JP2000515236A - 空気から所要の気体を可変な流量で産出する方法および設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プラント設備であって、該設備は加圧酸素ガスを生産するために用いられた場合、スイッチ例えば、酸素ガスの長期ピーク需要および短期の高ピーク需要を満足するために設けた液体酸素／液体空気の切り換えスイッチと、酸素ガスを生産圧力より高い圧力に加圧する回路（１３，３０）とを含んでいる。該回路は、緩衝容器（１５）に接続されており、長期ピーク需要および短期の高ピーク需要を少なくとも部分的に満たすようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】 空気から所要の気体を可変な流量で産出する方法および設備 本発明は、本願請求項１の序文部分に記載されているような、空気を精製する ことで空気から一種の気体、特に酸素ガスを可変な流量で産出する方法に関する 。 本発明は特に、圧力状態の酸素を可変な流量で生産するときに適用されるもの である。 上記した圧力状態は絶対圧力を意味し、上記した流量はモル流量を意味してい る。 本件出願人の名義で提出した欧州特許出願第０，４２２，９７４号では、可変 な流量で気体状酸素を生産する「振り型プロセス」（swinging-type process） と称される上記タイプの方法を開示している。なお、この際に用いられた第２流 体は、精製の対象となる空気であって、可変な流量で凝縮される。 上記した従来の方法で判るように、空気精製設備での空気流量を一定流に維持 するために、酸素需要の変化に応じて流入中の空気流速を変化させることが必要 となっている。特に、酸素を圧力状態で生産するとき、液体酸素を気化させるた めに凝縮される空気は、他の設備であるブースタ（増圧器）により過度の圧力ま で加圧される。このように酸素の需要量が変化した場合、過圧流体の流動と、主 要圧縮機により圧縮された流体の流動とを調整することが必要である。 その結果、上記した方法では、上記の圧縮機およびブースタ（増圧器）は、生 産される酸素の呼び流量に対して遙かに大きなサイズで作られている。更にこれ らの設備は、それぞれの固有容量に比べて相当低い流量 で長時間運転が行われているので、設備の作業効率が低下の状態にある。 また、上記方法と異なる方法として提案されたのは、下記のような方法である 。すなわち、生産されるガスを気相状態のまま補助タンクまたは「緩衝容器」に 貯溜しておき、そのときの気体圧力を、実際生産時の圧力より大きく保つもので ある。しかしながら、このような提案も満足できるようなものではない。つまり 、この提案によれば、酸素に対する長時間の需要ピークに対応するために、複数 の大きな緩衝容器を装備することが必要となる。そして、必要量の酸素ガスの全 部を緩衝圧力で生産したら、エネルギーの消耗が多くなり高いコストを招いてし まう。 従って、本発明の目的は、効率が良くコストが低い条件下で空気から所要の成 分を可変な流量で産出することにある。 上記の目的を達成するために本発明は、上記した課題を解決する生産方法をを 提供しようとしており、その特徴は、本願請求項１の特徴部分に記載されている 。 さらに、本発明の方法は、本願請求項２〜１１に記載されている一つまたは二 つ以上の特徴を含んでいる。 また、本発明は、上記した本発明の方法を実施するためのプラント設備をも提 供しようとしている。このようなプラント設備は、本願クレーム１２に記載され ている。 そして、上記プラント設備は、請求項１３〜１６に記載されている一つまたは 二つ以上の特徴を含んでいる。 なお、本発明を実施するための実施例を、添付の図面を参照しながら以下に説 明する。 図１は、可変な流量で加圧状態の酸素を生産する本発明のプラント設備を示し ている。 図２は、生産時の圧力で液体酸素を気化させる状態を示す熱交換図で ある。 図３および図４は、本発明におけるプラント設備の変形例を示している。 図１に示すプラント設備は、流速可変な主要エアコンプレッサー例えば移動ベ ーン遠心型コンプレッサー１と、吸着型の浄化ユニット２と、熱交換器３と、保 冷型タービン４と、二つの精製塔を有して構成された空気精製ユニット５（低圧 塔７と、中圧塔６と、該中圧塔６の頂部に設けた気化／凝縮器８とを含み）と、 液体酸素の貯溜タンク１０と、液化空気の貯溜タンク１１と、二つのポンプ１２ および１３と、エアブースタ（空気増圧器）１４と、補助タンクまたは「緩衝容 器」１５とを備えている。このプラント設備を用いることで、生産ライン１６を 介して流量可変な気体酸素を約１５バールの圧力で産出することができるように なっている。 