JP2012145320A - 高圧窒素を製造するための方法および装置 - Google Patents

高圧窒素を製造するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高圧窒素を製造するための方法および装置を提供する。
【解決手段】高圧蒸留カラム１０７と、中圧蒸留カラム１０６とを備え、露点まで冷却した空気を高圧カラムのベースに導入し、高圧カラムのベースから酸素富化液体を取り出し、該酸素富化液体を中圧カラムの中間位置に導入し、中圧蒸留カラムのベースから液体を取り出し低圧まで低下さた後中圧カラムの頂部凝縮器１０９に送るとともに、中圧カラムから取り出した蒸気流を圧縮して高圧蒸留カラムのベースに導入し、さらに中圧カラムの頂部から抜き出した液体を高圧にして、高圧蒸留カラムの頂部に注入して、高圧カラムの頂部から窒素を抜き出す。
【選択図】図１

Description

背景技術
加圧された窒素を製造するための装置において、窒素は通常、使用圧力たとえば５ないし１０バールで直接的に製造される。この圧力よりわずか上に圧縮された精製空気を蒸留してカラムの頂部で窒素を製造し、「酸素富化液体」（酸素で富化された空気によってカラムのベースで生成した液体）の膨張およびこの膨張した液体によるカラムの頂部の凝縮器の冷却によって還流を達成する。こうして酸素富化液体を約３ないし６バールの圧力で気化させる。
装置のサイズがそれに見合うのであれば、気化した酸素富化液体を膨張器に通して装置を低温状態に維持するが、しばしば、この冷凍の製造は過剰であり、これはエネルギーの損失に相当する。逆の仮説では、外部の供給源からくる液体窒素の添加によって低温状態を維持し、気化した酸素富化液体は弁で単純に膨張した後、最初の空気を冷却するように作用する熱熱交換器を通して移動する。したがって、ここでも再び、気化した酸素富化液体のエネルギーの一部が失われる。
米国特許４，７１７，４１０に開示された発明（以下、「Ｇｒｅｎｉｅｒサイクル」という）は高圧窒素を製造するのに非常に有効であり、近年における高圧窒素製品に対する顧客の要求に合うが、Ｇｒｅｎｉｅｒサイクルを用いても、窒素圧縮機の追加によって製品窒素を昇圧することがしばしば必要である。１つの選択肢は、頂部凝縮器の圧力を上昇させることによって高圧窒素を供給できることである。しかし、この方法は、回収率ならびに比出力を悪化させる。
Ｇｒｅｎｉｅｒ特許の図２では、カラムの下部からガスを抜き出して膨張器へ送っている。ガス組成は空気組成に類似しているので、このことはこの方法が窒素回収率を悪化させることを意味している。
本発明の目的は、追加の窒素圧縮機なしに、高い回収率で高圧窒素の製造を可能にする方法および装置を提供することである。
概要
高圧窒素を製造するための方法および装置を提供する。このシステムは、空気を圧縮して空気を実質的にその露点まで冷却する第１の圧縮機と、高圧カラムと、中圧カラムと、前記高圧カラムのベースに前記冷却された圧縮空気の少なくとも一部を導入する導管と、前記高圧カラムのベースから酸素富化液体を取り出す導管と、前記酸素富化液体の圧力を中圧まで低下させる第１の弁と、ここで前記中圧は前記高圧と大気圧との間であり、前記中圧カラムの中間位置に前記酸素富化液体を導入する導管と、前記中圧蒸留カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を、低圧まで低下させて前記中圧カラムの頂部凝縮器を冷却して廃蒸気流を生成させる第２の弁と、前記中圧カラムから取り出した蒸気流を圧縮し、前記圧縮された蒸気流を冷却し、およびこれを前記高圧蒸留カラムのベースに導入する低温圧縮機と、前記廃蒸気流を加熱する熱交換器と、前記加熱された流を膨張させて力を生成させる第１の膨張器と、前記中圧蒸留カラムの頂部から液体を抜き出す導管と、前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧蒸留カラムの頂部に注入するポンプと、前記高圧カラムの頂部から製品窒素を抜き出す導管とを有する。
図１は、本発明の一実施形態に従う、単一の膨張器の実施形態を示す。 図２は、本発明の一実施形態に従う、二重の膨張器の実施形態を示す。
