JP7080911B2 - 超臨界ガスの液化装置、及び超臨界ガスの液化方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器、超臨界ガスの液化装置、及び超臨界ガスの液化方法に関する。
高圧の超臨界ガスを冷却して低温の液化ガスを採取する際、液化ガスの気化による蒸発損失を削減するため、液化ガスを過冷却状態として貯液される場合が多い。液化ガスを過冷却状態とする際、冷却した液化ガスの一部を分割流として採取した後、その分割流を順次減圧して温度を低下させ、これを冷却源として液化ガスを冷却する方法が一般的である。例えば、特許文献１には、高圧の超臨界ガスを冷却して低温の液化ガスを採取する方法が開示されている。
ここで、「過冷度」とは、液化ガスにおいて、その流体の沸点から何度冷却されているかを示す指標である。例えば、窒素の場合、圧力４００ｋＰａＧにおける沸点は－１７９℃である。つまり、その圧力における飽和の液体窒素の過冷度は０（ゼロ）である。一方、当該液体窒素を－１８５℃まで冷却した場合（過冷却状態）、その液体窒素の過冷度は、６℃［＝－１７９℃－（－１８５℃）］である。
図３は、従来の超臨界ガスの液化装置の構成を示す系統図である。図３に示すように、従来の液化装置１０１は、圧縮機１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃからなる多段圧縮機１０２、第１及び第２昇圧ブロア１０３Ａ，１０３Ｂ、第１及び第２膨張タービン１０４Ａ，１０４Ｂ、循環熱交換器１０５、気液分離器１０６、第１熱交換器１１７、第２熱交換器１２７、第１及び第２減圧弁１０８Ａ，１０８Ｂ、及び経路Ｌ１０１～Ｌ１０９と、を備える。
図３に示すように、従来の液化装置１０１及び液化方法では、常温の窒素ガスを冷却液化の対象とする。常温の窒素ガスは循環熱交換器１０５で冷却液化され、減圧弁１１０で減圧された後、気液分離器１０６内に貯液される。ただし、気液分離器１０６内の液体窒素は飽和液であり、気化による蒸発損失を削減するために、当該液体窒素は第１熱交換器１１７及び第２熱交換器１２７において過冷却状態とされる。そして、過冷却の液体窒素が製品となる。
具体的には、図３に示すように、気液分離器１０６から導出された液体窒素（第１流体）は、経路Ｌ１０７を介して第１熱交換器１１７の温端に導入され、順次、冷却される。所定の温度まで冷却された液体窒素は第１熱交換器１１７の冷端から再び経路Ｌ１０７に導出される。次いで、経路Ｌ１０７は、第１熱交換器１１７と第２熱交換器１２７との間で分岐し、液体窒素の一部を経路Ｌ１０８に導出する。経路Ｌ１０８に導出された液体窒素（第３流体）は、第２減圧弁１０８Ｂで減圧された後、その一部（約１０％）が気化した気液二相状態で、第１熱交換器１１７に冷流体として導入される。第１熱交換器１１７に導入された第３流体は、第１熱交換器１１７において第１流体を冷却し、自身は全量窒素ガスとなって再び経路Ｌ１０８に導出される。すなわち、第１流体は、第２減圧弁１０８Ｂで減圧された後の液体窒素の潜熱、及びガス窒素の顕熱によって冷却される。
次に、第１熱交換器１１７により冷却された第１流体は、第２熱交換器１２７に導入されてさらに冷却される。所定の温度まで冷却された第１流体は、第２熱交換器１２７の冷端から再び経路Ｌ１０７に導出される。次いで、経路Ｌ１０７は、第２熱交換器１２７の二次側で分岐し、液体窒素（第１流体）の一部を経路Ｌ１０９に導出する。経路Ｌ１０９に導出された液体窒素（第２流体）は、第１減圧弁１０８Ａで減圧された後、その一部（約１０％）が気化した気液二相状態で、第２熱交換器１２７、次いで第１熱交換器１１７に冷流体として導入される。第２熱交換器１２７及び第１熱交換器１１７に導入された第２流体は第１流体を冷却し、自身は全量窒素ガスとなって再び経路Ｌ１０９に導出される。すなわち、第１流体は、第１減圧弁１０８Ａで減圧された後の液体窒素の潜熱、及びガス窒素の顕熱によって冷却される。
従来の液化装置１０１に適用される第１熱交換器１１７及び第２熱交換器１２７としては、運転温度の観点から、アルミニウムプレートフィン熱交換器（以下、「プレートフィン型熱交換器」という）が一般的に用いられる。なお、プレートフィン型熱交換器の詳細な構造は、例えば、特許文献２及び特許文献３に開示されている。
図４は、従来の液化装置１０１における熱交換器周辺の構成を示す模式図である。
図４に示すように、第１熱交換器１１７は、経路Ｌ１０７～Ｌ１０９を流れるそれぞれの流体をプレートフィン型熱交換器に導入／導出するヘッダ１１８Ａ～１１８Ｃ、１１９Ａ～１１９Ｃ、ヘッダから導入された流体の流れを均一にするディストリビュータ１１５，１１６、及び熱交換を主目的とする熱交換部（フィン）１１３から構成されている。
