JP2010536003A - 極低温蒸留によって空気を分離する方法及び装置 - Google Patents

極低温蒸留によって空気を分離する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

少なくとも１種の液体製品（５３）及び少なくとも１種の気体製品（５５、６１）を極低温蒸留によって生じさせる方法が開示され、第１モードに従うときには、供給空気の少なくとも一部は、熱交換ライン（１９）の中間点から取り出され、コールドコンプレッサ（３７）において極低温で圧縮され、熱交換ライン（１９）へと送られて更に冷却され、塔システム（６５、６７）へと送られ、供給空気の一部は第１エキスパンダ（３９）へと送られ、第２モードに従うときには、供給空気の全ては、第２コンプレッサ（１１、１７）において塔システム（６５、６７）の最も高い塔圧よりも少なくとも２０バール高い高圧へと圧縮され、熱交換ライン（１９）において冷却され、一部は塔システム（６５、６７）へと送られ、高圧空気の他の一部は第２エキスパンダ（２９）へと送られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温蒸留によって空気を分離する方法及び装置に関する。
電力費がより高い少なくとも１つの期間中には少なくとも主にガスを生じさせ、電力費がより低い少なくとも１つの期間中には少なくとも主に液体を生じさせる空気分離ユニットを有することが頻繁に望まれている。本発明は、この装置が、双方の動作モードにおいて最適な消費電力で動作することを可能にする。
この装置は、空気分離塔システムを含んでおり、このシステムは、知られている何れのタイプであってもよいが、特には、高圧塔及び低圧塔を含み、これらが、低圧塔の塔底部に位置したリボイラコンデンサを介して熱的に結合し、そこで高圧塔の塔頂部からの窒素が凝縮する二重塔システムであってもよい。
このテキストにおいて言及されている全ての圧力は、絶対圧力である。
本発明の或る目的によると、第１動作モード及び第２動作モードでの空気の極低温蒸留によって、少なくとも１種の液体製品及び少なくとも１種の気体製品を生成する方法であって、この方法は、第２モードの間、第１モードよりも多量の液体を最終製品として生成し、全ての動作モードにおいて、圧縮され且つ精製された気体空気は、熱交換ラインにおいて冷却され、塔システムの少なくとも１つの塔へと送られ、空気の一成分に富んだ液体流は、前記塔システムの１つの塔から取り出されて、熱交換ラインにおいて気化させられ、高められた圧力にある空気は、熱交換ラインへと送られ、凝縮させられ、塔システムへと送られ、供給空気の一部は、少なくとも２つのエキスパンダのうちの１つへと送られ、その後、前記塔システムの１つの塔へと送られ、
ｉ）第１モードに従うときには、供給空気の少なくとも一部は、熱交換ラインの中間点から取り出され、コールドコンプレッサにおいて極低温で圧縮され、熱交換ラインへと送られて更に冷却され、塔システムへと送られ、供給空気の一部は、第１エキスパンダへと送られ、
ｉｉ）第２モードに従うときには、供給空気の全ては、第２コンプレッサにおいて、塔システムの最も高い塔圧よりも少なくとも２０バール高い高圧へと圧縮され、熱交換ラインにおいて冷却され、一部は塔システムへと送られ、高圧空気の他の一部は第２エキスパンダへと送られる方法が提供される。
本発明の任意の側面によると、
−第１モードに従うときには、コールドコンプレッサの出口圧にある供給空気の一部は、冷却され、第１エキスパンダへと送られ、
−コールドコンプレッサは第１エキスパンダと対を成し（coupled）、
−第２コンプレッサは第２エキスパンダと対を成し、
−第２モードでは第２コンプレッサにおいて、第１モードではコールドコンプレッサにおいて処理された空気は、その後、塔システムの上流にある共通移送手段へと送られ、
−第１モードでは、空気は、コールドコンプレッサからコンジットを介して熱交換ラインへと送られ、第２モードでは、空気は、第２コンプレッサから、先と同一のコンジットを介して第２エキスパンダへと送られ、
