JP2000329456A - 空気分離方法及び装置 - Google Patents

空気分離方法及び装置

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JP2000329456A JP2000134114A JP2000134114A JP2000329456A JP 2000329456 A JP2000329456 A JP 2000329456A JP 2000134114 A JP2000134114 A JP 2000134114A JP 2000134114 A JP2000134114 A JP 2000134114A JP 2000329456 A JP2000329456 A JP 2000329456A
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air
pressure column
oxygen
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Abstract

(57)【要約】 【解決課題】低電力消費作動可能な空気分離方法及びプ
ラントを提供する。 【解決手段】 第１の空気流は、主空気コンプレッサ
（２）及びブースター−コンプレッサ（６）内で圧縮さ
れ、第１の圧力にて、主熱交換器（８）を貫通する通路
によって冷却される。冷却された空気流は、さらに圧縮
されることなく、二重精留塔（１６）の高圧塔（１８）
に導入される。第２の圧縮空気流は、外部仕事によっ
て、膨張タービン（４０）内で、第２の圧力から膨張す
る。膨張した第２の空気流は低圧塔（２０）に導入され
る。純粋でない酸素生成物は、低圧塔の底部から得られ
る。第２の圧力は第１の圧力よりも小さいので、第２の
空気流はコンプレッサ２及び６の中間から得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気の分離方法及
び空気分離プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】精留による空気の分離は周知である。精
留は、液体の下降流と蒸気の上昇流との間で質量交換を
行う方法である。蒸気の上昇流は、分離されるべき混合
物の比較的揮発性である成分（窒素）を多く含み、液体
の下降流は、分離されるべき混合物の比較的揮発性でな
い成分（酸素）を多く含む。
【０００３】精留による分離に適切な温度にて純化され
圧縮された蒸気状態の第１の空気流を受け入れる高圧塔
と、上記高圧精留塔から分離するために酸素を多く含む
液体流を受け入れる低圧塔と、からなる二重精留塔内で
空気を分離することは公知である。低圧塔は、高圧塔
と、凝縮器−再沸騰器を介して、熱交換関係にある。凝
縮器−再沸騰器のうち、凝縮器は、分離用の液体窒素還
流を提供し、再沸騰器は、低圧塔内に蒸気の上昇流を与
える。
【０００４】二重精留塔は、低圧塔の底部にて液体酸素
分留を生成し、低圧塔の頂部にて蒸気窒素分留を生成す
るように、作用する。酸素分留は、不純物を０．５容量
％以下だけ含む場合には基本的に純粋であり、不純物を
５０容量％以上含むときは純粋でない。
【０００５】空気分離プラントに対しては、冷凍機を具
備しなければならないという本質的な要求がある。この
要求の少なくとも一部は、極低温における二重精留塔の
操作から生じる。特に、液相における空気分離が生じな
い場合には、典型的には、圧縮された第２の空気流の圧
力を高圧塔の頂部における作動圧力を越える少なくとも
２バール（２×１０5パスカル）まで上昇させ、及び膨
張タービンにおける外部仕事で上記圧縮された第２の空
気流を膨張させることによって冷凍機に対する要求は満
たされる。膨張した空気は、低圧塔に排気される。典型
的には、タービンは、空気の圧力を高圧塔の頂部におけ
る圧力まで上昇させるブースター−コンプレッサーに結
合されている。
【０００６】ＧＢ−Ａ−２２５１９３１は、２個の拡張
・膨張タービンを用いる空気分離プロセスを開示する。
一方のタービンは、低圧塔に排気し、他方のタービン
は、高圧塔に排気する。前者のタービンは、高圧塔と同
等の入口圧力を有する。
【０００７】ＥＰ−Ａ−０６７２８７８は、同様の空気
分離プロセスであるが、２個のタービンが共に、高圧塔
の入口圧力よりも高い入口圧力を有するプロセスを開示
する。
【０００８】ＧＢ−Ａ−２２５１９３１及びＥＰ−Ａ−
０６７２８７８の両者において、空気分離プロセスは、
他の空気流よりも高圧である圧縮された第３の空気流を
形成する工程を含む。圧縮された第３の空気流は、酸素
生成物流を気化するために用いられる。圧縮された第３
の空気流は膨張して、液体状態で二重精留塔に導入され
