JPH07174461A - 空気を分離してガス状酸素生成物を供給圧力にて製造する方法 - Google Patents

空気を分離してガス状酸素生成物を供給圧力にて製造する方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮ガス混合物（例えば空気）の低温精留プ
ロセスとその装置を提供する。 【構成】 ポンピングした後、低揮発性成分をメイン熱
交換器中で気化させるために、メイン熱交換器において
冷却される圧縮ガス混合物の流れをさらに圧縮して、よ
り圧縮された流れを形成させる。メイン熱交換器内での
理論ピンチポイント温度を越えた状態の熱力学的不可逆
性を最小限に抑えるために、より圧縮された流れの一部
を、理論ピンチポイント温度またはその付近の温度にて
熱交換器から取り出し、さらに圧縮し、そして理論ピン
チポイント温度より高い温度を有するメイン熱交換器の
レベルにて導入する。より圧縮された流れの残部、また
は冷却される圧縮ガス混合物の他のいくらかの流れをメ
イン熱交換器から取り出し、メイン熱交換器をさらに使
用することなくその精留に適した温度に冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、低温精留プロセス、お
よびガス状混合物の高揮発性成分と低揮発性成分を分離
するための装置に関する。本発明の精留プロセスにおい
ては、混合物が先ず圧縮され、次いでその精留に適した
温度に冷却される。さらに詳細には、本発明は、低揮発
性成分が供給圧力にポンピングされ、次いで混合物を冷
却するのに使用されるメイン熱交換器中で気化される、
というプロセスと装置に関する。さらに詳細には、本発
明は、メイン熱交換器内の熱力学的不可逆性が最小限に
抑えられる、というプロセスと装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】異な
った揮発性を有するガス状混合物の成分は、よく知られ
ている種々の低温精留プロセスによって互いに分離され
る。このようなプロセスでは、ガス状混合物を圧縮した
後に、ガス状混合物を精留に適した温度に冷却するのに
メイン熱交換器を使用する。トレーまたは充填物（構造
的充填物もしくはランダム充填物）を組み込んだ蒸留塔
にて精留を行って、混合物の液相と気相を密に接触さ
せ、これによりそれらの揮発性にしたがって混合物の成
分が分離される。より揮発性の低い成分を供給圧力にて
生成させるのに生成物圧縮機（product compressor）を
使用するのを避けるために、より揮発性の低い成分が液
体の形で得られるよう蒸留が行われる。液体の形のより
揮発性の低い成分が供給圧力にポンピングされ、メイン
熱交換器中で気化される。
【０００３】重要な低温精留プロセスは空気の分離に関
する。空気は、より揮発性の低い成分である酸素と、よ
り揮発性の高い成分である窒素を含有している。加圧酸
素ガスの製造においては、空気の低温精留による液体酸
素生成物が供給圧力にポンピングされ、メイン熱交換器
中にて流入空気によって加熱され、加圧ガスとしてそこ
から出る。一般には、熱交換器内に適切な温度差を与え
るために、空気供給物の少なくとも一部を、酸素よりか
なり高い圧力に加圧しなければならない。例えば、酸素
生成物（流入空気の１９〜２２容量％を占める）が４
２.８バールにポンピングされるとき、流入空気の３５
〜４０％は約７４.５バールに圧縮される。こうした要
件は、温度が一致していないこと、およびメイン熱交換
器のいくつかの部分にて供給空気と生成物流れとの間で
熱が伝達されること、によるものである。同時に、熱交
換器のある部分においては、空気と生成物流れとの間に
大きな温度差が存在する。これは熱力学的不可逆性とし
て知られており、プロセスのエネルギー要件を増大させ
る。
【０００４】後述するように、本発明は、メイン熱交換
器中の熱力学的不可逆性が最小限に抑えられる、という
空気を分離するためのプロセスと装置を提供する。本発
明はさらに、ポンピングされた低揮発性生成物（例え
ば、空気や石油化学品等の成分）を、メイン熱交換器内
の熱力学的不可逆性が最小限に抑えられるようにメイン
熱交換器内で気化させる方法に関する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】１つの態様においては、
本発明は、空気を分離し、これによってガス状酸素生成
物を供給圧力にて製造させるための方法に関する。本発
明の方法によれば、空気が圧縮され、空気から圧縮熱が
除去され、そして引き続き空気が精製される。次いで空
気がメイン熱交換器にて冷却される。空気を冷却する前
に、冷却すべき空気の少なくとも一部をさらに圧縮し
て、より圧縮された空気流れを形成させる。より圧縮さ
れた空気流れから圧縮熱が除去される。より圧縮された
空気流れが、理論ピンチポイント温度（theoretical pi
nch point temperature）の付近の温度を有するメイン
