JP2000356465A - 空気分離用低温蒸留システム - Google Patents

空気分離用低温蒸留システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高純度酸素の製造、また場合によってはアル
ゴンの製造が可能な高圧プロセスを提供する。 【解決手段】 空気を高圧塔、中間圧塔、および低圧塔
を備える三塔へ送る。高圧塔から中間圧塔に酸素富化さ
れた液体を供給する。低圧塔からアルゴン塔にアルゴン
富化された液体を送る。アルゴン塔の頂部凝縮器を、高
圧、低圧もしくは中間圧塔の頂部またはアルゴン塔の底
部リボイラーからの窒素富化された液体を用いて冷却す
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、特に低温蒸留(cry
ogenic distillation)による空気分離に適用される。何
年もの間、多くの試みが、この製造技術を改善して主に
電力消費および装置コストからなる酸素コストを下げる
ことに費やされている。
【０００２】
【従来の技術】高圧蒸留システム(elevated pressure d
istillation system)がコスト低減には有利であり、加
圧窒素が利用できるならばシステムの電力消費も非常に
競争力があることが知られている。高圧システムの特徴
は低圧側の塔の圧力が２絶対バールを上回る点であるこ
とに留意することは有用である。一方、通常のまたは低
圧プロセスの有する低圧側の塔は、大気圧をわずかに上
回るところで動作する。
【０００３】低圧側の塔の圧力が高いほど高圧塔へ供給
される空気圧が高くなり、プラントの加熱および冷却部
分の両方に対する装置がよりコンパクトになって、その
結果コストが著しく低減される。しかし、圧力が高いほ
ど蒸留プロセスは難しくなる。それは、空気中に存在す
る成分（酸素、アルゴン、窒素など）の揮発性が互いに
近づくため、蒸留による分離を行うために電力をより集
約するからである。従って、高圧プロセスが非常に適し
ているのは低純度酸素（＜９８％純度）の製造（分離が
行われるのは、非常に難しい酸素−アルゴンの主要成分
(key components)間ではなく、より簡単な酸素−窒素の
主要成分間である）である。酸素およびアルゴンの揮発
性は非常に近いため、大気圧においても、このような分
離を行うためには多数の蒸留ステージと高い再沸騰およ
び還流比を必要とする。現在の従来技術のプロセスサイ
クルにおける現状の構成での高圧プロセスは、高純度酸
素の製造（＞９８％純度）に対して適してもおらず、経
済的でもない。酸素中の主な不純物はアルゴンであるの
で、低純度の酸素を製造するということはアルゴンの製
造が全く行われないことを意味し、これは供給空気に含
まれるアルゴンの５０％を上回る量が酸素および窒素製
造物中で失われることによる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、高純度酸素の
製造、また場合によってはアルゴンの製造が可能な高圧
プロセスを提供することは、有利なことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】以下に説明する新しい発
明は、低純度酸素を製造するために開発された基本的な
三塔プロセスを利用しており、アルゴン塔を付け加えて
低純度酸素をさらに分離し、より高純度な酸素とアルゴ
ン副産物とにする。アルゴン塔を付け加えることで、多
くの工業ガスの用途で必要とされる高純度酸素（典型的
に９９．５体積％の純度）を製造でき、同時に空気分離
プラントの貴重な製造物であるアルゴンを製造できる。
【０００６】高圧二塔プロセスは、US-A-5224045に記載
されている。
【０００７】三塔プロセスは、US特許5231837および以
下の刊行物に記載されている。
【０００８】US-A-5257504、US-A-5438835、US-A-53416
46、EP-A-636845、EP-A-684438、US-A-5513497、US-A-5
692395、US-A-5682764、US-A-5678426、US-A-5666823、
US-A-5675977、US-A-5868007、EP-A-833118。
【０００９】US-A-5245832の開示するプロセスでは、高
圧での二塔システムを第３の塔とともに用いて酸素、窒
素、およびアルゴンを製造している。高圧で蒸留を行う
ために、窒素ヒートポンプサイクルを用いてシステムに
必要な再沸騰および還流をもたらしている。第３の塔で
のアルゴンおよび酸素の分離に必要な電力に加えて、ヒ
ートポンプサイクルが十分な還流および再沸騰を第２の
塔に対して与えなければならないため、結果として再循
環の流れおよび電力消費は高いものとなる。
【００１０】US-A-5331818は、低圧側の塔がカスケード
に配置されて液体窒素の還流を頂部で受ける高圧の三塔
プロセスを開示している。第２の塔が、底部において高
圧塔の頂部と熱交換している。第３の塔が、底部におい
て第２の塔の頂部と熱交換している。このプロセスによ
ってサイクル効率が、製造された低圧窒素と高圧窒素と
の比の関数として最適化されている。
【００１１】上記プロセスのうちのどれも、経済的およ
び効率的に用いて高純度酸素またはアルゴンを製造する
