JP3084683B2 - 高温エキスパンダー及び低温エキスパンダーを使用する空気の低温蒸留方法 - Google Patents

高温エキスパンダー及び低温エキスパンダーを使用する空気の低温蒸留方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温空気分離によ
って酸素を効率的に製造するいくつかの方法に関する。
特に本発明は、酸素全体の少なくとも一部を９９．５％
未満、好ましくは９７％未満の純度で製造するのに魅力
的な低温空気分離法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】９９．
５％未満の純度を持つ酸素の効率的な製造を教示する多
数の米国特許がある。２つの例は米国特許第４，７０
４，１４８号及び４，９３６，０９９号明細書である。
【０００３】米国特許第２，７５３，６９８号明細書
は、分離する全ての空気を二段精留装置の高圧塔で予備
精留して粗製（不純）液体酸素（粗製ＬＯＸ）塔底液及
び気体窒素留出物を製造する精留方法を開示する。その
ように製造された粗製ＬＯＸを、中間圧力に膨張させて
凝縮する窒素との熱交換により完全に気化させる。気化
した粗製酸素をわずかにあたため、動力を発生させて膨
張させ、そして高圧塔で凝縮して低圧塔の塔頂に入る窒
素によって二段精留装置の低圧塔でスクラビングする。
低圧塔の塔底は高圧塔からの窒素で再沸騰させる。以
後、寒冷を与えるこの方法をＣＧＯＸ膨張と呼ぶ。この
特許明細書では他の寒冷源を使用しない。従って、従来
の低圧塔への空気膨張法は、この提案されたＣＧＯＸ膨
張によって置き換えられる。実際、この特許明細書で
は、追加の空気を高圧塔に供給するため（低圧塔へ気体
空気を膨張させないので）結果として改良がなされ、高
圧塔の塔頂から追加の窒素還流が製造されることになる
と言及される。追加の窒素還流量は、高圧塔に供給され
る空気中の追加の窒素の量に等しいとされる。低圧塔の
上部での液体窒素によるスクラビング効率の改良を特許
請求して、低圧塔の下部での沸騰の不足を克服する。
【０００４】米国特許第４，４１０，３４３号明細書
は、低圧及び中間圧の塔を使用する低純度酸素の製造方
法であって、空気を凝縮させて低圧塔の塔底液を沸騰さ
せ、及び結果として生じる空気を中間圧及び低圧の塔の
両方に供給する方法を開示する。
【０００５】米国特許第４，７０４，１４８号明細書
は、空気分離のために高圧と低圧の蒸留塔を使用して低
純度酸素及び廃棄窒素流を製造する方法を開示する。主
熱交換器のコールドエンド（ｃｏｌｄ ｅｎｄ）からの
供給空気を使用して、低圧蒸留塔を再沸騰させて低純度
酸素製品を気化させる。塔の再沸騰及び酸素製品の気化
の熱負荷は、空気画分（air fractions ）の凝縮によ
る。この特許明細書では空気原料を３つの二次流れに分
割する。それらの二次流れの１つは全て凝縮させて低圧
及び高圧の蒸留塔の両方に還流を供給するのに使用す
る。第２の二次流れは部分的に凝縮させて、部分的に凝
縮した二次流れの蒸気部分を高圧蒸留塔の塔底に供給
し、及び液体部分は低圧蒸留塔に還流を供給させる。第
３の二次流れは膨張させて、寒冷を回収し、その後塔の
供給物として低圧蒸留塔に導入する。更に、高圧塔のコ
ンデンサーを低圧塔で中間リボイラーとして使用する。
【０００６】国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ８７／０１６６
５号明細書（米国特許第４，７９６，４３１号明細書）
においてＥｒｉｃｋｓｏｎは、高圧塔から窒素流れを引
き出す方法を教示する。これは、この窒素を中間圧力に
部分的に膨張させ、その後高圧塔の塔底からの粗製ＬＯ
Ｘ又は低圧塔の中間の高さからの液体のどちらかとの熱
交換によって凝縮させる。この冷却方法は、現在では窒
素の膨張に続く凝縮（ＮＥＣ）と呼ばれる。一般的にＮ
ＥＣはコールドボックス（ｃｏｌｄ ｂｏｘ）に必要な
寒冷の全てをもたらす。Ｅｒｉｃｋｓｏｎは、ＮＥＣ単
独では寒冷を提供できない応用においてのみ、補足的な
寒冷をいくらかの供給空気の膨張によって供給すること
が必要であると教示している。しかしながら、エネルギ
ー消費を減少させるためにこの補足的な寒冷を使用する
ことは教示されていない。この補足的な寒冷はフローシ
ートに関して教示され、ここではフローシートへの他の
変更がなされて供給空気圧力を低下させた。これはエキ
スパンダーへの窒素の圧力、従ってＮＥＣから得られる
寒冷の量を低下させた。
【０００７】Ｗｏｏｄｗａｒｄらの米国特許第４，９３
６，０９９号明細書は低純度酸素製造に関してＣＧＯＸ
膨張を使用する。この場合、気体酸素製品は供給空気の
うちの一部との熱交換によって低圧塔の塔底からの液体
酸素を蒸発させて製造する。
【０００８】ドイツ特許２８ ５４ ５０８号明細書で
は高圧塔の圧力である空気原料の一部を、コールドボッ
クスに寒冷を与えるエキスパンダーからの仕事エネルギ
ーを使用して高温（warm level）で更に圧縮する。この
更に圧縮された空気流を部分的に冷却し、前記コンプレ
ッサーに動力を与えるものと同じエキスパンダーで膨張
させる。この設備構成において、更に圧縮するものとそ
