JPS62163724A - ガス混合物の分離法ならびにその実施に必要な装置 - Google Patents

ガス混合物の分離法ならびにその実施に必要な装置

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JPS62163724A
JPS62163724A JP61265404A JP26540486A JPS62163724A JP S62163724 A JPS62163724 A JP S62163724A JP 61265404 A JP61265404 A JP 61265404A JP 26540486 A JP26540486 A JP 26540486A JP S62163724 A JPS62163724 A JP S62163724A
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gas
molecular sieve
heat exchanger
turbine
heated
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ビリム クビタス
カール フアルテユセツク
ライナー ワウリナ
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Voestalpine AG
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はガス混合体Qノ分離方法、特1c空気の分離
方法に関するものである。この分離方法においては、ガ
ス混合体が圧縮され、02を保留する分子ふるいを通り
更に分子ふるいを通過したガス成分(侍に窒素)がガス
・コンプレッサートー貫結会されている抽気タービンを
通ることになっている。
空気から酸素、窒素あるいはアルゴンのJ:うな工業用
ガスを収出てのは、大抵の場合低温梢留装喧を綱いる方
法で企画された。そのような設備は比較コストか高(ま
fこ割高で、その上解氷段階で規則正しい温度帯域に装
置を維持することが必要になった。約2週間の間、低温
帯に閉じこめられてい1こ炭化水素、炭酸およびウォー
ターシュゾールは結氷(液化→氷)するために熱交喚器
Vノバスを辿つ抜けて米1こか、合や舟び温度上昇に伴
って、気化して本来の妥に帰ることを要求される。
低温梢留云に代るべき製法は、いわゆる面圧スイング表
法である。この製法は比較的鍋いエネルギーコストを必
安どするために、極めて小規模の設備にしか利用されな
かった 構造が簡単であり、艮期の再生期間を省略できる等、長
所はあるにせよ、極めて高いエネルギー消費のことを顧
慮すると、この製法を大規模に工業化することを保証す
ることは無理である。またそI/)ような圧力スイング
製法では、アルゴンは得られないし、ガスを液化するこ
ともできない。この高圧スイング製法は分子ふるいを使
用するため、分子ふるいと名付けられているが、このふ
るいが混合体中の特定のガスを選んで保留(rEIfa
in )し特定の条件のもとで再びこれを解放する。圧
力切替技法を便ってガスリ混合体から特定αフガスを分
離する方法ハ、例え(dDE−os31.22701か
らその名がつけられた。この周知の′!:A法において
は多段階の吸収型リアクターか用いられ、声]えはコー
クス・ガスから細枠な水系ガスを敗り出している。
Dp−os 3319664カら、ガス’(%合体c/
)精製のためυ)、吸収リアクターによって運営される
製法が知られている。DE−O83307971から既
に窒素を空気から取り出す製法が著名になっているが、
この)場合には酸素な保留(refein )する炭素
分子エリミネータ−が利用されて力る。
DE−A−3150624から、最初に名付けられた製
法が命名されているが、この場合には、窒素は高圧を受
けたま\で、コンプレッサーの起動装置と接続されてb
るエキスパンションタービンを通過下る。前述の圧m空
気による圧力を受けている窒素の予熱は最大140℃ま
で(1)vrJ熱効果を生じてめる。この方法で再生さ
れたコンプレッサー用の起動力は、それ故僅少なものに
丁ぎない。
