JP4579921B2 - 低温液体の蒸発による加圧ガスのバックアップ供給方法および配置 - Google Patents

Description

本発明は、低温液体の蒸発による加圧ガスのバックアップ供給のための方法および装置に関する。特に、工業装置（たとえば空気分離装置）が製品の部分的な供給しか確保できない、または少しも供給を確保できない場合（例えば、トリップ−アウト（trip-out）、電気料金の制約のための負荷の削減などの場合）に、客先に気体製品（窒素、酸素、アルゴン）を供給するために使用するものに関する。本発明は、水素、ヘリウムおよび一酸化炭素のような、他の低温液体の貯蔵にも適用される。

部分酸化反応器は、公証値の±１％で圧力が安定している高圧（２５ｂａｒ以上）の酸素の供給を必要とする。それゆえに、酸素を供給する空気分離装置は、動作形態によらず、そして特に空気分離装置が停止している場合に、この制約に従わなくてはいけない。この場合においては、液体酸素貯蔵タンクを具備するシステム、低温ポンプおよび蒸気加熱蒸発器が送出し流れを確保する。

バックアップ蒸発器はEP-A-0 452 177に説明されている。ここでは、貯蔵タンクから来る液体窒素を補助蒸発器で周囲の空気と熱交換することにより蒸発させる。

EP-A-0 628 778は低温液体貯蔵タンクを開示している。ここでは、液体をくみ上げ、その後客先に送る前に、蒸発器で蒸発させる。

EP-A-0 756 144は低温液体貯蔵タンクを開示している。ここでは、その液体をくみ上げ、その後、客先に送る前に、蒸発器で蒸発させる。

“Large Oxygen Plant Economics and Reliability”（W. J. Scharle著、Bulletin Y-143, National Fertilizer Division Center, Tennessee Valley Authority, Muscle Shoals, Alabama）および“Oxygen Facilities for synthetic Fuel Projects”（W. J. ScharleおよびK. Wilson著、Journal of Engineering for Industry, November 1981, Vol. 103, pp. 409-417）は、バックアップ酸素製造システムを記載している。これは
液体の状態の多量の製品を収容する貯蔵タンク；
貯蔵タンクに収容されている液体を取り出し、客先に普通に送り出される圧力（ラインの圧力）に加圧する数台のポンプ（ここでは、信頼性の理由のために２つのポンプ）；および
加圧液体を蒸発させる機能をもつ交換器
で構成されている。

この装置を出るとすぐに、一般に、ガスは室温に近づき、客先に送られる。その現場で利用できるエネルギー源およびそれらの費用に応じて、この交換器は、加圧液体を蒸発させるために例えば、空気、水蒸気または天然ガスを使用してもよい。

これらのバックアップ装置の主な特徴の１つは起動時間である。品質と客先へのガス供給の連続性を決定するので、これは特に重要である。製造装置のトリッピング後の過度に長い起動時間はラインで大きすぎる圧力低下をもたらし、客先のプロセスで故障を生み出す場合がある。

上述の文献で説明されている酸素製造システムの場合、ポンプを起動させるのに必要な時間（W. J. Scharle著の上述の文献によると約１５から２０分）の間に加圧製品を供給するために、気体酸素バッファータンクを備えている。

従来、蒸発ポンプが持続的に低温に維持される場合、バックアップシステムが安定にその１００％の容量に達するのに必要な時間は約５分であり、ポンプが起動するまでにかかる時間は１から２分であり、かつ蒸発交換器がスピードに達するために必要な時間は２から３分である。様々な部品（ポンプと貯蔵タンクとの間、およびポンプと交換器との間の短いパイプ）を賢明に選択することによりこの時間を３分に短縮できる。ある場合においては、３分というこの時間は、ラインでの許容される圧力揺らぎに関する制約という点では、依然として長すぎるものである。この場合、上で説明したように、１つの解決策としては、例えば２００ｂａｒに加圧し、製品を１から３分間（ポンプと蒸発器とから構成されるシステムが標準の動作速度に達するのに必要な時間）供給するように寸法付けされたガスバッファータンクを交換器の下流に設置することが挙げられる。この解決策の欠点は高圧タンク、酸素膨張機構および酸素圧縮システムを設置するための高い費用である。後者はピストン圧縮機、または、より一般的には、高圧ピストンポンプ、大容量／高圧の大気圧蒸発ヘアピン、バッファータンクを満たすためのポンプなどを有する他のバックアップ蒸発装置を備える。

