JP2019070425A - シールガス供給システムおよびシールガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮比が比較的小さい圧縮機においても、タンデム型ドライガスシールを採用可能にするシールガス供給システムを提供する。【解決手段】シールガス供給システムは、圧縮機４のドライガスシール４ａにシールガスを供給するシールガス供給システムであって、圧縮機４から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を貯留する貯留槽１と、貯留槽１に貯留された液体を抜き出して昇圧する昇圧装置５と、昇圧装置５で昇圧された液体を気化させてシールガスを生成する気化装置９と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、ドライガスシールにシールガスを供給するシールガス供給システムおよびシールガス供給方法に関する。

従来から、圧縮機のケーシングとシャフトとの間をシールする非接触式シールとして、ドライガスシールが広く用いられている。その中でも、機内のプロセスガスが外部（大気）に漏れることはもちろん、シールガスが機内に漏れることも許容できない圧縮機においては、タンデム型ドライガスシールが好適に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

タンデム型ドライガスシールは、機内側に配置された一次シール部と、大気側に配置された二次シール部とを有している。一般に、一次シール部には、一次シールガスとして圧縮機の吐出側からプロセスガスが供給され、二次シール部には、二次シールガスとして不活性ガス（例えば窒素）が供給される。機内のプロセスガスは、一次シールガスによって一次シール部への流れが遮断され、一次シールガスとしてのプロセスガスは、二次シールガスによって二次シール部への流れが遮断される。一方、二次シールガスとしての不活性ガスは、一次シールガスによって一次シール部への流れが遮断される。こうして、プロセスガスが外部（大気）に漏れることが抑制されるとともに、不活性ガスが機内に漏れることが抑制される。なお、一次シールガスは、一次シール部よりも機内側に配置されたカーボンリングシールまたはラビリンスシールを通じて、わずかな量が機内に漏洩するが、一次シールガスとして圧縮機の吐出側から供給されるプロセスガスが用いられることで、そのような漏れが問題になることはない。

特開２０１３−２１００９９号公報

通常、一次シールガスとしてのプロセスガスの供給は、圧縮機の吐出側に接続された一次シールガス供給配管を通じて行われるが、一次シールガス供給配管には、フィルタやバルブなどが設置されているため、圧力損失が発生する。したがって、一次シールガスの供給に必要な流量を確保するためには、機内側と吐出側との間に一定以上の差圧が必要になるが、圧縮比が比較的小さい圧縮機では、その差圧が十分でなく、一次シールガスの供給に必要な流量を確保できないおそれがある。そのため、そのような圧縮機では、タンデム型ドライガスシールを採用することができないのが現状である。

そこで、本発明の目的は、圧縮比が比較的小さい圧縮機においても、タンデム型ドライガスシールを採用可能にするシールガス供給システムおよびシールガス供給方法を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明のシールガス供給システムは、圧縮機のドライガスシールにシールガスを供給するシールガス供給システムであって、圧縮機から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を貯留する貯留槽と、貯留槽に貯留された液体を抜き出して昇圧する昇圧装置と、昇圧装置で昇圧された液体を気化させてシールガスを生成する気化装置と、を有している。

また、本発明のシールガス供給方法は、圧縮機のドライガスシールにシールガスを供給するシールガス供給方法であって、圧縮機から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を用意する工程と、用意した液体を昇圧する工程と、昇圧された液体を気化させてシールガスを生成する工程と、を含んでいる。

このようなシールガス供給システムおよびシールガス供給方法によれば、圧縮機の圧縮比にかかわらず、圧縮機から吐出される圧縮ガス（プロセスガス）と実質的に同じ組成のシールガスを十分な流量で圧縮機に供給することができる。

以上、本発明によれば、圧縮比が比較的小さい圧縮機においても、タンデム型ドライガスシールを採用することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る熱交換型蒸留装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本明細書では、熱交換型蒸留装置に設けられた圧縮機に本発明を適用した実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、ここでいう「圧縮機」とは、羽根車またはロータの回転運動によって気体を圧送する機械であって、有効吐出し圧力が２００ｋＰａ以下のブロワを含むことを意味する。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換型蒸留装置の概略構成図である。なお、図示した構成は、あくまで一例であり、例えば、熱移動システムの設置数、熱交換器や配管の設置位置、原料供給位置などは、装置の使用目的や用途、要求性能に応じて適宜変更可能である。

