JP2013525718A - 空気を圧縮および冷却するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、間接的な熱による交換のための手段を持たない、空気の極低温分離のための設備から上流側で空気を圧縮および冷却するための方法に関し、湿気のある空気がコンプレッサー（３）内で圧縮され、このコンプレッサー内で圧縮された空気が間接的な熱交換を有する第１の交換器（１３）内で冷却され、第１の交換器における冷却から上流側および／或いは下流側で空気から水（１１、１９）が回収され、二酸化炭素および／或いは水の精製された空気を製造するため、第１の交換器内で冷却された空気が精製ユニット（４５）へ送られ、精製された空気が極低温分離設備へ送られ、少なくとも１つのガスが極低温分離設備から回収され、回収された水が設備からのガスと混合され、製造された混合物が混合物内の水の凝固の温度より高い温度であり、ガスと混合された水が第１の交換器内で再加熱される。

Description

本発明は、間接的な熱交換によって空気を圧縮および冷却するためのプロセスおよび装置に関する。

極低温の分離装置において、空気は、圧縮された後、そのサイズを減少するため、精製シリンダーへ入る前に、可能な限り冷却されなければならない。冷却システムを簡単にすることが提案されている。

熱交換器内で湿った空気を冷却するため、コールドボックスから結果として得られるガス状の製造物、好ましくはガス状製造物の全ての使用がされるであろう。提案されたシステムにおける空気の冷却の間、濃縮された水の一部、およびガスの圧縮から結果として得られる水の一部は、コールドボックスから結果として得られるガス内へ注入されるであろう。

このシステムは、ドライヤー、或いはクーラーの問題を有した冷蔵ユニット、および随意に水／窒素タワーを不要にすることを可能にする。

熱交換器は、空気が蒸留の上流側で極低温へ冷却される主交換ライン内へ組み込まれることができる。

空気の圧縮、およびコンプレッサーの最終クーラー（空気／水タワーの第１ステージによって置き換えられてもよい）内での空気の冷却の後、
・冷たい水を発生する水／窒素タワー、冷蔵ユニット、空気／水タワー、或いは空気／水熱交換器を備えた前冷却システム；
・ドライヤーおよび／或いは直接的な空気冷蔵ユニット；
・とにかく何も無い：
を有することが可能であり、
そして、特に夏において、停止されるであろう水の量のため、大きなサイズの熱精製として示される精製がある。

この大きなサイズは、水運コンテナの中にシリンダーを置くことが所望される場合、不便であるかもしれない。

本発明の１つの主題によると、極低温空気分離プラントの上流側で空気を圧縮および冷却するため、１つの方法が提供され：
・湿った空気が、コンプレッサー内で圧縮され；
・コンプレッサー内で圧縮された空気が、間接的な熱交換によって、第１の熱交換器内で冷却され；
・空気中に含まれた水が、直接的な熱交換による冷却ステップによって上記第１の交換器の上流側の空気を冷却することなく、上記第１の熱交換器内の冷却の上流側および／或いは下流側で回収され；
・上記第１の交換器内で冷却された空気が、二酸化炭素および／或いは水の精製された空気を製造するため、精製ユニットへ送られ；
・上記精製された空気が、上記極低温分離プラントへ送られ；
・少なくとも１つの、随意に加熱された、上記極低温分離プラントから生ずるガスが、回収され；
・上記ステップｉｉｉ）で回収された水が、上記プラントから生ずるガスと混合され、この製造された混合物が、該混合物内で水の凝固点を上回る温度、例えば上記混合物の圧力が大気圧に近い場合には０℃を上回る温度であり；
・上記ガスと混合された上記水が、上記第１の熱交換器内で加熱され；
・空気中に含まれた水が上記第１の熱交換器の上流側で回収された場合、空気が、間接的な熱交換による水の回収の上流側のプレクーラーで冷却される。

他の随意の実施例によると：
・ステップｉ）の圧縮は、等温の圧縮であり；
・上記第１の熱交換器内でガスと混合された水は、上記第１の交換器の上流側でおよび／或いは上記第１の熱交換器の中間点でガスと混合され；
・空気中に含まれた水は、上記第１の熱交換器内の冷却の下流側で且つ上記精製ユニットの上流側で回収され；
・ガスに混合された水の量は、上記第１の熱交換器のガスと混合される水の入口ポイントで、および／或いは混合が実施される上記第１の熱交換器の中間ポイントで、ガスと水の混合物が水の飽和ポイントを上回るようにされ；
・空気中に含まれた水は、上記第１の熱交換器の上流側で回収され、空気は、間接的な熱交換によってプレクーラー内で冷却され；
・ガスは、空気中に含まれた水の濃縮によって製造された水と単独で混合され；
・水と混合されたガスは、窒素或いは酸素であり、
・水と混合されない少なくとも１つの他のガスは、上記第１の熱交換器内で加熱され；
・水と混合されたガスは、窒素であり、酸素の流れおよび／或いは窒素の他の流れは、上記第１の熱交換器内で加熱される。