熱交換器の場所にて、より圧縮された空気流れの少なく
とも一部がメイン熱交換器から取り出され、メイン熱交
換器から取り出されたより圧縮された空気流れの前記少
なくとも一部の少なくとも一部がさらに圧縮されて、第
１の補助空気流れが形成される。この補助空気流れが、
理論ピンチポイント温度より高い温度を有するレベルに
てメイン熱交換器中に再び導入される。メイン熱交換器
中への再導入後、第１の補助空気流れがその精留に適し
た温度に十分に冷却される。
【０００６】冷却すべき空気の一部がメイン熱交換器か
ら取り出されて、第２の補助空気流れが形成される。第
２の補助空気流れが、メイン熱交換器を使用することな
く、その精留に適した温度に冷却される。第２の補助空
気流れがその中に含まれている空気の精留に適した温度
を有するよう、第２の補助空気流れが、膨張仕事の遂行
を伴って第２の補助空気流れを膨張させることによって
冷却される。膨張仕事の少なくとも一部が、熱交換器か
ら取り出されたより圧縮された空気流れの少なくとも一
部の少なくとも一部をさらに圧縮するのに適用される。
【０００７】第１と第２の補助空気流れ中の空気が、液
体酸素が得られるよう配置構成された空気分離ユニット
内で精留される。プロセスのエネルギー収支を保持する
ために、プロセスに冷却ポテンシャルが供給される。液
体酸素流れ（本質的に酸素を含む）が空気分離ユニット
から取り出され、供給圧力にポンピングされる。液体酸
素流れが、周囲温度に充分に加温されるようにメイン熱
交換器にて気化され、そして液体酸素流れがメイン熱交
換器からガス状酸素生成物として抜き取られる。
【０００８】当業界においてよく知られているように、
ピンチポイント温度とは、メイン熱交換器中の冷却すべ
き全ての流れとメイン熱交換器中の加温すべき全ての流
れとの間の温度差が最小である場合の、メイン熱交換器
中の温度を示している。このピンチポイント温度より高
かったり低かったりすると、温度差とエンタルピーが拡
散し、メイン熱交換器内に熱力学的不可逆性が存在して
いる証拠となる。この熱力学的不可逆性は、仕事の損失
を、したがって酸素生成物流れを気化させるのに必要な
プラントのエネルギー要件の一部を示している。本明細
書で使用している“理論ピンチポイント温度”とは、例
えば、第１と第２の補助空気流れが形成されなければ存
在するであろうというシミュレーションによって、メイ
ン熱交換器中の集合低温流れに関して決定されたピンチ
ポイント温度を意味している。このような場合において
は、メイン熱交換器が従来技術の熱交換器として作動
し、このときより圧縮された空気流れのすべてがメイン
熱交換器内にて充分に冷却される。メイン熱交換器の従
来技術の場合においては、加熱曲線と冷却曲線を温度対
エンタルピーの関係としてプロットすると、ピンチポイ
ント温度およびこれら曲線のずれが容易にわかる。本発
明にしたがって操作されるメイン熱交換器の冷却曲線と
加熱曲線を従来技術の場合と比較すると、曲線間のずれ
がより少なく、したがってポンピングされた液体酸素流
れの気化に関与する仕事の損失もより少ないということ
がわかる。さらに詳細に言えば、第１の補助空気流れ
が、熱力学的不可逆性を、第１の補助空気流れがメイン
熱交換器中に再導入される温度と理論ピンチポイント温
度との間に低下させていること、および第２の補助空気
流れの抜き取りと、それをメイン熱交換器を使用するこ
となく冷却することが、熱力学不可逆性を理論ピンチポ
イント温度より下に低下させていることがわかる。
【０００９】本明細書で使用している“メイン熱交換
器”とは、必ずしも単一プレートフィン熱交換器を意味
しているわけではない。当技術者に公知の“メイン熱交
換器”は、流れを冷却・加温するよう並列にて作動する
いくつかのユニットで造り上げることができる。当業界
では、高圧熱交換器と低圧熱交換器を使用するのが普通
である。“メイン熱交換器”を造り上げているユニット
を合わせたものが、理論ピンチポイント温度を有する。
本明細書で使用している“充分に冷却された”および
“充分に加温された”とは、それぞれ精留温度に冷却さ
れたこと、および周囲温度に加温されたことを意味して
いる。本明細書にて、“ある程度加温された”または
“ある程度冷却された”という文脈で使用されている
“ある程度（partially）”とは、充分に加温された状
態の温度と充分冷却された状態のの温度との間の温度に
加温または冷却されたことを意味する。最後に、本明細
書において理論ピンチポイント温度に関して使用されて
いる“付近（vicinity）”とは、理論ピンチポイント温
度から±５０℃の範囲内の温度を意味している。
【００１０】前述したように、本発明の方法は、空気の
分離に限定されることはなく、他の工業物品の低温精留
にも使用することができる。他の態様においては、本発
明は、供給圧力にポンピングされた低揮発性生成物を、
メイン熱交換器を使用した低温精留プロセスによって圧
