JPH09310970A - 高圧酸素生成方法および装置 - Google Patents

高圧酸素生成方法および装置

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JPH09310970A
JPH09310970A JP9027096A JP2709697A JPH09310970A JP H09310970 A JPH09310970 A JP H09310970A JP 9027096 A JP9027096 A JP 9027096A JP 2709697 A JP2709697 A JP 2709697A JP H09310970 A JPH09310970 A JP H09310970A
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air
distillation column
liquid
plant
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Maurice Grenier
モーリス・グルニエ
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】圧縮方法型であって比のエネルギー消費の観点
から有利である高圧気体酸素生成方法を提供する。 【解決手段】本発明の方法では、気体酸素は、低圧蒸留
塔１１の容器から取り出された液体酸素が圧縮されるこ
とによって所望の高圧で直接生成される。蒸留されるべ
き空気は、二重蒸留塔１の中圧気流、約６０バールより
も高い高圧気流、部分的な冷却の後にタービン８で中圧
まで膨張させられる中間圧気流の３つの流れに分けられ
る。中間圧は、タービンで処理される空気がタービンホ
イールの入口で露点近くになるように設定される。同時
に液体生成物がプラントから取り出される（導管２
４）。また本方法は３０バール以上の圧力で大量の気体
酸素を生成する設備に適する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも約３０
バールの高圧での気体生成方法であって、空気が、低圧
で動作する蒸留塔と中圧で動作する蒸留塔とを有する二
重蒸留塔プラントで蒸留され、プラントの蒸留塔から取
り出された液体が圧出（ｐｕｍｐ）され、圧縮された液
体が、はんだ付けされたプレートを有する型の熱交換器
内において冷却および／または液体の過程で空気との熱
交換により気化され、少なくとも一種の液体生成物がプ
ラントから取り出される方法に関する。
【０００２】本発明は特には、大量の、典型的には日産
少なくとも約５００トンのオーダーの高圧気体状酸素の
製造に適用される。
【０００３】本明細書中の圧力値は、絶対圧力値であ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】「ポンプ法」として知
られる前記の方法は数多く提案されている。本発明の課
題は、これと同型であって、特に比のエネルギー消費の
観点から有利である生成方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の主題は上述の方法において、蒸留されるべ
き空気が以下の３つの流れに分けられることを特徴とす
る。
【０００６】（１）露点近くまで冷却された後、中圧蒸
留塔へ導入される該中圧の第１空気流、（２）冷却され
液化された後、膨張の後該二重蒸留塔へ導入される、約
６０バールよりも高い高圧の第２空気流、および（３）
少なくともその一部が、タービンにおいて中間冷却温度
で該中圧に膨張させられた後該中圧蒸留塔へ導入される
空気がタービンホイールの入り口で露点近くになるよう
に選定される中間圧の第３空気流。
【０００７】本方法は１または複数の以下の特徴を有し
得る。
【０００８】前記液体生成物は、少なくとも一部分が二
重蒸留塔に接続された酸素／アルゴン分離用の付加的塔
から生成される液体アルゴンである。
【０００９】全ての前記液体生成物は液体アルゴンから
なる。
【００１０】前記第２空気流の中間圧から高圧への圧縮
はタービンによって供給される機械エネルギーによって
のみ確保（ｅｎｓｕｒｅ）される。
【００１１】前記中間温度は、およそ、高酸素圧での酸
素の気化温度である。
【００１２】酸素高圧はおよそ４０バールであり、プラ
