JP6362292B2 - ガス回収システム、圧縮機システム及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

ガス回収システム、圧縮機システム及び冷凍サイクルシステム Download PDF

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Description

本発明は、ガス回収システム、これを備える圧縮機システム及び冷凍サイクルシステムに関する。
圧縮機には、内部において圧縮されるガス（プロセスガス）がケーシング両端部において回転体（ロータ）と静止体（ステータ）との隙間から外部に漏れだすことを抑制するため、ドライガスシールを設けている。ドライガスシールには、フィルタを通した清浄なプロセスガスと、ドライガスシールから微量のプロセスガスが外側の軸受にさらに漏れださないようにシールするための不活性ガスが供給されている。ドライガスシールから外側に漏れだす微量のプロセスガスと、前述した不活性ガスとが混合されたガス（以下、混合ガスと呼ぶ。）がベントガスとして圧縮機から排出される。
特許文献１には、回収フロンからこれに含まれる油分、水分等の不純物を除去する回収フロンの再生方法が開示されている。この再生方法では、液体状態の回収フロンを蒸発器において加熱し、回収フロンに含まれるフロンをガス化することで、液体状態の油分、水分等の不純物から分離する。
特許第３８１６０６６号公報
上記した圧縮機において、ドライガスシールから混合ガスがベントガスとして排出されると、閉ループのシステムではプロセスガスを追加で供給する必要があり、プロセスガスを追加する分だけ圧縮機のランニングコストが高くなってしまう。
特許文献１の再生方法を利用して上記した混合ガスからプロセスガスを分離回収する場合、混合ガスを液化する必要がある。このため、混合ガスの液化に要するエネルギーの分だけ、圧縮機のランニングコストが高くなってしまう。
本発明は、圧縮機に対して追加供給するプロセスガスの量を削減して圧縮機のランニングコストを抑えることが可能なガス回収システム、これを備える圧縮機システム及び冷凍サイクルシステムを提供する。
本発明の第一の態様に係るガス回収システムは、圧縮機で圧縮されるプロセスガスと、前記圧縮機のシール部に供給される不活性ガスとが混合された混合ガスを、前記プロセスガスと前記不活性ガスとに分離して回収するガス回収システムであって、前記混合ガスを前記不活性ガスの凝縮温度よりも高く前記プロセスガスの凝縮温度よりも低い温度で冷却することで、前記混合ガスに含まれる前記プロセスガスを冷却して液化する冷却部と、前記冷却部で冷却した前記混合ガスを液体状態の前記プロセスガスと、気体状態の前記不活性ガスとを分離する分離部と、前記分離部に接続され、液体状態の前記プロセスガスを流通させて気化させた上で前記圧縮機内に供給するプロセスガス回収ラインと、を備える。
このような構成によれば、冷却部において混合ガスをプロセスガスが液化するまで冷却し、分離部で液体状態のプロセスガスと、気体状態の不活性ガスとを分離してプロセスガスをプロセスガス回収ラインによって回収している。つまり、混合ガスを冷却部及び分離部によって深冷分離することで、混合ガス中のプロセスガスと不活性ガスとを分離できる。そのため、回収されたプロセスガスを、圧縮機に戻して再利用することができる。したがって、圧縮機に対して追加で供給するプロセスガスの量を減らすことができる。
本発明の第二の態様に係るガス回収システムは、第一の態様において、前記冷却部は、液化天然ガスと前記混合ガスとを熱交換することで前記混合ガスを冷却してもよい。
このような構成によれば、混合ガスを冷却及び凝縮するために液化天然ガスを用いることで、極低温及び低圧で深冷分離を行うことができる。そのため、混合ガス中の不活性ガスの大部分を液化することなく、気体状態のプロセスガスを効率的に液体状態にすることができる。したがって、混合ガス中のプロセスガスの回収効率を向上させることができる。
本発明の第三の態様に係るガス回収システムは、第一または第二の態様において、前記冷却部は、前記プロセスガス回収ラインを流通する液体状態の前記プロセスガスと、前記混合ガスとを熱交換することで前記混合ガスを冷却してもよい。
このような構成によれば、混合ガスと液体状態のプロセスガスとの間で熱交換を行わせて、混合ガスを冷却しながら、液体状態のプロセスガスを加熱することができる。したがって、混合ガスを冷却する際の冷熱エネルギーを回収して、液体状態のプロセスガスを加熱するためのエネルギーとして有効に利用することができる。