の後寒冷のために膨張させる供給空気流の画分は同じも
のである。結果として、与えられた供給空気の画分によ
って、更なる寒冷がコールドボックス内でもたらされ
る。この特許明細書はこの過剰な寒冷を活かす以下の２
つの方法を教示する。（ｉ）コールドボックスからのよ
り多くの液体製品を製造すること、（ｉｉ）コンプレッ
サー及びエキスパンダーを通る流れを圧縮し、それによ
って高圧塔への流量を増やすこと。高圧塔への流量の増
加は結果としてコールドボックスからのより多い生産量
をもたらすと主張されている。
【０００９】米国特許第５，３０９，７２１号明細書で
は、２つの塔を使用する方法の低圧塔を大気圧よりもは
るかに高い圧力で操作する。低圧塔の塔頂から結果とし
て得られる窒素流れを２つの流れに分けて、それぞれの
流れを異なる温度レベルで操作する異なるエキスパンダ
ーで膨張させる。
【００１０】米国特許第５，１４６，７５６号明細書は
２つのエキスパンダーを使用して、蒸留する供給空気流
れを冷却する主熱交換器内での冷却する流れと暖める流
れの大きな温度差を得ることも教示する。これを行って
主熱交換器のコアの数を減らす。しかしながら２つのエ
キスパンダーを操作するために低圧塔は２．５ｂａｒ
（２５０ｋＰａ）よりも高圧で操作して低圧塔の塔頂か
ら取り出される窒素のうちの一部をこれらのエキスパン
ダーのうちの１つで膨張させなければならない。供給空
気の一部は第２のエキスパンダーで膨張させて低圧塔に
供給する。
【００１１】米国特許第４，５４３，１１５号明細書
は、２つの異なる圧力の供給空気流れを圧縮によって製
造して分離のためにコールドボックスに供給する２つの
塔を使用する方法を教示する。より低圧の空気流れは低
圧の蒸留塔に供給し、より高圧の空気流れは高圧塔に送
る。２つの塔を使用するこの方法は、低純度酸素及び窒
素製品を製造する。
【００１２】米国特許第４，９６４，９０１号明細書は
分離のためのコールドボックスへの２つの圧力の空気供
給物を使用することも教示する。より低圧の空気流れの
圧力は約１．５〜１．８ｂａｒ（１５０〜１８０ｋＰ
ａ）であり、主空気コンプレッサーの中間段から引き出
される。空気の残部は更に加圧してより高圧にし、高圧
塔に送る。より低圧の空気は低圧塔に送る。そのような
方法に伴う問題点は、別の吸着剤層を使用してより低圧
の空気流れから水及び二酸化炭素のような不純物を除去
することである。より低圧であるために、大量の水がよ
り低圧の空気流れ中に存在し、これらは吸着剤層の大き
さだけではなくこれらの層の再生に必要なエネルギーも
増加させる。このことが費用のかかる方法にする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明はより高圧で操作
する少なくとも１つの蒸留塔とより低圧で操作する１つ
の蒸留塔を持つ蒸留塔系での空気の低温蒸留方法に関
し、この方法は供給空気を冷却してより高圧の塔に供給
し、酸素製品を製造するより低圧の塔の塔底での沸騰を
窒素濃度が供給空気流れのそれ以上である流れの凝縮に
よって行い、及び少なくとも２つのエキスパンダーを使
用してこの蒸留塔系に寒冷を供給し、第１の前記エキス
パンダーを周囲温度に近い又は周囲温度を超える入り口
温度で操作し第２の前記エキスパンダーを周囲温度未満
の入り口温度で操作する低温蒸留方法であって、前記２
つのエキスパンダーの少なくとも１つが以下の（ａ）〜
（ｄ）の４つの工程の少なくとも１つの工程を使用する
ことを特徴とする。 （ａ）供給空気のうちの一部を仕事膨張させる工程。 （ｂ）窒素含有率が供給空気のそれ以上であるプロセス
流れを仕事膨張させ、その後次の２つの液体、すなわち
（ｉ）より低圧の塔の中間の高さの液体、及び（ｉｉ）
少なくとも供給空気の酸素濃度である酸素濃度を有する
低圧塔への液体供給物のうちの１つ、の２つの液体の少
なくとも１つとの潜熱交換によって前記膨張した流れの
少なくとも一部を凝縮させる工程。 （ｃ）圧力がより低圧の塔の圧力よりも高く酸素濃度が
少なくとも供給空気のそれと同じである酸素に富む液体
流れの少なくとも一部を蒸発させる潜熱交換によって、
窒素濃度が供給空気のそれ以上である少なくとも１つの
プロセス流れを凝縮させ、結果として得られた蒸気流れ
の少なくとも一部を仕事膨張させる工程。 （ｄ）窒素含有率が供給空気のそれ以上であるより高圧
の塔からのプロセス流れを仕事膨張させて、この膨張し
た流れを気体製品流れとして引き出す工程。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明は低純度酸素を製造するエ
ネルギー及び費用により効率的な方法を教示する。低純
度酸素は酸素濃度が９９．５％未満、好ましくは９７％
未満の製品流れとして定義する。この方法では、少なく
とも２つの蒸留塔を含む蒸留系で供給空気を蒸留する。
１つの蒸留塔をより高圧で操作し（ＨＰ塔）、一方で他
方の塔をより低圧で操作する（ＬＰ塔）。ＬＰ蒸留塔の
塔底での沸騰は窒素濃度が供給空気流れのそれと等しい
又はそれより高い流れを凝縮させてなされる。本発明は
プロセス中で少なくとも２つのエキスパンダーを使用
