JP2011519006A - 主交換ラインおよびこのような交換ラインを組込んだ深冷蒸留空気分離ユニット - Google Patents

主交換ラインおよびこのような交換ラインを組込んだ深冷蒸留空気分離ユニット Download PDF

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Abstract

空気分離ユニットに組込まれるように設計された交換ラインであって、少なくとも2つの交換アセンブリを含み、前記2つのアセンブリは並列に接続され、各アセンブリは、互いに一続きに接続された少なくとも2つの交換体(11A、11B、11C、13A、13B、13C)、好ましくは少なくとも3つの交換体を含む。

Description

本発明は深冷蒸留を用いて空気を分離するためのユニットに関する。
深冷交換器にはアルミニウムろう付けプレート交換器を使用することが一般的である。
小サイズのユニットのための製造コストは高い。この技術は主に、「特別仕様の」ユニット、「特別仕様の」解決策に適切であるが、ユニットのコストがその性能よりも重要である小サイズのデバイスについての正当化され得る選択肢ではない。
また、「特別仕様の」解決策は一般に、極端に長い製造準備期間をもたらす。
とはいえ、これらの交換器は、様々な流体間での熱交換を可能にする利点を持つ。
発明によれば、主交換ラインが通常のコールドボックスまたは真空パーライト断熱コールドボックス中に設置され得る規格化されたろう付けステンレス鋼プレートタイプの交換器の組で作られる。
各プレート型交換器は、多くても2つの流体の間で熱交換する。
このタイプの交換器(例えばTranter Inc.から市販されるSwepまたはAlfa Laval)は、2つの流体、すなわち高温流体と低温流体の間の熱交換を可能にする。
深冷窒素発生装置中には、一般に、
・ 高温流体：空気、
・ 2つの低温流体：窒素および気化されたリッチ流体(LRV)
の3つの流体が存在する。
これらの交換器を使用するためには、空気の流を2つに(理想的には、低温流体の流量に比例して、あるいは各流体の熱チャージに比例して)分割し、全体の熱交換を、
・ 1つの、空気/窒素交換と、
・ 1つの、空気/気化されるリッチ液体交換と
の2つの並列換器において実行する。
2つの交換器への空気の流は、均圧バルブを用いて分割され得るか、または2つの交換器中の空気回路の圧力降下が釣合う場合は自然に分割される。
この、空気流を2つに分割することは、中間出口がなくとも、初期の交換ダイアグラムが殆ど並列であるので、交換の全体の性能に影響を与えない。空気流の正確な分割により、並列な交換ダイアグラムを持つ2つの交換は各々並列に実行され得る。
さらに、これらの交換器の長さは相当抑えられる(一般に1 m未満)。これは、小さな温度差(ΔT 対数平均で2〜10℃)について、高温端と低温端との間でおよそ200℃の熱勾配を得るためには極めて短い。
熱交換を実行するためには、多経路熱交換器の使用および/または一続きのいくつかの交換器の使用を伴う。本発明の1つの目的は、空気分離ユニットに組込まれるように設計された交換ラインであって、少なくとも2つの熱交換アセンブリを含み、前記アセンブリは並列に接続され、各アセンブリは、互いに一続きに接続された少なくとも2つの交換体、好ましくは少なくとも3つの交換体と、冷却される第1の流を第1のアセンブリに送り、前記第1の流を前記第1のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、冷却される第2の流を第2のアセンブリに送り、前記第2の流を前記第2のアセンブリの交換体中で冷却するための手段と、加