JPH0611256A - 高圧窒素生成物を製造するための極低温精留システム - Google Patents

高圧窒素生成物を製造するための極低温精留システム

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JPH0611256A
JPH0611256A JP5056390A JP5639093A JPH0611256A JP H0611256 A JPH0611256 A JP H0611256A JP 5056390 A JP5056390 A JP 5056390A JP 5639093 A JP5639093 A JP 5639093A JP H0611256 A JPH0611256 A JP H0611256A
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expander
compressor
fluid
product
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Neo Todorov Nenov
ネオ・トドロヴ・ネノヴ
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Praxair Technology Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 極低温精留設備内での高い圧力を回避し、ベ
ース負荷空気圧縮機に負担をかけずに高圧窒素生成物を
効率的に製造すること。 【構成】 供給空気101はベース負荷空気圧縮機10
2で圧縮され、主熱交換器103を通り、塔106と頂
部凝縮器108を備える極低温精留設備に通る。塔10
6内で、供給空気は窒素蒸気生成物と窒素含有液体に分
離される。塔からの窒素蒸気生成物109は、主熱交換
器を通過して供給空気を冷却し、圧縮器を通過すること
により圧縮される。頂部凝縮器108からの窒素含有廃
棄物流体流れ112が膨張器113を通して膨張され
る。膨張器113は圧縮器110に連結手段125によ
り直結されて圧縮を効率的に行う。膨張廃棄物物流体1
14は主熱交換器103を通過することにより供給空気
を冷却して極低温精留設備に付加冷凍能を提供する。供
給空気を最初に膨張機に通すことも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素及び窒素を含む混
合物、例えば空気の極低温精留技術に関するものであ
り、特には高圧窒素生成物の製造のための極低温精留方
法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】窒素を製造するための空気のような混合
物の極低温分離は普く確立された工業プロセスである。
原料たる液体及び蒸気は、極低温精留設備の一つ以上の
分離塔を通して向流接触状態で通されそして酸素と窒素
との間の蒸気圧差が窒素を蒸気中にそして酸素を液体中
に濃縮せしめる。分離塔における圧力が低いほど、蒸気
圧差による分離は容易となる。従って、製品としての窒
素生成物を製造するための最終分離段階は一般に比較的
低圧で実施されている。
【0003】しばしば、製品としての窒素生成物は高圧
状態にあることが所望される。そうした状況において
は、窒素生成物は圧縮機において所望の圧力にまで圧縮
されている。高圧窒素生成物を得るまた別の方法は、極
低温空気分離設備の分離塔を昇圧下で運転することであ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】窒素生成物を圧縮機に
おいて所望の圧力に圧縮する方法は、エネルギーコスト
並びに生成物圧縮機のための設備投資コストの点でコス
ト高である。極低温空気分離設備の塔を昇圧する方法
は、或る所望される生成物純度に対して分離を一層困難
たらしめそしてまた供給空気を最初に処理するベース負
荷空気圧縮機(供給空気の一定の圧縮のための主体とな
る圧縮機)への負担を増加し、プロセスの運転コストを
増大する結果を招く。
【0005】本発明の課題は、極低温精留設備内での高
