JP7745839B2 - 液体窒素製造装置および液体窒素製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体窒素製造装置および液体窒素製造方法に関し、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）の寒冷を利用した液体窒素製造装置および液体窒素製造方法に関する。

ＬＮＧの寒冷を有効利用する方法として特許文献１または特許文献２がある。特許文献１または特許文献２（例えば、図２）では、窒素ガスの液化にＬＮＧ寒冷を利用する方法が開示されている。特許文献１は、液体ガスを効率的に製造するために、液化天然ガス（ＬＮＧ）の受入及びガス化基地において、ＬＮＧを蒸発させる際に放出される冷熱を利用してガスを冷却する。また、ＬＮＧにおいてはボイルオフガス（ＢＯＧ）の回収が重要であり、特許文献３（例えば、図３）ではＢＯＧの再液化についての方法が開示されている。

ＢＯＧの再液化にＬＮＧの寒冷を利用した場合、一般的には、ＬＮＧの温度が、例えば、約－１５６℃から－１３０℃程度まで変動することがある。上記特許文献１から３の技術では、ＬＮＧ温度が上昇方向に変動すると液体窒素の製造量が著しく減少するか、またはＬＮＧの温度によっては液体窒素の製造を諦める必要があった。また、ＬＮＧターミナルと深冷空気分離装置（ＡＳＵ）の設置場所が離れている場合、ＬＮＧターミナルにＬＮＧ寒冷を採取する必要があった。

特許第４１４２５５９号公報 中国実用新案第２０８７５１１３７号公報 米国特許第９９２７０６８号公報

本発明は、従来技術とは異なる方法で液化天然ガスの寒冷を利用して、窒素ガスから液体窒素を製造できる製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、従来よりも低い電力消費で、中圧窒素ガスから高圧窒素ガスを生成することができる製造装置および製造方法を提供する。
また、本発明は、例えば、四季による温度変動や高温の液化天然ガスの寒冷でも利用できる液体窒素を製造できる製造装置および製造方法を提供する。
また、本発明は、ＬＮＧタンクのＢＯＧを再液化した後の液化天然ガスの寒冷を利用し、空気分離装置とも連動して窒素ガスから液体窒素を製造することができる製造装置および製造方法を提供する。

本発明の液体窒素製造装置（１）は、
第一圧力（例えば、２．０ＭＰａから３．０ＭＰａ）の供給窒素ガス（ＦＧ）を、所定の温度範囲（例えば、－１６０℃から－１２０℃）の液化天然ガス（ＬＮＧ）の冷熱を利用して、（例えば、窒素ガスの臨界温度（－１４７℃）よりも高い温度まで）に冷却するＬＮＧ熱交換器（Ｅ３、Ｅ３０）と、
前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３）で冷却された供給窒素ガス（Ｇ０）を、前記第一圧力よりも高い第二圧力（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）になるように圧縮し高圧窒素ガス（Ｇ１）を吐出するブースター（１１）と、
前記ブースター（１１）から吐出される前記高圧窒素ガス（Ｇ１）を熱交換する（冷却する）、リサイクル熱交換器（Ｅ２、Ｅ１２）と、
前記ブースター（１１）を駆動する膨張タービン（１２）であって、前記リサイクル熱交換器（Ｅ２、Ｅ１２）の一部を通過した前記高圧窒素ガス（Ｇ１）の一部である第一部分ガス（Ｇ１１）が導入され、前記第一圧力（例えば、２．０ＭＰａ）よりも低い第三圧力（例えば、０．５ＭＰａから１．０ＭＰａ）になるように当該第一部分ガス（Ｇ１１）を膨張し、（一部液化または液化点付近の温度の）低温窒素ガス（Ｇ１１１）を排出する膨張タービン（１２）と、
前記リサイクル熱交換器（Ｅ２、Ｅ１２）を通過した後で、前記高圧窒素ガス（Ｇ１）の前記第一部分ガス（Ｇ１１）以外の第二部分ガス（Ｇ１２）を（前記第三圧力（例えば、０．５ＭＰａ）と同じまたは同程度になるように）減圧する第一膨張弁（１３）と、
前記第一膨張弁（１３）で減圧された第二部分ガス（Ｇ１２）と、前記膨張タービン（１２）から排出された低温窒素ガス（Ｇ１１１）とが導入され、窒素ガス（Ｎ_２Ｇ）と液体窒素（ＬＮ_２）とを分離する第一セパレータ（１４）と、
を備える。

前記所定の温度範囲の液化天然ガスは、ＬＮＧタンクのＢＯＧを再液化するのに使用された後の、液化天然ガスであってもよい。
前記液化天然ガスは、ＬＮＧターミナルから配管で送り込まれる液化天然ガスでもよく、コンテナあるいはボンベに貯蔵されている液化天然ガスでもよく、空気分離装置（ＡＳＵ）へ実質的に供給可能なエリアから送られる液化天然ガスであってもよい。
前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３）に導入される前記供給窒素ガス（ＦＧ）が、空気分離装置（ＡＳＵ）から導出された窒素富化ガスであってもよい。窒素富化ガスは、例えば、９０％以上、好ましくは９４％以上の窒素濃度である高純度窒素ガスや、いわゆる９５％以上の純窒素ガスである。

