JPH06257939A - 空気の低温蒸留方法 - Google Patents

空気の低温蒸留方法

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JPH06257939A
JPH06257939A JP5025238A JP2523893A JPH06257939A JP H06257939 A JPH06257939 A JP H06257939A JP 5025238 A JP5025238 A JP 5025238A JP 2523893 A JP2523893 A JP 2523893A JP H06257939 A JPH06257939 A JP H06257939A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 単一の蒸留塔装置で空気を低温蒸留して窒素
製品と酸素製品の両方を得る方法を提供する。 【構成】 (a) 単一の蒸留塔１５２を７０〜３００psia
（４８０〜２０７０ kPa（絶対圧））の圧力で運転し、
(b) 酸素濃度が８０％よりも高い液体酸素塔底液のうち
の一部を該単一蒸留塔の塔底から抜出し、そして抜出し
た液体酸素１６０の圧力を低下させ、これを該単一蒸留
塔１５２の塔頂部から取出した凝縮する窒素流１８２と
の熱交換で蒸発させ、(c) その凝縮させた窒素流１８４
を該単一蒸留塔１５２の塔頂部に還流として供給し、そ
して (d)蒸発させた酸素１６８を酸素製品の少なくとも
実質的部分として回収するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気を分離するための
一塔式低温蒸留方法と、それらの方法をガスタービンと
組み合わせることとに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】酸素が
吹き込まれるガス化ガスタービン発電プロセス（例え
ば、石炭と酸素とから得られる燃料ガスが湿り空気ター
ビンサイクルあるいはガスタービンとスチームタービン
を組み合わせたサイクルに供給される）におけるよう
に、又は外部へ送り出されるガスが発電のために用いら
れる鉄鉱石の直接還元により鋼を製造するプロセス
（例、ＣＯＲＥＸ（商標）法）におけるように、一定の
状況においては、酸素と加圧窒素の両方の生成物が必要
とされることがある。この、加圧生成物が必要なこと
は、窒素及び酸素を製造する空気分離装置を高圧で運転
するのを有利にする。空気分離装置の高い運転圧力で
は、熱交換器、配管の大きさ、及び蒸留塔における蒸気
の体積流量は低下し、そしてこのことは同時に空気分離
装置の資本費を低減する。この高い運転圧力はまた、熱
交換器、配管及び蒸留塔での圧力降下による動力損失を
少なくし、蒸留塔内の運転条件を平衡により近づけるた
め、空気分離装置は動力的により効率的になる。ガス化
ガスタービンプロセス及び直接製鋼プロセスは酸素を大
量に消費するものであり、また窒素を大量に消費するも
のであるから、基本プロセスに空気分離装置が組み合わ
される場合には高圧操作に適したより良好なプロセスサ
イクルが必要とされる。この要求に対する解決策として
当該技術分野において知られている多数の一塔式蒸留方
法が提案されており、これらのうちには次に掲げるもの
がある。
【０００３】米国特許第４９４７６４９号明細書は、空
気と窒素の両方を塔底で凝縮させて塔の沸騰加熱を行う
一塔式の空気分離方法を開示されている。この開示され
た方法は、昇圧された窒素と酸素を通常の二塔式装置よ
りも安い資本費で製造する。
【０００４】米国特許第４４６４１８８号明細書は、昇
圧された窒素を製造するために二つのリボイラーを使用
することを開示しており、これらのリボイラーの一つは
塔底にあり、もう一つは中間の位置にある。塔底の生成
物は廃棄物、あるいは低純度の酸素（＜８０％）と見な
され、寒冷を提供するために膨張させられる。
【０００５】米国特許第４７０７９９４号明細書は、昇
圧された空気を塔底リボイラーで凝縮させて塔の沸騰加
熱を行い、そして塔の還流のために液体空気を塔頂コン
デンサーで蒸発させる、一塔式の空気分離サイクルを開
示している。蒸発した空気はその後低温（cold) 圧縮さ
れてから、蒸留のために塔の中間部に供給される。
【０００６】米国特許第４３８２３６６号明細書は、昇
圧された空気をリボイラーで凝縮させて塔の沸騰加熱を
行う一塔式の空気分離サイクルを開示している。生成さ
れた液体空気は単独の還流として塔頂に供給される。こ
の蒸留装置は酸素の流れと酸素量の減少した空気の流れ
を作りだす。酸素量の減少した空気の流れはその後、主
熱交換器と排ガス予熱器で加熱されてから燃焼のために
使用される。この燃焼は加圧下で行うので、燃焼ガスは
ガスタービンを駆動するために用いられる。
【０００７】上述の一塔式空気分離法は全て、昇圧され
た窒素製品かあるいは米国特許第４３８２３６６号明細
書の場合にはガスタービンに戻すことができる酸素量の
減少した空気製品を生産する。米国特許第４４６４１８
８号明細書では昇圧された窒素を製造することができる
だけである。しかしながら、全てのこれらのサイクルに
は、昇圧された酸素と窒素を共に生産するのに一定の不