縮ガス混合物の高揮発性生成物から分離した後に気化さ
せるための方法を提供する。メイン熱交換器は、圧縮ガ
ス混合物をその精留に適した温度に冷却するよう配置構
成されている。本発明の方法においては、圧縮ガス混合
物を冷却する前に、冷却すべき圧縮ガス混合物の少なく
とも一部をさらに圧縮してより圧縮された流れを形成さ
せる。より圧縮された流れから圧縮熱を除去する。より
圧縮された流れの少なくとも一部を、前記のより圧縮さ
れた流れが理論ピンチポイント温度の付近の温度を有す
るメイン熱交換器の場所にて、メイン熱交換器から取り
出す。より圧縮された流れの少なくとも一部の少なくと
も一部をさらに圧縮して、第１の補助流れを形成させ
る。理論ピンチポイント温度より高い温度を有するレベ
ルにて、第１の補助流れをメイン熱交換器に再び導入す
る。メイン熱交換器への再導入後、第１の補助流れをそ
の精留に適した温度に充分に冷却する。冷却すべき圧縮
ガス混合物の一部をメイン熱交換器から取り出して、第
２の補助流れを形成させる。次いで第２の補助流れを、
メイン熱交換器を使用することなくその精留に適した温
度に冷却する。膨張後の温度がその精留に適した温度と
なるように、膨張仕事の遂行を伴って第２の補助流れ膨
張させることによって、第２の補助流れを冷却する。膨
張仕事の少なくとも一部が、より圧縮された流れの少な
くとも一部の少なくとも一部のさらなる圧縮に適用され
る。より揮発性の低い生成物が、メイン熱交換器中にて
気化される。
【００１１】さらに他の態様においては、本発明は、空
気から酸素生成物を供給圧力にて製造するための装置を
提供する。本発明の装置は、空気を圧縮するためのメイ
ン圧縮機を含む。空気から圧縮熱を除去するための第１
のアフタークーラーが前記圧縮機に接続され、そして空
気を精製するための空気精製手段が前記第１のアフター
クーラーに接続されている。空気の少なくとも一部をさ
らに圧縮してより圧縮された空気流れを形成させるため
の高圧空気圧縮機が、前記空気精製手段に接続されてい
る。圧縮された空気流れから圧縮熱を除去するための第
２のアフタークーラーが、前記の高圧空気圧縮機に接続
されている。メイン熱交換器が組み込まれている。メイ
ン熱交換器は、第１の通路と第２の通路を有する。第１
の通路は第１のセクションと第２のセクションを含み、
第１のセクションは、圧縮空気流れが第１の通路の第１
のセクションに流入するよう、第２のアフタークーラー
と連通状態にある。排出する際に少なくとも第１の補助
流れが、理論ピンチポイント温度の付近の温度を有する
よう、圧縮空気流れを含んだ第１と第２の補助空気流れ
を第１の通路の第１のセクションから排出するための手
段が組み込まれている。理論ピンチポイント温度より高
い温度を有するメイン熱交換器の場所に、第１の補助空
気流れの圧縮後に第１の補助空気流れを受け取るための
入口が設けられている。第１の通路の第２のセクション
が、前記入口と連通状態にあり、そして第１の補助空気
流れがメイン熱交換器中で充分に冷却されるよう配置さ
れている。第１の補助空気流れを圧縮するためのヒート
ポンプ圧縮機が、メイン熱交換器の排出手段と前記入口
との間に接続されており、また第２の補助空気流れを膨
張仕事の遂行を伴って膨張させるための膨張手段が組み
込まれている。膨張手段は、膨張仕事の少なくとも一部
が前記ヒートポンプ圧縮機を駆動するように前記ヒート
ポンプ圧縮機に連結されている。空気を精留し、これに
よって液体酸素を生成させるための空気精留手段が、メ
イン熱交換器の第１の通路の第２のセクションと前記膨
張手段とに接続されている。液体酸素を供給圧力にポン
ピングし、これによってポンピングされた液体酸素流れ
を形成させるためのポンプが、前記空気精留手段に接続
されている。ポンピングされた液体酸素流れが、第１の
通路内にて圧縮空気流れに対して向流方向に流れ、これ
によって気化されてガス状酸素生成物を生成するよう、
前記ポンプがメイン熱交換器の第２の通路に接続されて
いる。装置のエネルギー収支が保持されるよう、装置に
冷却ポテンシャルを供給するための冷却ポテンシャル供
給手段が組み込まれている。
【００１２】図面を参照すると、本発明の方法を実施す
るための空気分離プラント１０が示されている。
【００１３】精留すべき空気をメイン圧縮機１２にて圧
縮して、圧縮空気流れ１３を形成させる。第１のアフタ
ークーラー１４（一般には水冷式）によって圧縮空気流
れ１３から圧縮熱を除去し、次いで圧縮空気流れ１３を
空気予備精製ユニット１６によって精製する。ここで
は、空気から二酸化炭素、水分、および炭化水素が除去
される。より圧縮された空気流れ２０を形成させるため
に、高圧圧縮機１８が空気予備精製ユニット１６に接続
されている。第２のアフタークーラー２２を通過した後
（より圧縮された空気流れから圧縮熱を除去するため
に）、より圧縮された空気流れ２０がメイン熱交換器２
４に導入される。より圧縮された空気流れ２０が第１の
セクション２６ａと第２のセクション２６ｂを有する第
