JPS627465B2 - - Google Patents
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- JPS627465B2 JPS627465B2 JP57214733A JP21473382A JPS627465B2 JP S627465 B2 JPS627465 B2 JP S627465B2 JP 57214733 A JP57214733 A JP 57214733A JP 21473382 A JP21473382 A JP 21473382A JP S627465 B2 JPS627465 B2 JP S627465B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、逆転式熱交換器の温度制御及びプラ
ント低温冷却の為に空気の一部を使用することを
可能ならしめ同時にこのようなシステムにこれま
で付随した欠点を回避する改善された空気分離方
法に関係する。 多くの空気分離プロセスは、原料供給空気を冷
却しそして浄化すると共に単数乃至複数の生成物
流れを周囲温度にまで加温する為に、逆転式熱交
換器を使用している。入来空気は冷却されて、水
蒸気や二酸化炭素のような凝縮性物質は熱交換器
表面上に凝縮する。周期的に、流れが逆転されて
そしてこれら凝縮物は吹掃される。ユニツトが自
浄性である為には、降温流れと昇温流れとの間の
熱交換器低温端側での温度差を制御する為の手段
が必要とされる。この温度制御を達成する為の一
つの方法は、低温端アンバランス流れ(均衡下で
の熱交換下に置かれない流れ)、即ち熱交換器を
その長さの一部のみを通して流れる流れを提供す
ることである。降温中の供給空気に対してその行
路の一部との熱交換下でアンバランス流れを通過
させることは、熱交換器にサイドヘツダを装備さ
せること或いは2つの別個の熱交換器を設けるこ
とと云つた多くの方法で達成されうる。 逆転式熱交換器を使用するこのような空気分離
プロセスの多くにおいて、アンバランス流れが逆
転式熱交換器を出た後、プラントに対する冷却作
用源を与える為にアンバランス流れを膨脹するこ
とが所望される。しかし、逆転式熱交換器から部
分通過後排出される加温されたアンバランス流れ
は、膨脹される時、かなりの過熱(露点を越えて
の温度)を有し、これは空気分離プロセスの効率
に有害な影響を及ぼす恐れがある。 代表的空気分離プロセスは高圧塔と低圧塔を含
む複塔式蒸留装置を使用し、ここでは空気は高圧
塔に送給されて最初の分離が実施される。高圧塔
は低圧塔と熱交換関係にある。空気は低圧塔にも
送給されうる。低圧塔において最終分離が実施さ
れる。このような複式蒸留塔システムは、例えば
求められる生成物の純度に依存して大きな圧力条
件範囲の下で運転しうるけれども、一般に低圧塔
は15〜30psiaの圧力において作動しそして高圧塔
は約90〜150psiaの圧力において作動する。 逆転式熱交換器低温端温度の制御とプラント冷
却作用を与える既知の方法は、アンバランス流れ
として高圧塔棚蒸気を使用するものであつた。し
かし、窒素生産が所望される時、このような構成
はプラント運転融通性の減少という欠点を呈す
る。何故ならば、同じ棚蒸気流れが3つの作用、
即ち逆転式熱交換器温度制御、プラント冷却作用
及び生成物窒素生成の為に使用されねばならない
からである。この後者の作用は、窒素が低圧塔で
はなく高圧塔により生成されねばならずそして蒸
留システムに対して周知されているように圧力の
増大は共存する液体及び蒸気分留物間の平衡に不
都合な影響を有し、平衡分離遂行の為にトレイの
ような追加分離ステージを必要とするから、シス
テムに苛酷な分離負担を課する。更に、アンバラ
ンス流れ用に高圧塔棚蒸気の使用は、もしアルゴ
ンの回収が所望されるなら、供給物の幾らかが低
圧塔をバイパスするから不利益である。 これら問題の幾つかを克服する為に、空気の一
部がアンバランス流れとして使用された。このよ
うなシステムにおいて、該空気部分はそれがター
ビン膨脹された後低圧塔に導入されうる。しか
し、この流れはかなりの過熱を含んでいる為、そ
れがタービン膨脹される前にアンバランス流れの
或る種の温度管理が必要とされる。代表的に、こ
れは、温いアンバランス流れの一部と冷い供給空
気流れの一部を交換することによつた。しかし、
これは混合流れから成る所望流れに対して所定の
圧力差を維持する為複雑な制御弁配列を必要とす
る。更に、これは供給空気流れ全体に圧力降下を
導入する。更にまた、異つた温度のプロセス流れ
の混合は熱力学エネルギー損失を表す。しかし、
これら欠点のすべては、低圧塔に導入される流れ
を比較的低い過熱度に抑えるという望ましい結果
を得るにはどうしても必要であると考えられる。
既に知られているように、万一この流れが過熱に
より表わされるような著しい熱含量を含んでいる
なら、それは低圧塔内の還流比に悪影響を与えそ
れにより生成物回収率に悪影響を与える。低圧空
気流れ中の僅かの過熱でも降下中の液体還流の一
部を気化しそれにより低圧塔の下方区画における
還流比を増加して、塔分離を一層困難とする。 従つて、逆転式熱交換器低温端温度制御用及び
プラント冷却作用に空気部分を使用しうると同時
に、上に挙げた欠点を回避する空気分離方法を提
供することが所望されている。 本発明の目的は、改善された空気分離方法の提
供にある。 本発明のまた別の目的は、逆転式熱交換器アン
バランス流れがプラント冷却作用を与える為膨脹
後過熱分を低減される改善空気分離方法を提供す
ることである。 本発明の更に別の目的は、逆転式熱交換器低温