本発明の例示的な実施形態を以下において説明する。本発明は種々の変形および代替的な形態を許すが、その特定の実施形態を図中の例によって示し、本明細書において詳細に説明する。しかし、特定の実施形態の本明細書における記載は本発明を開示された特定の形態に限定することを意図していないが、それどころか、その意図は添付のクレームによって定義された本発明の精神および範囲の範囲内に入るすべての変形、等価物、および代替物をカバーすることにあることを理解されたい。
任意のこのような実際の実施形態において、個別の実施で変化するであろうシステム関連またはビジネス関連の制約に適合するような開発者の特定の目標を達成するために、多くの実施固有の決定をなさなければならないことは、もちろん理解されるであろう。
本発明は上述した欠点を解決する方法および装置を提供する。上で説明したように、頂部コンデンサの圧力を増大させることによって、より高圧の窒素を供給できる。しかし、蒸留カラムがより高圧において効率が低いため、より高いシステム圧力は低い窒素回収をももたらす。図１を参照すると、カラムの頂部から導管１０１によって廃ガスを抜き出し、交換器１０２を通して好適な温度レベルまで加熱し、次に膨張器１０３において膨張させ、再び交換器１０２に導入し、その後にこれは廃ガスとしてシステムを出る。より高い排ガス圧力では、排ガス膨張器１０３がより高い圧力比で稼動するため、熱平衡を達成するにはより少ない廃ガスを必要とする。したがって、システムが改善された性能を達成するには、Ｇｒｅｎｉｅｒサイクルと比較して、製品窒素回収率がより高圧で改善されなければならない。この回収率の増加は廃ガス流を減少させ、システムを最適な熱平衡に到達させる。したがって、より高圧で改善された窒素回収を与えることによって、追加の窒素製造圧縮機を用いることなく、本発明のシステムは高圧窒素を効率よく製造するのに好適である。
また、本発明においては、導管１０１によって頂部圧縮機から酸素富化ガス（廃ガス）を抜き出して膨張器１０３へ送り、プロセスの熱平衡または冷凍バランスを達成する。酸素富化空気を熱平衡のために用いているため、これは製品窒素の回収率を変化させない。好ましくは、膨張器１０３を採用することによって、膨張器１０３からの仕事出力の少なくとも一部を用いて、低温窒素圧縮機１０５を稼動させる。中圧蒸留カラム１０６から、組成が空気に近いガスを抜き出す。このガスを上述した低温窒素圧縮機１０５に送り、高圧カラム１０７とほぼ同じ圧力まで加圧する。次に加圧ガスを高圧蒸留カラム１０７の底部に導入して、製品窒素の回収率を改善させる。製品窒素の回収率を改善させることによって、製造コストの低減が達成されるであろう。
本発明の一実施形態は、膨張器１０３、熱交換器１０２および二重蒸留カラム１０６、１０７をもつ装置に関する。蒸留カラムは、約１０バールの高圧すなわち製造圧力で稼動する下部メインカラム１０７と、約５バールの中圧で稼動する上部副カラム１０６とで形成されている。これらのカラムの各々はそれぞれ頂部凝縮器１０８、１０９を有する。
図１において、水分および二酸化炭素を含まない圧縮空気１１１を、熱交換器１０２を通してほぼその露点まで冷却し、カラム１０７のベースに導入する。カラム１０７のベースで受け入れられた入口空気と平衡にある酸素富化液体１１２を、膨張弁１１３において中圧まで減圧させ、カラム１０６の中間位置に導入する。中圧カラム１０６において、降下する液体は酸素で富化され、カラム１０６のベースでメイン凝縮器１０８を冷却して、カラム１０７中での還流を確実にする。カラム１０６のボトム液体１４０を、膨張弁１１４において減圧させ、次に頂部凝縮器１０９を冷却してカラム１０６中の還流を確実にするのに役立てる。
液体１４０を、約１．７バールの圧力で凝縮器１０９において気化させ、次に熱交換機中で加温し、次に膨張器１０３中で膨張させて、熱平衡を達成するのに必要な冷凍バランスを与える。膨張後、次に熱交換器ライン１０２中で加温して、装置の残留ガス１０２を構成する。
導管１１６によってカラム１０６から凝縮器１０９の凝縮流の一部を抜き出し、ポンプ１１７によって高圧に戻し、カラム１０７の頂部に再注入する。
カラム１０６から空気に近い組成をもつガス流を抜き出し、導管１１８によって低温圧縮機１０５に送り、高圧カラム１０７の圧力のわずか上まで加圧する。本明細書で使用する限り、「低温圧縮」という用語は、低温蒸留システムへの周囲レベルの供給原料よりも温度の低いガス流の圧力を機械的に上げて、周囲よりも低い温度でシステムに戻す方法を意味する。カラム１０６から抜き出されて低温圧縮機１０５に送られるガス流を、酸素富化液体１１２が導入されたのと同じレベルにある中間位置で抜き出してもよい。低温圧縮の機械的エネルギーは、冷凍によってバランスされるはずである。次に熱交換器１０２によってガスを冷却し、蒸留カラム１０７の底部に導入して製品窒素の回収を改善する。