本実施形態の熱交換型蒸留装置１０は、高圧塔１と、高圧塔１の上方に配置された低圧塔２とを有している。高圧塔１は、塔底部１ａと、第１の濃縮部として利用される棚段塔部１ｂと、塔頂部１ｃとを有している。低圧塔２は、塔底部２ａと、回収部として利用される棚段塔部２ｂと、第２の濃縮部として利用される棚段塔部２ｃと、塔頂部２ｄとを有している。低圧塔２の、回収部として利用される棚段塔部２ｂと第２の濃縮部として利用される棚段塔部２ｃとの間に、原料を供給する原料供給配管Ｐ１が接続されている。したがって、第２の濃縮部として利用される棚段塔部２ｃは、原料が供給される原料供給段２ｅを挟んで回収部として利用される棚段塔部２ｂの上方に位置している。高圧塔１の棚段塔部１ｂ、および低圧塔の棚段塔部２ｂ，２ｃは、それぞれ充填塔部で代用可能である。

棚段塔部は、塔内に水平な棚板（トレイ）がいくつも設置された塔である。それぞれの棚板間の空間を段という。各段では、気液接触が促進され、物質移動が行われる。その結果、より揮発性の高い成分に富んだ気相は上の段に送られ、より揮発性の低い成分に富んだ液相は下の段へ流れ落ち、そこでまた新たな液相または気相との気液接触が行われ、物質移動が行われる。こうして、塔の上部の段ほど揮発性の高い成分に富み、下部の段ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。一方、充填塔部は、中空の塔内に何らかの充填物が充填され、その表面で気液接触が行われる塔である。棚段塔部と同じ機構により、塔の上部の段ほど揮発性の高い成分に富み、下部の段ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。

以下、高圧塔１の、第１の濃縮部として利用される棚段塔部（または充填塔部）１ｂを、単に「第１の濃縮部」ともいう。また、低圧塔２の、回収部として利用される棚段塔部（または充填塔部）２ｂを、単に「回収部」ともいい、第２の濃縮部として利用される棚段塔部（または充填塔部）２ｃを、単に「第２の濃縮部」ともいう。

本実施形態では、第２の濃縮部２ｃを高圧塔１の圧力より低い低圧塔２の圧力下で動作させることができる。そのため、第２の濃縮部２ｃにおける相対揮発度が大きくなることになり、もともと分離操作に必要なエネルギー（熱量）そのものを減らすことができる。

また、本実施形態の熱交換型蒸留装置１０は、リボイラー３と、圧縮機４と、送出ポンプ５と、コンデンサー６と、２つの熱交換器７，８とを有している。

リボイラー３は、低圧塔２の塔底部２ａの外側、具体的には、塔底部２ａの最底部に接続された配管Ｐ２から分岐して塔底部２ａの空間上部に接続された配管Ｐ３上に設けられている。リボイラー３は、低圧塔２の塔底液（回収部２ｂを流下して塔底部２ａに溜まった液体）を加熱する機能を有している。したがって、低圧塔２の塔底液の一部は、リボイラー３で加熱されて蒸気になり、低圧塔２の塔頂に向かって上昇する。また、塔底部２ａの最底部からは、配管Ｐ２を通じて、揮発性の低い成分に富んだ缶出液を得ることができる。

圧縮機４は、吸込側では、配管Ｐ４を介して低圧塔２の第２の濃縮部２ｃに接続され、吐出側では、配管Ｐ５を介して低圧塔２に設けられた第１の熱交換器７に接続されている。圧縮機４は、第２の濃縮部２ｃからの蒸気を圧縮し、昇圧および昇温した蒸気を第１の熱交換器７に送る機能を有している。