同様に、第２熱交換器１２７は、経路Ｌ１０７，Ｌ１０９を流れるそれぞれの流体をプレートフィン型熱交換器に導入／導出するヘッダ１２８Ａ，１２８Ｂ，１２９Ａ，１２９Ｂ、ヘッダから導入された流体の流れを均一にするディストリビュータ１２５，１２６、及び熱交換を主目的とする熱交換部（フィン）１１４から構成されている。
特許第３３０３１０１号公報 特許第５２９５７３７号公報 特開２０１０－１０１６１７号公報
従来の液化装置１０１では、第１熱交換器１１７及び第２熱交換器１２７におけるディストリビュータでの圧力損失は、熱交換を主目的とする熱交換部（フィン）での圧力損失と比較して大きく、流体の圧力損失によるプロセス全体の熱的効率の低減が困難であった。特に、ガスに比較して密度の大きい液体、つまり液体窒素を導入する流路においては、適切に流体を分散させるために、熱交換部（フィン）での圧力損失よりもディストリビュータでの圧力損失を大きく設定する設計が用いられる場合があった。
また、経路に流通する流体をプレートフィン型熱交換器に導入／導出するためには、ヘッダを経由する必要があり、その際の流体流路面積の拡大、縮小による圧力損失が不可避であった。例えば、入口ヘッダ及び出口ヘッダでの圧力損失は、熱交換部（フィン）での圧力損失の２０～６０％となる場合があり、熱交換器における熱的損失の一つであった。
従来の液化装置１０１及び液化方法によれば、循環熱交換器１０５から導出された流体は２つ以上の熱交換器（第１熱交換器１１７及び第２熱交換器１２７）を通して飽和温度以下まで冷却される。つまり、熱交換器（過冷器）を２つ以上設置するため、その構造上、圧力損失が大きくなる傾向があり、液化装置１０１及び液化方法の効率的な運転を阻害する要因の一つであった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、液化効率を改善し、圧力損失の低減が可能な熱交換器、超臨界ガスの液化装置、及び超臨界ガスの液化方法を提供することを課題とする。
上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。
［１］ 冷却対象となる第１流体が流通する第１流路、冷流体となる第２流体が流通する第２流路、及び冷流体となる第３流体が流通する第３流路を有し、前記第１流路、前記第２流路、及び前記第３流路の間で熱交換を行う第１熱交換部と、
前記第１流路と前記第２流路とを有し、前記第１流路と前記第２流路との間で熱交換を行う第２熱交換部と、
前記第１熱交換部に位置し、前記第１流体を前記第１熱交換部に導入し、前記第２流体及び前記第３流体を前記第１熱交換部から導出する、第１分配部と、
前記第２熱交換部に位置し、前記第１流体を前記第２熱交換部から導出し、前記第２流体を前記第２熱交換部に導入する、第２分配部と、
前記第１熱交換部と前記第２熱交換部との間に位置し、前記第１熱交換部から導出される前記第１流体を前記第２熱交換部に導入し、前記第２熱交換部から導出される前記第２流体を前記第１熱交換部に導入し、前記第３流体を前記第１熱交換部に導入する、第３分配部と、を備える、熱交換器。
［２］ 前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とが、前記第３分配部によって連結される、前項［１］に記載の熱交換器。
［３］ 前記第１熱交換部に前記第１分配部が連結され、前記第２熱交換部に前記第２分配部が連結される、前項［２］に記載の熱交換器。
［４］ プレートフィン型熱交換器である、前項［１］乃至［３］のいずれかに記載の熱交換器。
［５］ 前項［１］乃至［４］のいずれかに記載の熱交換器と、
液化ガスを貯留する気液分離器と、
前記気液分離器内の気相又は液相を前記第１流体として流通する第１経路と、
前記第１経路から分岐し、前記第１流体の一部を第２流体として流通する第２経路と、
前記第１経路から分岐し、前記第１流体の一部を第３流体として流通する第３経路と、を備え、
前記第１経路から前記第１流体を前記第１分配部に導入した後、前記第２分配部から前記第１流体を前記第１経路に導出し、
前記第２経路から前記第２流体を前記第２分配部に導入した後、前記第１分配部から前記第２流体を前記第２経路に導出し、
前記第３経路から前記第３流体を前記第３分配部に導入した後、前記第１分配部から前記第３流体を前記第３経路に導出するように、前記第１経路、前記第２経路及び前記第３経路に亘って前記熱交換器を配置する、超臨界ガスの液化装置。
［６］ 前記第２流路の前記熱交換器の一次側に位置する第１減圧弁と、