熱される第1の流体を前記第1の交換アセンブリに送り、前記第1の流体を前記第1のアセンブリの各交換体中で加熱するための手段と、加熱される第2の流体を前記第2の交換アセンブリに送り、前記第1の流体を前記第2のアセンブリの各交換体中で加熱するための手段とを含み、前記第1の流のいくらかを前記第2のアセンブリ中で冷却し得る手段を持たず、前記第2の流のいくらかを前記第1のアセンブリ中で冷却し得る手段を持たず、前記第1の流体のいくらかを前記第2のアセンブリ中で加熱し得る手段を持たず、前記第2の流体のいくらかを前記第1のアセンブリ中で加熱し得る手段を持たないことを特徴とする交換ラインを提供することである。
好ましくは、前記交換ラインは、
- アセンブリの下流で冷却される流を分割して前記2つの前記第1の流および第2の流を作り、前記冷却された第1の流および第2の流を別個のアセンブリの各交換体に連続して通すための手段と、
- ただ2つの交換アセンブリと
を含む。
1つのアセンブリの交換体は、長さ方向を揃えられ、長さ方向を近接する交換体の長さ方向と平行に配向され、長さ方向を近接する交換体の長さ方向と平行に配向されるが、捻れ配置にはない。
各交換体は、長方形プレートの(あるいは丸い角を持った)積層体、または歪んだ六角形プレートの積層体であり得、接続要素は、前記交換体を前記近接する交換体に接続するために各交換体のそれぞれの面上に配置される。
前記交換体の少なくとも1つは規格化された交換器であって、好ましくは、前記交換体の少なくとも2つは同じモデルである。
本発明の他の目的は、頂部凝縮器を持つ蒸留カラムと、請求項１〜９のうちの１項に記載した交換ラインと、圧縮され精製された空気を前記交換アセンブリの各々に送るための手段と、前記カラムから窒素ガスを取出すための手段と、前記窒素ガスを第1の交換アセンブリに送るための手段と、前記カラムの底部液体を前記凝縮器に送るための手段と、気化される液体を前記凝縮器から取出すための手段と、前記気化される液体を前記第2のアセンブリに送るための手段とを含む空気分離ユニットを提供することである。
前記ユニットは、前記交換アセンブリに送られる空気の量を調節するための手段を含み得る。
同一のアセンブリの少なくとも2つの交換体は上下に配置され、好ましくは全てが上下に配置される。
本発明の他の目的は、少なくとも2つの交換アセンブリを含む交換ライン中で空気を冷却するための方法であって、前記アセンブリは並列に接続され、各アセンブリは、互いに一続きに接続される少なくとも2つの交換体、好ましくは少なくとも3つの交換体と、冷却される空気の第1の流を前記第1のアセンブリに送り、前記第1の流を前記第1のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、冷却される空気の第2の流を前記第2のアセンブリに送り、前記第2の流を前記第2のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、加熱される第1の流体を前記第1の交換アセンブリに送り、前記第1の流体を前記第1のアセンブリの各交換体中で加熱するための手段と、加熱される第2の流体を前記第2の交換アセンブリに送り、前記第1の流体を前記第2のアセンブリの各交換体中で加熱するための手段とを含み、前記第1の流の全てが前記第1のアセンブリのみに送られ、前記第2の流の全てが前記第2のアセンブリのみに送られ、前記第1の流体の全てが前記第1のアセンブリのみに送られ、前記第2の流体の全てが前記第2のアセンブリのみに送られることを特徴とする方法が提供される。
あるいは、前記第1の流および第2の流は、異なる圧力および/または異なる温度で別個のアセンブリに入る。
