JP2692700B2 - 高圧の酸素及び窒素製品を製造する圧縮原料空気の低温分離法及び装置 - Google Patents

高圧の酸素及び窒素製品を製造する圧縮原料空気の低温分離法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明の方法は、空気の低温（cr
yogenic)蒸留により加圧した酸素及び窒素製品を製造す
るための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】加圧酸素と加圧窒素の両方が必要とされ
る状況は数多くある。機器費と動力費は製造費のうちの
重要な側面であるから、本発明の目的は、加圧酸素製品
及び加圧窒素製品の両方を生産する方法のために、機器
費又は動力費を、あるいは両者を低減することである。
【０００３】米国特許第5148680 号明細書は、最初に液
体酸素と液体窒素の圧力をもっと高い圧力に昇圧して、
それらを原料空気の一部分との熱交換により加温し、そ
れによって当該一部分を少なくとも部分的に凝縮させる
ことで、高圧の酸素製品と窒素製品の両方をコールドボ
ックスから直接製造する、ポンプ昇圧された液体酸素
（LOX)、ポンプ昇圧された液体窒素（LIN)プロセスを開
示している。高圧塔の塔頂からの凝縮した窒素の一部分
は、低圧塔へ還流として供給される。
【０００４】
【本発明の説明】本発明は、圧縮原料空気流を分離して
高圧の酸素ガス及び窒素ガスを製造するための方法であ
リ、(a) 低圧塔と高圧塔を有する二塔式の装置系を使用
し、(b)圧縮しそして冷却した原料空気のうちの少なく
とも一部分を高圧塔へ供給する工程、(c) 工程(b) から
の原料空気の当該一部分を高圧塔において分離して窒素
蒸気と酸素に富む液とにする工程、(d) この酸素に富む
液を高圧塔の塔底部から低圧塔の中間の箇所へ供給する
工程、(e) 高圧塔からの窒素に富む蒸気のうちの少なく
とも一部分を凝縮させて液体窒素の流れを作り、この液
体窒素流のうちの少なくとも一部分を高圧塔の塔頂部へ
戻し、そして液体窒素の残りの部分を当該二塔式の装置
系から取り出す工程、(f) 高圧塔の箇所から取り出され
る窒素に富む液の圧力を上昇させる工程、(g) 原料空気
のうちの一部分を工程(f) の昇圧した窒素に富む流れと
の間接熱交換によって冷却しそして少なくとも部分的に
凝縮させる工程、そして(h) 酸素流と、少なくとも80％
の窒素を含有している蒸気流とを、低圧塔から取り出す
工程、を含む方法であって、工程(g) からの凝縮原料空
気を低圧塔へ供給し、且つ、低圧塔への塔頂部の還流を
当該凝縮原料空気により、及び／又は高圧塔の中間の箇
所から抜き出した純粋でない液体窒素流により供給する
ことを特徴とする方法に関する。
【０００５】本発明はまた、工程(h) の酸素流が液であ
り、そしてこの液体酸素の圧力をもっと高い圧力に昇圧
して原料空気のうちの別の部分との間接熱交換で気化さ
せ、それにより原料空気のうちのその部分を少なくとも
部分的に凝縮させる上述の方法にも関する。
【０００６】
【実施例及び作用効果】次に、本発明を詳しく説明す
る。本発明の方法には、(1) 塔装置系の窒素に富む液の
うちの少なくとも一部分を、気化させて製品として送り
出す前に昇圧すること、(2) 原料空気のうちの少なくと
も一部分を、この昇圧した窒素に富む流れとの間接熱交
換でもって少なくとも部分的に凝縮させること、そして
(3) 高圧塔の塔頂部からの蒸気窒素から凝縮させた液体
窒素のうちの一部分を高圧塔へ還流として戻し、残りの
部分を当該塔装置系から抜き出すこと、という三つの重
要な特徴がある。
【０００７】好ましい様式においては、上記の(3) にお
いて当該塔装置系から出てゆく液体窒素のうちの他方の
部分は上記の(1) における窒素に富む液である。上記の
(1)における窒素に富む液が当該塔装置系の別の箇所か
ら抜き出される場合には、上記の(3) における液体窒素
のうちの他方の部分の流量は０であることができる。
【０００８】最も好ましい様式においては、当該塔装置
系からの液体酸素のうちの一部分は昇圧して高圧にさ
れ、そしてやはり、少なくとも部分的に凝縮される原料
空気流のうちの一部分との熱交換によって気化される。
これは、高圧の酸素製品流を同時に製造する。
【０００９】本発明の方法は、いくつかの具体的な態様
を参照して最もよく理解することができる。
【００１０】図１は、本発明の一つの態様を示してい
る。図１を参照すれば、圧縮されて汚染物がない管路10
0 の原料空気を、最初に分割して管路102 と120 の二つ
の分割流にする。管路102 の第一の分割流は、熱交換器
１で低温（cryogenic temperature)に冷却され、管路10
8 のエキスパンダー排出流と混合されて管路110 の高圧
塔原料を構成し、次いでこれが高圧塔５へ供給される。
管路120 の他方の分割流は、圧縮機14で更に昇圧され、
冷却されて、次いで管路140 と124 の二つの部分に更に
