JP3947565B2 - 加圧製品ガスの可変生成方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体状態での昇圧と引き続く蒸発とによる空気の深冷分離によって加圧製品ガスを可変生成する方法及び装置に関するものである。
空気分離装置の製品液体を加圧し、次いで蒸発させる方法は、しばしば「内部圧縮」とも称されている。このようなプロセスは一定流量の加圧ガスの製造に古くから知られており（例えばドイツ特許公報第752439号）、製品ガスの圧縮に比べて設備コストが少ない利点をもたらしている。
少なくとも２つの貯留タンクを有する「交互貯留プロセス」が同様に知られており、この場合、所望の可変流量の大気成分ガスを大気圧下で製造することができるだけでなく、精留の定常的操作をも可能とする（例えば、ローデ著、技術と科学からのリンデレポート、54／1984、18〜20頁参照）。
ドイツ公告特許公報第1056633号、欧州公開特許公報第422974号、欧州公開特許公報第524785号、欧州公開特許公報第556861号の各刊行物は、蒸発させるべき製品液体と、この蒸発に際して液化される熱伝達媒体（空気又は窒素）との双方を貯留タンク内で緩衝することによって内部圧縮と交互貯留とを組み合わせるプロセスを開示している。製品液体の蒸発用の熱伝達媒体の要求量が変化する問題は、ドイツ公告特許公報第1056633号によれば、その都度、蒸発に不要な熱伝達媒体の一部を膨張させて仕事、即ち膨張によるエンタルピーの落差を運動エネルギーとして取り出すことに費やし、廃棄することによって解決している。その後はこれから離れ、代わりに所望の可変流量の熱伝達媒体を圧縮するようになった（欧州公開特許公報第422974号、欧州公開特許公報第524785号、欧州公開特許公報第556861号）。ところが、この最初の事例では精留されたガスが利用されることなく失われ、第２の事例では圧縮機の処理量に大きな変動が現れる。これら二種類の設備は、それぞれの動作モードでしか運転することができない。
そこで本発明の課題は、極力柔軟に運転することができ、特に上記欠点を生じない方法及び装置を提供することである。
この課題は、請求項１による方法によって解決される。
加圧気体の形態で製出されるべき製品は、単数又は複数の精留塔から液体の形態で抽出され、第１の貯留タンク内で緩衝される。その都度、生成される製品流量が平均以下か平均以上であるかに応じて、タンク内の液面が昇降する。例えば精留中に生成される液体留分のうち、その都度、蒸発しない量又は他に（例えば製品液体として）利用することのできない量の液体留分をタンクに導入することができる。製品要求量が多い場合、液体はタンクから蒸発部に適宜送られる。但し、全量の液体留分を貯留タンク内に導入し、実際に必要とされる量をその都度取り出して蒸発部に送ることも可能である。ここで、貯留タンクとは、この場合は液体の貯留用のあらゆる装置機器と理解すべきである。貯留タンクは、例えばそれ自身の断熱構造を備えた外部タンクや、深冷分離装置内に配置されて液体を緩衝貯留するのに適した別の種類の容器とすることができる。
液体状態における昇圧には、あらゆる公知の方法、例えば貯留タンク内における加圧蒸発、静圧水頭の利用、貯留タンクの下流又は上流でのポンピング、又はこれらの方法の組合せなどを採用することができる。好ましくは、液体留分はタンクの下流に配置されるポンプによって加圧するとよい。このポンプの処理量は製品流量の変化をもたらすために制御可能である。
本発明による方法は、循環圧縮機と膨張装置とを備えた冷凍サイクルを更に有している。この冷凍サイクル内で、熱伝達媒体、特に空気分離装置のプロセスガスが圧縮され、膨張されてエンタルピーの落差が運動エネルギーとして取り出され（以下、この運動エネルギーの取り出しを単に「仕事」と称する）、再び循環圧縮機に戻される。この循環により、断熱と熱交換の損失、そして適切には製品の液化を補償する冷凍が生起される。
