JPH05280860A - 超臨界ガスの液化方法及び装置 - Google Patents

超臨界ガスの液化方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種ガス、例えば窒素，酸素，メタン等を液
化する方法及び装置に関する。液化効率を落とすことな
く、液化装置に用いられる気液分離器を極力少なくして
経済的な設備とすることができる超臨界ガスの液化方法
及び装置を提供する。 【構成】 臨界温度より低い温度まで冷却した超臨界ガ
スの一部を等エンタルピー膨張させて前記超臨界ガスの
冷却源とする冷却工程を１回以上繰り返す。各冷却工程
は、各冷却工程導入前又は導出後の低温超臨界ガスの一
部を分岐し、等エンタルピー膨張させて該冷却工程の冷
却源とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超臨界ガスの液化方法
及び装置に関し、詳しくは、臨界圧力以上の圧力，臨界
温度以上の温度にある各種ガス、例えば窒素，酸素，メ
タン等を液化する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、各種のガスを液化する手段と
して様々な方式が知られている。例えば、特開昭６１−
１０５０８６号公報に記載される超臨界ガス（同公報に
おいては永久ガス）の液化方法は、図６に示すような構
成を採用している。
【０００３】即ち、上記液化方法は、熱交換器１で極低
温にまで冷却した超臨界ガスを、少なくとも３個の減圧
弁２，２で連続して等エンタルピー膨張させ、その結果
生じるフラッシュガスと液体とを、各減圧弁２の後段に
設けた気液分離器３，３で分離し、最終の気液分離器で
分離した液体を除く他の液体を、すぐ次の減圧弁２で膨
張する流体とし、気液分離器３，３で分離したフラッシ
ュガスの少なくとも一部を前記熱交換器１に導入して、
前記超臨界ガスと熱交換させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記方法は、液化効率
においては優れているものの、等エンタルピー膨張後の
フラッシュガスと液体とを分離するための気液分離器が
３基以上必要であるという欠点を有している。即ち、こ
れらの気液分離器の工業的な制御方法としては、気液分
離器内の液面にて制御する方法が使用されているが、そ
の制御性及び停止時の熱交換器からの液流れを考慮し
て、一般に、液流量の数分間分の貯蔵を行える大きさの
気液分離器を必要としている。
【０００５】従って、このような大きさの気液分離器を
最低３基も設置する場合、その容量は、他の熱交換器等
の機器に対して大きな割合となり、液化装置が大きなも
のとなり、経済的でなく、また、ヒートロスが大きくな
るなどの欠点がある。
【０００６】そこで本発明は、液化効率を落とすことな
く、液化装置に用いられる気液分離器を極力少なくして
経済的な設備とすることができる超臨界ガスの液化方法
及び装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の超臨界ガスの液化方法は、高圧の超臨界
ガスを、その臨界温度より低い温度まで冷却した後、そ
の一部を等エンタルピー膨張させて前記超臨界ガスの冷
却源とする予備冷却工程と、該予備冷却工程を終えた低
温の超臨界ガスをさらに低温に冷却する主冷却工程と、
該主冷却工程を終えた超臨界ガスを減圧する減圧工程と
を含む超臨界ガスの液化方法であって、前記主冷却工程
は、各冷却工程導入前又は導出後の低温超臨界ガスの一
部を分岐し、等エンタルピー膨張させて該冷却工程の冷
却源とする１回以上の冷却工程を有し、該冷却工程の少
なくとも一つは、その冷却工程導入前の超臨界ガスの一