この発明は1樵類のガスを比較的純粋な形で入手するこ
とを目的とτる既矧の製法から出発して、更にエネルギ
ーのコストを出来るだけ低減し、こU)ν[製法かは性
的に魅力あるものとなると共に同時に単に1捕りガスの
みならず少ぐとも2植以上り成分をガス混会体の中から
、比較的純粋な形で敗出し得る可能性を1uり出すこと
を指向してAろ。
この殊阻を解くために本性発明は酸素を保留する分子ふ
るいを利用する製法を出発点とし、本発明に相応しい提
案として、分子ふるいを通過しTこガス成分が抽気ター
ビンに引き込まれる前に2000以上の温度、500か
ら850℃までに7JO熱されることを付け9口えてい
る。この場合、少くとも、抽気タービンの加熱のために
供給されるガス成分の熱交換器は高温り燃料ガスで加熱
される。酸素ヲ保留する分子ふるいりオペレーションに
よって圧縮ガスが生ずる。更にこの分子ふるいを通過し
たガスは常にコンプレッション圧を受ける。引続いてこ
のガスが抽気タービンに拡充することによって、コンプ
レッション・エネルキーカ回収され、この装[′g)最
大のエネルギー消費装置即ち空気コンプレッサーのため
の起動エネルギーが節約される。この方法では、完全な
起動出力(全量カンが要求されるのは単にピーク時ν)
みで限界出力即ちコンプレッサーと抽気タービン9) 
lf3力の差の一部分のみが連続運転において消費され
る。
酸素を保留する分子ふるいは渡常の場合。
−20℃〜+40℃の温度で運転される。エア・コンプ
レッサーを通過したガスは、酸素な保留する分子ふるb
に導入される前に冷却される。抽気タービンは著しく高
い温度で運転することができる。またそり効率は酸素を
保留する分子ふる^を通過したガスを加熱することによ
って著しく改善することができる。発明の趣旨に副うよ
うに、分子ふるいを通過したガス成分は抽気タービンへ
導入される以前に200″C以上(特に500〜850
℃)まで加熱される。油気タービンに供給されるガス成
分のυΩ熱は燃料の燃焼によって行われる。
然しなからこの方法におめでは確に、大きなエネルギー
補償を意味するけれども、窒素のみならず同時に酸素を
も相当の純度で得られるという前提か必要になる。酸素
を保留してbる分子ふるbから酸素を放出させるために
望ましいことは、分子小るいを少くとも150″Cから
、特に少くとも200 ℃K7JO熱し、大気圧程度に
減圧した後、無圧力まγこは大−気圧以下の圧力におい
て、F9r eのガスを吸引−[ることである。分子ふ
るいを通過したガス成分の加熱を抽気タービンV?−尋
人する以前にバーナーを由いて/10熱すると矢のメリ
ットか得られる。即ち熱め燃焼排ガスが、酸素を放出さ
せるために分子ふるいを加熱する媒体を更にvu熱する
ために、これに続く熱交換器θ中へ導入することである
ごの製法の枠内において分子ふるい一酸素を保留し、そ
り後このぽ索を7JO熱後に再び放出する−をあまりに
多くの無関係の成分によって負荷をかけなめことは望ま
しいことである。この目的を達成するために好ましい0
とは、02を保留する分子ふるAの前に、より大きめH
2Oおよびco2を保留する分子ふるいを、圧縮ガスに
裏ってKKさぜることである。この圧縮ガスは、抽気タ
ービンを通過したガス成分のサブ・セラ)t/Cよって
、敗り分は心の一部分による再生かOJ能である。
抽気タービンへ導入されるりに先立って、賄々リガスが
、500〜800″CまでUn熱されると丁れば、これ
から想定した油気タービンリ中にひける温度降下は30
0〜400″Cに達するはすである。
か(して比較的熱いガス生成物か入手oT能となり、こ
σノガスは次の分子エリミネータの消化に直接役立たせ
るという利点がある。
0の製法の実施に必要な本件発明にふされしj摸1直の
特色は、抽気タービンがガスコンプレッサーと接続され
ていることである。この装置の構成は大変好都合にでき
ていて、02を保留する分子工+) ミネーターを抽気
タービンと結びつけるバイピング(Leitung)に
バーナーによって加熱された熱交換器の中を通って導か
れる。その際に、強満丁べきこと汀、抽気タービンを通
過したガスが導入されてゆ(次の熱交換器がシリーズに
