JP2001349669A - 低温蒸留による酸素富化流体の製造方法および装置 - Google Patents

低温蒸留による酸素富化流体の製造方法および装置

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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 純粋酸素の出力が増加した空気分離プラント
を提供する。 【解決手段】 補助塔（２５）と２つの他の塔（９、１
１、４０）とを含む少なくとも３つの塔を備え、少なく
とも１つの塔に空気が供給され、最低圧力で動作する塔
は２ないし１０バールで動作する空気分離プラント。補
助塔で生じる４０ないし９５モル％のアルゴンを含むフ
ローが、最低圧力で動作する塔からの窒素富化ガスと随
意的に混合される。補助塔は、補助塔に供給する塔と同
じ圧力で動作する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒素、酸素、およ
びアルゴンを含む混合物を低温蒸留することによって酸
素富化流体を製造する方法および装置に関する。
【０００２】本発明は、特に純粋酸素、すなわち少なく
とも９５モル％の酸素、好ましくは少なくとも９８モル
％の酸素または９９．５モル％の酸素を含む酸素を製造
することが可能な、低温蒸留による空気の分離方法およ
び装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】純粋酸素を作る必要がある場合、必然的
に酸素をアルゴンから分離しなければならない。ユニッ
トの塔がすべて２バールを上回る圧力で動作するなら
ば、蒸留は難しい。
【０００４】純粋アルゴンを製造するためには、１００
を上回る理論段を有する塔が必要である。
【０００５】特許出願EP-A-0540900には、混合塔からの
少なくとも９０％のアルゴンを含む純粋でないアルゴン
と単一塔からの残留窒素とを混合する、純粋でない酸素
を製造するプロセスが開示されている。混合塔は、低圧
塔と同じ低圧（１．７５バール以下）で動作する。
【０００６】EP-A-0384213では、１．５バールないし１
０バールで動作する低圧塔が記載されているが、アルゴ
ン塔はそれよりも低い圧力で動作する。
【０００７】US-A-4932212には、低圧塔とアルゴン塔と
が１ないし２バールの圧力で動作する例が開示されてい
る。
【０００８】EP-A-0518491には、加圧状態の気体窒素
と、二次的に液体窒素、液体アルゴン、および液体酸素
とを製造するプロセスが開示されている。このプロセス
では、低圧塔とアルゴン塔とが２．５バールを上回る実
質的に等しい圧力で動作する。気体アルゴンのフローは
全く製造されない。
【０００９】EP-A-0952415には、二重塔と、出力が最適
出力を下回る状態で動作するアルゴン塔とを備えるユニ
ットが開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的の１つ
は、空気分離ユニットからの純粋酸素の出力を増加させ
ることである。
【００１１】本発明の他の目的は、多量の加圧窒素に対
する要求に対して特に好適な空気分離ユニット（典型的
にＩＧＣＣのガスタービンと結合された例）を提供する
ことである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの主題によ
れば、低温蒸留装置による酸素富化フローの製造方法で
あって、 ａ）酸素、窒素、およびアルゴンを含む供給フローを冷
却した後、このフローを、少なくともアルゴンおよび酸
素を含むフローを分離するための補助塔と少なくとも２
つの他の塔とを備える蒸留装置へ導入する工程と、 ｂ）この供給フローを蒸留装置において低温蒸留によっ
て分離して、酸素富化流体と窒素富化流体とを製造する
工程と、 ｃ）少なくともアルゴンおよび酸素を含むフローを他の
塔の１つから補助塔へ運び、補助塔は、少なくともアル
ゴンおよび酸素を含むフローが生じる塔と実質的に同じ
２ないし１０絶対バール圧力で動作する工程と、 ｄ）少なくとも９５モル％の酸素、随意的に９８モル％