前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３）に供給される前記供給窒素ガス（ＦＧ）が、少なくとも１回の熱交換処理と、少なくとも１回の圧縮処理が施された窒素ガスであってもよい。
液体窒素製造装置（１）または空気分離装置（ＡＳＵ）は、窒素ガスを熱交換（冷却）する熱交換器（Ｅ１）と、その後に窒素ガスを圧縮する第一圧縮機（２１）と、第一圧縮機（２１）で圧縮された後で熱交換器（Ｅ１）で熱交換（冷却）された窒素ガスを圧縮する第二圧縮機（２２）と、を備えていてもよい。
液体窒素製造装置（１）または空気分離装置（ＡＳＵ）は、前記第二圧縮機（２２）で圧縮後、前記熱交換器（Ｅ１）で熱交換された窒素ガスを、前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３）へ送り、次いで前記熱交換器（Ｅ１）および／または熱源（Ｅ４）へ送り、再び前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３）へ送るための配管ライン（Ｌ１）と、を備えていてもよい。
前記供給窒素ガス（ＦＧ）は、前記第二圧縮機（２２）で圧縮された窒素ガスが、前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３）へ導入されて冷却され、前記リサイクル熱交換器（Ｅ２）へ送られて熱交換され（温められ）、その一部が熱交換器（Ｅ１）で熱交換され（温められ）、その一部以外の残りが熱源（Ｅ４）（例えば、ブラインユニット）で温められ、それらが合流したガスで構成されていてもよい。
前記リサイクル熱交換機（Ｅ２）と熱交換器（Ｅ１）は物理的に単一の熱交換器（Ｅ１２）で構成されていてもよく、別々の構成でもよく、熱交換比率に応じた配管ルートを有していてもよい。
前記ＬＮＧ熱交換器、リサイクル熱交換機（Ｅ２）および熱交換器（Ｅ１）は物理的に単一の熱交換器（Ｅ３０）で構成されていてもよく、別々の構成でもよく、熱交換比率に応じた配管ルートを有していてもよい。
前記第一セパレータ（１４）で分離された前記液体窒素が、液体窒素（ＬＮ_２）の製品として取り出されてもよい。

前記第一セパレータ（１４）において、前記第二部分ガス（Ｇ１２）が前記低温窒素ガス（Ｇ１１１）で冷却されてもよい。
前記液体窒素製造装置（１）は、
前記第一セパレータ（１４）から取り出される前記液体窒素（ＬＮ_２）を冷却するサブクーラ（１５）を備えていてもよい。
前記サブクーラ（１５）で冷却（サブクール）された前記液体窒素（ＬＮ_２）が、液体窒素の製品として取り出されてもよい。
前記サブクーラ（１５）で冷却された前記液体窒素（ＬＮ_２）から一部の液体窒素を取り出す分岐経路（Ｌ３１）と、分岐経路（Ｌ３１）に設けられ、液体窒素（ＬＮ_２）を減圧（膨張）する第二膨張弁（１５１）と、第二膨張弁（１５１）で減圧された気液混合状態の窒素が導入される第二セパレータ（１５２）と、を備えていてもよい。
第二セパレータ（１５２）から、液体成分が前記サブクーラ（１５）へ送られ、サブクーラ（１５）内で蒸発し、ガス成分が第二セパレータ（１５２）へ戻ってもよい。この蒸発エネルギーがサブクーラ（１５）で利用される。第二セパレータ（１５２）から、ガス成分が前記サブクーラ（１５）へ送られ、サブクーラ（１５）の冷媒として機能し、次いで、前記リサイクル熱交換器（Ｅ２、Ｅ１２、Ｅ３０）へ送られ、冷媒として機能し（寒冷を放出し）、第一圧縮機（２１）へ送られてもよい。
前記第一セパレータ（１４）で分離されたガス成分が、前記リサイクル熱交換器（Ｅ２、Ｅ１２、Ｅ３０）へ送られ冷媒として機能し（寒冷を放出し）、第二圧縮機（２２）へ送られてもよい。

前記膨張タービン（１２）が前記ブースター（１１）と機械的に連結され、駆動力を供給する構成であってもよい。これにより、従来よりも低電力で、約－１５８℃から－１２０℃の温度範囲で中圧（例えば、２．０ＭＰａから３．０ＭＰａ）の窒素ガスから高圧窒素ガス（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）を効果的に生成することができる。

前記液体窒素製造装置（１）は、
前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３、Ｅ３０）を通過し、ブースター（１１）へ送られる中圧の窒素ガス（Ｇ０）の温度を監視する第一温度監視部（１６）を有し、
前記圧縮比制御部（１７）は、第一温度監視部（１６）で測定された温度（上昇または下降）に応じて、前記ブースター（１１）の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように制御する制御部と、を有していてもよい。
前記制御部は、第一圧縮機（２１）および／または第二圧縮機（２２）の吸入ガス量または吐出ガス量を変更（増加または減少）する圧縮比制御部（１７）を有していてもよい。
前記液体窒素製造装置（１）は、
前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３、Ｅ３０）へ導入される熱交換器入口および／または冷媒利用後の熱交換器出口の液化天然ガス（ＬＮＧ）の温度を監視する第二温度監視部（１６１）と、
前記第二温度監視部（１６１）で測定された入口および／または出口の温度（上昇または下降）に応じて、前記ブースター（１１）の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように制御する制御部と、を有していてもよい。
前記制御部は、第一圧縮機（２１）および／または第二圧縮機（２２）の吸入ガス量または吐出ガス量を変更（増加または減少）する圧縮比制御部（１７）を有していてもよい。
第一、第二温度監視部（１６、１６１）の両方が設けられていてもよく、圧縮比制御部（１７）は、いずれか一方の温度結果または両者の温度結果の総合評価で制御が実行されてもよい。
吸入ガス量または吐出ガス量の制御は、圧縮機または熱交換器の入口側または出口側の配管に設定される流量調整装置または圧縮機の吸入弁を制御することで実施されてもよい。
入口および出口の温度が測定される場合は、入口と出口の温度差を監視対象としてもよい。
これにより、ブースター（１１）へ送られる窒素ガスの温度または液化天然ガス（ＬＮＧ）の温度が変動することに対応して圧縮機の吸入量あるいは吐出量をフィードフォワード制御し、ブースター（１１）の圧縮比を一定に維持させるようにして、液体窒素の製造量を大きく変動させることがなく連続生産に対して柔軟に対応することができる。

