JP2013528764A - 極低温の蒸留による空気の分離のための方法および装置 - Google Patents

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ハ、バオ
ブルゲロール、ジャン−ルノー
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レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
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Abstract

極低温蒸留による空気の分離による窒素の製造および酸素リッチにされた液体の製造のためのプロセスにおいて、空気の第１の流れが交換器へ送られて第１の冷却された空気流を形成し、この第１の冷却された空気流がカラムの底部再沸騰器へ送られ、濃縮された空気が上記底部再沸騰器から上記カラムの頂部濃縮器へ送られ、気化された空気が上記頂部濃縮器から第１の圧縮器へ送られ、空気がこの第１の圧縮器から上記カラムへ送られ、空気が第２の圧縮器へ送られてこの第２の圧縮器から上記交換器へ送られて冷却された第２の空気流を製造し、この冷却された第２の空気流が第１の膨張タービンへ送られてこの膨張タービンから上記カラムへ送られ、底部の液体が上記カラムから除去されてガス状の窒素が上記カラムの頂部から除去される。

Description

本発明は、極低温の蒸留による空気の分離のための方法および装置に関する。
＜発明の背景＞
非常に大きなガス或いは石炭ガス化施設が、近い将来、建設されるであろう。全てのガス化プロセスは、多くの量の高圧酸素を必要とする。
ＡＳＵプラントは、ここ４０年の間着々と大きくなっており、その傾向がストップするサインは無い。プラントサイズが大きくなるにつれ、数時間を超えてプラントが機能停止した場合、液体の補充供給が非実用的になり或いは不可能になる。
現在の技術では、１日に７０００メートルトンの酸素に至るプラントサイズを許容する。現在、最も大きい参考となるプラントサイズは、１日に４０００から５０００メートルトンの間である。
近未来における石炭ガス化は、例えば、５００００Ｔ／Ｄに届く非常に多くの酸素消費を必要とするであろう。ガスを液体にするプラントは、２００００から４００００Ｔ／Ｄの範囲内の高い酸素の要求を伴う他の例である。このように大きな設備における酸素の改良された合理的な生産コンセプトが必要であることが明らかになりつつある。
この発明は、酸素プラントの複合大連結（multiple large trains）を必要とする大きな設備の建設のための新たなアプローチを提供する。コスト効果のある製品補充のための新たなコンセプトがこの新たなスキームに組み込まれている。
図１は、本発明の１つの実施例として示された低いコストで補充目的の製品を増大するための本発明の１つの新たなアプローチを示す。 図２は、本発明の１つの実施例によるところの窒素発生器の詳細を示す。 図３は、本発明の１つの実施例によるところの合成物へ窒素有用性ガスを供給するスタンドアロンモードで動作された窒素発生器の１つの実施例を示す。 図４は、本発明の１つの実施例によるところの高圧カラム、中圧カラム、低圧カラム、および補助カラムを伴うシステムを示す。
＜発明の詳細な説明＞
この発明は、大きな空気分離設備のための極低温プロセスのための３つのメイン実施例をカバーする。
１．酸素プラントのプロセスの選択：この発明の目的は、非常に高い酸素製造が可能な空気分離プロセスを提供することにある。選択された他のプロセスの特徴は、酸素製造を増大するより高い空気流を効率よく融通する能力である。
２．複合連結要素のための経済的な補充：本発明のこの実施例の目的は、窒素発生器のような補助ユニットの使用による補充プラント製造のための新たなアプローチを提供することにある。
