JP3086857B2 - 寒冷の発生方法、この方法を用いた冷却サイクル並びにこの方法を用いた空気精留方法及び装置 - Google Patents

寒冷の発生方法、この方法を用いた冷却サイクル並びにこの方法を用いた空気精留方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、寒冷の発生に関し、特に空気の成分ガスの
液化及び空気精留装置に利用され、最初に高圧タ−ビン
と呼ばれる第１タ−ビンでの流体の膨張、次いで低圧タ
−ビンと呼ばれる第２タ−ビンでの前記第１タ−ビンか
ら出た流体の一部の膨張による寒冷の発生方法に関す
る。
（従来技術） この種の公知方法では、高圧タ−ビンは、いわゆる
“熱”タ−ビン、すなわち入口温度が低圧タ−ビンの入
口温度よりも高いタ−ビンであり、このようなタ−ビン
は、次のようなある種の不利益を示す。
−流入空気全量の冷却を熱タ−ビンの入口温度に限定す
るという事実は、熱交換にとつて好ましくない。
−“冷”タ−ビンは、少い流量のガスを処理し、そのと
き流体の単位流量当りより少い寒冷を発生する。このこ
とは、冷却区域ではガスを液化させるときに最大量の寒
冷が必要であることを示し、さらにまたこの冷却区域で
は、熱損失が最大ということでもある。
（発明が解決しようとする課題） 本発明は、熱交換を改善し、必要に応じたより大きな
寒冷を発生することのできる方法を提供することを目的
としている。他の目的は、このような方法を用いる冷却
サイクルを提供することである。本発明はまた、空気精
留方法及び空気精留装置への前記方法の利用も目的とし
ている。
（課題を解決するための手段） 上記第１の目的のために、本発明の方法は前記の種類
の寒冷発生方法において、高圧タ−ビンの入口温度が、
低圧タ−ビンの入口温度より明らかに低いことを特徴と
している。
他の目的である冷却サイクルは、循環流体の流れる回
路、循環圧縮器、高圧タ−ビンと呼ばれる第１タ−ビン
及び低圧タ−ビンと呼ばれる第２タ−ビンを有し、回路
は、第１の温度まで冷却後に圧縮機によつて圧縮された
循環流体の少なくとも一部を高圧タ−ビンに通過させる
手段及び高圧タ−ビンから出た流体の少なくとも一部を
低圧タ−ビンに通過させる手段を有する種類の冷却サイ
クルにおいて、高圧タ−ビンの入口温度が低圧タ−ビン
の入口温度より明らかに低いことを特徴としている。
また本発明の空気精留方法は、圧縮された空気が冷却
され、高圧タ−ビンと呼ばれる第１タ−ビンで中圧に膨
張され、こうして膨張された空気の一部は複式精留搭に
送られ、一方こうして膨張された空気の残部は、低圧タ
−ビンと呼ばれる第２タ−ビンで大気圧付近まで再び膨
張される種類の空気精留方法において、高圧タ−ビンの
入口温度が低圧タ−ビンの入口温度より明らかに低いこ
とを特徴としている。
さらに本発明による空気精留装置は、複式空気精留塔
と冷却サイクルとを有する空気精留装置において、冷却
サイクルは、循環流体が分離すべき空気である上記で定
義したようなものであつて、装置は、流入空気の一部を
空気の露点付近まで冷却し、膨張し、複式精留塔に送給
する各手段及び高圧タ−ビンから出た空気の一部を前記
複式精留塔に送給する手段を有することを特徴としてい
る。
以下に、本発明を用いた実施例を添付の図面を参照し
て述べることとする。
（実施例） 第１図に示された空気精留装置は、酸素及び窒素を液
状で製造するものである。装置は複式精留塔１を有し、
精留塔１は、絶対圧力約６バ−ルで作動する中圧塔２を
有し、大気圧よりわずかに高い圧力で作動する低圧塔３
を上にのせている。中圧塔２の頭部のガス（窒素）は、
蒸発凝縮器４によつて低圧塔３の槽部の液体（酸素）と
間接熱交換関係にある。
装置はまた、熱交換関係にある流体の向流流をもつた
熱交換ライン及び２基のタ−ビン・ブ−スタ−６、７も
有している。タ−ビン・ブ−スタ−６は、ブ−スタ−８
及び同一軸10に取りつけられた低圧の“熱”タ−ビン９
を有し、タ−ビン・ブ−スタ−７は、ブ−スタ−11及び
