JP2000205743A - 混成冷凍発生による極低温精留系 - Google Patents

混成冷凍発生による極低温精留系

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ダンテ・パトリック・ボナキスト
Bayram Arman
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Joseph Alfred Weber
ジョーゼフ・アルフレッド・ウェーバー
Walter Joseph Olszewski
ウォルター・ジョーゼフ・オルスゼウスキ
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マーク・エドワード・ビンセット
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍を発生させそしてその冷凍を極低温精留
プラントに供給するための方法を提供する。 【解決手段】 ターボ膨張によって冷凍を発生させる他
に、多成分系冷媒を冷凍回路に循環させることによって
更に冷凍を発生させることを要件とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には極低温
精留に関し、より具体的には、極低温精留を実施するた
めに冷凍を極低温精留プラントに供給することに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】極低温精留、例えば、原料空気を極低温
精留する酸素、窒素及びアルゴンの製造では、極低温精
留プラントに対して冷凍を供給することが要求される。
典型的には、かかる冷凍は、プロセス流れのターボ膨張
によって提供される。ターボ膨張はエネルギー多消費工
程であり、そしてこれは、特に１種又はそれ以上の液体
生成物が要求されるときのように多量の冷凍が要求され
るときには極めてコスト高になる。極低温空気分離の場
合には、窒素及び酸素生成物の他にアルゴン生成物が望
まれるときには、原料空気のターボ膨張はアルゴン回収
率を低下させる場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、冷凍を極低温精留プラントに供給するための系であ
って、プラントを作動させるための所要冷凍の全部がプ
ロセス流れのターボ膨張によって発生されないような系
を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】発明の概要 当業者にはこの開示を通読するときに明らかになるであ
ろう上記の目的及び他の目的が本発明によって達成され
るが、本発明の１つの面は、（Ａ）多成分系冷媒流体を
圧縮し、圧縮された多成分系冷媒流体を膨張させて冷凍
を生成し、そして膨張した多成分系冷媒流体をプロセス
流体との間接熱交換によって加温し、これによって冷媒
流体からの冷凍をプロセス流体に送り、（Ｂ）プロセス
流体からの冷凍を極低温精留プラントに送り、（Ｃ）流
体流れをターボ膨張させて冷凍を発生させ、そしてター
ボ膨張した流体流れからの冷凍を極低温精留プラントに
送り、そして（Ｄ）膨張した多成分系冷媒流体によって
発生された冷凍及びターボ膨張した流体流れによって発
生された冷凍を使用して極低温精留プラント内で極低温
精留によって少なくとも１種の生成物を生成する、こと
を含む極低温精留プラント用冷凍の発生法、である。
【０００５】本発明の他の面は、（Ａ）圧縮機、膨張手
段及び熱交換器、並びに多成分系冷媒流体を圧縮機から
膨張手段に、膨張手段から熱交換器にそして熱交換器か
ら圧縮機に送るための手段を含む多成分系冷媒流体冷凍
回路、（Ｂ）プロセス流体を熱交換器に送るための手
段、及びプロセス流体からの冷凍を極低温精留プラント
に送るための手段、（Ｃ）冷凍を発生させるためのター
ボ膨張器、及びターボ膨張器からの冷凍を極低温プラン
トに送るための手段、及び（Ｄ）極低温精留プラントか
ら生成物を回収するための手段、を含む極低温精留プラ
ントへの冷凍供給装置、である。
【０００６】本明細書で用語「冷凍」を使用するときに
は、それは、低い方の温度から高い方の温度への、典型
的には周囲温度よりも低い温度から周囲温度への熱を拒
絶する能力を意味する。
【０００７】本明細書で用語「極低温精留プラント」を
使用するときには、それは、極低温精留によって混合物
を分別蒸留するための装置であって、１つ又はそれ以上
の塔、並びにそれに付設した配管、弁及び熱交換装置を
含む装置を意味する。
【０００８】本明細書で用語「原料空気」を使用すると
きには、それは、周囲空気のように主として酸素、窒素
及びアルゴンを含む混合物を意味する。
【０００９】本明細書で用語「塔」を使用するときに
は、それは、蒸留若しくは精留塔又は帯域、即ち、例え
ば、塔内に配置された一連の縦方向に離置されるトレー
又はプレート上で、及び／又は構造若しくはランダム充
填物のような充填部材上で気相及び液相を接触させるが
如くして液相及び気相を向流接触させて流体混合物の分
離を行なうような接触塔又は帯域を意味する。蒸留塔の
更なる説明については、米国ニューヨーク州所在のマッ
グロー・ヒル・ブック・カンパニーによって発行された
