JP4939651B2 - 空気分離方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気を、低温蒸留により窒素と酸素とをそれぞれ豊富に含む製品に分離する方法及び装置に関する。このために、空気が圧縮され浄化された後に、熱交換器内で窒素と酸素を豊富に含む製品と間接的に熱交換して蒸留に適した温度に冷却される。特に、本発明は、液体酸素流をポンプで給送し、分離熱交換器に内で昇圧コンプレッサで更に圧縮された空気の一部と間接的に熱交換して気化されるような方法及び装置に関する。

空気を低温蒸留によって、窒素と酸素を豊富に含む製品、またアルゴンを豊富に含む製品に分離することは、周知である。そのような方法によれば、空気は、圧縮され浄化され、そして窒素と酸素をそれぞれ豊富に含む製品の還流により熱交換器内で蒸留に適した温度に冷却される。

空気の酸素と窒素を豊富に含む製品への分離は、高圧塔と低圧塔とを有する空気分離装置内で行われ、高圧塔と低圧塔とは、例えば、低圧塔の底部に配置されたコンデンサ・リボイラにより熱伝達関係で作用的に互いに関連している。流入空気は、高圧塔内で精留されて、底部で粗液体酸素カラムが生成され、上部で窒素カラムが生成される。窒素カラムは、コンデンサ・リボイラによって液化され高圧塔に還流される。窒素を豊富に含む液体の流れは、低圧塔の頂部にも導入されて低圧塔に還流する。粗液体酸素の流れは、更なる精製のため低圧塔内に導入され、底部で酸素を豊富に含む液体カラムが生成され、次いで酸素を豊富に含む液体カラムは、コンデンサ・リボイラによって気化される。廃棄窒素の流れは、上部の窒素を豊富に含む蒸気カラムと共に低圧塔の頂部下から抽出され、流入空気冷却するために、熱交換器内に導入される。

底部の酸素を豊富に含む液体カラムの液体酸素流をポンプで送給して、熱交換器内で昇圧コンプレッサで圧縮された圧縮浄化空気の流れにより気化することによって高圧酸素製品を製造することが知られている。昇圧された空気流は液化するか、加圧液体酸素流を気化することにより気液共存相流体に変換され、高圧酸素製品が製造される。加えて、高圧塔内で製造された窒素を豊富に含んだ液体である窒素製品は、ポンプで送給され同様にして気化されることが知られている。

上記したように、アルゴン製品は、低圧塔からアルゴンを豊富に含んだ蒸気の流れを回収し、それをアルゴン塔で精留することによって分離可能である。結果としての底部の液体カラムは、低圧塔内に戻される。アルゴン塔は、低圧塔に導入する前に、粗液体酸素流の全部または一部との間接的熱交換によりコンデンサで上部のアルゴンを豊富に含むカラムを凝縮することによって還流される。

上記の工程と装置は、加圧されポンプで送給された酸素の流れに加えて、酸素を豊富に含んだ製品と窒素を豊富に含んだ製品の還流との間接的熱交換により、流入空気流を冷却するために単一の主熱交換器を利用してもよいが、別々の高圧熱交換器内で加圧酸素製品を気化することが知られている。そのような工程と装置は、科学技術のリンデ（Ｌｉｎｄｅ）の報告「高圧酸素の製造（Ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｏｘｙｇｅｎ）」スプリングマン（Ｓｐｒｉｎｇｍａｎｎ）（１９８０年）に記載されている。この報告では、過冷却負荷で使われた後の廃棄窒素流を、加圧されポンプ送給された液体酸素を気化するための高圧熱交換器への供給媒体として、また、低圧での精留に適した温度に主空気流を冷却するための他の別の熱交換器への供給媒体として利用することも記載されている。この熱交換器への廃棄窒素の供給媒体は、熱バランスの目的のために必要である。「熱バランス」の意味するところは、廃棄窒素流が、低圧熱交換器と高圧熱交換器から流出する流れの高温側エンドの温度の差を減じて、当該熱交換器の高温側エンドの冷凍損失を防止し、また、高圧熱交換器と低圧熱交換器の低温側エンドでの昇圧された空気流と主空気流との温度差を減じることである。このようにして、高圧熱交換器の低温側エンドでの昇圧空気流とポンプ送給される液体酸素流との温度差が、最適化され得る。高圧熱交換器の低温側エンドでの温度差を低減することは重要であり、これにより、昇圧空気が熱交換器内で液化し、その後、少なくとも低圧塔へまた必要により高圧塔への導入のために膨張される。もし、この流れの温度が高いならば、膨張時に蒸気が昇圧空気から発生し、所望の製品を製造するに必要な空気の蒸留が行われる。

ロウ付けされたアルミニウム製の熱交換器が、高圧と低圧の熱交換器の両方で利用される。そのような熱交換器は、層状構造を有しており、流入空気流、窒素を豊富に含んだ流れ等の各流れ間で間接的に効率的に熱交換が行われるように隔置された層を通過する。層状構造は、一連の平行に配置した分離板を縁部に沿って周辺バーによって密封したものであり、これにより熱交換器が製造される。流れを層に供給するために、マニホールドが設けられている。熱交換可能面積を増やすように、各層にフィンが設けられている。