端温度制御及びプラント冷却作用を与える為に空
気留分を使用する改善された空気分離法を提供す
ることである。 本発明は、要約すると、大気圧より高い圧力に
ある供給空気が実質上その露点まで冷却されそし
て高圧塔及び低圧塔において精留作用を受けるよ
うな精留による空気の分離方法であつて、約10%
から空気酸素濃度までの酸素濃度を有する第1流
れが降温中の供給流れに対して部分通過により加
温され、該第1流れが続いて膨脹されそして低圧
塔に導入される空気分離方法において、 (1) 前記高圧塔から第2液体流れを抜出すこと、 (2) 前記第1流れを膨脹後しかし低圧塔内に導入
する前に前記第2流れとの間接熱交換により冷
却すること、及び (3) 前記第2流れを高圧塔に戻すこと を包含する空気分離方法を提供する。 本発明方法の別の具体例は、大気圧より高い圧
力にある供給空気が実質上その露点まで冷却され
そして高圧塔及び低圧塔において精留作用を受け
るような精留による空気の分離方法であつて、空
気組成と実質上同じ組成を有する第1流れが降温
中の供給流れに対して部分通過により加温され、
該第1流れが続いて膨脹されそして低圧塔に導入
される空気分離方法において、 (A) 冷却された供給空気を主部分と小部分とに分
割すること、 (B) 前記主部分を高圧塔に導入すること、 (C) 前記小部分を第1流れと第2流れとに分割す
ること、 (D) 前記第1流れを膨脹後しかし低圧塔への導入
前に前記第2流れとの間接熱交換により冷却す
ること、 (E) 前記第2流れを高圧塔に導入すること を包含する空気分離方法にある。 ここで使用されるものとして、用語「塔(カラ
ム)」とは蒸留塔を言及するものである。即ち、
例えば蒸気相と液体相とを塔内に設置された一連
の垂直に離隔されたトレイ或いは棚板において或
いは別様には塔を填める充填要素において接触せ
しめることにより、液体及び蒸気相が流体混合物
の分離をもたらすよう向流接触される接触塔乃至
帯域を指称する。蒸留塔のこれ以上の詳細につい
ては、「ケミカル エンジニアズ ハンドブツ
ク」第5編(マツクグロウ ヒル ブツク カン
パニー発行)、13節13―3頁「連続蒸留プロセ
ス」を参照されたい。空気を分離する為の一般的
システムは、頂端を低圧蒸留塔の下端と熱交換関
係とした高圧蒸留塔を使用している。低温圧縮空
気は高圧塔において酸素富化留分と窒素富化留分
とに分離されそしてこれら留分が低圧塔に移送さ
れて窒素と酸素富化留分とに更に分離される。複
式蒸留塔設備の例はルヘメン著「ガスの分離」オ
ツクスフオード ユニバーシテイ プレス社刊
(1949年)に見られる。 ここで使用する「過熱」或いは「過熱蒸気」と
は特定圧力において露点より高い温度を有する蒸
気を意味するのに使用される。過熱は露点を越え
ての温度差を構成する熱分である。 本発明プロセスを第1図を参照して詳細に説明
する。 供給空気120は、ほぼ周囲温度においてそし
て大気圧を越える圧力において逆転式熱交換器2
00に導入され、ここで冷却されそして空気が冷
却されるに際して水蒸気や二酸化炭素のような凝
縮性の汚染物が熱交換器壁上に付着する。比較的
清浄なそして冷却されたしかも加圧された空気流
れ121が熱交換器の低温端から取出されそして
高圧塔122の底部に導入される。この高圧塔内
で、底部における最初の数ステージは、上昇蒸気
を降下液体と接触下でスクラビングし、それによ
り炭化水素のような逆転式熱交換器によつて除去
されなかつた僅かの汚染物を入来供給蒸気から浄
化することを目的とする。供給空気蒸気が汚染物
を除去された後、この流れの一部137(空気と
実質上同じ組成をもつ)は高圧塔の底より数トレ
イ上方の地点において抜出される。抜出し空気1
37の小部分139は、低圧塔からの戻り流れ
(後述)136,135或いは129と熱交換器
152内で熱交換して凝縮し、他方これら流れを
逆転式熱交換器への導入に先立つて加温する。凝
縮した該小部分140はその後高圧塔に戻され
る。 残りの主部分138は逆転式熱交換器の低温端
に導入されそして該熱交換器の自己浄化作用に必
要とされる低温端側温度を制御するよう中間温度
まで加温され141において取出される。このア
ンバランス流れはその後熱交換器から取出されそ
してタービン膨脹器142において膨脹されて冷
却作用源となる寒冷気を発現する。 高圧塔122は、供給空気を酸素富化液123
と窒素富化流れ127とに分離する。供給空気か
らの僅かの汚染物を含有する塔底溜り液123
は、ゲルトラツプ(KLGT)124に通される。
ゲルトラツプ124はこれら汚染物を除去する為
の適当な吸着剤を収納している。その後、塔底溜
り液(O2富化液)は、導管125を通つて、熱
交換器134において廃窒素134との熱交換で
予じめ加温されそして弁132において膨脹され
た後低圧塔130に流入する。 窒素富化流れ127は主凝縮器204に導入さ
れ、ここで凝縮されて液体還流203を提供する
と共に低圧塔の底部128を再沸してこの塔の為
の蒸気還流を提供する。液体還流流れ203は、
高圧塔内に導入される流れ202と流れ126に
分割される。後者の流れ126は熱交換器133
において廃窒素との熱交換により加温されそして
弁131において膨脹された後低圧塔に導入され
る。 膨脹後のアンバランス流れ143は熱交換器1
54において、高圧塔から抜出し空気137と実
質上同じ水準において抜出された少量の液体流れ
145との間接熱交換により過熱分を低減され
る。熱交換器154から153において生ずる蒸
気は高圧塔に戻される。過熱度低減された流れ1
44は155として低圧塔に導入される。アルゴ
