度の高い圧縮比を確保することができる液化ガスの製造装置および製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す液化ガス製造装置および製造方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明に係る液化ガスの製造装置は、熱媒体が断熱圧縮される第１圧縮手段と、断熱圧縮された該熱媒体が定圧加熱される第１熱交換器と、加熱された該熱媒体が断熱膨張される複数の並列的に配設された膨張手段と、断熱膨張された該熱媒体が定圧冷却される第２熱交換器と、該第２熱交換器から導出された熱媒体が前記第１圧縮手段に導かれる流路と、を備えたランキンサイクルを有し、前記膨張手段とリンクされ、該膨張手段と同数の直列的に配設された第２圧縮手段を有するとともに、低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を前記熱媒体に伝達して導出され、給送された原料ガスが、複数の前記第２圧縮手段によって順に圧縮された後、前記第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、前記熱媒体によって冷却された後、液化ガスとして取り出されることを特徴とする。

また、本発明に係る液化ガスの製造方法は、第１圧縮手段によって断熱圧縮された熱媒体が、第１熱交換器において定圧加熱された後、複数の並列的に配設された膨張手段によって断熱膨張され、さらに第２熱交換器において定圧冷却される、ランキンサイクルを形成するとともに、低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を前記熱媒体に伝達し、給送された原料ガスが、前記膨張手段とリンクされ、該膨張手段と同数の直列的に配設された第２圧縮手段によって順に圧縮された後、前記第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、前記熱媒体によって冷却された後、液化ガスとして取り出されることを特徴とする。

こうした構成によって、液化ガスの作製において、ＬＮＧの寒冷を効率よく利用し、液化ガスの作製に必要となるエネルギーの削減を図るとともに、単独のコンプレッサーのように消費エネルギーの大きなユニットを用いずに、膨張タービンを有効に利用して、大きな圧縮比あるいは自由度の高い圧縮比を確保することができる液化ガスの製造装置および製造方法を提供することができる。具体的には、圧縮ガスとの熱交換によって効率よく熱伝達が行われ、液化ガスの作製に要する寒冷が非常に少ないとの知見を基に、低温ガスの作製において、圧縮ガスとの熱交換を有効に利用することができるランキンサイクル（以下「ＲＣ」ということがある）を適用することによって、非常に効率よくＬＮＧの寒冷を利用できるとともに、寒冷の伝達に必要なエネルギーを大幅に削減することが可能となった。また、ＲＣにおいて用いられる複数の並列的に配設された膨張タービンにリンクされた同数の第２圧縮手段を用い、原料ガスを直列的に順に圧縮することによって、大きな圧縮比あるいは自由度の高い圧縮比を確保することができる。ここでいう第２圧縮手段は、後述するように、コンプレッサーユニットのような単独の圧縮機能を有するユニットと区分して、タービンにリンクされたコンプレッサー等をいう

本発明は、上記液化ガスの製造装置であって、前記第２圧縮手段から導出された前記原料ガスが前記第１熱交換器または第２熱交換器に導かれる流路と、該第１熱交換器または第２熱交換器から導出された前記液化ガスの圧力調整を行う調整弁と、該調整弁を介して前記液化ガスが導入され、液体成分と気体成分に気液分離される気液分離部と、を有し、該気液分離部から導出された前記気体成分を前記第２圧縮手段に導入し、前記液体成分を液化ガスとして取り出すことを特徴とする。

また、本発明は、上記液化ガスの製造方法であって、前記第２圧縮手段から導出された前記原料ガスが、前記第１熱交換器または第２熱交換器において冷却され、調整弁によって圧力調整され、気液分離部において液体成分と気体成分に気液分離されるとともに、該気液分離部から導出された前記気体成分が前記第２圧縮手段に導入され、前記液体成分が液化ガスとして取り出されることを特徴とする。

窒素ガスなどの液化ガスの作製において、ＬＮＧの寒冷を利用するとき、ＬＮＧの温度は−１５５℃前後であり、一方窒素の大気圧沸点は−１９６℃であるので、この間の温度レベルの差を埋める必要がある。本発明は、こうした機能を、ランキンサイクルを用いて実現するもので、ランキンサイクルに用いられた熱媒体を、ＬＮＧの寒冷を利用して約−１５０〜−１５５℃まで冷却することによって、窒素ガス等に伝達する寒冷を確保し、通常臨界圧力以上（例えば５〜６ＭＰａ）に昇圧してから、常圧または低圧に加圧された窒素ガス等に対して第１熱交換器を通じて該寒冷を伝達し、さらに高圧に圧縮された窒素ガス等に対して第２熱交換器を通じて該寒冷を伝達することによって、液化された窒素ガスを効率よく作製することができる。液化ガスの作製において、非常に効率よくＬＮＧの寒冷を利用できるとともに、寒冷の伝達に必要なエネルギーを大幅に削減することが可能となった。