３．１０２７５０ＭＰａ（４５０ｐｓｉ）の酸素が供給される、ポンプ送給液体酸素用の熱交換器は、酸素を気化するために７．５８４５ＭＰａ（１１００ｐｓｉ）の圧力の空気を必要とする。そのような高圧を取り扱うように設計された熱交換器は、低圧負荷用に設計された熱交換器よりも高価である。例えば、ロウ付けされたアルミニウム製のプレートフィン熱交換器の場合、熱交換器は、各部の断面積を小さくする必要があり、伝熱フィンの選択範囲が制限され、低圧で作動する熱交換器と比べて分離板とサイドバーなどの要素を厚くする必要がある。以上の条件により、加圧されポンプ送給される液体酸素流が気化される場合のように高圧作動圧力で作動するように設計された熱交換器のコストが上昇することになるのである。材料が厚くなることと、その他の公知の理由により、渦巻き型や、プリント回路型や、ステンレス製プレートフィン型の熱交換器などの他の形式の熱交換器においてもコストが上昇することとなる。

渦巻き型熱交換器は、一般に、銅またはアルミニウムの管が中央マンドレルに巻きつけられた、管状熱交換器である。管とマンドレルは、圧力容器シェルに封入されている。各管は、圧力容器シェルを介してヘッダに連結されている管板の１つから始まり終端している。熱交換器における各流れのために１つの入口ヘッダと１つの出口ヘッダが設けられている。

動作圧力が高いと、熱交換器は、圧力に耐えるためにより厚い管壁を使う必要があり、必要な材料の量が増えてしまう。従って、渦巻き型熱交換器は、高圧で作動の場合、高価なものとなってしまう。拡散接合型の熱交換器は、平坦な金属板から構成されており、この金属板を化学エッチングまたはプレスして流体流導管が形成されている。

板は、融点よりも低い温度で互いに金属面をプレスすることによって、互いに積み重ねられ拡散接合して、ブロックを形成する。そして、ブロックは、互いに溶接されて、完全な熱交換コアを形成する。ヘッダとノズルは、流体を適切な組の通路に向けるために、コアに溶接される。このため６００バール（ｂａｒａ）に達する設計圧力が得られる。

厚い壁の小さな導管の理由で、より高い設計圧が、プリント回路熱交換器で達成される。同じ圧力降下と熱伝達負荷を達成するためには、より多くの材料が必要であるが、それゆえ、熱交換器は、更に高価になる。

リンデ（Ｌｉｎｄｅ）の報告「高圧酸素の製造（Ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｏｘｙｇｅｎ）」スプリングマン（Ｓｐｒｉｎｇｍａｎｎ）（１９８０年）

本発明の目的は、高圧熱交換器の寸法を減じることによってその価格を低減するとともに、上述した以外の他の利点も有する、空気を分離するための方法と装置を提供することである。

１つの形態において、本発明は、空気を分離する方法に関する。この方法によれば、第１の圧縮浄化空気流と第２の圧縮浄化空気流が発生される。第２の圧縮浄化空気流は、第１の圧縮浄化空気流よりも高い圧力を有している。第１の圧縮浄化空気流と第２の圧縮浄化空気流は、それぞれ、低圧熱交換器と高圧熱交換器で、空気分離装置で発生する還流と間接的に熱交換をして冷却され、これにより、主供給空気流と、液相または気液共存相流体状態の高圧空気流が発生する。ここで「還流」とは、空気分離装置内で精留によって空気から分離された、酸素を豊富に含む流れと窒素を豊富に含む流れのことを意味する。更に、「熱交換器」は、単一の装置或いは並列された複数の装置構成であってもよい。

主供給空気流は、空気分離装置の高圧塔に導入される。高圧空気流は、空気分離装置の低圧塔と高圧塔の少なくとも１つに少なくとも部分的に膨張され導入される。還流は、高圧熱交換器に導入され気化される低圧塔の底部の液体酸カラムであるポンプ送給液体酸素流の少なくとも一部からなっている。加えて、還流は、低圧塔から除去された廃棄窒素流から得られる第１と第２の補助的な廃棄窒素流からなる。第１と第２の補助的な廃棄窒素流は、熱バランスの目的で、それぞれ、高圧熱交換器と低圧熱交換器に導入される。ここで「熱バランスの目的」とは、低圧熱交換器の高温側エンドに出入りする流れの温度を最小化することと、高圧熱交換器と低圧熱交換器の低温側エンドのそれぞれから排出される、主供給空気流と高圧空気流との温度差を最小にすることの双方を意味している。このようにして、昇圧空気流と、ポンプ送給液体酸素流との、高圧熱交換器の低温側エンドでの温度差は、最適にされる。上記したように、低圧熱交換器の高温側エンドでの温度の発散は、高温側の損失を生み出し、高圧熱交換器の低温側エンドでの温度発散は、液体空気が膨張して蒸気を発生し、空気分離装置で行なわれる意図した蒸留を阻害するので望ましくない。

高圧及び低圧熱交換器は、低圧熱交換器での第２の補助的廃棄窒素流に比較して、第１の補助的廃棄窒素流が、高圧熱交換器において高い圧力降下を呈するように構成されている。このことは、低圧熱交換器での第２の補助的廃棄窒素流の圧力降下に等しい第１の補助的廃棄窒素流の圧力降下を得るために必要な断面流路面積よりも小さな流路面積を第１の補助的廃棄窒素流が通過することによって達成される。

例えば、もし、本発明の高圧熱交換器が、プレートフィン構造からなり、第１の補助的廃棄窒素流のためのより高い断面流路面積を用いているならば、分離板とサイドバーなとは厚くする必要があり、その結果、熱交換器の製造コストが上昇することとなる。第１の補助的廃棄窒素流を小さな断面積に通過することによって、その速度は、増加し、その結果、大きな圧力降下を生じる。しかしながら、小さな断面流路面積は、高圧熱交換器内での第１の補助的廃棄窒素流の熱交換に必要な、プレートフィン型熱交換器の層の数を減らすことになる。より少ない層が使われるので、プレートフィン型熱交換器の場合には、高圧熱交換器の高さは、減じられ、その製造コストを減じるのである。

