JPH02501850A

JPH02501850A - 極低温空気分離用の空気の部分的膨張による冷凍

Info

Publication number: JPH02501850A
Application number: JP63501748A
Authority: JP
Inventors: エリクソン、ドナルド・シー
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1990-06-21
Also published as: EP0338022A1; AU592489B2; DE3782660D1; US4777803A; DE3782660T2; EP0338022A4; ATE82383T1; WO1988005148A1; EP0338022B1; AU1296588A

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】本発明は、極低温分別蒸留により、空気を分離して任意の純度の酸素と共に、所望により共生酸物アルゴンを生成するための方法および装置に関する。本発明は、分別蒸留の効率を増加させる新規な冷凍法の導入によりこれらの生成物のためにこれまで必要であったエネルギーを実質的に減少させることができる。

技術的背景従来からの極低温空気分離法は、通常、少なくとも２つの蒸留塔：「低圧塔Ｊ（Ｌ　Ｐ塔）（ここから、所定純度の流体酸素・底部生成物と気体窒素・頂部生成物が引抜かれる）と、「高圧精留塔」（ここに、供給空気を供給する）を用いている。この精留塔は、２つの塔の間の間接的潜熱交換によりＬＰ塔を再沸させると共に、両方の塔ζこつし１て液体窒素＜ＬＮｔ）を還流させ、酸素豊富液体空気・底部生成物（力＼ま液）を得、その後これをＬＰ塔に供給している。

従来からの工程系統図では、以下の２つの常法のいずれかによりかかる分離工程全体に必要な大半の冷凍を生み出している：ＨＰ精留塔・頂部窒素の一部をＬＰ塔・頂部圧よりもわずかに低い排出圧に仕事膨張させるか、または供給空気の膨張部分をＬＰＰ中間部高さ圧に仕事膨張させる。米国特許第３３２７４８８号は、同じ工程系統図において上記２つの方法を説明しているが、経済的な理由から、通常一方または他方のみを用いている。

冷凍は、その代償として熱の漏れ、熱交換器の非効率性、他の効果などを伴なう。必要な冷凍を生みだすには、最も近代的で効率的な膨張器でさえも、分離プラントの寸法や設計に応じて、入口空気流の約８〜１５％からなる膨張流が必要である。この流れは、プロセス効率の損失を示すものであり、これは、種々の事項によって証明することができ、例えば、他の方法で可能なものよりも低い酸素の回収率および／または純度、共生酸物アルゴンの低い回収率および／または純度、許容される回収率と純度を達成するための多数の機緘（および資本コスト）、他の方法で可能なものよりも低い０．放出圧である。

従来からの冷凍技術は、分別蒸留塔の操作効率について、全く効果的ではない。

塔の効率は、操作および平衡ラインの閉鎖、すなわち著しく異なる組成および／または温度からなる流れを混合しないことによって、示される。蒸留塔を相互に作用させてこれらをより効率的に操作させることからなる新規な冷凍技術であれば、たとえかかる冷凍技術自体が従来からの冷凍技術よりもより効率的でなくとも、有利である。これが、本発明開示の１つの目的である。

先行技術として、蒸留塔を好適に相互作用させて冷凍を生み出す１つの別の手段が開示されている。米国特許第４５４３１１５号および英国特許第１２７１４１９号の開示によれば、供給空気の一部を中間部圧力に仕事膨張させることが可能であるが、この圧力は、ＬＰ塔正圧力りも充分に高く、しかも該部分的膨張空気がＬＰＰ中間部高さ液体と、中間部再沸器によって潜熱交換しうるようなものである。該空気は、ＬＰ塔の中間部を再沸騰させながら、全縮される。液体空気は、その後ＬＰ塔の圧力に減圧され、中間部再沸器よりも高い高さに、供給される。ＬＰ塔は、供給地点よりも低い中間部再沸器により、より効率的に操作される。他方、冷凍空気膨張の減圧比率は、所定量の冷凍を生成するのに、より多量の物質流が必要である。したがって、より多量の空気をＨＰＰ留塔に迂回させるので、その分離がより困難になる。この効果は、改善されたＬＰ塔の効率による上記利点を大巾に打ち消してしまう。全体的に見れば、主要装置に加えて付加的な装置（中間部の再沸器）が必要であるという欠点を伴なう、正味の熱動力学的利点の欠如により、この冷凍技術が公に公開されてから１５年間、該技術が任意の公知の用途に用いられることを妨げていたのである。

要求されているもの、および本発明の１つの目的は、空気分離プロセス用の冷凍のこの方法に関する改善であり、該方法によれば、塔の操作効率が改善され、しかも膨張器に供給するに必要な空気量を減少し、かつ付加的な主要装置の数およびコストを減少させる。

さらに加えて、これらの改善が、低純度〜中程度の純度の酸素または高純度窒素・製造用の従来からの工程系統図に加えて、高純度酸素＋共生酸物アルゴン用の工程系統図においても得られることが望ましい。

以下に記載の任意のガスとの潜熱交換によりＬＰ塔の底部を再沸騰させることが知られている：ＨＰ精留塔・項部Ｎｔ；分縮供給空気（米国特許第３１１３８５４号、第３３７１４９６号、第３３２７４８９号、第３６８８５１３号および第４５７８０９５号）；または全縮供給空気（米国特許第３２１０９５１号、第４２０８１９９号および第４４１０３４３号）。同様に、ＬＰ塔の液体酸素底部生成物を気体酸素生成物に、同じこれらのガスとの潜熱交換により蒸発させることが知られている。米国特許第３１１３８５４号、第３３７１４９６号、第３３２７４８９号および第４５６０３９８号は分縮ＬＯＸＢＯＩＬを開示し、他方、第３２１０９５１号、第４１３３６６２号、第４４１０３４３号および第４５０７１３４号は全縮ＬＯＸＢＯＩＬを開示している。