本発明は、上記液化ガスの製造装置において、第３熱交換器が、前記第１熱交換器から導出された前記熱媒体が前記膨張手段に導かれる流路に設けられ、該第３熱交換器において、該熱媒体と、前記第２熱交換器から導出された前記液化天然ガスと、前記第２圧縮手段から導出された前記原料ガスと、が熱交換されることを特徴とする。
こうした構成によって、さらに効率よくＬＮＧの寒冷を利用することができ、エネルギー効率が高い液化ガスの作製が可能となる。特に、第３熱交換器に冷却水を導入し、熱容量の大きな冷熱による熱交換ができる構成を用いた場合には、起動時や停止時の過渡的な変動等に対しても、熱媒体，液化天然ガスおよび液化ガスに対する予備的あるいは補助的な温熱の移動を図ることができ、ＬＮＧの寒冷の安定的な利用および安定したエネルギー効率を確保することが可能となる。

本発明は、上記液化ガスの製造装置であって、原料ガスが前記第２圧縮手段に導かれる流路に、第１分岐流路および第２分岐流路が設けられ、前記気液分離部から導出された液体成分が導かれる流路に、第４熱交換器および第３分岐流路が設けられるとともに、前記気液分離部から導出された前記気体成分が、前記第１熱交換器または第２熱交換器を介して前記第１分岐流路に導かれる流路と、前記第３分岐流路で分岐された前記液体成分が、前記第４熱交換器を介して前記第２分岐流路に導かれる流路と、を有し、前記気液分離部から導出された前記液体成分が、前記第４熱交換器を介して液化ガスとして取り出されことを特徴とする。
取り出し直前の安定した条件の液化ガスを原料ガスと混合する循環系を構成することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。

本発明は、上記液化ガスの製造装置であって、前記ランキンサイクルが、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いた複数のランキンサイクルで構成され、少なくとも、低い沸点あるいは小さな熱容量の熱媒体を用いた１のランキンサイクルに係る、複数の並列的に配設された第１膨張手段と、高い沸点あるいは大きな熱容量の熱媒体を用いた他のランキンサイクルに係る、複数の並列的に配設された第２膨張手段と、を有するとともに、
前記第１膨張手段とリンクされ、該第１膨張手段と同数の直列的に配設された第２圧縮手段と、前記第２膨張手段とリンクされ、該第２膨張手段と同数の直列的に配設された第３圧縮手段と、が設けられ、原料ガスが、前記第２圧縮手段によって圧縮された後、前記第３圧縮手段によって、さらに圧縮されて前記第１熱交換器に導入される、または、原料ガスが、前記第２圧縮手段によって圧縮された後、前記第３圧縮手段の初段の圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器に導入され、導出した液化ガスは、次段の圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器に導入され、さらに、これを所定段数繰り返す、ことを特徴とする。
液化ガスの製造装置は、半導体製造設備等においては、インラインに用いられることが多く、連続的なガスの供給が要求される場合とともに、その供給量や供給圧力等が大きく変動することがある。また、既述のように、ＬＮＧの安定供給が必ずしも確保できない場合がある。本発明は、ＬＮＧの寒冷の伝達を担う熱媒体について沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いて複数のランキンサイクルで構成するとともに、原料ガスを、第１のＲＣに係る第２圧縮手段によって多段階に圧縮された後、さらに第２のＲＣに係る第３圧縮手段の初段の圧縮手段によって圧縮されて第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、導出した液化ガスは、次段の圧縮手段によって圧縮されて第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、さらに、これを所定段数繰り返し、こうした場合の変動要素を、各ランキンサイクルにおける熱媒体の流量や圧力といった制御が容易な制御要素を調整することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。

本発明に係る液化ガスの製造装置の基本構成例を示す概略図 本発明に係る液化ガスの製造装置の基本構成例の一態様を示す概略図 本発明に係る液化ガスの製造装置の第２構成例を示す概略図 本発明に係る液化ガスの製造装置の第２構成例の一態様を示す概略図 本発明に係る液化ガスの製造装置の第３構成例を示す概略図 本発明に係る液化ガスの製造装置の第４構成例を示す概略図 本発明に係る液化ガスの製造装置の第５構成例を示す概略図 従来技術に係るガス液化プロセスの構成例を示す概略図

