JPH09170874A - 加圧下で酸素及び窒素を得る方法及び装置 - Google Patents

加圧下で酸素及び窒素を得る方法及び装置

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JPH09170874A JP8327988A JP32798896A JPH09170874A JP H09170874 A JPH09170874 A JP H09170874A JP 8327988 A JP8327988 A JP 8327988A JP 32798896 A JP32798896 A JP 32798896A JP H09170874 A JPH09170874 A JP H09170874A
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pressure
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low
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Dietrich Rottmann
ディートリッヒ・ロットマン
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Linde GmbH
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 精留塔設備において、空気を加圧下で低温分
離して酸素と窒素とを同時に生成することができ、酸素
収量が高い経済的方法及び装置を提供する。 【解決手段】 圧縮清浄化された原料空気(1, 3)を加圧
塔(4) に導入し、加圧塔(4) の下部領域もしくは上部ま
たは中間部領域から導出された液体フラクション(5, 8)
を低圧塔に供給する。低圧塔の下部領域からの第３液体
フラクション(17)を加圧塔(4) の上部領域から導出され
る凝縮蒸気(11)との間接熱交換(12)で気化し、その際に
得られた蒸気(22, 24, 26, 27)の少なくとも１部を低圧
塔に導入する一方、凝縮流(13)は加圧塔(4) に供給す
る。加圧窒素フラクション(10, 14, 15)は加圧塔(4) の
上部領域から生成流として取出す。低圧塔の下部領域か
らの第３液体フラクション(17)の圧力は間接熱交換(12)
の上流でポンプにより高め、間接熱交換で得られる蒸気
の低圧塔に戻る部分流(24)は低圧塔に導かれる前に膨張
タービン(25)で減圧する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、加圧塔及び低圧塔
をもつ精留塔設備において加圧下で空気を低温分離する
ことによって酸素及び窒素を得る方法と装置に関し、さ
らに詳しくは請求項１の工程(a) 〜(g) を備えた方法お
よび請求項７の要素(a) 〜(g) を備えた装置に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】上記各工程を含む方法は米国特許出願第
４２２４０４５号で公知である。この場合、加圧塔と低
圧塔は、低圧塔のサンプに配設された凝縮気化器によっ
て熱的に結合されている。加圧塔の頭部からは加圧され
た窒素生成流が導出される。低圧塔からの酸素生成流も
加圧状態で取り出したい場合は、２つの塔を両方共また
は少なくとも低圧塔だけを相応する高圧下で運転する
か、或いは酸素生成流を加圧して液化し、その後、原料
空気との向流熱交換により気化（内部圧縮）させてもよ
い。冷却は、低圧塔からの窒素富化残留ガスの膨張によ
るか（最初の場合のみ可能）、低圧塔における原料空気
の１部の膨張によって（米国特許出願第４２２４０４５
号に述べられている）可能である。空気の直接供給や低
圧塔の高圧下における運転はいずれも低圧塔における精
留に悪影響を与え、それに伴って酸素生成流の収量及び
／または純度の低下を招いてしまう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、酸素
及び窒素を加圧下で同時に得ることができ、特に高い酸
素収量のために経済的に非常に効率的に稼動可能な冒頭
に述べたような方法及びそのための装置を提供すること
である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明では、この目的を
達成するために、低圧塔の下部領域からの液体の圧力を
加圧塔の上部領域から導出される凝縮蒸気との間接熱交
換で高め、間接熱交換で生成した蒸気のうちの一部、す
なわち低圧塔に戻される部分を低圧塔に導入する前に減
圧する。
【０００５】本発明によれば、加圧塔の圧力と低圧塔の
圧力とが切り離され、即ち、加圧塔は特に高い圧力下
（例えば８バール、好ましくは１０バール以上）で運転
でき、一方、低圧塔の圧力は大気圧よりほんの少し高い
圧力、例えば１. ２〜２. ０バール、より好適には１.