接続されていることである。この方法によって抽気ター
ビンの効率は著しく改善されると共に、次の前提か成立
する。即ち酸素を保留してbる分子ふるいから酸素を放
出させるために、分子エリミネータ−を加熱するために
必要な熱い媒体が自由になることである。このム:め装
置り構成は仄り通りになっている。即ち02を保留して
いる分子ふるいからば系を放出させるために、ガスは少
(とも部分的に熱交換器の中を循環するように導かれ、
こV)熱5!:換器に汀、バーナーを吹き当てられfこ
熱交換器から出る燃焼排ガスが供給される。また分子ふ
るいには密閉可能なI717−フ管がついている。また
酸素Ct)放出のために必要な切g機能は矢の方法で行
われる。02を保留している分子ふるいに送に磯が取付
けられ、送風機の後に第1の案内弁(WagθVθnt
il )が取付けられ、こσノ弁はある段階ではガスの
流れを熱交換器の中を通って分子エリミネータ−に送り
返し、仄の段階では送風機を酸素取出口に結びつける。
従って酸素を保留している分子ふるいり80熱Vノため
には何ら追7JD的な媒体を快することがないのみなら
ず、直接、裂寛り中を龜れている媒体を利用することが
できる。この)媒体は、峡累の放出に好ましい@度に達
するまでは、循環状態におかれ、圧力調整により無圧力
または大気圧以下の圧力になるまで吸引される。
そり除、圧力調整Q)凌に吸引されたu体は本質的にみ
て純粋な酸素を保持している。仄に急速に鍍系吸収に切
姶えるために本波灯は次のような構成を収っている。即
ち、020放出のための分子−ろいり7JO熱のための
循環系グ、)中に第2の案内弁が配置されていて、ある
段階では、熱い燃焼排ガスによって加熱されている熱交
換器の所で、次の段階ではある冷却器の所で循環が閉鎖
される、この際に分子ふるい(1) N @運転のため
に、任意に切替えられろクーラーが1更用される、また
これに引き碗いて〃「規に圧縮されfこ、比較的低温の
空気が分子ふるいを通じて纏き入れられる。分子ふるい
の常温運転のためσフ冷却作栗は次のような簡単な方法
で保証される、即ちクーラーは分子ふるいを抽気タービ
ンに結びつけているバイピングに至るバイパス上に配置
されているりである。分子工IJ ミ不−ターり所要の
温度が達成された後の酸素り取出しU)ために送風機の
後に一つの案内弁が取付けられるか、この案内弁は所要
(1)温就か侍られるまでガスの流れを循環させ、酸素
C)収出りためには送J虱憬と酸素取出口とか檄伏され
る位置へ動かされる。こσノ段階で最初の案内弁V)仮
ヘコングレッサーか接続されこのよ5を方法で圧部され
た酸素か収出され貯蔵される。
本V+究明にふされしい装置な1更用丁れば、低温の^
圧窒素と分子エリミネータ−の再生のための無圧窒素な
らびに酸素が得られる。分子エリミネータを1[!i過
した高圧窒素を、抽気タービンに導入される前K 7J
O#!することによって、出力利用率は高められ、約1
000℃の温度達成が町忙となる、何故なら最近のがス
タービンリブレードは、そり水分が事前にシリーズに接
続されている分子エリミネータ−の中で除去されている
乾燥された窒素り妬き純粋を流動体の鳴合には%極めて
わずかの腐食現象を引き起こ丁に丁ぎないからである。
酸素な保留するエリミネータ−り便用、および比較的に
純粋かつ乾燥したN素による、高藏負荷の下にあるガス
タービンの便用によって出力利用(率〕の改善は著しい
もりがあるが、他方においては窒素の0口熱にも限界が
あり、これを制約するもつをニガスタービンリブレード
によるよりも、むしろ・鹿道ガスの′jX曲を負5熱又
失器θノ寿命によることり方か大きい。炉頂ガス燃焼の
際にlL工、8 D O’Cぎりぎりり温度でも現任入
手oT能な徂材料り寿砧な消耗させるに十分である。が
ス抽気タービンな通過した窒素から収り出される排熱の
回収分は伝統型の熱変換器を用いて常温の高圧窒素に移
転される故に、炉頂ガスを用いて行われる加熱は、ただ
こσノ熱交換器とタービン油気の系列にあるガスの温度
低下の間の熱差異だけを補論得ることを要する。
追710的に投入される熱の回収は、実際的には機械的
出力におけるタービンの効率に置き換えられ、熱い高圧
