JPH01244269A - 酸素、窒素とアルゴンから成る混合物の極低温蒸流による分離法と極低温蒸流装置の改良法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） この発明は、窒素、酸素およびアルゴンから成る混合物
の極低温蒸留による分離の方法ならびに装置に関する。

詳述すれば、この発明は、アルゴンが０．６乃至７５容
星％の濃度で存在する極低温蒸留において構造的充填の
利用に関する。

（従来の技術） 極低温蒸留による空気の構成成分への分離の数多くの方
法が既に知られており、これらの代表的なものに、米国
特許第３．７２９．９４３号、４．５３３．３７５号、
／１，５７８，０９５号、４．６０４．１１６号、４．
６０５．４２７号および４．６７０．０３１号がある。

（発明が解決しようとする課題） この発明は、酸素、窒素およびアルゴン（たとえは空気
）から成る混合物の極低温蒸留を用いる分離方法を提供
することを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明では少くとも１塔を具備する蒸留塔系の一定の
層において、酸素、アルゴンおよび窒素を含有する液相
流れと、酸素、アルゴンおよび窒素を含有する蒸気相を
均質に接触させ、それによって前記液相流れを酸素で濃
縮し、アルゴンを前記蒸気相流れからストリップし、さ
らに前記蒸気相流れをアルゴンで濃縮し、酸素を前記蒸
気相からストリップする物質移動を可能にする分離法の
改良に関する。この改良は、前記液相および蒸気相の均
質接触を、少くとも、アルゴン濃度が約０．６乃至７５
容量％の範囲内にある蒸留塔系の少くともそのような層
における構造的充填を利用して実施し、プロセスを前述
層におけるデンシメーター表面ガス速度が少くとも毎秒
０，０６フイー１〜（約１．８ａｎ）になるように運転
することから成る。

この発明の方法はまた、窒素を含有しない混合物の分離
に応用できる。

この発明はさらに、酸素とアルゴンを含有する混合物を
分離する塔を少くとも１基具備し、またアルゴンの濃度
が約０．６乃至約７５容量％の範囲にある蒸留塔系の少
くともそれらの層にある構造的充填と収り替える工程か
ら成る極低温蒸留装置改良の方法に関する。

たとえば、窒素、酸素およびアルゴン生成物を生成する
空気の極低温分離は、３塔蒸留系で通常実施される。こ
ｈらの３塔を、高圧塔、低圧塔およびブルゴン塔と称す
る。アルゴンと酸素を分離して双方を生成物として生成
する空気分離プロセス実例は、米国特許第３．７２９．
９４３号、ｄ、　５３３．３７５号、４．５７８．０９
５号１．！ｌ、　６０４．１１６号、４．６０５．４２
７号および４．６７０．０３１号に示されており、その
明細書はこの明ｍｌ書に参考として組み入れられている
。

酸素とアルゴン生成物とを生成する代表的空気分離プロ
セスの系統図を第３図に具体的に示す。

（作用） 第３図に関して、冷却水温度に冷却され、また極低温で
凝固することがある不純物、たとえば水および二酸化炭
素を除去した圧縮空気を管路１０を経由して熱交換器１
２に送りそこにおいてその流れの露点になるまで冷却す
る。ここで管路１４にきているこの冷却、圧縮無不純物
空気をその後、２部分に分離する。第１部分を管路１Ｇ
を経由して高圧塔１８の低位置に送る。管路２０の第２
部分をさらに２部分に分離する。その第１部分を管路２
１経由アルゴン生成物気化器９４に送り、第２部分を生
成物気化器２２に送りそこで凝縮して溜水周囲生成物気
化器２２で液体酸素を沸騰させ、そして前記第２部分を
管路２４を経由して生成物気化器から除去する。

管路２４にある凝縮液をその後、管路２６経由高圧塔１
８の中間位置に供給材料として送られる第１部分と、熱
交換器３０で適冷し、Ｊ−Ｔ弁３２で押し流して管Ｂ３
４経由低圧塔３６の中間位置に送られる管路２８にある
第２部分の２部分に分割する。

オーバーヘッドを管路４０を経由して高圧塔１８から除
去し、その後２部分に分割する。第１部分を主熱交換器
１２で熱入１ｔシて冷却を回収した後、高圧窒素生成物
として管路４４を経由除去する。第２部分を、それが凝
縮され管路５０を経由して除去される低圧塔３６の底部
に位置するりボイラー・凝縮器４８に管路４６を経由し
て送る。この凝縮純窒素流れをその後３部分に分割する
。第１部分を管路５２を経由し高圧塔１８の上部に送り
高圧塔１８に還流を提供する。第２部分を管路５４を経
由して液体窒素生成物として除去し、管路５６を経由し
て除去した第３部分を熱交換器３０で過冷し、それをＪ
−Ｔ弁５８で押し流しさらに管路６０経由低圧塔３６の
上部に送り、低圧塔３６の上部ハラ１〜部分に純窒素還
流を提供する。

