JPH06159927A - 低沸点ガスの液化方法及び装置並びに空気分離方法及び装置 - Google Patents

低沸点ガスの液化方法及び装置並びに空気分離方法及び装置

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JPH06159927A
JPH06159927A JP5197400A JP19740093A JPH06159927A JP H06159927 A JPH06159927 A JP H06159927A JP 5197400 A JP5197400 A JP 5197400A JP 19740093 A JP19740093 A JP 19740093A JP H06159927 A JPH06159927 A JP H06159927A
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pressure
heat exchange
low
temperature
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Bao Ha
バオ・ハ
Jean P Tranier
− ピエール・トラニエール ジャン
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Liquid Air Engineering Corp Canada
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 実質的にエネルギーコストを節約できる低沸
点ガスの液化方法を提供する。 【構成】 ガスの一部を高圧と低圧との間の中間圧まで
圧縮する工程と、第１の温度で中間圧ガスを断熱的に膨
張し、断熱的に膨張したガスを用いて熱交換手段の比較
的暖かい部分を冷却した後、断熱的に膨張したガスを循
環させる工程と、第２の温度で高圧ガスの一部を断熱的
に膨張し、これを用いて熱交換手段の比較的冷たい部分
を冷却した後、第３の温度で後者のガスの一部の少なく
ともいくらかを低圧まで再び断熱的に膨張し、これを熱
交換手段を通して戻して熱交換手段を冷却した後、これ
を循環させる工程とを有し、第１の温度が第２の温度よ
りも高く、かつ第２の温度が第３の温度よりも高い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フィードの一部の複数
回の仕事膨張を伴い、向流熱交換によってフィードの残
部を冷却するのに必要な冷凍を生じさせる、低沸点ガス
の液化に関する。
【０００２】
【従来の技術】低沸点ガスの液化は、圧縮及び冷却した
後、膨張してその温度を液化温度まで低下させることに
よりもたらされる。当然ではあるが、圧縮されたフィー
ドをジュール−トムソン膨張のみにより必要な液化温度
にまで冷却することは経済的ではない。そこで長年の
間、フィードを分割し、その一部を断熱的に膨張し、こ
うして生じた冷凍を向流熱交換によってフィードの残部
を冷却するために用いることが、標準的な方法であっ
た。
【０００３】しかし、低沸点ガスは、単位量の温度低下
当たり一定のエンタルピー変化を伴って冷却されるわけ
ではない。その代わりに、低沸点ガスの冷却曲線は、こ
の分野において「Ｓ曲線」として知られるものである。
【０００４】一方、加熱した場合には、低沸点ガスは同
じＳ曲線をたどり直すのではなく、実際には本質的に直
線をなす加熱「曲線」をたどる傾向がある。熱力学的な
最大効率したがって必要とする冷凍の起源である圧縮を
行うために必要な仕事の最小コストは、間接的に熱交換
している間に加熱流と冷却流との温度差を、熱交換手段
の全長にわたってできるだけ小さく維持することによっ
て助長される。しかし、上述した場合には、Ｓ形の冷却
曲線を直線をなす加熱曲線に近接させることは不可能で
ある。すなわち、２つの曲線は一致した状態からはかな
り離れているため、２つの曲線の間の距離を最小に保つ
ことができない。この分野の設計者によく知られた大問
題であるこの状況は、添付の図面の図１に図示されてい
る。
【０００５】（公知の従来技術）低沸点ガスの冷却曲線
を変化させることはできないので、この分野の設計者
は、フィード流の仕事膨張部分によって与えられる冷凍
を再分配することによって、熱交換経路の中間部分に沿
って加熱曲線を変化させることを追求してきた。具体的
には、フィードの一部を断熱的に膨張させ、このように
して生じた冷凍を熱交換経路の冷たい末端と暖かい末端
との中間の一部のみに沿うフィードの残部に加え、その
後さらに同じ一部を熱交換手段に沿ってその暖かい末端
まで戻す前に断熱的に膨張させることが知られている。