循環圧縮機は同時に熱伝達媒体を圧縮するのに役立ち、この熱伝達媒体は蒸発させるべき製品と交換に凝縮されて第２貯留タンク内に緩衝貯留される（熱伝達媒体の第１部分流）。循環圧縮機は熱伝達媒体を或る圧力に圧縮し、この圧力は液体状態に加圧された留分の蒸発温度に少なくともほぼ等しい凝縮温度に対応する。循環圧縮機で圧縮された熱伝達媒体の少なくとも一部、特に第２部分流またはその一部は、仕事を実行するための膨張の後に循環圧縮機に戻される。循環圧縮機で圧縮された熱伝達媒体の第２部分流は廃棄される必要がなく、従って第２部分流は全く廃棄されずに、少なくとも部分的にリサイクルされる。冷凍サイクルと可変流量製品の蒸発は本発明においては一体的であり、同じ装置が冷凍の発生と液体留分の蒸発に必要な圧力の発生との双方を担う。
勿論、本発明では第１部分流は製品の所望の可変生成量に応じて変更される。但し、この場合、この変更は様々な仕方で実現することができ、従って、その都度の実際の要求量に柔軟に適合させることができる。
第１の動作モードでは、加圧製品ガスの要求量が高まると、循環圧縮機内で圧縮される熱伝達媒体の量が一定に保たれる。第１部分流の変更は熱伝達媒体の第２部分流の適切な変更によって緩和される。生産の増減に際して、第２部分流の流量は、第１部分流の流量が増減されるのと同じだけ減増される（ここで流量とは、単位時間当たりのモル量のことであり、例えばNm3／hで示される）。こうして循環圧縮機は一定し、例えばその設計容量で運転することができ、製品流量に基づいて制御する必要はない。第２部分流のうちで液化する熱伝達媒体の増加分の流量は第２貯留タンクに一時的に貯留される。第２部分流中のガス量の増加は回路からガスを（例えば製品として）適宜に取り出すことによって補償することができる。その逆に、生産量が平均以下の場合はそれ相応に少ない量のガスが回路から取り出される。
これの代替選択肢として、プラントを第２の動作モードで運転することもできる。この場合、第１部分流の変更を循環圧縮機によって補償しながら第２部分流の処理量を一定に保持する。つまり、加圧製品ガスの要求量が高まると、第２部分流の流量が一定に保たれ、循環圧縮機で圧縮される熱伝達媒体の流量は第１部分流と同じ流量だけ高められる。本発明による方法では、この動作モードの場合でも循環量を一定に保つことができるので、圧縮機の処理量の変動率は比較的小さい。循環圧縮機で圧縮される一定割合のガスが圧縮機の処理量の相対振幅を減衰する。
但し、一部では第２部分流の流量を変更し、別の一部では循環圧縮機の処理量を変更して第１部分流の流量変動を補償することにより、両動作モードを組み合せることもできる。この場合、加圧製品ガスの要求量が高まると、循環圧縮機で圧縮される熱伝達媒体の流量が増加され、第２部分流の流量が減らされる。
必要があれば、例えばタンクからの製品液体の取り出しを補償するために、或いは特定時間の間だけ更に多くの流量の製品液体を供給するために、これら動作モード間の切換も可能である。このように、第２部分流の流量に応じて、仕事を行うための膨張の間に様々な量の冷凍が生起される。
いずれの場合も、本発明による方法では、単数もしくは複数の精留塔に供給され又はそこから取り出されるすべての流れが一定に保たれる。従って、製品流量の変動が精留に影響することはなく、特にあらゆる動作事例においても一定して高い純度と収率を達成することができる。
精留装置が高圧塔と低圧塔とからなる二重塔を有する場合、例えば低圧塔の塔底の液体酸素又は高圧塔からの液化窒素を前記液体留分として利用することができる。
好ましい１実施態様では、熱伝達媒体の別の流れが膨張して仕事を遂行する。これにより、一方で冷凍サイクル内で付加的に冷凍を生起することができ、他方で循環圧縮機及び第２部分流の制御に依存しない要求量の瞬時変化に冷凍能力を正確に適合させる別の可能性が得られる。
