JPH01318882A - 酸素・窒素およびアルゴンから成る混合物の分離法 - Google Patents

酸素・窒素およびアルゴンから成る混合物の分離法

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JPH01318882A
JPH01318882A JP1111923A JP11192389A JPH01318882A JP H01318882 A JPH01318882 A JP H01318882A JP 1111923 A JP1111923 A JP 1111923A JP 11192389 A JP11192389 A JP 11192389A JP H01318882 A JPH01318882 A JP H01318882A
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column
low pressure
pressure
oxygen
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Rodney J Allam
ジョン アラム ロドニー
Alan L Prentice
アラン リンドセイ プレンティス
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Air Products and Chemicals Inc
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野〕 この発明は空気をその構成成分に分離する方法に関する
。さらに詳述すれば、この発明は空気分離法におけるア
ルゴンの回収を最大限にする制御方法に関する。
[従来の技佑] 空気を極低温蒸溜によってその構成成分に分離する方法
には多数があることは周知であり、それらの中で代表的
なしのはアメリカ合衆国特許箱3.729,943号、
4,533,375号、4,578.H5−号、4.6
04.H6号、4,605,427号、4,670,0
31号および4,715,874号である。
そのほか、構造的あるいは順序的パフキングの実施例は
技術については周知でありそのうち代表的なものとして
アメリカ合衆国特許箱4,128,684号、4.18
6.159号、4.2!16,050号、4,455.
33’)号、4.497,751号、4,497.75
2号および4,497,753号がある。
[発明か解決しようとする課題] この発明はは、オーバーヘッド凝縮器と低圧塔が備わる
アルゴン枝つき塔から成る蒸溜装置における極低温蒸溜
によって、酸素、窒素およびアルゴンから成る混合物(
たとえば空気)の分離の方法の改良に関する。
[課題を解決するための手段] この発明はアルゴン回収を増加させることと、低圧塔の
下部中間位置から回収した供給カスの圧力を減圧し、そ
れによって前記アルゴン枝つき塔の作業圧力を、前記オ
ーバーヘッド凝縮器を横切る最少温度差と、前記アルゴ
ン枝つき塔のオーバ・−ヘッド凝縮器から低圧塔への粗
酸素蒸気の無条件戻りとに矛盾のない最低有効圧に調節
する。供給ガスの好ましい圧力範囲は約1.5psig
乃至約155sigである。この発明は、低圧塔とアル
ゴン枝つき塔との双方における構造化パッキングを利用
する方法に最も著しく適切である。
[作  用] ここて添付図面を参照しながらこの発明をさらに詳細に
説明する9 この発明は、酸素、窒素およびアルゴンの混合物たとえ
ば空気をアルゴン枝つき塔が低圧塔と−・体に接続する
蒸溜塔における極低温蒸溜により分離する方法の改良に
関する。本質的にこの発明の改良はアルゴン回収の増加
に対してでありまた、低圧塔の下部から回収し、制御弁
を横切るアルゴン枝つき塔の下部位置に送る供給ガスの
圧力を減圧し、それによって前記アルゴン枝つき塔の作
業圧力を、前記オーバーヘッド凝縮器を横切る最少温度
差と前記アルゴン枝つき塔のオーバーヘット凝縮器から
