JP3188446B2 - 空気分離方法 - Google Patents

空気分離方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気分離に関する。
極低温空気分離プラントで製造された窒素から仕事
（work）を回収することが或る状況では有利であること
は公知である。このように実施するための大ていの提案
は、同期発電機を駆動して電力を発生させるために用い
るガスタービンの存在に基づく。例えば、圧縮窒素を用
いてガスタービンに連通する燃焼室内の圧力を制御し、
エネルギーをガス膨張の際に回収することを開示した米
国特許第2,520,862号と第3,371,495号を参照のこと。従
って、空気分離プロセスのエネルギー必要量の全てでは
ないとしても大部分がこれによって満たされる。しか
し、このようなプロセスを使用できる現場では、適当な
ガスタービンがしばしば入手不能である。
英国特許明細書第1,455,960号では、窒素生成物から
仕事を回収する代替方法が述べられている。
この方法においては空気分離プラントと蒸気発生器と
の熱交換が行なわれる。窒素生成物は蒸気発生器中の蒸
気発生のための煙道ガスと熱交換して、高度の熱を与え
られ、600℃より高い温度に熱せられる。この時に窒素
は膨張して熱エネルギーを発生させ、その熱エネルギー
の殆んどを機械的エネルギーに転化される。煙道ガスと
窒素生成物との熱交換の下流で蒸気が煙道ガスによって
発生する。仕事の発生のため膨張した窒素生成物中の残
りの有効熱を用いて、蒸気発生器に再び入る流体を再熱
する。
英国特許明細書第1,455,960号に述べられた方法は多
くの欠点を有している。第一に、蒸気を発生させるため
の高度の熱の使用は比較的効率が悪い。第二に、蒸気発
生にかなりの費用がかかる。第三に、空気分離プロセス
から回収された仕事を外部に提供できる多量の電力の発
生に用いる可能性があるが、英国特許第1,455,960号に
よる方法は、この可能性を利用していない。第四に、適
当な蒸気発生プラントがしばしば、空気分離プラントの
現場で利用できない。第五に、高度の熱の適当な発生源
が容易に入手可能ではなく、もし可能であったとして
も、それを利用するさらに効果的な方法がある。第六
に、この方法は工業的プロセスから一般的に入手可能な
（しかし、一般には廃棄されるかまたは電力発生にごく
効率悪く利用されるにすぎない）低度の熱を利用するこ
とができない。
本発明は窒素流から仕事を回収する方法と装置に関
し、この方法では空気分離プロセスからの酸素生成物が
参加する化学的その他のプロセスから典型的に発生する
低度の熱（すなわち温度600℃以下）を有する流体流と
の熱交換によって窒素を予熱する。
本発明では、空気を窒素と酸素に分離し、２〜７絶対
気圧の範囲内の圧力の窒素流を最初に600℃未満の流体
流との熱交換によって、前記流体に相変化を起させるこ
となく、熱し、このように熱した窒素流をタービン内で
膨張させた外部仕事を実施させる。
本発明はまた、空気を酸素と窒素に分離する手段；空
気分離手段から生ずる２〜７気圧の範囲内の圧力を有す
る窒素流を最初に600℃未満の温度を有する流体流と、
流体流に相変化を起させることなく、熱交換させるため
の熱交換器；及びこのように加熱した窒素を外部仕事の
実施を伴って膨張させるための膨張タービンから成る上
記方法を実施するための装置をも提供する。
本発明による方法で実施する外部仕事は空気分離プロ
セスに入る空気流または空気分離プロセスから出る生成
物の圧縮であるが、空気分離以外の他のプロセス用また
は輸出用の電力の発生であることが好ましい。
流体流は最初に（すなわち熱交換前に）好ましくは20
0〜400℃の範囲内、より好ましくは300〜400℃の範囲内
の温度である。このような流れから仕事を効果的に回収
することが通常可能ではない、それ故、本発明は独特の
比較的効果的な仕事回収法を提供する点で有利である。
典型的に600℃未満の温度でのその流体流の流れは、
酸素が用いらる工業的または化学的プロセスからの廃ガ
ス流である。熱交換は直接ガス対ガス熱交換器内で実施
するのが好ましい。他の代替手段は工業的または化学的
プロセスからの流体流を用いて、熱交換媒質（その状態
を変えることなく）の温度を高め、この媒質を用いて直
