JP2006525487A - 空気の低温蒸留により加圧空気ガスを製造するための方法及びシステム - Google Patents

空気の低温蒸留により加圧空気ガスを製造するための方法及びシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、全ての空気を中圧よりも少なくとも５乃至１０バール高い高圧にまで昇圧し、高圧空気流の１０％乃至５０％を含む空気の一部（１１）をコールドブースタ（２３）において昇圧し、交換器へと送り、少なくとも一部（３７）をその冷端で液化し、塔システムの少なくとも１つの塔（１００）へと送り、前記空気の他の一部（１３）を少なくとも前記高圧でクロードタービン（１７）において少なくとも部分的に膨張させ、中圧塔（１００）へと送り（３５）、少なくとも１つの液体流（２５）を前記塔システムの塔の１つ（２００）から抜き取り、加圧し（５０）、前記交換ライン（９）において気化させ、前記コールドブースタ（２３）を、以下の装置：ｉ）膨張タービン（１１９、１１９Ａ）、ｉｉ）電気モータ（６１）、及びｉｉｉ）膨張タービンと電気モータとの組み合わせの１つと組み合わせる、低温蒸留により空気を分離する方法に関する。

Description

本発明は、低温空気蒸留により加圧空気ガスを製造するためのプロセス及びプラントに関する。
ＥＰ−Ａ−０５９４０２９に記載されているような或る種のプロセス（タイプ１）は、中圧塔の圧力よりも十分に高い圧力に空気を圧縮する単一のコンプレッサを用いて高圧（＞１５バール）の酸素を製造する。
これらプロセスは、それらは液体の製造が要求されない場合に非常に多量のエネルギーを消費するという欠点を有しているので、投資コストが一番重要である状況に適している。
加圧気体酸素を製造するためのみに高い空気圧力を用いる他のプロセス（タイプ２）は、ＵＳ−Ａ−５４７５９８０に開示されており、液体を製造することなしに（或いは、少ない製造量で）高圧の気体酸素を製造するのにより良好な比エネルギーを有している。それらは、膨張タービンに機械的に連結したブロワによって加圧された空気の低温圧縮を用いる。
しかしながら、これは交換器の容積の観点で高価なプロセスであるので、このエネルギーの利点は、タイプ１の投資よりもかなり大きな投資のために相殺される。これは、一般的には、主空気流の大部分（６０％から８０％）が、主交換ラインに再導入される前に断熱低温圧縮を被るためである。
結局、これらタイプのプロセスは経済的に有利であるように思われ、その選択は、意図されるエネルギーの利用が低コストで入手可能であるか又は高コストで入手可能であるかに左右されるであろう。
この文献において、用語「凝縮」は擬凝縮を含み、用語「気化」は擬気化を含む。
温度は、せいぜい１０℃、好ましくはせいぜい５℃異なっている場合は、同様であるとみなされる。
交換ラインは主交換器であり、そこでは、塔システムによって製造された複数の気体が温められる、及び／又は、蒸留用の空気が冷却される。
本発明の目的は、冷圧縮，タイプ２のスキーム，が要求するのよりも小さな交換容積への要求を維持しつつ、エネルギー性能がタイプ１のプロセスを上回って改善されるのを可能とする製造プロセススキームの代替手段を提供することにある。
本発明によれば、空気の小部分（冷端で液化する部分）のみが低温圧縮を受け、それは、交換器の容積の増加を最小化する。しかしながら、これは、主要空気圧力が大幅に低減することを可能とする。というのは、低温ブースタが出力する空気は、酸素を気化するのに十分な圧力のままであるからである。
本発明の目的の１つは、二重塔又は三重塔を備え、最も高い圧力で稼動する塔が中圧と呼ばれる圧力で稼動する塔システムにおいて低温蒸留により空気を分離する方法であって、
ａ）全ての空気を前記中圧よりも少なくとも５乃至１０バール高い高圧にまで昇圧し、
ｂ）高圧の前記空気の流れの１０％乃至５０％を含む前記空気の一部を、その液体の（擬）気化温度に近い温度で交換ラインから抜き取り、コールドブースタによって少なくとも前記高圧よりも高く昇圧し、その後、前記交換ライン中へと送り戻し、そして、その少なくとも一部を、前記交換ラインの冷端で液化し、次いで、膨張の後に前記塔システムの少なくとも１つの塔の中へと送り、