分割される。管路140 の第一の部分は、熱交換器２で中
間温度まで冷却され、そして次にエキスパンダー12で膨
張させられる。管路108 のエキスパンダー排出流は、管
路106 の冷却空気の第一の部分と混合されて管路110 の
高圧塔原料を構成する。管路124 の第二の部分は、エキ
スパンダー12に機械的に連結される圧縮機11でなお更に
圧縮される。圧縮は、好ましくは 600psia（4.14MPa(絶
対圧））より高い圧力まで行われる。このエキスパンダ
ーを発電機と連結してもよい。次いで、この更に圧縮さ
れた第二の部分は後段冷却され、熱交換器２で−220°
Ｆ（−140 ℃）未満、好ましくは−250 °Ｆ（−157
℃）未満の温度まで更に冷却され（こうして高密度流体
（dense fluid)になる）、そして管路157 と158の二つ
の部分に分割される。この高密度流体のうちの管路157
の第一の部分は、高圧塔５へ中間の箇所から供給するこ
とができる。管路158 の残りの部分は、過冷却器３で更
に過冷却される。管路162 のこの過冷却された部分は、
次いで低圧塔６の塔頂部へ還流として供給される。
【００１１】高圧塔への管路110 と157 の供給原料は蒸
留されて、窒素蒸気流と酸素に富む塔底液とに分けられ
る。蒸気の窒素は、低圧塔６の塔底部にあるリボイラー
／コンデンサーで凝縮される。この液体窒素のうちの一
部分は還流として高圧塔５に戻される。管路40の残りの
部分は、管路600 の製品液体窒素と管路410 の昇圧され
るべき液体窒素とに分けられる。管路410 の昇圧される
べき液体窒素は、ポンプ13でより高い圧力に昇圧され
て、熱交換器２で加熱されて気化して、管路400の高圧
で周囲温度に近い気体窒素製品になる。
【００１２】管路10の高圧塔５からの酸素に富む塔底液
は、低圧塔６へ中間の箇所から供給される。この流れ
と、管路162 の低圧塔６の塔頂部へ供給される液体空気
とは、低圧塔６で蒸留されて、液体酸素塔底液と少なく
とも80％の窒素を含有している窒素に富む塔頂生成物と
に分けられる。管路20の液体酸素塔底液うちの一部は低
圧塔６の塔底部から抜き出されて、管路700 の液体酸素
製品と、熱交換器１で気化されて周囲温度に近い温度ま
で加熱され、そして管路200 の気体酸素製品として取り
出される部分とに分けられる。窒素に富む塔頂生成物は
管路30で低圧塔６の塔頂部から抜き出され、過冷却器３
で加熱され、そして管路304 と312 の二つの部分に分割
される。次いで、これらの二つの流れはそれぞれ熱交換
器１及び２で周囲温度に加熱されてから、放出されるか
あるいは空気浄化吸着床の再生のために使用される。
【００１３】図２に示した態様は、図１に示したものと
同様である。違いは以下に述べるとおりである。第一
に、管路124 の第二の圧縮原料空気分割流はなお更に圧
縮されて、次いで管路144 と126 の二つの分割分に分け
られる。管路126 の第一の分割分は、熱交換器４での加
温する酸素流との間接熱交換で冷却され、熱交換器４の
中間の箇所で管路130 と148 の二つの流れに更に分けら
れる。管路130 の第一の流れは、熱交換器４での加温す
る酸素との間接熱交換によって空気の臨界温度より低い
温度まで更に冷却される。管路144 の他方の分割分は熱
交換器２で冷却され、中間の温度において熱交換器４か
らの管路148 の流れと一緒にされ、そして−220 °Ｆ
（−140 ℃）未満、好ましくは−250 °Ｆ（−157 ℃）
未満の温度まで更に冷却される。次に、管路152 と132
の−220 °Ｆ（−140 ℃）未満に冷却された高圧空気流
が一緒にされる。第二に、低圧塔６からの管路20の液体
酸素はポンプ15によってより高い圧力に昇圧されて、次
いで熱交換器４で気化されて周囲温度まで加熱される。
最後に、オプションとして、管路42で高圧塔の中間の箇
所から純粋でない液体窒素流を抜き出し、過冷却器３の
低温部で過冷却し、そして管路158 の液体空気と一緒に
低圧塔６の塔頂へ供給する。
【００１４】図３は、本発明のもう一つの態様である。
図３の態様と図２の態様との違いは、高圧塔５の中間の
箇所から抜き出された管路42の純粋でない液体窒素流を
過冷却器３の低温部で過冷却し、低圧塔６の塔頂へ供給
するが、管路158 の液体空気は低圧塔６の中間の箇所へ
供給されることである。この態様の残りは図２における
のと同じである。
【００１５】上記の説明から明らかなように、本発明は
米国特許第5148680 号明細書に教示されている方法（従
来技術の方法）とは、この従来技術の方法では低圧塔へ
還流として送られる高圧塔の塔頂部からの蒸気窒素から
凝縮した液体窒素の流れがあるのに対し、本発明の方法
では高圧塔の塔頂部からの蒸気窒素から凝縮した液体窒
素は一部分が還流として高圧塔へ戻され、一部分が当該
蒸留塔装置系から取り出されるという点で異なる。本発
明においては、この液体窒素の一部分は低圧塔へ還流と
して供給されることがない。
【００１６】明らかに、本発明には米国特許第5148680
