JP2017536523A - 極低温分離によってアルゴンを可変的に取得する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本方法及び本装置は、極低温分離によってアルゴンを可変的に取得するために用いられる。供給空気（１，４，７）を、主熱交換器（８）で冷却し、引き続き、高圧塔（１０）及び低圧塔（１１）を有する蒸留塔システムに導入する。粗アルゴン塔（８１，８２）及び純アルゴン塔（３）によるアルゴン取得において、低圧塔（１１）からのアルゴン富化流（８０）から、液体の純アルゴン生成物流（７２）が生成される。第１の運転モードにおいて、第１の純アルゴン生成物量を最終生成物として排出し、第２の運転モードにおいて、減少した純アルゴン生成物量を最終生成物として排出する。第２の運転モードでは、ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）を、粗アルゴン塔又は純アルゴン塔から抜き出し、主熱交換器（８）の別個の通路（１０８）において加熱する。

Description

本発明は、特許請求項１の前提部に記載の方法に関する。

アルゴンを取得するこのような方法は、例えば、欧州特許出願公開第２６０００９０号明細書(EP 2600090 A1)に記載されている。この方法では、窒素と酸素とを分離するための２塔法又は多塔法に続いて、粗アルゴン塔(Rohargonsaeule)（ここでは２つの部分から構成されている）で、アルゴン及び酸素が分離され、更なる工程において、純アルゴン塔(Reinargonsaeule)で、アルゴン及び窒素が分離される。粗アルゴン塔からの粗アルゴンは、純アルゴン塔にガス状で導入される。

「アルゴン富化」とは、本明細書中では、空気よりも高いアルゴン濃度を有する流を指す。

粗アルゴン塔は、１つの部分又は２つの部分から構成されていてよい。該塔は、塔頂凝縮器を有し、これは、狭義の空気分離法から得られる液体により、特に高圧塔の塔底液により冷却される。

通常、液状の純アルゴン生成物流全体は、純アルゴン塔の塔底部から最終生成物として抜き出される。最終生成物は、例えば、液状生成物として直接取得され、液体タンクに導入される。あるいはまた、最終生成物は、純アルゴン塔から、又はタンクから液体として取り出され、液状で圧力がかけられ、主熱交換器で加熱されて、圧縮ガス生成物として直接消費者に供給される。多くの場合、アルゴンは液体製品として販売される。

液体アルゴンの販売量は、市場に応じて変動する。アルゴンを求める相当数の直接消費者においては、アルゴンの需要も同様に周期的又は不規則的に変動するが、酸素及び／又は窒素の需要（主生成物の需要）は、常に一定である。そのような場合には通常、粗アルゴン塔及び純アルゴン塔が相応してアップダウン式に稼働させられ、すなわち、処理量を変動させながら運転される。

本発明の課題は、冒頭に挙げた方法において、主生成物の需要に対してアルゴンの需要が変動したときの酸素取得の効率を高めることである。酸素分離の「効率」とは、本明細書中では、酸素生成物の同一の純度における酸素収率、特に、生成される酸素１Ｎｍ^３当たりのエネルギー消費量を意味する。

この課題は、特許請求項１の特徴の全体によって解決される。特に、第２の運転モードにおいて、アルゴン需要が減少した場合に、純アルゴンの生産を低下又は完全に停止するために、少なくとも１つのガス状のアルゴン返送流を、粗アルゴン塔、該塔の塔頂凝縮器、純アルゴン塔又は塔頂凝縮器から抜き出す。ガス状のアルゴン返送流は、主熱交換器の別個の通路において他の流と混合することなく加熱される。

本発明の範囲内では、酸素生成の効率は、アルゴン分離の品質に依存することが明らかになった。従って本発明では、アルゴン生成物は必要とされないか、又は全面的に必要とされない場合であっても、アルゴン収率を可能な限り高く維持する努力を行う。従来技術のように、アルゴン塔の変換率を下げて稼働させると、必要とされないアルゴンの液化エネルギーのみが取得されるが、その代わりに、酸素分離の効率は失われる。

ガス状のアルゴン返送流は、低圧塔からのアルゴン富化流のアルゴン含有量の少なくとも２倍のアルゴン含有量を有する（モル量で測定）。該返送流中に存在する冷却エネルギー(Kaelte)は、主熱交換器中で、以下の措置の少なくとも１つによって回収される：
− ガス状のアルゴン返送流の一部を、本発明の１つの変法に従って、低圧塔からの返送流に導入する。
− ガス状のアルゴン返送流を、主熱交換器の別個の通路において他の流と混合することなく加熱する。