同一軸13に取りつけられた高圧の“冷”タ−ビン12を有
する。２基のブ−スタ−８及び11は、直列に取りつけら
れている。
約20バ−ルに圧縮され、水及びCO2を除かれた原料空
気は、第１ブ−スタ−８及び第２ブ−スタ−11で構成さ
れたセツトによつて約30バ−ルに過圧され、次いで熱交
換ライン５の管路14内で、例えばほぼ−125℃という温
度T1まで冷却される。この空気の一部、例えば約1/4
は、同じ管路14内で熱交換ラインの冷端部まで冷却され
つずけて液化され、次いで管路15を経て膨張弁16で６バ
−ルに膨張され、中圧塔２の底部に注入される。変形と
して、この液体の全部又は一部は低圧に膨張され、低圧
塔３に注入することができる。30バ−ルの空気の残部
は、管路17によつて熱交換ライン５から取出され、タ−
ビン12で６バ−ルに膨張され、それにより露点付近まで
冷却される。
タ−ビン12から出た空気の一部、例えば当初の空気流
量の約半分は、管路18を経て中圧塔２の槽部に送られ、
残部は熱交換ラインの管路19内で、管路19の冷端部から
T1より明らかに高温のT2まで加熱される。この温度T2
は、例えば大気温度と約−30℃との間にあつてもよい。
こうして加熱された空気は、管路20を経て熱交換ライ
ンから取出され、タ−ビン９で大気圧付近まで膨張され
て、それによりT1付近の温度で取出される。次いでこの
空気は、管路21を経て熱交換ラインに再導入され、管路
22内で大気温度まで加熱されて、場合によつては取入れ
空気の精製に用いられた吸着剤の再生及び／又は主圧縮
機（図示せず）から出てくる空気の冷却に利用した後
に、装置から排出される。
変形として第１図で一点鎖線で示されたように、タ−
ビン９を出た空気の全部又は一部は管路23内で熱交換ラ
インの冷端部まで冷却され、次いで低圧塔３に吹き込ま
れるか、熱交換ラインの管路24内で加熱される複式精留
塔の廃ガスを構成する不純窒素と混合されることができ
る。
装置の他の部分は公知の種類のものであり、中圧塔２
の槽部に集められたリツチ・リキツドLR（酸素富化空
気）は、低圧塔３の槽部から取出されてフィルタ−25A
で過され、低圧塔３に戻される液体酸素の気化による
過冷却器25での過冷却、次いで膨張弁26での膨張後、低
圧塔３に送られる。中圧塔２の上部から取出された窒素
で主として構成されたプア−・リキツドLRは過冷却器27
で過冷却、次いで膨張弁28での膨張後、同様に低圧塔３
へ送られる。装置は、管路29を経て低圧塔２の頭部から
採取され、過冷却器27で過冷却されて膨張弁30で大気圧
付近まで膨張され、貯槽31内に貯蔵される液体窒素、及
び管路32を経て低圧塔３の槽部から採取され、過冷却器
27で過冷却される液体酸素を製造する。液体酸素は、管
路33を経て低圧塔３の頭部から取出され、熱交換ライン
の管路24に送られる不純窒素によつて冷却される。貯槽
31内で発生する窒素ガスは、管路34を経て管路33に送ら
れる。
上に述べた２基のタ−ビンの配置によつて、過圧され
た空気の全量が、冷タ−ビンの入口温度まで、この実施
例では−125℃まで冷却される。２基のタ−ビンの公知
の逆配置と比べて、本発明の配置は、熱タ−ビンの入口
から冷タ−ビンの入口まで広がる温度範囲で、ジユ−ル
・トムソン効果によつて圧力下の空気の冷却力を増加す
る。
他方からすれば、温度℃を横座標にエンタルピ−Ｈを
縦座標にとつた第２図を参照すると、下方のカ−ブC1は
冷却及び液化の間のエンタルピ−変化を示し、上方のカ
−ブC2は加熱の間のエンタルピ−の変化を示す。この図
から、次のことが見られる。
−冷タ−ビン12は、空気の液化範囲35を囲む入口温度と
出口温度とをもつた大流量の空気を処理し、すなわち低
温での作動にもかかわらず大量の寒冷を発生し、さら
に、正確には大量の寒冷が空気の液化に必要であり、そ
の上熱損失が最大である温度範囲でこの大量の寒冷を発
生する。
−熱タ−ビン９は、小流量の空気を処理し、６バ−ルか
ら１バ−ルへの膨張を保証することによつて、前記温度
