JP2009541709A - 極低温蒸留を使用する空気分離方法及び装置 - Google Patents

Abstract

空気蒸留ユニットは、気体窒素の公称流量を製造するのに適した空気蒸留塔（１０）を具備しており、前記塔の塔頂部は液体窒素供給源（８）に接続されており、前記空気蒸留ユニットは、以下の手順：圧縮され、冷却され、精製された空気の流れを、交換器（１１）へと送り、その後、前記塔へと送り、気体窒素の流れを前記塔から取り出し、塔の底部での液体レベルを制御することを実行することによって動作し、前記供給源から前記塔へと送られる注入液体（２０）は、最大で必要とされる生産量が公称生産量まで下がった場合、送られない。極低温蒸留による空気の分離への適用。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極低温蒸留を使用する空気分離方法及び装置に関する。特には、液体の注入（外部供給源からの液体窒素を塔頂部内へと送ること）により冷却状態に保たれる単一の塔を使用する窒素の製造に関する。本発明のねらいは、より詳細には、高純度窒素、即ち、典型的には０．１％未満の酸素を含有した窒素の、中程度（moderate）であり且つ可変な需要（典型的には１００乃至２０００Ｓｍ³／ｈ）を満足させることにある。本明細書において、当該の流量は、質量流量である。

高純度窒素は、通常、極低温で得られる。低消費に関しては、従来の自律性（autonomous）製造ユニットの建設は、自動設備の場合には、非常に高額なレベルの出資を意味し、逆の場合には、投資はそれよりも限られたレベルであるものの、高額な労務費がかかる。これにより、窒素の原価は常に高額となる。

より経済的な解決策は、蒸発器を使用すること、すなわち、例えば数万リットルの大容量液体窒素タンクを使用し、そこから液体窒素を取り出して、気化させることにある。この解決策は、エネルギーの観点からすると、さほど満足いくものではない。というのは、液体窒素中に含まれている冷却エネルギーが失われ、更に、それは、タンクローリーによるこの蒸発器の補充費用が中程度のままであるように、液体窒素製造ユニットが比較的近くにあることを必要とするからである。

時折、液体注入器（injection）を備えた気体窒素発生器は、蒸発器からなる緊急配送システムが取り付けられており、これは、この装置に欠陥がある場合に、ガスを顧客へと配送すること、又は、顧客が装置の公称生産量を上回る量を消費する場合に、より多くの気体窒素を製造することの何れかを可能にする。欧州特許第０４５２１７７号から分かり得るように、この緊急配送システムからの液体は、通常、大気圧ヒーター（atmospheric heater）において気化される。

顧客による消費にピークが存在するとき、窒素分子（nitrogen molecules）を補給して（top-up）、この窒素を極低温装置によって産出される窒素製品と混ぜ合わせるために、貯蔵タンクからの液体窒素が、大気圧交換器（即ち、ウォータープール（water pool））において気化される。それ故に、この液体の冷却能力は失われる。

また、液体窒素は、液体注入によって装置を冷却状態に保つのにも役立つ。定常動作条件下で装置へと送られる液体窒素の量は、装置によって製造される窒素流の約３％である。

本発明は、緊急配送システムが消費ピークのために使用されるときに気化された液体の冷却能力の一部を回収することを提案する。

本発明に従うと、消費にピークが存在する場合、従来技術に従えば分子を補給するために大気圧ヒーターにおいて気化されねばならなかった液体の全て又は一部が、液体注入ラインを介して、蒸留塔へと送られる。

蒸留塔において、液体のこの流入は、塔内への還流のレベルを高める。一定の空気処理量に対して、取り出しのレベルを高めることにより、公称量よりも多量の窒素を装置から取り出すことができる。産出量（output）のこの増加は、事実上、加えられる液体分子当り１つの更なる気体分子を有することを可能にする。それ故に、この塔は、貯蔵タンクから来る液体のための「蒸発器」として働く。

