JP2007518054A - 空気分離のための低温蒸留方法および装置 - Google Patents

空気分離のための低温蒸留方法および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、低温蒸留により空気を分離するための方法および装置に関する。本発明によれば、空気のすべては中圧より高い圧力にもたらされ、精製される。精製された空気流（１１）の一部は、交換ライン（９）の中で冷却され、続いて、２つの留分（１３、１５）に分割される。留分のそれぞれはタービン（１７、１９）の中で膨張し、２つのタービンの取り込み圧力は少なくとも５バールまで中圧より高い。さらに、２つのタービンの少なくとも１つの排出圧力は中圧に本質的に等しい。タービンの少なくとも１つの中で膨張した空気の少なくとも一部は、二重塔または三重塔の中圧塔（１００）に運ばれる。続いて、膨張タービンの１つ（１９）に機械的に接続される寒冷ブースター（２３）は主要交換ラインの中で冷却された空気を引き出し、取り込み温度より高い温度で前記空気を放出する。したがって、圧縮された流体は、流体の少なくとも一部が凝縮する主要交換ラインに再導入される。塔（２００）の１つから出発する少なくとも１つの加圧された液体（２５）が気化温度で交換ラインの中で気化し、寒冷ブースターに接続されないタービン（１７）は、ブースター（５）、続いて冷却器に接続される。

Description

本発明は、低温蒸留により空気を分離するための方法および装置に関する。
極低温を超える温度で圧縮されたガスとの熱交換により空気分離ユニットの交換ラインの中での加圧された液体の気化により加圧された空気からガスを製造することが知られている。このタイプのユニットはＦＲ−Ａ−２６８８０５２号公報、ＥＰ−Ａ−０６４４３８８号公報、ＥＰ−Ａ−１０１４０２０号公報およびＦＲ０３／０１７２２特許出願明細書に公知である。
低温圧縮と関連する熱の流入が取り出されねばならないので、公知のユニットのエネルギー効率はあまり良好ではない。
加えて、ＵＳ−Ａ−５４７５９８０号公報の図７のそれのような方案のケースでは、寒冷ブースターに連結されたタービン全体が機械の軸上に組み込まれるエネルギー吸収系（油ブレーキ）と結びつき、低い出力レベル（ほぼ７０ｋＷ）にとどまるという技術的な限界がある。
それにもかかわらず、このタイプのプロセスは、特にエネルギーの再利用がほとんど無いとき、またはエネルギーが低コストで入手できるときに、経済的な利益があるといわれている。このため、タービン／ブースターアセンブリの軸上に一体化される油ブレーキの技術的限界を突破することは潜在的な利益となる。
本発明の目的は、タービン／ブースター軸上に一体化されるエネルギー散逸系のない寒冷ブースターをベースとするプロセス方案を達成し、空気分離ユニットの実際的なすべてのサイズのためのこの方案を用いることを可能とする代替案を提案することにある。
本発明の１つの主題は、高圧で稼動する塔が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重空気分離塔および交換ラインを備える装置での低温蒸留により空気を分離するための方法であって、
ａ）すべての空気が高圧、任意には中圧を少なくとも５バール超える高圧とされ、任意に、この高圧で精製され、
ｂ）精製された空気の流れの一部が交換ラインの中で冷却され、次いで、２つの留分に分かれ、
ｃ）それぞれの留分がタービンの中で膨張し、
ｄ）２つのタービンの取り込み圧力が中圧より少なくとも５バール高く、
ｅ）２つのタービンのうち少なくとも１つの搬送圧力が実質的に中圧に等しく、
ｆ）タービンの少なくとも１つの中で膨張する空気の少なくとも一部は二重または三重塔の中圧塔に送られ、
ｇ）膨張タービンの１つに機械的に連結される寒冷ブースターは交換ラインの中で冷却を受ける空気の中で取り込みをし、取り込み温度を超える温度で空気を送り、そうして圧縮された流体は流体の少なくとも一部が（擬似）凝縮を被る交換ラインに再導入され、
ｈ）塔の１つから到来する少なくとも１つの加圧された液体は、気化温度で交換ラインの中で（擬似）気化され、
ｉ）寒冷ブースターに連結されていないタービンは、冷却器に続くブースターに接続され、そして、任意に、
ｉｉ）寒冷ブースターの取り込み温度が液体の（擬似）気化温度に近いことを特徴とする方法である。