図１に示すプラント設備の操作を説明するために、まず、生産ライン１６に要 求される気体酸素の量が一定であり呼び生産流量（コンプレッサー１により圧縮 された空気の呼び流量の約２０％）に等しいと仮定する。 処理対象となる空気流は、コンプレッサー１により６バールまで圧縮された後 、空冷型または水冷型の冷却器１７で環境温度まで冷却される。冷却後の圧縮空 気は、浄化ユニット２で浄化されて二本の流れに分れるようになり、各流れが一 定の流速を持っている。 第１流れは、熱交換器３内の通路１９を通って冷却されて、一部の流体は該熱 交換器３から取り出される。冷却後の空気は、タービン４で１バールまで膨張さ れて、移送ライン２０を介して結露温度の近くで、低圧塔７の内部に移送される 。第１流れの他の流体は、引き続き結露温度まで冷却され６バールの圧力となり 、そして、移送ライン２１を介して、 中圧塔６の底部へ注入される。 第２流れはブースタ１４により、後述する高い凝縮圧力まで昇圧され、そして 熱交換器の通路２２で冷却されて液化する。液化した空気は、膨張弁２３内で６ バールの圧力まで膨張した後、液体の状態で貯溜タンク１１に貯溜される。一定 流の液化空気は、貯溜タンク１１の底部から引き出されて、二つの一定流に分岐 されている。第１の一定流は、６バールの圧力で移送ライン２４を介して中圧塔 ６に移送されるが、第２の一定流は、膨張弁２５で１バールの圧力まで膨張した 後、低圧塔７に注入される。 気化／凝縮器８は、中圧塔６の頂部からの略等しい量の窒素流を凝縮すること によって、低圧塔７内の液体酸素の一定流を気化させるようになっている。中圧 塔６の内部から流出し、膨張弁２６により１バールの圧力まで膨張した「濃厚液 体」（高酸素濃度を有する空気）が、低圧塔７の中間部に注入される。一方、中 圧塔６の頂部から流出し、膨張弁２７により１バールの圧力まで膨張した「希薄 液体」（ほぼ純窒素）が、低圧塔７の頂部に注入される。 流入空気流の約２０％に相当する一定流の液体酸素は、移送ライン２８を介し て貯溜タンク１０に移送される。一方、該貯溜タンク１０の底部から同一量の液 体酸素が引き出されて、一定の流速を有する二つの流れに分かれている。 すなわち、第１の流れは全体流量の例えば８０％を占め、ポンプ１２によって １５バールの圧力まで圧縮され、そして熱交換器３の通路２９を通って気化され た後、生産ライン１６に移送される。 第２の流れはポンプ１３によって、もっと高い圧力例えば３０バールの圧力ま で圧縮され、そして熱交換器３の通路３０を通って気化された後、タンク１５に 移送される。 上記タンク１５は、膨張および流動調整バルブ３４を装備した移送ライン３３ を介して、生産ライン１６に接続されている。また、上述した第２の流れと同じ 流量の一定流が該バルブ３４内で膨張して、タンク１５から生産ライン１６へ移 送される。 さらに、低圧塔７の頂部から引き出された不純窒素の一定流が熱交換器３の通 路３１を通って加熱されて、移送ライン３２を介して廃棄物として排出される。 上述の説明から判るように、本発明のプラント設備は、ブースタ（昇圧器）１ ４を有するので、過圧状態の空気が得られるようになっている。なお、過圧状態 の空気を熱交換器３の通路２２を通して凝縮させると共に、液体酸素を１５バー ルの気体酸素および３０バールの気体酸素へ気化させるようになっている。 上記した凝縮および気化を行うために、過圧状態の空気圧力を選定することが 必要である。その理由は、この空気圧力が１５バール気体酸素への気化と「共存 圧力」である。さらにこの圧力は、図２のグラフに示すように、空気液化の曲が り点Ｇが１５バール気体酸素への気化曲がり点Ｐと接近しているときの圧力であ る。図２において、熱交換量Ｑは縦軸であって温度ｔは横軸である。 また、図２に示すように、この圧力に際して、上記した曲がり点Ｇは、３０バ ールまでの酸素気化の曲がり点Ｐ’より低い温度にある。フランス特許出願２， ６７４，０１１の開示によると、液体製品（本実施例では、液体酸素または窒素 ）がプラント設備から同時に移送されていれば、上記した現象は完全に生じ得る ものである。 図２において、点Ａはタービン４への流体流入温度を示している。熱交換器の 熱端における温度差が数度という最小限の温度差となるように、タービン４への 流体流入温度を設定することが必要である。 実験例のデータによると、過圧状態の空気に対して、約４０バールの圧力を設 定することが可能である。 精製ユニット５に引き込まれている各移送ラインおよびここから引き出されて いる各移送ラインはそれぞれ、一定流速を確保するための調整手段（図示せず） を備えている。