JPH05157448A - 供給材料空気流れを構成成分に分離する極低温法 - Google Patents

供給材料空気流れを構成成分に分離する極低温法

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JPH05157448A
JPH05157448A JP4144777A JP14477792A JPH05157448A JP H05157448 A JPH05157448 A JP H05157448A JP 4144777 A JP4144777 A JP 4144777A JP 14477792 A JP14477792 A JP 14477792A JP H05157448 A JPH05157448 A JP H05157448A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大気圧に非常に近い圧力を必要とする冷却水
の生産に、又大気圧より高い圧力を必要とする分子篩層
の再生に大量の廃棄窒素を用いる先行技術の改良による
資本経費の低減。 【構成】 少くとも高圧蒸留塔と低圧蒸留塔とを備える
蒸留塔装置は互いに熱伝達する。低圧塔は９乃至７５ｐ
ｓｉｇの圧力で作動し、窒素生成物をそれの上部部分か
ら生産する。蒸留塔装置への少くとも５０％をこの窒素
生成物として除去するが、その濃度は少くとも９５％、
又圧力は少くとも９ｐｓｉｇである。本方法の改良は、
窒素生成物の部分熱入れと、それに続く等エントロピー
膨脹と、膨脹窒素の固有冷凍を用いることで、これらの
工程を３方法で実施できる。 【効果】 空気分離と液体生産とは非常に効率よく一体
化され、設備の大きさ、圧力低下による損失、空気清浄
分子篩層再生エネルギー消費を低減させる一方、液体生
成物を窒素生成物の圧力エネルギーで発生させることが
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温でプロセスの蒸留
塔の操作中に空気をその構成成分に蒸留の極低温法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】空気の構成成分の特定の応用では、しば
しば構成成分を空気分離プラントから液体生成物として
生産されることが要求される。高圧極低温空気分離サイ
クルは装置が比較的小型であること、配管径が比較的小
径であることのみならずこれらの配管と装置を横切る圧
力低下のためのエネルギー損失が小さいという利点があ
る。残念ながら、高圧空気分離プラントサイクルにより
生産される窒素は、その使用で必要とされる圧力より高
い圧力であることが典型的である。高圧サイクルからこ
の余剰の圧力のエネルギーは液体生成物の生産に利用で
きる。この余剰圧力エネルギーの有用性に対しての探求
は、高圧サイクルからの窒素生成物の圧力エネルギーを
利用するさらに有効な方法を見出すことである。
【０００３】液体酸素又は（及び）液体窒素の普通の製
法は、低圧塔が約２乃至９ｐｓｉｇの圧力範囲で作動す
る低圧サイクル空気分離装置に液化機を付加することで
ある。米国特許第４，１５２，１３０号では圧縮空気を
膨脹させて液化に必要な冷凍を供給することを示してい
るように液化機を空気分離プラントと一体にできる。空
気膨脹サイクルでは、大量の液体窒素生成物が必要な場
合には、アルゴンと酸素の回収が重く欠点として残るこ
とが不利益である。
【０００４】米国特許第４，７０５，５４８号では窒素
での熱ポンプを用いてこの回収の問題解決を教示してい
るが、残念なことには、この熱ポンプ工程が熱交換器に
おけるエネルギー損失を増大させるので非効率を持込
み、資本経費を増大させる。
【０００５】イギリス国特許第１，４５０，１６４号
は、空気分離装置の作業圧力を増圧させて、増圧窒素生
成物を生産し、その後、この圧力エネルギーを用いて液
体酸素の生産に必要な冷凍の補足を行う。このサイクル
は、加圧窒素の膨脹で発生する冷凍の利用でエネルギー
を不必要に崩壊させるので有効ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】通常の空気分離プラン
トの別の問題は、典型的例として、大気圧に非常に近い
圧力（たとえば、大気圧より約０．５ｐｓｉ高い）であ
ることを必要とする冷却水の生産に、又大気圧より１乃
至３ｐｓｉ高い圧力であることを必要とする分子篩層の
再生に、大量の廃棄窒素を用いることである。一般的に
は、両方の流れを低圧塔から発生させ、その圧力は分子
篩再生流れの圧力により設定され、その結果比較的高い
塔圧、従って主空気圧縮機からの比較的高い排出圧力と
なる。低圧塔の圧力を設定する別の方法は、水冷却窒素
流れ圧に従うことで、再生流れを必要圧力に圧縮する。
これの解決には、再生流れ増圧器と最終冷却器が資本経
費に加わるので、さらなる資本を必要とする。
【０００７】本発明の目的は、空気をその構成成分に分
離する改良された極低温法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の方法において、
