JP3303101B2 - 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Info
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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2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り、2回以上の冷却
工程における後段の冷却工程での等エンタルピー膨張後
の圧力を、前段の冷却工程での等エンタルピー膨張後の
圧力よりも低くすることを特徴とし、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。
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2回路以上の冷却回
路を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み、前記主冷却回路の
2回路以上の冷却回路における後段の冷却回路の減圧弁
での等エンタルピー膨張後の圧力を、前段の冷却回路の
減圧弁での等エンタルピー膨張後の圧力よりも低く設定
したことを特徴とし、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。
て、さらに詳細に説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、図2に示す如く順次低い圧力に膨張
し、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,JST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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
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)
- 【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2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
る工程であり、2回以上の冷却工程における後段の冷却
工程での等エンタルピー膨張後の圧力を、前段の冷却工
程での等エンタルピー膨張後の圧力よりも低くすること
を特徴とする超臨界ガスの液化方法。 - 【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。 - 【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2回
路以上の冷却回路を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み、前
記主冷却回路の2回路以上の冷却回路における後段の冷
却回路の減圧弁での等エンタルピー膨張後の圧力を、前
段の冷却回路の減圧弁での等エンタルピー膨張後の圧力
よりも低く設定したことを特徴とする超臨界ガスの液化
装置。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07413192A JP3303101B2 (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | 超臨界ガスの液化方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07413192A JP3303101B2 (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | 超臨界ガスの液化方法及び装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05280860A JPH05280860A (ja) | 1993-10-29 |
JP3303101B2 true JP3303101B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=13538333
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07413192A Expired - Lifetime JP3303101B2 (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | 超臨界ガスの液化方法及び装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3303101B2 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20220404094A1 (en) * | 2019-12-19 | 2022-12-22 | Praxair Technology, Inc. | System and m ethod for supplying cryogenic refrigeration |
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-
1992
- 1992-03-30 JP JP07413192A patent/JP3303101B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05280860A (ja) | 1993-10-29 |
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