−第１モードでは、空気は、コールドコンプレッサから、熱交換ラインの流路を介して、そのコールドエンドへと送られ、第２モードでは、空気は、第２コンプレッサから、先と同一の流路を介して、熱交換ラインのコールドエンドへと送られる。
本発明の更なる側面によると、極低温蒸留によって空気を分離するための装置であって、
ａ）塔システムと、
ｂ）熱交換ラインと、
ｃ）主コンプレッサと、
ｄ）主コンプレッサの出口へと接続されたコールドコンプレッサと、
ｅ）主コンプレッサの出口へと接続された第２コンプレッサと、
ｆ）第１及び第２エキスパンダと、
ｇ）空気をコールドコンプレッサから第１エキスパンダへと送る手段と、
ｈ）空気を第２コンプレッサから第２エキスパンダへと送る手段と、
ｉ）空気を第１及び第２エキスパンダから塔システムへと送る手段と、
ｊ）空気を、第１及び第２エキスパンダの何れも通過すること（traversing）なしに、コールドコンプレッサ及び第２コンプレッサから熱交換手段を介して塔システムへと送る手段と
を具備した装置が提供される。
更なる任意の側面によると、
−空気をコールドコンプレッサから第１エキスパンダへと送る手段と、空気を第２コンプレッサから第２エキスパンダへと送る手段とは、共通のコンジットセクションを含み、
−空気を、第１及び第２エキスパンダの何れも通過することなしに、コールドコンプレッサ及び第２コンプレッサから熱交換手段を介して塔システムへと送る手段は、少なくとも１つの共通の流路をこの熱交換手段内に含み、
−この装置は、第３エキスパンダと、空気を、塔システムから第３エキスパンダへと送り、その後、熱交換手段へと送る手段とを含んでいる。
図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
図１は、本発明に従う空気分離ユニットについての空気流の略図を示している。 図２は、本発明に従う空気分離ユニットについての空気流の略図を示している。 図３は、本発明に従う空気分離ユニットについての空気流の略図を示している。
破線は、コンプレッサとタービンとの間の連関を示している。
図１のプロセスは、高圧塔６５が低圧塔６７の下に設置され、リボイラコンデンサ６９を介してそれに熱的に結合した二重塔システムを使用する。
全ての動作モードにおいて、冷却、精製及び圧縮された気体空気は、高圧塔６５へと供給される。当技術においてよく知られているように、還流（図示せず）が、高圧塔から低圧塔６７へと送られる。更に、全てのモードにおいて、気体窒素６１が、低圧塔６７の塔頂部から取り出されて、交換器１９において温められ、廃窒素５９が、低圧塔６７のより下方（lower down）から取り出され、精製ユニット８を再生するのに使用される前に交換器１９において温められる。
図１では、全ての空気が、コンプレッサ１において１５．５ｂａｒへと圧縮され、冷却器４において冷却されて、流れ３を形成する。冷却器６における更なる冷却の後、この空気は精製ユニット８において精製される。コンプレッサ１の出口は、コンプレッサ５の入口と熱交換器１９とに接続されている。
この装置が気体モードで動作するとき、コンプレッサ１からの空気が、流れ５としてコンプレッサ１１へと送られることはない。全ての空気が、流れ７として、開放バルブ１３を介して熱交換ライン１９のウォームエンドへと送られる。この空気７は、熱交換ライン１９の中間の温度まで冷却され、コールドコンプレッサ３７において２６ｂａｒへと圧縮される。バルブ２１は開いており、圧縮された空気の全てが、コンジット２３を介して熱交換ライン１９へと送り戻され、コンジット４３において更に冷却され、コールドコンプレッサ３７の入口温度よりも低い中間温度で２つに分けられる。一部は、流れ４１として、熱交換ライン１９において完全に冷却され、残り３３は、バルブ３５を介して、コールドコンプレッサ３７と対を成しているタービン３９へと送られる。次に、膨張した空気は、塔システムの或る塔へと送られる。この例では、この空気は、流れ４５として高圧塔６５へと送られ、この高圧塔への唯一の気体供給物を形成する。