ン回収が所望される場合のような幾つかの用途に
対して、低圧過熱度低減流れの小部分156は低
圧塔をバイパスして廃窒素流れ135に付加され
る。このような構成は、熱交換器154を溢流冷
却液条件において運転するという利点を有し、そ
れによりタービン排出流れの最大限可能な過熱度
低減作用を終始保証する。 熱交換器154においてタービン排出流れの過
熱度低減作用に必要とされる冷却材を供給するの
に前記凝縮液体空気流れ140を使用することも
可能である。生成する部分気化液体空気流れはそ
の後実質上同じ水準において高圧塔に戻される。 蒸気流れ137は好ましくは空気と同じ組成を
有する。代表的に、この流れは約19〜21%酸素の
組成をとりうる。幾つかの用途に対して、蒸気流
れ137は高圧塔122におけるもつと高位の地
点から抜出されることも可能で、それにより約10
%酸素といつた低い酸素含量を有しうる。もつと
低い酸素含量は高圧塔に対する分離バランスを過
大に崩し望ましくない。低温端温度制御に対して
使用される流れの容積流量は好ましくは供給空気
流量の7〜18%、もつとも好ましくはその9〜12
%である。 液体流れ145は好ましくは、塔122のスク
ラビング区画直上の、蒸気流れ137と実質上同
じ水準において塔122から抜出される。これ
は、液体流れが代表的にその上昇蒸気との平衡に
近いことを意味する。これは、塔122の底部ス
クラビング区画は主に上昇蒸気を降下液体で洗う
ことだけを意図しそして実質的な分離を行わない
から、云えることである。この液体組成は、圧力
並びに分離ステージ乃至トレイの数を含めて蒸留
塔122の工程条件に依存するが、好ましくは約
35〜39%酸素の範囲にある。しかし、この液体は
工程条件に依存して約30〜45%の酸素含量をとり
うる。流れ143に対するまた別の適当な冷却液
源は、例えば流れ125のようなゲルトラツプ1
24の下流の流れである。この液体はトラツプに
より汚染物を除去されており塔内のスクラビング
区画直上の液組成に匹敵する組成を有している。 高圧塔122への戻り流れは好ましくは抜出し
流れと同じ水準において塔に戻される。即ち、流
れ140及び153は、流れ137及び145が
抽出されたのとそれぞれ同じ塔水準において戻さ
れることが好ましい。これは一般的には流体流れ
を一層容易に取扱うことを可能とするので好まし
い。しかし、同水準返送という規準は本改善方法
にとつて決定的事項ではなくそしてこれら戻り流
れは供給空気の最大限数%にすぎない比較的少量
の流れであるから、塔122へ適当な水準で流れ
を導入しても満足すべき結果が得られる。 低圧塔130は最終分離を達成しそして生成物
酸素流れ129及び廃窒素流れ135を生成す
る。廃窒素流れは前記した通り熱交換器133及
び134における液体還流をサブ冷却するのに使
用しうる。追加的に、低圧塔は塔頂から生成物窒
素136を生成するのに使用されうる。これら放
出流れはすべて、熱交換器152において抜出し
空気小部分139に対して放出流れが生成物酸素
149、廃窒素(WN2)150及び生成物窒素1
51として逆転式熱交換器200に流入する前に
過熱されうる。これら放出物は、146,148
及び147として熱交換器200から流出する。 入来する供給空気は、逆転式熱交換器200を
通過して凝縮性汚染物を浄化された後、低温端側
ゲルトラツプのようなフイルタ手段を通ることに
より熱交換器から出るに際して他の汚染物を更に
除去されうる。生成する浄化供給空気の一部は供
給空気のすべてを高圧塔に通して追加浄化を実現
する必要なく、熱交換器低温端温度制御用にそし
てプラント冷却用に直接使用されうる。低温端ゲ
ルトラツプを使用するそのような構成の一具体例
が第2図に示されている。第2図の番号は第1及
び第2図に共通する要素乃至流れ(或いは特性)
に対しては第1図のそれと対応する。第2図に示
される具体例についての論議は第1図と相異する
点にのみ絞つて詳述する。 第2図に示される具体例において、供給空気1
20は、ほぼ周囲温度においてそして大気圧を越
える圧力において逆転式熱交換器200に導入さ
れそしてそこから流出した後低温端側のゲルトラ
ツプ196に通り、炭化水素のような汚染物が空
気から更に除去される。冷却されそして清浄とな
つた空気流れ121はその後主部分171と小部
分172とに分割される。主部分171は高圧塔
122に供給物として導入され、他方小部分は第
1流れ173と第2流れ174とに分割される。
第1流れ173は逆転式熱交換器に低温端温度制
御の為に導入される。流れ173は141におい
て熱交換器を部分的に通過後取出され、タービン
膨脹器142において膨脹される。膨脹した流れ
143は流れ174との間接熱交換により過熱度
を低減される。この具体例は追加的に、低圧塔か
らの戻りプロセス流れを熱交換器152において
加熱するのに流れ174を使用する随意的構成を
例示している。前述した随意的なバイパス流れ1
56も例示されている。 膨脹されそして過熱度低減された流れ144は
低圧塔130に155として導入されそして流れ
174は高圧塔に導入される。 この具体例において、小部分172は容積流量
ベースにおいて入来供給空気の好ましくは7〜18
%、もつとも好ましくは9〜12%を占め、供給空
気の残部が主部分171を構成する。流れ174
は容積流量ベースにおいて入来供給空気の1〜3
%を好ましくは構成し、もつとも好ましくは約2
%である。流れ173は小部分172―流れ17
4として分割された部分を構成する。 低温端ゲルトラツプ構成が使用される時、膨脹
アンバランス流れを、第2図の具体例の流れ17
4のような浄化供給空気から分流された流れを使
