JPH05203344A - 種々の需要量パターンの要件に適合したガス状酸素を供給する方法 - Google Patents

種々の需要量パターンの要件に適合したガス状酸素を供給する方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 種々の需要量サイクルの要件に適合したガス
状酸素を供給するための空気分離法を提供する。 【構成】 二段塔低温精留プロセスによって空気を精留
して、高圧塔２２にて窒素高含量蒸気を、低圧塔２４に
て液体酸素を生成させる。ガス状酸素の需要があるとき
には、低圧塔から液体酸素を熱交換器１８にポンプ送り
し、高圧塔からの窒素高含量蒸気との熱交換により気化
させてガス状酸素を形成させる。一方熱交換器により凝
縮された窒素高含量蒸気はフラッシュタンク５４中にフ
ラッシングされる。フラッシュ蒸気を窒素高含量蒸気に
加えて、ガス状酸素の気化速度を増大させる。こうして
得られる液体を低圧塔に還流物として導入して、液体酸
素の抜き取りを可能にする。過剰量の液体酸素及びすぐ
には使用されない凝縮窒素は貯蔵される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、種々の需要量パターン
の要件に従ったガス状酸素を供給するための空気分離法
に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】酸素の
要件が時間と共に変化する種々の工業プロセスがある。
例えば、スチール小製鉄所（ｓｔｅｅｌ ｍｉｎｉ−ｍ
ｉｌｌ）では、スクラップスチールの再処理において酸
素を使用する。スクラップスチールは、このような小製
鉄所によりバッチ方式又は熱処理方式にて処理されるの
で、酸素の需要量は、バッチ処理時の高需要量局面と、
バッチ処理間の低需要量局面との間で変わる。このよう
な酸素需要量要件を満たすために、従来技術では、高需
要量局面と低需要量局面を有する種々の需要量パターン
に応じてガス状酸素を供給するよう設計された空気分離
プラントを提供している。このような空気分離プラント
は、一般には、低需要量局面時に液体酸素を、そして高
需要量局面時に液体窒素を貯蔵できるとされている。さ
らに、貯蔵された液体酸素を、プラントにより生成され
たガス状窒素を凝縮させることと引き換えに気化させる
ことによって、液体窒素とガス状酸素生成物が得られ
る。
【０００３】プラント設計物の１つのタイプにおいて
は、凝縮器／再沸器によって低圧塔と関連作動するよう
になっている高圧塔をもった空気分離ユニットの低圧塔
から、ガス状酸素生成物が直接供給される。このような
プラント設計物においては、ガス状酸素生成物は、高圧
塔におけるガス状窒素の凝縮と引き換えに、低圧塔にお
いて液体酸素を気化させることによって得られる。別の
タイプのプラント設計物においては、窒素の凝縮と酸素
の気化は、このようなプラントの低圧塔及び高圧塔にお
いて行われるよりむしろ、空気分離プラントに対して外
部の熱交換器において行われる。
【０００４】ガス状酸素生成物が低圧塔から供給される
タイプの空気分離プラントの１つの例が、「“Ｌｉｎｄ
ｅ Ｒｅｐｏｒｔｓ ｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，Ｎｏ．３７，１９８４」に記
載されている。該文献に開示のプラントは、気化した酸
素を低圧塔から抜き取ることによって、ガス状酸素を公
称生成速度で供給する。高圧塔の頂部において得られる
窒素の凝縮と引き換えに、酸素が気化する。高圧窒素の
流れが高圧塔から抜き取られ、引き続き加熱され、圧縮
され、ある程度冷却され、そしてターボ膨張されてプラ
ント冷却ポテンシャルを供給する。
【０００５】上記のプラントにおいては、プラント冷却
ポテンシャルを供給するために抜き取られる高圧窒素の
量は、供給されるガス状酸素の量が公称速度以上もしく
は公称速度以下に調節されるよう制御される。高需要量
局面時においては、高圧塔から抜き取る高圧窒素の量
は、ガス状酸素を公称生成速度にて生成させるのに抜き
取らなければならない量より少なくする。その結果、低
圧塔の底部における液体酸素が気化する程度、及び高圧