ｃ）ことによると前記高圧の空気の残りを構成する、少なくとも前記高圧の前記空気の他の部分を、クロードタービンにおいて膨張させ、次いで、前記中圧の塔の中へと送り、
ｄ）少なくとも１つの液体流を前記塔システムの１つの塔から抜き取り、加圧し、前記交換ラインにおいて気化させ、
ｅ）前記コールドブースタは、以下の駆動装置：
ｉ）膨張タービン、
ｉｉ）電気モータ、及び
ｉｉｉ）膨張タービンと電気モータとの組み合わせ
の１つと組み合わされる方法を提供することにある。
他の任意の側面によると、
前記高圧の空気の少なくとも一部を、前記交換ラインに入れる前にホットブースタにおいて昇圧し、次いで、前記交換ラインにおいて冷却し、
蒸留すべき前記空気の全てをホットブースタにおいて前記高圧よりも高い圧力にまで昇圧し、
前記ホットブースタからの前記空気の一部を、前記ホットブースタの吐出圧力で前記クロードタービンへと送り、
前記ホットブースタからの前記空気の一部を、前記交換ラインにおいて冷却し、膨張及び液化させ、前記塔システムの少なくとも１つの塔へと送り、
前記ホットブースタからの前記前記空気の全てを、前記クロードタービンのみに、又は、前記クロードタービン及び前記コールドブースタのみに送り、
前記ホットブースタを前記クロードタービンと組み合わせ、
蒸留用の気体空気の全ては、前記クロードタービンから及び任意に他の空気膨張タービンからもたらされ、
前記コールドブースタにおいて昇圧される前記空気の全てを、前記交換ラインにおいて冷却し、膨張及び液化し、前記塔システムの少なくとも１つの塔へと送り、
前記塔システムの１つの塔からの窒素富化ガス流を、前記交換ラインにおいて僅かに温め、前記駆動装置を構成（又はその一部を形成）している前記膨張タービンにおいて膨張させ、前記交換ラインにおいて温め、
空気流を、前記駆動装置を構成（又はその一部を形成）している前記膨張タービンにおいて膨張させ、その膨張した空気を前記塔システムの１つの塔，特には低圧塔，へと送り、
気化する前記塔からの液体は、空気と比較して酸素に富んでおり、
前記コールドブースタの入口温度は、それら塔から抜き取られ、前記交換ライン中へと導入され、加圧された液体の気化温度に近く、好ましくは実質的に等しく、
前記クロードタービンの入口温度は、前記コールドブースタの入口温度よりも低く、
前記駆動装置を構成しているか又はその一部を形成している前記タービンの入口温度は、前記コールドブースタの入口温度よりも高く、
前記中圧よりも少なくとも５乃至１０バール高い高圧にまで高められた前記空気の全ては、この高圧で浄化される。
本発明の他の目的は、低温蒸留空気分離プラントであって、
ａ）熱交換ラインと、
ｂ）最も高い圧力で稼動する塔が中圧で稼動する二重又は三重空気分離塔と、
ｃ）クロードタービンと、
ｄ）前記クロードタービンに繋げられたホットブースタと、
ｅ）コールドブースタと、
ｆ）タービン、電気モータ、又はそれら２つの組み合わせからなる、前記コールドブースタを駆動する装置と、
ｇ）蒸留用の圧縮空気の全てを前記ホットブースタへと送る手段、及び、昇圧した空気を前記熱交換ラインへと送る手段と、
ｈ）好ましくは前記圧縮空気の１０乃至５０％を構成する、前記昇圧した空気の第１部分を前記交換ラインの中間レベルへと抜き取り、それを前記コールドブースタへと送る手段、及び、前記コールドブースタからの前記空気を、それを膨張させ且つ回送させるために、前記交換ラインの冷端から出力させる手段と、
ｉ）前記昇圧した空気の第２部分を前記交換ラインの中間レベルへと抜き取り、それを前記クロードタービンへと送る手段と、
ｊ）気化すべき液体を前記二重又は三重塔から前記交換ライン中へと送る手段とを具備したプラントを提供することにある。
前記駆動装置を構成しているか又はその一部を形成している前記タービンは、空気膨張タービン、特には吹込タービン又は窒素膨張タービンであってもよい。