米国特許第３２１０９５１号および第４４１０３４３号の両者は、単一の熱交換器を開示しており、これにより約４０％〜５６％の供給空気を全縮させて、ＬＯＸＢＯＩＬおよびＬＰ塔の両方を再沸騰させ、次いで得られた液体空気を分割して両塔に供給している。

ＬＰ塔をＨＰ精留塔のＮ！により再沸騰させる場合、ＬＯＸＢＯＩＬは空気凝縮がなされるが、ＬＯＸＢＯＩＬの圧力はＬＰ塔の底部圧力よりもやや高い。かかる圧力の増加は液体酸素のポンプにより達成することもできるが、好ましい方法は、ＬＰ塔のかん出液・再沸器よりも低い適当な高さにおいて、液体酸素による塔の大気脚または静水頭を用いること、すなわちＬＯＸを沸騰させることである。これは、米国特許第４１３３６６２号、第４５０７１３４号、および第４５６０３９８号、および南アフリカ特許出願第８４５５４２号（１９８４年７月１８日付出願、イズミチおよびオーヤマ）に開示されている。

ＨＰ精留塔の底部液体（がま液）を減圧させ、次いでＨＰ精留塔を、ＨＰ精留塔の頂部蒸気と減圧かま液の間での潜熱交換により還流させることも知られている。次いで蒸発かま液をＬＰ塔に供給している。これは、米国特許第４４１０３４３号、第４４３９２２０号および第４５１１１２５ｔｓ号に開示されている。

冷凍膨張器により得られた仕事を、圧縮供給空気の一部の付加的な加温目的の圧縮に対し、適用することも知られている。次いで、付加的に圧縮した空気は、通常の冷凍に用いるか（ドイツ特許出願第２８５４５０８号（１９８０年６月１９日発行、ロープにより出願））、またはＴＣＬＯＸＢｏｌＬに用いることができる（米国特許出願第４１３３６６２号、ソビエト特許出願第７５６１５０号および南アフリカ特許出願第８４５５４２号（前掲））。

蒸留塔を中間部還流させる場合、添加した当初の量により、所定の回収率および純度に関し、塔頂還流の実質的にｌ＝１の減少が可能になる。中間部還流の利点は、「ピンチ（ｐｉｎｃｈ）Ｊに達するまで添加量の増加につれて増大しつづけ、操作ラインは平衡ライン近くに接近する。該ポイントを越える中間部還流の付加的な添加は、かかる利点を減少させる。すなわち、必要な塔頂還流の量は、もはやこれ以上減少しない。液体空気を中間部還流に用いる空気分離法に関し、該液体空気還流の最適な量は、ＬＰ塔とＨＰ精留塔の両方について、供給空気の約５％〜ｌＯ％である。液体空気の流速をより大きくしても、塔頂還流に必要な量の付加的な減少は得られない。

以上まとめると、先行技術に開示の空気の部分的膨張冷凍は、（１）ＬＰ塔頂部の還流に必要な量を減少させる利点、（２）ＨＰ精留塔頂部の還流に必要な量が全く変化しないこと、（３）ＨＰ精留塔およびＬＰ塔の底部セクシジンを介する再沸騰が減少する欠点、および（４）主要装置が増加する欠点をもたらす。

＾ＩＲＰＥＲ冷凍と冷凍空気の加温コンバンダー処理の組み合わせは出願人が米国特許出願第４６７００３１号に開示した。

分別蒸留法は、２種またはそれ以上の揮発性物質からなる混合物を異なる揮発度と組成の少なくとも２つのフラクションに、向流気−液接触により分離する方法に関するもので、これにより一連の蒸発と凝縮が生じる。分別蒸留塔の「中間部高さ」なる用語は、その上方および下方の両方の向流気−液接触段を意味する。

「全縮」なる用語は、実質的に全ての蒸気の縮合を意味し、多数成分の混合物に関し液体組成が蒸気組成とほぼ同じ（例えば、主要成分については約１または２％以内）となるようなものである。これは、少量の蒸気を引き抜くこと、例えばヘリウムや水素のような痕跡量の気体不純物の抜き取りを妨げるものではない。

発明の開示空気部分的膨張冷凍（ＡＩＲＰＥＲ）技術は、液体空気を２つのおおよそ等しい部分（３：ｌの比率以下）に分割し次いで各々をＨＰ精留塔およびＬＰ塔に各中間部還流物として供給することにより、改善される。これにより、ＬＰ塔頂部の還流に必要な量の減少に加えてＨＰ精留塔頂部還流に必要な量が減少し、したがって、総体的な減少量が増大する。これは、他の方法ではＬ　Ｎ　を還流が欠亡する工程系統図、例えば、実質的な量のＨＰ−Ｇ　Ｎ　を共生酸物を必要とする方法またはＰＣ’　ＬＯＸＢＯＩＬに対して望ましいアルゴン共生成物を供なう、高純度酸素工程系統図にとって、重要である。縮合空気は、中間的な圧力（ＨＰ精留塔の圧力とＬＰ塔の圧力の間）であるので、まず、ＨＰ精留塔に迂回される該フラクションの圧力を増加させねばならない。