このように、気体酸素に対する需要量が変化しても、これらの調 整手段を操作するだけで対応できるので、精製ユニット５に対する新たな設定を 必要としない。さらに、熱交換器３の通路３０内で気化した高圧の酸素流量は、 変化しないようになっている。 なお、酸素の需要量が増えたとき、以下のような幾つかの事情が区別されてい る。 （１）酸素の需要ピークが予測のピーク数値の範囲内であれば、例えば、平常 の需要量の約１２０％になった場合、これに対応する液体酸素の追加流量が、ポ ンプ１２により貯溜タンク１０から流出するようになっている。そのため、ポン プ１２の回転速度が速められ、熱交換器３内の通路２９内で液体酸素が気化され る。一方、昇圧器１４により過圧処理された空気が熱交換器３内で凝縮される。 上記したプロセスは、液体酸素／液体空気という従来の振り型のプロセスに対 応している。すなわち、液体酸素が下方へ移動し貯溜タンク１０に入ると同時に 、液体空気が上方へ移動し貯溜タンク１１に入る。 （２）酸素の需要ピークが予測のピーク数値の範囲を超えた場合、さらに下記 のような二つの事情に分けられる。 （ａ）酸素需要のピーク期間が短い場合、所定数値を超えた必要な追加の酸素 流がタンク１５から流出して膨張／流量調整弁３４で膨張した後、生産ライン１ ６へ送られていく。 例えば、酸素需要のピークが呼び流量の１６０％に相当したとき、２ ０％の追加酸素流がポンプ１２により供給され、残りの４０％がタンク１５から 供給される。 （ｂ）しかし、以上の説明から判るように、追加の酸素流がタンク１５から流 出するとき、タンク１５内の圧力が低下する。その結果、酸素の需要ピークが特 に長い場合、追加の酸素流は、呼び酸素流に比して、外部の設備例えば酸素の補 助タンクより送られてくるようになっている。 さらに、本発明は次のような場合にも適用される。すなわち、酸素は約１バー ルの圧力で生産され、酸素の需要が常に所定の最小量を超える場合である。所定 の最小量に等しい気体酸素の一定流は、図１における点線で示すように、移送ラ イン３５を介して低圧塔７の底部から直接に引き出され、そして熱交換器の中で 加熱されるようになっている。このような変形例によって、貯溜タンク１０およ び１１の容量を減らすことが可能である。また、上記と同じように、液体酸素お よび／または気体窒素および／または液体窒素は、上記精製ユニット５によって 同時に生産され、移送ライン３６および／または３７および／または３８（図１ の点線で示すように）を介して外部へ移送されるようになっている。 なお、本発明における上記以外の変形例につき、下記のようなことが考えられ る。 例えば、図３に示す変形例では、ポンプ１３は省略されている。酸素の補助流 は気体の状態で、低圧塔７の内部から移送ライン３９を介して引き出されて、熱 交換器３の通路３０で低圧状態のまま加熱される。そして、この補助流は、キャ ビティ１５に引き込まれる前に補助圧縮機により高圧まで圧縮される。 また、本発明における他の変形例としては、二つの酸素流のうち少なくとも一 つの酸素流を気化させる流体は窒素である。特に、図４に示す変形例では、酸素 は約１バールの圧力で生産されており、主要流の気化 は精製ユニット５内の気化器８により行われている。この主要流は気体のまま、 低圧塔７の内部から移送ライン４１を介して引き出され、熱交換器３内の通路２ ９で加熱される。この際、ポンプ１２の一端は、低圧塔７の内部に接続されてお り、低圧塔７内の流体は、重力の作用によりタンク１０に供給されるようになっ ている。 この際、酸素の可変流の気化により、中圧塔６内で可変流の窒素を産出するこ とができる。そのため、移送ライン３８が窒素の貯溜タンク４２に接続され、さ らに該貯溜タンク４２の底部がポンプ４３に接続されることで、液体窒素の可変 流を中圧塔６の頂部に送り返している。 この変形例は、酸素／窒素の振り型プロセスであって、一定液面の貯溜タンク １１を省くことができる。 さらに、図３に示す変形例と図４に示す変形例とを組み合わせた場合、熱交換 器３内で液体酸素が気化されることがなくなる。その結果、本発明のプラント設 備を構成する一部の構成部分１４、２２、２３、１１、２４、２５を省略するこ とができるようになり、全ての流入空気はコンプレッサー１により６バールの圧 力まで圧縮された後、熱交換器３の通路１９へ移送されていく。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．