低圧塔への粗酸素蒸気の無条件戻りとに矛盾しない最低
有効圧力で調節する。この方法は通常の内部装置たとえ
ばトレーあるいは構造的パッキングのいずれかを利用す
る蒸溜塔に適用できるが、この発明の利点は構造的パッ
キングを利用する蒸溜塔において最も明白である。
この発明は、通常二段基とアルゴン枝つき塔との併用に
よりアルゴンの極低温空気分離プラン1へから最大限に
回収する問題に関する。そこにおいて、低圧ならびにア
ルゴン枝つき塔は構造化パッキングまたは通常型蒸溜ト
レーのいずれかで取付けられる。この発明の方法はこの
ような塔蒸溜装置が備わる典型的空気分離法に関して最
もよく理解される。これらの3塔は高圧塔、低圧塔およ
びアルゴン塔と称せられる。アルゴンと酸素を分離し、
生成物としての双方を生産する空気分離法の実施例は、
アメリカ合衆国特許箱3,729,943号、4.53
3,375号、4,578,095号、/1,604,
116号、4.6OS、427号、4,670,031
 号および°4,715,874号に示され、その明細
書は参考としてこの明細書に組み入れられている。この
発明の適用を示す典型的系統図は第1図に示されている
第1図を参照して、周囲温度に近い温度で圧縮した空気
を管路10を経て、その露点に近い温度に冷却する熱交
換″P&12に送る。水と二酸化炭素をこの供給空気か
ら分子篩吸着(図示せず)により除去する。この除去も
また気流と、熱交換器12ずなわち逆転熱交換器に入る
低圧戻りと流れを交互にして達成できる。ここで管路1
4にあるこの冷却圧縮不純物のない空気を2部分に分割
する。第1部分を管路1Gを経由して高圧塔18の低部
位置に送る。
管路20にある第2部分をさらに2部分に分割する。
その第1部分を管路21を経由してアルゴン生成物気化
器94に送り、第2部分を生成物気化器22に送って凝
縮し液体酸素を周囲水溜生成物気化器で沸騰させ、生成
物気化器22から管124を経て除去する9管M@24
の凝縮液をその後、2部分に分離し、第1部分を供給材
料として管Il@26を経由高圧塔18の中間位置に送
り、管路28にある第2部分を熱交換器30で過冷しj
−T弁32でフラッシュして管路34を経由低圧塔36
の中間位置に送る。
オーバーヘッドを高圧塔18から管路40を経由して除
去しその後2部分に分割する。第1部分を主熱交換器1
2で熱入れして冷凍を回収しその後高圧窒素生成物とし
て管路44を経由して除去する。第2部分を管路46を
経由して低圧塔36の底に配設されたりボイラー・凝縮
器48に送り、そこにおいて凝縮し管路50を経て除去
する。この凝縮純粋窒素流れをその後3部分に分割する
。第1部分を管路52経由高圧塔18の上部に送り高圧
塔18に濁流させる9第2部分を液体窒素生成物として
管路54経山除去し、管路56経由除去した第3部分を
熱交換器30て過冷し、j−T弁58でフラッシュして
低圧塔36の上部に管路60を経由して送り、純粋窒素
を低圧塔36の最上層部に濁流させる。一つの選択とし
て、管路54にある第2部分を適冷器30で過冷してか
ら生成物として除去する。
高圧塔18からの高酸素残液を管路62経由除去する。
この流れをアルゴン生成物気化器94からの空気流10
0と混合して、混合高酸素液流を形成する。
この混合液流を熱交換器30で過冷しその後2本の副流
に分割する。管路66の第1副流をj−T弁68でフラ
ッシュして低圧塔36の上部中間位置に送り込む、管路
70の第2副流をj−T弁71でフラッシュしてアルゴ
ン塔72の上部に配設された周囲水溜凝縮器86に送り
凝縮器86に冷却させる。気体オーバーヘッドを前記周
囲水溜凝縮器86のオーバーヘッド部分かち管R,74
経出で除去し、前記周囲水溜凝縮器86からこれも除去
した小液流76と混合して混合流18を形成する。流れ
76を安全上回収する。
すなわち、この回収は炭化水素が前記周囲水溜凝縮器8
6に蓄積されないようにするためである。この混合流れ
を18をその後低圧塔36の中間位置に送り込む。
