JPH0854180A - 高圧酸素生成のための空気沸騰型極低温精留システム - Google Patents

高圧酸素生成のための空気沸騰型極低温精留システム

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JPH0854180A
JPH0854180A JP7134685A JP13468595A JPH0854180A JP H0854180 A JPH0854180 A JP H0854180A JP 7134685 A JP7134685 A JP 7134685A JP 13468595 A JP13468595 A JP 13468595A JP H0854180 A JPH0854180 A JP H0854180A
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ジェラルド・アントニー・パオリノー
Raymond Francis Drnevich
レイモンド・フランシス・ドルネビッチ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高圧酸素を生成するための空気沸騰型極低温
精留システムを提供すること。 【構成】 加圧された液体酸素を蒸発させるために追加
の供給空気流れを使用し、又、追加の供給空気流れをタ
ーボ膨脹させることによって冷凍を創生した後、極低温
精留コラムへ通すことを特徴とする空気沸騰型極低温精
留システム。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気の沸騰を利用して
行う極低温精留に関し、７０〜８５モル％の範囲内の酸
素濃度を有する高圧酸素の生成に特に有利である。
【０００２】
【従来の技術】酸素及び窒素を生成するために空気を極
低温精留することは、確立された工業プロセスである。
そのようなプロセスにおいては、通常、供給空気が、複
コラムシステムで分離され、高圧コラムからの頂部蒸気
即ち棚窒素を用いて低圧コラム内の底部液体を再沸騰
（リボイル）させる。
【０００３】低純度酸素に対する需要が、ガラス製造、
製鋼及びエネルギーの産出等の用途において増大してい
る。複コラムを用いて通常生成されるものよりは純度の
低い、９８．５モル％未満の酸素純度を有する低純度酸
素を生成するには、低圧コラムのストリッピングセクシ
ョン内の沸騰蒸気（窒素）量（沸騰によって生じる蒸気
の量）を少なくし、低圧コラムの濃縮セクション（酸素
濃度を高めるための底部セクション）への還流液体（酸
素液体）の量を少なくする必要がある。
【０００４】従って、低純度酸素は、一般に、低圧コラ
ムの底部液体を再沸騰（リボイル）させるのに高圧コラ
ムの圧力を有する供給空気を使用し、次いで、供給空気
を高圧コラムへ通すようにした極低温精留システムによ
って大量に生成される。低圧コラムの底部液体を蒸発さ
せるのに窒素ではなく、空気を使用することにより、供
給空気の所要圧力を低くすることができ、供給空気のう
ちの適当な一部分を低圧コラムのリボイラー（再沸騰
器）へ供給することによって、あるいは、総供給空気の
うちの部分的に凝縮させる割合を多くすることによっ
て、低圧コラムのストリッピングセクション内で過度に
ではなく必要なだけの沸騰蒸気を発生させることができ
る。
【０００５】在来の極低温精留システムでも低純度酸素
を生成するのに適用することができるが、低圧コラムの
頂部へ供給するための環流液体窒素を創生する能力が低
くなる。それは、主供給空気の圧力に近い高圧コラムの
作動圧力下では成分間（酸素と窒素間）の揮発性の差が
小さいこと、及び、生成される液体空気の割り合いが多
いことに基因する。環流液体窒素を創生する能力が低下
することの結果として酸素回収率が低下するので、精留
システムの動力消費量が増大する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、低圧コラムの底部液体を供給空気との間接熱交換に
よって再沸騰させ、特に９０モル％未満の濃度の酸素を
生成する際、従来の空気沸騰型極低温精留システムより
低い所要動力で作動することができる、低純度酸素生成
のための極低温精留システムを提供することである。
【０００７】生成物酸素ガスを高められた圧力（以下、
「高圧」と称する）で回収することが必要とされること
がしばしばある。一般に、高められた圧力（高圧）の酸
素ガスは、生成物酸素ガス（以下、単に「生成物ガス」
とも称する）を圧縮機に通すことによって所要の高い圧