ことができない。
【００１２】US-A-4433989は、高圧塔、中間圧塔、およ
び低圧塔を使用し、低圧および中間圧塔の底部リボイラ
ーが高圧塔からのガスによって加熱されている空気分離
ユニットを開示している。低圧塔からのガスがアルゴン
塔に供給され、アルゴン塔の頂部凝縮器は中間圧塔の底
部からの液体を用いて冷却されている。この場合、中間
圧塔には頂部凝縮器がなく、この塔からの窒素はすべて
膨張されて冷却をもたらしている。
【００１３】US-A-5868007は、低圧塔とほぼ同じ圧力で
動作するアルゴン塔を用いた三塔システムを開示してい
る。アルゴン塔の底部からのガスを用いて、中間圧塔を
再沸騰させている。
【００１４】本発明は、従来技術のプロセスおよび装置
に関連した不都合な点を緩和することに役立つ。
【００１５】本発明によれば、低温蒸留によって空気を
分離するプロセスであって、圧縮、冷却、および精製さ
れた空気を高圧塔へ供給し、そこで空気を、頂部におけ
る第１の窒素富化された流れと、底部における第１の酸
素富化された流れとに分離する工程と、第１の酸素富化
された流れの少なくとも一部を中間圧塔へ送って、頂部
における第２の窒素富化された流れと、底部における第
２の酸素富化された流れとを製造し、第２の窒素富化さ
れた流れおよび第２の酸素富化された流れの少なくとも
一部を、低圧塔へおよび／またはアルゴン塔の頂部凝縮
器へ送る工程と、低圧塔の底部における第３の酸素富化
された流れと頂部における第３の窒素富化された流れと
に分離する工程と、加熱ガスを低圧塔の底部リボイラー
に送る工程と、第３の酸素富化された流れの少なくとも
一部を取り出し位置において取り出す工程と、３ないし
２０mol％アルゴンを含む第１のアルゴン富化された流
れを、低圧塔から取り出す工程と、第１のアルゴン富化
された流れを頂部凝縮器を有するアルゴン塔へ送り、窒
素富化された液体をアルゴン塔の頂部凝縮器へ送る工程
と、第１のアルゴン富化された流れよりもアルゴンがよ
り富化された第２のアルゴン富化された流れをアルゴン
塔の頂部において回収し、第４の酸素富化された流れを
アルゴン塔の底部において取り出す工程とを含むことを
特徴とするプロセスが提供される。
【００１６】流れを塔への供給物と定義する場合、その
供給点位置は、特に指定がなければ、この塔の物質移動
および熱伝達のゾーンのどこかであって、この流れと塔
の内部流体の流れとの間に直接または間接接触があるな
らばどこでも良いことに留意しておくことは有用であ
る。従って、底部リボイラーまたは頂部凝縮器は塔の一
部とみなす。例えば、塔の底部リボイラーへの液体供給
物は、この塔への供給物とみなす。
【００１７】窒素富化された液体は、高圧塔および／ま
たは低圧塔および／または中間圧塔の頂部、および／ま
たはアルゴン塔の底部リボイラーから得ることができ
る。
【００１８】この文脈において、「頂部」は、塔の最高
位置から２０理論トレイ下方までのいずれかの場所を意
味すると理解しなければならない。
【００１９】窒素富化された液体は、少なくとも９０mo
l%の窒素を含み得る。
【００２０】本発明のさらなる随意的な側面によれば、
以下のものが含まれる。
【００２１】アルゴン塔は、ガスの流れによって加熱さ
れる底部リボイラーを有する。
【００２２】ガスの流れは、少なくとも９０mol%の窒素
を含む。
【００２３】アルゴン塔の底部リボイラーを加熱するガ
スの流れは、第１、第２および第３の窒素富化された流
れの１つの少なくとも一部である。
【００２４】プロセスは、第３の窒素富化された流れの
少なくとも一部を圧縮して、それを加熱ガスとしてアル
ゴン塔の底部リボイラーへ送ることを含む。
【００２５】プロセスは、第４の酸素富化された流れを
低圧塔へ送ることを含む。
【００２６】プロセスは、第１のアルゴン富化された流
れを液体状で低圧塔から取り出すことを含む。
【００２７】プロセスは、第１のアルゴン富化された流
れを低圧塔の底部で取り出すことを含む。
【００２８】プロセスは、第３の酸素富化された流れお
よび／または第２のアルゴン富化された流れを、製造物
として取り出すことを含む。
【００２９】第３の酸素富化された流れは少なくとも９
５mol%の酸素を含み、および／または第２のアルゴン富
化された流れは少なくとも９５mol%のアルゴンを含む。
【００３０】プロセスは、第１のアルゴン富化された流
れを、低圧塔の底部から少なくとも５理論トレイ上方
で、好ましくは低圧塔の底部から２０理論トレイ上方で
取り出し、第４の酸素富化された流れを製造物として取
り出すことを含む。
【００３１】第４の酸素富化された流れは、少なくとも
９５mol%の酸素を含む。
【００３２】プロセスは、窒素富化された液体を低圧塔
の頂部からアルゴン塔の頂部凝縮器へ送ることを含む。
【００３３】低圧塔の底部リボイラー用の加熱ガスは、
高圧塔からの窒素富化されたガスまたは空気である。
【００３４】純度の異なる酸素富化された流れを低圧塔
から取り出す。
【００３５】低圧塔は、２バール(bara)より上で、好ま
しくは３バールより上で、最も好ましくは４バールより
上で動作する。
【００３６】アルゴン塔は、低圧塔よりも低い圧力で動
作する。
【００３７】中間圧塔は、底部リボイラーを有する。
【００３８】プロセスは、窒素富化されたガスを高圧塔