カラム１０７の頂部からガス窒素流１１９から抜き出し、熱交換器１０２で加温して窒素製品として回収する。
本発明の一実施形態において、この装置は供給空気を実質的にその露点まで冷却する熱交換器１０２、高圧蒸留カラム１０７、中圧蒸留カラム１０６を有する。また、本発明は前記高圧蒸留カラムのベースに前記冷却された圧縮空気の少なくとも一部を導入する導管１３０、前記高圧蒸留カラムのベースから酸素富化液体を取り出す導管１１２、前記酸素富化液体の圧力を中圧（ここで前記中圧は前記高圧と大気圧との間である）まで低下させる第１の弁１１３を含む。また、装置は前記中圧蒸留カラムの中間位置に前記酸素富化液体を導入する導管１３２、前記中圧蒸留カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を、低圧まで低下させて前記中圧蒸留カラムの頂部凝縮器を冷却して廃蒸気流１０１を生成させる第２の弁１１４を有する。また、ＴＨＣパージ流１４１を前記中圧蒸留カラムの頂部から取り出す。この発明は、中圧蒸留カラム１０６から取り出した蒸気流１１８を圧縮する低温圧縮機１０５、圧縮された蒸気流を冷却する熱交換器１０２、およびこれを前記高圧蒸留カラムのベースに導入する導管１３１を含む。また、装置は、前記廃蒸気流を加熱する熱交換器１０２、前記加熱された流を膨張させて力を生成させる第１の膨張器１０３、前記中圧蒸留カラムの頂部から液体を抜き出す導管１０６、前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧蒸留カラム１０７の頂部に注入するポンプ１１７、および前記高圧カラムの頂部から製品窒素を抜き出す導管１１９を有する。
上記発明の一実施形態の非限定的な例は以下のとおりである。
Figure 2012145320
Figure 2012145320
本発明の一実施形態は、第１の膨張器２０４、第２の膨張器２０３、熱熱交換器２０２および二重蒸留カラム２０６、２０７をもつ装置に関する。蒸留カラムは、約１０バールの高圧すなわち製造圧力で稼動する下部メインカラム２０７と、約５バールの中圧で稼動する上部副カラム２０６とで形成されている。これらのカラムの各々はそれぞれ頂部凝縮器２０８、２０９を有する。
図２において、水分および二酸化炭素を含まない圧縮空気２１１を、熱交換器２０２を通してほぼその露点まで冷却し、カラム２０７のベースに導入する。カラム２０７のベースで受け入れられた入口空気と平衡にある酸素富化液体２１２を、膨張弁２１３において中圧まで減圧させ、カラム２０６の中間位置に導入する。中圧カラム２０６において、降下する液体は酸素で富化され、カラム２０６のベースでメイン凝縮器２０８を冷却して、カラム２０７中での還流を確実にする。カラム２０６のボトム液体２４０を、膨張弁２１４において減圧させ、次に頂部凝縮器２０９を冷却してカラム２０６中の還流を確実にするのに役立てる。
カラム２０６から空気に近い組成をもつガス流を抜き出し、導管２１８によって低温圧縮機２０５に送り、高圧カラム２０７の圧力のわずか上まで加圧する。次に熱交換器２０２によってガスを冷却し、蒸留カラム２０７の底部に導入して製品窒素の回収を改善する。製品窒素の回収率を改善することによって、製造コストの低減が達成されるであろう。
頂部凝縮器２０９から導管２０１によって廃ガスを抜き出し、交換器２０２において好適な温度レベルまで加熱し、廃ガスの第１の部分２２１を第１の膨張器２０４で膨張させ、それによって第１の膨張流２２３を生成する。また、ＴＨＣパージ流２４１を前記中圧蒸留カラムの頂部から取り出す。そして、高温廃ガスの第２の部分２２２を第２の膨張器２０３で膨張させ、それによって第２の膨張流２２４を生成する。第１の部分２２１と第２の部分２２２の温度は同じではない。一実施形態において、第２の部分２２２の温度は第１の部分２２１のそれより高い。
第１の膨張ライン２２３と第２の膨張ライン２２４とを再結合して再び熱交換器２０２に導入することができ、その後にこれは廃ガスとしてシステムを出る。第２の膨張器２０３（または第１の膨張器２０４）からの仕事出力の少なくとも一部を用いて低温窒素圧縮機２０５を稼動させてもよい。