接熱交換によって、媒質の状態を変えることなく、窒素
を加熱することである。媒質は熱媒質油を用いることが
できる。
窒素が流体流と熱交換関係にあるときの圧力は流体流
の温度に依存する。流体流の温度が高ければ、窒素流の
好ましい圧力も高くなり、約400℃では好ましい窒素圧
は約４気圧である。特に流体流が最初に200〜400℃の範
囲内の温度である場合に、窒素流は２〜５気圧の範囲内
の圧力で典型的に用いられる。
窒素は圧縮機によって好ましい圧力に高めることがで
きる。または、窒素圧縮機が必要でないように、窒素流
が必要な高圧またはそれよりやや高い圧力で生ずるよう
に、空気分離に用いる蒸留塔（場合により「二重塔配置
の精留塔」とも云う）（複数の場合も）を配置して操作
することができる。実際に、ルーマン（Ruhemaun）の
「ガス分離、（Separation of Gases）」オックスフォ
ード大学出版局（Oxford University Press）、1945に
述べられているような、通常の二重塔で空気を分離する
場合には、低圧塔は３〜４絶対気圧の圧力で操作するの
が有利であり、この結果１〜２絶対気圧の圧力でのこの
ような塔の通常の操作に比べて効率が増大する。流体流
との熱交換の上流では、窒素流を典型的に用いて、分離
用空気から水蒸気その他の比較的不揮発性成分の除去に
用いる装置を再生する、このような装置は逆熱交換型
（revesse in heatexchange type）または吸着剤型であ
る。
空気から分離した酸素は、廃熱を発生する化学、冶金
その他の工業プロセスに用いられる。
本発明による方法と装置を実施例によって添付図面に
関連して説明する。
空気を空気分離プラント２において分離すると、純粋
である必要のない酸素と窒素の生成物が得られる。酸素
生成物はプラント４に供給して、そこで化学または冶金
反応に参照させるために用いる。プラント４は特に、39
5℃の温度の廃ガス流６を生ずる。このガスは次に熱交
換器８内で空気分離プラント２からの窒素生成物流と向
流熱交換する。窒素生成物流は典型的に、４絶対気圧の
圧力で熱交換器８に入る。生成する窒素流はこれによっ
て約350℃の温度に加熱されて、膨張タービン10に入
り、そこで外部仕事の実施を伴って膨張する。このター
ビンは電圧発生に用いられる周期発電機12の駆動に典型
的に用いられ、この電力は空気分離プラント２または化
学的／冶金プラント４に用いられる。または、シャフト
を空気分離プラントに用いる圧縮機に直接結合すること
もできる。
窒素との熱交換後のプラント４からのガス流はスタッ
ク（図示せず）から大気へ典型的に放出される。
図面の第２図では、空気が特定圧力で空気圧縮機20の
出口から供給される。この空気を圧縮空気から水蒸気と
二酸化炭素の除去に有効な精製装置22に通す。装置22は
流入空気から水蒸気と二酸化炭素を吸着する吸着剤床を
用いる種類である。１つの床が空気精製に用いられてい
る間に、他方の床が典型的には窒素流によって再生され
るといったように、床は互いに連続的でなく操作するこ
とができる。精製空気流はメジャー流（mazor stream）
とマナー流（minor stream）に分割される。
主要な流れは熱交換器24を通り、そこでその温度は極
低温精留による空気分離に適したレベルにまで低下す
る。そのため、典型的には主要な空気流は飽和温度にま
で冷却される。メジャー空気流は次に入口26から高圧精
留塔28に入り、そこで酸素富化分画と窒素分画とに分離
される。
高圧精留塔は二重塔配置の一部を形成する。二重塔配
置の他方の塔は低圧精留塔30である。両精留塔28と30は
気液接触トレーと付随する降下管（または他の手段）を
含み、下降液相は上昇蒸気相と、両相間に物質移動が生
ずるように、密接に接触する。下降液相は徐々に酸素に
富むようになり、上昇蒸気相は徐々に窒素に富むように
なる。典型的には高圧精留塔28は流入空気を圧縮する圧
力と実質的に同じ圧力で操作される。塔28はその頂部か
ら実質的に純粋な窒素分画を生じ、その底部からはまだ
多くの割合の窒素を含む酸素分画を生ずる。
塔28と30は凝縮器−リボイラー32によって連結され
る。凝縮器−リボイラー32は高圧塔28の頂部からの窒素
蒸気を受容し、それを塔30の沸とう液体酸素との熱交換