から底部リボイラーへ送ることを含む。
【００３９】プロセスは、第２の窒素富化された流体の
少なくとも一部を、それを低圧塔へ送る前に少なくとも
部分的に気化またはサブ冷却することを含む。
【００４０】プロセスは、第２の酸素富化された流体の
少なくとも一部を、それを低圧塔へ送る前に少なくとも
部分的に気化またはサブ冷却することを含む。
【００４１】中間圧塔は頂部凝縮器を有し、プロセスは
第２の酸素富化された流体の少なくとも一部を頂部凝縮
器へ送ることを含む。
【００４２】空気を中間圧塔へ送る。
【００４３】本発明のさらなる側面によれば、低温蒸留
によって空気を分離する装置であって、高圧塔と、中間
圧塔と、底部リボイラーを有する低圧塔と、頂部凝縮器
を有するアルゴン塔と、空気を高圧塔へ送るための配管
と、第１の酸素富化された液体の少なくとも一部を高圧
塔から中間圧塔へ送るための配管と、第２の酸素富化さ
れた流体を中間圧塔の底部から低圧塔へ送るための配管
と、第２の窒素富化された流体を中間圧塔の頂部から、
低圧塔へまたはアルゴン塔の頂部凝縮器へ送るための配
管と、加熱ガスを低圧塔の底部リボイラーへ送るための
配管と、第３の酸素富化された流体を低圧塔から取り出
すための配管と、窒素富化された液体を高圧塔から低圧
塔へ送るための配管と、第１のアルゴン富化された流れ
を低圧塔からアルゴン塔へ送るための配管と、窒素富化
された液体をアルゴン塔の頂部凝縮器へ送るための配管
と、第２のアルゴン富化された流れをアルゴン塔から回
収するための配管と、第４の酸素富化された流れをアル
ゴン塔から回収するための配管とを含むことを特徴とす
る装置が提供される。
【００４４】さらに随意的に、以下のものが含まれる。
【００４５】窒素富化された液体を、低圧塔の頂部およ
び／または中間圧塔の頂部および／または高圧塔の頂部
および／またはアルゴン塔の底部リボイラーから取り出
す。
【００４６】窒素富化された液体は、少なくとも９０mo
l%の窒素を含む。
【００４７】アルゴン塔は底部リボイラーを有する。
【００４８】第３の窒素富化された流れを低圧塔からア
ルゴン塔の底部リボイラーへ送るための配管がある。
【００４９】第３の窒素富化された流れを、それをアル
ゴン塔の底部リボイラーへ送る前に圧縮するための圧縮
機がある。
【００５０】窒素富化された液体を低圧塔の頂部からア
ルゴン塔の頂部凝縮器へ送るための配管がある。
【００５１】第１のアルゴン富化された流れを取り出す
ための配管が、低圧塔の底部に接続されている。
【００５２】第４の酸素富化された流れを低圧塔の中間
点に送るための配管がある。
【００５３】アルゴン塔または低圧塔から回収された少
なくとも１つの酸素富化された液体を加圧するための手
段がある。
【００５４】純度の異なる酸素富化された流れを低圧塔
から回収するための配管がある。
【００５５】第１のアルゴン富化された流れを取り出す
ための配管が、低圧塔の中間レベルに接続されている。
【００５６】第２の窒素富化された液体を、それを低圧
塔へ送る前に少なくとも部分的に気化またはサブ冷却す
る手段がある。
【００５７】第２の酸素富化された液体を、それを低圧
塔へ送る前に少なくとも部分的に気化またはサブ冷却す
る手段がある。
【００５８】中間圧塔は底部リボイラーを有する。
【００５９】窒素富化されたガスを高圧塔から中間圧塔
の底部リボイラーへ送るための手段がある。
【００６０】中間圧塔は頂部凝縮器を有する。
【００６１】第２の酸素富化された流体の少なくとも一
部を中間圧塔の頂部凝縮器へ送るための手段がある。
【００６２】空気を中間圧塔へ送るための手段がある。
【００６３】低圧塔からアルゴン塔へ送られる第１のア
ルゴン富化された流れを膨張させるための、好ましくは
バルブによって構成される手段がある。
【００６４】本新発明はこの側面を、比較的低圧で動作
するアルゴン塔を高圧三塔の塔プロセスに付け加えるこ
とで対処して、高純度酸素の製造および／アルゴン製造
に不可欠な効果的なアルゴンおよび酸素の分離を行って
いる。
【００６５】１つの態様においては（図１）、本プロセ
スは以下のように記述できる。
【００６６】不純物たとえば水分およびＣＯ2が除かれ
た空気を高圧塔へ供給し、そこで頂部での窒素富化され
た流れと底部での酸素富化された流れとに分離する。
【００６７】酸素富化された流れの少なくとも一部を側
部の塔へ供給して、頂部における第２の窒素富化された
流れと底部における第２の酸素富化された流れとを産出
する。この側部の塔は好ましくは、高圧塔の頂部または
その付近での窒素富化されたガスと熱交換するリボイラ
ーを有する。
【００６８】第２の窒素富化された流れの一部を液体の
還流として回収し、低圧塔へ供給する。
【００６９】第２の酸素富化された流れの少なくとも一
部を、側部の塔の塔頂凝縮器内で少なくとも部分的に気
化して、この気化した流れおよび気化していない部分を
低圧塔へ供給する。
【００７０】低圧塔はその供給物を、底部における第３
の酸素富化された流れと、頂部における第３の窒素富化
された流れとに分離する。低圧塔の底部は、高圧塔の頂
部と熱交換する。
【００７１】第３の酸素富化された流れの少なくとも一
部を、酸素製造物として回収する。
【００７２】酸素−アルゴンの流れを、第３の酸素富化
された流れの上方で抽出する。この酸素−アルゴンの流
れを、アルゴン塔へ供給する。アルゴンの流れをアルゴ