本発明の範囲内では、粗アルゴン塔又はその一部は、可変的なアルゴン生産であっても、一定の処理量で、又はプロセスの設計に応じた公称若しくは最大処理量で稼働させることができる。それにより、常に高い酸素収率及び酸素純度が維持される。

一般的に、第１の運転モードでは純アルゴン生成物量全体を最終生成物として排出する。そのとき、「第２の運転モード」は、最終生成物量が第１の運転モードよりも小さい任意のタイプの運転によって構成することができる。その場合、純アルゴン生成物量の過剰分が純アルゴン塔の塔底部に達する前に、この過剰分をガス状のアルゴン返送流として、早くも純アルゴン塔の上流で又は純アルゴン塔から抜き出す。極端な場合には、アルゴン最終生成物はそもそも生成されず、純アルゴン塔は、塔頂部で残留ガスを放出するだけとなる。

しかし特定の場合には、「第１の運転モード」でも、アルゴン返送流の第１の量を早くも主熱交換器に導くことができる；この場合、「第２の運転モード」では、主熱交換器へのアルゴン返送流の量は、「第１の運転モード」の場合よりも大きい。

たしかに、米国特許第６２６９６５９号明細書(US 6269659 B1)には、アルゴン需要が減少した場合に、粗アルゴン塔の塔頂部に由来する粗アルゴン留分の少なくとも一部を蒸発させ、狭義の空気分離装置の塔の１つに由来する残留ガス流と混合し、空気分離装置の主熱交換器で加熱することが既に提案されていた。

しかしながら、この解決策は、粗アルゴン留分を粗アルゴン塔からガス状で抜き出し、純アルゴン塔にガス状で導入するプロセスには適用することができない。

基本的には、ガス状のアルゴン返送流の一部は、圧力レベルに関して可能であるならば、低圧塔からの任意の返送流と混合することができる。しかしながら、有利には、以下の返送流：
− 低圧塔の塔頂部に由来するガス状の窒素生成物流
− 低圧塔の中間位置(Zwischenstelle)に由来する不純物を含んだ窒素流
の少なくとも１つを選択する。

こうすることで、低圧塔からの純生成物は汚染されず、アルゴン生成物を、吸着装置の再生のために、又は気化冷却装置において有意義に利用することができる。

好ましくは、第１の運転モードから第２の運転モードへの移行中に、粗アルゴン塔及び純アルゴン塔から取り出される全体のアルゴン絶対量を実質的に一定に維持する。

「実質的に一定に」とは、本明細書中では、５モル％未満、特に２．５モル％未満の偏差を意味する。

アルゴンの全体量を構成しているのは、第１の運転モードでは、アルゴン生成物量と、純アルゴン塔の塔頂部に由来する残留ガス中に含まれるアルゴン量である。例えば、第２の運転モードでそもそもアルゴン生成物が取得されない場合には、（各）アルゴン返送流中に含まれるアルゴンと、純アルゴン塔の塔頂部に由来する残留ガス中に含まれるアルゴン量とを合計したものが全体のアルゴン量となる。

以下では、アルゴン返送流を抜き出す様々な可能性を論じる。本発明の範囲内では特に、アルゴン返送流について以下の発生元が存在する：
− ガス状のアルゴン返送流は、粗アルゴン留分の少なくとも一部によって形成される。
− ガス状のアルゴン返送流は、粗アルゴン塔の中間位置から、つまり、粗アルゴン留分よりも高いアルゴン含有量で抜き出される。

分割された粗アルゴン塔の場合、ガス状のアルゴン返送流は、そのほかに、
− 粗アルゴン塔の第１のセクションの中間位置から、及び／又は
− ガス状のアルゴン返送流は、粗アルゴン塔の第１のセクションの塔頂部から抜き出すことができる。

さらなる変法では、
− ガス状の流は、純アルゴン塔から任意の箇所で、例えば、塔頂部から（場合により純アルゴン塔の塔頂凝縮器から）、塔底部を介して直接、又は塔底部と塔頂部との間の任意の中間位置で抜き出される。

本発明による方法及び装置を概略的に示す図

以下では、本発明及び本発明の更なる詳細を、図面において概略的に示される実施例に基づいて、より詳細に説明する。ここで、装置の温かい部分は、とりわけ概略的に図示している；そのほかにタービン及び再圧縮機などの機械装置も省略した。

