JP2010536004A - 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

少なくとも高圧塔（４３）及び低圧塔（４５）を含んだ蒸留システムでの極低温蒸留によって空気を分離する方法であって、空気は主コンプレッサ（３）において圧縮され、圧縮された空気は熱交換ライン（４１）において冷却され、冷却、圧縮及び精製された空気は熱交換ライン（４１）から高圧塔（４３）に送られ、第１動作モードでは、主コンプレッサ（３）において圧縮された空気の少なくとも９０％は高圧塔（４３）の圧力よりも少なくとも３０ｂａｒ高い第１圧力へと更に圧縮され、第１圧力の空気は、熱交換ライン（４１）に送られ、冷却され、２つに分けられ、一部は、液化されて蒸留システムへと送られ、一部は、高圧塔へと送られる前に、少なくとも１つのターボエキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）において膨張させられ、第２動作モードでは、主コンプレッサ（３）において圧縮された空気の多くとも７０％は、高圧塔（４３）の圧力よりも少なくとも３０ｂａｒ高い第１圧力へと更に圧縮され、第１圧力の空気は、熱交換ライン（４１）へと送られ、冷却され、２つに分けられ、一部は、液化されて蒸留システムへと送られ、一部は、高圧塔へと送られる前に、少なくとも１つのターボエキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）において膨張させられ、主コンプレッサ（３）において圧縮された空気の少なくとも３０％は、主コンプレッサ（３）の吐出圧で熱交換ラインへと送られ、冷却され、高圧塔（４３）へと送られる方法が開示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温蒸留による空気の分離に関する。
特には、それは、極低温分離によって、空気のガス状成分を加圧下で生じさせるためのプロセスに関する。
空気のガス状成分を加圧下で生じさせる空気分離ユニットには、様々な量の空気の成分を液体の形態で更に生じさせるべきであることが頻繁に要求されている。
空気分離ユニットに加圧下でガス状の成分を生じさせることによって、この要求を満足させることが知られており、この空気分離ユニットは、空気分離ユニットからの様々な量のガスを液化させて液体を生じさせるための液化器に関連付けられている。この装置には、高額な資本支出が伴う。
本発明によると、妥当な投資費用のみを伴い、気体モード及び液体モードにおいて効率的に動作する新たなプロセススキームが提供される。
言及される全ての百分率は、モル百分率である。
本発明の或る側面によると、少なくとも高圧塔及び低圧塔を含んだ蒸留システムにおける極低温蒸留によって空気を分離する方法であって、空気は主コンプレッサにおいて圧縮され、圧縮された空気は熱交換ラインにおいて冷却され、冷却、圧縮及び精製された空気は熱交換ラインから高圧塔へと送られ、酸素に富んだ液体流は高圧塔から低圧塔へと直接的又は間接的に送られ、窒素に富んだ液体流は高圧塔から低圧塔へと送られ、窒素リッチガスは、低圧塔から取り出されて、熱交換ラインにおいて温められ、空気の一成分は、蒸留システムから液体の形態で取り出されて、加圧され、熱交換ラインにおいて温められ、
ｉ）第１動作モードでは、主コンプレッサにおいて圧縮された空気の少なくとも９０％は、高圧塔の圧力よりも少なくとも３０ｂａｒ高い第１圧力へと更に圧縮され、この第１圧力にある空気は、熱交換ラインへと送られ、冷却され、２つに分けられ、一部は、液化されて蒸留システムへと送られ、一部は、高圧塔へと送られる前に、少なくとも１つのターボエキスパンダにおいて膨張させられ、
ｉｉ）第２動作モードでは、主コンプレッサにおいて圧縮された空気の多くとも７０％は、高圧塔の圧力よりも少なくとも３０ｂａｒ高い第１圧力へと更に圧縮され、この第１圧力にある空気は、熱交換ラインへと送られ、冷却され、２つに分けられ、一部は、液化されて蒸留システムへと送られ、一部は、高圧塔へと送られる前に、少なくとも１つのターボエキスパンダにおいて膨張させられ、主コンプレッサにおいて圧縮された空気の少なくとも３０％は、主コンプレッサの吐出圧で熱交換ラインへと送られ、冷却され、高圧塔へと送られる方法が提供される。