前記第３経路の前記熱交換器の一次側に位置する第２減圧弁と、をさらに備える、前項［５］に記載の超臨界ガスの液化装置。
［７］ 熱交換器を用いて液化ガスを過冷却し、過冷却された液化ガスを製品として得る、超臨界ガスの液化方法であって、
冷却対象の液化ガスを第１流体として熱交換器の温流体流路に導入し、前記熱交換器によって過冷却された前記第１流体を前記熱交換器から導出し、過冷却された前記第１流体を分割して少なくとも第２流体及び第３流体を得た後、過冷却された前記第１流体の残部を製品とし、
前記第２流体を第１圧力値まで減圧した後、前記熱交換器の第１冷流体流路に冷流体として導入し、
前記第２流体と同じ温度の前記第３流体を前記第１圧力値と異なる第２圧力値まで減圧した後、前記熱交換器の第２冷流体流路に冷流体として導入する、超臨界ガスの液化方法。
［８］ 前記製品の温度が一定となるように、前記第２流体又は前記第３流体の流量を調整する、前項［７］に記載の超臨界ガスの液化方法。
［９］ 前記第２流体又は前記第３流体のうち、流量を調整する流体の圧力値を、流量を調整しない流体の圧力値よりも低くする、前項［８］に記載の超臨界ガスの液化方法。
本発明の熱交換器は、液化効率を改善し、圧力損失の低減が可能である。
本発明の超臨界ガスの液化装置は、上述の熱交換器を備えるため、液化効率を改善し、圧力損失の低減が可能である。
本発明の超臨界ガスの液化方法は、上述の熱交換器を備える液化装置を用いるため、液化効率を改善し、圧力損失の低減が可能である。
本発明の実施形態に係る超臨界ガスの液化装置の構成を示す系統図である。 本実施形態の液化装置における熱交換器周辺の構成を示す模式図である。 従来の超臨界ガスの液化装置の構成を示す系統図である。 従来の液化装置における熱交換器周辺の構成を示す模式図である。
以下、本発明について、添付の図面を参照し、実施形態を示して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
＜超臨界ガスの液化装置＞
図１は、本発明の実施形態に係る超臨界ガスの液化装置の主要部を示す系統図である。
本実施形態の超臨界ガスの液化装置（以下、単に「液化装置」と示す）１は、直列に設置された圧縮機２Ａ，２Ｂ，２Ｃからなる多段圧縮機２と、第１及び第２昇圧ブロア３Ａ，３Ｂと、第１及び第２膨張タービン４Ａ，４Ｂと、循環熱交換器５と、気液分離器６と、熱交換器７と、第１及び第２減圧弁８Ａ，８Ｂと、経路Ｌ１～Ｌ９と、を備えて概略構成される。
なお、本実施形態の液化装置１において、経路Ｌ１～Ｌ９はそれぞれ所定の材質、所定の径を有する配管によって構成される。
また、本実施形態において、「超臨界ガス」とは、その流体の臨界温度および臨界圧力を超えた状態にある流体をいう。超臨界ガスとしては、例えば、４０℃、５．０MPａＡの窒素ガス等が挙げられる。
本実施形態の液化装置１は、経路Ｌ１の一端から冷却対象となる液化ガスの原料（気体）を供給し、その原料を冷却して過冷却された液化ガスを得るための装置である。以下、冷却対象となる原料として、窒素ガスを用いる場合を一例として説明する。
図１に示すように、経路Ｌ１は、液化装置１に原料窒素ガスを導入する経路である。経路Ｌ１には、一次側から順に、減圧弁９、直列に設置された圧縮機２Ａ，２Ｂ，２Ｃからなる多段圧縮機２が配置されている。また、経路Ｌ１には、後述する経路Ｌ４，Ｌ８，Ｌ９がそれぞれ合流する。
経路Ｌ１に導入された原料窒素ガスは、多段圧縮機２により、所要の圧力となるまで圧縮される。
多段圧縮機２を構成する各圧縮機２Ａ，２Ｂ，２Ｃには、後述する経路Ｌ４，Ｌ８，Ｌ９からの各圧縮機の吸入圧力まで減圧された窒素ガスが導入され、原料窒素ガスと共に圧縮される。
経路Ｌ１は、経路Ｌ２と経路Ｌ３とに分岐する。これにより、多段圧縮機２によって所要の圧力まで圧縮された窒素ガスは、経路Ｌ１から経路Ｌ２及び経路Ｌ３にそれぞれ供給される。
経路Ｌ２には、一次側から順に、第１膨張タービン４Ａに直結した第１昇圧ブロア３Ａ、循環熱交換器５、第１膨張タービン４Ａが配置されている。
経路Ｌ２に流れる窒素ガスは、第１昇圧ブロア３Ａで昇圧され、循環熱交換器５により所要の温度となるまで冷却された後、第１膨張タービン４Ａで等エントロピー膨張する。
経路Ｌ２は、第１膨張タービン４Ａに二次側にて、後述する経路Ｌ４に合流する。
第１膨張タービン４Ａで等エントロピー膨張した窒素ガスは、流路気液分離器６で分離したフラッシュガスの戻り流路である経路Ｌ４に合流した後、多段圧縮機２の圧力の等しい吸入段である圧縮機２Ｃの一次側の経路Ｌ１に供給される。
経路Ｌ３には、一次側から順に、第２膨張タービン４Ｂに直結した第２昇圧ブロア３Ｂ、循環熱交換器５が配置されている。
