JPH03170785A - 極低温の空気分離方法およびその装置 - Google Patents
極低温の空気分離方法およびその装置Info
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- F25J3/04424—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system without thermally coupled high and low pressure columns, i.e. a so-called split columns
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- F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
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- F25J2240/42—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
この発明は、空気分離方法の分野に関し、特に、液化空
気が高圧塔凝縮器に対する熱交換媒体として使用され、
エネルギ．一有効プロセスを提供するような空気から窒
素、酸素、および／またはアルゴンの製造方法およびそ
の装置に関する。
気が高圧塔凝縮器に対する熱交換媒体として使用され、
エネルギ．一有効プロセスを提供するような空気から窒
素、酸素、および／またはアルゴンの製造方法およびそ
の装置に関する。
従来技術
標準の極低温の空気分離方法は、導入空気を濾過して粒
状物質を除去し、その後、その空気を圧縮して分離用の
エネルギーを供給することを含む。
状物質を除去し、その後、その空気を圧縮して分離用の
エネルギーを供給することを含む。
一般に導入空気流は、その後、冷却され、吸収剤に通さ
れて二酸化炭素および水蒸気のような混入物が除去され
る。得られた気流は、極低温の蒸留に供される。
れて二酸化炭素および水蒸気のような混入物が除去され
る。得られた気流は、極低温の蒸留に供される。
極低温の蒸留もしくは空気分離は、極低温で操作される
一つまたはそれ以上の分離塔に高圧空気を導入し、それ
により酸素、窒素、アルゴン、および希ガスを含む空気
成分が蒸留により分離され得ることを含む。
一つまたはそれ以上の分離塔に高圧空気を導入し、それ
により酸素、窒素、アルゴン、および希ガスを含む空気
成分が蒸留により分離され得ることを含む。
蒸気と液体の接触を含む極低温の分離方法は、それぞれ
の成分に対する蒸気圧の差に依存する。
の成分に対する蒸気圧の差に依存する。
高蒸気圧（より揮発性があるまたはより低い沸点である
ことを意味する）を有する成分は、気相中で濃縮する傾
向を有する。低蒸気圧（揮発性が乏しいまたはより高い
沸点であることを意味する）を有する成分は、液相中で
濃縮する傾向がある。
ことを意味する）を有する成分は、気相中で濃縮する傾
向を有する。低蒸気圧（揮発性が乏しいまたはより高い
沸点であることを意味する）を有する成分は、液相中で
濃縮する傾向がある。
液状混合物の加熱で気相の揮発性成分と液相の揮発性に
乏しい成分を濃縮する分離プロセスは、蒸留を定義する
。部分的な凝縮は、蒸気混合物を冷却して揮発性成分を
気相中で濃縮し、同時に揮発性に乏しい成分を液相中で
濃縮する分離プロセスである。
乏しい成分を濃縮する分離プロセスは、蒸留を定義する
。部分的な凝縮は、蒸気混合物を冷却して揮発性成分を
気相中で濃縮し、同時に揮発性に乏しい成分を液相中で
濃縮する分離プロセスである。
液相における蒸気の向流処理を含む部分的蒸発および凝
縮を連続して組み合わせる方法は、精留とよばれるかま
たはときどき連続蒸留と呼ばれる。
縮を連続して組み合わせる方法は、精留とよばれるかま
たはときどき連続蒸留と呼ばれる。
気相および液相の向流接触は、断熱的であり、相間の全
体もしくは微分的接触を含み得る。
体もしくは微分的接触を含み得る。
精留原理を用いた分離方法を達成し、混合物を分離する
ために使用される装置は、しばしば精留塔、蒸留塔、ま
たは分留塔と呼ばれる。
ために使用される装置は、しばしば精留塔、蒸留塔、ま
たは分留塔と呼ばれる。
本明細書でおよび特許請求の範囲において使用される場
合、「塔」なる語は蒸留もしくは分留の塔もしくは領域
を示す。それは、また液相または気相が流体混合物を分
離するために向流接触されるような接触塔もしくは領域
として記述され得る。
合、「塔」なる語は蒸留もしくは分留の塔もしくは領域
を示す。それは、また液相または気相が流体混合物を分
離するために向流接触されるような接触塔もしくは領域
として記述され得る。
例えば、これは、しばしば穿孔されているおよび波形で
あるこ並びに中心袖に垂直で塔にクロスして延出した垂
直方向に離隔した一連のトレーもしくはプレート上にお
ける気相および液相の接触を含むであろう。トレーもし
くはプレートの代わりに、パッキング要素を使用して塔
を充填してもよい。
あるこ並びに中心袖に垂直で塔にクロスして延出した垂
直方向に離隔した一連のトレーもしくはプレート上にお
ける気相および液相の接触を含むであろう。トレーもし
くはプレートの代わりに、パッキング要素を使用して塔
を充填してもよい。
本明細書で使用される「二重塔」なる語は、低圧塔の下
端と熱交換する上端を有する高圧塔をいう。
端と熱交換する上端を有する高圧塔をいう。
本明細書で使用される「標準空気分離方法または装置」
なる語は、上述された方法および装置はもちろん当業者
によく知られた他の空気分離方法の記述を意味する。
