升壓系統(tǒng)及氣體的升壓方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力的升壓系統(tǒng)，該升壓系統(tǒng)包括：壓縮部，其將上述對象氣體壓縮到臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成中間超臨界流體；冷卻部，其將通過上述壓縮部生成的上述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體；及泵部，其將通過上述冷卻部生成的上述中間超臨界壓液體升壓至上述目標壓以上的壓力，將由上述泵部升壓后的上述中間超臨界壓液體、在泵部的上游側(cè)對上述中間超臨界壓液體進行抽液而減壓至臨界壓附近而生成的低溫液體、及外部冷卻介質(zhì)中的至少一者用作冷卻部中的冷卻介質(zhì)。
【專利說明】升壓系統(tǒng)及氣體的升壓方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對氣體進行升壓的升壓系統(tǒng)及升壓方法。
【背景技術(shù)】
[0002]升壓系統(tǒng)是將作為對象的氣體升壓至目標壓力的裝置。
[0003]在此，近年來，由于作為溫室效應氣體而被公知的二氧化碳的排出量增大而導致全球氣候變暖等問題逐漸顯著化。尤其是公知有如下技術(shù):在火力發(fā)電廠的廢氣中含有大量的二氧化碳，在將該二氧化碳分離?回收之后，利用升壓系統(tǒng)進行升壓，向陸地的地下、海底的地下貯存，從而減少大氣中的二氧化碳。
[0004]在這樣的升壓系統(tǒng)中，利用多級構(gòu)成的壓縮機來依次進行二氧化碳的壓縮，利用二次冷卻器對處于超臨界壓力.溫度以上的狀態(tài)的二氧化碳進行冷卻，從而獲得最適于輸送.貯存的目標溫度.壓力的二氧化碳。
[0005]然而，在僅具有以上述氣體狀態(tài)進行升壓的壓縮機的系統(tǒng)中，為了獲得目標溫度?壓力的二氧化碳，需要超高壓大容量的二次冷卻器，通過形成超高壓壓縮區(qū)域而使升壓系統(tǒng)整體的運轉(zhuǎn)效率、可靠性降低。
[0006]在此，例如在專利文獻I中，公開了未使用上述二次冷卻器的升壓系統(tǒng)(二氧化碳液化裝置)。在該升壓系統(tǒng)中，在前方級側(cè)設(shè)置壓縮機，在后方級側(cè)設(shè)置泵而依次進行二氧化碳的壓縮。此外，在將二氧化碳從壓縮機向泵導入時，利用由泵進行升壓而達到超臨界壓的液體狀態(tài)的二氧化碳的冷能，使二氧化碳的液化效率化。
[0007]在先技術(shù)文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特開2010-266154號公報
[0010]發(fā)明要解決的問題
[0011]然而，在上述專利文獻I的升壓系統(tǒng)中，通過將壓縮機與泵組合而不再需要二次冷卻器，雖然能夠謀求降低動力，但利用壓縮機僅使氣體(二氧化碳)升壓至臨界壓力以下的壓力，從而進行冷卻液化并向泵中導入。因此，液化所需的冷量非常大且形成為低溫，在外部制冷循環(huán)中需要較大的動力。因此，作為整體的運轉(zhuǎn)效率存在改善的余地。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提供進一步降低動力而提高運轉(zhuǎn)效率的升壓系統(tǒng)及氣體的升壓方法。
[0013]解決方案
[0014]本發(fā)明的第一實施方式的升壓系統(tǒng)是將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力的升壓系統(tǒng)，該升壓系統(tǒng)包括:壓縮部，其將上述對象氣體壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成 中間超臨界流體；冷卻部，其將由上述壓縮部生成的上述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體；泵部，其將由上述冷卻部生成的上述中間超臨界壓液體升壓至上述目標壓以上的壓力；及加熱部，其將由上述泵部升壓的上述中間超臨界壓液體加熱至臨界溫度附近，上述冷卻部具有在與上述加熱部之間進行熱交換而對上述中間超臨界流體進行冷卻的主冷卻部。