塔の還流を増加させることの結果は、公称生産に比べてリッチな塔ボトム液（column bottoms liquid）の過剰生産にある。この過剰量は、貯蔵タンクから来た液体の冷却の回収をもたらす。この過剰量は、塔底部か又は専用容器の何れかに貯蔵される。

装置のこの動作モードは、需要のピークを過ぎたとき又はＬＲ（リッチ液体）貯蔵容量に達したときに停止する。取り出しのレベルは、その公称値へと戻り、装置は、その公称容量を製造する（図２）。需要のピークが続く場合（図３）、分子の補給は、大気圧蒸発器によって更に行われる。

貯蔵されたリッチ液体は、従来の液体窒素注入の代わりに、この装置を冷却状態に保つのに使用される。顧客の消費水準（consumption profile）に依存して、完全に液体注入なしで済ますのに十分な自律性（autonomy）が２つの消費ピークの間に存在することも更に考えられる。

それ故に、液体窒素の消費を減らすか、又は、更にはそれをなくすることによる、稼動費用の削減は、微々たるものではない。

本発明の第１の側面に従うと、請求項１記載の方法が提供される。

液体注入流は、それが、第１動作中に送られる液体注入流の１０％を超えていないか、又は更には５％を超えていない場合、本質的に止められていると見なされる。最も有利な状況は、明らかに、この流れが止められている場合である。

他の任意の側面に従うと、
−このユニットは緊急配送システムを含んでおり、この塔の第２及び／又は第３動作中、液体窒素は、供給源から緊急配送システムへと送られ、そこで気化する；
−モル流量で表した第２動作中の注入流の増加量ｘは、この塔によって製造される流れのモル流量の増加量の０．８乃至１．２倍である；
−第２動作中、注入流量は、第１動作中の流量Ｂに比べて増加され、液体窒素は、緊急配送システムにおいて気化される；
−第２動作中、注入流量は第１工程中の流量に比べて増加され、液体窒素は緊急配送システムにおいて気化されず、第３動作中、必要とされる生産量が公称生産量を上回ったままである場合、注入液体は、少なくとも最初は塔へと送られるのを止められ、液体窒素は緊急配送システムにおいて気化される；
−ボトム液のレベルは、塔の底部か又はそれに接続されたタンクの何れかにおいて制御される；
−この塔の第３動作中、塔への液体注入流Ｂ＋ｘは、必要とされる生産量が少なくとも公称生産量まで下がった場合か、又は、必要とされる生産量が少なくとも公称生産量まで下がっておらず、ボトム液のレベルが第１閾値を超えた場合に止められる；
−この塔の第３動作中、ボトム液のレベルが第１閾値に達したとき、注入液体は、ボトム液のレベルが一定のままであるように流量Ｂで送られ続け、この注入流は、必要とされる生産量が公称生産量まで少なくとも下がったときに止められる；
−この塔の第４動作中、注入液体は、ボトム液のレベルが第２閾値を下回った場合、再度、塔へと送られる；
−第４動作中、必要とされる生産量が公称生産量以下である場合、注入液体の流れＢは、再度、塔へと送られ、液体流は緊急配送システムへと送られない；及び
−第４工程中、必要とされる生産量が公称生産量を上回った場合、注入液体の流れＢ＋ｘは塔へと送られ、液体注入（及びその結果得られるこの塔の過剰生産量）が不十分である場合、液体は、任意に、緊急配送システムへと送られる。

本発明の他の側面に従うと、極低温蒸留空気分離装置であって、
ｉ）交換器と、
ｉｉ）蒸留塔と、
iii）圧縮され、精製され且つ冷却された空気を交換器へと供給し、更に、交換器から前記塔へと供給するラインと、
ｉｖ）気体窒素を、それを製品として加温するために、前記塔から前記交換器へと供給するラインと、
ｖ）窒素を塔頂部で凝縮させる塔頂凝縮器（overhead condenser）と、
ｖｉ）前記塔の頂部へと接続された、外部供給源からの液体窒素供給ラインと、
vii）液体窒素供給ラインに接続された、ボトム（bottoms）レベルを検知する手段と
を具備し、
前記塔のボトムレベルを検知する手段は、液体窒素の流れが前記塔へと送られるのを、ボトムレベルが高閾値に達した場合に止めること、及び／又は、前記塔へと送られる液体窒素の流れを、ボトムレベルが低閾値に達した場合に再開させることが可能であることを特徴とする装置が提供される。