またＡＩＲＰＥＲ技術は、膨張の圧力比の量大化により改善され、これにより膨張器を介する物質流の比率が最小になる（したがって、所定量の再沸騰物がＨＰ精留塔とＬＰ塔の底部セクションに迂回する）。これを達成するための最も重要な方法は、空気を可能な限り冷却した温度で縮合することであり、これは、必要な中間部再沸騰物をＬＰ塔（ｒＮ、排除または除去」とも称する）に供給する見込みにより可能になる。これを行なうには、部分的膨張空気を、好ましくは以下に記載の２つの液体のいずれか一方または両方との潜熱交換により縮合する：減圧かま液および／または該がま液の供給高さとほぼ同じ高さからのＬＰ塔の液体（このがま液は、工程系統図の残りの部分に応じ、該地点において少なくとも部分的に蒸発させることができる）。

単独で採用する前記方法のいずれかにより、ＡＩＲＰＥＲ冷凍を組込んだ空気分離法に対する、実質的な改善が得られる。最も好ましくは、両方の方法を組込んだ方法であり、これにより、従来からの方法と比較して蒸留効率の著しい増加が達成される。冷凍膨張器を介する必要な物質流の比率は、加温コンバンダー処理（これが、好ましい）によりさらに減少させることが有利である。しかしながらこれは、従来からの工程系統図と比較して最小の相対的な改善のみが得られる。

なぜなら、これらは、また膨張器供給流の加温コンパンダ−処理を組込むことができるからである。

まとめると、空気の極低温分離により、酸素生成物と共に、所望により粗製アルゴン副生成物を製造するための方法および装置を開示するもので、ａ）供給空気の主要フラクションの未凝縮フラクションを高圧（ＨＰ）精留塔に供給し、ｂ）かかるＨＰ精留塔から頂部液体を引き抜き、次いで該液体の少なくとも一部を低圧窒素除去塔に頂部還流物として供給し、Ｃ）該供給空気の少量フラクションを中間的圧力に仕事膨張させ、ｄ）上記膨張空気を、少なくとも１つのＮ、除去塔の中間部高さ液体および少なくとも一部のＨＰ精留塔・底部液体（がま液）との潜熱交換により、凝縮させ、次いでｅ）得られた液体空気を少なくとも２つのフラクションに分割し、次いで一方のフラクションをＨＰ精留塔の中間部還流高さに供給すると共に、他方のフラクションを窒素除去塔に供給することからなる。

上記の改善した冷凍技術は、粗製アルゴン共生成物を含有する特に高純度のＯｔを含め、酸素または窒素−次生成物、気体および／または液体−次生成物、および任意のＯ７純度のような、任意のタイプの空気分別蒸留法に対しても、有利に適用できることが判明し図面の簡単な敬胛第１図は、約９７％までの低純度酸素の製法を示す簡略化した模式的工程系統図であり、ここには、ＰＣＬＯＸＢＯＩＬ、　Ｌ　Ｐ塔のＰＣ再沸器、液体空気分離（ＬＡＩＲ３ＰＬＩＴ）を伴うＡＩＲＰＥＲを組み込んでおり、ここでは、膨張空気を用いて、該供給高さのＬＰ塔中間部高さの液体を蒸発させている。第２図は、同様な工程系統図を示し、ここでは、膨張空気により減圧かま液を部分的に蒸発させ、２つの分縮熱交換器が１つに組合っている。第３図は、ＡＩＲＰＥＲの、アルゴンサイドアームを備える二重圧・高純度０ｓ（９９，５％純度）工程系統図への適用を示し、改良＾ＩＲＰＥＲによりアルゴンの回収率の増加とＰＣＬＯＸＢＯＩＬを介する酸素放出圧の増加の両方を可能にする一方、完全な酸素の回収を保持できることを示す。第４図は、改良ＡＩＲＰＥＲ技術が同様に二重圧高純度酸素工程系統図に適用できることを示す。第５図は、ＡＩＲＰＥＲの二重圧・高純度Ｏ１工程系統図への適用ための、第３図とは別の手段を示す。第５図において、全工程の効率増加は、酸素圧力の増加に代えて、著しい量の高純度窒素共生酸物として実現している。

本発明の最も好ましい実施態様第１図では、圧縮給空気（これは、好ましくは、例えばモレキュラー・シーブで暖かい間に乾燥、洗浄したもの）は、少量フラクション（これは、さらに圧縮器１０１で圧縮）と、主要フラクション（これは、主交換器１０２でその露点付近に冷却）に分割される。次いで、主要フラクションを分縮液体酸素・蒸発器１０３に、次いでＬＰ窒素除去塔１０５のかん出液再沸器１０４に送る。分縮空気は、所望により相分離器１０６で分離し、少なくとも蒸気フラクションをＨＰ精留塔１０７に供給する。ＨＰ精留塔頂部の蒸気により、ＬＰ塔１０５の中間部を中間部再沸器１０８で再沸騰させる。熱交換器１０９によるサブクーリングおよびバルブ１１０による減圧後に、得られた液体窒素を用いて、精留塔１０７とＬＰ塔１０５の両方を還流させる。任意の相分離器１１１を用いて、液体のみの塔１０５への供給を保証することができる。精留塔１０７のかん出液またはかま液は、分離器１０６の液体と混合し、バルブ１１２により冷却、減圧し、ＬＰ塔１０５に供給する。圧縮器１０１からの冷凍空気を部分的に冷却し、次いでタービン１１３により中間的圧力に仕事膨張させ、これにより、圧縮器１０１に動力を付与する。タービン１１３から排出される空気は、未だなお相当過熱されていれば、所望により付加的に冷却することができ、そうでなければ中間部再沸器１１４に、直接迂回させ、ここで、該空気を全縮する一方、中間部再沸騰物をＬＰ塔１０５の供給トレイ高さに、供給する。液体空気を２つのフラクション（各々、４〜１２％の供給空気からなる）に分割する。一方のフラクションは、バルブ１１５により減圧し、ＬＰ塔１０５の中間部・還流高さに供給する。他方のフラクションは、ポンプ１１６により圧力を増加させ、ＨＰ精留塔１０７の中間部高さに供給する。塔１０５のフラクションは、所望により熱交換器１０９によりサブクーリングすることができ、精留塔１０７のフラクションは、所望により熱交換器１１７により加熱することができる。ＬＰ塔１０５の液体酸素底部生成物を蒸発器１０３に、再沸器１０４および蒸発器１０３の相対的高さに応じて、ポンプ１１８ま１こは他の輸送手段により、移す。気体酸素および窒素を主交換器１０２を介して引き抜く。他の任意の共生酸物は、蒸発器１０３の液だめの液体酸素、液体窒素または高圧気体窒素を含め、図示していない。