少くとも２つの蒸留塔すなわち、高圧蒸留塔と低圧蒸留
塔を具備し、これら２つの蒸留塔を互いに熱伝達する蒸
留塔装置を用いる。前記蒸留塔装置の低圧塔は９乃至７
５ｐｓｉｇの圧力で作動し、窒素生成物をそれの上部セ
クションから生産する。前記蒸留塔装置への空気の少く
とも５０％をこの窒素生成物として除去するが、それに
は少くとも９５％の濃度を有し、少くとも９ｐｓｉｇの
圧力である。
【０００９】本発明の改良点は、液体生成物を極低温法
で有効な仕方で生産できる一連の工程である。これらの
工程は主として窒素生成物の部分熱入れと、それに引続
く等エントロピーに近い膨脹と、膨脹窒素に固有の冷凍
とである。これらの工程は３つの方法で実施できる。
【００１０】第１の方法は次の工程からなる：(a) 窒素
生成物を適当なプロセス流れに接触させる熱交換により
部分熱入れすることと；(b) この部分熱入れ窒素生成物
を膨脹器で等エントロピーに膨脹させ、この膨脹の結果
として膨脹窒素の温度を、高圧塔から除去される液体流
れの温度よりも低い温度にすることと；(c) 前記高圧塔
から除去される液体流れを等エントロピーに膨脹させた
窒素に接触させる熱交換で過冷してから前記液体流れの
圧力を弁を横切って等エンタルピーに減圧すること。
【００１１】第２の方法は次の工程からなる：(a) 窒素
生成物を適当なプロセス流れに接触させる熱交換で部分
熱入れすることと；(b) この部分熱入れ窒素生成物を膨
脹器で等エントロピー膨脹させ、この膨脹の結果として
膨脹窒素の温度が前記２塔式蒸留塔装置に送る供給材料
空気の露点又はそれ以下にすることと；(c) 前記供給材
料空気を前記塔エントロピーに膨脹させた窒素に接触さ
せる熱交換により冷却、又あるいは凝縮させること。
【００１２】第３の方法は、窒素生成物を２つの副流に
分割して、前記副流の一方を用いて前記工程の第１群を
実施、他方の流れを用いて前記工程の第２群を実施す
る。
【００１３】
【作用】本発明は、少くとも２塔を具備し、低圧塔の作
業圧力を通常の２乃至９ｐｓｉｇの圧力以上に増圧する
蒸留塔装置を用いる極低温空気分離法の改良である。低
圧塔の圧力を９乃至７５ｐｓｉｇにして、低圧塔窒素生
成物を同様の圧力で生産する。そのうえ、空気分離プラ
ントに到来する空気の少くとも５０％をこの低圧塔窒素
生成物として除去する；前記除去窒素生成物は少くとも
９５％の窒素濃度を有し圧力は少くとも９ｐｓｉｇであ
る。前記蒸留塔からのこの高圧窒素の有意の留分を膨脹
器で極低温で等エントロピーに膨脹させて、液体窒素又
は（及び）液体酸素又は（及び）液体アルゴン生産に必
要な冷凍を供給する。
【００１４】改良は、高圧窒素を１つ（又はそれ以上）
の膨脹器に入れ極低温で等エントロピーに膨脹させる方
法からなる。好ましくは、この膨脹を次の２方法のうち
の１つで達成させることである： (1) ２塔式蒸留塔装置の低圧塔から除去した窒素生成物
を適当なプロセス流れに接触させる熱交換で部分加熱す
ることと、この部分熱入れした低圧塔窒素を膨脹器で膨
脹させ、この膨脹の結果として、膨脹窒素の温度を前記
２塔式蒸留装置の高圧塔から除去した液体流れの温度よ
り低い温度にし、又前記高圧塔から除去した液体流れを
前記等エントロピーに膨脹させた窒素に接触させる熱交
換により過冷してから前記液体流れの圧力を弁を横切っ
て等エンタルピーに減圧すること、又は、 (2) ２塔式蒸留装置の低圧塔から除去した窒素を適当な
プロセス流れに接触させる熱交換により部分加熱するこ
とと、この部分熱入れした低圧塔窒素を膨脹器で膨脹さ
せ、この膨脹の結果として、膨脹窒素の温度が前記２塔
式蒸留塔装置に送る供給材料空気の露点又はそれ以下に
することと、前記供給材料空気を前記等エントロピーに
膨脹させた窒素に接触させる熱交換により冷却、又可能
ならば部分凝縮させること。
【００１５】上述の２つの膨脹の方法を組合わせて、２
つ以上の膨脹器を用いて高圧窒素流れを膨脹させること
ができる。
【００１６】本発明の別の態様は、空気清浄層再生流れ
を高圧サイクルで生産した他の窒素生成物から別個に生
産することである。この再生流れを高圧塔窒素生成物か
ら、あるいは低圧塔窒素生成物から膨脹させても差支え
ない。再生流れを生成させるこれら２つの方法をサイク
ルに組入れができる方法は数多い。
【００１７】図１乃至８及び図１０は本発明の方法の可
能性のある実施例のいくつかを示す工程系統図である。
図１乃至４に示す実施例はそれぞれＬＥＰ、ＳＥＰ、Ｂ
ＥＰとＥＰサイクルと称せられる。
【００１８】図１乃至８及び図１０の実施例には、数々
の共通の特徴がある。理解を容易にするため、サイクル
の主要極低温蒸留部分を示すこれらの特徴をここで示
す。掲題の図に関して、極低温で凍結する微粒子物質、
水、二酸化炭素や他の成分を除去させた圧縮供給材料空
気を管路１０１を経由して主熱交換器９００に送り、そ
の露点に近い温度に冷却する。その後、この冷却供給材
料空気を管路１１０経由高圧塔９０２に送り、高圧窒素
オーバーヘッドと高酸素残液とに精留する。
【００１９】前記高圧窒素オーバーヘッドの一部を管路