し、第１のエキスパンダーは周囲温度に近い又は周囲温
度を超える入り口温度で操作し、第２のエキスパンダー
は周囲温度未満の入り口温度で操作する。本発明では前
記２つのエキスパンダーの少なくとも１つが以下の
（ａ）〜（ｄ）の工程の少なくとも１つの工程を使用す
る。 （ａ）供給空気のうちの一部を仕事膨張させる工程。 （ｂ）窒素含有率が供給空気のそれ以上であるプロセス
流れを仕事膨張させ、その後次の２つの液体、すなわち
（ｉ）より低圧の塔の中間の高さの液体、及び（ｉｉ）
少なくとも供給空気における酸素濃度の酸素濃度を有す
る低圧塔への液体供給物のうちの１つ、の２つの液体の
少なくとも１つとの潜熱交換によって前記膨張した流れ
の少なくとも一部を凝縮させる工程。 （ｃ）圧力がより低圧の塔の圧力よりも高く少なくとも
供給空気における酸素濃度の酸素濃度を有する酸素に富
む液体流れの少なくとも一部を蒸発させる潜熱交換によ
って、窒素含有率が供給空気のそれ以上である少なくと
も１つのプロセス流れを凝縮させ、結果として得られた
蒸気流れの少なくとも一部を仕事膨張させる工程。 （ｄ）窒素含有率が供給空気のそれ以上であるより高圧
の塔からのプロセス流れを仕事膨張させて、この膨張し
た流れを気体製品流れとして引き出す工程。
【００１５】本発明の方法では少なくとも２つのエキス
パンダーを使用し、第１のエキスパンダーの入り口流れ
の温度が周囲温度に近い又は周囲温度を超える温度であ
り、第２のエキスパンダーがプラントの寒冷必要量の少
なくとも一部分を提供するような１つ又は両方のエキス
パンダーために前記の工程のいずれかを使用する。
【００１６】一般にプラントの寒冷を提供する第２のエ
キスパンダーは周囲温度よりもかなり低い入り口流れ温
度を持つ。この明細書においてはそのようなエキスパン
ダーを低温エキスパンダーと呼ぶ。同様に周囲温度に近
い又は周囲温度以上の入り口流れ温度を持つ第１のエキ
スパンダーは高温エキスパンダーと呼ぶ。
【００１７】最も好ましい態様では、蒸留系はより高圧
の（ＨＰ）塔及びより低圧の（ＬＰ）塔からなる２塔系
を含む。供給空気の少なくとも一部はＨＰ塔に供給す
る。製品酸素はＬＰ塔の塔底から製造する。選択肢の工
程（ａ）のプロセス流れ又は工程（ｃ）のプロセス流れ
は一般に、ＨＰ塔から引き出される高圧の窒素に富む蒸
気流れである。選択肢の工程（ａ）の仕事膨張の方法を
使用する場合には、高圧の窒素に富む蒸気流れを膨張さ
せ、その後ＬＰ塔の中間の高さの液体流れ又はＨＰ塔の
塔底で生じてＬＰ塔への供給物を形成する粗製液体酸素
（粗製ＬＯＸ）流れとの潜熱交換により凝縮させる。こ
の方法では、粗製ＬＯＸ流れの圧力をＬＰ塔の圧力付近
まで落とす。高圧の窒素に富む流れを膨張させる前に部
分的に暖めることができる。選択肢の工程（ｃ）の仕事
膨張の方法を使用する場合、高圧の窒素に富む流れをＬ
Ｐ塔の圧力を超える圧力の粗製ＬＯＸ流れの少なくとも
一部との潜熱交換によって凝縮させ、粗製ＬＯＸの少な
くとも部分的な気化から得られる蒸気をＬＰ塔に向けて
仕事膨張させる。仕事膨張の前に、粗製ＬＯＸの少なく
とも部分的な気化から得られる蒸気を部分的に暖めるこ
とができよう。粗製ＬＯＸの気化の代替案として、空気
よりも酸素含有率が高い酸素に富む液体をＬＰ塔から引
き出し、そして少なくとも部分的な気化の前にＬＰ塔の
圧力よりも高い所望の圧力に昇圧することができよう。
【００１８】仕事膨張とは、プロセス流れがエキスパン
ダーで膨張するときに仕事を発生させることを意味す
る。この仕事は油圧ブレーキに放散、又は電力を発生さ
せるのに使用若しくはもう１つの他のプロセス流れを直
接圧縮するのに使用してもよい。
【００１９】低純度酸素と並んで、他の製品も製造でき
る。これには、高純度酸素（９９．５％以上の純度）、
窒素、アルゴン、クリプトン及びキセノンが含まれる。
必要ならば、液体製品も同時に製造することができる。
【００２０】以下、図面を参照して本発明を説明する。
尚、図１〜５について言えば、これらの図において共通
の流れには同じ番号が用いられる。
【００２１】ここで図１を参照して本発明を詳細に説明
する。水及び二酸化炭素のようなより重たい成分を含ん
でいない圧縮供給空気流れを流れ１００として示す。供
給空気流れを３つの流れ１０２、１０６及び１１６に分
ける。主な画分である流れ１０６を２つの流れ１０７と
１１２に分割する。流れ１１２を主熱交換器１９０で冷
却し、及びその後高圧（ＨＰ）塔１９６の塔底に流れ１
１４として供給する。高圧塔への供給物を蒸留して、塔
頂の高圧窒素蒸気流れ１５０及び塔底の粗製液体酸素
（粗製ＬＯＸ）流れ１３０にする。粗製ＬＯＸ流れを過
冷却器１９２で過冷却して低圧（ＬＰ）塔１９８に供給
し、ここでそれを蒸留して塔頂で低圧窒素蒸気流れ１６
０を、及び塔底で液体酸素製品流れ１７０を製造する。
あるいは、酸素製品はＬＰ塔の塔底から蒸気として引き
出してもよい。液体酸素製品流れ１７０をポンプ１７１
によって所望の圧力に昇圧し、その後適当に加圧したプ
ロセス流れとの熱交換によって気化させて、気体酸素
（ＧＯＸ）製品流れ１７２を提供する。図１において、
適当に加圧したプロセス流れは管路１１８の供給空気の
画分である。ＬＰ塔の塔底での沸騰は、管路１５０の高