ここで、本発明の実施の一例を、添付の図面と合わせて説明する。

図１は、本発明に従うユニットを概略的に示している。 図２は、本発明に従う方法を例証した図である。 図３は、本発明に従う方法を例証した図である。 図４Ａは、本発明に従う方法を例証した図である。 図４Ｂは、本発明に従う方法を例証した図である。 図５は、従来技術に従う方法を例証した図である。

図１に示されたユニット７は、
−上述のタンク８と、
−一方では空気蒸留塔１０を、及び、他方では熱交換器１１を収容したコールドボックス９と、
−吸着によって動作する空気精製装置１２と、
−空気圧縮器１４と、
−空気冷却器１５と
を、本質的に具備している。

タンク８は、コールドボックスの内部にあっても良いし、塔１０へと組み込まれた構造を形成しても良い。

ライン１６は、バッファタンク１８と、その下流に圧力センサ１９とを備えたユースライン（use line）１７内へと通じている。

ここで、ユニット７の動作を、図１、２、３、４Ａ、４Ｂ及び５に関連して説明する。図１は、本発明に従う空気分離装置を示している。図２、３、４Ａ、４Ｂ及び５の図では、時刻ｔがＸ軸上にプロットされており、幾つかのパラメータがＹ軸上にプロットされている。これらパラメータの意味は、後で説明する。

まず、この塔について設計された公称動作ＤＮを取り上げる。

この動作（図２のｔ＜ｔ₁に相当）では、窒素消費量Ｃ（図２ａ）は、一定であり、公称流量ＤＮと等しく、センサ１９は、定圧Ｐを示す。例えばＤＮの約３％に等しい（図２ｂ）液体窒素の低平均流量Ｂは、調節用ソレノイド弁３０を備えたライン２０を介して、塔１０の頂部内へと導入され、それを冷却状態にして保つのと、更に、塔の還流の量を増加させるのとに役立つ。圧縮器１４によって圧縮され、空気冷却器１５によって予備冷却され、装置１２において精製され且つ交換器１１において露点近くまで冷却された流入空気は、塔１０の塔底部内へと導入される。この塔の底部に集められたリッチ液体は、膨張弁２２において膨張し、この塔の塔頂凝縮器２３において気化し、交換器内で空気に対し向流で流れることによって加温されて、その後、排気ガスとしてライン２４を介して排出される前に、装置１２を再生させるのに使用される。凝縮器２３は、交換器１１に組み込まれていても良いし、図に示されているように、塔に取り付けられていても良い。

時刻ｔ₁で、気体窒素消費量（即ち需要）は、増加し始めて、公称流量を上回る固定値Ｄ’に達する（図２ａ）と仮定する。

注入される液体窒素の流量Ｄは、塔の生産量を増加させるために、公称流量の１５％、即ちＢ＋ｘという値に等しい。消費ピークに役立つ液体の一部は、液体注入ラインを介して注入され、蒸留塔において「気化」される。それ故に、冷却能力は、リッチ液体の形態で塔底部において回収され、そこで、それが貯蔵される。その後、この貯蔵物（store）は、液体窒素の注入の代わりに、装置を冷却状態に保つのに使用され得る。

本発明の利点は、それが液体窒素を節約し、それにより、稼動費用を削減することにある。

塔１０のリッチボトム液のレベルが高い値Ｌ２に達したら（図２ｃ）、弁３０を閉じることによって、液体窒素は、ライン２０からこの塔の塔頂部へと送られるのを止められる。気体窒素需要が公称流量まで又はこの値未満へと下がったら、液体窒素の注入は止められる。