前記液体窒素製造装置（１）は、
前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３、Ｅ３０）から前記ブースター（１１）へ送られる窒素ガスを冷却する予備熱交換器（Ｅ５）をさらに有していてもよい。
前記予備熱交換器（Ｅ５）は、前記ブースター（１１）へ送られる中圧の窒素ガス（Ｇ０）を、窒素ガスの臨界温度（－１４７℃）よりも高い温度となるように冷却してもよい。

他の発明の液体窒素製造装置（１）は、
ＬＮＧを送るＬＮＧ配管（Ｌ０）と、
ＬＮＧ配管（Ｌ０）で送られるＬＮＧを冷熱として利用するＬＮＧ熱交換機（Ｅ３０）と、
低圧窒素ガス（ＬＰＮ_２ Ｇａｓ）をＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）へ送る第一配管（Ｌ１）と、
ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）の少なくとも一部を通過した窒素ガスを圧縮する第一圧縮機（２１）と、
第一圧縮機（２１）で圧縮された窒素ガスをＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）の少なくとも一部を通過した後で、さらに圧縮する第二圧縮機（２２）と、
第二圧縮機（２２）で圧縮された第一圧力（例えば、２．０ＭＰａから３．０ＭＰａ）の窒素ガス（Ｇ１）をＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）を通過し（例えば、窒素ガスの臨界温度（－１４７℃）よりも高い温度まで冷却し）た後で、前記第一圧力よりも高い第二圧力（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）になるように圧縮し高圧窒素ガス（Ｇ１）を吐出するブースター（１１）と、
前記ブースター（１１）から吐出される前記高圧窒素ガス（Ｇ１）がＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）へ送られ、その一部を通過した、高圧窒素ガス（Ｇ１）の一部である第一部分ガス（Ｇ１１）が導入され、第一圧力（例えば、２．０ＭＰａ）よりも低い第三圧力（例えば、０．５ＭＰａから１．０ＭＰａ）になるように当該第一部分ガス（Ｇ１１）を膨張し、（一部液化または液化点付近の温度の）低温窒素ガス（Ｇ１１１）を排出する膨張タービン（１２）と、ここで、膨張タービン（１２）はブースター（１１）を駆動する、
ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）の少なくとも一部を通過した後で、高圧窒素ガス（Ｇ１）の第一部分ガス（Ｇ１１）以外の第二部分ガス（Ｇ１２）を（第三圧力（例えば、０．５ＭＰａ）と同じまたは同程度になるように）減圧する第一膨張弁（１３）と、
第一膨張弁（１３）で減圧された第二部分ガス（Ｇ１２）と、膨張タービン（１２）から排出された低温窒素ガス（Ｇ１１１）とが導入され、窒素ガス（Ｎ_２Ｇ）と液体窒素（ＬＮ_２）とを分離する第一セパレータ（１４）と、
第一セパレータ（１４）から取り出される液体窒素（ＬＮ_２）を冷却するサブクーラ（１５）と、
サブクーラ（１５）で冷却された液体窒素（ＬＮ_２）から一部の液体窒素を取り出す分岐経路（Ｌ３１）と、分岐経路（Ｌ３１）に設けられ、液体窒素（ＬＮ_２）を減圧（膨張）する第二膨張弁（１５１）と、第二膨張弁（１５１）で減圧された気液混合状態の窒素が導入される第二セパレータ（１５２）と、を備える。
第二セパレータ（１５２）から、液体成分が前記サブクーラ（１５）へ送られ、サブクーラ（１５）内で蒸発し、ガス成分が第二セパレータ（１５２）へ戻ってもよい。この蒸発エネルギーがサブクーラ（１５）で利用される。第二セパレータ（１５２）から、ガス成分が前記サブクーラ（１５）へ送られ、サブクーラ（１５）の冷媒として機能し、次いで、ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）へ送られ、冷媒として機能し（寒冷を放出し）、第一圧縮機（２１）へ送られてもよい。
第一セパレータ（１４）で分離されたガス成分が、ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）へ送られ冷媒として機能し（寒冷を放出し）、第二圧縮機（２２）へ送られてもよい。
前記液体窒素製造装置（１）は、
前記ＬＮＧ熱交換器（Ｅ３０）を通過し、ブースター（１１）へ送られる中圧の窒素ガス（Ｇ０）の温度を監視する第一温度監視部（１６）を有し、
前記圧縮比制御部（１７）は、第一温度監視部（１６）で測定された温度（上昇または下降）に応じて、前記ブースター（１１）の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように制御する制御部と、を有していてもよい。
前記制御部は、第一圧縮機（２１）および／または第二圧縮機（２２）の吸入ガス量または吐出ガス量を変更（増加または減少）する圧縮比制御部（１７）を有していてもよい。