なる語は、上述された方法および装置はもちろん当業者
によく知られた他の空気分離方法の記述を意味する。
本明細書でおよび添付した特許請求の範囲において使用
された「間接熱交換」なる語は、流体相互のなんらかの
物理的接触もしくは混合なしに２つの流体流が熱交換を
起こすことを意味する。
された「間接熱交換」なる語は、流体相互のなんらかの
物理的接触もしくは混合なしに２つの流体流が熱交換を
起こすことを意味する。
従来、窒素、酸素、および／またはアルゴンは、単一塔
プロセスおよび二重塔プロセスを含む２つの基本的なプ
ロセス機構の一つにより製造されている。
プロセスおよび二重塔プロセスを含む２つの基本的なプ
ロセス機構の一つにより製造されている。
窒素に関して、単一塔プロセスでは、約６〜１０バール
の圧力で良質のガス状および液状の窒素を製造する。窒
素の回収は、塔の底部での平衡により制限される。通常
、このプロセスは、最初の原料空気中の窒素の約５０〜
６０％の割合で窒素を製造できる。
の圧力で良質のガス状および液状の窒素を製造する。窒
素の回収は、塔の底部での平衡により制限される。通常
、このプロセスは、最初の原料空気中の窒素の約５０〜
６０％の割合で窒素を製造できる。
二重塔プロセスでは、窒素は約１〜４バールの圧力で製
造される。それは単一塔プロセスよりも効果的であり、
約９０％またはそれ以上の窒素が最初の原料空気中の窒
素から回収され得る。通常、塔は２つの塔を分離す゜る
凝縮一再沸器を用いて積み重ねられている。このプロセ
スは比較的低圧で窒素を製造するので、さらに窒素の圧
縮がしばしば必要とされ、製造および使用コストを追加
してしまう。
造される。それは単一塔プロセスよりも効果的であり、
約９０％またはそれ以上の窒素が最初の原料空気中の窒
素から回収され得る。通常、塔は２つの塔を分離す゜る
凝縮一再沸器を用いて積み重ねられている。このプロセ
スは比較的低圧で窒素を製造するので、さらに窒素の圧
縮がしばしば必要とされ、製造および使用コストを追加
してしまう。
従来の二重塔プロセスにおいて、空気は極低温の蒸留も
しくは精留により分離され、高圧塔の頂部で窒素に富む
流れもしくは分画および底部で酸素に富む流れもしくは
分画を製造する。窒素に富む流れは、低圧塔の頂部に送
られこの塔の還流を提供する。底部の酸素富む流れは、
次の分離のために低圧塔に導入される。
しくは精留により分離され、高圧塔の頂部で窒素に富む
流れもしくは分画および底部で酸素に富む流れもしくは
分画を製造する。窒素に富む流れは、低圧塔の頂部に送
られこの塔の還流を提供する。底部の酸素富む流れは、
次の分離のために低圧塔に導入される。
低圧塔において、導入流は極低温蒸留により底部での酸
素富む流れもしくは分画および頂部での窒素に富む流れ
もしくは分画に分離される。頂部流は、その後、窒素生
成物として回収され得る。
素富む流れもしくは分画および頂部での窒素に富む流れ
もしくは分画に分離される。頂部流は、その後、窒素生
成物として回収され得る。
二重塔配列において、高圧塔および低圧塔は、凝縮器一
再沸器配列により熱的に結合されている。
再沸器配列により熱的に結合されている。
このように、従来の二重塔プロセスにおいて、高圧塔の
窒素に富む分画は、低圧塔の気化した酸素に富む分画に
対し凝縮される。
窒素に富む分画は、低圧塔の気化した酸素に富む分画に
対し凝縮される。
低圧塔において与えられた圧力に対して、高圧塔に導入
する空気の圧力は、気化した酸素に富む流れの組成、高
圧塔凝縮器と低圧塔再沸器の温度差、およびある程度窒
素において比較的純度が高い凝縮した窒素に富む流れの
組成により規定される。
する空気の圧力は、気化した酸素に富む流れの組成、高
圧塔凝縮器と低圧塔再沸器の温度差、およびある程度窒
素において比較的純度が高い凝縮した窒素に富む流れの
組成により規定される。
他の従来のプロセス機構は、付加的な塔頂凝縮器または
底部再沸器のような付加形態を有する上述した単一もし
くは二重塔プロセスの変形例である。
底部再沸器のような付加形態を有する上述した単一もし
くは二重塔プロセスの変形例である。
発明の概要
この発明の方法は、窒素、酸素、およびアルゴンのエネ
ルギー効率のよい製造に使用され得る。
ルギー効率のよい製造に使用され得る。
基本的には、この発明は、高圧および低圧塔間で加熱お
よび冷却媒体として気化されたおよび液化された空気を
使用することにある。従来、窒素が使用されていた。
よび冷却媒体として気化されたおよび液化された空気を
使用することにある。従来、窒素が使用されていた。
この発明は窒素に関してとくに詳しく説明されているが
、この発明は酸素、アルゴンの製造に同じく適用できる
ことを理解する必要がある。温度、圧力、および他の操
作条件をどのように最適化して主生成物として酸素およ
び／またはアルゴンの生産を最適化するかは当業者によ
り明らかになるであろう。
、この発明は酸素、アルゴンの製造に同じく適用できる
ことを理解する必要がある。温度、圧力、および他の操
作条件をどのように最適化して主生成物として酸素およ
び／またはアルゴンの生産を最適化するかは当業者によ
り明らかになるであろう。
加熱および冷却媒体としての空気の使用における特定の
利点は、窒素に富む流れの凝縮より空気の凝縮の方がよ
り少ないエネルギーを必要とすることである。主なエネ
ルギーのコストがガスの圧縮を含むので、与えられる温
度で空気を凝縮するために必要とされる比較的低い圧力
は窒素を凝縮するためよりも高価でない。
利点は、窒素に富む流れの凝縮より空気の凝縮の方がよ
り少ないエネルギーを必要とすることである。主なエネ
ルギーのコストがガスの圧縮を含むので、与えられる温