側流を低圧塔36の下部中間位置から管F#I80経由
除去し、調節弁81で減圧してアルゴン塔72の下部に
送る。中間還流を提供するため側流80の抜き傾斜と同
じ位置で低圧塔36にアルゴン塔72がらの残液を管路
82経出で戻す、オーバーヘッドアルゴンをアルゴン塔
12から管路84を経由して除去し、凝縮器86で凝縮
して2部分に分割する。第1部分をアルゴン塔72の上
部に管路90を経由して戻してアルゴン塔72に還流さ
せる。第2部分を除去し、管l@72を経由してアルゴ
ン生成物気化器94に送る。
アルゴンガス生成物を生成物気化器94から管路96経
由除去して、アルゴン液体生成物を生成物気化器94か
ら管路98を経て除去する。
残液流を低圧塔36(周囲残液溜りボイラー/凝縮器4
8)から除去して前記周囲水溜生成物気化器22に管路
102を経由送る。気体酸素生成物を前記周囲水溜生成
物気化器22のオーバーヘッドから管路106を経由し
て除去してそれを熱入れして主熱交換器12で冷却を回
収し気体酸素生成物として管路108を経て除去する。
液体酸素生成物を周囲水溜生成物気化器22の下部から
液体酸素生成物として管路104経由して除去する。
液体側流を管路110経由して高圧塔18の中間位置か
ら除去する。この不純液体側流を熱交換器30で過冷し
、減圧して低圧塔36の上部に管路112を経由還流と
して送る。加えて、気体側流を管路114を経由して高
圧塔18の同様位置から除去する。
この4s流を主熱交換器12で熱入れして冷却を回収し
エキスパンダー116で加工発泡させて冷却を回収する
。この発泡流れはここで流118に入る。
気体l!!li流を管路120経由低圧塔36の上部位
置から除去して2部分に分割する。管路122の第1部
分を熱交換器12で熱入れし冷却を回収し再活性化ガス
として利用してプロセスから管路124経由して除去す
る。再活性化ガスは分子篩吸着装置の再活性化に必要で
、圧縮供給空気から水と二酸化炭素の除去にそれを用い
る。再活性化ガスが不必要の場合、そこで流れ124を
廃棄物として大気に排気することになる。管路126に
ある側流の第2部分を熱交換器30で熱入れして、冷却
を回収してから、膨張流れ118と混合して混合流れ1
30を形成する。この混合流130をその後熱交換器1
2で熱入れしてわずかの残留冷却も回収して廃棄物とじ
て管B132経由排気する。
最後に、低圧塔36からのオーバーヘッドを管路134
経山除去して熱交換器30で熱入れして冷却を回収する
。ここで管路136に来ているこの熱入れオーバーヘッ
ドを熱交換器12で更に熱入れしてわずかな残留冷却も
回収して低圧窒素生成物として管路138経由除去する
上記工程における蒸溜塔は、蒸溜トレイまたは構造的パ
ッキングのいずれかである内部装置を利用することにな
る。
第1選択は蒸溜トレーの利用である0選択作業周期、生
成物の形状および動力と資本の相対値に依存するが、高
圧塔、低圧塔およびアルゴン塔の典型的理論トレー数は
それぞれ50.70および40である。典型的にまた特
別に設計した蒸溜トレーは分離をもならすため塔内で使
用される、これらの蒸溜トレーはおおむね4乃至8イン
チ(約10.2乃至約20.3on)の範囲で離間する
トレーを用いる設計をしている。大型プラントには、f
f!)レーを普通用いる。大面積は典型的例としてトレ
ー面積の5乃至15%である。
第2選択はfll造的パッキングを使用することである
。構造的または順序的パッキングの術語の意味すること
は、液体が気体流に対し自流方向に造形表面上を流れ、
そこにおいて表面は主流方向と垂直の方向に液体または
くおよび)蒸気混合を促進させて低圧力低下の高い物質
移動ができるよう配設されている。順序化または構造化
パッキングの実施例はアメリカ合衆国特許第4,128
,684号、A、 180.159号、4.2’116
,050号、4,455,339号、4゜A’J7.7
51号、4,497.752号および”4,407,7