他の発明の液体窒素製造方法は、
第一圧力の供給窒素ガス（ＦＧ）を、所定の温度範囲の液化天然ガス（ＬＮＧ）の冷熱を利用して冷却するＬＮＧ冷却工程と、
前記ＬＮＧ冷却工程で冷却された供給窒素ガス（Ｇ０）を、前記第一圧力よりも高い第二圧力になるように、ブースター（１１）で圧縮して高圧窒素ガス（Ｇ１）を生成する高圧窒素ガス生成工程と、
前記高圧窒素ガス生成工程で生成された高圧窒素ガス（Ｇ１）を冷却する第一冷却工程と、
前記第一冷却工程で冷却された高圧窒素ガス（Ｇ１）の一部ガス（Ｇ１１）を、前記ブースター（１１）を駆動する膨張タービン（１２）で膨張する第一膨張工程と、
前記第一冷却工程で冷却された高圧窒素ガス（Ｇ１）の前記一部ガス（Ｇ１１）以外の残りガス（Ｇ１２）をさらに冷却する第二冷却工程と、
前記第二冷却工程で冷却された残りガス（Ｇ１２）を減圧する第一減圧工程と、
前記第一減圧工程で減圧された残りガス（Ｇ１２）と、前記第一膨張工程で膨張された一部ガス（Ｇ１１１）とを第一セパレータ（１４）に導入して、気液分離を行う気液分離工程と、を含む。

前記液体窒素製造方法は、
前記ＬＮＧ冷却工程の後で、さらに供給窒素ガスを冷却する予備冷却工程をさらに含み、高圧窒素ガス生成工程は、予備冷却工程で冷却された供給窒素ガスを圧縮してもよい。

前記液体窒素製造方法は、
前記気液分離工程で分離された液体窒素を製品として取り出す、製品取出工程を含んでいてもよい。
前記液体窒素製造方法は、
前記気液分離工程で分離された液体窒素を冷却するサブクール工程と、
前記サブクール工程で冷却された液体窒素を製品として取り出す、製品取出工程を含んでいてもよい。
前記液体窒素製造方法は、
前記サブクール工程で冷却された液体窒素から一部を取り出し、減圧する第二減圧工程と、
前記第二減圧工程で減圧された気液混合状態の窒素の液体成分を蒸発させることで得られる蒸発エネルギーを、前記サブクール工程の冷媒に利用する冷媒供給工程と、を含んでいてもよい。

前記液体窒素製造方法は、
空気分離装置から送られた窒素ガスを、第一冷却処理および第一圧縮処理を行う第一前処理工程と、
前記第一前処理工程のあとで、第二冷却処理および第二圧縮処理を行う第二前処理工程と、を含み、
前記第一前処理工程の第一圧縮処理は、前記冷媒供給工程において冷媒として使用されたガス成分と、前記第一冷却処理で冷却された窒素ガスとを共に圧縮してもよく、および／または、
前記第二前処理工程の第二圧縮処置は、前記気液分離工程で分離されたガス成分と、前記第二冷却処理で冷却されたガス成分とを共に圧縮してもよい。

前記液体窒素製造方法は、
前記高圧窒素ガス生成工程において、前記ブースター（１１）へ導入される供給窒素ガス（Ｇ０）の温度を監視する、温度監視工程と、
前記温度監視工程で測定された温度（上昇または下降）に応じて、前記ブースター（１１）の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように制御する制御工程と、を含んでいてもよい。
前記液体窒素製造方法は、
空気分離装置から送られた窒素ガスを、第一冷却処理および第一圧縮処理を行う第一前処理工程と、
前記第一前処理工程のあとで、第二冷却処理および第二圧縮処理を行う第二前処理工程と、を含み、
前記制御工程は、第一圧縮処理および／または第二圧縮処理において、圧縮される窒素ガスの量（圧縮機へ導入される吸入量、圧縮機から吐出される吐出量）を変更（増加または減少）する圧縮比制御工程を含んでいてもよい。

実施形態１の液体窒素製造装置を示す図である。 実施形態２の液体窒素製造装置を示す図である。 実施形態３の液体窒素製造装置を示す図である。 実施形態４の液体窒素製造装置を示す図である。 実施形態５の液体窒素製造装置を示す図である。

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

（実施形態１）
実施形態１の液体窒素製造装置１について図１Ａを用いて説明する。
液体窒素製造装置１は、熱交換器Ｅ１、第一圧縮機２１，第二圧縮機２２，リサイクル熱交換器Ｅ２、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３、ブラインユニットＥ４、ブースター１１、膨張タービン１２、第一セパレータ１４、サブクーラー１５を備える。

一般的な空気分離装置や、タンク、供給配管などから、高窒素濃度の低圧窒素ガス（ＬＰＮ_２Ｇ）が、本装置１へ配管Ｌ１を介して送られる。低圧窒素ガス（ＬＰＮ_２Ｇ）は、例えば、４０℃、１．１５ｂａｒＡである。
低圧窒素ガス（ＬＰＮ_２Ｇ）は、熱交換器Ｅ１へ送られて冷却され、次いで第一圧縮機２１へ送られて圧縮され、例えば５ｂａｒＡとなる。次いで、熱交換器Ｅ１へ送られて冷却され、次いで第二圧縮機２２へ送られて圧縮され、例えば、２０ｂａｒＡの中圧窒素ガス（ＭＰＮ_２Ｇ）となる。中圧窒素ガス（ＭＰＮ_２Ｇ）は、第一圧力（例えば、２．０から３．０ＭＰａ）に調整される。

中圧窒素ガス（ＭＰＮ_２Ｇ）は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３へ送られる。ＬＮＧ熱交換器Ｅ３の冷媒は、例えば、約－１５８℃から－１２０℃の液化天然ガス（ＬＮＧ）である。
中圧窒素ガス（ＭＰＮ_２Ｇ）は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３で冷却され、リサイクル熱交換器Ｅ２の一部を通過し、その一部が配管Ｌ１ｂを介して主熱交換機Ｅ１へ送られ冷熱を放出し、その残りが配管Ｌ１ａを介してブラインユニットＥ４へ送られ、温められ、それらが合流し、再び、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３へ送られ冷却される。