バックアップ蒸発装置の起動はある量の時間を必要とする。低温ポンプ（低温を保つ）を起動するために約１分必要であり、同様に蒸発ヘアピンは定常動作に即座になることはできない。

バックアップ蒸発器を供給状態にする時間中、客先のネットワーク内の圧力は、ネットワーク中の水分量と消費する流れとにその傾斜が依存する曲線に従って低下する。それゆえに、客先のネットワークの長さが１キロメートル以下である場合には、圧力下限（−１％）にすばやく（５秒以下で）達する場合がある。

それゆえに、ポンプの起動中に、必要な流れを客先に提供する酸素供給システムを有することが必要である。

本発明の主題の一つは、加圧ガスを供給する方法であって、
ａ）ガス混合物を分離装置で分離することにより加圧ガスを、最終生成物として、高い製造圧力で製造し、
ｂ）加圧しようとする液体を貯蔵タンクに貯蔵し、
ｃ）液体を貯蔵タンクから取り出してポンプで加圧し、加圧した液体の少なくとも一部を蒸発器で蒸発させて、製造しようとする加圧ガスと実質的に同じ純度またはそれよりも高い純度を有する加圧バックアップガスを製造し、かつ
ｄ）液体を、ほぼ鉛直なパイプ（場合により低温蒸留装置のコールドボックスの内部にあり、かつパイプの長さの少なくとも一部が蒸発器より上の高さに位置する）に流し、
ポンプの起動前および／またはその間に、液体をパイプから、液体が蒸発する蒸発器に送り、製造しようとする加圧ガスと実質的に同じ純度またはそれよりも高い純度を有する加圧バックアップガスを供給することを特徴とする方法である。

他の、任意の特徴によれば：
−パイプの高さは静水圧が蒸発に関連する損失水頭に打ち勝つのに十分である；
−液体はパイプ内をバックアップガスを使用する圧力より高い圧力の下で流れ、液体を蒸発器の上流で静水圧により、および任意にポンプにより、加圧する；
−液体はパイプ内をバックアップガスを使用する圧力と同じか、またはそれより低い圧力の下で流れる；
−パイプは貯蔵タンクから少なくとも部分的に供給を受ける、および
−パイプはコールドボックス内部の低温分離装置の塔から少なくとも部分的に供給を受け、分離装置は、標準動作時には、空気分離装置から取り出した液体を蒸発させることにより、主ラインを介してバックアップガスと同じ特徴を有する製品ガスを供給し、液体の１つの流れをパイプの一端に送り、液体のもう一方の流れをパイプの他端から取り出して空気分離装置に送り戻す。

好ましい動作形態によれば、
ｉ）標準動作時には、分離装置は製品ガスを供給し、
ｉｉ）分離装置の故障または短縮動作の場合には、蒸発器で液体を蒸発させることによりバックアップ供給ガスを供給し、
iii）標準動作時には、液体の流れは永続的にパイプ内を流れ、
iv）ポンプの起動前および／または起動中には、液体の流れは重力でパイプの下端から蒸発器に流れ、かつ
v）ポンプの起動前および／または起動中には、製造しようとする加圧ガスの圧力と同じか、またはそれよりも高い圧力に加圧したガスの流れをパイプの上端に送る。