或る期間ｔ₂−ｔ₃に亘り、この装置は、液体注入なしに、貯蔵されたリッチボトム液を使用して冷却を提供することによって、公称流量を製造し続け得る。明らかに、これはリッチ液体のレベルを下げ、レベルＬ１に達したときに、液体窒素を塔内へと送るのを再開する必要がある。

気体窒素消費量が公称流量を上回る値に戻ったとき（時刻ｔ₃）、圧力が低下し、ソレノイド弁３０が開く。このソレノイド弁３０は、開放位置にあるときに、最小で公称流量ＤＮの１５％に等しい液体窒素の流れを通すように設計されている。繰り返して述べるが、この弁は、消費量が公称流量まで減少する時刻ｔ₄まで、又は、液体レベルＬＲが値Ｌ２に達するまで、開いたままである。

ｔ₄の後、液体注入は止められる。貯蔵されたリッチ液体は、単独で、蒸留用の冷却を提供し、液体注入は、レベルＬＲがその最小値Ｌ１に達する時刻ｔ₅でのみ再開される。このとき、液体注入は、この装置の公称生産量を確保するために、公称流量の３％になる。

期間ｔ₂−ｔ₃及びｔ₄−ｔ₅の間、液体注入流量はゼロであり、これは液体窒素の相当な節約を意味することが分かり得る。

図２では、図２ｄの蒸留流量ＤＤが、図２ｅの消費量Ｃに対応しているが、これは常ではないことを、後で説明する。

図３の場合では、この塔について設計された公称動作ＤＮは、ｔ＜ｔ_1'に対応する。窒素消費量Ｃ（図３ａ）は、一定であり、公称流量ＤＮに等しく、センサ１９は、定圧Ｐを示す。例えばＤＮの約３％に等しい低平均流量の液体窒素（図３ｂ）が、調節用ソレノイド弁３０を備えたライン２０を介して、塔１０の頂部内へと導入され、それを冷却状態に保つのと、更に、この塔の還流の量を増加させるのとに役立つ。圧縮器１４によって圧縮され、空気冷却器１５によって予備冷却され、装置１２において精製され且つ交換器１１においてその露点近くまで冷却された流入空気は、塔１０の底部内へと導入される。この塔の底部に集められたリッチ液体は、膨張弁２２において膨張し、この塔の塔頂凝縮器２３で気化し、交換器内で空気に対し向流で流れることによって加温されて、その後、排気ガスとしてライン２４を介して排出される前に、装置１２を再生させるのに使用される。

時刻ｔ_1'で、気体窒素消費量（即ち需要）は増加し始めて、公称流量を上回る固定値に達すると仮定する（図３ａ）。

注入される液体窒素の流量Ｄは、この塔の生産量を増やすために、公称流量の１５％に等しい。消費のピークに役立つ液体の一部は、液体注入ラインを介して注入され、蒸留塔において「気化」される。それ故に、冷却能力は、リッチ液体の形態で塔底部において回収され、そこで、それが貯蔵される。その後、この貯蔵物は、液体窒素の注入の代わりに、装置を冷却状態に保つのに使用され得る。

本発明の利点は、液体窒素を節約し、それにより稼動費用を削減することにある。

塔１０のリッチボトム液のレベルが高い値Ｌ２に達したら、弁３０を閉じることによって、液体窒素は、ライン２０からこの塔の頂部へと送られるのを止められ、この塔の生産量は、その公称値へと戻る。或る期間ｔ_2'−ｔ_3'に亘り、この装置は、液体注入なしに、貯蔵されたリッチボトム液を使用して冷却を提供することによって、公称流量を製造し続け得る。