＜液化ガスの製造装置の構成＞
本発明に係る液化ガスの製造装置（以下「本装置」という）は、熱媒体が断熱圧縮される第１圧縮手段と、断熱圧縮された熱媒体が定圧加熱される第１熱交換器と、加熱された熱媒体が断熱膨張される複数の並列的に配設された膨張手段と、断熱膨張された熱媒体が定圧冷却される第２熱交換器と、第２熱交換器から導出された熱媒体が第１圧縮手段に導かれる流路と、を備えたランキンサイクル（ＲＣ）を有し、膨張手段とリンクされ、該膨張手段と同数の直列的に配設された少なくとも１つの第２圧縮手段を有するとともに、低温液化状態の液化天然ガス（ＬＮＧ）が、第２熱交換器に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達して導出され（Ｖ．ＮＧ）、給送された原料ガスが、複数の前記第２圧縮手段によって順に圧縮された後、第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、熱媒体によって冷却された後、液化ガスとして取り出されることを特徴とする。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、液化するガスとして窒素ガスの場合を例示することがあるが、本発明は、他のガス、例えば空気やアルゴン等の液化にも同様にして適用することができる。また、各部の温度、圧力、流量などの条件は、ガスの種類や流量等、その他の条件に応じて適宜変更することができる。

〔本装置の基本構成例〕
本装置の基本構成例（第１構成例）の概要を、図１に例示する。本装置は、熱媒体が循環するランキンサイクル（ＲＣ）を有する。熱媒体は、順に、第１圧縮手段である圧縮ポンプ１によって断熱圧縮され、第１熱交換器２において原料ガスによって定圧冷却され、複数（本構成では２つで例示）の並列的に配設された膨張手段であるタービン３ａ，３ｂによって断熱膨張され、第２熱交換器４においてＬＮＧの寒冷によって定圧冷却され、再度圧縮ポンプ１に吸引される循環系を形成する。こうした構成によって、ＬＮＧの寒冷を安定的にかつ効率的に原料ガスに伝達することができる。ここで、「熱媒体」としては、炭化水素や液化アンモニア，液化塩素あるいは水等種々の物質を挙げることができる。また、常温常圧下において液体のみならず気体を含み、特に熱容量の大きい気体、例えば二酸化炭素等を適用することができる。炭化水素としてメタン，エタン，プロパンあるいはブタン等単体で使用する場合以外に、複数の化合物の混合物を使用することによって、最適な沸点あるいは熱容量の設計を行うことができる。特に、後述するような複数のＲＣを用いた場合には、例えば１のＲＣに「メタン＋エタン＋プロパン」の混合物を用い、他のＲＣに「エタン＋プロパン＋ブタン」の混合物を用いることによって、ＬＮＧの冷熱を複数の温度帯で熱伝達させることができる。

所定流量のＬＮＧが第２熱交換器４に供給され、所定量の寒冷が確保されるとともに、ＬＮＧの供給流量を制御することによって、ＲＣにおいて循環する熱媒体に伝達される熱量が制御され、原料ガスに伝達される寒冷を容易に調整することができる。第２熱交換器４に導入されたＬＮＧは、一部または全部が気化されて気化天然ガス（Ｖ．ＮＧ）として導出される。所望の流量の原料ガス（ＧＮ２）が第２圧縮手段の第１段であるコンプレッサー５ａによって圧縮され、さらに第２段であるコンプレッサー５ｂによって圧縮された後、第１熱交換器２に供給され、所定量の寒冷が伝達され所望の温度に冷却され、所望の圧力に圧縮され、液化ガス（ＬＮ２）として取り出される。こうした構成によって、所望の高い圧縮比を確保しつつ、安定的に所望の液化ガスを製造することができる。また、エネルギー効率について、ＬＮＧの寒冷と原料ガスを直接熱交換する従前の装置に比較して、大幅に向上させることができる。なお、本構成および以下の構成例において例示する第１〜第４熱交換器を含む各熱交換器において、ＬＮＧと熱媒体あるいは原料ガスや液化ガスや冷却水を、随時向流条件あるいは並流条件で導入・供出する。このとき、第１熱交換器４におけるＬＮＧと熱媒体あるいは液化ガスとの間や、第２熱交換器４における熱媒体と原料ガスあるいは液化ガスとの間においては、向流条件とすることによって、特に高い熱交換効率を得ることができる。