特に、仕事を行わせるための膨張部に供給される前記別の流れの流量を加圧製品ガスの要求量の増加時に減らすことができ、こうして過剰の冷凍の少なくとも一部を補償することができる。前記別の流れの仕事のための膨張は、好ましくは循環圧縮機の例えば入口圧力（冷凍サイクルの下側レベル）から例えばほぼ大気圧へと導かれ、膨張して仕事を遂行した前記別の流れは無圧製品ガスとして抽出される。こうして、冷凍サイクルを循環するガス量の変動も緩和することができる。特に、例えば第１動作モード（循環圧縮機で一定の処理量）のとき、膨張して仕事を遂行した前記別の流れの流量を適宜減少することによって第２部分流の流量低下を補償することができる。第２動作モード（第２部分流の仕事のための膨張時の一定処理量）のときには、例えば、別の流れとして冷凍サイクルから出てくるガス量を減らすことによって循環圧縮機の処理量の増加を補償することができる。
本発明の方法で利用可能な各プロセス流、例えば空気、又は他の酸素・窒素混合物も、冷凍サイクル用及び液体留分の蒸発用の熱伝達媒体として基本的に利用可能である。但し、好ましくは精留装置からの窒素、または二重塔の場合は例えば高圧塔の塔頂に発生する気体窒素を熱伝達媒体として利用する。一般に、全ての循環窒素は本プラント自身の内部で生産される。但し、付加的に熱伝達媒体の部分量を外部供給源から送り込むこともでき、その場合、例えば他の設備又はタンク車などから第２貯留タンク内に液体窒素などが供給される。
窒素を製品として製出する場合、第２貯留タンクは加圧製品ガスの可変生成用の緩衝作用の他に、設備の一時的故障のための安全予備（バックアップ）及び／又は製品液体用緩衝部として利用することもできる。
更に、窒素を熱伝達媒体として利用する利点として、加圧製品ガスと交換に液化した空気を供給する場合、及び膨張装置から低圧塔内に気体空気を供給する場合など、冷凍サイクルと加圧製品ガスの蒸発が精留に不都合な影響を何ら及ぼすことはない。つまり、本発明による方法では、精留は窒素を熱伝達媒体として利用して最適に操業することができる。こうして、この方法は、厳密な意味で空気分離に続いてアルゴンを製出（例えば二重塔の低圧塔に接続された粗アルゴン塔による）するのに適しているだけでなく、高い製品純度及び収率を獲得するのにも適している。
好ましくは、精留装置への装入空気は主熱交換システム内で冷却されるようにし、この主熱交換システム内で昇圧下に液体留分の蒸発も実行する。このような熱交換工程の一体化によって交換損失を僅かなものに抑えることができる。
これは、熱交換器ブロックを有する主熱交換システムを用い、このブロック内で装入空気の冷却と液体留分の蒸発とを昇圧下に実行することによって実現可能である。
ここで、主熱交換システムが複数の熱交換器ブロック、特に第１と第２熱交換器ブロックを有し、第１熱交換器ブロック内で装入空気の冷却を、第２熱交換器ブロック内で液体留分の蒸発を、それぞれ昇圧下に実行するとき、装置コストが少なくなる。この場合、好ましくは、一方の熱交換器ブロックの暖端と冷端との間から取り出されて他方の熱交換器ブロックの暖端と冷端との間に供給される補償流により両方の熱交換器ブロックを連絡する。
本発明は、更に請求項８に記載された装置にも関する。
本発明およびその詳細を以下にリンデ-VARIPOXR（商標名，VARiable Internal Pressurization of Oxygen）法の例示とその関連設備を参照して詳しく説明するが、単一の添付図面は係る実施例を系統図で示している。
圧縮され、清浄化された装入空気10は、５〜10bar、好ましくは5.5〜6.5barの圧力にて熱交換器11内で冷却され、この熱交換器は、熱交換器12と共に主熱交換システムを形成している。装入空気は、導管13を介してほぼ露点温度で高圧塔14に導入される。高圧塔は精留装置に属しており、この精留装置は更に低圧塔15を有し、この低圧塔は、1.3〜２bar、好ましくは1.5〜1.7barの圧力で運転される。高圧塔14と低圧塔15は主凝縮器16を介して熱的に結ばれている。