[0015]根據(jù)這樣的升壓系統(tǒng)，利用壓縮部進行前方級側(cè)的壓縮，利用泵部進行基于成為更高壓的后方級側(cè)的中間超臨界流體的壓送的升壓，從而形成目標壓以上的壓力的液體。之后，能夠利用加熱部最終加熱至臨界溫度以上，從而獲得作為目標的壓力、溫度的超臨界流體。S卩，在后級側(cè)形成高壓的部分處，假設(shè)在應用壓縮機進行加壓的情況下，大多需要高壓氣封、與高壓對應的壓縮機外殼，但通過在后級側(cè)采用泵部，則不需要上述高壓對應，故能夠降低成本、提高可靠性，也不需要對加壓后的超臨界流體進行冷卻的二次冷卻器，從而能夠降低動力。
[0016]在此，在冷卻部中，對利用壓縮部達到臨界壓以上的壓力狀態(tài)的中間超臨界流體進行冷卻而形成中間超臨界壓液體，因此與在不足臨界壓的狀態(tài)下進行冷卻的情況相比較，能夠一邊將冷卻所需的熱量顯著地抑制得較小、一邊使中間超臨界流體液化。
[0017]此外，利用冷卻部中的主冷卻部，對由壓縮部進行壓縮后的中間超臨界流體進行冷卻而生成中間超臨界壓液體，能夠?qū)⒃撝虚g超臨界壓液體向泵部導入，并且利用在中間超臨界流體的冷卻時回收的熱量，在與加熱部之間進行熱交換，由此能夠更高效地將中間超臨界壓液體加熱至臨界溫度以上，從而獲得作為目標的壓力、溫度的超臨界流體。
[0018]另外，本發(fā)明的第二實施方式的升壓系統(tǒng)還包括抽液減壓部，該抽液減壓部設(shè)置在上述第一實施方式中的上述冷卻部與上述泵部之間，并對上述中間超臨界壓液體進行抽液而減壓至臨界壓附近，從而生成低溫液體，也可以利用上述主冷卻部，在與由上述抽液減壓部生成的上述低溫液體之間進行熱交換，從而對上述中間超臨界流體進行冷卻。
[0019]利用這樣的抽液減壓部，通過有效地利用向泵部導入的中間超臨界壓液體自身的冷能，從而在不額外設(shè)置從中間超臨界流體生成中間超臨界壓液體所需要的冷凝器的情況下，能夠可靠地生成向泵部導入的中間超臨界壓液體。
[0020]此外，本發(fā)明的第三實施方式的升壓系統(tǒng)是將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力的升壓系統(tǒng)，該升壓系統(tǒng)包括:壓縮部，其將上述對象氣體壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成中間超臨界流體；冷卻部，其將由上述壓縮部生成的上述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體；泵部，其將由上述冷卻部生成的上述中間超臨界壓液體升壓至上述目標壓以上的壓力；及抽液減壓部，其設(shè)置在上述冷卻部與上述泵部之間，并對上述中間超臨界壓液體進行抽液而減壓至臨界壓附近，從而生成低溫液體，上述冷卻部具有在與由上述抽液減壓部生成的上述低溫液體之間進行熱交換而對上述中間超臨界流體進行冷卻的主冷卻部。
[0021]根據(jù)這樣的升壓系統(tǒng)，通過在后級側(cè)采用泵部，與假設(shè)在后級側(cè)應用壓縮機的情況相比較，不需要對應高壓，因此能夠降低成本、提高可靠性，也無需對加壓后的超臨界流體進行冷卻的二次冷卻器，從而能夠降低動力。此外，在冷卻部中，與在不足臨界壓的狀態(tài)下進行冷卻的情況相比較，能夠一邊將冷卻所需的熱量顯著地抑制得較小、一邊使該超臨界流體液化。另外，利用抽液減壓部，向泵部導入的中間超臨界壓液體自身的冷能被冷卻部中的主冷卻部利用，無須額外設(shè)置冷凝器，便能對由壓縮部壓縮后的中間超臨界流體進行冷卻而生成中間超臨界壓液體，并向泵部導入。
[0022]另外，在本發(fā)明的第四實施方式的升壓系統(tǒng)中，也可以使由上述第二或第三實施方式中的上述抽液減壓部生成的上述低溫液體在上述主冷卻部進行熱交換，由此將被加熱汽化而生成的氣體或超臨界流體送回到上述壓縮部中的相應壓力部。
[0023]這樣的話，無需由抽液減壓部抽液并將生成的低溫液體向外部排出，便能向與從低溫液體生成的氣體或超臨界流體的壓力相應的壓縮機的相應壓力部送回該氣體或超臨界流體，因此能夠進一步提高升壓系統(tǒng)整體的效率。
[0024]另外，在本發(fā)明的第五實施方式的升壓系統(tǒng)中，上述第一至第四實施方式中的上述冷卻部也可以具有預冷卻部，該預冷卻部在與冷卻介質(zhì)之間進行熱交換，并將上述中間超臨界流體冷卻而向上述主冷卻部輸送。
[0025]利用這樣的預冷卻部，能夠?qū)χ虚g超臨界流體預冷卻，因此能夠降低在主冷卻部所需要的冷量。