１の通路２６に流入するよう、メイン熱交換器２４は第
２のアフタークーラー２２と連通状態にある第１の通路
２６を有する。ポンピングされた液体酸素流れ（これに
ついては後述する）を気化させるための第２の通路２８
が組み込まれている。第１の通路２６の第１のセクショ
ン２６ａには、第１の補助空気流れ３０と第２の補助空
気流れ３２をメイン熱交換器２４から排出するための出
口が設けられている。第１の補助空気流れ３０は、ヒー
トポンプ圧縮機３４内にてさらに圧縮される。より圧縮
された流れ３６が、理論ピンチポイント温度より高い熱
交換器２４のレベルに配置された入口によって、メイン
熱交換器２４と第１の通路２６の第２のセクション２６
ｂに導入される。このとき同時に、メイン熱交換器２４
をさらに使用することなく第２の補助空気流れ３２がそ
の精留に適した温度に冷却される程度に、第２の補助空
気流れ３２が、第２の補助空気流れ３２をターボ膨張さ
せるターボエキスパンダー３８中に導入される。ターボ
エキスパンダー３８は、ターボエキスパンダー３８に連
結されていて、かつ電気を発生してヒートポンプ圧縮機
３４に接続されている電気モーターを駆動させるのに使
用されるジェネレータによって、機械的に又は電気機械
的にヒートポンプ圧縮機３４に連結されている。ターボ
エキスパンダー３８によって過剰のエネルギー（ヒート
ポンプ圧縮機３４を駆動させるのに必要なエネルギーを
越えた量のエネルギー）が生成されることがある。この
ような場合、この過剰のエネルギーはプラント中のどこ
にでも適用することができる。例えば、ターボエキスパ
ンダー３８に連結されたジェネレータによって発生され
る過剰の電気は、プラント中の他の電気ニーズに使用す
ることができる。
【００１４】理論ピンチポイント温度の上下のメイン熱
交換器２４の熱的不可逆性が最小限に抑えられるのは、
第１と第２の補助空気流れを除去し、これらの流れを互
いに連結された圧縮機３４とターボエキスパンダー３８
内で前述のように使用するからである。この点について
のさらに詳細を後で行う。
【００１５】空気分離プラントまたは他のいかなる低温
精留プロセスもこれまで説明してきたように作動させる
ことができるけれども、空気の必ずしもすべてを高圧空
気圧縮機１８中で圧縮するのではなく、むしろ空気予備
精製ユニット１６の後に、圧縮空気流れ１３を第１の部
分流れ４０と第２の部分流れ４２に分けるのが好まし
い。第１の部分流れ４０が、高圧空気圧縮機１８にてさ
らに圧縮される。第２の部分流れ４２が、第３の補助空
気流れ４４と第４の補助空気流れ４６に分けられる。第
３の補助空気流れ４４が、このような目的のために設け
られた第３の通路４８にてメイン熱交換器２４内で充分
に冷却される。第４の補助空気流れ４６が、冷却ブース
ター圧縮機（refrigeration booster compressor）５０
にてさらに圧縮され、アフタークーラー５２によって圧
縮熱が除去される。第４の補助空気流れ４６は、圧縮熱
が除去された後、このような目的のために設けられた第
４の通路５４を組み込むことによって、メイン熱交換器
２４中である程度冷却される。次いで第４の補助空気流
れ４６がメイン熱交換器２４から取り出され、冷却ブー
スター圧縮機５０に連結された冷却ターボエキスパンダ
ー（refrigeration turboexpander）５６を通過する。
冷却ターボエキスパンダー５６からの排出物は、第５の
通路５８を介してメイン熱交換器２４に再び戻される。
メイン熱交換器２４にはさらに、廃棄窒素流れ（詳細に
ついては後述する）を周囲温度に充分に加温するため
の、また予備精製ユニット１６を再生するのに使用する
ための第６の通路６０が組み込まれている。
【００１６】図２を参照すると、従来技術の熱交換器の
温度とエンタルピー特性がプロットされている。このよ
うなプロットを得るのに使用される熱交換器は、より圧
縮された流れのすべてがメイン熱交換器内で精留温度に
充分に冷却されること、そしてそのいずれもが除去され
ないで第１の補助空気流れ３０と第２の補助空気流れ３
２が形成されること以外は、前述の熱交換器と類似して
いる。曲線Ａは、メイン熱交換器において冷却すべきす
べての流れ（例えばすべての空気流れ）の総和である。
曲線Ｂは、メイン熱交換器内のはっきり区別されたポイ
ントにおける、加温すべき流れ（例えば、加圧された酸
素流れと廃棄窒素流れ）の温度とエンタルピーの総和を
示している。高温流れと低温流れとの間に熱伝達がある
ためには、メイン熱交換器中のいかなるポイントにおい
ても流れ間に温度差が存在しなければならない。冷却を
受ける流れは、加温される流れより高い温度を有してい
なければならない。けれども、最小の温度差（すなわち
ピンチポイント温度Ｃ）が存在するようなあるポイント
に達する。曲線間の距離（例えば、ピンチポイント温度
より上の距離Ｄと、ピンチポイント温度より下の距離
Ｅ）は、このようなメイン熱交換器内に固有の熱力学的
