JPH04506701A - 酸素及び中圧窒素製造のための極低温空気分離方法 - Google Patents

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】 、　び　、　告のための　Ｐ六　゛ １亙立１ 本発明は概ね極低温空気分離に関し、更に特定するに昇圧窒素製造に関する。本 発明は、昇圧窒素とともに有意量の酸素を製造することを可能にする。

１兄ユ」 ４０〜９５ｐｓｉａ範囲の中圧高純度窒素は、エレクトニクス、ガラス、アルミ ニウムないし化学工業の如き多くの産業でブランケット、攪拌、搬送、加圧、不 活性化及び掃気の如き多くの目的に用いられている。一般に、このような窒素は 、窒素が唯一の製品であるシングルカラム空気分離プラントで製造される。ある 状況では、窒素とともに、例えば酸素または酸素富化空気燃焼における使用で商 業上有用な酸素を製造することが望ましい。

極低温空気分離による酸素及び窒素の製造は、大型低圧力ラムと小型高圧力ラム とが、熱交換関係にあるダブルカラムプラントの使用により長年知られてきた。

あいに（なことに、かかる慣用のダブルカラムプラントは大気圧より僅か２〜３ ｐｓｉ高い圧力で窒素を製造する。

これは、より高い所望圧力を達成するのにコスト高な窒素圧縮を必要とする。

中圧窒素と非常に高純度の酸素少量とを製造することのできる知られた極低温空 気分離方法がある。かかる方法はｃｈｅｕｎｇの米国特許第４，５６０，３９７ 号明細書及びＡｙｒｅｓ等の米国特許第４，７８３，２１０号明細書に開示され ている。しかしながら、かかる方法は少量の酸素しか製造し得ず、かくしてその 実用性は、商業上有効な酸素が有意量必要とされるとき制限される。

従って、本発明の目的は、窒素を昇圧で製造し得且つまた商業上有効な酸素を有 意量で製造しつる極低温空気分離方法を提供することである。

支見豆旦１１ 上記目的及び、本明細書の開示から当業者に明らかな他の目的は、昇圧窒素及び 酸素を製造するための下記工程を含む極低温空気分離方法により達成される：（ Ａ）４０〜９５ｐｓｉａ範囲の圧力で作動する主要カラムに原料空気を供給し、 そして該主要カラム内で原料空気を窒素に冨む蒸気と酸素富化液体とに分離し； （Ｂ）該主要カラムより低い圧力で作動し且つ該主要カラムより少ない平衡段を 有する補助ストリッピングカラムにその頂部から酸素富化液体を通し；（Ｃ）該 ストリッピングカラムを下方に且つ逆流蒸気に対向させて酸素富化液体を通して 酸素に冨む液体を生成し： （Ｄ）製品昇圧窒素として窒素に冨む蒸気の最初の部分を回収し； （Ｅ）酸素に冨む液体との間接熱交換により窒素に富む蒸気の第２部分を凝縮さ せて酸素に富む蒸気を生成し：そして、 （Ｆ）該酸素に富む蒸気を逆流蒸気として、ストリッピングカラムを上方に通し ；　そして、 （Ｇ）上記酸素に富む蒸気の一部分を製品酸素として回収する。

用語「カラム」を本明細書中で用いるとき、それは蒸留ないし分別カラム若しく は帯域を意味する。すなわち、液相と気相とを、例えば、カラム内に設置した一 連の若しくは垂直方向に離隔したトレイないし棚上またはカラムを満たした充填 要素上での接触により向流接触させて流体混合物の分離を行う接触カラム若しく は帯域を意味する。蒸留カラムの更に詳しい論議については、Ｃｈｅｍｉｃａｌ 　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’　Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第５版、（ｍ業者Ｒ，Ｈ。