第２図は、第１図と非常によく似た工程系統図を示し、以下に記載の２つの実質的な変化のみ異なる：第２図の再沸器２０４が、再沸器およびＬＯＸＢＯＩＬの両方の機能を兼備すること（これは、各々第１図の再沸器１０３および１０４によってなされるものである）；　および潜熱交換器２１４が、第１図のようなＬＰ塔の中間部供給高さ液体に対するよりも、減圧かま液に対し部分的膨張空気を縮合すること（該がま液は、これにより部分的に蒸発される）。やや実質的ではない変化は、交換器２０９が第１図の熱交換器１０９と１１７の両方の機能を兼備すること、および交換器２０２が１つのセクションに代えて２つのセクションとして示されていることである。他の２００番台の成分は、対応する１００番台の成分について前記したものに対応するので、繰り返さない。

第３図は、改良した＾ＩＲＰＥＲ冷凍法の、アルゴンサイドアームを備える従来からの二重圧塔形聾への適用を示す。圧縮し洗浄し乾燥した空気を分割し、少量フラクションを加温コンバンダー３０１に迂回させると共に、残部を主交換器３０２に迂回させる。冷却主要フラグジョンをＬＯＸ蒸発器３０３で分縮し、蒸気フラクションを、相分離器３０６で相分離し１このち、ＨＰ精留塔３０７に迂回させる。ＨＰ精留塔３０７頂部の蒸気により、低圧窒素除去塔３０５を再沸器３０４で再沸騰させて、液体窒素を得、これにより、精留塔３０７および塔３０５の両方を、サブクーラー３０９および減圧バルブ３１０＋任意の相分離器３１１を介し、還流させる。アルゴンサイドアーム塔３１９は、塔３０５の、実質的に全ての窒素が除去される高さと連通し、アルゴンを、その後の加工用に約９５％の純度に付加的に濃縮する。圧縮器３０１からの圧縮少量空気フラクションを、主交換器３０２を補償するのに必要な最少量を冷却し、次いで膨張器３１３により仕事膨張させ、これにより圧縮器３０１に動力を付与し、次いで（所望により付加的に冷却したのち）潜熱交換器３１４により、バルブ３１２より減圧した蒸発かま液に対し、凝縮する。

分離器３２１は、蒸気フラクションを塔３０５に供給すると共に、液体フラクションを任意のバルブ３２２を介して、サイドアーム３１９用の還流装置に迂回させる。還流凝縮器３２０は、サイドアーム３１９を液体還流させ、さらにがま液を、塔３０５への供給前に蒸発させる。好ましくは、還流装置は、向流気液接触域３２４の少なくとも１つの段、例えばシーブ・トレイ、および塔３０５への第２蒸気供給路（該向流接触器の上下の各々）に、組み込まれる。２つの蒸気路を介する蒸気流の相対的な量は、バルブ３２３により制御することができる。接触器３２４０目的は、蒸気を接触器３２４の下方から供給し、その酸素含量を最大させ、これによりサイドアーム３１９を介する再沸騰率とアルゴンの回収率を最大にさせることである。塔３０５の液だめにおける高純度液体酸素は、加圧用の手段３１８（これは、好ましくは静水頭の塔における単なるチェック・バルブとする）により加圧し、ＬＯＸ蒸発器３０３で気体酸素生成物に蒸発させ、次いで引き抜く。

アルゴンサイドアームを備える従来からの高純度酸素工程系統図は、有利にはＰＣＬＯＸＢＯＩＬを使用することができない。なぜなら、酸素の回収率（および、しばしばアルゴンの回収率）が、約２５％の供給空気の必要な分縮により、過剰に減少してしまうからである。すなわち、そうでなければかかる空気から利用可能な液体窒素の還流が、もはや利用可能でなくなり、回収率の悪化を被る。開示した改良型ＡＩＲＰＥＲによれば、液体窒素還流に必要な量は、ＰＣＬＯＸＢＯＩＬが初めて有利となる程に、著しく減少する。また、２または３の、かま液の連続的蒸発工程（これにより、２または３の、異なる組成の蒸気流をＬＰ塔に供給する）により、該塔を非常に効率的に操作でき、また最大の再沸騰がサイドアーム３１９により可能になる。