高圧塔１８からの高酸素残液を管路６２を経由して除去
する。この流れを流れ１００とアルゴン生成物気化器９
４からの凝縮空気流れと混合して混合高酸素液流６４を
形成する。この混合液流を熱交換器３０で過冷しその後
、２副流に分割する。管路６６にあるその第１流をＪ　
−Ｔ弁６８で押し流して低圧塔の上部中間位置に送る。

管路７０にある第２副流をＪ−Ｔ弁７１で押し流し、ア
ルゴン塔７２の上部に配設された溜水周囲凝縮器８６に
送る。ガス状オーバーヘッドを前記溜水周囲凝縮器のオ
ーバーヘッドから管路７４経由して除去し、前記溜水周
囲凝縮器から管路７６経由除去した液体と混合して混合
流れ７８を形成する。この混合流れ７８をその後、低圧
塔３６の中間位置に送る。

低圧塔３６から管路８０を経由して側流を除去し、アル
ゴン塔７２の下部に送る。アルゴン塔７２がらの残液を
、中間基還流を提供するため前記側流８ｏが集まる同＝
位置で低圧塔３６に戻す。オーバーヘッドアルゴンをア
ルゴン塔７２から管路８４を経由除去し、凝縮器８６で
凝縮して２部分に分割する。その第１部分を管路９０を
経由してアルゴン塔７２の上部ニ戻シアルゴン塔７２に
還流を提供する。アルゴンガス生成物を管路９６を経由
、生成物気化器９４がら除去し、アルゴン液状生成物を
管路９８経由生成物気化器９４から除去する。

残液流れを低圧塔３６（底部溜水周囲ソボイラー・凝縮
器４８）から除去して、管路１０２を経由して前記溜水
周囲生成物凝縮器２２に送る。気（＊酸素生成物を管路
１０６経由前記溜水周囲生成物凝縮器２２のオーバーヘ
ッドから除去し、熱入れして主熱交換器１２で冷却を回
収しそれを気体酸素生成物として管路１０Ｂ経由除去す
る。液体酸素生成物を液体酸素生成物として前記溜水周
囲生成物気化器２２の下部から管路１０４を経由して除
去する。

液体側流を管路１１０を経由、高圧塔１８の中間位置か
ら除去する。この不純液体側流を熱交換器３０で過冷し
、減圧して低圧塔３６の上部に管Ｂ１１２経由還流とし
て送る。加えて、気体側流を管路１１４経由、高圧塔１
８の同様位置から除去する。この側流を主熱交換器１２
で熱入れして冷却を回収し、膨脂器１１６で加熱物膨張
をさせ冷却を回収する。この膨脹流はここで管路１１８
に来ている。

気体側流を管路１２０を経由して低圧塔３６の上部位置
から除去しそれを２部分に分割する。管路１２２にある
第１部分を熱交換器１２で熱入れして冷却を回収し、再
活性化ガスとして利用して管路１２４を経由しプロセス
から除去する。この再活性ガスは、圧縮供給空気からの
水と二酸化炭素の除去に用いられるモル篩吸着装置（Ｈ
ｏｌｅ　５ｉｅｖｅ　ａｄ−ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｕｎｉ
ｔ　）を再活性化に必要である。再活性化ガスが不必要
の場合は、そこで流れ１２４を廃棄物として大気中に排
気する。管路１２６にある前記側流の第２部分を熱交換
器３０で熱入れして冷却を回収し、膨脹流れ１１８と混
合して混合流れ１３０を形成する。この流れ１３０をそ
の後、熱交換器１２で熱入れしてわずかな残留冷却を回
収し、廃棄物として管路１３２経由排気する。

最後に：低圧塔３６からのオーバーヘッドを管路１３４
を経由して除去してそれを熱交換器３０で熱入れし冷却
を回収する。ここで管路１３６に来ているオーバーヘッ
ドをさらに熱交換器１２で熱入れしわずかな残留冷却も
回収し、低圧窒素生成物として管路１３８を経由して除
去する。

上記プロセスの蒸留塔は、蒸留トレイを具えた塔を利用
する。選択循環、生成物型および電力と資本の相対値に
よるが、高圧塔、低圧塔およびアルゴン塔に対する代表
的理論トレイ数はそれぞれ、５０．７０および４０であ
る。代表的例として、特別設計の蒸留トレイを塔内で使
用して分離を遂行する。