る。ＵＳ−Ａ−５５８６４５１は、図２を参照して、第
１及び第３の空気流に変えて、単一の空気流が用いられ
るプロセスを開示する。単一の空気流は、第２の空気流
よりも高圧にまで圧縮され、膨張して、部分的に凝縮さ
れた状態で高圧塔に導入される。したがって、空気の大
部分は、高圧塔の作動圧力よりも実質的に高い圧力にま
で圧縮されなければならない。
【０００９】ＵＳ−Ａ−５３３７５７０は、空気分離プ
ラントのさらなる種類の例示を提供する。高圧塔におい
て分離された上部窒素分留の一部を凝縮する第１の凝縮
器−再沸騰器がある。凝縮は、高圧塔において形成され
た底部の酸素を多く含む液体分留の流れと間接的に熱交
換することによって行われる。結果として、底部の酸素
を多く含む液体分留の流れは、部分的に再沸騰される。
結果として得られる蒸気及び残差液体は、低圧塔に送ら
れる。プラントは、低圧塔に排気する単一の発生器を具
備する膨張タービンを用いる。分離されるべき空気は、
複数のステージからなる主コンプレッサにおいて圧縮さ
れる。高圧精留塔に送られた主空気は、膨張タービンに
送られた空気よりもむしろ低圧ステージからのものであ
る。
【００１０】空気分離プラントは、典型的には、多量の
電力を消費する。したがって、空気分離プラントは、資
金を増加させることなく、電力消費を最小にすることが
できる構成を有することが望ましい。電力消費を最小に
するために、当該分野での最も大きな関心は、２個の再
沸騰器を用いて低圧塔を作動させることに向けられてい
る。一方の再沸騰器は、高温で作動して分離されるべき
空気流によって加熱され、他方の再沸騰器は、低温で作
動して高圧塔内で分離された窒素流によって加熱され
る。かようなプラントの欠点は、第２の再沸騰器を必要
とするので、複雑になり資金を増加させる点にある。
【００１１】
【解決しようとする課題】本発明の目的は、受け入れが
たい高額な資金コストをプラントにかける必要なく、低
圧精留塔に関連する２個の再沸騰器を設ける必要なく、
賛同を得られる正味電力消費で作動可能な精留により空
気を分離する方法及びプラントを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、精留に
より空気を分離する方法が提供される。この分離方法
は、主熱交換器内で、第１の温度にて、圧縮された第１
の空気流を精留によって分離するために適切な温度まで
冷却する工程と、冷却された第１の空気流をさらに圧縮
することなく二重精留塔の高圧塔に導入する工程と、外
部仕事によって第２の圧力から第２の圧縮空気流を膨張
する工程と、膨張した第２の空気流を二重精留塔の低圧
塔に導入する工程と、低圧塔の底部領域から酸素生成物
を取り出す工程と、を備える。上記二重精留塔は、高圧
塔と低圧塔と凝縮器−再沸騰器を含む。低圧塔の底部に
は液体酸素分留が形成され、凝縮器−再沸騰器は高圧塔
を低圧塔と熱交換関係に置くようになされている。上記
第２の圧力は、上記第１の圧力よりも低い。ここで、冷
却された第１の空気流は、基本的に第１の圧力にて高圧
塔に導入されることを特徴とする。
【００１３】本発明は、また、精留により空気を分離す
るプラントを提供する。このプラントは、少なくとも２
個の圧縮ステージと、冷却剤用の第１セット及び第２セ
ットの通路を有する主熱交換器と、高圧塔、低圧塔及び
凝縮器−再沸騰器を含む二重精留塔と、上記第１セット
の通路と連通する高圧塔への入口と、膨張タービンと、
上記膨張タービンと連通する低圧塔への入口と、低圧塔
の底部領域からの酸素生成物用の出口と、を備える。上
記少なくとも２個の圧縮ステージは、並んで設けられて
いて、空気フローを圧縮する。上記主熱交換器の第１セ
ットの通路は、圧縮された第１の空気流の第１の圧力に
て、冷却剤を精留に適切な温度まで冷却する。第１セッ
トの通路は、上記圧縮ステージの第１のステージと連通
している。ゆえに、上記第１の圧力が基本的に第１の圧
縮ステージの出口圧力である。上記主熱交換器の第２セ
ットの通路は、圧縮された第２の空気流の第２の圧力に
て、冷却剤を精留に適切な温度よりも高い温度まで冷却
する。第２セットの通路は、上記圧縮ステージの第２の
ステージと連通している。ゆえに、上記第２の圧力が基
本的に第２の圧縮ステージの出口圧力である。上記凝縮
器−再沸騰器は、高圧塔を低圧塔と間接的な熱交換関係
に置く。上記高圧塔は、第１の圧力以下の底部での圧力
で作動するように配置され、上記低圧塔は、底部で液体
酸素分留を生成するように作動するように配置されてい
る。上記膨張タービンは、外部仕事によって、圧縮され
た第２の空気流を膨張させる。上記膨張タービンは、上
記第２の圧力以下の入口圧力にて作動するように配置さ