号明細書の方法がそうであるように圧縮用の機械類の経
費が安いという利点があるが、図１と図２の態様を使用
する場合には、本発明のサイクルは低圧塔の塔頂セクシ
ョンをなくし、これは更に資本費を節約することである
と言い換えることができる。更に、図３の態様を使用す
る場合には、この方法は、低圧塔への純粋でない還流の
抜き出し段を最適にすることによって酸素と窒素の最適
な回収を可能にする。この最適化された回収は資本費又
は動力費、あるいは両方を節約することであると言い換
えることができる。図２の態様を使用したシミュレーシ
ョンの結果を要約して次に掲げる表に示す。製品酸素
（流れ200 ）と製品窒素（流れ400 及び600 ）の純度
は、それぞれ98％ O2 及び6vppm O2である。
【００１７】 温 度 圧 力 流 量 流れの番号 (°F [ ℃]) (psia[MPa]) (lbmol/hr[kgmol/hr]) 100 104.0[ 40.0] 85.5[ 0.59] 100.0[45.4] 122 104.0[ 40.0] 750 [ 5.17] 73.0[33.1] 140 104.0[ 40.0] 750 [ 5.17] 33.3[15.1] 152 -276.9[-171.6] 1150 [ 7.93] 31.0[14.1] 158 -267.9[-166.6] 1028.3[ 7.09] 31.0[14.1] 200 73.8[ 23.2] 1450 [10.00] 17.3[ 7.8] 300 88.8[ 31.6] 16.2[ 0.11] 33.7[15.3] 310 83.8[ 28.8] 15 [ 0.10] 23.7[10.8] 400 88.8[ 31.6] 1133.5[ 7.82] 20.3[ 9.2] 20 -291.0[-179.4] 21.2[ 0.15] 17.3[ 7.8] 40 -288.2[-177.9] 79.7[ 0.55] 27.0[12.2] 600 -288.2[-177.9] 79.7[ 0.55] 0.1[0.05] 42 -288.2[-177.9] 79.7[ 0.55] 1.8[ 0.8] 800 83.8[ 28.8] 85.5[ 0.59] 4.9[ 2.2]
【００１８】本発明の、特に部分的に凝縮した原料空気
の部分のうちの一部を低圧塔へ純粋でない還流として供
給し且つ製品の圧力が高い場合の、思いも寄らない利益
は、低圧塔で窒素の還流がない結果として酸素の回収率
がより低くなることが、全体的なエネルギーの不利益あ
るいは資本費の不利益に至らないことである。本発明の
方法は、酸素と窒素の両方が非常に高い圧力で必要とさ
れる場合に特に有利である。
【００１９】いくつかの具体的な態様を参照して本発明
を説明した。これらの態様は、本発明を限定するものと
見なすべきではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲
から確認されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一つの態様の概略フローシート
である。
【図２】本発明の方法のもう一つの態様の概略フローシ
ートである。
【図３】本発明の方法の別の態様の概略フローシートで
ある。
【符号の説明】
１…熱交換器 ２…熱交換器 ３…過冷却器 ４…熱交換器 ５…高圧塔 ６…低圧塔 １１…圧縮機 １２…エキスパンダー １３…ポンプ １４…圧縮機 １５…ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース カイル ダウソン アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18015，ベスレヘム，アールアール７, ボックス 7231，ピーチツリー ロード （番地なし) (72)発明者 ジェフリー アラン ホプキンス アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18052，ホワイトホール，ペリクレス プレイス 1225，アパートメント ナン バー６ (72)発明者 ジアングオ クー アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18051，フォーゲルスビル，ホワイト バーチ サークル 8121 (56)参考文献 特開 平２−293575（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−4906（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭57−45993（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平１−503481（ＪＰ，Ａ)

Claims (24)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮原料空気流（１００）を分離して高
    圧の酸素ガス及び窒素ガスを製造するための方法であ
