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公開番号2024058276
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-25
出願番号2022165539
出願日2022-10-14
発明の名称液体窒素製造装置および液体窒素製造方法
出願人レール・リキード-ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
代理人弁理士法人ユニアス国際特許事務所
主分類F25J 1/00 20060101AFI20240418BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】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。
【解決手段】液体窒素製造装置1は、LNG熱交換器E3と、低温ブースター11と、リサイクル熱交換器E2と、膨張タービン12と、第一膨張弁13と、第一セパレータ14と、熱交換器E1と、第一圧縮機21と、第二圧縮機22と、LNG熱交換器E3を通過し、低温ブースター11へ送られる中圧の窒素ガスの温度を監視する第一温度監視部16と、前記低温ブースターの吐出圧を一定にするように、前記第二圧縮機を制御する第二圧縮機制御部(17)とを備える。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項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圧縮し高圧窒素ガスを吐出する低温ブースターと、
前記低温ブースターから吐出される前記高圧窒素ガスを熱交換するリサイクル熱交換器と、
前記低温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し、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、
窒素ガスを熱交換する熱交換器と、
熱交換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で熱交換された窒素ガスを圧縮する第二圧縮機と、
前記第二圧縮機で圧縮後前記熱交換器で熱交換された窒素ガスを、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、再び前記ＬＮＧ熱交換器へ送るための配管ラインと、
前記ＬＮＧ熱交換器を通過し、前記低温ブースターへ送られる中圧の窒素ガスの温度を監視する第一温度監視部と、
前記第一温度監視部で測定された温度に応じて、前記低温ブースターの吐出圧を一定にするように、前記第二圧縮機を制御する第二圧縮機制御部と、
を備える、液体窒素製造装置。
続きを表示（約 2,200 文字）【請求項２】
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圧縮し高圧窒素ガスを吐出する低温ブースターと、
前記低温ブースターから吐出される前記高圧窒素ガスを熱交換するリサイクル熱交換器と、
前記低温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し、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、
窒素ガスを熱交換する熱交換器と、
熱交換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で熱交換された窒素ガスを圧縮する第二圧縮機と、
前記第二圧縮機で圧縮後前記熱交換器で熱交換された窒素ガスを、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、再び前記ＬＮＧ熱交換器へ送るための配管ラインと、
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、
前記第二温度監視部で測定された入口および／または出口の温度に応じて、前記低温ブースターの吐出圧を一定にするように、前記第二圧縮機を制御する第二圧縮機制御部と、
を備える、液体窒素製造装置。
【請求項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、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た気液混合状態の窒素が導入される第二セパレータと、
を備える、請求項１または２に記載の液体窒素製造装置。
【請求項４】
前記ＬＮＧ熱交換器から前記ブースターへ送られる窒素ガスを冷却する予備熱交換器を備える、請求項１または２に記載の液体窒素製造装置。
【請求項５】
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、低温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、前記低温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う気液分離工程と、
前記低温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、第一温度監視工程と、
前記第一温度監視工程で測定された温度に応じて、前記低温ブースターの吐出圧を一定にするように、第二圧縮機を制御する第二圧縮機制御工程と、
を含む、
液体窒素製造方法。
【請求項６】
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、低温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、前記低温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う気液分離工程と、
前記ＬＮＧ熱交換器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の温度を監視する第二温度監視工程と、
前記第二温度監視工程で測定された入口および／または出口の温度に応じて、前記低温ブースターの吐出圧を一定にするように、第二圧縮機を制御する第二圧縮機制御工程と、
を含む、
液体窒素製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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。
続きを表示（約 4,000 文字）【背景技術】
【０００２】
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。特許文献４は、その図１において、低温コンプレッサー（２０）は、熱交換器（８）の温端へ送るために、低温コンプレッサー（２０）へ吸入するガスの温度をＬＮＧの温度付近にまで下げる事ができないため、低温コンプレッサー（２０）の入口温度が比較的高くなり可能な圧縮比が低くなるためにエネルギー効率が最適化されていない。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
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
中国特許公開ＣＮ１０１３９２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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）に圧縮し高圧窒素ガス（Ｇ１）を吐出する低温ブースター（１１）と、
前記低温ブースター（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、
前記低温ブースター（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、０．５ＭＰ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、０．５ＭＰ）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
２
Ｇ）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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
前記膨張タービン（１２）が前記低温ブースター（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。
（【００１１】以降は省略されています）

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