アール・エイチ・ペリー及びシー・エイチ・チルトン編
のケミカル・エンジニアーズ・ハンドブック第五版のセ
クション１３の The Continuous Distillation Process
を参照されたい。
【００１０】用語「二重塔」は、圧力の高い方の塔の上
方部が圧力の低い方の塔の下方部と熱交換関係にあるよ
うな塔を表わすのに使用される。二重塔についての更な
る説明は、オックスフォード・ユニバーシティ・プレス
発行のルへマン著“ The Separation of Gases ”（１
９４９）の第VII章の Commercial Air Separationに見
られる。
【００１１】気液接触分離プロセスは、各成分の蒸気圧
の差に依存する。高蒸気圧（又は高揮発性若しくは低沸
点）の成分は気相中に集まる傾向があるのに対して、低
蒸気圧（又は低揮発性若しくは高沸点）の成分は液相中
に集まる傾向がある。蒸留は、液体混合物の加熱を使用
して揮発性の高い成分を気相中に集め、これによって揮
発性の低い成分を液相中に集めることができる分離プロ
セスである。部分凝縮は、蒸気混合物の冷却を使用して
揮発性の高い成分を気相中に集め、これによって揮発性
の低い成分を液相中に集めることができる分離プロセス
である。精留又は連続蒸留は、気相及び液相の向流処理
によって得られるように連続的蒸発及び凝縮を結合した
分離プロセスである。気相及び液相の向流接触は断熱式
又は非断熱式であってよく、そしてその例としては、各
相間の一体的（段階式）又は示差的（連続式）接触を挙
げることができる。混合物を分離するのに精留の原理を
利用する分離プロセス配置は、しばしば、精留塔、蒸留
塔又は分別塔とも称されている。極低温精留は、１５０
°Ｋ又はそれよりも低い温度において少なくとも一部分
実施される精留プロセスである。
【００１２】本明細書で用語「間接熱交換」を使用する
ときには、それは、２種の流体流れを互いに物理的に接
触又は混合させずに熱交換関係にすることを意味する。
【００１３】本明細書で用語「ターボ膨張」及び「ター
ボ膨張機」を使用するときには、それらは、それぞれ、
高圧流体の流れをタービンに通してその流体の圧力及び
温度を低下させ、これによって冷凍を発生させるための
方法及び装置を意味する。
【００１４】本明細書で用語「膨張」を使用するときに
は、それは、圧力の低下を生じさせることを意味する。
【００１５】本明細書において用語「可変負荷冷媒」を
使用するときには、それは、２種又はそれ以上の成分の
混合物であって、これらの成分の液相が該混合物の泡立
ち点と露点との間で連続せる且つ増大する温度変化を受
けるような割合にある混合物を意味する。混合物の泡立
ち点は、所定の圧力において混合物がすべて液相状態に
あるがしかし加熱によって液相と平衡状態の気相の形成
が開始されるような温度である。混合物の露点は、所定
の圧力において混合物がすべて気相状態にあるがしかし
熱の抽出によって気相と平衡状態の液相の形成が開始さ
れるような温度である。それ故に、混合物の泡立ち点と
露点との間の温度領域は、液相及び気相の両方が平衡状
態で共存するような領域である。本発明の実施では、可
変負荷冷媒について泡立ち点と露点との間の温度差は、
少なくとも１０°Ｋ、好ましくは少なくとも２０°Ｋ、
そして最も好ましくは少なくとも５０°Ｋである。
【００１６】本明細書で用語「フルオルカーボン」を使
用するときには、それは、次の物質、即ち、テトラフル
オルメタン（ＣＦ4 ）、ペルフルオルエタン（Ｃ
2Ｆ6）、ペルフルオルプロパン（Ｃ3Ｆ8 ）、ペルフル
オルブタン（Ｃ4Ｆ10）、ペルフルオルペンタン（Ｃ5Ｆ
12 ）、ペルフルオルエテン（Ｃ2Ｆ4）、ペルフルオル
プロペン（Ｃ3Ｆ6）、ペルフルオルブテン（Ｃ4Ｆ8）、
ペルフルオルペンテン（Ｃ5Ｆ1 0）、ヘキサフルオルシ
クロプロパン（シクロ−Ｃ3Ｆ6 ）及びオクタフルオル
シクロブタン（シクロ−Ｃ4Ｆ8）のうちの１種を意味す
る。
【００１７】本明細書で用語「ヒドロフルオルカーボ
ン」を使用するときには、それは、次の物質、即ち、フ
ルオルホルム（ＣＨＦ3）、ペンタフルオルエタン（Ｃ2
ＨＦ5）、テトラフルオルエタン（Ｃ2Ｈ2Ｆ4）、ヘプタ
フルオルプロパン（Ｃ3ＨＦ7）、ヘキサフルオルプロパ
ン（Ｃ3Ｈ2Ｆ6）、ペンタフルオルプロパン（Ｃ3Ｈ
3Ｆ5）、テトラフルオルプロパン（Ｃ3Ｈ4Ｆ4 ）、ノナ
フルオルブタン（Ｃ4ＨＦ 9）、オクタフルオルブタン
（Ｃ4Ｈ2Ｆ8）、ウンデカフルオルペンタン（Ｃ5Ｈ
Ｆ11）、弗化メチル（ＣＨ3Ｆ）、ジフルオルメタン
（ＣＨ2Ｆ2）、弗化エチル（Ｃ2Ｈ5Ｆ）、ジフルオルエ
タン（Ｃ2Ｈ4Ｆ2 ）、トリフルオルエタン（Ｃ2Ｈ
3Ｆ3）、ジフルオルエテン（Ｃ2Ｈ2Ｆ2 ）、トリフルオ
ルエテン（Ｃ2ＨＦ3）、フルオルエテン（Ｃ2Ｈ3Ｆ）、
ペンタフルオルプロペン（Ｃ3ＨＦ5）、テトラフルオル
プロペン（Ｃ3Ｈ2Ｆ4）、トリフルオルプロペン（Ｃ3Ｈ
3Ｆ3）、ジフルオルプロペン（Ｃ3Ｈ4Ｆ2）、ヘプタフ
ルオルブテン（Ｃ4ＨＦ7 ）、ヘキサフルオルブテン
（Ｃ4Ｈ2Ｆ6 ）及びノナフルオルペンテン（Ｃ5ＨＦ9）
のうちの１種を意味する。
【００１８】本明細書で用語「フルオルエーテル」を使
用するときには、それは、次の物質、即ち、トリフルオ