によって凝縮させる。生成する凝縮液は高圧塔28に戻
す。凝縮液の一部は塔28への還流となり、凝縮液の１部
は塔28から取り出され、熱交換器34内で過冷却され、膨
張弁36を通って低圧塔30の頂部に入り、塔30への還流と
なる。低圧精留塔30は塔28の圧力よりも低い圧力で操作
され、２つの供給源から分離のために酸素−窒素混合物
を受容する。第１供給源は精製装置22を出る空気流を分
割することによって形成されたマイナー空気流である。
マイナー空気流は塔30へのその導入の上流で、最初に圧
縮機38内で圧縮され、次に熱交換器24内で約200Kの温度
に冷却され、熱交換器24から取出され、膨張タービン40
内で塔30の操作圧力まで膨張され、それによってこのプ
ロセスを冷却する。この空気流は次に入口42から塔30に
導入される。望ましい場合には、圧縮機38の駆動に膨張
タービン40を用いることができる、またはこの代りに、
２つの装置、すなわち圧縮機38とタービン40とが互いに
独立であることも考えられる。独立配置は再装置の出口
圧力を互いに独立的に設定することを可能にするので、
しばしば好ましい。
塔30での分離のための酸素−窒素混合物の第２供給源
は高圧塔50の底部からの酸素富化分画の液体流である。
この流れは出口44から取出され、熱交換器46内で過冷却
され、次にジェール−トムソン（joule−Thomson）弁48
を通り、塔30へその中間レベルから流入する。
図に示した装置は３種類の生成物流を生ずる。第１生
成物流は低圧塔30の底部から出口50を通って取出される
気体酸素生成物流である。この流れは次に熱交換器24内
で流入空気との向流熱交換によって周囲温度にまたはそ
れに近い温度に温められる。酸素は例えばガス化、製鋼
または部分的酸化プラントに用いられ、望ましい場合に
は、圧縮機（図示せず）内で圧縮して、その圧力を好ま
しい操作圧力まで高めることができる。この他、２種類
の窒素生成物流が取出される。
第１窒素生成物流は塔28の頂部に集まる窒素富化分画
（典型的には実質的に純粋な窒素）から蒸気として取出
される。この窒素流は出口52から取出され、熱交換器24
内で空気流との向流熱交換によってほぼ周囲温度に温め
られる。
他方の窒素生成物流は低圧塔30の頂部から出口54を通
って直接取り出される。この窒素流は高圧塔から取出さ
れた液体窒素流と向流で熱交換器34を通って流れ、この
流れを過冷却する。この窒素生成物流は次に酸素富化分
画の液体流と向流で、熱交換器46を通って流れ、この液
体流を過冷却する。塔30の頂部から取出された窒素流は
次にメジャー空気流と向流で熱交換器24を通って流れ、
ほぼ周囲温度に温められる。この窒素流は熱交換器56内
で低度の熱を有する流体流と少なくとも部分的に熱交換
される。生成する高温窒素流は次にタービン58内で膨張
して、同期発電機60の駆動に用いられる。
望ましい場合には、低圧塔からの窒素生成物流の一部
を用いて、精製装置22の吸着剤床から水蒸気及び二酸化
炭素をパージすることもできる。典型的に予熱された
（図示しない手段によって）窒素のこのような使用は技
術上周知である。上述の吸着剤床のパージに使用した水
蒸気及び二酸化炭素等の不純物を含んだ窒素は、望まし
い場合には熱交換器56の上流で、窒素生成物と再び結合
させることができる。
第２図に示した装置の典型的な操作では、塔28は約1
2.8barで操作し、塔30は約4.2barで操作される。従っ
て、圧縮機20は空気を約13.0barに圧縮し、圧縮機38は
約18.2barの出口圧力を有する。
このような条件下で8bar、95％純度において酸素30,0
00m3/時（ton/日）及び10barにおいて、塔28から窒素1
0,000m3/時（ton/日）を得るための計画の実施は次の電
力を消耗する： しかし、350℃の流体流から熱交換器56に10.4M.W.の廃
熱が利用され、6.7M.W.はタービン58から回収されるこ
とを考えると、正味電力消費量は8.7M.W.になる。
この正味電力消費量は同じ酸素生成物と窒素生成物を
生成する次のような比較可能なプラントの操作に比べて
充分に匹敵する： （Ａ）塔28は約6barで操作し、塔28は約1.3barで操作す
る； （Ｂ）塔28は約6barで操作し、塔30は約1.3barで操作