これらの蒸留トレイは、４乃至８インチ（約１０．２乃
至２０．３ａｍ　）の範囲の間隔をとって一般に設計さ
れている。大型プランＩ・に対しては、通常篩トレイを
用いる。孔面積は一般的にはトレイデツキの５乃至１５
％である。所定圧力降下の動作を最大限にするため、お
のおののトレイに多収を可能にするトレイ設計が普通で
ある。多収の存在のために液体残留量の減少は結果的に
点効率の損失となる。

最適設計では、分離の理論段当り１．５乃至３．０イン
チ（約３，８乃至７．６ｃｍ＞の分離の理論段当り圧力
低下を生ずる。

理論段当りの圧力低下をさらに還元すると供給空気圧縮
機の所要流出口圧を低下させる。この効果は、高圧塔に
おいて重要であるだけでなく、低圧塔においても特に重
要である。これは、リボイル流れの泡立ち点の比較的穏
当な低下も高圧塔の上部における所要圧の実質的低下と
なる事実に起因する。

蒸留トレイを用いて達成できるものを実質的に下廻る理
論段当り圧力低下で分離を可能にする蒸留装置は、空気
の極低温分離には相当の価値を有する。

極低温産業において、理論段当りの圧力低下を還元させ
る１つの方法は、蒸留トレイの孔面積率を増加させるこ
とである。孔面積率が約０．２０以上に増加し、表面速
度を十分低く維持して妥当なトレイ間隔をとってトレイ
充満を防ぐ場合、実貫的浸出が起きる。これは結果とし
て、塔性能の有意の低下となる。

この発明の解決は、構造的または規則充填の利用である
。構造的また規則充填の用語は、主流方向に垂直の方向
に液体または（および）蒸気混合を促進する充填を意味
する。規則または構造的充填は、米国特許第４．１２８
．６８４号、４．１８６．１５９号、４、２９６．０５
０号、４．４５５．３３９号、／１，４９７，７５１号
、４、４９７．７５２号および４．４９７．７５３号に
その実施例を開示し、その明細書はこの明細書に参考と
して組み入れられている。これらの特許は、構造的（規
則）充填の特定実施例を開示しているが、それらの網羅
的な表を示すものではない。注目すべきことは、構造的
充填の一形態を他のものに優先させる意図のないことで
ある。すべての種類と構造的充填はこの発明に応用でき
るものと考えられている。指摘すべきことは、これらの
充填要素が炭化水素分離でかなり知られているものであ
るが、この利用についてなんらの提案も、空気の極低温
分離技術では示されていない。

空気の極低温分離の商業充填に関し利用できるなんらの
既知データもないため、空気極低温蒸留において任意ま
たは規則充填使用の測定は、鞠買移転特性測定の機械論
的模型の使用を必要とする。

このような機械論的相関関係の実例は数多くのテキスＩ
・、たとえば゛Ｒ，Ｅ、ｌ〜レイパルの（丁ｒｅｙｂａ
　ｌ　）「マス・トランスファー・オペレーション（Ｍ
ａｓｓＴｒａｎＳｆｅｒ　０ｐｅｒａｔｉｏｎ　）　Ｊ
第３章にあることがわかる。

このような相関関係の展開には、所要定数の回帰を可能
にする実験データを必要とする。前記トレイパルの引例
で与えられた一般研究方法に従い、規則充填の物笛移転
挙動の相関関係は次の方程式％式％： 式中： ｓｈ、　−一〜−巴慣−８ｈ、＝に１　ｄ旧ＤｇＤ・ μＱ　　　　　　　　μｍ 式中、 Ｒｅ＝レイノルズ数；無次元 Ｓｃ＝シュミット数：無次元 ｓｈ＝シャーウッド数；無次元 ｄｈ＝流量の特性寸法：ｆｔ Ｄ−拡散率：　ｆｔ／５ｅｃ ｋ−４’ｉ質移動係数：　ｌｂ−ｍｏｌｅ／’（Ｓｅｃ
）（Ｓｑｆｔ）（ムｃｏｎｃ） ■−表面速度：　ｆｔ／５ｅＣ ｒ−単位幅当り物質流Ａ　：　１ｂ−１１１ａＳＳ／′
（ｆｉ）（ＳｅＣ）μ＝粘度：　ｌｂ−ｍａｓｓ／（ｆ
ｔ）（ｓｅｃ）ρ：密度：　ｌｂ−ｍａｓｓ／ｃｕｆｔ
下付き文字リー蒸気相 下付き文字１＝液相 またα１−　Ｃｌ３、×１、×２、×３およびｙ２は定
数で、特定系の生データの数値回帰から得られる。