    リ、 (a) 低圧塔（６）と高圧塔（５）を有する二塔式の装置
    系を使用し、 (b) 圧縮しそして冷却した原料空気のうちの少なくとも
    一部分（１１０）を高圧塔（５）へ供給する工程、 (c) 工程(b) からの原料空気の当該一部分を高圧塔
    （５）において分離して窒素蒸気と酸素に富む液（１
    ０）とにする工程、 (d) この酸素に富む液（１０）を高圧塔（５）の塔底部
    から低圧塔（６）の中間の箇所へ供給する工程、 (e) 高圧塔（５）からの窒素に富む蒸気のうちの少なく
    とも一部分を凝縮させて液体窒素の流れを作り、この液
    体窒素流のうちの少なくとも一部分を高圧塔（５）の塔
    頂部へ戻し、そして液体窒素の残りの部分（４０）を当
    該二塔式の装置系から取り出す工程、 (f) 高圧塔（５）の箇所から取り出される窒素に富む液
    （４０）の圧力を上昇（１３）させる工程、 (g) 原料空気のうちの一部分（１４４）を工程(f) の昇
    圧した窒素に富む流れとの間接熱交換によって冷却して
    少なくとも部分的に凝縮（２）させる工程、及び (h) 低圧塔（６）から酸素流（２０）と、少なくとも80
    ％の窒素を含有している蒸気流（３０）とを取り出す工
    程、 を含む方法であって、工程(g) からの凝縮原料空気（１
    ５８）を低圧塔（６）へ供給し、且つ、低圧塔（６）へ
    の塔頂部の還流を当該凝縮原料空気（１５８）により、
    及び／又は高圧塔（５）の中間の箇所から抜き出した純
    粋でない液体窒素流（４２）により供給することを特徴
    とする圧縮原料空気流の分離方法。
  2. 【請求項２】 工程(f) の高圧塔からの窒素に富む液が
    工程(e) で前記二塔式装置系から取り出す液体窒素（４
    ０）のうちの一部分（４１０）である、請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 工程(f) の窒素に富む液を高圧塔（５）
    の中間の箇所から取 り出す、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 工程(e) で作られた液体窒素の全てを高
    圧塔（５）へ還流として戻す、請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 工程(h) の酸素流（２０）が液体であ
    り、且つ、この液体酸素流の圧力を昇圧（１５）してよ
    り高い圧力にし、そして原料空気のうちの第二の部分
    （１２６）との間接熱交換（４）により気化させて、そ
    れにより原料空気のうちのその部分を少なくとも部分的
    に凝縮させる、請求項１から４までのいずか一つに記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 原料空気のうちの前記第二の部分（１２
    ６）が工程(g) で凝縮させる原料空気のうちの一部分
    （１４０）より高い圧力にある、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 少なくとも部分的に凝縮させる前記原料
    空気（１４０、１４４）を 600psia（4.14MPa(絶対
    圧））より高い圧力まで圧縮してから−220 °Ｆ（−14
    0 ℃）未満の温度まで冷却する、請求項１から６までの
    いずれか一つに記載の方法。
  8. 【請求項８】 少なくとも部分的に凝縮させた空気（１
    ５２）が高密度流体（dense fluid)になる、請求項７記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 前記低圧塔（６）への塔頂部の還流の全
    部を前記凝縮原料空気（１５８）により供給する、請求
    項１から８までのいすれか一つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記低圧塔（６）への塔頂部の還流
    を、一部は前記凝縮原料空気（１５８）により、そして
    一部は前記純粋でない液体窒素流（４２）により供給す
    る、請求項１から８までのいすれか一つに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記低圧塔（６）への塔頂部の還流の
    全部を前記純粋でない液体窒素流（４２）により供給
    し、そして前記凝縮原料空気（１５８）を当該低圧塔
    （６）の中間の箇所へ供給する、請求項１から８までの
    いすれか一つに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 高圧の空気流（１４０）を高圧から低
    圧へ等エントロピー膨張（１２）により膨張させる、請