都合がある。
【０００８】米国特許第４３８２３６６号明細書は空気
原料中の酸素の約７５％未満を回収するので、主熱交換
器、配管の大きさ、及び蒸留塔の径は他のサイクルより
も大きくなろう。この寸法の増大は機器経費の増加に直
接結びつく。更に、一定量の酸素を生産するために必要
とされる追加の流量を冷却し且つ加温するのが必要なこ
とは、上昇した圧力が降下して損失することと熱交換が
より非効率的になることを意味する。
【０００９】米国特許第４７０７９９４号明細書により
教示されたサイクルは空気をヒートポンプ媒体として使
用し、この空気は最初に一つのリボイラー／コンデンサ
ーで凝縮されて、次いでもう一つで蒸発させられる。流
れが凝縮され又は蒸発させられるたびに、リボイラー及
びコンデンサーでの伝熱のために必要とされる温度差の
ためにプロセスは非効率的にされる。その上、低温でプ
ロセスに熱を導入する低温圧縮は更に非効率を持ち込
む。
【００１０】米国特許第４４６４１８８号明細書は、８
０％以下の酸素純度で酸素製品を好ましく製造する方法
を教示している。従って、この方法は酸素と窒素とを共
に製造する多くの要件には不適当であろう。
【００１１】米国特許第４９４７６４９号明細書によっ
て教示されたサイクルは全部の再沸用熱負荷を塔底に配
置し、そしてこのことは、非常に高い塔圧力で運転され
た場合には増加した窒素再循環流量のために当該サイク
ルをそれほど効率的でないものにする。
【００１２】上述の一塔式蒸留方法のほかに、当該技術
分野で知られているたくさんの二塔式蒸留方法がこの要
件に対する解決策として提案されており、これらの中に
は次に掲げるものがある。
【００１３】米国特許第３２１０９５１号明細書は、低
圧塔の塔底液のためのリボイラー用に原料空気の一部を
凝縮させる二段式リボイラー(dual reboiler) プロセス
サイクルを開示している。凝縮された原料空気は低圧塔
及び／又は高圧塔のための純粋でない還流として用いら
れる。高圧塔の塔頂コンデンサーのための寒冷は、低圧
塔の中間液体流の蒸発でもってまかなわれる。
【００１４】米国特許第４７０２７５７号明細書は、低
圧塔の塔底液のためのリボイラー用に原料空気のうちの
かなりの部分を部分凝縮させる二段式リボイラープロセ
スを開示している。部分凝縮された空気は高圧塔へ直接
供給される。高圧塔の塔頂コンデンサーのための寒冷
は、やはり低圧塔の中間液体流の蒸発でもってまかなわ
れる。
【００１５】米国特許第４７９６４３１号明細書は、低
圧塔に三つのリボイラーがあるプロセスを開示してい
る。米国特許第４７９６４３１号明細書はまた、高圧塔
の塔頂から取出した窒素の一部分を膨張させて中圧に
し、そして次に高圧塔からの塔底液（粗液体酸素）の一
部分の蒸発するものとの熱交換で凝縮させることを提案
している。この熱交換は、このほかに低圧塔での不可逆
性を軽減しよう。
【００１６】米国特許第４９３６０９９号明細書も三段
式リボイラー(triple reboiler) プロセスを開示してい
る。この空気分離法では、高圧塔の塔底からの粗液体酸
素塔底液を高圧塔の塔頂からの凝縮する窒素との熱交換
で中圧で蒸発させ、そして結果として得られた、酸素に
富んだ中圧空気をその後エキスパンダーにより膨張させ
て低圧塔へ送る。
【００１７】あいにく、上述のサイクルは低い塔運転圧
力での操作に適しているに過ぎない。塔の圧力が上昇す
るにつれて、酸素と窒素との相対揮発度はより小さくな
って、窒素生成物の適度の回収率と実質的な純度とを達
成するためには液体酸素の還流をより多くすることが必
要になる。上述のサイクルの低圧塔の運転効率は、運転
圧力が約２５psia（１７０kPa （絶対圧））を超えて上
昇すると低下し始める。
【００１８】米国特許第４２２４０４５号明細書は、通
常の複式塔(double column) サイクルの空気分離装置を
ガスタービンと組み合わせることを開示している。周知
の Lindeの複式塔装置を単に採用しそしてその運転圧力
を上昇させることによったのでは、この米国特許は高圧
での酸素と窒素の両方についての生産要求量により与え
られる機会を十分に活かすことができない。
【００１９】欧州特許出願公開第０４１８１３９号明細
書は、上部塔の塔底部と下部塔の塔頂部とが直接熱的に
連結するのを避けるために伝熱媒体として空気を用いる
ことを開示しており、そしてこのことは、それをガスタ
ービンと組み合わせることについて米国特許第４２２４
０４５号明細書の特許請求の範囲に記載されている。と
は言うものの、空気を凝縮させることと蒸発させること
は、リボイラー／コンデンサーの伝熱面積や管理費を増
大させるばかりでなく、余分な伝熱工程のために余分な
不効率を持ち込むことにもなって、Linde の二塔式サイ
クルよりも性能を一層悪化させる。
【００２０】米国特許第５１６５２４５号明細書は、昇
圧された窒素（又は廃棄物）の流れが持つ圧力エネルギ
ーをどのようにしたら液体窒素及び／又は液体酸素を製
造するために効率的に利用することができるかを開示し
ている。
【００２１】
【課題を解決するための手段、及び作用効果】本発明
は、空気を低温蒸留（cryogenic distillation) して窒
素製品と酸素製品の両方を製造するための方法であっ