空気流は、圧縮され、冷却され、そして浄化される。空気流は、空気流における高沸騰不純物を吸着するための吸着剤を有する浄化装置で浄化される。第１の圧縮浄化空気流は、圧縮され、冷却され、浄化された後、空気流の第１部分から形成され得る。第２の圧縮浄化空気流は、圧縮され、冷却され、浄化された後、空気流の第２部分を更に圧縮し冷却することによって形成され得る。浄化装置の吸着剤は、低圧熱交換器を通過した第２の廃棄窒素流の第２部分で再生される。第２の廃棄窒素流が比較的高圧であるので、再生作用を提供することができるのである。よって高圧熱交換器において第１の補助的廃棄窒素流に高い圧力降下が生じたとしても、吸着剤の再生作用に影響はない。

圧縮され、冷却され、浄化された後の空気流の第３部分は、低圧熱交換器内で更に、圧縮され、そして部分的に冷却される。その後、ターボエクスパンダ内でターボ膨張され冷凍流を作り、冷凍処理が行われる。冷凍流は、低圧塔へと導入され得る。あるいは、圧縮され、冷却され、浄化された後の空気流の第３部分は、更に、圧縮され、冷却されて、そして、高圧熱交換器内で部分的に冷却されてもかまわない。その後、冷凍流を作るためにターボエクスパンダ内でターボ膨張され、そして、低圧塔へ導入され得る。

本発明の実施例においては、高圧塔の底部液体カラムからなる粗液体酸素流と、高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる窒素を豊富に含む液体流は、廃棄窒素流および低圧塔の上部のカラムからなる窒素を豊富に含む蒸気流と間接的な熱交換をして過冷却され得る。粗液体酸素流の少なくとも一部と、窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部は、膨張され、低圧塔内に導入される。窒素を豊富に含む蒸気流は、還流の１つとして、低圧熱交換器内に導入される。冷凍が低圧熱交換器で生じると、高圧塔の底部の液体カラムからなる粗液体酸素流と、高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる窒素を豊富に含む液体流は、低圧熱交換器内で過冷却され得る。液体酸素流の少なくとも一部と、窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部は、膨張され、低圧塔に導入される。窒素を豊富に含む蒸気流は、還流の１つとして、低圧熱交換器内に導入される。この実施例では、窒素を豊富に含む液体流は、第１の窒素を豊富に含む液体流であり、また、高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる第２の窒素を豊富に含む液体流は、ポンプで送球され、高圧熱交換器内で気化される。

別の態様においては、本発明は、空気分離装置を提供する。本発明のこの態様では、主空気圧縮機、第１アフタークーラならびに浄化装置は、空気流を圧縮し、冷却し、浄化するために設けられ得る。すなわち、圧縮され、冷却され、浄化された後の空気流の第１部分から第１の圧縮され浄化された空気流が発生する。浄化装置と流体連絡して設けられた昇圧コンプレッサは、圧縮され、冷却され、浄化された空気流の第２部分を更に圧縮することができ、第２アフタークーラは、空気流の第２部分を冷却するように、昇圧コンプレッサに連結され得る。これにより、第１の圧縮浄化空気流よりも高圧の第２の圧縮浄化空気流が発生する。高圧熱交換器と低圧熱交換器が設けられ、高圧熱交換器は、第２アフタークーラに連結される。低圧熱交換器は、浄化装置と流体連絡している。高圧熱交換器と低圧熱交換器のそれぞれは、ロウ付けされたアルミニウム構造からなる。

高圧熱交換器と低圧熱交換器のそれぞれは、第１の圧縮浄化空気流と第２の圧縮浄化空気流を空気分離装置で発生された還流と間接的に熱交換して、第１の圧縮浄化空気流と第２の圧縮浄化空気流を冷却するようにされ得、これにより、主供給空気流と、液体或いは濃密相流体状態の高圧空気流とが発生する。空気分離装置は、主供給空気流を受けるために低圧熱交換器に接続される高圧塔と、少なくとも高圧空気流の一部を受けるために膨張装置によって高圧熱交換器に接続される低圧塔からなる。

低圧塔の底部の液体酸素カラムからなる液体酸素流を加圧するために、ポンプを備えることができる。ポンプは、高圧熱交換器に接続され、ポンプ送給される液体酸素流が、高圧熱交換器に導入され、気化される。高圧熱交換器と低圧熱交換器は、低圧塔と流体連絡され、それぞれ、第１と第２の補助的廃棄窒素流を受け取るようになっている。第１と第２の補助的窒素流は、熱バランスの目的で、低圧塔から取りだされる排気窒素流から発生させる。第１の補助的廃棄窒素流が低圧熱交換器における第２の補助的廃棄窒素流の圧力降下と同じ圧力降下を得るために必要な流路断面積よりも小さな流路断面積が、高圧熱交換器内で、第１の補助的廃棄窒素流のために設定されている。以上概略を述べたように、このことは、高圧熱交換器が、低価格で製造されることを可能にする。

浄化装置は、空気流における高沸点不純物を吸収するために吸着剤を備えることができる。浄化装置は、吸着剤を再生するために低圧熱交換器を通過した後の第１と第２の廃棄窒素流の第２部分を受容するように低圧熱交換器に接続される。