本発明を、図面を参照しながらより詳細に説明する。図１乃至４の各々は、本発明に係る空気分離ユニットを示している。図１において、空気は、コンプレッサ（図示せず）において、約１５バールの圧力にまで圧縮され、次いで、不純物を除去するために浄化される（図示せず）。浄化した空気は、ブースタ５において約１８バールの圧力まで昇圧される。昇圧した空気は、水などの冷媒との熱交換により冷却され、交換ライン９の温端に送られる。空気の全ては交換ラインの中間温度に冷却され、次いで、空気は２つに分けられる。空気の第１の部分１１は、１０乃至５０％の高圧空気流を含んでおり、低温で取り入れるブースタ２３へと送られる。昇圧された空気は、次いで、ブースタの出口で冷却されることなしに、約３１バールの圧力で交換ラインへと送られ、特には擬気化する液体酸素のポンプで汲み上げられた流れ２５との熱交換によって冷却され続けると共に液化する。空気の残り１３は、５０乃至９０％の高圧空気を含んでおり、ブースタ２３の入口温度よりも低い温度にまで冷却され、クロードタービン１７において膨張させられ、中圧塔へと送られ、このようにして、二重塔に送られる唯一の気体空気流を構成する。
中圧塔１００からの窒素富化ガス流３１は、交換ラインにおいて温められ、クロードタービン１７の吸込温度より高い温度でそこから出て行き、膨張タービン１１９へと送られる。実質的に低圧で及び実質的に交換ラインの冷端の温度で膨張した窒素は、交換ラインに再導入され、そこで温まるか、又は、低圧塔から抜き取られた窒素富化ガス３３と合流し、この形成された窒素流２９は交換ライン全体を通過しながら温められる。
窒素タービン１１９は、コールドブースタ２３に繋がっており、クロードタービン１７は、ホットブースタ５に繋がっている。
膨張タービン１１９は本発明の必須の要素ではなく、コールドブースタ２３のための駆動装置は電気モータによって置換されてもよい。同様に、膨張タービン１１９は、空気膨張タービンによって置換されてもよい。
図１及び全ての図の塔システムは、低圧塔の排水リボイラによって低圧塔２００と熱的に結合した中圧塔１００によって形成された従来型の空気分離ユニットであり、そのリボイラは中圧の窒素流によって温められる。勿論、他のタイプのリボイラーも想定される。
中圧塔１００は、５．５バールの圧力で稼動するが、より高圧で稼動してもよい。
タービン１７からの気体空気３５は、中圧塔１００の底部へと送られる。
液化された空気３７は、バルブ３９において膨張し、２つへと分けられ、一方は中圧塔１００へと送られ、残りは低圧塔２００へと送られる。
濃厚液５１とより下方の希薄液５３とより上方の希薄液５５とは、バルブ内での膨張工程及び過冷却工程の後、中圧塔１００から低圧塔２００の中へと送られる。
酸素富化液体５７及び窒素富化液体５９は、ことによると、最終生成物として二重塔から抜き取られる。
酸素富化液体は、ポンプ５００により加圧され、加圧された液体２５として交換ライン９へ向けて送られる。その代わりに又はこれに加え、圧力が異なる他の複数の液体酸素流や液体窒素及び液体アルゴンなどの加圧された又は加圧されていない他の複数の液体が交換ライン９において気化されてもよい。
不要の窒素２７は、低圧塔の頂部から抜き取られ、還流液５１、５３、５５を過冷却するのに使用された後、交換ライン９において温められる。
塔は、任意に、低圧塔２００から抜き取られた流れを処理することによりアルゴンを製造してもよい。
一変形例として、点線で示されるように、ブースタ２３で昇圧されていない高圧空気の一部４１は、酸素との熱交換によって交換ラインにおいて液化してもよく、その酸素は、気化し、バルブ４３において膨張して中圧にまで減圧され、液化空気３７と混合される。空気がブースタ５を出たときに超臨界圧である場合には、バルブ３９、４３における膨張の後にのみ液化が起こることが理解されるであろう。
図２は、中圧塔１００の頂部からの気体中圧窒素の抜き取りがないことにおいて図１とは異なっている。中圧窒素タービン１１９は、吹込タービン１１９Ａで置換されている。クロードタービン１７からの空気の一部６１は、吹込タービンへと送られ、タービン１１９Ａにおいて膨張した空気は低圧塔２００へと送られる。
ホットブースタ５は、再度、クロードタービンに繋がっており、コールドブースタ２３は吹込タービンに繋がっている。
複数の液体流は中圧塔及び低圧塔用の複数の流れを形成するための分割の後にのみ膨張させられるので、液体空気膨張バルブもまた図２とは異なっている。
図１のように、２つの空気流が交換ラインで液化して熱平衡を最適化するように、高圧空気の一部を酸素との熱交換によって冷却してもよい。
この種のプロセスは、低純度酸素の製造により適している。