あるいは、前記第1の流および第2の流は、前記第1のアセンブリおよび第2のアセンブリの下流で混合される。
本発明は、図を参照してより詳細に説明されるであろう。図１は本発明による交換ラインを表し、図２〜５は本発明による交換ラインの一部を形成するのに適した交換アセンブリを表し、図６は本発明による空気分離ユニットを表す。
図１において、本発明による交換ラインは2つの交換アセンブリからなり、各々は3つの交換体を含む。好ましくは、6つの交換体は同一であり得、一つの製造業者による同じモデルの規格化された交換器である。各交換体は2つだけの流体の間で熱を交換する。使用に際し、交換体13A〜13Cは上下に配置され、13Cは最低部にあり、13Aは最高部にある。同様に、使用に際して、交換体11A〜11Cは上下に配置され、11Cは最低部にあり、11Aは最高部にある。
冷却される空気1は、2つのバルブ7、9を用いて2つに分割され、2つの流3、5を形成する。流3は、一続きに接続された交換体11A、11B、11Cからなる第1のアセンブリに送られるが、第2のアセンブリには送られない。流5は、一続きに接続された交換体13A、13B、13Cからなる第2のアセンブリに送られるが、第1のアセンブリには送られない。複数の空気流は、最後の交換体11C、13Cの下流以外では決して混合されない。例えば異なる圧力に圧縮されている第1の流および第2の流は、異なる圧力および/または異なる温度で別個のアセンブリに入る。
単純なカラムの凝縮器からの、気化されるリッチ液体LRV 17の流は交換体11C、11B、11Aに送られ、周囲温度まで加熱される。同じカラムからの窒素の流19は、交換体13C、13B、13Aに送られる。
アセンブリの片方またはアセンブリの両方は、図２〜５で説明されたようなアセンブリに置き換えられ得る。
図２および３において、交換体への入口は交換体の長さ方向に配置される。それ故に、交換体を図2で説明するように長さ方向が捻れ配置で配列し、パイプ31によって交換体の長さ軸と垂直に接続することも想定できる。使用に際し、交換体13Aは交換体13Cの上にあり、交換体13Bは交換体13Dの上にある。あるいは、図３のように、長さ方向は互いに平行であり、場合により、交換体の長さ軸と垂直な、交換体13の間に配置される断熱ブロック25を持つ。交換体13は、交換体の長さ軸に垂直なパイプ31によって接続される。使用に際して、交換体は上下に配置され、13Aは最上部にあり、13Eは最下部にある。
出口で液体空気の液滴を生じるリスクがあるので、底部の交換体13Eは傾斜している。
図４において、交換体11は図１のように配置されている。
図５は、MAXCHANGERs（登録商標）のような、歪んだ六角形断面の交換体に適した特別の配列を示す。交換体11A、11B、11Cは、交換体の各面上の間隙を埋める接続要素21によって上下に配列され、全ての断面が4つの流体の入口/出口23でキャップされた長方形の要素を形成する。このモノリシックな要素は導入および支持が特に容易である。
このタイプの交換器が、配列をより複雑にする印象を与えるとしても、極めて短い製造準備期間で、安価な、規格化された交換器の使用を可能にする。それ故に、深冷交換器は、空気分離ユニットを製造する場合にもはやクリティカルパスとはならない。
図６は、本発明による交換ラインを含む、窒素を製造するための空気分離ユニットを示す。図示されたラインは図１および４のものだが、明らかに、図２、３および５のものも同じ方法で導入することができた。交換器の2つの群からの空気3、5はカラム33に送られる。窒素19はカラムの頂部から取出されて群13に送られ、頂部凝縮器35からの気化されたリッチ液体LRV 17は第2の群11に送られる。