大気を、フィルター２を通して空気圧縮機３で吸引する。空気圧縮機３からの圧縮空気４を、予備冷却装置５で冷却し、洗浄装置６で洗浄する。洗浄した空気７を、主熱交換器８に供給する。第１の低温空気流９を、高圧塔１０に実質的にガス状で導入する。高圧塔１０は、そのほかに低圧塔１１及び主凝縮器１２を有する二段塔の一部である。これらの装置は、蒸留塔システムの一部である。

場合により流７から分岐し、高圧に圧縮した第２の低温空気流１３を、弁１４において減圧し、大部分を液状で高圧塔１０に導入する（１５）。この液体の一部１６を、すぐに再び抜き出し、過冷却用向流熱交換器１７で冷却し、導管１８を介して低圧塔１１に導入する。高圧塔１０の塔底部に由来する酸素富化留分１９を、過冷却用向流熱交換器１７で冷却する。冷却した酸素富化留分２０の第１の部分２１を、純アルゴン塔８３のリボイラー９１(Sumpfheizung)に通過させ、さらに粗アルゴン塔の塔頂凝縮器９０の蒸発空間に案内する。第２の部分２２は、純アルゴン塔の塔頂凝縮器９１の蒸発空間に直接流入する。塔頂凝縮器に由来する、液体のままの部分と、ガス状の部分とを、対にして一つにまとめ、導管２３及び２４を介して低圧塔１１に供給する。あるいはまた、これらの流を、それぞれ別個に低圧塔に導くこともできる。

高圧塔１０の塔頂部窒素２５の一部を、主凝縮器１２で凝縮し、第１の部分２６を、高圧塔に送入する。液体窒素の第２の部分２７は、過冷却用向流熱交換器１７を通過し、かつ導管２８を通過して低圧塔の塔頂部に流れる。

生成物として二段塔から出ていくのは以下の流である：
− 低圧塔の塔頂部からの液体窒素（ＬＩＮ）
− 導管２８、２９、３０を介したガス状の外部圧縮窒素（ＧＡＮ−ＥＣ）
− 導管３２、３４を介した不純物を含むガス状の窒素
− 導管３５、３７、３８及びポンプ３６を介した内部圧縮酸素（ＧＯＸ−ＩＣ）（あるいはまた、二次凝縮器を用いてもよい）
− 導管４１を介した液体酸素（ＬＯＸ）
− 導管３９、４０を介したシールガス（Ｓｅａｌｇａｓ）としての圧縮窒素。

そのほかに、導管Ｘを介して、ガス状の酸素を、低圧塔１１の塔底部から残留ガス導管３３に供給することができる。

これから以下では、アルゴン取得について記載する。本実施例では、低圧塔１１からのアルゴン富化流８０を、２つのセクション８１、８２を有する分割された粗アルゴン塔として形成されている粗アルゴン塔に導入する。通常運転（「第１の運転モード」）では、第１のセクション８１の塔頂蒸気７０を全て、導管７０ａを介して第２のセクション８２に導入する。塔頂凝縮器９０では、還流液が生成される。第２のセクション８２の塔底部に到達する液体８７を、ポンプ８８によって導管８９を介して第１のセクション８１の塔頂部に送入する。第１のセクション８１の塔底部に溜まる液体８４も同様にポンプ輸送し、導管６を介して低圧塔１１に返送する。

粗アルゴン塔の第２のセクション８２の塔頂部から、より正確には、塔頂凝縮器９０の液化空間から、ガス状の粗アルゴン留分７１を取り出し、全面的にガス状で純アルゴン塔８３に導入する。純アルゴン塔８３の塔底部から、液状の純アルゴン生成物流７２を取り出す。純アルゴン塔の塔頂凝縮器９１から、残留ガス流７３を抜き出し、大気（ＡＴＭ）中に放出する。

第２の運転モードについて、本発明によるアルゴン返送流の誘導の様々な変法を図面に示す。基本的には、実際のプラントにおいても、２つ以上の変法を同時に実行することが可能である。しかし、一般に、１つの変法のみを決めることになる。

１つの変法では、ガス状のアルゴン返送流又はその一部を、粗アルゴン塔の第１のセクション８１の塔頂蒸気７０の一部によって形成する。これを、導管１０１、１０２ａ、１０５、１０６、１０７を使って、主熱交換器の別個の通路１０８を通して案内する。部分１０２ｂを、過冷却用向流熱交換器１７の下流で、不純物を含む窒素３２に導入することができる；あるいはまた、この導入は、過冷却用向流熱交換器１７の上流で実施することもできる。