圧窒素流れを凝縮させることによってなされ、高圧液体
窒素流れ１５３を提供する。この高圧液体窒素流れのう
ちの一部は高圧塔に還流を供給し、他の部分は過冷却器
１９２で過冷却して、過冷却された液体窒素流れ１５８
を与える。この過冷却された液体窒素流れ１５８はその
後ＬＰ塔に還流として送る。
【００２２】図１ではポンプ１７１から吸入排出される
液体酸素を気化させるために、供給空気流れ１００のう
ちの一部の流れ１１６を随意の増圧器１８０で更に増圧
させ、そして冷却水（図示せず）で冷却し、その後主熱
交換器１９０で昇圧した液体酸素流れとの熱交換によっ
て冷却する。冷却した液体空気流れ１１８の一部をＨＰ
塔に送り（流れ１２０）、他の部分（流れ１２２）を過
冷却器１９２でいくらか過冷却した後でＬＰ塔に送る。
【００２３】図１の発明では、使用される２つのエキス
パンダーは１３９及び１８２であり、両方のエキスパン
ダーで選択肢の膨張工程（ａ）に従って供給空気流れの
分割分を使用する。従ってわずかに周囲温度よりも高温
の供給空気分割流れ１０２を高温エキスパンダー１８２
で仕事膨張させて、ＬＰ塔の圧力に近い圧力にする。こ
の膨張した流れ１０３をその後主熱交換器１９０で冷却
して、ＬＰ塔の適切な箇所に供給する。好ましい態様に
おいては、仕事膨張前の流れ１０２の温度は周囲温度よ
りもはるかに高くなるべきである。このより高い温度は
流れ１０２と適切な熱源との熱交換によって達成するこ
とができる。高温エキスパンダー１８２での膨張の後で
流れ１０３の温度が周囲温度よりも高ければ、主熱交換
器への他の空気流れ（１１７又は１１２）と同様な温度
まで冷却するべきである。
【００２４】図１の発明による第２のエキスパンダーは
低温エキスパンダー１３９である。この低温エキスパン
ダーはプラントのための寒冷を提供する。この目的のた
めに、供給空気流れ１０７のうちの一部を増圧器１８４
によって増圧する。この増圧された流れを冷却水（図示
せず）との熱交換によって初めに冷却し、その後主熱交
換器１９０で更に冷却して流れ１０８を提供する。この
更に冷却した流れ１０８を低温エキスパンダー１３９で
膨張させてＬＰ塔の適当な箇所に供給する。一般に低温
エキスパンダー１３９への入り口流れ１０８の温度は周
囲温度よりもずっと低いことに注目されたい。低温エキ
スパンダー１３９から取り出される仕事エネルギーは増
圧器１８４を運転するのに使用する。もう１つの態様に
おいて増圧器１８４を使用して空気流れ１０７を増圧せ
ずに、代わりに増圧を全くしないで流れ１０７を主熱交
換器に直接供給して更に冷却された流れ１０８を提供し
てもよい。
【００２５】図１の例示のフローシートにいくつかの既
知の変更を適用できる。例えばＬＰ塔への液体窒素還流
は高圧液体窒素流れ１５３からではなく、ＨＰ塔の中間
の箇所から得ることができる。そのような場合、窒素製
品流れをＨＰ塔の塔頂から引き出すことができる。それ
は高圧気体窒素流れ１５０のうちの一部及び／又は高圧
液体窒素流れ１５３のうちの一部でよい。
【００２６】図２では、エキスパンダーの１つで選択肢
の膨張工程（ｄ）に従ってプロセス流れを仕事膨張させ
る別の態様を示す。ＨＰ塔から引き出されたプロセス流
れを高温エキスパンダー又は低温エキスパンダーのいず
れかで膨張させるという選択があるが、図２ではこの膨
張は高温エキスパンダーでなされる。従って図２の系を
得るためには、図１の高温エキスパンダー１８２及び関
連する空気流れを取り除いて、その代わりに高温エキス
パンダー２７７を加える。高温エキスパンダー２７７へ
の供給流れ２７６は、ＨＰ塔の塔頂から高圧窒素蒸気流
れのうちの一部を引き出して（流れ２７４）主熱交換器
で暖めて得る。膨張した流れ２７８は製品流れとして利
用することができる。図２の好ましい態様では、高圧窒
素流れ２７６は、膨張の前に他の熱源との熱交換によっ
て更に暖めるべきである。これは高温エキスパンダー２
７７から取り出される仕事を増加させることができる。
もう１つの態様では、高圧流れ２７４はＨＰ塔の塔頂か
らでなく、この塔の塔頂よりも低い箇所から引き出すこ
とができる。
【００２７】図３は選択肢の膨張工程（ｃ）を使用し
て、図１の方法から低温エキスパンダー１３９を低温エ
キスパンダー３３９で取って代える本発明の方法を示
す。こうして本発明によれば、酸素濃度が供給空気のそ
れより高い粗製ＬＯＸ流れの少なくとも一部を弁３３５
を通して減圧してＨＰ塔とＬＰ塔の圧力の中間の圧力に
する。図３では減圧の前に粗製ＬＯＸをＬＰ塔からの戻
りの気体窒素流れとの熱交換によって過冷却器１９２で
過冷却する。この過冷却は随意である。減圧した粗製Ｌ
ＯＸ流れ３３６をリボイラー／コンデンサー３９４に送
り、管路３５４内の管路１５０からの高圧窒素流れの第
２の部分（選択肢の膨張工程（ｃ）のプロセス流れ）と
の潜熱交換によって少なくとも部分的に沸騰させて、第
２の高圧液体窒素流れ３５６を供給する。第１及び第２
の高圧液体窒素流れはＨＰ塔及びＬＰ塔に必要な還流を
提供する。管路３３７内の減圧した粗製ＬＯＸ流れの蒸
発した部分（ここでは粗製ＧＯＸ流れと呼ぶ）を主熱交
換器１９０で部分的に暖めて、その後低温エキスパンダ