Ｐｅｒｒｙ及びＣ，Ｈ，（：ｈｉｌｔｏｎ）、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ　Ｂｏｏ ｋ　ＣＣ００１ｐａｎＬＮｅ　Ｙｏｒｋ、第１３項、”Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏ ｎ”、Ｂ、Ｄ、Ｓ！ｎ１ｔｈ等、第１３−３頁　Ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ 　Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓを参照されたい。用語「ダブルカ ラム」は、より高い圧力のカラムの上方端部と、より低い圧力の大型カラムの下 方端部とが熱交換関係にある２基のカラムを意味する。ダブルカラムの詳細な論 議は、Ｒｕｈｅｍａｎ　”Ｔｈｅ　５ｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆＧａｓｅｓ”、 ０ｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ、１９４９．第ｖｒｒ童、Ｃ ｏｍｍｅｒｃｉａｌ　Ａｉｒ　５ｅｐａｒａｔｉｏｎに記載されている。気液接 触分離プロセスは、成分に関する蒸気圧の相違に依って異なる。高い蒸気圧（ま たは高い揮発性ないし低い沸点）成分は蒸気相中で濃縮しゃすく、低い蒸気圧（ または低い揮発性ないし高い沸点）成分は液相中で濃縮しゃすい。蒸留は、蒸気 相中の揮発性成分を濃縮し且つそれによって液相中の揮発性成分を減少すべく液 体混合物の加熱が用いられる分離プロセスである。部分凝縮は、蒸気相中の揮発 性成分を濃縮し且つそれにより液相中の揮発性成分を減少すべく蒸気混合物の冷 却が用いられる分離プロセスである。精留または連続的蒸留は、気相と液相との 向流処理により得られる如き連続的な部分気化と凝縮とを組合せた分離プロセス である。気相と液相との向流接触は断熱的であり、積分若しくは微分的相聞接触 を含みつる。精留の原理を利用して混合物を分離する分離プロセス配置はしばし ば精留カラム、蒸留カラム若しくは分別カラムとも呼称される。

用語「間接（的）熱交換」を本明細書中で用いるとき、それは、二つの流体流れ を、なんら互いに混ざり合ったり物理的に接触したりすることなく熱交換関係に 置くことを意味する。

用語「トレイ」を本明細書中で用いるとき、それは接触段（必ずしも平衡段でな い）を意味し、また一つのトレイに等しい分離容量を有するパツキンの如き他の 接触装置を意味しつる。

用語「平衡段」を本明細書中で用いるとき、それは、気液接触段にして、該段を 去る蒸気及び液体が物質移動平衡にあり、例えば１００％の効率を有するトレイ または】理論段相当高さくＨＥＴＰ）に等しいパツキン要素を意味する。

ｍ至ムー且」 第１図は２．本発明の極低温空気分離方法に関する一つの好ましい具体化のフロ ーシートである。

第２図は、本発明の極低温空気分離方法に関する別の具体化のフローシートであ る。

第３図は、本発明の極低温空気分離方法により達成することのできる酸素回収率 のグラフである。

色且皇且ｌ 添付図を参照しながら、本発明を以下詳述する。

ここで第１図に言及するに、圧縮原料空気１はゼオライトモレキエラーシーブ吸 着予備清浄装置１００に通され、そこで水蒸気、二酸化炭素及びアセチレンの如 き不純物が除去される。予備清浄装置は、原料空気を清浄にするのに、例えばり パージング熱交換器よりも好ましい。次いで、清浄な圧縮原料空気２は、後で詳 述する如く、戻し流れに対向した、熱交換器２００での間接熱交換により冷却さ れる。原料空気は、５５〜９９％好ましくは６５〜８５％の原料空気を含む主部 分３と、１〜４５％好ましくは１５〜３５％の原料空気を含む側部分５とに分け られる。主部分３は、冷却を生じさせるべくターボエキスパンダー３００により タービン膨張され、そして膨張流れ４は、４０〜９５ｐｓ　ｉ　ａ好ましくは４ ５〜８５ｐｓ　ｉ　ａ範囲の圧力で作動する主要カラム４００に供給される。こ の圧力範囲の下限を下回るなら、必要な熱交換は効果的に作動せず、また圧力範 囲の上限を上回るなら、リボイラー８００への流れ６ｏは過剰圧力を必要どする 。側部分５ば、熱交換器若しくは過熱器６００による間接熱交換によって凝縮さ れ、バルブ７により膨張され且っカラム４００に導入される小部分６と、カラム ４００残液に対向した熱交換器若しくはリボイラー８００での間接熱交換により 凝縮される大部分６０とに分けることができる。小部分６は１〜２０％の側部分 ５を含み、大部分６ｏは８０〜９９％の側部分５を含む。リボイラー８００内で の大部分６ｏの凝縮はカラム４００への蒸気逆流をもたらし、その結果得られる 凝縮流れ７０はバルブ２５により膨張され、そしてカラム４００に通される。必 要な熱交換を行うために、リボイラー若しくは熱交換器８００は主要カラム４０ ０が作動する圧力より高い圧力で作動する。一般に、リボイラー８００を通る大 部分６０の圧力は、主要カラムが作動する圧力より１０〜９０ｐｓ　ｉ好ましく は１５〜６゜ｐｓｊ高い。第１図はこの圧力差を達成する好ましい態様を例示す る。そこでは、先ず原料空気流れ全体が圧縮され次いで主部分が、主要カラムへ の導入に先立ちプラントに冷却をもたらすべ（タービン膨張される。別法として 、原料空気の側部分のみが、カラム作動圧力を越えた所要圧力に圧縮されつる。