高圧塔14からの底部溜まり液17は、向流熱交換器18内で低圧塔の製品流と交換に過冷され、低圧塔15内に供給される（導管19）。高圧塔14の塔頂からの気体窒素20は、主凝縮器16内で低圧塔15の塔底液の蒸発と交換に液化される。凝縮液21は一部が還流として高圧塔14に装入され（導管22）、他の部分23は過冷18後に分離器25に導入される（導管24）。低圧塔15には、分離器25から還流液が供給される（導管26）。
低圧塔15から取り出された低圧窒素27と不純窒素28は、熱交換器18と11内でほぼ周囲温度に暖められる。不純窒素30は空気浄化用の図示しない分子篩を再生するのに利用可能である。低圧窒素29は製品として排出されるか、或いは冷却水を冷却するために蒸発冷却器内で利用される。
酸素は液体留分として低圧塔15の塔底から導管31を介して抽出され、過冷(18)されて液体酸素タンク（第１貯留タンク）33内に導入(32)される。液体酸素タンク33は好ましくはほぼ大気圧である。第１貯留タンク33からの液体酸素34は、所要の製品圧力に応じて、ポンプ35によって例えば５〜80barの高圧に昇圧される（例えば静液圧ポテンシャルの利用、又は貯留タンクでの加圧蒸発など、液相における昇圧の別の方法も勿論適用可能である）。液体高圧酸素36は熱交換器12内で蒸発され、内部圧縮製品ガス37として抽出される。
高圧塔14からの気体窒素のうち主凝縮器16に供給されない部分は導管38、39、40を介して熱交換器11を通り、熱伝達媒体として抽出されて冷凍サイクル回路に供給される。この冷凍サイクル回路は、特に２段循環圧縮機41、42と膨張タービン43とを含んでいる。循環圧縮機41、42内において、窒素はほぼ高圧段の圧力から窒素凝縮温度に対応する圧力へ圧縮され、この凝縮温度は、液体高圧酸素36の蒸発温度に少なくともほぼ等しい。この圧力は、酸素の予め設定された取出圧力に応じて、例えば15〜60barである。高圧縮窒素44の第１部分流45は蒸発した酸素36に対して少なくとも部分的に、好ましくは完全に、又は実質的に完全に液化され、分離器46内に供給される。
循環圧縮機内で圧縮される窒素の第２部分流59は、高い圧力および熱交換器12の暖端温度と冷端温度との間の温度で膨張タービン43に送られ、そこでほぼ高圧塔の圧力に膨張して仕事を遂行する。膨張した第２部分流60は部が熱交換器12によって（61、62を介して）、一部は熱交換器11によって（63、64、39、40を介して）、循環圧縮機41、42の入口に戻される。
分離器46からの液体窒素は、導管47を介して還流として高圧塔14に装入すること及び／又は導管48を介して第２貯留タンク（液体窒素タンク49）に導入することができ、このタンクは、例えば１〜５barの圧力、好ましくはほぼ大気圧である。このタンクには、場合によっては更に分離器25から過剰液体50を供給することができる。この過剰液体は低圧塔15用の還流としては必要とされない。必要なら液体窒素はポンプ51により分離器46内に押し込むことができる（導管52）。
導管39からの窒素53の一部は熱交換器11から中間温度で取り出し可能である。このように取り出した一部の窒素は部分的に主熱交換システム11、12の効率を向上することのできる補償流54として役立ち、また部分的に熱伝達媒体の別の流れ55として利用可能である。この別の流れは第２膨張タービン56内で大気圧より多少高圧に膨張して仕事を遂行する。膨張して仕事をした別の流れ57は熱交換器12内でほぼ周囲温度に暖められ、製品ガス58としてプラントから取り出される。
貯留タンク33、49から液体酸素及び／又は液体窒素を製品として抽出することができる（但し、該当の導管は図面には図示されていない）。
本発明による方法では、交互貯留が精留に不都合な影響を何ら及ぼすことはない。特に、液体空気が精留部に供給されることはなく、低圧空気が低圧塔に直接に供給されることもない。これにより、プロセスはアルゴンの製出等の特別厳しい空気分離の課題に極めて適したものとなる。このため、図示した導管で示唆したように、低圧塔15の中間箇所66に従来のアルゴン精留部を接続しておくことができる。このためには、欧州特許公報第377117号に記載された方法及び装置、又は古い時間的順位を有する欧州公開特許公報第95101844.9号又は第95101845.6号に記載された方法及び装置を利用すればよい。