経路Ｌ３に流れる窒素ガスは、第２昇圧ブロア３Ｂで昇圧され、循環熱交換器５に導入される。
経路Ｌ３は、経路Ｌ５と経路Ｌ６とに分岐する。これにより、第２昇圧ブロア３Ｂで昇圧された窒素ガスは、経路Ｌ３から経路Ｌ５及び経路Ｌ６にそれぞれ供給される。
経路Ｌ５には、第２膨張タービン４Ｂが配置されている。
経路Ｌ５は、第２膨張タービン４Ｂに二次側にて、後述する経路Ｌ４に合流する。
第２膨張タービン４Ｂで等エントロピー膨張した窒素ガスは、流路気液分離器６で分離したフラッシュガスの戻り流路である経路Ｌ４と合流した後、多段圧縮機２の圧力の等しい吸入段である圧縮機２Ｃの一次側の経路Ｌ１に供給される。
経路Ｌ６には、一次側から順に、循環熱交換器５、減圧弁１０、及び気液分離器６が配置されている。
経路Ｌ６に流れる窒素ガスは、循環熱交換器５により所要の温度となるまで冷却され、減圧弁１０により所要の圧力となるまで等エンタルピー膨張して気液混合流体となった後、気液分離器６に導入される。
気液分離器６に導入された気液混合流体は、フラッシュガス（気相）と液（液相）とに分離され、気液分離器６内に貯留される。
気液分離器６で分離されたフラッシュガス（気相）は、経路Ｌ４に導出された後、多段圧縮機２の圧力の等しい吸入段である圧縮機２Ｃの一次側の経路Ｌ１に供給される。
一方、気液分離器６で分離された液（液相）は、経路Ｌ７に導出された後、熱交換器７に導入される。
経路（第１経路）Ｌ７は、一端が気液分離器６と接続されており、多端が製品の取り出し口となっている。経路Ｌ７には、気液分離器６内の気相又は液相（第１流体）が流通する。
なお、本実施形態の液化装置１の起動時は、気液分離器６内の気相が第１流体となる。一方、本実施形態の液化装置１の定常運転時は、気液分離器６内の液相が第１流体となる。
経路Ｌ７には、一次側から順に、熱交換器７、温度測定器１１、及び減圧弁１２が配置されている。経路Ｌ７は、熱交換器７の二次側で経路Ｌ８及び経路Ｌ９に分岐する。
気液分離器６で分離された液（液体窒素）は、熱交換器７に導入され、所要の過冷度となるまで冷却され、その一部が経路Ｌ８及び経路Ｌ９に分岐する以外は減圧弁１２により減圧された後、製品液化窒素として経路Ｌ７から取り出される。
経路（第３経路）Ｌ８は、一端が熱交換器７の二次側で経路Ｌ７から分岐し、多端が圧縮機２Ａの二次側で経路Ｌ１に合流する。経路Ｌ８には、一次側から順に、第２減圧弁８Ｂ、熱交換器７、循環熱交換器５が配置されている。
経路Ｌ８は、経路（第１経路）Ｌ７から分岐し、第１流体の一部を第３流体として流通する。換言すると、第３流体は、第１流体の分割流である。
経路Ｌ８に流通する液化窒素（第３流体）は、第２減圧弁８Ｂで所要の圧力値Ｐ２まで減圧された後、一部が気化した気液二相の状態で熱交換器７の中間部分に冷流体として導入され、第１流体を冷却して自身は全量窒素ガスとなる。
熱交換器７の温端から導出された後、経路Ｌ８に流通する窒素ガス（第３流体）は、循環熱交換器５に冷却源となる戻り流体（冷流体）として導入され、経路Ｌ１において多段圧縮機２の圧力の等しい吸入段（圧縮機２Ｂ）に戻される。
経路（第２経路）Ｌ９は、一端が熱交換器７の二次側で経路Ｌ７から分岐し、多端が圧縮機２Ａの一次側で経路Ｌ１に合流する。経路Ｌ９には、一次側から順に、第１減圧弁８Ａ、熱交換器７、循環熱交換器５が配置されている。
経路Ｌ９は、経路（第１経路）Ｌ７から分岐し、第１流体の一部を第２流体として流通する。換言すると、第２流体は、第１流体の分割流である。
経路Ｌ９に流通する液化窒素（第２流体）は、第１減圧弁８Ａで所要の圧力値Ｐ１となるまで減圧された後、一部が気化した気液二相の状態で熱交換器７の冷端に冷流体として導入され、第１流体を冷却して自身は全量窒素ガスとなる。
熱交換器７の温端から導出された後、経路Ｌ９に流通する窒素ガス（第２流体）は、循環熱交換器５に冷却源となる戻り流体（冷流体）として導入され、経路Ｌ１において多段圧縮機２の圧力の等しい吸入段（圧縮機２Ａ）に戻される。
＜熱交換器＞
次に、本実施形態の液化装置１における熱交換器７の構成について、詳細に説明する。
図２は、本実施形態に係る熱交換器の構成を示す模式図である。
図２に示すように、熱交換器７は、第１熱交換部１３、第２熱交換部１４、第１ディストリビュータ（第１分配部）１５、第２ディストリビュータ（第２分配部）１６及び第３ディストリビュータ（第３分配部）１７を備える。熱交換器７は、第１熱交換部１３に第１ディストリビュータ１５が連結され、第２熱交換部１４に第２ディストリビュータ１６が連結され、第１熱交換部１３と第２熱交換部１４とが第３ディストリビュータ１７によって連結されて、これらの構成が一体化されている。