本発明の第四の態様に係るガス回収システムは、第一から第三の態様のいずれか一つにおいて、前記冷却部に供給される前の前記混合ガスを圧縮する第一圧縮機を備えていてもよい。
このような構成によれば、冷却部に供給する前に第一圧縮機で混合ガスを昇圧することで、混合ガスに含まれるプロセスガスの凝縮温度を上げることができる。そのため、冷却部で気体状態のプロセスガスを凝縮させるために冷却する温度を抑えることができる。したがって、冷却部でプロセスガスを液化する際の効率を向上させることができる。
本発明の第五の態様に係るガス回収システムは、第一から第四の態様のいずれか一つにおいて、前記プロセスガス回収ラインを流通する気体状態の前記プロセスガスを圧縮する第二圧縮機を備えていてもよい。
このような構成によれば、圧縮機から供給される低圧の混合ガスを深冷分離が最適となるような圧力条件にするとともに、分離したプロセスガスを圧力の高い圧縮機内に戻すことができる。
本発明の第六の態様に係るガス回収システムは、第一から第五の態様いずれか一つにおいて、前記分離部は、分離した液体状態の前記プロセスガスを貯留し、液体状態の前記プロセスガスが前記分離部で液面を一定の位置に保つように、前記プロセスガス回収ラインに液体状態の前記プロセスガスを供給する供給調整部を備えていてもよい。
このような構成によれば、分離部中の気体状態の不活性ガスがプロセスガス回収ラインに混入してしまうことを防止できる。
本発明の第七の態様に係る圧縮機システムは、圧縮機と、第一から第六の態様のいずれか一つのガス回収システムと、を備える。
本発明の第八の態様に係る冷凍サイクルシステムは、第七の態様の圧縮機システムを備える。
本発明によれば、圧縮機のシール部から排出される混合ガスからプロセスガスを分離して圧縮機に戻すことで、圧縮機に対して追加供給するプロセスガスの量を削減して圧縮機のランニングコストを抑えることができる。
本発明の第一実施形態に係る冷凍サイクルシステムの主要部を示す模式図である。 圧縮機の要部を示す半断面図である。 本発明の第一実施形態に係るガス回収システムを示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係るガス回収システムを示す模式図である。
以下、図面を参照して、本発明によるガス回収システム、これを備える圧縮機システム及び冷凍サイクルシステムを実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
《第一実施形態》
図１に示すように、本発明の第一実施形態に係る冷凍サイクルシステム１は、図示しない冷却対象を冷却するためのシステムである。本実施形態の冷凍サイクルシステム１は、例えば、液化天然ガス（以下、ＬＮＧ）プラントに用いられる。特に、プロセスガスＧ１の補充が困難であり、冷却源として冷凍機を追加するスペースの確保も困難な洋上プラントや船上プラントのような海底から天然ガスを掘り出して液化するＬＮＧプラントに適用されることが好ましい。冷凍サイクルシステム１は、圧縮機３と、凝縮器４と、貯留部５と、蒸発器６と、を備える。これらの構成は、上記した順番で配管によって接続されている。
圧縮機３は、気体状態の冷媒（以下、プロセスガスＧ１と呼ぶ。）を圧縮する。圧縮機３のロータ１１（図２参照）には、これを駆動するモータ等の駆動機７が接続されている。
凝縮器４は、圧縮機３において圧縮された高温高圧のプロセスガスＧ１を冷却して凝縮する。
貯留部５は、凝縮器４において液体状態とされたプロセスガスＧ１を貯留する。
蒸発器６は、貯留部５からバルブ８により断熱膨張して圧力及び温度が低下した状態で供給される液体状態のプロセスガスＧ１０と、不図示の冷却対象との間で熱交換することで、液体状態のプロセスガスＧ１０を蒸発させる（気化させる）。気化したプロセスガスＧ１は、再び圧縮機３に送り込まれる。
上記のプロセスガスＧ１は、例えばフレオンであってもよいが、本実施形態のプロセスガスＧ１は炭化水素（ハイドロカーボン）である。プロセスガスＧ１として用いる炭化水素は、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン等のうち適宜選択された一種類又は複数種類の炭化水素であってよい。