れている。第１の圧縮ステージは、第２の圧縮ステージ
の下流側にあるので、第２の圧力は、第１の圧力よりも
小さい。上記第１セットの通路と上記高圧塔との間に
は、いかなる膨張手段も存在しないことを特徴とする。
【００１４】本明細書で用いられている「基本的に同じ
圧力」とは、ある圧力とプラスマイナス０．５バール
（５×１０4Ｐａ）内にある圧力をいう。
【００１５】本発明による方法及びプラントは、多くの
利点を提供する。膨張タービンを高圧塔よりも低い入口
圧力で作動させることによって、分離されるべき空気を
圧縮するために消費される電力量は、比較的少量に維持
できる。この利点は、一般に、膨張タービンに効果的に
送られ得る分離されるべき空気の割合を増加させる。こ
れは、後述するように、液体として生成され得る酸素成
生物の純度及び分離生成物の割合に依存する。電力の節
約に加えて、特に大きな比率で分離されるべき空気が外
部仕事によって膨張し、低圧塔に導入される場合には、
他の利点も得られる。特に、低圧塔を比較的効果的に且
つ膨張した空気が導入されるレベル以下の比較的少量の
蒸気の流通で作動可能である。加えて、凝縮器−再沸騰
器での熱負荷も減少する。低圧塔の有効直径は、低圧塔
の底部において減少するであろうから、液体−蒸気接触
表面の総面積を減少可能とする。同様に、高圧塔の有効
直径も減少する。凝縮器−再沸騰器の寸法もまた減少す
る。第二に、膨張タービンに関連すべき慣用のブースタ
ー−コンプレッサーは必要でない。代わりに、電気発生
器を膨張タービンに結合してもよい。結果として、十分
な量の電力が得られ、本発明による方法及びプラントの
正味電力消費が減少する。第三に、本発明によるプラン
トの許容し得る効率的な作動は、比較的広範囲な作動状
態にわたって維持される。これは、標準ユニット又は規
格品ユニットを用いてなされる空気分離プラントの製造
に対するアプローチを促進する。
【００１６】典型的には、酸素生成物は、低圧精留塔か
ら液体状態で回収され、加圧され、第１の圧力よりも高
い第３の圧力である圧縮された第３の空気流で間接的熱
交換により気化される（この熱交換は、主熱交換器又は
別体の熱交換器で行われてもよい）。
【００１７】好ましくは少なくとも３０モル％の酸素生
成物は不純物である。すなわち、５０〜９８．５モル％
の範囲の酸素含有量を有する。一般に、純粋でない酸素
生成物は、膨張タービンを通過する比較的高流速の空気
を随伴し得る。
【００１８】本発明による方法及びプラントは、５０〜
９８．５モル％、好ましくは５０〜９７モル％、より好
ましくは８５〜９７モル％の範囲の酸素含有量を有する
酸素生成物を生成するために特に適する。これらのより
好ましい実施例において、上述のように酸素生成物が加
圧されて気化される場合に、分離されるべき空気流フロ
ーの好ましくは少なくとも２２容量％、より好ましくは
２３〜３０容量％が膨張した第２の空気流を形成する。
かような実施例において、圧縮された第１の空気流は、
典型的には、分離されるべき空気の総量に対して５０容
量％未満を構成する。
【００１９】あるいは、酸素生成物は、蒸気状態で、低
圧精留塔から回収されてもよい。所望であれば、主熱交
換器における極低温でない温度まで暖められている下流
側の所望の搬送圧力にまで圧縮されてもよい。この場
合、圧縮された第３の空気流を凝縮する必要はない。結
果として、分離されるべき総空気フローの割合がより大
きい場合であっても、圧縮された第２の空気流を形成す
ることが可能となる。例えば、酸素生成物が７０〜９７
モル％の酸素を含む場合、典型的には、分離されるべき
空気の総フローの少なくとも３０％が圧縮された第２の
空気流を形成してもよい。
【００２０】本発明による方法及びプラントは、さら
に、純粋な酸素生成物及び純粋でない酸素生成物の同時
生成にも良好に適する。純粋でない酸素生成物は、５０
〜９８．５モル％、好ましくは５０〜９７モル％、より
好ましくは７０〜９７モル％の酸素を含み、純粋な酸素
生成物は、９７．５モル％、好ましくは９９．５モル％
よりも多い酸素を含む。好ましくは、総酸素生成物の約
７０％までがより高い純度で得られる。これは、圧縮さ
れた第２の空気流の膨張タービンへのフローにおける実
質的な減少なしに達成可能である。高純度で得ることが
できる総酸素生成物の割合は、一般に、二重再沸騰器空
気分離方法及びプラントと比較して大きい。純粋な酸素
生成物は、底部領域から得られ、純粋でない酸素生成物
は低圧塔の中間領域から得られる。好ましくは、両方の
酸素生成物は、液体状態で得られ、加圧され、第１の圧
力よりも高い第３の圧力である圧縮空気の第３のフロー
と間接的に熱交換して気化される。
【００２１】膨張タービンの入口圧力対出口圧力の比率