ルメチオキシ−ペルフルオルメタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ
Ｆ3）、ジフルオルメトキシ−ペルフルオルメタン（Ｃ
ＨＦ2−Ｏ−ＣＦ3）、フルオルメトキシ−ペルフルオル
メタン（ＣＨ2Ｆ−Ｏ−ＣＦ3）、ジフルオルメトキシ−
ジフルオルメタン（ＣＨＦ2−Ｏ−ＣＨＦ2）、ジフルオ
ルメトキシ−ペルフルオルエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2Ｆ
5 ）、ジフルオルメトキシ−１，２，２，２−テトラフ
ルオルエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ）、ジフルオル
メトキシ−１，１，２，２−テトラフルオルエタン（Ｃ
ＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ）、ペルフルオルエトキシ−フル
オルメタン（Ｃ2Ｆ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ ）、ペルフルオル−
メトキシ−１，１，２−トリフルオルエタン（ＣＦ3−
Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）、ペルフルオルメトキシ−１，２，２
−トリフルオルエタン（ＣＦ3Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）、シクロ
−１，１，２，２−テトラフルオルプロピルエーテル
（ シクロ−Ｃ3Ｈ2Ｆ4−Ｏ−）、シクロ−１，１，３，
３−テトラフルオルプロピルエーテル（ シクロ−Ｃ3Ｈ
2Ｆ4−Ｏ−）、ペルフルオルメトキシ−１，１，２，２
−テトラフルオルエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ）、シ
クロ−１，１，２，３，３−ペンタフルオルプロピルエ
ーテル（シクロ−Ｃ3Ｈ5−Ｏ−）、ペルフルオルメトキ
シ−ペルフルオルアセトン（ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ2−Ｏ−Ｃ
Ｆ3 ）、ペルフルオルメトキシ−ペルフルオルエタン
（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｆ5 ）、ペルフルオルメトキシ−１，
２，２，２−テトラフルオルエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ
Ｆ4 ）、ペルフルオルメトキシ−２，２，２−トリフル
オルエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）、シクロ−ペルフ
ルオルメトキシ−ペルフルオルアセトン（シクロ−ＣＦ
2−Ｏ−ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ2− ）及びシクロ−ペルフルオ
ルプロピルエーテル（シクロ−Ｃ3Ｆ6−Ｏ）のうちの１
種を意味する。
【００１９】本明細書で用語「大気ガス」を使用すると
きには、それは、次の物質、即ち、窒素（Ｎ2）、アル
ゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘ
ｅ）、ネオン（Ｎｅ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、酸素
（Ｏ2）及びヘリウム（Ｈｅ）のうちの１種を意味す
る。
【００２０】本明細書で用語「無毒性」を使用するとき
には、それは、合格暴露限界に従って取り扱ったときに
急性又は慢性毒性を有しないことを意味する。
【００２１】本明細書で用語「不燃性」を使用するとき
には、それは、引火点を全く有しないか又は少なくとも
６００°Ｋの極めて高い引火点を有することのどちらか
を意味する。
【００２２】本明細書で用語「低オゾン消耗性」を使用
するときには、それは、ジクロルフルオルメタン（ＣＣ
ｌ2Ｆ2）が１．０のオゾン消耗可能性を有するとするモ
ントリオール議定書協定によって規定したときに０．１
５未満のオゾン消耗可能性を有することを意味する。
【００２３】本明細書で用語「非オゾン消耗性」を使用
するときには、それは、塩素、臭素又は沃素原子を含有
する成分を全く有しないことを意味する。
【００２４】本明細書で用語「標準沸点」を使用すると
きには、それは、１標準大気圧即ち１４．６９６ｐｓｉ
ａ（ pounds per square inch absolute）における沸点
を意味する。
【００２５】
【発明の実施の形態】発明の具体的な説明 添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図面
に記載される参照数字は共通部材については同じであ
る。図１には、高圧塔及び低圧塔を有する二重塔、並び
にアルゴン側腕塔を含めて３つの塔を有する極低温空気
分離プラントが例示されている。
【００２６】ここで図１を説明すると、原料空気６０
は、基準負荷圧縮機３０を通ることによって一般的には
３５〜２５０ｐｓｉａの範囲内の圧力に圧縮される。得
られる圧縮された原料空気６１は最終冷却器（図示せ