本発明の他の主題によると、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載された空気を圧縮および冷却するための方法を有するように空気分離方法が与えられ、精製された空気は、第２の熱交換器内で冷却されて上記極低温分離プラントのカラムへ送られ、少なくとも１つの製造物は、上記プラントから回収されて上記第２の熱交換器内で加熱されて上記第１の熱交換器内で加熱され、少なくとも１つの製造物は、上記プラントから回収されて上記第２の熱交換器内で加熱されて随意に給湿されて上記第１の熱交換器内でガス状にされる。

本発明の他の主題によると、極低温分離プラントへの空気を圧縮および冷却するための装置が与えられ、この装置が、コンプレッサー、間接的な熱交換による第１の熱交換器、精製ユニット、および１つ或いは２つの分離器を有し、上記コンプレッサーが上記第１の熱交換器へ接続され、この第１の熱交換器が上記精製ユニットへ接続され、当該装置は、直接的な交換によって空気を冷却する手段を上記第１の熱交換器の上流側に有しておらず、上記精製ユニットは、精製された空気を上記プラントへ送るのに適しており、
上記分離器は、
ｉ） 上記コンプレッサーと上記第１の熱交換器との間で、間接的な熱交換による空気の冷却に適した上記プレクーラー（６）の下流側；および／或いは
ｉｉ） 上記第１の熱交換器と上記精製ユニットとの間、に接続され、
上記プラントから生ずるガスを上記第１の熱交換器へ運ぶための少なくとも１つ第１のライン、上記分離器から上記第１のラインへ水を運ぶための少なくとも１つの第２のライン、および／或いはガスと水を混合するための上記熱交換器。

随意に、この装置は、
・上記第１の熱交換器を上記分離器と接続するポンプ；
・上記第１の熱交換器内で加熱された乾燥ガスを上記精製ユニットへ送るためのライン；
・上記第１の熱交換器で加熱されるため、上記プラントから上記第１の熱交換器へ少なくとも１つの他のガスを送るためのライン；を有する。

本発明の他の主題によると、蒸留による空気の極低温分離のためプラントが与えられ、このプラントは、請求項１１から１４の１つに記載された装置、少なくとも１つのカラムを有するシステム、第２の熱交換器、この第２の熱交換器から上記システムのカラムへ空気を運ぶためのライン、および蒸留製造物を上記第２の熱交換器へ運ぶためのライン、を有する。

本発明は、窒素発生器の場合として説明されるが、他のタイプの発生器が推定されてもよい。

空気１は、コンプレッサー３へ送られる。このコンプレッサー３は、等温のコンプレッサーであってもよく、実施例は断熱的なコンプレッサーを示す。空気は、５へ絶対的な９バールへ圧縮され、３２０℃でコンプレッサークーラー６内で間接的な熱交換によって２７℃へ冷却され、そして、濃縮された水が、コンプレッサーのクーラー内へ組み込まれた第１の分離器７内で分離される。濃縮された水１１は、バッファータンク２５へ送られる。空気９は、第１の間接的な熱交換をする熱交換器１３、例えばプレートフィン熱交換器内で、コールドボックス３３から結果として得られる全てのガス状の流体３７、３９、４１に接して、冷却される。これらガス状の流体は、第１の熱交換器１３内で２１℃へ加熱される。第２の分離器１５内で濃縮された水１９は、バッファータンク２５へ送られる。従って、空気１７は、１０℃へ冷却されて、オーバーヘッド精製４５へ行く。

ガス生産物３７、４３は、逆流熱交換器へ送られる。

実施例の場合において、流れ３７は、純粋なガス状の窒素であり、流れ４３は、窒素を製造するための単一カラム４７のオーバーヘッドコンデンサーから生ずる多く気化された液体であり、概略的に図示されている。ダブルカラムを有する適用の場合において、流れ３７がガス状の酸素或いはガス状の窒素であることができ、且つ流れ４３がより多く或いはより少ない純粋なガス状の窒素であることが直ちに理解されるであろう。