冷却された中圧窒素ガスＧ０は、配管Ｌ２を介してブースター１１へ送られ圧縮される。ブースター１１で、中圧窒素ガスは、例えば、５０ｂａｒＡの高圧窒素ガスＧ１となる。高圧窒素ガスＧ１は、第一圧力よりも高い第二圧力（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）に調整される。
高圧窒素ガスＧ１は配管Ｌ２を介してリサイクル熱交換器Ｅ２へ送られる。リサイクル熱交換器Ｅ２の途中で、高圧窒素ガスＧ１の一部が分岐配管Ｌ２１を介して取り出され、この取り出された第一部分ガスＧ１１が、膨張タービン１２へ送られる。膨張タービン１２は、ブースター１１と機械的に連結され、ブースター１１へ駆動力を提供する。

第一部分ガスＧ１１は、膨張タービン１２で膨張され、例えば５ｂａｒＡまで減圧され、一部液化または液化点付近である低温窒素ガスＧ１１１となり、配管Ｌ２１を介して第一セパレータ１４へ送られる。
一方、第一部分ガスＧ１１以外の残りの第二部分ガスＧ１２は、配管Ｌ２２を介して第一膨張弁１３へ送られ例えば、５ｂａｒＡまで減圧される。減圧された第二部分ガスＧ１２は、第一セパレータ１４へ送られ、ここで、低圧液体窒素Ｇ１１１と接触し、一部が液化される。

第一セパレータ１４の気相にあるガス成分（Ｎ_２Ｇ）は、配管Ｌ４１を介して、リサイクル熱交換器Ｅ２へ送られ寒冷を放出した後、第二圧縮機２２へ送られ、第一圧縮機２１で圧縮され熱交換器Ｅ１を通過した窒素ガスと共に、圧縮される。

第一セパレータ１４の液相に溜まった液体窒素（ＬＮ_２）は、配管Ｌ３を介してサブクーラ１５へ送られて冷却され、その後、製品として取り出される。配管Ｌ３には仕切弁または流量制御弁Ｖ３が設けられていてもよい。
配管Ｌ３から分岐する分岐配管Ｌ３１に、第二膨張弁１５１が設けられている。液体窒素（ＬＮ_２）の一部がこの分岐配管Ｌ３１で送られ第二膨張弁１５１で減圧され、気液混合状態となり第二セパレータ１５２へ送られる。

第二セパレータ１５２の下部の第一部と、サブクーラ１５の下部の第一部とが配管Ｌ３３で連通し、液体成分が送り込まれる。液体成分はサブクーラ１５内で蒸発し、ガス成分が配管Ｌ３４を介して第二セパレータ１５２へ戻る。この蒸発エネルギーがサブクーラ１５で利用される。第二セパレータ１５２から、ガス成分が配管Ｌ３２を介してサブクーラ１５へ送られ、サブクーラ１５の冷媒として機能し、次いで、配管Ｌ４２を介して、リサイクル熱交換器Ｅ２へ送られ、冷媒として機能し（寒冷を放出し）、次いで第一圧縮機２１へ送られ、熱交換器Ｅ１を通過した窒素ガスと共に圧縮される。第二セパレータ１５２は、液体成分がガス化する機構を備えていてもよい。

第一温度監視部１６は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３を通過し、ブースター１１へ送られる中圧の窒素ガスＧ０の温度を監視する。第一温度監視部１６は、温度を測定する温度センサーと、測定結果を保存するメモリと、測定結果を圧縮比制御部１７へ送信する送信部（無線通信手段、有線通信手段でもよい）とを有していてもよい。
圧縮比制御部１７は、第一温度監視部１６で測定された温度が、設定値あるいは単位時間あたりの移動平均温度を基準にして閾値以上上昇または下降したことに応じて、ブースター１１の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように、第二圧縮機２２の吸入ガス量を増加または減少する。例えば、温度上昇に応じて、吸入ガス量を増加させるように、第二圧縮機２２の入口側の吸入弁を制御し、温度下降に応じて、吸入ガス量を減少させるように、第二圧縮機２２の入口側の吸入弁を制御する。ブースター１１の圧縮比（供給圧／吐出圧）が第二圧力（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）を維持するように制御される。

（実施形態２）
実施形態２の液体窒素製造装置１について図１Ｂを用いて説明する。実施形態１と異なる構成要素を中心に説明し、実施形態１と同じ構成要素の説明は省略する。実施形態２では、熱交換機Ｅ１とリサイクル熱交換器Ｅ２が単一の熱交換器Ｅ１２として構成されている。また、第一温度監視部１６が、ブースター１１の入口付近に設置されている。各構成要素の配置、配管は同じである。

（実施形態３）
実施形態３の液体窒素製造装置１について図１Ｃを用いて説明する。実施形態１と異なる構成要素を中心に説明し、実施形態１と同じ構成要素の説明は省略する。実施形態３では、第一温度監視部１６に替わり、第二温度監視部１６１を有する。
第二温度監視部１６１は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３へ導入される熱交換器入口の液化天然ガス（ＬＮＧ）の温度を監視する。第二温度監視部１６１は、温度を測定する温度センサーと、測定結果を保存するメモリと、測定結果を圧縮比制御部１７へ送信する送信部（無線通信手段、有線通信手段でもよい）とを有していてもよい。
圧縮比制御部１７は、第二温度監視部１６１で測定された温度が、設定値あるいは単位時間あたりの移動平均温度を基準にして閾値以上上昇または下降したことに応じて、ブースター１１の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように、第二圧縮機２２の吸入ガス量を増加または減少する。例えば、温度上昇に応じて、吸入ガス量を増加させるように、第二圧縮機２２の入口側の吸入弁を制御し、温度下降に応じて、吸入ガス量を減少させるように、第二圧縮機２２の入口側の吸入弁を制御する。ブースター１１の圧縮比（供給圧／吐出圧）が第二圧力（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）を維持するように制御される。
実施形態３において、熱交換機Ｅ１とリサイクル熱交換器Ｅ２が単一の熱交換器Ｅ１２として構成されていてもよい。