ず）において冷却されて圧縮熱が除かれ、次いで清浄器
５０を通ることによって水蒸気、二酸化炭素及び炭化水
素のような高沸点不純物が除去され、そして精製された
原料空気流れ６２は３つの部分６５、６３及び７２に分
割される。部分６５（一般には２０〜３５％の原料空気
流れ６２を含む）は、ブースター圧縮機３１を通ること
によって１０００ｐｓｉａまでになりうる圧力に更に圧
縮され、そして得られる更に圧縮された原料空気流れ６
６は最終冷却器（図示せず）において冷却されて圧縮熱
が除かれ、そして主又は第一熱交換器１において戻り流
れとの間接熱交換によって冷却され且つ好ましくは少な
くとも一部分凝縮される。得られる冷却された原料空気
流れ６７は、次いで、弁１２０を介して高圧塔１０に送
られる流れ６８と、弁７０を介して流れ７１として低圧
塔１１に送られる流れ６９とに分割される。
【００２７】他の部分７２（約１〜２０％の原料空気流
れ６２を含む）は、圧縮機３２を通ることによって３０
０ｐｓｉａまでになりうる圧力に圧縮され、そして得ら
れる圧縮された流れ７３は最終冷却器８を通ることによ
って冷却されて圧縮熱が除かれる。得られる原料空気流
れ７４は次いで多成分系冷媒流体冷凍回路の熱交換器５
を通され、そこでそれは再循環する多成分系冷媒流体か
らの冷凍の移送によって冷却されるが、これについては
以下で更に詳細に説明する。得られる冷却された原料空
気流れ７５（この具体例では、多成分系冷媒流体から冷
凍を受け取るプロセス流体である）は、ターボ膨張機３
３を通ることによってターボ膨張されて追加的な冷凍を
発生し、そして得られるターボ膨張された流れ７６はタ
ーボ膨張機３３から低圧塔１１に送られる。この態様
で、多成分系冷媒流体冷凍回路によって発生された冷凍
及びターボ膨張によって発生された冷凍が極低温精留プ
ラントに送られ、この場合に流れ７６が塔１１に送られ
る。
【００２８】原料空気流れ６２の残りの部分６３は、主
熱交換器１を通ることによって戻り流れとの間接熱交換
によって冷却され、そして一般には３５〜２５０ｐｓｉ
ａの範囲内の圧力で動作する高圧塔１０に流れ６４とし
て送られる。高圧塔１０内において、原料空気は極低温
精留によって窒素に富んだ蒸気と酸素に富んだ液体とに
分離される。窒素に富んだ蒸気は高圧塔１０の上方部か
ら流れ７７で抜き出され、そしてリボイラー２において
沸騰する低圧塔底液との間接熱交換によって凝縮され
る。得られる窒素に富んだ液体７８は還流として塔１０
に戻される。窒素に富んだ液体７９の一部分が塔１０か
ら脱過熱器６に送られ、ここでそれはサブ冷却されてサ
ブ冷却流れ８０を形成する。所望ならば、流れ８０の一
部分８１は、少なくとも９９モル％の窒素濃度を有する
生成物液体窒素として回収されることができる。流れ８
０の残りは、流れ８２において還流として塔１１の上方
部に送られる。
【００２９】酸素に富んだ液体は高圧塔１０の下方部か
ら流れ８３で抜き出され、そして脱過熱器７に送られ、
ここでこれはサブ冷却される。得られるサブ冷却された
酸素に富んだ液体８４は、次いで、部分８５及び部分８
８に分割される。部分８５は、弁８６を経て流れ８７と
して低圧塔１１に送られる。部分８８は弁９５を経てア
ルゴン塔凝縮器３に送られ、ここでこれは部分気化され
る。得られる蒸気は凝縮器３から流れ９４で抜き出さ
れ、そして流れ９６として低圧塔１１に送られる。残り
の酸素に富んだ液体は、凝縮器３から流れ９３で抜き出
され、流れ９４と一緒にされて流れ９６を形成し、次い
で低圧塔１１に送られる。
【００３０】低圧塔１１は、高圧塔１０の圧力よりも低
い圧力でそして一般には１５〜１００ｐｓｉａの範囲内
の圧力で作動する。低圧塔１１内では、各供給物は、極
低温精留によって窒素に富む蒸気と酸素に富む液体とに
分離される。窒素に富む蒸気は、塔１１の上方部から流
れ１０１で抜き出され、熱交換器６、７及び１を通るこ
とによって加温され、そして少なくとも９９モル％の窒
素濃度を有する流れ１０４で生成物窒素として回収され
る。生成物純度の制御目的で、廃流れ９７が塔１１から
流れ１０１の抜出し点よりも低いレベルから抜き出さ
れ、熱交換器６、７及び１を通ることによって加温さ
れ、そして系から流れ１００で取り出される。酸素に富
む液体は、一般には７０〜９９．９モル％の範囲内そし
て好ましくは９５〜９９．５モル％の範囲内の酸素濃度
を有する流れ１０５で塔１１の下方部から抜き出され
る。所望ならば、流れ１０５の一部分１０６は、生成物
液体酸素として回収されることができる。流れ１０５の
残りの部分１０７は液体ポンプ３５を通ることによって
より高い圧力にポンプ輸送され、そして加圧された流れ
１０８は主熱交換器１において気化されて、生成物加圧
酸素ガス１０９として回収される。
【００３１】酸素及びアルゴンを含む流体は、低圧塔１
１から流れ１１でアルゴン塔１２に送られ、そこでこれ
は、極低温精留によってアルゴンにより富む流体と酸素
により富む流体とに分離される。酸素により富む流体
は、塔１２の下方部から流れ１１１で低圧塔１１に送ら
れる。アルゴンにより富む流体は塔１２の上方部から蒸
気流れ８９でアルゴン塔凝縮器３に送られ、そこでこれ
は上記の部分気化するサブ冷却された酸素に富んだ液体