て、低温蒸留を単一の蒸留塔で行い、原料空気の流れを
圧縮し、低温（cryogenic temperatures) で凍結する不
純物を本質的になくし、冷却し、そして単一の蒸留塔に
供給して窒素の塔頂生成物と液体酸素の塔底液とを製造
する方法に対する改良である。
【００２２】その改良点は、(a) 単一の蒸留塔を７０〜
３００psia（４８０〜２０７０ kPa（絶対圧）の圧力で
運転すること、(b) 酸素濃度が８０％よりも高く、好ま
しくは８５〜９７％である、液体酸素塔底液のうちの一
部を該単一蒸留塔の塔底から抜出し、そして抜出した液
体酸素の圧力を低下させ、これを該単一蒸留塔の塔頂部
から取出した凝縮する窒素流との熱交換で蒸発させるこ
と、(c) その凝縮させた窒素流を該単一蒸留塔の塔頂部
に還流として供給すること、そして (d)上記の蒸発させ
た酸素を酸素製品の少なくとも実質的部分として回収す
ること、を特徴とする。
【００２３】また、改良点は更に、原料空気流よりも高
い圧力の空気流もしくは単一蒸留塔の運転圧力よりも高
い圧力の再循環窒素流である、凝縮する蒸気流との熱交
換で、又は酸素製品のうちの一部を少なくとも単一蒸留
塔の運転圧力の圧力で該単一蒸留塔の塔底部に供給する
ことで、液体酸素塔底液の少なくとももう一つの部分を
沸騰させることにより該蒸留塔の沸騰加熱を行うことを
特徴とすることができる。
【００２４】改良点はなお更に、原料空気流よりも高い
圧力の空気流であるかあるいは単一蒸留塔の運転圧力よ
りも高い圧力の再循環窒素流であるもう一つの凝縮する
蒸気流との熱交換で、塔を降下してくる液のうちの一部
を蒸発させることによって、該単一蒸留塔装置のストリ
ッピング部のために中間の沸騰加熱を行うことを特徴と
することができる。
【００２５】本発明の好ましい態様は、原料空気流より
も高い圧力の空気流を液体酸素塔底液を沸騰させる凝縮
蒸気流として使用し、そして単一蒸留塔の運転圧力より
も高い圧力の再循環窒素流を単一蒸留塔の中間の沸騰加
熱を行う凝縮蒸気流として使用する。更に、単一蒸留塔
への凝縮させた再循環窒素も凝縮させたより高圧の空気
も、追加の還流を供給するために単一蒸留塔に供給され
る。
【００２６】本発明の方法は、ガスタービン装置と組み
合わせるのに特に適している。そのような装置において
は、空気はガスタービンに機械的に連結した圧縮機でも
って圧縮され、そしてそれは更に、当該プロセスで生成
された気体の窒素のうちの少なくとも一部を空気の低温
蒸留のために圧縮し、この圧縮された気体の窒素と、圧
縮された空気のうちの少なくとも一部分と、そして燃料
とを燃焼器で混合して燃焼ガスを生成し、この燃焼ガス
を上記のガスタービンで仕事膨張させ、そして発生され
た仕事のうちの少なくとも一部分を上記のガスタービン
に機械的に連結した圧縮機を駆動するために利用するこ
とを更に含む。完全に組み合わされた装置においては、
圧縮された原料空気のうちの少なくとも一部はガスター
ビンに機械的に連結した圧縮機で圧縮された空気から得
られる。
【００２７】次に、本発明を詳しく説明する。本発明
は、一塔式の低温空気分離方法の改良である。エネルギ
ー効率が上昇することになるこの改良は、(a) 単一の蒸
留塔を７０〜３００psia（４８０〜２０７０ kPa（絶対
圧）の圧力で運転すること、(b) 酸素濃度が８０％より
も高く、好ましくは８５〜９７％である、液体酸素塔底
液のうちの一部を該単一蒸留塔の塔底から抜出し、そし
て抜出した液体酸素の圧力を低下させ、これを該単一蒸
留塔の塔頂部から取出した凝縮する窒素流との熱交換で
蒸発させること、(c) この凝縮させた窒素流を該単一蒸
留塔の塔頂部に還流として供給すること、そして (d)上
記の蒸発させた酸素を酸素製品の少なくとも実質的部分
として回収することを含むものである。
【００２８】本発明の改良のエネルギー効率を高めるた
めに、その改良は更に、一つのリボイラー／コンデンサ
ーは蒸留塔の塔底に位置し、そして少なくとも一つの他
のリボイラー／コンデンサーが蒸留塔のストリッピング
部の中間に位置する多段式リボイラー／コンデンサーを
含めることを含むことができる。これらのリボイラー／
コンデンサーの一つでは、熱源は高圧空気の凝縮によっ
て与えられ、この高圧空気は原料空気の更に圧縮された
うちの一部分である。上記の他のリボイラー／コンデン
サーにおいては、熱源は再循環する酸素によって、又は
再循環窒素もしくは原料空気の凝縮によって与えられ
る。酸素を再循環させる状況においては、ことさらのリ
ボイラー／コンデンサーは必要ない。その代わりに、再
循環酸素は蒸留塔の塔底に酸素蒸気の形で供給されて、
それにより塔底でのリボイラーと同じ効果を達成しよ
う。
【００２９】
【実施例】本発明の本質をよりよく理解するために、具
体的な態様を図１〜５に例示する。図１〜５において、
共通のプロセス要素と流れは、全て同じ参照符号を使っ
て指示される。
【００３０】図１に示された本発明の方法の態様につい
て言えば、低温（cryogenic temperatures) 及び少なく
とも７０psia（４８０ kPa（絶対圧））の圧力で凍結す
る水、二酸化炭素及び他の不純物をなくした、管路１０
０の圧縮された原料空気流を分割して、二つの分割流に