本発明の更なる任意の側面に従うと、
−蒸留システムから液体の形態で取り出され、加圧され、熱交換ラインにおいて温められる空気の成分は、酸素又は窒素であり、
−第１圧力へと圧縮された空気は、並列に接続された一対のコンプレッサのうちの少なくとも一方のコンプレッサにおいて圧縮させられ、
−第１圧力から高圧塔の圧力へと膨張する空気は、並列に接続された２つのターボエキスパンダのうちの少なくとも一方において膨張させられ、
−第１動作モード中、空気は、並列に接続されたコンプレッサの双方と、並列に接続されたエキスパンダの双方とに送られ、
−第２動作モード中、空気は、並列に接続されたコンプレッサの一方のみと、並列に接続されたエキスパンダの一方のみとに送られ、
−第１動作モード中には、第２動作モード中よりも多量の極低温液体が最終製品として生成され、
−第１動作モード中にのみ、極低温液体が最終製品として生成される。
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、主コンプレッサと、熱交換ラインと、少なくとも高圧塔及び低圧塔を備えた蒸留システムと、主コンプレッサの吐出口を熱交換ラインへと接続し、熱交換ラインを高圧塔へと接続し、ガス状の空気を主コンプレッサの吐出圧で高圧塔へと運ぶように適合させられたコンジットとを具備し、主コンプレッサの吐出口は少なくとも１つのブースタコンプレッサに接続され、このブースタコンプレッサの吐出口は熱交換ラインに接続され、熱交換ラインは、ブースタコンプレッサの吐出圧にある空気が、この圧力で冷却され、その後、蒸留システムの塔のうちの１つの圧力へと膨張するように、膨張手段を介して蒸留システムへと接続されている装置が提供される。
好ましくは、膨張手段は、並列に接続された２つのターボエキスパンダを備えている、及び／又、ブースタコンプレッサは、並列に接続された少なくとも一対のコンプレッサを備えている。
ブースタコンプレッサは、二対の並列に接続されたコンプレッサを備えていてもよい。液体モードでは、ブースタコンプレッサの４つのコンプレッサの全てが動作し、気体モードでは、各並列対において１つのコンプレッサのみが動作する。
図面を参照して、このプロセスをより詳細に説明する。
本発明に係る空気分離ユニットを示している。
この空気分離ユニットは、約５．５絶対ｂａｒで動作し且つ低圧塔４５に熱的に接続されている高圧塔４３を備えた二重塔を使用する。
全ての動作モードによれば、蒸留のための全ての空気は、コンプレッサ３において約６絶対バールへと圧縮され、精製ユニット７Ａ、７Ｂにおいて流れ５として精製される。
リッチ液５１、プア液（poor liquid）５３及び超プア液（very poor liquid）は、高圧塔から取り出され、交換器５３において過冷却され（subcooled）、還流として低圧塔４５へと送られる。
純窒素流６３は、低圧塔のミナレットの最頂部（the very top）から取り出され、サブクーラ５３において温められ、その後、熱交換機４１において温められる。
廃窒素流６５は、低圧塔のミナレットの底部から取り出され、サブクーラ５３において温められ、その後、熱交換器４１において温められる。
液体酸素流６７は、低圧塔４５から取り出され、ポンプ６９において圧縮され、その後、熱交換器４１において気化させられて、製品を形成する。
気体モードでは、流れ５は、２つに分けられる。空気の４０ｍｏｌ％は、流れ９として熱交換器４１へと送られ、この熱交換器全体を通過することによって冷却され、その後、気体の形態で流れ３７の一部として高圧塔へと送られる。残りの空気（即ち、空気の６０ｍｏｌ％）は、流れ１３を形成し、並列に接続された２つのブースタ１７Ａ、１７Ｂの一方によって流れ１５Ａ又は１５Ｂとして、及び、その後、並列に接続された２つのブースタ２３Ａ、２３Ｂの一方によって流れ２１Ａ又は２１Ｂとして、５０絶対バールまで増圧される。次に、流れ２１Ａ又は２１Ｂは、流れ２５を形成し、熱交換器において中間の温度まで冷却され、その後、２つに分けられる。流れ３９は、熱交換器４１において引き続き冷却される。流れ２７は、取り出されて、並列に据えられたエキスパンダ２９Ａ、２９Ｂの一方において高圧塔３２の圧力へと膨張させられる。エキスパンダ２９Ａはブースタ２３Ａと対を成しており（coupled）、エキスパンダ２９Ｂはブースタ２３Ｂと対を成している。膨張した流れ３３Ａ又は３３Ｂは、流れ３５を形成し、高圧塔へと送られる。この流れは、前段でそれを圧縮したコンプレッサと対を成しているエキスパンダにおいて膨張させられる。