[0026]本發(fā)明的第六實施方式的氣體的升壓方法是將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力的氣體的升壓方法，該氣體的升壓方法包括:壓縮工序，其將上述對象氣體壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成中間超臨界流體；冷卻工序，其將由上述壓縮工序生成的上述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體；及泵工序，其將由上述冷卻工序生成的上述中間超臨界壓液體升壓至上述目標壓以上的壓力，在上述冷卻工序中，將由上述泵工序升壓后的上述中間超臨界壓液體、在上述泵工序開始之前對上述中間超臨界壓液體進行抽液且減壓至臨界壓附近而生成的低溫液體、及外部冷卻介質(zhì)中的至少一者用作冷卻介質(zhì)而對中間超臨界流體進行冷卻。
[0027]根據(jù)這樣的氣體的升壓方法，在壓縮工序之后包括泵工序，從而與假設(shè)僅利用壓縮工序進行氣體的升壓至目標壓以上的壓力的情況相比較，無需對應高壓，因此能夠降低成本，由于也不再需要對升壓后的超臨界流體進行冷卻的二次冷卻器，因此能夠降低動力。此外，在冷卻工序中對處于臨界壓以上的壓力狀態(tài)的中間超臨界流體進行冷卻而形成為中間超臨界壓液體，因此與在臨界壓以下的狀態(tài)下進行冷卻的情況相比較，能夠一邊將冷卻所需的熱量顯著地抑制得較小、一邊使中間超臨界流體液化。另外，在冷卻工序中，能夠利用中間超臨界壓液體、低溫液體、外部冷卻介質(zhì)等有效地冷卻中間超臨界流體。
[0028]發(fā)明效果
[0029]根據(jù)本發(fā)明的升壓系統(tǒng)及氣體的升壓方法，將壓縮部與泵部組合起來，在冷卻部中以臨界壓以上的壓力狀態(tài)對中間超臨界流體進行冷卻，由此能夠進一步降低動力而提高運轉(zhuǎn)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的升壓系統(tǒng)的概要的系統(tǒng)圖。
[0031 ] 圖2涉及本發(fā)明的第一實施方式的升壓系統(tǒng)，是表示二氧化碳的狀態(tài)的P_h線圖。
[0032]圖3是表示本發(fā)明的第一實施方式的第一變形例的升壓系統(tǒng)的概要的系統(tǒng)圖。
[0033]圖4涉及本發(fā)明的第一實施方式的第一變形例的升壓系統(tǒng)，是表示二氧化碳的狀態(tài)的Ρ-h線圖。
[0034]圖5是表示本發(fā)明的第一實施方式的第二變形例的升壓系統(tǒng)的概要的系統(tǒng)圖。
[0035]圖6是表示本發(fā)明的第一實施方式的第三變形例的升壓系統(tǒng)的概要的系統(tǒng)圖。
[0036]圖7是表示本發(fā)明的第二實施方式的升壓系統(tǒng)的概要的系統(tǒng)圖。[0037]圖8是表示本發(fā)明的第二實施方式的變形例的升壓系統(tǒng)的概要的系統(tǒng)圖。
[0038]圖9涉及本發(fā)明的第二實施方式的變形例的升壓系統(tǒng)，是表示二氧化碳的狀態(tài)的P-h線圖。
【具體實施方式】
[0039]以下，說明本發(fā)明的第一實施方式的升壓系統(tǒng)I。在本實施方式中，升壓系統(tǒng)I成為組裝有泵的齒輪式壓縮機，該泵使作為對象氣體的二氧化碳F的氣體升壓至規(guī)定的壓力、溫度，以便能夠?qū)⑸鲜鰵怏w貯存到陸地的地下、海底的地下。
[0040]需要說明的是，齒輪式壓縮機是借助齒輪使多個葉輪連動的多軸多級結(jié)構(gòu)的壓縮機。
[0041]如圖1所示，升壓系統(tǒng)I包括:壓縮部2，其導入作為對象氣體的二氧化碳F并對其進行壓縮；泵部3，其設(shè)置在壓縮部2的后方級側(cè)并對二氧化碳F進行升壓；冷卻部4，其設(shè)置在壓縮部2與泵部3之間。
[0042]另外，該升壓系統(tǒng)I包括:加熱部5，其對由泵部3升壓后的二氧化碳F進行加熱；抽液減壓部6，其設(shè)置在冷卻部4與泵部3之間并導出二氧化碳F ;旁通流路7，其將來自抽液減壓部6的二氧化碳F送回到壓縮部2。
[0043]壓縮部2具有設(shè)為多級(在本實施方式中為六級)的多個葉輪10及在葉輪10彼此之間及與冷卻部4之間各設(shè)置一個的多個中間冷卻器20。而且，壓縮部2將導入的二氧化碳F作為導入氣體H)反復進行壓縮和冷卻，并且壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓的壓力狀態(tài)，從而生成中間超臨界流體F1。二氧化碳F的臨界壓是7.4 [MPa]。作為目標壓，設(shè)為比該臨界壓高的值，例如設(shè)定為15 [MPa]。此外，作為由壓縮部2生成的中間超臨界流體Fl的中間壓，例如設(shè)定為10 [MPa]。