１２０を経由、高圧塔９０２から除去し、低圧塔９０４
の下部に配置されたリボイラー・凝縮器９１２で沸騰液
体酸素に接触させて完全に凝縮させる。前記完全凝縮高
圧液体窒素を管路１２２を経由してリボイラー・凝縮器
９１２から除去し、２つの部分に分離する。第１部分を
管路１２４を経由して液体還流として高圧塔９０２の上
部に戻す。管路３にある第２部分を過冷してフラッシュ
する。結果としてできる液体部分を工程から管路４００
を経由液体窒素生成物として除去する。高圧窒素オーバ
ーヘッドの残留部分を管路１３５経由して高圧塔９０２
から除去して、主熱交換器９００で熱入れして、冷凍を
回収、管路１３９を経由して高圧窒素生成物として除去
する。
【００２０】高酸素残液を高圧塔９０２から管路５を経
由して除去、過冷、フラッシュして、その後、管路５４
を経由して低圧塔９０４の適当な位置に送り、低圧塔窒
素オーバーヘッドと液体酸素残液に蒸留する。
【００２１】前記液体酸素残液の少くとも１部をリボイ
ラー・凝縮器９１２で気化させて、低圧塔９０４に煮沸
を供給する。前記液体酸素残液の残部を低圧塔９０４か
ら管路１１７を経由して除去し、過冷して、管路５００
に液体酸素生成物を生産する。リボイラー・凝縮器９１
２からの気化酸素の１部を低圧塔９０４から管路１９５
を経由して除去し、主熱交換器９００で熱入れ冷凍を回
収し、気体酸素生成物を生産し管路１９４に入れる。こ
の管路１９４にある気体酸素生成物はさらに圧縮されて
所定の圧力に達することができる。この酸素圧縮手順は
図示されていない。
【００２２】首題の図に示された実施例も純粋液体酸素
生成物を生産する。それには、アルゴン含有蒸気側流を
管路６６を経由して低圧塔９０４の中間の適当な位置か
ら除去して、アルゴン塔９０６の下部に供給し、５００
０ｖｐｐｍ以下の酸素を含有するアルゴンオーバーヘッ
ドとアルゴン含有残液とに精留する。前記アルゴン含有
残液をアルゴン塔９０６から管路６８を経由して除去
し、低圧塔９０４に戻す。前記アルゴンオーバーヘッド
をアルゴン塔９０６から管路６５を経由して除去して、
２つの部分に分割する。管路６３の第１部分をリボイラ
ー・凝縮器９０８で凝縮してアルゴン塔９０６の上部に
液体還流として戻す。管路６４の第２部分を吸着器９１
０で精製して、純粋アルゴン生成物を生産する。管路６
２のこの純粋アルゴン生成物をそこでリボイラー・凝縮
器９０８で凝縮、過冷のうえ、プロセスから純粋液体ア
ルゴン生成物として管路６００を経由して除去する。前
記アルゴン生成物流れを上述の吸着技術以外の技術で精
製できることを記述しておく方がよい。これら吸着技術
以外の技術の実施例は、酸素を除去する「デオキソ」系
又は「ゲッター」系と、窒素を除去する蒸留である。リ
ボイラー・凝縮器９０８の、管路６６の側流抜き勾配と
管路５４の高酸素液体供給材料の間に配置する。正確な
位置を選択して、必要とされる凝縮に十分な冷凍を供給
するようにする。リボイラー・凝縮器９０８では、この
冷凍を、低圧塔９０４を降下する液体を煮沸させて供給
して、低圧塔９０４の上部部分に追加の煮沸を発生させ
る。他の周知の機構を用いてアルゴン塔９０６に還流を
供給できる。たとえば、管路６３のアルゴンオーバーヘ
ッドの１部を、管路５の高酸素残液の１部に接触させて
凝縮できる。
【００２３】最後に、液体還流を低圧塔９０４に供給す
るため、低酸素液体側流を管路４を経由して高圧塔９０
２の中間位置から除去、過冷、フラッシュして、管路８
０経由、低圧塔９０４に送る。
【００２４】先に述べた通り、本発明の改良は、低圧塔
９０４の上部で生産された管路１３０の高圧窒素流れを
利用して効果的且つ能率的に冷凍を発生させ且つ回収す
ることである。この利用については、ここでいくつかの
その特定の実施例を参照して詳論する。
【００２５】図１を参照して、前記ＬＥＰサイクルにつ
いてであるが、低圧塔９０４の上部で生産され、管路１
３０にある高圧窒素流れを過冷器９１８で、高圧塔９０
２の中間位置から抜き取った管路４の低酸素液体流れと
の接触による熱交換により熱入れし、管路８０を経由し
て液体還流として低圧塔９０４に送り、又管路３の液体
窒素流れを過冷器９１４で管路５の高酸素残液に接触さ
せる熱交換により熱入れする。管路１３３のこの熱入れ
窒素流れをその後、２つの部分に分割する。管路１４３
の第１部分を等エントロピーに膨脹器９２０で膨脹さ
せ、管路２４２のこの膨脹流出液と、管路３の液体窒素
のフラッシュからの管路３９８の蒸気とを混合する。管
路２４１のこの混合流れを用いて、管路５の高酸素残液
を過冷器９１４と９１６で過冷する。管路１３４の第２
部分を主熱交換器９００でさらに熱入れして膨脹器９２
２で膨脹させる。管路９のこの膨脹流出液を、過冷器９
１４からの管路１４４の熱入れ窒素と混合する。管路１
４７のこの混合低圧窒素を熱交換器９００で熱入れし
て、冷凍を回収し、プロセスから低圧気体窒素生成物と
して管路１４８を経由して除去する。この低圧気体窒素
生成物流れ１４８は廃棄物塔（図示せず）に水冷却に使
用できる。
【００２６】このサイクルの空気清浄分子篩層の管路２