ン塔の頂部で回収し、第４の酸素富化された流れをアル
ゴン塔の底部で回収する。
【００７３】
【発明の実施の形態】図１ないし図５に、本発明に係る
種々の空気分離プロセスに対するフローダイアグラムを
示す。すべてのプロセスは、使用によって少なくとも９
８％の酸素、好ましくは９９％を上回る酸素を含む酸素
を製造することができる。
【００７４】図１の態様において、実質的に水分および
ＣＯ2が除かれた供給空気１が３つの流れ３、１７、５
０に分割され、それぞれはメイン交換器１００で冷却さ
れる。空気の流れ３は冷却前にブースター５で圧縮さ
れ、熱交換器１００を通過し、バルブで膨張されて、高
圧塔１０１に液体状で供給される。流れ１７は、熱交換
器１００で冷却され、高圧塔１０１に気体状で供給され
る。流れ５０がブースター６で圧縮され熱交換器１００
で部分的に冷却されることが、タービン７で膨張され低
圧塔１０３に送られる前に行われる。もちろん、代替ま
たは追加として、冷却を、空気を高圧塔に送るクロード
(Claude)タービンによって、または塔１０１、１０２、
１０３の１もしくは複数からのガスを膨張させるタービ
ンによって、行うことができる。塔１０１から抽出され
た第１の酸素富化された流れ１０が、サブ冷却器８３で
サブ冷却され、膨張された後、中間圧塔１０２の中間レ
ベルに送られる。そこでは流れ１０は分離されて第２の
酸素富化された流れ２０と、頂部での第２の窒素富化さ
れた流れとになる。第２の窒素富化された流れの一部
は、液体の還流２５として抽出されて、低圧塔の頂部に
送られる。代替として、破線２５Ａに示すように、この
流れの全部または一部をアルゴン塔１０４の頂部凝縮器
２７に送っても良い。
【００７５】高圧塔１０１からの第１の窒素富化された
ガスの一部９が、中間圧塔１０２の底部リボイラー１１
に送られ、凝縮されたのち高圧塔へ還流として送り返さ
れる。他の加熱流体たとえば高圧塔のより下方からのガ
スを、想定しても良い。
【００７６】高圧塔１０１からの第１の窒素富化された
ガスの一部を用いて、低圧塔の底部リボイラー８を加熱
する。
【００７７】第２の酸素富化された流れ２０の一部は膨
張されたのち低圧塔に送られる。残りは中間圧塔１０２
の頂部凝縮器１３に送られて、そこで少なくとも部分的
に気化された後、低圧塔１０３での流れ２０の他の部分
から数トレイ下方に送られる。
【００７８】窒素富化された流れ１５は、流れ９の下方
でまたは流れ９のレベルから取り出され、膨張されたの
ち低圧塔に送られる。この場合、何らの窒素富化された
液体も高圧塔から中間圧塔へ送られない。
【００７９】低圧塔１０３はその供給物を、少なくとも
９５％の酸素を含む底部における第３の酸素富化された
流れ３１と、頂部における第３の窒素富化された流れと
に分離する。液体の流れ３１がポンプ１９によって熱交
換器１００へ送られ、そこで気化されてガス状の酸素製
造物を形成する。
【００８０】もちろん液体酸素を、別個の製造物気化器
(product vaporizer)において、空気または窒素のみと
の熱交換によって気化させても良い。
【００８１】また、液体窒素を塔の１つから取り出し
て、ポンプで送り、熱交換器１００その他の場所で気化
させることで、加圧された液体窒素を製造することもで
きる。
【００８２】中間圧塔は高圧塔の圧力よりも低いが低圧
塔の圧力よりも高い圧力で動作する。
【００８３】３ないし２０mol%のアルゴンを含む第１の
アルゴン富化された液体の流れ３３が、底部の流れ３１
の上方で抽出される。主として酸素とアルゴンとを含む
流れ３３は、バルブで膨張されフラッシュされることで
最大２％のガスを含み、概ね液体状でアルゴン塔１０４
の中間レベルへ送られる。そこでは、頂部におけるアル
ゴンの流れ８０と、底部における第４の酸素富化された
流れ３６とに分離される。このように、アルゴン塔への
唯一の供給物は液体供給物である。
【００８４】液体の流れ３６は、ポンプによって流れ３
１の圧力に送られて、流れ３１と混合される。この態様
において、アルゴン塔は低圧塔よりも低い圧力で動作
し、窒素富化された流れ７０によって再沸騰される。流
れ７０は、少なくとも９５mol%の窒素、好ましくは少な
くとも９８mol%の窒素を含み、低圧塔の頂部から底部リ
ボイラー２３へ送られ、そして低圧塔１０３の頂部へ戻
る。
【００８５】この場合、アルゴンは未精製であるが、必
要ならば追加のトレイをアルゴン塔内で用いて高純度ア
ルゴン（９９．９９９９％）を製造することもできる。
【００８６】アルゴン塔の頂部凝縮器２７は、低圧塔１
０３の頂部からの膨張され窒素富化された液体８１（少
なくとも９５mol%の窒素、好ましくは少なくとも９８mo
l%の窒素を含む）を用いて冷却される。この液体は、高
圧塔および／または中間圧塔１０２からの流れ２５Ａ
（少なくとも９０mol%の窒素を含む）によって、補充ま
たは交換されても良い。気化された液体は、サブ冷却器
８３そして熱交換器１００で加熱されて、低圧窒素８５
を形成する。他の代替技術は、窒素富化されたガスを低
圧塔の頂部からアルゴン塔の底部リボイラーへと送り、
そこで凝縮させて窒素富化された液体を形成することで
ある。この窒素富化された液体の少なくとも一部をアル
ゴン塔の凝縮器へ送り、そこでアルゴン塔の頂部ガスと
熱交換することで気化させて必要な還流作用を起こすこ