度で空気を凝縮するために必要とされる比較的低い圧力
は窒素を凝縮するためよりも高価でない。
例えば、窒素は−１８０℃、７バールで凝縮する。これ
に対して、−１７８℃、６バールのみが空気を凝縮する
ために必要とされる。このように、２℃の温度差および
１バールの圧力差は、この発明の方法において減少され
たエネルギー消費を提供する。
に対して、−１７８℃、６バールのみが空気を凝縮する
ために必要とされる。このように、２℃の温度差および
１バールの圧力差は、この発明の方法において減少され
たエネルギー消費を提供する。
窒素が高圧および低圧塔間で加熱および冷却媒体として
使用される従来の方法において、窒素で必要であるよう
に導入空気をより高い導入空気圧力に圧縮する必要があ
る。このように、最初のエネルギー節約は、導入空気の
圧縮に対する減少された必要からきている。
使用される従来の方法において、窒素で必要であるよう
に導入空気をより高い導入空気圧力に圧縮する必要があ
る。このように、最初のエネルギー節約は、導入空気の
圧縮に対する減少された必要からきている。
この発明の方法は、最初の導入空気に含まれる窒素の９
０％以上程度の高純度窒素の製造を可能にする。それは
約３バール〜約１５バールの範囲内の圧力で製造され得
る。高圧および低圧窒素の両方が製造され得る。これは
別々にもしくは一緒に行われ得る。さらに、この方法は
従来の方法に比べてエネルギー効率がよい。
０％以上程度の高純度窒素の製造を可能にする。それは
約３バール〜約１５バールの範囲内の圧力で製造され得
る。高圧および低圧窒素の両方が製造され得る。これは
別々にもしくは一緒に行われ得る。さらに、この方法は
従来の方法に比べてエネルギー効率がよい。
この発明の方法によれば、分子篩、アルミナ、シリカゲ
ル等を通すことにより水分並びにＣＯ２およびメタンの
ような不純物を除去するために処理された導入空気は、
圧縮され熱交換器に導入され、流出生成物と熱交換する
。
ル等を通すことにより水分並びにＣＯ２およびメタンの
ような不純物を除去するために処理された導入空気は、
圧縮され熱交換器に導入され、流出生成物と熱交換する
。
一つの態様によれば、導入空気は２つの分画に分けられ
、一つの分画は高圧塔の底部に導入され、他の分画は低
圧塔の基底部に位置する凝縮器／再沸器に導入される。
、一つの分画は高圧塔の底部に導入され、他の分画は低
圧塔の基底部に位置する凝縮器／再沸器に導入される。
他の割合を使用することができるが、導入空気を等しい
部分に分けることにより良好な結果が得られた。
部分に分けることにより良好な結果が得られた。
他の態様によれば、導入空気は３つの分画に分けられる
。導入空気の２つの部分は上述のように高圧塔および低
圧塔の基底部の凝縮器／再沸器に導入される。第３の空
気分画は膨張され、設備の冷却を提供し、その後極低温
分離のために低圧塔に導入される。
。導入空気の２つの部分は上述のように高圧塔および低
圧塔の基底部の凝縮器／再沸器に導入される。第３の空
気分画は膨張され、設備の冷却を提供し、その後極低温
分離のために低圧塔に導入される。
第１の導入空気分画は、高圧塔内で極低温蒸留により第
１の窒素に富む気体分画および第１の酸素に富む液体分
画に分離される。酸素にざむ液体分画は、高圧塔の基底
部から取り出され、低圧塔に送られる。低圧塔の基底部
の凝縮器／再沸器に送られた第２の導入空気分画は、低
圧塔の底部で酸素に富む液体を用いた熱交換により凝縮
され、それにより酸素に富む液体は気化される。凝縮器
／再沸器においてこのように製造された凝縮され液化さ
れた空気は、その後高圧塔の頂部凝縮器に導入され、そ
こで高圧塔で製造された第１の窒素に富む気体分画を用
いた間接熱交換により気化される。これは窒素を凝縮さ
せる。
１の窒素に富む気体分画および第１の酸素に富む液体分
画に分離される。酸素にざむ液体分画は、高圧塔の基底
部から取り出され、低圧塔に送られる。低圧塔の基底部
の凝縮器／再沸器に送られた第２の導入空気分画は、低
圧塔の底部で酸素に富む液体を用いた熱交換により凝縮
され、それにより酸素に富む液体は気化される。凝縮器
／再沸器においてこのように製造された凝縮され液化さ
れた空気は、その後高圧塔の頂部凝縮器に導入され、そ
こで高圧塔で製造された第１の窒素に富む気体分画を用
いた間接熱交換により気化される。これは窒素を凝縮さ
せる。
一つの態様によれば、高圧塔において凝縮された窒素に
富む分画の一部は、分離され低圧塔に導入され過剰の還
流を提供する。同特に高圧塔の頂部凝縮器で窒素と接触
する間接熱交換により気化された第２の導入空気分画は
、その後極低温用に低圧塔に導入される。
富む分画の一部は、分離され低圧塔に導入され過剰の還
流を提供する。同特に高圧塔の頂部凝縮器で窒素と接触
する間接熱交換により気化された第２の導入空気分画は
、その後極低温用に低圧塔に導入される。
低圧塔内で、高圧塔からの第１の酸素に富む分画の一部
と共に第２の導入空気分画は、その後第２の窒素に富む
流れおよび第２の酸素に富む流れに分離される。
と共に第２の導入空気分画は、その後第２の窒素に富む
流れおよび第２の酸素に富む流れに分離される。
他の態様によれば、第２の窒素に富む流れの一部は高圧
窒素生成物として除去され得る。一方、残りの部分は低
圧塔用の還流を提供するために使用される。
窒素生成物として除去され得る。一方、残りの部分は低
圧塔用の還流を提供するために使用される。
他の態様によれば、高圧窒素生戊物の一部は膨張され設
備の冷却に提供され、低圧窒素生成物気流に加えられる
。
備の冷却に提供され、低圧窒素生成物気流に加えられる
。
低圧塔の底部に降下する第２の酸素に富む流れは、入っ