非常に高い製品スループットに達するため、空気分離プラントのための異なるプロセススキームが必要である。伝統的なダブルカラムプロセスは、酸素プラントの極低温部分の前に蒸気およびＣＯ２を除去する前端清掃のための大きな吸着容器を必要とする約６バールの低い供給空気圧で動作する。
平行なスタイルで動作するいくつかの連結要素からなる製造設備の補充のための伝統的なアプローチは、フルサイズの連結要素を取り付けることである。このスペアの連結要素或いはユニットは、他の連結要素の１つの機能停止によって引き起こされた製造の休みを引き受けるように、短い時間サービスに置かれることができる。２つの機能停止が同時に起こる見込みが低いことから、複合連結の信頼性を保証する唯一のスペアの連結要素を有することがその共通の経験である。いくらかの状況において、スペアユニットの起動時間が非常に短く或いは瞬間に起こらなければならず、そしてスペアユニットを含む全ての装備が永久的に減少された割合で運転しなければならない場合、１つのユニットがシャットダウンすると、残りのユニットの製造割合が急激に増大されることができ、全体的な製造を維持する。
本発明によると、空気の極低温蒸留による窒素の製造および酸素リッチにされた液体の製造のための装置であって、頂部濃縮器および底部再沸騰器を有するカラムと、第１の圧縮器と、第２の圧縮器と、第１の膨張タービンと、熱交換器と、第１の冷却された空気の流れを形成するように、空気の第１の流れを上記交換器へ送るための導管手段と、上記底部再沸騰器へ上記第１の冷却された空気の流れを送るための導管手段と、上記底部再沸騰器から上記頂部濃縮器へ濃縮された空気を送るための導管手段と、上記頂部濃縮器から上記第１の圧縮器へ気化された空気を送るための導管手段と、上記第１の圧縮器から上記カラムへ空気を送るための導管手段と、冷却された第２の空気の流れを製造するように、第２の圧縮器へ空気を送ってこの第２の圧縮器から上記交換器へ送るための導管手段と、上記冷却された第２の空気の流れを上記第１の膨張タービンへ送ってこの膨張タービンから上記カラムへ送るための導管手段と、上記カラムから底部液体を除去するための導管手段と、上記カラムの頂部からガス状の窒素を除去するための導管手段と、を有する装置が提供される。
随意に、上記装置は、液体窒素を上記カラムの上記頂部へ送るための導管手段と、さらなる濃縮器と、底部液体を上記カラムから上記さらなる濃縮器へ送るための導管手段と、ガス状の窒素を上記カラムの上記頂部から上記さらなる濃縮器へ送るための導管手段と、上記さらなる濃縮器から気化された底部液体を除去するための導管手段と、を有する。
本発明によると、少なくとも１つの空気分離ユニットと、上述した少なくとも１つの装置と、上記装置へ空気を送るための圧縮手段と、上記少なくとも１つの空気分離ユニットへ空気を送るための圧縮手段と、上記少なくとも１つの空気分離ユニットから酸素を除去するための導管手段と、酸素リッチにされた液体を上記装置から上記少なくとも１つの空気分離ユニットのカラムへ送るための導管手段と、を有する酸素の製造のための設備が提供されても良い。
上記設備は、上記少なくとも１つの空気分離ユニットのカラムから上記装置へ窒素リッチにされた液体を送るための導管手段へ送るための導管手段と、少なくとも１つの装置へ空気を送るための圧縮手段と、少なくとも１つの空気分離ユニットおよび少なくとも１つの装置へ接続された少なくとも１つの圧縮器を有する少なくとも１つの空気分離ユニットへ空気を送るための圧縮手段と、を有する。
本発明のさらなる実施例によると、極低温蒸留による空気の分離による窒素の製造および酸素リッチにされた液体の製造のためのプロセスにおいて、空気の第１の流れが交換器へ送られて第１の冷却された空気流を形成し、この第１の冷却された空気流がカラムの底部再沸騰器へ送られ、濃縮された空気が上記底部再沸騰器から上記カラムの頂部濃縮器へ送られ、気化された空気が上記頂部濃縮器から第１の圧縮器へ送られ、空気がこの第１の圧縮器から上記カラムへ送られ、空気が第２の圧縮器へ送られてこの第２の圧縮器から上記交換器へ送られて冷却された第２の空気流を製造し、この冷却された第２の空気流が第１の膨張タービンへ送られてこの膨張タービンから上記カラムへ送られ、底部の液体が上記カラムから除去されてガス状の窒素が上記カラムの頂部から除去されるプロセスが提供される。