とができる。
【００８７】また、低圧塔の頂部からの窒素富化された
ガスも交換器８３、１００で加熱されて、中圧窒素７２
を形成する。
【００８８】高圧窒素９３を高圧塔から取り出して、熱
交換器１００へ送る。
【００８９】加えてまたは代わりに、液体窒素を塔の１
つから取り出してポンプで送り、熱交換器１００内で気
化させても良い。液体アルゴンをアルゴン塔１０４から
取り出しても良い。
【００９０】液体を最終製造物として製造することもで
きる。
【００９１】例として、図１のプロセスを例証するため
に、シミュレーションを行って新しい発明の主要な流れ
を示した。
【００９２】
【表１】
【００９３】図２の態様が図１のそれと異なる点は、ア
ルゴン塔１０４の再沸騰を、流れ８５（または低圧塔か
らの窒素製造物）の一部をさらに圧縮機８１において周
囲温度で圧縮し、圧縮した流れを交換器１００で冷却
し、この再循環の流れをアルゴン塔の底部リボイラー２
３で凝縮させて行うことである。流れ８５は少なくとも
９０％の窒素を含む。凝縮した液体を低圧塔１０３の頂
部に供給する。この状況が適用されるのは、供給空気の
圧力が低いために低圧塔の圧力がより低く、そのためア
ルゴン塔の再沸騰を、低圧塔の頂部での窒素富化された
ガスを用いて行うことがもはや不可能であるときであ
る。
【００９４】図３の態様が図２のそれと異なる点は、第
４の酸素富化された流れ３６を製造物として回収する代
わりに、この流れをポンプで送って再循環して低圧塔へ
戻し、さらなる蒸留を流れ３３の回収位置と同じレベル
で行うことである。第１のアルゴン富化された流れ３３
は、アルゴン塔１０４の底部へ送られる。
【００９５】図４の態様においては、再循環した窒素を
用いてアルゴン塔１０４を再沸騰させている。第４の酸
素富化された流れ３６をポンプで送って、他の流れと混
合させることなく熱交換器で気化させる。高純度酸素製
造物を低圧塔から製造する代わりに、酸素−アルゴンの
流れ４１を低圧塔の底部から抽出してアルゴン塔の中間
レベルへ送り、そこで蒸留して底部での高純度酸素３６
と頂部でのアルゴンの流れ８０とにする。
【００９６】すべての酸素を高純度で製造する代わり
に、一部３１のみを高純度（すなわち９８％を上回る酸
素）で与え、他の部分をそれよりも低い純度（たとえば
９５％以下の酸素）で製造するということも考えられ
る。この場合（図１を参照）、低純度酸素の流れを、流
れ３３から直接にまたは流れ３３を抽出したトレイ近傍
での低圧塔１０３において、抽出することができる。こ
の構成によって、純粋酸素製造量の関数として電力消費
量を最適化することができる。
【００９７】アルゴンが必要でない場合は、アルゴン塔
の理論トレイの数を流れ３３の供給位置から上方におい
て減らすことができる。この場合、アルゴンの流れは依
然著しい濃度の酸素（たとえば５０％アルゴンと５０％
酸素）を含んでおり、廃棄しても良いし、供給空気の冷
却に用いても良いし、低圧塔へ送り返しても良い。
【００９８】低圧塔内のトレイの数を、３ｐｐｍ未満、
好ましくは１ｐｐｍ未満の窒素を含む酸素−アルゴン供
給の流れをアルゴン塔へ与えるように配置することがで
きる。その結果、アルゴン製造物は窒素を含まず（ｐｐ
ｍ範囲で）、別の塔を窒素除去のために必要とはしなく
なる。十分な数のトレイをアルゴン塔内に設置すれば、
アルゴンの流れを蒸留してｐｐｍレベルの酸素含有量と
することができるため、最終的なアルゴン製造物をアル
ゴン塔から直接製造することができる。この塔は、一つ
のセクション、またはセクション間に液体移動用のポン
プを備えた複数のセクションからなることができる。
【００９９】図において、高圧、低圧およびアルゴン塔
は、中間圧塔を側部の塔として備える単一の構造を形成
している。塔の配置を違うものにしても良く、たとえば
高圧および低圧塔を並べて配置しても良く、中間圧塔が
高圧および／または低圧塔などとともに単一構造を形成
しても良い。同様に、アルゴン塔を低圧塔と並べて配置
して、アルゴン塔の底部リボイラーからの窒素富化され
た液体を凝縮して、低圧塔へ例えばポンプによって戻す
ことができる。
【０１００】上述の説明から、第３および第４の酸素富
化された流れを酸素製造物として取り出せることが分か
る。ＬＯＸポンプサイクル（液体酸素をポンプによって
高圧に送った後、高圧空気または窒素との間接熱交換に
よって気化させて、高圧のガス状酸素製造物を産出す
る）に対しては、第３の液体の酸素富化された流れを膨
張させてアルゴン塔の溜め(sump)へ送り、第４の酸素富
化物と混合した後、組み合わせた液体酸素の流れを１セ
ットのポンプによってより高い圧力に送ることで、２つ
の異なるセットのＬＯＸポンプを２つの製造物の流れに
対して持つことを避けることができる。ポンプに要する
電力はわずかに高いが、ポンプの配置はより簡単になっ
てコストがより低い。
【０１０１】従って、図５に示したように、第３の酸素
富化された流れがアルゴン塔の底部のリボイラーの領域
へ送られる。そして、残りの底部液体とともに回収さ
れ、ポンプによって気化圧力へ送られて、交換器で気化
される。
【０１０２】しかし、第３および第４の酸素の流れが異
なる純度を有するか、または異なる圧力で必要とされる
場合には、別々に流れを取り出して気化させても良い。