ントから取り出された液体生成物の流量は、実質的に以
下のように定義される。
【００１３】ＤL ＝−０．２２Ｐ＋２２ （ここで、ＤL は取り出された液体生成物の流量の、生
成された酸素の全流量に対する比率（パーセント値）、
Ｐは絶対バール値で示す空気高圧）。
【００１４】取り出された液体生成物の流量は、生成さ
れた酸素の全流量の約２ないし１２％である。
【００１５】前記第２および第３の空気流は、蒸留され
る空気の全流量の、それぞれ、約２０〜２５％、および
約１０〜３０％である。
【００１６】本発明のもう一つの主題は、上述した方法
を利用するための装置（プラント）である。この装置
は、低圧で動作する蒸留塔および中圧で動作する蒸留塔
を有する二重空気蒸留塔、装置の蒸留塔から取り出され
た液体を圧縮するためのポンプ、入ってくる空気を圧縮
するための手段、蒸留されるべき空気と圧縮された液体
とを熱交換関係に置くための、はんだ付けされたプレー
トを有する熱交換器、および少なくとも一種の液体生成
物を装置から取り出すための導管を備える、少なくとも
約３０バールの酸素高圧での気体酸素の生成プラントで
あって、圧縮手段が中圧、中間圧、高圧の３つの空気流
を作る手段を含むこと、熱交換器が、熱端から冷端にか
けて中圧空気を冷却する通路、中間圧の空気を部分冷却
する通路、および熱端から冷端にかけて高圧の空気を冷
却する通路を有すること、該プラントが中間圧の部分冷
却された空気の少なくとも一部を中圧まで膨張させるタ
ービン、および二重蒸留塔に連結する液体アルゴン生成
のための塔を有することを特徴とする。
【００１７】本装置の一つの態様では、中間圧のタンク
から取り出された液体を、低圧蒸留塔のタンクから取り
出された液体酸素の気化によって過冷却する付加的な熱
交換器を備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図を参照して詳しく説明する。
【００１９】図１に示される装置（プラント）は、少な
くとも約３０バールの圧力で気体酸素を生成するもので
ある。本装置は、本質的に二重蒸留塔１、はんだ付けさ
れたプレートを有する型の熱交換器を少なくとも一つ有
する主要熱交換ライン２、過冷却器３、空気圧縮器４、
空気を水およびＣＯ2 に対して吸着精製するための装置
５、第１空気ブースター６、第２空気ブースター７、膨
張タービン８、液体酸素ポンプ９を備える。二重蒸留塔
は、通常のように、約５ないし６バールで動作する中圧
蒸留塔１０、およびその上方に位置し、大気圧よりわず
かに高い圧力で動作する低圧蒸留塔１１を有し、後者の
容器内には、低圧蒸留塔の容器からの酸素を中圧蒸留塔
の頭部からの窒素との熱交換関係に置く気化／凝縮装置
１２が備えられている。
【００２０】動作中、蒸留されるべき空気は圧縮器４に
よって完全に中圧に圧縮され、装置５で精製され、２つ
の流れに分けられる。
【００２１】第１の空気流は、熱交換ライン２０の熱端
から冷端までで延びる、熱交換ライン２０の通路１３に
おいて、この中圧で冷却される。この中圧の空気はその
露点付近の温度で交換ラインを出、中圧蒸留塔１０の底
部に導入される。
【００２２】装置５を出た空気の残りはブースター６で
中間圧に加圧され、さらに２つの流れに分けられる。
【００２３】この中間圧の第１の気流は、交換ラインの
通路１４内で中間温度Ｔ１まで冷却される。この気流の
一部は任意に交換ラインの冷端まで冷却され続け液体
し、続いて膨張弁１５において中圧まで膨張させられ、
さらに、蒸留塔１０の底部へ輸送される第１の流れと、
過冷却器３で過冷却され、膨張弁１６において低圧まで
膨張され、蒸留塔１１に輸送される第２の流れとに分け
られる。第１気流の残部は交換ラインから中間温度Ｔ１
で取り出され、タービン１６で中圧まで膨張され、蒸留
塔１０の底部に導入される。
【００２４】圧縮された第２の気流はブースター７にお
いて６０〜８０バールのオーダーの第２の高圧に再び加
圧され、交換ラインの冷端にいたるまでに交換ラインの
通路１７で冷却され液化する。こうして得られた液体は
膨張弁１８で膨張され、膨張弁１５から流出する液化流
と合流する。
【００２５】蒸留塔１１のタンクから取り出された液体
酸素はポンプ９によって所望の高圧出力まで加圧され、
交換ラインの通路１８で気化し加熱され、装置から排出
管１９を経由して排出される。