本実施形態にかかる熱交換器７は、経路（第１経路）Ｌ７、経路（第２経路）Ｌ９及び経路（第３経路）Ｌ８に亘って配置され、経路Ｌ７を流れる第１流体を温流体とし、経路Ｌ９を流れる第２流体、及び経路Ｌ８を流れる第３流体を冷流体として熱交換することで、第１流体を冷却する、プレートフィン型熱交換器である。
第１熱交換部１３は、冷却対象となる第１流体が流通する第１流路（温流体流路）、冷流体となる第２流体が流通する第２流路（第１冷流体流路）、及び冷流体となる第３流体が流通する第３流路（第２冷流体流路）を有し、第１流路、第２流路、及び第３流路の間で熱交換を行う。
第１流路、第２流路、及び第３流路は、一般的なプレートフィン型熱交換器と同様に、それぞれ複数の層（フィンが設けられた流体の流路）を有していてもよい。また、第１熱交換部１３は、第１流路、第２流路、及び第３流路の各層が交互となるように積層された構造であってもよい。
第２熱交換部１４は、第１流路と第２流路とを有し、第１流路と第２流路との間で熱交換を行う。
第１流路及び第２流路は、一般的なプレートフィン型熱交換器と同様に、それぞれ複数の層（フィンが設けられた流体の流路）を有していてもよい。また、第２熱交換部１４は、第１流路及び第２流路の各層が交互となるように積層された構造であってもよい。
第１ディストリビュータ（第１分配部）１５は、第１熱交換部１３に位置する。すなわち、第１ディストリビュータ１５は、熱交換器７に設けられた３つのディストリビュータのうち、熱交換器７の温端に位置する。
第１ディストリビュータ１５には、第１流体の入口ヘッダ１８Ａ、第２流体の出口ヘッダ１９Ｂ、及び第３流体の出口ヘッダ１９Ｃがそれぞれ設けられている。第１ディストリビュータ１５は、入口ヘッダ１８Ａを介して第１流体を第１熱交換部１３に導入し、出口ヘッダ１９Ｂを介して第２流体を第１熱交換部１３から導出し、出口ヘッダ１９Ｃを介して第３流体を第１熱交換部１３から導出する。
なお、入口ヘッダ１８Ａ、出口ヘッダ１９Ｂ、及び出口ヘッダ１９Ｃの第１ディストリビュータ１５に設ける位置は、特に限定されない。図２に示すように、入口ヘッダ１８Ａ、出口ヘッダ１９Ｂ、及び出口ヘッダ１９Ｃを同じ端面に設けてもよいし、いずれかのヘッダを側面に設ける構成であってもよい。
第２ディストリビュータ（第２分配部）１６は、第２熱交換部１４に位置する。すなわち、第２ディストリビュータ１６は、熱交換器７に設けられた３つのディストリビュータのうち、熱交換器７の冷端に位置する。
第２ディストリビュータ１６には、第１流体の出口ヘッダ１９Ａ、及び第２流体の入口ヘッダ１８Ｂが設けられている。第２ディストリビュータ１６は、出口ヘッダ１９Ａを介して第１流体を第２熱交換部１４から導出し、入口ヘッダ１８Ｂを介して第２流体を第２熱交換部１４に導入する。
なお、出口ヘッダ１９Ａ、及び入口ヘッダ１８Ｂの第２ディストリビュータ１６に設ける位置は、特に限定されない。図２に示すように、出口ヘッダ１９Ａ、及び入口ヘッダ１８Ｂを同じ端面に設けてもよいし、いずれかのヘッダを側面に設ける構成であってもよい。
第３ディストリビュータ（第３分配部）１７は、第１熱交換部１３と第２熱交換部１４との間に位置する。すなわち、第３ディストリビュータ１７は、熱交換器７に設けられた３つのディストリビュータのうち、熱交換器７の中間部に位置する。
第３ディストリビュータ１７には、第３流体の入口ヘッダ１８Ｃが設けられている。第３ディストリビュータ１７は、第１熱交換部１３から導出される第１流体を第２熱交換部１４に導入し、第２熱交換部１４から導出される第２流体を第１熱交換部１３に導入し、入口ヘッダ１８Ｃを介して第３流体を第１熱交換部１３に導入する。
本実施形態にかかる熱交換器７は、経路（第１経路）Ｌ７から入口ヘッダ１８Ａ及び第１ディストリビュータ１５を介して第１流体を第１熱交換部１３に導入し、第３ディストリビュータ１７を介して第１熱交換部１３から導出される第１流体を第２熱交換部１４に導入した後、第２ディストリビュータ１６及び出口ヘッダ１９Ａを介して第２熱交換部１４から第１流体を経路（第１経路）Ｌ７に導出する。
また、熱交換器７は、経路（第２経路）Ｌ９から入口ヘッダ１８Ｂ及び第２ディストリビュータ１６を介して第２流体を第２熱交換部１４に導入し、第３ディストリビュータ１７を介して第２熱交換部１４から導出される第２流体を第１熱交換部１３に導入した後、第１ディストリビュータ１５及び出口ヘッダ１９Ｂを介して第１熱交換部１３から第２流体を経路（第２経路）Ｌ９に導出する。