第４図は、第３図の二重圧装置に代えて、二重圧塔装置による高純度酸素および共生酸物アルゴンの製造を示す。酸素とアルゴンの分離は、第３図の窒素除去塔３０５の低い圧力よりも、やや低い圧力での分離塔の操作により行う。第４図の窒素除去塔４０５は、分縮空気による再沸器４０４により、再沸騰されるので、第３図の代表的な供給圧範囲である７５〜９０ｐｓｉａとは異なった、第１図および第２図と同様な５５〜７５ｐｓｉａの非常に低い供給圧で操作することができる。成分４０１．４０２．４０４〜４０７および４０９〜４１６は、機能の点で、前記１００．２００および３００番台の成分と同じである。アルゴン塔４１９は、ストリッピング・セクションと精留セクションの両方を備え、また２つの還流凝縮器４２４および４２０を有する。バルブ４１２からの減圧かま液を凝縮器４２４で部分的に蒸発させ、次いで分離器４２１およびバルブ４２３で分離して、やや酸素含量が高い液体フラクションと蒸気フラクションを得、この蒸気フラクションを、中間部再沸器４１４でＡＩＲＰＥＲ空気を凝縮させるのに用いられる中間部液体と、同じ高さの塔４０５に供給する。バルブ４２３からの液体を中間部の還流凝縮器４２０で蒸発させ、同様に塔４０５（その高酸素含量により低い高さ）に、迂回させる。塔４１９に、液体酸素−アルゴン混合物を塔４０５の中間部高さから輸送用の手段４２５を介し、供給する。塔４１９は塔４０５よりも低い圧力、例えば１６ｐｓｉａ対２１ｐｓｉａであるが、輸送手段４２５が、高度の差異により液体ポンプとならねばならない場合がある。できるだけ多量の気体酸素生成物を塔４０５の物質だめから、約２２ｐｓｉａで引き抜く。塔４１９の液体酸素底部生成物は、塔４０５の物質だめに、輸送手段４１８を介し輸送するが、これも同様に、高度差が充分であれば（静水頭）、制御バルブまたはチェックバルブとできるが、そうでない場合には、液体ポンプとすることができる。全ての酸素生成物を再沸器４０４でガス化しうるわけではない場合、例えば、かなりの量の窒素共生酸物を所望の場合、少量のまたは全ての酸素生成物を塔４１９の物質だめから低圧で引き抜くことができる。

塔４１９から少量の気体酸素生成物回収の必要性を減少または回避させるのに使用することができる、１つの有用な方法は、付加的な外部動力付与・圧縮器４２６を冷凍空気ラインに、圧縮器４０１の前後に組み込み、所望により冷却器４２７を組み込むことである。膨張の圧力比率を付加的に増加させることにより、膨張器４１３を介する必要な物質流の比率を減少し、より多量の空気を再沸器４０４の駆動に利用することができる。必要な圧縮器は、非常に小さい。なぜなら、該圧縮器は、すでに加圧されている供給空気の少量フラクション（１０〜１５％）を圧縮するだけであり、また各の必要な動力は、主空気圧縮器動力の１または２％のオーダーだけだからである。これにより、不調な条件や非標準的な環境条件のための、良好に可変可能な「ため」が得られ、したがって、残りの装置に必要な予備的な限界を減少させる。それ自体、二重圧工程系統図だけでなく、ＡＩＲＰＥＲを組み込んだ全ての工程系統図において有利なものとすることができる。

第３図および第４図は、がま液の連続的蒸発を伴うアルゴン精留セクションの好ましい還流法を示しているが、他の還流法も可能であり、例えばアルゴン精留塔蒸気を窒素除去塔の中間部高さの液体と、直接潜熱交換させることができる。第１図〜第４図は、全て、偶然に、ＨＰ精留塔に入る前の、供給空気の分縮を示しているが、これは、決して一般的な要件ではない。第５図は、供給空気の主要フラクションをＨＰ精留塔に、分縮を介在させずに直接供給する。

第５図は、大気中の空気を、主空気圧縮器５４ｏ１凝縮器−冷却器５３９およびモレキュラーシーブ乾燥器／Ｃｏ、スクラバー５３８のような代表的な成分を用い、圧縮し、洗浄、冷却している。次いで主要フラクションを主熱交換器５０２を介しＨＰ精留塔５０７に迂回させ、他方、少量フラクション（約１０〜２０％、最も好ましくは約１５％の供給空気）を付加的に加温圧縮器５０１で圧縮し、交換器５３７および５０２で冷却し、膨張器５１３で仕事膨張させ（これは、圧縮器５０１に動力を付与する）、次いでＡＩＲＰＥＲ潜熱交換器５１４に迂回させ、ここで、実質的に全て凝縮する。得られた液体空気を２つの流れに分割し、一方をＨＰ精留塔５０７の圧力にポンプ５１６で加圧し、ＨＰ精留塔５０７の中間部還流高さに供給する。他方は、ＬＰ塔５０５の圧力にほぼ減じ、減圧用の手段５１５を介し該塔の中間部還流高さに供給する。

ＨＰ精留塔５０７を塔頂で、潜熱交換器５０４により還流し、これにより、ＬＰ塔５０５を再沸騰させ、酸素生成物を蒸発させる。ＨＰ精留塔５０７に供給された空気および液体空気を、これにより精留して、窒素頂部生成物および不純な酸素底部生成物（がま液）を得る。頂部窒素生成物の一部（約９９％の純度）を液体として冷却器５０９、減圧用の手段５１０および任意の相分離器５１１を介し、迂回させ、次いでＬＰ塔５０５の頂部に還流液体として、供給する。共生酸物窒素は、代表的には高純度が望ましいので、ＨＰ精留塔５０７において付加的な向流気液接触域５３６で付加的に精製することができる。より高い純度の液体窒素（９９，９９％またはそれ以上）を核酸の上方から引き抜き、次いで減圧用の手段５３５で部分的に減圧し、潜熱交換器５３４で蒸発させる。交換器５３４を、アルゴンサイドアーム５１９の凝縮蒸気で加熱する。頂部蒸気も可能であるが、好ましくは、サイドアーム５１９の中間部蒸気を用い、中間部還流物をサイドアーム５１９に戻す。サイドアーム５１９のアルゴンの回収率は、交換器５３４を用いて頂部または中間部蒸気を凝縮させるか否かに拘わらず、増加されるが、中間部蒸気の使用の場合、より高い窒素共生酸物圧力が得られる（約５０ｐｓｉａ）。

