JPH09184680A - 空気分離 - Google Patents

空気分離

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JPH09184680A
JPH09184680A JP8285364A JP28536496A JPH09184680A JP H09184680 A JPH09184680 A JP H09184680A JP 8285364 A JP8285364 A JP 8285364A JP 28536496 A JP28536496 A JP 28536496A JP H09184680 A JPH09184680 A JP H09184680A
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JP
Japan
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rectification column
air
oxygen
stream
liquid
Prior art date
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JP8285364A
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English (en)
Inventor
Thomas Rathbone
トーマス・ラスボーン
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BOC Group Ltd
Original Assignee
BOC Group Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 精留により空気を分離するための方法及び装
置に関する。 【解決手段】 圧縮され精製された蒸気空気流及び液体
空気流が、入口２０及び入口３４それぞれを通って高圧
精留塔１８の中に導入される。酸素富化液体流は、高圧
精留塔１８の出口４６から、再沸器４８及び膨張弁５０
を経由して、容器５２の中に流れる。酸素富化液体は、
容器５２に配置されたボイラー５４で部分的に気化され
る。残留液体は、容器５２から出口６１を経て、また凝
縮器６４から入口６６を経て、更に、酸素生成物及び窒
素生成物が分離される低圧精留塔５６へと流れる。蒸気
流は、出口５８を通ってボイラー５４及び容器５２か
ら、入り空気による圧縮のために空気を戻すパイプライ
ン６０へと流れる。酸素及び分離される場合はアルゴン
の更に大きな収率が、このサイクルによって可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、空気を分離するための方法及び
装置に関するものである。
【０００２】空気を分離するための商業的に最も重要な
方法は、精留による方法である。典型的には、前記方法
では、空気流を圧縮する工程、蒸気状態にある圧縮空気
流の一部を高圧精留塔の中に導入する工程、高圧精留塔
中にある蒸気空気を窒素留分と酸素富化液体留分とに分
離する工程、高圧精留塔から酸素富化液体留分の流れを
取り出す工程、低圧精留塔へと導く径路に沿って酸素富
化液体流の第一部分を流す工程、及び低圧精留塔におい
て酸素生成物を分離する工程が行われる。双方の塔のた
めの還流は、典型的には、高圧精留塔で分離された窒素
を凝縮させることによって作られる。所望ならば、液体
窒素生成物も前記凝縮液から取り出すこともできる。液
体酸素生成物及び液体窒素生成物の１つ又は両方を製造
するために前記の方法が必要とされる場合、空気の一部
は、液体状態で、精留塔の１つ又は両方の中に導入され
る。
【０００３】一般的に、入り圧縮空気は、比較的低揮発
性の不純物、特に水蒸気及び二酸化炭素を前記入り圧縮
空気から吸着することによって精製される。炭化水素
も、吸着によって入り空気から除去することができる。
そのようにして精製した空気は、典型的には、戻り流
（return stream）と直接熱交換させることによって、
前記空気の飽和温度まで又は飽和温度近くまで冷却され
る。
【０００４】アルゴン生成物、すなわちアルゴン富化酸
素蒸気（典型的には、アルゴンを６− １２容量％含
む）の流れを分離したい場合は、更なる精留塔において
分離されて、不純な又は純粋なアルゴン生成物が製造さ
れる。
【０００５】塔の配列内において、エネルギー平衡を保
つためには、液体生成物が塔から取り出される全流量
と、塔中に入る液体の全流量とが等しいことが一般的に
必要である。したがって、より大きな割合の空気分離生
成物が塔から液体状態で取り出されるとき、より大きな
割合の空気が、液体状態で塔の配列の中に導入される必
要がある。実際には、前記液体の大部分は、典型的に
は、高圧精留塔の中に導入される。その結果、蒸気状態
で高圧精留塔に入る空気の割合は減少する。したがっ
て、高圧精留塔において空気から分離される窒素は少量