の酸素を含む酸素富化フローを、蒸留装置の塔から取り
出す工程と、 ｅ）アルゴン富化フローを補助塔から取り出す工程とを
含み、アルゴン富化フローの少なくとも一部を、本蒸留
装置および／または他の装置からの窒素富化ガスと混合
した後に、大気へ放出し、および／または可逆熱交換器
もしくは吸着床を再生するために使用し、および／また
はアルゴン富化フローの少なくとも一部を製品として用
いることを特徴とする方法が提供される。
【００１３】例えば、アルゴン富化フロー、または窒素
富化ガスと混合されたアルゴン富化フローを、ガスター
ビンの減圧装置の上流へ運んでも良い。
【００１４】アルゴン富化フローは、１０ないし９５モ
ル％のアルゴン（または４０ないし９５モル％のアルゴ
ン）、２ないし４０モル％の酸素、および２ないし４０
モル％の窒素を含んでいても良い。
【００１５】随意的に、アルゴン富化フローを全て、大
気へ放出し、および／または可逆熱交換器もしくは吸着
床を再生するために使用し、および／または本蒸留装置
および／または他の装置からの残留ガスと混合し、およ
び／またはガスタービンの減圧装置の上流へ運ぶ。
【００１６】この場合、それでも、例えばアルゴン富化
フローを補助塔から取り出すことによって、製品となる
アルゴンを発生させても良い。
【００１７】大気へ放出され、および／または可逆熱交
換器もしくは吸着床を再生するために使用され、および
／または本蒸留装置および／または他の装置からの窒素
富化ガスと混合され、および／またはガスタービンの減
圧装置の上流へ運ばれるアルゴン富化フローは、空気の
０．３ないし２％、好ましくは空気の０．５ないし１％
を構成しても良い。この理由のため、アルゴン富化フロ
ーを少なくとも９０モル％の窒素を含む窒素富化ガス
（例えば二重塔の低圧塔から生じる）と混合して、この
混合物を可逆熱交換器もしくは吸着床の再生に使用し、
および／または混合物をガスタービンへ運び、および／
または混合物をタービンで減圧することが好ましい。従
って、形成された混合物は、２モル％を下回るアルゴ
ン、好ましくは１モル％を下回るアルゴンを含む。
【００１８】低圧塔は、２ないし１０バール、好ましく
は２．５バールを上回る圧力で動作しても良い。
【００１９】例えば、蒸留装置は、少なくともアルゴン
および酸素を含むフローを分離するための補助塔と、互
いに熱的に結合された高圧塔および低圧塔を含む２つの
他の塔とを備え、補助塔は低圧塔から供給されても良
い。
【００２０】代替的に、蒸留装置は、少なくともアルゴ
ンおよび酸素を含むフローを分離するための補助塔と、
互いに熱的に結合された高圧塔、中間圧塔、および低圧
塔を含む少なくとも３つの他の塔とを備え、補助塔は低
圧塔または中間圧塔から供給されても良い。
【００２１】本発明の他の主題によれば、空気を分離し
エネルギーを発生させるための統合された方法が、請求
項１ないし１２いずれか１項記載の方法を含んで提供さ
れ、この方法においては、窒素富化ガスを、好ましくは
最低圧力で動作する塔からガスタービンへ随意的な圧縮
段階の後に運び、また酸素富化流体を随意的に蒸留装置
の塔からガス化装置へ運ぶ。
【００２２】本発明の別の主題によれば、低温蒸留によ
る酸素の製造装置であって、 ａ）補助塔と、少なくとも２つの他の塔と、 ｂ）酸素、窒素、およびアルゴンを含むフローを他の塔
の１つへ運ぶ手段と、 ｃ）酸素富化フローを他の塔の１つから取り出す手段
と、 ｄ）少なくともアルゴンおよび酸素を含むフローを他の
塔の１つから取り出す手段と、このフローを供給物とし
て補助塔へ運ぶ手段と、 ｅ）アルゴン富化流体を補助塔から取り出す手段とを備
え、補助塔は１ないし９９の理論段を備え、また本装置
には、減圧タービンと、補助塔とは別個の最低圧力で動
作する塔から減圧タービンへガスを運ぶ、圧縮手段を伴
わない手段と、アルゴン富化流体の少なくとも一部を大
気へ運ぶ手段と、および／またはアルゴン富化流体の少
なくとも一部を可逆熱交換器もしくは吸着床へ運んでこ
れらを再生するための手段と、および／またはアルゴン
富化流体の少なくとも一部を、本装置および／または他