Claims (15)

  1. 第1のアセンブリおよび第2のアセンブリからなる少なくとも2つの交換アセンブリ(11、13)を含む空気分離ユニットに組込まれるように設計された交換ラインであって、前記アセンブリは並列に接続され、各アセンブリは、互いに一続きに接続される少なくとも2つの交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)、好ましくは少なくとも3つの交換体を含み、冷却される第1の流を前記第1のアセンブリに送り、前記第1の流を前記第1のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、冷却される第2の流を前記第2のアセンブリに送り、前記第2の流を前記第2のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、加熱される第1の流体(17)を前記第1のアセンブリに送り、前記第1の流体を前記第1のアセンブリの各交換体(11A、11B、11C、11D)中で加熱するための手段と、加熱される第2の流体(19)を前記第2のアセンブリに送り、前記第2の流体を前記第2のアセンブリの各交換体(13A、13B、13C)中で加熱するための手段とを含み、前記第1の流のいくらかを前記第2のアセンブリ中で冷却し得る手段を持たず、前記第2の流のいくらかを前記第1のアセンブリ中で冷却し得る手段を持たず、前記第1の流体のいくらかを前記第2のアセンブリ中で加熱し得る手段を持たず、前記第2の流体のいくらかを前記第1のアセンブリ中で加熱し得る手段を持たないことを特徴とする熱交換ライン。
  2. 前記2つのアセンブリの下流で冷却される流を分割して前記第1の流および第2の流を作り、冷却される前記第1の流および第2の流を別個のアセンブリの各交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)に連続して通すための手段(3、5、7、9)を含む請求項１に記載の交換ライン。
  3. 2つの交換アセンブリ(11、13)を含む先行する請求項のいずれか１項に記載の交換ライン。
  4. 1つのアセンブリの交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)が、それらの長さ方向に配列される先行する請求項のいずれか１項に記載の交換ライン。
  5. 1つのアセンブリの交換体(11A、11B、11C、13A、13B、13C)が、それらの長さ方向を近接する交換体の長さ方向と平行に配列される先行する請求項のいずれか１項に記載の交換ライン。
  6. 1つのアセンブリの各交換体(11A、11B、11C、13A、13B、13C)が、それらの長さ方向を近接する交換体の長さ方向と平行に、かつ捻れ配置で配列される先行する請求項のいずれか１項に記載の交換ライン。
  7. 各交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)が、長方形の(あるいは丸い角を持った)プレートの積層体である先行する請求項のいずれか１項に記載の交換ライン。
  8. 各交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)が歪んだ六角形プレートの積層体であり、接続要素は、前記交換体を前記近接する交換体に接続するために各交換体のそれぞれの面上に配置される請求項１〜６のいずれか１項に記載の交換ライン。
  9. 前記交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)の少なくとも1つが規格化された交換器であり、好ましくは前記交換体の少なくとも2つが同じモデルである先行する請求項のいずれか１項に記載の交換ライン。
  10. 頂部凝縮器を持った蒸留カラム(33)と、請求項１〜９のうちの１項に記載した交換ライン(11、13)と、圧縮され精製された空気を前記交換アセンブリの各々へ送るための手段(3、5、7、9)と、窒素ガス(17)を前記カラムから取出すための手段と、前記窒素ガスを第1の交換アセンブリ(11)に送るための手段と、前記カラムの底部液体を前記凝縮器に送るための手段と、気化される液体(19)を前記凝縮器から取出すための手段と、前記気化される液体を前記第2のアセンブリ(13)に送るための手段とを含む空気分離ユニット。
  11. 前記交換アセンブリに送られる空気の量を調節するための手段(7、9)を含む請求項１０に記載のユニット。
  12. 同一のアセンブリのうちの少なくとも2つの交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)が上下に配置され、好ましくは全てが上下に配置される請求項１０または１１に記載のユニット。
  13. 少なくとも2つの交換アセンブリ(11、13)を含む交換ライン中で空気を冷却する方法であって、前記アセンブリは並列に接続され、各アセンブリは、互いに一続きに接続された少なくとも2つの交換体(11A、11B、11C、11D、13A、13B、13C)、好ましくは少なくとも3つの交換体と、冷却される空気の第1の流を前記第1のアセンブリに送り、前記第1の流を前記第1のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、冷却される空気の第2の流を前記第2のアセンブリに送り、前記第2の流を前記第2のアセンブリの各交換体中で冷却するための手段と、加熱される第1の流体(17)を前記第1の交換アセンブリ(11)送り、前記第1の流体を前記第1のアセンブリの各交換体(11A、11B、11C、11D)中で加熱するための手段と、加熱される第2の流体(19)を前記第2の交換アセンブリ(13)に送り、前記第1の流体を前記第2のアセンブリの各交換体(13A、13B、13C)中で加熱するための手段とを含み、前記第1の流の全てが前記第1のアセンブリのみに送られ、前記第2の流の全てが前記第2のアセンブリのみに送られ、前記第1の流体の全てが前記第1のアセンブリのみに送られ、前記第2の流体の全てが前記第2のアセンブリのみに送られることを特徴とする方法。
  14. 前記第1の流および第2の流が、異なる圧力および/または異なる温度で別個のアセンブリに入る請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第1の流および第2の流が、前記第1のアセンブリおよび第2のアセンブリの下流で混合される請求項13または13に記載の方法。
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