する。管路１１０の第一の分割流は主熱交換器１１２で
その露点近くまで冷却する。管路１２０の第二の分割流
は、圧縮機１２２で更に圧縮し、後段冷却して圧縮熱を
取除き、次いで二つの部分に分ける。管路１３０の第一
の部分は圧縮機１３２で圧縮し、主熱交換器１１２で冷
却し、そしてエキスパンダー１３４でもって仕事膨張さ
せる。ワークエキスパンダー１３４で発生した仕事は圧
縮機１３２を駆動するために使用される。冷却され、膨
張させられた、管路１３６の第一の部分は、管路１１４
の冷却された第一の分割流と一緒にされて、蒸留塔１５
２の中間の位置に管路１５０を経て供給される。管路１
４０の第二の部分は、主熱交換器１１２で冷却され、蒸
留塔１５２の塔底にあるリボイラー／コンデンサー１４
２で凝縮され、熱交換器１４４で過冷却され、圧力を下
げられて、蒸留塔１５２の管路１５０の原料空気が導入
される場所よりも高い場所で純粋でない液体の還流とし
て蒸留塔１５２の管路１４６を経由して供給される。
【００３１】蒸留塔１５２で、原料空気は蒸留されて窒
素の塔頂生成物と液体酸素塔底液とになる。液体酸素塔
底液は、蒸留塔１５２から管路１６０を経由して抜出さ
れ、熱交換器１４４で過冷却され、圧力を下げられて、
浸漬式（sump surrounding)ボイラー／コンデンサー１
６４へ管路１６２を経て供給される。減圧された過冷却
液体酸素はボイラー／コンデンサー１６４で、蒸留塔１
５２の塔頂からの凝縮する窒素蒸気との熱交換で蒸発す
る。蒸発した酸素製品は、管路１６８で抜出され、寒冷
を回収するため熱交換器１４４と１１２で加温されて、
気体の酸素製品として管路１７０を経由して回収され
る。その上に且つ必要ならば、浸漬式ボイラー／コンデ
ンサー１６４から液体を管路１６６により抜出して、液
体酸素製品を回収することができる。
【００３２】蒸留塔１５２で製造された窒素の塔頂生成
物は、管路１８０を経由して取出され、二つの部分に分
割される。管路１８２の第一の部分はボイラー／コンデ
ンサー１６４において蒸発する液体酸素との熱交換で凝
縮され、そして凝縮した窒素は管路１８４を経由して蒸
留塔１５２へ純粋な還流として戻される。管路１８６の
第二の部分は、寒冷を回収するため熱交換器１４４と１
１２で加温されて、次いで気体の窒素製品流と再循環窒
素流とに分割される。気体の窒素製品は管路１９０を経
て回収される。管路２００の再循環窒素流はブースター
圧縮機２０２で圧縮され、熱交換器１２２で冷却され、
蒸留塔１５２のストリッピング部の中間の位置にあるリ
ボイラー／コンデンサー２０４で凝縮され、熱交換器１
４４で過冷却され、圧力を下げられて、蒸留塔１５２の
塔頂に管路２０６を経由して追加の還流として供給され
る。
【００３３】上述の態様は、蒸留段のうちの一区画によ
り切り離されているリボイラー／コンデンサー１４２と
リボイラー／コンデンサー２０４とを示している。これ
は好ましい様式の運転及び構成ではあるが、このプロセ
スは両方のリボイラー／コンデンサーがそれらの間に蒸
留段なしに蒸留塔の塔底に位置する場合に有効に作用し
よう。
【００３４】図１のフローシートに示されてはいない
が、気体の酸素を蒸留塔１５２の塔底部から、リボイラ
ー／コンデンサー１４２より上で、より高圧の酸素製品
として抜出してもよい。この場合、管路１６０を経由し
て抜出される液体酸素の量は減少する。
【００３５】別法として、図１の蒸留塔の塔底部に位置
するリボイラー／コンデンサーで凝縮される流体を交換
することも可能である。そのような場合には、管路１４
１の冷却された高圧空気は中間のリボイラー／コンデン
サー２０４で凝縮され、その一方で管路２０３の再循環
窒素流は塔底のリボイラー／コンデンサー１４２で凝縮
されよう。図１に示したものと比較して各リボイラー／
コンデンサーで凝縮される流体を交換する場合には、管
路１４１の高圧空気の圧力は低下し、そして管路２０３
の再循環窒素流の圧力は上昇しよう。
【００３６】図１に示した方法及びこの後の図面のいず
れのものにおいても、必要ならば、気体の酸素及び／又
は窒素製品流は最終の使用前に更に圧縮することができ
る。
【００３７】図２は図１の態様の変形を説明する。この
図２の態様では、二つの気体窒素流を抜出す。５vppm未
満の酸素を含有する極度に純粋な窒素の、より少ない方
の第一の窒素流は、蒸留塔１５２の塔頂から管路１８０
を経由して抜出され、そして二つの部分に分割される。
第一の部分は凝縮のために管路１８２を経てボイラー／
コンデンサー１６４に供給され、管路１８６の第二の部
分は寒冷を回収するため加温されて、管路１９０により
純粋な気体窒素製品として回収される。約９５％より高
い窒素濃度の、より多い方の第二の窒素流は、蒸留塔１
５２の塔頂よりいくつかの分離段だけ下方の位置でこの
蒸留塔から管路２８８を経由して抜出され、加温され
て、二つの副分割流（substreams) に分割される。管路
２９０の第一の副分割流は純粋でない気体窒素製品とし
て回収される。第二の副分割流は、ブースター圧縮機３
０２で圧縮され、リボイラー／コンデンサー２０４で凝
縮され、熱交換器１４４で過冷却されて、管路３０６を
経て蒸留塔１５２の上方の位置に純粋でない還流として