以上のように、ランキンサイクル（ＲＣ）が形成された本装置において、低温液化状態の液化天然ガスが、第２熱交換器４に導入され、その寒冷を熱媒体に伝達し、タービン３ａ，３ｂとリンクされたコンプレッサー５ａ，５ｂによって圧縮された原料ガスが、第１熱交換器２に導入され、熱媒体の寒冷によって冷却され、液化ガスとして取り出される。

具体的には、例えばＲＣの熱媒体としてエタンとプロパンが等モル配合された主成分からなる混合物を用い、約６ＭＰａのＬＮＧが第２熱交換器４に導入され、原料ガスとして窒素ガスが給送された場合を例に挙げると、第２熱交換器４から約−１１５℃に冷却されて導出され熱媒体が、圧縮ポンプ１によって約１．８ＭＰａに断熱圧縮され、第１熱交換器２に導入され、原料ガスと熱交換され加熱されて導出され、タービン３ａ，３ｂによって断熱膨張され、約−４５℃，約０．０５ＭＰａで第２熱交換器４に導入される。タービン３ａ，３ｂとリンクしたコンプレッサー５ａ，５ｂによって、順に約２．１ＭＰａ，約５ＭＰａに圧縮されて第１熱交換器２に導入された窒素ガス（原料ガス）は、約−９０℃に冷却されて導出され、約−９０℃，約５ＭＰａの液化窒素ガスとして取り出される。

〔実証結果について〕
本装置を用いて液化窒素ガスを作製した場合を、従前の方法を用いて作製した場合と比較して、そのエネルギー効率を実証した。以下の通り、本装置を用いることによって、約５０％以上の向上を図ることができた。
（ｉ）従前の方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合
ＬＮＧが１ｔｏｎ／ｈで供給され、コンプレッサーが１５．７ｋＷｈの電力で作動した場合を想定すると、例えば６７７Ｎｍ^３／ｈの窒素ガスが、２０ｂａｒから３７ｂａｒまで加圧することができる。この際、コンプレッサーの入り口温度は４０℃、出口温度は１１１℃となる。
（ii）本方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合
同様の液化窒素ガスを得るため、つまり６７７Ｎｍ^３／ｈの窒素ガスを２０ｂａｒから３７ｂａｒまで加圧するのに必要なＬＮＧは、０．４８５ｔｏｎ／ｈで十分であった。
（iii）両者を対比すると、下式１から
（１−０．４８５）×１５．７＝８．０９［ｋＷｈ］
８．０９／１５．７＝０．５２ ・・式１
電力として約８ｋＷｈ、つまり約５２％を低減することができた。

また、上記基本構成例における一態様として、原料ガスを、圧縮する前に第１熱交換器２に導入して低温化した構成を、図２に例示する。こうした構成によって、断熱圧縮後の冷却効果を上げ、第２熱交換器４における液化効果を上げることができる。具体的には、第１熱交換器２に導入された原料ガスは、約−８０℃に冷却されて導出され、タービン３ａ，３ｂとリンクしたコンプレッサー５ａ，５ｂによって、順に約２．１ＭＰａ，約５ＭＰａに圧縮され、さらに第１熱交換器２に導入され、約−９０℃に冷却されて導出され、約−９０℃，約５ＭＰａの液化窒素ガスとして取り出される。

〔本装置の第２構成例〕
本装置の第２構成例の概要を、図３に示す。以下、基本構成と共通する要素は、説明を省略することがあるとともに、共通の名称および符号で示す。本装置は、同様のランキンサイクル（ＲＣ）を有するとともに、コンプレッサー５ａ，５ｂから導出された液化ガスが、第１熱交換器２または第２熱交換器４に導かれる流路（第２構成例では第２熱交換器４に導入）と、第１熱交換器２または第２熱交換器４から導出（第２構成例では第２熱交換器４から導出）された液体成分を含む液化ガスの圧力調整を行う調整弁６と、調整弁６を介して液化ガスが導入され、液体成分が気液分離される気液分離部７と、を有し、気液分離部７から導出された気体成分をコンプレッサー５ａに導入し、低温の液体成分を液化ガス（ＬＮ２）として取り出すことを特徴とする。また、原料ガス（ＧＮ２）を、圧縮する前に第１熱交換器２に導入して低温化することによって、断熱圧縮後の冷却効果を上げ、第２熱交換器４における液化効果を上げることができる。基本構成における機能に加え、供給させるＬＮＧの温度と原料ガスの沸点との差異による熱伝達の困難性を、ＲＣおよび気液分離部７を活用することによって、効率よくＬＮＧを寒冷として利用し、液化ガスを安定的にかつ効率的に作製することができる。