は、好ましくは１．２：１〜３．８：１の範囲、より好
ましくは１．４：１〜２．５：１の範囲である。
【００２２】高圧塔は、底部における圧力が基本的に第
２の圧力と同じであるように作動すべく配置されること
が望ましい。よって、好ましくは、圧縮された第１の空
気流の高圧塔に対する入口と、圧縮された空気のこの流
れの主熱交換器からの出口との中間に配置される膨張装
置はない。
【００２３】順番に並んでいる少なくとも２個の圧縮ス
テージは、所望により、主空気コンプレッサの別個のス
テージを形成してもよい。あるいは、１個以上の上流側
のステージが主空気コンプレッサを形成してもよいし、
１個以上の下流側のステージが１個以上のブースター−
コンプレッサにより与えられてもよい。したがって、主
空気コンプレッサは、高圧塔の作動圧力よりも低い圧力
にて作動可能である。好ましくは、第２の圧縮ステージ
の下流側に、少なくとも２個の圧縮ステージがある。さ
らに、第２の圧縮ステージと下流側の圧縮ステージとの
間に、純化ユニットを設けることが好ましい。純化ユニ
ットは、不純物、好ましくは二酸化炭素及び水蒸気を取
り除くように作動可能である。二酸化炭素及び水蒸気
は、取り除かれない場合には、プラントの作動上、有害
な影響を与えるであろう。
【００２４】膨張タービンは、発生器を具備しているこ
とが好ましいが、第３の空気流又は別のプロセス流の圧
力を上昇させるために用いられるブースター−コンプレ
ッサを駆動する際に用いることもできる。さらに、膨張
エネルギーを分散させるブレーキを取り付けることもで
きる。
【００２５】本発明による方法は、特に、液体分離生成
物を生じない場合又はかような液体生成物の総生成量が
酸素生成物の総生成量の１０％未満、好ましくは５％未
満、より好ましくは２％未満である場合の空気の分離に
適する。一般に、液体生成物の生成には、液体生成物が
生成しない場合よりも高い膨張タービンに対する入口圧
力が必要であるから、好ましくない。
【００２６】高圧塔及び低圧塔は、１個以上の容器によ
って構成されてもよく、液体相及び蒸気相は対向流的に
接触して、例えば、蒸気相及び液体相をパッキング要素
上又は一連の垂直方向に離隔しているトレイすなわち容
器内に載置されているプレート上で、接触させることに
よって、効果的に空気の分離を行う。
【００２７】
【好ましい実施形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明による方法及びプラントを説明する。ここで、図
１〜図５は、異なる空気分離プラントの概略フロー説明
図である。図面中、同じ要素には、同じ参照符号を付し
て説明する。
【００２８】図１を参照すれば、空気のフローは、主空
気コンプレッサ２内で圧縮される。圧縮熱は、主空気コ
ンプレッサ２に関連する後冷却器（図示せず）内の圧縮
された空気から抽出される。主空気コンプレッサ２は、
典型的には、複数の圧縮ステージを備える。圧縮された
空気のフローは、吸着ユニット４内で純化される。純化
は、比較的高い沸点の空気のフローから不純物、特に水
蒸気及び二酸化炭素を除去することにより行う。水蒸気
及び二酸化炭素は、除去されずに残っていると、装置の
低温部分で冷凍されてしまう。不飽和炭化水素などの他
の不純物もまた取り除かれる。ユニット４は、圧力スィ
ング吸着又は温度スィング吸着によって、効果的に純化
を行う。ユニット４は、さらに、一酸化炭素及び水素な
どの不純物を除去するため１層以上の触媒層を含むこと
もできる。かような一酸化炭素及び水素などの不純物の
除去は、ＥＰ−Ａ−４３８２８２に記載されている。吸
着純化ユニットの構成及び作用は、公知であるから、説
明は割愛する。
【００２９】純化された空気のフローの一部は、さら
に、第１のブースター−コンプレッサ６内で圧縮される
（純化された空気フローの残りに何が起こるかは後述す
る）。結果的に得られるさらに圧縮された空気のフロー
は、後冷却器（図示せず）内で冷却されて、圧縮熱が除
かれる。圧縮された第１の空気流（以後、「第１の圧縮
空気流」と称す）は、この冷却されて圧縮された空気の
フローから得られて、直接的に熱交換器８まで通過する
（さらなる圧縮及びさらなる膨張を伴わない）。第１の
圧縮空気流は、図１においてライン１４により概略的に
示される第１セットの通路を通して、熱交換器８の暖か
い端部１０から冷たい端部１２まで貫通する。こうし
て、第１の圧縮空気流は、戻り流(returning stream)に
よる間接的な熱交換による精留に対して適切な温度まで
冷却される。結果的に得られる冷却された第１の圧縮空
気流は、入口２４を介して、高圧精留塔１８の底部領域
に導入される。主熱交換器８の冷たい端部１２と入口２
４との中間には、冷却された第１の圧縮空気流の圧縮又