53号に開示されており、その明細書はこの明細書で参
与として組み入れられている。これらの特許は、構造化
(順序化)パッキングの特定実施例を開示しているが、
それらは実施例を余すところなく列挙してはいない。注
目すべきことは、この発明の意図が、ある種類の構造化
パッキングが別の種類のものにまさるとするものではな
いことである。構造化パッキングのすべての種類がこの
発明に適用可能であると考えられる。指摘すべきことは
、これらのパッキング要素の性能が炭化水素の分離には
十分に周知のことであるが、空気の極低温分離の技術に
おいてこの用途についての示唆はない。
先述のように、この発明は、蒸溜段として低圧ならひに
アルゴン塔の全ての部分に従来使用されたトレーを構造
的パッキングに置き換えることから本質的になるが、高
圧塔のトレーもまた構造的パッキングに置き換えて一層
のエネルギー節約をもたらすことができる。
構造的パッキングの利用が、第一低圧塔パッキングを通
って大きく低下する圧力降下による空気圧と空気圧縮力
の低下と、第二に酸素と比べてアルゴンの相対揮発性を
増大させる低圧塔およびアルゴン枝つき塔における低圧
のなめ達成されるアルゴン回収の増加によって経済的に
正しいものとなった。
いずれの場合(トレーまたは構造的パッキング)でも、
通常空気分離法において、枝つき塔のオーバーヘッド凝
縮器を横切る温度差(D ’T’ )は前記凝縮器が必
要とするしのより大である:これは、アルゴン塔を低圧
塔からの供給点におけるよりも低い圧力で運転しそれに
よりオーバーへノド凝縮器を横切る温度差1.1°C(
2F)になる余地かあることを意味する。低圧は相対揮
発性の増加により高いアルゴン回収をもたらずことにな
る。
この人きい温度差は通常の制御装置を用いて起こる非能
率の主要原因であり、それは第2図に示されそこにおい
て低圧塔からアルゴン枝つき塔への供給カス流星にはな
んの制限もないし、またそこにおいて前記オーバーヘッ
ド凝縮器を離れる粗酸素蒸気の背圧調節をして流星の調
節をする。
アルゴン枝つき塔の通常制御装置を示す第2図を参照し
て、側流を低圧塔223の下部中間位置から管路201
を経由して除去し、アルゴン塔の下部に送る。塔223
に中間還流を提供するため側流201の抜き傾斜と同じ
位置で低圧塔223にアルゴン塔203からの残液を管
路205を経由して戻す。
オーバーヘッドアルゴンをアルゴン塔203から管路2
07を経由して除去し凝縮器209で凝縮する。
凝縮アルゴンを凝縮器209から管路211を経て除去
しそれを2部分に分割する。第1部分を管路215を経
由してアルゴン塔203の頂部に戻しアルゴン塔203
に還流を提供する。第2部分を粗アルゴン生成物として
管路213経由除去する。凝縮器209の熱交換として
、租液体酸素を前記周囲水溜凝縮器209から除去する
。(!化粗酸素を前記周囲水溜凝縮器209から管路2
19から除去し、調節弁221を横切る圧力を減しそし
てそれを中間供給材料として低圧塔223に送る。この
気化流のほかに、小液流も前記周囲水溜凝縮器009か
ら除去して低圧塔(図示せず)に戻す、この液流は前記
周囲水溜凝縮器209に炭化水素がM積しないよう安全
上必要である。
この制御装置の代替がこの発明のfttllf!l装置
として第3図に示されている。この発明の制御装置は低
圧塔からアルゴン枝つき塔へのガス供給管路に配設され
た制御弁から成り、前記低圧塔内の圧力以下の前記アル
ゴン枝つき塔内の圧力を最小値にFげてオーバーヘッド
凝縮器を横切る温度差をその最小経済値に下げまた、前
記オーバーヘット凝縮器から低圧塔への粗酸素蒸気に制
限がおきないようにする。
前記制御装置操作を以下にさらに詳細に述べる。
第3図を参照して、側流を低圧塔323の下部中間位置
から除去し、調節弁302を横切る圧力を減らしてそれ
をアルゴン塔303の下部に送る。低圧塔323に中間
基還流を提供するため、側流301の抜き傾斜と同じ位
置で低圧塔323にアルゴン塔303からの残液を管路