また、熱交換器７は、経路（第３経路）Ｌ８から入口ヘッダ１８Ｃ及び第３ディストリビュータ１７を介して第３流体を第１熱交換部１３に導入した後、第１ディストリビュータ１５及び出口ヘッダ１９Ｃを介して第１熱交換部１３から第３流体を経路（第３経路）Ｌ８に導出する。
＜超臨界ガスの液化方法＞
次に、本発明の一実施形態にかかる超臨界ガスの液化方法について、説明する。
本実施形態の超臨界ガスの液化方法（以下、単に「液化方法」と示す）は、上述した熱交換器７を備える液化装置１を用いて液化ガスを過冷却し、過冷却された液化ガスを製品として得る方法である。
本実施形態の液化方法は、冷却対象の液化ガスを第１流体として熱交換器７の第１流路（温流体流路）に導入し、熱交換器７によって過冷却された第１流体を熱交換器７から導出し、過冷却された第１流体を分割して少なくとも第２流体及び第３流体を得た後、過冷却された第１流体の残部を製品とする。
また、本実施形態の液化方法は、得られた第２流体を第１圧力値Ｐ１まで減圧した後、熱交換器７の第２流路（第１冷流体流路）に冷流体として導入する。
さらに、本実施形態の液化方法は、第２流体と同じ温度の第３流体を第１圧力値Ｐ１と異なる第２圧力値Ｐ２まで減圧した後、熱交換器７の第３流路（第２冷流体流路）に冷流体として導入する。
本実施形態の液化方法では、製品の温度が一定となるように、第２流体又は第３流体の流量を調整する。その際、第２流体又は前記第３流体のうち、流量を調整する流体の圧力値を、流量を調整しない流体の圧力値よりも低くする。
具体的には、図１及び図２に示すように、経路（第１経路）Ｌ７から分岐する経路（第３経路）Ｌ８に流通する液化窒素（第３流体）は、第２減圧弁８Ｂで所要の圧力値Ｐ２となるまで減圧される。また、経路（第１経路）Ｌ７から分岐する経路（第２経路）Ｌ９に流通する液化窒素（第２流体）は、第１減圧弁８Ａで所要の圧力値Ｐ１となるまで減圧される。
本実施形態の液化方法では、熱交換器７の冷却源となる２つの冷流体のうち、第３流体が中圧、第２流体が低圧となるように、第１減圧弁８Ａ及び第２減圧弁８Ｂの開度をそれぞれ調整する。すなわち、圧力値Ｐ１よりも圧力値Ｐ２が大きくなるように制御する。そして、２つの冷流体のうち、より温度の高い中圧流体（第３流体）を熱交換器７の中間部、すなわち、第３ディストリビュータ１７から導入する。
また、本実施形態の液化方法では、経路（第１経路）Ｌ７を流通する液化窒素（第１流体）の、熱交換器７の出口温度が一定になるように低圧流体の減圧弁の開度を調節する。一方、中圧流体の減圧弁は固定開度とする。これにより、熱交換器７を安定的に運転できる。具体的には、図１に示すように、温度測定器１１による測定値が一定となるように、第２流体が流通する経路（第２経路）Ｌ９に位置する第１減圧弁８Ａの開度を調整する。なお、第１減圧弁８Ａの開度の調整は、自動制御であってもよいし、手動で制御してもよい。一方、第３流体が流通する経路（第３経路）Ｌ８に位置する第２減圧弁８Ｂの開度は固定する。
ところで、従来の液化装置１０１によれば、図３及び図４に示すように、経路Ｌ１０９（本実施形態の液化装置１における経路Ｌ９に対応）を流通する第２流体は、第１減圧弁１０８Ａの二次側から循環熱交換器１０５の一次側において、第２熱交換器１２７の入口ヘッダ１２８Ｂ、ディストリビュータ１２６、ディストリビュータ１２５、及び出口ヘッダ１２９Ｂと、第１熱交換器１１７の入口ヘッダ１１８Ｂ、ディストリビュータ１１６、ディストリビュータ１１５、及び出口ヘッダ１１９Ｂとを通過する必要がある。
これに対して、本実施形態の液化装置１によれば、図１及び図２に示すように、経路Ｌ９を流通する第２流体は、第１減圧弁８Ａの二次側から循環熱交換器５の一次側において、熱交換器７の入口ヘッダ１８Ｂ、ディストリビュータ１６、ディストリビュータ１７、ディストリビュータ１５、及び出口ヘッダ１９Ｂのみを通過する。
すなわち、本実施形態の液化装置１は、従来の液化装置１０１と比較して、経路Ｌ９における圧力損失を大きく低減できる。
また、経路Ｌ９における圧力損失が小さくなるため、従来の液化装置１０１における第３流体よりも本実施形態の液化装置１における第３流体の過冷度が大きくなる（エンタルピーが小さくなる）。したがって、従来よりも経路Ｌ９に流通する第３流体の流量を少なくでき、熱交換器７の小型化が可能となる。
また、従来の液化装置１０１及び液化方法によれば、図３及び図４に示すように、経路Ｌ１０８（本実施形態の液化装置１における経路Ｌ８に対応）を流通する第３流体は、第１熱交換器１１７の冷端温度の状態から、第２減圧弁１０８Ｂにより圧力値Ｐ２まで減圧された後、第１熱交換器１１７に導入され、第１流体を冷却する。