Ｋ１とに２の数値を全気相物質移動係数の中間式に置換
える： １ｍ Ｋヮ　ｋｙｋ× 式中、 Ｇ＝表面蒸気モル流動：　ｌｂ−ｍｏｌｅ／（ｓｑｆｔ
）（ｓｅｃ）ＫＶ−全蒸気相物質移動係数：　ｌｂ−ｍ
ｏｌｅ／（ｓｅｑ）（ＳＱ　ｆ　ｔ　）　（ｌｌＩｏ　
Ｉ　ｅ率）ｋＶ　＝Ｋｇ（ｐｇ／％　）　：　ｌｂ−ｍ
ｏｌｅ／（ｓｅＱ）（ｓｑｆｔ＞（ｍｏ　ｌ　ｅ率） ｋ　　＝　　Ｋｌ　　（ｐ＋　　／トｈ　　）　　：　
　ｌｂ−ｍｏｌｅ／（ｓｅｃ）（ｓｑｆｔ）× （ｍｏ　ｌ　ｅ率） し　−表面液モル流動：　Ｔｏ−ｍｏｌｅ（ｓｑｆい（
ｓｅｃ）ｍ−平衡線の傾き：無次元 ■＝分子ｉ　：　ｌｂ−ｍａｓｓ／ｌｂ−ｍｏｌｅこれ
らの式は全カス移動単位■ｔＯＧの高さの計算に用いら
れる。式中、 式中、 ＨｔＯＧ　””全ガス移動単位の高さ；ｆｔａ＝充填の
固定層の比面積：　（ｓｑｆｔ）／（ｃｕｆｔ）そして
最後に、分離の理論段を得るに要する充填の高さが計算
できる： １（ＥＴＰ＝　１１１ｏＧＩｎ　（λ）／′（λ−１）
式中、 ＨＥＴＰ＝理論段に等しい充填の高さ λ＝　（ｍ）　（Ｇ）／Ｌ この研究方法はおおむね妥当性があり、また広範囲の作
業条件と様々な特性をもつ作業系の動作計算を可能にす
る。

この発明の効力を具体的に示し、他の系の比較データを
提供し、そして極低温分離応用における物質移動の代表
的機械論研究方法の有効性を具体的に示すため、酸素と
窒素および酸素とアルゴンの分離の物質移動データを収
集した。その場合、２成分分離系における成分の濃度は
かなり広い範囲にわたって異っていた。

この物質移動動作データは２つの類似した装置を用いて
作成された。

第１装置には直径８インチ（約２０．３ａｎ）の塔を用
いて前記酸素と窒素データの一部と、酸素とアルゴンの
分離データ全部を展開した。前記８インチ直径の塔に９
フィート（約２７４印）の構造的充填を充填した。この
装置は、ノズルによって液体を塔の上部に送り、前記充
填層の大部分を前記塔上部に散布すると、その液体が前
記充填の７１〜リツクスを通って下方に流れるようにし
たものである。充填層の底部から排出する液体を収集し
て塔から除去する。蒸気を別のノズルによって前記基に
送り、多孔管によって分配する。前記蒸気は充填向流に
より前記液体まで移動する。蒸気は塔上部のノズルを通
って排出する。前記装置の操作中（再循環ループ方式で
）、塔からのオーバーヘッド蒸気は凝縮器に直接流れる
。この凝縮器は、液体窒素槽内側にコイル巻きされた長
さ４４ｆｔ　（約１３．２１ｍ）の内径１インチ（約２
．５４ａｍ）の５木の鋼管から成る。この窒素槽の圧力
が凝縮温度、従って塔内圧を調節する。前記凝縮器から
の凝縮蒸気を液体として塔に送る。塔への蒸気配給は、
電気加熱熱サイホンリボイラーの塔底部から除去された
液体を沸騰させて提供される。前記リボイラーの熱入力
の変更は蒸気生成の速度を変化させる。

この蒸気速度は塔内の蒸気および液体の押出量を調節す
る。

第２装置は、窒素と酸素の分離データ作成だけに代用さ
れた。この塔は直径５フィート（約１．５ｍ）で、９，
３３フィート（約２．８３ｍ＞の構造的充填を充填して
いる。第１装置を用いる時と同様、液体は塔の上部に入
って、充填の大部分の層に散布される。蒸気は前記充填
の下から直接蒸気分配器によって入る。液体と蒸気は第
１装置の場合と同様、互いに向流して接触する。この装
置における流れは再循環されなかった。飽和蒸気供給は
外部供給源により供給された。液体供給材料もまた外部
供給源から装置に供給された。これらの流れは液体供給
配管と蒸気出口配管の弁によって直接制御される。

データ収集は双方の装置に対しては本質的に同一である
。まず、蒸気と液体の流れを制御して塔内において所望
の速度をつける。次に、オーバーヘッドと底部蒸気純度
を装置が定常状態運転に到達するまで、すなわちこれら
いずれの純度も時間の経過と共に変らなくなるまで監視
した。定常状態に達すると直ちに、オーバーヘッドと底
部蒸気と液体組成物を分析し、組成物を書き留めた。塔
に出入するすべての流れの流量と組成物とを熟知して、
多成分蒸留計算機シュミレータが行われた。