上記プロセスは、上記カラムの頂部へ液体窒素を送る工程を有する。
空気が上記装置および上記空気分離ユニットへ送られ、上記装置からの底部液体が上記空気分離ユニットのカラムへ送られ、酸素が上記空気分離ユニットから回収された、上述したプロセスに従って動作する少なくとも１つの空気分離ユニットおよび少なくとも１つの装置を有する設備内での酸素の製造のための組み込まれたプロセス。
上記プロセスは、少なくとも第１および第２の空気分離ユニットを含み、底部液体は、上記第２の空気分離ユニットが機能しない場合、上記第１の空気分離ユニットへ送られる。
圧縮器からの空気は、上記第２の空気分離ユニットが機能した場合に、上記第２の空気分離ユニットへ送られ、上記第２の空気分離ユニットが機能しない場合に、上記装置へ送られる。
低いコストで補充目的の製品を増大するための本発明の１つの新たなアプローチが図１に図示されている。製造を保証するように全てのスペアの連結要素が供給された伝統的なアプローチと比較して、シンプルで安価な窒素発生器がスペアコールドボックスを置き換えるように提案される。この窒素発生器は、酸素プラントと同様な圧力、我々の発明では約１１バールで動作するようにデザインされ、シンプル圧縮器装備補充を保証する。しかしながら、他の圧力が使用されても良い。
窒素発生器を用いたこの補充コンセプトは、一般に、極低温酸素プラントの複合連結配置へ与えられることができる。以下の詳細な説明において、窒素発生器は、我々の発明の図４に示したものと同様なコールドボックスプロセスに関連して展開される。図１において、窒素発生器は、空気を窒素リッチな流れ２０５と非常にリッチな液体の流れ２００に分離する。非常にリッチな液体の流れ２００の組成が図４の非常にリッチな液体１２の組成と似ていることに注意することは有用である。
図２の実施例は、窒素発生器の詳細を示す：圧縮されて冷却されて精製された原料空気１の部分３が、１１バールで、圧縮器２４によってさらに圧縮され、より高い圧力の流れ４を形成する。そして、流れ４は、交換器２０内で冷却されて、膨張器２１を介して蒸留カラム３０内へ膨張される。原料空気の他の部分２は、交換器２０内で冷却されて、交換器３２内で濃縮してカラムへ沸騰を供給する。これにより形成された濃縮された空気１０は、カラム３０の頂部で濃縮ガスに対して低い圧力で気化されるように、膨張されて濃縮器３１へ送られる。そして、濃縮器３１を出た気化された空気１１は、流れ１２を形成するように冷圧縮器２２内で冷圧縮されて、蒸留のためカラムへ入れられる。カラム３０は、原料空気をその頂部で窒素リッチなガスとその底部で非常にリッチな液体５０とに分離する。窒素リッチなガスは、濃縮器３１内で濃縮して、蒸留のための液体還流を生む。窒素リッチガスの部分４１は、回収されて交換機２０内で窒素製品４５として暖められる。窒素リッチガスの部分４２は、追加の冷凍を供給するため、張器２３内で随意に膨張されることができる。
複合酸素連結のための補充ユニットとして使用される場合、この窒素発生器は、今運転停止になった連結要素へ空気を供給していた圧縮器から空気１を受け、この空気１が、約６５モル％の酸素で非常にリッチな液体５０および窒素の流れ４１に分離される。この非常にリッチな液体の流れ６０は、流れ８８を介して図４の酸素プラントへ送られる。酸素プラントおよび窒素発生器の両方の冷凍のバランスを維持するため、液体窒素の流れが、図４の流れ８９を介して酸素プラントから引き出され、窒素発生器（図２の流れ４０）へ送られる。酸素プラントへの非常にリッチな液体原料６０が空気より少ない窒素（７８％の代りに約３５モル％）を含むことから、非常にリッチな液体によって供給された酸素製造の増大が、空気の場合と同様にカラムの頂部で窒素の流れを増大しない。それゆえ、このシステムは、より高い酸素の流れをガス状の酸素の流れ７２として発生させることができる。