[0044]在此，在壓縮部2中，由導入二氧化碳F且供其流通的、從上游側(cè)朝向下游側(cè)依次設(shè)置的一級壓縮葉輪11、第一中間冷卻器21、二級壓縮葉輪12、第二中間冷卻器22、三級壓縮葉輪13、第三中間冷卻器23、四級壓縮葉輪14、第四中間冷卻器24、五級壓縮葉輪15、第五中間冷卻器25、六級壓縮葉輪16及第六中間冷卻器26構(gòu)成，上述構(gòu)件通過管路8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h、81、8j、8k、81、8m、8n 而彼此連接。
[0045]冷卻部4借助管路81而與第六中間冷卻器26的下游側(cè)連接，并將從成為壓縮部2的最終級的六級壓縮葉輪16生成的中間超臨界流體Fl冷卻至臨界溫度附近并使其液化，從而生成中間超臨界壓液體F2。
[0046]該冷卻部4具有對由壓縮部2生成的中間超臨界流體Fl進行預冷卻的預冷卻部29及對由預冷卻部29冷卻后的中間超臨界流體Fl進行進一步冷卻而生成中間超臨界壓液體F2的主冷卻部28。
[0047]預冷卻部29是借助外部冷卻介質(zhì)W對中間超臨界流體Fl進行預冷卻的熱交換器。
[0048]主冷卻部28導入來自后述的抽液減壓部6的低溫液體F5，將其作為制冷劑而進行中間超臨界流體Fl的冷卻。而且，在本實施方式中，在主冷卻部28與加熱部5之間，利用由主冷卻部28冷卻中間超臨界流體Fl而獲得的熱量進行加熱部5處的加熱，從而構(gòu)成一個熱交換器。[0049]在此，基于在預冷卻部29處從外部導入的外部冷卻介質(zhì)W的溫度及流量等使預冷卻部29處的冷卻能力不同,但在本實施例中不使用預冷卻部29而僅利用第六中間冷卻器26將由壓縮部2生成的中間超臨界流體Fl冷卻至朝向液體轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)域，然后，被主冷卻部28液化而生成中間超臨界壓液體F2。
[0050]此外，當由冷卻部4將中間超臨界流體Fl冷卻至臨界溫度附近時，優(yōu)選冷卻至成為臨界溫度的±20[°C ]的溫度，進一步優(yōu)選冷卻至成為臨界溫度的±15[°C ]的溫度，最優(yōu)選冷卻至成為臨界溫度的±10[°C ]的溫度。
[0051]泵部3借助管路Sm而與冷卻部4的下游側(cè)連接，導入通過冷卻部4而生成的中間超臨界壓液體F2并將其升壓到目標壓的壓力狀態(tài)，從而生成目標壓液體F3。在本實施方式中，該泵部3成為由一級泵葉輪31及二級泵葉輪32構(gòu)成的二級結(jié)構(gòu)。
[0052]加熱部5借助管路Sn而與泵部3的下游側(cè)連接設(shè)置，導入來自泵部3的目標壓液體F3，生成臨界溫度(31.1[°C ])以上的目標超臨界流體F4。如上所述，加熱部5與冷卻部4的主冷卻部28 —起構(gòu)成熱交換器。
[0053]即，在該加熱部5中，通過進行在與主冷卻部28之間的熱交換，利用在主冷卻部28處冷卻中間超臨界流體Fl而獲得的凝結(jié)熱來進行目標壓液體F3的加熱。
[0054]抽液減壓部6設(shè)置在主冷卻部28與泵部3之間，利用對來自主冷卻部28的中間超臨界壓液體F2的一部分進行抽液而獲得的低溫液體F5，進行主冷卻部28處的中間超臨界流體Fl的冷卻，并且加熱低溫液體F5自身。
[0055]具體來說，該抽液減壓部6具有以從主冷卻部28與泵部3之間的管路8m分支的方式一端與該管路8m連接的分支管路41、與該分支管路41的另一端連接而在與主冷卻部28之間進行熱交換的熱交換部42、及設(shè)置在分支管路41的中途位置的閥43。
[0056]閥43通過調(diào)節(jié)的開度來對抽液后的中間超臨界壓液體F2進行由焦耳-湯姆孫效應引起的減壓，從而生成低溫液體F5。該減壓進行至臨界壓附近，優(yōu)選減壓至成為臨界壓的±2[MPa]的壓力，進一步優(yōu)選減壓至成為臨界壓的±1.5[MPa]的壓力，最優(yōu)選減壓至成為臨界壓的±l[MPa]的壓力。
[0057]旁通流路7將來自抽液減壓部6的低溫液體F5送回到壓縮部2的六級壓縮葉輪16的上游側(cè)。即，該旁通流路7將其一端與抽液減壓部6的熱交換部42連接，另一端與六級壓縮葉輪16和第五中間冷卻器25之間的管路8j連接。