もう一つの昇圧コンプレッサが、空気流の第３部分を更に圧縮するために浄化装置に流体連絡して設けられ得、そして第３アフタークーラが、もう一つの昇圧コンプレッサに連結されている。低圧熱交換器は、もう一つの昇圧コンプレッサに連結され、更に圧縮された空気流の第３部分を部分的に冷却するように設計されている。ターボエクスパンダが低圧熱交換器と低圧塔の間に連結され、空気流の第３部分をターボ膨張する。これは、低圧塔に導入される冷凍流を形成する。或いは、高圧熱交換器は、第３アフタークーラに接続され得、更に圧縮された空気流の第３部分を部分的に冷却するように構成され得る。ターボエクスパンダは、空気流の第３部分をターボ膨張するために、高圧熱交換器と低圧塔の間に接続され得、これにより、低圧塔に導入される冷凍流を形成する。

本発明の実施例において、過冷却器は、高圧塔と低圧塔に連結され得、高圧塔の底部の液体カラムからなる粗液体酸素流と、高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる窒素を豊富に含む液体流を、廃棄窒素流および低圧塔の上部のカラムからなる窒素を豊富に含む蒸気流と間接的に熱交換させて過冷却する。低圧塔は、粗液体酸素流の少なくとも一部と窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部を受けるために、過冷却器に接続されている。低圧塔と過冷却器の間に配置される膨張弁は、粗液体酸素流の少なくとも一部と窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部を膨張させる。低圧熱交換器は、窒素を豊富に含む蒸気流を還流の一つとして受けるために、過冷却機に接続されている。

或いは、低圧熱交換器は、高圧塔に接続することができ、高圧塔の底部の液体カラムからなる粗液体酸素流と高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる窒素を豊富に含む液体流を過冷却するように構成されている。そのような場合に、低圧塔は、低圧熱交換器に接続され、その結果、粗液体酸素流の一部と窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部が、低圧塔に導入される。

窒素を豊富に含む液体流は、第１の窒素を豊富に含む液体流であり得る。ポンプは、高圧塔の上部の液化窒素塔カラムからなる第２の窒素を豊富に含む液体流を加圧するために、高圧塔と高圧熱交換器の間に接続され得る。第２の窒素を豊富に含む液体流は、高圧熱交換器内で気化される。

本願発明は、添付の特許請求の範囲で定義するものとするが、本願発明は、添付の図面と共に説明する好適実施例で、より明確に理解されるであろう。

本発明による方法を利用し実行する装置の概略工程系統図である。 本発明による低圧熱交換器に過冷却装置を組み入れて改良した、図１に示した装置の代替実施例の概略部分図である。 図２の代替構成を同様に組み入れ、高圧窒素製品の製造する、図１に示された装置の代替実施例の概略部分図である。 冷凍を供給するための代替装置を示す、図１に示された装置の代替実施例の概略部分図である。

図２、図３及び図４に示されていない部分は、図１と同様である。

図１を参照すると、本発明による装置１が示されている。

空気流１０は、主空気圧縮機１２で圧縮される。第１アフタークーラ１４による圧縮熱の除去後、空気流１０は、浄化装置１６内で浄化される。浄化装置１６は、当業者には周知であるが、空気及び空気流１０中に含まれる高沸騰不純物を吸着するために、吸着剤の層、例えば、アルミナ或いはカーボン分子ふるい型の吸着剤を含むことができる。例えば、そのような周知の高沸騰不純物は、装置１が動作する低精留温度で凍結し蓄積されうる水蒸気と二酸化炭素を含んでいる。加えて、酸素を豊富に含む液体内に集積する炭化水素を吸着するので、それゆえ、安全上の問題が解消される。第１圧縮浄化空気流１８は、圧縮し、冷却し、浄化した後の空気流１０の第１部分から得られる。昇圧コンプレッサ２０は、圧縮され、冷却され、浄化された後の空気流の第２部分を圧縮するために、浄化装置１６と流体連絡し、第２アフタークーラ２２は、空気流１０の第２部分からの圧縮熱を取り除くように、昇圧コンプレッサ２０に接続されて設けられている。これは、第１圧縮浄化空気流１８よりも高圧の第２圧縮浄化空気流２４を形成する。

主空気コンプレッサ１０と昇圧コンプレッサ２０は、単一のユニットとして示されている。しかし、当該技術において知られるように、２つ以上のコンプレッサが、主空気コンプレッサ１０または昇圧コンプレッサ２０のいずれかを構成するように平行に設置させてもよい。そのようなコンプレッサは、同じ大きさとすることができるが、容量が分割された異なる大きさのもの、例えば、７０対３０や６０対４０のものが用いられてもよい。

高圧熱交換器２６は、第２アフタークーラ２２に接続され、低圧熱交換器２８は、第１圧縮浄化空気流１８を受けるために浄化装置１６と流体連絡している。高圧交換器２６と低圧熱交換器２８は共に、好ましくは、ロウ付けされたアルミニウム構造からなり、加熱され冷却されるべき流れのための流路を画成するためにサイドバーによって分離された複数層の分離板で構成されている。流路はそれぞれ、熱交換器内の熱伝達の表面積を高めるために、当該技術では周知のフィンが設けられている。この点で、高圧熱交換器２６は、高圧空気流３０を得るために第２圧縮浄化空気流２４を冷却するように構成されており、低圧熱交換器２８は、主供給空気流３２を得るために第１圧縮浄化空気流を冷却するように構成されている。高圧空気流３０は、液相または気液共存相状態である。当然ながら、他のタイプの熱交換器が使われ得る。例えば、渦巻き型やプリント回路型やステンレスプレートフィン型の熱交換器を使うことができる。更に、高圧熱交換器２６と低圧熱交換器２８は、それぞれ、単一のユニットとして図示されているが、実際には、各々は、相互に平行に結合された複数の熱交換器からなっている。