この［液体窒素沸騰（ＬＩＮＢＯＩＬ）Ｊ技術を用いれば、約２０％の供給空気流の比率を、５０ｐｓｉａで高純度窒素共生酸物として得ることができ、他方、高純度酸素の完全な回収および粗製アルゴンの高い回収を保持できる。

第５図の残りは、ＡＩＲＰＥＲ交換器５１４およびアルゴンサイドアーム還流凝縮器５２０の両方を冷却すると同時に、がま液を、ＬＰ塔５０５の異なる高さへの最適な供給用として異なる組成を有する３つの流れに分割する、「連続的ＫＥＬＢＯＩＬＪを示す。冷却器５０９で冷却したのち、がま液の一方のフラクションは、直接ＬＰ塔５０５に、バルブ５３１を介して供給する。残りのフラクションは、バルブ５１２を介して交換器５１４に供給する。交換器５１４の部分的蒸発かま液を付加的に、２つの流れに付加的に分割し、蒸気の少なくとも大部分をＬＰ塔５０５に、バルブ５３２を介して供給し、液体の少なくとも大部分を交換器５２０に、バルブ５２２を介して供給する。付加的な蒸発後の後者の流れは、最後にはＬＰ塔５０５に、管５３３を介して供給する。しかし、交換器５１４および５２０の他の冷却手段も可能で、例えばいずれかまたは両方は、ＬＰ塔５０５の液体と直接潜熱交換させることができる。また、第３図は、第５図に示したと同じ連続的ＫＥＬＢＯＩＬ技術を利用することができる。

まとめると、ＡＩＲＰＥＲ技術は、液体窒素の還流に必要な、塔５０５と精留塔５０７の合計量を最少にし、したがって、共生酸物用の液体窒素をフリーにすることができる。すなわち、ＬＩＮＢＯＩＬ技術により、実質的な圧力レベルで、窒素共生酸物を得ることができる。明らかなように、他の有用な具体例もＡＩＲＰＥＲおよびＬＩＮＢＯ比の組み合わせから可能であり、例えば加圧窒素を膨張させて、より多量の冷凍を得、したがって液体共生酸物を著しく増加させるか、または膨張窒素を用いて冷却圧縮器を駆動させ、酸素圧、酸素純度および／またはアルゴン回収を増加させることができる。

産業上の適用の可能性開示した改良は、任意のタイプの工業的極低温空気分離法、とくに、任意の純度で酸素の生産能力約５０〜５０００トン／日のものに、適用することができる。

汁率（内容に変更なし）補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成１年６月２２日ＰＣＴ／ＵＳ８７１０３４８１、発明の名称極低温空気分離用の空気の部分的膨張による冷凍３、特許出願人氏名　エリクソン、ドナルド・シー４、代理人住所　〒５４０　大阪府大阪市中央区域見２丁目１番６１号ツイ：／２１ＭＩＤタワー内　電話（０６）９４９−１２６１１９８８年７月２２日６、添付書類の目録（１）　補正書の翻訳文　ｌ　通（英文１８頁および１９頁）１３、さらに、ａ）ＬＰ塔の底部付近から得られたアルゴン−酸素混合物をアルゴン精留塔により精留させて、粗製アルゴン頂部生成物を得、次いでｂ）アルゴン精留塔を、ＬＮ、を部分的に減圧した後の、ＨＰ精留塔のＬＮ、頂部生成物の一部との潜熱交換により、少なくとも部分的に還流させることからなる請求項１記載の方法。

１４、アルゴン精留塔の該還流が中間部高さにおいて提供されること、およびさらにアルゴン精留塔の頂部を還流させることからなる請求項１３記載の方法。

１５、圧縮空気を分別蒸留させることにより酸素、窒素および共生酸物アルゴンの少なくとも１つを製造するにあたり、ａ）圧縮空気の未凝縮主要フラクションを精留塔により精留させて、液体窒素頂部生成物および酸素豊富液体底部生成物（がま液）を得、ｂ）該圧縮空気の少量フラクションを中間部圧力に仕事膨張させ、Ｃ）膨張空気を、減圧かま液との潜熱交換により凝縮させ、これにより該がま液を部分的に蒸発させ、ｄ）少なくとも部分的に蒸発したがま液を、低圧蒸留塔（ＬＰ塔）により蒸発させて、気体頂部窒素および流体酸素底部生成物を得、ｅ）凝縮空気をほぼ同等の２つのフラクションに分割し、ｆ）一方のフラクションを低圧塔の中間部高さに供給し、次いでｇ）残りのフラクションの圧力を増加させ、次いでこれを高圧精留塔の中間部高さに供給することを特徴とする製法。

１６、さらに、ａ）供給空気の少量フラクションを、該膨張前に付加的に圧縮し、次いでｂ）該付加的な圧縮工程に、該膨張により得られた仕事により動力を付与することからなる請求項１５記載の方法。

１８、さらに、ａ）圧縮空気を、未凝縮フラクションのＨＰ精留塔への供給前に分縮させること、ｂ）ＬＰ塔の液体酸素底部生成物を、該分縮・圧縮空気との潜熱交換により蒸発させること、およびｃ）ＬＰ塔かん出液再沸騰および該蒸発液体酸素からの気体酸素生成物の少なくとも１つを得ることからなる請求項１５記載の方法。

１９、さらに、ａ）膨張される供給空気の少量フラクションを、該膨張前に外部的動力付与圧縮器により再び圧縮させ、次いで、ｂ）該少量フラクションを、両方の圧縮後であって該膨張前に冷却させることからなる請求項１８記載の方法。