供給される。図２のこのプロセススキームは、沸騰加熱
又は還流の必要条件を増加させずに極めて純粋な窒素製
品流を製造するのを可能にする。このプロセスの全ての
他の構成要素は、図１に示したのと同じである。
【００３８】図３に示したサイクルは液体製品の製造を
可能にする。この態様には再循環窒素のループはない。
図３を参照すれば、管路１００の原料空気は二つの副分
割流に分割される。第一の副分割流は主熱交換器１１２
で冷却され、リボイラー／コンデンサー２０４で凝縮さ
れ、そして過冷却される。管路１２０の第二の副分割流
は圧縮機１２２で更に圧縮され、そして二つの部分に分
割される。管路１３０の第一の部分は圧縮機１３２でな
お更に圧縮され、ワークエキスパンダー１３４で膨張さ
せられ、熱交換器１１２で冷却されて、蒸留塔１５２の
中間の位置に供給される。管路１４０の第二の部分は熱
交換器１１２で冷却され、リボイラー／コンデンサー１
４２で凝縮され、熱交換器１４４で過冷却されて、圧力
を下げられる。管路１４６の、この過冷却され減圧され
た第二の部分は、管路３１６の第一の副分割流と一緒に
され、圧力を更に下げられて、管路３１８を経由して蒸
留塔１５２の中間の位置に純粋でない還流として供給さ
れる。
【００３９】図３の態様においては、ボイラー／コンデ
ンサー１６４からの凝縮された塔頂窒素のうちの一部を
管路３８４により液体窒素製品として回収することがで
きる。高圧の酸素生成物は、蒸留塔１５２より管路１７
３によって塔底リボイラー／コンデンサー１４２より上
の位置から抜出され、熱交換器１１２で加温されて、管
路１７５により製品として回収される。更に、酸素の少
なくなった廃棄流を管路３８６により蒸留塔１５２から
抜出す。この抜出された酸素の少なくなった廃棄流は次
いで、寒冷を回収するため熱交換器１４４と１１２で加
温され、寒冷を発生するためエキスパンダー３８８で仕
事膨張させられ、発生した寒冷を回収するため熱交換器
１１２で更に加温され、そして管路３９０を経由して排
気される。このサイクルの残りの特徴は図１について説
明したものと同じである。
【００４０】図４に示したサイクルは、次のことを除い
て図１のサイクルの主な特徴を有する。第一に、管路１
７０の酸素は圧縮機４７０で圧縮され、管路４７２の製
品流と管路４７４の再循環流とに分割される。管路４７
４の再循環流は熱交換器１１２で冷却され、そして蒸留
塔１５２の塔底に供給される。この再循環される酸素は
組成が液と同じであるから、それは蒸気の還流として導
入することができ、従ってリボイラー／コンデンサー１
４２は必要ない。図４のサイクルには窒素の再循環はな
い。第二に、管路１４１の高圧の空気は、中間のリボイ
ラー／コンデンサー２０４で凝縮され、熱交換器１４４
で過冷却され、圧力を下げられて、管路４４２を経由し
て蒸留塔１５２に純粋でない還流として供給される。
【００４１】上述のサイクルの態様は全部が中間のリボ
イラー／コンデンサーを示しているとは言うものの、そ
れはこれらのサイクルが本発明では二つ以上のリボイラ
ーが包含されることを必要とするということを意味して
はいない。他のリボイラー／コンデンサーを他の熱交換
器に組入れてもよい。
【００４２】図５は、図１の方法の主熱交換器１１２と
リボイラー／コンデンサー１４２及び２０４とをどのよ
うにして単一の熱交換器コア５１２に組込むことができ
るかを示す。本発明の方法はより高圧で運転するので、
ガスの体積流量はより少なくなり、そして同じＮＴＵ
（移動単位数）に対して伝熱係数はより大きくなり、そ
れゆえに必要とされる熱交換器の長さはより短くなる。
同じことがリボイラー／コンデンサーについても言え
る。従って、これらの全ての機能を「単一の」熱交換器
コアに委ねることが可能である。この単一のコアは実際
には並列する多数のコアでよいことに注目されたい。更
に、セクションIIとIII とは必ずしも連続したものとは
限らないことに注目されたい。大抵の状況においては、
これらの二つのセクションを、両方とも熱交換器コアの
セクションＩの後に並列して設けるのがより良好であ
る。詳細なフローを次に説明する。
【００４３】図５を参照すれば、水と、二酸化炭素と、
低温及び少なくとも７０psia（４８０ kPa（絶対圧））
の圧力で凍結する他の不純物をなくした、管路１００の
圧縮原料空気流を二つの分割流に分割する。管路１１０
の第一の分割流は、熱交換器５１２のセクションＩでそ
の露点近くまで冷却される。管路１２０の第二の分割流
は、圧縮機１２２で更に圧縮され、圧縮熱を取除くため
後段冷却され、そして次に二つの部分に分割される。管
路１３０の第一の部分は圧縮機１３２で圧縮され、熱交
換器５１２のセクションＩで冷却され、そしてワークエ
キスパンダー１３４で膨張させられる。ワークエキスパ
ンダー１３４によって発生された仕事は圧縮機１３２を
駆動するのに利用される。冷却され、膨張させられた、
管路１３６の第一の部分は、管路１１４の冷却された第
一の分割流と一緒にされ、そして蒸留塔１５２の中間の
位置へ管路１５０を経由して供給される。管路１４０の
第二の部分は、熱交換器５１２のセクションＩとIIで冷
却及び凝縮され、熱交換器１４４で過冷却され、圧力を
下げられ、そして管路１４６を経て、蒸留塔１５２へ管