図１及び図２に示すように、上記した圧縮機３のロータ１１は、回転軸１３及びこれに取り付けられた不図示のインペラを備える。圧縮機３のステータ１２は、ロータ１１のインペラを収容する不図示のケーシングを備える。回転軸１３は、その軸方向の両端である第一端部１３Ａ及び第二端部１３Ｂが共にケーシングの外側に突出している。回転軸１３は、ケーシングの外側において軸受１４によってステータ１２に対して回転自在に支持されている。図２には、回転軸１３の軸方向の第一端部１３Ａのみが軸受１４によってステータ１２に対して支持されている状態が記載されているが、回転軸１３の軸方向の第二端部１３Ｂも同様に軸受１４によって支持されている。
図２に示すように、ステータ１２と回転軸１３の第一端部１３Ａ及び第二端部１３Ｂにおけるロータ１１との隙間には、シール部１０が設けられている。シール部１０は、前述したプロセスガスＧ１がケーシングの内側から外側に漏れることを抑える漏れ抑制用シール部１５を備える。漏れ抑制用シール部１５は、回転軸１３の軸方向において軸受１４よりもケーシングの内側に位置する。
漏れ抑制用シール部１５は、複数のドライガスシール１７を有する。漏れ抑制用シール部１５では、複数のドライガスシール１７の間に、例えば他のシールが設けられなくてもよいが、本実施形態では、ラビリンスシール１６が設けられている。したがって、本実施形態の漏れ抑制用シール部１５は、ラビリンスシール１６及びドライガスシール１７が含まれる。本実施形態では、第一ラビリンスシール１６Ａ、第一ドライガスシール１７Ａ、第二ラビリンスシール１６Ｂ、及び第二ドライガスシール１７Ｂが、回転軸１３の軸方向に沿ってケーシングの内側から外側に順番に配列されている。
第一ラビリンスシール１６Ａと第一ドライガスシール１７Ａとの間には第一空間Ｓ１が形成されている。第一空間Ｓ１には、圧縮機３において圧縮されたプロセスガスＧ１の一部がフィルタに通して、第一シールガスとして供給される。プロセスガスＧ１が第一空間Ｓ１に供給されることで、第一空間Ｓ１の圧力が上昇し、ケーシングの内側から第一空間Ｓ１へのプロセスガスＧ１の漏れ出しを抑制する。
第一ドライガスシール１７Ａと第二ラビリンスシール１６Ｂとの間には、第二空間Ｓ２が形成されている。第二空間Ｓ２では、第一ドライガスシール１７Ａから漏れ出したプロセスガスＧ１と、第二ラビリンスシール１６Ｂから漏れ出た後述する第二シールガスＧ２とが混合する。第二空間Ｓ２には、気体状態のプロセスガスＧ１及び第二シールガスＧ２が混合された混合ガスＧ３をガス回収システム３０に排出する一次ベント１８が接続されている。
第二ラビリンスシール１６Ｂと第二ドライガスシール１７Ｂとの間には第三空間Ｓ３が形成されている。第三空間Ｓ３には、図１に例示する外部供給源２１から第二シールガス（不活性ガス）Ｇ２が供給される。これにより、第三空間Ｓ３の圧力が上昇し、第一空間Ｓ１から第一ドライガスシール１７Ａを通して第二空間Ｓ２に漏れ出したプロセスガスＧ１が、第二ラビリンスシール１６Ｂを通して第三空間Ｓ３に漏れ出すことを防ぐ。一方、第三空間Ｓ３に供給された第二シールガスＧ２は、第二ラビリンスシール１６Ｂから漏れ出ることで、第二空間Ｓ２に流入する。
第二シールガスＧ２は、プロセスガスＧ１よりも凝縮温度が低い不活性ガスであればよい。本実施形態の第二シールガスＧ２は窒素である。
シール部１０は、漏れ抑制用シール部１５と軸受１４との間に設置されるセパレーションシール１９をさらに備える。セパレーションシール１９は、気体状態のセパレーションガスＧ４を供給することで、軸受１４において使用される潤滑油がドライガスシール１７を含む漏れ抑制用シール部１５に混入することを防ぐ。
セパレーションシール１９において使用するセパレーションガスＧ４は、第二シールガスＧ２と同様に、図１に例示する外部供給源２１のみから供給される。セパレーションガスＧ４は、不活性ガスであればよいが、本実施形態のセパレーションガスＧ４は、第二シールガスＧ２と同様に、窒素である。
ステータ１２とロータ１１との隙間のうち第二ドライガスシール１７Ｂとセパレーションシール１９との間には第四空間Ｓ４が形成されている。第四空間Ｓ４では、漏れ抑制用シール部１５から漏れ出した微小量の第二シールガスＧ２と、セパレーションシール１９からのセパレーションガスＧ４とが混合される。混合されたガスは第四空間Ｓ４から二次ベント２０を介して外部（例えば大気中）に排出される。