【０１０３】第３および第４の酸素富化された流れは、
ガス状または液体状で取り出すことができる。
【０１０４】十分な冷却が利用できるならば、本プロセ
スを用いて、酸素、窒素、またはアルゴンを液体状で製
造することができる。
【０１０５】アルゴン塔の頂部凝縮器は、高圧、中圧、
または低圧塔の頂部から取り出すことができる窒素富化
された液体を用いて冷却される。これらの塔からの窒素
富化された液体の組み合わせも可能である。窒素富化さ
れた液体は、通常は塔の頂部で抽出されるが、塔頂部付
近のトレイ位置から液体を回収することも考えられる。
従って代替的に、液体の回収を、これらの塔のうちの１
つの最高位置から２０理論トレイ下方までで行っても良
い。アルゴン塔の底部リボイラーは窒素富化されたガス
を凝縮させることで加熱され、結果としての凝縮された
液体をアルゴン塔の頂部凝縮器へ送ることもできる。
【０１０６】上記説明によって、高圧塔からの窒素富化
されたガスを用いて低圧塔を再沸騰させることが示され
ている。低圧塔のより上方からの液体に対して窒素富化
されたガスを凝縮させるための別のリボイラーが与えら
れているならば、もちろん空気または塔の１つからの他
のガスを用いて低圧塔を再沸騰させることができる。
【０１０７】高圧塔は１０ないし２０バールで、中間圧
塔は６ないし１３バールで、低圧塔は３ないし７バール
で、アルゴン塔は１．１ないし２．５バールで動作でき
る。
【０１０８】全部または一部の塔は、交差波 (cross co
rrugated)タイプまたはEP-A-0845293に記載されたウェ
ーレン／レーマン（Werlen/Lehman）タイプの構造化さ
れた充填物を含んでいても良い。
【０１０９】空気分離ユニットに、ガスタービンの圧縮
機から空気が供給されても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空気分離プロセスの一態様を示す
フローダイアグラム。
【図２】本発明に係る空気分離プロセスの他の態様を示
すフローダイアグラム。
【図３】本発明に係る空気分離プロセスの他の態様を示
すフローダイアグラム。
【図４】本発明に係る空気分離プロセスの他の態様を示
すフローダイアグラム。
【図５】本発明に係る空気分離プロセスの他の態様を示
すフローダイアグラム。
【符号の説明】
１…供給空気 ３、１７、５０…空気の流れ ５、６…ブースター ７…タービン ９…第１の窒素富化されたガス １１…中間圧塔の底部リボイラー １３…中間圧塔の頂部凝縮器 １５、７０…窒素富化された流れ １９…ポンプ ２０…第２の酸素富化された流れ ２３…低圧塔のリボイラー ２５、２５Ａ…第２の窒素富化された流れ ２７…アルゴン塔の頂部凝縮器 ３１…第３の酸素富化された流れ ３３…第１のアルゴン富化された液体 ３６…第４の酸素富化された流れ ４１…酸素−アルゴンの流れ ７２…中圧窒素 ８０…アルゴン流れ ８１…窒素富化された液体 ８３…サブ冷却器 ８５…低圧窒素 ９３…高圧窒素 １００…メイン交換器 １０１…高圧塔 １０２…中間圧塔 １０３…低圧塔 １０４…アルゴン塔

Claims (45)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低温蒸留によって空気を分離する方法で
    あって、 圧縮、冷却、精製された空気を高圧塔へ供給し、そこで
    空気を、頂部における第１の窒素富化された流れと、底
    部における第１の酸素富化された流れとに分離する工程
    と、 第１の酸素富化された流れの少なくとも一部を中間圧塔
    へ供給して、頂部における第２の窒素富化された流れ
    と、底部における第２の酸素富化された流れとを製造
    し、第２の窒素富化された流れの少なくとも一部を低圧
    塔へおよび／またはアルゴン塔の頂部凝縮器へ送り、第
    ２の酸素富化された流れの少なくとも一部を低圧塔へ送
    る工程と、 低圧塔の底部における第３の酸素富化された流れと、低
    圧塔の頂部における第３の窒素富化された流れとに分離
    する工程と、 加熱ガスを低圧塔の底部リボイラーに送る工程と、 低圧塔から、第３の酸素富化された流れの少なくとも一
    部を取り出し位置において取り出し、３ないし２０ｍｏ
    ｌ％のアルゴンを含む第１のアルゴン富化された流れを
    取り出す工程と、 第１のアルゴン富化された流れを頂部凝縮器を有するア
    ルゴン塔へ送り、窒素富化された液体をアルゴン塔の頂
    部凝縮器へ送る工程と、 第１のアルゴン富化された流れよりもアルゴンがより富
    化された第２のアルゴン富化された流れをアルゴン塔の
    頂部において回収し、第４の酸素富化された流れをアル
    ゴン塔の底部において取り出す工程とを含むことを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項２】 アルゴン塔は、ガスの流れによって加熱
    される底部リボイラーを有することを特徴とする請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】 ガスの流れは少なくとも９０ｍｏｌ％の
    窒素を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 アルゴン塔の底部リボイラーを加熱する