本発明の更なる変法では、ガス状のアルゴン返送流を、粗アルゴン留分７１の一部によって、又は粗アルゴン留分７１全体によって形成し、導管１０３、１０４、１０６を介して、主熱交換器の別個の通路１０８に案内する。その一部を、別様に、過冷却用向流熱交換器１７の下流で、ガス状の窒素生成物流３０に導入することができる（導管１０３、１０４、１０５）；あるいはまた、この導入は、過冷却用向流熱交換器１７の上流で実施することもできる。

第２の運転モードでアルゴン返送流を他の流と混合しない場合、この返送流は、主熱交換器８の別個の通路１０８を通して案内する。本明細書中では、「通路」とは、同一の流が貫流する熱交換器８の多数の通り道を意味する。

当然のことながら、本発明の範囲内では、アルゴン返送流の異なる取出し口１０１、１０３はそれぞれ、主熱交換器８を通過する任意のガイドモードと組み合わせることができる。

アルゴン生成物の需要が低下した第２の運転モードでは、導管１０１を開放し、粗アルゴン塔８１、８２における塔頂蒸気７０又は上昇蒸気０〜３．５％を、主熱交換器８に案内する。具体的な数値例では、オペレーターによる生成物として可能なアルゴンの最大量の７０％が必要とされるのみである。従って、「第２の純アルゴン生成物量」は、アルゴン生成物の最大量の７０％である。その場合、アルゴン返送流１０１は、例えば、塔頂蒸気７０を１％含んでいる。粗アルゴン塔の塔頂蒸気７０の残分はさらに、導管７０ａを介して粗アルゴン塔の第２のセクション８２に導入される。

１ 供給空気、 ２ フィルター、 ３ 空気圧縮機、 ４ 供給空気、 ５ 予備冷却装置、 ６ 洗浄装置、 ７ 供給空気、 ８ 主熱交換器、 ９ 第１の低温空気流、 １０ 高圧塔、 １１ 低圧塔、 １２ 主凝縮器、 １３ 第２の低温空気流、 １４ 弁、 １５ 液状の導入、 １６ 液体の一部、 １７ 過冷却用向流熱交換器、 １８ 導管、 １９ 酸素富化留分、 ２０ 酸素富化留分、 ２１ 酸素富化留分の第１の部分、 ２２ 酸素富化留分の第２の部分、 ２３ 導管、 ２４ 導管、 ２５ 塔頂窒素、 ２６ 塔頂窒素の第１の部分、 ２７ 液体窒素の第２の部分、 ２８ 導管、 ２９ 導管、 ３０ 導管、 ３２ 導管、 ３３ 残留ガス導管、 ３４ 導管、 ３５ 導管、 ３６ ポンプ、 ３７ 導管、 ３８ 導管、 ３９ 導管、 ４０ 導管、 ４１ 導管、 ７０ 塔頂蒸気、 ７０ａ 導管、 ７１ 粗アルゴン留分、 ７２ 純アルゴン生成物流、 ７３ 残留ガス流、 ８０ アルゴン富化流、 ８１ 粗アルゴン塔のセクション、 ８２ 粗アルゴン塔のセクション、 ８３ 純アルゴン塔、 ８４ 液体、 ８５ ポンプ、 ８７ 液体、 ８８ ポンプ、 ８９ 導管、 ９０ 塔頂凝縮器、 ９１ 塔頂凝縮器、 １０１ 導管、 １０２ａ 導管、 １０２ｂ 導管、 １０３ 導管、 １０４ 導管、 １０５ 導管、 １０６ 導管、 １０７ 導管、 １０８ 主熱交換器の別個の通路、 ＡＴＭ 大気、 ＧＡＮ−ＥＣ ガス状の外部圧縮窒素、 ＧＯＸ−ＩＣ 内部圧縮酸素、 ＬＯＸ 液体酸素、 ＬＩＮ 液体窒素

Claims (9)