本実施例では、循環圧縮機の第１段41を製品圧縮機としても使用しているが、この場合、第１段と第２段との間で製品流65を好ましくは８〜35bar、例えば20barの圧力で抽出している。
次に、本発明による方法及び装置の両方の基本的動作モードを説明する。本実施例のプラントは加圧製品酸素の特定された或る平均流量用に設計されている。その生産は、この平均値を中心に最小値と最大値の間で変更可能である。この変更がどのように実行されるのかを説明するために、以下の数値例では、190,000Nm3/hの装入空気を処理するプラントにおける２つの極端な動作事例（最大Max、最小Min）と加圧酸素の平均的生産（中間Mittl）の動作事例とを紹介する。各部圧力は以下の通りである。
高圧塔14 5.1bar
低圧塔15 1.3bar
高圧酸素37 26bar
循環圧縮機の入口 4.8bar
循環圧縮機の出口 42bar
液体酸素タンク33 1.1bar
液体窒素タンク 1.1bar
表１は、第２部分流59用の膨張タービン43を一定回転数で運転する動作モードに該当し、表２に示し動作モードでは循環圧縮機41、42の処理量が一定に保持されている。勿論、この実施例でも両方の動作モード間であらゆる任意の移行が可能である。両表において、前記３つの操作事例の各流れの流量単位は1000Nm3/hである。両表の第１欄の符号は図面に対応している。
Figure 0003947565
Figure 0003947565
以上の表の図式は図面では破線によって２部分に分割されている。左半分は実質的に冷凍サイクル回路と貯留タンクとを含み、精留部全体は右半分にある。本実施例の方法及びプラントの交互運転に際しては、図面の右半分のすべての流れは完全に又は実質的にそのままに留まり、加圧酸素生産における変動は冷凍サイクル回路と貯留タンクにしか影響を与えない。このことが両表の最初の６つの行に反映しており、これらの行に示された流れはいずれも図中の破線を横切るものである。これらは、いずれの操作事例においても蒸発量が変化する間（符号36、37）に処理量が同じである。特に、導管38を通して高圧塔14からプラントの可変流量部分に105,000Nm3/hの一定量の窒素が送られている。このプラントの可変流量部分は、流れ40と53において、タービン43内で膨張した第２部分流の同様に一定流量の部分流（15,000Nm3/h）と重ねられる。同様に、低圧塔15からの製品液体酸素31、32の取出しはいずれの操作事例においても一定している。
表１の数値例において第２部分流59、60は一定に保たれている。第１部分流45の蒸発用に必要な流量変更は循環圧縮機（流れ44）の処理量を適宜変更することによって行われる。例えば生産が平均値から最大値に高められると、循環圧縮機の処理量は製品流量とほぼ同じ流量だけ増加する。タービン56内を流れる別の流れ55、57、58として回路から取り出されるガス量を適宜減らすことによって付加的なガスを入手可能である。
液化熱伝達媒体（第１部分流45）の変動量は、生産が平均以上の場合に導管48を介して過剰液体を第２貯留タンク49に供給することによって緩衝できる。その逆に、製品流量が少ない場合は、高圧塔14用の還流量を一定に保つために液体窒素タンクから導管52を介して不足液体が補給される。
表１の数値例は、それぞれ1500Nm3/hの平均過剰量の液体酸素および窒素が生成されるように設計されている。これは、液体製品の形で、連続的、間欠的、又は可変流量でも取り出すことができる。ちなみに本方法では、タービンの平均回転数を適切に合わせることにより、冷凍サイクル回路の平均的冷凍能力、従って液体製品の平均流量を運転中に変更することも可能である。こうして、本プラントは内部圧縮加圧製品に関してだけでなく、液体製品生産に関しても特に柔軟に運転することが可能である。