図２には、上記した漏れ抑制用シール部１５及びセパレーションシール１９等の構成を有するシール部１０を回転軸１３の第一端部１３Ａに対して設けた状態だけが記載されているが、漏れ抑制用シール部１５及びセパレーションシール１９等の構成を有するシール部１０は回転軸１３の第二端部１３Ｂに対しても同様に設けられている。
本実施形態の冷凍サイクルシステム１は、図２及び図３に示すように、圧縮機３の一次ベント１８から排出された混合ガスＧ３を、プロセスガスＧ１と第二シールガスＧ２とに分離して回収するガス回収システム３０を備える。ガス回収システム３０は、圧縮機３と共に圧縮機システム２を構成する。ガス回収システム３０は、混合ガス供給ライン３１と、冷却部３２と、分離部３３と、プロセスガス回収ライン３４と、冷媒供給ライン３５と、供給調整部３６と、を備える。
混合ガス供給ライン３１は、圧縮機３と分離部３３とを接続している。混合ガス供給ライン３１は、圧縮機３から排出された気体状態のプロセスガスＧ１と気体状態の第二シールガスＧ２とが混在した混合ガスＧ３を、冷却部３２を介して分離部３３に供給する。本実施形態の混合ガス供給ライン３１は、圧縮機３の一次ベント１８に接続され、冷却部３２を通過して分離部３３に接続されている。本実施形態の混合ガス供給ライン３１には、大気圧よりも０．１〜０．２ｂａｒ程度高い圧力であり、温度が３０℃〜４０℃程度の混合ガスＧ３が一次ベント１８から流入する。混合ガス供給ライン３１には、冷却部３２よりも上流側（圧縮機３側）に第一圧縮機３７が設けられている。
第一圧縮機３７は、冷却部３２に供給される前の混合ガスＧ３を圧縮する。第一圧縮機３７は、混合ガスＧ３中のプロセスガスＧ１の凝縮温度が、冷却部３２で効率的に凝縮させることが可能な温度となるまで、昇圧して凝縮温度を上昇させる。第一圧縮機３７で圧縮された混合ガスＧ３は、混合ガス供給ライン３１を介して冷却部３２に供給される。
なお、本実施形態の第一圧縮機３７で、混合ガスＧ３を８〜１０ｂａｒ程度まで大きく昇圧する場合には混合ガスＧ３の温度も大きく上昇してしまうため、昇圧した混合ガスＧ３を冷却部３２に供給する前に冷却する構造を有していることが好ましい。例えば、混合ガス供給ライン３１の第一圧縮機３７と冷却部３２との間にクーラを設けて、圧縮されて温度の上昇した混合ガスＧ３を冷却してもよい。
冷却部３２は、混合ガスＧ３を第二シールガスＧ２の凝縮温度よりも高く、プロセスガスＧ１の凝縮温度よりも低い温度で冷却することで、混合ガスＧ３に含まれる第二シールガスＧ２を気体状態のままとし、混合ガスＧ３に含まれるプロセスガスＧ１を冷却して液化する。本実施形態の冷却部３２は、混合ガス供給ライン３１の途中に設けられている。具体的には、冷却部３２は、混合ガス供給ライン３１と、プロセスガス回収ライン３４と、冷媒供給ライン３５との三つに跨って配置されている。冷却部３２は、第一圧縮機３７で圧縮された混合ガスＧ３を冷却して、混合ガスＧ３中の第二シールガスＧ２の大部分を液化させずに、プロセスガスＧ１を液化させる。冷却部３２は、液化されたプロセスガスＧ１と液化されていない第二シールガスＧ２との混合ガスＧ３である第二混合ガスＧ３０を分離部３３に供給する。つまり、第二混合ガスＧ３０は、液体状態のプロセスガスＧ１０と気体状態の第二シールガスＧ２とが混合した気液混合の状態をなしている。
なお、第二混合ガスＧ３０における気体状態の第二シールガスＧ２の混入具合は、冷却部３２での凝縮圧力によって変わる。そのため、許容可能な第二混合ガスＧ３０における気体状態の第二シールガスＧ２の混入具合に応じて、冷却部３２を通過する前に圧縮機で圧力を上げた方が好ましい場合と、低圧で分離した後に圧縮機で分離した方が好ましい場合とがある。具体的には、冷却部３２を通過する前に圧力を上げた場合には、凝縮温度が上がり凝縮させやすくなるが、分離した第二混合ガスＧ３０に第二シールガスＧ２である窒素が混入する割合が多くなってしまう。一方、低圧で分離した場合には、凝縮温度が低いために凝縮させにくくなるが、第二混合ガスＧ３０に第二シールガスＧ２である窒素が混入する割合を低くすることができる。したがって、窒素の混入が許容できない場合には、低圧で分離することが好ましい。第一実施形態では冷却部３２を通過する前に圧縮機で圧力を上げる場合を例に挙げている。
本実施形態の冷却部３２は、ＬＮＧと熱交換することで混合ガスＧ３を冷却する。同時に、冷却部３２は、後述するプロセスガス回収ライン３４を流通する液体状態のプロセスガスＧ１０と、混合ガスＧ３とを熱交換することで、混合ガスＧ３を冷却する。