主要カラム４００内で、原料空気は極低温精留により、窒素に富む蒸気と酸素富 化液体とに分離される。

酸素富化液体１１は主要カラム４００から出て、熱交換器６００により適冷され 、バルブ２６を通り、補助ストリッピングカラム５００に該カラムの頂部から通 される。用語「頂部から」は、該液体がカラム５００の平衡段の実質上すべてを 通ることのできる頂部筒所または該頂部箇所近傍を意味する。補助ストリッピン グカラム５００は、主要カラム４００の作動圧力より低い圧力で作動する。スト リッピングカラム５００の作動圧力は一般に１５〜５０ｐｓ　ｉ　ａ範囲である 。ストリッピングカラム５００は主要カラム４００より少ない平衡段を有する。

好ましくは、ストリッピングカラム５００は主要カラム４００の平衡段数の部分 の１以下である。代表的には、主要カラム４００は３５〜５５の平衡段を有し、 ストリッピングカラム５００は２〜１５の平衡段を有する。

酸素富化液体は、順流液体から窒素をストリップするのに役立つ逆流蒸気に対向 してストリッピングカラム５０９を下方に通過し、かくして酸素に富む液体がカ ラム底部で製造される。

窒素に冨む蒸気の最初の部分８はカラム４００から出て、熱交換器６００及び２ ００により加熱され、そして４０〜９５ｐｓ　ｉ　ａ範囲の圧力で中圧窒素製品 ２７として回収される。窒素に冨む蒸気の第２部分９はカラム４００からリボイ ラー若しくは熱交換器７００に通され、そこで酸素に冨む液体との間接熱交換に より凝縮してストリッピングカラム５００のための逆流蒸気を生成する。この熱 交換は好ましくは、第１図に例示する如くストリッピングカラム内部で生じるが 、カラム外でも生じつる。得られた凝縮窒素流れ１０はカラム４００のための液 体還流として主要カラム４００に戻される。所望なら、液体流れ］０の部分１４ は製品液体窒素として回収しつる。最初の部分８と第２部分９とは一緒になって 、主要カラム４００で生成される窒素に冨む蒸気のほぼ全量を構成する。すなわ ち、流れ８のいかなる部分をもカラム系に循環させて戻す必要はなく、流れ８の 全量が製品２７として回収されつる。

所望なら、酸素に富む液体の部分ＩＳを製品液体酸素として回収することができ る。既述の如く、酸素に冨む液体は、カラム５００の蒸気逆流用に酸素に冨む蒸 気を生成すべく窒素に富む蒸気の第２部分との間接熱交換により煮沸される。酸 素に冨む蒸気の部分１３はカラム５００から出て、熱交換器２００により加熱さ れ、そして製品酸素２８として回収される。ストリッピング蒸気はカラム５００ の頂部から流れ１２として取り出され、熱交換器６００及び２００に通すことに より加温される。部分２９は、予備精製器１００のゼオライトモレキュラーシー ブ吸着材を再生するのに用いられ、次いで他の部分３１と共に大気に解放されつ る。

本発明方法の使用により、４０〜９５ｐｓ　ｉ　ａ範囲の昇圧ないし中圧で高純 度の窒素を有意量の酸素と共に生成することができる。製品窒素は少なくとも９ ８モル％の純度で製造し得、９９．９９９９９モル％までの純度を有しつる。製 品酸素は７０〜９９．５モル％の純度を有しつる。製品窒素は高収率で回収され る。一般に、製品窒素すなわち、流れ２７及び、もし使用されるなら流れ１４中 で回収される窒素は原料空気と一緒に主要カラムに導入される窒素の少なくとも ４５％である。流れ２８及び、もし使用されるなら流れ１５中の窒素製品及び酸 素製品の和は主要カラムに導入される原料空気の少なくとも５０％である。一般 に、中圧窒素製品の量は。

より低い圧力の酸素製品の量の少な（とも２倍を越える。

酸素回収の程度は取り分け、所望される酸素の純度及びストリッピングカラムの トレイ数によって異なる。

例えば、１０のトレイを有するストリッピングカラムでは、純度９９．５％の酸 素が回収率３７％で製造され、また純度７０％の酸素が回収率７８％で製造され る。第３図は、第１図に例示される本発明の具体化に関する酸素回収率、酸素純 度及び、低圧で作動するストリッピングカラムトレイ数の関係を総合したグラフ を示す。