液体モードでは、コンプレッサ３からの空気の全てが、流れ１３を形成し、並列に接続された２つのブースタ１７Ａ、１７Ｂによって流れ１５Ａ、１５Ｂとして、及び、その後、並列に接続された２つのブースタ２３Ａ、２３Ｂによって流れ２１Ａ、２１Ｂとして、５０絶対バールまで増圧される。流れ９はない。次に、流れ２１Ａ及び２１Ｂは、混合されて流れ２５を形成し、熱交換器において中間の温度まで冷却され、その後、２つに分けられる。流れ３９は、熱交換器４１において引き続き冷却される。流れ２７は、取り出されて、２つに分けられる。流れ３１Ａ、３１Ｂは、並列に据えられたエキスパンダ２９Ａ、２９Ｂにおいて、高圧塔３２の圧力へと各々膨張させられる。エキスパンダ２９Ａはブースタ２３Ａと対を成しており、エキスパンダ２９Ｂはブースタ２３Ｂを成している。膨張した流れ３３Ａ、３３Ｂは、混合されて流れ３５を形成し、高圧塔４３へと送られて、この塔へと送られる唯一の気体流を形成する。
液体モードにおいて、最終製品として抜き出される液体の合計量は、それが液体酸素６１であろうと、液体窒素５９であろうと、気体モードにおいて最終製品として抜き出される液体の量よりも多い。
液体モードにおいて生成される液体の量は、本発明に従って動作する所定の空気分離ユニットについては、合計製品の５０ｍｏｌ％に達し得る。
これに加え、何れのモードでも、液体窒素を加圧し（pumping）、それを気化させることによって（ガス状酸素流の５５ｍｏｌ％までを形成することによって）、高圧のガス状窒素を生じさせて、比消費電力（specific power consumption）を向上させることができる。
中圧塔、混合塔及び／又はアルゴン塔などのこのプロセスの変形は、勿論、想定され得る。

Claims (10)

  1. 少なくとも高圧塔（４３）及び低圧塔（４５）を含んだ蒸留システムにおける極低温蒸留によって空気を分離する方法であって、空気は主コンプレッサ（３）において圧縮され、圧縮された空気は熱交換ライン（４１）において冷却され、冷却、圧縮及び精製された空気は前記熱交換ラインから前記高圧塔へと送られ、酸素に富んだ液体流（５１）は前記高圧塔から前記低圧塔へと直接的又は間接的に送られ、窒素に富んだ液体流（５３、５５）は前記高圧塔から前記低圧塔へと送られ、窒素リッチガスは、前記低圧塔から取り出されて、熱交換ラインにおいて温められ、空気の一成分（６７）は、前記蒸留システムから液体の形態で取り出され、加圧され、前記熱交換ラインにおいて温められ、
    ｉ）第１動作モードでは、前記主コンプレッサにおいて圧縮された前記空気の少なくとも９０％は、前記高圧塔の圧力よりも少なくとも３０ｂａｒ高い第１圧力へと更に圧縮され、前記第１圧力にある前記空気は、前記熱交換ラインへと送られ、冷却され、２つに分けられ、一部は、液化されて前記蒸留システムへと送られ、一部は、前記高圧塔へと送られる前に、少なくとも１つのターボエキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）において膨張させられ、