である。生成物として取り出された液体窒素の各単位に
関して、高圧精留塔で分離された窒素は、約０．４単位
だけ減少する。したがって、低圧精留塔への還流は、約
１．４単位だけ減少する（余分の液体窒素生成物１単
位、及び高圧精留塔で分離された窒素０．４単位減
少）。
【０００６】低圧精留塔における還流が減少すると、酸
素の収率又は回収率が減少する。アルゴン回収率の減少
は、例えば液体窒素生成物が増加すると、酸素回収率の
減少に比べて、更に著しい。実際には、したがって、空
気分離の生成物の割合、例えば、酸素及び／又はアルゴ
ンの満足の行く収率を依然として得ながら、液体状態で
精留塔から得ることができる液体窒素の割合に関して定
められている最高限度がある。ＥＰ−Ａ−０ ５８０ ３
４８では、低圧精留塔からの窒素流を再循環させ、その
窒素を周囲温度まで温め、その窒素を再圧縮し、その圧
縮された窒素を冷却し、そしてそれを凝縮させることに
よって上記の問題を改善することが提案されていた。前
記の窒素再循環は、空気再循環に加えて行うことができ
る。窒素再循環の短所は、追加の圧縮機を必要とするこ
と、及び追加の圧縮機に対する供給が、ほんのわずかだ
け大気圧を超える圧力で供給されることである。
【０００７】本発明に従う方法及び装置の目的は、酸素
収率に関する最高限度、及び生成物として分離される場
合、上記のタイプの窒素再循環に頼らずにアルゴン収率
に関する最高限度を上昇させることにある。
【０００８】本発明に従って、空気の流れを圧縮する工
程、その圧縮空気流の一部を蒸気状態で高圧精留塔の中
に導入する工程、高圧精留塔において蒸気空気を窒素留
分と酸素富化液体留分とに分離する工程、高圧精留塔か
ら酸素富化液体留分の流れを取り出す工程、低圧精留塔
へと導く第一径路沿いに酸素富化液体流の第一部分を流
す工程、及び低圧精留塔で酸素生成物を分離する工程を
含み、且つ空気の圧縮へと戻す第二径路に沿って酸素富
化液体流の第二部分が流れることを特徴とする、空気の
一部を液体状態で１つ又はそれ以上の精留塔の中に導入
して液体窒素生成物を取り出す、精留塔の配列において
空気を分離する方法を提供する。
【０００９】また、本発明は、空気を窒素留分と酸素富
化液体留分とに分離するための高圧精留塔と、低圧精留
塔とを含む複数の精留塔、空気液化装置、液体空気を１
つ又はそれ以上の精留塔の中に導入するための入口、精
留塔のうちの１つから液体窒素生成物用を取り出すため
の出口、空気流を圧縮するための少なくとも１つの圧縮
機、蒸気状態の空気のための高圧精留塔への入口、酸素
生成物を通す低圧精留塔からの出口、酸素富化液体留分
の流れのための高圧精留塔からの出口、低圧精留塔へと
導く酸素富化液体のための第一径路と連絡している高圧
精留塔からの出口を含み、且つ高圧精留塔からの出口
が、前記圧縮機へと戻す酸素富化液体のための第二径路
とも連絡していることを特徴とする、空気を分離するた
めの装置も提供する。
【００１０】本発明に従う方法及び装置は、酸素の収
率、及び製造される場合には、追加の圧縮機を必要とせ
ずに得られる再循環から生じるアルゴンの収率に関して
利点がある。更に、第二径路に沿って流れる再循環流
は、典型的には、ＥＰ−Ａ−５８０ ３４８で開示され
ている対応する窒素流に比べて、更に高圧の再圧縮のた
めに取り出される。更に、この再循環ガスの源が酸素富
化液体空気であるので、前記の再循環は、高圧精留塔に
対して蒸気状態で供給される空気の液体状態で供給され
る空気に対する割合を増加させることによって、高圧精
留塔における窒素留分が作られる速度が高められる。
【００１１】本明細書で用いている「精留塔」という用
語は、蒸留塔又は分別塔、蒸留又は分別の領域（単数又
は複数）、すなわち、例えば充填要素、又は塔、領域
（単数又は複数）の中に取り付けられた一連の垂直に間
隔を置いて配置されたトレー又はプレート上で液相及び
蒸気相を接触させることによって、液相及び蒸気相を向
流状態で接触させて、流体混合物の分離を引き起こす
塔、領域（単数又は複数）を意味している。精留塔は、
過度の高さを有する精留塔を生じさせる単一容器の使用
を避けるために、分離容器の中に複数の領域を含むこと
ができる。例えば、アルゴン精留塔においては、約２０
０の理論プレート（theoretical plates）を有する充填
物の高さを含むことが知られている。すべてのこの充填
物が単一容器中に含まれる場合、容器は、典型的には、
６０メートルの高さを有する。したがって、単一で予期
外に高い容器を用いることを防止するために、２つの分
離容器の形態でアルゴン精留塔を建設することがしばし
ば望ましい。
【００１２】本発明に従う方法及び装置は、比較的複雑
な空気分離プランとで容易に用いることができる。いく
つかの単純化は、第一径路及び第二径路が共通して上流
部分を有することによって可能となる。
【００１３】本発明に従う方法及び装置の好ましい実施
例では、第一径路及び第二径路は、酸素富化液体が部分
的に再沸騰されて、第二径路の後に蒸気となり、また第