他の、任意の態様によれば、
−装置から取り出した液体を加圧し、加圧した液体の一部を装置の交換ラインに送り、製品ガスを構成し、加圧した液体の他の部分を鉛直パイプに送り、かつ
−ラインは低温貯蔵タンク（貯蔵タンク）から少なくとも部分的に供給を受け、液体の１つの流れをラインの一端に送り、液体のその他の流れをラインの他端から取り出し、揚液し、貯蔵タンクに送り戻す。

本発明の他の主体は、加圧ガスを供給するための装置であって、
ｉ）ガス混合物を分離するための分離装置と、
ｉｉ）分離装置に接続している加圧ガス供給ラインと、
iii）液体貯蔵タンクと、
iv）蒸発器と、
ｖ）ほぼ鉛直なパイプと、
vi）貯蔵タンクを蒸発器に接続する手段と、
vii）パイプを蒸発器に接続する手段と、
viii）蒸発した液体を蒸発器から取り出し、加圧バックアップガスを作る手段と；
を具備し、
加圧手段を貯蔵タンクの下流および蒸発器の上流に含み、かつパイプ内の液体を加圧するための補助手段を蒸発器の上流に含むことを特徴とする装置である。

本発明の他の態様によると、
−補助手段は、パイプの上端と接続している加圧ガス供給ラインと、その高さのパイプと、任意にポンプとによって形成されている、
−パイプは、低温蒸留装置のコールドボックス内部に設置されているか、または貯蔵タンクと一体となっている、
−パイプは低温蒸留装置のコールドボックス内部に設置され、鉛直パイプが低温蒸留装置のラインであり、パイプの上端と下端を蒸留装置の塔に接続する手段を含む低温蒸留装置を構成する、
−装置の塔から来る液体の第１の部分を、それが蒸発して主ラインの製品ガスを形成する交換ラインに供給し、かつ液体の第２の部分をこのラインに供給する手段を含む；
−装置の塔から来る液体の第１の部分を、それが蒸発して主ラインの製品ガスを形成する交換ラインに供給し、かつ液体の第２の部分をこのラインに供給する手段はポンプにより形成される；および
−鉛直パイプの上端は加圧ガス供給ラインに加圧ガスフィードラインを介して接続している。

本発明を図１から図６を参照することでより詳細に説明する。これらの図は、本発明の方法に従って動作する、低温分離装置およびバックアップガス供給装置の原理を示す。

図１は、コンデンサー４を介して低圧塔に熱的に結合している中圧塔３を有する二重塔を具備する空気分離装置を示す。この装置に、圧縮、精製、および冷却を施した空気を供給する。冷却は交換ライン（図示せず）でなされる。蒸留に必要な冷却源もあり、それは少なくとも１つのクロード（Claude）タービン、ブローイングタービンまたは窒素タービンを含んでもよい。リッチ液体とリーン液体とを中圧塔から低圧塔に移動させる普通のラインは簡略化のために示していない。使用済みの窒素（図示しない）を低圧塔の頂部から取り出し、交換ライン７で加熱する。交換ライン７、二重塔３、５、タービン、リッチ液体とリーン液体の取り出しライン、およびほぼ鉛直なパイプ１３は断熱コールドボックスの内部に収容されている。

空気分離装置は加圧気体酸素の流れを供給するように設計されている。ここで、この流れが中断された場合（装置が故障したとき）、またはこの流れが不十分である場合には、貯蔵タンク９に貯蔵されている液体酸素を蒸発させてバックアップガス２９を作り出す必要がある。液体酸素は低圧で貯蔵されており、緊急ポンプ１１によって加圧し、蒸発器２７内の水蒸気流に逆らって蒸発させる。