てくる第２の導入空気分画と接触する間接熱交換により
気化され、それにより第２の導入空気分画は凝縮される
。他の態様により、第２の酸素に富む分画は低圧塔に導
入される前に膨張される第３の導入空気分画も含む。
てくる第２の導入空気分画と接触する間接熱交換により
気化され、それにより第２の導入空気分画は凝縮される
。他の態様により、第２の酸素に富む分画は低圧塔に導
入される前に膨張される第３の導入空気分画も含む。
第２の酸素に富む流れの一部は低圧塔の頂部凝縮器に導
入され、そこで上昇する窒素と接触する熱交換により気
化され、それにより窒素は凝縮される。このように気化
された第２の酸素に富む流れは、廃棄物として頂部凝縮
器から除去され、プロセス気流および導入空気を用いた
間接熱交換により過冷却器および熱交換器で暖められる
。
入され、そこで上昇する窒素と接触する熱交換により気
化され、それにより窒素は凝縮される。このように気化
された第２の酸素に富む流れは、廃棄物として頂部凝縮
器から除去され、プロセス気流および導入空気を用いた
間接熱交換により過冷却器および熱交換器で暖められる
。
望ましくは、廃棄酸素が膨張され設備の冷却に提供され
ることである。あるいは、約７０％の純度を有する廃粂
酸素が、高純度酸素を必要としない用途における生成物
として使用されることである。
ることである。あるいは、約７０％の純度を有する廃粂
酸素が、高純度酸素を必要としない用途における生成物
として使用されることである。
上述の方法のための装置も提供されている。この装置は
、外界源からの空気を圧縮する空気圧縮手段、空気圧縮
手段により圧縮された空気から二酸化炭素および水蒸気
を除去する精密手段、および精密手段からの圧縮された
空気を極低温に冷却する熱交換手段の組み合わせを含む
。頂部塔または頂部蒸発器／凝縮器を備えた第１の蒸留
塔は、熱交換器からの導入空気の一部の極低温分離のた
めに含まれる。
、外界源からの空気を圧縮する空気圧縮手段、空気圧縮
手段により圧縮された空気から二酸化炭素および水蒸気
を除去する精密手段、および精密手段からの圧縮された
空気を極低温に冷却する熱交換手段の組み合わせを含む
。頂部塔または頂部蒸発器／凝縮器を備えた第１の蒸留
塔は、熱交換器からの導入空気の一部の極低温分離のた
めに含まれる。
頂部塔凝縮器および底部塔再沸器を備えた第２の蒸留塔
は、第１の蒸留塔から得られた酸素富化液体の少なくと
も一部と共に、第２の蒸留塔の底部塔再沸器および第１
の蒸留塔の頂部塔凝縮器による循環の後の冷却され圧縮
された導入空気の少なくとも一部の分留による、第２の
酸素に富む分画および第２の窒素に富む分画への分離の
ために提供される。
は、第１の蒸留塔から得られた酸素富化液体の少なくと
も一部と共に、第２の蒸留塔の底部塔再沸器および第１
の蒸留塔の頂部塔凝縮器による循環の後の冷却され圧縮
された導入空気の少なくとも一部の分留による、第２の
酸素に富む分画および第２の窒素に富む分画への分離の
ために提供される。
第２の蒸留塔内で上昇する蒸気との間接熱交換を堤供す
るために第２の蒸留塔の頂部凝縮器への導入のための第
２の蒸留塔の基底部での酸素液体の取り出しのための手
段が設けられている。
るために第２の蒸留塔の頂部凝縮器への導入のための第
２の蒸留塔の基底部での酸素液体の取り出しのための手
段が設けられている。
膨張手段は、第２の蒸留塔の頂部凝縮器から取り出され
κ酸素の第２の蒸留塔への導入前の圧縮空気の膨張のた
め、および／または冷却用の窒素生戊物の膨張のために
設けられる。
κ酸素の第２の蒸留塔への導入前の圧縮空気の膨張のた
め、および／または冷却用の窒素生戊物の膨張のために
設けられる。
発明の詳細な記述
第１図の工程系統図において、不純物のない圧縮された
導入空気が導管２０により熱交換器３０に導入される。
導入空気が導管２０により熱交換器３０に導入される。
空気は好ましくは約５バール〜約２０バールの範囲の圧
力で熱交換器３０に導入され、そこで空気の温“度は発
生した廃棄物および生成物を用いた間接熱交換により極
低温に冷却される。
力で熱交換器３０に導入され、そこで空気の温“度は発
生した廃棄物および生成物を用いた間接熱交換により極
低温に冷却される。
次いで、導入空気は２つの分画に分割される。
導入空気を等しい部分に分けるもしくは気流を用いて良
好な結果が得られるが、他の割合が使用され得る二導入
空気の第１の分画はライン２２および６２により高圧塔
３２に送られ、導入空気の残りの第２の分画はライン２
２および６０により低圧塔３４の再沸器５８に送られる
。
好な結果が得られるが、他の割合が使用され得る二導入
空気の第１の分画はライン２２および６２により高圧塔
３２に送られ、導入空気の残りの第２の分画はライン２
２および６０により低圧塔３４の再沸器５８に送られる
。
高圧塔３２で圧力は好ましくは約５バール〜２０バール
の範囲である。
の範囲である。
第１の導入空気分画は、底部蒸留トレーの下方の３６で
示されるような塔３２の下部に導入される。ここで、第
１の導入空気分画は・塔３２の頂部に上昇する第１の窒
素に富む気体分画と塔３２の底部に降下する第１の酸素
に富む液体分画に分離される。
示されるような塔３２の下部に導入される。ここで、第
１の導入空気分画は・塔３２の頂部に上昇する第１の窒
素に富む気体分画と塔３２の底部に降下する第１の酸素
に富む液体分画に分離される。
第１の酸素に富む液体の少なくとも一部は、高圧塔の底
部３８から回収される。それは約３５％〜４０％の酸素
を含有する。それは従来技術の方法とほぼ同じ割合であ
る。
部３８から回収される。それは約３５％〜４０％の酸素