圧縮機４は、圧縮機４のケーシングとシャフト（共に図示せず）との間をシールする非接触式シールとして、タンデム型ドライガスシール（ＤＧＳ）４ａを備えている。ＤＧＳ４ａは、圧縮機において一般的に用いられているものであり、図面を用いた詳細な説明は省略するが、機内側に配置された一次シール部と、大気側に配置された二次シール部とを有している。ＤＧＳ４ａには、一次シール部に一次シールガスを供給する一次シールガス供給配管Ｐ６と、二次シール部に二次シールガスを供給する二次シールガス供給配管Ｐ７とが接続されている。本実施形態では、一次シール部には、一次シールガスとしてプロセスガスが供給され、二次シール部には、二次シールガスとして不活性ガス（例えば窒素）が供給される。圧縮機４のＤＧＳ４ａに一次シールガスを供給するシールガス供給システムの詳細については後述する。

送出ポンプ５は、吸込側では、配管Ｐ８を介して高圧塔１の塔底部１ａの最底部に接続され、吐出側では、配管Ｐ９を介して低圧塔２の第２の濃縮部２ｃに接続されている。送出ポンプ５は、高圧塔１の塔底部１ａに溜まった液体（塔底液）を圧送して低圧塔２の第２の濃縮部２ｃに還流させる機能を有している。

コンデンサー６は、高圧塔１の塔頂部１ｃの外側、具体的には、塔頂部１ｃの空間上部に接続された配管Ｐ１０上に設けられ、高圧塔１の塔頂部１ｃの蒸気を冷却する機能を有している。したがって、高圧塔１の塔頂部１ｃに移動した蒸気は、コンデンサー６で冷却されて液体になり、その一部は、揮発性の高い成分に富んだ留出液として得られ、残りは、必要に応じて塔頂部１ｃに還流される。

第１の熱交換器７は、低圧塔２の回収部２ｂ、具体的には、回収部２ｂのうち塔底部２ａの直近に設けられた液溜め部２ｆ内に配置されている。液溜め部２ｆは、原料供給段２ｅから回収部２ｂを通って流下する原料液を液溜め用棚板１１によって所定量貯留し、液溜め用棚板１１からあふれた液体を下方に落下させるものである。第１の熱交換器７は、チューブバンドル型の熱交換器であり、Ｕ字形チューブが液溜め部２ｆに貯留された液体に浸漬されるように、液溜め部２ｆ内に配置されている。第１の熱交換器７のＵ字形チューブは、液溜め用棚板１１に沿って配置された平行なチューブ部分７ａ，７ｂを有している。下側チューブ部分７ａは、配管Ｐ１１を介して高圧塔１の塔底部１ａに接続され、上側チューブ部分７ｂは、配管Ｐ５を介して圧縮機４の吐出側に接続されている。

第１の熱交換器７の作用は、以下の通りである。第１の熱交換器７のＵ字形チューブは、低圧塔２の原料供給段２ｅから流下して液溜め部２ｆに貯留された原料液に浸漬されている。この状態で、Ｕ字形チューブの上側チューブ部分７ｂには、配管Ｐ５を通じて圧縮機４による高温蒸気が導入される。この高温蒸気は、上側チューブ部分７ｂから下側チューブ部分７ａへと移動するが、液溜め部２ｆに貯留されてチューブ部分７ｂ，７ａの外壁と接している液体の一部は加熱され、蒸気となって上昇する。なお、蒸気とならずに残った液体は、出口堰を越えて流下する。一方、第１の熱交換器７に導入された高温蒸気は、上側チューブ部分７ｂから下側チューブ部分７ａに移動するにつれて、その一部または全部が凝縮されて気相から液相に変化する。こうして液相と気相が混在した流体は、配管Ｐ１１を通じて高圧塔１の塔底部１ａに導入され、蒸気は上昇し、液体は流下する。