105を経由して戻す、オーバーヘッドアルゴンをアル
ゴン塔から管路307を経由して除去して凝縮器309
で凝縮する。凝縮アルゴンを凝縮器から管&’8311
を経て除去しそれを2部分に分割する。第1部分をアル
ゴン塔303の頂部に管路315に戻してアルゴン塔3
03に還流を提供する。第2部分を粗アルゴン生生物と
して管路313を経て除去する。凝縮器309の熱交換
として、粗液体酸素を周囲水溜凝縮器309に送る。帰
化In酸素を前記周囲水溜凝縮器309がら管路319
経由除去しそれを中間供給材料として低圧塔323に送
る。この蒸気流のほかに、小液流も前記周囲水溜凝縮器
309から除去しそれを低圧塔(図示せず)に戻す、こ
の液流は前記周囲水溜凝縮器309に炭化水素類が蓄積
しないよう安全上必要である。
前記2制御装置をさらに詳述すると、通常の制御機構に
は、沸膀粗液体酸素の圧力調節による粗アルゴン塔流れ
の調節が提供されている。この間制御方法は、気化粗液
体酸素を低圧塔に送る管路に配設された調節弁の開閉に
より達成される。気化粗流体酸素の圧力が上昇するに従
って、その沸点温度は暖められる。この温度上昇に従っ
て、前記粗アルゴン凝縮に要求される必要温度もまた上
昇する。前記凝縮相アルゴンの圧力はこのように上昇し
それは低圧塔とTrlアルゴン塔の頂部との間の差圧駆
動力を低下させ、結果として流量が低下す°る。換位的
に、気化粗液体酸素の圧力を減すると粗アルゴン塔への
流量を増加させる。前記粗アルゴン塔への必要流星に対
しては、粗液体酸素の対応気化圧力がある故、調節弁を
横切る比圧低下もある。
この発明はアルゴンの回収を最大限にする仕事を気化粗
酸素の圧力をその最少圧力、すなわち低圧塔圧カブラス
小圧力低下に設定することで達成する。これは結果とし
て、アルゴン枝つき塔凝縮器を横切る設計温度差と矛盾
のないアルゴン枝つき塔内に最低圧力をもたらす。
アルゴン枝つき塔凝縮器を横切る最少温度差によって、
低圧塔からアルゴン塔までの供給材料の圧力を調節弁を
用いることで低下し最大のアルゴン回収を得る必要があ
る。アルゴン枝つき塔へ送る供給ガスの好ましい圧力範
囲は約1.5psig乃至約i5psigである。
通常または先行技術における気化粗酸素の過剰圧力はこ
の発明ではアルゴン枝つき塔内の作業圧力に転換される
。その後、流星を供給調節弁で制限して粗アルゴン塔へ
の流量を設定する。これは粗アルゴン塔が低下圧力と正
しい供給流量での操作を可能にする。これは固有改良分
離能力を低作業圧力で利用することであって、これは高
いアルゴン回収をもたらす。
[実  施  例] この発明の効力を立証し、またこの発明の方法を利用し
て達成された増加アルゴン回収と生産とを具体的に示す
ため、2実施例をSI算機でシミュレートした。各実施
例には4変形かあり、通常型蒸溜トレー内部装置と構造
式パッキング内部装置の双方、丈な通常型il+御装刃
装置の発明の制御装置の双方に対しンミュレートした。
実施例■:高圧塔021モル1モル気流から高圧塔への
気体酸素純度99.5%N2流れ 実施例■:高圧塔0.21モル1モル気流から高圧塔へ
の気体酸素純度99.7%N2流れ これら2実施例の結果は下記の通り: 実施例■・ アルゴン  49.07 49.30  58.76 
5’1.5g回収% 実施例■・ アルゴン  68.33  G9.28  90.65
 90.85回回収 アルゴン  +00  101.39 100  10
0.22生成% [発明の効果] 注目すべきことは、この発明の制限装置がアルゴン生成
を0.2乃至14%だけ増加させていることで、この与
えられたアルゴンの数値は有意である。
アルゴンの回収は、アルコン生成に含有されるアルゴン
をプラントに送られる供給空気中のアルゴンで割って決
める。
通常の方法のように、実質的に低圧塔からの供給路の圧
力でアルゴン塔を操作するよりむしろこの発明が提案す
るアルゴン枝つき塔への供給中の調節弁を用いると低圧
でアルゴン塔が操作できるようになる。