第２図は本発明方法の別の具体化を例示する。第２図に例示した具体化では、中 圧窒素製品の量は減少する。しかしながら、所望時、流れ１４中のより多い液体 窒素及び（または）流れ１５中のより多い液体酸素が回収できるように、より多 くの冷却がもたらされる。第２図の数字は、共通要素に関して第１図のそれに相 当するので、ここで該要素を繰り返さない。第２図に例示した具体化は、主要カ ラムの底部にリボイラーがないことで第１図に例示した具体化とは異なる。原料 空気の側部分５はそれ以上分けられない。むしろ、該部分５の全体は熱交換器６ ００に通され、バルブ７により膨張され、そして主要カラム４００に通される。

表工は、第１図に例示した具体化で実施される本発明方法の計算例の概要を含む 。該計算例において、主要カラムは４３の理論段数を有し、ストリッピングカラ ムは３の理論段数を有する。表Ｉ中の流れ番号は、カラム系統を流入ないし流出 する条件に関して第１図の流れ番号に相当する。計算例は例示のために示され、 それによって制限するつもりはない。計算例では、製品窒素は原料空気の５１． ２％に等しく、製品酸素と製品窒素との和は原料空気の７２．１％に等しい。

表−一工 ４　９８．１　５８．７　２４１．３９０６　９３．２　５ｇ、３　７，０９０ ７　０　９３．２　５８．３　４５．０００１　２　８６．６　１７．３　８２ ，０３７　７５．７４　２２．８２　１．４４１　３　８９．６　１７．５　６ １，３３１　２７．５８　７０．００　２．４２８　９０．８　５６．１　１５ ０，６５０９９．９＋　−−−−以上、本発明を特定の具体化に関して説明して きたけれども、当業者なら、特許請求の範囲の精神ないし範囲内で本発明の他の 具体化があることは認識されよう。

要約書 酸素回収率　１％ ―　Ｉτ　ｏｌＩｓ’ｒ：　早伐　官

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．昇圧窒素及び酸素を製造するための極低温空気分離方法にして、 （Ａ）４０〜９５ｐｓｉａ範囲内の圧力で作動する主要カラムに原料空気を供給 し、該カラム内の原料空気を窒素に富む蒸気と酸素富化液体とに分離し；（Ｂ） 前記主要カラムより低い圧力で作動し且つ主要カラムより平衡段の少ない補助ス トリッピングカラムにその頂部から酸素富化液体を通し； （Ｃ）前記ストリッピングカラムを下方に酸素富化液体を逆流蒸気に対向させて 通して酸素に富む液体を生成し； （Ｄ）製品昇圧窒素として窒素に富む蒸気の最初の部分を回収し； （Ｅ）酸素に富む液体との間接熱交換により窒素に富む蒸気の第２部分を凝縮さ せて酸素に富む蒸気を生成し；（Ｆ）酸素に富む蒸気をストリッピングカラムを 上方に逆流蒸気として通し；そして、 （Ｇ）酸素に富む蒸気の一部分を製品酸素として回収することを含む、前記方法 。
2. ２．原料空気が主部分と副部分とに分けられ、また主要部分が主要カラムヘの導 入に先立ちタービン膨張される、請求項１の方法。
3. ３．主部分が原料空気の５５〜９９％を含む、請求項２の方法。
4. ４．副部分のいくらかが、沸騰酸素富化液体に対向して間接熱交換することによ り凝縮され、次いで主要カラムに通される、請求項２の方法。
5. ５．補助ストリツピングカラムが主要カラムの三分の１以下の平行段を有する、 請求項１の方法。
6. ６．更に、窒素に富む蒸気の凝縮された第２の部分を製品液体窒素として回収す ることを含む請求項１の方法。
7. ７．更に、酸素に富む液体の一部分を製品液体酸素として回収することを含む請 求項１の方法。
8. ８．更に、原料空気を、ゼオライトモレキュラーシープ吸着材層に通して清浄に することを含む請求項１の方法。
9. ９．更に、補助ストリッピングカラムからの蒸気を吸着剤層に通して吸着材を再 生することを含む請求項８の方法。
10. １０．製品窒素が４０〜９５ｐｓｉａ範囲の圧力で回収され、そして酸素及び窒 素製品の回収率の和が主要カラムに導入される原料空気の少なくとも５０％であ る、請求項１の方法。