との間接熱交換によって凝縮される。得られるアルゴン
により富む液体は、凝縮器３から流れ９０で抜き出され
る。一部分９１は還流としてアルゴン塔１２に送られ、
そして他の部分９２は一般には９５〜９９．９９９モル
％の範囲内のアルゴン濃度を有する生成物アルゴンとし
て回収される。
【００３２】ここで図１及び２の両方を参照して、極低
温精留プラントに送られる即ちそれに供給される冷凍の
一部分を発生させる働きをする多成分系冷媒流体閉ルー
プ回路の操作についてより詳細に説明する。冷凍は、通
常、閉ループ流れ回路において単成分系冷媒流体を使用
して所定の温度で発生される。かかる従来の系の例とし
ては、家庭用冷蔵庫及び空気調和機（エアコンデショナ
ー）が挙げられる。多成分系冷媒流体は、１つの温度範
囲にわたって可変量の冷凍を提供することができる。か
くして、冷凍供給を各温度における冷凍要求量に一致さ
せ、これによって系のエネルギー必要量を減少させるこ
とができる。
【００３３】流れ２０１における多成分系冷媒流体は、
再循環圧縮機３４を通ることによって一般には６０〜６
００ｐｓｉａの範囲内の圧力に圧縮されて圧縮冷媒流体
２０２を生成する。圧縮された冷媒流体は、水冷式最終
冷却器４を通ることによって冷却されて圧縮熱が除か
れ、そして部分凝縮されることができる。流れ２０３に
おける多成分系冷媒流体は、次いで、冷凍回路熱交換器
５を通ることによって更に冷却され、ここでこれは更に
冷却されそして部分又は完全凝縮される。冷却され圧縮
された多成分系冷媒流体２０４は、次いで、弁２０５に
よって膨張され若しくは絞られ、又は随意に膨張タービ
ンによって膨張される。この絞りは好ましくは多成分系
冷媒流体を部分気化させ、かくしてその流体を冷却しそ
して冷凍を発生させる。いくつかの制限された環境で
は、熱交換条件に依存して、圧縮された流体２０４は、
膨張前ではサブ冷却された液体であってよく、そして初
期膨張後に液体としてとどまることもできる。その後、
熱交換器での加温時に、流体は２つの相を含有する。
【００３４】一般には１２５〜２２５°Ｋそして好まし
くは１５０〜１７５°Ｋの範囲内の温度を有する冷凍発
生性多成分系二相冷媒流体流れ２０６は、次いで、熱交
換器５を通され、ここでこれは加温されそして完全に気
化され、かくして間接熱交換によって流れ２０３を冷却
する働きをし、そして冷凍を原料空気流れ７４に移送し
て冷却原料空気流れ７５を生成する働きもする。流れ７
５は最終的には塔１１に送られ、かくして多成分系冷媒
流体冷凍回路によって発生された冷凍が極低温精留プラ
ントに送られる。蒸気流れ２０１として得られる加温さ
れた多成分系冷媒流体は、次いで圧縮機３４に再循環さ
れ、そして冷凍サイクルが新たに開始する。
【００３５】弁による流体の加圧膨張は、ジュール−ト
ムソン効果、即ち、等エンタルピ−における圧力低下に
よって流体温度が低下することによって冷凍を提供す
る。しかしながら、いくつかの環境下では、この流体膨
張が二相又は液体膨張タービンを利用することによって
生じる場合があり、かくして流体温度はタービンによる
仕事抽出によって追加的に低下される。一般には、多成
分系冷媒では、二相又は液体タービン膨張による付加冷
却は、弁膨張に付随する冷却と比較して相対的に低い。
しかしながら、ターボ膨張機３３における原料空気のタ
ーボ膨張の如きタービンでの気体膨張では、仕事抽出に
付随する流体冷却は、気体流れの弁膨張によって得るこ
とができるものよりもかなり高い。基本相異は、多成分
系冷媒流体の加圧膨張後に、流体が再加温されるにつれ
て変動量の冷凍が得られるのに対して、ターボ膨張され
る気体流れでは、気体が再加温されるにつれて一定量の
冷凍が得られることである。かくして、多成分系冷媒と
ターボ膨張流れとの組み合わせは、広い温度範囲にわた
って必要時にプロセス冷凍を提供することができる。そ
の結果として、プロセス内の広い温度範囲にわたって所
要冷凍と供給冷凍とが一致し、かくして全所要冷凍の供
給を得るためのより低い系エネルギー所要量がもたらさ
れる。
【００３６】多成分系冷媒流体は、各温度において所要
の冷凍を提供するためには、２種又はそれ以上の成分を
含有する。冷媒成分の選択は、特定のプロセス用途に対
して温度に代わる選択物として冷凍負荷に左右される。
好適な成分は、それらの標準沸点、潜熱、引火性、毒
性、及びオゾン消耗可能性に依存して選択される。
【００３７】本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体の
１つの好ましい具体例は、フルオルカーボン、ヒドロフ
ルオルカーボン及びフルオルエーテルよりなる群からの
少なくとも２種の成分を含む。
【００３８】本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体の
他の好ましい具体例は、フルオルカーボン、ヒドロフル
オルカーボン及びフルオルエーテルよりなる群からの少
なくとも１種の成分と、少なくとも１種大気ガスとを含
む。
【００３９】本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体の
他の好ましい具体例は、フルオルカーボン、ヒドロフル
オルカーボン及びフルオルエーテルよりなる群からの少