この場合、消費される流量Ｃは高い値のままなので、ボトム液（bottoms）のレベルが閾値Ｌ２に達したｔ_1'後、液体注入によって動作することはできない。ここで、消費のための補給は、蒸留によって製造される流量を変更することなく（図３ｄ）（この流量はその公称値のままである（又はそれに戻る））、弁２８を開けることにより補助蒸発器２７において液体窒素を更に気化し、その後、この気体窒素ＤＶをタンク１８内へと供給することによって行われる（図３ｅ）。弁２８は、圧力が低い値Ｐ１に達したときに開けられる。この液体窒素の気化は、１９での圧力を、公称値Ｐを上回る値へと戻す（図３ｅ）。

液体レベルＬＲが値Ｌ１に達するｔ_3'の時点で、ソレノイド弁３０が開く。このソレノイド弁３０は、開放位置にあるときに、最小で公称流量ＤＮの１５モル％に等しい液体窒素の流れを通すように設計されている。繰り返して述べるが、この弁は、液体レベルＬＲが値Ｌ２に達する時刻ｔ_4'まで開いたままである。時刻ｔ_4'後、液体注入は止められる。期間ｔ_2'−ｔ_3'の間及びｔ_4'後、液体注入流量はゼロであり、それ故に、これは、液体窒素の相当な節約を意味することがわかり得る。

或る場合では、この最大液体窒素注入流量は、そもそも増加の開始から、必要とされる生産量の増加全体を満足するには不十分である。この場合、追加の生産量の一部は、増加した液体注入流量を供給された塔に由来し、残りは、液体窒素を緊急蒸発器において気化させることによって製造される。

図４Ａでは、顧客による窒素需要Ｃが増加したとき、液体注入流量Ｄの増加のため、蒸留流ＤＤが増加している。必要とされる全ての窒素を製造するために、窒素を緊急蒸発器において気化させて、流れＤＶを配送することが同時に必要である。ボトム液レベルＬＲは最大値まで上昇し、そのとき、液体注入は止められるが、緊急蒸発器における気化は、必要とされる全ての追加の窒素を製造するために、より高いレベルで継続する。同時に、この塔の底部におけるリッチ液体のレベルは下がる。顧客がより少ない窒素を更に要求したとき、緊急蒸発器は止められる。

図４Ｂの変形では、ＬＲレベルがＬ２（高い値）に達したとき、液体注入を止め且つレベルがＬ１へと下がるまで待つ（このときにそれを再開する）代わりに、このレベルを、従来の３％の液体注入を用いて、その高いレベルＬ２に保つことが好ましい（顧客がより多くの量を受け取る場合、その残りは、緊急蒸発器によって供給される）。これは、最大の「飛行時間（flight time）」をもつことを可能にする。これは、顧客による消費がその公称値で再開されるときに、液体貯蔵能力が最大値にあるからである
まず、顧客は公称値（又はそれ未満）で消費を行う。リッチ液体レベルは、値Ｂを持つ従来の液体注入流Ｄによって、低閾値Ｌ１に調節される。

次に、顧客は、公称値より多くの量を消費する（Ｃ＝１５０）。液体注入は、Ｂ＋ｘまで増加され、それにより、塔による生産量は、それに対応して増加し、リッチ液体ＬＲについての高閾値Ｌ２に達する（それに達する時間がある場合。この時間は、顧客の過剰消費時間に依存する）。

その後、値Ｂの従来の液体流入流Ｄが使用される。

顧客による消費量Ｃは、公称値（又はそれ未満）まで減少する。ＬＲのレベルは、液体注入なしに、ゆっくりとＬ１まで減少し、その後、ＬＲのレベルは、値Ｂの従来の液体注入流Ｄによって、低閾値Ｌ１に調節される。

従来技術に従うと、図５から分かり得るように、液体注入流は運転開始から一定のままである。顧客に求められるより多量の窒素Ｃを製造するためには、窒素を緊急蒸発器において気化させ、追加の流れＤＶを供給する必要がある。この気化は、増加した需要が止まったときに止まる。この塔のボトム液のレベルＬＲは、ほぼ一定のままである。