    ｉｉ）第２動作モードでは、前記主コンプレッサにおいて圧縮された前記空気の多くとも７０％は、前記高圧塔の圧力よりも少なくとも３０ｂａｒ高い第１圧力へと更に圧縮され、前記第１圧力にある前記空気は、前記熱交換ラインへと送られ、冷却され、２つに分けられ、一部は、液化されて前記蒸留システムへと送られ、一部は、前記高圧塔へと送られる前に、少なくとも１つのターボエキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）において膨張させられ、前記主コンプレッサにおいて圧縮された前記空気の少なくとも３０％は、前記主コンプレッサの吐出圧で前記熱交換ラインへと送られ、冷却され、前記高圧塔へと送られる方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、前記蒸留システムから液体の形態で取り出され、加圧され、前記熱交換ラインにおいて温められる前記空気の成分は、酸素又は窒素である方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、前記第１圧力へと圧縮される前記空気は、並列に接続された一対のコンプレッサ（１７Ａ、１７Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ）の少なくとも一方において圧縮される方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、前記第１圧力から前記高圧塔の圧力へと膨張する前記空気は、並列に接続された２つのターボエキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）の少なくとも一方において膨張させられる方法。
  5. 請求項３及び４に記載の方法であって、前記第１動作モード中に、前記空気は、並列に接続された前記コンプレッサ（１７Ａ、１７Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ）の双方に及び／又は並列に接続された前記エキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）の双方に送られる方法。
  6. 請求項３及び４に記載の方法であって、前記第２動作モード中に、前記空気は、並列に接続された前記コンプレッサ（１７Ａ、１７Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ）の一方のみに、及び／又は、並列に接続された前記エキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）の一方のみに送られる方法。
  7. 請求項１に記載の方法であって、前記第１動作モード中には、前記第２動作モード中よりも多量の極低温液体が最終製品（５９、６１）として生成される方法。
  8. 請求項７に記載の方法であって、前記第１動作モード中にのみ、極低温液体（５９、６１）が最終製品として生成される方法。
  9. 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、主コンプレッサ（３）と、熱交換ライン（４１）と、少なくとも高圧塔（４３）及び低圧塔（４５）を備えた蒸留システムと、前記主コンプレッサの吐出口を前記熱交換ラインへと接続し、前記熱交換ラインを前記高圧塔へと接続し、ガス状の空気を前記主コンプレッサの吐出圧で前記高圧塔へと運ぶように適合させられたコンジット（９）とを具備し、前記主コンプレッサの前記吐出口は少なくとも１つのブースタコンプレッサ（１７Ａ、１７Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ）に接続され、前記ブースタコンプレッサの吐出口は前記熱交換ラインに接続され、前記熱交換ラインは、前記ブースタコンプレッサの吐出圧にある空気が、この圧力で冷却され、その後、前記蒸留システムの塔のうちの１つの圧力へと膨張するように、膨張手段（２９Ａ、２９Ｂ）を介して前記蒸留システムへと接続されている装置。
  10. 請求項９に記載の装置であって、前記膨張手段は並列に接続された２つのターボエキスパンダ（２９Ａ、２９Ｂ）を備えている、及び／又、前記ブースタコンプレッサは並列に接続された少なくとも一対のコンプレッサ（１７Ａ、１７Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ）を備えている装置。
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