ガスの追加的加熱によって生じる唯一σり大きな追加熱
損失はこの0口熱の排気ガスによる損失であると宮えろ
クリえは気化炉、LD製鋼所または部分的な酸化設備の
ような酸素の多敏消費装置は大抵の場合燃料ガスを副産
物として取扱っている。この装置の運転に必要な燃料ガ
スは、直接本装置または本装置と接続されている装置に
よって製造された酸素の供給を受けている酸素消費装置
から収り出されている、特に高炉においては炉頂ガスの
着しい余剰が発生し、人いした困難もなく使用されてい
る。
万−熱交罠器に洩れが発生しても排出ガス即ち鼠系中の
皺系讃度か高まるだけであってそれに工つて新しい危険
か発生することはない。
この発明装置は引続すて、図面に図式的に記入された詳
細な例示の手引によって詳しく説明さ几る。
フィルターな通過しり空気はコンプレッサー1に送られ
る、このコンプレッサーは調整のためにvolume−
govsrnsr (風故調整器)またとえばvans
controllθr(gリコントローラー)へ案内す
る。
圧縮された空気は圧縮によって高温に達し、エア・クリ
ーナー3によって冷却されこれに絖いて最初の分子エリ
ミネータ4に到達する、このエリミネータリ中ではCO
2および炭化水素か保留される。
引続いて酸素を保留する苦り分子エリミネータ5か配置
されている。吸糸を収除かれたガス成分は案内弁6を通
って最初の熱交換器7に達し、引続いて仄の燃焼ガスで
加熱された熱交換器8に導入される。このような方法で
71[1熱され、屹探した高圧窒系瞥工抽気タービン9
に送られる。このタービンは軸10によってコンプレッ
サー1と徽枕されている。コンプレッサーのドライビン
グモーター11は伝動装置12へ送り込む。このドライ
ビングモーターの全駆動出力は単に本装置の始動に必要
なだけに丁ぎな込。運転中にはドライビングモーター1
1はコンプレッサー1とガスタービン90間の差の出力
を担当し、エンジン・セットが隣接の補給出力によって
フルロ転するりに適当なサイズになっている、相当のガ
ス成分が抽気タービン9を通じて収り出されるや否や相
当大きな駆動出力が抽気タービン9のクラッチ・シャフ
ト10を通じて供給される。
抽気によって再び冷却された、しかしながらなお且つ高
温レベルにあるガスは引続いて熱交換器7に到達する。
この熱交換器の中で加熱4Jの冷い圧力ガスが熱交換器
8の中で予熱されて、無圧力の家系ガスか収り出される
吾りバイピング13に送られる。この比較面温いが遥か
に抽気されfこガスリサブ・セットはミキシング・ノズ
ル14へ岑人される、その際吸引された、無圧り室系に
灯する調@裟直15は温度測定器16によって、水蒸気
、co2および炭化水素を保留している最初り分子ふる
い4の再生のために適当な@度をもっている再生ガスを
自由に入手するために、コントロールされる。再生ガス
のバイピングはこ\では17の番号をつけられ、最初の
分子エリミネータ−4を通過した後に、分子エリミネー
タ−再生から生じた、湿気を言む再生排気ガス用の排気
煙突18に導入される。
熱交換器B ct)中の抽気タービン9に導入される以
前の圧力媒体の7111熱(1)ために、恭科ガスがバ
イピング19を通じて供給される、その際この振材ガス
ならびに、それ相応の風訛調祭器21およびvan c
ontroller (異りコントローラー)りついて
いる送j虱機20IF−よって燃料用空気は、熱交に器
22によって9口熱される。予熱された燃焼ガスおよび
予熱された燃焼用空気は、引続いて燃・児室すバイピン
グ23を通じて熱交換器8に供給される、そり際、熱い
燃焼廃ガスはバイピング24を辿して排気され、指定の
ある場合にを1・燃焼用空気の予熱用に使用されている
熱交換器22な0口熱する。溌ガスは煙突25を辿じて
排気される。
酸素を保留している分子ふるい5の再生のために、バイ
ピング24から米る燃焼廃ガスの一部は熱交換器22を
通過するiJ (C温度制御の停止/調整ff1首26
を通じて、熱交換器27に供給される。
この調整装置26α)だめの温度センサーには28の番
号がつけられ分子ふるい5のυ0熱用の循環バイピング
の中に取付けられている。この目的な達てるために、分