用してではなく、第1図の具体例の流れ145の
ような高圧塔から抜出される流れとの間接熱交換
により過熱低減するのが一層好ましいこともある
かもしれない。どちらの構成が一層好ましいかの
決定は、熱伝達効率、建設及び配管の容易性及び
当業者に知られる他の因子のような様々の因子に
依存しよう。 本発明方法は、タービン排出流れを高圧塔に対
応する空気飽和条件に近く冷却せしめる。代表的
に、高圧塔空気飽和温度は約95〜105〓の範囲に
ある。タービン排出空気を高圧塔空気飽和温度に
冷却することは、一般に少くとも約10〓から約30
〓もの多くの範囲にある相当の過熱をタービン排
出流れから取除く結果をもたらす。これは一般に
タービン排出流れにおける過熱分の約20〜80%に
当る。過熱低減量は残存過熱に較べて非常に大き
くそして低圧塔性能に著しい効果を有する。 逆転式熱交換器の部分通過を為す低温端温度制
御流れは、逆転式熱交換器から任意の地点で取出
しうる。これはプロセス変数に部分的に依存しよ
う。しかし、この流れが逆転式熱交換器からその
ほぼ中央点において取出されることが好ましい。
温度制御流れの温度は、逆転式熱交換器からの取
出しに依存して、約150〜200〓の範囲にあるのが
代表的である。 本発明方法は、アルゴン製造が所望される時特
に有益である。周知のように、アルゴン製造が所
望される時、低圧塔からの流れはアルゴン塔に供
給されて、アルゴン富化部分とアルゴンに乏しい
部分に分割される。アルゴンに富む部分はアルゴ
ン精製所に送られそしてアルゴンに乏しい部分は
低圧塔に戻される。 上述した通り、本発明方法についての叙上具体
例のすべてはタービン排出流れが低圧塔に導入さ
れる前にその過熱度低減を行う。当業者なら、本
発明方法の必須条件に反しないここで詳述した以
外のプロセス構成を案内しうるはずである。 本発明方法の代表的実施例が、酸素プラント
(但し窒素及びアルゴンも製造する)と関連する
質量及び熱バランスのコンピユータシミユレーシ
ヨンから得られた表のプロセス条件により例示
される。供給空気は、第1図に例示されるような
本発明方法を使用して酸素、窒素及びアルゴン生
成物を産出するよう処理された。流れ番号は第1
図のそれに対応する。表から理解されるように、
高圧塔から抜出されそして逆転式熱交換器のアン
バランス流れとして使用される空気流れは、供給
空気の約11%でありそして約184〓及び93psiaに
おいて熱交換器ユニツトから取出される。この流
れはその後直接タービン膨脹されて約21psiaの排
出圧力及び約129〓の対応する排出温度へのプラ
ント冷却作用を生みだす。この条件は排出ガスに
おける実質上の過熱状態を表し、これはもしこの
流れが低圧塔に直接導入されるなら著しい欠点と
なる。そこで、直接導入せずに、この流れは対応
する圧力条件における高圧塔空気の飽和温度
(93psiaにおいて101〓)に近い約103〓まで冷却
されそして後低圧塔に導入される。空気過熱度低
減は高圧塔から得られる液体との間接熱交換によ
り達成される。このプロセス構成は、タービン排
出流れ過熱度を得られる最大値44〓の約26〓だけ
減ずる役目をなす。このタービン空気過熱減少は
低圧塔分離の性能に顕著な効果を有する。表は、
約184〓のタービン入口温度及び約129〓の対応す
る出口温度そして約26〓の続いての冷却を例示す
るけれども、本発明の実施はこのような条件の範
囲を包括するものであることが理解されよう。 【表】
ント低温冷却の為に空気の一部を使用することを
可能ならしめ同時にこのようなシステムにこれま
で付随した欠点を回避する改善された空気分離方
法に関係する。 多くの空気分離プロセスは、原料供給空気を冷
却しそして浄化すると共に単数乃至複数の生成物
流れを周囲温度にまで加温する為に、逆転式熱交
換器を使用している。入来空気は冷却されて、水
蒸気や二酸化炭素のような凝縮性物質は熱交換器
表面上に凝縮する。周期的に、流れが逆転されて
そしてこれら凝縮物は吹掃される。ユニツトが自
浄性である為には、降温流れと昇温流れとの間の
熱交換器低温端側での温度差を制御する為の手段
が必要とされる。この温度制御を達成する為の一
つの方法は、低温端アンバランス流れ(均衡下で
の熱交換下に置かれない流れ)、即ち熱交換器を
その長さの一部のみを通して流れる流れを提供す
ることである。降温中の供給空気に対してその行
路の一部との熱交換下でアンバランス流れを通過
させることは、熱交換器にサイドヘツダを装備さ
せること或いは2つの別個の熱交換器を設けるこ
とと云つた多くの方法で達成されうる。 逆転式熱交換器を使用するこのような空気分離
プロセスの多くにおいて、アンバランス流れが逆
転式熱交換器を出た後、プラントに対する冷却作
用源を与える為にアンバランス流れを膨脹するこ
とが所望される。しかし、逆転式熱交換器から部
分通過後排出される加温されたアンバランス流れ
は、膨脹される時、かなりの過熱(露点を越えて
の温度)を有し、これは空気分離プロセスの効率
に有害な影響を及ぼす恐れがある。 代表的空気分離プロセスは高圧塔と低圧塔を含
む複塔式蒸留装置を使用し、ここでは空気は高圧
塔に送給されて最初の分離が実施される。高圧塔
は低圧塔と熱交換関係にある。空気は低圧塔にも
送給されうる。低圧塔において最終分離が実施さ
れる。このような複式蒸留塔システムは、例えば
求められる生成物の純度に依存して大きな圧力条
件範囲の下で運転しうるけれども、一般に低圧塔
は15〜30psiaの圧力において作動しそして高圧塔
は約90〜150psiaの圧力において作動する。 逆転式熱交換器低温端温度の制御とプラント冷