範囲の上方に位置し、そこでの冷却がタ−ビンによつて
保証される温度範囲の要部をカバ−することができる。
したがつて熱タ−ビン９は、正確には熱交換によるガス
状製品に必要な寒冷が少く、その上熱損失が少い広い温
度で少量の寒冷を発生する。
上記の考案から、第１図の装置は、液化の比エネルギ
−を低下させることがわかる。管路18によつて運ばれる
中圧空気を、不都合なしに露点付近の温度にすることが
でき、このことは複式精留塔での精留に好ましいことは
注目されるであろう。
液化の比エネルギ−に関する利点は、第３図に示され
た窒素の液化サイクルに見出される。第３図では第１図
と対応する構成要素はサフイツクスＡを付した同一参照
番号で示す。したがつて熱交換サイクル5A、低圧の熱タ
−ビン9Aと組合された第１ブ−スタ−8A、及び高圧の冷
タ−ビン12Aと組合された第２ブ−スタ−11Aが見出さ
れ、さらに前記サイクルは直列に配置された２基の循環
圧縮機36（１バ−ルを６バ−ルへ）及び37（６バ−ルを
30バ−ルへ）を有している。
圧縮機37によつて圧縮された循環窒素は、ブ−スタ−
8Aとブ−スタ−11Aのセツトによつて50バ−ルに過圧さ
れ、熱交換ラインの管路14Aに導入される。この窒素の
一部は、熱交換ラインの冷端部まで冷却をつずけ、膨張
弁16Aで中圧（６バ−ル）に膨張され、気液分離器38内
で液体と蒸気の２相に分離される。気相は、熱交換ライ
ンの管路19A内で大気温度まで加熱され、液相は、過冷
却器39内で過冷却される。この過冷却された液体の一部
は、膨張弁40で約１バ−ルに膨張され、過冷却器39内で
向流する流体で気化され、次いで熱交換ラインの管路24
A内で大気温度まで加熱される。過冷却された液体の残
部は、液体窒素製品となり、管路41を経て取出される。
高圧窒素の未液化部分は、管路17Aを経て温度T1で熱
交換ラインから取出されてタ−ビン12Aで中圧まで膨張
され、気流分離器38内に注入される。管路19Aによつて
運ばれた流量の一部は、管路20Aを経て温度T1より明ら
かに高い温度T2で熱交換ラインから取出され、管路21A
を経てT1付近の温度で管路24A内に注入される。管路42
及び43は、それぞれ管路19A及び24Aを圧縮機37及び36の
吸引側に接続される。管路44は、管路41による製品液体
窒素の流量と同じ流量の窒素ガスを圧縮機36の吸引側に
供給する。
本発明による冷却サイクルではT2とT1との温度差は、
少くともタ−ビンによる温度降下の半分と等しいのが好
ましい。
熱交換ライン５又は5Aの熱い部分は、場合によつては
アンモニア又はフロンによる補助冷却装置で約−40℃ま
で冷却してもよいことは注記すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による空気精留装置のフロ−シ−ト、
第２図は、前記装置に対応する熱交換のグラフ、第３図
は、本発明による液化サイクルのフロ−シ−トである。 1:複式精留塔、2:中圧塔、4:低圧塔、5:熱交換ライン、
6,7:タ−ビン・ブ−スタ−、8,11:ブ−スタ−、9:低圧
の熱タ−ビン、12:高圧の冷タ−ビン、16,26,28,30,40:
膨張弁、25,27,39:過冷却器、31:液体窒素貯槽、35:空
気の液化範囲、36,37:圧縮機、38:気液分離器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−110872（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−118391（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−20805（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25J 1/00 - 5/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高圧タービンと呼ばれる第１タービンの流