    ガスの流れは、第１、第２および第３の窒素富化された
    流れのうちの１または複数の少なくとも一部であること
    を特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 窒素富化されたガスの少なくとも一部を
    圧縮して、それを加熱ガスとしてアルゴン塔の底部リボ
    イラーへ送ることを含むことを特徴とする請求項２ない
    し４いずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 第４の酸素富化された流れを、随意的に
    加圧工程を経た後に、低圧塔へ送ることを含むことを特
    徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 第１のアルゴン富化された流れを、液体
    状で低圧塔から取り出すことを含むことを特徴とする請
    求項１ないし６いずれか１項記載の方法。
  8. 【請求項８】 アルゴン塔の頂部凝縮器へ送るべき窒素
    富化された液体を、高圧塔の頂部および／または低圧塔
    の頂部および／または中間圧塔の頂部および／またはア
    ルゴン塔の底部リボイラーから取り出すことを含むこと
    を特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 アルゴン塔の頂部凝縮器へ送る窒素富化
    された液体は、少なくとも９０ｍｏｌ％の窒素を含むこ
    とを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 第１のアルゴン富化された流れを、低
    圧塔の底部で取り出すことを含むことを特徴とする請求
    項１ないし９いずれか１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 第３の酸素富化された流れおよび／ま
    たは第２のアルゴン富化された流れを、製造物として取
    り出すことを含むことを特徴とする請求項１ないし１０
    いずれか１項記載の方法。
  12. 【請求項１２】 第３の酸素富化された流れは少なくと
    も９５ｍｏｌ％の酸素を含み、および／または第２のア
    ルゴン富化された流れは少なくとも９５ｍｏｌ％のアル
    ゴンを含むことを特徴とする請求項１ないし１１いずれ
    か１項記載の方法。
  13. 【請求項１３】 第１のアルゴン富化された流れを低圧
    塔の底部から少なくとも５理論トレイ上方で取り出し、
    第４の酸素富化された流れを製造物として取り出すこと
    を含むことを特徴とする請求項１ないし１２いずれか１
    項記載の方法。
  14. 【請求項１４】 第４の酸素富化された流れは、少なく
    とも９５ｍｏｌ％の酸素を含むことを特徴とする請求項
    １３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 低圧塔の底部リボイラー用の加熱ガス
    は、高圧塔からの窒素富化されたガスまたは空気である
    ことを特徴とする請求項１ないし１４いずれか1項記載
    の方法。
  16. 【請求項１６】 純度の異なる酸素富化された流れを低
    圧塔から取り出すことを特徴とする請求項１ないし１５
    いずれか１項記載の方法。
  17. 【請求項１７】 低圧塔は２バールより上で動作するこ
    とを特徴とする請求項１ないし１６いずれか１項記載の
    方法。
  18. 【請求項１８】 低圧塔は４バールより上で動作するこ
    とを特徴とする請求項１７項記載の方法。
  19. 【請求項１９】 アルゴン塔は低圧塔よりも低い圧力で
    動作することを特徴とする請求項１７または１８記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】 中間圧塔は底部リボイラーを有するこ
    とを特徴とする請求項１ないし１９いずれか１項記載の
    方法。
  21. 【請求項２１】 窒素富化されたガスを、高圧塔から中
    間圧塔の底部リボイラーへ送ることを含むことを特徴と
    する請求項２０記載の方法。
  22. 【請求項２２】 第２の窒素富化された流体の少なくと
    も一部を、それを低圧塔へ送る前に少なくとも部分的に
    気化またはサブ冷却することを含むことを特徴とする請
    求項１ないし２１いずれか１項記載の方法。
  23. 【請求項２３】 第２の酸素富化された流体の少なくと
    も一部を、それを低圧塔へ送る前に少なくとも部分的に
    気化またはサブ冷却することを含むことを特徴とする請
    求項１ないし２２いずれか１項記載の方法。
  24. 【請求項２４】 中間圧塔は頂部凝縮器を有し、第２の
    酸素富化された流体の少なくとも一部を頂部凝縮器へ送
    ることを含むことを特徴とする請求項１ないし２３いず
    れか１項記載の方法。
  25. 【請求項２５】 空気を中間圧塔へ送ることを含むこと
    を特徴とする請求項１ないし２４いずれか１項記載の方
    法。
  26. 【請求項２６】 アルゴン塔の底部リボイラーで凝縮さ