なくとも２種の成分と、少なくとも２種大気ガスとを含
む。
【００４０】本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体の
他の好ましい具体例は、少なくとも１種のフルオルエー
テルと、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン、
フルオルエーテル及び大気ガスよりなる群からの少なく
とも１種の成分とを含む。
【００４１】１つの好ましい具体例では、多成分系冷媒
流体はフルオルカーボンのみよりなる。他の好ましい具
体例では、多成分冷媒流体は、フルオルカーボン及びヒ
ドロフルオルカーボンのみよりなる。他の好ましい具体
例では、多成分冷媒流体は、フルオルカーボン及び大気
ガスのみよりなる。他の好ましい具体例では、多成分冷
媒流体は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン
及びフルオルエーテルのみよりなる。他の好ましい具体
例では、多成分冷媒流体は、フルオルカーボン、フルオ
ルエーテル及び大気ガスのみよりなる。
【００４２】本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体
は、ヒドロクロルフルオルカーボン及び／又は炭化水素
のような他の成分を含有することができる。好ましく
は、多成分冷媒流体は、ヒドロクロルフルオルカーボン
を全く含有しない。本発明の他の好ましい具体例では、
多成分系冷媒流体は、炭化水素を全く含有しない。最も
好ましくは、多成分系冷媒流体は、ヒドロクロルフルオ
ルカーボンも炭化水素も含有しない。最も好ましくは、
多成分系冷媒流体は、無毒性で、不燃性でしかも非オゾ
ン消耗性であり、そして最も好ましくはどの多成分系冷
媒流体にも共通の成分は、フルオルカーボン、ヒドロフ
ルオルカーボン、フルオルエーテル又は大気ガスのいず
れかである。
【００４３】本発明は、周囲温度から極低温に効率的に
達する際に使用するのに特に有益である。表１〜１５
は、本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体混合物の好
ましい例を表に記載したものである。各表に与えられる
濃度範囲はモル％単位である。
【００４４】表１ 成分 濃度範囲 Ｃ5Ｆ12 ５−３５ Ｃ4Ｆ10 ０−２５ Ｃ3Ｆ8 １０−４０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４５】表２ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ Ｃ3Ｆ8 １０−４０ ＣＨＦ3 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４６】表３ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−１５ Ｃ2Ｈ2Ｆ4 ０−２０ Ｃ2ＨＦ5 ５−２０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４７】表４ 成分 濃度範囲 ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＨＦ2 １０−４０ ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3 ０−２０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４８】表５ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−１５ ＣＦ3−０−ＣＨＦ2 １０−４０ ＣＨＦ3 ０−３０ ＣＦ4 ０−２５ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４９】図３は、本発明の他の好ましい具体例を例
示する。図３に記載する参照数字は、図１のものと共通
部材については同じであるので、これらについてはここ
で再び詳細に説明しない。図３に例示される具体例は、
多成分系冷媒流体冷凍回路に対して別個の熱交換器が存
在しないという点でのみ、図１のものとは異なる。更に
適切に言えば、多成分系冷媒流体冷凍回路に対する熱交
換器として主熱交換器が使用される。図３に例示される
具体例では、圧縮された原料空気流れ７４は、別個の熱
交換器ではなく主熱交換器１を通されてここで冷却さ
れ、そして冷凍発生性多成分系冷媒流体流れ２０６との
間接熱交換によって冷凍を受け取る。この冷媒流体流れ
２０６も、別個の熱交換器ではなく主熱交換器１を通
る。
【００５０】多成分系冷媒流体冷凍回路及びターボ膨張
を含める場合には、熱交換器内の任意の温度レベルのと
ころに含めることができることを理解されたい。例え
ば、多成分系冷媒はより高い温度レベルにおいて冷凍を
提供することができるのに対して、ターボ膨張はより低
い温度レベルにおいて冷凍を提供することができる。所
要の冷凍対温度のパターンに依存するいくつかのプロセ
ス用途では、低温レベル冷凍を提供するのにターボ膨張
が使用される場合がある。いくつかのプロセス用途で