空気分離装置は液体酸素流１５を作り、それをポンプ１２によって圧力Ｐ１まで加圧し、二つに分ける。第１の流れ１７はオープンバルブＶ５を通り、交換ライン７で蒸発し、オープンバルブＶ６を通る。この流れは客先に送られる空気分離装置の製品３１を構成する。バルブＶ５はポンプ１２の送出しを抑える働きをし、バルブＶ５での水頭損失は第２液体流１９がバルブＶ１を介して供給される鉛直パイプ１３の液圧高さよりもわずかに大きい。

コールドボックスに設置されている鉛直パイプ１３は、実質的に蒸発器２７より上にあるように、コールドボックス３３の高さＨ全体にわたって延びている。鉛直パイプ１３の直径は高圧酸素ガスの客先に対しての１分の供給に相当する十分な体積の高圧低温流体を貯蔵できるように規定される。大きな直径の低温パイプの抵抗は非常に高い圧力にも耐えられることが容易にわかる。もちろん、ポンプ１１の起動中にバックアップガスの供給を提供するのに必要な量の液体をパイプが収容した瞬間は、パイプはより短いか、またはコールドボックスの最も高いところのある部材（例えば、低圧塔またはアルゴン塔の頂部）の高さよりもわずかに長くてもよい。

通常の動作では、このパイプにポンプ装置のポンプ１２から（バルブＶ１を介して）くる高圧液体の小さな流れが巡る。液体が膨張し（バルブＶ２によって）、低圧塔の底部にアップライン２３を介して送られることによって、液体は連続的に循環する。この循環はパイプ１３を作りたての低温液体によって完全に満たすことを確実にするために必要である。

メイン１７、３１でのガスの圧力Ｐｍは鉛直パイプ１３の上端での圧力Ｐ１より低く、その差は交換ライン７での水頭損失と実質的に等しい。明らかにパイプがコールドボックスの高さ全体にわたって延びる場合には、鉛直パイプの下端での圧力Ｐ２は圧力Ｐ１よりも高く、Ｐ１＋ρｇＨと等しい。

図１の場合では、循環は鉛直パイプ１３の頂部から下に向かって行われるが、これはこのパイプの底部から上に向かうこともできる。

空気分離装置を停止させる場合には、図２にあるように、バルブＶ１およびＶ２を閉じ、そして鉛直パイプ１３の上端と客先のメイン１７、３１とを接続するライン２１上に設置されているバルブＶ３を開けることによって、鉛直パイプ１３の上端の圧力をメイン１７、３１の圧力と同じにする。パイプ１３に収容される液体を最終的に、重力によって流し、鉛直パイプの下端を蒸発器２７の入口に接続するライン２５に設置されているフローコントロールバルブＶ４を開けることにより送る。

図３は空気分離装置が客先に高圧酸素を供給するための酸素コンプレッサー３７を含む場合を示す。図は、パイプ１３およびライン１９、２３での循環にピストンポンプ３５を備えていることを除いて同様である。

しかし、図４から分かるように、鉛直パイプ１３は客先へ送られる高圧酸素の圧力以下の圧力で動作できるので、このポンプは必須ではない。この場合、鉛直パイプの出口と蒸発器２７の出口との間にポンプ５１を追加することが有用であり得る。そうしないと、液体はバルブＶ３を介するガスの送出しでしか加圧することができない。

図５は、鉛直パイプが、やはり空気分離装置のコールドボックスの内部に収容されているが、後者から供給を受ける必要はないことを示す。例では、設備の標準動作下で、ポンプ１２が動作し、ポンプ１１は停止していながらも、液体酸素は、ピストンポンプ４１（パイプ１３の上端に供給する）とバルブＶ２（ライン３７を介して液体を貯蔵タンク９に戻す）とを介し、貯蔵タンク９と鉛直パイプ１３との間で循環する。

空気分離装置を停止する場合には、バルブＶ３とＶ４を開け、バルブＶ１とＶ２を閉じ、次にパイプ１３に収容されている作りたての液体をライン２５を介して蒸発器２７に流し、動作中のポンプ１１を用いてバックアップガス製品を供給する。