を含有する。それは従来技術の方法とほぼ同じ割合であ
る。
ライン５４により高圧塔３２の底部から取り除かれた第
１の酸素に富む液体は過冷却器４６に通され、そこでラ
イン４８により低圧塔３４の上部から出る生成物窒素お
よび低圧塔３４の頂部凝縮器／蒸発器から出る廃棄物を
用いた間接熱交換により温度がさらに減少する。
１の酸素に富む液体は過冷却器４６に通され、そこでラ
イン４８により低圧塔３４の上部から出る生成物窒素お
よび低圧塔３４の頂部凝縮器／蒸発器から出る廃棄物を
用いた間接熱交換により温度がさらに減少する。
過冷却器４６からの冷却された第１の酸素に富む液体は
、その後弁７６による膨張の後底部トレー上方の低圧塔
３４に導入される。
、その後弁７６による膨張の後底部トレー上方の低圧塔
３４に導入される。
低圧塔３４の基底部の凝縮器／再沸器５８に入った第２
の導入空気分画は、低圧塔３４の底部で酸素に富む液体
を用いた間接熱交換により凝縮される。これは第２の導
入空気分画を凝縮させ、酸素に富む液体を気化させる。
の導入空気分画は、低圧塔３４の底部で酸素に富む液体
を用いた間接熱交換により凝縮される。これは第２の導
入空気分画を凝縮させ、酸素に富む液体を気化させる。
凝縮された第２の導入空気分画は、低圧塔３４の凝縮器
／再沸゛器を離れてライン８２を経て過冷却器４６に入
る。液化された空気は過冷却器４６を出てライン８４を
経て、弁４４により膨張され高圧塔３２の凝縮器／再沸
器４０に入る。必要であれば、凝縮された第２の導入空
気分画の一部を弁９２により膨張された後ライン９０を
経て低圧塔３４に導入し、高圧および低圧塔間で空気の
バランスを制御することができる。
／再沸゛器を離れてライン８２を経て過冷却器４６に入
る。液化された空気は過冷却器４６を出てライン８４を
経て、弁４４により膨張され高圧塔３２の凝縮器／再沸
器４０に入る。必要であれば、凝縮された第２の導入空
気分画の一部を弁９２により膨張された後ライン９０を
経て低圧塔３４に導入し、高圧および低圧塔間で空気の
バランスを制御することができる。
第１の窒素に富む気体分画は、高圧塔３２の頂部に上昇
し、そこで凝縮器／再沸器４０に入る。
し、そこで凝縮器／再沸器４０に入る。
ここで、窒素蒸気は、低圧塔３４の凝縮器／再沸器５８
から弁４４を通り入る凝縮された第２の導大空気分画と
接触する間接熱交換を生じさせる。
から弁４４を通り入る凝縮された第２の導大空気分画と
接触する間接熱交換を生じさせる。
これは液化された空気を気化させ、窒素蒸気を凝縮させ
る。第３図および第４図に示すように、凝縮された窒素
部分の一部もしくは全部は高圧塔３２に戻り、必要に応
じて還流を提供する。
る。第３図および第４図に示すように、凝縮された窒素
部分の一部もしくは全部は高圧塔３２に戻り、必要に応
じて還流を提供する。
凝縮された第２の導入空気分画を用いた間接熱交換によ
り凝縮されないいずれかの窒素蒸気は、高圧塔３２の上
部から例えば第３図に示すようにライン６７による除去
により高圧窒素として回収され得る。
り凝縮されないいずれかの窒素蒸気は、高圧塔３２の上
部から例えば第３図に示すようにライン６７による除去
により高圧窒素として回収され得る。
もし高圧窒素流が小さいか必要でないならば、凝縮され
た窒素の一部は特別な還流のために低圧塔３４に送られ
得る。凝縮された窒素のこの部分は、第１図および第３
図に示すようにライン６８により高圧塔３２の上部から
除去される。凝縮された窒素はその後、過冷却器６６に
通され、そこで発生する窒素生成物および廃棄物と接触
する間接熱交換を生じさせる。過冷却器６６から、凝縮
された窒素は連続したライン６８を通り、弁７８による
膨張の後低圧塔３４に導入される。
た窒素の一部は特別な還流のために低圧塔３４に送られ
得る。凝縮された窒素のこの部分は、第１図および第３
図に示すようにライン６８により高圧塔３２の上部から
除去される。凝縮された窒素はその後、過冷却器６６に
通され、そこで発生する窒素生成物および廃棄物と接触
する間接熱交換を生じさせる。過冷却器６６から、凝縮
された窒素は連続したライン６８を通り、弁７８による
膨張の後低圧塔３４に導入される。
．同時に、高圧塔３２の頂部の凝縮器／再沸器４０から
ライン５６を経て出る気化された空気は、ライン５４に
より入る第１の酸素に富む肢体の導入用とほぼ同じレベ
ルで、ライン６４による低圧塔３４への導入により分離
される。
ライン５６を経て出る気化された空気は、ライン５４に
より入る第１の酸素に富む肢体の導入用とほぼ同じレベ
ルで、ライン６４による低圧塔３４への導入により分離
される。
塔３２の基底部から取り出された第１の酸素に富む肢体
および高圧塔３２の頂部の凝縮器／再沸器４０からライ
ン５６により取り出された気化された空気は、塔３４出
で第２の窒素に富む気体分画および第２の酸素に富む分
画にさらに分離される。
および高圧塔３２の頂部の凝縮器／再沸器４０からライ
ン５６により取り出された気化された空気は、塔３４出
で第２の窒素に富む気体分画および第２の酸素に富む分
画にさらに分離される。
第２の窒素に富む気′体分画は低圧塔３４の頂部に上昇
し、一方、第２の酸素に富む分画は低圧塔３４の底部に
下降する。
し、一方、第２の酸素に富む分画は低圧塔３４の底部に
下降する。
低圧塔３４の底部で第２の酸素に富む液体分画の一部は
、ライン７４により取り出され、第１の過冷却器４６に
通される。ここで、第２の酸素に富む液体は、低圧塔３
４の上部からライン４８により除去された窒素ガスおよ
び低圧塔３４の頂部凝縮器７０からライン５２により出
る廃粂物気流を用いた間接熱交換によりさらに冷却され
る。
、ライン７４により取り出され、第１の過冷却器４６に