[0058]接著，參照圖2的P-h線圖，對二氧化碳F的狀態(tài)變化的樣子(二氧化碳F的升壓方法)進行說明。
[0059]在壓縮部2中，導入到一級壓縮葉輪11的導入氣體H)(狀態(tài)Sla)如圖2的實線的箭頭所示，被一級壓縮葉輪11壓縮而成為比狀態(tài)Sla高壓且高溫的狀態(tài)Sib。之后，被第一中間冷卻器21以等壓冷卻而成為狀態(tài)S2a。然后，這樣反復壓縮和冷卻，以狀態(tài)S2b—狀態(tài)S3a —狀態(tài)S3b —狀態(tài)S4a —狀態(tài)S4b —狀態(tài)S5a —狀態(tài)S5b —狀態(tài)S6a —狀態(tài)S6b —狀態(tài)S7a—狀態(tài)S7b的方式進行狀態(tài)變化，成為臨界壓以上的壓力的中間超臨界流體Fl的狀態(tài)(壓縮工序)。
[0060]之后，將處于狀態(tài)S7b的中間超臨界流體Fl向預冷卻部29導入。能夠在預冷卻部29處在等壓狀態(tài)下被進一步冷卻而降低中間超臨界流體Fl的溫度(冷卻工序)，但在本實施例中不利用預冷卻部29。[0061]中間超臨界流體Fl通過主冷卻部28在保持超臨界壓的狀態(tài)下以等壓冷卻，成為臨界溫度以下的狀態(tài)S8a，中間超臨界流體Fl向中間超臨界壓液體F2發(fā)生相變化，并向泵部3導入(冷卻工序)。
[0062]在泵部3中，狀態(tài)S8a的中間超臨界壓液體F2升壓至能夠向陸地的地下、海底的地下貯存的目標壓力，并且，溫度上升而形成狀態(tài)SSb的目標壓液體F3 (泵工序)。之后，利用加熱部5對該目標壓液體F3進行加熱，從而以等壓升溫至臨界溫度以上，形成能夠?qū)⒍趸糉向陸地的地下、海底的地下貯存的最終狀態(tài)S9。
[0063]在此，在主冷卻部28處形成為狀態(tài)S8a的中間超臨界壓液體F2的一部分通過打開抽液減壓部6的閥43而被抽液。被抽液的中間超臨界壓液體F2被減壓，成為狀態(tài)SlO的低溫液體F5。該狀態(tài)SlO下的壓力成為與六級壓縮葉輪16的上游側(cè)且是第五中間冷卻器25的下游側(cè)的壓力相當?shù)膲毫?。此外，該低溫液體F5通過在與冷卻部4之間進行熱交換而被加熱，保持等壓狀態(tài)進行汽化，成為六級壓縮葉輪16的上游側(cè)的狀態(tài)S6a的氣體或超臨界流體。該氣體或超臨界流體借助旁通流路7而向六級壓縮葉輪16的上游側(cè)送回，并混入到在壓縮部2流通的中間超臨界流體F1。
[0064]根據(jù)這樣的升壓系統(tǒng)1，首先，由壓縮部2進行前方級處的二氧化碳F的壓縮，由泵部3進行形成更高壓的后方級處的升壓，從而生成目標壓液體F3，之后利用加熱部5最終加熱至臨界溫度以上，由此能夠獲得可向陸地的地下、海底的地下貯存的目標超臨界流體F4。
[0065]在此，假設(shè)在形成為高壓的后級側(cè)的部分也使用與壓縮部2相同的葉輪的情況下，大多需要高壓氣封、與高壓對應的壓縮機外殼，存在可靠性降低并且成本升高的問題。此外，為了與這樣的高壓狀態(tài)對應，需要增大葉輪的軸徑、降低葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)等對應措施，存在可靠性與運轉(zhuǎn)效率降低的問題。
[0066]基于該點，在本實施方式中在高壓側(cè)采用泵部3。在泵部3中，當為了使液體升壓而升壓至高壓狀態(tài)(大約15?60[MPa])時，由于容易密封成為對象的流體，因此是非常有利的，從而能夠避免上述的成本升高，此外也能夠消除可靠性和運轉(zhuǎn)效率的問題。
[0067]另外，假設(shè)在形成為高壓的后級側(cè)也使用與壓縮部2相同的葉輪的情況下，為了避免特性變得不穩(wěn)定的過渡區(qū)域處的壓縮，第六中間冷卻器26處的冷卻止于狀態(tài)S7a，如圖2的虛線所示，升壓后的超臨界流體與目標超臨界流體F4相比，處于溫度較高的狀態(tài)。因而，為了獲得目標超臨界流體F4，還需要用于進行壓縮后的冷卻的二次冷卻器等。
[0068]對于該點，在本實施方式中無需上述二次冷卻器等，能夠降低用于使該二次冷卻器工作的動力。
[0069]此外，在冷卻部4中，對利用壓縮部2來形成為臨界壓以上的狀態(tài)的中間超臨界流體Fl進行冷卻而形成中間超臨界壓液體F2。