一径路の後に残留液体が生じるボイラーにおいて、お互
いから分かれる。部分的再沸騰の結果として、液相は酸
素に富み、蒸気相は酸素が枯渇した。結果として、第二
径路を経て圧縮機へと戻される蒸気は、典型的には、空
気の組成とほぼ同じ組成を有する。したがって、圧縮機
は、実質的に酸素に富むガスを取り扱うには必要ない。
確かに、ボイラーにおいて酸素富化液体の部分的再沸騰
から生じる蒸気は、典型的には、酸素を２０ − ２２容
量％含む。
【００１４】酸素富化液体の部分的再沸騰は、好ましく
は、低圧精留塔の頂部における圧力を少なくとも１バー
ル超える圧力ではあるが、高圧精留塔の頂部における圧
力よりも少なくとも１バール低い圧力で行われる。前記
の圧力では、第二径路を経由して戻る流体は、入り空気
を圧縮するために用いられる主空気圧縮機の第一段階の
下流にあるが、前記主空気圧縮機の下流段階の上流にあ
る場所に容易に導入することができる。
【００１５】酸素富化液体は、好ましくは、低圧精留塔
から取り出される蒸気流と直接熱交換させることによっ
て部分的に再沸騰させる。アルゴン生成物が製造する場
合、酸素富化液体を部分的に沸騰させるためにボイラー
を加熱するのに用いられる流れは、更なる精留塔におい
て分離させるために、低圧精留塔から取り出されるアル
ゴン含有流体の流れと同じ組成を有することができる。
部分的に気化している酸素富化液体と直接熱交換させる
と、低圧精留塔から取り出された蒸気流は、典型的に
は、凝縮する。生じた凝縮液は、アルゴン生成物が製造
される場合には、好ましくは、更なる分別塔からの戻り
流と共に、低圧精留塔へと戻すことができる。
【００１６】アルゴン生成物は、再沸器と関連している
分別塔で前記生成物から窒素を除去することによって精
製することができる。このとき、分別塔と関連している
再沸器は、好ましくは、第一径路及び第二径路の共通し
ている上流部分に存在しており、それによって再沸器
は、酸素富化液体によって加熱され、酸素富化液体それ
自体は過冷される。
【００１７】酸素富化液体が低圧精留塔から取り出され
た流れによって部分的に再沸騰されるボイラーを加熱す
る代わりとして、窒素蒸気流を高圧精留塔から取り出
し、この目的のために用いることができる。この別法に
より、前記の流れが、低圧精留塔から取り出される酸素
・アルゴン混合物を含むが、低圧精留塔の再沸器と、ア
ルゴン・酸素混合物のための低圧精留塔の出口との間に
ある低圧精留塔のセクションにおける再沸騰が不足する
かもしれない場合に可能である圧力に比べて、より高い
圧力で部分的再沸騰を行うことが可能となる。
【００１８】アルゴン生成物が製造される場合、第一径
路は、典型的には、アルゴンが分離される更なる精留塔
と関連している凝縮器を含むことができる。残留してい
る酸素富化液体は、好ましくは凝縮器中で部分的に沸騰
される。前記酸素富化液体は、低圧精留塔へと送られる
残留液体だけでなく、生成する蒸気でもある。
【００１９】酸素富化液体を再沸騰させるためのもう１
つの別法は、この目的に適う更なる精留塔と関連してい
る凝縮器を用いることである。この別法には、一般的
に、部分的再沸騰を、比較的低圧で行う必要があり、そ
れにより、第二径路を経て再循環される流体を再圧縮す
るときに行う必要がある仕事量が増加するという短所が
ある。
【００２０】圧縮空気は、典型的には、従来の手段によ
って精製される。例えば、吸着することによって、水蒸
気、二酸化炭素、及び時には炭化水素不純物を除去する
ことによって精製することができる。本発明に従う方法
及び装置を運転するのに必要な冷却は、従来の手段によ
って、例えば精製された圧縮空気流による外部仕事によ
って少なくとも１つのタービンにおいて膨張させること
によって提供することができる。好ましい配列では、空
気は、主空気圧縮機で圧縮され、そして高圧精留塔の中
に入る蒸気空気流の少なくとも一部分は、外部仕事によ
って更に圧縮され膨張された空気を含む。更に、液体空
気は、好ましくは、圧力下で保持され、且つ戻り生成物
流と熱交換して冷却される更に圧縮された空気流を含
む。液体窒素に関する需要が比較的大きい場合、好まし
くは、作業膨張空気のいくらかを更なる圧縮のために再
循環させる。
【００２１】低圧精留塔のための液体窒素還流は、高圧
精留塔で分離された窒素蒸気を凝縮させることによって
作られるか、又は高圧精留塔の頂部よりも下にあるいく
つかの理論プレートから液体流を取り出すことによって
間接的に作られる凝縮液から直接取り出すことができ
る。液体窒素生成物は貯蔵へと送ることができる。所望
ならば、液体窒素生成物の一部、又は時にはそのすべて
を、所望の圧力までポンピングし、冷却されている空気
と熱交換させて気化させることによって、高圧ガスへと
転化させることができる。
【００２２】酸素生成物は、ガス及び／又は液体状態で
取り出すことができる。高圧ガス酸素生成物は、液体酸
素生成物流を加圧し、冷却されている空気と間接的に熱
交換させて加圧液体酸素を気化させることによって生成