は膨張は生じない。したがって、高圧塔１８の底部にお
ける圧力は、基本的に、主熱交換器８から出た第１の圧
縮空気流の圧力であり（これは、基本的に、コンプレッ
サ６の出口圧力である）、この圧力を第１の圧力と称す
る。
【００３０】高圧塔１８は、二重精留塔１６の一方の塔
を形成する。二重精留塔１６は、さらに、低圧塔２０
と、凝縮器−再沸騰器２２とを含む。凝縮器−再沸騰器
２２は、高圧塔１８の頂部領域を低圧塔２０の底部領域
と間接的な熱交換関係に置く。
【００３１】装置の使用時には、空気は、高圧塔１８内
で、底部の酸素を多く含む液体分留と、頂部の窒素蒸気
分留と、に分離される。酸素を多く含む液体分留の流れ
は、高圧塔１８の底部から出口２６を介して、回収され
る。酸素を多く含む液体分留の流れは、追加の熱交換器
２８内で冷却されて、ジュール−トムソン弁すなわちス
ロットルバルブ３０を貫通して、入口３２を介して低圧
塔２０の所定の中間領域に導入される。
【００３２】窒素蒸気は、高圧塔１８の頂部から凝縮器
−再沸騰器２２に流れて、低圧塔２０の底部における不
純物を含む液体酸素分留を沸騰させながら間接的に熱交
換することによって、凝縮される。結果的に得られる液
体窒素凝縮物の一部は、分留として、高圧塔１８に戻さ
れる。凝縮物の残りは、熱交換器２８を貫通することに
よって過冷されて、スロットルバルブすなわちジュール
−トムソン弁バルブ３４を貫通して、入口３６を介し
て、分留として低圧塔２０に導入される。
【００３３】出口２６を介して高圧塔１８から回収され
た酸素を多く含む液体は、低圧塔２０内で分離される一
方の空気源を形成する。別の空気源は、圧縮された第２
の空気流（以後、「第２の圧縮空気流」と称す）であ
り、ブースター−コンプレッサー６を介して流れない純
化ユニットの下流側の純化された空気の部分である。第
２の圧縮空気流は、図１にライン３８として概略的に示
す第２セットの通路を貫通することによって、主熱交換
器８内で冷却される。第２セットの通路は、主熱交換器
８の暖かい端部１０から主熱交換器８の中間領域まで延
在する。よって、冷却された第２の圧縮空気流は、二重
精留塔１６内で分離されるべき温度及び第１の圧力より
も小さい第２の圧力で、主熱交換器８から流出する。第
２の圧力は、基本的に主コンプレッサ２の出口圧力と同
じである。結果的に得られる第２の圧縮空気流は、膨張
タービン４０に流れる（主熱交換器８からの出口及び膨
張タービン４０の中間で、さらなる圧縮又は膨張は生じ
ない）。この第２の流れは、膨張タービン４０内で、基
本的に作動圧力まで及び低圧塔２０の底部領域において
上述した温度まで、膨張する。よって、膨張した空気の
第２の流れは、入口４４を介して、中間領域に導入され
る。図１に概略的に示すように、膨張タービン４０は、
発生器４２に結合されていて、結果的に電力を発生す
る。膨張タービン４０は、図１に示すプラントにおいて
用いられるただ一つの膨張タービンである。
【００３４】空気フローは、低圧塔２０内で、頂部の窒
素蒸気分留と、底部の不純物を含む液体酸素分留と、に
分離される。底部の不純物を含む液体酸素分留は、５０
〜９８．５モル％、好ましくは７０〜９８．５モル％、
より好ましくは７０〜９７モル％の酸素含有量を有す
る。凝縮器−再沸騰器２２は、窒素を凝縮しながら間接
的に熱交換することによって、底部の不純物を含む液体
酸素分留を効果的に再沸騰させる。結果的に得られる酸
素蒸気は、低圧塔２０まで上昇して、下降してくる液体
と接触する。底部の不純物を含む液体酸素分留のすべて
が再沸騰されるわけではないことに注意されたい。この
分留の一部は、ポンプ４８によって、底部出口４６から
生成物として抜き出される。ポンプ４８は、不純物を含
む酸素を搬送圧力まで高める。酸素生成物の気化は、主
熱交換器８内で効果的に行われる。このために、第１の
圧力よりも高い第３の圧力である圧縮された第３の空気
流（以後、「第３の圧縮空気流」と称す）が用いられ
る。第３の圧縮空気流は、第１のブースター−コンプレ
ッサ６に関連する後冷却器の下流側にある空気で形成さ
れる。この空気は、第１の圧縮空気流として、主熱股間
器８の第１セットの通路１４を通過しない。第３の圧縮
空気流は、第２のブースター−コンプレッサ５０内で所
望の圧力まで高められ、後冷却器（図示せず）内で第３
の圧縮空気流から取り除かれた圧縮熱を有する。よっ
て、冷却された第３の圧縮空気流は、第３セットの通路
５２を貫通して流れる。第３セットの通路５２は、主熱
交換器８の暖かい端部１０から冷たい端部１２まで延在
する。第３の圧縮空気流が主熱交換器８の冷たい端部１
２を出る際の圧力及び第２のブースター−コンプレッサ
５０の出口圧力は、熱交換器８、特に冷たい端部１２か