路１５０の原料空気が導入される箇所よりも高い位置か
ら純粋でない還流とし供給される。
【００４４】蒸留塔１５２において、原料空気は塔頂生
成物の窒素と液体酸素塔底液とに蒸留される。液体酸素
塔底液は管路５６０により蒸留塔１５２から抜出され、
そして二つの部分に分割される。管路１６０の塔底液の
第一の部分は、熱交換器１４４で過冷却され、減圧され
て、管路１６２を経由して浸漬式ボイラー／コンデンサ
ー１６４へ供給される。ボイラー／コンデンサー１６４
において、減圧された過冷却液体酸素は蒸留塔１５２の
塔頂からの凝縮する窒素蒸気との熱交換で蒸発させられ
る。蒸発した酸素生成物は管路１６８により抜出され、
熱交換器１４４と熱交換器５１２のセクションＩで寒冷
を回収するため加温され、そして管路１７０により気体
の酸素製品として回収される。管路５６２の塔底液の第
二の部分は、熱交換器５１２のセクションIII で蒸発さ
せられて、蒸留塔１５２の塔底に供給される。図に示し
てはいないが、、このほかに、また必要ならば、浸漬式
ボイラー／コンデンサー１６４から液を抜出すことによ
って液体酸素製品を回収することができる。
【００４５】蒸留塔１５２の塔頂窒素生成物は二つの部
分に分けて抜出される。管路１８２の第一の部分は、ボ
イラー／コンデンサー１６４において蒸発する液体酸素
との熱交換で凝縮され、この凝縮窒素は管路１８４を経
由して蒸留塔１５２へ純粋な還流として戻される。管路
１８６の第二の部分は、熱交換器１４４と熱交換器５１
２のセクションＩとで寒冷を回収するため加温され、次
いで気体窒素製品流と再循環窒素流に分割される。この
気体窒素製品は管路１９０により回収される。管路２０
０の再循環窒素は、ブースター圧縮機２０２で圧縮さ
れ、熱交換器５１２のセクションＩ及びIII で冷却及び
凝縮され、熱交換器１４４で過冷却され、減圧されて、
管路２０６により蒸留塔１５２の塔頂に追加の還流とし
て供給される。
【００４６】最後に、蒸留塔１５２を降下してくる中間
の液を管路５４５によって抜出し、熱交換器５１２のセ
クションIIで部分的に蒸発させ、そして分離機５４７で
相分離する。管路５４９の気相は、液相（管路５５１）
をポンプ５５３で押上げてからこの液相と一緒にし、そ
してこの一緒にした流れを管路５５５を経由して蒸留塔
１５２に戻す。
【００４７】図６は、ガスタービン装置と組合わされ
た、図１に示した本発明の方法を説明する。図１につい
ての空気分離方法の態様は先に説明したので、ここでは
ガスタービンの組合わせのみを説明する。図６は、いわ
ゆる「完全集成（fully integrated) 」オプションに相
当し、これにおいては空気分離プロセスへの原料空気の
全部がガスタービンに機械的に連結した圧縮機によって
供給され、空気分離プロセスの気体の窒素生成物の全部
がガスタービン燃焼器に供給される。あるいはまた、
「部分集成」オプションに用いることもできよう。これ
らの「部分集成」オプションでは、空気分離用原料空気
はその一部がガスタービンに機械的に連結した圧縮機か
らやって来るかあるいは少しもやって来ず、また気体窒
素生成物はガスタービン燃焼器にその一部のものが供給
されるかあるいは少しも供給されないであろう（すなわ
ち、昇圧された窒素生成物にまさる代わりのものがある
場合）。図６に示した「完全集成」の態様は一例である
に過ぎない。
【００４８】図６を参照すれば、原料空気は管路６００
によりプロセスへ供給され、圧縮機６０２で圧縮され、
そして管路６０４の空気分離装置用の分と管路６１０の
燃焼空気用の分に分割される。空気分離装置用の分は熱
交換器６０６で冷却され、低温では凍結するであろう不
純物をモルシーブ装置６０８で取除き、そして空気分離
装置に管路１００を経由して供給される。この空気分離
装置からの、更に圧縮されている管路１９０の気体窒素
生成物は、熱交換器６０６で加温され、そして管路６１
０の燃焼空気用の分と一緒にされる。管路６１２の一緒
にされた燃焼用供給空気流は熱交換器６１４で加温さ
れ、管路６１８の燃料と混合される。窒素は多数の別の
場所から導入することができるということ、例えば、燃
料ガスと直接混合し又は燃焼器へ直接供給することがで
きるということに注目すべきである。燃料／燃焼供給空
気流は燃焼器６２０で燃焼して、燃焼ガス生成物は管路
６２２を経てエキスパンダー６２４に供給されそこで仕
事膨張する。図６は、エキスパンダー６２４で作り出さ
れる仕事の一部分を原料空気を圧縮機６０２で圧縮する
ために使用することを示している。しかしながら、発生
される残りの仕事の全部を発電するといったような他の
目的のために利用することができる。管路６２６のエキ
スパンダー排気ガスは熱交換器６１４で冷やされて、管
路６２８を経て排出される。管路６２８の冷却された排
気ガスは、次いで結合されたサイクルでスチームを発生
させるといったような他の目的のために使用される。あ
るいはまた、エキスパンダーの排気ガスは、通常のガス
タービン／スチームタービンの組合わされたサイクルで
ある結合サイクルに単にやることができる（すなわち、
図に示したような熱交換器６１４での熱交換なしに）
が、この詳しいことは基本の単一塔の概念にとって重要
ではない。ここで、窒素と空気の両方（燃料ガスも）は