（実施形態４）
実施形態４の液体窒素製造装置１について図２を用いて説明する。実施形態２と異なる構成要素を中心に説明し、実施形態２と同じ構成要素の説明は省略する。
予備熱交換機Ｅ５が、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３とブースター１１との間の配管ラインＬ２に配置される。予備熱交換器Ｅ５は、ブースター１１へ送られる中圧窒素ガスＧ０を、窒素ガスの臨界温度（－１４７℃）よりも高い温度となるように冷却する。

第一温度監視部１６または第二温度監視部１６１（不図示）の測定温度に応じて、予備熱交換器Ｅ５の駆動をＯＮ／ＯＦＦしてもよく、予備熱交換器Ｅ５を通過させず、それをバイパスする経路を通過させてブースター１１へ送るように構成させてもよい。
第一温度監視部１６は、予備熱交換器Ｅ５よりも下流に配置されていてもよい。
実施形態４において、単一の熱交換器Ｅ１２は、実施形態１と同様に熱交換機Ｅ１とリサイクル熱交換器Ｅ２の別体として構成されていてもよい。

（実施形態５）
実施形態５の液体窒素製造装置１について図３を用いて説明する。実施形態５では、ＬＮＧ熱交換器、熱交換器、リサイクル熱交換器が、単一のＬＮＧ熱交換器Ｅ３０で構成されている。実施形態２と異なる構成要素を中心に説明し、実施形態２と同じ構成要素の説明は省略または簡単に説明する。

ＬＮＧは、ＬＮＧ配管Ｌ０介してＬＮＧ熱交換器Ｅ３０へ送られ、その一部は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０から出て、ブラインユニットＥ４へ送られ、温められる。その残りのＬＮＧはＬＮＧ熱交換器Ｅ３０を出て配管Ｌ０ｂを介して、ブラインユニットＥ４を介して温められたＬＮＧと合流し、天然ガスとして導出される。

空気分離装置から送られた低圧窒素ガス（ＬＰＮ_２ Ｇａｓ）は、第一配管Ｌ１を介してＬＮＧ熱交換器Ｅ３０へ送られる。
低圧窒素ガスは、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０の少なくとも一部を通過し、第一圧縮機２１に送られ圧縮される。次いで、第一圧縮機２１で圧縮された窒素ガスはＬＮＧ熱交換器Ｅ３０へ送られ、少なくとも一部を通過した後で、第二圧縮機２２に送られ圧縮される。
第二圧縮機２２で圧縮された第一圧力（例えば、２．０ＭＰａから３．０ＭＰａ）の窒素ガス（Ｇ１）は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０を通過し（例えば、窒素ガスの臨界温度（－１４７℃）よりも高い温度まで冷却し）た後で、配管Ｌ２を介してブースター１１へ送られる。

ブースター１１は、第一圧力よりも高い第二圧力（例えば、４．０ＭＰａ～５．０ＭＰａ）になるように、圧縮し高圧窒素ガス（Ｇ１）を吐出する。ブースター１１から吐出された高圧窒素ガス（Ｇ１）は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０へ送られる。ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０の一部を通過した、高圧窒素ガス（Ｇ１）の一部である第一部分ガス（Ｇ１１）は、膨張タービン１２へ送られる。膨張タービン１２は、第一部分ガス（Ｇ１１）を、第一圧力（例えば、２．０ＭＰａ）よりも低い第三圧力（例えば、０．５ＭＰａから１．０ＭＰａ）になるように膨張し、（一部液化または液化点付近の温度の）低温窒素ガス（Ｇ１１１）を排出する。なお、膨張タービン１２はブースター１１を駆動する。

高圧窒素ガス（Ｇ１）の第一部分ガス（Ｇ１１）以外の第二部分ガス（Ｇ１２）は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０の少なくとも一部を通過した後で、配管Ｌ２２を介して、第一膨張弁１３へ送られる。第一膨張弁１３において、第二部分ガス（Ｇ１２）は、第三圧力（例えば、０．５ＭＰａ）と同じまたは同程度になるように、減圧される。
第一膨張弁１３で減圧された第二部分ガス（Ｇ１２）と、膨張タービン１２から排出された低温窒素ガス（Ｇ１１１）とは、第一セパレータ１４へ送られる。第一セパレータ１４において、窒素ガス（Ｎ_２Ｇ）と液体窒素（ＬＮ_２）とに分離される。

第一セパレータ１４から取り出された液体窒素（ＬＮ_２）は、サブクーラ１５へ送られ冷却される。サブクーラ１５で冷却された液体窒素（ＬＮ_２）は、その一部の液体窒素が分岐経路Ｌ３１を介して第二膨張弁１５１へ送られ減圧さる。減圧された液体窒素（ＬＮ_２）は、第二セパレータ１５２へ送られる。
第二セパレータ１５２から、液体成分がサブクーラ１５へ送られ、サブクーラ１５内で蒸発し、ガス成分が第二セパレータ１５２へ戻る。第二セパレータ１５２から、ガス成分がサブクーラ１５へ送られた後、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０へ送られ、第一圧縮機２１へ送られる。第一セパレータ１４で分離されたガス成分は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０へ送られ、第二圧縮機２２へ送られる。