４３の再生流れを側流として高圧塔９０２から管路７を
経由して除去する。必要の場合、この再生流れも、高圧
塔９０２の上部から除去できる。この側流を主熱交換器
９００で適当な膨脹温度に熱入れし、膨脹器９２４で膨
脹させて、それをさらに主熱交換器で熱入れして、膨脹
で発生した冷凍を回収する。
【００２７】図２に関し、ＳＥＰサイクルでは、管路１
３３の熱入れ高圧窒素のすべてを膨脹器９２０で膨脹さ
せる。本サイクルの残りは図１に本質的に示されてい
る。
【００２８】図３に関し、ＢＥＰサイクルでは、管路１
３３の熱入れ高圧窒素の全部を主熱交換器９００でさら
に熱入れしてから膨脹器９２２で膨脹させる。管路９の
膨脹窒素を、管路３のフラッシュ液体窒素からの管路３
９８にある窒素蒸気と混合し、前記混合流れを主熱交換
器９００に熱入れして冷凍を回収する。
【００２９】図４に関し、ＥＰサイズでは、管路１３３
の熱入れ窒素流れをその後、２つの部分に分割する。管
路１４３の第１部分を膨脹器９２０で等エントロピーに
膨脹させ、管路２４２のこの膨脹器流水液と、管路３の
液体窒素のフラッシュからの管路３９８にある蒸気とを
混合する。管路２４１のこの混合流れを用いて管路５の
高酸素液体を過冷器９１６と９１４で過冷し、その後、
主熱交換器で熱入れして冷凍を回収し、最後に低圧窒素
生成物として管路１４８経由して除去する。管路１３４
の第２部分を熱交換器９００でさらに熱入れし、圧縮機
９２６で圧縮する。管路２３３のこの熱入れ圧縮第２部
分を主熱交換器９００で冷却して、適当な圧縮温度に冷
却して、膨脹器９２４で膨脹させる。管路２４３のこの
膨脹流れを熱入れして、冷凍を回収して、分子篩層再生
流れとして除去する。注意すべきことは高圧塔からは何
らの高圧窒素を膨脹させないことである。このサイクル
は、アルゴンが好ましい生成物の時、特に適している。
【００３０】図４に示されたＥＰサイクルの実施例の変
形を図５乃至７に示す。しかし、これらの変形は可能な
組合わせすべてを余すところなく述べてはいない。図５
乃至７に示されたサイクルは３つの膨脹器を必要とす
る。これらのサイクルでは、管路９３０の供給材料空気
の留分（典型的には５乃至２０％）を圧縮機９３２でさ
らに圧縮し、その後、主熱交換器９００で冷却する。前
記冷却圧縮留分を主熱交換器９００の中間位置又は下部
のいずれかから除去して、膨脹器９３４で等エントロピ
ーに膨脹させる。管路９３６の前記膨脹空気供給材料留
分を冷却供給材料空気と混合して、管路１１０を経て、
高圧塔９０２に送るかあるいは低圧塔９０４に直接送る
ことができる。図５乃至７では、管路９３６のこの膨脹
供給材料空気留分を高圧塔９０２に送る。
【００３１】図５に示されたサイクルにおいて、管路９
３０のこの留分を主熱交換器９００で冷却してから膨脹
させる一方、管路１３４の高圧窒素を熱交換器９００で
周囲温度に熱入れして、膨脹器９２４で等エントロピー
に膨脹させ、熱交換器９００で熱入れして冷凍要求を補
足し、供給材料空気を主熱交換器９００の温暖端で冷却
する。この熱入れ窒素を分子篩層再生流れとして用い
る。
【００３２】図６に示されたサイクルでは、管路９３５
の膨脹空気を主熱交換器９００に導入して、さらに冷却
してから高圧塔９０２に導入する一方、管路１３４の再
生窒素（供給材料の８乃至２０％）を主熱交換器９００
から除去してからそれを周囲温度に熱入れし、膨脹器９
２４で等エントロピーに膨脹させる。前記膨脹窒素を主
熱交換器９００の低温端に送る。
【００３３】図７に示されたサイクルでは、管路１３４
の窒素留分を等エントロピーに膨脹器９２４で膨脹さ
せ、過冷器９１８と熱交換器９００とでそれぞれ熱入れ
して、その後、再生流れとして用いる。図７では、膨脹
器９２０と９２４への入口温度と圧力は同じである。し
かし、膨脹器９２０からの排気を分子篩層再生には用い
ないので、その圧力は膨脹器９２４の排出圧力より約１
乃至３ｐｓｉ低い。この配列は冷凍の回収をより大きく
し、この故に、液体生成物の生産をより大きくすること
になる。管路１３６の膨脹空気をさらに冷却することな
く高圧塔９０２に送る。
【００３４】図８に示されたサイクルでは、管路１３３
の高圧窒素のすべてを、主熱交換器９００で部分熱入れ
してから等エントロピーに膨脹させる。この膨脹は膨脹
器９２０と９２４で起こさせる。管路２４２と９２５の
膨脹窒素流れをその後、過冷器９１８に送り、管路５の
液体流れを過冷して、その後、主熱交換器９００で熱入
れする。周囲温度に加熱した後、供給材料空気の８乃至
２０％である管路９２４からの膨脹流れを、管路２４３
の再生流れとして用いる。
【００３５】図５乃至８のサイクルでは図４のサイクル
に比較し、エネルギー消費と交換器面積の点でさらに有
利である。その中で、図７に示されたサイクルは、酸素
とアルゴンの回収にそれ程影響を与えることなく液体窒
素をより多く生産できる。さらに多量の液体窒素が必要
な場合は、図８に示されたサイクルが一層適している。
圧縮機９３２を空気膨脹器９３４又は窒素９２０もしく
は９２４あるいはその組合わせで駆動する。アルゴン回