これに対して、本実施形態の液化装置１及び液化方法によれば、図１及び図２に示すように、経路Ｌ８を流通する第３流体は、熱交換器７の冷端温度の状態（すなわち、従来のプロセスよりも低温状態）から第２減圧弁８Ｂにより圧力値Ｐ２まで減圧され、熱交換器７に導入される。
すなわち、本実施形態の液化装置１及び液化方法は、従来と比較して、経路Ｌ８を流通する第３流体の過冷度が大きいため、第２減圧弁８Ｂによって減圧した際、第３流体の一部が気化するが、その液体窒素の割合が従来よりも多い。したがって、本実施形態の液化装置１及び液化方法によれば、従来よりも経路Ｌ８を流通する第３流体の流量を減少させることが可能となる。
また、経路Ｌ８を流通する第３流体を熱交換器７に導入する際のガス窒素の割合が小さいため、熱交換器７のディストリビュータ１７の小型化が可能となる。
一般的に、熱交換器の低圧ラインから導出される窒素ガスは、フィード窒素圧縮機の吸入側に導入されるため、中圧ラインから導出される窒素よりも低圧である。
したがって、従来の液化装置１０１及び液化方法によれば、ガス密度が小さいため、第１熱交換器１１７及び第２熱交換器１２７において経路Ｌ１０９（低圧ライン）の圧力が最も低く、より大きな圧力損失が生じる傾向がある。
これに対して、本実施形態の液化装置１及び液化方法によれば、経路Ｌ９（低圧ライン）の圧力損失を低減させ、その上で、熱交換器７の小型化が可能となる。
なお、定常運転時の熱交換器には、温流体として液体状態の流体（例えば、液体窒素）、冷流体として液体又は気液二相流状態といった低温の流体が流れる。
これに対して、液化装置の起動時には、熱交換器の温流体用の流路、及び冷流体用の流路において、常温、又は定常運転時と比較すると低温でないガス流体が流れる。
したがって、液化装置の起動時には、熱交換器を流れるガス流体の圧力損失は、定常運転時よりも極端に大きくなる。
本実施形態の液化装置１及び液化方法によれば、経路（第１経路）Ｌ７、経路（第２経路）Ｌ９、及び経路（第３経路）Ｌ８の圧力損失が低減されるため、液化装置１の起動時であっても熱交換器７に流れるガス流体の流量が多くなり、駆動時間を短縮できる。また、本実施形態の液化装置１及び熱交換器７によれば、第１～第３流体が流通する第１～第３流路においても、圧力損失が低減されているため、これらの第１～第３流路にガス流体を導入するといった起動方法の選択も可能となる。
従来の液化装置１０１によれば、第１熱交換器１１７及び第２熱交換器１２７の運転温度が最も低く、大気温度との温度差が大きいため、これらの構成機器、及びその周辺への侵入熱が大きい。
これに対して、本実施形態の液化装置１によれば、従来よりもヘッダ数、ディストリビュータ数、配管数等の構成機器の点数が少なく、小型化された熱交換器７を用いるため、侵入熱を低減できる。したがって、本実施形態の液化装置１及び液化方法によれば、装置全体、及びプロセス全体の熱的効率の改善が可能となる。
以上説明したように、本実施形態の熱交換器７によれば、２つの熱交換器の機能を１つにまとめるように構成されている。これにより、従来よりもヘッダ数、ディストリビュータ数、配管数等の構成機器の点数が少ないため、液化効率を改善し、圧力損失の低減が可能である。また、熱交換器７の小型化が可能であり、コスト減少による生産性の向上も可能である。
また、本実施形態の液化装置１及び液化方法によれば、上述した熱交換器７を備えるため、液化効率を改善し、圧力損失の低減が可能である。すなわち、従来のように、複数の熱交換器を用いるプロセスよりも、各流体が通過するヘッダ、ディストリビュータの個数が減少するため、流体の圧力抵抗が減少する。したがって、装置の起動時間の短縮が可能となる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態の液化装置１では、熱交換器７が２つの熱交換器の機能を１つにまとめる構成を一例として説明したが、３つ以上の熱交換器を直列に接続した構成としてもよい。このように、液化装置における過冷却を行う熱交換器が３つ以上必要な場合であっても、従来よりも圧力損失の低減が可能となる、上記実施形態の液化装置１と同様の効果が得られる。
本発明は、高圧の超臨界ガスを冷却して低温の液化ガスを採取する液化装置において、適用可能である。
１・・・超臨界ガスの液化装置（液化装置）
２・・・多段圧縮機
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ・・・圧縮機
３Ａ・・・第１昇圧ブロア
３Ｂ・・・第２昇圧ブロア
４Ａ・・・第１膨張タービン
４Ｂ・・・第２膨張タービン
５・・・循環熱交換器
６・・・気液分離器
７・・・熱交換器
８Ａ・・・第１減圧弁
８Ｂ・・・第２減圧弁
９，１０，１２・・・減圧弁
１１・・・温度測定器
１３・・・第１熱交換部