の装置からの残留ガスと混合する手段と、および／また
はアルゴン富化流体の少なくとも一部をガスタービンへ
運ぶ手段とが設けられていることを特徴とする装置が提
供される。
【００２３】好ましくは、補助塔へ供給する塔と補助塔
との間には減圧手段が設けられていない。
【００２４】補助塔は、随意的に３０ないし４０の理論
段を備える。
【００２５】このように、補助塔が低圧塔と同じ圧力で
動作し、好ましくは２バールを上回る圧力で動作するこ
とによって、低圧塔のコレクターの酸素およびアルゴン
の分離が促進される。この場合、補助塔から取り出され
るアルゴン富化流体は必ずしも装置からの最終製品では
ないが、塔に入るフローを冷却しまたは減圧による冷却
をもたらすために用いることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明を、図面を参照してより詳
細に説明する。
【００２７】図１において、１０００Ｓｍ3／ｈの空気
フロー１が、吸着床４によって精製された後、２つに分
割される。フロー２は過圧されて高圧にされた後、熱交
換器３へ運ばれて、そこで液体酸素の気化によって冷却
される。その後ウォータータービン５へ運ばれて、そこ
から少なくとも部分的に液体の形態で出る。図１に示す
ように、この液体（または二相混合物）７は、１４ない
し１５バールで動作する高圧塔９へ運ばれ、随意的にそ
の一部が４ないし６バール（または２ないし１０バー
ル）で動作する低圧塔１１へ運ばれる。これは、液体の
一部をタンクから中間圧塔の上流へ運ぶか、または液体
空気と同様の組成を有するフローを高圧塔９から取り出
すことによって行われる。
【００２８】１４．４バールの残りの空気１３は、高圧
塔９へ運ばれる。
【００２９】ユニットは、随意的に、ブロワータービン
（スタートアップ中に使用する）または低圧窒素タービ
ン５５を備えていても良い。
【００３０】富化液体のフロー１５が、高圧塔９から取
り出されて、サブ冷却器１７へ運ばれる。その後、２つ
に分割されて、一部はバルブ２１で減圧されたのち低圧
塔１１へ運ばれ、一部はバルブ２７で減圧されたのち補
助塔２５の頂部コンデンサー２３へ運ばれる。富化液体
は、頂部コンデンサー２３で少なくとも一部が気化され
て、低圧塔１１へ運ばれる。気化が部分的である場合に
は、液体フローとガスフローとが頂部コンデンサー２３
から低圧塔１１へ運ばれる。
【００３１】随意的に、気体窒素のフロー１９を高圧塔
９の頂部から取り出しても良い。
【００３２】補助塔２５に、５ないし１５モル％のアル
ゴン、好ましくは約７モル％のアルゴンを含むガスフロ
ー２９が供給される。補助塔２５からのコレクター液体
３１が、低圧塔１１へ運ばれる。低圧塔１１は、補助塔
２５と実質的に同じ圧力で動作する。
【００３３】代替的に、補助塔２５に、５ないし１５モ
ル％のアルゴン、好ましくは約７モル％のアルゴンを含
む液体フローが供給されても良い。この場合、補助塔２
５は、高圧塔９からの空気または窒素のようなガスフロ
ーによって加熱されるコレクターリボイラーを有する。
【００３４】液体空気のフロー３３と酸素が減少した
（depleted）液体のフロー３５とは、高圧塔９から低圧
塔１１へ、サブ冷却器１７でサブ冷却されてバルブで減
圧されたのち運ばれる。
【００３５】９９．５モル％の酸素を含む液体酸素のフ
ロー３７が、低圧塔１１のコレクターから取り出され、
ポンプ３９で加圧されたのち熱交換器３で気化される。
【００３６】ユニットへ運ばれる空気の０．５ないし１
％を構成し、４０ないし９５モル％のアルゴンを含むア
ルゴン富化ガス４９が、補助塔２５の頂部から取り出さ
れて、低圧塔１１の頂部からの残留窒素４７と混合され
る。この混合物５３はサブ冷却器１７で再加熱され、次
に熱交換器３で再加熱される。混合物５３を、その後、
大気へ放出しても良く、および／または可逆熱交換器の
床４もしくは吸着床を再生するために用いても良く、お
よび／または圧縮段階の後にガスタービンの減圧装置５
１の上流へ運んでも良い。
【００３７】随意的に、予め混合物５３の一部をタービ
ン５５で減圧しても良い（図の点線）。