させることができる。
【００２３】本発明に従う方法及び装置を、添付の図
面：すなわち、図１は、空気分離プラントの一部分に関
する系統図であり；及び図２は、空気分離プラントの別
の一部分に関する系統図であるを参照しながら、一例と
して説明する。
【００２４】図面は実寸ではない。
【００２５】図面の図１参照。濾過された空気の流れ
は、下流段階６を更に含む主空気圧縮機２の上流段階４
の中に流れる。圧縮熱は、段階４及び段階６及び段階６
の下流の間で空気から除去される。それによって、ほぼ
周囲温度の圧縮空気流が製造される。圧縮空気流は、精
製ユニット８で精製される。精製ユニット８は、入り圧
縮空気から、水蒸気、二酸化炭素及び他の不純物（例え
ば、炭化水素）を除去するのに有効な吸着剤のベッドを
含む。前記精製ユニットの建設及び運転は当業において
公知であり、本明細書で更に説明する必要はない。
【００２６】圧縮され精製された空気は、精製ユニット
８の下流で２つの流れに分割される。１つの流れは、主
熱交換器１０の温端１２から冷端１４へと主熱交換器１
０の中を流れ、それによって、ほぼその飽和温度まで冷
却される。生じた蒸気空気は導管１６を経て主熱交換器
１０の冷端１４から、入口２０を通って高圧精留塔１８
（図２参照）の底部領域中に流れる。高圧精留塔１８に
対する液体空気供給は、主熱交換器１０の中に直接流れ
ない精製された圧縮空気流のその部分を取り出し、ブー
スター・圧縮機２２において更に圧縮することによって
作られる（再び図１参照）。更に圧縮された空気は圧縮
熱を有するが、後置冷却器（図示されていない）によっ
てその熱は除去される。後置冷却の下流では、更に圧縮
された空気流は順番に２つの副流に分割される。副流の
うちの１つは、更なるブースター・圧縮機２４の中を流
れ、そこでもう一度圧縮される。更にもう一度圧縮され
た第一副空気流は、ブースター・圧縮機２４の下流にあ
る後置冷却器（図示されていない）で除去された圧縮熱
を有する。そのようにして冷却されなお更に圧縮された
流れは、更にずっと高い圧力まで加圧する最終のブース
ター・圧縮機２６へと送られる。プラントで得られる最
も高い圧力状態にある第一副空気流は、最終のブースタ
ー・圧縮機２６から流れ出る。前記の第一副空気流は、
別の後置冷却器（図示されていない）で前記の流れから
除去される圧縮熱を有する。典型的には空気の臨界圧力
を超える圧力を有するこの流れは、主熱交換器１０の温
端１２から冷端１４へと主熱交換器１０の中を流れ、空
気の臨界温度未満まで冷却される。そのように冷却され
た臨界超過圧力空気流は、主熱交換器１０の冷端１４か
ら流れ出て、更なる熱交換器２８で過冷される。過冷さ
れた臨界超過圧力空気流は、熱交換器２８から、絞り弁
３２を有する導管３０へと流れる（図２参照）。臨界超
過空気流が絞り弁３２を流れるとき、空気の臨界圧力未
満まで圧力は低下し、高圧精留塔１８の底部の圧力とほ
ぼ等しい圧力で、実質的に液体状態で絞り弁３２を通っ
て出る。液体空気は、入口２０よりも上の高さにある入
口３４を通って精留塔１８の中に導入される。
【００２７】上記空気は、高圧精留塔１８において、窒
素留分と酸素富化液体留分とに分離される。高圧精留塔
１８は、上昇蒸気と下降液体との間で密接な接触を引き
起こすように、充填物又はトレーの形態で、液・蒸気接
触装置３６を含む。物質移動は、密接な接触の結果とし
て２つの相間で起こり、蒸気は、上昇時に更に窒素に富
み、液体は塔１８を下降するときに更に酸素に富む。高
圧精留塔１８は、その頂部と関連している凝縮器・再沸
器３８を有する。窒素蒸気は塔１８の頂部から出て、凝
縮器・再沸器３８の凝縮通路で凝縮される。生じた凝縮
液の一部は、還流として塔１８の頂部へと戻される。残
りは、導管４０を経由して取り出され、更なる熱交換器
４２の一部分の中を通ることによって過冷され、絞り弁
４４の中を通過し、そして液体窒素生成物としてタンク
４５の中に貯蔵される。
【００２８】高圧精留塔１８の底部で酸素富化液体留分
が得られる。前記留分は、典型的には、酸素約３０ −
３５容量％含む。酸素富化液体流は、出口４６を通して
高圧精留塔１８の底部から取り出され、まず最初に熱交
換器４２の一部分を通過し、更に、下で説明した作業を
行う再沸器４８を通過することによって過冷される。生
じた過冷された酸素富化液体は、再沸器４８から、絞り
弁５０を通って、熱・サイホン種のボイラー５４を収容
している容器５２の中に流れる。ボイラー５４の沸騰通
路は、高圧精留塔１８の頂部の圧力未満の少なくとも１
バールで、且つ低圧精留塔５６の頂部の圧力を超える少
なくとも１バールで動作する。再沸器５４は、弁５０を
通って容器５２の中に導入されるか又はフラッシュされ
る酸素富化液体を部分的に沸騰させる。それによって、
空気とほぼ同じ組成の蒸気、及び酸素に更に富む液体
（典型的には、酸素を約４７容量％含む）が生じる。蒸
気は、出口５８を通って容器５２の頂部から出て導管６
０を通って流れて（図１参照）、熱交換器２８で終わ