このように、第１の熱交換器７と配管Ｐ５，Ｐ１１によって、低圧塔２の回収部２ｂに熱を付与することができ、高圧塔２の下部に導入すべき流体を冷やすこともできる。したがって、第１の熱交換器７は、配管Ｐ５，Ｐ１１と共に、第１の熱移動システム（サイド熱交換部）を構成する。第１の熱移動システムは、低圧塔２の回収部２ｂにサイドリボイラーが設置され、高圧塔１の下部の段（最下段）にサイドコンデンサーが設置されているのと同様の効果をもたらすことができる。そのため、このような第１の熱移動システムを備えていない蒸留装置と比べて、高圧塔１のコンデンサー６の除熱量を小さくすることができ、低圧塔２のリボイラー３の入熱量も小さくすることができる。

また、第１の熱移動システムは、低圧塔２の回収部２ｂと高圧塔１の下部の間で熱交換を可能にするために、圧縮機４からの高圧蒸気を低圧塔２内の第１の熱交換器７に直接導入し、第１の熱交換器７で凝縮された流体を高圧塔１内に送り込むように構成されている。このような構成では、低圧塔２から高圧塔１への液移送に液ヘッド（水頭差）を必要としないため、そのような液ヘッド（水頭差）を必要とする蒸留装置と比べて、省エネルギー性を向上させることができる。

第２の熱交換器８は、高圧塔１の第１の濃縮部１ｂの所定の段、すなわち、配管Ｐ１１が接続された位置よりも上の段に配置されている。第２の熱交換器８は、チューブバンドル型の熱交換器であり、そのＵ字形チューブは、平行なチューブ部分８ａ，８ｂを有している。平行なチューブ部分８ａ，８ｂは、凝縮した液体を一時的に溜めるとともに下方から上昇する蒸気を整流する液溜め用棚板１２に沿って配置されている。下側チューブ部分８ａは、配管Ｐ１２を介して低圧塔２の液抜き部２ｇに接続され、上側チューブ部分８ｂは、配管Ｐ１３を介して液抜き部２ｇの直下の段に接続されている。液抜き部２ｇは、低圧塔２の回収部２ｂのうち液溜め部２ｆ（すなわち第１の熱交換器７）よりも上の段に設けられている。液抜き部２ｇは、上方から流下する液体を液溜め用棚板１３によって貯留し、配管Ｐ１２を通じてその一部を低圧塔２の外部に抜き出すためのものである。液抜き部２ｇの直下の段には、上述したように、低圧塔２の外壁を貫通して配管Ｐ１３が挿入されている。

第２の熱交換器８の作用は、以下の通りである。第２の熱交換器８のＵ字形チューブは、配管Ｐ１１を通じて高圧塔１の塔底部１ａに導入された流体のうち、第１の濃縮部１ｂを通って上昇する蒸気と接触する。このとき、Ｕ字形チューブの下側チューブ部分８ａには、配管Ｐ１２を通じて、低圧塔２の液抜き部２ｇから抜き出された液体が導入されている。このため、下側チューブ部分８ａ内の液体が蒸気で加熱されるとともに、このチューブ部分８ａに接触した蒸気の一部は液体となって流下する。さらに、上側チューブ部分８ｂも蒸気で加熱されているため、配管Ｐ１２を通じて第２の熱交換器８に導入された液体は、下側チューブ部分８ａから上側チューブ部分８ｂを移動するにつれて、液相と気相が混在した流体に変化する。この流体は、配管Ｐ１３を通じて、低圧塔２の液抜き部２ｇの直下の段に導入され、蒸気は上昇し、液体は流下する。

このように、第２の熱交換器８と配管Ｐ１２，Ｐ１３によって、高圧塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を低圧塔２に移動させることができる。したがって、第２の熱交換器８は、配管Ｐ１２，Ｐ１３と共に、第２の熱移動システム（サイド熱交換部）を構成する。第２の熱移動システムは、高圧塔１の第１の濃縮部１ｂにサイドコンデンサーが設置され、低圧塔２の回収部２ｂにサイドリボイラーが設置されているのと同様の効果をもたらすことができる。したがって、このような第２の熱移動システムを備えていない蒸留装置と比べて、高圧塔１のコンデンサー６の除熱量を小さくすることができ、低圧塔２のリボイラー３の入熱量も小さくすることができる。