気体状態のプロセスガスＧ１の温度は、液体状態のプロセスガスＧ１０よりも高いため、混合ガスＧ３は、冷却部３２においてプロセスガス回収ライン３４を流通する液体状態のプロセスガスＧ１０によって冷却される。さらに、プロセスガスＧ１の凝縮温度は−１５０℃〜−１６０℃であるＬＮＧよりも高いため、混合ガスＧ３中のプロセスガスＧ１は、冷却部３２において冷媒供給ライン３５を流通するＬＮＧよって冷却されて液化される。その結果、冷却部３２は、例えば、３０℃から４０℃程度の温度の混合ガスＧ３を−１５０℃程度まで冷却された第二混合ガスＧ３０として分離部３３に供給する。これにより、冷却部３２では、ＬＮＧ及び液体状態のプロセスガスＧ１０と、混合ガスＧ３との間で熱交換することで、混合ガスＧ３に含まれるプロセスガスＧ１が冷却されて液化される。同時に、冷却部３２では、冷媒供給ライン３５を流通するＬＮＧ及びプロセスガス回収ライン３４を流通する液体状態のプロセスガスＧ１０が加熱されて気化される。
分離部３３は、冷却部３２から混合ガス供給ライン３１を介して第二混合ガスＧ３０が供給される。分離部３３は、冷却部３２で冷却された第二混合ガスＧ３０を液体状態のプロセスガスＧ１０と、気体状態の第二シールガスＧ２とを分離する。本実施形態の分離部３３は、鉛直方向に延びて形成され、上部及び下部を閉塞した筒状に形成されている。図３において、混合ガス供給ライン３１は、分離部３３の鉛直方向の中間部に接続されているが、適切な高さに接続されればよい。
本実施形態の分離部３３は、例えば、デミスターのように、ミスト状の微細な粒子を捕捉しつつ、気体を通過させる機能がある部材を上方に有し、下方に液体を貯留するセパレータである。つまり、本実施形態の分離部３３では、第二混合ガスＧ３０が供給されることで、液体状態のプロセスガスＧ１０が下方に分離され、気体状態の第二シールガスＧ２が上方に分離される。分離部３３の上方に分離された第二シールガスＧ２及び僅かに混入している気体状態のプロセスガスＧ１は、分離部３３の上方に接続されたガス排出ライン３８を介して外部に排出される。ガス排出ライン３８には、開閉弁３８１が設けられ、排出する第二シールガスＧ２の流量を調整可能とされている。
プロセスガス回収ライン３４は、分離部３３の下部に接続され、分離部３３の下部に溜められた液体状態のプロセスガスＧ１０を流通させて気化させた上で圧縮機３内に供給する。本実施形態のプロセスガス回収ライン３４は、分離部３３から回収されたプロセスガスＧ１が再び圧縮機３において圧縮されるように、冷却部３２を通過して蒸発器６と圧縮機３との間の配管に接続されている。プロセスガス回収ライン３４は、冷却部３２を通過することで、混合ガスＧ３と熱交換させることで、内部を流通する液体状態のプロセスガスＧ１０を加熱して気化させる。例えば、プロセスガス回収ライン３４では、分離部３３から流入した−１５０℃程度の液体状態のプロセスガスＧ１０が、冷却部３２を通過することで、２０℃から３０℃程度の気体状態のプロセスガスＧ１となる。
供給調整部３６は、圧縮機３内に戻す気体状態のプロセスガスＧ１の量を調整する。供給調整部３６は、液体状態のプロセスガスＧ１０が分離部３３で液面を一定の位置に保つように、プロセスガス回収ライン３４に液体状態のプロセスガスＧ１０を供給する。本実施形態の供給調整部３６は、分離部３３からプロセスガス回収ライン３４に供給される液体状態のプロセスガスＧ１０の供給量を直接調整し、圧縮機３内に戻す気体状態のプロセスガスＧ１の量を調整する。本実施形態の供給調整部３６は、分離部３３に設けられた検出部３６１と、検出部３６１から検出結果が入力される制御部３６２と、制御部３６２からの信号を受けて開度を調整可能な制御弁３６３とを有する。
検出部３６１は、貯留されている液体状態のプロセスガスＧ１０の液面の位置を検出し、制御部３６２に信号を送る。
制御部３６２は、分離部３３内の液体状態のプロセスガスＧ１０の液面の位置を一定に保つように制御弁３６３に開度指示を送る。
制御弁３６３は、プロセスガス回収ライン３４の冷却部３２よりも上流側（分離部３３側）に設けられている。
冷媒供給ライン３５は、冷却部３２で混合ガスＧ３を冷却するための冷媒として、ＬＮＧを冷却部３２に供給する。本実施形態の冷媒供給ライン３５は、ＬＮＧプラントで精製されたＬＮＧを流用する。冷媒供給ライン３５では、冷却部３２で混合ガスＧ３と熱交換することでＬＮＧが加熱されて気化され、ボイルオフガス（ＢＯＧ）となって再びＬＮＧプラント内に戻されて燃料ガス等にプラント内で利用される。冷媒供給ライン３５には、開閉弁３５１が設けられ、冷却部３２に供給するＬＮＧの流量を調整可能とされている。