液体２４０を、凝縮器２０９において約１．７バールの圧力で気化させて流２０１を生成させ、次にこれを熱交換器２０２で加温し、次に膨張器２０３で膨張させて、熱平衡を達成するために必要とされる冷凍バランスを与える。膨張後、次に熱交換器ライン２０２中で加温して、装置の残留ガス２０２を構成する。
導管２１６によってカラム２０６から凝縮器２０９の凝縮流の一部を抜き出し、ポンプ２１７によって高圧に戻し、カラム２０７の頂部に再注入する。カラム２０７の頂部からガス窒素流を抜き出し、熱交換器２０２で加温して窒素製品として回収する。
当業者は、追加の膨張器の配置が可能であり、図１および図２に示したスキームに限定すべきではないことを認識するであろう。熱交換器２０２における温度レベルの改善に加えて、二重膨張器配置は第２の膨張器２０３へのより高い入口温度という利点も与え、これはその仕事出力の見地から有益である。より高い仕事出力は回収できるより高い流量およびより高い製品回収を意味する。図１のスキームにおいて、膨張器１０３によって生成され、プロセスで要求される冷凍をバランスさせるために用いられる過剰な冷凍は、たとえば一体化されたオイルブレーキまたは発電機ブレーキ（図示せず）において消失できることに注目することも有用である。
本発明の一実施形態において、この装置は供給空気を実質的にその露点まで冷却する熱交換器２０２、高圧蒸留カラム２０７、および中圧蒸留カラム２０６を有する。また、本発明は前記高圧蒸留カラムのベースに前記冷却された圧縮空気の少なくとも一部を導入する導管２３０、前記高圧蒸留カラムのベースから酸素富化液体を取り出す導管２１２、前記酸素富化液体の圧力を中圧（ここで前記中圧は前記高圧と大気圧との間である）まで低下させる第１の弁２１３を含む。また、本発明は前記中圧蒸留カラム２０６の中間位置に前記酸素富化液体を導入する導管２３２、前記中圧蒸留カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を、低圧まで低下させて前記中圧蒸留カラムの頂部凝縮器を冷却して廃蒸気流を生成させる第２の弁２１４を有する。また、この発明は、中圧蒸留カラム２０６から取り出した蒸気流を圧縮する低温圧縮機２０５、前記圧縮された蒸気流を冷却し、これを前記高圧蒸留カラムのベースに導入することを含む。また、本発明は、前記廃蒸気流を加熱する熱交換器２０２、前記加熱された流の一部を膨張させて力を生成させる第１の膨張器２０３、前記加熱された流の他の一部を膨張させて力を生成させる第２の膨張器２０４を含む。また、本発明は、前記中圧蒸留カラム２０６の頂部から液体を抜き出す導管２０６、前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧蒸留カラム２０７の頂部に注入するポンプ２１７、および前記高圧カラムの頂部から製品窒素を抜き出す導管２１９を有する。
Figure 2012145320
Figure 2012145320

Claims (7)

  1. 高圧窒素を製造する方法であって、
    供給空気を実質的にその露点まで冷却し、
    高圧カラムのベースに前記空気の少なくとも一部を導入し、
    前記高圧カラムのベースから酸素富化液体を取り出し、
    前記酸素富化液体の圧力を中圧まで低下させ、前記中圧は前記高圧と大気圧との間であり、
    前記酸素富化液体を中圧カラムの中間位置に導入し、
    前記中圧カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を低圧まで下げて前記中圧カラムの頂部コンデンサを冷却し、廃蒸気流を生成させ、
    前記中圧カラムから取り出した蒸気流を低温圧縮機で圧縮し、前記圧縮した蒸気流を冷却し、これを前記高圧カラムのベースに導入し、
    前記廃蒸気流を加熱し、前記加熱した蒸気を膨張させて力を生成させ、
    前記中圧カラムの頂部から液体を抜き出し、
    前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧カラムの頂部に注入し、
    前記高圧カラムの頂部から製品窒素を抜き出す
    ことを含む方法。
  2. 前記力の少なくとも一部を前記低温圧縮機によって用いる、請求項１に記載の方法。
  3. 高圧窒素を製造する装置であって、
    供給空気を実質的にその露点まで冷却する熱交換器と、
    高圧蒸留カラムと、
    中圧蒸留カラムと、
    前記高圧蒸留カラムのベースに前記冷却された圧縮空気の少なくとも一部を導入する導管と、