従来技術において既に説明されているように、この単一の窒素製造塔は、この単一の塔から来る酸素富化流体を供給される酸素製造塔と併用され得る。

Claims (11)

1. 公称流量の気体窒素を製造するのに適した空気蒸留塔（１０）を具備し、前記塔の頂部が液体窒素供給源に接続されてい空気蒸留ユニットを用い、以下の手順、
   ｉ）前記塔の全ての動作中に、
   ａ）圧縮され、冷却され且つ精製された空気の流れを、交換器へと送り、その後、前記塔へと送り、
   ｂ）気体窒素の流れ（１６）を、前記塔から取り出し、
   ｃ）前記塔の底部での液体レベルを制御すること、
   ｉｉ）必要とされる生産量が公称生産量に対応する前記塔の第１動作中に、
   ａ）液体注入流Ｂ（２０）を、前記塔へと送ること、
   iii）前記必要とされる生産量が前記公称生産量を上回る前記塔の第２動作中に、
   ａ）前記塔への前記液体注入流を、Ｂ＋ｘへと増加させ、
   ｂ）前記塔によって製造される気体窒素の流量を増加させること
   を実行することによって流量が可変な気体窒素を製造する、極低温蒸留を使用する空気分離方法であって、
   ｉｖ）前記第２動作に続く、前記塔の第３動作の少なくとも一部の間に、前記必要とされる生産量は、最大で前記公称生産量と等しくなり、前記液体注入流は、本質的に止められることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、前記ユニットは緊急配送システム（２７）を含んでおり、前記塔の第２及び／又は第３動作中、液体窒素は、前記供給源から前記緊急配送システム（２７）へと送られ、そこで気化する方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、モル流量で表した前記第２動作中の前記注入流の増加量ｘは、前記塔（１０）によって製造される流れのモル流量の増加量の０．８乃至１．２倍である方法。
4. 請求項１、２又は３記載の方法であって、前記第２動作中、前記注入流量は、前記第１動作中の流量Ｂに比べて増加され、液体窒素は、前記緊急配送システム（２７）において気化する方法。
5. 請求項１、２又は３記載の方法であって、前記第２動作中、前記注入流は第１工程中の流量に比べて増加され、液体窒素は緊急配送システム（２７）において気化されず、第３動作中、必要とされる生産量が公称生産量を上回ったままである場合、注入液体は、少なくとも最初は、塔へと送られるのを止められ、液体窒素は緊急配送システムにおいて気化される方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項記載の方法であって、ボトム液のレベルは、前記塔（１０）の底部か又はそれに接続されたタンクの何れかにおいて制御される方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項記載の方法であって、前記塔の第４動作中、前記塔（１０）への液体注入流は、ボトム液のレベルが第１閾値を超える場合に止められ、前記必要とされる生産量が少なくとも前記公称生産量を下げない方法。
8. 請求項１乃至６の何れか１項記載の方法であって、前記塔（１０）の第３動作中、ボトム液のレベルが第１閾値に達したとき、注入液体は、前記ボトム液のレベルが一定のままであるように流量Ｂで送られ続け、前記注入流は、前記必要とされる生産量が前記公称生産量まで少なくとも下がったときに止められる方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項記載の方法であって、前記塔（１０）の第４動作中、注入液体は、ボトム液のレベルが第２閾値を下回った場合に、再度、前記塔へと送られる方法。
10. 請求項８記載の方法であって、前記第４動作中、前記必要とされる生産量が前記公称生産量以下である場合、注入液体の流れＢは、再度、前記塔（１０）へと送られ、液体流は前記緊急配送システム（２７）へと送られない方法。
11. 請求項８記載の方法であって、前記第４工程中、前記必要とされる生産量が公称生産量を上回る場合、注入液体の流れＢ＋ｘは前記塔（１０）へと送られ、液体注入（及びその結果得られるこの塔の過剰生産量）が不十分である場合、液体は、任意に、前記緊急配送システム（２７）へと送られる方法。

Images