ー３３９で仕事膨張させてＬＰ塔への追加の供給物にす
る。粗製ＧＯＸ流れ３３７の部分的な加熱は随意であ
り、同様に仕事膨張の後で流れ３４０をＬＰ塔に供給す
る前に更に冷却することができる。
【００２８】図３の例示のフローシートにいくつかの既
知の変更を行うことができる。例えばＨＰ塔からの全て
の粗製ＬＯＸ流れ１３０をＬＰ塔に送ることができ、リ
ボイラー／コンデンサー３９４へは少しも送らない。代
わりにＬＰ塔の中間の高さから液体を引き出して、その
後ＨＰ塔とＬＰ塔の圧力の中間の圧力に昇圧してリボイ
ラー／コンデンサー３９４に送る。リボイラー／コンデ
ンサー３９４での処理の残部は前記の流れ３３４のそれ
と似ている。もう１つの変更において、それぞれリボイ
ラー／コンデンサー１９３及び３９４で凝縮する２つの
高圧窒素流れ３５２及び３５４は、ＨＰ塔の同じ箇所か
らこなくてもよい。それぞれをＨＰ塔の異なる高さから
得てもよく、それらのリボイラー（１９３及び３９４）
での凝縮の後でそれぞれを蒸留塔系の適切な箇所に送
る。一例として流れ３５４は高圧塔の塔頂よりも低い箇
所から引き出すことができ、リボイラー／コンデンサー
３９４での凝縮の後でそのうちの一部をＨＰ塔の中間の
箇所に戻し、他の部分をＬＰ塔に送ることができる。
【００２９】図４は、プロセス流れが選択肢の膨張工程
（ｂ）（ｉｉ）に従って低温エキスパンダーで仕事膨張
するもう１つの態様を示す。ここでは過冷却された粗製
ＬＯＸ流れ３３４を弁３３５を通して減圧してＬＰ塔の
圧力に非常に近い圧力にしてリボイラー／コンデンサー
３９４に供給する。管路３５４内の高圧窒素流れの第２
の部分（ここでは選択肢の膨張工程（ａ）のプロセス流
れ）を主熱交換器で部分的に暖めて（随意）その後エキ
スパンダー４３９で仕事膨張させて低圧窒素流れ４４０
を提供する。流れ４４０をその後リボイラー／コンデン
サー３９４で潜熱交換によって凝縮させていくらかの過
冷却後にＬＰ塔に送る流れ４４２を提供する。リボイラ
ー／コンデンサー３９４からの蒸発させた流れ３３７及
び液体流れ３４２をＬＰ塔の適切な箇所に送る。必要な
らば管路４４２内の凝縮した窒素流れのうちの一部を昇
圧してＨＰ塔に送ることができる。再び、一方はリボイ
ラー／コンデンサー１９３で凝縮させ、他方はリボイラ
ー／コンデンサー３９４で凝縮させる２つの窒素流れは
ＨＰ塔の異なる高さから引き出すことができ、従って異
なる組成の流れでよい。
【００３０】選択肢の膨張工程（ｂ）（ｉｉ）に従って
低温エキスパンダーを使用する図４のもう１つの他の態
様も使用できる。この設備構成ではＨＰ塔の塔底からの
全ての粗製ＬＯＸ流れを全く蒸発させずにＬＰ塔に送
る。リボイラー／コンデンサー３９４の代わりに中間リ
ボイラー／コンデンサーをＬＰ塔の中間の高さで使用す
る。ここで、エキスパンダー４３９からの仕事膨張させ
た窒素流れ４４０をＬＰ塔の中間の高さの液体との潜熱
交換によってこの中間リボイラー／コンデンサーで凝縮
させる。凝縮した窒素流れは図４のそれと同様な様式で
処理する。
【００３１】図５の方法は、高温及び低温エキスパンダ
ーのプロセス流れをどのようにして相互に交換すること
ができるかを説明する。図４では供給空気流れのうちの
一部を高温エキスパンダーで膨張させ、ＨＰ塔からの高
圧窒素流れを低温エキスパンダーで膨張させる。図５で
は、高圧窒素流れを高温エキスパンダーで膨張させ、供
給空気流れのうちの一部を低温エキスパンダーで膨張さ
せる。従ってここでは、管路１０２内の空気流れのうち
の一部を主熱交換器で部分的に冷却し、その後低温エキ
スパンダー５３９で膨張させ、ＬＰ塔に供給する。ＨＰ
塔の塔頂からの高圧窒素流れ５５４を主熱交換器で暖め
て周囲温度に近い温度にして（流れ５８３）、その後高
温エキスパンダー５８２で膨張させる。高温エキスパン
ダーからの膨張した流れをその後主熱交換器で更に冷却
して、流れ５４０を提供する。流れ５４０の更なる処理
は図４の流れ４４０と同様である。高温エキスパンダー
５８２からより多くの仕事を取り出すためには、高温エ
キスパンダーでの膨張の前に別の熱源との熱交換によっ
て高圧窒素流れ５８３を更に暖めるべきである。
【００３２】前記のように、高温エキスパンダーへの入
り口流れをふさわしい熱源との熱交換によって暖めるこ
とができる。これは高温エキスパンダーからの仕事の出
力を増加させる。熱源のいくらかの例は、スチーム、熱
水、高温気体流れ、バーナー等を含む。この高温エキス
パンダーは低レベルの熱を有効に回収することができ
る。低レベルの熱を回収するのに有益な設備構成を図６
に示す。ここではコンプレッサーを出る高温気体流れか
ら得られる熱を使用して、高温エキスパンダーへの流れ
を予備加熱する。図６では、図１の増圧器１８０からの
更に増圧した空気流れからの熱をこの目的のために使用
する。この様に増圧機からの管路６６２の更に増圧した
高温空気流れを主熱交換器６９５で管路６０２内のプロ
セス流れとの熱交換によって冷却する。暖めたプロセス
流れ６８４はその後高温エキスパンダー６８２で仕事膨
張させる。管路６６４の更に増圧して冷却した空気流れ
を冷却水で更に冷却して（流れ６６６）、主熱交換器に
直接供給し、昇圧された液体酸素を蒸発させることがで