５〜１. ６バールである。これにより低圧塔の運転圧力
を所望の窒素生成流の圧力と同等レベルにすることがで
き、したがって窒素生成流用の圧縮機はより小さく作る
ことができ、または全くなくてもよい。それにもかかわ
らず低圧塔は最適な空気分離機能を果たすことができ
る。低圧塔の下部領域から得られる液体酸素流の圧力
は、公知のいずれの方法、例えばポンプ及び／または静
水圧ポテンシャルによる加圧法によって昇圧することが
できる。この昇圧の出口圧力は、この液体酸素流を加圧
塔からの加圧塔圧力で圧縮された窒素蒸気との間接熱交
換により気化するに足りるほどであればよい。
【０００６】上記の間接熱交換は、一方では加圧塔の頭
部冷却（これは、加圧塔、そして場合によっては低圧塔
のための液体還流を生じる）に寄与し、他方では、液体
酸素流の昇圧と膨張気化による酸素循環バイパスを経て
低圧塔に蒸気上昇流を生じるのに寄与する。
【０００７】間接熱交換で得られた酸素蒸気流は好適に
は原料空気との向流熱交換によって昇温される。通常は
この昇温された気体酸素流の１部のみが減圧膨張されて
低圧塔へ循環導入される。残りはその後さらに周囲温度
にまで昇温され、加圧された気体酸素生成流として取り
出される。
【０００８】本発明では、低圧塔において少なくとも１
部、好適には専ら、規則配置パッキングを物質交換要素
として使用するのがよい。低圧塔では、内部での極めて
わずかな圧力損失で低圧塔下部領域の圧力が大幅に低下
する。
【０００９】加圧塔から低圧塔に導かれる２つの液体流
は、通常、加圧塔の塔底導出液、即ちサンプ液（第１液
体フラクション）と、加圧塔の頭部または該頭部から理
論段数で１０〜３０段、好適には２０段だけ下方の中間
部分からの還流液（第２液体フラクション）である。
【００１０】間接熱交換時に低圧塔の下部領域からの液
体の気化によって得られる蒸気の膨張は、減圧機械、例
えば膨張タービンなどで特に能率的に行われ、それによ
って系内の特に強い過冷却を達成することができる。膨
張タービンとして、電磁または気体エネルギー貯蔵式の
タービンを使用するのが好都合である。
【００１１】間接熱交換で得られた酸素蒸気流の膨張時
に生成するエネルギーの少なくとも１部をプロセス生成
流の圧縮のために使用することができ、具体的には例え
ば低圧塔から出る窒素含有フラクションを分子篩装置の
再生に必要な圧力にまで圧縮するために使用可能であ
る。上記の膨張用の減圧機械と圧縮用の装置は、好まし
くは機械的に、例えば共通の回転軸によって連結駆動す
るのがよい。
【００１２】間接熱交換で得られた酸素蒸気流は、低圧
塔へ循環して膨張させる前に昇温させてもよい。この昇
温は、原料空気の冷却にも使われる主熱交換器で行うの
が好適である。前記酸素蒸気流のうちの減圧膨張に付す
べき部分流は、一般には主熱交換器の冷端温度と温端温
度との間の温度で主熱交換器内から分流される。
【００１３】間接熱交換で得られた酸素蒸気流の他の１
部、例えば減圧対象外の蒸気部分流は、好適には加圧さ
れた気体酸素生成流として取出される。この場合、単一
の昇圧手段、通常は酸素流用のポンプを、酸素生成流の
取り出し圧力と、冷却用に循環流路内へ送り出される酸
素部分流の圧力の双方を昇圧するために使用する。
【００１４】低圧塔を低い圧力で稼動できるという好都
合な利点に関連して、本発明はアルゴン生成のためにも
好適である。この目的のために低圧塔からのアルゴン含
有フラクションを粗アルゴン塔に導くことができる。粗
アルゴン塔によるアルゴン回収の詳細については、例え
ばヨーロッパ特許公報ＥＰ−Ｂ−３７７１１７、ヨーロ
ッパ公開特許公報ＥＰ−Ａ−６２８７７７またはＥＰ−
Ａ−６６９５０９に記載されている。
【００１５】本発明は、その他に請求項７〜１１に従っ
て加圧下で空気を低温分離することによって酸素及び窒
素を得るための装置にも関係する。
【００１６】
【発明を実施するための形態】本発明の上述およびその
他の詳細を図示の実施形態に基づいて以下に一層詳しく
説明する。尚、以下の各実施形態の説明においては、説
明の便宜上、種々の導管とそこを流れる流体の流れを同
一符号で示す場合がある。