    求項１から１１までのいずれか一つに記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記高圧空気流（１４０）の等エント
    ロピー膨張のためのエキスパンダー（１２）を圧縮機
    （１１）と連結する、請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記エキスパンダー（１２）と連結し
    た圧縮機（１１）を使って、高圧塔（５）の圧力よりも
    高い圧力の空気流（１２４）を圧縮する、請求項１３記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記高圧空気流（１４０）の等エント
    ロピー膨張のためのエキスパンダー（１２）を発電機と
    連結する、請求項１２記載の方法。
  16. 【請求項１６】 気体の酸素流を低圧塔（６）の塔底部
    から直接製造する、請求項１から１５までのいずれか一
    つに記載の方法。
  17. 【請求項１７】 窒素に富む気体流を高圧塔（５）から
    直接製造する、請求項１から１６までのいずれか一つに
    記載の方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１記載の方法により圧縮原料空
    気流を分離するための装置であり、 （ｉ）低圧塔（６）と高圧塔（５）を有する二塔式の装
    置、 （ii）圧縮し冷却した原料空気のうちの少なくとも一部
    分を窒素蒸気と酸素に富む液とに分離するため高圧塔
    （５）へ供給するための管路手段（１１０）、 （iii)当該酸素に富む液を高圧塔（５）の塔底部から低
    圧塔（６）の中間の箇所へ供給するための管路手段（１
    ０）、 （iv）高圧塔（５）からの窒素に富む蒸気のうちの少な
    くとも一部分を凝縮させて液体窒素流を作るための凝縮
    器、 （ｖ）この液体窒素流のうちの一部分を高圧塔（５）の
    塔頂部へ戻すための管路手段、 （vi）液体窒素のうちの残りの部分を当該二塔式装置か
    ら取り出すための管路手段（４０、４００、４１０、６
    ００）、 （vii)高圧塔（５）の箇所から取り出される窒素に富む
    液（４１０）の圧力を上昇させるための昇圧手段（１
    ３）、 （viii) この昇圧した窒素に富む液との間接熱交換によ
    り原料空気のうちの一部分を冷却しそして少なくとも部
    分的に凝縮させるための熱交換手段（２）、及 び （ix）低圧塔から酸素流と、少なくとも８０％の窒素を
    含む蒸気流とを取り出すための管路手段（２０、３
    ０）、 を含む装置であって、上記熱交換手段（２）から低圧塔
    （６）へ凝縮した原料空気を供給する管路手段（１５
    ８、１６２）が設けられていて、そして（ａ）当該管路
    手段（１５８、１６２）が当該凝縮原料空気を低圧塔
    （６）の塔頂部へ供給し、及び／又は（ｂ）高圧塔
    （５）の中間の箇所から純粋でない液体窒素流を低圧塔
    （６）の塔頂部へ供給する管路手段（４２）が設けられ
    ていることを特徴とする圧縮原料空気流の分離装置。
  19. 【請求項１９】 前記二塔式装置から液体窒素を取り出
    す管路手段（４１０）が取り出された窒素のうちの一部
    分を前記昇圧手段（１３）へ供給して前記窒素に富む液
    を供給する、請求項１８記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記窒素に富む液を管路手段が高圧塔
    （５）の中間の箇所から前記昇圧手段（１３）へ供給す
    る、請求項１８記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記低圧塔（６）から酸素流を取り出
    すための前記管路手段（２０）が液体酸素を昇圧手段
    （１５）へ送ってその圧力を昇圧し、次いで原料空気の
    うちの第二の部分との間接熱交換のため熱交換器（４）
    へ送って、それにより原料空気のうちのその部分を少な
    くとも部分的に凝縮させる、請求項１８から２０までの
    いずれか一つに記載の装置。
  22. 【請求項２２】 高圧塔（５）の中間の箇所から純粋で
    ない液体窒素流を低圧塔（６）の塔頂部へ還流として送
    る管路手段（４２）を含む、請求項１８から２１までの
    いずれか一つに記載の装置。
  23. 【請求項２３】 前記管路手段（１５８、１６２）が前
    記凝縮原料空気を低圧塔（６）の塔頂部へ送る、請求項
    １８から２２までのいずれか一つに記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記導管手段（１５８、１６２）が前
    記凝縮原料空気を低圧塔（６）の中間の箇所へ送る、請
    求項１８から２２までのいずれか一つに記載の装置。
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