ら不純物を含む液体酸素が気化する部分まで延在する領
域での主熱交換器８の作用における熱力学的な非能率性
を低く抑えるように、ポンプ４８の出口圧力に関して選
択される。圧縮された不純物を含む液体酸素は、第４セ
ットの通路５４に沿って、冷たい端部１２から暖かい端
部１０まで、主熱交換器を貫通して流れる。結果的に得
られる暖められた酸素生成物は、ほぼ大気温度にて、エ
ンドユーザーに供給される。
【００３５】主熱交換器８を貫通する通路の下流側にあ
る第３の圧縮空気流もまた、二重精留塔１６内で分離さ
れる。冷却された第３の圧縮空気流は、主熱交換器８の
冷たい端部１２から、追加のジュール−トムソン弁すな
わちスロットルバルブ５６を貫通して、入口５８を介し
て、高圧塔１８の中間レベルに流入する。よって、高圧
塔１８の底部に、追加の分留が与えられる。しかし、液
体の流れは、出口６０を介して、高圧塔１８の同じ中間
レベルから抜き出される。この液体の流れは、さらに別
のジュール−トムソン弁すなわちスロットルバルブ６２
を貫通して、入口３２及び４４のレベルの上方に位置づ
けられている別の中間レベルにある出口６４を介して、
低圧塔２０に導入される。したがって、この液体空気
は、入口３２から入口６４まで延在する低圧塔２０の部
分に、別の分留を与える。
【００３６】窒素の流れもまた、低圧塔２０の頂部か
ら、生成物（又は廃棄物）として抜き出される。この流
れは、まず、熱交換器２８を貫通して、この熱交換器２
８に対する必要な冷却を与え、次に、主熱交換器８の冷
たい端部１２から暖かい端部１０まで延在する第５セッ
トの通路６８を貫通する。
【００３７】図１に示すプラントの典型的な使用時に、
第１の圧縮空気流が、入口２４を介して、高圧塔１８内
に流入する際の第１の圧力は、３．５〜５バール（３．
５×１０5〜５×１０5Ｐａ）の範囲である。低圧塔２０
は、典型的には、頂部において、１．２〜１．４バール
（絶対気圧）の範囲の作動圧力を有する。よって、第２
の圧縮空気流を外部仕事によってタービン４０内で膨張
させることは、高圧塔１８又は低圧塔２０の作動圧力を
何ら上昇させるものではないことが理解できる。典型的
には、第２の圧力は、１．８〜３．５バール（１．８×
１０5〜８×１０5Ｐａ）の範囲にある。結果として、主
空気コンプレッサは、典型的には、ただ二つの圧縮ステ
ージ（両者の間に配置されているインタークーラー（図
示せず）を有する）を必要とする。よって、典型的に
は、３個又は４個の圧縮ステージを有する主空気コンプ
レッサを用いる慣用の空気分離プラントに比較して簡略
化できる。さらに、第２の圧縮空気流を第１の圧縮空気
流と比較して比較的低圧まで圧縮することが必要であ
り、また、第２の圧縮空気流がプラントに流入する空気
の総フローの２０％以上であることが好ましいので、プ
ラントの電力消費は、公知の単一の再沸騰器空気分離プ
ラントと比較して、比較的低い。
【００３８】図１に示すプラントに種々の変化及び変更
が加えられてもよい。例えば、図２に示すように、ポン
プ４８と主熱交換器８の冷たい端部１２との中間に、酸
素気化装置２００を設けてもよい。不純物を含む液体酸
素の加圧された流れは、第３の圧縮空気流と間接的に熱
交換状態で、気化装置２００内で気化される。かような
プラントは、特に、酸素生成物の圧力が低い、例えば５
バール（絶対気圧）である場合に適切である。
【００３９】図３を参照すると、図１に示すプラントの
変形例が示されている。この変形例において、発生器４
２が省略され、代わりに膨張タービンが第２のブースタ
ー−コンプレッサに結合されている。よって、第２の圧
縮空気流の膨張仕事は、コンプレッサ５０内で第３の空
気流を圧縮する際に用いられる。幾つかの実施例におい
て、膨張仕事は、コンプレッサ５０内での圧縮仕事に必
要なほど十分ではない。かような実施例においては、ブ
ースター−コンプレッサ５０をさらに、電気モータ（図
示せず）に結合してもよい。
【００４０】さて、図４を参照すれば、図１に示すプラ
ントの別の変形例が示されている。この変形例におい
て、不純物を含む酸素生成物は、低圧塔２０からの気化
状態で得られる。よって、主熱交換器８内の第４セット
の通路５４は、低圧塔２０からの出口４００と直接的に
連通する。よって、出口４６，ポンプ４８及び関連する
パイプワークは、省略される。加えて、ブースター−コ
ンプレッサ５０及び主熱交換器８を貫通する第３セット
の通路５２及び関連するパイプワークもまた省略され
る。よって、空気の第２の流れは、第１のブースター−
コンプレッサ６まで貫通する流入フローを形成する。出
口６０，バルブ６２及び関連するパイプワークもまた省
略される。
【００４１】さて、図５を参照すると、図１に示すさら