【００３８】１４．３バールの高圧塔と４．８バールの
低圧塔とを有するが補助塔は有さない従来のシステムと
比べて、図１のプロセスによって、酸素出力を７８％か
ら９０％へ増加させることができる。
【００３９】図２において、図１の二重塔の代わりに三
重塔が用いられている。空気フロー１が吸着床４によっ
て精製された後、２つに分割される。フロー２は過圧さ
れて高圧にされた後、熱交換器３に運ばれて、そこで液
体酸素の気化によって冷却される。その後ウォータータ
ービン５へ運ばれて、そこから少なくとも部分的に液体
の形態で出る。図２に示すように、この液体（または二
相混合物）７は、１４ないし１５バールで動作する高圧
塔９へ運ばれ、随意的にその一部が４ないし６バールで
動作する低圧塔１１へ、および／または随意的に７ない
し９バールで動作する中間圧塔４０へ運ばれる。これ
は、液体の一部をタンクから中間圧塔の上流へ運ぶか、
または液体空気と同様の組成を有するフローを高圧塔９
から取り出すことによって行われる。
【００４０】１４．４バールの残りの空気１３は、高圧
塔９へ運ばれる。
【００４１】ユニットは、随意的に、ブロワータービン
（スタートアップ中に使用する）または低圧窒素タービ
ン５５を備えていても良い。
【００４２】富化液体のフロー１５が、高圧塔９から取
り出されて、サブ冷却器７へ運ばれる。その後、２つに
分割されて、一部はバルブ２１で減圧されたのち中間圧
で動作する塔４０の中央部に運ばれ、一部はバルブ２７
で減圧されたのち補助塔２５の頂部コンデンサー２３へ
運ばれる。富化液体は頂部コンデンサー２３で少なくと
も一部が気化されて、低圧塔１１へ運ばれる。気化が部
分的である場合には、液体フローとガスフローとが頂部
コンデンサー２３から低圧塔１１へ運ばれる。
【００４３】随意的に、気体窒素のフロー１９を高圧塔
９の頂部から取り出しても良い。
【００４４】補助塔２５に、５ないし１５モル％のアル
ゴン、好ましくは約７モル％のアルゴンを含むガスフロ
ー２９の一部が供給される。補助塔２５からのコレクタ
ー液体３１が低圧塔１１へ運ばれる。低圧塔１１は、補
助塔２５と実質的に同じ圧力で動作する。
【００４５】代替的に、補助塔２５に、５ないし１５モ
ル％のアルゴン、好ましくは約７モル％のアルゴンを含
む液体フローが供給されても良い。この場合、補助塔２
５は、高圧塔９からの空気または窒素のようなガスフロ
ーによって加熱されるコレクターリボイラーを有する。
【００４６】ガスフロー２９の残りは、塔４０の底部リ
ボイラー４１を加熱するために用いられ、凝縮した後、
フロー３１とともに低圧塔１１へ運ばれる。
【００４７】塔４０からのコレクター液体４３は、一部
が低圧塔１１へ直接運ばれ、一部は塔４０の頂部コンデ
ンサー４５へ運ばれて、そこで次に低圧塔１１へ運ばれ
る前に少なくとも一部が気化される。
【００４８】塔４０からの頂部液体４７は、熱交換器１
７でサブ冷却され、減圧され、減圧されたフロー３５と
混合された後、低圧塔１１の頂部へ運ばれる。
【００４９】液体空気のフロー３３と酸素が減少した液
体のフロー３５とは、高圧塔９から低圧塔１１へ、サブ
冷却器１７でサブ冷却されてバルブで減圧されたのち運
ばれる。
【００５０】９９．５モル％の酸素を含む液体酸素のフ
ロー３７が、低圧塔１１のコレクターから取り出され、
ポンプ３９で加圧されたのち熱交換器３で気化される。
【００５１】ユニットへ運ばれる空気の０．５ないし１
％を構成し、４０ないし９５モル％のアルゴンを含むア
ルゴン富化ガス４９が、補助塔２５の頂部から取り出さ
れ、低圧塔１１の頂部からの残留窒素４７と混合され
る。この混合物５３はサブ冷却器１７で再加熱され、次
に熱交換器３で再加熱される。混合物５３を、その後、
大気へ放出しても良く、および／または可逆熱交換器も
しくは吸着床４を再生するために用いても良く、および
／または随意的な圧縮段階の後にガスタービンの減圧装
置５１の上流へ運んでも良い。
【００５２】随意的に、予め混合物５３の一部をタービ
ン５５で減圧しても良い（図の点線）。
【００５３】本発明に係るプロセスは、例えば窒素をガ