【００２６】図１のプラントは、さらに、二重蒸留塔装
置の通常の導管と付属物とを示している。すなわち、蒸
留塔１０の容器内に集められた「富液体」（富酸素空
気）を蒸留塔１１に送り返すための導管２０とこれに連
結する膨張弁２１、蒸留塔１０の頂部から取り出された
「貧液体」（実質的には純粋窒素）を蒸留塔１１の頭部
に送り返すための導管２２とこれに連結する膨張弁２
３、蒸留塔１１の容器に備え付けられた液体酸素排出管
２４、導管２２に取り付けられ膨張弁２６を備えた液体
窒素排出管２５、およびプラントから取り出された残り
の気体である不純窒素を取り出すための、塔１１の頭部
に取り付けられた導管２７である。この不純窒素は過冷
却器３内で、ついで交換ラインの通路２８において再加
熱され、導管２９を通して排出される。過冷却器３では
弁１５および１８から出る液体空気、貧液体および富液
体が過冷却され、富液体の場合には約２℃だけ過冷却さ
れる。
【００２７】比エネルギー消費（比エネルギーとは、単
位量の高圧気体酸素を生成するのに必要なエネルギーで
ある）を可能な限り低くするためには、可逆熱交換の状
態に近づけるべく、交換ライン２の熱交換ダイアグラム
が可能な限り狭くなくてはならない。特に、図２のグラ
フでは、エンタルピーＨが横座標に、温度が縦座標に示
されており、冷却されている空気（曲線Ｃ１）と熱され
ている生成物（曲線Ｃ２）との温度差は、交換ラインの
熱端部と冷端部との間で、並びに酸素気化プラトー３０
の開始点で、可能な限り小さくなくてはならない。
【００２８】シミュレーション計算から、平均温度差を
５℃に近づけ、プラトー３０の初めにおける最小温度差
１．５℃を有し、５℃に近い平均温度差を得ることが以
下の条件によって可能であった。
【００２９】（１）空気高圧が、はんだ付けプレート型
熱交換器２の実施技術を考慮した上で可能な限り高く選
定されること。この高圧は典型的には約６０〜８０バー
ルである。
【００３０】（２）タービン８の入口の温度である中間
温度Ｔ１が酸素気化温度に近く、好ましくは、この気化
温度よりも１℃高いこと。
【００３１】（３）中間圧が、タービンで処理された空
気が、タービンホイールの入口での露点近くにあるよう
に選定されること。
【００３２】よく知られるように、冷熱（ｃｒｙｏｇｅ
ｎｉｃ）タービンは、ホイールが連結した入口分配器を
有する。この分配器は、エンタルピーにおいてタービン
の特性である第１放出または降下を発生させる。したが
って、上記の第３の条件は、空気がホイールの入口で露
点近くになるためにタービンに進入しなければならない
時点での圧力である中間圧の決定を容易に可能とする。
この中間圧は約３０〜４０バールである。
【００３３】さらに、ある流量の液体が２４で取り出さ
れなければならない。対応して、この液体は熱交換ライ
ンで熱されるべき生成物の量を減らし、その流量は酸素
高圧と空気高圧との両方の関数である。４０バールの酸
素高圧を達成するための図３は、経済的最適値をもたら
す液体流量が、空気高圧Ｐが６０バールよりも僅かに高
い値から８０バールに変化するとき、法則ＤL ＝−０．
２２Ｐ＋２２により本質的に直線的に減少することを示
している。この式において、ＤL は取り出された液体酸
素流量の、生成された酸素の全流量に対する比を％値で
表す。
【００３４】図からわかるように、８０バールよりも著
しく高い、高圧そして計算によれば１００バールのオー
ダーの高圧を選定することが可能である場合、流量比Ｄ
L をなくすることができる。
【００３５】上記の例では、タービン８によって生じる
機械エネルギーはブースター７の作動に寄与するために
回復されるが、ブースター７の作動には外部の作動エネ
ルギー源をも有する。代わりの形態として、プラントを
簡素化するためにタービン８とこのブースターを連結す
ることが望ましい場合、中間圧と温度Ｔ１が上昇されな
ければならず、この結果、計算によれば、流量ＤL およ
び比エネルギーが増加する。
【００３６】一例では、中間圧および高圧での空気流
は、処理される空気の流量のそれぞれ約２０％および約
２５％を示す。
【００３７】図３に戻る。酸素が４０バールで生成され
ると、空気高圧が８０バールに近いときの流量ＤL は約
４．５％のオーダーである。ここで、このパーセンテー
ジは大気空気中の酸素に対するアルゴンの比である。そ
のため、図４に示すように、最終の痕跡量の酸素を取り