部を分岐して冷却源とする工程であることを特徴とし、
さらに、前記予備冷却工程及び主冷却工程のいずれか１
か所以上に、冷却した超臨界ガスを等エンタルピー膨張
させた後にフラッシュガスと液体とに分離し、分離した
フラッシュガスを前記超臨界ガスの冷却源とし、分離し
た液体を次の冷却工程に導入する工程を挿入したことを
特徴としている。
【０００８】また、本発明の超臨界ガスの液化装置は、
高圧の超臨界ガスを、その臨界温度より低い温度まで冷
却する熱交換器、及び該熱交換器を導出した低温の超臨
界ガスの一部を分岐して減圧弁で等エンタルピー膨張さ
せた後、前記熱交換器に冷却源として導入する予備冷却
回路と、該予備冷却回路を導出した低温超臨界ガスをさ
らに低温に冷却する熱交換器、及び該熱交換器の導入前
又は導出後の低温超臨界ガスの一部を分岐して減圧弁で
等エンタルピー膨張させた後、前記低温の超臨界ガスの
冷却源として該熱交換器に導入する冷却回路を１回路以
上有する主冷却回路と、該主冷却回路を導出した超臨界
ガスを減圧する減圧回路とを含むことを特徴とし、さら
に、前記予備冷却回路及び主冷却回路のいずれか１か所
以上に、等エンタルピー膨張した超臨界ガスをフラッシ
ュガスと液体とに分離する気液分離器を設け、分離した
フラッシュガスを前記超臨界ガスの冷却源として前段の
冷却回路の熱交換器に導入する回路と、分離した液体を
次の冷却回路に導入する回路とを挿入したことを特徴と
している。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を、図面に示す実施例に基づい
て、さらに詳細に説明する。
【００１０】まず、図１は本発明の第１実施例を示すも
ので、本発明の基本的な構成を示すものである。また、
図２は状態変化を説明するＴ−Ｓ線図である。
【００１１】本実施例装置は、３基の熱交換器１１，１
２，１３と、４個の減圧弁２１，２２，２３，２４とを
組合わせて構成したもので、まず、高圧の超臨界ガス
は、管１から第１の熱交換器１１に導入され、冷却源と
なる後述の戻り流体により、該超臨界ガスの臨界温度よ
り低い温度まで冷却される（予備冷却工程）。冷却され
た臨界温度以下の低温超臨界ガスは、管２に導出され、
その一部が管３及び管４に分岐し、残りの低温超臨界ガ
スは、第２の熱交換器１２に導入される。
【００１２】管３に分岐した低温超臨界ガスは、減圧弁
２１で等エンタルピー膨張して気液混合状態の流体とな
り、前記第１の熱交換器１１に、戻り流体として導入さ
れ、前記高圧の超臨界ガスの冷却源となる。なお、該減
圧弁２１での等エンタルピー膨張による冷却工程までを
予備冷却工程と称する。
【００１３】前記管４に分岐した低温超臨界ガスは、減
圧弁２２で等エンタルピー膨張して気液混合状態の流体
となり、前記低温超臨界ガスと向流する方向から第２の
熱交換器１２に導入され、前記管２から第２の熱交換器
１２に導入される低温超臨界ガスの冷却源となる。な
お、この工程以降を主冷却工程と称する。
【００１４】上記第２の熱交換器１２でさらに低温に冷
却され、該第２の熱交換器１２から管５に導出された低
温超臨界ガスは、その一部が管６に分岐し、残りの低温
超臨界ガスは、第３の熱交換器１３に導入される。
【００１５】管６に分岐した低温超臨界ガスは、減圧弁
２３で等エンタルピー膨張して気液混合状態の流体とな
り、戻り流体として前記第２の熱交換器１２及び第１の
熱交換器１１に順次導入され、管１から導入される超臨
界ガスの冷却源となる。
【００１６】管５から第３の熱交換器１３に導入され、
上記減圧弁２３を経た戻りガスにより、さらに冷却され
て管７に導出された低温超臨界ガスは、減圧弁２４で等
エンタルピー膨張し、液化して取り出される。