また、第２構成例では、気液分離部７から導出された気体成分を、第２熱交換器４に導入して低温化した後、流路Ｓ１を介して、流路Ｌ３およびＬ４を介して給送された原料ガスと混合し、流路Ｌ５を介してコンプレッサー５ａに導入することによって、より冷却効果を上げ、第２熱交換器４における液化効果を上げることができる。さらに、気液分離部７から導出された気体成分の持つ圧力を利用し、当該気体成分を、破線に示す流路Ｓ１（Ｓ１’）を介して、コンプレッサー５ａによって圧縮された原料ガスと流路Ｌ６において混合した後、コンプレッサー５ｂによって圧縮させることによって、より断熱圧縮後の冷却効果を上げ、第２熱交換器４における液化効果を上げることができる。こうした構成によって、供給された原料ガスが、コンプレッサー５ａ，５ｂによって順次昇圧された状態で、第２熱交換器４において冷却され、調整弁６によって圧力調整され、凝縮した液体成分が気液分離部７において気液分離され、気液分離部７から低温の液化ガスとして取り出される。

このとき、原料ガスが、窒素や酸素よりも比較的沸点が高い、例えばエタンやプロパン等の場合には、図４に例示するように、コンプレッサー５ａ，５ｂに昇圧された後に第１熱交換器２に導入することによっても、液化することができる。ＬＮＧの寒冷との温度差が小さく、第１熱交換器２から導出され、圧縮された状態で再度に第１熱交換器２に導入することによって、液化に十分なＬＮＧの寒冷を、熱媒体を介して伝達することができるためである。なお、図４に例示する構成においても、図３における破線に示す構成を適用することが可能である。また、ＬＮＧの圧力＞原料ガスの圧力（例えば約５０ｂａｒ）の場合、ＬＮＧが原料ガスサイドにリークする可能性があり、こうした構成によって、そのリスクを回避することができる。

基本構成と同様、例えばＲＣの熱媒体としてエタンとプロパンが等モル配合された主成分からなる混合物を用い、約６ＭＰａのＬＮＧが第２熱交換器４に導入され、原料ガスとして窒素ガスが給送された場合を具体例に挙げると、第１熱交換器２に導入された原料ガスは、コンプレッサー５ａ，５ｂによって、順に約２．１ＭＰａ，約５ＭＰａに圧縮されて約−５０℃の低温圧縮された窒素ガスとなる。この低温圧縮された窒素ガスは、さらに第２熱交換器４に導入されて約−１５３℃に冷却され、調整弁６を介して膨張して約−１７９℃に冷却されて気液分離部７に導入される。気液分離部７において気液分離された液体成分は、約−１７９℃，約０．０５ＭＰａの液化窒素ガスとして取り出される。

〔実証結果について〕
基本構成における実証試験と同様、本装置を用いて液化窒素ガスを作製した場合を、従前の方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合と比較して、そのエネルギー効率を実証した。以下の通り、本装置を用いることによって、約２５％以上のエネルギー効率の向上を図ることができた。
（ｉ）従前の方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合
ＬＮＧが１ｔｏｎ／ｈで供給され、約０．０５ＭＰａの液化窒素ガスを作製するのに、０．２８ｋＷｈ／Ｎｍ^３のエネルギーを必要とした。
（ii）本方法を用いて液化窒素ガスを作製した場合
上記本装置における具体例の条件によって、約０．０５ＭＰａの液化窒素ガスを作製するのに、０．２１ｋＷｈ／Ｎｍ^３のエネルギーで十分であった。
（iii）両者を対比すると、下式１から
（０．２８−０．２１）／０．２８＝０．２５ ・・式１
電力として約２５％を低減することができた。

〔本装置の第３構成例〕
本装置の第３構成例の概要を、図５に示す。第３構成例に係る本装置は、第２構成例と同様、ランキンサイクル（ＲＣ）と、調整弁６と、気液分離部７と、を有するとともに、第３熱交換器８が、第１熱交換器２から導出された熱媒体がタービン３ａ，３ｂに導かれる流路に設けられ、第３熱交換器８において、該熱媒体と、第２熱交換器４から導出されたＬＮＧと、コンプレッサー５ｂから導出された液化ガスと、が熱交換されることを特徴とする。第２構成例における機能に加え、さらに効率よくＬＮＧの寒冷を利用することができ、エネルギー効率が高い液化ガスの作製が可能となる。なお、第２構成例同様、液化ガスを第１熱交換器２に導入することによって液化することができる構成を適用することができる。また、調整弁６と気液分離部７が設けられずに、第１熱交換器２から導出され液化ガスとして取り出すことも可能である。なお、第３構成例においても、図３における破線に示す構成を適用することが可能である。