通される。ここで、第２の酸素に富む液体は、低圧塔３
４の上部からライン４８により除去された窒素ガスおよ
び低圧塔３４の頂部凝縮器７０からライン５２により出
る廃粂物気流を用いた間接熱交換によりさらに冷却され
る。
第２の酸素に富む液体は、高圧塔３２の頂部からライン
６８により除去された窒素ガスおよび頂部凝縮器７０か
らライン５２により出る廃棄酸素気流を用いた間接熱交
換によりさらに冷却するために、連続するライン７４に
より第２の過冷却器６６に通される。
６８により除去された窒素ガスおよび頂部凝縮器７０か
らライン５２により出る廃棄酸素気流を用いた間接熱交
換によりさらに冷却するために、連続するライン７４に
より第２の過冷却器６６に通される。
得られた冷却された第２の酸素に富む液体は延出するラ
イン７４に通され、そこで液体は弁７２による膨張の後
低圧塔３４の頂部の頂部凝縮器７０に導入され、第２の
酸素に富む流れを冷却する。
イン７４に通され、そこで液体は弁７２による膨張の後
低圧塔３４の頂部の頂部凝縮器７０に導入され、第２の
酸素に富む流れを冷却する。
第２の窒素に富む流れの主部は、低圧塔３４３の上部か
らライン４８により窒素生戊物として回収される。ガス
状窒素気流は、系を出る前に過冷却器６６および４６、
並びに熱交換器３０の通過により暖められる。
らライン４８により窒素生戊物として回収される。ガス
状窒素気流は、系を出る前に過冷却器６６および４６、
並びに熱交換器３０の通過により暖められる。
低圧塔３４内の第２の窒素に富む流れの残りの部分は、
低圧塔３４の頂部蒸発器／凝縮器７０で第２の酸素に富
む液体を用いた熱交換により凝縮され、第２の酸素に富
む液体を気化させる。窒素の凝縮は、低圧塔３４用の還
流を提供する。気化した酸素に富む液体は、頂部蒸発器
／凝縮器７０を出てライン５２を経て、続けて過冷却器
４６および６６並びに熱交換器３０の通過により暖めら
れる。
低圧塔３４の頂部蒸発器／凝縮器７０で第２の酸素に富
む液体を用いた熱交換により凝縮され、第２の酸素に富
む液体を気化させる。窒素の凝縮は、低圧塔３４用の還
流を提供する。気化した酸素に富む液体は、頂部蒸発器
／凝縮器７０を出てライン５２を経て、続けて過冷却器
４６および６６並びに熱交換器３０の通過により暖めら
れる。
熱交換器３０で暖めた後、廃棄酸素気流はターボエキス
パンダー７８に通され、そこで気流は膨張され設備冷却
に提供され得る。
パンダー７８に通され、そこで気流は膨張され設備冷却
に提供され得る。
上述した方法は、高圧および低圧塔間で空気を加熱およ
び冷却媒体として使用するものであることが分かる。従
来の方法において、窒素に富む流れは、低圧塔の底部に
熱を輸送するために使用されている。所定の窒素の回収
、すなわち同じ組戊の酸素に富む流れを有する窒素の回
収のために、より多くのエネルギーが空気を凝縮するた
めよりも窒素に富む流れを凝縮するために必要とされる
ことに留意すべきである。これが意味するものは、熱輸
送媒体として空気を使用する所定の窒素の回収のために
は、高圧塔が従来の技術の方法よりも低い圧力で機能し
得ることである。また、この発明によれば、高圧塔にお
ける同じ圧力１こ対して、低圧塔がより高い圧力で機能
し得る。
び冷却媒体として使用するものであることが分かる。従
来の方法において、窒素に富む流れは、低圧塔の底部に
熱を輸送するために使用されている。所定の窒素の回収
、すなわち同じ組戊の酸素に富む流れを有する窒素の回
収のために、より多くのエネルギーが空気を凝縮するた
めよりも窒素に富む流れを凝縮するために必要とされる
ことに留意すべきである。これが意味するものは、熱輸
送媒体として空気を使用する所定の窒素の回収のために
は、高圧塔が従来の技術の方法よりも低い圧力で機能し
得ることである。また、この発明によれば、高圧塔にお
ける同じ圧力１こ対して、低圧塔がより高い圧力で機能
し得る。
以下の第１表は、生成物として窒素生戊物に対する第１
図および上の記述に示されたこの発明の予期される性能
を示す。
図および上の記述に示されたこの発明の予期される性能
を示す。
総導入空気流
導入空気圧力
窒素生成物流
窒素圧力
窒素純度
廃棄ｔＶ（＃素富化）流
ｉ秦物圧力
圧縮空気
塔３２
１ｉ１３２
ｊ！３２
酸素富化液体
１縮された第２の
導入空気分言
凝縮された第２の
導入空気分画
Ｍ１された第２の
導入空気分画
第１表
ライン２０
ライン２０
ライン４８
ライン１８
ライン５２
ライン１６
ライン２２
頂部
底部
ライン３８
ライン８２
ライン８２
ライン８４
１５４Ｅｉ２Ｎｍ３ ／ｈ
１０．２パール ａｂｓ
１０５１４Ｎｍ’ ／ｂ
５．５バール ａｂｓ．
１８ｖｐｍ ０２
４９４８ＮＩＩ１’ ／ｈ
１，３バール ａｂｓ ．
−ｌ８０°Ｃ
ｌＯ，２パール ａｂｓ．
−１７０°Ｃ
−１６０℃
−１［３５．Ｇ℃
−ｌ［ｉ７．５℃
−１８７．５℃
− ｔ ７ ｔ ’ｃ
凝縮器／）Ｉ沸器４０
からの気化された
第２の導入空気分画
窒素排出塔３２
Ｈされた窒素搏出
過冷却器６６
塔３４
塔３４からの
！素富化液体
冷却器６６から出る
ａ素富化液体
ｌ張後の
酸素富化液体
塔３４から出る
窒素生成物
塔３４から出る
窒素生成物
凝縮器７０からの
酸素！Ｉ棄気流
ライン５６
ライン６８
ライン６８
ライン７４
ライン７４
＃７２
ライン４８
ライン４８
ライン５２
−１７２．８℃
−１７０．６°Ｃ
−１７４．４℃
５．５バール ａｂｓ、
−１６８．８°Ｃ
−１７４．４°Ｃ
−１７９°Ｃ
−１７７．８℃
５バール
ａｂｓ ．
−１７８．９℃
第３図および第４図に示される態様に従う場合、２１バ
ールａｂｓ ．の導入空気圧力は、高圧塔３２内で約２