収が重要な問題でない場合は、図５乃至８で、膨脹供給
材料空気を直接低圧塔９０４（図示せず）に供る方がよ
い。このような実施例を図１０に膨脹空気留分を低圧塔
に直接送る。この図ではさらに、空気膨脹器９３４と圧
縮機９３２を機械的に連動させて圧伸器を形成する。
【００３６】上述実施例のすべてはアルゴンを生成する
サイクルに関連して説明されてきた。教示された概念
は、空気分離プラントからアルゴンを全く生産しない時
に有用である。
【００３７】
【実施例】
実施例１ 計算機シュミレーションを図１乃至４で示された実施例
に対し行った。この実施例のシュミレーションの製品明
細を表１に列挙する。
【００３８】
【表１】 ―――――――――――――――――――――――――――――― 製 品 生産速度 圧 力 トン／日 ｐｓｉａ ―――――――――――――――――――――――――――――― 気体酸素 ２５３１ ８０５ 液体酸素 ６４ --- 気体窒素 １．５１ ＞６５ 液体窒素 ２５５．３５ --- 液体アルゴン Maximum --- ―――――――――――――――――――――――――――――― 純度： 酸素：酸素の９５モル％以上 窒素：酸素の２ｖｐｐｍ以下 ―――――――――――――――――――――――――――――― 表２及び表３は異なるサイクルの比較を示す。ＬＥＰ、
ＳＥＰ、ＢＥＰとＥＰはそれぞれ図１乃至４に示された
実施例のサイクルの名称であることを念のため。Ａｉｒ
Ｃｏｍｐは通常の低圧空気圧伸器サイクルで、水冷却流
れと再生流れの双方を低圧塔から直接発生させる。この
普通のサイクルを図９で示す。低圧サイクルＡｉｒＣｏ
ｍｐは、酸素と窒素の液化機を必要とし、それにより所
定の液体生成物を生産する。表２の注を参照、液化機は
図９には図示せず。表２及び表３では、酸素回収を、蒸
留塔装置に送る空気供給材料の１００モル当りの回収酸
素のモルとして規定する。アルゴン回収を、蒸留塔装置
に送る供給材料空気に存在する回収アルゴンの百分比と
して規定する。
【００３９】
【表２】 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 回 収 ＭＡＣ排出圧： サイクル――――――――――――――――――――――――――――――― 酸 素 アルゴン psia ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― AirComp 20.92 79.28 78.6 LEP 20.95 80.72 112.8 SEP 20.95 78.70 121.2 BEP 20.95 74.52 109.9 EP 20.95 95.89 121.9 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 電力消費：ＫＷ（＊＊） サイクル――――――――――――――――――――――――――――――― ＭＡＣ Ｏ２ Ｎ２ 再 生 液化機＋ 膨脹器＋＋ 合 計 圧伸器 増 圧 増 圧 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― AirComp 24,667 11,075 -- 856 4,875 -- 41,473 LEP 29,941 10,455 -- 723 -- -1,705 39,414 SEP 30,995 9,900 -- 723 -- -1,708 39,911 BEP 29,549 10,585 -- 723 -- -1,691 39,166 EP 31,078 10,087 2,411 723 -- -1,761 42,537 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 注：＋液化機エネルギー算出：液体窒素と液体酸素生産に液化機を必要とする ＡｉｒＣｏｍｐの液体の１トン当り／時間当り３９０ＫＷ。
【００４０】 ＋＋膨脹器効率＝０．８５、軸効率＝０．９５、発電機効率＝０．９７。 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００４１】
【表３】 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― ＊＊電力算出の基礎 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 圧縮機 圧縮温度：°Ｆ 圧縮機等温効率：％ 電動機効率：％ ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― ＭＡＣ ５５ ６９．５ ９７ 酸素圧伸 ５１．５ ６５ ９５ 窒素増圧 ５１．５ ６５ ９５ 空気増圧 ５１．５ ６９．５ ９５ ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 表２及び表３から、高圧サイクルＬＥＰ、ＳＥＰとＢＥ
ＰにはＡｉｒＣｏｍｐサイクルに比較して低い電力値を
有することがわかる。これらの電力値は通常のＡｉｒＣ
ｏｍｐサイクルと比較して３．８乃至５．５％低い。Ｌ