このように、第３熱交換器８において、ＬＮＧの残存する寒冷を、第１熱交換器２において加熱された熱媒体と、圧縮され熱量が増加した液化ガスの冷却に利用することによって、さらに効率よくＬＮＧの寒冷を利用することができる。また、ここでは、第３熱交換器８として、これに冷却水を導入した構成を例示する。熱容量の大きな冷熱による熱交換ができ、熱媒体，液化天然ガスおよび液化ガスに対して迅速な温熱の移動を図ることができる。起動時や停止時の過渡的な変動等に対しても、熱媒体，液化天然ガスおよび液化ガスに対する予備的あるいは補助的な温熱の移動を図ることができ、ＬＮＧの寒冷の安定的な利用および安定したエネルギー効率を確保することができる。

〔本装置の第４構成例〕
本装置の第４構成例の概要を、図６に示す。第４構成例に係る本装置は、第３構成例に加え、原料ガスが第１熱交換器２から導かれる流路Ｌ４〜Ｌ６に、第１分岐流路Ｓ１（Ｓ１’）および第２分岐流路Ｓ２が設けられ、気液分離部７から導出された液体成分が導かれる流路Ｌ８に、第４熱交換器９および第３分岐流路Ｓ３が設けられるとともに、気液分離部７から導出された気体成分が、第２熱交換器４を介して第１分岐流路Ｓ１（Ｓ１’）に導かれる流路Ｌ１１と、第３分岐流路Ｓ３で分岐された液体成分が、第４熱交換器９を介して第２分岐流路Ｓ２に導かれる流路Ｌ１２と、を有し、気液分離部７から導出された液体成分が、第４熱交換器９を介して取り出されることを特徴とする。主成分である原料ガスの給送手段として複数段の圧縮機を設けるとともに、取り出し直前の安定した条件の液化ガスを戻し、その原料ガスと混合することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。なお、上記のように、第１分岐流路Ｓ１（Ｓ１’）を、流路Ｌ４またはＬ５の位置Ｓ１とすること、第２分岐流路Ｓ２を、流路Ｌ３の位置とする構成も可能である。

図６では、さらに、第４構成例において、第３分岐流路Ｓ３に第２調整弁１２が設けられ、第４熱交換器９から導出された液化ガスの一部（ここではＬＮａという）が第２調整弁１２を介して第４熱交換器９に再度導入される構成を例示する。低圧ではあるが、第２調整弁１２によって低温の液化ガスを断熱膨張させることによって、より低温の液化ガスが作製され、第４熱交換器９における寒冷として機能させることができる。また、図６では、液化ガスＬＮａが流路Ｌ１２を介して直接第２分岐流路Ｓ２と繋がる構成を例示したが、液化ガスＬＮａをさらに第１熱交換器２または第２熱交換器４を介して第２分岐流路Ｓ２と繋がる構成とし、より第１熱交換器２または第２熱交換器４の機能を有効に利用することができる。

〔検証結果について〕
第４構成例に係る液化装置を用いて液化窒素ガスを作製した場合の、各流路におけるガスあるいは液の温度および圧力を検証した。検証結果を表１に例示する。

〔本装置の第５構成例〕
本装置の第５構成例の概要を、図７に示す。第５構成例に係る本装置は、第４構成例に加え、ランキンサイクルが、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いた複数のランキンサイクル（図中は２つのＲＣ）で構成されるとともに、１のランキンサイクルＲＣａにおいて複数（２つで例示）の並列的に配設されたタービン３ａ，３ｂとリンクされたコンプレッサー５ａ，５ｂに加え、他のランキンサイクルＲＣｂにおいて複数（３つで例示）の並列的に配設されたタービン３ｃ，３ｄ，３ｅとリンクされたコンプレッサー５ｃ，５ｄ，５ｅを有することを特徴とする。