し、廃熱は回収しない； （Ｃ）塔28は約6barで操作し、塔30は約1.3barで操作
し、窒素流は加熱しない。その代り廃熱流を用いて、流
れを昇温させると、流れは次に流れタービン内で膨張す
る。
（Ｄ）塔28を約12.8barで操作し、塔30を約4.2barで操
作する。廃熱は窒素流に伝達されず、窒素流は周囲温度
から大気圧まで膨張する；または （Ｅ）プラントを上記（Ｄ）項と同様に操作し、廃熱を
用いて、流れを昇温させ、流れは流れタービン内で膨張
して、付加的な仕事を回収する。
正味電力消費量の比較を下記の表に示す、表中の全て
の量はメガワット（M.W.）である。
【図面の簡単な説明】
第１図は空気分離プラント（化学プラントまたは冶金プ
ラント）／電力発生機の組合せの概略回路図であり； 第２図は第１図に示した装置に用いるための空気分離プ
ラントの概略回路線図である。 ２……空気分離プラント;4……プラント； ８……熱交換機;10……膨張タービン； 20……空気圧縮機;24……熱交換器； 28……高圧精留塔;30……低圧塔； 32……凝縮器−リボイラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−197788（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−40485（ＪＰ，Ａ) 特表 昭55−500998（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00 F01D 15/10 F01K 25/00

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空気を酸素と窒素に分離し、２〜７絶対気
    圧の範囲内の圧力の窒素流を最初は600℃未満の温度の
    流体流と、前記流体流が相変化を起すことなく、熱交換
    することによって加熱し、このように加熱された窒素流
    を膨張させてタービン内で外部仕事を実施させる空気分
    離方法。
  2. 【請求項２】外部仕事が電力発生である請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】流体流が最初に200〜400℃の範囲内の温度
    である請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】窒素流が２〜５絶対気圧の圧力である請求
    項３記載の方法。
  5. 【請求項５】前記流体流が工業プロセスからの廃ガス流
    である請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 【請求項６】前記酸素を前記工業プロセスに用いる請求
    項５記載の方法。
  7. 【請求項７】前記流体流が工業プロセスからの廃ガス流
    によって、状態の変化を生ずることなく、加熱された熱
    媒油である請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】前記酸素を前記工業プロセスに用いる請求
    項７記載の方法。
  9. 【請求項９】窒素流が空気を分離する蒸留塔から直接取
    出され、前記蒸留塔と、前記流体流と窒素流との熱交換
    の地点との間で圧縮されない請求項１〜８のいずれかに
    記載の方法。
  10. 【請求項１０】その窒素流は、前記流体流と窒素流との
    熱交換の地点と前記蒸留塔との間でほぼ周囲温度に温め
    られる請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】蒸留塔が二重塔配置の精留塔の低圧塔で
    ある請求項９又は10記載の方法。
  12. 【請求項１２】空気を酸素と窒素に分離する手段；空気
    分離手段から生成した、２〜７絶対気圧の範囲内の圧力
    の窒素流を最初に600℃未満の温度の流体流と、前記流
    体流の相変化を生ずることなく、熱交換させるための熱
    交換器；及びこのように加熱した窒素を膨張させて外部
    仕事を実施させるための膨張タービンを含む、請求項１
    記載の方法を実施するための装置。
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