[0070]在此，根據(jù)圖2所示的P-h線圖，在不足臨界壓力的情況下等溫線以與縱軸(壓力)大致平行的方式立起，并且使等溫線彼此的間隔變窄。另一方面，在臨界壓以上且是臨界溫度附近的過渡區(qū)域中，等溫線變得與橫軸(焓)大致平行，并且使等溫線彼此的間隔變寬。因而，在過渡區(qū)域處，當二氧化碳F在等壓狀態(tài)下進行狀態(tài)變化時，能夠利用更小的溫度變化來產(chǎn)生更大的焓變化。
[0071]由此，如本實施方式所示，在臨界壓以上的狀態(tài)下對中間超臨界流體Fl進行冷卻的情況下，與在不足臨界壓的狀態(tài)下進行冷卻的情況相比較，能夠一邊將冷卻所需的熱量抑制得較小、一邊實現(xiàn)中間超臨界流體Fl的液化。
[0072]此外，中間超臨界流體Fl首先僅利用第六中間冷卻器26通過水冷而冷卻至過渡區(qū)域。在此，由于中間超臨界流體Fl處于臨界壓、臨界溫度附近的狀態(tài)，故能夠如上所述地利用較小溫度變化而產(chǎn)生更大的焓變化，僅利用水冷來獲得中間超臨界流體Fl的液化所需的大部分的冷量。
[0073]需要說明的是，在本實施方式中，主冷卻部28的制冷劑是來自抽液減壓部6的低溫液體F5，在從外部獲得適當?shù)睦鋮s介質(zhì)W的情況下，利用預冷卻部29進行預冷卻，由此能夠降低主冷卻部28所需的冷量。例如在這種情況下，如圖3、圖4所示，從狀態(tài)S7b到狀態(tài)S7c的冷卻在預冷卻部29處進行冷卻，從狀態(tài)S7c到狀態(tài)S8a的冷卻在主冷卻部28處進行。
[0074]因而，即使利用這樣的預冷卻部29來降低低溫液體F5的流量，也能夠充分地進行主冷卻部28處的冷卻。由此，由于能夠降低經(jīng)由旁通流路7向壓縮部2送回的低溫液體F5的流量，因此，也能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮部2處的動力降低，牽涉到進一步的運轉(zhuǎn)效率的提高。
[0075]另外，該主冷卻部28的制冷劑是低溫液體F5，因此能有效地利用向泵部3導入的中間超臨界壓液體F2自身的冷能，即，在沒有額外設(shè)置從中間超臨界流體Fl生成中間超臨界壓液體F2所需的冷凝器的前提下，能夠可靠地生成向泵部3導入的中間超臨界壓液體F2。
[0076]此外，在主冷卻部28處，對由壓縮部2壓縮后的中間超臨界流體Fl進行冷卻而生成中間超臨界壓液體F2，能夠向泵部3導入中間超臨界壓液體F2，并且對于在中間超臨界流體Fl的冷卻時回收的熱量，通過在與加熱部5之間進行熱交換，能夠?qū)⒅虚g超臨界壓液體F2加熱至臨界溫度以上。
[0077]此外，由于在冷卻部4處的中間超臨界流體Fl的冷卻、加熱部5處的目標壓液體F3的加熱以臨界壓以上的高壓狀態(tài)進行熱交換，因此能夠使熱交換部分小型化，因此能夠作為系統(tǒng)整體而實現(xiàn)小型化。
[0078]而且，通過設(shè)置旁通流路7，無需將抽出的中間超臨界壓液體F2向外部排出，因此能夠進一步提高升壓系統(tǒng)I整體的效率。
[0079]需要說明的是，在本實施方式中，不一定要設(shè)置抽液減壓部6，在該情況下，如圖5所示，冷卻部4僅在其與加熱部5之間，或加熱部5及外部冷卻介質(zhì)W之間進行熱交換。
[0080]此外，在僅由泵部3升壓而能夠獲得目標壓力、溫度的氣體的情況、出于將作為流程的原料貯存于容器等目的而期望液體狀態(tài)的情況下，不一定要設(shè)置加熱部5，在該情況下，如圖6所示,冷卻部4通過抽液減壓部6中的低溫液體F5及外部冷卻介質(zhì)W或上述中的任一方來進行冷卻。
[0081]接著，說明本發(fā)明的第二實施方式的升壓系統(tǒng)1A。
[0082]對與第一實施方式共用的結(jié)構(gòu)元件上標注相同的附圖標記并省略詳細說明。
[0083]如圖7所示，本實施方式的升壓系統(tǒng)IA由任意的壓縮機形式(離心式、往復式等)及泵形式組合而成。
[0084]升壓系統(tǒng)IA與第一實施方式相同地，具備壓縮部2A、泵部3A、冷卻部4A、加熱部5A、包括分支管路41A、熱交換部42A、閥43A在內(nèi)的抽液減壓部6A、及旁通流路7A。而且，將這些壓縮部2A、泵部3A、冷卻部4A、加熱部5A借助管路8Aa、8Ab、8Ac、8Ad、8Ae、8Af、8Ag、8Ah、8A1、8Aj、8Ak、8A1、8Am、8An 而彼此連接。
[0085]壓縮部2A具有設(shè)為多級(在本實施方式中為六級)的多個壓縮工作臺IlA~16A及在壓縮工作臺IlA~16A彼此之間、及與冷卻部4A之間各設(shè)有一個的多個中間冷卻器21A ~26A。