【０００６】例えば、スミスら（Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａ
ｌ．）の米国特許第３，３５８，４６０号においては、
高圧流の一部を断熱的に膨張し、向流熱交換において中
間温度レベルのフィードの残部とともに戻し、その後フ
ィードとの向流熱交換において熱交換手段の暖かい末端
まで戻す前に再び断熱的に膨張しながら、高圧のフィー
ド流を少しずつ冷却した後、等エンタルピー的に膨張し
てこれを液化している。
【０００７】しかし、これらの２回の断熱膨張は要求さ
れる冷凍を生じさせるには不十分であるので、約−７４
℃という比較的低温で運転しなければならない別個の外
部冷凍ユニットを設けている。このような低温では、非
常に高価な外部冷媒を使用する必要がある。しかも、低
温用材料を使用しなければならないので、冷凍ユニット
は非常に高価になる。
【０００８】マーシャルら（Ｍａｒｓｈａｌｌ ｅｔ
ａｌ．）の米国特許第４，６３８，６３９号は、加熱曲
線を冷却曲線に一致させることを追求した他のやり方を
提案している。この後者の特許においては、二重圧力サ
イクルを与え、フィードは比較的高圧にあり、第２の流
れを中間圧まで圧縮する。高圧流の一部を断熱的に膨張
し、中間温度レベルのフィードを冷却するために用い、
再び断熱的に膨張し、フィードとの向流熱交換において
熱交換手段の暖かい末端まで戻している。しかし、スミ
スらにおけるような外部冷凍ユニットの代わりに、マー
シャルらはさらに２回の断熱膨張を与えている。これら
の断熱膨張のうちより暖かい方では、最初に述べた高圧
フィードの一部よりも高い温度レベルで高圧フィードの
一部を断熱的に膨張し、最初に述べたフィードの一部よ
り暖かい熱交換手段の部分を冷却するために戻してい
る。しかし、中間圧流の方も、最初に述べた高圧流の一
部よりもさらに低い温度まで冷却し、断熱的に膨張し、
最初に述べた一部よりも冷たい熱交換手段の部分を冷却
するために戻している。
【０００９】いいかえれば、マーシャルらにおいては、
フィードの３つの部分を３つの異なる温度レベルで断熱
的に膨張し、対応する３つの異なる温度レベルで熱交換
手段の３つの異なる部分を冷却するために最初に用いて
いる。したがって、少なくとも４つの膨張機関が必要に
なる。このことは、サイクルの複雑さを大幅に増し、よ
り高い資金コストをもたらす。
【００１０】最後に、ドブラキーら（Ｄｏｂｒａｃｋｉ
ｅｔ ａｌ．）の米国特許第４，８９４，０７６にお
いては、中間圧流を分割し、比較的暖かい一部を断熱的
に膨張して比較的高い温度レベルで冷凍を与え、比較的
冷たい一部を断熱的に膨張して比較的低い温度レベルで
冷凍を与えるサイクルが提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
１つの目的は、低温用の外部冷凍を必要としない低沸点
ガスの液化方法及び装置を提供することにある。本発明
の他の目的は、最少数の膨張機関を用いる方法及び装置
を提供することにある。
【００１２】本発明のさらなる目的は、ガスの加熱曲線
をガスの冷却曲線と一致するように接近させる方法及び
装置を提供することにある。本発明のさらに他の目的
は、実質的なエネルギーコストの節約を享受できるよう
な方法及び装置を提供することにある。
【００１３】本発明のさらなる目的は、空気分離ユニッ
トと組み合わせた方法及び装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、窒素の液化に特に有用性がある方
法及び装置を提供することにある。
【００１４】最後に、本発明の目的は、信頼性があって
比較的コスト効果があり、維持及び運転が簡単であり、
かつ使用にあたり丈夫で耐用性がある装置を提供するこ
とにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明のこれらの及び他
の目的は、本発明による方法及び装置によって達成され
る。本発明においては、フィードの中間圧の一部を断熱
的に膨張して熱交換手段の比較的暖かい部分を冷却する
ために用い、一方でフィードの高圧の一部を断熱的に膨
張して熱交換手段のより冷たい部分を暖めるために用い
た後、再び断熱的に膨張して熱交換手段のさらに冷たい
部分のために冷凍を与える二重圧力サイクルを提供する
ことによって、低温外部冷凍の使用を避け、同時に膨張
機関の数を最少に保つ。この第３の断熱膨張は、好まし
くは最低のサイクル圧力及び温度に達し、いくつかの例
では液化ガスを製造することもできる。
【００１６】結果として、添付の図面の図２に示される
ように、本発明の熱交換手段の全長に沿った加熱曲線
は、冷却曲線とかなり良好な一致をもたらす。以上で指
摘したように、これは本発明が向流的に流れる流れの間