塔の頂部における高圧窒素が凝縮する程度が増大する。
このことは、高圧塔の頂部に集まる液体窒素の量の増大
をもたらし、この液体窒素が抜き取られて貯蔵タンク中
に貯蔵される。低圧塔の底部における酸素を補充するた
めに、液体酸素（低需要量局面時において別の貯蔵タン
ク中に貯蔵されている）が低圧塔に供給される。低需要
量局面時においては、高圧塔から抜き取る高圧窒素の量
は、酸素を公称速度にて生成させるのに抜き取らなけれ
ばならない量より多くする。このことは、低圧塔の底部
に集まる液体酸素の量を増大させることになる。なぜな
ら、高圧塔の頂部においては、凝縮する高圧窒素が少な
いからである。低圧塔に集まった増大量の液体酸素が抜
き取られて、高需要量局面での使用のために貯蔵され、
一方、これより前に貯蔵されていた高圧窒素が低圧塔の
頂部に還流物として導入されて、酸素を洗い落とし且つ
冷却ポテンシャルを加える。該設計物のプロセスは、酸
素生成速度を変える際に採られる手段に応じて、最大酸
素生成量と平均酸素生成量との比（約１．５）により制
約を受ける。
【０００６】酸素と窒素の気化及び凝縮が、付け加えら
れた熱交換器と気化器において行われるという空気分離
プラントの１つの例が、米国特許第３，２７３，３４９
号に記載されている。該特許に記載の空気分離プラント
は、液体酸素と廃棄窒素を公称生成速度にて供給するよ
う設計されている。酸素需要量が少ないか又は酸素の需
要がないときには、液体酸素が貯蔵容器中に貯蔵され、
一方液体窒素（これより以前に高需要量時に生成され、
貯蔵されている）が空気分離プラントに戻されて、低圧
塔に対する還流物として使用される。需要量が多いとき
には、貯蔵容器からの液体酸素が熱交換器を介してポン
プ送りされ、一方、廃棄窒素が圧縮され、そして向流の
形で熱交換器に通される。この結果、液体酸素が気化さ
れて生成物として供給され、圧縮された窒素は凝縮し
て、低需要量時の使用のために貯蔵される。
【０００７】ガス状酸素が低圧塔から直接供給されるよ
うな、種々の酸素需要量を有するプラントにおいては、
設計上及び運転上の問題点が存在する。例えば、需要パ
ターンの最大限度に対して、塔の油圧設計や酸素の回収
を最適化することは、極めて大きな問題を含んでいる。
１つの大きな運転上の問題点は、回収される酸素の純度
を制御するのが難しいということである。さらに、回収
された酸素があまりにも低い圧力で供給されるので、工
業的プロセスにおいては実際上使用できない。このた
め、酸素圧縮機を使用して酸素の圧力を増大させなけれ
ばならない。熱交換器又は気化器を介して液体酸素をポ
ンプ送りすることによって酸素が供給されるような、種
々の酸素需要量を有するプラントにおいては、酸素圧縮
機を使用しなくても、使用可能な常用圧力にて酸素が供
給される、ということ留意しなければならない。しかし
ながら、このようなプラント設計物においては、装置コ
ストが少なくともある程度は節減できるけれども、コー
ルドボックスの外において酸素の気化や窒素の凝縮に関
連したエネルギー損失がある、という点において運転コ
ストが増大する。以上のことからわかるように、これら
２つのタイプのプラント設計物は、圧縮機や熱交換器な
どを追加的に使用しており、いずれにしてもこのこと
は、プラントのコストと複雑さを大幅に高めている。
【０００８】前記したように、本発明は、使用可能な常
用圧力での種々の需要量パターンに対して、そしてまた
従来技術において意図されるより広い範囲の需要量に対
してガス状酸素を供給することのできる方法を提供す
る。全体的には統合されているが、本発明の方法は、種
々の酸素需要量を有する従来のプラントの場合よりその
複雑さははるかに低い。さらに、本発明のプロセスにお
ける塔の運転は極めて安定している。このことにより、
低圧塔から酸素が直接供給される形の、種々の酸素需要
量をもったプラントに付きものの設計上及び運転上の問
題が解消される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、種々の需要量
パターンの要件に適合したガス状酸素を供給する方法を
提供する。このようなプロセスにおいては、二段塔低温