このモードでは、液体酸素が、低圧塔５７の塔底部から取り出され、熱交換器１９において気化させられて高圧の気体製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）を形成する前にポンプ５７において流れ５５として加圧される。
この装置が液体モードで動作するときには、バルブ１５は開き、バルブ１３は閉じており、コンプレッサ１からの全ての空気が、流れ５としてコンプレッサ１１、１７へと送られて、３４ｂａｒへと圧縮される。次に、この高圧空気５は、コンプレッサ１７において４７ｂａｒへと更に圧縮され、熱交換ライン１９のウォームエンドへと送られる。流れ５が部分的に冷却されると、それは２つに分けられ、一部４１は、コンジット４３を介して熱交換ライン１９において完全に冷却され、残り３１は、コンジット２３及びバルブ２１を介してタービン２９へと送られる。膨張した空気流４５は、塔システムの或る塔、この場合は高圧塔６５へと送られる。コンプレッサ１７は、高圧塔から取り出された空気４７を膨張させるエキスパンダ４９と対を成している。エキスパンダ４９からの空気５１は、熱交換ライン１９へと送られて、そこで、大気へと放出される前に温められる。コンプレッサ１２は、エキスパンダ２９と対を成している。
この液体モードの間、液体酸素ＬＯＸ５３及び液体窒素ＬＩＮ６９が、それぞれ、低圧塔及び高圧塔から取り出される。更に、液体酸素が、低圧塔５７の塔底部から取り出され、熱交換器１９において気化させられて高圧の気体製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）を形成する前にポンプ５７において流れ５５として加圧される。
幾つかのコンジットは、どちらのモードが使用されるかに応じて異なる目的を達成することが十分に認識されるであろう。冷却セクション４３は、液体モードにおいては、熱交換ライン全体を通過することによって後で冷却される４７ｂａｒの空気を受け取り、気体モードにおいては、コールドコンプレッサ３７からもたらされる２６ｂａｒの空気を受け取る。更に、セクション２８は、空気が、液体モードでは熱交換ライン１９からタービン２９へと一方向に流れ、気体モードではコールドコンプレッサ３７から熱交換ライン１９へと他の方向に流れるという、２つのモード間での流れの反転を経験する（see）。
気体モードにおいては少量の液体が生成されてもよいことと、液体モードにおいてはガスが生成されることとが十分に認識されるであろう。
任意には、図１の全ての動作モードにおいて、窒素６１は、コンプレッサ６３において、より高い圧力へと圧縮される。
図２では、全ての空気が、コンプレッサ１において１５．５ｂａｒへと圧縮され、冷却器４において冷却されて、流れ３を形成する。冷却器６において更に冷却された後、空気は、精製ユニット８において精製される。コンプレッサ１の出口は、コンプレッサ５の入口と熱交換器１９とに接続されている。
この装置が気体モードで動作するとき、コンプレッサ１からの空気が、流れ５としてコンプレッサ１１へと送られることはない。全ての空気が、流れ７として、開放バルブ１３を介して熱交換ライン１９のウォームエンドへと送られる。バルブ１５は閉められている。この空気７は、熱交換ライン１９の中間の温度まで冷却され、コールドコンプレッサ３７において２６ｂａｒへと圧縮される。バルブ２１は開かれており、圧縮された空気の全てが、コンジット２３を介して熱交換ライン１９へと送り戻され、コンジット４３において更に冷却され、コールドコンプレッサ３７の入口温度よりも低い中間の温度で２つに分けられる。一部は、流れ４１として、この熱交換ライン１９において完全に冷却され、残り３３は、バルブ３５を介して、コールドコンプレッサ３７と対を成しているタービン３９へと送られる。次に、膨張した空気は、塔システムの或る塔へと送られる。この例では、空気は、流れ４５として高圧塔６５へと送られ、この高圧塔への唯一の気体供給物を形成する。