でかなり小さい温度差を実現することにより運転効率を
改善することを意味し、このことは要求される圧縮を生
じさせるに必要なエネルギーコストの実質的な節約をも
たらす。エネルギーの節約は少なくとも約３％であり、
５０バールより低い比較的低圧を伴うサイクルと比較す
ると節約は約５％まで上がる。
【００１７】（従来技術からの特徴）上述したスミスら
の特許の開示と比較して、本発明は少なくとも以下のか
なりの特徴を示す。
【００１８】１．低温で作動する外部冷凍ユニットが不
要であり、以上に記載した長所がある。 ２．スミスらは、二重圧力サイクルではない。すなわ
ち、外部冷凍を、その一部が連続的な断熱膨張を受け
る、同じ高圧フィード流に適用している。
【００１９】上述したマーシャルらと比較して、本発明
は少なくとも以下の特徴を有する。 １．マーシャルらによって示された工程は二重圧力サイ
クルのようであるけれども、最も暖かい断熱膨張は、本
発明のように中間圧流に対してではなく、高圧流の一部
に対して行われる。
【００２０】２．マーシャルらにおいては、中間圧流の
断熱膨張は３つの断熱的に膨張された流れのうち最も低
い温度レベルで行われる。 ３．マーシャルらにおいては、断熱膨張によって得られ
る冷凍は３つの異なる温度レベルで適用され、このため
４つの膨張機関が必要になる。
【００２１】４．マーシャルらにおいては、２回の中間
温度での等温膨張の生成物を熱交換手段の同じ温度レベ
ルに適用する。一方、本発明においては、連続的に膨張
された材料が熱交換手段の連続的により低くなっている
温度部分に適用される。
【００２２】上述したドブラキーらと比較して、本発明
は少なくとも以下の著しい特徴を含んでいる。 １．ドブラキーらにおいては、中間圧流を分割し、２つ
の異なる温度レベルで断熱的に膨張して２つの異なる温
度レベルで冷凍を与えている。しかし、本発明において
は、中間圧流を断熱的に膨張し、比較的高い温度レベル
でのみ冷凍を与えるために用いている。
【００２３】２．ドブラキーらにおいては、高圧流の一
部を取り出して断熱的に２回膨張するが、これらの膨張
の間では熱交換を伴わない。しかし、本発明において
は、２回膨張した高圧流の一部は２つの異なる温度レベ
ルの冷凍を与える。
【００２４】３．ドブラキーらにおいては、断熱的に膨
張した高圧流の一部と断熱的に膨張した中間圧流の一部
とは、これらが合流するので、同じ温度レベルの冷凍を
与える。しかし、本発明においては、断熱的に膨張した
３つの流れは３つの異なる温度レベルの冷凍を与える。
【００２５】
【実施例】本発明の他の特徴及び長所は、添付の図面と
の関連で、以下の記載から明らかになるであろう。 （定義）以下の文章において、全ての温度は摂氏で与え
られる。
【００２６】圧力は絶対バールである。「断熱膨張」と
は、膨張機内での仕事を伴う膨張をいう。膨張機は、図
面中ではターボ膨張機として図示されているが、例えば
往復膨張機など、どのような他のタイプの膨張機関でも
よい。
【００２７】同様に、圧縮機は、図面中では遠心圧縮機
として示されているが、スクリュー圧縮機、往復圧縮
機、軸流圧縮機などでもよい。本文で用いている「低沸
点ガス」とは、最も広い意味において、−８０℃未満で
沸騰するガスをいう。しかし、好ましいガスは、大気す
なわち酸素よりも低温で沸騰するもの、及び大気よりも
低温で沸騰するガス、例えば水素及びヘリウムである。
特に好ましいのは、窒素又は空気であり、以下の記載で
は窒素との関連で本発明を例示する。しかし、表現とし
てクレームしたものを除いて、本発明が窒素と関連した
使用に限定されないことは理解されるべきである。
【００２８】次に、図面のうちまず図３をより詳細に参
照すると、窒素液化サイクルを図示しており、１バール
よりわずかに高い圧力の気体窒素が導管１から入り、圧
縮機３中で約５バールまで圧縮される。窒素は最も低い
サイクル圧力で導管５を通して圧縮機３を出る。この低
圧窒素は、導管７を通して流れ、圧縮機９中でさらに中
間圧まで圧縮される。窒素は約３６バールの圧力及び２
５℃の温度で導管１１を通して圧縮機９を出る。この中
間圧流は分割され、導管１３中の一部は圧縮機１５中で
７６バールの高圧及び２５℃の温度まで圧縮された後、
導管１７を経由して熱交換手段を通して流れる。この熱
交換手段は、図中では一連の連続的に冷たくなっている
熱交換器１９，２１，２３，２５及び２７として描かれ
ている。当然ではあるが、この熱交換手段の説明は、図
示のためだけであることが理解されるべきである。例え
ば、別個の熱交換器又は１つの連続熱交換器を用いるこ
ともできる。熱交換器は、記載の便宜のため、別個の熱
交換器として示されている。
【００２９】最も冷たい熱交換器２７を出た高圧フィー
ドはジュール−トムソン膨張機２９において等エンタル