力にまで圧縮することにより得られる。そのような方式
は効果的ではあるが、相当にコスト高となる。更に、空
気沸騰型極低温精留システムは、今日まで、低圧酸素を
生成するのに最も有用であるとされてきた。従って、本
発明のもう１つの課題は、得られた酸素ガスを圧縮する
必要なしに、高圧酸素ガスを効果的に生成することがで
きる空気沸騰型極低温精留システムを提供することであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の一側面によれ
ば、上記目的を達成するために、供給空気を用いて低圧
コラムの底部液体を沸騰させた後、該供給空気を高圧コ
ラムへ通し、液体酸素を低圧コラム内で生成する、高圧
コラムと低圧コラムを使用する極低温空気分離方法であ
って、（Ａ）第２供給空気部分をターボ膨脹させて冷凍
を創生し、該ターボ膨脹された第２供給空気部分を前記
高圧コラムへ通す工程と、（Ｂ）前記低圧コラムから液
体酸素を抽出し、該抽出された液体酸素を加圧してその
圧力を増大させる工程と、（Ｃ）該加圧された液体酸素
を、低圧コラムの底部液体を沸騰させるのに用いられる
前記供給空気の圧力より高い圧力にある第３供給空気部
分との間接熱交換によって蒸発させて酸素ガスと液体供
給空気を生成する工程と、（Ｄ）得られた前記液体供給
空気を前記高圧コラムと低圧コラムの少くとも一方に通
す工程と、（Ｅ）得られた前記酸素ガスを高圧酸素ガス
生成物として回収する工程と、から成る方法が提供され
る。
【０００９】本発明の他の側面によれば、第１コラム
と、底部リボイラーを備えた第２コラムと、供給物流れ
を該底部リボイラーへ通し、該底部リボイラーから第１
コラムへ通すための手段とを有する極低温精留装置であ
って、（Ａ）ターボ膨脹機、及び、第２供給物流れを該
ターボ膨脹機へ通し、該ターボ膨脹機から前記第１コラ
ムへ通すための手段と、（Ｂ）前記第２コラムから液体
を抽出するための手段、及び、該抽出された液体を加圧
しその圧力を増大させて高圧液体を生成するための手段
と、（Ｃ）生成物ボイラー、及び、第３供給物流れを該
生成物ボイラーへ通すための手段、及び、前記高圧液体
を該生成物ボイラーへ通すための手段と、（Ｄ）前記生
成物ボイラーから液体供給物を前記第１コラムと第２コ
ラムの少くとも一方に通すための手段と、（Ｅ）前記生
成物ボイラーからガス生成物を回収するための手段と、
から成る極低温精留装置が提供される。
【００１０】ここでいう、「液体酸素」とは、７０〜９
８モル％の酸素濃度を有する液体のことをいう。「供給
空気」とは、原料として供給される、主として窒素と酸
素から成る空気等の混合物のことである。「ターボ膨
脹」及び「ターボ膨脹機」とは、高圧ガスの流れをター
ビンに通して膨脹させガスの圧力と温度を低下させて冷
凍を創生すること、及び、そのための機械のことであ
る。「コラム」とは、蒸留又は分留コラム又は帯域、即
ち、空気等の流体混合物の分離を行うために液相と蒸気
相とを向流関係で接触させる接触コラム（分離コラム又
は精留コラムともいう）又は帯域のことである。流体混
合物の分離は、例えば、コラム内に設置された一連の上
下に離隔したトレー又はプレート及び、又は配向パッキ
ング（互いに、かつ、コラムの軸線に対して特定の向き
に配向されたパッキング部材）及び、又は不規則なパッ
キング部材（不規則に配置されたパッキング部材）等の
気液接触部材上で蒸気相と液相を接触させることによっ
て行われる。このような蒸留コラムの詳細については、
Ｒ．Ｈ．ペリー、Ｃ．Ｈ．チルトン編「ケミカルエンジ
ニアのハンドブック」第５版、米国ニューヨーク・マッ
クグロー−ヒル・ブック・カンパニー刊、セクション１
３、Ｂ．Ｄ．スミス他著「蒸留」第１３−３頁を参照さ
れたい。「複コラム」又は「複コラムシステム」とは、
比較的高い圧力のコラム（単に「高圧コラム」とも称す
る）と、比較的低い圧力のコラム（単に「低圧コラム」
とも称する）とを組合せたものであり、比較的高い圧力
のコラムの上端と、比較的低い圧力のコラムの下端が熱
交換関係に接続されている。複コラムの詳細は、ルエマ
ン著「ガスの分離」オクスフォード大学出版、１９４９
年刊、第VII 章「商業用空気分離」に記載されている。
気液接触分離法は、各成分の蒸気圧の差に依存してい
る。高い蒸気圧（又は高い揮発性又は低い沸点）の成分
は、蒸気相として濃縮する傾向があり、低い蒸気圧（又
は低い揮発性又は高い沸点）の成分は、液相として濃縮
する傾向がある。蒸留は、液体混合物を加熱することに