第一温度監視部１６は、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３０を通過し、ブースター１１へ送られる中圧の窒素ガス（Ｇ０）の温度を監視する。圧縮比制御部１７は、第一温度監視部１６で測定された温度（上昇または下降）に応じて、ブースター１１の圧縮比（供給圧／吐出圧）を一定にするように、第二圧縮機２２の吸入ガス量を変更（増加または減少）する。

（実施形態１から５の変形例）
実施形態１から５において、ブラインユニットＥ４が設けられているが、ブラインユニットＥ４を無くした構成でもよい。ブラインユニットＥ４は、空気分離装置で使用されているブライン装置から供給されるブラインを使用していてもよい。
各配管ラインには、必要に応じて弁（仕切弁、流量調整弁、圧力調整弁など）が設けられていてもよい。また、各配管ラインには、圧力調整装置、流量制御装置などが設置され、圧力調整または流量調整が行われていてもよい。

（液体窒素製造方法）
液体窒素製造方法は、上記実施形態１から５の製造装置に適宜採用でき、液体窒素製造方法は、以下の工程を含む。
第一圧力の供給窒素ガス（ＦＧ）を、所定の温度範囲の液化天然ガス（ＬＮＧ）の冷熱を利用して冷却するＬＮＧ冷却工程と、
前記ＬＮＧ冷却工程で冷却された供給窒素ガス（Ｇ０）を、前記第一圧力よりも高い第二圧力になるように、ブースター（１１）で圧縮して高圧窒素ガス（Ｇ１）を生成する高圧窒素ガス生成工程と、
前記高圧窒素ガス生成工程で生成された高圧窒素ガス（Ｇ１）を冷却する第一冷却工程と、
前記第一冷却工程で冷却された高圧窒素ガス（Ｇ１）の一部ガス（Ｇ１１）を、前記ブースター（１１）を駆動する膨張タービン（１２）で膨張する第一膨張工程と、
前記第一冷却工程で冷却された高圧窒素ガス（Ｇ１）の前記一部ガス（Ｇ１１）以外の残りガス（Ｇ１２）をさらに冷却する第二冷却工程と、
前記第二冷却工程で冷却された残りガス（Ｇ１２）を減圧する第一減圧工程と、
前記第一減圧工程で減圧された残りガス（Ｇ１２）と、前記第一膨張工程で膨張された一部ガス（Ｇ１１１）とを第一セパレータ（１４）に導入して、気液分離を行う気液分離工程と、
前記気液分離工程で分離された液体窒素を冷却するサブクール工程と、
前記サブクール工程で冷却された液体窒素を製品として取り出す、製品取出工程と、
前記サブクール工程で冷却された液体窒素から一部を取り出し、減圧する第二減圧工程と、
前記第二減圧工程で減圧された気液混合状態の窒素の液体成分を蒸発させることで得られる蒸発エネルギーを、前記サブクール工程の冷媒に利用する冷媒供給工程と、を含む。

また、液体窒素製造方法は、
空気分離装置から送られた窒素ガスを、第一冷却処理および第一圧縮処理を行う第一前処理工程と、
前記第一前処理工程のあとで、第二冷却処理および第二圧縮処理を行う第二前処理工程と、を含み、
前記第一前処理工程の第一圧縮処理は、前記冷媒供給工程において冷媒として使用されたガス成分と、前記第一冷却処理で冷却された窒素ガスとを共に圧縮してもよく、および／または、
前記第二前処理工程の第二圧縮処置は、前記気液分離工程で分離されたガス成分と、前記第二冷却処理で冷却されたガス成分とを共に圧縮してもよい。

（実施例）
実施形態２（図１Ｂ）の構成でシミュレーション実施した一例を示す。
ＬＮＧ熱交換器Ｅ３へ送られるＬＮＧの温度は－１５０℃とした。空気分離装置から低圧窒素ガスが１．１５ｂａｒＡ、４０℃、４４，５００Ｎｍ^３／ｈで供給した。低圧窒素ガスは、単一の熱交換器Ｅ１２に導入されて－８８．３℃まで冷却され、サブクーラ１５から送られ単一の熱交換器Ｅ１２で温められた窒素ガスと合流し、合流したガスが第一圧縮機２１で５ｂａｒＡまで圧縮された。その後、再び単一の熱交換器Ｅ１２で冷却され、セパレータ１４から送られ単一の熱交換器Ｅ１２で温められた窒素ガスと合流し、合流したガスが第二圧縮機２２で２１ｂａｒＡまで圧縮された。圧縮された窒素ガスは、ＬＮＧ熱交換器Ｅ３内でＬＮＧとの熱交換によって－１０７℃まで冷やされた。冷却された窒素ガスの一部は単一の熱交換器Ｅ１２で４０℃まで昇温され、その残りはブラインユニットＥ４で昇温され、これらが合流し、合流した窒素ガスが再びＬＮＧ熱交換器Ｅ３で－１４０℃まで冷却された。
冷却された窒素ガスは、ブースター１１で５０ｂａｒＡまで圧縮された。その後、単一の熱交換器Ｅ１２で－１１０℃まで冷却された後、その一部は膨張タービン１２にて５ｂａｒＡまで膨張した。膨張タービン１２へ送られなかった残りの窒素ガスは、単一の熱交換器Ｅ１２でさらに冷却され、第一膨張弁１３によって５ｂａｒＡまで減圧された後、セパレータ１４に導入され気液分離された。セパレータ１４内の液体窒素は、サブクーラ１５でサブクールされた後、４４，５００Ｎｍ^３／ｈが製品として導出され、残りの液体窒素は、第二膨張弁１５２にて減圧された後、第二セパレータ１５２を介してサブクーラ１５に冷媒として供給された。既述した通り、サブクーラ１５の気相の窒素ガスはさらに単一の熱交換器Ｅ１２に送られそこで寒冷を放出した後、第一圧縮機２１に導入された。