【００１７】即ち、管１から供給された高圧の超臨界ガ
スは、前記熱交換器１１，１２，１３で十分に冷却され
た後、減圧弁２４で減圧されることにより液化し、低温
液化ガスとなる。なお、この時、減圧後の圧力によって
は一部フラッシュガスが発生する場合もある。
【００１８】これを窒素のＴ−Ｓ線図上における状態変
化として説明する。図２において、ラインＡＢＣＤは超
臨界圧力に圧縮されたガスを冷却する等圧線であり、ラ
インＵＶＷは窒素が液体とガスの２相状態にある所を示
し、点Ｂは第１の熱交換器１１の出口，点Ｃは第２の熱
交換器１２の出口，点Ｄは第３の熱交換器１３の出口を
示す。また、ラインＢＥＦＧ，ラインＣＨＩＪ，ライン
ＤＫＬＭ及びラインＸＮは等エンタルピーラインを示
し、ラインＯＰ，ラインＱＲ及びラインＳＴはガス状窒
素の等圧線である。
【００１９】ここで、図１に示す方法において、超臨界
ガスは、ＡＢＣＤの等圧線に沿って、点Ｄ，Ｚの中間の
温度まで冷却された後、減圧弁２４にて減圧され、液化
して減圧後の状態（圧力，温度）に応じた点より送り出
される。
【００２０】冷却源としてのガスは、上記超臨界ガスか
らラインＡＤ上の点Ｂ，Ｃより分岐し、各減圧弁２１，
２２，２３により膨張を行い、それぞれラインＢＥＦ，
ＢＥＦ′，ＣＨＪにより等エンタルピー変化した液−ガ
ス混合流体となった後、ラインＦＯＰ，Ｆ′ＱＲ，ＪＳ
Ｔの等圧線に沿って被冷却超臨界ガスと熱交換を行いつ
つ昇温し、常温に戻される。
【００２１】図３は本発明の第２実施例を示すもので、
上記第１実施例において、第３の熱交換器１３に導入す
る前に管６に分岐させて減圧弁２３で膨張させる経路に
代えて、第３の熱交換器１３から管７に導出した低温超
臨界ガスの一部を管８に分岐し、減圧弁２５で等エンタ
ルピー膨張させた後、第３の熱交換器１３に冷却源とし
て導入するようにしたものである。
【００２２】上記管８に分岐した低温超臨界ガスは、減
圧弁２５で、図２におけるラインＤＫＬにより等エンタ
ルピー変化した液−ガス混合流体となった後、ラインＬ
ＳＴの等圧線に沿って被冷却超臨界ガスと熱交換を行い
つつ昇温し、常温に戻される。
【００２３】図３は本発明の第３実施例を示すもので、
工程中に、冷却した超臨界ガスを等エンタルピー膨張さ
せた後の気液混合流体を、フラッシュガスと液体とに分
離し、分離したフラッシュガスを前記超臨界ガスの冷却
源とし、分離した液体を次の冷却工程に導入する工程を
挿入した例を示すものである。
【００２４】図４に示す実施例では、上記第２実施例に
おいて、第１の熱交換器１１から管２に導出された冷却
後の超臨界ガスは、分岐することなく全量が減圧弁３１
に導入されて等エンタルピー膨張し、気液混合状態の流
体となって気液分離器３２に導入され、気液分離され
る。気液分離器３２で分離したフラッシュガスは、管３
３から前記第１の熱交換器１１に戻り流体として導入さ
れ、前記高圧の超臨界ガスの冷却源となる。
【００２５】一方、気液分離器３２内の液体は、管３４
に導出され、管３５に一部が分岐した後、前記同様に、
第２の熱交換器１２及び第３の熱交換器１３に順次導入
され、十分に冷却された後、減圧弁２４で膨張して取り
出される。また、管３５に分岐したガスは、減圧弁３６
で等エンタルピー膨張した後、第２の熱交換器１２の冷
却源、次いで第１の熱交換器１１の冷却源として順次用
いられる。
【００２６】なお、第２の熱交換器１２から管５に導出
された以後は、流体が液である以外は前記第２実施例と
同様であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２７】即ち、図４に示す方法では、前記図３にお
いて、超臨界ガスは、ラインＡＢの等圧線に沿って点Ｂ