本発明の他の任意の態様によれば、
設備は、二重塔または三重塔に加えて、混合塔を含み、少なくとも１つのタービンから到来する空気が混合塔に送られ、
混合塔の上流の少なくとも１つのタービンに送られる空気が寒冷ブースター以外のブースターから到来し、高圧を超える圧力でこのブースターを離れ、
タービンの少なくとも１つから到来する空気は質量交換に関与するために混合塔の底部に送られ、
高圧の空気は混合塔の底部リボイラーに送られ、その場合、それは少なくとも部分的に二重塔または三重塔に送られる前に凝縮する。
本発明の別の主題は、
ａ）中にある高圧で稼動する塔が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重空気分離塔と、
ｂ）交換ラインと、
ｃ）中圧を超える高圧にすべての空気を昇圧させるための手段および任意にこの高圧でそれを精製するための手段と、
ｄ）交換ラインを冷却するために交換ラインに精製された空気流の一部を送るための手段および２つの留分にこの冷却された空気を分割するための手段と、
ｅ）２つのタービンおよびそれぞれのタービンに１つの空気留分を送るための手段と、
ｆ）二重塔または三重塔の中圧塔にタービンの少なくとも１つの中で膨張した空気の少なくとも一部を送るための手段と、
ｇ）寒冷ブースター、好ましくは主要交換ライン上の中間点から取り出された空気を寒冷ブースターに送るための手段および寒冷ブースターの中で昇圧された空気を取り出し点の上流の中間点で交換ラインに送るための手段と、
ｈ）塔の１つから到来する少なくとも１種の液体を加圧するための手段、少なくとも１種の加圧された液体を交換ラインに送るための手段および交換ラインから気化した液体を排除するための手段と、ならびに
ｉ）タービンの１つに連結される寒冷ブースターと、
を備え、
寒冷ブースターに連結されないタービンが冷却器に続くブースターを有するエネルギー散逸手段に連結されることを特徴とする低温蒸留により空気を分離するための装置である。
他の任意の態様によれば、本発明の装置は、
混合塔および少なくとも１つのタービンから混合塔に空気を送るための手段と、
混合塔の上流の少なくとも１つの膨張タービンにエネルギー散逸手段を構成するブースターまたはその形成部品の中で圧縮された空気の一部を送るための手段と、
質量交換にかかわらせるためにタービンの少なくとも１つから到来する空気を混合塔に送るための手段と、
高圧で空気を混合塔の底部リボイラーに送るための手段およびこの底部リボイラーの中で少なくとも部分的に凝縮される空気を二重塔または三重塔に送るための手段と、
を有する。
第１のタービン／ブースターアセンブリのタービンと並列して稼動し、それ自体のエネルギー散逸系を備える相補的タービンが用いられ得る。好ましくは、この系は、ブースターとそれに続く高温部の中に設置された水冷器であり得る。
「圧力の点で近い」と言う表現は、圧力が大きくとも５バール、好ましくは大きくとも２バールまで異なると言うことを意味する。「温度の点で近い」と言う表現は、温度が大きくとも１５℃、好ましくは大きくとも１０℃まで異なることを意味する。
ブースターは単一ステージ（single-stage）コンプレッサーである。
言及されるすべての圧力は絶対圧力である。
「凝縮」と言う用語は擬似凝縮も含む。
「気化」と言う用語は擬似気化も含む。
本発明は、図４（任意タービン９）において２つのタービン８、３２が極めて異なる取り込み圧力を有し、その差異は少なくとも１４バールであり、図５において、圧力差は約１３バールであり、タービンは低圧で排気し、このことは純粋な酸素の製造にとって不利になると言う点で米国特許第ＵＳ−Ａ−５４７５９８０号とは異なる。
本発明は図を参照してきわめて詳細に記載される。