除く手段３１Ａと脱窒素手段３１Ｂが連結するアルゴン
／酸素分離用の付加的蒸留塔３１を二重蒸留塔に取り付
けることで、経済的最適値に達成するのに必要な液体生
成物の取り出し分を、プラントからの純粋液体アルゴン
排出物のみとすることができる。
【００３８】このことは、プラントが比較的複雑なた
め、上記方法が、主として、比エネルギーが最も重要な
要素である容量の大きいプラントに採用されるように適
合され、またこれらのプラントはアルゴン生成塔が付け
足されても差し支えがないものであるので、特別の利益
をもたらす。
【００３９】通常の方法では、図４の概略図のように、
蒸留塔１の容器は導管３２（供給）および導管３３（返
送）を経由して蒸留塔１１のアルゴン分岐管に接続し、
他方その頭部は、３５でおよそ大気圧まで膨張した富液
体が気化されるコンデンサー３４が備えられ、気化され
た液体は導管３６を経由して蒸留塔１１に戻される。導
管３１の頭部から導管３７を経由して取り出された不純
気体アルゴンは３１Ａ、次いで３１Ｂで純化され、純粋
アルゴンは排出管３７Ａを経由し液体状態でプラントか
ら取り出される。
【００４０】他の形態としては、図４に示されるよう
に、富液体を、導管２１での膨張および任意には３５で
の膨張の前に過冷却することが、蒸留塔１１のタンクか
ら取り出された液体酸素を気化させる付加的熱交換器３
８において可能である。これによって、「ポンプ」プロ
セスを利用する過程で、循環する大量の富液体を４〜５
℃だけ過冷却すること、したがって、酸素および適切な
場合にはアルゴンの抽出効率を向上させることが可能で
ある。
【００４１】また、変形的形態としては、図１および図
４の破線で示されるように、プラントは付随的に加圧下
で気体窒素を生成することができる。この窒素は導管２
２から液体状態で取り出され、ポンプ３９より所望の圧
力に圧出され、気化され、交換ライン２の通路４０で熱
され、排出導管４１を経由して取り出される。
【００４２】本発明の方法において取り出された液体の
全てまたは一部が液体窒素から成り得る（導管２５）。
【００４３】圧出（ｐｕｍｐｉｎｇ）の後に気化された
液体は、酸素、窒素もしくはアルゴンであり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気体酸素生成用装置の概略図。
【図２】熱交換ダイアグラム図。
【図３】経済的最適値における酸素高圧の関数としての
液体酸素の装置出力の変化を示すグラフ図。
【図４】図１の装置の変形例の概略図。
【符号の説明】
１…二重蒸留塔 ２…熱交換器 ６，７…ブースター ８…膨張弁 ９…ポンプ １０…中間圧蒸留塔 １１…低圧蒸留塔。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも約３０バールの高圧で気体を
    生成する方法であって、空気が、低圧で動作する蒸留塔
    （１１）および中間圧で動作する蒸留塔（１０）を有す
    る二重蒸留塔（１）で蒸留され、蒸留塔（１１）から取
    り出された液体が（９において）圧出され、圧縮された
    液体ははんだ付けされたプレートを有する型の熱交換器
    （２）において熱交換によって冷却および／または液体
    の過程で空気との熱交換により気化し、少なくとも一種
    の液体生成物がプラント（２４、２５、３７Ａ）から取
    り出される方法において、蒸留される空気が、 露点の近くで冷却され、中間圧蒸留塔（１０）へ導入さ
    れる中圧の第１空気流と、 （１７において）冷却および液化され、（１８で）膨張
    した後二重蒸留塔（１）へ導入される、約６０バールよ
    りも高い高圧の第２空気流と、 少なくともその一部が、中間冷却温度で、タービン
    （６）において中圧まで膨張させられた後に中間圧蒸留
    塔（１０）に導入され、空気がタービンホイールの入口
    で露点近くになるように選定される中間圧の第３空気流
    と、に分けられることを特徴とする高圧気体生成方法。
  2. 【請求項２】 前記液体生成物は、少なくともその一部
    が二重蒸留塔（１）に連結する付加的な酸素／アルゴン
    分離用の蒸留塔（３１）から生成される液体アルゴンで
    あることを特徴とする請求項１記載の高圧気体生成方
    法。
  3. 【請求項３】 前記液体生成物の全てが液体アルゴンか
