特許 5826265 昇圧システム、及び気体の昇圧方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5826265

(24)【登録日】2015年10月23日

(45)【発行日】2015年12月2日

(54)【発明の名称】昇圧システム、及び気体の昇圧方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/00 20060101AFI20151112BHJP

   B01J 3/00 20060101ALI20151112BHJP

   F25J 1/00 20060101ALI20151112BHJP

   F25B 19/00 20060101ALI20151112BHJP

【ＦＩ】

   B01J19/00 A

   B01J3/00 A

   F25J1/00 D

   F25B19/00 Z

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-519659(P2013-519659)

(86)(22)【出願日】2012年9月13日

(86)【国際出願番号】JP2012073443

(87)【国際公開番号】WO2014041654

(87)【国際公開日】20140320

【審査請求日】2013年4月25日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】310010564

【氏名又は名称】三菱重工コンプレッサ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(72)【発明者】

【氏名】米村 直人

(72)【発明者】

【氏名】宮田 寛之

(72)【発明者】

【氏名】永尾 英樹

【審査官】 神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−２２２１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２８０８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３７５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１２４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５０６６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１０１２９６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ １１／００

Ｂ０１Ｊ ３／００−３／０４

Ｂ０１Ｊ １９／００−１９／３２

Ｃ０１Ｂ ３１／２０−３１／２２

Ｆ０４Ｂ １／００−５１／００

Ｆ０４Ｃ ２／００−２９／１２

Ｆ０４Ｄ １／００−３５／００

Ｆ２５Ｂ １９／００

Ｆ２５Ｊ １／００−５／００

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、
臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、
前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、
前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、
前記ポンプ部で昇圧された前記中間超臨界圧液体を臨界温度近傍まで加熱する加熱部とを備え、
前記冷却部は、前記加熱部との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却する主冷却部を有する昇圧システム。

【請求項2】

前記冷却部と前記ポンプ部との間に設けられて前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して低温液体を生成する抽液減圧部をさらに備え、
前記主冷却部にて、前記抽液減圧部で生成された前記低温液体との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却する請求項１に記載の昇圧システム。

【請求項3】

対象気体である二酸化炭素を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、
前記対象気体を圧縮する圧縮インペラと圧縮された前記対象気体を水又は空気により冷却する中間冷却器とを複数段備えて、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、
前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、
前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、
前記冷却部と前記ポンプ部との間に設けられて前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して低温液体を生成する抽液減圧部とを備え、
前記冷却部は、前記抽液減圧部で生成された前記低温液体との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却する主冷却部を有し、
前記抽液減圧部で生成された前記低温液体が前記主冷却部で熱交換されることで加熱気化されて生成された気体又は超臨界流体を、前記圧縮部における最終段の圧縮インペラの上流側となる該最終段の圧縮インペラの入口であって、該最終段の圧縮インペラの入口に接続された前記中間冷却器の下流側の相当圧力部に返送する昇圧システム。

【請求項4】

前記抽液減圧部で生成された前記低温液体が前記主冷却部で熱交換されることで加熱気化されて生成された気体又は超臨界流体を、前記圧縮部における相当圧力部に返送する請求項２に記載の昇圧システム。

【請求項5】

前記冷却部は、外部冷却媒体との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却して前記主冷却部へと送る予冷却部を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の昇圧システム。

【請求項6】

対象気体である二酸化炭素を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する気体の昇圧方法であって、
前記対象気体を圧縮部で圧縮する工程と圧縮された前記対象気体を中間冷却器で水又は空気により冷却する工程とを繰り返して、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮工程と、
前記圧縮工程で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却工程と、
前記冷却工程で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ工程とを備え、
前記冷却工程では、前記ポンプ工程開始前で前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して生成された低温液体を冷却媒体として利用して中間超臨界流体を冷却し、
前記低温液体が前記中間超臨界流体を冷却することで加熱気化されて生成された気体又は超臨界流体を、前記圧縮部における最終段の圧縮インペラの上流側となる該最終段の圧縮インペラの入口であって、該最終段の圧縮インペラの入口に接続された前記中間冷却器の下流側の相当圧力部に返送する気体の昇圧方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気体の昇圧を行う昇圧システム、及び昇圧方法に関する。

【背景技術】

【0002】

昇圧システムは、対象となる気体を目標圧力まで昇圧する装置である。
ここで近年、温室効果ガスとして知られる二酸化炭素の排出量増大によって地球温暖化等の問題が顕在化してきている。特に火力発電所の排気ガスには大量の二酸化炭素が含まれており、この二酸化炭素を分離・回収した後に、昇圧システムによって昇圧し、陸上の地中や海底の地中へ貯留することで大気中の二酸化炭素を低減する技術が知られている。