    体の膨張、次いで低圧タービンと呼ばれる第２タービン
    での前記第１タービンから出た流体の一部の膨張による
    寒冷の発生方法において、高圧タービンの入口温度が、
    低圧タービンの入口温度より低いことを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】ガスの液化のための方法であって、高圧タ
    ービンの入口温度と出口温度とが、ガスが液化する温度
    範囲を囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】低圧タービン（9,9A）の出口温度が高圧タ
    ービン（12,12A）の入口温度より高いことを特徴とする
    請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】圧縮された空気が冷却され、高圧タービン
    と呼ばれる第１タービン（12）で中圧に膨張され、こう
    して膨張された空気の一部が複式精留搭に送られ、一方
    こうして膨張された空気の残部が低圧タービンと呼ばれ
    る第２タービン（９）で大気圧付近まで再び膨張される
    種類の空気精留方法において、高圧タービンの入口温度
    （T1）が低圧タービンの入口温度（T2）より低いことを
    特徴とする方法。
  5. 【請求項５】低圧タービン（９）から出た空気が加熱さ
    れ、次いで分離すべき圧縮された空気の冷却、及び／又
    は前記空気の精製用吸着剤の再生に使った後に、排出さ
    れることを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】低圧タービン（９）から出た空気が、少な
    くとも部分的に冷却され、次いで複式精留搭（１）の低
    圧搭（３）内に吹き込まれることを特徴とする請求項４
    に記載の方法。
  7. 【請求項７】循環流体の流れる回路、少なくとも１基の
    循環圧縮機（36,37）、高圧タービンと呼ばれる第１タ
    ービン（12,12A）及び低圧タービンと呼ばれる第２ター
    ビン（9,9A）を有し、回路が第１の温度（T1）まで冷却
    後に圧縮機によって圧縮された循環流体の少なくとも一
    部を高圧タービンに通過させる手段、及び第２の温度
    （T2）に加熱後に高圧タービンから出た流体の少なくと
    も一部を低圧タービンに通過させる手段を有する種類の
    冷却サイクルにおいて、高圧タービンの入口の第１の温
    度（T1）が低圧タービンの入口の第２の温度（T2）より
    低いことを特徴とする冷却サイクル。
  8. 【請求項８】複式精留搭（１）及び冷却サイクルを有す
    る空気精留装置において、冷却サイクルは、循環流体が
    分離すべき空気である請求項７に記載の冷却サイクルで
    あって、装置が、流入空気の一部を空気の露点まで冷却
    する手段（５）、前記冷却された空気を膨張弁（16）で
    膨張する手段、次いで複式精留搭に供給する手段、及び
    高圧タービン（12）から出た空気の一部を前記複式精留
    搭に供給する手段（18）を有することを特徴とする装
    置。
  9. 【請求項９】低圧タービン（９）から出た空気を加熱す
    る手段（５）及び前記加熱された空気を、流入圧縮空気
    の冷却器及び／又は前記空気の吸着精製装置を通過させ
    た後に、装置から取出す手段を有することを特徴とする
    請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】低圧タービン（９）から出た空気を冷却
    する手段（23）及び複式精留搭の低圧搭（３）内に吹き
    込む手段を有することを特徴とする請求項８に記載の装
    置。
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