却作用を与える既知の方法は、アンバランス流れ
として高圧塔棚蒸気を使用するものであつた。し
かし、窒素生産が所望される時、このような構成
はプラント運転融通性の減少という欠点を呈す
る。何故ならば、同じ棚蒸気流れが3つの作用、
即ち逆転式熱交換器温度制御、プラント冷却作用
及び生成物窒素生成の為に使用されねばならない
からである。この後者の作用は、窒素が低圧塔で
はなく高圧塔により生成されねばならずそして蒸
留システムに対して周知されているように圧力の
増大は共存する液体及び蒸気分留物間の平衡に不
都合な影響を有し、平衡分離遂行の為にトレイの
ような追加分離ステージを必要とするから、シス
テムに苛酷な分離負担を課する。更に、アンバラ
ンス流れ用に高圧塔棚蒸気の使用は、もしアルゴ
ンの回収が所望されるなら、供給物の幾らかが低
圧塔をバイパスするから不利益である。 これら問題の幾つかを克服する為に、空気の一
部がアンバランス流れとして使用された。このよ
うなシステムにおいて、該空気部分はそれがター
ビン膨脹された後低圧塔に導入されうる。しか
し、この流れはかなりの過熱を含んでいる為、そ
れがタービン膨脹される前にアンバランス流れの
或る種の温度管理が必要とされる。代表的に、こ
れは、温いアンバランス流れの一部と冷い供給空
気流れの一部を交換することによつた。しかし、
これは混合流れから成る所望流れに対して所定の
圧力差を維持する為複雑な制御弁配列を必要とす
る。更に、これは供給空気流れ全体に圧力降下を
導入する。更にまた、異つた温度のプロセス流れ
の混合は熱力学エネルギー損失を表す。しかし、
これら欠点のすべては、低圧塔に導入される流れ
を比較的低い過熱度に抑えるという望ましい結果
を得るにはどうしても必要であると考えられる。
既に知られているように、万一この流れが過熱に
より表わされるような著しい熱含量を含んでいる
なら、それは低圧塔内の還流比に悪影響を与えそ
れにより生成物回収率に悪影響を与える。低圧空
気流れ中の僅かの過熱でも降下中の液体還流の一
部を気化しそれにより低圧塔の下方区画における
還流比を増加して、塔分離を一層困難とする。 従つて、逆転式熱交換器低温端温度制御用及び
プラント冷却作用に空気部分を使用しうると同時
に、上に挙げた欠点を回避する空気分離方法を提
供することが所望されている。 本発明の目的は、改善された空気分離方法の提
供にある。 本発明のまた別の目的は、逆転式熱交換器アン
バランス流れがプラント冷却作用を与える為膨脹
後過熱分を低減される改善空気分離方法を提供す
ることである。 本発明の更に別の目的は、逆転式熱交換器低温
端温度制御及びプラント冷却作用を与える為に空
気留分を使用する改善された空気分離法を提供す
ることである。 本発明は、要約すると、大気圧より高い圧力に
ある供給空気が実質上その露点まで冷却されそし
て高圧塔及び低圧塔において精留作用を受けるよ
うな精留による空気の分離方法であつて、約10%
から空気酸素濃度までの酸素濃度を有する第1流
れが降温中の供給流れに対して部分通過により加
温され、該第1流れが続いて膨脹されそして低圧
塔に導入される空気分離方法において、 (1) 前記高圧塔から第2液体流れを抜出すこと、 (2) 前記第1流れを膨脹後しかし低圧塔内に導入
する前に前記第2流れとの間接熱交換により冷
却すること、及び (3) 前記第2流れを高圧塔に戻すこと を包含する空気分離方法を提供する。 本発明方法の別の具体例は、大気圧より高い圧
力にある供給空気が実質上その露点まで冷却され
そして高圧塔及び低圧塔において精留作用を受け
るような精留による空気の分離方法であつて、空
気組成と実質上同じ組成を有する第1流れが降温
中の供給流れに対して部分通過により加温され、
該第1流れが続いて膨脹されそして低圧塔に導入
される空気分離方法において、 (A) 冷却された供給空気を主部分と小部分とに分
割すること、 (B) 前記主部分を高圧塔に導入すること、 (C) 前記小部分を第1流れと第2流れとに分割す
ること、 (D) 前記第1流れを膨脹後しかし低圧塔への導入
前に前記第2流れとの間接熱交換により冷却す
ること、 (E) 前記第2流れを高圧塔に導入すること を包含する空気分離方法にある。 ここで使用されるものとして、用語「塔(カラ
ム)」とは蒸留塔を言及するものである。即ち、
例えば蒸気相と液体相とを塔内に設置された一連
の垂直に離隔されたトレイ或いは棚板において或
いは別様には塔を填める充填要素において接触せ
しめることにより、液体及び蒸気相が流体混合物
の分離をもたらすよう向流接触される接触塔乃至
帯域を指称する。蒸留塔のこれ以上の詳細につい
ては、「ケミカル エンジニアズ ハンドブツ
ク」第5編(マツクグロウ ヒル ブツク カン
パニー発行)、13節13―3頁「連続蒸留プロセ
ス」を参照されたい。空気を分離する為の一般的
システムは、頂端を低圧蒸留塔の下端と熱交換関
係とした高圧蒸留塔を使用している。低温圧縮空
気は高圧塔において酸素富化留分と窒素富化留分
とに分離されそしてこれら留分が低圧塔に移送さ
れて窒素と酸素富化留分とに更に分離される。複
式蒸留塔設備の例はルヘメン著「ガスの分離」オ
ツクスフオード ユニバーシテイ プレス社刊
(1949年)に見られる。 ここで使用する「過熱」或いは「過熱蒸気」と
は特定圧力において露点より高い温度を有する蒸
気を意味するのに使用される。過熱は露点を越え
ての温度差を構成する熱分である。 本発明プロセスを第1図を参照して詳細に説明
する。 供給空気120は、ほぼ周囲温度においてそし
て大気圧を越える圧力において逆転式熱交換器2
00に導入され、ここで冷却されそして空気が冷