より高揮発性成分を蒸気相として濃縮し、それによって
液相中の低揮発性成分を濃縮する分離法である。部分凝
縮は、蒸気混合物を冷却することにより高揮発性成分を
蒸気相として濃縮し、それによって液相中の低揮発性成
分を濃縮する分離法である。精留又は連続蒸留は、蒸気
相と液相を向流接触関係で処理することによって次々に
行われる部分蒸発と部分凝縮とを組合せた分離法であ
る。蒸気相と液相との向流接触は、断熱プロセスであ
り、蒸気相と液相との接触は積分接触であってもよく、
あるいは、微分接触であってもよい。精留の原理を利用
して混合物を分離するための分離装置は、精留コラム、
蒸留コラム、又は、分留コラムと称される。極低温精留
とは、少くとも一部分が例えば１５０°Ｋ以下の低い温
度で実施される精留プロセスのことである。
【００１１】ここでいう「間接熱交換」とは、２つの流
体流れを互いに物理的に接触又は混合させることなく熱
交換関係にもたらすことである。「頂部凝縮器」とは、
コラム頂部の蒸気からコラムの下向き流れ液体を創生す
る熱交換器のことである。「底部リボイラー」とは、コ
ラム底部の液体からコラムの上向き流れ蒸気を創生する
熱交換器のことである。
【００１２】
【実施例】以下の説明では、便宜上、流体の流れと、そ
の流れを通す導管とを同じ参照番号で表すこととする。
例えば、供給空気の流れ１は、導管１とも称される。図
１を参照して説明すると、ほぼ２．８１〜４．５７Ｋｇ
／ｃｍ2 （絶対圧）（４０〜６５ｐｓｉａ）の範囲の圧
力の供給物（この例では、供給空気）１を熱交換器３０
０内で戻り流との間接熱交換によって冷却し、得られた
供給空気の流れ２を熱交換器３０１に通すことによって
更に冷却する。得られた供給空気の流れ３を底部リボイ
ラー３０６へ通し、そこで部分凝縮させ、それによって
ほぼ１．２７〜１．７６Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（１８
〜２５ｐｓｉａ）の圧力で作動している低圧コラム２０
０の底部液体を沸騰させる。底部リボイラー３０６から
得られた供給空気の流れ４を低圧コラム２００の作動圧
より高い、ほぼ２．１１〜４．２２Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧）（３０〜６０ｐｓｉａ）の圧力で作動している高圧
コラム１００へ通す。
【００１３】供給空気流れ１の圧力より高い、ほぼ５．
６２〜７８．４２Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（８０〜１４
００ｐｓｉａ）の範囲の圧力の別の供給空気流れ１０を
熱交換器３００に通すことによって冷却し、得られた供
給空気の流れ１１を供給空気流れ２５と１２に分割す
る。供給空気流れ２５は、第２供給空気部分を構成す
る。この第２供給空気部分２５をターボ膨脹機３５に通
すことによってターボ膨脹させて冷凍を創生する。得ら
れた膨脹ずみ供給空気流れ２６を熱交換器３０９に通す
ことによって脱過熱し、流れ２７として高圧コラム１０
０へ通す。
【００１４】一方、供給空気流れ１２は、それを熱交換
器３０１に通すことによってほぼその飽和点にまで冷却
し、得られた供給空気流れ１４を流れ５と流れ１５に分
割する。供給空気流れ５は、それを熱交換器３０５に通
すことによって液化し、得られた液化供給空気６を後に
詳述するように低圧コラム２００及び高圧コラム１００
へ通す。
【００１５】供給空気流れ１５は、第３供給空気部分を
構成し、低圧コラム２００の底部液体を沸騰させるのに
用いられる供給空気の圧力より高い圧力を有する。この
第３供給空気部分１５を生成物ボイラー３０７へ通し、
そこで蒸発する高圧液体酸素との間接熱交換によって凝
縮させ、次いで、コラム１００及び２００の少くとも一
方へ通す。図１に示された実施例は、生成物ボイラー３
０７へ通して凝縮させることにより得られた液体供給空
気を導管１６を通して過冷却器３０８へ通し、そこで高
圧（加圧された）液体酸素との間接熱交換によって過冷
却させるようにした好ましい実施例である。このように
して過冷却された液体供給空気１７を液化供給空気の流
れ６と合流させて供給空気流れ１８を生成し、それを熱
交換器３０４に通して更に過冷却し、液体供給空気流れ
１９を得る。
【００１６】液体供給空気流れ１９の少くとも一部分２
２を弁４０を通して搬送することにより高圧コラム１０
０の圧力にまで絞り、得られた供給空気流れ２３を高圧
コラム１００へ通す。所望ならば、液体供給空気流れ１