る。蒸気流は、臨界超過空気流に対して向流となって、
熱交換器１２８の中を流れ、臨界超過空気流と間接的に
熱交換して温められる。そのようにして温められた蒸気
は、冷端１４から温端１２まで主熱交換器１０の中を流
れ、それによって、ほぼ周囲温度まで温められる。この
流れは、主圧縮機段階４の下流領域であるが、主圧縮機
段階６の上流で空気流と混合される。したがって、上記
した第二径路は、出口４６、熱交換器４２、再沸器４
８、絞り弁５０、容器５２、ボイラー５４、容器５２か
らの出口５８、導管６０、熱交換器２８、及び冷端１４
から温端１２までの主熱交換器１０を含む。
【００２９】更に酸素に富んでいる残留液体は、容器底
部にある出口６１を通って容器５２から出て、絞り弁６
２を通り、凝縮器６４の中に流れる。酸素富化液体は、
凝縮器６４で部分的に気化される。（凝縮器６４の主の
機能は以下で説明する。）残留液体は、凝縮器６４か
ら、入口６６を経て、低圧精留塔の中に流れる。凝縮器
６４で生じた蒸気は、入口６８を通って低圧精留塔５６
の中に流れる。したがって、上記の第一径路は、高圧精
留塔１８からの出口４６、熱交換器４２、再沸器４８、
弁５０、容器５２、ボイラー５４、容器５２からの出口
６０、弁６２、凝縮器６４、及び低圧精留塔５６への入
口６６を含む。更に、凝縮器６４の頂部から、低圧精留
塔５６の入口６８へと導く導管は、第一径路の追加の部
分として見なすことができる入口６６及び入口６８を通
って低圧精留塔５８の中に導入される空気流に加えて、
液体流が、入口３４が配置されているのと同じ高さにお
いて高圧精留塔１８から取り出され、入口６６及び入口
６８よりも高い位置にある入口７０を通って、低圧精留
塔５６の中に導入される。
【００３０】酸素を約０．１容量％含む不純液体窒素
が、出口７２を通って塔１８の頂部よりも下にあるいく
つかの理論プレートにおいて、高圧精留塔１８から取り
出され、熱交換器４２の一部分を通って流れ、それによ
って過冷され、そして相分離器（phase separator）７
６の中に絞り弁７４を通ってフラッシュされる。生じた
液体は、相分離器７６から、入口７８を通って、低圧精
留塔５６の頂部の中に流れる。この液体窒素は、低圧精
留塔５６の還流として役立つ。
【００３１】低圧精留塔５６を通る蒸気の上昇流は、塔
５６のサンプ（sump）に集まっている液体を部分的に気
化させる凝縮器・再沸騰器３８の運転によって作られ
る。物質交換は、充填物、例えば構造化された充填物又
はランダムな充填物の形態を典型的にとる液・蒸気接触
装置８０の表面上で、塔５６の中の上昇蒸気と下降液体
との間で起こる。
【００３２】不純窒素蒸気流は、出口８２を通って低圧
精留塔５６の頂部から流れ出て、冷端から比較的により
温かい末端まで熱交換器４２の中を流れる。不純窒素流
は、熱交換器４２の比較的により温かい末端から、前記
の窒素を主熱交換器１０の冷端１４へと導く導管８４の
中に流れる（図１参照）。不純窒素流は、冷端１４から
温端１２まで主熱交換器１０の中を流れて、生成物とし
て取り出されるか、又はほぼ周囲温度で大気へと排気さ
れる。気体酸素生成物は、すべての充填物８０よりも下
にある低圧精留塔５６の下部領域から取り出され、導管
８６を経由して主熱交換器１０へと流れる（図１参
照）。気体酸素生成物は、冷端１４から温端１２まで主
熱交換器１０の中を流れることによって、ほぼ周囲温度
まで温められる。前記の酸素流は、低圧酸素流を必要と
する任意の方法で用いることができる。更に、ポンプ８
８によって、低圧精留塔５６のサンプから液体酸素流を
取り出し、それを熱交換器９０の中に流して過冷する。
過冷された液体酸素流は、絞り弁９２を通って貯蔵タン
ク９４の中に流れる。説明を容易にするために、タンク
９４は図１及び図２の双方に示してある。液体酸素流
は、前記液体酸素流の圧力を選択した高圧まで上昇させ
るポンプ９６（図１参照）によって、タンク９４から連
続して取り出される。（その臨界圧力を超えているかも
しれない）得られた加圧酸素流は、液体空気流の流れる
方向に対して向流となる方向で、熱交換器２８の中を流
すことによって、温められる。生じた温められた加圧酸
素流は、冷端１４から温端１２まで主熱交換器１０の中
を流れるので、効果的に気化し、且つほぼ周囲温度まで
上昇する。高圧酸素流は、例えば、ガス化プロセス又は
部分的酸化プロセスで用いることができる。熱交換器９
０における液体酸素流の過冷（図２参照）は、低圧精留
塔５６への入口７０に流れる流れから好ましくは取り出
される酸素及び窒素を含む液体流と間接的に熱交換させ
ることによって引き起こすことができる。液体流は、熱
交換によって部分的に気化され、残留している液体及び
生成した蒸気は、入口６６及び入口６８と同じ高さにあ
る、入口９６及び入口９８それぞれを通って低圧精留塔
５６の中に流れる。所望ならば、液体酸素生成物は、貯
蔵タンク９４から断続的に又は連続的に取り出すことが
できる。
【００３３】液体窒素流は、貯蔵タンク４５からポンプ
１０２によって連続的に取り出される。ポンプ１０２