ＥＰサイクルのアルゴン回収率はＡｉｒＣｏｍｐに匹敵
し、ＳＥＰとＢＥＰに対してはやや低い。しかし、資本
経費とエネルギー消費の節約はアルゴン回収率の低下を
補って余りある。ＥＰサイクルでは、アルゴン回収率は
非常に高いが電力消費も高い。ＬＥＰ、ＳＥＰとＢＥＰ
サイクルの直接関係のあるいくつかのプロセス条件を表
４及び表５に列挙する。
【００４２】
【表４】 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― ＬＥＰサイクル（図１） ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ NO. 101 194 139 148 243 143 流量：空気の％ 100 20.45 0.014 65.05 10.7 34.7 温度：°Ｆ 55.0 51.5 51.5 51.5 51.5 -274.5 圧力：psia 109.4 30.3 104.6 15.1 16.7 30.3 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ NO. 8 20 4 5 130 流量：空気の％ 30.00 10.87 31.63 54.80 64.65 温度：°Ｆ -245.9 -134.6 -281.1 -273.0 -308.1 圧力：psia 29.8 106.0 106.4 107.1 30.6 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― ＳＥＰサイクル（図２） ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ NO. 101 194 139 148 243 流量：空気の％ 100 20.45 0.014 65.06 10.86 温度：°Ｆ 55.0 51.5 51.5 51.5 51.5 圧力：psia 117.7 33.4 113.0 15.1 16.7 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ NO. 143 20 4 5 130 流量：空気の％ 64.80 10.86 31.90 54.62 64.77 温度：°Ｆ -275.0 -172.9 -279.2 -270.9 -306.3 圧力：psia 33.5 114.4 114.8 115.5 37.8 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００４３】
【表５】 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― ＢＥＰサイクル（図３） ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ NO. 101 194 139 148 243 流量：空気の％ 100 20.45 0.014 65.08 10.87 温度：°Ｆ 55.0 51.5 51.5 51.5 51.5 圧力：psia 106.4 29.2 101.6 15.1 16.8 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ NO. 143 20 4 5 130 流量：空気の％ 64.40 10.87 30.89 55.52 64.67 温度：°Ｆ -249.0 -141.3 -281.9 -273.9 -308.8 圧力：psia 28.7 103.0 103.5 104.2 29.5 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 上述の詳論からわかるように、本発明は、空気分離プラ
ントの低圧塔から正しい温度の高圧サイクルを用い、又
プロセスの適当な位置で膨脹流れから発生させた冷凍を
用いて生産された窒素流れを膨脹させて作動するが、こ
の窒素流れに固有のエネルギーを用いて、資本経費の増
加を最少限に止めて液体生成物を効率の高い方法で生産
できる。さらに、再生流れを別の膨脹器から生産するこ
とで、膨脹器の膨脹率を最適にして、空気圧縮エネルギ
ーを最適条件にする。
【００４４】図面のどれにも示されているように、低圧
塔９０４の上部よりの窒素流れを抜き取り、慎重に膨脹
させて冷凍を回収する。別の方法で、この流れを低圧塔
９０４の精留部のいずれの適当なトレイ位置から抜き取
ってもよい。このような場合、低圧塔９０４の上部から
取った高窒素流れを生成物流れとして用いてもよい。そ
のうえ、このような場合には、管路３の高圧塔９０２か
らの液体窒素流れの１部を用いて液体還流を低圧塔９０
４に供給できる。
【００４５】
【発明の効果】本発明は、高圧サイクル空気分離プラン
トの低圧塔で生成される窒素流れに固有の圧力エネルギ
ーからの液体生成物生産の有効な方法を教示することで
重要な利点を有する。本発明において、空気分離と液体
生産とは非常に効率のよい方法で統合されている。本発
明の高圧サイクル空気分離法は、設備の大きさ、圧力低
下損失と空気清浄分子篩層再生エネルギー消費を低減さ