精留プロセスによって空気が精留される。この精留プロ
セスでは、関連作動する高圧塔と低圧塔を使用して、そ
れぞれ窒素高含量蒸気と液体酸素とを生成させる。窒素
高含量蒸気と液体酸素が、それぞれ高圧塔及び低圧塔か
ら取り出される。取り出された窒素高含量蒸気はある程
度加熱され、次いで仕事の遂行を伴ってエンジン膨張さ
れる。膨張の後、需要量パターンの推移に対して熱収支
が保持されるよう、前記取り出された窒素高含量蒸気
が、前記低温精留プロセス中にプラント冷却ポテンシャ
ルとして導入される。ガス状酸素の需要があるときに、
前記取り出された液体酸素から形成される生成物流れ
が、酸素圧縮機によって供給圧力に圧縮されるよりむし
ろ供給圧力になるようポンプ送りされる。これと同時
に、前記窒素高含量蒸気の少なくとも一部が、ある程度
加熱・膨張されることから切り換えられて、この切り換
えられた窒素高含量蒸気が十分に加熱され、圧縮され、
そして前記生成物流れを気化させることと引き換えに前
記窒素高含量蒸気が凝縮され、これにより前記ガス状酸
素が形成される。前記窒素高含量蒸気は、前記生成物流
れを気化させるに足る速度で切り換えられ、そして前記
生成物流は、需要量を満たすに足る速度でポンプ送りさ
れる。
【００１０】前記切り換えられた窒素高含量蒸気から凝
縮した液体窒素がフラッシングされて、窒素含有液相と
窒素含有蒸気相の二相流れが生成する。前記液相と前記
蒸気相とが互いに分離され、蒸気相流れが前記切り換え
られた窒素高含量蒸気に加えられてから十分に加熱さ
れ、これによりガス状酸素の生成が増大する。前述した
ように、従来技術による種々の酸素需要量をもったプラ
ントは、該プラントの公称生成速度の約１〜１．５倍の
ガス状酸素を生成できるにすぎない。蒸気相流れ（事実
上は再循環流れ）を加えると、さらに多くの液体酸素の
気化が可能となり、従ってガス状酸素の生成速度が、プ
ラントの公称酸素生成速度の２倍程度に増大する。
【００１１】二段塔精留プロセス又は二段塔装置におい
ては、液体窒素が、酸素を塔の底部に追いやるための還
流物として加えられる。還流物はさらに、低圧塔から液
体酸素を抜き取るために、低圧塔にも加えなければなら
ない。本発明においては、フラッシュの液相を含んだ液
体窒素流れが、このような還流物として低圧塔に導入さ
れる。低圧塔に導入されない過剰量の液体窒素、及び生
成物流れの形成に使用されない過剰量の取り出された液
体酸素は貯蔵される。
【００１２】本発明の重要なオプションは、液体酸素が
本質的に一定の速度で生成されるよう、液体窒素流れ
が、プラント冷却ポテンシャルの導入に応じて変わる速
度にて低圧塔に加えられる、ということである。以上の
ことからわかるように、ガス状酸素の需要が減少するに
つれて、窒素高含量蒸気のエンジン膨張が増大し、これ
によってプラント冷却ポテンシャルの生成が増大する。
液体窒素還流物は、酸素を洗い落とすよう作用するだけ
でなく、冷却ポテンシャル源としても作用するので、液
体窒素還流物の量は、本質的に一定速度の液体酸素生成
が保持されるよう減少させなければならない。このとき
には、これとは逆の運転（すなわちガス状酸素の需要が
増大するにつれて、より多くの液体窒素還流物がエンジ
ン膨張からの冷却ポテンシャルとして加えられる）は少
なくなる。
【００１３】ガス状酸素生成物が低圧塔から取り出され
るという従来技術プロセスの場合を凌ぐ、最適の塔設計
と最適の液体酸素生成が可能になるというのが、本発明
のプロセスの定常的な運転である。さらに、液体酸素の
生成量が一定であるので、従来技術のプロセスに比べ
て、生成物純度を保持するのがより一層簡単となる。
【００１４】上記の説明からわかるように、プラントの
主要熱交換器を使用して液体酸素と窒素との間で熱伝達
を起こさせ、これによってガス状酸素生成物と、還流物
として使用される液体窒素とを生成させることができ
る。さらに、単一の窒素高含量ガス流れは、３つの目
的、すなわち液体酸素の気化、還流物としての役割、そ
してプラント冷却ポテンシャルとしての役割を果たすよ
う使用されている。このような窒素高含量ガス流れの多
目的な使用により、従来技術のプラント設計物より配置
取り付けが簡単で、且つ低コストのプラントを造り上げ