まで冷却された後、その全量が減圧弁３１でラインＢＥ
Ｆの等エンタルピーラインに沿って膨張し、点Ｆに達す
る。次いで、点Ｆの液−ガス混合流体は、気液分離器３
２により、点Ｘの液体と点Ｏのフラッシュガスとに分離
する。分離した点Ｘの液体は、ラインＸＨＫＺの等圧線
に沿って点Ｋ，Ｚの中間温度まで冷却された後、減圧弁
２４にて減圧され、液化して減圧後の状態（圧力，温
度）に応じた点より送り出される。
【００２８】一方、冷却源としてのガスは、上記液体か
らラインＵＶ上の点Ｘ，Ｋより分岐し、ラインＸＮ，Ｋ
Ｌにより等エンタルピー膨脹した後、ラインＮＱＲ，Ｌ
ＳＴの等圧線、また、前記点Ｏのフラッシュガスは、ラ
インＯＰの等圧線に沿って被冷却超臨界ガス及び／又は
被冷却液体と熱交換を行いつつ昇温し、常温に戻され
る。
【００２９】図５は、本発明の第４実施例を具体的な装
置構成として示すものである。以下、窒素ガスを液化す
る手順に従って本実施例を説明する。
【００３０】管５１から、４０℃，１．１ａｔａ，２
０，０００Ｎｍ3 ／ｈの原料窒素ガスが導入され、多段
圧縮機７１で４０℃，３８．０ａｔａまで圧縮される。
この多段圧縮機７１の各段には、後述する管５２，５
３，５４からの各段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。このとき
原料窒素ガスの圧力が多段圧縮機７１の中間段の吸入圧
力程度の場合には、原料窒素ガスを、その圧力に見合っ
た段から導入することができる。
【００３１】４０℃，３８．０ａｔａの臨界圧力以上ま
で圧縮された窒素ガスは、管５５から管５６と管５７と
に分岐し、それぞれ膨張タービン７２，７３に直結した
昇圧ブロワー７４，７５に導入され、さらに臨界圧以上
の圧力に昇圧される。一方の昇圧ブロワー７４で昇圧し
た窒素ガスは、アフタークーラー７６で冷却されて４０
℃，６１ａｔａの超臨界圧窒素ガスとなり管５８に導出
され、他方の昇圧ブロワー７５で昇圧した窒素ガスは、
アフタークーラー７７で冷却されて４０℃，５５ａｔａ
の超臨界圧窒素ガスとなり管５９に導出される。
【００３２】管５８の超臨界圧窒素ガスは、コールドボ
ックス８０に導入され、第１の熱交換器８１で冷却され
る。この超臨界圧窒素ガスは、途中で一部が管６０に分
岐する以外は臨界温度（−１４７．１℃）以下まで冷却
され、例えば−１６５℃，６１ａｔａの超臨界窒素ガス
となる。
【００３３】上記第１の熱交換器８１から管６１に導出
された超臨界窒素ガスは、減圧弁９１で９．５ａｔａ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７８に導入されてフラッシュガスと液とに分離
する。気液分離器７８で分離した液は、管６２に導出さ
れ、その一部が管６３から減圧弁９２に分岐する以外
は、第２の熱交換器８２に導入され、−１７５℃まで冷
却されて管６４に導出され、その一部が管６５から減圧
弁９３に分岐する以外は第３の熱交換器８３に導入され
て−１９０℃までさらに冷却される。−１９０℃となっ
て管６６に導出した９．５ａｔａの液化窒素は減圧弁９
４で減圧され、−１９０℃，２ａｔａ，２０，０００Ｎ
ｍ3 ／ｈの製品液化窒素として管６７から取り出され
る。
【００３４】一方、前記昇圧ブロワー７５で昇圧し、ア
フタークーラー７７を経た４０℃，５５ａｔａの超臨界
圧窒素ガスは、管５９によりコールドボックス８０内に
導入され、第１の熱交換器８１で−１００℃まで冷却さ
れた後、膨張タービン７３で９．５ａｔａまで等エント
ロピー膨張し、また、前記管５８から管６０に分岐した
超臨界圧窒素ガスは、膨張タービン７２で９．５ａｔａ
まで等エントロピー膨張する。両膨張タービン７２，７
３で９．５ａｔａに膨張した窒素ガスは、それぞれ管６