却されるに際して水蒸気や二酸化炭素のような凝
縮性の汚染物が熱交換器壁上に付着する。比較的
清浄なそして冷却されたしかも加圧された空気流
れ121が熱交換器の低温端から取出されそして
高圧塔122の底部に導入される。この高圧塔内
で、底部における最初の数ステージは、上昇蒸気
を降下液体と接触下でスクラビングし、それによ
り炭化水素のような逆転式熱交換器によつて除去
されなかつた僅かの汚染物を入来供給蒸気から浄
化することを目的とする。供給空気蒸気が汚染物
を除去された後、この流れの一部137(空気と
実質上同じ組成をもつ)は高圧塔の底より数トレ
イ上方の地点において抜出される。抜出し空気1
37の小部分139は、低圧塔からの戻り流れ
(後述)136,135或いは129と熱交換器
152内で熱交換して凝縮し、他方これら流れを
逆転式熱交換器への導入に先立つて加温する。凝
縮した該小部分140はその後高圧塔に戻され
る。 残りの主部分138は逆転式熱交換器の低温端
に導入されそして該熱交換器の自己浄化作用に必
要とされる低温端側温度を制御するよう中間温度
まで加温され141において取出される。このア
ンバランス流れはその後熱交換器から取出されそ
してタービン膨脹器142において膨脹されて冷
却作用源となる寒冷気を発現する。 高圧塔122は、供給空気を酸素富化液123
と窒素富化流れ127とに分離する。供給空気か
らの僅かの汚染物を含有する塔底溜り液123
は、ゲルトラツプ(KLGT)124に通される。
ゲルトラツプ124はこれら汚染物を除去する為
の適当な吸着剤を収納している。その後、塔底溜
り液(O2富化液)は、導管125を通つて、熱
交換器134において廃窒素134との熱交換で
予じめ加温されそして弁132において膨脹され
た後低圧塔130に流入する。 窒素富化流れ127は主凝縮器204に導入さ
れ、ここで凝縮されて液体還流203を提供する
と共に低圧塔の底部128を再沸してこの塔の為
の蒸気還流を提供する。液体還流流れ203は、
高圧塔内に導入される流れ202と流れ126に
分割される。後者の流れ126は熱交換器133
において廃窒素との熱交換により加温されそして
弁131において膨脹された後低圧塔に導入され
る。 膨脹後のアンバランス流れ143は熱交換器1
54において、高圧塔から抜出し空気137と実
質上同じ水準において抜出された少量の液体流れ
145との間接熱交換により過熱分を低減され
る。熱交換器154から153において生ずる蒸
気は高圧塔に戻される。過熱度低減された流れ1
44は155として低圧塔に導入される。アルゴ
ン回収が所望される場合のような幾つかの用途に
対して、低圧過熱度低減流れの小部分156は低
圧塔をバイパスして廃窒素流れ135に付加され
る。このような構成は、熱交換器154を溢流冷
却液条件において運転するという利点を有し、そ
れによりタービン排出流れの最大限可能な過熱度
低減作用を終始保証する。 熱交換器154においてタービン排出流れの過
熱度低減作用に必要とされる冷却材を供給するの
に前記凝縮液体空気流れ140を使用することも
可能である。生成する部分気化液体空気流れはそ
の後実質上同じ水準において高圧塔に戻される。 蒸気流れ137は好ましくは空気と同じ組成を
有する。代表的に、この流れは約19〜21%酸素の
組成をとりうる。幾つかの用途に対して、蒸気流
れ137は高圧塔122におけるもつと高位の地
点から抜出されることも可能で、それにより約10
%酸素といつた低い酸素含量を有しうる。もつと
低い酸素含量は高圧塔に対する分離バランスを過
大に崩し望ましくない。低温端温度制御に対して
使用される流れの容積流量は好ましくは供給空気
流量の7〜18%、もつとも好ましくはその9〜12
%である。 液体流れ145は好ましくは、塔122のスク
ラビング区画直上の、蒸気流れ137と実質上同
じ水準において塔122から抜出される。これ
は、液体流れが代表的にその上昇蒸気との平衡に
近いことを意味する。これは、塔122の底部ス
クラビング区画は主に上昇蒸気を降下液体で洗う
ことだけを意図しそして実質的な分離を行わない
から、云えることである。この液体組成は、圧力
並びに分離ステージ乃至トレイの数を含めて蒸留
塔122の工程条件に依存するが、好ましくは約
35〜39%酸素の範囲にある。しかし、この液体は
工程条件に依存して約30〜45%の酸素含量をとり
うる。流れ143に対するまた別の適当な冷却液
源は、例えば流れ125のようなゲルトラツプ1
24の下流の流れである。この液体はトラツプに
より汚染物を除去されており塔内のスクラビング
区画直上の液組成に匹敵する組成を有している。 高圧塔122への戻り流れは好ましくは抜出し
流れと同じ水準において塔に戻される。即ち、流
れ140及び153は、流れ137及び145が
抽出されたのとそれぞれ同じ塔水準において戻さ
れることが好ましい。これは一般的には流体流れ
を一層容易に取扱うことを可能とするので好まし
い。しかし、同水準返送という規準は本改善方法
にとつて決定的事項ではなくそしてこれら戻り流
れは供給空気の最大限数%にすぎない比較的少量
の流れであるから、塔122へ適当な水準で流れ
を導入しても満足すべき結果が得られる。 低圧塔130は最終分離を達成しそして生成物
酸素流れ129及び廃窒素流れ135を生成す
る。廃窒素流れは前記した通り熱交換器133及
び134における液体還流をサブ冷却するのに使
用しうる。追加的に、低圧塔は塔頂から生成物窒
素136を生成するのに使用されうる。これら放
出流れはすべて、熱交換器152において抜出し
空気小部分139に対して放出流れが生成物酸素