図１の図示は、３つの酸素連結を伴うそのようなシステムの有効性を示す：１０００単位の空気を処理する全てのスペアの連結要素を有する代りに、６０％少ない４００単位の空気だけを処理するより小さな窒素発生器がスペア製造ユニットとして使用されることができる。上述した第２の低圧カラムを介してより高い空気の流れを伴う空気増加のコンセプトは、この窒素発生器とともに使用されることができる。最終結果は、空気の流れを約１３００すなわち３０％増加することによって、上述したデザインであり、窒素発生器によって供給された非常にリッチな液体を伴う酸素プラントを供給し、各製造連結要素は、酸素製造において約５０％増加した出力が可能である。２つの酸素連結要素および窒素発生器を伴い、全酸素出力は、３つの酸素プラントを伴う場合と同じである。この窒素発生器補充システムは、コストにおいてより少なく低い。
運転開始および予定する運転停止時間の間、このように大きな製造設備で窒素有用性のための必要がある（窒素ブランケット、計器ガスなど）。窒素発生器は、このような期間間に必要とされた窒素有用性を与えるように便利に使用されることができる。図３は、合成物へ窒素有用性ガスを供給するスタンドアロンモードで動作された窒素発生器の実施例を示す。このモードにおいて、非常にリッチな液体の全て或いは一部が、カラムの頂部に配置された他の濃縮器３３内で低い圧力で気化される。そして、気化された流れ５１は、交換器２０内で暖められて流れ５２として出る。
図４の装置は、高圧カラム１００、中圧カラム１０１、および低圧カラム１０２を有する。補助カラム１０３も使用される。
このプロセスへ供給される空気は、約１１バールであり、その結果、よりコンパクトで大きくない吸着器容器をもたらす。この吸着器は、空気がより濃いことから、より高い空気の流れのために使用されることができ、高圧が、蒸気およびＣＯ２の吸着のためより有利である。
高圧カラムの頂部蒸気流れは、頂部窒素流れおよび底部の酸素リッチな液体内へ空気を蒸留する補助の低圧カラム内への高圧原料空気の膨張によって減少される。この補助の低圧カラムは、低圧カラムと同様な圧力で動作して、頂部における液体窒素の還流によって供給される。この圧力は、低圧カラムの圧力より低く、より高く、或いは等しくても良い。液体空気の流れは、蒸留パフォーマンスを改良するように、随意にこの補助のカラムへ供給されることができる。
１１バールでの空気は、次に続く、圧縮、冷却、および精製の３つの流れへ分割される。
流れの１つは、熱交換器９０内で冷えて流れ６を形成する流れ８である。流れ６は、ガス状の形で高圧カラム１００へ送られる。流れ６は、高圧カラム１００内で、頂部における窒素リッチな流れ、および底部における酸素内でリッチなリッチにされた液体の流れ１０へ分離される。窒素リッチな流れは、第１の濃縮器９１内で濃縮して第１の液体還流の流れをもたらす。いくらかの窒素４２が製品流れとして高圧カラムの頂部で抽出されることができ、暖められるように熱交換器９０へ送られる。第１の還流流れの部分１１は、還流流れ１４として低圧カラム１０２へ送られて、還流１５として補助のカラム１０３へ送られる。還流流れの部分８９は、窒素液体製品として与えられても良い。底部でリッチにされた液体１０の全て或いは部分は、さらなる蒸留のため、中圧カラム１０１の底部へ送られる。この中圧カラムは、高圧カラムの圧力と低圧カラムの圧力との間の中間圧力で動作する。第１の濃縮器９１は、高圧カラムの頂部と中間カラムの底部との間で熱を伝える。この中間カラムは、リッチな液体を頂部における第２の窒素リッチなガスと底部における非常にリッチな液体１２に分離する。第２の窒素リッチなガスの部分は、第２の濃縮器９２内で濃縮して第２の還流流れをもたらし、残り４０は、ガス状の流れとして除去されて、熱交換器９０内で暖められる。非常にリッチな液体１２は、原料として低圧カラム１０２へ送られる。濃縮器９２内で形成された第２の還流流れ１６の部分は、還流として低圧カラムへ送られても良い。第２の濃縮器９２は、中間カラム１０１の頂部と低圧カラム１０２の底部との間で熱を伝える。