図３は、図１及び２と似ているが、クロードタービン以外のタービンを含んでいない。コールドブースタ２３はモーター６１に繋がっており、ホットブースタ５はクロードタービンと繋がっている。
図４では、ほぼ１５バールの圧縮空気の一部３のみがホットブースタ５へと送られる。当該一部は、高圧空気の９０乃至５０％を構成している。次いで、この空気は、冷却され、交換ライン９の温端へと送られる。ホットブースタからの空気の全ては、交換ライン９の中間レベルへと抜き取られ、クロードタービン１７へと送られる。膨張した空気３５の一部は中圧塔１００へ向けて送られ、膨張した空気の残りは吹込タービン１１９Ａへと送られ、次いで低圧塔２００へと送られる。
約１５バールの空気の残りの部分２（それゆえ、全高圧流の１０乃至５０％）は、交換ライン９においてクロードタービン１７の入口温度よりも高い中間温度にまで冷却され、次いで、コールドブースタ２３において昇圧される。この空気は、次いで、交換ライン９において液化する。図２のように、ホットブースタ５はクロードタービンに繋がっており、コールドブースタ２３は吹込タービン１１９Ａに繋がっている。
本発明に係る空気分離ユニット。 本発明に係る空気分離ユニット。 本発明に係る空気分離ユニット。 本発明に係る空気分離ユニット。
符号の説明
５，２３…ブースタ、９…交換ライン、１７，１１９…タービン、１００…中圧塔、２００…低圧塔、５００…ポンプ。

Claims (18)

  1. 二重塔又は三重塔を備え、最も高い圧力で稼動する塔（１００）が中圧と呼ばれる圧力で稼動する塔システム（１００、２００）において低温蒸留により空気を分離する方法であって、
    ａ）全ての空気を前記中圧よりも少なくとも５乃至１０バール高い高圧にまで昇圧し、
    ｂ）高圧の前記空気の流れの１０％乃至５０％を含む前記空気の一部（１１）を、その液体の（擬）気化温度に近い温度で交換ライン（９）から抜き取り、コールドブースタ（２３）によって少なくとも前記高圧よりも高く昇圧し、その後、前記交換ライン中へと送り戻し、そして、その少なくとも一部を、前記交換ラインの冷端で液化し、次いで、膨張の後に前記塔システムの少なくとも１つの塔の中へと送り、
    ｃ）ことによると前記高圧の空気の残りを構成する、少なくとも前記高圧の前記空気の他の部分（１３）を、クロードタービン（１７）において膨張させ、次いで、前記中圧の塔の中へと送り、
    ｄ）少なくとも１つの液体流（２５）を前記塔システムの１つの塔（２００）から抜き取り、加圧し、前記交換ラインにおいて気化させ、
    ｅ）前記コールドブースタは、以下の駆動装置：
    ｉ）膨張タービン（１１９、１１９Ａ）、
    ｉｉ）電気モータ（６１）、及び
    ｉｉｉ）膨張タービンと電気モータとの組み合わせ
    の１つと組み合わされる方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、前記高圧の空気の少なくとも一部（３）を、前記交換ラインに入れる前にホットブースタ（５）において昇圧し、次いで、前記交換ライン（９）において冷却する方法。
  3. 請求項１又は２に記載の方法であって、蒸留すべき前記空気の全てをホットブースタ（５）において前記高圧よりも高い圧力にまで昇圧する方法。
  4. 請求項２及び３の何れか一方に記載の方法であって、前記ホットブースタ（５）からの前記空気の一部（１３）を、前記ホットブースタの吐出圧力で前記クロードタービン（１７）へと送る方法。
  5. 請求項２乃至４の何れか１項に記載の方法であって、前記ホットブースタ（５）からの前記空気の一部（４１）を、前記交換ラインにおいて冷却し、膨張及び液化させ、前記塔システムの少なくとも１つの塔へと送る方法。
  6. 請求項２乃至４の何れか１項に記載の方法であって、前記ホットブースタ（５）からの前記前記空気の全てを、前記クロードタービン（１７）のみに、又は、前記クロードタービン（１７）及び前記コールドブースタ（２３）のみに送る方法。
  7. 請求項２乃至６の何れか１項に記載の方法であって、前記ホットブースタ（５）を前記クロードタービン（１７）と組み合わせる方法。
  8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法であって、蒸留用の気体空気の全ては、前記クロードタービン（１７）から及び任意に他の空気膨張タービンからもたらされる方法。