ることが可能となる。なぜなら、追加の圧縮機やエキス
パンダーが必要とされないからである。さらに、酸素は
低圧塔の外部から供給されているので、酸素圧縮機を使
用してガス状酸素生成物を圧縮するよりむしろ、主要熱
交換器を介して液体酸素をポンプ送りすることによっ
て、その圧力を経済的に上昇させることができる。
【００１５】本明細書は、発明者らが発明とみなしてい
る主題を指摘している特許請求の範囲をもって結論とし
ているが、本発明は、添付図面に関連させた以下の説明
を読めばさらに理解が深まるであろう。
【００１６】図１は、本発明による空気分離ユニットを
示している。本発明の空気分離ユニットは、ガス状酸素
が約９５．０％の純度を有する生成物として得られるよ
う設計されている。本発明の空気分離プラントによって
生成される酸素は、約３２．０分継続する高需要量局面
（約１８．９℃の温度及び約１１．７４ｋｇ／ｃｍ2の
圧力にて、２７９．７７モル／ｈｒの酸素が生成物とし
て供給される）をもった種々の需要量パターンに従って
供給される。供給速度は、プラントの公称酸素生成速度
の約１．８７倍である。需要サイクルはさらに、高需要
量局面に次いで交互に約２８．０分の低需要量局面を有
し、この局面においてはガス状酸素は供給されない。
【００１７】以下の説明においては、圧力は全て絶対単
位で、またモルはキログラム・モルの単位で表示してい
ることに留意すること。さらに、以下の説明では、空気
分離プラントの成分間を通る流れに集中しているが、流
れを示している参照番号はまた、流れを伝えている成分
間の配管をも示している。
【００１８】操作に関して述べると、周囲温度と周囲圧
力（約２２．２℃，約１．０２ｋｇ／ｃｍ2）を有して
いて、約６８９．３０モル／ｈｒの流量で流れている空
気流れ１０が、圧縮器１２において約５．８８ｋｇ／ｃ
ｍ2の圧力に圧縮される。空気流れ１０は、アフターク
ーラー１４に通すのが好ましく、これにより空気は再び
約２２．２℃に冷却される。次いで空気流れ１０を精製
器１６に通して、流れ１０から二酸化炭素と水蒸気を取
り除く。精製器１６は、モレキュラーシーブ、アルミナ
とモレキュラーシーブの二元（混合されていない）媒
体、又はアルミナ単独で構成されている。精製器１６を
通過した後、空気流れ１０は約０．２４６ｋｇ／ｃｍ2
の圧力降下を受け、引き続き主要熱交換器１８におい
て、その精留に適した温度にさらに冷却される。次い
で、空気流れ１０は、連結された高圧塔２２と低圧塔２
４を有する空気分離ユニット２０に導入される。塔２２
は約２１個のトレーを有し、塔２４は約３９個のトレー
を有する。高圧塔２２と低圧塔２４は、凝縮器／再沸器
２６によって互いに関連作動するようになっている。
【００１９】主要熱交換器１８は、メインセグメント１
８ｂとブランチセグメント１８ｃをもった分岐の第１パ
ス１８ａを有している。高圧塔２２からの窒素高含量蒸
気が、メインセグメント１８ｂにおいて十分に加温さ
れ、そしてブランチセグメント１８ｃにおいてある程度
加温される。主要熱交換器１８内に第２パス１８ｄが設
けられていて、十分に加熱・圧縮された窒素高含量蒸気
を、第１パス１８ａのメインセグメント１８ｂを通過し
た後に凝縮させる。このことは、主要熱交換器１８の第
３パス１８ｅを通過している液体酸素を気化させること
によって行われる。主要熱交換器１８の第４パス１８ｆ
と第５パス１８ｇは、それぞれ高圧塔と低圧塔に接続さ
れていて、低圧塔２４からの低圧窒素を十分に加熱する
ことと引き換えに、空気をその精留に適した温度に冷却
する。
【００２０】高圧塔２２においては、より揮発性の高い
窒素が上昇し、そしてより揮発性の低い酸素がトレーを
次々と下降していって高圧塔２２の底部に集まり、約−
１７３．９５℃の温度と約５．５２ｋｇ／ｃｍ2の圧力
を有する酸素高含量液体２８を形成する。酸素高含量液
体２８の流れ３０が高圧塔から取り出され、弁３２によ
り絞られて頂部から２９個目のトレーにて低圧塔２４に
導入され、さらなる分離が施される。
【００２１】高圧塔２２内において、より揮発性の高い
窒素が塔の頂部に前記窒素高含量ガス（これについては
後述する）として集まり、需要パターン全体に対して約