スタービンの減圧装置５１へ運ぶことによって低圧塔１
１からの窒素を回収する場合に、特に有利である。この
場合、空気１の少なくとも一部がガスタービンの圧縮器
５３から生じることができ、また蒸留ユニットによって
製造された酸素を、ガスタービン用燃料の製造に必要な
ガス化のために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二重塔を用いた本発明に係る酸素製造ユニット
を示す図。
【図２】三重塔を用いた本発明に係る酸素製造ユニット
を示す図。
【符号の説明】
１、２、１３…空気フロー ３…熱交換器 ４…吸着床 ５…ウォータータービン ９…高圧塔 １１…低圧塔 １７…サブ冷却器 １９…気体窒素のフロー ２３…コンデンサー ２５…補助塔 ３３…液体空気 ３７…液体酸素 ４０…中間圧塔 ４１…リボイラー ４７…残留窒素 ４９…アルゴン富化ガス ５１…減圧装置 ５３…圧縮器 ５５…ブロワータービン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D047 AA08 AB01 AB04 BB03 DA06 DA17 4G042 BA13

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低温蒸留装置による酸素富化フローの製
    造方法であって、 ａ）酸素、窒素、およびアルゴンを含む供給フローを冷
    却した後、このフローを、少なくともアルゴンおよび酸
    素を含むフローを分離するための補助塔と少なくとも２
    つの他の塔とを備える蒸留装置へ導入する工程と、 ｂ）この供給フローを蒸留装置において低温蒸留によっ
    て分離して、酸素富化流体と窒素富化流体とを形成する
    工程と、 ｃ）少なくともアルゴンおよび酸素を含むフローを他の
    塔の１つから補助塔へ運び、補助塔は、少なくともアル
    ゴンおよび酸素を含むフローが生じる塔と実質的に同じ
    ２ないし１０絶対バールの圧力で動作する工程と、 ｄ）少なくとも９５モル％の酸素を含む酸素富化フロー
    を、蒸留装置の塔から取り出す工程と、 ｅ）アルゴン富化フローを、補助塔から取り出す工程と
    を含み、アルゴン富化フローの少なくとも一部を、本蒸
    留装置および／または他の装置からの窒素富化ガスと混
    合した後に、大気へ放出し、および／または可逆熱交換
    器もしくは吸着床を再生するために使用し、および／ま
    たはアルゴン富化フローの少なくとも一部を製品として
    用いることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 アルゴン富化フローは、１０ないし９５
    モル％のアルゴンを含むことを特徴とする請求項１記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 アルゴン富化フローは、４０ないし９５
    モル％のアルゴンを含むことを特徴とする請求項２記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 アルゴン富化フローは、２ないし４０モ
    ル％の酸素を含むことを特徴とする請求項１または２記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 アルゴン富化フローの少なくとも一部
    を、随意的に蒸留装置からの窒素富化ガスと混合した後
    に、大気へ放出することを特徴とする請求項１ないし４
    いずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 アルゴン富化フローの少なくとも一部
    を、随意的に蒸留装置からの窒素富化ガスと混合した後
    に、可逆熱交換器または吸着床を再生するために用いる
    ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 アルゴン富化フローの少なくとも一部
    を、随意的に蒸留装置からの窒素富化ガスと混合した後