い運転圧力を回避して、従ってそうした高い運転圧力に
伴うベース負荷空気圧縮機に負担をかけないようにして
高圧窒素生成物を効率的に製造することができる極低温
精留方法及び装置を開発することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、極低温精留
設備から窒素生成物を抜き出し、抜き出した窒素生成物
を供給空気との間接熱交換により加温し、窒素生成物を
圧縮機を通して圧縮して高圧窒素生成物を製造するに際
して、極低温精留設備から抜き出した廃棄物流体を前記
圧縮機に連結した膨張機を通して膨張することによりシ
ステムのエネルギー収支が非常に効率的になることを見
出した。膨張機は圧縮機を駆動して窒素生成物の圧縮を
実施し、膨張された廃棄物流体を供給空気との間接熱交
換状態に通して供給空気の冷却を追加的に実施し、以っ
て極低温精留設備に冷凍能を提供することができるので
ある。
【0007】この知見に基づいて、本発明は、高圧窒素
を製造するための極低温精留方法として、(A)供給空
気を圧縮しそして冷却し、そして冷却された供給空気を
少なくとも一つの塔を装備する極低温精留設備に通入す
る段階と、(B)供給空気を極低温精留設備内で極低温
精留により分離して窒素生成物と廃棄物物流体とを生成
する段階と、(C)極低温精留設備から窒素生成物を抜
き出し、抜き出した窒素生成物を供給空気との間接熱交
換により加温し、同時に前記段階(A)の供給空気の冷
却を実施し、そして加温した窒素生成物を圧縮機を通し
て圧縮して高圧窒素生成物を製造する段階と、(D)前
記極低温精留設備から廃棄物流体を抜き出しそして抜き
出した廃棄物流体を前記圧縮機に連結した膨張機を通し
て膨張しそして同時に廃棄物流体を冷却すると共に圧縮
機を駆動して前記段階(C)の窒素生成物の圧縮を実施
する段階と、(E)冷却され、膨張された廃棄物流体を
供給空気との間接熱交換状態に通して前記段階(A)の
供給空気の冷却を追加的に実施し、以って極低温精留設
備に冷凍能を提供する段階とを包含する高圧窒素を製造
するための極低温精留方法を提供する。
【0008】本発明は、また別の様相において、供給空
気を膨張機に通すことにより同様の作用を得ることがで
きるとの知見に基づいて、(A)供給空気を圧縮しそし
て冷却し、圧縮しそして冷却した供給空気の少なくとも
一部を圧縮機に連結された膨張機を通して膨張して供給
空気を追加的に冷却する段階と、(B)追加冷却された
供給空気を少なくとも一つの塔を装備する極低温精留設
備に通入する段階と、(C)供給空気を極低温精留設備
内で極低温精留により分離して窒素生成物を生成する段
階と、(D)極低温精留設備から窒素生成物を抜き出
し、抜き出した窒素生成物を供給空気との間接熱交換に
より加温し、同時に前記段階(A)の供給空気の冷却を
実施する段階と、(E)加温された窒素生成物を前記膨
張機に連結されそして該膨張機により駆動される前記圧
縮機を通して圧縮して高圧窒素生成物を製造し、同時に
膨張しつつある供給空気内に冷凍能を発生せしめ、極低
温精留設備に冷凍能を提供する段階とを包含する高圧窒
素を製造するための極低温精留方法を提供する。
【0009】更に、本発明は、極低温精留装置として、
(A)ベース負荷圧縮機、主熱交換器、少なくとも一つ
の塔を装備する極低温精留設備、該ベース負荷圧縮機か
らの流体を該主熱交換器に供給する手段並びに該主熱交
換器からの流体を該極低温精留設備に供給する手段と、
(B)圧縮機及び該圧縮機に連結される膨張機、前記極
低温精留設備からの流体生成物を前記主熱交換器に通入
する手段、該主熱交換器からの生成物流体を該圧縮機に
供給する手段、及び該圧縮機からの生成物流体を回収す
る手段と、(C)前記膨張機を通して流体を流し、以っ
て前記圧縮機を駆動する手段とを備える極低温精留装置
を提供する。
【0010】(用語の定義)ここで使用するものとして
の用語「塔」は、蒸留或いは分留を実施するためのカラ
ム或いは帯域、即ち液体及び気体相を向流で接触して流
体混合物の分離をもたらす接触カラム或いは帯域を意味