３０３．９１モル／ｈｒという実質的に一定の流量と、
約−１７７．９７℃の温度とを有する流れ３４として、
高圧塔２２から抜き取られる。このような窒素高含量ガ
スはさらに流れ３６としても抜き取られ、この流れ３６
は凝縮器／再沸器２６中に送られ、そこで低圧塔２４の
底部に集まっている液体酸素と突き当たって凝縮する。
凝縮した窒素の部分流れ３８が高圧塔２２の頂部に還流
物として戻され、そして凝縮した窒素のもう一つの部分
流れ４０がサブクーラー４２に送られる。部分流れ４０
は、サブクーラー４２においてさらに冷却された後、流
量制御弁４４により絞られて低圧塔２４の頂部に還流物
として導入される。流量制御弁４４はさらに、低圧塔と
高圧塔への還流物の流入を制御して、高圧塔における窒
素の純度を保持するよう作用する。
【００２２】低圧塔２４の底部に集まった液体酸素（気
化していない）が、酸素容器４８内に収容されるための
流れ４６として低圧塔２４の底部から抜き取られる。酸
素容器４８は、その頂部がライン５０を介して低圧塔に
接続されており、したがって酸素容器４８内の蒸気圧は
低圧塔２４の蒸気圧とほぼ等しい。
【００２３】低圧窒素の流れ５２（主要熱交換器１８に
関して前述）が、低圧塔２４の頂部から抜き取られる。
流れ５２は、約−１９３．２０℃の温度と約１．３７５
ｋｇ／ｃｍ2の圧力を有する。流れ５２はサブクーラー
４２を通り、そこで流れ４０及び５６の冷却と引き換え
に加温される。次いで、流れ５２が主要熱交換器１８の
第５パス１８ｇに入って、主要熱交換器１８の第４パス
１８ｆを通って流入してくる空気流れ１０を冷却する。
そして流れ５２は、廃棄窒素としてプラントから排出さ
れる。
【００２４】還流物はさらに、約６０００．０リットル
の容量を有するフラッシュタンク５４から低圧塔２４に
供給される。この還流物は、低圧塔２４からの液体酸素
の抜き取りを可能にするために必要である。過剰量の液
体窒素（高需要量局面時にフラッシュタンク５４に蓄積
される）は流れ５６として抜き取られ、この流れ５６が
サブクーラー４２において低圧窒素流れ５２の加温と引
き換えにさらに冷却される。このようなさらなる冷却
後、流れ５６は流量制御弁５８を通過して低圧塔２４の
頂部に導入される。下記にて詳細に説明するが、流量制
御弁５８は、低圧塔２４において液体酸素が本質的に一
定の速度で生成されるよう、低圧塔２４に供給される還
流物の量を計量するのに使用される。
【００２５】以下の説明は、高需要量局面時におけるプ
ラント運転についての説明である。高需要量局面時（す
なわち、ガス状酸素の需要があるとき）においては、酸
素容器４８からの液体酸素を含んだ生成物流れ６０が、
ポンプ６２によってポンプ送りされて、主要熱交換器１
８の第３パス１８ｅを通過する。生成物流れ６０の流量
は、需要量を満たすに足る量である。
【００２６】図示した実施態様においては、液体酸素流
れ４６は、約１４８．１７モル／ｈｒの流量にて酸素容
器４８中に流れる。液体酸素の生成物流れ６０は、ポン
プ６２により、約２７９．７７モル／ｈｒの速度及び約
１１．９０ｋｇ／ｃｍ2の供給圧力にて、主要熱交換器
１８の第３パス１８ｅを介して液体酸素容器４８からポ
ンプ送りされる。これと同時に、フラッシュ蒸気流れ６
４が流れ３４中に導入され、次いでこの流れ３４が、主
要熱交換器１８の第１パス１８ａのメインセグメント１
８ｂ、ブースター・コンプレッサー７０、好ましくはア
フタークーラー７２、及び主要熱交換器１８の第２パス
１８ｄ、を含んだ流路に沿って流れる。流れ３４は、主
要熱交換器１８において十分に加温されて約１８．９℃
の温度になる。流れ３４は、約５．３２ｋｇ／ｃｍ2に
てブースター・コンプレッサー７０で圧縮されて約３
０．４５ｋｇ／ｃｍ2の圧力になり、アフタークーラー
７２によって冷却され、そして主要熱交換器１８の第２
パス１８ｄ内において、主要熱交換器１８の第３パス１
８ｅを同時に通過している生成物流れ６０を気化させる
ことと引き換えに凝縮される。主要熱交換器１８を通過
した後、生成物流れ６０は約１８．９℃の温度に加温さ
れ、わずかな圧力降下を受けて約１１．７０ｋｇ／ｃｍ
2になる。このような圧力の酸素を、ポンプ送りや圧縮