低圧カラムへの原料空気の膨張のみの代りに、原料空気の部分３１は、タービン８０を用いて補助カラム１０３内へ膨張される。この補助カラムは、低圧カラム１０２の圧力と略同じ絶対的な１．１バールと絶対的な１．８バールとの間の圧力で作動する。高圧カラム或いは中間カラムのいずれかで製造された液体還流１５の部分は、還流として補助カラムの頂部へ供給される。この補助カラム１０３は、膨張された空気３２をその頂部における窒素リッチなガス２１とその底部における酸素内でリッチな第２のリッチな液体６０へ分離する。そして、この第２のリッチな液体は、原料として低圧カラム１０２へ膨張されて伝えられる。補助カラム１０３は、第２のリッチな液体６０が重力供給によって低圧カラム内へ流れるように、低圧カラム１０２の上方に配置されることができ、或いは移送ポンプが使用できる。この低圧カラム１０２は、その原料を、その底部における酸素液体７０とその頂部における低圧窒素ガス２０とに分離する。この酸素液体は、高圧にポンピングされて主交換器９０内で気化されて、ガス状の高圧酸素製品７２をもたらす。原料空気の部分２は、暖める昇圧器８４内でさらに濃縮されて、熱交換器９０内で冷却されて、流れ３を形成し、冷やす濃縮器８２内で濃縮されて高圧流れ４を形成し、主交換器９０内で気化する液体酸素製品に対して濃縮するために使用される。交換機９０から来る流れ５は、液化されて高圧カラム１００へ送られる。
原料空気の部分３０は、１１バールで、流れ３３としてタービン８１内で膨張され或いは膨張されずに流れ３４を形成し、この流れ３４が低圧カラム１０２へ送られる。
中間カラム内で製造された非常にリッチな液体を低圧カラムへ供給することによって、低圧カラムの蒸留パフォーマンスが、重大な膨張された空気が第２の低圧カラムへ流れ、高圧カラムおよび／或いは中間カラム内へ引き抜かれた重大な窒素と混合され、良好な酸素回収率で行なわれることができるように、大きく改良される。
図１に示された実施例において、Ｏ２気化のための冷たい圧縮スキームが図示されている：空気の小部分２の圧力が圧縮器８４によって増大され、そして交換器９０内で冷却され、冷たい加圧された空気の流れ３をもたらす。この空気の流れ３は、圧縮器８２によって冷たく圧縮されて高い圧力での流れ４をもたらす。流れ４は、次に、交換器９０内で冷却されて液体流れ５をもたらし、そして、この液体の流れ５がカラムシステムへ供給される。原料空気の部分３３は、随意に、低圧カラム１０２内へ膨張されることができ、システムに追加の冷却を与える。膨張器８０或いは８１の出口で低圧膨張された空気の部分は、必要とされるようにカラムへ空気の流れを均等に分配するように、ライン３６によってカラム１０３および１０２へ送られることができる。
補助のカラム１０３内の蒸気の流れ割合は、低圧カラム１０２の上部分の直径が複合蒸留カラムシステムの他のいかなる部分の直径より大きくないように決められる。ここで、低圧カラム１０２は、高圧カラム１００として隅から隅まで同じ直径を有する。
カラム１００、１０１、および１０２のトリプルカラム配置によって与えられる蒸留パフォーマンスの向上は、通常動作において、上部低圧カラムセクションの頂部での蒸気の流量の約５０％より大きい補助分離カラム１０３の頂部での蒸気の流量を達成することを我々に許容する。

Claims (11)

  1. 空気の極低温蒸留による窒素の製造および酸素リッチにされた液体の製造のための装置であって、
    頂部濃縮器および底部再沸騰器を有するカラムと、
    第１の圧縮器と、
    第２の圧縮器と、
    第１の膨張タービンと、
    熱交換器と、
    第１の冷却された空気の流れを形成するように、空気の第１の流れを上記交換器へ送るための導管手段と、
    上記底部再沸騰器へ上記第１の冷却された空気の流れを送るための導管手段と、
    上記底部再沸騰器から上記頂部濃縮器へ濃縮された空気を送るための導管手段と、
    上記頂部濃縮器から上記第１の圧縮器へ気化された空気を送るための導管手段と、