【0003】

このような昇圧システムにおいては、多段に構成された圧縮機によって順次二酸化炭素の圧縮を行い、超臨界圧力・温度以上の状態となった二酸化炭素をアフタークーラによって冷却することで、輸送・貯留に最適な目標温度・圧力の二酸化炭素を得ている。

【0004】

しかし、このような気体状態で昇圧する圧縮機のみのシステムでは目標温度・圧力の二酸化炭素を得るために超高圧大容量のアフタークーラが必要となり、超高圧圧縮域となることで昇圧システム全体の運転効率や信頼性が低下してしまう。

【0005】

ここで、例えば特許文献１には、上記アフタークーラを用いていない昇圧システム（二酸化炭素液化装置）が開示されている。この昇圧システムにおいては、前方段側に圧縮機を、後方段側にポンプを設けて順次二酸化炭素の圧縮を行う。また、二酸化炭素が圧縮機からポンプへ導入される際には、ポンプで昇圧されて超臨界圧の液体状態となった二酸化炭素の冷熱を利用して二酸化炭素の液化を効率化している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２６６１５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１の昇圧システムでは、圧縮機とポンプとを組み合わせたことでアフタークーラが不要となり、動力低減を図ることができているものの、圧縮機で気体（二酸化炭素）を臨界圧力未満の圧力までしか昇圧させずに冷却して液化し、ポンプへ導入している。このため、液化に要する冷熱量が非常に大きくかつ低温となっており、外部冷凍サイクルには大きな動力が必要となっている。このため、全体としての運転効率に改善の余地がある。

【0008】

本発明は、動力をさらに低減して運転効率を向上した昇圧システム、及び気体の昇圧方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第一の態様に係る昇圧システムは、対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、前記ポンプ部で昇圧された前記中間超臨界圧液体を臨界温度近傍まで加熱する加熱部とを備え、前記冷却部は、前記加熱部との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却する主冷却部を有する。

【0010】

このような昇圧システムによれば、前方段側での圧縮を圧縮部で行い、より高圧となっている後方段側での中間超臨界流体の圧送による昇圧をポンプ部で行って目標圧以上の圧力の液体とする。その後、加熱部によって最終的に臨界温度以上まで加熱することで目標とする圧力、温度の超臨界流体を得ることができる。即ち、後段側で高圧となっている部分にも、仮に圧縮機を適用して加圧した場合には、高圧ガスシールや高圧に対応した圧縮機ケーシングが多数必要となるが、後段側でポンプ部を採用したことで、これら高圧対応が不要となるためコスト低減や信頼性向上が可能となり、加圧後の超臨界流体を冷却するアフタークーラも不要となり、動力低減が可能となる。
ここで、冷却部では、圧縮部によって臨界圧以上の圧力状態となった中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体とするため、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を著しく小さく抑えながら液化させることが可能となる。
また、冷却部における主冷却部によって、圧縮部で圧縮された中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体を生成し、この中間超臨界圧液体をポンプ部へ導入可能とするとともに、中間超臨界流体の冷却の際に回収した熱を利用して加熱部との間で熱交換を行うことで、より効率良く臨界温度以上まで中間超臨界圧液体を加熱して目標とする圧力、温度の超臨界流体を得ることができる。

【0011】

さらに、本発明の第二の態様に係る昇圧システムでは、上記第一の態様における前記冷却部と前記ポンプ部との間に設けられて前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して低温液体を生成する抽液減圧部をさらに備え、前記主冷却部にて、前記抽液減圧部で生成された前記低温液体との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却してもよい。

【0012】

このような抽液減圧部によって、ポンプ部へ導入される中間超臨界圧液体自身の冷熱を有効に利用することで、中間超臨界流体から中間超臨界圧液体を生成するために必要な凝縮器を別途設置することなく、ポンプ部へ導入する中間超臨界圧液体を確実に生成できる。

【0013】

また、本発明の第三の態様に係る昇圧システムは、対象気体である二酸化炭素を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、前記対象気体を圧縮する圧縮インペラと圧縮された前記対象気体を水又は空気により冷却する中間冷却器とを複数段備えて、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、前記冷却部と前記ポンプ部との間に設けられて前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して低温液体を生成する抽液減圧部とを備え、前記冷却部は、前記抽液減圧部で生成された前記低温液体との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却する主冷却部を有し、前記抽液減圧部で生成された前記低温液体が前記主冷却部で熱交換されることで加熱気化されて生成された気体又は超臨界流体を、前記圧縮部における最終段の圧縮インペラの上流側となる該最終段の圧縮インペラの入口であって、該最終段の圧縮インペラの入口に接続された前記中間冷却器の下流側の相当圧力部に返送する。