[0086]泵部3A由設(shè)置于壓縮部2A的后方級的、多級(在本實施方式中為二級)的泵工作臺31A、32A構(gòu)成。
[0087]在此，圖7中的二氧化碳F的狀態(tài)Sla至狀態(tài)S9及狀態(tài)S10、與圖2中的二氧化碳F的狀態(tài)Sla至狀態(tài)S9及狀態(tài)SlO對應。
[0088]根據(jù)這樣的升壓系統(tǒng)1A，與第一實施方式相同地，使壓縮部2A與泵部3A組合而抑制成本，提高運轉(zhuǎn)效率，并且采用冷卻部4A而能夠?qū)崿F(xiàn)臨界壓以上處的冷卻，因此能夠進一步降低中間超臨界流體Fl的液化所需的動力。
[0089]在此，也可以如圖8所示，在泵部3A的后級側(cè)還具備泵部9A。這樣的話，也可以追加泵工作臺，還能夠進一步進行升壓至高壓。而且，在這種情況下，如圖9所示，二氧化碳F的狀態(tài)S9變?yōu)闋顟B(tài)S9a，從而能夠獲得目標壓以上的壓力的超臨界流體。
[0090]需要說明的是，在第一實施方式的升壓系統(tǒng)I中，也可以如上所述地在泵部3的后級側(cè)進一步追加泵部，將二氧化碳F升壓至目標壓以上的壓力。
[0091]此外，在本實施方式中，在冷卻部4A處不利用預冷卻部29A，而僅通過主冷卻部28A進行冷卻，但也能夠利用預冷卻部29A進行預冷卻，從而降低在主冷卻部28A處所需的冷量。
[0092]以上，說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明并不限定于上述實施方式。在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，能夠進行結(jié)`構(gòu)的附加、省略、置換及其它變更。本發(fā)明并不因上述說明受到限定，而僅限定于添加的權(quán)利要求書。
[0093]例如，冷卻部4 (4A)中的主冷卻部28 (28A)利用來自抽液減壓部6 (6A)的低溫液體F5進行中間超臨界壓液體F2的冷卻，但也可以與預冷卻部29(29A)相同地，利用外部冷卻介質(zhì)W等來自外部的制冷劑來冷卻中間超臨界壓液體F2。另外，也可以在加熱部5 (5A)處額外設(shè)置外部的加熱器，對目標壓液體F3進行加熱而生成目標超臨界流體F4，即，也可以使冷卻部4 (4A)與加熱部5(5A)獨立。由此能夠簡化構(gòu)造。
[0094]此外，中間冷卻器21A~26A的冷卻介質(zhì)并不限于水，也可以是空氣等。
[0095]另外，不一定要設(shè)置旁通流路7 (7A)。在這種情況下，能夠不考慮向壓縮部2 (2A)送回的低溫液體F5的流量部分而進行壓縮部2 (2A)的設(shè)計。
[0096]此外，壓縮部2 (2A)及泵部3(3A)的級數(shù)并不限定于上述實施方式。
[0097]另外，在實施方式中，對象氣體是二氧化碳F，但并不限定于此，能夠在各種氣體的升壓中應用升壓系統(tǒng)I (IA)。
[0098]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0099]本發(fā)明涉及一種對氣體進行升壓的升壓系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的升壓系統(tǒng)，組合壓縮部與泵部，在冷卻部以臨界壓以上的壓力狀態(tài)對中間超臨界流體進行冷卻，由此能夠進一步降低動力而提高運轉(zhuǎn)效率。
[0100]附圖標記說明如下:
[0101]I…升壓系統(tǒng) 2…壓縮部 3…泵部 4…冷卻部 5…加熱部 6…抽液減壓部 7 …旁通流路 8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h、81、8j、8k、81、8m、8n …管路 11----級壓
縮葉輪12…二級壓縮葉輪13…三級壓縮葉輪14…四級壓縮葉輪15…五級壓縮葉輪 16…六級壓縮葉輪 20…中間冷卻器 21...第一中間冷卻器 22…第二中間冷卻器23…第三中間冷卻器 24...第四中間冷卻器 25…第五中間冷卻器26…第六中間冷卻器F…二氧化碳(對象氣體)Rl...導入氣體Fl…中間超臨界流體F2...中間超臨界壓液體F3…目標壓液體F4…目標超臨界流體F5…低溫液體W…外部冷卻介質(zhì)28…主冷卻
部 29…預冷卻部 31----級泵葉輪 32…二級泵葉輪41…分支管路42…熱交換部