上記のような冷凍サイクルシステム１によれば、圧縮機３の一次ベント１８から排出された気体状態の混合ガスＧ３は、大気圧よりも０．１〜０．２ｂａｒ程度高い圧力で、温度が３０℃〜４０℃程度をなして混合ガス供給ライン３１に流入する。気体状態の混合ガスＧ３は、混合ガス供給ライン３１を流れ、第一圧縮機３７によって昇圧及び昇温される。この際、混合ガスＧ３は、昇圧されることで凝縮温度も上昇する。第一圧縮機３７において昇圧及び昇温された混合ガスＧ３は、冷却部３２に供給される。冷却部３２には、プロセスガス回収ライン３４を介して液体状態のプロセスガスＧ１０が供給されると共に、冷媒供給ライン３５を介してＬＮＧが供給されている。そのため、冷却部３２を通ることで、プロセスガス回収ライン３４を流れる液体状態のプロセスガスＧ１０及び冷媒供給ライン３５をＬＮＧによって、混合ガスＧ３は−１５０℃程度まで冷却される。具体的には、混合ガスＧ３は、第二シールガスＧ２の凝縮温度よりも高く、プロセスガスＧ１の凝縮温度よりも低い温度で冷却されることで、プロセスガスＧ１のみが液化する。そのため、混合ガス供給ライン３１を介して、気液混合の状態のガスである第二混合ガスＧ３０が分離部３３に供給される。
分離部３３に供給された第二混合ガスＧ３０は、液体状態のプロセスガスＧ１０が下方に分離され、気体状態の第二シールガスＧ２が上方に分離される。上方に分離された第二シールガスＧ２は、ガス排出ライン３８を介して外部に排出される。下方に貯留された液体状態のプロセスガスＧ１０は、プロセスガス回収ライン３４を介して再び冷却部３２に供給される。プロセスガス回収ライン３４へ流入した液体状態のプロセスガスＧ１０は、冷却部３２を通ることで混合ガス供給ライン３１を流れる混合ガスＧ３と熱交換して加熱される。具体的には、液体状態のプロセスガスＧ１０は、混合ガスＧ３と熱交換することで、２０℃から３０℃程度まで加熱されて気化する。そのため、プロセスガス回収ライン３４を介して、気体状態のプロセスガスＧ１が圧縮機３に供給される。
第一実施形態のガス回収システム３０、これを備える圧縮機システム２及び冷凍サイクルシステム１によれば、圧縮機３から排出された混合ガスＧ３に含まれる気体状態のプロセスガスＧ１が冷却部３２によって液化するまで冷却されて、分離部３３で気体状態の第二シールガスＧ２と分離される。つまり、混合ガスＧ３を冷却部３２及び分離部３３によって深冷分離することで、混合ガスＧ３中のプロセスガスＧ１と第二シールガスＧ２とを分離できる。プロセスガス回収ライン３４によって分離された液体状態のプロセスガスＧ１０が気化されて圧縮機３に戻される。そのため、第一シールガスとして漏れ抑制用シール部１５で利用されたプロセスガスＧ１を圧縮機３に戻して再利用することができる。したがって、圧縮機３に対して追加で供給するプロセスガスＧ１の量を減らすことができる。これにより、圧縮機３、これを備える圧縮機システム２、及び冷凍サイクルシステム１のランニングコストを抑えることができる。
冷却部３２で、混合ガスＧ３を冷却及び凝縮するためにＬＮＧを用いることで、極低温及び低圧で深冷分離を行うことができる。不活性ガスが混ざった混合ガスＧ３の圧力を上げて凝縮温度を上げる必要がなく、低圧で深冷分離を行うことができる。そのため、混合ガスＧ３中の第二シールガスＧ２の大部分を液化することなく、気体状態のプロセスガスＧ１を効率的に液体状態にすることができる。したがって、混合ガスＧ３中のプロセスガスＧ１の回収効率を向上させることができる。
気体状態のプロセスガスＧ１と第二シールガスＧ２とが混在している混合ガスＧ３は、分圧が下がるために、プロセスガスＧ１単体の場合に比べて、凝縮温度が低くなってしまう。特に、第二シールガスＧ２が窒素の場合、混合ガスＧ３中に含まれる割合が高くなり、凝縮温度が非常に低くなってしまうおそれがある。そのため、極低温のＬＮＧを利用することで、混合ガスＧ３を昇圧させることなく、深冷分離させることができる。
特に、本実施形態のようにＬＮＧプラントで圧縮機３のガス回収システム３０が利用される場合、極低温のＬＮＧを冷却部３２に供給することが容易にできる。そのため、冷却部３２に対して、混合ガスＧ３を冷却するための冷熱源を新たに準備したり、大規模な装置を用意したりする必要がなくなり、簡易な構成で圧縮機３のガス回収システム３０を構成することができる。