燃焼器へ注入する前に低レベルの熱を回収するため水と
熱交換させることができることに言及すべきである。そ
のようなサイクルはここで詳細には検討しない。
【００４９】本発明の単一塔空気分離装置の効率が上昇
するのは、塔頂でコンデンサーを、そして塔内で多数の
リボイラーを思慮深く用いることの結果である。ヒート
ポンプ再循環流量は、塔頂ボイラー／コンデンサーで液
体酸素を沸騰させることで蒸留塔の液体窒素の還流の必
要を補うことができるということを了解することによっ
て低減される。ヒートポンプ再循環流量のこの低減は、
再循環流につきまとう圧力損失や熱交換損失といったよ
うな非能率を軽減する。塔底リボイラー／コンデンサー
に加えて中間のリボイラー／コンデンサーを用いること
によって、塔の下方部での操作線は平衡曲線により近く
なって、このことは蒸留塔の非能率を軽減するというこ
とから、空気分離の動力消費量を低減することができ
る。更に、沸騰加熱を行うために原料空気一部分を使用
することによってヒートポンプ再循環の流量が低下す
る。
【００５０】この単一塔装置は高圧で運転するので、装
置内の全ての窒素ガスは圧力が６０psia（４１３ kPa
（絶対圧））より高く、熱交換器と配管の寸法はより小
さくなる。本発明の態様は単一塔装置の利点、すなわ
ち、熱交換器、配管及び蒸留塔がより小さいこと、ある
いは一般に、コールドボックスがより小さいこと、更に
また塔の制御ループ及び他の補助機器や計装が単純であ
ることをそのまま保持する。これらの利点のために、そ
れは顧客が昇圧した窒素と酸素の両方を要求する場合に
通常の二塔式装置よりも好ましい。このことは、酸素が
吹き込まれるガス化ガスタービン発電プロセス（例え
ば、石炭と酸素とから得られる燃料ガスが湿り空気ター
ビンサイクルあるいはガスタービンとスチームタービン
を組み合わせたサイクルに供給される）におけるよう
に、又は外部へ送り出されるガスが発電のために用いら
れる鉄鉱石の直接還元による製鋼プロセス（例、ＣＯＲ
ＥＸ（商標）法）におけるように、空気分離装置をガス
タービンと組み合わせる場合に殊に当てはまることであ
る。
【００５１】上述のように、顧客が上昇した窒素と酸素
及び／又は液体の製品を要求する場合には、通常の二塔
式装置で運転するよりも単一塔を運転する方が、配管寸
法、蒸留塔の総容積及びコールドボックスの大きさが低
下し、且つまた蒸留塔装置のための制御ループがより簡
単になることから、より優れている。これらのサイクル
の動力消費量は通常の二塔式サイクルと等しいかあるい
はそれより少なく、従ってこれらのサイクルはより有利
である。
【００５２】例 本発明の効力を証明するため、本発明の図１のサイクル
と従来の二塔式サイクルの二つをシミュレーションし
た。シミュレーションに用いた条件は、１４７psia（１
０１５ kPa（絶対圧））及び５５°F （１２．８℃）の
原料空気、主熱交換器のＮＴＵ＝５２、酸素製品純度９
０％及び９５％というものであった。シミュレーション
結果の主要なパラメーターを表１及び表２に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】これらの表から分かるように、図１のサイ
クルの比動力は、従来の二塔式サイクルのそれらよりも
酸素純度９０％及び９５％でそれぞれ３．４％及び１．
５％小さい。本発明のこのほかのサイクルは、動力値を
別の値にし、そして異なる条件でそれらの最高の性能を
発揮しよう。とは言え、これらの表は、本発明のサイク
ルのあるものは、一定の条件において、投資費の点から
有利であるばかりでなく、昇圧した窒素及び酸素を同時
に生産するための従来の二塔式サイクルよりも動力効率
的でもある、ということを説明する。
【００５６】いくつかの具体的な態様に言及して本発明
を説明してきた。これらの態様は本発明を限定するもの
と見るべきではない。本発明の範囲は特許請求の範囲か
ら確認されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一態様を説明する概略フローシ
ートである。
【図２】本発明の方法の別の態様を説明する概略フロー
シートである。
【図３】本発明の方法の更に別の態様を説明する概略フ
ローシートである。
【図４】本発明の方法の更にまた別の態様を説明する概
略フローシートである。
【図５】本発明の方法のもう一つの態様を説明する概略
フローシートである。
【図６】本発明の方法の更にもう一つの態様を説明する
概略フローシートである。
【図７】従来の二塔式蒸留法の概略フローシートであ
る。
【符号の説明】
１１２…主熱交換器 １２２…圧縮機 １３２…圧縮機 １３４…エキスパンダー １４２…リボイラー／コンデンサー １４４…熱交換器 １５２…蒸留塔 １６４…浸漬式ボイラー／コンデンサー ２０２…ブースター圧縮機 ２０４…リボイラー／コンデンサー ３０２…ブースター圧縮機 ３８８…エキスパンダー ４７０…圧縮機 ５１２…熱交換器 ５４７…分離器 ５５３…ポンプ ６０２…圧縮機 ６０６…熱交換器 ６０８…モルシーブ装置 ６１４…熱交換器 ６２０…燃焼器 ６２４…エキスパンダー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラケッシュ アグラウォル アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18049, イモース，コモンウェルス ドライブ 4312 (72)発明者 ジアングオ クス アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18051, フォーゲルスビル，ホワイト バーチ サ ークル 8121