不可逆性を示している。この熱力学的不可逆性は、仕事
の損失が起きていることを示しており、この損失仕事は
余分の圧縮仕事に変わっている。
【００１７】図３を参照すると、メイン熱交換器２４の
温度−エンタルピー特性がプロットされている。図２の
熱交換器のピンチポイント温度は、上記の理由から熱交
換器２４の理論ピンチポイント温度であることに留意し
なければならない。図３からわかるように、これらの曲
線は図２の場合より一致の程度が高い。ピンチポイント
温度の差はどちらの場合も同じ（１.６℃）であること
に留意しなければならない。曲線Ａ’は、冷却すべき全
ての流れ（例えば、通路２６を通過するより圧縮された
空気流れ２０や、通路４８を通過する第３の補助空気流
れ４４）の複合によるものである。曲線Ｂ’は、メイン
熱交換器のあるポイントにおける、加温すべき全ての流
れ（すなわち、通路２８を通過する酸素流れ９４、およ
び通路６０を通過する廃棄窒素流れ９２）の温度−エン
タルピー特性の総和である。メイン熱交換器２４におい
ては（図２のメイン熱交換器に関して考えられているの
と同じポイントにおいて）、理論ピンチポイント温度
Ｃ’より高いポイントＤ’における温度差、および理論
ピンチポイント温度Ｃ’より低いポイントＥ’における
温度差から、メイン熱交換器２４内の温度差が、加圧さ
れた酸素生成物を供給するのに使用される従来技術の熱
交換器の場合よりはるかに小さいことがわかる。この結
果、メイン熱交換器２４から生成物として取り出される
ポンピングされた酸素流れに対して同じ割合の気化を達
成するために、従来技術の同等の圧縮機より少ないエネ
ルギーが高圧圧縮機１８に供給される。熱伝達の温度が
低下するにつれて、小さな温度差を保持することがより
一層重要となる。
【００１８】接続されているサイクルの説明に戻ると、
空気流れが冷却された後に、空気流れが空気分離ユニッ
ト６２（凝縮器−再沸器６８によって互いに熱伝達関係
にて関連作動する高圧塔６４と低圧塔６６を含んでい
る）において精留される。流入する空気がその精留に適
した温度（すなわち露点または露点付近の温度）に冷却
され、高圧塔に導入される。これにより、酸素含量の多
い液体が塔底液として形成され、そして窒素高含量の塔
オーバーヘッドが形成される。この塔オーバーヘッド
は、低圧塔６６の塔底液中に集まっている液体酸素の気
化と引き換えに、凝縮器−再沸器６８によって凝縮され
て高圧塔と低圧塔の両方に対して還流物を与える。低圧
塔６６は、窒素蒸気の塔オーバーヘッドを生成する。
【００１９】第１の補助空気流れ３６が、充分に冷却さ
れた後に、高圧塔６４の底部に配置された熱交換器７０
（ここでさらに冷却される）に導入される。次いで第１
の補助空気流れの圧力が、ジュール−トンプソン弁７２
を設けることによって高圧塔６４の圧力に低下され、そ
して高圧塔６４に導入されて精留される。熱交換器７０
は、高圧塔６４に集まっている酸素高含量の塔底液を気
化させることと引き換えに空気を冷却して、高圧塔６４
に対するさらなるボイルアップ（boil-up）を与える。
【００２０】第２の補助空気流れ３２が、エキスパンダ
ー３８によって膨張された後に、充分に冷却された第３
の補助空気流れ４４と合流され、そして高圧塔６４の底
部に導入されて精留される。第４の補助空気流れ４６
が、メイン熱交換器２４の第５の通路５８内にて充分に
冷却された後に、低圧塔６６に導入され、そして精留さ
れる。
【００２１】空気分離ユニット６２は、従来の二段塔の
方式で作動する。高圧塔６４には、接触用エレメント７
４（例えば、構造的充填物、トレー、およびランダム充
填物等）が組み込まれている。低圧塔６６には、このよ
うな接触用エレメント７６が組み込まれている。それぞ
れの塔において、上昇する蒸気相は、塔内を上昇するに
つれてより揮発性の高い成分（すなわち窒素）の含量が
増大する。液相は、塔内を下降するにつれてより揮発性
の低い成分（すなわち酸素）の含量が増大する。接触用
エレメント７４と７６は、蒸留を果たすためにこれら２
つの相を密に接触させる。
【００２２】高圧塔６４の酸素高含量塔底液が、粗製酸
素流れ７８として取り出される。粗製酸素流れ７８が過
冷却器８０中で過冷却され、ジュール−トンプソン弁８
２を設けることによって、低圧塔６６中に導入される前
に低圧塔６６の低圧塔圧力に圧力低下される。高圧塔６
４の窒素高含量塔オーバーヘッドの凝縮液が２つの流れ
８４と８６に分けられ、これらがそれぞれ高圧塔６４と
低圧塔６６への還流物として使用される。流れ８６がさ
らに過冷却器８０において過冷却され、ジュール−トン
プソン弁８７によって低圧塔６６の圧力に圧力低下さ
れ、そして低圧塔６６の頂部に導入される。液体空気の
組成に近い組成を有する還流流れ８８が高圧塔６４から
取り出され、過冷却器８０に通される。次いでこの還流
流れが、低圧塔６６中に導入される前にジュール−トン
プソン弁９０に通されて、低圧塔の圧力に低下される。
この還流流れ８８は、高圧塔６４と低圧塔６６内の還流