９の他の一部分２０を弁５０を通して搬送することによ
り低圧コラム２００の圧力にまで絞り、得られた供給空
気流れ部分２１を低圧コラム２００へ通す。
【００１７】高圧コラム１００内において、該コラムへ
の各導入流体は、極低温精留によって窒素富化蒸気（窒
素濃度を高められた蒸気）と酸素富化液体（酸素濃度を
高められた液体）に分離される。窒素富化蒸気７０を頂
部凝縮器３０２へ通してそこで凝縮させ、得られた液体
７１を環流流れ４６と７３に分割する。環流流れ７３
は、環流として高圧コラム１００へ戻し、一方、環流流
れ４６は、熱交換器３０３に通すことによって過冷却さ
せ、得られた流れ４７を弁４８を通して搬送することに
より低圧コラム２００の圧力にまで絞り、得られた液体
を環流流れ４９として低圧コラム２００へ通す。所望な
らば、窒素富化蒸気７０の一部分４２を熱交換器３０１
及び３００に通すことによって暖め、最高約９９．９モ
ル％の純度を有する高圧窒素ガス生成物として回収する
ことができる。
【００１８】一方、高圧コラム１００で得られた酸素富
化液体は、流れ２８として熱交換器３０４に通し、そこ
で過冷却させる。得られた流れ２９を弁３７を通して搬
送することによって絞り、得られた酸素富化液体の流れ
３０を頂部凝縮器３０２へ通し、そこで窒素富化蒸気７
０との間接熱交換によって部分蒸発せしめるとともに、
相手の窒素富化蒸気を凝縮させる。酸素富化液体の流れ
３０の部分蒸発によって得られた酸素富化蒸気と、残り
の酸素富化液体をそれぞれ流れ３２及び３１として弁３
８及び３９を通して搬送することにより低圧コラム２０
０の圧力にまで絞り、得られた酸素富化蒸気流れ３４及
び酸素富化液体流れ３３を低圧コラム２００へ通す。
【００１９】低圧コラム２００内において、該コラムへ
の各導入流体は、極低温精留によってに分離されて窒素
蒸気と液体酸素を生成する。窒素蒸気を流れ５１として
低圧コラム２００から抽出し、熱交換器３０３，３０
４，３０５，３０１及び３００に通すことによって暖
め、所望ならば、約９９．５モル％の純度を有する低圧
窒素ガス生成物５５として回収することができる。
【００２０】一方、低圧コラム２００で得られた液体酸
素は、流れ５８として低圧コラム２００から抽出し、例
えば液体ポンプ３９を通して搬送することなどにより増
圧させる。かくして加圧された液体酸素６０を熱交換器
３０８内で過冷却する液体供給空気と熱交換させること
によって暖め、次いで該液体酸素を流れ６１として生成
物ボイラー３０７へ送り、そこで高圧供給空気との間接
熱交換によって蒸発せしめる。生成物ボイラー３０７内
で生成された酸素ガスを流れ６２として熱交換器３０
９，３０１及び３００に通して暖め、次いで、ほぼ２．
８１〜５６．２４５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（４０〜８
００ｐｓｉａ）の範囲内の圧力を有し、７０〜９８モル
％の範囲の酸素濃度を有する高圧酸素ガス生成物６５と
して回収する。
【００２１】図２は、本発明の別の実施例を示す。図２
に用いられている参照番号は、図１の実施例と共通の構
成要素に関しては図１に用いられている参照番号と同じ
であり、それらの要素については繰り返して説明はしな
い。図２の実施例は、主として、ターボ膨脹させた供給
空気２６を、熱交換器３０９に通した後直接高圧コラム
１００へ送るのではなく、供給空気流れ３に合流させて
供給空気流れ９１を生成するという点で図１の実施例と
異なる。その合流流れ９１を熱交換器３１０に通した
後、底部リボイラー３０６に通し、次いで、流れ４とし
て低圧コラム１００に送る。図２の実施例の実施におい
ては、熱交換器３１０に酸素ガス流れ６２及び窒素ガス
流れ４２，５１の他に、より高圧の供給空気の流れ１４
も通す。
【００２２】
【発明の効果】本発明は、９０モル％未満、特に７０〜
８５モル％の範囲の純度レベルの酸素を能率的に生成す
ることができるという点で従来の空気沸騰型極低温精留
システムに比べて遊離である。従来慣用されているプロ
セスでは、９０モル％未満の酸素純度の場合、ターボ膨
脹機の前後間の圧力比がプロセスを維持するのに十分な
冷凍を創生するのには小さ過ぎるという事態が生じる。
本発明は、ターボ膨脹機へ高圧供給空気流を通すことに
よってこの問題を克服した。
【００２３】以上、本発明を幾つかの好ましい実施例に
関連して詳細に説明したが、本発明は、ここに例示した
実施例の構造及び形態に限定されるものではなく、本発
明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実