１ 液体窒素製造装置
１１ ブースター
１２ 膨張タービン
１３ 第一膨張弁
１４ 第一セパレータ
１５ サブクーラ
１５１ 第二膨張弁
１５２ 第二セパレータ
２１ 第一圧縮機
２２ 第二圧縮機
Ｅ１ 熱交換器
Ｅ２ リサイクル熱交換器
Ｅ３ ＬＮＧ熱交換器
Ｅ４ ブラインユニット
Ｅ５ 予備熱交換器
Ｅ１２ 単一の熱交換器
Ｅ３０ ＬＮＧ熱交換器

Claims (9)

1. 第一圧力の供給窒素ガスを、所定の温度範囲の液化天然ガスの冷熱を利用して冷却するＬＮＧ熱交換器と、
   前記ＬＮＧ熱交換器で冷却された供給窒素ガスを、前記第一圧力よりも高い第二圧力になるように圧縮し高圧窒素ガスを吐出するブースターと、
   前記ブースターから吐出される前記高圧窒素ガスを熱交換により冷却するリサイクル熱交換器と、
   前記ブースターを駆動する膨張タービンであって、前記リサイクル熱交換器の一部を通過した前記高圧窒素ガス中の一部である第一部分ガスが導入され、前記第一圧力よりも低い第三圧力になるように当該第一部分ガスを膨張することにより冷却して、低温窒素ガスを排出する膨張タービンと、
   前記リサイクル熱交換器を通過した後で、前記高圧窒素ガス中の前記第一部分ガス以外の第二部分ガスを減圧する第一膨張弁と、
   前記第一膨張弁で減圧された第二部分ガスと、前記膨張タービンから排出された低温窒素ガスとが導入され、窒素ガスと液体窒素とを分離する第一セパレータと、
   を備える、液体窒素製造装置。
2. 窒素ガスを熱交換により冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器で冷却された窒素ガスを圧縮する第一圧縮機と、
   前記第一圧縮機で圧縮後、前記熱交換器に送られて冷却された窒素ガスを第一圧力に圧縮する第二圧縮機と、
   前記第二圧縮機で圧縮された第一圧力の窒素ガスを前記ＬＮＧ熱交換器へ送り、次いで前記熱交換器および／または熱源へ送り、供給窒素ガスとして再び前記ＬＮＧ熱交換器へ送るための配管ラインと、
   を備える、請求項１に記載の液体窒素製造装置。
3. 前記第一セパレータから取り出される液体窒素を冷却するサブクーラと、
   前記サブクーラで冷却された前記液体窒素から一部の液体窒素を取り出す分岐経路と、
   前記分岐経路に設けられ、前記一部の液体窒素を減圧する第二膨張弁と、
   前記第二膨張弁で減圧されて気液混合状態となった前記一部の液体窒素が導入される第二セパレータを備え、
   前記第二セパレータに導入された前記一部の液体窒素の液体成分が、前記サブクーラへ送られる、
   請求項１から２のいずれか１項に記載の液体窒素製造装置。
4. 前記ＬＮＧ熱交換器を通過し、前記ブースターへ送られる前記供給窒素ガスの温度を監視する第一温度監視部と、および／または、
   前記ＬＮＧ熱交換器へ供給される熱交換器入口および／または冷媒利用後の熱交換器出口の液化天然ガスの温度を監視する第二温度監視部と、
   前記第一または第二温度監視部で測定された温度に応じて、前記ブースターの圧縮比を一定にするように制御する制御部と、
   を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体窒素製造装置。
5. 前記ＬＮＧ熱交換器から前記ブースターへ送られる前記供給窒素ガスを冷却する予備熱交換器を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体窒素製造装置。
6. 前記リサイクル熱交換器と前記熱交換器が単一の熱交換器で構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体窒素製造装置。
7. 前記ＬＮＧ熱交換器と、前記リサイクル熱交換器と、前記熱交換器とが単一の熱交換器で構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体窒素製造装置。
8. 第一圧力の供給窒素ガスを、所定の温度範囲の液化天然ガスの冷熱を利用して冷却するＬＮＧ冷却工程と、
   前記ＬＮＧ冷却工程で冷却された供給窒素ガスを、前記第一圧力よりも高い第二圧力になるように、ブースターで圧縮して高圧窒素ガスを生成する高圧窒素ガス生成工程と、
   前記高圧窒素ガス生成工程で生成された高圧窒素ガスを冷却する第一冷却工程と、
   前記第一冷却工程で冷却された高圧窒素ガスの一部ガスを、前記ブースターを駆動する膨張タービンで膨張する第一膨張工程と、
   前記第一冷却工程で冷却された高圧窒素ガスの前記一部ガス以外の残りガスをさらに冷却する第二冷却工程と、
   前記第二冷却工程で冷却された残りガスを減圧する第一減圧工程と、
   前記第一減圧工程で減圧された残りガスと、前記第一膨張工程で膨張された低温窒素ガスとから気液分離を行い、窒素ガスと液体窒素に分離する気液分離工程と、
   を含む、液体窒素製造方法。
9. 前記ブースターへ導入される供給窒素ガスの温度を監視する、温度監視工程と、
   前記温度監視工程で測定された温度に応じて、前記ブースターの圧縮比を一定にするように制御する制御工程と、
   を含む、請求項８に記載の液体窒素製造方法。