  9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法であって、前記コールドブースタ（５）において昇圧される前記空気の全てを、前記交換ラインにおいて冷却し、膨張及び液化し、前記塔システム（１００、２００）の少なくとも１つの塔へと送る方法。
  10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法であって、前記塔システムの１つの塔（１００）からの窒素富化ガス流（３１）を、前記交換ライン（９）において僅かに温め、前記駆動装置を構成（又はその一部を形成）している前記膨張タービン（１１９）において膨張させ、前記交換ラインにおいて温める方法。
  11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法であって、空気流（６１）を、前記駆動装置を構成（又はその一部を形成）している前記膨張タービン（１１９Ａ）において膨張させ、その膨張した空気を前記塔システムの１つの塔，特には低圧塔（２００），へと送る方法。
  12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法であって、気化する前記塔からの液体（２５）は、空気と比較して酸素に富んでいる方法。
  13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法であって、前記コールドブースタ（２３）の入口温度は、それら塔から抜き取られ、前記交換ライン中へと導入され、加圧された液体（２５）の気化温度に近く、好ましくは実質的に等しい方法。
  14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の方法であって、前記クロードタービン（１７）の入口温度は、前記コールドブースタ（２３）の入口温度よりも低い方法。
  15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の方法であって、前記駆動装置を構成しているか又はその一部を形成している前記タービン（１７）の入口温度は、前記コールドブースタ（２３）の入口温度よりも高い方法。
  16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の方法であって、前記中圧よりも少なくとも５乃至１０バール高い高圧にまで高められた前記空気の全ては、この高圧で浄化される方法。
  17. 低温蒸留空気分離プラントであって、
    ａ）熱交換ライン（９）と、
    ｂ）最も高い圧力で稼動する塔が中圧で稼動する二重又は三重空気分離塔（１００、２００）と、
    ｃ）クロードタービン（１７）と、
    ｄ）前記クロードタービンに繋げられたホットブースタ（５）と、
    ｅ）コールドブースタ（２３）と、
    ｆ）タービン（１１９、１１９Ａ）、電気モータ（６１）、又はそれら２つの組み合わせからなる、前記コールドブースタを駆動する装置と、
    ｇ）蒸留用の圧縮空気の全てを前記ホットブースタへと送る手段、及び、昇圧した空気を前記熱交換ラインへと送る手段と、
    ｈ）好ましくは前記圧縮空気の１０乃至５０％を構成する、前記昇圧した空気の第１部分を前記交換ラインの中間レベルへと抜き取り、それを前記コールドブースタへと送る手段、及び、前記コールドブースタからの前記空気を、それを膨張させ且つ回送させるために、前記交換ラインの冷端から出力させる手段と、
    ｉ）前記昇圧した空気の第２部分を前記交換ラインの中間レベルへと抜き取り、それを前記クロードタービンへと送る手段と、
    ｊ）気化すべき液体を前記二重又は三重塔から前記交換ライン中へと送る手段とを具備したプラント。
  18. 請求項１７に記載のプラントであって、前記駆動装置を構成しているか又はその一部を形成している前記タービンは、空気膨張タービン、特には吹込タービン（１１９Ａ）又は窒素膨張タービン（１１９）であるプラント。
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