空気精製によって空気から一種の気体特に酸素ガスを可変な流量で生産する 方法であって、生産される少なくとも一部のガスが第１液体の形態で第１貯溜タ ンタ（１０）に貯溜され；該第１液体の可変流が該貯溜タンク（１０）より引き 出され、ポンプ１２と通路２９と気化／凝縮器８により気体へ変化されて供給圧 力を有するようになり、また、該第１液体の可変流は、第２流体の相応な可変流 例えば精製される空気を凝縮させることで、通路２９および蒸発／凝縮器８で気 化され；この凝縮された第２流体は、第２液体の形態で第２貯溜タンク（１１） に貯溜され；この第２液体は制御された条件で精製ユニット（５）に移送される 空気精製方法において、 産出されるガスの補助流は、液体から気体に変わり生産圧力より高い圧力に変 化され、この高圧の状態で貯溜タンク（１５）に貯溜され、ガス需要がピークと なった際に少なくとも一部のガスは、弁３４で産出圧力まで膨張し、この補助タ ンク（１５）から引き出されるように構成されていることを特徴とする方法。 ２．液体状態の上記補助流は、ポンプ（１３）により、上記した高圧に圧縮され 、圧縮された補助流は、上記の補助タンク（１５）に移送される前に、この高圧 の状態で気化されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．圧縮された補助流は、熱交換器で上記第２流体により気化されることを特徴 とする請求項２記載の方法。 ４．上記の可変流および上記の補助流は、上記の熱交換器で単一の凝縮圧力の上 記第２流体により気化されることを特徴とする請求項３記載の方法。 ５．上記した単一の凝縮圧力は、第２流体の凝縮温度が上記液体の気化温度より 低くなるように、少なくとも上記の高圧に維持されることを特徴とする請求項３ または４記載の方法。 ６．上記凝縮圧力下の第２流体の凝縮温度は、生産圧力下の上記液体の気化温度 に伴う温度であることを特徴とする請求項５記載の方法。 ７．上記した第１液体の一定流は、精製ユニット（５）から引き出されて、上記 した第２液体の一定流は、第２貯溜タンク（１１）から該精製ユニット（５）に 移送されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の方法。 ８．上記の補助流は、通常の運転状態において、第１液体の流体の僅か一部であ り、特に略２５％であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の方法 。 ９．上記の補助流は、一定の流量を持っていることを特徴とする請求項１〜８の 何れか１項記載の方法。 １０．上記した需要のピークは、所定値より大きな数値をもつことを特徴とする 請求項１〜９の何れか１項記載の方法。 １１．上記酸素ガスが所定の過大流量になるまでは、この過大流量は、上記の可 変流量を増加することによって達成できることを特徴とする請求項１〜１０の何 れか１項記載の方法。 １２．空気精製によって空気から一種のガス特に酸素ガスを可変な流量で生産す るプラント設備であって、精製ユニット（５）と、該精製ユニットより移送され てくる酸素ガス製品により精製対象となる空気を冷却する熱交換器（３）と、第 １液体の形態で上記酸素ガスを貯溜する第１貯溜タンク（１０）と、該第１貯溜 タンク（１０）より第１液体の可変流を引き出しこれを供給圧力をもつ気体に変 化させるための第１手段（１２，２９；１２，８，２９）とを備え、上記した第 １手段は、第２流体たとえば精製される空気の相応な可変流を第２液体の形に凝 縮することによって上記可変流を気化させる第２手段（２９，８）と、第２液体 を貯溜するための第２貯溜タンク（１１）とを含んで構成されているプラント設 備において、 産出される酸素ガスの補助流を液体から気体に変化させ、生産圧力より高い圧力 を持たせ、補助タンク（１５）に移送する第３手段（１３，３０）と、膨張／流 動調整弁（３４）を有し補助タンク（１５）を生産ライン（１６）に接続させる 移送ライン（３３）とを備えていることを特徴とするプラント設備。 １３．上記した第３手段（１３，３０）は、上記した液体状態の補助流を圧縮す るポンプ（１３）と、該圧縮された補助流を気化させる手段（３０）とを含んで いることを特徴とする請求項１２記載のプラント設備。 １４．上記ポンプ（１３）は、上記第１の貯溜タンク（１０）に接続されている ことを特徴とする請求項１３記載のプラント設備。 １５．上記の可変流および上記の補助流との熱交換によって上記の第２流体を単 一の凝縮圧力に昇圧させる単一のブースタ（１４）を有することを特徴とする請 求項１３または１４記載のプラント設備。 １６．精製ユニット（５）より上記第１液体の一定流を引き出すために設計した 流体引き出し手段（２８）と、上記第２貯溜タンク（１１）より第２液体の一定 流を精製ユニット（５）に移送する手段とを含んでいることを特徴とする請求項 １２乃至１５の何れか１項記載のプラント設備。