なお、第２の熱交換器８と配管Ｐ１２，Ｐ１３による高圧塔１と低圧塔２との間での流体循環は、上述した構成では、サーモサイフォン効果を利用しているため、ポンプなどの圧送手段を必要としない。すなわち、低圧塔２の液抜き部２ｇから抜き出した液体は、重力により高圧塔１に移動し、高圧塔１の第２の熱交換器８を通過した流体は、サーモサイフォン効果により低圧塔２へと移動することになる。

ところで、圧縮機４のＤＧＳ４ａに一次シールガスとしてプロセスガスを供給する場合、圧縮機４の吐出側に接続された配管Ｐ５とＤＧＳ４ａとを接続し、圧縮機４から吐出される圧縮ガスを直接導入することが考えられる。しかしながら、本実施形態の熱交換型蒸留装置１０では、プロセス条件を適切に設定した結果、圧縮比が比較的小さい圧縮機４を選定する場合があり、その場合、機内側と吐出側との間に発生する差圧が十分でないことがある。したがって、配管Ｐ５とＤＧＳ４ａとを接続する配管に生じる圧力損失を考慮すると、圧縮機４から吐出される圧縮ガスを一次シールガスとしてＤＧＳ４ａに直接導入しようとしても、十分な流量を確保できないおそれがある。

そこで、本実施形態の熱交換型蒸留装置１０は、高圧塔１の塔底部１ａから低圧塔２の第２の濃縮部２ｃに圧送される液体の一部を気化させてシールガスとして利用するための気化装置９を有している。換言すると、気化装置９は、第１の熱交換器７と、高圧塔１と、送出ポンプ５と共に、圧縮機４のＤＧＳ４ａにシールガス（一次シールガス）を供給するシールガス供給システムを構成する。

気化装置９は、入口側では、配管Ｐ１４を介して、送出ポンプ５と低圧塔２の第２の濃縮部２ｃとを接続する配管Ｐ９に接続され、出口側では、一次シールガス供給配管Ｐ６を介して、圧縮機４のＤＧＳ４ａ、具体的には、ＤＧＳ４ａの一次シール部に接続されている。気化装置９としては、その構成に特に制限はなく、液体を気化させるために一般的に用いられるものを使用することができる。

本実施形態のシールガス供給システムの動作は、以下の通りである。圧縮機４から吐出された圧縮ガスは、配管Ｐ５を通じて第１の熱交換器（液化装置）７に供給され、第１の熱交換器７で一部が液化される。こうして液化された圧縮ガス（第１の熱交換器７で生成された液体）は、配管Ｐ１１を通じて高圧塔１の塔底部１ａに導入されて貯留される。すなわち、高圧塔（貯留槽）１には、圧縮機４から吐出された圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体が貯留される。この液体は、送出ポンプ（昇圧装置）５によって抜き出されて昇圧され、その大部分が、配管Ｐ９を通じて低圧塔２の第２の濃縮部２ｃに還流されるが、一部は、配管Ｐ１４を通じて気化装置９に供給される。気化装置９は、送出ポンプ５で昇圧された液体を気化させてシールガス（一次シールガス）を生成する。こうして生成された一次シールガスは、一次シールガス供給配管Ｐ６を通じて、圧縮機４のＤＧＳ４ａに供給される。

ここで、圧縮機４に供給される一次シールガスの供給圧力は、送出ポンプ５の吐出圧力によって左右されるが、その吐出圧力は、一次シールガス供給配管Ｐ６に発生する圧力損失を考慮しても十分な流量を確保できる程度に、シールガスの供給圧力を大きくすることができる圧力である。このため、本実施形態のシールガス供給システムによれば、圧縮機４の圧縮比にかかわらず、圧縮機４から吐出される圧縮ガス（プロセスガス）と実質的に同じ組成の一次シールガスを十分な流量で圧縮機４に供給することができる。その結果、圧縮比が比較的小さい圧縮機４においても、タンデム型ドライガスシールを採用することが可能になる。