ピー膨張を受け、その中で部分的に液化され、気液混合
物は相分離器３１へ供給され、そこから液体窒素が導管
３３を通して取り出される。もちろん、この高圧フィー
ド流を、代わりに任意に密液膨張機中で膨張させて、最
小のフラッシュロスで圧力を下げてもよい。気体窒素は
導管３５を通して分離器３１を出て、フィードとともに
向流熱交換して熱交換手段の暖かい末端へ戻され、それ
から導管７中の補給ガスと再び合流する。いいかえれ
ば、液化していない窒素を循環させる。
【００３０】導管１７中の高圧流は、約−１７７℃の温
度で膨張機２９に達し、ほとんど最低のサイクル圧力す
なわち５バール及び−１７９℃の温度まで膨張され、こ
の温度で分離器３１からの液化していない一部は最も冷
たい熱交換器２７へ入る。液化していない一部は熱交換
器２７中で−１４０℃まで暖められ、熱交換器２５中で
−１３０℃まで暖められ、熱交換器２３中で−９５℃ま
で、熱交換器２１中で−２８℃まで、熱交換器１９中で
＋２２℃まで、暖められる。
【００３１】中間圧フィードの一部は、導管１３を通過
する代わりに、導管３７を通して分岐し、前に示したよ
うに、そこで３６バールの圧力及び＋２５℃の温度を持
つ。この中間圧流は、熱交換器１９中で−２５℃まで冷
却された後、膨張機３９中で最低のサイクル圧力である
５バール及び−９５℃の温度まで断熱膨張される。この
膨張流は導管４１を通過し、熱交換手段の暖かい末端ま
で伸びる導管３５中の流れと再び合流して循環される。
【００３２】高圧フィードの一部は、熱交換器２１と２
３との間から、７６バールの圧力及び−９０℃の温度で
導管４３を通して取り出され、膨張機４５中で２４バー
ルの圧力及び−１４０℃の温度まで断熱的に膨張され、
この条件において導管４７を通して熱交換器２５の冷た
い末端まで供給され、導管４９を通して２４バールの圧
力及び−１３０℃の温度で熱交換器２５を出て、膨張機
関５１に入り、ここで−１７９℃という最低温のサイク
ル温度及び５バールという最低圧のサイクル圧力までさ
らに断熱膨張を受ける。この流れは、導管５３を通過
し、それから熱交換手段の最も暖かい末端まで戻るため
の導管３５中のガスと合流する。しかし、この流れが液
体を含んでいる場合には、その代わりに導管５５を通し
て相分離器３１へ供給してもよい。
【００３３】図４は図５〜図９を編集したものを示して
おり、一目で、サイクルが変更され得る種々の手段の概
要を与え、同時に図５〜図９において図３と異なりかつ
互いに異なる手段を示す。
【００３４】次に、図５を参照すると、このサイクル
は、以下の点で図３のそれと異なっていることがわかる
であろう。すなわち、膨張機関３９においてサイクルの
最低圧まで膨張させて膨張した流れを導管３５中の同等
の圧力の流れと合流する代わりに、中間圧流を機関３９
においてわずかに１０バールの圧力まで膨張し、こうし
て導管５７によって別個に熱交換器２１及び１９をこの
順に通して輸送した後、導管５及び１３における圧力が
中間圧であるため、これらの間を圧縮機９まで供給して
循環する。
【００３５】図６は以下の点で図３と異なっている。す
なわち、機関４５中で膨張し導管４７を通して冷たい熱
交換器２５まで通過する高圧ガスの一部を、その全てを
機関５１まで輸送するかもしれない導管４９から分岐し
ている。この分岐した部分は、導管５及び１３における
一般的な圧力の間の中間圧である場合にはそれらの間を
圧縮機９まで供給され、導管５９を経由して熱交換器２
３，２１及び１９をこの順に通過する。
【００３６】しかし、導管４７中の材料が導管３７中に
おける一般的な中間圧である場合には、熱交換器２３及
び２１をこの順に通過した後、熱交換器１９を通過する
ための導管３７へ合流して循環する。
【００３７】図７のサイクルは、比較的暖かいレベルの
外部冷凍６３が追加されていることから、図３のそれと
異なっている。中間圧流の一部は、導管３７から分岐
し、それから導管６５及び外部冷凍６３を通過した後、
膨張機関３９へ入る前に導管３７と再び合流し、これに
よって熱交換器１９をバイパスしている。
【００３８】本発明において低温外部冷凍がないことが
スミスらに対する特許と比べて顕著な特徴であることを
初めに指摘したことを思い出すであろう。外部冷凍６３
があることは、その原理を破るものではない。すなわ
ち、６３の出口温度は−４５℃よりも高く、それで低温
用の装置をこの位置で用いる必要がなく、かなりのコス
ト節約を伴う。また、例えばアンモニア、フレオン、炭
化水素混合物などの普通の冷媒を用いることもできる。
【００３９】図８のサイクルは、中間圧流の扱いにおい
て図３のそれと異なる。図８においては、導管３７から
膨張機３９へ通過する全ての中間圧流の代わりに、熱交
換器１９を通過した後に一部が分岐し、直接的に熱交換