０バールａｂｓ．の圧力および低圧党３４内で約１４バ
ールａｂｓ ．の圧力を生じるであろう。
ールａｂｓ ．の導入空気圧力は、高圧塔３２内で約２
０バールａｂｓ．の圧力および低圧党３４内で約１４バ
ールａｂｓ ．の圧力を生じるであろう。
上述したようなこの発明の方法および装置の種々の変形
例は、当業者に明らかであり、特許請求の範囲により規
定される発明の精神および範囲から逸脱しないで依存さ
れ得る。
例は、当業者に明らかであり、特許請求の範囲により規
定される発明の精神および範囲から逸脱しないで依存さ
れ得る。
第１図は低圧窒素が製造されるこの発明の方法および装
置の概略工程系統図、第２図は空気膨張が廃棄物膨張の
代わりに提供されること以外は第１図と同じこの発明の
方法および装置の概略工程系統図、第３図は高圧および
低圧窒素が製造されるこの発明の方法および装置の概斃
工程系統図、第４図は高圧窒素の一部が低圧窒素に膨張
されるような第３図と同じこの発明の方法および装置の
概略工程系統図である。 ３０・・・熱交換器、３２・・・高圧塔、３４・・・低
圧塔、４０・・・凝縮器／再沸器、４６．６６・・・過
冷却器、５８・・・再沸器、 ７ ０・・・頂部凝縮器、 ７ ８・・・ターボ エキスパンダー
置の概略工程系統図、第２図は空気膨張が廃棄物膨張の
代わりに提供されること以外は第１図と同じこの発明の
方法および装置の概略工程系統図、第３図は高圧および
低圧窒素が製造されるこの発明の方法および装置の概斃
工程系統図、第４図は高圧窒素の一部が低圧窒素に膨張
されるような第３図と同じこの発明の方法および装置の
概略工程系統図である。 ３０・・・熱交換器、３２・・・高圧塔、３４・・・低
圧塔、４０・・・凝縮器／再沸器、４６．６６・・・過
冷却器、５８・・・再沸器、 ７ ０・・・頂部凝縮器、 ７ ８・・・ターボ エキスパンダー
Claims (21)
- （１）少なくとも一つの塔で精留して少なくとも一つの
蒸気分画、少なくとも一つの液体分画、並びに少なくと
も一つの生成窒素気流を製造することによる空気の極低
温分離方法であって、 冷却され圧縮された蒸気状態の導入空気流を提供し、 少なくとも一つの該液体分画の間接熱交換接触により該
導入空気気流の少なくとも一部を凝縮して該液体分画を
気化し、該導入空気流を凝縮し、 該蒸気分画の一つとの間接熱交換接触により該凝縮され
た導入空気流の一部を気化する工程を具備する空気の極
低温分離方法。 - （２）該気化した導入空気流は、精留による極低温分離
用の導入空気としてさらに該蒸留塔の一つに導入される
請求項１記載の方法。 - （３）高圧蒸留塔において空気の極低温蒸留を行い、第
１の酸素富化分画および第１の窒素富化液体分画を生成
し、該第１の酸素富化分画の少なくとも一部が低圧蒸留
塔に導入され、第２の酸素富化分画および第２の窒素富
化分画を生成する窒素の製造方法であって、加熱および
冷却媒体として空気を使用して高圧塔と低圧塔を熱的に
結合する工程を具備する空気の極低温分離方法。 - （４）導入空気を極低温分離のために該高圧塔に導入さ
れる第１の導入空気分画と該第２の酸素富化分画に関す
る間接熱交換を生じさせる第２の導入空気分画に分離し
、該第２の酸素富化分画の少なくとも一部を気化し、該
第２の導入空気分画の少なくとも一部を凝縮し、 該凝縮された第２の導入空気分画を該第１の窒素富化分
画との間接熱交換関係に通し、該第１の窒素富化分画を
凝縮し、該凝縮された第２の導入空気分画を気化し、 該気化した第２の導入空気分画を極低温分離のために該
低圧塔に導入することをさらに具備する請求項３記載の
方法。 - （５） （Ａ）水分および不純物を実質的に含まない冷却され、
圧縮された導入空気を第１の導入空気分画と第２の導入
空気分画に分け、 （Ｂ）該第１の導入空気分画を頂部凝縮器を備えた高圧
塔に導入し、 （Ｃ）該高圧塔内の該第１の導入空気分画を極低温蒸留
により第１の窒素富化分画と第１の酸素富化分画に分離
し、 （Ｄ）該高圧塔から該第１の酸素富化分画の少なくとも
一部を取り出し、 （Ｅ）該第１の酸素富化分画の少なくとも一部を、第２
の窒素富化分画と第２の酸素富化分画への極低温分離の
ために底部凝縮器／再沸器および頂部蒸発器／凝縮器を
備えた低圧塔に導入し、 （Ｆ）該第２の導入空気分画を該低圧塔の該凝縮器／再
沸器に導入し、 （Ｇ）該低圧塔における該第２の酸素富化分画を用いた
間接熱交換により該第２の導入空気分画を凝縮してそれ
により該第２の酸素富化分画の少なくとも一部を気化し
、 （Ｈ）該凝縮された第２の導入空気分画の少なくとも一
部を該高圧塔の該頂部凝縮器に導入し、 （Ｉ）該高圧塔における該第１の窒素富化分画の少なく
とも一部を用いた間接熱交換により該高圧塔の該頂部凝
縮器内の該第２の凝縮された導入空気分画の少なくとも
一部を気化し、 （Ｊ）該第１の酸素富化分画の少なくとも一部をまた第
２の窒素富化分画と第２の酸素富化分画への極低温分離
のために、該高圧塔の該頂部凝縮器における該第１の窒
素富化分画との間接熱交換接触により気化された該第２
の導入空気分画の少なくとも一部を該低圧塔に導入し、 （Ｋ）該低圧塔から生成物として該第２の窒素富化分画
の少なくとも一部を除去し、 （Ｌ）該低圧塔から該凝縮された第２の酸素富化分画の
少なくとも一部を取り出し、 （Ｍ）該取り出された酸素富化分画の少なくとも一部を
該低圧塔の該頂部凝縮器に導入し、 （Ｎ）該低圧塔内の該上昇する第２の窒素富化分画の少
なくとも一部を用いた間接熱交換により該頂部凝縮器に
おいて該第２の酸素富化分画の少なくとも一部を気化し
てそれにより該第２の窒素富化分画を凝縮させ、該低圧