149、廃窒素(WN2)150及び生成物窒素1
51として逆転式熱交換器200に流入する前に
過熱されうる。これら放出物は、146,148
及び147として熱交換器200から流出する。 入来する供給空気は、逆転式熱交換器200を
通過して凝縮性汚染物を浄化された後、低温端側
ゲルトラツプのようなフイルタ手段を通ることに
より熱交換器から出るに際して他の汚染物を更に
除去されうる。生成する浄化供給空気の一部は供
給空気のすべてを高圧塔に通して追加浄化を実現
する必要なく、熱交換器低温端温度制御用にそし
てプラント冷却用に直接使用されうる。低温端ゲ
ルトラツプを使用するそのような構成の一具体例
が第2図に示されている。第2図の番号は第1及
び第2図に共通する要素乃至流れ(或いは特性)
に対しては第1図のそれと対応する。第2図に示
される具体例についての論議は第1図と相異する
点にのみ絞つて詳述する。 第2図に示される具体例において、供給空気1
20は、ほぼ周囲温度においてそして大気圧を越
える圧力において逆転式熱交換器200に導入さ
れそしてそこから流出した後低温端側のゲルトラ
ツプ196に通り、炭化水素のような汚染物が空
気から更に除去される。冷却されそして清浄とな
つた空気流れ121はその後主部分171と小部
分172とに分割される。主部分171は高圧塔
122に供給物として導入され、他方小部分は第
1流れ173と第2流れ174とに分割される。
第1流れ173は逆転式熱交換器に低温端温度制
御の為に導入される。流れ173は141におい
て熱交換器を部分的に通過後取出され、タービン
膨脹器142において膨脹される。膨脹した流れ
143は流れ174との間接熱交換により過熱度
を低減される。この具体例は追加的に、低圧塔か
らの戻りプロセス流れを熱交換器152において
加熱するのに流れ174を使用する随意的構成を
例示している。前述した随意的なバイパス流れ1
56も例示されている。 膨脹されそして過熱度低減された流れ144は
低圧塔130に155として導入されそして流れ
174は高圧塔に導入される。 この具体例において、小部分172は容積流量
ベースにおいて入来供給空気の好ましくは7〜18
%、もつとも好ましくは9〜12%を占め、供給空
気の残部が主部分171を構成する。流れ174
は容積流量ベースにおいて入来供給空気の1〜3
%を好ましくは構成し、もつとも好ましくは約2
%である。流れ173は小部分172―流れ17
4として分割された部分を構成する。 低温端ゲルトラツプ構成が使用される時、膨脹
アンバランス流れを、第2図の具体例の流れ17
4のような浄化供給空気から分流された流れを使
用してではなく、第1図の具体例の流れ145の
ような高圧塔から抜出される流れとの間接熱交換
により過熱低減するのが一層好ましいこともある
かもしれない。どちらの構成が一層好ましいかの
決定は、熱伝達効率、建設及び配管の容易性及び
当業者に知られる他の因子のような様々の因子に
依存しよう。 本発明方法は、タービン排出流れを高圧塔に対
応する空気飽和条件に近く冷却せしめる。代表的
に、高圧塔空気飽和温度は約95〜105〓の範囲に
ある。タービン排出空気を高圧塔空気飽和温度に
冷却することは、一般に少くとも約10〓から約30
〓もの多くの範囲にある相当の過熱をタービン排
出流れから取除く結果をもたらす。これは一般に
タービン排出流れにおける過熱分の約20〜80%に
当る。過熱低減量は残存過熱に較べて非常に大き
くそして低圧塔性能に著しい効果を有する。 逆転式熱交換器の部分通過を為す低温端温度制
御流れは、逆転式熱交換器から任意の地点で取出
しうる。これはプロセス変数に部分的に依存しよ
う。しかし、この流れが逆転式熱交換器からその
ほぼ中央点において取出されることが好ましい。
温度制御流れの温度は、逆転式熱交換器からの取
出しに依存して、約150〜200〓の範囲にあるのが
代表的である。 本発明方法は、アルゴン製造が所望される時特
に有益である。周知のように、アルゴン製造が所
望される時、低圧塔からの流れはアルゴン塔に供
給されて、アルゴン富化部分とアルゴンに乏しい
部分に分割される。アルゴンに富む部分はアルゴ
ン精製所に送られそしてアルゴンに乏しい部分は
低圧塔に戻される。 上述した通り、本発明方法についての叙上具体
例のすべてはタービン排出流れが低圧塔に導入さ
れる前にその過熱度低減を行う。当業者なら、本
発明方法の必須条件に反しないここで詳述した以
外のプロセス構成を案内しうるはずである。 本発明方法の代表的実施例が、酸素プラント
(但し窒素及びアルゴンも製造する)と関連する
質量及び熱バランスのコンピユータシミユレーシ
ヨンから得られた表のプロセス条件により例示
される。供給空気は、第1図に例示されるような
本発明方法を使用して酸素、窒素及びアルゴン生
成物を産出するよう処理された。流れ番号は第1
図のそれに対応する。表から理解されるように、
高圧塔から抜出されそして逆転式熱交換器のアン
バランス流れとして使用される空気流れは、供給
空気の約11%でありそして約184〓及び93psiaに
おいて熱交換器ユニツトから取出される。この流
れはその後直接タービン膨脹されて約21psiaの排
出圧力及び約129〓の対応する排出温度へのプラ
ント冷却作用を生みだす。この条件は排出ガスに
おける実質上の過熱状態を表し、これはもしこの
流れが低圧塔に直接導入されるなら著しい欠点と
なる。そこで、直接導入せずに、この流れは対応
する圧力条件における高圧塔空気の飽和温度
(93psiaにおいて101〓)に近い約103〓まで冷却
されそして後低圧塔に導入される。空気過熱度低