器２１，２３，２５及び２７をこの順に進んだ後、ジュ
ール−トムソン膨張機６９中で５バールをわずかに越え
るまで等エンタルピー的に膨張され、液体分離器３１へ
導入される。
【００４０】図９のサイクルは、以下の点で図３のそれ
と異なる。すなわち、膨張機４５を出たものの一部が導
管４７から導管７１へ分岐し、導管７１中で熱交換器２
７を通過し、ジュール−トムソン膨張機７３中で５バー
ルをわずかに越えるまで、相分離器３１へ導入される前
に、等エンタルピー的に膨張される。
【００４１】図１０は、本発明による液化サイクルを、
他の点では従来のものである空気分離ユニットと組み合
わせたものを示す。したがって、図１０の左側から始め
ると、導管７５を通して導入された空気は、圧縮機７７
で圧縮され、導管７９を経由して熱交換器８１を通過
し、そこでほぼ空気の液化温度まで冷却され、その後低
圧段８７が高圧段８３上に搭載され両者の間に共通の凝
縮器−再沸騰器を共用するという通常の構成を有する二
段空気蒸留塔８５の高圧段８３の底部へ導入される。高
圧段８３における圧力は、実質的に液化サイクルの最低
圧すなわち５バールに等しい。
【００４２】従来と同様に、酸素リッチの液体は高圧段
８３の液だめから導管８９を経由して取り出され、ジュ
ール−トムソン膨張機９１中で等エンタルピー的に膨張
され、適当な組成レベルで低圧段８７へ導入される。ま
た、従来と同様に、液体窒素を高圧段８３の頂部から導
管９３を経由して取り出され、ジュール−トムソン膨張
機９５において大気圧をわずかに越えるまで等エンタル
ピー的に膨張され、低圧段８７の上部へ還流分として導
入される。
【００４３】また、従来と同様に、低圧段８７の液だめ
からの液体酸素は導管９７を経由して貯蔵器へ取り出さ
れる。低圧段８７の底部からの気体酸素は導管９９から
取り出され、その冷凍が熱交換器８１で回収され、それ
から気体酸素は適当な利用部へ通過する。
【００４４】しかし、本発明によれば、気体窒素は高圧
段８３の頂部から導管１０１を経由して取り出され、導
管３５の同様な組成、温度及び圧力の流れと合流する。
また、本発明によれば、導管３３を通して相分離器３１
から出る液体窒素は、導管１０３を経由して通常の貯蔵
器へ（同時に例えば膨張によるような必要とされる圧力
調整がなされて）通過する一部と、導管１０５を通して
液相で通過する残部とに分割される。導管１０５中の５
バールの圧力にある液体は、ジュール−トムソン膨張機
１０７によって低圧段８７の低圧まで等エンタルピー的
に膨張され、さらに還流分としてその頂部へ導入され
る。
【００４５】低圧段８７からの気体オーバーヘッドは、
導管１０９を経由し熱交換器８１を通った後、導管１へ
流れ、その中で窒素冷凍サイクルのための補給分として
作用する。
【００４６】また、本発明によれば、導管１０１を経由
して取り出された気体窒素の一部は導管１０１から導管
１１１を通して分岐され、少なくとも熱交換器８１を通
る部分的な経路を通過し、その中で冷凍が回収される。
その後、導管１１１中の材料は中間圧流のための暖かい
補給分として作用する。この目的のためには、この補給
分はすでに必要とされる圧力である５バールであるの
で、直接的に導管１３へ導入してもよい。
【００４７】熱交換器８１中で加熱される気体窒素の一
部は、適当な温度レベルで導管１１１から導管１１３を
経由して取り出し、例えば熱交換器２３と２５との間の
導管３５中の対応する圧力及び温度レベルにある材料と
合流してもよい。
【００４８】上述したように、具体的に記載された温度
及び圧力は典型例にすぎず、もちろん窒素サイクルにの
み適用される。しかし、一般に、圧縮器１５を出る高圧
材料は、２０〜１００バールの範囲の圧力を有するべき
であり、圧縮器９を出るものは１０〜５０バールの範囲
の圧力を有するべきであり、膨張機関４５を出るものは
１０〜８０バールの範囲の圧力を有するべきである。
【００４９】したがって、以上の開示を考慮すれば、最
初に記載した本発明の全ての目的が達成されていること
は明かである。本発明は好ましい態様との関連で記載及
び図示されているけれども、この分野における熟練者が
用意に理解するであろうように、修正及び変更は本発明
の精神から逸脱することなく、有効であることは理解さ
れるべきである。このような修正及び変更は、添付のク
レームによって定義されるように、本発明の範囲内にあ
ると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による加熱曲線の補正がなされない場合
の温度に対する伝熱を示す図。
【図２】本発明による加熱曲線の補正が必要な場合の温
度に対する伝熱を示す図。
【図３】本発明に係る液化サイクルの構成図。
【図４】本発明に係る図５〜図９の液化サイクルを編集