きる。しかしながら図６では、管路６６６内の流れを高
温エキスパンダー６８２からの仕事エネルギーを使用す
る増圧器６６７によって再び増圧するオプションを示
す。図６において必要ならば、高温エキスパンダー６８
２を出る流れ６８６は冷却水を使用して冷却してもよ
い。この図において、流れ６０２は高温エキスパンダー
で仕事膨張させる任意のプロセス流れに相当する。例え
ば流れ６０２は図１の流れ１０２、又は図２の流れ２７
６、又は図５の流れ５８３等と同じである。
【００３３】図１、３及び４において、高温エキスパン
ダーへの空気流れはＨＰ塔への供給空気流れと同じ圧力
であるように理解される。これは好ましい様式である
が、２つの圧力が同じことは本質的なことではない。例
えば、図１の流れ１０２の圧力は流れ１０６の圧力より
もより高圧又は低圧でよい。しかしながら一般に流れ１
０２の圧力は、流れ１０６の圧力と同じ又はより低圧で
ある。
【００３４】ここまでは、全ての例示のフローシートは
１つかあるいは２つのリボイラー／コンデンサーを示し
ている。しかしながら本発明は、図１〜５で示されたも
の以外にＬＰ塔で追加のリボイラー／コンデンサーを使
用する可能性を除外しないことが強調されるべきであ
る。必要ならばＬＰ塔の塔底部分に更なるリボイラー／
コンデンサーを使用して、この部分での蒸気発生を更に
分割してもよい。任意の適当なプロセス流れを、これら
の追加のリボイラー／コンデンサーで完全に凝縮させて
もよくあるいは部分的に凝縮させてもよい。また、ＬＰ
塔に配置されたリボイラー／コンデンサーでＨＰ塔の中
間の高さから引き出した蒸気流れを凝縮させる可能性を
考えてもよい。
【００３５】選択肢の膨張工程（ｂ）で仕事が得られる
本発明の全ての処理設備構成において、仕事膨張した後
のプロセス流れの全てをこの工程で教示されるように潜
熱交換によって凝縮させなくてもよい。この流れの一部
を製品流れとして回収、又は処理設備構成で何らかの他
の目的に使用することができる。例えば図４で示される
処理設備機構では、高圧塔からの高圧窒素流れの少なく
とも一部を本発明の選択肢の膨張工程（ｂ）に従ってエ
キスパンダー４３９で仕事膨張させる。エキスパンダー
４３９を出る流れの一部を主熱交換器で更に暖めて、中
間圧力（ＭＰ）の窒素製品として回収することができ
る。
【００３６】本発明の高温エキスパンダーから引き出さ
れる全ての仕事はコールドボックスの外で使用される。
一般に、必ずというわけではないが、低温エキスパンダ
ーから引き出される全ての仕事もコールドボックスの外
で使用するが、この引き出された仕事のうちの少なくと
も一部はコールドボックスの外で使用しなければならな
い。この目的のためにエキスパンダーの１つ又は両方
に、発電機を負荷させて電力を発生させてもよく、ある
いは高温コンプレッサーを負荷させて、周囲温度又はそ
れよりも高い温度でプロセス流れを圧縮してもよい。そ
のような高温コンプレッサーで圧縮することができるプ
ロセス流れのいくつかの例は、ポンプ送出された液体酸
素との熱交換によって最終的に凝縮させる更に加圧する
空気流れ（図１の流れ１１７）、製品窒素流れ（図１の
流れ１６４の全て又はその一部）、気体酸素流れ（図１
の管路１７２）である。
【００３７】本発明の方法はＨＰ塔から高圧窒素製品流
れを同時に効率的に製造することもできる。この高圧窒
素製品流れはＨＰ塔の任意の適切な箇所から引き出すこ
とができる。この特徴は図１〜５のフローシートのいず
れにも示されていないが、本発明の本質的な部分であ
る。
【００３８】最後に、酸素含有率が９９．５％未満の低
純度酸素に並んで副生成物がある場合に、本発明の明細
書で教示される方法を使用することができる。例えば、
高純度（酸素含有率が９９．５％以上）酸素を蒸留塔系
から同時に製造することができる。この仕事を達成する
１つの方法は、塔底よりも上の箇所でＬＰ塔から低純度
酸素を引き出し、ＨＰ塔の塔底から高純度酸素を引き出
すことである。液体の状態で高純度酸素流れを引き出す
場合、それはポンプによって更に増圧させ、その後適当
なプロセス流れとの熱交換によって気化させることがで
きる。同様に、高圧で高純度の窒素製品流れを同時に製
造することができる。この仕事を達成する１つの方法
は、適当なリボイラー／コンデンサーの１つから凝縮し
た液体窒素流れの一部を取り、それを昇圧して所望の圧
力にして、その後適当なプロセス流れによって気化させ
ることである。
【００３９】本発明の価値は、エネルギー消費の実質的
な減少を導くことである。以下に示すいくつかの既知の
従来技術の方法と比較することによってこれは容易に理
解できる。
【００４０】第１の従来技術の方法を図７に示す。これ
は、ＬＰ塔への低温空気エキスパンダーを備える従来の
２塔のプロセスである。空気エキスパンダーからの仕事
エネルギーは、電気エネルギーとして回収する。図７の
プロセスは、高温エキスパンダー１８２、増圧器１８４
及び関連の管路を取り除いて、図１のプロセスから簡単
に導くことができる。流れ１０７は主熱交換器に直接供
給して、部分的に冷却し、そして低温エキスパンダーに
送る。
【００４１】第２の従来技術の方法はドイツ特許２８５