１０℃で大気圧（装備下流側からの圧力低下は別として）の残りの流体４３は、２つの部分３９、４１に分かれる。１つの部分４１は、乾燥を維持し、ヒーター４２内での加熱のあと、精製４５の再発生のために使用され、他の部分３９は、凝集液から結果として得られる注入水２９、３１によって給湿されて冷却される。ガス３９内に含まれた全ての水は、第１の熱交換器（１３）の上流側或いは下流側で空気中の水の濃縮から生ずる。

このような水の注入は、ガスの飽和まで、熱交換器（流れ２９）の完全に前、或いは部分的に前（流れ２９）で行われてもよく、そして、熱交換器（流れ３１）に沿って、随意にいくつかの注入ポイントで行われてもよい。この注入は、ポンプ２３を用いて、或いは圧縮された凝集液を直接的に用いて、随意に実施されることができる。バッファタンク２５は、随意であってもよい。

分離器７或いは分離器１５は、例えば、装備の他のピース内へ組み込まれることによって、除去されることができる。

熱交換器１３を出て殆ど飽和されたように注入された水の量は、大気内へ水滴を送ることを避けるように制限されるであろう。この量は、熱交換器の動作パラメータの機能として、計算によって数値を求められることができる。

精製の前に熱交換器１３の出口で空気１７の選択された温度は、氷の形成およびそれによる封鎖を避けるため、熱交換器流体入口で水で飽和された（或いは過飽和状態の）流体の温度がプラスのままであるようにされるであろう。

使用された水は、濃縮１１、１９で回収された大気（湿度）から生ずるであろう。これらの濃縮の特別な処理は必要ない。外側からシステムへの水の永続する補充は無く、必要であれば、非常に乾燥したピリオドの間だけ補充がある。

第１の空気冷却交換器１３は、コールドボックスの主交換ライン３５（第２の熱交換器）内へ組み込まれてもよい。コールドボックスでは、精製４５から生ずる精製された空気１７が蒸留カラムの上流側で冷却され、残りの窒素４３が加熱される。そして、圧縮された空気は、組み込まれた熱交換器（１３および３５）の中間レベルで回収され、交換ラインへ戻す前に精製へ送り、水が、熱交換器の頂部に沿って飽和されるであろう流体内へ注入されるであろう。液体の導入は、一般に、例えば、２段階導入のために使用される、プレート熱交換器内のガス内へ液体を注入するための従来技術に従って実行されることができる。

２つの熱交換器１３、３５が組み込まれた場合、熱交換器１３と一致する熱交換器の一部がコールドボックスの壁から突出し、残りの熱交換器がコールドボックスの内部にある、熱交換器を考えることが可能である。

高価で扱い難い直接的な熱交換による冷却がないことは、本発明によるところの方法に示されるであろう。同様に、水と混合されたガスが水冷却タワー内で使用されず、供給空気内に含まれた水だけが回収されることが示されるであろう。

本発明の他の主題によると、蒸留による空気の極低温分離のためプラントが与えられ、このプラントは、請求項１２から１５の１つに記載された装置、少なくとも１つのカラムを有するシステム、第２の熱交換器、この第２の熱交換器から上記システムのカラムへ空気を運ぶためのライン、および蒸留製造物を上記第２の熱交換器へ運ぶためのライン、を有する。

Claims (16)