1. 極低温分離によってアルゴンを可変的に取得する方法であって、
   − 供給空気（１，４，７）を主熱交換器（８）で冷却し、
   − 冷却された供給空気（９，１３）を、高圧塔（１０）及び低圧塔（１１）を有する蒸留塔システムに導入し、
   − 低圧塔（１１）からのアルゴン富化流（８０）を、粗アルゴン塔（８１，８２）に導入し、
   − 粗アルゴン留分（７１）を、粗アルゴン塔（８１，８２）の塔頂部又は塔頂凝縮器（９０）からガス状で抜き出し、
   − 粗アルゴン留分（７１）を、純アルゴン塔（８３）にガス状で導入し、
   − 純アルゴン塔（８３）の塔底部から液状の純アルゴン生成物流（７２）を取り出す
   前記方法において、
   − 第１の運転モードにおいて、第１の純アルゴン生成物量を最終生成物として排出し、
   − 第２の運転モードにおいて、第１の純アルゴン生成物量よりも少ない第２の純アルゴン生成物量を最終生成物量として排出し、
   − 該第２の運転モードでは、
   − ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）を、以下の箇所：
   − 粗アルゴン塔（８１，８２）
   − 該粗アルゴン塔の塔頂凝縮器（９０）
   − 純アルゴン塔（８３）
   − 該純アルゴン塔の塔頂凝縮器（９１）
   の１つ以上で抜き出し、
   − ここで、ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）のアルゴン含有量は、低圧塔からのアルゴン富化流（８０）のアルゴン含有量の少なくとも２倍であり、
   − ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）を、主熱交換器（８）で加熱し、かつ
   ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）の少なくとも一部を、主熱交換器（８）の別個の通路（１０８）において他の流と混合せずに加熱する
   ことを特徴とする、前記方法。
2. ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）の一部を、主熱交換器（８）の上流で低圧塔（１１）からの返送流（３０，３２）に導入し、この返送流と一緒に主熱交換器（８）で加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 第２の運転モードにおいて、ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）の一部を、低圧塔からの以下の返送流：
   − 低圧塔（１１）の頂部からのガス状の窒素生成物流（３０）
   − 低圧塔（１１）の中間位置からの不純物を含んだ窒素流（３２）
   の少なくとも１つに導入する（１０２，１０５）ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 第１の運転モードから第２の運転モードへの移行中に、粗アルゴン塔及び純アルゴン塔から取り出される全体のアルゴン絶対量を実質的に一定に維持することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. ガス状のアルゴン返送流（１０３）が、粗アルゴン留分（７１）の少なくとも一部によって形成されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. ガス状のアルゴン返送流（１０１）が、粗アルゴン留分（７１）よりも高い酸素含有量を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. − 粗アルゴン塔が、第１のセクション（８１）及び第２のセクション（８２）を有し、これらのセクションは別々の容器を有し、
   − 低圧塔（１１）からのアルゴン富化流（８０）を、第１のセクション（８１）に導入し、かつ
   − ガス状のアルゴン返送流（１０１）を、第１のセクション（８１）から、特に該セクションの等頂部から抜き出す
   ことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. ガス状のアルゴン返送流を、純アルゴン塔（８３）又は該塔の塔頂凝縮器（９１）から取り出すことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 極低温分離によってアルゴンを可変的に取得する装置であって、
   − 高圧塔（１０）及び低圧塔（１１）を有する蒸留塔システム、
   − 粗アルゴン塔（８１，８２）及び純アルゴン塔（８３）、
   − 供給空気（１，４，７）を冷却するための主熱交換器（８）、
   − 冷却された供給空気（９，１３）を蒸留塔システムに導入するための手段、
   − 低圧塔（１１）に由来するアルゴン富化流（８０）を粗アルゴン塔（８１，８２）に導入するための手段、
   − 粗アルゴン塔（８１，８２）の塔頂部又は塔頂凝縮器（９０）から粗アルゴン留分（７１）をガス状で抜き出すための手段、
   − 粗アルゴン留分（７１）を純アルゴン塔（８３）にガス状で導入するための手段、
   − 純アルゴン塔（３）の塔底部から液状の純アルゴン生成物流（７２）を取り出すための手段
   を有する前記装置において、
   − ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）を、以下の箇所：
   − 粗アルゴン塔（８１，８２）
   − 該粗アルゴン塔の塔頂凝縮器（９０）
   − 純アルゴン塔（８３）
   − 該純アルゴン塔の塔頂凝縮器（９１）
   の１つ以上で抜き出すための手段
   及び
   − ガス状のアルゴン返送流（１０１，１０３）を、主熱交換器（８）の別個の通路（１０８）において他の流と混合せずに導入するための手段
   を有することを特徴とする、前記装置。

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