に別の変形例が示されている。低圧塔２０は、追加の分
離ステージを備え、ポンプ４８によって採取されるべき
２．５モル％未満、典型的には０．５モル％未満の不純
物を含む比較的純粋な生成物を得ることができる。好ま
しくは、７０〜９６モル％の酸素を含む不純物酸素もま
た得られる。このため、低圧塔２０は、中間レベルに、
不純物酸素生成物用の第２の出口５００を具備する。不
純物酸素生成物は、典型的には、ポンプ５０２により、
出口５００を介して、液体状態で抜き出される。ポンプ
５０２は、不純物生成物を所定の圧力まで高める。加圧
された不純物液体酸素は、主熱交換器を冷たい端部１２
から温かい端部１０まで貫通する通路によって、気化さ
れる。
【００４２】他の変形例も可能である。例えば、少量、
典型的には図示したプラントの総酸素生成物の１０％を
液体状態に保存することもできる。さらなる実施形態に
おいて、主コンプレッサ２は、吸着ユニット４の下流側
に追加の圧縮ステージを含むこともできる。この場合に
は、第１のブースター−コンプレッサ６及び／又は第２
のブースター−コンプレッサ５０を省略することができ
る。さらに別の変形例において、ジュール−トムソン弁
すなわちスロットルバルブ５６の下流側にある液体空気
流れの一部は、高圧塔１８をバイパスしてもよく、熱交
換器２８を貫通することによって過冷され、バルブ６２
の上流側にて出口６０からの液体流れと一緒になっても
よい。さらに、所望であれば、バイパスされた液体は、
バルブ６２まで通過した流体の流入流れを形成してもよ
い。
【００４３】図１に示すプラントの典型的な使用例にお
いて、プラントは、下記表１に示すようなパラメータで
使用される。
【００４４】
【表１】
【００４５】この態様の使用時に消費される電力は、比
較可能なプラントの９４％である。ここで、さらなるコ
ンプレッサ６に至る圧縮されて純化された空気流と膨張
タービン４０に至る流れの全部は、別の圧縮された空気
から得られる。しかし、図１に示すプラントの主熱交換
器８内により大きな熱交換表面積が必要であろう。
【００４６】プラントの総電力消費量は、酸素生成物の
純度が９６モル％未満であることが必要な場合には、減
少される。一般に、酸素純度が９０モル％以上である場
合には、比較可能なプラントにおいて過冷凍が生じる傾
向にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の空気分離プラントの第１の実
施形態を示す概略フロー説明図である。
【図２】図２は、図１の空気分離プラントの変形例を示
す概略フロー説明図である。
【図３】図３は、図１の空気分離プラントの別の変形例
を示す概略フロー説明図である。
【図４】図４は、図１の空気分離プラントのさらに別の
変形例を示す概略フロー説明図である。
【図５】図５は、図１の空気分離プラントのまたさらに
別の変形例を示す概略フロー説明図である。
【符号の説明】
２：主空気コンプレッサ ４：吸着ユニット ６：ブースター−コンプレッサ ８：主熱交換器 １６：二重精留塔 １８：高圧塔 ２０：低圧塔 ２２：凝縮器−再沸騰器 ４０：膨張タービン

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 精留によって空気を分離する方法であっ
    て、 主熱交換器内で、第１の圧力において、圧縮された第１
    の空気流を精留による分離に適する温度まで冷却する工
    程と、 冷却された上記圧縮された第１の空気流をさらに圧縮す
    ることなく、高圧塔及び低圧塔を含み且つ高圧塔と低圧
    塔とは間接的熱交換関係にあって低圧塔の底部で液体酸
    素分留が形成される二重精留塔の高圧塔に導入する工程
    と、 外部仕事を行うことによって、圧縮された第２の空気流
    を第２の圧力から膨張させる工程と、 膨張した上記第２の空気流を低圧塔に導入する工程と、 上記低圧塔の底部領域から酸素生成物を取り出す工程
    と、を備え、 上記第２の圧力は、上記第１の圧力よりも小さく、 上記冷却された第１の空気流は、基本的に上記第１の圧
    力で、上記高圧塔に導入される、ことを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】 請求項１の方法であって、さらに、 前記圧縮された第１の空気流は、前記高圧塔の作用圧力
    よりも低い出口圧力を有する主空気コンプレッサ内で、
    前記第１の圧力にまで高められる、ことを特徴とする方
    法。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２の方法であって、
    さらに、 前記酸素生成物は、５０〜９８．５モル％の範囲の酸素