低圧熱交換器２８は、高圧熱交換器２６よりも、大きな流路断面積と大きな全容積を有している。一般的には、密度が空重量を容積で割ったものとするとき（密度＝空重量/容積）、高圧熱交換器２６の平均密度は、低圧熱交換器２８よりも大きい。一般的な密度は、約１０００ｋｇ/ｍ^３である。高圧熱交換器の一般的な作動圧力は、約８.２７４ＭＰａ（１２００ｐｓｉ）以上である。

空気分離装置３４は、コンデンサ・リボイラ４０によって熱伝達関係で互いに機能的に関連する低圧塔３８と高圧塔３６とを有するように設けられている。随意的に、図示したように、空気分離装置３４は、低圧塔３８に接続されたアルゴン製品を製造用のアルゴン塔４２を含んでいる。しかしながら、アルゴン塔４２が任意であり、本発明が、高圧塔３６と低圧塔３８だけからなる空気分離装置に適用可能であることは理解されるべきである。また、高圧塔３６、低圧塔３８とアルゴン塔４２はそれぞれ、多孔板塔や充填塔のような液体蒸気物質伝達要素を任意に含んでいる。そのような要素は、当該技術において周知のように、精留目的で各塔で分離される混合物の液体と蒸気相の液‐蒸気接触を高める。

高圧空気流３０は、液体ターボエクスパンダ４４により高圧塔３６への導入に適した圧力へと膨張される。液体ターボエクスパンダ４４で生ずる膨張時のエネルギを回収するようにしてもよい。或いは、膨張弁が使われ得る。膨張された後、高圧空気流３０は、第１補助膨張流４６と第２補助膨張流４８に分割される。一般的に、第１と第２の補助膨張流４６と４８は、２相流からなることが理解されるべきである。第２補助膨張流４８は、膨張弁５０によって、低圧塔３８への導入に適した圧力に膨張される。このようにして、第１と第２の補助膨張流４６と４８は、共に、高圧及び低圧塔３６、３８の中間位置にそれぞれ導入され、その位置で、各塔で分離される混合物の組成に適合されるのである。しかしながら、本発明の実施例においては、高圧空気流３０が高圧塔３６または低圧塔３８のいずれかに導入されるようにすることができることは理解されるべきである。

高圧塔３６内の空気の精留は、高圧塔の底部で粗液体酸素カラムを、その上部で窒素を豊富に含む蒸気カラムを作り出す。上部の窒素を豊富に含む蒸気カラムからの流れ５２は、低圧塔で起こる精留によって発生する底部の酸素を豊富に含むカラムを蒸発することによって、コンデンサ・リボイラ４０で液化される。このため、精留により、低圧塔３８内で、その底部に窒素を豊富に含む蒸気カラムが発生する。結果として起こる凝縮は、窒素を豊富に含む液体流５４を発生する。窒素を豊富に含む液体流５４の第１部分５６は、還流として高圧塔３６に戻される。第２部分５８は、過冷却装置６０内で過冷却され、低圧塔３８への導入に適した圧力に膨張弁６２内で膨張され、そして、低圧塔３８に還流として導入される。粗液体酸素流６４は、また、過冷却装置６０内で過冷却され、膨張弁６４で膨張され、その第１部分６６は、更なる精製のために低圧塔３８に導入される。更に、窒素を豊富に含む液体流の第１部分６３は、低圧塔３８に導入される。図示するように、過冷却された後の、窒素を豊富に含む液体流の第２部分６８は、製品流として取り出され得る。また、粗液体酸素流６４の第２部分７０は、膨張弁７２で膨張され、シェル７６内に設けたアルゴン凝縮器７４内で部分的に気化される。参照番号７４、７６でそれぞれ示された粗液体酸素流６４の第２部分７０の液体と蒸気の部分は、低圧塔３８に再導入される。

低圧塔３８内の適切な位置で、アルゴンを豊富に含む流れ７８は、アルゴンを豊富に含む液体流８２を発生するためにアルゴン凝縮器７４内で凝縮されるアルゴンを豊富に含む蒸気流８０を発生させためにアルゴン塔４２内で回収され、精留される。アルゴンを豊富に含む流れ８２の第１部分８４は、アルゴン製品流として取り出され、また、その第２部分８６は、還流としてアルゴン塔４２に戻され得る。

窒素蒸気製品流８８は、低圧塔３８の上部から取り除かれ、廃棄窒素流９０は、窒素製品流８８の純度を維持するために低圧塔３８の上部の下で取り除かれ得る。窒素製品流８８と粗窒素流９０は、粗液体酸素流６４と窒素を豊富に含む液体流５８を過冷却するために過冷却装置６０内で部分的に暖められる。更に、低圧塔３８の底部の酸素を豊富に含む液体カラムからなる液体酸素流９２は、塔から除去可能である。液体酸素流９２の第１部分９４は、ポンプで送給される液体酸素流９８を発生するために、ポンプ９６によって加圧され得、液体酸素流９２の第２部分１００は、製品として任意に取り出され得る。ポンプ送給された液体酸素流９８、窒素製品流８８ならびに後述の粗廃棄窒素流９０は、高圧熱交換器２６と低圧熱交換器２８内で流入空気を冷却するのに使われる空気分離装置３４からの還流を構成する。ポンプ送給された液体酸素流９８は、高圧熱交換器２６内で気化されて、高圧酸素製品流１０２を製造する。過冷却装置６０内で部分的に暖められた窒素製品流８８は、低圧熱交換器２８に導入され、窒素蒸気製品流１０６を製造するために圧縮機１０４で任意に圧縮される。