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単一の蒸留塔で低温蒸留を行い、また原
    料空気の流れを圧縮し、低温で凍結する不純物を本質的
    になくし、冷却し、そして単一の蒸留塔に供給して窒素
    の塔頂生成物と液体酸素の塔底液とを製造する、空気を
    低温蒸留して窒素製品と酸素製品の両方を製造するため
    の方法であって、 (a) 単一の蒸留塔を７０〜３００psia（４８０〜２０７
    ０ kPa（絶対圧））の圧力で運転すること、 (b) 酸素濃度が８０％よりも高い液体酸素塔底液のうち
    の一部を該単一蒸留塔の塔底から抜出し、そして抜出し
    た液体酸素の圧力を低下させ、これを該単一蒸留塔の塔
    頂部から取出した凝縮する窒素流との熱交換で蒸発させ
    ること、 (c) その凝縮させた窒素流を該単一蒸留塔の塔頂部に還
    流として供給すること、 (d) 上記の蒸発させた酸素を酸素製品の少なくとも実質
    的部分として回収すること、を特徴とする空気の低温蒸
    留方法。
  2. 【請求項２】 前記単一蒸留塔の塔底からの液体酸素塔
    底液の酸素濃度が８５〜９７％である、請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 原料空気流よりも高い圧力の空気流もし
    くは該単一蒸留塔の運転圧力よりも高い圧力の再循環窒
    素流である、凝縮する蒸気流との熱交換で、又は酸素製
    品のうちの一部を少なくとも該単一蒸留塔の運転圧力の
    圧力で該単一蒸留塔の塔底部に供給することで、液体酸
    素塔底液の少なくとももう一つの部分を沸騰させること
    により該単一蒸留塔の沸騰加熱を行うことを更に含む、
    請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 原料空気流よりも高い圧力の空気流であ
    るかあるいは該単一蒸留塔の運転圧力よりも高い圧力の
    再循環窒素流であるもう一つの凝縮する蒸気流との熱交
    換で、塔を降下してくる液のうちの一部を蒸発させるこ
    とによって、該単一蒸留塔装置のストリッピング部のた
    めに中間の沸騰加熱を行うことを更に含む、請求項３記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 前記原料空気流よりも高い圧力の空気流
    が前記液体酸素塔底液を沸騰させる凝縮する蒸気流であ
    り、そして前記単一蒸留塔の運転圧力よりも高い圧力の
    再循環窒素流が該単一蒸留塔の中間の沸騰加熱を行う凝
    縮する蒸気流である、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 凝縮させた再循環窒素と凝縮させたより
    高圧の空気の両方を追加の還流を供給するため該単一蒸
    留塔に供給することを更に含む、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 圧縮した原料空気の一部分を更に圧縮し
    そして単一蒸留塔の運転圧力まで仕事膨張させて、この
    膨張させた分を該単一蒸留塔の中間の位置に供給するこ
    とを更に含む、請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 仕事膨張により発生された仕事を前記原
    料空気の一部分を更に圧縮するのに必要とされる仕事の
    うちの少なくとも一部をまかなうために使用する、請求
    項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 空気がガスタービンと機械的に連結した
    圧縮機でもって圧縮され、且つ、空気の低温蒸留のため
    の当該方法から生成された気体窒素のうちの少なくとも
    一部分を圧縮し、この圧縮した気体窒素と上記の圧縮さ
    れた空気のうちの少なくとも一部分と燃料とを燃焼器で
    混合して燃焼ガスを生成させ、この燃焼ガスを上記ガス
    タービンで仕事膨張させ、そして発生した仕事のうちの
    少なくとも一部分を上記ガスタービンに機械的に連結し
    た圧縮機を駆動するために使用することを更に含む、請
    求項１、２又は３記載の方法。
  10. 【請求項１０】 圧縮原料空気のうちの少なくとも一部
    分を前記ガスタービンと機械的に連結した圧縮機で圧縮
    された空気から得る、請求項９記載の方法。
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