８，６９を通って、前記気液分離器７８で分離したフラ
ッシュガスの戻り流路に、それぞれの温度に見合った一
で合流し、前記管５２から多段圧縮機７１の圧力の等し
い吸入段に戻される。
【００３５】また、管６２から管６３に分岐した液化窒
素は、減圧弁９２で６ａｔａまで等エンタルピー膨脹し
た後、前記第２の熱交換器８２，第１の熱交換器８１に
冷却源となる戻り流体として順次導入され、前記管５３
から多段圧縮機７１の圧力の等しい吸入段に戻される。
同様に、管６４から管６５に分岐した液化窒素は、減圧
弁９３で１．１ａｔａまで等エンタルピー膨脹した後、
前記第３の熱交換器８３，第２の熱交換器８２及び第１
の熱交換器８１に冷却源となる戻り流体として順次導入
され、前記管５４から多段圧縮機７１の圧力の等しい吸
入段に戻される。
【００３６】本実施例を、前記図２を用いて、その状態
変化を説明すると、以下のようになる。管５８から導入
される超臨界ガスは、ラインＡＢの等圧線に沿って第１
の熱交換器８１で点Ｂ（−１６５℃，６１ａｔａ）まで
冷却され、減圧弁９１でラインＢＥＦの等エンタルピー
ラインに沿って膨張し、点Ｆ（９．５ａｔａ）に達す
る。この気液混合流体は、気液分離器７８で点Ｘの液体
と点Ｏのフラッシュガスとに分離する。点Ｘの液は、第
２，第３の熱交換器８２，８３でラインＸＨＫの等圧線
に沿って点Ｋまで冷却され、減圧弁９４でラインＫＬの
等エンタルピーラインにより膨張して点Ｌ（−１９０
℃，２ａｔａ）で導出される。
【００３７】一方、前記点Ｏのフラッシュガスは、第１
の熱交換器８１でラインＯＰの等圧線に沿って昇温し、
また、管６３に分岐した点Ｘの液は減圧弁９２でライン
ＸＮにより、管６５に分岐した点Ｈの液は減圧弁９３で
ラインＨＪにより、それぞれ等エンタルピー膨脹して、
点Ｎ（６ａｔａ），点Ｊ（１．１ａｔａ）に達した後、
ラインＮＱＲ，ＪＳＴの等圧線に沿って各熱交換器を戻
る。
【００３８】このように、多段圧縮機７１、膨張タービ
ン７２，７３、該膨張タービン７２，７３の昇圧ブロワ
ー７４，７５を組み合わせることにより、原料窒素ガス
を効率よく液化できる。
【００３９】また、上記実施例で明らかなように、気液
分離器７８を１個設けることにより、熱交換器８１は被
冷却流体の圧力が５５ａｔａ（膨張タービン７３への昇
圧窒素ガスは６１ａｔａ）であるのに対し、熱交換器８
２，８３では、被冷却流体の圧力は、減圧弁９１により
９．５ａｔａに減圧されている。従って、熱交換器８
２，８３及び減圧弁９２，９３は、９．５ａｔａに対す
る耐圧構造のもので良く、気液分離器７８を１個設けた
分だけコストアップにはなるが、前記図１，図３に示し
た方法で、熱交換器，弁の全てを高圧耐圧構造にした場
合に比較すると全体としてはコストダウンになる。
【００４０】しかしながら、前記図６に示した従来装置
のように、気液分離器を３個又はそれ以上設けると、全
体としては前述のようにコストアップになる。従って、
各膨張段における適切な膨張圧力の設定と適切な気液分
離器の個数を設定することにより、略同一の液か効率で
装置コストの低減を図ることができる。
【００４１】なお、原料ガスとしては、超臨界状態を作
り出すことのできる様々な種類のガスを対象にでき、各
減圧弁における減圧度や該減圧弁への分岐量は、対象と
するガスの種類や量、多段圧縮機の各段の吸入圧力等に
より適宜設定でき、これらの条件に応じて各流路の温
度，圧力，流量も必然的に変わってくる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
気液分離器のような大きな容積を有する機器を極力少な
くしながら、液化効率を損なうこと無く、経済的な超臨