子ふるい5にバイピング29および適当な風址調整装置
例えばjAのコントローラー31のつめている送風機が
配置されている。また最初の多重案内弁がついていて、
この弁のために分子ふるい5から送風機30を通じて収
り出されたガス成分が、バイピング33と第2 C1)
多N案内升34を通じて、熱交換器27に送られろ。熱
交@器27を通過した加熱媒体はバイピング35を通っ
て循環して、分子5に尿される、そ(/、、)際分子ふ
るい5の、この7+D熱段階においてはf’lE莱は大
気圧以下ま1こは無圧力の状態で行われる。分子5を無
圧状態にするγこめり抽気弁36レエ、このtこめに排
気煙突37に接続される。
分子ふるい5(1)新装温度が達成された後に最初の案
内弁32が切替えられる、その際分子工IJ ミネータ
ー5の抽気α−)後で純粋を酸素はバイピング38を通
じて収り出される。このバイピング38り中には、酸素
αノための風敬調節装@39が取付けられている。その
際風針副定裂1iiKは4oり番号かつけられている。
引続いて酸素コンプレッサー41が配置されていて、こ
νノコングレッサーには通′にり安全装置、特にポンプ
限界瞳報装置42−最終圧力測定摸置43お工び蚊送故
創定裂貢44によって操作される−が敗付けられている
この搬送徽副定装置44には酸素方向切替弁45がつい
てbて、そり開放状聾においては、圧縮された酸素の・
一部を、バイピング46を通じて、コンプレッサー41
ツノ吸込劃に送り返丁。このようにして、圧縮された酸
素は、タンク47に貯賊されるか、または直接高圧酸素
として、バイピング48を辿して収出される。
燃料供給バイピング19v)中り炉填ガスリ利用の際に
は熱交換器8り一度は、略々85 [) ℃まで引上げ
てもさしたる高温ガス腐食は生じない。このような各種
スイッチの調整によって1分子ふるい5を加熱するため
の熱交Og!器8の煙道ガスは酸素放出の目的のために
、もう一度利用される、そV)際この煙道ガスは、熱交
I!l!L器27を通過した後に、バイピング49を通
じて排気煙突25の中へ返される。
油気タービン9についても、それ相当り風波調節ffl
(IM、り11えば、翼調整装置50を取付けることが
できる。
【図面の簡単な説明】
図はガス混汗物の分離装置リフローを示す。 1・・・コンプレッサー  9 細大(タービン2 ・
風財A整器    1o・・・軸3 ・エア・クリーナ
ー 11. ドライビングモーター4 分子ふるい  
  12・・・伝動装置5 分子ふる”     13
・バイピング6 ゛条円斤       14・・ミキ
シングノズル7 熱交換器     15・・脚歪装置
8 熱交換器     16山温度測定器17・・・再
生ガス用バイピング37・・・排気煙突18・・排気煙
突    38.・バイピング19・・バイピング  
 39・K址調節装置20・・送風機     40・
・風Fi調節表置21・・・j紙数調整器    41
・・・酸素コンプレッサー22・・熱交換器     
 42・・・ポンプ限界電報装置23・・・バイピング
   43・・圧力測定W lR24・・・バイピング
   44 ・散逸11tt 1iilJ定装宵25 
・煙突      45・・方向切替弁26・・調整装
置    46 バイピング27・・・熱交換器   
 47・・・タンク28 温度センサー  48・・・
バイピング29 バイピング   49・・バイピング
30・・送風機     50・・翼調聚装盈31 ・
・翼調蟹装置 32・・案内弁 33 ・バイピング 34・・多重案内弁 35 ・・バイピング 36 佃気升 手続補正書(睦) 昭和62年1月21日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)ガス混合物を圧縮し、O_2を保持する分子ふる
    い(5)に導入し、更に分子ふるい(5)を通過したガ
    ス取分、特に窒素を、ガスコンプレッサー(1)と強固
    に結合した抽気タービン(9)に導入するガス混合物の
    分離方法、特に空気の分離方法において、分子ふるいを
    通過したガス成分を、抽気タービンに導入前に200℃