図１において、大気圧での空気の流分は、メインコンプレッサー（図示せず）の中で約１５バールに圧縮される。次いで空気は任意に不純物を除去するために精製する前に（図示せず）冷却される。精製された空気は２つの部分に分割される。空気の一部３はブースター５に送られ、その場合その空気は１７ないし２０バールの圧力に圧縮され、次いで、昇圧された空気は水冷装置７により冷却され、その後空気分離ユニットの主要交換ライン９の高温末端に送られる。昇圧された空気１１は中間温度に冷却され、その後交換ラインを出て行き、２つの留分に分割される。もちろん、流分１１の留分は、留分が液化され始める交換ライン９の低温末端に達するまで冷却されつづけることが可能である。留分１３はタービン１７に送られ、残部（留分１５）はタービン１９に送られる。２つのタービンは同じ取り込み温度と取り込み圧力ならびに同じ排出温度と排出圧力を有するが、もちろん、それらの温度と圧力は同一である代わりに互いに近接していることが可能である。タービンによる２つの流分の出力は、空気の流分２１を形成するように互いに混合され、その一部１２１は二重塔に送られ、残部（部分１２２）は混合塔３００に送られる。流れ１２２は、流分２１の一部を構成し、または任意に流分２１が２相流である場合に流分２１のガス性部分の留分を構成する。もちろん、中圧塔１００に流分２１全体を送り、混合塔に送られるガス性部分１２２をそこから抽出する（ｗｉｔｈｄｒａｗ）ことが可能であり、この場合には中圧塔は相分離装置に置き換わる。中圧塔と混合塔の圧力は異なり得る。変形として、タービン１９は低圧塔の圧力で配送する吹き付けタービンでありうる。
供給空気の残部を構成する１５バールの空気の別の部分２は、約３０バールまで第２のブースター２３の中で圧縮されるタービン１７、１９の取り込み温度を超える中間温度に交換ラインの中で冷却され、冷却を続けるために高温で交換ライン９に再導入される。
したがって、約３０バールの空気３７が交換ラインで液化し、液体酸素２５が交換ラインの中で気化し、液体の気化温度は第２のブースター２３の取り込み温度に近い。液化された空気は交換ラインを出て行き、塔の系に送られる。
廃棄窒素流２７は交換ライン９の中で暖められる。
第１の昇圧器５はタービン１７または１９の一方に連結され、第２のブースター２３はタービン１９または１７の他方に連結される。
空気分離ユニットの塔の系は、ミナレット、混合塔３００、および任意のアルゴン塔（図示せず）を有する低圧塔２００と熱的に連結された中圧塔１００により形成されている。低圧塔は必ずしもミナレットを有さなくてもよい。
中圧塔は５．５バールの圧力で稼動するが、しかし、それはより高圧でも稼動し得る。
２つのタービン１７、１９から到来する空気１２１は中圧塔１００の底部に送られる流分である。
液化された空気３７は弁３９の中で膨張し、または任意にタービンの中で膨張し、塔の系に送られる。
富化液体５１、下方貧化液体５３および上方貧化液体５５は、バルブ内での膨張および過冷却工程（ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔｅｐ）の後中圧塔１００から低圧塔２００に送られる。
液体酸素はポンプ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に送られる。加圧されていてもいなくても他の液体は交換ラインの中で気化され得る。
任意に、気体窒素は中圧塔から取り出され、ふたたび交換ライン９の中で冷却される。
窒素３３は、低圧塔の頂部から取り出され、還流液体を過冷却する機能を果たして後交換ラインの中で暖められる。
廃棄窒素２７は、低圧塔の下方レベルから取り出され、還流液体を過冷却する機能を果たして後交換ラインの中で暖められる。
任意に、低圧塔２００に引かれる流れ５１を処理することにより塔はアルゴンを製造し得る。存在するならば、流分５２はアルゴン塔から送られる底部液体である。
混合塔３００は、低圧塔２００の中間レベルから取り出され、ポンプ６００により加圧される酸素富化液体３５を頂部で供給され、タービン１７、１９から到来するガス性空気の流れ１２２を底部で供給される。混合塔は本質的に中圧で稼動する。
ガス性酸素流３７は混合塔の頂部から取り出され、次いで、交換ライン９の中で暖められ、液体流４１は底部で取り出され、バルブの中で膨張した後低圧塔に送られる。低圧塔に送られる塔３００から中間流を取り出すことが可能である。