状態を最適化する機能を果たす。低圧塔６６内にて生成
される窒素蒸気塔オーバーヘッドを含んだ廃棄窒素が、
廃棄窒素流れ９２として取り出される。廃棄窒素流れ９
２が過冷却器８０内にてある程度加温され、そして第６
の通路６０に導入される。この廃棄窒素流れはプラント
から排出してもよいが、図面のように精製ユニット１６
に再生のために供給される。
【００２３】液体酸素流れ９４を低圧塔６６から取り出
し、これをポンプ９６によって供給圧力にポンピングす
ることによって酸素生成物が得られる。ポンプ９６は第
２の通路２８に接続されており、そこでこのようなポン
ピングされた液体酸素流れ中の酸素が気化して加圧ガス
状酸素生成物が得られる。
【００２４】実施例 以下に記載の算出実施例においては、１０６７.７Ｎｍ3
／分の酸素生成物（純度約９５％）が約４６.２バール
の圧力で得られる。高圧塔と低圧塔の操作の詳細は従来
通りであり、そのようなものとしてここでは特に説明は
しない。しかしながら、１.４３バールの圧力と約−１
８０.１℃の温度からポンピングされた後に、ポンピン
グされた酸素流れ９４が、約４２.８バールの圧力と約
−１７７.８℃の温度にてメイン熱交換器に入るという
ことに留意しなければならない。約３７７２.５Ｎｍ3／
分の流量の廃棄窒素流れ９２が、−１７５.６℃の温度
でメイン熱交換器に入る。
【００２５】
【表１】
【００２６】従来技術の方法と装置によって同じ酸素製
造を果たすためには、液体酸素を気化させるためのより
圧縮された空気流れ２０として機能する圧縮空気流れを
約７４.４８バールの圧力に圧縮し、またその流量を１
７６１.３Ｎｍ3／分にしなければならない、ということ
が算出された。
【００２７】本発明の方法と装置が二段空気分離塔に関
して示されているけれども、単一塔の酸素ジェネレータ
ーを使用した適切なケースも可能であることは言うまで
もない。前述したように、本発明はさらに、ポンピング
された液体生成物がメイン熱交換器において気化され
る、といういかなる低温精留プロセスに対しても使用す
ることができる。
【００２８】さらに、第１の補助流れ３０と第２の補助
流れ３２がメイン熱交換器２４の別々のポイントにて取
り出されるけれども、適切なケースにおいてはそれらを
同じ温度レベルから取り出すことも可能である。さら
に、補助空気流れ３２がより圧縮された空気流れ２０か
ら形成されるけれども、メイン熱交換器２４内にて冷却
される他の空気流れから（あるいは、空気分離以外の適
用のケースにおいては、ガス状混合物を含有していて、
メイン熱交換器内で冷却されるいくつかの他のプロセス
流れから）形成させることもできる。
【００２９】好ましい実施態様に関して本発明を説明し
てきたが、当技術者にとっては、本発明の精神と範囲を
逸脱することなく種々の変形や改良形が可能であること
は言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法と装置による空気分離プラントの
概略図である。
【図２】従来技術の熱交換器の、温度対エンタルピーの
グラフである。
【図３】本発明にしたがって組み立てられて操作される
熱交換器の、温度対エンタルピーのグラフである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気を分離してガス状酸素生成物を供
    給圧力にて製造する方法であって、 （ａ） 空気を圧縮し、空気から圧縮熱を除去し、そし
    て空気を精製する工程； （ｂ） 空気をメイン熱交換器にて冷却する工程； （ｃ） 空気を冷却する前に、冷却すべき空気の少なく
    とも一部をさらに圧縮してより圧縮された空気流れを形
    成させ、前記のより圧縮された空気流れから圧縮熱を除
    去する工程； （ｄ） 前記のより圧縮された空気流れがメイン熱交換
    器に関して決定される理論ピンチポイント温度の付近の
    温度を有するメイン熱交換器の場所にて、より圧縮され
    た空気流れの少なくとも一部をメイン熱交換器から取り
    出し、メイン熱交換器から取り出されたより圧縮された
    空気流れの前記少なくとも一部の少なくとも一部をさら
    に圧縮して第１の補助空気流れを形成させ、前記第１の
    補助空気流れを、前記理論ピンチポイント温度より高い
    温度を有するレベルにてメイン熱交換器中に再び導入す
    る工程； （ｅ） メイン熱交換器への再導入後、前記第１の補助
    空気流れをその精留に適した温度に充分に冷却する工
    程； （ｆ） 冷却すべき空気の一部をメイン熱交換器から取
    り出して第２の補助空気流れを形成させ、前記補助空気
    流れを、メイン熱交換器を使用せずにその精留に適した
    温度に冷却する工程、このとき前記第２の補助空気流れ
    は、前記第２の補助空気流れを膨張仕事の遂行を伴って
    膨張させることによって冷却される； （ｇ） メイン熱交換器から取り出されたより圧縮され