図６は、鉛直パイプが、空気分離装置とではなく、コールドボックスの外の貯蔵タンクと一体になっている場合を示す。壁の間のスペースに位置するパイプは効率的に断熱されていて、非常に高い場合もあり、貯蔵タンクの高さは時には３０メートルである場合もある。パイプの頂部は液体を貯蔵タンクの内部からバルブＶ１を介して受け取り、パイプが充填されて液体塔を形成する。ポンプ１１の起動前または起動中にバルブ４を開け、液体を蒸発器２７に運ぶ（任意に揚液工程後）。この場合、アップラインはコールドボックス３３から完全に分離されている。この形態は、コールドボックスが貯蔵タンクよりも短い場合、または分離装置がコールドボックスを持たない場合に有用である。

本発明を二重空気分離塔に関して説明したが、多くの理論精留板を含む単一塔、三重塔、またはアルゴン塔を含む塔システムに適用できることは容易に理解できる。

分離装置は、低温蒸留によって、浸透法によって、吸着によって、またはその他の知られている手段によって、空気を分離し得る。

記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。

Claims (19)

1. 加圧ガスを供給する方法であって、
   ａ）ガス混合物を、低温蒸留を使用する空気分離装置（３、５）で分離することにより、加圧ガスを、最終生成物として、高い製造圧力で製造し、
   ｂ）加圧しようとする液体を貯蔵タンク（９）に貯蔵し、
   ｃ）液体を前記貯蔵タンクから取り出してポンプ（１１）で加圧し、前記加圧した液体の少なくとも一部を蒸発器（２７）で蒸発させて、製造すべき前記加圧ガスと実質的に同じ純度またはそれよりも高い純度を有する加圧バックアップガス（２９）を製造し、
   ｄ）液体を、長さの少なくとも一部が前記蒸発器よりも上の高さに位置したほぼ鉛直なパイプ（１３）に流し、
   前記ポンプ（１１）の起動前および／または起動中に、液体を前記パイプから前記蒸発器に送り、そこでこの液体を蒸発させて、製造すべき前記加圧ガスと実質的に同じ純度またはそれよりも高い純度を有する加圧バックアップガスを供給することを特徴とする方法。
2. 前記パイプ（１３）は、前記空気分離装置のコールドボックス（３３）の内部にある請求項１記載の方法。
3. 前記パイプの高さ（Ｈ）は、静水圧が蒸発に関連する損失水頭に打ち勝つのに十分である請求項１又は２記載の方法。
4. 前記液体は、前記バックアップガス（２９）が使用される圧力よりも高い圧力の下で前記パイプ（１３）内を流れ、前記液体は、前記蒸発器の上流で、静水圧により加圧される請求項１または２記載の方法。
5. 前記液体は、前記蒸発器の上流で、静水圧およびポンプ（５１）により加圧される請求項４記載の方法。
6. 前記液体は、前記バックアップガスが使用される圧力以下の圧力の下で前記パイプ内を流れる請求項１または２記載の方法。
7. 前記パイプ（１３）は、前記貯蔵タンク（９）から少なくとも部分的に供給を受ける請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記パイプ（１３）は、コールドボックス（３３）内部にある前記空気分離装置の塔（５）から少なくとも部分的に供給を受け、前記空気分離装置は、標準動作時には、前記空気分離装置から取り出した液体を蒸発させることにより、主ラインを介して、前記バックアップガス（２９）と同様の特徴を有する製品ガス（３１）を供給し、液体の１つの流れが、前記パイプの一端に送られ、液体の他の１つの流れ（２３）が、前記パイプの他端から取り出され、前記空気分離装置に送り戻される請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
9. ｉ）標準動作時には、前記空気分離装置は、製品ガス（３１）を供給し、