は、選択された高圧まで窒素の圧力を上昇させる。生成
した加圧窒素流は、冷端から比較的温かい末端まで熱交
換器４２の中を通ることによって温められる。生じた温
められた窒素流は、熱交換器４２から、窒素を主熱交換
器１０へと導く導管１０４の中を流れる（図１参照）。
窒素流は、冷端１４から温端１２まで主熱交換器１０の
中を流れて、高圧窒素生成物として、ほぼ周囲温度で製
造される。更に、液体窒素生成物の実質的な部分は、商
業市場で売買するために取り出される。
【００３４】アルゴン含量６ − １２容量％を典型的に
有するアルゴン富化酸素流は、入口６６、入口６８、入
口９６及び入口９８の高さよりも下にある出口１０６を
通って低圧精留塔５６から、蒸気状態で取り出される。
この流れの一部は、２つの部分から成る更なる精留塔
（two-part further rectification column）１０８の
底部中へと導入される。「２つの部分から成る精留塔」
とは、液・蒸気接触装置１１４が、２つの分離塔容器の
中に、すなわち部分塔と本明細書では言及している容器
１１０及び容器１１２の中に収容されている、ことを意
味している。部分塔１１２は、より高いアルゴン濃度を
処理する。部分塔１１０（part column）の底は、低圧
精留塔５６と部分塔１１０との間に流体流が、ポンプの
助けがなくとも生成することができる高さに配置されて
いる。部分塔１１０の頂部は、好ましくは、低圧精留塔
５６の頂部を超えない。部分塔１１０の頂部から部分塔
１１２の底部への流れは、導管１１６を経由して生じ
る。部分塔１１２の頭部における蒸気は、容器５２から
取られた液体流と間接的に熱交換することによって、凝
縮器６４で凝縮される。生じたアルゴン凝縮液の一部
は、還流として部分塔１１２に戻り流れる。前記アルゴ
ン凝縮液は、ポンプ１１８によって、部分塔１１２の底
部から部分塔１１０の頂部へと移動される。部分塔１１
２の底部は、典型的には、高圧精留塔１８の底部とほぼ
同じ高さか、又はそれよりも少し高いところに配置され
る。凝縮器６４の頂部は、典型的には、低圧精留塔５６
の頂部の高さよりも少し下の高さに配置される。２つの
部分から成る塔１１０及び１１２のそのような配列によ
って、塔及び熱交換器が収容されている「コールドボッ
クス（cold box）」（図示されていない）と呼ばれてい
る断熱ハウジングの全高が低く保たれる。ポンプ１１８
によって部分塔１１０の頂部の中に導入される液体は、
その中を下方へと流れ、導管１２０を経由して、部分塔
１１０の底部から低圧精留塔５６へと戻される。出口１
０６を通って低圧精留塔５６から取り出されるアルゴン
含有蒸気流のすべてが、精留塔１０８へと流れる訳では
ない。その一部を用いて、ボイラー５４の中に供給され
る液体が加熱される。結果として、この部分は凝縮さ
れ、生成した凝縮液は、導管１２０へと戻され、そこか
ら低圧精留塔５６へと戻される。
【００３５】液相と蒸気相との間の密接な液・蒸気接触
及び物質移動は、精留塔１０８で起こる。結果として、
部分塔１１２の頂部で得られる生成物はアルゴンであ
る。塔１０８中に、典型的には２００程度の理論トレー
中に充填物が十分な量となるように配列することによっ
て、実質的に無酸素生成物が得られる。しかしながら、
この生成物は、典型的には、窒素を２０００ppm以下含
む。
【００３６】不純アルゴン生成物は、アルゴン凝縮器か
ら取り出され、次に液体流の圧力を１．４バールから
１．０５バールまで典型的に低下させる絞り弁１２２の
中を通され、そして窒素不純物がアルゴンからストリッ
プされる分別塔１２４の中間領域中へと導入される。ア
ルゴンは入り空気の１容量％未満を形成するので、分別
塔１２４は、他の塔と比較して比較的小さい。分別塔の
底部には再沸器４８が備えられており、またその頂部に
は凝縮器１２６を有する。凝縮器１２６は、高圧精留塔
１８から入口７０を通り低圧精留塔５６へと流れている
液体空気から取り出される液体空気流をその中に通すこ
とによって、冷却される。生じた蒸気流は、凝縮器６４
から入口６８を通り低圧精留塔５６へと流れている流れ
と合流する。塔１２４は、再沸器４８によって作られる
上昇蒸気と、凝縮器１２６から導入され、また導管１２
２を経由して導入される下降液体との間で接触を起こさ
せることができる充填物要素を含む。純粋なアルゴン生
成物は、パイプライン１３０を通って塔１２４の底部か
ら取り出され、貯蔵へと送られる（図示されていな
い）。
【００３７】再び図１参照。プラントの冷却は、２つの
膨張タービン１３２及び１３４を運転することによって
行われる。タービン１３２は、ブースター・圧縮機２６
を運転し、膨張タービン１３４はブースター・圧縮機２
４を運転する。タービン１３２及び１３４それぞれがブ
ースター・圧縮機２６及び２４と結合されている仕方は
当業において公知であり、本明細書で説明する必要は認
められない。膨張タービン１３２は、主熱交換器１０の
一部分を通過することによって、典型的には０− -２０