このモードでは、液体酸素が、低圧塔５７の塔底部から取り出され、熱交換器１９において気化させられて高圧の気体製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）を形成する前にポンプ５７において流れ５５として加圧される。
この装置が液体モードで動作する場合、バルブ１５は開かれ、バルブ１３は閉じられ、コンプレッサ１からの全ての空気が、流れ５としてコンプレッサ１１、１７へと送られ、３４ｂａｒへと圧縮される。次に、この高圧空気５は、熱交換ライン１９のウォームエンドへと送られる。流れ５が部分的に冷却されると、それは２つに分けられ、一部４１は、コンジット４３を介して熱交換ライン１９において完全に冷却され、残り３１は、コンジット２３及びバルブ２１を介してタービン２９へと送られる。膨張した空気流４５は、塔システムの或る塔、この場合は高圧塔６５へと送られる。コンプレッサ１７は、エキスパンダ２９と対を成している。
この液体モードの間、液体酸素ＬＯＸ５３及び液体窒素ＬＩＮ６９が、それぞれ、低圧塔及び高圧塔から取り出される。更に、液体酸素が、低圧塔５７の塔底部から取り出され、熱交換器１９において気化させられて高圧の気体製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）を形成する前にポンプ５７において流れ５５として加圧される。
幾つかのコンジットは、どちらのモードが使用されるかに応じて異なる目的を達成することが十分に認識されるであろう。冷却セクション４３は、液体モードにおいては、熱交換ライン全体を通過することによって後で冷却される空気を受け取り、気体モードにおいては、コールドコンプレッサ３７からもたらされる２６ｂａｒの空気を受け取る。更に、セクション２３は、空気が、液体モードでは熱交換ライン１９からタービン２９へと一方向に流れ、気体モードではコールドコンプレッサ３７から熱交換ライン１９へと他の方向に流れるという、２つのモード間での流れの反転を経験する。
気体モードにおいては少量の液体が生成されてもよいことと、液体モードにおいてはガスが生成されることとが十分に認識されるであろう。
任意には、図２の全ての動作モードにおいて、窒素６１は、コンプレッサ６３において、より高い圧力へと圧縮される。
図１の単純化した変形では、図３に示すように、２つの空気タービンのみが使用される。
図３のプロセスは、図１に示し且つそれについて説明したのと同様に、高圧塔６５が低圧塔６７の下に設置され、リボイラコンデンサ６９を介してそれに熱的に結合した二重塔システムを使用してもよい。
全ての動作モードにおいて、図１の場合のように、冷却、精製及び圧縮された気体空気が、高圧塔６５へと供給される。当技術においてよく知られているように、還流（図示せず）が高圧塔から低圧塔６７へと送られる。更に、全てのモードにおいて、気体窒素６１が、低圧塔６７の塔頂部から取り出されて、交換器１９において温められ、廃窒素５９が、低圧塔６７のより下方から取り出され、精製ユニット８を再生するのに使用される前に交換器１９において温められる。
図３では、全ての空気が、コンプレッサ１において１５．５ｂａｒへと圧縮され、流れ３を形成する。更なる冷却（図示せず）の後、この空気は精製ユニット（図示せず）において精製される。コンプレッサ１の出口は、コンプレッサ５の入口と熱交換器１９とに接続されている。
この装置が気体モードで動作するとき、コンプレッサ１からの空気が、流れ５としてコンプレッサ１１へと送られることはない。全ての空気が、流れ７として、開放バルブ１３を介して熱交換ライン１９のウォームエンドへと送られる。この空気７は、熱交換ライン１９の中間の温度まで冷却され、コールドコンプレッサ３７において２６ｂａｒへと圧縮される。バルブ２１は開いており、圧縮された空気の全てが、コンジット２３を介して熱交換ライン１９へと送り戻され、コンジット４３において更に冷却され、コールドコンプレッサ３７の入口温度よりも高い中間の温度で２つに分けられる。一部は、流れ４１として、熱交換ライン１９において完全に冷却され、残り３３は、バルブ３５を介して、コールドコンプレッサ３７と対を成しているタービン３９へと送られる。次に、膨張した空気は、塔システムの或る塔へと送られる。この例では、この空気は、流れ４５として高圧塔６５へと送られ、この高圧塔６５への唯一の気体供給物を形成する。