４５０８によるもので、図８に示す。この方法は、高温
エキスパンダー１８２及び関連の管路を取り除くことに
よって容易に導かれる。この方法は膨張させる流れを、
エキスパンダーに機械的に結合したコンプレッサーで初
めに圧縮することを除いて図７のそれと同様である。
【００４２】図１の方法を図７及び８の２つの従来技術
の方法と比較すると、従来技術の方法に対する本発明の
方法の優れた性能が明らかになる。所定の供給空気圧力
では、図１と図８の方法の唯一の違いは高温エキスパン
ダー１８２の使用だけである。高温エキスパンダー１８
２で供給空気のうちの一部を膨張させることによって、
図１では仕事エネルギーが回収される。この仕事エネル
ギーを使用して電力を発生させるか、適切なプロセス流
れを圧縮することができる。これは明らかにプラントの
全体としてのエネルギー要求量を減らす。特にＬＰ塔の
圧力が周囲圧力に近い場合、酸素回収に有意の影響を与
えずに供給空気画分の多くの部分（２５％まで）を膨張
させることができることが知られている。従って、供給
空気の２５％までとは言え、好ましくは１５％までのみ
を高温エキスパンダーで膨張させることができる。膨張
させる厳密な量は特定の用途に依存する。例えば、最適
な低温エキスパンダー流量は熱の漏れ及び液体製造の量
に依存する。
【００４３】本発明は図３〜５で示される方法に更に適
当である。米国特許第２，７５３，６９８号明細書は、
図３の低温エキスパンダー３３９で示されるような粗製
ＧＯＸ膨張の使用を教示する。米国特許第４，７９６，
４３１号明細書は図４の低温エキスパンダー技術を教示
する。しかしながら、これら両方の特許明細書は高温エ
キスパンダーによるエネルギー回収の有益な面を利用し
損ねている。これらの方法では、ＬＰ塔で使用可能な総
計の沸騰及び還流は図７及び８の方法よりも一般に多
い。結果として図３及び４でははるかにより大量の空気
画分を高温エキスパンダーに送ることができる。これは
一層のエネルギーの節約をもたらす。
【００４４】米国特許第４，９６４，９０１号明細書の
方法と比較すると、本発明の方法は１．５〜１．８ｂａ
ｒ（１５０〜１８０ｋＰａ）の非常に低圧の空気流れか
ら水を除去する必要がない。これは吸着剤層の大きさ及
び吸着剤層を再生するのに要するエネルギーを減少させ
る。更に、たいていの場合に本発明は２つの異なる圧力
で供給空気を処理するための２組の吸着剤層を持つ必要
をなくす。ここでは全ての供給空気を１つの圧力に圧縮
して、１組の吸着剤層に送る。これは方法を更に単純に
する。
【００４５】ＨＰ塔の圧力が約６０ｐｓｉａ（絶対圧で
４ｂａｒ（４００ｋＰａ））超で約１６０ｐｓｉａ（１
１ｂａｒ（１．１ＭＰａ））未満の場合に、本発明は特
により有益である。この理由は一般に、高圧塔を６０ｐ
ｓｉａ（４００ｋＰａ）よりも低圧で操作することは供
給空気流れの一部がＬＰ塔の塔底リボイラーで凝縮する
ことを要求するからである。これは蒸留塔に利用できる
液体窒素還流の量を減少させる。高温空気エキスパンダ
ーの使用は液体窒素還流の量を更に減少させる。更にエ
キスパンダーへの入り口圧力がここではより低いので、
取り出せる仕事の量は多くない。結果として、ＨＰ塔の
圧力が実質的に６０ｐｓｉａ（４００ｋＰａ）よりも低
い場合には本発明の方法はあまり魅力的ではなくなる。
ＨＰ塔の圧力が１６０ｐｓｉａ（１．１ＭＰａ）よりも
大きい場合、蒸留塔によって必要とされる液体窒素還流
の要求量が急に増加し、この場合はＬＰ塔への高温供給
空気エキスパンダーの使用が魅力的ではなくなることが
あろう。
【００４６】ここではいくらかの特定の態様を参照して
説明及び記述したが、本発明は詳細を示したものに限定
されるものではない。むしろ、本発明の本質から離れず
に特許請求の範囲及びこれと等価の範囲内で細部に様々
な変更ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の態様の概略図である。
【図２】図２は本発明の第２の態様の概略図である。
【図３】図３は本発明の第３の態様の概略図である。
【図４】図４は本発明の第４の態様の概略図である。
【図５】図５は本発明の第５の態様の概略図である。
【図６】図６は低レベルの熱を回収するために本発明で
有用な設備機構の概略図である。
【図７】図７は従来技術の方法の概略図である。
【図８】図８は従来技術の方法の概略図である。
【符号の説明】
１００…圧縮供給原料流れ １３０…粗製液体酸素（ＬＯＸ）流れ １５３…高圧液体窒素流れ １６０…低圧気体窒素流れ １７０、１７２…酸素製品流れ １９０…主熱交換器 １９３…リボイラー／コンデンサー １９６…高圧塔 １９８…低圧塔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドン マイケル ヘロン アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18051，フォーゲルスビル，ピーチ レ ーン 8228 (56)参考文献 特開 平３−170784（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−271141（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−117753（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−82157（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−54180（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 より高圧で操作する少なくとも１つの蒸