ここで、ランキンサイクルＲＣａでは、低い沸点あるいは小さな熱容量の熱媒体を用いられ、他のランキンサイクルＲＣｂでは、高い沸点あるいはおきな熱容量の熱媒体を用いられる。ＬＮＧの寒冷の伝達を担う熱媒体を、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いて複数のランキンサイクルで構成し、液化ガスの供給量や供給圧力等の変動要素を、各ランキンサイクルにおける熱媒体の流量や圧力といった制御が容易な制御要素を調整することによって、安定的かつエネルギー効率のよい液化ガスの供給を可能とした。また、原料ガスが、１のランキンサイクルＲＣａに係るタービン３ａ，３ｂとリンクされたコンプレッサー５ａ，５ｂによって順次圧縮された後、他のランキンサイクルＲＣｂに係るタービン３ｃ，３ｄ，３ｅとリンクされたコンプレッサー５ｃ，５ｄ，５ｅによって順に圧縮される。このとき、コンプレッサー５ｃによって圧縮されたガスが第１熱交換器２に導入され、該第１熱交換器２から導出されたガスがコンプレッサー５ｄによって圧縮されて再度第１熱交換器２に導入され、該第１熱交換器２から導出されたガスがコンプレッサー５ｄによって再度圧縮された後、第１熱交換器２に導入されることによって、複数のランキンサイクルによって得られる動力を有効に活用するとともに、より効率的な圧縮状態での定圧冷却を行い、高いエネルギー効率を確保することができる。

ここでいう、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体とは、物質そのものが異なる場合、混合物や化合物を構成する物質が異なる場合のみならず、複数の物質の混合物の組成が異なる場合を含む。例えば、１つの熱媒体をメタン２０％とエタン４０％とプロパン４０％からなる混合物とし、他の熱媒体をメタン２％とエタン４９％とプロパン４９％からなる混合物とすることによって、異なる特性を有する２つのＲＣを構成することができ、その組合せによって、種々の変動要素にあった寒冷や冷熱の移動を図るとともに、膨張手段とリンクした圧縮手段に対する効率的なエネルギーの伝達を行うことができる。

また、成分の異なる熱媒体を用いた場合には、さらに広い範囲の熱伝達機能を形成することができる。つまり、上記のように、ＬＮＧの寒冷の温度と原料ガスの沸点あるいは圧縮ガスの温度との関係から、ＬＮＧの寒冷を利用できる温度帯に制限があり、第４構成例のように、１のランキンシステムＲＣａと他のランキンシステムＲＣｂを直列に配列することによって、複数の温度帯においてＬＮＧの寒冷を利用することが可能となる。例えば１のランキンシステムＲＣａに「メタン＋エタン＋プロパン」の混合物を用い、他のランキンシステムＲＣｂに「エタン＋プロパン＋ブタン」の混合物を用いることによって、ＬＮＧの冷熱を複数の温度帯で熱伝達させることができる。第５構成例のように、１のランキンシステムＲＣａと他のランキンシステムＲＣｂを直列に配列し、１のランキンシステムＲＣａによって例えば−１５０〜−１００℃の範囲のＬＮＧの冷熱を利用し、他のランキンシステムＲＣｂにおいて例えば−１５０〜−１００℃の範囲のＬＮＧの冷熱を利用することによって、効率的にＬＮＧの冷熱を利用することができる。また、これを窒素ガスの圧縮エネルギーとして利用した場合には、液体窒素製造量当たりの必要エネルギー（消費電力）を大幅に低減することができる。

なお、図７では、気液分離部７から導出された気体成分が、第１熱交換器２を介して、コンプレッサー５ｂ−５ｃ間の流路に設けられた第１分岐流路Ｓ１（Ｓ１’）に導かれる構成を例示したが、上記各構成例と同様、第２熱交換器４を介してあるいはこれらを介さずに、第１分岐流路Ｓ１（Ｓ１’）に導かれる構成も可能である。また、第１分岐流路Ｓ１（Ｓ１’）が、コンプレッサー５ａまでの原料供給流路あるいはコンプレッサー５ａ−５ｅまでのいずれかの流路に設けられる構成も可能である。さらに、第３分岐流路Ｓ３で分岐された液体成分が、第４熱交換器９を介して直接コンプレッサー５ａまでの原料供給流路に設けられた第２分岐流路Ｓ２に繋がる構成も可能である。

以上、各構成例について、各説明図を基に説明したが、本装置あるいは本装置は、これらに限定されず、その構成要素の組合せあるいは関連する公知の構成要素との組合せを含む広い概念で構成されるものである。

１ 第１圧縮手段（圧縮ポンプ）
２ 第１熱交換器
３ａ，３ｂ 膨張手段（タービン）
４ 第２熱交換器
５ａ，５ｂ 第２圧縮手段（コンプレッサー）
ＧＮ２ 原料ガス
ＬＮ２ 液化ガス
ＬＮＧ 液化天然ガス
Ｖ．ＮＧ 気化天然ガス

Claims (7)