し、これは例えば塔内に取付けられた一連の垂直方向に
隔置されたトレー或いはプレートにおいて或いは塔に充
填した一定の構成をとるよう配列された充填物要素乃至
無秩序に配列された充填物要素において蒸気及び液体相
を接触することにより実施される。蒸留塔のこれ以上の
詳細については、マックグローヒル・ブック・カンパニ
ー出版、アール.エッチ.ペリー等編「ケミカル・エン
ジニアズ・ハンドブック」13節、13−3頁、「連続
蒸留プロセス」を参照されたい。
【0011】「蒸気及び液体接触分離プロセス」は成分
に対する蒸気圧差に依存する。高蒸気圧成分(即ち、よ
り高揮発性、低沸騰点)成分は、蒸気相に濃縮する傾向
があり、他方低蒸気圧成分(即ち、より低揮発性、高沸
騰点)成分は、液体相に濃縮する傾向がある。「蒸留」
とは、揮発性成分を蒸気相に濃縮し、それにより低揮発
性成分を液体相に残すのに液体混合物の加熱作用を使用
する分離プロセスである。「部分凝縮」とは、揮発性成
分を蒸気相に濃縮し、それにより低揮発性成分を液体相
に残すのに液体混合物の冷却作用を使用する分離プロセ
スである。「精留或いは連続蒸留」とは、蒸気相と液体
相の向流処理により得られるような順次しての部分的な
蒸発及び凝縮を組み合わせる分離プロセスである。蒸気
及び液体相の向流接触は断熱的でありそして相間の積分
型或いは微分型接触を含みうる。混合物を分離するのに
精留の原理を利用する分離プロセス設備は、精留塔、蒸
留塔或いは分留塔と互換的に呼ばれることが多い。「極
低温精留」は、150K以下の温度のよう低低温で少な
くとも部分的に実施される精留プロセスである。
【0012】用語「間接熱交換」とは、2種の流体流れ
を相互の物理的接触或いは相互混合をもたらすことなく
熱交換関係に持ちきたすことを意味する。
【0013】ここで使用するものとしての「供給空気」
とは、大気のような主として窒素及び酸素を含む混合物
である。
【0014】用語「圧縮機」とは、気体の圧力を増大す
るための装置を意味する。
【0015】用語「膨張機」とは、圧縮された気体から
その圧力を減ずることにより仕事を取り出すのに使用さ
れる装置を意味する。
【0016】
【作用】直結された膨張機と圧縮機とは極低温精留シス
テムを効率的に作用せしめる。プロセス流れが膨張機を
駆動して窒素生成物を圧縮するための圧縮機を駆動せし
める。同時に、膨張機を通して発生せしめられた冷凍能
は極低温精留を補助し、それにより一層低い圧力で精留
を実施せしめる。極低温精留設備の塔から抜き出された
窒素蒸気生成物は、主熱交換器を通過することにより供
給空気との間接熱交換により加温され、同時に供給空気
を冷却した後、圧縮器を通過することにより圧縮され、
4.2〜12.6kg/cm2(60〜180psia)の範
囲内の圧力にある高圧窒素生成物が製品流れとして回収
される。一例において、窒素含有廃棄物流体が頂部凝縮
器から抜き出され、当該廃棄物流体流れは主熱交換器を
部分的に通過しそして後膨張器を通して膨張せしめられ
る。膨張器は圧縮器に連結手段により連結されている。
直接連結された膨張器−圧縮器系統において、膨張しつ
つある気体流れから取り出されたエネルギーは直接膨張
器により圧縮器を介して圧縮された窒素気体生成物に伝
達される。この直結配列構成は、中間段階を経由しての
間接的エネルギ伝達と関連する外部損失及び設備投資の
両方を最小限とする。廃棄物流体流れは膨張器を通過す
るに際して、廃棄物流体は膨張器を駆動し、これは圧縮
器を駆動して窒素気体生成物の圧縮を行う。同時に、膨
張しつつある流体は膨張器の通過により冷却され、供給
空気との間接熱交換状態で主熱交換器を通過することに
より供給空気を冷却して極低温精留設備に付加冷凍能
(冷気)を提供して極低温精留を推進する。別の例にお
いては、冷却された圧縮供給空気は、90〜100%膨
張器に通される。供給空気が膨張器を通過するに際し
て、供給空気は膨張器を駆動し、これは結局連結部を介
して圧縮器を駆動し、窒素生成物の圧縮を行う。同時
に、膨張しつつある供給空気は膨張器の通過により冷却
される。冷却されそして膨張された供給空気はその後、