２０、圧縮空気を極低温分別蒸留させるための装置であって、ａ）高圧塔（ここに、該圧縮空気の未凝縮主要フラクションを供給する）ｂ）低圧塔（これは、ＨＰ精留塔の頂部生成物からの液体窒素で還流される）・・・手続補正書く方式）％式％１、事件の表示ＰＣＴ／ＵＳ８７１０３４８１、発明の名称３、補正をする者事件との関係　特許出願人氏名　エリクソン、ドナルド・シー４、代理人平成　２年　２月２７日（発送日）６、補正の対象図面の翻訳文（第５図）国際調査報告番

Claims

【特許請求の範囲】

１．圧縮空気の極低温蒸留により、酸素生成物と共に、所望により粗製アルゴン副生成物を製造するにあたり、ａ）供給空気の主要フラクションの少なくとも未凝縮部分を高圧精留塔に供給し、ｂ）かかるＨＰ精留塔から頂部液体を引き抜き、次いで該液体の少なくとも一部を低圧窒素除去塔に頂部還流物として供給し、ｃ）該供給空気の少量フラクションを中間部圧力に膨張させ、ｄ）上記膨張空気を、Ｎ２除去塔の中間部高さの液体および少なくとも一部のＨＰ精留塔・底部液体（かま液）の少なくとも１つとの潜熱交換により、凝縮させ、次いでｅ）得られた液体空気を少なくとも２つのフラクションに分割し、次いで一方のフラクションをＨＰ精留塔の中間部還流高さに供給すると共に、他方のフラクションを窒素除去塔に供給することを特徴とする製法。
２．さらに、供給空気の主要フラクションをＨＰ精留塔に、いづれの予備的な分縮をも行なわずに、直接供給することからなり、さらに、ａ）液体空気の該フラクションの一方の圧力を、それによりＨＰ精留塔の中間部を還流する前に増加させること、ｂ）仕事膨張される空気の少量フラクションを、上記仕事膨張の前に付加的に圧縮させること、およびｃ）該圧縮工程に、該膨張工程で得られた仕事により動力を付与することからなる請求項１記載の方法。
３．さらに、ａ）該圧縮空気の一部を、該未凝縮フラクションのＨＰ精留塔への供給前に分縮させること、ｂ）液体空気の該フラクションの一方の圧力を、それをＨＰ精留塔に供給する前に増加させること、ｃ）窒素除去塔の液体酸素底部生成物を、該分縮空気との潜熱交換により蒸発させること、およびｄ）窒素除去塔・かん出液の再沸騰および、該蒸発・液体酸素からの気体酸素生成物の少なくとも１つを得ることからなる請求の範囲第１項記載の方法。
４．さらに、ａ）かま液をほぼ窒素除去塔の圧力に減圧させ、ｂ）該減圧かま液を該空気凝縮工程に供給し、ｃ）該かま液を凝縮空気との潜熱交換により部分的に蒸発させ、ｄ）部分蒸発かま液の少なくとも蒸気フラクションを窒素除去塔に供給し、ｅ）部分的仕事膨張空気を、圧縮供給空気約１０〜２４％量での該潜熱交換工程より凝縮させ、次いでｆ）別々にした液体空気中間部還流の流れをＨＰ精留塔と窒素除去塔に供給すること（これは、各々圧縮供給空気の約５〜１２％である。）からなる請求項１記載の方法。
５．さらに、ａ）仕事膨張される空気の少量フラクションを、上記仕事膨張前に付加的に圧縮させ、ｂ）該圧縮工程に、該膨張で得られた仕事により動力を付与し、次いでｃ）ＨＰ精留塔頂部蒸気と窒素除去塔中間部高さ液体の間で潜熱交換させ、これにより、ＨＰ精留塔の頂部を還流させると共に窒素除去塔の中間部を再沸騰させることからなる請求項３記載の方法。
６．さらに、ａ）アルゴン蒸留塔を設け、ここに、窒素除去塔の液体酸素−アルゴン混合物を供給し、次いでｂ）アルゴン塔を、ＨＰ精留塔頂部蒸気との潜熱交換により再沸騰させることからなる請求項３記載の方法。
７．さらに、ａ）仕事膨張される空気の少量フラクションを、該仕事膨張前に付加的に圧縮させ、ｂ）該圧縮工程に、該膨張により得られた仕事によって動力を付与し、ｃ）アルゴン塔の頂部を、部分的蒸発減圧かま液との潜熱交換により還流させ、ｄ）アルゴン塔の中間部高さを、残存未蒸発かま液との潜熱交換により還流させ、次いで、ｅ）工程ｃ）および工程ｄ）の蒸気流を窒素除去塔の異なる高さに供給することからなる請求項６記載の方法。
８．さらに、ａ）仕事膨張される空気の少量フラクションを、該仕事膨張前に付加的に圧縮させ、ｂ）該圧縮工程に、外部動力源により動力を付与し、ｃ）中間部高さ液体が膨張空気との潜熱交換用に得られる高さとして、窒素除去塔への供給位畳を選択し、ｄ）少なくとも気体酸素生成物の主要フラクションを、分縮空気との潜熱交換工程により蒸発させることからなる請求項６記載の方法。
９．さらに、ａ）窒素除去塔の底部を、ＨＰ精留塔頂部蒸気との潜熱交換により再沸騰させ、ｂ）アルゴンサイドアーム塔を窒素除去塔と、蒸気および液体連通させ、ｃ）粗製アルゴンをサイドアームから引き抜き、次いでｄ）窒素除去塔の液体酸素底部生成物の圧力を、その蒸発前に分縮供給空気との潜熱交換により増加させることからなる請求項３記載の方法。