    前記高圧蒸留カラムのベースから酸素富化液体を取り出す導管と、
    前記酸素富化液体の圧力を中圧まで低下させる第１の弁と、ここで前記中圧は前記高圧と大気圧との間であり、
    前記中圧蒸留カラムの中間位置に前記酸素富化液体を導入する導管と、
    前記中圧蒸留カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を、低圧まで低下させて前記中圧蒸留カラムの頂部凝縮器を冷却して廃蒸気流を生成させる第２の弁と、
    前記中圧蒸留カラムから取り出した蒸気流を圧縮する低温圧縮機、前記圧縮された蒸気流を冷却する熱交換器、およびこれを前記高圧蒸留カラムのベースに導入する導管と、
    前記廃蒸気流を加熱する熱交換器と、
    前記加熱された流を膨張させて力を生成させる第１の膨張器と、
    前記中圧蒸留カラムの頂部から液体を抜き出す導管と、
    前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧蒸留カラムの頂部に注入するポンプと、
    前記高圧カラムの頂部から製品窒素を抜き出す導管と
    を有する装置。
  4. 高圧窒素を製造する方法であって、
    供給空気を実質的にその露点まで冷却し、
    高圧カラムのベースに前記空気の少なくとも一部を導入し、
    前記高圧カラムのベースから酸素富化液体を取り出し、
    前記酸素富化液体の圧力を中圧まで低下させ、前記中圧は前記高圧と大気圧との間であり、
    前記酸素富化液体を中圧カラムの中間位置に導入し、
    前記中圧カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を低圧まで下げて前記中圧カラムの頂部コンデンサを冷却し、廃蒸気流を生成させ、
    前記中圧カラムから取り出した蒸気流を低温圧縮機で圧縮し、前記圧縮した蒸気流を冷却し、これを前記高圧カラムのベースに導入し、
    前記廃蒸気流の一部を第１の温度まで加熱し、前記加熱した蒸気を第１の膨張器で膨張させて力を生成させ、
    前記廃蒸気流の他の一部をさらに第２の温度まで加熱し、前記さらに加熱した蒸気を第２の膨張器で膨張させて力を生成させ、
    前記中圧カラムの頂部から液体を抜き出し、
    前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧カラムの頂部に注入し、
    前記高圧カラムの頂部から製品窒素を抜き出す
    ことを含む方法。
  5. 前記力の少なくとも一部を前記低温圧縮機によって用いる、請求項４に記載の方法。
  6. 前記中圧カラムから前記蒸気流を取り出すのと同じレベルで前記酸素富化液体を導入して前記低温圧縮機で圧縮する、請求項１の方法。
  7. 高圧窒素を製造する装置であって、
    供給空気を実質的にその露点まで冷却する熱交換器と、
    高圧蒸留カラムと、
    中圧蒸留カラムと、
    前記高圧蒸留カラムのベースに前記冷却された圧縮空気の少なくとも一部を導入する導管と、
    前記高圧蒸留カラムのベースから酸素富化液体を取り出す導管と、
    前記酸素富化液体の圧力を中圧まで低下させる第１の弁と、ここで前記中圧は前記高圧と大気圧との間であり、
    前記中圧蒸留カラムの中間位置に前記酸素富化液体を導入する導管と、
    前記中圧蒸留カラムのベースから取り出した液体の少なくとも一部の圧力を、低圧まで低下させて前記中圧蒸留カラムの頂部凝縮器を冷却して廃蒸気流を生成させる第２の弁と、
    前記中圧蒸留カラムから取り出した蒸気流を圧縮する低温圧縮機、前記圧縮された蒸気流を冷却する熱交換器、およびこれを前記高圧蒸留カラムのベースに導入する導管と、
    前記廃蒸気流を加熱する熱交換器と、
    前記加熱された流の一部を膨張させて力を生成させる第１の膨張器と、
    前記加熱された流の他の一部を膨張させて力を生成させる第２の膨張器と、
    前記中圧蒸留カラムの頂部から液体を抜き出す導管と、
    前記抜き出した液体を前記高圧にポンピングし、これを前記高圧蒸留カラムの頂部に注入するポンプと、
    前記高圧蒸留カラムの頂部から製品窒素を抜き出す導管と
    を有する装置。
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