【００１７】図１に示した本発明の一実施形態による精
留塔設備において、予め圧縮され更に水分と二酸化炭素
を除去されて清浄化された原料空気１は、主熱交換器２
において後述の生成流との向流熱交換によってほぼ露点
温度まで冷却され、導管３を介して圧力約１０バールで
加圧塔４の下方領域に供給される。加圧塔４の頭部から
は、未だ約１ｐｐｍの不純物を含む気体窒素流が導管１
０により取り出され、その一部１１は塔頂凝縮器として
加圧塔頭部に配置された凝縮気化器１２で圧縮され、残
りは導管１４を経て主熱交換器２に導かれ、そこでほぼ
周囲温度にまで昇温されてから加圧気体窒素生成流１５
として導出される。凝縮気化器１２で得られた凝縮流は
導管１３を介して加圧塔４の上部領域へ還流され、その
一部は液体窒素生成流１６として加圧塔４の上部領域か
ら取り出される。
【００１８】加圧塔４の塔底からは、酸素富化サンプ液
が第１液体フラクションとして導管５により取り出さ
れ、弁６を介して低圧塔７の中間領域に導入される。ま
た加圧塔４の頭部から２０理論段だけ下方の位置からは
第２液体フラクション８が引き出されて弁９を介して低
圧塔７内に導入減圧され、この場合、低圧塔７への導入
位置は、弁６からの第１液体フラクションの導入位置よ
りも上方位置、より好適には低圧塔７の頭部位置である
（尚、この代わりに、またはこれに加えて、導管１６を
介して加圧塔４の頭部から取り出される液体窒素生成流
を低圧塔７に供給することもできよう）。
【００１９】低圧塔７の塔底のサンプ液（液体酸素：第
３液体フラクション１７）は、ポンプ１８によって約５
バールの圧力に加圧され、向流熱交換器１９において過
冷却されてから弁２０を介して凝縮気化器１２の気化室
に導かれる。このポンプ１８で送られる液体酸素の一部
は必要に応じて生成流２１として取り出される。凝縮気
化器１２で得られた蒸気２２は主熱交換器２に導かれ、
一部はその温端部で加圧気体酸素生成流２３として取り
出され、残りは主熱交換器２の中間部位から導管２４に
分流されて酸素循環流として膨張タービン２５による膨
張減圧によって効率的にほぼ低圧塔７の動作圧力（１．
２〜２．０バール）にまで降圧され、向流熱交換器１９
で第３液体フラクションとの熱交換に供されてから低圧
塔７の下部領域に循環導入される。
【００２０】低圧塔７の頭部からは窒素含有ガス２８が
引き出され、向流熱交換器１９において加圧塔４からの
第１および第２液体フラクションとの向流熱交換によっ
て昇温されたのち、さらに主熱交換器２に導かれて昇温
され、導管３０から残ガスとして取り出される。この残
ガス３０は、例えば廃棄してもよいし、空気精留用分子
篩装置の再生ガスとして利用しても良い。
【００２１】残ガス３０を空気精留用分子篩装置の再生
ガスとして用いる場合には、図２に示す第２の実施形態
のように、残ガス３０のうちで分子篩再生に必要な部分
流３１を圧縮機３２で再生圧まで昇圧するのがよい
（尚、この圧縮機の系統以外については図２は図１と同
じである）。また、この圧縮機３２は、例えば通常の回
転軸３３を介してタービン２５により駆動することがで
きる。このような昇圧方法によって、低圧塔７の作動圧
力を例えば約１. １バールにまで更に下げることができ
る。これはさらにタービン出口圧の低下及びそれと共に
熱交換器１９での冷却能ポテンシャルの増加を可能にす
る。
【００２２】図１と図２の両実施形態は、このほかに粗
アルゴン塔３４を備えることができる。図１の実施形態
におけるこのような変形を図３に示す第３の実施形態に
より詳細に説明する（尚、この粗アルゴン塔の系統以外
については図３は図１と同じである）。図３において、
アルゴン含有蒸気フラクション３５が低圧塔７のアルゴ
ン含量が比較的高い部位から粗アルゴン塔３４に導か
れ、粗アルゴン塔３４で１本の例えば導管３６を介して
液状で引き出される粗アルゴンフラクションと、残りの
フラクション３７とに分けられる。粗アルゴン塔３４の
頭部凝縮器３９の冷却は、導管３８を介して導かれる加
圧塔４のサンプ液５の１部の気化によって果たされ、そ
の際に発生する蒸気は導管４０により低圧塔７に還流さ
れる。