    た空気流れの少なくとも一部の前記少なくとも一部をさ
    らに圧縮するのに、膨張仕事の少なくとも一部を適用す
    る工程； （ｈ） 第１と第２の補助空気流れ中の空気を、液体酸
    素が得られるように配置構成された空気分離ユニット中
    で精留する工程； （ｉ） プロセスに冷却ポテンシャルを供給して、プロ
    セスのエネルギー収支を保持する工程；および （ｊ） 本質的に液体酸素を含んだ空気分離ユニットか
    ら液体酸素流れを取り出し、前記液体酸素流れを供給圧
    力にポンピングし、前記液体酸素流れが周囲温度にまで
    充分に加温されるよう前記液体酸素流れをメイン熱交換
    器中で気化させ、そして前記液体酸素流れをメイン熱交
    換器からガス状酸素生成物として抜き取る工程；を含む
    前記方法。
  2. 【請求項２】 より圧縮された空気流れのすべてが前記
    メイン熱交換器から取り出され；メイン熱交換器から取
    り出されて引き続き膨張される、冷却すべき空気の前記
    一部が、メイン熱交換器から取り出されたより圧縮され
    た空気流れの一部を含み；そしてメイン熱交換器から取
    り出されたより圧縮された空気流れの少なくとも一部の
    前記少なくとも一部で、さらなる圧縮を受ける前記少な
    くとも一部が、メイン熱交換器から取り出されたより圧
    縮された空気流れの残部を含む；請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 液体酸素塔底液と窒素蒸気の塔オーバー
    ヘッドが低圧塔で得られ、酸素高含量液体の塔底液と窒
    素高含量蒸気の塔オーバーヘッドが高圧塔で得られ、そ
    して高圧塔において、前記液体酸素塔底液が窒素高含量
    蒸気の塔オーバーヘッドを凝縮させることと引き換えに
    気化して、窒素高含量液体の塔オーバーヘッドを生成さ
    せるよう、前記空気分離ユニットが、互いに熱伝達関係
    にて接続された高圧塔と低圧塔を有する二段塔を含み；
    酸素高含量液体の塔底液を含んだ粗製液体酸素流れと、
    窒素高含量液体の塔オーバーヘッドを含んだ窒素高含量
    液体流れが、高圧塔から抜き取られ、過冷却され、そし
    て低圧塔の圧力に低下され；前記粗製液体酸素流れがさ
    らなる精製のために低圧塔に導入され、窒素高含量液体
    流れが還流物として低圧塔に導入され；前記液体酸素流
    れが低圧塔から抜き取られ；そして窒素蒸気の塔オーバ
    ーヘッドを含んだ窒素蒸気流れが低圧塔から取り出さ
    れ、粗製液体酸素流れおよび窒素高含量液体流れとの熱
    交換によりある程度加温されて、これによって粗製液体
    酸素流れと窒素高含量液体流れが過冷却され、次いでメ
    イン熱交換器に導入されて充分に加温される；請求項１
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 空気が精製された後に、空気が第１の部
    分流れと第２の部分流れに分けられ；冷却されてさらに
    圧縮される空気の一部が第１の部分流れを含み；より圧
    縮された空気流れの実質的にすべてが前記メイン熱交換
    器から取り出され；冷却されて引き続き膨張される前記
    空気の一部で、メイン熱交換器から取り出された前記空
    気の一部が、メイン熱交換器から取り出されたより圧縮
    された空気流れの一部を含み；メイン熱交換器から取り
    出されたより圧縮された空気流れの一部の前記少なくと
    も一部で、さらなる圧縮を受ける前記少なくとも一部
    が、メイン熱交換器から取り出されたより圧縮された空
    気流れの残部を含み；前記第２の部分流れが、第３の補
    助空気流れと第４の補助空気流れに分けられ、前記第３
    の補助空気流れが、メイン熱交換器中で充分に冷却さ
    れ；前記第４の補助空気流れがさらに圧縮され、前記第
    ４の補助流れから圧縮熱が除去され、次いで前記第４の
    補助流れが仕事の遂行を伴って膨張されてメイン熱交換
    器中でさらに冷却され；前記第１の補助流れが、充分に
    冷却された後に第５の補助空気流れと第６の補助空気流
    れに分けられ、前記第２の補助空気流れと前記第５の補
    助空気流れが高圧塔に導入され、前記第６の補助空気流
    れが、窒素蒸気流れの一部加熱と引き換えに過冷却さ
    れ、低圧塔の圧力に低下されて低圧塔に導入され；そし
    て前記第４の補助空気流れが低圧塔に導入される；請求
    項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 供給圧力にポンピングされたより揮発性
    の低い生成物を、低温精留プロセスによって圧縮ガス状
    混合物のより揮発性の高い生成物から分離した後に、圧