冷却部３２が混合ガス供給ライン３１とプロセスガス回収ライン３４とに跨って設けられていることで、混合ガスＧ３と液体状態のプロセスガスＧ１０との間で熱交換を行わせて、混合ガスＧ３を冷却しながら、液体状態のプロセスガスＧ１０を加熱することができる。したがって、混合ガスＧ３を冷却する際の冷熱エネルギーを回収して、液体状態のプロセスガスＧ１０を加熱するためのエネルギーとして有効に利用することができる。
冷却部３２が混合ガス供給ライン３１とプロセスガス回収ライン３４と冷媒供給ライン３５とに跨って設けられていることで、混合ガスＧ３をＬＮＧだけでなく液体状態のプロセスガスＧ１０と間でも熱交換を行わせることができる。そのため、ＬＮＧだけの場合よりも、冷却部３２での混合ガスＧ３の冷却効率をより向上させることができる。その結果、冷却部３２で供給するＬＮＧの供給量を抑えることができる。
冷却部３２に供給する前に第一圧縮機３７で混合ガスＧ３を昇圧することで、混合ガスＧ３に含まれるプロセスガスＧ１の凝縮温度を上げることができる。そのため、気体状態のプロセスガスＧ１を凝縮させるために冷却部３２で冷却する温度を抑えることができる。したがって、冷却部３２でプロセスガスＧ１を液化する際の冷却効率を向上させることができる。
分離部３３での液体状態のプロセスガスＧ１０の液面の位置が一定に保たれることで、確実に分離部３３からプロセスガス回収ライン３４に液体状態のプロセスガスＧ１０を供給することができる。したがって、分離部３３内の気体状態の第二シールガスＧ２がプロセスガス回収ライン３４に混入してしまうことを防止できる。
《第二実施形態》
次に、図４を参照して第二実施形態のガス回収システムについて説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のガス回収システムは、混合ガス供給ラインではなく、プロセスガス回収ラインに圧縮機が設けられている点について第一実施形態と相違する。
第二実施形態のガス回収システム３０Ａは、第一圧縮機３７を設けられていない混合ガス供給ライン３１Ａと、冷却部３２と、分離部３３と、第二圧縮機３９が設けられたプロセスガス回収ライン３４と、第二圧縮機３９へのプロセスガスＧ１の供給量を調整する供給調整部３６と、冷媒供給ライン３５と、を備える。
第二実施形態の混合ガス供給ライン３１Ａは、第一実施形態と同様に、圧縮機３の一次ベント１８と分離部３３とを冷却部３２を介して接続している。第二実施形態の混合ガス供給ライン３１Ａには、途中に第一圧縮機３７が設けられておらず、一次ベント１８から排出された混合ガスＧ３は昇圧されずに冷却部３２を通過して分離部３３に接続されている。
第二実施形態のプロセスガス回収ライン３４Ａは、第一実施形態と同様に、分離部３３の下部に接続され、分離部３３の下部に溜められた液体状態のプロセスガスＧ１０を流通させて気化させた上で圧縮機３内に供給する。プロセスガス回収ライン３４Ａには、冷却部３２よりも下流側（圧縮機３側）に気体状態のプロセスガスＧ１を圧縮する第二圧縮機３９が設けられている。
第二圧縮機３９は、冷却部３２で冷却されて圧縮機３に供給される前の気体状態のプロセスガスＧ１を圧縮する。第二圧縮機３９は、プロセスガスＧ１の圧力が圧縮機３中の圧力と同程度となるまでプロセスガスＧ１を昇圧する。第二圧縮機３９で圧縮された気体状態のプロセスガスＧ１は、プロセスガス回収ライン３４Ａを介して圧縮機３に供給される。
上記のような第二実施形態によれば、混合ガスＧ３を冷却部３２で低圧で深冷分離することが好ましい場合には、深冷分離後に低圧のプロセスガスＧ１を第二圧縮機３９で昇圧することで、圧縮機４３系内に戻すことができる。したがって、圧縮機３から供給される低圧の混合ガスを深冷分離が最適となるような圧力条件にするとともに、分離したプロセスガスを圧力の高い圧縮機内に戻すことができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
なお、冷却部３２は、混合ガス供給ライン３１、３１Ａと、プロセスガス回収ライン３４、３４Ａと、冷媒供給ライン３５との三つに跨って配置されていることに限定されものではなく、混合ガス供給ライン３１、３１Ａを流れる混合ガスＧ３を冷却することができればよい。また、冷却部３２は混合ガス供給ライン３１、３１Ａと、冷媒供給ライン３５との二つのみに跨って配置されていてもよく、混合ガスＧ３をＬＮＧのみによって冷却してもよい。この場合、液体状態のプロセスガスＧ１０を気化させるために、プロセスガス回収ライン３４、３４Ａに別の加熱器（熱源）を用意してもよい。