【００２３】尚、以上の各実施形態において、加圧塔４
の物質交換要素は蒸留トレイによって形成され、低圧塔
７及び場合によっては粗アルゴン塔３４の物質交換要素
は規則配置パッキングによって形成される。但し、原則
的に本発明ではすべての塔に一般的な蒸留トレイ、充填
物（不規則配置パッキング及び／または規則配置パッキ
ング）を組み込むことができる。１つの塔に種々の種類
の物質交換要素を組み合わせることもできる。塔内での
圧力損失を少なくするため、特に低圧塔７には規則配置
パッキングが好適である。
【００２４】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
加圧塔と低圧塔とが作動圧力に関して切り離され、加圧
塔は高圧下で運転しながら低圧塔の作動圧力は大気圧よ
りほんの少し高い圧力に抑えることができるので、低圧
塔の運転圧力を所望の窒素生成流の圧力レベルにするこ
とができ、したがって窒素生成流用の圧縮機はより小規
模とするかあるいは全く不要とすることもでき、それに
もかかわらず低圧塔は最適な空気分離機能を果たすこと
ができるので、酸素及び窒素を加圧下で同時に得ること
ができると共に特に高い酸素収量のために経済的に非常
に効率的に稼動可能な方法と装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法及び装置の第１の特に好適な実施
形態を示す系統図である。
【図２】低圧塔からの窒素富化ガスの再圧縮に関するも
う一つの実施形態を示す系統図である。
【図３】アルゴンを得るための第３の実施形態を示す系
統図である。
【符号の説明】
１：原料空気、３：主熱交換器、４：加圧塔、５：第１
液体フラクション（導管）、７：低圧塔、８：第２液体
フラクション（導管）、１２：凝縮気化器、１３：第４
液体フラクション導管、１７：第３液体フラクション
（導管）、１８：酸素ポンプ、１９：向流熱交換器、２
３：酸素生成流（導管）、２２，２４，２６，２７：蒸
気導管、２５：減圧機械（膨張タービン）、３２：圧縮
機、３４：粗アルゴン塔。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加圧塔(4) 及び低圧塔(7) を有する精留
    塔設備内にて空気の低温分離により加圧下で酸素及び窒
    素を得るに際し、 (a) 圧縮及び清浄化された原料空気(1, 3)を前記加圧塔
    (4) に導入する工程、 (b) 前記加圧塔(4) の下部領域から導出される第１液体
    フラクション(5) の少なくとも１部を前記低圧塔(7) に
    導入する工程、 (c) 前記加圧塔(4) の上部又は中間領域から導出される
    第２液体フラクション(8) を前記低圧塔(7) に導入する
    工程、 (d) 前記低圧塔(7) の下部領域から導出される第３液体
    フラクション(17)を、前記加圧塔(4) の上部からの凝縮
    蒸気(11)との間接熱交換(12)により気化する工程、 (e) 前記間接熱交換で得た蒸気(22, 24, 26, 27)の少な
    くとも一部を前記低圧塔(7) に導入する工程、 (f) 前記間接熱交換で得た凝縮流(13)の少なくとも１部
    を前記加圧塔(4) に導入する工程、および (g) 前記加圧塔(4) の上部領域から生成物として加圧窒
    素フラクション(10, 14, 15)を得る工程を備えた方法に
    おいて、 (h) 前記低圧塔(7) の下部領域からの第３の液体フラク
    ション(17)の圧力を前記加圧塔(4) の上部領域からの凝
    縮蒸気(11)との間接熱交換の上流部位で昇圧する工程
    と、 (i) 前記間接熱交換(12)で得られた蒸気のうち、前記低
    圧塔(7) に戻される部分流(24)を、それが前記低圧塔
    (7) に導入される前に減圧(25)する工程とを含むことを
    特徴とする、加圧下で酸素及び窒素を得る方法。
  2. 【請求項２】 工程(i) で前記間接熱交換で得られた蒸
    気を大気圧近傍まで減圧(25)することを特徴とする請求