【0014】

このような昇圧システムによれば、後段側でポンプ部を採用したことで、仮に後段側で圧縮機を適用した場合と比較して高圧対応が不要となるため、コスト低減や信頼性向上が可能となり、加圧後の超臨界流体を冷却するアフタークーラも不要となり、動力低減が可能となる。また冷却部では、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を著しく小さく抑えながら液化させることが可能となる。さらに、抽液減圧部によって、ポンプ部へ導入される中間超臨界圧液体自身の冷熱を冷却部における主冷却部で利用し、凝縮器を別途設置することなく、圧縮部で圧縮された中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体を生成してポンプ部へ導入することができる。
さらに、抽液減圧部で抽液され、生成された低温液体を外部へ排出することがなく、低温液体から生成された気体又は超臨界流体の圧力に相当する圧縮機の相当圧力部へこの気体又は超臨界流体を返送できるため、昇圧システム全体の効率をさらに向上させることができる。

【0015】

さらに、本発明の第四の態様に係る昇圧システムでは、上記第二の態様における前記抽液減圧部で生成された前記低温液体が前記主冷却部で熱交換されることで加熱気化されて生成された気体又は超臨界流体を、前記圧縮部における相当圧力部に返送してもよい。

【0016】

このようにすることで、抽液減圧部で抽液され、生成された低温液体を外部へ排出することがなく、低温液体から生成された気体又は超臨界流体の圧力に相当する圧縮機の相当圧力部へこの気体又は超臨界流体を返送できるため、昇圧システム全体の効率をさらに向上させることができる。

【0017】

さらに、本発明の第五の態様に係る昇圧システムでは、上記第一から第四の態様における前記冷却部は、冷却媒体との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却して前記主冷却部へと送る予冷却部を有してもよい。

【0018】

このような予冷却部によって、中間超臨界流体を予冷却できるので、主冷却部で必要となる冷熱量を低減できる。

【0019】

本発明の第六の態様に係る気体の昇圧方法は、対象気体である二酸化炭素を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する気体の昇圧方法であって、前記対象気体を圧縮部で圧縮する工程と圧縮された前記対象気体を中間冷却器で水又は空気により冷却する工程とを繰り返して、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮工程と、前記圧縮工程で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却工程と、前記冷却工程で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ工程とを備え、前記冷却工程では、前記ポンプ工程開始前で前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して生成された低温液体を冷却媒体として利用して中間超臨界流体を冷却し、前記低温液体が前記中間超臨界流体を冷却することで加熱気化されて生成された気体又は超臨界流体を、前記圧縮部における最終段の圧縮インペラの上流側となる該最終段の圧縮インペラの入口であって、該最終段の圧縮インペラの入口に接続された前記中間冷却器の下流側の相当圧力部に返送する。

【0020】

このような気体の昇圧方法によれば、圧縮工程の後にポンプ工程を備えることで、仮に圧縮工程のみで目標圧以上の圧力まで気体の昇圧を行う場合と比較して高圧対応が不要となるためコスト低減が可能となり、昇圧後の超臨界流体を冷却するアフタークーラも不要となるため動力低減が可能となる。また、冷却工程で臨界圧以上の圧力状態となった中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体とするため、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を著しく小さく抑えながら液化させることが可能となる。
さらに冷却工程では、低温液体によって、中間超臨界流体を効率的に冷却できる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の昇圧システム及び気体の昇圧方法によれば、圧縮部とポンプ部とを組み合わせ、冷却部において臨界圧以上の圧力状態で中間超臨界流体を冷却することで、動力をさらに低減して運転効率の向上が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第一実施形態に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。

【図2】本発明の第一実施形態に係る昇圧システムに関し、二酸化炭素の状態を示すＰ−ｈ線図である。

【図3】本発明の第一実施形態の第一変形例に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。

【図4】本発明の第一実施形態の第一変形例に係る昇圧システムに関し、二酸化炭素の状態を示すＰ−ｈ線図である。

【図5】本発明の第一実施形態の第二変形例に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。

【図6】本発明の第一実施形態の第三変形例に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。

【図7】本発明の第二実施形態に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。

【図8】本発明の第二実施形態の変形例に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。

【図9】本発明の第二実施形態の変形例に係る昇圧システムに関し、二酸化炭素の状態を示すＰ−ｈ線図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の第一実施形態に係る昇圧システム１について説明する。本実施形態では、昇圧システム１は陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となるように対象気体として二酸化炭素Ｆの気体を所定の圧力、温度まで昇圧するポンプを組込んだギアド圧縮機となっている。
なお、ギアド圧縮機は、複数のインペラを、歯車を介して連動させた多軸多段構成の圧縮機である。