過冷却装置６０で部分的に暖めた後、廃棄窒素流９０は、第１補助廃棄窒素流１０８と第２補助廃棄窒素流１１０に分割される。第１補助廃棄窒素流１０８と第２補助廃棄窒素流１１０は、上述したような熱バランスの目的で、それぞれ高圧及び低圧熱交換器２６と２８に導入される。有利には、第２補助廃棄窒素流１１０は、低圧熱交換器２８を横切った後、第１と第２の部分１１２、１１４に分割され得る。部分１１２は、当該技術で公知の方法により浄化装置１６内で吸着剤を再生するために利用され、第２補助廃棄窒素流１０８は、完全に暖められ、排気窒素流１１６として排出される。上記したように、熱バランスは、低圧熱交換器２８内での高温側エンドで還流と空気流との温度差を最小にし、すなわち、第２補助廃棄窒素流１１０および製品窒素流８８と流入第１圧縮浄化空気流１８の間の温度差を最小にするために必要であり、これにより低圧熱交換器２８の高温側エンドでの冷凍損失が取り除かれる。低圧空気流３２と高圧空気流３０は、同程度の温度となり、ポンプ送給された液体酸素流９８と高圧空気流３０の間の温度差が最適化される。もし、高圧空気流３０の温度が高すぎると、液体ターボエクスパンダ４０或いは、膨張弁内の膨張時に、過大な蒸気が発生し、所望の蒸留ができない。

上述したように、高圧熱交換器２６と低圧熱交換器２８は、好ましくは、ロウ付けされたアルミニウム製である。高圧熱交換器２６は、その高圧環境では、分離板とサイドバーは厚くされ、高い製造コストを必要とする。製造コストを減じながらも熱バランス機能を行なうために、第１補助廃棄窒素流１０８のための流路断面積は、第１補助廃棄窒素流１０８が高い圧力降下をし、それゆえ暖かい排気窒素流１１６が、完全に暖められた第２補助廃棄窒素流１１０の第１及び第２部分１１２、１１４よりも低圧であるように寸法を定められる。流路断面積は、第１補助廃棄窒素流１０８の高圧熱交換器２６内での圧力降下が、低圧熱交換器２８内で第２補助廃棄窒素流１１０が同じ圧力降下をするために必要とされるものよりも大きくなるように選ばれる。完全に暖められた第２補助廃棄窒素流１１０の第１部分１１２が、大きく圧力降下をしなければ、浄化装置１６内の吸着剤を再生するために利用され得る。

上記したように、また、当該技術において周知のように、プレートフィン型の熱交換器は、例えば、流入空気流や窒素を豊富に含む流れなどの流れが、各流れの間で間接的に効率的に熱交換を行なうようなパターンで配置される分離層を通過するように層状構造を有している。層状構造は、その縁部に沿った層を密封する一連の平行な分離プレートと周辺サイドバーとによって構成され、熱交換器が製造される。マニホールドは、流れを層に供給するために設けられる。フィンの配置は、熱交換に利用可能な面積を増やす層それぞれに設けられる。好ましい実施例では、高圧熱交換器２６の流路断面積は、その中の層の数を操作することによって減らされる。その結果、高圧熱交換器２６は、第１補助廃棄窒素流１０８と第２補助廃棄窒素流１１０内の圧力降下が等しいと、他の方法の場合よりも低い高さとなる。それにもかかわらず、高圧熱交換器２６を通過する流れ１０８の高速は、必要な熱伝達が飛躍的に改善された熱伝達係数によって達成されることを可能とする。同様にして、渦巻き型熱交換器では、増大速度は、必要な熱伝達が第１補助廃棄窒素流のための管の数が少なくて達成されるという結果を導く。装置全体は、それ故に、小さくなり、少ない材料ですむのである。

プリント回路型熱交換器は、多くの層からなるのでプレートフィン型熱交換器に類似している。第１補助窒素流が高速であると、同一の熱交換器では高圧となるが、少ない層で低価格の熱交換器をもたらすことができる。

当該技術で周知のように、低温整流装置は、高温側エンドの熱交換損失を解消するために冷凍されねばならない。空気分離装置１では、圧縮され、冷却され、浄化された後の圧縮浄化空気流１０の第３部分１１８は、昇圧コンプレッサ１２０内で更に圧縮され、第３アフタークーラ１２２内で冷却される。低圧熱交換器２８内で部分的に冷却した後、結果として生じる部分冷却流１２４は、排気として冷凍流１２８を発生させるために、ターボエクスパンダ１２６に導入することができる。冷凍流１２８は、低圧塔３８に導入される。

図２を参照して、高圧熱交換器２８’が、図１に示した高圧熱交換器２８の代替実施例として図示されている。この高圧熱交換機２８’においては、過冷却装置６０は、排除されて、高圧熱交換器２８’に組み込まれている。結果としての方法と装置は、空気分離装置１に関して記載したものとほとんど同じである。しかし、主空気流３２は、過冷却装置６０の排除によって起こる低温側の低温を与えられる高圧熱交換器２８’の中間位置で回収される。

図３を参照すると、図１に示し、図２で改良した空気分離装置の代替実施例が、示されており、ポンプ１３０内の窒素を豊富に含む液体流の第１部分６８’をポンプ送給することによって高圧窒素製品流を発生させ、それから、ポンプ送給窒素流を気化することによって、通路を備えた高圧熱交換器２６’内で高圧窒素蒸気流１３２を発生させるようになっている。図３の空気分離塔は、その他の全ての点で、図２に示した空気分離装置に類似している。更に、製品窒素流６８は、図１及び図２に示したように、取り出される。