せる一方、液体生成物を窒素生成物の圧力エネルギーで
発生させる。本発明の方法はさらに、別々の圧縮機、熱
交換器や独立型液化機の必要性を排除する。このことを
行う有効な方法は、このようなサイクルが資本経費のみ
ならず、エネルギー効率の点においても他のサイクルに
優れていることを意味する。従って、高圧空気分離と液
化のこのような有効な組合わせが、液体生成物も必要と
される時に空気分離のための選択である筈である。同じ
考え方が他の極低温ガス分離法にも適用できる。このよ
うなサイクルだけでは供給材料空気という点で多量の液
体生成物（たとえば、供給材料空気の１０％以上）の生
産には問題があるが、それでも、このようなサイクルと
液化機との組合わせが最適効率と資本経費とをもたらす
ことに言及する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の第１の実施例の略線図である。
【図２】本発明の第２の実施例の略線図である。
【図３】第３の実施例の略線図である。
【図４】第４の実施例の略線図である。
【図５】第５の実施例の略線図である。
【図６】第６の実施例の略線図である。
【図７】第７の実施例の略線図である。
【図８】第８の実施例の略線図である。
【図９】従来技術の空気分離法の略線図である。
【図１０】本発明の第９の実施例の略線図である。
【符号の説明】
３ 管路（高圧液体窒素第２部分） ４ 管路（低酸素液体側流） ５ 管路（高酸素残液） ７ 側流 ９ 膨脹器流出液（膨脹窒素） ５４ 管路（高酸素残液） ６２ 管路（純粋アルゴン生成物） ６３ 管路（アルゴンオーバーヘッド第１部分） ６４ 管路（アルゴンオーバーヘッド第２部分） ６５ 管路（アルゴンオーバーヘッド） ６６ アルゴン含有蒸気側流 ６８ 管路（アルゴン含有残液） ８０ 管路（低酸素液体側流） １０１ 管路（圧縮空気） １１０ 管路（冷却供給材料空気） １１７ 管路（液体酸素残液残留部分） １２０ 管路（高圧窒素オーバーヘッド） １２２ 管路（高圧液体窒素） １２４ 管路（高圧液体窒素第１部分） １３０ 管路（高圧窒素流れ） １３３ 管路（熱入れ窒素流れ） １３４ 管路（熱入れ窒素流れ第２部分） １３５ 管路（高圧窒素オーバーヘッド） １３９ 管路（高圧窒素生成物） １４３ 管路（熱入れ窒素流れ第１部分） １４４ 熱入れ窒素 １４７ 混合低圧窒素 １４８ 低圧気体窒素生成物 １９５ 気化酸素 ２３３ 管路（熱入れ圧縮第２部分） ２４１ 管路（混合流れ） ２４２ 管路（膨脹器流出液） ２４３ 管路（再生流れ） ３９８ 管路（蒸気） ４００ 管路（液体部分） ５００ 管路（液体酸素生成物） ６００ 管路（純粋液体アルゴン生成物） ９００ 主熱交換器 ９０２ 高圧塔 ９０４ 低圧塔 ９０６ アルゴン塔 ９０８ リボイラー・凝縮器 ９１０ 吸着器 ９１２ リボイラー・凝縮器 ９１４ 過冷器 ９１６ 過冷器 ９１８ 過冷器 ９２０ 膨脹器（窒素） ９２２ 膨脹器 ９２４ 膨脹器（窒素） ９２５ 管路（膨脹窒素流れ） ９２６ 圧縮機 ９３０ 管路（留分） ９３２ 圧縮機 ９３４ 膨脹器（空気） ９３５ 管路（膨脹供給材料空気留分） ９３６ 管路（膨脹供給材料空気留分）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラケッシュ．アグレイワル アメリカ合衆国．18103．ペンシルバニア 州．アレンタウン．サウス．ウエスト．サ ウス．アーク．ストリート．2636 (72)発明者 ジアングー．スー アメリカ合衆国．18051．ペンシルバニア 州．フォジェルズヴリー．ホワイト．バー ク．サークル．8121

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高圧蒸留塔と低圧蒸留塔の少くとも２塔
    が互いに熱伝達し合い；前記低圧塔が９乃至７５ｐｓｉ
    ｇの圧力で作動し；前記低圧塔が窒素生成物を生産し；
    前記蒸留塔装置への供給材料空気の少くとも５０％を前
    記低圧塔から前記窒素生成物として除去し；前記窒素生
    成物が少くとも９５％の窒素濃度を有し、又少くとも９
    ｐｓｉｇの圧力である；供給材料空気流れをその構成成
    分に分離する極低温法において、液体生成物を効率の高
    い方法で生産するため、 (a) 前記窒素生成物を適当なプロセス流れに接触させる
    熱交換により部分熱入れ工程と； (b) この部分熱入れ窒素生成物を膨脹器で等エントロピ
    ーに膨脹させて、この膨脹の結果として、膨脹窒素の温
    度を、高圧塔から除去する液体の温度より低い温度にす
    る工程と； (c) 前記高圧塔から除去した液体流れを前記等エントロ
    ピーに膨脹させた窒素に接触させる熱交換により過冷し
    てから前記液体流れの圧力を弁を横切って、等エンタル
    ピーに減圧する工程と；からなる供給材料空気を構成成
    分に分離する極低温法。
  2. 【請求項２】 高圧蒸留塔と低圧蒸留塔の少くとも２塔
    が互いに熱伝達し合い；前記低圧塔が９乃至７５ｐｓｉ