【0024】

図１に示すように、昇圧システム１は、対象気体である二酸化炭素Ｆを取り込んで圧縮する圧縮部２と、圧縮部２の後方段側に設けられて二酸化炭素Ｆを昇圧するポンプ部３と、圧縮部２とポンプ部３との間に設けられた冷却部４とを備えている。
さらに、この昇圧システム１は、ポンプ部３で昇圧された二酸化炭素Ｆを加熱する加熱部５と、冷却部４とポンプ部３との間に設けられて二酸化炭素Ｆを取り出す抽液減圧部６と、抽液減圧部６からの二酸化炭素Ｆを圧縮部２に返送するバイパス流路７とを備えている。

【0025】

圧縮部２は、多段(本実施形態では６段)に設けられた複数のインペラ１０と、インペラ１０同士の間及び冷却部４との間に一つずつ設けられた複数の中間冷却器２０とを有する。そして、圧縮部２は、取り込んだ二酸化炭素Ｆを導入気体Ｆ０として圧縮と冷却を繰り返しながら臨界圧以上であって、目標圧未満の中間圧の圧力状態まで圧縮して中間超臨界流体Ｆ１を生成する。二酸化炭素Ｆの臨界圧は７．４［ＭＰａ］である。目標圧としては、当該臨界圧よりも高い値として、例えば１５［ＭＰａ］が設定される。また、圧縮部２で生成される中間超臨界流体Ｆ１の中間圧としては、例えば１０［ＭＰａ］が設定される。
ここで、圧縮部２においては、二酸化炭素Ｆが取り込まれて流通する上流側から下流側に向かって順に設けられた一段圧縮インペラ１１と、第一中間冷却器２１と、二段圧縮インペラ１２と、第二中間冷却器２２と、三段圧縮インペラ１３と、第三中間冷却器２３と、四段圧縮インペラ１４と、第四中間冷却器２４と、五段圧縮インペラ１５と、第五中間冷却器２５と、六段圧縮インペラ１６と、第六中間冷却器２６とによって構成され、これらが管路８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎによって互いに接続されている。

【0026】

冷却部４は、第六中間冷却器２６の下流側に管路８ｌによって接続され、圧縮部２の最終段となる六段圧縮インペラ１６から生成された中間超臨界流体Ｆ１を臨界温度近傍まで冷却して液化し、中間超臨界圧液体Ｆ２を生成する。

【0027】

この冷却部４は、圧縮部２で生成された中間超臨界流体Ｆ１を予冷却する予冷却部２９と、予冷却部２９で冷却された中間超臨界流体Ｆ１をさらに冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２を生成する主冷却部２８とを有している。
予冷却部２９は、外部冷却媒体Ｗによって中間超臨界流体Ｆ１を予冷却する熱交換器である。

【0028】

主冷却部２８は、後述する抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を導入し、これを冷媒として中間超臨界流体Ｆ１の冷却を行う。そして、本実施形態で主冷却部２８と加熱部５との間については、主冷却部２８で中間超臨界流体Ｆ１を冷却することで得られる熱により加熱部５での加熱を行っており、一つの熱交換器を構成している。

【0029】

ここで、予冷却部２９で外部から取り込む外部冷却媒体Ｗの温度及び流量等によって予冷却部２９での冷却能力は異なるが、本実施例では予冷却部２９を利用することなく第六中間冷却器２６のみで圧縮部２で生成された中間超臨界流体Ｆ１が液体への遷移領域まで冷却され、その後、主冷却部２８によって液化されて中間超臨界圧液体Ｆ２が生成されている。

【0030】

また、冷却部４で中間超臨界流体Ｆ１を臨界温度近傍まで冷却する際には、好ましくは臨界温度の±２０［℃］となる温度まで冷却し、より好ましくは臨界温度の±１５［℃］となる温度まで冷却し、臨界温度の±１０［℃］となる温度まで冷却することが最も好ましい。

【0031】

ポンプ部３は、冷却部４の下流側に管路８ｍによって接続され、冷却部４を通過して生成された中間超臨界圧液体Ｆ２を導入して目標圧の圧力状態まで昇圧し、目標圧液体Ｆ３を生成する。本実施形態では、このポンプ部３は、一段ポンプインペラ３１及び二段ポンプインペラ３２からなる二段構成となっている。