等を行うことなく製鋼炉（ｓｔｅｅｌ ｆｕｒｎａｃ
ｅ）に直接供給することができる。
【００２７】流れ３４から凝縮した液体窒素（図面では
流れ３４ａとして示されている）がフラッシュタンク５
４中にフラッシュされて流れ５６が生成され、この流れ
５６が、前述したように低圧塔２４への還流物として使
用される。凝縮後、流れ３４ａは、約−１５８．６℃の
温度と約３０．１０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を有する。流れ
３４ａは、弁６８により、凝縮した流れ３４内に二相を
生成するに足る低い圧力に絞られる。弁６８はさらに、
それがつくりだす背圧によって凝縮を制御するよう機能
する。液相と蒸気相の二相がフラッシュタンク５４にお
いて分離して、低圧塔２４中に還流物として導入される
液体窒素を含有した液相と、フラッシュ蒸気流れ６４を
形成する際に使用されるフラッシュ蒸気を含有した蒸気
相とを生じる。フラッシュ蒸気流れ６４は、約−１７
７．７℃の温度及び約５．６２ｋｇ／ｃｍ2のにてフラ
ッシュタンク５４を去り、絞り弁７４により窒素高含量
ガス流れ３４の圧力（これは実際上、高圧塔２２の圧力
である）と等しくなるよう絞られる。絞り弁７４は、ポ
ンプを使用することなく流れ５６が低圧塔２４に流れる
よう、フラッシュの量を制御し且つフラッシュタンク５
４を加圧するよう機能する、ということに留意しなけれ
ばならない。
【００２８】さらに、高需要量局面時においては、流れ
３０は約３７５．６２モル／ｈｒの流量を有し、低圧窒
素流れ５２は約３９６．９５モル／ｈｒを有する。２つ
の還流窒素流れ、すなわち流れ４０と流れ５６は、それ
ぞれ約９．７７モル／ｈｒ及び１５９．７３モル／ｈｒ
の流量を有する。このような還流窒素流れはどちらも、
サブクーラー４２を通過した後に約−１９１．３℃に冷
却され、一方流れ５２は−１８２．２℃の温度に加温さ
れる。流れ５２は、主要熱交換器１８を通過した後、さ
らに約１８．９℃の温度に加温される。
【００２９】以下の説明は、低需要量局面時のプラント
運転についての説明である。低需要量局面時において
は、主要熱交換器１８の第１パス１８ａのブランチセグ
メント１８ｃからなる別の流路に沿って流れ３４が流れ
（ある程度加熱される）、そしてターボエキスパンダー
７６において仕事の遂行を伴って膨張される。こうして
得られる膨張流れ７８を再びプロセス中に加えて、プラ
ント冷却ポテンシャルを供給する。
【００３０】主要熱交換器１８において、流れ３４が約
−１５８．３℃の温度にある程度加熱され、次いでター
ボエキスパンダー７６において約５．４１ｋｇ／ｃｍ2
から約１．３３ｋｇ／ｃｍ2に膨張される。このとき温
度は約−１９１．３℃となる。こうして得られるターボ
膨張された流れ７８が、約４４２．１０モル／ｈｒで流
れている低圧窒素流れ５２と合流する。次いでこの合流
流れが、主要熱交換器１８の第５パス１８ｇを介して、
約７００．６５モル／ｈｒの流量で送られる。主要熱交
換器１８を出た後、合流流れの温度は約１７．５℃にな
る。
【００３１】冷却ポテンシャルが加わると、空気流れ１
０が高圧塔２２に入る前に、空気流れ１０のエンタルピ
ーを低下させるよう作用する。この点において、低需要
量局面における空気流れ１０は、約−１７３．９℃の温
度及び約７．０２％の液体含量を有する。さらに、液体
酸素が１５０．８４モル／ｈｒの流量（高需要量局面の
場合と本質的に同じ流量）にて、低圧塔２４から流れ４
６として取り出される。液体酸素生成速度を本質的に一
定に保持しながら熱収支を保持するために、弁５８が、
流れ５６の流量を約１６２．１８モル／ｈｒに減少させ
るようセツトされる。高圧塔２２においては凝縮器の効
率のほうがやや大きいので、部分流れ４０の流量は約５
６．７０モル／ｈｒに増大する。
【００３２】流れ４０と５６は、引き続きサブクーラー
４２において約−１９１．４℃に冷却された後、低圧塔
２４に導入される。このような時間間隔の間に、酸素高
含量流れ３０が約３７４．０５モル／ｈｒの流量で流れ
る、ということに留意しなければならない。
【００３３】流れ３４は、ターボエキスパンダー７６と
ブースター圧縮機７０をオン・オフすることによって、