このモードでは、液体酸素が、低圧塔５７の塔底部から取り出され、熱交換器１９において気化させられて高圧の気体製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）を形成する前にポンプ５７において流れ５５として加圧される。
この装置が液体モードで動作するときには、バルブ１５は開き、バルブ１３は閉じており、コンプレッサ１からの全ての空気が、流れ５としてコンプレッサ１１へと送られて、３４ｂａｒへと圧縮される。次に、この高圧空気５は、コンプレッサ１７において４７ｂａｒへと更に圧縮され、熱交換ライン１９のウォームエンドへと送られる。流れ５が部分的に冷却されると、それは２つに分けられ、一部４１は、コンジット４３を介して熱交換ライン１９において完全に冷却され、残り３１は、コンジット２３を介して、タービン２９へと送られる。膨張した空気流４５は、塔のシステムの或る塔、この場合は高圧塔６５へと送られる。コンプレッサ１７は、エキスパンダ２９と対を成している。このモードの間、液体酸素ＬＯＸ５３及び液体窒素ＬＩＮ６９が、それぞれ、低圧塔及び高圧塔から取り出される。更に、液体酸素が、低圧塔５７の塔底部から取り出され、熱交換器１９において気化させられて高圧の気体製品酸素（ＨＰ ＧＯＸ）を形成する前にポンプ５７において流れ５５として加圧される。
幾つかのコンジットは、どちらのモードが使用されるかに応じてことなる目的を達成することが十分に認識されるであろう。冷却セクション４３は、液体モードにおいては、熱交換ライン全体を通過することによって後で冷却される４７ｂａｒの空気を受け取り、気体モードにおいては、コールドコンプレッサ３７からもたらされる２６ｂａｒの空気を受け取る。更に、セクション２３は、空気が、液体モードでは熱交換ライン１９からタービン２９へと一方向に流れ、気体モードではコールドコンプレッサ３７から熱交換ライン１９へと他の方向に流れるという、２つのモード間での流れの反転を経験する。
全ての態様について、言及した気体モード及び液体モードの他に、他の動作モードが存在していてもよい。

Claims (11)

  1. 第１動作モード及び第２動作モードでの空気の極低温蒸留によって少なくとも１種の液体製品（５３）及び少なくとも１種の気体製品（５５、６１）を生成する方法であって、前記方法は、前記第２モードの間、前記第１モードよりも多量の液体を最終製品として生成し、全ての動作モードにおいて、圧縮され且つ精製された気体空気は、熱交換ライン（１９）において冷却され、塔システム（６５、６７）の少なくとも１つの塔へと送られ、空気の一成分に富んだ液体流（５５）は、前記塔システムの１つの塔から取り出され、前記熱交換ラインにおいて気化させられ、高められた圧力にある空気（３）は、前記熱交換ラインへと送られ、凝縮させられ、前記塔システムへと送られ、供給空気の一部は、少なくとも２つのエキスパンダ（２９、３９）のうちの１つへと送られ、その後、前記塔システムの１つの塔へと送られ、
    ａ）前記第１モードに従うときには、前記供給空気の少なくとも一部（７）は、前記熱交換ラインの中間点から取り出され、コールドコンプレッサ（３７）において極低温で圧縮され、前記熱交換ラインへと送られて更に冷却され、前記塔システムへと送られ、前記供給空気の一部は第１エキスパンダ（３９）へと送られ、