    に、ガスタービンの減圧装置の上流へ運ぶことを特徴と
    する請求項１ないし６いずれか１項記載の方法。
  8. 【請求項８】 アルゴン富化フローを全て、随意的に蒸
    留装置からの窒素富化ガスと混合した後に、大気へ放出
    し、および／または可逆熱交換器もしくは吸着床を再生
    するために使用し、および／または最終製品として用い
    ることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 アルゴン富化フローを最終製品として製
    造することを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項
    記載の方法。
  10. 【請求項１０】 アルゴン富化フローの少なくとも一部
    を、随意的に蒸留装置からの窒素富化ガスと混合した後
    に、減圧タービンまたは減圧バルブへ運ぶことを特徴と
    する請求項１ないし９いずれか１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 蒸留装置は、少なくともアルゴンおよ
    び酸素を含むフローを分離するための補助塔と、互いに
    熱的に結合された高圧塔および低圧塔を含む２つの他の
    塔とを備え、補助塔は低圧塔から供給されることを特徴
    とする請求項１ないし１０いずれか１項記載の方法。
  12. 【請求項１２】 蒸留装置は、少なくともアルゴンおよ
    び酸素を含むフローを分離するための補助塔と、互いに
    熱的に結合された高圧塔、中間圧塔、および低圧塔を含
    む少なくとも３つの他の塔とを備え、補助塔は低圧塔ま
    たは中間圧塔から供給されることを特徴とする請求項１
    ないし１０いずれか１項記載の方法。
  13. 【請求項１３】 酸素富化流体を蒸留装置の塔からガス
    化装置へ運ぶか、または蒸留装置用の空気の少なくとも
    一部がガスタービンの圧縮機から生じることを特徴とす
    る、請求項７記載の方法を含む空気を分離しエネルギー
    を発生させるための統合された方法。
  14. 【請求項１４】 低温蒸留による酸素の製造装置であっ
    て、 ａ）補助塔と、少なくとも２つの他の塔と、 ｂ）酸素、窒素、およびアルゴンを含むフローを、他の
    塔の１つへ運ぶ手段と、 ｃ）酸素富化フローを他の塔の１つから取り出す手段
    と、 ｄ）少なくともアルゴンおよび酸素を含むフローを他の
    塔の１つから取り出す手段と、このフローを供給物とし
    て補助塔へ運ぶ手段と、 ｅ）アルゴン富化流体を補助塔から取り出す手段とを備
    え、補助塔は１ないし９９の理論段を備え、また減圧タ
    ービンと、補助塔とは別個の最低圧力で動作する塔から
    減圧タービンへガスを運ぶ、圧縮手段を伴わない手段
    と、アルゴン富化流体の少なくとも一部を大気へ運ぶ手
    段と、および／またはアルゴン富化流体の少なくとも一
    部を可逆熱交換器または吸着床へ運んでこれらを再生す
    るための手段と、および／またはアルゴン富化流体の少
    なくとも一部を、本装置もしくは他の装置からの窒素富
    化ガスと混合する手段と、および／またはアルゴン富化
    流体の少なくとも一部をガスタービンへ運ぶ手段とが設
    けられていることを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 補助塔へ供給する塔と補助塔との間に
    減圧手段が設けられていないことを特徴とする請求項１
    ４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 アルゴン富化流体を全て大気へ運ぶ手
    段か、またはアルゴン富化流体を全て本装置もしくは他
    の装置からの富化ガスと混合する手段を備えることを特
    徴とする請求項１４または１５記載の装置。
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