    以上殊に500〜850℃をこえる温度に加熱し、更に
    抽気タービンに供給するガスの加熱のために利用される
    熱交換器は、少くとも高温の燃料ガスによつて加熱する
    ことを特徴とする方法。 (2)特許請求の範囲第1項に係わる製法の特徴:酸素
    を放出させるために、分子ふるい(5)が少くとも15
    0℃まで、できれば、最低200℃まで加熱され、ほぼ
    大気圧まで減圧された後に、無圧力または大気圧以下で
    排気が行われる。 (3)特許請求の範囲第4項または、第2項に係わる製
    法の特徴: O_2を保留する分子エリミネーター(5)の前に、次
    の特にH_2OとCO_2を保留する分子ふるい(4)
    が圧縮されたガスによつて透過され、更にこのガスは抽
    気タービン(9)を通過したガス取分によって、特にN
    ′_2によつて再生が可能である。 (4)特許請求の範囲第1、2項または第3項に係わる
    製法の特徴: 抽気タービン(9)に供給されるガス成分の加熱が燃焼
    によつて行われ、熱い燃焼廃ガスが少くとも、1つの分
    子ふるい(5)を、酸素放出に至らしめるまで加熱する
    媒体の加熱のために必要な、もう1つの熱交換器(27
    )を通じて導かれてゆくことである。 (5)特許請求の範囲第1〜4項のうちのいずれかの事
    項に係わる製法の実施に必要な装置の特徴:(6)特許
    請求の範囲第5項に係わる装置の特徴:O_2を保留す
    る分子ふるい(5)を抽気タービン(9)に結びつけて
    いるバイピングは、少くとも1つのバーナーで加熱され
    る熱交換器(8)の中を通る、その際、取分け次の熱交
    換器(7)がシリーズに接続され、熱交換器(7)の中
    を、抽気タービン(9)を通過したガスが通る。 (7)特許請求の範囲第5項または第6項に係わる装置 O_2を保留している分子ふるい(5)から酸素を放出
    させるために、ガスは少くとも、その一部が循環状態に
    なつて熱交換器(27)の中を通る。 またこの熱交換器は、バーナーで加熱される熱交換器(
    8)から燃焼廃ガスを供給される。また密密閉可能な抽
    気バイピング(37)が分子ふるい(5)と結合されて
    いる。 (8)特許請求の範囲第5、6または第7項のいずれか
    に係わる装置の特徴 O_2を保留している分子ふるい(5)に送風機(30
    )を接続することが可能である。更に送風機(30)後
    に最初の案内弁(32)が配置されている。この案内弁
    はある段階では、ガスの流れを熱交換器(27)を通じ
    て、分子ふるい(5)に送り返し、その次の段階では、
    送風機(30)を酸素取出口(48)に接続する。 (9)特許請求の範囲第5〜8項のうちいずれかに係わ
    る装置の特徴: O_2を放出させるための分子ふるい(5)の加熱のた
    めのサーキュレーションの中へ、次の案内弁(34)が
    配置され、この案内弁はサーキュレーションを、ある段
    階では、熱い燃焼廃ガスを吹きつけられている熱交換器
    (8)の所で、次の段階では冷却器の所で閉鎖する。 (10)特許請求の範囲第9項に係わる装置の特徴:分
    子ふるい(5)に至るバイパスに在る冷却器には抽気タ
    ービン(9)に結びつけられているバイピングが配置さ
    れている。 (11)特許請求の範囲第5〜10項のいずれかに係わ
    る装置の特徴: 送風機(30)および最初の案内所(32)にはコンプ
    レッサー(41)が接続されている。
JP61265404A 1985-11-08 1986-11-07 ガス混合物の分離法ならびにその実施に必要な装置 Pending JPS62163724A (ja)

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ATA325585A (de) 1987-10-15

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