このシュミレーションが塔内の理論段の数を測定した。

この値で全充填高さを割ってＩＩＥＴＰのデータ値にな
った。前記８インチ塔の正確なデータ分析を提供するた
め、すべての実験を約１．ＯのＬ対Ｇ比で実施した。

収集したデータを測定するに際し、第２表は、この適用
で示された測定データとの相関関係で予測される全気相
物質移動係数（Ｋ（ｌＸａ　）と比較する。第２図のデ
ータを次の３部類に分割する。すなわち、窒素対酸素、
そこにおいて酸素濃度が２ｖｐｐｍ乃至５０容量％の範
囲（正方形で示す）、極めて高濃度アルゴン対酸素、そ
こにおいてアルゴン濃度が８２．５乃至９７容量％の範
囲（円で示す）と、酸素対アルゴン、そこにおいてアル
ゴンが０．６乃至８５容量％の範囲（黒菱形で示す）。

前記窒素対酸素データは、３０ｐｓｉａの圧力で運転す
る８インチ径の塔と、１８ｐｓｉａの圧力で運転する５
フィート（約１５０ｃｍ）径の塔とからの編集データで
ある。これらのデータの組成物は５０容量％乃至２　Ｖ
ｌ）ｐｍの範囲の窒素中の酸素である。この相関関係の
展開はこれらのデータに基いているので、データ間の整
理は予想通り非常に良好である。データと相関関係はほ
ぼ、±１０％以内で十分一致する。前記＋１０％線より
上の一層の分散と落下を示す右上の数点は、極めて高い
液体および蒸気押出量で運転している。これらのデータ
は２つの理由から異常である。第一に、高液速は分配器
の容量を上旬るものであった。従って、前記液体は塔槽
断面に正しく散布されなかった。これは充填塔に不良動
作を起すことで知られている。第二に、高液体と蒸気速
度は、前記塔の溢水点に極めて接近して運転が行われた
ことを示す。これは、充填内の液体の逆混合、連行およ
び固有不均衡配分のような現象の原因となる。どれらの
要素のすべては性能損失の一因となったことがある。充
填塔のその溢水点に接近しての運転は通常行われない。

従って、相関関係は、通常運転範囲の押出量を左右する
基本機構に基いた。それゆえに、前記溢水点適くの不一
致は、それとの問題よりもむしろ相関関係の妥当性を示
している。加えて、相関関係は、約２の圧力変化の係数
と、塔直径で７．５の係数での性能と広範囲の組成物と
を正確に予想する。

（実施例） アルゴン対酸素データを、窒素対酸素データの一部を作
成するに用いられた同一８インチ塔で測定された。これ
らのデータの組成物範囲は８２．５乃至９７容量％アル
ゴンと、残量は酸素である。これらのデータを３ｏｐｓ
　ｉａの圧力でとった。第１図のパリティグラフで示さ
れているように、これらのデータは相関関係と極めてよ
く一致する。これらのデータは窒素対酸素データと一致
する。相関関係はこれらのデータを用いて回り量されな
がったので、完全な一致はこの相関関係に用いられた基
本機構がこれらのデータの性質を正確に説明しているこ
とを示している。

第１図に示された第３組のデータは、酸素対アルゴンデ
ータである。これらのデータを、前記０．６乃至８５容
量％の酸素中のアルゴン濃度範囲でとった。これらのデ
ータは、前記窒素対酸素データと、さきに詳述された酸
素中の高濃度アルゴンに使用された同一８インチ塔でと
られた。これらのデータは、これ以外のデータ全部で性
能の注目すべき改良を明白に示す。一般に、データ値の
大部分は、相関関係で予想された値よりも１０％以上良
好である。加えて、データは、これ以外のデータのすべ
てより著しく異った傾斜を示す。これは、酸素中のこの
範囲のアルゴン濃度で物質移動動作を増大させるなにか
の付加機構のあることを別に示している。この増大は、
塔中の押出量が増加するに従い増加するようである。

相互関係とＨＥＴＰの計算に戻り、窒素対酸素系のデー
タの回帰は、所要定数の次の値を示す；α、　＝０．０
２９５　　　　α２＝０．０５２ＸＩ　＝０．８９３　
　　　　Ｘ２　＝１．１９　　　　　　　’Ｖ１＝０．
３３　　　　　ｙ２＝０．３３窒素対酸素系のこの相関
関係から計算された＋１ＥＴＰ値は、１０乃至１２イン
チ（約２５．４乃至３０．４８印）の範囲である。

８２．５乃至９７容量％アルゴン濃度のアルゴン・酸素
混合物を用いてとった付加データは、７．６乃至８．２
インチ（約１９．３乃至２０．８ａｍ）のＨＥＴＰ値を
示す。