    ｂ）前記第２モードに従うときには、前記供給空気の全て（５）は、第２コンプレッサ（１１、１２、１７）において、前記塔システムの最も高い塔圧よりも少なくとも２０バール高い高圧へと圧縮され、前記熱交換ラインにおいて冷却され、一部は塔システムへと送られ、前記高圧空気の他の一部は第２エキスパンダ（２９）へと送られる方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、前記第１モードに従うときには、前記コールドコンプレッサの出口圧にある前記供給空気の一部は、冷却され、前記第１エキスパンダ（３９）へと送られる方法。
  3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記コールドコンプレッサ（３７）は前記第１エキスパンダ（３９）と対を成している方法。
  4. 請求項１、２又は３に記載の方法であって、前記第２コンプレッサ（１１、１２、１７）は前記第２エキスパンダ（２９）と対を成している方法。
  5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法であって、前記第２モードでは前記第２コンプレッサ（１１、１２、１７）において、前記第１モードでは前記コールドコンプレッサ（３７）において処理された空気は、その後、前記塔システムの上流にある共通移送手段（２３）へと送られる方法。
  6. 請求項５に記載の方法であって、前記第１モードでは、前記空気は、前記コールドコンプレッサ（３７）からコンジット（２３）を介して前記熱交換ライン（１９）へと送られ、前記第２モードでは、前記空気は、前記第２コンプレッサ（１１、１２、１７）から、先と同一のコンジットを介して前記第２エキスパンダ（２９）へと送られる方法。
  7. 請求項５に記載の方法であって、前記第１モードでは、前記空気は、前記コールドコンプレッサ（３７）から、前記熱交換ライン（１９）の流路を介して、そのコールドエンドへと送られ、前記第２モードでは、前記空気は、第２コンプレッサ（１１、１２、１７）から、先と同一の流路を介して、前記熱交換ラインの前記コールドエンドへと送られる方法。
  8. 極低温蒸留によって空気を分離するための装置であって、
    ａ）塔システム（６５、６７）と、
    ｂ）熱交換ライン（１９）と、
    ｃ）主コンプレッサ（１）と、
    ｄ）前記主コンプレッサの出口へと接続されたコールドコンプレッサ（３７）と、
    ｅ）前記主コンプレッサの出口へと接続された第２コンプレッサ（１１、１２、１７）と、
    ｆ）第１及び第２エキスパンダ（２９、３９）と、
    ｇ）空気を前記コールドコンプレッサから前記第１エキスパンダへと送る手段（２１、２３、４３、３３、３５）と、
    ｈ）空気を前記第２コンプレッサから前記第２エキスパンダへと送る手段（２１、２２、２３、３１）と、
    ｉ）空気を前記第１及び第２エキスパンダから前記塔システムへと送る手段（４５、５１）と、
    ｊ）空気を、前記第１及び第２エキスパンダの何れも通過することなしに、前記コールドコンプレッサ及び前記第２コンプレッサから前記熱交換手段を介して前記塔システムへと送る手段（４１）と
    を具備した装置。
  9. 請求項８に記載の装置であって、空気を前記コールドコンプレッサ（３７）から前記第１エキスパンダへと送る手段と、空気を前記第２コンプレッサ（１１、１２）から前記第２エキスパンダ（２９）へと送る手段とは、共通のコンジットセクション（２３）を含んでいる装置。
  10. 請求項８に記載の装置であって、空気を、前記第１及び第２エキスパンダ（２９、３９）の何れも通過することなしに、前記コールドコンプレッサ（３７）及び前記第２コンプレッサ（１１、１２）から前記熱交換手段（１９）を介して前記塔システムへと送る手段は、少なくとも１つの共通の流路（２３）を前記熱交換手段内に含んでいる装置。
  11. 請求項８乃至１０の何れか１項に記載の装置であって、第３エキスパンダ（４９）と、空気（４７）を前記塔システムから前記第３エキスパンダへと送り、その後、前記熱交換手段（１９）へと送る手段とを含んだ装置。
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