    上記第１の圧縮器から上記カラムへ空気を送るための導管手段と、
    冷却された第２の空気の流れを製造するように、第２の圧縮器へ空気を送ってこの第２の圧縮器から上記交換器へ送るための導管手段と、
    上記冷却された第２の空気の流れを上記第１の膨張タービンへ送ってこの膨張タービンから上記カラムへ送るための導管手段と、
    上記カラムから底部液体を除去するための導管手段と、
    上記カラムの頂部からガス状の窒素を除去するための導管手段と、
    を有する装置。
  2. 液体窒素を上記カラムの上記頂部へ送るための導管手段を有する、
    請求項１によるところの装置。
  3. さらなる濃縮器と、
    底部液体を上記カラムから上記さらなる濃縮器へ送るための導管手段と、
    ガス状の窒素を上記カラムの上記頂部から上記さらなる濃縮器へ送るための導管手段と、
    上記さらなる濃縮器から気化された底部液体を除去するための導管手段と、
    を有する請求項１によるところの装置。
  4. 少なくとも１つの空気分離ユニットと、
    請求項１乃至請求項３のいずれかの装置と、
    上記装置へ空気を送るための圧縮手段と、
    上記少なくとも１つの空気分離ユニットへ空気を送るための圧縮手段と、
    上記少なくとも１つの空気分離ユニットから酸素を除去するための導管手段と、
    酸素リッチにされた液体を上記装置から上記少なくとも１つの空気分離ユニットのカラムへ送るための導管手段と、
    を有する酸素の製造のための設備。
  5. 上記少なくとも１つの空気分離ユニットのカラムから上記装置へ窒素リッチにされた液体を送るための導管手段へ送るための導管手段を有する、
    請求項４によるところの設備。
  6. 少なくとも１つの装置へ空気を送るための圧縮手段および少なくとも１つの空気分離ユニットへ空気を送るための圧縮手段は、少なくとも１つの空気分離ユニットおよび少なくとも１つの装置へ接続された少なくとも１つの圧縮器を有する、
    請求項４によるところの設備。
  7. 極低温蒸留による空気の分離による窒素の製造および酸素リッチにされた液体の製造のためのプロセスにおいて、
    空気の第１の流れが交換器へ送られて第１の冷却された空気流を形成し、
    この第１の冷却された空気流がカラムの底部再沸騰器へ送られ、
    濃縮された空気が上記底部再沸騰器から上記カラムの頂部濃縮器へ送られ、
    気化された空気が上記頂部濃縮器から第１の圧縮器へ送られ、
    空気がこの第１の圧縮器から上記カラムへ送られ、
    空気が第２の圧縮器へ送られてこの第２の圧縮器から上記交換器へ送られて冷却された第２の空気流を製造し、
    この冷却された第２の空気流が第１の膨張タービンへ送られてこの膨張タービンから上記カラムへ送られ、
    底部の液体が上記カラムから除去されてガス状の窒素が上記カラムの頂部から除去される、
    プロセス。
  8. 上記カラムの頂部へ液体窒素を送る工程を有する、
    請求項７によるところのプロセス。
  9. 空気が上記装置および上記空気分離ユニットへ送られ、上記装置からの底部液体が上記空気分離ユニットのカラムへ送られ、酸素が上記空気分離ユニットから回収された、請求項７のプロセスに従って動作する少なくとも１つの空気分離ユニットおよび少なくとも１つの装置を有する設備内での酸素の製造のための組み込まれたプロセス。
  10. プロセスは、少なくとも第１および第２の空気分離ユニットを含み、底部液体は、上記第２の空気分離ユニットが機能しない場合、上記第１の空気分離ユニットへ送られる、
    請求項９によるところのプロセス。
  11. 圧縮器からの空気は、上記第２の空気分離ユニットが機能した場合に、上記第２の空気分離ユニットへ送られ、上記第２の空気分離ユニットが機能しない場合に、上記装置へ送られる、
    請求項１０によるところのプロセス。
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