    含有量を有する不純物である、ことを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 請求項１の方法であって、さらに、 前記低圧塔の中間領域から、別の酸素生成物が抜き出さ
    れ、 前記低圧塔の底部領域から抜き出される酸素生成物の酸
    素含有量は、少なくとも９７．５モル％であり、 上記別の酸素生成物の酸素含有量は、５０〜９７モル％
    の範囲にある、ことを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 請求項４の方法であって、さらに、 両方の前記酸素生成物は、前記低圧塔から液体状態で抜
    き出され、加圧されて、前記第１の圧力よりも高い第３
    の圧力にある圧縮された第３の空気流と間接的な熱交換
    において気化される、ことを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】 請求項１の方法であって、さらに、 不純物酸素生成物は、前記低圧塔から液体状態で抜き出
    され、加圧されて、前記第１の圧力よりも高い第３の圧
    力である圧縮された第３の空気流と間接的な熱交換にお
    いて気化される、ことを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 請求項１〜請求項６のいずれか１の方法
    であって、さらに、分離されるべき空気の２３〜３０容
    量％が、膨張した第２の空気流を形成する、ことを特徴
    とする方法。
  8. 【請求項８】 請求項１の方法であって、さらに、 前記低圧塔の底部から抜き出される酸素生成物は、蒸気
    状態で得られる、ことを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項１〜請求項８のいずれか１の方法
    であって、さらに、 前記膨張タービンの入口圧力対出口圧力の比率は、１．
    ４：１〜２．５：１の範囲にあることを特徴とする方
    法。
  10. 【請求項１０】 精留によって空気を分離するプラント
    であって、 順番に並んでいて、空気流を圧縮するための少なくとも
    ２個の圧縮ステージと、 圧縮された第１の空気流を第１の圧力にて精留に適切な
    温度まで冷却し且つ上記圧縮ステージの一方である第１
    の圧縮ステージと連通していて第１の圧力が基本的に上
    記第１の圧縮ステージの出口圧力である第１セットの通
    路、及び圧縮された第２の空気流を第２の圧力にて精留
    に適切な温度まで冷却し且つ上記圧縮ステージの他方で
    ある第２の圧縮ステージと連通していて上記第２の圧力
    が基本的に上記第２の圧縮ステージの出口圧力である第
    ２セットの通路を有する主熱交換器と、 高圧塔、低圧塔及び上記高圧塔を上記低圧塔と間接的熱
    交換関係に置く凝縮器−再沸騰器を含み、上記高圧塔は
    上記第１の圧力以下の底部圧力で作動するように配置さ
    れていて、上記低圧塔は底部にて液体酸素分留を生成す
    るように作動すべく配置されている二重精留塔と、 上記第１セットの通路と連通する高圧塔への入口と、 上記第２の圧力以下の入口圧力にて作動するように配置
    されていて且つ上記圧縮された第２の空気流を外部仕事
    によって膨張させる膨張タービンと、 上記膨張タービンと連通する上記低圧塔への入口と、 上記低圧塔の底部領域からの酸素生成物用の出口と、を
    備え、上記第１の圧縮ステージは上記第２の圧縮ステー
    ジの下流側にあり、上記第２の圧力は上記第１の圧力よ
    りも小さく、上記第１セットの通路及び上記高圧塔の間
    にはいかなる膨張手段も存在しない、ことを特徴とする
    プラント。
  11. 【請求項１１】 請求項１０のプラントであって、さら
    に、 液体状態で酸素生成物を回収して、圧力を上昇させるポ
    ンプと、 加圧された酸素生成物を気化する手段と、を備えること
    を特徴とするプラント。
  12. 【請求項１２】 請求項１１のプラントであって、さら
    に、 前記加圧された酸素生成物を気化する手段は、主熱交換
    器又は上記主熱交換器とは別体の気化熱交換器のいずれ
    かであり、 上記酸素生成物が気化される熱交換器は、前記第１の圧
    力よりも大きな第３の圧力である圧縮された第３の空気
    流用の上記熱交換器を貫通する通路を有する、ことを特
    徴とするプラント。
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