１４・・・第２熱交換部
１５・・・第１ディストリビュータ（第１分配部）
１６・・・第２ディストリビュータ（第２分配部）
１７・・・第３ディストリビュータ（第３分配部）
１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ・・・入口ヘッダ
１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ・・・出口ヘッダ
Ｌ１～Ｌ６・・・経路
Ｌ７・・・経路（第１経路）
Ｌ８・・・経路（第３経路）
Ｌ９・・・経路（第２経路）
Ｐ１，Ｐ２・・・圧力値

Claims (8)

  1. 冷却対象となる第１流体が流通する第１流路、冷流体となる第２流体が流通する第２流路、及び冷流体となる第３流体が流通する第３流路を有し、前記第１流路、前記第２流路、及び前記第３流路の間で熱交換を行う第１熱交換部と、
    前記第１流路と前記第２流路とを有し、前記第１流路と前記第２流路との間で熱交換を行う第２熱交換部と、
    前記第１熱交換部に位置し、前記第１流体を前記第１熱交換部に導入し、前記第２流体及び前記第３流体を前記第１熱交換部から導出する、第１分配部と、
    前記第２熱交換部に位置し、前記第１流体を前記第２熱交換部から導出し、前記第２流体を前記第２熱交換部に導入する、第２分配部と、
    前記第１熱交換部と前記第２熱交換部との間に位置し、前記第１熱交換部から導出される前記第１流体を前記第２熱交換部に導入し、前記第２熱交換部から導出される前記第２流体を前記第１熱交換部に導入し、前記第３流体を前記第１熱交換部に導入する、第３分配部と、を備える、熱交換器と、
    液化ガスを貯留する気液分離器と、
    前記気液分離器内の気相又は液相を前記第１流体として流通する第１経路と、
    前記第１経路から分岐し、前記第１流体の一部を第２流体として流通する第２経路と、
    前記第１経路から分岐し、前記第１流体の一部を第３流体として流通する第３経路と、を備え、
    前記第１経路から前記第１流体を前記第１分配部に導入した後、前記第２分配部から前記第１流体を前記第１経路に導出し、
    前記第２経路から前記第２流体を前記第２分配部に導入した後、前記第１分配部から前記第２流体を前記第２経路に導出し、
    前記第３経路から前記第３流体を前記第３分配部に導入した後、前記第１分配部から前記第３流体を前記第３経路に導出するように、前記第１経路、前記第２経路及び前記第３経路に亘って前記熱交換器を配置する、超臨界ガスの液化装置。
  2. 前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とが、前記第３分配部によって連結される、請求項１に記載の超臨界ガスの液化装置。
  3. 前記第１熱交換部に前記第１分配部が連結され、前記第２熱交換部に前記第２分配部が連結される、請求項２に記載の超臨界ガスの液化装置。
  4. プレートフィン型熱交換器である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超臨界ガスの液化装置。
  5. 前記第２流路の前記熱交換器の一次側に位置する第１減圧弁と、
    前記第３経路の前記熱交換器の一次側に位置する第２減圧弁と、をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超臨界ガスの液化装置。
  6. 熱交換器を用いて液化ガスを過冷却し、過冷却された液化ガスを製品として得る、超臨界ガスの液化方法であって、
    冷却対象の液化ガスを第１流体として熱交換器の温流体流路に導入し、前記熱交換器によって過冷却された前記第１流体を前記熱交換器から導出し、過冷却された前記第１流体を分割して少なくとも第２流体及び第３流体を得た後、過冷却された前記第１流体の残部を製品とし、
    前記第２流体を第１圧力値まで減圧した後、前記熱交換器の第１冷流体流路に冷流体として導入し、
    前記第２流体と同じ温度の前記第３流体を前記第１圧力値と異なる第２圧力値まで減圧した後、前記熱交換器の第２冷流体流路に冷流体として導入する、超臨界ガスの液化方法。
  7. 前記製品の温度が一定となるように、前記第２流体又は前記第３流体の流量を調整する、請求項６に記載の超臨界ガスの液化方法。
  8. 前記第２流体又は前記第３流体のうち、流量を調整する流体の圧力値を、流量を調整しない流体の圧力値よりも低くする、請求項７に記載の超臨界ガスの液化方法。
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