したものを図３と同様に示す構成図。
【図５】本発明に係る液化サイクルの変形例を示す構成
図。
【図６】本発明に係る液化サイクルの変形例を示す構成
図。
【図７】本発明に係る液化サイクルの変形例を示す構成
図。
【図８】本発明に係る液化サイクルの変形例を示す構成
図。
【図９】本発明に係る液化サイクルの変形例を示す構成
図。
【図１０】本発明に係る液化サイクルを空気分離ユニッ
トへ組み込んだものを図３と同様に示す構成図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591036572 レール・リキード・ソシエテ・アノニム・ プール・レテュード・エ・レクスプロワタ シオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロ ード フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75 (72)発明者 バオ・ハ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 95688、ベイカビル、 ウェザースフィー ルド・ドライブ 807 (72)発明者 ジャン − ピエール・トラニエール フランス国、94800 ビルジュイフ、リ ュ・ドゥ・レスペランス ９

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低沸点ガスを高圧まで圧縮し、熱交換手
    段において冷却し、低圧まで膨張して少なくともその一
    部を液化する、低沸点ガスを液化する方法において、改
    良点が、前記ガスの一部を前記高圧と低圧との間の中間
    圧まで圧縮する工程と、第１の温度で前記中間圧ガスを
    断熱的に膨張し、断熱的に膨張したガスを用いて前記熱
    交換手段の比較的暖かい部分を冷却した後、前記断熱的
    に膨張したガスを循環させる工程と、第２の温度で前記
    高圧ガスの一部を断熱的に膨張し、これを用いて前記熱
    交換手段の比較的冷たい部分を冷却した後、第３の温度
    で後者のガスの一部の少なくともいくらかを前記低圧ま
    で再び断熱的に膨張し、これを熱交換手段を通して戻し
    て熱交換手段を冷却した後、後者のガスを循環させる工
    程とを有し、前記第１の温度が前記第２の温度よりも高
    く、かつ前記第２の温度が前記第３の温度よりも高いこ
    とからなる低沸点ガスの液化方法。
  2. 【請求項２】 前記中間圧ガスを、断熱膨張する前に、
    前記熱交換手段の暖かい末端において冷却する工程を有
    する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 高圧ガスを、前記高圧ガスの一部を断熱
    膨張する前に、前記熱交換手段において中間圧ガスより
    も低い温度まで冷却する工程を有する請求項１又は２の
    いずれかに記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記高圧ガスを、その一部を断熱膨張す
    る前に、前記熱交換手段の比較的暖かい部分において冷
    却する工程を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の
    方法。
  5. 【請求項５】 液体を、最後に言及した断熱的に膨張し
    たガスから分離する工程を有する請求項１乃至４のいず
    れかに記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記低沸点ガスが、酸素のそれよりも高
    くない沸点を有する請求項１乃至５のいずれかに記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 前記低沸点ガスが、窒素である請求項１
    乃至６のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記低沸点ガスが、空気である請求項１
    乃至７のいずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記中間圧流が、前記低圧まで前記断熱
    膨張を受ける請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記中間圧ガスが、前記低圧と前記高
    圧との間の圧力まで前記断熱膨張を受ける請求項１乃至
    ９のいずれかに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 最後の２回の断熱膨張の間の前記ガス