界ガスの液化が実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す系統図である。
【図２】 本発明方法を説明するためのＴ−Ｓ線図であ
る。
【図３】 本発明の第２実施例を示す系統図である。
【図４】 本発明の第３実施例を示す系統図である。
【図５】 本発明の第４実施例を示す系統図である。
【図６】 従来の液化装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，８１，８２，８３…熱交換器 ２１，２２，２３，２４，２５，３１，３６，９１，９
２，９３，９４…減圧弁 ３２，７８…気液分離器 ７１…多段圧縮機 ７２，７３…膨張タービン ７４，７５…昇圧ブロワー

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高圧の超臨界ガスを、その臨界温度より
    低い温度まで冷却した後、その一部を等エンタルピー膨
    張させて前記超臨界ガスの冷却源とする予備冷却工程
    と、該予備冷却工程を終えた低温の超臨界ガスをさらに
    低温に冷却する主冷却工程と、該主冷却工程を終えた超
    臨界ガスを減圧する減圧工程とを含む超臨界ガスの液化
    方法であって、前記主冷却工程は、各冷却工程導入前又
    は導出後の低温超臨界ガスの一部を分岐し、等エンタル
    ピー膨張させて該冷却工程の冷却源とする１回以上の冷
    却工程を有し、該冷却工程の少なくとも一つは、その冷
    却工程導入前の超臨界ガスの一部を分岐して冷却源とす
    る工程であることを特徴とする超臨界ガスの液化方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の超臨界ガスの液化方法に
    おいて、前記予備冷却工程及び主冷却工程のいずれか１
    か所以上に、冷却した超臨界ガスを等エンタルピー膨張
    させた後にフラッシュガスと液体とに分離し、分離した
    フラッシュガスを前記超臨界ガスの冷却源とし、分離し
    た液体を次の冷却工程に導入する工程を挿入したことを
    特徴とする超臨界ガスの液化方法。
  3. 【請求項３】 高圧の超臨界ガスを、その臨界温度より
    低い温度まで冷却する熱交換器、及び該熱交換器を導出
    した低温の超臨界ガスの一部を分岐して減圧弁で等エン
    タルピー膨張させた後、前記熱交換器に冷却源として導
    入する予備冷却回路と、該予備冷却回路を導出した低温
    超臨界ガスをさらに低温に冷却する熱交換器、及び該熱
    交換器の導入前又は導出後の低温超臨界ガスの一部を分
    岐して減圧弁で等エンタルピー膨張させた後、前記低温
    の超臨界ガスの冷却源として該熱交換器に導入する冷却
    回路を１回路以上有する主冷却回路と、該主冷却回路を
    導出した超臨界ガスを減圧する減圧回路とを含むことを
    特徴とする超臨界ガスの液化装置。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の超臨界ガスの液化装置に
    おいて、前記予備冷却回路及び主冷却回路のいずれか１
    か所以上に、等エンタルピー膨張した超臨界ガスをフラ
    ッシュガスと液体とに分離する気液分離器を設け、分離
    したフラッシュガスを前記超臨界ガスの冷却源として前
    段の冷却回路の熱交換器に導入する回路と、分離した液
    体を次の冷却回路に導入する回路とを挿入したことを特
    徴とする超臨界ガスの液化装置。
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