図２において、大気圧の空気の流分はメインコンプレッサー（図示せず）の中で約１５バールまで圧縮される。次いで空気は任意に、不純物を除去するために精製される（図示せず）前に冷却される。精製された空気は２つの部分に分割される。空気の一部３は、ブースター５に送られ、そこでそれは１７ないし２０バールの圧力に圧縮され、次いで、昇圧された空気は、空気分離ユニットの主要交換ライン９の高温末端に送られる前に水冷装置７により冷却される。昇圧された空気１１は、２つの留分１０３、１２３に分割される前に中間温度に冷却される。留分１０３は交換ラインを出て行き、再び２つの留分に分割される。１つの留分１３はタービン１７に送られ、残部（留分１５）はタービン１９に送られる。２つのタービンは同じ取り込み温度と取り込み圧力および同じ排出温度と排出圧力を有するが、しかし、もちろんそれらの温度と圧力が同一である代わりに互いに近接していることが可能である。タービンにより出力される２つの流れは空気の流分２１を形成するように互いに混合され、その一部１２１は二重塔に送られ、残部（部分１２２）は混合塔３００に送られる。変形として、タービン１９は、低圧塔の圧力で配送する吹き付けタービンであり得る。
留分１２３は、交換ライン９の中で冷却されつづけ、流分１２５を形成するために留分が少なくとも部分的に凝縮する混合塔３００の底部リボイラー３０１に送られる低温末端の上流で交換ラインから出て行く。
供給空気の残部を構成する１５バールの空気の別の部分２は、タービン１７、１９の取り込み温度を超える中間温度に交換ラインの中で冷却され、約３０バールに第２のブースター２３の中で圧縮され、冷却しつづけるように高温で交換ライン９に再導入される。
したがって、約３０バールの空気３７は交換ラインの中で液化され、液体酸素２５は交換ラインの中で気化され、液体の気化温度は第２のブースター２３の取り込み温度に近い。液化した空気は交換ラインを出て行き、リボイラー３０１から到来する液化した空気１２５と混合されて後、塔の系に送られる。
廃棄窒素流２７は交換ライン９の中で暖められる。
第１のブースター５はタービンの一方１７または１９と連結され、第２のブースター２３はタービンの他方１９または１７と連結される。
空気分離ユニットの塔の系は、ミナレット、混合塔３００、および任意のアルゴン塔（図示せず）を有する低圧塔２００と熱的に連結された中圧塔１００により形成される。低圧塔は必ずしもミナレットを有さない。
中圧塔は５．５バールの圧力で稼動するが、より高圧でも稼動し得る。
２つのタービン１７、１９から到来する気体空気２１は、中圧塔１００の底部に送られる流分である。
液化された空気３７は弁３９の中で膨張し、少なくとも中圧塔１００に送られる。
富化液体５１、下方貧化液体５３および上方貧化液体５５は、バルブ内での膨張と過冷却過程の後、中圧塔１００から低圧塔２００に送られる。
液体酸素はポンプ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に送られる。加えて、または代わりに、加圧されているか加圧されていない他の液体が交換ラインの中で気化し得る。
気体窒素が任意に、中圧塔から取り出され、再び交換ライン９の中で冷却される。
窒素３３が低圧塔の頂部から取り出され、還流液体の過冷却を果たさせた後交換ラインの中で加熱される。
廃棄窒素２７が低圧塔の下方レベルから取り出され、還流液体の過冷却を果たさせた後交換ラインの中で加熱される。
任意に、塔は、低圧塔２００に取り出される流れ５１を処理することによりアルゴンを製造し得る。
混合塔３００は、低圧塔２００の中間レベルから取り出される酸素富化液体３５を頂部でのみ供給され、ポンプ６００の中で加圧される。混合塔は、本質的に、中圧で稼動する。流れ１２３の圧力を変えることにより、混合塔３００は、中圧とは異なる圧力でも稼動し得る。任意に、富化液体５１の一部は、塔３００の底部に送られ得る。
ガス性酸素流３７は混合塔の頂部から取り出され、交換ライン９の中で暖められ、および液体流４１は底部で取り出され、弁の中で膨張して後低圧塔に送られる。
本発明による空気分離ユニットを示す。 本発明による空気分離ユニットを示す。
符号の説明
５，２３…ブースター、７…水冷装置、１９…タービン、３０１…リボイラー、５００…ポンプ

Claims (8)

  1. 高圧で稼動する塔（１００）が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重空気分離塔（１００、２００）および交換ライン（９）を備える設備での低温蒸留により空気を分離するための方法であって、
    ａ）すべての空気が任意に中圧を少なくとも５バール超える高圧とされ、任意に、この高圧で精製され、
    ｂ）精製される空気の流れの一部が交換ラインの中で冷却され、次いで、２つの留分に分かれ、