   ｉｉ）前記空気分離装置の故障または減量動作の場合には、前記蒸発器（２７）において前記液体を蒸発させることにより、前記バックアップ供給ガスを供給し、
   vi）標準動作時には、液体の流れが前記パイプ（１３）内を永続的に流れ、
   vii）前記ポンプの起動前および／または起動中には、液体の流れは、重力により、前記パイプ（１３）の下端から前記蒸発器に流れ、
   viii）前記ポンプの起動前および／または起動中には、製造すべき前記加圧ガスの圧力以上の圧力に加圧されたガスの流れ（２１）を、前記パイプの上端に送る請求項８記載の方法。
10. 前記空気分離装置から取り出した前記液体を加圧し、前記加圧された液体の一部を、前記製品ガスを構成するために前記空気分離装置の交換ラインに送り、前記加圧された液体の他の一部を、前記鉛直パイプ（１３）に送る請求項８または９記載の方法。
11. 前記パイプは、低温貯蔵タンク（前記貯蔵タンク（９））から少なくとも部分的に供給を受け、液体の１つの流れ（３９）が、前記パイプの一端に送られ、液体の他の１つの流れ（３７）が、前記パイプの他端から取り出され、ポンプによって前記貯蔵タンクに送り戻される請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 加圧ガスを供給するための装置であって、
    ｉ）ガス混合物を分離するための、低温蒸留を使用する空気分離装置（３、５）と、
    ｉｉ）前記空気分離装置に接続している加圧ガス供給ライン（３１）と、
    iii）液体貯蔵タンク（９）と、
    iv）蒸発器（２７）と、
    ｖ）ほぼ鉛直なパイプ（１３）と、
    vi）前記貯蔵タンクを前記蒸発器に接続する手段と、
    vii）前記パイプを前記蒸発器に接続する手段と、
    viii）蒸発した液体を前記蒸発器から取り出して、加圧バックアップガスを作る手段と；
    を具備し、
    前記貯蔵タンクの下流でありかつ前記蒸発器の上流に加圧手段（１１）を含んでおり、前記蒸発器の上流に前記パイプ内の液体を加圧するための補助手段（Ｈ、２１、５１）を含んでいることを特徴とする装置。
13. 前記補助手段は、高さ（Ｈ）の前記パイプと、前記パイプの上端に接続している加圧ガスフィードライン（２１）とによって形成されている請求項１２記載の装置。
14. 前記補助手段は、高さ（Ｈ）の前記パイプと、前記パイプの上端に接続している加圧ガスフィードライン（２１）と、ポンプ（５１）とによって形成されている請求項１２記載の装置。
15. 前記パイプは、低温蒸留装置のコールドボックス（３３）内部に設置されているか、または前記貯蔵タンク（９）と一体となっている請求項１２から１４のいずれか１項記載の装置。
16. 前記パイプは、低温蒸留装置のコールドボックス（３３）の内部に設置されおり、前記コールドボックス（３３）は、前記鉛直パイプ（１３）が前記低温蒸留装置のラインである低温蒸留装置を構成しておりかつ前記パイプの上端および下端を前記蒸留装置の塔に接続する手段（１５、１９、２３）を収容している請求項１２記載の装置。
17. 前記装置の塔から来る液体の第１部分を、交換ラインに供給し、そこで蒸発させて、主ラインにおける製品ガスを形成し、かつ前記液体の第２部分を前記パイプに供給する手段（１５、１９、１２）を含む請求項１６記載の装置。
18. 前記装置の塔から来る液体の第１部分を、交換ラインに供給し、そこで蒸発させて、主ラインの製品ガスを形成し、かつ前記液体の第２部分を前記パイプに供給する前記手段は、ポンプ（１２）により形成されている請求項１７記載の装置。
19. 前記鉛直パイプ（１３）の上端は、加圧ガス供給ライン（１７）に加圧ガスフィードライン（２１）を介して接続されている請求項１６から１８のいずれか１項記載の装置。

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