塔用の還流を提供し、並びに （Ｏ）該頂部凝縮器から廃棄物として該気化された第２
の酸素富化分画の少なくとも一部を取り出すことを具備
する空気から窒素を製造する方法。 - （６）該高圧塔から高圧窒素生成物として該凝縮された
第１の窒素富化分画の少なくとも一部を取り出すことを
さらに具備する請求項５記載の方法。 - （７）該高圧塔から該凝縮された第１の窒素富化分画の
少なくとも一部を取り出し、および該取り出され凝縮さ
れた第１の窒素富化分画の少なくとも一部を該低圧塔に
導入することをさらに具備する請求項５記載の方法。 - （８）該圧縮された導入空気を第３の導入空気分画にさ
らに分け、 該第３の導入空気分画の少なくとも一部を膨張して冷却
し、および 該膨張された導入空気分画の少なくとも一部を該低圧塔
に導入することをさらに具備する請求項５記載の方法。 - （９）該頂部凝縮器から取り出された該廃棄酸素の少な
くとも一部を膨張することをさらに具備する請求項６記
載の方法。 - （１０）該低圧窒素生成物を放出する前に該高圧窒素生
成物の少なくとも一部を膨張することをさらに具備する
請求項６記載の方法。 - （１１）廃棄物および生成物桐生と接触する間接熱交換
により該導入空気を冷却し、 該導入空気を圧縮して約２バール〜約２０バールの範囲
の高圧塔における圧力を提供することをさらに具備する
請求項５記載の方法。 - （１２）工程（Ｂ）における該第１の導入空気分画が該
高圧塔の下半分に導入され、および工程（Ｄ）における
該第１の酸素富化分画が該高圧塔の基底部から取り出さ
れる請求項５載の方法。 - （１３）工程（Ｅ）の該第１の酸素富化分画が該低圧塔
の下半分に導入され、および 工程（Ｎ）の該第２の酸素富化分画が該低圧塔の基底部
から取り出される請求項５記載の方法。 - （１４）工程０において得られた該廃棄酸素をターボエ
キスパンダーに通して冷却し、および導入空気との間接
熱交換接触により該ターボエキスパンダーからの該冷却
された廃棄酸素を暖め、それにより導入空気が冷却され
ることをさらに具備する請求項５記載の方法。 - （１５）該冷却され圧縮された導入空気の一部の精留に
よる第１の窒素富化分画および第１の酸素富化分画への
極低温分離のための頂部塔凝縮器を備えた第１の蒸留塔
と、 該第２の蒸留塔の該底部塔再沸器および該第１の蒸留塔
の該頂部塔凝縮器をへた循環の後の、該第１の蒸留塔か
ら得られた該第１の酸素富化分画の少なくとも一部と共
に冷却され圧縮された導入空気の少なくとも一部の精密
による、第２の酸素富化分画および第２の窒素富化分画
への分離のための頂部塔凝縮器および底部塔再沸器を備
えた第２の蒸留塔と、液体および蒸気の導入および取り
出しのための該第１のおよび該第２の蒸留塔内の導管手
段と、 液体および蒸気の導入および取り出しのために該第１の
および該第２の蒸留塔間を連通する導管手段と、 冷却され圧縮された導入空気の導入のために該第２の蒸
留塔の該底部塔再沸器と連通する導管手段と、 該第２の蒸留塔における該再沸器からの凝縮された導入
空気の該第１の蒸留塔における該頂部塔凝縮器への輸送
のために、該第２の蒸留塔の該底部塔再沸器と該第１の
蒸留塔の該頂部塔凝縮器とを連通する導管手段と、 該第１の蒸留塔の該頂部塔凝縮器からの気化された空気
の取り出しおよび極低温分離用の該第２の蒸留塔への導
入のために、該第１の蒸留塔の該頂部塔凝縮器と該第２
の蒸留塔とを連通する導管手段と、並びに 該第１の蒸留塔からの該第１の酸素富化分画の少なくと
も一部の取り出しおよび極低温分離用の該第２の蒸留塔
への導入のために、該第１の蒸留塔と該第２の蒸留塔と
を連通する導管手段とを具備する冷却され圧縮された空
気から窒素を製造する装置。 - （１６）該第２の蒸留塔からの該酸素富化分画の取り出
しおよび該第２の蒸留塔の該頂部塔凝縮器への導入によ
り該第２の蒸留塔内で上昇する蒸気を用いた間接熱交換
を提供するために、該第２の蒸留塔と該第２の蒸留塔の
該頂部塔凝縮器とを連通する導管手段と、 廃棄物としての該第２の酸素富化分画の取り出しのため
に、該第２の蒸留塔の該頂部塔凝縮器と連通する導管手
段と、 該第１の蒸留塔からの該第１の窒素富化分画の取り出し
および該第２の蒸留塔への導入で該第２の蒸留塔用の還
流を提供するために、該第１の蒸留塔と該第２の蒸留塔
とを連通する導管手段とをさらに具備する請求項１５記
載の装置。 - （１７）外界源から空気を圧縮する圧縮手段と、該空気
圧縮手段により圧縮された空気から二酸化炭素、水、お
よび他の不純物を除去する精密手段と、 該精密手段からの圧縮された空気を極低温に冷却する熱
交換手段と、 液体および蒸気の導入および取り出しのために、該第２
の蒸留塔の該頂部塔凝縮器と連通する導管手段と、 冷却され圧縮された導入空気の導入のために、該熱交換
器並びに該第１の蒸留塔および該第２の蒸留塔を連通す
る導管手段とをさらに具備する請求項１６記載の装置。 - （１８）窒素生成物の取り出しのために該第１の蒸留塔
と該熱交換手段とを連通する導管手段をさらに具備する
請求項１５記載の装置。 - （１９）窒素生成物の少なくとも一部を膨張し冷却する
ための該導管手段に連通する膨張手段をさらに具備する
請求項１８記載の装置。 - （２０）酸素廃棄物の膨張のための膨張手段をさらに具
備する請求項１５記載の装置。 - （２１）該第２の蒸留塔に導入して冷却する前に冷却さ
れ圧縮された空気を膨脹するための膨張手段をさらに具
備する請求項１５記載の装置。
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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