図４を参照して、圧縮され、冷却され、浄化された後の空気流１０の第３部分１３６は、昇圧コンプレッサ１３８で圧縮され、圧縮熱を取り除くために第３アフタークーラ１４０内で冷却され得、そして、そのような目的の通路を有する高圧熱交換器２６’内で部分的に冷却される。結果としての部分的に冷却された流れ１４２は、その排気から冷凍流１４６を製造するために、ターボエクスパンダ１４４内で膨張され得る。冷凍流１４６は、低圧塔３８内に導入され得る。その他のあらゆる点で、図４に示した実施例は、図１に示したものと同様である。以下の表は、図３に示した装置で行なわれる、本発明による工程のための予測される例の概要を示すものである。

本発明は、好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者には理解されるように、多くの変更や追加や省略が、請求の範囲に記載した本発明の精神および範囲から逸脱することなく実施可能である。

Claims (14)

1. 第１の圧縮浄化空気流と、該第１の圧縮浄化空気流よりも高い圧力を有する第２の圧縮浄化空気流を生成する工程と、
   前記第１の圧縮浄化空気流と前記第２の圧縮浄化空気流をそれぞれ、低圧熱交換器と高圧熱交換器で、空気分離装置で発生する還流と共に、間接熱交換を介して冷却し、これにより、該第１の圧縮浄化空気流から主供給空気流を生成するとともに、該第２の圧縮浄化空気流から液相または気液共存相流体状態の高圧空気流を生成する工程と、
   主供給空気流を、空気分離装置の高圧塔に導入し、高圧空気流を膨張し、高圧空気流の少なくとも一部を、空気分離装置の低圧塔と高圧塔の少なくとも１つに導入する工程とからなる、空気分離方法において、
   前記還流は、高圧熱交換器に導入され気化される低圧塔の底部の液体酸素カラムからなるポンプ送給液体酸素流の少なくとも一部と、それぞれ高圧熱交換器と低圧熱交換器に導入される、低圧塔から除去された廃棄窒素流から形成される第１と第２の補助廃棄窒素流からなり、
   高圧及び低圧熱交換器は、低圧熱交換器で第２の補助廃棄窒素流が呈する圧力降下に等しい圧力降下を第１の補助廃棄窒素流が生ずるのに必要な流路断面積よりも小さな流路断面積で第１の補助廃棄窒素流が通過することによって、第１の補助廃棄窒素流が、低圧熱交換器での第２の補助廃棄窒素流よりも、高圧熱交換器において高い圧力降下を呈するように構成されている、空気分離方法。
2. 空気流は、圧縮され、冷却され、そして浄化され、該空気流は、空気流における高沸点不純物を吸着するための吸着剤を有する浄化装置で浄化され、
   前記第１の圧縮浄化空気流は、圧縮され、冷却され、浄化された後、前記空気流の第１部分から形成され、
   前記第２の圧縮浄化空気流は、圧縮され、冷却され、浄化された後、前記空気流の第２部分を更に圧縮し冷却することによって形成され、
   前記浄化装置の前記吸着剤は、低圧熱交換器を通過した第１と第２の廃棄窒素流の第２部分で再生される、請求項１に記載の方法。
3. 圧縮され、冷却され、浄化された後の前記空気流の第３部分は、低圧熱交換器内で更に、圧縮され冷却され、そして部分的に冷却され、そして、冷凍流を作るために、ターボエクスパンダ内でターボ膨張され、
   前記冷凍流は、前記低圧塔へと導入される、請求項２に記載の方法。
4. 圧縮され、冷却され、浄化された後の前記空気流の第３部分は、更に、圧縮され冷却され、そして、前記高圧熱交換器内で部分的に冷却されて、そして、冷凍流を作るためにターボエクスパンダ内でターボ膨張され、
   前記冷凍流は、前記低圧塔へ導入される、請求項２に記載の方法。
5. 前記高圧塔の液体塔底部からなる粗液体酸素流と、前記高圧塔の液化窒素塔上部からなる窒素を豊富に含む液体流は、前記廃棄窒素流と、前記低圧塔の塔上部からなる窒素を豊富に含む蒸気流と共に、間接熱交換を介して過冷却され、
   前記粗液体酸素流の少なくとも一部と、前記窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部は、膨張され、前記低圧塔内に導入され、
   前記窒素を豊富に含む蒸気流は、前記還流の１つとして、前記低圧熱交換器内に導入される、請求項１、２、３または４に記載の方法。
6. 前記高圧塔の液体塔底部からなる粗液体酸素流と、前記高圧塔の液化窒素塔上部からなる窒素を豊富に含む液体流は、前記低圧熱交換器内で過冷却され、
   前記粗液体酸素流の少なくとも一部と、前記窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部は、膨張され、前記低圧塔に導入され、
   前記窒素を豊富に含む蒸気流は、前記還流の１つとして、前記低圧熱交換器内に導入される、請求項３に記載の方法。
7. 前記窒素を豊富に含む液体流は、第１の窒素を豊富に含む液体流であり、
   前記高圧塔の液化窒素塔上部からなる第２の窒素を豊富に含む液体流は、前記高圧熱交換器内でポンプで汲み上げられ、気化される、請求項６記載の方法。
8. 空気流を圧縮し、冷却し、浄化して、圧縮され、冷却され、浄化された後の前記空気流の第１部分から第１の圧縮され浄化された空気流を製造する、主空気圧縮機、第１アフタークーラと浄化装置と、
   圧縮され、冷却され、浄化された前記空気流の第２部分を更に圧縮するための、前記浄化装置と流体連絡する昇圧コンプレッサと、前記空気流の前記第２部分を冷却するように前記昇圧コンプレッサに連結され、これにより、前記第１の圧縮浄化空気流よりも高圧の第２の圧縮浄化空気流を形成する、第２アフタークーラと、