尚、表２の例では、第２部分流に代わって、循環圧縮機41、42の処理量が一定に保たれている。

Claims (8)

  1. 装入空気(10，13)を精留装置(14，15)に導いて空気の深冷分離により加圧製品ガス(37)を可変生成する方法であって、
    精留装置(14，15)からの液体留分(31,32,34)を第１の貯留タンク(33)内で緩衝し、
    液体留分(34)の圧力を上昇(35)させ、
    液体留分(36)の可変量を昇圧下に間接熱交換(12)により蒸発して加圧製品ガス(37)として製出し、更に、
    循環圧縮機(41，42)を備えた冷凍サイクルに熱伝達媒体を通流し、
    循環圧縮機(41，42)で圧縮された熱伝達媒体の第１の部分流(44，45)を前記液体留分(36)の蒸発のために間接熱交換(12)部分に供給すると共に少なくとも一部は液化させ、
    循環圧縮機(41，42)で圧縮された熱伝達媒体(44)の第２の部分流(44，59)を膨張させてエンタルピーの落差を運動エネルギーとして取り出し、
    液化した熱伝達媒体(45,48,52)を第２の貯留タンク(49)内で緩衝することを特徴とする加圧製品ガスの可変生成方法。
  2. 更に熱伝達媒体の別の流れ(55)を膨張(56)させてエンタルピーの落差を運動エネルギーとして取り出すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 運動エネルギーを取り出すための膨張(56)部分に供給される前記別の流れ(55)の量を、加圧製品ガス(37)の要求量増加時に減少させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 精留装置(14，15)からの窒素(31)を熱伝達媒体として利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 精留装置(14，15)への装入空気(10)を主熱交換システム(11，12)内で冷却し、この主熱交換システム内で昇圧下に液体留分(36)の蒸発(12)をも実行することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 主熱交換システムが熱交換器を有し、この熱交換器内で装入空気の冷却と液体留分の蒸発を昇圧下に行うことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 主熱交換システムが第１と第２の熱交換器を有し、第１の熱交換器(11)内で装入空気(10)の冷却を、第２の熱交換器(12)内で液体留分(36)の蒸発を、それぞれ昇圧下に実行し、両熱交換器(11，12)を平衡流(54)によって連絡し、この平衡流を一方の熱交換器(11)の暖端と冷端との間から取り出して他方の熱交換器(12)の暖端と冷端との間に供給することを特徴とする請求項５に記載の方法。
  8. 空気の深冷分離により加圧製品ガスを可変生成する装置であって、
    装入空気導管(10，13)に通じた精留装置(14，15)と、
    精留装置(14，15)から液体留分を取り出して第１貯留タンク(33)内に導入する液体導管(31，32)と、
    液体留分(34)の圧力を高める手段(35)と、
    液体留分(36)を昇圧下に蒸発させる熱交換器(12)と、
    蒸発した液体留分を加圧製品ガスとして取り出す製品導管(37)と、
    循環圧縮機(41，42)を有する冷凍サイクル手段と、
    循環圧縮機(41，42)から液体留分(36)の蒸発用の熱交換器(12)に至る第１の部分流導管(44，45)と、
    循環圧縮機(41，42)から膨張装置(43)に至る第２の部分流導管(44，59)と、
    液化した熱伝達媒体(45，48)を緩衝する第２の貯留タンク(49)とを有することを特徴とする加圧製品ガスの可変生成装置。
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