この圧力は、酸素に対するアルゴンの相対揮発性が増加
するため、アルゴン対酸素の分離が結果としてよくなる
。その増加は表面上率さい(例えば、充填塔実施例の増
加は、1.1198乃至L1267)が、それにもかか
わらず、前記相対揮発性が単位元に近くまたアルゴン枝
つき塔には40乃至50の移動単位があるので、前記増
加は有意である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、アルゴンと酸素生成物生産の3蒸溜塔装置を
利用するこの発明の方法の略図、第2図は、通常型3蒸
溜塔装置で利用される制御装置の略図、第3図は、この
発明の方法に利用される制御装置の略図である。 10・・管路、12・・熱交換器、14.16・・管路
、18・・・高圧塔、20.21  管路、22・・生
成物気化器、24.26゜28・・・管路、30・・・
熱交換器、32・・j−T弁、34・管路、36・低圧
塔、40,42,44,46 、、、管路、 50,5
2゜54.56・・管路、58・・j−T弁、60.6
2・・管路、70・管路、71・・・j−T弁、72・
アルゴン塔、74・・管路、16・・・小液流、78・
混合流、80・・・管路、81  調節弁、82.84
・・・管路、86・・・凝縮器、88.90゜92・・
管路、94・・・アルゴン生成物気化装置、96.98
・・管路、100・・流れ、102,104,106,
108.NO,112゜114・管路、116・・エキ
スパンダー、 118・流れ、120.122,124
,126・・・管路、130・・・混合流、132.1
34・、・管路、201/301  管路、203/3
03アルゴン塔、205/305,207/307・・
管路、209/309・・・凝縮器、243/313,
215/315,217/347.21’l/319・
・・管路、221/321・・・調節弁、223/32
3・・低圧塔。 特許出願人 エアー、プロダクツ、アンド ケミカルス
、インコーボレーテット 自発手続補正書

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸素、窒素およびアルゴンから成る混合物を、オ
    ーバーヘッド凝縮器と低圧塔が備わるアルゴン枝つき塔
    から成り、そこにおいて前記アルゴン枝つき塔が前記低
    圧塔と一体に通ずることから成る蒸溜単一装置における
    極低温蒸溜により分離する方法において、前記低圧塔の
    下部中間位置から回収した供給ガスの圧力を減らし、そ
    れを前記アルゴン枝つき塔の下部位置に送り、それによ
    って前記アルゴン枝つき塔の作業圧力を、前記オーバー
    ヘッド凝縮器を横切る最少温度差と、前記アルゴン枝つ
    き塔のオーバーヘッド凝縮器から低圧塔への粗酸素蒸気
    の無条件戻りとに矛盾のない最低有効圧に調節すること
    から成るアルゴン回収を増加させることを特徴とする酸
    素、窒素およびアルゴンから成る混合物の分離方法。
  2. (2)前記酸素、窒素およびアルゴンから成る混合物は
    空気であることを特徴とする請求項1による分離法。
  3. (3)前記低圧塔とアルゴン枝つき塔には構造的パッキ
    ング内部装置が備わることを特徴とする請求項1による
    分離法。
  4. (4)前記低圧塔とアルゴン枝つき塔には蒸溜トレー内
    部装置が備わることを特徴とする請求項1による分離法
  5. (5)前記アルゴン枝つき塔への供給ガスの減圧圧力は
    約1.5psig乃至約15psigの範囲であること
    を特徴とする請求項1による分離法。
JP1111923A 1988-04-29 1989-04-28 酸素・窒素およびアルゴンから成る混合物の分離法 Pending JPH01318882A (ja)

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