【0032】

加熱部５は、ポンプ部３の下流側に管路８ｎによって接続されて設けられ、ポンプ部３からの目標圧液体Ｆ３を導入して、臨界温度（３１．１［℃］）以上の目標超臨界流体Ｆ４を生成する。上記のとおり、加熱部５は、冷却部４の主冷却部２８とともに熱交換器を構成している。
即ち、この加熱部５では、主冷却部２８との間での熱交換を行うことにより、主冷却部２８で中間超臨界流体Ｆ１を冷却して得た凝縮熱によって目標圧液体Ｆ３の加熱を行う。

【0033】

抽液減圧部６は、主冷却部２８とポンプ部３との間に設けられ、主冷却部２８からの中間超臨界圧液体Ｆ２の一部を抽液して得た低温液体Ｆ５によって主冷却部２８での中間超臨界流体Ｆ１の冷却を行うとともに低温液体Ｆ５自身が加熱される。
具体的にはこの抽液減圧部６は、主冷却部２８とポンプ部３との間の管路８ｍから分岐するように、一端がこの管路８ｍに接続された分岐管路４１と、この分岐管路４１の他端が接続されて主冷却部２８との間で熱交換を行う熱交換部４２と、分岐管路４１の中途位置に設けられたバルブ４３とを有している。
バルブ４３は、開度を調節することによって抽液した中間超臨界圧液体Ｆ２に対してジュールトムソン効果による減圧を行い、低温液体Ｆ５を生成する。この減圧は臨界圧近傍まで行われるが、好ましくは臨界圧の±２［ＭＰａ］となる圧力まで減圧し、より好ましくは臨界圧の±１．５［ＭＰａ］となる圧力まで減圧し、臨界圧の±１［ＭＰａ］となる圧力まで減圧することが最も好ましい。

【0034】

バイパス流路７は、抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を圧縮部２の六段圧縮インペラ１６の上流側に返送する。即ち、このバイパス流路７は、一端が抽液減圧部６の熱交換部４２に接続され、他端が六段圧縮インペラ１６と第五中間冷却器２５との間の管路８ｊに接続されている。

【0035】

次に、図２のＰ−ｈ線図を参照して、二酸化炭素Ｆの状態変化の様子（二酸化炭素Ｆの昇圧方法）について説明する。
圧縮部２において、一段圧縮インペラ１１に導入された導入気体Ｆ０（状態Ｓ１ａ）は、図２の実線の矢印に示すように、一段圧縮インペラ１１によって圧縮されて状態Ｓ１ａよりも高圧で高温の状態Ｓ１ｂとなる。その後、第一中間冷却器２１によって等圧で冷却されて状態Ｓ２ａとなる。そしてこのように圧縮と冷却を繰り返して、状態Ｓ２ｂ→状態Ｓ３ａ→状態Ｓ３ｂ→状態Ｓ４ａ→状態Ｓ４ｂ→状態Ｓ５ａ→状態Ｓ５ｂ→状態Ｓ６ａ→状態Ｓ６ｂ→状態Ｓ７ａ→状態Ｓ７ｂと状態変化し、臨界圧以上の圧力の中間超臨界流体Ｆ１の状態となる（圧縮工程）。

【0036】

その後、状態Ｓ７ｂとなった中間超臨界流体Ｆ１は予冷却部２９へ導入される。予冷却部２９では等圧状態でさらに冷却されて中間超臨界流体Ｆ１の温度を下げることができる（冷却工程）が、本実施例では予冷却部２９は利用していない。

【0037】

中間超臨界流体Ｆ１ は、主冷却部２８によって超臨界圧のまま等圧で冷却されて、臨界温度以下の状態Ｓ８ａとなって中間超臨界流体Ｆ１は中間超臨界圧液体Ｆ２へと相変化して、ポンプ部３へ導入される（冷却工程）。

【0038】

ポンプ部３では、状態Ｓ８ａの中間超臨界圧液体Ｆ２が、陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる目標圧まで昇圧されるとともに、温度が上昇して状態Ｓ８ｂの目標圧液体Ｆ３となる（ポンプ工程）。その後、この目標圧液体Ｆ３を加熱部５によって加熱することで、臨界温度以上まで等圧で昇温し、二酸化炭素Ｆを陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる最終状態Ｓ９とする。