は、部分的に重なり合う温度範囲に対して冷凍を提供す
るのに２つの冷媒法が要求される場合さえある。更に、
分離プロセス内の種々のプロセス流れをターボ膨張させ
て冷凍を提供することができることに注目すべきであ
る。好適なプロセス流れとしては、原料流れ、生成物若
しくは廃棄物流れ、又は中間プロセス流れを挙げること
ができる。極低温空気分離では、好適なプロセス流れと
しては、原料空気、生成物酸素若しくは窒素、廃窒素、
又は高圧塔蒸気を挙げることができよう。
【００５１】閉ループ単一流れ回路を利用して本発明を
例示したけれども、いくつかの環境では、冷媒回路に対
して種々の流れ変動が要求される場合がある。プロセス
冷凍要求条件に依存して、複数の独立した流れ装置をそ
れぞれ異なる冷媒混合物と共に使用するのが望ましい場
合がある。また、所定の流れ回路では、冷媒液体の内部
再循環を可能にし、且つこれらの液体の望ましくない冷
却及び可能性のある凍結を回避するために１つ又はそれ
以上の温度における相分離が利用される場合がある。最
後に、追加的な冷凍を発生させる他の手段として、ガス
状冷媒流体のターボ膨張を含めるのが望ましい場合があ
る。冷媒流れ回路混合物及びプロセス条件、即ち、混合
物の化合物、組成及び圧力レベルの特定の選択は、特定
のプロセス用途及びそれに関連する冷凍要求条件に左右
される。
【００５２】本発明は、広い温度範囲にわたって、特に
極低温を包含する温度範囲にわたって冷凍を提供するの
に特に有用である。本発明の好ましい具体例では、冷媒
混合物中の２種又はそれ以上の成分の各々は、その冷媒
混合物中のすべての他の成分の標準沸点とは少なくとも
５°Ｋ程、より好ましくは少なくとも１０°Ｋ程、そし
て最も好ましくは少なくとも２０°Ｋ程異なる標準沸点
を有する。これは、広い温度範囲にわたって特に極低温
を包含する温度範囲にわたって冷凍を提供する効率を向
上させる。本発明の特に好ましい具体例では、多成分系
冷媒流体中の最高沸点成分の標準沸点は、その多成分系
冷媒流体中の最低沸点成分の標準沸点よりも少なくとも
５０°Ｋ、好ましくは少なくとも１００°Ｋ、そして最
も好ましくは少なくとも２００°Ｋ高い。
【００５３】本発明の実施に有用な多成分系冷媒流体を
構成する成分及びそれらの濃度は、可変負荷多成分系冷
媒流体を形成するようなもの、そして好ましくは本発明
の方法の全温度範囲を通してかかる可変負荷特性を維持
するようなものである。これは、冷凍を発生させてかか
る広い温度範囲にわたって利用することができる場合の
効率を著しく向上させる。限定された好ましい群の成分
は、それらを使用して無毒性で不燃性で且つ低又は非オ
ゾン消耗性の混合物を形成することができるという点で
付加的利益を有する。これは、典型的には毒性で可燃性
でしかもオゾン消耗性の従来の冷媒に勝る追加的な利益
を提供する。
【００５４】無毒性で不燃性でしかも非オゾン消耗性で
ある本発明の実施に有用な可変負荷多成分系冷媒流体
は、Ｃ5Ｆ12、ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4、Ｃ4ＨＦ9、Ｃ3
Ｈ3Ｆ5、Ｃ2Ｆ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ、Ｃ3Ｈ2Ｆ6 、ＣＨＦ2−
Ｏ−ＣＨＦ2、Ｃ4Ｆ10、ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3、Ｃ3Ｈ
Ｆ7、ＣＨ2Ｆ−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ2Ｈ2Ｆ4、ＣＨＦ2−Ｏ−
ＣＦ3、Ｃ3Ｆ8 、Ｃ2ＨＦ5、ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ
2Ｆ6、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｏ2、Ａｒ、Ｎ2、Ｎｅ及びＨｅ
よりなる群から選択される２種以上の成分を含む。
【００５５】
【発明の効果】かくして、本発明の実施によって、極低
温精留プラントに対して性能を高めた冷凍を効率的に提
供することができる。ある種の特に好ましい具体例に関
して本発明を詳細に説明したけれども、当業者には、特
許請求の範囲の精神及び範囲内には本発明の他の具体例
が存在することが理解されよう。例えば、多成分系冷媒
流体冷凍回路から冷媒を受け取るプロセス流れは供給原
料空気である必要はなく、その上、極低温精留プラント
の塔に物理的に送られる必要もない。本発明は、添付図
面に例示されるもの以外の極低温空気分離系と一緒に実
施されることができ、また、天然ガスの品質改善、粗合
成ガスからの水素回収及び二酸化炭素の製造の装置系の
如き他の極低温精留プラントと一緒に実施されることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多成分系冷媒流体冷凍回路がターボ膨張機への
供給物を冷却する作用をするところの本発明の１つの好
ましい具体例を表わす概略図である。
【図２】図１に例示される具体例で使用される多成分系
冷媒流体冷凍回路を表わすより詳細な図である。
【図３】多成分系冷媒流体冷凍回路の熱交換器が極低温
精留プラントの主熱交換器であるところの本発明の他の