減は高圧塔から得られる液体との間接熱交換によ
り達成される。このプロセス構成は、タービン排
出流れ過熱度を得られる最大値44〓の約26〓だけ
減ずる役目をなす。このタービン空気過熱減少は
低圧塔分離の性能に顕著な効果を有する。表は、
約184〓のタービン入口温度及び約129〓の対応す
る出口温度そして約26〓の続いての冷却を例示す
るけれども、本発明の実施はこのような条件の範
囲を包括するものであることが理解されよう。 【表】
第1図は本発明方法の一具体例の概略図であ
り、第2図は別の具体例の概略図である。 200:逆転式熱交換器、121:清浄化空気
流れ、122:高圧塔、130:低圧塔、20
4:主熱交換器、142:タービン膨脹器、14
4:過熱低減流れ、154:熱交換器、137:
抜出し空気、138:主部分、139:小部分、
141:中間温度アンバランス流れ、133,1
34,152:熱交換器、124:ゲルトラツ
プ、196:ゲルトラツプ、121:浄化供給空
気、171:主部分、172:小部分、173:
第1流れ、174:第2流れ。
り、第2図は別の具体例の概略図である。 200:逆転式熱交換器、121:清浄化空気
流れ、122:高圧塔、130:低圧塔、20
4:主熱交換器、142:タービン膨脹器、14
4:過熱低減流れ、154:熱交換器、137:
抜出し空気、138:主部分、139:小部分、
141:中間温度アンバランス流れ、133,1
34,152:熱交換器、124:ゲルトラツ
プ、196:ゲルトラツプ、121:浄化供給空
気、171:主部分、172:小部分、173:
第1流れ、174:第2流れ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 大気圧より高い圧力にある供給空気が実質上
その露点まで冷却されそして高圧塔及び低圧塔に
おいて精留作用を受けるような精留による空気の
分離方法であつて、10%から空気酸素濃度までの
酸素濃度を有する第1流れが降温中の供給流れに
対して部分通過により加温され、該第1流れが続
いて膨脹されそして低圧塔に導入される空気分離
方法において、 (1) 前記高圧塔から第2液体流れを抜出すこと、 (2) 前記第1流れを膨脹後且つ低圧塔内への導入
前に前記第2流れとの間接熱交換により冷却す
ること、及び (3) 前記第2流れを高圧塔に戻すこと を包含する空気分離方法。 2 第1流れが高圧塔から抜出された蒸気流れで
ある特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 第1流れが汚染物除去の為フイルタ手段を通
過した後の冷却供給空気の一部である特許請求の
範囲第1項記載の方法。 4 第2流れが完全に蒸気として高圧塔に戻され
る特許請求の範囲第1項記載の方法。 5 第1流れが19〜21%の酸素濃度を有する特許
請求の範囲第1項記載の方法。 6 第2流れが30〜45%の酸素濃度を有する特許
請求の範囲第1項記載の方法。 7 第2流れが35〜39%の酸素濃度を有する特許
請求の範囲第1項記載の方法。 8 加温後膨脹前の第1流れの温度が150〜200〓
である特許請求の範囲第1項記載の方法。 9 第1流れの容積流量が供給空気流量の7〜18
%である特許請求の範囲第1項記載の方法。 10 第1流れの容積流量が供給空気流量の9〜
12%である特許請求の範囲第1項記載の方法。 11 冷却段階2が膨脹した第1流れから過熱の
20〜80%を除去する特許請求の範囲第1項記載の
方法。 12 大気圧より高い圧力にある供給空気が実質
上その露点まで冷却されそして高圧塔及び低圧塔
において精留作用を受けるような精留による空気
の分離方法であつて、空気組成と実質上同じ組成
を有する第1流れが降温中の供給流れに対して部
分通過により加温され、該第1流れが続いて膨脹
されそして低圧塔に導入される空気分離方法にお
いて、 (A) 冷却された供給空気を主部分と小部分とに分
割すること、 (B) 前記主部分を高圧塔に導入すること、 (C) 前記小部分を前記第1流れと第2流れとに分
割すること、 (D) 前記第1流れを膨脹後且つ低圧塔内への導入
前に前記第2流れとの間接熱交換により冷却す
ること、 (E) 前記第2流れを高圧塔に導入すること を包含する空気分離方法。 13 加温後膨脹前の第1流れの温度が150〜200
〓である特許請求の範囲第12項記載の方法。 14 小部分の容積流量が供給空気流量の7〜18
%である特許請求の範囲第12項記載の方法。 15 小部分の容積流量が供給空気流量の9〜12
%である特許請求の範囲第12項記載の方法。 16 第2流れの容積流量が供給空気流量の1〜
3%である特許請求の範囲第12項記載の方法。 17 冷却段階Dが膨脹した第1流れから過熱分
の20〜80%を除去する特許請求の範囲第12項記
載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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| US06/328,817 US4407135A (en) | 1981-12-09 | 1981-12-09 | Air separation process with turbine exhaust desuperheat |
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| Publication Number | Publication Date |
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