極低温精留設備の塔に通入され、極低温精留設備に冷凍
能(冷気)を提供する。
【0017】
【実施例】図1を参照すると、供給空気101はベース
負荷空気圧縮機102において圧縮されそして後主熱交
換器103を通して流される。主熱交換器103は、図
1に例示した具体例では周期的に流入及び流出流れを切
り替える逆転式熱交換器である。主熱交換器103内
で、圧縮された供給空気は以下に詳しく説明するように
戻り流れとの間接熱交換により冷却される。熱交換器1
03は逆転式熱交換器であるから、供給空気はその通過
により二酸化炭素や水蒸気のような高沸点不純物を除か
れている。本発明はまた、供給空気を浄化するのに逆転
式熱交換器の変わりに供給空気浄化機を使用することが
できる。圧縮されそして冷却された供給空気はその後二
酸化炭素及びその他の不純物の除去のためのゲルトラッ
プ104に通されそして後極低温精留設備に流れ105
として通入される。
【0018】図1に例示される極低温精留設備は、単一
の塔106と頂部凝縮器108とを装備する。本発明の
実施において、極低温精留設備は一つの塔を備えるもの
とすることが好ましいが、但し2つ以上の塔を有する設
備も使用することができる。塔106は好ましくは、
2.8〜9.8kg/cm2絶対圧(40〜140psia)
の範囲内の圧力で運転されている。
【0019】塔106内部で、供給空気は窒素蒸気生成
物と窒素含有液体とに極低温精留により分離される。窒
素蒸気生成物は、塔106の上方部分から抜き出され、
少なくとも99%窒素から99.9999%乃至それ以
上もの純度を有する。窒素蒸気生成物109の一部12
6は、頂部凝縮器108に通され、ここで窒素含有液体
との熱交換により凝縮せしめられそして後塔106内に
還流流れ117として戻して通入される。所望なら、流
れ117の一部120は液体窒素生成物として回収され
うる。一般に60〜70%の範囲内の窒素濃度を有する
窒素含有液体が塔106の下方部から流れ107として
取り出され、弁134を通して減圧され、そして頂部凝
縮器108内に流れ127として通入され、ここで窒素
蒸気生成物流れ126との熱交換により自身は沸騰して
窒素蒸気生成物流れ126の凝縮をもたらす。所望な
ら、追加的な極低温液体119がこの熱交換を補助する
ために流れ121として頂部凝縮器に通入されうる。
【0020】塔106から抜き出された窒素蒸気生成物
109は、主熱交換器103を通過することにより供給
空気との間接熱交換により加温され、同時に供給空気を
冷却する。その後、加温された窒素蒸気生成物は圧縮器
110を通過することにより圧縮される。生成する、
4.2〜12.6kg/cm2(60〜180psia)の範
囲内の圧力にある高圧窒素生成物が製品流れ124とし
て回収される。
【0021】窒素含有廃棄物流体が頂部凝縮器108か
ら流れ112として抜き出され、当該廃棄物流体流れ1
12はその後主熱交換器103を部分的に通過しそして
後膨張機113を通して1.4kg/cm2(20psia)
〜大気圧の範囲内の圧力まで膨張せしめられる。膨張機
113は、圧縮器110に連結手段125により連結さ
れている。直接連結された膨張機−圧縮器系統におい
て、両装置は歯車系統を伴って或いは伴わずして機械的
に連結されているから、膨張しつつある気体流れから取
り出されたエネルギーは直接膨張機により圧縮器を介し
て圧縮された窒素気体生成物に伝達される。この配列構
成は、膨張機から圧縮器へと例えば電気発生のような中
間段階を経由しての間接的エネルギ伝達と関連する外部
損失及び設備投資の両方を最小限とする。廃棄物流体流
れ112は膨張機113を通過するに際して、廃棄物流
体は膨張機を駆動し、これは結局圧縮器110を駆動し
て窒素気体生成物の圧縮を行う。同時に、膨張しつつあ
る流体は膨張機の通過により冷却される。
【0022】冷却されそして膨張せしめられた廃棄物物
流体114はその後、供給空気との間接熱交換状態で主
熱交換器103を通過することにより加温され、他方供
給空気を冷却して極低温精留設備に付加冷凍能(冷気)
を提供して極低温精留を推進する。その結果生じた加温