    留塔とより低圧で操作する１つの蒸留塔を持つ蒸留塔系
    において純度が９９．５mol ％未満の気体酸素製品を主
    に製造する空気の低温蒸留方法であって、供給空気を冷
    却してより高圧の塔に供給し、酸素製品を製造する前記
    より低圧の塔の塔底での沸騰を窒素濃度が前記供給空気
    流れのそれ以上の流れの凝縮によって行わせ、及び少な
    くとも２つのエキスパンダーを使用してこの蒸留塔系に
    寒冷を供給し、第１の前記エキスパンダーを周囲温度に
    近い又は周囲温度を超える入り口温度で操作し、第２の
    前記エキスパンダーを周囲温度未満の入り口温度で操作
    する方法であって、（Ａ）前記第２のエキスパンダーが、 （ａ）前記供給空気のうちの一部を仕事膨張させる工
    程、 （ｂ）窒素含有率が前記供給空気のそれ以上であるプロ
    セス流れを仕事膨張させ、その後、次の２つの液体、す
    なわち（ｉ）前記より低圧の塔の中間の高さの液体、及
    び（ｉｉ）少なくとも前記供給空気の酸素濃度を有する
    前記より低圧の塔への液体供給物のうちの１つ、の少な
    くとも一方との潜熱交換によって前記膨張した流れの少
    なくとも一部を凝縮させる工程、 （ｃ）圧力が前記より低圧の塔の圧力よりも高く且つ少
    なくとも前記供給空気の酸素濃度を有する酸素に富む液
    体流れの少なくとも一部を蒸発させる潜熱交換によっ
    て、窒素含有率が前記供給空気のそれ以上である少なく
    とも１つのプロセス流れを凝縮させ、結果として得られ
    た蒸気流れの少なくとも一部を仕事膨張させる工程、並
    びに （ｄ）窒素含有率が前記供給空気のそれ以上である前記
    より高圧の塔からのプロセス流れを仕事膨張させて、こ
    の膨張した流れを気体製品流れとして引き出す工程、 のうちの少なくとも１つの工程を行い、且つ （Ｂ）前記第１のエキスパンダーが、 （ａ）前記供給空気のうちの一部を仕事膨張させる工程
    であって、供給空気のこの部分が、圧縮及び純化されて
    いて更なる圧縮をされていない工程、 （ｂ）窒素含有率が前記供給空気のそれ以上であるプロ
    セス流れを仕事膨張させ、その後、次の２つの液体、す
    なわち（ｉ）前記より低圧の塔の中間の高さの 液体、及
    び（ｉｉ）少なくとも供給空気の酸素濃度を有する前記
    より低圧の塔への液体供給物のうちの１つ、の少なくと
    も一方との潜熱交換によって、前記膨張した流れの少な
    くとも一部を凝縮させる工程、 （ｃ）圧力が前記より低圧の塔の圧力よりも高く且つ少
    なくとも供給空気の酸素濃度を有する酸素に富む液体流
    れの少なくとも一部を蒸発させる潜熱交換によって、窒
    素含有率が供給空気のそれ以上である少なくとも１つの
    プロセス流れを凝縮させ、結果として得られた蒸気流れ
    の少なくとも一部を仕事膨張させる工程、並びに （ｄ）窒素含有率が前記供給空気のそれ以上である前記
    より高圧の塔からのプロセス流れを暖めて仕事膨張さ
    せ、この膨張した流れを気体製品流れとして引き出す工
    程、 のうちの少なくとも１つの工程を行うことを特徴とする
    空気の低温蒸留方法。
  2. 【請求項２】 前記第１のエキスパンダーを工程（ｄ）
    で操作し、前記第２のエキスパンダーを、工程（ａ）、
    工程（ｂ）、又は工程（ｃ）で操作する請求項１に記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 前記第１のエキスパンダーを工程（ａ）
    で操作し、前記第２のエキスパンダーを、工程（ｂ）、
    工程（ｃ）、又は工程（ａ）で操作する請求項１に記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 外部熱源との間接熱交換によって前記第
    １のエキスパンダーへの入り口流れを膨張の前に暖める
    請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記外部熱源が周囲温度よりも高温の圧
    縮気体流れである請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記周囲温度よりも高温の圧縮気体流れ
    がコンプレッサーからの排出流れである請求項５に記載
    の方法。
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