    ｃ）それぞれの留分がタービン（１７、１９）の中で膨張し、
    ｄ）２つのタービンの取り込み圧力が中圧より少なくとも５バール高く、
    ｅ）２つのタービンの少なくとも１つの配送圧力が実質的に中圧に等しく、
    ｆ）タービンの少なくとも１つの中で膨張する空気の少なくとも一部は二重または三重塔の中圧塔に送られ、
    ｇ）膨張タービンの１つに機械的に連結される寒冷ブースター（２３）は交換ラインの中で冷却を被る空気の中で取り込みをし、取り込み温度を超える温度で空気を配送し、そうして圧縮された流体は流体の少なくとも一部が（擬似）凝縮される交換ラインに再導入され、
    ｈ）塔の１つから到来する少なくとも１つの加圧された液体は、気化温度で交換ラインの中で（擬似）気化を受けて、
    ｉ）寒冷ブースターに連結されていないタービン（１７）はブースター（５）、ついで冷却器に連結され、そして、任意に、
    ｊ）寒冷ブースター（２３）の取り込み温度が液体の（擬似）気化温度に近く、
    設備が二重塔または三重塔に加えて、混合塔（３００）を含み、タービン（１７、１９）の少なくとも一つから到来する空気が任意に中圧塔（１００）を通過した後混合塔に送られることを特徴とする方法。
  2. 混合塔の上流のタービン（１７、１９）の少なくとも一方に送られる空気が寒冷ブースター（２３）以外のブースター（５）から到来し、高圧を超える圧力でこのブースターを出て行く請求項１記載の方法。
  3. タービン（１７、１９）の少なくとも一方で膨張した空気（１３、１５）が、混合塔内部での質量交換に関与するために混合塔（３００）の底部に送られる請求項１または２記載の方法。
  4. 少なくとも高圧の空気が、それが二重塔または三重塔に送られる前に少なくとも部分的に凝縮する混合塔（３００）の底部リボイラー（３０１）に送られる請求項１記載の方法。
  5. 低温蒸留により空気を分離するための装置であって、
    ａ）中にある高圧で稼動する塔（１００）が中圧と呼ばれる圧力で稼動する二重または三重空気分離塔（１００、２００）、
    ｂ）交換ライン（９）、
    ｃ）中圧を超える高圧にすべての空気を昇圧させるための手段および任意にこの高圧でそれを精製するための手段、
    ｄ）交換ラインを冷却するために交換ラインに精製された空気流の一部を送るための手段および２つの留分にこの冷却された空気を分割するための手段、
    ｅ）２つのタービン（１７、１９）およびそれぞれのタービンに１つの空気留分を送るための手段、
    ｆ）二重塔または三重塔の中圧塔にタービンの少なくとも１つの中で膨張した空気の少なくとも一部を送るための手段、
    ｇ）寒冷ブースター（２３）、好ましくは主要交換ライン上の中間点から取り出された空気を寒冷ブースターに送るための手段および寒冷ブースターの中で昇圧された空気を取り出し点の上流の中間点で交換ラインに送るための手段、
    ｈ）塔の１つから到来する少なくとも１種の液体を加圧するための手段（５００）、少なくとも１種の加圧された液体を交換ラインに送るための手段および交換ラインから気化した液体を排除するための手段、
    ｉ）タービン（１９）の１つに連結される寒冷ブースター、および
    ｊ）ブースター（５）とそれに続く冷却器に連結される寒冷ブースターに連結されていないタービン（１７）を備え、
    混合塔とタービン（１７、１９）の少なくとも１つから混合塔に空気を送るための手段を含むことを特徴とする装置。
  6. 混合塔の上流の少なくとも１種の膨張タービン（１７、１９）にエネルギー散逸手段を構成するブースター（５）またはその形成部品の中に圧縮された空気の一部を送るための手段を含む請求項５記載の装置。
  7. タービンの中での質量交換に関与するために混合塔にタービン（１７、１９）の少なくとも１つから到来する空気を送るための手段を含む請求項５または６のいずれか１項記載の装置。
  8. 混合塔（３００）の底部リボイラー（３０１）に少なくとも高圧で空気（１２３）を送るための手段および二重塔または三重塔に対してこの底部リボイラーの中に少なくとも部分的に凝縮される空気を送るための手段を含む請求項５記載の装置。
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