    項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記間接熱交換で得られた蒸気の減圧(2
    5)の際に生じるエネルギーの少なくとも一部を前記低圧
    塔の頂部からの少なくとも一部の生成流(31)の圧縮(32)
    に利用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記工程(i) において前記間接熱交換で
    得られた蒸気(22)を前記減圧(25)の前に昇温することを
    特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記間接熱交換(12)で得られた蒸気(22)
    の１部(23)を加圧酸素生成流として取り出すことを特徴
    とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記低圧塔(7) からのアルゴン含有フラ
    クション(35)を粗アルゴン塔(34)に導入することを特徴
    とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 加圧塔(4) と低圧塔(7) とを備えた精留
    塔設備内にて空気の低温分離により加圧下で酸素と窒素
    とを得るために、 (a) 圧縮及び清浄化された原料空気を前記加圧塔(4) に
    導入するための原料空気導管(1, 3)、 (b) 前記加圧塔(4) の下部領域を前記低圧塔(7) に接続
    する第１液体フラクション導管(5) 、 (c) 前記加圧塔(4) の上部または中間領域を前記低圧塔
    (7) に接続する第２液体フラクション導管(8) 、 (d) 第３液体フラクション導管(17)を介して前記低圧塔
    (7) の下部領域に接続された気化室および導管(10, 11)
    を介して前記加圧塔(4) の上部領域に接続された液化凝
    縮室を有する凝縮気化器(12)、 (e) 前記凝縮気化器(12)と前記低圧塔(7) との間に配管
    された蒸気導管(22, 24, 26, 27)、 (f) 前記凝縮気化器(12)の前記凝縮室と前記加圧塔(4)
    との間に配管された第４液体フラクション導管(13)、お
    よび (g) 前記加圧塔(4) の上部領域に接続された加圧窒素生
    成流導管(10, 14, 15)を有する装置において、 (h) 第３液体フラクション導管(17)内の流体圧力を昇圧
    する手段(18)と、 (i) 凝縮気化器(12)と低圧塔(7) との間に配管された前
    記蒸気導管(22, 24, 26, 27)内の流体圧力を降圧する手
    段(25)とを備えたことを特徴とする、加圧下で酸素及び
    窒素を得る装置。
  8. 【請求項８】 前記昇圧用の手段が減圧機械(25)を備え
    たことを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記蒸気導管(22)に酸素生成流導管(23)
    が接続されていることを特徴とする請求項７または８に
    記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記低圧塔からの少なくとも一部の生
    成流(31)を圧縮するための圧縮機(32)と、前記減圧機械
    (25)からの機械的エネルギーを前記圧縮機に伝達する手
    段(33)とを有することを特徴とする請求項７〜９のいず
    れか１項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記低圧塔と互いに接続(35, 37)され
    た粗アルゴン塔(34)を有することを特徴とする請求項７
    〜１０のいずれか１項に記載の装置。
JP8327988A 1995-11-25 1996-11-25 加圧下で酸素及び窒素を得る方法及び装置 Pending JPH09170874A (ja)

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