    ｇの圧力で作動し；前記低圧塔が窒素生成物を生産し；
    前記蒸留塔装置への供給材料空気の少くとも５０％を前
    記低圧塔から前記窒素生成物として除去し；前記窒素生
    成物が少くとも９５％の窒素濃度を有し、又少くとも９
    ｐｓｉｇの圧力である；供給材料空気流れをその構成成
    分に分離する極低温法において、液体生成物を効率の高
    い方法で生産するため、 (a) 前記窒素生成物を適当なプロセス流れ接触させる熱
    交換により部分熱入れする工程と； (b) この部分熱入れ窒素生成物を膨脹器で等エントロピ
    ーに膨脹させて、この膨脹の結果として、前記膨脹窒素
    の温度を前記２塔式蒸留装置に送る供給材料空気の露点
    又はそれ以下にする工程と； (c) 前記供給材料空気を前記塔エントロピーに膨脹させ
    た窒素に接触させる熱交換により冷却する工程と；から
    なる供給材料空気流れをその構成成分に分離する極低温
    法。
  3. 【請求項３】 高圧蒸留塔と低圧蒸留塔の少くとも２塔
    が互いに熱伝達し合い；前記低圧塔が９乃至７５ｐｓｉ
    ｇの圧力で作動し；前記低圧塔が窒素生成物を生産し；
    前記蒸留塔装置への供給材料空気の少くとも５０％を前
    記低圧塔から前記窒素生成物として除去し；前記窒素生
    成物が少くとも９５％の窒素濃度を有し、又少くとも９
    ｐｓｉｇの圧力である；供給材料空気流れをその構成成
    分に分離する極低温法において、液体生成物を効率の高
    い方法で生産するため、 (a) 前記窒素生成物を適当なプロセス流れに接触させる
    熱交換により部分熱入れする工程と； (b) 前記部分熱入れ窒素生成物を第１副流と第２副流に
    分割する工程と； (C) 前記第１副流を膨脹器で等エントロピーに膨脹させ
    て、この膨脹の結果として、前記膨脹第１副流の温度を
    前記高圧塔から除去する液体流れの温度より低い温度に
    する工程と； (d) 前記高圧塔から除去した液体流れを前記等エントロ
    ピーに膨脹させた第１副流に接触させる熱交換により過
    冷してから前記液体流れの圧力を弁を横切って等エンタ
    ルピーに減圧する工程と； (e) 前記第２副流を適当なプロセス流れに接触させる熱
    交換により熱入れする工程と； (f) この部分熱入れ第２副流生成物を膨脹器で等エント
    ロピーに膨脹させて、この膨脹の結果として、前記膨脹
    第２副流の温度を前記２塔式蒸留装置に送る供給材料空
    気の露点又はそれ以下にする工程と； (g) 前記供給材料空気を前記等エントロピーに膨脹させ
    た第１と第２の副流に接触させる熱交換により冷却する
    工程と；からなる供給材料空気流れをその構成成分に分
    離する極低温法。
  4. 【請求項４】 前記工程(c) の等エントロピーに膨脹さ
    せた窒素生成物に接触させる熱交換による前記供給材料
    空気の冷却も前記供給材料空気流れを凝縮することを特
    徴とする請求項２の方法。
  5. 【請求項５】 前記工程(g) の等エントロピーに膨脹さ
    せた第２副流に接触させる熱交換による前記供給材料空
    気の冷却も前記供給材料空気流れを凝縮することを特徴
    とする請求項３の方法。
  6. 【請求項６】 前記方法が前記第２副流を圧縮し後冷却
    してから等エントロピーに膨脹させることからさらにな
    ることを特徴とする請求項３の方法。
  7. 【請求項７】 前記工程(g) の熱入れ等エントロピー膨
    脹第２副流の少くとも１部を用いて前記供給材料空気流
    れの予備清浄に用いられる分子篩層の再生に用いること
    を特徴とする請求項３の方法。
  8. 【請求項８】 前記工程(d) の等エントロピーに膨脹さ
    せた第１副流の少くとも１部を用いて前記供給材料空気
    流れの予備清浄に用いられる分子篩を再生することを特
    徴とする請求項３の方法。
  9. 【請求項９】 前記工程(a) の熱入れ窒素の１部を別の
    膨脹器で、前記工程(b) の等エントロピーに膨脹させた
    窒素の排出圧力より１乃至３ｐｓｉ低い圧力に等エント
    ロピーに膨脹させることと、前記等エントロピーに膨脹
    させた部分を用いて、前記供給材料空気流れの予備清浄
    に用いられる分子篩を再生することと、からなるを特徴
    とする請求項１の方法。
  10. 【請求項１０】 前記工程(a) の熱入れ窒素の１部を別
    の膨脹器で前記工程(b) の等エントロピーに膨脹させた
    窒素の排出圧力より１乃至３ｐｓｉ低い圧力に等エント
    ロピーに膨脹させることと、前記等エントロピーに膨脹
    させた部分を用いて前記供給材料空気流れの予備清浄に
    用いられる分子篩層を再生することと、からなるを特徴
    とする請求項２の方法。
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