された廃棄物流体は設備から流れ116として取り出さ
れる。
【0023】図2は本発明の別の具体例を例示し、ここ
では廃棄物流体ではなく供給空気が生成物窒素のための
圧縮器を駆動するのに膨張機を通して膨張せしめられ
る。図2の参照番号は図1と共通する要素に対しては図
1の番号に100を加えた番号に対応し、これら共通要
素については説明を省略する。
【0024】さて図2を参照すると、廃棄物流体流れ2
12はここでは、頂部凝縮器208から抜き出され、弁
232を通して減圧されそして生成する流れ240は主
熱交換器203を通して圧縮された供給空気との間接熱
交換により加温されそして後流れ241として系から取
り出される。
【0025】冷却された圧縮供給空気205は、少なく
とも部分的に膨張機213に通される。図2の具体例に
おいて、冷却された圧縮空気の一部228は、直接塔2
06に通入されそして残りの部分230は主熱交換器2
03を部分的に通過しそして後膨張機213を通して膨
張せしめられる。膨張機213を通して膨張せしめられ
る冷却された圧縮供給空気部分は、冷却された圧縮供給
空気の90〜100%の範囲内でありうる。100%の
冷却された圧縮供給空気が膨張機213に通される場合
には、図2に例示されるような流れ228は存在しない
ことになる。
【0026】供給空気が膨張機213を通過するに際し
て、供給空気は膨張機213を駆動し、これは結局連結
部225を介して圧縮器210を駆動し、窒素生成物の
圧縮を行う。同時に、膨張しつつある供給空気は膨張機
213の通過により冷却される。
【0027】冷却されそして膨張された供給空気242
はその後、膨張機213から極低温精留設備の塔206
に通入され、極低温精留設備に冷凍能(冷気)を提供し
て極低温冷凍を推進し、実施ならしめる。
【0028】
【発明の効果】本発明システムにより、所望の生成物圧
力より著しく低い圧力において極低温精留設備を運転し
つつ高圧の窒素を製造することができる。これは、精留
による極低温分離を容易ならしめ、所定の水準の窒素生
成物純度を得るための設備投資及び運転コストを低減す
る。更に、ベース負荷圧縮器への負担が、それを高圧で
運転する必要がないので軽減され、設備の運転コストを
一層軽減する。窒素生成物圧縮器は、最小限のエネルギ
ー散逸量でもって系内で生まれたエネルギーにより駆動
される膨張機に直結されていることにより非常に効率的
に運転される。追加的に、膨張機を流れて膨張しつつあ
る流体は冷却作用を受け、これは極低温精留設備に付加
的な冷凍能を供給する作用をなして極低温精留を実施す
るのを補助する。
【0029】以上、本発明の具体例について説明した
が、本発明の範囲内で多くの変更をなしうることを銘記
されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】膨張機を極低温精留設備からの廃棄物物流体に
より駆動する本発明の好ましい具体例の概略流れ図であ
る。
【図2】膨張機を供給空気により駆動する本発明のまた
別の好ましい具体例の概略流れ図である。
【符号の説明】
101、201 供給空気 102、202 ベース負荷空気圧縮機 103、203 主熱交換器 104、204 ゲルトラップ 105、205 後極低温精留設備への流れ 106、206 塔 107、207 窒素含有液体流れ 108、208 頂部凝縮器 109、209 窒素蒸気生成物 110、210 圧縮器 112、212 廃棄物物流体流れ 113、213 膨張機 114 冷却されそして膨張せしめられた廃棄物物流体 116 廃棄物物流体 117 還流流れ 119、219 追加極低温液体 125、225 連結手段 126、216 窒素蒸気生成物の一部 127、227 窒素含有液体流れの減圧流れ 134、234 弁 228 冷却された圧縮空気の一部 230 残りの部分 242 冷却されそして膨張された供給空気

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高圧窒素を製造するための極低温精留方
    法にして、(A)供給空気を圧縮しそして冷却し、そし