ここでもまた、窒素・酸素データベースに基く相関関係
を用いる予想は、７．６乃至８．２インチである。この
高アルゴン含量データベースとの窒素・酸素ベースの相
関関係からの予：忠の一致は、この種類の機械論に基く
相関関係の一般応用性を明白に示している。

＋１ＥＴＰの上記計算値は、多数の所要理論段に加えて
、試験ずみ構造的充填物の使用が、１〜レイ使用塔を用
いて可能な高さ以上の塔高に実質的に増加させた塔を必
要とすることを明らかに示している。

これは、通常極低温蒸留トレイを利用する塔と比較する
時、結果として実質的資本負担となる。

これに反して、アルゴン含有量が８５％乃至０，６％で
あるアルゴンからの酸素分離テストは、分離性能に著し
いまた以外な増大を示した。たとえば、ＨＥＴＰは、予
想（予見）値が８．５インチである時、６．８インチと
非常に低いこともあり得る。第２図は、酸素・アルゴン
データの物質移動の著しい増大をさらに明白に示してい
る。第２図は、高酸素濃度データ対ＫｖのＨＥＴＰデー
タをグラフにする。

ＫＶは塔内のデンシメーター表面ガス速度で次の式によ
り計算される： に、＝ｖｇ［ρｇ／（ρ１−ρｇ）１°°５式中、ＶＣ
＋　”表面ガス速度：　ｆｔ／ＳｅＣまた、グラフは相
関関係から計算された予想ＨＥＴＰである。これらの計
算値は、これ以外の利用できる極低温データに基く旺Ｔ
Ｐに対する予想値に該当する。グラフで具体的に示され
ているように、測定＋１ＥＴＰデータ値は、０．０６ｆ
　ｔ／ｓｅｃ以上のｋｖでの予想値よりも有窓に低い。

実際には、増大は一般に、増加Ｋｖと共に増加するよう
である。この増大は、界面面積の増加または、この範囲
の濃度の液相抵抗の予想外の減少によることもある。

玉揚の実験かられかるように、前記２組のアルゴン・酸
素データのアルゴン濃度範囲でオーバーラツプがある。

１組のデータにおいて、アルゴン濃度は０．６乃至８５
容量％、これ以外の組においては８２，５乃至９７容量
％である。第１組データでは、構造的充填を利用する著
明な利点がみられる。この利点は、構造的充填に必要な
高さが、低い圧力低下の利点を保持しながら同一全分離
を達成する蒸留トレイの高さに匹敵するという事実であ
る。

第２組のデータでは、構造的充填を用いる高さは、同一
全分離用蒸留トレイに必要な高さを超えることになる。

このオーバーラツプ層を処理する時、重要で注意すべき
ことは、実験装置には液相および蒸気相の組成物を塔内
の中間位置で正確に分析する能力がないことと、充填塔
によりできた高さをもつ濃度がトレイ塩に関する限りで
は段階的よりはむしる連続的であるため、全１１ＥＴＰ
のものだけを自信をもって計算できる。低旺ＴＰのもの
の意外な利点がもはや見られないアルゴン濃度に転位点
があると考えられている。この転位点はほぼ７５乃至８
５容量％アルゴンであると考えられる。それ故、この発
明は、アルゴン濃度が容量で０．６％乃至７５％アルゴ
ンの範囲となるような少くとも層で規則（構造的）充填
の使用を具体化するものである。

この実測された予想外の改良は、約０．０６ｆ　ｔ／ｓ
ｅｃを超えるＫｖの値に対し存在する。０．０６ｆ’ｔ
／ｓｅｃ以下のに、値では実測ＨＥＴＰ値は予想値を超
えない。

予想がデータと一致することになる相関関係内の定数を
操作するあらゆる試みも、相関関係をしてこれ以外の系
のＨＥＴＰのものをびどく下に予想させることになる。

これは、酸素・アルゴン分離における７５％乃至０．６
％アルゴンの組成物範囲内の動作の有意の増大があると
する観察をさらに実証する。

相関関係が物質移動現象を十分予想できないもう一つの
理由は、それらの相関関係を重要物理的輸送特性が相関
関係の展開に用いられる系と実質的に異なる系に用いる
ことである。相関関係が弱まるのは、それが相関関係発
生に用いられるデータベースの範囲を超える外挿の層で
用いられるからである。従って、これが低濃度アルゴン
での酸素・アルゴンに対して真実である場合、酸素の基
本物性が窒素またはアルゴンのいずれかと実質的に異な
ることを期待することになる。第１表には、窒素、酸素
およびアルゴンの飽和蒸気と液体の物性とを列挙する。