ある一つの流路から他の流路に切り換えられる。例え
ば、高需要量局面時においては、ターボエキスパンダー
７６が止められ、圧縮機７０がスイッチオンされる。こ
れにより、流れ３４からの窒素高含量蒸気が、プラント
冷却ポテンシャルの供給における使用から切り換えられ
る。すなわち、ターボエキスパンダー７６への流れが、
主要熱交換器１８の第１パス１８ａのメインセグメント
１８ｂのほうに流れるようになる。低需要量局面時にお
いては、これとは逆の運転が行われる。
【００３４】上記の説明は、本発明に従った多くの可能
なプラント運転モードのうちの１つを示しているにすぎ
ない、ということを指摘しておくことが大切である。例
えばターボエキスパンダー７６は、オン・オフ作動より
むしろ、切り換えられる流量を需要量レベルに従って変
えるようセットすることもでき、こうした動作はある特
定の需要量パターン中は決して停止しないようになって
いる。このような需要量パターン時においては、ガス状
酸素の需要量が増大すると、ターボエキスパンダー７６
を従来法にしたがって制御もしくは調節して、窒素高含
量蒸気の流量を徐々に減らすことができ、これによって
窒素高含量蒸気の一部乃至全部を十分に加熱、圧縮、及
び凝縮することができる。同時に、液体窒素還流物の流
量は、プロセスに加えられる冷却ポテンシャルが減少す
るにつれて増大する。ガス状酸素の需要量が減少する
と、ターボエキスパンダー７６を制御して窒素高含量蒸
気の流量を徐々に増やすことができ、これによって十分
に加熱、圧縮、及び凝縮することのできる窒素高含量蒸
気は次第に少なくなる。これと同時に、プロセスに加え
られる冷却ポテンシャルの増大と共に、液体窒素還流物
の流量は減少する。
【００３５】簡単に言えば、上記したような本発明のオ
ン・オフ作動は、可能な運転操作のうちの１つの重要な
モードであるけれども、本発明に従ったプラント運転の
唯一のモードではない。
【００３６】本発明の好ましい実施態様について詳細に
説明してきたが、当業者にとっては、本発明の精神と範
囲を逸脱することなく、種々の変形や改良形が可能であ
ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った空気分離プラントの概略図であ
る。
フロントページの続き (72)発明者 ヴィトー・クリギーズ アメリカ合衆国ニュージャージー州08820, エディソン，デボラ・ドライブ 19

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 種々の需要量パターンの要件に適合した
    ガス状酸素を供給する方法であって、 （ａ） 関連作動する高圧塔と低圧塔とを使用した二段
    塔低温精留プロセスによって空気を精留して、それぞれ
    窒素高含量の蒸気と液体酸素とを生成させる工程； （ｂ） 前記の窒素高含量蒸気及び液体酸素を、前記の
    高圧塔及び低圧塔から取り出す工程； （ｃ） 取り出された窒素高含量蒸気をある程度加熱
    し、仕事の遂行を伴ってエンジン膨張させ、そしてエン
    ジン膨張後に、需要量パターンの推移に対して熱収支が
    保持されるよう、前記取り出された窒素高含量蒸気を前
    記低温精留プロセス中にプラント冷却ポテンシャルとし
    て導入する工程； （ｄ） ガス状酸素の需要があるときに、前記取り出さ
    れた液体酸素から形成される生成物流れを供給圧力にな
    るようポンプ送りし、前記取り出された窒素高含量蒸気
    の少なくとも一部を、ある程度加熱し膨張させることか
    ら切り換えて、この切り換えた窒素高含量蒸気を十分に
    加熱し、圧縮し、そして前記生成物流れを気化させるこ
    とと引き換えに前記窒素高含量蒸気を凝縮させて、これ
    により前記ガス状酸素を形成させる工程、このとき前記
    窒素高含量蒸気は、前記生成物流れを気化させるに足る
    流量にて切り換えられ、そして前記生成物流れが需要量
    を満たすに足る流量にてポンプ送りされる； （ｅ） 前記切り換えられた窒素高含量蒸気から凝縮し
    た液体窒素をフラッシングして、窒素含有液相と窒素含
    有蒸気相の二相流れを生成させ、前記液相と前記蒸気相