1. 熱媒体が断熱圧縮される第１圧縮手段と、断熱圧縮された該熱媒体が定圧加熱される第１熱交換器と、加熱された該熱媒体が断熱膨張される複数の並列的に配設された膨張手段と、断熱膨張された該熱媒体が定圧冷却される第２熱交換器と、該第２熱交換器から導出された熱媒体が前記第１圧縮手段に導かれる流路と、を備えたランキンサイクルを有し、
   前記膨張手段とリンクされ、該膨張手段と同数の直列的に配設された第２圧縮手段を有するとともに、
   低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を前記熱媒体に伝達して導出され、
   給送された原料ガスが、複数の前記第２圧縮手段によって順に圧縮された後、前記第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、前記熱媒体によって冷却された後、液化ガスとして取り出されることを特徴とする液化ガスの製造装置。
2. 前記第２圧縮手段から導出された前記原料ガスが前記第１熱交換器または第２熱交換器に導かれる流路と、該第１熱交換器または第２熱交換器から導出された前記液化ガスの圧力調整を行う調整弁と、該調整弁を介して前記液化ガスが導入され、液体成分と気体成分に気液分離される気液分離部と、を有し、該気液分離部から導出された前記気体成分を前記第２圧縮手段に導入し、前記液体成分を液化ガスとして取り出すことを特徴とする請求項１記載の液化ガスの製造装置。
3. 第３熱交換器が、前記第１熱交換器から導出された前記熱媒体が前記膨張手段に導かれる流路に設けられ、該第３熱交換器において、該熱媒体と、前記第２熱交換器から導出された前記液化天然ガスと、前記第２圧縮手段から導出された前記原料ガスと、が熱交換されることを特徴とする請求項２記載の液化ガスの製造装置。
4. 原料ガスが前記第２圧縮手段に導かれる流路に、第１分岐流路および第２分岐流路が設けられ、前記気液分離部から導出された液体成分が導かれる流路に、第４熱交換器および第３分岐流路が設けられるとともに、
   前記気液分離部から導出された前記気体成分が、前記第１熱交換器または第２熱交換器を介して前記第１分岐流路に導かれる流路と、前記第３分岐流路で分岐された前記液体成分が、前記第４熱交換器を介して前記第２分岐流路に導かれる流路と、を有し、
   前記気液分離部から導出された前記液体成分が、前記第４熱交換器を介して液化ガスとして取り出されることを特徴とする請求項２または３記載の液化ガスの製造装置。
5. 前記ランキンサイクルが、沸点あるいは熱容量の異なる複数の熱媒体を用いた複数のランキンサイクルで構成され、少なくとも、低い沸点あるいは小さな熱容量の熱媒体を用いた１のランキンサイクルに係る、複数の並列的に配設された第１膨張手段と、高い沸点あるいは大きな熱容量の熱媒体を用いた他のランキンサイクルに係る、複数の並列的に配設された第２膨張手段と、を有するとともに、
   前記第１膨張手段とリンクされ、該第１膨張手段と同数の直列的に配設された第２圧縮手段と、前記第２膨張手段とリンクされ、該第２膨張手段と同数の直列的に配設された第３圧縮手段と、が設けられ、
   原料ガスが、前記第２圧縮手段によって圧縮された後、前記第３圧縮手段によって、さらに圧縮されて前記第１熱交換器に導入される、または、
   原料ガスが、前記第２圧縮手段によって圧縮された後、前記第３圧縮手段の初段の圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、導出した液化ガスは、次段の圧縮手段によって圧縮されて前記第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、さらに、これを所定段数繰り返す、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の液化ガスの製造装置。
6. 第１圧縮手段によって断熱圧縮された熱媒体が、第１熱交換器において定圧加熱された後、複数の並列的に配設された膨張手段によって断熱膨張され、さらに第２熱交換器において定圧冷却される、ランキンサイクルを形成するとともに、
   低温液化状態の液化天然ガスが、前記第２熱交換器に導入され、その寒冷を前記熱媒体に伝達し、
   給送された原料ガスが、前記膨張手段とリンクされ、該膨張手段と同数の直列的に配設された第２圧縮手段によって順に圧縮された後、前記第１熱交換器または第２熱交換器に導入され、前記熱媒体によって冷却された後、液化ガスとして取り出されることを特徴とする液化ガスの製造方法。
7. 前記第２圧縮手段から導出された前記原料ガスが、前記第１熱交換器または第２熱交換器において冷却され、調整弁によって圧力調整され、気液分離部において液体成分と気体成分に気液分離されるとともに、該気液分離部から導出された前記気体成分が前記第２圧縮手段に導入され、前記液体成分が液化ガスとして取り出されることを特徴とする請求項６記載の液化ガスの製造方法。

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