    縮ガス状混合物をその精留に適した温度に冷却するよう
    配置構成されたメイン熱交換器を使用して気化させる方
    法であって、 （ａ） 圧縮ガス状混合物を冷却する前に、冷却すべき
    圧縮ガス状混合物の少なくとも一部をさらに圧縮してよ
    り圧縮された流れを形成させ、前記のより圧縮された流
    れから圧縮熱を除去する工程； （ｂ） 前記のより圧縮された空気流れが理論ピンチポ
    イント温度の付近の温度を有するメイン熱交換器の場所
    にて、より圧縮された流れの少なくとも一部をメイン熱
    交換器から取り出し、メイン熱交換器から取り出された
    より圧縮された流れの前記少なくとも一部の少なくとも
    一部をさらに圧縮して第１の補助流れを形成させ、前記
    第１の補助空気流れを、前記理論ピンチポイント温度よ
    り高い温度を有するレベルにてメイン熱交換器中に再び
    導入する工程； （ｃ） 前記第１の補助流れを、メイン熱交換器中への
    再導入後にその精留に適した温度に充分に冷却する工
    程； （ｄ） 冷却すべき圧縮ガス状混合物の一部をメイン熱
    交換器から取り出して第２の補助流れを形成させ、前記
    第２の補助流れを、メイン熱交換器をさらに使用するこ
    となくその精留に適した温度に冷却する工程、このとき
    前記第２の補助流れは、膨張後の温度がその精留に適し
    た温度となるよう、膨張仕事の遂行を伴って前記第２の
    補助流れを膨張させることによって冷却される； （ｅ） 膨張仕事の少なくとも一部を、より圧縮された
    流れの前記少なくとも一部の少なくとも一部のさらなる
    圧縮に適用する工程；および （ｆ） 前記のより揮発性の低い生成物をメイン熱交換
    器中で気化させる工程；を含む前記方法。
  6. 【請求項６】 空気から酸素生成物を供給圧力にて製造
    するための装置であって、 （ａ） 空気を圧縮するためのメイン圧縮機； （ｂ） 空気から圧縮熱を除去するための、前記圧縮機
    に接続された第１のアフタークーラー； （ｃ） 空気を精製するための、前記第１のアフターク
    ーラーに接続された空気予備精製手段； （ｄ） 空気の少なくとも一部をさらに圧縮してより圧
    縮された空気流れを形成させるための、前記空気予備精
    製手段に接続された高圧空気圧縮機； （ｅ） より圧縮された空気流れから圧縮熱を除去する
    ための、ブースター圧縮機に接続された第２のアフター
    クーラー； （ｆ） i) 第１のセクションと第２のセクションを含
    んだ第１の通路、このとき前記の圧縮された空気流れが
    第１の通路の前記第１のセクションに流入するよう、前
    記第１のセクションが前記第２のアフタークーラーと連
    通状態にある； ii) 第２の通路； iii) 排出する際に少なくとも第１の補助空気流れが、
    メイン熱交換器に関して決定された理論ピンチポイント
    温度の付近の温度を有するよう、圧縮空気流れを含んだ
    第１と第２の補助空気流れを第１の通路の第１のセクシ
    ョンから排出するための手段；および iv) 第１の補助空気流れの圧縮後に第１の補助空気流
    れを受け取るための、理論ピンチポイント温度より高い
    温度を有するメイン熱交換器の場所に配置された入口、
    このとき第１の通路の前記第２のセクションが前記入口
    と連通状態にあり、第１の補助空気流れが充分に冷却さ
    れるように配置されている；を有するメイン熱交換器； （ｇ） 第１の補助空気流れを圧縮するための、メイン
    熱交換器の排出手段と前記入口との間に接続されたヒー
    トポンプ圧縮機； （ｈ） 第２の補助空気流れを、膨張仕事の遂行を伴っ
    て膨張させるための膨張手段、このとき前記膨張手段
    は、膨張仕事の少なくとも一部が前記ヒートポンプ圧縮
    機を駆動するように前記ヒートポンプ圧縮機に連結され
    ている； （ｉ） 空気を精留し、これによって液体酸素を生成さ
    せるための、メイン熱交換器の第１の通路の第２のセク
    ションと前記膨張手段とに接続された空気精留手段； （ｊ） 液体酸素をポンピングし、これによってポンピ
    ングされた液体酸素流れを形成させるための、前記空気
    精留手段に接続されたポンプ、このときポンピングされ
    た液体酸素流れが、第１の通路内にて圧縮空気流れに対
    して向流方向に流れ、これによって気化されてガス状酸
    素生成物を生成するよう、前記ポンプがメイン熱交換器
    の第２の通路に接続されている；および （ｋ） 装置のエネルギー収支が保持されるよう、装置
    に冷却ポテンシャルを供給するための冷却ポテンシャル
    供給手段；を含む前記装置。
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