    て冷却された供給空気を少なくとも一つの塔を装備する
    極低温精留設備に通入する段階と、(B)供給空気を極
    低温精留設備内で極低温精留により分離して窒素生成物
    と廃棄物物流体とを生成する段階と、(C)極低温精留
    設備から窒素生成物を抜き出し、抜き出した窒素生成物
    を供給空気との間接熱交換により加温し、同時に前記段
    階(A)の供給空気の冷却を実施し、そして加温した窒
    素生成物を圧縮機を通して圧縮して高圧窒素生成物を製
    造する段階と、(D)前記極低温精留設備から廃棄物流
    体を抜き出しそして抜き出した廃棄物流体を前記圧縮機
    に連結した膨張機を通して膨張しそして同時に廃棄物流
    体を冷却すると共に圧縮機を駆動して前記段階(C)の
    窒素生成物の圧縮を実施する段階と、(E)冷却され、
    膨張された廃棄物流体を供給空気との間接熱交換状態に
    通して前記段階(A)の供給空気の冷却を追加的に実施
    し、以って極低温精留設備に冷凍能を提供する段階とを
    包含する高圧窒素を製造するための極低温精留方法。
  2. 【請求項2】 高圧窒素を製造するための極低温精留方
    法にして、(A)供給空気を圧縮しそして冷却し、圧縮
    しそして冷却した供給空気の少なくとも一部を圧縮機に
    連結された膨張機を通して膨張して供給空気を追加的に
    冷却する段階と、(B)追加冷却された供給空気を少な
    くとも一つの塔を装備する極低温精留設備に通入する段
    階と、(C)供給空気を極低温精留設備内で極低温精留
    により分離して窒素生成物を生成する段階と、(D)極
    低温精留設備から窒素生成物を抜き出し、抜き出した窒
    素生成物を供給空気との間接熱交換により加温し、同時
    に前記段階(A)の供給空気の冷却を実施する段階と、
    (E)加温された窒素生成物を前記膨張機に連結されそ
    して該膨張機により駆動される前記圧縮機を通して圧縮
    して高圧窒素生成物を製造し、同時に膨張しつつある供
    給空気内に冷凍能を発生せしめ、極低温精留設備に冷凍
    能を提供する段階とを包含する高圧窒素を製造するため
    の極低温精留方法。
  3. 【請求項3】 膨張機を通して膨張される、圧縮しそし
    て冷却された供給空気部分が該圧縮しそして冷却供給空
    気の90〜100%の範囲内にある請求項2の方法。
  4. 【請求項4】 極低温精留設備にして、(A)ベース負
    荷圧縮機、主熱交換器、少なくとも一つの塔を装備する
    極低温精留設備、該ベース負荷圧縮機からの流体を該主
    熱交換器に供給する手段並びに該主熱交換器からの流体
    を該極低温精留設備に供給する手段と、(B)圧縮機及
    び該圧縮機に連結される膨張機、前記極低温精留設備か
    らの流体生成物を前記主熱交換器に通入する手段、該主
    熱交換器からの生成物流体を該圧縮機に供給する手段、
    及び該圧縮機から生成物流体を回収する手段と、(C)
    前記膨張機を通して流体を流し、以って前記圧縮機を駆
    動する手段とを備える極低温精留装置。
  5. 【請求項5】 膨張機を通して流体を流す手段が極低温
    精留装置から膨張機に流体を通す手段と膨張機から主熱
    交換器に流体を流す手段とを備える請求項4の極低温精
    留装置。
  6. 【請求項6】 膨張機を通して流体を流す手段が主熱交
    換器から膨張機に流体を流す手段と膨張機から極低温精
    留装置に流体を流す手段とを備える請求項4の極低温精
    留装置。
  7. 【請求項7】 極低温精留設備が多くて一つの塔を装備
    する請求項4の極低温精留装置。
JP5056390A 1992-02-24 1993-02-23 高圧窒素生成物を製造するための極低温精留システム Pending JPH0611256A (ja)

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