℃の温度まで冷却されたブースター・圧縮機２４からの
空気流を受容する。冷却空気流は、膨張タービン１３２
における外部仕事（すなわち圧縮機２６の運転）によっ
て膨張され、高圧精留塔１８の底部における作業圧力を
少し超える圧力で、且つ典型的には１４０ − １８０Ｋ
の温度で出て行く。膨張流は、主熱交換器１０の中間領
域へ再導入され、そこで、精製ユニット８から、蒸気空
気用の導管１６へと直接に流れる流れと組み合わされ
る。
【００３８】膨張タービン１３４への流れは、ブースタ
ー・圧縮機２６から導管３０まで主熱交換器１０の中を
流れている高圧空気流から取り出すことによって、作ら
れる。取り出しは、温度が、他の膨張タービン１３２か
らの流れが主熱交換器１０の中に再導入される温度とほ
ぼ同じである領域で行われる。膨張タービン１３４は、
外部仕事（すなわち圧縮機２４の運転）を行うことによ
って前記空気流を膨張させる。前記の空気は、高圧精留
塔１８の底部の実質的圧力及びほぼその飽和温度でター
ビン１３４から出る。空気は、膨張タービン１３４か
ら、そこを通る他の空気流と混合される導管１６の中に
流れる。
【００３９】所望ならば、膨張タービン１３２及び１３
４、及び精製ユニット８の出口から、主熱交換器１０の
温端１２へと延びている導管と連絡している導管１６を
配置している主熱交換器１０を通り抜ける通路の配列
は、我々の同時継続出願独国特許第９５１５９０７．５
号で説明されている。したがって、タービン１３２から
の膨張空気の流れの一部は、ブースター・圧縮機２２へ
と再循環させることができ、また、精製ユニット８を出
るすべての空気も、ブースター・圧縮機２２へと流れ
る；又は、膨張タービン１３２からのすべての空気と、
タービン１３４からの膨張空気の一部は、ブースター・
圧縮機２２へと再循環される。どちらの流れを操作する
かを決定するために機械を調整することができる。その
ように再循環される空気が増えると、液体空気の製造速
度が増大するので、液体生成物が製造される速度が増大
する。ゆえに、ブースター・圧縮機２２への再循環量を
変化させると、満たされるガス生成物と比較して、液体
生成物に関する需要パターンを長期間変化させることが
できるが、機械の調整に時間がかかるので、短い期間
（例えば、毎日）にわたって起こる需要パターンの変化
に合わせるのには不適当である。
【００４０】図１及び図２に示したプラントの運転の典
型的な例では、主圧縮機２の段階４、主圧縮機２の段階
６、ブースター・圧縮機２２、ブースター・圧縮機２４
及びブースター・圧縮機２６の出口圧力は、それぞれ、
２．４，５．８，３３．０，４５．０及び５８．０バー
ルである。塔１８，５６，１０８及び１２６のそれぞれ
の頂部における圧力は、それぞれ、５．４，１．４，
１．３及び１．０３バールである。高圧ガス窒素生成物
は、圧力２７バールで主熱交換器１０を出て、高圧酸素
生成物は圧力２７バールで主熱交換器１０を出る。この
実施例では、出口４６を通って高圧精留塔１８の底部か
ら取り出される酸素富化液体の４０容量％は、主圧縮機
２の下流段階６へと再循環される。液体窒素生成物は、
酸素生成物の全製造速度の６０％の速度で取り出され
る。酸素富化液体空気の再循環が無い場合、前記の速度
は、典型的には、アルゴン回収率（典型的な実施例では
８５％に設定されている）の損失が全く無い場合は、２
５％まで減少する。したがって、本発明に従う方法及び
装置によって、アルゴン回収率を低下させずに、液体窒
素生成物が取り出される速度を実質的に増大させること
ができる、ことが評価できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気分離プラントの一部分に関する系統図であ
る。
【図２】空気分離プラントの別の一部分に関する系統図
である。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気の流れを圧縮する工程、その圧縮空
    気流の一部を蒸気状態で高圧精留塔の中に導入し、窒素
    留分と酸素富化液体留分とに分離する工程、高圧精留塔
    から酸素富化液体留分の流れを取り出す工程、低圧精留
    塔へと導く第一径路に沿って酸素富化液体流の第一部分
    を流す工程、及び低圧精留塔で酸素生成物を分離する工
    程を含み、且つ空気の圧縮へと戻す第二径路に沿って酸
    素富化液体流の第二部分が流れることを特徴とする、空
    気の一部を液体状態で１つ又はそれ以上の精留塔の中に
    導入して液体窒素生成物を取り出す、精留塔の配列にお
    いて空気を分離する方法。
  2. 【請求項２】 第一径路及び第二径路が、共通の上流部
    分を有することを更に特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 第一径路及び第二径路が、ボイラーにお
    いて互いから分かれていて、前記ボイラーにおいて酸素
    富化液体が部分的に再沸騰され、生じた蒸気が第二径路