酸素の値とれもが窒素とアルゴンの値に匹敵する。従っ
て、高酸素組成物の相関関係誤差を起こす有意の特性差
は明白でない。

第１表 密度：　ｌｂ−ｍ／ｃｕｒｔ　　　　　　　４８．４　
７５．６　８３．０粘度ｘ１０４：ｌｂ−ｍ（ｆｔ）（
ｓｅｃ）　　０．７　１．０？　　１．１拡散率ｘｌＯ
８：５ｑｆｔ／ｓｅｃ　　　　８．６　７．４７．５表
面張力ｘｌＯ５：　５ｑｆｔ／ｓｅｃ　　　５．１　７
．８５　７．１密度：　ｌｂ−ｍ／ｃｕｆｔ　　　　　
　Ｏ，３５９０，６２１０，６８５密度ｘ１０６：　ｌ
ｂ−ｍ（ｆｔ）（ｓｅｃ）　３．９　５．３　５．５拡
散率ｘｌＯ４：ｌｂ−ｍ／ｆｔ　　　１．１５　１．、
Ｍ　　１．３１第２表は、無次元組分けの値の範囲を（
データの部分集合の）示す。高酸素データは、高窒素お
よび高アルゴンデータ部分集合の範囲外には出ない。

従って、高酸素データ部分集合は明らかに相関量１系の
範囲内に留まる。これは、この現象の予期しない性質を
さらに裏書きする。

第２表 Ｓｈ、２４−１４３　５１〜１１９　２７−７８Ｓ２７
−７８Ｓｈ　　　３６−６９　　２Ｏ−９５Ｒｅｔ　　
４８−３５６１４８−３００　９３−３５８Ｒｅｇ１９
３−３５８Ｒｅ　２９００−５９００１６００−５８０
０Ｓｃｍ　２３−１７　１８　　１９ ＳｃｇＯ，６００，６１０，６３ 確立して基本的に正常な相関関係方法は、空気の極低温
蒸留のＩＩＥＴＰの値を８．５乃至１２インチ（約２１
．６乃至３０．５ｃｍ＞と予想した。酸素・窒素分離が
起きる層は普通多数の理論段を必要とするので、有意の
資本負担が、この応用において規則充填を用いることと
関連した。確実に、この有意の資本負担は、蒸留塔の高
酸素層に規則充填を使用しないですむ。この新発見は、
極低温空気分離プラントを、アルゴン含有量が７５％以
下の領域の蒸留トレイに匹敵するＨＥＰＴのものを用い
る設計ができるようにする。これは、規則充填の使用と
関連する資本経費を実質的に低減し、またその還元圧力
低下の利益を十分に実現できる。

（発明の効果〉 この発明のエネルギー節約利益を具体的に示すために、
基糸における理論段当りの圧力低下が還元されるに従い
極低温空気分離プラントの改善される総電力消費を計算
する分析を行った。これを検討するなめ、基糸を分解し
て高圧塔部と低圧塔・アルゴン塔の結合系の二部に分け
ることができる９高圧塔における還元圧力低下は、プラ
ントに供給する空気圧縮機の排出圧を明らかに減圧させ
る。この層の圧力低下の還元は実質的ではあるが徹底的
でない電力節約に結びつく。その理由は、循環の必要に
迫られて、高圧塔はほぼ１００ｐｓｉａの圧力で運転す
る。巧みに設計されたトレイ高圧塔の圧力低下は２乃至
３ｐＳｉの範囲である。電力は通常圧力比の対数に反比
例するので、高圧塔における圧力低下の全排除は電力を
約２．６％だけ低減させる。

しかし、低圧塔・アルゴン塔系内の圧力低下の還元は結
果としておよそ６％の電力節約になりそれによって循環
が使用される。この理由は２つの部分を有する。第一に
、低圧塔・アルゴン塔系には高圧塔にあるもののほぼ２
＠もの理論段がある。

従って、理論段当り圧力低下における還元は、低圧・ア
ルゴン塔系に高圧塔におけるよりもずっと大きい影響力
を有する。第二に、低圧塔における圧力低下は圧力を、
従ってリボイル流れの泡立ち点を直接制御する。生成物
のどれもを大気圧あるいはそれ以上で排出する必要があ
るので、リボイル流れの圧力は次の通り： Ｐａｔｍ＋△ＰＯｔＪｔ　””　ＬＰＧ　”　ＰＲ／Ｂ
式中、 △Ｐｏｕ　ｔ−プラントを離れるオーバーヘッド生成物
の圧力低下 △ＰＬＰＣ−低圧塔内の圧力低下 Ｐａｔｍ　”周囲大気圧 ＰＲ／Ｂ　”リボイル流れの圧力 この流れは、高圧塔における蒸気を凝縮してリボイルさ
ｈるので、この流れの泡立ち点と温度は、前記凝縮流れ
の露点を設定された熱交換器の上部に接近する。それ故
に、高圧塔圧を、高圧塔の上部で蒸気がこの規定露点で
凝縮する圧力で設定する。凝縮流れの圧力と露点間の関
係は、リボイル流れにおけるどのような圧力の変化もほ
ぼ３倍にする。