    とを互いに分離する工程； （ｆ） 前記蒸気相を含んだ蒸気相流れを、前記切り換
    えられた窒素高含量蒸気に加えて、ガス状酸素の生成を
    増大させ、そして前記液相を含んだ液体窒素流れを、前
    記低圧塔に還流物として加えて、低圧塔からの液体酸素
    の取り出しを可能にする工程；及び （ｇ） 前記低圧塔に導入されない過剰量の前記液相、
    及び前記生成物流れの形成に使用されない過剰量の前記
    取り出された液体酸素を貯蔵する工程；を含む前記方
    法。
  2. 【請求項２】 前記液体酸素が前記低圧塔内にて本質的
    に一定の速度で形成されるよう、前記液体窒素流れが、
    プラント冷却ポテンシャルの導入に応じて変化する流量
    にて前記低圧塔に加えられ；そして前記窒素高含量蒸気
    及び前記液体酸素が、本質的に一定の速度で前記の高圧
    塔及び低圧塔から取り出される；請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記低温精留プロセスがさらに、空気を
    その精留に適した温度に冷却するための冷却工程を使用
    し；前記生成物流れが前記冷却工程に導入され；そして
    前記窒素高含量蒸気が前記冷却工程内にてある程度加熱
    され、さらに、前記切り換えられた窒素高含量蒸気が、
    前記冷却工程内にて十分に加熱され、そして十分に加熱
    ・圧縮された後に、前記冷却工程内にて前記生成物流れ
    を気化させることと引き換えに凝縮される；請求項１記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 前記低温精留プロセスがさらに、前記精
    留工程内に空気をその精留に適した温度に冷却するため
    の冷却工程を使用し；そして精留すべき空気のエンタル
    ピーを下げることによって前記低温精留プロセスに前記
    プラント冷却ポテンシャルを導入するために、前記膨張
    された窒素高含量蒸気流れが前記冷却工程に加えられ
    る；請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記液体窒素をフラッシュタンク中にフ
    ラッシングして、前記液相と前記蒸気相とを互いに分離
    する、請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記低温精留プロセスがさらに、空気を
    その精留に適した温度に冷却するための冷却工程を使用
    し；前記生成物流れが前記冷却工程に導入され；そして
    前記窒素高含量蒸気が前記冷却工程内にてある程度加熱
    され、さらに、前記切り換えられた窒素高含量蒸気が、
    前記冷却工程内にて十分に加熱され、そして十分に加熱
    ・圧縮された後に、前記冷却工程内にて前記生成物流れ
    を気化させることと引き換えに凝縮される；請求項２記
    載の方法。
  7. 【請求項７】 精留すべき空気のエンタルピーを下げる
    ことによって前記低温精留プロセスに前記プラント冷却
    ポテンシャルを導入するために、前記膨張された窒素高
    含量蒸気流れが前記冷却工程に加えられる、請求項６記
    載の方法。
  8. 【請求項８】 前記液体窒素をフラッシュタンク中にフ
    ラッシングして、液相状態の窒素と蒸気相状態の窒素と
    を生成させる、請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記低圧塔が低圧窒素蒸気を生成し；前
    記低圧窒素蒸気を含んだ廃棄物流れが前記低圧塔から抜
    き取られ；空気を冷却するために、前記廃棄物流れが前
    記冷却工程に導入され；そして前記膨張された窒素高含
    量蒸気流れを前記廃棄物流れと合流させてから、これを
    前記冷却工程に導入して、前記低温精留プロセスに前記
    冷却ポテンシャルを加える；請求項７記載の方法。
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