    を流れ、且つ残留液体が第一径路を流れることを更に特
    徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 酸素富化液体が、低圧精留塔から取り出
    された蒸気流と間接的に熱交換するときに部分的に再沸
    騰されることを更に特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 アルゴン含有流体流が、低圧精留塔から
    取り出され、更なる精留塔において分離されるアルゴン
    生成物を有し、且つ低圧精留塔から取り出された該蒸気
    流がアルゴン含有流体流と同じ組成を有することを更に
    特徴とする請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 ボイラーが、高圧精留塔から取り出され
    た窒素蒸気によって加熱されることを更に特徴とする請
    求項３記載の方法。
  7. 【請求項７】 アルゴン含有流体流が、低圧精留塔から
    取り出され、更なる精留塔において分離されるアルゴン
    生成物を有し、且つボイラーが更なる精留塔のための凝
    縮器として働くことを更に特徴とする請求項３記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 アルゴン含有流体流が、低圧精留塔から
    取り出され、更なる精留塔において分離されるアルゴン
    生成物を有し、且つ残留液体流が、ボイラーから更なる
    精留塔と関連している凝縮器へと流れて、凝縮器のため
    の冷却を提供することを更に特徴とする請求項３又は４
    記載の方法。
  9. 【請求項９】 空気が、上流段階と下流段階とを含む主
    空気圧縮機において圧縮され、且つ第二径路によって、
    第一段階の下流にあるが第二段階の上流にある場所へと
    戻される上記請求項１ − ８のいずれかに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 空気を窒素留分と酸素富化液体留分と
    に分離するための高圧精留塔（１８）と低圧精留塔（５
    ６）とを含む複数の精留塔、及び空気液化機（１０，２
    ８，３２）、１つ又はそれ以上の精留塔（１８，５６，
    １０８，１２４）の中への液体空気のための入口（３
    ４）、液体窒素生成物のための精留塔（１８，５６，１
    ０８，１２４）のうちの１つからの出口（４０）、空気
    流を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機（２，２
    ２，２４，２６）、蒸気状態の空気のための高圧精留塔
    （１８）への入口（２０）、酸素生成物のための低圧精
    留塔（５６）からの出口（８６）、及び酸素富化液体留
    分流のための高圧精留塔（１８）からの出口（４６）、
    低圧精留塔（５６）へと導く酸素富化液体のための第一
    径路（４８，５０，５２，６１，６４，６６）と連絡し
    ている高圧精留塔（１８）からの出口（４６）を含み、
    且つ高圧精留塔（１８）からの出口（４６）が、前記圧
    縮機（４，６，２２，２４，２６）へと戻る酸素富化液
    体のための第二径路（４８，５０，５２，５４，５８，
    ６０）とも連絡していることを特徴とする、空気を分離
    する装置。
  11. 【請求項１１】 第一径路及び第二径路が、共通の上流
    部分（４８，５０，５２）を有することを更に特徴とす
    る請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 第一径路及び第二径路が、酸素富化液
    体を部分的に沸騰させるためのボイラー（５４）におい
    て互いから分かれていて、且つ前記ボイラーが、生成す
    る蒸気のための第二径路への出口（５８）と、残留液体
    のための第一径路への別の出口（６１）とを有すること
    を更に特徴とする請求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 ボイラーが、入口及び出口の末端で、
    低圧精留塔（５６）と連絡している加熱路を有すること
    を更に特徴とする請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 該圧縮機（２，２２，２４，２６）
    が、上流段階（４）と下流段階（６）とを有する主圧縮
    機（２）を含み、且つ第二径路（４８，５０，５２，５
    ４，５８，６０）が、上流段階（２）の下流にあるが下
    流段階（４）の上流にある領域へと導くことを更に特徴
    とする請求項１０ − １３のいずれか１つに記載の装
    置。
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