    れた、凝縮した窒素富化された流れの少なくとも一部
    を、アルゴン塔の底部リボイラーからアルゴン塔の頂部
    凝縮器へ送ることを含むことを特徴とする請求項１ない
    し２５いずれか１項記載の方法。
  27. 【請求項２７】 低温蒸留によって空気を分離する装置
    であって、 高圧塔と、 中間圧塔と、 底部リボイラーを有する低圧塔と、 頂部凝縮器を有するアルゴン塔と、 空気を高圧塔へ送るための配管と、 第１の酸素富化された液体の少なくとも一部を高圧塔か
    ら中間圧塔へ送るための配管と、 第２の酸素富化された流体を中間圧塔の底部から低圧塔
    へ送るための配管と、 第２の窒素富化された流体を中間圧塔の頂部から、低圧
    塔へおよび／またはアルゴン塔の頂部凝縮器へ送るため
    の配管と、 加熱ガスを低圧塔の底部リボイラーへ送るための配管
    と、 第３の酸素富化された流体を低圧塔から取り出すための
    配管と、 窒素富化された液体を高圧塔から低圧塔へ送るための配
    管と、 第１のアルゴン富化された流れを低圧塔からアルゴン塔
    へ送るための配管と、 窒素富化された液体をアルゴン塔の頂部凝縮器へ送るた
    めの配管と、 第２のアルゴン富化された流れをアルゴン塔から回収す
    るための配管と、 第４の酸素富化された流れをアルゴン塔から回収するた
    めの配管とを備えることを特徴とする装置。
  28. 【請求項２８】 アルゴン塔は底部リボイラーを有する
    ことを特徴とする請求項２７記載の装置。
  29. 【請求項２９】 第３の窒素富化された流れを低圧塔か
    らアルゴン塔の底部リボイラーへ送るための配管を備え
    ることを特徴とする請求項２８記載の装置。
  30. 【請求項３０】 第３の窒素富化された流れを、それを
    アルゴン塔の底部リボイラーへ送る前に圧縮するための
    圧縮機を備えることを特徴とする請求項２９記載の装
    置。
  31. 【請求項３１】 第１のアルゴン富化された流れを取り
    出すための配管が、低圧塔の底部に接続されていること
    を特徴とする請求項２７ないし３０いずれか１項記載の
    装置。
  32. 【請求項３２】 第４の酸素富化された流れを低圧塔の
    中間点に送るための配管を備えることを特徴とする請求
    項２７ないし３１いずれか１項記載の装置。
  33. 【請求項３３】 アルゴン塔および／または低圧塔から
    回収された少なくとも１つの酸素富化された液体を加圧
    するための手段を備えることを特徴とする請求項２７な
    いし３２いずれか１項記載の装置。
  34. 【請求項３４】 純度の異なる酸素富化された流れを低
    圧塔から回収するための配管を備えることを特徴とする
    請求項２７ないし３３いずれか１項記載の装置。
  35. 【請求項３５】 第１のアルゴン富化された流れを取り
    出すための配管が、低圧塔の中間レベルに接続されてい
    ることを特徴とする請求項２７ないし３４いずれか１項
    記載の装置。
  36. 【請求項３６】 第２の窒素富化された液体を、それを
    低圧塔へ送る前に少なくとも部分的に気化またはサブ冷
    却する手段を備えることを特徴とする請求項２７ないし
    ３５いずれか１項記載の装置。
  37. 【請求項３７】 第２の酸素富化された液体を、それを
    低圧塔へ送る前に少なくとも部分的に気化またはサブ冷
    却する手段を備えることを特徴とする請求項２７ないし
    ３６いずれか１項記載の装置。
  38. 【請求項３８】 中間圧塔は底部リボイラーを有するこ
    とを特徴とする請求項２７ないし３７いずれか１項記載
    の装置。
  39. 【請求項３９】 窒素富化されたガスを高圧塔から中間
    圧塔の底部リボイラーへ送るための手段を備えることを
    特徴とする請求項３８記載の装置。
  40. 【請求項４０】 中間圧塔は頂部凝縮器を有することを
    特徴とする請求項２７ないし３９いずれか１項記載の装
    置。
  41. 【請求項４１】 第２の酸素富化された流体の少なくと
    も一部を中間圧塔の頂部凝縮器へ送るための手段を備え
    ることを特徴とする請求項４０記載の装置。
  42. 【請求項４２】 空気を中間圧塔へ送るための手段を備
    えることを特徴とする請求項２７ないし４１いずれか１
    項記載の装置。
  43. 【請求項４３】 低圧塔からアルゴン塔へ送られる第１
    のアルゴン富化された流れを膨張させるための手段を備
    えることを特徴とする請求項２７ないし４２いずれか１
    項記載の装置。
  44. 【請求項４４】 膨張させる手段はバルブであることを
    特徴とする請求項４３記載の装置。
  45. 【請求項４５】 アルゴン塔の頂部凝縮器へ送るべき窒
    素富化された液体を、低圧塔の頂部および／または中間
    圧塔の頂部および／または高圧塔の頂部および／または
    アルゴン塔の底部リボイラーから取り出すための手段を
    備えることを特徴とする請求項２７ないし４４いずれか
    １項記載の装置。
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