43…閥IA…升壓系統(tǒng) 2A…壓縮部 3A…泵部 4A…冷卻部 5A…加熱部 6A...抽液減壓部 7A …旁通流路 8Aa、8Ab、8Ac、8Ad、8Ae、8Af、8Ag、8Ah、8A 1、8A j、8Ak、8A1、8Am、8An …管路 9A …泵部 11A、12A、13A、14A、15A、16A …壓縮工作臺 21A、22A、23A、24A、25A、26A…中間冷卻器 28A…主冷卻器 29A…預冷卻器 31A、32A…栗工作臺 41A…分支管路42A…熱交換部4 3A…閥。
【權(quán)利要求】
1.一種升壓系統(tǒng)，該升壓系統(tǒng)將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力，其中， 所述升壓系統(tǒng)具備: 壓縮部，其將所述對象氣體壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成中間超臨界流體； 冷卻部，其將由所述壓縮部生成的所述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體； 泵部，其將由所述冷卻部生成的所述中間超臨界壓液體升壓至所述目標壓以上的壓力 '及 加熱部，其將由所述泵部升壓后的所述中間超臨界壓液體加熱至臨界溫度附近，所述冷卻部具有在與所述加熱部之間進行熱交換而對所述中間超臨界流體進行冷卻的主冷卻部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓系統(tǒng)，其中， 所述升壓系統(tǒng)還具備抽液減壓部，該抽液減壓部設(shè)置在所述冷卻部與所述泵部之間，并對所述中間超臨界壓液體進行抽液而減壓至臨界壓附近，從而生成低溫液體， 利用所述主冷卻部，在與由所述抽液減壓部生成的所述低溫液體之間進行熱交換，從而對所述中間超臨界流體進行冷卻。
3.一種升壓系統(tǒng)，該升壓系統(tǒng)將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力，其中，` 所述升壓系統(tǒng)具備: 壓縮部，其將所述對象氣體壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成中間超臨界流體； 冷卻部，其將由所述壓縮部生成的所述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體； 泵部，其將由所述冷卻部生成的所述中間超臨界壓液體升壓至所述目標壓以上的壓力；及 抽液減壓部，其設(shè)置在所述冷卻部與所述泵部之間，并對所述中間超臨界壓液體進行抽液而減壓至臨界壓附近，從而生成低溫液體， 所述冷卻部具有在與由所述抽液減壓部生成的所述低溫液體之間進行熱交換而對所述中間超臨界流體進行冷卻的主冷卻部。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的升壓系統(tǒng)，其中， 將由所述抽液減壓部生成的所述低溫液體在所述主冷卻部處進行熱交換而被加熱汽化生成的氣體或超臨界流體，送回到所述壓縮部中的相應壓力部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的升壓系統(tǒng)，其中， 所述冷卻部具有預冷卻部，該預冷卻部在與外部冷卻介質(zhì)之間進行熱交換，并將所述中間超臨界流體冷卻而向所述主冷卻部輸送。
6.一種氣體的升壓方法，該氣體的升壓方法將對象氣體升壓至高于臨界壓的目標壓以上的壓力，其中， 所述氣體的升壓方法包括:壓縮工序，其將所述對象氣體壓縮至臨界壓以上且不足目標壓的中間壓而生成中間超臨界流體； 冷卻工序，其將由所述壓縮工序生成的所述中間超臨界流體冷卻至臨界溫度附近而生成中間超臨界壓液體；及 泵工序，其將由所述冷卻工序生成的所述中間超臨界壓液體升壓至所述目標壓以上的壓力， 在所述冷卻工序中，將由所述泵工序升壓后的所述中間超臨界壓液體、在所述泵工序開始之前對所述中間超臨界壓液體進行抽液而減壓至臨界壓附近而生成的低溫液體、及外部冷卻介質(zhì)中的至少一者用作冷卻介質(zhì)而對中間超臨界流體進行冷卻。
【文檔編號】B01J19/00GK103796747SQ201280005501
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月13日
【發(fā)明者】米村直人, 宮田寬之, 永尾英樹 申請人:三菱重工壓縮機有限公司