【0039】

ここで、主冷却部２８で状態Ｓ８ａとなった中間超臨界圧液体Ｆ２の一部が抽液減圧部６のバルブ４３を開放することで抽液される。抽液された中間超臨界圧液体Ｆ２は減圧され、状態Ｓ１０の低温液体Ｆ５となる。この状態Ｓ１０における圧力は、六段圧縮インペラ１６の上流側であって第五中間冷却器２５の下流側の圧力に相当する圧力とされている。また、この低温液体Ｆ５は冷却部４との間で熱交換することで加熱されて等圧状態のまま気化し、六段圧縮インペラ１６の上流側における状態Ｓ６ａの気体又は超臨界流体となる。この気体または超臨界流体がバイパス流路７によって六段圧縮インペラ１６の上流側へ返送され、圧縮部２を流通する中間超臨界流体Ｆ１に混入される。

【0040】

このような昇圧システム１によると、まず前方段での二酸化炭素Ｆの圧縮を圧縮部２で行い、より高圧となっている後方段での昇圧をポンプ部３で行うことで、目標圧液体Ｆ３を生成し、その後、加熱部５によって最終的に臨界温度以上まで加熱することで陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる目標超臨界流体Ｆ４を得ることができる。

【0041】

ここで、仮に高圧となっている後段側の部分にも圧縮部２と同様のインペラを適用した場合には、高圧ガスシールや高圧に対応した圧縮機ケーシングが多数必要となってしまい、信頼性が低下するとともにコストアップしてしまう問題がある。また、このような高圧状態に対応するためにはインペラの軸径を大きくしたり、インペラの回転数を低減するなどの対応が必要となり、信頼性と運転効率の低下の問題がある。

【0042】

この点、本実施形態では高圧側でポンプ部３を採用している。ポンプ部３では液体を昇圧するため、高圧状態（約１５〜６０［ＭＰａ］）まで昇圧するに際して、対象となる流体をシールすることが容易であることから非常に有利であり、上述のようなコストアップを回避でき、また信頼性と運転効率の問題も解消できる。

【0043】

さらに、仮に高圧となる後段側にも圧縮部２と同様のインペラを適用した場合には、特性が不安定となる遷移域での圧縮をさけるべく第六中間冷却器２６での冷却は状態Ｓ７ａ止まりとなり、図２の点線に示すように昇圧後の超臨界流体は、目標超臨界流体Ｆ４に比べて温度が高い状態となる。従って目標超臨界流体Ｆ４を得るためには、圧縮後の冷却を行うアフタークーラ等がさらに必要となる。

【0044】

この点についても、本実施形態では上記アフタークーラ等は不要であり、このアフタークーラを作動するための動力を低減できる。

【0045】

また冷却部４では、圧縮部２によって臨界圧以上の状態となった中間超臨界流体Ｆ１を冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２とする。
ここで、図２に示すＰ−ｈ線図によると、臨界圧力未満では等温線が縦軸（圧力）に略平行となるように立ち上がるとともに、等温線同士の間隔が狭くなっている。一方で、臨界圧以上であって臨界温度付近の遷移領域では、等温線は横軸（エンタルピー）に略平行となるとともに等温線同士の間隔が広くなっている。従って遷移領域では、二酸化炭素Ｆが等圧状態で状態変化する際に、より小さな温度変化でより大きなエンタルピー変化が生じることとなる。

【0046】

よって、本実施形態のように臨界圧以上の状態で中間超臨界流体Ｆ１を冷却する場合には、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を小さく抑えながら中間超臨界流体Ｆ１の液化が可能となる。

【0047】

また、中間超臨界流体Ｆ１は、まず第六中間冷却器２６のみによって水冷で遷移領域まで冷却される。ここで、中間超臨界流体Ｆ１は臨界圧、臨界温度付近の状態にあるため、上述したように小さな温度変化でより大きなエンタルピー変化が生じ、水冷のみで中間超臨界流体Ｆ１の液化に必要な大部分の冷熱量を得ることができる。

【0048】

なお、本実施形態では、主冷却部２８の冷媒は抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５であるが、外部より適当な冷却媒体Ｗが得られる場合には、予冷却部２９によって予冷却することで、主冷却部２８で必要となる冷熱量の低減が可能となる。例えばこの場合、図３、図４に示すように、状態Ｓ７ｂから状態Ｓ７ｃまでの冷却を予冷却部２９で冷却し、状態Ｓ７ｃから状態Ｓ８ａまでの冷却を主冷却部２８で行うこととなる。
従って、このような予冷却部２９によって低温液体Ｆ５の流量を低減したとしても主冷却部２８での冷却を十分に行うことができる。よって、バイパス流路７を介して圧縮部２へ返送される低温液体Ｆ５の流量を低減できるため、圧縮部２での動力低減も可能となり、さらなる運転効率の向上につながる。