単純に述べれば、低圧塔底部における圧力に起こる１ｐ
ｓｉの変化ごとに、高圧塔圧力は約３ｐｓｉだけ変化す
る。従って、低圧塔における圧力低下の還元は、高圧塔
圧力を劇的に減圧できる。こｈもまた、電力消費に同等
低減をもたらす。８００ＴＰＤ高純度酸素プラントの蒸
留トレイでは、理論段当り圧力低下は１段当り約０．０
７ｐｓｉになるであろう。

実験では、規則充填が平均して段当り０．００８ｐｓｉ
の圧力を用いていることを示す。これは結果として、８
％の電力節約になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、測定全気相物質移動係数対相関関係値のグラ
フ、第２図は、理論段等値高さ対酸素・アルゴン′分離
のグラフ、第３図は、アルゴンおよび酸素生成物を生成
する代表的３塔空気分離方法の略図である。 １０・・・管路、１２・・・熱交換器、１４．１６・・
・管路、１８・・・高圧塔、２０．２１・・・管路、２
２・・・生成物気化器、２４．２６．２８・・・管路、
３０・・・熱交換器、３２・・・Ｊ−Ｔ弁、３４・・・
管路、３６・・・低圧塔、４０．４４．４６・・・管路
、４８・・・リボイラー・凝縮器、５０．５２．５４．
５６・・・管路、５８・、・Ｊ−Ｔ弁、６０．６２・・
・管路、６８・・・Ｊ−Ｔ弁、７０・・・管路、７２・
・・アルゴン塔、７４．７６・・・管路、７８・・・混
合流れ、８０．８４・・・管路、８６・・・凝縮器、９
０．９２・・・管路、９４・・・アルゴン生成物気化器
、９６．９８・・・管路、１００・・・流れ、１０２．
１０４．１０Ｂ　、１０８．１１０．１１２．１１４・
・・管路、１１６・・・膨張器、１１８・・・流れ、１
２０．１２２．１２４．１２６．１２８・・・管路、１
３０・・・混合流れ、１３２．１３４．１３６．１３８
　、・・管路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少くとも１塔を具備する蒸留塔系の一定の層にお
   いて、酸素、アルゴンおよび窒素を含む液相流れと、酸
   素、アルゴンおよび窒素を含む蒸気相流れとを均質に接
   触させ、それによって前記蒸気相流れを酸素で濃縮し、
   また前記蒸気相流れからアルゴンをストリップし、さら
   に蒸気相流れをアルゴンで濃縮しまた前記蒸気相から酸
   素をストリップする物質移動を可能にする極低温蒸留に
   よって、酸素、窒素およびアルゴンから成る混合物の分
   離法において、アルゴン濃度が約０．６乃至約７５容量
   ％の範囲内であるような少くとも蒸留塔の層の構造的充
   填を利用して液相および蒸気相流れの均質接触を実施す
   ることと、プロセスを前記層におけるデンシメーター表
   面ガス速度が少くとも毎秒０．０６フィート（約１．８
   ｃｍ）になるよう運転することから成る混合物の分離法
   。
2. （２）前記混合物は空気であることを特徴とする請求項
   １による混合物の分離法。
3. （３）少くとも１塔を具備する蒸留塔系の一定の層にお
   いて、酸素とアルゴンを含む液相流れと、酸素およびア
   ルゴンを含む蒸気相流れとを均質に接触させ、それによ
   って前記蒸気相流れを酸素で濃縮し、また前記蒸気相流
   れからアルゴンをストリップし、さらに蒸気相流れをア
   ルゴンで濃縮しまた前記蒸気相から酸素をストリップす
   る物質移動を可能にする極低温蒸留によって、酸素およ
   びアルゴンから成る混合物の分離法において、アルゴン
   濃度が約０．６乃至約７５容量％の範囲内であるような
   少くとも蒸留塔の層の構造的充填を利用して液相および
   蒸気相流れの均質接触を実施することと、プロセスを前
   記層におけるデンシメーター表面ガス速度が少くとも毎
   秒０．０６フィート（約１．８ｃｍ）になるよう運転す
   ることから成る混合物の分離法。
4. （４）少くとも１基の蒸留塔を具備し、酸素とアルゴン
   とを含む混合物を分離し、アルゴンの濃度が約０．６乃
   至約７５容量％の範囲であるような少くとも蒸留塔の層
   の構造的充填に蒸留トレイを置換える工程から成る極低
   温蒸留装置の改良法。