施形態が可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の１つの好ましい実施例による
複コラム式極低温精留システムの流れ図である。
【図２】図２は、本発明の別の好ましい実施例による複
コラム式極低温精留システムの流れ図である。
【符号の説明】
１：供給物（供給空気） １０：供給物（供給空気） １５：第３供給物（供給空気） １６：液体供給空気 ２５：第２供給物（供給空気） ３５：ターボ膨脹機 ５１：窒素蒸気 ５８：液体酸素 ５９：液体ポンプ ６２：酸素ガス ６５：高圧酸素ガス生成物 ７０：窒素富化蒸気 ９１：供給空気流れ １００：第１コラム（高圧コラム） ２００：第２コラム（低圧コラム） ３０６：底部リボイラー ３０７：生成物ボイラー

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 供給空気を用いて低圧コラムの底部液体
    を沸騰させた後、該供給空気を高圧コラムへ通し、液体
    酸素を低圧コラム内で生成する、高圧コラムと低圧コラ
    ムを使用する極低温空気分離方法であって、 （Ａ）第２供給空気部分をターボ膨脹させて冷凍を創生
    し、該ターボ膨脹された第２供給空気部分を前記高圧コ
    ラムへ通す工程と、 （Ｂ）前記低圧コラムから液体酸素を抽出し、該抽出さ
    れた液体酸素を加圧してその圧力を増大させる工程と、 （Ｃ）該加圧された液体酸素を、低圧コラムの底部液体
    を沸騰させるのに用いられる前記供給空気の圧力より高
    い圧力にある第３供給空気部分との間接熱交換によって
    蒸発させて酸素ガスと液体供給空気を生成する工程と、 （Ｄ）得られた前記液体供給空気を前記高圧コラムと低
    圧コラムの少くとも一方に通す工程と、 （Ｅ）得られた前記酸素ガスを高圧酸素ガス生成物とし
    て回収する工程と、から成る極低温空気分離方法。
  2. 【請求項２】 前記ターボ膨脹された第２供給空気部分
    を、前記高圧コラムへ通す前に、前記低圧コラムの底部
    液体を沸騰させるのに使用することを特徴とする請求項
    １に記載の極低温空気分離方法。
  3. 【請求項３】 前記液体供給空気を前記高圧コラムと低
    圧コラムの両方に通すことを特徴とする請求項１に記載
    の極低温空気分離方法。
  4. 【請求項４】 前記高圧コラムと低圧コラムの各々にお
    いて窒素蒸気を生成し、窒素蒸気を高圧コラムと低圧コ
    ラムの少くとも一方から窒素ガス生成物として回収する
    工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温空
    気分離方法。
  5. 【請求項５】 第１コラムと、底部リボイラーを備えた
    第２コラムと、供給物流れを該底部リボイラーへ通し、
    該底部リボイラーから第１コラムへ通すための手段とを
    有する極低温精留装置であって、 （Ａ）ターボ膨脹機、及び、第２供給物流れを該ターボ
    膨脹機へ通し、該ターボ膨脹機から前記第１コラムへ通
    すための手段と、 （Ｂ）前記第２コラムから液体を抽出するための手段、
    及び、該抽出された液体を加圧しその圧力を増大させて
    高圧液体を生成するための手段と、 （Ｃ）生成物ボイラー、及び、第３供給物流れを該生成
    物ボイラーへ通すための手段、及び、前記高圧液体を該
    生成物ボイラーへ通すための手段と、 （Ｄ）前記生成物ボイラーから液体供給物を前記第１コ
    ラムと第２コラムの少くとも一方に通すための手段と、 （Ｅ）前記生成物ボイラーからガス生成物を回収するた
    めの手段と、から成る極低温精留装置。
  6. 【請求項６】 第２供給物流れをターボ膨脹機から第１
    コラムへ通すための前記手段は、底部リボイラーを含む
    ことを特徴とする請求項５に記載の極低温精留装置。
  7. 【請求項７】 前記生成物ボイラーから液体供給物を前
    記第１コラムと第２コラムの両方に通すための手段を含
    むことを特徴とする請求項５に記載の極低温精留装置。
JP7134685A 1994-05-10 1995-05-09 高圧酸素生成のための空気沸騰型極低温精留システム Withdrawn JPH0854180A (ja)

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