【0049】

さらに、この主冷却部２８の冷媒は低温液体Ｆ５であるため、ポンプ部３へ導入される中間超臨界圧液体Ｆ２自身の冷熱を有効に利用して、即ち中間超臨界流体Ｆ１から中間超臨界圧液体Ｆ２を生成するために必要な凝縮器を別途設置することなく、ポンプ部３へ導入する中間超臨界圧液体Ｆ２を確実に生成可能である。

【0050】

また、主冷却部２８では、圧縮部２で圧縮された中間超臨界流体Ｆ１を冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２を生成し、ポンプ部３へ中間超臨界圧液体Ｆ２を導入可能とするとともに、中間超臨界流体Ｆ１の冷却の際に回収した熱について、加熱部５との間で熱交換を行うことで臨界温度以上まで中間超臨界圧液体Ｆ２を加熱することができる。

【0051】

また、冷却部４での中間超臨界流体Ｆ１の冷却、加熱部５での目標圧液体Ｆ３の加熱では、臨界圧以上の高圧状態で熱交換が行われるため、熱交換部分をコンパクト化可能であるため、システム全体としてコンパクト化を図ることができる。

【0052】

そして、バイパス流路７を設けたことで、抽液された中間超臨界圧液体Ｆ２を外部へ排出することがなくなるため、昇圧システム１全体の効率をより向上させることができる。

【0053】

なお、本実施形態で、抽液減圧部６を必ずしも設けなくともよく、この場合には、図５に示すように冷却部４は加熱部５との間でのみ、もしくは加熱部５及び外部冷却媒体Ｗとの間で熱交換を行うこととなる。

【0054】

また、ポンプ部３で昇圧することのみで目標とする圧力、温度の気体を得ることができる場合やプロセスの原料として容器に貯蔵する等の目的で液体状態の方が望ましい場合は、加熱部５は必ずしも設けなくともよく、この場合には、図６に示すように冷却部４は抽液減圧部６における低温液体Ｆ５及び外部冷却媒体Ｗ、もしくはこれらのうちのいずれか一方によって冷却を行うこととなる。

【0055】

次に本発明の第二実施形態に係る昇圧システム１Ａについて説明する。
第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態の昇圧システム１Ａは、任意の圧縮機形式（遠心式、往復式など）及びポンプ形式との組合せである。

【0056】

昇圧システム１Ａは、第一実施形態と同様に、圧縮部２Ａと、ポンプ部３Ａと、冷却部４Ａと、加熱部５Ａと、分岐管路４１Ａと熱交換部４２Ａとバルブ４３Ａとを有する抽液減圧部６Ａと、バイパス流路７Ａとを備えている。そして、これら圧縮部２Ａ、ポンプ部３Ａ、冷却部４Ａ、加熱部５Ａは管路８Ａａ、８Ａｂ、８Ａｃ、８Ａｄ、８Ａｅ、８Ａｆ、８Ａｇ、８Ａｈ、８Ａｉ、８Ａｊ、８Ａｋ、８Ａｌ、８Ａｍ、８Ａｎによって互いに接続されている。

【0057】

圧縮部２Ａは、多段(本実施形態では６段)に設けられた複数の圧縮ステージ１１Ａ〜１６Ａと、圧縮ステージ１１Ａ〜１６Ａ同士の間、及び冷却部４Ａとの間に一つずつ設けられた複数の中間冷却器２１Ａ〜２６Ａとを有している。

【0058】

ポンプ部３Ａは、圧縮部２Ａの後方段に設けられて、多段（本実施形態では２段）のポンプステージ３１Ａ、３２Ａから構成されている。

【0059】

ここで、図７における二酸化炭素Ｆの状態Ｓ１ａから状態Ｓ９まで、及び状態Ｓ１０と、図２における二酸化炭素Ｆの状態Ｓ１ａから状態Ｓ９まで、及び状態Ｓ１０とは対応している。

【0060】

このような昇圧システム１Ａによると、第一実施形態と同様に、圧縮部２Ａとポンプ部３Ａとを組み合わせてコストを抑え、運転効率を向上するとともに、冷却部４Ａを採用して臨界圧以上での冷却が可能となるため、中間超臨界流体Ｆ１の液化に要する動力をさらに低減することが可能である。