1. 極低温空気分離プラントの上流側で空気を圧縮および冷却するための方法であって、
   ｉ） 湿った空気が、コンプレッサー（３）内で圧縮され；
   ｉｉ） このコンプレッサー内で圧縮された空気が、間接的な熱交換によって、第１の熱交換器（１３）内で冷却され；
   ｉｉｉ） 空気中に含まれた水（１１、１９）が、直接的な熱交換による冷却ステップによって上記第１の交換器の上流側の空気を冷却することなく、上記第１の熱交換器内の冷却の上流側および／或いは下流側で回収され；
   ｉｖ） 上記第１の交換器内で冷却された空気が、二酸化炭素および／或いは水の精製された空気を製造するため、精製ユニット（４５）へ送られ；
   ｖ） 上記精製された空気が、上記極低温分離プラントへ送られ；
   ｖｉ） 少なくとも１つの、随意に加熱された、上記極低温分離プラントから生ずるガスが、回収され；
   ｖｉｉ） 上記ステップｉｉｉ）で回収された水が、上記プラントから生ずるガスと混合され、この製造された混合物が、該混合物内で水の凝固点を上回る温度、例えば上記混合物の圧力が大気圧に近い場合には０℃を上回る温度であり；
   ｖｉｉｉ） 上記ガスと混合された上記水が、上記第１の熱交換器内で加熱され；
   ｉｘ） 空気中に含まれた水が上記第１の熱交換器の上流側で回収された場合、空気が、間接的な熱交換による水の回収の上流側のプレクーラー（６）で冷却される、
   方法。
2. ステップｉ）の圧縮は、等温の圧縮である、
   請求項１に記載された方法。
3. 上記第１の熱交換器内でガスと混合された水（２９、３１）は、上記第１の交換器（１３）の上流側でおよび／或いは上記第１の熱交換器の中間点でガスと混合される、
   請求項１或いは２に記載の方法。
4. 空気中に含まれた水は、上記第１の熱交換器（１３）内の冷却の下流側で且つ上記精製ユニット（４５）の上流側で回収される、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方法。
5. ガスに混合された水の量は、上記第１の熱交換器（１３）のガスと混合される水の入口ポイントで、および／或いは混合が実施される上記第１の熱交換器の中間ポイントで、ガスと水の混合物が水の飽和ポイントを上回るようにされる、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 空気中に含まれた水は、上記第１の熱交換器の上流側で回収され、空気は、間接的な熱交換によってプレクーラー（６）内で冷却される、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の方法。
7. ガスは、空気中に含まれた水の濃縮によって製造された水と単独で混合される、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の方法。
8. 水と混合されたガスは、窒素或いは酸素である、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の方法。
9. 水と混合されない少なくとも１つの他のガスは、上記第１の熱交換器（１３）内で加熱される、
   請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の方法。
10. 水と混合されたガスは、窒素であり、酸素の流れおよび／或いは窒素の他の流れは、上記第１の熱交換器内で加熱される、
    請求項９に記載の方法。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載された空気を圧縮および冷却するための方法を有する空気分離方法であって、
    精製された空気は、第２の熱交換器（３５）内で冷却されて上記極低温分離プラントのカラム（４７）へ送られ、少なくとも１つの製造物は、上記プラントから回収されて上記第２の熱交換器内で加熱されて上記第１の熱交換器内で加熱され、少なくとも１つの製造物は、上記プラントから回収されて上記第２の熱交換器内で加熱されて随意に給湿されて上記第１の熱交換器内でガス状にされる、
    方法。
12. 極低温分離プラントへの空気を圧縮および冷却するための装置であって、
    コンプレッサー（３）、間接的な熱交換による第１の熱交換器（１３）、精製ユニット（４５）、および１つ或いは２つの分離器（７、１５）を有し、
    上記コンプレッサーが上記第１の熱交換器へ接続され、この第１の熱交換器が上記精製ユニットへ接続され、
    当該装置は、直接的な交換によって空気を冷却する手段を上記第１の熱交換器の上流側に有しておらず、
    上記精製ユニットは、精製された空気を上記プラントへ送るのに適しており、
    上記分離器は、
    ｉ） 上記コンプレッサーと上記第１の熱交換器との間で、間接的な熱交換による空気の冷却に適した上記プレクーラー（６）の下流側；および／或いは
    ｉｉ） 上記第１の熱交換器と上記精製ユニットとの間、に接続され、
    上記プラントから生ずるガスを上記第１の熱交換器へ運ぶための少なくとも１つ第１のライン、上記分離器から上記第１のラインへ水を運ぶための少なくとも１つの第２のライン、および／或いはガスと水を混合するための上記熱交換器。
13. 上記第１の熱交換器を上記分離器と接続するポンプ（２３）を有する、
    請求項１１に記載の装置。
14. 上記第１の熱交換器（１３）内で加熱された乾燥ガスを上記精製ユニット（４５）へ送るためのラインを有する、
    請求項１１或いは１２に記載の装置。
15. 上記第１の熱交換器で加熱されるため、上記プラントから上記第１の熱交換器へ少なくとも１つの他のガス（３７、４１）を送るためのラインを有する、
    請求項１１、１２、或いは１３に記載の装置。
16. 蒸留による空気の極低温分離のためのプラントであって、
    請求項１１から１４の１つに記載された装置、少なくとも１つのカラム（４７）を有するシステム、第２の熱交換器（３５）、この第２の熱交換器から上記システムのカラムへ空気を運ぶためのライン、および蒸留製造物を上記第２の熱交換器へ運ぶためのラインを有する、
    プラント。

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