    の一部を、最後に断熱膨張する前に分岐し、前記熱交換
    手段を通してその暖かい末端まで戻して循環する請求項
    １乃至１０のいずれかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 最後の２回の断熱膨張の間の前記ガス
    の一部を、最後に断熱膨張する前に分岐し、前記熱交換
    手段の一部を通過してこれを冷却するが、その暖かい末
    端に達する前に、前記熱交換手段から取り出し、前記中
    間圧ガスとともに循環する請求項１乃至１１のいずれか
    に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 さらに、前記中間圧ガスが、断熱膨張
    する前に、−４５℃より高い温度レベルで外部冷凍を受
    ける請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
  14. 【請求項１４】 外部冷凍を受ける前記中間ガスの一部
    を、断熱膨張する前に、前記熱交換手段をバイパスし、
    前記中間圧ガスの残部を、断熱膨張する前に、前記冷凍
    手段の暖かい末端を通過して冷却する請求項１乃至１３
    のいずれかに記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記中間圧ガスの一部を、断熱膨張を
    バイパスし、代わりに前記熱交換手段をその冷たい末端
    まで通過し続けて膨張する請求項１乃至１４のいずれか
    に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記最後の２回の断熱膨張の間の前記
    ガスの一部を、最後に断熱膨張する前に分岐し、前記熱
    交換手段の冷たい末端において冷却し、膨張する請求項
    １乃至１５のいずれかに記載の方法。
  17. 【請求項１７】 空気を圧縮して冷却する工程と、冷却
    された空気を低圧段をも有する二段空気蒸留塔の高圧段
    へ導入する工程と、酸素リッチの液体を高圧段の低部側
    から取り出してこれを膨張させ、これを低圧段に導入し
    て前記低圧段において分離する工程と、液体窒素を高圧
    段から取り出して膨張させ、これを低圧段へ還流分とし
    て導入する工程と、窒素を低圧段の頂部から取り出す工
    程とを有する空気分離方法において、改良点が、前記気
    体窒素を請求項１乃至１６のいずれかに記載の液化サイ
    クルへのフィードとして用いることからなる空気分離方
    法。
  18. 【請求項１８】 さらに、気体窒素を高圧段の頂部から
    取り出し、これを用いて前記空気を冷却した後、これを
    前記液化サイクルにおいて前記サイクルの前記低圧にあ
    るガスと合流させる工程を有する請求項１７記載の空気
    分離方法。
  19. 【請求項１９】 前記液化サイクルにおいて生じた液体
    窒素を膨張して、前記低圧段へ還流分として供給する請
    求項１７又は１８のいずれかに記載の空気分離方法。
  20. 【請求項２０】 前記高圧段からの気体窒素を用いて、
    まず流入する空気を冷却し、次に前記熱交換手段のより
    暖かい部分を冷却する請求項１７乃至１９のいずれかに
    記載の空気分離方法。
  21. 【請求項２１】 前記高圧段が、前記液化サイクルの前
    記低圧にある請求項１７乃至２０のいずれかに記載の空
    気分離方法。
  22. 【請求項２２】 低沸点ガスを高圧まで圧縮し、熱交換
    手段において冷却し、低圧まで膨張してその少なくとも
    一部を液体に凝縮させる低沸点ガスの液化装置におい
    て、改良点が、前記ガスの一部を前記高圧と低圧との間
    の中間圧まで圧縮する手段と、第１の温度で前記中間圧
    ガスを断熱的に膨張し、断熱的に膨張したガスを用いて
    前記熱交換手段の比較的暖かい部分を冷却した後、前記
    断熱的に膨張したガスを循環させる手段と、第２の温度
    で前記高圧ガスの一部を断熱的に膨張し、これを用いて
    前記熱交換手段の比較的冷たい部分を冷却した後、第３
    の温度で後者のガスの一部の少なくともいくらかを前記
    低圧まで再び断熱膨張し、これを熱交換手段を通して戻
    して熱交換手段を冷却した後、後者のガスを循環させる
    手段とを有し、前記第１の温度が前記第２の温度よりも
    高く、かつ前記第２の温度が前記第３の温度よりも高い
    ことからなる低沸点ガスの液化装置。
  23. 【請求項２３】 さらに、前記中間圧ガスを、断熱膨張
    する前に、前記熱交換手段の暖かい末端において冷却す