【0061】

ここで、図８に示すように、ポンプ部３Ａの後段側に、ポンプ部９Ａをさらに備えていてもよい。このようにすることで、ポンプステージを追加して、さらに高圧まで昇圧を行うことも可能である。そしてこの場合、図９に示すように二酸化炭素Ｆの状態Ｓ９が状態Ｓ９ａとなり、目標圧以上の圧力の超臨界流体を得ることができる。
なお、第一実施形態の昇圧システム１においても、このようにポンプ部３の後段側に、ポンプ部をさらに追加して二酸化炭素Ｆを目標圧以上の圧力まで昇圧してもよい。

【0062】

また、本実施形態においても、冷却部４Ａでは予冷却部２９Ａを利用せず、主冷却部２８Ａのみによって冷却を行っているが、予冷却部２９Ａによって予冷却することで、主冷却部２８Ａで必要となる冷熱量の低減が可能となる。

【0063】

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

【0064】

例えば、冷却部４（４Ａ）における主冷却部２８（２８Ａ）は抽液減圧部６（６Ａ）からの低温液体Ｆ５によって、中間超臨界圧液体Ｆ２の冷却を行っているが、予冷却部２９（２９Ａ）と同様に、外部冷却媒体Ｗ等の外部からの冷媒によって中間超臨界圧液体Ｆ２を冷却してもよい。さらに、加熱部５（５Ａ）では外部の加熱器を別途設けて目標圧液体Ｆ３を加熱して目標超臨界流体Ｆ４を生成してもよく、即ち、冷却部４（４Ａ）と加熱部５（５Ａ）とを独立させてもよい。これにより構造を簡素化可能である。

【0065】

また、中間冷却器２１Ａ〜２６Ａの冷却媒体は水に限らず、空気等であってもよい。

【0066】

さらに、バイパス流路７（７Ａ）は必ずしも設けられなくともよい。この場合、圧縮部２（２Ａ）へ返送される低温液体Ｆ５の流量分を考慮せずに、圧縮部２（２Ａ）の設計を行うことができる。

【0067】

また、圧縮部２（２Ａ）及びポンプ部３（３Ａ）の段数は上述の実施形態に限定されない。

【0068】

さらに、実施形態では対象気体は二酸化炭素Ｆとしていたが、これに限定されることなく、様々な気体の昇圧に昇圧システム１（１Ａ）を適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明は、気体の昇圧を行う昇圧システムに関する。本発明の昇圧システムによれば、圧縮部とポンプ部とを組み合わせ、冷却部において臨界圧以上の圧力状態で中間超臨界流体を冷却することで、動力をさらに低減して運転効率の向上が可能である。

【符号の説明】

【0070】

１…昇圧システム ２…圧縮部 ３…ポンプ部 ４…冷却部 ５…加熱部 ６…抽液減圧部 ７…バイパス流路 ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ…管路 １１…一段圧縮インペラ １２…二段圧縮インペラ １３…三段圧縮インペラ １４…四段圧縮インペラ １５…五段圧縮インペラ １６…六段圧縮インペラ ２０…中間冷却器 ２１…第一中間冷却器 ２２…第二中間冷却器 ２３…第三中間冷却器 ２４…第四中間冷却器 ２５…第五中間冷却器 ２６…第六中間冷却器 Ｆ…二酸化炭素（対象気体） Ｆ０…導入気体 Ｆ１…中間超臨界流体 Ｆ２…中間超臨界圧液体 Ｆ３…目標圧液体 Ｆ４…目標超臨界流体 Ｆ５…低温液体 Ｗ…外部冷却媒体 ２８…主冷却部 ２９…予冷却部 ３１…一段ポンプインペラ ３２…二段ポンプインペラ ４１…分岐管路 ４２…熱交換部 ４３…バルブ １Ａ…昇圧システム ２Ａ…圧縮部 ３Ａ…ポンプ部 ４Ａ…冷却部 ５Ａ…加熱部 ６Ａ…抽液減圧部 ７Ａ…バイパス流路 ８Ａａ、８Ａｂ、８Ａｃ、８Ａｄ、８Ａｅ、８Ａｆ、８Ａｇ、８Ａｈ、８Ａｉ、８Ａｊ、８Ａｋ、８Ａｌ、８Ａｍ、８Ａｎ…管路 ９Ａ…ポンプ部 １１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａ、１５Ａ、１６Ａ…圧縮ステージ ２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａ、２６Ａ…中間冷却器 ２８Ａ…主冷却器 ２９Ａ…予冷却器 ３１Ａ、３２Ａ…ポンプステージ ４１Ａ…分岐管路 ４２Ａ…熱交換部 ４３Ａ…バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】