１０．さらに、ａ）液体酸素蒸発器を、窒素除去塔の底部よりも低い高さに位置させ、これにより該圧力増加の少なくとも一部を液体酸素の静水頭により得、ｂ）少なくとも２つの連続的段における減圧かま液を、アルゴンサイドアーム塔の蒸気との潜熱交換により少なくとも部分的に蒸発させ、これによりアルゴンサイドアーム塔の還流および異なる組成の少なくとも２つの蒸気流を得、次いでｃ）該２つの蒸気流を窒素除去塔の異なる高さに供給することからなる請求項９記載の方法。
１１．さらに、任意の蒸気かま液の供給高さと同じ平衡段の窒素除去塔中間部高さ液体を、膨張空気との潜熱交換により再沸騰させることからなる請求項１記載の方法。
１２．さらに、ａ）仕事膨張される供給空気の少量フラクションを、該仕事膨張前に少なくとも１回付加的に圧縮させ、ｂ）該少量フラクションを、圧縮の後であって膨張前に冷却し、次いでｃ）該付加的な圧縮工程の一方に、該膨張により得られた仕事により動力を付与するとともに、該工程の他方に、外部動力源により動力を付与することからなる請求項１記載の方法。
１３．さらに、８）ＬＰ塔の底部付近から得られたアルゴン−酸素混合物をアルゴン精留塔により精留させて、粗製アルゴン頂部生成物を得、次いでｂ）アルゴン精留塔を、ＬＮ２を部分的に減圧した後の、ＨＰ精留塔のＬＮ２頂部生成物の一部との潜熱交換により、少なくとも部分的に還流させることからなる請求項１記載の方法。
１４．アルゴン精留塔の該還流が中間部高さにおいて提供されること、およびさらにアルゴン精留塔の頂部を還流させることからなる請求項１３記載の方法。
１５．圧縮空気を分別蒸留させることにより酸素、窒素および共生成物アルゴンの少なくとも１つを製造するにあたり、ａ）圧縮空気の未凝縮主要フラクションを精留させて、液体窒素頂部生成物および酸素豊富液体底部生成物（かま液）を得、ｂ）該圧縮空気の少量フラクションを中間部圧力に仕事膨張させ、ｃ）膨張空気を、減圧かま液との潜熱交換により凝縮させ、これにより該かま液を部分的に蒸発させ、次いで、ｄ）少なくとも部分的に蒸発したかま液を、低圧蒸留塔（ＬＰ塔）により蒸発させて、気体頂部窒素および流体酸素底部生成物を得ることを特徴とする製法。
１６．さらに、ａ）供給空気の少量フラクションを、該膨張前に付加的に圧縮し、次いでｂ）該付加的な圧縮工程に、該膨張により得られた仕事により動力を付与することからなる請求項１５記載の方法。
１７．さらに、ａ）凝縮空気をほぼ同等の２つのフラクションに分割し、ｂ）一方のフラクションを低圧塔の中間部高さに供給し、次いでｃ）残りのフラクションの圧力を増加させ、次いでこれを高圧精留塔の中間部高さに供給することからなる請求項１６記載の方法。
１８．さらに、ａ）圧縮空気を、未凝縮フラクションのＨＰ精留塔への供給前に分縮させること、ｂ）ＬＰ塔の液体酸素底部生成物を、該分縮・圧縮空気との潜熱交換により蒸発させること、およびｃ）ＬＰ塔かん出液再沸騰および該蒸発液体酸素からの気体酸素生成物の少なくとも１つを得ることからなる請求項１７記載の方法。
１９．さらに、ａ）膨張される供給空気の少量フラクションを、該膨張前に外部的動力付与圧縮器により再び圧縮させ、次いで、ｂ）該少量フラクションを、両方の圧縮後であって該膨張前に冷却させることからなる請求項１８記載の方法。
２０．圧縮空気を極低温分別蒸留させるだめの装置であって、ａ）高圧塔（ここに、該圧縮空気の未凝縮主要フラクションを供給する）ｂ）低圧塔（これは、ＨＰ精留塔の頂部生成物からの液体窒素で還流される）ｃ）仕事膨張器（ここに、部分的冷却後の該圧縮空気の少量フラクションを供給する）ｄ）少なくとも１つの潜熱交換器（ここに、該膨張空気、および減圧かま液およびＬＰ塔供給高さ液体の１つを供給する）ｅ）該潜熱交換器からの凝縮空気を２つのフラクションに分割させるための手段、ｆ）該液体フラクションの１つをＬＰ塔の中間部高さに供給するための手段、およびｇ）残りのフラクションを加圧しこれをＨＰ塔の中間部高さに供給するための手段からなることを特徴とする装置。
２１．加圧用の手段が液体ポンプであって、さらにａ）主要供給空気フラクションの分縮によるＬＰ塔の液体酸素底部生成物・蒸発用の潜熱交換器、およびｂ）供給空気の少量フラクションを該膨張前に圧縮させるための手段（この圧縮用の手段は、該仕事膨張器により動力付与される）からなる請求項２０記載の装置。
２２．さらに、ａ）アルゴン−酸素精留塔（ここに、ＬＰ塔底部近くからの酸素−アルゴン混合物を供給する）およびｂ）アルゴン−酸素精留塔用の還流凝縮器（ここに、ＨＰ精留塔からの部分的減圧ＬＮ２頂部生成物を供給する）からなる請求項２０記載の装置。
２３．ＬＮ２還流凝縮器により、中間部高さ還流物をアルゴン精留塔に供給すること、およびさらにアルゴン−酸素精留塔用の項部還流凝縮器（ここに、減圧かま液から得られた液体フラクションおよびＬＰ塔中間部高さ液体の少なくとも１つを供給する）からなる請求項２２記載の装置。