    る手段を有する請求項２２記載の装置。
  24. 【請求項２４】 さらに、高圧ガスを、前記高圧ガスの
    前記一部を断熱膨張する前に、前記熱交換手段において
    中間圧ガスよりも低い温度まで冷却する手段を有する請
    求項２２又は２３のいずれかに記載の装置。
  25. 【請求項２５】 さらに、前記高圧ガスを、その一部を
    断熱膨張する前に、前記熱交換手段の比較的暖かい部分
    において冷却する手段を有する請求項２２乃至２４のい
    ずれかに記載の装置。
  26. 【請求項２６】 さらに、液体を、最後に言及した断熱
    的に膨張したガスから分離する手段を有する請求項２２
    乃至２５のいずれかに記載の装置。
  27. 【請求項２７】 前記中間圧流が、前記低圧まで前記断
    熱膨張を受ける請求項２２乃至２６のいずれかに記載の
    装置。
  28. 【請求項２８】 前記中間圧ガスが、前記低圧と前記中
    間圧との間の圧力まで前記断熱膨張を受ける請求項２２
    乃至２７のいずれかに記載の装置。
  29. 【請求項２９】 さらに、最後の２回の断熱膨張の間の
    前記ガスの一部を最後に断熱膨張する前に分岐し、これ
    を前記熱交換手段を通し、その暖かい末端まで戻して循
    環する手段を有する請求項２２乃至２８のいずれかに記
    載の装置。
  30. 【請求項３０】 さらに、最後の２回の断熱膨張の間の
    前記ガスの一部を最後に断熱膨張する前に分岐し、これ
    を前記熱交換手段を通過させてこれを冷却するが、これ
    を前記熱交換手段からその暖かい末端へ達する前に取り
    出し、これを前記中間圧ガスとともに循環する手段を有
    する請求項２２乃至２９のいずれかに記載の装置。
  31. 【請求項３１】 さらに、前記中間圧ガスを、断熱膨張
    する前に、−４５℃より高い温度で外部冷凍する手段を
    有する請求項２２乃至３０のいずれかに記載の装置。
  32. 【請求項３２】 外部冷凍を受けた前記中間ガスの一部
    を断熱膨張する前に前記熱交換手段をバイパスし、前記
    中間圧ガスの残部を断熱膨張する前に前記冷凍手段の暖
    かい末端を通過させて冷却する請求項２２乃至３１のい
    ずれかに記載の装置。
  33. 【請求項３３】 さらに、前記中間圧ガスの一部を断熱
    膨張をバイパスさせ、代わりにこれを前記熱交換手段を
    通してその冷たい末端まで輸送し、これを膨張する手段
    を有する請求項２２乃至３２のいずれかに記載の装置。
  34. 【請求項３４】 さらに、最後の２回の断熱膨張の間の
    前記ガスの一部を最後に断熱膨張する前に分岐し、これ
    を前記熱交換手段の冷たい末端において冷却し、これを
    膨張する手段を有する請求項２２乃至３３のいずれかに
    記載の装置。
  35. 【請求項３５】 空気を圧縮かつ冷却してこれを部分的
    に液化する手段と、部分的に液化された空気を低圧段を
    も有する二段空気蒸留塔の高圧段へ導入する手段と、酸
    素リッチの液体を高圧段の低部側から取り出してこれを
    膨張させ、これを低圧段に導入して前記低圧段において
    分離する手段と、液体窒素を高圧段から取り出し、これ
    を膨張して低圧段へ還流分として導入する手段と、窒素
    を低圧段の頂部から取り出す手段とを有する空気分離装
    置において、改良点が、前記気体窒素を、請求項２２乃
    至３４のいずれかに記載の液化装置へのフィードとして
    用いる手段を有することからなる空気分離装置。
  36. 【請求項３６】 さらに、気体窒素を高圧段の頂部から
    取り出す手段と、これを用いて前記空気を冷却する手段
    と、その後これを前記液化装置において前記液化装置の
    前記低圧にあるガスと合流させる手段を有する請求項３
    ５記載の空気分離装置。
  37. 【請求項３７】 さらに、それによって前記相分離から
    の液体窒素を膨張して前記低圧段へ還流分として供給す
    る手段を有する請求項３５又は３６のいずれかに記載の
    空気分離装置。
  38. 【請求項３８】 さらに、それによって前記高圧段から
    の気体窒素を用いて、まず流入する空気を冷却し、次に
    前記熱交換手段のより暖かい部分を冷却する手段を有す
    る請求項３５乃至３７のいずれかに記載の空気分離装
    置。
  39. 【請求項３９】 前記高圧段が、前記液化装置の前記低
    圧にある請求項３５乃至３８のいずれかに記載の空気分
    離装置。
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