上述した実施形態では、本発明のシールガス供給システムが熱交換型蒸留装置に組み込まれている場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明のシールガス供給システムは、圧縮機を有する他の装置に組み込まれていてもよく、あるいは、独立したシステムとして構成されていてもよい。このような場合、圧縮機から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を別途用意できるのであれば、必ずしも圧縮機から吐出される圧縮ガスを液化するようになっていなくてもよい。すなわち、本発明のシールガス供給システムは、少なくとも、圧縮機から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を貯留する貯留槽と、貯留槽に貯留された液体を抜き出して昇圧する昇圧装置と、昇圧装置で昇圧された液体を気化させてシールガスを生成する気化装置とを含んでいればよく、熱交換器などの液化装置を含んでいる必要はない。なお、ここでいう「実質的に同じ組成」とは、それぞれのガスを構成する成分が同じ種類であることを意味し、その成分比は異なっていてもよいことを意味する。

１ 高圧塔
１ａ 塔底部
１ｂ 第１の濃縮部（棚段塔部または充填塔部）
１ｃ 塔頂部
２ 低圧塔
２ａ 塔底部
２ｂ 回収部（棚段塔部または充填塔部）
２ｃ 第２の濃縮部（棚段塔部または充填塔部）
２ｄ 塔頂部
２ｅ 原料供給段
２ｆ 液溜め部
２ｇ 液抜き部
３ リボイラー
４ 圧縮機
４ａ ドライガスシール（ＤＧＳ）
５ 送出ポンプ
６ コンデンサー
７ 第１の熱交換器
７ａ 下側チューブ部分
７ｂ 上側チューブ部分
８ 第２の熱交換器
８ａ 下側チューブ部分
８ｂ 上側チューブ部分
９ 気化装置
１０ 熱交換型蒸留装置
１１〜１３ 液溜め用棚板
Ｐ１〜Ｐ１４ 配管

Claims (6)

1. 圧縮機のドライガスシールにシールガスを供給するシールガス供給システムであって、
   前記圧縮機から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽に貯留された前記液体を抜き出して昇圧する昇圧装置と、
   前記昇圧装置で昇圧された前記液体を気化させて前記シールガスを生成する気化装置と、を有するシールガス供給システム。
2. 前記圧縮機から吐出された圧縮ガスを液化して前記液体を生成する液化装置を有する、請求項１に記載のシールガス供給システム。
3. 請求項２に記載のシールガス供給システムを含む熱交換型蒸留装置。
4. 第１の濃縮部として利用される棚段塔部または充填塔部を有する高圧塔と、
   前記高圧塔の上方に配置された低圧塔であって、回収部として利用される棚段塔部または充填塔部と、原料が供給される原料供給段を挟んで前記回収部の上方に位置し、第２の濃縮部として利用される棚段塔部または充填塔部と、を有する低圧塔と、
   前記高圧塔の塔底部に溜まった液体を前記第２の濃縮部に圧送する送出ポンプと、
   前記第２の濃縮部からの蒸気を圧縮する前記圧縮機と、
   前記低圧塔の前記回収部に配置され、前記圧縮機から吐出される圧縮ガスの一部または全部を液化して前記高圧塔の塔底部に送る熱交換器と、
   前記送出ポンプによって圧送される前記液体の一部を気化させて前記シールガスを生成する前記気化装置と、を有し、
   前記高圧塔が、前記シールガス供給システムの前記貯留槽として機能し、前記送出ポンプが、前記シールガス供給システムの前記昇圧装置として機能し、前記熱交換器が、前記シールガス供給システムの前記液化装置として機能する、請求項３に記載の熱交換型蒸留装置。
5. 圧縮機のドライガスシールにシールガスを供給するシールガス供給方法であって、
   前記圧縮機から吐出される圧縮ガスと実質的に同じ組成の液体を用意する工程と、
   前記用意した液体を昇圧する工程と、
   前記昇圧された液体を気化させて前記シールガスを生成する工程と、を含むシールガス供給方法。
6. 前記液体を用意する工程が、前記圧縮機から吐出された圧縮ガスを液化して前記液体を生成することを含む、請求項５に記載のシールガス供給方法。