好ましい具体例を表わす概略図である。
【符号の説明】
１ 主熱交換器 ３ アルゴン塔凝縮器 ４、８ 最終冷却器 ５、６、７ 熱交換器 １０ 高圧塔 １１ 低圧塔 ３０、３１、３２、３４ 圧縮機 ３３ ターボ膨張機 ５０ 清浄器
フロントページの続き (72)発明者 バイラム・アルマン アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、ザ・コモンズ16 (72)発明者 ジョーゼフ・アルフレッド・ウェーバー アメリカ合衆国ニューヨーク州チークトワ ーガ、アレンデイル・ロード47 (72)発明者 ウォルター・ジョーゼフ・オルスゼウスキ アメリカ合衆国ニューヨーク州アマスト、 ウィロウ・レイン69 (72)発明者 マーク・エドワード・ビンセット アメリカ合衆国ニューヨーク州ランカスタ ー、マディソン・ストリート37

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （Ａ）多成分系冷媒流体を圧縮し、圧縮
    された多成分系冷媒流体を膨張させて冷凍を生成し、そ
    して膨張した多成分系冷媒流体をプロセス流体との間接
    熱交換によって加温し、これによって冷媒流体からの冷
    凍をプロセス流体に送り、 （Ｂ）プロセス流体からの冷凍を極低温精留プラントに
    送り、 （Ｃ）流体流れをターボ膨張させて冷凍を発生させ、そ
    してターボ膨張した流体流れからの冷凍を極低温精留プ
    ラントに送り、そして （Ｄ）膨張した多成分系冷媒流体によって発生された冷
    凍及びターボ膨張した流体流れによって発生された冷凍
    を使用して極低温精留プラント内で極低温精留によって
    少なくとも１種の生成物を生成する、ことを含む極低温
    精留プラント用冷凍の発生法。
  2. 【請求項２】 プロセス流体からの冷凍が、プロセス流
    体を極低温精留プラントの塔に送ることによって極低温
    精留プラントに送られる請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 ターボ膨張された流体流れからの冷凍
    が、ターボ膨張された流体流れを極低温精留プラントの
    塔に送ることによって極低温精留プラントに送られる請
    求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 プロセス流体が原料空気流れであり、そ
    して該原料空気流れがターボ膨張されてターボ膨張流体
    流れになり、その後に極低温精留プラントの塔に送られ
    る請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 多成分系冷媒流体が、フルオルカーボ
    ン、ヒドロフルオルカーボン及びフルオルエーテルより
    なる群からの少なくとも２種の成分を含む請求項１記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 多成分系冷媒流体が、フルオルカーボ
    ン、ヒドロフルオルカーボン及びフルオルエーテルより
    なる群からの少なくとも１種の成分と、少なくとも１種
    の大気ガスとを含む請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 多成分系冷媒流体が、少なくとも１種の
    フルオルエーテルと、フルオルカーボン、ヒドロフルオ
    ルカーボン、フルオルエーテル及び大気ガスよりなる群
    からの少なくとも１種の成分とを含む請求項１記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 多成分系冷媒流体中の最高沸点成分の標
    準沸点が、多成分系冷媒流体中の最低沸点成分の標準沸
    点よりも少なくとも１５０°Ｋ高い請求項１記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 （Ａ）圧縮機、膨張手段及び熱交換器、
    並びに多成分系冷媒流体を圧縮機から膨張手段に、膨張
    手段から熱交換器にそして熱交換器から圧縮機に送るた
    めの手段を含む多成分系冷媒流体冷凍回路、 （Ｂ）プロセス流体を熱交換器に送るための手段、及び
    プロセス流体からの冷凍を極低温精留プラントに送るた
    めの手段、 （Ｃ）冷凍を発生させるためのターボ膨張器、及びター
    ボ膨張器からの冷凍を極低温プラントに送るための手
    段、及び （Ｄ）極低温精留プラントから生成物を回収するための
    手段、を含む、極低温精留プラントへの冷凍供給装置。
  10. 【請求項１０】 極低温精留プラント向けの供給原料を
    送るための主熱交換器を含み、しかも多成分冷媒流体冷
    凍回路の熱交換器が該主熱交換器である請求項９記載の
    装置。
JP11373554A 1998-12-30 1999-12-28 混成冷凍発生による極低温精留系 Abandoned JP2000205743A (ja)

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