   それぞれ前記第２アフタークーラに連結され、前記浄化装置と流体連絡する、高圧熱交換器と低圧熱交換器とからなる空気分離装置であって、
   前記低圧熱交換器と前記高圧熱交換器は、空気分離ユニットで製造された還流との間接熱交換を介して、それぞれ、前記第１の圧縮浄化空気流と前記第２の圧縮浄化空気流を冷却するように構成されて、これにより、該第１の圧縮浄化空気流から主供給空気流を生成するとともに、該第２の圧縮浄化空気流から液体或いは気液共存相流体状態の高圧空気流を製造し、
   前記空気分離ユニットは、前記主供給空気流を受けるために前記低圧熱交換器に接続される高圧塔と、少なくとも前記高圧空気流の一部を受けるために膨張装置によって前記高圧熱交換器に接続される低圧塔からなり、
   前記低圧塔の底部の液体酸素カラムからなる液体酸素流を加圧するためのポンプを備え、該ポンプは、前記高圧熱交換器に接続されて、ポンプ送給後の前記液体酸素流が、前記高圧熱交換器に導入され、気化されるようになっており、
   前記高圧熱交換器と前記低圧熱交換器は、前記低圧塔と流体連絡されて、それぞれ前記低圧塔から除去される排気窒素流から形成される、第１と第２の補助廃棄窒素流を受け取るようになっており、
   前記高圧熱交換器は、前記第１の補助的廃棄窒素流のためのより小さな流路断面積が、前記低圧熱交換器における前記第２の補助的廃棄窒素流が生ずる圧力降下と同じ圧力降下を前記第１補助的廃棄窒素流が生ずるに必要な流路断面積より小さくなるように高圧熱交換器内で設定されるように構成されている、空気分離装置。
9. 前記浄化装置は、前記空気流における高沸点不純物を吸収するために吸着剤を有し、
   前記浄化装置は、前記吸着剤を再生するために前記低圧熱交換器を通過した後の前記第１と第２の廃棄窒素流の前記第２部分を受容するように前記低圧熱交換器に接続される、請求項８に記載の空気分離装置。
10. もう一つの昇圧コンプレッサが、前記空気流の第３部分を更に圧縮するために前記浄化装置に流体連絡して設けられ、第３アフタークーラが、前記もう一つの昇圧コンプレッサに連結され、
    前記低圧熱交換器が、前記もう一つの昇圧コンプレッサに連結され、更に圧縮された前記空気流の前記第３部分を部分的に冷却するように構成されており、
    ターボエクスパンダが、前記空気流の前記第３部分をターボ膨張するように、前記低圧熱交換器と前記低圧塔の間に連結され、これにより、冷凍流を形成し、前記低圧塔に該冷凍流を導入する、請求項９に記載の空気分離装置。
11. もう一つの昇圧コンプレッサが、前記空気流の第３部分を更に圧縮するために前記浄化装置に流体連絡して設けられ、第３アフタークーラが、前記もう一つの昇圧コンプレッサに連結され、
    前記高圧熱交換器は、前記もう一つの昇圧コンプレッサに接続され、更に圧縮された前記空気流の前記第３部分を部分的に冷却するように構成され、
    ターボエクスパンダは、前記空気流の前記第３部分をターボ膨張するために、前記高圧熱交換器と前記低圧塔の間に接続され、これにより、前記低圧塔に前記冷凍流を導入する、請求項９に記載の空気分離装置。
12. 過冷却器は、前記高圧塔と前記低圧塔に連結され、前記高圧塔の底部の液体カラムからなる粗液体酸素流と、前記高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる窒素を豊富に含む液体流を、前記廃棄窒素流と、前記低圧塔の上部のカラムからなる窒素を豊富に含む蒸気流との間接熱交換を介して、過冷却し、
    前記低圧塔は、前記粗液体酸素流の少なくとも一部と前記窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部を受けるために、前記過冷却器に接続されており、
    前記低圧塔と前記過冷却器の間に配置される膨張弁は、前記粗液体酸素流の少なくとも一部と前記窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部を膨張し、
    前記低圧熱交換器は、前記窒素を豊富に含む蒸気流を前記還流の一つとして受けるために、前記過冷却機に接続される、請求項８、９、１０または１１に記載の空気分離装置。
13. 前記低圧熱交換器は、前記高圧塔に接続され、前記高圧塔の底部の液体カラムからなる粗液体酸素流と前記高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる窒素を豊富に含む液体流を過冷却するように構成され、
    前記低圧塔は、前記低圧熱交換器に接続されて、前記粗液体酸素流の少なくとも一部と前記窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部が、前記低圧塔に導入され、
    膨張弁が、前記低圧塔と前記低圧熱交換器の間に配置されて、前記粗液体酸素流の少なくとも一部と前記窒素を豊富に含む液体流の少なくとも一部を膨張し、
    前記低圧熱交換器は、前記低圧塔に接続されて、前記窒素を豊富に含む蒸気流が前記還流の一つとして、前記低圧熱交換器に導入される、請求項１０に記載の空気分離装置。
14. 前記窒素を豊富に含む液体流は、第１の窒素を豊富に含む液体流であり、
    ポンプが、前記高圧塔の上部の液化窒素カラムからなる第２の窒素を豊富に含む液体流を加圧し、前記高圧熱交換器内の前記第２の窒素を豊富に含む液体流を気化するために、前記高圧塔と前記高圧熱交換器の間に接続される、請求項１３に記載の空気分離装置。

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