また、冷却部３２は、ＬＮＧと熱交換する構造であることに限定されるものではなく、プロセスガスＧ１の凝縮温度よりも低い温度で混合ガスＧ３を冷却できればよい。冷却部３２は、ＬＮＧの代わりに冷媒供給ライン３５に液化炭素や液化窒素を流通させて熱交換してもよく、冷媒供給ライン３５を用いずに冷凍機等の機器を利用して混合ガスＧ３を冷却する構造であってもよい。
ガス回収システム３０、３０Ａは、第一実施形態のように第一圧縮機３７のみを有する構成や、第二実施形態のように第二圧縮機３９のみを有する構成に限定されるものではなく、第一圧縮機３７及び第二圧縮機３９を共に有していてもよい。
上記した圧縮機３のガス回収システム３０Ａによれば、混合ガスＧ３からプロセスガスＧ１を分離して圧縮機３に戻すことで、圧縮機３に対して追加供給するプロセスガスＧ１の量を削減して圧縮機３のランニングコストを抑えることができる。
１ 冷凍サイクルシステム
２ 圧縮機システム
３ 圧縮機
４ 凝縮器
５ 貯留部
６ 蒸発器
７ 駆動機
８ バルブ
１０ シール部
１１ ロータ
１２ ステータ
１３ 回転軸
１４ 軸受
１５ 漏れ抑制用シール部
１６ ラビリンスシール
１６Ａ 第一ラビリンスシール
１６Ｂ 第二ラビリンスシール
１７ ドライガスシール
１７Ａ 第一ドライガスシール
１７Ｂ 第二ドライガスシール
１８ 一次ベント
１９ セパレーションシール
２０ 二次ベント
２１ 外部供給源
Ｓ１ 第一空間
Ｓ２ 第二空間
Ｓ３ 第三空間
Ｓ４ 第四空間
Ｇ１ 気体状態のプロセスガス
Ｇ２ 第二シールガス（不活性ガス）
Ｇ３ 混合ガス
Ｇ３０ 第二混合ガス
Ｇ４ セパレーションガス
Ｇ１０ 液体状態のプロセスガス
３０、３０Ａ ガス回収システム
３１、３１Ａ 混合ガス供給ライン
３２ 冷却部
３３ 分離部
３４、３４Ａ プロセスガス回収ライン
３５ 冷媒供給ライン
３６ 供給調整部
３６１ 検出部
３６２ 制御部
３６３ 制御弁
３７ 第一圧縮機
３８ ガス排出ライン
３９ 第二圧縮機

Claims (8)

  1. 圧縮機で圧縮されるプロセスガスと、前記圧縮機のシール部に供給される不活性ガスとが混合された混合ガスを、前記プロセスガスと前記不活性ガスとに分離して回収するガス回収システムであって、
    前記混合ガスを前記不活性ガスの凝縮温度よりも高く前記プロセスガスの凝縮温度よりも低い温度で冷却することで、前記混合ガスに含まれる前記プロセスガスを冷却して液化する冷却部と、
    前記冷却部で冷却した前記混合ガスを液体状態の前記プロセスガスと、気体状態の前記不活性ガスとを分離する分離部と、
    前記分離部に接続され、液体状態の前記プロセスガスを流通させて気化させた上で前記圧縮機内に供給するプロセスガス回収ラインと、
    を備えるガス回収システム。
  2. 前記冷却部は、液化天然ガスと前記混合ガスとを熱交換することで前記混合ガスを冷却する請求項１に記載のガス回収システム。
  3. 前記冷却部は、前記プロセスガス回収ラインを流通する液体状態の前記プロセスガスと、前記混合ガスとを熱交換することで前記混合ガスを冷却する請求項１または請求項２に記載のガス回収システム。
  4. 前記冷却部に供給される前の前記混合ガスを圧縮する第一圧縮機を備える請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載のガス回収システム。
  5. 前記プロセスガス回収ラインを流通する気体状態の前記プロセスガスを圧縮する第二圧縮機を備える請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載のガス回収システム。
  6. 前記分離部は、分離した液体状態の前記プロセスガスを貯留し、
    液体状態の前記プロセスガスが前記分離部で液面を一定の位置に保つように、前記プロセスガス回収ラインに液体状態の前記プロセスガスを供給する供給調整部を備える請求項１から請求項５のいずれかひとつに記載のガス回収システム。
  7. 圧縮機と、
    請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガス回収システムと、
    を備える圧縮機システム。
  8. 請求項７に記載の圧縮機システムを備える冷凍サイクルシステム。
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