    らなることを特徴とする請求項２記載の高圧気体生成方
    法。
  4. 【請求項４】 前記第２空気流の中間圧から高圧までの
    圧縮がタービン（８）によって供給される機械エネルギ
    ーのよってのみ確保されることを特徴とする請求項１な
    いし３のいずれか１項に記載の高圧気体生成方法。
  5. 【請求項５】 前記中間温度が、高圧での液体の気化温
    度に近いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
    １項に記載の高圧気体生成方法。
  6. 【請求項６】 高圧が４０バールに近く、プラントから
    取り出された液体生成物が実質的に、ＤL ＝−０．２２
    Ｐ＋２２（ＤL は、取り出された液体生成物の流量の、
    生成酸素の全流量に対する比をパーセント値で示し、Ｐ
    は空気高圧を絶対バール値で示す）で定義されることを
    特徴とする請求項１ないし３および５のいずれか１項に
    記載の高圧気体生成方法。
  7. 【請求項７】 取り出された液体生成物の流量が、生成
    酸素の全流量の約２ないし１２％であることを特徴とす
    る請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高圧気体生
    成方法。
  8. 【請求項８】 前記第２および第３の空気流が、蒸留さ
    れるべき空気の全流量のそれぞれ約２０ないし２５％、
    および約１０から３０％であることを特徴とする請求項
    １ないし７のいずれか１項に記載の高圧気体生成方法。
  9. 【請求項９】 気化された液体が、酸素、窒素、または
    アルゴンである請求項１ないし８のいずれか１項に記載
    の高圧気体生成方法。
  10. 【請求項１０】 少なくとも約３０バールの高圧気体を
    生成するためのプラントであって、低圧で動作する蒸留
    塔（１１）および中圧で動作する蒸留塔（１０）を有す
    る空気二重蒸留塔（１）、蒸留塔（１１）から取り出さ
    れた液体を圧縮するポンプ（９）、入ってくる空気を圧
    縮する手段（１４、３０、３１）、蒸留されるべき空気
    と圧縮された液体とを熱交換関係に置くためのはんだ付
    けしたプレートを有する型熱交換器（２）、およびプラ
    ントから少なくとも一種の液体生成物を取り出すための
    導管（２４、２５、３７Ａ）を有するプラントにおい
    て、圧縮手段が、中圧、中間圧、高圧のそれぞれ３つの
    空気流を作り出す手段（４、６、７）を含むこと、熱交
    換器（２）がその熱端から冷端にかけて中圧空気を冷却
    する通路（１３）と、中間圧の空気を部分的に冷却する
    通路（１４）と、その熱端から冷端にかけて高圧の空気
    を冷却する通路（１７）とを有すること、およびプラン
    トが、中間圧の、部分的に冷却された空気の一部を中圧
    まで膨張させるタービン（８）と、二重蒸留塔（１）に
    連結する液体アルゴン生成のための蒸留塔（３１）を有
    することを特徴とするプラント。
  11. 【請求項１１】 蒸留塔（１１）から取り出された液体
    の気化によって、中圧蒸留塔（１０）のタンクにおい
    て、取り出された液体を過冷却する付加的熱交換器（３
    ８）をさらに有することを特徴とする請求項１０記載の
    プラント。
  12. 【請求項１２】 空気が、低圧で動作する蒸留塔（１
    １）および中圧で動作する蒸留塔（１０）を有する二重
    蒸留塔（１）を有するプラントにおいて蒸留される高圧
    ガスの生成方法において、空気の一部をタービン（６）
    において中圧に膨張させた後中圧蒸留塔に導入し、該空
    気圧は、空気がタービンホイールの入り口でその露点近
    傍になるように選定されることを特徴とする高圧ガス生
    成方法。
  13. 【請求項１３】 タービンで膨張させられる空気が、そ
    の膨張前に、場合に応じて圧縮および気化の段階の後
    に、二重蒸留塔からの気体を用いて冷却される、請求項
    １２に記載の高圧ガス生成方法。
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